KR101952908B1

KR101952908B1 - Apparatus and method for wireless communications

Info

Publication number: KR101952908B1
Application number: KR1020180027526A
Authority: KR
Inventors: 플랭클린 돈 변; 박우진; 고낙영; 서석태; 이본영; 송성규; 말릭 자가나쓰; 키란 오루간티사이; 박철균; 강창수; 배은규
Original assignee: 울산과학기술원; 주식회사 지엔테크놀로지스; 주식회사 지엔오션
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-03-05

Abstract

Provided is a metal communication apparatus including a meta-resonator antenna. The metal communication apparatus comprises: a first layer in contact with a conductive surface on which data communication is performed; a meta-resonator antenna stacked on the first layer and including a metal trace having a sine wave shape to control resonance of a surface wave used for the data communication; a second layer made from a dielectric material and stacked on an upper part of the meta-resonator antenna; a patch unit exciting the meta-resonator antenna in accordance with a surface wave transmitted from the meta-resonator antenna; and a third layer stacked on an upper part of the patch unit and including a ground board on an upper surface of the third layer.

Description

[0001] APPARATUS AND METHOD FOR WIRELESS COMMUNICATIONS [0002]

무선 통신을 위한 장치 및 방법에 연관되며, 보다 구체적으로는 전도성 표면을 통해 데이터 통신을 수행하는 통신 장치 및 방법에 연관된다.To a device and method for wireless communication, and more particularly to a communication device and method for performing data communication over a conductive surface.

일반적인 통신 안테나는 철과 같은 금속 표면 위에 놓여지거나 접촉되면 공진 특성 및 방사 특성이 저하되는 경향이 드러난다. 따라서 금속에 의해 차폐된 환경(이를테면, 컨테이너 박스나 대형 선박 등)에서 내부에 배치된 안테나와 외부에 배치된 안테나 사이의 통신을 설정하는 것에는 기술적인 어려움이 존재하는 실정이다.Common communication antennas tend to degrade resonance and radiation properties when placed on or brought into contact with metal surfaces such as iron. Therefore, there is a technical difficulty in establishing communication between an antenna disposed inside and an antenna disposed outside in an environment shielded by a metal (such as a container box or a large ship).

금속 차폐된 환경을 극복하고 전자기파를 전파하고 데이터 통신을 수행하는 장치 및 방법에 대한 새로운 연구가 필요한 실정이다.There is a need for a new study on an apparatus and method for overcoming a metal shielded environment, propagating electromagnetic waves, and performing data communication.

대한민국 등록특허 제10-1313018호는 메타물질을 이용한 이중대역 원형 편차 패치 안테나의 구성을 개시하고 있다. 구체적으로, 대상특허는 이중 대역의 원형 편파 패치 안테나로서, 기판, 제1 방사체, 제1 방사체 내부에 위치하는 제2 방사체 및 급전부를 포함하는 안테나 구성을 개시하고 있다.Korean Patent Registration No. 10-1313018 discloses a dual band circular deviation patch antenna using a metamaterial. Specifically, the patent discloses an antenna configuration including a substrate, a first radiator, a second radiator positioned inside the first radiator, and a power feeder, as a dual-band circularly polarized patch antenna.

일측에 따르면, 메타 공진기 안테나를 포함하는 금속 통신 장치가 제공된다. 상기 금속 통신 장치는 데이터 통신이 수행되는 전도성 표면에 접촉되는 제1 레이어, 상기 제1 레이어의 상부에 적층되고, 정현파(sine wave) 형상의 금속 트레이스를 포함하여 상기 데이터 통신에 이용되는 표면파의 공진을 제어하는 메타 공진기 안테나, 유전물질로 구성되고, 상기 메타 공진기 안테나의 상부에 적층되는 제2 레이어, 상기 메타 공진기 안테나로부터 전달되는 표면파에 따라 상기 메타 공진기 안테나를 여기(excitation)시키는 패치부 및 상기 패치부의 상부에 적층되고, 상부면에 접지판을 포함하는 제3 레이어를 포함할 수 있다.According to one aspect, there is provided a metal communication device including a meta-resonator antenna. The metal communication device includes a first layer contacting a conductive surface on which data communication is performed, a metal trace stacked on top of the first layer and having a sine wave shape, A second layer formed of a dielectric material and stacked on top of the meta-resonator antenna, a patch for exciting the meta-resonator antenna according to a surface wave transmitted from the meta-resonator antenna, And a third layer stacked on top of the patch portion and including a ground plate on the top surface.

일실시예에 따르면, 상기 메타 공진기 안테나는 메타 물질로 구현되는 제1 방사체, 금속 트레이스 및 제2 방사체를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the meta-resonator antenna may include a first radiator, a metal trace, and a second radiator, which are implemented as a meta-material.

다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 방사체는 상기 메타 공진기 안테나 내에 포함되는 단위 셀의 길이 방향으로 연장되며, 제1 위치에서 상기 금속 트레이스와 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 방사체는 상기 메타 공진기 안테나 내에 포함되는 단위 셀의 길이 방향으로 연장되며, 제2 위치에서 상기 금속 트레이스와 연결되고, 상기 제1 방사체와 너비 방향으로 반대에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment, the first radiator may extend in a longitudinal direction of a unit cell included in the meta-resonator antenna, and may be connected to the metal trace at a first position. The second radiator is extended in the longitudinal direction of the unit cell included in the meta-resonator antenna, is connected to the metal trace at the second position, and is opposite to the first radiator in the width direction .

또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속 트레이스는 미리 설정된 주기에 상응하는 복수의 정현파 형상으로 구현되고, 상기 표면파를 트랩(trap)시킬 수 있다.According to another embodiment, the metal trace may be implemented in a plurality of sinusoidal shapes corresponding to a preset period, and may trap the surface waves.

또 다른 일실시예에 따르면, 상기 메타 공진기 안테나는 상기 제1 방사체, 상기 금속 트레이스 및 상기 제2 방사체를 포함하는 단위 셀(cell)을 복수 개 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the meta-resonator antenna includes a plurality of unit cells including the first radiator, the metal trace, and the second radiator.

또 다른 일실시예에 따르면, 상기 단위 셀은 금속 플레이트로 구성되며, 상기 금속 플레이트가 주기성을 가지며 격자 구조를 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the unit cell is formed of a metal plate, and the metal plate has a periodicity and is arranged to form a lattice structure.

또 다른 일실시예에 따르면, 상기 패치부는 단일 급전 방식으로 상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체에 전력을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another embodiment, the patch portion may be configured to supply power to the first radiator and the second radiator in a single power feeding manner.

또 다른 일실시예에 따르면, 상기 패치부는 상기 데이터 통신을 수행하기 위한 신호 발생 장치의 신호 핀(pin)에 연결되고, 상기 제3 레이어의 접지판은 상기 신호 발생 장치의 접지 핀(pin)에 연결될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the patch unit is connected to a signal pin of a signal generator for performing the data communication, and the ground plate of the third layer is connected to a ground pin of the signal generator Can be connected.

다른 일측에 따르면, 메타 물질로 구현되는 메타 공진기 안테나가 제공된다. 상기 메타 공진기 안테나는 제1 방사체, 금속 트레이스 및 제2 방사체를 포함할 수 있다. 상기 제1 방사체는 상기 메타 공진기 안테나 내에 포함되는 단위 셀의 길이 방향으로 연장되며, 제1 위치에서 상기 금속 트레이스와 연결되고, 상기 금속 트레이스는 미리 설정된 주기에 상응하는 복수의 정현파 형상으로 구현되고, 상기 표면파를 트랩(trap)시키고, 상기 제2 방사체는 상기 메타 공진기 안테나 내에 포함되는 단위 셀의 길이 방향으로 연장되며, 제2 위치에서 상기 금속 트레이스와 연결되고, 상기 제1 방사체와 너비 방향으로 반대에 위치할 수 있다.According to another aspect, a meta-resonator antenna implemented as a meta-material is provided. The meta-resonator antenna may include a first radiator, a metal trace, and a second radiator. Wherein the first radiator extends in the longitudinal direction of the unit cell included in the meta-resonator antenna and is connected to the metal trace at a first position, the metal trace is implemented in a plurality of sinusoidal shapes corresponding to a predetermined period, And the second radiator is connected to the metal trace at a second position and extends in the longitudinal direction of the unit cell included in the meta-resonator antenna, Lt; / RTI >

일실시예에 따르면, 상기 메타 공진기 안테나는 상기 제1 방사체, 상기 금속 트레이스 및 상기 제2 방사체를 포함하는 단위 셀(cell)을 복수 개 포함할 수 있다.According to one embodiment, the meta-resonator antenna may include a plurality of unit cells including the first radiator, the metal trace, and the second radiator.

다른 일실시예에 따르면, 상기 단위 셀은 금속 플레이트로 구성되며, 상기 금속 플레이트가 주기성을 가지며 격자 구조를 형성하도록 배열될 수 있다.According to another embodiment, the unit cell is formed of a metal plate, and the metal plate may be arranged to have a periodic shape and form a lattice structure.

도 1a는 일실시예에 따른 메타 공진기 안테나의 단위 셀을 도시하는 예시도이다.
도 1b는 일실시예에 따른 메타 공진기 안테나의 배열 구조를 도시하는 예시도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 메타 공진기 안테나의 트랩 모드(trap mode)를 도시하는 예시도이다.
도 3은 일실시예에 따른 금속 통신 장치를 도시하는 블록도이다.
도 4a는 다른 일실시예에 따른 금속 통신 장치를 도시하는 정면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 금속 통신 장치를 도시하는 측면도이다.FIG. 1A is an exemplary view showing a unit cell of a meta-resonator antenna according to an embodiment.
1B is an exemplary view showing an arrangement structure of a meta-resonator antenna according to an embodiment.
FIG. 2 is an exemplary view showing a trap mode of the metastable resonator antenna shown in FIG. 1A.
3 is a block diagram illustrating a metal communication device in accordance with one embodiment.
4A is a front view showing a metal communication device according to another embodiment.
4B is a side view showing the metal communication device shown in FIG. 4A.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of embodiments are set forth for illustration purposes only and may be embodied with various changes and modifications. Accordingly, the embodiments are not intended to be limited to the specific forms disclosed, and the scope of the disclosure includes changes, equivalents, or alternatives included in the technical idea.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.The terms first or second, etc. may be used to describe various elements, but such terms should be interpreted solely for the purpose of distinguishing one element from another. For example, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, although other elements may be present in between.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", and the like, are used to specify one or more of the features, numbers, steps, operations, elements, But do not preclude the presence or addition of steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.

이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and a duplicate description thereof will be omitted.

단위 셀의 구조Structure of Unit Cell

도 1a는 일실시예에 따른 메타 공진기 안테나의 단위 셀을 도시하는 예시도이다. 도 1a를 참조하면, 메타 물질로 구현되는 메타 공진기 안테나의 단위 셀(unit cell)이 도시된다. 이하의 설명에서, 메타 물질이란 자연적인 상태로는 존재할 수 없는 특수한 전자기적 특성이 있도록 인공적으로 설계된 물질 또는 그러한 물질이 갖는 전자기적 구조를 나타낸다. 이를테면, 메타 물질이란 유전율(permittivity)과 투자율(permeability) 모두가 음수인 물질 또는 그러한 물질이 갖는 전자기적 구조를 나타낼 수 있다. 이러한 물질 또는 구조는 두 개의 음수 파라미터를 가진다는 의미에서 더블네거티브(double negative; DNG) 물질로 정의될 수 있다. 또한, 메타 물질은 음의 유전율 및 투자율에 의해 음의 반사계수를 가지며, 그에 따라 NRI(Negative Refractive Index) 물질이라고 정의될 수 있다.FIG. 1A is an exemplary view showing a unit cell of a meta-resonator antenna according to an embodiment. Referring to FIG. 1A, a unit cell of a meta-resonator antenna is shown. In the following description, a metamaterial refers to an artificially designed material or an electromagnetic structure of such a material so as to have a special electromagnetic property that can not exist in a natural state. For example, a metamaterial may represent a material whose permittivity and permeability are both negative, or the electromagnetic structure of such a material. This material or structure can be defined as a double negative (DNG) material in the sense that it has two negative parameters. In addition, the meta-material has a negative reflection coefficient due to negative dielectric constant and permeability, and can be defined as a negative refractive index (NRI) material.

따라서 메타 물질 내에서는 전자기파의 위상 전파 방향(위상 속도)과 에너지 전달 방향(군 속도)이 반대가 되어, 메타물질을 통과하는 신호는 음의 위상 지연을 가질 수 있다.Therefore, in the metamaterial, the phase propagation direction (phase velocity) of the electromagnetic wave and the energy transfer direction (group velocity) are opposite, and the signal passing through the meta-material may have a negative phase delay.

도 1a의 메타 공진기 안테나의 단위 셀(110)은 제1 방사체(111), 금속 트레이스(112) 및 제2 방사체(113)를 포함할 수 있다. 제1 방사체(111)는 메타 공진기 안테나 포함되는 단위 셀(110)의 길이 방향으로 연장될 수 있다. 또한, 제1 방사체(111)는 제1 위치에서 금속 트레이스(112)와 연결될 수 있다.The unit cell 110 of the meta-resonator antenna of FIG. 1A may include a first radiator 111, a metal trace 112, and a second radiator 113. The first radiator 111 may extend in the longitudinal direction of the unit cell 110 including the meta-resonator antenna. Also, the first radiator 111 may be connected to the metal trace 112 at a first location.

금속 트레이스(112)는 미리 설정된 주기에 상응하는 복수의 정현파 형상으로 구현될 수 있다. 또한, 금속 트레이스(112)는 차폐된 금속 환경으로 전파되는 표면파를 트랩(trap)시킬 수 있다.The metal trace 112 may be implemented in a plurality of sinusoidal shapes corresponding to a predetermined period. In addition, the metal traces 112 can trap surface waves that propagate to a shielded metal environment.

제2 방사체(113)는 메타 공진기 안테나 내에 포함되는 단위 셀(110)의 길이 방향으로 연장될 수 있다. 또한, 제2 방사체(113)는 제1 방사체(111)가 결합되는 제1 위치와 다른 제2 위치에서 금속 트레이스(112)와 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 방사체(113)는 제1 방사체(111)와 단위 셀(110)의 너비 방향으로 반대에 위치할 수 있다.The second radiator 113 may extend in the longitudinal direction of the unit cell 110 included in the meta-resonator antenna. The second radiator 113 may be connected to the metal trace 112 at a second position different from the first position where the first radiator 111 is coupled. More specifically, the second radiator 113 may be positioned opposite to the width direction of the first radiator 111 and the unit cell 110.

본 실시예에 따른 단위 셀(110)은 정현파 형상의 금속 트레이스(112)를 포함하는 메타 표면(meta surface)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 메타 표면은 주기적으로 배열 된 하위 파장 공진기로 구성된 인공 전자기 표면으로 전자기파를 원하는 방식으로 조작할 수 있도록 하는 특징을 가질 수 있다. 이하에서는 추가적인 도면과 함께 복수의 단위 셀(110)로 구현되는 메타 표면에 대한 추가적인 설명이 기재된다.The unit cell 110 according to the present embodiment may include a meta surface including a sinusoidal shaped metal trace 112. Specifically, the meta surface may have a feature that allows the electromagnetic wave to be manipulated in a desired manner to an artificial electromagnetic surface composed of periodically arranged sub-wavelength resonators. Additional descriptions of meta surfaces implemented with a plurality of unit cells 110 are provided below with additional figures.

도 1b는 일실시예에 따른 메타 공진기 안테나의 배열 구조를 도시하는 예시도이다. 도 1b를 참조하면, 복수의 단위 셀(110)을 포함하는 메타 공진기 안테나(100)가 도시된다. 복수의 단위 셀(110)을 일정한 주기를 가지며 동일한 평면에 배열되어 메타 표면을 구성할 수 있다.1B is an exemplary view showing an arrangement structure of a meta-resonator antenna according to an embodiment. Referring to FIG. 1B, a meta-resonator antenna 100 including a plurality of unit cells 110 is shown. A plurality of unit cells 110 may be arranged on the same plane with a predetermined period to constitute a meta surface.

구체적으로, 메타 표면이 갖는 고유한 전자기적 특성은 단위 셀(110) 구성 자체와 복수의 단위 셀(110)이 배열되는 공진 특성에 기반하여 결정될 수 있다. 금속 통신 분야에서 있어서, 고품질 환경(Q factor 등)에서 예리한 공진을 구현하는 것은 효율적인 표면파 통신 장치를 구현하기 위해 중요한 이슈가 될 수 있다. 본 실시예의 복수의 단위 셀(110)은 규칙적인 배열을 이루는 방식으로 날카로운 공진을 갖도록 하는 변조를 생성할 수 있다. 예시적으로, 도 1b의 실시예에서는 5행 5열로 배열된 복수의 단위 셀(110)의 구성이 도시된다. 그러나, 이러한 실시예는 발명의 사상의 이해를 돕기 위한 예시적 기재일 뿐, 다른 실시예를 제한하거나 한정하는 것으로 해석되어서는 안될 것이다. 이를테면, 기술 분야에 속하는 전문가는 공진 특성과 방사 특성을 고려하여 복수의 단위 셀(110)이 3행 3열, 4행 4열로 구현되는 것과 같은 다양한 메타 표면을 구현하는 것이 가능할 것이다. 메타 공진기 안테나(110)는 제1 방사체, 금속 트레이스 및 제2 방사체를 포함하는 단위 셀(110)을 복수 개 포함할 수 있다. 각각의 단위 셀(110)은 금속 플레이트로 구성되며, 상기 금속 플레이트는 주기성을 가지며 격자 구조를 형성하도록 배열될 수 있다.Specifically, the electromagnetic characteristics inherent to the meta surface can be determined based on the resonant characteristics in which the unit cell 110 itself and the plurality of unit cells 110 are arranged. In the field of metal communication, implementing a sharp resonance in a high-quality environment (Q factor, etc.) can be an important issue for realizing an efficient surface wave communication device. The plurality of unit cells 110 of this embodiment can generate a modulation that has a sharp resonance in a manner of forming a regular arrangement. Illustratively, the embodiment of FIG. 1B shows the arrangement of a plurality of unit cells 110 arranged in 5 rows and 5 columns. It should be understood, however, that these embodiments are provided by way of illustration only, and are not to be construed as limiting or limiting the scope of the present invention. For example, in consideration of resonance characteristics and radiation characteristics, an expert in the technical field may implement various meta surfaces such that a plurality of unit cells 110 are realized in three rows, three columns, four rows and four columns. The meta-resonator antenna 110 may include a plurality of unit cells 110 including a first radiator, a metal trace, and a second radiator. Each of the unit cells 110 is composed of a metal plate, and the metal plate has a periodicity and can be arranged to form a lattice structure.

단위 셀의 트랩 모드The trap mode of the unit cell

도 2는 도 1a에 도시된 메타 공진기 안테나의 트랩 모드(trap mode)를 도시하는 예시도이다. 도 2를 참조하면, 메타 공진기 안테나의 단위 셀(200)에 트랩된 전자기파 필드(210)가 도시된다. 구체적으로, 유전체 물질 내에 구현된 정현파 형상의 금속 트레이스의 주기에 따라 전파되는 표면파의 변조 주파수 및 공진 주파수가 결정될 수 있다. 위와 같이 트랩된 전자기파 필드(210)가 자유 공간으로 불충분하게 전파되면서 일반적인 방사 모드를 감소시키는 효과가 존재한다. 도 2의 실시예를 참조하면, 단위 셀(200)에 포함되는 금속 트레이스 내에 전자기파 필드(210)가 트랩되어 갇혀 있음을 확인할 수 있다.FIG. 2 is an exemplary view showing a trap mode of the metastable resonator antenna shown in FIG. 1A. Referring to FIG. 2, an electromagnetic field 210 trapped in a unit cell 200 of a meta-resonator antenna is shown. Specifically, the modulation frequency and the resonance frequency of the surface wave propagating in accordance with the period of the sinusoidal metal trace implemented in the dielectric material can be determined. There is an effect of reducing the general radiation mode by insufficiently propagating the trapped electromagnetic field 210 to the free space. Referring to FIG. 2, it can be seen that the electromagnetic field 210 is trapped and trapped in the metal trace included in the unit cell 200.

종래의 경우, 금속 통신에 있어서 표면파는 유해한 것으로 간주되며, 안테나 기판에서 표면파를 억제하기 위한 많은 시도가 존재했다. 반면에 본 실시예의 메타 공진기 안테나는 정현파 형상의 금속 트레이스를 이용하여 특정 주파수 대역에서 표면 임피던스(impedance)를 증가시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 메타 공진기 안테나는 증가된 표면 임피던스를 이용하여 표면파를 통한 데이터 통신을 구현할 수 있다.In the conventional case, surface waves are regarded as harmful in metal communication, and there have been many attempts to suppress surface waves on the antenna substrate. On the other hand, the metal resonator antenna of this embodiment can increase the surface impedance in a specific frequency band by using a sinusoidal metal trace. In addition, the meta-resonator antenna of the present embodiment can realize data communication through surface waves using an increased surface impedance.

구체적으로, 본 실시예의 메타 공진기 안테나는 2차원적 구조로 구현된 안테나 내부 구조에 TM 모드(Transverse Magnetic Mode)를 갖는 공진 파형이 형성되도록 할 수 있다. 이에 따라, 메타 공진기 안테나는 철과 같은 금속 표면 위에 놓여지거나 접촉되는 경우에만 공진하며 표면파 기반의 데이터 통신을 수행할 수 있다. 예시적으로, 메타 공진기 안테나를 포함하는 통신 장치와 금속 표면의 접촉이 끊어지는 경우에, 상기 형성된 TM 모드의 공진 파형을 다시 사라질 수 있다.Specifically, the resonator antenna of the present embodiment can have a resonance waveform having a TM mode (Transverse Magnetic Mode) in the internal structure of the antenna implemented in a two-dimensional structure. Accordingly, the meta-resonator antenna can resonate only when it is placed on or in contact with a metal surface such as iron, and can perform surface wave-based data communication. Illustratively, when the contact of the metal surface with a communication device comprising a meta-resonator antenna is broken, the resonance waveform of the formed TM mode may disappear again.

금속 통신 장치의 구조Structure of metal communication device

도 3은 일실시예에 따른 금속 통신 장치를 도시하는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 금속 통신 장치(300)는 제1 레이어(310), 메타 공진기 안테나(320), 제2 레이어(330), 패치부(340) 및 제3 레이어(350)를 포함할 수 있다. 제1 레이어(310)는 데이터 통신이 수행되는 전도성 표면에 접촉될 수 있다. 예시적으로, 전도성 표면은 컨테이너 박스 또는 대형 선박과 같은 금속 차폐 환경을 구현하는 금속 벽(metal wall)을 나타낼 수 있다. 이하에서 설명되는 금속 통신 장치(300)는 금속 벽을 통해 전파되는 표면파를 이용하여 차폐 환경을 극복하여 데이터 통신을 구현할 수 있다.3 is a block diagram illustrating a metal communication device in accordance with one embodiment. 3, the metal communication device 300 may include a first layer 310, a meta-resonator antenna 320, a second layer 330, a patch portion 340, and a third layer 350 have. The first layer 310 may be in contact with a conductive surface on which data communication is performed. Illustratively, the conductive surface may represent a metal wall that implements a metal shielding environment, such as a container box or a large vessel. The metal communication device 300 described below can overcome the shielding environment by using the surface wave propagated through the metal wall, thereby realizing data communication.

메타 공진기 안테나(320)는 제1 레이어(310)의 상부에 적층될 수 있다. 또한, 메타 공진기 안테나(320)는 정현파(sine wave) 형상의 금속 트레이스를 포함할 수 있다. 메타 공진기 안테나(320)는 데이터 통신에 이용되는 표면파의 공진을 제어할 수 있다.The meta-resonator antenna 320 may be stacked on top of the first layer 310. In addition, the meta-resonator antenna 320 may include a sine wave-shaped metal trace. The metastasizer antenna 320 can control the resonance of surface waves used for data communication.

제2 레이어(330)는 유전물질로 구성될 수 있다. 제2 레이어(330)는 메타 공진기 안테나(320)의 상부에 적층될 수 있다.The second layer 330 may be comprised of a dielectric material. The second layer 330 may be stacked on top of the meta-resonator antenna 320.

패치부(340)는 메타 공진기 안테나(320)로부터 전달되는 표면파에 따라 메타 공진기 안테나(320)를 여기(excitation)시킬 수 있다.The patch unit 340 may excite the meta-resonator antenna 320 according to a surface wave transmitted from the meta-resonator antenna 320.

제3 레이어(350)는 패치부(340)의 상부에 적층될 수 있다. 제3 레이어(350)는 상부면에 접지판을 포함할 수 있다.The third layer 350 may be stacked on top of the patch portion 340. The third layer 350 may include a ground plate on the top surface.

메타 공진기 안테나(320)는 메타 물질로 구현되는 제1 방사체, 금속 트레이스 및 제2 방사체를 포함할 수 있다. 상기 제1 방사체는 상기 메타 공진기 안테나 내에 포함되는 단위 셀의 길이 방향으로 연장되며, 제1 위치에서 상기 금속 트레이스와 연결되고, 상기 제2 방사체는 상기 메타 공진기 안테나 내에 포함되는 단위 셀의 길이 방향으로 연장되며, 제2 위치에서 상기 금속 트레이스와 연결되고, 상기 제1 방사체와 너비 방향으로 반대에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.The meta-resonator antenna 320 may include a first radiator, a metal trace, and a second radiator, which are implemented as meta-materials. The first radiator extends in a longitudinal direction of a unit cell included in the meta-resonator antenna, and is connected to the metal trace at a first position, and the second radiator is connected to the first electrode in the longitudinal direction of the unit cell included in the meta- And is connected to the metal trace at the second position, and is located opposite to the first radiator in the width direction.

금속 트레이스는 미리 설정된 주기에 상응하는 복수의 정현파 형상으로 구현될 수 있다. 금속 트레이스는 전도성 표면을 통해 전파되는 표면파의 일부를 트랩(trap)시킬 수 있다.The metal trace may be implemented in a plurality of sinusoidal shapes corresponding to a predetermined period. The metal traces can trap some of the surface waves propagating through the conductive surface.

또한, 메타 공진기 안테나는 제1 방사체, 금속 트레이스 및 제2 방사체를 포함하는 단위 셀(cell)을 복수 개 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 단위 셀은 금속 플레이트로 구성되며, 상기 금속 플레이트가 주기성을 가지며 격자 구조를 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the meta-resonator antenna may include a plurality of unit cells including a first radiator, a metal trace, and a second radiator. The unit cell may include a metal plate, and the metal plate may have a periodicity and may be arranged to form a lattice structure.

또한, 패치부(340)는 단일 급전 방식으로 상기 제1 방사체 및 상기 제2 방사체에 전력을 공급할 수 있다.In addition, the patch portion 340 can supply power to the first radiator and the second radiator in a single feeding manner.

또한, 패치부(340)는 상기 데이터 통신을 수행하기 위한 신호 발생 장치의 신호 핀(pin)에 연결될 수 있다. 제3 레이어(350)의 접지판은 상기 신호 발생 장치의 접지 핀(pin)에 연결될 수 있다.In addition, the patch unit 340 may be connected to a signal pin of the signal generator for performing the data communication. The ground plate of the third layer 350 may be connected to a ground pin of the signal generator.

도 4a는 다른 일실시예에 따른 금속 통신 장치를 도시하는 정면도이다. 도 4a를 참조하면, 전도성 표면(460)에 접촉된 금속 통신 장치(400)의 정면도가 도시된다. 구체적으로, 금속 통신 장치(400)는 전도성 표면(460)을 기준으로 제1 레이어(410), 메타 공진기 안테나(420), 제2 레이어(430), 패치부(440) 및 제3 레이어(450)의 순서대로 적층될 수 있다. 제3 레이어(450)는 접지판(451)을 더 포함할 수 있다.4A is a front view showing a metal communication device according to another embodiment. 4A, a front view of a metal communication device 400 in contact with a conductive surface 460 is shown. Specifically, the metal communication device 400 includes a first layer 410, a meta-resonator antenna 420, a second layer 430, a patch portion 440, and a third layer 450 ). &Lt; / RTI > The third layer 450 may further include a ground plate 451.

금속 통신 장치(400)에 포함되는 메타 공진기 안테나(420)는 패치부(440)로부터 여기될 수 있다. 패치부(440)는 외부 신호를 전달하는 커넥터의 신호 핀과 연결될 수 있다. 또한, 상기 커넥터의 접지핀은 안테나의 접지판(451)에 연결될 수 있다.The metal resonator antenna 420 included in the metal communication device 400 may be excited from the patch portion 440. The patch portion 440 may be connected to a signal pin of a connector for transmitting an external signal. Also, the ground pin of the connector may be connected to the ground plate 451 of the antenna.

금속 통신 장치(400)가 갖는 공진 주파수는 메타 공진기 안테나(420)가 갖는 메쉬(mesh) 면적에 따라 변경될 수 있다. 보다 구체적으로, 금속 통신 장치(400)가 갖는 공진 주파수는 메타 공진기 안테나(420) 내에 포함되는 단위 셀의 개수 및 배열에 따라 변경될 수 있다. 예시적으로, 공진 주파수가 GHz 범위로 증가하게 되면 메타 공진기 안테나(420)의 메쉬 면적이 작아지며, 이 경우에는 통신 효율이 크게 떨어지게 될 수 있다.The resonance frequency of the metal communication device 400 may be changed according to the mesh area of the metal resonator antenna 420. More specifically, the resonant frequency of the metal communication device 400 can be changed according to the number and arrangement of unit cells included in the meta-resonator antenna 420. For example, if the resonance frequency is increased to the GHz range, the mesh area of the metastable resonator antenna 420 becomes small, and communication efficiency may be significantly reduced in this case.

본 실시예의 메타 공진기 안테나(420)는 메쉬 면적을 줄이지 않으면서, 금속 트레이스 구조를 통해 표면파의 일부를 트랩하도록 함으로써 통신 효율을 유지하면서 높은 주파수를 갖도록 하는 금속 통신 장치(400)를 구현할 수 있다. 메타 공진기 안테나(420) 내부의 금속 트레이스는 단위 셀의 전체 면적을 줄이지 않으면서 표면파 일부를 트랩하여 통신 효율을 높이고, 획득되는 공진 주파수 또한 높게 유지하는 효과를 제공할 수 있다.The metal resonator antenna 420 of the present embodiment can realize a metal communication device 400 that allows a part of the surface waves to be trapped through the metal trace structure without reducing the mesh area so as to have a high frequency while maintaining communication efficiency. The metal trace in the metal resonator antenna 420 can trap part of the surface waves without reducing the total area of the unit cells, thereby enhancing the communication efficiency and maintaining the obtained resonance frequency at a high level.

도 4b는 도 4a에 도시된 금속 통신 장치를 도시하는 측면도이다. 도 4b를 참조하면, 금속 통신 장치(400)의 정면도가 도시된다. 패치부(440)는 중앙부를 통해 커넥터의 신호 핀과 연결될 수 있다.4B is a side view showing the metal communication device shown in FIG. 4A. Referring to FIG. 4B, a front view of the metal communication device 400 is shown. The patch portion 440 may be connected to the signal pin of the connector through the center portion.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The embodiments described above may be implemented in hardware components, software components, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the devices, methods, and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, such as an array, a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing unit may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, and may be configured to configure the processing device to operate as desired or to process it collectively or collectively Device can be commanded. The software and / or data may be in the form of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage media, or device , Or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave. The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. Program instructions to be recorded on a computer-readable medium may be those specially designed and constructed for an embodiment or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with reference to the drawings, various technical modifications and variations may be applied to those skilled in the art. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

Claims

A first layer in contact with a conductive surface on which data communication is performed;
A meta-resonator antenna disposed on the first layer and including a metal trace having a sine wave shape to control resonance of a surface wave used for data communication;
A second layer composed of a dielectric material and stacked on top of the meta-resonator antenna;
A patch unit for exciting the meta-resonator antenna according to a surface wave transmitted from the meta-resonator antenna;
A third layer stacked on top of the patch portion and including a ground plate on the top surface,
And a communication device.

The method according to claim 1,
Wherein the meta-resonator antenna comprises a first radiator, a metal trace, and a second radiator, which are implemented as meta-materials.

3. The method of claim 2,
Wherein the first radiator extends in the longitudinal direction of the unit cell included in the meta-resonator antenna and is connected to the metal trace at a first position,
Wherein the second radiator extends in the longitudinal direction of the unit cell included in the meta-resonator antenna, is connected to the metal trace at a second position, and is opposite to the first radiator in the width direction. Device.

The method of claim 3,
Wherein the metal trace is implemented in a plurality of sinusoidal shapes corresponding to a preset period, and trapping the surface waves.

The method of claim 3,
Wherein the metal resonator antenna includes a plurality of unit cells including the first radiator, the metal trace, and the second radiator.

6. The method of claim 5,
Wherein the unit cell is comprised of a metal plate, the metal plate having a periodicity and arranged to form a lattice structure.

3. The method of claim 2,
Wherein the patch portion supplies power to the first radiator and the second radiator in a single feeding manner.

The method according to claim 1,
Wherein the patch unit is connected to a signal pin of a signal generating device for performing the data communication and the ground plate of the third layer is connected to a ground pin of the signal generating device.

A meta-resonator antenna comprising:
Wherein the meta-resonator antenna includes a first radiator, a metal trace, and a second radiator,
Wherein the first radiator extends in the longitudinal direction of the unit cell included in the meta-resonator antenna and is connected to the metal trace at a first position,
The metal trace is implemented in a plurality of sinusoidal waveforms corresponding to a predetermined period, trapping surface waves,
Wherein the second radiator extends in a longitudinal direction of the unit cell included in the meta-resonator antenna, is connected to the metal trace at a second position, and is located opposite to the first radiator in a width direction.

10. The method of claim 9,
And the meta-resonator antenna includes a plurality of unit cells including the first radiator, the metal trace, and the second radiator.

11. The method of claim 10,
Wherein the unit cell comprises a metal plate, the metal plate having a periodicity and arranged to form a lattice structure.