KR101118038B1 - 다중 대역 및 광대역 안테나 및 이를 포함하는 통신 장치 - Google Patents

다중 대역 및 광대역 안테나 및 이를 포함하는 통신 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 대역 및 광대역 안테나 및 이를 포함하는 통신 장치에 관한 것이다.
본 발명은 캐리어의 일부에 형성되는 급전선 및 상기 캐리어에 형성되고 상기 급전선에 의해 급전되며, CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 구조를 가지는 두 개 이상의 메타머티리얼 셀을 포함하되, 상기 두 개 이상의 메타머티리얼 셀은 상기 급전선에 의해 급전되어 제 1 주파수 대역에서 공진하는 제 1 메타머티리얼 셀 및 상기 급전선에 의해 급전되어 상기 제 1 주파수 대역과 상이한 주파수 대역인 제 2 주파수 대역에서 공진하는 제 2 메타머티리얼 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나를 제공한다.
본 발명에 의하면, 두 개 이상의 메타머티리얼 셀을 구성하고, 이러한 두 개 이상의 메타머티리얼 셀의 인덕턴스 성분 및 커패시턴스 성분 중 하나 이상을 조정함으로써 안테나의 길이에 의존하지 않는 다중 대역 및 광대역 안테나를 구현할 수 있는 효과가 있다.
메타머티리얼, 다중 대역, 광대역, 안테나, 0차 공진

Description

다중 대역 및 광대역 안테나 및 이를 포함하는 통신 장치{MULTIBAND AND BROADBAND ANTENNA USING METAMATERIAL AND COMMUNICATION APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 다중 대역 및 광대역 안테나 및 이를 포함하는 통신 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 메타머티리얼의 특성을 이용하여 안테나 크기를 더욱 소형화함과 동시에 공진 주파수 조절이 용이하며, 다중 대역 및 광대역화를 달성할 수 있도록 하는 안테나 및 이를 포함하는 통신장치에 관한 것이다.
안테나는 전자기파를 송신 또는 수신하기 위한 무선 통신 장치의 필수 구성 요소로서, 특정 주파수의 전자기파에 대해 공진하여 그 주파수의 전자기파를 송신 또는 수신하도록 구성된다. 여기서, 공진(Resonance)이란, 일반적으로 특정 주파수에서 회로의 임피던스가 허수가 됨을 의미하며, 실제적으로는 특정 주파수에서 회로의 반사계수인 S11 파라미터가 급격히 증가하는 현상을 지칭한다.
한편, 종래의 안테나는 1차 모드의 공진 구조를 가진다. 즉, 종래의 안테나는 희망 주파수에 대응하는 파장 λ에 대해 λ/2의 전기적 길이를 갖고 일단이 개방(Open)되거나 단락(Short)된 도선(전송 선로)으로 구성된다. 이에 의해, 도선을 따라 도파되는 전자기파는 도선 내에서 정상파(Standing Wave)를 형성하고, 공진이 발생하게 된다. 이러한 1차 모드 공진 구조를 갖는 안테나는 안테나의 전기적 길이가 전적으로 공진 주파수에 의존하여 결정되므로, 안테나의 크기가 공진 주파수에 따라 변화하고 특히, 희망 공진 주파수가 낮아질수록 안테나가 커지는 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해, 안테나의 접지면 위에 형성하여 λ/4의 전기적 길이를 갖는 모노폴 안테나가 제안되었고, 모노폴 안테나의 크기를 더욱 줄이기 위해 헬릭스(Helix) 형태, 미앤더(Meander) 형태 등 복잡한 형상을 갖는 안테나가 제안되었다.
하지만, 위와 같이 제안된 형태의 안테나들 역시 공진 주파수에 의존하여 그 크기가 결정되는 한계를 여전히 벗어나지 못하였으며, 안테나가 소형화될수록 좁은 공간에 고정된 길이의 안테나를 형성하기 위해 그 형태가 더욱 복잡해지는 문제가 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해, 안테나를 접지면 위에 형성하여 λ/4의 전기적 길이를 갖는 모노폴 안테나가 제안되었고, 모노폴 안테나의 크기를 더욱 줄이기 위해 헬릭스 (helix) 형태, 미앤더 (meander) 형태 등 복잡한 형상을 갖는 안테나가 제안되었다. 그러나 제안된 안테나들 역시 여전히 공진 주파수에 의존하여 크기가 결정되는 한계를 벗어나지 못하였으며, 안테나가 소형화될수록 좁은 공간에 λ/4의 전기적 길이로 고정된 길이의 안테나를 형성하기 위해 그 형태가 더욱 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 안테나의 형태가 복잡해 질수록 형성된 도선 사이의 커플 링에 의한 영향이 증가하는 등 안테나의 성능을 유지하는데도 어려움이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 고유전율의 유전체를 부가하여 안테나의 유효 전기적 길이를 증가시키는 방안이 제안되었으나, 이는 유전체 제조 및 부가를 위한 추가적 비용을 요구하므로 바람직하지 못하다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 메타머티리얼의 특성을 이용한 두 개 이상의 메타머티리얼 셀을 포함하는 다중 대역 및 광대역 안테나로서 더욱 소형화되고, 공진 주파수의 조절이 용이한 안테나 및 이를 포함하는 통신장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 캐리어의 일부에 형성되는 급전선 및 상기 캐리어에 형성되고 상기 급전선에 의해 급전되며, CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 구조를 가지는 두 개 이상의 메타머티리얼 셀을 포함하되, 상기 두 개 이상의 메타머티리얼 셀은 상기 급전선에 의해 급전되어 제 1 주파수 대역에서 공진하는 제 1 메타머티리얼 셀 및 상기 급전선에 의해 급전되어 상기 제 1 주파수 대역과 상이한 주파수 대역인 제 2 주파수 대역에서 공진하는 제 2 메타머티리얼 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나를 제공한다.
삭제
상기 제 1 메타머티리얼 셀은 상기 급전선의 일측과 제 1 간격만큼 이격되어 안테나 방사체로서 기능하는 제 1 방사 패치 및 상기 제 1 방사 패치의 일측에 일단이 연결되고, 타단이 상기 다중 대역 및 광대역 안테나가 실장되는 기판상의 접지면과 연결된 제 1 스터브를 포함하고, 상기 제 2 메타머티리얼 셀은 상기 급전선의 타측과 제 2 간격만큼 이격되어 안테나 방사체로서 기능하는 제 2 방사 패치 및 상기 제 2 방사 패치의 일측에 일단이 연결되고, 타단이 상기 접지면과 연결된 제 2 스터브를 포함할 수 있다.
상기 제 1 메타머티리얼 셀은 상기 제 1 방사 패치의 일단에 연결되는 제 1 개방 스터브를 추가로 포함하되, 상기 제 1 개방 스터브는 상기 급전선의 일측과 상기 제 1 간격만큼 이격되는 것이 바람직하다.
상기 제 2 메타머티리얼 셀은 상기 제 2 방사 패치의 일단에 연결되는 제 2 개방 스터브를 추가로 포함하되, 상기 제 2 개방 스터브는 상기 급전선의 타측과 상기 제 2 간격만큼 이격되는 것이 바람직하다.
상기 급전선과 상기 접지면 사이, 상기 제 1 스터브와 상기 접지면 사이 및 상기 제 2 스터브와 상기 접지면 사이 중 하나 이상에 로드 인덕터를 추가로 삽입할 수 있다.
상기 다중 대역 및 광대역 안테나는 상기 제 1 메타머티리얼 셀의 0차 공진 및 상기 제 2 메타머티리얼 셀의 1차 공진이 합성되어 광대역 특성을 나타낼 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 다중 대역 및 광대역 안테나를 포함하는 통신장치가 제공될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 두 개 이상의 메타머티리얼 셀을 구성하고, 이러한 두 개 이상의 메타머티리얼 셀의 인덕턴스 성분 및 커패시턴스 성분 중 하나 이상을 조정함으로써 안테나의 길이에 의존하지 않는 다중 대역 및 광대역 안테나를 구현할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 안테나의 소형화를 이룰 수 있음과 동시에 다중 대역을 갖으며 그 대역폭이 넓은 안테나 및 이를 포함하는 통신장치가 얻어질 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 및 광대역 안테나를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 다중대역 및 광대역 안테나(100)는 캐리어(110), 급전선(120), 제 1 메타머티리얼 셀(Cell)(130) 및 제 2 메타머티리얼(140)을 포함한다.
본 발명에서 메타머티리얼이란 자연에서 일반적으로 찾을 수 없는 특수한 전자기적 특성을 갖도록 인공적으로 설계된 물질 또는 전자기적 구조를 의미하는 것으로서, 본 기술 분야에서 일반적으로, 그리고 본 명세서에 있어서 메타머티리얼이라 함은 유전율(Permittivity)과 투자율(Permeability)이 모두 음수인 물질 또는 그러한 전자기적 구조를 의미한다.
이러한 물질(또는 구조)는 두 개의 음수 파라미터를 가진다는 의미에서 더블 네거티브(Double Negative; DGN) 물질이라 불리기도 한다. 또한, 메타머티리얼은 음의 유전율 및 투자율에 의하여 음의 반사계수를 가지며, 그에 따라 NRI(Negative Refractive Index) 물질이라고도 불린다. 메타머티리얼은 1967년 소련의 물리학자 베젤라고(V.Veselago)에 의해 처음 연구되었으나, 그 후 30여 년이 지난 최근에 구체적 구현 방법이 연구되어 응용이 시도되고 있다.
위와 같은 특성에 의하여, 메타머티리얼 내에서 전자기파는 플레밍의 오른손 법칙을 따르지 않고 왼손 법칙에 의해 전달된다. 즉, 전자기파의 위상 전파 방향(위상 속도(phase velocity) 방향)과 에너지 전파 방향(군 속도(group velocity) 방향)이 반대가 되어, 메타머티리얼을 통과하는 신호는 음의 위상 지연을 갖게 된다. 이에 따라, 메타머티리얼을 LHM(Left-handed Material)이라고도 한다. 또한, 메타머티리얼에서는 β(위상 상수)와 ω(주파수)의 관계가 비선형일 뿐만 아니라, 그 특성 곡선이 좌표 평면의 좌반면에도 존재하는 특성을 보인다. 이러한 비선형 특성에 의하여 메타머티리얼에서는 주파수에 따른 위상차가 작아 광대역 회로의 구현이 가능하며, 위상 변화가 전송 선로의 길이에 비례하지 않으므로 소형의 회로를 구현할 수 있다.
또한, 이러한 메타머티리얼 구조는 직렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스를 포함하는 것이 일반적이며, 이를 도 3을 참조하여 설명한다. 일반적인 전송 선로는 전송 선로 자체에 의한 직렬 인덕턴스(LR)와 전송 선로와 접지면 사이에서 유도되는 병렬 커패시턴스(CR)를 포함하는 T 네트워크로 등가화된다. 반면, 메타머티리얼 구조는, 일반적 전송선로 구조 대신, 또는 일반적 전송 선로 구조에 추가하여 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)를 포함한다.
이러한 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)를 통해, 메타머티리얼의 LH(Left-handed) 특성이 회로에 도입되고, 0차 공진이 발생하게 된다. 이러한 0차 공진은 종래의 안테나에서 일어나는 공진(즉, 1차 공진)과는 상이한 메커니즘을 가지며 그 공진 주파수가 커패시턴스(CR, CL)와 인덕턴스(LR, LL)의 값에 의해 결정된다. 그러므로 공진 주파수는 안테나의 전기적 길이와 상관없이 자유롭게 결정될 수 있으며, 안테나를 대형화하지 않고도 저주파 대역에서 공진을 발생시킬 수 있게 된다.
본 발명의 다중 대역 및 광대역 안테나는 도 1에 도시되는 바와 같이, 상기와 같은 메타머티리얼, 즉 CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 구조를 이용한 두 개 이상의 메타머티리얼 셀을 포함할 수 있다. 여기서, 메타머티리얼 셀의 개수는 두 개 이상이면 어떠한 수로도 구성가능하나, 이하에서는 설명의 편의를 위해 메타머티리얼 셀의 개수가 두 개인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1에서 이러한 메타머티리얼 셀을 각각 제 1 메타머티리얼 셀(130)과 제 2 메타머티리얼 셀(120)로 지칭하기로 한다. 여기서, 제 1 메타머티리얼 셀(130)과 제 2 메타머티리얼 셀(120)은 모두 메타머티리얼을 이용한 0차 공진기(Zeroth Order Resonator)일 수 있다.
캐리어(110)는 소정의 유전율(ρ을 갖는 유전 물질일 수 있으며, 일례로서, 유전율이 약 4.5인 FR4(Flame Retardant Type4)이 상기 캐리어(110)로서 이용될 수 있다.
본 발명에서 캐리어(110)는 직육면체인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
급전선(120)은 캐리어(110)의 일부분에 형성되고, 기판상에 형성된 급전부(미도시)와 접속하여 하나 이상의 메타머티리얼 셀, 즉 제 1 메타머티리얼 셀(130) 및 제 2 메타머티리얼(140)에 급전한다.
더욱 자세히 설명하면, 급전선(120)은 캐리어(110)의 양 측면 및 상면 중 2면 이상, 즉 캐리어(110)의 적어도 2면에 형성되고, 하나 이상의 메타머티리얼 셀과 일정 간격 이격된 상태에서 하나 이상의 메타머티리얼 셀과 전자기적으로 연결되어 커플링 급전한다.
하나 이상의 메타머티리얼 셀은 캐리어(110)에 형성되고, 급전선(120)에 의해 급전되며, CRLH-TL 구조를 가진다.
더욱 자세히 설명하면, 제 1 메타머티리얼 셀(130)은 급전선(120)에 의해 급전되어 제 1 주파수 대역에서 공진하고, 제 2 메타머티리얼 셀(140)은 급전선(120)에 의해 급전되어 제 1 주파수 대역과 상이한 주파수 대역인 제 2 주파수 대역에서 공진한다. 본 발명에서는 설명의 편의상 제 1 주파수 대역을 제 2 주파수 대역보다 큰 고주파 대역이라 규정하고, 제 2 주파수 대역을 제 1 주파수 대역보다 작은 저주파 대역이라 규정한다.
이러한 제 1 메타머티리얼 셀(130)은 급전선(120)의 일측과 제 1 간격(G1)만큼 이격(도 2 참조)되어 안테나 방사체로서 기능하는 제 1 방사 패치(132) 및 제 1 방사 패치(132)의 일측에 일단이 연결되고 타단이 기판(다중 대역 및 광대역 안테나가 실장되는 기판) 상의 접지면과 연결된 제 1 스터브(134)를 포함하여 구성되고, 제 2 메타머티리얼 셀(140)은 급전선(120)의 타측과 제 2 간격(G2)만큼 이격(도 2 참조)되어 안테나 방사체로서 기능하는 제 2 방사 패치(142) 및 제 2 방사 패치(142)의 일측에 일단이 연결되고, 타단이 기판상의 접지면과 연결된 제 2 스터브(144)를 포함하여 구성된다. 여기서, 캐리어(110)가 통상적인 직육면체 형상으로 형성되는 경우, 제 1 방사 패치(132) 및 제 2 방사 패치(142)는 캐리어(110)의 일면(예를 들어, 상면)에 형성되는 것이 바람직하고, 제 1 스터브(132) 및 제 2 스터브(142)는 캐리어(110)의 일면 이상에 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 제 1 메타머티리얼 셀(130)은 제 1 방사 패치(132)의 일단에 제 1 개방 스터브(136)를 추가로 연결하되, 급전선(120)의 일측과 제 1 간격만큼 이격되도록 연결하고, 제 2 메타머티리얼 셀(140) 또한 제 2 방사 패치(142) 의 일단에 제 2 개방 스터브(146)를 추가로 연결하되, 급전선(120)의 타측과 제 2 간격만큼 이격되도록 연결하여 제 1 주파수 대역에서의 임피던스 매칭 및 제 2 주파수 대역에서의 임피던스 매칭을 양호하게 할 수도 있다.
또한, 본 발명에서 급전선(120)과 접지면 사이, 제 1 스터브(132)와 접지면 사이 및 제 2 스터브(142)와 접지면 사이 중 하나 이상에 로드 인덕터(미도시)를 추가로 삽입하여 다중 대역 및 광대역 안테나(100)의 공진 주파수를 조정할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 및 광대역 안테나의 등가 회로도이다.
상기와 같은 제 1 메타머티리얼 셀(130) 및 제 2 메타머티리얼 셀(140)을 포함한 다중 대역 및 광대역 안테나(100)는 두 개의 CRLH-TL 구조, 즉 직렬 인덕턴스, 직렬 인덕턴스에 직렬로 연결된 직렬 커패시턴스, 병렬 커패시턴스 및 병렬 커패시턴스에 병렬로 연결된 병렬 인덕턴스를 각각 포함한 두 개의 CRLH-TL 구조를 포함한 회로로 등가화될 수 있다.
더욱 자세히 설명하면, 제 1 메타머티리얼 셀(130)에 포함된 제 1 방사 패치(132)의 인덕턴스 및 급전선(120)의 인덕턴스는 제 1 직렬 인덕턴스(410)로 등가화되고, 급전선(120)과 제 1 방사 패치(132)의 간격인 제 1 간격(G1)에 형성되는 커패시턴스는 제 1 직렬 커패시턴스(420)로 등가화되며, 기판상의 접지면과 제 1 방사 패치 사이의 커패시턴스는 제 1 병렬 커패시턴스(430)로 등가화되고, 제 1 스터브(134)의 인덕턴스는 제 1 병렬 인덕턴스(440)로 등가화된다.
또한, 제 2 메타머티리얼 셀(140)에 포함된 제 2 방사 패치(142)의 인덕턴스 및 급전선(120)의 인덕턴스는 제 2 직렬 인덕턴스(450)로 등가화되고, 급전선(120)과 제 2 방사 패치(142)의 간격인 제 2 간격(G2)에 형성되는 커패시턴스는 제 2 직렬 커패시턴스(460)로 등가화되며, 기판상의 접지면과 제 1 방사 패치 사이의 커패시턴스는 제 2 병렬 커패시턴스(470)로 등가화되고, 제 2 스터브(144)의 인덕턴스는 제 2 병렬 인덕턴스(480)로 등가화된다.
여기서, 제 1 스터브(134)의 길이를 조정함으로써 제 1 병렬 인덕턴스(440)를 조정할 수 있고 이를 통해 제 1 주파수 대역에서의 0차 공진 주파수를 조정할 수 있으며, 제 2 스터브(144)의 길이를 조정함으로써 제 2 병렬 인덕턴스(480)를 조정할 수 있고 이를 통해 제 2 주파수 대역에서의 0차 공진 주파수를 조정할 수 있다.
또한, 제 1 방사 패치(132)와 제 1 스터브(134)의 연결 위치를 변경함으로써 제 1 주파수 대역에서의 1차 공진 주파수를 조정할 수 있고, 제 2 방사 패치(142)와 제 2 스터브(144)의 연결 위치를 변경함으로써 제 2 주파수 대역에서의 1차 공진 주파수를 조정할 수 있다.
또한, 급전선(120)과 제 1 방사 패치(132)의 간격을 조정함으로써, 제 1 직렬 커패시턴스(420)를 조정할 수 있고 이를 통해 제 1 주파수 대역에서의 임피던스 매칭을 할 수 있으며, 제 1 방사 패치(132)의 일단에 제 1 개방 스터브(136)를 추가로 연결하되, 급전선(120)의 일측과 제 1 간격만큼 이격되도록 연결하여 제 1 개방 스터브(136)를 추가하지 않았을 때보다 제 1 주파수 대역에서의 임피던스 매칭 을 양호하게 할 수도 있다.
또한, 급전선(120)과 제 2 방사 패치(142)의 간격을 조정함으로써, 제 2 직렬 커패시턴스(460)를 조정할 수 있고 이를 통해 제 2 주파수 대역에서의 임피던스 매칭을 할 수 있으며, 제 2 방사 패치(142)의 일단에 제 2 개방 스터브(146)를 추가로 연결하되, 급전선(120)의 타측과 제 2 간격만큼 이격되도록 연결하여 제 2 개방 스터브(146)를 추가하지 않았을 때보다 제 2 주파수 대역에서의 임피던스 매칭을 양호하게 할 수도 있다.
또한, 급전선(120)과 기판상의 접지면 사이, 제 1 스터브(134)와 기판상의 접지면 사이 및 제 2 스터브(144)와 기판상의 접지면 사이 중 하나 이상에 로드 인덕터(미도시)를 각각 삽입하여 제 1 주파수 대역에서의 공진 주파수(0차 공진 주파수 또는 1차 공진 주파수) 및 제 2 주파수 대역에서의 공진 주파수(0차 공진 주파수 또는 1차 공진 주파수) 중 하나 이상을 조정할 수도 있다.
이하에서는 다중 대역 및 광대역 안테나(100)가 유전율이 3.55이고 크기가 35mm×5mm×3mm인 캐리어(110), 폭이 1mm인 급전선(120)과 크기가 8.8mm×5mm인 제 1 방사 패치(132), 크기가 24.8mm×5mm인 제 2 방사 패치(142)를 포함하고 제 1 간격(G1) 및 제 2 간격(G2)이 각각 0.2mm이며, 제 1 스터브(134) 및 제 2 스터브(144)의 폭이 각각 1mm인 조건을 가질 때에 측정된 결과를 통해 본 발명에서의 다중 대역 및 광대역 안테나(100)가 다중 대역 특성 및 광대역 특성이 있다는 것을 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제 1 메타머티리얼 셀과 제 2 메타머티리얼 셀에 대한 디스퍼젼 다이어그램(Dispersion Diagram)을 나타내는 도면이다.
도 5의 다이어그램에서 백색 원(○)으로 표시되는 곡선은 제 1 메타머티리얼 셀(130)(고주파 대역)에 대한 디스퍼젼 다이어그램이며, 흑색 원(●)으로 표시되는 곡선은 제 2 메타머티리얼 셀(140)(저주파 대역)에 대한 디스퍼젼 다이어그램이다.
도 5를 참조하면, 제 1 메타머티리얼 셀(130)은 대략 1.7GHz 근처에서 0차 공진이 발생하고, 제 2 메타머티리얼 셀(140)은 대략 0.9GHz 근처에서 0차 공진이 발생한다. 또한, 제 2 메타머티리얼 셀(140)은 제 1 메타머티리얼 셀(130)의 0차 공진이 발생하는 1.7GHz에 인접한 값에서 1차 공진이 발생하는 것을 알 수 있다.
여기서, 제 1 메타머티리얼 셀(130)의 0차 공진 주파수와 제 2 메타머티리얼 셀(140)의 1차 공진 주파수가 인접하고 있기 때문에, 이 두 개의 공진 주파수 대역이 합성되어 전체적인 안테나 시스템에 있어서는 광대역화된 고주파 대역 동작 주파수로서 기능할 수 있게 되고, 제 2 메타머티리얼 셀(140)의 0차 공진 주파수는 전체 안테나 시스템의 저주파 대역 동작 주파수가 될 수 있다.
이러한 경우, 제 2 방사 패치(142)와 제 2 스터브(144)의 연결 위치를 변경하여 제 2 주파수 대역에서의 1차 공진 주파수를 조정하고, 이를 통해 광대역화된 고주파 대역 동작 주파수를 조정할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 및 광대역 안테나에 대한 반사 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6에서 백색 원(○)으로 표시되는 곡선은 제 1 메타머티리얼 셀(130)만 동작, 즉 고주파 대역만 동작한 경우의 반사 손실을 시뮬레이션한 결과이고, 삼각형 (△)으로 표시되는 곡선은 제 2 메타머티리얼 셀(140)만 동작, 즉 저주파 대역만 동작한 경우의 반사 손실을 시뮬레이션한 결과이며, 흑색 원(●)으로 표시되는 곡선은 제 1 메타머티리얼 셀(130)의 0차 공진 주파수와 제 2 메타머티리얼 셀(140)의 1차 공진 주파수가 합성되어 동작한 경우, 즉, 다중 대역 및 광대역 안테나(100)가 광대역화된 고주파 대역에서 동작한 경우의 반사 손실을 시뮬레이션한 결과이다.
이를 통해 본 발명에서 다중 대역 및 광대역 안테나(100)가 광대역 특성은 물론, 저주파 대역 및 고주파 대역을 포함하는 다중 대역 특성이 있다는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나의 시뮬레이션 결과 및 실제 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 7의 그래프에서 백색 원(○)으로 표시되는 곡선은 시뮬레이션 결과이며, 흑색 원(●)으로 표시되는 곡선은 실제 측정 결과를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 전체 안테나 시스템, 즉 제 1 메타머티리얼 셀(130)의 0차 공진 주파수와 제 2 메타머티리얼 셀(140)의 1차 공진 주파수가 합성되어 동작한 경우, 약 0.9GHz 근처의 주파수 대역에서 저주파 공진을 나타내며, 약 1.7GHz 내지 약 2.4GHz 의 주파수 대역에서 고주파 공진을 나타낸다는 것을 알 수 있다.　 구체적으로는, 제 2 메타머티리얼 셀(140)의 0차 공진에 의해 약 0.9GHz 근처에서의 공진 주파수가 구현되며, 제 1 메타머티리얼 셀(130)의 약 1.7GHz 근처에서의 0차 공진과 제 2 메타머티리얼 셀(140)의 1차 공진이 합성되어 전체적으로 광대역화된 고 주파 공진이 구현된다는 것을 알 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나의 방사 패턴을 각각 x-y 평면, x-z 평면 및 y-z 평면에 대해 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 안테나 시스템은 전 방향성을 갖는 방사 패턴을 보임을 알 수 있다.　 따라서, 본 발명의 안테나 시스템은 이동식 단말기에 적용하기에 충분하다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나를 GSM900/1800/1900, WCDMA, WiBro 대역에서 각각 측정한 안테나 효율 및 최대 이득을 나타낸 도면이다.
이전의 설명 및 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 안테나는 저대역 및 고대역 공진 주파수를 갖는 다중 대역 안테나로서 동작한다는 것을 알 수 있으며, 특히 고대역 공진 주파수에서는 광대역 특성을 보이는 것을 알 수 있다.
이처럼 본 발명의 다중 대역 및 광대역 안테나(100)는 제 1 방사 패치(132)와 급전선(120) 사이의 이격 간격, 제 2 방사 패치(142)와 급전선(120) 사이의 이격 간격, 제 1 스터브(134) 및 제 2 스터브(144)의 연결 위치 및 길이 등을 조절함으로써 제 1 메타머티리얼 셀(130)과 제 2 메타머티리얼 셀(140)의 공진 주파수 특성을 조절할 수 있다.　 그러나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 제 1 메타머티리얼 셀(130)과 제 2 메타머티리얼 셀(140), 즉 두 개 이상의 메타머티리얼 셀의 인덕턴스 또는 커패시턴스를 조절할 수 있다면, 상기 구성 외의 다른 구성, 예를 들면, 캐리어의 유전율, 캐리어의 크기, 캐리어의 모양, 유닛 셀의 개수 등 안 테나 시스템에 포함되는 모든 구성 요소의 형태를 조절함으로써 공진 주파수를 조절할 수 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 설명된 실시형태들을 변경 또는 변형할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 각 기능 블록들 또는 수단들은 전자 회로, 집적 회로, ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수 있다. 본 명세서 및 청구범위에서 별개인 것으로 설명된 수단 등의 구성요소는 단순히 기능상 구별된 것으로 물리적으로는 하나의 수단으로 구현될 수 있으며, 단일한 것으로 설명된 수단 등의 구성요소도 수개의 구성요소의 결합으로 이루어질 수 있다. 또한 본 명세서에서 설명된 각 방법 단계들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 순서가 변경될 수 있고, 다른 단계가 부가될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 명세서에서 설명된 다양한 실시형태들은 각각 독립하여서뿐만 아니라 적절하게 결합되어 구현될 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 및 광대역 안테나를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제 1 간격 및 제 2 간격을 자세하게 나타낸 도면,
도 3은 메타머티리얼을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 및 광대역 안테나의 등가 회로도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제 1 메타머티리얼 셀과 제 2 메타머티리얼 셀에 대한 디스퍼젼 다이어그램(Dispersion Diagram)을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중대역 및 광대역 안테나에 대한 반사 손실을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나의 시뮬레이션 결과 및 실제 측정 결과를 나타낸 도면,
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나의 방사 패턴을 각각 x-y 평면, x-z 평면 및 y-z 평면에 대해 나타낸 도면,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나를 GSM900/1800/1900, WCDMA, WiBro 대역에서 각각 측정한 안테나 효율 및 최대 이득을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 다중 대역 및 광대역 안테나 110: 캐리어
120: 급전선 130: 제 1 메타머티리얼 셀
132: 제 1 방사 패치 134: 제 1 스터브
136: 제 1 개방 스터브 140: 제 2 메타머티리얼 셀
142: 제 2 방사 패치 144: 제 2 스터브
146: 제 2 개방 스터브 410: 제 1 직렬 인덕턴스
420: 제 1 직렬 커패시턴스 430: 제 1 병렬 커패시턴스
440: 제 1 병렬 인덕턴스 450: 제 2 직렬 인덕턴스
460: 제 2 직렬 커패시턴스 470: 제 2 병렬 커패시턴스
480: 제 2 병렬 인덕턴스

Claims (8)

  1. 캐리어의 일부에 형성되는 급전선; 및
    상기 캐리어에 형성되고 상기 급전선에 의해 급전되며, CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 구조를 가지는 두 개 이상의 메타머티리얼 셀을 포함하되,
    상기 두 개 이상의 메타머티리얼 셀은
    상기 급전선에 의해 급전되어 제 1 주파수 대역에서 공진하는 제 1 메타머티리얼 셀; 및
    상기 급전선에 의해 급전되어 상기 제 1 주파수 대역과 상이한 주파수 대역인 제 2 주파수 대역에서 공진하는 제 2 메타머티리얼 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 메타머티리얼 셀은 상기 급전선의 일측과 제 1 간격만큼 이격되어 안테나 방사체로서 기능하는 제 1 방사 패치 및 상기 제 1 방사 패치의 일측에 일단이 연결되고, 타단이 상기 다중 대역 및 광대역 안테나가 실장되는 기판상의 접지면과 연결된 제 1 스터브를 포함하고,
    상기 제 2 메타머티리얼 셀은 상기 급전선의 타측과 제 2 간격만큼 이격되어 안테나 방사체로서 기능하는 제 2 방사 패치 및 상기 제 2 방사 패치의 일측에 일단이 연결되고, 타단이 상기 접지면과 연결된 제 2 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 메타머티리얼 셀은
    상기 제 1 방사 패치의 일단에 연결되는 제 1 개방 스터브
    를 추가로 포함하되,
    상기 제 1 개방 스터브는 상기 급전선의 일측과 상기 제 1 간격만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 메타머티리얼 셀은
    상기 제 2 방사 패치의 일단에 연결되는 제 2 개방 스터브
    를 추가로 포함하되,
    상기 제 2 개방 스터브는 상기 급전선의 타측과 상기 제 2 간격만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 급전선과 상기 접지면 사이, 상기 제 1 스터브와 상기 접지면 사이 및 상기 제 2 스터브와 상기 접지면 사이 중 하나 이상에 로드 인덕터를 추가로 삽입하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 메타머티리얼 셀의 0차 공진 및 상기 제 2 메타머티리얼 셀의 1차 공진이 합성되어 광대역 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
  8. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 다중 대역 및 광대역 안테나를 포함하는 통신 장치.
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