본 논문에서는 기존 메타물질 안테나의 단점들을 극복하고 응용 분야를 확장할 수 있는 하이브리드 메타물질을 제안하였다. 또한 이를 이용하여 우수한 특성을 갖는 안테나들을 개발하였다. 지금까지 메타물질 안테나를 포함한 대부분의 안테나들은 각각 분리된 설계 영역 (ENG, MNG, DNG, DPS) 에서 설계 되었다. 이로 인해, 패치 안테나와 모노폴 안테나와 같은 DPS 영역의 안테나는 성능에 있어서 장점을 가지고 있지만 전기적으로 큰 구조를 가진다. 반대로, ENG, MNG, DNG 영역의 메타물질 안테나들은 소형화에 장점을 가지고 있지만 성능이 저하되는 단점을 가지고 있다. 하이브리드 메타물질은 이런 각각의 영역에 해당하는 안테나의 특성들을 융합한 개념을 의미한다. 다시 말해서 메타물질 영역의 안테나의 고유한 특성을 이용하여 DPS 영역의 안테나의 단점을 보완할 수 있으며, 반대로 DPS 영역의 특성을 활용하여 메타물질 안테나의 단점을 극복할 수 있다. 마지막으로 두 영역의 특성을 동시에 가지는 안테나를 설계할 수 있다. 특히, 본 논문에서는 안테나 설계에 있어서 중요한 이슈인 광빔폭, 광대역, 이중대역 원형편파를 갖는 하이브리드 메타물질 안테나들을 개발하였다.

첫째, E-plane에서 광빔폭을 갖는 하이브리드 메타물질 안테나를 개발하였다. 안테나가 광빔폭을 가지도록 하기 위해, TM010 모드와 영차공진 모드를 융합하였고 각 모드로 입사하는 전력 비를 조정하여 TM010 모드의 빔폭을 조절하였다. TM010 모드와 영차공진 모드를 동시에 발생시키기 위해서 영차공진을 발생시킬 수 있는 버섯구조 안테나를 TM010 모드가 발생되는 사각홀이 에칭된 패치 안테나 내부에 삽입하였고, 두 안테나 사이에 급전구조를 삽입하였다. 따라서 제안된 안테나는 두 개의 안테나가 융합된 하이브리드 구조를 가진다. 각 안테나로 입사하는 전력을 조절하기 위해서 급전구조와 각 안테나 사이에 갭을 삽입하였고 이를 조절하여 최적의 half-power beamwidth (HPBW)를 도출하였다. 결과적으로 제안된 안테나는 E-plane에서 115˚의 HPBW를 가지며 이는 동일한 크기를 갖는 기존 패치 안테나의 HPBW보다 53 % 증가된 것을 확인하였다. 또한, 제안된 안테나의 대역폭은 3.3 % 그리고 방사효율은 92 %로 측정되었다.

둘째, 기존 영차공진 메타물질 안테나가 가지는 협대역을 보완하기 위해 총 3 가지 방법들을 제시하였고 각각의 안테나들을 개발하여 특성을 확인하였다. 먼저, 높은 투자율을 갖는 기판과 꼬여진 비아를 이용하여 영차공진 메타물질 안테나의 대역폭을 개선하였다. 꼬여진 비아를 이용함으로써, 대역폭을 유지하면서 안테나를 소형화 시킬 수 있다. 또한, 높은 투자율을 갖는 기판을 이용하면 소형화된 안테나를 설계할 수 있을 뿐만 아니라 유전율 기판을 사용했을 경우보다 대역폭을 개선할 수 있다. 적절한 투자율 값을 얻음과 동시에 기판의 손실을 줄이기 위해 높은 투자율을 가지는 ferrite 기판과 유전율 기판을 적층하였고, 이를 영차공진 안테나에 응용하였다. 결과적으로 제안된 안테나는 kr = 0.32로 전기적으로 소형화된 크기를 가지며 유전체 기판으로 설계된 동일한 영차공진 안테나보다 1.74배 확장된 대역폭을 가지는 것을 확인하였다. 하지만 높은 투자율 기판을 활용한 안테나 설계 방법으로 대역폭이 확장된 것을 확인하였으나, 기판의 손실로 방사 효율이 낮고 개선된 대역폭 역시 좁은 단점을 가지고 있다.
다음으로 이를 개선하고자 DPS 영역에서 발생하는 패치 안테나의 TM010 모드를 이용하여 영차공진 모드의 협대역을 보완할 수 있는 하이브리드 영차공진 안테나를 개발하였다. 영차공진 근방에서 동작하는 패치 안테나를 설계하기 위해 패치 내부에 사각형의 홀을 에칭하였고 접힌 기생패치를 추가하였다. 또한, 사각형 홀 내부에 영차공진 안테나를 삽입하여, 결과적으로 두 안테나가 융합된 구조를 제안하였다. 또한 내부의 영차공진 안테나와 외부의 패치 안테나에 동일한 급전을 주기 위해 두 안테나 사이에 coaxial probe가 연결된 원형패치를 삽입하였다. 측정결과 제안된 안테나는 영차공진 모드부터 TM010 모드까지 동작하는 것을 확인하였고 기존 영차공진 안테나보다 3배 이상 증가된 12 %의 대역폭을 가진다. 방사효율 역시 전체 동작 대역에서 75 % 이상으로 유지되는 것을 확인하였다. 하지만 제안된 방법 역시 높은 기판과 두 개의 안테나를 요구하며 동작 대역에서 방사패턴이 변하는 단점을 가지고 있다.
마지막으로, 이를 개선하고자 버섯구조에서 발생하는 영차공진 모드와 FOR 모드를 융합하는 새로운 방법을 제안하였다. FOR 모드는 버섯구조에서 영차공진 다음으로 발생하는 반파장 모드로써 기본적으로 일반적인 패치 안테나의 TM010 모드와 동일하다. 하지만 일반적인 버섯구조에서는 두 모드 사이에 주파수 차이가 크기 때문에 두 모드를 융합할 수 없다. 그러나 접힌 버섯구조를 이용하면 FOR 모드의 주파수가 영차공진 모드의 주파수 쪽으로 낮아지게 되어 두 모드를 융합할 수 있고, 따라서 단일 방사체만으로 광대역의 하이브리드 메타물질 영차공진 안테나를 설계할 수 있다. 먼저, 제안한 접힌 버섯구조의 구조적인 설계 과정을 정리하였고 일반적인 버섯구조와 접힌 버섯구조의 비교를 통해 영차공진 모드와 FOR 모드의 동작 원리를 규명하였다. 또한, 안테나의 임피던스 정합을 위해 커플링 급전 구조를 설계하였고 안테나 크기를 최적화하였다. 측정결과, 제안된 하이브리드 메타물질 영차공진 안테나는 68.3 %의 광대역폭을 가지며 동작대역에서 동일한 방사패턴을 가지는 것을 확인하였다. 방사효율 역시 동작 대역에서 80% 이상의 고효율을 가지는 것으로 측정되었다.

마지막으로, DNG 영역에서 발생하는 -1 모드와 DPS 영역에서 발생하는 +1 모드를 이용하여 이중대역에서 동작하는 하이브리드 메타물질 원형편파 안테나를 설계하였다. +1 모드는 RH 영역에서 발생하는 반파장 공진 모드이며 -1 모드는 CRLH 전송선로에서 발생하는 LH 영역의 음의 모드이다. 이중대역에서 원형편파 특성을 구현하기 위해 +1 모드로 동작하는 trimmed square 패치 안테나와 -1 모드로 동작하는 2 x 2로 구성된 버섯구조 안테나를 이용하였고 두 안테나를 하나로 융합하였다. 제안된 안테나는 두 개의 안테나가 융합되었음에도 불구하고 평면형 구조, 단일 급전 구조로 구현되었으며 전기적으로 소형화된 크기를 가지고 있다. 측정결과 제안된 안테나는 +1 모드에서 2.864 GHz ~ 2.887 GHz 까지 원형편파의 조건을 만족하며 -1 모드에서는 3.829 GHz ~ 3.835 GHz 까지 원형편파 특성을 만족하는 것을 확인하였다. 또한 각 모드에서 6.20 dBic와 5.16 dBic의 최대 이득이 확인되었고 방사 효율은 각각 87 %와 47 % 측정되었다.

In this thesis, the hybrid metamaterial (HMTM) antennas having the superior characteristics are proposed. Basically, the HMTM is completed by merging the property of the MTM medium and the property of the double positive (DPS) medium. By utilizing the properties of the antennas in the DPS medium, the defects of the MTM antennas are compensated. The antenna utilizing the DPS and MTM properties, simultaneously, can be designed. Especially, three issues of antenna design: beamwidth, bandwidth, and multi-band circular polarization (CP) are studied in this thesis.

First, a HMTM patch antenna with a broad E-plane half-power beamwidth (HPBW) at a half-wavelength (TM010) mode is designed. In order to obtain the broad HPBW of the antenna, the TM010 mode in the DPS medium and a zeroth-order resonance (ZOR) mode in an epsilon negative (ENG) medium are combined. To generate the TM010 mode and the ZOR mode, simultaneously, the mushroom antenna is inserted in a rectangular patch antenna with an etched rectangular hole. Then, a single coupled-fed is employed between two radiators. As a result, the E-plane HPBW of the proposed antenna is measured as 115˚ and broadened by 53 %, compared with that of the conventional patch antenna. Moreover, the bandwidth and the efficiency of the antenna are measured as 3.3 % and 92 %, respectively.

Second, three types of HMTM ZOR antennas are proposed to overcome the narrow bandwidth of the ordinary MTM ZOR antenna. A small HMTM ZOR antenna having an improved bandwidth is designed. To improve the narrow bandwidth of the MTM ZOR antenna, a meandered via and a high permeability substrate are utilized. Also, in order to obtain the appropriate high permeability and low material loss, a multi-layered substrate having the Hexaferrite and RT/duroid5880 is designed. As a result, it is confirmed that the antenna has the 10 dB fractional bandwidth of ~1 % which is 1.74 times as broad as that of the antenna with a dielectric substrate.
A broad band HMTM ZOR antenna is proposed by combining the ZOR mode and the TM010 mode. In order to achieve the combination, a HMTM ZOR antenna with the folded parasitic patch is designed. Using the folded parasitic patch, the frequency of TM010 mode can be down-shifted to the frequency of the ZOR mode without changing the size of the antenna. Thus, the ZOR mode and the TM010 mode are combined. As a result, the proposed antenna is measured as the 10 dB fractional bandwidth of 12 %. The radiation efficiency of the proposed antenna shows above 78 % in the whole band.
A wide band HMTM ZOR antenna using a folded mushroom is proposed. By employing a folded mushroom, the frequency of the first order resonance (FOR) mode is down-shifted toward that of the ZOR mode. Thus, two modes can be combined and the wide band is achieved. As a result, the 10 dB fractional bandwidth of 68.3 % is measured. The radiation efficiency is measured above 80 % in the whole band.

Finally, a small dual band HMTM CP patch antenna is proposed by utilizing the first positive (+1) mode in the DPS medium and the first negative (-1) mode in the double negative (DNG) medium. To obtain the CP radiations in the +1 and -1 modes, simultaneously, a trimmed patch antenna and a 2 x 2 mushroom antenna are employed, respectively. Then, two antennas are united into one. As a result, it is measured that the CP radiations appear 2.864 GHz ~ 2.887 GHz (+1 mode) and 3.829 GHz ~ 3.835 GHz (-1 mode), respectively. The radiation efficiencies are measured to be 87 % and 47 %.

The proposed HMTM antenna is an alternative to overcome the limitations of the current MTM antenna for practical use. Consequently, it is expected that the HMTM antennas will be utilized to the real-world applications requiring small size and superior performances such as broad beamwidth, wide band, and multi band circular polarization.