KR20100091655A - 나선 부하를 이용한 메타머티리얼 안테나 및 상기 안테나를이용한 통신장치 - Google Patents

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Abstract

나선 부하를 이용한 메타머티리얼 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치를 개시한다. 안테나는 유전체 기판에 나선 형태의 나선 부하(spiral loading)를 이용하여 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line) 구조의 방사 소자를 형성하고, 상기 나선 부하는 상기 유전체 기판에 형성된 접지면과 이격되어 형성되고, 상기 방사 소자의 공진 주파수는 상기 CRLH-TL 구조를 형성하는 리액턴스 성분에 의해 결정될 수 있다.
안테나, CRLH-TH 구조, 메타머티리얼(metamaterial), 나선 부하(spiral loading), 리액턴스(reactance), 소형화

Description

나선 부하를 이용한 메타머티리얼 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치{METAMATERIAL ANTENNA USING SPIRAL LOADING AND COMMUNICATION APPARATUS USING THE ANTENNA}
본 발명의 실시예들은 메타머티리얼의 특성을 이용하여 안테나 크기를 더욱 소형화하기 위한 나선 부하를 이용한 메타머티리얼 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치에 관한 것이다.
전자산업의 진보와 더불어 통신기술, 특히 무선 통신기술이 발달함에 따라 언제, 어디서나, 누구와도 음성 및 데이터 통신을 수행할 수 있는 다양한 무선통신 단말기가 개발되어 보편화되고 있다.
또한, 무선통신 단말기의 휴대성을 향상시키기 위하여 무선통신 단말기의 소형화를 위한 다양한 기술, 예를 들어 고밀도 집적회로 소자의 개발, 전자 회로보드의 소형화 방법 등이 연구되고 있으며, 무선통신 단말기를 사용하고자 하는 목적 또한 다양해짐에 따라 내비게이션용 단말기, 인터넷용 단말기 등 다양한 기능을 수행하는 단말기들이 개발되고 있다.
한편, 무선 통신기술에서 중요한 기술 중 하나는 안테나에 관한 기술이며, 현재 동축 안테나, 로드 안테나, 루프 안테나, 빔 안테나, 슈퍼게인 안테나 등 다양한 기법에 의한 안테나들이 사용되고 있다.
특히, 최근 무선통신 단말기의 휴대화 또는 소형화 추세가 더욱 높아짐에 따라 안테나를 소형화하는 기술적 필요성이 더욱 커지고 있으며, 이에 따라 안테나의 도선이 헬릭스(helix)형태나 미앤더라인(meander line)형태 등으로 구성되는 안테나가 제안되고 있다.
그러나, 상기 제안된 안테나들도 공진 주파수에 의존하여 크기가 결정되는 한계를 벗어나지 못하였으며 안테나가 소형화될수록 좁은 공간에 고정된 길이의 안테나를 형성하기 위해 그 형태가 더욱 복잡해지는 등의 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 제안된 기술이 메타머티리얼(metamaterial)을 이용한 안테나 기술이다.
여기서, 메타머티리얼이란 자연에서 일반적으로 찾을 수 없는 특수한 전자기적 특성을 갖도록 인공적으로 설계된 물질 또는 전자기적 구조를 의미하는 것으로서, 상기 메타머티리얼의 특성을 안테나에 응용할 경우 안테나 크기의 소형화에 유리한 특성을 지닌다.
본 발명의 일실시예는 CRLH-TL 메타머티리얼 구조의 공진 주파수 특성을 이용하여 안테나의 소형화를 실현할 수 있는 나선 부하(spiral loading)를 이용한 메타머티리얼 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 유전체 기판에 나선 형태의 나선 부하(spiral loading)를 이용하여 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line) 구조의 방사 소자를 형성하고, 상기 나선 부하는 상기 유전체 기판에 형성된 접지면과 이격되어 형성되고, 상기 방사 소자의 공진 주파수는 상기 CRLH-TL 구조를 형성하는 리액턴스(reactance) 성분에 의해 결정될 수 있다.
여기서, 상기 방사 소자는, 상기 유전체 기판의 일층에 형성되는 패치(patch)와, 상기 유전체 기판의 다른 일층에 형성되는 상기 나선 부하와, 상기 패치와 나선 부하를 연결하는 비어(via)를 포함하는 적어도 하나의 단위 셀로 구성되고, 상기 패치는 상기 유전체 기판에 형성된 급전 선로와 연결되고, 상기 나선 부하는 도체로 형성되어 상기 접지면과 연결될 수 있다.
또한, 상기 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분은, 상기 나선 부하와 접지면의 연결로 인해 형성되는 인덕턴스(inductance)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분은, 상기 나선 부하의 나선(turn) 수를 이용하여 조절될 수 있다.
또한, 상기 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분은, 상기 나선 부하의 나선 간격, 나선 폭, 나선 방향 중 적어도 하나를 이용하여 조절될 수 있다.
또한, 상기 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분은, 상기 단위 셀의 개수, 상기 패치의 크기, 상기 비어의 크기, 상기 유전체 기판의 크기, 상기 유전체 기판의 유전율, 상기 급전 선로의 위치, 상기 급전 선로의 급전 방법 중 적어도 하나를 이용하여 조절될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 나선 형태의 부하를 이용하여 CRLH-TL 구조의 안테나를 구현하고 CRLH-TL 구조의 리액턴스(reactance) 성분을 조절함으로써 안테나의 길이에 의존하지 않고 낮은 공진 주파수를 얻어 안테나 소형화를 이룰 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 메타머티리얼을 이용한 방사 소자를 구현할 수 있다.
안테나에 응용되는 메타머티리얼은 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line) 구조가 대표적이며, 상기 CRLH-TL 구조의 안테나는 RH(right-handed) 및 LH(left-handed)의 특성이 조합되어 양(+)의 차수 공진 모드뿐 아니라 0차 및 음(-)의 차수 공진 모드를 갖는다.
상기 CRLH-TL 구조의 공진 모드에서 0차 공진 모드는 전파 상수가 0(zero)으로 파장이 무한대가 되고 전파 전송에 따른 위상 지연이 발생되지 않는다.
상기 CRLH-TL 구조의 안테나는 CRLH-TL을 구성하는 리액턴스(reactance) 성분에 의해 0차 공진 모드에서의 공진 주파수가 결정되므로 안테나의 길이에 의존하지 않아 안테나의 소형화에 유리하다.
본 발명의 일실시예는 나선 형태의 나선 부하(spiral loading)를 이용하여 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분을 조절함에 따라 낮은 공진 주파수를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나선 부하를 이용한 CRLH-TL 구조의 안테나를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 나선 부하를 이용하여 CRLH-TL 구조의 방사 소자(100)를 형성할 수 있다.
상기 CRLH-TL 구조의 방사 소자(100)는 소정의 유전율(ρ)을 갖는 유전체 기판(110)을 이용하며 적어도 하나의 단위 셀로 구성될 수 있다.
보다 상세하게, 상기 CRLH-TL 구조의 방사 소자(100)를 구성하는 단위 셀은 상기 유전체 기판(110)의 상층에 형성된 패치(patch)(130)와, 상기 유전체 기판(110)의 하층에 형성된 나선 부하(140)와, 상기 패치(130)와 나선 부하(140)를 연결하는 비어(via)(150)로 구성될 수 있다.
상기 CRLH-TL 구조의 방사 소자(100)는 상기 유전체 기판(110)의 상층에 급전 선로(120)를 형성하고 상기 유전체 기판(110)의 하층 일면에 접지면(160)을 형 성한다.
이때, 상기 나선 부하(140)는 상기 접지면(160)과 이격된 영역에 형성된 후 상기 접지면(160)과 연결된다.
그리고, 상기 나선 부하(140)는 도체로 이루어지며 상기 패치(130)와 대응되는 위치 즉, 상기 패치(130)와 마주보는 면에 형성되고 상기 비어(150)를 통해 상기 패치(130)와 연결된다.
도 1은 상기 CRLH-TL 구조의 방사 소자(100)를 두 개의 단위 셀로 구성한 일례를 도시한 것이다.
상기 일례에 따른 CRLH-TL 구조의 방사 소자(100)는 유전율이 2.2이고 크기가 20mm×20mm×1.57mm인 유전체 기판(110)을 이용하고 상기 유전체 기판(110)의 상층에 너비가 1.5mm인 급전 선로(120)와 크기가 3.5mm×3.5mm인 두 개의 패치(130)를 0.2mm 간격으로 위치한다. 그리고, 유전체 기판(110)의 하층에는 나선 폭이 0.2mm이고 나선 간격이 0.2mm인 두 개의 나선 부하(140)가 상기 패치(130)와 일대일 대응되는 위치에 형성되고 접지면(160)과 연결된다. 이때, 상층에 형성된 패치(130)와 하층에 형성된 나선 부하(140)는 반경이 0.2mm인 비어(150)를 통하여 연결된다.
도 2는 CRLH-TL 구조의 메타머티리얼 기능을 설명하기 위한 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 CRLH-TL 구조의 방사 소자(100)에 대한 등가 회로는 하나의 단위 셀(210)에 대하여 직렬 인덕터(201), 병렬 캐패시터(202), 직렬 캐패 시터(203), 병렬 인덕터(204)로 구성될 수 있다.
상기 직렬 인덕터(201)와 병렬 캐패시터(202)는 일반적인 구조의 안테나 기능에 등가한 것이며, 상기 직렬 캐패시터(203)와 병렬 인덕터(204)는 CRLH-TL 구조가 갖는 메타머티리얼 기능에 등가한 것이다.
상세하게, 상기 직렬 인덕터(201)는 상기 유전체 기판(110)에 위치한 패치(130)에 의해 형성된 인덕턴스(LR)에 등가하고, 상기 병렬 캐패시터(202)는 상기 패치(130)와 접지면(160) 간에 형성된 캐패시턴스(capacitance)(CR)에 등가하고, 상기 직렬 캐패시터(203)는 상기 패치(130) 간의 간격에 의해 형성된 캐패시턴스(CL)에 등가하며, 상기 병렬 인덕터(204)는 상기 비어(150)를 포함한 나선 부하(140)와 접지면(160) 간에 형성된 인덕턴스(LL)에 등가한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 구조의 안테나는 상기 나선 부하(140)를 이용하여 CRLH-TL를 구성하는 리액턴스 성분 중 상기 인덕턴스(LL)를 조절하여 낮은 0차 또는 음의 차수(-) 및 양의 차수(+) 공진 주파수를 얻을 수 있다.
도 3은 CRLH-TL 구조의 안테나에 대한 전파상수 대비 공진 주파수를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 구조의 안테나는 RH 영역(Right Hand region)과 LH 영역(Left Hand region)에 따라 공진 주파수가 달라지며, RH 영역 및 LH 영역의 주파수 특성에 따라 양의 차수(+)뿐만 아니라 0차 및 음의 차수(-) 공진 주파수를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 CRLH-TL 구조의 안테나에 대한 나선 수 대비 반사 손실을 나타내는 그래프로, 도 1에 도시한 CRLH-TL 구조의 일례에서 두 단위 셀의 나선 부하(140)가 동일하게 시계 방향으로 구현된 경우에 대하여 반사 손실을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 구조의 안테나는 -1차 공진 모드와 0차 공진 모드가 발생함을 알 수 있다. 이때, 상기 나선 부하(140)의 나선(turn) 수가 증가함에 따라 상기 인덕턴스(LL)가 증가하여 -1차 및 0차 공진 주파수가 하향함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 구조의 안테나는 상기 나선 부하(140)의 나선 간격, 나선 폭, 나선 방향 등을 조절함에 따라 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분을 조절하여 공진 주파수를 하향 조절할 수 있다.
도 1에 도시한 일례의 CRLH-TL 구조의 안테나에 대하여 도 5는 -1차 공진 주파수의 이득 분포를, 도 6은 0차 공진 주파수의 이득 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1에 도시한 일례의 CRLH-TL 구조의 안테나에 대한 분산 그래프를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 구조의 안테나는 도 4와 마찬가지로 2GHz 근처에서 -1차 공진 모드가 발생하고 2.5GHz 근처에서 0차 공진 모드가 발생함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 구조의 안테나는 상기 단위 셀(210)의 개수, 상기 패치(130)의 크기, 상기 비어(150)의 크기, 상기 유전체 기판(110)의 크기, 상기 유전체 기판(110)의 유전율(ρ), 상기 급전 선로(120)의 위치, 상기 급전 선로(120)의 급전 방식 등에 따라 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분을 조절함으로써 사용자가 원하는 안테나 성능을 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 구조의 안테나는 나선 형태의 부하를 구현하여 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분을 조절함에 따라 안테나의 길이에 의존하지 않고 낮은 0차 공진 주파수 또는 음의 차수(-)와 양의 차수(+) 공진 주파수를 얻음으로써 안테나 소형화를 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 나선 부하를 이용한 CRLH-TL 구조의 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 CRLH-TL 구조의 메타머티리얼 기능을 설명하기 위한 CRLH-TL 구조의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 3은 CRLH-TL 구조의 안테나에 대한 전파상수 대비 공진 주파수를 나타내는 그래프이다.
도 4는 CRLH-TL 구조의 안테나에 대한 나선 수 대비 반사 손실을 나타내는 그래프이다.
도 5와 도 6은 음의 차수와 0차 공진 주파수의 이득 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 두 개의 단위 셀로 구성된 CRLH-TL 구조의 안테나에 대한 분산 그래프를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 유전체 기판
120: 급전 선로
130: 패치
140: 나선 부하
150: 비어
160: 접지면

Claims (8)

  1. 유전체 기판에 나선 형태의 나선 부하(spiral loading)를 이용하여 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line) 구조의 방사 소자를 형성하고,
    상기 나선 부하는 상기 유전체 기판에 형성된 접지면과 이격되어 형성되고,
    상기 방사 소자의 공진 주파수는 상기 CRLH-TL 구조를 형성하는 리액턴스(reactance) 성분에 의해 결정되는, 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사 소자는,
    상기 유전체 기판의 일층에 형성되는 패치(patch)와, 상기 유전체 기판의 다른 일층에 형성되는 상기 나선 부하와, 상기 패치와 나선 부하를 연결하는 비어(via)를 포함하는 적어도 하나의 단위 셀로 구성되고,
    상기 패치는 상기 유전체 기판에 형성된 급전 선로와 연결되고,
    상기 나선 부하는 도체로 형성되어 상기 접지면과 연결되는, 안테나.
  3. 제2항에 있어서
    상기 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분은,
    상기 나선 부하와 접지면의 연결로 인해 형성되는 인덕턴스(inductance)를 포함하는, 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방사 소자의 공진 주파수는,
    상기 인덕턴스가 증가함에 따라 하향되는, 안테나.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분은,
    상기 나선 부하의 나선(turn) 수를 이용하여 조절되는, 안테나.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분은,
    상기 나선 부하의 나선 간격, 나선 폭, 나선 방향 중 적어도 하나를 이용하여 조절되는, 안테나.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분은,
    상기 단위 셀의 개수, 상기 패치의 크기, 상기 비어의 크기, 상기 유전체 기판의 크기, 상기 유전체 기판의 유전율, 상기 급전 선로의 위치, 상기 급전 선로의 급전 방식 중 적어도 하나를 이용하여 조절되는, 안테나.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 안테나를 포함하는 통신장치.
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