KR100399605B1 - 공기-유전체 샌드위치 구조 및 이를 이용한 유전체공진기, 대역 통과 및 소거 필터, 동조 변위기 그리고위상 배열 안테나 - Google Patents

공기-유전체 샌드위치 구조 및 이를 이용한 유전체공진기, 대역 통과 및 소거 필터, 동조 변위기 그리고위상 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명의 공기-유전체 샌드위치 구조는 유전체, 공기 층, 금속 벽면 및 액츄에이터로 구성된다. 유전체와 공기 층의 층상 구조는 액츄에이터와 결합되어 샌드위치 구조를 형성하며, 여기서 액츄에이터는 유전체나 금속 벽면을 움직여 공기 층의 두께를 조정하는 역할을 한다. 공기 층의 두께를 변화시킴에 따라 공기-유전체 샌드위치 구조의 유효 유전 상수 값이 변하게 된다. 상용 전기 기계(electromechanical) 액츄에이터는 100V 이하의 구동 전압에서 매우 빠른 응답 속도(microsecond)와 마이크론 이하의 변위를 정확하게 조절할 수 있으므로 본 발명에 따른 구조체의 유효 유전 상수 값은 매우 빠르고 정밀하게 조정될 수 있다. 이러한 공기-유전체 샌드위치 구조를 통해 마이크로파와 밀리미터파 대역 통신 분야에서 다양한 동조 소자 응용이 가능하다. 본 발명에서는 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용하여 다음과 같은 마이크로파 소자들을 제안하였다. 첫째, 샌드위치 구조의 공기 층 두께 조절을 통해 공진 주파수의 조절이 가능한 유전체 동조 공진기를 제안하였다. 둘째, 샌드위치 구조의 유전체 공진기를 금속 공동 내에 적절히 배열하여 동조가 가능한 밴드 통과 필터 및 밴드 소거 필터를 제안하였다. 셋째, 도파관 내에 위치한 샌드위치 구조의 공기 층 두께 조절을 통해 마이크로파의 위상을 변화시키는 동조 변위기를 제안하였다. 위의 세 가지 소자에서 유전 손실이 낮은 유전 물질과 사실상 손실이 없는 공기 층의 사용으로 넓은 주파수 대역에서 높은 품질 계수를 구현할 수 있다.

Description

공기-유전체 샌드위치 구조 및 이를 이용한 유전체 공진기, 대역 통과 및 소거 필터, 동조 변위기 그리고 위상 배열 안테나{TUNABLE MICROWAVE SYSTEM WITH AIR-DIELECTRIC SANDWICH STRUCTURE INCLUDING TUNABLE DIELECTRIC RESONATOR, TUNABLE MICROWAVE FILTER , TUNABLE PHASE SHIFTER AND ELECTRICALLY SCANNING LENS-TYPE PHASED ARRAY ANTENNA}
본 발명은 전기적으로 동조가 가능한 마이크로파 소자에 관한 것으로 더욱 상세하게는 공진 주파수 및 대역 조절이 용이한 공기-유전체 샌드위치 구조에 관한 것이다.
본 발명은 또한 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용한 유전체 공진기에 관한 것이다.
본 발명은 또한 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용한 대역 통과 및 소거 필터에 관한 것이다.
본 발명은 또한 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용한 동조 변위기에 관한 것이다.
본 발명은 또한 공기-유전체 샌드위치를 갖는 동조 변위기를 이용한 위상 배열 안테나에 관한 것이다.
전기적으로 동조(tuning)가 가능한 마이크로파 소자의 개발은 현대 통신 시스템의 지속적인 발전을 위해 그 필요성이 강조되어 왔다. 마이크로파 발진기(oscillator) 및 필터(filter)는 마이크로파 통신 소자의 주요 구성 요소로 공진 주파수(resonance frequency)를 통해 마이크로파 신호 특성을 조절한다. 따라서 공진 주파수의 동조 특성을 향상시킴으로써 마이크로파 소자의 응용 범위를 확장시킬 수 있다.
마이크로파 통신시스템에서 다른 중요한 소자 중 하나인 위상 배열 안테나(phased array antenna)는 마이크로파 변위기(phase shifter)를 필요로 한다. 변위기는 마이크로파 신호의 위상을 빠르고 정확하게 조절하는 역할을 한다.
이러한 마이크로파 소자가 현대 통신 시스템에 응용되기 위해서는 동조 특성을 빠르게 제어할 수 있어야 하며, 소자의 크기를 소형화할 수 있어야 한다. 동조가 가능한 유전체 공진기(dielectric resonator)와 변위기의 선행 기술을 살펴보면 다음과 같다.
유전체 공진기는 일반적으로 금속 공동(metal cavity) 안에 유전체를 위치시킴으로써 몇 개의 지배 모드(mode)가 공진 주파수를 나타낸다. 마이크로파 필터 및 발진기는 목적에 맞는 적절한 형태로 가공되어 배열된 유전체 공진기로 구성된다. 유전 물질은 소자의 크기를 최소화 할 수 있도록 높은 유전 상수를 가져야만 한다. 또한 온도에 따른 유전 상수 값의 변화가 크지 않은 유전 물질을 선택하는 것은 소자의 신뢰성과 공진 주파수 선택성을 결정짓는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 현대 통신 기술은 시스템 내 더 많은 수의 공진 주파수를 필요로 하며 이를 공진 주파수 대역 형성에까지 확장하고자 노력하고 있다. 따라서 어떤 목적으로든 공진 주파수의 선택성 및 동조 특성이 뛰어난 유전체 공진기의 개발이 시급히 요구되고 있다.
유전체 공진기의 공진 주파수는 몇 가지 방법으로 동조가 가능하다. 하나는 금속 공동의 부피를 금속 판(metal plate)이나 나사(metal screw)를 움직임으로써 변화시키는 방법이다. 두 번째 방법은 유전 물질의 부피를 변화시키는 것으로써,예를 들어, 두 유전체 공진기 사이의 간격을 조절하거나 금속 공동 내 실린더형 유전체를 삽입하여 움직임으로써 가능하다. 세 번째 방법은 금속 공동 내 유전체들의 상대적인 위치를 변화시키는 방법이다. 하지만, 위와 같은 방법들은 모두 금속 판, 나사, 혹은 유전 물질의 수동적인 기계적 움직임에 의존하고 있다. 이러한 결과로 마찰과 느린 작동 속도 등의 단점이 지적되고 있으며, 이는 매우 빠른 응답 속도를 요구하는 현대 통신 시스템에 부합하지 않는다. 지금까지 기술된 동조 방법 및 특징은 미국 특허 등록번호 5,691,677과 그곳에 인용된 참고 자료에 상세히 설명되어 있다.
위상 배열 안테나는 방출 전자기파 신호의 방향을 빠르게 조정할 수 있어야 한다. 안테나 내에 규칙적으로 배열되어 있는 변위기는 각각의 그것을 통과하는 마이크로파의 상대적인 위상을 변화시킨다. 이를 통해서 각 변위기를 통과하는 마이크로파간에 간섭 효과를 일으킴으로써 전자기파가 목적하는 방향으로 방출될 수 있도록 한다.
현재 상용화 되어있는 변위기 중 하나는 페라이트(ferrite)로 만들어진 것이다. 페라이트에 자기장이 인가되면 자화율(magnetic susceptibility)이 변화하고, 이것은 마이크로파 신호의 전파 상수(propagation constant)를 변화시킨다. 따라서 인가 자기장의 세기를 변화시킴에 따라서 페라이트를 통과하는 마이크로파의 위상을 변화시킬 수 있다. 그러나 페라이트 변위기는 강력한 세기의 자기장과 큰 부피, 그리고 고비용을 요구하는 단점을 지니고 있다. 박막(thin film) 형태의 페라이트 변위기 역시 높은 전력을 요구하는 응용 분야에서 나타나는 비선형성으로 인한 단점을 극복하지 못하고 있다.
PIN 다이오드(diode) 변위기는 페라이트 변위기에 비해 작은 크기를 가지며 빠른 속도로 작동할 수 있는 이점을 가지고 있다. 그러나 요구되는 전력이 페라이트 변위기에 비해 매우 크다는 단점이 있다.
최근 들어 강유전(ferroelectric) 박막 변위기에 관한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 강유전체에 전기장이 인가되면 그것의 유전 상수 값이 변화하게 된다. 일반적으로 인가되는 전기장의 크기가 증가함에 따라 강유전체의 유전 상수 값은 감소한다. 따라서 인가 전압의 조절을 통해 강유전체를 통과하는 마이크로파의 위상 변화를 조절할 수 있다. 그러나 실질적인 응용을 위해 필요한 위상 변화를 얻기 위해서는 매우 큰 전압이 강유전체에 인가되어야 하며, 이는 또한 강유전체를 통과하는 마이크로파 신호의 커다란 손실을 피할 수 없게 한다.
또 다른 형태의 변위기는 미국 특허 등록번호 6,075,424에 기술된 바와 같이 전송로(transmission line)의 능동면(active plane)과 바닥면(ground plane)을 그 사이에서 움직일 수 있는 유전체 후판(dielectric slab)과 결합시킨 형태이다. 여기서 유전체 후판의 모양이나 크기, 또는 전송로의 형태를 변화시킴으로써 적절한 임피던스 정합(impedance matching)을 얻을 수 있다. 그러나 이러한 변위기에서 유전체 후판을 어떻게 움직임으로써 마이크로파의 위상 변화를 신속하게 이끌어 낼 수 있는지에 대한 효율적인 방법은 제시되어 있지 않다. 또한 변위기의 크기가 대형화 될 수 밖에 없다는 점에서 소형의 위상 배열 안테나에 응용되기에 적절치 못하다고 할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 공진 주파수 및 대역 조절이 용이한 공기-유전체 샌드위치 구조를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용한 유전체 공진기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용한 대역 통과 및 소거 필터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용한 동조 변위기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기-유전체 샌드위치를 갖는 동조 변위기를 이용한 위상 배열 안테나를 제공하는데 있다. .
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전기적으로 동조가 가능한 마이크로파 소자로, 소정 두께를 갖는 두 개의 유전체가 일정 간격을 갖는 공기 층을 사이에 두고 위치한다.
본 발명은 또한 소정 두께를 갖는 유전체가 일정 간격을 갖는 공기 층을 사이에 두고 금속 벽면과 마주하고 있는 구성을 갖는다.
또한 본 발명의 유전체 공진기는 또한 공기-유전체 샌드위치 구조로 형성되어 전기적으로 공진 주파수의 동조가 가능하도록 구성된다.
또한 본 발명의 대역 통과 필터 및 소거 필터는 공기-유전체 샌드위치 구조로 형성되어 전기적으로 동조가 가능하도록 구성된다.
또한 본 발명의 동조 변위기는 공기-유전체 샌드위치 구조로 형성되어 전기적으로 위상의 동조가 가능하도록 구성된다.
또한 본 발명의 위상 배열 안테나는 공기-유전체 샌드위치 구조를 갖는 동조 변위기가 배열되어 구성된다.
도 1은 본 발명에 따른 두가지 형태의 공기-유전체 샌드위치 구조를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 공기-유전체 샌드위치 구조의 유효 유전 특성 변화 양상을 유전체의 몇 가지 다른 유선 상수 값에 대하여 도시한 도면,
도 3은 도 1b의 공기-유전체 샌드위치 구조의 유효 유전 상수 변화 양상을 알려진 몇 가지 저가의 상용 마이크로파 유전체에 대해 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 공기-유전체 샌드위치 구조를 바탕으로 제작한 유전체 공진기의 개략적 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 반 고리 형태의 공기-유전체 샌드위치 구조를 갖는 동조 가능한 유전체 공진기의 개략적인 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 반 고리와 디스크 형태의 공진기의 공진 주파수 변화 양상을 비교하여 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 도파관 내에 두 개의 공진기로 이루어진 대역 통과 필터 및 감쇠-주파수 특성을 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 직육면체 형태의 공기-유전체 샌드위치 구조를 도파관 내에 위치시켜 제작한 대역 소거 필터 및 감쇠-주파수 특성을 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 도파관 내에 위치한 공기-유전체 샌드위치 구조를 갖는 변위기의 구성을 도시한 도면,
도 10은 도 9의 변위기의 위상 변화 특성의 예를 보여주는 도면,
도 11은 도 9의 변위기를 이용하여 구성된 렌즈형 위상 배열 안테나의 개략도.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1, 2, 3 : 유전체 4 : 금속 벽면
5 : 금속 거울 11: 차폐 케이스
12 : 석영 기판 13 : 반 고리형 유전체 공진기
14 : 전기 기계적 액츄에이터 15 : 금속판
21 : 도파관 22, 23 : 공진기
24 : 액츄에이터 31 : 공진기
32 : 도파관 33 : 액츄에이터
34 : 기판 41 : 도파관
42 : 유전체 43 : 금속 판
44 : 액츄에이터 45 : 정합 블록
본 발명은 전기적으로 동조가 가능한 마이크로파 소자에 응용할 수 있는 공기-유전체 샌드위치 구조(air-dielectric sandwich structure)를 제공한다. 공기-유전체 샌드위치 구조는 공기 층과 높은 유전 상수를 가지는 유전체의 층상구조를 전기기계 액츄에이터(electromechanical actuator)와 결합하여 구성한다.
층상 구조는 다음과 같은 두 가지 형태로 가능하다. 하나는 두 유전체가 공기 층을 사이에 두고 분리되어 있는 형태이며, 다른 하나는 유전체가 금속 벽면 사이에 공기 층을 두고 있는 형태이다. 이러한 층상 구조는 낮은 손실의 유전 물질을 사용할 경우 매우 높은 품질 계수(quality factor)를 가질 수 있는데, 이는 공기 층이 실질적으로 마이크로파의 손실을 유도하지 않기 때문이다.
샌드위치 구조의 유효 유전 상수(effective dielectric constant)는 액츄에이터를 이용하여 공기 층의 두께를 변화시킴으로써 조정할 수 있다. 유효 유전 상수는 액츄에이터의 성능에 따라 10-5초의 속도로 조정할 수 있다. 유전 상수가 마이크로파 특성(전파 상수, 공진 주파수 등)을 결정짓는 주요 인자임을 고려할 때, 샌드위치 구조는 그 자체로서 동조 가능한 마이크로파 소자의 구성 요소가 된다.
본 발명은 지금까지 기술한 개념을 바탕으로 개발한 다음의 두 가지 마이크로파 소자를 포함한다. 하나는 샌드위치 구조를 바탕으로 공진 주파수의 전기적 동조가 빠르고 정확하게 20-25%까지 가능한 유전체 공진기(dielectric resonator)에 관한 것이다. 이를 통해 전기적으로 빠른 주파수 특성 동조가 가능한 발진기(oscillator) 및 필터(filter)의 구성이 가능하다. 다른 하나는 샌드위치 구조를 도파관(waveguide) 안쪽에 위치시킴으로써 가능한 변위기의 개발에 관한 것이다. 마이크로파 신호가 도파관 내에서 공기-유전체 샌드위치 구조를 통과할 때 액츄에이터를 이용해 샌드위치 구조의 유효 유전 상수 값을 변화시킴으로써 마이크로파의 위상 변화를 이끌어 낼 수 있다. 이러한 변위기를 2차원적인 m×n 형태로 배열하면 위상 배열 안테나를 제작할 수 있다. 또한 본 변위기를 렌즈 형태의 위상 배열 안테나 구성에 사용하여 필요한 변위기의 숫자를 m+n 으로 줄일 수도 있다. 일 차원 렌즈 형태의 위상 배열 안테나는 자동차 충돌 방지용 레이더에 응용될 수 있다. 본 발명에서 제시하는 변위기로 구성된 모든 형태의 위상 배열 안테나는 매우 빠르고 정확한 전파의 방향 조절과 낮은 손실, 그리고 낮은 구동 전압을 가능하게 한다. 본 발명의 주요 이점은 1GHz에서 100GHz까지 넓은 주파수 대역에서 사용할 수 있다는 점이다. 특히 본 발명은 현재 적절한 변위기가 존재하지 않은 40GHz에서 100GHz의 주파수 대역에서도 사용할 수 있는 유일한 변위기 형태를 제시하고 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 1)동조 가능한 공기-유전체 샌드위치 구조, 2)유전체동조 공진기, 3) 마이크로파 동조 필터 4) 동조 변위기 및 5) 렌즈형 위상 배열 안테나의 순으로 설명한다.
1) 동조 가능한 공기-유전체 샌드위치 구조
도 1에는 본 발명에 따른 공기-유전체 샌드위치 구조의 개념도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 도 1a는 두께(D)를 갖는 두 개의 유전체(1,2)가 간격(△)을 갖는 공기 층을 사이에 두고 위치하고 있으며, 도 1b는 두께(D)를 갖는 유전체(3)가 간격(△)을 갖는 공기 층을 사이에 두고 금속 벽면(4)과 마주하고 있다.
여기서, 유전체 (1,2,3)들은 높은 유전 상수(dielectric constant)와 낮은 유전 손실(dielectric loss)을 가지고 있으며, 이러한 층상 구조에서는 유전체(1,2)간 또는 유전체(3)와 금속 벽면(4)과의 공기 층간의 두께 비율(△/D) 비율이 변화함에 따라 층상 구조의 유효 유전 상수(effective dielectric constant)는 확연하게 변화한다. 이 층상 구조의 유효 유전 손실(effective dielectric loss) 또한 두께 비율(△/D) 비율에 따라 변화한다.
도 2는 도 1b의 공기-유전체 샌드위치 구조의 유전 상수 변화 양상을 몇 가지 다른 유전 상수 값에 대하여 살펴본 것이다. 도 2 a는 공기 층의 두께(△)와 유전체 두께(D)의 비율 변화에 따라 유효 유전 상수 값이 변화하는 양상을 나타내고 있으며, 도 2b는 공기층(tan△ = 0)의 두께와 유전체(tan△ = 0.01) 두께의 비율 변화에 따른 유효 유전 손실 값의 변화 양상을 보여준다.
본 발명자는 이러한 변화 양상은 직렬 정전 용량 모형(serial capacitance model)으로 설명할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 도 3에는 도 1b의 공기-유전체 샌드위치 구조의 유전 특성을 몇 가지 잘 알려진 저가의 마이크로파 유전체에 대해 나타내었다. 예시된 유전체로는 BaTi4O9(ε = 37), TiO2(ε = 100), CaTiO3( ε= 150), SrTiO3(ε = 300 ), 그리고 Ba(Sr,Ti)O3(ε = 1000)이 있다. 실제 응용에서는 보다 고가이며 안정한 유전 특성을 가지는 (Mg,Ca)TiO3(ε= 20 ), Ba(Zr,Zn,Ta)O3(ε= 30), 그리고 BLT (ε= 80-120)같은 물질들도 사용될 수 있다.
도 3에서 알 수 있듯이 높은 유전 상수 값을 가지는 물질에 대해서는 두께 비율(△/D)의 변화가 작아도 따라 유효 유전 상수 값이 크게 변화함을 알 수 있다.
본 발명의 주요 목적 중의 하나는 본 발명이 제시하는 구조가 현대 마이크로파 소자(microwave device)에 응용될 수 있도록 층상 구조에서 두께 비율(△/D)을 효율적으로 조정하는 것이다. 이러한 목적을 이루기 위해서 전왜/압전 액츄에이터(electrostrictive/piezoelectric actuator)를 층상 구조에 결합하여 공기-유전체 샌드위치 구조(air-dielectric sandwich structure)를 구성할 수 있다. 액츄에이터를 사용하여 금속판이나 유전 물질을 지지하고 움직임으로써 공기 층의 미세한 두께를 조정할 수 있다. 현재 상용화 되어있는 액츄에이터는 100V 이하의 인가 전압에서 1/10 마이크론 이하의 정확성과 수 마이크로 초 이하의 매우 빠른 응답속도를 가지고 있어서 층상구조의 유효 유전 특성을 정확하고 빠르게 제어할 수 있다. 이러한 공기-유전체 샌드위치 구조는 그 형태에 있어서 뛰어난 유연성을 가지고 있다. 예를 들어 층상 구조에 대해 액츄에이터를 어떠한 형태로 위치시킬 것인가에 대해서도 여러가지 방법이 가능한데, 액츄에이터로 유전체를 움직이는 방법을 사용할 수도 있고, 도파관의 금속 벽면이나 금속 판을 움직이는 방법을 사용할 수도 있는 등 여러 가지 시도가 가능하다.
본 발명의 가장 뛰어난 점 중 하나는 소자 제작에 있어서의 유연성이다. 소자의 목적에 따라 적절한 특성의 유전 물질, 샌드위치 구조의 크기, 공기 층의 초기 두께 등을 알맞게 선택할 수 있다. 충분한 자유도를 가지고 소자 제작에 임할 수 있기 때문에 공기-유전체 샌드위치 구조의 본 발명은 넓은 주파수 대역에서 다양한 특징을 갖는 여러 가지 마이크로파 소자의 제작을 가능하게 한다.
샌드위치 구조의 유효 유전 상수 값은 마이크로파의 전파 상수(propagation constant)나 샌드위치 구조의 공진 주파수(resonance frequanecy)와 같은 마이크로파 특성을 결정짓는 주요 인자중의 하나이다. 상술한 바와 같이 공기-유전체 샌드위치 구조는 현대 통신 시스템에 응용되기 충분할 정도의 정확성과 응답 시간을 가지고 있다. 따라서 이러한 구조를 이용한 다양한 형태의 동조 가능한 마이크로파 소자의 제작이 가능하다. 아래에서는 이러한 소자들의 예시가 주어질 것이다. 하지만 본 발명의 적용은 아래 예시에 국한되지 않는다는 점을 밝혀둔다.
2)유전체동조 공진기
유전체 공진기는 마이크로파 소자에 광범위하게 응용되고 있다. 예를 들어 발진기(oscillator)의 주파수를 안정화시키는 역할이나 마이크로파 필터(filter)의 구성 요소로 사용된다. 일반적으로 유전체 공진기는 20~120의 유전 상수와 유전 상수의 열적 안정성, 그리고 품질 계수 Q~104을 가지는 유전 물질로 만들어진다. 공진주파수의 안전성(stability)은 유전체 공진기에 응용되기 위해 마이크로파 세라믹스(microwave ceramics)가 가져야 하는 요건 중의 하나이다. 현대 마이크로파 소자에 응용되기 위해서는 공진 주파수가 정확하게 조정될 수 있어야 한다. 그러나 이미 상술한 바와 같이 유전체 동조 공진기에 관해서는 이미 연구가 되어 왔지만 느린 작동 속도 및 낮은 동조 특성 등의 단점을 가지고 있다. 본 발명에 따른 공기-유전체 샌드위치 구조를 가지는 유전체 공진기의 개발은 이러한 단점을 극복하고 공진 주파수 조정의 정확성과 빠른 작동 속도를 확보함에 그 목적이 있다.
도 4에는 공기-유전체 샌드위치 구조를 바탕으로 제작한 유전체 공진기의 개략적인 형태가 도시되어 있다. 도 4에서는 공기 층의 두께를 나타낸다. 도 4a, b, c, d는 각각 디스크(disk), 고리(ring), 반 고리(half ring), 사분 고리(quarter ring) 형태의 공진기이다. 도 4g의 반 고리(half ring) 형태의 유전체 공진기 뿐만 아니라 도 4h의 사분 고리(quarter ring) 형태의 유전체 공진기 또한 금속 거울(5) 사이에서 마이크로파 이미지를 반사할 수 있다. 이러한 유전체 공진기의 이미지를 사용하면 소자의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 공진 주파수의 대역도 확장할 수 있다.
도 4e, f, g, h에는 도 a, b, c, d의 형태를 기본으로 한 본 발명의 공기-유전체 샌드위치 구조의 유전체 공진기가 도시되어 있다.
도 5는 공기-유전체 샌드위치 구조를 통해 반 고리 형태의 유전체 공진기의 개략도이다. 도시된 바와 같이 차폐 케이스(Shielding Case)(11)하부에는 석영 기판(Quartz Substrate)(12)이 장착되어 있고, 이 석영 기판(12)에 반 고리형의 유전체 공진기(TE01δ)(13)가 위치한다. 공진기(13) 하단에는 간격(Δ)을 두고 전기기계(electromechanical) 액츄에이터(14)가 위치하며, 액츄에이터(14)의 상단에는 금속 판(15)이 장착되어 있다.
최근까지 연구된 바에 의하면 적층형 액츄에이터(multiplayer actuator)를 사용할 경우 100V의 전압에서 20㎛이상의 변위를 만들 수 있으며 적절한 유전 물질과 크기를 결정할 경우 10%의 공진 주파수 조절이 가능하다.
공기-유전체 샌드위치 구조의 유전체 공진기 제작을 위해 필요한 주요 인자와 적절한 재료의 선택을 위한 이론적 분석이 도 6에 도시되어 있다. 도 6은 디스크 형태와 고리 형태의 유전체 공진기에 대해서 공진 주파수의 동조 특성을 나타내고 있다. 유전 상수(80)의 물질을 사용하여 공기 층의 두께를 100㎛ 이상 변화시킬 경우 30-40% 가량 공진 주파수를 변화시킬 수 있었다. 실험은 10GHz에 대해서 수행되었으며 공진기에 사용된 유전 물질의 유전상수는 40 이었다. 공진기의 크기는 외부 반지름 Re= 2.6 mm, 내부 반지름 Ri= 1.1 mm, 그리고 두께 h = 2.1 mm 이었다.
3) 마이크로파 동조 필터
도 4에 도시된 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용하여 마이크로파 동조 필터를 제작할 수 있다.
도 7은 도파관(21) 내에 두 개의 유전체 공진기(23, 24)를 사용하여 공기-유전체 샌드위치 구조를 구성하고, 이 구조의 반사 특성과 함께 대역 통과 필터(bandpass filter) 특성을 보여주고 있다. 도 7 a에 도시된 바와 같이 동조 필터는 공기 층을 사이에 두고 디스크를 이등분한 형태로 두 유전체가 마주보는 공기-유전체 샌드위치 구조의 유전체 공진기(22, 23)가 구성되어 있다. 공기 층의 두께는 액츄에에터(24)에 인가되는 전압에 따라 변화하며, 디스크 한쪽을 지지하는 액츄에이터(24)가 변위를 제공한다. 액츄에이터(24)에 의한 변위는 전기적으로 제어가 가능하므로 공진 주파수의 동적 제어가 가능해 진다. 하나의 유전체 공진기(예컨대 22)는 전기 쌍극자 모드(electrical dipole mode)(f1)를 나타내며 다른 하나의 유전체 공진기(예컨대 23)는 자기 쌍극자 모드(magnetic dipole mode)(f2)를 나타낸다. 이러한 형태는 두 공진기(22, 23)의 모드가 서로 독립적이 되어 도 7b에 도시된 바와 같이 모드(f1)와 (f2)가 동기 변화하는 가운데 넓은 스펙트럼에 걸쳐 감쇠-주파수 특성(attenuation-frequency characteristics)이 보존될 수 있게 한다. 도 7b는 유전체 공진기의 감쇠-주파수 특성(attenuation-frequency characteristics)을 도시한 것이다. 여기서 유전체 공진기는 수직 방향으로 놓여 있으며 공진 주파수는 약 25% 변화하였다. 도 7c는 수평 방향으로 놓여있는 유전체 공진기의 감쇠-주파수 특성을 보여주고 있다. 여기서 공진 주파수는 일정하게 유지하면서 대역 폭을 조정할 수 있다.
두 유전체 공진기(22),(23) 중 하나의 주파수만 변화시키는 경우에는 필터의 중심 주파수는 일정한 가운데 감쇠-주파수 특성의 그래프 형태가 변화한다.
도 8a는 직육면체 형태의 공기-유전체 샌드위치 구조의 공진기(31)를 도파관(32) 내에 위치시켜 제작한 대역 소거 필터(band stop filter)를 보여주고 있다. 실험적 결과에 의하면 100V 전압으로 액츄에이터(33)를 사용하여 도 8a에서 보여지는 직육면체 형태의 두 유전체(31-1, 31-2) 사이의 공기 층 두께를 변화시킴에 공진 주파수는 12%까지 동조가 가능함을 알 수 있었다. 도 8b는 샌드위치형 필터의 감쇠-주파수 특성을 보여주고 있다. 여기서 미설명 부호(34)는 기판을 의미한다.
4) 동조변위기
도 9는 공기-유전체 샌드위치 구조를 이용해 제작된 동조 변위기(tunable phase shifter)의 형태를 보여주고 있다. 여기서 변위기는 도파관(41)이나 금속 동공(metal cavity) 내에 유전체(42), 금속층(43), 전왜/압전 액츄에이터(44), 그리고 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 정합 블록(45)을 삽입함으로써 구성된다. 도파관(41)은 마이크로파나 밀리미터파 신호가 통과하는 전송로(transmission line) 역할을 하게 된다. 신호의 위상 지연을 얻기 위해서는 도 9a에서 보여지는 바와 같이 도파관(41) 내 위치한 유전체(42)와 도파관 내 위쪽 금속 벽면 사이에 얇은 공기 층의 두께를 변화시켜 위상 지연을 얻는다.
위상 지연을 얻는 다른 형태로서 도 9b에 도시된 바와 같이 액츄에이터(44) 위에 금속 판(43)을 위치시키고 유전체(42)는 도파관(41)내 위쪽 면에 고정하여 금속 판(43)과 유전체(42) 사이에 공기 층을 두는 방법도 있다. 액츄에이터(44)는 유전체(42)와 금속 판(43)이나 금속 벽면 사이의 공기 층 두께를 변화시킴으로써 공기-유전체 샌드위치 구조의 크기 및 유전 특성을 변화시킨다. 그러나 실제 소자 응용을 위해서는 신호가 들어오고 나가는 전송로, 즉 도파관 양쪽에 반사 손실을 줄이기 위한 정합 트랜스포머(matching transformer)가 필요하다. 도 9에서 보여주는 정합 블록(45)은 샌드위치 구조의 앞 뒤에 금속 스텝을 위치시킴으로써 정합을 이루었다. 이러한 금속 스텝이나 유전체 트랜스포머를 사용하여 정합을 이루는 다양한 방법이 있을 수 있다. 예를 들어 체브세브(Chebyshev) 방법을 사용할 경우, 최소한의 반사율을 허용한다는 조건 아래 넓은 대역에 대해서 정합을 위한 금속 스텝이나 유전체 트랜스포머의 크기 및 개수를 최적화하여 결정할 수 있다. 정합 방법은 각 소자에서 요구하는 사항, 예를 들어 최대 반사율이나 허용 대역 폭 등에 따라 선택할 수 있다.
도 10은 도 9의 변위기의 위상 변화 특성을 보여주는 그래프이다. 그래프에서는 유전 상수()가 100이고 손실 tan= 0.01 인 유전체를 사용하여 공기-유전체 샌드위치 구조를 만들어서 10GHz에서 측정할 경우를 보여주고 있다. 여기서 유전체의 두께(D)는 2mm이고 초기 공기 층의 두께는 15㎛ 으로 할 때, 초기 유효 유전 상수( eff )는 57이 된다. 유전체가 채워진 도파관 내의 마이크로파 파장(λ)은 eff 1/2에 반비례하며 다음의 수학식을 따른다.
여기서는 진공에서의 마이크로파 파장이고,a는 도파관 단면의 가로 길이이다. 위 식에 따르면 초기 유효 유전 상수 57은 10GHz의 주파수에서 도파관 내마이크로파 파장이 5.27mm가 되게 한다. 이때 샌드위치 구조의 길이를 20mm로 설정하면 위상 지연은 1360°가 된다. 여기서 공기 층의 두께를 45㎛ 까지 증가시키면 유효 유전 상수는 31이 되고 도파관내 파장의 길이는 7.14mm가 된다. 이것은 1000°의 위상 지연에 해당한다. 따라서 이 과정동안 360°(radians) 의 위상 변화를 얻은 것이다. 여기서 주지할 사항은 높은 품질계수를 유지하면서 위상 변화를 얻었다는 점이다. 예를 들어 유전 상수 100이고 손실가 0.002인 barium lanthanide titanate (BLT) 물질을 사용한 경우위상 변화를 얻는데 삽입 손실은 0.15dB이다.
본 발명에서 제시하는 변위기의 최대 이점은 40GHz에서 최대 100GHz까지의 높은 주파수 대역에서 작동 가능하다는 점이다. 현재까지 이 주파수 대역에서 전기적으로 제어되는 변위기의 개발은 보고된 바가 없다. 밀리미터파의 경우 다른 형태의 변위기는 심각한 손실을 보이는데 반해 공기-유전체 샌드위치 구조에 바탕을 둔 변위기는 삽입 손실을 응용에 가능할 수 있는 적정 수준까지 최소화 할 수 있다..
5) 렌즈형 위상 배열 안테나
도 9의 변위기는 위상 배열 안테나의 개발에 응용될 수 있다. 여기서는 본 발명을 미국 특허 등록 번호 5,729,239 에서 제시하는 렌즈형 위상 배열 안테나에 응용하여 설명하고자 하며, 이는 도 11에 도시되어 있다.
도 11은 도 9에서 제시된 변위기를 m+n 개 배열하여 2차원 형태의 렌즈 안테나를 구성한 것이다. 도시된 바와 같이 도 11의 안테나는 수평 주사 안테나(51)와수직 주사 안테나(52)로 구성된다. 수평 주사 안테나(51)는 m개의 변위기(53)가 일 차원적(수평)으로 배열된 렌즈로 구성되어 있으며, 각각의 변위기(53)에 인가되는 전압을 다르게 하여 배열을 통과하는 마이크로파의 방향을 1차원적(수평)으로 조정한다. 수직 주사 안테나(52)는 수직으로 배열된 n개의 변위기(54)로 구성된 렌즈를 수평 주사 안테나(51) 다음에 결합시켜 배열을 통과하는 마이크로파의 방향을 1차원적(수직)으로 조정한다. 따라서 수평 주사 안테나(51) 및 수직 주사 안테나(52)를 이용하여 마이크로파의 방향을 2차원적으로 조정할 수 있다.
비슷한 형태로 미국 특허 등록 번호 5,729,239에서 설명하는 안테나에 비교하여 본 발명이 가지는 이점은, 첫째, 안테나 구동에 필요한 전력이 낮고, 둘째, 응용 주파수가 40GHz에서 최대 100GHz에 이르기까지 유전 손실이 거의 없다는 점이다.
이와 같이 본 발명에 따른 공기-유전체 샌드위치 구조는 유전체와 공기 층의 층상 구조는 액츄에이터와 결합되어 샌드위치 구조를 형성하며, 여기서 액츄에이터는 유전체나 금속 벽면을 움직여 공기 층의 두께를 조정하는 역할을 한다. 공기 층의 두께를 변화시킴에 따라 공기-유전체 샌드위치 구조의 유효 유전 상수 값이 변하게 된다. 상용 전기기계 액츄에이터는 100V 이하의 구동 전압에서 매우 빠른 응답 속도(microsecond)와 마이크론 이하의 변위를 정확하게 조절할 수 있으므로 본 발명에 따른 구조체의 유효 유전 상수 값은 매우 빠르고 정밀하게 조정될 수 있다. 이러한 공기-유전체 샌드위치 구조를 통해 마이크로파와 밀리미터파 대역 통신 분야에서 다양한 동조 소자 응용이 가능하다.

Claims (20)

  1. 전기적으로 동조가 가능한 마이크로파 소자로,
    소정 두께를 갖는 두 개의 유전체가 일정 간격을 갖는 공기 층을 사이에 두고 위치하는 공기-유전체 샌드위치 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 두 개의 유전체는 디스크가 양분되어 마주보는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 공기-유전체 샌드위치 구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 두 개의 유전체는 고리가 양분되어 마주보는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 공기-유전체 샌드위치 구조.
  4. 소정 두께를 갖는 유전체가 일정 간격을 갖는 공기 층을 사이에 두고 금속 벽면과 마주하고 있는 공기-유전체 샌드위치 구조.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유전체는 반고리 형태로 금속 벽면과 마주함을 특징으로 하는공기-유전체 샌드위치 구조.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 사분고리 형태로 금속 벽면과 마주함을 특징으로 하는 공기-유전체 샌드위치 구조.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    액츄에이터로 상기 유전체를 이동시킴으로써 공기 층의 두께를 변화시킬 수 있는 공기-유전체 샌드위치 구조.
  8. 상기 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 공기-유전체 샌드위치 구조로 형성되어 전기적으로 공진 주파수의 동조가 가능한 유전체 공진기.
  9. 상기 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 공기-유전체 샌드위치 구조로 형성되어 전기적으로 동조가 가능한 대역 통과 필터.
  10. 상기 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 공기-유전체 샌드위치 구조로 형성되어 전기적으로 동조가 가능한 대역 소거 필터.
  11. 상기 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 공기-유전체 샌드위치 구조로 형성되어 위상적으로 동조가 가능한 동조 변위기.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 동조 변위기는,
    도파관 내에 유전체와 금속층이 부착되어 있는 액츄에이터와;
    상기 도파관 내에 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 정합 블록을 포함하는 동조 변위기.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 동조 변위기는,
    유전체가 일부에 부착되어 있는 도파관과;
    상기 도파관 내에서 상기 유전체에 대응하여 금속층이 부착되어 있는 전왜/압전 액츄에이터와;
    상기 도파관 내에 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 정합 블록을 포함하는 동조 변위기.
  14. 제 11 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 동조 변위기는,
    한 쪽 끝이 금속 벽으로 쇼트되어 전자기파를 반사하는 도파관과;
    상기 도파관 내에 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 정합 블록을 포함하는 동조 변위기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 정합 블록은 금속 스텝으로 구성됨을 특징으로 하는 동조 변위기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 정합 블록은 유전체 트랜스포머로 구성됨을 특징으로 하는 동조 변위기.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 정합 블록은 유전체 금속 스텝과 유전체 트랜스포머로 구성됨을 특징으로 하는 동조 변위기.
  18. 상기 제 11 항의 동조 변위기가 배열되어 형성되는 위상 배열 안테나.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 동조 변위기는 1차원적으로 배열됨을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 동조 변위기는 2차원적으로 배열됨을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
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