KR101974000B1 - Compact antenna in VHF band using CRLH transmisssion line - Google Patents

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KR101974000B1
KR101974000B1 KR1020180017984A KR20180017984A KR101974000B1 KR 101974000 B1 KR101974000 B1 KR 101974000B1 KR 1020180017984 A KR1020180017984 A KR 1020180017984A KR 20180017984 A KR20180017984 A KR 20180017984A KR 101974000 B1 KR101974000 B1 KR 101974000B1
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antenna
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unit cells
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김기철
박용배
전희재
이종협
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국방과학연구소
아주대학교산학협력단
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Abstract

According to the present invention, provided is a VHF band small antenna using a composite right/left-handed (CRLH) transmission line, which comprises: an interdigital type capacitor having a predetermined length, gap, and width and corresponding to a series capacitor configuring a unit cell of the CRLH transmission line; and a chip inductor corresponding to a parallel inductor configuring the unit cell and electrically connected to one end of the capacitor. A very small VHF band antenna can be manufactured due to a resonance frequency irrespective of the size, an antenna having a very small size compared to a conventional VHF band antenna can be provided.

Description

ＣＲＬＨ 전송선을 이용한 ＶＨＦ 대역 소형 안테나{Compact antenna in VHF band using CRLH transmisssion line}A compact antenna in a VHF band using a CRLH transmission line (CRLH transmission line)

본 발명은 CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 단위 셀들을 배열한 형태의 CRLH 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나에 관한 것이다. The present invention relates to a VHF band small antenna using a composite right / left-handed (CRLH) transmission line. And more particularly, to a small VHF band antenna using a CRLH transmission line in which unit cells are arranged.

기존의 군용 VHF 대역 FM 주파수에 사용되는 안테나는 소형화가 요구되지만, 파장에 비례하는 안테나 크기 때문에 물리적 한계를 가지고 있다. 기존의 군용 VHF대역 FM 안테나는 일반적으로 파장의 1/4의 크기를 가지는 모노폴 안테나 또는 파장의 1/2 크기를 가지는 휩 안테나가 주로 사용되었다. 모노폴 안테나 또는 휩 안테나는 제작 및 설계가 용이한 대신에 큰 크기를 가지기에 실제 사용에 물리적인 제약을 받는다. 156-162MHz를 목표로 설계된 휩 안테나는 약 1.0m라는 큰 크기를 가지게 된다. 기존의 모노폴 또는 휩 안테나를 응용한 다양한 형태의 안테나가 있지만, 구조적으로 복잡하거나 큰 크기를 가져 실제 사용에 한계가 존재한다는 문제점이 있다.Antennas used in conventional military VHF band FM frequencies are required to be miniaturized, but they have physical limitations due to the antenna size being proportional to the wavelength. Conventional military VHF band FM antennas are generally used as a monopole antenna having a size of 1/4 of a wavelength or a whip antenna having a half of a wavelength. Monopole antennas or whip antennas are physically limited in practical use because they are large in size and easy to manufacture and design. The whip antenna designed for 156-162MHz has a large size of about 1.0m. Although there are various types of antennas using conventional monopole or whip antennas, there are problems in that they are structurally complicated or have a large size, which limits practical use.

본 발명은 기존의 VHF 대역 FM 주파수 안테나의 물리적 한계를 극복하기 위해 CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선을 이용하여 초소형 박막 형상의 안테나를 설계하였다. CRLH 전송선이란 전송선 이론을 이용하여 설계하는 메타 물질로 LH 메타 물질과 RH 메타 물질의 혼합물이다. 저주파에서는 LH 특성을, 고주파에서는 RH 특성을 나타낸다. CRLH 전송선은 전기적으로 크기와 무관하게 생기는 0차 공진점을 가지기에 안테나의 소형화에 이점을 가지고 있다. 이러한 기술은 주로 기가헤르쯔 대역에서 사용되고, 낮은 주파수인 VHF 대역에서는 설계 기술이 제대로 확립되어 있지 않은 문제점이 있다. 기타 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 선행기술문헌을 참조한다. 1. 공개특허공보 제10-2017-0137065호(2017.12.12.) 및 2. 공개특허공보 제10-2009-0014279호(2009.02.09.). In order to overcome the physical limitations of the conventional VHF band FM frequency antenna, the present invention has designed a very thin film antenna using a CRLH (Composite Right / Left-Handed) transmission line. A CRLH transmission line is a metamaterial designed by using transmission line theory, which is a mixture of LH metamaterial and RH metamaterial. LH characteristics at low frequencies and RH at high frequencies. The CRLH transmission line has an advantage of downsizing the antenna because it has a zero-order resonance point that is electrically independent of the size. This technique is mainly used in the gigahertz band, and the design technique is not properly established in the low frequency VHF band. Other techniques for the background of the invention refer to the following prior art documents. 1. Open Patent Publication No. 10-2017-0137065 (Dec. 12, 2017) and 2. Open Patent Publication No. 10-2009-0014279 (Feb.

본 발명의 목적은, CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나를 제공하는 것에 있다.It is an object of the present invention to provide a small VHF band antenna using a composite right / left-handed (CRLH) transmission line.

본 발명의 다른 목적은, CRLH 전송선을 이용하여 VHF 대역 FM 주파수용 안테나를 소형화하는데에 목적이 있다.Another object of the present invention is to miniaturize an antenna for a VHF band FM frequency using a CRLH transmission line.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나는, CRLH 전송선의 단위 셀을 구성하는 직렬 커패시터에 해당하고, 소정의 길이와 갭, 폭을 갖는 인터디지털 형태의 커패시터 및 상기 단위 셀을 구성하는 병렬 인덕터에 해당하고, 상기 커패시터의 일단과 전기적으로 연결되는 칩 인덕터를 포함하고, 크기와 무관하게 공진 주파수를 가지기에 극소형 VHF 대역 안테나를 제조할 수 있어 기존의 VHF 대역 안테나에 비해 매우 소형의 크기를 갖는 안테나를 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, there is provided a VHF band small antenna using a CRLH (Composite Right / Left-Handed) transmission line according to the present invention is a serial capacitor constituting a unit cell of a CRLH transmission line, And a chip inductor which is electrically connected to one end of the capacitor and corresponds to a parallel inductor constituting the unit cell, and has a resonant frequency regardless of the size, so that a very small VHF band antenna It is possible to provide an antenna having a very small size as compared with the conventional VHF band antenna.

일 실시 예에서, 상기 단위 셀의 길이는 상기 VHF 대역 소형 안테나가 동작하는 동작 주파수에 해당하는 파장의 3/1000 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, the length of the unit cell may be 3/1000 or less of the wavelength corresponding to the operating frequency at which the VHF band small antenna operates.

일 실시 예에서, 상기 VHF 대역 소형 안테나의 공진 주파수는 VHF 대역의 FM 주파수 대역으로 150 내지 160MHz 사이에 존재하며, 전방향의 방사패턴(radiation pattern)을 갖도록 구성될 수 있다.In one embodiment, the resonant frequency of the VHF band small antenna is between 150 and 160 MHz in the FM frequency band of the VHF band, and may be configured to have an omnidirectional radiation pattern.

일 실시 예에서, 상기 단위 셀을 가로 방향과 세로 방향에 대해 각각 n개씩 배열하여 n×n 형태의 2차원 배열로 상기 VHF 대역 소형 안테나를 구성하고, 상기 2차원 배열은 상기 가로 방향에 대해 직렬로 배열되고, 상기 세로 방향에 대해 병렬로 배열된 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, the VHF band small antennas are arranged in n-by-n two-dimensional arrays by arranging the unit cells in each of the transverse direction and the longitudinal direction, and the two-dimensional array is connected in series And arranged in parallel with respect to the longitudinal direction.

일 실시 예에서, 상기 병렬로 배열된 상기 단위 셀의 이격 간격은 상기 VHF 대역 소형 안테나가 동작하는 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/500 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, the spacing of the unit cells arranged in parallel may be 1/500 or less of the wavelength corresponding to the operating frequency at which the small VHF band antenna operates.

일 실시 예에서, 상기 병렬로 배열된 n개의 단위 셀들의 각각은 제1 특성 임피던스를 갖는 제1 전송선과 병렬 결합되고, 상기 제1 전송선은 제2 특성 임피던스를 갖는 제2 전송선과 결합되고, 상기 제2 전송선으로부터 공급되는 전력은 상기 병렬로 배열된 단위 셀들로 균등하게 분배되는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, each of the n unit cells arranged in parallel is coupled in parallel with a first transmission line having a first characteristic impedance, the first transmission line is coupled to a second transmission line having a second characteristic impedance, And the power supplied from the second transmission line is evenly distributed to the unit cells arranged in parallel.

일 실시 예에서, 상기 직렬로 배열된 n개의 단위 셀들 중 가장 마지막에 배열되는 단위 셀들의 각각은 상기 제1 특성 임피던스를 갖는 제3 전송선과 병렬 결합되고, 상기 제3 전송선은 50Ω 저항으로 종단(termination)되는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, each of the unit cells arranged at the end of the n unit cells arranged in series is connected in parallel with a third transmission line having the first characteristic impedance, and the third transmission line is connected in parallel with the terminal termination).

본 발명에 따르면, 크기와 무관하게 공진 주파수를 가지기에 극소형 VHF 대역 안테나를 제조할 수 있어 기존의 VHF 대역 안테나에 비해 매우 소형의 크기를 갖는 안테나를 제공할 수 있다. According to the present invention, a very small VHF band antenna can be manufactured because it has a resonance frequency irrespective of the size, so that it is possible to provide an antenna having a very small size compared to a conventional VHF band antenna.

또한, 본 발명에 따르면, 전방향 방사 패턴을 가져 전자기파 수신에 용이하고, 공진 주파수와 임피던스에 영향을 주는 병렬 인덕터를 쉽게 교체할 수 있어, 제작 및 튜닝에 용이하다는 장점이 있다.Also, according to the present invention, parallel inductors having an omnidirectional radiation pattern, which are easy to receive electromagnetic waves and affect the resonance frequency and impedance, can be easily replaced, which is advantageous in manufacturing and tuning.

도 1은 본 발명에 따른 CRLH 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나가 사용되는 시스템에 관한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 칩 인덕터를 사용한 CRLH 전송선 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 CRLH 전송선 단위셀의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 n×n 셀로 구성된 안테나의 구성도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 n×n 셀로 구성된 안테나의 등가회로를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 단위 셀 (또는 유닛 셀) VHF 소형 안테나에서, 유닛 셀 행(row) 개수에 따른 안테나 특성을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 단위 셀 (또는 유닛 셀) VHF 소형 안테나에서, 유닛 셀 열(column) 개수에 따른 안테나 특성을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 안테나의 반사 손실을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면이다. 1 is a system in which a VHF band small antenna using a CRLH transmission line according to the present invention is used.
2 is a view showing a CRLH transmission line unit cell using a chip inductor according to the present invention.
3 is a diagram illustrating an equivalent circuit of a CRLH transmission line unit cell according to the present invention.
4 shows a configuration diagram of an antenna composed of n x n cells according to the present invention.
5 shows an equivalent circuit of an antenna composed of n x n cells according to the present invention.
6 shows antenna characteristics according to the number of unit cell rows in a unit cell (or unit cell) VHF small antenna according to the present invention.
FIG. 7 shows antenna characteristics according to the number of unit cell columns in a unit cell (or unit cell) VHF small antenna according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing reflection loss of an antenna according to the present invention. FIG.
9 is a view showing a radiation pattern of an antenna according to the present invention.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It will be possible. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, 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. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.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 to which this invention belongs.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 모듈, 블록 및 부는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. The suffix modules, blocks, and parts for the components used in the following description are given with or taken into consideration only for ease of specification, and do not have their own meaning or role.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

이하에서는, 본 발명에 따른 CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 이와 관련하여, 본 발명은 CRLH 전송선이 갖는 0차 공진 특성을 이용하여 공진 주파수와 무관한 크기를 갖게 하는 것을 특징으로 한다. 기가헤르쯔 대역에서 주로 사용되는 CRLH 전송선의 0차 공진점을 낮추기 위해 낮은 주파수에서 집중정수소자로 동작하는 칩 인덕터를 사용하는 것을 특징으로 한다.Hereinafter, a VHF band small antenna using a CRLH (Composite Right / Left-Handed) transmission line according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this regard, the present invention is characterized in that the zero-order resonance characteristic of the CRLH transmission line is utilized to have a size independent of the resonance frequency. A chip inductor that operates as a lumped element at a low frequency is used in order to lower the zero order resonance point of the CRLH transmission line used mainly in the gigahertz band.

안테나가 전기적으로 소형이 되면, 물리적인 원인으로 안테나의 이득이 낮아지게 된다. CRLH 전송선을 이용한 안테나도 이를 피할 수 없는데, 이로 인해 생기는 이득의 저하를 다중 셀을 사용함으로써 해결한다. 다중 셀의 배치는 직렬로 연결하는 것 뿐만 아니라, 병렬로도 연결 하는 것을 특징으로 한다. If the antenna is electrically small, the gain of the antenna is lowered due to physical reasons. An antenna using a CRLH transmission line can not be avoided, and the resulting gain reduction is solved by using multiple cells. The arrangement of the multiple cells is characterized not only in series connection but also in parallel connection.

각 CRLH 전송선 단위 셀들은 신호 파장의 3/1000의 크기를 가지며, 병렬로 연결된 셀들은 파장의 1/500의 간격으로 서로 이격되어 있다. Each CRLH transmission line unit cell has a size of 3/1000 of the signal wavelength, and the cells connected in parallel are spaced apart from each other by 1/500 of the wavelength.

한편, 전술된 기술적 특징을 제공할 수 있는 본 발명에 따른 CRLH 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 한편, 도 1은 본 발명에 따른 CRLH 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나가 사용되는 시스템에 관한 것이다. 도 1을 참조하면, VHF 대역 소형 안테나(10)는 차량 또는 통신 기기에 배치되어 차량용 안테나(10a), 통신 기기용 안테나(10b, 10c)로 사용될 수 있다. 구체적으로, 통신 기기용 안테나(10b, 10c)는 무전기 등의 통신 기기의 서로 다른 평면 상에 배치될 수 있다. 기존의 다이폴 안테나와 같은 VHF 대역 안테나는 VHF 대역에서 물리적 길이가 길어 차량이나 통신 기기 등에 사용되기 어렵다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명의 CRLH 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이 차량용 또는 통신 기기용 안테나로 사용될 수 있다. The VHF band small antenna using the CRLH transmission line according to the present invention, which can provide the above-described technical characteristics, will be described in detail as follows. FIG. 1 shows a system in which a VHF band small antenna using a CRLH transmission line according to the present invention is used. Referring to FIG. 1, the VHF-band small antenna 10 may be disposed on a vehicle or a communication device and used as an antenna 10a for a vehicle or an antenna 10b or 10c for a communication device. Specifically, the antennas 10b and 10c for a communication device can be disposed on different planes of a communication device such as a walkie-talkie. A conventional VHF band antenna such as a dipole antenna has a problem that it is difficult to use in a vehicle or a communication device due to its long physical length in the VHF band. In order to solve such a problem, the VHF band small antenna using the proposed CRLH transmission line of the present invention can be used as an antenna for a vehicle or a communication device as shown in FIG.

한편, 도 2는 본 발명에 따른 칩 인덕터를 사용한 CRLH 전송선 단위 셀 구조의 안테나를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 단위 셀(100)은 소정의 길이(lc)와 갭(gap), 폭(widc)을 갖는 인터디지털 형태의 커패시터(110)와 상기 커패시터의 일단과 전기적으로 연결되는 칩 인덕터(120)를 포함한다. 여기서, 갭(gap)에 해당하는 영역은 금속이 제거된 영역에 해당하고, 인터디지털 형태의 커패시터(110)는 가로 및 세로 길이가 각각 ws 및 wc에 해당하는 금속 패턴과 전기적으로 연결된다. 이때, 칩 인덕터(120)가 배치되는 크기는 가로와 세로에 대해 각각 wchip 및 lchip일 수 있다. 한편, 커패시터(110)와 칩 인덕터(120)를 포함하는 단위 셀(100)의 크기는 가로와 세로에 대해 P×wc일 수 있고, 여기서, 가로 크기 P는 P = lc + ws + gap 이다. 한편, 이러한 단위 셀(100)이 복수로 배치된 CRLH 전송선을 이용한 VHF 소형 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이 차량 또는 통신 기기(무전기) 등에 배치되어 차량용 안테나(10a), 통신 기기용 안테나(10b, 10c)로 사용될 수 있다.2 is a view showing an antenna of a CRLH transmission line unit cell structure using a chip inductor according to the present invention. 2, the unit cell 100 includes an interdigital capacitor 110 having a predetermined length lc, a gap and a width widc, and a chip inductor (not shown) electrically connected to one end of the capacitor, (120). Here, the region corresponding to the gap corresponds to the region where the metal is removed, and the capacitor 110 of the interdigital type is electrically connected to the metal pattern having the width and the length, respectively, corresponding to ws and wc. At this time, the size of the chip inductor 120 may be wchip and lchip for the width and the length, respectively. The size of the unit cell 100 including the capacitor 110 and the chip inductor 120 may be P x wc with respect to width and length, where P = lc + ws + gap. 1, a VHF small antenna using a CRLH transmission line in which a plurality of unit cells 100 are arranged is disposed in a vehicle or a communication device (radio) or the like, so that the antenna 10a for a vehicle, the antenna 10b , 10c.

한편, 단위 셀(100)의 크기는 VHF 대역 소형 안테나가 동작하는 동작 주파수에 해당하는 파장의 3/1000 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, VHF 대역 소형 안테나의 공진 주파수는 VHF 대역의 FM 주파수 대역으로 150 내지 160MHz 사이에 존재하며, 전방향의 방사패턴(radiation pattern)을 갖도록 제공될 수 있다.The size of the unit cell 100 may be 3/1000 or less of the wavelength corresponding to the operating frequency at which the small VHF band antenna operates. In addition, the resonant frequency of the VHF band small antenna is between 150 and 160 MHz in the FM frequency band of the VHF band, and can be provided to have an omni-directional radiation pattern.

다음으로, 도 3은 본 발명에 따른 CRLH 전송선 단위셀의 등가회로를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 인터디지털 형태의 커패시터(110)는 안테나에서 방사 소자로서 동작하므로, 단순히 C만이 아니라, C와 L의 조합으로 표현될 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 커패시터(110)는 CL과 직렬로 연결된 LR 및 LR과 병렬로 연결된 CR로 표시될 수 있다. 한편, 칩 인덕터(120)는 LL로 표시될 수 있고, 칩 인덕터(120)의 커패시턴스 성분은 CR에 반영되어 표시될 수 있다.Next, FIG. 3 shows an equivalent circuit of a CRLH transmission line unit cell according to the present invention. As shown in FIG. 3, the capacitor 110 in the interdigital form operates as a radiating element in the antenna, and therefore can be represented by a combination of C and L, not just C. Accordingly, as shown in FIG. 2, the capacitor 110 may be represented by C R connected in parallel with L R and L R connected in series with C L. On the other hand, the chip inductor 120 can be represented by L L , and the capacitance component of the chip inductor 120 can be reflected on C R.

다음으로, 도 4는 본 발명에 따른 n×n 셀로 구성된 안테나의 구성도를 나타낸다. 한편, 단위 셀의 개수는 9×9에 한정되는 것이 아니라, 18×18 등 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다. 하지만, 도 3에서는 VHF 대역에서 소형 안테나 설계와 안테나 성능 최적화의 두 가지 관점에서 단위 셀의 크기를 최적화하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 단위 셀(100)을 가로 방향과 세로 방향에 대해 각각 n개씩 배열하여 n×n 형태의 2차원 배열로 VHF 대역 소형 안테나를 구성할 수 있다. 이때, 2차원 배열은 가로 방향에 대해 직렬로 배열되고, 세로 방향에 대해 병렬로 배열될 수 있다. 여기서, 병렬로 배열된 상기 단위 셀의 이격 간격은 VHF 대역 소형 안테나가 동작하는 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/500 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.Next, Fig. 4 shows a configuration diagram of an antenna composed of n x n cells according to the present invention. On the other hand, the number of unit cells is not limited to 9 × 9, but may be variously changed depending on applications such as 18 × 18. However, in Fig. 3, the size of the unit cell is optimized in view of the small antenna design and the antenna performance optimization in the VHF band. As shown in FIG. 3, the unit cells 100 may be arranged in the horizontal direction and the vertical direction, respectively, so that the small antennas of the VHF band can be constituted by an n × n two-dimensional array. At this time, the two-dimensional array is arranged in series with respect to the horizontal direction, and arranged in parallel with respect to the vertical direction. Here, the spacing between the unit cells arranged in parallel may be less than 1/500 of the wavelength corresponding to the operating frequency of the VHF band small antenna.

한편, 병렬로 배열된 n개의 단위 셀들의 각각은 제1 특성 임피던스를 갖는 제1 전송선(210)과 결합될 수 있다. 또한, 제1 전송선(210)은 제2 특성 임피던스를 갖는 제2 전송선(220)과 결합될 수 있다. 여기서, 제2 특성 임피던스는 50Ω의 값을 갖도록 제2 전송선(220)의 폭이 결정될 수 있다.On the other hand, each of the n unit cells arranged in parallel can be combined with the first transmission line 210 having the first characteristic impedance. Also, the first transmission line 210 may be coupled to a second transmission line 220 having a second characteristic impedance. Here, the width of the second transmission line 220 can be determined so that the second characteristic impedance has a value of 50 ?.

본 실시 예에서 9개의 단위 소자가 세로 방향에서 배치되는 경우 9개의 단위 소자는 제1 전송선(210)과 연결될 수 있다.In this embodiment, when nine unit elements are arranged in the longitudinal direction, nine unit elements may be connected to the first transmission line 210.

한편, 직렬로 배열된 n개의 단위 셀들 중 가장 마지막에 배열되는 단위 셀들의 각각은 제1 특성 임피던스를 갖는 제3 전송선(230)과 병렬 결합될 수 있다. 이때, 제3 전송선(230)은 50Ω 저항으로 종단(termination)되는 것을 특징으로 할 수 있다. Meanwhile, each of the unit cells arranged last in the n unit cells arranged in series may be coupled in parallel with the third transmission line 230 having the first characteristic impedance. At this time, the third transmission line 230 may be terminated by a 50? Resistor.

다음으로, 도 5는 본 발명에 따른 n×n 셀로 구성된 안테나의 등가회로를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, n×n 셀로 구성된 안테나의 등가회로는 도 2에 도시된 단위 셀의 등가회로가 직렬/병렬 형태로 결합된 구조를 갖는다. 이와 관련하여, 단위 셀들 간의 간섭이 없다면 n×n 셀로 구성된 안테나의 등가회로는 단위 셀의 등가회로가 단순히 직렬/병렬 형태로 결합된 구조일 수 있다. 한편, 단위 셀들 간의 간섭을 고려하여 L/C 소자들이 부가될 수 있지만, 도 5의 L/C 토폴로지에서 커패시턴스와 인덕턴스 값만을 조정하여 이러한 간섭에 의한 영향을 반영할 수 있다. 이와 같이 L/C 소자들을 추가하지 않고, 도 5의 L/C 토폴로지를 이용하면 해석 및 설계에 있어 빠른 최적화 및 해석을 수행할 수 있다는 장점이 있다.Next, Fig. 5 shows an equivalent circuit of an antenna composed of n x n cells according to the present invention. As shown in FIG. 5, an equivalent circuit of an antenna composed of n × n cells has a structure in which the equivalent circuits of the unit cells shown in FIG. 2 are combined in a serial / parallel manner. In this regard, if there is no interference between the unit cells, the equivalent circuit of the antenna composed of n x n cells may be a structure in which the equivalent circuit of the unit cells is simply coupled in a serial / parallel manner. Meanwhile, the L / C elements can be added considering the interference between the unit cells, but the influence of the interference can be reflected by adjusting only the capacitance and the inductance value in the L / C topology of FIG. If the L / C topology of FIG. 5 is used without adding the L / C elements as described above, there is an advantage that quick optimization and analysis can be performed in the analysis and design.

한편, 도 6은 본 발명에 따른 단위 셀 (또는 유닛 셀) VHF 소형 안테나에서, 유닛 셀 행(row) 개수에 따른 안테나 특성을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 유닛 셀 행 개수가 1개, 5개, 9개로 증가함에 따라 공진 주파수가 증가하고, 안테나 이득이 증가함을 알 수 있다. 한편, 대역폭 특성도 1개의 유닛 셀을 갖는 1×9 구조에서는 협대역 특성을 갖는다. 한편, 안테나 이득 특성은 1×9 , 5×9, 및 9×9 구조에서 각각 43dBi, -38dBi, -35dBi로 그 특성이 증가한다. 하지만, 유닛 셀의 행 개수가 증가할수록 안테나 이득이 증가하는 양은 감소한다. 따라서, 18×18 유닛 셀 구조보다 9×9 유닛 셀 구조가 안테나 크기와 안테나 이득의 트레이드오프 관점에서 최적의 안테나 설계 구조에 해당한다.Meanwhile, FIG. 6 shows antenna characteristics according to the number of unit cell rows in a unit cell (or unit cell) VHF small antenna according to the present invention. Referring to FIG. 6, it can be seen that as the number of unit cell rows increases to 1, 5, and 9, the resonance frequency increases and the antenna gain increases. On the other hand, the bandwidth characteristic also has a narrow band characteristic in a 1x9 structure having one unit cell. On the other hand, the antenna gain characteristics are increased to 43 dBi, -38 dBi, and -35 dBi in the 1 × 9, 5 × 9, and 9 × 9 structures, respectively. However, as the number of rows of unit cells increases, the amount of increase in antenna gain decreases. Thus, a 9x9 unit cell structure over an 18x18 unit cell structure corresponds to an optimal antenna design structure in terms of tradeoffs between antenna size and antenna gain.

한편, 도 7은 본 발명에 따른 단위 셀 (또는 유닛 셀) VHF 소형 안테나에서, 유닛 셀 열(column) 개수에 따른 안테나 특성을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 유닛 셀 열 개수가 1개, 5개, 9개로 증가함에 따라 열의 개수만큼 공진점이 발생하고, 열이 증가할수록 CRLH 전송선의 특성이 양호해진다. 또한, 유닛 셀의 열이 증가할수록 0차 공진 주파수 및 이득이 증가한다. 구체적으로, 1×1, 1×5 및 1×9 구조에서 안테나 이득은 -59dBi, -52dBi 및 -43dBi로 증가한다. Meanwhile, FIG. 7 shows antenna characteristics according to the number of unit cell columns in a unit cell (or unit cell) VHF small antenna according to the present invention. Referring to FIG. 7, as the number of unit cell columns increases to 1, 5, and 9, a resonance point occurs as many as the number of columns, and the characteristic of the CRLH transmission line becomes better as the number of columns increases. Also, as the number of rows of the unit cells increases, the zeroth order resonance frequency and gain increase. Specifically, the antenna gain increases to -59 dBi, -52 dBi, and -43 dBi in the 1 × 1, 1 × 5, and 1 × 9 structures.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 안테나의 반사 손실을 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 공진 주파수가 158MHz이고, 반사손실(S11)은 10.35dB을 양호한 값을 가짐을 알 수 있다. 한편, 이러한 공진 주파수와 반사손실 값은 원하는 응용에 따라 다양하게 변경되도록 튜닝 될 수 있다.8 is a diagram illustrating reflection loss of the antenna according to the present invention. As shown in FIG. 8, it can be seen that the antenna according to the present invention has a resonance frequency of 158 MHz and a reflection loss S11 of 10.35 dB. On the other hand, the resonance frequency and the return loss value can be tuned to variously change according to a desired application.

도 9는 본 발명에 따른 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나는 전방향 방사 패턴을 가져 전자기파의 수신에 용이하다는 장점이 있다.9 is a view showing a radiation pattern of an antenna according to the present invention. As shown in FIG. 6, the VHF-band small antenna using a CRLH (Composite Right / Left-Handed) transmission line according to the present invention has an advantage of being easy to receive electromagnetic waves due to its omnidirectional radiation pattern.

이상에서는 본 발명에 따른 CRLH 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나에 대해 살펴보았다. 이상에서 살펴본 단위 셀을 n×n 셀로 구성한 CRLH 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나는 기존의 VHF 대역 안테나에 비해 다음과 같은 장점을 갖는다.The VHF band small antenna using the CRLH transmission line according to the present invention has been described above. The VHF band small antenna using the CRLH transmission line composed of n × n cell units as described above has the following advantages as compared with the conventional VHF band antenna.

본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 크기와 무관하게 공진 주파수를 가지기에 극소형 VHF 대역 안테나를 제조할 수 있어 기존의 VHF 대역 안테나에 비해 매우 소형의 크기를 갖는 안테나를 제공할 수 있다. According to at least one embodiment of the present invention, a very small VHF band antenna can be manufactured because it has a resonance frequency regardless of a size, and thus it is possible to provide an antenna having a very small size compared to a conventional VHF band antenna.

또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 전방향 방사 패턴을 가져 전자기파 수신에 용이하고, 공진 주파수와 임피던스에 영향을 주는 병렬 인덕터를 쉽게 교체할 수 있어, 제작 및 튜닝에 용이하다는 장점이 있다.According to at least one embodiment of the present invention, parallel inductors having an omnidirectional radiation pattern and easy to receive electromagnetic waves and affecting the resonant frequency and impedance can be easily replaced, which is advantageous in manufacturing and tuning .

소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.According to a software implementation, the design and parameter optimization for each component as well as the procedures and functions described herein may be implemented as separate software modules. Software code can be implemented in a software application written in a suitable programming language. The software code is stored in a memory and can be executed by a controller or a processor.

100: 단위 셀
110: 커패시터 120: 칩 인덕터
210: 제1 전송선 220: 제2 전송선
230: 제3 전송선100: Unit cell
110: capacitor 120: chip inductor
210: first transmission line 220: second transmission line
230: third transmission line

Claims (7)

CRLH (Composite Right/Left-Handed) 전송선을 이용한 VHF 대역 소형 안테나에 있어서,
CRLH 전송선의 단위 셀을 구성하는 직렬 커패시터에 해당하고, 소정의 길이와 갭, 폭을 갖는 인터디지털 형태의 커패시터; 및
상기 단위 셀을 구성하는 병렬 인덕터에 해당하고, 상기 커패시터의 일단과 전기적으로 연결되는 칩 인덕터를 포함하고,
상기 단위 셀을 가로 방향과 세로 방향에 대해 각각 n개씩 배열하여 n×n 형태의 2차원 배열로 하나의 VHF 대역 소형 안테나를 구성하고,
상기 2차원 배열은 상기 가로 방향에 대해 직렬로 배열되고, 상기 세로 방향에 대해 병렬로 배열되고,
상기 직렬로 배열된 n개의 단위 셀들 중 가장 마지막에 배열되는 단위 셀들의 각각은 하나로 결합되어 저항으로 종단(termination)됨에 따라, 상기 2차원 배열이 상기 하나의 VHF 대역 소형 안테나를 구성하고,
상기 2차원 배열에 해당하는 안테나 크기와 안테나 이득을 고려하여 상기 2차원 배열은 9×9 형태로 결정되는, CRLH 전송선 이용한 VHF 대역 소형 안테나.In a VHF band small antenna using a CRLH (Composite Right / Left-Handed) transmission line,
An interdigital capacitor having a predetermined length, gap, and width corresponding to a series capacitor constituting a unit cell of the CRLH transmission line; And
And a chip inductor which corresponds to a parallel inductor constituting the unit cell and is electrically connected to one end of the capacitor,
The unit cells are arranged in n in the horizontal direction and in the vertical direction to form one VHF band small antenna in an n x n two-dimensional array,
Wherein the two-dimensional array is arranged in series with respect to the transverse direction, arranged in parallel with the longitudinal direction,
Wherein each of the unit cells arranged in the last row among the n unit cells arranged in series is combined into one unit and terminated by a resistor so that the two dimensional array constitutes the one VHF band small antenna,
The VHF band small antenna using the CRLH transmission line, wherein the two-dimensional array is determined as a 9 × 9 array considering the antenna size and the antenna gain corresponding to the two-dimensional array. 제1 항에 있어서,
상기 단위 셀의 길이는 상기 VHF 대역 소형 안테나가 동작하는 동작 주파수에 해당하는 파장의 3/1000 이하인 것을 특징으로 하는, CRLH 전송선 이용한 VHF 대역 소형 안테나.The method according to claim 1,
Wherein the length of the unit cell is 3/1000 or less of a wavelength corresponding to an operating frequency at which the small VHF band antenna operates. 제2 항에 있어서,
상기 VHF 대역 소형 안테나의 공진 주파수는 VHF 대역의 FM 주파수 대역으로 150 내지 160MHz 사이에 존재하며, 전방향의 방사패턴(radiation pattern)을 갖는, CRLH 전송선 이용한 VHF 대역 소형 안테나.3. The method of claim 2,
The VHF band small antenna using the CRLH transmission line, wherein the resonant frequency of the VHF band small antenna exists between 150 and 160 MHz in the FM frequency band of the VHF band and has an omnidirectional radiation pattern. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 병렬로 배열된 상기 단위 셀의 이격 간격은 상기 VHF 대역 소형 안테나가 동작하는 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/500 이하인 것을 특징으로 하는, CRLH 전송선 이용한 VHF 대역 소형 안테나.The method according to claim 1,
Wherein the spacing distance of the unit cells arranged in parallel is 1/500 or less of a wavelength corresponding to an operating frequency at which the small VHF band antenna operates. 제5 항에 있어서,
상기 병렬로 배열된 n개의 단위 셀들의 각각은 제1 특성 임피던스를 갖는 제1 전송선과 결합되고,
상기 제1 전송선은 제2 특성 임피던스를 갖는 제2 전송선과 결합되고,
상기 제2 전송선으로부터 공급되는 전력은 상기 병렬로 배열된 단위 셀들로 균등하게 분배되는 것을 특징으로 하는, CRLH 전송선 이용한 VHF 대역 소형 안테나.6. The method of claim 5,
Each of the n unit cells arranged in parallel is coupled to a first transmission line having a first characteristic impedance,
The first transmission line is coupled to a second transmission line having a second characteristic impedance,
And the power supplied from the second transmission line is uniformly distributed to the unit cells arranged in parallel. The VHF band small antenna using the CRLH transmission line. 제6 항에 있어서,
상기 직렬로 배열된 n개의 단위 셀들 중 가장 마지막에 배열되는 단위 셀들의 각각은 상기 제1 특성 임피던스를 갖는 제3 전송선과 병렬 결합되고,
상기 제3 전송선은 50Ω 저항으로 종단(termination)되는 것을 특징으로 하는, CRLH 전송선 이용한 VHF 대역 소형 안테나.The method according to claim 6,
Each of the unit cells arranged at the end of the n unit cells arranged in series is coupled in parallel with a third transmission line having the first characteristic impedance,
And the third transmission line is terminated with a resistance of 50. The small antenna of the VHF band using the CRLH transmission line.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090014279A (en) * 2006-04-27 2009-02-09 레이스팬 코포레이션 Antennas, devices and systems based on metamaterial structures
KR20170137065A (en) * 2015-02-19 2017-12-12 덴키 코교 가부시키가이샤 Leakage wave antenna

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