KR102319398B1 - 비-포스터 매칭 회로를 이용한 vhf 대역 crlh 전송선 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비-포스터 매칭 회로를 이용하여 VHF 대역에서 이용 가능한 CRLH 전송선 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나는, 음의 임피던스를 발생시키는 비 포스터 매칭 회로, LH(Left-Handed) 전송선과 RH(Right Handed) 전송선이 공존하는 CRLH(Composite Right/Left-Handed) 전송선 및 상기 비 포스터 매칭 회로와 CRLH 전송선 사이에 구비되는 저항을 포함한다.

Description

비-포스터 매칭 회로를 이용한 VHF 대역 CRLH 전송선 안테나{VHF band CRLH transmission line antenna using non-Foster matching circuits}

본 발명은 CRLH 전송선 안테나에 관한 것으로, 구체적으로 비-포스터 매칭 회로를 이용하여 VHF 대역에서 이용 가능한 CRLH 전송선 안테나에 관한 것이다.

VHF(Very High Frequency, 30-300MHz, 초단파) 안테나는 주로 파장의 1/4의 크기를 가지는 모노폴 안테나가 사용된다. 군용 통신 안테나 중 VHF 대역을 사용하는 안테나는 주로 모노폴 안테나, 다이폴 안테나 또는 휩 안테나가 있다.

모노폴 안테나는 제작 및 설계가 용이한 대신 크기가 파장에 비례하기 때문에 수십 cm~ 수 m로 물리적인 한계를 갖는다. 또한, 안테나는 그 물리적 크기가 파장에 비례하기 때문에 VHF 대역에서는 그 물리적 크기가 수 m에 달하기 때문에 산악지형이 많은 국내 특성상 기동성에 제약이 있다.

종래에는, VHF 대역 안테나의 물리적 크기를 감소시키기 위해 CRLH 전송선을 사용하였다.

CRLH 전송선은 메타 물질의 한 종류로, 최근 전송선의 소형화 또는 안테나의 소형화에 이용되고 있다. 메타물질이란 자연에서 존재하지 않는 특성을 가진 물질을 의미한다.

CRLH 전송선은 베타가 0이 되는 0차 공진점을 기준으로, 자연에서 존재하는 양의 유전율과 투자율을 가지는 RH 전송선과 자연에서 존재하지 않는 음의 유전율과 투자율을 가지는 LH 전송선이 함께 존재하는 전송선이다. 특정 주파수를 기준으로 저주파수에서는 LH 특성을 가지며 고주파에서는 RH 특성을 가진다.

0차 공진점 이하에서는 LH, 0차 공진점 이상에서는 RH로 동작하며 이 0차 공진점을 이용하여 파장에 무관하게 안테나의 크기를 조절 할 수 있다.

이러한 이점을 통해 안테나 소형화를 이룰 수 있으며, 주로 GHz 대역에서 사용된다.

그러나, 낮은 주파수인 VHF 대역에서는 설계 기술이 제대로 확립되지 않은 문제점이 있다. 또한, 안테나의 이득은 크기에 비례하게 되는데 CRLH를 이용하여 안테나를 소형화 하게 되면 이득이 감소하게 되어 수신 전력이 감소하는 문제점이 있다.

즉, 종래의 CRLH 전송선 안테나의 경우 소형화에 유리한 특성이 있는 반면 대역폭이 좁은 단점이 있다. 이러한 협대역 특성을 극복하기 위한 안테나 대역폭 확장이 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 메타 물질 중 CRLH(Composite right/left-handed) 전송선을 이용하여 VHF(Very High Frequency, 30-300MHz, 초단파) 대역 안테나를 소형화하면서, 대역폭 광대역화 및 수신 전력 개선이 개선된 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나는, 음의 임피던스를 발생시키는 비 포스터 매칭 회로, LH(Left-Handed) 전송선과 RH(Right Handed) 전송선이 공존하는 CRLH(Composite Right/Left-Handed) 전송선 및 상기 비 포스터 매칭 회로와 CRLH 전송선 사이에 구비되는 저항을 포함한다.

실시 예에 있어서, 상기 비 포스터 매칭 회로, CRLH 전송선 및 저항은 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 비 포스터 매칭 회로는, 트랜지스터를 포함하고, 상기 트랜지스터의 게이트 단과 소스 단이 교차 쌍 결합되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 비 포스터 매칭 회로에는 부하가 직렬로 연결되며,상기 부하의 입력 임피던스의 크기는 비 포스터 매칭 회로의 입력 임피던스의 크기보다 큰 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 비 포스터 매칭 회로는, 두 개의 트렌지스터를 포함하고, 상기 두 개의 트랜지스터의 게이트 단과 드레인 단을 교차 쌍 결합한 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 CRLH 전송선은, 복수의 유닛셀로 형성되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 유닛셀은, 직렬 인덕턴스 및 병렬 커패시터로 형성된 RH 전송선 및 직렬 커패시턴스 및 병렬 인덕턴스로 형성된 LH 전송선을 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 유닛셀은, 인터디지털 커패시터 및 스파이럴 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 스파이럴 인덕터는, 비아를 통해 접지면과 연결되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 복수의 유닛셀은 적어도 두 개 이상이며, 직렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 CRLH 전송선은, 주파수가 낮아질수록 직렬 커패시턴스 성분에 의해 입력 리액턴스(input reactance)가 음의 값으로 증가하고, 상기 비 포스터 매칭 회로는, 음의 커패시턴스를 발생시켜 상기 CRLH 전송선의 음의 입력 리액턴스를 상쇄시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, CRLH 전송선의 0차 공진 특성을 이용하여 공진점을 이동하여 안테나를 소형화 하면서, 비 포스터회로와 매칭 가능한 입력 임피던스를 가지도록 설계하면서 트랜지스터를 교차 쌍 결합하여 설계된 비 포스터 회로를 사용하여 안테나의 대역폭을 향상시킬 수 있다.

도 1은 포스터 임피던스 매칭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 비-포스터 임피터스 매칭을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 Op-amp 기반 비-포스터 회로를 나타낸 회로도이다.
도 4는 트렌지스터 기반 비-포스터 회로를 나타낸 회로도이다.
도 5는 Linvill의 비-포스터 등가 회로이다.
도 6은 CRLH 전송선 유닛셀의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3개의 CRLH 전송선 유닛셀로 구성된 안테나의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 8은 CRLH 전송선 기반 안테나 설계 순서도이다.
도 9는 인터디지털 커패시터와 스파이럴 인덕터를 사용한 CRLH 전송선 유닛셀을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3개의 CRLH 전송선 유닛셀로 구성된 안테나를 나타낸 도면이다.
도 11은 CRLH 전송선 안테나 입력 임피던스를 나타낸 그래프이다.
도 12는 CRLH 전송선 안테나 커패시턴스를 나타낸 표이다.
도 13은 본 발명에 따른 CRLH 전송선 기반 안테나의 대역폭 증가를 위해 설계된 비-포스터 회로의 등가 회로이다.
도 14는 도 13에서 살펴본 비 포스터 회로의 소자값을 나타낸 표이다.
도 15는 비 포스터 회로가 결합된 CRLH 전송선 기반 안테나를 나타낸 도면이다.
도 16은 안테나의 수신전력 측정 환경을 나타낸 도면이다.
도 17은 안테나 반사 손실 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18을 안테나 수신 전력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 계산된 안테나 이득을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며,본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 비-포스터 매칭 회로를 이용한 VHF 대역 CRLH 전송선 안테나(이하, "안테나"로 명명함)는, 안테나의 크기를 소형화하면서도 넓은 대역폭 특성을 가지기 위해, 비-포스터 매칭 회로(Non-Foster matching circuits)(이하, "비-포스터 회로"로도 명명하기로 함)를 이용할 수 있다.

비-포스터는 음의 커패시턴스 혹은 음의 임피던스를 발생시켜 넓은 대역폭에서 수동소자를 임피던스 매칭할 수 있는 회로이다. 비 포스터의 이러한 특성을 활용하여 본 발명은 광대역 안테나 매칭을 할 수 있다. CRLH 전송선의 경우 특정 주파수에서 전파상수가 0이 되는 0차 공진 특성을 가지며 0차 공진 주파수에서 파장에 무관한 크기의 안테나 설계가 가능하다. 이러한 특성을 활용하여 안테나를 소형화 할 수 있다.

이하에서는, 비 포스터 회로에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

비 포스터 회로는 일반적인 회로 및 소자와 달리 음의 임피던스를 발생시키는 회로이다.

자연적으로 존재하는 임피던스는 모두 포스터의 리액턴스 이론을 따른다. 포스터의 리액턴스 이론에 따르면 단일 포트를 가지는 수동 소자의 경우 주파수가 증가함에 따라 리액턴스가 증가하게 된다. 특히, 소형 안테나의 경우 주파수에 따른 임피던스 변화량이 큰 수동소자의 경우 기존의 임피던스 매칭 방법인 LC등 수동소자를 사용한 매칭시 매우 좁은 대역폭에서 임피던스 매칭이 된다.

반면, 비 포스터 회로를 사용할 경우 전통적인 LC매칭 등 수동소자를 이용한 임피던스 매칭 방법과 달리 매칭시킬 수동소자의 리액턴스와 리액턴스 기울기가 반대이기 때문에 특정 주파수가 아닌 넓은 대역에 걸쳐 임피던스 매칭이 가능하다.

도 1은 좁은 대역의 임피던스 매칭인 포스터 임피던스 매칭을 나타낸 그래프이며, 도 2는 넓은 대역의 임피던스 매칭인 비 포스터 임피던스 매칭을 나타낸 그래프이다.

비 포스터 회로는 일반적으로, op-amp를 사용하여 설계하는 방법과 트랜지스터를 사용하여 설계하는 두 가지 방법이 있다. 도 3은 Op-amp 기반 비-포스터 회로를 나타낸 회로도이며, 도 4는 트렌지스터 기반 비-포스터 회로를 나타낸 회로도이다.

두 방법은 사용되는 능동소자에 차이가 있으나 결과적으로 임피던스 변환기라는 공통점을 가진다. Op-amp를 사용한 회로의 경우 기생 성분을 조절하기 용이하며 제작이 간단하지만 설계 자유도가 제한적이며 대역폭이 50 MHz 미만이라는 단점이 있다.

반면 트랜지스터를 사용한 비 포스터 회로의 경우 설계 자유도가 높으며 대역폭이 100 MHz 이상이지만 기생 성분을 조절하기 어렵기 때문에 안정도 확보에 유의해야 하며 제작이 간단하지 않은 단점이 있다.

본 발명에서는 50 MHz 이상의 넓은 대역에서의 매칭을 위해 트랜지스터를 사용한 비 포스터 회로가 이용될 수 있다. 일 예로, 본 발명에서 사용되는 트랜지스터를 사용한 비포스터 회로는, 도 5에 도시된 것과 같이, Linvill의 비 포스터 회로의 등가 회로일 수 있다.

비 포스터 회로는 회로에서 양성 피드백이 발생할 가능성이 있기 때문에 항상 잠재적인 불안정성을 가지고 있다. 따라서 비 포스터 회로 설계에서는 안정성을 확인하는 것이 중요하다.

비 포스터 회로 안정성 조건은 연결된 부하의 종류에 따라 결정되며 회로를 단락시킬 경우 콜렉터 부분의 포트 부분이 안정되며 이를 단락 회로 안정조건(Short Circuit Stable)이라 한다.

단락 회로 안정 조건을 만족시키기 위해서는 설계시 반면 회로를 개방시킬 경우 에미터 포트 부분의 임피던스가 안정되며 이를 개방 회로 안정조건(Open Circuit Stable) 두 가지 안정 조건이 있다.

비 포스터의 회로의 단락 회로 안정조건을 만족하기 위해서는 트랜지스터의 게이트 단과 소스 단이 교차 쌍 결합이 되어야 한다. 또한 비 포스터 회로에 연결된 부하가 병렬로 연결되며 비 포스터 회로에 연결된 부하의 입력 임피던스의 크기가 비 포스터 회로의 입력 임피던스보다 작아야 한다.

반면 비 포스터 회로의 개방 회로 안정조건을 만족하기 위해서는 트랜지스터의 게이트 단과 드레인 단이 교차 쌍 결합이 되어야 한다.

또한, 비 포스터 회로에 연결된 부하가 직렬로 연결되며 부하의 입력 임피던스의 크기가 비 포스터 회로의 입력 임피던스의 크기보다 커야 한다.

본 발명에서는 비 포스터 회로가 설계된 안테나와 직렬로 연결될 수 있도록 개방 회로 안정 조건을 만족 하는 비 포스터 회로를 설계하였다.

이하에서는, CRLH 전송선에 대하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

CRLH 전송선이란 메타 물질의 일종으로 자연적으로 존재하는 RH 전송선과 인공적으로 삽입된 LH 전송선이 결합된 형태의 전송선이다. CRLH 전송선의 등가회로는 도 6과 같다.

RH 전송선의 경우 직렬 인덕턴스(L_R)와 병렬 커패시터(C_R)로 이루어져 있으며 LH 전송선의 경우 직렬 커패시턴스(C_L)와 병렬 인덕턴스(L_L)로 이루어져 있다.

인위적으로 C_L과 L_L으로만 구현할 경우, C_L구조에서는 magnetic fluxes가 흐르게 되고 이로 인해 직렬 인덕턴스인 L_R이 생기게 된다. 또한 유전체 상부의 도체와 하부의 접지면 사이의 전압 차로 인해 병렬 커패시턴스인 C_R이 생기게 된다.

따라서 순수한 LH 전송선은 그 구현이 불가능하다. 이러한 특성으로 인해 LH 전송선과 RH 전송선이 공존하는 전송선을 CRLH 전송선(Composite Right/Left-Handed Transmission Line)이라 한다.

CRLH 전송선은, 도 7과 같이, 유닛셀(Unit Cell, 단위셀)을 주기적으로 배열함으로써 CRLH 전송선 특성을 구현하게 된다. 유닛셀의 크기가 파장(λg)에 비해 매우 작을 경우 (unit cell size p ≪ λg) 유효 균질(effectively homogeneous) 상태가 되어 전파의 입장에서 균질하게 보이게 된다.

CRLH 전송선의 경우 주파수에 따라서 LH 전송선의 특성과 RH 전송선의 특징이 함께 나타나게 된다.

CRLH 전송선의 경우 전파상수가 0이 되는 주파수 (transition frequency)와 전파상수가 음이 되는 주파수 (LH range)를 가진다.

특히, 전파상수가 0이 될 경우 전송선의 물리적 길이가 파장에 무관하게 되며 이러한 공진을 0차 공진이라 일컫는다.

0차 공진점에서의 공진 주파수는 물리적 길이가 아닌 CRLH 전송선의 커패시턴스와 인덕턴스에 의해서 결정된다.

이러한 0차 공진 특성을 이용하여, 본 발명은 전송선의 인덕턴스와 커패시턴스를 조정하여 파장에 무관한, 소형화된 전송선을 설계할 수 있다.

본 발명에 따르면 CRLH 전송선 유닛셀 설계 하였으며 설계된 유닛셀을 기반으로 CRLH 전송선 기반 안테나를 설계할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, CRLH 전송선의 0차 공진을 이용하여 비 포스터 회로와 매칭될 수 있는 임피던스를 가지는 안테나를 설계할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 안테나의 대역폭을 확장시킬 비 포스터 회로를 설계할 수 있다.

도 8은 CRLH 전송선 기반 안테나 설계 순서도이다.

CRLH 전송선 기반 안테나를 설계하기 위해서는 CRLH 전송선 유닛셀을 설계해야 한다. 직렬 커패시턴스(C_L)와 병렬 인덕턴스(L_L)를 설계를 통해 인위적으로 구현한 후 파라미터를 조절하여 C_R과 L_R의 값을 조절한다. 시뮬레이션에서 반사 손실을 통해 전송선의 0차 공진점을 확인하며 유닛셀 파라미터의 최적화를 통해 원하는 0차 공진점에서 공진하도록 설계한다.

이후 설계된 유닛셀을 배열하여 CRLH 전송선 특성을 구현한다. 유닛셀을 배열할 경우 전송선 특성으로 인해 안테나 입력 임피던스가 달라지게 되며 임피던스 매칭을 함으로써 CRLH 전송선 기반 안테나를 설계하게 된다.

도 9는 설계된 CRLH 전송선의 유닛셀을 나타낸다. 본 발명에서는 직렬 커패시턴스를 구현하기 위하여 도 9의 우측 상단에 도시된 것과 같이, 인터디지털 커패시터를 사용하였으며 병렬 인덕턴스를 구현하기 위해, 도 9의 우측 하단에 도시된 것과 같이, 비아를 통해 접지면과 연결된 스파이럴 인덕터를 사용하였다.

본 발명은 CRLH(Composite right/left-handed) 전송선이 갖는 0차 공진 특성을 이용하여 안테나가 파장에 무관한 물리적 크기를 가질 수 있다. 주로 기가헤르쯔(GHz) 대역에서 사용되는 CRLH 전송선의 0차 공진 특성을 VHF(MHz) 대역으로 낮추기 위해 손가락 모양의 인터디지탈 커패시터(IDC)와 나선형 모양의 스파이럴 인턱터를 사용하였고 비-포스터와의 임피던스 정합을 위하여 피드 라인 부분에 저항을 삽입한 것을 특징으로 한다.

안테나의 소형화로 인해 방사 면적의 감소로 안테나의 이득이 감소하게 된다. CRLH 안테나도 이에 해당되므로 이득 저하가 발생하는데, 비-포스터 회로를 입력단에 연결하여 안테나가 가지고 있는 커패시턴스를 비-포스터가 갖는 음의 커패시턴스로 상쇄시켜줌으로서 광대역 정합이 가능하고 이를 통해 대역폭 증가 및 수신 전력을 개선하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 경우, 인터디지털 커패시터의 경우 핑거의 개수나 그 길이를 조절함으로써 직렬 커패시턴스를 조절할 수 있다. 스파이럴 인덕터의 경우 같은 공간 내에서 큰 인덕턴스를 가지도록 설계하기 용이하다.

이러한 방법으로 설계된 유닛셀을 이용하여, 본 발명에서는 CRLH 전송선 기반 안테나를 설계할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나는, 도 10에 도시된 것과 같이, 유닛셀을 주기적으로 배열함으로써 CRLH 전송선 특성을 구현하였으며 0차 공진 특성을 이용해 물리적 크기에 무관한 공진 주파수를 가짐으로써 안테나를 소형화 하였다.

앞서 설명한 바와 같이, CRLH 전송선의 0차 공진 주파수는 커패시턴스와 인덕턴스에 의해 정해진다.

CRLH 전송선의 끝단이 개방인 경우 공진 주파수는 병렬 성분인 L_L과 C_R에 의해 결정된다.

도 10은 설계된 CRLH 전송선 안테나의 형상이다. CRLH 전송선 특성을 구현하기 위해서는 최소 2개 이상의 유닛셀을 사용하여야 하며 본 발명에서는 3개의 유닛셀을 사용하였다.

안테나의 크기는 최소 동작 주파수(139.9MHz) 기준으로 0.014 λ × 0.01 λ × 0.0007 λ(314 × 237 × 16 ㎣)일 수 있다.

본 발명의 안테나는, 비 포스터 회로와의 매칭을 위해 입력 임피던스를 50Ω으로 조정하기 위해 안테나 급전부에 저항을 추가하였다. 상기 저항은, 일 예로, 50 Ω 칩 저항일 수 있다.

본 발명에서는 CRLH 전송선 안테나를 단독으로 사용하는 것이 아닌 비 포스터 회로를 결합한 구조이기 때문에 안테나의 입력 임피던스를 비 포스터 회로와 결합 가능하도록 설계해야 한다.

구체적으로, CRLH 전송선 안테나는 주파수가 낮아질수록 직렬 커패시턴스 성분에 의해 입력 리액턴스가 음의 값으로 커지게 된다. 비 포스터 회로는 음의 커패시턴스를 발생시켜 안테나의 음의 입력 리액턴스(input reactance)를 상쇄함으로써 안테나 동작 대역폭을 향상시킬 수 있다.

비 포스터는 목표 동작 대역폭에 걸쳐 일정한 음의 커패시턴스를 가지기 때문에 CRLH 전송선 안테나의 대역폭 향상을 위해서는 목표 주파수 대역에 걸쳐 안테나 입력 레지스턴스(input resistance)를 약 30 ~ 70 Ω으로 유지해야 하며 안테나 입력 리액턴스 값의 주파수에 따른 기울기, 즉 커패시턴스를 일정하게 유지해야 한다.

도 11은 CRLH 전송선 안테나 입력 임피던스를 나타낸 그래프이고, 도 12는 CRLH 전송선 안테나 커패시턴스를 나타낸 표이다.

도 11을 참조하면, CRLH 전송선의 입력 임피던스 특성을 보면 0차 공진주파수에서 저주파수로 갈수록 커패시턴스가 일정하게 유지된다.

따라서 본 발명에서는 CRLH 전송선의 0차 공진을 이용하여 안테나의 공진 주파수를 목표주파수 대역보다 고주파로 이동시켜 목표 주파수인 VHF 대역에서 일정한 커패시턴스를 가지도록 설계하였다.

도 11은 CRLH 전송선 안테나의 입력 임피던스이다. 시뮬레이션은 Ansys 社의 HFSS를 통해 진행되었다.

도 12는 목표 주파수인 VHF대역에서 변환된 안테나 커패시턴스이다. 확인 결과 126 ~ 186 MHz에서 9 ~ 12 pF의 일정한 커패시턴스를 가지는 것을 확인할 수 있었다.

도 13은 본 발명에 따른 CRLH 전송선 기반 안테나의 대역폭 증가를 위해 설계된 비-포스터 회로의 등가 회로이고, 도 14는 도 13에서 살펴본 비 포스터 회로의 소자값을 나타낸 표이다.

본 발명에서는 설계된 CRLH 전송선 기반 안테나와 직렬로 결합하기 위해 개방 회로 안정조건을 만족하는 비 포스터 회로를 설계하였다.

두 개의 트랜지스터의 게이트 단과 드레인 단을 교차 쌍 결합하였다. 비 포스터 회로 소자값의 최적화를 위해 회로 시뮬레이터인 Agilent社의 ADS2009를 사용하였다. 시뮬레이션의 정확도와 광대역에서의 비 포스터 회로 특성 유지를 위해 50 MHz ~ 65 GHz의 동작 주파수를 가지며 내부의 기생 성분을 고려한 Avego社의 ATF-53189 트랜지스터를 사용하였다.

비 포스터 회로의 음의 커패시턴스 특성을 구현하면서도 회로의 안정도를 확보하기 위해서는 바이어스 회로와 소스의 인덕터에 매우 큰 값이 요구된다.

그러나 인덕터는 그 값이 커질수록 자기공진주파수(SRF)가 낮아지기 때문에 동작 주파수에 제한이 생겨 넓은 대역에서의 매칭 특성을 구현하기 어려워진다.

이를 해결하기 위해 회로에 낮은 값을 가지는 인덕터를 사용하면서 동시에 저항을 추가하였다. 저항의 추가로 인해 바이어스의 전압이 증가하게 되는 반면 넓은 대역의 매칭 특성을 얻을 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화된 비 포스터 회로의 소자값을 나타낸 것일 뿐 이에 한정되지 않음에 유의하여야 한다.

도 15는 비 포스터 회로가 결합된 CRLH 전송선 기반 안테나를 나타낸 도면이고, 도 16은 안테나의 수신전력 측정 환경을 나타낸 도면이다.

본 발명에서는, SMA 커넥터를 이용하여 제작된 CRLH 전송선 기반 안테나와 비 포스터 회로를 직렬로 연결하였다.

원거리장 조건을 만족하기 위해 최소 동작 주파수(139.9 MHz)의 파장(214 m)의 4배 이상인 10 m 거리를 두고 측정하였다.

송신 안테나로 모노폴 안테나를 사용하였으며 시그널 제너레이터를 사용하여 전력을 송신하였다.

수신단에서 스펙트럼 애널라이저를 통해 비 포스터 회로가 결합된 CRLH 전송선 기반 안테나의 수신 전력을 측정하였다.

도 17은 안테나 반사 손실 측정 결과이다.

그래프를 보면 비 포스터 회로를 적용하였을 경우 임피던스 매칭으로 인해 1399 ~ 2928 MHz 대역에서 -10 dB 이하의 반사손실을 보이는 것을 확인하였다.

제작된 안테나는 소부대용 VHF-FM 무전기의 동작 주파수인 155 ~ 162 MHz를 포함하는 광대역 특성을 가진다.

도 18을 안테나 수신 전력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

비 포스터 회로를 적용하여 임피던스 매칭이 되었기 때문에 수신 전력이 향상되었으며, 비 포스터 회로 적용 전과 후의 수신 전력을 비교했을 때 120 ~ 300 MHz에 걸쳐 평균 2564 dB의 수신전력 개선비를 보였다.

또한 프리스 공식을 이용하여 안테나 이득을 계산하였으며 계산 결과, 도 19에 도시된 것과 같이, 군용 VHF 대역인 155 ~ 162 MHz에서 -308 ~ -483 dBi의 이득을 보였다.

군용 VHF 안테나의 경우 기지국의 파워가 수 kW이상이기 때문에 안테나의 이득이 -20 dBi 이하로 매우 작은 경우에도 동작할 수 있다.

위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 비 포스터 회로를 사용하여 광대역 임피던스 매칭된 CRLH 전송선 기반 VHF 대역 안테나를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 안테나는, CRLH 전송선의 0차 공진 특성을 이용하여 공진점을 이동하여 안테나를 소형화 하면서도, 비 포스터회로와 매칭 가능한 입력 임피던스를 가지도록 설계하였으며 트랜지스터를 교차 쌍 결합하여 설계된 비 포스터 회로를 사용하여 안테나의 대역폭을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 CRLH 전송선 기반 안테나와 비 포스터 회로를 제작 및 결합하여 반사계수 및 수신 전력을 측정한 결과, 반사계수 측정 결과 반사계수 측정 결과 126.4 ~ 256 MHz에서 -10dB 이하의 반사손실을 가지는 것을 확인했으며, 수신전력 측정 결과 비 포스터 적용 전후를 비교하였을 때 120 ~ 300 MHz에서 평균 25.64 dB의 수신전력 향상을 확인할 수 있었다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나는, CRLH 전송선 유닛셀을 구성하는 직렬 커패시터를 인터디지털 커패시터로 구현하고, 병렬 인덕터를 스파이럴 인덕터로 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 유닛셀의 길이는, 사용 파장의 3/100 이하일 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 설계된 안테나는, 공진 주파수가 VHF 대역 139MHz~293 MHz 사이에 존재할 수 있다.

또한, 본 발명의 안테나는, CRLH 전송선 유닛셀을 1차원으로 직렬로 배열하고, 비-포스터 회로를 연결할 수 있다.

이 때, 본 발명의 안테나는, 비-포스터 회로와의 매칭을 위해 피드 라인에 저항을 삽입하여 임피던스 정합을 할 수 있다.

본 발명에 따르면, CRLH 전송선의 0차 공진 특성을 이용하여 공진점을 이동하여 안테나를 소형화 하면서, 비 포스터회로와 매칭 가능한 입력 임피던스를 가지도록 설계하면서 트랜지스터를 교차 쌍 결합하여 설계된 비 포스터 회로를 사용하여 안테나의 대역폭을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의범위에 포함된다.

Claims (11)

1. 음의 임피던스를 발생시키는 비 포스터 매칭 회로;
   LH(Left-Handed) 전송선과 RH(Right Handed) 전송선이 공존하는 CRLH(Composite Right/Left-Handed) 전송선; 및
   상기 비 포스터 매칭 회로와 CRLH 전송선 사이에 구비되는 저항을 포함하고,
   상기 CRLH 전송선은, 주파수가 낮아질수록 직렬 커패시턴스 성분에 의해 입력 리액턴스(input reactance)가 음의 값으로 증가하고,
   상기 비 포스터 매칭 회로는, 음의 커패시턴스를 발생시켜 상기 CRLH 전송선의 음의 입력 리액턴스를 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 비 포스터 매칭 회로, CRLH 전송선 및 저항은 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 비 포스터 매칭 회로는, 트랜지스터를 포함하고,
   상기 트랜지스터의 게이트 단과 소스 단이 교차 쌍 결합되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 비 포스터 매칭 회로에는 부하가 직렬로 연결되며,
   상기 부하의 입력 임피던스의 크기는 비 포스터 매칭 회로의 입력 임피던스의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 비 포스터 매칭 회로는, 두 개의 트렌지스터를 포함하고,
   상기 두 개의 트랜지스터의 게이트 단과 드레인 단을 교차 쌍 결합한 것을 특징으로 하는 안테나.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 CRLH 전송선은,
   복수의 유닛셀로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 유닛셀은,
   직렬 인덕턴스 및 병렬 커패시터로 형성된 RH 전송선 및
   직렬 커패시턴스 및 병렬 인덕턴스로 형성된 LH 전송선을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 유닛셀은,
   인터디지털 커패시터 및 스파이럴 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 스파이럴 인덕터는, 비아를 통해 접지면과 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 유닛셀은 적어도 두 개 이상이며, 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나.
11. 삭제

Images