KR101133343B1 - 위상 변화가 없는 ｍｉｍｏ 안테나 - Google Patents

위상 변화가 없는 ｍｉｍｏ 안테나 Download PDF

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김경석
구자권
강승택
장건호
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인천대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 위상 변화가 없는 MIMO 안테나에 관한 것으로서, 무한 파장을 갖는 무 위상 변화 메타재질(metamaterial) 특성 안테나를 구현함으로써 안테나의 크기를 소형화할 수 있고, 다이폴 안테나 구조의 중심부에 디커플링(decoupling) 구조를 구성함으로써 안테나 상호 간의 간섭을 억제하여 안테나의 이득과 효율을 향상시킬 수 있는 위상 변화가 없는 MIMO(multi input multi output) 안테나를 제공하고자 한다. 이를 위해 본 발명의 위상 변화가 없는 MIMO 안테나는 전체적으로 하나의 안테나를 구성하는 것으로서, 그 양측의 단위 구조체가 각각 미앤더(meander) 형태로서 중심부에 대하여 서로 대칭구조를 이루고, 그 미앤더 형태의 양측의 단위 구조체는 그 양측의 단위 구조체에 각각 전기에너지를 공급하는 급전부를 매개로 하여 접지판에 연결되며, 상기 양측의 단위 구조체는 접지판에 인접하여 3차원 입체구조로 설치된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 무한 파장을 갖는 무 위상 변화 메타재질 특성 안테나를 구현함으로써 안테나의 크기를 소형화할 수 있고, 다이폴 안테나 구조의 중심부에 디커플링(decoupling) 구조를 구성함으로써 안테나 상호 간의 간섭을 억제하여 안테나의 이득과 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

위상 변화가 없는 ＭＩＭＯ 안테나{MIMO(multi input multi output) antenna without phase variation}
본 발명은 소형 단말기 등에 채용되는 안테나에 관한 것으로서, 더 상세히는 안테나의 크기를 소형화할 수 있고, 안테나의 이득과 효율을 향상시킬 수 있는 위상 변화가 없는 MIMO(multi input multi output) 안테나에 관한 것이다.
도 1은 유전체 기판에 프린트된 종래 모노폴 안테나의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 모노폴 안테나는 선택적 접지면을 통한 임피던스 변화를 주어 넓은 대역에 걸쳐 공진이 일어나게 하였고, 영문 알파벳 'E'자 형태로서 들어가는 전류의 경로를 슬롯을 통해 여러 갈래로 나누었으며, 최외곽으로 흘러들어가는 전류 경로를 통해 2.4 GHz에서 공진하도록 되어 있다.
그런데, 이와 같은 종래 모노폴 안테나는 유전체 기판에 안테나의 형상을 프린트하여 선택적 접지면(ground)을 기준으로 설계하기 때문에, 접지면의 변화에 따른 여러 가지 안테나 특성에 대한 민감도가 크다. 또한, 안테나의 전체 크기도 일정한 면적(예를 들면, 35×38㎟)으로 고정되어 설계되기 때문에 안테나의 전체 크기를 축소하기가 쉽지 않으며, 따라서 안테나를 소형 단말기 등에 적용하기가 쉽지 않다는 단점이 있다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 무한 파장을 갖는 무 위상 변화 메타재질(metamaterial) 특성 안테나를 구현함으로써 안테나의 크기를 소형화할 수 있고, 다이폴 안테나 구조의 중심부에 디커플링(decoupling) 구조를 구성함으로써 안테나 상호 간의 간섭을 억제하여 안테나의 이득과 효율을 향상시킬 수 있는 위상 변화가 없는 MIMO(multi input multi output) 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나는,
전체적으로 하나의 안테나를 구성하는 것으로서, 그 양측의 단위 구조체가 각각 미앤더(meander) 형태로서 중심부에 대하여 서로 대칭구조를 이루고, 그 미앤더 형태의 양측의 단위 구조체는 그 양측의 단위 구조체에 각각 전기에너지를 공급하는 급전부를 매개로 하여 접지판에 연결되며, 상기 양측의 단위 구조체는 접지판에 인접하여 3차원 입체구조로 설치되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 단위 구조체의 미앤더 형태는 'ㄹ'자 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 중심부는 중심부 양측의 단위 구조체(안테나) 간의 상호 간섭을 억제하기 위한 "U"자 형의 디커플링(decoupling) 구조체에 의해 양측의 단위 구조체가 기계적으로 연결된다.
또한, 상기 안테나를 구성하는 단위 구조체의 선로의 폭은 0.6～1.0mm, 단위 구조체의 단일 안테나로서의 길이는 45～50mm로 제작될 수 있다.
또한, 상기 안테나를 구성하는 단위 구조체의 선로 간의 간격은 2mm로 설계되고, 안테나의 높이는 3mm로 설계될 수 있다.
또한, 상기 안테나를 구성하는 단위 구조체의 단일 안테나의 크기는 9×7 ㎟로 설계되고, "U"자 형의 디커플링 구조체의 크기는 3×7 ㎟로 설계되며, 디커플링 구조체를 포함한 전체 크기는 21×7 ㎟로 설계될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 무한 파장을 갖는 무 위상 변화 메타재질 특성 안테나를 구현함으로써 안테나의 크기를 소형화할 수 있고, 다이폴 안테나 구조의 중심부에 디커플링(decoupling) 구조를 구성함으로써 안테나 상호 간의 간섭을 억제하여 안테나의 이득과 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 유전체 기판에 프린트된 종래 모노폴 안테나의 일 예를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 일반적인 메타재질 CRLH 전송선로의 선로 특성을 설명하기 위한 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나의 각 단위 구조체에서 흐르는 전류 방향을 보여주는 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나의 삽입손실과 격리도 특성을 나타내는 S-Parameter를 각각 보여주는 도면.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나의 고도각 방사 패턴을 보여주는 도면.
도 10은 일반적인 모노폴 안테나의 구조를 보여주는 도면.
도 11은 도 10의 모노폴 안테나의 전류 흐름을 보여주는 도면.
도 12는 일반 모노폴 안테나의 전송선로를 미앤더 형태로 하여 안테나의 크기를 λ/8로 설계한 것을 보여주는 도면.
도 13은 도 12의 전송선로(안테나)의 전류 흐름을 보여주는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나(200)는, 전체적으로 하나의 안테나를 구성하는 것으로서의 양측의 단위 구조체(210)(220)가 각각 미앤더(meander) 형태로서 중심부에 대하여 서로 대칭구조를 이룬다. 또한, 그 미앤더 형태의 양측의 단위 구조체(210)(220)는 그 양측의 단위 구조체(210) (220)에 각각 전기에너지를 공급하는 급전부(240)(250)를 매개로 하여 접지판(260)에 연결되며, 상기 양측의 단위 구조체(210)(220)는 접지판(260)에 인접하여 3차원 입체구조로 설치된다.
여기서, 상기 단위 구조체(210)(220)의 미앤더 형태는 'ㄹ'자 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 중심부는 중심부 양측의 단위 구조체(안테나)(210)(220) 간의 상호 간섭을 억제하기 위한 "U"자 형의 디커플링(decoupling) 구조체(230)에 의해 양측의 단위 구조체(210)(220)가 기계적으로 연결된다.
또한, 상기 안테나를 구성하는 단위 구조체(210)(220)의 선로의 폭은 0.6～1.0mm, 단위 구조체(210)(220)의 단일 안테나로서의 길이는 45～50mm로 제작될 수 있다. 여기서, 바람직하게는 상기 안테나를 구성하는 단위 구조체(210)(220)의 선로의 폭은 0.8mm, 단위 구조체(210)(220)의 단일 안테나로서의 길이는 47.8mm로 제작된다. 여기서, 이상과 같은 안테나의 폭과 길이에 대한 수치 한정(범위 및 특정값)은 안테나의 전체 크기를 소형화하면서도 안테나로서의 성능이 최대로 발휘되는 범위 또는 값을 자체 모의실험을 통해 얻은 결과에 근거한 것이다.
또한, 상기 안테나를 구성하는 단위 구조체(210)(220)의 선로 간의 간격(d)은 2mm로 설계되고, 안테나의 높이(h)는 3mm로 설계될 수 있다. 여기서, 이상과 같은 안테나의 선로 간의 간격(d)과 높이(h)에 대한 수치 한정은 위에서와 마찬가지로 안테나의 전체 크기를 소형화하면서도 안테나로서의 성능이 최대로 발휘되는 값을 자체 모의실험을 통해 얻은 결과에 근거한 것이다.
또한, 상기 안테나를 구성하는 단위 구조체(210)(220)의 단일 안테나의 크기는 9×7 ㎟로 설계되고, "U"자 형의 디커플링 구조체(230)의 크기는 3×7 ㎟로 설계되며, 디커플링 구조체(230)를 포함한 전체 크기는 21×7 ㎟로 설계될 수 있다.
여기서, 이상과 같은 안테나의 단일 크기 및 전체 크기와 "U"자 형의 디커플링 구조체(230)의 크기에 대한 수치 한정은 위에서와 마찬가지로 안테나의 전체 크기를 소형화하면서도 안테나로서의 성능이 최대로 발휘됨과 아울러 안테나의 이득과 효율을 향상시킬 수 있는 값을 자체 모의실험을 통해 얻은 결과에 근거한 것이다.
이하, 이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나에 대하여 부연 설명을 해보기로 한다.
본 발명은 종래의 안테나와는 달리 λ/4 공진이 아닌, 선로의 변형(예컨대, 위의 설명에서와 같은 미앤더 구조)을 통해 구조적으로 무한 파장을 갖는 무 위상변화 메타재질 안테나를 구현함으로써 안테나의 소형화를 이룰 수 있다. 또한, 본 발명은 양측 단위구조체(210)(220) 사이에 양측 단위구조체(210)(220)(안테나)를 연결하는 디커플링 구조체(230)를 위치시킴으로써 안테나 상호 간의 간섭을 제어할 수 있다.
일반적인 전송선로에서는 주파수가 증가함에 따라 파수(단위 길이 안에 포함되는 파동의 수, 파장의 역수와 같다)는 선형으로 증가하는 양의 값을 갖는다. 그러나, 본 발명과 같이 메타재질 구조 특성을 갖는 "composite right-left-handed"(CRLH)의 경우에 파수는 비선형적으로 증가하게 된다. 이러한 특성은 "left-handed"(LH) 영역과 "right-handed"(RH) 영역으로 나누어 설명할 수 있다. "left-handed"(LH) 전파 특성에 의하면, 특정 주파수 대역에서 파수의 기울기는 양이면서 음의 값을 가지게 된다. 파수가 0(zero)과 음의 값을 가질 때 공진 점은 LH 영역에 발생하게 된다. 특히, 파수가 특정 주파수 대역에서 0(zero) 값을 가지게 되면, 파장이 무한대가 되어 구조적 공진길이와 상관없이 안테나의 소형화가 가능하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, CRLH 전송선로(즉, 안테나)는 직렬 인덕턴스 LR, 직렬 커패시턴스 CL와 병렬 커패시턴스 CR, 병렬 인덕턴스 LL로 구성되어 있다. 직렬 인덕턴스 LR와 병렬 커패시턴스 CR가 Right-handed(RH) 특성을 나타내고, 직렬 커패시턴스 CL와 병렬 인덕턴스 LL가 Left-handed(LH) 특성을 나타낸다. 각각의 RH, LH 특성에 의해 차단 주파수가 결정되어 통과 대역이 형성된다. 또한 LR, CL에 의해 직렬공진(ωse)이 일어나고, CR,LL에 의해 병렬공진(ωsh)이 일어나게 된다. 이 두 주파수가 서로 다를 경우에는 불균형(unbalanced) 형태로 밴드갭(bandgap)이 형성되어 차단대역 특성이 나타나며 서로 같을 경우에는 균형(balanced) 형태가 된다.
CRLH 전송선로에 흐르는 전기에너지(예를 들면, 전류)의 전체의 위상속도는 RH 영역의 위상속도 성분과 LH 영역의 위상속도 성분과의 합에 의해 결정된다. 만약 전체 위상속도가 0(zero)의 값을 가지게 되면 무 위상변화 메타재질 특성이 발생하게 되는데, 위상속도가 0인 경우 파장이 무한대와 같아지므로, 전송선로 는 전체적으로 동위상이 된다. 따라서 전송선로(안테나)의 물리적인 길이에 상관없이 동일한 크기와 방향을 갖는 전계와 자계의 형성이 가능하며, 이는 안테나의 소형화에 의한 부품의 소형화를 가능하게 한다.
DNG(double negative) 전송선로(안테나)의 경우 직렬 캐패시턴스와 병렬 인덕턴스를 도입하여 유효투자율이나 유효유전율이 0(zero)이 되었을 때, ZOR(zeroth order resonance) 공진 모드를 얻을 수 있다. 반면 ENG(epsilon-negative) 전송선로(안테나)는 병렬 인덕턴스만을 도입하여 유효유전율이 0이 되었을 때 ZOR 공진 모드를 얻을 수 있으므로, ZOR 안테나를 구현함에 있어서 ENG 전송선로(안테나)가 DNG 전송선로(안테나)보다 더 간단하다는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서는 일반 모노폴 안테나를 이용하여 상기 도 3과 같은 메타재질 공진기 특성을 얻기 위해, 도 2에서와 같이 전송선로를 미앤더 형태로 구부려 병렬 인덕턴스 값과 직렬 커패시턴스 값을 충족시켰다. 즉, 직렬 커패시턴스는 도 2에서의 선로 간격(d)에 의해 얻을 수 있고, 병렬 인덕턴스는 도 2에서 수직 하방으로 꺾여 내려간 높이(h)에 의해 유도될 수 있다. 안테나의 무 위상변화 메타재질 특성은 안테나의 방사 패턴, 전계 벡터, 전류의 흐름 등을 이용하여 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나에 대해서는 전류의 흐름을 이용하여 메타재질 특성을 확인해 보기로 한다. 일반 안테나의 특성상 반파장 공진부분에서 전계벡터가 180°바뀌고 이에 따라 전류가 반대 방향으로 흐르게 된다. 무 위상변화 메타재질 안테나의 경우, 전계벡터가 안테나의 전반에 걸쳐 동일한 방향으로 형성되기 때문에 전류의 흐름도 단일 방향으로 흐르게 된다.
도 4와 도 5는 각각의 안테나에서 흐르는 전류 방향을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 안테나에서의 전류의 흐름은 디커플링 구조체(230)(도 2 참조)를 포함한 안테나 선로 전체에 걸쳐 동일한 방향으로 흐르고 있음을 확인할 수 있다. 이를 통해 안테나가 무 위상변화 메타재질 특성을 유지하고 있다는 것을 알 수 있다.
여기서, 본 발명의 안테나와 일반 모노폴 안테나와의 특성 차이를 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명해 보기로 한다.
도 10을 참조하면, 이는 일반적인 모노폴 안테나의 구조를 보여주는 것으로서, 본 발명에 따른 미앤더 구조의 안테나를 제작하기 위한 초기 단계라고 할 수 있다. 이때 안테나(전송선로)의 총 길이는 λ/4로 설계된다.
도 11은 도 10의 모노폴 안테나의 전류 흐름을 보여주는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 급전부(250)(도 2 참조)에서 발생하는 전류의 방향과 급전부(250)에서 떨어진 부분에서 발생하는 전류의 방향이 반대로 나타나는 것을 알 수 있다.
도 12는 전송선로(안테나)를 미앤더 형태로 하여 안테나의 크기를 λ/8로 설계한 것을 보여주는 도면이고, 도 13은 도 12의 전송선로(안테나)의 전류 흐름을 보여주는 도면이다.
도 13을 참조하면, 전류의 흐름은 도 11의 결과와 유사하게 급전부(250)의 전류 흐름 방향과 급전부(250)에서 떨어진 곳에서 흐르는 전류의 방향이 서로 반대인 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 전류의 흐름 방향을 동일하게 하기 위해, 본 발명에서는 상기 도 2에 도시된 바와 같이 전송선로의 구조를 3차원 입체 구조로 설계하였다. 즉, 전송선로(안테나)의 구조로부터 병렬 인덕턴스를 유도할 수 있도록, 전송선로(안테나)를 위에서 아래로 절곡한 다이폴 구조로 설계하였다. 또한 디커플링 구조체(230)를 통한 전류의 흐름이 단일 안테나 쪽으로 집적되어 있어, 두 안테나(단위 구조체) 간의 간섭이 적다. 따라서, 이와 같은 디커플링 구조체가 없을 때에 비해 안테나의 이득과 효율이 한층 향상되는 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 안테나를 구성하는 선로의 폭은 0.8mm 이고, 단일 안테나로서 길이는 47.8mm 이다. 또한, 안테나 선로 간의 간격(d)은 2mm이고, 안테나의 높이(h)는 3mm로 구성된다. 이러한 선로를 이용한 무 위상변화 매타재질 구조 특성을 갖는 단일 안테나의 크기는 9×7 ㎟이고, 전체 크기는 디커플링 구조체를 포함하여 21×7 ㎟이다. 이를 통해 본 발명의 안테나의 크기가 종래 안테나의 크기(35×38㎟)에 비해 상당히 작다는 것을 알 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나의 삽입손실과 격리도 특성을 나타내는 S-Parameter를 각각 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 이는 안테나의 일측 포트에서의 S-Parameter를 보여주는 것으로서, 안테나 대역폭은 중심 주파수 2.4GHz 기준으로 152MHz로 나타나고 있으며, 대역 전반에 걸친 격리도 특성은 중심주파수를 기준으로 -13dB의 특성을 보여주고 있다.
도 7은 안테나의 타측 포트에서 확인한 S-Parameter를 보여주는 것으로서, 안테나 대역폭은 도 6에서와 같이 중심 주파수 2.4GHz 기준으로 152MHz로 나타나고 있고, 격리도 특성은 중심주파수를 기준으로 -13dB의 특성을 보여주고 있다.
이상과 같이 격리도 특성을 볼 때, 안테나 간의 간섭이 적음을 알 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나의 고도각 방사 패턴을 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 중심주파수 2.4GHz에서 2dB의 이득을 갖고 있음을 알 수 있고, 또한 85%의 효율을 갖고 있음을 알 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 위상 변화가 없는 MIMO 안테나는 무한 파장을 갖는 무 위상 변화 메타재질(metamaterial) 특성 안테나를 구현함으로써 안테나의 크기를 소형화할 수 있고, 다이폴 안테나 구조의 중심부에 디커플링(decoupling) 구조를 구성함으로써 안테나 상호 간의 간섭을 억제하여 안테나의 이득과 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200...(본 발명) MIMO 안테나 210,220...(안테나 구성)단위 구조체
230...디커플링 구조체 240,250...급전부
260...접지판

Claims (7)

  1. 전체적으로 하나의 안테나를 구성하는 것으로서, 그 양측의 단위 구조체가 각각 미앤더(meander) 형태로서 중심부에 대하여 서로 대칭구조를 이루고, 그 미앤더 형태의 양측의 단위 구조체는 그 양측의 단위 구조체에 각각 전기에너지를 공급하는 급전부를 매개로 하여 접지판에 연결되며, 상기 양측의 단위 구조체는 접지판에 인접하여 3차원 입체구조로 설치되고,
    상기 단위 구조체는,
    상기 급전부로부터 연장되고, 수직 하방으로 절곡된 2개의 'ㄱ'자 형상의 선로와 수직 하방으로 절곡된 하나의 '
    Figure 112012011793053-pat00014
    ' 형상의 선로가 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 위상 변화가 없는 MIMO 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 구조체는,
    CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타재질 전송선로의 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 위상 변화가 없는 MIMO 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 중심부는 중심부 양측의 단위 구조체(안테나) 간의 상호 간섭을 억제하기 위한 "U"자 형의 디커플링(decoupling) 구조체에 의해 양측의 단위 구조체가 기계적으로 연결되는, 위상 변화가 없는 MIMO 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 안테나를 구성하는 단위 구조체의 선로의 폭은 0.6～1.0mm, 단위 구조체의 단일 안테나로서의 길이는 45～50mm로 제작되는, 위상 변화가 없는 MIMO 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 안테나를 구성하는 단위 구조체의 선로의 폭은 0.8mm, 단위 구조체의 단일 안테나로서의 길이는 47.8mm로 제작되는, 위상 변화가 없는 MIMO 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안테나를 구성하는 단위 구조체의 선로 간의 간격은 2mm로 설계되고, 안테나의 높이는 3mm로 설계되는, 위상 변화가 없는 MIMO 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 안테나를 구성하는 단위 구조체의 단일 안테나의 크기는 9×7 ㎟로 설계되고, "U"자 형의 디커플링 구조체의 크기는 3×7 ㎟로 설계되며, 디커플링 구조체를 포함한 전체 크기는 21×7 ㎟로 설계되는, 위상 변화가 없는 MIMO 안테나.
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