KR101591393B1 - 균형 메타 재료 안테나 장치 - Google Patents
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Abstract
불균형 송신선에 복합 오른손 및 왼손 (CRLH) 및 발룬(balun) 구조를 이용한 균형 안테나로 직접 공급하는 설계 및 기술을 기재한다.
Description
본 출원은 2009년 3월 3일 출원되고 발명의 명칭이 "균형 메타 재료 안테나 장치"인 미국 가출원번호 제61/157,132호 및 2009년 7월 8일 출원되고 발명의 명칭이 "가상 접지 균형 메타 재료 안테나 장치"인 미국 가출원번호 제61/223,911호에 기한 우선권을 주장한다.
이들 출원의 내용은 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
무선 통신 시스템에서 균형 라인은 한 쌍의 도전성 송신선을 포함할 수 있고, 이 각각은 구조적으로 대칭이고 각각의 길이를 따라서 동일하지만 반대방향의 전류를 가진다. 그러므로, 균형 라인의 상쇄 효과에 의하여, 송신선을 따라서 방사가 일어나지 않고, 외부 잡음을 배제하는데 이상적으로 만든다. 무선 시스템에서 균형 라인의 한 구현예는 예를 들어 다이폴 안테나를 포함한다.
대조적으로, 동축 케이블과 같은 비대칭 라인은 회신 도전체가 접지되도록 설계되거나 회신 도전체가 실제로 접지인 회로를 가지도록 설계되는데, 이는 동축 케이블 내에서 전류차를 가질수 있고, 송신선이 방사하게 된다.
발룬(balun) 장치가 균형 라인 및 불균형 라인 사이에 임피던스 호환을 위하여 사용될 수 있다. 또한, 발룬은 소스와 소자 사이에 인터페이스로서 작용할수 있고, 소스와 소자는 다른 임피던스 특성을 가진다. RF 응용에서, 예를 들어, 발룬 소자는 균형 안테나와 같은 균형 시스템과 동축 케이블과 같은 불균형 시스템 사이의 호환성을 위하여 사용될 수 있다. 다양한 구성이 발룬 소자를 안테나 장치 응용에 구현하기 위해 존재할 수 있다.
무선 광역 네트웍(WWAN)의 이용에서의 최근의 발전, 광대역 무선랜(WLAN)의 채택은 연속적인 글로벌 액세스를 요구하는 소비자들의 수요와 결합하여 무선통신 산업이 셀룰러 핸드셋, 액세스 포인트, 랩톱, 및 클라이언트 카드에서 다중대역 및 다중 모드 동작을 지원함으로써 다른 지역적 영역에서도 가장 좋은 광대역 무선 표준을 지원하도록 요구하고 있다. 이는 RF 및 안테나 설계 엔지니어에게 1)다중대역, 2)로우 프로파일, 3)소형, 4)보다 좋은 성능(다중입력-다중출력(MIMO)를 포함), 5)시장에 대한 시간 가속, 6)저비용 및 7)위에서 언급된 장치에 통합하기 쉬울 것에 대하여 개발을 촉진시킨다. 종래의 안테나 기술은 이들 일곱가지 기준의 부분을 만족하였으나, 모두를 만족하기는 어려웠다. 여기서 기재되는 새로운 해결책은 메타 재료 기판 RF 설계가 인쇄회로 기판에 직접 5 대역 핸드셋 안테나를 인쇄하도록 해주고, 또한 WiFi 액세스 포인트에 대한 균형 안테나의 개발에도 응용된다. 모든 능동 및 수동 성능이 본 명세서에서 기재되고, MTM 안테나의 중점적 장점도 포함된다. 이에 더하여 주된 왼손(LH) 모드에 중점을 두고 안테나 동작의 상세한 분석이 기재되고, LH 모드는 안테나 크기를 줄여주고 PCB에 직접 인쇄될수 있게 한다.
메타 재료는 인공 복합 재료이고 자연 매체에서 발견되지 않은 원하는 전자기 전파 행태를 생성하도록 제작된다. "메타 재료"라는 용어는 이러한 인공 구조의 많은 변형들은 언급하는데, 복합 오른손 및 왼손(CRLH) 전파에 기한 송신선(TL)을 포함한다. 순수한 왼손(LH) TL의 실용적인 구현은 별도 부품의 전기적 파라메터에 내재적인 오른손(RH) 전파를 포함한다. 이 조성은 LH 및 RH 전파 또는 모드를 포함하고, 공기 간섭의 통합에 있어 종래에 없던 개선점을 만드는데, 공기를 넘는(OTA) 성능 및 소형화가 그것이고 한편으로 동시에 재료비(BOM) 및 SAR 값을 줄여준다. MTM은 물리적으로 소형이지만 전기적으로 큰 공기 간섭 부품이고, 인접하게 배치되는 소자들 사이에서 커플링이 작다. MTM 안테나 구조는 몇몇 실시예에서 유전체 기판에 직접 인쇄된 구리이고 종래의 FR-4 기판 또는 유연성 있는 인쇄회로 (FPC) 기판을 사용하여 제조될 수 있다.
메타 재료 구조는 N개의 동일한 단위 셀이 배열된 주기적 구조일 수 있고 여기서 각각의 셀은 동작 주파수의 한 파장보다 매우 작다. 메타 재료 구조는 공급부에 대한 용량 결합 및 접지에 대한 인덕티브 로딩에 적용되는 어떠한 RF구조일 수도 있다. 이러한 의미에서, 하나의 메타 재료 유닛 셀의 조성은 직렬 인덕터(LR), 직렬 캐패시터(CL), 분기 인덕터(LL) 및 분기 캐패시터(CR)를가지는 개별 회로 등가 모델로 기재되고, 여기서 LL 및 CL은 LH 모드 전파 특성을 결정하고 LR 및 CR은 RH 모드 전파 특성을 결정한다. 다른 주파수에서 LH 및 RH 모드 전파 모두의 행태는 도 7a 및 7b에 관하여 이하에서 설명하는 것과 같은 간단한 분산 다이어그램에서 쉽게 설명될 수 있다. 그러한 분산 커브에서 β > 0는 RH 모드를 정의하고 β < 0는 LH 모드를 정의한다. MTM 소자는 동작 주파수에 따라 음의 위상 속도를 나타낸다.
종래의 송신선의 전기적 크기는 물리적 치수와 관련있고, 따라서 소자 크기를 줄인다는 것은 보통 동작 주파수의 범위를 늘린다는 의미이다. 반대로, 메타 재료 구조의 분산 커브는 4개의 CRLH 파라메터, CL, LL, CR, LR의 값에 주로 의존한다. 그 결과, CRLH 파라메터의 분산 관계를 조작함으로써 물리적으로 소형인 RF 회로가 전기적으로 큰 RF 신호를 가질수 있다. 이러한 개념은 소형 안테나 설계에서 성공적으로 채택되어 왔다.
다이폴 안테나와 같은 균형 안테나(balanced antenna)는 무선 통신 시스템에서 가장 많이 보급된 솔루션 중 하나라고 인식되어 졌고 이는 왜냐하면 그 광대역 특성 및 단순한 구조 때문이다. 그들은 무선 라우터, 휴대전화, 자동차, 건물, 선박, 비행기, 우주선 등에서 찾아볼 수 있다. 다이폴 소자는 두 개의 거울 이미지 부분을 가지고 공급 네트웍에 연결된 중앙 공급부를 가지며 따라서 구조적으로 "균형" 이라고 한다. 다이폴 안테나의 복사 패턴은 아지무스(azimuth) 평면에서 비방향성이고 확대 평면에서 방향성이다. 다이폴 안테나는 "도넛" 형태의 방사 패턴을 다이폴 축을 따라서 가지고 아지무스 평면에서 전방향성이다. 발룬은 통상 균형 안테나의 두 부분에서 신호를 불균형 공급 포트에서의 신호로 변환하거나 또는 그 반대로 하는데 사용된다. 무선 액세스 포인트 또는 라우터에 대하여, 안테나는 전방향성 방사 패턴을 가지고 기존의 IEEE 802.11 네트웍에 대하여 늘어난 커버리지를 제공할 수 있다. 전방향성 안테나는 360도의 확대된 커버리지를 제공하고, 더 먼 거리에서 효율적으로 데이터를 개량한다. 이는 또한 신호 품질을 개량하고 무선 커버리지에서 데드 스팟(dead spot)을 감소시키는 데 도움을 주어, WLAN 응용에 이상적으로 만든다. 그러나, 전형적으로 무선 라우터와 같은 소형 휴대장치에 있어서, 컴팩트한 안테나 부품과 주변의 접지 평면 사이의 상대 위치는 복사 패턴에 현저한 영향을 미친다. 패치(patch) 안테나 또는 인버트 F 평면 안테나(PIFA)와 같이 균형 구조가 없는 안테나에서는, 비록 크기가 컴팩트하더라도, 주변 접지 평면이 전방향성을 쉽게 왜곡시킬수 있다. 더 많은 WLAN 장치가 MIMO 기술을 사용하는 장치에서 다수 안테나를 요구하고, 다른 안테나로부터의 신호가 결합되어 무선 채널에서 다중 경로를 실현하고 고용량, 좋은 커버리지 및 고신뢰성을 가능하게 해 준다. 동시에, 제품들은 계속적으로 크기가 줄고 이는 안테나가 매우 작은 크기로 설계될 것을 요구한다. 종래의 다이폴 안테나 또는 인쇄된 다이폴 안테나에 대하여, 안테나 크기는 동작 주파수에 따르고, 따라서 크기의 축소는 과제가 되고 있다.
한 실시예에서, 컴팩트하고 인쇄된 균형 안테나의 설계가 CRLH MTM 구조에 기하여 레이스팬(Rayspan) MTM-B 기술을 이용하여 실행되었다. CRLH MTM 기술이 구현되면, 균형 안테나는 작은 크기, 증가된 효율성 및 전방향성을 갖는다. 균형 안테나는 접지 평면이 존재하거나 존재하지 않는 경우 아지무스 평면에서 전방향성의 방사 패턴을 나타낸다. 다양한 균형 안테나 설계가 PCB 상에 편리한 집적화 솔루션을 사용하여 울트라 컴팩트 사이즈 안테나 구조로서 인쇄될 수 있다. 또한, 이 구조는 대형 PCB 제조 규칙을 이용하여 PCB 상에 용이하게 제조될 수 있다. 균형 안테나는 WLAN 시스템 선에서 사용될 수 있다.
한 예에서, 사각형 MTM 셀 패치(cell patch)가 길이 L(예를 들어, 8.46mm) 및 두께 W(예를 들어, 4.3mm)를 가지고 런치(launch) 패드에 커플링 간극을 두고 용량성 결합된다. 커플링은 직렬 캐패시터 또는 LH 캐패시터를 제공하여 왼손 모드를 생성한다. 금속 비아는 상층에서 MTM 셀 패치를 저층의 얇은 비아 라인에 연결하고 최종적으로 저층 접지 평면으로 연결하고 저층 접지 평면은 병렬 인덕턴스 또는 LH 인덕턴스를 제공한다. 두 부분 모드에서 비아 라인은 함께 180도 라인을 제공하여 구조의 균형을 유지한다.
몇몇 응용에서, 메타 재료(MTM) 및 복합 오른손 및 왼손(CRLH) 구조 및 부품은 왼손(LH) 구조의 개념을 적용하는 기술에 기한다. 여기서 사용되는 바와 같이, 용어 "메타 재료", "MTM", "CRLH" 및 "CRLH MTM"은 복합 LH 및 RH 구조로 종래의 유전체 및 전도체 재료를 사용하여 가공된 것을 말하고 이는 독특한 전자기 특성을 생성하고 여기서 이러한 복합 단위 셀은 전자기파를 전파하는 자유 공간 파장보다 매우 작다.
여기서 사용된 메타 재료 기술은 기술적 의미, 방법, 장치, 발명 및 공학적 작업을 포함하고 이는 도전성 및 유전성 부분으로 구성된 컴팩트한 장치를 가능하게 하고 이는 전자기파를 송수신하는데 사용된다. MTM 기술을 사용하여, 안테나 및 RF 부품은 경쟁 방법에 비하여 매우 컴팩트하게 만들어질 수 있고 공간적으로 서로 매우 근접하게 떨어져 있을 수 있고 또는 근처의 부품과도 그러할 수 있고 동시에 원하지 않는 간섭 및 전자기 커플링을 최소화한다. 그러한 안테나 및 RF 부품은 또한 유용하고 독특한 전자기 행태를 나타내는데 이는 무선 통신 장치 내에서 안테나 및 RF 부품을 설계하고 집적화하고 최적화하는 많은 구조들 중 하나 이상으로부터 기인한다.
CRLH 구조는 동시인 음의 유전율 ε 및 음의 투자율 μ를 한 주파수 범위에서 나타내고 다른 주파수 범위에서 동시 양의 ε 및 양의 μ를 나타낸다. CRLH 구조에 기한 송신선(TL)은 TL 전파를 가능하게 하는 구조이고 한 주파수 범위에서는 동시 음의 유전율 ε 및 음의 투자율 μ를 나타내고 다른 주파수 범위에서 동시 양의 ε 및 양의 μ를 나타낸다. CRLH에 기한 안테나 및 TL은 종래의 RF 설계구조를 거지거나 가지지 않으면서 설계되고 구현될 수 있다.
종래의 도전성 및 유전성 부품으로 만들어진 안테나, RF 부품 및 다른 장치는 그들이 MTM 구조로서 동작하게 설계될 때 "MTM 안테나", "MTM 부품" 등으로 불릴수 있다. MTM 부품은 종래의 도전성 및 절연성 재료를 이용하여 또한 표준적인 제조 기술을 이용하여 쉽게 제작할 수 있는데 제조 기술에는 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는다: FR4, 세라믹, LTCC, MMICC, 가요성필름, 플라스틱 또는 심지어 종이와 같은 기판상에 도전층을 인쇄, 에칭, 추출하는 기술.
한 실시예에서, 혁신적인 메타 재료 안테나 설계는 다이폴 안테나와 연관하여 반파장 크기를 요구하는 다이폴 균형 안테나의 특성을 에뮬레이션한다. 그러한 MTM 균형 안테나는 소형일 뿐만 아니라 소자 접지 평면에 영향을 받지 않고, 안테나 장치의 기본 구조를 변경시키지 않고 다양한 장치에서 사용하는 매우 매력적인 솔루션으로 만들어준다. 그러한 균형 안테나는 MIMO 응용에 적용가능하고 왜냐하면 접지평면 레벨에서 커플링이 일어나지 않기 때문이다. 다이폴 안테나와 같은 균형 안테나는 무선 통신 시스템에서 가장 널리 보급된 솔루션 중 하나로 인식되어져 왔는데 왜냐하면 그 광대역 특성 및 단순한 구조 때문이다. 그들은 무선 라우터, 무선 전화, 자동차, 건물, 선박, 항공기, 우주선 등에서 찾아볼 수 있다. 다이폴은 두 개의 거울 이미지 부분을 가지고 표준적으로 공급 네트웍에 의하여 중앙 공급되고 따라서 그 구조는 "균형" 이라고 불린다. 다이폴 안테나의 방사 패턴은 아지무스 평면에서 비방향성이고 상승 평면에서 방향성이다.
종래의 안테나의 예는 모노폴 안테나를 포함하고, 이는 단일 단부 공급부를 가지는 접지 평면의 존 안테나이다. 모노폴 도전성 경로(방사 아암)의 길이는 일차적으로 안테나의 공진 주파수를 결정한다. 안테나의 이득은 접지 평면까지의 거리 및 접지 평면의 크기와 같은 파라메터에 의존하여 변화한다.
종래의 안테나의 다른 예는 다이폴 안테나를 포함하고, 이는 두 개의 거울 이미지 모노폴이 이면 대 이면으로 결합한 것으로 간주될 수 있다. 다이폴 안테나는 균형 안테나 설계의 한 유형이고, 전형적으로 공급 네트웍에 의하여 구동되는 중앙 공급 요소를 가진다; 따라서 다이폴 안테나는 구조적으로 대칭이다. 방사 패턴은 원환형태(도넛 형태)이고 다이폴에 대하여 중심축인 축을 가지고, 따라서 아지무스 평면에서 거의 전방향성이다. 다이폴 안테나의 전방향성을 결정하는 중심 요소 중 하나는 다이폴의 길이이다. 원환 형태의 방사 패턴은 다이폴의 길이가 반파장일 때 달성된다. 다이폴 안테나는 동축 케이블(coax)로 직접 공급될 수 있다. 그러나, coax는 균형 공급부가 아닌데 왜냐하며 반대쪽 단부에서 다른 전위에 대한 coax의 연결 때문이다. 다이폴 안테나와 같은 균형 안테나가 불균형 공급부로 공급될 때, 공급 모드 전류는 공급 라인이 방사하도록 할 수 있고, 그에 따라 방사 패턴을 비대칭적으로 왜곡시키고, RF 간섭을 야기시키고 안테나 효율을 저감시킨다. 이 문제는 발룬을 사용함으로써 해결할 수 있고, 발룬은 접지(차동)에 대하여 균형인 신호를 불균형(단일 단부) 신호로 변환하고 그 반대로도 작용한다. 다이폴 안테나의 크기는 일반적으로 크고, 예를 들어 반파장이고, 오늘날의 무선 통신 시스템에서 많은 공간을 요구한다. 또한, 다이폴 안테나와 연관된 교차 분극(cross polarization)은 다이폴 안테나의 크기와 반비례한다. 이리하여, 교차 분극은 다이폴의 크기가 감소함에 따라 증가하고, 따라서 무선 장치에서 다이폴 안테나를 지원하기 위하여 사용되는 영역에서 잠재적 크기 축소를 제한한다. 또한, 다이폴 안테나가 대형 접지 평면에 근접하여 위치할 때 복사 패턴이 왜곡된다. 복사 패턴 및 다이폴 안테나의 이득은 접지 평면의 크기 및 다이폴 안테나와 접지 평면 사이의 거리에 따른다. 따라서, 접지 평면에 대한 다이폴 안테나의 접근에 대한 제한이 또한 존재한다. 유사한 시나리오가 모노폴 안테나에 대하여도 통할 수 있다.
많은 종래의 인쇄된 안테나는 반파장보다 작다; 따라서, 접지 평면의 크기는 임피던스 정합 및 방사 패턴을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 또한, 이들 안테나는 접지 평면의 형상에 따라 강한 교차 분극 요소를 가질 수 있다.
무선 액세스 포인트 또는 라우터와 같은 몇몇 종래의 무선 안테나 응용에서, 안테나는 전방향성 방사 패턴을 나타내고 기존의 IEEE 802.11 네트웍에 대하여 증가된 커버리지를 제공할 수 있다. 전방향성 안테나는 확장된 커버리지에 대하여 360도를 제공하고, 더 먼거리에서 효율적으로 데이터를 개량한다. 이는 또한 신호 품질을 개량하고 무선 커버리지에서 데드 스팟을 감소시키고, 무선 근거리 네트웍(WLAN) 응용에 대하여 이상적으로 만들어준다. 하지만 전형적으로 소형 휴대용 장치에 있어서, 이는 예를 들어 무선 라우터와 같은 것인데, 컴팩트 안테나 요소와 주변의 접지 평면 사이의 상대 위치는 방사 패턴에 현저한 영향을 미친다. 균형 구조를 가지지 않는, 평면 인버트 F 안테나(PIFA) 또는 패치 안테나와 같은 안테나는 비록 크기가 컴팩트하더라도, 주변의 접지 평면이 그 전방향성을 쉽게 왜곡시킬 수 있다.
MIMO 기술을 이용하는 더 많은 WLAN 장치가 다중 안테나를 요구하고, 다른 안테나로부터의 신호는 결합되어 무선 채널에서 다중 경로를 실현할 수 있고 더 많은 용량, 더 좋은 커버리지 및 증가된 신뢰성을 가능하게 한다. 동시에, 제품들은 크기가 계속적으로 줄어들고, 이는 안테나가 매우 작은 크기로 설계될 것을 요구한다. 종래의 다이폴 안테나 또는 인쇄된 다이폴 안테나에 대하여, 안테나 크기는 동작 주파수에 크게 의존하고, 따라서 크기의 축소는 과제가 되고 있다.
CRLH 구조는 안테나, 송신선 및 다른 RF 부품 및 장치를 구성하는데 사용될 수 있고, 넓은 범위의 기술적 개량을 가능하게 해 주고 여기에는 기능적 진보, 크기의 축소 및 성능의 개량이 포함된다. 종래의 안테나 구조와는 달리, MTM 안테나 공진은 왼손(LH) 모드의 존재에 의해 영향을 받는다. 일반적으로, LH 모드는 저주파 공진을 여기시키고 더 잘 정합시키는 데 도움을 주고 또한 고주파 공진의 정합을 개량하는 데도 도움을 준다. 이들 MTM 안테나 구조는 종래의 FR-4 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 가요성 인쇄회로(FPC) 기판을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 제조 기술의 예에는 시스템온칩(SOC) 기술, 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 기술, MMIC 기술이 포함된다.
다이폴 안테나를 이용하는 균형 안테나 또는 종래의 인쇄 안테나와 연관된 위에서의 문제점을 볼 때, 본 출원은 CRLH 구조에 기한 몇가지 균형 안테나 장치를 제공하고, 이는 작은 크기와 작은 교차 분극을 가지고 실질적으로 전방향성인 방사 패턴을 생성하고 비교적 접지 평면의 존재에 영향을 받지 않게 된다.
도 1-3은 예시적 실시예에 따라서 4개의 단위 셀에 기한 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선의 예를 도시한다.
도 4a는 예시적 실시예에 따라, 도 2에서와 같은 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선 등가 회로에 대한 2 포트 네트웍 매트릭스 표현을 나타낸다.
도 4b는 예시적 실시예에 따라, 도 3에서와 같은 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선 등가 회로에 대한 2 포트 네트웍 매트릭스 표현을 나타낸다.
도 5는 예시적 실시예에 따라서 4개의 단위 셀에 기한 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 안테나를 도시한다.
도 6a는 예시적 실시예에 따라, 도 4a의 송신선의 경우와 유사한 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 안테나 등가 회로에 대한 2 포트 네트웍 매트릭스 표현을 나타낸다.
도 6b는 예시적 실시예에 따라, 도 4b의 송신선(TL)의 경우와 유사한 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 안테나 등가 회로에 대한 2 포트 네트웍 매트릭스 표현을 나타낸다.
도 7a 및 7b는 예시적 실시예에 따라 균형 및 불균형 케이스를 각각 고려하여 도 2와 같은 단위 셀의 분산 곡선을 나타낸다.
도 8은 예시적 실시예에 따라, 4개의 단위 셀에 기한 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선을 나타낸다.
도 9는 예시적 실시예에 따라, 도 8에서와 같이 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선의 등가회로를 나타낸다.
도 10은 예시적 실시예에 따라, 4개의 단위 셀에 기한 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 안테나의 예를 나타낸다.
도 11은 예시적 실시예에 따라, 4개의 단위 셀에 기한 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선의 다른 예를 나타낸다.
도 12는 예시적 실시예에 따라, 도 11에서와 같이 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료(MTM) 송신선의 등가회로를 나타낸다.
도 13의 (A) 및 13의 (B)는 각각 예시적 실시예에 따라 균형 MTM 안테나 장치의 최상층의 평면도 및 저부층의 평면도를 나타낸다.
도 14의 (A)는 예시적인 실시예에 따라 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 비아 라인 방향을 나타낸다.
도 14의 (B)는 예시적인 실시예에 따라 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 굴곡진 비아 라인 구성을 나타낸다.
도 15는 예시적 실시예에 따라 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 등가 회로 개요를 나타낸다.
도 16a 및 16b는 예시적 실시예에 따라 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 규형 MTM 안테나 장치와 연관된 상층 및 저층의 전류 다이어그램을 도시한다.
도 17은 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 제조된 모델의 평면도를 도시한다.
도 18은 균형 MTM 안테나 장치의 제1 접지 시나리오(케이스 1)를 도시한다.
도 19는 점선으로 표시되는 자유 공간(참조)의 경우에 대한 측정된 회신 손실 및 언더그라운드 GND(케이스 1)에 대한 손실을 도시한다.
도 20은 자유 공간(참조)의 경우에 대한 측정된 효율을 도시한다.
도 21은 자유 공간(참조)의 케이스에 대한 2.44GHz에서의 이득 및 방사 패턴을 도시한다.
도 22는 도 18에 도시된 케이스 1에 대하여 2.44GHz에서의 이득 및 방사 패턴을 도시한다.
도 23은 안테나 장치의 다른 접지 예(케이스 2)를 도시한다.
도 24는 도 23에 도시된 케이스 2에 대하여 안테나 장치의 2.44GHz에서의 이득과 방사 패턴을 도시한다.
도 25는 안테나 장치의 또 다른 접지 예(케이스 3)을 도시한다.
도 26은 도 25에 도시된 케이스 3에 대하여 안테나 장치의 2.44GHz에서의 이득과 방사 패턴을 도시한다.
도 27a - 27b는 안테나 장치의 다른 접지 예(케이스 4)을 도시한다.
도 28은 도 27a - 27b에 도시된 케이스 4에 대하여 안테나 장치의 2.44GHz에서의 이득과 방사 패턴을 도시한다.
도 29의 (A) - 도 29의 (B)는 연결되지 않은 접지를 가지는 균형 안테나 장치의 상층의 평면도와 저층의 평면도를 도시한다.
도 29의 (C)는 도 29의 (A) - 도 29의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 등가 회로 개략을 도시한다.
도 30은 도 29의 (B)에 도시된 균형 안테나 장치의 저층의 E 필드 분산 그래프를 도시한다.
도 31 및 32는 각각 도 29의 (A) - 도 29의 (B)에 도시된 가장 접지 케이스에 대하여 2.44GHz에서 시뮬레이션된 회신 손실과 방사 패턴을 도시한다.
도 33의 (A) - 도 33의 (C)는 가상 접지 듀얼 밴드 안테나 장치의 구조의 상세를 나태니고 이는 상층의 평면도, 저층의 평면도, 두 층 각각의 사시도를 포함한다.
도 34는 도 33의 (A) - 도 33의 (B) 에 도시된 균형 MTM 안테나 장치와 연관된 테이퍼 설계를 도시한다.
도 35는 도 33의 (A) - 도 33의 (C)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치에서 전류 흐름의 개략을 도시한다.
도 36a - 36b는 균형 MTM 안테나 장치의 제작된 모델에서 상부도면 및 하부도면 각각을 도시한다.
도 37은 2.4GHz 주파수 대역에 대하여 측정된 회답 손실 그래프를 도시한다.
도 38은 듀얼 밴드 균형 MTM 안테나 장치의 2.4GHz 주파수 대역에 대한 측정된 효율을 도시한다.
도 39는 균형 MTM 안테나 장치의 2.4GHz 주파수 대역에 대한 측정된 피크 이득을 도시한다.
도 40은 자유 공간 케이스에 대하여 2.4GHz에서 이득 및 방사 패턴을 도시한다.
도 42는 듀얼 밴드 균형 MTM 안테나 장치의 5GHz 주파수 대역에 대하여 측정된 회답 손실을 도시한다.
도 43은 5GHz 주파수 대역에 대하여 측정된 피크 이득을 나타낸다.
도 44는 자유 공간 케이스에 대하여 5GHz에서 이득 및 복사 패턴을 도시한다.
도 45의 (A) - 도 45의 (C)는 가상 접지, 고이득, 광대역, 균형 MTM 안테나 장치를 도시한다.
도 46은 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 제조된 모델을 도시한다.
도 47은 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 측정된 회답 손실을 도시한다.
도 48은 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 측정된 효율을 도시한다.
도 49는 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 측정된 피트 이득을 도시한다.
도 50은 자유 공간 케이스에서 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 이득 및 방사 패턴을 도시한다.
도 51a - 51b는 균형 MTM 안테나 장치의 상층의 평면도 및 저층의 평면도 각각을 도시한다.
도 52a - 52b는 가상 접시를 사용하는 MTM 안테나 구조를 가지는 균형 MTM 안테나 장치의 다른 예를 도시한다.
도 53a - 53b는 MTM 균형 안테나 장치의 또 다른 예를 도시한다.
도면에서 유사한 구성요소 및/또는 특징에는 동일한 참조 번호가 사용될 수 있다. 나아가, 동일한 유형의 여러 부품들은 참조 번호에 뒤따르는 제2의 표기로 구분된다. 명세서에서 제1의 참조 번호만이 사용되는 경우, 설명내용은 제2의 참조 번호와 무관하게 동일한 제1의 참조 번호를 갖는 임의의 유사한 구성요소에 적용가능하다.
도 4a는 예시적 실시예에 따라, 도 2에서와 같은 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선 등가 회로에 대한 2 포트 네트웍 매트릭스 표현을 나타낸다.
도 4b는 예시적 실시예에 따라, 도 3에서와 같은 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선 등가 회로에 대한 2 포트 네트웍 매트릭스 표현을 나타낸다.
도 5는 예시적 실시예에 따라서 4개의 단위 셀에 기한 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 안테나를 도시한다.
도 6a는 예시적 실시예에 따라, 도 4a의 송신선의 경우와 유사한 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 안테나 등가 회로에 대한 2 포트 네트웍 매트릭스 표현을 나타낸다.
도 6b는 예시적 실시예에 따라, 도 4b의 송신선(TL)의 경우와 유사한 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 안테나 등가 회로에 대한 2 포트 네트웍 매트릭스 표현을 나타낸다.
도 7a 및 7b는 예시적 실시예에 따라 균형 및 불균형 케이스를 각각 고려하여 도 2와 같은 단위 셀의 분산 곡선을 나타낸다.
도 8은 예시적 실시예에 따라, 4개의 단위 셀에 기한 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선을 나타낸다.
도 9는 예시적 실시예에 따라, 도 8에서와 같이 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선의 등가회로를 나타낸다.
도 10은 예시적 실시예에 따라, 4개의 단위 셀에 기한 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 안테나의 예를 나타낸다.
도 11은 예시적 실시예에 따라, 4개의 단위 셀에 기한 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료 송신선의 다른 예를 나타낸다.
도 12는 예시적 실시예에 따라, 도 11에서와 같이 절형 접지(truncated ground)를 가지는 1차원 복합 오른손 및 왼손 메타 재료(MTM) 송신선의 등가회로를 나타낸다.
도 13의 (A) 및 13의 (B)는 각각 예시적 실시예에 따라 균형 MTM 안테나 장치의 최상층의 평면도 및 저부층의 평면도를 나타낸다.
도 14의 (A)는 예시적인 실시예에 따라 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 비아 라인 방향을 나타낸다.
도 14의 (B)는 예시적인 실시예에 따라 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 굴곡진 비아 라인 구성을 나타낸다.
도 15는 예시적 실시예에 따라 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 등가 회로 개요를 나타낸다.
도 16a 및 16b는 예시적 실시예에 따라 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 규형 MTM 안테나 장치와 연관된 상층 및 저층의 전류 다이어그램을 도시한다.
도 17은 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 제조된 모델의 평면도를 도시한다.
도 18은 균형 MTM 안테나 장치의 제1 접지 시나리오(케이스 1)를 도시한다.
도 19는 점선으로 표시되는 자유 공간(참조)의 경우에 대한 측정된 회신 손실 및 언더그라운드 GND(케이스 1)에 대한 손실을 도시한다.
도 20은 자유 공간(참조)의 경우에 대한 측정된 효율을 도시한다.
도 21은 자유 공간(참조)의 케이스에 대한 2.44GHz에서의 이득 및 방사 패턴을 도시한다.
도 22는 도 18에 도시된 케이스 1에 대하여 2.44GHz에서의 이득 및 방사 패턴을 도시한다.
도 23은 안테나 장치의 다른 접지 예(케이스 2)를 도시한다.
도 24는 도 23에 도시된 케이스 2에 대하여 안테나 장치의 2.44GHz에서의 이득과 방사 패턴을 도시한다.
도 25는 안테나 장치의 또 다른 접지 예(케이스 3)을 도시한다.
도 26은 도 25에 도시된 케이스 3에 대하여 안테나 장치의 2.44GHz에서의 이득과 방사 패턴을 도시한다.
도 27a - 27b는 안테나 장치의 다른 접지 예(케이스 4)을 도시한다.
도 28은 도 27a - 27b에 도시된 케이스 4에 대하여 안테나 장치의 2.44GHz에서의 이득과 방사 패턴을 도시한다.
도 29의 (A) - 도 29의 (B)는 연결되지 않은 접지를 가지는 균형 안테나 장치의 상층의 평면도와 저층의 평면도를 도시한다.
도 29의 (C)는 도 29의 (A) - 도 29의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치의 등가 회로 개략을 도시한다.
도 30은 도 29의 (B)에 도시된 균형 안테나 장치의 저층의 E 필드 분산 그래프를 도시한다.
도 31 및 32는 각각 도 29의 (A) - 도 29의 (B)에 도시된 가장 접지 케이스에 대하여 2.44GHz에서 시뮬레이션된 회신 손실과 방사 패턴을 도시한다.
도 33의 (A) - 도 33의 (C)는 가상 접지 듀얼 밴드 안테나 장치의 구조의 상세를 나태니고 이는 상층의 평면도, 저층의 평면도, 두 층 각각의 사시도를 포함한다.
도 34는 도 33의 (A) - 도 33의 (B) 에 도시된 균형 MTM 안테나 장치와 연관된 테이퍼 설계를 도시한다.
도 35는 도 33의 (A) - 도 33의 (C)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치에서 전류 흐름의 개략을 도시한다.
도 36a - 36b는 균형 MTM 안테나 장치의 제작된 모델에서 상부도면 및 하부도면 각각을 도시한다.
도 37은 2.4GHz 주파수 대역에 대하여 측정된 회답 손실 그래프를 도시한다.
도 38은 듀얼 밴드 균형 MTM 안테나 장치의 2.4GHz 주파수 대역에 대한 측정된 효율을 도시한다.
도 39는 균형 MTM 안테나 장치의 2.4GHz 주파수 대역에 대한 측정된 피크 이득을 도시한다.
도 40은 자유 공간 케이스에 대하여 2.4GHz에서 이득 및 방사 패턴을 도시한다.
도 42는 듀얼 밴드 균형 MTM 안테나 장치의 5GHz 주파수 대역에 대하여 측정된 회답 손실을 도시한다.
도 43은 5GHz 주파수 대역에 대하여 측정된 피크 이득을 나타낸다.
도 44는 자유 공간 케이스에 대하여 5GHz에서 이득 및 복사 패턴을 도시한다.
도 45의 (A) - 도 45의 (C)는 가상 접지, 고이득, 광대역, 균형 MTM 안테나 장치를 도시한다.
도 46은 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 제조된 모델을 도시한다.
도 47은 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 측정된 회답 손실을 도시한다.
도 48은 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 측정된 효율을 도시한다.
도 49는 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 측정된 피트 이득을 도시한다.
도 50은 자유 공간 케이스에서 도 45의 (A) - 도 45의 (C)의 균형 MTM 안테나 장치의 이득 및 방사 패턴을 도시한다.
도 51a - 51b는 균형 MTM 안테나 장치의 상층의 평면도 및 저층의 평면도 각각을 도시한다.
도 52a - 52b는 가상 접시를 사용하는 MTM 안테나 구조를 가지는 균형 MTM 안테나 장치의 다른 예를 도시한다.
도 53a - 53b는 MTM 균형 안테나 장치의 또 다른 예를 도시한다.
도면에서 유사한 구성요소 및/또는 특징에는 동일한 참조 번호가 사용될 수 있다. 나아가, 동일한 유형의 여러 부품들은 참조 번호에 뒤따르는 제2의 표기로 구분된다. 명세서에서 제1의 참조 번호만이 사용되는 경우, 설명내용은 제2의 참조 번호와 무관하게 동일한 제1의 참조 번호를 갖는 임의의 유사한 구성요소에 적용가능하다.
CRLH
메타
재료 구조체
본 명세서의 CRLH MTM 안테나의 기본적 구조 요소는 균형 MTM 안테나 장치에서 사용되는 CRLH 안테나 구조의 기본 특징을 기재한다. 예를 들어, 상기한 또는 본 명세서에서 기재하는 다른 안테나 장치에서 하나 이상의 안테나가 다양한 안테나 구조를 가질 수 있고, 이는 오른손(RH) 안테나 구조 및 CRLH 구조를 포함한다. 오른손(RH) 안테나 구조에서, 전자기파의 전파는 (E, H, β) 벡터 필드에 대하여 오른손 법칙을 따르고, 여기서 전기장 E, 자기장 H, 파동 벡터(또는 전달 상수) β이다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파 방향(그룹 속도)와 동일하고 굴절 계수는 양의 수이다. 그러한 재료는 오른손(RH) 재료라고 불린다. 대부분의 자연 물질은 RH 재료이다. 인공재료도 또한 RH 재료일 수 있다.
메타 재료는 인공재료일 수 있고, 또한 상기한 바와 같이, MTM 요소는 인공 구조와 같이 동작하도록 설계될 수 있다. 달리 말하면, 부품의 행태와 전기적 조성을 기술하는 등기 회로는 MTM과 상응한다. 구조적 평균 단위셀 크기 ρ를 가지도록 설계되는 경우, 이 크기는 메타 재료에 의해 가이드되는 전자기 에너지의 파장 λ보다 훨씬 작고, 메타 재료는 가이드된 전자기 에너지에 대해 균질 매체와 같이 동작한다. RH 재료와 달리, 메타 재료는 음의 귤절율을 나타낼 수 있고, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파의 방향과 반대일 수 있고 여기서 (E, H, β) 벡터 필드의 상대 방향은 왼손 법칙을 따른다. 음의 굴절계수와 동시 음의 유전율 ε 및 투자율 μ를 가지는 메타 재료는 순수한 왼손(LH) 메타 재료라 불린다.
많은 메타 재료들은 LH 메타 재료와 RH 재료의 혼합물이고 따라서 CRLH 메타 재료이다. CRLH 메타 재료는 저주파수에서 LH 메타 재료와 같이 동작하고 고 주파수에서 RH 재료와 같이 동작한다. 다양한 CRLH 메타 재료의 구현 및 특성이 예를 들어 2006년 존 윌리 & 선즈 출판사 간행, 칼로스 및 이토 저, “전자기 재료: 송신 라인 이론 및 마이크로파 응용”에 서술되어 있다. CRLH 메타 재료와 안테나에의 그 응용은 일렉트로닉스 레터, 16권40호 (2004년8월)의 “초빙논문: 메타 재료의 전망”에서 이토 타츠오에 의해 서술되어 있다.
CRLH 메타 재료는 특정 응용을 위하여 특정되고 다른 재료를 사용하는 경우 곤란하고, 실행 불가능하고 부적합할 수 있는 응용에 사용되는 전자기 특성을 나타내도록 구조가 형성되고 가공될 수 있다. 또한, CRLH 메타 재료는 RH 재료에서는 가능하지 않을 수 있는 새로운 응용을 개발하고 새로운 소자를 구성하도록 사용될 수 있다.
메타 재료 구조는 안테나, 송신선 및 다른 RF 부품을 구성하도록 사용될 수 있고, 이는 넓은 영역의 기술적 개선을 가능하게 해 주고 이는 기능적 개량, 크기의 감소 및 성능의 개량과 같은 것이다. MTM 구조는 하나 이상의 MTM 단위 셀을 가진다. 위에서 논의된 바처럼, MTM 단위 셀에 대한 개별 회로 모델 등가 회로는 RH 직렬 인턱턴스 LR, RH 분기 캐패시턴스 CR, LH 분기 캐패시턴스 CL, LH 분기 인턱턴스 LL을 포함한다. MTM 기반 요소 및 장치는 이들 CRLH MTM 단위 셀에 기하여 설계될 수 있고 이는 분산 회로 요소, 개별 회로 요소 또는 둘의 결합에 의하여 구현될 수 있다. 종래의 안테나 와는 다르게, MTM 안테나 공진은 LH 모드의 존재에 의해 영향을 받는다. 일반적으로, LH 모드는 저주파수 공진을 여기시키고 더 잘 정합되게 하고 또한 고 주파수 공진의 정합을 개량하는데 도움을 준다. MTM 안테나 구조는 "저대역" 및 "고대역"을 포함하는 다중 주파수 대역을 지원하도록 구성될 수 있다. 저대역은 적어도 하나의 LH 모드 공진을 포함하고 고대역은 안테나 신호와 연관된 적어도 하나의 RH 모드를 포함한다. 관련된 내용을 발명의 명칭이 "메타 재료 구조에 기한 안테나, 장치 및 시스템"이고 2007년4월27일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제11/741,674호; 발명의 명칭이 "메타 재료 구조에 기한 안테나"이고 2009년9월22일에 특허된 미국 특허 제7,592,957호에서 찾아볼 수 있다. 이러한 MTM 안테나 구조는 기존 FR-4 인쇄회로기판(PCB), 가요성 인쇄회로(FPC) 기판을 이용하여 제조될 수 있다.
MTM 안테나 구조의 한 유형이 단일층 금속(SLM) MTM 구조이고, 여기서 MTM 구조의 도전부가 기판의 한쪽 측면에 형성된 당일 금속층에 위치한다. 이리하여, 안테나의 CRLH 요소는 기판의 한 표면 또는 층 위에 인쇄된다. SLM 소자에 대하여, 용량성 결합된 부분 및 인덕티브하게 로드된 부분은 둘 다 기판의 동일 측면상에 인쇄된다.
2층 금속 비아 없는(TLM-VL) MTM 안테나 구조가 기판의 두개의 평행한 표면 상에 두개의 금속층을 가지는 MTM 안테나 구조의 다른 유형이다. TLM-VL은 한 금속층의 도전부를 다른 금속층의 도전부에 연결하는 도전성 비아를 가지지 않는다. 안테나 구조의 실시예와 구현예는 발명의 명칭이 "단일층 금속 배선 및 비아 없는 메타 재료 구조"이고 2008년10월13일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제12/250,477호에 기재되어 있다.
도 1은 4개의 단위셀을 가지는 1차원(1D) CRLH MTM 송신선(TL)의 예를 도시한다. 하나의 단위셀은 셀 패치와 비아를 포함하고, 원하는 MTM구조를 구성하는 요소이다. 도시된 TL의 예는 기판의 두 개의 도전성 금속층에 형성된 4개의 단위셀을 포함하고 여기서 4개의 도전성 셀 패치는 기판의 상층 도전성 금속층에 형성되고 기판의 다른 측면은 접지 전극으로서 금속층을 가진다. 4개의 중앙 도전성 비아는 기판을 통과하도록 형성되어 4개의 셀 패티를 각각 접지 평면에 연결한다. 왼쪽의 단위 셀 패치는 제1 공급 라인에 전자기적으로 연결되고 오른쪽의 단위셀 패치는 제2 공극라인에 전자기적으로 연결된다. 몇몇구현예에서, 각각의 단위 셀 패티를 인접한 단위 셀 패치에 전자기적으로 연결되지만 직접 접촉하지는 않는다. 이 구조는 MTM 송신선을 하나의 공급라인으로부터 RF 신호를 수신하도록 형성하고 RF 신호를 다른 공급라인으로 출력하도록 형성한다.
도 2는 도 1의 1D CRLH MTM TL의 등가 네트웍 회로를 도시한다. ZLin' 및 ZLout'은 TL 입력 로드 임피던스 및 TL 출력 로드 임피던스에 각각 대응하고, 각 단부에서 TL 커플링으로 인해 생기는 것이다. 이는 인쇄된 2층 구조의 한 예이다. LR은 셀 패치 및 유전체 기판 상의 제1 공급 라인으로 인한 것이고, CR 은 셀 패치 및 접지 평면 사이에 샌드위치된 유전체 기판으로 인한 것이다. CL 은 두개의 인접한 셀 패티의 존재로 인한 것이고, 비아는 LL을 유도한다.
각각의 개별적 단위셀은 두개의 공진 ωSE 및 ωSH 를 가질 수 있고 이는 직렬(SE) 임피던스 Z 및 분기(SH) 어드미턴스 Ydp 대응한다. 도 2에서, Z/2 블록은 LR/2 및 2CL의 직렬 결합을 포함하고 Y 블록은 LR은 및 CR의 병렬결합을 포함한다. 이들 파라메터들의 관계는 다음과 같이 나타내어진다.
도 1의 입력/출력 에지에서 두개의 유닛셀은 CL 을 포함하지 않는데 왜냐하면 CL 은 두개의 인접한 셀 패치 사이의 캐패시턴스를 표시하고 이들 입력/출력 에지에서는 없어지기 때문이다. 에지 단위 셀에서 CL 부분의 부재는 ωSE 주파수가 공진하는 것을 방지한다. 그러므로, 오직 ωSH 만이 m = 0 공진 주파수로서 나타난다.
계산 분석을 단순화하기 위해, ZLin' 및 ZLout' 직렬 캐패시터의 부분이 없어진 CL 부분을 보완하기 위하여 포함되고, 나머지 입력 및 출력 로드 임피던스는 ZLin 및 ZLout으로 각가 표시되고, 이는 도 3에 도시된 바와 같다. 이러한 조건 하에서, 이상적으로 단위 셀들은 동일한 파라메터를 가지고 이는 도 3에서 두 개의 직렬 Z/2 블록 및 하나의 분기 Y 블록으로 표시된 바와 같고, 여기서 Z/2 블록은 LR/2 및 2CL 의 직렬 결합을 표시하고, Y 블록은 LL 및 CR 의 병렬 결합을 표시한다.
도 4a 및 4b는 도 2 및 3에 각각 도시된 대로 로드 임피던스 없이 TL 회로에 대한 2포트 네트웍 매트릭스 표현을 도시한다. 매트릭스 계수는 입력 출력 관계를 기술하고 이 계수가 제공된다.
도 5는 4개의 단위 셀에 기하여 1D CRLH MTM 안테나의 예를 도시한다. 도 1의 1D CRLH MTM TL과 다르게, 도 5의 안테나는 왼쪽에서 단위 셀을 공급 라인과 dsuruf하여 안테나를 안테나 회로에 연결하고 오른쪽의 단위 셀은 개방 회로이고 따라서 네 개의 셀의 인터페이스는 공기와 RF 회로를 송신하거나 수신한다.
도 6a는 도 5에 도시된 안테나 회로에 대하여 두 개의 포트 네트웍 매트릭스 표현을 도시한다. 도 6b는 두개의 포트의 네트웍 매트릭스 표현을 도 5의 안테나 회로에 대하여 모든 단위 셀이 동일하도록 소실된 CL 부분을 고려하여 에지에서 변형을 구비하는 형태로 도시한다. 도 6a 및 6b는 도 4a 및 4b에 도시된 TL 회로와 각각 유사하다.
매트릭스 표시에서, 도 4b는 다음과 같은 관계를 나타낸다.
여기서 AN=DN 인데 왜냐하면 도 3의 CRLH MTM TL 회로는 Vin 및 Vout에서 볼 때 대칭이기 때문이다.
도 6a 및 6b에서, 파라메터 GR 및 GR'은 방사 저항을 나타내고, 파라메터 ZT' 및 ZT는 단말 임피던스를 나타낸다. 각각의 ZT', ZLin' 및 ZLout' 은 추가의 2CL로부터의 영향을 포함하고 다음과 같이 표현된다.
방사 저항 GR 또는 GR'이 안테나의 설계 또는 시뮬레이션에 의하여 유도될 수 있기 때문에 안테나 설계를 최적화하는 것은 어려울 수 있다. 그러므로, TL 접근방법을 채택하는것이 좋을수 있고 그후 다양한 단말 ZT를 가지는 대응하는 안테나를 시뮬레이션한다. 식(1)에서의 관계는 도 2의 회로에서도 수정된 AN', BN' 및 CN' 을 가지고 유효하게 적용되는데 수정된 값들은 두 에지에서 소실된 CL 부분을 반영한다.
N개의 CRLH 셀 구조를 nπ 전파 위상 길이를 가지고 공진하게 함으로써 유도된 분산 관계식을부터 주파수 대역이 결정될 수 있고, 여기서 n = 0, ±1, ±2, ... ±N이다. 여기서, 각각의 N개의 CRLH 셀은 식(1)에서 Z 및 Y에의하여 표시되고, 이는 도 2에 도시된 구조와는 다르고, 여기서 CL은 단부 셀에서 소실되어 있다. 그러므로, 이들 두 구조와 연관된 고진은 다르다고 기대할 수 있다. 그러나, 폭넓은 계산에 의하면 모든 공진은 n=0에 대한 경우를 제외하고 동일하고, 여기서 ωSH 및 ωSE 모두는 도 3의 구조에서 공진하고, ωSH 만이 도 2의 구조에서 공진한다. 양의 위상 오프셋(n>0)은 RH 영역 공진에 상응하고 음의 값(n<0)은 LH 영역 공진과 연관되어 있다.
N개의 동일한 CRLH 셀이 Z 및 Y 파라메터를 가질 때 분산 관계는 아래와 같다.
여기서 Z 및 Y는 식(1)에서 주어지고, AN은 도 3에서와 같이 N개의 동일한 CRLH 단위 셀의 선형 연장으로부터 유도되고, p는 셀 크기이다. 홀수의 n = (2m + 1) 및 짝수의 n = 2m 공진은 AN = -1 및 AN = 1과 각각 연관되어 있다. 도 4a 및 6a에서의 AN'에 대하여, n=0 모드는 ω0 = ωSH 에서만 공진하고 ωSH 및 ωSE 에서는 그렇지 않은데 이는 단부 셀에서 CL이 없기 때문이고 이는 셀의 숫자와는 관계없다. 고차 주파수가 표 1에서 특정된 다른 χ값에 대하여 이하의 식으로 주어진다.
표 1은 N = 1, 2, 3, 4에 대하여 χ값을 제공한다. 고차 공진 ｜n｜> 0은 전체 CL이이 에지 셀에 존재(도 3) 또는 부존재(도 2)하는지에 관계없이 동일하다. 또한, n = 0에 가까운 공진은 작은 χ값 (χ근처에서 하한 0)을 가지고 한편 고차 공진은 식 4에서 표시한대로 χ 상한 4에 접근한다.
표1. N= 1, 2, 3, 4 셀에 대한 공진
단위셀에 대한 CRLH 분산 커브 β가 주파수 ω의 함수로서 도 7a 및 7b에 표시되고 이는 ωSE = ωSH(균형, 즉 LRCL=LLCR) 및 ωSE ≠ ωSH(불균형)의 경우 각각에 대한 것이다. 후자의 경우, min(ωSE , ωSH) 및 max(ωSE , ωSH) 사이의 주파수 간극이 존재한다. 한계 주파수 ωmin , ωmax의 값은 식 5의 동일한 공진 관계식에 의하여 주어지고 χ 는 상한 χ = 4에 아래의 식과 같이 접근한다.
또한, 도 7a 및7b는 분산 커브를 따라 공진 위치의 예를 제공한다. RH 영역(1170)에서 구조적 크기는 l = Np이고 여기서 p는 셀 크기이도 구조적 크기는 주파수가 감소함에 따라 증가한다. 대조적으로, LH 영역에서, 낮은 주파수는 작은 Np값 즉 크기 감소로 도달한다. 분산 커브는 이들 공진 주변의 대역폭에 대한 몇몇 표시를 제공한다. 예를 들어, LH 공진은 좁은 대역폭을 가지는데 왜냐하면 분산 커브가 거의 평평하기 때문이다. RH 영역에서, 대역폭은 보다 넓은데 왜냐하면 분산 커브가 가파르기 때문이다. 따라서, 광대역을 얻기 위한 제1 조건, 1st BB 조건은 다음과 같이 표현될수 있다.
여기서 χ 는 식(4)에서 주어지고 ωR 은 식 1에서 정의된다. 식 4의 분산 관계는 공진이 ｜AN｜= 1일때 일어남을 나타내고, 이는 식 1에서 1st BB조건(COND1)에서 0의 분모로 이끌어진다. 다시 언급하면 AN은 N개의 동일한 단위 셀(도 4b 및 6b)의 제1 송신 매트릭스 입력이다. 계산은 COND1이 N과 독립적이고 식 7의 제2 관계식에 의해 주어진다는 점을 보여준다. 표 1에 나타난 것은 공진에서 분자와 χ의 값이고, 이는 분산 커브의 기울기를 정의하고 따라서 가능한 대역폭을 정의한다. 타겟 구조는 많아야 사이즈에서 Np = λ/40 이고 대역폭에서 4%를 넘는다. 작은 셀크기 p를 가지는 구조에 대하여, 식 7은 높은 ωR 값이 COND1을 만족시킨다, 즉 낮은 CR 및 LR 값이 된다는 점을 표시하는데 왜냐하면 n < 0 에 대하여 공진읜 표 1의 4 부근의 χ에서 일어나고, 달리 표현하면 (1 - χ/4 → 0)이다.
앞서 표시한 대로, 분산 커브가 가파른 기울기 값을 가지는 경우, 다음 단계는 적절한 정합을 식별하는 것이다. 이상적인 정합 임피던스는 고정된 값을 가지고 큰 정합 네트웍 궤적을 요구할 수 없다. 여기서, "정합 임피던스"란 용어는 안테나에서와 같이 단일 측면 공급의 경우에서 공급 라인과 단말을 말한다. 입력/출력 정합 네트웍을 분석하기 위하여, Zin 및 Zout은 도 4b에서 TL 회로에 대하여 계산될 수 있다. 도 3의 네트웍이 대칭이므로, Zin = Zout 로 바로 표시된다. Zin 은 N과 독립적이고 이는 다음과 같이 표현된다.
이는 양의 값 및 실제의 값 만을 가진다. B1/C1이 0보다 큰 한가지 이유는 식 4에서 ｜AN｜≤ 1의 조건 때문이고 이는 다음의 임피던스 관계식을 유도한다.
2차 광대역(BB) 조건은 Zin에 대하여 공진 근처의 주파수에서 약간 변화하여 일정한 정합을 유지한다. 실제 입력 임피던스 Zin'는 식(3)에서 언급한대로 CL 직렬 캐패시턴스로부터의 영향을 포함함을 기억하라. 2nd BB 조건은 아래와 같이 주어진다.
도 2 및 도 3의 송신선의 예와는 달리, 안테나 설계는 무한대의 임피던스를 가지고 개방 단부 측면을 가지는데 이는 구조적 에지 임피던스와 불량하게 정합한다. 캐패시턴스 단말은 이하의 식으로 주어진다.
이는 N에 의존하고 양호하지 않은 허수이다. LH 공진 이 RH 공진보다 좁기 때문에, 선택된 정합 값은 n>0 영역보다 n<0 영역에서 유도된 것에 가깝다.
LH 공진의 대역폭을 증가시키는 한 방법은 분기 커패시턴스 CR을 줄이는 것이다. 이 감소는 식 7에서 설명한 바와 같이 더 가파른 기울기의 분산 커브의 높은 ωR 값을 이끌어낼 수 있다. CR을 감소시키는 다양한 방법이 있고, 다음과 같은 방법이 있으나 이에 제한되지는 않는다: 1) 기판두께를 증가시키거나 2) 셀 패치 영역을 감소시키거나 3) 상부 셀 패치 아래의 접지 영역을 감소시켜, 절형 접지를 만들거나, 또는 이들 기술들의 결합.
도 1 및 5의 MTM TL 및 안테나 구조는 도전층을 사용하여 전체 접지 전극으로서 기판의 전체 저부 표면을 덮는다. 저부 접지 전극은 기판의 하나 이상의 부분을 노출시키도록 패턴되고 접지 전극의 영역을 줄이는데 사용되어 전체 기판 포면보다 적게 할 수 있다. 이는 공진 대역폭을 증가시키고 공진 주파수를 튜닝할 수 있다. 기초 접지 구조의 두 개의 예가 도 8 및 11을 참조로 논의되고, 여기서 기판의 접지 전극측의 셀 패치의 프린트 영역이 줄어들고, 나머지 스트립 라인 비아 라인 이 사용되어 셀 패치의 비아를 셀 패티의 프린트의 왜부의 주 접지 전극에 연결한다. 기초 접지 접근 방법은 다양한 구조에 구현되어 광대역 공진을 달성할 수 있다.
도 8은 4-셀 MTM 송신선에 대한 절형 접지 전극의 한 예를 도시하고 여기서 접지 전극은 셀 패치의 한 방향을 따라서 셀 패치보다 작은 크기를 가진다. 접지 도전층은 비아 라인을 포함하고 이는 비아에 연결되고 셀 패치 아래를 통과한다. 비아 라인은 각각의 단위 셀의 크기보다 작은 두께를 가진다. 저부 접지의 사용은 연관된 안테나 효율의 저하 가능성 때문에 기판의 두께가 증가될 수 없거나 셀 패치의 면적이 축소될 수 없는 장치의 구현에서 다른 방법보다 좋은 방법이 될 수 있다.
접지가 절형화될 때, 다른 인덕터 Lp (도 9)가 금속 스트립(비아 라인)에 의하여 도입되어 비아를 주 접지에 연결하고 이는 도 8에 도시되어 있다. 도 10은 4-셀 안테나 대응부가 TL 구조(도 8)와 유사한 절형 전극을 가진 것을 도시한다.
도 11은 절형 접지 구조를 가지는 MTM 안테나의 다른 예를 도시한다. 이 예에서, 접지 도전층은 비아 라인과 주 접지를 포함하고 히는 셀 패치의 프린트의 외부에 형성된다. 각각의 비아 라인은 제1 말단부에서 주 접지에 연결되고 제2 말단부에서 비아에 연결된다. 비아 라인은 각각의 단위 셀의 크기보다 작은 폭을 가진다.
절형 접지 구조에 대한 관계식이 유도될 수 있다. 절형 접지의 예에서, 분기 캐패시턴스 CR은 작아지고, 공진이 식 1, 5, 6, 및 표 1과 동일한 식을 따른다. 두 개의 접근 방법이 나타나 있다. 도 8 및 9는 제1 접근방법, 어프로치 1을 나타내고, 여기서 공진은 LR을 (LR +LP)로 교체한 후에는 식 1, 5, 6, 및 표 1과 동일하다. ｜n｜≠ 1에 대하여, 각 모드는 두개의 공진을 가지고 이는 (1)(LR +LP)에 의해 교체된 LR 에 대하여 ω±n 및 (2) N이 단위 셀의 수일때 (LR +LP)에 의해 교체된 LR 에 대하여 ω±n이다. 이 어프로치 1에서, 임피던스 식은 다음과 같다.
여기서 Zp = jωLP이고, Z, Y는 식 2에서 정의된다. 식 11에서 임피던스 식은 두개의 공진 ω 및 ω'이 각각 낮은 임피던스를 가진다는 점을 제공한다. 따라서, 대부분의 경우에 ω 공진 근처에서 튜닝하기 쉽다.
두 번째 어프로치, 어프로치 2가 도 11 및 12에 도시되어 있고 공진은 LP가 (LR +LP)로 대체되어 식 1, 5, 6 및 표 1과 동일하다. 두 번째 어프로치에서, 결합된 분기 인덕터 (LL +LP)는 증가하고 한편으로 분기 캐패시터 CR은 감소하고, 이는 낮은 LH 주파수로 이끌어진다.
위의 전형적인 MTM 구조는 두개의 금속층에 형성되고 두 금속층 중 하나는 접지전극으로 사용되고 도전성 비아를 통과하여 다른 금속층에 연결된다. 그러한 비아를 가지는 2층 CRLH MTM TL 및안테나는 도1 및 도5의 일체형 접지전극 또는 도 8 및 10의 절형 접지 전극을 가지고 구성될 수 있다.
한 실시예에서, SLM MTM 구조는 제1 기판 표면 및 반대편 기판 표면을 가지는 기판을 포함하고, 또는 금속층을 포함하고 금속층은 제1 기판 표면에 형성되고 두 개 이상의 도전성 부분을 가지도록 패턴되고 유전체 기판을 통과하는 도전성 비아를 갖지 않는 SLM MTM 구조를 형성한다. 금속층의 도전성 부분은 SLM MTM 구조의 셀 패치를 포함하고, 접지를 포함하고, 접지는 셀 패치와 공간적으로 분리되어 있고, 접지 및 셀 패치를 연결하는 비아 라인, 셀 패치와 직접 접촉하지 않고 셀 패치에 용량성 결합된 공급라인을 포함한다. LH 직렬 캐패시턴스 CL은 공급 라인및 셀 패치 사이의 간극을 통하여 용량성 결합에 의해 구성된다. RH 직렬 인덕턴스 LR은 주로 공급선과 셀 패치에서 생성된다. 이 SLM MTM 구조에서는 두개의 도전성 부분사이에 수직으로 샌드위치된 유전체재료가 존재하지 않는다. 그 결과, RH 분기 캐패시턴스 CR은 SLM MTM 구조에서 무시할만큼 작게 설계될수 있다. 작은 RH 분기 캐패시턴스 CR은 여전히 셀 패치와 접지 사이에서 유도될수 있고, 둘다 단일금속층 안에 있다. SLM MTM 구조에서 LH 분기 인덕턴스 LL은 무시할 수 있는데 왜냐하면 기판을 통과하는 비아가 없기 때문이고, 하지만 접지에 연결되는 비아 라인은 LH 분기 인덕턴스 LL과 동등한 인덕턴스를 생성할 수 있다. TLM-VL MTM 안테나 구조는 공급 라인을 가질수 있고 수직 용량 결합을 생성하기 위하여 두개의 다른층에서 위치할 셀 패치를 포함할 수 있다.
SLM 및 TLM-VL MTM 안테나구조와 달리, 다중층 MTM 안테나 구조는 두개이상의 금속층에서 도전부를 가지고, 이는 적어도 하나의 비아에 의하여 연결된다. 그러한 다중층 MTM 안테나 구조의 예 및 구현은 2008년11월13일 출원되고 발명의 명칭이 "다중층 금속층 및 비아를 가지는 메타 재료구조"인 미국특허출원번호 제12/270,410호에 나타나있고 이는 본출원에 참조로서 포함되어 있다. 이들 다중 금속층은 패턴되어 기판, 필름 또는 플레이트에 기하여 다중 도전부를 가지고 여기서 두개의 인접한 금속층은 전기적을 절연인 재료(예를 들어, 유전체 재료)에 의해 분리되어 있다. 두개 이상의 기판이 적층되어 유전체 스페이서를 가지거나 가지지않고다중 금속층에 대하여 다중 표면을 제공하여 일정한 기술적 특징 및 장점을 달성한다. 그러한 다중층 MTM 구조는 적어도 하나의 도전성 비아를 구현하여 한 금속층의 한 도전부를 다른 금속층의 다른 도전부와 연결한다. 이는 한 금속층의 한 도전부를 다른 금속층의 다른 도전부와 접속할 수 있도록 해준다.
비아를 가지는 2층 MTM 안테나구조의 구현은 제1 기판 표면과 여기에 대향하는 제2 기판 표면상에 형성된 제2 금속층을 가지는 기판을 포함하고, 여기서 두개의 금속층은 패턴되어 제1 금속층의 한 도전부를 제2 금속층의 다른 도전부와 연결하는 적어도 하나의 연결 비아를 가지는 두 개 이상의 도전부를 가진다. 제1 금속층에 절형 접지가 형성될수 있고, 표면의 일부를 노출되도록 둔다. 제2 금속층의 도전부는 MTM 구조의 셀 패치를 포함할 수 있고 공급라인, 말단단부를 포함할 수 있고 말단단부는 셀 패치의 근처에 위치하고 용량성 결합되어 안테나 신호를 셀 패치로 그리고 셀 패치로부터 송신한다. 셀 패치는 노출된 표면의 적어도 일부와 평행하게 형성된다. 제1 금속층에서 도전부는 비아 라인을 포함하고 이는 제1 금속층의 절형 접지와 제2 금속층의 셀 패치를 기판에 형성된 비아를 통하여 연결한다. LH 직렬 캐패시턴스 CL은 공급선 및 셀 패치 사이의 간극을 통하여 용량 결합에 의하여 생성된다. RH 직렬 인덕턴스 LR은 주로 공급선 및 셀 패치에 유도된다. LH 분기 커패시턴스 LL은 주로 비아 및 비아 라인에 의해 유도된다. RH 분기 캐패시턴스 CR은 주로 제2금속층의 셀 패치와 제1 금속층 상에 투사된 셀 패치의 프린터의 비아라인의 부분 사이에서 유도된다.
굴곡배선과 같은 추가 도전선이 공급 선에 연결되어 RH 모노폴 공진을 유도하고 광대역 또는 다중대역 안테나 동작을 지원할 수 있다.
MTM 안테나에 의하여 지원될 수 있는 다양한 대역의 예는 휴대전화, 이동 단말 응용, WiFi 응용, WiMax 응용 및 다른 무선 통신 응용에 대한 주파수 대역을 포함한다. 휴대전화 및 이동 단말 응용에 대한 주파수 대역의 예는: 두개의 대역인 CDMA(824 - 894 MHz) 및 GSM(880 - 960 MHz)을 포함하는 셀룰러 대역(824 - 960 MHz); 및 세개의 대역인 DCS(1710 - 1880 MHz), PCS(1850 - 1990 MHz), AWS/WCDMA(2110 - 2170 MHz) 대역을 포함하는 PCS/DCS 대역(1710 - 2170 MHz)을 포함한다.
CRLH 구조는 응용 사항의 요구에 맞추도록 구체적으로 설계될 수 있고, 요구 사항에는 PCB 공간 제약 및 레이아웃 요소 소자 성능 요구 및 다른 사양이 있다. CRLH의 셀 패치는 다양한 위치적 형상 및 크기를 가질수 있고 여기에는 예를 들어 사각형, 다각형, 불규칙, 원형, 타원형 또는 다른 형상의 결합이 있다. 비아 라인과 공급 라인은 또한 다양한 형상과 크기를 가질 수 있고, 예를 들어 사각형, 다각형, 불규칙, 지그재그, 스파이어럴, 굴곡형 또는 다른 형상의 결합이다. 공급선의 말단 단부는 변형되어 런치 패드(launch pad)를 형성하여 용량 결합을 변화시킬수 있다. 다른 용량 결합기술은 셀 패치 및 런치 패드 사이의 수직 결합 간극을 형성하는 기술을 포함한다. 런치 패드는 다양한 형태를 가질수 있고, 예를 들어 사각형, 다각형, 불규칙, 원형, 타원 또는 다른 형상의 결합을 포함할 수 있다. 런치 패드와 셀 패치 사이의 간극은 다양한 형태를 가질수 있고, 예를 들어 직선, 곡선, L형선, 지그재그선, 불연속선, 폐쇄선 또는 다른 형태들의 결합을 포함한다. 몇몇 공급선, 런치 패트 셀 패치 및 비아 라인이 다른 것과 다른 층에 형성될 수 있다. 몇몇 공급선, 선치 패드, 셀 패치 및 비아 라인이 한 금속층에서 다른 금속층으로 연장될수 있다. 안테나부는 주 기판위의 수 밀리미터에 위치할 수 있다. 다수의 셀이 직렬로 배치되어 다중셀 1D 구조를 형성한다. 다중셀은 직각 방향으로 순차 배치되어 2D 구조를 형성할 수 있다. 몇몇 예에서, 단일 공급선은 전력을 다중셀 패치에 공급하도록 할 수 있다. 다른 예에서, 추가 도전선이 공급선 또는 런치 패드에 추가되어 이 추가 도전선이 다양한 형태와 크기를 가지도록 할 수 있고, 예를 들어 사각형, 불규칙, 지그재그, 평면 스파이어럴, 수직 스파이어럴, 굴곡, 또는 다른 형태의 결합을 포함할 수 있다. 추가 도전선은 상층, 중층, 저층 또는 기판의 수 밀리미터 위에 위치할 수 있다.
MTM 안테나의 다른 유형은 비평면 MTM 안테나를 포함한다. 그러한 비평면 MTM 안테나 구조는 하나 이상의 MTM 안테나의 안테나부를 같은 MTM 안테나의 하나 이상의 다른 안테나로 배치하여 MTM 안테나의 안테나부가 비평면 형태에서 공간적으로 배치되어 컴팩트 구조를 제공하여 무선 통신 장치의 공간 또는 부피에 맞도록 조정하고, 무선통신장치는 휴대용 무선통신장치와 같은 것이다. 예를 들어, MTM 안테나의 하나 이상의 안테나부는 유전체 기판상에 위치하고 다른 유전체 기판상에 하나 이상의 다른 안테나부를 배치하여 MTM 안테나의 안테나부는 비평면 형태에서 공간적으로 배치되고 비평면구조는 L형태 안테나와 같은 것이다. 다양한 응용에서, MTM 안테나의 안테나부는 3차원(3D) 기판 구조에서 평행 또는 비형팽 위치로 다양한 부품들을 포함할 수 있다. 그러한 비평면 MTM 안테나 구조는 제품 외형의 내부 또는 주변에 감싸질수있다. 비평면 MTM 안테나 구조에서 안테나부는 외형, 하우징 벽, 안테나 캐리어, 또는 다른 패키징 구조와 들어맞게 하여 공간을 절약한다. 몇몇 예에서, 비평면 MTM 안테나 구조의 적어도 하나의 안테나부가 패캐징 구조의 표면에 평행하거나 근처에 배치되고 여기서 안테나부는 패키징 구조의 내부 또는 외부에 배치된다. 다른 예에서, MTM 안테나 구조는 제품의 하우징의 내부벽과 형태가 들어맞게 형성되고, 이는 안테나 캐리어의 외부표면 또는 장치 패키지의 외형일수 있다. 그러한 비형면 MTM 안테나 구조는 평면형태에서 유사한 MTM 안테나보다 작은 프린트를 가질 수 있고 따라서 휴대전화와 같이 휴대용 통신장치에서 가용한 제한된 공간에 들어맞을수 있다. 몇몇 비평면 MTM 안테나 설계에서, 선회 메커니즘 또는 슬라이딩 메커니즘이 포함되어 일부 또는 전부의 MTM 안테나가 폴더 또는 슬라이드되어 사용되지 않을 때 공간을 절약할 수 있다. 또한, 적층 기판이 유전체 스페이서가 존재하거나 존재하지 않는 경우에 사용되어 MTM 안테나의 다른 안테나부를 지원하고 적층기판 사이에서 기계적 및 전기적 접촉을 제공하여 주 기판상의 공간을 사용할 수 있다.
비평면, 3D MTM 안테나가 다양한 형태에서 구현될 수 있다. 예를 들어, MTM 셀 세그먼트는 비형면, 3D 형태로 배치되어 다양한 MTM 구조 근처에 형성된 튜닝 요소를 가지는 설계를 구현할 수 있다. 2009년5월13일 출원된 미국출원번호 제12/465,571호는 발명의 명칭이 "비평면 메타 재료 안테나 구조"이고 여기서는 예를 들어 MTM 구조 근처의 튜닝 요소를 구현할 수 있는 3D 안테나 구조를 개시한다. 이 출원의 전체 개시내용은 본 명세서에 참조로서 포함되어 있다.
이 출원은 한 측면에서, 하우징을 포함하는 안테나 장치를 개시하고 하우징은 벽을 포함하고 벽은 외형을 형성하고 제1 안테나부가 하우징 내부에 위치하고 다른벽보다 제1 벽에 가깝고, 제2 안테나부를 포함한다. 제1 안테나부는 제1 벽에 가까운 제1 평면에 배치된 하나 이상의 제1 안테나 요소를 포함한다. 제2 안테나부는 제1 안테나 평면과 다른 제2 안테나 평면에 배치된 하나 이상의 제2 안테나 요소를 포함한다. 이 장치는 제1 및 제2 안테나부를 연결하는 조인트 안테나부를 포함하고 하나 이상의 제1 안테나부의 제1 안테나 부품은 제2 안테나부의 하나 이상의 제2 안테나 부품이 전자기적으로 연결되어 안테나 신호에서 적어도 하나의 공진 주파수를 지원하는 CRLH MTM 안테나를 형성하고 이는 공진주파수의 반파장보다 작은 크기를 가진다. 다른 측면에서, 이 출원은 패캐지 구조와 들어맞는 안테나 구조를 개시한다. 이 안테나 장치는 패키징 구조의 제1 평면부의 근처에 있는 제1 안테나부를 vhg마하고 제1 안테나부는 제1 평면 기판을 포함하고, 제1 평면 기판과 연관된 적어도 하나의 제1 도전부를 포함한다. 본 장치에서 제2 안테나부가 제공되고 패키징 구조의 제2 평면부 근처에 위치한다. 제2 안테나부는 제2 평면 기판을 포함하고, 제2 평면 기판에 연관된 적어도 하나의 제1 도전부를 포함한다. 본 장치는 또한 제1 안테나부와 제2 안테나부를 연결하는 조인트 안테나부를 포함한다. 적어도 하나의 제1 도전부, 적어도 하나의 제2 도전부 및 조인트 안테나부가 CRLH MTM 구조를 형성하여 안테나 신호에서 적어도 하나의 주파수 공진을 지원한다. 또 다른 측면에서, 이 출원은 패키징 구조와 들어맞는 안테나 구조를 개시하고 가요성 유전체 재료를 가지는 기판 및 기판과 연관된 두개 이상의 도전부를 포함하고 안테나 신호에서 적어도 하나의 CRLH MTM 구조를 형성한다.
CRLH MTM 구조는 패키징 구조의 제1평면부의 근처에 있는 제1 안테나부와, 패캐징구조의 제2평면부의 근처에 있는 제2안테나부와, 제1 및 제2안테나부의 사이에 형성되고 패키징 구조의 제1 및 제2 평면부에 의해 형성되는 코너 근처에서 구부러져 있는 제3안테나부로 구분된다.
접지에 연결된
비아라인을
가지는 단일대역균형
MTM
안테나
어떤 균형 안테나 장치는, CRLH 구조에 기하여, 균형 구조를 가지고 거의 전방향성 특성을 가지는 컴팩트 안테나를 형성하기 위하여 구성된다. 안테나 성능의 면에서, 이 장치들은 근접한 접지 평면에 의하여 야기되는 신호 간섭과 실질적으로 무관하게 동작하도록 설계된다. 상술한 바와 같이, 종래의 안테나는 다이폴 안테나와 같은 것인데 단순한 와이어 설계에 기하고 균형 안테나 설계에서 사용될 수 있다. 신호의 파장의 반의 길이이고 반파장 다이폴이라고 불리는 다이폴 안테나는 전형적으로 다른 부분 파장 보다 더 효율적이다. 반파장 다이폴 안테나는 중심 주파수와 반비례하는 물리적 길이를 가지고, 고주파수 에서 작고 저주파수에서 커진다. 따라서, 저주파수에서 작은 다이폴 안테나 설계는 종종 달성하기 어렵다. 또한, 다이폴 안테나와 연관된 교차 분극은 안테나가 작아지면 증가하고, 다이폴 안테나의 성능을 제한한다. 다른 안테나 설계에서, 작은 안테나 장치는 패치 안테나 또는 PIFA와 같은 균형 구조가 없는 종래의 안테나 설계를 이용하여 형성될 수 있다. 그러나 이러한 형태의 안테나가 접지 평면과 가까이 형성될 때, 결과적 방사패턴은 왜곡되고 접지 평면의 크기에 의해 영향을 받고 안테나와 접지 평면 사이의 거리에 영향을 받는다. 따라서, 이들 작은 유형의 종래의 안테나의 성능에 영향을 미치지 않고 접지 평면의 크기를 줄이는가 및 접지 평면에 종래의 패치 안테나 또는 PIFA가 얼마나 가까이 위치하는가는 제약이 될 수 있다. 종래의 다이폴 안테나, 모노폴, PIFA 또는 패치 안테나와는 달리, 균형 MTM 장치는 소형으로 설계될 수 있고 근처의 접지 평면과 실질적으로 무관한 전방향성 방사 패턴을 가질 수 있다. 본 명세서는 몇몇 균형 MTM 안테나 장치를 기술하고 있고 이는 CRLH 구조에 기한 안테나 및 발룬 장치를 포함한다. 또한, 안테나 성능 결과는 다양한 균형 MTM 안테나 장치에 대하여 제공되고 예를들어 다양한 접지평면조건 및 안테나방향에 대하여 제공된다.
도 13의 (A) - 13의 (B)에 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 한 실시예가 제공되고 이는 각각 안테나 장치(1300)의 상층(1300-1) 및 저층(1300-2)의 평면도를 포함한다. 안테나 장치(1300)은 도전 요소를 포함하고, 이는 FR-4와 같은 기판(1304)의 상부표면의 상층(1300-1)에 있고, 기판(1304)의 저부 표면의 저층(1300-2)에 도전층이 형성되어 있다. 안테나 장치(1300)에 전력을 공급하기 위해, 안테나 장치(1300)는 동축케이블과 같은 송신선에 연결될수 있다. 안테나 장치(1300)의 안테나부를 따라서의 전류분포는 일반적으로 안테나의 형태 및 크기에 의해 결정된다. 안테나의 크기에 의존하여, 전류는 안테나부의 단부에서 실질적으로 영이고 전류는 안테나의 길이방향을 따라서 사인파분포를 취할 수 있다. 균형안테나 설계에서, 두개의 안테나가 설계되어 중심 공급부에서 대칭일수 있고 따라서 두 안테나의 전류는 같은 양이지만 방향이 반대이고 따라서 균형이 이용된다.
도 13의 (A)를 참조하면, 안테나(1300)는 두개의 방사 CRLH 안테나부 ANT1(1301) 및 ANT2(1302)를 포함하고, 이는 CRLH 구조에 기하고 도전요소를 포함하고 이는 축(1327;점선)을 따라 서로 대칭이고 균형이고, CPW 공급부(1303)가 공급포트(1305)에 연결되고, 발룬(1307)이 CRLH 안테나부(1301, 1302)와 불균형 공급포트(1305)를 연결한다. 각각의 CRLH 안테나부 ANT1(1301) 및 ANT2(1302)는 한 단부를 가지는 공급 라인(1311)을 포함하고 이는 발룬(1307)에 연결되고; 런치패드(1309)는 공급선(1311)의 다른 단부에 연결되고; 셀 패치(1313)이 커플링 간극(1315)에 의하여 런치 패드(1309)에 용량성 결합되고; 비아(1317)이 기판에 형성되어 상층(1300-1)의 셀 패치(1313)와 저층(1300-2)의 비아라인(1319)을 연결한다. 도 13의 (A)에서, 발룬(1307), CPW 공급부(1303) 및 공급포트(1305)는 축(1327;점선)을 따라 대칭이고 상부접지(1321) 내에 있다. 이 균형 안테나 설계에서, 축(1327)을 따라 있는 CPW 공급부(1303) 및 공급포트(1305)의 배치는 CRLH 안테나부(1301, 1302)를 중앙공급하도록 구성된다. 도 13의 (B)를 참조하면, 각 비아 라인(1319)의 다른 단부는 연결부(1325; 사선)에서 저층(1300-2)에 있어서 저부 접지(1323)에 연결된다. 상부 접지(1321)는 비아의 어레이(도시되지 않음)에 의해 저부 접지(1323)에 연결될 수 있다.
한 실시예에 따르면, ANT 1(1301)의 비아 라인(1319-1) 및 ANT2(1302)의 비아라인(1319-2)는 축(1327; 점선)을 따라 대칭이고 선형일 수 있고, 180도 선과 일치하고, 안테나 장치의 구조적 균형을 유지한다. 도 14의 (A)에서 예를 들어 비아라인(1319-1, 1319-2)은 함께 ANT1(1301) 및 ANT2(1302)와 연관된 두개의 비아(1317) 사이의 경로(1401)를 따라 공통 도전선을 형성한다. 동작중에, 180도 비아라인(1319-1, 1319-2)은 균등하고 따라서 전기적으로 균형인 실효전류를 제공할 수있다.
다른 실시예에 따르면, 비아 라인(1319-1, 1319-2)은 비선형으로 구성될수 있고, 이는 굴곡선, 지그재그선, 사인파 선과 같고, 물리적으로 대칭이거나 대칭이 아닐수 있다.
도 14의 (B)에서, 한 실시예에 따르면, 안테나 장치(1300)의 저부 층(1400-2)과 연관된 각각의 비아라인(1419-1, 1419-2)은 굴곡라인을 형성할 수 있고 축(1327)을 따라 대칭이고 구조적 및 전기적 균형을 유지한다. 도 14의 (C)에 도시된 다른 실시예에서, 안테나 장치(1300)의 저층(1400-3)과 연관된 각각의 비아라인(1421-1, 1421-2)은 비대칭 굴곡라인을 형성할 수 있다. 그러나, 도 14의 (C)에서 비아 라인(1421-1, 1421-2)은 균등하고 따라서 전기적 균형을 유지할 수 있는 유효전류를 생성하도록 가공될수 있다.
도 15는 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 안테나 장치(1300)의 등가회로 개요이다. 발룬 장치(1307) 개략표현은 상부 분기(1501) 및 하부 분기(1503)에 의해 나타날수 있고, 각각의 분기는 인덕터 LBalun 및 캐패시터 CBalun를 가진다. 상부분기(1501)은 -90도의 위상 시프트를 제공하는 저역통과필터를 형성하고, 하부분기(1503)은 +90도의 위상 시프트를 제공하는 고역통과필터를 제공하고, 여기서 상부분기(1501) 및 하부분기(1503)은 각각 ANT1(1301) 및 ANT2(1302)에 연결된다. 각 필터에 의하여 제공되는 동일하고 반대방향의 위상 시프트로 인하여, 발룬장치(1307)은 결과적으로 180도의 위상시프트를 제공하고 ANT1(1301) 및 ANT2(1302) 사이의 반사를 상쇄하고 따라서 균형 안테나 장치(1300)의 전체적 방사성능을 개량한다.
CRLH 안테나부 ANT1(1301) 및 ANT2(1302)의 개략표현이 또한 도 15에 도시되어 있다. 각각의 CRLH 안테나부는 직렬 인덕터 LR, 직렬 캐패시터 CL, 분기 인덕터 LL 및 분기 캐패시터 CR를 포함할 수 있고 CL 및 LL 은 LH 동작 모드 특성을 결정하고 LR 및 CR은 RH 동작 모드 특성을 결정한다. 각각의 CRLH 안테나부에 대하여, 구조적 요소가 LH 및 RH 모드를 규율하는 CL, LL, LR, CR을 형성하는 데 기여한다. 예를 들어, 런치 패드(1315) 및 셀 패치(1313) 사이의 간극을 통한 용량 결합은 직렬 캐패시턴스 CL 을 생성할 수 있다; 비아라인(1311)은 분기 인덕턴스 LL을 생성할 수 있고, 한편 직렬 인덕턴스 LR은 셀 패치(1313) 및 기판상의 공급선에 걸쳐서, 기판(1304)으로 인한 CR은 셀 패치 및 접지(1323) 사이에 샌드위치된다.
도 16a 및 16b는 도 13의 (A) - 13의 (B)에 각각 도시된 균형 MTM 안테나 장치(1300)와 연관된 상층과 저층의 전류 다이어그램을 도시한다. 도 16a에서, 지배적 전류 I1(1601) 및 I2(1602)는 각각의 MTM 안테나부(1301, 1302) 사이에 걸쳐 그리고 양에서 동일하지만 발룬 장치(1307)로 인해서 위상차가 180도이고 이는 본 장치에서 균형 안테나 특성을 제공한다.
안테나의 성능특성을 기술하는 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 기본 파라메터는 다른 파라메터 중에서도, 회답손실, 효율, 분극, 임피던스 정합, 그리고 방사 패턴을 포함한다.
회답 손실 측정은 송신선의 단부에서 흡수될 수 없는 송신 신호의 부분으로서 엄밀하지 않게 정의될수 있다. 따라서, 두개의 신호가 송신선에 나타날수 있고 서로 간섭하여 상쇄 또는 보강신호를 송신선의 여러 지점에서 나타낸다.
효율은 입력 단말 및 안테나 장치 내부에서의 손실을 고려한 측정치로 사용될수 있다.
분극은, 방사 파장과 관련있고, 시간변화 방향 및 전기장 벡터의 상대량을 기술하는 전자기파의 특성으로서 기술될수 있다.
임피던스 정합은 부하와 소스 사이의 최대 또는 최적 전달을 전달하기 위하여 최적 부하 및 소스 임피던스 조건을 결정하는데 유용하다.
방사 패턴은 안테나의 방사 특성의 그래픽 표현을 공간좌표(x,y,z)의 함수로서 제공한다. 이 패턴은 등방성, 방향성, 전방향성 패턴의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 등방성 방사부에서, 안테나는 모든 방향에서 동일한 방사를 가지고 따라서 그래프에서 모든 방향으로 균일하게 분포되도록 나타난다. 방향성 방사부에서, 안테나는 다른 방향보다 어느 한 방향에서 더 효율적인 방사 특성을 가질수 있고, 따라서 어떤 죄표에서 지배적인 것으로 나타난다. 전방향 방사부에서, 안테나는 (x, z) 및 (y, z) 평면에서 또는 상승평면에서 방향성이고, (x, y) 평면 또는 아지무스 평면에서 비방향성이고, 따라서 몇몇 평면에서 균일하게 분포되고 다른 평면에서 그렇지 않은 것으로 나타난다.
다양한 안테나 조건, 예를 들어 접지 및 안테나 방향, 에서 기본 안테나 파라메터의 분석은 당업자에게 다른 응용에서 균형 안테나 장치(1300)의 성능에 대한 더 좋은 이해를 제공할 수 있다. 이들 조건의 요약이 표2에 제공된다.
| 안테나조건 | 설명 | 도면 |
| 자유공간 | 안테나 장치(1300)이 자유공간에 있음; 접지 평면 없음; 공급 케이블에 직접 부착. |
도 17 |
| 케이스 1 | 안테나 장치(1300)이 접지평면에 기계적으로 부착, 그러나 접지에 연결되지는 않음; 안테나 장치(1300)이 접지평면에 수직임. |
도 18 |
| 케이스 2 | 안테나 장치(1300)이 접지평면에 기계적으로 부착, 접지에 연결됨; 안테나 장치(1300)이 접지평면에 수직임. |
도 23 |
| 케이스 3 | 안테나 장치(1300)이 접지평면에 기계적으로 부착, 그러나 접지에 연결되지는 않음; 안테나 장치(1300)이 접지평면에 평행임. |
도 25 |
| 케이스 4 | 안테나 장치(1300)이 접지평면에 기계적으로 부착, 그러나 접지에 연결되지는 않음; 안테나 장치(1300)이 접지평면에 수직이고 접지평면을 대면하고 있음. |
도 27 |
도 17은 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시된 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 제조모델의 평면도이다. 안테나 장치(1300)의 상층(1300-1)은 이 제조 안테나 모델에서 기판(1711)로 도시된다. 안테나의 저부(1300-2)의 구조는 기판(1711)을 통하여는 보이지않고 따라서 도 17에 도시되지 않는다. 동축 케이블(1701)의 도전성 내부 코어(1703) 및 도전성 실드(1705)는 신호 송신을 위하여 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 공급 포트(1303) 및 접지(1321)에 연결된다. 이 제조모델은 자유공간에서 측정될수 있고 기초 안테나 파라메터의 초기 참조 측정을 제공한다.
한 실시예에서, 이 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 설계는 단일대역 2.44GHz WiFi 응용에 대하여 구성될수 있다. WiFi는 WiFidus합의 상표이고 IEEE 802.11 표준에 기한 WLAN 장치의 분류를 말한다. 고주파 응용에 관한 설계는 소자의 전체크기를 줄임으로써 구성될수 있고 안테나 요소의 동일한 기본 구성을 유지한다.
도 18은 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 제1 접지 시나리오를 나타낸다(케이스 1). 이 실시예에 따르면, 안테나 장치(1300)의 기판은 대형 접지 평면(GND; 1801)에 기계적으로 부착되고, 약 135mm x 205mm의 크기를 가진다. 그러나, 안테나 장치(1300)의 접지(1321)은 본 실시예에서 GND(1801)에 전기적으로 연결되지 않으나, 대신에 GND(1801)에 형성된 개구(1805)를 통하여 유도된 케이블과 같은 케이블(1803)의 도전성 접지에 연결된다. 안테나 장치(1300)를 접지평면(1801)에 부착하는 기술에는 다음이 있으나 이에 제한되지는 않는다: 접착, 솔더링, 체결. 케이블(1803)은 또한 내부 도전성 코어를 포함하고 이는 신호 송신을 위하여 안테나 장치(1300)의 공급 포트에 연결된다. 안테나 장치(1300)는 GND(1801)의 평면에 대하여 수직인 방향으로 위치하고 안테나 장치의 대략적인 중심이 GND(1801)의 에지에 대응한다. 따라서, 안테나 장치(1300)의 구성은 GND(1801)의 평면에 대하여 대략 대칭이고 한 안테나가 GND(1801)의 평면의 위에 있고 다른 안테나가 GND(1801)의 평면의 아래에 있다. (X,Y,Z) 좌표가 방사패턴측정에서 명확을 위하여 본 도면에 또한 도시되어 있다.
도 19는 자유공간(참조)의 경우 점선으로 표시되고, 비접속 GND(케이스 1)의 경우에 실선으로 표시되는 회답손실의 측정그래프를 도시한다. 날카로운 뒤집어진 모양의 피크가 주파수 fmid 근처에 있고, 이는 안테나와 연관된 LH 공진이고, 이는 두 케이스 모두에 대하여 2.4GHz와 같은 임의의 타겟 주파수 근처에서 좋은 정합을 나타낸다. (1901, 1903)지점 사이의 주파수 대역은 본 케이스에서 관심을 두고 있는 대역(1905)을 나타낸다. 따라서, 자유공간 케이스(참조) 및 비접지 GND 케이스(케이스 1)에서 균형 안테나(1300)의 측정된 회답손실의 유사성은 접지평면(1801)이 균형안테나(1300)에 무시할정도의 영향만을 준다는 것을 나타낸다.
도 20은 점선으로 표시된 자유공간 케이스(참조) 및 실선으로 표시된 비접지 GND(케이스 1)에 대한 측정된 효율의 그래프를 도시한다. 두가지 케이스에 대한 효율은 다양한 주파수에서 70% 보다 좋은 측정 결과를 표시한다. 따라서, 이들 결과는 또한 균형 안테나(1300) 근처에 위치할 때 접지 평면(1801) 영향을 무시할 수 있다는 앞서의 경향을 지지한다.
도 21은 자유 공간(참조)의 케이스에 대하여 2.44GHz에서 이득 및 방사 패턴의 그래프를 도시한다. 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 방향은 각각의 방사 패턴에 대하여 개략적으로 도시되어 도 17의 안테나에 대응하는 좌표를 표시한다. 1dB 보다 작은 리플을 가지는 실질적으로 전방향인 패턴(2101)이 아지무스 평면(x - y)에서 달성된다. 또한, 도 21은 자유 공간(참조) 안테나 장치(1300)이 교차 분극(2103, 2107, 2111)을 생성함을 나타내고 이는 각각의 다른 평면에서의 측정치로서 나타나고, 즉, 대응하는 상호 분극(2101, 2105, 2109) 각각보다 훨씬 작다.
도 22는 도 18의 케이스 1에 대하여 2.44GHz에서 이득 및 방사 패턴을 나타낸다. 균형 MTM 안테나 장치(1300) 및 부착된 비접속 GND(1801)의 방향은 좌표를 나타낵리 위하여 각각의 방사 패턴에 대하여 도시된다. 2dB 보다 작은 리플릉 가지는 실질적으로 전방향인 패턴(2201)이 아지무스 평면에서 달성된다. 비접지 GND 케이스(케이스 1)에 대하여 안테나 장치(1300)의 교차 분극은, 세 개의 다른 평면에서의 측정치로서, 무시할만큼 작거나 대응하는 상호 분극(2201, 2205, 2209) 보다 훨씬 작다. 이들 방사 패턴의 결과는 자유 공간(참조) 케이스에 비교할 수 있고 따라서 접지 평면(1801)에 기계적으로 부착될 때 안테나 장치(1300)의 로버스트 동작 특성에 대한 추가의 증거를 제공한다.
도 23은 안테나 장치(1300)의 다른 접지 예를 도시한다(케이스 2). 이 실시예에 따르면, 안테나 장치(1300)은 대형 접지 평면(GND; 2301)에 기계적으로 부착되고, 여기서 케이블(2303)은 안테나 장치(1300)의 GND(2301)에 전기적으로 연결된다. GND 평면(2301)에 대한 안테나 장치(1300)의 기계적 배치는 도 18의 비접지 GND 케이스(케이스 1)과 유사하다. (X, Y, Z) 좌표는 방사 패턴 측정의 명확성을 위하여 도시되어 있다.
도 24는 도 23의 케이스 2에 대하여 안테나 장치(1300)의 2.44GHz에서의 이득 및 방사 패턴을 도시한다. 균형 MTM 안테나 장치(1300) 및 접지 GND(2301)의 방향이 각각의 방사 패턴에 대하여 개략적으로 도시되어 좌표를 표시한다. 도 24에서, 케이스 2에 대하여 안테나 장치(1300)의 방사 패턴은 2.5dB보다 작은 리플을 가지는 아지무스 평면에서 실질적으로 전방향 패턴(2401)을 가진다. 세개의 다른 평면에서 측정된 교차 분극(2403, 2407, 2411)을 관찰함으로써 작은 방사 패턴이 나타남을 볼수 있고, 즉 대응하는 상호 분극(2401, 2405, 2409) 각각보다 훨씬 작다. 이들 방사 패턴은 자유 공간(참조) 케이스와 비교될 수 있고 때라서 접지 평면(1801)에 기계적으로 부착되고 전기적으로 연결될 때 안테나 장치(1300)의 로버스트 동작 측정에 대한 추가적인 지원을 제공한다.
도 25는 안테나 장치(1300)의 또 다른 접지 예를 도시한다(케이스 3). 이 실시예에 따르면, 안테나 장치(1300)은 대형 접지 평면(GND; 2501)에 기계적으로 부탁되고 GND 평면(2501)에 대하여 평행하게 위치하고 안테나 장치(1300)의 긴 에지는 GND(2501)의 평면의 에지에 따라 정렬된다. 그러나, 안테나 장치(1300)의 접지(1321)은 본 실시예에서는 GND(2501)에 전기적으로 연결되어 있지 않지만, 대신에 케이블(2503)의 도전성 접지에 연결되고, 케이블은 IPEX 케이블과 같은 것이고, 이는 GND(2501)에 형성된 개구(2505)를 통하여 유도된다. 케이블(2503)은 GND(2501)에 전기적으로 연결된다. (X, Y, Z) 좌표는 방사 패턴 측정에서 명확성을 위하여 도시된다.
도 26은 도 25의 케이스 3에 대하여 안테나 장치(1300)의 2.44GHz에서의 이득 및 방사 패턴을 도시한다. 균형 MTM 안테나 장치(1300) 및 접지된 GND(2501)의 방향은 각각의 방사 패턴에 대하여 개략적으로 돗되어 좌표를 표시한다. 아지무스 평면에서, 케이스 3에 대하여 안테나 장치(1300)의 방사 패턴은 안테나 장치가 위치한 방향에서 널(null; 2601)이다. 널은 GND 평면(2501)에 대하여 안테나의 위치 및 방향에 의한 간섭을 나타낼 수 있다. 널이 접지 평면 위치로 인하여 논재하더라도, 매우 넓은 빔 대역이 이 안테나 구성에 대하여 제시된다. 세개의 다른 평면에서 측정된 교차 분극(2603, 2607, 2611)은 상호 분극(2601, 2605, 2609) 각각보다 덜 지배적이다.
도 27a - 27b는 안테나 장치(1300)의 다른 접지 예를 도시한다(케이스 4). 이 예에서, 안테나 장치(1300)는 대형 GND 평면(2701)에 대략 수직으로(2707) 우치하고 도 27b에 도시된 바와 같이 GND 평면에 기계적으로 고정되지 않는다. 도 18의 수직 및 대칭 배열과 달리, 전체 안테나 장치(1300)는 GND(2701) 평면 위에 위치하고 안테나 측면은 GND(2701)의 평면을 면한다. 케이블(2703)은 이 실시예에서는 GND(2701)에 전기적으로 연결되어 있지 않고, 그러나 대신에 안테나 장치(1300)을 도 27b에 도시된 바와 같이 소스 신호에 직접 연결한다. 따라서, 안테나 장치(1300)은 GND 평면(2701)에 대하여 전기적으로 비접지이다. (X, Y, Z) 좌표는 방사 패턴 측정에서 명확성을 위하여 도시된다.
도 28은 도 27a - 27b의 케이스 4에 대하여 안테나 장치(1300)의 2.44GHz에서의 이득 및 방사 패턴을 도시한다. 안테나 장치(1300) 및 접지된 GND(2701)의 방향은 각각의 방사 패턴에 대하여 개략적으로 도시되어 좌표를 표시한다. 아지무스 평면에서, 케이스 4에 대하여 안테나 장치(1300)의 방사 패턴은 안테나 장치가 위치한 방향에서 널(2801)을 가진다. 널은 GND 평면(2801)에 대하여 위치와 방향에 의하여 야기되는 간섭을 나타낼수 있다. 널이 접지 평면 위치로 인하여 존재하더라도, 이 안테나 구성에 대하여 매우 넓은 빔 대역이 제시된다. 세개의 다른 평면에서 측정된 교차 분극(2803, 2807, 2811)은 상호 분극(2801, 2805, 2809) 각각 보다 덜 지배적이다.
자유 공간 케이스(참조)에서의 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 여러가지 성능 파라케터를 다른 접지 케이스들(케이스 1에서 케이스 4)과 비교함으로써, 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 기초 성능은 여러가지 안테나 방향 및 접지 조건에 대하여 실질적으로 동일하게 유지된다. 이러한 결과는 균형 MTM 안테나 장치(1300)에서 지배적 전류는 일반적으로 대형 접지 평면의 존재에 영향을 받지 않는다는 것을 시사하고, 접지 평면은 안테나의 근처에 기계적으로 연결되거나 배치되고, 이는 방사 그래프에서 증명된다. 대조적으로, 대형 접지 평면이 종래의 다이폴 또는 모노폴 안테나 근처에 있을 때, 이들 안테나로부터 접지 평면으로의 전류는 지배적이고, 비정합 및 효율이 감소된다.
접지 실시예(케이스 1 에서 4)의 각각에 대하여, 임피던스 정합은 균형 안테나에 대하여는 발룬으로 인하여 접지 평면의 크기와 무관하다. 따라서, 제한된 프린트 영역을 가지게 되는 설계 적용에 대하여, 균형 안테나는 작은 접지 평면을 가지고 구현되고 임피던스 정합에 영향을 미치지 않는다.
각각의 접지 케이스에 대하여 방사 패턴의 비교 분석은 실질적으로 전방향 패턴이 소형이고, 로버스트 안테나 구조로서 균형 MTM 안테나 장치(1300)과 같은 안테나를 이용함으로써 다양한 접지 조건과 안테나 방향 하에서 얻어질 수 있다는 것을 시사한다. 이는 작은 교차 분극을 유지하면서도 달성되고 그에 의해 종래의 다이폴 또는 모노폴 안테나 보다 장점을 제공한다.
가상 접지를 가지는 비아 라인을 가지는 단일 대역 균형 MTM 안테나
균형 MTM 안테나 장치(1300)의 크기를 줄이는 다른 기술이 도 13의 (A) - 13의 (B)에 도시되고 이는 접지 요소(1321, 1323)의 일부를 줄이거나 없애고 비아 라인(1319)을 구성함으로써 가능하고 따라서 대칭선(1327)에서 또는 그 근처에 가상 접지를 포함하도록 전기적으로 형성된다. 두개의 방사 CRLH 안테나 부분(1301, 1302)이 두 개의 비아 라인에서 발룬(1307)에 의하여 180도의 위상 오프셋이 제공되도록 형성된다. 구조적으로, 균형 안테나 장치(1300)의 저층(1300-2) 상의 접지 요소(1323)은 비접속되고 도 29의a(상층의 평면도) 및 도 29의 (B)(저층의 평면도)에 도시된 바와 같이 안테나 장치(1300)로부터 제거된다. 상층(1300-1)의 접지 요소(1321)의 크기를 줄이는 것도 다른 실시예에 제공된 바와 같이 가능하다.
도 29의a 및 29의b는 안테나 장치의 크기를 줄이기 위하여 이 기술을 구현한 도 13의 (A) - 13의 (B)의 안테나 장치를 도시한다. 안테나 장치(2900)는 가상 접지 개념을 구현하고, 여기에서 비아 라인(2919)는 직접 접지에 연결되지 않고, 하지만 안테나 장치(2900)의 대칭성이 안테나 장치(2900) 내에서 참조 지점을 제공한다. 이 참조 지점이 가상 접지와 같이 동작한다. 안테나 장치(1900)은 두 부분(2901, 2902)를 포함한다. 실시예에서, 부분(2901, 2902)는 대칭이고 안테나 장치(1300)와 유사한 균형 안테나를 형성한다. 도 29에 도시된 바와 같이, 안테나 장치(2900)는 축(2927)에 대하여 대칭이다. 상층(2900-1)은 접지 요소(2921) 및 발룬(2907)을 포함한다. 접지 요소(2921)는 더 작은 사이즈로 설계되고 접지 요소(1321)보다 작을 수 있다. 저층(2900-2)는 비아 라인(2919)를 포함하고, 이는 부분(2919-1, 2919-2)을 포함하고 두개의 안테나부(1301, 1302) 사이에 공통 도전선을 형성한다. 도 13의 (A) - 13의 (B)의 안테나 장치(1300)와 대조적으로, 안테나 장치(2900)의 설계 및 레이아웃은 비아 라인(2919)를 저층(2900-2)의 접지 요소(2923)로부터 분리하고, 여기서 비아 라인(2919) 및 접지 요소(2923)는 저층(2900-2)에 연결되지 않는다. 다른 예에서, 접지 요소(2923)은 안테나 장치(2900)로부터 제거되어 전체 안테나 설계에서 추가적인 크기감소 가능성을 준다.
가상 접지 케이스에 대하여 균형 CRLH 안테나 장치(2900)에 대한 등가 회로는 균형 MTM 안테나 장치(1300)에 대하여 도 15에 도시된 회로와 유사하다. 예를 들어, 각각의 CRLH 안테나부는 직렬 인덕터 LR, 직렬 캐패시터 CL, 분기 인덕터 LL 및 분기 캐패시터 CR을 포함하고 여기서 CL과 LL은 LH 모드 전파 특성을 결정하고 LR과 CR은 RH 모드 전파 특성을 결정한다. 각각의 CRLH 안테나부에 대하여, 구조 요소가 CL, LL, LR, CR을 형성하는데 기여하고 RH 및 LH 모드를 각각 규율한다. 예를 들어, 런치 패드(2915) 및 셀 패치(2913) 사이의 연결은 직렬 캐패시턴스 CL를 생성할 수있고, 비아 라인(2911)는 분기 인덕터LL를 만들고, LR은 기판상의 공급선(2919) 및 셀 패치(2913) 에 배치되고 CR은 가상 접지를 형성하는 셀 패치(2913) 및 비아 라인(2919) 사이에 샌드위치된 기판에 의한 것이다.
도 29의 (C)에 도시된 바와 같이, 안테나 장치(2900)에 대한 등가회로는 도 13의 안테나 장치(1300)에 대한 등가회로와 유사하다. 사선 상자로 식별되는 발룬(2907)은 상부 분기(2920) 및 하부 분기(2922)로 표시되고, 각각의 분기는 인덕터 LBalun 및 캐패시터 CBalun를가진다. 상부분기(2920)는 -90도의 위상 시프트를 제공하는 저역통과필터를 형성하고, 하부분기(2922)는 +90도의 위상 시프트를 제공하는 고역통과필터를 형성하고, 여기서 상부분기(2920) 및 하부분기(2922)는 각각 부분(2901, 2902)에 연결된다. 동등하고 반대방향의 위상시프트가 각각의 필터에 의하여 제공되기 때문에, 발룬장치(2907)는 결과적인 위상시프트 180도를 제공할 수 있고 부분(1301, 1302) 사이의 반사를 상쇄하고, 전체 성능을 향상시킨다.
CRLH 안테나부(2901, 2902)의 개략이 도 29의 (C)에 도시되어 있다. 각각의 CRLH 안테나부는 직렬 인덕터 LR, 직렬 캐패시터 CL, 분기 인덕터 LL 및 분기 캐패시터 CR을 포함하고 여기서 CL과 LL은 LH 모드 전파 특성을 결정하고 LR과 CR은 RH 모드 전파 특성을 결정한다. 각각의 CRLH 안테나부에 대하여, 구조 요소가 전기적특성 CL, LL, LR, CR을 형성하는데 기여하고 RH 및 LH 모드를 각각 규율한다. 예를 들어, 런치 패드(2915) 및 셀 패치(2913) 사이의 간극을 통한 용량 결합은 직렬 캐패시턴스 CL를 생성할 수있고, 비아 라인(2911)는 분기 인덕터 LL를 만들고, 직렬 인덕턴스 LR은 기판상에 공급선(2919) 및 셀 패치(2913) 에 배치되고 CR은 가상 접지를 형성하는 셀 패치(2913) 및 두개의 비아 라인(2919-1, 2919-2) 사이에 샌드위치된 기판에 의한 것이다.
도 30은 도 29의 (B)의 균형 안테나 장치(2900)의 저층(2900-2)의 비접속 접지요소(2923)와 비아라인(2919)의 E 필드 분포 그래프이다. 접지요소(2923)이 비아라인(2919)과 연결되어 있지 않고, 비아라인 근처 또는 중심(3001)에서 비아라인(2919)의 E 필드 분포의 값의 개략적 양은 접지 요소(2923)의 E 필드값과 일치하고, 비아라인 중심은 대칭선(2927)과 만날수있다. 따라서, 대칭선(2927) 또는 그 근처에서 비아라인(2919)는 가상접지로서 효율적으로 동작한다.
도 29의a - b의 가상 접지 케이스에 대하여 2.44GHz에서의 시뮬레이션된 회답손실 및 방사패턴 결과가 도 31 및 32에 각각 제공되어 있고, 도 17의 자유공간 케이스와 기초 성능 파라메터를 비교한다. 가상 접지 케이스와 자유공간케이스의 회답손실비교는 유사한 정합결과를 나타낸다(도 19와 31의 사선과 비교). 피크 대역은 MTM 안테나의 LH 공진일 수 있다. 가상 접지 케이스에서 방사 패턴은 아지무스평면(x - y)에서 얻어지는 2dB보다 작은 리플을 가지는 전방향 패턴(3201)을 보여주고, 이는 자유공간 케이스에 의해 생성된 방사 패턴과 일치한다. 이 결과는 가상 접지가 접지요소(2923) 대신 사용가능하고, 균형 MTM 안테나 장치(1300)의 크기를 줄일수 있음을 나타낸다.
가상 접지 균형
MTM
안테나(듀얼 대역)
도 33의 (A) - 도 33의 (C)는 가상접지되고,듀얼 대역, 균형 CRLH 안테나 장치(3300)를 도시한다. 균형 MTM 안테나 장치(3300)는 CRLH 안테나부의 균형쌍을 포함하고, 안테나는 가상 접지 비아 라인과 발룬(balun)을 포함하고, 발룬은 기판상에 형성되고, 기판은 FR-4와 같은 것이고, 2.4 및 5.0 GHz 주파수 대역을 커버하는 전방향 방사를 한다.
도 33의 (A) - (C)는 안테나 장치(3300)의 구조적 상세를 제공하고, 상층(3300-1)의 평면도, 저층(3300-2)의 평면도, 두 층의 사시도를 각각 도시한다.
MTM 균형 안테나 장치(3300)는 두 개의 방사 CRLH 안테나부(3301, 3302)를 포함하고, 이는 균형이고, 발룬(3305)이 두개의 균형 CRLH 안테나부를 동축 케이블과 같은 불균형 RF소스에 연결한다. 예를들어, 동축케이블은 도전성 내부코어 및 도전성 실드를 포함하고 신호송신을 한다.
도 33의 (A) - 도 33의 (B)에서, MTM 안테나 장치(3300)은 제1 CRLH 안테나부(3301) 및 제2 CRLH 안테나부(3302)를 포함하고, 각각의 CRLH 안테나부는 상층(3300-1) 및 저층(3300-2) 위에 형성된 도전요소를 포함한다. 제1 CRLH 안테나부(3301) 및 제2 CRLH 안테나부(3302)는 물리적으로 대칭이고 균형이다. 상층(3300-1)의 도전성 요소는 FR-4와 같은 기판의 상부표면에 구성되고, 저층(3300-2)의 도전요소는 기판(3304)의 저부표면에 형성된다. 각각의 CRLH 안테나부(3301, 3302)는 공급포트(3303); 공급포트(3303)에 연결된 공급라인(3309); 공급라인(3309)에 연결된 런치패드(3307)를 포함하고, 여기서 셀 패치(3311)는 상부런치패드(3307)와 용량성 결합하고; 비아(3315)는 기판에 형성되고 셀 패치(3311)에 연결되고; 비아라인(3317) 은 비아(3315)에 연결되고; 중앙비아(3319)는 비아라인(3317)에 연결되고, 여기서 중앙비아(3319)는 제1 및 제2 CRLH 안테나부 사이에 존재하고 이들을 연결한다. 따라서, 비아라인(3317)은 두 안테나부(3301, 3302) 사이에 공통 도전라인을 형성한다. 동작중에, 저부공급포트(3302-2)는 상부공급포트(3303-1)에 의해 통신하는 다른 신호와 180도의 위상차가 있는 신호를 통신한다. 비아(3319)의 중심은 대칭선(3351)을 따라서 형성되고 MTM 안테나부를 도 33의 (C)에 도시된 바와 같이 둘로 나누고, 이는 제로 전위를 가지는 가상 접지로서 동자갛고 상부 및 저부 비아라인(3317)을 종단할 물리적 접지의 필요성을 없애준다. 따라서, MTM 안테나 장치(3300)의 균형 특성의 한 측면은 CRLH 안테나부의 상부 및 저부에 180도의 오프셋을 공급하고 안테나요소를 가상접지를 따라 대칭이 되도록 형성함으로써 달성된다.
발룬(3305)는 상층(3300-1)에 형성된 상부 발룬부(3305-1) 및 저층(3300-2)에 형성된 저부 발룬부(3305-2)를 포함하고 균형 CRLH 안테나부를 동축 케이블과 같은 불균형 RF 소스에 맞춘다. 발룬(3305)는 상부 발룬부(3305-1)의 제1 형태와 저부 발룬부(3305-2)의 다른 형태를 가진다. 도 33의 (A) 및 도 33의 (B)의 예시적 실시예의 형태는 혼자서 또는 결합하여 대칭이 아니지만, 보완적 부분을 제공하고, 한쪽이 안테나부(3301)에 연결되고 다른쪽이 안테나부(3302)에 연결된다. 이 실시예에서, 안테나 요소(3301, 3302)는 다른 기판층에 있다. 이러한 공간적 구성은 분산된 발룬 구조를 가능하게 해 주고, 여기서 발룬부(3305-1, 3305-2)는 다른 기판층에 있다. 발룬부(3305-1, 3305-2)는 기판(3304)의 유전체를 통하여 직접 연결되어 있지는 않다.
도 33의 (A)를 참조하면, 상부 발룬부(3305-1)은 상층(3300-1)에 형성된 제1 CRLH 안테나부(3301)과 연관된 공급포트(3303-1)에 연결된다. 상부 발룬부(3305-1)의 다른쪽 단부는 공급포트(3301)을 제공하여 상부 발룬부(3305-1)를 동축 케이블의 유도성 내부 코어와 같은 RF 소스의 제1 신호 라인에 연결한다.
도 33의 (B)에서, 저부 발룬부(3305-2)의 한 단부는 저층(3300-2)에 형성된 제2 CRLH 안테나부(3302)와 연관된 공급포트(3303-2)에 연결된다. 저부 발룬부(3305-2)의 다른쪽 단부는 저층(3300-2)에 형성된 저부접지(3321-2)의 일부에 연결될 수 있다. 접지의 면적과 크기는 저부접지(3321-2)를 상층(3300-1)에 형성된 상부접지(3321-1)에 연결하기 위하여 기판에 형성된 비아(3323)의 어레이를 사용하여 증가될수 있다. 그후, 접지(3321)은 불균형 RF신호를 균형 안테나 장치(3300)에 통신하기 위한 동축케이블의 도전성 실드와 같은 RF소스의 제2신호선에 연결될수 있다.
앞서의 예에 기재된 것과 같은 발룬은 다양한 방법으로 설계되어 불균형 신호를 균형 신호로 또는 그 반대로 맞추고, 예를들어 50오옴의 불균형 신호를 50오옴의 균형신호로 맞춘다. 발룬은 2.0GHz에서 6.0GHz와 같은 광대역 주파수를 지원할 수 있다. 몇몇 발룬 설계는 마크. A. 캠벨 저, 캘거리대학 전기컴퓨터공학과, "울트라 광대역 마이크로스트립에서 일정한 특정 임피던스를 구비하는 평행 스트립 발룬"에 기재되어 있다. 도 33의 (A) - 도 33의 (C)는 테이퍼 발룬 설계를 도시한다. 도 34에 도시된 바와 같이, 테이퍼 설계는 제1 치수에서 제2 치수로 점진적으로 변화하는 프로파일을 가지는 상부 발룬(3305-1)을 가진다. 제1 치수가 1.17밀리미터와 유사한 마이크로 스트립(3401)이 있고, 제2 치수는 1.6 밀리미터와 유사한 평행 스트립이 있다. 발룬(3305)는 부채모양을 가지고 제3 치수에서 제4 치수로 점진적으로 변화하는 쌍곡선(3407) 프로파일을 가지는 저부 발룬(3305-2)를 포함한다. 한 실시예에서, 제3 치수는 10밀리미터이고, 제4 치수는 1.6 밀리미터이다. 길이 방향을 따른 각각의 단면 지점에서, 저부 발룬(3305-2)의 쌍곡선 프로파일(3407)은 50오옴과 같이 상수로 유지되는 특성 임피던스를 제공한다.
다른 발룬 설계는 rs형 안테나 구조에 대한 입력으로서 일정한 특성 임피던스를 제공하기 위하여 구현될 수 있다. 이러한 발룬 설계는 로그 주기 발룬 및 마찬드(marchand) 발룬과 같은 평면구성을 포함할 수 있고 이는 마모드 바스라오우니 저 "광대역, 평면, 로그 주기 발룬" 및 IEEE 시니어 멤버 및 브래들리 대학교수 S. N. 프라사드 및 I ME 마이크로일렉트로닉스 Sr No. 04892 스리람 저, "패턴 접지 평면을 사용한 개량된 마찬드 발룬"에 기재되어 있다. 또한, 다른 구현예에서, 발룬은 개별 또는 분산 유형 요소를 사용하여 형성될 수 있다.
균형 MTM 안테나 장치(3300)의 듀얼 밴드 특성은 2.4GHz 및 5GHz 주파수 대역에 영향을 미치는 도전성 요소를 포함한다. 2.4GHz 대역에 대하여, 이들 도전성 요소느 s예를 들어 상부 셀 패치, 상부 런치패드, 상부 공급라인, 상부 비아라인, 제1 비아, 제2 비아, 저부 셀 패치, 저부 런치패드, 저부 공급라인, 저부 비아라인, 제3 비아가 있다. 5GHz 대역에 영향을 미치는 도전성 요소는 예를 들면 상부 및 저부 런치 패드 및 상부 및 저부 공급라인이 있다. 2.4GHz 및 5GHz 대역은 MTM 안테나부와 연관된 LH 공진 및 RH 공진 각각으로부터 기인한다.
도 35는 도 33의 (A) - 도 33의 (C)의 균형 안테나 장치(3300)에서의 개략적 전류흐름을 도시한다. 지배적 전류(사선)은 180도 위상차가 유지되어 이 구조의 균형 안테나 특성이 제공된다. 분극은 일반적으로 지배적 전류와 동일평면에 있다. 따라서, 교차 분극은 이 구조에서는 작은 데 왜냐하면 다른 전류요소가 서로 상쇄하기 때문이다.
도 35에 도시된 바와 같이, 동축 케이블과 같은 외부소스(3501)로부터의 전류(사선)는 공급포트(3301)로부터 상부 발룬(3305-1)으로 MTM 균형안테나에 들어간다. 상부발룬(3305-1)으로부터의 전류는 상부공급라인(3309-1)을 경유하여 상부런치패드(3307-1)로 흘러간다. 상부런치패드(3307-1)로부터의 전류는 상부런티패드(3307-1) 및 상부셀 패치(3311-1) 사이의 커플링으로인하여 상부셀 패치(3311-1)로 흘러간다. 기판에 형성되고 상부 셀 패치(3311-1)에 연결된 비아(3315-1)는 상부 셀 패치(3311-1)에서 저부비아라인(3317-1)으로의 도전경로를 제공하고 비아라인은 중심비아(3319)에 연결된다. 중심비아(3319)는 기판에 형성되고 저부비아라인(3317-1)의 말단단부에 위치하는데 이는 저부비아라인(3317-1) 및 상부비아라인(3317-2) 사이의 도전성 경로를 제공한다. 상부비아라인(3317-2)으로부터의 전류는 다른 비아(3315-1)로 흘러가고, 이는 기판에 형성되고 저부셀 패치(3311-2) 상에 투사되고 도전연결된다. 저부셀 패치(3311-2)는 저부런치패드(3307-2)에 용량성 결합되고 저부발룬(3305-2)을 경유하여 저부접지(3321-2)에 연결된 저부공급선(3309-2)으로 흘러가는 전류에 대한 도전성경로를 제공한다. 전류는 상부접지(3321-1)로 진행하고 이는 외부소스(3501)로의 연결을 제공한다.
도 36a - 36b는 동축케이블(3603)이 공급포트(3301)에 연결되는 예시적실시예에 따라 균형 MTM 안테나 장치(3300)의 제조모델(3600)의 평면도 및 저면도를 각각 도시한다. 제조모델(3600)은 FR-4 기판(3601)에 구성되고, 이 크기는 대략 28mm x 25mm 이다. 균형 MTM 안테나 장치(3300)의 설계는 2.4GHz 및 5GHz WiFi와 같은 듀얼밴드 응용에 대하여 이루어진다. 그러나, 다른 주파수응용, 예를들어 저주파 또는 고주파에서도, 이루어질수 있다.
듀얼밴드 균형 MTM 안테나 장치(3300)의 성능은 2.4GHz 및5GHz와 같은 주파수 대역에서 안테나 기초파라메터에 기하여 측정되고 평가될수 있고 이는 도 37 - 40 및 도 41- 44에 각 주파수 대역이 도시된다.
2.4GHz에 대한 측정된 회답손실의 측정치는 도 37에 도시되었는데 이에 기하여 타겟 주파수(3701) 또는 그 근처에서 뒤집어진 피크의 양 및 기울기는 듀얼밴드 균형 MTM 안테나 장치(3300)가 2.4GHz 주파수 대역에서 좋은 정합을 지원할 수 있다는 점을 나타낸다.
도 38은 듀얼밴드 균형 MTM 안테나 장치(3300)의 2.4GHz 주파수 대역에 대한 측정된 효율을 도시한다. 이 결과는 안테나 장치(3300)가 60% 이상인 주어진 주파수 범위에 걸쳐 평균 효율을 달성할 수 있다는 점을 나타낸다.
도 39는 균형 MTM 안테나 장치(3300)의 2.4GHz 주파수 대역에 대하여 피크 이득을 측정한 것을 표시한다. 피크 이득은 측정된 안테나에 의해 방사된 표면 파워와 이론적인 등방성 안테나에 의해 방사된 표면 파워의 비율로 정의되고 참조 안테나에 대한 이득을 나타내는 좋은 지수가 된다. 예를 들어, 도 39에서, 안테나의 대역폭 내에서 2dBi 피크 이득은 균형 MTM 안테나(3300)가 등방성 안테나(isotropic antenna)를 기준으로 2dB 이상의 이득을 가지는 것을 보여준다.
도 40은 자유 공간의 경우에 대해 2.4GHz에서의 측정 이득과 방사 패턴을 도시한다. 균형 MTM 안테나(3300)의 방향은 각 방사 패턴에 대해 좌표를 나타내는 도면에 도시되어 있다. 1dB 미만의 리플(ripple)을 가진 실질적 전방향인 패턴(4001)이 y-z평면에서 달성된다. 또, 3개의 다른 평면에서 측정된 교차 분극(4003, 4005, 4007)은 무시할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 41은 균형 MTM 안테나(3300)의 5GHz의 주파수 대역에 대한 측정된 회답 손실(return loss)을 도시한 것이다. 5GHz 주파수 대역에 대한 측정된 회답 손실의 플롯에 기초하여, 타겟 주파수(4101)에서 또는 그 근처에서의 인버트 피크(inverted peak)의 크기(magnitude) 및 첨도(steepness)가, 듀얼 밴드 균형 MTM 안테나 장치(dual band balanced MTM antenna devie: 3300)가 5GHz 주파수 대역에서 좋은 매칭을 지원할 수 있음을 시사한다.
도 42는 듀얼 대역 균형 MTM 안테나(3300)의 5GHz 주파수 대역에 대한 측정된 효율을 도시한다. 이 결과는 안테나 장치(3300)가 70% 이상의 주어진 주파수 범위에 걸쳐 평균 효율을 달성할 수 있음을 나타낸다.
도 43은 5GHz 주파수 대역에 대한 측정된 피크 이득을 도시한다. 도 43에서, 안테나의 대역폭 내에서의 2.5 dBi 피크 이득은, 균형 MTM 안테나(3300)가 등방성 안테나를 기준으로 2.5dB 이상의 이득을 가진다는 점을 나타낸다.
도 44는 자유 공간의 경우에 5GHz에서의 이득과 방사 패턴을 나타낸다. 균형 안테나 장치(3300)의 방향은 각 방사 패턴에 대해 좌표를 나타내는 도면에 도시되어 있다. 1dB 미만의 리플(ripple)을 가진 실질적 전방향인 패턴(4401)이 y-z평면에서 달성된다. 또, 3개의 다른 평면에서 측정된 교차 분극(4403, 4405, 4407)은 다른 방향을 가지며, 무시할 수 있다는 것을 알 수 있다.
(가상 접지를 가지는)
고이득
광대역 균형
MTM
안테나
도 45의 (A) - 도 45의 (C)는 가상접지, 고이득, 광대역, 균형 MTM 안테나 장치(4500)의 실시예를 도시한다. 균형 MTM 안테나 장치(4500)는, 앞에서의 균형 안테나 예에서와 같이, 가상적으로 접지된 비아 라인과, FR-4와 같이, 기판 상에 d형성된 발룬을 가진 CRLH 안테나부의 균형 쌍(balanced pair)을 포함하기 위한 구조를 가지며, 이로써 실질적으로 전방향 방사 패턴을 달성한다. 그러나, 본 예에 따르면, 안테나 장치(4500)는 앞선 디자인에서 기술된 단일 또는 듀얼 대역 동작을 위한 것이라기 보다 광대역 동작을 위해 구성되고 최적화되어 있다는 점에서 앞선 예와는 다르다.
도 45의 (A) 및 (B)에서, MTM 안테나 장치(4500)는 제1 CRLH 안테나부(4501) 및 제2 CRLH 안테나부(4502)를 포함하고, 각 CRLH 안테나부는 상부층(4500-1) 및 저부층(4500-2) 상에 형성된 적어도 하나의 도전 요소를 가진다. 제1 CRLH 안테나부(4501) 및 제2 CRLH 안테나부(4502)는 대칭이며 균형잡혀 있다(symmetrical and balanced). 상부층(4500-1)의 도전 요소는, FR-4와 같이, 기판(4504)의 상부 표면 상에 형성되어 있고, 저부층(4500-2)의 도전 요소는 기판(4504)의 저부 표면 상에 형성되어 있다. 각 CRLH 안테나부는 셀 패치를 포함하도록 구성되고 또 공급 포트(4503), 공급 포트(4503)에 연결된 공급 라인(4509), 공급 라인(4509)와 연결된 런치 패드(4507)과 상호 작용하도록 구성되어 있고, 셀 패치는 기판(4504)의 ㅂ대향하는 층에 형성되어 있고 용량성을 가지고 또 직각으로 상부 런치 패드(4507)에 연결되어 있다. 비아(4505)가 기판(4504)에 형성되어 있고 셀 패치(4511)에 연결되어 있으며, 비아 라인(4517)이 비아(4515)에 연결되고, 중앙 비아(4519)가 비아 라인(4517)에 연결되어 있고, 중앙 비아(4519)는 제1 CRLH 안테나부(4501)와 제2 CRLH 안테나부(4502) 사이에 중앙에 위치하여 이들을 연결한다. 그래서, 비아 라인(4517)은 두 개의 안테나부(4501, 4502) 간의 공통 도전선을 형성한다. 동작 중, 저부 공급 포트(4503-2)는 상부 공급 포트(4503-1)에 의해 통신되는 다른 신호와 위상이 180도 다른 신호를 통신한다. 도 45의 (C)에서 도시된 바와 같이 2개의 방사 CRLH 안테나부를 분할하는 대칭선(4551)을 따라 형성된 비아(4519)의 중앙은 제로(0) 포텐셜을 가지는 가상 접지로서 유효하게 동작하는 구조를 가지며 공학적으로 제작되어 있고, 이로써 상부 및 저부 비아 라인(4517-1, 4517-2)를 말단 처리하기 위해 사용되는 물리적인 접지에 대한 필요성이 없어진다. 따라서, MTM 안테나 장치(4500)의 균형 특성의 일면이, 가상 접지 지점에 대해 대칭 안테나 요소를 형성하고 상부 및 저부 CRLH 안테나부(4501, 4502)에게 서로 180도 오프셋된 신호를 공급하는 것에 의해 달성된다.
발룬(4505)은, 균형 CRLH 안테나부(4501, 4502)를 동축 케이블과 같은 불균형 RF 소스에 적응시키기 위해, 상부층(4500-1) 상에 형성된 상부 발룬부(4505-1)와 저부층(4500-2) 상에 형성된 저부 발룬부(4505-2)를 포함한다.
도 45의 (A)를 참조하면, 상부 발룬부(4505-1)의 일단이 상부층(4500-1) 상에 형성된 제1 CRLH 안테나부와 연관된 공급 포트(4503-1)에 연결되어 있다. 상부 발룬부(4505-1)의 타단은, 동축 케이블의 유도성 내부 코어와 같이, RF 소스의 제1 신호선에 상부 발룬부(4505-1)를 여녈하기 위한 공급 포트(4501)를 제공한다.
도 45의 (B)에서, 저부 발룬부(4505-2)의 일단은 저부층(4500-2) 상에 형성된 제2 CRLH 안테나부와 연관된 공급 포트(4503-2)에 연결되어 있다. 저부 발룬부(4505-2)의 타단은 저부층(4500-2) 상에 형성된 저부 접지(4521-2)의 일부에 연결될 수 있다. 접지의 면적 및 크기는, 저부 접지(4521-2)를 상부층(4500-1) 상에 형성된 상부 접지(4521-1)에 연결하기 위해 기판에 형성된 비아들의 어레이(4523)를 이용하여 증가될 수 있다. 이어서, 접지(4521)는 균형 안테나 장치(4500)에 불균형 RF 신호를 통신하는 동축 케이블의 도전성 실드와 같은 RF 소스의 제2 신호선에 연결될 수 있다.
고이득, 광대역 안테나 장치(4500)의 몇 실시예에서 여러 장점이 실현될 수 있다. 예컨대, 각 CRLH 안테나부(4511-1)에서, 셀 패치(4511) 및 런치 패드(4507)는 기판(4504)의 서로 반대측에 형성되어 서로에게 수직으로 연결되고 중첩되도록 구성되며, 더 크게 설계될 수도 있는 셀 패치(4511)를 위한 추가 공간을 제공하고 결국 안테나(4500)의 효율을 증가시킨다.
또 다른 장점은, 안테나 장치의 제조 공정에서 실현될 수 있다. 예컨대, 고이득, 광대역 안테나 장치(4500)에서, 런치 패드와 셀 패치 간의 연결은, 갭 폭은 별개로 하고 만들어진 유전체(예컨대 기판(4504))를 통해 이루어지고, 이로써, 오버 에칭이나 언더 에칭을 포함하는 제조 상 문제를 피할 수 있다.
도 46은 도 45의 (A) 내지 (C)에서 도시된 균형 MTM 안테나 장치(4500)의 제조 모델을 보여준다. 안테나 장치의 상부층(4500-1) 및 저부층(4500-2)은 이 제조 안테나 모델에서 동축 케이블(4601)에 연결되어 있다. 동축 케이블(4601)의 도전성 내부 코어(4603) 및 도전성 실드(1605)는 각각 신호 전송을 위해 균형 MTM 안테나 장치(4500)의 공급 포트(4501) 및 접지(4521)에 각각 연결되어 있다.
도 46에 도시된 제조 모델은 자유 공간에서 시험되고 측정되어 고이득, 광대역 균형 MTM 안테나 장치(4500)의 안테나 성능을 평가하고 파악할 수 있다. 이러한 안테나 설계 평가에 제공된 몇몇 성능 측정법은 효율, 회답 손실, 피크 이득, 및 방사 성질을 포함한다.
도 47은 균형 MTM 안테나 장치(4500)의 측정된 회답 손실 플롯을 도시한다. 측정된 회답 손실은, 예컨대 2.3-3.2 GHz 사이에서 -10 dB보다 나은 회답 손실 결과에 의해 증명되듯이 광대역에서 동작하는 안테나를 제공한다.
도 48은 균형 MTM 안테나 장치(4500)에 대한 측정된 효율을 나타낸다. 이 결과는 안테나 장치(4500)가 80% 이상의 주파수의 주어진 범위에 걸쳐 평균 효율을 달성할 수 있음을 나타낸다.
도 49는 균형 MTM 안테나 장치(4500)에 대해 2.5-3 dBi보다 나은 측정된 피크 이득을 보여준다.
도 50은 자유공간의 경우의 균형 MTM 안테나 장치(4500)에 대한 이득 및 방사 패턴을 도시한다. 균형 안테나 장치(4500)의 방향은 각 방사 패턴에 대해 좌표를 나타내는 도면에 도시되어 있다. 2.5 dB 미만의 리플(ripple)을 가진 실질적 전방향인 패턴(5001)이 y-z평면에서 달성된다. 또, 3개의 다른 평면에서 측정된 교차 분극(5003, 5005, 5007)은 무시할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이 안테나 장치(4500)에 대한 회답 손실(return loss), 효율 및 피크 이득 플롯은, 도 33의 (A) ~(C)에 도시된 듀얼 대역 균형 안테나 장치(3300)에서 보다 더 넓고 더 큰 연속하는 대역을 제시한다. 예컨대, 비교에 의해, 안테나 장치(4500)에 의해 커버되는 대역은 그 효율 및 피드 이득에 대해 2.3~2.6 GHz이다. 이것은 듀얼 대역 균형 안테나 장치(3300)보다 대역폭에서 약12% 증가된 것이다. 또한, 앞선 안테나 장치(3300)에서, 2.4 GHz 주파수에서 대역폭은 2.39~2.52 GHz 또는 약 5%를 커버했다. 광대역 균형 안테나 장치(4500)에서는, 주파수 대역이 2.3 GHz에서의 WiBRO, 2.4~2.48 GHz의 Wi-Fi, 및 2.5~2.7 GHz의 WiMAX와 같은 멀티 대역을 포함한다. 듀얼 대역 디자인에서 이것에 비교되는 것은 2.4~2.48 GHz를 커버하는 Wi-Fi와 5 GHz였다. 또한, 새로운 디자인의 효율(80%) 및 피크 이득 범위(2.5~3 dBi)는 또한 앞선 안테나 장치(3300)보다 향상된 것임을 보여준다. 크기 감소 가능성 및 양호한 제조를 포함하는, 이러한 결과 및 다른 장점은 이 균형 안테나 장치(4500)의 구현예에서 실현되는 여러 가지 장점을 제공한다.
다른 균형
MTM
안테나 구성
다른 균형 MTM 안테나 장치의 예가 도 51a-51b, 도 52a-52b, 및 도 53a-53b에 제시되어 있다. 이러한 예는, 비대칭 및 대칭 발룬(balun) 구조, 라인을 통한 접지 및 가상 접지, 그리고 이산 구조(discrete structure) 및 프린트 구조(printed structure)의 조합을 적용하는 한 쌍의 균형 CRLH 안테나 구조를 포함한다.
도 51a 및 51b는 기판(도시되지 않음) 위에 형성된 균형 MTM 안테나 장치(5100)의 상부층(5100-1)의 평면도 및 저부층(5100-2)의 평면도를 각각 도시하고 있다. MTM 균형 안테나 장치(5100)는 균형을 이루도록 구성된 두 개의 방사 CRLH 안테나부, 및 상기 두 개의 균형 CRLH 안테나를 동축 케이블과 같은 불균형 RF 소스에 결합시키는 발룬을 포함한다. 동축 케이블은 예를 들어 도전성 내부 코어 및 도전성 차폐를 포함하여 신호 전송을 수행할 수 있다.
도 51a 및 51b에서, 균형 MTM 안테나 장치(5100)의 CRLH 안테나부은 제1 CRLH 안테나부 및 제2 CRLH 안테나부을 포함하며, 상기 제1 및 제2 CRLH 안테나부은 상부층(5100-1) 및 저부층(5100-2) 위에 형성되어 있는 도전성 요소를 가진다. 제1 CRLH 안테나부는 제2 CRLH 안테나부와 구조적으로 대칭이고 균형을 이루고 있다. 각각의 CRLH 안테나부는 공급 포트(feed port)(5103), 상기 공급 포트에 접속된 공급 라인(5109); 상기 공급 라인(5109)에 접속된 만곡된 도전성 스트립선을 가지는 런치 패드(launch pad)(5107); 적어도 한쪽이 반원 형상이고 상부 런치 패드(5107)에 용량성을 가지고 결합된 셀 패치(cell patch)(5111); 기판 내에 형성되어 있고 상기 셀 패치(5111)에 접속되어 있는 비아(5115); 및 상기 비아(5115)에 접속되어 있고, 제1 CRLH 안테나부과 제2 CRLH 안테나부 사이에 공통의 도전성 라인을 형성하도록 구성되어 있으며, 접지(5121)에도 접속되어 있는 비아 라인(5117)을 포함하도록 구성되어 있다. 접지(5121)는 상부 접지(5121-1) 및 저부 접지(5121-2)를 포함한다. 제1 CRLH 안테나부에 관련된 비아 라인(5117) 및 제2 CRLH 안테나부에 관련된 비아 라인(5117)은 함께 180°라인을 형성하여 안테나 장치(5100)의 속성을 유지하는데, 이러한 속성으로는, 전류 흐름을 포함한, 안테나 장치의 구조적 대칭 속성 및 전기적 균형 속성을 들 수 있다.
MTM 균형 안테나 장치(5100)의 발룬(5105)은, 균형 CRLH 안테나부을 동축 케이블과 같은 불균형 RF 소스에 적응시키는, 상부층(5100-1) 위에 형성된 도전성 부분을 포함한다. 본 예에서, 발룬(5105)은 덩어리로 된 콤포넌트와 같은 이산 요소(discrete element)를 포함하도록 구성될 수 있으며, 이러한 덩어리로 된 콤포넌트는 이전의 예에서 설명된 바와 같이 그리고 도 15에 도시된 바와 같은 저역 필터 및 고역 필터를 형성한다. 저역 필터는 제1 CRLH 안테나부의 공급 포트(5103-1)에서 -90°위상 시프트를 제공하는 반면, 고역 필터는 제2 CRLH 안테나부의 공급 포트(5103-2)에서 +90°위상 시프트를 제공한다.
이 안테나 장치의 대칭성에 기인하여, 저역 통과 필터와 고역 통과 필터는 공급 포트(feed port)(5103)에서 교체(swap)될 수 있지만 여전히 각 CRLH 안테나부(antenna portion)에 적절한 위상 시프트를 제공할 수 있다. 각 필터에 의해 제공된 동일 및 반대의 위상 시프트에 기인하여, 발룬 장치(5105)는 180°의 위상 시프트 결과를 제공할 수 있고 상기 제1 및 제2 CRLH 안테나부 사이의 반사를 제거하는 역할을 하므로, 균형 안테나 장치(balanced antenna device)(5100)의 전체 방사 성능을 향상시킨다. 그러므로, 180°비아 라인(5117) 및 발룬(5105)은, 크기는 동일하지만, 다른 인자들 중에서도 이 안테나 장치의 균형 특성(balanced property)을 규정하는, CRLH 안테나부 사이에 위상이 180°다른 전류 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다.
이하에, 발룬(5105)을 불균형(unbalanced) RF 소스에 연결하는 것에 대해 설명한다. 도 51a를 참조하면, 발룬(5105)의 일단은 제1 및 제2 CRLH 안테나부와 연관된 공급 포트(5103)에 연결될 수 있다. 발룬(5105)의 타단은 동축 케이블의 유도성의 내부 코어와 같은 RF 소스의 제1 신호 라인에 발룬(5105)을 연결하기 위해 공급 포트(5101)를 제공한다. 도 51b를 참조하면, 저부 접지(bottom ground)(5121-2)는 기판에 형성된 비아의 어레이(5123)를 통해 상부 접지(top ground)(5121-1)에 연결된다. 그 뒤에, 접지(5121)는 불균형 RF 신호를 균형 안테나 장치(5100)에 전달하기 위해 동축 케이블의 전도성의 실드(conductive shield)와 같은, RF 소스의 제2 신호선에 연결될 수 있다.
도 52a 및 도 52b는 가상 접지(virtual ground)를 사용하는 CRLH 안테나 구조체를 가지는 균형 MTM 안테나 장치(5200)의 다른 예를 나타낸다. 이 안테나 장치(5200)의 CRLH 안테나는 앞서 나타낸 MTM 안테나 장치(5100)와 구조적으로 유사한 도전성 요소를 가지는 제1 CRLH 안테나부 및 제2 CRLH 안테나부를 포함한다. 제1 CRLH 안테나부는 제2 CRLH 안테나부에 대해 구조적으로 대칭이고 균형을 이룬다. 각 CRLH 안테나부는 공급 포트(5203); 이 공급 포트(5203)에 연결된 공급 라인(5209); 공급 라인(5209)에 연결된 만곡된 전도성의 스트립선을 가지는 런치 패드(launch pad)(5207); 하나 이상의 측면이 대략 반원 형상이고 상부 런치 패드(5207)에 용량성을 가지고 결합되는 셀 패치(cell patch)(5211); 기판 내에 형성되고 셀 패치(5211)에 연결된 비아(5215); 및 비아(5215)에 연결된 비아 라인(5217)을 포함하도록 구성되고, 비아 라인(5217)은 제1 CRLH 안테나부와 제2 CRLH 안테나부 사이에 공통의 도전성 라인을 형성하도록 구성된다. 본 실시예에서, 비아 라인(5217)은 안테나 장치(5200)의 전류 흐름을 비롯한, 구조적으로 대칭적이고 전기적으로 균형의 특성을 유지하기 위해 180°라인을 형성하도록 구성된다. 또 비아 라인(5217)은, 비아 라인(5217)의 중심에서 제로(0) 포텐셜을 가지는 가상 접지로서 효과적으로 작용하도록 제작될 수 있어 비아 라인(5217)의 종결시키기 위해 사용되는 물리적인 접지의 필요성을 없앤다.
MTM 균형 안테나 장치(5200)의 발룬(5205)은 상부층(5200-1) 상에 형성된 도전성 발룬부(5205-1) 및 저부층(5200-2)에 형성된 도전성 발룬부(5205-2)를 포함한다. 이들 도전성 발룬부들은 비아(5231)에 의해 연결되어 있다. 이 예에서, 발룬(5205)은 안테나 요소를 제조하기 위해 사용된 프린트 회로 기술과 유사한 기술을 사용하여 제조된 프린트 요소를 포함하도록 구성될 수 있다. 동작 시에, 발룬(5205)은, 결과적으로 180도의 위상 시프트를 제공하여 균형 CRLH 안테나부 간의 반사된 신호를 상쇄하는 것에 의해, 균형 CRLH 안테나부를, 동축 케이블과 같은 불균형 RF 소스에 적응시키기 위해 사용될 수 있다.
발룬(5205)을 불균형 RF 소스에 연결하는 것을 이하에서 설명한다. 도 52a를 참고하면, 발룬(5205)의 일단이 제1 및 제2 CRLH 안테나부에 연관된 공급 포트(5203)에 연결될 수 있다. 발룬(5205)의 타단에는, 동축 케이블의 유도성 내부 코어와 같은 RF 소스의 제1 신호선에 발룬(5205)을 연결하기 위해 공급 포트(5201)를 제공한다. 도 52b를 참조하면, 저부 접지(5221-2)는 상부 접지(5221-1)에 기판에 형성된 비아들(5223)의 어레이를 통해 연결되어 있다. 이어서, 접지(5221)는, 불균형 RF 신호를 균형 안테나 장치(5200)에 통신하기 위한 동축 케이블의 도전성 실드와 같은 RF 소스의 제2 신호선에 연결될 수 있다.
도 53a 및 도 53b는, MTM 균형 안테나 장치(5300)의 다른 예를 도시한 것이다. 안테나 장치(5300)의 한 쌍의 균형 CRLH 안테나부는 각각, 상부층(5300-1) 및 저부층(5300-2) 상에 형성된 도전성 요소를 가지는 제1 CRLH 안테나부 및 제2 CRLH 안테나부를 포함한다. 제1 CRLH 안테나부는 제2 CRLH 안테나부에 구조적으로 대칭이고 균형잡혀 있다. 각각의 CRLH 안테나부는 공급 포트(5303), 공급 포트(5303)에 연결된 공급 라인(5309), 공급 라인(5309)에 연결된 런치 패드(5307), 상부 런치 패드(5307)에 용량성을 가지고 연결된 셀 패치(5311), 셀 패치(5311)에 연결되고 기판에 형성된 비아(5315), 셀 패치(5311)에 용량성을 가지고 연결된 기생 도전 패치(5331), 및 비아(5315)에 연결된 비아 라인(5317)을 포함하고, 비아 라인(5317)은 제1 CRLH 안테나부 및 제2 CRLH 안테나부 사이에 공통 도전성 라인을 형성하고 접지(5321)에 연결된다. 접지(5321)는 상부 접지(5321-1) 및 저부 접지(5321-2)를 포함한다. 제1 안테나부에 연관된 비아 라인(5317) 및 제2 안테나부에 연관된 비아 라인(5317)은 함께 180도 라인을 형성하여 구조적으로 대칭이며 안테나 장치(5300)의, 전류 흐름을 포함하여 전기적으로 균형잡힌 특성을 유지ㅎks다.
MTM 균형 안테나 장치(5300)의 발룬(5305)은, 동축 케이블과 같은 불균형 RF 소스에 균형 CRLH 안테나부를 적응시키는, 상부층(5300-1) 상에 형성된 도전성 부분을 포함한다. 이 실시예에서, 발룬(5305)은 이전 실시예와 도 15에 기술된, 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터를 형성하는 덩어리로 된 콤포넌트와 같은 이산 요소를 포함하도록 설계될 수 있다. 저역 통과 필터는 제1 CRLH 안테나부의 공급 포트(5303-1)에서 -90° 위상 시프트를 제공하고, 반면에 고역 통과 필터는 제2 CRLH 안테나부의 공급 포트(5303-2)에서 +90° 위상 시프트를 제공한다. 상기 안테나 장치의 대칭성에 의해, 저역 통과 필터 및 고역 통과 필터는 공급 포트(5303)에서 스왑(swap)될 수 있으며, 각 CRLH 안테나부에서 적절한 위상 시프트를 제공할 수 있다. 각 필터가 제공하는 동일한 크기의 반대되는 위상 시프트에 의해 발룬 장치(5305)는 결과적으로 180°의 위상 시프트를 제공하고, 제1 및 제2 CRLH 안테나부 사이의 반사를 상쇄시킬 수 있어, 균형 안테나 장치(5300)의 전체적인 방사 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서, 180° 비아 라인(5317) 및 발룬(5305)은, 크기는 같지만 위상이 180도 차이가 나는 전류 흐름(다른 인자들 중에서도 안테나 장치의 균형 특성을 정의함)을 각 CRLH 안테나부 사이에 제공하도록 구성된다.
발룬(5305)을 불균형 RF 소스에 연결하는 것은 다음에 기술되어 있다. 도 53a를 참조하면, 발룬(5305)의 일단은 제1 및 제2 CRLH 안테나부와 관련된 공급 포트 (5303)에 연결될 수 있다. 발룬(5305)의 타단은 동축 게이블의 유도성 내부 코어와 같이, 발룬(5305)을 RF 소스의 제1 신호선에 연결하는 공급 포트(5301)을 제공한다. 도 53b를 참조하면, 저부 접지(5321-2)는 기판에 형성된 비아들(5323)의 어레이를 통해 상부 접지(5321-1)에 연결된다.
그 후에 접지(5321)는, 동축 케이블의 도전성 실드와 같은 RF 소스의 제2 신호선에 연결되어, 불균형 RF 신호를 균형 안테나 장치(5300)에 전달한다.
균형 MTM 안테나의 크기를 줄이기 위한 다른 기법 및 구조도 사용될 수 있다. 예를 들면, 구조적으로 더 작아지도록 원형, 트라이앵글형, 다이아몬드형 등의 다른 형상으로 셀 패치의 크기와 모양을 변경할 수 있고, 공급 라인(feed-line)의 길이를 줄이거나 또는 모양을 변경할 수 있으며, 두 개의 경유 선(via line) 사이의 거리를 줄일 수 있다. 다른 변형된 안테나 디자인은 미국특허출원 제12/536,422호("Metamaterial Antennas for Wideband Operations", 2009. 8. 5)에 개시되어 있다. 단층 구조는 비아 라인(via line)을 맨 윗층에 배치하여 셀 패치를 맨 아래 접지 대신 맨 위 접지에 연결하도록 디자인될 수 있다. 또한, 균형 MTM 안테나 장치(3300)는 집중형 소자, 분산형 소자, 또는 상술한 테이퍼형 발룬(tapered baluns)과 같은 다양한 발룬(balun) 구조를 이용한다. 맨 위층에 하나의 CRLH 안테나와 맨 아래층에 다른 CRLH 안테나들을 포함하는 구조 또한 두 개의 CRLH 안테나의 균형과 균형을 유지하면서 이용될 수 있다. 이에 더하여, 두 개의 MTM 안테나는 비대칭으로 디자인되어, 2개의 경유 선이 발룬이 제공하는 180도 위상 오프셋을 유지하도록 제공될 수 있다. 이 디자인은 멀티 대역 CRLH 안테나와 멀티 대역 MTM 발룬을 이용하여 멀티 대역 어플리케이션으로도 확대될 수 있다. 상기 예시에서, 각각의 CRLH 안테나는 단층 비아-레스 메타소재 안테나 구조(single layer via-less metamaterial antenna structure) 또는 다층(2개 이상의 층을 포함) 메타 재료 안테나 구조(multilayer metamaterial antenna structure)일 수 있다.
본 명세서는 많은 종류의 실시예를 포함하지만, 이들은 청구범위에서 청구된 발명의 범위를 해석할 때 한정으로 해석되어서는 안되고, 본 발명의 특정 실시예의 설명으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 서로 다른 실시예의 설명에서 설명된 특징은 또한 하나의 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다.
다르게는, 하나의 실시예에서 설명된 여러 특징들은 여러 실시예로 나누어서 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 조합에서 동작하는 것으로 기술된 특징 및 심지어 그렇게 최초로 청구된 것이라 하더라도, 청구된 ㅈ조d으로부터 하나 이상의 특징은 때때로 그 조합으로 구현될 수도 있고, 청구된 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변형에 관한 것일 수 있다.
오직 몇몇 구현예만이 개시되어 있다. 여러 다른 변형 및 개선이 가능하다는 점을 이해하여야 한다.
Claims (49)
- 안테나 장치에 있어서,
CRLH 구조를 포함하는 제1 방사(radiating) 요소;
제2 CRLH 구조를 포함하는 제2 방사 요소;
상기 제1 및 제2 방사 요소에 연결된 공통 도전선; 및
상기 제1 및 제2 방사 요소에 결합된 발룬(balun)
을 포함하고, 상기 발룬은:
상기 제1 방사 요소에 대하여 수신된 신호에 -90°의 위상 시프트를 제공하는 저역 통과 필터; 및
상기 제2 방사 요소에 대하여 상기 수신된 신호에 +90°의 위상 시프트를 제공하는 고역 통과 필터를 포함하고,
최종 180°의 위상차가 상기 제1 방사 요소와 제2 방사 요소 사이의 반사 조건을 상쇄하는, 안테나 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 방사 요소는 상기 제2 방사 요소와 실질적으로 대칭인, 안테나 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 발룬은, 테이퍼 형상의 상부 도전 요소 및 쌍곡선 형상의 저부 도전 요소를 포함하고;
상기 저부 도전 요소는 실질적으로 일정하게 유지되는 특성 임피던스를 제공하는, 안테나 장치. - 제1항에 있어서,
상기 발룬은, 제1 표면 상의 제1 도전체와 제2 표면 상의 제2 도전체를 포함하고, 상기 제1 및 제2 도전체의 본체는 테이퍼되어 있는, 안테나 장치. - 제6항에 있어서,
상기 발룬은 쌍곡선 프로파일을 갖는 상기 제2 도전체의 적어도 일단을 가지는, 안테나 장치. - 제1항에 있어서,
상기 발룬은 광대역 주파수를 지원하도록 구성되는, 안테나 장치. - 기판;
상기 기판위에 형성된 제1 안테나부;
상기 기판위에 형성되고 상기 제1 안테나부에 결합되며, 상기 제1 안테나부와 실질적으로 대칭인 제2 안테나부;
불균형 신호를 제공하는 공급 포트;
상기 기판위에 형성되고 상기 제1 및 제2 안테나부와 전기적으로 결합된 접지 전극; 및
상기 제1 및 제2 안테나부, 상기 공급 포트 및 상기 접지 전극에 결합되고, 상기 공급 포트로부터의 상기 불균형 신호를 상기 제1 및 제2 안테나부를 위한 균형 신호로 변환시키거나 또는 상기 제1 및 제2 안테나부로부터의 균형 신호를 상기 공급 포트를 위한 불균형 신호로 변환시키는 발룬
을 포함하고,
상기 기판, 상기 제1 및 제2 안테나부, 상기 접지 전극은 CRLH 구조를 형성하도록 구성되며,
상기 발룬은, 상기 제1 안테나부에 대하여 수신된 신호에 -90°의 위상 시프트를 제공하는 저역 통과 필터 및 상기 제2 안테나부에 대하여 상기 수신된 신호에 +90°의 위상 시프트를 제공하는 고역 통과 필터를 포함하고,
최종 180°의 위상차가 상기 제1 안테나부와 제2 안테나부 사이의 반사 조건을 상쇄하는, 통신 장치. - 제9항에 있어서,
각각의 상기 제1 및 제2 안테나부는,
상기 발룬에 연결되는 한 단부를 가지는 공급 라인;
상기 공급 라인의 다른 단부에 연결된 런치 패드(launch pad);
커플링 간극에 의하여 상기 런치 패드에 용량성 결합된 셀 패치;
상기 기판에 형성되고 상기 셀 패치에 연결된 비아; 및
한 단부가 상기 비아에 연결되고 다른 단부가 상기 제1 안테나부를 상기 제2 안테나부에 연결시키는 비아 라인
을 포함하는 통신 장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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- 삭제
- 삭제
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