KR100907436B1 - 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나 - Google Patents

메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전송선로; 상기 전송선로의 양 말단에 각각 연결되는 2 개의 방사소자; 상기 전송선로와 상기 방사소자의 양 연결부에 각각 개재되어 형성되는 한쌍의 인덕터; 및 일단이 상기 전송선로와 접속되고, 타단이 접지면과 연결되는 가변 캐패시터를 포함하는 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 메타머티리얼 전송선로 동작원리에 의해 공진하는 전송선로; 상기 전송선로의 양 말단에 각각 연결되고, 헬리컬 형태로 수회 권선되어 형성되는 2 개의 방사소자; 및 상기 전송선로와 상기 방사소자의 양 연결부에 각각 개재되어 형성되는 한쌍의 인덕터를 포함하는 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 제공할 수 있다.
안테나, 메타머티리얼, 전송선로, 헬리컬

Description

메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나{Micromini antenna using meta-material}
도 1은 종래 메타머티리얼을 이용한 안테나의 측면도.
도 2는 도 1에 도시된 안테나의 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 측면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 측면도.
도 5는 본 발명의 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 정재파비를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 이득 특성을 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전송선로 110 : 방사소자
120 : 급전부 130 : 인덕터
140 : 가변 캐패시터 200 : 돌출부
210 : 접지부
본 발명은 안테나 구조에 관한 것으로 메타머티리얼 전송선로 이론을 이용하여 구현한 초소형 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 휴대용 장치 등에 사용되는 초소형 안테나는 안테나의 전기적 길이에 비해 물리적 길이가 매우 작기 때문에 원하는 주파수 대역에서 안테나를 동작시키기가 어렵다.
최근에는 안테나의 소형화를 위하여 LH(Left-Handed) 특성을 구현하는 방법들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. LH 특성은 전장과 자장 그리고 전자기파의 전파 방향이 오른손 법칙과는 반대로 왼손 법칙을 따르는 특성을 말하는 것으로서, 인공적인 메타머티리얼(metamaterial)에 대한 이론과 관련된 것이다.
메타머티리얼이란 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적인 방법으로 합성된 물질로서, 본 명세서에 있어서는 DNG(doubly negative material), 음의 굴절률(NRI; negative refractive index) 혹은 LHM(left-handed material) 등으로 표현되는 특징을 갖는 물질 또는 구조를 지칭한다. 메타머티리얼은 어떤 특정 조건 하에서 그 유효 유전율과 유효 투자율이 모두 음의 값을 가지게 되며 이에 따라 일반적인 물질과는 매우 상이한 전자파 전파 특성을 나타낸다.
이와 같은 매질 내에서는 Snell 법칙, Doppler 효과, Cerenkov 방사 등이 일 반적인 매질에서와 반전되어 나타나는 현상이 이론적으로 예측되었다. 또한 이와 같은 매질 내를 진행하는 전자파의 경우 전장, 자장, 그리고 전자 방향이 기존 매질에서의 오른손 법칙과는 반대로 왼손법칙을 따르게 됨을 보이고 이런 특성에 의해 "left handed material" 이라고 명명되었다.
마이크로파 분야에서 LH(left handed) 전파 현상의 실제적인 응용은 주로 전송선 방식의 LHM(left-handed material) 구조에 기반을 두고 있다. 이 같은 전송선 방식의 LHM은 비공진(또는 0차 공진) 구조이므로 종래의 공진 구조에 기반한 방식에 비해 대역폭과 손실 등의 측면에서 훨씬 유리하다. 또한 구조적인 측면에서도 마이크로파 분야에서 널리 사용되는 전송선 형태로 구현할 수 있어 마이크로파 회로 등에서의 실제적인 응용에도 보다 편리한 장점이 있다. 이에 따라 특히 LHM의 특성을 이용한 마이크로파 응용 연구에 있어서는 대부분 전송선 방식의 LHM 구조가 사용되고 있다.
휴대방송 서비스에 대한 관심이 증가하면서 이동통신 단말기를 이용한 T-DMB 및 DVB-H 등의 서비스가 제공되면서 상기 서비스를 제공하기 위한 단말기 안테나가 요구되고 있다. 특히 DVB-H의 경우 UHF 대역의 넓은 대역폭을 만족시키는 내장형 안테나에 대한 요구가 증가하고 있음에 따라 스위칭 또는 가변 커패시터를 이용한 광대역 안테나들이 개발 중에 있다.
이하, 도면을 참조하여 종래기술을 설명한다.
메타머티리얼을 이용하는 초소형 안테나는 본 출원인의 한국 특허출원 10-2006-0084866호 및 10-2006-0091526호에 개시된다.
도 1은 상기 출원에 설명된 메타머티리얼을 이용한 안테나의 측면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 안테나의 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 메타머티리얼을 이용한 안테나는, 전송선로(10) 및 상기 전송선로(10)의 양 말단에 형성되는 한쌍의 방사소자(11)로 구성된다. 상기 한쌍의 방사소자(11) 중 일 방사소자의 말단은 급전부(12)와 연결되어 상기 전송선로(10)와 방사소자(11)가 전체적으로 모노폴 안테나로 동작한다.
한편, 상기 전송선로(10) 상에는 각각 한쌍의 인덕터(13), 및 캐패시터(14)가 형성된다. 상기 인덕터(13)는 상기 전송선로(10)와 방사소자(11)의 양 연결부에 각각 개재되어 형성되며, 상기 캐패시터(14)는 상기 양 인덕터(13)의 사이에 형성된다. 보다 상세히, 상기 양 인덕터(13)와 접속되는 지점으로부터 상기 전송선로(10)는 양 갈래로 분기되고, 상기 각각의 전송선로(10) 경로 상에 하나씩의 캐패시터(14)가 형성된다.
상기 종래의 메타머티리얼을 이용한 안테나는 상단의 메타머티리얼 전송선로(10)에서 동작 주파수가 결정되고, 메타머티리얼 전송선로(10)의 양 끝단과 연결된 방사소자(11)에서 방사가 이루어진다. 이때 상기 두 방사소자(11)는 초소형 모노폴 안테나처럼 동작할 수 있다.
상기 메타머티리얼을 이용한 안테나의 경우 상기 방사소자(11)의 길이가 증가할수록 안테나의 이득이 향상되므로, 보다 소형의 안테나를 제작하기 위해서는 안테나의 부피를 최소화하면서 상기 방사소자(11)의 길이를 소정 길이 이상 제공할 수 있는 방안의 개발이 요구된다.
또한, 상기 종래의 메타머티리얼을 이용한 안테나의 경우 상기 각각의 전송선로(10) 경로 상에 하나씩의 캐패시터(14)를 교체하지 않는 한 캐패시턴스를 조정할 수 없어 공진 주파수를 조정하는데 불편이 따른다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 상기 안테나의 이득에 가장 큰 영향을 미치는 방사소자의 길이를 최소의 부피에서 최대한 확장 가능한 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 안테나의 소형화를 통해 실장 공간을 확보하고, 인체 영향을 줄임으로써 실환경에서의 활용도를 높일 수 있는 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적으로 달성하기 위한 본 발명은, 전송선로; 상기 전송선로의 양 말단에 각각 연결되는 2 개의 방사소자; 상기 전송선로와 상기 방사소자의 양 연결부에 각각 개재되어 형성되는 한쌍의 인덕터; 및 일단이 상기 전송선로와 접속되고, 타단이 접지면과 연결되는 가변 캐패시터를 포함하는 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 전송선로; 상기 전송선로의 양 말단에 각각 연결되고, 헬리컬 형태로 수회 권선되어 형성되는 2 개의 방사소자; 및 상기 전송선로와 상기 방 사소자의 양 연결부에 각각 개재되어 형성되는 한쌍의 인덕터를 포함하는 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 안테나를 포함하는 통신장치를 제공할 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
하기 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 가변 캐패시터가 전송선로로부터 분기된 돌출부와 접지면으로부터 분기된 접지부 사이에 형성됨을 예시하고 있으나, 비단 이에 한정되지 않고 상기 가변 캐패시터는 상기 전송선로와 접지면 사이에 분기와 같은 별도의 형태 제한 없이 당업자에 자명한 범위 내에서 다양하게 형성가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 측면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나는, 전송선로(100) 및 상기 전송선로(100)의 양 말단에 형성되는 한쌍의 방사소자(110)를 포함한다. 상기 한쌍의 방사소자(110) 중 일 방사소자의 말단은 급전부(120)와 연결되어 상기 전송선로(100)와 상기 방사소자(110)가 전체적으로 모노폴 안테나로 동작한다.
한편, 상기 전송선로(100)의 양 말단에는 각각 한쌍의 인덕터(130)가 형성된다. 상기 인덕터(130)는 상기 전송선로(100)와 방사소자(110)의 양 연결부에 각각 개재되어 형성된다. 또한, 상기 전송선로(100)에는 소정부로부터 분기되어 접지면 쪽으로 연장되는 돌출부(200)가 형성되며, 상기 돌출부(200)의 끝단에는 가변 캐패시터(140)의 일단이 연결된다. 상기 가변 캐패시터(140)의 타단은 접지부(210)와 연결되어 접지면과 단락된다. 또한, 상기 가변 캐패시터(140)를 제어하기 위한 바이어스 회로가 추가적으로 형성된다.
상기 본 발명의 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나는 상단의 메타머티리얼 전송선로(100)에서 동작 주파수가 결정되고, 메타머티리얼 전송선로(100)의 양 끝단과 연결된 방사소자(110)에서 방사가 이루어진다. 이때 상기 두 방사소자(110)는 초소형 모노폴 안테나처럼 동작할 수 있다.
상기 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 공진 주파수는 양 인덕터(130)와 상기 양 인덕터(130) 사이의 전송선로(100)와 접지면 간의 등가 커패시터 값으로 결정된다. 상기 양 인덕터(130)와 전송선로(100)의 조합을 공진부라 할 때, 상기 공진부는 안테나의 에너지 방사에 큰 영향을 미치지 않으며, 방사는 양 끝단의 소형 모노폴 구조의 방사소자(110)에서 이루어진다. 본 발명의 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 이용하면, 전송선로(100)와 접지면 간의 등가 커패시터 값을 증가시켜 안테나를 소형화시킬 수 있고, 가변 커패시터(140)의 값을 조정함으로 주파수를 조정할 수 있다. 또한, 안테나의 공진부와 방사소자(110)가 나누어져 있기 때문에 외부 영향에 둔감하고, 특히 인체 영향을 최소화할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 측면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나는, 전송선로(100) 및 상기 전송선로(100)의 양 말단에 형성되는 한쌍의 헬리컬 형태의 방사소자(110)로 구성된다. 상기 한쌍의 헬리컬 형태의 방사소자(110) 중 일 헬리컬 방사소자(110)의 말단은 급전부(120)와 연결되어, 상기 전송선로(100)와 헬리컬 방사소자(110)가 전체적으로 모노폴 안테나로 동작할 수 있다. 상기 전송선로(100)는 메타머티리얼 전송선로 동작원리에 의해 0차 공진 회로를 구성하여 제 1 주파수 대역 공진 회로를 구성하며, 상기 헬리컬 방사소자(110)는 상기 전송선로(100)의 양 말단에 연결되며, 헬리컬 형상으로 형성되어 제 2 주파수 대역에서 공진한다.
한편, 상기 전송선로(100) 상에는 각각 한쌍의 인덕터(130), 및 캐패시터(140)가 형성된다. 상기 인덕터(130)는 상기 전송선로(100)와 헬리컬 방사소자(110)의 양 연결부에 각각 개재되어 형성된다. 또한, 상기 전송선로(100)에는 소정부로부터 분기되어 접지면 쪽으로 연장되는 돌출부(200)가 형성되며, 상기 돌출부(200)의 끝단에는 가변 캐패시터(140)의 일단이 연결된다. 상기 가변 캐패시터(140)의 타단은 접지부(210)와 연결되어 접지면과 단락된다. 또한, 상기 가변 캐 패시터(140)를 제어하기 위한 바이어스 회로가 추가적으로 형성된다.
보다 상세히, 상기 전송선로(100)의 양단에는 보다 높은 이득을 얻기 위하여 도전성의 헬리컬 형태의 방사소자(110)가 형성된다. 상기 헬리컬 방사소자(110)는 상기 안테나의 크기를 보다 소형화하기 위하여 수회 꼬여 형성되며, 설계된 안테나의 탑재 공간에 따라 그 정도는 조정될 수 있다. 상기 초소형 안테나의 경우 방사소자(110)의 길이가 안테나의 이득에 가장 큰 영향을 미치므로, 상기 헬리컬 방사소자(110)를 이용하여 이득이 보다 높은 소형의 안테나 제작이 가능해진다.
도 5는 본 발명의 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 정재파비를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나의 이득 특성을 도시한 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나는 상기 가변 캐패시터(140)의 캐패시턴스를 조절하여 공진 주파수를 보다 용이하게 조정할 수 있다. 또한, 상기 공진 주파수의 조정을 통하여 주파수 대역에 따른 이득 역시 보다 용이하게 조정할 수 있다.
보다 상세히, 도 5를 참조하면, 좌측 약 0.3V 정도의 공진 주파수 대역이 우측 약 2.7V 대역으로 이동함을 알 수 있으며, 도 6을 참조하면, 공진 주파수가 0.3V 대역에서 2.7V 대역으로 이동함에 따라 -5dBi 에서 -10dBi 사이에 머물던 이득이 0dBi 에서 5dBi 사이로 증가함을 알 수 있다.
상기 공진 주파수에서의 안테나 이득은 상기 헬리컬 형태의 방사소자(110)의 꼬임 횟수에 따라 달라질 수 있으며, 방사소자(110)를 헬리컬 구조로 대체함으로써 안테나의 이득을 더욱 향상시킬 수 있다. 보다 상세히, 상기 헬리컬 형태의 방사소자(110)의 권선수에 따라 방사소자의 전기적 길이는 유지하면서, 방사소자의 높이는 보다 줄일 수 있으며, 이득을 향상시킬 수 있다. 즉, 공진 주파수가 메타머티리얼 전송선로(100)에 의해 결정되기 때문에 턴 수를 증가시켜, 방사소자의 전기적 길이를 동일하게 유지하면서, 상기 방사소자(110)를 헬리컬 구조로 대체하여도 동작 주파수에는 큰 영향을 미치지 않으며, 헬리컬을 이용할 경우보다 낮은 높이의 방사소자(110)를 통해서도 동등 이상의 안테나 이득을 얻을 수 있기 때문에 안테나의 소형화에 유리하다.
한편, 본 발명에 따른 안테나에서의 저주파 대역 공진 주파수(f1)는 메타머티리얼 전송선로(100)의 구조에 의해서만 형성되며, 헬리컬 방사소자(110)의 길이와는 무관하기 때문에, 안테나의 물리적인 길이에 상관없이 원하는 주파수 대역에서 공진할 수 있는 초소형 안테나를 구현할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 상기 안테나의 이득에 가장 큰 영향을 미치는 방사소자의 길이를 최소의 부피에서 최대한 확장 가능한 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 제공한다.
또한, 본 발명은 안테나의 소형화를 통해 실장 공간을 확보하고, 인체 영향을 줄임으로써 실환경에서의 활용도를 높일 수 있는 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나를 제공한다.

Claims (3)

  1. 메타머티리얼 전송선로;
    상기 전송선로의 양 말단에 각각 연결되는 2 개의 방사소자;
    상기 전송선로와 상기 방사소자의 양 연결부에 각각 개재되어 형성되는 한쌍의 인덕터; 및
    일단이 상기 전송선로와 접속되고, 타단이 접지면과 연결되는 가변 캐패시터를 포함하는 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나.
  2. 메타머티리얼 전송선로;
    상기 전송선로의 양 말단에 각각 연결되고, 헬리컬 형태로 수회 권선되어 형성되는 2 개의 방사소자;
    상기 전송선로와 상기 방사소자의 양 연결부에 각각 개재되어 형성되는 한쌍의 인덕터; 및
    일단이 상기 전송선로와 접속되고, 타단이 접지면과 연결되는 가변 캐패시터를 포함하는 메타머티리얼을 이용한 초소형 안테나.
  3. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항의 안테나를 포함하는 통신장치.
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