KR101411444B1 - 다중 대역 평판형 모노폴 안테나 및 이의 제조 방법 - Google Patents

다중 대역 평판형 모노폴 안테나 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101411444B1
KR101411444B1 KR1020130037410A KR20130037410A KR101411444B1 KR 101411444 B1 KR101411444 B1 KR 101411444B1 KR 1020130037410 A KR1020130037410 A KR 1020130037410A KR 20130037410 A KR20130037410 A KR 20130037410A KR 101411444 B1 KR101411444 B1 KR 101411444B1
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김당오
김채영
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 다중 대역 평판형 모노폴 안테나 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는, 유전체 기판, 유전체 기판의 상면에 형성되며 상호 간에 간격을 두고 형성되는 한 쌍의 접지면, 유전체 기판의 상면에서 한 쌍의 접지면의 사이에 형성되며 CPW(CoPlanar Waveguide) 급전 구조를 갖는 급전부, 유전체 기판의 상면에 제1 주파수 대역에 대응하는 길이를 갖도록 형성되며 급전부에 의하여 급전되고 말단 측에 스터브 구조를 갖는 방사부, 그리고 유전체 기판의 상면에서 방사부의 측방에 위치하도록 형성되며 제2 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖도록 형성되며 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 메타물질 공진기를 포함하며, 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역을 포함하는 다중 대역을 통해 신호를 송수신한다.

Description

다중 대역 평판형 모노폴 안테나 및 이의 제조 방법{MULTI-BAND PLANAR MONOPOLE ANTENNA AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(multi-band planar monopole antenna) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근의 무선 통신 기술의 급속한 발전과 함께, 무선 전파의 전송 효율을 높이기 위한 일환으로, 다양한 구조를 갖는 안테나들이 제안되고 있으며, 데이터 통신 수요의 폭발적인 증가로 인하여, 예를 들어 5GHz 주파수의 무선랜(WLAN; Wireless Local Area Network) 대역, 3GHz 주파수의 와이맥스(WiMAX; Worldwide interoperability for Microwave Access) 대역 등의 다중 대역을 통한 전송 특성을 구현하는 안테나가 요구되고 있다.
기존의 안테나들 중 광대역 전송 특성을 갖는 모노폴 안테나의 경우, 전송 주파수 대역 특성을 조절하기 어려울 뿐 아니라, 다중 대역 특성을 구현하기 어려운 단점을 갖는다. 즉, 기존의 다중 대역 안테나는 각 주파수 대역이 독립적으로 동작하지 않거나, 공진 주파수의 튜닝이 어려워서, 다중 대역 특성을 지원하는 안테나를 설계하는데 제약이 따르고 있다.
본 발명은 손쉽게 다중 대역 특성을 구현할 수 있고, 다중 대역의 주파수를 자유롭게 조절할 수 있는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 목적은 각 주파수 대역에서 독립적인 동작특성을 갖는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나 및 이의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 목적은 콤팩트한 구조로 다중 대역 전송 특성을 지원하는 평판형 모노폴 안테나를 제조하여, 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 소형화하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 상면에 형성되며, 상호 간에 간격을 두고 형성되는 한 쌍의 접지면; 상기 유전체 기판의 상면에서 상기 한 쌍의 접지면의 사이에 형성되며, CPW(CoPlanar Waveguide) 급전 구조를 갖는 급전부; 상기 유전체 기판의 상면에 제1 주파수 대역에 대응하는 길이를 갖도록 형성되며, 상기 급전부에 의하여 급전되고, 말단 측에 스터브 구조를 갖는 방사부; 그리고 상기 유전체 기판의 상면에서 상기 방사부의 측방에 위치하도록 형성되며, 제2 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖도록 형성되며, 상기 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 메타물질 공진기를 포함하며, 상기 제1 주파수 대역 및 상기 제2 주파수 대역을 포함하는 다중 대역을 통해 신호를 송수신한다.
일 실시 예로, 상기 메타물질 공진기는, 하나 이상의 분할 링 공진기를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 분할 링 공진기는, 링 형상으로 이루어지며, 상기 방사부의 길이 방향에 수직한 어느 한 변에 제1 갭을 갖는 제1 공진기; 그리고 상기 제1 공진기의 내부에 형성되며, 링 형상으로 이루어지고, 상기 방사부의 길이 방향에 수직한 상기 제1 공진기의 다른 한 변과 마주보는 변에 제2 갭을 갖는 제2 공진기를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 메타물질 공진기는, 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태로 형성되는 한 쌍의 분할 링 공진기를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 메타물질 공진기는, 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태로 형성되며, 상기 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 한 쌍의 제1 분할 링 공진기를 포함하는 제1 메타물질 공진기; 그리고 상기 유전체 기판의 상면에서 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태로 제3 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖도록 형성되며, 상기 제3 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 한 쌍의 제2 분할 링 공진기를 포함하는 제2 메타물질 공진기를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는, 2.4GHz WLAN 대역, 3GHz WiMAX 대역, 5GHz WLAN 대역의 3중 대역을 통해 신호를 송수신할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제2 메타물질 공진기는, 상기 제1 메타물질 공진기와 상기 스터브 구조의 사이에 형성되며, 상기 제1 메타물질 공진기는, 상기 한 쌍의 접지면과 상기 제2 메타물질 공진기의 사이에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 유전체 기판의 상면에, 한 쌍의 접지면, CPW(CoPlanar Waveguide) 급전 구조를 갖는 급전부, 제1 주파수 대역에 대응하는 길이를 가지며 말단 측에 스터브 구조를 갖는 방사부 및 제2 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖는 메타물질 공진기를 형성하는 단계를 포함하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제조 방법이 제공된다.
일 실시 예로, 상기 메타물질 공진기를 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판의 상면에 하나 이상의 분할 링 공진기를 포함하는 상기 메타물질 공진기를 형성할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 메타물질 공진기를 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판의 상면에 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태로 한 쌍의 분할 링 공진기를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 메타물질 공진기를 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판의 상면에, 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태를 가지며 상기 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 한 쌍의 제1 분할 링 공진기를 포함하는 제1 메타물질 공진기를 형성하는 단계; 그리고 상기 유전체 기판의 상면에, 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태를 가지며 제3 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖는 한 쌍의 제2 분할 링 공진기를 포함하는 제2 메타물질 공진기를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예로, 상기 제2 메타물질 공진기를 형성하는 단계는, 상기 제1 메타물질 공진기와 상기 스터브 구조의 사이에 상기 제2 메타물질 공진기를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 손쉽게 다중 대역 특성을 구현할 수 있으며, 다중 대역의 주파수를 자유롭게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 각 주파수 대역에서 독립적인 동작특성을 갖는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나 및 이의 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 콤팩트한 구조로 다중 대역 전송 특성을 지원하는 모노폴 안테나를 구현할 수 있으며, 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 소형화할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 측면도이다.
도 6은 유전체 기판상에 접지면과 방사부가 형성된 단일 대역 평판형 모노폴 안테나의 평면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 단일 대역 평판형 모노폴 안테나의 반사손실 그래프를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 6에 도시된 단일 대역 평판형 모노폴 안테나의 방사패턴 특성을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모노폴 안테나를 구성하는 메타물질 공진기의 하나의 분할 링 공진기를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 구성하는 제1 분할 링 공진기의 유효 투자율 그래프를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 구성하는 제2 분할 링 공진기의 유효 투자율 그래프를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 예시적인 설계 파라미터 값을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 반사 손실 그래프를 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제1 메타물질 공진기의 크기별 반사손실 그래프를 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제2 메타물질 공진기의 크기별 반사손실 그래프를 보여주는 도면이다.
도 16은 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예에 대한 E-평면에 대한 방사패턴 특성을 보여주는 도면이다.
도 17은 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예에 대한 H-평면에 대한 방사패턴 특성을 보여주는 도면이다.
도 18은 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예에 대한 2.45GHz 대역에서의 표면 전류 분포 특성을 보여주는 도면이다.
도 19는 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예에 대한 3GHz 대역에서의 표면 전류 분포 특성을 보여주는 도면이다.
도 20은 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예에 대한 5.8GHz 대역에서의 표면 전류 분포 특성을 보여주는 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다. 공지된 구성에 대한 일반적인 내용에 관한 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일한 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면 부호가 사용될 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(multi-band planar monopole antenna)는, 유전체 기판의 상면에서 방사부의 측방에 소정의 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖는 하나 이상의 메타물질 공진기(meta-material resonator)가 형성된다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 다중 대역을 통해 신호를 송수신할 수 있으며, 메타물질 공진기의 크기를 조절하여 주파수 대역을 자유롭게 조절할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는 각 주파수 대역이 독립적으로 동작하므로, 다중 대역 특성을 지원하는 안테나를 용이하게 설계할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는 방사부의 측방 공간을 활용함으로써 콤팩트(compact)한 구조로 다중 대역의 전송을 지원할 수 있으며, 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 소형화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 정면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 측면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는 유전체 기판(110), 한 쌍의 접지면(121,122), 급전부(130), 방사부(140), 그리고 메타물질 공진기(150)를 포함한다.
유전체 기판(110)은 단일 유전체 또는 다수의 유전체로 구현될 수 있다. 유전체 기판(110)은 평판 형태로 제공될 수 있다. 유전체 기판(110)의 상면에는 접지면(121,122), 급전부(130), 방사부(140) 및 메타물질 공진기(150)가 형성된다. 일 실시 예로, 접지면(121,122), 급전부(130), 방사부(140) 및 메타물질 공진기(150)는 금속 등의 재질로 형성될 수 있다.
한 쌍의 접지면(121,122)은 상호 간에 소정 거리만큼 간격을 두고 형성된다. 접지면(121,122)은 지면 또는 별도의 접지 장치를 통해 접지될 수 있다. 급전부(130)는 한 쌍의 접지면(121,122)의 사이에 각 접지면(121,122)과 미리 설계된 약간의 거리만큼 간격을 두고 이격하여 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 급전부(130)는 CPW(CoPlanar Waveguide) 급전 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 유전체 기판(110)에 비아홀(via-hole)을 관통 형성하지 않고도, 방사부(140)에 전력을 공급할 수 있다.
방사부(140)는 급전부(130)에 의하여 급전되며, 전력 신호를 방사하거나 수신한다. 방사부(140)는 제1 주파수 대역에 대응하는 길이를 갖는 방사체(141)를 구비하며, 방사체(141)의 말단 측에 스터브 구조(142)를 갖는다. 일 실시 예로, 방사체(141)는 제1 주파수 대역에 대응하는 파장의 1/2에 해당하는 길이로 형성될 수 있다. 방사부(140)는 제1 주파수 대역을 통해 신호를 송수신할 수 있다. 임피던스 정합을 쉽게 하기 위하여, 방사체(141)의 폭에 변화를 줄 수 있으며, 모노폴 안테나의 최상단부에 T-형의 스터브 구조(142)를 형성할 수 있다.
메타물질 공진기(150)는 방사부(140)의 측방에 위치하도록 형성된다. 메타물질 공진기(150)는 제1 주파수 대역과 다른 제2 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖도록 형성된다. 메타물질 공진기(150)는 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시 예에서, 메타물질 공진기(150)는 갭(gap)이 형성된 금속 링의 형상으로 이루어지는 한 쌍의 분할 링 공진기(SRR; Split Ring Resonator)(151,152)를 포함한다.
한 쌍의 분할 링 공진기(151,152)는 제2 주파수 대역에서 공진하여 신호를 방사하거나 신호를 수신한다. 일 실시 예로, 각 분할 링 공진기(151,152)는 갭(gap)이 형성된 복수 개의 금속 링으로 이루어질 수 있다. 도 1에 도시된 실시 예에서, 각 분할 링 공진기(151,152)는 사각 링 형상으로 도시되어 있지만, 분할 링 공진기(151)는 원형 링이나 그 밖의 다양한 형상으로 변형될 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 분할 링 공진기(151,152)의 면적 및 갭(gap)의 사이즈 등은 전송 주파수 대역의 역수에 대응하는 값으로 설계될 수 있다. 무지향성 방사 패턴을 유지하기 위하여, 즉 방사 패턴이 일그러지지 않도록 하고, 방사 패턴의 대칭성을 확보하기 위하여, 한 쌍의 분할 링 공진기(151,152)는 방사부(140)의 방사체(141)를 기준으로 좌우 측에 서로 대칭되는 형태로 제공될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는 방사부(140)에 의하여 제1 주파수 대역을 통해 전파 신호를 송수신하고, 메타물질 공진기(150)에 의하여 제2 주파수 대역을 통해 전파 신호를 송수신할 수 있다. 즉, 도 1 내지 도 3에 도시된 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는 2중 대역 안테나로서 동작한다. 방사체(141)의 측방에 마련된 공간에 메타물질 공진기(150)를 형성하여 주파수 대역을 추가함으로써, 모노폴 안테나의 크기를 증가시키지 않으면서 다중 대역의 전송을 지원할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)의 물리적 파라미터 값들은 전송 주파수 대역들을 고려하여 설계될 수 있다. 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)의 물리적 파라미터 값들은 예를 들어, 안소프트(Ansoft)사의 고주파 시뮬레이터(HFSS; High Frequency Structure Simulator)를 통해 최적화 설계될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 측면도이다. 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예를 설명함에 있어서, 도 1 내지 도 3에 도시된 실시 예와 동일한 구성에 대하여는 중복되는 설명을 생략할 수 있다. 도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는, 복수 개의 메타물질 공진기(150a,150b)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는, 제1 메타물질 공진기(150a)와 제2 메타물질 공진기(150b)를 포함하며, 제1 메타물질 공진기(150a)와 제2 메타물질 공진기(150b)는 서로 다른 크기(면적)을 갖도록 형성된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시 예와 마찬가지로, 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예를 구성하는 제1 메타물질 공진기(150a)는 제2 주파수 대역에 대응하는 크기로 형성되며, 제2 메타물질 공진기(150b)는 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역과 다른 제3 주파수 대역에 대응하는 크기로 형성된다.
제1 메타물질 공진기(150a)는 한 쌍의 제1 분할 링 공진기(151,152)를 포함하며, 제2 메타물질 공진기(150b)는 한 쌍의 제2 분할 링 공진기(153,154)를 포함한다. 제1 분할 링 공진기(151,152)는 접지면(121,122)의 상측에 방사체(141)의 좌우 측방으로 형성되며, 제2 분할 링 공진기(153,154)는 제1 분할 링 공진기(151,152)와 방사부(140)의 스터브(142) 사이에 형성된다.
한 쌍의 제2 분할 링 공진기(153,154)는 제3 주파수 대역에서 공진하여 신호를 방사하거나 신호를 수신한다. 도 4 내지 도 5의 실시 예에서, 제2 분할 링 공진기(153,154)는 사각 링의 형상으로 도시되어 있지만, 분할 링 공진기(153,154)는 원형 링이나 그 밖의 다양한 형상으로 변형될 수도 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는, 유전체 기판(110)의 상면에, 한 쌍의 접지면(121,122), CPW 급전 구조를 갖는 급전부(130), 제1 주파수 대역에 대응하는 길이를 가지며 말단 측에 스터브 구조(142)를 갖는 방사부(140) 및 제2 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖는 메타물질 공진기(150)를 형성하여 제조될 수 있다.
유전체 기판(110)에 접지면(121,122), 급전부(130), 방사부(140) 및 메타물질 공진기(150)를 형성하는 순서는 특별히 제한되지 않는다. 즉, 미리 임의의 순서대로 설정된 바에 따라, 접지면(121,122), 급전부(130), 방사부(140) 또는 메타물질 공진기(150)를 순차적으로 형성하거나, 이들 중 둘 이상을 동시에 형성할 수 있다.
도 4 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는 방사부(140)에 의하여 제1 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하고, 제1 메타물질 공진기(150a)에 의하여 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하며, 제2 메타물질 공진기(150b)에 의하여 제3 주파수 대역을 통해 신호를 송수신한다. 즉, 도 4 내지 도 5에 도시된 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는 3중 대역 안테나로서 동작한다.
도 4 내지 도 5에 도시된 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는, 유전체 기판(110)의 상면에, 한 쌍의 접지면(121,122), CPW 급전 구조를 갖는 급전부(130), 제1 주파수 대역에 대응하는 길이를 가지며 말단 측에 스터브 구조(142)를 갖는 방사부(140), 제2 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖는 제1 메타물질 공진기(150a) 및 제3 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖는 제2 메타물질 공진기(150b)를 동시에 또는 순차적으로 형성하여 제조될 수 있다.
도 4 내지 도 5에서는, 평판형 모노폴 안테나에 두 개의 메타물질 공진기(150a,150a)가 방사체로서 추가되어 3중 대역을 구현하는 예를 나타내고 있으나, 추가적으로 또 다른 주파수 대역을 지원하는 하나 이상의 메타물질 공진기를 더 추가하여 4중 대역 이상의 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 구현하는 것도 가능하다.
이하에서는 도 6 내지 도 20을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 배열 패치 안테나의 동작 및 작용에 대해 설명한다. 도 6은 유전체 기판상에 급전부, 접지면 및 방사부가 형성된 단일 대역 평판형 모노폴 안테나의 평면도이다. 도 7은 도 6에 도시된 단일 대역 평판형 모노폴 안테나의 반사손실(return loss) 그래프를 보여주는 도면이다.
도 7에서 보여지는 바와 같이, 도 6에 도시된 바와 같은 단일 대역 평판형 모노폴 안테나는 3GHz 주파수 대역의 단일 주파수 대역을 통해 전파 신호를 송수신한다. 도 8은 도 6에 도시된 단일 대역 평판형 모노폴 안테나의 방사패턴 특성을 보여주는 도면이다. 도 8에서 보여지는 바와 같이, 도 6에 도시된 바와 같은 단일 대역 평판형 모노폴 안테나는 전형적인 모노폴 안테나와 동일한 전송 특성 및 방사 패턴을 갖는다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는, 전형적인 모노폴 안테나의 전송 주파수 대역 특성을 그대로 유지하면서, 새로운 전송 주파수 대역들을 추가하여 다중 대역 특성을 구현하기 위해, 유전체 기판(110)에 방사부(140) 외에 메타물질 공진기들(150a,150b)이 추가로 형성된다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 구성하는 메타물질 공진기의 하나의 분할 링 공진기를 보여주는 도면이다. 도 9를 참조하면, 분할 링 공진기(151)는 사각 링 형상을 갖는 제1 공진기(1511)와, 제1 공진기(1511)의 내부에 형성되며 사각 링 형상을 갖는 제2 공진기(1512)를 포함한다. 제1 공진기(1511)는 방사부(140)의 길이 방향에 수직한 어느 한 변(1511b)에 제1 갭(1511a)이 형성된다. 제2 공진기(1512)는 방사부(140)의 길이 방향에 수직한 제1 공진기(1511)의 다른 한 변과 마주보는 변(1512b)에 제2 갭(1512a)이 형성된다.
다시 도 4 내지 도 5를 참조하면, 일 실시 예로, 방사부(140)는 3GHz 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하며, 제1 분할 링 공진기(151,152)는 2.4GHz 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하며, 제2 분할 링 공진기(153,154)는 5GHz 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는 2.4GHz WLAN 대역(예를 들어, 2.45GHz 주파수 대역), 3GHz WiMAX 대역(예를 들어, 3.4GHz 또는 3.5GHz 주파수 대역), 5GHz WLAN 대역(예를 들어, 5,8GHz 주파수 대역)의 3중 대역을 통해 신호를 송수신할 수 있다.
이를 위해, 제1 분할 링 공진기(151,152)는 2.4GHz WLAN 대역에 대응하는 크기, 즉 2.4GHz WLAN 대역에서 공진 주파수가 형성되는 크기로 형성되고, 제2 분할 링 공진기(153,154)는 5GHz WLAN 대역에 대응하는 크기, 즉 5GHz WLAN 대역에서 공진 주파수가 형성되는 크기로 형성될 수 있다. 전송 주파수 대역이 클수록 메타물질 공진기(150a,150b)는 작은 크기로 설계되고, 전송 주파수 대역이 작을수록 메타물질 공진기(150a,150b)는 큰 크기로 설계될 수 있다.
WiMAX/WLAN 대역을 지원하는 모노폴 안테나를 제조하기 위하여, 안소프트(Ansoft)사의 고주파 시뮬레이터(HFSS; High Frequency Structure Simulator)를 통해 제1 분할 링 공진기(151,152)와 제2 분할 링 공진기(153,154)의 파라미터 값들이 설계될 수 있으며, 예를 들어 아래의 표 1에 나타낸 파라미터 값들을 갖는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 구현할 수 있다.
제1 분할 링 공진기 제2 분할 링 공진기
L1 7.2mm L2 4.5mm
c1 0.5mm c2 0.5mm
d1 0.2mm d2 0.3mm
g1 0.4mm g2 0.15mm
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 구성하는 제1 분할 링 공진기의 유효 투자율 그래프를 보여주는 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나를 구성하는 제2 분할 링 공진기의 유효 투자율 그래프를 보여주는 도면이다. 도 10 내지 도 11에서 보여지는 바와 같이, 제1 분할 링 공진기(151,152)와 제2 분할 링 공진기(153,154)는 각각 2.45GHz 전송 주파수 대역과 5.8GHz 전송 주파수 대역에서 음의 유효 투자율(effective permeability) 값을 갖는다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 예시적인 설계 파라미터 값을 보여주는 도면이다. 도 12에서, 메타물질 공진기들의 설계 사양은 상기한 표 1에 나타낸 바와 같다. 이때, 유전체 기판(110)으로는 예를 들어, 두께 0.812mm의 Rogers 4003(εγ=3.38, tanδ=0.0027) 기판이 사용될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 반사 손실 그래프를 보여주는 도면이다. 반사 손실(return loss, S11)은 입력 포트에 입력한 전압에 대한 입력 포트로 출력되는 전압의 비율, 즉 반사(reflection) 비율을 나타낸다. 도 13에서, 실선은 도 4 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시 예에 대한 결과를 나타내고, 굵은 점선은 도 1 내지 도3에 도시된 본 발명의 실시 예에 대한 결과를 나타내며, 점선은 도 6에 도시된 비교 예에 대한 결과를 나타낸다.
도 13에 도시된 실시예 1의 결과로부터, 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 실시 예의 경우 3GHz의 WiMAX 대역에 2.45 GHz WLAN 대역이 추가되어 2중 대역 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 도 13에 도시된 실시예 2의 결과로부터, 도 4 내지 도 5, 도 12에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는 3GHz의 WiMAX 대역에, 2.45 GHz WLAN 대역 및 5.8GHz WLAN 대역이 추가되어 3중 대역 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 3GHz WiMAX 대역은 방사부(140)에 의하여 발생되는 것이고, 2.45GHz WLAN 대역은 제1 메타물질 공진기(150a)에 의하여 발생되는 것이고, 5.8GHz WLAN 대역은 제2 메타물질 공진기(150b)에 의하여 발생되는 것이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제1 메타물질 공진기의 크기별 반사손실 그래프를 보여주는 도면이고, 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제2 메타물질 공진기의 크기별 반사손실 그래프를 보여주는 도면이다. 도 14 내지 도 15는 각각 제1 분할 링 공진기(151,152)의 최외곽 변의 길이(L1)와, 제2 분할 링 공진기(153,154)의 최외곽 변의 길이(L2)를 변화하면서, 반사 손실을 측정한 결과를 나타낸다.
도 4 내지 도 5, 도 14 내지 도 15를 참조하면, 제1 메타물질 공진기(150a)의 크기 변화는 분할 링 공진기의 동작 주파수인 2.45 GHz 이외에도 방사부(140)의 3GHz 대역의 공진 주파수도 변화시킨다. 이는 제1 메타물질 공진기(150a)가 방사부(140)에 기생 소자로써 영향을 주는 것을 말해준다. 반면에, 제2 메타물질 공진기(150b)의 크기 변화는 5.8GHz 대역에만 변화를 일으킨다. 이는 방사부(140)에서 지원하는 제1 주파수 대역보다 높은 주파수 대역(예를 들어, 5.8GHz WLAN 대역)의 조절을 용이하게 수행할 수 있음을 말해주는 것이다.
도 16은 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예에 대한 E-평면에 대한 방사패턴 특성을 보여주는 도면이고, 도 17은 도 4 내지 도 5에 도시된 실시 예에 대한 H-평면에 대한 방사패턴 특성을 보여주는 도면이다. 도 4 내지 도 5, 도 16 내지 도 17을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는, 전 대역에서, 도 8에 도시된 바와 같은 전형적인 모노폴 안테나의 고유한 방사 패턴을 그대로 유지하고 있음을 알 수 있다.
도 16 내지 도 17에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)는 무지향성 패턴을 가지므로, 무선 통신 분야에서 유용하게 사용될 수 있다. 도 12에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)의 이득은 2.4GHz에서 2(dBi), 3.5GHz에서 3.25(dBi), 5.8GHz에서 3(dBi)를 나타내며, 방사 효율은 모두 0.95 이상의 높은 수치를 보인다.
도 18은 도 4 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시 예에 대한 2.45GHz WLAN 대역에서의 표면 전류 분포 특성을 보여주는 도면이고, 도 19는 도 4 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시 예에 대한 3GHz WiMAX 대역에서의 표면 전류 분포 특성을 보여주는 도면이고, 도 20은 도 4 내지 도 5에 도시된 본 발명의 실시 예에 대한 5.8GHz WLAN 대역에서의 표면 전류 분포 특성을 보여주는 도면이다. 도 18 내지 도 20에서 붉게 표시된 부분은 상대적으로 전류 밀도가 높은 것을 의미하며, 청색은 상대적으로 전류 밀도가 낮은 것을 의미한다.
도 18을 참조하면, 2.45GHz WLAN 대역에서는 제1 메타물질 공진기(150a)가 형성된 영역에서 전류 밀도가 높은 것을 확인할 수 있으며, 이는 2.45GHz WLAN 대역의 동작이 제1 메타물질 공진기(150a)에 의하여 이루어진다는 것을 보여주는 것이다. 도 20을 참조하면, 5.8GHz WLAN 대역에서는 제2 메타물질 공진기(150b)가 형성된 영역에서 전류 밀도가 높은 것을 확인할 수 있으며, 이는 제2 메타물질 공진기(150b)의 공진에 의하여 5.8GHz 동작 대역이 발생된다는 것을 의미한다.
도 19를 참조하면, 방사부(140)에 의한 3GHz WiMAX 대역의 경우, 메타물질 공진기들(150a,150b)의 전류 밀도가 상대적으로 높지 않으며, 전형적인 모노폴 안테나와 유사하거나 적은 밀도를 갖는다. 이는 3GHz WiMAX 전송 대역에서는 메타물질 공진기(150a,150b)가 동작하지 않음을 보여주는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는 다중 대역 특성을 나타내며, 각 전송 주파수 대역의 조절이 용이하게 이루어지는 장점을 갖는다. 본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나는 소형화 특성을 나타내며, 무지향성 패턴으로 인하여 WiMAX/WLAN 무선 통신 기기의 안테나로써 활용되기에 적합하다.
본 발명의 실시 예에 따른 다중 대역 평판형 모노폴 안테나(100)에서, 각 전송 주파수 대역은 독립적으로 동작하며, 각각의 메타물질 공진기(150a,150b)는 한 개의 주파수 대역에서만 동작한다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 의하면, 메타물질 공진기(150a,150b)를 추가할 때마다 방사부(140)의 전송 특성에 영향을 미치지 않으면서 새로운 전송 주파수 대역을 추가할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 메타물질 공진기에 의하여 필요로 하는 동작 주파수를 구현할 수 있으므로, 공진 주파수의 튜닝이 매우 용이하며, 다중 대역의 전송 특성을 자유롭게 조절할 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 다중 대역 평판형 모노폴 안테나 110: 유전체 기판
121,122: 접지면 130: 급전부
140: 방사부 141: 방사체
142: 스터브 구조 150: 메타물질 공진기
150a: 제1 메타물질 공진기 150b: 제2 메타물질 공진기
151,152: 제1 분할 링 공진기 153,154: 제2 분할 링 공진기
1511: 제1 공진기 1511a: 제1 갭
1512: 제2 공진기 1512a: 제2 갭

Claims (12)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 상면에 형성되며, 상호 간에 간격을 두고 형성되는 한 쌍의 접지면;
    상기 유전체 기판의 상면에서 상기 한 쌍의 접지면의 사이에 형성되며, CPW(CoPlanar Waveguide) 급전 구조를 갖는 급전부;
    상기 유전체 기판의 상면에 제1 주파수 대역에 대응하는 길이를 갖도록 형성되며, 상기 급전부에 의하여 급전되고, 말단 측에 스터브 구조를 갖는 방사부; 그리고
    상기 유전체 기판의 상면에서 상기 방사부의 측방에 위치하도록 형성되며, 제2 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖도록 형성되며, 상기 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 메타물질 공진기를 포함하며,
    상기 제1 주파수 대역 및 상기 제2 주파수 대역을 포함하는 다중 대역을 통해 신호를 송수신하도록 된 다중 대역 평판형 모노폴 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기는, 하나 이상의 분할 링 공진기를 포함하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 분할 링 공진기는,
    링 형상으로 이루어지며, 상기 방사부의 길이 방향에 수직한 어느 한 변에 제1 갭을 갖는 제1 공진기; 그리고
    상기 제1 공진기의 내부에 형성되며, 링 형상으로 이루어지고, 상기 방사부의 길이 방향에 수직한 상기 제1 공진기의 다른 한 변과 마주보는 변에 제2 갭을 갖는 제2 공진기를 포함하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기는,
    상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태로 형성되는 한 쌍의 분할 링 공진기를 포함하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기는,
    상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태로 형성되며, 상기 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 한 쌍의 제1 분할 링 공진기를 포함하는 제1 메타물질 공진기; 그리고
    상기 유전체 기판의 상면에서 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태로 제3 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖도록 형성되며, 상기 제3 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 한 쌍의 제2 분할 링 공진기를 포함하는 제2 메타물질 공진기를 포함하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나.
  6. 제5 항에 있어서,
    2.4GHz WLAN 대역, 3GHz WiMAX 대역, 5GHz WLAN 대역의 3중 대역을 통해 신호를 송수신하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 메타물질 공진기는, 상기 제1 메타물질 공진기와 상기 스터브 구조의 사이에 형성되며,
    상기 제1 메타물질 공진기는, 상기 한 쌍의 접지면과 상기 제2 메타물질 공진기의 사이에 형성되는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나.
  8. 유전체 기판의 상면에, 한 쌍의 접지면, CPW(CoPlanar Waveguide) 급전 구조를 갖는 급전부, 제1 주파수 대역에 대응하는 길이를 가지며 말단 측에 스터브 구조를 갖는 방사부 및 제2 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖는 메타물질 공진기를 형성하는 단계를 포함하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기를 형성하는 단계는, 상기 유전체 기판의 상면에 하나 이상의 분할 링 공진기를 포함하는 상기 메타물질 공진기를 형성하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제조 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기를 형성하는 단계는,
    상기 유전체 기판의 상면에 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태로 한 쌍의 분할 링 공진기를 형성하는 단계를 포함하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제조 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 메타물질 공진기를 형성하는 단계는,
    상기 유전체 기판의 상면에, 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태를 가지며 상기 제2 주파수 대역을 통해 신호를 송수신하는 한 쌍의 제1 분할 링 공진기를 포함하는 제1 메타물질 공진기를 형성하는 단계; 그리고
    상기 유전체 기판의 상면에, 상기 방사부의 좌우 측에 대칭되는 형태를 가지며 제3 주파수 대역에 대응하는 크기를 갖는 한 쌍의 제2 분할 링 공진기를 포함하는 제2 메타물질 공진기를 형성하는 단계를 포함하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 메타물질 공진기를 형성하는 단계는, 상기 제1 메타물질 공진기와 상기 스터브 구조의 사이에 상기 제2 메타물질 공진기를 형성하는 다중 대역 평판형 모노폴 안테나의 제조 방법.
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