KR102123976B1 - An antenna apparatus with 1-d ebg ground structures - Google Patents

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KR102123976B1 KR1020190084726A KR20190084726A KR102123976B1 KR 102123976 B1 KR102123976 B1 KR 102123976B1 KR 1020190084726 A KR1020190084726 A KR 1020190084726A KR 20190084726 A KR20190084726 A KR 20190084726A KR 102123976 B1 KR102123976 B1 KR 102123976B1
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홍원빈
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포항공과대학교 산학협력단
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Abstract

Provided is an antenna apparatus providing a one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure. The antenna apparatus includes a substrate, a ground layer at least partially formed on the substrate, and a planar inverted-L-type radiator (ILA) disposed on one side of the ground layer. The one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure is mounted at the edge of the planar radiator side of the ground layer. Accordingly, the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure can be integrated into the ILA and a high-performance single antenna device in a small space without an additional circuit due to a high-impedance surface characteristic exhibiting a low-speed wave behavior in a dual direction. In addition, the antenna apparatus can be utilized in a small array antenna based on platforms of various materials characterized by wide bandwidth, high gain, and a wide scan angle.

Description

일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하는 안테나 장치{AN ANTENNA APPARATUS WITH 1-D EBG GROUND STRUCTURES}AN ANTENNA APPARATUS WITH 1-D EBG GROUND STRUCTURES

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이중 방향의 저속 파동 거동을 띄는 고 임피던스 표면 특성의 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하여 부가 회로 없이 역-L형 방사체와 집적한 고성능 단일 안테나 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna device, and more specifically, a high-performance single antenna device integrated with an inverted-L type radiator without an additional circuit by providing a one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure having a high impedance surface characteristic exhibiting low-speed wave behavior in a dual direction. It is about.

마이크로파 및 밀리미터파 응용 분야의 능동 RF 디바이스의 물리적 임계 특성을 뛰어 넘어, 고속 및 고용량 통신을 위해 광대역 및 고이득을 특징으로 하는 소형 평면 안테나가 절실히 요구되고 있다. 특히, 광각 스캔 범위를 가지는 소형 배열 안테나의 요소 안테나 기술이 절실히 필요한 실정이다. 예를 들어 평면 배열 안테나들이 뛰어난 성능을 바탕으로 소형 안테나의 대표적인 유형으로서 사용되고 있다. 이러한 안테나들은 작은 폼 팩터 (form factor), 넓은 대역폭, 고 이득, 광각 스캔 범위, 낮은 비용, 단순한 제조 및 다양한 플랫폼 환경들과의 넓은 호환성을 가질 것이 요구된다.There is an urgent need for small flat antennas featuring broadband and high gain for high-speed and high-capacity communications, beyond the physical critical characteristics of active RF devices in microwave and millimeter wave applications. In particular, there is an urgent need for element antenna technology of a small array antenna having a wide angle scan range. For example, flat array antennas are used as a representative type of small antennas based on their excellent performance. These antennas are required to have small form factor, wide bandwidth, high gain, wide angle scan range, low cost, simple manufacturing and wide compatibility with various platform environments.

한국 등록공보 제10-1172812호 ("일차원 전자기 밴드갭 구조물 및 상기 구조물을 갖는 평면 안테나", 광주과학기술원)Korea Registered Publication No. 10-1172812 ("One-dimensional electromagnetic band gap structure and flat antenna having the structure", Gwangju Institute of Science and Technology)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이중 방향의 저속 파동 거동을 띄는 고 임피던스 표면 특성의 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 평면 역-L형 방사체와 집적시켜 별도의 부가 회로 없이 광대역, 수평편파, 종방향 지향성 방사를 제공할 수 있는 소형 안테나 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above-mentioned problems is to integrate a one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure having a high impedance surface characteristic exhibiting a low-speed wave behavior in a dual direction with a planar inverse-L-type emitter and thus to perform broadband and horizontal polarization without additional circuits. , To provide a small antenna device capable of providing longitudinal directional radiation.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위의 전파극한환경에서도 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved of the present invention is not limited to this, and may be variously extended in a radio wave extreme environment within a range not deviating from the spirit and scope of the present invention.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 일 측면에 따라, 일차원 전자기 밴드갭 (EBG) 접지 구조 및 빔 편향기와 집적된 방사패턴 향상이 가능한 역전-L 안테나 (ILA) 로서 구현될 수 있다. 이와 같은 안테나 장치는 수평편파에서 종방향 지향성 방사를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 일차원 전자기 밴드갭 (1-D EBG) 접지 구조들과, 2 단계의 빔 편향기를 이용하여 방사 패턴을 변환할 수 있는 역전-L 안테나 (ILA) 토폴로지를 구비하는 소형 안테나로서 구현될 수 있다. 안테나는 동축 커넥터 및 전송선로 라인 (예를 들어, 마이크로스트립 라인) 을 통해 급전될 수 있고, 1차원 EBG 구조들은 평면 ILA 에 근접하여 위치하는 마이크로스트립 라인의 접지 평면 엣지에 내장될 수 있다. 일차원 EBG 접지 구조는 접지 평면 엣지의 수평 방향에서의 표면파 및 평면파 조명하의 반사 위상 (reflection phase) 모두를 제어하는 저속 파동 거동을 가지는 고 임피던스 표면으로서 동작할 수 있다. 이러한 일차원 EBG 접지 구조의 고유 전자기 특징을 통해 0.22 λ0 Х 0.34 λ0 의 소형 안테나 크기를 가능하게 하고, 또한 2.24 GHz 내지 3.11 GHz 사이의 810 MHz 의 넓은 임피던스 대역폭을 가능하게 할 수 있다. 나아가, 일차원 EBG 및 빔 편향기와 집적된 ILA 의 방사패턴은 어떠한 부가 회로 없이도 향상될 수 있다. 1 차원 EBG 및 편향기의 구별된 응답 특성들을 이용하는 것에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 수평 편파 (horizontally-polarized) 의 종 방향 방사 (end-fire radiation) 를 제공할 수 있다. 구현된 안테나의 수평 편파 내에서 종방향 방사 성능은 작은 공간 내에 일차원 EBG 구조들을 집적하고 빔 편향기들을 배치하는 것에 의해 별도의 부가 회로를 구비하지 아니하고서도 향상될 수 있다. 방사 패턴 향상의 측면에서, 4.0 dBi 의 수평 편파 종방향 이득과, 14.0 dB 의 동일 편파 방향 및 크로스 편파 방향 사이의 방사 강도 차이가 실험적으로 확인될 수 있다. 안테나에서 일차원 EBG 접지 구조물의 특성을 확인하기 위해, 반사 계수, 방사 패턴 및 필드 분포가 다양한 안테나 유형들을 이용하여 검토될 수 있다. 초박형의, 초소형 크기를 가지는 1차원 EBG 접지 구조가 저속 파동을 가지는 고 임피던스 표면으로 기능할 수 있다. 2 단계의 빔 편향기가 편파 변환 능력을 강화하기 위해 ILA 의 전면에 부가적으로 삽입될 수 있다.An antenna device according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem, according to one aspect, a one-dimensional electromagnetic band gap (EBG) ground structure and a beam deflector integrated radiation pattern capable of improving the radiation pattern-L antenna (ILA ). Such an antenna device may have longitudinal directional radiation in horizontal polarization. An antenna device according to an embodiment of the present invention, a one-dimensional electromagnetic bandgap (1-D EBG) ground structures, and a two-stage beam deflector to convert the radiation pattern using a reverse-L antenna (ILA) topology It may be implemented as a small antenna having a. The antenna can be fed through a coaxial connector and transmission line line (eg, microstrip line), and the one-dimensional EBG structures can be embedded at the ground plane edge of the microstrip line located close to the plane ILA. The one-dimensional EBG ground structure can operate as a high impedance surface with a slow wave behavior that controls both the surface wave in the horizontal direction of the ground plane edge and the reflection phase under plane wave illumination. Through the unique electromagnetic characteristics of this one-dimensional EBG ground structure, a small antenna size of 0.22 λ 0 Х 0.34 λ 0 is possible, and a wide impedance bandwidth of 810 MHz between 2.24 GHz and 3.11 GHz is possible. Furthermore, the radiation pattern of the ILA integrated with the one-dimensional EBG and beam deflector can be improved without any additional circuitry. By using the distinct response characteristics of the one-dimensional EBG and the deflector, the antenna according to an embodiment of the present invention can provide horizontally-polarized end-fire radiation. The longitudinal radiation performance within the horizontal polarization of the implemented antenna can be improved without the need for a separate additional circuit by integrating the one-dimensional EBG structures and placing the beam deflectors in a small space. In terms of radiation pattern enhancement, the difference in radiation intensity between the horizontal polarization longitudinal gain of 4.0 dBi and the same polarization direction and cross polarization direction of 14.0 dB can be experimentally confirmed. To verify the characteristics of the one-dimensional EBG ground structure in the antenna, reflection coefficient, radiation pattern and field distribution can be reviewed using various antenna types. The ultra-thin, ultra-compact, one-dimensional EBG ground structure can function as a high-impedance surface with low-speed waves. A two-stage beam deflector can be additionally inserted in front of the ILA to enhance the polarization conversion capability.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하는 안테나 장치는, 기판; 상기 기판 상에 적어도 부분적으로 형성된 접지 레이어; 및 상기 접지 레이어의 일 측방에 배치되는 평면 역-L형 방사체를 포함하되, 상기 접지 레이어의 상기 평면 방사체 측 엣지 (edge) 에는 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조가 내장될 수 있다. An antenna device having a one-dimensional electromagnetic band gap ground structure according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the substrate; A ground layer at least partially formed on the substrate; And a planar inverse-L type radiator disposed on one side of the ground layer, wherein a one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure may be built in an edge of the plane radiator side of the ground layer.

일 측면에 따르면, 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는, 복수의 주기적인 일차원 유닛 셀을 포함하고, 상기 복수의 주기적인 일차원 유닛 셀들은 상기 접지 레이어의 상기 평면 방사체 측 엣지에 하나의 컬럼을 형성할 수 있다. According to one aspect, the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure includes a plurality of periodic one-dimensional unit cells, and the plurality of periodic one-dimensional unit cells form one column at the edge of the planar emitter of the ground layer. Can be.

일 측면에 따르면, 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는, 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하지 않는 안테나 장치와 비교하여, 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 주파수 변동에 따른 더 가파른 반사 위상의 변화를 나타낼 수 있다.According to one aspect, the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure operates as a higher impedance surface having a slower wave behavior, compared to an antenna device without the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure, and further increases according to frequency fluctuations. It can represent a steep change in reflection phase.

일 측면에 따르면, 상기 안테나 장치는, 2.4 GHz 의 주파수에서 가파른 반사 위상 변화로 평면파를 제어하도록 구성될 수 있다. According to an aspect, the antenna device may be configured to control a plane wave with a steep reflection phase change at a frequency of 2.4 GHz.

일 측면에 따르면, 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는, 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하지 않는 비대칭 전송선로 장치와 비교하여, 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 큰 군지연에 의해 저속 파동 거동을 나타낼 수 있다.According to one aspect, the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure operates as a higher impedance surface having a slower wave behavior, as compared to an asymmetric transmission line device without the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure, resulting in large group delay. By this, the low-speed wave behavior can be exhibited.

일 측면에 따르면, 상기 비대칭 전송선로 장치는, 2.4 GHz 의 주파수에서 큰 군지연으로 접지면 엣지에 흐르는 표면파를 제어하도록 구성될 수 있다.일 측면에 따르면, 상기 방사체는 역전-L형 안테나 (ILA) 이고, 상기 안테나 장치는 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 및 상기 ILA 를 구비하는 것에 의해 부가 회로 없이 소정 크기 이상의 임피던스 대역폭을 확보하도록 구성될 수 있다. According to one aspect, the asymmetric transmission line device may be configured to control a surface wave flowing at a ground plane edge with a large group delay at a frequency of 2.4 GHz. According to one aspect, the radiator is a reversing-L antenna (ILA ), and the antenna device may be configured to secure an impedance bandwidth of a predetermined size or more without an additional circuit by providing the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure and the ILA.

일 측면에 따르면, 상기 안테나 장치는, 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조의 임피던스 표면이 소정 공간 이내에서 주기적으로 배열되는 것을 기반으로 파동 임피던스 변화를 형성하여 표면파 제어를 더 수행 가능하도록 구성될 수 있다. According to one aspect, the antenna device may be configured to form a wave impedance change based on the impedance surfaces of the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure periodically arranged within a predetermined space to further control surface wave control.

일 측면에 따르면, 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는, 상기 방사체에 대한 반사기 및 고 임피던스 표면으로서 동시에 동작할 수 있다.According to one aspect, the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure can operate simultaneously as a reflector and a high impedance surface for the emitter.

일 측면에 따르면, 상기 일차원 유닛 셀은, 스트립 라인, 복수의 슬릿 패턴들을 가지는 금속 패치 및 복수의 유닛 셀들 간의 간격에 의한 커패시터를 각각 포함할 수 있다. According to one aspect, the one-dimensional unit cell may include a strip line, a metal patch having a plurality of slit patterns, and a capacitor by spacing between the plurality of unit cells.

일 측면에 따르면, 상기 방사체는, 동축 커넥터 및 마이크로스트립 라인을 통해 급전될 수 있다. According to one aspect, the radiator may be fed through a coaxial connector and a microstrip line.

일 측면에 따르면, 상기 빔 편향기는 상기 접지 레이어의 반대 측에 배치되어, 상기 방사체와 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 간의 상호 간섭을 완화시키도록 구성되는 빔 편향기를 더 포함할 수 있다. According to one aspect, the beam deflector may further include a beam deflector disposed on the opposite side of the ground layer and configured to mitigate mutual interference between the radiator and the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure.

일 측면에 따르면, 상기 빔 편향기는 방사체 측에 배치되는 제 1 단계 빔 편향기 및 상기 방사체의 반대 측에 배치되는 제 2 단계 빔 편향기를 포함할 수 있다.According to one aspect, the beam deflector may include a first stage beam deflector disposed on the radiator side and a second stage beam deflector disposed on the opposite side of the radiator.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology can have the following effects. However, since the specific embodiment does not mean that all of the following effects should be included or only the following effects are included, the scope of rights of the disclosed technology should not be understood as being limited thereby.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치에 따르면, 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하는 것에 의해 표면파와 평면파를 동시 제어할 수 있고, 고속 및 고용량 통신을 위해 광대역 및 고이득을 특징으로 하며, 예를 들어 발룬 (balun) 이나 접지 평면 (ground plane) 과 같은 별도의 부가 회로 없이도 방사패턴을 향상시키고 종방향 방사 및 수평 편파를 제공할 수 있는 소형 안테나 장치를 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 이중 방향의 저속 파동 거동을 띄는 고 임피던스 표면 특성의 일차원 EBG 접지 구조를 구비하여 0.22 λ0 Х 0.34 λ0 의 소형 안테나 크기를 가능하게 하고, 또한 2.24 GHz 내지 3.11 GHz 사이의 810 MHz 의 넓은 임피던스 대역폭을 가능하게 할 수 있다. 나아가, 1 차원 EBG 및 빔 편향기와 집적된 ILA 의 방사패턴은 어떠한 부가 회로 없이도 향상될 수 있다. 1 차원 EBG 및 편향기의 구별된 응답 특성들을 이용하는 것에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 수평 편파 (horizontally-polarized) 의 종방향 방사 (end-fire radiation) 를 제공할 수 있다. According to the antenna device according to an embodiment of the present invention described above, by providing a one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure, it is possible to control the surface wave and the plane wave at the same time, characterized by broadband and high gain for high-speed and high-capacity communication, For example, a small antenna device capable of improving radiation patterns and providing longitudinal radiation and horizontal polarization without a separate additional circuit such as a balun or a ground plane can be provided. More specifically, it is equipped with a one-dimensional EBG grounding structure with a high-impedance surface characteristic exhibiting low-speed wave behavior in a dual direction, enabling a small antenna size of 0.22 λ 0 Х 0.34 λ 0 , and 810 MHz between 2.24 GHz and 3.11 GHz. It can enable a wide impedance bandwidth. Furthermore, the radiation pattern of the ILA integrated with the one-dimensional EBG and beam deflector can be improved without any additional circuitry. By using the distinct response characteristics of the one-dimensional EBG and the deflector, the antenna according to an embodiment of the present invention can provide horizontally-polarized end-fire radiation.

도 1 은 일차원 EBG 접지 구조들을 가지는 평면 ILA 의 구성을 나타내고, 보다 구체적으로는 도 1a 는 제조된 안테나의 전체 뷰 및 일차원 EBG 구조들과 그 유닛 셀을 나타내고, 도 1b 는 일차원 EBG 접지 구조들을 가지는 평면 ILA 의 정면도를 나타내고, 도 1c 는 일차원 EBG 접지 구조들을 가지는 평면 ILA 의 배면도를 나타낸다.
도 2 는 일차원 EBG 구조를 가지거나, 가지지 않는 부분적으로 접지된 FR-4 기판들 각각의 반사 위상을 나타낸다.
도 3 은 일차원 EBG 구조를 가지는 비대칭 전송선로의 군지연을 얻기 위한 구성을 나타낸다.
도 4 는 50-Ω 및 100-Ω 전송선로 임피던스 특성의 일차원 EBG 구조를 가지거나, 가지지 않는 비대칭 전송선로의 군지연을 나타낸다. 구체적으로, 도 4a 는 50-Ω 임피던스 특성의, 도 4b 는 100-Ω 임피던스 특성의 전송선로의 군지연을 나타낸다.
도 5 는 안테나들의 측정된 반사 계수를 나타낸다.
도 6 은 동작 주파수에서의 안테나들의 측정된 방사 패턴을 나타내고, 구체적으로, 도 6a 는 xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization 를, 도 6b 는 zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization 를, 도 6c 는 xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization 를, 도 6d 는 zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization 를 나타낸다.
도 7 은 안테나들의 전기장 분포를 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 7a 는 안테나들의 등고선 선도 (Contour plots) 이고, 도 7b 는 도 7a 의 AB, CD 및 EF 선을 가로지르는 정규화된 필드 분포를 나타낸다.
도 8 은 일차원 EBG 구조를 가지는 다양한 평면 모노폴 안테나들의 구성을 나타내고, 구체적으로 도 8a 는 유형 #1 의 안테나들을, 도 8b 는 유형 #2 의 안테나들을 나타낸다.
도 9 는 고정된 일차원 EBG 구조를 가지는 다양한 모노폴 안테나들의 측정된 반사 계수를 나타내고, 구체적으로 도 9a 는 유형 #1 의 안테나들을, 도 9b 는 유형 #2 의 안테나들을 나타낸다.
도 10 은 동작 주파수에서의 안테나들의 측정된 방사 패턴을 나타내고, 구체적으로, 도 10a 는 유형 #1 안테나의 xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization 를, 도 10b 는 유형 #1 안테나의 zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization 를, 도 10c 는 유형 #2 안테나의 xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization 를, 도 10d 는 유형 #2 안테나의 zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization 를 나타낸다.
도 11 은 일차원 EBG 구조 및 편향기를 가지는 평면 ILA 의 구성을 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 11a 는 일 단계 편향기를, 도 11b 는 2 단계 편향기를 나타내며, 도 11c 는 일차원 EBG 구조 및 2 단계의 편향기를 가지는 평면 ILA 의 정면 사진이고, 도 11d 는 일차원 EBG 구조 및 2 단계의 편향기를 가지는 평면 ILA 의 배면 사진이다.
도 12 는 일차원 EBG 구조 및 빔 편향기들을 가지는 ILA 의 측정된 반사 계수를 나타낸다.
도 13 은 동작 주파수에서의 일차원 EBG 구조 및 빔 편향기들을 가지는 ILA 의 측정된 방사 패턴을 나타내고, 구체적으로, 도 13a 는 xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization 를, 도 13b 는 zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization 를, 도 13c 는 xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization 를, 도 13d 는 zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization 를 나타낸다.
도 14 는 안테나들의 성능 비교를 나타내는 표이다.
도 15 는 일차원 EBG 구조를 가지는 평면 안테나들의 성능 비교를 나타내는 표이다.
FIG. 1 shows the configuration of a planar ILA having one-dimensional EBG grounding structures, more specifically FIG. 1A shows the overall view of the fabricated antenna and one-dimensional EBG structures and its unit cells, and FIG. 1B shows one-dimensional EBG grounding structures 1A shows the front view of the plane ILA and FIG. 1C shows the rear view of the plane ILA having one-dimensional EBG ground structures.
2 shows the reflection phase of each of the partially grounded FR-4 substrates with or without a one-dimensional EBG structure.
3 shows a configuration for obtaining a group delay of an asymmetric transmission line having a one-dimensional EBG structure.
4 shows group delay of asymmetric transmission lines with or without a one-dimensional EBG structure of impedance characteristics of 50-Ω and 100-Ω transmission lines. Specifically, FIG. 4A shows a group delay of a transmission line of 50-Ω impedance characteristic, and FIG. 4B shows a 100-Ω impedance characteristic.
5 shows the measured reflection coefficients of the antennas.
Figure 6 shows the measured radiation pattern of the antennas at the operating frequency, specifically, Figure 6a is xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization, Figure 6b is zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization, FIG. 6C shows xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization, and FIG. 6D shows zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization.
7 shows the electric field distribution of the antennas. More specifically, FIG. 7A is contour plots of antennas, and FIG. 7B shows normalized field distribution across the AB, CD and EF lines of FIG. 7A.
8 shows the configuration of various planar monopole antennas having a one-dimensional EBG structure, specifically, FIG. 8A shows antennas of type #1, and FIG. 8B shows antennas of type #2.
9 shows measured reflection coefficients of various monopole antennas having a fixed one-dimensional EBG structure, and specifically, FIG. 9A shows antennas of type #1 and FIG. 9B shows antennas of type #2.
FIG. 10 shows the measured radiation pattern of the antennas at the operating frequency, specifically, FIG. 10A shows the xy-cut (θ=90°) @ Ephi-polarization of the type #1 antenna, and FIG. 10B shows the type #1 antenna zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization, FIG. 10c shows the xy-cut of type #2 antenna (θ = 90°) @ Ephi-polarization, FIG. 10d shows the type #2 antenna's zx-cut ( φ = 0°) @ Ephi-polarization.
11 shows the configuration of a planar ILA having a one-dimensional EBG structure and a deflector. More specifically, FIG. 11A shows a one-stage deflector, FIG. 11B shows a two-stage deflector, FIG. 11C is a front view of a plane ILA having a one-dimensional EBG structure and a two-stage deflector, and FIG. 11D is a one-dimensional EBG structure and two-stage This is a photograph of the back of a flat ILA with a deflector of.
12 shows the measured reflection coefficient of an ILA with a one-dimensional EBG structure and beam deflectors.
13 shows the measured radiation pattern of an ILA with a one-dimensional EBG structure and beam deflectors at operating frequency, specifically, FIG. 13A shows xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization, FIG. 13B shows zx -cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization, Figure 13c shows xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization, Figure 13d shows zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization .
14 is a table showing performance comparison of antennas.
15 is a table showing performance comparison of flat antennas having a one-dimensional EBG structure.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.The present invention can be applied to various changes and can have various embodiments, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first and second 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 other components. For example, the first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component. The term and/or includes a combination of a plurality of related described items or any one of a plurality of related described items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but there may be other components in between. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 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 a person skilled in the art to which the present invention pertains. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the overall understanding in describing the present invention, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions for the same components are omitted.

앞서 살핀 바와 같이, 마이크로파 및 밀리미터파 응용 분야의 능동 RF 디바이스의 물리적 임계 특성을 뛰어 넘어, 고속 및 고용량 통신을 위해 광대역 및 고이득을 특징으로 하는 소형 평면 안테나가 절실히 요구되고 있다. 특히, 광각 스캔 범위를 가지는 소형 배열 안테나의 요소 안테나 기술이 절실히 필요한 실정이다. 예를 들어 평면 배열 안테나들이 뛰어난 성능을 바탕으로 소형 안테나의 대표적인 유형으로서 사용되고 있다. 이러한 안테나들은 작은 폼 팩터 (form factor), 넓은 대역폭, 고 이득, 광각 스캔 범위, 낮은 비용, 단순한 제조 및 다양한 플랫폼 환경들과의 넓은 호환성을 가질 것이 요구된다. As previously noted, a small flat antenna featuring broadband and high gain for high-speed and high-capacity communication is urgently needed to overcome the physical threshold characteristics of active RF devices in microwave and millimeter wave applications. In particular, there is an urgent need for element antenna technology of a small array antenna having a wide angle scan range. For example, flat array antennas are used as a representative type of small antennas based on their excellent performance. These antennas are required to have small form factor, wide bandwidth, high gain, wide angle scan range, low cost, simple manufacturing and wide compatibility with various platform environments.

특히, 5G 어플리케이션들에 있어서는, AiP (antenna-in-package), AoD (antenna-on-display), AoC (antenna-on-chip) 과 같은 극한의 전파 환경들에 적응하기 위한 보편적인 안테나 설계 방법들이 최근 알려진 바 있다. AiP 가 LTCC (low temperature co-fired ceramics) 또는 다중 레이어의 PCB 상에서 구현될 때, 3 차원의 교차 손실, 즉 실현 가능한 규모의 비아 홀 (via hole) 은 안테나 성능의 매우 결정적인 이슈이다. 한편, AoD 플랫폼들 내의 디스플레이 패널 상에 코팅된 저 전도성 금속은 모바일 플랫폼들을 위한 제한된 안테나 공간을 해결함에도 불구하고 안테나의 방사 성능을 저하시킨다. 또한, Si CMOS 에 기초한 AoC 의 개념은 Si 의 낮은 저항률 (resistivity) 에 기인하여 성능 문제를 가진다. 따라서, 쉽게 접근 가능한 제조 프로세스들에 따른 일반적인 안테나 설계에 대한 개선이 필요하다. In particular, in 5G applications, a universal antenna design method for adapting to extreme radio environments such as antenna-in-package (AiP), antenna-on-display (AoD), and antenna-on-chip (AoC) They have been known recently. When AiP is implemented on low temperature co-fired ceramics (LTCC) or multi-layer PCBs, three-dimensional cross-loss, a via hole on a feasible scale, is a very decisive issue in antenna performance. On the other hand, the low conductivity metal coated on the display panel in AoD platforms degrades the radiation performance of the antenna despite solving the limited antenna space for mobile platforms. In addition, the concept of AoC based on Si CMOS has a performance problem due to the low resistivity of Si. Accordingly, there is a need for improvements to the general antenna design according to easily accessible manufacturing processes.

한편, 소형 안테나에 대한 종래의 연구에서 주기적인 유닛 셀들로 구성된 전자기 밴드갭 (Electromagnetic bandgap, EBG) 구조가 고려된 바 있다. 안테나 응용 분야에서의 EBG 구조의 주요한 두 가지 특성은 표면 임피던스를 인위적으로 조정하고 안테나 성능을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 하나의 접근은 EBG 구조가 그들의 고 임피던스 표면에 기인하여, 특정 주파수 대역 내에서 접지 평면 상에 흐르는 표면 전류 또는 표면파, 소위 표면파 밴드갭들을 제어할 수 있다는 것이다. 접지 평면 상의 표면파를 제어하는 것에 의해, EBG 구조의 저속 파동 거동은 안테나 요소 간의 간격을 최소화하고 상호 커플링을 저감시킬 수 있다. 나아가, 표면파 밴드갭 내의 EBG 구조들은 동상 (in-phase) 반사 특성들을 보이고, 저속 파동 거동을 이용하여 안테나와 EBG 구조들 간의 공간을 감소시킬 수 있다. 안테나 임피던스가 EBG 가 90°의 반사 위상 (quadratic reflection phase) 을 보이는 특정 주파수에 매치될 때, EBG 를 구비하는 안테나는 최적의 임피던스 매칭 및 높은 방사 효율을 보인다. 90°의 반사 위상에서, EBG 구조는 또한 표면파 밴드갭과 입력 임피던스 정합 주파수 대역폭 사이의 오버랩된 전자기 특성을 제공한다. Meanwhile, an electromagnetic bandgap (EBG) structure composed of periodic unit cells has been considered in a conventional study of a small antenna. The two main characteristics of EBG structures in antenna applications can be used to artificially adjust the surface impedance and improve antenna performance. One approach is that EBG structures can control surface current or surface wave, so-called surface wave bandgaps, flowing on the ground plane within a specific frequency band due to their high impedance surface. By controlling the surface wave on the ground plane, the slow wave behavior of the EBG structure can minimize the spacing between antenna elements and reduce mutual coupling. Furthermore, the EBG structures in the surface wave bandgap show in-phase reflection characteristics and can reduce the space between the antenna and the EBG structures using slow wave behavior. When the antenna impedance is matched to a specific frequency at which the EBG exhibits a 90° quadratic reflection phase, the antenna with the EBG shows optimum impedance matching and high radiation efficiency. At a 90° reflection phase, the EBG structure also provides overlapping electromagnetic properties between the surface wave bandgap and the input impedance matching frequency bandwidth.

종방향 방사 및 수평 편파를 가지는 일차원 EBG 구조는 단순한 PCB 프로세스를 통해 제조된 평면 안테나를 구현하기 위해 적용될 수 있다. 마이크로스트립 밸룬 (balun) 을 가지는 다이폴 안테나는 방사기에 대한 밸런싱된 급전을 위해 제조되므로, 안테나의 전체 물리적 길이는 0.82 λ0 이상이고, 안테나 임피던스 대역폭은 밸룬의 동작 주파수에 의존한다. 일차원 EBG 및 SRR 구조는 근접하게 배치되는 두 개의 직선 모노폴 안테나 (straight monopole antenna) 들 사이에 삽입될 수 있다. 하나의 안테나 엘리먼트의 전체적인 물리적 길이는 0.49 λ0 이고, 안테나 임피던스 대역폭은 접지 특성 모드에 의해 제한된다. 더 나아가, 엘리먼트 형상 내에서 상호 커플링이 억압된 강인한 배열 성능을 달성하기 위해서는 엘리먼트 간의 공간이 0.5 λ0 이상일 것이 요구된다. 안테나 임피던스 대역폭을 제한하는 보조 회로가 사용되지 아니한다면, 넓은 대역폭, 높은 게인, 넓은 스캔 각도를 가지는 강인한 평면 배열 안테나를 구현하기 위한 안테나 엘리먼트의 추가적인 소형화가 불가능하며, 극한 전파 환경에서 일반적인 안테나 설계가 구현될 수 없다. The one-dimensional EBG structure with longitudinal radiation and horizontal polarization can be applied to implement a flat antenna manufactured through a simple PCB process. Since the dipole antenna with a microstrip balun is manufactured for balanced feeding to the radiator, the overall physical length of the antenna is 0.82 λ 0 or more, and the antenna impedance bandwidth depends on the operating frequency of the balun. The one-dimensional EBG and SRR structures can be inserted between two straight monopole antennas placed in close proximity. The overall physical length of one antenna element is 0.49 λ 0 , and the antenna impedance bandwidth is limited by the grounding characteristic mode. Furthermore, in order to achieve a robust array performance in which mutual coupling is suppressed within the element shape, it is required that the space between elements is 0.5 λ 0 or more. If an auxiliary circuit that limits the antenna impedance bandwidth is not used, additional miniaturization of the antenna element to implement a robust flat array antenna having a wide bandwidth, high gain, and wide scan angle is impossible, and a general antenna design in an extreme radio wave environment is not possible. Cannot be implemented.

본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 일 측면에 따라, 일차원 전자기 밴드갭 (EBG) 접지 구조 및 빔 편향기와 집적된 방사패턴 향상이 가능한 역전-L 안테나 (ILA) 로서 구현될 수 있다. 이와 같은 안테나 장치는 수평편파에서 종방향 지향성 방사를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 일차원 전자기 밴드갭 (1-D EBG) 접지 구조들과, 2 단계의 빔 편향기를 이용하여 방사 패턴을 변환할 수 있는 역전-L 안테나 (ILA) 토폴로지를 구비하는 소형 안테나로서 구현될 수 있다. 안테나는 동축 커넥터 및 전송선로 라인 (예를 들어, 마이크로스트립 라인) 을 통해 급전될 수 있고, 1차원 EBG 구조들은 평면 ILA 에 근접하여 위치하는 마이크로스트립 라인의 접지 평면 엣지에 내장될 수 있다. 일차원 EBG 접지 구조는 접지 평면 엣지의 수평 방향에서의 표면파 및 평면파 조명하의 반사 위상 (reflection phase) 모두를 제어하는 저속 파동 거동을 가지는 고 임피던스 표면으로서 동작할 수 있다. 이러한 일차원 EBG 접지 구조의 고유 전자기 특징을 통해 0.22 λ0 Х 0.34 λ0 의 소형 안테나 크기를 가능하게 하고, 또한 2.24 GHz 내지 3.11 GHz 사이의 810 MHz 의 넓은 임피던스 대역폭을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 측면에 따른 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는, 이중 방향의 저속 파동 거동을 띄는 고 임피던스 표면으로 동시에 동작하여, 방사체와 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는 λ0/30 (λ0는 자유공간에서의 파장) 이하의 거리만큼 서로 이격되고, 일차원 전자기 밴드갭 구조를 구비한 접지물의 전체 길이가 λ0/3 이내로 구성될 수 있다.The antenna device according to an embodiment of the present invention may be implemented as an inverted-L antenna (ILA) capable of improving radiation patterns integrated with a one-dimensional electromagnetic bandgap (EBG) ground structure and a beam deflector, according to one aspect. Such an antenna device may have longitudinal directional radiation in horizontal polarization. An antenna device according to an embodiment of the present invention, a one-dimensional electromagnetic bandgap (1-D EBG) ground structures, and a two-stage beam deflector to convert the radiation pattern using a reverse-L antenna (ILA) topology It may be implemented as a small antenna having a. The antenna can be fed through a coaxial connector and transmission line line (eg, microstrip line), and the one-dimensional EBG structures can be embedded at the ground plane edge of the microstrip line located close to the plane ILA. The one-dimensional EBG ground structure can operate as a high impedance surface with a slow wave behavior that controls both the surface wave in the horizontal direction of the ground plane edge and the reflection phase under plane wave illumination. Through the unique electromagnetic characteristics of this one-dimensional EBG ground structure, a small antenna size of 0.22 λ 0 Х 0.34 λ 0 is possible, and a wide impedance bandwidth of 810 MHz between 2.24 GHz and 3.11 GHz is possible. For example, the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure according to an aspect of the present invention operates simultaneously as a high-impedance surface having a double-speed low-speed wave behavior, so that the radiator and the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure are λ 0 /30 (λ 0 is spaced apart from each other by a distance equal to or less than the wavelength in the free space, and the total length of the ground having the one-dimensional electromagnetic bandgap structure may be configured within λ 0 /3.

나아가, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치는 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 및 ILA 를 구비하는 것에 의해 부가 회로 없이 소정 크기 이상의 임피던스 대역폭을 확보하도록 구성될 수 있다. 일차원 EBG 및 빔 편향기와 집적된 ILA 의 방사패턴은 어떠한 부가 회로 없이도 향상될 수 있다. 1 차원 EBG 및 편향기의 구별된 응답 특성들을 이용하는 것에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 수평 편파 (horizontally-polarized) 의 종 방향 방사 (end-fire radiation) 를 제공할 수 있다. 구현된 안테나의 수평 편파 내에서의 종방향 방사 성능은 작은 공간 내에 일차원 EBG 구조들을 집적하고 빔 편향기들을 배치하는 것에 의해 별도의 부가 회로를 구비하지 아니하고서도 향상될 수 있다. 방사 패턴 변환의 측면에서, 4.0 dBi 의 수평 편파 종방향 이득과, 14.0 dB 의 동일 편파 방향 및 크로스 편파 방향 사이의 방사 강도 차이가 실험적으로 확인될 수 있다. 안테나에서 일차원 EBG 접지 구조물의 특성을 확인하기 위해, 반사 계수, 방사 패턴 및 필드 분포가 다양한 안테나 유형들을 이용하여 검토될 수 있다. 초박형의, 초소형 크기를 가지는 1차원 EBG 접지 구조가 저속 파동을 가지는 고 임피던스 표면으로 기능할 수 있다. 2 단계의 빔 편향기가 편파 변환 능력을 강화하기 위해 ILA 의 전면에 부가적으로 삽입될 수 있다. Furthermore, the antenna device according to an aspect of the present invention may be configured to secure an impedance bandwidth of a predetermined size or more without an additional circuit by having a one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure and an ILA. The radiation pattern of the ILA integrated with the one-dimensional EBG and beam deflector can be improved without any additional circuitry. By using the distinct response characteristics of the one-dimensional EBG and the deflector, the antenna according to an embodiment of the present invention can provide horizontally-polarized end-fire radiation. The longitudinal radiation performance within the horizontal polarization of the implemented antenna can be improved without the need for a separate additional circuit by integrating the one-dimensional EBG structures and placing the beam deflectors in a small space. In terms of radiation pattern conversion, the difference in radiation intensity between the horizontal polarization longitudinal gain of 4.0 dBi and the same polarization direction and cross polarization direction of 14.0 dB can be experimentally confirmed. To verify the characteristics of the one-dimensional EBG ground structure in the antenna, reflection coefficient, radiation pattern and field distribution can be reviewed using various antenna types. The ultra-thin, ultra-compact, one-dimensional EBG ground structure can function as a high-impedance surface with low-speed waves. A two-stage beam deflector can be additionally inserted in front of the ILA to enhance the polarization conversion capability.

본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치에서, 일차원 EBG 접지 구조는 방사 패턴 변환을 구현하기 위해 평면 ILA 에 근접한 마이크로스트립 라인의 접지 평면 엣지 상에 내장될 수 있다. ILA 와 일차원 EBG 사이의 공간이 0.03 λ0 이내로 배치될 수 있고, 일차원 EBG 접지 구조는 임피던스 매칭을 위한 90°의 반사 위상을 제어하는 저속 파동 거동을 가지는 고 임피던스 표면으로서 동작할 수 있다. 일차원 EBG 접지 구조의 이러한 특성들은 안테나 임피던스 대역폭을 제한할 수 있는 부가적인 회로들을 대체할 수 있으므로, 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 ILA 토폴로지는 넓은 대역폭을 나타낼 수 있다. 이러한 안테나 성능을 확인하기 위해, 반사 계수, 방사 패턴이 일차원 EBG 를 구비하지 않는 ILA, 일차원 EBG 를 구비하지 않는 PIFA 와 같은 다양한 안테나들을 이용하여 비교될 수 있다. 근거리장 (near-field) 분포를 조사하는 것에 의해, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나의 일차원 EBG 접지 구조가 또한 접지 평면 상의 표면파를 제어하는 저속 파동 거동을 보이는 고 임피던스 표면으로서 동작할 수 있다. 다양한 평면 모노폴 구성의 안테나 성능이 모노폴 방사기 및 EGB 접지 구조 간의 상호작용을 최소화하도록 고려될 수 있다. 전기적 유닛 볼륨 마다의 높은 종방향 방사 이득을 향상시키고 EBG 와 ILA 간의 상쇄 간섭을 최소화하도록, 두 단계의 기생 막대 (parastic rod) 가 ILA 에 앞서 삽입될 수 있다. In the antenna device according to an aspect of the present invention, the one-dimensional EBG ground structure may be embedded on the ground plane edge of the microstrip line close to the plane ILA to implement radiation pattern transformation. The space between the ILA and the one-dimensional EBG can be arranged within 0.03 λ 0 , and the one-dimensional EBG ground structure can operate as a high impedance surface with low-speed wave behavior that controls the 90° reflection phase for impedance matching. Since these characteristics of the one-dimensional EBG ground structure can replace additional circuits that can limit the antenna impedance bandwidth, an ILA topology with a one-dimensional EBG ground structure can exhibit a wide bandwidth. To confirm such antenna performance, reflection coefficients and radiation patterns can be compared using various antennas such as ILA without one-dimensional EBG and PIFA without one-dimensional EBG. By examining the near-field distribution, the antenna's one-dimensional EBG ground structure according to one aspect of the present invention can also operate as a high impedance surface exhibiting slow wave behavior controlling surface waves on the ground plane. The antenna performance of various planar monopole configurations can be considered to minimize the interaction between the monopole emitter and the EGB ground structure. Two stages of parasitic rods can be inserted prior to the ILA to improve the high longitudinal radiation gain per electrical unit volume and minimize the offset interference between the EBG and ILA.

일차원 EBG 접지 구조 및 그 전자기적 특성One-dimensional EBG ground structure and its electromagnetic characteristics

도 1 은 일차원 EBG 접지 구조들을 가지는 평면 ILA 의 구성을 나타낸다. 도 1a 는 제조된 안테나의 전체 뷰 및 일차원 EBG 구조들과 그 유닛 셀을 나타내고, 도 1b 는 일차원 EBG 접지 구조들을 가지는 평면 ILA 의 정면도를 나타내며, 도 1c 는 일차원 EBG 접지 구조들을 가지는 평면 ILA 의 배면도를 나타낸다. 예를 들어 도 1 에서, w1 = 1.5 mm, w2 = 4 mm, w3 = 3 mm, w4 = 2 mm, w5 = 1.5 mm, L1 = 15 mm, L2 = 3.3 mm, g (slit width & edge-to-edge spacing between EBG cells) = 0.1 mm) 이다. 1 shows the configuration of a planar ILA with one-dimensional EBG ground structures. FIG. 1A shows the overall view of the fabricated antenna and one-dimensional EBG structures and their unit cells, FIG. 1B shows the front view of a planar ILA with one-dimensional EBG grounding structures, and FIG. 1C shows the rear of a planar ILA with one-dimensional EBG grounding structures. Fig. For example, in FIG. 1, w1 = 1.5 mm, w2 = 4 mm, w3 = 3 mm, w4 = 2 mm, w5 = 1.5 mm, L1 = 15 mm, L2 = 3.3 mm, g (slit width & edge-to -edge spacing between EBG cells) = 0.1 mm).

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하는 안테나 장치는, 기판 (30) 과, 이러한 기판 (30) 상에 적어도 부분적으로 형성된 접지 레이어 (10) 및 접지 레이어 (10) 의 일 측방에 배치되는 평면 방사체 (20) 를 포함할 수 있다. 여기서, 접지 레이어 (10) 의 평면 방사체 (20) 측 엣지 (edge) 에는 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 (110) 가 내장될 수 있다. As shown in FIG. 1, an antenna device having a one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure according to an embodiment of the present invention includes a substrate 30 and a ground layer 10 formed at least partially on the substrate 30 ) And a planar radiator 20 disposed on one side of the ground layer 10. Here, the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure 110 may be embedded in an edge of the plane radiator 20 side of the ground layer 10.

일 측면에 따르면, 안테나는 동축 커넥터 및 전송선로 라인 (예를 들어, 마이크로스트립 라인) 을 통해 급전될 수 있고, 1차원 EBG 구조 (110) 는 예를 들어, 도 1 에 도시된 바와 같이 4.4 의 상대 유전율 (relative permittivity) 과 70 mmХ40 mmХ1 mm 의 크기를 가지는 FR-4 기판 (30) 의 부분적으로 접지된 전면 (10) 의 엣지 (edge) 에 내장될 수 있다. According to one aspect, the antenna can be fed through a coaxial connector and a transmission line line (eg, a microstrip line), and the one-dimensional EBG structure 110 is of 4.4 as shown in FIG. 1, for example. It can be embedded in the edge of the partially grounded front 10 of the FR-4 substrate 30 having a relative permittivity and a size of 70 mm x 40 mm x 1 mm.

일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 (110) 는, 복수의 주기적인 일차원 유닛 셀 (예를 들어, 110-1) 을 포함하고, 복수의 주기적인 일차원 유닛 셀들은 접지 레이어 (10) 의 평면 방사체 측 엣지에 하나의 컬럼을 형성할 수 있다. 예를 들어 평면 ILA (20) 에 인접한 접지 평면 (10) 의 전면 (방사체 측) 엣지 상에서, 예를 들어 셀 (110-1) 을 포함하는 7 개의 주기적인 셀들을 가지는 일차원 EBG 구조 (110) 는 저속 파동 거동을 가지는 고 임피던스 표면으로서 동작하기 위해 하나의 컬럼에 포함되어 패턴화될 수 있다. 일차원 EBG 유닛 셀 (110-1) 은 스트립 라인, 복수의 가느다란 슬릿 패턴들을 가지는 금속 패치, 및 상기 복수의 EBG 유닛 셀들 간의 간격에 의해 형성되는 커패시터인, 내로우 갭 커패시터 (narrow gap capacitor) 를 포함할 수 있다. PCB 제조 상의 제한에 기인하여 EBG 셀들 간의 갭 (gap) 및 슬릿의 폭은 0.1 mm 의 최소값을 가지도록 구성될 수도 있다. The one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure 110 includes a plurality of periodic one-dimensional unit cells (eg, 110-1), and the plurality of periodic one-dimensional unit cells are on the plane emitter side edge of the ground layer 10. One column can be formed. A one-dimensional EBG structure 110 having seven periodic cells, including, for example, cells 110-1, for example on the front (radiator side) edge of the ground plane 10 adjacent to the plane ILA 20, It can be included and patterned in one column to operate as a high impedance surface with slow wave behavior. The one-dimensional EBG unit cell 110-1 includes a narrow gap capacitor, which is a capacitor formed by a strip line, a metal patch having a plurality of slender slit patterns, and a gap between the plurality of EBG unit cells. It can contain. Due to PCB manufacturing limitations, the gap between the EBG cells and the width of the slit may be configured to have a minimum value of 0.1 mm.

일차원 EBG 접지 구조의 효과를 검토하기 위해, HFSS (high frequency structure simulation) 패키지 및 시뮬레이션 전략을 이용하여 부분적으로 접지된 FR-4 기판의 반사 위상이 계산될 수 있다. To examine the effect of a one-dimensional EBG ground structure, the reflection phase of a partially grounded FR-4 substrate can be calculated using a high frequency structure simulation (HFSS) package and simulation strategy.

본 발명의 일 측면에 따른 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 (110) 는, 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하지 않는 안테나 장치와 비교하여, 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 주파수 변동에 따른 더 가파른 반사 위상의 변화를 나타낼 수 있다. 관련하여, 도 2 는 일차원 EBG 구조를 가지거나, 가지지 않는 부분적으로 접지된 FR-4 기판들 각각의 반사 위상을 나타낸다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 일차원 EBG 접지 구조를 포함하는 기판은 2.4 GHz 에서 90°의 반사 위상을 제공한다. 일차원 EBG 접지 구조를 가지지 않는 기판은 3 GHz 를 넘어서야 90°의 반사 위상을 보인다. 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 기판과 일차원 EBG 접지 구조를 가지지 않는 기판을 비교할 때, 계산된 반사 위상은 일차원 EBG 접지 구조의 영향에 기인하여 상대적으로 더 가파른 위상 변화를 보인다.The one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure 110 according to one aspect of the present invention operates as a higher impedance surface having a slower wave behavior, compared to an antenna device without a one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure, thereby fluctuating frequency. It may represent a steeper change in the reflection phase. In connection, FIG. 2 shows the reflection phase of each of the partially grounded FR-4 substrates with or without a one-dimensional EBG structure. As shown in Figure 2, a substrate comprising a one-dimensional EBG ground structure provides a 90° reflection phase at 2.4 GHz. Substrates that do not have a one-dimensional EBG grounding structure exhibit a 90° reflection phase beyond 3 GHz. When comparing a substrate having a one-dimensional EBG ground structure and a substrate having no one-dimensional EBG ground structure, the calculated reflection phase shows a relatively steeper phase change due to the influence of the one-dimensional EBG ground structure.

예를 들어, 20 mmХ40 mm 의 동일한 크기 규모 내에서, EBG 접지 구조는 평면파 내에서의 90° (quadratic) 반사 위상에서의 저속 파동 거동에 기인하여 상대적으로 가파른 위상 변화를 유도할 수 있다. EBG 접지 구조가 쿼드라틱 반사 위상을 보이는 2.4 GHz 에서 동작하는 안테나 임피던스의 매칭을 위해 모노폴 길이 (L1 = 15 mm) 의 최적화가 -10 dB 반사 계수 기준에 따라 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치는, 2.4 GHz 의 주파수에서 동작하여 평면파 제어를 수행 가능하도록 구성될 수 있다. For example, within the same size scale of 20 mmХ40 mm, the EBG ground structure can induce a relatively steep phase change due to slow wave behavior at a 90° (quadratic) reflection phase in a plane wave. Optimization of the monopole length (L1 = 15 mm) can be performed according to the -10 dB reflection coefficient criterion for matching of antenna impedance operating at 2.4 GHz where the EBG ground structure exhibits quadratic reflection phase. Therefore, the antenna device according to an aspect of the present invention may be configured to perform plane wave control by operating at a frequency of 2.4 GHz.

도 3 은 일차원 EBG 구조를 가지는 비대칭 전송선로의 군지연을 얻기 위한 구성을 나타낸다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 일차원 EBG 구조에 기인하는 접지 평면 엣지의 수평 방향 상의 저속 파동 거동은 분산 (dispersion) 분석이 아닌 계산된 군 지연에 의해 입증될 수 있다. 일차원 EBG 구조는 접지 평면 엣지 내의 일 방향을 향해 배열되므로, 시뮬레이션 방법에 기반하는 방사 경계가 분산 분석을 위한 단위 셀 시뮬레이션보다 더 적합하다. 접지 평면 내의 유한한 일차원 배열 구조에 기인하여, 이러한 시뮬레이션 방법은 분산 분석을 획득하기에 용이하지 않다. 대안적으로, 파동 방향을 도 1의 표면파와 동일하게 하기 위해, ACPS (Asymmetry CoPlanar Strip) 전송 라인 (Transmission Line, TL) 이 접지 평면 엣지의 우측에 배치될 수 있다. 이러한 시뮬레이션 시나리오 내의 2 포트 S 파라미터 결과들을 사용하는 것에 의해, 하기의 수학식 1 에 따른 군 지연이 계산될 수 있다. 접지 평면 엣지 상의 표면파를 제어하는 저속 파동 거동은 일차원 EBG 구조를 가지거나 가지지 않는 군 지연을 비교하는 것에 따라 입증될 수 있다. 군 지연

Figure 112019071785787-pat00001
는 하기의 수학식 1 과 같이 정의될 수 있다. 3 shows a configuration for obtaining a group delay of an asymmetric transmission line having a one-dimensional EBG structure. As shown in Fig. 3, the slow wave behavior in the horizontal direction of the ground plane edge due to the one-dimensional EBG structure can be verified by the calculated group delay rather than by dispersion analysis. Since the one-dimensional EBG structure is arranged toward one direction in the ground plane edge, the radiation boundary based on the simulation method is more suitable than the unit cell simulation for analysis of variance. Due to the finite one-dimensional array structure in the ground plane, this simulation method is not easy to obtain variance analysis. Alternatively, an ACPS (Asymmetry CoPlanar Strip) Transmission Line (TL) may be disposed on the right side of the ground plane edge to make the wave direction the same as the surface wave of FIG. 1. By using the 2-port S parameter results in this simulation scenario, the group delay according to Equation 1 below can be calculated. The slow wave behavior controlling the surface wave on the ground plane edge can be demonstrated by comparing group delays with or without a one-dimensional EBG structure. Military delay
Figure 112019071785787-pat00001
Can be defined as in Equation 1 below.

Figure 112019071785787-pat00002
Figure 112019071785787-pat00002

여기서,

Figure 112019071785787-pat00003
는 S21 (또는 S12) 의 위상이고, f 는 주파수를 나타낸다. here,
Figure 112019071785787-pat00003
Is the phase of S 21 (or S 12 ), and f represents the frequency.

일차원 EBG 접지 구조를 구비하지 않는 ACPS TL 의 경우, 임피던스 특성은 50-Ω 및 100-Ω 으로 설계된다. 이상적인 포트의 임피던스는 ACPS TL 의 동일한 임피던스 특성으로 할당된다. ACPS TL 의 50-Ω 임피던스 특성의 경우, 전체 ACPS TL 구조는 4 mm 의 W6 으로, 0.2 mm 의 S1 으로 구성된다. 100-Ω 의 임피던스 특성에서, W6 과 S1 은, 각각 3 mm 및 1 mm 이다. For ACPS TL without a one-dimensional EBG grounding structure, the impedance characteristics are designed as 50-Ω and 100-Ω. The ideal port impedance is assigned to the same impedance characteristic of ACPS TL. For the 50-Ω impedance characteristic of ACPS TL, the entire ACPS TL structure is composed of W 6 of 4 mm and S 1 of 0.2 mm. In the impedance characteristic of 100-Ω, W 6 and S 1 are 3 mm and 1 mm, respectively.

도 4 는 50-Ω 및 100-Ω 전송선로 임피던스 특성의 일차원 EBG 구조를 가지거나, 가지지 않는 비대칭 전송선로의 군지연을 나타낸다. 구체적으로, 도 4a 는 50-Ω 임피던스 특성의, 도 4b 는 100-Ω 임피던스 특성의 전송선로의 군지연을 나타낸다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 일차원 EBG 접지 구조를 구비하거나, 구비하지 않는 ACPS TL 의 두 임피던스 특성에서의 군 지연이 계산될 수 있다. 50-Ω 및 100-Ω 의 임피던스 특성 모두에 대해서, 일차원 EBG 접지 구조를 구비하지 않는 ACPS TL 의 군 지연은 1 GHz 내지 4 GHz 의 주파수 범위 내에서 0.2 ns 와 거의 동일하다. 각각의 임피던스 특성에서의 일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ACPS TL 의 군 지연은 일차원 EBG 구조의 내재적인 표면 임피던스에 따라 상이하다. 그럼에도 불구하고, 일차원 EBG 구조에 기인하는 저속 파동 거동은 큰 군 지연을 통해 설명될 수 있다. 4 shows group delay of asymmetric transmission lines with or without a one-dimensional EBG structure of impedance characteristics of 50-Ω and 100-Ω transmission lines. Specifically, FIG. 4A shows a group delay of a transmission line of 50-Ω impedance characteristic, and FIG. 4B shows a 100-Ω impedance characteristic. As illustrated in FIG. 4, group delays in two impedance characteristics of ACPS TL with or without a one-dimensional EBG grounding structure may be calculated. For both 50-Ω and 100-Ω impedance characteristics, the group delay of ACPS TL without a one-dimensional EBG grounding structure is almost equal to 0.2 ns within the frequency range of 1 GHz to 4 GHz. The group delay of ACPS TL with a one-dimensional EBG ground structure in each impedance characteristic differs depending on the inherent surface impedance of the one-dimensional EBG structure. Nevertheless, the slow wave behavior due to one-dimensional EBG structures can be explained through large group delays.

일차원 EBG 접지 구조 및 빔 One-dimensional EBG ground structure and beam 편향기를Deflector 구비하는 소형 Small size ILAILA

반사 계수 및 방사 패턴Reflection coefficient and radiation pattern

도 5 는 안테나들의 측정된 반사 계수를 나타낸다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 역전-L 형 안테나 (ILA) 는 2.4 GHz 의 주파수에서 동작할 수 있다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 일차원 EBG 접지 구조를 구비하지 않는 ILA 및 일차원 EBG 접지 구조를 구비하지 않는 PIFA (planar inverted-F antenna) 가 일차원 EBG 접지 구조의 효과를 살펴보기 위해 동일한 물리적 길이 (L1) 를 가지도록 제조될 수 있다. 5 shows the measured reflection coefficients of the antennas. As shown in FIG. 5, an inverted-L type antenna (ILA) having a one-dimensional EBG ground structure can operate at a frequency of 2.4 GHz. As shown in FIG. 5, ILA without a one-dimensional EBG ground structure and PIFA (planar inverted-F antenna) without a one-dimensional EBG ground structure have the same physical length (L1) to examine the effect of the one-dimensional EBG ground structure. ).

일차원 EBG 접지 구조를 가지지 않는 접지 평면들은 3 GHz 이후에서 90° 반사 위상을 나타내므로, 일차원 EBG 접지 구조를 구비하지 않는 ILA 는 3 GHz 근처에서 동작한다. 일차원 EBG 접지 구조를 구비하지 아니하는 PIFA 에서, 양쪽 모두 동일한 모노폴 길이를 가진다는 사실에 기인하여 안테나는 일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ILA 의 주파수와 동일한 주파수에서 동작할 수 있다. 일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ILA 는 -10 dB, 즉 2.24 로부터 3.11 GHz 까지 보다 낮은 반사 계수를 나타낸다. 도 2 에 도시된 바와 같은 상대적으로 가파른 위상 변화에도 불구하고, 일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ILA 의 -10 dB 의 임피던스 대역폭은 도 3 의 다른 안테나들의 그것보다 더 넓다. 그리하여, 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 ILA 토폴로지는, PIFA 의 비아 홀들과 같이 안테나 임피던스 대역폭을 제한할 수 있는 부가적인 회로들을 구비하지 않을 수 있고, 따라서 광대역의 배열 안테나를 위한 최적의 안테나 단위 요소가 될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치는 일차원 EBG 접지 구조 및 ILA 를 구비하는 것에 의해, 임피던스 대역폭을 제한하는 부가 회로 없이, 단락 핀을 구비한 PIFA 또는 발룬을 구비한 다이폴 안테나보다 더 광대역 구동이 가능하도록 구성될 수 있다. Since the ground planes having no one-dimensional EBG ground structure exhibit a 90° reflection phase after 3 GHz, the ILA without the one-dimensional EBG ground structure operates near 3 GHz. In PIFAs that do not have a one-dimensional EBG grounding structure, due to the fact that both have the same monopole length, the antenna can operate at the same frequency as the ILA with the one-dimensional EBG grounding structure. The ILA with a one-dimensional EBG grounding structure exhibits a reflection coefficient lower than -10 dB, that is, from 2.24 to 3.11 GHz. Despite the relatively steep phase change as shown in Figure 2, the impedance bandwidth of -10 dB of the ILA with a one-dimensional EBG ground structure is wider than that of the other antennas of Figure 3. Thus, an ILA topology having a one-dimensional EBG grounding structure may not have additional circuits that can limit the antenna impedance bandwidth, such as via holes of PIFA, and thus will be an optimal antenna unit element for a wide array antenna. You can. For example, an antenna device according to an aspect of the present invention is provided with a one-dimensional EBG grounding structure and an ILA, thereby further than a PIFA with a shorting pin or a dipole antenna with a balun, without an additional circuit to limit the impedance bandwidth. It can be configured to enable broadband operation.

도 6 은 동작 주파수에서의 안테나들의 측정된 방사 패턴을 나타내고, 구체적으로, 도 6a 는 xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization 를, 도 6b 는 zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization 를, 도 6c 는 xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization 를, 도 6d 는 zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization 를 나타낸다. Figure 6 shows the measured radiation pattern of the antennas at the operating frequency, specifically, Figure 6a is xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization, Figure 6b is zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization, FIG. 6C shows xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization, and FIG. 6D shows zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization.

도 6a 및 도 6b 에 도시된 바와 같이, 일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ILA 에서의 방사 패턴은 수평 편파로서 고려된 Ephi-편파에서 2.0 dBi 의 최대 이득을 나타낸다. 본 발명의 일 측면에 따른 안테나는, EBG 구조의 90° 반사 위상에 기인하여 Ephi-편파에서 종방향 (end-fire direction, + x 방향) 을 향한 높은 지향성 패턴들을 달성할 수 있다. 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 ILA 의 방사 패턴은 Ephi-편파에서 종방향을 향한 다른 안테나들의 그것보다 더 높은 지향성을 나타낸다. 한편, 도 6c 및 도 6d 에서 Etheta-편파에 대해서 도시된 바와 같이, 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 ILA 의 방사 패턴은 다른 안테나들의 그것에 비해 더욱 감소된다. 일차원 EBG 접지 구조는 ILA 의 방사 패턴 변환이 별도의 부가 회로들 없이도 발생할 수 있도록 도울 수 있다. 일차원 EBG 접지 구조들을 가지는 ILA 는 수평 편파에서 향상된 종방향 방사 (end-fire radiation) 를 제공할 수 있다. 6A and 6B, the radiation pattern in an ILA with a one-dimensional EBG ground structure shows a maximum gain of 2.0 dBi in E phi -polarization considered as horizontal polarization. The antenna according to one aspect of the present invention can achieve high directional patterns in the E phi -polarization toward the end-fire direction (+ x direction) due to the 90° reflection phase of the EBG structure. The radiation pattern of an ILA with a one-dimensional EBG grounding structure exhibits higher directivity than that of other antennas in the longitudinal direction in E phi -polarization . On the other hand, as shown for E theta -polarization in FIGS. 6C and 6D, the radiation pattern of the ILA having a one-dimensional EBG ground structure is further reduced compared to that of other antennas. The one-dimensional EBG ground structure can help the ILA radiation pattern conversion to occur without additional circuits. ILA with one-dimensional EBG ground structures can provide improved end-fire radiation in horizontal polarization.

필드 분포Field distribution

작은 크기의 접지 평면 (ground plane) 내에서의 일차원 EBG 접지 구조의 저속 파동 거동은 HFSS 를 이용한 근거리장 분포 내에서 확인될 수 있다. 근거리장 분포를 획득하기 위해 50-Ω 의 동축 (coaxial) 커넥터를 통해 3 가지 유형의 안테나들이 활성화될 수 있다. 횡단면 (transverse plane) 내에서의 근거리장을 확인하기 위해, 패턴화된 접지 구조들보다 0.5 mm 더 높이 위치한 총 전기장 분포의 등고선 선도 (Contour plots) (XY-평면) 가 관측될 수 있다. The low-speed wave behavior of a one-dimensional EBG ground structure in a small-sized ground plane can be confirmed in the near field distribution using HFSS. Three types of antennas can be activated through a 50-Ω coaxial connector to obtain a near field distribution. To identify the near field within the transverse plane, contour plots (XY-plane) of total electric field distribution located 0.5 mm higher than the patterned ground structures can be observed.

도 7 는 안테나들의 전기장 분포를 나타내고, 보다 구체적으로, 도 7a 는 안테나들의 등고선 선도 (Contour plots) 이고, 도 7b 는 도 7a 의 AB, CD 및 EF 선을 가로지르는 정규화된 필드 분포를 나타낸다. 도 7a 및 도 7b 에 도시된 바와 같이, 동작 주파수에서, 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 ILA 는 가상의 선인 AB 선에서, 다른 안테나들의 가상의 라인 (CD 또는 EF 선) 보다 급격하게 집중되는 (rapidly intensive) 등고선 (contour line) 들을 나타낸다. 접지 평면의 엣지에서의 파동 임피던스 변화는 일차원 EBG 접지 구조의 엣지에서의 높은 임피던스 표면이 작은 공간 이내에서 주기적으로 배열된다는 사실에 기인하여 급격하게 형성되고 있음을 확인할 수 있다. 그리하여, 근거리장 분포에서의 일차원 EBG 접지 구조는 표면파를 제어하는 저속 파동 거동을 가지는 고 임피던스 표면으로서 고려될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치는, 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조의 임피던스 표면이 소정 공간 이내에서 주기적으로 배열되는 것을 기반으로 파동 임피던스 변화를 형성하여 표면파 제어를 더 수행 가능하도록 구성될 수 있다. FIG. 7 shows the electric field distribution of the antennas, more specifically, FIG. 7A is the contour plots of the antennas, and FIG. 7B shows the normalized field distribution across the AB, CD and EF lines of FIG. 7A. As shown in FIGS. 7A and 7B, at an operating frequency, an ILA having a one-dimensional EBG grounding structure is rapidly intensive in the AB line, which is a virtual line, than in a virtual line (CD or EF line) of other antennas. ) Contour lines. It can be seen that the wave impedance change at the edge of the ground plane is rapidly formed due to the fact that the high impedance surface at the edge of the one-dimensional EBG ground structure is periodically arranged within a small space. Thus, the one-dimensional EBG ground structure in the near field distribution can be considered as a high impedance surface with slow wave behavior to control the surface wave. That is, the antenna device according to an aspect of the present invention may be configured to form a wave impedance change based on which the impedance surface of the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure is periodically arranged within a predetermined space to perform surface wave control further. have.

고정된 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 다양한 A variety of fixed one-dimensional EBG ground structures 모노폴Monopole 안테나들 Antennas

일차원 EBG 접지 구조를 뒤에 배치하는 것에 의해 가장 효율적인 성능을 가지는 최적화된 안테나 폼 (form) 을 설계하기 위해서, 고정된 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 ILA 샘플의 다양한 모노폴 유형들이 제조되고, 평가될 수 있다. 다양한 ILA 모노폴들은 EBG 와 모노폴 간의 동일한 공간을 가지는 EBG 들의 내재적 (inherent) 특성들을 손상시키지 않는 범위 이내에서 안테나의 입력 임피던스를 변화시키도록 조사될 수 있고, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나와 비교될 수 있다. Various monopole types of ILA samples with fixed one-dimensional EBG ground structures can be fabricated and evaluated in order to design an optimized antenna form with the most efficient performance by placing one-dimensional EBG ground structures behind. Various ILA monopoles can be investigated to change the input impedance of the antenna within a range that does not impair the inherent characteristics of EBGs having the same space between the EBG and the monopole, and can be compared with the antenna according to one aspect of the present invention. Can be.

도 8 은 일차원 EBG 구조를 가지는 다양한 평면 모노폴 안테나들의 구성을 나타내고, 구체적으로 도 8a 는 유형 #1 의 안테나들을, 도 8b 는 유형 #2 의 안테나들을 나타낸다. 도 8a 및 도 8b 에 도시된 바와 같이, 유형 #1 (역-"C") 및 유형 #2 (회전된 "Z") 가 고정된 방사기 길이 (L1) 이내에서 비교될 수 있다. 8 shows the configuration of various planar monopole antennas having a one-dimensional EBG structure, specifically, FIG. 8A shows antennas of type #1, and FIG. 8B shows antennas of type #2. 8A and 8B, type #1 (reverse-"C") and type #2 (rotated "Z") can be compared within a fixed emitter length (L1).

도 9 는 고정된 일차원 EBG 구조를 가지는 다양한 모노폴 안테나들의 측정된 반사 계수를 나타내고, 보다 구체적으로 도 9a 는 유형 #1 의 안테나들을, 도 9b 는 유형 #2 의 안테나들을 나타낸다. 상이한 모노폴 구성들로부터 유래된 설계된 안테나들의 상이한 임피던스 정합 컨디션에도 불구하고, 도 9a 및 도 9b 에 도시된 바와 같이, 90±45° 반사 위상 내에서의 일차원 EBG 접지 구조의 동작 주파수는 여전히 2.4 GHz 에서 존재한다. 모노폴과 EBG 사이의 상호작용 보다, 모노폴과 접지 평면 사이의 상호작용을 통해 3.5 GHz 근처의 다른 공진 주파수 (resonant frequency) 가 더욱 강해진다는 것이 관측될 수 있다. 9 shows measured reflection coefficients of various monopole antennas having a fixed one-dimensional EBG structure, more specifically FIG. 9A shows antennas of type #1, and FIG. 9B shows antennas of type #2. Despite the different impedance matching conditions of designed antennas derived from different monopole configurations, the operating frequency of the one-dimensional EBG ground structure within 90±45° reflection phase is still at 2.4 GHz, as shown in FIGS. 9A and 9B. exist. It can be observed that rather than the interaction between the monopole and the EBG, the interaction between the monopole and the ground plane makes the other resonant frequencies near 3.5 GHz stronger.

도 10은 동작 주파수에서의 안테나들의 측정된 방사 패턴을 나타낸다. 구체적으로, 도 10a 는 유형 #1 안테나들의 xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization 를, 도 10b 는 유형 #1 안테나들의 zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization 를, 도 10c 는 유형 #2 안테나들의 xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization 를, 도 10d 는 유형 #2 안테나들의 zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization 를 나타낸다. 도 10a 내지 도 10d 내의 2.4 GHz 에서, 일차원 EBG 접지 구조 및 상이한 모노폴 방사기들 사이의 상호작용에 기인하여 +x 방향을 향한 메인 로브 (main lobe) 내에서의 이득 변동 (fluctuation) 들이 나타난다. 일차원 EBG 접지 구조는 여전히 고 임피던스 표면으로서 작동하고, 동시에 반사기로서 작동하여, 방사기 패턴들의 후방 로브 (back lobe) 는 크게 변동하지 않는다. 그리하여, 본 발명의 일 측면에 따른 일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ILA 는 수평 편파에서의 종방향 방사 및 임피던스 대역폭과 같은 효율적인 안테나 성능을 위한 최적화된 안테나 폼 (form) 을 달성할 수 있다. 10 shows the measured radiation pattern of antennas at the operating frequency. Specifically, FIG. 10A shows xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization of type #1 antennas, and FIG. 10B shows zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization of type #1 antennas, FIG. 10c shows xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization of type #2 antennas, and FIG. 10d shows zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization of type #2 antennas. At 2.4 GHz in FIGS. 10A-10D, gain fluctuations in the main lobe toward the +x direction due to the interaction between the one-dimensional EBG ground structure and different monopole emitters appear. The one-dimensional EBG ground structure still acts as a high impedance surface and at the same time acts as a reflector, so that the back lobe of the emitter patterns does not fluctuate much. Thus, an ILA with a one-dimensional EBG ground structure according to one aspect of the present invention can achieve an optimized antenna form for efficient antenna performance such as longitudinal radiation and impedance bandwidth in horizontal polarization.

일차원 EBG 접지 구조 및 빔 One-dimensional EBG ground structure and beam 편향기를Deflector 구비하는 고 이득 안테나 Equipped high gain antenna

작은 공간 내에 형성되는 특정 배열 안테나의 경우, 방사기들 및 편향기들의 엘리먼트 간의 상호 커플링의 저감은 배열 안테나의 이득 향상을 위해 필수적인 이슈이다. 더 나아가, 안테나의 소형 길이 (0.34 λ0) 이내에서의 수평 편파의 더 높은 이득을 달성하고 방사 패턴 변환을 강화하기 위해서는, 도 11 에 도시된 바와 같이 ILA 에 앞서 빔 편향기 (911, 913) 가 삽입될 수 있다. 도 11 은 일차원 EBG 구조 및 편향기를 가지는 평면 ILA 의 구성을 나타내고, 보다 구체적으로는 도 11a 는 일 단계 편향기를, 도 11b 는 2 단계 편향기를 나타내며, 도 11c 는 일차원 EBG 구조 및 2 단계의 편향기를 가지는 평면 ILA 의 정면 사진이고, 도 11d 는 일차원 EBG 구조 및 2 단계의 편향기를 가지는 평면 ILA 의 배면 사진이다. In the case of a specific array antenna formed in a small space, reduction of mutual coupling between elements of radiators and deflectors is an essential issue for improving the gain of the array antenna. Furthermore, in order to achieve a higher gain of horizontal polarization within a small length (0.34 λ 0 ) of the antenna and enhance radiation pattern conversion, beam deflectors 911, 913 prior to ILA as shown in FIG. Can be inserted. 11 shows the configuration of a plane ILA having a one-dimensional EBG structure and a deflector, more specifically FIG. 11A shows a one-stage deflector, FIG. 11B shows a two-stage deflector, and FIG. 11C shows a one-dimensional EBG structure and a two-stage deflector The branch is a front view of the planar ILA, and FIG. 11D is a rear view of the planar ILA having a one-dimensional EBG structure and two-stage deflectors.

도 11a 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치는, 방사체 (20) 의 접지 레이어 (10) 의 반대 측에 배치되어, 방사체 (20) 와 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 (110) 간의 상호 간섭을 완화시키도록 구성되는 빔 편향기 (911) 를 더 포함할 수 있다. 일 측면에 따르면, 빔 편향기는 기생 막대 (parastic rod) 일 수 있다. 도 11b 에 도시된 바와 같이, 빔 편향기는 방사체 (20) 측에 배치되는 제 1 단계 빔 편향기 (911) 및 방사체 (20) 의 반대 측에 배치되는 제 2 단계 빔 편향기 (913) 를 포함할 수 있다. 11A, the antenna device according to an aspect of the present invention is disposed on the opposite side of the ground layer 10 of the radiator 20, and the radiator 20 and the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure 110 It may further include a beam deflector 911 configured to mitigate mutual interference. According to one aspect, the beam deflector can be a parastic rod. 11B, the beam deflector includes a first stage beam deflector 911 disposed on the side of the emitter 20 and a second stage beam deflector 913 disposed on the opposite side of the emitter 20. can do.

일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ILA 는 소형 체적을 가지므로, 빔 편향기를 이용하여 ILA 및 EBG 사이의 부정적인 간섭을 수반하지 않고 전기적 유닛 볼륨 마다의 높은 이득을 달성하도록 설계될 수 있다. 일 측면에 따르면, 넓은 폭 (W7 = 0.05 λ0), 짧은 길이 (L3 = 0.3 λ0), 및 방사체와 빔 편향기 간의 작은 간격 (S2 = 0.13 λ0) 를 특징으로 하는 최적화된 2 단계의 평면 막대 (planar rod) 들이 일차원 EBG 접지 구조와 연관된 소형 빔 편향기들로서 사용될 수 있다. 빔 편향기는, λ0/3 이내의 안테나 길이에 구비되는 소정의 공간 및 구조 형상의 기생 평면 바 타입으로 구성될 수 있다. The ILA with a one-dimensional EBG grounding structure has a small volume, and thus can be designed to achieve a high gain per electrical unit volume without involving negative interference between the ILA and the EBG using a beam deflector. According to one aspect, the optimization is characterized by a wide width (W 7 = 0.05 λ 0 ), a short length (L 3 = 0.3 λ 0 ), and a small spacing (S 2 = 0.13 λ 0 ) between the emitter and the beam deflector. Two stages of planar rods can be used as miniature beam deflectors associated with a one dimensional EBG ground structure. The beam deflector may be configured as a parasitic flat bar type having a predetermined space and structure shape provided in an antenna length within λ 0 /3.

도 12 는 일차원 EBG 구조 및 빔 편향기들을 가지는 ILA 의 측정된 반사 계수를 나타낸다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 일차원 EBG 접지 구조 및 2 단계의 빔 편향기들을 구비하는 ILA 의 -10 dB 의 임피던스 대역폭은 일차원 EBG 접지 구조를 가지는 ILA 의 임피던스 대역폭 보다 상대적으로 감소된 것일 수 있다. 안테나 (방사체) 와 빔 편향기들 간의 상호적인 효과에도 불구하고, 동작 주파수는 2.4 GHz 로부터 2.36 GHz 로 아주 미세하게 이동될 수 있다. 12 shows the measured reflection coefficient of an ILA with a one-dimensional EBG structure and beam deflectors. As illustrated in FIG. 12, the impedance bandwidth of -10 dB of an ILA having a one-dimensional EBG ground structure and two-stage beam deflectors may be relatively reduced than that of an ILA having a one-dimensional EBG ground structure. Despite the mutual effect between the antenna (radiator) and the beam deflectors, the operating frequency can be very finely shifted from 2.4 GHz to 2.36 GHz.

도 13 은 동작 주파수에서의 일차원 EBG 구조 및 빔 편향기들을 가지는 ILA 의 측정된 방사 패턴을 나타낸다. 구체적으로, 도 13a 는 xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization 를, 도 13b 는 zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization 를, 도 13c 는 xy-cut (θ = 90°) @ Etheta-polarization 를, 도 13d 는 zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization 를 나타낸다. 도 13 에 도시된 바와 같이, Ephi-편파에서의 측정된 최대 이득은 1 단계의 편향기를 구비하는 안테나에 대해서 3.4 dBi, 2 단계의 편향기를 구비하는 안테나에 대해서 4.0 dBi 이다. 방사 패턴들은 수평 편파에서 종방향을 향해 더 높은 이득을 나타낸다. 그리하여, Etheta-편파에서의 방사 패턴은 빔 편향기들의 약한 응답에 기인하여 거의 변화하지 아니하면서, 빔 편향기들을 구비하는 안테나는 종방향 (end-fire directioin) 을 향한 더 바람직한 방사 패턴 변환을 달성할 수 있다. 13 shows the measured radiation pattern of an ILA with one-dimensional EBG structure and beam deflectors at operating frequency. Specifically, FIG. 13A shows xy-cut (θ = 90°) @ Ephi-polarization, FIG. 13B shows zx-cut (φ = 0°) @ Ephi-polarization, and FIG. 13C shows xy-cut (θ = 90°). ) @ Etheta-polarization, FIG. 13D shows zx-cut (φ = 0°) @ Etheta-polarization. As shown in FIG. 13, the measured maximum gain at E phi -polarization is 3.4 dBi for an antenna with a first stage deflector and 4.0 dBi for an antenna with a second stage deflector. The radiation patterns show a higher gain in the horizontal polarization toward the longitudinal direction. Thus, the radiation pattern in Etheta-polarization hardly changes due to the weak response of the beam deflectors, while the antenna with the beam deflectors achieves a more desirable radiation pattern transformation towards the end-fire directioin. can do.

성능 비교Performance Comparison

도 14 는 안테나들의 성능 비교를 나타내는 표이다. 도 14 의 TABLE 1 은 설계된 안테나들의 성능을 나열한다. 소형 체적 이내에 2 단계의 빔 편향기들을 구비하는 것에 기인한 대역폭의 감소에도 불구하고, 본 발명의 일 측면에 따라 제안된 안테나는 530 MHz 의 넓은 임피던스 대역폭을 제공한다. 방사 패턴 변환의 기준으로서 사용될 수 있는, 동일 편파 방향 (co-polarization) 및 크로스 편파 방향 (cross-polarization) 에서의 방사 강도의 차이는, 종방향 내에서 14.0 dB 이상이다. 편파 하에서의 구분된 응답에서 동작되는 빔 편향기들 및 반사기들에 의해, 일차원 EBG 접지 구조 및 2 단계의 빔 편향기들을 구비하는 ILA 는 광대역 특성을 가지는 방사 패턴 변환을 나타낸다. 14 is a table showing performance comparison of antennas. TABLE 1 of FIG. 14 lists the performance of the designed antennas. Despite the reduction in bandwidth due to having two stages of beam deflectors within a small volume, the proposed antenna according to one aspect of the invention provides a wide impedance bandwidth of 530 MHz. The difference in radiation intensity in the co-polarization and cross-polarization directions, which can be used as a reference for radiation pattern conversion, is 14.0 dB or more in the longitudinal direction. With beam deflectors and reflectors operating in a distinct response under polarization, the ILA with a one-dimensional EBG ground structure and two stages of beam deflectors exhibits radiation pattern transformation with broadband characteristics.

도 15 은 일차원 EBG 구조를 가지는 평면 안테나들의 성능 비교를 나타내는 표이다. 도 15 의 TABLE II 는 종래 기술에 따른 일차원 EBG 접지 구조를 구비한 평면 안테나들의 성능 비교를 제공한다. 본 발명의 일 측면에 따른 일차원 EBG 접지 구조를 구비한 평면 ILA 는, 안테나 성능을 제한할 수 있는 어떠한 보조 회로들도 구비하지 아니할 수 있으므로, 종래 기술에 따른 일차원 EBG 접지 구조를 구비한 평면 안테나들에 비해 훨씬 더 향상된 성능을 나타낸다. 그리하여, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나는 임의의 보조 회로들을 포함하지 아니하는 소형의 평면 구성들에 기인하여 다양한 안테나 플랫폼들에 용이하게 적용될 수 있다. 또한 본 발명의 일 측면에 따른 안테나는 넓은 대역폭, 작은 폼 팩터 (form factor), 높은 안테나 효율과 같은 높은 성능을 제공할 수 있다. 15 is a table showing performance comparison of flat antennas having a one-dimensional EBG structure. TABLE II of FIG. 15 provides a performance comparison of flat antennas having a one-dimensional EBG ground structure according to the prior art. A flat ILA having a one-dimensional EBG grounding structure according to an aspect of the present invention may not have any auxiliary circuits that can limit antenna performance, and thus flat antennas having a one-dimensional EBG grounding structure according to the prior art It shows much improved performance compared to. Thus, the antenna according to one aspect of the present invention can be easily applied to various antenna platforms due to small planar configurations that do not include any auxiliary circuits. In addition, the antenna according to an aspect of the present invention can provide high performance such as wide bandwidth, small form factor, and high antenna efficiency.

즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 일차원 EBG 접지 구조 및 빔 편향기의 고유한 전자기 특성들에 의해 방사 패턴이 변환될 수 있는 평면 ILA 를 포함하는 소형 안테나 장치가 제공될 수 있다. 표면파 및 평면파 양쪽 모두를 제어하는 저속 파동 거동을 가지는 높은 임피던스 표면들을 특징으로 하는, 일차원 EBG 접지 구조의 전자기 특성들이 앞서 언급한 바와 같이 안테나의 성능에 의해 확인되었다. 일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ILA 는 0.22 λ0 Х 0.34 λ0 의 크기로 구현될 수 있고, 2.0 dBi 의 종방향 이득 및 2.24 GHz 로부터 3.11 GHz 까지 870 MHz 의 -10 dB 임피던스 매칭 대역폭을 나타낸다. 2 단계의 빔 편향기들을 부가하는 것에 의해, 일차원 EBG 접지 구조를 구비하는 ILA 는 4.0 dBi 의 종방향 이득 및 종방향을 향해 14.0 dB 의 동일 편파 방향 (co-polarization) 및 크로스 편파 방향 (cross-polarization) 에서의 방사 강도의 차이를 나타낸다. 본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치는, 빔 편향기를 구비하는 것에 의해, 빔 편향기를 구비하지 않은 안테나 장치와 비교하여, 더 고 이득 종방향 방사를 수행하도록 구성될 수 있다. That is, according to one aspect of the present invention, a small antenna device including a planar ILA in which a radiation pattern can be converted by a one-dimensional EBG ground structure and unique electromagnetic characteristics of a beam deflector can be provided. The electromagnetic properties of the one-dimensional EBG ground structure, characterized by high impedance surfaces with low-speed wave behavior controlling both surface and plane waves, were confirmed by the antenna's performance as previously mentioned. ILA with one-dimensional EBG grounding structure is 0.22 λ 0 Х 0.34 λ 0 It can be implemented with a magnitude of 2.0, and it shows a longitudinal gain of 2.0 dBi and a -10 dB impedance matching bandwidth of 870 MHz from 2.24 GHz to 3.11 GHz. By adding two stages of beam deflectors, the ILA with a one-dimensional EBG grounding structure has a longitudinal gain of 4.0 dBi and a co-polarization and cross-polarization direction of 14.0 dB toward the longitudinal direction. polarization). The antenna device according to one aspect of the present invention can be configured to perform higher gain longitudinal radiation, as compared to an antenna device without a beam deflector, by having a beam deflector.

일차원 EBG 접지 구조 및 빔 편향기를 구비하는 ILA 는 소형 체적을 가지면서도 바람직한 성능을 나타내므로, 본 발명의 일 측면에 따른 안테나는 넓은 대역폭, 높은 이득 및 넓은 스캔 각도를 특징으로 하는 다양한 재료의 플랫폼들에 기초한 소형 배열 안테나 내에서 활용될 수 있다. 더 나아가, 일차원 EBG 접지 구조의 고유한 특성들을 이용하는 것에 의해, 소형 사이즈 및 넓은 대역폭을 특징으로 하는 MIMO 안테나 개념 5G NSA (non-standalone) 풀-디스플레이 금속 핸드셋 (metallic handset) 에 적용될 수 있다. The ILA with a one-dimensional EBG grounding structure and a beam deflector has desirable performance while having a small volume, so the antenna according to one aspect of the present invention is a platform of various materials featuring wide bandwidth, high gain and wide scan angle. It can be utilized in a small array antenna based on. Furthermore, by using the unique characteristics of a one-dimensional EBG grounding structure, it can be applied to a MIMO antenna concept 5G non-standalone (NSA) full-display metal handset featuring small size and wide bandwidth.

이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although described above with reference to the drawings and examples, the scope of protection of the present invention is not meant to be limited by the drawings or examples, and those skilled in the art of the present invention described in the claims below It will be understood that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope.

이상에서 설명한 본 발명은 일련의 기능 블록들을 기초로 설명되고 있지만, 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above has been described based on a series of functional blocks, but is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications and changes without departing from the spirit of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is possible.

전술한 실시 예들의 조합은 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 구현 및/또는 필요에 따라 전술한 실시예들 뿐 아니라 다양한 형태의 조합이 제공될 수 있다.Combinations of the above-described embodiments are not limited to the above-described embodiments, and various forms of combinations may be provided as well as the above-described embodiments according to implementation and/or needs.

전술한 실시 예들에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로서 순서도를 기초로 설명되고 있으나, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 순서도에 나타난 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나, 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.In the above-described embodiments, the methods are described based on a flowchart as a series of steps or blocks, but the present invention is not limited to the order of steps, and some steps may occur in a different order than the steps described above or simultaneously. have. In addition, those of ordinary skill in the art are aware that the steps shown in the flowcharts are not exclusive, other steps may be included, or one or more steps in the flowcharts may be deleted without affecting the scope of the present invention. You will understand.

전술한 실시 예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다. The above-described embodiments include examples of various aspects. It is not possible to describe all possible combinations for representing various aspects, but a person skilled in the art will appreciate that other combinations are possible. Accordingly, the present invention will be said to include all other replacements, modifications and changes that fall within the scope of the following claims.

Claims (11)

일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하는 안테나 장치로서,
기판;
상기 기판 상에 적어도 부분적으로 형성된 접지 레이어; 및
상기 접지 레이어의 일 측방에 배치되는 평면 역-L형 방사체 (ILA) 를 포함하되,
상기 접지 레이어의 상기 평면 방사체 측 엣지 (edge) 에는 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조가 내장되어, 임피던스 대역폭이 제한되는 급전부 부가 회로를 대체 가능하며, 단락핀을 구비한 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 또는 발룬을 구비한 다이폴 안테나보다 더 광대역 구동이 가능하도록 상기 평면 역-L형 방사체 (ILA)와 같이 안테나를 구성하고,
상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는, 복수의 주기적인 일차원 유닛 셀을 포함하고, 상기 복수의 주기적인 일차원 유닛 셀들은 상기 접지 레이어의 상기 평면 방사체 측 엣지에 하나의 컬럼을 형성하고,
상기 일차원 유닛 셀은, 스트립 라인, 패치 내부에 형성된 복수의 가느다란 슬릿 패턴들을 가지는 금속 패치 및 복수의 유닛 셀들 간의 간격에 의해 형성되는 내로우 갭 커패시터 (narrow gap capacitor)를 각각 포함하는, 안테나 장치.
An antenna device having a one-dimensional electromagnetic band gap ground structure,
Board;
A ground layer at least partially formed on the substrate; And
Including a planar inverted-L-type radiator (ILA) disposed on one side of the ground layer,
The plane radiator side edge of the ground layer has a one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure built-in, which can replace a power supply additional circuit in which impedance bandwidth is limited, and a PIFA (Planar Inverted-F Antenna) with a shorting pin Alternatively, the antenna is configured as the planar inverse-L type radiator (ILA) to enable wider driving than a dipole antenna with a balun.
The one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure includes a plurality of periodic one-dimensional unit cells, and the plurality of periodic one-dimensional unit cells form one column at the edge of the plane emitter of the ground layer,
The one-dimensional unit cell, the antenna device, each comprising a narrow gap capacitor (narrow gap capacitor) formed by the gap between the plurality of unit cells and a plurality of slits and a metal patch having a plurality of thin slit patterns formed inside the patch .
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는,
상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하지 않는 안테나 장치와 비교하여, 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 주파수 변동에 따른 더 가파른 반사 위상의 변화를 유도하고 평면파 제어를 수행 가능하도록 구성되는, 안테나 장치.
According to claim 1,
The one-dimensional electromagnetic band gap ground structure,
Compared to the antenna device without the one-dimensional electromagnetic bandgap grounding structure, it operates as a higher impedance surface having a slower wave behavior, thereby inducing a steeper reflection phase change according to frequency fluctuation and performing plane wave control. Configured, antenna device.
삭제delete 제 3 항에 있어서,
상기 안테나 장치는, 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 모서리의 수평 방향에서, 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조를 구비하지 않는 안테나 장치와 비교하여 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 표면파 제어를 수행 가능하도록 구성되는, 안테나 장치.
The method of claim 3,
The antenna device operates in a horizontal direction of the edge of the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure, and operates as a higher impedance surface having a slower wave behavior compared to an antenna device having no one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure, thereby controlling surface wave control. An antenna device, configured to be performable.
제 5 항에 있어서,
상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는,
이중 방향의 저속 파동 거동을 띄는 고 임피던스 표면으로 동시에 동작하여, 방사체와 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조는 λ0/30 (λ0는 자유공간에서의 파장) 이하의 거리만큼 서로 이격되고, 일차원 전자기 밴드갭 구조를 구비한 접지물의 전체 길이가 λ0/3 이내로 구성되는, 안테나 장치.
The method of claim 5,
The one-dimensional electromagnetic band gap ground structure,
Simultaneously acting as a high-impedance surface with double-direction low-speed wave behavior, the radiator and the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure are spaced apart from each other by a distance of λ 0 /30 (λ 0 is the wavelength in free space), and the one-dimensional electromagnetic band An antenna device in which the total length of a grounding material having a gap structure is within λ 0 /3.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 방사체는,
상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조가 내장되어 급전부 부가 회로없이, 동축 커넥터 및 마이크로스트립 전송선로 라인을 통해 급전되는, 안테나 장치.
According to claim 1,
The emitter,
The one-dimensional electromagnetic band gap ground structure is built-in, and the antenna device is fed through a coaxial connector and a microstrip transmission line line without a feeding part additional circuit.
제 1 항에 있어서,
상기 방사체와 상기 접지 레이어 반대 측에 배치되어, 상기 방사체와 상기 일차원 전자기 밴드갭 접지 구조 간의 상호 간섭을 완화시키도록 구성되는 빔 편향기를 더 포함하는, 안테나 장치.
According to claim 1,
And a beam deflector disposed on the opposite side of the radiator and the ground layer and configured to mitigate mutual interference between the radiator and the one-dimensional electromagnetic bandgap ground structure.
제 9 항에 있어서,
상기 안테나 장치는, 상기 빔 편향기를 구비하는 것에 의해, 상기 빔 편향기를 구비하지 않은 안테나 장치와 비교하여, 더 고 이득 종방향 방사를 수행하도록 구성되는, 안테나 장치.
The method of claim 9,
The antenna device is configured to perform higher gain longitudinal radiation in comparison to an antenna device without the beam deflector by having the beam deflector.
제 10 항에 있어서,
상기 빔 편향기는 방사체 측에 배치되는 제 1 단계 빔 편향기 및 상기 방사체의 반대 측에 배치되는 제 2 단계 빔 편향기를 포함하며, λ0/3 이내의 안테나 길이에 구비되는 소정의 공간 및 구조 형상의 기생 평면 바 타입으로 구성되는, 안테나 장치.
The method of claim 10,
The beam deflector includes a first stage beam deflector disposed on the radiator side and a second stage beam deflector disposed on the opposite side of the radiator, and a predetermined space and structure shape provided in an antenna length within λ 0 /3 The antenna device, consisting of a parasitic flat bar type.
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