KR101489182B1 - 무한 파장 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무한 파장 안테나 장치에 관한 것으로, 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와, 기판 몸체의 일면에 배치되며, 급전 시, 자장을 형성하는 피드부와, 기판 몸체에서 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 피드부에 이격되어 배치되어, 양단부를 통해 접지되고, 자장 형성 시, 일정 주파수 대역에서 공진하며, 음의 투자율을 갖는 MNG 공진부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 무한 파장 안테나 장치에서 무한 파장 특성에 따라 동작하기 때문에, 무한 파장 안테나 장치의 사이즈와 무관하게 공진을 위한 주파수 대역이 결정될 수 있다. 이로 인하여, 무한 파장 안테나 장치의 소형화를 구현할 수 있다. 그리고 무한 파장 안테나 장치에서 자성 결합에 의해 급전이 이루어지기 때문에, 무한 파장 안테나 장치에서 다수개의 공진부에 용이하게 급전이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 무한 파장 안테나 장치에서 다중 주파수 대역 또는 보다 확장된 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
안테나, 자장, 공진, MNG, ENG

Description

무한 파장 안테나 장치{INFINITE WAVELENGTH ANTENNA APPARATUS}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 무한 파장 안테나 장치에 관한 것이다.
일반적으로 통신 단말기는 전자기파를 송수신하기 위한 안테나 장치를 구비하여 이루어진다. 이러한 안테나 장치는 특정 주파수 대역에서 공진하여, 해당 주파수 대역의 전자기파를 송수신한다. 이 때 해당 주파수 대역에서 공진 시, 안테나 장치에서 임피던스(impedance)는 허수로 된다. 그리고 해당 안테나 장치에 대하여 해당 주파수 대역에서 S 파라미터(S parameter)가 급격히 감소한다.
이를 위해, 안테나 장치는 원하는 주파수 대역에 대응하는 파장 λ에 대하여 λ/2의 전기적 길이를 갖고, 일단이 개방(open)되거나 단락(short)된 도선(conducting wire)을 구비한다. 이러한 안테나 장치는 도선을 통해 전자기파를 전송하며, 전자기파가 도선에서 정상파(standing wave)를 형성함에 따라, 안테나 장치에서 공진이 이루어진다. 이 때 안테나 장치는 길이가 상이한 다수개의 도선을 구비함으로써, 공진 주파수 대역을 확장시킬 수 있다.
그런데, 상기과 같은 안테나 장치에서 공진 주파수 대역에 대응하여 도선의 전기적 길이가 결정되기 때문에, 안테나 장치의 사이즈가 공진 주파수 대역에 따라 결정된다. 이로 인하여, 안테나 장치에서 구현하고자 하는 공진 주파수 대역이 낮아질수록, 안테나 장치의 사이즈가 대형화되는 문제점이 있다. 이는 안테나 장치에서 도선의 수가 증가할수록, 더욱 심각해진다. 즉 안테나 장치에서 공진 주파수 대역을 확장될수록, 안테나 장치의 사이즈가 대형화되는 문제점이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 무한 파장 안테나 장치는, 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와, 상기 기판 몸체의 일면에 배치되며, 급전 시, 자장을 형성하는 피드부와, 상기 기판 몸체에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 상기 피드부에 이격되어 배치되어, 양단부를 통해 접지되고, 상기 자장 형성 시, 일정 주파수 대역에서 공진하며, 음의 투자율을 갖는 MNG 공진부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 무한 파장 안테나 장치는, 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와, 상기 기판 몸체의 상부면에서 일방향으로 연장되는 막대 형태로 이루어지고, 급전 시, 자장을 형성하는 피드부와, 상기 기판 몸체의 상부면에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 상기 피드부에 이격되어 배치되고, 일정 사이즈의 전송 갭이 형성된 전송 회로 및 상기 전송 회로의 양단부에 상기 기판 몸체를 관통하여 상기 기판 몸체의 하부면으로 연장되는 전송 비아를 구비하고, 상기 자장 형성 시, 일정 주파수 대역에서 공진하며, 음의 투자율을 갖는 MNG 공진부와, 상기 기판 몸체의 하부면에 형성되어 상기 전송 비아에 연결되며, 상기 전송 비아를 통해 상기 MNG 공진부를 접지시키는 그라운드부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따른 무한 파장 안테나 장치에 있어서, 상기 MNG 공진부는 하나의 전송 갭과 일정 길이의 전송 회로로 구분되며, 기 피드부의 일측에서 상기 피드부를 따라 상기 일방향으로 연장되도록 상호 연결된 다수개의 MNG 공진 영역들로 이루어질 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 무한 파장 안테나 장치는, 상기 MNG 공진부에 이격되어 배치되며, 상기 자장 형성 시, 상기 주파수 대역과 다른 주파수 대역에서 공진하는 다른 MNG 공진부를 더 포함할 수 있다.
또는 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 무한 파장 안테나 장치는, 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와, 상기 기판 몸체의 상부면에 배치되어, 급전 시, 자장을 형성하는 피드부와, 상기 기판 몸체의 상부면에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 상기 피드부에 이격되어 배치되고, 상기 자장 형성 시, 일정 주파수 대역에서 공진하며, 음의 유전율을 갖는 ENG 공진부와, 상기 기판 몸체의 하부면에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 배치되고, 상기 자장 형성 시, 상기 주파수 대역과 다른 주파수 대역에서 공진하며, 음의 투자율을 갖는 MNG 공진부와, 상기 기판 몸체의 하부면에서 상기 MNG 공진부의 일측부에 형 성되며, 상기 피드부 및 ENG 공진부 각각의 일단부와 상기 MNG 공진부의 양단부에 연결되어 상기 피드부, ENG 공진부 및 MNG 공진부를 접지시키는 그라운드부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같은 본 발명에 따른 무한 파장 안테나 장치는, 무한 파장 특성에 따라 동작하기 때문에, 무한 파장 안테나 장치의 사이즈와 무관하게 공진을 위한 주파수 대역이 결정될 수 있다. 이로 인하여, 무한 파장 안테나 장치의 소형화를 구현할 수 있다. 그리고 무한 파장 안테나 장치에서 자성 결합에 의해 급전이 이루어지기 때문에, 무한 파장 안테나 장치에서 다수개의 공진부에 용이하게 급전이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 무한 파장 안테나 장치에서 다중 주파수 대역 또는 보다 확장된 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이 때 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 무한 파장 안테나 장치는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board; PCB)으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(100)는 기판 몸 체(board body; 110), 피드부(feed part; 120), MNG 공진부(mu negative resonance part; 130) 및 그라운드부(ground part; 140)를 포함한다.
기판 몸체(110)는 무한 파장 안테나 장치(100)에서 지지체의 역할을 한다. 이러한 기판 몸체(110)는 평판 형태로 형성된다. 그리고 기판(110)은 절연성의 유전체로 이루어진다.
피드부(120)는 무한 파장 안테나 장치(100)에서 급전(急電)을 위해 제공된다. 이러한 피드부(120)는 기판 몸체(110)의 상부면에 형성된다. 이 때 피드부(120)는 기판 몸체(110)의 표면에서 금속 물질의 패터닝(patterning)을 통해 형성될 수 있다. 여기서, 피드부(120)는 마이크로스트립 라인(microstrip line), 프로브(probe), 단일 평면 도파로(CoPlanar Waveguide) 등의 형태로 무한 파장 안테나 장치(100)에 제공될 수 있다. 그리고 피드부(120)는 일방향으로 연장되는 막대 형태로 형성된다. 이 때 피드부(120)는 기판 몸체(110)의 상부면에서 중심을 통과하도록 연장될 수 있으며, 가장자리에 근접하여 연장될 수도 있다. 즉 피드부(120)는 일단부를 통해 전압이 인가될 수 있으며, 타단부를 통해 개방될 수 있다. 또한 급전 시, 피드부(120)는 기판 몸체(110)에서 피드부(120)로부터 일정 거리 이내의 주변부에 자장(磁場)을 형성한다.
MNG 공진부(130)는 무한 파장 안테나 장치(100)에서 실질적으로 전자기파를 송수신하는 역할을 한다. 이러한 MNG 공진부(130)는 기판 몸체(110)의 상부면에 형성된다. 이 때 MNG 공진부(130)는 기판 몸체(110)의 표면에서 자성(magnetism)을 갖는 금속 물질의 패터닝을 통해 형성될 수 있다. 그리고 MNG 공진부(130)는 피드 부(120)에 이격되어 배치된다. 이 때 MNG 공진부(130)는 피드부(120)에서 형성되는 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 배치된다. 이에, 피드부(120)에서 자장 형성 시, MNG 공진부(130)와 피드부(120)가 여기 상태(勵起 狀態; excited state)로 된다. 즉 MNG 공진부(130)와 피드부(120) 간 자성 결합이 이루어지며, 피드부(120)에 의해 MNG 공진부(130)에 급전이 이루어진다. 이를 통해, 급전 시, MNG 공진부(130)는 일정 주파수 대역에서 공진한다.
또한 MNG 공진부(130)는 음의 투자율(μ≤0)과 양의 유전율(ε＞0)을 갖는 구조로 이루어진다. 이 때 MNG 공진부(130)는 영차 공진기(Zeroth-Order mode Resonator; ZOR)로 구현된다. 즉 MNG 공진부(130)는 전자기파의 위상 상수(phase constant; β)가 0이 되는 주파수 대역에서 공진한다. 다시 말해, MNG 공진부(130)는 무한 파장 특성을 갖는다. 그리고 MNG 공진부(130)는 하나의 단위 셀(unit cell)의 1×1 구조로 이루어진다. 여기서, MNG 공진부(130)는 전송 회로(transmission line; 131) 및 전송 비아(transmission via; 135)를 구비한다.
전송 회로(131)는 일정 사이즈의 전송 갭(transmission gap; 133)이 형성되어 있다. 이 때 전송 회로(131)는 다수개의 곡절(曲折)부가 형성된 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 전송 회로(131)가 미앤더(meander) 타입, 스파이럴(spiral) 타입, 스텝(step) 타입 또는 루프(loop) 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 또는 전송 갭(133)은 다수개의 곡절부가 형성된 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 전송 갭(133)은 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 그리고 전송 회로(131)는 피드부(120)의 자장 내에 위치하도록, 피드부(120)의 일측부에서 피드부(120)의 연장 방향을 따라 일방향으로 연장된다. 전송 비아(135)는 전송 회로(131)의 양단부에 형성되며, 기판 몸체(110)를 관통하여 기판 몸체(110)의 상부면에서 하부면으로 연장된다. 이 때 전송 비아(135)는 관통 홀(hole)에 금속 물질이 채워진 형태로 이루어진다.
이러한 MNG 공진부(130)는 특정 주파수 대역에서 공진하기 위하여, 고유의 인덕턴스(inductance), 커패시턴스(capacitance) 등을 갖도록 설계된다. 이를 도 2를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 도 1에서 MNG 공진부(130)의 등가 회로를 도시하는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(100)에서 MNG 공진부(130)의 등가 회로는 직렬 인덕터(series inductor; LR), 직렬 커패시터(series capacitor; CL) 및 병렬 커패시터(parallel capacitor; CR)로 이루어진다. 그리고 직렬 인덕터(LR) 및 직렬 커패시터(CL)는 상호 직렬로 접속하며, 병렬 커패시터(CR)는 직렬 인덕터(LR) 및 직렬 커패시터(CL)에 병렬로 접속하도록 배열된다. 즉 직렬 인덕터(LR) 및 병렬 커패시터(CR)가, 전장, 자장 및 전자파의 전파 방향이 오른손 법칙을 따르는 일반적인 특성을 나타내는 RH(Right Handed) 구조로 배열된다. 이 때 직렬 인덕터(LR) 및 직렬 커패시터(CL)의 직렬 연결을 통해, 음의 투자율이 결정된다.
여기서, MNG 공진부(130)의 투자율과 유전율은, 하기 <수학식 1>과 같이 결 정된다. 그리고 MNG 공진부(130)의 투자율은, 하기 <수학식 2>와 같은 조건 하에, 음으로 결정된다. 이에, 무한 파장 안테나 장치(100)에서 MNG 공진부(130)가 무한 파장 특성을 나타내며 공진하는 주파수 대역은, 하기 <수학식 3>과 같이 결정된다.
Figure 112008090801279-pat00001
Figure 112008090801279-pat00002
Figure 112008090801279-pat00003
Figure 112008090801279-pat00004
Figure 112008090801279-pat00005
이 때 무한 파장 안테나 장치(100)에서 MNG 공진부(130)의 사이즈 또는 형상에 따라 해당 등가 회로와 같은 특성이 결정된다. 예를 들면, MNG 공진부(130)에서 전송 회로(131)의 사이즈, 즉 길이 및 폭에 따라, MNG 공진부(130)의 인덕턴스가 결정된다. 그리고 MNG 공진부(130)에서 전송 갭(133)의 사이즈, 즉 길이 및 폭에 따라, MNG 공진부(130)의 커패시턴스가 결정된다. 여기서, 전송 갭(133)이 다수개의 곡절부가 형성된 형상으로 이루어져 있으면, MNG 공진부(130)의 커패시턴스가 결정될 수 있다. 이 때 MNG 공진부(130)에서 일정 수준으로 임피던스 매칭을 획득할 수 있도록, 피드부(120)와 ENG 공진부(130) 간 거리가 결정된다.
그라운드부(140)는 무한 파장 안테나 장치(100)에서 접지를 위해 제공된다. 이러한 그라운드부(140)는 기판 몸체(110)의 하부면에 형성된다. 이 때 그라운드부(130)는 기판 몸체(110)의 하부면을 덮도록 형성될 수 있다. 그리고 그라운드부(140)는 MNG 공진부(130)의 양단부에 접촉하여, MNG 공진부(130)를 접지시킨다. 즉 그라운드부(140)는 기판 몸체(110)의 하부면에서 MNG 공진부(130)의 전송 비아(135)를 통해 MNG 공진부(130)를 접지시킬 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서 MNG 공진부가 하나의 단위 셀로 이루어진 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 MNG 공진부가 다수개의 단위 셀들로 이루어지더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 이 때 무한 파장 안테나 장치에서 단위 셀들의 수를 조절함으로써, 무한 파장 안테나 장치에서 공진하는 주파수 대역의 비대역폭, 이득 및 동작 효율을 조절할 수 있다. 예를 들면, MNG 공진부에서 단위 셀들이 1×2, 1×3, …, 1×k 구조로 배열될 수 있다. 도 3은 그러한 예로서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 무한 파장 안테나 장치는 인쇄회로기판으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(200)는 기판 몸체(210), 피드부(220), MNG 공진부(230) 및 그라운드부(240)를 포함한다. 이 때 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(200)의 기본 구성은 전술한 실시예의 대응하는 구 성과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예에서, MNG 공진부(230)는 다수개의 단위 셀들로 이루어진다. 이러한 MNG 공진부(230)에서, 전송 회로(231)는 다수개의 전송 갭(233)들이 일정 간격을 주기로 형성되어 있다. 이 때 MNG 공진부(230)는 다수개의 단위 셀들에 각각 대응하는 다수개의 MNG 공진 영역(234)들로 구분된다. 여기서, MNG 공진 영역(234)은 전송 회로(231)에서 하나의 전송 갭(233)이 형성된 일정 길이의 영역을 나타낸다. 즉 MNG 공진부(230)는 MNG 공진 영역(234)들이 일렬로 연결된 구조로 이루어진다. 그리고 MNG 공진 영역(234)들은 피드부(220)의 자장 내에 위치하도록, 피드부(220)의 일측부에서 피드부(220)의 연장 방향을 따라 일렬로 연결되어 연장된다. 또한 MNG 공진부(230)에서, 전송 비아(235)는 MNG 공진부(230)의 양단부에 해당하는 MNG 공진 영역(234)들에 형성된다. 이를 통해, 급전 시, MNG 공진부(230)는 다수개의 주파수 대역에서 공진한다.
이 때 MNG 공진부(230)에서 MNG 공진 영역(234)들이 동일한 사이즈 및 형상으로 구현되어 주기적 구조로 연결됨에 따라, MNG 공진부(230)는 규칙적으로 배열되는 다수개의 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 예를 들면, 3 개의 단위 셀로 이루어진 MNG 공진부(230)에서, 각각의 단위 셀이 대략 2 ㎓에서 공진하도록 구현되어 있으면, MNG 공진부(230)는 대략 2 ㎓, 4 ㎓ 및 6 ㎓에서 공진할 수 있다.
이에 따라, 무한 파장 안테나 장치(200)는 영차 공진기로 구현된다. 이를 도 4를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 4는 도 3의 공진 특성을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(200)는 영차(n=0) 공진이 가능하다. 즉 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(200)에서 MNG 공진부(230)는, 메타머티어리얼(metamaterial) 구조의 CRLH(Composite Right/Left Handed) 공진부와 같이 영차 공진을 수행할 수 있다. 다시 말해, MNG 공진부(230)는 무한 파장 특성을 갖는다.
이 때 메타머티어리얼은 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적인 방법으로 합성된 물질 또는 전자기적 구조를 의미한다. 이러한 메타머티어리얼은 특정 조건 하에서 음의 유전율(ε<0)과 음의 투자율(μ<0)을 가지며, 일반적인 물질 또는 전자기적 구조와 상이한 전자기파 전송 특성을 나타낸다. 다시 말해, 메타머티어리얼 구조는 전자기파의 위상 속도가 반전되는 특성을 이용하는 구조로서, CRLH 공진부로 구현될 수 있다. 여기서, CRLH 구조는 전장, 자장 및 전자기파의 전파 방향이 플레밍의 오른손 법칙을 따르는 일반적인 특성을 나타내는 RH 구조와 전장, 자장 및 전자기파의 전파 방향이 오른손 법칙과는 반대로 왼손 법칙을 따르는 특성을 나타내는 LH 구조가 결합된 구조로 이루어진다. 이러한 메타머티어리얼 구조에서, 전자기파의 위상 상수와 주파수 대역의 관계는 비선형적이다.
전술한 실시예들에 따르면, 무한 파장 안테나 장치는 무한 파장 특성을 갖기 때문에, MNG 공진부에서 단위 셀의 수와 무관하게, 무한 파장 안테나 장치에서 일정 수준 이상의 동작 특성으로 동작할 수 있다. 예를 들면, MNG 공진부에서 단위 셀의 수에 따른 무한 파장 안테나 장치의 동작 특성은, 하기 <표 1>과 같이 나타날 수 있다.
단위 셀의 수 1×1 1×2 1×3
MNG 공진부의 사이즈 0.020 λ0
×0.066 λ0 		0.022 λ0
×0.146 λ0 		0.022 λ0
×0.224 λ0
공진 주파수 대역 6.6 ㎓ 7.3 ㎓ 7.46 ㎓
10 dB 비대역폭 1.4 % 2.8 % 3.3 %
이득 2.3 dBi 2.9 dBi 3.9 dBi
동작 효율 84 % 90 % 92 %
즉 무한 파장 안테나 장치에서 MNG 공진부의 단위 셀의 수가 증가할수록, 공진 주파수 대역의 10 dB 비대역폭, 이득 및 동작 효율이 증가한다. 이 때 무한 파장 안테나 장치에서 동작 시, MNG 공진부의 전송 갭에서 생성되는 전계는 전송 갭의 주변부의 자계를 약화시키기 때문에, MNG 공진부에서 손실(loss)이 저하되며, 무한 파장 안테나 장치의 동작 효율이 향상되는 것이다. 다만, 무한 파장 안테나 장치에서 단위 셀의 수가 증가할수록, MNG 공진부의 사이즈가 증가한다. 이에 따라, 무한 파장 안테나 장치에서 단위 셀의 수를 적절히 조절함으로써, 무한 파장 안테나 장치에서 최적의 동작 특성을 갖도록 제어할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서 무한 파장 안테나 장치가 하나의 MNG 공진부를 구비하는 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 무한 파장 안테나 장치가 다수개의 MNG 공진부들을 구비하도록 구성함으로써, 본 발명의 구현이 가능하다. 이 때 무한 파장 안테나 장치에서 MNG 공진부들의 수를 조절함으로써, 무한 파장 안테나 장치에서 공진하는 주파수 대역의 비대역폭, 이득 및 동작 효율을 조절할 수 있다. 예를 들면, 무한 파장 안테나 장치에서 MNG 공진부들이 1×2, 1×3, …, 1×k 구조로 배열될 수 있다. 도 5는 그러한 예로서, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 사시도이다. 이 때 본 실시예에서 무한 파장 안테나 장치는 인쇄회로기판으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다. 그리고 본 실시예에서 무한 파장 안테나 장치가 두 개의 MNG 공진부들을 구비하는 경우를 가정하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(300)는 기판 몸체(310), 피드부(320), 제 1 MNG 공진부(330) 및 그라운드부(340)를 포함하며, 제 2 MNG 공진부(350)를 더 포함한다. 이 때 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(300)의 기본 구성은 전술한 실시예들의 대응하는 구성과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예에서, 무한 파장 안테나 장치(300)는 상호 독립적으로 구성되는 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)를 포함한다. 이 때 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)는 상호 이격되어 배치된다. 그리고 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)는 상이한 사이즈 또는 형상으로 구현될 수 있다. 또한 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)는 각각 피드부(320)의 자장 내에 위치하도록, 피드부(320)의 양측부 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 여기서, 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)가 피드부(320)의 일측부에 배치 시, 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)는 피드부(320)의 연장 방향을 따라 일렬로 이격되어 배치될 수 있다. 또는 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)가 피드부(320)의 양측부에 배치될 수도 있다. 게다가 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)는 개별적으로 그라운드부(340)에 접지된다. 이를 통해, 급전 시, 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)는 각각의 주파수 대역에서 공진한다. 즉 무한 파장 안테나 장치(300)는 다수개의 주파수 대역에서 공진한다.
이 때 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)가 상이한 사이즈 또는 형상으로 구현되어 독립적으로 배치됨에 따라, 무한 파장 안테나 장치(300)는 불규칙적으로 배열되는 다수개의 주파수 대역에서 공진할 수 있다. 예를 들면, 제 1 MNG 공진부(330)가 대략 2 ㎓에서 공진하도록 구현되고, 제 2 MNG 공진부(350)가 대략 5 ㎓에서 공진하도록 구현될 수 있다. 여기서, 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)의 사이즈 또는 형상이 다르더라도, 제 1 MNG 공진부(330) 및 제 2 MNG 공진부(350)의 임피던스 매칭을 유사한 수준으로 유도할 수 있다. 이는 피드부(320)와 제 1 MNG 공진부(330) 간 거리 및 피드부(320)와 제 2 MNG 공진부(350) 간 거리를 각각 조절함으로써, 가능하다.
본 실시예에 따르면, 무한 파장 안테나 장치에서 각각의 MNG 공진부는 무한 파장 특성을 갖기 때문에, MNG 공진부는 각각 일정 수준 이상의 동작 특성으로 동작할 수 있다. 예를 들면, 무한 파장 안테나 장치에서 MNG 공진부 별 동작 특성은, 하기 <표 2>와 같이 나타날 수 있다.
제 1 MNG 공진부 제 2 MNG 공진부
공진 주파수 대역 6. 2 ㎓ 7 ㎓
10 dB 비대역폭 1 % 1 %
이득 2.4 dBi 3.3 dBi
동작 효율 90 % 84 %
즉 무한 파장 안테나 장치에서 MNG 공진부를 추가함으로써, 공진 주파수 대역을 추가할 수 있으며, 공진 주파수 대역의 10 dB 비대역폭을 확장시킬 수 있다. 이에 따라, 무한 파장 안테나 장치에서 MNG 공진부의 수를 적절히 조절함으로써, 무한 파장 안테나 장치에서 최적의 동작 특성을 갖도록 제어할 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에서 무한 파장 안테나 장치가 적어도 하나의 MNG 공진부를 구비하며, MNG 공진부에 의해 공진이 이루어지는 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 무한 파장 안테나 장치는 MNG 공진부와 더불어, 특정 주파수 대역에서 공진하기 위한 별도의 구성을 부가적으로 구비할 수 있다. 도 6은 그러한 예로서, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 사시도이다. 이 때 도 6의 (a)는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 평면 사시도이이며, 도 6의 (b)는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 배면 사시도이다. 여기서, 본 실시예에서 무한 파장 안테나 장치는 인쇄회로기판으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 무한 파장 안테나(400)는 기판 몸체(410), 피드부(420), ENG 공진부(epsilon negative resonance part; 430), MNG 공진부(440) 및 그라운드부(450)를 포함한다.
기판 몸체(410)는 무한 파장 안테나 장치(400)에서 지지체의 역할을 한다. 이러한 기판 몸체(410)는 평판 형태로 형성된다. 그리고 기판(410)은 절연성의 유전체로 이루어진다.
피드부(420)는 무한 파장 안테나 장치(400)에서 급전을 위해 제공된다. 이러한 피드부(420)는 기판 몸체(410)의 상부면에 형성된다. 그리고 피드부(420)는 기판 몸체(410)의 표면에서 금속 물질의 패터닝 통해 형성될 수 있다. 여기서, 피드부(420)는 마이크로스트립 라인, 프로브, 단일 평면 도파로 등의 형태로 무한 파장 안테나 장치(400)에 제공될 수 있다. 이 때 피드부(420)는 기판 몸체(410)의 상부면에서 중심을 통과하도록 연장될 수 있으며, 가장자리에 근접하여 연장될 수도 있다. 즉 피드부(420)는 일단부를 통해 전압이 인가될 수 있다. 또한 급전 시, 피드부(420)는 기판 몸체(410)에서 피드부(420)로부터 일정 거리 이내의 주변부에 자장을 형성한다. 여기서, 피드부(420)는 급전 회로(feed line; 421) 및 급전 비아(feed via; 425)를 구비한다.
급전 회로(421)는 다수개의 곡절부가 형성된 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 피드부(420)는 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수다. 이 때 급전 회로(421)의 일단부를 통해 급전이 이루어진다. 급전 비아(425)는 급전 회로(423)의 타단부에 형성되며, 기판 몸체(410)를 관통하여 기판 몸체(410)의 상부면에서 하부면으로 연장된다. 이 때 급전 비아(425)는 관통 홀에 금속 물질이 채워진 형태로 이루어진다.
ENG 공진부(430)는 무한 파장 안테나 장치(400)에서 실질적으로 전자기파를 송수신하는 역할을 한다. 이러한 ENG 공진부(430)는 기판 몸체(410)의 상부면에 형성된다. 이 때 ENG 공진부(430)는 기판 몸체(410)의 표면에서 자성을 갖는 금속 물질의 패터닝을 통해 형성될 수 있다. 그리고 ENG 공진부(430)는 피드부(420)에 일정 간격으로 이격되어 배치된다. 이 때 ENG 공진부(430)는 피드부(420)에서 형성되는 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 배치된다. 이에, 피드부(420)에서 자장 형성 시, ENG 공진부(430)와 피드부(420)가 여기 상태로 된다. 즉 ENG 공진부(430)와 피드부(420) 간 자성 결합이 이루어지며, 피드부(420)에 의해 ENG 공진부(430)에 급전이 이루어진다. 이를 통해, 급전 시, ENG 공진부(430)는 제 1 주파수 대역에서 공진한다.
또한 음의 유전율(ε≤0)과 양의 투자율(μ＞0)을 갖는 구조로 이루어진다. 이 때 ENG 공진부(430)는 영차 공진기로 구현된다. 즉 ENG 공진부(430)는 전자기파의 위상 상수가 0이 되는 제 1 주파수 대역에서 공진한다. 다시 말해, ENG 공진부(430)는 무한 파장 특성을 갖는다. 여기서, ENG 공진부(430)는 ENG 전송 회로(431) 및 ENG 전송 비아(435)를 구비한다.
ENG 전송 회로(431)는 일정 사이즈의 ENG 전송 갭(433)이 형성되어 있다. 이 때 ENG 전송 회로(431)는 다수개의 곡절부가 형성된 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, ENG 전송 회로(431)가 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 또는 ENG 전송 갭(433)은 다수개의 곡절부가 형성된 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, ENG 전송 갭(433)은 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 그리고 ENG 전송 회로(431)는 피드부(420)의 자장 내에 위치하도록, 피드부(420)의 일측부에서 피드부(420)의 연장 방향을 따라 연장된다. ENG 전송 비아(435)는 ENG 전송 회로(431)의 일단부에 형성되며, 기판 몸체(410)를 관통하여 기판 몸체(410)의 상부면에서 하부면으로 연장된다. 이 때 ENG 전송 비아(435)는 관통 홀에 금속 물질이 채워진 형태로 이루어진다. 즉 ENG 전송 회로(431)는 일단부를 통해 ENG 전송 비아(435)에 연결되며, 타단부를 통해 개방된다.
이러한 ENG 공진부(430)는 제 1 주파수 대역에서 공진하기 위하여, 고유의 인덕턴스 및 커패시턴스 등을 갖도록 설계된다. 이를 도 7을 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 7은 도 6에서 ENG 공진부(430)의 등가 회로를 도시하는 회로도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(400)에서 ENG 공진부(430)의 등가 회로는 직렬 인덕터(LR), 병렬 커패시터(CR) 및 병렬 인덕터(parallel inductor; LL)로 이루어진다. 그리고 직렬 인덕터(LR), 병렬 커패시터(CR) 및 병렬 인덕터(LL)는 상호 병렬로 접속하도록 배열된다. 즉 직렬 인덕터(LR) 및 병렬 커패시터(CR)가, 전장, 자장 및 전자파의 전파 방향이 오른손 법칙을 따르는 일반적인 특성을 나타내는 RH 구조로 배열된다. 이 때 병렬 커패시터(CR) 및 병렬 인덕터(LL)의 병렬 연결을 통해, 음의 유전율이 결정된다.
여기서, ENG 공진부(430)의 투자율과 유전율은, 하기 <수학식 4>와 같이 결정된다. 그리고 ENG 공진부(430)의 유전율은, 하기 <수학식 5>와 같은 조건 하에, 음으로 결정된다. 이에, 무한 파장 안테나 장치(400)에서 ENG 공진부(430)가 무한 파장 특성을 나타내며 공진하는 주파수 대역은, 하기 <수학식 6>과 같이 결정된다.
Figure 112008090801279-pat00006
Figure 112008090801279-pat00007
Figure 112008090801279-pat00008
Figure 112008090801279-pat00009
Figure 112008090801279-pat00010
이 때 무한 파장 안테나 장치(400)에서 ENG 공진부(430)의 사이즈 또는 형상에 따라 해당 등가 회로와 같은 특성이 결정된다. 예를 들면, ENG 공진부(430)에서 ENG 전송 회로(431)의 사이즈, 즉 길이 및 폭에 따라, ENG 공진부(430)의 인덕턴스가 결정된다. 여기서, ENG 전송 회로(431)에서 ENG 전송 갭(433)의 위치에 따라, ENG 공진부(430)의 인덕턴스가 결정될 수 있다. 즉 ENG 전송 회로(431)에서 일단부, 즉 ENG 전송 비아(435)와 ENG 전송 갭(433) 간 사이즈에 따라, ENG 공진부(430)의 인덕턴스가 결정될 수 있다. 그리고 ENG 전송 회로(433)에서 타단부, 즉 ENG 전송 갭(433)으로부터 개방단 간 사이즈에 따라, ENG 공진부(430)의 인덕턴스가 결정될 수 있다. 또한 ENG 공진부(430)에서 ENG 전송 갭(433)의 사이즈, 즉 길이 및 폭에 따라, ENG 공진부(430)의 커패시턴스가 결정된다. 아울러, ENG 공진부(430)에서 일정 수준으로 임피던스 매칭을 획득할 수 있도록, 피드부(420)와 ENG 공진부(430) 간 거리가 결정된다.
MNG 공진부(440)는 무한 파장 안테나 장치(400)에서 실질적으로 전자기파를 송수신하는 역할을 한다. 이러한 MNG 공진부(440)는 기판 몸체(410)의 하부면에 형성된다. 이 때 MNG 공진부(440)는 기판 몸체(410)의 표면에서 자성을 갖는 금속 물질의 패터닝을 통해 형성될 수 있다. 그리고 MNG 공진부(130)는 피드부(120)에서 형성되는 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 배치된다. 이에, 피드부(120)에서 자장 형성 시, MNG 공진부(440)와 피드부(420)가 여기 상태로 된다. 즉 MNG 공진부(440)와 피드부(420) 간 자성 결합이 이루어지며, 피드부(420)에 의해 MNG 공진부(440)에 의해 급전이 이루어진다. 이를 통해, 급전 시, MNG 공진부(440)는 제 2 주파수 대역에서 공진한다.
또한 MNG 공진부(440)는 음의 투자율과 양의 유전율을 갖는 구조로 이루어진다. 이 때 MNG 공진부(440)는 영차 공진기로 구현된다. 즉 MNG 공진부(440)는 전자기파의 위상 상수가 0이 되는 주파수 대역에서 공진한다. 다시 말해, MNG 공진부(440)는 무한 파장 특성을 갖는다. 여기서, MNG 공진부(440)는 MNG 전송 회로(441)로 이루어진다.
MNG 전송 회로(441)는 일정 사이즈의 MNG 전송 갭(443)이 형성되어 있다. 이 때 MNG 전송 회로(441)는 다수개의 곡절부가 형성된 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, MNG 전송 회로(441)가 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 또는 MNG 전송 갭(443)은 다수개의 곡절부가 형성된 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, MNG 전송 갭(443)은 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 그리고 MNG 전송 회로(441)는 피드부(420)의 자장 내에 위치하도록, 기판 몸체(410)의 하부면에서 피드부(420)의 연장 방향을 따라 연장된다.
이러한 MNG 공진부(440)는 제 2 주파수 대역에서 공진하기 위하여, 고유의 인덕턴스 및 커패시턴스 등을 갖도록 설계된다. 이는 도 2를 참조하여 전술한 바와 같으므로 상세한 설명을 생략한다.
그라운드부(450)는 무한 파장 안테나 장치(400)에서 접지를 위해 제공된다. 이러한 그라운드부(450)는 기판 몸체(410)의 하부면에 형성된다. 그리고 그라운드부(450)는 MNG 공진부(440)의 양단부에 이웃하여 형성되거나, MNG 공진부(440)의 양단부에 접촉하여, MNG 공진부(440)를 접지시킨다. 또한 그라운드부(450)는 기판 몸체(410)의 하부면에서 피드부(420)의 타단부 및 ENG 공진부(430)의 일단부에 접촉하여, 피드부(420) 및 ENG 공진부(430)를 접지시킨다. 즉 그라운드부(450)는 기판 몸체(410)의 하부면에서 피드부(420)의 급전 비아(425) 및 ENG 공진부(430)의 ENG 전송 비아(435)를 통해, 피드부(420) 및 ENG 공진부(430)를 접지시킬 수 있다.
이러한 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(400)의 동작 특성을 설명하면 다음과 같다. 도 8은 도 6의 공진 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 6의 공진 시 방사 패턴을 설명하기 위한 도면이며, 도 10은 도 6의 공진 시 동작 효율 및 이득을 설명하기 위한 도면이다. 이 때 무한 파장 안테나 장치(400)가 기판 몸체(410)를 기준으로, 상부면과 하부면의 면적이 10 ㎜×10 ㎜이고, 두께가 1.6 ㎜인 사이즈로 구현된 경우에 측정된 결과에 근거하여 설명한다. 여기서, 무한 파장 안테나 장치(400)에 ENG 공진부(430) 및 MNG 공진부(440)가 각각 WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 대역에 해당하는 1.92 ㎓ 내지 1.98 ㎓ 및 2.11 ㎓ 내지 2.17 ㎓에서 공진하도록 구현된 경우에 측정된 결과에 근거하여 설명한다.
즉 무한 파장 안테나 장치(400)는, 도 8에 도시된 바와 같이 다수개의 주파수 대역에서 공진한다. 다시 말해, 피드부(420)를 통해 급전 시, ENG 공진부(430)가 제 1 주파수 대역(m1)에서 공진하고, MNG 공진부(440)가 제 2 주파수 대역(m2)에서 공진한다. 예를 들면, ENG 공진부(430)가 대략 1.87 ㎓에서 공진하고, MNG 공진부(440)가 대략 2.20 ㎓에서 공진할 수 있다. 다시 말해, 무한 파장 안테나 장치(400)는 WCDMA 대역 보다 확장된 10 dB 비대역폭을 갖는다.
그리고 무한 파장 안테나 장치(400)는, 도 9에 도시된 바와 같이 전방향성 방사 패턴을 갖는다. 즉 무한 파장 안테나 장치(400)는 각(角)에 대해 지향성을 갖고 있으나, 방위에 대해 무지향성을 갖는다. 다시 말해, 무한 파장 안테나 장치(400)에서 전방향의 전파를 송수신할 수 있다. 또한 무한 파장 안테나 장치(400)는, 도 10에 도시된 바와 같이 비교적 높은 동작 효율 및 이득을 갖는다. 즉 무한 파장 안테나 장치(400)는 WCDMA 주파수 대역에서 대략 80%의 동작 효율을 갖는다. 게다가 무한 파장 안테나 장치(400)는 대략 1 dBi 내지 1.7 dBi의 이득을 갖는다.
한편, 전술한 실시예에서 무한 파장 안테나 장치가 피드부, ENG 공진부, MNG 공진부 및 그라운드부 각각의 단일 조합에 의해 이루어진 예를 개시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 즉 무한 파장 안테나 장치는 피드부, ENG 공진부, MNG 공진부 및 그라운드부 각각의 단일 조합이 다수개로 배열되더라도, 본 발명의 구현이 가능하다. 도 11은 그러한 예로서, 본 발명의 제 5 실시예에 따른 무한 파장 안테 나 장치를 도시하는 평면도이다. 이 때 본 실시예에서 무한 파장 안테나 장치는 인쇄회로기판으로 구현되는 경우를 가정하여 설명한다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(500)는 기판 몸체(510) 및 제 1 내지 제 4 안테나 소자(515a, 515b, 515c 및 515d)를 포함한다. 그리고 제 1 내지 제 4 안테나 소자(515a, 515b, 515c 및 515d)는 각각 피드부(520), ENG 공진부(530), MNG 공진부(540) 및 그라운드부(550)로 이루어진다. 이 때 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(500)의 기본 구성은 전술한 실시예의 대응하는 구성과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
다만, 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(500)에서, 제 1 내지 제 4 안테나 소자(515a, 515b, 515c 및 515d)는 상호 이격되어, 각각 기판 몸체(510)의 네 모서리에 2×2 구조로 배열될 수 있다. 이 때 제 1 내지 제 4 안테나 소자(515a, 515b, 515c 및 515d)는 상호 격리(isolation)를 위해, 독립적으로 구성된다. 이를 위해, 제 1 및 제 3 안테나 소자(515a, 515c)와 제 2 및 제 4 안테나 소자(515b, 515d)에 있어서, 기판 몸체(515)의 상부면과 하부면은 상이할 수 있다.
이 때 무한 파장 안테나 장치(500)에서 위상 조건을 조절하여, 최대 이득을 획득할 수 있다. 이를 위해, 제 1 내지 제 4 안테나 소자(515a, 515b, 515c 및 515d) 각각의 파워(power)를 1 W, 1 W, 0 W, 0 W로 설정한 다음, 제 1 및 제 2 안테나 소자(515a, 515b) 간 위상을 조절함으로써, 최대 이득을 획득하기 위한 위상 조건을 파악할 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 안테나 소자(515a, 515b) 간 위상 차이가, 예컨대 180°일 때, 최대 이득이 획득될 수 있다. 이 후, 제 1 내지 제 4 안테나 소자(515a, 515b, 515c 및 515d) 각각의 파워(power)를 1 W, 1 W, 1 W, 1 W로 설정한 다음, 제 1 및 제 2 안테나 소자(515a, 515b)의 위상 차이를 제 1 및 제 2 안테나 소자(515a, 515b) 간 뿐만 아니라, 제 3 및 제 4 안테나 소자(515c, 515d) 간 위상 차이로 결정한다. 그리고 제 1 및 제 2 안테나 소자(515a, 515b)와 제 3 및 제 4 안테나 소자(515c, 515d) 간 위상 차이를 0°, 10°, 20°, …로 조절하여, 무한 파장 안테나 장치에서 최대 이득을 획득하기 위한 위상 조건을 파악할 수 있다.
이러한 본 실시예의 무한 파장 안테나 장치(500)의 동작 특성을 설명하면 다음과 같다. 도 12는 도 11에서 안테나 소자의 공진 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 도 11의 공진 시 방사 패턴을 설명하기 위한 도면이며, 도 14는 도 11의 공진 시 이득을 설명하기 위한 도면이다. 이 때 무한 파장 안테나 장치(500)가 기판 몸체(510)를 기준으로, 상부면과 하부면의 면적이 40 ㎜×40 ㎜이고, 두께가 0.8 ㎜인 사이즈로 구현된 경우에 측정된 결과에 근거하여 설명한다. 여기서, 무한 파장 안테나 장치(500)에 ENG 공진부(530) 및 MNG 공진부(540)가 각각 WCDMA 대역에 해당하는 1.92 ㎓ 및 2.08 ㎓에서 공진하도록 구현된 경우에 측정된 결과에 근거하여 설명한다.
즉 무한 파장 안테나 장치(500)는, 도 12에 도시된 바와 같이 다수개의 주파수 대역에서 공진한다. 이 때 S11은 제 1 안테나 소자(515a)에 대한 S 파라미터(S parameter)의 변화를 나타내고, S21은 제 1 안테나 소자(515a)에서 제 2 안테나 소 자(515b)에 의한 간섭에 따른 S 파라미터의 변화를 나타내고, S31은 제 1 안테나 소자(515a)에서 제 3 안테나 소자(515c)에 의한 간섭에 따른 S 파라미터의 변화를 나타내며, S41은 제 1 안테나 소자(515a)에서 제 4 안테나 소자(515d)에 의한 간섭에 따른 S 파라미터의 변화를 나타낸다. 예를 들면, 무한 파장 안테나 장치(500)에서 ENG 공진부(530)가 대략 1.92 ㎓ 내지 1.98 ㎓에서 공진하고, MNG 공진부(540)가 대략 2.11 ㎓ 내지 2.17 ㎓에서 공진함으로써, 무한 파장 안테나 장치(500)가 대략 1.92 ㎓내지 2.25 ㎓에서 공진할 수 있다. 다시 말해, 무한 파장 안테나 장치(500)는 WCDMA 대역 보다 확장된 10dB 비대역폭을 갖는다.
그리고 무한 파장 안테나 장치(500)는, 도 13에 도시된 바와 같이 단방향성 방사 패턴을 갖는다. 즉 무한 파장 안테나 장치(500)는 각 및 방위에 대해 지향성을 갖는다. 다시 말해, 무한 파장 안테나 장치(500)에서 특정 방향의 전파를 송수신할 수 있다. 이를 통해, 무한 파장 안테나 장치(500)가 빔 포밍(beam forming)을 위해 이용될 수 있다. 또한 무한 파장 안테나 장치(500)는, 도 14에 도시된 바와 같이 비교적 높은 이득을 갖는다. 즉 무한 파장 안테나 장치(500)는 대략 3.6 dBi 내지 5.2 dBi의 손실을 고려하지 않은 이론적 이득 및 대략 2.4 dBi 내지 4.2 dBi의 손실을 고려한 실질적 이득을 갖는다.
한편, 전술한 실시예들에서 ENG 공진부 및 MNG 공진부에서 해당 사이즈와 무관하게, 공진을 위한 각각의 제 1 주파수 대역 및 제 2 주파수 대역이 결정될 수 있다. 이를 도 15를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 도 15는 ENG 공진부 및 MNG 공진부의 주파수 대역 별 분산도를 도시하는 도면이다.
도 15를 참조하면, 기존의 CRLH 공진부 및 본 발명의 실시예에 따른 ENG 공진부와 MNG 공진부의 분산도는, 각각의 등가 회로에 주기적인 경계 조건(boundary condition)을 적용함으로써, 획득될 수 있다. 이 때 CRLH 공진부, ENG 공진부 및 MNG 공진부 각각의 분산도는, 하기 <수학식 7>과 같이 결정된다. 그리고 각각의 CRLH 공진부, ENG 공진부 및 MNG 공진부에서 공진 모드(n)는 하기 <수학식 8>과 같이 결정된다.
Figure 112008090801279-pat00011
Figure 112008090801279-pat00012
Figure 112008090801279-pat00013
where
Figure 112008090801279-pat00014
여기서, β는 위상 상수를 나타내며, d는 단쉬 셀의 사이즈를 나타낸다.
Figure 112008090801279-pat00015
Figure 112008090801279-pat00016
여기서, N은 단위 셀의 수를 나타내며, l은 총 길이를 나타낸다.
즉 본 발명에 따르면, ENG 공진부 및 MNG 공진부에서, CRLH 공진부와 같이, 사이즈와 무관하게 공진을 위한 주파수 대역이 결정될 수 있다. 다시 말해, 무한 파장 안테나 장치에서 무한 파장 특성에 따라 동작하기 때문에, 무한 파장 안테나 장치의 사이즈와 무관하게 공진을 위한 주파수 대역이 결정될 수 있다. 이로 인하여, 무한 파장 안테나 장치의 소형화를 구현할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 무한 파장 안테나 장치에서 자성 결합에 의해 급전이 이루어지기 때문에, 무한 파장 안테나 장치에서 다수개의 공진부에 용이하게 급전이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 무한 파장 안테나 장치에서 다중 주파수 대역 또는 보다 확장된 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 사시도,
도 2는 도 1에서 MNG 공진부의 등가 회로를 도시하는 회로도,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 사시도,
도 4는 도 3의 공진 특성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 사시도,
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 사시도,
도 7은 도 6에서 ENG 공진부의 등가 회로를 도시하는 회로도,
도 8은 도 6의 공진 특성을 도시하는 도면,
도 9는 도 6의 공진 시 방사 패턴을 도시하는 도면,
도 10은 도 6의 공진 시 동작 효율 및 이득을 도시하는 도면,
도 11은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 무한 파장 안테나 장치를 도시하는 평면도,
도 12는 도 11에서 안테나 소자의 공진 특성을 도시하는 도면,
도 13은 도 11의 공진 시 방사 패턴을 도시하는 도면,
도 14는 도 11의 공진 시 획득되는 이득을 도시하는 도면, 그리고
도 15는 ENG 공진부 및 MNG 공진부의 주파수 대역 별 분산도를 도시하는 도면이다.

Claims (15)

  1. 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와,
    상기 기판 몸체의 일면에 배치되며, 급전 시, 자장을 형성하는 피드부와,
    상기 기판 몸체에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 상기 피드부에 이격되어 배치되어, 양단부를 통해 접지되고, 상기 자장 형성 시, 일정 주파수 대역에서 공진하며, 음의 투자율을 갖는 MNG 공진부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MNG 공진부는 일정 사이즈의 전송 갭이 형성된 전송 회로인 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 피드부는 일방향으로 연장되는 막대 형태로 이루어지고,
    상기 MNG 공진부는 상기 피드부의 일측에서 상기 피드부를 따라 상기 일방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 MNG 공진부에 이격되어 배치되며, 상기 자장 형성 시, 상기 주파수 대 역과 다른 주파수 대역에서 공진하는 다른 MNG 공진부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 몸체에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 상기 피드부 및 상기 MNG 공진부에 이격되어 배치되어, 일단부를 통해 접지되고 타단부를 통해 개방되며, 상기 자장 형성 시, 상기 주파수 대역과 상이한 다른 주파수 대역에서 공진하며, 음의 유전율을 갖는 ENG 공진부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 ENG 공진부는 일정 사이즈의 전송 갭이 형성된 전송 회로인 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 피드부 및 ENG 공진부는 상기 기판 몸체의 일면에 배치되고,
    상기 MNG 공진부는 상기 기판 몸체의 타면에 배치되는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  8. 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와,
    상기 기판 몸체의 상부면에서 일방향으로 연장되는 막대 형태로 이루어지고, 급전 시, 자장을 형성하는 피드부와,
    상기 기판 몸체의 상부면에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 상기 피드부에 이격되어 배치되고, 일정 사이즈의 전송 갭이 형성된 전송 회로 및 상기 전송 회로의 양단부에 상기 기판 몸체를 관통하여 상기 기판 몸체의 하부면으로 연장되는 전송 비아를 구비하고, 상기 자장 형성 시, 일정 주파수 대역에서 공진하며, 음의 투자율을 갖는 MNG 공진부와,
    상기 기판 몸체의 하부면에 형성되어 상기 전송 비아에 연결되며, 상기 전송 비아를 통해 상기 MNG 공진부를 접지시키는 그라운드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 MNG 공진부는 하나의 전송 갭과 일정 길이의 전송 회로로 구분되며, 기 피드부의 일측에서 상기 피드부를 따라 상기 일방향으로 연장되도록 상호 연결된 다수개의 MNG 공진 영역들로 이루어진 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 MNG 공진부에 이격되어 배치되며, 상기 자장 형성 시, 상기 주파수 대역과 다른 주파수 대역에서 공진하는 다른 MNG 공진부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 전송 회로는 적어도 하나의 곡절부가 형성되어 있으며, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  12. 유전체로 이루어지며, 평판 구조를 갖는 기판 몸체와,
    상기 기판 몸체의 상부면에 배치되어, 급전 시, 자장을 형성하는 피드부와,
    상기 기판 몸체의 상부면에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 상기 피드부에 이격되어 배치되고, 상기 자장 형성 시, 일정 주파수 대역에서 공진하며, 음의 유전율을 갖는 ENG 공진부와,
    상기 기판 몸체의 하부면에서 상기 자장 내에 적어도 일부가 위치하도록 배치되고, 상기 자장 형성 시, 상기 주파수 대역과 다른 주파수 대역에서 공진하며, 음의 투자율을 갖는 MNG 공진부와,
    상기 기판 몸체의 하부면에서 상기 MNG 공진부의 일측부에 형성되며, 상기 피드부 및 ENG 공진부 각각의 일단부와 상기 MNG 공진부의 양단부에 연결되어 상기 피드부, ENG 공진부 및 MNG 공진부를 접지시키는 그라운드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 ENG 공진부 및 MNG 공진부는 각각 일정 사이즈의 전송 갭이 형성된 전송 회로인 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 피드부 및 ENG 공진부는 상기 일단부에서 상기 기판 몸체를 관통하여 상기 그라운드부로 연장되는 전송 비아를 구비하는 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 전송 회로는 적어도 하나의 곡절부가 형성되어 있으며, 미앤더 타입, 스파이럴 타입, 스텝 타입 또는 루프 타입 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 무한 파장 안테나 장치.
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