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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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Publication number
WO2011078584A2
WO2011078584A2 PCT/KR2010/009230 KR2010009230W WO2011078584A2 WO 2011078584 A2 WO2011078584 A2 WO 2011078584A2 KR 2010009230 W KR2010009230 W KR 2010009230W WO 2011078584 A2 WO2011078584 A2 WO 2011078584A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
patch
unit cell
antenna
metamaterial
feed line
Prior art date
Application number
PCT/KR2010/009230
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2011078584A3 (ko
Inventor
유병훈
성원모
지정근
Original Assignee
주식회사 이엠따블유
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 이엠따블유 filed Critical 주식회사 이엠따블유
Publication of WO2011078584A2 publication Critical patent/WO2011078584A2/ko
Publication of WO2011078584A3 publication Critical patent/WO2011078584A3/ko

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Definitions

  • the present invention relates to a multi-band antenna using a metamaterial and a communication device including the same. Specifically, the present invention provides miniaturization by obtaining a low resonance frequency by adjusting reactance components using a parallel CRLH-TL structure.
  • antenna technology and antennas by various techniques such as a coaxial antenna, a rod antenna, a loop antenna, a beam antenna, and a super gain antenna are currently used.
  • the conductors of the antennas are in the form of helix or meander line.
  • An antenna constructed is proposed.
  • the proposed antenna does not deviate from the limit of size depending on the resonant frequency, and as the size of the antenna becomes smaller, the shape thereof becomes more complicated to form an antenna of fixed length in a narrow space.
  • a proposed technique is an antenna technology using metamaterial.
  • the metamaterial refers to a material or an electromagnetic structure that is artificially designed to have special electromagnetic properties that are not generally found in nature.
  • the metamaterial has an advantageous property for miniaturization of the antenna size. .
  • an object according to an embodiment of the present invention is a multi-band antenna using a metamaterial that can be miniaturized by obtaining a low resonance frequency by adjusting a reactance component using a parallel CRLH-TL structure and a communication apparatus including the same. To provide.
  • Another object of the present invention is to provide a multi-band antenna using a metamaterial capable of operating in a multi-band by forming two zero-order resonant frequencies and a first-order resonant frequency, and a communication apparatus including the same. There is.
  • the multi-band antenna using the metamaterial according to the present invention includes a carrier, a feed line located on the carrier, and a unit cell located on the carrier, The cell is disposed adjacent to the feed line and has a CRLH-TL structure.
  • the unit cell includes a first unit cell including a first patch and a second unit cell including a second patch, and the feed line is positioned between the first patch and the second patch. That is, the first patch and the second patch are disposed on the left and right sides around the feed line.
  • the zeroth order resonance of the first unit cell high frequency band may be implemented, and the second unit cell may implement zeroth order resonance of the low frequency band.
  • the size of the second patch may be formed to be smaller than the size of the first patch.
  • the first unit cell may include a first stub connected to the first patch, and the second unit cell may further include a second stub connected to the second patch.
  • the first stub and the second stub may be connected to a ground plane formed on a substrate formed separately from the carrier.
  • an inductor may be formed between at least one of the feed line, the first stub, and the second stub and the ground plane.
  • the resonance frequency of at least one of the first unit cell and the second unit cell is determined by a reactance component of a parallel CRLH-TL structure, wherein the reactance component includes the number and size of the patches, the dielectric constant and size of the carrier, The position and width and length of the stub, and the position and width and length of the feed line may be adjusted by at least one.
  • the communication apparatus may be configured to include a multi-band antenna using the metamaterial.
  • the amount of non-linearity is achieved by implementing different low zero-order resonant frequencies depending on the antenna length. It is possible to obtain an order resonant frequency of, thereby achieving an antenna miniaturization.
  • the multi-band antenna using a metamaterial according to an embodiment of the present invention and a communication device including the same to implement an antenna capable of operating in a multi-band by forming two first-order resonant frequency of the zero-order resonant frequency It can be effective.
  • 1 is an equivalent circuit diagram for explaining a metamaterial structure
  • FIG. 3 is a perspective view of a multi-band antenna using metamaterials in accordance with one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a state in which a multi band and an antenna using a metamaterial according to an embodiment of the present invention are connected to a PCB substrate;
  • FIG. 5 is a graph showing the return loss of a multi-band antenna using a metamaterial according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 shows the standing wave ratio measured by the actually manufactured antenna according to the present invention.
  • FIG. 1 is an equivalent circuit diagram for explaining a metamaterial structure
  • FIG. 2 is a propagation constant-frequency graph of the circuit.
  • Metamaterial means a material or electromagnetic structure that is artificially designed to have special electromagnetic properties that are not generally found in nature. In general and in this specification, metamaterial refers to permittivity and By material that is all negative in permeability or such electromagnetic structure.
  • This material (or structure) is also called a double negative (DNG) material in the sense of having two negative parameters, and has a negative reflection coefficient by negative permittivity and permeability, thus NRI (Negative Refractive) Index) Also called substance.
  • DNG double negative
  • metamaterials are sometimes referred to as left-handed materials (LHMs).
  • LHMs left-handed materials
  • the relationship between ⁇ (phase constant) and ⁇ (frequency) is not linear in the metamaterial, and the characteristic curve is also present in the left half of the coordinate plane. Due to such nonlinear characteristics, the metamaterial has a small phase difference according to frequency, so that a wideband circuit can be realized. Since the phase change is not proportional to the length of the transmission line, a small circuit can be realized.
  • the metamaterial structure having the above characteristics generally includes a series capacitance and a parallel inductance, which will be described with reference to FIG. 1.
  • a typical transmission line, or right handed (RH) transmission line is equivalent to a T network that includes a series inductance (L R ) by the transmission line itself and a parallel capacitance (C R ) induced between the transmission line and the ground plane.
  • the metamaterial structure includes a series capacitance C L and a parallel inductance L L in addition to the general transmission line structure as shown in FIG. 1, or in addition to the general transmission line structure, that is, the serial inductance L R and the parallel capacitance ( CRLH-TL (Composite Right / Left Handed Transmission Line) structure integrating RH transmission line including C R ) and left handed (LH) transmission line including serial capacitance (C L ) and parallel inductance (L L ).
  • the zero-order resonance is a mechanism different from that of a conventional antenna (that is, the first-order resonance), that is, in the zero-order resonance, the wavelength becomes infinite and no phase delay occurs due to radio transmission, and its resonance frequency is the capacitance (C). R , C L ) and inductance (L R , L L ). Therefore, the resonant frequency can be freely determined irrespective of the electrical length of the antenna, and the resonance can be generated in the low frequency band without increasing the size of the antenna.
  • a circuit of a metamaterial structure including a series capacitance C L , a series inductance L R , a parallel capacitance C R , and a parallel inductance L L will be referred to as a unit cell.
  • the multi-band antenna using the metamaterial according to the embodiment of the present invention is an antenna equivalent to the unit cell as described above.
  • the number of unit cells may be any number if two or more.
  • FIG 3 is a perspective view of a multi-band antenna using a metamaterial according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-band antenna 100 using the metamaterial according to the present invention includes a carrier 110, a feed line 120, and two or more unit cells.
  • the antenna 100 according to the present embodiment is a CRLH-TL antenna in which two unit cells, the first unit cell 130 and the second unit cell 140, are implemented in both directions in parallel.
  • the carrier 110 is a dielectric material having a predetermined dielectric constant p, and is mounted on a printed circuit board (PCB) to maintain a predetermined distance between the patches 132 and 142 and the ground plane of the substrate.
  • PCB printed circuit board
  • the carrier 110 has a rectangular parallelepiped shape, but is not limited thereto.
  • the shape of the carrier 110 may be configured as a polyhedron shape such as a cube.
  • the feed line 120 may be located near the center of the carrier 110.
  • the feed line 120 may be formed on at least one surface of the carrier, and one end of the feed line 120 is connected to a feed portion formed on the substrate.
  • the first unit cell 130 includes a first patch 132
  • the second unit cell 140 includes a second patch 142
  • the first patch 132 and the second patch 142 are located between.
  • the first patch 132 and the second patch 142 are positioned on the left side and the right side of the feed line 120 on the upper side of the carrier 110.
  • the feed line 120 and the first patch 132 (or the second patch 142) are spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • the first patch 132 (or the second patch 142) is equivalent to the series inductance L R of each unit cell, and the first patch 132 (or the second patch 142) and the substrate
  • the capacitance formed between the ground planes of the circuits is equalized by the parallel capacitance C R of each unit cell.
  • the capacitance formed at a predetermined interval between the feed line 120 and the first patch 132 (or the second patch 142) is equivalent to the series capacitance C L of each unit cell.
  • the first unit cell 130 implements zero-order resonance of the high frequency band
  • the second unit cell 140 implements zero-order resonance of the low frequency band.
  • the second patch 142 may be formed larger than the first patch 132.
  • a size of the first patch 132 may be 7.8 mm ⁇ 5 mm
  • a size of the second patch 142 may be 30.8 mm ⁇ 5 mm.
  • the first unit cell 130 further includes a first stub 134 connected with the first patch 132, and the second unit cell 140 has a second stub 144 connected with the second patch 142. ) May be further included.
  • the stubs 134 and 144 are small lines additionally provided in addition to the feed line 120 for impedance matching or selective filtering of signals in a high frequency circuit.
  • the first stub 134 is formed on at least one surface of the carrier 110, one end of which is connected to the first patch 132 and the other end of which is connected to a ground plane GND of the substrate on which the carrier 110 is mounted. Can be.
  • the second stub 144 is formed on at least one surface of the carrier 110, one end is connected to the second patch 142 and the other end is connected to the ground plane (GND) of the substrate on which the carrier 110 is mounted. Can be.
  • the inductance of the first stub 134 (or the second stub 144) is equivalent to the parallel inductance L L of each unit cell.
  • FIG 4 shows a state in which the antenna 100 according to the present invention is connected to a PCB substrate.
  • An inductor 150 may be formed between the ground line of at least one of the feed line 120, the first stub 134, and the second stub 144. That is, an inductor 150 for impedance matching may be inserted between the feed line 120, the ground plane GND, the stubs 134 and 144, and the ground plane GND.
  • the first stub 134 is connected to the ground plane GND by the first inductor 151, and the feed line 120 is connected to the ground plane GND through the second inductor 152.
  • the second stub 144 may be connected to the ground plane GND through the third inductor 153.
  • the resonance frequency of at least one of the first unit cell and the second unit cell is determined by a reactance component of a parallel CRLH-TL structure, and the reactance component is the number and size of the patches 132 and 142 and the carrier (
  • the dielectric constant and size of the 110, the position and the width and length of the stub 134, 144, the position and the width and length of the feed line 120 may be adjusted by at least one.
  • the size of the dielectric carrier 110 is 40mm ⁇ 5mm ⁇ 3mm
  • the width of the feed line 120 is 1mm
  • the size of the first patch 132 is 7.8mm ⁇ 5mm
  • the second patch 142 is to describe the characteristics of the multi-band antenna 100 using a metamaterial formed of 30.8mm ⁇ 5mm.
  • FIG. 5 shows return loss
  • FIG. 6 shows a dispersion diagram for the first unit cell 130 that resonates in the low frequency band
  • FIG. 7 shows a second unit cell 140 that resonates in the high frequency band. Shows a variance diagram for.
  • FIG. 8 illustrates a voltage standing wave ratio (VSWR) measured by manufacturing an actual antenna.
  • VSWR voltage standing wave ratio
  • the 0th order (low frequency band), 0th order (high frequency band), and 1st order (low frequency band) resonance modes occur from the left side. That is, the 0th order (low frequency band) resonance generates a 0 th order resonance frequency of about 0.87 GHz and a return loss of about -10.4 dB, and the 0 th order (high frequency band) resonance produces a 0 th order resonance frequency of about 1.95 GHz and about Return loss of -3.9dB occurs, and the first (low frequency band) resonance produces a first resonance frequency of about 2.75GHz and a return loss of about -8.4dB.
  • non-linearity is achieved by simultaneously implementing different low zero-order resonant frequencies that do not depend on the length of the antenna by adjusting the reactance component. Since a positive order resonant frequency represented by is obtained, the antenna can be miniaturized and multiband characteristics can be realized.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)

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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