KR101202339B1 - 메타물질 상판덮개를 이용한 이득향상과 빔 성형이 동시에 가능한 안테나 - Google Patents

Abstract

메타물질 상판 덮개를 이용한 이득향상과 빔 성형이 동시에 가능한 안테나가 개시된다. 본 발명에 따른 안테나는 하부면; 하부면 상부에 위치한 급전 안테나; 및 급전 안테나 상부에 급전 안테나의 이득 향상 및 빔 성형을 위해 전도성 패턴을 구비하는 상판 덮개를 포함함을 특징으로 한다.

안테나, 급전, 상판 덮개, 전도성 패턴, 금속벽면

Description

메타물질 상판덮개를 이용한 이득향상과 빔 성형이 동시에 가능한 안테나{Antenna with metamaterial superstrate simultaneosly providing high-gain and beam-width control}

본 발명은 메타물질 안테나에 관한 것으로, 안테나 이득 향상과 빔 형성을 위해 메타물질 상판 덮개를 구비한 안테나에 관한 것이다.

기지국과 같이 안테나의 고 이득 방사 특성과 빔 성형이 필요한 경우, 일반적으로 패치 안테나를 여러 개 배열한 배열 안테나를 사용한다.

그러나, 이러한 배열 안테나의 경우 안테나의 배열 수가 증가함에 따라 안테나 급전에 의한 에너지 손실도 급전 수에 비례하게 증가하므로, 안테나의 전체적인 효율이 악화된다. 또한 적절한 이득 및 방사 패턴을 얻기 위해 패치 안테나의 배열 간격과 패치 안테나에 급전되는 신호의 위상을 세밀하게 조정해야 하므로 그 구조가 복잡하게 되는 단점이 있다.

안테나의 이득 향상을 위한 안테나로, 안테나 상부에 고유전율을 가지는 유전체를 주기적으로 배열한 EBG(Electromagnetic BandGap) 형태의 안테나 또는 일반적인 패치 안테나 위에 금속성 주기구조체를 가지는 유전체 기판을 얹은 패브리-페 롯(Fabry-Perot) 형태의 공진기를 이용한 안테나도 있다.

이러한 기술은 급전 구조가 단순하고 배열 안테나와는 다르게 단일 급전으로 이득을 증대 시킬 수 있다는 장점이 있으나, 안테나의 빔 성형이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 메타 물질의 상판 덮개와 안테나 구조체를 둘러싸고 있는 금속벽을 구비함으로써 넓은 주파수 대역에서 높은 안테나 이득 및 낮은 전후방비(Front-to-Back Ratio, FBR)를 가지며, 안테나의 빔폭을 원하는 폭만큼 성형할 수 있는 안테나를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 이루기 위한, 본 발명은 안테나에 있어서, 하부면; 상기 하부면 상부에 위치한 급전 안테나; 및 상기 급전 안테나 상부에 상기 급전 안테나의 이득 향상 및 빔 성형을 위해 전도성 패턴을 구비하는 상판 덮개를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 메타 물질 상판 덮개는 PCB 기술을 이용하므로 제작이 매우 용이하고 비용이 절감된다. 또한 본 발명에 따른 안테나의 메타 물질 상판 덮개와 금속벽 설치를 통해 단순한 소스원 하나로도 안테나의 효율과 이득을 향상시킬 수 있으며 개구면의 모양에 따라 빔 성형을 할 수 있다.

또한 후방 방사값이 -30dB로 작아짐으로써 고 이득을 위해 기존의 배열 안테나보다 급전 구조가 단순하고 안테나로 공급되는 전력의 손실을 줄일 수 있다. 따라서 안테나의 고이득, 고효율, 빔 성형, 낮은 후방 방사, 이득 평탄도의 광대역화 등이 필수요건으로 적용되는 기지국 안테나와 같은 곳에서 쉽게 적용될 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명에 따른 상판 덮개를 구비하는 안테나에 대한 단면도를 도시한 것이다. 도시된 안테나는 상판 덮개(1), 공진부(2), 유전체(3), 공진부(2) 내부에 또는 유전체 기판(3) 위에 위치하는 급전 안테나(4) 및 접지면(5)을 포함하고, 안테나 양측면에는 금속벽(6)을 포함한다.

여기서, 급전 안테나(4)는 급전을 위한 것으로, 급전할 수 있는 어떠한 형태의 안테나, 예를 들어 패치 안테나, 다이폴 안테나, 슬롯 안테나 또는 도파관 안테나 등을 포함할 수 있다. 도면에는 급전 안테나(4)가 유전체 기판(3) 위에 위치하지만, 공진부(2) 가운데 혹은 상부에 위치할 수 있다.

도 2는 도 1의 상판 덮개(1)를 구성하는 전도성 구조체를 도시한 것이다. 도시된 상판 덮개(1)는 유전체 기판(10)과 전도성 패턴(11)을 포함한다. 유전체 기판(10)은 일반적인 유전체 매질을 포함하며, 전도성 패턴(11)은 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이 유전체 기판(10)의 상부 또는 상하부에 구비되어 있다.

전도성 패턴(11)의 형상은 정사각형 각 면에 요철이 대칭적으로 형성된 형태 로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 어떠한 형태도 가능하다. 도시된 전도성 패턴(11)의 정사각형 요철 형상은 각 변들이 일정 폭(W1)을 가지고 유전체(10)의 변들로부터 일정 간격(g1)을 따라 배치되고, 변들의 중심부에서 내부 방향으로 직사각형 형태로 들어간 오목부를 갖는 구조를 갖는다. 오목부는 평행한 두 변의 길이가 일정 길이(l1)를 가지고 서로 일정 간격(g2) 가지도록 배치되며, 중앙부로 향하는 변들이 사각형을 이루도록 배치된다. 따라서, 오목부의 존재에 의해 전도성 패턴(10) 내부는 다시 5개의 소 정사각형을 이루는 구조가 된다.

도 4는 도 3에 도시된 요철 형태를 갖는 패턴들을 단위 패턴으로 하여 전체 상판 덮개(1)에 복수 개 배열된 형태를 도시한 것이다. 도면에서 a, b는 각각 상판 덮개의 너비와 폭을 나타내는데, a와 b값에 따라 안테나 빔 폭을 조절할 수 있다. 또한 전도성 패턴(10)의 각 파라미터(g1, g2, w1, l1)를 조정함으로써 안테나 이득을 조절할 수도 있다.

도 5는 상판 덮개(1)를 구성하는 단위 패턴의 반사 위상과 반사계수의 크기를 도시한 것이다. 도면에서 실선은 반사계수의 크기를 나타내고, 점선은 반사 위상을 나타낸다. 도시된 바에 따르면, 2.5GHz 근처의 공진 주파수에서 반사 계수가 가장 크고, 반사 위상의 반전이 일어남을 알 수 있다. 반사위상은 안테나 공진 주파수 및 접지판(ground)와 단위 셀간의 거리를 결정짓는 중요한 요소이다.

도 6은 안테나의 공진 거리와 공진 주파수의 관계를 금속벽(6)의 설치 여부에 따라 도시한 것이다. 도면에서 실선은 금속벽(6)이 설치되지 않는 경우이고, 점선은 금속벽(6)이 설치된 경우를 나타낸다. 도시된 바에 따르면, 금속벽(6)이 설치 된 경우 공진거리가 길어짐을 알 수 있다.

금속벽(6)이 설치되어 있지 않은 경우와 설치된 경우의 공진 거리에 따른 공진 주파수는 각각 다음 식과 같이 구할 수 있다.

여기서, c는 공기 중 빛의 속도이고, h는 접지판과 단위 패턴 간의 거리, 즉, 공진거리이고, a와 b는 각각 금속벽으로 둘러싸인 안테나의 가로, 세로 길이 이다. φ_prs, φ_ground는 단위 패턴의 반사 위상과 그라운드의 반사 위상이다. μ, ε는 각각 금속벽(6)으로 둘러싸인 내부 매질의 투자율과 유전율이다.

수학식 1에 따르면, 금속벽(6)이 설치되어 있지 않는 경우 공진 주파수는 공진거리에 반비례한다. 금속벽(6)이 설치되어 있는 경우, 공진주파수는 상판 덮개(1)의 크기와 금속벽(6)의 높이에 따라 달라진다. 공진 주파수는 상술한 파라미터 이외에도 도 2에 도시된 요철 패턴에서 요철의 폭, 요철 길이 등에 따라 달라질 수 있다.

도 7은 안테나의 급전을 위한 패치 안테나(71)와 급전점(72)의 구성을 도시한 것이다. 안테나의 매칭과 이득 평탄도는 안테나 (71) 내 급전점(72)의 위치를 조정함으로써 향상시킬 수 있다.

도 8은 도 4에 도시된 상판 덮개(1)의 크기와 금속벽(6)의 유무에 따른 안테나 이득을 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 금속벽(6)이 있는 경우의 이득이 금속벽(6)이 없는 경우의 이득보다 큰 것을 알 수 있다. 또한 금속벽(6)이 있는 경우 메타물질 상판 덮개(1)의 크기(b)에 따라 최대 이득이 나타나는 주파수 (2.35 GHz)에서 공진 거리 (h)도 동시에 변함을 알 수 있다. 이러한 현상은 일반적으로 금속벽이 없으면 상판 덮개의 크기와 관계없이 공진거리가 일정한 것과는 대조적이다.

도 9는 상판 덮개의 폭(b)에 따른 안테나 이득과 방사 패턴 특성(θ)을 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 주파수가 2.35GHz일 때, b가 클수록 이득이 커지고, 빔폭이 줄어드는 것을 알 수 있다. 또한 전후방비(FBR)는 -30dB이하이다.

도 10a는 상판 덮개(1)에서 전도체(11) 단위 패턴들의 배열을 중심으로부터 γ 각을 갖도록 했을 때의 형상을 도시한 것이고, 도 10b는 상판 덮개(1)에서 전도체(11) 단위 패턴의 크기를 중심으로부터 바깥쪽으로 작게 조절했을 때의 형상을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 전도체(11) 단위 패턴들을 일정한 각도도 배열하거나 크기를 일정한 방향으로 증가 혹은 감소시켜서 이득 평탄도를 조절할 수 있다.

도 11은 상판 덮개(1)에서 전도체(11) 단위 패턴들의 배열을 일정하게 한 경우와 도 10a 또는 도 10b 와 같이 단위패턴들의 배열을 일정하지 않게 배열한 경우의 이득 평탄도를 각각 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 일정하지 않게 배열한 경우는 일정하게 배열한 경우보다 이득 평탄도가 향상됨을 알 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 상판 덮개를 구비하는 안테나에 대한 단면도를 도시한 것이다.

도 2는 도 1의 상판 덮개를 구성하는 전도성 구조체를 도시한 것이다.

도 3(a) 및 도 3(b)는 전도성 구조체가 유전체 기판의 상부 또는 상하부에 장착된 것을 도시한 것이다.

도 4는 도 3에 도시된 요철 형태를 갖는 패턴들을 단위 패턴으로 하여 전체 상판 덮개에 복수 개 배열된 형태를 도시한 것이다.

도 5는 상판 덮개를 구성하는 단위 패턴의 반사 위상과 반사계수의 크기를 도시한 것이다.

도 6은 안테나의 공진 거리와 공진 주파수의 관계를 금속벽의 설치 여부에 따라 도시한 것이다.

도 7은 안테나의 급전을 위한 패치 안테나와 급전점의 구성을 도시한 것이다.

도 8은 도 4에 도시된 상판 덮개의 크기와 금속벽의 유무에 따른 안테나 이득을 도시한 것이다.

도 9는 상판 덮개의 폭에 따른 안테나 이득과 빔 조향 특성을 도시한 것이다.

도 10a는 상판 덮개에서 전도체 단위 패턴들의 배열을 중심으로부터 γ 각을 갖도록 했을 때의 형상을 도시한 것이다.

도 10b는 상판 덮개에서 전도체 단위 패턴의 크기를 중심으로부터 바깥쪽으로 작게 조절했을 때의 형상을 도시한 것이다.

도 11은 상판 덮개에서 전도체 단위 패턴들의 배열을 일정하게 한 경우와 일정하지 않게 배열한 경우의 이득 평탄도를 각각 도시한 것이다.

Claims (10)

1. 급전 안테나가 위치한 공진부;

   상기 공진부에 상기 급전 안테나의 이득 향상 및 빔 성형을 위해 전도성 패턴을 구비하는 상판 덮개; 및

   상기 공진부의 측면에 상기 안테나의 길이방향으로 위치한 금속벽;을 포함함을 특징으로 하는 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 상판 덮개는

   유전체 기판; 및

   상기 유전체 기판의 상부 또는 상하부에 위치한 전도성 패턴을 포함함을 특징으로 하는 안테나.
3. 제2항에 있어서, 상기 전도성 패턴은

   단위 패턴으로 만들어져, 복수의 단위 패턴들이 상기 상판 덮개에 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 제3항에 있어서,

   상기 상판 덮개의 중심으로부터 상기 상판 덮개의 길이 방향으로 동일한 각을 갖도록 상하좌우 대칭적으로 동일한 크기의 단위 패턴들이 배열됨을 특징으로 하는 안테나.
5. 제3항에 있어서,

   상기 상판 덮개의 중심으로부터 상기 상판 덮개의 길이방향으로 크기가 서로 다른 단위 패턴들이 배열됨을 특징으로 하는 안테나.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 상판 덮개는

   유전체 기판; 및

   상기 유전체 기판의 상부 또는 상하부에 위치한 전도성 패턴을 포함함을 특징으로 하는 안테나.
8. 제7항에 있어서, 상기 전도성 패턴은

   단위 패턴으로 만들어져, 복수의 단위 패턴들이 상기 상판 덮개에 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나.
9. 제8항에 있어서,

   상기 상판 덮개의 중심으로부터 상기 상판 덮개의 길이 방향으로 동일한 각을 갖도록 상하좌우 대칭적으로 동일한 크기의 단위 패턴들이 배열됨을 특징으로 하는 안테나.
10. 제8항에 있어서,

    상기 상판 덮개의 중심으로부터 상기 상판 덮개의 길이방향으로 크기가 서로 다른 단위 패턴들이 배열됨을 특징으로 하는 안테나.

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