KR101159948B1 - 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나 - Google Patents

메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나 Download PDF

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Abstract

메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 지그; 상기 지그의 상부면 및 하부면에 각각 결합되는 송신 안테나 및 수신 안테나; 및 상기 지그의 측면의 전부 또는 일부에 형성되고, 소정 주파수 구간에서 유전율 및 투자율 중 적어도 하나가 0 또는 음의 값을 갖는 메타 물질 구조물을 포함한다. 개시된 안테나에 의하면 송신 안테나와 수신 안테나가 일체형으로 형성될 수 있으며, 송신 안테나 및 수신 안테나 사이의 간격에 영향을 받지 않고 격리도를 유지할 수 있는 장점이 있다.

Description

메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나{RELAY ANTENNA USING META-MATERIAL STRUCTURE}
본 발명의 일실시예들은 중계기 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중계기 안테나의 송신 안테나와 수신 안테나의 격리도(Isolation) 성능을 향상시키기 위한 중계기 안테나에 관한 것이다.
일반적인 통신 시스템은 고정된 기지국(BS: Base Station)과 단말기(MS: Mobile Station)간의 직접 링크를 통해 송수신이 이루어진다. 그러나, 현재 통신 시스템의 기지국은 그 위치가 고정되어 있으므로 무선 네트워크 구현에 있어서 유연성이 낮으며, 음영 영역이 존재하고, 채널 상태 변화가 심한 무선 환경에서는 효율적인 통신 서비스를 제공하기 어려운 측면이 있다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해 고정된 중계기 혹은 이동성을 갖는 중계기 또는 일반 단말기들을 이용하여 릴레이 형태의 데이터 전달 방식을 기존의 통신 시스템에 적용하게 되었다.
이와 같은 릴레이 방식을 사용하는 통신 시스템을 통해 셀 서비스 영역을 확장시키고 시스템 용량을 증대시킬 수 있다. 즉, 기지국과 단말기 간 채널 상태가 열악한 경우 기지국과 단말 사이에 중계기를 설치하여 중계기를 통한 릴레이 경로를 구성함으로써 채널 상태가 보다 우수한 무선 채널을 단말기에 제공할 수 있다. 또한, 기지국으로부터 채널 상태가 열악한 셀 경계 지역에서 릴레이 방식을 사용함으로써 보다 고속의 데이터 채널을 제공할 수 있고, 셀 서비스 영역을 확장시킬 수 있다.
중계기는 신호를 수신한 후 이 신호를 증폭하여 송신하여야 하므로 송신 안테나 및 수신 안테나를 모두 포함하여야 한다. 그러나, 인접한 안테나는 동작 시 간섭을 일으킬 수 있으므로 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 격리도를 확보하는 것은 중계기에 있어 중요한 문제이다.
기존의 중계기는 송신 안테나와 수신 안테나가 서로 분리되어 있는 경우가 일반적이며, 건물이나 구조물에 설치될 때 수신 안테나는 건물 밖에 설치되고 송신 안테나는 건물 안에 설치하여 송수신을 수행하는 것이 일반적이었다. 이와 같이, 송신 안테나와 수신 안테나를 서로 다른 위치에 배치하는 것은 안테나간 격리도를 확보하기 위한 것이나 설치 시 전문 인력이 필요하고 유지 및 보수 비용이 많이 발생하는 문제점이 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 송신 안테나와 수신 안테나가 일체형으로 형성될 수 있는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 설치가 간단하고 유지 및 보수가 용이한 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나를 제안하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 송신 안테나 및 수신 안테나 사이의 간격에 영향을 받지 않고 격리도를 유지할 수 있는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나를 제안하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 지그; 상기 지그의 상부면 및 하부면에 각각 결합되는 송신 안테나 및 수신 안테나; 및 상기 지그의 측면의 전부 또는 일부에 형성되고, 소정 주파수 구간에서 유전율 및 투자율 중 적어도 하나가 0 또는 음의 값을 갖는 메타 물질 구조물을 포함하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나가 제공된다.
상기 메타 물질 구조물은 일면이 상기 지그의 측면의 전부 또는 일부와 접하는 제1 유전체 기판을 포함하고, 상기 제1 유전체 기판의 내부에 형성되는 와이어 구조의 제1 도전체; 및 상기 제1 유전체 기판의 타면에 형성되는 분할 링 공진기(SRR: Split Ring Resonator) 구조의 제2 도전체 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전체는 직선 형태의 와이어 구조로 형성될 수 있고, 상기 제2 도전체는 2 × 1 형태로 대칭 배열되는 2개의 도전체 분할 링 공진기를 포함할 수 있다.
상기 2개의 도전체 분할 링 공진기 각각의 분할 부분 중 일 부분은 역 기역(
Figure 112010008925234-pat00001
)자 형태를 갖고, 타 부분은 역 니은(
Figure 112010008925234-pat00002
)자 형태를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 지그; 상기 지그의 상부면 및 하부면에 각각 결합되는 송신 안테나 및 수신 안테나; 및 상기 지그의 측면의 전부 또는 일부에 형성되는 메타 물질 구조물을 포함하되, 상기 송신 안테나 및 수신 안테나 동일한 형상이고, 상기 송신 안테나 및 수신 안테나 각각은 접지전위를 제공하는 접지면; 상기 접지면상에 형성되는 제2 유전체 기판; 상기 제2 유전체 기판 상부에 형성되는 적층 유전체; 및 상기 적층 유전체상에 형성되는 방사 패치를 포함하고, 상기 메타 물질 구조물은 일면이 상기 지그의 측면의 전부 또는 일부와 접하는 제1 유전체 기판을 포함하고, 상기 제1 유전체 기판의 내부에 배치된 와이어 구조의 제1 도전체; 및 상기 제1 유전체 기판의 타면에 형성되는 분할 링 공진기 구조의 제2 도전체 중에서 적어도 하나를 더 포함하고, 상기 송신 안테나 및 수신 안테나 동일한 형상이고, 상기 송신 안테나 및 수신 안테나 각각은 접지전위를 제공하는 접지면; 상기 접지면상에 형성되는 제2 유전체 기판; 상기 제2 유전체 기판 상부에 형성되는 적층 유전체; 및 상기 적층 유전체상에 형성되는 방사 패치를 포함하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나가 제공된다.
본 발명에 의하면, 송신 안테나와 수신 안테나가 일체형으로 형성될 수 있으며 송신 안테나 및 수신 안테나 사이의 간격에 영향을 받지 않고 격리도를 유지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 중계기 안테나의 설치가 간단하고 유지 및 보수가 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 측면도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 단면도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 평면도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 단면도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 평면도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 단면도를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나에서 제3 유전체 기판(534a)의 평면도를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나에서 송신 안테나 및 수신 안테나의 배열 형태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물 내에 형성된 제1 도전체에 의한 음의 유전율 특성을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물의 타면에 형성된 제2 도전체에 의한 음의 투자율 특성을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물의 굴절률을 도시한 도면이다.
도 13은 메타 물질 구조물을 사용하지 않은 종래의 중계기 안테나의 VSWR 특성을 도시한 도면이다.
도 14는 메타 물질 구조물을 사용하지 않은 종래의 중계기 안테나의 격리도 특성을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나에서 메타 물질 구조물을 제외한 중계기 안테나의 VSWR 특성을 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나에서 메타 물질 구조물을 제외한 중계기 안테나의 격리도 특성을 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나의 VSWR 특성을 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나의 격리도 특성을 도시한 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 측면도를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중계기 안테나는 금속 지그(100)를 포함한다. 이 때, 금속 지그(100)의 상부면에는 송신 안테나(102)가 구비되고, 금속 지그(100)의 하부면에는 수신 안테나(104)가 구비되며, 금속 지그의 측면에는 메타 물질 구조물(106)이 형성된다.
메타 물질 구조물(106)은 소정의 주파수 구간에서 유전율(Permittivity) 및 투자율(Permeability) 중에서 적어도 하나가 0 또는 음의 값을 갖는 구조물을 의미한다.
메타 물질 구조물(106)의 유전율이 0 또는 음의 값을 갖거나 투자율이 0 또는 음의 값을 갖는다면, 수신 안테나에서 수신되는 RF 신호는 금속 지그(100)를 통해 송신 안테나 측으로 쉽게 전파되지 못하고, 송신 안테나에서 송신되는 RF 신호 역시 금속 지그(100)를 통해 수신 안테나 측으로 쉽게 전파되지 못한다. 이에 따라, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 격리도가 향상되게 된다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 유전율이 0 또는 음의 값을 갖는 특성을 "음의 유전율 특성"이라 칭하고, 투자율이 0 또는 음의 값을 갖는 특성을 "음의 투자율 특성"이라 칭하기로 한다.
도 2를 참고하여 메타 물질 구조물(106)에 대해 보다 상세히 살펴보면 아래와 같다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물(106)을 도시한 도면으로서, 도 2의 (a)에서는 메타 물질 구조물(106)의 평면도, 도 2의 (b)에서는 메타 물질 구조물(106)의 단면도를 각각 도시하고 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물(106)은 유전체 기판(108), 유전체 기판(108), 제1 도전체(110), 및 제2 도전체(112)를 포함할 수 있다.
유전체 기판(108)의 일면은 금속 지그(100)의 측면의 전부 또는 일부와 접한다. 또한, 유전체 기판(108)의 내부에는 와이어(Wire) 구조의 제1 도전체(110)가 형성(배치)되고, 유전체 기판(108)의 타면에는 분할 링 공진기(SRR: Split Ring Resonator) 구조의 제2 도전체(112)가 형성된다.
유전체 기판(108)으로는 다양한 재질의 유전체가 사용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 유전율이 4.4인 범용의 글라스 에폭시(FR-4) 기판이 사용도리 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 글라스 에폭시(FR-4) 기판이 사용될 경우, 저비용으로 유전체 기판(108)을 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 또한, 유전체 기판의 두께는 0.4mm로 설정될 수 있다.
와이어 구조의 제1 도전체(110)는 메타 물질 구조물(106)이 특정 주파수 대역(바람직하게는 WCDMA 주파수 대역(1,92GHz ~ 2.17GHz) 중 저주파 대역)에서 음의 유전율 특성을 갖도록 하기 위해 유전체 기판(108)의 내부(중간층)에 형성된다.
이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 도전체(110)는 직선 형태로 배치되는 것이 바람직하지만, 지그재그 형태 등 다양한 형태로 유전체 기판(108)의 내부에 배치될 수 있다. 제1 도전체(110)의 재질은 금속인 것이 바람직하다.
한편, 제1 도전체(110)에 의한 음의 유전율 특성이 발생하는 주파수 대역은 제1 도전체(110)(즉 와이어)의 폭 및 길이의 조절을 통해 적절하게 변경될 수 있다. 즉, 사용자는 송신 안테나 및 수신 안테나에 의해 송수신되는 RF 신호의 주파수 대역에 상응하여 제1 도전체(110)의 폭 및 길이를 조절할 수 있다.
분할 링 공진기 구조의 제2 도전체(112)는 메타 물질 구조물(106)이 특정 주파수 대역(바람직하게는 WCDMA 주파수 대역 중 고주파 대역)에서 음의 투자율 특성을 갖도록 하기 위해 유전체 기판(108)의 타면에 형성된다.
이 때, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 도전체(112)는 2 × 1 형태로 대칭 배열된 2개의 도전체 분할 링(114, 116)을 포함할 수 있다. 도 2에서는 도전체 분할 링 공진기(114, 116)가 직사각형 형태인 것으로 도시하였지만, 도전체 분할 링 공진기(114, 116)는 원, 삼각형 등과 같이 다양한 형상을 가질 수 있다. 도전체 분할 링 공진기(114, 116)의 재질은 금속인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 도전체 분할 링 공진기(114, 116)의 분할 부분 중에서 일 부분은 역 기역(
Figure 112010008925234-pat00003
)자 형태를 갖고, 타 부분은 역 니은(
Figure 112010008925234-pat00004
)자 형태를 가질 수 있다. 물론, 도전체 분할 링 공진기(114, 116)의 분할 부분의 일 부분 및 타 부분은 종래의 도전체 분할 링과 같이 직선 형태를 가질 수도 있다.
제2 도전체(110)에 의한 음의 투자율 특성이 발생하는 주파수 대역은 도전체 분할 링 공진기(114, 116)의 크기 및 분할된 부분의 간격의 조절을 통해 적절하게 변경될 수 있다. 즉, 사용자는 송신 안테나 및 수신 안테나에 의해 송수신되는 RF 신호의 주파수 대역에 상응하여 도전체 분할 링 공진기(114, 116)의 크기 및 분할 부분의 간격을 조절할 수 있다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이 도전체 분할 링 공진기(114, 116)의 분할 부분이 역 기역(
Figure 112010008925234-pat00005
)자 및 역 니은(
Figure 112010008925234-pat00006
)자 형태를 갖는 경우, 돌출된 부분의 길이를 조절함으로써 보다 용이하게 음의 투자율 특성을 가지는 주파수 대역을 설정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 중계기 안테나는 음의 유전율 특성 내지 음의 투자율 특성을 갖는 메타 물질 구조물(106)을 금속 지그(100)의 측면에 형성시킴으로써, 송신 안테나와 수신 안테나가 도 1과 같이 일체형으로 구비되더라도 간섭을 받지 않고 RF 신호의 중계가 가능하다. 이 때, 앞서 설명한 메타 물질 구조물(106)는 금속 지그(100)의 모든 측면에 형성될 수도 있고, 일부의 측면에만 형성될 수도 있다.
또한, 도 2에서는 유전체 기판(108)에 제1 도전체(110) 및 제2 도전체(112)가 모두 형성되는 것으로 설명하지만, 본 발명의 일실시예에 따르면, 유전체 기판에는 제1 도전체(110) 및 제2 도전체(112) 중에서 어느 하나의 도전체 만이 형성될 수 있다. 유전체 기판(108)에 제1 도전체(110)만이 형성된 경우, 메타 물질 구조물(108)은 음의 유전율 특성만을 갖고, 유전체 기판(108)에 제2 도전체(112)만이 형성된 경우, 메타 물질 구조물(108)은 음의 투자율 특성만을 가지며, 유전체 기판(108)에 제1 도전체(110) 및 제2 도전체(112)가 모두 형성된 경우, 메타 물질 구조물(108)은 음의 유전율 특성 및 음의 투자율 특성을 모두 가진다.
이하에서는 도 3 내지 도 9를 참고하여, 유전체 기판(108)의 상부면 및 하부면에 형성되는 송신 안테나(102) 및 수신 안테나(104)의 구조에 대해 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 단면도를 도시한 도면이고 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 평면도를 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 중계기 안테나는 금속 지그(300)를 포함하며, 금속 지그(300)의 상부면에는 송신 안테나가 구비되고 금속 지그(300)의 하부면에는 수신 안테나가 구비된다.
이 때, 금속 지그(300)의 측면에는 제1 유전체 기판, 제1 도전체, 제2 도전체를 포함하는 메타 물질 구조물이 형성되어 있다. 상기 메타 물질 구조물은 도 1 및 도 2에서 설명한 메타 물질 구조물(108)과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 송신 안테나는 접지면(302a), 제2 유전체 기판(304a), 급전 패턴(306a), 적층 유전체(308a) 및 방사 패치(310a)를 포함하며, 수신 안테나는 접지면(302b), 제2 유전체 기판(304b), 급전 패턴(306a), 적층 유전체(308a) 및 방사 패치(310a)를 포함한다. 송신 안테나 및 수신 안테나의 구성 요소는 동일하므로 이하에서는 송신 안테나의 구성 요소를 중심으로 설명하기로 한다.
금속 지그(300)의 상부에는 접지면(302a)이 형성된다. 접지면(302a)은 금속 재질로 이루어지며, 직사각형 형태를 가질 수 있다. 접지면(302a)은 접지 전위를 제공하는 기능을 한다.
접지면(302a)의 상부에는 제2 유전체 기판(304a)이 놓여진다. 유전체 기판으로는 다양한 재질의 유전체가 사용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 유전율이 4.4인 범용의 글라스 에폭시(FR-4) 기판이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 글라스 에폭시(FR-4) 기판이 사용될 경우 저비용으로 제2 유전체 기판을 대량 생산할 수 있다.
제2 유전체 기판(304a)의 상부에는 적층 유전체(308a)가 배치된다. 적층 유전체(308a)는 제2 유전체 기판(304a)과 동일한 재질의 유전체가 사용될 수도 있으며, 다른 유전율을 가지는 유전체가 사용될 수도 있다. 적층 유전체(308a)의 사이즈는 적층 유전체(308a) 상부에 구비되는 방사 패치(310a)의 사이즈에 상응할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 적층 유전체(308a)의 두께는 제2 유전체 기판(304a)가 상이한 두께를 가지는 것이 바람직하며 상이한 두께를 가질 때 양호한 격리도 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 적층 유전체(308a)의 두께는 1mm로 설정될 수 있으며, 제2 유전체 기판(304a)의 두께는 0.4mm로 설정될 수 있다.
방사 패치(310a)는 RF 신호를 송수신하는 기능을 하며 직사각형 형태를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 방사 패치(310a)는 급전 패턴(306a)과 전기적으로 연결되며, 급전 패턴(306a)을 통해 RF 신호를 급전 받는다.
종래의 중계기용 패치 안테나는 유전체 기판상에 방사 패치가 프린팅되는 것이 일반적이었다. 그러나, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1 유전체 기판(304a)상에 방사 패치(310a)의 사이즈에 상응하는 소정 높이의 적층 유전체(308a)가 구비되고, 적층 유전체(308a)상에 방사 패치(310a)가 구비된다. 이와 같은 적층 유전체 구조는 수신 안테나에도 동일하게 적용되는 바, 수신 안테나에도 유전체 기판(304b)상에 적층 유전체(308b)가 적층되고, 적층 유전체(308b)상에 방사 패치(310b)가 형성된다.
이와 같이 메타 물질 구조물 및 적층형 유전체 구조를 동시에 중계기 안테나에 적용하는 경우, 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 격리도를 보다 향상시킬 수 있게 된다. 이에 따라 송신 안테나와 수신 안테나를 일체형으로 구현하더라도 간섭 없이 RF 신호를 중계할 수 있게 된다.
대역폭 조절 및 임피던스 매칭을 위해 필요에 따라 방사 패치(310a)에는 노치가 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 단면도를 도시한 도면이고 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 평면도를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 금속 지그(500)의 상부면에는 송신 안테나가 구비되고, 금속 지그(500)의 하부에는 수신 안테나가 구비된다.
금속 지그(500)의 측면에는 도 1 내지 도 2에서 설명한 메타 물질 구조물(108)과 동일한 메타 물질 구조물(제1 유전체 기판, 제1 도전체, 및 제2 도전체를 포함)이 형성되어 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
송신 안테나는 접지면(502a), 제2 유전체 기판(504a), T-접합 전력 분배기(506a), 제1 급전 패턴(508a), 제2 급전 패턴(510a), 제1 적층 유전체(512a), 제2 적층 유전체(514a), 제1 방사 패치(516a) 및 제2 방사 패치(518a)를 포함할 수 있다.
수신 안테나 역시 접지면(502b), 제2 유전체 기판(504b), T-접합 전력 분배기(506b), 제1 급전 패턴(508b), 제2 급전 패턴(510b), 제1 적층 유전체(512b), 제2 적층 유전체(514b), 제1 방사 패치(516b) 및 제2 방사 패치(518b)를 포함할 수 있다.
제3 실시예의 경우에도 송신 안테나 및 수신 안테나의 구조는 동일하다.
제2 실시예와 달리 제3 실시예는 송신 안테나와 수신 안테나 모두 두 개의 방사 패치(516a, 518a, 516b, 518b)를 이용한다. 즉, 제3 실시예의 경우 2 × 1 형태로 방사 패치가 배열된다.
제2 실시예와 달리 2 × 1 형태로 방사 패치가 배열될 경우 전체적인 이득을 향상시킬 수 있으며 송신 안테나와 수신 안테나 사이의 격리도를 더욱 향상시킬 수 있다.
제3 실시예에 따른 중계기 안테나에는 제1 방사 패치(516a) 및 제2 방사 패치(518a)에 상응하여 유전체 기판(504a)상에 제1 적층 유전체(512a) 및 제2 적층 유전체(514a)가 적층된다.
제1 적층 유전체(512a)상에는 제1 방사 패치(516a)가 놓여지며, 제2 적층 유전체(514a)상에는 제2 방사 패치(518a)가 놓여진다. 제3 실시예에 의한 안테나에서도 유전체 기판이 아닌 적층 유전체상에 방사 패치를 구비함으로써 송신 안테나 및 수신 안테나간의 격리를 도모한다.
제3 실시예의 적층 유전체(512a, 514a)의 사이즈 역시 방사 패치(516a, 518a)의 사이즈에 상응하며 적층 유전체(512a, 514a)의 높이는 약 1mm로 설정될 수 있다. 또한, 적층 유전체(512a)는 유전체 기판(504a)과 동일한 재질일 수 있으며, 이와 다른 유전율을 가지는 유전체가 사용될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 제1 적층 유전체(512a) 및 제2 적층 유전체(514a)의 두께는 유전체 기판(504a)의 두께와 상이하게 설정되는 것이 바람직하다.
T-접합 전력 분배기(506a)는 급전홀(650)과 연결된다. 급전홀(650)은 RF 급전 신호를 제1 급전 패턴(508a) 및 제2 급전 패턴(510a)으로 분배하는 기능을 한다. 제1 급전 패턴(508a)은 T-접합 전력 분배기(506a)에 의해 분배된 신호를 제1 방사 패치(516a)에 급전하고 제2 급전 패턴(510a)은 T-접합 전력 분배기(506a)에 의해 분배된 신호를 제2 방사 패치(518a)에 급전한다. 제1 급전 패턴(508a) 및 제2 급전 패턴(510a)의 폭은 임피던스 매칭이 이루어질 수 있도록 적절히 설정된다.
제2 실시예와 같이 제3 실시예에서도 방사 패치(516a, 518a)에는 대역폭 조절 및 임피던스 매칭을 위해 노치가 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나의 단면도를 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나는 금속 지그(500)의 상하부면에 송신 안테나 및 수신 안테나가 구비되며, 금속 지그(500)의 측면에는 메타 물질 구조물이 형성된다. 송신 안테나는 송신 안테나는 접지면(502a), 제2 유전체 기판(504a), T-접합 전력 분배기(506a), 제1 급전 패턴(508a), 제2 급전 패턴(510a), 제1 적층 유전체(512a), 제2 적층 유전체(514a), 제1 방사 패치(516a), 제2 방사 패치(518a), 지지부재(520a), 제3 유전체 기판(534a), 제1 기생 패치(530a) 및 제2 기생 패치(532a)를 포함할 수 있으며, 수신 안테나의 구성 요소 역시 송신 안테나와 동일하다. 또한, 금속 지그(500)의 측면에는 형성된 메타 물질 구조물은 도 1 및 도 2에서 설명한 메타 물질 구조물(108)과 동일하다.
제4 실시예에 따른 안테나는 제3 실시예에 따른 안테나에 제3 유전체 기판(534a)과 제3 유전체 기판(534a)상에 형성되는 제1 기생 패치(530a) 및 제2 기생 패치(532a)가 부가된 구조이다.
제3 유전체 기판(534a)은 제2 유전체 기판(504a)과 소정 거리 이격되어 설치된다. 제3 유전체 기판(534a)이 제2 유전체 기판(504a)과 소정 거리 이격되어 위치할 수 있도록 제2 유전체 기판(504a)과 제3 유전체 기판(534a) 사이에는 다수의 지지 부재(520a)가 설치된다. 지지 부재(520a)는 기판의 모서리에 4개가 설치되는 것이 바람직하다. 지지 부재(520a)는 플라스틱과 같은 유전체 재질로 이루어진다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나에서 제3 유전체 기판(534a)의 평면도를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 제3 유전체 기판(534a)상에는 제1 기생 패치(530a) 및 제2 기생 패치(532a)가 형성된다. 제1 기생 패치(530a)는 제1 방사 패치(516a) 위에 형성되며, 제2 기생 패치(532a)는 제2 방사 패치(518a) 위에 형성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 기생 패치(530a) 및 제2 기생 패치(532a)의 형태는 직사각형 형태일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 방사 패치(516a) 및 제1 기생 패치(530a) 사이에는 커플링 현상이 발생하며, 제2 방사 패치(518a) 및 제2 기생 패치(532a) 사이에도 커플링 현상이 발생한다. 이와 같은 방사 패치 및 기생 패치 사이의 커플링 현상에 의해 보다 용이한 임피던스 매칭이 가능하며, 기생 패치의 사이즈 및 방사 패치와 기생 패치 사이의 거리를 적절히 조절하면서 원하는 주파수에서의 임피던스 매칭을 가능하도록 한다. 아울러, 기생 패치가 추가되는 구조는 송신 안테나 및 수신 안테나간 격리도를 향상시키는 데에도 도움을 준다.
도 7 및 도 8에는 제2 유전체 기판(504a) 및 제3 유전체 기판(534a) 사이에 공기층이 존재하는 경우가 도시되어 있으나, 공기층이 다른 유전체로 대체될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.
제4 실시예의 안테나가 WCDMA 주파수 대역(1,92GHz ~ 2.17GHz)에서 사용될 경우 제1 방사 패치(516a) 및 제2 방사 패치(518a)는 가로 30mm, 세로 39mm의 사이즈로 제작될 수 있으며, 제1 기생 패치(530a) 및 제2 기생 패치(532a)는 가로 43mm, 세로 43mm의 사이즈로 제작될 수 있다. 또한, 제1 방사 패치(516a) 및 제2 방사 패치(518a) 사이의 간격은 RF 신호의 파장의 1/2로 설정되는 것이 바람직하다.
상술한 실시예들에서는 송신 안테나와 수신 안테나가 동일한 구성 요소를 가지고 대칭적인 경우를 설명하였다. 송신 안테나와 수신 안테나간 격리도를 향상시키기 위해, 송신 안테나와 수신 안테나의 구성 요소는 동일하나 배열 형태를 다르게 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나에서 송신 안테나 및 수신 안테나의 배열 형태를 도시한 도면으로서, (a)는 송신 안테나의 배열 형태를 도시한 도면이고, (b)는 수신 안테나의 배열 형태를 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 송신 안테나 및 수신 안테나는 서로 90도의 위상차를 가지고 배열되어 있다. 이와 같이, 송신 안테나와 수신 안테나가 서로 90도 위상차를 가지고 금속 지그의 상하에 배치될 경우 안테나간 격리도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물 내에 형성된 제1 도전체에 의한 음의 유전율 특성을 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물의 타면에 형성된 제2 도전체에 의한 음의 투자율 특성을 도시한 도면이며, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 메타 물질 구조물의 굴절률을 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 12를 참고하면, 메타 물질 구조물은 WCDMA 대역(1,92GHz ~ 2.17GHz) 중 저주파 대역에서 음의 투자율 값을 갖고, 고주파 대역에서 음의 유전율 값을 가지며, 전체 대역에서 0의 굴절률 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기와 같은 유전율, 투자율, 및 굴절률 값에 의해 WCDMA 대역에서는 금속 지그를 통해 전파가 전파되지 않게 된다.
도 13은 메타 물질 구조물을 사용하지 않은 종래의 중계기 안테나의 VSWR 특성을 도시한 도면이고, 도 14는 메타 물질 구조물을 사용하지 않은 종래의 중계기 안테나의 격리도 특성을 도시한 도면이다. 또한, 도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나에서 메타 물질 구조물을 제외한 중계기 안테나의 VSWR 특성을 도시한 도면이고, 도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나에서 메타 물질 구조물을 제외한 중계기 안테나의 격리도 특성을 도시한 도면이다. 그리고, 도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나의 VSWR 특성을 도시한 도면이고, 도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나의 격리도 특성을 도시한 도면이다.
도 13, 도 15, 및 도 17를 참고하면, VSWR 특성은 종래의 안테나, 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나에서 메타 물질 구조물을 제외한 중계기 안테나, 및 본 발명의 제4 실시예에 따른 안테나가 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.
그러나 도 14, 도 16, 및 도 18을 참고하면, 종래의 중계기 안테나는 WCDMA 주파수 대역에서 65dB 내지 70dB의 격리도를 가지나, 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나에서 메타 물질 구조물을 제외한 중계기 안테나는 75dB 이상의 격리도 특성을 가지며, 본 발명의 제4 실시예에 따른 중계기 안테나는 80dB 이상의 격리도 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (17)

  1. 지그;
    상기 지그의 상부면 및 하부면에 각각 결합되는 송신 안테나 및 수신 안테나; 및
    상기 지그의 측면의 전부 또는 일부에 형성되는 메타 물질 구조물을 포함하되,
    상기 메타 물질 구조물은 일면이 상기 지그의 측면의 전부 또는 일부와 접하는 제1 유전체 기판을 포함하고, 상기 제1 유전체 기판의 내부에 형성되는 와이어 구조의 제1 도전체 및 상기 제1 유전체 기판의 타면에 형성되는 분할 링 공진기(SRR: Split Ring Resonator) 구조의 제2 도전체 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전체는 직선 형태의 와이어 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전체는 2 × 1 형태로 대칭 배열되는 2개의 도전체 분할 링 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2개의 도전체 분할 링 공진기 각각의 분할 부분 중 일 부분은 역 기역(
    Figure 112010008925234-pat00007
    )자 형태를 갖고, 타 부분은 역 니은(
    Figure 112010008925234-pat00008
    )자 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 수신 안테나는 동일한 형상이고, 상기 송신 안테나 및 수신 안테나 각각은,
    접지전위를 제공하는 접지면;
    상기 접지면상에 형성되는 제2 유전체 기판;
    상기 제2 유전체 기판 상부에 형성되는 적층 유전체; 및
    상기 적층 유전체상에 형성되는 방사 패치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적층 유전체의 사이즈는 상기 방사 패치의 사이즈에 상응하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적층 유전체의 두께는 상기 제2 유전체 기판의 두께와 상이하게 설정되는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방사 패치에 결합되며 RF 신호를 급전하는 급전 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 유전체 기판 위에 상기 제2 유전체 기판과 소정 거리 이격되어 배치되는 제3 유전체 기판 및 상기 제3 유전체 기판상에 형성되는 기생 패치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3 유전체 기판이 상기 제2 유전체 기판과 소정 거리 이격되어 배치될 수 있도록 상기 제3 유전체 기판을 지지하는 지지 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 송신 안테나 및 수신 안테나는 90도 위상차를 가지고 배열되는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 방사 패치는 복수개이며, 상기 복수개의 방사 패치에 상응하여 복수의 적층 유전체가 상기 제2 유전체 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 방사 패치로의 전력을 분배하기 위한 전력 분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 적층 유전체 및 방사 패치의 수는 2개이고, 2 X 1 형태로 배열되며, 상기 방사 패치간 간격은 파장의 1/2인 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 유전체 기판 위에 상기 제2 유전체 기판과 소정 거리 이격되어 배치되는 제3 유전체 기판 및 상기 제3 유전체 기판상에 상기 제2 유전체 기판의 상기 복수의 방사 패치의 위치에 상응하여 형성되는 복수의 기생 패치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타 물질 구조물을 이용한 중계기 안테나.
  17. 삭제
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