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KR101018628B1 - 다중 대역 안테나 장치 및 이를 이용한 통신 장치 - Google Patents

다중 대역 안테나 장치 및 이를 이용한 통신 장치 Download PDF

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KR101018628B1
KR101018628B1 KR1020090022246A KR20090022246A KR101018628B1 KR 101018628 B1 KR101018628 B1 KR 101018628B1 KR 1020090022246 A KR1020090022246 A KR 1020090022246A KR 20090022246 A KR20090022246 A KR 20090022246A KR 101018628 B1 KR101018628 B1 KR 101018628B1
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resonator
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parallel
capacitance
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류병훈
성원모
김기호
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주식회사 이엠따블유
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Abstract

다중 대역 안테나 장치 및 이를 이용한 통신 장치가 개시된다. 안테나 장치는 급전 소자에 접속되어 제 1 공진 주파수에서 공진하는 제 1 공진부, 및 상기 급전 소자에 상기 제 1 공진부와 병렬로 접속되고 제 1 공진 주파수와 상이한 제 2 공진 주파수에서 공진하는 제 2 공진부를 포함한다. 제 1 공진부는 전자기파 신호의 방사를 위한 방사체를 포함하고, 제 2 공진부는 메타머티리얼 구조를 포함한다. 안테나 장치는 소형으로 다중 대역 또는 광대역 특성을 가지도록 형성될 수 있으며, 동작 주파수를 쉽게 조정할 수 있다.
메타머티리얼, 0차 공진

Description

다중 대역 안테나 장치 및 이를 이용한 통신 장치{MULTI-BAND ANTENNA APPARATUS AND COMMUNICATION DEVICE HAVING THE SAME}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 특히 1차 공진부와 0차 공진부가 결합되어 소형으로 제조가 가능한 다중 대역 안테나 장치 및 그를 이용한 통신 장치에 관한 것이다.
안테나는 무선 통신 장치에 있어서 신호 송수신의 최말단에 배치되는 소자로서, 특정 공진 주파수에서 공진하여 신호를 수신 또는 송신한다. 이러한 안테나는 일반적으로 동작 파장에 비례하는 전기적 길이를 갖는다. 예를 들어, 모노폴(monopole) 안테나의 경우 동작 파장의 1/4의 길이를 갖도록 제조된다. 다시 말해, 안테나의 동작 주파수는 안테나의 전기적 길이에 의해 결정되는 것이다.
이러한 안테나의 전기적 길이와 동작 파장의 관계에 의해, 종래의 안테나에서는 몇 가지 문제점이 발생하였다. 먼저, 종래의 안테나에 있어서 동작 파장이 길어지면 (즉, 동작 주파수가 낮아지면) 안테나의 전기적 길이가 길어지고 그에 따라 안테나의 크기도 커진다. 따라서, 이러한 안테나를 소형의 통신 장치 내부에 포함시키는데 어려움이 있다.
또한, 안테나의 동작 주파수가 전적으로 안테나의 전기적 길이에 의해 정해지기 때문에, 다수의 동작 주파수에 대해 동작하는 안테나, 소위 다중 대역 안테나를 구현하는 것이 어렵다. 종래에는 안테나 도체의 형상, 즉 패턴을 다양하게 하여 패턴 간의 전자기적 커플링을 이용하는 등으로 다중 대역 안테나를 제조하였으나, 이에 의해서는 동작 주파수를 정확하게 조정하는 것이 어렵고 필요한 대역에서 정확하게 공진을 얻어내는 것도 힘들다.
본 발명은 상기 문제점을 인식한 것으로, 소형으로 제조가 가능한 다중 대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 동작 주파수를 정확하게 조정하여 필요한 주파수 대역에서 사용할 수 있는 다중 대역 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 태양에 따르면, 급전 소자에 접속되어 제 1 공진 주파수에서 공진하는 제 1 공진부, 및 상기 급전 소자에 상기 제 1 공진부와 병렬로 접속되고 상기 제 1 공진 주파수와 상이한 제 2 공진 주파수에서 공진하는 제 2 공진부를 포함하고, 상기 제 1 공진부는 전자기파 신호의 방사를 위한 방사체를 포함하고, 상기 제 2 공진부는 메타머티리얼 구조를 포함하는 안테나 장치가 제공된다.
상기 메타머티리얼 구조는 직렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스를 포함하는 것 이 바람직하다. 상기 직렬 커패시턴스와 상기 병렬 인덕턴스 중 적어도 하나는 기판 상에 형성되는 소자일 수 있다.
상기 직렬 커패시턴스는 기판의 양면에 형성된 도체들 사이의 커패시턴스인 것도 가능하다. 바람직하게는, 상기 기판의 일면에 형성된 상기 도체는 상기 방사체와 접속되고, 상기 기판의 다른 일면에 형성된 상기 도체는 상기 병렬 인덕턴스에 접속된다.
상기 병렬 인덕턴스는 기판 상에 형성된 도체에 의해 유도되는 인덕턴스일 수 있다.
상기 메타머티리얼 구조는 상기 직렬 커패시턴스에 직렬로 접속된 직렬 인덕턴스와 상기 병렬 인덕턴스에 병렬로 접속된 병렬 커패시턴스를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 직렬 인덕턴스는 기판 상에 형성된 도체에 의해 유도되는 인덕턴스일 수 있다. 상기 병렬 커패시턴스는 기판 상에 형성된 도체와 접지면 사이의 커패시턴스일 수 있다.
상기 안테나 장치가 광대역 특성을 갖도록, 상기 제 1 공진 주파수와 상기 제 2 공진 주파수가 서로 인접하는 것도 바람직하다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 상기 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 메타머티리얼 구조에 의한 0차 공진을 이용함으로써 다중 대역 안테나를 소형으로 구현하는 것이 가능하다. 또한, 0차 공진 구조의 소자의 값을 변화시켜 공진 주파수를 용이하고 정확하게 조정할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명한다. 본 명세서에서 “커패시터”, “커패시턴스”, “인덕터”, “인덕턴스”등의 용어는 그러한 전기적 성질을 갖는 소자를 지칭할 뿐만 아니라 그러한 전기적 성질을 갖도록 구성된 회로 구조를 포함하는 의미로 사용된다. 예를 들어, “인덕터”는 인덕터 소자로 구현된 집중 정수 회로일 수도 있고 전송 선로를 이용하여 구현한 분포 정수 회로일 수도 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 회로는 집중 정수 소자에 의한 구현뿐만 아니라, 분포 정수 회로에 의한 구현을 포함하는 것으로 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나 장치를 도시한다. 본 실시형태의 안테나 장치는 제 1 공진 주파수에서 공진하는 제 1 공진부(110), 및 제 1 공진 주파수와 상이한 제 2 공진 주파수에서 공진하는 제 2 공진부(130)를 포함한다. 제 1 공진부(110)는 전자기파 신호의 방사를 위한 방사체를 포함하는 종래의 안테나 소자일 수 있다. 예를 들어, 제 1 공진부(110)는 모노폴 안테나, PIFA(Planar Inverted F-type Antenna), PLA(Planar L-type Antenna) 등 방사체의 일단이 급전 소자(120)에 접속되어 동작하는 안테나일 수 있다. 또한, 제 1 공진부(110)는 종래의 기술을 통해 하나 이상의 대역에서 공진하는 다중 대역 안테나 소자일 수도 있다. 본 명세서에서 제 1 공진부가 2 이상의 공진 주파수를 갖는 경우, 제 1 공진 주파수라 함은 제 1 공진부가 갖는 공진 주파수 중 여하한 하나를 지칭한다.
제 1공진부(110)와 병렬로 급전 소자(120)에 접속된 제 2 공진부(130)는 메타머티리얼 구조를 포함할 수 있다. 메타머티리얼이란 자연에서 일반적으로 찾을 수 없는 특수한 전자기적 특성을 갖도록 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)는 두 개의 음수 파라미터를 가진다는 의미에서 더블 네거티브(Double Negative; DGN) 물질이라 불리기도 한다. 또한, 메타머티리얼은 음의 유전율 및 투자율에 의하여 음의 반사계수를 가지며, 그에 따라 NRI(Negative Refractive Index) 물질이라고도 불린다. 메타머티리얼은 1967년 소련의 물리학자 베젤라고(V.Veselago)에 의해 처음 연구되었으나, 그 후 30 여 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(phase velocity) 방향)과 에너지 전파 방향(군 속도(group velocity) 방향)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 구 현이 가능하며, 위상 변화가 전송 선로의 길이에 비례하지 않으므로 소형의 회로를 구현할 수 있다.
또한, 이러한 메타머티리얼 구조는 직렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스를 포함하는 것이 일반적이며, 이를 도 3을 참조하여 설명한다. 일반적인 전송 선로는 전송 선로 자체에 의한 직렬 인덕턴스(LR)와 전송 선로와 접지면 사이에서 유도되는 병렬 커패시턴스(CR)을 포함하는 T 네트워크로 등가화된다. 반면, 메타머티리얼 구조는, 일반적 전송선로 구조 대신, 또는 일반적 전송 선로 구조에 추가하여 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)를 포함한다.
이러한 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)를 통해, 메타머티리얼의 LH(Left-handed) 특성이 회로에 도입되고, 0차 공진이 발생하게 된다. 이러한 0차 공진은 종래의 안테나에서 일어나는 공진(즉, 1차 공진)과는 상이한 메커니즘을 가지며 그 공진 주파수가 커패시턴스(CR, CL)와 인덕턴스(LR, LL)의 값에 의해 결정된다. 그러므로, 공진 주파수는 안테나의 전기적 길이와 상관 없이 자유롭게 결정될 수 있으며, 안테나를 대형화하지 않고도 저주파 대역에서 공진을 발생시킬 수 있게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 도 3에 도시된 바와 같은 메타머티리얼 구조가 제 2 공진부(130)에 도입된 구조가 도시되어 있다. 구체적으로, 제 2 공진부(130)는 직렬 커패시턴스(132)와 병렬 인덕턴스(138)를 포함하여 메타머티리얼 특성을 가지 며, 종래의 전송 선로와 같이 직렬 인덕턴스(134)와 병렬 커패시턴스(136)도 포함한다. 이로써, 제 2 공진부(130)는 0차 공진을 발생시키게 된다.
결국, 전체적인 안테나 장치는 있어서 제 1 공진부(110)에 의해 결정되는 제 1 공진 주파수와 제 2 공진부(130)에 의해 결정되는 제 2 공진 주파수의 2개의 주파수에서 공진하게 되며, 공진이 발생하는 주파수에서는 제 1 공진부(110)에 포함된 방사체를 통해 전자기파의 방사가 일어나게 되는 것이다. 그러므로, 안테나 장치는 이중 (또는 다중) 대역 안테나 장치로 동작할 수 있다.
일 실시형태에서는, 제 1 공진 주파수와 제 2 공진 주파수가 서로 인접하도록 하여 안테나가 광대역 특성을 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태의 안테나 장치의 정재파 비(Standing Wave Ratio)를 도시하는 도 4를 참조하면, 제 1 공진부에 의해 저주파 대역에서 공진이 발생하고, 제 2 공진부에 의해 그에 인접한 대역에서 공진이 발생한다. 따라서, 전체적으로 안테나가 광대역 특성을 가지게 되는 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 안테나 장치의 실제 구현 방안의 일 예를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 제 1 공진부(110; 도 1)는 도전성의 방사체(210)로 구성된다. 방사체(210)는 제 1 공진 주파수에서 공진하도록 적합한 전기적 길이 및 형상을 갖는다. 또한 방사체(210)는 일단(222)에서 급전 회로(120; 도 1)와 접속된다.
제 2 공진부(130; 도 1)는 기판(240) 상에 형성되는 회로로 구성된다. 구체적으로, 제 2 공진부(130)는 기판(240) 상에 형성된 도체(242)를 포함한다. 도 체(242)의 형성 및 후속 소자의 실장을 용이하게 하기 위해, 기판(240)은 PCB(Printed Circuit Board), FPCB(Flexible PCB) 등의 기판일 수 있다. 또한, 도체(242)는 방사체(210)에 접속되어 제 1 공진부와 제 2 공진부를 연결한다.
제 2 공진부(130)에 포함되는 직렬 커패시턴스(132; 도 1) 와 상기 병렬 인덕턴스(138; 도 1)는 기판(240) 상에 형성되는 소자일 수 있다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 직렬 커패시턴스(232)와 병렬 인덕턴스(238)는 각각 커패시터 소자 및 인덕터 소자로 구현되며, 기판 상에 실장되어 도체(242)와 접속된다. 그러나, 다른 실시형태에서, 직렬 커패시턴스(232)는 인터디지털 커패시터, 엣지 커플을 이용한 커패시터 등으로 전송 선로를 이용하여 구현될 수도 있다. 또한, 병렬 인덕턴스(238)는 기판 상에 형성된 도체(즉, 전송 선로)에 의해 유도되는 인덕턴스 일 수 있다. 이 경우, 전송 선로의 길이를 조정함으로써 인덕턴스 값을 조정할 수 있으며, 전송 선로를 스파이럴(spiral), 헬리컬(helical), 미앤더(meander) 형태로 형성하여 인덕턴스가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.
다른 실시형태에서, 직렬 커패시턴스(232)는 기판(240)의 양면에 형성된 도체들 사이의 커패시턴스일 수 있다. 예를 들어, 기판(240)의 전면에는 방사체(210)와 접속되는 도체가 형성되고, 기판(240)의 후면에 병렬 인덕턴스(238)에 접속되는 도체(예를 들어 도체 242)가 형성될 수 있다. 이 경우, 병렬 인덕턴스(238)에 접속되는 도체는 제 1 공진부에 접속되지 않는다. 따라서, 기판(240)의 전후면에 형성된 도체들 사이에서 커패시턴스가 유도될 수 있으며, 이는 직렬 커패시턴스로 기능할 수 있다.
한편, 제 2 공진부는 직렬 커패시턴스(232)에 직렬로 접속된 직렬 인덕턴스(234)와 병렬 인덕턴스(238)에 병렬로 접속된 병렬 커패시턴스(136; 도 1)를 더 포함한다.
직렬 인덕턴스(234)는, 병렬 인덕턴스와 유사하게, 기판(240) 상에 형성된 인덕터 소자일 수도 있고, 기판(240) 상에 형성된 도체(즉, 전송 선로)에 의해 유도되는 인덕턴스 일 수도 있다. 전송 선로에 의하는 경우, 전송 선로의 길이를 조정함으로써 인덕턴스 값을 조정할 수 있으며, 전송 선로를 스파이럴(spiral), 헬리컬(helical), 미앤더(meander) 형태로 형성하여 인덕턴스가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.
도시된 실시형태에서, 병렬 커패시턴스는 기판 상에 형성된 전송 선로, 즉 도체(242)와 접지면(250) 사이의 커패시턴스일 수 있다. 접지면(250)은 일반적으로 통신 장치에 포함되는 접지면일 수도 있고 기판(240)에 형성되는 접지면일 수도 있다. 이 경우, 별도의 병렬 커패시턴스를 형성할 필요가 없으며 단순히 도체(242)를 기판(240)에 형성하는 것만으로 커패시턴스의 유도가 가능하다. 이러한 병렬 커패시턴스의 값은 도체(242)와 접지면(250) 사이의 거리를 조정함으로써 변화가 가능하다.
다른 실시형태에서, 병렬 커패시턴스는 직렬 커패시턴스(232)와 같이 별개의 소자 또는 전송 선로를 이용한 구조일 수도 있다.
한편, 본 발명의 안테나 장치는 무선 통신 장치에 포함되어 통신에 사용될 수 있다. 본 발명의 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치는, 신호 송수신의 말 단부에 본 발명의 안테나 장치를 포함함으로써, 광대역 또는 다중 대역 통신 기능을 제공할 수 있게 된다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 설명된 실시형태들을 변경 또는 변형할 수 있다. 본 명세서에서 설명된 각 기능 블록들 또는 수단들은 전자 회로, 집적 회로, ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수 있다. 본 명세서 및 청구범위에서 별개인 것으로 설명된 수단 등의 구성요소는 단순히 기능상 구별된 것으로 물리적으로는 하나의 수단으로 구현될 수 있으며, 단일한 것으로 설명된 수단 등의 구성요소도 수개의 구성요소의 결합으로 이루어질 수 있다. 또한 본 명세서에서 설명된 각 방법 단계들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그 순서가 변경될 수 있고, 다른 단계가 부가될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 명세서에서 설명된 다양한 실시형태들은 각각 독립하여서뿐만 아니라 적절하게 결합되어 구현될 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 안테나 장치를 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 안테나 장치의 실제 구현 방안의 일 예를 도시한 도면.
도 3은 메타머티리얼 구조를 설명하기 위한 등가 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시형태의 안테나 장치의 정재파 비(Standing Wave Ratio)를 도시하는 도면.

Claims (11)

  1. 급전 소자에 접속되어 제 1 공진 주파수에서 공진하는 제 1 공진부; 및
    상기 급전 소자에 상기 제 1 공진부와 병렬로 접속되고 상기 제 1 공진 주파수와 상이한 제 2 공진 주파수에서 공진하는 제 2 공진부를 포함하고,
    상기 제 1 공진부는 전자기파 신호의 방사를 위한 방사체를 포함하고,
    상기 제 2 공진부는 메타머티리얼 구조를 포함하는
    안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타머티리얼 구조는 직렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스를 포함하는
    안테나 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 직렬 커패시턴스와 상기 병렬 인덕턴스 중 적어도 하나는 기판 상에 형성되는 소자인
    안테나 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 직렬 커패시턴스는 기판의 양면에 형성된 도체들 사이의 커패시턴스인
    안테나 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기판의 일면에 형성된 상기 도체는 상기 방사체와 접속되고,
    상기 기판의 다른 일면에 형성된 상기 도체는 상기 병렬 인덕턴스에 접속되는
    안테나 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 병렬 인덕턴스는 기판 상에 형성된 도체에 의해 유도되는 인덕턴스인
    안테나 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 메타머티리얼 구조는 상기 직렬 커패시턴스에 직렬로 접속된 직렬 인덕턴스와 상기 병렬 인덕턴스에 병렬로 접속된 병렬 커패시턴스를 더 포함하는
    안테나 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 직렬 인덕턴스는 기판 상에 형성된 도체에 의해 유도되는 인덕턴스인
    안테나 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 병렬 커패시턴스는 기판 상에 형성된 도체와 접지면 사이의 커패시턴스인
    안테나 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 장치가 광대역 특성을 갖도록, 상기 제 1 공진 주파수와 상기 제 2 공진 주파수가 서로 인접하는
    안테나 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 안테나 장치를 포함하는 무선 통신 장치.
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