KR101367959B1

KR101367959B1 - 메타구조 기반의 흡수체를 이용한 안테나

Info

Publication number: KR101367959B1
Application number: KR1020120055303A
Authority: KR
Inventors: 서철헌; 김형준; 강현; 김안철; 이미자
Original assignee: 숭실대학교산학협력단; 주식회사 엑스닐; 주식회사알에프윈도우
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2014-02-26
Also published as: KR20130131620A

Abstract

메타구조 기반의 흡수체를 이용한 패치 안테나 및 이를 이용한 중계기용 안테나가 개시된다. 본 발명의 패치 안테나는 메인 패치, 및 상기 메인 패치의 주위에 배치되는 적어도 1개 이상의 전파흡수체를 포함하고, 상기 전파흡수체는 메타물질 구조 기반 전파흡수체로서, 입력단과 출력단 사이에 직렬로 연결되는 제 1 공진주파수 생성부, 및 상기 출력단에 병렬로 연결되는 제 2 공진주파수 생성부를 포함하며, 상기 전파흡수체의 유효유전율 또는 유효투자율은 특정 주파수 대역에서 음의 값을 갖는다. 이에 따라 패치 안테나가 소형화되고 도너 안테나와 서비스 안테나 간의 격리도가 개선된다.

Description

메타구조 기반의 흡수체를 이용한 안테나{Antenna using the absorber based on meta-structure}

본 발명은 메타구조 기반의 흡수체를 이용한 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수 독립적인 전기적 길이를 갖는 메타구조를 이용함으로써 소형화 및 제작 공정을 단순화하는 안테나에 관한 것이다.

통신 기술의 발달로 이동통신 단말기의 보급률이 증가되고, 사용자의 용도와 통화 품질에 대한 욕구가 증가됨에 따라 이를 해소하기 위해 중계기 시스템이 활용되고 있다. 중계기는 기지국과 단말기를 중간에서 연결하여, 기지국의 전파를 더 정확하고 더 멀리 송신하기 위한 장비이다.

중계기 시스템은 기지국과 중계기간의 무선 신호를 중계하기 위한 도너 안테나와 기지국에서 수신한 신호를 음영지역으로 전달하기 위한 서비스 안테나를 포함한다. 이때, 서비스 안테나의 송신 신호가 도너 안테나에 수신되어 증폭기 발진이 발생할 수 있다. 따라서, 발진을 피하기 위한 안테나의 격리도 문제가 중계기 개발에 있어 중요하다.

종래에는 도너 안테나와 서비스 안테나 사이의 격리도를 향상하기 위해 안테나 외부에 추가적으로 FSS(Frequency Selective Surface) 구조를 설치하였다. 그러나 FSS 구조의 물리적 크기는 주파수에 의존하므로 소형화에 한계가 있었다.

한편, 메타물질(Meta-material)이란 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적으로 합성된 물질을 통칭하는 용어이다.

대부분의 물질에서 전자파의 전파(propagation)는 (E,H,β) 벡터장의 오른손 법칙을 따른다. 여기에서, E는 전계, H는 자계 및 β는 파장 벡터(wave vector)이다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파(그룹 속도)의 방향과 동일하고 굴절율은 양수(positive number)이다. 이러한 물질은 "우선회성"(right handed; RH)이다. 대부분의 천연 물질은 RH 물질이다. 인조 물질도 또한 RH 물질일 수 있다.

메타물질은 인조 구조이다. 메타물질에 의해 안내되는 전자기 에너지의 파장보다 훨씬 작은 구조적 평균 단위 셀 사이즈(p)로 설계될 때, 메타물질은 안내되는 전자기 에너지에 대해 균질 매체처럼 행동할 수 있다. RH 물질과는 다르게, 메타물질은 (E,H,β) 벡터장의 상대적 방향이 왼손 법칙을 따르는 신호 에너지 전파 방향과 위상 속도 방향이 반대로 되는 음(negative)의 굴절율을 나타낼 수 있다. 음의 굴절율만을 지원하는 메타물질은 "좌선회성"(left handed; LH) 메타물질이다.

많은 메타물질은 LH 메타물질과 RH 메타물질의 혼합물이고, 따라서 복합 좌우선회성(Composite Left and Right Handed; CRLH) 메타물질이다. CRLH 메타물질은 저주파수에서 LH 메타물질처럼 행동하고 고주파수에서 RH 메타물질처럼 행동할 수 있다. 각종 CRLH 메타물질의 설계(design) 및 속성은 칼로즈(Caloz)와 이토(Itoh)의 "전자기 메타물질: 전송 선로 이론 및 마이크로파 응용", John Wiley & Sons(2006)에 개시되어 있다. CRLH 메타물질 및 안테나에서의 이들의 응용은 다츠오 이토(Tatsuo Itoh)의 "초청 논문: 메타물질의 전망", 전자학회지 제40권 제16호(2004년 8월)에 개시되어 있다.

CRLH 메타물질은 특수 용도로 제작되는 전자기 속성을 나타내도록 구성 및 가공되어 다른 물질을 사용하는 것이 곤란하거나 비실용적이거나 불가능한 용도에 사용될 수 있다. 또한, CRLH 메타물질은 새로운 용도를 개발하고 RH 메타물질로는 가능하지 않은 신소자를 구성하는데 사용될 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 메타구조 기반의 흡수체를 안테나의 빈 공간에 적용함으로써 소형화되고 향상된 격리도를 갖는 안테나를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나는 메인 패치; 및 상기 메인 패치의 주위에 배치되는 적어도 1개 이상의 전파흡수체를 포함하고, 상기 전파흡수체는 메타물질 구조 기반 전파흡수체로서, 입력단과 출력단 사이에 직렬로 연결되는 제 1 공진주파수 생성부; 및 상기 출력단에 병렬로 연결되는 제 2 공진주파수 생성부를 포함하며, 상기 전파흡수체의 유효유전율 또는 유효투자율은 특정 주파수 대역에서 음의 값을 갖는다.

상기 제 1 공진주파수 생성부는 제 1 인덕터(LR); 및 상기 제 1 인덕터에 직렬로 연결되는 제 1 커패시터(CL)를 포함하고, 상기 제 2 공진주파수 생성부는 제 2 인덕터(LL); 및 상기 제 2 인덕터에 병렬로 연결되는 제 2 커패시터(CR)를 포함할 수 있다.

상기 전파흡수체는 평판으로 구현되며, 상기 제 1 커패시터(CL)는 제 1 다각형; 및 제 1 다각형 내부에 위치하는 제 2 다각형을 포함하는 적어도 하나 이상의 커플링 패턴으로 상기 전파흡수체의 한쪽 면에 구현될 수 있다.

상기 제 2 인덕터(LL)는 원형 형태의 패턴으로 상기 전파흡수체의 반대쪽 면에 구현될 수 있다.

상기 제 1 커패시터(CL)는 복수의 상기 커플링 패턴; 상기 커플링 패턴을 모두 포함하는 제 3 다각형; 각각의 상기 커플링 패턴 사이에 수직 및 수평 방향으로 위치하며 상기 제 3 다각형과 연결되고 상기 제 3 다각형의 중심을 향하는 제 1 화살표들; 및 제 1 다각형과 제 3 다각형을 대각선 방향으로 연결하고, 제 3 다각형의 중심을 대각선 방향으로 향하는 제 2 화살표들을 포함하는 패턴으로 구현되며, 상기 제 1 화살표 및 상기 제 2 화살표는 향하는 방향의 끝 부분에서 상기 제 1 화살표 및 상기 제 2 화살표의 굵기보다 굵어지며, 상기 제 1 커패시터의 패턴은 수직, 수평 및 대각선 방향으로 모두 대칭일 수 있다.

상기 제 1 공진주파수 생성부는 N개의 서브 공진주파수 생성부를 포함하며, N은 2 이상의 자연수이고, 각각의 서브 공진주파수 생성부는 제 1 서브 인덕터(L/N); 및 상기 제 1 서브 인덕터(L/N)에 직렬로 연결되는 제 1 서브 캐패시턴스(N*Cg)를 포함하며, 제 2 공진주파수 생성부는 제 2 인덕터(LL); 및 상기 제 2 인덕터에 병렬로 연결되는 제 2 커패시터(CR)를 포함할 수 있다.

상기 전파흡수체는 출력단과 상기 제 2 공진주파수 생성부 사이에 직렬로 연결되는 커패시터(C)를 더 포함할 수 있다.

상기 특정 주파수 대역은 2.18 GHz 대역일 수 있다.

상기 패치 안테나는 기생 패치(parasitic patch)를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 중계기용 안테나는 기지국으로부터 제 1 신호를 수신하는 도너 안테나; 및 상기 제 1 신호에 기초한 제 2 신호를 외부로 송신하는 서비스 안테나를 포함하고, 상기 서비스 안테나 및 상기 도너 안테나는 패치 안테나로 구현되며, 상기 패치 안테나는 메인 패치; 및 상기 메인 패치의 주위에 배치되는 적어도 1개 이상의 전파흡수체를 포함하고, 상기 전파흡수체는 메타물질 구조 기반 전파흡수체로서, 입력단과 출력단 사이에 직렬로 연결되는 제 1 공진주파수 생성부; 및 상기 출력단에 병렬로 연결되는 제 2 공진주파수 생성부를 포함하며, 상기 전파흡수체의 유효유전율 또는 유효투자율은 특정 주파수 대역에서 음의 값을 갖는다.

상기 도너 안테나와 상기 서비스 안테나는 서로 직교할 수 있다.

상기 패치 안테나는 메인 패치와 연결되는 선로에 수직한 방향으로 연결되는 병렬 스터브(shunt stub)를 더 포함할 수 있다.

상기 전파흡수체는 평판으로 구현되며, 상기 제 1 커패시터(CL)는 제 1 다각형; 및 제 1 다각형 내부에 위치하는 제 2 다각형을 포함하는 적어도 하나 이상의 커플링 패턴으로 상기 전파흡수체의 한쪽 면에 구현되고, 상기 제 2 인덕터(LL)는 원형 형태의 패턴으로 상기 전파흡수체의 반대쪽 면에 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 패치 안테나 및 이를 이용한 중계기용 안테나는 주파수 독립적인 전기적 길이를 갖는 메타구조를 이용한 흡수체를 기존 패치 안테나의 빈 공간에 적용함으로써 소형화가 가능하며 제작 공정이 용이해진다.

또한, 안테나의 외부로 흐르는 표면 전류(surface current)를 흡수체가 흡수함으로써 서비스 안테나와 도너 안테나 사이의 격리도를 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 상면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 하면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 전파흡수체의 윗면 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 전파흡수체의 아랫면 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파흡수체의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 전파흡수체 각각의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명이 이용되는 중계기 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중계기 시스템의 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 중계기 시스템의 3차원 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 1에 도시된 전파흡수체 각각의 흡수율과 반사 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 9에 도시된 중계기 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 이득 및 방사패턴을 나타내는 도면이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 상면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 하면도이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 상기 패치 안테나(10)는 복수 개의 전파흡수체(100), 메인 패치(200), 병렬 스터브(shunt stub)(300) 및 입력 포트(400)를 포함한다.

도면에서 패치 안테나(10)는 설명의 편의를 위해 사각 패치(Rectangular Patch)로 도시되었으나, 패치 안테나(10)는 원형 패치(Circular Patch), 동축 피딩 패치(Coaxial feeding Patch) 또는 조리개 결합 패치(Aperture Coupled Patch)로 구현될 수도 있다.

패치 안테나(10)는 본 실시예에서 FR(Frame Retadent)4 기판으로 구현된다. FR4 기판은 GLASS EPOXY 적층물이고, 일반적인 유전율(4.4~4.8)을 가지고 있는 재질이다. 그러나, 상기 패치 안테나(10)는 FR1, FR2, CEM(Composite Epoxy Material)-3, CEM-1, FR5 기판 등으로도 구현될 수 있다.

입력 포트(400)는 외부로부터 신호를 수신하여 전송선로를 통해 상기 신호를 메인 패치(200)에 전달한다. 메인 패치(200)는 편파(polarization)를 발생시켜, 공진이 일어나는 특정 주파수 대역의 신호를 외부로 전송한다. 병렬 스터브(300)는 안테나의 정합을 위한 일종의 정합회로이며, 폭과 길이를 조절함으로써 전압 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio; VSWR) 특성을 만족하는 주파수를 조절할 수 있다.

전파흡수체(100)는 전파의 전기 에너지를 열 에너지로 변환함으로써, 전파를 흡수 및 소멸시켜 도너 안테나(10a) 및 서비스 안테나(10b) 간의 전파 간섭에 의한 장해를 억제한다. 전파흡수체(100)는 FR4 기판에 형성되고, 메인 패치(200) 주위에 배열되며, 메타물질(Meta-material) 구조를 갖는다. 전파흡수체(100) 하나만 사용할 경우 협대역의 전파 신호만 흡수하는 단점이 있으나, 전파흡수체 복수 개를 배열함으로써 광대역의 전파 신호를 흡수할 수 있다. 패치 안테나(10)의 좌우 측면에 전파흡수체를 배열할 경우 전파흡수를 가장 효과적으로 할 수 있다. 그러나, 전송선로 방향(D1) 또는 그 반대 방향(D2)의 면에도 전파흡수체를 배열할 수 있다.

도 1에 도시된 전파흡수체(100)의 윗면(110)은 직렬 캐패시턴스를 이끌어낸다. 도 2에 도시된 전파흡수체(100)의 아랫면(120)은 병렬 인덕턴스를 이끌어낸다. 상기 전파흡수체는 패치 안테나의 윗면과 아랫면을 식각하여 패턴을 그림으로써 구현될 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 전파흡수체의 윗면 구조를 나타내는 도면이다.

전파흡수체의 윗면(110)은 제 1 사각형(111), 상기 제 1 사각형 내부에 위치하는 제 2 사각형(113)을 포함하는 커플링 패턴을 포함한다. 제 1 사각형과 제 2 사각형의 라인 사이에서 커플링 캐패시턴스(coupling capacitance)가 발생한다.

상기 식 1에서, 공진주파수(f₀)는 전파흡수체가 전파를 최대로 흡수하는 주파수이며, L, C는 전파흡수체를 하나의 인덕턴스와 하나의 캐패시턴스를 포함하는 등가회로로 볼 때의 인덕턴스, 캐패시턴스 값이다.

공진주파수는 인덕턴스 값(L)과 커패시턴스 값(C)에 반비례하는데, 인덕턴스 값은 선로 길이에 비례하므로, 작은 크기의 흡수체를 구현하기 위해서 더 높은 값의 캐패시턴스 값이 필요하다. 따라서, 더 높은 캐패시턴스 값을 얻기 위해 상기 커플링 패턴을 복수 개 사용하여 캐패시턴스 값을 증가시킬 수 있다.

도 3에서는 사각형 내부에 또 다른 사각형이 포함되는 커플링 패턴으로 커플링 캐패시턴스를 발생시켰으나, 다른 다각형을 이용할 수도 있고, 평행한 라인을 이용할 수도 있다. 즉, 라인과 라인 사이의 커플링을 통해 캐패시턴스를 발생시키는 어떠한 패턴도 본 발명의 범주에 포함된다.

전파흡수체의 윗면(110)은 상기 제 1 사각형(111) 및 상기 제 2 사각형(113) 외부에 상기 제 1 사각형(111) 및 상기 제 2 사각형(113)을 모두 포함하는 제 3 사각형(115)을 더 포함할 수 있다.

상기 전파흡수체의 윗면(110)은 상기 제 3 사각형(115) 내부에 각각의 상기 커플링 패턴 사이에 수직 및 수평 방향으로 위치하며 상기 제 3 사각형(115)과 연결되고 상기 제 3 사각형의 중심을 향하는 제 1 화살표들(117), 및 제 1 사각형과 제 3 사각형을 대각선 방향으로 연결하고, 제 3 사각형의 중심을 대각선 방향으로 향하는 제 2 화살표들(119)을 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 화살표 및 상기 제 2 화살표가 향하는 방향의 끝 부분(118)에서 상기 제 1 화살표 및 상기 제 2 화살표의 굵기보다 굵어질 수 있다. 이때, 상기 전파흡수체의 윗면(110)의 패턴은 수직, 수평 및 대각선 방향으로 모두 대칭이 된다.

상기 제 3 사각형(115)과 제 1 화살표들(117), 제 2 화살표들(119)은 안테나 표면에 흐르는 표면 전류를 흡수체에 가둬 둠으로써, 도너 안테나와 서비스 안테나 간의 격리도를 개선한다.

도 4는 도 2에 도시된 전파흡수체의 아랫면 구조를 나타내는 도면이다.

전파흡수체의 아랫면(120)은 패치 안테나의 접지면에 원형 형태로 패턴을 그림으로써, 상기 커플링 캐패시턴스와 접지면 사이에 연결되는 병렬 인덕턴스를 발생시킬 수 있다. 이때, 원의 안쪽 영역(121)은 접지되지 않으며, 원의 바깥 영역(123)은 접지된다.

본 발명에서는 가장 기본적인 형태의 원형 구조를 사용하여 병렬 인덕턴스를 발생시켰으나, 스파이럴(Spiral) 구조, CSRR(Composite Split Ring Resonator) 구조, 민더 라인(Meander line) 구조, 루프(loop) 구조 등의 패턴을 이용하여 병렬 인덕턴스를 발생시킬 수도 있다. 즉, 상기 커플링 캐패시턴스와 접지면 사이에 연결되는 병렬 인덕턴스를 발생시키는 어떠한 패턴도 본 발명의 범주에 포함된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전파흡수체의 등가회로(100-1)를 나타내는 도면이다.

이를 참조하면, 메타구조 기반의 전파흡수체는 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에 직렬로 연결되는 제 1 공진주파수 생성부(110a), 및 상기 출력단에 병렬로 연결되는 제 2 공진주파수 생성부(120a)를 포함한다.

상기 제 1 공진주파수 생성부(110a)는 제 1 인덕터(LR), 및 상기 제 1 인덕터에 직렬로 연결되는 제 1 커패시터(CL)를 포함하고, 상기 제 2 공진주파수 생성부(120a)는 제 2 인덕터(LL), 및 상기 제 2 인덕터에 병렬로 연결되는 제 2 커패시터(CR)를 포함한다.

LH(left handed) 전송선로를 구현하기 위해서 직렬 캐패시턴스(CL), 및 병렬 인덕턴스(LL) 성분이 필요하다. 도 3 및 도 4의 패턴으로 상기 전파흡수체의 직렬 캐패시턴스 및 병렬 인덕턴스 성분을 각각 구현하였다.

그러나, LH 전송선로를 물리적으로 구현하는데 있어서 기생적으로 RH(right handed) 성분이 발생하게 된다. 따라서 상기 전파흡수체를 RH 전송선로를 구성하는 직렬 인덕턴스(LR), 및 병렬 캐패시턴스(CR) 성분을 더 포함한 일반적인 구조인 Composite Right/Left-Handed(CRLH) 전송선로의 등가회로로 나타낼 수 있다.

이때, 제 1 공진주파수 생성부(110a)와, 제 2 공진주파수 생성부(120a) 각각의 공진주파수는 같을 수도 있고 다를 수도 있다.

상기 수학식 1의 공진주파수 대역에서 상기 전파흡수체의 유효유전율 또는 유효투자율이 음의 값을 가지면, 상기 전파흡수체는 LH 특성을 가지며, 상기 전파흡수체의 물리적 크기와 무관하게 상기 수학식 1의 공진주파수 대역에서 공진할 수 있다.

도 1 내지 도 4에서 도 5의 등가회로를 구현한 하나의 실시예를 설명하였으나, 도 5의 직렬 캐패시턴스(CL) 및 병렬 인덕턴스(LL)는 다양한 방법으로 구현될 수 있으며 이상의 설명에 한정되지 않는다. 즉, 도 5의 등가회로로 나타낼 수 있고, 수학식 1의 공진주파수 대역에서 유효유전율 또는 유효투자율이 음의 값을 갖는 어떠한 전파흡수체 또한 본 발명의 범주에 포함된다.

도 6은 도 1에 도시된 전파흡수체 각각의 등가회로(100-2)를 나타내는 도면이다.

이를 참조하면, 상기 전파흡수체는 입력단(N1)과 출력단(N2) 사이에 직렬로 연결되는 제 1 공진주파수 생성부(110b), 및 상기 출력단에 병렬로 연결되는 제 2 공진주파수 생성부(120b)를 포함한다. 상기 제 1 공진주파수 생성부(110b) 및 상기 제 2 공진주파수 생성부(120b)는 상기 전파흡수체의 윗면과 아랫면에 각각 구현된다.

상기 제 1 공진주파수 생성부는 N개의 서브 공진주파수 생성부를 포함하며, N은 2 이상의 자연수일 수 있다. 각각의 서브 공진주파수 생성부는 제 1 서브 인덕터(L/N), 및 상기 제 1 서브 인덕터(L/N)에 직렬로 연결되는 제 1 서브 캐패시턴스(N*Cg)를 포함할 수 있다.

도 6에 N이 2인 경우, 즉 도 5의 상기 전파흡수체의 앞면의 좌측, 우측 부분을 각각 제 1 서브 인덕터(L/2), 및 제 1 서브 캐패시턴스(2Cg)를 포함하는 서브 공진주파수 생성부로 나타낸 등가회로가 도시되어 있다. 그러나 도 5의 상기 전파흡수체의 앞면의 각 사분면을 각각 제 1 서브 인덕터(L/4), 및 제 1 서브 캐패시턴스(4Cg)를 포함하는 서브 공진주파수 생성부로 나타내어, 등가회로를 그릴 수도 있다. 즉, 동일한 실시예에 대하여도 등가회로는 다양하게 나타낼 수 있다.

상기 제 2 공진주파수 생성부(120b)는 제 2 인덕터(LC), 및 상기 제 2 인덕터에 병렬로 연결되는 제 2 커패시터(CC)를 포함한다.

상기 전파흡수체는 출력단(N2)과 상기 제 2 공진주파수 생성부(120b) 사이에 직렬로 연결되는 기생 커패시터(C)를 더 포함할 수 있다. 상기 기생 커패시터(C)는 상기 전파흡수체의 윗면과 아랫면 사이의 유전체에 의하여 기생적으로 발생한다.

도 1 내지 도 4에서 도 6의 등가회로를 구현한 하나의 실시예를 설명하였으나, 도 6의 직렬 캐패시턴스(N*Cg) 및 병렬 인덕턴스(Lc)는 다양한 방법으로 구현될 수 있으며 이상의 설명에 한정되지 않는다. 즉, 도 8의 등가회로로 나타낼 수 있고, 식 1의 공진주파수 대역에서 유효유전율 또는 유효투자율이 음의 값을 갖는 어떠한 전파흡수체 또한 본 발명의 범주에 포함된다.

도 7은 본 발명이 적용되는 중계기 시스템의 개략적인 블록도이다.

이를 참조하면, 중계기 시스템(1)은 도너 안테나(10a), 서비스 안테나(10b) 및 중계 증폭기(20)를 구비한다. 도너 안테나(10a)는 개별적인 기지국과 방향성을 갖고 마주보게 되며, 도너 안테나는 단말기로부터 기지국으로 증폭된 신호를 전송할 뿐만 아니라 기지국의 신호를 수신하여 단말기로 신호를 전송한다. 반대로, 서비스 안테나(10b)는 단말기로부터 상향 링크 신호를 수신할 뿐만 아니라 하향 링크 신호를 전송한다. 도너 안테나(10a) 및 서비스 안테나(10b)는 상기 전파흡수체를 포함하는 패치 안테나(10)로 구현된다.

도너 안테나(10a)로부터 수신한 기지국의 신호는 통신 과정에서 약해지거나 찌그러질 수 있다. 중계 증폭기(20)는 도너 안테나(10a)로부터 수신한 기지국의 신호를 증폭하거나, 찌그러진 신호의 파형을 정형하고 타이밍을 조정, 또는 재구성하여, 서비스 안테나(10b)를 통해 단말기로 송신할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중계기 시스템의 단면도이다. 도 9는 도 8에 도시된 중계기 시스템의 3차원 구조를 나타낸 도면이다.

상기 도너 안테나(10a) 및 상기 서비스 안테나(10b)는 각각 기생 패치(parasitic patch)(500)를 더 포함하여, 안테나를 광대역화할 수 있다. 상기 도너 안테나(10a) 및 상기 서비스 안테나(10b)의 격리도를 향상시키기 위해, 상기 도너 안테나(10a) 및 상기 서비스 안테나(10b)는 서로 직교하여 위치할 수 있다.

상기 도너 안테나(10a) 및 상기 서비스 안테나(10b) 사이에 위치한 상기 중계 증폭기(20)는 알루미늄 지그(Aluminium jig)로 구현될 수 있다.

도 10은 도 4에 도시된 전파흡수체의 흡수율과 반사 특성을 나타내는 도면이다.

상기 전파흡수체는 2.18 GHz 대역에서 94 %의 흡수율을 갖는다. 도 10은 상기 전파흡수체 하나만을 사용하여 협대역에서만 전파를 흡수하나, 상기 전파흡수체를 복수 개 사용하여 광대역에서 전파를 흡수할 수 있다.

도 11은 도 9에 도시된 중계기 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 11에서 파란색 라인은 일반적인 패치 안테나의 에스-파라미터(S-parameter) 특성을 보여주고 있다. 1.92 GHz 대역부터 2.17 GHz 대역까지 VSWR 특성은 2 : 1을 만족하고 있으며, 격리도 특성은 약 60 dB 정도의 특성을 보여주고 있다. 반면에, 빨간색 라인은 제안된 안테나의 S-parameter 결과를 보여주고 있다. 기존의 일반 안테나와 비교했을 때, 반사특성은 거의 변함이 없는 반면에, 격리도 특성은 83 dB 이하의 특성을 보여주고 있으며, 메타구조 기반의 흡수체에 의해서 격리도 특성이 23 dB 이상 개선된 것을 확인할 수 있다.

중계기 안테나의 메타구조 기반 흡수체의 유·무에 따른 전류분포를 확인해보면, 메타구조 기반의 흡수체가 없을 때는 방사체 주위 및 접지면 주위에 전류가 유기되었을 때, 유기된 전류는 알루미늄 지그를 통해서 흐른다. 하지만, 메타구조 기반의 흡수체가 배열된 구조의 전류분포를 확인해보면, 메타구조 기반의 흡수체에 전류가 강하게 유기되고, 알루미늄을 통해서 방사체로 흐르는 전류가 감소한다. 이러한 전류분포에 의해서 메타구조 기반의 흡수체에 의해서 중계기 안테나의 격리도가 향상된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 이득 및 방사패턴을 나타내는 도면이다. 안테나의 이득은 약 6.5 dBi 이며, 고른 방사패턴을 보여주고 있다.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

중계기 시스템(1), 도너 안테나(10a),
서비스 안테나(10b), 중계 증폭기(20),
패치 안테나(10), 전파흡수체(100),
전파흡수체 앞면(110), 전파흡수체 뒷면(120),
메인 패치(200), 병렬 스터브(300),
입력 포트(400), 제 1 다각형(111),
제 2 다각형(113), 제 3 다각형(115),
제 1 화살표(117), 제 2 화살표(119),
기생 커패시터(130), 기생 패치(500)

Claims

메인 패치; 및
상기 메인 패치의 주위에 배치되는 적어도 1개 이상의 전파흡수체를 포함하고,
상기 전파흡수체는
메타물질 구조 기반 전파흡수체로서,
입력단과 출력단 사이에 직렬로 연결되는 제 1 공진주파수 생성부; 및
상기 출력단에 병렬로 연결되는 제 2 공진주파수 생성부를 포함하며,
상기 전파흡수체의 유효유전율 또는 유효투자율은 특정 주파수 대역에서 음의 값을 갖는 패치 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 공진주파수 생성부는
제 1 인덕터; 및
상기 제 1 인덕터에 직렬로 연결되는 제 1 커패시터를 포함하고,
상기 제 2 공진주파수 생성부는
제 2 인덕터; 및
상기 제 2 인덕터에 병렬로 연결되는 제 2 커패시터를 포함하는 패치 안테나.
제 2 항에 있어서, 상기 전파흡수체는 평판으로 구현되며,
상기 제 1 커패시터는
제 1 다각형; 및
제 1 다각형 내부에 위치하는 제 2 다각형을 포함하는 적어도 하나 이상의 커플링 패턴으로 상기 전파흡수체의 한쪽 면에 구현되는 패치 안테나.
제 3 항에 있어서, 상기 제 2 인덕터는
원형 형태의 패턴으로 상기 전파흡수체의 반대쪽 면에 구현되는 패치 안테나.
제 3 항에 있어서, 상기 제 1 커패시터는
복수의 상기 커플링 패턴;
상기 커플링 패턴을 모두 포함하는 제 3 다각형;
각각의 상기 커플링 패턴 사이에 수직 및 수평 방향으로 위치하며 상기 제 3 다각형과 연결되고 상기 제 3 다각형의 중심을 향하는 제 1 화살표들; 및
제 1 다각형과 제 3 다각형을 대각선 방향으로 연결하고, 제 3 다각형의 중심을 대각선 방향으로 향하는 제 2 화살표들을 포함하는 패턴으로 구현되며,
상기 제 1 화살표 및 상기 제 2 화살표는 향하는 방향의 끝 부분에서 상기 제 1 화살표 및 상기 제 2 화살표의 굵기보다 굵어지며,
상기 제 1 커패시터의 패턴은 수직, 수평 및 대각선 방향으로 모두 대칭인 패치 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 공진주파수 생성부는
N개의 서브 공진주파수 생성부를 포함하며, N은 2 이상의 자연수이고,
각각의 서브 공진주파수 생성부는
제 1 서브 인덕터(L/N); 및
상기 제 1 서브 인덕터(L/N)에 직렬로 연결되는 제 1 서브 캐패시턴스(N*Cg)를 포함하며,
제 2 공진주파수 생성부는
제 2 인덕터(LL); 및
상기 제 2 인덕터에 병렬로 연결되는 제 2 커패시터(CR)를 포함하는 패치 안테나.
제 6 항에 있어서, 상기 전파흡수체는
출력단과 상기 제 2 공진주파수 생성부 사이에 직렬로 연결되는 커패시터(C)를 더 포함하는 패치 안테나.
제 1 항에 있어서, 상기 패치 안테나는
기생 패치(parasitic patch)를 더 포함하는 패치 안테나.
중계기용 안테나에 있어서,
기지국으로부터 제 1 신호를 수신하는 도너 안테나; 및
상기 제 1 신호에 기초한 제 2 신호를 외부로 송신하는 서비스 안테나를 포함하고,
상기 서비스 안테나 및 상기 도너 안테나는 패치 안테나로 구현되며,
상기 패치 안테나는
메인 패치; 및
상기 메인 패치의 주위에 배치되는 적어도 1개 이상의 전파흡수체를 포함하고,
상기 전파흡수체는
메타물질 구조 기반 전파흡수체로서,
입력단과 출력단 사이에 직렬로 연결되는 제 1 공진주파수 생성부; 및
상기 출력단에 병렬로 연결되는 제 2 공진주파수 생성부를 포함하며,
상기 전파흡수체의 유효유전율 또는 유효투자율은 특정 주파수 대역에서 음의 값을 갖는 중계기용 안테나.
제 9 항에 있어서, 상기 도너 안테나와 상기 서비스 안테나는
서로 직교하도록 위치하는 중계기용 안테나.
제 9 항에 있어서, 상기 패치 안테나는
메인 패치와 연결되는 선로에 수직한 방향으로 연결되는 병렬 스터브(shunt stub)를 더 포함하는 중계기용 안테나.
제 9 항에 있어서, 상기 제 1 공진주파수 생성부는
제 1 인덕터; 및
상기 제 1 인덕터에 직렬로 연결되는 제 1 커패시터를 포함하고,
상기 제 2 공진주파수 생성부는
제 2 인덕터; 및
상기 제 2 인덕터에 병렬로 연결되는 제 2 커패시터를 포함하는 중계기용 안테나.
제 12 항에 있어서, 상기 전파흡수체는 평판으로 구현되며,
상기 제 1 커패시터는
제 1 다각형; 및
제 1 다각형 내부에 위치하는 제 2 다각형을 포함하는 적어도 하나 이상의 커플링 패턴으로 상기 전파흡수체의 한쪽 면에 구현되고,
상기 제 2 인덕터는
원형 형태의 패턴으로 상기 전파흡수체의 반대쪽 면에 구현되는 중계기용 안테나.
제 13 항에 있어서, 상기 제 1 커패시터는
복수의 상기 커플링 패턴;
상기 커플링 패턴을 모두 포함하는 제 3 다각형;
각각의 상기 커플링 패턴 사이에 수직 및 수평 방향으로 위치하며 상기 제 3 다각형과 연결되고 상기 제 3 다각형의 중심을 향하는 제 1 화살표들; 및
제 1 다각형과 제 3 다각형을 대각선 방향으로 연결하고, 제 3 다각형의 중심을 대각선 방향으로 향하는 제 2 화살표들을 포함하는 패턴으로 구현되며,
상기 제 1 화살표 및 상기 제 2 화살표는
향하는 방향의 끝 부분에서 상기 제 1 화살표 및 상기 제 2 화살표의 굵기보다 굵어지며,
상기 제 1 커패시터의 패턴은
수직, 수평 및 대각선 방향으로 모두 대칭인 중계기용 안테나.