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KR101242389B1 - Metamaterial hybrid patch antenna and method for manufacturing thereof - Google Patents

Metamaterial hybrid patch antenna and method for manufacturing thereof Download PDF

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Publication number
KR101242389B1
KR101242389B1 KR1020110079613A KR20110079613A KR101242389B1 KR 101242389 B1 KR101242389 B1 KR 101242389B1 KR 1020110079613 A KR1020110079613 A KR 1020110079613A KR 20110079613 A KR20110079613 A KR 20110079613A KR 101242389 B1 KR101242389 B1 KR 101242389B1
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KR
South Korea
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patch
substrate
antenna
feed point
metamaterial
Prior art date
Application number
KR1020110079613A
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Korean (ko)
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KR20130017274A (en
Inventor
고승태
이정해
Original Assignee
홍익대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 홍익대학교 산학협력단 filed Critical 홍익대학교 산학협력단
Priority to KR1020110079613A priority Critical patent/KR101242389B1/en
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Abstract

본 발명은 메타물질 하이브리드 패치 안테나 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나는 유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판과, 상기 기판의 제1 평면에 형성되는 접지판과, 상기 기판의 제2 평면에 형성되며, 내부가 개방된 영역인 실장홀을 포함하는 제1 패치와, 상기 실장홀 내에 상기 제1 패치와 이격되어 형성되며, 상기 접지판과 비아로 연결되는 제2 패치와, 상기 제1 패치와 상기 제2 패치 사이에 위치하여 전력을 공급하는 급전점을 포함한다. 이에 따라, 하나의 안테나로 반파장 공진모드와 0차 공진모드로 동작하게 함으로써 보다 향상된 빔폭 방사패턴을 가질 수 있다.The present invention relates to a metamaterial hybrid patch antenna and a method of manufacturing the same. The metamaterial hybrid patch antenna according to an embodiment of the present invention includes a substrate having a flat plate structure of a dielectric component and a ground formed on a first plane of the substrate. A first patch including a plate, a mounting hole formed in a second plane of the substrate and having an open area therein, and spaced apart from the first patch in the mounting hole, and connected to the ground plate and a via; And a feed point for supplying power located between the first patch and the second patch. Accordingly, the beam width radiation pattern can be improved by operating the half wavelength resonance mode and the 0 th order resonance mode with one antenna.

Description

메타물질 하이브리드 패치 안테나 및 그 제조 방법{METAMATERIAL HYBRID PATCH ANTENNA AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}Metamaterial hybrid patch antenna and its manufacturing method {METAMATERIAL HYBRID PATCH ANTENNA AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 메타물질 하이브리드 패치 안테나 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반파장 공진모드와 0차 공진모드를 결합한 안테나 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a metamaterial hybrid patch antenna and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an antenna technology combining a half-wave resonance mode and a zero-order resonance mode.

현대를 살아가는 많은 사람들에게 휴대용 디지털 통신기기들은 하나의 필수 요소가 되었다. 소비자들은 언제 어디서나 자신이 원하는 다양한 고품질의 서비스를 제공받고 싶어한다. 또한, 소비자들의 휴대용 디지털 통신기기의 선택에 있어 휴대성과 디자인 그리고 다양한 기능은 매우 중요한 요소이다. 따라서 휴대용 디지털 통신기기는 추가적인 주변 기기의 구성이 없어야 하고 작은 크기를 가지면서도 다양한 기능을 제공하여야 한다. 하지만 무선 통신 장치를 구현하는데 있어서 안테나의 효율은 물리적 크기에 의존하기 때문에 제약으로 작용한다. 일반적으로 안테나는 통신기기의 내부에 실장되어야 하고, 주변의 간섭을 최소한으로 받아야만 복잡한 전파 송수신 역할을 충실히 만족할 수 있다.For many people in modern times, portable digital communication devices have become an essential element. Consumers want to be provided with various high quality services they want anytime and anywhere. In addition, portability, design, and various functions are very important factors in the selection of portable digital communication devices for consumers. Therefore, the portable digital communication device should have no configuration of additional peripheral devices and should have various functions while having a small size. However, in implementing a wireless communication device, the efficiency of the antenna is a limitation because it depends on the physical size. In general, the antenna should be mounted inside the communication device, and the antenna must be faithfully satisfied with the complex radio wave transmission and reception role only when the surrounding interference is minimal.

무선 통신 장치에 사용되는 패치 안테나는 평면형 형태의 안테나로써 경량화, 집적화, 배열이 용이하고, 공정이 간단하여 경제적이므로 현재 RF 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 안테나 중 하나이다. 이러한 패치 안테나는 기본 모드인 반파장 공진모드(TM010)에서 방사패턴이 지향성 형태를 나타내기 때문에 반전력 빔폭(half-power beamwidth, HPBW)이 상대적으로 좁아지게 되는 현상이 발생한다. 패치 안테나의 경우 패치의 길이(L)가 변화하면 공진 주파수가 달라지게 되므로 공진 주파수를 유지하면서 빔폭을 향상시키는데 어려움이 있었다. 이를 극복하기 위해 기판을 다층으로 적층하여 여러 공진모드를 합성하는 방법, 3차원 구조를 사용하는 방법, 안테나의 외부에 추가적인 구조를 삽입하는 방법 등이 제안되었다. 그러나, 이러한 방법은 구조가 복잡하고, 안테나 면적이 커지게 되어 설계가 힘들어지고 소형화하기 어렵다는 문제가 있었다.The patch antenna used in the wireless communication device is one of the most widely used antennas in the RF field because it is a planar antenna, which is light in weight, easy to integrate, easy to arrange, and simple and economical. Such a patch antenna has a relatively narrow half-power beamwidth (HPBW) because the radiation pattern exhibits a directional form in the half-wave resonant mode TM010, which is a basic mode. In the case of the patch antenna, since the resonant frequency is changed when the length L of the patch is changed, it is difficult to improve the beam width while maintaining the resonant frequency. To overcome this problem, a method of synthesizing several resonance modes by stacking substrates in multiple layers, using a three-dimensional structure, and inserting an additional structure outside the antenna has been proposed. However, this method has a problem in that the structure is complicated, the antenna area becomes large, and the design becomes difficult and it is difficult to miniaturize.

최근에는 메타물질(metamaterial)이라는 자연적으로는 존재하지 않는 새로운 전자기 특성을 갖는 물질을 인공적으로 만들어 내는 기법에 대한 연구가 증가하고 있다. 안테나 분야의 경우, 유전율(permittivity)과 투자율 (per-meability)이 동시에 음의 값을 갖는 물질인 Left-Handed Metamaterial (LHM)의 새로운 전자기파 특성을 이용하여 물리적 크기에 제약을 받지 않는 소형 안테나 개발에 대한 연구들이 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 메타물질 기법을 이용한 0차 공진(zeroth-order resonator, ZOR)이라는 특수한 공진 특성을 이용한 연구가 주목받고 있다. 이는 신호를 전송하는 선로 또는 회로에 직렬 커패시턴스(capacitance)와 병렬 인덕턴스(inductance)를 추가 구현하여 이 값을 적절하게 조정함으로써 공진 주파수가 전송 선로의 물리적 크기와 무관하게 결정될 수 있다.Recently, research on artificially creating materials having new electromagnetic properties, which are not naturally present in metamaterials, has been increasing. In the field of antennas, the use of new electromagnetic properties of Left-Handed Metamaterial (LHM), a material with both negative permittivity and per-meability at the same time, is used to develop small antennas that are not constrained by physical size. Studies are being actively conducted. Among them, research using a special resonance characteristic called zero-order resonator (ZOR) using metamaterial technique has been attracting attention. It is possible to further adjust this value by further implementing series capacitance and parallel inductance in the line or circuit carrying the signal so that the resonant frequency can be determined irrespective of the physical size of the transmission line.

이러한 0차 공진 특성을 이용하여 안테나 등의 소자를 구현하면 안테나의 공진 주파수는 안테나 크기와 무관하게 정해지므로 안테나를 얼마든지 소형화시킬 수 있으며, 다중 대역 안테나 구현시 0차 공진에 의해 방사하는 방사체는 무지향성의 방사형태를 가지고 있다.If a device such as an antenna is implemented by using the zero-order resonance characteristic, the resonance frequency of the antenna is determined irrespective of the antenna size, so that the antenna can be miniaturized as much as possible. It has an omnidirectional radial form.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 하나의 안테나로 반파장 공진모드와 0차 공진모드로 동작하게 함으로써 보다 향상된 빔폭 방사패턴을 가지고, 이러한 안테나 제작시 소형화가 가능하며, 간단하게 안테나를 공정할 수 있는 메타물질 하이브리드 패치 안테나 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to operate in a half-wave resonance mode and a zero-order resonance mode with a single antenna has an improved beam width radiation pattern, it is possible to miniaturize such antenna manufacturing, and to simply process the antenna To provide a meta-material hybrid patch antenna and a method of manufacturing the same.

본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나는 유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판과, 상기 기판의 제1 평면에 형성되는 접지판과, 상기 기판의 제2 평면에 형성되며, 내부가 개방된 영역인 실장홀을 포함하는 제1 패치와, 상기 실장홀 내에 상기 제1 패치와 이격되어 형성되며, 상기 접지판과 비아로 연결되는 제2 패치와, 상기 제1 패치와 상기 제2 패치 사이에 위치하여 전력을 공급하는 급전점을 포함한다.Meta-material hybrid patch antenna according to an embodiment of the present invention is a substrate having a flat plate structure of a dielectric component, a ground plate formed on the first plane of the substrate, and is formed on the second plane of the substrate, the inside is open A first patch including a mounting hole, which is a recessed area, a second patch spaced apart from the first patch in the mounting hole, and connected to the ground plate and a via, and between the first patch and the second patch; It is located in the feed point to supply power.

또한, 동일한 주파수에서 상기 제1 패치는 반파장 공진모드로 동작하고, 상기 제2 패치는 0차 공진모드로 동작할 수 있다.In addition, at the same frequency, the first patch may operate in a half-wave resonant mode, and the second patch may operate in a zero-order resonant mode.

또한, 상기 급전점은 상기 제2 패치의 일 측면에 형성되며, 상기 제1 패치 또는 상기 제2 패치와 소정의 갭을 갖도록 형성될 수 있다.In addition, the feed point is formed on one side of the second patch, it may be formed to have a predetermined gap with the first patch or the second patch.

또한, 상기 급전점은 상기 제1 패치와의 갭이 상기 제2 패치와의 갭 보다 더 크도록 형성될 수 있다.In addition, the feed point may be formed such that the gap with the first patch is greater than the gap with the second patch.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나 제조 방법은 유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판에, 상기 기판의 제1 평면과 제2 평면을 관통하는 비아홀과 급전홀을 형성하는 단계와, 상기 기판의 제1 평면에 접지판을 형성하는 단계와, 상기 기판의 제2 평면에 제1 패치를 형성하는 단계와, 상기 제1 패치에 내부가 개방되는 실장홀을 형성하는 단계와, 상기 실장홀 내에 상기 제1 패치와 이격되며, 상기 접지판과 상기 비아홀을 통해 비아로 연결되는 제2 패치를 형성하는 단계와, 상기 제1 패치와 상기 제2 패치 사이에 상기 급전홀과 대응하도록 전력을 공급하는 급전점을 형성하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a metamaterial hybrid patch antenna, including forming a via hole and a feeding hole penetrating a first plane and a second plane of a substrate on a substrate having a flat plate structure of a dielectric component; Forming a ground plate on a first plane of the substrate, forming a first patch on a second plane of the substrate, forming a mounting hole in which the interior of the first patch is opened, and mounting Forming a second patch spaced apart from the first patch in the hole and connected to the via through the ground plate and the via hole, and applying power to correspond to the feed hole between the first patch and the second patch; Forming a feed point for feeding.

이와 같은 본 발명에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나 및 그 제조 방법은 하나의 안테나로 반파장 공진모드와 0차 공진모드로 동작하게 함으로써 보다 향상된 빔폭 방사패턴을 가질 수 있다. 또한, 안테나 제작시 소형화가 가능하며, 간단하게 안테나를 공정할 수 있다.Such a meta-material hybrid patch antenna and a method of manufacturing the same according to the present invention may have an improved beamwidth radiation pattern by operating in a half-wave resonance mode and a zero-order resonance mode with one antenna. In addition, the antenna can be miniaturized and the antenna can be simply processed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 평면도,
도 2는 도 1에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 단면도,
도 3은 도 1에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 구조 중 급전점과 제1 패치, 제2 패치 간의 갭을 설명하기 위한 예시도,
도 4a는 도 1에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나에 의한 반사손실을 설명하기 위한 예시도,
도 4b는 도 1에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나에 의한 방사패턴을 설명하기 위한 예시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 제조방법의 흐름도,
도 6은 도 5에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 제조방법을 설명하기 위한 분해 사시도이다.1 is a plan view of a metamaterial hybrid patch antenna according to an embodiment of the present invention;
2 is a cross-sectional view of the metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 1;
3 is an exemplary diagram for explaining a gap between a feed point, a first patch, and a second patch in the structure of the metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 1;
4A is an exemplary diagram for describing the return loss by the metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 1;
4B is an exemplary view for explaining a radiation pattern by the metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 1;
5 is a flowchart of a method of manufacturing a metamaterial hybrid patch antenna according to an embodiment of the present invention;
FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating a method of manufacturing a metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 5.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The terms used are terms selected in consideration of the functions in the embodiments, and the meaning of the terms may vary depending on the user, the intention or the precedent of the operator, and the like. Therefore, the meaning of the terms used in the following embodiments is defined according to the definition when specifically defined in this specification, and unless otherwise defined, it should be interpreted in a sense generally recognized by those skilled in the art.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 평면도이고, 도 2는 도 1에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 단면도이다.1 is a plan view of a metamaterial hybrid patch antenna according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 1.

도 1을 참조하면, 메타물질 하이브리드 패치 안테나는 기판(100), 접지판(110), 제1 패치(120), 제2 패치(130), 급전점(140)을 포함한다. 기판(100)은 유전체 성분으로 구성된 평판 구조이고, 사용자 설정에 따라 유전율, 길이(Lg), 폭(Wg), 두께가 달리 설정된다. 기판(100)에는 비아홀과 급전홀이 형성된다. 비아홀과 급전홀은 기판(100)의 제1 평면과 제2 평면을 관통한다. 여기서, 제1 평면과 제2 평면은 기판(100)의 상면 또는 하면을 의미한다. 비아홀은 제2 패치(130)와 접지판(110)을 연결하는 비아(via)(131)를 수용하는 영역이며, 급전홀은 제1 패치(120)와 제2 패치(130)에 전력을 공급하기 위한 전력선을 수용하는 영역이다. 이 경우, 급전홀은 동축 케이블(coaxial cable)의 내부도체는 수용하되, 외부도체는 수용하지 않는다.Referring to FIG. 1, the metamaterial hybrid patch antenna includes a substrate 100, a ground plate 110, a first patch 120, a second patch 130, and a feed point 140. The substrate 100 is a flat plate structure composed of a dielectric component, and the dielectric constant, length Lg, width Wg, and thickness are set differently according to a user's setting. Via and feed holes are formed in the substrate 100. The via hole and the feed hole penetrate the first plane and the second plane of the substrate 100. Here, the first plane and the second plane mean an upper surface or a lower surface of the substrate 100. The via hole is a region for receiving a via 131 connecting the second patch 130 and the ground plate 110, and the feed hole supplies power to the first patch 120 and the second patch 130. It is an area for accommodating power lines. In this case, the feed hole accommodates the inner conductor of the coaxial cable but does not accommodate the outer conductor.

접지판(110)은 기판(100)의 제1 평면에 형성된다. 여기서 제1 평면은 제1 패치(120), 제2 패치(130), 급전점(140)이 형성되는 평면의 반대편 평면을 의미한다. 접지판(110)은 비아(131)를 통해 제2 패치(130)와 연결되며, 동축 케이블의 외부 도체와 연결된다. 본 발명의 메타물질 하이브리드 패치 안테나에서는 하나의 접지판(110)이 제1 패치(120), 제2 패치(130)와 전계를 형성하게 된다.The ground plate 110 is formed on the first plane of the substrate 100. Here, the first plane refers to a plane opposite to the plane on which the first patch 120, the second patch 130, and the feed point 140 are formed. The ground plate 110 is connected to the second patch 130 through the via 131 and is connected to the outer conductor of the coaxial cable. In the metamaterial hybrid patch antenna of the present invention, one ground plate 110 forms an electric field with the first patch 120 and the second patch 130.

제1 패치(120)는 기판(100)의 제2 평면에 형성되며, 내부가 개방된 영역인 실장홀(121)을 포함한다. 여기서 제1 패치(120)는 구리(Cu) 성분의 재질이며, 접지판(110)의 넓이 보다 작은 영역(Wp×Lp)으로 설정된다. 제1 패치(120)는 평판형이나 내부에 개방된 영역인 실장홀(121)이 형성된다. 이 경우, 실장홀(121)의 넓이는 사용자의 설정에 의해 달리 설정될 수 있다. 메타물질 하이브리드 패치 안테나는 제1 패치(120)를 이용하여 기본 모드인 반파장 공진모드(TM010)에서 방사패턴을 나타내는데, 실장홀(121)의 크기가 커짐에 따라 공진 주파수가 낮아져서 안테나의 소형화가 가능하다.The first patch 120 is formed on the second plane of the substrate 100 and includes a mounting hole 121 which is an open area. Here, the first patch 120 is made of a copper (Cu) component and is set to a region Wp × Lp smaller than the width of the ground plate 110. The first patch 120 has a mounting hole 121 which is a flat plate or an open area therein. In this case, the width of the mounting hole 121 may be set differently by the user's setting. The meta-material hybrid patch antenna shows a radiation pattern in the half-wave resonant mode (TM010), which is a basic mode using the first patch 120. As the size of the mounting hole 121 increases, the resonance frequency decreases, thereby miniaturizing the antenna. It is possible.

제2 패치(130)는 기판(100)의 제2 평판에 형성되며, 제1 패치(120)의 실장홀(121) 내에 형성된다. 이 경우, 제2 패치(130)는 제1 패치(120)와 이격되어 형성되므로 제1 패치(120)와 접촉하지 않으며, 제2 패치(130)의 넓이(Wm×Lm)는 사용자의 설정에 의해 달리 설정될 수 있다. 제2 패치(130)는 비아(131)를 통해 접지판(110)과 연결되므로, 제2 패치(130)와 접지판(110) 상이에 병렬 커패시턴스가 발생하며, 메탈 와이어에 의해서 병렬 인덕턴스가 발생하므로 0차 공진모드의 방사패턴을 나타낸다. 0차 공진 주파수는 병렬 인덕턴스와 병렬 커패시턴스에 의해 결정되고, 공진기의 전기적 길이에 무관하기 때문에 반파장을 이용한 패치 안테나에 비해 소형화에 유리하다.The second patch 130 is formed on the second flat plate of the substrate 100 and is formed in the mounting hole 121 of the first patch 120. In this case, since the second patch 130 is formed to be spaced apart from the first patch 120, the second patch 130 does not contact the first patch 120, and the width (Wm × Lm) of the second patch 130 may be set by the user. Can be set differently. Since the second patch 130 is connected to the ground plate 110 through the via 131, parallel capacitance is generated between the second patch 130 and the ground plate 110, and parallel inductance is generated by the metal wire. Therefore, the radiation pattern of the 0th order resonance mode is shown. The zero-order resonant frequency is determined by parallel inductance and parallel capacitance, and is advantageous in miniaturization compared to a patch antenna using half wavelength because it is independent of the electrical length of the resonator.

급전점(140)은 제1 패치(120)와 상기 제2 패치(130) 사이에 위치하여 전력을 공급한다. 급전점(140)은 동축 케이블에 의해 전력을 공급받으므로 원형으로 생성될 수 있다. 이 경우 급전점(140)은 제2 패치(130)의 일 측면에 형성되며, 제1 패치(120) 또는 제2 패치(130)와 소정의 갭(141)을 갖도록 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 패치(120)에 실장홀(121)이 형성되면 공진 주파수가 낮아져서 안테나의 소형화가 가능하지만, 입력임피던스의 크기가 커지므로 임피던스 매칭을 위해 급전점(140)과 제1 패치(120) 사이, 급전점(140)과 제2 패치(130) 사이에는 소정의 갭(141)이 형성된다. 이 경우, 급전점(140)이 제1 패치(120), 제2 패치(130)의 중앙에 형성되면 전계가 0이 되므로 기본 공진모드(TM010)가 급전되지 않으므로 제2 패치(130)의 일 측면에 치우쳐서 형성된다.The feed point 140 is positioned between the first patch 120 and the second patch 130 to supply power. Since the feed point 140 is powered by the coaxial cable, it may be generated in a circular shape. In this case, the feed point 140 is formed on one side of the second patch 130 and is formed to have a predetermined gap 141 with the first patch 120 or the second patch 130. As described above, when the mounting hole 121 is formed in the first patch 120, the resonance frequency is lowered, thereby miniaturizing the antenna. However, since the magnitude of the input impedance is increased, the feed point 140 and the first point are used for impedance matching. A predetermined gap 141 is formed between the patches 120 and the feed point 140 and the second patch 130. In this case, when the feed point 140 is formed at the center of the first patch 120 and the second patch 130, the electric field becomes 0, so that the basic resonance mode TM010 is not fed, so that one of the second patches 130 may not be fed. It is formed on the side.

또한, 급전점(140)은 제1 패치(120)와 형성되는 갭(141)이 제2 패치(130)와 형성되는 갭(141) 보다 더 크도록 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 패치(130) 쪽으로 더 많은 커플링이 발생하게 하기 위함이고, 이는 급전점(140)을 제2 패치(130) 쪽에 가깝게 둠으로써 제1 패치(120) 쪽으로 향하는 전력의 크기를 줄이기 위함이다. 이에 따라, 제1 패치(120)와 제2 패치(130)에 균등하게 전력을 공급할 수 있다.
In addition, the feed point 140 may be formed such that the gap 141 formed with the first patch 120 is larger than the gap 141 formed with the second patch 130. In this case, more coupling occurs to the second patch 130, which causes the feeding point 140 to be closer to the second patch 130, thereby increasing the amount of power directed toward the first patch 120. To reduce. Accordingly, power may be supplied to the first patch 120 and the second patch 130 evenly.

도 2를 참조하면, 직관적으로 제1 패치(120)는 기판(100)을 사이에 두고 접지판(110)과 대향하고 있으며, 제2 패치(130)도 기판(100)을 사이에 두고 접지판(110)과 대향하고 있으나 비아홀(101)에 수용된 비아(131)를 통해 접지판(110)과 연결됨을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명의 메타물질 하이브리드 패치 안테나는 반파장 공진모드와 0차 공진모드가 동시에 융합되는 방사패턴을 얻을 수 있다. 한편, 기판(100)의 제2 평면에는 포트(150)가 연결된다. 포트(150)는 동축 케이블를 연결하기 위한 매개체로써, 동축 케이블의 내부 도체는 급전홀(102)을 통해 급전점(140)과 연결되며, 외부 도체는 급전홀(102)에 수용되지 않으며 접지판(110)과 연결된다.
2, the first patch 120 intuitively faces the ground plate 110 with the substrate 100 interposed therebetween, and the second patch 130 also has the ground plate with the substrate 100 interposed therebetween. Although facing the 110, it can be seen that the ground plate 110 is connected through the via 131 accommodated in the via hole 101. Accordingly, the meta-material hybrid patch antenna of the present invention can obtain a radiation pattern in which the half-wave resonance mode and the zero-order resonance mode are fused at the same time. Meanwhile, the port 150 is connected to the second plane of the substrate 100. Port 150 is a medium for connecting the coaxial cable, the inner conductor of the coaxial cable is connected to the feed point 140 through the feed hole 102, the outer conductor is not received in the feed hole 102 and the ground plate ( 110).

도 3은 도 1에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 구조 중 급전점과 제1 패치, 제2 패치 간의 갭을 설명하기 위한 예시도이다.3 is an exemplary diagram for describing a gap between a feed point, a first patch, and a second patch in the structure of the metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 1.

도 3을 참조하면, 급전점(140)과 제1 패치(120) 간의 갭(W1)이 급전점(140)과 제2 패치(130) 간의 갭(W2) 보다 큰 것을 알 수 있다. 이를 식으로 나타내면, W1>W2로 표현할 수 있다. 이 경우, 갭(141)은 급전점(140)의 둘레를 따라 제1 패치(120), 제2 패치(130)의 일 측면으로 형성된다. 즉, 갭(141)의 조정에 따라 제1 패치(120)와 제2 패치(130)의 넓이가 달라져서 안테나의 특성을 변형시킬 수 있다. 또한, 급전점(140)은 제2 패치(130)의 일 측면에 치우쳐서 형성되며, 그 위치는 사용자의 설정에 의해 달리 설정될 수 있다.
Referring to FIG. 3, it can be seen that the gap W1 between the feed point 140 and the first patch 120 is greater than the gap W2 between the feed point 140 and the second patch 130. This can be expressed as W1> W2. In this case, the gap 141 is formed at one side of the first patch 120 and the second patch 130 along the circumference of the feed point 140. That is, the widths of the first patch 120 and the second patch 130 may vary according to the adjustment of the gap 141 to modify the characteristics of the antenna. In addition, the feed point 140 is formed to be biased to one side of the second patch 130, the position may be set differently by the user's setting.

도 4a는 도 1에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나에 의한 반사손실을 설명하기 위한 예시도이고, 도 4b는 도 1에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나에 의한 방사패턴을 설명하기 위한 예시도이다.4A is an exemplary diagram for describing the return loss by the metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 1, and FIG. 4B is an exemplary diagram for describing a radiation pattern by the metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 1.

본 발명에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나에서는 기본 공진모드(TM010)와 0차 공진모드가 동시에 발생한다. 여기서 기본 공진모드(TM010) 주파수와 0차 공진모드 주파수가 비슷하고 방사되는 편파(polarization)도 동일하기 때문에 두 모드의 방사패턴이 합쳐진 형태로 방사하게 된다. 도 4a, 도 4b에서는 급전점(140)과 제1 패치(120) 간의 갭(141)(W1)은 0.7mm로 설정되고, 급전점(140)과 제2 패치(130) 간의 갭(141)(W2)은 0.2mm로 설정된 상태에서의 방사 특성을 나타낸다. 도 4a의 반사손실 그래프를 보면 제1 패치(120)에 따른 패치 안테나와 제2 패치(130)에 따른 0차공진 안테나(버섯구조 안테나) 각각의 공진 주파수가 합쳐져 하나의 공진으로 동작함을 알 수 있다.In the meta-material hybrid patch antenna according to the present invention, the basic resonance mode TM010 and the zero-order resonance mode occur simultaneously. Here, since the fundamental resonance mode (TM010) frequency and the zero-order resonance mode frequency are similar and the polarization emitted is the same, the radiation patterns of the two modes are radiated together. 4A and 4B, the gap 141 (W1) between the feed point 140 and the first patch 120 is set to 0.7 mm, and the gap 141 between the feed point 140 and the second patch 130 is shown. (W2) represents the radiation characteristic in the state set at 0.2 mm. Referring to the reflection loss graph of FIG. 4A, the resonance frequencies of the patch antennas according to the first patch 120 and the zero-order resonant antenna (mushroom antenna) according to the second patch 130 are combined to operate as one resonance. Can be.

또한, 도 4b의 E-plane 방사패턴 그래프를 보면 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 경우, 반전력 빔폭(half power beamwidth, HPBW)이 120°를 나타낸다. 이는 기본 공진모드(TM010)로만 동작하는 경우보다 44°증가한 것이다. 따라서, 기본 공진모드로 동작하는 패치 안테나에 0차 공진모드로 동작하는 0차 공진 안테나(버섯구조 안테나)를 실장홀(121) 내부에 삽입하면 결과적으로 두 모드의 방사패턴이 융합되어 빔폭이 향상된 소형 안테나를 설계할 수 있다.
In addition, in the E-plane radiation pattern graph of FIG. 4B, in the case of the metamaterial hybrid patch antenna, a half power beamwidth (HPBW) shows 120 °. This is an increase of 44 ° compared to operating only in the basic resonance mode (TM010). Therefore, when a zero-order resonant antenna (mushroom structure antenna) operating in the zero-order resonant mode is inserted into the mounting hole 121 in the patch antenna operating in the basic resonant mode, the radiation patterns of the two modes are fused, resulting in improved beam width. A small antenna can be designed.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 제조방법의 흐름도이고, 도 6은 도 5에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 제조방법을 설명하기 위한 분해 사시도이다.5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a metamaterial hybrid patch antenna according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating a method of manufacturing a metamaterial hybrid patch antenna according to FIG. 5.

도 5를 참조하면, 먼저 유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판(100)에, 기판(100)의 제1 평면과 제2 평면을 관통하는 비아홀(101)과 급전홀(102)을 형성한다(S500). 비아홀(101)과 급전홀(102)은 기판(100)의 제1 평면과 제2 평면을 관통되도록 형성되며, 하나의 기판(100)으로 복수의 안테나를 생산하는 경우에는 복수의 비아홀(101)과 급전홀(102)이 형성될 수 있다. 비아홀(101)은 제2 패치(130)와 접지판(110)을 연결하는 비아(131)를 수용하는 영역이며, 급전홀(102)은 제1 패치(120)와 제2 패치(130)에 전력을 공급하기 위한 전력선을 수용하는 영역이다. 이 경우, 급전홀(102)은 동축 케이블(coaxial cable)의 내부도체는 수용하되, 외부도체는 수용하지 않는 크기로 형성되는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, first, a via hole 101 and a feed hole 102 penetrating a first plane and a second plane of a substrate 100 are formed on a substrate 100 having a flat plate structure of a dielectric component (S500). ). The via hole 101 and the power feeding hole 102 are formed to penetrate the first plane and the second plane of the substrate 100, and in the case of producing a plurality of antennas with one substrate 100, the plurality of via holes 101 are provided. The overfeed hole 102 may be formed. The via hole 101 is an area accommodating the via 131 connecting the second patch 130 and the ground plate 110, and the feed hole 102 is formed in the first patch 120 and the second patch 130. It is an area for accommodating power lines for supplying power. In this case, the feed hole 102 is preferably formed to a size that accommodates the inner conductor of the coaxial cable, but does not accommodate the outer conductor.

다음으로, 기판(100)의 제1 평면에 접지판(110)을 형성한다(S510). 접지판(110)은 비아(131)를 통해 제2 패치(130)와 연결되며, 동축 케이블의 외부 도체와 연결된다. 이 경우, 접지판(110)에는 동축 케이블이 관통할 수 있는 홀이 형성되며, 급전홀(102)에 대응하는 위치로 형성되는 것이 바람직하다. 다음으로, 상기 기판(100)의 제2 평면에 제1 패치(120)를 형성한다(S520). 제1 패치(120)를 형성하는 방법은 접지판(110) 보다 작거나 같은 크기의 패치를 기판(100)의 제2 평면에 인쇄함으로써 임시적인 제1 패치(120)를 형성한다. 다음으로, 인쇄된 제1 패치(120)의 가운데 부분을 에칭하여 실장홀(121)을 형성한다(S530). 실장홀(121)은 제1 패치(120) 내의 개방된 영역이며, 기판(100) 상에서 개방된 영역을 의미하는 것은 아니다.Next, the ground plate 110 is formed on the first plane of the substrate 100 (S510). The ground plate 110 is connected to the second patch 130 through the via 131 and is connected to the outer conductor of the coaxial cable. In this case, the ground plate 110 is formed with a hole through which the coaxial cable can penetrate, and preferably formed at a position corresponding to the feed hole 102. Next, the first patch 120 is formed on the second plane of the substrate 100 (S520). The method of forming the first patch 120 forms a temporary first patch 120 by printing a patch having a size smaller than or equal to that of the ground plate 110 on the second plane of the substrate 100. Next, the mounting hole 121 is formed by etching the center portion of the printed first patch 120 (S530). The mounting hole 121 is an open area in the first patch 120 and does not mean an open area on the substrate 100.

다음으로, 실장홀(121) 내에 제1 패치(120)와 이격되며, 접지판(110)과 비아홀(101)을 통해 비아(131)로 연결되는 제2 패치(130)를 형성한다(S540). 제2 패치(130)는 접지판(110), 제1 패치(120) 보다 작은 크기로 형성된다. 비아홀(101)에 비아(131)를 삽입하고 이를 제2 패치(130)와 연결함으로써 0차 공진모드 안테나(버섯구조 안테나)가 형성된다. 다음으로, 제1 패치(120)와 상기 제2 패치(130) 사이에 급전홀(102)과 대응하도록 전력을 공급하는 급전점(140)을 형성한다(S550). 급전점(140)은 급전홀(102) 보다 크게 형성되고, 제1 패치(120) 또는 제2 패치(130) 간의 갭(141)을 두어 설정할 수 있으며, 갭(141)은 사용자 설정에 의해 달리 설정될 수 있다.Next, the second patch 130 is spaced apart from the first patch 120 in the mounting hole 121 and connected to the via 131 through the ground plate 110 and the via hole 101 (S540). . The second patch 130 is formed to have a smaller size than the ground plate 110 and the first patch 120. A zero-order resonance mode antenna (mushroom structure antenna) is formed by inserting the via 131 into the via hole 101 and connecting the via 131 to the second patch 130. Next, a feed point 140 for supplying power to correspond to the feed hole 102 is formed between the first patch 120 and the second patch 130 (S550). The feed point 140 may be formed larger than the feed hole 102, and may be set by having a gap 141 between the first patch 120 or the second patch 130, and the gap 141 may be set by a user setting. Can be set.

본 발명의 다른 실시예에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 제조방법으로, 제1 패치(120), 제2 패치(130), 급전점(140)을 형성함에 있어서, 기판(100)의 제2 평면에 하나의 패치를 인쇄하여, 일정 패턴을 에칭함으로써 형성할 수 있다. 즉, 비아홀(101)과 급전홀(102)이 형성된 기판(100)의 제1 평면에 접지판(110)을 형성한 후, 비아홀(101)에 비아(131)를 삽입하고 기판(100)의 제2 평면에 실장홀(121)을 포함하지 않은 제1 패치(120)를 형성한다. 이후에, 제1 패치(120), 제2 패치(130), 급전점(140)을 이격시키는 패턴으로 에칭함으로써, 제1 패치(120)와 제2 패치(130)는 서로 접촉하지 않도록 형성되며, 급전점(140)과 제1 패치(120), 제2 패치(130) 사이에는 갭(141)이 형성된다.In a method of manufacturing a metamaterial hybrid patch antenna according to another exemplary embodiment of the present invention, in forming the first patch 120, the second patch 130, and the feed point 140, the second plane of the substrate 100 is provided. It is possible to form by patching one patch on and etching a predetermined pattern. That is, after the ground plate 110 is formed in the first plane of the substrate 100 on which the via hole 101 and the feed hole 102 are formed, the via 131 is inserted into the via hole 101 and the substrate 100 is formed. The first patch 120 without the mounting hole 121 is formed in the second plane. Thereafter, the first patch 120, the second patch 130, and the feed point 140 are etched in a pattern spaced apart from each other so that the first patch 120 and the second patch 130 are formed so as not to contact each other. The gap 141 is formed between the feed point 140, the first patch 120, and the second patch 130.

이와 같은 메타물질 하이브리드 패치 안테나의 제조방법과 관련한 안테나의 분해 사시도는 도 6에 나타나 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 급전점(140), 급전홀(102) 및 접지판(110)에 형성된 홀은 동일 선상에 위치하며, 제2 패치(130)의 중심부, 비아(131), 비아홀(101)도 동일 선상에 위치하게 된다.
6 is an exploded perspective view of an antenna related to the method of manufacturing a metamaterial hybrid patch antenna. As described above, the holes formed in the feed point 140, the feed hole 102 and the ground plate 110 are located on the same line, the center of the second patch 130, vias 131, via holes 101 Also located on the same line.

이와 같은 본 발명에 따른 메타물질 하이브리드 패치 안테나 및 그 제조 방법은 하나의 안테나로 반파장 공진모드와 0차 공진모드로 동작하게 함으로써 보다 향상된 빔폭 방사패턴을 가질 수 있다. 또한, 안테나 제작 시 소형화가 가능하며, 간단하게 안테나를 공정할 수 있다.
Such a meta-material hybrid patch antenna and a method of manufacturing the same according to the present invention may have an improved beamwidth radiation pattern by operating in a half-wave resonance mode and a zero-order resonance mode with one antenna. In addition, the antenna can be miniaturized and the antenna can be simply processed.

이상에서 본 발명은 도면을 참조하면서 기술되는 바람직한 실시예를 중심으로 설명되었지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명은 기재된 실시예로부터 도출 가능한 자명한 변형예를 포괄하도록 의도된 특허청구범위의 기재에 의해 해석되어져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, Therefore, the present invention should be construed as a description of the claims which are intended to cover obvious variations that can be derived from the described embodiments.

100 : 기판 101 : 비아홀
102 : 급전홀 110 : 접지판
120 : 제1 패치 121 : 실장홀
130 : 제2 패치 131 : 비아
140 : 급전점 141 : 갭
150 : 포트100: substrate 101: via hole
102: power supply hole 110: ground plate
120: first patch 121: mounting hole
130: patch 2 131: via
140: feed point 141: gap
150: port

Claims (8)

유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판;
상기 기판의 제1 평면에 형성되는 접지판;
상기 기판의 제2 평면에 형성되며, 내부가 개방된 영역인 실장홀을 포함하는 제1 패치;
상기 실장홀 내에 상기 제1 패치와 이격되어 형성되며, 상기 접지판과 비아로 연결되는 제2 패치; 및
상기 제1 패치와 상기 제2 패치 사이에 위치하여 전력을 공급하는 급전점을 포함하는 메타물질 하이브리드 패치 안테나.A substrate having a planar structure of a dielectric component;
A ground plate formed on the first plane of the substrate;
A first patch formed on a second plane of the substrate and including a mounting hole in an open area of the substrate;
A second patch formed spaced apart from the first patch in the mounting hole and connected to the ground plate and a via; And
A metamaterial hybrid patch antenna comprising a feed point positioned between the first patch and the second patch to supply power. 제1항에 있어서,
동일한 주파수에서 상기 제1 패치는 반파장 공진모드로 동작하고, 상기 제2 패치는 0차 공진모드로 동작하는 메타물질 하이브리드 패치 안테나.The method of claim 1,
The meta-material hybrid patch antenna at the same frequency, the first patch is operated in a half-wave resonant mode, the second patch is operated in a zero-order resonant mode. 제1항에 있어서, 상기 급전점은,
상기 제2 패치의 일 측면에 형성되며, 상기 제1 패치 또는 상기 제2 패치와 소정의 갭을 갖도록 형성되는 메타물질 하이브리드 패치 안테나.The method of claim 1, wherein the feed point,
The metamaterial hybrid patch antenna formed on one side of the second patch and formed to have a predetermined gap with the first patch or the second patch. 제3항에 있어서, 상기 급전점은,
상기 제1 패치와의 갭이 상기 제2 패치와의 갭 보다 더 크도록 형성되는 메타물질 하이브리드 패치 안테나.The method of claim 3, wherein the feed point,
The metamaterial hybrid patch antenna is formed so that the gap with the first patch is larger than the gap with the second patch. 유전체 성분의 평판 구조를 가지는 기판에, 상기 기판의 제1 평면과 제2 평면을 관통하는 비아홀과 급전홀을 형성하는 단계;
상기 기판의 제1 평면에 접지판을 형성하는 단계;
상기 기판의 제2 평면에 제1 패치를 형성하는 단계;
상기 제1 패치에 내부가 개방되는 실장홀을 형성하는 단계;
상기 실장홀 내에 상기 제1 패치와 이격되며, 상기 접지판과 상기 비아홀을 통해 비아로 연결되는 제2 패치를 형성하는 단계; 및
상기 제1 패치와 상기 제2 패치 사이에 상기 급전홀과 대응하도록 전력을 공급하는 급전점을 형성하는 단계를 포함하는 메타물질 하이브리드 패치 안테나 제조 방법.Forming a via hole and a feeding hole in the substrate having a planar structure of a dielectric component, penetrating through the first and second planes of the substrate;
Forming a ground plate on the first plane of the substrate;
Forming a first patch on a second plane of the substrate;
Forming a mounting hole in which the inside of the first patch is opened;
Forming a second patch spaced apart from the first patch in the mounting hole and connected to the via through the ground plate and the via hole; And
And forming a feed point for supplying power to correspond to the feed hole between the first patch and the second patch. 제5항에 있어서,
동일한 주파수에서 상기 제1 패치는 반파장 공진모드로 동작하고, 상기 제2 패치는 0차 공진모드로 동작하는 메타물질 하이브리드 패치 안테나 제조 방법.The method of claim 5,
The method of claim 1, wherein the first patch operates in a half-wave resonant mode and the second patch operates in a zero-order resonant mode at the same frequency. 제5항에 있어서, 상기 급전점을 형성하는 단계는,
상기 급전점을 상기 제2 패치의 일 측면에 형성하되, 상기 제1 패치 또는 상기 제2 패치와 소정의 갭을 갖도록 형성하는 메타물질 하이브리드 패치 안테나 제조 방법.The method of claim 5, wherein the forming of the feed point,
The feed point is formed on one side of the second patch, meta-material hybrid patch antenna manufacturing method for forming to have a predetermined gap with the first patch or the second patch. 제7항에 있어서, 상기 급전점을 형성하는 단계는,
상기 제1 패치와의 갭이 상기 제2 패치와의 갭 보다 더 크도록 상기 급전점을 형성하는 메타물질 하이브리드 패치 안테나 제조 방법.The method of claim 7, wherein forming the feed point,
And forming the feed point such that the gap with the first patch is greater than the gap with the second patch.
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