KR20090047949A - 비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체 및 이를포함하는 안테나 - Google Patents

비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체 및 이를포함하는 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 격자 셀이 비균일하게 배열된 구조를 가지는 인공 자기 도체(Artificial magnetic conductor: AMC)와 이를 포함하는 안테나를 개시한다. 본 발명의 인공 자기 도체는 도전성 접지층; 상기 접지층과 전기적으로 연결되며, 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 격자 셀들이 배열된 도전층; 및 상기 접지층과 도전층을 전기적으로 연결하는 비아를 포함한다. 본 발명에 따르면 반사파의 진행 방향을 필요에 따라 조절할 수 있고, 반사 계수 위상값 조절을 통해 반사파의 동위상면 형태를 용이하게 조절할 수 있다.
인공 자기 도체, 비균일 격자구조, 반사파

Description

비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체 및 이를 포함하는 안테나{Artificial magnetic conductor with non-identical unit cell and antennas comprising it}
본 발명은 격자 셀이 배열된 구조를 가지는 인공 자기 도체(Artificial magnetic conductor: AMC)에 관한 것으로서, 반사 계수의 위상값을 격자 위치에 따라 다르게 하여 반사파의 동위상면 형태를 조절하고, 반사파의 진행 방향을 조절할 수 있는 인공 자기 도체 및 이를 포함하는 안테나에 관한 것이다.
인공 자기 도체는 자연계에 일반적으로 존재하지 않는 현상을 나타내는 메타물질의 하나로서, 기존 기술들의 물리적 한계를 극복할 수 있는 핵심 기술로서 주목 받고 있다. 인공 자기 도체는 자연계에서 볼 수 있는 전도체(electric conductor)와 달리 인공적으로 특정 주파수 영역에서 자기 도체(magnetic conductor)의 특성을 지니는 표면을 지닌 구조를 말한다.
인공 자기 도체는 전기 전도체로 구성되어 있으며, 도체 표면에 돌기형의 구조를 가짐으로써 커패시턴스(capacitance) 성분과 인덕턴스(inductance) 성분을 발생시키게 된다. 이 성분들은 주파수의 함수로서 특정 주파수 영역에서는 이 성분들 에 의해 표면 임피던스가 매우 높아지는 특성을 가지게 된다. 일반적인 전도체의 경우, 표면 임피던스는 0을 가지고 반사계수가 ‘-1’을 가지게 되어 영상 전류가 역위상을 가지게 되나, 인공 자기 도체의 경우, 표면 임피던스가 매우 큰 값을 가지고 반사계수가 ‘+1’을 가지게 되어 영상전류가 동위상을 가지는 특성을 지닌다. 또한 높은 표면 임피던스로 인하여 표면파의 전파를 억제시키는 특성을 지닌다.
도 1은 종래의 인공 자기 도체를 나타내는 구조도이다. 도 1에 도시된 인공 자기 도체(1)는 접지층(10), 격자 셀을 포함하는 도체층(20)과 비아(via, 30)를 포함한다. 도 2는 도 1에 도시된 인공 자기 도체의 격자 셀 간의 커패시턴스 성분과 인덕턴스 성분으로 발생되는 표면 임피던스의 변화에 따른 반사 계수의 위상 변화를 나타내는 참고도이다.
도 1과 2에 도시된 바와 같이, 종래의 인공 자기 도체는 균일한 격자 구조를 가지고 있으며, 각 주파수에서의 모든 격자들의 반사계수 위상은 도 2와 같이 동일하고, 반사 계수의 위상이 0이 되는 주파수에서 완벽한 자기 도체의 성질을 가지게 된다. 따라서 종래의 인공 자기 도체는 전자기파를 반사하는데 있어 입사각과 반사각이 Snell의 법칙을 따르고 있으며, 반사 계수의 위상에 변화가 있을 뿐 반사파의 진행 방향이 변화하지는 않는 특성을 지니고 있었다.
관련된 특헌 문헌으로서, 대한민국 특허 제753830호는 인공 자기 도체를 이용한 고임피던스 표면 구조를 개시하고 있고, 미국 특허 제6917343호는 인공 자기 도체의 공진 주파수를 조절할 수 있는 시트 커패시턴스를 갖는 인공 자기 도체를 개시하고 있으며, 미국 특허 제6525693호는 주파수 재구성성을 갖는 인공 자기 도체를 개시한 바 있다.
그러나 상술한 특허를 포함한 종래의 특허들은 모두 균일한 격자 셀 구조를 갖고 있으며, 기생 전류를 억제시켜 원치 않는 후방사를 억제하기 위한 구조를 개시하고 있을 뿐, 반사파의 방향이나 반사파의 위상 조절에 대하여는 어떠한 사항도 개시한 바 없다.
상기한 바와 같은 종래기술의 한계를 고려하여, 본 발명은 인공 자기 도체를 구성하고 있는 각각의 격자 셀들의 크기를 비균일하게 조정함으로써 격자마다 고유의 반사계수 위상값을 지니도록 하였고, 이를 통해 반사파를 원하는 방향으로 진행시키며, 격자 위치에 따른 반사계수 위상을 조절함으로써 반사파가 동위상면을 원하는 형상 또는 방향을 갖도록 형성시키는 인공 자기 도체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 인공 자기 도체를 구비하는 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체는 도전성의 접지층; 상기 접지층과 전기적으로 연결되며, 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 셀들이 배열된 도전층; 및 상기 접지층과 도전층을 전기적으로 연결하는 비아를 포함한다.
본 발명에서 도전층에 배열된 상기 전기 용량성의 셀들은 격자 형상으로 배열되고, 셀 각각의 크기 또는 간격은 비균일하며, 도전층의 반사 계수 위상값은 위치에 따라 다르다. 본 발명에서 접지층과 도전층 사이에 유전체층을 더욱 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 인공 자기 도체는 도전층 위에 상기 접지층과 전기적으로 연결되며 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 셀들이 배열된 상부 도전층과, 상부 도전층 과 상기 접지층을 전기적으로 연결하는 비아를 더욱 포함하도록 구비됨이 바람직하다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 안테나는 인공 자기 도체를 구비하는 안테나로서, 상기 인공 자기 도체는 도전성의 접지층; 접지층과 전기적으로 연결되며, 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 셀들이 배열된 도전층; 및 상기 접지층과 도전층을 전기적으로 연결하는 비아를 구비하며, 상기 인공 자기 도체로 입사되는 입사파는 상기 인공 자기 도체를 통해 반사 방향이 조절되는 구조를 갖는다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 인공 자기 도체는 도전성의 접지층; 상기 접지층의 일면에 형성된 유전체층; 및 상기 유전체층의 또 다른 일면에 형성되며 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 셀들이 배열된 도전층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체의 도체부를 형성하는 격자 셀의 크기 및 간격을 균일하지 않게 구성함으로써 반사파의 방향 및 형태를 조절시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체는 반사 계수의 위상을 격자의 크기와 간격에 따라 다르게 구성함으로써 반사파의 동위상면의 형태와 방향을 원하는 형태로 조절할 수 있다. 본 발명에 따르면 전자기파의 반사파의 방향 및 형태를 조절하는 것이 가능하기 때문에, 기존의 반사판으로 구현할 수 없는 반사파의 구현이 가능할 뿐 아니라, 기존의 반사판 안테나와 비교할 때 저비용(low cost), 경량(light weight), 얇은 두께(low profile), 쉬운 제작공정(easy fabrication), 내열성(high tolerance to heat) 등의 측면에서 개선된 특성을 갖는다.
이하, 도면과 실시예를 참조하여 본 발명의 비균일 격자 구조를 가지는 인공자기 도체 및 이를 포함하는 안테나에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체를 나타내는 구성도이다. 도 3에 도시된 인공 자기 도체(100)는 접지층(110), 도전층(120) 및 비아(130)를 구비한다.
도 3에서 도전성의 접지층(110)은 도전층(120)과 전기적으로 연결되도록 구성된다. 도전층(120)은 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 셀들이 배열된 격자 구조를 갖는다. 비아(130)는 접지층(110)과 도전층(120)을 전기적으로 연결하는 전기적 통로로서 도전성을 갖는 재료이면 충분하다. 도 3에 도시되지는 않았지만, 상기 접지층(110)과 도전층(120) 사이의 공간에는 유전체층을 더 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 인공 자기 도체와 달리, 비아(130)를 제외한 구조의 인공 자기 도체를 구현하는 것도 가능하다. 이 경우 제조 공정이 간편하고 제작 비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
인공 자기 도체를 구성하는 용량성 격자 셀은 용량성 성분 뿐만 아니라 유도성 성분을 함께 갖는다. 격자 셀은 금속과 같은 도전성 재료로서 예를 들어 구리 또는 금속 합금이 바람직하다. 이러한 격자 셀이 배열되는 도전층(120)은 삼각형, 사각형 또는 육각형의 격자 구조를 갖는다. 또한, 소형화를 위해 미앤더 구조 또는 인터디지털(interdigital) 구조 또는 나선형 구조, 또는 슬릿이 포함된 구조일 수 있다. 여기에서, 단위 셀의 길이는 유전체의 두께, 유전체의 비유전율, 셀의 모양, 격자 간의 간격 등에 따라 달라질 수 있다. 도 3에 도시된 실시예는 격자 셀은 우측으로 갈 수록 격자 셀의 크기가 크며, 격자 셀 간의 간격을 좁도록 배치된 일 얘이다. 도 3과 달리 격자 셀의 크기는 동일하게 하면서 격자 셀 간의 간격을 다르게 조절하거나 또는 격자 셀 간의 간격은 동일하게 하면서 격사 셀의 크기를 다르게 조절하는 것도 가능하다.
본 발명에서 도전층은 단위 격자 셀의 크기가 반사 계수 위상 조건에 따라 균일하지 않게 설계된다. 단위 격자 셀의 크기는 위치에 따라 다르며 일정한 방향으로 증가 또는 감소하도록 조절될 수 있다. 그러나, 단위 셀의 크기는 반드시 증가 또는 감소하는 크기에 한정되는 것은 아니며, 셀의 형상 및 크기가 그 용도에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
예를 들어, 입사파가 평면파이고 반사파로서 구면파를 반사시키기 위해서는, 전기 용량성 격자 셀의 크기가 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 커지도록 또는 격자 간의 간격이 작아지도록 배열하는 것이 바람직하다. 입사파가 구면파이고 반사파가 평면파일 경우, 전기 용량성 격자 셀의 크기는 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 작아지도록 또는 격자 간의 간격이 커지도록 배열하는 것이 바람직하다.
본 실시예의 인공 자기 도체(100)는 안테나의 일 구성 즉 반사판으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 도체층(20) 위에 유전체층을 더 형성시키고, 상기 유전체층 위에 안테나 패턴을 더욱 형성시킨 안테나의 구현이 가능하다.
본 실시예의 비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체는 안테나 뿐만 아니라, 반사파의 방향, 격자 셀의 위치에 따른 반사파 동위상면의 형태를 조절하기 위한 용도로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 인공 자기 도체의 반사 장치, 안테나 장치 및 범용의 전자기 장치에 사용될 수도 있다.
도 4a와 4b는 인공 자기 도체에 대한 등가회로를 나타내는 참고도이다. 도 4a는 균일 격자를 갖는 기존의 인공 자기 도체에 대한 등가회로이며, 4b는 비균일 격자를 갖는 본 발명에 따른 인공 자기 도체에 대한 등가회로이다. 본 실시예와 같은 버섯형의 임피던스 구조에서 커패시턴스 성분은 도전층의 이웃하는 격자들 간의 근접성으로 인해 발생하고, 인덕턴스 성분은 회로의 루프 구조로 인해 발생한다. 도 4a와 4b에 도시된 바와 같이 인공 자기 도체의 격자 구조는 격자들 간의 커패시턴스(capacitance) 성분과 인덕턴스(inductance) 성분에 의한 공진 특성을 가지고 있다. 격자 구조에서 발생되는 커패시턴스 성분과 인덕턴스 성분에 의한 표면 임피던스는 수학식1과 같이 표현된다.
[수학식1]
Figure 112007080439780-PAT00001
여기에서, Zs는 표면 임피던스이다. 또한, 표면에서의 반사계수는 하기 수학 식2와 같이 나타나며, 반사계수의 위상은 수학식3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식2]
Figure 112007080439780-PAT00002
[수학식3]
Figure 112007080439780-PAT00003
여기에서, Γ는 반사 계수이고, η는 자유공간 임피던스이며, Φ는 반사 계수의 위상이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자구조를 가지는 인공자기 도체의 셀 길이에 따른 반사 계수 위상을 나타낸 참고도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체 주파수에 따른 반사 계수의 위상 곡선은 단위 셀의 크기에 따라 달라지는 특성을 보인다. 중심 주파수에서의 반사계수 위상 분포를 살펴보면 격자의 크기에 따라 반사계수의 위상 값이 다른 특성을 보인다. 이는 격자의 위치에 따라 격자의 크기를 달리 할 수 있고, 위치에 따라 반사 계수의 위상 값을 다르게 할 수 있다는 것을 의미한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체를 나타내는 구성도이다. 도 6에 도시된 인공 자기 도체(200)는 접지층(210), 도전층(220), 비아(230) 및 상부 도전층(240)을 구비한다.
도 6에 도시된 인공 자기 도체(200)는 도 3에 도시된 인공 자기 도체(100)와 달리 상부 도전층을 더 포함한다. 상부 도전층(240)은 도전층(220) 사이를 관통하며, 도전층(220)의 상부에 형성된다. 도 6에서와 같이 도전층(20)의 격자 셀 높이를 동이하게 하는 경우와 달리, 격자셀의 높이를 다르게 함으로써 반사파 특성을 변화시키도록 구현하는 것도 가능하다. 인공 자기 도체에 복층 구조의 격자를 도입시킬 경우, 단층 구조의 격자에 비하여 용량성을 증가시키고 중심 주파수를 낮추는 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체의 중심 주파수 위치에 따른 반사 계수 위상을 나타내는 참고도이다. 단위 셀 인덱스(1~11)는 도 3에서 각각 L1 내지 L11에 대응된다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체는 중심 주파수에서 표면상의 격자 위치에 따라 반사 계수의 위상 값이 다른 특성을 보인다. 격자의 위치에 따라 반사 계수의 위상값은 π/2 부터 π/2 까지 π/10 간격을 가지고 나타난다. 격자의 위치에 따라 반사계수의 위상 값이 반드시 일정한 기울기를 가지는 경우에 한정되는 것이 아니며, 그 용도에 따라 표면의 위치에 따른 반사계수의 위상 값을 다르게 할 수 있다.
도 8a와 8b는 기존의 인공 자기 도체와 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 자기 도체의 표면에서 일어나는 전자기파의 반사 현상을 나타내는 개념도이다.
도 8a는 기존의 인공 자기 도체 또는 일반적인 도체의 표면에서 전자기파의 반사 현상을 도시한 도면으로서, 입사각과 반사각은 동일한 특성을 보인다. 도 8b 는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비균일 격자구조를 가지는 인공자기도체의 표면에서 전자기파 반사 현상을 도시한 도면으로서, 격자의 크기와 위상에 따라 표면에 수직 입사하는 전자기파에 대하여 반사각이 다르게 나타나는 특성을 보인다.
비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체 표면에 수직 입사하는 입사파를 하기 수학식4와 같이 나타내면, 표면에서의 반사파는 수학식5와 같이 반사 계수의 위상 변화를 가지고 나타나게 된다.
[수학식4]
Figure 112007080439780-PAT00004
[수학식5]
Figure 112007080439780-PAT00005
여기에서,
Figure 112007080439780-PAT00006
는 수직으로 입사되는 전계를 나타내는 벡터이고,
Figure 112007080439780-PAT00007
는 입사파의 전계 방향을 나타내며, k는 전파 상수 (wave number)이고,
Figure 112007080439780-PAT00008
는 기울어진 채 반사되는 반사파의 전계를 나타내는 벡터이며, 는 전계의 크기를 나타낸다. 반사계수의 위상값은 인공 자기 도체 표면의 위치에 따라 다른 값을 가지기 때문에, 수학식5는 수학식6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식6]
Figure 112007080439780-PAT00010
반사파의 진행 방향은 전파 벡터의 성분으로 수학식 7로 표현할 수 있다.
[수학식7]
Figure 112007080439780-PAT00011
예를 들어,
Figure 112007080439780-PAT00012
= π/10,
Figure 112007080439780-PAT00013
= 17mm 로 할 경우 반사각 θ는 약 21.6°가 된다.
도 9a와 9b는 기존의 인공 자기 도체(AMC)와 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체의 표면에서 전자기파 반사 현상이 일어나고 있을 때의 전계 분포를 나타내는 참고도이다.
도 9a는 기존의 인공 자기 도체 또는 일반 도체의 표면에서 전자기파 반사 현상이 나타나고 있을 때의 전계 분포를 도시한 도면으로서 입사파와 반사파가 중첩되는 현상이 나타난다. 도 9b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체의 표면에서 전자기파 반사 현상이 나타나고 있을 때의 전계 분포를 도시한 도면으로서 반사파의 방향이 스티어링(steering)되어 있 음을 볼 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비균일 격자구조를 가지는 인공자기도체의 표면에서의 전자기파 반사 현상을 분석하는 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 10과 하기 수학식8을 통해 반사각 θ에 대한 반사파의 전계를 계산할 수 있다.
도 10에 도시된 인공 자기 도체의 표면에 입사된 전자기파는 호이겐스(Huygens)의 원리에 따라 표면에서 이차 전원(source)을 발생시키며, 각각의 격자에 해당하는 이차 전원(source)이 방사(radiation)하여 반사파의 패턴을 나타낸다. 이때 격자 각각의 반사계수 위상차 및 거리차이에 의한 발생된 위상차에 의해 반사파의 패턴은 하기 수학식8과와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식8]
Figure 112007080439780-PAT00014
여기에서, d는 셀과 셀 간의 간격이고, R.P.는 반사파의 필드 패턴(Reflected Field Pattern)이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체를 나타내는 사진이다. 도 11에 도시된 인공 자기 도체는 가로 11개 세로 7개의 격자를 가지고 있으며, 유전체는 비유전율 4.5, 두께 186 mil을 갖는다. 본 발명에 따른 비균일 격자구조를 가지는 인공자기도체는 상기 예시된 크기, 격자의 수, 유전체의 비유전율 및 두께가 이에 한정되는 것은 아니며 그 용도에 따라 다양하게 변형될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.
도 12는 도 11의 인공 자기 도체에 수직으로 입사된 전자기파의 반사파 패턴 특성을 나타내는 참고도이다. 도 12에서 실선은 반사파 패턴에 대한 계산값, 파선은 실제 측정된 측정값, 점선은 일반 도체에서의 반사파 패턴을 나타낸다.
도 13은 도 11의 인공 자기 도체에 수직으로 입사된 전자기파의 반사파 각도 및 반사파의 반전력 빔폭을 나타내는 참고도이다. 도시한 도면으로서 도 5와 도 7에 도시된 바 있듯이, 셀의 위치에 따른 반사 계수의 위상차가 발생하는 주파수 영역에서 반사파의 각도가 변하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 반사파의 각도는 수학식7을 통해 계산된 값과 같이 나타난다.
도 14는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체를 나타내는 구성도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 격자의 크기 및 간격이 도 3과 같이 일정하게 증가 또는 감소되는 형태 이외의 구성도 가능하다.
도 15는 도 14의 인공 자기 도체에 수직으로 입사된 전자기파의 반사 현상이 나타나고 있을 때의 전계 분포를 나타내는 참고도이다. 도 9b에 도시된 바와 같이 표면에 수직 입사되는 전자기파의 반사파가 한 방향을 가지는 평면파 이외에, 도 15와 같은 구면파 형태를 가질 수도 있음을 보이고 있다.
도 16은 본 발명의 인공 자기 도체를 이용한 평면형 포물면 반사판을 나타내는 구성도이다. 도 16에 도시된 반사판은 반사파의 각도가 주파수에 따라 달라진다는 점을 이용한 것으로, 2차원 평면구조에서 적용한 다중대역(multi-frequency) 다 초점(multi-focal point) 평면형 포물면 반사판이다.
또한, 본 발명의 인공 자기 도체는 반사파의 각도가 편파에 따라 달라지는 것을 이용한 편파 분리기(Polarization splitter)의 반사체로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 인공 자기 도체는 주파수에 따른 반사파의 각도가 다른 특성을 이용한 주파수 스캐닝(ω-scanning)에 사용될 수 있다. 기존의 전압 제어 스캐닝 시스템(voltage control scanning system)은 능동 장치를 이용하기 때문에 전력 소모와 제작 공정이 복잡한 등의 단점이 있지만, 본 발명의 인공 자기 도체가 갖는 멀티 주파수를 이용한 ω-scanning은 수동 장치로서 전력 소모가 없기 때문에 간단한 제작으로도 구현이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체는 격자의 크기와 간격을 균일하지 않게 설계함으로써 반사계수의 위상값을 격자에 따라 그리고 위치에 따라 다르게 갖도록 설계하는 것이 가능하며, 반사파의 방향 또는 형태를 조절시킬 수 있다. 본 발명의 인공 자기 도체가 갖는 반사 특성은 기존의 스넬(Snell)의 법칙만으로는 설명할 수 없으며, 도체 평면의 표면에 입사된 전자기파의 반사파의 방향 및 형태를 조절하는 것이 가능함으로써, 기존의 반사판으로 구현할 수 없는 반사파의 구현이 가능할 뿐 아니라, 기존의 반사판 안테나와 비교하여 저비용, 경량, 얇은 두께, 쉬운 제작공정, 내열성 등의 측면에서 개선된 특성을 갖는다. 본 발명의 인공 자기 도체는 반사판 안테나의 응용 분야로 예상되는 통신, 방송, 광학, 천문학 분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발 명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 상기 개시된 실시예 들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 비균일 격자 구조를 갖는 인공 자기 도체는 도체층을 구성하는 격자 셀의 크기 및 간격을 균일하지 않게 구성함으로써 반사파의 방향 및 형태와, 반사 계수의 위상을 조절할 수 있다. 본 발명의 인공 자기 도체를 포함하는 안테나는 저비용(low cost), 경량(light weight), 얇은 두께(low profile), 쉬운 제작공정(easy fabrication), 내열성(high tolerance to heat) 등의 측면에서 우수하기 때문에 기존의 반사판 안테나를 대체하기에 적합하다. 또한, 본 발명의 인공 자기 도체는 다중대역다초점을 갖는 평면형 포물면 반사판과 주파수 스캐닝 장치 등에 사용하기에 적합하다.
도 1은 종래의 인공 자기 도체를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 인공 자기 도체의 반사 계수 위상을 나타내는 참고도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체를 나타내는 구성도이다.
도 4a와 4b는 인공 자기 도체에 대한 등가회로를 나타내는 참고도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 갖는 인공 자기 도체의 셀 길이에 따른 반사 계수 위상을 나타내는 참고도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 갖는 인공 자기 도체의 중심 주파수에서 격자의 위치에 따른 반사 계수 위상을 나타내는 참고도이다.
도 8a와 8b는 종래의 인공 자기 도체와 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 자기 도체의 표면에서 일어나는 전자기파 반사 현상을 나타내는 개념도이다.
도 9a와 9b는 기존의 인공 자기 도체와 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 자기 도체의 표면에서 전자기파 반사 현상이 일어나고 있을 때의 전계 분포를 나타내는 참고도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체의 표면에서 전자기파 반사 현상을 분석하는 원리를 설명하기 위한 개념도이 다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체를 나타내는 사진다.
도 12는 도 11의 인공 자기 도체에 수직으로 입사된 전자기파의 반사파 패턴을 나타내는 참고도이다.
도 13은 도 11의 인공 자기 도체에 수직으로 입사된 전자기파의 반사파 각도 및 반사파의 반전력 빔폭을 나타내는 참고도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 인공 자기 도체를 나타내는 구성도이다.
도 15는 도 14의 인공 자기 도체에 수직으로 입사된 전자기파의 반사 현상이 나타나고 있을 때의 전계 분포를 나타내는 참고도이다.
도 16은 본 발명의 비균일 격자구조를 가지는 인공 자기 도체를 이용한 평면형 포물선 반사판을 나타내는 구성도이다.

Claims (13)

  1. 도전성(導電性) 접지층;
    상기 접지층과 전기적으로 연결되며, 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 격자 셀들이 배열된 도전층; 및
    상기 접지층과 도전층을 전기적으로 연결하는 비아를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전층에 배열된 상기 전기 용량성의 격자 셀 각각의 크기 또는 간격이 비균일한 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전층은 상기 전기 용량성의 격자 셀들의 위치에 따라 반사 계수 위상값이 비균일하도록 배열된 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 접지층과 도전층 사이에 유전체층을 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 용량성 격자 셀들의 크기는 상기 도전층의 중심에서 가장자리로 갈 수록 작아지도록 구비된 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 용량성 격자 셀들의 크기는 상기 도전층은 중심에서 가장자리로 갈 수록 커지도록 구비된 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전층에 배열된 상기 전기 용량성의 격자 셀들의 크기는 소정의 구배를 갖도록 배열되며, 수직으로 입사된 평면파의 반사각은 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
    [수학식]
    Figure 112007080439780-PAT00015
    여기에서, θ는 반사파의 반사각이고, λ는 입사파의 파장이며,
    Figure 112007080439780-PAT00016
    는 도전층 표면에서의 격자 간격당 위상 변화량이고,
    Figure 112007080439780-PAT00017
    는 셀 간격이다.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전층 위에는 상기 접지층과 전기적으로 연결되며 비균일한 패턴을 갖 는 전기 용량성 격자 셀들이 배열된 상부 도전층; 및
    상기 상부 도전층과 상기 접지층을 전기적으로 연결하는 비아를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 도전층의 전기 용량성 격자 셀들과 상기 접지층 간의 거리는 비균일한 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  10. 도전성 접지층;
    상기 접지층의 일면에 형성된 유전체층; 및
    상기 유전체 층의 또 다른 일면에 형성되며 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 격자 셀들이 배열된 도전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도전층에 배열된 상기 전기 용량성의 격자 셀 각각의 크기 또는 간격은 비균일한 것을 특징으로 하는 인공 자기 도체.
  12. 인공 자기 도체를 구비하는 안테나에 있어서, 상기 인공 자기 도체는
    도전성의 접지층;
    상기 접지층과 전기적으로 연결되며, 비균일한 패턴을 갖는 전기 용량성 격 자 셀들이 배열된 도전층; 및
    상기 접지층과 도전층을 전기적으로 연결하는 비아를 구비하며, 상기 인공 자기 도체로 입사되는 입사파는 상기 인공 자기 도체를 통해 반사 방향이 조절되는 것을 특징으로 하는 안테나.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 도전층에 배열된 상기 전기 용량성의 격자 셀 각각의 크기 또는 간격은 비균일한 것을 특징으로 하는 안테나.
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