KR20120001994A - 일차원 전자기 밴드갭 구조물 및 상기 구조물을 갖는 평면 안테나 - Google Patents

일차원 전자기 밴드갭 구조물 및 상기 구조물을 갖는 평면 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일차원 전자기 밴드갭 구조물 및 상기 구조물을 갖는 평면 안테나들을 개시한다. 상기 일차원(1-D) 전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap: EBG) 구조물은, 상기 구조물의 커패시턴스를 형성하는 금속 패치들과, 상기 금속 패치들과 접지면 사이를 각각 연결하는 스트립 라인들과, 상기 접지면으로 기능하는 금속 시트와, 유전체 기판을 포함하며, 상기 각 금속 패치와 상기 각 곡류형 스트립 라인은 단위 셀을 형성한다. 상기 일차원 EBG 구조물은 상기 구조물에 입사 및 반사된 전자기파가 특정 주파수 대역에서 동위상을 갖는 것을 특징으로 하며, 이 구조물을 평면형 안테나의 접지면에 사용하였을 경우 안테나의 방사 특성을 지향성으로 설계할 수 있을 뿐만 아니라 안테나의 방사체와 접지면을 매우 가까이 둘 수 있어 소형 안테나 제작이 용이하다.

Description

일차원 전자기 밴드갭 구조물 및 상기 구조물을 갖는 평면 안테나{Planar Antenna Integrated with 1-D EBG Ground Plane}
본 발명은 일차원 전자기 밴드갭 접지면을 갖는 평면 안테나에 관한 것이다.
전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap: EBG) 구조물은 전자기학 및 안테나 통신에서 최근 많은 관심을 받고 있다. 전자기 밴드갭 구조물은 금속 엘리먼트 또는 유전체 엘리먼트로 이루어진 셀들이 주기적으로 배치된 구조물이다.
전자기 밴드갭 구조물의 2가지 주요한 특징은 역위상(out-of-phase)이 아닌 동위상(in-phase)으로 입사 평면파들을 반사한다는 것과, 특정 주파수 밴드에서 표면파들의 전파를 방지한다는 것이다. 동위상(in-phase) 반사 특징은 입사하여 반사되는 파들이 보강 간섭하게 하기 때문에, 방사 엘리먼트가 EBG 접지면에 매우 근접하게 위치될 수 있는 낮은 구조의 안테나를 설계하는데 이용된다. 최근에 제안된 다양한 타입의 EBG 구조물들 중, Sievenpiper 등에 의해 발명된 버섯 모양(mushroom) EBG 구조물은 매우 작은 크기이며 제작이 용이하다. 그러나, 종래의 버섯모양 EBG 구조물은 단일 인쇄회로 기판 상에서 설계된 안테나를 위한 접지면으로 직접 사용될 수 없는 2차원 구조를 갖는다. 이 외에도 또 다른 평면 EBG 구조물이 제안되었지만, 이들 구조물 역시 단일 인쇄회로 기판에서 접지면으로서 인쇄 안테나에 통합될 수 없다.
이와 같이, 종래의 버섯모양 EBG 구조물은 2차원 구조를 가지므로, 인쇄 안테나들을 위한 접지면으로 사용될 수 없으므로, 전자장치의 내부의 인쇄회로 기판 상에 통합되기 곤란하였다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 일차원 전자기 밴드갭 구조물 및 상기 구조물을 갖는 평면 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따라, 일차원(1-D) 전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap: EBG) 구조물은 상기 구조물의 커패시턴스를 형성하는 금속 패치들과, 상기 금속 패치들과 접지면 사이를 각각 연결하는 스트립 라인들과, 상기 접지면으로 기능하는 금속 시트와, 유전체 기판을 포함하며, 상기 각 금속 패치와 상기 각 스트립 라인은 단위 셀을 형성한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따라, 인쇄된 안테나들은 방사 엘리먼트들; 금속 접지면; 및 일차원(1-D) 전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap: EBG) 구조물을 포함하고, 상기 일차원 전자기 밴드갭 구조물은 상기 구조물의 커패시턴스를 형성하는 금속 패치들과, 상기 금속 패치들과 접지면 사이를 각각 연결하는 스트립 라인들과, 상기 접지면으로 기능하는 금속 시트와, 유전체 기판을 포함하며, 상기 각 금속 패치와 상기 각 스트립 라인은 단위 셀을 형성한다.
본 발명에 의하면, 인쇄 안테나들을 위한 접지면으로 사용될 수 있고 전자장치의 내부의 인쇄회로 기판 상에 통합되기 용이한 1차원 구조의 EBG 구조물을 제공한다.
도 1은 2-D 버섯 모양 EBG 구조물을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 버섯모양 EBG 구조의 반사 위상을 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시 예에 따른 1-D EBG 구조물을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 1-D EBG 구조물을 나타낸 도면이다.
도 5는 인쇄된 역-L형 안테나들의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 역-L형 안테나의 반사 손실 및 측정된 반사 손실의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 7은 xy 평면에서의 방사 패턴 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교한다. .
도 8은 1-D EBG 접지면을 갖는 안테나의 yz 면에서 방사 패턴의 시뮬레이션 결과와 측정결과를 나타낸 도면이다.
도 9은 인쇄된 쌍극 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 쌍극 안테나의 반사 손실의 시뮬레이션 결과와 측정결과를 나타낸다.
도 11은 쌍극 안테나의 xy 및 yz 평면에서 방사 패턴의 시뮬레이션 결과 및 측정결과를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 아니 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 2-D 버섯 모양 EBG 구조물에 기반하여 2-D 버섯 모양 EBG 구조물과 유사하게 작용하는 1-D EBG 구조물을 도출한다. 본 발명에 따라 1-D EBG 구조물을 생성하기 위해, 통상적인 사각형 금속 패치 및 직선형의 금속 비아 대신에, 포크형 금속 패치들 및 곡류형 금속 스트립들이 사용된다. 본 발명에 따라 통상적인 2-D 버섯 모양 EBG 구조물로부터 도출된 1-D EBG 구조물은 FR-4 기판 상에 설계되어 제조될 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 1-D EBG 단위셀의 크기는 1/4 파장에 비해 매우 작다. 인쇄된 역-L 안테나들은 일반적 금속 접지면 상에 그리고 제안된 1-D EBG 접지면 상에서 모두 설계되며, 그 성능이 비교된다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 1차원 구조의 버섯모양 EBG 구조물을 설명하기에 앞서, 일반적인 2차원 구조의 버섯모양 EBG 구조물을 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 2-D 버섯 모양 EBG 구조물을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1(a)는 2-D 버섯 모양 EBG 구조물의 사시도를 나타내며, 도 1(b)는 2-D 버섯 모양 EBG 구조물에 포함된 단위 셀의 사시도를 나타내며, 도 1(c)는 2-D 버섯 모양 EBG 구조물의 특성을 나타낸 파라미터를 나타낸 도면이다.
2-D 버섯모양 EBG 구조물은 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 복수개의 단위 셀(110)을 포함한다. 2-D 버섯모양 EBG 구조물의 단위 셀(110)은 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 4개의 구성요소: 금속 패치(113), 금속 접지면(114), 패치(114)와 접지면(114)을 연결하는 금속 비아(112), 및 유전체 기판(111)으로 이루어져 있다.
이 구조의 파라미터들은 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 패치 폭 w, 갭 폭 g, 구조체 두께 h, 비유전율(relative permittivity) εr 및 비투자율(relative permeability) μr를 포함한다.
버섯모양 EBG 구조물의 중요한 한가지 특징은 동위상 반사 특징(in-phase reflection characteristics)이다. 평면파가 완전한 전기 전도면상에 수직으로 입사할 때 반사파의 위상은 180°만큼 천이된다. 그러나, EBG 구조물로부터 반사된 전자기파는 주파수에 따라 -180°에서 +180°까지 변화한다. 버섯모양 EBG 구조의 통상적인 주파수에 따른 반사 위상은 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 버섯모양 EBG 구조의 위상 반사 특성을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 반사 위상이 0이 되는 주파수는 구조물의 공진 주파수이다. 반사 위상이 -90°에서 +90°에 있는 주파수 범위는 EBG 구조물의 동작 주파수 밴드라고 한다. 반사파는 동작 주파수 내에서 입사파와 보강 간섭한다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 1-D EBG 구조물을 나타낸 도면으로, 도 3(a)는 단위 셀이며 도 2(b)는 수치 파라미터들을 도시한다.
도 1에 도시된 2-D 버섯모양 EBG 구조물의 유사한 것으로부터, 1-D EBG 구조물은 도 3(a)와 같이 구성될 수 있다. 1-D EBG 구조물은 직사각형 패치(213) 및 상기 패치(213)와 금속 접지면(211)을 연결하는 비아에 해당하는 금속 스트립(212)으로 구성된다.
이 구조물의 수치 파라미터는 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 패치 폭 w, 두 개의 패치(213) 사이의 갭 폭 g, 연결 스트립(212)의 길이 l, 연결 스트립(212)의 폭 s, 기판의 두께 h, 및 기판의 비유전율 εr을 포함한다.
1-D EBG 구조물의 커패시턴스 C는 인접한 금속 패치들(113) 사이의 프린징 전계(fringing electric field)로부터 발생된 것이다. 인덕턴스 L은 패치들(213) 사이에 형성된 전계로 인해 흐르는 전류로부터 발생한다. 즉, 인덕턴스 L은 인접 패치들과 이들을 연결한 비아들, 그리고 접지면이 형성하는 루프(loop)를 흐르는 전류로부터 발생한다.
이러한 1-D EBG 구조물의 커패시턴스 및 인덕턴스는 다음 수학식 1 및 수학식 2에 따라 근사화될 수 있다. 즉, 연결 스트립의 인덕턴스는 대략 다음 수학식 1과 같이 근사화된다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 t는 컨덕터의 두께이며, 길이 단위는 mm이다. 두 개의 패치들(113) 사이의 커패시턴스는 상기 수학식 2에 따라 계산될 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서 ε0 = 8.854 x 103 pF/mm:진공 유전율이며, 길이 단위는 mm이다.
이 경우, ±90° 사이의 반사 위상의 부분 대역폭(fractional bandwidth)은 다음 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
여기에서, η은 120π의 자유공간 임피던스이고, ω0는 공진 주파수로서 그 값은
Figure pat00004
이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 1-D EBG 구조물을 나타낸 도면으로 도 4(a)는 1-D EBG 구조물을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4(b)는 포크형(fork-like) 패치의 상세를 나타내며, 도 4(c)는 꾸불꾸불한 곡류형 연결 스트립의 한 마디의 상세를 나타낸다.
구조물의 크기를 감소시키기 위해, 포크형 금속 패치(313)는 직사각형 패치(213) 대신에 사용된다. 꾸불꾸불한 곡류형 라인(312)은 또한 금속 패치들과 금속 접지면 사이의 거리를 감소시키도록 연결 스트립(312)으로 또한 사용된다. 본 실시예의 변형된 1-D EBG 구조물은 도 4에 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 변형된 1-D EBG 구조물은은 포크형 금속 패치들(313), 곡류형 스트립 라인들(312), 접지면(311) 및 유전체 기판(도시 생략)을 포함한다. 상기 각 금속 패치(312)와 상기 각 곡류형 스트립 라인(312)은 단위 셀을 형성한다.
상기 곡류형 스트립 라인들(312)은 상기 금속 패치들(313)과 접지면 사이를 각각 연결한다. 상기 각 금속 패치와 상기 각 곡류형 스트립 라인은 단위 셀을 형성한다. 각 곡류형 라인(312)은 도 4(c)에 도시된 바와 같은 마디를 복수개 갖는다. 각 마디는 2개의 수평 엘리먼트들을 포함한다.
이 구조물에서 커패시턴스는 슬롯의 이웃하는 에지들과 인접 패치로부터 스트레치된 스트립(stretched strip) 사이에 형성된다. 슬롯에 내장된 스트레치된 스트립의 깊이가 증가하면 더 높은 커패시턴스가 얻어진다. 이는 인접 패치에 형성되는 프린징 전계(fringing electric field)가 증가하기 때문이다. 포크형 금속 패치들(313) 사이의 갭 및 꾸불꾸불한 스트립들(312)의 수평 엘리먼트들 사이의 갭은 가능한 작아야 한다. 꾸불꾸불한 스트립들의 폭은 가능한 작아야 한다.
예컨대, 변형된 구조물은 1.2mm의 두께 h 및 4.4의 비유전율을 갖는 FR-4 구조물 상에 설치된다. 최초 디자인을 위한 구조물의 공진 주파수는 2.45 GHz에 근접해야 한다. 두 개의 인접한 포크형 패치들 사이의 갭 폭 g는 0.15mm이다. 포크형 패치의 높이는 3sc+2g=3.3mm이다. 꾸불꾸불한 곡류형 연결 비아들에 대해, 두 개의 수평 엘리먼트들 간의 갭 gd는 0.15 mm이다. 스트립들의 폭 sd는 0.15 mm이고, 길이 ld는 1.35 mm이다. 꾸불꾸불한 곡류형 구조물의 마디(turn)의 개수는 2.5이다. 꾸불꾸불한 곡류형 비아 구조물의 전체 높이 및 폭(ld + sd)은 각각 1.7 mm 및 1.5 mm이다. 따라서, 1-D EBG 구조물의 단위 셀의 전체 높이는 5mm이며, 2.45 GHz에서 1/4 파장인 30mm보다 훨씬 짧다.
수학식 3에 의해 계산된 EBG 구조물의 부분 대역폭은 36.8%이다. 이 구조물의 대응하는 동작 주파수 대역은 2 GHz 에서 2.9 GHz까지의 범위에 있다.
상기 설계된 1-D EBG 구조물은 역-L형 안테나의 수평 엘리먼트가 그 위에 위치하는, 금속 접지면의 절반 상에 삽입된다.
도 5는 인쇄된 역-L형 안테나들의 구조를 나타낸 도면이다. 도 5(a)는 일반적인 금속 접지면을 갖는 인쇄된 역-L형 안테나를 나타내며, 도 5(b)는 1-D EBG 접지면을 갖는 인쇄된 역-L형 안테나를 나타낸다.
도 5에 도시된 바와 같이, 안테나들에는 역-L형 방사 엘리먼트가 삽입되어 있다. 역-L형의 방사 엘리먼트는 접지면에 수평인 수평 엘리먼트를 포함하고 접지면에 수직인 수직 엘리먼트를 포함한다.
안테나의 수평 엘리먼트와 접지면 사이의 거리 h는 진공에서의 파장 λ0(λ0/20 이하, h≤ λ0/20 )에 비해 매우 작도록 선택되며, 2개의 안테나 구조물에서 동일하도록 선택된다.
종래 금속 접지면을 갖는 역-L형 안테나에 대해, 접지면에 근접한 수평 엘리먼트는 효율적으로 방사하지 않는데, 왜냐하면, 이미지 이론에 기초한 이미지 전류 및 안테나 상의 오리지날 전류는 서로 상쇄하기 때문이다. 그러므로, 주요한 방사체는 수직 엘리먼트이다. 종래의 역-L형 안테나의 물리적 길이는 λg/4이며, 다음 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.
Figure pat00005
상기 수학식 4에서, λg는 기판 상에 가이드된 파장이다.
1-D EBG 접지면을 갖는 역-L형 안테나에 대해, 수평 엘리먼트가 이 구조물에서 주요한 방사체(main radiator)이다. 동작 주파수 대역에서 수평 엘리먼트에서 2개의 동위상(in-phase) 전류 즉, 소스로부터의 오리지날 전류 및 1-D EBG 접지면으로부터 동위상 반사에 기인한 이미지 전류가 존재함을 가정한다. 안테나 작동은 쌍극 안테나(dipole antenna)와 유사하다. 따라서, 안테나의 길이는 종래의 역-L형 안테나에서와 유사한 주파수에서 공진되는 대략 λg/2(즉, L + h ? λg/2)이다.
도 5(b)에 도시된 1-D EBG 접지면을 갖는 역-L형 안테나의 파라미터 값은 다음과 같다: wc=wa=2 mm, gc=0.27 mm, gnd_1 = 35 mm, gnd_2=65 mm, gnd_y=34 mm, h=5 mm, L=49 mm 및 sub=21 mm. 접지면 상에 사용된 18 EBG 단위 셀들이 있다. 일반적인 금속 접지면을 갖는 설계된 역-L형 안테나는 다음 파라미터들을 갖는다: wc=2 mm, wa=4 mm, gc=0.27 mm, gnd_x = 50 mm, gnd_y= 34 mm, h=5 mm, L=14.5 mm 및 sub=21 mm이다. 비교하면, 안테나의 길이 및 폭은 대략 2.45 GHz의 유사 공진 주파수를 획득하도록 서로 다르게 설계된다. 2개의 안테나의 모든 다른 파라미터들은 동일하다.
안테나 구조물의 성능이 연구되어 종래의 역-L형 안테나의 성능과 비교되었다. 이하 본 발명에 따른 안테나의 성능을 설명한다.
도 6은 역-L형 안테나의 반사 손실 특성의 시뮬레이션 및 측정결과를 나타낸다.
도 6(a)는 일반적인 금속 접지면을 갖는 역-L형 안테나의 반사 손실의 시뮬레이션 및 측정결과를 및 나타내고, 도 6(b)는 1-D EBG 접지면을 갖는 인쇄된 역-L형 안테나의 반사 손실 시뮬레이션 및 측정결과를 나타낸다.
도 6(a)를 참조하면, 일반적인 금속 접지면을 갖는 종래의 인쇄된 역-L형 안테나의 시뮬레이션 결과로부터 도출한 공진 주파수와 측정된 공진 주파수는 각각 2.684 GHz 및 2.71 GHz이다. 도 7(b)를 참조하면, 1-D EBG 접지면을 갖는 인쇄된 역-L형 안테나의 시뮬레이션 결과로부터 도출한 공진 주파수와 측정된 공진 주파수는 각각 2.726 GHz 및 2.71 GHz이다.
이들 값들은 일반적인 금속 접지면을 갖는 안테나와 매우 유사하다. 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 3.56 GHz에서 또 하나의 다른 공진이 존재한다. 이는 대략 1 GHz의 기본 공진의 고조파이다. 이들 1 GHz 및 3.56 GHz의 공진은 1-D EBG 구조물의 영향 없이 안테나의 단극 성향(monopole behavior)에 기인한다.
제조된 안테나들의 방사 패턴은 실내 무반사실에서 도 5에서와 동일한 좌표 시스템상에서 측정하며, 안테나의 공진주파수에서 측정한다.
도 7에서는 안테나 방사 패턴의 시뮬레이션 및 측정결과를 xy 평면에 나타내었다. 도 7(a)에 나타낸 방사 패턴으로부터 안테나가 주로 x 방향으로 방사함을 알 수 있다. y 방향으로의 방사는 수평 엘리먼트에서의 전류 감쇠에 기인하여 매우 작다. 이는 이 구조물의 주요한 방사체가 수직 방사체임을 의미한다. xy 면에서 안테나의 측정된 피크 이득은 148°에서 2.46 dBi이다. +y 및 -y 방향에서 측정된 최소 이득은 각각 -10.7 dBi 및 -10 dBi이다.
1-D EBG 구조물이 이것에 매우 인접한 인쇄된 안테나들에 대해 매우 유용한 접지면인지 아닌지를 알기 위해, 1-D EBG 접지면을 갖는 역-L형 안테나의 방사 패턴이 도 7(b)에 도시된 바와 같이 조사된다. xy 면에서 이 구조물의 주요 방사는 +y방향에서 이루어지며 측정된 피크 이득은 87°의 방향에서 3.76 dBi였다. 이는 수평 엘리먼트가 훨씬 더 효율적으로 방사하였음을 나타낸다. x 방향에서, -0.5 dBi 및 -4 dBi의 측정된 최대 이득을 갖는 2개의 작은 측엽(sidelobs)이 있다. 이는 우세한 방사소자(radiator)인 수평방향의 엘리먼트가 아닌 수직방향의 수직 엘리먼트가 여전히 방사하기 때문이다. 또한, -y 방향에서의 방사는 매우 작다. 이 방향에서의 측정된 최소 이득은 약 -16 dBi이며, 대략 20 dB의 전-후방 비(front to back(F/B) ratio)를 초래한다.
도 8은 1-D EBG 접지면을 갖는 안테나의 yz 면에서 방사 패턴 시뮬레이션 및 측정결과를 나타낸 도면이다. 도 8(a)는 극 플롯(polar plot)이며 도 8(b)는 라인 플롯(line plot)이다.
수평 엘리먼트의 효과적인 방사를 확실하게 하기 위해, yz 면에서의 방사 패턴의 시뮬레이션 및 측정결과를 도 8에 도시하였다. 도 8(a) 및 도 8(b)는, 안테나의 방사는 +y 방향에서 매우 크게 나타남을 명확히 보여준다. 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 40도 내지 150도의 범위에서 측정된 이득은 그 부근에서보다 훨씬 크다. 이 yz 면에서의 측정된 피크 이득은 133도에서 4.96 dBi이다.
한편, 상기 설계된 1-D EBG 구조물을 이용하여 쌍극 안테나(dipole antenna)를 구성할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 쌍극 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 마이크로스트립라인 (microstripline)에 의해 공급된 쌍극 안테나는 상기 본 발명에 따라 제안된 1-D EBG 구조물을 이용하여 설계되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 안테나에는 역-L형 방사 엘리먼트가 기판의 양면에 대칭으로 삽입되어 있다. 기판 윗면의 역-L형 방사 엘리먼트는 마이크로스트립라인의 시그널라인과 연결되어 있으며, 기판 아랫면의 역-L형 방사 엘레먼트는 접지면과 연결되어 있다. 따라서, 이 두 역-L형 방사 엘레먼트는 쌍극 안테나로 동작하게 된다. 두 역-L형의 방사 엘리먼트는 접지면에 수평인 수평 엘리먼트를 포함하고 접지면에 수직인 수직 엘리먼트를 포함한다. 그리고 기 EBG 구조물이, 상기 쌍극 안테나의 수평 방사 엘리먼트가 위치하는, 상기 쌍극 안테나의 금속 접지면의 상에 각각 삽입되어 있다.
안테나는 1-D EBG 구조물의 밴드갭 주파수 대역(bandgap frequency band) 내에 위치한 대략 2.5 GHz에서 공진하도록 설계되었다. 상기 쌍극 안테나는 통상적인 유전 상수(dielectric constant) εr, 및 0.018 mm의 구리 두께(copper thickness) t를 갖는 1.2-mm-두께의 FR4 구조물 상에 제조된다. 상기 구조물의 수형 쌍극과 접지면 사이의 간격 h는 대략 5 mm이며, 이는 λ0/25에 대응한다. 다른 설계 파라미터들은 다음과 같다: wa = 94 mm, la = 55 mm, lr = 42 mm, wr = 2 mm, lg = 29 mm, we = 36.3 mm, wf = 7.55 mm, and wm = 2 mm.
도 10은 본 발명에 따라 설계한 쌍극 안테나의 반사 손실특성의 시뮬레이션 및 측정결과를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 상기 제조된 쌍극 안테나의 공진 주파수 및 동작 대역폭은 각각 2.573 GHz 및 16.64%(2.405 GHz ~ 2.863 GHz)이다.
도 11은 본 발명에 따라 설계된 쌍극 안테나의 방사 패턴의 시뮬레이션 및 측정결과를 나타낸다. 도 11(a)와 도 11(b)는 방사패턴을 xy 평면과 yz 평면에 각각 도시한 결과이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 쌍극 안테나는 공진 주파수에서 5.85 dBi의 최고실현이득(peak realized gain)과, 10.49 dB의 F-B(front-to-back) 비율(여기에서, 전방(frontward)(+y) 및 후방(backward)(-y) 이득은 각각 4.72 dB 및 -5.77 dB이다)을 갖는 지향적 방사 특성을 갖는다. 방사체(radiator)가 접지면에 매우 근접하게 위치하더라도, 상기 설계된 쌍극 안테나는 상기 1-D EBG 구조물에 의해 실현된 접지면이 동위상 반사 특성을 가지므로, 매우 양호한 반사 손실 특성과 방향성있는 방사 패턴을 가질 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (30)

  1. 일차원(1-D) 전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap: EBG) 구조물에 있어서,
    상기 구조물의 커패시턴스를 형성하는 금속 패치들과,
    상기 금속 패치들과 접지면 사이를 각각 연결하는 스트립 라인들과,
    상기 접지면으로 기능하는 금속 시트와,
    유전체 기판을 포함하며,
    상기 각 금속 패치와 상기 각 스트립 라인은 단위 셀을 형성하는 것을 특징으로 하는 일차원 전자기 밴드갭 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 EBG 구조물은 상기 EBG 구조물의 동작 주파수 내에서 역위상(out-of-phase)이 아닌 동위상(in-phase)으로 입사파를 반사하는 것을 특징으로 하는 일차원 전자기 밴드갭 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 패치들이 형성하는 커패시턴스는 포크형 금속 패치로 구성할 수 있으며, 상기 스트립 라인의 깊이가 증가하면 상기 커패시턴스가 커지는 것을 특징으로 하는 일차원 전자기 밴드갭 구조물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 포크형 금속 패치들은 0.15 mm의 갭만큼 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 일차원 전자기 밴드갭 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스트립 라인들은 꾸불꾸불 곡류형 스트립 라인으로 구성할 수 있으며, 상기 구조물의 인덕턴스를 형성하는 것을 특징으로 하는 일차원 전자기 밴드갭 구조물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구조물의 인덕턴스를 형성하는 꾸불꾸불한 곡류형 스트립 라인들은 각각 0.15 mm의 갭만큼 서로 이격되어 있는 수평 엘리먼트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 일차원 전자기 밴드갭 구조물.
  7. 제5항에 있어서, 상기 구조물의 인덕턴스를 형성하는 꾸불꾸불한 곡류형 스트립 라인들은 각각 0.15 mm의 스트립 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 일차원 전자기 밴드갭 구조물.
  8. 인쇄된 평면형 안테나들에 있어서,
    단극 또는 쌍극 안테나를 구성하는 역-L형의 수평 및 수직 방사 엘리먼트들;
    금속 접지면; 및
    일차원(1-D) 전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap: EBG) 구조물을 포함하고,
    상기 일차원 EBG 구조물은
    상기 구조물의 커패시턴스를 형성하는 금속 패치들과,
    상기 금속 패치들과 접지면 사이를 각각 연결하는 스트립 라인들과,
    상기 접지면으로 기능하는 금속 시트와,
    유전체 기판을 포함하고,
    상기 각 금속 패치와 상기 각 스트립 라인은 단위 셀을 형성하며,
    상기 일차원 EBG 구조물의 영향으로 인해 지향성 방사형태를 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  9. 제8항에 있어서, 상기 단극 안테나는 역-L형 안테나인 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  10. 제9항에 있어서, 상기 EBG 구조물은 상기 역-L형 안테나의 수평 방사 엘리먼트가 위치하는, 상기 역-L형 안테나의 금속 접지면상에 삽입되며, 상기 EBG 구조물의 동작 주파수 내에서 역위상(out-of-phase)이 아닌 동위상(in-phase)으로, 상기 수평 방사 엘리먼트로부터 오는 입사파를 반사하는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  11. 제9항에 있어서, 상기 역-L형 안테나의 수평 방사 엘리먼트는 약 λg/2(λg는 기판 상에 가이드된 파장)의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  12. 제9항에 있어서, 상기 역-L형 안테나의 수평 방사 엘리먼트와 상기 EBG 구조물의 접지면은 약 λ0/20(λ0는 진공에서의 파장) 이하의 거리만큼 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  13. 제9항에 있어서, 상기 EBG 구조물은 상기 역-L형 안테나의 수평 방사 엘리먼트보다 큰 접지면을 형성하도록 1개 또는 복수 개의 단위 셀을 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  14. 제9항에 있어서, 상기 역-L형 안테나의 수평 방사 엘리먼트는 상기 금속 접지면보다 더 효율적으로 방사하는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  15. 제9항에 있어서, 상기 포크형 금속 패치들이 형성하는 커패시턴스는 상기 스트립 라인의 깊이가 증가하면 커지는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  16. 제9항에 있어서, 상기 포크형 금속 패치들은 0.15 mm의 갭만큼 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  17. 제9항에 있어서, 상기 꾸불꾸불 곡류형 스트립 라인들은 상기 EBG 구조물의 인덕턴스를 형성하는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  18. 제9항에 있어서, 상기 EBG 구조물의 인덕턴스를 형성하는 꾸불꾸불한 곡류형 스트립 라인들은 각각 0.15 mm의 갭만큼 서로 이격되어 있는 수평 엘리먼트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  19. 제9항에 있어서, 상기 EBG 구조물의 인덕턴스를 형성하는 꾸불꾸불한 곡류형 스트립 라인들은 각각 0.15 mm의 스트립 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  20. 제8항에 있어서, 상기 쌍극 안테나는 두 역-L형 방사 엘리먼트로 구성되는 쌍극 안테나인 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  21. 제20항에 있어서, 상기 EBG 구조물은 상기 쌍극 안테나의 수평 방사 엘리먼트가 위치하는, 상기 쌍극 안테나의 금속 접지면상에 삽입되며, 상기 EBG 구조물의 동작 주파수 내에서 역위상(out-of-phase)이 아닌 동위상(in-phase)으로, 상기 수평 방사 엘리먼트로부터 오는 입사파를 반사하는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  22. 제20항에 있어서, 상기 쌍극 안테나의 두 수평 방사 엘리먼트의 전체 길이는 약 λg/2(λg는 기판 상에 가이드된 파장)를 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  23. 제20항에 있어서, 상기 쌍극 안테나의 수평 방사 엘리먼트와 상기 EBG 구조물의 접지면은 약 λ0/25(λ0는 진공에서의 파장) 이하의 거리만큼 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  24. 제20항에 있어서, 상기 EBG 구조물은 상기 쌍극 안테나의 수평 방사 엘리먼트보다 큰 접지면을 형성하도록 1개 또는 복수개의 단위 셀을 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  25. 제20항에 있어서, 상기 쌍극 안테나의 수평 방사 엘리먼트는 상기 금속 접지면보다 더 효율적으로 방사하는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  26. 제20항에 있어서, 상기 포크형 금속 패치들이 형성하는 커패시턴스는 상기 스트립 라인의 깊이가 증가하면 커지는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  27. 제20항에 있어서, 상기 포크형 금속 패치들은 0.15 mm의 갭만큼 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  28. 제20항에 있어서, 상기 꾸불꾸불 곡류형 스트립 라인들은 상기 EBG 구조물의 인덕턴스를 형성하는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  29. 제20항에 있어서, 상기 EBG 구조물의 인덕턴스를 형성하는 꾸불꾸불한 곡류형 스트립 라인들은 각각 0.15 mm의 갭만큼 서로 이격되어 있는 수평 엘리먼트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
  30. 제20항에 있어서, 상기 EBG 구조물의 인덕턴스를 형성하는 꾸불꾸불한 곡류형 스트립 라인들은 각각 0.15 mm의 스트립 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄된 평면형 안테나.
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