KR102378043B1 - 메타-안테나 - Google Patents

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KR102378043B1
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더블유. 다니엘 조지
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Abstract

작고, 저렴하고, 인쇄 가능한 메타-안테나 시스템이 개시된다. 기존의 안테나들 보다 작은 것 이외에도, 메타-안테나는 전방향성이며, 보다 넓은 이득 기능과 더 나은 효율을 가지므로 기존의 안테나들에 비해 향상된다. 일부 실시 예들은 루프 형상의 주 요소 및 주 요소에 의해 둘러싸인 두 개의 기생 요소들을 포함한다. 각각의 기생 요소는 개구를 갖는 루프로서 형성될 수 있다. 두 개의 기생 요소들의 개구들은 각각 메인 요소의 대향 측면들에 인접하여 위치될 수 있다.

Description

메타-안테나{META-ANTENNA}
본 개시는 안테나 설계에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 넓은 임피던스 대역폭 및 거의 일정한 이득을 갖는 작고, 값 싸고, 전방향성(omni-directional)이며, 인쇄 가능한 메타-안테나에 관한 것이다.
무선 통신은 모바일 컴퓨팅 기술의 핵심 구성 요소이다. 웹 브라우징, 스트리밍 및 기타 형태의 데이터 소비와 같은 네트워크 어플리케이션들이 점점 모바일 장치들로 이동하고 있다. 또한, 사물 인터넷(Internet of Things, IoT)의 지속적인 성장은 더욱 진보된 무선 통신 기술에 대한 요구를 더욱 자극한다.
다양한 무선 통신 기술 중에서도, 안테나 설계는 여전히 중요한 부분으로 남아 있다. 모바일 장치에 사용되는 많은 안테나는 다이폴(dipole) 또는 PIFA(planar inverted-F antenna) 설계를 기반으로 하고 있으며, 이들은 여러 가지 단점을 갖는다. 일반적으로, 특히 진폭이 신호의 핵심 부분인 직교 진폭 변조(quadrature amplitude modulation, QAM)에 기반한 디지털 통신에서, 다이폴 안테나는 종종 안테나의 크기가 전송 주파수에 대응하는 파장의 약 절반인 것이 요구된다. 이러한 안테나는 성능 저하 없이 많은 어플리케이션에서 사용하기에는 너무 클 수 있다. 또한, 다이폴-기반 안테나는 일반적으로 좁은 임피던스 대역폭, 예를 들어 목표 주파수의 약 10 %의 대역폭을 갖는다. 결과적으로 이러한 안테나들은 광 대역폭 어플리케이션에 쉽게 적용할 수 없으며 다양한 환경에서 사용되는 경우 성능 저하를 겪을 수 있다. 또한, 종래의 안테나들은 의도된 용도에 대한 이상적인 지향성을 갖지 않을 수도 있다.
여기에 개시된 일 실시 예는 안테나를 제공한다. 이 안테나는 루프 형상의 주 요소와 주 요소로 둘러싸인 두 개의 기생 요소들을 포함한다. 각 기생 요소는 개구를 갖는 루프 형상이다. 두 개의 기생 요소들의 개구들은 각각 주 요소의 대향 측면들에 인접하여 위치한다.
이 실시 예의 변형 예에서, 주 요소는 실질적으로 직사각형 형상을 갖는다.
이 실시 예에 대한 변형 예에서, 주 요소의 긴 에지는 실질적으로 원하는 전송 파장의 1/4과 동일하다.
이 실시 예에 대한 변형 예에서, 주 요소의 짧은 에지는 실질적으로 원하는 전송 파장의 1/8과 동일하다.
이 실시 예에 대한 변형 예에서, 주 요소는 공급 포인트로 작용하는 개구를 포함한다. 주 요소의 개구는 주 요소의 긴 에지의 대략 중간 지점에 위치한다.
이 실시 예에 대한 변형 예에서, 안테나는 대략 100 옴의 공칭 임피던스를 갖는다.
이 실시 예에 대한 변형 예에서, 주 요소 및 기생 요소들은 표면 상에 인쇄된 도전성 잉크를 포함한다.
이 실시 예에 대한 변형 예에서, 주 요소 및 기생 요소들은 기판 상에 증착된 금속 트레이스들을 포함한다.
이 실시 예에 대한 변형 예에서, 주 요소는 차동 RF 신호에 의해 직접 구동되도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타-안테나 시스템의 예시적인 기하 구조를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 메타-안테나 시스템의 다른 예시적인 기하 구조를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 메타-안테나 시스템의 또 다른 예시적인 기하 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타-안테나 시스템에서 순시 전류 흐름을 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 예시적인 메타-안테나 방사 패턴을 도시하는 2-차원 다이어그램을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 예시적인 메타-안테나 방사 패턴을 나타내는 3-차원 투시 다이어그램을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 몇몇 대역들을 커버하는 예시적인 리턴 손실 스펙트럼을 도시한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 벽에 장착된 동안의 메타-안테나 시스템의 동작을 도시한다.
도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 상이한 두께 및 재료의 벽의 환경에서 동작하는 동안의 메타-안테나 시스템의 견고함을 도시한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타-안테나 시스템을 이용하는 예시적인 장치를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타-안테나를 이용하는 다중-입력 및 다중-출력(MIMO) 시스템을 도시한다.
도 7c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 어레이 시스템 내에서 메타-안테나들을 사용하는 것을 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 예시적인 네트워크 내의 메타-안테나 시스템의 동작을 도시한다.
도면들에서, 동일한 참조 번호들은 동일한 도면 요소들을 나타낸다.
다음의 설명은 임의의 당업자가 실시 예들을 제작하고 사용할 수 있도록 제시되며, 특정 어플리케이션 및 그 요구 사항의 맥락에서 제공된다. 개시된 실시 예들에 대한 다양한 변형들이 당업자에게 용이하게 명백 할 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 실시 예들 및 어플리케이션들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 개시된 실시 예들로 제한되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른다.
본 발명의 실시 예들은 도전성 잉크로 기판 상에 인쇄 가능한 작고 저렴한 안테나 시스템을 제공함으로써 다이폴(dipole)-기반 안테나의 큰 크기, 좁은 대역폭 및 지향성과 관련된 문제점을 해결한다. 기존의 안테나보다 작다는 것 외에도, 개시된 안테나 시스템은 전방향성 일 수 있고, 보다 넓은 이득 윈도우 및 더 양호한 효율을 가지며, 따라서 상이한 동작 환경들에서 강건할 수 있다. 개시된 안테나 시스템은 주 안테나 요소 및 주 안테나 요소에 유도 결합된(inductively coupled) 공진기를 포함할 수 있다. 주 안테나 요소는 평면 상에 도전성 회로(트레이스(trace)일 수 있음)를 포함할 수 있다. 공진기는 동일한 평면 상에 두 개의 교차하지 않는 공진 요소들을 포함할 수 있고, 주 안테나 요소의 도전성 회로 내에 봉입될(enclosed) 수 있다. 본 발명의 안테나 시스템은 메타(meta) 물질에 사용된 것과 유사한 원리를 사용하기 때문에, 이 안테나 시스템은 "메타-안테나(meta-antenna)"라고도 불릴 수 있다.
본 메타-안테나 시스템은 더 넓은 대역폭을 제공할 수 있고, 차동 RF 신호로 직접 공급될 수 있으며, 2-요소 유도 결합된 공진기를 포함함으로써 상당히 감소된 크기를 용이하게 한다. 특히, 기존의 다이폴 또는 루프 안테나는 일반적으로 공진 주파수의 파장의 약 절반의 높이를 갖는다(안테나가 수직으로 위치한다고 가정). 대조적으로, 개시된 메타-안테나 시스템은 공진 파장의 대략 1/4의 높이를 가질 수 있다. 따라서, 메타-안테나는 비교 가능한 다이폴 안테나의 크기의 약 절반이다.
더욱이, 개시된 안테나 시스템은 훨씬 큰 대역폭(공진 주파수의 약 40%)에 걸쳐 편평한 이득 프로파일을 제공할 수 있다. 이 시스템은 다양한 환경에서 작동할 수 있으며 넓은 임피던스 변동을 허용할 수 있다. 또한 이 메타-안테나 시스템에는 차동 RF 신호로 직접 공급될 수 있어, 밸룬(balun)의 필요성을 없애준다. 결과적으로 필요한 구성 요소가 줄어들어 생산 비용이 절감된다.
개시된 메타-안테나의 작은 크기, 융통성 및 저가는 모바일 어플리케이션, 특히 IoT에 대해 우수하게 만든다. 특히, 메타-안테나 시스템은 다중 입력 및 다중 출력(multiple-input and multiple-output, MIMO) 장치에 매우 적합하다. 예를 들어, 라우터(router)와 같은 와이-파이(Wi-Fi) 장치의 경우, 메타-안테나는 기술적으로 경제적으로 작은 라우터 내에 여러 개의 고성능 안테나들을 포함시켜, 다중 무선 채널들을 제공한다. 메타-안테나는 구성 요소들이 솔더링(soldering)될 수 있는 가요성(flexible) 회로를 생성할 수 있는 종래의 공정(예를 들어, 필름 또는 기판 상에 증착된 Cu를 식각함으로써)을 이용하여 제조될 수 있다. 메타-안테나는 회로의 일부로 또는 다른 장치들에 부착될 수 있는 별도의 장치로 기판(폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate) 또는 PEN과 같은) 상에 인쇄할 수 있다.
이러한 바람직한 특성은 메타-안테나의 고유한 설계에 기인한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 개시된 안테나 시스템은 2-요소 공진기 메카니즘을 특징으로 하며, 여기서 두 개의 기생 요소들은 메인 안테나 요소와, 그리고 서로 상호 작용한다. 이 다중-요소 공진 시스템은 긴밀하게 결합된 어레이들(arrays)의 패밀리(family)로서 작동할 수 있다.
메타-안테나 시스템의 설계
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타-안테(meta-antenna)나 시스템의 예시적인 기하 구조를 도시한다. 본 실시 예에서, 메타-안테나 시스템(100)은 주 안테나 요소(104) 및 두 개의 기생(parasitic) 요소들(106 및 108)을 포함한다. 주 안테나 요소(104)는 공급 회로(102)에 의해 차동(differential) RF 신호가 공급되는 루프(loop) 안테나일 수 있다. 기생 요소들(106 및 108)은 주 안테나 요소(104)와 동일한 평면에서 나란히 배치되고 주 안테나 요소(104)에 의해 둘러싸여 있다. 기생 요소들(106, 108)은 동일하거나 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 기생 요소들(106 및 108) 각각은 개구들(openings)(112 및 114)을 갖는 루프와 같은 형상이다(예를 들어, 문자 "C"와 유사한 모양의). 또한, 개구들(112, 114)는 주 안테나 요소(104) 내에서 대향하는 측들 상에 위치될 수 있다(즉, 주 안테나 요소(104)의 긴 변을 따라 두 개의 단부들 근처). 기생 요소들(106 및 108)는 서로에 대해 그리고 메인 안테나 요소(104)로부터 절연되며, 작동 중에 교류 전류가 유도될 수 있도록 주 안테나 요소(104)에 충분히 근접하게 위치된다.
주 안테나 요소(104)는 직사각형 또는 실질적으로 직사각형 형상을 가질 수 있고, 그것의 긴 에지(edge)들은 실질적으로 희망하는 전송 파장의 1/4과 동일하거나(예를 들어, ±10% 이내) 다소 길 수 있고(예를 들어, 110% 이하), 그것의 짧은 에지들은 원하는 파장의 1/8과 실질적으로 동일하거나(예를 들어, ±10% 이내), 다소 길거나(예를 들어, 110% 이하), 또는 다소 짧을 수 있다(예를 들어, 90% 이상). 많은 어플리케이션들에서 수직 편광 방사가 바람직하다(대부분의 전송 및 수신 안테나가 수직으로 위치하기 때문에). 메타-안테나가 수직으로(예를 들어, 수직으로 유지되는 전형적인 스마트폰의 길이를 따라) 위치되는 것으로 가정하면, 메타-안테나의 높이는 대략 원하는 전송 파장의 1/4이고, 폭은 이 파장의 대략 1/8이다. 대조적으로, 종래의 수직으로 배치된 다이폴(dipole) 안테나는 수직 방향으로 파장의 절반을 필요로 한다. 메타-안테나의 공간 절약은 중요할 수 있다.
더욱이, 메타-안테나(100)가 대부분의 어플리케이션들에 대해 수직으로 위치한다고 가정하면, 기생 요소들(106 및 108)은 모두 수평 방향의 직사각형 도전성 경로들일 수 있다. 기생 요소(106)의 하부 에지는 주 안테나 요소(104)의 수평 중앙 평면(110)보다 약간 위에 위치될 수 있고, 기생 요소(108)는 중앙 평면(110)의 약간 아래에 위치될 수 있다. 기생 요소들(106, 108) 모두 주 안테나 요소(104)에 의해 완전히 둘러싸일 수 있다. 기생 요소(106)는 그 상부 측의 중간에 개구(opening)(112)를 가질 수 있다; 유사하게, 기생 요소(108)는 하부 측상에서 대략 동일한 크기의 개구(114)를 가질 수 있고, 따라서 기생 요소들(106 및 108)은 주 안테나 요소(104)의 중간 평면(110)에 대한 거울상이다.
또한, 개구(103)는 주 안테나 요소(104)의 긴 에지들 중 하나의 중심 근처에 위치한다. 개구(103)는 차동 공급 포인트로서 작용할 수 있고, 차동 RF 신호를 메타-안테나(103)에 공급할 수 있는 공급 회로(102)에 결합될 수 있다. 일 실시 예에서, 개구(103)는 메타-안테나에서 100 옴(ohm) 공칭(nomunal) 임피던스(impedance)를 생성한다. 이 공칭 임피던스는, 메타-안테나(100)의 기하 구조를 변경함으로써(예를 들어, 개구(103)의 크기 변경 및/또는 메타-안테나(100)의 길이/폭 변경), 상이한 어플리케이션들에 적합하게 조정될 수 있다(예를 들어, 75 옴 또는 300 옴으로).
일부 실시 예에서, 개구들(112, 114)의 크기, 및 기생 요소들(106, 108)을 주 요소(104)로부터 분리시키는 공간은 다양할 수 있다. 이러한 구조적 변화는 메타-안테나가 다른 임피던스를 가질 수 있게 한다. 특히, 메타-안테나는 주어진 어플리케이션에 대해 공진 주파수, 대역폭 및/또는 지향성에 대해 최적화될 수 있다.
메타-안테나(100)가 도전성 트레이스들(예를 들어, 필름 상에 식각되거나 인쇄된 도전성 물질)을 사용하여 구현되는 경우, 그러한 트레이스들의 폭은 다양한 값을 취할 수 있다. 예를 들어, 주 안테나 요소(104) 및 기생 요소들(106, 108) 모두에 대한 도전성 트레이스의 폭은 0.1mm 내지 10mm의 범위일 수 있다. 다른 범위도 가능하다.
동작 중에, 주 안테나 요소(104)의 개구(103)는 차동 RF 신호에 대한 입구(entry)로서의 역할을 하며, 입력 파워의 절반은 개구(103)의 하나의 브랜치(branch)에 제로(zero) 위상 각으로 공급되고, 입력 파워의 나머지 절반은 180°의 위상 각으로 개구(103)의 다른 브랜치에 공급된다. 신호 전류들 중 하나는 주 안테나 요소(104)의 루프의 일 측으로 외측으로(outward) 흐르고, 다른 신호 전류는 루프의 다른 측으로부터 내측으로(inward) 흐른다. 주 안테나 요소(104)의 도전성 경로는 기생 요소들(106 및 108)의 측 경로들에 근접하여, 양쪽 모두에 전류가 흐르게 유도한다. 이 유도된 전류는 요소들(106 및 108) 모두에서 공진을 일으키고, 이것은 차례로 두 배의 길이의 다이폴 안테나의 값을 초과하는 도넛형 패턴으로 매우 수직으로 편광된 전방향성(omni-directional)의 방사를 생성한다.
메타 안테나 시스템은 도 1에 도시된 기하 구조에 한정되지 않으며, 주 안테나 요소 및 주 안테나 요소에 유도 결합된(inductively coupled) 공진기(resonator)를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 공진 메타-안테나 시스템의 또 다른 예시적인 기하 구조를 도시한다. 일부 실시 예들에서, 주 안테나 요소는 도전성 공진기에서 틈들(breaks)(112, 114)과 일직선이 될 수 있는 틈들(202, 204)을 포함할 수 있다. 따라서, 주 안테나 요소는 폐 회로(closed circuit)를 형성할 필요가 없으며, 선 또는 다이폴 안테나일 수 있다.
주 안테나 요소 및 도전성 공진기를 포함하는 메타-안테나의 형상은 직사각형으로 제한될 필요는 없다. 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 메타-안테나 시스템의 또 다른 예시적인 기하 구조를 도시한다. 이 예에서, 메타-안테나의 주 요소는 곡선 또는 원(210), 정사각형 또는 다른 형상일 수 있거나, 또는 3-차원일 수 있다. 일부 실시 예에서, 공진기는 주 요소(104)에 유도 결합되도록 충분히 가깝지만 요소(104)에 의해 둘러싸여지지 않다. 예를 들어, 주 요소가 직사각형이 아닌 다이폴인 일부 실시 예에서, 공진기는 다이폴 주위에 배열된 몇몇 요소들을 포함할 수 있다.
메타-안테나 시스템의 동작
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메타-안테나 시스템에서 순시(instantaneous) 전류 흐름을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전원(302)은 원하는 캐리어(carrier) 주파수로 메타-안테나를 구동할 수 있다. 본 실시 예에 도시된 바와 같이, 전원(302)으로부터의 전류는 주 안테나 요소(304)에 공급될 수 있다. 전류는 주 요소(304) 주위에서 구동 신호의 순시 극성에 따라 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 진행할 수 있다. 기생 요소들(306, 308)이 주 요소(304)에 매우 근접하기 때문에, 주 요소(304)의 AC 전류는 기생 요소들(306, 308)에 순시 전류를 유도할 수 있다. 렌츠의 법칙(Lenz's law)에 따르면, 유도 전류는 주 요소(304)의 전류에 의해 야기된 자속(magnetic flux) 변화에 반대한다(oppose). 특히, 두 개의 기생 요소들 내의 두 개의 전류들은 주 요소(304)에서의 전류의 변화에 의해 결정되는 동일한 방향으로(즉, 시계 방향 또는 반 시계 방향) 이동할 수 있다.
종래의 다이폴 또는 루프 안테나에서와 같이, 주 요소(304)의 전류는 정재파(standing wave)를 형성할 수 있다. 이 정파는 전술한 바와 같이 주 요소(304)의 페리미터(perimeter)에 대응하는 파장에서 공진한다. 그 결과, 기생 요소들(306, 308)에서 유도된 전류들은 또한 정재파를 형성한다. 따라서 기생 요소들은(306 및 308)는 메타-안테나의 메인 루프(304) 부근에 전기 에너지를 저장하고 전자기 방사로서 저장된 에너지를 방출하는 발진(oscillatory) 회로 요소들처럼 행동한다. 이러한 공진 메커니즘은 밀접하게 결합된 어레이에서와 같이 신호 전송을 강화하여, 메타-안테나에 작은 크기로 더 큰 효율성과 더 나은, 더 넓은 이득을 제공한다. 또한, 일부 실시 예들에서, 시스템은 종래의 다이폴 안테나와 달리 별도의 밸룬(balun)없이 동작할 수 있다. 이는 주 안테나 요소가 폐회로 루프를 형성하여, 밸룬의 등가물이 안테나 내에 포함되기 때문이다.
메타-안테나의 특성 및 성능
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 예시적인 메타-안테나 방사 패턴을 도시하는 2-차원 다이어그램을 도시한다. 도시된 바와 같이, 메타-안테나는 도넛형(toroidal) 패턴으로 수직으로 편광된 전방향성의 방사선을 방출할 수 있다. 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 예시적인 메타-안테나 방사 패턴을 나타내는 3-차원 투시 다이어그램을 도시한다. 도시된 바와 같이, 도넛형 방사 패턴(410)은 메타-안테나를 통과하는 수직 축(즉, 주 요소의 높이에 평행 한 축)에 대해 원통 대칭을 가질 수 있다.
이 대칭은 전송 및 수신 모두에 대해 시스템의 고도의 등방성(isotropic) 또는 전 방향의 조작성을 제공한다. 또한, 메타-안테나는 접지 면(ground plane)에 근접하여 작동할 수 있으며, 여전히 전방향성의 패턴을 유지한다. 이러한 등방성은 등방성 방사 패턴을 제공하지 않는 기존의 시스템들(예를 들어, 셀룰러 폰 용의 전형적인 안테나)과 대비하여 개시된 시스템의 또 다른 이점이며, 따라서 특정 방향에서 차선(sub-optimal)의 이득을 제공할 수 있다.
개시된 시스템은 편평하고(flat) 넓은 이득 기능(function)을 가지므로, 피크(peak) 주파수(즉, 이득이 최대화되는 주파수)의 약 40%의 대역폭 범위에서 동작할 수 있다. 편평한 이득은 시스템의 임피던스 대역폭과 그것의 방사 패턴 대역폭 모두 매우 넓기 때문에 가능하다. 디지털 통신 시스템에서, 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐 더 편평하고 일정한 이득 프로파일은 전형적으로 더 나은 비트 오류 율(bit error rate, BER) 성능을 가져온다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다수의 대역들(bands)을 커버하는 예시적인 리턴 손실(return loss) 스펙트럼을 도시한다. 이 실시 예에서, 임피던스 대역폭은 약 2.6GHz에서 피크를 이루는 리턴 손실 기능에 대해 약 600MHz의 폭을 갖는다. 더욱이, 피크 리턴 손실은 -25dB 이하이며, 약 0.3% 반사에 대응된다. 개시된 메타-안테나의 넓은 임피던스 대역폭은 이중 대역 동작을 위해 사용될 수 있다.
이러한 편평한 이득 기능은 안테나가 상이한 임피던스를 갖는 다양한 환경, 예를 들어, 접지 면이나 인쇄 회로 기판 근처에서 작동하거나 상이한 타입 또는 두께의 벽 상에 장착되는 것과 같은 다양한 환경에 효과적으로 대처할 수 있게 한다. 도 6a는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 벽에 장착된 동안의 메타-안테나 시스템의 동작을 도시한다. 도시된 바와 같이, 메타-안테나(602)는 적당한 두께의 건식 벽체(drywall)로 만들어진 벽(604)에 장착된 장치, 예를 들어 스마트 기기의 일부일 수 있다.
도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따라 상이한 두께 및 재료의 벽의 환경에서 작동하는 동안 메타-안테나 시스템의 견고함(robustness)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 메타-안테나(610)는 벽(604)보다 상당히 두꺼운 벽(612) 상에 또는 그 근처에 장착되어 작동할 수 있으며, 벽(612)은 콘크리트 블록과 같은 보다 촘촘한(denser) 재질로 제조될 수 있다. 메타-안테나의 넓은 이득 대역폭의 결과로서, 시스템은 벽(604 또는 612) 부근에서 효과적으로 동작할 수 있다.
예시적인 어플레케이션들
도 7a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공진 메타-안테나 시스템을 이용하는 예시적인 장치를 도시한다. 예를 들어, 개인 컴퓨팅 장치(702)는 와이-파이 네트워크 또는 다른 장치들과 통신하기 위한 메타-안테나 시스템(704)을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 스마트 장치 또는 IoT 장치(706)는 메타-안테나(708)를 사용하여 네트워크 또는 다른 장치들과 통신할 수 있다. 사용자는 안테나(704 및 708)를 통한 직접 통신 또는 네트워크를 통해 스마트 온도 조절 장치(thermostat)(706)를 제어하기 위해 랩탑(laptop)(702)을 사용할 수 있다.
도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 메타-안테나를 이용하는 다중-입력 및 다중-출력(MIMO) 시스템을 도시한다. 이 실시 예에서, 와이-파이 라우터 또는 MIMO 장치(710)는 다중 경로 전파를 사용하여 다수의 데이터 스트림들(streams)을 송신하기 위해 메타-안테나(712A, 712B 및 712C)를 포함할 수 있다. 개시된 메타-안테나는 MIMO 어플리케이션에 특히 적합하며, 그 이유는 이들의 작은 크기가 다중 안테나들이 라우터(710)와 같은 장치에 쉽게 맞춰져서(fit) 다중 통신 채널들을 제공하기 때문이다.
일부 실시 예들에서, 개시된 메타-안테나 시스템은 레이더(radar)와 같이 강한 지향성을 필요로 하는 어플리케이션을 위한 위상 어레이(phased array)에서 사용될 수 있다. 위상 어레이에서 메타 - 안테나를 사용하는 것은 소정의 패턴으로 배열된 메타-안테나들의 집합에 메타-안테나들 사이에 위상 지연을 도입하는 위상 편이기(shifter)를 사용하여 신호를 전송하는 것을 포함한다. 도 7c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상 어레이 시스템 내의 메타-안테나들을 사용하는 것을 도시한다. 본 실시 예에서, 위상 어레이는 여섯 개의 메타-안테나들을 포함하고 보강 간섭(constructive interference) 및 상쇄 간섭(destructive interference)을 사용하여 원하는 방향으로 신호 전송을 조정한다. 메타 안테나의 작은 폼 팩터(form factor)는 위상 어레이를 소형 모바일 장치들에 적합하게 할 수 있다. 또한, 시스템의 넓은 운영 대역폭과 다른 요소들과 아주 근접한 상태에서 작동할 수 있는 기능은 위상 어레이를 위해 매우 적합하다. 일부 실시 예에서, 시스템은 메타-안테나를 구동하기 위해 직접적인 공급 포인트 대신에 근접성 구멍 공급 포인트를 사용할 수 있으며, 이는 시스템 성능을 추가로 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 예시적인 네트워크 내의 메타-안테나 시스템의 동작을 도시한다. 도시된 바와 같이, 무선 라우터(802)는 인터넷(804) 및 네트워크(806)에 결합되며, 네트워크(806)는 근거리 통신망(local-area network, LAN), 셀룰러(cellular), 광역 네트워크(wide-area network, WAN), 라디오-주파수 식별(Radio-frequency identification, RFID) 또는 기타 통신 기술을 포함할 수 있다. 무선 라우터(802)는 도 7b에 도시된 바와 같이 MIMO 전송을 위한 다수의 메타-안테나들을 포함할 수 있다. IoT 장치 또는 스마트 온도 조절 장치(812) 및 스마트 조명 시스템(814)과 같은 스마트 장치들뿐만 아니라 컴퓨터(808) 및 모바일 장치(810)와 같은 다수의 장치들은 네트워크(804)에 참여할 수 있다.
이들 장치들은 라우터(802) 또는 네트워크(806)를 통해 통신할 수 있거나, 개시된 메타-안테나 시스템에 의해 송신 및 수신된 무선 신호를 사용하여 서로 직접 통신할 수 있다(예를 들어, 머신-투-머신(machine-to-machine, M2M) 또는 다른 통신 프로토콜들). 예를 들어, 모바일 장치(810)는 사용자로부터의 명령을 스마트 장치(812)로 전송할 수 있다. 마찬가지로, 스마트 조명 시스템(814) 및 스마트 온도 조절 장치(812)는 예를 들어 사용자가 건물에 들어서고 조명을 켜면 가열 및 냉각 시스템을 자동으로 켜기 위해 기존(pre-existing) 규칙을 실행하도록 통신할 수 있다. 메타-안테나의 넓은 대역폭은 다양한 두께와 재질의 벽들과 같은 다양한 환경에 특히 효과적으로 대처할 수 있다. 따라서, 천장 또는 벽 장착일 수 있는 조명 시스템(814) 및 온도 조절 장치(812)는 그럼에도 불구하고, 개시된 시스템 및 방법에 따라 신뢰성 있고 효율적으로 서로 통신할 수 있다.
여기에 설명된 방법들 및 시스템들은 또한 하드웨어 모듈들 또는 장치들에 통합될 수 있다. 이들 모듈들 또는 장치들은, 이에 제한되는 것은 아니지만, 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit, ASIC) 칩, 필드-프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array, FPGA), 시스템 온 칩(system on a chip, SoC), 및/또는 현재 공지되거나 추후 개발되는 다른 회로 장치들을 포함할 수 있다. 하드웨어 모듈들 또는 장치들이 활성화되면, 그들은 그들 내에 포함된 회로의 기능들을 수행한다.
다양한 실시 예들에 대한 상기 설명은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제시된 것이다. 이들은 포괄적이거나 본 발명을 개시된 형태로 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 많은 수정 및 변형이 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 상기 개시는 본 발명을 제한하려는 것이 아니다.

Claims (18)

  1. 안테나에 있어서,
    루프(loop) 형상의 주 요소(main element); 및
    상기 주 요소에 의해 둘러싸인 두 개의 기생 요소(parasitic elements)를 포함하고,
    각각의 기생 요소는 개구(opening)를 갖는 루프로서 형성되고, 상기 두 개의 기생 요소의 개구들은 상기 주 요소의 대향 측면들(opposing sides)에 각각 인접하여 위치되는, 안테나.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 안테나에 결합된 평형(balanced) 전송 라인을 포함하는 안테나 시스템에 있어서, 상기 안테나는,
    루프 형상의 주 요소; 및
    상기 주 요소에 의해 둘러싸인 두 개의 기생 요소를 포함하고,
    각각의 기생 요소는 개구를 갖는 루프로서 형성되고, 상기 두 개의 기생 요소의 개구들은 상기 주 요소의 대향 측면들에 각각 인접하여 위치되는, 안테나 시스템.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 주 요소 및 상기 기생 요소들은 표면 상에 인쇄된 도전성 잉크를 포함하는, 안테나 시스템.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 주 요소 및 상기 기생 요소들은 기판 상에 증착된 금속 트레이스들을 포함하는, 안테나 시스템.
  18. 삭제
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