KR20120055936A - 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법 - Google Patents

광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 길이방향의 양 단부가 서로 마주보도록 접힌 구조를 갖는 접지면과, 상기 양 단부 사이의 공간에 배치되는 패치면, 및 상기 패치면의 일부분과 상기 접지면의 일부분을 서로 연결하는 비아부를 포함하는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법에 따르면, 접힌 버섯구조를 이용하여 크기의 소형화를 유지하면서 안테나의 대역폭을 넓힐 수 있는 이점이 있다.

Description

광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법{Wide band folded mushroom metamaterial antenna and method thereof}
본 발명은 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접힌 버섯구조를 이용하여 안테나의 대역폭을 넓힐 수 있는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법에 관한 것이다.
메타물질의 특성을 이용하여 기존의 RF 부품보다 소형화되고 고성능을 갖는 제품을 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 메타물질의 고유한 특성 중 하나인 영차 공진을 이용하게 되면 기존 패치 안테나의 크기를 줄일 수 있으며 전방향성 방사 특성을 가지는 장점이 있다.
도 1은 버섯구조를 갖는 종래 패치 안테나의 예시도이다. 이는 메탈 패치와 메탈 접지면 사이에 메탈 비아를 삽입한 형태를 갖는다.
도 2는 도 1의 등가 회로에 대한 것이다. 패치와 접지면 사이에서 병렬 커패시턴스가 발생하며, 메탈 비아에 의해 병렬 인덕턴스가 발생하여 공진 구조를 이루고 있다. 여기서, 영차 공진 주파수는
Figure pat00001
로 표현되며, 임피던스와 어드미턴스는
Figure pat00002
,
Figure pat00003
이다.
결과적으로, 영차 공진 주파수는 병렬 인덕턴스와 병렬 커패시턴스에 의해 결정되고, 공진기의 전기적 길이에 무관하기 때문에, 반파장을 이용한 기존 패치 안테나(메탈 비아가 없는 구조)에 비해 소형화에 유리하다.
메탈 비아가 없는 경우에는 영차 공진주파수는 발생하지 않고 반파장 공진 주파수만 생성되어 안테나 통신이 반파장 공진 주파수 대역 부근에서 이루어진다. 도 3은 도 1의 경우 및 도 1에서 메탈 비아가 없는 경우의 주파수별 임피던스 특성의 비교 결과를 타나낸다.
이를 참조하면, 메탈 비아가 없는 경우는 반파장 공진주파수만 생성되고, 메탈 비아가 있는 도 1의 경우는 반파장 공진 주파수 이외에도 낮은 대역 부근의 영차 공진 주파수가 형성된 것이 관찰된다.
일반적으로 크기가 작아지면 공진주파수는 커진다. 그런데, 도 1의 경우는 영차 공진 주파수를 이용하여 크기는 소형화를 유지하면서 공진 주파수를 낮출 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이러한 구조는 협대역의 좁은 대역폭 특성으로 인하여 제품의 실용화에 한계가 따르는 단점이 있다.
본 발명은 접힌 버섯구조를 이용하여 안테나의 대역폭을 넓힐 수 있는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 길이방향의 양 단부가 서로 마주보도록 접힌 구조를 갖는 접지면과, 상기 양 단부 사이의 공간에 배치되는 패치면, 및 상기 패치면의 일부분과 상기 접지면의 일부분을 서로 연결하는 비아부를 포함하는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나를 제공한다.
여기서, 상기 접지면의 종단면은 '
Figure pat00004
'자 형상을 가지며, 상기 패치면은 상기 양 단부 사이에 평행하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 패치면은, 길이가 Lp인 패치 소재를 상기 비아부를 기준으로 양면이 접하도록 접혀져 형성되고, 상기 접지면의 길이는 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.
Lg=Lp+4Hs
여기서, Lg는 상기 접지면의 길이, Hs는 비아부의 길이이다.
그리고, 상기 접혀진 접지면의 높이는 상기 패치면의 상단부의 높이와 동일할 수 있다.
또한, 상기 접지면의 길이에 따라 상기 메타물질 안테나의 반파장 공진주파수가 결정될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 접지면과, 상기 접지면의 상부에 이격 배치된 패치 소재, 그리고 상기 패치 소재의 일부분과 상기 접지면의 일부분을 서로 연결하는 비아부를 포함하는 메타물질 안테나를 준비하는 단계, 및 상기 접지면의 길이방향 양 단부가 서로 마주보도록 접고, 상기 패치 소재를 상기 비아부를 기준으로 양면이 접하도록 접어서 상기 양 단부 사이의 공간에 배치되는 패치면을 형성함에 따라, 접힌 구조의 메타물질 안테나를 제조하는 단계 포함하는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 및 그 제조방법에 따르면, 접힌 버섯구조를 이용하여 크기의 소형화를 유지하면서 안테나의 대역폭을 넓힐 수 있는 이점이 있다.
도 1은 버섯구조를 갖는 종래 패치 안테나의 예시도이다.
도 2는 도 1의 등가 회로를 나타낸다.
도 3은 도 1의 경우 및 도 1에서 메탈 비아가 없는 경우의 주파수별 임피던스 특성의 비교 결과를 타나낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 단면도이다.
도 5는 도 4의 제조 과정을 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 각각의 EM 시뮬레이션 결과 얻어진 입력 임피던스 값을 나타낸다.
도 7은 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 영차 공진 모드에 발생하는 전계 분포를 나타낸다.
도 8은 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 방사 형태를 y-z 평면과 x-y 평면으로 나타낸 것이다.
도 9는 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 TM010 모드의 전계 분포를 나타낸다.
도 10은 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 영차 및 반파장 공진 모드의 개략적인 그래프를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 최적화된 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 구조를 나타낸다.
도 12는 도 11의 EM 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 단면도이다. 본 발명의 실시예에 따른 메타물질 안테나(100)는 접지면(110), 패치면(120), 비아부(130)를 포함한다.
여기서, 상기 접지면(110)은 길이방향의 양 단부(110a,110b)가 서로 마주보도록 접힌 구조를 가지며, 그 종단면은 '
Figure pat00005
'자 형상을 가진다.
그리고, 상기 패치면(120)은 안테나 패치에 해당되는 부분으로서, 상기 접지면(110)의 양 단부(110a,110b) 사이의 공간에 평행하게 배치된다.
다음, 상기 비아부(130)는 상기 패치면(120)의 일부분과 상기 접지면(110)의 일부분을 서로 연결한다. 이러한 비아부(130)는 상기 안테나(100)에 영차 공진모드를 생성한다.
만약, 상기 비아부(130)가 없는 경우에는 반파장 공진 모드만 형성되어 반파장 공진 모드가 기본 모드(dominant mode; 첫 번째로 낮은 공진 주파수)가 된다. 그런데, 본 실시예와 같이 비아부(130)가 삽입되면 반파장 공진 모드보다 낮은 주파수 대역에 영차 공진 모드가 형성되면서, 반파장 공진 모드는 2번째로 낮은 주파수가 된다.
도 5는 도 4의 제조 과정을 나타내는 단면도이다. 제조 방법은 다음과 같다. 먼저 도 5의 (a)와 같이, 접지면(110)과, 상기 접지면(110)의 상부에 이격 배치된 패치 소재(120a), 그리고 상기 패치 소재(120a)의 일부분과 상기 접지면(110)의 일부분을 서로 연결하는 비아부(130)를 포함하는 메타물질 안테나를 준비한다.
이후, 도 5의 (b)와 같이, 상기 접지면(110)의 길이방향 양 단부(110a,110b)가 서로 마주보도록 '
Figure pat00006
'자 형으로 접으면서, 상기 패치 소재(120a)를 상기 비아부(130)를 기준으로 양면이 접하도록 접어서 상기 양 단부(110a,110b) 사이의 공간에 평행하게 배치되는 패치면(120)을 형성한다. 이에 따라, 최종적으로 도 5의 (c)와 같은 접힌 구조의 메타물질 안테나(100)를 제조할 수 있다.
여기서, 상기 패치면(120)은 길이가 Lp인 패치 소재(120a)를 상기 비아부(130)를 기준으로 양면이 접하도록 접혀져 형성된 것이다. 이때, 상기 접지면(110)의 길이를 Lg, 비아부(130)의 길이를 Hs라 할 때, Lg=Lp+4Hs 이다. 이는 패치면(120)의 끝과 접지면(110)의 끝을 맞추기 위한 것이다. 이에 따라, 상기 접혀진 접지면(110)의 높이는 상기 패치면(120)의 상단부의 높이와 동일하게 된다. 따라서 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 폭은 2hs가 되고 높이는 Lp/2+hs로 결정된다.
도 6은 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 각각의 EM 시뮬레이션 결과 얻어진 입력 임피던스 값을 나타낸다.
사용된 패치면(120)과 접지면(110)은 각각 정사각형 및 직사각형 형태를 갖는다. 즉, 패치면(120)의 너비(Wp) = 패치면(120)의 길이(Lp) = 10mm 으로 하고, 접지면(110)의 너비(Wg) = 20mm, 접지면(110)의 길이(Lg) = 30mm, 비아부(130)의 높이(hs) = 5mm로 설정하였다. 또한, 안테나 기판의 비유전율은 1로 설정하였다.
도 6의 결과를 참조하면, 도 5의 (a) 구조에 대한 영차 공진 주파수는 입력 임피던스 값이 최대값을 가지는 3.23GHz 부근에 있다. 또한, 도 5의 (c) 구조의 영차 공진 주파수는 3.41GHz 부근에 있다. 이러한 결과는 접힌 버섯 구조의 안테나(도 5 (c) 구조)를 사용할 경우는 그렇지 않은 경우(도 5 (a) 구조)와 영차 공진 주파수의 차이가 거의 없으며, 그에 따라 성능의 변화 또한 미미함을 의미한다.
도 7의 (a) 및 (b)는 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 영차 공진 모드에 발생하는 전계 분포를 나타낸다. 이는 영차 공진 주파수에 대한 전계 분포를 의미한다.
도 7의 (a)를 살펴 보면, 영차 공진에서 전계의 위상은 동일한 분포를 가짐을 알 수 있다. 이러한 결과에 따라, 접힌 버섯구조 안테나의 전계분포는 도 7의 (b)와 같이 된다. 그리고, 도 8은 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 방사 형태를 y-z 평면과 x-y 평면으로 나타낸다. 결과적으로 두 구조 모두 전방향성 방사형태를 갖는다.
이상과 같이, 접힌 버섯구조 메타물질 안테나(100)의 영차 공진에서 특성을 확인한 결과, 도 5의 (a)에서 (c)로 형태가 변형되어도 기존과 동일한 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 9의 (a) 및 (b)는 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 TM010 모드의 전계 분포를 나타낸다. 버섯구조는 포트의 위치에 따라 도 9와 같이 일반적인 패치 안테나에서 발생하는 TM010 모드(반파장 공진 모드)를 여기시킬 수 있다. TM010 모드는 공진기 길이에 따라 공진 주파수가 변화하게 된다.
먼저, 도 9의 (a)를 참조하면, 도 5 (a)의 기본 버섯 구조에서 TM010 모드의 공진 주파수는 Lp에 의해 결정됨을 알 수 있다. 반면, 도 9의 (b)를 참조하면, 도 5 (c)의 접힌 버섯구조에서는 Lg에 따라 TM010 모드의 공진 주파수가 결정됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 상기 접지면(110)의 길이 Lg에 따라 상기 메타물질 안테나(100)의 반파장 공진주파수가 결정된다.
도 10은 도 5의 (a) 및 (c)에 대한 영차 및 반파장 공진 모드의 개략적인 그래프를 나타낸다. 이에 따르면, 도 5 (c)의 접힌 버섯구조는 도 5 (a)의 기본 버섯구조와 거의 동일한 영차 공진 주파수를 가지되, 도 5 (a)보다 낮은 TM010 모드 주파수를 가짐을 알 수 있다.
상기 도 5 (a)의 기본 버섯구조에서는 영차 공진 모드와 TM010 모드의 주파수 차이가 넓어서 두 공진 모드를 합친 안테나로의 구현이 불가능하다. 그러나, 도 5 (c)의 접힌 버섯구조는 보다 낮아진 TM010 모드와 영차 공진 모드가 합쳐진 안테나로 구현할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 접힌 버섯구조 메타물질 안테나 구조를 나타낸다. 이는 최적화된 구조로서, 도 11의 (a)는 단면도, (b)는 평면도에 해당된다.
상기 최적화된 접힌 버섯구조 메타물질 안테나(200)에서 메탈 비아부(230)는 접지면(110)의 측면 부분에 삽입된 형태를 갖는다. 그리고, 급전(10)(Coaxial Feed)은 50Ohm으로 하였고, 임피던스 매칭을 위해 0.1mm의 갭을 이용하였다.
도 12는 도 11의 EM 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 12의 (a)는 안테나(200)의 입력 임피던스를 나타낸 것으로, 영차 공진 모드는 2.35GHz, TM010 모드는 3.01GHz에서 발생한다.
도 12의 (b)는 안테나(200)의 반사계수(S11)를 나타낸다. 영차 공진 모드의 밴드와 TM010 모드의 밴드가 합쳐져서 -10dB를 기준으로 최저주파수는 2.43GHz, 최고주파수는 4.32GHz이며, 비대역폭은 56%으로서 광대역을 가지고 있다. 즉, 영차 공진과 반파장 공진 주파수 밴드가 합쳐지면서 -10dB를 기준으로 약 1.89GHz의 광대역폭이 형성된 것을 관찰할 수 있다.
이상과 같은 접힌 버섯구조를 갖는 메타물질 안테나에 따르면, 기존과 동일한 영차 공진 특성을 가짐과 동시에 반파장 공진 주파수를 낮출 수 있다. 결과적으로 크기의 소형화를 유지하면서 광대역의 안테나를 설계할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능한 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나
110: 접지면 120: 패치면
120a: 패치 소재 130: 비아부

Claims (10)

  1. 길이방향의 양 단부가 서로 마주보도록 접힌 구조를 갖는 접지면;
    상기 양 단부 사이의 공간에 배치되는 패치면; 및
    상기 패치면의 일부분과 상기 접지면의 일부분을 서로 연결하는 비아부를 포함하는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접지면의 종단면은 '
    Figure pat00007
    '자 형상을 가지며,
    상기 패치면은 상기 양 단부 사이에 평행하게 배치되는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 패치면은,
    길이가 Lp인 패치 소재를 상기 비아부를 기준으로 양면이 접하도록 접혀져 형성되고,
    상기 접지면의 길이는 아래의 수학식으로 정의되는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나:
    Lg=Lp+4Hs
    여기서, Lg는 상기 접지면의 길이, Hs는 비아부의 길이이다.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 접혀진 접지면의 높이는 상기 패치면의 상단부의 높이와 동일한 접힌 버섯구조 메타물질 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접지면의 길이에 따라 상기 메타물질 안테나의 반파장 공진주파수가 결정되는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나.
  6. 접지면과, 상기 접지면의 상부에 이격 배치된 패치 소재, 그리고 상기 패치 소재의 일부분과 상기 접지면의 일부분을 서로 연결하는 비아부를 포함하는 메타물질 안테나를 준비하는 단계; 및
    상기 접지면의 길이방향 양 단부가 서로 마주보도록 접고, 상기 패치 소재를 상기 비아부를 기준으로 양면이 접하도록 접어서 상기 양 단부 사이의 공간에 배치되는 패치면을 형성함에 따라, 접힌 구조의 메타물질 안테나를 제조하는 단계 포함하는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 접지면의 종단면은 '
    Figure pat00008
    '자 형상을 가지며,
    상기 패치면은 상기 양 단부 사이에 평행하게 배치되는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 제조방법.
  8. 청구항 7 에 있어서,
    상기 접지면의 길이는 아래의 수학식으로 정의되는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 제조방법:
    Lg=Lp+4Hs
    여기서, Lg는 상기 접지면의 길이, Lp는 상기 패치 소재의 길이, Hs는 비아부의 길이이다.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 접혀진 접지면의 높이는 상기 패치면의 상단부의 높이와 동일한 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 접지면의 길이에 따라 상기 메타물질 안테나의 반파장 공진주파수가 결정되는 광대역을 갖는 접힌 버섯구조 메타물질 안테나의 제조방법.
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