KR101432748B1 - Ｌｃ(인덕터와 커패시터) 회로의 소형 영차 공진 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안테나에 관한 것으로서 신호를 전달하는 급전 선로, 상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 신호 전송부, 및 상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고, 상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며, 단일 평면의 유전체 기판상에 형성됨으로써, 공진 주파수와 무관하게 소형으로 제조할 수 있으며, 공진 주파수를 조정할 수 있는 안테나가 제공된다.

Description

ＬＣ(인덕터와 커패시터) 회로의 소형 영차 공진 안테나 {Compact Zeroth-Order Resonant (ZOR) Antennas with LC Circuits}
본 발명은 영차 공진 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인덕터와 커패시터를 이용하여 메타물질 구조로 형성된 소형 영차 공진 안테나에 관한 것이다.
안테나는 전자기파를 송신/수신하기 위한 무선 통신 장치의 필수 구성 요소로서, 특정 주파수 대역의 전자기파에 대해 공진 형태를 형성하여 그 주파수의 전자기파를 송신/수신하도록 구성된다.
여기서 공진(resonance)을 지칭하는 것은, 특정 주파수에서 회로 임피던스의 허수부분이 영(zero)이 됨을 의미한다. 즉 임피던스의 위상각이 영(zero)이 되어 실제적으로는 그 특정 주파수에서 회로의 반사계수인 S11 파라미터가 급격히 감소하고 입력 신호 전력이 공기 중으로 잘 방사되게 하는 특징을 갖는 현상을 의미한다.
종래의 안테나는 일반적으로 1 차 모드의 공진 구조를 가진다. 즉, 이러한 공진 구조를 구현하기 위해서 종래의 안테나의 경우에는 희망하는 특정 주파수에 대한 파장길이 λ에 대해 반파장 길이인 λ/2의 전기 길이를 갖게 하고 전송선로의 끝단을 개방(open) 되거나 단락(short)되게 한 전송 선로 형태로 구성되어 도파되는 전자기파가 전송 선로 내에서 정상파(standing wave)로 형성하고, 다이폴(dipole) 공진이 발생하게 하는 다이폴 안테나로 구성되게 한다. 또는 다른 안테나 형태로서 나타난 것은 특정 주파수의 파장 길이를 λ/4 전기 길이를 갖게 하고 전송선로의 끝단을 개방(open) 하거나 단락(short)시킨 형태로 구성되게 하여 전송 선로 내에서 정상파(standing wave)를 형성하고, 모노폴(monopole) 형태의 공진이 발생되게 하는 모노폴 안테나이다.
이러한 1 차 모드 공진 구조를 갖는 안테나들은 그 전기적 길이로서 안테나의 크기에 전적으로 의존하며, 안테나의 크기가 공진 주파수에 따라 변화하는 특성에 의존하여, 희망하는 특정 공진 주파수가 낮아질 경우에는 안테나 크기가 급격히 증가하는 단점을 갖게 된다.
더구나, 최근에 많이 상용되고 있는 휴대용 단말기 내부에 적용되고 있는 안테나들의 경우에는 소형 휴대용 단말기 내부에 삽입될 수 있을 만한 작은 크기를 가져야 하며, 여러 서비스 통신 대역을 만족시킬 수 있는 다양한 주파수 대역의 동작 특성을 지닌 안테나이어야 한다는 필수 요구 조건을 충족시키지 못하는 어려운 문제를 지니고 있다.
이러한 어려운 문제점들을 해소시키고자 하는 많은 노력들이 제시되었지만 안테나 크기가 소형화될수록 좁은 공간에서 고정된 길이의 안테나를 설치하여야 하는 상황으로 인해 그 형태가 더욱 복잡해지고, 또한 안테나 크기 축소로 인해 형성된 전송 선로 사이의 커플링 문제들이 안테나의 공진 주파수를 다른 방향으로 변형시키거나 본래의 성능을 유지시키기 어렵게 하는 문제점을 제기하고 있다.
이를 해결하기 위해 고유전율의 유전체를 삽입하여 안테나의 유효 전기길이를 증가시키는 방안도 제안되었으나, 이는 고유전율 물질 제조와 공정 과정의 문제로 인해 쉽게 해결하지 못하는 기법들로 나타나고 있다.
그러나, 휴대용 기기를 즐겨 사용하는 휴대용 단말기 사용자들의 통신성과 휴대성을 개선시키기 위해서는 구축되는 안테나는 통신서비스 대역에 적응하여 점점 단일화되고 소형화되어야 한다.
메타물질이란 자연에서 찾을 수 없는, 인위적으로 조작된, 전자기적 특성을 갖도록 고안된 물질들로써, 유전율(permitivity)과 투자율(permeability)이 모두 음의 값을 갖는 물질이거나 그러한 전자기적 특성을 갖는 물리적 구조를 의미한다. 이러한 물질들은 두 개의 음의 파라미터를 가진다는 의미에서 이중 음수(Double Negative; DGN) 물질이라 불리기도 한다. 또한, 메타물질은 음의 유전율 및 음의 투자율에 의하여 음의 굴절율이나 반사계수를 갖게 되는 물질을 의미하는데, 이에 따라 NRI(Negative Refractive Index) 물질이라고도 불린다. 메타물질은 1967년 소련의 물리학자 베젤라고(V.Veselago)에 의해 처음 연구 발표되었다. 그 후 구체적인 사례가 제시되지 않았다가 최근 들어 물리적으로 구현 사례가 발표되어 여러분야에서 응용사례가 제공되고 있는 상황이다.
위와 같은 특성을 살펴보자면, 플레밍 오른손 법칙 물질(RHM; Right-Handed Material) 특성을 따르는 자연물질인 일상 물질들 내에서는 전자기파의 위상 전파 속도(위상 속도; phase velocity) 방향과 에너지 전파 속도(군 속도; group velocity) 방향이 양의 값을 갖고 있으며, 이러한 물질 내부를 진행하는 전자기파는 경계면을 통과할 때 작은 각도의 굴절율을 갖고 진행하던 방향으로, 계속 양의 방향으로 진행한다. 반면에, 메타물질 내부를 통과하는 전자기파 신호는 입사되는 신호의 진행하는 방향과는 다르게, 반대 방향인 음의 위상 전파속도 방향과 음의 에너지 전파속도 방향으로 진행한다는 것이다. 이때 위상 지연을 일으키는 것을 볼 수 있다. 즉, 메타물질 내에서의 전자기파 신호는 그 위상 전파 방향과 에너지 전파 방향이 기존의 방향과 반대방향으로 진행하며, 음의 위상 지연 값을 갖게 된다는 점이다. 이러한 메타물질을 플레밍 왼손 법칙 물질 (LHM; Left-handed Material) 이라고도 하며, 플레밍의 오른손 법칙을 따르지 않고 메타물질 내의 신호들은 플레밍 왼손 법칙에 따라 전달된다. 그러므로, 메타물질에서 β(위상 상수)와 ω(각 주파수)의 관계가 비선형적일 뿐만 아니라, 그 특성 곡선이 좌표 평면의 3/4분면에 존재하는 특성을 보이게 된다.
본 발명에 대한 선행문헌으로는 "기생 소자를 이용한 안테나(공개번호: 10-2003-0060763)" 등이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인덕터와 커패시터를 이용하여 메타물질 구조로 형성된 소형 영차 공진 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 신호를 전달하는 급전 선로; 상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 신호 전송부; 및 상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고, 상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며, 단일 평면의 유전체 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 직렬 공진부는, 상기 급전 선로와 접속하고, 구불구불한(meander) 형태로 형성된 직렬 인덕터; 및 상기 직렬 인덕터와 접속하고, 깍지낀(interdigitated) 형태로 형성된 직렬 커패시터를 포함하고, 상기 직렬 인덕터 및 상기 직렬 커패시터에 의해 직렬 공진주파수에서 공진하는 것을 특징으로 하는 안테나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 병렬 공진부는, 상기 접지부와 접속하고, 구불구불한 형태로 형성된 병렬 인덕터; 및 상기 접지부와 접속하고, 깍지낀 형태로 형성된 병렬 커패시터를 포함하고, 상기 병렬 인덕터 및 상기 병렬 커패시터에 의해 병렬 공진주파수에서 공진하는 것을 특징으로 하는 안테나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 직렬 인덕터 또는 상기 병렬 인덕터 중 하나 이상은 가변 인덕터이고, 상기 가변 인덕터의 인덕턴스는 상기 안테나가 송수신하는 채널에 따라 변하는 것을 특징으로 하거나, 상기 직렬 인덕터 또는 상기 병렬 인덕터 중 하나 이상은 유효 인덕턴스를 변경할 수 있도록 가변 커패시터와 접속하는 것을 특징으로 하거나, 상기 직렬 커패시터 또는 상기 병렬 커패시터 중 하나 이상은 가변 커패시터이고, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스는 상기 안테나가 송수신하는 채널에 따라 변하는 것을 특징으로 하거나, 상기 직렬 커패시터 또는 상기 병렬 커패시터 중 하나 이상은 유효 커패시턴스를 변경할 수 있도록 가변 커패시터와 접속하는 것을 특징으로 하는 안테나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 급전 선로는 코프래너 도파로(coplanar waveguide) 구조로 형성되고, 상기 코프래너 도파로 구조는 상기 급전 선로 양측에 위치하는 접지면과의 거리를 조정하여 임피던스 공액 정합시키며, 상기 접지면 중 하나는 상기 접지부와 접속하는 것을 특징으로 하고, 상기 급전 선로는 상기 신호 전송부에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 안테나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 신호를 전달하는 급전 선로; 상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 신호 전송부; 및 상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고, 상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며, 단일 평면의 유전체 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 신호를 전달하는 급전 선로; 상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 복수의 신호 전송부; 및 상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고, 상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며, 상기 복수의 신호 전송부는 직렬로 접속하여 배열되고, 단일 평면의 유전체 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나일 수 있다.
본 발명에 따르면, 공진 주파수와 무관하게 소형으로 제조할 수 있으며, 공진 주파수를 조정할 수 있는 안테나가 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면, 방사 특성에 영향을 주지 않으면서 공진 주파수를 조정할 수 있고, 다양한 공진 주파수에 대하여 균일한 방사 특성을 보이는 안테나가 제공된다. 메타물질 안테나의 상용화를 위해서 먼저 선행되는 조건인 휴대용 단말기 내부에 삽입할 수 있는 소형의 크기와, 여러 통신 서비스 대역을 만족시킬 수 있다. 나아가, 본 발명에 따르면, 실제 단말기에 적용 가능한 작은 크기를 가지는 안테나를 제공할 수 있으며, 메타물질 안테나 특성상 그라운드 크기에 많은 영향을 받지 않기 때문에 다양한 휴대용 디지털 통신기기들의 내장형 안테나로 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 인덕터와 커패시터의 규격을 예시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3단으로 형성된 안테나를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 구조의 등가회로를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 집중소자인 칩 인덕터 및 칩 커패시터를 이용한 안테나를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 반사 손실을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 반사 형태를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 분산 곡선을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 실제 구현된 예를 도시한 것이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 신호를 전달하는 급전 선로, 상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 신호 전송부, 및 상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고, 상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며, 단일 평면의 유전체 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나(100)는 급전 선로(110), 신호 전송부(120), 및 접지부(130)를 포함한다. 급전 선로(110), 신호 전송부(120), 및 접지부(130)는 단일 평면의 유전체 기판상에 형성된다. 각 구성은 유전체 기판상에 도전체에 의해 구성되는 전송선로를 배치함으로써 구현된다. 상기 유전체 기판은 FR-4 PCB 재질, 저온 소성 세라믹(LTCC), 고유전율 세라믹 재질, Si, GaAs 등의 유전체 재질이 사용될 수 있다. 도전체는 구리, 알루미늄, 금, 은, 텅스텐 등의 도체에 의해 구현되며, 안테나의 급전 선로(110)와 방사패턴의 신호 전송부(120)를 형성한다. 하나의 유전체 기판 상에 형성됨으로써 크기를 최소화할 수 있으며, 각 구성 간 거리가 짧으며, 별도의 연결이 필요 없는바, 신뢰성을 높일 수 있다.
급전 선로(110)는 신호를 전달한다.
보다 구체적으로, 급전 선로(110)는 외부로 방사할 신호를 신호 전송부(120)로 전달한다. 또한, 급전 선로(110)는 신호 전송부(120)에 전력을 공급하고, 신호 전송부(120)가 외부로부터 수신한 신호를 전달받을 수 있다.
급전 선로(110)는 코프래너 도파로(coplanar waveguide, CPW) 구조로 형성되고, 상기 코프래너 도파로 구조는 급전 선로(110) 양측에 위치하는 접지면과의 거리를 조정하여 임피던스 공액 정합시키며, 상기 접지면 중 하나는 접지부(130)와 접속할 수 있다. 신호 전송부(120)가 외부로부터 수신한 신호를 손실없이 전달하기 위하여, 급전 선로(110)는 코프래너 도파로 구조로 형성된다. 이에 따라 마이크로스트립 구조와는 다르게, 기판의 하면에 접지면이나 접지비아를 구비할 필요가 없이 제작될 수 있어 안테나 구조 및 제작 공정이 간소화될 수 있다. 급전 선로(110)는 양측에 위치하는 접지면과의 거리를 조정하여 임피던스 공액 정합시킬 수 있다. 상기 접지면 중 하나는 접지부(130)와 접속할 수 있다. 상기 임피던스 공액 정합을 통해, 50옴의 특성 임피던스를 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 급전 선로(110)의 폭이 1 mm인 경우, 접지면과의 거리를 0.142 mm되도록 간격을 둠으로써, 50옴의 특성 임피던스를 갖도록 할 수 있다. 상기 특성 임피던스는 안테나의 용도에 따라 달라질 수 있다.
신호 전송부(120)는 급전 선로(110)로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하고, 메타물질 구조로 형성된다.
보다 구체적으로, 신호 전송부(120)는 급전 선로(110)로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하고, 외부로부터 신호를 수신한다. 아울러, 특정 주파수에서 공진을 함과 동시에 메타물질 구조로 형성됨으로써 주파수에 따른 위상차이가 매우 작아지게 되는바, 공진주파수의 파장길이와 무관하게 소형의 안테나 구조를 구현할 수 있다.
따라서 메타물질을 이용할 경우, 음, 또는 양의 값의 유전율(permitivity)과 투자율(permeability)을 지닌 물질을 혼재시켜 영차 공진 현상(ZOR; Zeroth-Order Resonance)을 일으킬 수 있다. 상기 영차 공진기(ZOR; Zeroth-Order Resonator)는 종래의 공진 회로 구조와는 달리 특정 주파수에서 공진하는 공진 주파수의 파장 길이와는 무관한 전기길이를 갖는다.
상기 영차 공진기를 인덕터와 커패시터로 형성된 직렬 공진부 및 병렬 공진부를 이용하여 구현함으로써 공진 파장 길이와 관련없는 독립된 공진 특성을 나타내며, 안테나 전체의 물리적 크기와 무관하게 영차 공진 안테나를 구현할 수 있다.
신호 전송부(120)는 직렬 공진부(121)와 병렬 공진부(122)로 구성된다. 직렬 공진부(121)와 병렬 공진부(122)에 의해 구성됨으로써, 플레밍 오른손 법칙 물질(RH, Right-Handed Material) 특성과 왼손 법칙 물질(LHM, Left-Handed Material) 특성이 혼재되어 나타낼 수 있도록 구성된 CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 구조를 가질 수 있다.
직렬 공진부(121)는 급전 선로(110)와 접속하고, 구불구불한(meander) 형태로 형성된 직렬 인덕터, 및 상기 직렬 인덕터와 접속하고, 깍지낀(interdigitated) 형태로 형성된 직렬 커패시터를 포함하고, 상기 직렬 인덕터 및 상기 직렬 커패시터에 의해 직렬 공진주파수에서 공진할 수 있다.
보다 구체적으로, 직렬 공진부(121)는 직렬 공진주파수에서 단락된다. 직렬 공진부(121)는 직렬 인덕터와 직렬 커패시터를 직렬로 연결하여 구현될 수 있으며, 직렬 인덕터 및 직렬 커패시터를 기판상에 구현할 수 있다.
도 2를 참조하면, 직렬 인덕터(220)는 양측의 접지면(211, 213)에 의해 임피던스 공액 정합을 시키는 코프래너 도파로 구조(210)를 갖는 급전 선로(212)와 접속하고, 구불구불한 형태로 형성된다. 직렬 인덕터(220)는 급전 선로(212)와 연결된 선로를 구불구불한 형태로 형성함으로써 형성되며, 도 3과 같이, 선로의 폭과 선로 간의 거리에 따라 인덕턴스 값이 달라질 수 있다.
직렬 커패시터(230)는 직렬 인덕터(220)의 끝단에 접속하고, 깍지낀 형태로 형성된다. 직렬 커패시터(230)는 급전 선로(212)로부터 연결된 선로와 접지부(260)로부터 연결된 선로에 의해 형성될 수 있다. 도 3과 같이, 상기 깍지낀 형태를 형성하는 선로간의 거리 또는 요철모양의 수에 의해 직렬 커패시터의 커패시턴스 값이 달라질 수 있다. 직렬 커패시터(230)는 상기와 같이 구현됨으로써, 플레밍 왼손 법칙 특성이 나타나는데 기여할 수 있다. 직렬 인덕터(220)와 직렬 커패시터(230)에 의해 직렬 공진 주파수에서 공진이 발생한다. 상기 직렬 공진주파수는 직렬 인덕터(220) 또는 직렬 커패시터(230)의 요철모양의 개수를 조절함으로써 변화시킬 수 있다. 상기 요철모양의 개수가 달라지면 직렬 인덕터(220)의 인덕턴스 또는 직렬 커패시터(230)의 커패시턴스 값이 달라질 수 있는바, 이를 이용하여 상기 직렬 공진주파수를 변화시킬 수 있다.
병렬 공진부(122)는 접지부(130)와 접속하고, 구불구불한 형태로 형성된 병렬 인덕터, 및 접지부(130)와 접속하고, 깍지낀 형태로 형성된 병렬 커패시터를 포함하고, 상기 병렬 인덕터 및 상기 병렬 커패시터에 의해 병렬 공진주파수에서 공진할 수 있다.
보다 구체적으로, 병렬 공진부(122)는 병렬 공진주파수에서 개방된다. 병렬 공진부(122)는 병렬 인덕터와 병렬 커패시터를 병렬로 연결하여 구현될 수 있으며, 병렬 인덕터 및 병렬 커패시터를 기판상에 구현할 수 있다.
도 2를 참조하면, 병렬 인덕터(240)는 접지부(260)와 접속하고, 구불구불한 형태로 형성된다. 병렬 인덕터(240)는 접지부(260)와 연결된 선로를 구불구불한 형태로 형성함으로써 형성되며, 도 3과 같이, 선로의 폭과 선로 간의 거리에 따라 인덕턴스 값이 달라질 수 있다.
병렬 커패시터(250)는 병렬 인덕터(240)의 끝단에 접속하고, 깍지낀 형태로 형성된다. 병렬 커패시터(250)는 접지부(260)로부터 연결된 선로와 병렬 인덕터(240)를 통해 접지부(260)로부터 연결된 선로에 의해 형성될 수 있다. 도 3과 같이, 상기 깍지낀 형태를 형성하는 선로간의 거리 또는 요철모양의 수에 의해 병렬 커패시터(250)의 커패시턴스 값이 달라질 수 있다. 병렬 커패시터(250)는 상기와 같이 구현됨으로써, 플레밍 오른손 법칙 특성이 나타나는데 기여할 수 있다. 병렬 인덕터(240)와 병렬 커패시터(250)에 의해 병렬 공진 주파수에서 공진이 발생한다. 상기 병렬 공진주파수는 병렬 인덕터(240) 또는 병렬 커패시터(250)의 요철모양의 개수를 조절함으로써 변화시킬 수 있다. 상기 요철모양의 개수가 달라지면 병렬 인덕터(240)의 인덕턴스 또는 병렬 커패시터(250)의 커패시턴스 값이 달라질 수 있는바, 이를 이용하여 상기 병렬 공진주파수를 변화시킬 수 있다.
안테나가 송수신하는 채널에 따라 공진주파수가 달라질 수 있다. 공진주파수가 고정되어 있는 경우, 안테나는 하나의 채널에 대한 안테나로 제한되는바, 공진주파수를 조절하여 복수의 채널을 이용할 수 있다. 이를 위하여, 가변 인덕터 또는 가변 커패시터를 이용할 수 있다.
먼저, 인덕터의 인덕턴스를 조절할 수 있다. 상기 직렬 인덕터 또는 상기 병렬 인덕터 중 하나 이상은 가변 인덕터이고, 상기 가변 인덕터의 인덕턴스는 상기 안테나가 송수신하는 채널에 따라 변할 수 있도록 할 수 있다. 또는, 상기 직렬 인덕터 또는 상기 병렬 인덕터 중 하나 이상은 유효 인덕턴스를 변경할 수 있도록 가변 커패시터와 접속할 수 있다. 인덕터에 가변 커패시터를 연결하고, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절함으로써, 상기 인덕터의 유효 인덕턴스를 조절할 수 있다.
커패시터의 커패시턴스를 조절할 수도 있다. 상기 직렬 커패시터 또는 상기 병렬 커패시터 중 하나 이상은 가변 커패시터이고, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스는 상기 안테나가 송수신하는 채널에 따라 변할 수 있도록 할 수 있다. 또는, 상기 직렬 커패시터 또는 상기 병렬 커패시터 중 하나 이상은 유효 커패시턴스를 변경할 수 있도록 가변 커패시터와 접속할 수 있다. 커패시터에 가변 커패시터를 연결하고, 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절함으로써, 상기 커패시터의 유효 커패시턴스를 조절할 수 있다. 상기 가변 커패시터는 버랙터 다이오드(Varactor diode)일 수 있다.
접지부(130)는 신호 전송부(120)와 평행하게 일자로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 신호 전송부(120)와 평행하게 일자로 형성함으로써, 신호 전송부(120)의 직렬 공진부(121) 및 병렬 공진부(122)를 형성하는 선로와 접속할 수 있다. 또한, 급전 선로(110)의 양측 접지면과 접속할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 인덕터와 커패시터의 규격을 예시한 것이다.
도 3의 인덕터와 커패시터의 규격은 w1=0.7mm, w2=0.5mm, w3=1.5mm, w4=0.1mm, w6=2.8mm, w7=0.4mm, w8=0.8mm, w9=0.2mm 일 수 있다. 또한, 직렬 인덕터(330)의 길이는 85 mm, 폭 0.2 mm, 병렬 인덕터(360)의 길이는 45 mm, 폭 0.2 mm 이다. 커패시터의 규격은 폭 0.5 mm, 간격 0.1 mm 일 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3단으로 형성된 안테나를 도시한 것이다.
전송 선로의 길이에 따라 안테나의 이득이 달라질 수 있다. 상기 전송 선로의 길이를 늘림으로써 안테나의 이득을 높이기 위하여 복수의 신호 전송부를 이용할 수 있다. 상기 복수의 신호 전송부를 직렬로 접속하여 배열할 수 있다. 직렬로 접속하여 배열하는 신호 전송부의 수는 목표하는 안테나의 이득 및 안테나의 크기에 따라 산출되어 결정될 수 있다.
복수의 신호 전송부를 포함하는 안테나는, 신호를 전달하는 급전 선로, 상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 복수의 신호 전송부, 및 상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고, 상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며, 상기 복수의 신호 전송부는 직렬로 접속하여 배열되고, 단일 평면의 유전체 기판상에 형성될 수 있다.
상기 직렬 공진부는 상기 급전 선로와 접속하고, 구불구불한(meander) 형태로 형성된 직렬 인덕터, 및 상기 직렬 인덕터와 접속하고, 깍지낀(interdigitated) 형태로 형성된 직렬 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 병렬 공진부는 상기 접지부와 접속하고, 구불구불한 형태로 구성된 병렬 인덕터, 및 상기 접지부와 접속하고, 깍지낀 형태로 구성된 병렬 커패시터를 포함할 수 있다.
상기 직렬 인덕터 및 상기 직렬 커패시터에 의해 직렬 공진주파수에서 공진하고, 상기 병렬 인덕터 및 상기 병렬 커패시터에 의해 병렬 공진주파수에서 공진할 수 있다.
상기 급전 선로는 코프래너 도파로(coplanar waveguide) 구조로 형성되고, 상기 코프래너 도파로 구조는 상기 급전 선로 양측에 위치하는 접지면과의 거리를 조정하여 임피던스 공액 정합시키며, 상기 접지면 중 하나는 상기 접지부와 접속할 수 있다.
CRLH 전송 선로를 주기적으로 배치한 경우, 다음의 수학식
Figure 112013023181979-pat00001
로 표현되는 공진 조건에 따라 공진기로 동작할 수 있다. 여기서, n은 0 또는 음 및 양의 정수로 표현되는 공진 형태를 나타내는 값을 표시하며, p은 안테나 단위셀 전송 선로 길이를 나타낸다. 그리고 β는 전파 상수이다. 영차 공진 안테나는 상기 수학식에서 n=0으로 적용되어 영차 공진 모드로 동작하게 된다. 그에 따라 β의 값은 0이 되고 무한대의 파장길이를 갖게 된다. 상술된 바와 같이 CRLH 전송 선로의 길이는 전송선로의 공진 조건과 관계없이 독립적으로 주어지게 된다. 이러한 경우에는 무한길이의 파장으로 주어지는 공진 조건은 CRLH 전송선로의 끝부분이 열려 있어(open) 단위셀의 병렬 인덕턴스 및 병렬 커패시턴스와 같은 병렬 회로에 의해 결정된다. 이때 병렬 공진 주파수 f0는 각각 병렬 인덕턴스(LL) 및 병렬 커패시턴스(CR)의 값에 의해 수학식
Figure 112013023181979-pat00002
로 주어지게 된다. 따라서 병렬 인덕턴스(LL) 및 병렬 커패시턴스(CR) 값이 각각 증가하면 공진 주파수의 값이 감소하는 것을 알 수 있다. 병렬 커패시턴스(CR)의 값은 단위 요철의 개수를 증가시킴에 따라 증가하고, 병렬 인덕턴스(LL)의 값은 구불구불한(meander line) 선로 모양의 개수를 증가시킴에 따라 증가하여 공진 주파수도 따라 감소함을 알 수 있다. 그에 따라 안테나의 크기도 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
주어진 인덕터와 커패시터의 값은 직렬 인덕터 LR=4nH, 직렬 커패시터 CL=4.5pF, 병렬 인덕터 LL=1nH, 병렬 커패시터 CR=32pF로 얻을 수 있다.
이러한 병렬 인덕턴스(LL) 및 병렬 커패시턴스(CR)의 요철모양의 개수를 증감시킴에 따라 영차 안테나의 전기 길이를 증감시킬 수 있다. 그에 따라 영차 공진 안테나의 전기적 크기를 소형화시킬 수 있다. 이때 요철 모양의 개수를 주어진 공간내부에 설치함으로서 특정의 공진 주파수를 달성하기 위한 병렬 인덕턴스(LL) 값을 적절하게 설치할 수 있게 된다.
메타물질 안테나의 상용화를 위해서 먼저 선행되는 조건인 휴대용 단말기 내부에 삽입할 수 있는 소형의 크기와, 여러 통신 서비스 대역, 즉 GSM850, GPS L2C, GPS L5 등을 만족시킬 수 있다.
도 4와 같이, 복수의 신호 전송부(420 내지 440)를 직렬로 접속하여 배열한다. 이전 신호 전송부의 병렬 커패시턴스와 다음 신호 전송부의 직렬 인덕터와 접속한다. 접지부(450)는 복수의 신호 전송부(420 내지 440)가 직렬로 접속하여 배열되는 방향을 따라 일자로 형성된다.
복수의 신호 전송부를 포함하는 안테나에 대한 상세한 설명은 도 1의 안테나에 대한 다른 상세한 설명에 대응하는바, 도 1의 안테나에 대한 상세한 설명으로 대신한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 구조의 등가회로를 도시한 것이다.
도 4와 같이, 3단의 신호 전송부를 이용하여 구현된 안테나 구조의 등가회로는 도 5(a)와 같다. 기판상에 선로에 의해 구현된 직렬 공진부는 직렬 인덕터(511, 513, 515)와 직렬 커패시턴스(512, 514, 516)로 나타나며, 병렬 공진부는 병렬 인덕터(521, 523, 525)와 병렬 커패시턴스(522, 524, 526)로 나타난다. 도 5(b)는 병렬공진시 등가회로이고, 도 5(c)는 직렬공진시 등가회로이다.
안테나가 병렬 공진 주파수에서 작동할 때, 입력 임피던스는 개방된 회로로 주어지고, 안테나가 직렬 공진부의 직렬 공진주파수에서 작동할 때는 입력 임피던스는 병렬 임피던스 Y병렬로 나타난다. 따라서 동작하는 공진 주파수에 따라 입력임피던스는 도면 5(b) 또는 도 5(c)와 같이 직렬 회로 구조가 갖는 CRLH 전송선로의 임피던스(impedance) Z직렬와 병렬회로 구조가 갖는 CRLH 전송선로의 어드미턴스(Addimittance) Y병렬로 나타낸다. 이에 따라 안테나가 지니는 등가 회로 상의 임피던스와 어드미턴스는 각각
Figure 112013023181979-pat00003
,
Figure 112013023181979-pat00004
로 주어진다.
이에 따라 직렬 및 병렬 공진 주파수는 각각
Figure 112013023181979-pat00005
,
Figure 112013023181979-pat00006
로 나타낼 수 있다. 이러한 전송선로 구조의 전파상수 γ는 복소수 수학식
Figure 112013023181979-pat00007
로 주어진다. 여기서, α는 감쇄상수이고, β는 위상 상수이다. 전송이론에 따르면 전송선로에서 저항 손실이 무시될 정도로 없으면 전파상수는
Figure 112013023181979-pat00008
의 수학식으로 주어지게 되고,
Figure 112013023181979-pat00009
으로 나타난다. 위상 상수 β에 관한 수학식은
Figure 112013023181979-pat00010
으로 주어진다. 여기서 s(2πf)는 부호관련 함수이다. 따라서, Bloch-Floquet 이론이 적용할 경우 위의 전송선로의 특성 임피던스는
Figure 112013023181979-pat00011
로 주어지게 된다. 예를 들면, f직렬와 f병렬는 불균형 구조를 지닌 LC 회로 기반의 CRLH 전송선로의 분산 다이어그램에서 다르게 나타난다. β=0 일 때 이러한 공진 주파수에서는 무한길이의 파장을 지닌 공진 주파수가 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 집중소자인 칩 인덕터 및 칩 커패시터를 이용한 안테나를 도시한 것이다.
인덕터 및 커패시터는 집중소자로 구현될 수 있다. 즉, 구불구불한 인덕터 및 깍지낀 커패시터는 집중소자 칩 인덕터 및 칩 커패시터로 대체될 수 있다. 집중소자 칩 인덕터 및 칩 커패시터의 값은 외부의 제어신호에 따라 변경될 수 있다.
칩 인덕터 및 칩 커패시터를 이용하여 구현되는 안테나는, 신호를 전달하는 급전 선로, 상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 신호 전송부, 및 상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고, 상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며, 단일 평면의 유전체 기판상에 형성되며, 직렬 공진부는 직렬 칩 인덕터 및 직렬 칩 커패시터로 구성되며, 상기 병렬 공진부는 병렬 칩 인덕터 및 병렬 칩 커패시터로 구성될 수 있다. 상기 급전 선로는 코프래너 도파로(coplanar waveguide) 구조로 형성되고, 상기 코프래너 도파로 구조는 상기 급전 선로 양측에 위치하는 접지면과의 거리를 조정하여 임피던스 공액 정합시키며, 상기 접지면 중 하나는 상기 접지부와 접속할 수 있다. 칩 인덕터 및 칩 커패시터를 이용하여 구현되는 안테나에 대한 다른 상세한 설명은 도 1의 안테나(100)에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 도 1의 안테나(100)에 대한 상세한 설명으로 대신한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 반사 손실을 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 방사 형태를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 통해 측정된 반사 계수(S11)의 그래프이다. 도시된 바와 같이, 공진 주파수는 -10dB 반사계수에서 0.83 GHz 부터 약 1.14 GHz까지의 범위를 제공한다. 상기와 같은 특성을 갖는 안테나의 방사 형태는 도 8과 같다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 분산 곡선을 도시한 것이다.
CRLH 전송선로의 등가회로에 따른 분산 곡선(dispersion curve)을 도시한 것이다. 도 9를 참조하면, CRLH 전송선로는 직렬 커패시턴스(CL) 및 직렬 인덕턴스(LR), 그리고 병렬 커패시턴스(CR) 및 병렬 인덕턴스(LL)로 구성된 신호 전송부의 주기적이고 반복적인 구조에 의해, 영차 공진을 포함하는 다중 대역에서 공진이 발생한다. 본 발명 일 실시예에 따른 안테나는 임피던스 Z가 0이 되는 주파수와 어디미턴스 Y가 0이 되는 주파수 사이의 영차 공진 대역을 갖는다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 실제 구현된 예를 도시한 것이다.
도 10은 도 1의 안테나인 영차 공진 안테나를 실제 안테나로 구현한 형태이다. 안테나에 사용된 기판으로는 유전율이 4.4인 FR-4 기판을 사용할 수 있다. 입력 임피던스를 50옴으로 정합시키기 위해 50옴의 코프래너 도파로 구조의 급전 선로와 근접 결합(proximity coupling)이 급전 네트워크에 사용된다. 앞에서 설명한 바와 같이 안테나의 공진 주파수는 L병렬와 C병렬에 의해 결정된다. 구불구불한 라인의 길이를 변화시킴에 의해 병렬 인덕턴스(LL)가 변화하며 공진 주파수가 달라지게 된다.
도 1의 신호 공진부는 12.7 mm×12.6 mm×0.6 mm의 작은 크기로 구비되며, 도 4의 3 단 영차 공진 안테나는 12.7 mm×40.2 mm×0.6 mm의 작은 크기로 제작될 수 있다. 제작된 안테나를 측정한 결과는 -10 dB 반사 계수에서 0.83 - 1.14 GHz 범위의 공진 주파수에서 영차 공진 모드로 동작하도록 구현된다. 제작된 안테나의 전기적 크기는 0.89 GHz에서 공진하는 경우를 기초로 볼 때 λ0 = 370 mm 로 나타나고, 안테나의 크기는 0.034λ0×0.102λ0×0.0016λ0의 크기로 표현되며, 제작된 안테나 물리적 크기는 1/29.4 x 1/10 크기로 축소될 수 있음을 보여준다.
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.
100: 안테나
110: 급전 선로
120: 신호 전송부
121: 직렬 공진부
122: 병렬 공진부
130: 접지부

Claims (15)

  1. 신호를 전달하는 급전 선로;
    상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 신호 전송부; 및
    상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고,
    상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며,
    단일 평면의 유전체 기판 상에 형성되고,
    상기 직렬 공진부 및 병렬 공진부는 주기적이고 반복적인 구조로 형성되어 각각 직렬공진 및 병렬공진 하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직렬 공진부는,
    상기 급전 선로와 접속하고, 구불구불한(meander) 형태로 형성된 직렬 인덕터; 및
    상기 직렬 인덕터와 접속하고, 깍지낀(interdigitated) 형태로 형성된 직렬 커패시터를 포함하고,
    상기 직렬 인덕터 및 상기 직렬 커패시터에 의해 직렬 공진주파수에서 공진하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 병렬 공진부는,
    상기 접지부와 접속하고, 구불구불한 형태로 형성된 병렬 인덕터; 및
    상기 접지부와 접속하고, 깍지낀 형태로 형성된 병렬 커패시터를 포함하고,
    상기 병렬 인덕터 및 상기 병렬 커패시터에 의해 병렬 공진주파수에서 공진하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 병렬 공진주파수는,
    상기 병렬 인덕터 또는 상기 병렬 커패시터의 요철모양의 개수를 조절함으로써 변화시키는 것을 특징으로 하는 안테나.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 직렬 인덕터 또는 상기 병렬 인덕터 중 하나 이상은 가변 인덕터이고,
    상기 가변 인덕터의 인덕턴스는 상기 안테나가 송수신하는 채널에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 직렬 인덕터 또는 상기 병렬 인덕터 중 하나 이상은 유효 인덕턴스를 변경할 수 있도록 가변 커패시터와 접속하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 직렬 커패시터 또는 상기 병렬 커패시터 중 하나 이상은 가변 커패시터이고,
    상기 가변 커패시터의 커패시턴스는 상기 안테나가 송수신하는 채널에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 직렬 커패시터 또는 상기 병렬 커패시터 중 하나 이상은 유효 커패시턴스를 변경할 수 있도록 가변 커패시터와 접속하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 선로는 코프래너 도파로(coplanar waveguide) 구조로 형성되고,
    상기 코프래너 도파로 구조는 상기 급전 선로 양측에 위치하는 접지면과의 거리를 조정하여 임피던스 공액 정합시키며,
    상기 접지면 중 하나는 상기 접지부와 접속하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 선로는 상기 신호 전송부에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  11. 신호를 전달하는 급전 선로;
    상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 신호 전송부; 및
    상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고,
    상기 신호 전송부는 직렬 칩 인덕터 및 직렬 칩 커패시터로 구성되는 직렬 공진부와 병렬 칩 인덕터 및 병렬 칩 커패시터로 구성되는 병렬 공진부로 포함하며,
    단일 평면의 유전체 기판 상에 형성되고,
    상기 직렬 공진부 및 병렬 공진부는 주기적이고 반복적인 구조로 형성되어 각각 직렬공진 및 병렬공진 하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 급전 선로는 코프래너 도파로(coplanar waveguide) 구조로 형성되고,
    상기 코프래너 도파로 구조는 상기 급전 선로 양측에 위치하는 접지면과의 거리를 조정하여 임피던스 공액 정합시키며,
    상기 접지면 중 하나는 상기 접지부와 접속하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  13. 신호를 전달하는 급전 선로;
    상기 급전 선로로부터 전달받은 신호를 외부로 방사하는, 메타물질 구조로 형성된 복수의 신호 전송부; 및
    상기 신호 전송부와 평행하게 일자로 형성된 접지부를 포함하고,
    상기 신호 전송부는 직렬 공진부와 병렬 공진부로 구성되며,
    상기 복수의 신호 전송부는 직렬로 접속하여 배열되고,
    단일 평면의 유전체 기판 상에 형성되고,
    상기 직렬 공진부 및 병렬 공진부는 주기적이고 반복적인 구조로 형성되어 각각 직렬공진 및 병렬공진 하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 직렬 공진부는,
    상기 급전 선로와 접속하고, 구불구불한(meander) 형태로 형성된 직렬 인덕터; 및
    상기 직렬 인덕터와 접속하고, 깍지낀(interdigitated) 형태로 형성된 직렬 커패시터를 포함하고,
    상기 병렬 공진부는,
    상기 접지부와 접속하고, 구불구불한 형태로 구성된 병렬 인덕터; 및
    상기 접지부와 접속하고, 깍지낀 형태로 구성된 병렬 커패시터를 포함하며,
    상기 직렬 인덕터 및 상기 직렬 커패시터에 의해 직렬 공진주파수에서 공진하고, 상기 병렬 인덕터 및 상기 병렬 커패시터에 의해 병렬 공진주파수에서 공진하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 급전 선로는 코프래너 도파로(coplanar waveguide) 구조로 형성되고,
    상기 코프래너 도파로 구조는 상기 급전 선로 양측에 위치하는 접지면과의 거리를 조정하여 임피던스 공액 정합시키며,
    상기 접지면 중 하나는 상기 접지부와 접속하는 것을 특징으로 하는 안테나.

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KR1020130028644A KR101432748B1 (ko) 2013-03-18 2013-03-18 Ｌｃ(인덕터와 커패시터) 회로의 소형 영차 공진 안테나

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