KR20090088721A - 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나 - Google Patents

메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나 Download PDF

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Abstract

실효적인 인덕티브 로딩과 같은 특성을 나타내는 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조 개념을 이용하여 소형 안테나에서 나타나는 이득과 효율 감소 특성을 개선하였으며, 서로 다른 물리적 길이를 갖는 메타머터리얼 구조를 이용하여 이중 공진 특성을 갖도록 함으로써 대역폭 감소 특성도 개선된 소형 이중 대역 모노폴 안테나가 개시되어 있다. 이를 위하여 동축 프로브, 모노폴 안테나, 메타머터리얼 구조, 급전 패드 그리고 접지면으로 구성된 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 제공한다. 본 발명에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 이용하면, 안테나의 소형화에 따른 이득과 효율의 저하와 대역폭의 감소 특성을 개선한 모노폴 안테나를 제공할 수 있다. 그리고 음의 유전율을 갖는 인공적인 메타머터리얼 구조를 이용함으로써, 기존의 전기적 소형 안테나에 사용된 비유전 상수가 높은 기판을 사용하는 방식과 높은 제작비용이 요구되는 저온동시소성 세라믹 기법을 효과적으로 극복하여 기판 유전율에 따른 특성의 변화를 최소화한 모노폴 안테나를 제공할 수 있다.

Description

메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나{SMALL DUAL BAND MONOPOLE ANTENNA USING METAMATERIAL STRUCTURE}
본 발명은 소형 이중 대역 모노폴 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 다른 물리적 길이를 갖는 두 개의 메타머터리얼 구조를 통해 이중 대역의 공진 주파수를 형성시켜 방사 소자의 소형화에 따른 이득과 효율의 저하와 대역폭의 감소 특성을 개선한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나에 관한 것이다.
현재 세계적으로 아날로그·디지털 통신기술의 급속한 발전으로 다양한 종류의 통신서비스가 시행되고 있으며, 현대인들의 일상생활에 밀접한 다양한 통신서비스가 상용 서비스 중에 있다. 이러한 통신서비스가 가능하도록 한 기술이 무선통신 기술이며, 이를 이용한 것이 무선통신시스템이다.
이러한 무선통신시스템의 경우 초기단계에는 기존의 라디오, TV, 및 군사 시스템 등에 사용되었다.
그러나 최근에는 다양한 용도로 일상생활에 밀접하게 사용되고 있는 실정이며 그 예를 들면 다음과 같다.
먼저, 통신방식이 디지털 이동통신과 유사하지만, 1.8GHz 대역의 주파수를 이용하며 13Kbps급 보코더(음성신호변환장치)를 사용하므로 기존의 시스템보다 경제적인 가격으로 고품질의 지능망 서비스를 제공할 수 있다는 장점을 가지고 있는 제2세대 디지털이동통신보다 한 단계 발전한 제2.5세대 이동통신이라 불리는 PCS(Personal Communication Services)가 있다.
그리고 한국에서 사용되고 있는 CDMA 방식과 대응되는 이동통신 방식으로, 각 주파수 채널을 시간으로 분할하는 시분할다중접속(TDMA)방식 기술과 비동기식 전송망 기술을 기반으로 한 종합정보통신망과 연결되므로 모뎀을 사용하지 않고도 단말기와 팩시밀리, 랩톱 등에 직접 접속하여 이동데이터 서비스를 받을 수 있는 유럽식 디지털 이동통신 방식인 GSM(Global System for Mobile Telecommunication)이 있다.
또한, 디지털을 사용하는 모든 이동전화 시스템(TDMA, GSM, CDMA 등)인 디지털 이동전화 시스템(DCS : Distributed control system), 안테나, 트랜시버, 트랜스폰더라고도 불리는 태그의 세 가지 요소로 구성되어 출입통제 시스템이나 전자 요금 지불 시스템에 사용되는 IC칩과 무선을 통해 식품, 동물, 및 사물 등 다양한 개체의 정보를 관리할 수 있는 차세대 인식기술인 RFID (Radio Frequency Identification)이 있다.
또한, 빠른 속도와 2G GSM 네트워크에서 사용하는 시분할 멀티플렉스(TDMA) 보다 많은 사용자를 지원하기 위해 직접 시퀀스 코드 분할 다중 접속 신호처리 방법(CDMA)을 이용하는 광대역 스프레드-스펙트럼 이동식 무선인터페이스로써 3세대 이동통신 기술 표준의 하나인 W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) 시스템이 있다.
더 나아가 이러한 무선통신시스템들은 직접회로(Integrated Circuit) 기술의 발달을 기반으로 점차 소형화되고 있는 추세이다. 이에 따라 이들 시스템에 장착하기 위한 소형 안테나가 요구되고 있는 실정이다.
안테나를 소형화시키면 크기가 작아 사용상 편리하다는 장점이 있으나, 일반 안테나에 비해 전기적 성능면에서 안테나의 방사 패턴은 무지향성에 가까운 특성을 갖게 되고 안테나의 이득이 낮아진다는 단점이 있다.
뿐만 아니라 전기적인 소형 안테나는 매우 작은 방사 저항을 갖고 높은 리액턴스를 나타내게 됨에 따라 임피던스 정합이 어려워진다. 그 결과 리액턴스 성분이 매우 커져서 안테나 효율이 급격히 나빠지고 대역폭이 좁아진다는 문제점이 있다.
따라서 전기적인 소형 안테나를 정합시키기 위해 추가적인 정합 회로망을 추가 구성하여야 하며, 이는 소형 안테나의 구성이 복잡해짐과 동시에 비용이 증가한다는 문제점이 있다.
이에 현재 안테나 소형화에 따른 효율 저하 및 협대역 특성에 대한 단점을 개선하기 위한 기법에 대한 연구의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
이처럼 연구의 필요성이 대두되고 있는 소형화 방법으로는 고유전체를 사용하는 방법, 단락 핀을 이용하는 방법, EBG (Electromagnetic Band Gap) 구조를 이용하는 방법, 그리고 Fractal 구조를 이용하는 방법 등이 널리 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 기존의 방법들은 소형화는 가능하나 표면파와 안테나의 효율을 현저하게 저하시켜 안테나의 전기적인 특성을 제한한다는 문제점이 있다.
또한, 공진형 안테나의 실효 전류 길이를 증가시키기 위해서 방사패치를 구조적으로 변형하거나 3차원적으로 방사 구조를 디자인하는 방법이 안테나의 소형화를 이루는 구조로 주목 받았으며, 특히 PIFA(Planar Inverted F-Antenna) 구조와 같이 급전 방향의 리액턴스를 최소화한 공진 구조와 슬릿 부설에 의한 단순 변형 구조의 접목으로 보다 소형화된 칩 안테나 구조가 다양하게 개발 연구되었다.
나아가 소형화 특성을 확보하는 방법 중 방사소자에 적정한 슬릿 부설은 패치상에 분포하는 표면 전류의 실효 길이를 증가시켜 동일 크기의 방사 패치에 비해 효과적으로 공진 주파수를 낮추어 소형화된 안테나를 구현할 수 있는 설계 방법을 제시하고 있다. 이는 이중 대역과 같은 다중대역에서 동작하는 안테나의 설계나 이중대역에서 공진 주파수의 주파수비(FR: Frequency Ratio) 비율을 낮추어 임피던스 대역폭을 확장하는데 유용한 방법으로 미엔더 형태의 안테나가 가장 많이 사용되고 있다.
이러한 소형화 방법을 이용한 다양한 기술들을 살펴보면 다음과 같다.
예를 들면, 대한민국 등록특허공보 제 10-0674667 호(2007년01월19일 등록)에 "무선 이동 단말기용 적층 미엔더 구조의 이중대역 소형 칩안테나"가 개시되어 있다.
이는 무선주파수신호를 급전하기 위한 급전선과, 상기 급전선을 통해 전달되는 고주파신호를 방사하기 위하여 상기 급전선을 통해 급전되는 전류에 의해 공진 주파수가 형성되는 미엔더 형상의 하부 방사소자와, 상기 하부 방사소자와의 사이에 이중대역의 낮은 공진주파수가 형성되어 수파수신호를 방사하기 위하여, 상기 하부 방사호자의 상부에 일정 간격 이격되게 형성되는 미엔더 형상의 상부 방사소자를 포함하고 있다.
그리고 상기 하부 방사소자를 통해 흐르는 고주파신호를 상기 상부 방사소자에 커플링시켜 상기 상부 방사소자에 공진주파수를 형성시키기 위하여 상기 하부 방사소자와 상부 방사소자의 일정 부위에 일정 높이로 형성된 비아홀로 구성된 무선 이동 단말기용 적충 미엔더 구조의 이중대역 소형 칩 안테나에 관한 것이다.
그러나 이와 같은 기술의 경우 방사 소자에 적당한 슬릿을 부설하여 미엔더 형태를 갖는 소형 안테나는 기존 소형 안테나의 Q-factor를 낮추어 마이크로스트립 패치 안테나의 협대역 특성을 개선하였지만, 각각의 미엔더 방사 소자 사이의 간섭으로 인하여 안테나의 최대 방사 이득과 효율은 상대적으로 낮게 나타난다는 문제점이 있다. 또한 저온동시소성 세라믹(LTCC : Low Temperature Co-firing Ceramic) 기법은 높은 제작비용이 소요되어 안테나 설계에 제한 요소로 작용되고 있는 기법이다.
그리고 대한민국 등록특허공보 제 10-0518035 호(2005년09월22일 등록)에 "외장형 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나"가 개시되어 있다.
이는 에폭시 재질의 유전체와, 직사각체를 이루는 상기 유전체의 길이 방향의 상면 및 하면에 씌워진 상부패치 및 하부패치와, 상기 상부패치로부터 상기 하부패치를 향하여 상기 유전체의 정면에 지그재그 형상으로 씌워진 제 1 방사패치와, 상기 상부패치로부터 상기 하부패치를 향하여 상기 제 1 방사패치에 엇갈리도록 상기 유전체의 배면에 지그재그 형상으로 씌워진 제 2 방사패치, 및 상기 하부패치에 근접한 상기 유전체의 측면에 뚫려져 상기 제 1 방사패치 및 제 2 방사패치를 서로 연결하도록 도금된 급전 홀을 구비한 마이크로칩 듀얼 밴드 안테나로 구성된 외장형 마이크로 칩 듀얼밴드 안테나에 관한 것이다. 그러나 이 기술 역시 마이크로칩 듀얼 밴드 안테나를 저온동시소성 세라믹 기법을 사용함으로써 소형 안테나의 제작시 제작비용이 많이 소요된다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 "ㄱ"형상의 모노폴(monopole) 안테나와 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조를 통해 이중 대역의 공진 주파수를 형성시켜 이득과 효율이 뛰어난 메타머터리얼(metamaterial) 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 무선 주파수 신호를 급전하는 동축 프로브; 상기 동축 프로브를 통해 전달된 고주파 신호를 방사하는 모노폴 안테나; 상기 모노폴 안테나와 커플링을 통하여 인덕티브 로딩 역할을 하는 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조; 및 상기 모노폴 안테나의 방사 저항과 상기 동축 프로브의 입력 임피던스가 정합 될 수 있도록 상기 모노폴 안테나와 동축 프로브 사이에 형성된 급전패드를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 제공한다.
본 발명에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 사용하면, 안테나의 소형화에 따른 이득과 효율의 저하와 대역폭의 감소 특성을 개선한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 제공할 수 있다.
그리고 음의 유전율을 갖는 인공적인 메타머터리얼 구조를 이용함으로써, 기존의 전기적 소형 안테나에 사용된 비유전 상수가 높은 기판을 사용하는 방식과 높은 제작비용이 요구되는 저온동시소성 세라믹 기법을 효과적으로 극복하여 기판 유전율에 따른 특성의 변화를 최소화한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 제공할 수 있다.
또한, 서로 다른 물리적 길이를 갖는 메타머터리얼 구조의 물리적 길이와 방사 소자인 모노폴 안테나의 커플링 양을 조절하여 보다 손쉽게 원하는 임피던스 대역폭을 얻을 수 있는 모노폴 안테나를 제공할 수 있다.
나아가 기존 모바일 기기의 접지면 환경을 이용하여 메타머터리얼 구조의 설계가 가능하므로 추가적인 구조물이 필요치 않으며, 구조가 간단하고 제작이 용이하여 제작비용 절감이 가능한 모노폴 안테나를 제공할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나에 적용되는 메타머터리얼 구조를 기반으로 한 전기적 소형 안테나의 개념도로써, 자유 공간 상에서 모노폴 안테나의 크기를 소형화할수록 커패시턴스(capacitance) 성분이 높게 나타나게 된다. 따라서 모노폴 안테나는 등가적으로 커패시턴스(Ceff)로 나타낼 수 있다. 높은 커패시턴스 값을 갖는 모노폴 안테나 하단에 형성된 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조는 LC 공진 회로를 구성하기 위해서 등가적으로 인덕턴스(inductance)(Leff) 값을 갖고 인덕티브(inductive) 로딩 역할을 한다.
그 결과 전기적 소형 모노폴 안테나의 커패시턴스 성분(Ceff)과 음의 유전율에 기인한 메타머터리얼 구조의 인덕턴스 성분(Leff)은 등가적으로 LC 공진 회로를 이루어 공진 구조를 형성한다.
전기적 소형 이중 대역 모노폴 안테나의 공진 각주파수는 근사적으로 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112008011634210-PAT00001
이하 도면을 참조하여 각 구성요소별로 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나는 무선 주파수 신호를 급전하는 동축 프로브(probe)(100)와, 상기 동축 프로브(100)를 통해 전달된 고주파 신호를 방사하는 모노폴 안테나(200)와, 상기 모노폴 안테나(200)와 커플링을 통하여 인덕티브 로딩 역할을 하는 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조(300), 및 상기 모노폴 안테나(200)의 방사 저항과 상기 동축 프로브(100)의 입력 임피던스가 효과적으로 정합 될 수 있도록 상기 모노폴 안테나(200)와 동축 프로브(100) 사이에 형성된 급전패드(400)를 포함한다.
상기 모노폴 안테나(200)는 일반적인 모노폴 안테나의 형상과 달리 "ㄱ"자 형상으로 설계한다.
상기 "ㄱ"자 형상으로 설계된 모노폴 안테나(200)는 하단에 형성된 상기 메타머터리얼 구조(300)에 커플링이 효과적으로 발생하도록 하여 인덕티브(inductive) 로딩이 효율적으로 이루어지도록 한다. 이러한 인덕티브 로딩을 통해서 상기 모노폴 안테나(200)의 크기가 기준 모노폴 안테나에 비해 1/11 내지 1/9의 크기로 소형화된다.
상기 모노폴 안테나(200) 하단에 형성된 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조(300)는 상기 모노폴 안테나(200)로부터 야기된 자속 성분에 의해서 인덕티브 로딩 역할과 전기적 소형 안테나의 추가적인 방사 소자로 동작한다. 이에 기존의 전기적 소형 안테나에서 문제점으로 야기되는 효율과 이득을 개선한다.
또한, 상기 "ㄱ"자 형상의 모노폴 안테나(200)는 안테나의 표면 전류 경로를 수직/수평 방향으로 여기 시켜 상기 동축 프로브(100)로 급전된 비아(Via)와 함께 주 방사 소자로 동작한다. 이에 일반적인 모노폴 안테나 방사 패턴이 아닌 준 등방성 방사 패턴을 형성한다.
상기 모노폴 안테나(200)는 높은 커패시턴스 성분을 가진다. 따라서 LC 공진기를 형성하기 위해서는 높은 인덕턴스 성분이 필요하게 된다. 이러한 원리는 등가적으로 음의 유전율을 갖는 모노폴 형상의 메타머터리얼 구조(300)에 의해서 구현된다.
그리고 본 실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노 폴 안테나는 접지면(500)을 더 포함할 수 있다.
상기 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조(300)를 상기 접지면(500)에 단락시킨다. 이는 기존의 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조로 제안된
Figure 112008011634210-PAT00002
/2의 공진 길이를 갖는 다이폴 구조와 달리 메타머터리얼 구조(300)를 접지면(500)에 단락시킴으로서 메타머터리얼 구조(300)의 크기를 1/3 내지 1/2로 소형화시키기 위함이다. 이는 또한 모바일 기기의 접지면 환경을 가공하여 메타머터리얼 구조가 설계 가능하므로 추가적인 구조물을 필요로 하지 않는다.
즉, 상기 메타머터리얼 구조(300)는 접지면 환경에 물리적 가공을 통하여 추가적인 구조물을 필요로 하지 않는 인덕티브 로딩이 가능하다.
상기 메타머터리얼 구조(300)는 상기 모노폴 안테나와 커플링을 이용하여 인덕티브 로딩이 가능하도록 설계한다.
보다 상세히 설명하면, 상기 메타머터리얼 구조(300)는 상기 모노폴 안테나(200)를 기준으로 양쪽(왼쪽과 오른쪽)에 각각 형성된다.
또한, 상기 모노폴 안테나(200) 좌우측에 각각 형성되는 상기 메타머터리얼 구조(300)는 서로 다른 물리적 길이를 갖도록 형성한다.
상기 서로 다른 물리적 길이를 갖도록 형성된 메타머터리얼 구조는 상기 모노폴 안테나 하단 양쪽에 각각
Figure 112008011634210-PAT00003
으로 서로 다른 물리적인 길이를 갖는 형태로 설계한다. 이는 상기 모노폴 안테나를 기준으로 양쪽에 각각 형성되어 모노폴 안테나와 커플링 양을 조절함으로써 이중 공진 특성을 갖도록 하기 위함이며, 이는 기존 소형 안테나의 Q-factor를 더욱 낮추어 광대역의 특성을 갖도록 하기 위함이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 모노폴 안테나(200)는 무선 주파수(RF : Radio Frequency) 신호를 급전하기 위하여 상기 동축 프로브(100)를 이용한다. 동축 프로브(100) 비아는 모노폴 안테나(200)와 함께 주 방사에 기여하여 모노폴 방사 패턴이 아닌 준 등방성 방사 패턴을 형성한다.
일반적인 전기적 소형 안테나의 경우 그 크기를 소형화 할수록 안테나의 방사 저항이 급격히 감소하는 경향이 있다. 이는 아래의 수학식 2에 의해 알 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112008011634210-PAT00004
따라서 동축 프로브(100)의 입력 임피던스 50Ω과 모노폴 안테나(200)의 방사 임피던스 정합 즉, 동축 프로브(100)와 모노폴 안테나(200)의 임피던스 정합을 위해 동축 프로브(100)와 모노폴 안테나(200) 사이에 정사각형 형상의 급전패드(400)를 형성한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나의 동작에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 전계의 법선 성분을 나타낸 도면이다.
보다 상세히 설명하면, 도 3과 도 4는 각각 1.823㎓와 2.104㎓에서의 전계 법선 성분을 나타낸 것으로, 이는 본 발명의 모노폴 안테나에 커패시턴스의 특성을 보여주기 위함이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 각각의 공진 주파수에서 전계의 법선 성분을 살펴보면, 전기적 소형 안테나는 매우 높은 커패시턴스가 유발됨을 알 수 있다. 이를 통해서 전기적 소형 모노폴 안테나가 높은 커패시턴스 성분을 가지고 있음을 알 수 있다. 뿐만 아니라 모노폴 안테나와 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조 사이에 강한 기생 커패시턴스 성분이 존재함을 알 수 있다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 표면 전류 밀도를 나타낸 도면이다.
보다 상세히 설명하면, 도 5와 도 6은 각각 1.823㎓와 2.104㎓에서의 표면 전류 밀도를 나타낸 것으로, 이는 본 발명의 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구 조에 인덕턴스의 특성을 보여주기 위함이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 메타머터리얼 구조(300)는 구동 각 주파수 이하에서 음의 유전율을 가지므로 등가적으로 인덕턴스 성분을 유도한다. 이는 본 발명의 메타머터리얼 구조(300)가 매우 높은 전류 밀도를 유도하므로 인덕턴스 성분이 발생함을 알 수 있다. 따라서 높은 커패시턴스 특성을 갖는 모노폴 안테나는 기생 커패시턴스 커플링을 통해서 인덕턴스 특성을 갖는 메타머터리얼 구조와 함께 인덕티브 로딩이 가능하게 된다. 이는 메타 물질 기반 안테나 개념도와 같은 양상을 나타낸다.
도 7 내지 도 12는 본 발명에 따른 "ㄱ"자 형상의 방사 소자를 구비한 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나의 반사손실 특성, 입력 임피던스 특성 및 방사 패턴을 나타낸 도면이다.
보다 상세히 설명하면, 도 7은 본 발명의 모노폴 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프이다. 임피던스 대역폭(VSWR≤2)은 177㎒와 409㎒이며, 공진 주파수가 1.891㎓와 2.217㎓로 이중 공진 특성을 나타낸다. 측정된 임피던스 대역폭 FBW(Fractional Bandwidth)을 이용하여 구해진 QFBW는 2.23을 나타내었으며, Chu가 제시한 이론적인 소형 안테나의 QChu은 16.72를 나타내어 비약적으로 안테나의 대역폭이 증가하였음을 알 수 있다.
상기 Chu가 제시한 이론을 살펴보면, 전기적인 소형 선형 안테나가 갖는 자 유공간상의 최소 Q값은 Chu에 의해서 수학식 3과 같이 정의되고 있다.
[수학식 3]
Figure 112008011634210-PAT00005
또한, 근사적인 RLC 회로에서 QChu에 관한 FBW를 나타내면 수학식 4와 같이 나타낸다.
[수학식 4]
Figure 112008011634210-PAT00006
상술한 Chu의 소형 안테나에 대한 이론을 통해 계산된 본 발명의 모노폴 안테나는 각각 QChu은 16.72, QFBW는 2.23을 나타내었다.
이와 같은 수치는 Chu가 제시한 QChu에 비해 낮은 값을 가지므로 대역폭이 증가하였음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 스미스 차트 상의 입력 임피던스이다.
도 8을 참조하면, 도 8의 스미스 차트 상의 입력 임피던스는 HP8753ES Vector Network Analyzer를 이용하여 측정한 결과 1.891㎓와 2.217㎓에서 이중 공 진 특성을 나타낸다. 이는 1.891㎓에서 입력 임피던스 값은 36.69-j8.33Ω를 나타내었으며, 2.217㎓는 49.73-j0.45Ω를 나타냄을 알 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 2차원 방사패턴이다.
도 9를 참조하면, 도 9는 X-Y 평면의 2차원 방사 패턴으로, X-Y 평면의 경우 모노폴 안테나의 영향으로 30˚ 방향에서 최대 방사 이득이 나타나며, 105˚와 295˚ 방향에서 영점이 발생함을 알 수 있다. 도 10은 Y-Z 평면의 2차원 방사 패턴으로, Y-Z 평면의 경우 모노폴 안테나가 등가적인 점점원의 행태로 간주되어 준 등방성 방사패턴을 나타냄을 알 수 있다. 도 11은 X-Z 평면의 2차원 방사 패턴으로, X-Z 평면의 경우 15˚와 260˚ 방향에서 영점이 발생하였으며, 모노폴 안테나의 영향으로 135˚에서 최대 방사 이득이 나타남을 알 수 있다. 최대 방사 이득은 공진 주파수 1.891Hz에서 2.38dBi를 나타내었으며, 효율은 81.42%로 나타났다. 또한 공진 주파수 2.217GHz에서 최대 방사 이득은 2.44dBi를 나타내었으며, 효율은 83.61%로 나타남을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 3차원 방사패턴이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 모노폴 안테나의 3차원 방사패턴 측정 결과 최대 방사 이득은 4.79dBi로 나타났으며, 공진 주파수인 1.891GHz에서 2.56dBi 그리 고 2.217GHz에서 4.79dBi를 나타났다. 효율은 최대 83.93%를 나타내었다. 측정된 방사 패턴의 결과를 표 1을 통해 나타내면 다음과 같다.
[표 1]
주파수[MHz] Maximum Gain [dBi] 효율 [%]
3D X-Y X-Z Y-Z
1800 1.88 2.31 2.67 -3.40 67.88
1892 2.56 2.38 2.26 -0.31 81.42
2000 3.30 1.97 2.07 -0.58 79.08
2200 4.96 2.52 2.61 2.13 83.93
2217 4.79 2.37 2.44 2.22 83.61
2400 4.53 2.24 2.32 2.11 78.49
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 전계의 법선 성분을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 표면 전류 밀도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 반사 손실 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 스미스 차트 상의 입력 임피던스이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 2차원 방사패턴이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나를 설명하기 위한 3차원 방사패턴이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *
100 : 동축 프로브 200 : 모노폴 안테나
300 : 메타머터리얼 구조 400 : 급전패드
500 : 접지면

Claims (11)

  1. 무선 주파수 신호를 급전하는 동축 프로브;
    상기 동축 프로브를 통해 전달된 고주파 신호를 방사하는 모노폴 안테나;
    상기 모노폴 안테나와의 커플링을 통하여 인덕티브 로딩 역할을 하는 음의 유전율을 갖는 메타머터리얼 구조; 및
    상기 모노폴 안테나의 방사 저항과 상기 동축 프로브의 입력 임피던스가 정합 될 수 있도록 상기 모노폴 안테나와 동축 프로브 사이에 형성된 급전패드를 포함하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타머터리얼 구조는 상기 모노폴 안테나와 커플링을 이용하여 인덕티브 로딩이 가능하도록 설계된 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 메타머터리얼 구조는 상기 모노폴 안테나 하단에
    Figure 112008011634210-PAT00007
    으로 서로 다른 물리적인 길이를 갖는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 메타머터리얼 구조는 상기 모노폴 안테나를 기준으로 양쪽에 각각 형성되어 상기 모노폴 안테나와 커플링 양을 조절하여 이중 공진 특성을 갖도록 설계된 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나가 "ㄱ"자 형상인 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나가 "ㄱ"자 형상인 것을 이용하여 상기 모노폴 안테나를 기준으로 양쪽에 각각 형성된 상기 메타머터리얼 구조에 서로 다른 커플링 양과 인덕턴스 값을 갖도록 설계된 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나가 기준 모노폴 안테나에 비해서 1/11 내지 1/9의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나의 표면 전류 경로를 수직 및 수평 방향으로 여기 시켜 상기 동축 프로브로 급전된 비아와 함께 주 방사 소자로 동작하도록 함으로서 방사 패턴이 준 등방성 방사 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타머터리얼 구조를 단락 시키는 접지면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  10. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 메타머터리얼 구조는 접지면 환경에 물리적 가공을 통하여 추가적인 구조물을 필요로 하지 않는 인덕티브 로딩 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 접지면에 상기 메타머터리얼 구조를 단락시킴으로써 메타머터리얼 크기가 1/3 내지 1/2로 소형화된 것을 특징으로 하는 메타머터리얼 구조를 이용한 소형 이중 대역 모노폴 안테나.
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