KR20130054315A - Metamaterial based ultra thin microstrip antennas - Google Patents

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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.An antenna structure for wireless communication and a method of manufacturing the antenna structure are disclosed. The radiating elements of the antennas exhibit self-similar structural properties to reduce physical size and improve antenna performance characteristics such as return loss and gain. In order to further reduce energy loss and further increase the gain of the antenna, a metamaterial resonant structure is disposed on the same plane as the radiating element of the antenna and on the same surface of the dielectric substrate as the radiating element is disposed. By placing the metamaterial resonant structure in the same plane as the radiating element and on the surface of the same dielectric substrate on which the radiating element is disposed, the thickness of the overall antenna structure is miniaturized.

Description

메타물질을 기반으로 하는 초박형 마이크로스트립 안테나{METAMATERIAL BASED ULTRA THIN MICROSTRIP ANTENNAS}Ultra-thin microstrip antenna based on metamaterials {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.The present invention relates generally to antenna designs comprising fractal elements and metamaterials, and more particularly radiating elements that exhibit self similar structural features. And a set of metamaterial resonant structures disposed around the radiating element, wherein the set of radiating elements and metamaterial resonant structures share a common plane with respect to the planar dielectric substrate.

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.Modern technological advances are placing increasing demands on wireless communications. Wireless communication refers to the transmission of information over various distances without the need for electrical conductors or wires, and the transmission of such information is accomplished by using electromagnetic energy. The antenna is an integral part that facilitates wireless communication in a wireless communication network. The antenna is connected to a number of wireless devices such as mobile phones, PDAs, and portable television sets.

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.Antennas are used to radiate and / or receive electromagnetic signals in the area of wireless communication. Basically, an antenna is a transducer that converts electromagnetic waves into electrical currents at radio frequencies in the electromagnetic spectrum. As such, when designing the antenna, parameters such as antenna gain, directivity, and efficiency are taken into account. The antenna may operate in a single frequency band or in multiple frequency bands. Antennas operating in a single frequency band are generally known as single band antennas, and antennas operating in multiple frequency bands are sometimes referred to as multiband antennas. Although multiband antennas are now more commonly used compared to single band antennas, the size and complex circuitry of multiband antennas make the cost even higher. In recent years, the tendency to miniaturize communication devices and other personal electronic wireless gadgets has increased the need to correspondingly reduce the size of the antenna.

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.Microstrip patch antennas, or simply patch antennas, are narrowband wide-beam antennas made by etching an antenna element pattern onto a metal patch bonded to an insulating dielectric substrate. The continuous metal layer bonded on the opposite side of the dielectric substrate forms a groundplane. The use of patch antennas is gaining popularity mainly due to their excellent physical properties such as light weight, low profile, low production cost, conformability, reproducibility and reliability. Patch antennas also provide ease of manufacture and are easily integrated with solid state devices and radio technology equipment. Patch antennas may be made available in different shapes, such as square, rectangular, circular or oval.

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.In recent years, some disadvantages with patch antennas have emerged. The size of conventional patch antennas is typically large when designed in the microwave frequency range, resulting in adverse effects when mounted on transmitter / receiver and repeater systems. These antennas also have limitations in terms of their narrow bandwidth, low gain and weak radiation pattern. The gain reduction is a result of the overall reduction in antenna size, and may also result from substrate wave characteristics that can cause surface wave excitation and thus a reduction in gain. Thus, current research efforts have focused on designing microstrip antennas to be smaller in size with improved radiation characteristics.

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.In general, there is an important relationship between antenna dimensions and wavelengths, where antenna sizes are less than λ / 4 (where λ is the operating wavelength), antennas are not efficient because radiation resistance, gain, and bandwidth are reduced, Accordingly, the antenna size must be increased. One effective method adopted to avoid problems of size and radiation characteristics is to use fractal radiating patches or fractal patch antennas. Fractal patch antennas are antennas that use a fractal or self similar design to maximize the length or perimeter of a material that can receive or transmit electromagnetic signals within a given total surface area or volume. As such, fractal patch antennas can achieve radiation patterns and input impedances similar to longer antennas, overcoming size constraints due to the large number of contours of their shape. Self-similar designs are generated by applying an iterative sequence to a starting microstrip structure. However, one drawback of such fractal patch antennas arises from the energy losses resulting from self-electrical imbalance.

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.1 shows an antenna substrate having a split ring resonator. In order to solve the problem of energy loss due to self-electrical imbalance, a magnetic resonating structure in the form of a split ring resonator is disposed around the periphery of the antenna substrate. The split ring resonator is disposed perpendicular to the antenna patch. This structure is designed along the (most or representative) electric and magnetic field directions. One disadvantage of this design is that the thickness of the antenna substrate is increased due to the placement of the split ring resonator.

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.In accordance with one aspect of the present invention, an antenna for transmitting and receiving electromagnetic signals in one or more frequency bands is disclosed. The antenna includes a dielectric substrate having a first side, a second side opposite the first side, and a third side and a fourth side extending between the first side and the second side. The antenna also includes one or more radiating elements disposed on a surface of the dielectric substrate. One or more radiating elements exhibit a set of self similar structural features. One or more radiating elements may comprise a set of voids. A void set of one or more radiating elements can be disposed symmetrically on one or more radiating elements. At least one feed line is connected to at least one radiating element, the feed line extending between the at least one radiating element and the first side.

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.In addition, one or more metamaterial resonating structures are disposed on the same surface of the dielectric substrate as the one or more radiating elements are disposed and located around the one or more radiating elements. The one or more metamaterial resonant structures may be disposed on one or more of the first side, the second side, the third side, and the fourth side of the dielectric substrate. For example, in some embodiments, the one or more metamaterial resonant structures may be disposed on one or more of the third side and the fourth side of the dielectric substrate. In certain embodiments, the one or more metamaterial resonant structures may include a plurality of metamaterial resonant structures disposed vertically or stacked adjacent to one another.

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.In accordance with another aspect of the present invention, a method of manufacturing an antenna for transmitting and receiving electromagnetic signals in one or more frequency bands is disclosed. The antenna includes a dielectric substrate having a first side, a second side opposite the first side, and a third side and a fourth side extending between the first side and the second side. The antenna also includes one or more radiating elements disposed on a surface of the dielectric substrate. One or more radiating elements exhibit a set of self similar structural features. At least one feed line is connected to at least one radiating element, the feed line extending between the at least one radiating element and the first side. In addition, one or more metamaterial resonating structures are disposed on the same surface of the dielectric substrate as the one or more radiating elements are disposed and located around the one or more radiating elements. The method of manufacturing an antenna includes the steps of scaling the one or more radiating elements to operate at a desired frequency, and determining the direction of the electric and magnetic fields of the one or more radiating elements depending on the shape and geometry of the one or more radiating elements. And determining a set of points for placement of the one or more metamaterial resonant structures on the dielectric substrate.

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.The set of points for placement of the one or more metamaterial resonant structures may be on one or more of the first side, the second side, the third side, and the fourth side of the dielectric substrate. For example, in some embodiments, the set of points for the placement of the one or more metamaterial resonant structures may be on one or more of the third side and the fourth side of the dielectric substrate.

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.The antenna manufacturing method may further comprise one or more of generating a set of specifications of the antenna and iteratively determining the shape of the one or more radiating elements.

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.The method of manufacturing an antenna includes the steps of placing the at least one radiating element on a surface of the dielectric substrate, and placing the at least one metamaterial resonant structure in the same plane as the at least one radiating element and wherein the at least one radiating element is disposed. And disposing on the surface of the same dielectric substrate as that of the same.

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.1 is a diagram illustrating an antenna substrate having a split ring resonator.
2A and 2B are plan and side views, respectively, of a schematic diagram of an antenna according to a particular embodiment of the present invention.
3A and 3B are plan and side views, respectively, of the structure of an antenna according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram illustrating a communication system having a mobile transceiver including an antenna according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are a plan view and a side view of an antenna according to some embodiments of the present invention.
6 is a diagram illustrating some representative embodiments of an antenna according to the present invention.
7 is a diagram illustrating some other exemplary embodiments of an antenna according to the present invention.
8 is a diagram illustrating an exemplary embodiment of a metamaterial resonant structure in accordance with some embodiments of the present invention.
9 is a diagram illustrating a set of split ring resonators SRR having different orientations in accordance with some embodiments of the present invention.
10 illustrates one or more radiating elements in accordance with some embodiments of the present invention.
11 is a diagram illustrating a radiating element with a set of voids in accordance with some embodiments of the present invention.
12 is a flowchart describing a method of manufacturing an antenna according to an exemplary embodiment of the present invention.
13A and 13B are diagrams illustrating simulated and magnetic fields generated by one or more radiating elements, respectively, in accordance with an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예는 하나 이상의 주파수 대역에서 전자기 신호의 전송 및 수신을 위한 안테나 및 이러한 안테나의 제조 방법에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to antennas for the transmission and reception of electromagnetic signals in one or more frequency bands and methods of manufacturing such antennas.

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.More specifically, the present invention relates to an antenna structure having at least one radiating element and at least one metamaterial resonant structure disposed on or in proximity of the radiating element. In various embodiments, the metamaterial resonant structure and the radiating element share a common plane, and therefore at least one surface or portion of the at least one metamaterial resonant structure resides in the same plane as the radiating element. In some embodiments, the one or more metamaterial resonant structures comprise a plurality of metamaterial resonant structures stacked vertically adjacent one another.

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.Also disclosed is a method of developing such an antenna structure. Antenna structures with one or more metamaterial resonant structures operate with a low degree of loss. By placing one or more metamaterial resonant structures in the same plane as the one or more radiating elements and around the one or more radiating elements, energy losses due to self-electrical imbalance are minimized while maintaining the antenna structure to a minimum thickness.

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.For clarity of the invention, the description of the invention is made for antennas operating in a radio frequency range of about 2.4 GHz and 5 GHz. However, this does not exclude the various embodiments of the present invention from other applications requiring similar operational capabilities as the wireless applications related to this frequency range. It is to be understood that an antenna according to the invention which operates in different frequency bands or operates in a plurality of frequency bands can also be achieved.

이후 제공되는 설명 및 그에 대응하는 도면에서, 동일한 구성요소에는 동일한 도면 부호가 부여된다.In the following description and the corresponding drawings, the same components are given the same reference numerals.

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.2A and 2B show, respectively, top and side views of a schematic diagram of an antenna 100 according to a particular embodiment of the present invention. 2A and 2B facilitate the description of the spatial orientation defined for a particular embodiment of the present invention. In this embodiment, the antenna 100 includes a first side 104, a second side 106 disposed opposite the first side 104, and between the first side 104 and the second side 106. Dielectric substrate 102 having a third side 108 and a fourth side 110 extending. One or more feed lines 112 extend between the first side 104 and the one or more radiating elements 114. 2B, the antenna 100 has an upper surface 116 and a lower surface 118 opposite the upper surface 116. Radiating element 114 is disposed on top surface 116, and ground plate layer 120 is disposed on bottom surface 118. For clarity, the surface of the dielectric substrate on which one or more radiating elements 114 are disposed will hereinafter be referred to as top surface 116.

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.3A and 3B show top and side views, respectively, of the structure of the antenna 100 according to the embodiment of the present invention. Antenna 100 has one or more radiating elements 114 disposed on the surface of top surface 116 of dielectric substrate 102. One or more radiating elements 114 are configured for transmitting and receiving signals and reveal a set of magnetic-like structural features 122, as described in further detail below. As can be seen in FIG. 3B, one or more radiating elements 114 are raised (eg, extending over or beyond the surface) and parallel to the surface of the top surface 116 of the dielectric substrate 102. And one or more radiating elements 114 are electrically connected to ground plane layer 120. One or more feed lines 112 provide one for powering up and also transmit signals to and transmit signals from one or more radiating elements 114. Can be connected to One or more feed lines 112 extend between one or more radiating elements 114 and the first side 104. One or more feed lines 112 may be electrically connected to the connector 124. One or more radiating elements 114 are substantially planar and are formed on a substantially planar dielectric substrate 102. The one or more metamaterial resonant structures 126 are disposed on the periphery of the one or more radiating elements 114 and also on the surface of the top surface 116 of the same dielectric substrate 102 as the one or more radiating elements 114 are disposed. . One or more radiating elements 114 and one or more metamaterial resonant structures 126 share or reside on the same or common plane. As can be appreciated from FIGS. 3A and 3B, the one or more metamaterial resonant structures 126 may have a dielectric substrate 102 such that the planar surface of the one or more resonant structures 126 faces the top surface 116 of the dielectric substrate 102. ) Is disposed on.

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.4 is a block diagram illustrating a communication system 200 having a mobile transceiver 202 that includes an antenna 100 in accordance with an embodiment of the present invention. The feed line 112 is connected to one or more radiating elements 114 to provide powering up and also to transmit signals to and from the radiating elements 114. The feed line 112 is electrically connected to the connector 124. Connector 124 is then connected to mobile transceiver 202. The base station 250 has an antenna 260 for communicating with the antenna 100 via the radiating element 114 via the first communication path 300, whereby the radiating element 114 causes the first set of signals ( 310 can be received. The second communication path 320 can also be established such that a second set of signals 330 can be transmitted from the antenna 100 to the base station 250. Due to the interaction of the electromagnetic waves during the transmission and reception of the signal, the gain of the antenna 100 is reduced. One or more metamaterial resonant structures 126 are disposed on the top surface 116 surface of dielectric substrate 102 and also in the same plane as one or more radiating elements 114 to reduce the interaction of electromagnetic waves. Since the planar surface of the one or more metamaterial resonant structures 126 is disposed on the same surface of the dielectric substrate 102 as the one or more radiating elements 114 are disposed, the antenna 100 exhibits a compact structure. The resonant frequency of the metamaterial resonant structure 126 may be designed to operate in accordance with the operating frequency of the antenna 100.

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.Placing one or more metamaterial resonant structures 126 in the same plane as one or more radiating elements 114 results in a higher permeability value and an increase in the antenna 100. As can be appreciated by one of ordinary skill in the art, the permeability is directly proportional to the magnetic energy, and disposing one or more metamaterial resonant structures 126 around one or more radiating elements 114 may result in an antenna 100 due to self-electrical imbalance. ) Will minimize energy loss. As described later, the manner in which one or more metamaterial resonant structures 126 are disposed depends on the electric and magnetic field configurations of the one or more radiating elements 114.

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.5A and 5B show top and side views, respectively, of an antenna 100 in accordance with some embodiments of the present invention. As shown in FIG. 5A, one or more metamaterial resonant structures 126 are disposed on the periphery of one or more radiating elements 114 and on the same surface of the dielectric substrate 102 as the radiating element 114 is disposed. . In some embodiments, one or more metamaterial resonant structures 126 may include a plurality of metamaterial resonant structures disposed vertically adjacent to each other to form at least one stack 128 of metamaterial resonant structures. .

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.6 illustrates some representative embodiments of the present invention. In some embodiments, one or more metamaterial resonances on at least one of the first side 104, the second side 106, the third side 108, and the fourth side 110 of the dielectric substrate 102. The structure 126 is disposed. In some other embodiments, one or more metamaterial resonant structures 126 are disposed on at least one of the third side 108 and the fourth side 110 of the dielectric substrate 102. In addition to one or more metamaterial resonant structures 126 on at least one of the third side 108 and the fourth side 110, the first side 104 and the second side 106 of the dielectric substrate 102. There may be one or more metamaterial resonant structures 126 on at least one side of the < RTI ID = 0.0 > The one or more metamaterial resonant structures 126 may be one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures. One or more metamaterial resonant structures 126 or one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures 128 share a common plane with one or more radiating elements 114 or are disposed in the same plane with one or more radiating elements 114. .

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.7 illustrates some exemplary other embodiments of the present invention. As shown in FIG. 7, one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures may comprise a first side 104, a second side 106, a third side 108 and a fourth side of the dielectric substrate 102. Disposed on one or more of the sides 110. One or more stacks 128 of metamaterial resonant structures are disposed around one or more radiating elements 114. One or more stacks 128 and one or more radiating elements 114 of the metamaterial resonant structure are disposed on the same surface of the dielectric substrate 102. One or more stacks 128 of metamaterial resonant structures share a common plane with one or more radiating elements 114 or are disposed in the same plane as the one or more radiating elements 114.

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.The quantity of metamaterial resonant structure 126 to be disposed on dielectric substrate 102 may be determined by the electric and magnetic field properties of one or more radiating elements 114. Placement of one or more metamaterial resonant structures 126 may be made based on electric and magnetic field properties. One or more metamaterial resonant structures 126 may be directed in different directions to provide different self-electrical properties, the orientation of which is electromagnetic interaction with one or more radiating elements 114 as described in more detail below. Can affect.

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.8 illustrates a representative embodiment of a metamaterial resonant structure 126, or a portion of the metamaterial resonant structure stack 128, in accordance with some embodiments of the present invention. One or more metamaterial resonant structures 126 and / or one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures may be a split ring resonator (SRR). As can be seen in FIG. 8, the metamaterial resonant structure 126 includes a plurality of sides 134 having a gap. The resonant frequencies of the one or more metamaterial resonant structures 126 or one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures can be designed to operate in accordance with the operating frequencies of the one or more radiating elements 114. In some embodiments of the present invention, the resonant frequency of one or more metamaterial resonant structures 126 and / or one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures is about 0.5-5% of the operating frequency of antenna 100. There may be a tolerance.

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.Split ring resonators can generate magnetic resonance just to cause a large positive peak just before the negative real part of the permeability. This high positive value, issued before resonance, will stabilize the energy loss resulting from the magnetic electrical energy imbalance. These values typically occur at the resonance of the resonant structure.

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)).9 illustrates a set of split ring resonators SRR with different orientations in accordance with some embodiments of the present invention. The direction of the excitation wave k, the electric field E and the magnetic field H influences the occurrence of magnetic resonance. Four different orientations of the split ring resonator classified by the excitation wave k, the electric field E, and the magnetic field H are shown in FIG. 9. Magnetic resonance can be excited through electromagnetic waves only when the external magnetic field H is perpendicular to the structural plane, as shown in FIGS. 9A and 9B. For the split ring resonator in FIG. 9C, excitation from the magnetic field H does not occur since the magnetic field H is not perpendicular to the structural plane. Thus, the orientation of FIG. 9C may not be suitable for increasing the gain of the antenna 100. When the electric field E is parallel to the side 134 having a gap of the split ring resonator, and the direction of the excitation wave k is perpendicular to the split ring resonator plane (Fig. 9 (d)), the electricity generated at the same resonance There is a resonance. Therefore, there are three possible ways to arrange the orientation of the split ring resonator to provide a resonance dip (Figs. 9 (a), (b) and (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.In order to prevent undesirably affecting the permeability and radiation of the antenna 100, one or more metamaterial resonant structures 126 or one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures may be adjacent to and It should not be in contact with another metamaterial resonant structure 126 or stack 128 of metamaterial resonant structures, or one or more radiating elements 114. In general, adjacent metamaterial resonant structures 126 or stacks of metamaterial resonant structures 128 should have a gap of at least approximately λ / 200, where λ is the operating wavelength of antenna 100. Preferably, the metamaterial resonant structure 126 or stack of metamaterial resonant structures 128 should be spaced approximately λ / 200 away from one or more radiating elements 114.

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.10 illustrates one or more radiating elements 114 in accordance with some embodiments of the present invention. One or more radiating elements 114 are conductive and may be composed of copper (Cu), gold (Au), or indium tin oxide (ITO). By fractal geometry, one or more radiating elements 114 have a set of magnetic-like structural features 122 that occur in design or repetition of motifs, where the design or glyphs are rotated, translated, and / or Or it is repeated by scaling. In some embodiments, any combination of rotation, translation, and scaling may be employed to achieve the set of magnetic similar structural features 122. A person skilled in the art can know a set of magnetic similar structural features 122 as a plurality of fractal elements 130. The plurality of fractal elements 130 may have one or more features of triangular, rectangular or pentagonal shape. The plurality of fractal elements 130 may comprise an x-axis for the next iteration N + 1 defined by x N +1 = f (x N , yb N ) and y N +1 = g (x N , y N ); It has y-axis coordinates, where x N , y N are the coordinates of the previous iteration, and f (x, y) and g (x, y) are functions that define the fractal pattern and behavior. Koch pattern, Blackman-koch pattern, lotus pods pattern, Sierpinski pattern, hexagonal pattern, and polygonal pattern pattern) is a magnetic like pattern that may be employed for the plurality of fractal elements 130 in the present invention. As will be appreciated by those skilled in the art, the magnetic like pattern of fractal element 130 may be arranged to obtain the required operating frequency or range of operating frequencies.

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.According to some embodiments of the present invention, the plurality of fractal elements 130 are generated by two or three iteration factors of various shapes such as triangles, squares and pentagons. Preferably, in most embodiments of the invention only two iteration numbers 1 st and 2 nd are employed. In the area of fractal geometry, the iteration factor and the number of iterations represent the constructional laws of fractal generation and how many iteration processes should be performed. The resonant frequency of the radiating element 114 decreases as the number of repetitions and the repetition factor increase due to the extension of the average electrical length of the radiating element 114.

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.The plurality of fractal elements 130 may be configured to provide a dipole response pattern for transmission and / or reception. Alternatively, other antenna designs may be implemented, such as a phased array design. These other antenna designs can be implemented regardless of the dipole design or in combination with the dipole design.

안테나(100)의 주파수 범위를 확장하기 위해, 도전체 형태의 추가의 구조물이 안테나(100)에 포함될 수 있다. 이들 도전체는 도전성 트레이스 또는 와이어이어도 된다.In order to extend the frequency range of the antenna 100, additional structures in the form of conductors may be included in the antenna 100. These conductors may be conductive traces or wires.

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.11 illustrates a radiating element 114 in which a set of voids 132 have been created in accordance with some embodiments of the present invention. This set of voids 132 may be disposed symmetrically on the radiating element 114. The set of voids 132 can be created by using an array concept, which generally improves the radiation characteristics of the antenna 100. The resulting set of voids 132 cause the radiating element 114 to act as if two or more radiating elements 114 are adjacent to each other.

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.In accordance with some embodiments of the present invention, dielectric substrate 102 may be in any shape, including square, rectangular, or circular. The dielectric constant of the dielectric substrate 102 may be in the range of 2-40. Preferably, the dielectric constant of dielectric substrate 102 is in the range of 2-3. Depending on the application, the size of dielectric substrate 102 may vary. Many different types of non-conductive materials can be used as the dielectric substrate 102. The dielectric substrate may be a silicon wafer, a plastic-like material that may be rigid or ductile, paper, epoxy, glass, fiber glass, ceramic material, and other materials capable of preventing the flow of electricity. In a preferred embodiment of the present invention, dielectric substrate 102 is comprised of a woven fiberglass / PTTE composite material.

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.As will be appreciated by those skilled in the art, the one or more feed lines 112 and ground plane layer 120 may be comprised of any conductive material, such as Cu, Au, and ITO. The connector 124 may include a 7/16 DIN connector, a BNC connector, a C connector, and a Dezifix connector.

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.12 is a flow chart describing a method 400 of manufacturing an antenna 100 in accordance with an exemplary embodiment of the present invention. Steps 402, 404, 406, 408, and 410 in accordance with the method 400 may be performed through execution of program instructions (eg, software) of a computer or processing unit. However, it should be understood that some other way of performing these steps may be practiced without using software. In an exemplary embodiment, the software may be CST Microwave studios (Darmstadt, Germany). The method 400 begins with step 402, which generates a set of specifications of the antenna 100 for operating at the required frequency. There are several factors to consider at this stage. This factor includes the material and type of the dielectric substrate 102, the material of the one or more radiating elements 114, the operating frequency of the antenna 100, and the set of magnetic similar patterns to adopt for the plurality of fractal elements 130. do. In some embodiments, the location of one or more feed lines 112 is also determined.

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.After step 402 of designing the one or more radiating elements 114 to operate at the required frequency, step 404 is performed, which is a step of repeatedly determining the shape of the one or more radiating elements. The shape of one or more radiating elements 114 is initially set to a rectangular shape similar to a microstrip antenna to operate at the required frequency. Thereafter, fractal techniques known in the art will be applied. Shapes to which fractal technology is applied include generally a triangular shape, an overall rectangular shape and an overall pentagonal shape. The iterative technique of step 404 may affect the operating frequency of one or more radiating elements 114 due to some misalignment of the radiating elements 114, and to correct this, in step 406, one or more radiating elements Scaling of one or more radiating elements 406 is performed to fine tune 114 to operate at the required operating frequency.

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.Then, in step 408, the direction and intensity of the electric and magnetic fields of the one or more radiating elements 114 may be determined. In some embodiments of the invention, the directions and intensities of the electric and magnetic fields are simulated by software. The direction and intensity of the electric and magnetic fields depend on the shape and geometry of the radiating element 114. During this step, various parameters of one or more radiating elements 114 may be determined, such as return loss, VSWR bandwidth and gain. If the result of step 408 satisfies the conditions of antenna 100, then in step 410, a set of points for placing one or more metamaterial resonant structures is determined.

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.From the simulated electric and magnetic fields of the one or more radiating elements 114 obtained in step 408, a set of points for placing one or more metamaterial resonant structures may be determined in step 410.

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.In some embodiments of the present invention, the set of points for placing one or more metamaterial resonant structures 126 is a first side 104, a second side 106, a third side 108 of the dielectric substrate 102. ) And one or more sides of the fourth side 110. In some other embodiments of the present invention, the set of points is on one or more of the third side 108 and the fourth side 110 of the dielectric substrate 102. One or more metamaterial resonant structures 126 may constitute a plurality of metamaterial resonant structures disposed vertically adjacent to each other to form one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures.

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.13A and 13B show simulated and magnetic fields respectively generated by one or more radiating elements 114 in accordance with an embodiment of the present invention. As can be seen in FIG. 13A, the electric field indicated by the arrow is present on the first side, the second side, the third side and the fourth side of the dielectric substrate 102. As shown in FIG. 13B, the magnetic field indicated by the arrow is present on the second side, the third side, and the fourth side of the dielectric substrate 102 and near the feed line 112. As mentioned above, there are three orientations in which a split ring resonator can be placed to generate magnetic resonance and obtain a positive peak of permeability. These orientations are shown in Figures 9 (a), (b) and (d). The orientations of these three orientations are made by the directions of electric field E, magnetic field H and excitation wave k. Based on the simulated electric and magnetic fields shown in FIGS. 13A and 13B, a set of points for placing one or more metamaterial resonant structures 126 may be determined by focusing on the electric field E and magnetic field H directions.

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.Preferably, the set of points for placing one or more metamaterial resonant structures 126 is determined such that the electric and magnetic fields of the one or more radiating elements 114 have the highest intensity. The strength of the electric and magnetic fields can be known from the simulated data. However, this may not always provide the best point to compensate for energy losses due to self-electrical imbalance. The reason may be due to electrical and magnetic coupling between the one or more radiating elements 114 and the one or more metamaterial resonant structures 126. It will be apparent to those skilled in the art that the point with the highest intensity of the electric and magnetic fields can be an excellent starting point for determining the point for placing one or more metamaterial resonant structures 126. At this stage, the orientation of the one or more metamaterial resonant structures 126 is also important because it may affect the return loss, VSWR bandwidth, and gain of the one or more radiating elements 114. Depending on the response of one or more radiating elements 114 based on return loss, VSWR bandwidth, and gain characteristics, one or more metamaterial resonant structures 126 may include a plurality of metamaterial resonant structures. In some embodiments, the plurality of metamaterial resonant structures are disposed vertically adjacent to each other to form one or more stacks 128 of metamaterial resonant structures. In some embodiments, the plurality of metamaterial resonant structures may each be directed in the same direction. In some other embodiments, the plurality of metamaterial resonant structures may be directed in a plurality of directions. In some other embodiments, each metamaterial resonant structure in the stack of metamaterial resonant structures 128 may be directed in a plurality of directions.

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.After determining a set of points for placing one or more metamaterial resonant structures in step 410, in step 412 one or more radiating elements are placed on the surface of the dielectric substrate. In some embodiments, one or more feed lines 112 are also disposed at this stage. Subsequently, in step 414 one or more metamaterial resonant structures are disposed in the same plane as the one or more radiating elements and on the same surface of the dielectric substrate as the one or more radiating elements are disposed.

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.According to an exemplary method, lithographic techniques are performed during this step. As is known to those skilled in the art, the shape of one or more radiating elements 114 and the points and orientations of one or more metamaterial resonant structures 126 will be first printed onto dielectric substrate 102 using lithographic techniques. In some embodiments of the invention, dielectric substrate 102 has a conductive coating surface, and immediately after printing, undesired conductive surfaces will be removed by etching. As described above, the one or more metamaterial resonant structures 126 to be disposed may include a plurality of metamaterial resonant structures, and in some embodiments, each of the plurality of metamaterial resonant structures is one or more stacks of metamaterial resonant structures. Vertically adjacent to one another to form sieve 128. Instead of using lithographic techniques, it should be understood that there may be several other ways of making the antenna 100 according to different embodiments of the present invention.

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.In some embodiments of the invention, generating a set of specifications of an antenna for operating at a desired frequency (402), repeatedly determining the shape of the radiating element (404), one or more to operate at the required frequency. At least one of scaling (406) radiating elements, determining (408) directions of electric and magnetic fields, and determining (410) a set of points for placing one or more metamaterial resonant structures is at least one. Is performed once. In some embodiments, depending on the result of each step, the step performed may be performed again. For example, after scaling 406 one or more radiating elements to operate at a desired frequency, step 404 may be repeated again determining the shape of the radiating elements. In some other embodiments, all of these steps are performed at least once. In some other embodiments, after scaling 406 one or more radiating elements to operate at a desired frequency, determining 408 the direction of the electric and magnetic fields and a point for placing the one or more metamaterial resonant structures. Determining the set of 410 is performed at least once.

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.The method 400 as shown in FIG. 12 is merely in accordance with some exemplary embodiments of the present invention. Those skilled in the art should understand that the specific order or hierarchy of steps in the foregoing methods disclosed is merely one example of an exemplary approach. Based upon design preferences, it will be understood that the specific order or hierarchy of steps in the method may be rearranged without departing from the scope of the present invention. The accompanying method claims provide elements of the various steps in a sample order, and are not meant to be limited to the specific order or hierarchy provided. For example, scaling 406 of one or more radiating elements to operate at a desired frequency may be performed after step 408 of determining the direction of the electric and magnetic fields of the one or more radiating elements.

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.Based on the foregoing disclosure, it should be understood that various changes may be made in the form and design of the antenna without departing from the scope and spirit of the invention. The forms, methods, and designs described herein are merely exemplary implementations of these steps, and the following claims encompass and include such changes.

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.In the foregoing manner, a method of developing an antenna having at least one metamaterial resonant structure and at least one metamaterial resonant structure operating with low loss is disclosed. While a number of embodiments have been disclosed, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and / or modifications may be made without departing from the scope and spirit of the invention in view of the invention.

Claims (27)

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.An antenna for transmitting and receiving electromagnetic signals in one or more frequency bands, the antenna comprising:
A dielectric substrate having a first side, a second side opposite the first side, and a third side and a fourth side extending between the first side and the second side;
One or more radiating elements disposed on a surface of the dielectric substrate and exposing a set of self similar structural features;
One or more feed lines connected to said one or more radiating elements and extending between said one or more radiating elements and said first side; And
One or more metamaterial resonating structures disposed on the surface of the dielectric substrate and surrounding the one or more radiating elements.
Antenna comprising a. 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.The method of claim 1,
And the one or more metamaterial resonant structures are disposed on one or more of the first side, the second side, the third side, and the fourth side of the dielectric substrate. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 상기 유전체 기판의 상기 제3 측부와 상기 제4 측부 중의 하나 이상의 측부 상에 배치되는, 안테나.The method of claim 1,
And the at least one metamaterial resonant structure is disposed on at least one of the third side and the fourth side of the dielectric substrate. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 서로 인접하여 수직으로 배치된 복수의 메타물질 공진 구조물을 포함하는, 안테나.The method of claim 1,
And the at least one metamaterial resonant structure comprises a plurality of metamaterial resonant structures disposed vertically adjacent to each other. 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.5. The method of claim 4,
And the plurality of metamaterial resonant structures are disposed on one or more of the first side, the second side, the third side, and the fourth side of the dielectric substrate. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 상기 하나 이상의 방사 요소와 동일한 평면에 배치되는, 안테나.The method of claim 1,
The at least one metamaterial resonant structure is disposed in the same plane as the at least one radiating element. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 방사 요소의 상기 자기 유사 구조 특징부의 세트는 복수의 프랙탈 요소(fractal element)를 포함하는, 안테나.The method of claim 1,
The set of magnetic similar structural features of the one or more radiating elements comprises a plurality of fractal elements. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 방사 요소는 실질적으로 평면형인, 안테나.The method of claim 1,
The at least one radiating element is substantially planar. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 방사 요소는 실질적으로 평면형의 유전체 기판 상에 형성되는, 안테나.The method of claim 1,
The one or more radiating elements are formed on a substantially planar dielectric substrate. 제7항에 있어서,
상기 복수의 프랙탈 요소는 전반적으로 삼각형 형상, 전반적으로 사각형 형상, 및 전반적으로 오각형 형상을 갖는 하나 이상의 특징부를 포함하는, 안테나.The method of claim 7, wherein
Wherein the plurality of fractal elements comprise one or more features having an overall triangular shape, an overall rectangular shape, and an overall pentagonal shape. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 방사 요소는 Cu, Au 및 ITO 중의 하나 이상을 포함하는, 안테나.The method of claim 1,
Wherein said at least one radiating element comprises at least one of Cu, Au and ITO. 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.The method of claim 7, wherein
The plurality of fractal elements may include a Koch pattern, a Blackman-koch pattern, a lotus pods pattern, a Sierpinski pattern, and a hexagonal pattern. And at least one of a polygonal pattern. 제7항에 있어서,
상기 복수의 프랙탈 요소는 적어도 2의 반복 인자(iteration factor)에 의해 발생되는, 안테나.The method of claim 7, wherein
Wherein the plurality of fractal elements are generated by an iteration factor of at least two. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 방사 요소는 보이드(void)의 세트를 포함하는, 안테나.The method of claim 1,
Wherein said at least one radiating element comprises a set of voids. 제14항에 있어서,
상기 보이드의 세트는 상기 하나 이상의 방사 요소 상에 대칭으로 배치되는, 안테나.15. The method of claim 14,
The set of voids is symmetrically disposed on the one or more radiating elements. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물은 스플리트 링 공진기(split ring resonator)를 포함하는, 안테나.The method of claim 1,
And the at least one metamaterial resonant structure comprises a split ring resonator. 제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 메타물질 공진 구조물의 공진 주파수는 상기 안테나의 작동 주파수의 ±0.5∼5％의 허용오차를 갖는, 안테나.The method of claim 1,
Wherein the resonant frequency of the at least one metamaterial resonant structure has a tolerance of ± 0.5-5% of the operating frequency of the antenna. 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.A method of manufacturing an antenna for transmitting and receiving electromagnetic signals in one or more frequency bands, the antenna comprising: a first side, a second side opposite the first side, and between the first side and the second side; A dielectric substrate having extending third and fourth sides, one or more radiating elements disposed on a surface of the dielectric substrate and exposing a set of self similar structural features, One or more feed lines connected to said at least one radiating element and extending between said at least one radiating element and said first side, disposed on said surface of said dielectric substrate, and surrounding said at least one radiating element; One or more metamaterial resonating structures in
The antenna manufacturing method,
Scaling the one or more radiating elements to operate at a desired frequency;
Determining directions of electric and magnetic fields of the one or more radiating elements that depend on the shape and geometry of the one or more radiating elements; And
Determining a set of points for placement of the one or more metamaterial resonant structures on the dielectric substrate
Antenna manufacturing method comprising a. 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.19. The method of claim 18,
A set of points for placement of the one or more metamaterial resonant structures is on one or more of the first side, the second side, the third side, and the fourth side of the dielectric substrate. Way. 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.19. The method of claim 18,
And a set of points for placement of the one or more metamaterial resonant structures is on one or more of the third side and the fourth side of the dielectric substrate. 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.19. The method of claim 18,
Generating at least one of the set of specifications of the antenna and iteratively determining the shape of the at least one radiating element. 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.The method of claim 21,
Scaling the one or more radiating elements to operate at the desired frequency, determining directions of the electric and magnetic fields of the one or more radiating elements, and placing the one or more metamaterial resonant structures on the dielectric substrate. Wherein at least one of determining a set of points, generating a set of specifications of the antenna, and repeatedly determining the shape of the one or more radiating elements are performed at least once. 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.The method of claim 21,
Scaling the one or more radiating elements to operate at the desired frequency, determining directions of the electric and magnetic fields of the one or more radiating elements, and placing the one or more metamaterial resonant structures on the dielectric substrate. Determining the set of points, generating the set of specifications of the antenna, and repeatedly determining the shape of the one or more radiating elements are performed at least once. 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.19. The method of claim 18,
Scaling the one or more radiating elements to operate at the desired frequency, determining directions of the electric and magnetic fields of the one or more radiating elements, and placing the one or more metamaterial resonant structures on the dielectric substrate. Wherein each of the steps of determining the set of points is performed at least once. 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.19. The method of claim 18,
Disposing the one or more radiating elements on a surface of the dielectric substrate; And
Placing the at least one metamaterial resonant structure in the same plane as the at least one radiating element and on the surface of the dielectric substrate as the at least one radiating element is disposed
Further comprising, the antenna manufacturing method. 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.19. The method of claim 18,
Wherein said at least one metamaterial resonant structure comprises a plurality of metamaterial resonant structures, each of said metamaterial resonant structures being disposed vertically adjacent to each other. 제18항에 있어서,
상기 단계들 중의 하나 이상의 단계가 컴퓨터 소프트웨어를 통해 수행되는, 안테나 제조 방법.19. The method of claim 18,
At least one of the steps is performed via computer software.
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