KR20110070460A - 마이크로스트립 패치 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것으로, 패치와 접지 사이에 다수의 분할 링 공진기(SRR : Split Ring Resonator)가 격자형으로 배열된 인공 자석 유전체(AMD : Artificial Magneto Dielectric)를 포함하여 구현함으로써 인공 자석 유전체의 투자율 변화를 발생시켜 안테나의 대역폭을 향상시킬 수 있고, 동시에 안테나의 소형화를 이룰 수 있도록 한 것이다.
안테나, 분할 링 공진기(SRR), 인공 자석 유전체(AMD), 대역폭, 소형화

Description

마이크로스트립 패치 안테나{Microstrip patch antenna}
본 발명은 안테나 소형화 기술에 관련한 것으로, 특히 전자기 물질의 투자율 변화를 이용해 마이크로스트립 패치 안테나를 소형화하는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 일반 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2009-F-033-01, 과제명: 메타 전자파 구조를 이용한 전파(RF) 스펙트럼 개선 기술 연구].
마이크로스트립 패치 안테나를 소형화시키는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫번째는 방사체의 구조를 바꾸는 방법이고, 두번째는 전자기 물질의 성질을 바꾸는 방법이다.
종래의 경우, 안테나를 소형화하는데 있어 첫번째 방법이 주로 사용되었고, 두번째 방법인 전자기 물질의 성질을 바꾸는 방법이 이용되더라도 전자기 물질의 유전율만을 이용한 방법이 주로 사용되었다.
그러나, 높은 유전율을 가진 전자기 물질을 사용할 경우 좁은 대역폭, 낮은 효율 등의 단점이 있다. 따라서, 이러한 전자기 물질의 유전율을 이용하는 경우의 단점을 보완하면서 안테나를 소형화시킬 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명은 안테나의 대역폭 및 방사 효율을 저해하지 않으면서도 안테나를 소형화시킬 수 있는 마이크로스트립 패치 안테나를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 마이크로스트립 패치 안테나가 패치와 접지 사이에 다수의 분할 링 공진기가 격자형으로 배열된 인공 자석 유전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 마이크로스트립 패치 안테나의 패치와 접지 사이에 다수의 분할 링 공진기가 격자형으로 배열된 인공 자석 유전체를 포함하여 구현함으로써 인공 자석 유전체의 투자율 변화를 발생시켜 안테나의 대역폭을 향상시킬 수 있고, 동시에 안테나의 소형화를 이룰 수 있는 유용한 효과를 가진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능 을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
수학식 1 과 같이 기판의 투자율(μr)이나 유전율(εr)이 커지면 파장(λg)이 작아지므로, 높은 유전율의 기판을 사용할 경우 안테나를 소형화시킬 수 있다. 그러나, 높은 유전율의 기판을 사용할 경우 안테나를 소형화할 수는 있으나, 수학식 2 와 같이 안테나의 효율이 낮아지고 대역폭이 좁아지게 된다.
수학식 2 를 보면, 기판의 투자율(μr)과 유전율(εr)의 비율이 커짐에 따라 안테나의 효율(η)이 좋아지는 것을 알 수 있다. 즉, 기판의 투자율(μr)이 크면 클수록 안테나의 효율은 좋아지고, 이와 반대로 기판의 유전율(εr)이 작으면 작을수록 안테나의 효율은 좋아진다.
Figure 112009078640660-PAT00001
Figure 112009078640660-PAT00002
높은 유전율의 기판을 사용하지 않고, 투자율이 좋은 기판을 사용하면 수학식 1 및 수학식 2 로부터 대역폭 및 방사 효율을 저해하지 않으면서도 안테나를 소형화시킬 수 있으므로, 높은 유전율의 기판을 사용하였을 경우의 단점을 보완하면 서도 안테나를 소형화시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 일 실시예의 구성을 도시한 평면도, 도 2 는 도 1 에 도시한 마이크로스트립 패치 안테나의 정단면도이다.
도 1 및 도 2 에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 패치(110)와, 접지(120) 및 인공 자석 유전체(130)를 포함하여 이루어진다.
패치(110)는 안테나 패턴(111)이 형성되는 기판이고, 접지(120)는 그라운드(Ground)를 형성하기 위한 기판이며, 인공 자석 유전체(130)는 패치(110)와 접지(120) 사이에 삽입되어 투자율 변화를 발생시켜 안테나의 대역폭을 향상시키는 동시에 안테나를 소형화하는 기판이다.
이 때, 인공 자석 유전체(130)는 다수의 분할 링 공진기(SRR : Split Ring Resonator)(200)가 격자형으로 배열되는 형태로 구현할 수 있다. 도 3 에 도시한 바와 같이, 분할 링 공진기(200)는 인공 자석 유전체(130) 기판의 양면 각각에 프린트되는 마이크로 스트립 라인(Microstrip line)(210)(220)과, 상기 두 마이크로 스트립 라인(210)(220)간을 양단에서 연결하는 복수의 비아(Via)(230)(240)를 포함하여 이루어질 수 있다. 도 3 은 분할 링 공진기의 일 실시예의 구성을 도시한 사시도이다.
외부 자계에 의해 분할 링 공진기(SRR)(200)에 전류가 유도되고, 이로 인해 분할 링 공진기(SRR)는 자기 모멘트(Magnetic Moment)를 가지게 되어 인공 자석 유 전체(130)의 투자율에 변화가 발생하고, 이로 인해 안테나의 대역폭이 향상된다.
한편, 상기 격자형으로 배열된 분할 링 공진기(200) 개수가 증가할수록 마이크로스트립 패치 안테나의 공진주파수 대역이 저주파 대역으로 이동한다. 분할 링 공진기(200) 개수가 증가한다는 말은 분할 링 공진기(200)의 전체 길이가 증가한다는 의미이고, 분할 링 공진기(200)의 전체 길이가 증가하면 할수록 방사파의 파장이 커지므로, 공진주파수 대역이 저주파 대역으로 이동한다.
따라서, 본 발명은 대역폭 및 방사 효율을 저해하지 않으면서도 안테나를 소형화시킬 수 있으므로, 높은 유전율의 기판을 사용하였을 경우의 단점을 보완하면서도 안테나를 소형화시킬 수 있다.
도 4 는 높은 유전율을 갖는 기판을 사용하여 소형화한 마이크로 스트립 패치 안테나와, 투자율을 이용하여 소형화한 본 발명에 따른 마이크로 스트립 패치 안테나의 대역폭을 비교한 도면이다.
도 4 에 도시한 바와 같이, 높은 유전율을 갖는 기판을 사용하여 소형화한 마이크로 스트립 패치 안테나의 대역폭보다 투자율을 이용하여 소형화한 본 발명에 따른 마이크로 스트립 패치 안테나의 대역폭이 더 큼을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 마이크로스트립 패치 안테나의 패치와 접지 사이에 다수의 분할 링 공진기가 격자형으로 배열된 인공 자석 유전체를 포함하여 구현함으로써 인공 자석 유전체의 투자율 변화를 발생시켜 안테나의 대역폭을 향상시킬 수 있고, 동시에 안테나의 소형화를 이룰 수 있으므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위 내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 안테나 소형화 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
도 1 은 본 발명에 따른 마이크로스트립 패치 안테나의 일 실시예의 구성을 도시한 평면도
도 2 는 도 1 에 도시한 마이크로스트립 패치 안테나의 정단면도
도 3 은 분할 링 공진기의 일 실시예의 구성을 도시한 사시도
도 4 는 높은 유전율을 갖는 기판을 사용하여 소형화한 마이크로 스트립 패치 안테나와, 투자율을 이용하여 소형화한 본 발명에 따른 마이크로 스트립 패치 안테나의 대역폭을 비교한 도면
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 마이크로스트립 패치 안테나 110 : 패치
111 : 안테나 패턴 120 : 접지
130 : 인공 자석 유전체 200 : 분할 링 공진기
210, 220 : 마이크로 스트립 라인 230, 240 : 비아

Claims (4)

  1. 안테나 패턴이 형성되는 패치와;
    접지와;
    상기 패치와 접지 사이에 설치되고, 다수의 분할 링 공진기(SRR : Split Ring Resonator)가 격자형으로 배열된 인공 자석 유전체를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자형으로 배열된 분할 링 공진기가:
    인공 자석 유전체의 투자율 변화를 발생시켜 대역폭을 향상시키는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자형으로 배열된 분할 링 공진기 개수가 증가할수록 마이크로스트립 패치 안테나의 공진주파수 대역이 저주파 대역으로 이동하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할 링 공진기가:
    인공 자석 유전체 기판의 양면 각각에 프린트되는 마이크로 스트립 라인(Microstrip line)과;
    상기 두 마이크로 스트립 라인간을 양단에서 연결하는 복수의 비아(Via)를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 패치 안테나.
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