KR20100098906A

KR20100098906A - 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 및 광대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치

Info

Publication number: KR20100098906A
Application number: KR1020090017610A
Authority: KR
Inventors: 유병훈; 성원모; 지정근
Original assignee: 주식회사 이엠따블유
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-10
Also published as: US20120068901A1; KR101089523B1; CN102341959A; JP2012519449A; JP5383831B2; CN102341959B; WO2010101379A3; WO2010101379A2

Abstract

메타머티리얼을 이용한 다중 대역 및 광대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 캐리어의 적어도 일부에 형성되는 급전부, 및 상기 캐리어에 형성되고 상기 급전부에 의해 급전되며, CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 역할을 하는 적어도 하나의 DNG(Double Negative) 유닛 셀과 적어도 하나의 ENG(Epsilon Negative) 유닛 셀을 포함하는 다중 대역 및 광대역 안테나가 제공된다.

메타머티리얼, 더블네거티브, DNG, ENG, 안테나

Description

메타머티리얼을 이용한 다중 대역 및 광대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치{MULTIBAND AND BROADBAND ANTENNA USING METAMATERIAL AND COMMUNICATION APPARATUS COMPRISING THE SAME}

본 발명은 메타머티리얼의 특성을 이용하여 안테나 크기를 더욱 소형화함과 동시에 공진 주파수 조절이 용이하며, 다중 대역 및 광대역화를 달성할 수 있도록 하는 안테나 및 이를 포함하는 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 발명은 이러한 메타머티리얼을 이용함으로써 더욱 소형화되고 다중 대역 및 광대역화를 실현할 수 있는 안테나 시스템을 제안한다.

본 발명은 메타머리티얼의 특성을 이용한 일 이상의 DNG 유닛 셀 및 ENG 유닛 셀을 포함하는 다중 대역 및 광대역 안테나로서 더욱 소형화되고, 공진 주파수의 조절이 용이한 안테나 및 이를 포함하는 통신장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 캐리어의 적어도 일부에 형성되는 급전부, 및 상기 캐리어에 형성되고 상기 급전부에 의해 급전되며, CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 역할을 하는 적어도 하나의 DNG(Double Negative) 유닛 셀과 적어도 하나의 ENG(Epsilon Negative) 유닛 셀을 포함하는 다중 대역 및 광대역 안테나가 제공된다.

상기 DNG 유닛 셀 및 상기 ENG 유닛 셀은 각각 1개로 형성되며, 상기 DNG 유닛 셀은 상기 급전부의 좌측에 형성되며, 상기 캐리어의 적어도 일면에 형성되는 제1 패치 및 제1 스터브를 포함하고, 상기 ENG 유닛 셀은 상기 급전부의 우측에 형성되며, 상기 캐리어의 적어도 일면에 형성되는 제2 패치 및 제2 스터브를 포함할 수 있다.

상기 급전부는 헬리컬 형상의 급전 선로를 포함하며, 상기 헬리컬 형상의 급전 선로는 상기 DNG 유닛 셀과 이격 간격을 갖고 형성되어 커플링 급전을 수행하고, 상기 ENG 유닛 셀에는 직접적으로 접속되어 직접 급전을 수행할 수 있다.

상기 제1 스터브 및 상기 제2 스터브는 상기 캐리어와 별개로 형성되는 기판에 형성된 접지면에 접속될 수 있다.

상기 급전부, 상기 제1 스터브, 상기 제2 스터브 중 적어도 하나와 상기 접지면 사이에는 인덕터가 더 형성될 수 있다.

상기 제2 스터브는 일단이 상기 접지면에 접속되고 타단이 상기 제2 패치에 접속되는 헬리컬 형상의 스터브일 수 있다.

상기 DNG 유닛 셀의 공진 주파수는 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분에 의해 결정되며, 상기 리액턴스 성분은, 상기 급전 선로의 위치, 상기 급전 선로의 폭, 상기 급전 선로의 길이, 상기 이격 간격, 상기 제1 패치의 크기, 상기 캐리어의 유전율, 상기 캐리어의 크기, 상기 제1 스터브의 위치, 상기 제1 스터브의 폭, 상기 제1 스터브의 길이 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다.

상기 ENG 유닛 셀의 공진 주파수는 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분에 의해 결정되며, 상기 리액턴스 성분은, 상기 급전 선로의 위치, 상기 급전 선로의 폭, 상기 급전 선로의 길이, 상기 제2 패치의 크기, 상기 캐리어의 유전율, 상기 캐리어의 크기, 상기 제2 스터브의 위치, 상기 제2 스터브의 폭, 상기 제2 스터브의 길이 중 적어도 하나에 의해 조절될 수 있다.

상기 DNG 유닛 셀은 -1차 공진, 0차 공진, +1차 공진을 발생시키고, 상기 ENG 유닛 셀은 0차 공진, +1차 공진을 발생시키며, 상기 DNG 유닛 셀의 0차 공진, 상기 ENG 유닛 셀의 +1차 공진, 상기 DNG 유닛 셀의 +1차 공진 중 적어도 두개가 결합하여 광대역을 형성할 수 있다.

한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 다중 대역 및 광대역 안테나를 포함하는 통신장치가 제공될 수 있다.

본 발명에 의하면, DNG 유닛 셀 및 ENG 유닛 셀의 리액턴스 성분을 조절함으로써 안테나의 길이에 의존하지 않는 다중 대역 및 광대역 안테나를 구현할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따르면, 안테나의 소형화를 이룰 수 있음과 동시에 다중 대역을 갖으며 그 대역폭이 넓은 안테나 및 이를 포함하는 통신장치가 얻어질 수 있다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

[본 발명의 바람직한 실시예]

다중 대역 및 광대역 안테나의 전체 구성

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 및 광대역 안테나의 전체 구성을 도시하는 도면이다.

메타머티리얼이란 자연에서 일반적으로 찾을 수 없는 특수한 전자기적 특성을 갖도록 인공적으로 설계된 물질 또는 전자기적 구조를 의미하는 것으로서, 본 기술 분야에서 일반적으로, 그리고 본 명세서에 있어서 메타머티리얼이라 함은 유전율(permittivity) 또는 투자율(permeability)이 음수인 물질 또는 그러한 전자기적 구조를 의미한다.

이러한 물질(또는 구조)는 두 개의 음수 파라미터를 가진다는 의미에서 DNG(Double Negative) 물질이라 불리기도 한다. 또한, 유전율만 음수인 물질을 일컬어 ENG(Epsilon Negative) 물질이라 부르기도 한다. 또한, 메타머티리얼은 음의 유전율 및 투자율에 의하여 음의 반사계수를 가지며, 그에 따라 NRI(Negative Refractive Index) 물질이라고도 불린다. 메타머티리얼은 1967년 소련의 물리학자 베젤라고(V.Veselago)에 의해 처음 연구되었으나, 그 후 30 여 년이 지난 최근에 구체적 구현 방법이 연구되어 응용이 시도되고 있다.

위와 같은 특성에 의하여, 메타머티리얼 내에서 전자기파는 플레밍의 오른손 법칙을 따르지 않고 왼손 법칙에 의해 전달된다. 즉, 전자기파의 위상 전파 방향(위상 속도(phase velocity) 방향)과 에너지 전파 방향(군 속도(group velocity) 방향)이 반대가 되어, 메타머티리얼을 통과하는 신호는 음의 위상 지연을 갖게 된다. 이에 따라, 메타머티리얼을 LHM(Left-handed Material)이라고도 한다. 또한, 메타머티리얼에서는 β(위상 상수)와 ω(주파수)의 관계가 비선형일 뿐만 아니라, 그 특성 곡선이 좌표 평면의 좌반면에도 존재하는 특성을 보인다. 이러한 비선형 특성에 의하여 메타머티리얼에서는 주파수에 따른 위상차가 작아 광대역 회로의 구현이 가능하며, 위상 변화가 전송 선로의 길이에 비례하지 않으므로 소형의 회로를 구현할 수 있다.

본 발명의 다중 대역 및 광대역 안테나는 도 1에 도시되는 바와 같이, 상기와 같은 메타머티리얼을 이용한 일 이상의 DNG 유닛 셀과 일 이상의 ENG 유닛 셀을 포함할 수 있다. DNG 유닛 셀 및 ENG 유닛 셀의 개수는 하나 이상이면 어떠한 수로도 구성가능하나, 이하에서는, 설명의 편의를 위해 DNG 유닛 셀 및 ENG 유닛 셀의 개수가 각각 1개인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

여기서, DNG 유닛 셀(110)과 ENG 유닛 셀(120)은 모두 메타머티리얼을 이용한 0차 공진기(Zeroth Order Resonator)일 수 있다.

DNG 유닛 셀(110)과 ENG 유닛 셀(120)은 안테나 방사체로서 기능하는 패치(111, 121)를 각각 포함하여 구성될 수 있으며, 이러한 패치(111, 121)는 소정의 캐리어(100) 상에 형성될 수 있다. 캐리어(100)가 통상적인 직육면체 형상으로 형성되는 경우 패치(111, 121)는 캐리어(100)의 적어도 2면에 형성되는 접힌(folded) 형태로 형성될 수 있다. 한편, 상기 캐리어(100)는 소정의 유전율(ρ), 소정의 투자율(μ) 또는 소정의 유전율과 투자율을 모두 갖는 물질일 수 있으며, 일례로서, 유전율이 약 4.5인 FR4(Flame Retardant Type4)이 상기 캐리어(100)로서 이용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 유전 물질 또는 자성체 등이 이용될 수 있다.

한편, DNG 유닛 셀(110)과 ENG 유닛 셀(120) 사이에는 제1 패치(111)와 제2 패치(121)에 전력을 공급하여 안테나 방사체로서 기능할 수 있도록 하는 급전부(130)가 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전부(130)의 구성을 상세하게 도시하는 도면이다. 도 2에는 구체적인 수치들이 예시되었으나, 이는 일 구현예를 나타낸 것일 뿐이며, 본 발명이 이에 한정되지 않음은 물론이다.

도 2에 도시되는 바와 같이 급전부(130)는 캐리어(100)의 일면으로부터 타면으로 연장되는 헬리컬 형태의 급전 선로일 수 있다. 도 2를 참조하면, 급전부(130)는 급전점(131)으로부터 연장되는 급전 선로가 캐리어(100)의 하면과 상면을 번갈아가며 거쳐가고 최종적으로는 ENG 유닛 셀(120)의 제2 패치(121)에 전기적으로 접속되는 형태일 수 있다. 도 2에서는 급전부(130)에 포함되는 급전 선로가 캐리어(100)의 하면으로부터 연장되어 캐리어(100)의 상면에서 종료되는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 급전 점(131)으로부터의 급전 선로가 ENG 유닛 셀(120)의 제2 패치(121)에만 전기적으로 접속되기 때문에 DNG 유닛 셀(110)의 제1 패치(111)는 직접 급전이 불가능하나, 급전부(130)와의 이격 간격에 의한 커플링 급전이 가능하게 된다. 즉, 급전부(130)와 직접적인 전기적 접속은 이루어지지 않을 지라도, 전자기적 접속이 가능하게 되어 커플링 급전이 이루어질 수 있게 되는 것이다. 이러한 커플링 급전은 급전부(130)가 헬리컬 형태의 급전 선로로 이루어짐에 따라 더욱 높은 신뢰성을 달성할 수 있게 된다. 한편, 제1 패치(111)와 급전부(130) 간의 이격 공간(G1)은 DNG 유닛 셀(110)이 더블네거티브 유닛 셀로서 동작하기 위한 직렬 커패시턴스 성분으로서 기능하게 되며, 이러한 이격 공간(G1)의 간격 조절을 통해 공진 주파수 조절이 가능해질 수 있게 된다. 이에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다.

한편, ENG 유닛 셀(120)에 있어서는 직렬 커패시터로서 동작할만한 구성요소가 포함되어 있지 아니하며, 이에 따라 ENG 유닛 셀로서 기능할 수 있게 되는 것이다. 이에 대해서는 추후 등가회로도를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

그리고, DNG 유닛 셀(110) 및 ENG 유닛 셀(120)은 스터브(140, 150)를 포함할 수 있다. 구체적으로, DNG 유닛 셀(110)의 제1 패치(111)의 종단 및 ENG 유닛 셀(120)의 제2 패치(121)의 종단에는 각각 스터브(140, 150)의 일단이 연결되어 있을 수 있고, 스터브(140, 150)의 타단은 접지면(GND)에 접속될 수 있다. 제1 패치(111) 측의 스터브(140)는 DNG 유닛 셀(110)이 형성된 영역에 있어서 캐리어(100)의 적어도 일면에 형성되어 있을 수 있고, 제2 패치(121) 측의 스터브(150)는 ENG 유닛 셀(120)이 형성된 영역의 적어도 일부에 헬리컬 형태로 구현될 수 있 다. 이러한 헬리컬 형태의 스터브(150)는 급전부(130)의 형상과 유사하게 구성될 수 있다. 일례로서, 스터브(150)는 도 1에 도시되는 바와 같이, 캐리어(100)의 상면에서 제2 패치(121)로부터 연장되어 캐리어(100)의 상면 및 하면을 번갈아가며 거친 후 최종적으로 접지면(GND)에 접속되는 형태일 수 있다. 이러한 스터브(140, 150)는 DNG 유닛 셀(110) 및 ENG 유닛 셀(120)이 CRLH-TL 회로로서 동작할 때 병렬 인덕턴스 성분으로 기능할 수 있으며, 스터브(140, 150)의 위치, 폭, 길이를 조절함으로써 공진 주파수의 미세 조정이 가능해질 수 있다.

한편, 도 1에는 도시되지 않았으나, 급전점(131)과 접지면(GND) 사이, 및 스터브(140, 150)와 접지면(GND) 사이에는 DNG 유닛 셀(110) 및 ENG 유닛 셀(120)의 공진 주파수 조절을 위한 로드 인덕터가 추가적으로 삽입될 수 있다.

이하에서는, 도 1에 도시되는 다중 대역 및 광대역 안테나의 등가회로를 기초로 하여 그 동작을 상세히 설명해보기로 한다.

등가회로도

도 3a는 도 1의 다중 대역 및 광대역 안테나에 있어서 DNG 유닛 셀(110)의 등가회로도를 나타내며, 도 3b는 ENG 유닛 셀(120)의 등가회로도를 나타낸다. 도 3a 및 도 3b에 도시되는 바와 같은 회로에 의해 DNG 유닛 셀(110) 및 ENG 유닛 셀(120)은 메타머티리얼 CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 회로로서 기능할 수 있게 된다.

먼저, 도 3a에 도시되는 바와 같이, CRLH-TL 회로로서의 DNG 유닛 셀(110)은 하나의 직렬 커패시터(C_L)와 2개의 병렬 인덕터(L_L)를 포함하는 것으로 등가화될 수 있다.

또한, 도 3b에 도시되는 바와 같이, ENG 유닛 셀(120)은 2개의 병렬 인덕터(L_L)를 포함하는 것으로 등가화될 수 있다. 일반적인 전송선로는 RH 특성을 갖으며, 이러한 전송선로에 직렬 커패시터와 병렬 인덕터를 추가 삽입, 즉, LH 특성을 갖게 함으로써 CRLH-TL 회로로서 동작할 수 있게 되는 것인데, ENG 유닛 셀(120)은 직렬 커패시터로서 기능하는 소자가 없기는 하나 이하에서 설명하는 바와 같이 0차 공진을 발생시키기는 하므로 그 기능적인 측면에서 DNG 유닛 셀(110)과 같이 CRLH-TL 회로라고 할 수 있다.

한편, DNG 유닛 셀(110) 및 ENG 유닛 셀(120)은 일반적인 안테나로서의 구성에 따라 Z₀의 특성 임피던스를 갖게 되는데, 이러한 특성 임피던스(Z₀)는 병렬 커패시터와 직렬 인덕터 성분으로 표현될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 특성 임피던스(Z₀)를 병렬 커패시터(C_R)와 직렬 인덕터(L_R) 성분으로 표현하여 도 3a 및 도 3b의 회로를 다시 등가화한 회로이다.

먼저, 도 4a의 회로를 DNG 유닛 셀(110)에 대하여 등가화시켜보면, 직렬 커패시터(C_L)는 제1 패치(111)와 급전부(130) 사이의 이격 간격(G1)에 등가화시킬 수 있고, 병렬 인덕터(L_L)는 스터브(140)와 접지면(GND) 사이에 형성되는 인덕턴스 성분에 등가화시킬 수 있다. 또한, 병렬 커패시터(C_R)는 제1 패치(111)와 접지 면(GND) 사이에 형성되는 커패시턴스 성분에 등가화시킬 수 있고, 직렬 인덕터(L_R)는 제1 패치(111)에 의해 형성되는 인덕턴스 성분에 등가화시킬 수 있다.

한편, 도 4b의 회로를 ENG 유닛 셀(120)에 대하여 등가화시켜보면, 병렬 인덕터(L_L)는 스터브(150)와 접지면(GND) 사이에 형성되는 인덕턴스 성분에 등가화시킬 수 있다. 또한, 병렬 커패시터(C_R)는 제2 패치(121)와 접지면(GND) 사이에 형성되는 커패시턴스 성분에 등가화시킬 수 있고, 직렬 인덕터(L_R)는 제2 패치(121)에 의해 형성되는 인덕턴스 성분에 등가화시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, DNG 유닛 셀(110)에 있어서는, 제1 패치(111)와 급전부(130) 사이의 이격 간격(G1)을 조절함으로써 직렬 커패시터(C_L)의 커패시턴스 값을 조절할 수 있고, 스터브(140)를 조절함으로써 병렬 인덕터(L_L)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있으며, 제1 패치(111)와 접지면(GND) 사이의 간격을 조절함으로써 병렬 커패시터(C_R)의 커패시턴스 값을 조절할 수 있고, 제1 패치(111)의 크기 등을 조절하여 직렬 인덕터(L_R)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있다.

또한, ENG 유닛 셀(120)에 있어서는, 스터브(150)의 여러가지 변수를 조절함으로써 병렬 인덕터(L_L)의 인덕턴스 값을 조절할 수 있으며, 제2 패치(121)와 접지면(GND) 사이의 간격을 조절함으로써 병렬 커패시터(C_R)의 커패시턴스 값을 조절할 수 있고, 제2 패치(121)의 크기 등을 조절하여 직렬 인덕터(L_R)의 인덕턴스 값을 조 절할 수 있게 된다.

이렇게 함으로써, DNG 유닛 셀(110)과 ENG 유닛 셀(120)의 공진 주파수가 조절되게 되는 것이며, 전술한 바와 같이 메타머티리얼 특성을 이용하게 되므로 전체 안테나의 길이(d)에 의존하지 않는 소형화된 안테나가 구현될 수 있다.

디스퍼젼 다이어그램

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DNG 유닛 셀(110)과 ENG 유닛 셀(120)에 대한 디스퍼젼 다이어그램(Dispersion Diagram)을 나타내는 도면이다.

도 5의 다이어그램에서 역삼각형(▽)으로 표시되는 곡선은 DNG 유닛 셀(110)에 대한 디스퍼젼 다이어그램이며, 원형(○)으로 표시되는 곡선은 ENG 유닛 셀(120)에 대한 디스퍼젼 다이어그램이다.

도 5를 참조하면, DNG 유닛 셀(110)은 주파수 특성에 따라 양의 차수(+)뿐만 아니라 0차 및 음의 차수(-) 공진 주파수 또한 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 반면, ENG 유닛 셀(120)을 이용하면 주파수 특성에 따라 양의 차수(+)와 0차 공진 주파수를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

구체적으로, DNG 유닛 셀(110)은 대략 1GHz, 1.7GHz, 2.1GHz 근처의 주파수에서 각각 -1차 공진, 0차 공진, +1차 공진을 발생시키며, ENG 유닛 셀(120)은 대략 1.05GHz, 1.8GHz 근처의 주파수에서 각각 0차 공진, +1차 공진을 발생시킨다는 것을 알 수 있다. DNG 유닛 셀(110)과 ENG 유닛 셀(120)의 공진 주파수를 상대적으로 비교하여 보면, 동일 차수에서 DNG 유닛 셀(110)의 공진 주파수가 ENG 유닛 셀(120)의 그것보다 높게 형성되기 때문에, DNG 유닛 셀(110)을 고대역 DNG 유닛 셀, ENG 유닛 셀(120)을 저대역 ENG 유닛 셀로서 지칭할 수 있다.

한편, ENG 유닛 셀(120)의 0차 공진 주파수는 전체 안테나 시스템의 저대역 동작 주파수가 될 수 있다. 그리고, DNG 유닛 셀(110)의 0차 공진 주파수와 ENG 유닛 셀(120)의 +1차 공진 주파수는 인접하고 있기 때문에, 이 두 개의 공진 주파수 대역이 합성되어 전체적인 안테나 시스템에 있어서는 광대역화된 고대역 동작 주파수로서 기능할 수 있게 된다. 이 뿐만 아니라, DNG 유닛 셀(110)의 0차 공진 주파수, ENG 유닛 셀(120)의 +1차 공진 주파수 및 DNG 유닛 셀(110)의 +1차 공진 주파수가 합성되어 전체 안테나 시스템의 광대역화된 고대역 동작 주파수로서 기능하게 될 수도 있다.

실제 구현예에 대한 시뮬레이션

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나의 실제 구현예를 나타낸 것이다. 캐리어(100)로서는 유전율이 4.5이고, 40mm×6mm×3mm의 크기를 갖는 FR4 유전 물질을 사용하였다. 이 밖의 각 구성요소에 대한 구체적인 구현 크기는 도 6에 상세히 도시되어 있는 바, 이에 대해서는 설명을 생략하기로 한다. 또한, 각 구성요소에 대한 도면 참조부호는 도 1에서와 동일하므로 도면의 간략화를 위해 그 표시를 생략한다.

도 7은 도 6의 다중 대역 및 광대역 안테나에 대해 측정한 반사손실을 나타내는 그래프이다. 도 7의 그래프에서 백색 원(○)으로 지시되는 곡선은 시뮬레이션 결과이며, 적색 원(●)으로 지시되는 곡선은 실제 측정 결과를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 전체 안테나 시스템은 약 0.8GHz 근처의 주파수 대역에서 저주파 공진을 나타내며, 약 1.7GHz 내지 약 2.4GHz 의 주파수 대역에서 고주파 공진을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, ENG 유닛 셀(120)의 0차 공진에 의해 약 0.8GHz 근처에서의 공진 주파수가 구현되며, DNG 유닛 셀(110)의 약 1.8GHz 근처에서의 0차 공진과 ENG 유닛 셀(120)의 약 2.2GHz 근처에서의 +1차 공진이 합성되어 전체적으로 광대역화된 고주파 공진이 구현된다는 것을 알 수 있다.

방사 패턴 측정 결과

도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나의 방사 패턴을 각각 x-y 평면, x-z 평면 및 y-z 평면에 대해 나타낸 도면이다.

도 8 내지 도 10를 참조하면, 본 발명의 안테나 시스템은 전방향성을 갖는 방사 패턴을 보임을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 안테나 시스템은 이동식 단말기에 적용하기에 충분하다.

대역별 안테나 효율 및 최대 이득

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나를 GSM850/1800/1900, WCDMA, WiBro 대역에서 각각 측정한 안테나 효율 및 최대 이득을 나타낸다.

이전의 설명 및 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 안테나는 저대역 및 고대역 공진 주파수를 갖는 다중 대역 안테나로서 동작한다는 것을 알 수 있으며, 특히 고대역 공진 주파수에서는 광대역 특성을 보이는 것을 알 수 있다.

이처럼 본 발명의 다중 대역 및 광대역 안테나는 급전부의 형태(급전 선로의 위치, 급전 선로의 폭, 급전 선로의 길이), 제1 패치와 급전부 사이의 이격 간격, 스터브의 위치, 스터브의 폭, 스터브의 길이 등을 조절함으로써 DNG 유닛 셀 및 ENG 유닛 셀의 공진 주파수 특성을 조절할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, DNG 및 ENG 유닛 셀의 리액턴스를 조절할 수 있다면, 상기 구성 외의 다른 구성, 예를 들면, 캐리어의 유전율, 캐리어의 크기, 캐리어의 모양, 유닛 셀의 개수 등 안테나 시스템에 포함되는 모든 구성 요소의 형태를 조절함으로써 공진 주파수를 조절할 수 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 설명된 실시형태들을 변경 또는 변형할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 각 기능 블록들 또는 수단들은 전자 회로, 집적 회로, ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수 있다. 본 명세서 및 청구범위에서 별개인 것으로 설명된 수단 등의 구성요소는 단순히 기능상 구별된 것으로 물리적으로는 하나의 수단으로 구현될 수 있으며, 단일한 것으로 설명된 수단 등의 구성요소도 수개의 구성요소의 결합으로 이루어질 수 있다. 또한 본 명세서에서 설명된 각 방법 단계들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 순서가 변경될 수 있고, 다른 단계가 부가될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 명세서에서 설명된 다양한 실시형태들은 각각 독립하여서뿐만 아니라 적절하게 결합되어 구현될 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.

도 2는 도 1의 안테나에서 급전부의 구성을 상세하게 도시한 도면이다.

도 3 및 도 4는 도 1의 안테나에 대한 등가회로도이다.

도 5는 도 1의 안테나에 대한 디스퍼젼 다이어그램이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 및 광대역 안테나를 실제로 구현한 일례를 나타내는 도면이다.

도 7은 도 6의 안테나에 대한 반사 손실을 나타내는 그래프이다.

도 8 내지 도 10은 도 6의 안테나에 있어서 x-y 평면, x-z 평면 및 y-z 평면에 대한 방사 패턴을 나타내는 도면이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 및 광대역 안테나를 GSM850/1800/1900, WCDMA, WiBro 대역에서 각각 측정한 안테나 효율 및 최대 이득을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 캐리어

110: DNG 유닛 셀

120: ENG 유닛 셀

130: 급전부

140, 150: 스터브

Claims

캐리어의 적어도 일부에 형성되는 급전부, 및

상기 캐리어에 형성되고 상기 급전부에 의해 급전되며, CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 역할을 하는 적어도 하나의 DNG(Double Negative) 유닛 셀과 적어도 하나의 ENG(Epsilon Negative) 유닛 셀을 포함하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
제1항에 있어서,

상기 DNG 유닛 셀 및 상기 ENG 유닛 셀은 각각 1개로 형성되며,

상기 DNG 유닛 셀은 상기 급전부의 좌측에 형성되며, 상기 캐리어의 적어도 일면에 형성되는 제1 패치 및 제1 스터브를 포함하고,

상기 ENG 유닛 셀은 상기 급전부의 우측에 형성되며, 상기 캐리어의 적어도 일면에 형성되는 제2 패치 및 제2 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
제2항에 있어서,

상기 급전부는 헬리컬 형상의 급전 선로를 포함하며,

상기 헬리컬 형상의 급전 선로는 상기 DNG 유닛 셀과 이격 간격을 갖고 형성되어 커플링 급전을 수행하고, 상기 ENG 유닛 셀에는 직접적으로 접속되어 직접 급 전을 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
제2항에 있어서,

상기 제1 스터브 및 상기 제2 스터브는 상기 캐리어와 별개로 형성되는 기판에 형성된 접지면에 접속되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
제4항에 있어서,

상기 급전부, 상기 제1 스터브, 상기 제2 스터브 중 적어도 하나와 상기 접지면 사이에는 인덕터가 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
제2항에 있어서,

상기 제2 스터브는 일단이 상기 접지면에 접속되고 타단이 상기 제2 패치에 접속되는 헬리컬 형상의 스터브인 것을 특징으로 하는 다중 대역 및 광대역 안테나.
제3항에 있어서,

상기 DNG 유닛 셀의 공진 주파수는 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분에 의해 결정되며,

상기 리액턴스 성분은,

상기 급전 선로의 위치, 상기 급전 선로의 폭, 상기 급전 선로의 길이, 상기 이격 간격, 상기 제1 패치의 크기, 상기 캐리어의 유전율, 상기 캐리어의 크기, 상기 제1 스터브의 위치, 상기 제1 스터브의 폭, 상기 제1 스터브의 길이 중 적어도 하나에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 다중 대역 및 광대역 안테나.
제3항에 있어서,

상기 ENG 유닛 셀의 공진 주파수는 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분에 의해 결정되며,

상기 리액턴스 성분은,

상기 급전 선로의 위치, 상기 급전 선로의 폭, 상기 급전 선로의 길이, 상기 제2 패치의 크기, 상기 캐리어의 유전율, 상기 캐리어의 크기, 상기 제2 스터브의 위치, 상기 제2 스터브의 폭, 상기 제2 스터브의 길이 중 적어도 하나에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 다중 대역 및 광대역 안테나.
제2항에 있어서,

상기 DNG 유닛 셀은 -1차 공진, 0차 공진, +1차 공진을 발생시키고, 상기 ENG 유닛 셀은 0차 공진, +1차 공진을 발생시키며,

상기 DNG 유닛 셀의 0차 공진, 상기 ENG 유닛 셀의 +1차 공진, 상기 DNG 유닛 셀의 +1차 공진 중 적어도 두개가 결합하여 광대역을 형성하는 것을 특징으로 하는, 다중 대역 및 광대역 안테나.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 다중 대역 및 광대역 안테나를 포함하는 통신장치.