KR20070086011A - 금지된 광자 밴드 안테나의 최적화 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광자 밴드 갭형 안테나에 대한 것이다. 이 안테나는 방향(x, y)의 평면에 따라, 상기 평면에 수직인 평행 금속 막대에 의해 구성된 방사 소스(10) 및 광자 밴드 갭을 포함하고, 상기 막대는 방향(y)에서 ny배 및 방향(x)에서 nx배 자신을 반복한다. 상기 방사 소스로부터 보여진 막대의 높이는 증가한다.

안테나, 광자, 밴드, 다이폴, 패턴

Description

금지된 광자 밴드 안테나의 최적화{OPTIMISATION OF FORBIDDEN PHOTON BAND ANTENNAE}

본 발명은 광자 밴드 갭(photonic band gap)형 안테나에 대한 것이다.

광자 밴드 갭 구조{PBG(Photonic Band Gap) 구조로 알려짐}는 소정의 주파수 대역폭에 대하여 전파 전파(wave propagation)를 금지하는 주기적 구조이다. 이 구조는 광학 분야에서 먼저 사용되었지만, 최근에, 이들의 응용은 다른 주파수 범위까지 확장되고 있다. 광자 밴드 갭 구조는 필터, 안테나 또는 유사 디바이스와 같은 초고주파 디바이스에서 특히 사용된다.

광자 밴드 갭 구조 중에서, 우리는 유전성 구성요소의 주기적 분포(periodic distribution) 이외에도 금속-유전성 구조인 금속성 구성요소의 주기적 분포를 사용하는 금속성 구조를 발견한다.

본 발명은 금속 원소를 사용하는 광자 밴드 갭 구조에 대한 것으로서, 특히 주기적으로 배열되고 완전한 전도성인 평행 막대에 관한 것이다.

병렬 금속 막대와 같은 금속 원소를 사용하는 광자 밴드 갭 안테나는 이미 연구가 되어왔다. 즉, Lin Qien, FU-Jian, HE Sai-Ling, Zhang Jian-Wu의 "Metal Photonic Band Gap Resonant Antenna with High Directivity and High Radiation Resistance"라고 표제되고, Chin. Phys.Lett. Vol 19, no.6(2002) 804에서 발행된 논문은 방향(Z)에 따라 무한히 긴 평행 금속막대에 의해 형성된 MPBG(Metal Photonic Band Gap) 공명구조를 연구한다.

특히, 이러한 논문은 평행 금속막대에 의해 형성된 금속 광자 구조에서 구성된 공동 및 선형 방사 소스 안테나를 포함하는 공명형 안테나(MPBG)의 일정 주파수 범위에 대하여 지향성 및 방사 저항을 연구하며, 이 공동(空洞)은 소스 안테나 주변의 일부 막대를 제거함으로써 획득된다. 이러한 유형의 광자 밴드 갭 안테나에 관한 연구는 무한 또는 무한한 것으로 가정되는 금속 막대로 수행되었다.

본 발명은 유한 길이의 금속막대에 의해 실현되는 PBG(Photonic Band Gap) 안테나에 대한 것으로서, 방사 소스를 수신하는 기판에 대하여 막대의 높이는 수직 평면에서 안테나의 방사 패턴을 제어하기 위해 통제된다.

본 발명은 PBG(Photonic Band Gap) 안테나에 대한 것으로서, 이 안테나는 방향(x, y)의 평면에 따라, 이 평면에 수직이고, 평행 금속막대에 의해 구성된 광자 밴드 갭 구조 및 방사 소스를 포함하고, 이 직경(d)의 막대는 방향(x)에서 기간(a_x)과 n_x배 및 방향(y)에서 기간(a_y)과 n_y배 자신을 반복하며, 이 방사 소스로부터 보여지는 막대의 높이가 증가하는 점에 특징이 있다.

우선하는 실시예에 따라, 소스와 최외각 막대 사이에서 막대의 높이는 kh/n보다 더 크도록 선택되며, 여기서 n은 소스로부터 보여진 막대의 개수와 동일하고, h는 최외각 막대의 높이고 k는 1과 n사이에서 변하는 정수이다.

바람직하게는, 소스에 의해 보여지는 첫 번째 금속 막대의 높이는 3 x L보다 더 크도록 선택되고, 여기서 L는 방사 소스의 높이가 된다. 이 값에서, MPBG 효과가 얻어지며, 즉 대역폭 및 밴드갭은 소정의 주파수에서 기간에 의존하여 획득된다.

바람직하게는, 소스와 최외각 막대 사이의 막대 높이는 단조 증가 함수를 따른다. 바람직하게는, 각 방향(x 또는 y)에 따라, 막대의 개수는 동일하다. 이들 막대는 n≥3이 되도록 선택된다. 그러나, 소스로부터 보여진 막대의 개수는 상이하며, 이는 서로 다른 값을 가지는 막대의 개수(n_x 및 n_y)를 나타낸다.

본 발명의 바람직한 특성에 따르면, 방향(x와 y)에 따라 금속 막대의 재생기간(a_x 및 a_y)은 동일하게 선택된다. 이들 기간(a_x 및 a_y)은 다를 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라, 막대는 구리(5.9.10⁷ S/m), 은(4.1.10⁷ S/m), 알루미늄(3.5.10⁷ S/m) 또는 유사물과 같은, 10^-7보다 큰 전도성을 가지는 금속성 물질로 만들어진다.

다른 한편, 소스는 그라운드 평면을 형성하는 기판에 고정된 다이폴(dipole) 또는 수직 모노폴(monopole)에 의해 구성된다. 상기 소스는 금속 막대들 중 하나의 장소에 위치되거나, 또는 금속 막대 사이에 위치된다.

본 발명의 다른 특성 및 이점은 상이한 우선적 실시예의 설명을 읽으면 드러나게 될 것이며, 이러한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 이루어진다.

도 1은 (A)에서 막대는 동일한 높이(h)(h=8L, 여기서 L는 소스의 높이)이고, (B)에서 3개 축(x, y, z)에 따른 방사 패턴을 가지는 광자 밴드 갭 안테나를 도식적으로 보여주는 도면.

도 2는 평면 θ = 90°(a) 및 평면 φ = 0°(b)에서 각각 단일형 다이폴의 방사 패턴과의 비교에 의해 도 1에 도시된 바와 같은 광자 밴드 갭의 방사 패턴을 나타내며, 금속막대의 높이는 h=4.5L이고, 여기서 L는 소스의 높이이다.

도 3은 동작 주파수 및 주기의 함수로서 광자 밴드 갭 안테나의 대역폭과 밴드갭을 보여주는 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 광자 밴드 갭 안테나를 (B)에서는 평면도 및 (A)에서는 3D도를 도식적으로 보여주는 도면.

도 5는 각 구성에 대하여, 고도(elevation) 방사 패턴과 3D 방사 패턴의 시야에 따른 상이한 높이의 금속 막대로 이루어진 광자 밴드 갭 안테나의 3가지 구성을 보여주는 도면.

이하 기술되는 예는 비제한적인 도식적 실시예이다. 이들 실시예는 본 발명에 따른 구조로 획득되는 결과 및 실행 가능성을 테스트하기 위해 사용된다. 그러나, 실제 실시예에서, 바람직하게는 다이폴(dipole)보다는 모노폴(monopole)이 상기 평면에 그 자신도 고정된 막대와 접지 평면 상에 사용될 것이다.

도 1은 유한 높이의 금속막대(11)(MPBG 구조로 언급됨)에 의해 형성되고, 광자 밴드 갭(PBG: Photonic Band Gap) 구조의 중간에 위치하는 다이폴(10)에 의해 구성된 안테나(1)를 도시한다. 이 금속 막대는 구리, 은, 알루미늄 또는 유사한 것과 같은 10^-7 보다 더 큰 전도성을 가지는 물질로 이루어진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 금속막대(11)는 7개 소자의 7 행으로 배열되고, 행과 구성요소는 광자 밴드 갭 구조의 스텝 또는 주기를 발생시키는 거리(a)에서 서로로부터 간격을 두고 놓이게 된다.

도 1에 도시된 실시예에서, MPBG 구조는 사각형 패턴의 형태를 가지며, 여기서 방향(x 및 y)에 따른 동일한 n_x = n_y = 7이고 주기 a_x = a_y = a이다. 그러나, 방향(x 및 y)에 따른 상이한 주기(a_x 및 a_y)뿐만 아니라 숫자(n_x 및 n_y)를 가지는 MPBG 구조가 본 발명의 토대 내에서 고려될 수 있음은 당업자에게 명백하다.

도 1의 (A)에 도시된 안테나는 주파수 f0 = 5.25 GHz에서 동작하도록 필요한 크기로 이루어진다. 이 경우, 이 구조의 중앙에 놓인 방사 구성요소 또는 소스(10)에 의해 보여지는 막대의 개수(n)는 n = 3과 같고, 반면에 주기는 17.5mm와 같으 며, 금속 막대는 1mm의 직경과 8xL와 같은 높이(h)를 가지며, 여기서 L은 유선 소스, 즉 다이폴의 높이가 된다.

도 1의 (B)는 3차원에 따른 안테나 방사의 특성 표면을 보여주며, 반면에 도 2의 a) 및 b)는 평면 θ = 90° 및 평면 φ = 0 에서 표면 절개에 따른 다이폴 단독 및 도 1의 (A)에서와 같은 MPBG 구조의 중간에 있고, 금속 막대의 높이가 h=4.5*L(여기서, L은 소스의 높이)인 다이폴의 방사 패턴을 보여준다.

방사 패턴은 다이폴에 의해 형성된 안테나의 방사 패턴에 대한 MPBG 구조에 의해 얻어진 효과를 증명한다. 실제로, 금속 PBG 구조의 존재는 0°, 90°, 180° 및 270°에서의 방사 및 45°, 135°, 225°, 315°에서 최소 방사의 방향이 선호하는 동작 주파수에서 나타나도록 하는 원인이 된다.

도 3은 금속(PBG)의 주기(ａ)에 따른 소스로부터 보여진 n = 3인 금속막대에 의해 구성된 금속 광자 밴드 갭 구조의 밴드 패턴을 보여준다. 이러한 유형의 도해 또는 원주판이, 동작 주파수에서, 요구되는 방사를 얻기 위해 사용되어야 하는 주기(ａ)의 값을 결정하기 위해 사용된다.

따라서, 도 3의 도면을 사용함으로써, f0 = 5.25 GHz의 동작 주파수에서, 주기는 a = 17.5 mm인 것이 보여진다. 결과적으로, 주기 a = 17.5에 따른 7 x 7배열의 막대로 형성된 금속 PBG 구조의 중앙에 위치하는 소스는, 방향(0°, 90°, 180° 및 270°)에 따른 밴드의 대역폭의 특징과 일치하는 방사 로브(lobe)를 갖는다. 이는 도 1의 (B) 및 도 2의 방사 패턴에 의해 도시되었다.

도 4 및 도 5를 참조하여, 설명은 이제 도 1의 (B)에 도시된 구조의 방사 패 턴, 특히 고도(elevation) 패턴(평면 φ = 0°)을 향상시킬 수 있는 구조를 가진 금속 광자 밴드 갭 안테나로 주어질 것이다. 각각 도 4의 (A)에 있는 투시도 및 도 4의 (B)에서 평면도로 도시된 바와 같이, 도 1의 (A)의 금속 막대의 높이는 소스로부터, 막대의 높이가 증가되도록 변형되었다.

이하 기술되는 바와 같이, 가변 높이 조절 막대의 사용은 고도 방사 패턴이, 아지무스(azimuth)에서 동일한 패턴을 유지하면서, 제어되는 것을 가능하게 한다.

도 5에서, 광자 밴드 갭 안테나가 도시되며, 여기서 소스(10)는 높이(h)의 3개 유한하고 동일한 금속 막대를 보여준다. 이 경우, 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 고도 방사 패턴은 고려되는 방향에서 명백한 주기를 위한 광자 밴드 갭 구조의 통과 또는 차단 작용으로 인해 몇개의 최소값을 갖는다. 이러한 도면은 도 2의 (B) 도면과 유사하다. 더욱이, 3D 방사 패턴은 z 축에 따른 방사 로브를 보여준다. 실제로, 막대가 일정한 높이(h)인 경우, 방사 패턴은 평면 xOy에서 유지되지만 h 함수로서 평면 xOz에서 변한다. 본 케이스에서, 도 1의 (B)의 패턴은 h=8*L(L은 소스의 높이)의 경우에 대해 주어지고 정확히 도 2(h=4.5*L)의 2D 표현에 대응하지 않는다.

본 발명에 따라, 그리고 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이, 소스(10)에 의해 보여진 3개의 금속 막대의 높이는 막대마다 상이하며, H3 < H2 < H1이 되도록 증가한다. 이 경우, 금속 PBG 구조의 작용으로 인해 두 번째 로브는 더 약해지게 되며, 이는 또한 3D 패턴에서도 목격되는 것을 고도 패턴에 관해 주목되어야 할 것이다. 위에 언급한 바와 같이, 높이(H3, H2, H1)는 단조 증가 함수를 가질 수 있다. 바람 직하게는, 소스와 최외각 막대(H1) 사이의 막대(H3, H2, H1)의 높이는 kH1/n 보다 크도록 선택되며, 여기서 n은 소스로부터 보여지는 막대의 갯수(도시된 실시예에서 3)와 같고, H1은 외곽쪽 막대의 높이이고 k'는 1과 n사이에서 가변되는 정수이다. 다른 한편, PBG 효과를 얻기 위하여, 높이(H3)는 3 x L과 동일하며, 여기서 L은 방사 소스의 높이가 된다.

본 발명에 따른 다른 구조는 도 5의 (C)부분에서 도시된다. 이 경우, 소스(10)는 소스로부터 외곽쪽 막대(H'1)까지 증가하는 높이를 가지는 3개의 금속 막대를 가지며, 여기서 H'3 < H'2 < H'1이다. 이 실시예에서, 금속 막대의 크기는 두드러지게 위에 주어진 공식을 따른다. 이 경우, 도 5의 (C)의 고도 패턴은 금속 PBG의 특정 구조로 인해 두 번째 로브의 상당한 감소를 보여주며, 또한 이는 3D 패턴에 관해 보여진다.

본 발명은 소스가 금속 PBG 구조의 중간에 있는 금속 막대의 장소에 위치하는 안테나를 참조함으로써 기술되었다. 그러나, 막대 사이에 소스를 위치시키는 것도 가능하다. 게다가, 소스는 금속 광자 밴드 갭 구조에서 중앙에서 벗어날 수 있다. 위에 기술된 실시예에서 사용된 소스는 다이폴이다. 그러나, 실제 실시예에서, 수직 모노폴은 MPBG 구조의 금속 막대가 또한 고정되는 접지 평면을 형성하는 기판상에 탑재된다. 방향(x)에서 막대의 개수는 방향(y)에서 막대의 개수와 동일하거나 또는 다를 수 있다. 더욱이, 방향(x 또는 y)에 따라 막대 사이의 주기성(a_x 및 a_y)는 동일할 수 있거나, 기술된 실시예에서와 같이, 또는 다를 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 금속 원소를 사용하는 광자 밴드 갭 구조에 대한 것으로서, 특히 주기적으로 배열되고 완전한 전도성인 평행 막대에 이용 가능하다.

Claims (10)

1. 광자 밴드 갭(PBG: Photonic Band Gap)형 안테나로서,

   방향(x, y)의 평면에 따라, 상기 평면에 수직인 평행 금속 막대에 의해 구성된 방사 소스(10) 및 광자 밴드 갭 구조물을 포함하고, 직경(d)의 상기 막대는 방향(y)에서 주기(a_y)와 ny배 및 방향(x)에서 주기(a_x)와 nx배 자신을 반복하는 광자 밴드 갭형 안테나에 있어서,

   상기 방사 소스로부터 보여진 막대의 높이(H3,H2,H1; H'3,H'2,H'1)는 증가되는 것을 특징으로 하는, 광자 밴드 갭형 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   소스와 최외각 막대 사이의 막대의 높이(H'3, H'2, H'1)는 k h/n보다 더 큰것으로 선택되되, n은 소스로부터 보여진 막대의 개수와 동일하고, h는 최외각 막대의 높이가 되고, k는 1과 n사이에 변하는 정수인, 광자 밴드 갭형 안테나.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   소스와 최외각 막대사이의 막대 높이는 단조 증가 함수를 따르는, 광자 밴드 갭형 안테나.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   방향(x 및 y)에서 막대의 총개수(n_x 및 n_y)는 동일한, 광자 밴드 갭형 안테나.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   소스로부터 보여진 막대의 개수(n)는 n ≥ 3이 되도록 선택되는, 광자 밴드 갭형 안테나.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   방향(x 및 y)에서 주기(a_x 및 a_y)는 동일한, 광자 밴드 갭형 안테나.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 막대는 구리, 은, 알루미늄과 같은 10^-7 보다 더 큰 전도성을 제공하는 금속 물질로 만들어지는, 광자 밴드 갭형 안테나.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   소스로부터 보여지는 첫 번째 막대의 높이(H3,H'3)는 H ≥ 3*L이 되도록 선택되며, 상기 L은 방사 소스의 높이가 되는, 광자 밴드 갭형 안테나.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   소스(10)는 기판위에 놓이는 다이폴 또는 수직 모노폴에 의해 구성되는, 광자 밴드 갭형 안테나.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,

    소스(10)는 막대들 사이 또는 하나의 막대의 장소에 위치되는, 광자 밴드 갭형 안테나.

Images