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KR101515871B1 - 메타물질을 기반으로 하는 초박형 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

메타물질을 기반으로 하는 초박형 마이크로스트립 안테나 Download PDF

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KR101515871B1
KR101515871B1 KR1020137001041A KR20137001041A KR101515871B1 KR 101515871 B1 KR101515871 B1 KR 101515871B1 KR 1020137001041 A KR1020137001041 A KR 1020137001041A KR 20137001041 A KR20137001041 A KR 20137001041A KR 101515871 B1 KR101515871 B1 KR 101515871B1
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radiating element
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난타칸 웡카셈
부닝 샤로엔
샤크릿 캄통디
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오피스 오브 더 내셔널 브로드캐스팅 앤드 텔레커뮤니케이션즈 커미션
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Abstract

무선 통신을 위한 안테나 구조 및 이러한 안테나 구조의 제조 방법을 개시한다. 안테나의 방사 요소는 물리적 크기를 감소시키고 복귀 손실 및 이득과 같은 안테나 성능 특성을 향상시키기 위해 자기 유사 구조 특성을 드러내고 있다. 에너지 손실을 추가로 감소시키고 안테나의 이득을 추가로 증가시키기 위해, 안테나의 방사 요소와 동일한 평면에 또한 방사 요소가 배치된 것과 동일한 유전체 기판의 표면 상에 메타물질 공진 구조물이 배치된다. 메타물질 공진 구조물을 방사 요소와 동일한 평면에 또한 방사 요소가 배치된 것과 동일한 유전체 기판의 표면 상에 배치함으로써, 전체적인 안테나 구조의 두께가 소형화된다.

Description

메타물질을 기반으로 하는 초박형 마이크로스트립 안테나{METAMATERIAL BASED ULTRA THIN MICROSTRIP ANTENNAS}
본 발명은 전반적으로는 프랙탈 요소(fractal element) 및 메타물질(metamaterial)을 포함하는 안테나 설계에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자기 유사 구조 특징부(self similar structural feature)를 드러내고 있는(exhibit) 방사 요소와 이 방사 요소 주변에 배치된 메타물질 공진 구조물 세트를 포함하고, 방사 요소와 메타물질 공진 구조물 세트가 평면형 유전체 기판에 대하여 공통 평면을 공유하는, 안테나 설계에 관한 것이다.
현대의 기술 발전은 무선 통신에 대한 요구가 커지고 있다. 무선 통신은 전기 전도체 또는 와이어를 필요로 하지 않고서도 다양한 거리에 걸쳐 정보를 전송하는 것을 지칭하며, 이러한 정보의 전송은 전자기 에너지를 이용함으로써 수행된다. 안테나는 무선 통신 네트워크에서의 무선 통신을 용이하게 하는 일체형 부품이다. 안테나는 휴대 전화, PDA, 및 휴대용 텔레비전 세트와 같은 다수의 무선 장치에 연결된다.
안테나는 무선 통신의 영역에서 전자기 신호를 방사 및/또는 수신하기 위해 이용된다. 기본적으로, 안테나는 전자기 스펙트럼의 무선 주파수에서의 전자기파를 전기 전류로 변환하는 트랜스듀서이다. 이와 같이, 안테나를 설계할 때에는 안테나 이득, 지향성, 및 효율과 같은 파라미터가 고려된다. 안테나는 단일 주파수 대역 또는 복수 주파수 대역에서 작동할 수 있다. 단일 주파수 대역에서 작동하는 안테나는 일반적으로 단일 대역 안테나로 알려져 있고, 복수 주파수 대역에서 작동하는 안테나는 다중 대역 안테나(multiband antenna)로 지칭되는 경우가 있다. 다중 대역 안테나가 현재 단일 대역 안테나에 비하여 보다 흔히 이용되고 있지만, 다중 대역 안테나의 크기 및 복잡한 회로는 비용을 더 높아지게 한다. 근래에, 통신 장치 및 기타 개인용 전자 무선 소형장치(gadget)를 소형화하려는 경향은 그에 대응하여 안테나의 크기를 소형화하려는 요구를 증가시키고 있다.
마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna) 또는 간략히 패치 안테나는 절연성 유전체 기판에 본딩된 금속 패치에 안테나 요소 패턴을 에칭함으로써 제조된 협대역 와이드-빔 안테나이다. 유전체 기판의 반대측에 본딩된 연속 금속층은 접지판(groundplane)을 형성한다. 패치 안테나의 이용은 주로 가벼운 중량, 낮은 프로파일, 낮은 생산 비용, 순응성(conformability), 재현 가능성, 신뢰성과 같은 우수한 물리적 특성으로 인해 인기를 얻고 있다. 패치 안테나는 또한 제조의 용이성을 제공하며, 솔리드 스테이트 디바이스 및 무선 기술 장비와 용이하게 일체화된다. 패치 안테나는 정사각형, 직사각형, 원형 또는 타원형과 같은 상이한 형상으로 이용 가능하게 될 수 있다.
근래에, 패치 안테나에 관한 일부 단점이 드러나고 있다. 종래의 패치 안테나의 크기는 마이크로파 주파수 범위로 설계될 시에는 통상적으로 커지게 되며, 그 결과 이러한 안테나를 송신기/수신기 및 리피터 시스템 상에 탑재할 때에는 역효과를 갖는다. 이들 안테나는 또한 이들의 좁은 대역폭, 낮은 이득 및 약한 방사 패턴의 면에서 한계를 갖는다. 이득 감소는 안테나 크기의 전체적인 감소의 결과이며, 또한 표면 파 여기(surface wave excitation) 및 그에 따른 이득의 감소를 야기할 수 있는 기판 특성에서 비롯될 수도 있다. 따라서, 현재의 연구 노력은 마이크로스트립 안테나가 향상된 방사 특성과 동시에 더 적은 크기를 갖도록 설계하는 것에 중점을 두고 있다.
일반적으로, 안테나 치수와 파장 간에는 중요한 관계가 있어서, 안테나 크기가 λ/4(여기서, λ는 작동 파장) 미만이면, 방사 저항(radiation resistance), 이득 및 대역폭이 감소되기 때문에 안테나는 효율적이지 못하며, 이에 따라서 안테나 크기가 증가되어야 한다. 크기 및 방사 특성의 문제를 피하기 위해 채택된 한 가지 효과적인 방법은 프랙탈 방사 패치 또는 프랙탈 패치 안테나를 이용하는 것이다. 프랙탈 패치 안테나는 주어진 전체 표면적 또는 체적 내에서 전자기 신호를 수신하거나 전송할 수 있는 재료의 길이를 최대화하거나 둘레를 증가시키기 위해 프랙탈 또는 자기 유사 설계(self similar design)를 이용하는 안테나이다. 이와 같이, 프랙탈 패치 안테나는 더 긴 안테나와 유사한 방사 패턴 및 입력 임피던스를 달성할 수 있어, 이들의 형상의 다수의 윤곽으로 인한 크기 제약을 극복할 수 있다. 자기 유사 설계는 원시 마이크로스트립 구조(starting microstrip structure)에 반복 시퀀스(iterative sequence)를 적용함으로써 발생된다. 그러나, 이러한 프랙탈 패치 안테나의 한 가지 단점이 자기-전기 불균형에서 비롯되는 에너지 손실로 인해 발생한다.
도 1은 스플리트 링 공진기(split ring resonator)를 갖는 안테나 기판을 도시하고 있다. 자기-전기 불균형으로 인한 에너지 손실의 문제점을 해소하기 위해, 스플리트 링 공진기 형태의 자기 공진 구조물(magnetic resonating structure)이 안테나 기판의 둘레 주위에 배치된다. 스플리트 링 공진기는 안테나 패치에 대해 수직으로 배치된다. 이 구조는 (가장 많은 또는 대표적인) 전계 및 자계 방향을 따라 설계된다. 이러한 설계의 한 가지 단점은 안테나 기판의 두께가 스플리트 링 공진기의 배치로 인해 증가된다는 점이다.
본 발명의 일특징에 따라, 하나 이상의 주파수 대역에서 전자기 신호를 전송 및 수신하기 위한 안테나가 개시된다. 상기 안테나는, 제1 측부, 상기 제1 측부 반대측의 제2 측부, 및 상기 제1 측부와 상기 제2 측부 사이에 연장하는 제3 측부와 제4 측부를 갖는 유전체 기판을 포함한다. 또한, 상기 안테나는 상기 유전체 기판의 표면 상에 배치되는 하나 이상의 방사 요소를 포함한다. 하나 이상의 방사 요소는, 자기 유사 구조 특징부(self similar structural feature)의 세트를 드러내고 있다(exhibit). 하나 이상의 방사 요소는 보이드의 세트를 포함할 수 있다. 하나 이상의 방사 요소의 보이드 세트는 하나 이상의 방사 요소 상에 대칭으로 배치될 수 있다. 하나 이상의 방사 요소에 하나 이상의 급전선(feed line)이 연결되고, 이 급전선은 상기 하나 이상의 방사 요소와 상기 제1 측부 사이에 연장한다.
또한, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(metamaterial resonating structure)이 상기 하나 이상의 방사 요소가 배치된 것과 동일한 상기 유전체 기판의 상기 표면 상에 배치되고, 상기 하나 이상의 방사 요소의 주변에 위치된다. 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 상기 유전체 기판의 상기 제1 측부, 상기 제2 측부, 상기 제3 측부, 및 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 상기 유전체 기판의 상기 제3 측부와 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 서로 인접하여 수직으로 배치되거나 적층된 복수의 메타물질 공진 구조물을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 하나 이상의 주파수 대역에서 전자기 신호를 전송 및 수신하기 위한 안테나를 제조하는 방법이 개시된다. 상기 안테나는, 제1 측부, 상기 제1 측부 반대측의 제2 측부, 및 상기 제1 측부와 상기 제2 측부 사이에 연장하는 제3 측부와 제4 측부를 갖는 유전체 기판을 포함한다. 또한, 상기 안테나는 상기 유전체 기판의 표면 상에 배치되는 하나 이상의 방사 요소를 포함한다. 하나 이상의 방사 요소는, 자기 유사 구조 특징부(self similar structural feature)의 세트를 드러내고 있다(exhibit). 하나 이상의 방사 요소에 하나 이상의 급전선(feed line)이 연결되고, 이 급전선은 상기 하나 이상의 방사 요소와 상기 제1 측부 사이에 연장한다. 또한, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(metamaterial resonating structure)이 상기 하나 이상의 방사 요소가 배치된 것과 동일한 상기 유전체 기판의 상기 표면 상에 배치되고, 상기 하나 이상의 방사 요소의 주변에 위치된다. 상기 안테나 제조 방법은, 요구된 주파수로 작동하도록 상기 하나 이상의 방사 요소를 스케일링하는 단계와, 상기 하나 이상의 방사 요소의 형상 및 지오메트리에 좌우되는 상기 하나 이상의 방사 요소의 전계 및 자계의 방향을 결정하는 단계와, 상기 유전체 기판 상의 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트는, 상기 유전체 기판의 상기 제1 측부, 상기 제2 측부, 상기 제3 측부, 및 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 있을 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트는, 상기 유전체 기판의 상기 제3 측부와 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 있을 수 있다.
상기 안테나 제조 방법은, 상기 안테나의 사양의 세트를 생성하는 단계와, 상기 하나 이상의 방사 요소의 형상을 반복적으로 결정하는 단계 중의 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 안테나 제조 방법은, 상기 하나 이상의 방사 요소를 상기 유전체 기판의 표면 상에 배치하는 단계와, 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 상기 하나 이상의 방사 요소와 동일한 평면에 또한 상기 하나 이상의 방사 요소가 배치된 것과 동일한 상기 유전체 기판의 상기 표면 상에 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 스플리트 링 공진기를 갖는 안테나 기판을 도시하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 특정 실시예에 따른 안테나의 개략도의 평면도와 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 구조의 평면도와 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 포함하는 모바일 송수신기를 갖는 갖는 통신 시스템을 예시하는 블록도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 안테나의 평면도와 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 안테나의 몇몇 대표적인 실시예를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 안테나의 몇몇 대표적인 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예에 따른 메타물질 공진 구조물의 대표적인 실시예를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따른 상이한 방위(orientation)를 갖는 스플리트 링 공진기(SRR)의 세트를 도시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 하나 이상의 방사 요소를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예에 따른 보이드(void)의 세트를 갖는 방사 요소를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 안테나를 제조하는 방법을 기술하는 흐름도이다.
도 13a 및 도 13b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 방사 요소에 의해 발생되는 시뮬레이션된 전계와 자계를 도시하는 도면이다.
본 발명의 실시예는 하나 이상의 주파수 대역에서 전자기 신호의 전송 및 수신을 위한 안테나 및 이러한 안테나의 제조 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 방사 요소 및 이 방사 요소의 주변 상에 또는 방사 요소의 주변에 근접하여 배치된 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 갖는 안테나 구조에 관한 것이다. 다양한 실시예에서, 메타물질 공진 구조물과 방사 요소는 공통 평면을 공유하며, 그러므로 적어도 하나의 메타물질 공진 구조물의 적어도 하나의 표면 또는 일부분이 방사 요소와 동일한 평면에 상주된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 서로 인접하여 수직으로 적층된 복수의 메타물질 공진 구조물을 포함한다.
이러한 안테나 구조를 개발하는 방법 또한 개시된다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 갖는 안테나 구조는 손실의 정도가 낮게 작동한다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 하나 이상의 방사 요소와 동일한 평면에 또한 하나 이상의 방사 요소의 주변에 배치함으로써, 안테나 구조를 최소 두께로 유지하면서도 자기-전기 불균형으로 인한 에너지 손실이 최소화된다.
본 발명을 명료하게 하기 위해, 본 발명의 설명은 약 2.4 ㎓와 5 ㎓의 무선 주파수 범위에서 작동하는 안테나에 대해 이루어진다. 그러나, 이것은 본 발명의 다양한 실시예를 이러한 주파수 범위에 관련된 무선 응용기기와 유사한 작동 능력을 요구하는 다른 응용으로부터 배제하는 것은 아니다. 상이한 주파수 대역에서 작동하거나 또는 복수의 주파수 대역 내에서 작동하는 본 발명에 따른 안테나 또한 달성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
이후 제공되는 설명 및 그에 대응하는 도면에서, 동일한 구성요소에는 동일한 도면 부호가 부여된다.
본 발명을 명료하게 하기 위해, 도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 특정 실시예에 따른 안테나(100)의 개략도의 평면도와 측면도를 도시하고 있다. 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 특정 실시예에 대해 정해지는 공간적 방위의 설명을 용이하게 한다. 이러한 실시예에서, 안테나(100)는 제1 측부(104), 제1 측부(104) 반대측에 배치되는 제2 측부(106), 및 제1 측부(104)와 제2 측부(106) 사이에 연장하는 제3 측부(108)와 제4 측부(110)를 갖는 유전체 기판(102)을 포함한다. 제1 측부(104)와 하나 이상의 방사 요소(114) 사이에는 하나 이상의 급전선(feed line)(112)이 연장한다. 도 2b로부터, 안테나(100)는 상면(116) 및 이 상면(116) 반대측에 있는 하면(118)을 갖는다. 방사 요소(114)는 상면(116) 상에 배치되며, 접지판 층(120)이 하면(118) 상에 배치된다. 명료화를 위해, 하나 이상의 방사 요소(114)가 배치되는 유전체 기판의 표면은 이후 상면(116)으로서 지칭될 것이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 안테나(100)의 구조의 평면도와 측면도를 도시하고 있다. 안테나(100)는 유전체 기판(102)의 상면(116)의 표면 상에 배치된 하나 이상의 방사 요소(114)를 갖는다. 하나 이상의 방사 요소(114)는 신호의 전송 및 수신을 위해 구성되며, 아래에 추가로 상세하게 설명되는 바와 같이 자기 유사 구조 특징부(122)의 세트를 드러내고 있다. 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 방사 요소(114)는 유전체 기판(102)의 상면(116)의 표면 위에서 상승되고(예컨대, 표면 위에 연장하거나 또는 표면을 지나 연장하고) 이 표면에 평행을 이루고 있으며, 하나 이상의 방사 요소(114)는 접지판 층(120)에 전기 접속되어 있다. 하나 이상의 급전선(112)은 파워링 업(powering up)을 제공하고 또한 하나 이상의 방사 요소(114)에 신호를 전송하고 하나 이상의 방사 요소(114)로부터 신호를 전송하기 위해 하나 이상의 방사 요소(114)에 연결 가능하다. 하나 이상의 급전선(112)은 하나 이상의 방사 요소(114)와 제1 측부(104) 사이에 연장한다. 하나 이상의 급전선(112)은 컨넥터(124)에 전기 접속될 수 있다. 하나 이상의 방사 요소(114)는 실질적으로 평면형이며, 실질적으로 평면형의 유전체 기판(102) 상에 형성된다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 하나 이상의 방사 요소(114)의 주변 상에 또한 하나 이상의 방사 요소(114)가 배치된 것과 동일한 유전체 기판(102)의 상면(116)의 표면 상에 배치된다. 하나 이상의 방사 요소(114)와 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 동일 평면 또는 공통 평면을 공유하거나 그 위에 상주된다. 도 3a 및 도 3b로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 하나 이상의 공진 구조물(126)의 평면 표면이 유전체 기판(102)의 상면(116)을 향하도록 유전체 기판(102) 상에 배치된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 안테나(100)를 포함하는 모바일 송수신기(202)를 갖는 통신 시스템(200)을 예시하는 블록도이다. 급전선(112)은 파워링 업(powering up)을 제공하고 또한 방사 요소(114)로의 신호 및 방사 요소(114)로부터의 신호를 전송하기 위해 하나 이상의 방사 요소(114)에 연결된다. 급전선(112)은 컨넥터(124)에 전기적으로 접속된다. 컨넥터(124)는 그 다음으로 모바일 송수신기(202)에 접속된다. 기지국(250)은 제1 통신 경로(300)를 경유하여 방사 요소(114)를 통해 안테나(100)와 통신하기 위한 안테나(260)를 가지며, 이로써 방사 요소(114)가 제1 세트의 신호(310)를 수신할 수 있게 된다. 제2 세트의 신호(330)가 안테나(100)로부터 기지국(250)에 전송될 수 있도록 제2 통신 경로(320) 또한 구축될 수 있다. 신호의 전송 및 수신 동안의 전자기파의 상호작용으로 인해, 안테나(100)의 이득이 감소된다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)이 유전체 기판(102)의 상면(116) 표면 상에 또한 하나 이상의 방사 요소(114)와 동일한 평면에 배치되어, 전자기파의 상호작용을 감소시킨다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)의 평면 표면이 하나 이상의 방사 요소(114)가 배치된 것과 동일한 유전체 기판(102)의 표면 상에 배치되므로, 안테나(100)는 소형의 구조를 보여주게 된다. 메타물질 공진 구조물(126)의 공진 주파수는 안테나(100)의 작동 주파수와 일치하여 작동하도록 설계될 수 있다.
하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)을 하나 이상의 방사 요소(114)와 동일한 평면에 배치함으로써 투자율(permeability)의 값이 높아지게 되고, 안테나(100)의 이득이 증가될 수 있다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 투자율은 자기 에너지에 정비례하며, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)을 하나 이상의 방사 요소(114)의 주변에 배치하는 것은 자기-전기 불균형으로 인한 안테나(100)의 에너지 손실을 최소화할 것이다. 추후에 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)을 배치하는 방식은 하나 이상의 방사 요소(114)의 전계 및 자계 구성에 좌우된다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 일부 실시예에 따른 안테나(100)의 평면도와 측면도를 도시하고 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 하나 이상의 방사 요소(114)의 주변에 또한 방사 요소(114)가 배치된 것과 동일한 유전체 기판(102)의 표면 상에 배치된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 메타물질 공진 구조물의 적어도 하나의 적층체(128)를 형성하기 위해 서로 인접하여 수직으로 배치된 복수의 메타물질 공진 구조물을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 몇몇 대표적인 실시예를 도시하고 있다. 일부 실시예에서는, 유전체 기판(102)의 제1 측부(104), 제2 측부(106), 제3 측부(108) 및 제4 측부(110) 중의 적어도 하나의 측부 상에 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)이 배치된다. 일부 다른 실시예에서는, 유전체 기판(102)의 제3 측부(108)와 제4 측부(110) 중의 적어도 하나의 측부 상에 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)이 배치된다. 제3 측부(108)와 제4 측부(110) 중의 적어도 하나의 측부 상의 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)에 추가하여, 유전체 기판(102)의 제1 측부(104)와 제2 측부(106) 중의 적어도 하나의 측부 상에 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)이 있을 수도 있다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)가 될 수 있다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126) 또는 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)는 하나 이상의 방사 요소(114)와 공통 평면을 공유하거나 또는 하나 이상의 방사 요소(114)와 동일한 평면에 배치된다.
도 7은 본 발명의 몇몇 대표적인 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)는 유전체 기판(102)의 제1 측부(104), 제2 측부(106), 제3 측부(108) 및 제4 측부(110) 중의 하나 이상의 측부 상에 배치된다. 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)는 하나 이상의 방사 요소(114)의 주변에 배치된다. 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)와 하나 이상의 방사 요소(114)는 유전체 기판(102)의 동일 표면 상에 배치된다. 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)는 하나 이상의 방사 요소(114)와 공통 평면을 공유하거나 또는 하나 이상의 방사 요소(114)와 동일한 평면에 배치된다.
유전체 기판(102) 상에 배치될 메타물질 공진 구조물(126)의 수량(quantity)은 하나 이상의 방사 요소(114)의 전계 및 자계 특성에 의해 결정될 수 있다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)의 배치는 전계 및 자계 특성에 기초하여 이루어질 수 있다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 상이한 자기-전기 특성을 제공하기 위해 상이한 방향으로 향하게 될 수 있으며, 이러한 방위는 아래에 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 하나 이상의 방사 요소(114)와의 전자기 상호작용에 영향을 줄 수 있다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예에 따른 메타물질 공진 구조물(126), 또는 메타물질 공진 구조물 적층체(128)의 일부분의 대표적인 실시예를 도시하고 있다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126) 및/또는 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)로는 스플리트 링 공진기(SRR)가 가능하다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 메타물질 공진 구조물(126)은 갭을 갖고 있는 복수의 측부(134)를 포함한다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126) 또는 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)의 공진 주파수는 하나 이상의 방사 요소(114)의 작동 주파수와 일치하여 작동하도록 설계될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126) 및/또는 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)의 공진 주파수는 안테나(100)의 작동 주파수의 ±0.5∼5％의 허용오차를 가질 수 있다.
스플리트 링 공진기는 투자율의 음의 실수부(negative real part) 직전에 커다란 양의 피크(large positive peak)를 야기하기 위해 자기 공진을 발생할 수 있다. 공진 전에 발행하는 이 높은 양의 값은 자기 전기 에너지 불균형에서 비롯되는 에너지 손실을 안정화할 것이다. 이들 값은 통상적으로 공진 구조물의 공진에서 발생한다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따른 상이한 방위를 갖는 스플리트 링 공진기(SRR)의 세트를 도시하고 있다. 여기 파(excitation wave)(k), 전계(E) 및 자계(H)의 방향은 자기 공진의 발생에 영향을 준다. 여기 파 k, 전계 E, 자계 H의 방향에 의해 분류되는 스플리트 링 공진기의 4개의 상이한 방위가 도 9에 도시되어 있다. 자기 공진은 도 9의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 외부 자계 H가 구조 평면에 대해 수직인 경우에만 전자기파를 통해 여기될 수 있다. 도 9의 (c)에서의 스플리트 링 공진기에 대해서는, 자계 H가 구조 평면에 대해 수직이 아니므로, 자계 H로부터의 여기는 발생하지 않는다. 따라서, 도 9의 (c)의 방위는 안테나(100)의 이득을 증가시키는데는 적합하지 않을 수도 있다. 전계 E가 스플리트 링 공진기의 갭을 갖는 측부(134)에 평행하고, 여기 파 k의 방향이 스플리트 링 공진기 평면에 직각을 이룰 때에(도 9의 (d)), 동일한 공진에서 발생하는 전기 공진이 존재하게 된다. 그러므로, 공진 딥(resonance dip)을 제공하기 위해 스플리트 링 공진기의 방위를 배열하기 위한 3가지의 가능한 방식이 있다(도 9의 (a), (b) 및 (c)).
안테나(100)의 투자율 및 방사에 바람직하지 않게 영향을 주는 것을 방지하기 위해, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126) 또는 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)는, 이것에 인접해 있는 또 다른 메타물질 공진 구조물(126) 또는 메타물질 공진 구조물의 적층체(128), 또는 하나 이상의 방사 요소(114)와 접촉하지 않아야 한다. 일반적으로, 서로 인접해 있는 메타물질 공진 구조물(126) 또는 메타물질 공진 구조물의 적층체(128)는 적어도 대략 λ/200의 갭을 가져야 하며, 여기서 λ는 안테나(100)의 작동 파장이다. 바람직하게는, 메타물질 공진 구조물(126) 또는 메타물질 공진 구조물의 적층체(128)는 하나 이상의 방사 요소(114)로부터 대략 λ/200만큼 떨어져 이격되어야 한다.
도 10은 본 발명의 일부 실시예에 따른 하나 이상의 방사 요소(114)를 도시하고 있다. 하나 이상의 방사 요소(114)는 도전성을 가지며, 구리(Cu), 금(Au) 또는 인듐 주석 산화물(ITO)로 구성될 수 있다. 프랙탈 지오메트리에 의해, 하나 이상의 방사 요소(114)는 설계 또는 문양(motif)의 반복으로 발생하는 자기 유사 구조 특징부(122)의 세트를 가지며, 여기서 설계 또는 문양은 회전, 병진(translation) 및/또는 스케일링(scaling)에 의해 되풀이된다(replicated). 일부 실시예에서, 자기 유사 구조 특징부(122)의 세트를 달성하기 위해 회전, 병진 및 스케일링의 어떠한 조합도 채택될 수 있다. 당업자에게는 자기 유사 구조 특징부(122)의 세트가 복수의 프랙탈 요소(130)로서 알려져 있을 수 있다. 복수의 프랙탈 요소(130)는 삼각형 형상, 사각형 형상 또는 오각형 형상의 하나 이상의 특징부를 가질 수 있다. 복수의 프랙탈 요소(130)는 xN +1=f(xN, ybN) 및 yN +1=g(xN, yN)에 의해 정의되는 다음 반복 N+1을 위한 x-축 및 y-축 좌표를 가지며, 여기서 xN, yN는 이전의 반복의 좌표이며, f(x,y) 및 g(x,y)는 프랙탈 문양 및 행동을 정의하는 함수이다. 코쉬 패턴(Koch pattern), 블랙만-코쉬 패턴(Blackman-koch pattern), 로터스 포드 패턴(lotus pods pattern), 시어핀스키 패턴(Sierpinski pattern), 헥사고널 패턴(hexagonal pattern) 및 폴리고널 패턴(polygonal pattern)이 본 발명에서의 복수의 프랙탈 요소(130)를 위해 채택될 수 있는 자기 유사 패턴이다. 당업자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 프랙탈 요소(130)의 자기 유사 패턴은 요구된 작동 주파수 또는 작동 주파수의 범위를 획득하도록 배열될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 복수의 프랙탈 요소(130)는 삼각형, 사각형 및 오각형과 같은 다양한 형상의 2 또는 3의 반복 인자(iteration factor)에 의해 발생된다. 바람직하게는, 본 발명의 대부분의 실시예에서는 단지 2번의 반복 횟수(iteration number) 1st 및 2nd가 채택된다. 프랙탈 지오메트리의 영역에서, 반복 인자 및 반복 횟수는 프랙탈 생성(fractal generation)의 구성 법칙 및 얼마나 많은 반복 프로세스가 수행되어야 하는지를 나타낸다. 방사 요소(114)의 공진 주파수는 방사 요소(114)의 평균 전기적 길이의 연장으로 인해 반복 횟수 및 반복 인자가 증가할 때에 감소한다.
복수의 프랙탈 요소(130)는 전송 및/또는 수신을 위한 다이폴 응답 패턴(dipole response pattern)을 제공하도록 구성될 수 있다. 이와 달리, 페이즈드 어레이 설계(phased array design)와 같은 다른 안테나 설계가 실시될 수 있다. 이들 다른 안테나 설계는 다이폴 설계에 상관없이 또는 다이폴 설계와 조합하여 실시될 수 있다.
안테나(100)의 주파수 범위를 확장하기 위해, 도전체 형태의 추가의 구조물이 안테나(100)에 포함될 수 있다. 이들 도전체는 도전성 트레이스 또는 와이어이어도 된다.
도 11은 본 발명의 일부 실시예에 따라 보이드(void)(132)의 세트가 생성되어 있는 방사 요소(114)를 도시하고 있다. 이 보이드(132) 세트는 방사 요소(114) 상에 대칭적으로 배치될 수 있다. 보이드(132) 세트는 어레이 개념을 이용함으로써 생성될 수 있으며, 이것은 일반적으로 안테나(100)의 방사 특성을 향상시킨다. 생성된 보이드(132) 세트는 방사 요소(114)를 마치 2개 이상의 방사 요소(114)가 서로 인접해 있는 것처럼 동작하도록 한다.
본 발명의 일부 실시예에 따라, 유전체 기판(102)은 정사각형, 직사각형 또는 원형을 포함한 어떠한 형상으로도 될 수 있다. 유전체 기판(102)의 유전율은 2 내지 40의 범위로 될 수 있다. 바람직하게는, 유전체 기판(102)의 유전율은 2 내지 3의 범위에 있다. 응용기기에 따라서는, 유전체 기판(102)의 크기는 변화될 수 있다. 다수의 상이한 타입의 비도전성 재료가 유전체 기판(102)으로서 이용될 수 있다. 유전체 기판은 실리콘 웨이퍼, 강성 또는 연성이어도 되는 플라스틱 유사 재료(plastic-like material), 페이퍼, 에폭시, 글래스, 파이버 글래스, 세라믹 재료, 및 전기의 흐름을 저지할 수 있는 기타 재료이어도 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 유전체 기판(102)은 직물 파이버글래스(woven fiberglass)/PTTE 복합 재료로 구성된다.
당업자에 의해 이해될 것인 바와 같이, 하나 이상의 급전선(112) 및 접지면 층(120)은 Cu, Au 및 ITO와 같은 어떠한 도전성 재료로도 구성될 수 있다. 컨넥터(124)는 7/16 DIN 컨넥터, BNC 컨넥터, C 컨넥터, 및 데지픽스 컨넥터(Dezifix connector)를 포함할 수 있다.
도 12는 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 안테나(100)를 제조하는 방법(400)을 기술하는 흐름도이다. 본 방법(400)에 따른 단계 402, 404, 406, 408 및 410은 컴퓨터 또는 처리 유닛의 프로그램 명령(예컨대, 소프트웨어)의 실행을 통해 수행될 수 있다. 그러나, 소프트웨어를 이용하지 않고서도 이들 단계를 수행하는 일부 다른 방식이 실행될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 대표적인 실시예에서, 소프트웨어는 CST Microwave studios(독일의 다름슈타트)이어도 된다. 본 방법(400)은 단계 402로 개시되며, 이 단계에서는 요구된 주파수에서 작동하기 위한 안테나(100)의 사양의 세트를 생성한다. 이 단계에서 고려할 여러 가지의 인자가 있다. 이 인자는 유전체 기판(102)의 재료 및 타입, 하나 이상의 방사 요소(114)의 재료, 안테나(100)의 작동 주파수, 및 복수의 프랙탈 요소(130)에 대해 채택할 자기 유사 패턴의 세트를 포함한다. 일부 실시예에서는, 하나 이상의 급전선(112)의 위치 또한 결정된다.
하나 이상의 방사 요소(114)를 요구된 주파수로 작동하도록 설계하는 단계 402 후에, 하나 이상의 방사 요소의 형상을 반복적으로 결정하는 단계인 단계 404가 수행된다. 하나 이상의 방사 요소(114)의 형상은 요구된 주파수로 작동하도록 마이크로스트립 안테나와 유사한 직사각 형상으로 초기에 설정된다. 그 후, 본 기술 분야에서 알려진 프랙탈 기술이 적용될 것이다. 프랙탈 기술이 적용되는 형상은 전반적으로 삼각형 형상, 전반적으로 사각형 형상 및 전반적으로 오각형 형상을 포함한다. 단계 404의 반복 기술은 방사 요소(114)의 일부 잘못된 정렬(misalignment)로 인해 하나 이상의 방사 요소(114)의 작동 주파수에 영향을 줄 수 있으며, 이를 바로잡기 위해서는, 단계 406에서, 하나 이상의 방사 요소(114)를 요구된 작동 주파수로 작동하도록 미세 조율하기 위해 하나 이상의 방사 요소(406)의 스케일링이 수행된다.
그 후, 단계 408에서는, 하나 이상의 방사 요소(114)의 전계 및 자계의 방향과 세기가 결정될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 전계 및 자계의 방향과 세기는 소프트웨어에 의해 시뮬레이션된다. 전계 및 자계의 방향과 세기는 방사 요소(114)의 형상 및 지오메트리에 좌우된다. 이 단계 동안, 복귀 손실(return loss), VSWR 대역폭 및 이득과 같은 하나 이상의 방사 요소(114)의 다양한 파라미터가 결정될 수 있다. 단계 408의 결과가 안테나(100)의 조건을 충족하면, 후속 단계 410에서는, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 배치하기 위한 지점의 세트를 결정한다.
단계 408에서 획득된 하나 이상의 방사 요소(114)의 시뮬레이션된 전계 및 자계로부터, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 배치하기 위한 지점의 세트가 단계 410에서 결정될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)을 배치하기 위한 지점의 세트는 유전체 기판(102)의 제1 측부(104), 제2 측부(106), 제3 측부(108) 및 제4 측부(110) 중의 하나 이상의 측부 상이다. 본 발명의 일부 다른 실시예에서, 지점의 세트는 유전체 기판(102)의 제3 측부(108) 및 제4 측부(110) 중의 하나 이상의 측부 상이다. 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)를 형성하기 위해 서로 인접하여 수직으로 배치된 복수의 메타물질 공진 구조물을 구성할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 방사 요소(114)에 의해 발생되는 시뮬레이션된 전계와 자계를 각각 도시하고 있다. 도 13a에서 알 수 있는 바와 같이, 화살표로 나타낸 전계는 유전체 기판(102)의 제1 측부, 제2 측부, 제3 측부 및 제4 측부 상에 존재하게 된다. 도 13b에 도시한 바와 같이, 화살표로 나타낸 자계는 유전체 기판(102)의 제2 측부, 제3 측부 및 제4 측부 상에 및 급전선(112) 부근에 존재하게 된다. 전술한 바와 같이, 자기 공진을 발생하고 투자율의 양의 피크를 획득하기 위해 스플리트 링 공진기가 배치될 수 있는 3가지의 방위가 있다. 이들 방위는 도 9의 (a), (b) 및 (d)에 도시되어 있다. 이들 3가지의 방위의 방위들은 전계 E, 자계 H 및 여기 파 k의 방향에 의해 이루어진다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 시뮬레이션된 전계 및 자계에 기초하여, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)을 배치하기 위한 지점의 세트는 전계 E 및 자계 H 방향에 초점을 둠으로써 결정될 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)을 배치하기 위한 지점의 세트는 하나 이상의 방사 요소(114)의 전계 및 자계가 가장 높은 세기를 갖는 지점이 되도록 결정된다. 전계 및 자계의 세기는 시뮬레이션된 데이터로부터 알 수 있다. 그러나, 이것은 자기-전기 불균형으로 인한 에너지 손실을 보상하기 위한 최상의 지점을 항상 제공하지는 못할 수도 있다. 그 이유는 하나 이상의 방사 요소(114)와 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126) 간의 전기적 및 자기적 커플링 때문일 수 있다. 전계 및 자계의 세기가 가장 높은 지점이 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)을 배치하기 위한 지점을 결정하기 위한 우수한 출발점이 될 수 있다는 것은 당업자에게는 명백하다. 이 단계에서, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)의 방위는 하나 이상의 방사 요소(114)의 복귀 손실, VSWR 대역폭, 및 이득에 영향을 줄 수 있기 때문에 역시 중요하다. 복귀 손실, VSWR 대역폭, 및 이득 특성에 기초한 하나 이상의 방사 요소(114)의 응답에 따라서는, 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)이 복수의 메타물질 공진 구조물을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 메타물질 공진 구조물은 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)를 를 형성하기 위해 서로 인접하여 수직으로 배치된다. 일부 실시예에서는, 복수의 메타물질 공진 구조물이 각각 동일한 방향으로 지향될 수 있다. 일부 다른 실시예에서는, 복수의 메타물질 공진 구조물이 복수의 방향으로 지향될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 메타물질 공진 구조물(128)의 적층체 내의 각각의 메타물질 공진 구조물은 복수의 방향으로 지향될 수 있다.
단계 410에서 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 배치하기 위한 지점의 세트를 결정한 후, 단계 412에서는 하나 이상의 방사 요소를 유전체 기판의 표면 상에 배치한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 급전선(112) 또한 이 단계에서 배치된다. 후속하여, 단계 414에서는 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 하나 이상의 방사 요소와 동일한 평면에 또한 하나 이상의 방사 요소가 배치된 것과 동일한 유전체 기판의 표면 상에 배치된다.
대표적인 방법에 따라, 이 단계 동안 리소그래피 기술이 수행된다. 당업자에게는 공지되어 있는 바와 같이, 하나 이상의 방사 요소(114)의 형상과 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)의 지점 및 방위가 리소그래피 기술을 이용하여 유전체 기판(102) 상에 최초로 프린트될 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 유전체 기판(102)은 도전성 코팅 표면을 가지며, 프린팅 직후에, 요구되지 않은 도전성 표면이 에칭으로 제거될 것이다. 전술한 바와 같이, 배치될 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(126)은 복수의 메타물질 공진 구조물을 포함할 수 있으며, 일부 실시예서는 복수의 메타물질 공진 구조물의 각각이 메타물질 공진 구조물의 하나 이상의 적층체(128)를 형성하도록 서로 인접하여 수직으로 배치된다. 리소그래피 기술을 이용하는 대신, 본 발명의 상이한 실시예에 따른 안테나(100)를 제조하는 몇몇 다른 방식이 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 요구된 주파수로 작동하기 위한 안테나의 사양의 세트를 생성하는 단계(402), 방사 요소의 형상을 반복적으로 결정하는 단계(404), 요구된 주파수로 작동하도록 하나 이상의 방사 요소를 스케일링하는 단계(406), 전계 및 자계의 방향을 결정하는 단계(408), 및 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 배치하기 위한 지점의 세트를 결정하는 단계(410) 중의 하나 이상이 적어도 1회 수행된다. 일부 실시예에서, 각각의 단계의 결과에 좌우되어, 수행된 단계가 다시 행해질 수 있다. 예컨대, 요구된 주파수로 작동하도록 하나 이상의 방사 요소를 스케일링(406)한 후, 방사 요소의 형상을 반복적으로 결정하는 단계(404)가 다시 행해질 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 이들 단계 모두가 적어도 1회 수행된다. 또 다른 일부 실시예에서, 요구된 주파수로 작동하도록 하나 이상의 방사 요소를 스케일링하는 단계(406) 후에, 전계 및 자계의 방향을 결정하는 단계(408) 및 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 배치하기 위한 지점의 세트를 결정하는 단계(410)가 적어도 1회 수행된다.
도 12에 도시된 바와 같은 방법(400)은 단지 본 발명의 일부 대표적인 실시예에 따른 것이다. 당업자라면 개시된 전술한 방법에서의 단계의 구체적인 순서 또는 계층은 대표적인 접근의 일례일 뿐이라는 것을 이해하여야 한다. 설계 상의 선호에 기초하여, 본 방법에서의 단계의 구체적인 순서 또는 계층은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고서도 재배열될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 첨부한 방법 청구항은 여러 단계의 구성요소를 견본으로서의 순서로 제공하며, 제공된 구체적인 순서 또는 계층으로 제한하려는 것을 의미하지 않는다. 예컨대, 요구된 주파수로 작동하도록 하나 이상의 방사 요소를 스케일링하는 단계(406)는 하나 이상의 방사 요소의 전계 및 자계의 방향을 결정하는 단계(408) 후에 수행될 수 있다.
전술한 개시 내용에 기초하여, 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고서도 안테나의 형태 및 설계에 있어서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에서 설명된 형태, 방법 및 설계는 단계 이들의 예시적 구현에 불과하며, 이하의 청구범위는 이러한 변경을 포괄하고 포함한다.
전술한 방식에서, 낮은 손실로 작동하는 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 갖는 안테나 및 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 갖는 안테나의 개발 방법이 개시되어 있다. 다수의 실시예가 개시되어 있지만, 본 발명의 관점에서 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않고서도 다수의 변경 및/또는 수정이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게는 자명하게 될 것이다.

Claims (27)

  1. 하나 이상의 주파수 대역에서 전자기 신호를 전송 및 수신하기 위한 안테나에 있어서,
    제1 측부, 상기 제1 측부 반대측의 제2 측부, 및 상기 제1 측부와 상기 제2 측부 사이에 연장하는 제3 측부와 제4 측부를 갖는 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 표면 상에 배치되고, 자기 유사 구조 특징부(self similar structural feature)의 세트를 드러내고 있는(exhibit) 하나 이상의 방사 요소;
    상기 하나 이상의 방사 요소에 연결되고, 상기 하나 이상의 방사 요소와 상기 제1 측부 사이에 연장하는 하나 이상의 급전선(feed line); 및
    상기 유전체 기판의 상기 표면 상에 배치되고, 상기 하나 이상의 방사 요소의 주변에 있는 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(metamaterial resonating structure)
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 상기 유전체 기판의 상기 제1 측부, 상기 제2 측부, 상기 제3 측부, 및 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 배치되는, 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 상기 유전체 기판의 상기 제3 측부와 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 배치되는, 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 서로 인접하여 수직으로 배치된 복수의 메타물질 공진 구조물을 포함하는, 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 메타물질 공진 구조물은 상기 유전체 기판의 상기 제1 측부, 상기 제2 측부, 상기 제3 측부, 및 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 배치되는, 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 상기 하나 이상의 방사 요소와 동일한 평면에 배치되는, 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방사 요소의 상기 자기 유사 구조 특징부의 세트는 복수의 프랙탈 요소(fractal element)를 포함하는, 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방사 요소는 실질적으로 평면형인, 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방사 요소는 실질적으로 평면형의 유전체 기판 상에 형성되는, 안테나.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 프랙탈 요소는 전반적으로 삼각형 형상, 전반적으로 사각형 형상, 및 전반적으로 오각형 형상을 갖는 하나 이상의 특징부를 포함하는, 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방사 요소는 Cu, Au 및 ITO 중의 하나 이상을 포함하는, 안테나.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 프랙탈 요소는, 코쉬 패턴(Koch pattern), 블랙만-코쉬 패턴(Blackman-koch pattern), 로터스 포드 패턴(lotus pods pattern), 시어핀스키 패턴(Sierpinski pattern), 헥사고널 패턴(hexagonal pattern) 및 폴리고널 패턴(polygonal pattern) 중의 하나 이상을 포함하는, 안테나.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 프랙탈 요소는 적어도 2의 반복 인자(iteration factor)에 의해 발생되는, 안테나.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방사 요소는 보이드(void)의 세트를 포함하는, 안테나.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 보이드의 세트는 상기 하나 이상의 방사 요소 상에 대칭으로 배치되는, 안테나.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 스플리트 링 공진기(split ring resonator)를 포함하는, 안테나.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 공진 주파수는 상기 안테나의 작동 주파수의 ±0.5∼5％의 허용오차를 갖는, 안테나.
  18. 하나 이상의 주파수 대역에서 전자기 신호를 전송 및 수신하기 위한 안테나를 제조하는 방법으로서, 상기 안테나가, 제1 측부, 상기 제1 측부 반대측의 제2 측부, 및 상기 제1 측부와 상기 제2 측부 사이에 연장하는 제3 측부와 제4 측부를 갖는 유전체 기판과, 상기 유전체 기판의 표면 상에 배치되고, 자기 유사 구조 특징부(self similar structural feature)의 세트를 드러내고 있는(exhibit) 하나 이상의 방사 요소와, 상기 하나 이상의 방사 요소에 연결되고, 상기 하나 이상의 방사 요소와 상기 제1 측부 사이에 연장하는 하나 이상의 급전선(feed line)과, 상기 유전체 기판의 상기 표면 상에 배치되고, 상기 하나 이상의 방사 요소의 주변에 있는 하나 이상의 메타물질 공진 구조물(metamaterial resonating structure)을 포함하며,
    상기 안테나 제조 방법은,
    요구된 주파수로 작동하도록 상기 하나 이상의 방사 요소를 스케일링하는 단계;
    상기 하나 이상의 방사 요소의 형상 및 지오메트리에 좌우되는 상기 하나 이상의 방사 요소의 전계 및 자계의 방향을 결정하는 단계; 및
    상기 유전체 기판 상의 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트를 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트는, 상기 유전체 기판의 상기 제1 측부, 상기 제2 측부, 상기 제3 측부, 및 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 있는, 안테나 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트는, 상기 유전체 기판의 상기 제3 측부와 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 있는, 안테나 제조 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 안테나의 사양의 세트를 생성하는 단계와, 상기 하나 이상의 방사 요소의 형상을 반복적으로 결정하는 단계 중의 하나 이상을 더 포함하는, 안테나 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 요구된 주파수로 작동하도록 상기 하나 이상의 방사 요소를 스케일링하는 단계와, 상기 하나 이상의 방사 요소의 전계 및 자계의 방향을 결정하는 단계와, 상기 유전체 기판 상의 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트를 결정하는 단계와, 상기 안테나의 사양의 세트를 생성하는 단계와, 상기 하나 이상의 방사 요소의 형상을 반복적으로 결정하는 단계 중의 하나 이상의 단계가 적어도 1회 수행되는, 안테나 제조 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 요구된 주파수로 작동하도록 상기 하나 이상의 방사 요소를 스케일링하는 단계와, 상기 하나 이상의 방사 요소의 전계 및 자계의 방향을 결정하는 단계와, 상기 유전체 기판 상의 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트를 결정하는 단계와, 상기 안테나의 사양의 세트를 생성하는 단계와, 상기 하나 이상의 방사 요소의 형상을 반복적으로 결정하는 단계가 적어도 1회 수행되는, 안테나 제조 방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 요구된 주파수로 작동하도록 상기 하나 이상의 방사 요소를 스케일링하는 단계와, 상기 하나 이상의 방사 요소의 전계 및 자계의 방향을 결정하는 단계와, 상기 유전체 기판 상의 상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 배치를 위한 지점의 세트를 결정하는 단계의 각각이 적어도 1회 수행되는, 안테나 제조 방법.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 방사 요소를 상기 유전체 기판의 표면 상에 배치하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물을 상기 하나 이상의 방사 요소와 동일한 평면에 또한 상기 하나 이상의 방사 요소가 배치된 것과 동일한 상기 유전체 기판의 상기 표면 상에 배치하는 단계
    를 더 포함하는, 안테나 제조 방법.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 복수의 메타물질 공진 구조물을 포함하며, 각각의 상기 메타물질 공진 구조물은 서로 인접하여 수직으로 배치되는, 안테나 제조 방법.
  27. 제18항에 있어서,
    상기 단계들 중의 하나 이상의 단계가 컴퓨터 소프트웨어를 통해 수행되는, 안테나 제조 방법.
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