KR101677521B1

KR101677521B1 - 고 이득 메타물질 안테나 소자

Info

Publication number: KR101677521B1
Application number: KR1020117023893A
Authority: KR
Inventors: 웨이 후앙; 그레고리 프와라뉴; 바닛 파탁
Original assignee: 타이코 일렉트로닉스 서비시스 게엠베하
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2016-11-18
Anticipated expiration: 2030-03-11
Also published as: EP2406852B1; CN102422486B; US20100231464A1; WO2010105109A2; CN102422486A; KR20110129462A; WO2010105109A3; EP2406852A2; EP2406852A4; US8384600B2

Abstract

플레어드 구조를 갖는 안테나가 제공되며, 이 플레어드 구조의 한 부에서 다른 부로 전하가 유도된다. 플레어드 구조는 V-형상 또는 다른 형상의 소자일 수 있다. 안테나는 적어도 하나의 기생 소자를 포함하여 안테나의 이득을 증가시키고, 안테나에 의해 생성된 방사 패턴을 주어진 방향으로 연장시킨다.

Description

고 이득 메타물질 안테나 소자{HIGH GAIN METAMATERIAL ANTENNA DEVICE}

이 출원은 2009년 3월 11일자로 출원된 발명의 명칭이 "고 이득 메타물질 안테나 소자(HIGH GAIN METAMATERIAL ANTENNA DEVICE)"인 미국 가출원 제61/159,320호의 우선권을 주장한다.

이 출원은 고 이득 안테나 구조에 관한 것으로, 구체적으로는 메타물질(metamaterial) 설계에 기반한 안테나 구조에 관한 것이다.

무선 액세스 포인트(access point) 및 기지국에서 고 이득 안테나를 구현하기 위한 다양한 구조가 이용될 수 있다. 액세스 포인트는 신호를 다른 수신기에 전송하는 고정(stationary) 또는 이동 유닛일 수 있으므로, 무선 통신 시스템에서 라우터로서 작용한다. 이들 응용에서는, 고 이득 안테나를 이용하여 신호 범위를 확장시키고 송수신 능력을 증대시킨다. 본원에서 기재된 고 이득 안테나란, 집속되고 협소한 빔(focused narrow beam)을 방사시켜 무선(radio) 신호를 주어진 방향으로 정확하게 목표 설정(targeting)할 수 있게 하는 지향성(directional) 안테나를 가리킨다. 고 이득 안테나의 순방향(forward) 이득은 등방성 데시벨 측정(isotropic decibel measurement), dBi에 의해 평가될 수 있으며, 이는 등방성 안테나에 대한 안테나 이득 또는 안테나 감도(sensitivity)의 표시(indication)를 제공한다. 순방향 안테나 이득은 안테나에 의해 생성된 전력의 표시를 제공한다. 무선 장치의 수가 증가함에 따라, 고 이득 안테나에 대한 요구가 증가하고 있다.

도 1 및 도 2는 기판 상에 형성된 안테나를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1 및 도 2의 안테나에 연관된 방사 패턴을 나타내는 플롯도이다.
도 5 및 도 6은 메타물질 구조에 연관된 분포 곡선의 플롯도이다.
도 7 및 도 8은 일례의 실시 양태에 따른, Y-형 메타물질 안테나 구조를 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 일례의 실시 양태에 따른, 도 7 및 도 8의 안테나 구조에 연관된 방사 패턴을 나타내는 플롯도이다.
도 11은 일례의 실시 양태에 따른, 용량성 소자를 안테나 구조의 격자 패치(cell patch)에 근접 배치시켜 그것에 용량적으로 결합시키는 Y-형 메타물질 안테나 구조의 제1 부분을 도시한 도면이다.
도 12는 일례의 실시 양태에 따른, 안테나 구조의 제1 부분에 유도성 장하(inductive loading)를 제공하는 도 11의 안테나 구조의 제2 부분을 도시한 도면이다.
도 13은 일례의 실시 양태에 따른, 기판 물질의 제1 층 상의 제위치에서(in situ) 도 11의 안테나의 제1 부분의 전자기적 커플링을 도시한 도면이다.
도 14 및 도 15는 일례의 실시 양태에 따른, 기판 상에 형성된 도 11 및 도 12에서와 같은 안테나 구조의 3차원도를 도시한 도면이다.
도 16 및 도 17은 일례의 실시 양태에 따른, 도 14 및 도 15의 안테나 구조에 연관된 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 18, 도 19 및 도 20은 일례의 실시 양태에 따른, 용량성 소자를 갖는 안테나 구조를 도시한 도면이다.
도 21은 일례의 실시 양태에 따른, 도 19 및 도 20에서와 같은 안테나 구조에 연관된 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 22 및 도 23은 일례의 실시 양태에 따른, 용량성 소자의 추가에 의해 발생된 방사 패턴의 변화를 나타낸 도면이다.
도 24 및 도 25는 일례의 실시 양태에 따른, 용량성 소자를 구현하는 다른 형상의 안테나 구조를 도시한 도면이다.
도 26은 일례의 실시 양태에 따른, 다중 안테나의 구성을 도시한 도면이다.
도 27은 일례의 실시 양태에 따른, 적어도 하나의 기생 용량성 소자를 갖는 안테나를 내장한 무선 장치를 도시한 도면이다.
도 28은 일례의 실시 양태에 따른, 기생 용량성 소자를 갖는 안테나를 만들기 위한 방법을 나타낸 도면이다.
도 29 및 도 30은 일례의 실시 양태에 따른, 다양한 안테나 구성에 연관되는 예기된 피크 이득을 나타낸 플롯도이다.

많은 응용 분야에서는, 장치의 무선 주파수(RF) 출력 전력을 감소시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 고 이득 안테나를 내장한 장치들은 일반적으로 증가된 에너지 효율을 갖는다. 추가로, 고 이득 안테나는 안테나를 지원하고 동작시키는데 요구되는 소자들을 감소시킴으로써 장치의 제조 비용을 최적화하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 고 이득 안테나는 상기 예에서 알 수 있는 바와 같이, 전력 증폭기(PA)의 전력 출력 레벨을 감소시키며, 여기서 고 이득 안테나는 시스템으로 하여금 더 적은 전력을 이용하여 전체 전력 제한을 최적화하게 한다. 또한, PA의 전력 출력을 감소시키면 EMI(Electro-Magnetic Interference)의 감소로 이어질 수 있다. EMI는 고 전력 출력이 더 높은 고조파 레벨을 포함하는 경향이 있으므로 발생할 수 있고 이들의 더 높은 레벨이 EMI를 증가시킨다. 고 이득 안테나는 PA의 전력 출력을 감소시킴으로써 EMI를 감소시키도록 작용한다.

메타물질(MTM) 안테나 구조는 종래의 고 이득 안테나의 단점들 중 많은 것을 피하게 해주는 고 이득 안테나로서 구현될 수 있다. 메타물질은 자연계(natural) RH 물질 단독과는 다르게 거동하는 인위적(artificial) 구조로서 정의될 수 있다. RH 물질과 달리, 메타물질은 마이너스 굴절률을 나타낼 수 있으며, 여기서 위상 속도 방향은 (E,H,β) 벡터계(vector fields)의 상대 방향이 왼손(left-hand) 규칙을 따르는 신호 에너지 전파 방향과 반대이다. 메타물질이 메타물질에 의해 안내되는 전자기 에너지의 파장보다 훨씬 더 작은 구조 상의 평균 단위 격자 크기 ρ를 갖도록 설계되면, 메타물질은 안내된 전자기 에너지에 대해 균질성 매질(homogeneous medium)처럼 거동한다. 굴절률이 마이너스임과 동시에 유전율 ε 및 투자율 μ가 마이너스인 것만을 지원하는 메타물질이 순수 LH(pure Left Handed) 메타물질이다.

메타물질 구조는 LH 물질과 RH 물질의 결합 또는 혼합일 수 있으며, 이들 결합을 CRLH(Composite Right and Left Hand)라 칭한다. CRLH 구조는 특수 응용에 맞도록 맞춤화된 전자기적 속성을 나타내도록 설계될 수 있다. 추가로, CRLH MTM은 응용 요건을 충족시키기 위해 다른 물질이 비현실적이거나, 실현 불가능하거나 이용가능하지 않은 경우의 응용에 이용될 수 있다. 또한, CRLH MTM은 새로운 응용을 개발하고 RH 물질 및 구성으로는 가능하지 않을 수 있는 새로운 장치들을 구성하는데 이용될 수 있다.

메타물질 CRLH 안테나 구조는 종래의 고 이득 안테나의 여러 단점들을 피하게 해주는 고 이득 안테나를 제공한다. 그러한 MTM 성분들은 PCB(Printed Circuit Board) 등의 기판 상에 인쇄될 수 있어, 제조가 용이하고 경제적인 해결법을 제공한다. PCB는 접지면(ground plane) 또는 절단된(truncated) 또는 패턴화된 접지부(들)를 갖는 면(surface)을 포함할 수 있다. 그러한 설계에서, 프린트(printed) 안테나는 지원되는 주파수 파장 범위의 절반보다 작게 되도록 설계될 수 있다. 그러한 안테나의 임피던스 매칭 및 방사 패턴은 접지면의 크기 및 접지면까지의 거리에 의해 영향을 받는다. CRLH 안테나 구조는 기판의 제1 면 상에는 프린트 성분을, 그리고 대향 면 또는 접지면 상에는 다른 프린트 성분을 가질 수 있다.

MTM 및 CRLH 구조를 잘 이해하기 위해, 우선 대부분의 물질에서의 전자기파의 전파(propagation)는 (E,H,β) 벡터계의 오른손(right-hand) 규칙을 따른다고 상정하기로 하며, 여기서 E는 전계를, H는 자계를, β는 파수(전파 상수)를 나타낸다. 이들 물질에서, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파 방향(군속도)과 동일하고, 굴절률은 양수이다. 그러한 물질을 RH(Right/Handed) 물질이라 칭한다. 대부분의 자연계 물질은 RH 물질이지만, 인공적 물질 또한 RH 물질이 될 수 있다.

CRLH MTM 설계는 무선 및 원격통신 응용을 포함하여, 다양한 응용 분야에서 이용될 수 있다. 무선 응용 내의 소자들에 대해 CRLH MTM 설계를 이용하면, 이들 소자의 물리적 크기가 감소되고 이들 소자의 성능이 개선되는 경우가 종종 있다. 몇몇 실시 양태에서, CRLH MTM 구조는 안테나 구조 및 기타 RF 성분용으로 이용된다. CRLH 메타물질은, 예를 들어, 저주파수에서의 동작과 같은 특정 조건 하에서는 LH 메타물질처럼 거동되며, 동일한 CRLH 메타물질이, 예를 들어, 고주파수에서의 동작과 같은 특정 조건 하에서는 RH 물질처럼 거동할 수 있다.

각종 CRLH MTM의 구현 및 속성은, 예를 들어, Caloz and Itoh, "Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications," John Wiley & Sons (2006)에 개시되어 있다. CRLH MTM 및 안테나에서의 그들의 응용은 Tatsuo Itoh씨에 의한 "Invited paper: Prospects for Metamaterials," Electronics Letters, Vol. 40, No. 16 (August, 2004)에서 기술되어 있다.

메타물질은 자연계 매질에서는 발견되지 않은 소망하는 전자기적 전파의 거동을 만들어내도록 제조된 인공의 합성(composite) 물질 및 구조이다. "메타물질"이란 용어는 전자기적 CRLH 전파 거동에 기반한 전송 선로(TL)를 포함한 인공 구조의 다양한 변형을 의미한다. 그러한 구조들을 "메타물질 영감(metamaterial-inspried)"이라 칭하는데, 이는 이들 구조가 메타물질의 거동과 일치하는 거동을 갖도록 형성되기 때문이다.

본원에 개시된 메타물질 기술은 도전성 부품 및 유전성 부품으로 이루어지고 전자기파를 송수신하는데 이용되는 콤팩트한 장치들을 고려한 기술적 수단, 방법, 장치, 고안물 및 엔지니어링 작업(works)을 포함한다. MTM 기술을 이용하여, 안테나 및 RF 성분들은 경쟁하는 방법들과 비교해 매우 콤팩트하게 만들어질 수 있고, 서로 또는 다른 근방 성분들에 대해 매우 근접하게 이격될 수 있음과 동시에, 바람직하지 않은 간섭 및 전자기적 커플링을 최소화시킬 수 있다. 그러한 안테나 및 RF 성분들은 또한, 무선 통신 장치 내의 안테나 및 RF 성분들을 설계하고, 집적시키고 최적화시키는 다양한 구조 중 하나 이상에 기인한 유용하고 고유한 전자기적 거동을 나타낸다.

CRLH 구조는 어떤 한 주파수 범위에서는 동시성 마이너스 유전율(ε) 및 투자율(μ)을 나타내고, 다른 주파수 범위에서는 동시성 플러스 ε 및 플러스 μ를 나타내는 구조로서 거동하는 구조이다. 전송 선로(TL) 기반 CRLH 구조는 TL 전파를 가능하게 하고, 어떤 한 주파수 범위에서는 동시성 마이너스 유전율(ε) 및 투자율(μ)을 나타내고, 다른 주파수 범위에서는 동시성 플러스 ε 및 플러스 μ를 나타내는 구조로서 거동하는 구조이다. CRLH 기반 안테나 및 TL은 종래의 RF 설계 구조를 갖거나 갖지 않고 설계 및 구현될 수 있다.

종래의 도전성 부품 및 유도성 부품으로 만들어진 안테나, RF 성분 및 기타 장치들은, 그들이 MTM 구조로서 거동하도록 설계되어 있을 경우, "MTM 안테나", MTM 성분" 등으로 칭해질 수 있다. MTM 성분들은 예를 들어, FR4, 세라믹, LTCC, MMICC, 플렉서블 필름, 플라스틱 또는 심어는 종이와 같은 기판에 대해 도전성 층들을 프린팅, 에칭 및 삭감(subtracting)하는 것을 포함하지만 이들에만 한정되는 것은 아닌, 종래의 도전성 및 절연성 물질 및 표준 제조 기술을 이용하여 용이하게 제조될 수 있다.

순수 LH TL의 실제적인 구현은 집중(lump) 소자의 전기적 파라미터로부터 상속받은 RH 전파를 포함한다. LH 및 RH 전파 또는 모드를 포함하는 이런 합성(composition)으로 인해, 대기 인터페이스 통합(air interface integration), OTA(Over-The-air) 성능 및 소형화(miniaturization)가 개선됨과 동시에 BOM(Bill Of Materials) 비용 및 SAR(Specific Absorption Rate) 값들을 줄이게 된다. MTM은 물리적으로는 작지만 전기적으로는 큰 대기 인터페이스 성분을 가능하게 하여, 근접하게 이격되어 있는 장치들 간에서의 커플링을 최소화시킨다. 몇몇 실시 양태에서의 MTM 안테나 구조는 종래의 FR-4 기판이나 FPC(Flexible Printed Circuit) 보드에서와 같이, 유전성 기판 상에 구리를 직접 패터닝 및 프린팅함으로써 구축된다.

일례에서, 메타물질 구조는, 각각의 격자가 동작 주파수에서 1 파장보다 훨씬 더 작은 경우에 N개의 동일한 단위 격자들을 케스케이드 접속시키는 주기성 구조일 수 있다. 그래서, 단위 격자는 반복가능한 단일의 메타물질 구조이다. 이런 점에서, 하나의 메타물질 단위 격자의 합성은 직렬 인덕터(L_R), 직렬 커패시터(C_L), 분로 인덕터(L_L), 및 분로 커패시터(C_R)를 갖는 등가 집중 회로 모델로 설명되며, 여기서 L_L및 C_L은 LH 모드 전파 속성을 결정하는 반면, L_R 및 C_R은 RH 모드 전파 속성을 결정한다. 서로 다른 주파수에서의 LH 및 RH 모드 전파 양쪽의 거동은, 예를 들어, 후술되는 도 5 및 도 6에 관련하여 이하에서 설명되는 단순 분포 다이어그램에서 쉽게 다루어질 수 있다. 그러한 분포 곡선에서, β>0은 RH 모드를 특정하는 한편, β<0은 LH 모드를 특정한다. MTM 장치는 동작 주파수에 의존하는 마이너스의 위상 속도 나타낸다.

MTM 안테나 소자는, 예를 들어, 격자 패치(cell patch), 피드 라인(feed line), 및 비아 라인(via line)을 포함한다. 격자 패치는 전자기 신호를 송신 및 수신하는 안테나의 방사성 소자이다. 피드 라인은 입력 신호를 전송을 위해 격자 패치에 공급하고 격자 패치에 의해 수신된 신호를 격자 패치로부터 수신하는 구조이다. 피드 라인은 격자 패치에 용량적으로 결합되도록 배치된다. 격자 패치에 용량적으로 결합된 피드 라인의 구성은 용량성 커플링을 격자 패치의 피드 포트(port)에 도입시킨다. 장치는 또한, 격자 패치에 결합되며, 절단된 접지 소자의 일부인 비아 라인을 포함한다. 비아 라인은 독립된 접지 전압 전극에 연결되고, 격자 패치와 접지 전압 전극 사이에서 유도성 부하로서 작용한다.

종래의 전송 선로의 전기적 크기는 그 물리적인 치수에 관련되고, 이로써 장치 크기의 감소는 통상적으로 동작 주파수의 증가를 의미한다. 반대로, 메타물질 구조의 분포 곡선은 주로 4개의 CRLH 파라미터인 L_R, C_L, L_L, 및 C_R의 값에만 좌우된다. 결과적으로, CRLH 파라미터의 분포 관계를 조정하면, 소형의 물리적 RF 회로가 전기적으로 큰 RF 신호를 갖는 것이 가능해진다.

일례에서, 길이 L 및 폭 W를 갖는 직사각형 MTM 격자 패치는 커플링 갭을 통해 피드 라인의 연장인 개시 패드(launch pad)에 용량적으로 결합된다. 커플링은 직렬 커패시터 또는 LH 커패시터를 제공하여 왼손 모드를 발생시킨다. 금속성 비아는 상층 상의 MTM 격자 패치를 하층 상의 얇은 비아 라인에 연결시키고 최종적으로는 하면 접지면으로 이어져, 병렬 인덕턴스 또는 LH 인덕턴스를 제공한다.

몇몇 응용에서는, MTM 및 CRLH 구조 및 성분들은 LH 구조의 개념을 적용시키는 기술에 기초한다. 본원에 개시된 용어 "메타물질", "MTM", "CRLH" 및 "CRLH MTM"는 고유한 전자기적 속성을 만들어 내도록 종래의 유전성 및 도전성 물질을 이용하여 제작된 합성 LH 및 RH 구조를 일컬으며, 여기서 그러한 합성 단위 격자는 전파되는 전자기파의 자유 공간(free space) 파장보다 훨씬 더 작다.

다수의 종래 프린트 안테나는 파장의 절반보다 작고, 따라서 접지면의 크기는 그들의 임피던스 매칭 및 방사 패턴을 결정함에 있어 중요한 역할을 한다. 게다가, 이들 안테나는 접지면의 형상에 따라 좌우되는 강한 교차 편파 성분(strong cross polarization components)을 가질 수 있다. 종래의 단극(monopole) 안테나는 접지면에 종속적이다. 단극 도전성 트레이스(trace)의 길이는 우선적으로 안테나의 공진 주파수를 결정한다. 안테나의 이득은, 예를 들어, 접지면까지의 길이 및 접지면의 크기와 같은 파라미터에 좌우된다. 몇몇 실시 양태에서, 혁신적인 메타물질 안테나는 접지와 독립적이며, 여기서 설계는 동작 주파수 파장에 비해 작은 크기를 가져, 안테나 소자의 기본 구조를 변경하지 않고도 각종 장치에 이용하기에 매우 매력적인 해결법이 된다. 그러한 안테나는 MIMO(Multiple Input-Multiple Output) 응용에 적용가능한데, 이는 접지면 레벨에서 커플링이 발생되지 않기 때문이다. 다이폴 안테나와 같은 평형(balanced) 안테나가 그들의 광대역 특성 및 단순한 구조 때문에 무선 통신 시스템을 위한 가장 보편적인 해결법 중 하나로서 인식되어 있다. 평형 안테나는 무선 라우터, 셀룰러 폰, 빌딩, 선박, 항공기, 우주선 등에서 볼 수 있다.

무선 액세스 포인트 또는 라우터와 같은 몇몇 종래의 무선 안테나 응용에서, 안테나는 전방향성(omnidirectional) 방사 패턴을 나타내며 현존 IEEE 802.11 네트워크에 대해 증가된 커버리지를 제공할 수 있다. 전방향성 안테나는 360°의 확장된 커버리지를 제공하여, 더 먼 거리에서 데이터를 효과적으로 개선시킨다. 또한, 전방향성 안테나는 신호 품질의 개선 및 무선 커버리지에서의 난청 지역(dead spots)의 감소에 도움을 주어, WLAN(Wireless Local Area Network) 응용에 이상적인 것으로 된다. 그러나, 전형적으로, 무선 라우터와 같은 소형 휴대 장치에서는, 콤팩트한 안테나 소자와 주변 접지면 간에서의 상대 위치가 방사 패턴에 상당히 영향을 미친다. 패치 안테나 또는 PIFA(Planar Inverted F Antenna) 등과 같은, 평형 구조를 갖지 않는 안테나들은 비록 그들이 크기의 관점에서는 콤팩트하더라도, 주변의 접지면들은 그들의 전방향성을 쉽게 왜곡시킬 수 있다.

MIMO 기술을 이용하는 WLAN 장치들은 더 많은 다중 안테나를 필요로 하여, 서로 다른 안테나로부터 나온 신호들을 결합시킴으로써 무선 채널에서의 다중 경로를 이용할 수 있으며, 용량을 높이고, 커버리지를 양호하게 할 수 있고, 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 동시에, 소비자 장치들의 크기가 지속적으로 축소되어, 안테나를 매우 작은 치수로 설계할 필요가 있다. 종래의 다이폴 안테나 또는 프린트 다이폴 안테나의 경우, 안테나 크기는 동작 주파수에 강하게 종속되므로, 크기 감소가 도전 과제로 된다.

CRLH 구조를 안테나, 전송 선로 및 기타 RF 성분 및 장치를 구성하는데 이용할 수 있으므로, 기능성 증강, 크기 감소 및 성능 개선 등과 같은 광범위한 기술적 진보가 가능하다. 종래의 안테나와는 다르게, MTM 안테나 공진은 LH 모드의 존재에 의해 영향을 받는다. 일반적으로, LH 모드는 저주파수 공진의 여기 및 저주파수 공진의 양호한 매칭을 도와줄 뿐 아니라, 고주파수 공진의 매칭도 개선시킨다. 이들 MTM 안테나 구조는 종래의 FR-4 PCB 또는 FPC 보드를 이용하여 제조될 수 있다. 기타 제조 기술의 예로는, 박막 제조 기술, SOC(System On Chip) 기술, LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기술 및 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 기술이 포함된다.

본 명세서에서는 고려 대상(review)으로서 CRLH MTM 안테나의 기본적인 구조 소자가 제공되며 평형 MTM 안테나 소자에 이용되는 CRLH 안테나 구조의 기본 양상들을 기술하는데 도움이 된다. 예를 들어, 상기에서의 하나 이상의 안테나와 본 문헌에 기재된 다른 안테나 소자들은 RH 안테나 구조 및 CRLH 구조를 포함하여 각종 안테나 구조일 수 있다. RH 안테나 구조에서, 전자기파의 전파는 전계 E, 자계 H 및 파수 벡터 β(또는 전파 상수)를 고려하여, (E, H, β) 벡터계의 오른손 규칙을 따른다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파 방향(군속도)과 동일하고, 굴절률은 양수이다. 그러한 물질들을 RH 물질이라 일컬어진다. 대부분의 자연계 물질은 RH 물질이다. 인공 물질 또한 RH 물질일 수 있다.

메타물질은 인위적 구조일 수 있거나, 또는 앞서 설명한 바와 같이, MTM 성분을 인위적 구조로서 거동하도록 설계할 수 있다. 환언하자면, MTM 성분의 거동 및 전기적 합성을 설명하는 등가 회로는 MTM의 것과 일치한다. 구조 상의 평균 단위 격자 크기 ρ가 메타물질에 의해 안내되는 전자기 에너지의 파장 λ보다 훨씬 더 작게 설계되면, 메타물질은 안내된 전자기 에너지에 대해 균질성 매질처럼 거동할 수 있다. RH 물질과 다르게, 메타물질은 마이너스의 굴절률을 나타낼 수 있으며, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파 방향과는 반대일 수 있고, 여기서 (E, H, β) 벡터계의 상대 방향은 왼손 규칙을 따른다. 마이너스의 굴절률을 가지며 동시성 유전률 ε 및 투자율 μ를 갖는 메타물질을 순수 LH 메타물질이라 칭한다.

다수의 메타물질은 LH 메타물질과 RH 메타물질의 혼합으로서, CRLH 메타물질이다. CRLH 메타물질은 저주파수에서는 LH 메타물질처럼 거동하고 고주파수에서는 RH 메타물질처럼 거동할 수 있다. 각종 CRLH 메타물질의 구현 및 속성은, 예를 들어, Caloz and Itoh, "Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwavw Applications," John Wiley & Sons (2006)에 개시되어 있다. CRLH MTM 및 안테나에서의 그들의 응용은 Tatsuo Itoh씨에 의한 "Invited paper: Prospects for Metamaterials," Electronics Letters, Vol. 40, No. 16 (August, 2004)에서 기술되어 있다.

CRLH 메타물질은 특수 응용에 맞춤화되는 전자기 속성들을 나타내도록 구조화 및 제작될 수 있으며, 다른 물질이 이용하기에 곤란하거나, 실행 불가능하거나, 실현 불가능할 수 있는 응용에 이용될 수 있다. 또한, CRLH 메타물질은 새로운 응용을 개발하고 RH 물질로는 가능하지 않을 수 있는 새로운 장치를 구성하는데 이용될 수 있다.

메타물질 구조는 안테나, 전송 선로 및 기타 RF 성분 및 장치들을 구성하데 이용될 수 있어, 기능성 증강, 크기 감소 및 성능 개선 등의 넓은 범위의 기술적 진보를 가능하게 한다. MTM 구조는 하나 이상의 MTM 단위 격자를 갖는다. 위에서 논의한 바와 같이, MTM 단위 격자에 대한 집중 회로 모델 등가 회로는 RH 직렬 인덕턴스 L_R, RH 분로 커패시턴스 C_R, LH 직렬 커패시턴스 C_L 및 LH 분로 인덕턴스 L_L을 포함한다. MTM-기반 성분 및 장치들은 분산된 회로 소자, 집중 회로 소자 또는 이들 모두의 결합을 이용하여 구현될 수 있는 CRLH MTM 단위 격자에 기반하여 설계될 수 있다. 종래의 안테나와는 달리, MTM 안테나 공진은 LH 모드 존재에 의해 영향을 받는다. 일반적으로, LH 모드는 저주파수 공진의 여기 및 저주파수 공진의 양호한 매칭을 도와줄 뿐 아니라, 고주파수 공진의 매칭도 개선시킨다. MTM 안테나 구조는 "저역(low band)" 및 "고역(high band)"을 포함하여 다중 주파수 대역을 지원하도록 구성될 수 있다. 저역은 적어도 하나의 LH 모드 공진을 포함하고, 고역은 안테나 신호에 연관된 적어도 하나의 RH 모드 공진을 포함한다.

MTM 안테나 구조의 한 유형이 SLM(Single-Layer Metallization) MTM 안테나 구조이며, 여기서 MTM 안테나 구조의 몇몇 예 및 구현예의 도전부들은 2007년 4월 27일자로 출원된 발명의 명칭이 "메타물질 구조에 기반한 안테나, 장치 및 시스템(Antennas, Devices and Systems Based on Metamaterial Structures)인 미국 특허원 제11/741,674호 및 2009년 9월 22일자로 허여된 발명의 명칭이 "메타물질 구조에 기반한 안테나(Antennas Based on Metamaterial Structures)인 미국 특허 제7,592,957호에 개시되어 있다. 이들 MTM 안테나 구조는 종래의 FR-4 PCB 또는 FPC 보드를 이용하여 제조될 수 있다.

MTm 구조는 기판의 한 측 상에 형성된 단일 금속 배선층에 배치된다. 이와 같이 하여, 안테나의 CRLH 성분들은 기판의 한 면 또는 층에 인쇄된다. SLM 장치의 경우, 용량적으로 결합된 부분 및 유도성 부하 부분 모두 기판의 동일 측 상에 인쇄된다.

TLM-VL(Two-Layer Metallization Via-Less) MTM 안테나 구조는 기판의 두 평행면 상에 두 금속 배선층을 갖는 다른 유형의 MTM 안테나 구조이다. TLM-VL은 한 금속 배선층의 도전부를 다른 다른 금속 배선층의 도전부에 연결하는 도전성 비아를 갖지 않는다. SLM 및 TLM-VL MTM 안테나 구조의 예들 및 구현예가 2008년 10월 13일자로 출원된 발명의 명칭이 "단층 금속 배선 및 비아 없는 메타물질 구조(Single-Layer Metallization and Via-Less Metamaterial Structures)인 미국 특허원 제12/250,477호에 개시되어 있으며, 이 특허의 개시 내용은 원용에 의해 본원에 포함된다.

CRLH MTM 설계는 무선 및 원격통신 응용을 포함하여, 다양한 응용 분야에서 이용될 수 있다. 무선 응용 내의 소자들에 대해 CRLH MTM 설계를 이용하면, 이들 소자의 물리적 크기가 감소되고 이들 소자의 성능이 개선되는 경우가 종종 있다. 몇몇 실시 양태에서, CRLH MTM 구조는 안테나 구조 및 다른 RF 성분용으로 이용된다.

CRLH MTM 구조는 무선 액세스 포인트 및 기지국에서 고 이득 안테나를 구현하는데 이용될 수 있다. 액세스 포인트는 신호를 다른 수신기에 송신하는 고정 또는 이동 유닛일 수 있으므로, 무선 통신 시스템에서 라우터로서 작용한다. 이들 응용에서는, 고 이득 안테나를 이용하여 신호 범위를 확장시키고 송수신 능력을 증대시킬 수 있다. 본원에서 기재된 고 이득 안테나란, 집속되고 협소한 빔을 방사시켜 무선 신호를 주어진 방향으로 정확하게 목표 설정할 수 있게 하는 지향성 안테나를 가리킨다. 고 이득 안테나의 순방향 이득은 등방성 데시벨 측정, dBi에 의해 평가될 수 있으며, 이는 등방성 안테나에 대한 안테나 이득 또는 안테나 감도의 표시를 제공한다. 순방향 안테나 이득은 안테나에 의해 생성된 전력의 표시를 제공한다. 무선 장치 및 응용의 급증으로 인해, 허용된 EIRP(Effective Isotropic Radiated Power),dBm,에 대한 제한을 설정하는 것과 같이, 많은 정부는 생성된 전력을 규제한다. 이것은 1 밀리와트(mW)에 대해 측정된 방사된 전력이다.

예를 들어, 3 dBi의 피크 이득을 갖는 안테나를 내장한 장치를 고려해 보기로 한다. 그러한 무선 장치의 최대 EIRP가 30 dBm으로 제한된 경우, 약 27 dBm의 전력 레벨차가 남아 있는다. 이는, 안테나가 27 dBm을 방사할 수 있으며 허용가능한 한계치 내에 있다는 것을 의미한다. 3 dBi 안테나는 27 dBm을 이용하여 이 응용을 위해 출력 전력 범위를 최적화시킬 수 있다. 이것을 안테나의 피크 이득이 6 dBi인 고 이득 안테나와 비교한다. 이런 고 이득 안테나를 이용하면, 동일한 무선 장치는 24 dBm의 저 전력 레벨을 이용하여 전력 범위를 최적화하도록 설계될 수 있다. 따라서, 무선 응용의 경우, 안테나의 이득은 장치의 전력 소모에 직접적인 관련을 갖는다. 이와 같이, 고 이득 안테나는 저 이득 안테나보다 적은 전력을 이용하여 주어진 출력 전력 범위를 최적화시킬 수 있다. 안테나 방사를 정해진 방향으로 향하게 하기 위해 스마트 안테나 알고리즘을 채용하는 시스템에서, 주변 장치들에 대한 EMI를 줄일 수 있는데, 이는 고 이득 안테나는 클라이언트 장치의 방향으로만 방사하기 때문이다.

많은 응용 분야에서는, 장치의 무선 주파수(RF) 출력 전력을 감소시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 고 이득 안테나를 내장한 장치들은 일반적으로 증가된 에너지 효율을 갖는다. 추가로, 고 이득 안테나는 안테나를 지원하고 동작시키는데 요구되는 소자들을 감소시킴으로써 장치의 제조 비용을 최적화하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 고 이득 안테나는 상기 예에서 알 수 있는 바와 같이, 전력 증폭기(PA)의 전력 출력 레벨을 감소시키며, 여기서 고 이득 안테나는 시스템으로 하여금 더 적은 전력을 이용하여 전체 전력 제한을 최적화하게 한다. 또한, PA의 전력 출력을 감소시키면 EMI의 감소로 이어질 수 있다. EMI는 고 전력 출력이 더 높은 고조파 레벨을 포함하는 경향이 있으므로 발생할 수 있고, 이들의 더 높은 레벨은 EMI를 증가시킨다. 고 이득 안테나는 PA의 전력 출력을 감소시킴으로써 EMI를 감소시키도록 작용한다.

종래의 고 이득 안테나의 예로는, 혼(horn) 안테나 및 패치 안테나가 있다. 다이폴 안테나의 방사 패턴은 토로이드(toroid)의 축이 다이폴 주위에 집중되는 토로이달 형상(도넛 형상)을 가지며, 따라서 다이폴 크기가 파장의 약 절반일 때 아지머스 평면에서 전방향성이다. 다이폴은 크기를 파장의 절반과 다르게 함으로써 지향성으로 될 수 있다. 예를 들어, 전파(full-wave) 다이폴은 3.82 dBi의 안테나 범위를 갖는다. 길이가 약 1.25 λ일 때 더 많은 지향성을 얻을 수 있다. 그러나, 다이폴을 더 길게 하면, 방사 패턴은 분열(break up)되기 시작하여 지향성은 급격하게 떨어진다. 게다가, 전파 다이폴 및 심지어 반파(half-wave) 다이폴의 크기가 크므로, 어는 경우든 현대의 무선 장치에 적합하지 않다. 혼 안테나는 고 이득을 갖지만, 역시 부피가 너무 커서 현대의 무선 장치에 적합하지 않다. 혼 안테나에서의 다른 단점은 요구된 커버리지를 제공하는데 다중 혼 안테나를 필요로 하는 경우가 흔한데, 이는 일부 응용의 경우 지향성이 너무 높을 수 있기 때문이다. 패치 안테나는 고 유전성 물질로 채워질 경우 크기가 콤팩트해 질 수 있고, 고 이득을 전달할 수 있다. 그러나, 패치 안테나는 무선 장치에서 구현하기에는 너무 고가인 경향이 있다.

CRLH MTM 안테나 구조는 종래의 고 이득 안테나의 많은 단점을 피하게 해주는 고 이득 안테나를 제공한다. CRLH MTM 성분은 PCB와 같은 기판 상에 인쇄될 수 있어, 용이하게 제조되고 경제적인 해결법을 제공한다. PCB는 절단되거나 패턴화된 접지부(들)를 갖는 면(surface) 또는 접지면을 포함한다. 그러한 설계에서, 프린트 안테나는 지원되는 주파수 범위 파장의 절반보다 작게 되도록 설계될 수 있다. 그러한 안테나의 임피던스 매칭 및 방사 패턴은 접지면의 크기 및 접지면까지의 거리에 의해 영향을 받는다. CRLH MTM 안테나 구조는 기판의 제1 면 상에는 프린트 성분을, 대향 면 또는 접지면 상에는 다른 프린트 성분을 가질 수 있다.

CRLH MTM 구조(들)을 이용하면, 큰 접지면에 대해 전략적으로 배치된 소형 프린트 안테나(들)을 이용하여 고 이득을 달성할 수 있다. 접지면에 안테나를 더 근접하게 배치할수록, 안테나와 접지면 사이에 존재하게 될 커플링은 더 강력해진다. 환언하자면, 안테나와 접지면 간의 거리는 그들 간의 전자기적 커플링의 세기에 반비례한다. 추가로, 안테나를 접지면의 코너나 에지에 근접하게 배치할 경우, 도 26의 구성에서 도시된 바와 같이, 예를 들어, 장치의 에지에서 최종 방사 패턴이 그 코너 또는 에지 쪽을 향하게 될 것이며, 여기서 안테나(402)의 방사 패턴은 기판(414)의 좌측을 향하는 방사 패턴을 가지며, 안테나(406)의 방사 패턴은 기판(414)의 우측을 향하는 방사 패턴(424)을 갖는다.

그러나, 안테나 이득은 접지면에 대한 안테나 위치에 따라 상당히 변한다. CRLH MTM 구조는 안테나, 전송 선로 및 기타 RF 성분 및 장치를 구성하는데 이용할 수 있으므로, 기능성 증강, 크기 감소 및 성능 개선 등과 같은 광범위한 기술적 진보가 가능하다. 고 이득 CRLH MTM 안테나 구조는 높은 지향성을 산출하고 안테나 구조의 크기를 감소시키면서 이러한 진보를 제공할 수 있다.

종래의 안테나와는 다르게, MTM 안테나 공진은 LH 모드의 존재에 의해 영향을 받는다. 일반적으로, LH 모드는 저주파수 공진의 여기 및 저주파수 공진의 양호한 매칭을 도와줄 뿐 아니라, 고주파수 공진의 매칭도 개선시킨다. 이들 MTM 안테나 구조는 종래의 FR-4 PCB 또는 FPC 보드를 이용하여 제조될 수 있다. 기타 제조 기술의 예로는, 박막 제조 기술, SOC(System On Chip) 기술, LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기술 및 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 기술이 포함된다.

일 실시 양태에서, 고 이득 CRLH MTM 안테나는 기생 용량성 소자를 내장하여 안테나의 지향성 방사를 증강시킨다. 기생 용량성 소자는 안테나의 방사부에 근접하게 배치되며, 여기서 안테나의 방사부와 기생 용량성 소자 사이에는 전자기적 커플링이 존재한다. 이런 전자기적 커플링이 안테나의 지향성을 만든다. 기생 용량성 소자를 CRLH MTM 안테나 또는 안테나 어레이에 적용시키기 위한 다양한 구성을 구현할 수 있다.

도 1은 기판(110) 상에 구성되는 종래 기술의 MTM 안테나 구조(100)를 도시한다. 안테나 구조(100)의 부분들 중 일부 또는 모두가 기판(110) 상에, 예를 들어, 기판(110)의 여러 측 상에 인쇄된 도전성 물질을 포함할 수 있다. 기판(110)은 기판(110)의 제1 면을 다른 면과 전기적으로 격리시키는 유전성 물질을 포함한다. 기판(110)의 표면은 다층 구조에 포함되는 층일 수 있는데, 예를 들어, 무선 가능(wireless capable) 장치에서 PCB 또는 응용 보드의 적어도 일부일 수 있다. 안테나 구조(100)는 앞서 설명된 바와 같이, 일부 조건 하에서는 LH 물질로서 작용하고 다른 조건 하에서는 RH 물질로서 작용하는 구조인 CRLH 메타물질 구조 또는 구성을 포함한다. 일례에서, CRLH MTM 구조는 저주파수에서는 LH 메타물질처럼 거동하고 고주파수에서는 RH 메타물질처럼 거동함으로써, 다중 주파수 범위를 허용하고/하거나 장치의 동작 주파수 범위를 확장 또는 넓힌다. CRLH MTM은 특수 응용에 맞도록 맞춤화된 전자기적 속성을 나타내도록 구조화되고 제작될 수 있으며, 새로운 응용을 개발하고 새로운 장치들을 구성하는데 이용된다. MTM 안테나 구조는 다양한 물질을 이용하여 구축될 수 있으며, 이런 구조는 CRLH 물질로서 거동한다.

안테나 구조(100)는 복수의 단위 격자를 포함하며, 각각의 단위 격자는 CRLH MTM 구조로서 작용한다. 단위 격자는 격자 패치(102) 및 비아(118)를 포함하며, 비아(118)는 격자 패치(102)가 비아 커넥션(119)을 통해 접지 전극(105)에 결합하는 것을 가능하게 한다. 비아 커넥션(119)은 기판(110)의 상이한 면 또는 층들 상의 두 비아를 연결하는 도전성 트레이스 또는 소자이다. 개시 패드(104)는 격자 패치(102) 중 하나에 근접하게 구성되어, 피드 라인(106) 상에서 수신된 신호들이 개시 패드(104)에 공급된다. 격자 패치(102)는 개시 패드(104)에 커플링 갭(108)을 통해 용량적으로 결합된다. 신호 전송으로 인해 전하가 개시 패드(104) 상에 축적되게 된다. 개시 패드(104)와 격자 패치(102) 간에서의 전자기적 커플링으로 인해, 개시 패드(104)로부터 격자 패치(102) 상에 전하가 유도된다. 마찬가지로, 안테나에서 수신된 신호로 인해, 격자 패치(102) 상에 전하기 축적되고, 그 후에 전자기적 커플링으로 인해 전하는 개시 패드(104) 상으로 유도된다.

기판(110)은 유전층에 의해 격리되는 두 도전층과 같은 다수의 층을 포함할 수 있다. 그러한 구성에서, 안테나 구조(100)의 소자들은 도전성 물질을 이용하여 제1 층 상에 인쇄되거나 형성될 수 있는 반면, 다른 소자들은 제2 층 상에 인쇄 또는 형성된다. 제1 층 및 제2 층 중 하나는 접지 전극을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 안테나 구조(100)는 비아 커넥션(119)이 결합되는 접지 전극(105)을 갖는다. 각각의 비아 커넥션(119)은 대응하는 격자 패치(102)에 유도성 부하를 제공한다. 피드에서의 격자 패치(102)로의 용량성 커플링 및 접지로의 유도성 장하(loading)는 안테나 구조(100)의 LH 및 RH 거동을 용이하게 한다.

격자 패치(102)는 안테나(100)의 복사체(radiator)로서, 기판(110)의 제1 층 또는 제1 면을 따라 구성된다. 명확히 하기 위해, 격자 패치(102)가 형성되는 면을 상면 또는 상층(101)이라 한다. 제2 면 또는 제2 층은 하면 또는 하층(103)이라 한다. 예시된 배향에서, 기판(110)은 z-방향으로 높이 치수를 갖는다.

상면(101) 내의 커플링 갭(108)은 종단(terminal) 격자 패치(102)와 대응하는 개시 패드(104)를 이격시킨다. 또한, 각각의 격자 패치(102)는 커플링 갭(109)에 의해 그 다음 격자 패치(102)와 격리된다. 개시 패드(104)는 격자 패치(102)에 신호를 공급하고 격자 패치(102)로부터 신호를 수신하기 위한 피드 라인(106)에 결합된다. 각각의 격자 패치(102)는 비아(118)를 가지며, 비아 커넥션(119)에 의해 접지 전극(105)에 결합된다. 기판(110)의 하면은 접지면일 수 있거나, 하면 구조(103) 상으로 패턴화된 접지 전극과 같은, 절단된 접지부를 포함할 수 있다.

도 2는 안테나 구조(100)의 일부에 대한 추가 도면으로서, 기판(110)의 격자 패치(102)와 개시 패드(104) 사이에 존재하는 격자 커플링을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 격자 커플링은 커플링 갭(108) 내에서 발생한다. 개시 패드(104)는 피드 라인(106)에 결합되고, 안테나(100)로부터 송신을 위한 전기 신호를 수신한다. 개시 패드(104) 상에 존재하는 전압은 격자 커플링으로 인해 격자 패치(102)에 영향을 준다. 환언하자면, 개시 패드(104)의 전기적 상태에 응답하여 격자 패치(102) 상에 전압이 유도된다. 격자 커플링의 양은 개시 패드(104), 격자 패치(102) 및 커플링 갭(108)의 기하 구조의 함수이다. 도시된 바와 같이, 격자 패치(102)는 비아 커넥션(119) 및 접지 전극(105)에 결합되는 비아(118)를 갖는다. 피드 라인(106)은 피드 포트(107)에 결합되며, 이 피드 포트(107)는 접지(111)에 전기적으로 연결된다. 접지(111)는 상면(101)의 일부일 수 있거나 다른 층의 일부일 수 있다.

안테나 측정 기술은 이득, 방사 패턴, 빔폭(beamwidth), 편파 및 임피던스를 포함하지만 이들로만 제한되는 것은 아닌, 각종 안테나의 파라미터를 측정한다. 안테나 패턴이나 방사 패턴은 예를 들어, 피드 포트를 통해 안테나에 공급되고 그 후에 안테나에 의해 전송되는 신호에 대한 안테나의 응답이다.

방사 패턴의 측정은 전형적으로 3차원 또는 2차원 플롯으로 플롯된다. 대부분의 안테나는 가역성 소자(reciprocal device)로서, 송신 및 수신에 대해 동일하게 거동한다. 방사 패턴은 안테나의 원거리장 영역(far-field) 속성과 같은, 방사의 그래픽 표현이다. 방사 패턴은 송신의 상대 필드 세기를 보여준다. 안테나가 공중(in space)에 방사할 때, 방사 패턴을 예시하거나 그래프로 표현하여 안테나를 설명하는 다양한 방법들이 있다. 안테나 방사 패턴이 축을 중심으로 대칭이 아닐 경우, 여러 도면을 이용하여 안테나 응답 및 거동을 예시할 수 있다. 안테나의 방사 패턴은 또한, 단위 면적당 방사된 전력이 동일한 모든 지점(points)의 궤적(locus)으로서 정의될 수 있다. 단위 면적당 방사된 전력은 전자기파의 자승(suqared) 전계에 비례한다. 방사 패턴은 동일한 전계를 갖는 지점들의 궤적이다. 그러한 표현에서, 기준은 통상적으로 최적의 방사각이 된다. 또한, 안테나의 지향성 이득을 방향의 함수로서 나타내는 것도 가능하다. 이득은 흔히 dB로 주어진다.

방사 그래프는 관행 상, 최대 이득 주변의 -3 dB 지점에서의 각도인 빔폭을 측정하는데 유용한 데카르트 좌표 또는 극(polar) 플롯을 이용할 수 있다. 곡선 형상은 데카르트 좌표 또는 극좌표에서 매우 다를 수 있으며, 로그 눈금의 한계치 선택에 따라 매우 다를 수 있다.

송신용 안테나로부터의 방사는 거리에 따라 역으로 변한다. 관찰각에 따른 변화는 안테나에 좌우된다. 관찰각들이 포함된다. 방사 패턴은 안테나가 송신중일 때 안테나로부터의 방사각 변화를 제공한다. 방사 패턴은 안테나의 지향성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 한 유형의 브로드캐스트 상황에서는 일정한 방사를 갖는 전방향성 안테나가 바람직할 수 있다. 다른 상황은 더 지향된 빔일 수 있다. 지향성은 방사된 모든 전력이 안테나 주변에서 균일하게 분포되어 있을 경우 생길 수 있는 것보다 방사된 피크 전력 밀도가 그 안테나에 대해 얼마나 더 큰지를 나타낸다. 안테나의 지향성은 안테나로부터 동일한 거리에서의 평균 전력 밀도에 대한 패턴 최대치 방향으로의 전력 밀도의 비로 고려될 수 있다. 그래서, 안테나의 이득은 안테나 손실에 의해 감소되는 지향성이다. 빔폭은 중요한 성능 파라미터를 수용할 수 있는 주파수 범위이다.

이득은 주어진 안테나의 지향성을 측정하는 안테나 파라미터이다. 저 이득을 갖는 안테나는 모든 방향으로 동일하게 방사를 방출하는 한편, 고 이득 안테나는 특정 방향으로 우선적으로 방사할 것이다. 구체적으로 기술하자면, 안테나의 이득, 지향성 이득 또는 전력 이득은 가설의 등방성 안테나에 의해 동일 거리에서 방사된 세기로 나누어지는 임의 거리에서의 주어진 방향으로 안테나에 의해 방사된 세기의 비(단위 면적당 전력)로 정의된다.

안테나로부터의 송신은 시간에 따라 변하고 주파수, 크기(magnitude), 위상, 및 편파에 대해 관찰될 수 있는 전자기파이다. 안테나의 이득은 편파에 대해 설명될 수 있으며, 편파가 시간에 따라 변하고 공간 좌표를 가지므로, 이득은 전계의 세기로 제시간에 주어진 지점에 대해 측정될 수 있다. 이와 같이 하여, 측정치(measurement) 전계의 두 성분인, 크기 및 방향을 갖는다. 전형적으로, 이것은 두 측도(measures)로 플롯되는데, 하나는 편파 방향으로의 전계의 크기에 대응하는 것이고, 나머지 하나는 편파 방향에 대해 90°각도인 전계의 크기에 대응하는 것이다. 이는 2차원 플롯이다. 제1 측도는 동일-편파(co-polarization) 이득. 즉 θ 이득으로 참조되고, 제2 측도는 교차-편파(cross-polarization) 이득, 즉 φ 이득으로 참조된다. 마지막으로, 총 이득은 동일-편파 이득과 교차-편파 이득의 총합인 것으로 고려될 수 있다. 이하의 예시들 중 몇몇에서는, 방사 패턴은 그러한 기술을 이용하여 기술된다.

도 3은 도 1의 안테나(100)에 의해 발생된 방사 패턴을 도시한다. 방사 패턴은 3차원으로 도시되고, y-축을 중심으로 미러링되는(mirrored) 도넛 형상으로 제시된다. 도 4는 동일-편파, 교차=편파 및 이들 둘의 결합에 각각 대응하는 θ 이득, φ 이득 및 총 이득을 dB로 플롯한 것이다. 그들은 도 3의 3차원 방사 패턴의 x-z 컷(cut)이다. 도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같은, 콤팩트한 안테나의 경우, 교차-편파는 동일-편파와 유사하다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 방사 패턴은 의미 있는 지향성을 갖는 것이 아니라, 오히려 x-축을 중심으로 더 많은 거의 전방향성이다.

도 5 및 도 6은 평형(balanced) 및 불평형(unbalanced) 경우를 고려한 도 1의 메타물질 구조(100)에 연관된 분포 곡선이다. 단위 격자에 대한 CRLH 분포 곡선은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 전파 상수 β를 주파수 ω의 함수로서 플롯한 것으로, ω_SE=ω_SH (평형, 즉 L_R C_L = L_L C_R) 및 ω_SE≠ω_SH (불평형) 경우 각각을 고려한다. 후자의 경우는, min(ω_SE,ω_SH)과 max(ω_SE,ω_SH) 사이에 주파수 갭이 존재한다. 또한, 도 5 및 도 6은 분포 곡선을 따라 공진 위치의 예들을 제공한다. RH 영역(n>0, 여기서 n은 단위 격자의 굴절률임)에서,

=Nρ(여기서, ρ는 단위 격자 크기)로 주어지는 구조 크기

은 주파수가 감소함에 따라 증가한다. RH 영역에 대비되어, LH 영역에서는, Np의 값이 작아짐에 따라 저주파수에 도달하고, 그러므로 LH 영역은 단위 격자의 크기 감소를 허용한다.

안테나 성분의 형상을 변경함에 의해, 도 1 및 도 2에 도시된 것들과 마찬가지로, 하나 이상의 MTM 단위 격자를 이용하여 지향성 안테나를 구축할 수 있다. 안테나 구조(100)는 격자 패치(102) 및 개시 패드(104)의 형상이 규칙적인 기하 형상이 되도록 구성되고, 여기서 개시 패치(104)의 한 측은 격자 패치(102)의 한 측에 매칭되는 것에 주목한다. 도 7 및 도 8에 도시된 일례에서, 안테나 구조(150)의 형상은 V-형상이다. 안테나 구조(150)는 V-형상을 형성하는 두 성분을 갖는 격자 패치(154)를 포함하고, 격자 패치(164)에 대해 사실상 상호 보완적인 V-형상을 형성하는 두 성분을 갖는 개시 패드(154)를 포함한다. 선택적으로, 격자 패치면(160)과 개시 패드면(150) 사이의 간격 또는 갭 사이에서 용량성 커플링이 발생한다. 환언하자면, 개시 패드(154)와 격자 패치(164) 사이의 간격 구성이 용량성 커플링을 가능하게 한다. 간격은 격자 패치(164)와 개시 패드(154) 사이의 영역을 특정하는 격자 커플링 갭(151)이다. 격자 패치(164)와 개시 패드(154)의 결합은 그들 간에서의 용량성 커플링 면적의 최적화를 구한다. 격자 패치(164)는 비아(158)를 포함하며, 이 비아는 기판 내에 형성되어 안테나 구조(150)에 유도성 부하를 제공한다. 안테나 구조(150)는 또한, 개시 패드(154)에 결합된 피드 라인(156)을 가지며, 피드 라인(156)은 접지 전극(170)에 결합된 피드 포트(152)에 결합된다. 안테나 구조(150)는 또한, 하층을 포함하며, 여기서 비아 라인이 도 12의 구성과 마찬가지로, 접지 전극에 결합된다.

도 8은 기판(161) 내에서의 안테나 구조(150)의 위치설정을 보여주는 구성(180)을 도시한다. 안테나 구조(150)는 PCB 또는 FR-4 등의 유전체 상에 인쇄될 수 있다. 마찬가지로, 안테나 구조(150)는 도넛 보드형 구성 상에서와 같은, 하나 이상의 보드 상에 구성될 수 있다.

도 9는 안테나 구조(150)에 연관된 방사 패턴을 도시한다. 안테나 구조(150)의 방사 패턴의 형상은 y-z 평면에 성분들을 갖는, 안테나 구조(100)의 것과는 다르다. 차이점들은 도 10에서 두드러지는데, 도 10에서는 x-z 평면에서 방사 패턴의 2차원도를 보여준다.

안테나 구조(150)와 같은 구조에 용량성 소자를 추가시키면 안테나의 지향성을 개선시키는 작용을 한다. 도 11은 실제로 상호 보완적으로 형상된 용량성 소자를 갖는 V-형상 격자 패치를 포함한 안테나(200)를 도시한다. 도 11의 안테나(200)는 다수의 성분, 부분 또는 가늘고 기다란 소자를 갖는 개시 패드(204)를 갖는다. 도시된 실시 양태에서, 개시 패드(204)는 V-형상이다. 격자 패치(208)는 다수의 에지 또는 면들을 공유하는 사실상 상호 보완적 형상을 갖는다. 개시 패드(204)는 V-형상인 개시 패드면(230)을 갖는다. 격자 패치(208)는 유사하지만 대응하는 더 작은 V-형상 및 표면 격자 패치 면(232)을 갖는다. 전하나 전류가 피드 라인(206)을 통해 개시 패드(204) 상으로 구동되면, 격자 커플링 갭(201)에서 개시 패드(204)와 격자 패치(208) 간의 전자기적 커플링을 통해 격자 패치(208) 상에 전하기 유도된다. 피드 포트(207)가 피드 라인(206)에 결합되어 신호 소스에 대한 커플링이 가능해진다. 일례에서, 피드 포트(207)는 동축 케이블에 결합된다. 또한, 다른 안테나 실시 양태는 대체 형상 또는 형상의 변형을 구현할 수 있다.

안테나(200)는 또한 격자 패치(208) 및 개시 패드(204)와 유사한 형상을 갖는 기생 소자(220)를 포함한다. 기생 소자(220)는 V-형상을 이루며 기생 소자 면(236)을 갖는다. 전하가 격자 패치(208) 상에 유도될 때, 또한 전하는 기생 커플링 갭(203)에서의 커플링을 통해 기생 소자(220) 상에 유도된다. 격자 패치(208) 및 기생 소자(220)와 같은 다수의 복사체의 감소된 표면적을 제공함에 의해, 안테나(200)에 의해 형성되는 최종 빔은 특정 방향으로 더 강하게 향한다. 다른 실시 양태는 도 11 및 도 17에서 도시된 대체 형상 또는 형상의 변형을 구현할 수 있다.

도 11에 도시된 안테나(200)의 특징부들(features)이 기판이나 PCB의 제1 면 또는 상면 상에 형성된다. 기판의 독립 층 또는 하면 상에 형성되는 대응하는 특징부들이 도 12에 도시된다. 하면 접지 전극(210)은 비아 라인(212)에 결합된다. 비아 라인(212)은 비아 패드(214)를 하면 접지 전극(210)에 결합시키며, 여기서 비아 커넥션 포인트(219)가 비아 패드(214) 상에 위치되어 기판의 제1 면의 격자 패치(208) 상의 비아 커넥션 포인트(218) 간에 전기적 연결을 제공한다. 환언하자면, 비아 커넥션 포인트(218 및 219)는 기판을 관통하는 비아를 형성하여 격자 패치(208)와 비아 라인(212) 사이에 도전성 경로를 제공한다. 도 11 및 도 12의 특징부들은 기판의 각 면 상에 형성되거나 인쇄되는 도전성 물질로 만들어질 수 있으며, 구리와 같은 금속이나 기타 도전성 물질일 수 있다.

도 13은 도 11의 안테나(200)의 소자들 간의 전자기적 커플링을 도시한다. 개시 패드(204)와 격자 패치(208) 간의 커플링은 커플링 갭(208) 내에서 확인된다. 전자기적 커플링은 전하가 개시 패드(204) 상으로 구동될 때 격자 패치(208) 상으로 전하를 유도시키는 작용을 한다. 마찬가지로, 안테나(200)에서 전하가 수용되면, 구체적으로 기술하자면 격자 패치(208) 상으로 전하가 유도되면, 전자기적 커플링은 개시 패드(204) 상에 전하를 유도시키는 작용을 한다. 도시된 바와 같이, 전자기적 커플링은 개시 패드(204)의 제1 소자와 격자 패치(208)의 제1 측 사이에 있는 제1 축을 따라 존재하며, 여기서 제1 축은 개시 패드의 제1 소자와 거의 평행이다. 전자기적 커플링은 또한 제1 축과는 다른, 개시 패드(204)의 제2 소자와 격자 패치(208)의 제2 측 사이의 제2 축을 따라 존재한다. 또한, 전자기적 커플링은 격자 패치(208)의 제3 측과 기생 도전성 소자(220)의 제1 측 사이에도 존재하고, 전자기적 커플링은 격자 패치(208)의 제4 측과 기생 도전성 소자(220)의 제2 측 사이에 존재한다.

도 14는 하면 접지 전극(210) 및 상층(222)을 갖는 기판(213) 상에 형성된 안테나(200)를 도시한다. 피드 라인(206) 및 개시 패드(204)는 상층(222) 상에 형성 및 구성된다. 격자 패치(208) 및 기생 용량성 소자(220)는 또한, 상층(222) 상에 형성 및 구성된다. 도시된 바와 같이, 개시 패드(204), 기생 용량성 소자 및 격자 패치(208) 각각은 V-형상을 가지며, 이들 소자들은 스택(stack)에서 사실상 서로 보완하도록 구성된다. 이들 소자의 구성은 이들 소자 간의 용량성 커플링으로 인해 유효 방사 경로를 제공한다.

도 14에 계속하여, 격자 패치(208)는 비아(218)에 결합되는 비아 커넥션 포인트(219)를 포함한다. 비아(218)는 이로써 하면 상의 비아 패드(214) 내의 비아 커넥션 포인트(221)에 결합된다. 비아 패드(214)는 도 14에는 도시되지 않지만 도 12에 도시되어 있는, 하면 접지 전극에 결합되는 비아 라인(212)에 결합된다. 기판(213)은 상층(222)과 하면 또는 접지 전극(210)을 격리시키는 유전층을 포함할 수 있다. 하면 접지 전극(222)은 도 13에 도시된 바와 같이, 비아 라인(21)에 부응하도록 구성된다. 하면 접지 전극(222)은 이해를 명확하게 하기 위해, 비아 라인(212)과 전기적 접촉하도록 위치된 대시선 박스의 하층 또는 하면 상에 있는 것으로 도 14에 도시된다.

일례의 실시 양태에 따르면, 상층(222) 및 하층(210)을 갖는 기판(213) 상에 형성된 고 이득 MTM 안테나의 구조는 기판(213)의 여러 금속 부품 상에 형성되거나 인쇄된 패턴일 수 있다. 최종적인 고 이득 MTM 안테나(200)는 격자 패치(208) 및 커플링 갭 1에 의해 격자 패치(208)와 격리된 개시 패드(204)로 이루어진 상층 상의 일부를 갖는다. 이로써, 이 부는 대향 층인 하층(210) 상에 형성된 비아 패드(214) 및 비아 라인(212)에 결합되고, 하층(210)은 또한 하면 접지부를 포함할 수 있다. 기판(213)은 임의 수의 층들을 포함하며, 여기서 안테나(200)의 여러 부분들은 기판(213) 내 서로 다른 층들에 위치되는 것에 주목한다. 예를 들어, 상층(222) 및 하층(210)은 기판(213)의 외측 상에 있지 않을 수도 있지만, 기판(213) 내 층일 수 있으며, 여기서 상층(222)과 하층(210) 사이에 유전체 및 다른 격리 물질이 위치된다. 상층(222)은 하층(210)의 하층 접지 위에 형성되어 격리되는 접지부를 포함할 수 있어, 예를 들어, 동일-평면 도파로(CPW) 피드 포트(207)가 또한 상층(222) 또는 접지부에 형성될 수 있게 된다. 그 후, CPW 피드 포트(207)는 피드 라인(206)에 연결되어 전력을 전달한다. 기생 소자(220)는 커플링 갭 2에 의해 격자 패치(208)와 격리된 상층(222)에 형성되고, 여기서 커플링 갭 2는 격자 패치(208)와 개시 패드(204) 사이의 커플링 갭 1과 다른 치수를 가질 수 있다. 개시 패드(204), 격자 패치(208) 및 기생 소자(220)는 네스팅된(nested) V-형상을 형성하며, 여기서 이런 구조는 이 예에서 피드 라인(216) 및 비아 라인(212)에 대해 대칭이다. 안테나를 위한 다양한 피딩 메커니즘이 있다(예를 들어, CPW, 마이크로스트립 라인, 동축 케이블). 일례에서는 CPW가 제공된다.

도 15는 기판(261) 내에서의 안테나(200)의 위치를 설정하는 구성(240)을 특정한다. 안테나(200)는 유전체 기판 상에 형성될 수 있는데, 예를 들어, 하나 이상의 층 상에 인쇄된다.

도 16은 도 14의 안테나(200)에 의해 생성되는 방사 패턴(240)을 도시한다. 방사 패턴은 방사 패턴의 로브(lobes)가 축을 따라 더 집중되므로 안테나(150)보다 그 이상의 지향성을 나타낸다. 도 17은 y-z 평면에서 방사 패턴의 2차원 플롯이다.

도 18은 다수의 기생 용량성 소자(320 및 321)를 갖는 안테나(300)의 일 실시 양태를 도시한다. 이런 구성은 안테나(200)의 구성과 유사하며, 함께 Y-형상 구조를 형성하는 피드 라인(306) 및 개시 패드(304)를 갖는다. 안테나(300)는 개시 패드(304)에 대해 상보적인 V-형상을 갖는 격자 패치(302)를 더 포함한다. 제1 기생 용량성 소자(320)는 격자 패치(302)에 근접 배치된다. 제2 기생 용량성 소자(321)는 제1 기생 용량성 소자(320)에 근접 배치된다. 제1 기생 용량성 소자(320) 및 제2 기생 용량성 소자(321)의 동작은 지향성 안테나 방사를 더 집중시킨다. 격자 패치(302)는 비아 커넥션 포인트를 가지며, 이 비아 커넥션 포인트는 비아의 일부로 참조될 수 있으며, 격자 패치(302)를 다른 층의 비아 패드(도시 안 됨), 예를 들어, 도 11에 도시된 안테나(200)의 비아 패드(214) 및 비아 라인(212)에 결합시킨다. 제1 기생 용량성 소자(320) 및 제2 기생 용량성 소자(321)는 본 실시 양태에서는 V-형상을 갖는 것으로 도시된다. 다른 실시 양태는 안테나 구조에 기생 커패시턴스를 부가시키는 다양한 형상 및 구성을 구현할 수 있다. 마찬가지로, 기타 RF 구조는 기생 커패시턴스를 내장시켜 장치의 지향성을 증가시킬 수 있다.

고 이득을 갖는 지향성 안테나 방사 패턴을 제공하는 개시 패드 및 격자 패치 구성을 제공하는 다양한 형상 및 구성이 가능하다. 도 19는 역 V-형상인 다른 형상을 갖는 안테나(320)의 일 실시 양태를 도시한다. 개시 패드(314)는 피드 라인(326)에 결합되고, 피드 라인(326) 위에 역 V-형상을 형성한다. 격자 패치(322)는 개시 패드(324)에 근접 배치된 대응하는 형상을 갖는다. 마지막으로, 기생 소자(340)는 격자 패치(322)에 근접 배치된다. 기생 소자(340), 격자 패치(322) 및 개시 패드(324)의 결합은 안테나(320)에 대한 복사체 구조를 제공한다. 격자 패치(322)는 격자 패치(322)를 다른 층의 비아 패드 및 비아 라인(도시 안 됨)에 결합시키는, 비아 커넥션 포인트 또는 비아부를 갖는다. 도 20은 기판(351) 상에 안테나(320)의 위치를 설정하는 구성(350)을 도시한다.

도 21은 구성(350)에서와 같이, 안테나(320)에 연관된 방사 패턴이다. y-z 평면을 따라 도입되는 지향성이 존재한다. 2차원 방사 패턴을 이용하여 안테나 구조의 거동을 한층 더 예시할 수 있으며, 구체적으로는 기생 용량성 소자를 내장시킨 각종 구성의 이득 개선을 예시한다. 2차원 방사 패턴은 x-z 평면에서 보여지는 바와 같은 방사 패턴의 컷(cut)을 예시하며, 본 실시 양태의 dBi 이득을 예시한다.

도 22는 도 11의 안테나(200)와 유사한 안테나(280)에 연관된 샘플 방사 패턴을 도시한다. 도 22에 도시된 방사 패턴은 명확한 이해를 돕도록 단순화된 예들로, 실제 측정된 값을 나타내는 것은 아니다. 이들 패턴은 용량성 소자를 갖는 다른 형상 및 구성의 안테나 구조에 연관된 지향성 변화를 예시한다. 방사 패턴(240)은 z 축을 따라 연장하는 두 로브를 갖는 대시선으로 특정된다. 로브의 길이는 B₀ 및 B₀'로 특정된다. 도 7의 안테나 구조(150)에 연관된 방사 패턴을 나타내는 비교 방사 패턴(272) 역시 도시되어 있다. 방사 패턴(272)은 z-축을 따라 연장되는 로브를 가지며, 길이는 A₀ 및 A₀'로 특정된다. 도시된 바와 같이, 용량성 소자(220)의 추가에 의해 z-축을 따르는 방사 패턴이 더욱 집중되므로, B₀ > A₀ 및 A₀ > A₀'가 된다. 방사 패턴(240)은 이 예에서는 거의 타원형으로 도시되어 있지만, 그러나, 형상은 다양한 형태 중 임의 형태를 취할 수 있다. 실제 방사 패턴은 z-축보다는 y-축을 따라 규정되는 더 긴 길이를 갖고 불규칙적으로 형상화될 수 있다. 일부 형상은 y-축보다는 z-축을 따라 규정되는 더 긴 길이를 가질 수 있으므로 더 큰 z-지향성을 갖는다. 안테나(200)는 지향성 축을 따라 고 이득을 갖는 지향된(directed) 안테나이다.

도 23은 용량성 소자(321)를 갖는 도 18의 안테나(330)의 방사 패턴을 도시한다. 안테나(300)는 비아(305)를 가지며, 비아(305)는 대시 볼드선으로 특정되는 방사 패턴(292)의 중심점 C를 특정한다. 명확한 이해와 비교를 위해, 여기서는 도 22의 방사 패턴(240 및 272)을 재현한다. 방사 패턴(292)은 z-축을 따라 연장되는 로브를 갖는다. 도시된 바와 같이, 방사 패턴(272)은 방사 패턴(240 및 272)보다 더 지향성이다. 기생 용량성 소자를 구조에 부가시킴으로써, 최종의 방사 패턴은 z-축을 따라 더 집중하게 된다. 방사 패턴(292)은 z-축의 각 측 상에서 C₀ 및 C₀'로 특정되는 중심점 C로부터의 길이를 갖는다. 방사 패턴(292)의 길이는 방사 패턴(272)의 길이보다 길다. 방사 패턴(240)은 방사 패턴(272)보다 더 협소하게 지향되거나 더 구체적으로 지향되는 빔을 갖는다. 고유 변화는 기생 용량성 소자의 크기 및 송신 및 수신된 신호의 주파수 범위 및 진폭에 좌우된다. 추가로, 성능은 기생 용량성 소자의 형상, 기생 용량성 소자의 수 및 주어진 안테나의 격자 패치와 기생 용량성 소자(들) 사이의 커플링 갭의 함수이다. 그러므로, 하나 이상의 기생 용량성 소자의 구성에 의해 지향성 안테나의 설계를 향상시킬 수 있다. 더 이상의 기생 용량성 소자를 추가하면, 신호를 한 방향 이상으로 연장하도록 작용할 수 있다. 그러한 구성은 원하는 지향성을 달성하도록 조정될 수 있다.

안테나의 방사 패턴의 지향성 연장을 달성하는 다른 실시 양태 및 안테나 구성을 설계할 수 있다. 도 24 및 도 25는 상이한 안테나 구조의 실시 양태를 도시한다. 안테나(350)는 피드 라인(356)에 결합된 U-형상 개시 패드(354)를 가지며, 상보적인 U-형상 격자 패치(352) 및 기생 용량성 소자(358)를 갖는다. 도시된 바와 같이, 기생 용량성 소자(358) 또한 U-형상이지만, V-형상 안테나 구조 중 몇몇과 유사한 U-형상 소자와 같은 다른 구성을 구현할 수 있다. 그러한 구조가 구성되어짐으로써, 방사 패턴은 도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같은 다른 설계 안테나에 비해, x-z 평면에서 보여지는 바와 같이, 협소한 빔폭 또는 더 높은 지향성을 갖게 된다.

안테나(360)는 반원형이거나 볼(bowl)-형상의 개시 패드(364) 및 격자 패치(362)를 갖는다. 개시 패드(364)는 피드 라인(366)에 결합된다. 기생 용량성 소자(368)는 격자 패치(362)에 대응하는 볼-형상을 갖는다. 도시된 바와 같이, 기생 용량성 소자(368)는 또한 볼-형상을 갖지만, 격자 패치(362) 또는 다른 것과 유사한 형상의 충전된 소자(filled element)와 같은, 다른 구성을 구현할 수 있다. 형상 및 구성에 대한 변형은 원하는 지향성을 달성하도록 구현될 수 있다. 이와 같이 형성된 안테나 중 몇몇 실시 양태는 도 11의 안테나(200)와 유사한 방사 패턴을 갖는다.

도 26은 일례의 실시 양태에 따른, 기생 소자를 갖는 다중 안테나를 포함한 응용(400)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 안테나(402, 404 및 406)는 기판(414)에 대해 위치된다. 기판(414)은 기판(414)의 전(full) 층일 수 있거나 기판(414)의 한 층의 패턴화된 부분일 수 있는, 접지 전극 또는 접지층을 포함할 수 있다. 안테나(402, 404 및 406) 각각은 도 11의 안테나(200) 및 도 23의 안테나(300)에 대해 논의된 구성을 갖는다. 안테나(404)는 제1 방사 패턴(422)을 갖는다. 방사 패턴(422)은 기판(414)에 대한, 구체적으로는 기판(414)의 접지층 또는 접지부에 대한 안테나(404)의 위치에 의해 영향을 받는다. 안테나(402)의 방사 패턴(420)은 기판과 덜 상호작용하는 기판(414)의 원단(far end)에서의 안테나(402)의 위치로 인해 안테나(404)의 방사 패턴(422)과 다르다. 방사 패턴(420)은 기판(414)에서 멀리 지향된다. 유사한 방사 패턴(424)이 안테나(406)에서 보여진다. 안테나들은 기판(414)을 따라 위치될 수 있음에 주목되고, 여기서 안테나가 기판의 단부에 더 근접하게 위치될수록 방사 패턴의 지향성은 더 심한 영향을 경험하게 된다.

도 27은 일례의 실시 양태에 따른 응용(500)을 도시하는 것으로, 응용(500) 내의 모듈 및 컴포넌트들의 동작을 제어하는 중앙 제어 장치(514)를 갖는다. 응용(500)은 고정 또는 이동 환경에서 사용되는 무선 통신 장치 또는 무선 장치일 수 있다. 응용(500)은 또한, 복수의 고 이득 안테나(504)의 동작을 제어하는 안테나 제어 장치(506)를 포함한다. 응용(500) 내에서의 통신을 위해 통신 버스(510)가 제공되지만, 그러나, 다른 실시 양태에서는 모듈들 간에 직접 연결을 가질 수 있다. 통신 버스(510)는 또한 통신을 수신하고 통신을 송신하도록 프론트 엔드 모듈(502)에 결합된다. 응용(500)은 기능 애플리케이션(508)의 일부인 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 결합을 포함한다. 주변 장치(512) 또한 통신 버스(510)에 결합된다. 동작 중, 응용(500)은 무선 액세스 및 통신을 포함하거나 무선 액세스 및 통신에 의해 향상되는 기능을 제공한다. 고 이득 안테나(504)는 MTM 안테나 구조로서, 각각은 기생 소자를 포함한다.

도 28은 응용을 설계하고 장치를 구축하기 위한 방법을 예시한다. 프로세스(600)는 목표로 하는(target) 응용의 원하는 이득 및 범위를 특정하는 연산(602)으로 시작된다. 다음에, 프로세스는 안테나 소자의 수를 선택하는 연산(604)을 포함하고, 안테나 소자를 위한 기생 용량성 소자의 수를 선택하는 연산(606)을 포함한다. 이어서, 프로세스는 기생 용량성 소자를 갖는 안테나 소자의 구성을 선택하는 연산들을 포함한다. 판단 단계(610)에서, 설계자는 출력 전력이 응용의 사양(specification) 및 요건(requirements)을 만족시키는지를 판단한다. 설계가 사양을 만족시키면, 설계는 완료되고, 아닌 경우는 처리를 연산(606)으로 복귀시켜 설계를 계속한다. 일부 응용은 적어도 한 안테나가 기생 용량성 소자(들)을 갖는 고 이득 안테나들의 결합을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 응용은 기생 소자들에 연관된 각종 형상을 갖는 MTM 안테나의 다양한 형상 및 구성을 포함할 수 있다.

도 29는 기생 용량성 소자를 갖는 안테나의 추정된 피크 이득의 그래프이다. 도 29에서 플롯된 결과들은 실선으로 도시된 자유 공간에서 동작하는 안테나를 상정한 것이다. 또 다른 시나리오에서, 안테나는 접지면에 수직으로 위치되는데, 이것은 긴 대시(dashes)를 갖는 대시선으로 도시된다. 다이폴 안테나의 추정 피크 이득 또한 비교를 위해 그래프로 도시되는데, 이것은 긴 대시를 갖는 대시선으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 안테나(200)와 같은 안테나의 추정 피크 이득은 고주파수에서 증가한다.

도 30은 적어도 하나의 기생 소자를 갖는 안테나 및 어떠한 기생 소자도 갖지 않는 안테나의 피크 이득을 폴롯한 것이다. 이득은 dB 및 주파수의 함수로서 플롯된다. 도시된 바와 같이, 기생 소자를 갖는 것이 피크 이득이 개선된다.

상기 실시 양태 및 예들에서 예시된 바와 같이, 기생 용량성 소자를 갖는 방향성 안테나는 고 이득을 달성하도록 설계될 수 있다. 몇몇 실시 양태에서, 예기되는 피크 이득은 다이폴 안테나에 필적할만하고, 작은 풋프린트(footprint)를 유지하면서 피크 이득을 증가시킬 수 있다. 추가로, 몇몇 실시 양태에서는 기판 상의 프린트 구조물로서 제공된다. 안테나는 기판의 제1 층 상에 형성된 개시 패드 및 격자 패치를 포함하며, 여기서 비아는 격자 패치를 유전체에 의해 격리된 다른 층의 접지부에 결합시킨다. 안테나의 지향성은 개시 패드, 격자 패치 및 기생 소자의 형상의 함수이다. 몇몇 실시 양태에서, 개시 패드, 격자 패치 및 기생 소자의 형상이 플레어일 수 있고, 안테나 성능은 안테나 구조의 플레어(flare)의 방향 및 각도의 함수이다.

몇몇 실시 양태는 개시 패드, 격자 패치 및 기생 소자가 V-형상 구조와 같은 네스팅된 대칭성 혼 형상인 혼(horn) 안테나의 2차원 등가물을 제공한다. 이는 안테나가 3차원의 콘(cone) 구성을 갖지 않는 혼 안테나의 지향성 및 고 이득을 달성하게 해준다. 몇몇 실시 양태는 U 형상, 단면 컵 형상, 또는 좁은 간격에서 넓은 간격으로 외향으로 펼쳐지는 암(arms)을 갖는 임의 2-차원 형상과 같은, 다양한 다른 형상을 구현한다.

도 13에 도시된 바와 같이, MTM 안테나와 같은 본원에 기술된 고 이득 안테나의 전계 분포는 개시 패드와 접지 사이에 강한 커플링을 제공하며, 여기서 상층의 개시 패드(204)와 접지(222) 사이에서 전자기적 커플링이 생성된다.

고 이득 MTM 안테나의 지향성은 하나 이상의 기생 소자에 의해 더 증가될 수 있다. 기생 소자는 안테나의 길이를 연장시키지 않는 반면, 혼 안테나의 지향성은 혼의 길이에 따라 증가한다.

본 명세서에서는 많은 특정 사항들이 포함되지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하거나 청구하고자 하는 것을 제한시키는 것으로 해석되어서는 안 되고, 오히려 본 발명의 특정 실시 양태에 고유한 특징부에 대한 설명으로 이해해야 한다. 개별 실시 양태에 관련하여 본 명세서에 설명된 특정의 특징부들 또한, 단일 실시 양태에서 결합하여 구현될 수 있다. 반대로, 단일 실시 양태에 관련하여 설명된 여러 특징부들은 또한, 다수의 실시 양태에서 개별적으로 또는 임의 적합한 서브결합으로 구현될 수 있다. 게다가, 특징부들이 특정 실시 양태에서 작용하는 것으로 앞서 설명되고 심지어는 그러한 것으로 청구되더라도, 청구된 결합에서의 하나 이상의 특징부들은 일부 경우에 그 결합에서 삭제될 수 있으며, 청구된 결합은 서브결합 또는 서브결합의 변형에 관련될 수 있다.

단지 몇몇의 구현예만이 개시되어 있지만, 그러나, 변형 및 개선 실시 양태가 가능할 수 있음을 이해할 수 있다.

Claims

안테나 소자로서,
유전층에 의해 격리되는 두 도전층을 갖는 기판;
상기 기판의 제1 층 상에 패턴화된 제1 금속부 - 상기 제1 금속부는 플레어 형상을 가짐 -;
상기 기판의 상기 제1 층 상에 패턴화된 제2 금속부 - 상기 제2 금속부는 상기 제1 금속부의 상기 플레어 형상에 대응하는 제2 형상을 가지며, 상기 제1 금속부에 근접한 제1 측(side)을 가짐 -; 및
상기 기판의 상기 제1 층 상에 패턴화된 기생 소자 - 상기 기생 소자는 상기 제2 형상에 대응하는 형상을 가지며, 상기 제2 금속부의 제2 측에 근접하게 위치됨 -
를 포함하는, 안테나 소자.
제1항에 있어서,
상기 안테나는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 구조인, 안테나 소자.
제2항에 있어서,
상기 CRLH 구조를 통해 신호가 제1 방향으로 방사되도록 안내되는, 안테나 소자.
제2항에 있어서,
상기 안테나는 단위 격자이며, 상기 제1 금속부는 개시 패드이며, 상기 제2 금속부는 격자 패치인, 안테나 소자.
제1항에 있어서,
상기 플레어 형상은 V-형상인, 안테나 소자.
제1항에 있어서,
상기 기생 소자는 복수의 네스팅된(nested) 형상을 포함하는 기생 용량성 소자인, 안테나 소자.
제2항에 있어서,
상기 플레어 형상은 상기 제1 금속부에 결합된 피드 라인에 대해 대칭인, 안테나 소자.
제2항에 있어서,
상기 플레어 형상은 U-형상인, 안테나 소자.
제2항에 있어서,
상기 플레어 형상은 반원 형상인, 안테나 소자.
제2항에 있어서,
상기 안테나는 상기 기판의 제2 층까지의 비아를 더 포함하는, 안테나 소자.
무선 장치로서,
유전층에 의해 격리되는 두 도전층을 갖는 기판;
상기 기판의 제1 층 상에 패턴화된 제1 금속부 - 상기 제1 금속부는 플레어 형상을 가짐 -;
상기 기판의 상기 제1 층 상에 패턴화된 제2 금속부 - 상기 제2 금속부는 상기 제1 금속부의 상기 플레어 형상에 대응하는 제2 형상을 기지며, 상기 제1 금속부에 근접한 제1 측(side)을 가짐 -;
상기 기판의 상기 제1 층 상에 패턴화된 기생 소자 - 상기 기생 소자는 상기 제2 형상에 대응하는 형상을 가지며, 상기 제2 금속부의 제2 측에 근접하게 위치됨 -; 및
상기 제1 금속부에 결합되는 송수신기
를 포함하는, 무선 장치.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 금속부, 및 상기 기생 소자는 안테나를 형성하고, 상기 안테나는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 구조인, 무선 장치.
제12항에 있어서,
상기 플레어 형상은 V-형상인, 무선 장치.
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