KR20150110373A - 안테나 디바이스 - Google Patents

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KR20150110373A
KR20150110373A KR1020150038126A KR20150038126A KR20150110373A KR 20150110373 A KR20150110373 A KR 20150110373A KR 1020150038126 A KR1020150038126 A KR 1020150038126A KR 20150038126 A KR20150038126 A KR 20150038126A KR 20150110373 A KR20150110373 A KR 20150110373A
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antenna element
antenna
cell structure
artificial magnetic
magnetic conductor
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KR1020150038126A
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Inventor
아츠시 다카사키
고지 유키마사
Original Assignee
캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

안테나 디바이스는 도체층 및 유전체층을 갖는 다층 구조로 구성되며 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 셀을 포함하는 셀 구조를 포함하고, 셀 구조 위로 배치되는 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자를 추가로 포함한다. 셀은 제1 방향 및 제2 방향으로 다른 주파수 대역에 대응하는 인공 자기도체 효과를 갖도록 구성되고, 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 각각 제1 방향 및 제2 방향을 따라서 셀 구조의 면에 평행하게 배치된다.

Description

안테나 디바이스{ANTENNA DEVICE}
본 발명은 안테나 디바이스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 높은 표면 임피던스를 갖는 평면형 구조와, 이러한 평면형 구조를 이용한 안테나 디바이스에 관한 것이다.
최근, 특정한 주파수 대역폭에서 전자파의 전파를 저지하는 전자기 밴드갭 구조(이하, "EBG 구조")에 관한 기술에 대한 연구가 수행되고 있다. 고려할 만한 EBG 구조는, 일정한 갭 간격으로 직사각형의 패치 도체를 동일 평면에 매트릭스 형상으로 배치하고, 패치 도체와 평행하게 배치된 그라운드 도체에 패치 도체로부터 도통 비아가 접속되는 구조를 갖는다. 이 구조에서, 하나의 패치 도체, 하나의 그라운드 도체 및 1개의 도통 비아의 세트는 그 형상으로 인해 머시룸 구조라고 지칭된다. 이 EBG 구조는 전자파의 차단과 별도로, 특정한 주파수 대역폭에서 높은 표면 임피던스를 갖는 인공 자기도체의 효과도 나타낸다. 이러한 인공 자기도체의 특성에 착안하고 EBG 구조를 안테나의 높이 소형화를 위해 이용함으로써, 효과적인 인공 자기도체 타입 높이-소형화 안테나(low-dimensioned antenna)를 실현하는 것이 기대되고 있다.
EBG 구조를 이용한 종래의 인공 자기도체 타입 높이-소형화 안테나에서는, 하나의 안테나 소자에 대해 하나의 EBG 구조가 제공되는 구조만 실현할 수 있었고, 따라서 다중대역 안테나의 높이 소형화를 달성하는 것이 곤란했다.
본 발명은 상술한 관점에서 달성되는 것으로, 복수의 공진 주파수에서 동작 가능한 높이-소형화 안테나를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 도체층 및 유전체층을 갖는 다층 구조로 구성되며 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 셀을 포함하는 셀 구조를 포함하고, 셀 구조 위로 배치되는 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자를 추가로 포함하는 안테나 디바이스가 제공되고, 셀은 제1 방향 및 제2 방향으로 다른 주파수 대역에 대응하는 인공 자기도체 효과(artificial magnetic conductor effect)를 갖도록 구성되고, 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 각각 제1 방향 및 제2 방향을 따라서 셀 구조의 면에 평행하게 배치된다.
본 발명의 추가 특징은 첨부 도면을 참조하여 예시적 실시예의 이후의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 이중 대역 높이-소형화 안테나의 구성을 도시한 도면.
도 2는 EBG 구조의 단위 셀에 대하여 시뮬레이션 해석을 실행한 경우의 모델도.
도 3은 제1 실시예에 따른 이중 대역 높이-소형화 안테나에 대한 해석 결과를 도시하는 도면.
도 4는 제1 실시예에 따른 안테나 방사 특성을 도시하는 도면.
도 5는 종래예에 따른 안테나 방사 특성을 도시하는 도면.
도 6은 제1 실시예에 따른 안테나 방사 특성을 도시하는 도면.
도 7은 종래예에 따른 안테나 방사 특성을 도시하는 도면.
도 8은 제2 실시예에 따른 이중 대역 높이-소형화 안테나의 개략도.
도 9는 이중 주파수 직교 역 F 안테나의 구성을 도시하는 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예를 상세히 설명할 것이다. 이하의 실시예에서 설명된 구성은 단지 예이며, 본 발명은 도시된 구성에 한정되도록 의도되지 않는 점에 유의한다.
메타물질 구조의 일 특징은 인공 자기도체 효과이다. 주기 구조를 구비한 면은 높은 표면 임피던스를 갖는 구조이고, 특정한 주파수 대역폭에서 동상 반사(in-phase reflection)를 실현한다. 단위 셀 구조를 반복하여 구성되는 주기 구조를 갖는 메타물질 인공 자기도체에 관해, 단위 셀의 구조 및 주기 구조에 대해 비대칭적 조건을 설정함으로써 두 개의 방향으로 다른 인공 자기도체 특성을 갖는 구조가 실현될 수 있다. 예를 들어, 수직 및 수평 방향으로 상이한 치수를 갖는 패치 도체로 구성된 머시룸 구조를 갖는 인공 자기도체에서, 두 개의 상이한 주파수 대역폭에 대응하는 인공 자기도체 효과가 획득된다. 따라서, 2개의 주파수 대역에서 동작하는 안테나 소자를 안테나 소자의 구조가 다른 공진 방향을 갖도록 배치하고, 안테나 소자의 두 개의 동작 대역에서 효과를 나타내는 인공 자기도체 구조를 갖는 주기 구조를 안테나 소자의 아래에 배치하는 경우, 이면의 GND 도체로부터의 영향이 완화된, 높이 소형화 이중 대역 안테나를 실현할 수 있다. 두 개의 실시예가 아래에서 설명될 것이다.
제1 실시예
도 1은 본 실시예에 따른 이중 대역 높이-소형화 안테나(101)를 도시하는 전체적 개략도이다. 본 실시예에 따른 이중 대역 높이-소형화 안테나(101)는 EBG 구조의 단위 셀(102)을 8x8의 매트릭스 형상으로 배치한 기판을 포함하고, 기판의 중심 영역에는 이중 주파수 직교 다이폴 안테나(103)가 기판에 평행하게 배치된다. 단위 셀(102) 각각은 대략 10x15mm의 직사각형의 형상을 갖는 머시룸 구조를 갖고, 인공 자기도체의 효과를 나타내도록 매트릭스 형상으로 주기적으로 배치된다.
도 2는 EBG 구조의 단위 셀(102)에 대해 시뮬레이션 해석을 실행한 경우의 모델도이다. 단위 셀(102) 각각은 상부의 직사각형 패치 도체(201), 유전체층(202), 하부의 GND 도체(203) 및 다층 구조의 이들 도체를 연결하는 접속 비아(204)로 구성된다. 단위 셀(102)의 인공 자기도체 특성을 관측하기 위해 전자파 입사면(205)이 해석용으로 설정된다. 화살표(206) 방향의 전자파 및 화살표(207) 방향의 전자파에 대해 전자파 입사면(205)에서 EBG 구조에서의 반사파의 위상이 해석된다. 면(208)은 주기 구조의 경계를 형성하는 면이고, 해석 공간은 수평 방향으로 4개의 면에서 반복하는 단위 셀 구조를 포함하는 주기 구조로서 설정된다.
도 3은 도 2에 도시된 모델을 해석한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 3에서, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 반사파 위상을 나타낸다. 곡선(301)은 도 2에서 화살표(206) 방향의 전자파에 대한 반사파의 위상 변화를 나타내고, 곡선(302)은 도 2에서 화살표(207) 방향의 전자파에 대한 반사파의 위상을 나타낸다. 반사파의 위상이 ±180°가 되지 않는 범위 내에서, 약 45°내지 135°의 범위(303)는 인공 자기도체으로서 유효한 동작에 대응하는 구간으로 상정한다. 이 경우, 곡선(301) 및 곡선(302)은 각각 4.1GHz 로부터 5.7GHz 까지 그리고 3.4GHz 로부터 4.1GHz까지 인공 자기도체으로서 유효한 동작을 나타낸다. 반사파의 위상이 약 -45°내지-135°의 구간에서도 유사한 인공 자기도체 효과를 기대할 수 있지만, 이 영역은 주파수 범위 보다 높고, 따라서 반사 계수 범위가 45°로부터 135°까지인 주파수 범위(303)를 사용하는 점을 유의한다.
도 4는 인공 자기도체 효과에 의해 안테나 방사 특성이 확보되는 경우를 시뮬레이션에서 확인한 결과를 나타낸다. 기판(401)은 EBG 구조의 단위 셀(102)을 8x8의 매트릭스 형상으로 배치한 FR4 기판이며, 그 중심 영역에 다이폴 안테나(402)가 배치된다. 다이폴 안테나(402)는 약 5GHz로 공진하고 기판(401)으로부터 1.2mm의 높이에 고정된다. 곡선(403)은 안테나의 방사 효율을 나타내고, 곡선(404)은 안테나 S11 반사 특성(안테나 반사 손실)을 나타낸다. 곡선(403)의 특징으로부터 5GHz 부근에서는 방사 효율이 높은 것을 알 수 있고, 곡선(404)의 특징으로부터 5GHz 부근에서는 S11 반사 특성은 낮은 수준으로 억제되는 것을 알 수 있다. 즉, 이들 곡선으로부터 다이폴 안테나의 공진 주파수에서는 인공 자기도체 효과에 의해 전자파 방사가 방해되지 않는 것을 알 수 있다.
비교를 위해, 도 5는 인공 자기도체 효과를 나타내지 않는 도체를 균일하게 배치한 경우의 안테나(502)의 특성을 도시한다. 기판(501)의 면에는 도체가 균일하게 배치되고, 안테나 반사 특성은 거의 전반사 상태이다. 곡선(503)은 안테나 방사 효율을 나타내고, 곡선(504)은 안테나 S11 반사 특성(안테나의 반사 손실)을 나타낸다. 도 4의 곡선(403)과 비교하면, 곡선(503)은 5GHz 부근에서는 방사 효율이 10dB 내지 20dB 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 4의 곡선(404)과 비교하면, 곡선(504)은 5GHz 부근에서는 S11 반사 특성이 10dB 내지 20dB 저하되는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 도 4로부터 다른 주파수에서의 안테나 방사 특성이 다른 방향으로의 인공 자기도체 효과에 의해 확보되는 경우를 시뮬레이션에서 확인한 결과를 도시한다. 도 4와 유사하게, 기판(601)은 EBG 구조의 단위 셀(102)을 8x8의 매트릭스 형상으로 배치한 FR4 기판이며, 그 중심 영역에 다이폴 안테나(602)가 배치된다. 다이폴 안테나(602)는 약 3.7GHz로 공진하고, 기판(601)으로부터 1.5mm의 높이에, 도 4의 다이폴 안테나(402)의 방향과 직교하는 방향에 고정된다. 곡선(603)은 안테나의 방사 효율을 나타내고, 곡선(604)은 안테나 S11 반사 특성을 나타낸다. 곡선(603)의 특징으로부터 3.7GHz 부근에서는 방사 효율이 높은 것을 알 수 있고, 곡선(604)의 특징으로부터 3.7GHz 부근에서는 S11 반사 특성이 낮은 수준으로 억제되는 것을 알 수 있다. 즉, 이들 곡선으로부터 다이폴 안테나(602)의 공진 주파수에서는 인공 자기도체 효과에 의해 전자파의 방사가 방해되지 않는 것을 알 수 있다.
비교를 위해, 도 7은 인공 자기도체 대신 인공 자기도체 효과를 나타내지 않는 도체를 균일하게 배치한 경우의 안테나(702)의 특성을 도시한다. 기판(701)의 면에는 도체가 균일하게 배치되고, 안테나 반사 특성은 거의 전반사 상태이다. 곡선(703)은 안테나의 방사 효율을 나타내고, 곡선(704)은 안테나 S11 반사 특성(안테나의 반사 손실)을 나타낸다. 도 6의 곡선(603)과 비교하면, 곡선(703)은 3.7GHz 부근에서는 방사 효율이 10dB 내지 20dB 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 6의 곡선(604)과 비교하면, 곡선(704)은 3.7GHz 부근에서는 S11 반사 특성이 10dB 내지 20dB 저하되는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 EBG 구조의 면에 원하는 인공 자기도체 효과를 나타내기 위해 복수의 방향으로 복수의 안테나 소자를 배치함으로써, 다중 대역 안테나에서의 높이 소형화를 실현할 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에서 도 1에 도시된 바와 같이 이면에 GND 층을 갖는 EBG 기판으로부터 1.2 내지 1.5mm의 근거리에 다이폴 안테나를 배치함으로써 이중 대역 높이-소형화 안테나를 구성할 수 있다. 1.2 내지 1.5mm의 거리는 공진 주파수 대역의 1/4 파장보다 짧다. 또한, 제품에 내장된 안테나의 배치를 설계할 때, 회로 기판 또는 금속 프레임과 같이 안테나 동작을 열화시키는 부재의 근방에도, 방사 특성의 열화를 허용하지 않는 안테나 배치를 실현할 수 있다.
제2 실시예
도 8은 본 실시예에 따른 이중 대역 높이-소형화 안테나(801)를 도시하는 전체적 개략도이다. 본 실시예에 따른 이중 대역 높이-소형화 안테나(801)는 EBG 구조의 단위 셀(802)을 8x8의 매트릭스 형상으로 배치한 기판을 포함하고, 기판의 중심 영역에 기판에 평행하게 이중 주파수 직교 역 F 안테나(803)가 배치된다. 단위 셀(802)로 구성된 EBG 구조는 제1 실시예에서 설명한 구성과 유사한 구성을 갖고, 인공 자기도체 효과를 나타낸다.
도 9는 이중 주파수 직교 역 F 안테나의 구성을 도시한다. 공급 라인(901)은 예를 들어, EBG 구조를 구성하는 기판의 이면에 배치된 회로 부분으로부터 무선 신호를 전송하는 신호 선이다. 소자(902 및 903)는 2개의 역 F 안테나 소자 도체(904 및 905)의 GND 소자이고, EBG 구조를 구성하는 기판의 이면의 GND 도체에 연결되고, 역 F 안테나의 임피던스 정합을 실행한다. 안테나 소자 도체(904) 및 안테나 소자 도체(905)는 기판으로부터 서로 다른 거리에 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 상부 층에 역 F 안테나 소자 도체(904 및 905)가 배치되고, 제2 층에 단위 셀(802)로 구성된 EBG 구조의 패치 도체층이 배치되고, 저부 층에 GND 층이 배치된다. 이 층들을 연결하는 비아를 사용하여, EBG 구조를 구성하는 비아, 급전 라인(901) 및 2 개의 역 F 안테나의 GND 소자(902 및 903)를 일체화한 다층 기판을 구성할 수 있다. 즉, 상술한 구성으로, 본 실시예의 높이-소형화 안테나(801)를 하나의 FR4 기판에 실현할 수 있다. 또한, GND 층보다 아래에 회로 기판층을 배치함으로써, 무선 회로와 일체화된 기판을 구성하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 제1 실시예와 유사하게 다중밴드 안테나에서의 높이 소형화를 실현할 수 있다. 또한, 제품에 내장된 안테나의 배치를 설계할 때에, 무선부 이외의 회로용 기판 또는 금속 프레임과 같이 안테나 동작을 열화시키는 부재의 근방에 장착하는 경우에도, 방사 특성의 열화를 허용하지 않는 안테나 배치를 실현할 수 있다.
상술한 실시예에서는 높이-소형화 안테나 소자로서 다이폴 안테나 및 역 F 안테나를 사용했지만, 이것에 한정되지 않는 점에 유의한다. 특정한 방향으로 도체로서 공진 방향을 갖는 임의의 안테나 소자에 대해, 공진 방향을 인공 자기도체 방향과 정합시킴으로써, 유사한 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 상술한 실시예에서는 직사각형 패치와 함께 머시룸 구조를 갖는 EBG 구조를 사용했지만, 이것에 한정되지 않는다. 복수의 방향으로 인공 자기도체 특성을 나타내는 구조를 실현하는 다른 기술이 있고, 이러한 다른 기술을 사용해도 상기 실시예와 유사한 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 상술한 실시예에서는 인공 자기도체의 방향을 직교 방향으로 설정하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 45°의 각도 또는 다른 각도로 설정된 방향에 대해서도, 성분으로서 인공 자기도체 효과가 관측되는 임의의 구조에 대해, 안테나 소자의 공진 방향을 인공 자기도체 성분의 방향으로 배치함으로써, 유사한 효과를 나타낼 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었으나, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예로 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 다음 청구항의 범위는 모든 이러한 수정예 및 등가적 구성예 및 기능예를 포함하도록 가장 넓은 해석이 허용되어야 한다.

Claims (10)

  1. 도체층 및 유전체층을 갖는 다층 구조로 구성되며 매트릭스 형상으로 배치된 복수의 셀을 포함하는 셀 구조를 포함하고,
    상기 셀 구조 위로 배치되는 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자를 추가로 포함하는 안테나 디바이스이며,
    상기 셀은 제1 방향 및 제2 방향으로 다른 주파수 대역에 대응하는 인공 자기도체 효과를 갖도록 구성되고,
    상기 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 각각 제1 방향 및 제2 방향을 따라 상기 셀 구조의 면에 평행하게 배치되는, 안테나 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자는 상기 제1 방향으로 공진을 나타내고, 상기 제2 안테나 소자는 상기 제2 방향으로 공진을 나타내는, 안테나 소자
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자는 상기 제1 방향으로 전자파에 대한 반사파 위상이 180°가 되지 않는 주파수 대역폭에서 공진을 나타내고,
    상기 제2 안테나 소자는 상기 제2 방향으로 전자파에 대한 반사파 위상이 180°가 되지 않는 주파수 대역폭에서 공진을 나타내는, 안테나 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자는 상기 제1 방향으로 전자파에 대한 반사파 위상이 45°내지 135°인 주파수 대역폭에서 공진을 나타내고,
    상기 제2 안테나 소자는 상기 제2 방향으로 전자파에 대한 반사파 위상이 45°내지 135°인 주파수 대역폭에서 공진을 나타내는, 안테나 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자는 상기 셀 구조로부터의 거리가 상기 제1 안테나 소자가 공진을 나타내는 주파수의 파장의 1/4보다 짧도록 배치되고,
    상기 제2 안테나 소자는 상기 셀 구조로부터의 거리가 상기 제2 안테나 소자가 공진을 나타내는 주파수의 파장의 1/4보다 짧도록 배치되는, 안테나 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 상기 셀 구조로부터 서로 다른 거리에 배치되는, 안테나 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 직교 방향으로 공진을 나타내도록 배치되는, 안테나 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도체층의 도체는 직사각형인, 안테나 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 각각 다이폴 안테나인, 안테나 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 역 F 안테나를 형성하는, 안테나 디바이스.
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