WO2011078584A2 - 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치 - Google Patents

메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치 Download PDF

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Abstract

메타머티리얼을 이용하여 서로 다른 낮은 0차 공진 주파수를 동시에 구현하고 비선형성으로 나타나는 양의 차수 공진 주파수를 얻을 수 있는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치가 제시된다. 본 발명에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 및 안테나는 캐리어, 상기 캐리어 상에 위치하는 급전선로, 및 상기 캐리어 상에 위치하고 상기 급전선로에 인접하게 배치되는 CRLH-TL 구조의 단위 셀을 포함한다. 상기 단위 셀은 급전선로를 중심으로 좌우측에 배치되는 제 1 패치 및 제 2 패치를 포함하여, 안테나 소형화 및 다중 대역 특성을 이룰 수 있는 효과가 있다.

Description

메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치
본 발명은 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치에 관한 것으로, 구체적으로 병렬 CRLH-TL 구조를 이용하여 리액턴스 성분을 조절함에 따라 낮은 공진 주파수를 얻음으로써 소형화를 이루고 두 개의 0차 공진 주파수와 1차 공진 주파수를 형성함으로써 다중 대역에서 동작할 수 있는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 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 소형화 될수록 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.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 목적은 병렬 CRLH-TL 구조를 이용하여 리액턴스 성분을 조절함에 따라 낮은 공진 주파수를 얻음으로써 소형화를 이룰 수 있는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 목적은 두 개의 0차 공진 주파수와 1차 공진 주파수를 형성함으로써 다중 대역에서 동작할 수 있는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나는 캐리어, 상기 캐리어 상에 위치하는 급전선로, 및 상기 캐리어 상에 위치하는 단위 셀을 포함하고, 상기 단위 셀은 상기 급전선로에 인접하게 배치되고 CRLH-TL 구조를 가진다.
상기 단위 셀은 제 1 패치를 포함하는 제 1 단위셀 및 제 2 패치를 포함하는 제 2 단위 셀을 포함하고, 상기 제 1 패치와 제 2 패치 사이에 상기 급전선로가 위치한다. 즉, 상기 급전선로를 중심으로 제 1 패치와 제 2 패치가 좌우측에 배치된다.
상기 제 1 단위 셀 고주파 대역의 0차 공진을 구현할 수 있고, 제 2 단위 셀은 저주파 대역의 0차 공진을 구현할 수 있다. 상기 제 2 패치의 크기는 제 1 패치의 크기보다 작도록 형성될 수 있다.
상기 제 1 단위 셀은 제 1 패치와 연결되는 제 1 스터브를 포함하고, 상기 제 2 단위 셀은 제 2 패치와 연결되는 제 2 스터브를 더 포함할 수 있다. 상기 제 1 스터브와 제 2 스터브는 캐리어와 별개로 형성되는 기판에 형성된 접지면에 접속될 수 있다.
바람직하게, 상기 급전선로, 제 1 스터브, 제 2 스터브 중 적어도 어느 하나와 접지면 사이에는 인덕터가 형성될 수 있다.
상기 제 1 단위 셀 및 상기 제 2 단위 셀 중 하나 이상의 공진 주파수는 병렬 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분에 의해 결정되며, 상기 리액턴스 성분은, 상기 패치의 수와 크기, 상기 캐리어의 유전율 및 크기, 상기 스터브의 위치 및 폭과 길이, 상기 급전선로의 위치 및 폭과 길이 중 적어도 어느 하나에 의해 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 통신장치는 상기 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치에 의하면, 리액턴스 성분을 조절함으로써 안테나 길이에 의존하지 않는 서로 다른 낮은 0차 공진 주파수를 구현하고 비선형성으로 나타나는 양의 차수 공진 주파수를 얻을 수 있어 안테나 소형화를 이룰 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나 및 이를 포함하는 통신장치에 의하면, 두 개의 0차 공진 주파수의 1차 공진 주파수를 형성함으로써 다중 대역에서 동작할 수 있는 안테나를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 메타머티리얼 구조를 설명하기 위한 등가 회로도이다;
도 2는 메타머티리얼 구조의 등가 회로의 전파 상수-주파수 그래프이다;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나의 사시도이다;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 및 안테나가 PCB 기판과 연결된 상태를 도시한다;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나의 반사 손실을 나타낸 그래프이다;
도 6은 저주파수 대역 단위 셀에 대한 분산 다이어그램이다;
도 7은 고주파수 대역 단위 셀에 대한 분산 다이어그램이다;
도 8은 본 발명에 따른 실제 제작한 안테나로 측정한 정재파비를 나타낸다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 상기 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 메타머티리얼 구조를 설명하기 위한 등가 회로도이고, 도 2는 상기 회로의 전파 상수-주파수 그래프이다.
우선, 본 발명의 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나를 설명하기 전에 본 발명에서 사용되는 메타머티리얼에 대한 설명을 자세히 하도록 하겠다.
메타머티리얼이란 자연에서 일반적으로 찾을 수 없는 특수한 전자기적 특성이 있도록 인공적으로 설계된 물질 또는 전자기적 구조를 의미하는 것으로서, 본 기술 분야에서 일반적으로 그리고 본 명세서에 있어서 메타머티리얼이라 함은 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)이 모두 음수인 물질 또는 그러한 전자기적 구조를 의미한다.
이러한 물질(또는 구조)은 두 개의 음수 파라미터를 가진다는 의미에서 더블네거티브(double negative; DNG) 물질이라 불리기도 하고, 음의 유전율 및 투자율에 의해 음의 반사계수를 가지며, 그에 따라 NRI(Negative Refractive Index) 물질이라고도 불린다.
이와 같은 메타머티리얼은 1967년 소련의 물리학자 베젤라고(Veselago)에 의해 처음 연구되었으나, 그 후 30여 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)과 에너지 전달 방향(군 속도)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.
상기와 같은 특징이 있는 메타머티리얼 구조는 직렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스를 포함하는 것이 일반적이며, 이를 도 1을 참조하여 설명한다.
일반적인 전송 선로, 즉 RH(Right handed) 전송 선로는 전송 선로 자체에 의한 직렬 인덕턴스(LR) 및 전송 선로와 접지면 사이에서 유도되는 병렬 커패시턴스(CR)를 포함하는 T 네트워크로 등가화되는 반면에 메타머티리얼 구조는 도 1과 같이 일반적인 전송 선로 구조 대신, 또는 일반적인 전송선로 구조에 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)가 추가로 포함, 즉 직렬 인덕턴스(LR)와 병렬 커패시턴스(CR)를 포함한 RH 전송 선로와 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)를 포함한 LH(Left handed) 전송 선로를 통합한 CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 구조이다.
이러한 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)를 통해, 메타머티리얼의 LH(Left-handed) 특성이 회로에 도입되고, 도 2와 같이 종래의 안테나에서 일어나는 공진(즉, 1차 공진)뿐만 아니라 0차 공진 및 음의 차수 공진이 발생하게 된다. 여기서 0차 공진은 종래의 안테나에서 일어나는 공진(즉, 1차 공진)과는 상이한 메커니즘, 즉 0차 공진에서는 파장이 무한대가 되고 전파 전송에 따른 위상 지연이 발생하지 않으며 그 공진 주파수가 커패시턴스(CR, CL)와 인덕턴스(LR, LL)의 값에 의해 결정된다. 그러므로 공진 주파수는 안테나의 전기적 길이와 상관없이 자유롭게 결정될 수 있으며, 안테나를 대형화하지 않고도 저주파 대역에서 공진을 발생시킬 수 있게 된다.
이하의 설명부터 직렬 커패시턴스(CL), 직렬 인덕턴스(LR), 병렬 커패시턴스(CR) 및 병렬 인덕턴스(LL)를 포함한 메타머티리얼 구조의 회로를 단위 셀이라고 칭하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 메타머티리얼을 사용한 다중 대역 안테나는 상기와 같은 단위 셀로 등가화되는 안테나이다. 여기서 단위 셀의 개수는 두 개 이상이면 어떠한 수로도 구성 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나의 사시도이다.
본 발명에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나(100)는 캐리어(110), 급전선로(120), 두 개 이상의 단위 셀을 포함한다. 본 실시예에 따른 안테나(100)는 2개의 단위 셀인 제 1 단위 셀(130) 및 제 2 단위 셀(140)이 병렬로 양방향으로 각각 구현된 CRLH-TL 안테나이다.
캐리어(110)는 소정의 유전율(ρ)을 갖는 유전 물질로써, 기판(PCB; Printed Circuit Board) 상에 실장되어 패치(132, 142)와 기판의 접지면이 일정 간격을 유지하도록 한다.
본 발명의 실시예에서는 캐리어(110)가 직육면체 형상으로 구성되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 캐리어(110)의 형상은 정육면체 등과 같은 다면체 형상으로 구성될 수 있다.
급전선로(120)는 캐리어(110)의 중앙 부근에 위치할 수 있다. 급전선로(120)는 캐리어의 일 면 이상에 형성될 수 있으며, 급전선로(120)의 일 단은 기판 상에 형성된 급전부와 접속한다.
제 1 단위 셀(130)은 제 1 패치(132)를 포함하고, 제 2 단위 셀(140)은 제 2 패치(142)를 포함하며, 상기 제 1 패치(132)와 제 2 패치(142) 사이에 급전선로(120)가 위치한다.
구체적으로, 도 3을 참조하여, 제 1 패치(132)와 제 2 패치(142)가 캐리어(110)의 상부 측에 급전선로(120)를 중심으로 좌측과 우측에 위치한다. 급전선로(120)와 제 1 패치(132)(또는 제 2 패치(142)) 사이는 일정 간격 이격되어 있다. 여기서, 제 1 패치(132)(또는 제 2 패치(142))는 각 단위 셀의 직렬 인덕턴스(LR)로 등가화되고, 제 1 패치(132)(또는 제 2 패치(142))와 기판의 접지면 사이에서 형성되는 커패시턴스는 각 단위 셀의 병렬 커패시턴스(CR)로 등가화된다. 또한, 급전선로(120)와 제 1 패치(132)(또는 제 2 패치(142)) 사이의 일정 간격에서 형성되는 커패시턴스는 각 단위 셀의 직렬 커패시턴스(CL)로 등가화된다.
본 발명에서 제 1 단위 셀(130)은 고주파 대역의 0차 공진을 구현하고, 제 2 단위 셀(140)은 저주파 대역의 0차 공진을 구현한다.
이를 위해, 제 2 패치(142)는 제 1 패치(132)보다 크게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 패치(132)의 크기는 7.8mm × 5mm, 제 2 패치(142)의 크기는 30.8mm × 5mm로 형성될 수 있다.
제 1 단위 셀(130)은 제 1 패치(132)와 연결되는 제 1 스터브(134)를 더 포함하고, 제 2 단위 셀(140)은 제 2 패치(142)와 연결되는 제 2 스터브(144)를 더 포함할 수 있다. 스터브(134, 144)는 고주파 회로에서 임피던스 정합이나 신호의 선별적 필터링 등을 위하여 급전선로(120) 외에 부가적으로 구비되는 조그만 선로이다.
제 1 스터브(134)는 캐리어(110)의 일 면 이상에 형성되되, 일 단이 제 1 패치(132)에 연결되고 타 단은 캐리어(110)가 실장되는 기판의 접지면(GND)과 연결될 수 있다.
제 2 스터브(144)는 캐리어(110)의 일 면 이상에 형성되되, 일 단이 제 2 패치(142)에 연결되고 타 단은 캐리어(110)가 실장되는 기판의 접지면(GND)과 연결될 수 있다.
여기서, 제 1 스터브(134)(또는 제 2 스터브(144))의 인덕턴스는 각 단위 셀의 병렬 인덕턴스(LL)로 등가화된다.
도 4는 본 발명에 따른 안테나(100)가 PCB 기판과 연결된 상태를 도시한다.
급전선로(120), 제 1 스터브(134), 제 2 스터브(144) 중 적어도 어느 하나의 접지면 사이에는 인덕터(150)가 형성될 수 있다. 즉, 급전선로(120)와 접지면(GND), 스터브(134, 144)와 접지면(GND) 사이에는 임피던스 매칭을 위한 인덕터(150)의 삽입이 가능하다.
도 4를 참조하면, 제 1 스터브(134)는 제 1 인덕터(151)에 의해 접지면(GND)과 연결되고, 급전선로(120)는 제 2 인덕터(152)를 통해 접지면(GND)과 연결될 수 있으며, 제 2 스터브(144)는 제3 인덕터(153)를 통해 접지면(GND)과 연결될 수 있다.
상기 제 1 단위 셀 및 상기 제 2 단위 셀 중 하나 이상의 공진 주파수는 병렬 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분에 의해 결정되며, 상기 리액턴스 성분은, 상기 패치(132, 142)의 수와 크기, 상기 캐리어(110)의 유전율 및 크기, 상기 스터브(134, 144)의 위치 및 폭과 길이, 상기 급전선로(120)의 위치 및 폭과 길이 중 적어도 어느 하나에 의해 조절될 수 있다.
이하에서는, 유전체 캐리어(110)의 크기가 40mm × 5mm × 3mm로 형성되고, 급전선로(120)의 너비는 1mm, 제 1 패치(132)의 크기는 7.8mm × 5mm, 제 2 패치(142)의 크기는 30.8mm × 5mm로 형성된 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나(100)의 특성을 설명하도록 한다.
도 5는 반사 손실을 나타낸 것이고, 도 6은 저주파수 대역에서 공진하는 제 1 단위 셀(130)에 대한 분산 다이어그램(dispersion diagram)을 나타낸 것이며, 도 7은 고주파수 대역에서 공진하는 제 2 단위 셀(140)에 대한 분산 다이어그램을 나타낸 것이다. 도 8은 실제 안테나를 제작하여 측정한 정재파비(VSWR; Voltage Standing Wave Ratio)를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 좌측부터 0차(저주파수 대역), 0차(고주파수 대역), 1차(저주파수 대역) 공진 모드가 발생함을 알 수 있다. 즉, 0차(저주파수 대역) 공진을 통해 약 0.87GHz의 0차 공진 주파수 및 약 -10.4dB의 반사 손실이 발생하고, 0차(고주파수 대역) 공진을 통해 약 1.95GHz의 0차 공진 주파수 및 약 -3.9dB의 반사 손실이 발생하며, 1차(저주파수 대역) 공진을 통해 약 2.75GHz의 1차 공진 주파수 및 약 -8.4dB의 반사 손실이 발생한다.
따라서, 본 발명에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나(100) 및 이를 포함하는 통신장치에 의하면, 리액턴스 성분을 조절함으로써 안테나의 길이에 의존하지 않는 서로 다른 낮은 0차 공진 주파수를 동시에 구현하고 비선형성으로 나타나는 양의 차수 공진 주파수를 얻을 수 있어서, 안테나의 소형화 및 다중 대역 특성을 구현할 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 캐리어를 포함하는 다중 대역 안테나에 있어서,
    상기 캐리어 상에 위치하는 급전선로; 및
    상기 캐리어 상에 위치하고, 상기 급전선로에 인접하게 배치되며, CRLH-TL(Composite Right/Left Handed Transmission Line) 구조의 단위 셀;
    을 포함하는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단위 셀은 제 1 패치를 포함하는 제 1 단위셀 및 제 2 패치를 포함하는 제 2 단위 셀을 포함하고,
    상기 제 1 패치와 제 2 패치 사이에 상기 급전선로가 위치하며, 상기 제 1 패치 또는 제 2 패치와 상기 급전선로는 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 단위 셀은 고주파 대역의 0차 공진을 구현하고,
    상기 제 2 단위 셀은 저주파 대역의 0차 공진을 구현하며,
    상기 제 2 패치는 상기 제 1 패치보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 단위 셀은 상기 제 1 패치와 연결되는 제 1 스터브를 더 포함하고, 상기 제 2 단위 셀은 상기 제 2 패치와 연결되는 제 2 스터브를 더 포함하며,
    상기 제 1 스터브 및 제 2 스터브는 상기 캐리어와 별개로 형성되는 기판에 형성된 접지면에 접속되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 급전선로, 상기 제 1 스터브, 상기 제 2 스터브 중 적어도 어느 하나와 상기 접지면 사이에는 인덕터가 형성되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제 1 단위 셀 및 상기 제 2 단위 셀 중 하나 이상의 공진 주파수는 병렬 CRLH-TL 구조의 리액턴스 성분에 의해 결정되며,
    상기 리액턴스 성분은,
    상기 패치의 수와 크기, 상기 캐리어의 유전율 및 크기, 상기 스터브의 위치 및 폭과 길이, 상기 급전선로의 위치 및 폭과 길이 중 적어도 어느 하나에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나.
  7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 메타머티리얼을 이용한 다중 대역 안테나를 포함하는 통신장치.
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