KR20110112632A - Zeroth-order resonant antenna equipped with slots - Google Patents

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표성민
김영식
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 메타물질의 영차 공진 현상을 이용한 안테나에 관한 것으로, 특히 메타물질 영차 모드 공진형 안테나를 구성하는 단위 격자의 접지면에 주기적인 다각형 슬롯을 구비시켜 안테나 등가회로의 병렬 캐패시턴스 성분을 줄임으로써, 안테나의 방사 효율을 대폭 증가시킬 수 있는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나에 관한 것이다.
본 발명인 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나를 이루는 구성수단은, 다각형 슬롯들을 구비한 접지면과, 상기 다각형 슬롯들을 구비한 접지면에 대향되도록 배치되되, 서로 이격 거리(g)만큼 떨어져 배치되는 복수개의 다각형 도전성 패치 및 상기 각 다각형 도전성 패치를 상기 접지면에 전기적으로 연결하는 도전성 수직 비아를 포함하되, 상기 다각형 도전성 패치의 각 모서리로부터 g/2만큼 확장된 모서리들로 형성되는 제1 다각형 면과 이 제1 다각형 면을 상기 다각형 슬롯들을 구비한 접지면에 투영시켜 형성되는 제2 다각형 면을 통하여 구성되는 다각형의 단위 격자가 복수개 배열되어 형성되고, 상기 각 다각형의 단위 격자를 구성하는 상기 제2 다각형 면에는 상기 다각형 슬롯들 중 적어도 두 개 이상의 슬롯들의 각 일부 면이 포함되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an antenna using a zero-order resonance phenomenon of metamaterials, and in particular, by providing a periodic polygon slot in the ground plane of a unit lattice constituting the metamaterial zero-mode resonant antenna to reduce parallel capacitance components of an antenna equivalent circuit. The present invention relates to a zero-order resonant antenna having a slot capable of greatly increasing the radiation efficiency of the antenna.
The constituent means of the zero-order resonant antenna provided with a slot of the present invention comprises a ground plane having polygonal slots and a plurality of planes arranged to face the ground plane having the polygonal slots, and spaced apart from each other by a distance g. A first polygonal face comprising a polygonal conductive patch and a conductive vertical via electrically connecting each polygonal conductive patch to the ground plane, the first polygonal surface being formed with corners extending by g / 2 from each corner of the polygonal conductive patch; A plurality of polygonal unit grids formed through a second polygonal plane formed by projecting a first polygonal plane onto a ground plane having the polygonal slots; A face includes at least some of each face of at least two slots of the polygon slots. The.

Description

슬롯이 구비된 영차 공진 안테나{zeroth­order resonant antenna equipped with slots}Zeroth order resonant antenna equipped with slots

본 발명은 메타물질의 영차 공진 현상을 이용한 안테나에 관한 것으로, 특히 메타물질 영차 모드 공진형 안테나를 구성하는 단위 격자의 접지면에 주기적인 다각형 슬롯을 구비시켜 안테나 등가회로의 병렬 캐패시턴스 성분을 줄임으로써, 안테나의 방사 효율을 대폭 증가시킬 수 있는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나에 관한 것이다.
The present invention relates to an antenna using a zero-order resonance phenomenon of metamaterials, and in particular, by providing a periodic polygon slot in the ground plane of a unit lattice constituting the metamaterial zero-mode resonant antenna to reduce parallel capacitance components of an antenna equivalent circuit. The present invention relates to a zero-order resonant antenna having a slot capable of greatly increasing the radiation efficiency of the antenna.

최근 메타물질(metamaterial)을 이용하여 안테나를 설계하는 연구가 급증하고 있다. 메타물질이란 특정 단위 격자를 주기적으로 배열하여 자연계에 존재하지 않는 전자기적 성질을 가지는 물질을 나타낸다.Recently, researches on antenna design using metamaterial have been increasing rapidly. Metamaterial refers to a material having electromagnetic properties that do not exist in nature by periodically arranging specific unit grids.

여러 종류의 메타물질 중 유전율과 투자율의 값을 임의로 조정할 수 있는 메타물질이 많은 관심을 받고 있다. 대표적으로 Negative Refractive Index(NRI), Left-Handed Material(LHM)라 불리는 물질은 유효 유전율과 투자율이 모두 음의 값을 가지는 물질로 전기장, 자기장, 전파 진행 방향이 왼손 법칙을 따른다. Among various kinds of metamaterials, metamaterials that can arbitrarily adjust the values of permittivity and permeability have attracted much attention. Representatively called Negative Refractive Index (NRI) and Left-Handed Material (LHM), negative effective dielectric constant and permeability have negative values, and the electric field, magnetic field and propagation direction follow the left hand law.

이러한 메타물질의 특징을 안테나에 적용하여 안테나의 성능을 향상시킬 수 있다. 안테나에 응용되는 메타물질 구조는 Composite Right/Left Handed Transmission Line(CRLH-TL) 구조가 대표적이다. 이 구조의 특징 중 하나인 영차 공진 모드는 전파 상수가 0이 되는 공진 모드로 파장이 무한대가 되고 전파 전송에 따른 위상지연이 발생하지 않는다. The characteristics of the metamaterial can be applied to the antenna to improve the performance of the antenna. The metamaterial structure applied to the antenna is typical of the Composite Right / Left Handed Transmission Line (CRLH-TL) structure. One of the characteristics of this structure, the zero order resonant mode is a resonant mode in which the propagation constant becomes zero, the wavelength becomes infinity, and no phase delay occurs due to the radio wave transmission.

이 모드의 공진 주파수는 CRLH-TL 구조의 파라미터들이 결정을 하므로 안테나의 길이에 의존하지 않아 안테나의 소형화에 매우 유리하다.The resonant frequency of this mode is determined by the parameters of the CRLH-TL structure, and thus is not dependent on the antenna length, which is very advantageous for the miniaturization of the antenna.

상기 메타물질은 Composite Right/Left Handed Transmission Line(CRLH-TL)을 통해 등가회로 모델이 정립되었고, 회로소자, 안테나, 전파굴절 등의 RF 및 초고주파 공학 분야에서 널리 응용되고 있다.The metamaterial is an equivalent circuit model established through the Composite Right / Left Handed Transmission Line (CRLH-TL), and is widely applied in RF and microwave technologies such as circuit devices, antennas, and radio refraction.

종래의 메타물질에 기반을 둔 영차 모드 공진형 안테나는 2000년 대 이후로 초소형 안테나 및 다중입력 다중출력용 안테나로 사용되기 위해 연구와 개발이 이루어지고 있다. 메타물질 영차 모드 공진형 안테나는 이미 알려진 바와 같이 단위격자로 불리는 구조의 주기적인 배열에 기반을 두고 있다. 즉, 단위격자의 구현과 그 배열을 통해 영자 모드 공진형 안테나로 설계가 가능하다. The zero difference mode resonant antenna based on the conventional metamaterial has been researched and developed to be used as a micro antenna and a multi-input multi-output antenna since the 2000s. Metamaterial zero-mode resonant antennas are based on a periodic arrangement of structures called unit grids, as is known. That is, it is possible to design a zero-mode resonant antenna through the implementation of the unit grid and its arrangement.

뿐만 아니라, 단위격자의 등가회로를 통해, 동작시키고자 하는 무선주파수를 쉽게 구현할 수 있는 설계기법은 이미 널리 알려진 사실이다. 따라서, 등가회로의 적절한 선택과 그와 동등한 물리적 단위격자를 구현하면, 영차 모드 공진형 안테나는 안테나의 등가회로 성분에 의하여, 소형으로 구현이 가능하다는 장점을 가지고 있다. In addition, a design technique that can easily implement the radio frequency to operate through the equivalent circuit of the unit grid is well known fact. Therefore, if the proper selection of the equivalent circuit and the equivalent physical unit grid are implemented, the zero-order mode resonant antenna has an advantage that it can be miniaturized by the equivalent circuit component of the antenna.

메타물질 영차 모드 공진형 안테나는 그 전기적인 특성이 안테나의 주기적인 단위격자 구조에 의해 좌우된다. 즉, 소형으로 구현하기 위해 설계된 등가회로의 각각 성분들의 값은 소형으로 구현하기 위해 적합하지만, 동작주파수 대역이 협소하고 안테나 방사효율이 매우 낮은 문제점을 안고 있다. The metamaterial zero order mode resonant antenna has an electrical characteristic that depends on the periodic unit lattice structure of the antenna. That is, although the values of the respective components of the equivalent circuit designed for small size are suitable for small size, they have problems of narrow operating frequency band and very low antenna radiation efficiency.

이와 같이 종래 안테나 방사효율이 낮은 이유는 작은 안테나 크기, 인위적으로 구현된 등가회로에 의한 추가 손실, 인위적으로 메타물질을 구현하기 위한 기판에 의한 부적합한 회로성분 선택 등에 기인한다.The reason why the conventional antenna radiation efficiency is low is due to a small antenna size, additional loss caused by an artificially implemented equivalent circuit, and inappropriate circuit component selection by a substrate for artificially implementing metamaterials.

종래의 육각형 패치 모양을 갖는 메타물질의 단위 격자 구조와 1차원 CRLH 전송선으로 표현된 등가회로에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.The conventional unit grid structure of the metamaterial having a hexagonal patch shape and an equivalent circuit represented by a one-dimensional CRLH transmission line will be briefly described as follows.

상기 단위 격자 구조는 일반적으로 무한 임피던스 접지면으로 이용되는 Electromagnetic Band-Gap(EBG) 구조를 사용하였다[D. Sievenpiper, L. Zhang, R.F.J. Broas, N.G. Alexpolous, and E. Yablonovitch, "High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 47, no. 11, pp. 2059-2074, Nov. 1999.].The unit lattice structure uses an electromagnetic band-gap (EBG) structure that is generally used as an infinite impedance ground plane [D. Sievenpiper, L. Zhang, R. F. J. Broas, N.G. Alexpolous, and E. Yablonovitch, "High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 47, no. 11, pp. 2059-2074, Nov. 1999.].

이러한 단위 격자 구조는 무한 임피던스 접지면 뿐만 아니라, CRLH 전송선으로 널이 이용된다[A. Sanada, K. Murakami, I. Awai, H. Kubo, C. Caloz, and T. Itoh, " A planar zeroth-order resonator antenna using a left-handed transmission line,"in Proc. 34th Eur. Microw. Conf., Amsterdam, The Netherlands, Oct. 2004, pp. 1341-1344.].This unit grid structure uses nulls as CRLH transmission lines as well as infinite impedance ground planes [A. Sanada, K. Murakami, I. Awai, H. Kubo, C. Caloz, and T. Itoh, "A planar zeroth-order resonator antenna using a left-handed transmission line," in Proc. 34th Eur. Microw. Conf., Amsterdam, The Netherlands, Oct. 2004, pp. 1341-1344.].

상기 단위 격자 구조(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 육각형 모양의 금속 패치에 해당하는 소정 길이(d)의 마이크로스트립 전송선(1)과 상기 육각형 모양의 금속 패치 사이의 이격거리(g)의 1/2에 해당하는 공간면(2), 그리고 금속 패치면과 접지면을 연결해 주는 직경 2r을 가지는 수직 비아(3)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the unit grid structure 10 has a distance g between a microstrip transmission line 1 having a predetermined length d corresponding to a general hexagonal metal patch and the hexagonal metal patch. It consists of a vertical plane (3) having a space surface (2) corresponding to 1/2 of) and a diameter 2r connecting the metal patch surface and the ground surface.

상기와 같은 단위 격자 구조(10)가 주기적으로 배열됨으로써 영차 공진 안테나를 구성할 수 있고, 상기 단위 격자 구조(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 전송선 특성에 의한 단위 직렬 인덕턴스(LR)와 단위 병렬 캐패시턴스(CR), 금속 패치 사이의 공간(g)의 결합에 의한 단위 직렬 캐패시턴스(CL)와 수직 비아에 의한 단위 병렬 인덕턴스(LL)로 표현될 수 있다.The unit grid structure 10 as described above may be periodically arranged to form a zero order resonant antenna, and the unit grid structure 10 may have a unit series inductance L R based on transmission line characteristics as shown in FIG. 2. The unit parallel capacitance C R , the unit series capacitance C L by the coupling of the space g between the metal patches, and the unit parallel inductance L L due to the vertical vias.

그런데, 이와 같은 단위 격자 구조가 주기적으로 배열되어 형성되는 영차 공진 안테나는 소형의 안테나 설계에는 적합하지만 여러가지 원인으로 인하여 안테나 방사 효율이 낮고 안테나 이득이 낮은 단점을 여전히 가지고 있다.
However, the zero-order resonant antenna formed by periodically arranging such unit lattice structures is suitable for a small antenna design, but still has disadvantages of low antenna radiation efficiency and low antenna gain due to various causes.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 메타물질 영차 모드 공진형 안테나를 구성하는 단위 격자의 접지면에 주기적인 다각형 슬롯을 구비시켜 안테나 등가회로의 병렬 캐패시턴스 성분을 줄임으로써, 안테나의 방사 효율을 대폭 증가시킬 수 있는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art as described above, by providing a periodic polygon slot in the ground plane of the unit lattice constituting the metamaterial zero-mode resonant antenna to reduce the parallel capacitance component of the antenna equivalent circuit It is an object of the present invention to provide a zero-order resonant antenna having a slot capable of greatly increasing the radiation efficiency of the antenna.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나를 이루는 구성수단은, 다각형 슬롯들을 구비한 접지면과, 상기 다각형 슬롯들을 구비한 접지면에 대향되도록 배치되되, 서로 이격 거리(g)만큼 떨어져 배치되는 복수개의 다각형 도전성 패치 및 상기 각 다각형 도전성 패치를 상기 접지면에 전기적으로 연결하는 도전성 수직 비아를 포함하되, 상기 다각형 도전성 패치의 각 모서리로부터 g/2만큼 확장된 모서리들로 형성되는 제1 다각형 면과 이 제1 다각형 면을 상기 다각형 슬롯들을 구비한 접지면에 투영시켜 형성되는 제2 다각형 면을 통하여 구성되는 다각형의 단위 격자가 복수개 배열되어 형성되고, 상기 각 다각형의 단위 격자를 구성하는 상기 제2 다각형 면에는 상기 다각형 슬롯들 중 적어도 두 개 이상의 슬롯들의 각 일부 면이 포함되는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the constituent means for forming a zero-order resonant antenna having a slot according to the present invention is disposed to face a ground plane having polygonal slots and a ground plane having the polygonal slots, and spaced apart from each other. A plurality of polygonal conductive patches disposed apart by a distance g and conductive vertical vias electrically connecting the respective polygonal conductive patches to the ground plane, the edges extending by g / 2 from each corner of the polygonal conductive patch; A plurality of polygonal unit grids formed through a first polygonal surface formed of a plurality of polygons and a second polygonal surface formed by projecting the first polygonal surface onto a ground plane having the polygonal slots are formed and arranged. At least two of the polygon slots may be formed on the second polygon surface forming a unit grid of It characterized in that the part includes the respective surfaces of the Lot.

또한, 상기 다각형의 각 단위 격자는 정사각형의 단위 격자이고, 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들은 정사각형이며, 상기 제2 다각형 면에는 4개의 정사각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 정사각형의 각 단위 격자의 꼭지점과 상기 각 정사각형의 슬롯들의 중심점이 수직선 상에 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.In addition, each unit grid of the polygon is a square unit grid, the polygon slots provided in the ground plane is a square, the second polygon surface includes each of the partial surface of the four square slots, each unit of the square It is characterized in that the vertex of the lattice and the center point of each of the square slots are formed to match on the vertical line.

또한, 상기 다각형의 각 단위 격자는 정육각형의 단위 격자이고, 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들은 정삼각형이며, 상기 제2 다각형 면에는 6개의 정삼각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 정육각형의 각 단위 격자의 꼭지점과 상기 각 정삼각형 슬롯들의 중심점이 수직선 상에 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, each unit grid of the polygon is a regular hexagonal unit grid, the polygon slots provided in the ground plane is an equilateral triangle, the second polygonal surface includes each of the partial faces of the six equilateral triangle slots, each unit of the regular hexagon It is characterized in that the vertex of the grid and the center point of each of the equilateral triangle slots are formed to match on the vertical line.

또한, 상기 다각형의 각 단위 격자는 정육각형의 단위 격자이고, 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들은 정육각형이며, 상기 제2 다각형 면에는 6개의 정육각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 각각의 정육각형 슬롯들의 1/2 면이 상기 제2 다각형 면에 포함되는 것을 특징으로 한다.In addition, each unit grid of the polygon is a regular hexagonal unit grid, the polygon slots provided in the ground plane is a regular hexagon, the second polygonal surface includes a portion of each of the six regular hexagonal slots, each of the regular hexagonal slots The half face of the is characterized in that included in the second polygon face.

여기서, 상기 단위 격자에 대한 1차원 CRLH(composite right/left-handed) 전송선으로 표현된 등가회로는 상기 다각형 도전성 패치에 의한 단위 직렬 인덕턴스(LR), 상기 다각형 도전성 패치와 접지면에 의한 단위 병렬 캐패시턴스(CR), 상기 이격 거리(g)에 의한 단위 직렬 캐패시턴스(CL), 상기 도전성 수직 비아에 의한 단위 병렬 인덕턴스(LL), 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들에 기인하여 상기 단위 직렬 인덕턴스(LR)에 병렬 연결되는 부가 캐패시턴스(CSG) 및 상기 단위 병렬 인덕턴스(LL)에 직렬 연결되는 부가 인덕턴스(LP)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
Here, an equivalent circuit represented by a one-dimensional composite right / left-handed transmission line for the unit grid includes unit series inductance (L R ) by the polygon conductive patch, unit parallel by the polygon conductive patch and the ground plane. The unit due to capacitance (C R ), unit series capacitance (C L ) by the separation distance (g), unit parallel inductance (L L ) by the conductive vertical vias, and polygonal slots provided in the ground plane An additional capacitance C SG connected in parallel to the series inductance L R and an additional inductance L P connected in series to the unit parallel inductance L L may be used.

상기와 같은 과제 및 해결 수단을 가지는 본 발명인 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나에 의하면, 메타물질 영차 모드 공진형 안테나를 구성하는 단위 격자의 접지면에 주기적인 다각형 슬롯을 구비시켜 안테나 등가회로의 병렬 캐패시턴스 성분을 줄일 수 있기 때문에, 전기에너지를 방사에너지로 쉽게 변환시킬 수 있고, 결과적으로 안테나의 방사 효율을 대폭 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
According to the zero-order resonant antenna with a slot according to the present invention having the above-described problems and solving means, the parallel capacitance of the antenna equivalent circuit by providing a periodic polygon slot in the ground plane of the unit grid constituting the metamaterial zero-mode resonant antenna Since the components can be reduced, electrical energy can be easily converted into radiant energy, and consequently, the radiation efficiency of the antenna can be greatly increased.

도 1은 일반적인 CRLH 전송선 메타물질의 단위 격자 구조를 보여주는 평면도이다.
도 2는 일반적인 CRLH 전송선 메타물질의 단위 격자 구조가 CRLH 전송선으로 표현된 등가회로도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나를 구성하는 단위 격자의 전송선 이론으로 추출한 등가회로도이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나에서의 슬롯의 길이에 따른 공진주파수 변화 정도를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 적용되는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나에서의 슬롯의 길이에 따른 Q-factor의 변화 정도를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 사진이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 사진이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 사진이다.1 is a plan view showing a unit lattice structure of a general CRLH transmission line metamaterial.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a unit grid structure of a general CRLH transmission line metamaterial.
3 is a block diagram of a zero-order resonant antenna with a slot according to a first embodiment of the present invention.
4 is a configuration diagram of a zero-order resonant antenna having a slot according to a second exemplary embodiment of the present invention.
5 is a configuration diagram of a zero-order resonant antenna having a slot according to a third exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram extracted from a transmission line theory of a unit grid constituting a zero-order resonant antenna having a slot according to an exemplary embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the degree of change in the resonance frequency according to the length of the slot in the zero-order resonant antenna with a slot applied to the present invention.
8 is a graph showing the degree of change of the Q-factor according to the length of the slot in the zero-order resonant antenna with a slot applied to the present invention.
9 is a photograph of a zero-order resonant antenna having a slot according to a first embodiment of the present invention.
10 is a photograph of a zero-order resonant antenna with a slot according to a second embodiment of the present invention.
11 is a photograph of a zero-order resonant antenna having a slot according to a third exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of a zero-order resonant antenna provided with a slot of the present invention having the above problems, solutions and effects.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 주요 구성도이다. 구체적으로, 도 3의 (a)는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 평면도이고, 도 3의 (b)는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나를 구성하는 다각형의 단위 격자의 투명 사시도이다.3 is a main configuration diagram of a zero-order resonant antenna with a slot according to the first embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 3A is a plan view of a zero-order resonant antenna provided with a slot, and FIG. 3B is a transparent perspective view of a polygonal unit grid constituting a zero-order resonant antenna provided with a slot.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나(100)는 다각형 슬롯(15)들을 구비한 접지면(10)과, 상기 다각형 슬롯(15)들을 구비한 접지면(10)에 대향되도록 배치되는 복수개의 다각형 도전성 패치(20)들을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 3, the zero-order resonant antenna 100 having a slot according to the first embodiment of the present invention includes a ground plane 10 having polygonal slots 15, and the polygon slots 15. It comprises a plurality of polygonal conductive patches 20 disposed to face the ground plane 10 provided.

여기서, 상기 복수개의 다각형 도전성 패치(20)들은 서로 이격 거리(g)만큼 떨어져 배치되어, 규칙성을 띄면서 주기적으로 배열된다. 한편, 상기 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나(100)는 상기 각 다각형 도전성 패치(20)들과 상기 접지면(10)을 전기적으로 연결하기 위한 도전성 수직 비아(30)를 포함한다.Here, the plurality of polygonal conductive patches 20 are spaced apart from each other by a distance g, and are arranged periodically with regularity. Meanwhile, the zero-order resonant antenna 100 having the slot includes a conductive vertical via 30 for electrically connecting the polygonal conductive patches 20 and the ground plane 10.

상기 도전성 수직 비아(30)는 일단이 상기 각각의 다각형 도전성 패치의 일면에 접촉되고, 타단은 상기 다각형 슬롯(15)들을 구비한 접지면(10)에 접촉되어 형성된다.One end of the conductive vertical via 30 is formed in contact with one surface of each polygonal conductive patch, and the other end is in contact with the ground plane 10 having the polygonal slots 15.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명인 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 다각형의 단위 격자(50)가 복수개 배열되어 형성된다. 즉, 입체 형상을 가지는 상기 다각형의 단위 격자(50)가 일정한 방향으로 배열되어 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나를 구성한다.As shown in FIG. 3, the quadratic resonant antenna 100 having a slot according to the present invention having the configuration as described above is formed by arranging a plurality of polygonal unit grids 50. That is, the polygonal unit grid 50 having a three-dimensional shape is arranged in a constant direction to form a zero-order resonant antenna having a slot.

상기 각 다각형의 단위 격자(50)는 상기 다각형 도전성 패치(20)의 각 모서리들로부터 g/2만큼 확장(연장)되어 형성된 모서리들이 서로 연결되어 형성되는 제1 다각형 면(도 3의 (b)에서 다각형 도전성 패치의 면을 포함하는 다각형 단위 격자(50)의 상부면에 해당함)과, 이 제1 다각형 면을 상기 다각형 슬롯(15)들을 구비한 접지면(10)에 투영시켜 형성되는 제2 다각형 면(도 3의 (b)에서 복수개의 다각형 슬롯(15)들을 포함하는 접지면(10)의 일부로 구성되는 다각형 단위 격자(50)의 하부면에 해당함)을 통하여 구성된다.The polygonal unit grid 50 of the polygonal conductive patch 20 is a first polygonal surface formed by connecting the edges formed by extending (extended) by g / 2 from each corner of the polygonal conductive patch 20 (Fig. 3 (b) Corresponding to the upper surface of the polygonal unit grid 50 including the surface of the polygonal conductive patch in FIG. 2, and a second polygonal surface formed by projecting the first polygonal surface onto the ground plane 10 having the polygonal slots 15. It is configured through the polygon face (corresponding to the lower face of the polygonal unit grid 50 composed of part of the ground plane 10 including the plurality of polygon slots 15 in FIG. 3 (b)).

즉, 상기 각 다각형의 단위 격자(50)는 도 3의 (b)에서 다각형 도전성 패치의 면을 포함하는 다각형 단위 격자(50)의 상부면에 해당하는 제1 다각형 면과 이 제1 다각형 면이 상기 다각형 슬롯들을 포함하는 접지면(10)에 수직으로 투영되어 형성되는 제2 다각형 면을 각각 상부면 및 하부면으로 하여 구성되는 입체 형상의 다각형 격자이다.That is, the unit grid 50 of each polygon has a first polygonal surface corresponding to the upper surface of the polygonal unit grid 50 including the surface of the polygonal conductive patch in FIG. It is a three-dimensional polygonal grid composed of a top surface and a bottom surface of the second polygonal surface formed by projecting perpendicular to the ground plane 10 including the polygon slots, respectively.

상기 각 다각형의 단위 격자(50)를 구성하는 상기 제2 다각형 면은 상기 접지면(10)의 일부에 해당되되, 상기 제2 다각형 면에는 상기 접지면(10)에 구비되는 상기 다각형 슬롯(15)들 중, 적어도 두 개 이상의 슬롯들의 면을 포함하고, 이 제2 다각형 면에 포함되는 각 슬롯들은 전체의 면이 아닌 일부 면이 포함된다. 즉, 상기 각 다각형의 단위 격자(50)를 구성하는 상기 제2 다각형 면(각 다각형 단위(50)의 격자를 구성하는 하부면)에는 상기 다각형 슬롯들 중, 적어도 두 개 이상의 슬롯들의 각 일부면이 포함된다.The second polygonal surface constituting the unit grid 50 of each polygon corresponds to a part of the ground plane 10, and the polygonal slot 15 is provided on the ground plane 10 in the second polygonal plane. ), Each slot includes at least two slots, and each of the slots included in the second polygonal face includes a part rather than an entire face. That is, each partial surface of at least two or more slots among the polygon slots may be formed on the second polygonal surface constituting the unit grid 50 of each polygon (the lower surface constituting the grid of each polygonal unit 50). This includes.

도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A zero-order resonant antenna having a slot according to the first embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 3.

상기 다각형의 각 단위 격자(50)를 구성하는 상기 제1 다각형 면에 포함되는 상기 다각형 도전성 패치(20)는 정사각형 도전성 패치이다. 따라서, 상기 정사각형 도전성 패치(20)의 각 모서리가 정사각형의 바깥쪽 수직 방향으로 g(다각형 전도성 패치 사이의 이격 거리)/2만큼 연장된 각 연장 모서리들을 연결하여 형성되는 제1 다각형 면도 정사각형 면을 이룬다.The polygonal conductive patch 20 included in the first polygonal surface constituting each unit grid 50 of the polygonal is a square conductive patch. Accordingly, the first polygon shaving square surface formed by connecting the respective extending edges of each of the square conductive patches 20 extending by g (separation distance between the polygonal conductive patches) / 2 in the outer vertical direction of the square Achieve.

또한, 상기 제1 다각형 면을 상기 접지면(10)에 투영시켜 형성되는 제2 다각형 면도 정사각형 면을 이루고, 결과적으로, 상기 제1 다각형 면 및 제2 다각형 면을 상부면 및 하부면으로 하여 형성되는 상기 다각형의 각 단위 격자(50) 역시 정사각형의 단위 격자(50)가 된다.In addition, a second polygon shaved square surface is formed by projecting the first polygon surface onto the ground plane 10, and as a result, the first polygon surface and the second polygon surface are formed as upper and lower surfaces. Each unit grid 50 of the polygon also becomes a square unit grid 50.

한편, 상기 접지면(10)에 구비된 다각형 슬롯들 역시 정사각형이다. 다만, 상기 제2 다각형 면(복수개의 슬롯들 각각의 일부면을 포함함)에는 4개의 정사각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 정사각형의 각 단위 격자의 꼭지점과 상기 각 정사각형의 슬롯들의 중심점이 수직선 상에 일치되도록 형성된다.Meanwhile, the polygon slots provided in the ground plane 10 are also square. However, the second polygonal surface (including a partial surface of each of the plurality of slots) includes each partial surface of four square slots, wherein a vertex of each unit grid of the square and a center point of each of the square slots are included. It is formed to coincide with the vertical line.

결과적으로, 하나의 정사각형 단위 격자(50)를 구성하는 제2 다각형 면에는 도 3에 도시된 바와 같이, 4 개의 정사각형 슬롯들 각각의 일부면이 포함된다. 즉 각 정사각형 슬롯의 1/4 면을 상기 제2 다각형 면이 포함한다(정사각형 슬롯의 한변의 길이가 L인 경우 한 변의 길이가 L/2인 정사각형 면이 상기 제2 다각형 면에 포함된다). 따라서, 상기 제2 다각형 면 중, 상기 정사각형 슬롯의 면에 해당되지 않는 부분은 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 십자형의 접지 도전층(17) 면에 해당된다.
As a result, the second polygonal surface constituting one square unit grid 50 includes a partial surface of each of the four square slots, as shown in FIG. 3. That is, the second polygonal plane includes a quarter face of each square slot (when the length of one side of the square slot is L, the square face of one side of L / 2 is included in the second polygonal face). Therefore, the portion of the second polygonal surface that does not correspond to the surface of the square slot corresponds to the cross-shaped ground conductive layer 17 surface as shown in FIG.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 주요 구성도이다. 구체적으로, 도 4의 (a)는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 평면도이고, 도 4의 (b)는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나를 구성하는 다각형의 단위 격자의 투명 사시도이다.4 is a main configuration diagram of a zero-order resonant antenna having a slot according to a second exemplary embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 4A is a plan view of a zero-order resonant antenna provided with a slot, and FIG. 4B is a transparent perspective view of a polygonal unit grid constituting a zero-order resonant antenna provided with a slot.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나(100)는 다각형 슬롯(15)들을 구비한 접지면(10)과, 상기 다각형 슬롯(15)들을 구비한 접지면(10)에 대향되도록 배치되는 복수개의 다각형 도전성 패치(20)들을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 4, the zero-order resonant antenna 100 having a slot according to the second embodiment of the present invention includes a ground plane 10 having polygonal slots 15, and the polygon slots 15. It comprises a plurality of polygonal conductive patches 20 disposed to face the ground plane 10 provided.

여기서, 상기 복수개의 다각형 도전성 패치(20)들은 서로 이격 거리(g)만큼 떨어져 배치되어, 규칙성을 띄면서 주기적으로 배열된다. 한편, 상기 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나(100)는 상기 각 다각형 도전성 패치(20)들과 상기 접지면(10)을 전기적으로 연결하기 위한 도전성 수직 비아(30)를 포함한다.Here, the plurality of polygonal conductive patches 20 are spaced apart from each other by a distance g, and are arranged periodically with regularity. Meanwhile, the zero-order resonant antenna 100 having the slot includes a conductive vertical via 30 for electrically connecting the polygonal conductive patches 20 and the ground plane 10.

상기 도전성 수직 비아(30)는 일단이 상기 각각의 다각형 도전성 패치의 일면에 접촉되고, 타단은 상기 다각형 슬롯(15)들을 구비한 접지면(10)에 접촉되어 형성된다.One end of the conductive vertical via 30 is formed in contact with one surface of each polygonal conductive patch, and the other end is in contact with the ground plane 10 having the polygonal slots 15.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명인 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 다각형의 단위 격자(50)가 복수개 배열되어 형성된다. 즉, 입체 형상을 가지는 상기 다각형의 단위 격자(50)가 일정한 방향으로 배열되어 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나를 구성한다.In the zero order resonant antenna 100 having a slot of the present invention having the above configuration, as shown in FIG. 4, a plurality of polygonal unit grids 50 are arranged. That is, the polygonal unit grid 50 having a three-dimensional shape is arranged in a constant direction to form a zero-order resonant antenna having a slot.

상기 각 다각형의 단위 격자(50)는 상기 다각형 도전성 패치(20)의 각 모서리들로부터 g/2만큼 확장(연장)되어 형성된 모서리들이 서로 연결되어 형성되는 제1 다각형 면(도 4의 (b)에서 다각형 도전성 패치의 면을 포함하는 다각형 단위 격자(50)의 상부면에 해당함)과, 이 제1 다각형 면을 상기 다각형 슬롯(15)들을 구비한 접지면(10)에 투영시켜 형성되는 제2 다각형 면(도 4의 (b)에서 복수개의 다각형 슬롯(15)들을 포함하는 접지면(10)의 일부로 구성되는 다각형 단위 격자(50)의 하부면에 해당함)을 통하여 구성된다.The polygonal unit grid 50 of the polygonal conductive patch 20 is the first polygonal surface formed by connecting the edges formed by extending (extended) by g / 2 from each corner of the polygonal conductive patch 20 (Fig. 4 (b) Corresponding to the upper surface of the polygonal unit grid 50 including the surface of the polygonal conductive patch in FIG. 2, and a second polygonal surface formed by projecting the first polygonal surface onto the ground plane 10 having the polygonal slots 15. It is configured through the polygon face (corresponding to the lower face of the polygonal unit grid 50 composed of part of the ground plane 10 including the plurality of polygon slots 15 in FIG. 4 (b)).

즉, 상기 각 다각형의 단위 격자(50)는 도 4의 (b)에서 다각형 도전성 패치의 면을 포함하는 다각형 단위 격자(50)의 상부면에 해당하는 제1 다각형 면과 이 제1 다각형 면이 상기 다각형 슬롯들을 포함하는 접지면(10)에 수직으로 투영되어 형성되는 제2 다각형 면을 각각 상부면 및 하부면으로 하여 구성되는 입체 형상의 다각형 격자이다.That is, the unit grid 50 of each polygon has a first polygonal surface corresponding to the upper surface of the polygonal unit grid 50 including the surface of the polygonal conductive patch in FIG. 4 (b) and the first polygonal surface. It is a three-dimensional polygonal grid composed of a top surface and a bottom surface of the second polygonal surface formed by projecting perpendicular to the ground plane 10 including the polygon slots, respectively.

상기 각 다각형의 단위 격자(50)를 구성하는 상기 제2 다각형 면은 상기 접지면(10)의 일부에 해당되되, 상기 제2 다각형 면에는 상기 접지면(10)에 구비되는 상기 다각형 슬롯(15)들 중, 적어도 두 개 이상의 슬롯들의 면을 포함하고, 이 제2 다각형 면에 포함되는 각 슬롯들은 전체의 면이 아닌 일부 면이 포함된다. 즉, 상기 각 다각형의 단위 격자(50)를 구성하는 상기 제2 다각형 면(각 다각형 단위(50)의 격자를 구성하는 하부면)에는 상기 다각형 슬롯들 중, 적어도 두 개 이상의 슬롯들의 각 일부면이 포함된다.The second polygonal surface constituting the unit grid 50 of each polygon corresponds to a part of the ground plane 10, and the polygonal slot 15 is provided on the ground plane 10 in the second polygonal plane. ), Each slot includes at least two slots, and each of the slots included in the second polygonal face includes a part rather than an entire face. That is, each partial surface of at least two or more slots among the polygon slots may be formed on the second polygonal surface constituting the unit grid 50 of each polygon (the lower surface constituting the grid of each polygonal unit 50). This includes.

도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The zero-order resonant antenna having a slot according to the second embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 4.

상기 다각형의 각 단위 격자(50)를 구성하는 상기 제1 다각형 면에 포함되는 상기 다각형 도전성 패치(20)는 정육각형 도전성 패치이다. 따라서, 상기 정육각형 도전성 패치(20)의 각 모서리가 정육각형의 바깥쪽 수직 방향으로 g(다각형 전도성 패치 사이의 이격 거리)/2만큼 연장된 각 연장 모서리들을 연결하여 형성되는 제1 다각형 면도 정육각형 면을 이룬다.The polygonal conductive patch 20 included in the first polygonal surface constituting each unit grid 50 of the polygonal is a regular hexagonal conductive patch. Accordingly, the first polygon shaving regular hexagon surface formed by connecting each of the corners extending from each corner of the regular hexagon conductive patch 20 extending by g (the separation distance between the polygonal conductive patches) / 2 in the outer vertical direction of the regular hexagon Achieve.

또한, 상기 제1 다각형 면을 상기 접지면(10)에 투영시켜 형성되는 제2 다각형 면도 정육각형 면을 이루고, 결과적으로, 상기 제1 다각형 면 및 제2 다각형 면을 상부면 및 하부면으로 하여 형성되는 상기 다각형의 각 단위 격자(50) 역시 정육각형의 단위 격자(50)가 된다.Further, a second polygon shaving regular hexagon surface formed by projecting the first polygon surface onto the ground plane 10 is formed, and as a result, the first polygon surface and the second polygon surface are formed as upper and lower surfaces. Each unit grid 50 of the polygon also becomes a regular hexagonal unit grid 50.

한편, 상기 접지면(10)에 구비된 다각형 슬롯들은 정삼각형이다. 다만, 상기 제2 다각형 면(복수개의 슬롯들 각각의 일부면을 포함함)에는 6개의 정삼각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 정육각형의 각 단위 격자의 꼭지점과 상기 각 정삼각형의 슬롯들의 중심점이 수직선 상에 일치되도록 형성된다.Meanwhile, the polygon slots provided in the ground plane 10 are equilateral triangles. However, the second polygonal surface (including a partial surface of each of the plurality of slots) includes each partial surface of six equilateral triangle slots, and a vertex of each unit grid of the regular hexagon and a center point of the slots of the equilateral triangles It is formed to coincide with the vertical line.

결과적으로, 하나의 정육각형 단위 격자(50)를 구성하는 제2 다각형 면에는 도 4에 도시된 바와 같이, 6 개의 정삼각형 슬롯들 각각의 일부면이 포함된다. 즉 각 정삼각형 슬롯의 1/3 면을 상기 제2 다각형 면이 포함한다(정삼각형 슬롯의 한변의 길이가 L인 경우 길이가 L/2인 두 개의 변과, 상기 정삼각형 슬롯의 중심점과 상기 정삼각형의 두 개의 변과 상기 제2 다각형의 변들과 각각 수직으로 만나는 점을 잇는 두 개의 변들로 구성되는 마름모 면이 상기 제2 다각형 면에 포함된다).As a result, the second polygonal surface constituting one regular hexagonal unit grid 50 includes a partial surface of each of the six equilateral triangle slots as shown in FIG. 4. That is, the second polygonal surface includes one third surface of each equilateral triangle slot (two sides of length L / 2 when one side of the equilateral triangle slot is L, two centers of the equilateral triangle slot, and two equilateral triangles) The second polygon face includes a rhombus face consisting of two sides connecting two sides and a point perpendicular to the sides of the second polygon.

따라서, 상기 제2 다각형 면 중, 상기 정삼각형 슬롯의 면에 해당되지 않는 부분은 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 접지 도전층(17) 면에 해당된다.
Accordingly, a portion of the second polygonal surface that does not correspond to the surface of the equilateral triangle slot corresponds to the surface of the ground conductive layer 17 as illustrated in FIG. 4B.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나를 구성하는 다각형의 단위 격자에 대한 평면도이다.5 is a plan view of a polygonal unit grid constituting a zero-order resonant antenna having a slot according to a third exemplary embodiment of the present invention.

상기 도 5에 도시된 다각형의 단위 격자가 주기적으로 배열되어 형성되는 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나의 전체적인 구성은 상기 도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나의 구성과 유사하다. 따라서, 이하에서는 도 4에 도시된 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나와 다른 구성상 특징과 도 5에 도시된 핵심적인 구성에 대해서만 설명하겠다.The overall configuration of a zero-order resonant antenna having slots in which the polygonal unit grids illustrated in FIG. 5 are periodically arranged is zero-zero resonance having a slot according to the second embodiment of the present invention described with reference to FIG. 4. Similar to the configuration of the antenna. Therefore, hereinafter, only the configuration features different from the zero-order resonant antenna having the slot shown in FIG. 4 and the essential configuration shown in FIG. 5 will be described.

도 5를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 슬롯을 구비한 영차 공진 안테나에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A zero-order resonant antenna having a slot according to a third embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 5.

상기 다각형의 각 단위 격자(50)를 구성하는 상기 제1 다각형 면에 포함되는 상기 다각형 도전성 패치(20)는 정육각형 도전성 패치이다. 따라서, 상기 정육각형 도전성 패치(20)의 각 모서리가 정육각형의 바깥쪽 수직 방향으로 g(다각형 전도성 패치 사이의 이격 거리)/2만큼 연장된 각 연장 모서리들을 연결하여 형성되는 제1 다각형 면도 정육각형 면을 이룬다.The polygonal conductive patch 20 included in the first polygonal surface constituting each unit grid 50 of the polygonal is a regular hexagonal conductive patch. Accordingly, the first polygon shaving regular hexagon surface formed by connecting each of the corners extending from each corner of the regular hexagon conductive patch 20 extending by g (the separation distance between the polygonal conductive patches) / 2 in the outer vertical direction of the regular hexagon Achieve.

또한, 상기 제1 다각형 면을 상기 접지면(10)에 투영시켜 형성되는 제2 다각형 면도 정육각형 면을 이루고, 결과적으로, 상기 제1 다각형 면 및 제2 다각형 면을 상부면 및 하부면으로 하여 형성되는 상기 다각형의 각 단위 격자(50) 역시 정육각형의 단위 격자(50)가 된다.Further, a second polygon shaving regular hexagon surface formed by projecting the first polygon surface onto the ground plane 10 is formed, and as a result, the first polygon surface and the second polygon surface are formed as upper and lower surfaces. Each unit grid 50 of the polygon also becomes a regular hexagonal unit grid 50.

한편, 상기 접지면(10)에 구비된 다각형 슬롯들은 정육각형이다. 다만, 상기 제2 다각형 면(복수개의 슬롯들 각각의 일부면을 포함함)에는 6개의 정육각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 정육각형인 제2 다각형 면의 각 변과 상기 정육각형의 각 슬롯을 구성하는 꼭지점들 중, 서로 마주보고 있는 꼭지점을 잇는 선분이 일치되도록 형성된다.Meanwhile, the polygon slots provided in the ground plane 10 are regular hexagons. However, the second polygonal surface (including a partial surface of each of the plurality of slots) includes each partial surface of six regular hexagonal slots, and each side of the regular polygonal second polygonal surface and each slot of the regular hexagon Of the vertices constituting, the segments connecting the vertices facing each other are formed to match.

결과적으로, 하나의 정육각형 단위 격자(50)를 구성하는 제2 다각형 면에는 도 5에 도시된 바와 같이, 6 개의 정육각형 슬롯들 각각의 일부면이 포함된다. 즉 각 정육각형 슬롯들의 1/2 면을 상기 제2 다각형 면이 포함한다(정육각형 슬롯의 꼭지점들 중, 서로 마주보고 있는 꼭지점을 있는 선분과 상기 제2 다각형의 각 변이 일치되도록 함으로써, 상기 정육각형 슬롯 면 중, 1/2면에 해당하는 마름모 면이 상기 제2 다각형 면에 포함된다).As a result, the second polygonal surface constituting one regular hexagonal unit grid 50 includes a partial surface of each of the six regular hexagonal slots as shown in FIG. 5. That is, the second polygonal face includes half of each regular hexagon slot (the regular hexagonal slot face of each of the vertices of the regular hexagonal slot is aligned so that the sides of the second polygon coincide with each other. Among them, a rhombus face corresponding to 1/2 face is included in the second polygon face).

따라서, 상기 제2 다각형 면 중, 상기 정육각형 슬롯의 면에 해당되지 않는 부분은 도 5에 도시된 바와 같이, 접지 도전층(17) 면에 해당된다.
Therefore, a portion of the second polygonal surface not corresponding to the surface of the regular hexagonal slot corresponds to the surface of the ground conductive layer 17 as illustrated in FIG. 5.

도 6은 상술한 제1 내지 제3 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나를 구성하는 각 단위 격자의 전송선 이론으로 추출한 등가회로도이다.FIG. 6 is an equivalent circuit diagram extracted from the transmission line theory of each unit grid constituting a zero-order resonant antenna with a slot according to the first to third embodiments.

도 6에 도시된 바와 같이, 상술한 단위 격자에 대한 1차원 CRLH(composite right/left-handed) 전송선으로 표현된 등가회로는 도 2를 참조하여 설명한 기존의 단위 격자를 CRLH 전송선으로 표현한 등가회로와 상이하다.As shown in FIG. 6, the equivalent circuit represented by the one-dimensional composite right / left-handed (CRLH) transmission line for the above-described unit grid includes an equivalent circuit representing the existing unit grid described with reference to FIG. 2 as a CRLH transmission line. It is different.

즉, 상기 다각형 도전성 패치에 의한 단위 직렬 인덕턴스(LR), 상기 다각형 도전성 패치와 접지면에 의한 단위 병렬 캐패시턴스(CR), 상기 이격 거리(g)에 의한 단위 직렬 캐패시턴스(CL), 상기 도전성 수직 비아에 의한 단위 병렬 인덕턴스(LL)를 포함할 뿐 아니라, 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들에 기인하여, 상기 단위 직렬 인덕턴스(LR)에 병렬 연결되는 부가 캐패시턴스(CSG) 및 상기 단위 병렬 인덕턴스(LL)에 직렬 연결되는 부가 인덕턴스(LP)를 더 포함하여 구성된다.That is, the unit series inductance L R by the polygon conductive patch, the unit parallel capacitance C R by the polygon conductive patch and the ground plane, the unit series capacitance C L by the separation distance g, An additional capacitance C SG not only including unit parallel inductance L L by conductive vertical vias, but also connected in parallel to the unit series inductance L R due to polygonal slots provided in the ground plane; The apparatus further includes an additional inductance L P connected in series with the unit parallel inductance L L.

한편, 상기 도 6에 도시된 등가회로와 전송선 이론에 의하여 슬롯의 길이(L)에 따른 공진 주파수 변화 정도와 안테나 방사에 영향을 미치는 품질 요소(quality-factor)의 상관 관계를 알아낼 수 있다.On the other hand, it is possible to find out the correlation between the degree of change in the resonance frequency according to the length L of the slot and the quality-factor affecting the antenna radiation by the equivalent circuit and transmission line theory shown in FIG. 6.

도 7은 본 발명의 제1 및 제2 실시예(정사각형 단위 격자에 정사각형 슬롯이 적용된 다각형의 단위 격자 및 정육각형 단위 격자에 정삼각형 슬롯이 적용된 다각형의 단위 격자에 관한 실시예)에서 설명한 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나를 구성하는 다각형의 단위 격자에서 슬롯의 길이에 따른 공진 주파수 변화 정도를 보여주는 그래프이다.7 is a view illustrating slots described in the first and second embodiments of the present invention (an embodiment of a polygonal unit grid in which a square slot is applied to a square unit grid and a polygonal unit grid in which an equilateral triangle slot is applied to a regular hexagonal unit grid). It is a graph showing the degree of change in resonant frequency according to slot length in a polygonal unit grid constituting a zero-order resonant antenna.

상기 공진 주파수 값(fsh)은 션트(shunt) 공진 소자들(CR 및 LP )가 슬롯 길이(L)에 의존하기 때문에 슬롯 길이에 따라 변한다. 상기 공진 주파수 값은 슬롯 사이즈가 감소함에 따라 CR에 기인하여 증가하고, 슬롯 사이즈가 증가함에 따라 LP에 기인하여 감소한다.The resonance frequency value (f sh) is because the shunt (shunt) resonant element (C R, and L P) depends on the slot length (L) changes according to the slot length. The resonance frequency value increases due to C R as the slot size decreases and decreases due to L P as the slot size increases.

그러나, 션트(shunt, 병렬) 공진의 정규화된 Q 요소(factor)는 도 8에 도시된 바와 같이, 슬롯 길이(L)에 비례하여 감소한다. 상기 병렬 공진의 Q 요소(factor)는 수식 1인 Q = 2πfshRlossCR로 표현된다. 여기서 Rloss는 병렬(shunt) 공진 회로로부터 발생하는 전력 손실이다.However, the normalized Q factor of the shunt resonance decreases in proportion to the slot length L, as shown in FIG. The Q factor of the parallel resonance is represented by Equation 1, Q = 2πf sh R loss C R. Where R loss is the power loss from the shunt resonant circuit.

상기 수식 1에서 상대적 Q 요소(factor)의 평가를 위하여 슬롯이 없을 때의 Q 요소인 Q0에 의하여 정규화된다. 상기 Q 요소는 도 6에 도시된 바와 같이, 부가되는 인덕턴스(LP)에 무관하게, 단지 병렬 캐패시턴스(CR)에 의하여 영향을 받는다.In Equation 1, Q is normalized to Q 0 when there is no slot for evaluation of relative Q factor. The Q factor is only affected by the parallel capacitance C R , as shown in FIG. 6, regardless of the added inductance L P.

이와 같이 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나에 적용되는 본 발명에서의 단위 격자는 방사 공진기의 작은 Q 요소가 병렬 공진 회로에서 많은 양의 방사 전자기 에너지를 유도하기 때문에 안테나 적용을 위한 방사 효율을 향상시킬 수 있다.As such, the unit grid of the present invention applied to the zero-order resonant antenna provided with the slot can improve the radiation efficiency for the antenna application because the small Q element of the radiation resonator induces a large amount of radiated electromagnetic energy in the parallel resonant circuit. have.

상기 도 7 및 도 8을 통하여 살펴본 바와 같이, 본 발명에 적용된 슬롯이 구비된 메타물질의 단위 격자는 슬롯에 의하여 방사 효율이 증가하는 요소를 가지는 것을 알 수 있고, 도 7을 통하여 원하는 소정의 공진 주파수 설계도 가능하다.As described above with reference to FIGS. 7 and 8, it can be seen that the unit lattice of the metamaterial having a slot applied to the present invention has an element in which radiation efficiency is increased by the slot. Frequency design is also possible.

도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 실제 사진이다. 도 9는 제1 실시예에 따라, 정사각형의 단위 격자에 정사각형 슬롯이 구비된 단위 격자가 적용된 안테나를 보여주고, 도 10은 제2 실시예에 따라, 정육각형 단위 격자에 정삼각형 슬롯이 구비된 단위 격자가 적용된 안테나를 보여주며, 도 11은 제3 실시예에 따라, 정육각형 단위 격자에 정육각형 슬롯이 구비된 단위 격자가 적용된 안테나를 보여준다.9 to 11 are actual pictures of the zero-order resonant antenna with a slot according to an embodiment of the present invention. FIG. 9 illustrates an antenna to which a unit grid including a square slot is provided in a square unit grid according to a first embodiment, and FIG. 10 illustrates a unit grid including an equilateral triangle slot in a regular hexagonal unit grid according to a second embodiment. 11 illustrates an antenna to which an antenna is applied, and FIG. 11 illustrates an antenna to which a unit grid including a regular hexagonal slot is provided in a regular hexagonal unit grid.

본 발명인 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나의 방사 효율을 평가하기 위하여 실험한 측정 결과는 아래 표 1 및 표 2와 같다.Experimental measurement results for evaluating the radiation efficiency of the zero-order resonant antenna with a slot of the present invention are shown in Table 1 and Table 2.


단위 격자
Unit grid 슬롯 길이(L)(mm)Slot length (L) (mm) NO SLOTNO SLOT 2.802.80 3.803.80 4.804.80 5.805.80 0.76mm 기판 상에 정사각형 단위 격자에 정사각형 슬롯이 적용된 9개의 단위 격자 형성Nine unit grids with square slots applied to a square unit grid on a 0.76 mm substrate 10.1 %10.1% 13.4 %13.4% 17.9 %17.9% 33.9 %33.9% 55.7 %55.7% 1.27mm 기판 상에 정사각형 단위 격자에 정사각형 슬롯이 적용된 9개의 단위 격자 형성Nine unit grids with square slots on a square unit grid on a 1.27 mm substrate 12.2 %12.2% 16.6 %16.6% 21.1 %21.1% 31.8 %31.8% 59.0 %59.0%


단위 격자
Unit grid 슬롯 길이(L)(mm)Slot length (L) (mm) NO SLOTNO SLOT 3.123.12 4.854.85 5.545.54 6.246.24 0.76mm 기판 상에 정육각형 단위 격자에 정삼각형 슬롯이 적용된 7개의 단위 격자 형성Form 7 grids with equilateral triangle slots on a 0.76mm substrate 6.0 %6.0% 8.1 %8.1% 13 %13% 16.4 %16.4% 27.4 %27.4% 1.27mm 기판 상에 정육각형 단위 격자에 정삼각형 슬롯이 적용된 7개의 단위 격자 형성7 unit grids formed with a regular triangle slot on a regular hexagonal unit grid on a 1.27 mm substrate 11.2 %11.2% 14.3 %14.3% 16.1 %16.1% 21.0 %21.0% 28.0 %28.0% 1.27mm 기판 상에 정육각형 단위 격자에 정삼각형 슬롯이 적용된 13개의 단위 격자 형성13 unit grids formed with an equilateral triangle slot on a regular hexagonal unit grid on a 1.27 mm substrate 24.5 %24.5% 27.2 %27.2% 33.6 %33.6% 39.3 %39.3% - - 1.27mm 기판 상에 정육각형 단위 격자에 정삼각형 슬롯이 적용된 19개의 단위 격자 형성19 unit grids formed with a regular triangle slot on a regular hexagonal unit grid on a 1.27 mm substrate 30.3 %30.3% 30.4 %30.4% 41.8 %41.8% 47.4 %47.4% 54.8 %54.8%

상기 표 1은 정사각형 단위 격자에 정사각형 슬롯이 포함된 단위 격자로 안테나를 설계할 경우의 슬롯 길이에 따른 안테나 효율을 보여주는 것이고, 표 2는 정육각형 단위 격자에 정삼각형 슬롯이 포함된 단위 격자로 안테나를 설계한 경우의 슬롯 길이에 따른 안테나 효율을 보여준다.Table 1 shows the antenna efficiency according to the slot length when the antenna is designed as a unit grid that includes a square slot in the square unit grid, Table 2 design the antenna as a unit grid including an equilateral triangle slot in the square hexagon grid It shows the antenna efficiency according to the slot length in one case.

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 정사각형 단위 격자에 정사각형 슬롯을 적용할 경우 단 9개의 단위 격자를 이용하여 안테나를 설계할 경우, 기판 두께가 0.76mm인 경우에는 약 10%의 방사 효율이 약 60% 까지 증가함을 실험적으로 증명하였고, 기판 두께가 1.27mm인 경우에는 약 12%의 방사 효율이 약 60% 까지 증가함을 실험적으로 증명하였다.As can be seen from Table 1, when the square slot is applied to the square unit grid, when the antenna is designed using only nine unit grids, the radiation efficiency of about 10% is about 60% when the substrate thickness is 0.76 mm. Experimentally proved that the increase to up to, and when the substrate thickness is 1.27mm experimentally proved that the radiation efficiency of about 12% increases by about 60%.

또한, 상기 표 2에서 알 수 있듯이, 정육각형 단위 격자에 정삼각형 슬롯을 적용할 경우 단 7개의 단위 격자를 이용하여 안테나를 설계할 경우, 기판 두께가 0.76mm인 경우에는 약 6 %의 방사 효율이 약 27% 까지 증가함을 실험적으로 증명하였고, 기판 두께가 1.27mm인 경우에는 약 11%의 방사 효율이 약 27% 까지 증가함을 실험적으로 증명하였다.In addition, as shown in Table 2, when applying an equilateral triangle slot to a regular hexagonal unit grid, when the antenna is designed using only seven unit grids, when the substrate thickness is 0.76mm, about 6% of the radiation efficiency is about It was experimentally proved to increase by 27%, and when the substrate thickness is 1.27mm, it was experimentally proved that the radiation efficiency of about 11% was increased by about 27%.

그리고, 13개의 단위 격자를 이용하여 안테나를 설계할 경우, 기판 두께가 1.27mm인 경우에 약 25 %의 방사 효율이 약 39% 까지 증가함을 실험적으로 증명하였고, 19개의 단위 격자를 이용하여 안테나를 설계할 경우, 기판 두께가 1.27mm인 경우에는 약 30%의 방사 효율이 약 55% 까지 증가함을 실험적으로 증명하였다.In addition, when the antenna is designed using 13 unit grids, it is experimentally proved that the radiation efficiency of about 25% is increased by about 39% when the substrate thickness is 1.27mm, and by using 19 unit grids In the case of designing, when the substrate thickness is 1.27mm, it is experimentally proved that the radiation efficiency of about 30% is increased by about 55%.

이상에서 설명한 본 발명인 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나는 종래의 영차 모드 공진형 안테나를 설계 및 제작함 있어서, 안테나 방사 효율이 매우 작아서 실제로 상용화하기 힘든 단점을 극복하는 설계 기준을 제시한다. 효율을 높이기 위한 기술로써, 안테나의 등가 회로의 병렬 캐패시턴스 성분을 줄여서, 전기에너지를 방사 에너지로 쉽게 변환시켜, 결과적으로 안테나의 방사 효율을 대폭 증가시킬 수 있다. 이는 일반적인 안테나의 방사 효율과 비슷하기 때문에 고효율 소형 안테나 구현에 있어서, 이론적 설계 기법 및 제작 방법에 있어서 새로운 발명이라 할 수 있다.
The zero-order resonant antenna having a slot according to the present invention described above provides a design criterion for overcoming a disadvantage that is difficult to commercialize since the antenna radiation efficiency is very small in designing and manufacturing a conventional zero-mode resonant antenna. As a technique for increasing the efficiency, it is possible to reduce the parallel capacitance component of the equivalent circuit of the antenna, thereby easily converting electrical energy into radiant energy, and consequently significantly increasing the radiation efficiency of the antenna. Since it is similar to the radiation efficiency of a general antenna, it can be said to be a new invention in theoretical design technique and manufacturing method in high efficiency small antenna implementation.

10 : 접지면 15 : 다각형 슬롯
17 : 접지 도전층 20 : 다각형 도전성 패치
30 : 도전성 수직 비아 50 : 다각형 단위 격자
100 : 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나10: ground plane 15: polygon slot
17 grounding conductive layer 20 polygonal conductive patch
30 conductive vertical via 50 polygonal unit grid
100: zero-order resonant antenna with a slot

Claims (5)

다각형 슬롯들을 구비한 접지면과, 상기 다각형 슬롯들을 구비한 접지면에 대향되도록 배치되되, 서로 이격 거리(g)만큼 떨어져 배치되는 복수개의 다각형 도전성 패치 및 상기 각 다각형 도전성 패치를 상기 접지면에 전기적으로 연결하는 도전성 수직 비아를 포함하되,
상기 다각형 도전성 패치의 각 모서리로부터 g/2만큼 확장된 모서리들로 형성되는 제1 다각형 면과 이 제1 다각형 면을 상기 다각형 슬롯들을 구비한 접지면에 투영시켜 형성되는 제2 다각형 면을 통하여 구성되는 다각형의 단위 격자가 복수개 배열되어 형성되고, 상기 각 다각형의 단위 격자를 구성하는 상기 제2 다각형 면에는 상기 다각형 슬롯들 중 적어도 두 개 이상의 슬롯들의 각 일부 면이 포함되는 것을 특징으로 하는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나.
A ground plane having polygonal slots and a plurality of polygonal conductive patches and each polygonal conductive patch disposed to face the ground plane having the polygonal slots and spaced apart from each other by a distance (g) are electrically connected to the ground plane. Conductive vertical vias that connect to
A first polygon face formed of corners extending by g / 2 from each edge of the polygon conductive patch and a second polygon face formed by projecting the first polygon face onto a ground plane having the polygon slots. A plurality of polygonal unit grids are formed and arranged, and the second polygonal surface constituting the unit grid of each polygon includes a partial surface of each of at least two slots of the polygonal slots. Zero-wave resonant antenna provided.
청구항 1에 있어서,
상기 다각형의 각 단위 격자는 정사각형의 단위 격자이고, 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들은 정사각형이며, 상기 제2 다각형 면에는 4개의 정사각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 정사각형의 각 단위 격자의 꼭지점과 상기 각 정사각형의 슬롯들의 중심점이 수직선 상에 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나.
The method according to claim 1,
Each unit grid of the polygon is a square unit grid, the polygon slots provided in the ground plane is a square, and the second polygon plane includes a part of each of the four square slots, each of the unit grids of the square And a vertex and a center point of each of the square slots coincide with each other on a vertical line.
청구항 1에 있어서,
상기 다각형의 각 단위 격자는 정육각형의 단위 격자이고, 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들은 정삼각형이며, 상기 제2 다각형 면에는 6개의 정삼각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 정육각형의 각 단위 격자의 꼭지점과 상기 각 정삼각형 슬롯들의 중심점이 수직선 상에 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나.
The method according to claim 1,
Each unit grid of the polygon is a regular hexagonal unit grid, polygonal slots provided in the ground plane is an equilateral triangle, and the second polygonal surface includes each of the partial faces of six equilateral triangle slots, each of the unit grid of the regular hexagon And a vertex and a center point of each of the equilateral triangle slots are formed to coincide with each other on a vertical line.
청구항 1에 있어서,
상기 다각형의 각 단위 격자는 정육각형의 단위 격자이고, 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들은 정육각형이며, 상기 제2 다각형 면에는 6개의 정육각형 슬롯들의 각 일부 면이 포함되되, 상기 각각의 정육각형 슬롯들의 1/2 면이 상기 제2 다각형 면에 포함되는 것을 특징으로 하는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나.
The method according to claim 1,
Each unit grid of the polygon is a regular hexagonal unit grid, and polygonal slots provided in the ground plane are regular hexagons, and the second polygonal plane includes some partial surfaces of six regular hexagonal slots. And a second / two plane is included in the second polygonal plane.
청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단위 격자에 대한 1차원 CRLH(composite right/left-handed) 전송선으로 표현된 등가회로는 상기 다각형 도전성 패치에 의한 단위 직렬 인덕턴스(LR), 상기 다각형 도전성 패치와 접지면에 의한 단위 병렬 캐패시턴스(CR), 상기 이격 거리(g)에 의한 단위 직렬 캐패시턴스(CL), 상기 도전성 수직 비아에 의한 단위 병렬 인덕턴스(LL), 상기 접지면에 구비된 다각형 슬롯들에 기인하여 상기 단위 직렬 인덕턴스(LR)에 병렬 연결되는 부가 캐패시턴스(CSG) 및 상기 단위 병렬 인덕턴스(LL)에 직렬 연결되는 부가 인덕턴스(LP)로 구성되는 것을 특징으로 하는 슬롯이 구비된 영차 공진 안테나.
The method according to any one of claims 2 to 4,
An equivalent circuit represented by a one-dimensional composite right / left-handed (CRLH) transmission line for the unit grid includes unit series inductance (L R ) by the polygon conductive patch, unit parallel capacitance by the polygon conductive patch and ground plane ( C R ), unit series capacitance (C L ) by the separation distance (g), unit parallel inductance (L L ) by the conductive vertical vias, and the unit series inductance due to polygonal slots provided in the ground plane And an additional capacitance (C SG ) connected in parallel to (L R ) and an additional inductance (L P ) connected in series with the unit parallel inductance (L L ).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220012419A (en) * 2019-10-30 2022-02-03 엘지전자 주식회사 Electronic devices equipped with 5G antennas

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