KR101638051B1 - 복합 좌우현 전송선로 및 접지면을 이용한 비대칭 공면 도파관 안테나 - Google Patents

복합 좌우현 전송선로 및 접지면을 이용한 비대칭 공면 도파관 안테나 Download PDF

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우덕제
이학준
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 기판의 일층에 형성되는 제1접지부, 상기 기판의 일층에 형성되며 상기 제1접지부에 연결되는 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line)부, 상기 기판의 다른 일층에 형성되는 제2접지부, 및 상기 CRLH-TL부와 상기 제2접지부를 연결하는 하나 이상의 비어(via)를 구비하고, 상기 CRLH-TL부 및 상기 제2접지부에서 공진을 발생시키는 안테나를 개시한다. 본 발명에 의하면, 메타물질 안테나보다 광대역 안테나를 구현할 수 있고, 대역폭이 크면서도 작은 크기의 안테나를 구현할 수 있다.

Description

복합 좌우현 전송선로 및 접지면을 이용한 비대칭 공면 도파관 안테나 {ASYMMETRIC COPLANAR WAVEGUIDE ANTENNA USING COMPOSITE RIGHT/LEFT-HANDED TRANSMISSION LINE AND GROUND PLANE}
본 발명은 비대칭 공면 도파관 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 복합 좌우현 전송선로 및 접지면을 이용한 비대칭 공면 도파관 안테나에 관한 것이다.
메타물질 안테나는 주로 CRLH, ENG(epsilon negative), MNG(mu negative) 전송선로를 이용하여 구현된다. 이러한 전송선로들은 입사파의 위상를 조절하여 원하는 주파수에서 원하는 전파 상수(propagation constant)를 얻을 수 있다.
그러나, 메타물질 안테나는 대역폭이 매우 좁다는 단점이 있다. 예를 들어, 도 1은 대한민국 공개특허 10-2012-0130620호에 개시된 도면으로써, 메타물질 안테나의 한 예를 나타내는 도면인 바, 도 1에 도시된 메타물질 안테나의 대역폭의 늘리는 데는 한계가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 메타물질 안테나보다 광대역 안테나를 구현하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 대역폭이 크면서도 작은 크기의 안테나를 구현하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 기판의 일층에 형성되는 제1접지부, 상기 기판의 일층에 형성되며 상기 제1접지부에 연결되는 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line)부, 상기 기판의 다른 일층에 형성되는 제2접지부, 및 상기 CRLH-TL부와 상기 제2접지부를 연결하는 하나 이상의 비어(via)를 구비하고, 상기 CRLH-TL부 및 상기 제2접지부에서 공진을 발생시킨다.
본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 기판의 일층에 형성되는 CRLH-TL부, 및 상기 기판의 일층에 상기 CRLH-TL부를 둘러싸는 형태로 형성되며, 상기 CRLH-TL부에 연결되는 접지부를 구비하고, 상기 CRLH-TL부 및 상기 접지부에서 각각 복수 개의 공진을 발생시킨다.
본 발명에 의하면, 메타물질 안테나보다 광대역 안테나를 구현할 수 있고, 대역폭이 크면서도 작은 크기의 안테나를 구현할 수 있다.
도 1은 메타물질 안테나의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 평면도이다.
도 3은 도 2a의 CRLH-TL 유닛을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 CRLH-TL 유닛의 등가회로도이다.
도 5는 CRLH-TL 유닛의 분산 다이어그램이다.
도 6은 도 2의 제2접지부에서 공진이 일어나는 경우 전류분포를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 S-파라미터 응답에 대하여 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 시뮬레이션 방사패턴과 측정된 방사패턴을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 측정된 방사효율을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 안테나의 앞면과 뒷면의 모습을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2에는 구성요소들의 방향이 x 방향, y 방향, z 방향 중의 하나로 설명되고 있으나, 이러한 방향은 단순한 예시일 뿐이고 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서의 도면 및 설명에서, 각 구성요소들의 크기가 제시되어 있으나, 이는 예시이고 다양하게 변형될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 평면도이다.
도 3은 도 2의 CRLH-TL 유닛을 나타내는 도면이다.
도 2의 위쪽 도면은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 하나의 층을 나타내는 도면이고, 도 2의 아래쪽 도면은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 다른 하나의 층을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 안테나(200)는 제1접지부(210), CRLH-TL(composite right/left handed transmission line)부(230), 제2접지부(250), 및 비어(via, 271~275)를 구비한다.
제1접지부(210)는 기판의 일층에 형성되고, 제2접지부(250)는 기판의 다른 일층에 형성되어, 서로 이격되어 있다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나(200)에서는 제1접지부(210)가 기판의 위층에 형성되고 제2접지부(250)가 기판의 아래층에 형성되는 것으로 도시되었으나, 이는 단순한 예시일 뿐이고, 제1접지부(210)와 제2접지부(250)가 형성되는 위치는 다양하게 변경될 수 있다.
CRLH-TL(composite right/left handed transmission line)부(230)는 기판의 일층에 형성되며, 제1접지부(210)에 연결된다. 또한, CRLH-TL부(230)는 비어(271~275)에 의하여 제2접지부(250)에도 연결된다. 한편, 도 2에는 비어(271~275)의 개수가 5개인 것으로 도시되었으나, 이는 단순한 예시일 뿐이고, 비어의 개수는 다양하게 변형될 수 있다.
CRLH-TL부(230) 및 제2접지부(250)에서 모두 공진을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, CRLH-TL부(230)에서는 ZOR(zeroth order resonance) 및 FPOR(first positive order resonance)을 이용할 수 있다. 단, CRLH-TL부(230)에서 이용하는 공진은 ZOR 및 FPOR에 한정되는 것은 아니고, FNOR(first negative order resonance)도 가능하며, ZOR, FPOR, FNOR 모두 이용하거나 또는 위 공진들 중에서 일부만을 이용할 수도 있다. 메타물질 전송선로의 공진인 ZOR를 이용하여 안테나 크기에 관계없는 공진을 얻어내 일반적인 안테나들에 비해서 더 작은 크기의 안테나를 구현할 수 있다.
제2접지부(250)에서는 복수 개의 공진을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, λ/2공진 및 λ공진을 발생시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나(200)에서는, 이렇게 발생시킨 여러 개의 공진들을 합하여 대역폭을 늘릴 수 있다. 제2접지부(250)의 길이 또는 폭에 따라, 제2접지부(250)에서 발생하는 공진 주파수가 결정될 수 있다.
제2접지부(250)는, 제2-1접지면(252), 제2-2접지면(254), 및 제2-3접지면(256)을 구비할 수 있다. 제2-1접지면(252), 제2-2접지면(254), 및 제2-3접지면(256)은 ㄷ자 형태로 서로 연결될 수 있다. ㄷ자 형태의 중간에 위치하는 제2-2접지면(254)의 길이 또는 폭에 따라, 제2접지부(250)에서 발생하는 공진 주파수가 결정될 수 있다.
제1접지부(210)는, 제1-1접지면(212)과 제1-2접지면(214)을 구비할 수 있다. 제1-1접지면(212)은 CRLH-TL부(230)의 일단에 연결되고, 제1-2접지면(214)은 CRLH-TL부(230)의 다른 일단에 연결될 수 있다.
제2-1접지면(252)의 길이 또는 폭은, 제1-1접지면(212)의 길이 또는 폭보다 짧도록 설계될 수 있다. 즉, 제2-2접지면(254)의 길이(L3)를 늘릴 수 있다. 그에 따라, 제2접지면(250)에서 λ/2공진 및 λ공진 등 복수 개의 공진을 발생시킬 수 있고, 안테나의 대역폭을 크게 할 수 있다.
제1접지부(210)는 CRLH-TL부(230)에 연결되는 제1-3접지면(216)을 더 구비할 수 있다. 이 경우, 비어(271~275)는 제1-3접지면(216)과 제2-3접지면(256)을 연결할 수 있다.
CRLH-TL부(230)는 복수개의 CRLH-TL 유닛들(232, 234)을 구비할 수 있다. 복수개의 CRLH-TL 유닛들(232, 234)은 기판의 일층에 형성되고 제1접지부(210)에 연결될 수 있으며, 캐스케이드(cascade) 방식으로 연결될 수 있다. 이와 같이, CRLH-TL 유닛들(232, 234)을 연결하고 그 끝을 접지에 연결함으로써, short-ended CRLH 전송선로 특성을 구현할 수 있고, 그에 따라 안테나의 크기를 소형화 시킬 수 있다.
도 2에는 CRLH-TL 유닛(232, 234)의 개수가 2개인 것으로 도시되었으나, 이는 예시일 뿐이고 다양하게 변형될 수 있다. CRLH-TL 유닛의 개수가 늘어나면 공진 개수도 늘어나므로 대역폭은 더욱 크게 할 수 있으나, 반대급부로 안테나의 크기가 커지게 된다.
CRLH-TL 유닛(232)은 전송선로(232_1) 및 패치(232_2)를 구비할 수 있다. 전송선로(232_1)는 제1접지부(210)의 제1-1접지면(212)에 연결되며, 인덕턴스 역할을 하는 구불구불한(meander) 전송선로일 수 있다. 패치(232_2)는 제1접지부(210)의 제1-2접지면(214)에 연결되며, 캐패시턴스 역할을 할 수 있다.
CRLH-TL 유닛(232)은 그라운드(232_3)를 더 구비할 수 있다. 그라운드(232_3)는 제1접지부(210)와 전송선로(232_1) 사이에 배치될 수 있다.
한편, 위에서는 CRLH-TL 유닛(232)만을 예시로 설명하였으나, CRLH-TL 유닛(234)의 경우도 CRLH-TL 유닛(232)과 유사하므로, 그에 관한 설명은 생략한다.
도 4는 도 3의 CRLH-TL 유닛의 등가회로도이다.
도 4를 참조하면, CRLH-TL 유닛(232, 234)은 직렬 캐패시턴스(series capacitance), 분류 캐패시턴스(shunt capacitance), 직렬 인덕턴스(series inductance), 분류 인덕턴스(shunt inductance)로 표현될 수 있다.
도 5는 CRLH-TL 유닛의 분산 다이어그램이다.
도 5는 Full-wave 시뮬레이션을 이용하여 CRLH-TL 유닛(232, 234)의 분산 다이어그램을 나타낸 것이다. ZOR와 FNOR, FPOR 주파수는 각각 2.4GHz, 1.591GHz, 5.67GHz이다.
도 6은 도 2의 제2접지부에서 공진이 일어나는 경우 전류분포를 나타내는 도면이다.
도 6a는 주파수 3.8 GHz의 λ/2 공진을 나타낸다. 이 경우, 제2접지부(250)에서 전류가 U자 형태로 한쪽으로만 흐르는 것을 알 수 있다. 도 6b는 주파수 7.6 GHz의 λ 공진을 나타낸다. 이 경우, 제2접지부(250)에서 전류가 양쪽으로 흐르는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 S-파라미터 응답에 대하여 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 시뮬레이션과 측정을 통하여 S-parameter response를 얻을 수 있고, 얻어진 -10dB 주파수 대역은 2.69GHz~9.15GHz(109.1%)이다. 시뮬레이션 결과에서 얻어진 공진 중 1.5GHz, 2.59GHz, 5.52GHz는 각각 FNOR, ZOR, FPOR이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 시뮬레이션 방사패턴과 측정된 방사패턴을 나타내는 그래프이다.
방사패턴은 무방향실에서 측정되었으며 각 공진주파수 별로 E 평면(xz 면), H 평면(yz 면)에서 측정하였다. 측정된 최대 이득은 각 주파수에서 4.47dBi, 3.3dBi, 1.97dBi, 4.08dBi이었다. 방사효율은 전 주파수에서 65.91% 이상으로 측정되었다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 측정된 방사효율을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 안테나의 방사효율은 65.91%에서 98.01%까지로 측정되었다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 안테나의 앞면과 뒷면의 모습을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제작된 안테나(200)의 앞면(기판의 위층)에 제1접지부(210)가 형성되고, 본 발명의 실시예에 따라 제작된 안테나(200)의 뒷면(기판의 아래층)에 제2접지부(250)가 형성되는 것으로 제작되었으나, 이는 단순한 예시일 뿐이고, 제1접지부(210)와 제2접지부(250)가 형성되는 위치는 다양하게 변경될 수 있다는 점은 앞서 설명된 바 있다.
표 1은 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 성능을 다른 안테나와 비교한 표이다.
본 발명의 실시예 비교1 비교2 비교3 비교4
Resonant Frequency (GHz) 2.9
(ZOR)		 3.8
(λ
/2)		 5.38
(FPOR)		 7.6
(λ)
2.03
(ZOR)
1.94
(ZOR)
1.99
(FNOR)
2.24
(ZOR)
1.99
(FNOR)
3.1
(FPOR)
Total Size (λ0)
0.32×0.19		 0.145
×
0.172		 0.182
×
0.323
0.267×0.67
0.173×0.332
Bandwidth (%)
109.1
6.8
10.3
20.3
67.4
Efficiency (%)
86.2
94.64
86.51		 86.
12
62
85
66.6
56.4
90.8
86.12
Peak Gain (dBi)
4.47
3.3
1.97
4.08
1.35
2.3
3.31
2.96
2.21
2.77
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나의 평면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나(1100)는 CRLH-TL부(1110) 및 접지부(1130)를 구비한다.
이하에서는 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 안테나(200)와 다른 부분을 중심으로 설명한다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 안테나(200)와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나(1100)에서는, 접지부(1130)가 CRLH-TL부(1110)와 같은 층에 형성된다.
접지부(1130)는 CRLH-TL부(1110)에 연결된다. 접지부(1130)는 기판의 일층에 CRLH-TL부(1110)를 둘러싸는 형태로 형성되며, CRLH-TL부(1110)의 일부를 제외하고 둘러싼다. CRLH-TL부(1110) 및 접지부(1130)에서 각각 복수 개의 공진을 발생시킨다.
접지부(1130)는 제1-1접지면(1111), 제1-2접지면(1112), 제2-1접지면(1113), 제2-2접지면(1114), 및 제2-3접지면(1115)을 구비할 수 있다. 제2-1접지면(1113), 제2-2접지면(1114), 및 제2-3접지면(1115)은 ㄷ자 형태로 서로 연결될 수 있다. ㄷ자 형태의 중간에 위치하는 제2-2접지면(1114)의 길이 또는 폭에 따라, 접지부(1130)에서 발생하는 공진 주파수가 결정될 수 있다.
제2-1접지면(1113)의 길이 또는 폭은, 제1-1접지면(1111)의 길이 또는 폭보다 짧을 수 있다. 즉, 제2-1접지면(1113)과 제1-1접지면(1111)의 크기가 달라지는 방식으로, 접지부(1110)는 비대칭 형태로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (17)

  1. 기판의 일층에 형성되는 제1접지부;
    상기 기판의 일층에 형성되며 상기 제1접지부에 연결되는 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line)부;
    상기 기판의 다른 일층에 형성되는 제2접지부; 및
    상기 CRLH-TL부와 상기 제2접지부를 연결하는 하나 이상의 비어(via)를 구비하고,
    상기 CRLH-TL부 및 상기 제2접지부에서 공진을 발생시키는 것을 특징으로 하되,
    상기 제2접지부의 길이 또는 폭에 따라,
    상기 제2접지부에서 발생하는 공진 주파수가 결정되며,
    상기 제2접지부는,
    ㄷ자 형태로 서로 연결되는 제2-1접지면, 제2-2접지면, 및 제2-3접지면을 구비하고,
    상기 ㄷ자 형태의 중간에 위치하는 제2-2접지면의 길이 또는 폭에 따라, 상기 제2접지부에서 발생하는 공진 주파수가 결정되고,
    상기 제1접지부는,
    상기 CRLH-TL부의 일단에 연결되는 제1-1접지면; 및
    상기 CRLH-TL부의 다른 일단에 연결되는 제1-2접지면을 구비하며,
    상기 제1접지부는,
    상기 CRLH-TL부에 연결되는 제1-3접지면을 더 구비하고,
    상기 비어(via)는,
    상기 제1-3접지면과 상기 제2-3접지면을 연결하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2-1접지면의 길이 또는 폭은,
    상기 제1-1접지면의 길이 또는 폭보다 짧은 것을 특징으로 하는 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1-2접지면의 한쪽의 길이 또는 폭은,
    상기 제1-2접지면의 다른 한쪽의 길이 또는 폭과 서로 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 안테나.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH-TL부는,
    상기 기판의 일층에 형성되며 상기 제1접지부에 연결되는 복수개의 CRLH-TL 유닛을 구비하고,
    상기 복수개의 CRLH-TL 유닛은,
    캐스케이드(cascade) 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 유닛은,
    상기 제1접지부에 연결되며 인덕턴스 역할을 하는 구불구불한(meander) 전송선로; 및
    상기 제1접지부에 연결되며 캐패시턴스 역할을 하는 패치를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 유닛은,
    상기 제1접지부와 상기 전송선로 사이에 배치되는 그라운드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2접지부에서, 복수개의 공진을 발생시키는 것을 특징으로 하는 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2접지부에서, λ/2공진 및 λ공진을 발생시키는 것을 특징으로 하는 안테나.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1접지부와 상기 제2접지부는 서로 크기가 다른 것을 특징으로 하는 안테나.
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