KR102029721B1 - 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나는, 인공자기도체(AMC: artificial magnetic conductor)와 결합된 프린티드 다이폴 배열 안테나; 및 상기 프린티드 다이폴 배열 안테나에 연결되고, 다중 빔을 형성하기 위한 빔 포밍 네트워크를 포함하여, 금속 요소나 인체와 같은 주변 환경에 강건한 임피던스 정합 특성과 안테나 방사 패턴 특성을 가지며 인체영향지수인 전자파 흡수율(SAR: Specific Absorption Rate)을 낮출 수 있고, 빔 포밍과 빔 조향이 가능하다.

Description

금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나{THIN AMC-BACKED DIPOLE ARAAY ANTENNA FOR BEAMFORMING LESS VULNERABLE TO CONTACT OF AND NEARBY METAL PLANES}

본 발명은 금속 인접과 접촉에 강건한 인공자기도체(AMC: artificial magnetic conductor) 기반 빔 포밍 안테나에 관한 것이다.

이동통신 장비는 모노폴 또는 역 L-형 안테나와 같은 선형 안테나를 사용한다. RF 플랫폼의 한정된 공간에 선형 안테나를 장착하려면 웨어러블 디바이스에 금속부분에 근접하여 그리고 평행하게 방사 요소를 구부리는 것이 일반적이다. 이 경우, 안테나의 입력 임피던스 정합이 매우 열악해져 반사 손실이 높아지고 방사 특성에 악영향을 미친다. 이로 인해 선형 방사체로부터 생성된 전자기장이 방사할 수 없게 된다.

핸드셋 장치에 장착된 선형 안테나를 최대한 활용하려면 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 형태를 취함으로써 안테나 성능의 심각한 열화를 피할 수 있다. 또한, 금속 플랫폼의 경계 조건을 변경하는 것도 다른 방법일 수 있다.

EBG를 사용하는 F. Yang은 4×3의 주기적인 머쉬룸들의 쌍의 가장자리에 다이폴을 배치하였다. PEC 기반의 머쉬룸 EBG는 8㎓에서 작동하며 S11이 앞서 언급한 주파수에서 심각하게 열화되는 것을 막고 무지향성 커버리지를 생성한다(비특허문헌 [3]).

Abkenar는 표면파에 대한 차단 대역을 11GHz에서 14GHz까지 생성하기 위해 큰 공간을 통해 7×7 PEC 기반의 머쉬룸을 사용한다(비특허문헌 [4], [5]). 그들은 광대역 EBG를 얻을 수는 있지만, 안테나 특성에 명확한 이점은 없는 것으로 보인다.

방사 소자는 미앤더 형태(meandered)의 단락 선 및 인터 디지털 갭으로 구성되는 기본 단위가 주기적으로 반복되는 구조상에 둘 수 있다(비특허문헌 [6]).

Shahvarpour는 AMC 효과를 위한 PEC 기반의 다층 매체의 높이를 계산하고 24-GHz 동작에서 방사 효율을 40% 향상시켰다(비특허문헌 [6]). 노치들을 만들기 위해 비특허문헌 [8]의 패치가 비특허문헌 [9]의 패치로 수정된다. 직선 다이폴 대신 슬롯이 뚫린 패치 또는 구부러진 라인들이 두껍고 넓은 AMC에 신호를 공급한다(비특허문헌 [10] 및 [11]). 현재까지 보고된 것들과 다른 것들을 살펴보면, AMC가 포함된 안테나는 빔 포밍과 조향을 하지 못한다.

따라서 금속 요소 및 인체와 같은 환경에 강건한 반사 손실 특성과 안테나 방사 패턴 특성을 가지며 빔 포밍과 빔 조향이 가능한 인공자기도체(AMC) 기반 다이폴 배열 안테나에 대한 요구가 발생한다.

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본 발명이 해결하고자 하는 과제는 도체와 인체와 같은 주변 환경에 강건한 반사 손실 특성과 안테나 방사 패턴 특성을 가지며 전자파 흡수율(SAR: Specific Absorption Rate)을 낮출 수 있고 빔 포밍과 빔 조향이 가능한 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나는,

인공자기도체(AMC: artificial magnetic conductor)와 결합된 프린티드 다이폴 배열 안테나; 및

상기 프린티드 다이폴 배열 안테나에 연결되고, 다중 빔을 형성하기 위한 빔 포밍 네트워크를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 인공자기도체와 결합된 프린티드 다이폴 배열 안테나는,

기판의 한 면에 형성된 프린티드 다이폴 배열 안테나; 및

상기 기판의 반대 면에 형성되며 상기 기판의 두께 방향으로 상기 프린티드 다이폴 배열 안테나의 하부에 형성되는 복수의 인공자기도체 패턴부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나는 상기 기판의 반대 면의 일부에 형성되고 금속 박막으로 이루어진 접지면을 더 포함하며, 상기 복수의 인공자기도체 패턴부 각각은,

상기 접지면으로부터 확장된 금속 스트립을 파내어 형성되며 서로 특정 거리만큼 이격되어 형성된 복수의 상보적 구조의 스플릿 링 상보형 공진기(CSRR: Complementary Split Ring Resonator); 및

상기 접지면으로부터 확장된 금속 스트립의 양측에 상기 각각의 상보적 구조의 스플릿 링 상보형 공진기로부터 소정 거리 이격되어 형성된 복수의 스플릿 링 공진기(SRR: Split Ring Resonator)들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나에 있어서, AMC에 맞춰진 다이폴 배열 안테나의 각각의 프린티드 다이폴 안테나 요소마다 위상차가 180도가 나는 두 신호를 나누는 주 경로와 부 경로를 포함하는 발룬을 포함하고,

상기 각각의 프린티드 다이폴 안테나의 방사체와 발룬은 상기 프린티드 다이폴 안테나들이 배열되는 방향과 수직한 방향으로 형성되는 즉,

상기 프린티드 다이폴 안테나 각각의 발룬은 90도로 구부러져 있고,

상기 각각의 발룬은 상기 SRR 위를 통과하지 않도록 형성될 수 있다.

이는 새로운 구조로 인공자기도체 다이폴 급전에 적합하면서 배열 안테나로 확장될 때, 크기를 줄이는 목적에 의한 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나에 있어서, 상기 빔 포밍 네트워크는 버틀러 매트릭스에 기반한 빔 포밍 네트워크나 다양한 위상배열 급전 구조를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나에 의하면, 금속 요소와 인체와 같은 주변 환경에 강건한 임피던스 정합 특성과 안테나 방사 패턴 특성을 가지며 인체영향지수인 전자파 흡수율(SAR: Specific Absorption Rate)을 낮출 수 있고, 빔 포밍과 빔 조향이 가능하다.

도 1은 빔 포밍을 위해 버틀러 매트릭스를 사용하는 본 발명의 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나를 도시한 도면으로, 도 1a는 물리적 치수를 나타낸 도면, 도 1b는 제작된 AMC 기반 다이폴 배열 안테나, 도 1c는 반사 손실을 도시한 도면.
도 2는 종래의 일반적 발룬(마이크로스트립 도체 접지면용)과 다른 AMC 기반 발룬 다이폴의 모양을 도시한 도면으로, 도 2a는 AMC 기반의 발룬 다이폴, 도 2b는 종래의 레이아웃을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 의한 AMC 기반 발룬 다이폴 안테나의 상세도로서, 도 3a는 물리적인 치수를 기재한 도면, 도 3b는 제작된 안테나를 묘사한 도면.
도 4는 요소 안테나의 S11 및 원거리장 패턴을 도시한 도면으로, 도 4a는 S11을 도시한 도면, 도 4b는 2D 원거리장 패턴을 도시한 도면.
도 5는 빔 포밍 안테나용으로 제작된 버틀러 매트릭스를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 AMC 기반 다이폴 안테나의 원거리장 패턴을 도시한 도면으로, 도 6a는 측정 환경, 도 6b는 조향 기능으로서 시뮬레이션된 빔들, 도 6c는 조향 기능으로서 측정된 빔들을 도시한 도면.
도 7은 AMC 기반 다이폴 배열 안테나의 도체면 접근에 대한 낮은 민감도를 도시한 도면으로, 도 7a는 측정 환경, 도 7b는 금속면에 가까운 방사체, 도 7c는 본 발명에서 제안된 구조에 의해 금속면 가까이에서도 거의 변경되지 않은 4개의 빔, 도 7d는 일반적 다이폴 배열 안테나의 빔이 망가지는 현상의 도면.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, "제1", "제2", "일면", "타면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명을 설명함에 있어, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나는 금속 평면이나 인체와 같은 열악한 환경의 영향을 가장 적게 받는, 빔 포밍을 위한 버틀러 매트릭스에 연결된 프린티드 다이폴의 얇은 AMC가 결합된 다이폴 배열 안테나를 제시한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나는 금속이나 인체 표면에 의해 전기적 성능이 열화되지 않는 새로운 프린티드 빔 포밍 다이폴 배열 안테나로서, 이것은 버틀러(Butler) 매트릭스 급전 네트워크에 의해 여기되는 각각의 프린티드 다이폴 요소의 아래에 얇은 인공자기도체(AMC)를 배치함으로써 가능하다.

프린티드 다이폴 안테나와 같은 선형 안테나는 인근 금속면이나 인체와 같은 부드러운 표면에 근접하여 배치되는 경우, 금속면이나 인체의 피부에 역위상의 전류가 발생되어 임피던스 부정합과 방사 특성이 열화되기 때문에, 다이폴 안테나가 정상적으로 동작하지 않는 문제점이 있고, 인체에 매우 근접한 경우에는 인체영향지수인 전자파 흡수율(SAR: Specific Absorption Rate)이 상승하는 문제점이 있다.

인공자기도체(AMC)는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 금속면과 같은 전기도체와는 달리 인공자기도체에 역위상이 아닌 동위상의 전류가 흘러 임피던스 정합을 향상시키고 방사 특성이 열화되는 것을 방지함으로써, 다이폴 안테나가 정상적으로 동작할 수 있도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍안테나에 의하면, 버틀러(Butler) 매트릭스 급전 네트워크에 의해 RF 신호가 공급되는 프린티드 다이폴 배열 안테나 요소의 아래에 얇은 인공자기도체(AMC)를 배치함으로써 인근 금속면이나 인체와 같은 부드러운 표면에 근접하게 배치되는 경우에도 임피던스 부정합이 발생하거나 방사 특성이 저하되는 것을 방지하고, 인간의 피부에 매우 근접한 경우에는 인체영향지수인 전자파 흡수율(SAR: Specific Absorption Rate)을 낮출 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서, 웨어러블 빔 포밍 장치에 이 방법을 적용하기 위해 2.4GHz가 작동 주파수로 설정된다. 전체 구조의 높이나 두께를 다른 AMC가 추가된 안테나와 달리 낮게 유지하는 것은 의미가 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나는 4개의 빔을 생성하고 안테나 기능은 PEC 표면 근처에서도 거의 동일하게 유지된다.

AMC 기반 다이폴 배열의 다중 빔과 안테나 특성은 넓은 금속 평면이 근처에 있을 때 전자기 시뮬레이션과 측정하여 확인된다. 확인 결과, 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나는 열악한 환경에 대한 취약성이 거의 없어 빔이 사라지지 않는다는 것을 보여준다.

도 1은 빔 포밍을 위해 버틀러 매트릭스를 사용하는 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 접근에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나를 도시한 도면으로서, 도 1a는 물리적 치수를 나타낸 도면, 도 1b는 제작된 AMC 기반 다이폴 배열 안테나, 도 1c는 반사 손실을 도시한 도면이다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 접근에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나(120)는, 인공자기도체(AMC: artificial magnetic conductor)와 결합된 프린티드 다이폴 배열 안테나(113), 및 상기 프린티드 다이폴 배열 안테나(113)에 연결되고, 다중 빔을 형성하기 위한 버틀러 매트릭스(112)를 포함한다.

상기 인공자기도체와 결합된 프린티드 다이폴 배열 안테나(113)는, 기판(109)의 상면에 형성된 프린티드 다이폴 배열 안테나(114), 및 상기 기판(109)의 하면에 형성되며 상기 기판(109)의 두께 방향으로 상기 프린티드 다이폴 배열 안테나(114)의 하부에 형성되는 복수의 인공자기도체 패턴부(104)를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 금속 접근에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나(120)는, 상기 기판(109)의 하면의 일부에 형성되고 금속 박막으로 이루어진 접지면(110)을 더 포함하고, 상기 복수의 인공자기도체 패턴부(104) 각각은, 상기 접지면(110)으로부터 확장된 금속 스트립(111)을 파내어 형성되며 서로 특정 거리만큼 이격되어 형성된 2개의 상보적 구조의 스플릿 링 상보형 공진기(CSRR: Complementary Split Ring Resonator, 106), 및 상기 확장된 금속 스트립(111)의 양측에 상기 각각의 상보적 구조의 스플릿 링 상보형 공진기(106)로부터 소정 거리 이격되어 형성된 6개의 스플릿 링 공진기(SRR: Split Ring Resonator, 108_1, 108_2)를 포함한다.

상기 프린티드 다이폴 배열 안테나(114)의 각각의 프린티드 다이폴 안테나(103) 요소마다 위상차가 180도가 나는 두 신호를 나누는 주 경로(115)와 부 경로(116)를 포함하는 발룬(100)을 포함하고, 상기 각각의 프린티드 다이폴 안테나(103)의 방사체(102)와 발룬(100)은 상기 프린티드 다이폴 안테나들(103)이 배열되는 방향과 수직한 방향으로 형성되며, 상기 각각의 프린티드 다이폴 안테나(103)의 발룬(100)은 90도로 구부러져 있고, 상기 각각의 발룬(100)은 상기 SRR(108_1, 108_2) 위를 통과하지 않도록 형성된다. 이 새로운 발룬은 AMC 및 배열 시 크기 축소에 적합하다.

상기 버틀러 매트릭스(112)는 빔 포밍 네트워크를 형성한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 접근에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나에 대해 상세히 설명하기로 한다.

인공자기도체 ( AMC ) 기반 다이폴 안테나의 요소 및 배열

얇은 AMC가 결합된 다이폴 안테나는 양호한 임피던스 정합과 안테나 이득을 달성하고 인간의 피부에 매우 근접한 경우에도 낮은 전자파 흡수율(SAR: Specific Absorption Rate)을 만든다. 이것은 본 발명에서 추구하고자 하는 배열 안테나의 빌딩 블록으로 채택될 예정이지만, 급전방식이 동축 케이블이기 때문에 기하학적 구조가 배열에 적용하기에는 부적절하다.

실제로, RF 전류를 동축 케이블을 통해 방사 소자에 제공하는 것이 가능하다. 그럼에도 불구하고, PCB 제조 공정에서 평면 방사 구조에 수직 부분을 갖는 것은 비효율적이며, 이는 평면 배열을 형성하는 관점에서 주기적으로 동축-피드 요소가 반복 배치되는 실현 단계를 악화시키고 어렵게 만든다. 즉, 방사 금속 패턴의 동일 평면상의 라인은 동축 피드보다 바람직하다.

다이폴에 급전선을 연결할 때 전송선 발룬이 필요하다. 주 경로(115) 및 180도 위상차가 나는 부 경로(116)로 구성된 발룬(100)은 프린티드 다이폴 안테나(103)의 아래에 있는 인공자기도체 패턴부(104)의 의도된 특성을 저해하지 않도록 세심하게 배치되어야 한다.

도 1a 및 도 2a를 참조하면, 프린티드 다이폴 배열 안테나(114)의 요소들인 프린티드 다이폴 안테나들(103)이 횡 방향으로 정렬되는 것으로 결정되면, 프린티드 다이폴 안테나(103)의 다이폴 방사체(102)와 발룬(100)은 배열 축에 수직해야 한다. 한편, 프린티드 다이폴 안테나(103)의 다이폴 방사체(102)와 발룬(100)이 배열 축에 수직하지 않은, 도 2b에 도시된 종래의 레이아웃은 지향성에서 비효율적이고 제조 시 비효율적이다.

도 2a에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 인접과 접촉에 강건한 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나(120)의 기하학 구조에 관해, 발룬(100)은 도 2b에 도시된 종래의 것과 대조적으로, 인공자기도체(AMC) 패턴부(104)와 관련하여 요소 안테나에 최소한의 영향을 미친다. 즉, 발룬(100)은 전체 안테나(120)의 동작 특성에 영향을 미치지 않도록 SRR(108_1, 108_2) 위를 통과하지 않도록 형성된다. 즉, 발룬(100)을 기판(109)의 두께 방향의 관점에서 SRR(108_1, 108_2)과 겹치지 않도록 형성함으로써 발룬(100)과 인공자기도체(AMC) 패턴부(104)는 서로 영향을 미치지 않는다.

90도로 구부러진 발룬(100)에 의해 급전되는 프린티드 다이폴 방사체(102)는 접지면(110)으로부터 연장된 금속 스트립(111)의 상부에 위치하며 프린티드 다이폴 방사체(102)와 접지면(110)으로부터 연장된 금속 스트립(111) 사이에는 기판(109)이 존재한다. 발룬(100)은 1㎜ 두께의 유전체 기판과 같은 FR4 기판(109) 상의 SRR(108_1, 108_2) 위를 통과하지 않도록 형성된다. 금속 스트립(111)에 형성된 CSRR(106)은 발룬(100)에 의해 방해받지 않는다.

발룬(100)의 주 경로(115)와 부 경로(116)의 90도 굽힘은 임피던스 매칭을 매우 어렵게 만들고 한 선으로 합쳐지기 전에 나선들, 즉 SRR(108_1, 108_2)과 CSSR(106)을 가로지르지 않도록 결정된 두 선들 사이의 작은 갭은 임피던스 매칭에 영향을 끼치기 때문에 기존의 발룬보다 설계 시 주의가 필요하다.

도 3을 참조하면, 기하학적 파라미터는 2.4㎓에서 공진을 위해 다음과 같이 결정된다. l₁, l₂ l₃ l₄ l₅, l₆, d₁, d₂, d₃, d₄, d₅, d₆, d₇, l_sub, w_sub, l_tot, w_tot, gap, w₁ 및 w₂는 각각 10, 15, 18, 24, 12, 12.2, 1, 15, 2.5, 20, 1, 5, 17.5, 83.2, 50, 240, 265, 65, 20 및 10이고 단위는 ㎜이다. 이러한 물리적 치수를 가지고, 요소 안테나는 도 4와 같은 주파수 응답을 제공한다.

도 4를 참조하면, 발룬(100)의 불연속성에도 불구하고, 임피던스는 도 4a에서와 같이 2.4 GHz를 목표로 하는 공진 주파수에서 정합된다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 전자기장(EM: Electromagnetic) 시뮬레이션 결과와 측정 결과는 매우 유사하다. 이는 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나가 잘 작동함을 의미한다. 도 4b에서 알 수 있듯이, 안테나 이득은 거의 2.5dBi이며 또한 넓은 빔이 획득되고 다음 단계에서 배열 합성에 적합하다. 도 4b의 검은 색 실선의 경우, EM 시뮬레이션 결과와 약간의 차이가 있지만, 2.4dBi의 피크 이득을 갖는 유사한 결과가 획득되었다. 이제 설계된 AMC 기반 다이폴 안테나가 빔 포밍 급전용 네트워크와 결합된다.

버틀러 매트릭스

본 발명의 일 실시예에서 빔 포밍을 위한 구조는 버틀러 매트릭스이다. 버틀러 매트릭스는 하이브리드 브랜치 라인 커플러, 크로스오버 커플러, 위상 천이기 및 하이브리드 브랜치 라인 커플러를 통한 빔 포밍을 가능하게 하기 때문에 빔 포밍 안테나에서 자주 사용되는 빔 포밍 네트워크이다. 본 발명의 일 실시예에서 사용된 버틀러 매트릭스는 도 5에서 볼 수 있다.

표 1은 각 입력 포트에 대해 측정된 전력 분배 및 위상 관계를 보여준다. 유전체의 손실 탄젠트가 0.02인 FR4 기판의 사용과 길이가 있는 전송선로의 분기구조라서 이상적인 경우와 측정된 결과 간에 차이가 있다. 그러나 동일한 전력이 전력 분배 측으로부터 출력되기 때문에 만족스러운 것으로 판단되며 위상 관계는 이상적인 버틀러 매트릭스에 의해 요구되는 값과 유사하다.

다시 도 1a를 참조하면, 단일 요소가 배열이 되도록 가로 방향으로 반복적으로 사용된다. 도 1a에서와 같이, AMC 기반 다이폴 안테나(113)는 배열로 형성되며 이전에 시도되지 않은 버틀러 매트릭스(112)에 의해 급전된다. 빔 포밍과 빔 조향의 기능이 점검될 것이다. 도 1b에서 시제품을 육안으로 확인하는 것이 가능하다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 측정된 반사 손실의 결과로서 목표 주파수 대역에서 -10 dB 미만의 결과를 얻었다.

도 6b는 안테나로부터의 빔들의 전자기 시뮬레이션된 원거리장 패턴이다. 도 6c는 측정된 빔 패턴이다. 두 경우 모두 4×4 버틀러 매트릭스와 같이 빔들의 수와 빔들의 모양이 잘 맞다. 작지만 발생하는 오차는 FR4 재료와 전송선로의 길이에 따른 손실 및 유전율의 비등방성에 기인한 것으로 추측된다.

이제, 본 발명의 일 실시예에 의한 안테나가 열악한 환경에 대한 강건성의 관점에서 테스트된다.

도 7a에서와 같이, 금속면(700)은 다이폴들(702)에 가깝게 놓여있다. 또한, 도 7b는 실제 측정 환경이다. 도 7c는 인공자기도체(AMC) 기반 다이폴 배열의 원거리장 패턴을 나타낸 것으로 도 1과 같이 4개의 빔들은 구별 가능하다. AMC는 안테나를 금속면의 존재에 대해서도 강건하게 한다.

그러나, 도 7d에 도시된 바와 같이, AMC가 없는 일반적인 다이폴 배열은 금속 평면에 의해 부정적으로 영향을 받는다. 도 7d에서는 네 개의 빔들이 사라진다. 이러한 열화는 광대역에 걸친 임피던스 불일치(S11 -4 dB 이상)를 수반한다. 따라서 안테나를 금속이나 인간의 피부에 대한 영향에 강하게 만들기 위해서는 AMC를 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예로서 가혹한 환경에 대해 둔감한 새로운 프린티드 빔 포밍 안테나가 제안되었다. 배열의 요소를 구현하기 위해 얇은 인공자기도체(AMC) 기반의 다이폴과 새로운 발룬이 제안되었다. 그리고 새로운 다이폴 요소 배열은 버틀러 매트릭스에 연결된다. 그 결과, 시뮬레이션과 측정에서 네 가지 방향으로 방사가 이루어진다. 또한, 상기한 안테나의 빔 포밍 및 빔 조향 기능은 근접하여 위치한 금속 평면의 존재 하에서 제시하는 장점들이 확인되었다. 이는 로우 프로파일 빔 포밍 웨어러블 안테나를 설계하는 데 도움이 된다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100 : 발룬 102 : 방사체
103 : 프린티드 다이폴 안테나 104 : 인공자기도체 패턴부
106 : CSRR 108_1, 108_2 : SRR
109 : 기판 110 : 접지면
111 : 확장된 금속 스트립 112 : 버틀러 매트릭스
113 : AMC 기반 다이폴 안테나 114 : 프린티드 다이폴 배열 안테나
115 : 주 경로 116 : 부 경로
120 : 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나
700 : 금속면 702 : 다이폴

Claims (5)

1. 인공자기도체(AMC: artificial magnetic conductor)와 결합된 프린티드 다이폴 배열 안테나; 및
   상기 프린티드 다이폴 배열 안테나에 연결되고, 다중 빔을 형성하기 위한 빔 포밍 네트워크를 포함하며,
   상기 인공자기도체와 결합된 프린티드 다이폴 배열 안테나는,
   기판의 일면에 형성된 프린티드 다이폴 배열 안테나; 및
   상기 기판의 타면에 형성되며 상기 기판의 두께 방향으로 상기 프린티드 다이폴 배열 안테나의 하부에 형성되는 복수의 인공자기도체 패턴부를 포함하고,
   상기 기판의 타면의 일부에 형성되고 금속 박막으로 이루어진 접지면을 더 포함하며,
   상기 복수의 인공자기도체 패턴부 각각은,
   상기 접지면으로부터 확장된 금속 스트립을 파내어 형성되며 서로 특정 거리만큼 이격되어 형성된 복수의 상보적 구조의 스플릿 링 상보형 공진기(CSRR: Complementary Split Ring Resonator); 및
   상기 접지면으로부터 확장된 금속 스트립의 양측에 상기 각각의 상보적 구조의 스플릿 링 상보형 공진기로부터 소정 거리 이격되어 형성된 복수의 스플릿 링 공진기(SRR: Split Ring Resonator)를 포함하고,
   상기 프린티드 다이폴 배열 안테나의 각각의 프린티드 다이폴 안테나는 위상차가 180도가 나는 두 신호를 나누는 주 경로와 부 경로를 포함하는 발룬을 포함하며,
   상기 각각의 프린티드 다이폴 안테나의 방사체와 발룬은 상기 프린티드 다이폴 안테나들이 배열되는 방향과 수직한 방향으로 형성되고,
   상기 프린티드 다이폴 안테나 각각의 발룬은 90도로 구부러져 있으며,
   상기 각각의 발룬은 상기 SRR 위를 통과하지 않도록 형성되는, 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 빔 포밍 네트워크는 버틀러 매트릭스에 기반한 빔 포밍 네트워크 또는 위상배열 급전 구조를 포함하는, 금속 인접과 접촉에 강건한 얇은 인공자기도체 기반 빔 포밍 안테나.

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