KR101553159B1 - Compact multi band metamaterial feeding apparatus and miniature multi beam forming and scanning antennas using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 효율적인 차세대 무선통신을 위한, 소형 다기능 초고주파 급전부와 그의 안테나를 새로운 방식으로 설계하는 기술에 관한 것으로, 차세대 무선통신이 지향하는 전력의 효율적 운용과 인접 소형 셀로부터의 간섭을 저감할 수 있는 버틀러 매트릭스/하다마드 매트릭스(Butler matrix/Hadamard matrix)로 구현된 급전장치 및 이를 이용한 다중 빔/빔 스캐닝이 가능한 안테나에 관한 기술이다.
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a technique for designing a small-size multi-function microwave power feeder and an antenna thereof in a novel manner for efficient next generation wireless communication, and is capable of efficiently operating power for next generation wireless communication and reducing interference from adjacent small cells A Butler matrix / Hadamard matrix, and an antenna capable of multi-beam / beam scanning using the Butler matrix / Hadamard matrix.
일반적으로 다중 빔 안테나는 통상적으로 빔 형성 네트워크 및 그 네트워크에 접속된 안테나 어레이를 포함하고, 여기에서 빔 형성 네트워크는 기지국 신호 포트를 통해 적어도 두 경로의 입력 신호를 수신하고, 미리 설정된 위상 및 진폭을 갖는 출력 신호를 발생시키기 위해 입력 신호에 대한 위상 및 진폭 조절을 수행한 다음, 그 출력 신호를 안테나 신호 포트를 통해 안테나 어레이에 출력할 수 있고 안테나 어레이는 출력 신호에 대응하는 빔을 이용하여 출력 신호를 전송하도록 구성된다.Generally, a multi-beam antenna typically includes a beam forming network and an antenna array connected to the network, wherein the beam forming network receives at least two paths of input signals through a base station signal port, And then output the output signal to the antenna array via the antenna signal port and the antenna array can output the output signal using the beam corresponding to the output signal, .
대한민국 공개특허 공보 제10-2013-0142105호(2013. 12. 27)에 개시된 바와 같이, 종래 기술에서 안테나의 빔 형성 네트워크를 위한 전형적인 응용 구조로 버틀러(Butler) 매트릭스를 들 수 있으며, 이러한 버틀러 매트릭스는 특정 위상에 대하여 하이브리드 커플러들의 출력 신호를 지연시킨 후에 그 출력 신호를 출력하는 것으로 미리 설정된 위상 및 진폭을 갖는 출력 신호를 출력할 수 있고, 그 출력 신호를 안테나 어레이에 송신할 수 있다.As disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0142105 (Dec. 27, 201), a conventional application structure for a beam forming network of an antenna in the prior art is a Butler matrix, Can output an output signal having a phase and amplitude set in advance by outputting the output signal after delaying the output signal of the hybrid couplers with respect to a specific phase and transmitting the output signal to the antenna array.
도 18 및 도 19는 종래 일반적인 λ/4의 계열의 위상 변위기, 커플러, 크로스오버를 이용한 버틀러 매트릭스로 능동 위상 변위기, 단일 협대역 급전부, 다중대역화에 따른 크기의 증가, 장하용 국부소자와의 사용에 따른 재현성의 저하, 층간을 엇갈리며 연결하는 방식에 따른 체적의 증가, 일부만 PCB 가공하는 문제점이 있다.
FIGS. 18 and 19 show a conventional Butler matrix using a conventional phase shifter, a coupler and a crossover of a general λ / 4 series, an active phase shifter, a single narrow band feeder, There is a problem in that the reproducibility due to the use of the dielectric layer is decreased, the volume is increased according to the method of connecting the layers alternately, and the PCB is partially processed.
본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치 및 이를 이용한 미니 빔 스캐닝 안테나의 목적은 기존의 위상배열 안테나(Phased array antenna)가 능동 위상 변위기(Active phase shifter)를 가져 비용이 높다는 단점과 수동 위상 변위기를 가져 상대적으로 저렴한 다중 빔/빔 형성 안테나의 단일 협대역의 단점을 극복하기 위한 초소형 평면 CRLH 이중대역 Butler matrix/Hadamard matrix를 제공하는데 있다.The multi-band compact feeder of the meta-material structure according to the present invention and the mini-beam scanning antenna using the same have the disadvantages that the phased array antenna has an active phase shifter, A flat CRLH dual-band Butler matrix / Hadamard matrix is proposed to overcome the disadvantages of a single narrow band of a relatively inexpensive multi-beam / beam-forming antenna with a passive phase shifter.
다른 목적은, 초소형 CRLH 이중대역 Butler matrix/Hadamard matrix 기반의 이중대역 다중 빔 스캐닝 이중대역 안테나를 제공하는데 있다. Another object is to provide a dual-band multi-beam scanning dual-band antenna based on an ultra-small CRLH dual band Butler matrix / Hadamard matrix.
또 다른 목적은 이중대역에서 빔 형성이 가능한 전류를 급전하고 0.25파장 계열보다 작은 크기의 평면 적층공법에 적합한 Butler matrix/Hadamard matrix를 제공하는데 있다.Another object is to provide a Butler matrix / Hadamard matrix suitable for a plane stacking technique that feeds a beam-forming current in a dual band and is smaller than a 0.25 wavelength series.
또 다른 목적은, Butler matrix/Hadamard matrix 와 같은 동작 주파수를 갖는 이중 대역 요소 안테나를 제공하는데 있다.
Another object is to provide a dual band element antenna having the same operating frequency as the Butler matrix / Hadamard matrix.
본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치는 왼손 전송파 및 오른손 전송파가 공존(CRLH-Composite Right-handed wave Left-handed wave)하는 이중대역의 위상 변위기, CRLH 이중대역의 브랜치 라인 커플러 및 CRLH 이중대역의 밸런형 크로스오버를 포함하는 것을 특징으로 한다.The multi-band compact power feeding device of the meta-material structure according to the present invention includes a dual-band phase shifter in which a left-handed wave and a right-handed wave coexist (CRLH-Composite right-handed wave left-handed wave), a CRLH dual- Coupler and CRLH dual band balun crossover.
또한, 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치에 있어서, 위상 변위기는 프린트형 적층 메타재질구조로 형성되고, CRLH 메타재질구조 특성을 만족시키기 위한 직렬 인덕턴스(LR), 상기 직렬 인덕턴스(LR)와 직렬로 연결되는 직렬 커패시턴스(CL), 상기 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬로 연결되는 병렬 커패시턴스(CR) 및 상기 병렬 커패시턴스(CR)와 병렬로 연결되는 병렬 인덕턴스(LL)를 포함하며, 상기 직렬 인덕턴스(LR)와 상기 병렬 커패시턴스(CR)가 RH 특성을 나타내고, 상기 직렬 커패시턴스(CL)와 상기 병렬 인덕턴스(LL)가 LH 특성을 나타내는 것을 특징으로 한다.Further, in the meta-material structure, a multi-band compact power supply device according to the present invention, the phase angle shifter is formed from a printed stacked meth material structure, CRLH meth materials series inductance (L R), the series inductance to satisfy the structural characteristics (L R) in series with a capacitance connected in series (C L), the series capacitance (C L) and a parallel capacitance (C R) and the parallel inductance to be connected in parallel with the parallel capacitance (C R) are connected in parallel ( includes L L), characterized in that the representative of the series inductance (L R) and shows the parallel capacitance (C R) is RH characteristics, the series capacitance (C L) and the shunt inductance (L L) is LH characteristics .
또한, 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치에 있어서, 브랜치 라인 커플러는 CRLH 메타재질구조 특성을 만족하는 상기 위상 변위기를 사각형 라인에 배치하되, 서로 마주보는 변에 위치하는 위상 변위기는 동일한 주파수 대역이며, 양 측에 연결된 위상 위기의 주파수는 상이하도록 형성하는 것을 특징으로 한다.Also, in the multi-band compact power supply device of the meta material structure according to the present invention, the branch line coupler may be arranged such that the phase shifters satisfying the CRLH meta-material structure characteristics are arranged in a rectangular line, And the frequency of the phase cascade connected to both sides are different from each other.
또한, 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치에 있어서, 밸런형 크로스오버는 CRLH 메타재질구조 특성을 만족하는 상기 위상 변위기를 두 개의 연속된 사각형 라인에 배치하되, 서로 마주보는 변에 위치하는 위상 변위기는 동일한 주파수 대역이며, 양 측에 연결된 위상 위기의 주파수는 상이하도록 형성하는 것을 특징으로 한다.Also, in the multi-band compact power supply device of the meta-material structure according to the present invention, the balun-type crossover may be arranged such that the phase shifter satisfying the CRLH meta-material structure characteristic is disposed on two consecutive rectangular lines, The phase shifters positioned are the same frequency band, and the frequency of the phase crank coupled to the both sides is different.
또한, 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치는 위상 변위기, 상기 브랜치 라인 커플러 및 상기 밸런형 크로스오버는 버틀러 매트릭스(Butler matrix)로 구현되는 것을 특징으로 한다.In addition, the multi-band compact power supply device of the meta-material structure according to the present invention is characterized in that the phase shifter, the branch line coupler, and the balun-type crossover are implemented as a Butler matrix.
또한, 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치는 위상 변위기, 상기 브랜치 라인 커플러 및 상기 밸런형 크로스오버는 하다마드 매트릭스(Hadamard matrix)로 구현되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the multi-band compact power supply device of the meta-material structure according to the present invention is characterized in that the phase shifter, the branch line coupler, and the balun-type crossover are implemented in a Hadamard matrix.
본 발명에 따른 미니 빔 스캐닝 안테나는 왼손 전송파 및 오른손 전송파가 공존(CRLH-Composite Right-handed wave Left-handed wave)하는 이중대역의 위상 변위기, CRLH 이중대역의 브랜치 라인 커플러 및 CRLH 이중대역의 밸런형 크로스오버를 포함하는 급전장치와 상기 급전장치와 연결되는 안테나를 포함하며, 상기 안테나는 이중대역용 이중 루프 안테나 모노폴 안테나인 것을 특징으로 한다.
The mini-beam scanning antenna according to the present invention includes a dual-band phase shifter in which a left-handed wave and a right-handed wave coexist (CRLH-Composite right-handed wave left-handed wave), a CRLH dual- A crossover type balun and an antenna connected to the feeder, wherein the antenna is a dual loop dual loop antenna monopole antenna.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치는 왼손전송파(Left-handed wave, LH)과 오른손 전송법칙(Right-handed wave, RH)이 공존(composite RH and LH, CRLH)하는 위상변위기(Phase-shifter), 브랜치 라인 결합기(Branch-line coupler), 밸런형 크로스오버(Balun-type crossover)를 소형 프린트형 적층 메타재질구조(Metamaterial structure)로 제공함으로써, 고가의 LTCC 공정, Active phase shifter, CMOS 공정, MEMS 가 아닌, 저가의 PCB공정으로 다중대역 소형 급전 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.As described above, the multi-band compact power feeding device of the meta-material structure according to the present invention has a combination of a left-handed wave (LH) and a right-handed wave (RH) (CRLH) phase-shifter, branch-line coupler and balun-type crossover as a small-print laminated metamaterial structure, The LTCC process, the active phase shifter, the CMOS process, and the MEMS but the low-cost PCB process can provide the multi-band compact power supply device.
더불어, 이러한 급전장치에 다양한 안테나를 적용하여, 소형 빔 스캐닝 안테나의 설계할 수 있으며, 이를 저가의 차량통신/IoT/5G이동통신/스마트 가전에 내장 또는 삽입하여 활용할 수 있으며, 나아가 28GHz/60GHz/77GHz의 레이다와 도파관(waveguide) 기반 무선통신 시스템에도 적용할 수 있다.
In addition, it is possible to design a small beam scanning antenna by applying various antennas to such a feeding device, and it can be utilized in a low cost vehicle communication / IoT / 5G mobile communication / smart home appliance, and furthermore, 28GHz / 60GHz / It is applicable to a 77 GHz radar and a waveguide-based wireless communication system.
도 1은 본 발명에 따른 메타재질 소형 다중대역 Butler matrix/Hadamard matrix 와 다중 빔 스캐닝 안테나 구조를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 가장 기초가 되는 CRLH 이중대역 위상 변위기의 등가회로도.
도 3은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기(Dual-band phase-shifter) 등가회로를 기반으로 한 물리적인 구조를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기의 이중대역 메타재질구조 위상특성을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기의 이중대역에서의 LH전송과 및 RH전송의 전계분포 특성을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH브랜치 라인 커플러(Dual-band branch-line coupler)의 등가회로와 물리적 구조를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH브랜치 라인 커플러의 주파수 응답특성인 산란계수(s-parameters)를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH밸런형 크로스오버(Balun-type crossover)의 등가회로와 물리적 구조(단층형)를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH밸런형 크로스오버(Balun-type crossover)의 주파수 응답특성인 산란계수(s-parameters)를 나타내는 도면.
도 10은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix의 등가회로와 물리적 구조를 나타내는 도면.
도 11은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH Hadamard matrix 의 등가회로와 물리적 구조를 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 와 기존의 일반 전송선 Butler matrix/Hadamard matrix 의 크기를 비교한 도면.
도 13은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 의 주파수 응답특성인 산란계수(s-parameters)를 나타내는 도면.
도 14는 본 발명의 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 가 이중대역용 이중 원형 루프 안테나 배열 요소들과 결합된 구조를 나타내는 도면.
도 15는 본 발명의 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 가 다양한 방사체와 결합할 수 있는 확장성을 보여주는 도면.
도 16은 본 발명의 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 가 이중대역용 안테나와 결합하여 두 개의 주파수에서 다중 빔/빔 스캐닝이 되는 특성을 나타내는 도면.
도 17은 본 발명의 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 다중 빔/빔 스캐닝 안테나의 차량통신/IoT/5G이동통신/레이다 시스템으로의 적용 개념도.
도 18 및 도 19는 종래 Butler matrix/Hadamard matrix (단일의 협대역만 형성됨) 구조를 나타내는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a meta-material miniature multi-band Butler matrix / Hadamard matrix and a multi-beam scanning antenna structure according to the present invention.
2 is an equivalent circuit diagram of the most basic CRLH dual-band phase shifter of the present invention.
3 is a diagram illustrating a physical structure based on the CRLH dual-band phase-shifter equivalent circuit of the present invention.
4 is a diagram showing the dual band meta material structure phase characteristics of the CRLH dual band phase shifter of the present invention.
5 is a diagram showing the electric field distribution characteristics of LH transmission and RH transmission in the dual band of the CRLH dual band phase shifter of the present invention.
Figure 6 shows the equivalent circuit and the physical structure of a miniature dual band branch-line coupler with a CRLH dual-band phase shifter of the present invention.
7 is a diagram illustrating scattering coefficients (s-parameters), which are the frequency response characteristics of a very small dual-band CRLH branch line coupler with a CRLH dual-band phase shifter of the present invention.
8 is a diagram showing an equivalent circuit and a physical structure (monolayer type) of an ultra-small dual-band CRLH balun type crossover having a CRLH dual band phase shifter according to the present invention.
9 is a graph showing scattering coefficient (s-parameters), which is the frequency response characteristic of a very small dual-band CRLH balun-type crossover having a CRLH dual-band phase shifter according to the present invention;
10 is a diagram showing an equivalent circuit and a physical structure of an ultra small double band CRLH Butler matrix having a CRLH dual band phase shifter of the present invention.
11 is a diagram showing an equivalent circuit and a physical structure of an ultra-small dual-band CRLH Hadamard matrix having a CRLH dual-band phase shifter according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram comparing sizes of a conventional double-band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix and a conventional general transmission line Butler matrix / Hadamard matrix.
13 is a diagram showing scattering coefficient (s-parameters), which is a frequency response characteristic of a very small dual-band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix having a CRLH dual band phase shifter of the present invention.
FIG. 14 is a view showing a structure in which the ultra-small dual-band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix of the present invention is combined with dual loop double loop antenna array elements. FIG.
15 is a diagram showing the scalability of the ultra-small dual-band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix of the present invention to be combined with various radiators;
FIG. 16 is a diagram showing a characteristic in which the ultra-small dual-band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix of the present invention is combined with a dual-band antenna to perform multi-beam / beam scanning at two frequencies.
17 is a conceptual diagram of application of the ultra-small dual-band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix multi-beam / beam scanning antenna of the present invention to vehicle communication / IoT / 5G mobile communication / radar system.
18 and 19 are diagrams illustrating a conventional Butler matrix / Hadamard matrix (only a narrow band is formed).
이하, 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치 및 이를 이용한 미니 빔 스캐닝 안테나를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a multi-band compact power feeding device having a meta material structure according to the present invention and a mini-beam scanning antenna using the same will be described in detail.
도 1은 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치의 주파수 대역별 빔 형성과 급전 장치의 설계 실시예를 나타내는 도면으로, 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치는 입력포트(10)와 왼손 전송파 및 오른손 전송파가 공존(CRLH-Composite Right-handed wave Left-handed wave)하는 이중대역의 위상 변위기(20), CRLH 이중대역의 브랜치 라인 커플러(30) 및 CRLH 이중대역의 밸런형 크로스오버(40)를 포함한다.FIG. 1 is a view showing an embodiment of designing a beam forming and feeding device according to a frequency band of a multi-band compact power feeding device having a meta material structure according to the present invention, A dual-
상기 위상 변위기(20)는 프린트형 적층 메타재질구조로 형성되는 것이 바람직하며, 도 2에 도시된 바와 같이, CRLH 메타재질구조 특성을 만족시키기 위한 직렬 인덕턴스(LR), 상기 직렬 인덕턴스(LR)와 직렬로 연결되는 직렬 커패시턴스(CL), 상기 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬로 연결되는 병렬 커패시턴스(CR) 및 상기 병렬 커패시턴스(CR)와 병렬로 연결되는 병렬 인덕턴스(LL)를 포함하며, 상기 직렬 인덕턴스(LR)와 상기 병렬 커패시턴스(CR)가 RH 특성을 나타내고, 상기 직렬 커패시턴스(CL)와 상기 병렬 인덕턴스(LL)가 LH 특성을 나타낸다. As shown in FIG. 2, the
즉, LH 전파 특성은 특정 주파수 대역에서 파수의 기울기가 양이면서 음의 값을 가지게 되는데, 파수가 0과 음의 값을 가질 때 공진 점은 LH영역에서 발생하게 된다. 특히, 파수가 특정 주파수 대역에서 0 값을 갖게 되면, 파장이 무한대가 되어 구조적 공진 길이와 상관없이 소형화가 가능하게 된다. That is, the LH propagation characteristic has a negative slope of the wave number in a specific frequency band. When the wave number has a negative value of 0, the resonance point occurs in the LH region. Particularly, when the wave number has a value of 0 in a specific frequency band, the wavelength becomes infinite and miniaturization becomes possible irrespective of the structural resonance length.
본 발명에 있어서, CRLH 전송선로 전체의 위상속도인 βtotal은 RH영역의 β와 LH영역의 β의 합에 의해 결정되며 LH영역의 β이 음의 부호를 갖게 된다. 만약 βtotal 이 0의 값을 가지게 되면 무 위상변화 메타재질이 발생하게 되고, βtotal=0인 경우 파장이 무한대와 같아지므로 전송선 및 공진기의 전체에 걸쳐 동위상을 가지게 된다.In the present invention, the total phase velocity β total of the CRLH transmission line is determined by the sum of β of the RH region and β of the LH region, and β of the LH region has a negative sign. If β total has a value of 0, a non-phase change meta material is generated, and when β total = 0, the wavelength becomes equal to infinity, so that the phase is the same throughout the transmission line and the resonator.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 분산곡선은 비선형 함수로서 본 발명에 따른 CRLH 위상 변위기(20)가 LH와 RH 현상을 가지고, 하나의 구조로서 원하는 주파수에 원하는 위상을 갖는 이중대역 특성을 발생할 수 있다.As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the dispersion curve is a nonlinear function, and the
본 발명에 따른 위상 변위기(20)는 주파수 f1과 f2에서 원하는 위상 φ1과 φ2를 생성해야 하며, 이를 위해 다음 수학식으로 LR, CL, CR, LL을 산출할 수 있다.
이 때, f2/f1과 φ1/φ2가 정수에 국한되어 있지 않고 임의의 관계에 대해 잘 동작하며, 이는 CRLH 위상 변위기의 장점 중 하나라고 할 수 있다. 즉, LH와 RH의 경계인 0차 공진의 파장과의 무관한 관계와 더불어 위상 변위기의 크기를 소형화 할 수 있는 것이다.At this time, f 2 / f 1 and φ 1 / φ 2 are not limited to integers and operate well for arbitrary relations, which is one of the advantages of the CRLH phase shifter. In other words, it is possible to miniaturize the size of the phase shifter in addition to the relation with the wavelength of the 0th order resonance, which is the boundary between LH and RH.
상기 [수학식 1]을 통해 산출된 값들은 도 3과 같이 다양한 물리적 형태로 생성할 수 있다.The values calculated through Equation (1) can be generated in various physical forms as shown in FIG.
먼저 첫 번째 실시예로 도 3의 (a), (b), (c)와 같이, 상기 직렬 인덕턴스(LR)를 인터디지틀의 양쪽 손가락들 및 상기 양쪽 손가락들과 포트 간 연결 부위의 표면전류에 의해 생성하고, 상기 직렬 커패시턴스(CL)를 인터디지틀의 갭에 의해 생성하고, 상기 병렬 커패시턴스(CR)를 접지면과 유전체 기판 윗면 금속간의 간격에 의해 생성하고, 상기 병렬 인덕턴스(LL)를 유전체 기판 윗면 금속 스터브의 접지면 연결에 의한 단락선로에 의해 생성하였다.3 (a), 3 (b), and 3 (c), the series inductance L R is calculated from the surface currents of both the fingers of the interdigital and the connection portions between the both fingers and the port Generating the series capacitance (C L ) by an interdigitic gap, generating the parallel capacitance (C R ) by an interval between the ground plane and the dielectric top metal, and the parallel inductance (L L ) Was created by a shorting line by ground plane connection of the dielectric substrate top surface metal stub.
또한, 도 3의 (d)는 본 발명에 따른 위상 변위기의 두 번째 실시예로 직렬 커패시턴스(CL)를 인터디지틀의 갭에 의해 구현하고, 병렬 인덕턴스(LL)를 개방된 링형 접지면 식각구조(CSRR)에 의해 구현하였으며, 도 3의 (e)는 본 발명에 따른 위상 변위기의 세 번째 실시예로 직렬 커패시턴스(CL)를 선로의 갭에 의해 구현하였으며, 병렬 인덕턴스(LL)를 개방된 링형 접지면 식각구조(CSRR)에 의해 구현하였다.3 (d) shows a second embodiment of the phase shifter according to the present invention, in which the serial capacitance C L is implemented by inter-digital gaps and the parallel inductance L L is divided into an open ring- 3 (e) is a third embodiment of the phase shifter according to the present invention, in which the serial capacitance C L is realized by the gap of the line, and the parallel inductance L L ) Is implemented by an open ring top surface etch structure (CSRR).
도 4는 본 발명에 따른 CRLH 이중대역 위상 변위기(20)의 이중대역 메타재질구조 위상특성을 나타내는 것으로, 목표위상의 획득과 메타재질구조 특성을 확인할 수 있는 도면이며, 도 5는 상기 위상 변위기(20)의 이중대역에서의 LH전송과 및 RH전송의 전계분포 특성을 나타내는 도면으로 메타재질구조 특성을 확인할 수 있다.FIG. 4 is a diagram showing the phase characteristics of the dual band meta material structure of the CRLH dual
도 6은 본 발명에 따른 이중대역 CRLH브랜치 라인 커플러(30, Dual-band branch-line coupler)의 등가회로와 물리적 구조를 나타내는 도면으로, CRLH 메타재질구조 특성을 만족하는 상기 위상 변위기를 사각형 라인에 배치하되, 서로 마주보는 변에 위치하는 위상 변위기는 동일한 주파수 대역이며, 양 측에 연결된 위상 위기의 주파수는 상이하도록 형성하며, 도 7과 같이 주파수 응답특성인 산란계수(s-parameters)를 설정한다. FIG. 6 is a diagram showing an equivalent circuit and a physical structure of a dual-band branch-
도 8은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH 밸런형 크로스오버(40, Balun-type crossover)의 등가회로와 물리적 구조(단층형)로 CRLH 메타재질구조 특성을 만족하는 상기 위상 변위기를 두 개의 연속된 사각형 라인에 배치하되, 서로 마주보는 변에 위치하는 위상 변위기는 동일한 주파수 대역이며, 양 측에 연결된 위상 위기의 주파수는 상이하도록 형성하고, 도 9와 같이, 이중대역 CRLH밸런형 크로스오버(Balun-type crossover)의 주파수 응답특성인 산란계수(s-parameters)를 생성한다.8 is a diagram showing an equivalent circuit and a physical structure (monolayer type) of an ultra small double band CRLH balun type crossover (40, Balun-type crossover) having the CRLH dual band phase shifter of the present invention, The phase shifters located on opposite sides of the phase shifter are arranged in the same frequency band and the phase crank frequencies connected to the two sides are made to be different from each other. As shown in FIG. 9, the dual band CRLH balun (S-parameters), which is the frequency response characteristic of a bell-type crossover.
이러한 본 발명에 따른 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치는 위상 변위기(20), 상기 브랜치 라인 커플러(30) 및 상기 밸런형 크로스오버(40)를 배치하고, 일련의 최적화 과정을 거치면 버틀러 매트릭스(Butler matrix) 또는 하다마드 매트릭스(Hadamard matrix)로 구현할 수 있다.The multi-band compact power supply device of the meta-material structure according to the present invention includes a
도 10은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix의 등가회로와 물리적 구조를 나타내는 도면이며, 도 11은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH Hadamard matrix 의 등가회로와 물리적 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 10 is a diagram showing an equivalent circuit and physical structure of a very small dual-band CRLH Hadamard matrix having a CRLH dual-band phase shifter according to the present invention, and FIG. Equivalent circuit and physical structure.
도12는 본 발명의 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 와 기존의 일반 전송선 Butler matrix/Hadamard matrix의 크기를 비교한 그림으로 (a)와 (b)가 종래 Butler matrix이며, (c)가 본 발명에 따른 Butler matrix로 본 발명에 따른 Butler matrix가 (a)에 약 1/7배이며, (b)에 약 1/3배로 가장 작은 면적으로 구현되어 소형화에 탁월한 효과를 나타냄을 확인할 수 있다.FIG. 12 is a diagram illustrating a comparison of the size of a conventional dual-band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix and a conventional transmission line Butler matrix / Hadamard matrix, wherein (a) and (b) The Butler matrix according to the present invention shows that the Butler matrix according to the present invention is about 1/7 times as large as (a) and as small as about 1/3 times as large as (b), showing excellent effects in miniaturization.
또한, 도 12의 (d)는 종래 Hadamard matrix이며, (e)는 본 발명에 따른 Hadamard matrix로 동작 주파수와 유전체의 성질은 유사하지만 면적의 차이가 현저함을 확인할 수 있다.FIG. 12 (d) is a conventional Hadamard matrix, and FIG. 12 (e) shows a Hadamard matrix according to the present invention.
도 13은 본 발명의 CRLH 이중대역 위상 변위기를 가진 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 의 주파수 응답특성인 산란계수(s-parameters)를 나타내는 도면이며, 이러한 산란계수는 다음 [수학식 2]와 같이 산출되어, 고이득 빔 형성용 배열 안테나의 요소의 전류로 급전된다.FIG. 13 is a graph showing scattering coefficient (s-parameters), which is a frequency response characteristic of an ultra small double band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix having a CRLH dual band phase shifter according to the present invention. And is fed to the current of the elements of the array antenna for high gain beam formation.
이때, 
특히 배열 요소간 위상차는 다음 [수학식 3]과 같이 산출되며, 원거리 빔의 위치는 다음의 식으로 결정된다.In particular, the phase difference between the array elements is calculated by the following equation (3), and the position of the far-field beam is determined by the following equation.
이러한 원거리 빔 위치를 산출하여, 빔 위치를 미리 예상할 수 있는데 본 발명에 따른 본 발명에서는 Butler matrix/Hadamard matrix의 출력을 수학적 공식에 대입하여 빔 형성 특성을 예측할 경우, 실험 데이터와 큰 오차가 발생할 수 있으므로 본 발명의 실시예에서는 Butler matrix/Hadamard matrix의 출력 포트에 이중대역 안테나를 장착하였다.In the present invention according to the present invention, when the beam forming characteristics are predicted by substituting the output of the Butler matrix / Hadamard matrix into the mathematical formula, a large error occurs with the experimental data. A dual band antenna is mounted on the output port of the Butler matrix / Hadamard matrix in the embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 가 이중대역용 이중 원형 루프 안테나 배열 요소들과 결합된 구조이며, 도 15와 같이, f1이나 f2중의 하나의 대역에서 빔 형성 원할 때는 모노폴 안테나나 패치 안테나를 활용하거나, f1과 f2 모두 통신용으로 사용할 때는 광대역 Vivaldi 안테나나 Quad-ridge horn 안테나를 장착할 수도 있으며, 이외에 다른 안테나도 결합이 가능하다.FIG. 14 shows a structure in which the ultra-small dual band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix of the present invention is combined with dual loop double loop antenna array elements. When a beam is desired to be formed in one of f 1 and f 2 When using a monopole antenna or a patch antenna, or when both f 1 and f 2 are used for communication, a wideband Vivaldi antenna or a quad-ridge horn antenna may be mounted, and other antennas may be combined.
도 16은 본 발명의 초소형 이중대역 CRLH Butler matrix/Hadamard matrix 가 이중대역용 안테나와 결합하여 두 개의 주파수에서 다중 빔/빔 스캐닝이 되는 특성을 나타내는 도면으로 f1과 f2 모두에서 빔이 형성되어 스캐닝이 가능하게 된다. FIG. 16 is a diagram showing a characteristic in which the ultra-small dual-band CRLH Butler matrix / Hadamard matrix of the present invention is combined with a dual-band antenna to perform multi-beam / beam scanning at two frequencies. In FIG. 16, beams are formed in both f 1 and f 2 , Lt; / RTI >
이는 도 17과 같이, 차량과 차량, 그리고 차량과 기지국이 높은 안테나 이득으로서 통신이 가능한 지능형 교통망의 운용과 인접 셀로부터의 간섭은 피하고 소형 셀 내의 특정 이동단말에 빔을 보내는 전력절감형 5G이동통신과 더불어, 사물간 인지/차량용 레이다/사용자 접근과 이동을 감지하는 스마트 가전에 활용가능하다. As shown in FIG. 17, the operation of the intelligent transportation network capable of communicating as a high antenna gain between the vehicle and the vehicle, and the vehicle and the base station avoids interference from neighboring cells, and the power saving type 5G mobile communication In addition to this, it can be used in smart home appliances that detect inter-object / vehicle radar / user access and movement.
더불어, CRLH 이중대역 Butler matrix/Hadamard matrix 빔 형성 안테나가 초소형과 저비용의 장점이 있어 단말기와 포터블 장치, 웨어러블 고이득 적응형 무선 송수신기에도 적용이 가능하다. In addition, the CRLH dual-band Butler matrix / Hadamard matrix beam-forming antenna is also applicable to terminals, portable devices and wearable high-gain adaptive wireless transceivers due to its compact size and low cost.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치 및 이를 이용한 미니 빔 스캐닝 안테나로 구현할 수 있다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. The scope of the invention is defined by the appended claims. Antenna.
10 : 입력 포트
20, 20′, 20″ : 위상 변위기
21 : 직렬 인턱턴스
22 : 직렬 커패시턴스
23 : 병렬 커패시턴스
24 : 병렬 인덕턴스
30, 30′, 30″ : 브랜치 라인 커플러
40, 40′, 40″ : 밸런형 크로스 오버
50 : 안테나
100, 110 : 버틀러 매트릭스
120 : 하다마드 매트릭스10: Input port
20, 20 ', 20 ": phase shifter
21: Serial inductance
22: series capacitance
23: Parallel capacitance
24: Parallel inductance
30, 30 ', 30 ": Branch line coupler
40, 40 ', 40 ": Balanced crossover
50: antenna
100, 110: Butler matrix
120: Hadamard matrix
Claims (14)
CRLH 이중대역의 브랜치 라인 커플러 및
CRLH 이중대역의 밸런형 크로스오버를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
A dual-band phase shifter in which a left-handed transmission wave and a right-handed transmission wave coexist (CRLH-Composite right-handed wave);
CRLH dual-band branch-line coupler and
CRLH dual-band balun crossover. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
상기 위상 변위기는,
프린트형 적층 메타재질구조로 형성되고, CRLH 메타재질구조 특성을 만족시키기 위한 직렬 인덕턴스(LR), 상기 직렬 인덕턴스(LR)와 직렬로 연결되는 직렬 커패시턴스(CL), 상기 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬로 연결되는 병렬 커패시턴스(CR) 및 상기 병렬 커패시턴스(CR)와 병렬로 연결되는 병렬 인덕턴스(LL)를 포함하며, 상기 직렬 인덕턴스(LR)와 상기 병렬 커패시턴스(CR)가 RH 특성을 나타내고, 상기 직렬 커패시턴스(CL)와 상기 병렬 인덕턴스(LL)가 LH 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
The method according to claim 1,
The phase shifter includes:
A series inductance (L R ), a series capacitance (C L ) connected in series with the series inductance (L R ), and a series capacitance (C L ), which are formed of a printed laminated metal material structure and satisfy the CRLH meta- L) and parallel capacitance that are connected in parallel (C R) and a parallel inductance (L L) is connected in parallel with the parallel capacitance (C R), the series inductance (L R) and the shunt capacitance (C R ) Exhibits RH characteristics, and the series capacitance (C L ) and the parallel inductance (L L ) exhibit LH characteristics.
상기 직렬 인덕턴스(LR)는 인터디지틀의 양쪽 손가락들 및 상기 양쪽 손가락들과 포트 간 연결 부위의 표면전류에 의해 생성되고,
상기 직렬 커패시턴스(CL)는 인터디지틀의 갭에 의해 생성되고,
상기 병렬 커패시턴스(CR)는 접지면과 유전체 기판 윗면 금속간의 간격에 의해 생성되고,
상기 병렬 인덕턴스(LL)는 유전체 기판 윗면 금속 스터브의 접지면 연결에 의한 단락선로에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the series inductance (L R ) is generated by the surface currents of both the fingers of the interdigital and the connection between the fingers and the port,
The series capacitance (C L ) is generated by an inter-digital gap,
The parallel capacitance (C R ) is created by the spacing between the ground plane and the dielectric top metal,
Wherein the parallel inductance (L L ) is generated by a short-circuit line due to ground plane connection of the dielectric substrate top surface metal stub.
상기 직렬 커패시턴스(CL)는 인터디지틀의 갭에 의해 생성되고,
상기 병렬 인덕턴스(LL)는 개방된 링형 접지면 식각구조(CSRR)에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
3. The method of claim 2,
The series capacitance (C L ) is generated by an inter-digital gap,
Wherein the parallel inductance (L L ) is generated by an open ring-shaped ground plane etch structure (CSRR).
상기 직렬 커패시턴스(CL) 선로의 갭에 의해 생성되고,
상기 병렬 인덕턴스(LL)는 개방된 링형 접지면 식각구조(CSRR)에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
3. The method of claim 2,
(C L ) line of the series capacitance,
Wherein the parallel inductance (L L ) is generated by an open ring-shaped ground plane etch structure (CSRR).
상기 브랜치 라인 커플러는
CRLH 메타재질구조 특성을 만족하는 상기 위상 변위기를 사각형 라인에 배치하되, 서로 마주보는 변에 위치하는 위상 변위기는 동일한 주파수 대역이며, 양 측에 연결된 위상 위기의 주파수는 상이하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
6. The method according to any one of claims 3 to 5,
The branch line coupler
The phase shifters satisfying the CRLH meta-material structure characteristics are disposed on the quadrangular lines, and the phase shifters located on opposite sides of the phase shifters are formed in the same frequency band, and the phase crank frequencies connected to both sides are different from each other Multi - band miniature feeder with meta - material structure.
상기 밸런형 크로스오버는,
CRLH 메타재질구조 특성을 만족하는 상기 위상 변위기를 두 개의 연속된 사각형 라인에 배치하되, 서로 마주보는 변에 위치하는 위상 변위기는 동일한 주파수 대역이며, 양 측에 연결된 위상 위기의 주파수는 상이하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
The method according to claim 6,
In the balun-type crossover,
The phase shifters satisfying the CRLH meta-material structure characteristics are disposed in two consecutive rectangular lines, and the phase shifters located on opposite sides of the phase shifters are the same frequency band, and the frequency of phase cranking connected to both sides is different Wherein the multi-band miniature power feeding device has a meta-material structure.
상기 위상 변위기, 상기 브랜치 라인 커플러 및 상기 밸런형 크로스오버는 버틀러 매트릭스(Butler matrix)로 구현되는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the phase shifter, the branch line coupler, and the balun-type crossover are implemented as a Butler matrix.
상기 위상 변위기, 상기 브랜치 라인 커플러 및 상기 밸런형 크로스오버는 하다마드 매트릭스(Hadamard matrix)로 구현되는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the phase shifter, the branch line coupler, and the balun-type crossover are implemented in a Hadamard matrix.
산란계수는, 다음 [수학식 2]로 산출되는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
[수학식 2]
이때,
8. The method of claim 7,
The scattering coefficient is calculated by the following formula (2).
&Quot; (2) "
At this time,
배열 요소 간의 위상차는 다음 [수학식 3]으로 산출되는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
[수학식 3]
11. The method of claim 10,
And the phase difference between the array elements is calculated by the following equation (3). ≪ EMI ID = 3.0 >
&Quot; (3) "
원거리 빔의 위치는 다음 [수학식 4]로 산출되는 것을 특징으로 하는 메타재질구조의 다중대역 소형 급전 장치.
[수학식 4]
11. The method of claim 10,
Wherein the position of the far-field beam is calculated by the following equation (4).
&Quot; (4) "
상기 안테나는
이중대역용 이중 루프 안테나 모노폴 안테나인 것을 특징으로 하는 미니 빔 스캐닝 안테나.
A dual-band phase shifter in which left-hand and right-handed waves coexist (CRLH-Composite right-handed wave), a dual-band branch line coupler and a CRLH dual- band balun crossover And an antenna connected to the power feeding device,
The antenna
Wherein the antenna is a dual-loop dual-loop antenna monopole antenna.
상기 안테나는
모노폴 안테나, 패치 안테나, 광대역 Vivaldi 안테나, Quad-ridge horn 안테나 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미니 빔 스캐닝 안테나.A dual-band phase shifter in which left-hand and right-handed waves coexist (CRLH-Composite right-handed wave), a dual-band branch line coupler and a CRLH dual- band balun crossover And an antenna connected to the power feeding device,
The antenna
A monopole antenna, a patch antenna, a wideband Vivaldi antenna, and a quad-ridge horn antenna.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140043504A KR101553159B1 (en) | 2014-04-11 | 2014-04-11 | Compact multi band metamaterial feeding apparatus and miniature multi beam forming and scanning antennas using the same |
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| KR101553159B1 true KR101553159B1 (en) | 2015-09-14 |
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|---|---|---|---|---|
| CN105896081B (en) * | 2016-04-27 | 2018-08-07 | 西安空间无线电技术研究所 | A kind of automatically controlled restructural butler matrix feed networks of double frequency |
| CN109888507A (en) * | 2018-12-22 | 2019-06-14 | 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） | A kind of 16 × 16 Butler matrix multi-beam feeding network of compact |
| CN110726974A (en) * | 2019-10-17 | 2020-01-24 | 北京邮电大学 | Radar detection method and device based on radar communication integration |
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-
2014
- 2014-04-11 KR KR1020140043504A patent/KR101553159B1/en active IP Right Grant
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