KR20090111519A - 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장안테나와 이를 구비한 인쇄회로기판 및 휴대용 단말기 - Google Patents

메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장안테나와 이를 구비한 인쇄회로기판 및 휴대용 단말기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나와 이를 구비한 인쇄회로기판 및 휴대용 단말기에 관한 것이다.
본 발명은, 일단에 가변 커패시터가 연결되고 타단에 인덕터가 연결되는 상부도체; 상기 상부도체와 평행하게 위치하는 하부도체; 상기 가변 커패시터와 상기 하부도체의 일단을 연결하는 좌측도체; 및 상기 인덕터와 상기 하부도체의 타단을 연결하는 우측도체;를 포함하고, 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 동작하되, 상기 하부도체는 인쇄회로기판에 실장된 급전부와 연결되고, 상기 상부도체, 하부도체, 좌측도체 및 우측도체는 직사각형 형태의 링을 형성함과 동시에 상기 인쇄회로기판의 유전체판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나를 제공한다.
본 발명에 의하면, 안테나의 공진 주파수가 안테나의 물리적인 크기에 의존하지 않기 때문에 안테나가 매우 작고 가볍게 형성될 수 있고, 송/수신 채널의 변경에 따라 안테나의 공진 주파수가 변경될 수 있는 효과가 발생한다.
메타머티리얼(metamaterial), 안테나, 지상파 디엠비(T-DMB), 인쇄회로기판, 유전체판, 공진 주파수, 휴대용 단말기

Description

메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나와 이를 구비한 인쇄회로기판 및 휴대용 단말기{Embedded antenna for T-DMB using metamaterial, PCB and Portable Device with the same}
본 발명은 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 동작하는 지상파 디엠비용 내장 안테나와, 이를 구비한 인쇄회로기판 및 휴대용 단말기에 관한 것이다.
DMB(Digital Multimedia Broadcasting)란 기존의 아날로그 TV방송(NTSC)이나 디지털 TV 방송(ATSC)으로는 제공이 불가능한, 이동 중의 비디오, 오디오 및 데이터 서비스를 수신할 수 있는 이동 멀티미디어 방송을 지칭한다. 지상파 DMB(Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting: T-DMB)는 장소와 시간에 구애받지 않고 고속 이동 중에도 동영상 및 CD 수준의 오디오, 다양한 멀티미디어 데이터 서비스를 차량용 소형TV, 노트북, PDA, 휴대폰 등과 같은 휴대용 단말기에 안정적으로 제공할 수 있는 이동멀티미디어 방송으로서, 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역을 사용하고 세계 최초로 국내에서 서비스 표준을 정하고 기술개발을 하여 지난 2005년 12월부터 상용화된 것이다.
최근 소비자들은 휴대의 용이성을 위해 상기 휴대용 단말기의 소형화 및 경 량화를 요구하고 있다. 따라서, 지상파 디엠비에 사용되는 휴대용 단말기는 소형화 및 경량화에 초점을 맞추어 점차 발전하고 있다.
상기 휴대용 단말기의 소형화 및 경량화가 구현되기 위해서는 다양한 문제들이 해결되어야 하는데, 이중 가장 핵심적인 과제가 상기 휴대용 단말기에 장착되는 안테나의 크기를 줄이는 것이다.
과거에는 리트랙터블 안테나 또는 헬리컬 안테나 등의 외장형 또는 착탈식 안테나가 주로 지상파 디엠비용 안테나로 사용되었다. 그러나, 상기 외장형 또는 착탈식 안테나는, 첫째 동작 주파수가 물리적인 크기에 의존하기 때문에 80 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 동작하기 위해서는 100 - 300 mm 정도의 길이로 형성되어야 하고, 둘째 외장형 또는 착탈식이기 때문에 휴대용 단말기의 외부로 노출되어야 한다. 따라서, 상기 외장형 또는 착탈식 안테나를 이용할 경우 휴대용 단말기의 소형화 및 경량화에 한계가 존재한다.
이와 같은 외장형 또는 착탈식 안테나의 한계를 극복하자고 다양한 형태의 내장형 안테나가 개발되었고 현재 사용되고 있다. 상기 내장형 안테나는 휴대용 단말기의 외부로 노출되기 않기 때문에 휴대용 단말기의 소형화 및 경량화를 어느 정도는 실현하였다고 할 수 있다. 그러나, 상기 외장형 또는 착탈식 안테나와 마찬가지로 동작 주파수가 물리적인 크기에 의존하기 때문에 상기 외장형 또는 착탈식 안테나의 한계를 완전하게 극복하였다고 할 수는 없다.
한편, 안테나의 소형화 및 경량화를 보다 완전하게 실현하기 위해 안테나를 메타머티리얼(metamaterial)로 형성하는 기법이 최근에 주목을 받고 있다. 메타머 티리얼이란 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내도록 인공적인 방법으로 합성된 물질 또는 설계된 전자기적 구조를 통징하는 용어이다. 상기 메타머티리얼에는 광학 또는 전기 밴드갭(Photonic or Electronic Bandgap), 인공 자기 도체(Artificial Magnetic Conductor), 음의 유전율(Negative permittivity) 물질, 음의 투자율(Negative permeability) 물질, 음의 굴절율(Negative refractive index) 물질 등이 있다.
이중, 안테나에 응용되어 사용되는 것은 음의 굴절율 물질이다. 상기 음의 굴절율 물질은 유전율과 투자율이 모두 음수인 물질 또는 그러한 전자기적 구조이기 때문에 더블 네거티브 물질(Double Negative Material : DNM)이라고도 불리며, 전자기파가 플레밍의 오른손 법칙을 따르지 않고 왼손 법칙을 따라 전달되기 때문에 레프트 핸디드 물질(Left-Hnaded Material : LHM)이라고도 불린다. 상기 음의 굴절율 물질이 안테나에 적용될 경우 상기 음의 굴절율 물질은 등가전송선로로 구현된다. 상기 안테나가 이와 같은 음의 굴절율 물질의 등가전송선로로 구현될 경우, 안테나의 동작 주파수가 안테나의 물리적인 크기에 의존하기 않기 때문에 안테나의 소형화 및 경량화를 보다 완전하게 실현할 수 있다.
본 발명은 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 동작하고, 메타머티리얼(metamaterial), 더욱 구체적으로는 메타머티리얼 등가전송선로로 구현되는 지상파 디엠비용 내장형 안테나를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다. 또한, 본 발명은 상기 지상파 디엠비용 내장형 안테나를 포함하는 인쇄회로기판 및 휴대용 단말기를 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 일단에 가변 커패시터가 연결되고 타단에 인덕터가 연결되는 상부도체; 상기 상부도체와 평행하게 위치하는 하부도체; 상기 가변 커패시터와 상기 하부도체의 일단을 연결하는 좌측도체; 및 상기 인덕터와 상기 하부도체의 타단을 연결하는 우측도체;를 포함하고, 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 동작하되, 상기 하부도체는 인쇄회로기판에 실장된 급전부와 연결되고, 상기 상부도체, 하부도체, 좌측도체 및 우측도체는 직사각형 형태의 링을 형성함과 동시에 상기 인쇄회로기판의 유전체판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나를 제공한다.
바람직하게 상기 가변 커패시터는 바랙터 다이오드(Varactor Diode)로 구성된다. 이때, 상기 바랙터 다이오드에 인가되는 역방향 전압은 송/수신 채널에 따라 변경되는 것이 바람직하다.
바람직하게 상기 상부도체, 좌측도체 및 우측도체의 폭은 1mm 내지 3mm 범위 내에서, 상기 하부도체의 폭은 0.5mm 내지 1.5mm 범위 내에서 형성되고, 상기 직사각형 형태의 링의 가로길이는 40mm 내지 50mm 범위 내에서, 세로길이는 15mm 내지 20mm 범위 내에서 형성된다.
본 발명은, 유전체판과, 상기 유전체판 상에 실장된 급전부와, 상기 급전부로부터 신호를 인가받아 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 동작하고 상기 유전체판 상에 실장되는 지상파 디엠비용 내장 안테나를 포함하되, 상기 지상파 디엠비용 내장 안테나는, 일단에 가변 커패시터가 연결되고 타단에 인덕터가 연결되는 상부도체; 상기 상부도체와 평행하게 위치하는 하부도체; 상기 가변 커패시터와 상기 하부도체의 일단을 연결하는 좌측도체; 및 상기 인덕터와 상기 하부도체의 타단을 연결하는 우측도체;를 포함하고, 상기 하부도체는 상기 급전부와 연결되며, 상기 상부도체, 하부도체, 좌측도체 및 우측도체는 직사각형 형태의 링을 형성하는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판을 제공한다.
바람직하게 상기 가변 커패시터는 바랙터 다이오드(Varactor Diode)로 이루어진다. 이때, 상기 바랙터 다이오드에 인가되는 역방향 전압은 송/수신 채널에 따라 변경되는 것이 바람직하다.
바람직하게 상기 상부도체, 좌측도체 및 우측도체의 폭은 1mm 내지 3mm 범위 내에서, 상기 하부도체의 폭은 0.5mm 내지 1.5mm 범위 내에서 형성되고, 상기 지상파 디엠비용 내장 안테나의 가로길이는 40mm 내지 50mm 범위 내에서, 세로길이는 15mm 내지 20mm 범위 내에서 형성된다.
본 발명은 상기 인쇄회로기판을 포함하는 휴대용 단말기를 제공한다.
본 발명에 의하면, 안테나의 공진 주파수가 안테나의 물리적인 크기에 의존하지 않기 때문에 안테나가 매우 작고 가볍게 형성될 수 있고, 송/수신 채널의 변경에 따라 안테나의 공진 주파수가 변경될 수 있는 효과가 발생한다.
이하, 본 발명에 따른 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나의 바람직한 실시예와, 이를 구비한 인쇄회로기판 및 휴대용 단말기를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나의 일 실시예와 이를 구비한 인쇄회로기판을 도시한 평면도이다.
본 발명에 따른 안테나는 직사각형 형태의 링을 형성하는 상부도체(102), 하부도체(104), 좌측도체(106) 및 우측도체(108)를 포함한다.
상기 상부도체(102)는 인쇄회로기판(120)의 유전체판(프리프레그)(122) 상에 형성된다. 상기 상부도체(102)의 좌측단부에는 가변 커패시터(110)가 결합되고, 우측단부에는 인덕터(112)가 결합된다. 상기 가변 커패시터(110)의 커패시턴스는 사용자가 선택한 송/수신 채널에 따라 변화된다.
상기 하부도체(104)는 상기 상부도체(102)와 평행하도록 상기 유전체판(122) 상에 형성되고, 상기 상부도체(102)의 길이와 동일한 길이로 형성된다. 상기 하부도체(104)는 연결도체(114)를 통해 상기 인쇄회로기판(120)에 실장된 급전부(미도 시)와 연결된다.
상기 좌측도체(106)는 상기 유전체판(122) 상에 형성되고, 그 양단은 각각 상기 가변 커패시터(110) 및 상기 하부도체(104)의 일단과 연결된다. 상기 우측도체(108)는 상기 좌측도체(106)와 평행하도록 상기 유전체판(122)에 형성되고, 그 양단은 각각 상기 인덕터(112) 및 상기 하부도체(104)의 타단과 연결된다.
상기 안테나가 지상파 디엠비용으로 사용되기 위해서는 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 공진하여야 한다. 상기 안테나의 공진 주파수는 상기 유전체판(122)의 유전율, 상기 도체들(102, 104, 106, 108)의 기하학적 파라미터, 상기 인덕터(112)의 인덕턴스, 상기 가변 커패시터(110)의 커패시턴스 변화 범위 등을 적절하게 설계함으로써 조절될 수 있다.
한편, 상기 가변 커패시터(110)는 바랙터 다이오드(Varactor Diode)로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 바랙터 다이오드는 자신에게 인가되는 역방향 전압의 크기에 의해 커패시턴스가 결정되는 가변 커패시터로 작용한다.
이때, 상기 바랙터 다이오드에 인가되는 역방향 전압은 송/수신 채널에 따라 변경되는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 바랙터 다이오드는 상기 인쇄회로기판(120)에 실장된 채널 선택 회로(미도시)에 연결된다. 상기 채널 선택 회로는 송/수신 채널이 변경될 때마다 상기 바랙터 다이오드에 상이한 크기의 역방향 전압을 인가한다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 안테나의 공진 주파수는 상기 도체들(102, 104, 106, 108)의 기하학적 파라미터를 변수로 하여 변한다. 따라서, 상기 도체들(102, 104, 106, 108)의 기하학적 파라미터는 상기 안테나가 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 공진할 수 있도록 적절하게 선택되어야 한다. 그런데, 상기 도체들(102, 104, 106, 108)의 폭이 너무 넓거나 너무 좁은 경우, 그리고, 상기 도체들(102, 104, 106, 108)의 길이가 너무 길거나 짧은 경우에는 상기 유전체판(122)의 유전율, 상기 인덕터(112)의 인덕턴스 등을 조절한다 하더라도 상기 안테나의 공진 주파수를 180 MHz 내지 210 MHz 범위 내에 위치시키기가 매우 난해하다. 또한, 상기 도체들(102, 104, 106, 108)의 길이가 너무 긴 경우에는 휴대용 단말기의 소형화 및 경량화를 실현함에 있어서 상기 안테나가 장애요소로 작용하게 된다.
따라서, 상기 상부도체(102), 좌측도체(106) 및 우측도체(108)의 폭(W1, W2, W3)은 1mm 내지 3mm 범위 내에서 형성되고, 상기 하부도체(104)의 폭(W4)은 0.5mm 내지 1.5mm 범위 내에서 형성되며, 상기 직사각형 형태의 링의 가로길이(L)는 40mm 내지 50mm 범위 내에서, 세로길이(H)는 15mm 내지 20mm 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 상부도체(102), 좌측도체(106) 및 우측도체(108)의 폭(W1, W2, W3)은 서로 상이하여도 무방하다.
도 1은 본 발명에 따른 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나의 일 실시예와 이를 구비한 인쇄회로기판을 도시한 평면도이다.

Claims (9)

  1. 일단에 가변 커패시터가 연결되고 타단에 인덕터가 연결되는 상부도체;
    상기 상부도체와 평행하게 위치하는 하부도체;
    상기 가변 커패시터와 상기 하부도체의 일단을 연결하는 좌측도체; 및
    상기 인덕터와 상기 하부도체의 타단을 연결하는 우측도체;를 포함하고, 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 동작하되,
    상기 하부도체는 인쇄회로기판에 실장된 급전부와 연결되고, 상기 상부도체, 하부도체, 좌측도체 및 우측도체는 직사각형 형태의 링을 형성함과 동시에 상기 인쇄회로기판의 유전체판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 커패시터는 바랙터 다이오드(Varactor Diode)인 것을 특징으로 하는 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바랙터 다이오드에 인가되는 역방향 전압은 송/수신 채널에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부도체, 좌측도체 및 우측도체의 폭은 1mm 내지 3mm 범위 내에서, 상기 하부도체의 폭은 0.5mm 내지 1.5mm 범위 내에서 형성되고, 상기 직사각형 형태의 링의 가로길이는 40mm 내지 50mm 범위 내에서, 세로길이는 15mm 내지 20mm 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장 안테나.
  5. 유전체판과, 상기 유전체판 상에 실장된 급전부와, 상기 급전부로부터 신호를 인가받아 180 MHz 내지 210 MHz의 주파수 대역에서 동작하고 상기 유전체판 상에 실장되는 지상파 디엠비용 내장 안테나를 포함하되,
    상기 지상파 디엠비용 내장 안테나는,
    일단에 가변 커패시터가 연결되고 타단에 인덕터가 연결되는 상부도체;
    상기 상부도체와 평행하게 위치하는 하부도체;
    상기 가변 커패시터와 상기 하부도체의 일단을 연결하는 좌측도체; 및
    상기 인덕터와 상기 하부도체의 타단을 연결하는 우측도체;를 포함하고,
    상기 하부도체는 상기 급전부와 연결되며, 상기 상부도체, 하부도체, 좌측도체 및 우측도체는 직사각형 형태의 링을 형성하는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가변 커패시터는 바랙터 다이오드(Varactor Diode)인 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바랙터 다이오드에 인가되는 역방향 전압은 송/수신 채널에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 상부도체, 좌측도체 및 우측도체의 폭은 1mm 내지 3mm 범위 내에서, 상기 하부도체의 폭은 0.5mm 내지 1.5mm 범위 내에서 형성되고, 상기 지상파 디엠비용 내장 안테나의 가로길이는 40mm 내지 50mm 범위 내에서, 세로길이는 15mm 내지 20mm 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 인쇄회로기판.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항의 인쇄회로기판을 포함하는 휴대용 단말기.
KR1020080037175A 2008-04-22 2008-04-22 메타머티리얼 등가전송선로를 이용한 지상파 디엠비용 내장안테나와 이를 구비한 인쇄회로기판 및 휴대용 단말기 KR20090111519A (ko)

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