KR101112424B1 - Crlh-tl 메타 재질 안테나 - Google Patents
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Abstract
접지면에 나선(spiral) 형태의 나선 부하(spiral loading)로 구현되어 CRLH-TL(Composite Right and Left Handed Transmission Line) 구조의 리액턴스 성분이 조절됨에 따라 공진 주파수가 감소되는 안테나를 제공한다.
접지면, spiral loading, CRLH-TH Metamaterial, 안테나
Description
본 발명은 CRLH-TL(Composite Right and Left Handed Transmission Line) 메타 재질 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 접지면의 나선 부하(spiral loading)를 이용하여 소형화된 CRLH-TL 메타 재질 안테나에 관한 것이다.
최근 전자파 응용 분야에서 관심의 대상이 되고 있는 메타 재질 구조는 일반 전자기 이론에서 언급하지 않았던 특이한 현상을 보이며, 분산 특성에서 군속도와 위상속도가 다른 부호를 가져 오른손 진행 법칙이 아닌 왼손 진행 법칙으로 전자 진행이 설명된다. 예를 들어, 자유 공간에서 메타 재질로 전자파가 진행할 때 투과파의 횡 방향 성분이 입사파의 것과 반대가 되며, 오른손 진행 법칙의 선로(RH-TL)와 왼손 진행 법칙의 선로(LH-TH)를 결합할 경우, 통과 및 차단 대역이 종래의 RHTL만의 것과 다르게 형성된다.
본 발명은 접지면의 나선 부하를 이용하여 소형화된 CRLH-TL 메타 재질 안테나를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 나선(spiral) 형태의 슬롯에 따라 접지면에 형성된 나선 부하(spiral loading) 가 비어(via)를 통해 전기적으로 패치와 연결되고, 상기 패치와 급전 선로가 전자기적으로 연결되어 구현되는 CRLH-TL(Composite Right and Left Handed Transmission Line) 구조를 포함한다.
본 발명에 따르면, 접지면에 나선 형태의 나선 부하로 구현되어 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분이 조절됨에 따라 낮은 공진 주파수를 얻음으로써 소형화된 안테나를 제공할 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 CRLH-TL 메타 재질 안테나를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 CRLH-TL 구조의 등가 회로 및 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, CRLH-TL 구조의 등가 회로(100)는 직렬 인덕터(LR), 병렬 캐패시터(CR), 병렬 인덕터(LL), 직렬 캐패시터(CL)로 구성되며, 단위 셀(Unit cell, 110)을 포함한다. 여기서, 직렬 인덕터(LR), 병렬 캐패시터(CR)은 일반적인 구조의 회로를 등가화하기 위해 나타낸 것이다. 또한 병렬 인덕터(LL), 직렬 캐패 시터(CL)은 CRLH-TL 구조의 회로를 등가화하기 위해 첨가된 것이다.
본 발명에 따른 안테나에 응용되는 메타 재질(Metamaterial)은 CRLH-TL 구조가 대표적인데 이 구조는 공진 모드가 종래 안테나에서 나타나는 양의 차수(+)뿐만 아니라 음의 차수(-) 공진 모드를 가진다.
CRLH-TL 구조의 공진 모드 중에는 전파 상수가 '0'이 되는 0차 공진 모드가 있다. 이러한 0차 공진 모드에서는 파장이 무한대가 되고, 전파 전송에 따른 위상 지연이 발생되지 않는다. 0차 공진 모드의 공진 주파수는 CRLH-TL을 구성하는 리액턴스 성분들이 결정을 하므로 안테나의 길이에 의존하지 않아 안테나의 소형화에 유리하다.
본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 접지면에 나선(spiral) 형태의 부하(loading)를 구현하여 리액턴스 성분을 조절함에 따라 낮은 공진 주파수를 얻음으로써 소형화될 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 0차 공진 주파수는 리액턴스 성분들에 의하여 결정되므로 본 발명에 따른 안테나에서 나선 부하(spiral loading)는 병렬 인덕터(LL)를 증가시키는 역할을 하여 0차 공진 주파수를 낮출 수 있게 된다.
도 2는 CRLH-TL 구조의 회로에 따른 전파 상수-주파수 그래프를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 구조를 이용한 안테나는 RH 영역(Right Hand region)과 LH 영역(Left Hand region)에 따라 공진 주파수 가 달라지며, 양의 차수(+)뿐만 아니라 0차, 음의 차수(-) 공진 주파수를 얻을 수 있음을 파악할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 단위 셀로 구현된 CTLH-TL 안테나를 층별로 분리하여 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CTLH-TL 안테나(300)는 2개의 단위 셀로 구현된다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 CTLH-TL 안테나(300)는 중간에 유전율이 2.2이고, 크기가 55mm×55mm×1.5mm인 유전체 기판이 위치하고, 상층(311)에는 너비 8mm인 급전 선로(351) 및 크기가 12.4mm×25mm인 2개의 패치(321, 322)가 위치할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 CTLH-TL 안테나(300)에서 패치(321, 322)의 간격은 0.2mm이고, 하층(312)에는 폭 0.2mm, 간격 0.2mm인 나선 형태의 슬롯이 구현된 접지면이 위치할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 CTLH-TL 안테나(300)는 상층의 패치(321, 322)와 하층의 나선 부하(341, 342)는 반경 0.2mm인 비어(via)(331, 332)를 통하여 연결될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 CTLH-TL 안테나(300)는 나선 형태의 슬롯에 따라 나선 부하가 구현된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 단위 셀로 구현된 CTLH-TL 안테나를 위에서 본 도면으로 패치와 급전 선로를 나타내고, 도 5는 본 발명의 일실시예 에 따른 2개의 단위 셀로 구현된 CTLH-TL 안테나를 아래에서 본 도면으로 나선 형태의 슬롯에 따라 나선 부하가 도시된다.
도 6은 두 셀의 나선 부하가 모두 시계 방향으로 구현된 경우에 대한 나선의 턴 수에 따른 반사 손실을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 2개의 단위 셀의 나선 부하가 모두 시계 방향으로 같은 방향으로 구현된 경우로서 각각에 대하여 나선의 턴 수가 증가함에 따라 -1차 공진 주파수와 0차 공진 주파수가 하향하는 것을 파악할 수 있다.
도 7은 도 6에서 나선 턴 수가 3인 경우에 대한 0차 공진 주파수의 이득 분포 또는 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 도 6에 도시된 것과 같이 단위 셀의 나선 부하에서 나선 턴 수가 3인 경우 0차 공진 주파수에 대한 최대 이득은 0.03dBi일 수 있다.
도 8은 두 셀의 나선 부하가 서로 마주 보는 방향으로 구현된 경우에 대해 나선의 턴 수에 따른 반사 손실을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 2개의 첫 번째 셀의 나선 부하는 시계 방향으로, 두 번째 셀의 나선 부하는 반시계 방향으로 서로 마주 보는 방향으로 구현된 경우로서 각각에 대해여 턴 수가 증가함에 따라 -1차 공진 주파수와 0차 공진 주파수가 하향하는 것을 파악할 수 있다.
도 9는 도 8에서 나선의 턴 수가 3인 경우에 대한 0차 공진 주파수의 이득 분포 또는 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 도 8에 도시된 것과 같은 단위 셀의 나선 부하에서 나선 턴 수가 3인 경우 0차 공진 주파수에 대한 최대 이득은 -1.75dBi일 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 단위 셀의 수, 패치 크기, 비어(via) 크기, 유전체 기판의 크기, 나선 부하의 폭과 간격 및 방향과 턴 수, 급전 위치 및 방법 등의 변화에 따라 사용자가 원하는 안테나 성능을 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 접지면에 나선 형태의 부하를 구현하여 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분을 조절함에 따라 안테나의 길이에 의존하지 않는 낮은 0차 공진 주파수 또는 음의 차수 공진 주파수를 얻음으로써 안테나 소형화를 이룰 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 CRLH-TL 구조의 등가 회로 및 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 2는 CRLH-TL 구조의 회로에 따른 전파 상수-주파수 그래프를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 단위 셀로 구현된 CTLH-TL 안테나를 층별로 분리하여 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 단위 셀로 구현된 CTLH-TL 안테나를 위에서 본 도면으로 패치와 급전 선로를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 단위 셀로 구현된 CTLH-TL 안테나를 아래에서 본 도면으로 나선 형태의 스롯에 따라 나선 부하가 도시된다.
도 6은 두 셀의 나선 부하가 모두 시계 방향으로 구현된 경우에 대한 나선 턴 수에 따른 반사 손실을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에서 나선 턴 수가 3인 경우에 대한 0차 공진 주파수의 이득 분포 또는 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 8은 두 셀의 나선 부하가 서로 마주 보는 방향으로 구현된 경우에 대해 나선 턴 수에 따른 반사 손실을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8에서 나선 턴 수가 3인 경우에 대한 0차 공진 주파수의 이득 분포 또는 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
Claims (8)
- 나선(spiral) 형태의 슬롯에 따라 접지면에 형성된 나선 부하(spiral loading) 가 비어(via)를 통해 전기적으로 패치와 연결되고, 상기 패치와 급전 선로가 전자기적으로 연결되어 구현되는 CRLH-TL(Composite Right and Left Handed Transmission Line) 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 나선 부하에서, 나선의 턴 수가 증가함에 따라 공진 주파수가 감소되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제2항에 있어서,상기 공진 주파수는, 0차 공진 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 CRLH-TL 구조는, 2개의 비어, 2개의 패치 및 2개의 나선 부하를 포함하는 경우, 상기 2개의 비어를 통해 상기 2개의 나선 부하가 각각 상기 2개의 패치와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제4항에 있어서,상기 2 개의 나선 부하의 나선 방향이 모두 시계 방향으로 동일하게 구현된 경우, 상기 나선 부하의 나선의 턴 수가 증가함에 따라 -1차 공진 주파수 및 0차 공진 주파수가 감소되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제4항에 있어서,상기 2개의 나선 부하의 나선 방향이 각각 시계 방향과 반시계 방향으로 서로 마주 보는 방향으로 구현된 경우, 상기 나선 부하의 나선 턴의 수가 증가함에 따라 -1차 공진 주파수 및 0차 공진 주파수가 감소되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제1항에 있어서,상기 나선 부하의 수, 상기 패치의 크기, 상기 비어 크기, 상면에 상기 패치가 부착되고 하면에 상기 접지면이 부착되는 유전체 기판의 크기, 상기 나선 부하의 폭, 상기 나선 부하의 간격, 상기 나선 부하의 나선 방향, 상기 급전 선로가 상기 패치와 전자기적으로 연결되는 방향에 따라 성능이 조정되는 것을 특징으로 하는 안테나.
- 제7항에 있어서,상기 CRLH-TL 구조는, 2개의 비어, 2개의 패치 및 2개의 나선 부하를 포함하는 경우, 상기 유전체 기판의 상면에 급전 선로 및 상기 2개의 패치가 부착되고, 하면에 상기 접지면이 부착되며, 상기 접지면에 형성된 상기 2개의 나선 부하와 상기 2개의 패치가 상기 2개의 비어(via)를 통해 각각 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
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