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KR100976595B1 - Uni-Planar Antenna using CRLH structure - Google Patents

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KR100976595B1
KR100976595B1 KR1020080036690A KR20080036690A KR100976595B1 KR 100976595 B1 KR100976595 B1 KR 100976595B1 KR 1020080036690 A KR1020080036690 A KR 1020080036690A KR 20080036690 A KR20080036690 A KR 20080036690A KR 100976595 B1 KR100976595 B1 KR 100976595B1
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임성준
권종화
심동욱
최형도
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

CRLH(Composite Right/Left-Handed) 전송 선로를 이용한 평면 안테나 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 평면 안테나는 직렬 인덕턴스 및 직렬 커패시턴스가 직렬 연결되고, 병렬 인덕턴스 및 병렬 커패시틴스가 병렬 연결되는 구조를 단위셀로 하는 전송선로를 포함한다. Disclosed is a planar antenna device using a Composite Right / Left-Handed (CRLH) transmission line. The planar antenna according to the present invention includes a transmission line having a structure in which a series inductance and a series capacitance are connected in series, and a structure in which the parallel inductance and the parallel capacitance are connected in parallel.

이와 같이, 본 발명은 일반적인 전송선로에 직렬 커패시턴스 및 병렬 인덕턴스를 포함시킨 CRLH 전송선로를 구현함으로써, 낮은 공진 주파수에서도 동작 가능한 소형 평면 안테나를 제공할 수 있다. As described above, the present invention can provide a small planar antenna that can operate at a low resonance frequency by implementing a CRLH transmission line including a series capacitance and a parallel inductance in a general transmission line.

CRLH, 평면 안테나 CRLH, flat antenna

Description

CRLH전송 선로를 이용한 단일 평면 안테나 장치{Uni-Planar Antenna using CRLH structure} Uni-Planar Antenna using CRLH structure}

본 발명은 평면 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CRLH 전송 선로를 이용하여 소형화가 가능한 단일 평면 안테나에 관한 것이다. The present invention relates to a planar antenna, and more particularly, to a single planar antenna that can be miniaturized using a CRLH transmission line.

오늘날 휴대용 무선 단말기는 우리 일상생활에서 필수품으로 자리 잡고 있으며, 국내외 안팎으로 무선 산업, 특히 휴대형 단말기에 대한 소비자의 관심과 요구는 날로 증가하고 있다. 이에 발맞추어 단말기의 성능과 기능 향상에 대한 연구도 활발히 진행 중에 있다. 한편, 이동 중에 용이하게 사용하기 위해서는 성능과 기능에 영향을 주지 않으면서 작은 크기와 가벼움을 유지해야 하기 때문에 소형화 및 경량화가 필수적이다. 특히, 통신 부품의 소형화는 다른 전자부품이 탑재될 공간을 확보하게 하므로, 단말기의 다기능화도 가져올 수 있기 때문에 단말기의 소형화와 경량화를 목표로 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 단말기의 소형화는 RF 부품들을 고도로 집적화하는 과정을 통해 이룰 수 있지만, 여러 개의 RF 부품 중에서 안테나의 소형화가 가장 큰 문제점으로 인식되고 있다. 일반적으로 안테나의 크기는 동작 주파수에 의해 결정되며, 단말기 주파수는 마이크로파 대역에서 상대적으로 낮은 주파수에서 동작하므로, 안테나 크기는 단말기에서 큰 비중을 차지하게 된다. Today, portable wireless terminals are becoming a necessity in our daily lives, and consumers' interests and demands in the wireless industry, especially portable terminals, are increasing day and night. In line with this, researches on improving the performance and function of the terminal are being actively conducted. On the other hand, in order to easily use on the go, it is necessary to keep the size and lightness without affecting the performance and function, so miniaturization and light weight is essential. In particular, since the miniaturization of communication components ensures a space in which other electronic components are to be mounted, research on the miniaturization and weight reduction of terminals has been actively conducted since the terminal can also be multifunctional. The miniaturization of a terminal can be achieved through a process of highly integrating RF components, but miniaturization of an antenna is recognized as the biggest problem among several RF components. In general, the size of the antenna is determined by the operating frequency, and since the terminal frequency operates at a relatively low frequency in the microwave band, the antenna size occupies a large proportion in the terminal.

단말기용 안테나로 기존에는 모노폴(Monopole) 안테나나 헬리컬(Helical) 안테나가 많이 사용되었고, 최근에는 외형적인 이유로 안테나가 단말기 내부에 숨겨진 형태의 인테나(Intenna)가 많이 사용되고 있다. 안테나는 세라믹 칩 안테나 혹은 피파(PIFA; Planar Inverted F Antenna)로 구현할 수 있고 외형적인 이점뿐만 아니라, 집적화가 용이하다는 장점도 가지고 있다. 그 밖에도 안테나의 소형화를 이루기 위해 다양한 각도에서 많은 연구들이 진행되어 왔다. Conventionally, a monopole antenna or a helical antenna has been used as a terminal antenna, and intenna, in which an antenna is hidden inside a terminal, is used for external reasons. The antenna may be implemented as a ceramic chip antenna or a Planar Inverted F Antenna (PIFA), and has the advantage of easy integration as well as an external advantage. In addition, many studies have been conducted from various angles to achieve miniaturization of antennas.

하지만, 안테나 소형화는 끊임없이 요구되고 있으며, 더욱이 다중(Multi-Input Multi-Output; MIMO) 안테나 기술로 인하여, 단말기 안에 여러 개의 안테나를 배열하기 위해서는 안테나 크기를 더 줄여야 한다는 과제를 안고 있다. 다중 통신 기법을 실제로 구현할 경우에는 안테나 간의 상호 간섭으로 인해 효율성이 저하되는 한편, 상호 간섭을 줄이기 위해서는 안테나 간의 충분한 간격을 두어야 하지만, 이는 곧 안테나가 차지하는 전체적인 공간의 증가를 야기 시키기 때문에, 안테나 단일 소자의 소형화는 단말기 내의 안테나 수가 증가 할수록 그 효과가 더욱 극대화된다. 결국, 안테나의 소형화를 이루기 위해서는 지금까지 개발된 기술에서 한 단계 올라서는 신기술의 개발을 필요로 한다. However, miniaturization of antennas is constantly required, and furthermore, due to a multi-input multi-output (MIMO) antenna technology, in order to arrange multiple antennas in a terminal, the antenna size needs to be further reduced. In the actual implementation of the multi-communication technique, the efficiency is reduced due to the mutual interference between the antennas, and to reduce the mutual interference, a sufficient distance between the antennas is required, but this causes an increase in the overall space occupied by the antenna. As the number of antennas in the terminal increases, the effect of miniaturization becomes more maximized. As a result, in order to achieve miniaturization of the antenna, it is necessary to develop a new technology that is one step up from the technology developed so far.

현재 출시되고 있는 단말기 크기는 안테나 크기에 의해 결정된다. 종래 기술에 따르면 공진 안테나의 경우 반 파장 공진을 이용하기 때문에 안테나의 크기는 주파수에 의해 결정된다. 본 발명은 일반적인 전송선로에 직렬 커패시턴스 및 병렬 인덕턴스를 포함시킨 CRLH 전송선로를 구현함으로써, 낮은 공진 주파수에서도 동작 가능한 소형 평면 안테나를 제공한다. Current terminal size is determined by antenna size. According to the prior art, since the resonant antenna uses half-wave resonance, the size of the antenna is determined by the frequency. The present invention implements a CRLH transmission line including a series capacitance and a parallel inductance in a general transmission line, thereby providing a small planar antenna that can operate at a low resonance frequency.

본 발명의 제 1 관점으로서 평면 안테나는 직렬 인덕턴스 및 직렬 커패시턴스가 직렬 연결되고, 병렬 인덕턴스 및 병렬 커패시틴스가 병렬 연결되는 구조를 단위셀로 하는 전송선로를 포함한다. As a first aspect of the present invention, a planar antenna includes a transmission line having a structure in which a series inductance and a series capacitance are connected in series, and a parallel inductance and a parallel capacitance are connected in parallel.

바람직하게는, 상기 전송선로는 상기 단위 셀이 다수개 직렬 연결(cascade)된 것을 특징으로 한다. Preferably, the transmission line is characterized in that the plurality of unit cells cascaded.

바람직하게는, 상기 직렬 커패시턴스는 인터디지털(interdigital) 구조에 의하여 구현되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the serial capacitance is implemented by an interdigital structure.

바람직하게는, 상기 병렬 인덕턴스는 비아(via) 구조에 의하여 구현되는 것을 특징으로 한다. Preferably, the parallel inductance is implemented by a via structure.

바람직하게는, 상기 비아 구조에서, 상기 비아의 지름을 조절함으로써, 상기 병렬 인덕턴스의 크기를 조절하는 것을 특징으로 한다. Preferably, in the via structure, by adjusting the diameter of the via, it characterized in that the size of the parallel inductance is adjusted.

바람직하게는, 상기 평면 안테나는 높은 주파수의 경우에 위상속도와 군속도가 정방향, 즉 RH(Right-Handed) 전송선로의 특징을 나타내는 것을 특징으로 한다. Preferably, the planar antenna is characterized in that in the case of a high frequency, the phase speed and the group speed are characteristic of the forward direction, that is, the RH (Right-Handed) transmission line.

바람직하게는, 상기 평면 안테나는 낮은 주파수의 경우에 위상속도와 군속도가 반대 방향, 즉 LH(Left-Handed) 전송선로의 특징을 나타내는 것을 특징으로 한다. Preferably, the planar antenna is characterized in that, in the case of low frequency, the phase speed and the group speed exhibit opposite characteristics, that is, characteristics of a left-handed transmission line.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 안테나의 물리적 크기를 그대로 유지하면서, 반 파장 공진 주파수 이하의 낮은 공진 주파수를 이용하여 안테나의 소형화를 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다. In order to solve the problems of the prior art, it is possible to realize the miniaturization of the antenna by using a low resonant frequency below the half-wave resonant frequency while maintaining the physical size of the antenna as it is.

도 1은 RH(Right-Handed) 물질의 특성을 나타내는, 일반적인 전송선로를 도시한 것이고, 도 2는 LH(Left-Handed) 메타 물질의 특성을 나타내는 전송선로를 도시한 것이다. FIG. 1 illustrates a general transmission line that shows properties of a right-handed (RH) material, and FIG. 2 illustrates a transmission line that shows properties of a left-handed (LH) meta material.

일반적인 물질, 즉 RH(Right-Handed) 물질인 전송선로는 무손실의 경우 도 1과 같이 등가회로로, 즉 직렬 인덕턴스 및 그 기생저항(100)과 병렬 커패시턴스 및 그 기생저항(110)으로 모델링 할 수 있다. 반면, 도 2와 같이 전송선로의 등가회로가 직렬 커패시턴스 및 그 기생저항(200)과 병렬 인덕턴스 및 그 기생저항(210)으로 나타낼 경우에는 LH(Left-Handed) 메타물질의 특성을 나타낸다. In the case of lossless transmission lines, which are common materials, that is, right-handed (RH) materials, they can be modeled as equivalent circuits as shown in FIG. 1, that is, series inductance and parasitic resistance 100 and parallel capacitance and parasitic resistance 110. have. On the other hand, when the equivalent circuit of the transmission line is represented by the series capacitance and its parasitic resistance 200 and the parallel inductance and its parasitic resistance 210 as shown in FIG. 2, the characteristics of the left-handed (LH) metamaterial are shown.

하지만, LH 메타물질이 구현되기 위해서는 반드시 기존의 전송선로, 즉 RH 물질 상에서 구현되어야 한다. 결국, RH 물질 위에 LH 메타물질이 구현되었을 때는 더 이상 순수한 LH 메타물질의 특성만을 기대할 수는 없을 것이다. However, to implement the LH metamaterial must be implemented on the existing transmission line, that is, the RH material. As a result, when LH metamaterials are implemented on top of RH materials, one can no longer expect pure LH metamaterial properties.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LH 메타물질을 구현하기 위한 등가회로 모델을 도시한 것이다. 도 3에서 도시한 등가회로를 RH 전송 선로와 LH 전송 선로를 결합했다는 뜻의 Composite Right/Left-Handed (CRLH) 전송선로라고 부른다. 도 3을 참조하면, RH 물질의 특성을 나타내는 직렬 인덕턴스(300)와 병렬 커패시턴스(320), LH 물질의 특성을 나타내는 직렬 커패시턴스(310)와 병렬 인덕턴스(330)를 모두 결합하여 등가회로로 모델링 할 수 있다. 리액턴스 파라미터의 특징에 의하여 낮은 주파수에서는 직렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스가 우세(dominant)하여 LH 메타물질의 특성을 나타내는 반면, 높은 주파수에서는 직렬 인덕턴스와 병렬 커패시턴스가 우세하여 RH 물질의 특성을 나타내게 된다. 3 illustrates an equivalent circuit model for implementing an LH metamaterial according to a preferred embodiment of the present invention. The equivalent circuit shown in FIG. 3 is called a Composite Right / Left-Handed (CRLH) transmission line, meaning that the RH transmission line and the LH transmission line are combined. Referring to FIG. 3, a series inductance 300 and a parallel capacitance 320 representing a property of an RH material, and a series capacitance 310 and a parallel inductance 330 representing a property of an LH material are combined to be modeled as an equivalent circuit. Can be. Due to the characteristics of the reactance parameter, the series capacitance and the parallel inductance dominate at low frequencies, indicating the characteristics of the LH metamaterial, whereas the series inductance and parallel capacitance prevail at the high frequencies, indicating the properties of the RH material.

도 4는 CRLH 전송선로를 단위셀로 하여 주기구조의 LH 메타물질을 구현한 것이다. 기존의 PBG 구조와 달리 LH 메타물질은 주기 구조를 가질 필요는 없지만, 주기 구조를 이용하는 경우 구현이 용이하기 때문에, LH 메타물질을 이용한 주기 구 조의 구현 방법이 필요하게 된다. 도 4를 참조하면, 주기적으로 CRLH 전송 선로를 단위 셀(Unit Cell)로 직렬 연결(Cascade) 함으로써 LH 메타물질을 구현할 수 있다. 단위셀은 병렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스(420)를 T자형 회로의 아래 부분에, 직렬 인덕턴스와 직렬 커패시턴스(400, 410)을 비례 배분하여 T자형 회로의 양 날개에 배치하였다. 이 T자형 회로를 단위셀로 하여 주기적으로 연결하는 것이 가능하다. 4 illustrates an LH metamaterial having a periodic structure using a CRLH transmission line as a unit cell. Unlike the conventional PBG structure, the LH metamaterial does not have to have a periodic structure, but since the implementation is easy when the periodic structure is used, a method of implementing a periodic structure using the LH metamaterial is required. Referring to FIG. 4, the LH metamaterial may be implemented by cascading a CRLH transmission line periodically to a unit cell. In the unit cell, the parallel capacitance and the parallel inductance 420 are proportionally distributed to the lower portion of the T-shaped circuit and the series inductance and the series capacitances 400 and 410 are disposed on both wings of the T-shaped circuit. It is possible to periodically connect this T-shaped circuit as a unit cell.

실질적으로 CRLH 단위 셀을 구현하기 위해서는 인위적으로 직렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스를 만들어야 한다. 도 5a, 5b, 5c는 CRLH 단위 셀 구현 방법을 도시한 것이다. 도 5a를 참조하면, 집중소자(510)를 이용하여 CRLH 단위 셀을 구현하는 방법을 도시하고 있다. 이 방법은 집중 소자인 칩 인덕터, 칩 커패시터를 사용하여 구현하는 방법인데, 원하는 리액턴스를 쉽게 얻을 수 있는 반면, 칩 자체의 공진 주파수로 인해 동작 주파수의 제한이 있다. In practice, in order to implement a CRLH unit cell, it is necessary to artificially create series capacitance and parallel inductance. 5A, 5B, and 5C illustrate a CRLH unit cell implementation method. Referring to FIG. 5A, a method of implementing a CRLH unit cell using the concentrator 510 is illustrated. This method is implemented using a chip inductor and a chip capacitor, which are lumped elements. The desired reactance can be easily obtained, but the operating frequency is limited due to the resonance frequency of the chip itself.

도 5b를 참조하면, 버섯구조(520)를 이용하여 CRLH 단위 셀을 구현하는 방법을 도시하고 있다. 이 방법에서 평면 패치는 패치 간의 좁은 간격으로 직렬 커패시턴스를 만들고, 비아를 통하여 병렬 인덕턴스를 만들 수 있다. 이 방법은 높은 리액턴스를 만들기 어려운 단점이 있지만, 2차원 구조에서 많이 활용되고 있다. Referring to FIG. 5B, a method of implementing a CRLH unit cell using the mushroom structure 520 is illustrated. In this way, planar patches can produce series capacitance at narrow intervals between patches and parallel inductance through vias. This method has the disadvantage of making high reactance, but it is widely used in two-dimensional structure.

도 5c를 참조하면, 인터디지털 구조(530)를 이용하여 CRLH 단위 셀을 구현하는 방법을 도시하고 있다. 이 방법은 인터디지털 커패시턴스(Interdigital Capacitance)를 이용하여 높은 커패시턴스 값을 만들고, 쇼트 스텁(short stub)을 통해서 높은 인덕턴스 값을 만들 수 있지만, 상대적으로 다른 구조에 비해 많은 면 적을 차지한다는 단점이 있다. Referring to FIG. 5C, a method of implementing a CRLH unit cell using the interdigital structure 530 is illustrated. This method can make high capacitance value by using interdigital capacitance and high inductance value through short stub, but it takes up a lot of area compared to other structures.

LH 메타물질은 도 4와 같은 T 네트워크의 CRLH 전송 선로를 단위 셀로 하여 대칭 형태의 주기적 구조로 구현될 수 있다. 이 등가회로를 바탕으로 한 분산 다이어그램(Dispersion Diagram)으로 메타물질을 이용한 소형 안테나 설계 원리를 설명할 수 있다. The LH metamaterial may be implemented in a symmetrical periodic structure using the CRLH transmission line of the T network as a unit cell as shown in FIG. 4. The dispersion diagram based on this equivalent circuit can explain the principle of small antenna design using metamaterials.

N 개의 CRLH 전송 선로가 1차원적으로 연결되어 있을 경우, 도4에서 

Figure 112008028248499-pat00001
,
Figure 112008028248499-pat00002
일 때, ABCD 행렬은 다음과 같이 주어진다. If N CRLH transmission lines are connected in one dimension, FIG. 4
Figure 112008028248499-pat00001
,
Figure 112008028248499-pat00002
, The ABCD matrix is given by

Figure 112008028248499-pat00003
  식 (1)
Figure 112008028248499-pat00003
Formula (1)

주기 경계 조건을 이용하여 다음 공식을 유도할 수 있다. Using periodic boundary conditions, the following formula can be derived.

Figure 112008028248499-pat00004
식 (2)
Figure 112008028248499-pat00004
Formula (2)

식 (2)의 해 중 실수 부분을 취한다면, If we take the real part of the solution of equation (2),

Figure 112008028248499-pat00005
식 (3)
Figure 112008028248499-pat00005
Equation (3)

Figure 112008028248499-pat00006
식 (4)
Figure 112008028248499-pat00006
Equation (4)

식 (4)에서 주파수와 전송상수와의 관계식을 얻을 수 있고, 이를 그래프로 그렸을 경우 도 6과 같이 일반적인 CRLH 전송선로의 Dispersion 곡선을 얻을 수 있다. In Equation (4), a relationship between frequency and transmission constant can be obtained, and when the graph is plotted, a dispersion curve of a general CRLH transmission line can be obtained as shown in FIG. 6.

도 6을 참조하면, 고주파에서는 직렬 임피던스 중 인덕턴스, 병렬 어드미턴스 중 캐패시턴스의 영향이 크게 나타나므로 RH 모드의 특성(600)을 보이는 반면, 저주파에서는 직렬 임피던스 중 캐패시턴스, 병렬 어드미턴스 중 인덕턴스의 영향이 크게 나타나므로 LH 모드의 특성(610)을 보인다. Referring to FIG. 6, the high frequency shows the effect of the inductance of the series impedance and the capacitance of the parallel admittance, and thus exhibits the characteristic of the RH mode (600), while the low frequency shows the large influence of the capacitance of the series impedance and the inductance of the parallel admittance. Therefore, the characteristic 610 of the LH mode is shown.

한편, 3개의 단위셀로 이루어진 주기 구조에서는

Figure 112008028248499-pat00007
인 곳에서 공진이 발생한다. On the other hand, in the periodic structure consisting of three unit cells
Figure 112008028248499-pat00007
Resonance occurs where.

일반적인 전송선로의 경우

Figure 112008028248499-pat00008
, 즉 RH 모드 영역인 고주파에서 공진이 발생하는 반면, CRLH 전송선로의 경우 LH 모드에서 낮은 공진 주파수를 얻을 수 있다.
Figure 112008028248499-pat00009
에서 공진하는 모드는 일반적인 전송선로(RH 모드)에서는 얻을 수 없는 모드이다. 구조물의 물리적 길이를 일정하게 유지하면서 낮은 주파수의 공진 모드를 이용할 수 있다는 장점을 공진 안테나에 응용할 경우 안테나의 크기를 줄일 수 있는 이점이 있다. In case of general transmission line
Figure 112008028248499-pat00008
That is, while the resonance occurs in the high frequency of the RH mode region, while the CRLH transmission line can obtain a low resonance frequency in the LH mode.
Figure 112008028248499-pat00009
Resonant mode is a mode that cannot be obtained in a general transmission line (RH mode). The advantage of using a low frequency resonant mode while keeping the physical length of the structure constant has the advantage of reducing the size of the antenna when applied to the resonant antenna.

한편 Dispersion 곡선이 등가회로의 리액턴스 파라미터로 결정되어지기 때문에, 리액턴스 파라미터를 통하여 Dispersion 곡선의 경향을 분석할 수 있다. 우선 RH 영역에서는 전송선로가 LR 과 CR에 의해 결정 된다. 한편, 주파수가 증가함에 따라, 전송상수도 증가하기 때문에, 파장 길이는 작아진다.  반면에, CRLH 전송선로의 LH 영역에서는 LL과 CL에 의해서 결정 된다. 특히, 전송상수가 음수이기 때문에 주파수가 증가함에 따라 파장 길이도 증가한다. On the other hand, since the Dispersion curve is determined as the reactance parameter of the equivalent circuit, the trend of the Dispersion curve can be analyzed through the reactance parameter. First, in the RH region, the transmission line is determined by LR and CR. On the other hand, as the frequency increases, the transmission constant also increases, so that the wavelength length becomes smaller. On the other hand, in the LH region of the CRLH transmission line, it is determined by LL and CL. In particular, since the transmission constant is negative, the wavelength length increases with increasing frequency.

각 리액턴스 파라미터의 변화에 따른 Dispersion 곡선의 변화를 살펴 본 다면, 다음과 같은 현상을 보인다. 첫 째, LL을 증가할 경우, 병렬 공진 주파수와 LH cutoff 주파수가 감수한다. 둘째, CL이 증가할 경우, 병렬 공진 주파수와 LH cutoff 주파수가 감수한다. 만약, LL과 CL 모두 증가한다면, 분산 곡선은 더 낮은 주파수로 옮기게 된다. 즉, 소형 안테나 설계를 위해서는 LL과 CL 모두 높은 값을 가지는 구조를 가져야 한다. 예를 들어, 만약 물리적 길이는 일정하게 하되, LL과 CL 값을 크게 증가할 수 있다면, 소형 안테나의 동작 주파수를 더욱 낮출 수 있을 것이다. Looking at the change of the dispersion curve according to the change of each reactance parameter, the following phenomenon occurs. First, when increasing LL, the parallel resonance frequency and the LH cutoff frequency are taken. Second, when CL increases, the parallel resonance frequency and the LH cutoff frequency are taken. If both LL and CL increase, the dispersion curve shifts to a lower frequency. That is, for the small antenna design, both LL and CL should have a high value. For example, if the physical length is constant but the LL and CL values can be greatly increased, the operating frequency of the small antenna may be further lowered.

도 7은 본 발명에 의한 2-D Interdigital CRLH 구조를 도시한 것이다. 도 7을 참조하면, 상단의 패치는 LR, 인터디지털 커피시터는 CL, 비아는 LL(700), 패치와 하단 접지 판과의 커패시터는 CR 로 등가 모델링할 수 있다. 7 shows a 2-D interdigital CRLH structure according to the present invention. Referring to FIG. 7, the upper patch is L R , the interdigital coffee sheet is C L , the via is L L 700, and the capacitor and the capacitor between the patch and the lower ground plate may be equivalently modeled as C R.

도 8은 도 7의 2-D Interdigital CRLH 구조를 위와 같이 등가 모델링하여 등가회로로 표시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 병렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스(800)을 병렬 연결하고, 직렬 인덕턴스와 직렬 커패시턴스를 직렬로 비례 배분하여 연결시켜, 2차원적으로 주기형으로 연결이 가능하게 된다. FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the 2-D interdigital CRLH structure of FIG. 7 as shown above. Referring to FIG. 8, the parallel capacitance and the parallel inductance 800 are connected in parallel, the series inductance and the series capacitance are proportionally distributed in series, and connected in two dimensions.

본 발명에 의한 2-D 인터디지털 CRLH 구조는 특히 CL을 높이기 위한 구조이며, 비아의 지름을 통하여 LL도 조절할 수가 있다. The 2-D interdigital CRLH structure according to the present invention is particularly designed to increase CL, and LL can also be adjusted through the diameter of the via.

도 9는 본 발명에 의한 CRLH 구조를 LH 모드에서 동작하는 안테나로 설계한 일 실시예를 도시한 것이다. 인터디지털 커패시턴스는 직렬 커패시턴스(CL)와 연관이 있으며, 핑거 수를 증가함에 따라 커패시턴스도 함께 증가하기 때문에, 단위 셀 당 4 방면으로 8개의 핑거를 사용하였다. 9 illustrates an embodiment in which the CRLH structure according to the present invention is designed as an antenna operating in the LH mode. Since the interdigital capacitance is related to the serial capacitance CL and the capacitance increases with the number of fingers, eight fingers are used in four directions per unit cell.

도 9의 실시예에서 도시된 구조는 3×3 주기 구조(900)이므로, n=0, ±1, ±2 모드를 예상할 수 있다. 안테나의 소형화를 위해 n=-1, -2 인 모드의 공진 주파수를 관찰한다. 특히 동일한 물리적 길이에서 n=-2 모드일 때 가장 낮은 주파수를 가지므로, n=-2인 공진 주파수를 1.1-GHz 대역으로 하는 2차원 CRLH 구조를 설계하였다. n=-2에서 방사 평면의 크기 (0.07λg X 0.07λg)는 도 9에서 나타난 바와 같이 기존 반파장 안테나 방사 평면 (0.5λg X 0.5λg)의 7.8 %만 차지한다. Since the structure shown in the embodiment of FIG. 9 is a 3 × 3 periodic structure 900, n = 0, ± 1, ± 2 modes can be expected. For miniaturization of the antenna, observe the resonant frequencies in the modes n = -1, -2. In particular, since the lowest physical frequency is obtained when n = -2 mode in the same physical length, a two-dimensional CRLH structure is designed in which the resonance frequency of n = -2 is 1.1-GHz band. n = -2 in size (0.07λ 0.07λ g X g) of the radiating plane it is only occupied 7.8% of a conventional half wavelength antenna radiation plane (0.5λ g X 0.5λ g) As shown in FIG.

도 10은 Ansoft HFSS 를 이용한 S- 파라미터 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 시뮬레이션 결과(1000)를 참조하면, n=0 모드는 1.684 GHz, n=-1 모드는  1.406 GHz, n=-2 모드는 1.131 GHz에서 공진이 발생함을 관찰할 수 있다. 1.131 GHz에서  반사 손실은 -23.68 dB를 가진다.  10 shows the results of S-parameter simulation using Ansoft HFSS. Referring to the simulation result 1000, it can be observed that resonance occurs at 1.684 GHz in n = 0 mode, 1.406 GHz in n = -1 mode, and 1.131 GHz in n = -2 mode. At 1.131 GHz, the return loss is -23.68 dB.

지금까지 본 발명의 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다. The present invention has been limited to the embodiments of the present invention, but it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.

도 1은 RH(Right-Handed) 물질의 특성을 나타내는, 일반적인 전송선로를 도시한 것이고, 1 illustrates a general transmission line, which is characteristic of a right-handed (RH) material,

도 2는 LH(Left-Handed) 메타 물질의 특성을 나타내는 전송선로를 도시한 것이다. 2 illustrates a transmission line showing characteristics of left-handed (LH) metamaterials.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 LH 메타물질을 구현하기 위한 등가회로 모델을 도시한 것이다. 3 illustrates an equivalent circuit model for implementing an LH metamaterial according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4는 CRLH 전송선로를 단위셀로 하여 주기구조의 LH 메타물질을 구현한 것이다. 4 illustrates an LH metamaterial having a periodic structure using a CRLH transmission line as a unit cell.

도 5a, 5b, 5c는 CRLH 단위 셀 구현 방법을 도시한 것이다. 5A, 5B, and 5C illustrate a CRLH unit cell implementation method.

도 6은 일반적인 CRLH 전송선로의 Dispersion 곡선을 도시한 것이다. 6 shows a dispersion curve of a typical CRLH transmission line.

도 7은 본 발명에 의한 2-D Interdigital CRLH 구조를 도시한 것이다. 7 shows a 2-D interdigital CRLH structure according to the present invention.

도 8은 도 7의 2-D Interdigital CRLH 구조를 위와 같이 등가 모델링하여 등가회로로 표시한 도면이다. FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of the 2-D interdigital CRLH structure of FIG. 7 as shown above.

도 9는 본 발명에 의한 CRLH 구조를 LH 모드에서 동작하는 안테나로 설계한 일 실시예를 도시한 것이다. 9 illustrates an embodiment in which the CRLH structure according to the present invention is designed as an antenna operating in the LH mode.

도 10은 Ansoft HFSS 를 이용한 S- 파라미터 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다. 10 shows the results of S-parameter simulation using Ansoft HFSS.

Claims (6)

평면 안테나에 있어서, In the flat antenna, 직렬 인덕턴스 및 직렬 커패시턴스가 직렬 연결된 직렬소자부와 Series inductance and series capacitance connected in series 병렬 인덕턴스 및 병렬 커패시턴스가 병렬 연결된 병렬 소자부를 포함하고,Parallel inductance and parallel capacitance includes a parallel element portion connected in parallel, 상기 병렬소자부의 한 단부는 접지측에 연결되고, One end of the parallel element portion is connected to the ground side, 상기 병렬소자부의 다른 한 단부는 4개의 직렬 소자부와 연결되고,The other end of the parallel element portion is connected with four series element portions, 상기 병렬소자부와 상기 4개의 직렬 소자부가 한 개의 단위구조가 되어 2차원적으로 주기적으로 연결되며,The parallel element portion and the four series element portions become one unit structure and are periodically connected in two dimensions. 상기 직렬 커패시턴스는 인터디지털(interdigital) 구조에 의하여 구현되는 것을 특징으로 하는 단일 평면 안테나. The series capacitance is a single plane antenna, characterized in that implemented by an interdigital (interdigital) structure. 삭제delete 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 병렬 인덕턴스는 비아(via) 구조에 의하여 구현되는 것을 특징으로 하는 단일 평면 안테나. The parallel inductance is a single plane antenna, characterized in that implemented by a via (via) structure. 제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 비아 구조에서, 상기 비아의 지름을 조절하여, 상기 병렬 인덕턴스의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 단일 평면 안테나. In the via structure, by adjusting the diameter of the via, the single plane antenna, characterized in that for adjusting the size of the parallel inductance. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 평면 안테나는 높은 주파수의 경우에 위상속도와 군속도가 정방향의 특징을 나타내는 것을 특징으로 하는 단일 평면 안테나. The planar antenna is a single plane antenna, characterized in that the phase speed and the group speed in the case of a high frequency characterized by the forward direction. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 평면 안테나는 낮은 주파수의 경우에 위상속도와 군속도가 반대 방향의 특징을 나타내는 것을 특징으로 하는 단일 평면 안테나. The planar antenna has a single plane antenna, characterized in that the phase speed and the group speed in the opposite direction in the case of a low frequency.
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