KR100745300B1 - 메타-물질을 포함하는 유전체 기판을 구비한마이크로스트립 안테나 장치 - Google Patents

메타-물질을 포함하는 유전체 기판을 구비한마이크로스트립 안테나 장치 Download PDF

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Abstract

슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나(300)는 도전성 접지면(308)을 포함하며, 도전성 접지면(308)은 적어도 하나의 슬롯(306)을 포함한다. 유전 물질이 접지면(308) 및 적어도 하나의 급전선(317) 사이에 배치되며, 유전층(313)의 적어도 일부는 자성 입자(324)를 포함한다. 급전선(317) 및 접지면 사이의 유전층은 높은 상대 유전율을 갖는 영역(313) 및 낮은 상대 유전율을 갖는 영역(312)을 제공한다. 스터브(318)의 적어도 일부는 높은 상대 유전율을 갖는 영역(313) 상에 배치된다.
안테나, 마이크로스트립, 유전율, 투자율, 메타-물질

Description

메타-물질을 포함하는 유전체 기판을 구비한 마이크로스트립 안테나 장치 {ARRANGEMENTS OF MICROSTRIP ANTENNAS HAVING DIELECTRIC SUBSTRATES INCLUDING META-MATERIALS}
본 발명은 메타-물질을 포함하는 유전체 기판을 구비한 마이크로스트립 안테나 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 무선주파수 회로, 전송선 및 안테나 구성요소는 특별히 설계된 기판 상에 제조된다. 일반적으로, 종래의 회로 기판은 유전율을 포함한 기판의 물리적 특성들을 균일하게 하는 캐스팅 및 스프레이 코팅과 같은 방법으로 형성된다.
무선주파수 회로를 목적으로 하는 경우, 임피던스 특성을 신중하게 제어하여 유지하는 것이 중요하다. 무선주파수 회로의 서로 다른 부분들의 임피던스가 정합되지 않으면, 신호가 반사될 수 있고, 전력이 비효율적으로 전달될 수 있다. 또한, 이러한 무선주파수 회로에서 전송선 및 방사체의 전기적 길이는 중요한 설계 인자가 될 수 있다.
회로 성능에 영향을 미치는 2개의 중요한 인자는 유전체 기판 물질의 유전율(종종 상대 유전율
Figure 112005054940528-pct00001
로 불린다) 및 손실 정접 (종종 유전계수
Figure 112005054940528-pct00002
로 불린다). 유 전율은 기판 물질의 전기적 파장 및 기판 상에 배치된 전송선 및 기타 부품의 전기적 길이를 결정한다. 손실 정접은 기판 물질을 가로지르는 신호들에 대해서 발생하는 신호 손실량을 결정한다. 손실은 주파수가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다. 따라서 주파수가 증가함에 따라 낮은 손실을 갖는 물질이 더욱 요구되는 바, 특히 수신기 프론트-엔드 및 저잡음 증폭기 회로를 설계할 때 낮은 손실을 갖는 물질이 요구된다.
무선주파수 회로에서 사용되는 인쇄된 전송선, 수동 회로 및 방사 부품은 전형적으로 3가지 방식 중에서 어느 한 방식으로 구성된다. 마이크로스트립으로 알려진 첫 번째 구성 방식은 기판 상에 신호선을 배치하고, 통상적으로 접지면으로 불리는 제2 도전층을 제공한다. 매립형 마이크로스트립으로 알려진 두 번째 구성 방식은 신호선이 유전체 기판 물질로 덮이는 것을 제외하면 첫 번째 방식과 유사하다. 스트립선으로 알려진 세 번째 구성 방식은 신호선이 2개의 전기적으로 도전된(접지) 면들 사이에 샌드위치 형식으로 삽입된다.
일반적으로, 스트립선 또는 마이크로스트립선과 같은 평판 전송선의 특성 임피던스는 대략적으로
Figure 112005054940528-pct00003
와 같고, 이때
Figure 112005054940528-pct00004
은 단위 길이당 인덕턴스이고,
Figure 112005054940528-pct00005
은 단위길이당 커패시턴스이다. 상기
Figure 112005054940528-pct00006
및
Figure 112005054940528-pct00007
값은 상기 전송선을 분리하는데 사용되는 유전체 물질의 유전율뿐만 아니라 선 구조의 물리적인 형상 및 간격에 의해 일반적으로 결정된다.
종래의 무선주파수(RF) 설계에서, 기판 물질은 단일 유전율 및 단일 상대 투 자율을 갖는 것으로 선택되며, 이때, 상기 상대 투자율 값은 약 1이다. 일단 기판 물질이 선택되면, 선 특성 임피던스 값은 선 및 슬롯의 형상을 제어함으로써 그리고 선 및 슬롯의 특성을 커플링함으로써 배타적으로 설정된다.
전형적으로 무선주파수(RF) 회로는 세라믹 기판과 같은 전기적으로 절연인 기판의 표면상에 복수의 능동 및 수동 소자들을 실장하고 서로 연결한 하이브리드 회로로 구현된다. 일반적으로 여러 소자들은 구리, 금 또는 탄탈륨과 같은 인쇄된 금속 도전체에 의해 상호 연결되는데, 상기 금속 도전체는 일반적으로 해당 주파수 범위에서 전송선(예를 들면, 스트립선, 마이크로스트립선 또는 이중선)으로서 작용한다.
전송선, 수동 RF 소자 또는 방사 부품을 위해 선택된 기판 물질의 유전율은 해당 구조에 대해 주어진 주파수에서 RF 에너지의 물리적 파장을 결정한다. 마이크로전자 RF 회로를 설계할 때 당면하는 한 가지 문제점은 기판 상에 형성되는 여러 수동 소자, 방사 부품 및 전송선 회로 모두에 대해 적합한 유전체 기판을 타당하게 선택해야 한다는 점이다.
특히, 임의의 회로 구성요소들의 기하학적 형상은 이러한 구성요소들에 대해 요구되는 고유의 전기적 특성 및 임피던스 특성에 기인하여 물리적으로 커지거나 또는 작아질 수 있다. 예를 들면, 많은 회로 구성요소 또는 동조된 회로는 파장의 1/4인 전기적 길이를 가질 필요가 있다. 마찬가지로, 예외적으로 높거나 낮은 특성 임피던스 값을 요구하는 선 폭은 많은 경우에 있어서 주어진 기판에 대해 실질적으로 구현하기에는 지나치게 좁거나 또는 지나치게 넓을 수 있다. 마이크로스트 립선 또는 스트립선의 물리적인 크기가 유전체 물질의 유전율에 반비례하기 때문에, 전송선 또는 방사 부품의 크기는 기판 물질의 선택에 의해 크게 영향을 받을 수 있다.
더욱이, 일부 부품에 대한 최적의 기판 물질 설계 선택은 안테나 부품과 같은 다른 부품에 대한 최적의 기판 물질과 일치하지 않을 수 있다. 또한, 하나의 회로 부품에 대한 일부 설계 목적이 서로 일치하지 않을 수 있다. 예를 들면, 안테나 부품의 크기를 축소하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 50 내지 100과 같은 높은 유전율 값을 갖는 기판 물질을 선택함으로써 달성될 수 있다. 하지만, 일반적으로 높은 유전율을 갖는 유전체의 사용은 안테나의 방사 효율을 상당히 떨어뜨리는 결과를 가져온다.
안테나 부품은 종종 마이크로스트립 슬롯 안테나와 같은 구조를 갖는다. 마이크로스트립 슬롯 안테나는 일반적으로 좁은 공간을 요구하고, 다른 안테나 종류에 비해 제조가 간단하고 제조비용이 적게 들기 때문에 유용한 안테나이다. 또한, 중요한 사항으로서, 마이크로스트립 슬롯 안테나는 인쇄-회로 기술과 호환성이 높다는 점이다.
고효율의 마이크로스트립 슬롯 안테나 구성시 한 가지 인자는 전력 손실을 최소화하는 것이고, 이것은 유전 손실을 포함한 여러 인자들에 의해 야기될 수 있다. 일반적으로 유전 손실은 경계 전하의 불완전한 활동에 기인하며, 유전체 물질이 시변 전자기장에 놓일 때마다 존재하게 된다. 종종 손실 정접으로 불리는 상기 유전 손실은 유전체 매개물의 도전성에 정비례한다. 일반적으로 유전 손실은 동작 주파수가 증가함에 따라 함께 증가한다.
특정한 마이크로스트림 슬롯 안테나에 대한 유전 손실 정도는 방사체 안테나 부품(예를 들면, 슬롯) 및 급전선 사이의 유전 공간의 유전율에 의해 주로 결정된다. 자유 공간에서는, 즉 대부분의 경우 공기 중에서는 상대 유전율 및 상태 투자율이 거의 1에 가깝다.
양호한 유전체 물질은 낮은 유전 손실을 보이기 때문에, 상대 유전율이 1에 가까운 유전체 물질은 해당 동작 주파수에서 "양호"한 유전체 물질로 간주된다. 상대 유전율이 실질적으로 주변 물질과 같은 유전체 물질이 사용될 때, 임피던스 부정합에 기인하는 유전 손실은 효율적으로 제거될 수 있다. 따라서 마이크로스트립 슬롯 안테나 시스템에서 고효율을 유지하는 한 가지 방법은 방사체 안테나 슬롯 및 상기 슬롯을 활성화시키는 마이크로스트립 급전선 사이의 유전 공간 내의 낮은 상대 유전율을 갖는 물질을 사용하는 것과 관련이 있다.
또한, 낮은 유전율을 갖는 물질의 사용은 넓은 전송선을 사용할 수 있게 하는데, 이때 넓은 전송선을 사용할 경우 도전 손실을 줄이고, 또한 마이크로스트립 슬롯 안테나의 방사 효율을 향상시킬 수 있다. 하지만, 낮은 유전율을 갖는 유전체 물질을 사용할 경우, 높은 유전율을 갖는 기판 상에 제조되는 슬롯 안테나에 비해 낮은 유전율을 갖는 기판 상에 제조되는 슬롯 안테나의 크기가 커지는 단점이 있다.
마이크로스트립 슬롯 안테나의 효율은 단일의 균일한 유전율을 갖는 급전선용의 특정한 유전체 물질의 선택을 통해 절충된다. 낮은 유전율은 넓은 급전선을 허용하는데, 이때, 넓은 급전선은 보다 낮은 저항 손실을 제공할 수 있고, 유전체로부터 유도된 선 손실을 최소화하고, 슬롯 방사 효율을 최소화시킨다. 하지만, 유전체 물질이 슬롯 및 급전선 사이의 접합 영역에 놓일 경우, 이용 가능한 유전체 물질은 슬롯에 대한 열악한 커플링 특성에 기인하여 안테나 방사 효율을 떨어뜨리게 된다.
통상적으로, 동조 스터브가 마이크로스트립 슬롯 안테나에서 과도한 유도저항을 조정하는데 사용된다. 하지만, 일반적으로 스터브의 임피던스 대역폭은 방사체의 대역폭과 상기 슬롯의 대역폭보다는 적다. 따라서 종래의 스터브가 안테나 회로의 과도한 유도저항을 조정하는데 사용될지라도, 일반적으로 스터브의 적은 임피던스 대역폭은 전체 안테나 회로의 성능을 제한하게 된다.
슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나는 적어도 하나의 슬롯을 구비하는 전기적으로 도전성의 접지면, 및 슬롯으로 또는 슬롯으로부터 신호 에너지를 전달하기 위한 급전선을 포함한다. 급전선은 슬롯을 지나 연장된 스터브를 포함한다. 제1 기판 유전층은 상기 급전선과 접지면 사이에 배치된다. 제1 기판 유전층은 제1 유전체 영역에 걸쳐 제1 상대 유전율을 포함하는 제1 유전체 특성 집합을 갖고, 제2 유전체 특성 집합을 갖는 적어도 하나의 제2 유전체 영역을 포함한다. 제2 유전체 특성 집합은 제1 상대 유전율에 비해 높은 상대 유전율을 제공하며, 스터브는 높은 유전율을 갖는 제2 유전체 영역 상에 배치된다. 적어도 하나의 패치 방사체가 제2 기판 유전층 상에 배치되고, 제2 기판 유전층은 제3 상대 유전율을 포함하는 제3 유전체 특성 집합을 제공하는 제3 유전체 영역, 및 제4 유전체 특성 집합을 포함하는 적어도 하나의 제4 유전체 영역을 포함하며, 제4 유전체 특성 집합은 제3 유전율에 비해 높은 상대 유전율을 포함한다. 패치 방사체는 제4 유전체 영역 상에 배치되는 것이 바람직하다.
각각의 유전층은 복수의 보이드를 갖는 세라믹 물질을 포함할 수 있고, 적어도 보이드의 일부는 자성 입자로 채워진다. 자성 입자는 메타-물질을 포함할 수 있다.
급전선과 슬롯 사이에 배치되는 제1 접합 영역 내의 진성 임피던스는 제4 유전체 영역에 정합될 수 있다. 또한 제1 접합 영역의 진성 임피던스는 스터브 밑에 있는 제2 유전체 영역의 진성 임피던스에 정합될 수 있다. 제1 접합 영역의 진성 임피던스는 제2 유전체 영역 및 제4 유전체 영역의 진성 임피던스 모두에 정합될 수 있다.
본 명세서 내에 사용되는 바와 같이, "진성 임피던스 정합"이라는 용어는 인터페이스를 포함하는 영역들의 각각의 실제 투자율 값이 주어지는 진성 임피던스 정합에 비해 개선된 임피던스 정합을 나타내지만, 개별 영역 각각에 대해 상대 투자율은 1이라고 가정한다. 전술한 바와 같이, 본 발명 이전에는, 기판은 단일 상대 유전율에 따른 선택을 제공하였을지라도, 이용할 수 있는 기판의 상대 투자율은 필연적으로 거의 1에 가깝다.
안테나는 제3 기판 유전층에 의해 분리되는 제1 및 제2 패치 방사체를 포함한다. 제2 패치 방사체는 자성 입자를 갖는 제3 기판 유전층 내의 유전체 영역 상에 배치되는 것이 바람직하다.
제1 기판 유전층은 상기 급전선을 슬롯에 정합시키기 위해 슬롯에 근접한 1/4 파장 정합부를 제공할 수 있다. 1/4 파장 정합부는 자성 입자를 포함할 수 있다.
슬롯은 적어도 하나의 교차 슬롯을 포함하며, 급전선은 적어도 2개의 급전선을 포함하며, 급전선은 이중 분극 발산 패턴을 제공하도록 구성된다.
슬롯 급전 마이크로스트립 안테나는 적어도 하나의 슬롯을 구비하는 전기적으로 도전성의 접지면, 접지면 상에 배치되는 제1 기판 유전층, 및 슬롯으로 또는 슬롯으로부터 신호 에너지를 전달하며, 제1 기판 유전층 상에 배치되는 급전선을 포함한다. 급전선은 스터브 일부를 포함하며, 제1 기판 유전층은 복수의 자성 입자를 포함하고, 자성 입자의 적어도 일부는 급전선과 슬롯 사이의 제1 접합 영역 내에 배치된다. 제1 기판 유전층은 제1 유전체 영역에 걸쳐 제1 상대 유전율을 제공하며, 제2 유전체 영역에 걸쳐 제2 상대 유전율을 제공한다. 제2 영역은 제1 영역에 비해 높은 상대 유전율을 가지며, 스터브의 적어도 일부는 제2 유전체 영역 상에 배치된다. 제1 기판 유전층은 복수의 보이드를 갖는 세라믹 물질을 포함할 수 있고, 적어도 보이드의 일부는 자성 입자로 채워진다. 자성 입자는 메타-물질을 포함할 수 있다. 스터브 밑에 있는 제2 유전체 영역은 자성 입자를 포함하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고유전체 영역―여기서 스터브가 고유전체 영역 상에 배치됨― 및 저유전체 영역을 포함하는 유전체 상에 형성되는 슬롯 급전 마이크로스트립 안테나의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 마이크로스트립 안테나의 측면도로서, 스터브 밑에 있는 유전체 영역 내에 자성 입자를 추가하는 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 유전체 영역―여기서, 제1 유전체 영역은 접지면과 패치 사이에 배치된 자성 입자를 포함함― 및 제2 유전체 영역―여기서, 제2 유전체 영역은 자성 입자를 포함하고 스터브 밑에 있는 고유전체 영역을 포함하고, 접지면과 급전선 사이에 배치됨―을 포함하는 슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나의 측면도이다.
도 4는 단축된 물리적 크기 및 높은 방사 효율의 슬롯 급전 마이크로스트립 안테나를 제조하기 위한 과정을 예시하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자성 입자를 포함하는 안테나 유전체 상에 형성되는 슬롯 급전 마이크로스트립 안테나―여기서, 안테나는 급전선으로부터 슬롯으로의 임피던스 정합, 슬롯으로부터 주변 환경으로의 임피던스 정합, 및 슬롯으로부터 스터브로의 임피던스 정합을 제공함―의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자성 입자를 포함하는 안테나 유전체 상에 형성되는 슬롯 급전 마이크로스트립 안테나―여기서, 안테나는 급전선으로부터 슬롯으로의 임피던스 정합을 제공하고, 패치 하부의 안테나 유전체와 인터페이스 연결되는 슬롯으로부터 스터브로의 임피던스 정합을 제공함―의 측면도이다.
저유전율 기판 물질은 무선주파수 설계를 위해 통상적으로 선택된다. 예를 들면, RT/duroid ®6002(유전율 2.94; 손실 정접 0.0012) 및 RT/duroid ®5880(유전율 2.2; 손실 정접 0.007)과 같은 폴리테트라프루오로에틸렌(polytera -fluoroethylene: PTFE) 기반의 복합물질은 로저스 마이크로웨이브 프로덕츠(Rogers Microwave Products)(애리조나주 85226, 챈들러, 루즈벨트 애비뉴, 100 에스., 어드밴스드 서킷 머티리얼스 디비전)로부터 구입할 수 있다. 이러한 물질은 모두 통상적으로 기판 물질로 선택된다. 전술한 기판 물질은 두께 및 물리적 특성을 조건으로 균일한 기판 영역을 제공하며, 부수적인 낮은 손실 정합과 함께 상대적으로 낮은 유전율을 갖는 유전층을 제공한다. 이들 물질 모두 상대 투자율은 1에 가깝다.
종래 기술에 따른 안테나 설계는 대부분 균일한 유전 물질을 사용한다. 균일한 유전 특성은 필연적으로 안테나 성능을 위해 절충된다. 전송선 및 안테나 방사 효율에 대한 손실을 고려하면 낮은 유전율을 갖는 기판이 바람직하지만, 안테나 크기를 최소화하고 에너지 커플링을 최적화하기 위해서는 높은 유전율을 갖는 기판이 바람직하다. 따라서 종래의 기술에 따른 슬롯 급전 마이크로스트립 안테나는 필연적으로 비효율성 및 타협안을 수반한다.
또한, 안테나 및 급전선을 위해 별도의 기판이 사용되는 경우에도, 일반적으로 각 기판의 균일한 유전 특성이 안테나 성능을 위해 절충된다. 예를 들면, 슬롯 급전 안테나에서 낮은 유전율을 갖는 기판은 급전선 손실을 감소시키지만, 슬롯 영역에서 보다 높은 유전율에 기인하는 슬롯을 통해 급전선으로부터 제공되는 에너지 전달 효율을 떨어뜨린다.
이를 비교함으로써, 본 발명은 선택적으로 제어된 유전율 특성 및 투자율 특성을 갖는 유전층 또는 그 일부를 사용하여 회로 설계자에게 향상된 호환성을 제공하고, 최적화된 회로를 제공하여 안테나의 효율성, 기능성 및 물리적 프로파일을 개선할 수 있다.
유전체 영역은 별도 기판 영역에 1이 아닌 상대 투자율을 부여하기 위해 자성 입자를 포함할 수 있다. 공학의 애플리케이션에서, 투자율은 종종 절대라는 용어보다는 상대적이라는 용어로 표현된다. 물질의 상대 투자율은 자유공간의 투자율에 대한 물질 투자율의 비율로 주어진다. 즉,
Figure 112005054940528-pct00008
/
Figure 112005054940528-pct00009
이 된다. 자유 공간의 투자율은 기호(
Figure 112005054940528-pct00010
)로 나타내며, 그 값은 1.257ㅧ10-6 H/m이다.
자성 물질은 1보다 크거나 또는 1보다 작은 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00011
)을 갖는 물질이다. 자성 물질은 통상적으로 이하에 설명되는 3가지 그룹으로 분류된다.
반자성 물질은 1보다 작은 상대 투자율을 갖는 물질이지만, 전형적으로 0.99900부터 0.99999까지의 값을 갖는다. 예를 들면, 비스무트, 납, 안티몬, 구리, 아연, 수은, 금 및 은은 반자성 물질로 알려져 있다. 따라서 자기장에 노출된 경우, 이들 물질은 진공에 비해 자속 밀도가 약간 감소된다.
상자성 물질은 1보다 크고 약 10까지의 상대 투자율을 갖는 물질이다. 상자성 물질의 예는 알루미늄, 백금, 망간 및 크롬이 있다. 상자성 물질은 일반적으로 외부 자기장이 제거된 후 즉시 자성 특성을 상실하게 된다.
강자성 물질은 10보다 큰 상대 투자율을 갖는 물질이다. 강자성 물질은 페라이트, 철, 강철, 니켈, 코발트, 및 알니코와 퍼알로이 같은 통상적인 합금을 다양하게 포함한다. 예를 들면, 페라이트는 세라믹 물질로 만들어지며, 약 50 내지 200의 상대 투자율을 갖는다.
본 명세서 내에 사용되는 바와 같이, "자성 입자"라는 용어는 유전체 물질과 혼합되는 입자로 불리며, 상기 유전체 물질에 대해 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00012
)은 1보다 크다. 따라서 강자성 및 상자성 물질은 일반적으로 이러한 정의 내에 포함되지만, 반자성 입자는 일반적으로 포함되지 않는다. 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00013
)은 원하는 애플리케이션에 따라 1.1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 또는 그 이상, 또는 이들 값들 사이의 값과 같이 넓은 범위로 제공될 수 있다.
유전체 기판의 동조 가능하고 국부적인 전기 및 자기 특성은 상기 유전체 기판 내에 메타-물질을 포함함으로써 구현될 수 있다. "메타-물질"이라는 용어는 분자 또는 나노미터 레벨과 같이 매우 미세한 레벨에서 2개 이상의 상이한 물질을 혼합하여 형성되는 복합 물질로 불린다.
본 발명에 따른 슬롯 급전 마이크로스트립 안테나 설계는 종래 기술에 따른 슬롯 급전 마이크로스트립 안테나보다 그 효율성 및 성능이 개선된 것을 개시한다. 개선 사항으로는 급전선과 슬롯 사이의 전자기 에너지의 커플링을 개선한 스터브를 포함한다. 급전선과 접지면 사이에 배치된 유전층은 제1 유전율을 갖는 제1 유전체 영역 및 적어도 제2 유전율을 갖는 제2 유전체 영역을 제공한다. 제2 유전율은 제1 유전율에 비해 높다. 스터브의 적어도 일부는 고유전율을 갖는 제2 유전체 영역 상에 배치된다. 유전층의 일부는 자성 물질을 포함할 수 있고, 바람직하게는 슬롯 안테나의 효율성 및 전체 성능을 더욱 증가시키도록 스터브에 근접한 유전체 영역을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 슬롯 급전 마이크로스트립 안테나(100)가 개시된다. 안테나(100)는 제1 기판 유전층(105)을 포함한다. 제1 기판 유전층(105)은 제1 유전체 영역(112), 제2 유전체 영역(113)(스터브 영역) 및 제3 유전체 영역(114)(급전선과 슬롯 사이에 배치된 유전체 접합 영역)을 포함한다. 제1 유전체 영역(112)은 상대 투자율(
Figure 112007013048917-pct00014
) 및 상대 유전율(
Figure 112007013048917-pct00015
)을 갖고, 제2 유전체 영역(113)은 상기와 다른 상대 투자율(
Figure 112007013048917-pct00016
) 및 상대 유전율(
Figure 112007013048917-pct00017
)을 가지며, 제3 유전체 영역(114)은 또 다른 상대 투자율(
Figure 112007013048917-pct00018
) 및 상대 유전율(
Figure 112007013048917-pct00019
)을 갖는다.
슬롯(106)을 포함한 접지면(108)은 제1 기판 유전층(105) 상에 배치된다. 안테나(100)는 접지면(108) 상에 배치된 선택사항인 유전체 커버(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
슬롯으로 또는 슬롯으로부터 신호 에너지를 전송하기 위해 급전선(117)이 제공된다. 급전선(117)은 스터브 영역(118)을 포함한다. 급전선(117)은 마이크로스트립선 또는 기타 적합한 급전 구조일 수 있고, 적당한 커넥터 및 인터페이스를 통해 다양한 소스에 의해 구동될 수 있다.
제2 유전체 영역(113)은 제1 유전체 영역(112)의 상대 유전율에 비해 높은 상대 유전율을 갖는다. 예를 들면, 제1 유전체 영역(112)의 상대 유전율은 2 내지 3일 수 있지만, 제2 유전체 영역(113)의 상대 유전율은 적어도 4일 수 있다. 예를 들면, 제2 유전체 영역(113)의 상대 유전율은 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60 또는 그 이상, 또는 이들 값들 사이의 값일 수 있다.
접지면(108)이 단일 슬롯(106)을 갖는 것으로 도시되었지만, 본 발명은 또한 다중 슬롯 배열과 호환할 수 있다. 다중 슬롯 배열은 이중 분극을 생성하는데 이용될 수 있다. 또한, 일반적으로 슬롯들은 직사각형 또는 환형과 같이 급전선(117) 및 슬롯(106) 사이의 적합한 커플링을 제공하는 어떠한 구조여도 무방하다.
또한, 제3 유전체 영역(114)은 이 영역에서 전자기장을 집중시키는 것을 돕기 위해 제1 유전체 영역(112)의 상대 유전율에 비해 높은 상대 유전율을 갖는 것이 바람직하다. 제3 유전체 영역(114)의 상대 유전율은 제2 유전체 영역(113)의 상대 유전율에 비해 높거나, 낮거나 또는 같을 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제3 유전체 영역(114)의 진성 임피던스는 그 주변 환경과 정합하도록 선택된다. 공기가 주변 환경이라고 가정하면, 상기 주변 환경은 진공처럼 작용한다. 이러한 경우,
Figure 112007013048917-pct00020
=
Figure 112007013048917-pct00021
는 상기 주변 환경에 상기 제3 유전체 영역(114)을 임피던스 정합시키게 된다.
제2 유전체 영역(113)은 또한 급전선(117) 및 슬롯(106) 사이에서 방사되는 전자기장에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 제2 유전체 영역(113) 물질, 크기, 형상 및 위치를 고려하여 선택하면 실질적인 급전선(117) 및 슬롯(106) 사이의 거리 차이에도 불구하고 커플링을 개선할 수 있다.
제2 유전체 영역(113)의 형상을 고려하면, 제2 유전체 영역(113)은 삼각형 또는 타원형 단면을 갖는 기둥 형상이 되도록 구성할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 유전체 영역(113)은 원기둥 형상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 제2 유전체 영역인 스터브 영역의 진성 임피던스는 제3 유전체 영역인 접합 영역(114)의 진성 임피던스와 정합하도록 선택된다. 유전 접합 영역(114)의 진성 임피던스를 스터브 영역의 진성 임피던스와 정합시킴으로써, 안테나(100)의 방사 효율이 향상된다. 접합 영역(114)의 진성 임피던스가 공기와 정합하도록 선택된 것으로 가정하면, 제3 유전체 영역(114)의 상대 투자율(
Figure 112007013048917-pct00022
)이 상대 유전율(
Figure 112007013048917-pct00023
)과 같도록 선택될 수 있다. 제2 유전체 영역(113)과 제3 유전체 영역(114)의 정합은 또한 신호 왜곡을 감소시키고, 중요한 문제일 수 있는 링잉이 관련 기술의 슬롯 안테나에서 나타나는 스터브와의 임피던스 부정합을 야기할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제2 유전체 영역(113)은 1보다 큰 상대 유전율을 갖도록 그 내부에 배치되는 복수의 자성 입자를 포함한다. 도 2는 복수의 자성 입자(214)가 제2 유전체 영역(113) 내에 제공되는 점을 제외하면 도 1에 도시된 안테나(100)와 동일한 안테나(200)를 나타낸다. 자성 입자(214)는 메타-물질일 수 있고, 후술하는 바와 같이 세라믹 기판과 같은 제1 기판 유전층(105) 내에 생성되는 보이드(void) 내로 삽입될 수 있다. 자성 입자는 상당한 자성 투자율을 갖는 유전체 기판 영역을 제공할 수 있다. 본 명세서 내에 사용되는 바와 같이, 상당한 자성 투자율은 적어도 약 1.1 이상의 상대 자성 투자율을 의미한다. 종래의 기판 물질은 약 1의 상대 자성 투자율을 갖는다. 본 명세서 내에 기술되는 방법을 사용하여, 상대 투자율(
Figure 112007013048917-pct00024
)은 원하는 애플리케이션에 따라 1.1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100 또는 그 이상, 또는 이들 값들 사이의 값과 같이 넓은 범위로 제공될 수 있다.
또한, 본 발명은 개선된 효율 및 성능을 갖는 슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나에 이용될 수 있다. 도 3은 패치 안테나(300)를 보여주는 도면으로서, 상기 패치 안테나(300)는 적어도 하나의 패치 방사체(309) 및 제2 기판 유전층(305)을 포함한다. 제2 기판 유전층(305) 하부의 구조는 도변부호를 300번대로 다시 붙인 점을 제외하면 도 1 및 도 2와 같다.
제2 기판 유전층(305)은 접지면(308) 및 패치 방사체(309) 사이에 배치된다. 제2 기판 유전층(305)은 제1 유전체 영역(310) 및 제2 유전체 영역(311)을 포함하며, 제1 유전체 영역(310)은 제2 유전체 영역(311)에 비해 높은 상대 유전율을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 제1 유전체 영역(310)은 자성 입자(314)를 포함하는 것이 바람직하다. 자성 입자(314)를 포함한다는 것은 제1 유전체 영역(310)에서의 상대 유전율과 동일한 상대 유전율을 사용하여 제1 유전체 영역(310)이 안테나 환경과 임피던스 정합되어 공기와 정합될 수 있게 한다. 따라서 안테나(300)는 (슬롯(306) 및 패치 방사체(309) 사이의) 제1 유전체 영역(310)에서의 진성 임피던스 및 (급전선(317) 및 슬롯(306) 사이의) 자성 입자 영역(314)의 진성 임피던스를 정합함으로써 개선된 방사 효율을 제공한다.
예를 들면, 제2 유전체 영역(311)의 상대 유전율은 2 내지 3일 수 있지만, 제1 유전체 영역(310)의 상대 유전율은 적어도 4일 수 있다. 예를 들면, 제1 유전체 영역(310)의 상대 유전율은 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50, 60 또는 그 이상, 또는 이 값들 사이의 값일 수 있다.
안테나(300)는 개선된 스터브 영역(318)을 사용하여 슬롯(306)을 통해 급전선(317)으로부터 패치 방사체(309)까지의 전자기 에너지의 커플링 향상에 의해 효율이 개선된다. 전술한 바와 같이, 개선된 스터브 영역(318)은 그 내부에 근접한 높은 제4 유전체 영역(313)의 사용을 통해 제공되며, 또한, 선택사항인 자성 입자(314)를 포함한다. 앞에서 주목한 바와 같이, 커플링 효율은 상기 스터브 영역(318)에 근접한 제4 유전체 영역(313)의 유전율을 제3 유전체 영역(312)보다 높게 사용하여 또한 개선된다.
국부화된 그리고 선택 가능한 자성 및 유전 특성을 제공하는 물질 부분을 갖는 유전체 기판은 개별화된 안테나 기판으로 사용하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 마련될 수 있다. 단계 410에서, 유전체 기판 물질이 준비된다. 단계 420에서, 유전체 기판 물질의 적어도 일부는 이하 기술하는 바와 같이, 물리적 크기를 줄이고 안테나 및 연관된 회로에 대한 최선의 효율을 달성하기 위해서, 메타-물질을 사용하여 차별적으로 변경될 수 있다. 변경 단계는 유전 물질 내에 보이드를 생성하는 단계, 및 일부 또는 실질적으로 모든 보이드를 자성 입자로 채우는 단계를 포함할 수 있다. 최종적으로, 단계 430에서, 금속층이 상기 패치 방사체와 같은 안테나 구성요소 및 연관된 급전 회로와 결합되는 도전성 트레이스 및 표면 영역을 정의하는데 적용될 수 있다.
본 명세서 내에 정의되는 바와 같이, "메타-물질"이라는 용어는 옹스트롬 또는 나노미터 레벨과 같이 매우 미세한 레벨에서 두개 이상의 상이한 물질의 혼합 또는 배열에 의해 형성되는 복합 물질을 나타낸다. 메타-물질은 복합물질의 전자기 특성을 맞추게 할 수 있고, 이때 메타-물질은 효율적인 유전율(또는 상대 유전율) 및 효율적인 상대 투자율에 의해 정해질 수 있다.
이하, 단계 410 및 420에서 기술된 바와 같이 유전체 기판 물질의 준비 및 변경에 대한 과정은 그 일부가 상세히 설명된다. 하지만, 본 명세서 내에 기술된 방법은 단지 예시를 위한 것이고 본 발명은 이에 국한되지 않는다는 점은 이해되어야 한다.
적당한 벌크형 유전체 기판 물질은 Dupont 및 Ferro사와 같은 통상적인 물질 제조사로부터 구입될 수 있다. 통상적으로 그린 테이프(Green TapeTM)로 불리는 미처리 물질은 벌크형 유전 테이프로부터 그 일부 크기를 6인치 크기별로 잘라낼 수 있다. 예를 들면, Dupont Microcircuit Materials는 951 저온 코파이어 유전 테이프 및 Ferro 전자 재료 ULF28-30 울트라 저 파이어 COG 유전체 조직과 같은, 그린 테이프 물질 시스템을 제공한다. 이러한 기판 물질은 마이크로웨이브 주파수에서 회로 동작을 위한 상대적으로 낮은 손실 정접을 수반하는 상대적으로 적당한 유전율을 갖는 유전층을 제공하는데 사용될 수 있다.
다중 시트의 유전체 기판 물질을 사용하여 마이크로웨이브회로를 생성하는 과정에서, 비아, 보이드, 홀 또는 캐비티와 같은 형상은 하나 이상의 테이프층으로 통해 구멍이 뚫릴 수 있다. 보이드는 기계적 수단(예를 들면, 펀치) 또는 직접 에너지 수단(예를 들면, 레이저 드릴링, 노광)을 사용하여 형성질 수 있지만, 또한 보이드는 기타 적합한 수단을 통해 형성할 수 있다. 일부 비아는 소정 크기의 기판의 전체 두께를 통해 도달할 수 있지만, 일부 보이드는 상기 기판 두께의 일부를 변경함으로써만 도달할 수 있다.
이후, 비아는 금속, 기타 유전체 물질 또는 자성 물질, 또는 그 복합물질로 채워질 수 있는데, 통상적으로 도로 메우는 물질의 정확한 위치를 위한 스텐실을 이용한다. 테이프의 개별 층들은 완전한 다중-층 기판을 생산할 수 있도록 종래의 과정에서 함께 적층될 수 있다. 대안적으로, 테이프의 개별 층들은 일반적으로 서브-스택으로 불리는 불완전한 다중-층 기판을 생산하기 위해서 함께 적층될 수 있다.
또한, 보이드 영역은 보이드를 유지할 수 있다. 만일 선택된 물질로 도로 메우는 경우, 상기 선택 물질은 메타-물질을 포함하는 것이 바람직하다. 메타-물질 복합물질을 선택하면, 1부터 약 2650까지의 상대적으로 연속적인 범위에 걸쳐 조정 가능한 효율적인 유전율을 제공할 수 있다. 또한 조정 가능한 자성 특성은 임의 물질을 이용할 수 있다. 예를 들면, 적당한 물질을 선택하면, 상대 유효 자성 투자율은 대부분의 무선주파수(RF) 애플리케이션에 대해 일반적으로 약 4부터 116까지의 범위로 제공될 수 있다. 하지만, 상대 유효 자성 투자율은 약 2 정도로 낮거나 또는 수천에 이를 수도 있다.
주어진 유전체 기판은 차별적으로 변경될 수 있다. 본 명세서 내에서 사용되는 "차별적으로 변경된"이라는 용어는 유전 및 자성 특성 중 적어도 어느 하나가기판의 일부가 다른 부분에 비해 상이한 유전체 기판층으로 변경하는 것을 나타내며, 불순물을 포함한다. 차별적으로 변경된 기판은 하나 이상의 물질을 함유하는 영역들을 포함한다. 예를 들면, 변경은 임의의 유전층 부분이 유전 특성 또는 자성 특성의 제1 특성 설정을 제공하도록 변경되는 선택적인 변경일 수 있지만, 다른 유전층 부분이 상기 제1 특성 설정과 상이한 유전 및/또는 자성 특성을 제공하도록 차별적으로 변경되거나 또는 변경되지 않은 상태를 유지할 수 있다. 차별적인 변경은 다양한 변경 방식으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 보충적인 유전층이 상기 유전층에 추가될 수 있다. 다양한 스프레이 기술, 스핀-온 기술, 다양한 배치 기술 또는 스퍼터링과 같은 종래 기술로 알려진 기술들이 상기 보충적인 유전층을 적용하는데 이용될 수 있다. 보충적인 유전층은 보이드 또는 홀의 내부를 포함하는 국부적 영역에, 또는 기존의 전체 유전층에 걸쳐 선택적으로 추가될 수 있다. 예를 들면, 보충적인 유전층은 증가된 유효 유전율을 갖는 기판을 제공하는데 사용될 수 있다. 보충적인 유전층으로 추가되는 유전 물질은 다양한 중합체 물질을 포함할 수 있다.
또한, 차별적인 변경 방법은 유전층 또는 보충적인 유전층에 부가 불질을 국부적으로 추가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 물질의 추가는 주어진 설계 목적을 달성하도록 유전층의 유효 유전율 또는 자성 특성을 추가로 제어하는데 사용될 수 있다.
추가 물질은 복수의 금속 입자 및/또는 세라믹 입자를 포함할 수 있다. 금속 입자는 철, 텅스텐, 코발트, 바나듐, 망간, 임의의 희토류 금속, 니켈 또는 니오브 입자를 포함하는 것이 바람직하다. 입자들은 서브마이크론 단위의 물리적 크기를 갖는 나노미터 크기 입자인 것이 바람직하며, 이하 나노입자로 불린다.
상기 나노입자와 같은 입자는 유기작용기화된 복합물질 입자인 것이 바람직하다. 예를 들면, 유기작용기화된 복합물질 입자는 전기적으로 절연된 코팅을 갖 는 금속 코어, 또는 금속 코팅을 갖는 전기적으로 절연된 코어를 갖는 입자를 포함할 수 있다.
일반적으로 본 명세서 내에 기재된 다양한 애플리케이션에 대해 유전층의 자성 특성을 제어하는데 적합한 자성 물질 입자는 페라이트 유기세라믹[(FexCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Ceramic)]을 포함한다. 이러한 입자는 8 내지 40 ㎓의 주파수 범위의 애플리케이션에 대해 양호하게 작용한다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 니오브 유기세라믹[(NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Ceramic)]은 12 내지 40㎓ 주파수 범위에서 유용하다. 또한, 무선주파수용으로 설계된 상기 물질들은 저주파수 애플리케이션에 적용할 수 있다. 이들 및 기타의 복합물질 입자는 상업적으로 구입될 수 있다.
일반적으로, 코팅된 입자는 중합체 매트릭스 또는 측면 고리 일부로 결합할 수 있으므로 본 발명과 함께 바람직하게 사용된다. 유전층의 자성 특성을 제어하는 것과 함께, 추가된 입자는 해당 물질의 유효 유전율을 제어하는데 또한 사용될 수 있다. 약 1부터 70%까지의 복합물질 입자의 충진비를 이용하여, 기판 유전층 및/또는 보충적인 유전층 부분의 유전율을 상당하게 증가시킬 수 있고 낮추는 것도 가능하다. 예를 들면, 유기작용기화된 나노입자를 유전층에 추가하는 방법이 변경된 유전층 부분의 유전율을 증가시키는데 사용될 수 있다.
입자들은 폴리블렌딩 방식, 혼합 방식 및 교반 충진하는 방식을 포함하는 여러 기술들에 의해 적용될 수 있다. 예를 들면, 유전율은 약 70%까지의 충진비를 갖는 여러 입자를 사용함으로써 2로부터 10만큼의 큰 값으로 증가될 수 있다. 이러한 목적에 유용한 금속 산화물은 알루미늄 산화물, 칼슘 산화물, 마그네슘 산화 물, 니켈 산화물, 지르코늄 산화물 및 니오브 산화물(Ⅱ, Ⅳ, Ⅴ족 산화물)을 포함할 수 있다. 또한, 리튬 니오베이트(LiNbO3), 및 칼슘 지르콘산염 및 마그네슘 지르콘산염과 같은 지르콘산염이 사용될 수도 있다.
선택 가능한 유전 특성은 약 10 나노미터만큼 작은 영역, 또는 전체 기판 표면을 포함하는 적용 영역으로 국부화될 수 있다. 배치 방법에 더하여 노광 및 식각과 같은 종래 기술은 국부화된 유전 특성 및 자성 특성의 조작을 위해 사용될 수 있다.
상기 물질들은 기타 물질들과 혼합되어 준비될 수 있고, 또는 기타 잠재적으로 요구되는 기판 특성들뿐만 아니라 2부터 약 2650까지의 실질적으로 연속되는 범위에서 유효 유전율을 제공하도록 보이드 영역의 밀도를 변화시키는 것을 포함하여 준비될 수 있다. 예를 들면, 낮은 유전율(2보다 크고 약 4까지)을 나타내는 물질은 보이드 영역을 변화시키는 실리카를 포함한다. 보이드 영역을 변화시키는 알루미늄은 약 4 내지 9까지의 유전율을 제공할 수 있다. 실리카 또는 알루미늄은 어느 것도 상당한 자성 투자율을 갖지는 않는다. 하지만, 자성 입자가 이들 또는 기타 물질의 자성을 나타내도록 20중량%까지 추가될 수 있다. 예를 들면, 자성 특성은 유기작용기화로 조절될 수 있다. 일반적으로 자성 물질의 추가가 유전율에 미치는 영향은 유전율을 증가시키는 것이다.
일반적으로 중간 정도의 유전율 물질은 ±10% 오차로 70 내지 500의 범위를 갖는다. 전술한 바와 같이, 이들 물질은 요구되는 유효 유전율 값을 제공하도록 다른 물질 또는 보이드와 혼합될 수 있다. 이들 물질은 페라이트 도핑된 칼슘 티탄산염을 포함할 수 있다. 도핑 물질은 마그네슘, 스트론튬 및 니오브를 포함할 수 있다. 이들 물질은 45 내지 600 범위의 상대 자성 투자율을 갖는다.
고유전율 애플리케이션을 위해, 페라이트 또는 니오브 도핑된 칼슘 또는 바륨 티탄산염, 또는 지르콘산염이 사용될 수 있다. 이들 물질은 약 2200 내지 2650의 유전율을 갖는다. 일반적으로 이들 물질에 대한 도핑 비율은 약 1 내지 10%이다. 기타 물질들에 대해 주목한 바와 같이, 이들 물질은 요구되는 유효 유전율 값을 제공하기 위해 기타 물질 또는 보이드와 혼합될 수 있다.
이들 물질은 다양한 분자 변경 처리를 통해 변경될 수 있다. 변경 과정은 보이드 생성에 이어서 폴리테트라프루오로에틸렌(polyterafluoroethylene: PTFE)과 같은 유기작용기 물질에 따라 카본 및 플루오르 같은 물질들을 충진하는 것을 포함한다.
대안적으로 또는 유기작용기 통합에 추가하여, 그 처리 방법은 임의 형상 제작(solid freeform fabrication: SFF), 사진, 자외선, X-레이, 전자-빔 또는 이온-빔 투사(irradiation)를 포함할 수 있다. 또한 노광이 사진, 자외선, X-레이, 전자-빔 또는 이온-빔 투사를 이용하여 수행될 수 있다.
메타-물질을 포함하는 상이한 물질들이 기판층(서브-스택) 상의 상이한 영역에 적용되어, 복수의 기판층(서브-스택) 영역이 상이한 유전 및/또는 자성 특성을 갖는다. 전술한 바와 같이, 도로 메우는 물질은 국부적으로 또는 벌크형 기판 부분에 걸쳐 원하는 유전 및/또는 자성 특성을 유지하도록 하나 이상의 추가 처리 단 계와 결합하여 사용될 수 있다.
이후, 상부층의 도전체 인쇄는 변경된 기판층, 서브-스택, 또는 완전한 스택에 적용될 수 있다. 도전체 트레이스는 박막 기술, 후막 기술, 전기도금 또는 기타 적당한 기술을 사용하여 제공될 수 있다. 도전체 패턴을 정하는 사용되는 방법은 정규 노광 및 형판 방법을 포함하지만 이에 국한되는 것은 아니다.
이후, 복수의 변경된 기판을 합치고 할당하기 위해 베이스 플레이트를 구하게 된다. 복수의 기판 각각을 통과하는 할당 홀은 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
이후, 복수의 기판층, 하나 이상의 서브-스택, 또는 기판층 및 서브-스택의 조합이 모든 방향으로 상기 물질 상에 압력을 가하는 정압 또는 단지 한 방향으로 상기 물질 상에 압력을 가하는 일축 압력을 이용하여 함께 (예를 들면, 기계적으로 가압하여) 적층될 수 있다. 이후, 적층 기판은 전술한 바와 같이 추가로 처리되거나, 또는 처리하고자 하는 기판을 위해 적당한 온도(전술한 물질들에 대해 약 850℃ 내지 900℃)로 가열되도록 오븐이 배치된다.
이후, 복수의 세라믹 테이프층 및 적층된 기판의 서브-스택은 사용 기판 물질에 대해 적합한 증가 속도로 온도를 올릴 수 있도록 제어될 수 있는 로를 사용하여 가열될 수 있다. 온도의 증가 속도, 최종 온도, 냉각 프로파일, 및 기타 필요한 조처와 같은 사용 조건들은 기판 물질 및 기타 그 내부에 채워지거나 그 상부에 배치되는 물질에 유의하여 선택될 수 있다. 가열 이후, 적층된 기판은 음향, 광학, 주사 전자, 또는 X-레이 현미경을 이용하여 그 결함이 통상적으로 검사된다.
이후, 적층된 세라믹 기판은 회로 기능에 대한 요구사항을 충족하도록 필요한 만큼 작게 띠 형상(cingulated)의 부분들로 선택적으로 잘릴 수 있다. 최종 검사 이후, 띠 형상의 기판은 유전 특성, 자성 특성 및/또는 전기적 특성이 규정된 범위 내에 있는지를 보장하는 것과 같은 다양한 특성들의 평가를 위해 실험 설비에 탑재될 수 있다.
따라서 슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나와 같은 마이크로스트립 안테나로 이루어진 회로의 집적도 및 성능을 향상시키기 위해 국부화된 조정 가능한 유전 특성 및 자성 특성들이 유전체 기판 물질에게 제공될 수 있다.
예(examples)
본 발명에 따른 자성 입자를 포함하는 유전체를 이용하여 임피던스 정합을 처리하는 몇 가지 특정한 예들이 이하 개시된다. 급전선과 슬롯 간의 임피던스 정합, 슬롯과 스터브 간의 임피던스 정합 및 슬롯과 주위 환경(예를 들면, 공기)이 예시된다.
2가지 상이한 매질간의 인터페이스에서 동일한 진성 임피던스를 갖는데 필요한 조건은, 정상적인 입사(
Figure 112005054940528-pct00025
) 평면파에 대해
Figure 112005054940528-pct00026
로 주어진다. 이 식은 슬롯 내의 유전 매질 및 이웃한 유전 매질, 예를 들면, 공기 환경(예로서, 상부에 공기를 갖는 슬롯 안테나) 또는 기타 유전체(예로서, 패치 안테나의 경우 안테나 유전체) 사이의 임피던스 정합을 구하기 위해 사용된다. 주위 환경과의 임피던스 정합은 주파수에 무관하다. 여러 실질적인 애플리케이션에서, 입사각이 0이라 는 가정은 일반적으로 합당한 접근 방법이다. 하지만, 입사각도가 실질적으로 0보다 큰 경우, 코사인항이 두 매질 간의 진성 임피던스를 정하하기 위해 전술한 식과 함께 사용되어야 한다.
고려되는 물질들은 모두 등방성인 것으로 가정한다. 컴퓨터 프로그램이 이들 파라미터를 계산하는데 사용될 수 있다. 하지만, 마이크로웨이브 회로에 대한 자성 물질이 본 발명 이전에는 2 매질 사이의 진성 임피던스를 정합시키는데 사용되지 않았기 때문에, 임피던스 정합을 위해 필요한 물질 파라미터들을 계산하기 위한 신뢰할만한 소프트웨어가 현재 존재하지 않는다.
개시된 계산식은 연관된 물리적 원리들을 예시하도록 간략화된다. 유한 요소 분석과 같은 보다 정밀한 방법이 추가적인 정확도를 가지고 본 명세서 내에 개시된 문제들을 모델화하는데 이용될 수 있다.
제1 예 : 상부에 공기를 구비한 슬롯
도 5를 참조하면, 슬롯 안테나(500)는 상부에 공기(제1 매질)를 갖는 것을 보여준다. 슬롯 안테나(500)는 전송선(505) 및 접지면(510)을 포함하고, 접지면(510)은 슬롯(515)을 포함한다. 유전율
Figure 112005054940528-pct00027
= 7.8을 갖는 유전체(530)가 전송선(505) 및 접지면(510) 사이에 배치되며, 제5 매질영역, 제4 매질영역, 제3 매질영역 및 제2 매질영역을 포함한다. 제3 매질영역은 도면부호 532로 지시되는 결합 길이(L)를 갖는다. 전송선(505)의 스터브 영역(540)은 제5 매질영역 상에 배치된다. 상기 스터브(540)를 지나 연장된 영역(525)은 이러한 분석과 거의 관련이 없 다는 가정 하에 무시된다.
제2 및 제3 매질에 대한 상대 자성 투자율 값(
Figure 112005054940528-pct00028
및
Figure 112005054940528-pct00029
)은 제2 및 제3 매질의 진성 임피던스 정합을 위한 조건들을 사용함으로써 결정된다.
구체적으로, 제2 매질의 상대 유전율(
Figure 112005054940528-pct00030
)은 제2 매질의 진성 임피던스에 제1 매질(주위 환경)의 진성 임피던스의 정합을 허용하도록 결정된다. 마찬가지로, 제3 매질의 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00031
)은 제2 매질을 제4 매질에 임피던스 정합을 허용하도록 결정된다. 또한, 제3 매질 내의 정합부의 길이(L)는 제2 및 제4 매질의 진성 임피던스를 정합시키기 위해 결정된다. 길이(L)는 선택된 동작 주파수에서 파장의 1/4이다.
먼저, 제1 및 제2 매질은 다음의 수학식 1을 이용하여 그 인터페이스에서 반사계수를 이론적으로 제거하기 위해 임피던스 정합된다:
Figure 112005054940528-pct00032
여기서, 제2 매질에 대한 상대 투자율은 다음의 수학식 2와 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00033
따라서 슬롯을 주위환경(예로서, 공기)과 정합시키기 위해, 제2 매질의 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00034
)은 7.8이 된다.
다음으로, 제4 매질은 제2 매질과 임피던스 정합될 수 있다. 제3 매질은 3㎓로 가정한 선택된 동작 주파수에서 파장의 1/4인 전기적 길이를 갖는 제3 영역의 정합부(532)의 길이(L)를 이용하여 제2 매질을 제4 매질에 정합시키는데 사용된다. 따라서 정합부(532)는 1/4 파장 변환부로서 작용한다. 제4 매질을 제2 매질에 정합시키기 위해, 1/4 파장 정합부(532)가 다음의 수학식 3과 같은 진성 임피던스를 구하기 위해 필요하다:
Figure 112005054940528-pct00035
제2 영역의 진성 임피던스는 다음의 수학식 4와 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00036
여기서,
Figure 112005054940528-pct00037
는 자유 공간의 진성 임피던스이며, 다음의 수학식 5와 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00038
그러므로 제2 매질의 진성 임피던스(
Figure 112005054940528-pct00039
)는 다음의 수학식 6과 같이 된다:
Figure 112005054940528-pct00040
제4 영역에 대한 진성 임피던스는 다음의 수학식 7과 같다:
Figure 112005054940528-pct00041
수학식 3에 수학식 6과 7을 대입하면, 제3 매질에 대한 진성 임피던스는 다음의 수학식 8이 된다.
Figure 112005054940528-pct00042
이후, 제3 매질에서 상대 투자율이 다음의 수학식 9와 같이 구해진다:
Figure 112005054940528-pct00043
Figure 112005054940528-pct00044
3㎓의 동작 주파수에서, 제3 매질 내의 안내 파장은 다음의 수학식 10으로 주어진다.
Figure 112005054940528-pct00045
여기서, c는 광속도, f는 동작 주파수이다.
결국, 1/4 파장 정합부(532)의 길이(L)는 다음의 수학식 11로 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00046
제2 매질 및 제3 매질 사이의 리액턴스는 0이거나 매우 작아야만 하고, 제2 매질의 임피던스가 제3 매질 내에 위치하는 1/4 파장을 이용하여 재4 매질의 임피던스에 정합하게 되는 점에 유의하여야 한다. 이러한 사실은 1/4 파장 변환부 이론으로 잘 알려져 있다.
마찬가지로, 제5 매질은 제2 매질에 임피던스 정합될 수 있다. 앞에서 주목한 바와 같이, 높은 Q 값을 제공하는 개선된 스터브(540)는 제5 매질을 제2 매질에 임피던스 정합시키는 동안에 높은 유전율을 갖는 제5 매질 영역에 걸쳐 스터브(540)를 배치함으로써 개선된 효율을 갖는 슬롯 안테나를 형성할 수 있게 한다. 제2 영역이 공기에 임피던스 정합되기 때문에, 제5 영역은 제5 매질 영역의 유전율 값과 동일한 상대 투자율 값을 가져야만 한다. 예를 들면,
Figure 112005054940528-pct00047
인 경우,
Figure 112005054940528-pct00048
도 마찬가지로 20으로 설정되어야만 한다.
제2 예 : 상부에 유전체를 갖는 슬롯, 여기서, 상기 유전체는 상대 투자율이 1이고 유전율이 10이다.
도 6을 참조하면, 슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나(600)가 유전율
Figure 112005054940528-pct00049
및 상대 투자율
Figure 112005054940528-pct00050
을 제공하는 안테나 유전체 610 상에 형성되는 것을 나타내는 측면도이다. 마이크로스트립 안테나(600)는 마이크로스트립 패치 안테나(615) 및 접지면(620)을 포함한다. 접지면(620)은 슬롯(625)을 구비하는 삭제 영역(cutout area)을 포함한다. 급전선 유전체(630)는 상기 접지면(620) 및 마이크로스트립 전송선(605) 사이에 배치된다.
급전선 유전체(630)는 제5 매질 영역, 제4 매질 영역, 제3 매질 영역 및 제2 매질 영역으로 이루어진다. 제3 매질 영역은 도면부호 632로 지시되는 결합 거리(L)를 갖는다. 전송선(605)의 스터브 영역(640)이 상기 제5 매질 영역에 걸쳐 배치된다. 스터브 영역(640)을 지나 연장된 영역(635)은 이 분석과 관련이 거의 없다는 가정 하에 무시된다.
안테나 유전체의 상대 투자율이 1이고, 유전율이 10이기 때문에, 요구되는 안테나 유전체에 대해
Figure 112005054940528-pct00051
=10이고
Figure 112005054940528-pct00052
과 같이 안테나 유전체는 동일한 상대 투자율 및 상대 유전율로서 공기에 명확하게 정합되지 않는다. 이 예에서, 제2 및 제3 매질에 대한 상대 투자율은 제2 및 제4 매질 사이뿐만 아니라 제1 및 제2 매질 사이의 최적의 임피던스 정합을 위해 구해진다. 또한, 제3 매질에서 접합 선택 길이는 선택된 동작 주파수에서 1/4 파장 길이를 갖는 것으로 결정된다. 이 예에서, 미지의 값은 다시 제2 매질의 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00053
), 제3 매질의 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00054
) 및 L이 된다. 먼저, 다음의 수학식 12를 사용하면,
Figure 112005054940528-pct00055
제2 매질의 상대 투자율은 다음의 수학식 13과 같이 된다:
Figure 112005054940528-pct00056
제2 매질을 제4 매질에 정합시키기 위해서, 1/4 파장 선택부(632)는 다음의 수학식 14와 같은 진성 임피던스가 요구된다:
Figure 112005054940528-pct00057
제2 매질의 진성 임피던스는 다음의 수학식 15와 같고,
Figure 112005054940528-pct00058
여기서,
Figure 112005054940528-pct00059
는 자유 공간의 진성 임피던스로서, 다음의 수학식 16과 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00060
그러므로 제2 매질의 진성 임피던스(
Figure 112005054940528-pct00061
)는 다음의 수학식 17과 같이 된다:
Figure 112005054940528-pct00062
제4 매질에 대한 진성 임피던스는 다음의 수학식 18과 같다:
Figure 112005054940528-pct00063
수학식 14에 수학식 17 및 18을 대입하면 제3 매질의 진성 임피던스는 다음의 수학식 19와 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00064
따라서 제3 매질에 대한 진성 임피던스는 다음의 수학식 20과 같이 구해진다:
Figure 112005054940528-pct00065
Figure 112005054940528-pct00066
3㎓의 동작 주파수에서, 제3 매질 내의 안내 파장은 다음의 수학식 21과 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00067
여기서,c는 광속이고, f는 동작 주파수이다. 결국, 길이(L)는 다음의 수학식 22와 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00068
제1 예에서와 같이, 안테나의 방사 효율은 제2 매질의 진성 임피던스를 제5 매질에 정합시킴으로써 추가로 개선될 수 있다. 이것은 제2 매질의 진성 임피던스(
Figure 112005054940528-pct00069
)에 정합되는 진성 임피던스를 제공하도록 제5 매질 내의 상대 투자율 및 유전율 값을 설정함으로써 이루어질 수 있다.
이 예에서 임피던스 정합을 위해 요구되는 상대 투자율 값들이 실질적으로 1보다 작은 값들을 포함하기 때문에, 이러한 정합은 기존의 물질로 구현하기 어렵다. 따라서 이 예의 실질적인 구현은 1보다 작은 상대 투자율을 갖는 매질을 요구하는 이러한 애플리케이션 또는 유사한 애플리케이션에 대해 특정하게 조정되는 신규 물질의 개발이 요구된다.
제3 예 : 상부에 유전체를 구비한 슬롯, 여기서 유전체의 상대 투자율이 10이고 유전율이 20이다.
이 예는 안테나 유전체(610)의 유전율(
Figure 112005054940528-pct00070
)이 1이 아니라 20인 점을 제외하면 도 6에 도시된 구조를 갖는 제2 예와 유사하다. 안테나 유전체(610)의 상대 투자율이 10과 동일하고, 그 상대 유전율과 다르기 때문에, 안테나 유전체(610)는 다시공기에 접합되지 않게 된다. 이 예에서, 이전의 예에서와 같이, 제2 및 제4 매질 사이의 최적의 임피던스 정합뿐만 아니라 제1 및 제2 매질 사이의 최적의 임피던스 정합을 위한 제2 및 제3 매질의 투자율이 구해진다. 또한, 제3 매질 내의 정합 선택 길이는 선택된 동작 주파수에서 1/4 파장 길이를 갖는 것으로 결정된다. 전술한 바와 같이, 제2 매질의 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00071
), 제3 매질의 상대 투자율(
Figure 112005054940528-pct00072
) 및 제3 매질의 길이(L)가 이웃하는 유전체 매질들의 임피던스를 정합하도록 결정된다.
먼저, 다음의 수학식 23을 이용하면,
Figure 112005054940528-pct00073
제2 매질의 상대 투자율은 다음의 수학식 24와 같이 구해진다:
Figure 112005054940528-pct00074
제2 매질의 임피던스를 제4 매질에 정합시키기 위해, 1/4 파장 선택이 다음의 수학식 25와 같은 진성 임피던스가 요구된다:
Figure 112005054940528-pct00075
제2 매질에 대한 진성 임피던스(
Figure 112005054940528-pct00076
)는 다음의 수학식 26과 같다:
Figure 112005054940528-pct00077
여기서,
Figure 112005054940528-pct00078
는 자유 공간의 진성 임피던스로서, 다음의 수학식 27과 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00079
그러므로 2 매질의 진성 임피던스(
Figure 112005054940528-pct00080
)는 다음의 수학식 28과 같이 된다:
Figure 112005054940528-pct00081
제4 매질에 대한 진성 임피던스는 다음의 수학식 29와 같다:
Figure 112005054940528-pct00082
수학식 25에 수학식 28 및 29를 대입하면 제3 매질의 진성 임피던스는 다음의 수학식 30과 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00083
따라서 제3 매질에 대한 진성 임피던스는 다음의 수학식 31과 같이 구해진다:
Figure 112005054940528-pct00084
Figure 112005054940528-pct00085
3㎓의 동작 주파수에서, 제3 매질 내의 안내 파장은 다음의 수학식 32와 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00086
여기서,c는 광속이고, f는 동작 주파수이다. 결국, 길이(L)는 다음의 수학식 32와 같이 주어진다:
Figure 112005054940528-pct00087
제1 및 제2 예에서와 같이, 안테나의 방사 효율은 제2 매질의 진성 임피던스를 제5 매질에 정합시킴으로써 추가로 개선될 수 있다. 이것은 제2 매질의 진성 임피던스(
Figure 112005054940528-pct00088
)에 정합되는 진성 임피던스를 제공하도록 제5 매질 영역 내의 상대 투자율 및 유전율 값을 설정함으로써 이루어질 수 있다.
제2 예와 제3 예를 비교하면, 실질적으로 1보다 큰 상대 투자율을 갖는 안테나 유전체(610)를 사용하여, 이들 매질의 정합을 위해 제2, 제3 및 제5 매질에 대해 요구되는 투자율이 본 명세서 내에 기재된 바와 같이 모두 용이하게 구현될 수 있기 때문에, 제2 및 제4 매질 사이 및 제2 및 제5 매질 사이뿐만 아니라 제1 및 제2 매질 사이의 임피던스 정합을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 다양한 변형 및 개량이 전술한 내용과 관련하여 명백하게 가능하다. 따라서 첨부한 청구범위 내에서 본 발명이 본 명세서 내에 특정하여 기재된 것 이상으로 실시될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (9)

  1. 슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서,
    적어도 하나의 슬롯을 구비하는 전기적으로 도전성인 접지면;
    상기 슬롯을 지나 연장되는 스터브를 포함하며, 상기 슬롯으로 또는 상기 슬롯으로부터 신호 에너지를 전달하기 위한 급전선;
    상기 급전선과 접지면 사이에 배치되며, 제1 상대 유전율을 포함하는 제1 유전체 특성 집합을 제공하는 제1 유전체 영역, 및 상기 제1 상대 유전율에 비해 높은 상대 유전율을 포함하는 제2 유전체 특성 집합을 포함하며 상기 스터브가 배치되는 적어도 하나의 제2 유전체 영역을 포함하는 제1 기판 유전층;
    적어도 하나의 패치 방사체; 및
    상기 접지면과 상기 패치 방사체 사이에 배치되며, 제3 상대 유전율을 포함하는 제3 유전체 특성 집합을 제공하는 제3 유전체 영역, 및 상기 제3 상대 유전율에 비해 높은 상대 유전율을 가지는 제4 유전체 특성 집합을 포함하는 적어도 하나의 제4 유전체 영역을 포함하는 제2 기판 유전층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 기판 유전층은 복수의 보이드를 갖는 세라믹 물질을 포함하며, 상기 보이드의 적어도 일부는 자성 입자로 채워지는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자성 입자는 메타-물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 기판 유전층은 상기 급전선을 상기 슬롯에 정합시키기 위해 상기 슬롯에 근접한 1/4 파장 정합부를 제공하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬롯은 적어도 하나의 교차된 슬롯을 포함하고, 이중 분극 방출 패턴을 제공하도록 다중 슬롯으로 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
  7. 슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나에 있어서,
    적어도 하나의 슬롯을 구비하는 전기적으로 도전성인 접지면;
    상기 접지면 상에 배치되는 제1 기판 유전층; 및
    상기 슬롯으로 또는 상기 슬롯으로부터 신호 에너지를 전달하기 위해 상기 제1 기판 유전층 상에 배치되며 스터브 영역을 포함하는 적어도 하나의 급전선을 포함하되,
    상기 제1 기판 유전층은 복수의 자성 입자를 포함하고, 상기 자성 입자의 적어도 일부는 상기 급전선 및 상기 슬롯 사이에 배치되는 제1 접합 영역 상에 배치되며, 상기 제1 기판 유전층은 제1 유전체 영역에 대한 제1 상대 유전율 및 제2 유전체 영역에 대한 제2 상대 유전율을 구비하고, 상기 제2 유전체 영역은 상기 제1 유전체 영역에 비해 높은 상대 유전율을 가지며, 상기 제2 유전체 영역에 상기 스터브 영역이 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 기판 유전층은 복수의 보이드를 갖는 세라믹 물질을 포함하며, 상기 보이드의 적어도 일부는 자성 입자로 채워지는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 자성 입자는 메타-물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 안테나.
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