KR100952050B1 - 테라헤르츠 대역에서 동작하는 Ｙａｇｉ―Ｕｄａ 안테나 및Ｙａｇｉ―Ｕｄａ안테나 설계 방법 - Google Patents

테라헤르츠 대역에서 동작하는 Ｙａｇｉ―Ｕｄａ 안테나 및Ｙａｇｉ―Ｕｄａ안테나 설계 방법 Download PDF

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Abstract

테라헤르츠 대역에서 동작하는 Yagi-Uda 안테나 및 Yagi-Uda 안테나 설계 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는, 드라이버를 전 파장 다이폴로 사용함으로써 높은 입력 임피던스 특성을 가지도록 하여 그에 따라 안테나와 포토믹서 사이의 임피던스 부정합을 개선할 수 있다. 또한, 안테나의 드라이버에 수직으로 연결되는 바이어스 라인을 구비함으로써, 포토믹서에 직류전압을 가할 수 있도록 한다. 또한, 2개의 리플렉터를 배치함으로써, 바이어스 라인과 리플렉터가 서로 영향을 미치지 않도록 할 수 있다. 또한, 바이어스 라인들 사이에 포토닉 밴드갭(Photonic Bandgap:PBG) 구조를 적용함으로써, 안테나의 전류가 바이어스 라인으로 빠져나가지 않도록 할 수 있다. 또한, 얇은 기판 위에 안테나를 배치시킴으로써, Yagi-Uda 안테나 고유의 단방향 지향적인 복사 특성을 나타낼 수 있다.

Description

테라헤르츠 대역에서 동작하는 Ｙａｇｉ―Ｕｄａ 안테나 및 Ｙａｇｉ―Ｕｄａ안테나 설계 방법{Yagi-Uda antenna and design method of the same in the THz region}
본 발명은 Yagi-Uda 안테나에 관한 것으로써, 특히 테라헤르츠 대역에서 동작하는 Yagi-Uda 안테나에 관한 것이다.
테라헤르츠파는 마이크로파와 적외선 영역 사이에 있는 전자기파로 주파수 범위로는 0.1 THz 에서 10 THz 대역으로 정의된다. 그 동안 적절한 신호원 개발의 어려움으로 인하여 연구가 미비했지만 최근 레이저, 반도체 기술 등이 발전함에 따라서 다양한 신호원들의 개발이 가능하게 되어 테라헤르츠파에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재까지 연속파 형태와 펄스 형태의 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있는 신호원들이 개발되고 있고 그 중 포토믹서는 최근 각광받고 있는 신호원이다. 포토믹서는 상온에서 동작하고 주파수 가변성이 좋으며 소형화가 가능하다는 장점이 있기 때문에 안테나와 일체화하여 테라헤르츠파의 검출기로 사용되고 있다. 그러나 포토 믹서는 (10 kΩ)-1 이하의 아주 낮은 전도도로 인해 높은 입력 임피던스 특성을 가지고 있다. 그러므로, 상대적으로 입력 임피던스가 매우 낮은 안테나와 함께 사용되는 경우, 포토믹서와 안테나 사이에 심각한 임피던스 부정합이 발생한다. 이러한 임피던스 부정합은 테라헤르츠파 출력을 저하시키는 원인이 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 테라헤르츠파 출력을 증가시키기 위하여 높은 입력 임피던스를 가지는 Yagi-Uda 안테나 및 그 설계 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 바이어스 라인을 구비하는 Yagi-Uda 안테나 및 그 설계 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 바이어스 라인과 리플렉터가 서로 영향을 미치지 않도록 하는 Yagi-Uda 안테나 및 그 설계 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 바이어스 라인으로의 전류 누설을 차단할 수 있도록 하는 Yagi-Uda 안테나 및 그 설계 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 비유전율이 높은 기판 위에서도 Yagi-Uda 안테나의 특성을 유지할 수 있도록 하는 Yagi-Uda 안테나 및 그 설계 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는 기판, 포토믹서, 드라이버 및 바이어스 라인을 구비한다. 포토믹서와 드라이버는 Yagi-Uda 안테나를 구성할 수 있다.
포토믹서는 테라헤르츠파를 발생할 수 있다. 드라이버는 전 파장 다이폴을 사용하고 드라이버의 중앙에는 포토믹서가 결합될 수 있다.
바이어스 라인은, 상기 드라이버의 서로 다른 위치에 각각 수직으로 연결되며, 소정의 거리만큼 떨어져서 제1바이어스 라인 및 제2바이어스 라인을 포함한다. 이 경우, 상기 Yagi-Uda 안테나는, 제1리플렉터 및 제2리플렉터를 더 구비할 수 있다. 제1리플렉터는 상기 제1바이어스 라인의 위측(+y축)에 배치되며, 제2리플렉터는 상기 제2바이어스 라인의 아래측(-y축)에 배치된다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는, 상기 제1바이어스 라인과 상기 제2바이어스 라인 사이에, 포토닉 밴드갭(Photonic Bandgap:PBG) 구조를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는 두께가 얇은 기판 위에 형성될 수 있다. 상기 기판은 저온 성장된 GaAs 기판일 수 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는, 드라이버를 전 파장 다이폴로 사용함으로써 높은 입력 임피던스 특성을 가지도록 하고 그에 따라 안테나와 포토믹서 사이 의 임피던스 부정합을 개선함으로써 테라헤르츠파의 출력을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는, 드라이버에 수직으로 연결되는 바이어스 라인을 구비함으로써, 포토믹서에 직류전압을 가할 수 있도록 하는 장점이 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는, 2개의 리플렉터를 배치함으로써, 바이어스 라인과 리플렉터가 서로 영향을 미치지 않도록 하는 장점이 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는, 바이어스 라인들 사이에 포토닉 밴드갭(Photonic Bandgap:PBG) 구조를 적용함으로써, 안테나의 전류가 바이어스 라인으로 빠져나가지 않도록 하는 장점이 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는, 얇은 기판 위에 안테나를 배치시킴으로써, Yagi-Uda 안테나 고유의 단방향 지향적인 복사 특성을 나타낼 수 있는 장점이 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나(100)는 기판(110), 포토믹서(120), 드라이버(130) 및 바이어스 라인(161, 162)을 구비하고, 기판(110) 상에 형성된다.
포토믹서(120)는 테라헤르츠파를 발생할 수 있고, 드라이버(130)의 중앙에 배치될 수 있다.
드라이버(130)는 전 파장 다이폴을 사용한다. 드라이버(130)를 전 파장 다이폴로 사용함으로써, 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나(100)는 높은 입력 임피던스 특성을 가질 수 있다. 그에 따라, 입력 임피던스가 매우 높은 포토믹서(120)와의 임피던스 부정합을 개선할 수 있고, 테라헤르츠파의 출력을 높일 수 있다.
바이어스 라인(161, 162)은 제1바이어스 라인(161)과 제2바이어스 라인(162)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 바이어스 라인(161, 162)은 소정의 거리만큼 떨어져서 드라이버(130)에 수직으로 연결되고 포토믹서(120)에 직류 전압을 가할 수 있다.
만약, 바이어스 라인(161, 162)을 드라이버(130)와 리플렉터 (141, 142) 사이에 평행하게 배치하면, 바이어스 라인(161, 162)이 리플렉터(141, 142)로 복사되는 전자기파를 반사함으로써, 리플렉터(141, 142)가 제대로 동작하지 않을 수 있다. 반면에, 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나(100)는 바이어스 라인(161, 162)을 드라이버(130)에 수직으로 연결함으로써 리플렉터가 정상적으로 동작하도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나(100)는, 제1리플렉터(141)와 제2리플렉 터(142)를 더 구비할 수 있다. 제1리플렉터(141)는 제1바이어스 라인(161)의 위측(+y축)에 배치되고, 제2리플렉터(142)는 제2바이어스 라인(162)의 아래측(-y축)에 배치된다. 제1리플렉터(141)와 제2리플렉터(142)는 제1바이어스 라인(161) 및 제2바이어스 라인(162)에 연결되지 않는다.
그에 따라, 제1 및 제2리플렉터(141, 142)는 드라이버(130)에 바이어스 라인(161, 162)이 연결된 상태에서도 후방 복사되는 전자기파를 효과적으로 반사시킬 수 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나(100)는, 적어도 하나의 디렉터(151, 152)를 더 구비할 수 있다. 디렉터(151, 152)는 드라이버(130)와 소정의 거리만큼 떨어져서 배치된다 포토믹서(120), 드라이버(130), 리플렉터(141, 142)와 디렉터(151, 152)는 Yagi-Uda 안테나(100)를 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나(100)는, 포토닉 밴드갭(Photonic Bandgap:PBG) 구조(171, 172, 173)를 더 구비할 수 있다. 포토닉 밴드갭 구조(171, 172, 173)는 제1바이어스 라인(161)과 제2바이어스 라인(162) 사이에 배치된다. 도 1에는 포토닉 밴드갭 구조의 개수가 3개인 것으로 도시되어 있으나, 포토닉 밴드갭 구조의 개수는 그에 한정되지 않고 3개 이상일 수 있다.또한, 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나(100)는 리플렉터(141, 142)가 각각 바이어스 라인(161, 162)의 위측(+y축)과 아래측(-y축)에 배치되어 있기 때문에 바이어스 라인(161, 162) 사이로 복사되는 전자기파는 반사할 수가 없게 된다. 그러나, 드라이버(130)와의 간격을 적절히 조절하여, 바이어스 라인(161, 162) 내부에 포토닉 밴드갭 구조(171, 172, 173)를 배치하면, 바이어스 라인(161, 162) 내부로 복사되는 전자기파를 반사함으로써 포토닉 밴드갭 구조(171, 172, 173)가 리플렉터의 기능도 할 수 있다.
기판 상에 형성되는 안테나에서 발생된 전자기파는 εr 3/2:1의 비율로 많은 양이 기판 쪽으로 복사되는 특성이 있다. 기판 쪽으로 복사되는 전자기파의 양을 줄이기 위하여, 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나(100)는 얇은 두께를 가지는 기판(110)을 사용한다. 그에 따라, 안테나 고유의 복사특성이 나타나도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나의 등가 회로도이다.
도 2에서, Ya는 드라이버(130)를 포함하는 안테나(130, 141, 142, 151, 152) 의 어드미턴스를 나타낸 것이고, Yb는 바이어스 라인(161, 162)의 어드미턴스를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 드라이버(130)를 포함하는 안테나(130, 141, 142, 151, 152)와 바이어스 라인(161, 162)은 병렬로 연결되어 있기 때문에, 전류(Ib)가 바이어스 라인(161, 162)을 통하여 빠져나감에 따라서 파워 손실이 발생하게 된다. 이에 대해, 포토닉 밴드갭 구조(171, 172, 173)는 특정 주파수 대역에서 전자기파가 전파되는 것을 차단하는 특성을 가지고 있기 때문에, 포토닉 밴드갭 구조(171, 172, 173)를 배치하면 바이어스 라인(161, 162)을 통한 전류 누설을 막을 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나의 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 일반적인 Yagi-Uda 안테나의 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는 590 GHz에서 공진하며 2500 Ω 정도의 높은 입력 임피던스를 가진다. 반면에, 일반적인 Yagi-Uda 안테나는 618 GHz에서 공진하며 20 Ω 정도의 입력 임피던스를 가진다. 이처럼, 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는 일반적인 Yagi-Uda 안테나에 비하여 높은 입력 임피던스를 가진다. 그에 따라, 포토믹서(120)와의 임피던스 부정합을 개선할 수 있고, 테라헤르츠파의 출력을 높일 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나의 공진주파수에서의 복사패턴 특성을 나타낸 그래프로 각각 xy-평면, xz-평면에서의의 복사패턴을 나타낸다.
도 5와 도 6에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나는 비유전율이 높은 기판 위에서도 디렉터(151, 152)의 배열방향으로 지향적인 복사특성을 나타낸다.
이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나 설계 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나 설계 방법은 포토믹서 형성 단계, 안테나 형성 단계 및 바이어스 라인 형성 단계를 구비한다.
포토믹서 형성 단계는 테라헤르츠파를 발생할 수 있는 포토믹서(120)를 기판 상에 형성한다. 기판(110)은 비유전율(εr)이 12.9 이고 두께가 4 μm인 저온 성장된 GaAs (LT-GaAs) 기판(110)일 수 있다. 물론, 기판(110)의 비유전율(εr)과 기 판(110)의 두께 및 기판(110)의 종류는 변화될 수 있다.
안테나 형성 단계는 기판(110) 상에 안테나를 형성시키는 단계이다. 안테나에는 드라이버(130)가 포함될 수 있다. 드라이버(130)는 전 파장 다이폴을 사용하고, Yagi-Uda 안테나가 높은 입력 임피던스 특성을 가지도록 한다.
안테나 형성 단계는 제1 및 제2리플렉터(141, 142)를 더 형성시킬 수 있다. 제1리플렉터(141)는 제1바이어스 라인(161)의 위측(+y축)에 배치되며, 제2리플렉터(142)는 제2바이어스 라인(162)의 아래측(-y축)에 배치된다.
안테나 형성 단계는 디렉터(151, 152)를 더 형성시킬 수 있다. 디렉터(151, 152)는 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.
바이어스 라인 형성 단계는 포토믹서(120)로 직류전압을 인가하는 바이어스 라인(141, 142)을 기판(110) 상에 형성한다. 바이어스 라인(141, 142)은 드라이버(130)에 연결된다.
본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나 설계 방법은 포토닉 밴드갭 구조 형성 단계를 더 구비할 수 있다. 포토닉 밴드갭 구조 형성 단계는 제1바이어스 라인(161)과 제2바이어스 라인(162) 사이에, 포토닉 밴드갭(171, 172, 173)을 형성시킨다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나의 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 일반적인 Yagi-Uda 안테나의 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 Yagi-Uda 안테나의 공진주파수에서의 복사패턴 특성을 나타낸 그래프로 각각 xy-평면, xz-평면에서의 복사패턴을 나타낸다.

Claims (14)

  1. 기판상에 형성되며, 테라헤르츠파를 발생할 수 있는 포토믹서;
    상기 기판상에 형성되며, 상기 포토믹서에서 발생된 테라헤르츠파를 자유공간으로 복사하는, 길이가 전 파장 다이폴인 드라이버;
    상기 기판상에 형성되며, 상기 포토믹서로 직류전압을 인가하며 상기 드라이버에 수직으로 연결되는 바이어스 라인;
    상기 기판상에 형성되며, 상기 바이어스라인 측으로 상기 드라이버와 평행하게 배치되는 적어도 하나의 리플렉터;
    상기 기판상에 형성되며, 상기 드라이버를 기준으로 상기 적어도 하나의 리플렉터의 반대측에, 상기 드라이버와 소정의 거리만큼 떨어져서 배치되는 적어도 하나의 디렉터 ; 및
    상기 포토믹서, 상기 드라이버, 상기 리플렉터, 상기 디렉터 및 상기 바이어스 라인이 배치되는 상기 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바이어스 라인은,
    상기 드라이버의 서로 다른 위치에 각각 수직으로 연결되는 제1바이어스 라인 및 제2바이어스 라인을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 리플렉터는,
    상기 제1바이어스 라인의 위측에 배치되는 제1리플렉터(reflector); 및
    상기 제2바이어스 라인의 아래측에 배치되는 제2리플렉터를 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  3. 제2항에 있어서, 상기 Yagi-Uda 안테나는,
    상기 제1바이어스 라인과 상기 제2바이어스 라인 사이에, 포토닉 밴드 갭(Photonic Bandgap:PBG) 구조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 Yagi-Uda 안테나는,
    기판의 두께를 얇게 함으로써, 비유전율이 높은 기판 위에서도 안테나 고유의 단방향 지향적인 복사특성이 나타나도록 하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  5. 기판상에 형성되며, 테라헤르츠파를 발생할 수 있는 포토믹서;
    상기 기판상에 형성되며, 상기 포토믹서에서 발생된 테라헤르츠파를 자유공간으로 복사하는, 길이가 전 파장 다이폴인 드라이버;
    상기 기판상에 형성되며, 상기 포토믹서로 직류전압을 인가하며 상기 드라이버에 수직으로 연결되는 바이어스 라인; 및
    상기 포토믹서, 상기 드라이버 및 상기 바이어스 라인이 배치되는 상기 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  6. 제5항에 있어서, 상기 바이어스 라인은,
    상기 드라이버의 서로 다른 위치에 각각 수직으로 연결되는 제1바이어스 라인 및 제2바이어스 라인을 포함하고,
    상기 Yagi-Uda 안테나는,
    상기 제1바이어스 라인의 위측에 배치되는 제1리플렉터(reflector); 및
    상기 제2바이어스 라인의 제2측에 배치되는 제2리플렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  7. 제6항에 있어서, 상기 Yagi-Uda 안테나는,
    상기 제1바이어스 라인과 상기 제2바이어스 라인 사이에, 포토닉 밴드갭(Photonic Bandgap:PBG) 구조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  8. 제5항에 있어서, 상기 Yagi-Uda 안테나는,
    기판의 두께를 얇게 함으로써, 비유전율이 높은 기판 위에서도 안테나 고유의 단방향 지향적인 복사특성이 나타나도록 하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  9. 제5항에 있어서, 상기 Yagi-Uda 안테나는,
    상기 드라이버와 소정의 거리만큼 떨어져서 배치되는 디렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나.
  10. 테라헤르츠파를 발생할 수 있는 포토믹서를 기판 상에 형성하는, 포토믹서 형성 단계;
    상기 포토믹서에서 발생된 테라헤르츠파를 자유공간으로 복사하는 길이가 전 파장 다이폴인 드라이버를 포함하는 안테나를 상기 기판 상에 형성하는, 안테나 형 성 단계; 및
    상기 포토믹서로 직류전압을 인가하는 바이어스 라인을 상기드라이버에 수직으로 연결하는, 바이어스 라인 형성 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나 설계 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 바이어스 라인 형성 단계는,
    상기 드라이버의 서로 다른 위치에 각각 수직으로 연결되는 제1바이어스 라인 및 제2바이어스 라인을 형성시키고,
    상기 안테나 형성 단계는,
    상기 제1바이어스 라인의 위측에 배치되는 제1리플렉터(reflector)를 형성하는 단계; 및
    상기 제2바이어스 라인의 아래측에 배치되는 제2리플렉터를 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나 설계 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 Yagi-Uda 안테나 설계 방법은,
    상기 제1바이어스 라인과 상기 제2바이어스 라인 사이에, 적어도 3개의 포토닉 밴드갭(Photonic Bandgap:PBG) 구조를 형성시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나 설계 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 포토닉 밴드갭 구조는,
    첫번째 포토닉 밴드갭 구조와 상기 드라이버의 간격을 조절함으로써, 상기 제1 또는 제2바이어스 라인으로의 전류 누설을 차단하는 역할 및 상기 드라이버에서 복사되는 전자파를 반사시키는 리플렉터의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나 설계 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 안테나 형성 단계는,
    적어도 하나의 디렉터를 형성시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 Yagi-Uda 안테나 설계 방법.
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