KR20100093842A - 다층 구조 단위 셀로 구성된 ｃｒｌｈ－ｔｌ 주기 구조의 다중 대역 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치 - Google Patents

다층 구조 단위 셀로 구성된 ｃｒｌｈ－ｔｌ 주기 구조의 다중 대역 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치 Download PDF

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Abstract

다층 구조 단위 셀로 구성된 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치를 개시한다. 다중 대역 안테나는 유전체 캐리어에 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line) 역할을 하는 적어도 하나의 단위 셀을 일정 주기로 배열하여 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자를 형성하고, 이때, 상기 단위 셀은 공진 역할을 하는 방사 선로를 층상으로 배열하여 다층 구조로 형성할 수 있다.
안테나, 메타머티리얼(metamaterial), 다층 구조 단위 셀, CRLH-TH 주기 구조, 소형화, 다중 대역

Description

다층 구조 단위 셀로 구성된 ＣＲＬＨ－ＴＬ 주기 구조의 다중 대역 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치{MULTIBAND ANTENNA USING CYCLE STRUCTURE OF composite right/left handed transmission line HAVING MULTILAYER UNIT CELL AND COMMUNICATION APPARATUS USING THE ANTENNA}
본 발명의 실시예들은 메타머티리얼의 특성을 이용하여 안테나 크기를 더욱 소형화하기 위한 다층 구조 단위 셀로 구성된 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 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 안테나는 공진 주파수에 의존하여 크기가 결정되는 한계를 벗어나지 못하며 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 구조의 공진 특성을 이용하여 안테나의 소형화를 이루고 다중 대역에서 동작할 수 있는 다중 대역 안테나 및 상기 안테나를 이용한 통신장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 다중 대역 안테나는 유전체 캐리어에 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line) 역할을 하는 적어도 하나의 단위 셀을 일정 주기로 배열하여 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자를 형성하고, 이때 상기 단위 셀은 공진 역할을 하는 방사 선로를 층상으로 배열하여 다층 구조로 형성할 수 있다.
이때, 상기 방사 소자의 공진 주파수는 상기 CRLH-TL 주기 구조를 형성하는 리액턴스(reactance) 성분에 의해 결정된다.
또한, 상기 단위 셀은, 상기 방사 선로를 적어도 하나의 층으로 형성하고, 상기 층과 층 사이에 상기 층과 층 사이의 방사 선로를 연결하는 층간 비어 홀(via hole)을 형성한다.
또한, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자는, 상기 단위 셀과 단위 셀 사이에 상기 단위 셀과 단위 셀 사이의 방사 선로를 연결하는 셀간 비어 홀을 형성한다.
또한, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자는, 상기 유전체 캐리어의 일단 에서 분기되어 상기 방사 선로에 대한 급전 역할을 하는 급전 선로와, 상기 유전체 캐리어의 다른 일단에서 분기되어 상기 방사 선로에 대한 스터브 역할을 하는 스터브(stub)를 포함한다.
또한, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자는, 상기 급전 선로 및 스터브의 일단이 상기 유전체 캐리어와 별개의 기판에 형성된 접지면과 각각 연결되며, 상기 급전 선로와 접지면 사이 또는 상기 스터브와 접지면 사이에 인덕터(inductor)가 연결된다.
또한, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 리액턴스 성분은, 상기 단위 셀의 수, 상기 단위 셀을 이루는 층의 수, 상기 방사 선로의 폭, 상기 방사 선로의 길이, 상기 층간 비어 홀의 크기, 상기 셀간 비어 홀의 크기, 상기 유전체 캐리어의 유전율, 상기 유전체 캐리어의 크기, 상기 스터브의 위치, 상기 스터브의 폭, 상기 스터브의 길이, 상기 급전 선로의 위치, 상기 급전 선로의 폭, 상기 급전 선로의 길이 중 적어도 하나에 의해 조절된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, CRLH-TL 구조를 주기적으로 배열하여 CRLH-TL 구조의 리액턴스(reactance) 성분을 조절함으로써 안테나의 길이에 의존하지 않고 낮은 공진 주파수를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 일실시예는 CRLH-TL 구조를 구성하는 단위 셀을 다층 구조로 형성함으로써 CRLH-TL 주기 구조의 리액턴스 성분을 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예는 다층 구조 단위 셀로 구성된 CRLH-TL 주기 구조를 통해 안테나의 소형화를 이룰 수 있으며 다중 대역에서 동작하는 안테나 성능을 얻을 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 다중 대역 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 구조에서 0차 공진 모드는 전파 상수가 0(zero)으로 파장이 무한대가 되고 전파 전송에 따른 위상 지연이 발생되지 않는다.
상기 CRLH-TL 구조의 안테나는 0차 공진 모드에서의 공진 주파수가 CRLH-TL을 구성하는 리액턴스(reactance) 성분에 의해 결정되므로 안테나의 길이에 의존하지 않아 안테나의 소형화에 유리하다.
본 발명의 일실시예는 CRLH-TL 구조를 주기적으로 배열하여 리액턴스 성분을 조절함에 따라 낮은 공진 주파수를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 일실시예는 CRLH-TL 구조를 구성하는 단위 셀을 다층 구조로 형성함으로써 CRLH-TL 주기 구조 의 리액턴스 성분을 조절할 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 대역 안테나의 구성을 도시한 것으로, 다층 구조 단위 셀로 구성된 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나를 도시한 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 일실시예에 따른 다중 대역 안테나는 CRLH-TL 구조를 주기적으로 배열하여 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)를 형성할 수 있다.
상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)는 소정의 유전율(ρ)을 갖는 유전체 캐리어(110)를 이용하며 상기 유전체 캐리어(110)에 CRLH-TL 역할을 하는 적어도 하나의 단위 셀(120)을 일정 주기로 배열하여 형성할 수 있다.
특히, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 대역 안테나는 상기 단위 셀(120)을 형성하는데 있어 공진 역할을 하는 방사 선로(130)를 층상으로 배열하여 다층 구조를 형성할 수 있다.
보다 상세하게, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)를 구성하는 단위 셀(120)은 상기 방사 선로(130)를 적어도 하나의 층으로 형성하고 상기 층 간의 방사 선로를 연결하기 위하여 상기 층과 층 사이에 층간 비어 홀(via hole)(140)을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)는 상기 단위 셀(120)을 주기적으로 배열한 것으로, 상기 단위 셀 간의 방사 선로를 연결하기 위하여 상기 단위 셀과 단위 셀 사이에 셀간 비어 홀(150)을 형성할 수 있다.
도 3은 도 1의 다중 대역 안테나가 인쇄회로기판(PCB)과 연결된 상태를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)는 상기 방사 선로(130)에 대한 급전 역할을 하는 급전 선로(310)를 상기 유전체 캐리어(110)의 일단에서 분기하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)는 상기 방사 선로(130)에 대한 스터브 역할을 하는 스터브(320)를 상기 유전체 캐리어(110)의 다른 일단에서 분기하여 형성할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 대역 안테나는 상기 유전체 캐리어(110)와 별개의 기판인 인쇄회로기판에 형성된 접지 면(330)을 이용한다.
이때, 상기 급전 선로(310) 및 스터브(320)는 각 일단이 상기 접지 면(330)과 각각 연결된다. 상기 급전 선로(310)는 상기 접지 면(330)과 연결되는 과정에서 상기 인쇄회로기판에 형성된 급전점(311)과 연결될 수 있다.
또한, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)와 인쇄회로기판 간의 임피던스 매칭(impedance matching)을 위하여 상기 급전 선로(310)와 접지 면(330) 또는 상기 스터브(320)와 접지 면(330) 사이에는 임피던스 매칭 역할을 하는 인덕터(340)를 연결할 수 있다.
도 1과 도 3은 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)에 대한 일례로, 11개의 층으로 이루어진 다층 구조의 단위 셀(120)을 18개 배열한 형태를 도시한 것이다.
상기 일례에 따른 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)는 유전율이 4이고 크기가 25mm×5mm×2mm인 유전체 캐리어(110)를 이용한다. 상기 유전체 캐리어(110)에는 너비가 1mm인 방사 선로(130)를 층상으로 배열한 단위 셀(120)이 주기적으로 배열된다. 이때, 상기 층 간의 방사 선로(130)는 상기 층간 비어 홀(140)을 통해 연결되고, 상기 단위 셀 간의 방사 선로(130)는 상기 셀간 비어 홀(150)을 통해 연결된다.
상기 일례에 따른 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)는 상기 유전체 캐리어(110)의 좌측 하층면에서 급전 선로(310)가 분기되어 형성되고 상기 유전체 캐리어(110)의 우측 하층면에서 스터브(320)가 분기되어 형성된다. 이때, 상기 급전 선로(310)와 스터브(320)는 인쇄회로기판에 형성된 접지면(330)과 연결된다.
도 4는 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나에 대한 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자(100)에 대한 등가 회로는 하나의 단위 셀(410)에 대하여 직렬 인덕터(401), 병렬 캐패시터(402), 직렬 캐패시터(403), 병렬 인덕터(404)로 구성될 수 있다.
상기 직렬 인덕터(401)와 병렬 캐패시터(402)는 일반적인 구조의 안테나 기능에 등가한 것이며, 상기 직렬 캐패시터(403)와 병렬 인덕터(404)는 CRLH-TL 구조가 갖는 메타머티리얼 기능에 등가한 것이다.
상세하게, 상기 직렬 인덕터(401)는 상기 단위 셀(120)을 구성하는 방사 선로(130)에 의해 형성된 인덕턴스(LR)에 등가하고, 상기 병렬 캐패시터(402)는 상기 방사 선로(130)와 급전 선로(310)와 접지면(330) 간에 형성된 캐패시턴스(capacitance)(CR)에 등가한 것이다. 그리고, 상기 직렬 캐패시터(403)는 이웃한 단위 셀과의 연결에 의해 형성된 캐패시턴스(CL)에 등가하고, 상기 병렬 인덕터(404)는 상기 방사 선로(130)와 스터브(320)와 접지면(330) 간에 형성된 인덕턴스(LL)에 등가한 것이다.
상기 CRLH-TL 주기 구조의 리액턴스 성분은 상기 CRLH-TL 주기 구조를 구현하는 상기 단위 셀(120)의 수 또는 상기 단위 셀(120)을 이루는 층 수에 의해 조절될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나는 상기 CRLH-TL 주기 구조를 통해 리액턴스 성분 즉, 캐패시턴스(CL)와 인덕턴스(LL)를 조절할 수 있다.
도 5는 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나에 대한 전파상수 대비 공진 주파수를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 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 6은 도 1의 CRLH-TL 주기 구조에 대한 반사 손실을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나는 그래프의 좌측부터 0차, 1차 공진 모드가 발생함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나는 상기 방사 선로(130)의 폭, 상기 방사 선로(130)의 길이, 상기 층간 비어 홀(140)의 크기, 상기 셀간 비어 홀(150)의 크기, 상기 유전체 캐리어(110)의 유전율, 상기 유전체 캐리어(110)의 크기, 상기 스터브(320)의 위치, 상기 스터브(320)의 폭, 상기 스터브(320)의 길이, 상기 급전 선로(310)의 위치, 상기 급전 선로(310)의 폭, 상기 급전 선로(310)의 길이 등의 변화에 따라 상기 CRLH-TL 주기 구조의 리액턴스 성분을 조절하여 사용자가 원하는 다중 대역 안테나 성능을 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나는 다층 구조의 단위 셀로 이루어진 CRLH-TL 구조를 주기적으로 배열하여 안테나의 리액턴스 성분을 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예는 안테나의 길이에 의존하지 않고 낮은 0차 공진 주파수 또는 비선형성으로 나타나는 음의 차수(-) 및 양의 차수(+) 공진 주파수를 얻음으로써 안테나 소형화는 물론 다중 대역 특성을 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 다중 대역 안테나의 구성을 도시한 것으로, 다층 구조 단위 셀로 구성된 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 다층 구조 단위 셀과 CRLH-TL 주기 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 다중 대역 안테나가 인쇄회로기판(PCB)과 연결된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나에 대한 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 5는 CRLH-TL 주기 구조의 다중 대역 안테나에 대한 전파상수 대비 공진 주파수를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1의 CRLH-TL 주기 구조에 대한 반사 손실을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 유전체 캐리어
120: 단위 셀
130: 방사 선로
140: 층간 비어 홀
150: 셀간 비어 홀
310: 급전 선로
320: 스터브
330: 접지면
340: 인덕터

Claims (9)

  1. 유전체 캐리어에 CRLH-TL(composite right/left handed transmission line) 역할을 하는 적어도 하나의 단위 셀을 일정 주기로 배열하여 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자를 형성하고,
    상기 단위 셀은 공진 역할을 하는 방사 선로를 층상으로 배열하여 다층 구조로 형성하고,
    상기 방사 소자의 공진 주파수는 상기 CRLH-TL 주기 구조를 형성하는 리액턴스(reactance) 성분에 의해 결정되는, 다중 대역 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀은,
    상기 방사 선로를 적어도 하나의 층으로 형성하고,
    상기 층과 층 사이에 상기 층과 층 사이의 방사 선로를 연결하는 층간 비어 홀(via hole)을 형성하는, 다중 대역 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자는,
    상기 단위 셀과 단위 셀 사이에 상기 단위 셀과 단위 셀 사이의 방사 선로를 연결하는 셀간 비어 홀을 형성하는, 다중 대역 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자는,
    상기 유전체 캐리어의 일단에서 분기되어 상기 방사 선로에 대한 급전 역할을 하는 급전 선로와,
    상기 유전체 캐리어의 다른 일단에서 분기되어 상기 방사 선로에 대한 스터브 역할을 하는 스터브(stub)를 포함하는, 다중 대역 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자는,
    상기 급전 선로 및 스터브의 일단이 상기 유전체 캐리어와 별개의 기판에 형성된 접지면과 각각 연결되는, 다중 대역 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 주기 구조의 방사 소자는,
    상기 급전 선로와 접지면 사이 또는 상기 스터브와 접지면 사이에 인덕터(inductor)가 연결되는, 다중 대역 안테나.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 주기 구조의 리액턴스 성분은,
    상기 단위 셀의 수 또는 상기 단위 셀을 이루는 층의 수에 의해 조절되는, 다중 대역 안테나.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 CRLH-TL 주기 구조의 리액턴스 성분은,
    상기 방사 선로의 폭, 상기 방사 선로의 길이, 상기 층간 비어 홀의 크기, 상기 셀간 비어 홀의 크기, 상기 유전체 캐리어의 유전율, 상기 유전체 캐리어의 크기, 상기 스터브의 위치, 상기 스터브의 폭, 상기 스터브의 길이, 상기 급전 선로의 위치, 상기 급전 선로의 폭, 상기 급전 선로의 길이 중 적어도 하나에 의해 조절되는, 다중 대역 안테나.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 다중 대역 안테나를 포함하는 통신장치.
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