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KR102071819B1 - Wideband and high-gain patch abtenna using metamaterial structure - Google Patents

Wideband and high-gain patch abtenna using metamaterial structure Download PDF

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KR102071819B1
KR102071819B1 KR1020190020677A KR20190020677A KR102071819B1 KR 102071819 B1 KR102071819 B1 KR 102071819B1 KR 1020190020677 A KR1020190020677 A KR 1020190020677A KR 20190020677 A KR20190020677 A KR 20190020677A KR 102071819 B1 KR102071819 B1 KR 102071819B1
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KR
South Korea
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antenna
split ring
patch antenna
width
resonator
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Application number
KR1020190020677A
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Korean (ko)
Inventor
서철헌
윤나내
하반남
Original Assignee
숭실대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

According to one embodiment of the present invention, provided is a broadband high gain antenna using a meta-structure, which comprises: an opening coupled feed patch antenna in which a plurality of patch antennas are arranged at predetermined intervals along a longitudinal direction; and a plurality of meta-material resonators arranged on the opening coupled feed patch antennas, wherein unit cells including a plurality of split ring resonators and built-in capacitors are arranged in two dimensions.

Description

메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나 {WIDEBAND AND HIGH-GAIN PATCH ABTENNA USING METAMATERIAL STRUCTURE}Wideband high gain antenna using meta structure {WIDEBAND AND HIGH-GAIN PATCH ABTENNA USING METAMATERIAL STRUCTURE}

본 발명은 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 패치 안테나에 메타물질 기반의 공진기를 적용하여 높은 성능을 가질 수 있는 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a wideband high gain antenna using a metastructure, and more particularly, to a wideband high gain antenna using a metastructure that can have a high performance by applying a metamaterial-based resonator to a patch antenna.

마이크로스트립 패치 안테나는 제작이 쉽고 가격이 저렴하여 레이다, 통신 등 무선 통신을 이용하는 다양한 기술 분야에서 사용되고 있다. Microstrip patch antennas are easy to manufacture and inexpensive, and are used in various technical fields such as radar and communication.

하지만, 종래의 마이크로스트립 안테나는 본질적으로 대역폭이 좁고, 지향성이 낮다는 단점을 가지고 있으며, 이러한 단점은 광범위한 패치안테나의 활용에 제약을 주게 된다. 이에, 무선 시스템에서는 이러한 단점을 해결하는 안테나의 성능 향상에 많은 관심을 가지고 있다.However, conventional microstrip antennas have disadvantages of inherently narrow bandwidth and low directivity, and these disadvantages limit the utilization of a wide range of patch antennas. Therefore, the wireless system has a lot of interest in improving the performance of the antenna to solve this disadvantage.

대역폭을 향상시키기 위한 기술로, 공진(resonant) 애퍼쳐(aperture)를 이용하는 기술이 제시된 바 있다. 이는 공통 접지면을 사용하여 가짜 급전 방사를 격리하는 방식으로, 안테나의 대역폭을 향상시킬 수는 있으나 종래의 안테나와 유사한 성능을 가지게 되어 안테나 이득 향상 효과는 기대하기 어렵다는 문제점이 있다.As a technique for improving bandwidth, a technique using resonant aperture has been proposed. This is a method of isolating fake feed radiation by using a common ground plane, but can improve the bandwidth of the antenna, but has a problem similar to the conventional antenna has a problem that it is difficult to expect the antenna gain improvement effect.

또한, 안테나의 이득을 향상시키는 방법으로 안테나를 배열하는 방법이 있는데, 이 방법 또한 배열수가 증가하게 되면 안테나의 평면적인 크기가 커지고, 설계 시 복잡하게 되는 문제가 있다.In addition, there is a method of arranging the antennas as a method of improving the gain of the antenna, and this method also has a problem in that the planar size of the antenna increases as the number of arrays increases, and it becomes complicated in design.

한국등록특허 제10-1700403호Korea Patent Registration No. 10-1700403 한국등록특허 제10-1650340호Korea Patent Registration No. 10-1650340

본 발명의 일측면은 마이크로스트립 패치 안테나의 대역폭 특성은 유지하면서 안테나 이득은 향상시킬 수 있는 메타구조를 이용한 광대역 안테나를 제공한다. One aspect of the present invention provides a wideband antenna using a metastructure that can improve antenna gain while maintaining bandwidth characteristics of a microstrip patch antenna.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나는, 복수의 패치 안테나가 길이 방향을 따라 소정 간격마다 배열된 개구 결합 피드 패치 안테나 및 상기 개구 결합 피드 패치 안테나 상부에 복수 개로 배치되며, 복수의 분할 링 공진기 및 내장 커패시터로 구성된 단위셀이 2차원 배열된 메타물질 공진기를 포함한다.In the broadband high gain antenna using a meta structure according to an embodiment of the present invention, a plurality of patch coupling antennas are arranged at predetermined intervals along a length direction and a plurality of aperture coupling feed patch antennas are disposed on the aperture coupling feed patch antennas. The metamaterial resonator includes a two-dimensional unit cell including a plurality of split ring resonators and a built-in capacitor.

상기 개구 결합 피드 패치 안테나는, 상기 복수의 패치 안테나가 길이 방향을 따라 소정 간격마다 형성된 제1 기판; 및 상기 제1 기판의 하단에 배치되며 상기 패치 안테나로부터 방사되는 전파를 통과시키는 개구부가 형성된 상부면과, 상기 상부면 하부 배치되며 급전 라인이 형성된 하부면으로 구성된 제2 기판을 포함할 수 있다.The aperture coupled feed patch antenna may include: a first substrate having the plurality of patch antennas formed at predetermined intervals along a length direction; And a second substrate disposed at a lower end of the first substrate and having an upper surface formed with an opening through which radio waves radiated from the patch antenna are passed, and a lower surface disposed under the upper surface and formed with a feed line.

상기 개구부는 상기 패치 안테나의 개수와 동일한 개수로 마련되며, 각각의 상기 개구부는 복수의 상기 패치 안테나와 일대일로 매칭될 수 있다.The openings may be provided in the same number as the number of the patch antennas, and each of the openings may be matched one-to-one with the plurality of patch antennas.

상기 개구부는, 상기 개구 결합 피드 패치 안테나의 길이 방향과 동일한 길이 방향을 갖는 직사각형 형태일 수 있다.The opening may have a rectangular shape having the same length direction as that of the opening coupling feed patch antenna.

상기 급전 라인은, 이웃하는 두 개의 상기 패치 안테나를 연결하는 제1 급전라인; 및 이웃하는 두 개의 상기 제1 급전 라인을 연결하는 제2 급전라인을 포함할 수 있다.The feed line may include: a first feed line connecting two adjacent patch antennas; And a second feed line connecting two neighboring first feed lines.

상기 분할 링 공진기는, 상변 또는 하변 중앙에 갭이 형성된 사각 링 형상으로 마련되고, 상기 단위셀은, 중심점을 기준으로 내부에서 외부로 향할수록 점차적으로 크기가 커지는 네 개의 상기 분할 링 공진기가 중첩 배치된 형태일 수 있다.The split ring resonator is provided in a quadrangular ring shape having a gap formed at a center of an upper side or a lower side, and the unit cells have four overlapping split ring resonators, which gradually increase in size from the inside toward the outside with respect to a center point. It may be in the form.

상기 단위셀은, 제1 너비를 가지며 하변에 갭이 형성된 제1 분할 링 공진기; 상기 제1 너비보다 큰 제2 너비를 가지며 상변에 갭이 형성된 제2 분할 링 공진기; 상기 제2 너비보다 큰 제3 너비를 가지며 하변에 갭이 형성된 제3 분할 링 공진기; 및 상기 제3 너비보다 큰 제4 너비를 가지며 상변에 갭이 형성된 제4 분할 링 공진기를 포함할 수 있다.The unit cell may include a first split ring resonator having a first width and a gap formed at a lower side thereof; A second split ring resonator having a second width greater than the first width and having a gap formed at an upper side thereof; A third split ring resonator having a third width greater than the second width and having a gap formed at a lower side thereof; And a fourth split ring resonator having a fourth width greater than the third width and having a gap formed at an upper side thereof.

상기 단위셀은, 최외곽에 형성된 상기 제4 분할 링 공진기의 상변 중앙에 형성된 갭에 상기 내장 커패시터가 삽입 배치될 수 있다.The built-in capacitor may be inserted into the unit cell in a gap formed at the center of the upper side of the fourth split ring resonator formed at the outermost part.

상기 메타물질 공진기는 복수 개로 마련되되, 각각의 상기 메타물질 공진기는 상기 개구 결합 피드 패치 안테나로부터 소정 거리 이격된 상부에 수직 방향으로 배치될 수 있다.The metamaterial resonator may be provided in plural, and each of the metamaterial resonators may be disposed in a vertical direction above the predetermined distance away from the aperture coupling feed patch antenna.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, Aperture coupled feed patch 구조를 활용하여 광대역 안테나의 구현이 가능하고, 안테나 배열뿐만 아니라 메타구조를 안테나의 상부에 적용하여 기존의 안테나의 대역폭 특성에 큰 영향을 미치지 않고 안테나의 이득의 향상이 가능하여 높은 성능을 갖는 안테나를 구현할 수 있다.According to one aspect of the present invention, it is possible to implement a wideband antenna by using the Aperture coupled feed patch structure, and to apply not only the antenna arrangement but also the meta structure to the upper part of the antenna to have a great influence on the bandwidth characteristics of the existing antenna. The gain of the antenna can be improved without implementing an antenna having high performance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나의 개략적인 구성이 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1의 개구 결합 피드 패치 안테나의 구체적인 구성이 도시된 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 메타물질 공진기의 구체적인 구성이 도시된 도면이다.
도 4는 도 3의 메타물질 공진기를 구성하는 단위셀의 구체적인 구성이 도시된 도면이다.
1 is a perspective view showing a schematic configuration of a broadband high gain antenna using a meta structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a specific configuration of the aperture coupled feed patch antenna of FIG. 1.
3 is a diagram illustrating a specific configuration of the metamaterial resonator of FIG. 1.
4 is a diagram illustrating a specific configuration of a unit cell constituting the metamaterial resonator of FIG. 3.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It is to be understood that the various embodiments of the invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description, therefore, is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the several aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나(1)의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a wideband high gain antenna 1 using a metastructure according to an embodiment of the present invention.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나(1)는 개구 결합 피드 패치 안테나(100) 및 메타물질 공진기(200)를 포함할 수 있다.Specifically, the broadband high gain antenna 1 using the meta structure according to the embodiment of the present invention may include an opening coupling feed patch antenna 100 and a metamaterial resonator 200.

개구 결합 피드 패치 안테나(100, Aperture-Coupled Feed Patch Antenna, ACFPA)는 전파를 방사하거나 수신하는 장치이다. Aperture-Coupled Feed Patch Antenna (ACFPA) is a device that emits or receives radio waves.

본 발명에 따른 개구 결합 피드 패치 안테나(100, 이하 ACFPA)는 종래의 마이크로 스트립 안테나의 대역폭을 향상시키기 위해 도시된 바와 같이 복수의 패치 안테나가 길이 방향을 따라 소정 간격마다 배열된 형태로 설계될 수 있다. 이와 관련하여, 도 2를 함께 참조하여 설명하기로 한다.The aperture-coupled feed patch antenna 100 (hereinafter referred to as ACFPA) according to the present invention may be designed in such a manner that a plurality of patch antennas are arranged at predetermined intervals along the length direction as shown in order to improve the bandwidth of a conventional microstrip antenna. have. In this regard, it will be described with reference to FIG.

도 2는 도 1의 ACFPA(100)의 구체적인 구성이 도시된 분해사시도이다.2 is an exploded perspective view showing a specific configuration of the ACFPA 100 of FIG.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 ACFPA(100)는 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)으로 구성된 안테나 구조체일 수 있다.Specifically, the ACFPA 100 according to the embodiment of the present invention may be an antenna structure composed of the first substrate 110 and the second substrate 120.

제1 기판(110)에는 복수의 패치 안테나(111a, 111b, 111c, 111d)가 길이 방향을 따라 소정 간격마다 배치될 수 있다. 도시된 실시예에서는 122.6mm*3 342.8 mm*5.7 mm의 제1 기판(110) 상에 네 개의 패치 안테나(111a, 111b, 111c, 111d)가 길이 방향을 따라 소정 간격마다 배치된 것으로 도시되어 있다. 또한, 제1 기판(110)은 유전율이 4.4 인 FR4(EpoxyResin) 기판으로 설계될 수 있다. 하지만, 패치 안테나의 개수 및 제1 기판(110)의 유전율은 상술한 예시에 한정되는 것은 아니며 사용 목적에 따라 대역폭 및 중심 주파수 크기를 설정하기 위해 패치 안테나의 개수 및 제1 기판(110)의 유전율은 설계 변경될 수도 있음은 물론이다.A plurality of patch antennas 111a, 111b, 111c, and 111d may be disposed on the first substrate 110 at predetermined intervals along the length direction. In the illustrated embodiment, four patch antennas 111a, 111b, 111c, and 111d are disposed at predetermined intervals along the length direction on the first substrate 110 of 122.6 mm * 3 342.8 mm * 5.7 mm. . In addition, the first substrate 110 may be designed as an FR4 (EpoxyResin) substrate having a dielectric constant of 4.4. However, the number of patch antennas and the dielectric constant of the first substrate 110 are not limited to the above-described example, but the number of patch antennas and the dielectric constant of the first substrate 110 to set the bandwidth and the center frequency size according to the purpose of use. Of course, the design may be changed.

제2 기판(120)은 제1 기판(110)의 하부에 형성되며, 상부면(121) 및 하부면(122)로 구성될 수 있다.The second substrate 120 may be formed under the first substrate 110 and may include an upper surface 121 and a lower surface 122.

상부면(121)에는 패치 안테나로부터 방사되는 전파를 통과시키는 개구부(aperture, 121a, 121b, 121c, 121d)가 소정 간격마다 형성될 수 있다.Openings 121a, 121b, 121c, and 121d through which the radio waves radiated from the patch antennas pass may be formed in the upper surface 121 at predetermined intervals.

각각의 개구부(121a, 121b, 121c, 121d)는 전파를 통과시키는 슬릿(slit) 형태로 마련될 수 있으며, 구체적으로는 ACFPA(100)의 길이 방향과 동일한 길이 방향을 갖는 직사각형 형태의 홀로 설계될 수 있다.Each of the openings 121a, 121b, 121c, and 121d may be provided in a slit form for passing radio waves, and specifically, may be designed as a hole having a rectangular shape having the same length direction as that of the ACFPA 100. Can be.

또한, 각각의 개구부(121a, 121b, 121c, 121d)는 패치 안테나(111a, 111b, 111c, 111d)와 일대일로 대응될 수 있다. 이와 동시에, 어느 하나의 개구부는 어느 하나의 패치 안테나의 중심부상에 형성될 수 있다. 예컨대, 패치 안테나가 4개인 경우, 개구부 또한 4개로 형성될 수 있으며, 제1 개구부(121a)는 제1 패치 안테나(111a)의 중심 하부에 형성되어 제1 패치 안테나(111a)로부터 방사되는 전파를 통과시킬 수 있다.In addition, each of the openings 121a, 121b, 121c, and 121d may correspond one-to-one with the patch antennas 111a, 111b, 111c, and 111d. At the same time, any one opening may be formed on the central portion of any one patch antenna. For example, when there are four patch antennas, four openings may also be formed, and the first opening 121a is formed below the center of the first patch antenna 111a to radiate radio waves emitted from the first patch antenna 111a. You can pass it.

하부면(122)은 상부면(121)의 하부에 적층 형성되며, 하부면(122)상에는 급전 라인(feed line)이 형성될 수 있다.The lower surface 122 may be stacked below the upper surface 121, and a feed line may be formed on the lower surface 122.

여기서, 급전 라인은 제1 급전 라인(122a, 122b) 및 제2 급전 라인(122c)으로 구성될 수 있다.Here, the feed line may be composed of the first feed line (122a, 122b) and the second feed line (122c).

제1 급전 라인(122a, 122b)은 이웃하는 두 개의 패치 안테나를 연결하는 형상으로 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 왼쪽에 형성된 제1 급전 라인(122a)은 제1 패치 안테나(111a)와 제2 패치 안테나(111b)를 연결하고, 오른쪽에 형성된 제1 급전 라인(122b)는 제3 패치 안테나(111c)와 제4 패치 안테나(111d)를 연결할 수 있다.The first feed lines 122a and 122b may be designed to connect two neighboring patch antennas. For example, the first feed line 122a formed on the left side of FIG. 2 connects the first patch antenna 111a and the second patch antenna 111b, and the first feed line 122b formed on the right side is the third The patch antenna 111c and the fourth patch antenna 111d may be connected.

제2 급전 라인(122c)은 서로 이격 형성된 두 개의 제1 급전 라인(122a, 122b)을 서로 연결하는 급전 라인일 수 있다.The second feed line 122c may be a feed line connecting two first feed lines 122a and 122b spaced apart from each other.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 ACFPA(100)는 접지면으로 분리 된 두 개의 기판(110, 120)으로 구성되며, 상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 ACFPA(100)는 3.2GHz에서 중심 주파수를 가지며 15 % 대역폭(2.95-3.45GHz)을 가지게 된다. 따라서, ACFPA(100) 구조는 광대역 특성을 갖는다. 주파수 범위에서의 이득은 중심 주파수에서 12.5 dBi로 나타날 수 있다.As such, ACFPA 100 according to an embodiment of the present invention is composed of two substrates (110, 120) separated by a ground plane, ACFPA according to an embodiment of the present invention having a structure as described above ( 100) has a center frequency at 3.2 GHz and 15% bandwidth (2.95-3.45 GHz). Thus, the ACFPA 100 structure has broadband characteristics. The gain in the frequency range can be expressed as 12.5 dBi at the center frequency.

메타물질 공진기(200)는 상기 개구 결합 피드 패치 안테나 상부에 복수 개로 배치되며, 복수의 분할 링 공진기 및 내장 커패시터로 구성된 단위셀이 2차원 배열된 형태일 수 있다. 이와 관련하여, 도 3 및 도 4를 함께 참조하여 설명하기로 한다.The metamaterial resonator 200 may be disposed in plural on the opening coupling feed patch antenna, and may have a two-dimensional arrangement of unit cells including a plurality of split ring resonators and a built-in capacitor. In this regard, it will be described with reference to FIGS. 3 and 4 together.

도 3 및 도 4는 도 1의 메타물질 공진기(200)의 구체적인 구조를 설명하기 위한 도면이다.3 and 4 are views for explaining a specific structure of the metamaterial resonator 200 of FIG.

상술한 도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 메타물질 공진기(200)는 복수 개로 마련되되, 각각의 메타물질 공진기(200)는 개구 결합 피드 패치 안테나(100)로부터 소정 거리 이격된(예컨대 60mm) 상부에 수직 방향으로 배치될 수 있다.As shown in FIG. 1, the metamaterial resonator 200 according to the present invention is provided in plural, and each metamaterial resonator 200 is spaced apart from the opening coupling feed patch antenna 100 by a predetermined distance (for example, as shown in FIG. 1). 60mm) may be disposed in the vertical direction.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 메타물질 공진기(200)는 복수의 단위셀(210)이 2차원 배열된 메타 구조로 설계될 수 있다.In this case, as shown in FIG. 3, each metamaterial resonator 200 may be designed as a meta structure in which a plurality of unit cells 210 are two-dimensionally arranged.

단위셀(210)은 서로 다른 크기를 갖는 네 개의 분할 링 공진기(211, 212, 213, 214)가 소정의 중심점을 중심으로 중첩 배치된 형태로 마련될 수 있다.The unit cell 210 may be provided in such a manner that four split ring resonators 211, 212, 213, and 214 having different sizes are overlapped with respect to a predetermined center point.

즉, 각각의 분할 링 공진기(211, 212, 213, 214)는 상변 또는 하변 중앙에 갭이 형성된 사각 링 형상으로 마련되고, 단위셀(210)은 중심점을 기준으로 내부에서 외부로 향할수록 점차적으로 크기가 커지는 네 개의 분할 링 공진기가 중첩 배치된 형태의 패턴을 가질 수 있다.That is, each of the split ring resonators 211, 212, 213, and 214 is provided in a rectangular ring shape having a gap formed at the center of the upper side or the lower side, and the unit cell 210 gradually moves from the inside to the outside based on the center point. Four split ring resonators that are larger in size may have a pattern of overlapping arrangements.

구체적으로, 단위셀(210)은 제1 너비를 가지며 하변에 갭이 형성된 제1 분할 링 공진기(211)와, 제1 너비보다 큰 제2 너비를 가지며 상변에 갭이 형성된 제2 분할 링 공진기(212)와, 제2 너비보다 큰 제3 너비를 가지며 하변에 갭이 형성된 제3 분할 링 공진기(213) 및 제3 너비보다 큰 제4 너비를 가지며 상변에 갭이 형성된 제4 분할 링 공진기(214)로 구성된 패턴이 형성될 수 있다.In detail, the unit cell 210 has a first width and a first split ring resonator 211 having a gap formed at a lower side thereof, and a second split ring resonator having a second width greater than the first width and having a gap formed at an upper side thereof. 212, a third split ring resonator 213 having a third width greater than the second width and having a gap at the lower side thereof, and a fourth split ring resonator 214 having a fourth width greater than the third width and having a gap at the upper side thereof. The pattern consisting of) may be formed.

즉, 단위셀은(210)는 중심부에서 외곽 방향을 향할수록 크기가 점차적으로 커지는 네 개의 분할 링 공진기가 중첩 배치된 형태로 마련되되, 갭의 방향은 상부 방향과 하부 방향에 교차 형성되도록 네 개의 분할 링 공진기가 배열될 수 있다.That is, the unit cell 210 is provided in a form in which four split ring resonators are gradually enlarged as the size increases toward the outer direction from the center, but the direction of the gap is formed so as to cross the upper direction and the lower direction. Split ring resonators may be arranged.

이때, 최외곽에 형성된 제4 분할 링 공진기(214)의 상변 중앙에 형성된 갭에는 내장 커패시터가(220) 삽입 배치될 수 있다.In this case, an internal capacitor 220 may be inserted into the gap formed at the center of the upper side of the fourth split ring resonator 214.

한편, 본 발명에 따른 메타물질 공진기(200)는 3~3.4 GHz 대역에서 투과율이 0에 가까운 제로 굴절률(zero-refractive-index, ZRI)를 갖도록 설계될 수 있다.Meanwhile, the metamaterial resonator 200 according to the present invention may be designed to have a zero-refractive-index (ZRI) of transmittance close to zero in the 3 to 3.4 GHz band.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019018677148-pat00001
Figure 112019018677148-pat00001

여기서,

Figure 112019018677148-pat00002
은 유전율,
Figure 112019018677148-pat00003
은 투과율, n은 굴절율을 의미한다.here,
Figure 112019018677148-pat00002
Silver permittivity,
Figure 112019018677148-pat00003
Is the transmittance and n is the refractive index.

상술한 수학식에 따르면, 유전율(

Figure 112019018677148-pat00004
) 또는 투과율(
Figure 112019018677148-pat00005
)의 값이 0에 가깝게되면, 메타물질 공진기(200)의 굴절(n) 또한 0에 가깝게 됨을 알 수 있다. 스넬의 법칙에 따르면, 제로 굴절률(ZRI) 구조에서 나가는 표면으로 전파되는 입사 파는 정상이며 제어파 지향성에 적용할 수 있다.According to the above equation, the dielectric constant (
Figure 112019018677148-pat00004
) Or transmittance (
Figure 112019018677148-pat00005
When the value of) is close to zero, it can be seen that the refraction n of the metamaterial resonator 200 is also close to zero. According to Snell's law, the incident wave propagating from the zero refractive index (ZRI) structure to the exiting surface is normal and can be applied to control wave directivity.

또한, 투과율은 다음과 같은 수학식에 의해 산출될 수 있다.In addition, the transmittance may be calculated by the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019018677148-pat00006
Figure 112019018677148-pat00006

여기서, c는 광속이고, d는 단위셀(210)의 크기이다.Here, c is the luminous flux and d is the size of the unit cell 210.

본 발명에 따른 메타물질 공진기(200)는 3.2의 유전율을 갖는 Taconic TLC 32 기판을 사용하여 설계되었으며, 기판의 양면이 사용되었다. 각각의 단위셀(210)의 크기는 17.5mm * 17.5mm * 0.787mm, 단위셀(210)는 4*5개로 배열되며, 메타물질 공진기(200)는 90mm * 107.5mm * 0.787mm로 마련된 형태일 수 있다.The metamaterial resonator 200 according to the present invention was designed using a Taconic TLC 32 substrate having a dielectric constant of 3.2, and both sides of the substrate were used. The size of each unit cell 210 is 17.5mm * 17.5mm * 0.787mm, the unit cells 210 are arranged in 4 * 5, the meta-material resonator 200 is 90mm * 107.5mm * 0.787mm Can be.

이에 따라, 본 발명에 따른 메타물질 공진기(200)는 3-3.4GHz 대역의 주파수 범위에서 거의 제로의 투과율을 가질 수 있다. 하기의 표 1은 주파수 범위에서 투과율의 특성을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 3pF에서 투과율의 실제 부분은 -0.91 ~ -0.33이며 다른 커패시터 값과 비교하면 0에 가까움을 알 수 있다.Accordingly, the metamaterial resonator 200 according to the present invention may have a transmittance of almost zero in the frequency range of the 3-3.4 GHz band. Table 1 below shows the characteristics of the transmittance in the frequency range. As shown, the actual part of the transmittance at 3pF is -0.91 to -0.33 and can be seen to be close to zero compared to other capacitor values.

[표 1]TABLE 1

Figure 112019018677148-pat00007
Figure 112019018677148-pat00007

동작 주파수는 메타물질 공진기(200)의 단위셀 패턴과 갭 크기를 변경함으로써 제어 될 수 있지만, 본 발명에 따른 메타물질 공진기(200)는 동작 주파수를 제어하기 위해 3pF의 내장 커패시터(220)가 삽입 배치될 수 있다. 물론, 제작 된 메타 물질이 주파수의 특성을 제어해야한다면 크기, 두께 및 갭을 변경하기 위해 재구성할 수도 있다.The operating frequency may be controlled by changing the unit cell pattern and the gap size of the metamaterial resonator 200, but the metamaterial resonator 200 according to the present invention may include a built-in capacitor 220 of 3 pF to control the operating frequency. Can be arranged. Of course, if the produced metamaterials need to control the characteristics of the frequency, they can also be reconfigured to change the size, thickness and gap.

본 발명에 따른 메타물질 공진기(200)는 LC(inductor capacitor) 공진기로 동작할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나(1)는 종래의 안테나에 비해 주파수 특성을 제어하기 용이할 수 있다. The metamaterial resonator 200 according to the present invention may operate as an inductor capacitor (LC) resonator. Therefore, the broadband high gain antenna 1 using the meta structure according to the present invention may be easier to control the frequency characteristics than the conventional antenna.

이러한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나(1)는 3.15 GHz에서 최대 이득이 12.98 dBi입니다. 6 개의 메타물질 공진기(200)가 추가되었을 때 이득은 3.15 GHz에서 15.7 dBi로 증가함을 실험을 통해 측정할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 패턴을 갖는 메타물질 공진기(200)는 대역폭을 유지할뿐만 아니라 안테나 이득을 증가시킬 수 있다.The wideband high gain antenna 1 using the metastructure according to the embodiment of the present invention having such a structure has a maximum gain of 12.98 dBi at 3.15 GHz. When six metamaterial resonators 200 are added, the gain can be measured through experiments to increase from 3.15 GHz to 15.7 dBi. That is, the metamaterial resonator 200 having the pattern according to the present invention may not only maintain bandwidth but also increase antenna gain.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to the embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. Could be.

1: 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나
100: 개구 결합 피드 패치 안테나
200: 메타물질 공진기
1: Broadband High Gain Antenna Using Meta Structure
100: aperture coupled feed patch antenna
200: metamaterial resonator

Claims (9)

복수의 패치 안테나가 길이 방향을 따라 소정 간격마다 배열된 개구 결합 피드 패치 안테나; 및
상기 개구 결합 피드 패치 안테나 상부에 복수 개로 배치되며, 복수의 분할 링 공진기 및 내장 커패시터로 구성된 단위셀이 2차원 배열된 메타물질 공진기를 포함하며,
상기 분할 링 공진기는, 상변 또는 하변 중앙에 갭이 형성된 사각 링 형상으로 마련되고,
상기 단위셀은, 중심점을 기준으로 내부에서 외부로 향할수록 점차적으로 크기가 커지는 네 개의 상기 분할 링 공진기가 중첩 배치된 형태이며, 제1 너비를 가지며 하변에 갭이 형성된 제1 분할 링 공진기, 상기 제1 너비보다 큰 제2 너비를 가지며 상변에 갭이 형성된 제2 분할 링 공진기, 상기 제2 너비보다 큰 제3 너비를 가지며 하변에 갭이 형성된 제3 분할 링 공진기 및 상기 제3 너비보다 큰 제4 너비를 가지며 상변에 갭이 형성된 제4 분할 링 공진기를 포함하며, 최외곽에 형성된 상기 제4 분할 링 공진기의 상변 중앙에 형성된 갭에 상기 내장 커패시터가 삽입 배치되는, 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나.
An aperture coupled feed patch antenna in which a plurality of patch antennas are arranged at predetermined intervals along a length direction; And
Is disposed on the plurality of the opening coupling feed patch antenna, the unit cell consisting of a plurality of split ring resonator and a built-in capacitor includes a two-dimensional meta-material resonator,
The split ring resonator may be provided in a quadrangular ring shape having a gap formed at a center of an upper side or a lower side.
The unit cell has a form in which the four split ring resonators are gradually arranged in size from the inside to the outside with respect to a center point, and the first split ring resonator has a first width and a gap is formed at the lower side thereof. A second split ring resonator having a second width greater than a first width and having a gap formed at an upper side thereof, a third split ring resonator having a third width greater than the second width and having a gap formed at a lower side thereof, and a third larger than the third width; A fourth split ring resonator having a width of 4 and having a gap formed at an upper side thereof, and having the internal capacitor inserted in a gap formed at the center of the upper side of the fourth split ring resonator formed at the outermost part; antenna.
제1항에 있어서, 상기 개구 결합 피드 패치 안테나는,
상기 복수의 패치 안테나가 길이 방향을 따라 소정 간격마다 형성된 제1 기판; 및
상기 제1 기판의 하단에 배치되며 상기 패치 안테나로부터 방사되는 전파를 통과시키는 개구부가 형성된 상부면과, 상기 상부면 하부 배치되며 급전 라인이 형성된 하부면으로 구성된 제2 기판을 포함하는, 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나.
The method of claim 1, wherein the aperture coupling feed patch antenna,
A first substrate having the plurality of patch antennas formed at predetermined intervals along a length direction; And
A meta structure including a second substrate disposed at a lower end of the first substrate and including an upper surface formed with an opening through which radio waves radiated from the patch antenna pass, and a lower surface disposed under the upper surface and formed with a feed line. Broadband high gain antenna used.
제2항에 있어서,
상기 개구부는 상기 패치 안테나의 개수와 동일한 개수로 마련되며, 각각의 상기 개구부는 복수의 상기 패치 안테나와 일대일로 매칭되는, 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나.
The method of claim 2,
The opening is provided in the same number as the number of the patch antenna, each of the opening is a one-to-one matching with a plurality of the patch antenna, broadband high gain antenna using a meta structure.
제2항에 있어서, 상기 개구부는,
상기 개구 결합 피드 패치 안테나의 길이 방향과 동일한 길이 방향을 갖는 직사각형 형태인, 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나.
The method of claim 2, wherein the opening,
And a rectangular shape having a length direction equal to a length direction of the aperture coupling feed patch antenna.
제2항에 있어서, 상기 급전 라인은,
이웃하는 두 개의 상기 패치 안테나를 연결하는 제1 급전라인; 및
이웃하는 두 개의 상기 제1 급전 라인을 연결하는 제2 급전라인을 포함하는, 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나.
The method of claim 2, wherein the feed line,
A first feeding line connecting two neighboring patch antennas; And
And a second feed line connecting two neighboring first feed lines to each other.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 메타물질 공진기는 복수 개로 마련되되,
각각의 상기 메타물질 공진기는 상기 개구 결합 피드 패치 안테나로부터 소정 거리 이격된 상부에 수직 방향으로 배치되는, 메타구조를 이용한 광대역 고이득 안테나.
The method of claim 1,
The metamaterial resonator is provided in plurality,
Wherein each of the metamaterial resonators is disposed in a vertical direction above the predetermined distance away from the aperture coupled feed patch antenna.
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