KR101315546B1

KR101315546B1 - 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나

Info

Publication number: KR101315546B1
Application number: KR1020110088487A
Authority: KR
Inventors: 박병철; 이정해
Original assignee: 홍익대학교 산학협력단
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-10-08
Also published as: KR20130025134A

Abstract

본 발명은 전방향성 원형편파 안테나에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나는 유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판과, 상기 기판의 제1 평면에 형성되는 버섯구조의 제1 패치와, 상기 기판의 제2 평면에 형성되는 버섯구조의 제2 패치를 포함하되, 상기 제1 패치, 제2 패치는 원형 패치의 외곽부에 구부러진 가지 형태를 가지는 하나 이상의 가지 패치가 부착된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 전방향성 원형편파 특성을 가지며, 종래의 전방향성 안테나에 비해 더 강한 수평 편파를 얻을 수 있다. 또한, 이중 대역의 전방향성 원형편파를 얻을 수 있다.

Description

메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나{DUAL-BAND OMNIDIRECTIONAL CIRCULARLY POLARIZED WAVE ANTENNA USING METAMATERIAL}

본 발명은 전방향성 원형편파 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로 이중 대역의 원형편파를 가지는 안테나에 관한 것이다.

현대를 살아가는 많은 사람들에게 휴대용 디지털 통신기기들은 하나의 필수 요소가 되었다. 소비자들은 언제 어디서나 자신이 원하는 다양한 고품질의 서비스를 제공받고 싶어한다. 또한, 소비자들의 휴대용 디지털 통신기기의 선택에 있어 휴대성과 디자인 그리고 다양한 기능은 매우 중요한 요소이다. 따라서 휴대용 디지털 통신기기는 추가적인 주변 기기의 구성이 없어야 하고 작은 크기를 가지면서도 다양한 기능을 제공하여야 한다. 하지만 무선 통신 장치를 구현하는데 있어서 안테나의 효율은 물리적 크기에 의존하기 때문에 제약으로 작용한다. 일반적으로 안테나는 통신기기의 내부에 실장되어야 하고, 주변의 간섭을 최소한으로 받아야만 복잡한 전파 송수신 역할을 충실히 만족할 수 있다.

최근에는 메타물질(metamaterial)이라는 자연적으로는 존재하지 않는 새로운 전자기 특성을 갖는 물질을 인공적으로 만들어 내는 기법에 대한 연구가 진행되고 있다. 안테나 분야의 경우, 유전율(permittivity)과 투자율 (per-meability)이 동시에 음의 값을 갖는 물질인 Left-Handed Metamaterial (LHM)의 새로운 전자기파 특성을 이용하여 물리적 크기에 제약을 받지 않는 소형 안테나 개발에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 메타물질 기법을 이용한 0차 공진(zeroth-order resonator, ZOR)이라는 특수한 공진 특성을 이용한 연구가 주목받고 있다. 이는 신호를 전송하는 선로 또는 회로에 직렬 커패시턴스(capacitance)와 병렬 인덕턴스(inductance)를 추가 구현하여 이 값을 적절하게 조정함으로써 공진 주파수가 전송 선로의 물리적 크기와 무관하게 결정될 수 있다.

특히, 전방향성 원형편파 안테나의 경우 전방향성과 원형편파 특성은 안테나 간의 정렬이 필요하지 않기 때문에 GPS, 위성통신, 개인 휴대 단말기 등에 매우 유용하게 사용되고 있다. 종래의 전방향성 원형편파 안테나는 두 개의 선형 안테나가 90도의 위상차가 나도록 설계하여 만들거나 하나의 원형편파 특성을 가지는 안테나를 배열 형태로 배치하여 전방향에서 원형편파가 나타나도록 한다. 그러나, 이러한 종래의 전방향성 원형편파 안테나들은 전기적 크기가 비교적 크며 평면형태의 안테나가 아니기 때문에 실제로 통신시스템에서 사용하기에는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 소형의 평면형태로써 이중 대역의 전방향성 원형편파 특성을 가지는 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나는 유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판과, 상기 기판의 제1 평면에 형성되는 버섯구조의 제1 패치와, 상기 기판의 제2 평면에 형성되는 버섯구조의 제2 패치를 포함하되, 상기 제1 패치, 제2 패치는 원형 패치의 외곽부에 구부러진 가지 형태를 가지는 하나 이상의 가지 패치가 부착된다.

또한, 상기 제1 패치와 제2 패치는 하나 이상의 비아를 통해 연결될 수 있다.

또한, 상기 제1 패치 또는 제2 패치 중 어느 하나에 급전을 행하는 단일 급전점이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 패치 또는 제2 패치 중 어느 하나는 상기 안테나의 접지판일 수 있다.

또한, 상기 원형 패치는 상기 접지판에 대해 수직 편파가 발생되도록 하며, 상기 가지 패치는 상기 접지판에 대해 수평 편파가 발생되도록 할 수 있다.

또한, 상기 가지 패치는 상기 원형 패치에 대해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 패치의 가지 패치와 상기 제2 패치의 가지 패치는 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 패치의 가지 패치와 상기 제2 패치의 가지 패치는 서로 대향하되, 상기 기판에 대해 서로 겹치지 않는 영역에 형성될 수 있다.

또한, 상기 가지 패치의 길이와 폭에 따라 상기 안테나의 수평 편파 또는 수직 편파 성분이 달라질 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 이중 대역의 전방향성 방사패턴과 수직편파를 얻기 위해 원형 버섯구조의 영차공진을 이용하였고, 수평편파를 얻기 위해 원형 패치에 구부러진 가지 패치를 형성하였으며, 특히 원형의 중앙 패치에 가지 패치가 형성된 패치를 기판의 위, 아래에 형성하여 하나를 접지판으로 사용하고, 각 패치의 가지 패치는 서로 반대 방향으로 형성하였다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 전방향성 원형편파 특성을 가지며, 종래의 전방향성 안테나에 비해 더 강한 수평 편파를 얻을 수 있다. 또한, 이중 대역의 전방향성 원형편파를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 사시도,
도 2a와 도 2b는 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 평면도와 단면도,
도 3은 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 동작원리를 설명하기 위한 예시도,
도 4는 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 0차 공진 모드와 1차 공진 모드시의 S-파라미터를 설명하기 위한 예시도,
도 5a와 도 5b는 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 0차 공진 모드와 1차 공진 모드시의 크기비, 위상차, 축비를 설명하기 위한 예시도,
도 6a와 도 6b는 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 0차 공진 모드와 1차 공진 모드시의 X-Y 평면과 X-Z 평면에서의 방사패턴을 설명하기 위한 예시도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나는 기판(100), 제1 패치(110), 제2 패치(120)를 포함한다. 기판(100)은 유전체 성분으로 구성된 평판 구조이고, 사용자 설정에 따라 유전율, 두께가 달리 설정된다. 예를 들어, 기판(100)은 사각형, 원형, 타원형의 평면 형태를 가질 수 있으며, 유전율 ε_r은 2.2 일 수 있다. 또한, 기판(100)에는 비아홀과 급전홀이 형성되며, 비아홀과 급전홀은 기판(100)의 제1 평면과 제2 평면을 관통한다. 여기서, 제1 평면과 제2 평면은 기판(100)의 상면 또는 하면을 의미한다. 비아홀은 제1 패치(110)와 제2 패치(120)를 연결하는 비아(via)(130)를 수용하는 영역이며, 급전홀은 제1 패치(110) 또는 제2 패치(120)에 전력을 공급하기 위한 전력선을 수용하는 영역이다. 이 경우, 급전홀은 동축 케이블(coaxial cable)의 내부도체는 수용하되, 외부도체는 수용하지 않으며, 내부도체는 급전점(140)에 접촉된다.

제1 패치(110)는 기판(100)의 제1 평면에 버섯구조로 형성되며, 구리(Cu) 박판을 사용하여 형성하는 것도 가능하며, 전기 전도가 우수하고 성형성과 가공성이 좋은 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 등의 금속박판을 사용하는 것도 가능하나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 제1 패치(110)는 원형 패치의 외곽부에 구부러진 가지 형태를 가지는 하나 이상의 가지 패치(112)가 부착되어 형성된다. 이 경우, 가지 패치(112) 구부러진 방향은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 설정될 수 있다.

제2 패치(120)는 기판(100)의 제2 평면에 버섯구조로 형성되며, 제1 패치(110)와 같은 구리(Cu)박판, 은(Ag) 또는 알루미늄(Al) 재질의 금속박판을 사용하는 것도 가능하나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 제2 패치(120)는 원형 패치의 외곽부에 구부러진 가지 형태를 가지는 하나 이상의 가지 패치(122)가 부착되어 형성된다. 이 경우, 가지 패치(122)의 구부러진 방향은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 설정될 수 있으나, 제1 패치(110)의 가지 패치(112)와 제2 패치(120)의 가지 패치(122)는 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 패치(110)의 가지 패치(112)와 제2 패치(120)의 가지 패치(122)는 서로 대향하되, 기판(100)에 대해 서로 겹치지 않는 영역에 형성될 수 있다.

한편, 본 발명에서 제1 패치(110) 또는 제2 패치(120) 중 어느 하나는 안테나의 접지판의 역할을 한다. 본 명세서 상에는 설명의 편의를 위해 제2 패치(120)를 접지판으로 설명하였다. 따라서, 동축 케이블(coaxial cable)의 내부도체는 기판(100)을 관통하여 제1 패치(110)의 급전점(140)으로 접속하고, 동축 케이블의 외부도체는 접지판인 제2 패치(120)에 접촉된다.

도 2a와 도 2b는 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 평면도와 단면도이다.

도 2a를 참조하면, 제1 패치(110)와 제2 패치(120)는 기판(100)을 사이에 두고 대향하고 있으며, 제1 패치(110)의 가지 패치(112)와 제2 패치(120)의 가지 패치(122)는 서로 엇갈려 있다. 이 경우, 제1 패치(110)의 가지 패치(112)의 구부러진 방향과 제2 패치(120)의 가지 패치(122)의 구부러진 방향은 서로 반대 방향이다. 예를 들어, 제1 패치(110)의 가지 패치(112)가 시계 방향으로 구부러진 경우 제2 패치(120)의 가지 패치(122)는 반시계 방향으로 구부러져 형성된다. 이는 가지 패치(112, 122)에서 발생되는 수평 편파의 세기를 더 강하게 하기 위함이다.

또한, 제1 패치(110) 중 중앙 패치(111)는 직경(D)가 14mm로 설계되고, 제1 패치(110) 중 가지 패치(112)는 가지의 길이(L)가 20mm, 가지의 폭(W)이 1.5mm, 중앙 패치(111)와 가지 패치(112) 간의 거리(S)가 4mm로 설계될 수 있다. 이 경우, 접지판인 제2 패치(120)의 중앙 패치(121)는 그 직경이 제1 패치(110)의 중앙 패치(111)와 같거나 그보다 큰 18mm로 설계되는 것도 가능하다. 이러한 가지 패치(112, 122)의 길이(L)와 폭(W)에 따라 안테나의 수평 편파 또는 수직 편파 성분이 달라질 수 있다.

도 2b를 살펴보면, 기판(100)에는 비아홀과 관통홀이 생성되어 비아(130)와 급전선로를 수용할 수 있으며, 제2 패치(120)에는 포트(150)가 생성되어 외부의 동축 케이블의 연결을 용이하게 한다. 도 2b에 나타난 바와 같이 제1 패치(110)와 제2 패치(120)는 하나 이상의 비아(130)를 통해 연결될 수 있으며, 제1 패치(110) 또는 제2 패치(120) 중 어느 하나에 급전을 행하는 단일 급전점(140)이 형성될 수 있다. 제2 패치(120)가 접지판으로 설계된 경우에는 급전점(140)은 제1 패치(110)에 형성된다.

도 3은 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 동작원리를 설명하기 위한 예시도이다.

도 3을 참조하면, 제1 패치(110)의 원형 패치 부분에서는 접지판인 제2 패치(120)에 대해 수직 편파가 발생되며, 제1 패치(110)의 가지 패치(112)는 제2 패치(120)에 대해 수평 편파가 발생된다. 제1 패치(110)는 원형 버섯구조로 형성되므로 제2 패치(120)의 접지면에 대해 수직인 전계장을 형성하고, 이러한 수직 전계장은 수직 편파에 기인한다. 또한, 0차 공진 모드와 1차 공진 모드에서, 단위 구조 공진기 자체는 수직 편파와 수평 편파 간에 90°의 위상차를 제공한다. 이는 결과적으로 전방향성 원형편파가 발생하는데 기여한다.

도 3에서 제1 패치(110)의 3개의 가지 패치(112)는 시계 방향으로 배열되므로 안테나의 방사 특성은 좌편파 특성을 가지게 된다. 만약 가지 패치(112)가 반시계 방향으로 배열된 경우에는 안테나의 방사 특성은 우편파 특성을 가지게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제2 패치(120)의 중앙 패치(121)에도 복수의 가지 패치(122)가 형성되는데, 가지 패치(122)의 방향은 제1 패치(110)의 가지 패치(112) 방향과 반대로 형성되고, 제1 패치(110)의 가지 패치(112)와 제2 패치(120)의 가지 패치(122)는 서로 대향하되, 기판(100)에 대해 서로 겹치지 않는 영역에 형성될 수 있다. 제1 패치(110)에는 급전점(140)을 통해 동축 케이블의 내부 도체로부터 전력을 공급받고, 공급된 전력에 의해 가지 패치(112)에는 수평의 시계 방향으로 전계가 형성되며, 제2 패치(120)의 경우 접지되어 결국 제1 패치(110)의 가지 패치(122)와 같은 방향으로 전계가 형성된다. 따라서, 제1 패치(110)의 가지 패치(112)와 제2 패치(120)의 가지 패치(122)가 서로 방향을 달리함으로써 수평 편파의 세기를 강화시킬 수 있다.

도 4는 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 0차 공진 모드와 1차 공진 모드시의 S-파라미터를 설명하기 위한 예시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 안테나는 공급되는 전력에 따라 0차 공진 모드와 1차 공진 모드로 동작할 수 있다. 안테나가 0차 공진 모드로 동작하는 경우 대략 2.787[GHz]~2.807[GHz] 구간에서 10dB 밴드 폭을 가지게 되므로 2.798[GHz]가 중심 주파수가 된다. 반면, 안테나가 1차 공진 모드로 동작하는 경우에는 대략 4.811[GHz]~4.922[GHz] 구간에서 10dB 밴드 폭을 가지게 되므로, 4.865[GHz]가 중심 주파수가 된다. 따라서, 하나의 안테나를 이용하여 이중 대역의 안테나 방사 특성을 얻을 수 있다.

도 5a와 도 5b는 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 0차 공진 모드와 1차 공진 모드시의 크기비, 위상차, 축비를 설명하기 위한 예시도이다.

도 5a, 5b에서의 방사 패턴은 제1 패치(110) 중 중앙 패치(111)는 직경(D)가 14mm로 설계되고, 제1 패치(110) 중 가지 패치(112)는 가지의 길이(L)가 20mm, 가지의 폭(W)이 1.5mm, 중앙 패치(111)와 가지 패치(112) 간의 거리(S)가 4mm로 설계된 경우 측정된 것이다. 도 5a는 영차 공진 모드인 경우의 방새 패턴을 나타낸 것이고, 중심 주파수 2.798[GHz]에서 크기비(Magnitude Ratio)와 위상차(Phase difference), 축비(Axial Ratio)는 다음의 표와 같이 측정된다.

	최소	최대	평균
크기비	0.813	0.889	0.848
위상차	87.89°	91.35°	89.75°
축비	1.03dB	1.80dB	1.45dB

한편, 도 5b는 1차 공진 모드인 경우의 방사 패턴을 나타낸 것이고, 중심 주파수 4.865[GHz]에서 크기비(Magnitude Ratio)와 위상차(Phase difference), 축비(Axial Ratio)는 다음의 표와 같이 측정된다.

	최소	최대	평균
크기비	0.960	0.990	0.978
위상차	72.48°	84.07°	78.22°
축비	0.90dB	2.72dB	1.81dB

도 6a와 도 6b는 도 1에 따른 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나의 0차 공진 모드와 1차 공진 모드시의 X-Y 평면과 X-Z 평면에서의 방사패턴을 설명하기 위한 예시도이다.

도 6a를 참조하면, X-Y 평면과 X-Z 평면 모두 좌편파와 우편파의 차이가 10dB이상 나기 때문에 좋은 특성을 나타내고 있으며, 좌편파가 더 강하므로 이는 좌편파 특성임을 알 수 있다. 한편, 도 6b를 참조하면, X-Y 평면과 X-Z 평면 모두 좌편파와 우편파의 차이가 10dB이상 나기 때문에 좋은 특성을 나타내고 있으며, 우편파가 더 강하므로 이는 우편파 특성임을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 이중 대역의 전방향성 방사패턴과 수직편파를 얻기 위해 원형 버섯구조의 영차공진을 이용하였고, 수평편파를 얻기 위해 원형 패치에 구부러진 가지 패치(112, 122)를 형성하였으며, 특히 원형의 중앙 패치(111, 121)에 가지 패치(112, 122)가 형성된 패치를 기판(100)의 위, 아래에 형성하여 하나를 접지판으로 사용하고, 각 패치의 가지 패치(112, 122)는 서로 반대 방향으로 형성하였다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 전방향성 원형편파 특성을 가지며, 종래의 전방향성 안테나에 비해 더 강한 수평 편파를 얻을 수 있다. 또한, 이중 대역의 전방향성 원형편파를 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.

100 : 기판 110 : 제1 패치
111, 121 : 중앙 패치 112, 122 : 가지 패치
120 : 제2 패치 130 : 비아
140 : 급전점 150 : 포트

Claims

유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판;
상기 기판의 제1 평면에 형성되는 버섯구조의 제1 패치;
상기 기판의 제2 평면에 형성되는 버섯구조의 제2 패치를 포함하되,
상기 제1 패치, 제2 패치는 원형 패치의 외곽부에 구부러진 가지 형태를 가지는 하나 이상의 가지 패치가 부착되고,
상기 제1 패치 또는 제2 패치 중 어느 하나는 접지판인 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 패치와 제2 패치는 하나 이상의 비아를 통해 연결되는 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 패치 또는 제2 패치 중 어느 하나에 급전을 행하는 단일 급전점이 형성되는 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나.
삭제
제1항에 있어서,
상기 원형 패치는 상기 접지판에 대해 수직 편파가 발생되도록 하며, 상기 가지 패치는 상기 접지판에 대해 수평 편파가 발생되도록 하는 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나.
제1항에 있어서,
상기 가지 패치는 상기 원형 패치에 대해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 형성되는 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나.
제6항에 있어서,
상기 제1 패치의 가지 패치와 상기 제2 패치의 가지 패치는 서로 반대 방향으로 형성되는 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나.
제7항에 있어서,
상기 제1 패치의 가지 패치와 상기 제2 패치의 가지 패치는 서로 대향하되, 상기 기판에 대해 서로 겹치지 않는 영역에 형성되는 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나.
제5항에 있어서,
상기 가지 패치의 길이와 폭에 따라 상기 안테나의 수평 편파 또는 수직 편파 성분이 달라지는 메타물질 이중 대역 전방향성 원형편파 안테나.