KR101011629B1 - 테라헤르츠 포토믹서 안테나 및 이를 구비하는 안테나 장치 - Google Patents

테라헤르츠 포토믹서 안테나 및 이를 구비하는 안테나 장치 Download PDF

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Abstract

테라헤르츠 포토믹서 안테나 및 이를 구비하는 안테나 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나는 테라헤르츠파를 발생하는 테라헤르츠 포토믹서; 및 각각, 상기 테라헤르츠 포토믹서에 연결되는 제 1 안테나 선로 및 제 2 안테나 선로를 구비한다. 이때, 상기 제 1 안테나 선로는, 일단이 상기 테라헤르츠 포토믹서와 연결되고, 제 1 위치에서 제 1 방향으로 수평하게 분기되는 양 끝단이 제 2 위치 및 제 3 위치에서 각각 직각으로 구부러지며, 상기 일단과 상기 양 끝단이 상기 제 1 방향으로 제 1 간격만큼 이격하여 위치하게 형성된다. 그리고, 상기 제 2 안테나 선로는, 일단이 상기 테라헤르츠 포토믹서와 연결되고, 상기 제 1 안테나 선로와 상기 제 1 방향을 기준으로 대칭되며, 양 끝단이 상기 제 1 안테나 선로의 양 끝단과 제 2 간격만큼 이격하여 위치하게 형성된다.

Description

테라헤르츠 포토믹서 안테나 및 이를 구비하는 안테나 장치 {Terahertz photomixer antenna and antenna device including thereof}
본 발명은 높은 출력을 가지는 테라헤르츠 포토믹서 안테나 및 이를 구비하는 안테나 장치에 관한 것이다.
테라헤르츠파는 마이크로파와 적외선 영역 사이에 있는 전자기파로 주파수 범위로는 0.1 THz 에서 10 THz 대역으로 정의된다. 스펙트럼 위치상 전파의 유전체 투과성과 광파의 직진성을 동시에 지니며, 수분에 흡수가 잘 되는 테라헤르츠파는 영상과 분광 및 통신 분야 등에서 새로운 기술로 적용이 가능하다. 테라헤르츠파를 이용하면 불투명한 사물의 내부를 볼 수 있고, 분자운동 에너지 레벨의 생체 메커니즘과 우주신호 등을 분석할 수 있으며, 마이크로파 및 밀리미터파보다 훨씬 우수한 초고속 근거리 무선통신이 가능해진다.
특히 테라헤르츠파 기술의 실용화는 테라헤르츠 광원의 성능에 의해 크게 좌우되는데, 여러 종류의 테라헤르츠 광원 중 테라헤르츠 포토믹서는 상온에서 동작하고, 주파수 가변이 자유로우며, 저가의 소형시스템으로 구현될 수가 있다. 하지만 테라헤르츠 포토믹서는 그 출력이 수 십 μW 이하로 매우 낮은데, 안테나 동작의 관점에서 볼 때 포토믹서의 광전류가 안테나를 통하여 테라헤르츠파로 복사되는 과정에서 전체효율(total efficiency)이 크게 떨어지기 때문이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 테라헤르츠 광원으로 사용하는 테라헤르츠 포토믹서의 저출력 특성을 개선하기 위하여, 향상된 전체효율을 가지는 테라헤르츠 포토믹서 안테나 및 이를 구비하는 안테나 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나는 테라헤르츠파를 발생하는 테라헤르츠 포토믹서; 및 각각, 상기 테라헤르츠 포토믹서에 연결되는 제 1 안테나 선로 및 제 2 안테나 선로를 구비한다. 이때, 상기 제 1 안테나 선로는, 일단이 상기 테라헤르츠 포토믹서와 연결되고, 제 1 위치에서 제 1 방향으로 수평하게 분기되는 양 끝단이 제 2 위치 및 제 3 위치에서 각각 직각으로 구부러지며, 상기 일단과 상기 양 끝단이 상기 제 1 방향으로 제 1 간격만큼 이격하여 위치하게 형성된다. 그리고, 상기 제 2 안테나 선로는, 일단이 상기 테라헤르츠 포토믹서와 연결되고, 상기 제 1 안테나 선로와 상기 제 1 방향을 기준으로 대칭되며, 양 끝단이 상기 제 1 안테나 선로의 양 끝단과 제 2 간격만큼 이격하여 위치하게 형성된다.
바람직하게는, 상기 제 1 안테나 선로가 상기 제 2 위치에서 직각으로 구부러져 형성되는 제 1 모서리와, 상기 제 1 모서리에 상기 제 1 방향을 기준으로 대칭되는 제 2 모서리에 연결되어, 상기 테라헤르츠 포토믹서에 직류전압(DC)을 인가하는 직류전압 바이어스 회로가 더 구비될 수 있다. 이때, 상기 직류전압 바이어스 회로는, CPS(coplanar strip) 선로로 구현될 수 있다.
바람직하게는, 상기 직류전압 바이어스 회로는, 각각 상기 제 1 모서리와 상기 제 2 모서리에 연결되는 바이어스 라인들; 및 상기 바이어스 라인들 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 포토닉 밴드갭 셀(Photonic Bandgap cell)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 바이어스 라인들 각각에 연결되어 상기 직류전압을 상기 직류전압 바이어스 회로에 인가하는 직류전압패드들이 더 구비될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치는, 반도체 기판; 및 상기 반도체 기판 위에 형성되는 상기 테라헤르츠 포토믹서 안테나를 구비한다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치는, 제 1 반경을 갖는 반구렌즈 및 상기 반구렌즈의 상부에 형성되고 제 1 두께를 갖는 평평한 반도체 기판이 결합되는 확장형 반구렌즈 기판; 및 상기 반도체 기판 위에 형성되는 상기 테라헤르츠 포토믹서 안테나를 구비한다. 이때, 상기 반구렌즈의 표면에 코팅되고 제 2 두께의 플랙시글래스(plexiglass)로 형성되는 정합층이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나는 DC 바이어스 라인과의 연결에 따른 안테나 특성 변화가 적고, 높은 입력임피던스에 의하여 부정합효율을 높일 수 있으며, z축 방향의 회전 대칭성 복사패턴을 얻을 수 있는 장점이 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나를 나타내는 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나(100)는 테라헤르츠 포토믹서(120), 및 각각 테라헤르츠 포토믹서(120)에 연결되는 제 1 안테나 선로(140) 및 제 2 안테나 선로(160)를 구비한다.
테라헤르츠 포토믹서(120)는 테라헤르츠파를 발생할 수 있다.
제 1 안테나 선로(140)는 일단이 테라헤르츠 포토믹서(120)와 연결되고, 제 1 위치(P1)에서 X축 방향으로 수평하게 분기되는 양 끝단이 제 2 위치(P2) 및 제 3 위치(P3)에서 각각 직각으로 구부러지며, 양 끝단과 일단이 X축 방향으로 제 1 간격(Gx)으로 이격하여 위치하게 형성된다. 또한, 제 2 안테나 선로(160)는 일단이 테라헤르츠 포토믹서와 연결되고 제 1 안테나 선로(140)와 X축을 기준으로 대칭되며, 양 끝단이 제 1 안테나 선로(140)의 양 끝단과 제 2 간격(Gy)만큼 이격하여 위치하게 형성된다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 도 1의 (a)에 도시되는 바와 같이, 네잎클로버 형상으로 구비될 수 있다. 바람직하게는, 안테나(100)는 가로 길이 Dx 및 세로 길이 Dy를 가질 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나(100)의 모서리(EDG)는 테라헤르츠 포토믹서(120)에 직류전압을 인가하기 위한 제 1 바이어스 길이(Lbias)를 갖는 CPS(Coplanar Strip) DC 바이어스 회로(180)와 연결될 수 있다. DC 바이어스 회로를 더 구비하는 안테나에 대해 도 1의 (b)는 100a로 도시한다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 특별히 언급되지 아니하면 도 1의 (a)의 안테나(100)와 도 1의 (b)의 안테나 100a를 구분하지 아니하고 기재한다.
CPS DC 바이어스 회로(180)는 도 1의 (b)와 같이, 도 1의 (a)의 안테나(100)를 기준으로 Y축에 대칭적으로, 안테나의 양 측에 구비될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 도 1의 (a)의 안테나(100)의 일 측에만 구비될 수도 있다.
바람직하게는, DC 바이어스 회로(180)는 포토닉 밴드갭 셀(Photonic Bandgap cell, 이하 PBG 셀이라 한다)들(PBGC)을 구비할 수 있다. 다만, 도 1의 (b)는 DC 바이어스 회로(180)가 N개의 PBG 셀들을 구비하는 것으로 도시(특히, N=3)하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 한 개 또는 네 개 이상의 PBG 셀들을 구비할 수도 있다.
도 1의 (c)를 참조하면, PBG 셀(PBGC)들은 각각, 간격 Ghigh 및 길이 Lhigh를 갖는 높은 임피던스 선로와 간격 Glow 및 길이 Llow를 갖는 낮은 임피던스 선로로 이루어진다. PBG 셀들(PBGC)은 DC 바이어스 회로의 내부로 흘러드는 전류를 억제함으로써 안테나 특성을 유지시킬 수 있다.
다시 도 1의 (b)를 참조하면, DC 바이어스 회로(180)의 끝 단에는, DC 전압패드(DPAD1, DPAD2)가 한 쌍으로 구비될 수 있다. DC 전압패드들(DPAD1, DPAD2)은 각각 가로 길이 Px 및 세로 길이 Py이고, 예를 들어, 하나의 전압패드(DPAD1)에 양의 전압이 인가되고 다른 하나의 전압패드(DPAD2)에 음의 전압이 인가될 수 있다.
이상에서 설명된 도 1의 (a)의 안테나 또는 DC 바이어스 회로가 연결되는 도 1의 (b)의 안테나는 반도체 기판 상에 형성됨으로써, 안테나 장치로 구현될 수 있다.
도 2은 도 1의 테라헤르츠 포토믹서 안테나에 대한 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 테라헤르츠 포토믹서(120)는 광전도체와 안테나의 구조를 일체화시킨 연속파 광원기술로, 레이저 혼합광에 포함된 테라헤르츠 대역의 맥놀이신호가 광전도체를 거쳐 광전류로 변환된 뒤, 광전류신호가 안테나를 거쳐 테라헤르츠파로 복사된다. 이러한 동작 특성의 테라헤르츠 포토믹서는 도 2와 같이, 광전류원(Iphoto), 광전도도(Gphoto) 및 전극커페시턴스(Celect)의 병렬회로로 등가변환될 수 있다. 부하에 해당되는 안테나는 입력어드미턴스(Yantenna)로 표현될 수 있다.
테라헤르츠 포토믹서에서 광전도체는 펄스가 아닌 연속파 레이저로 여기되므로 광전도도가 (10 kΩ)-1 이하로 매우 낮게 형성되는 현상을 보이는데, 이러한 특성은 상대적으로 높은 입력어드미턴스를 갖는 안테나와의 사이에서 심각한 부정합 문제를 유발시킨다. 그러므로, 테라헤르츠 포토믹서에 사용되는 안테나는 복사효율이 높아야할 뿐만 아니라, 입력임피던스도 테라헤르츠 포토믹서의 임피던스와 유사한 값을 가져야 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나(100)는 네잎클로버 형상의 안테나 선로를 구비함으로써, 전체효율의 주요인자인 부정합효율을 향상시킬 수 있다. 이에 대하여 자세히 설명한다. 특히 이하에서는 공진시의 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나의 공진시의 동작 특성을 전파장 다이폴 안테나의 경우와 대비하여 설명한다. 이하에서 설명되는 시뮬레이션 계산 결과들은 도 1의 안테나가 무한한 반도체 기판 상에 형성되는 경우를 가정한 결과이다.
다음의 수학식 1은 테라헤르츠 포토믹서의 출력과 비례관계에 있는 안테나(100)의 전체효율(Etotal)을 나타내는 수학식이다. 이때, Eradiation은 복사효율을 나타내며, Emismatch는 부정합효율을 나타낸다. 그리고, Γ는 부정합효율의 주요인자인 반사계수(reflection coefficient)를 나타낸다.
Etotal = Eradiation x Emismatch = Eradiation x (1 - (｜Γ｜2)
이때, 반사계수 (는 다음의 수학식 2와 같이, 전송선로의 특성임피던스가 아닌, 테라헤르츠 포토믹서의 임피던스 Zphotomixer에 기준하여 결정된다. 수학식 2 에서 안테나의 입력임피던스는 Zantenna로 나타내어 진다.
Γ = (Zantenna - Zphotomixer)/(Zantenna + Zphotomixer)
일반적으로 전파장 다이폴 안테나의 경우, 교류전류 성분이 DC 바이어스 라인(DC 바이어스 회로)으로 누설됨으로써 본래의 입력임피던스와 복사특성에 큰 변화가 수반된다. 그러나, 도 1의 (a)와 같은 형상의 본 발명의 실시 예에 따른 안테나(100)를 도 1의 (b)와 같이 양 측에 DC 바이어스 회로(180)를 연결한 상태에서 시뮬레이션한 결과, 도 3 및 도 4와 같이 본래의 입력임피던스와 복사효율이 거의 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다.
이는, 도 5에 도시되는 바와 같이, DC 바이어스 회로와 연결되는 안테나의 모서리 부근에서 최소 전계가 형성됨으로써 교류 전계가 "0"인 DC 바이어스 라인으로의 누설전류가 크게 억제되었기 때문이다.
이때, 도 1의 안테나(100)는 가로 간격 및 세로 간격이 모두 2 μm이고, 가로 길이 및 세로 길이가 모두 36 μm이며 선폭은 3 μm이였다. 또한, 도 1의 안테나 선로(140, 160) 및 DC 바이어스 회로(180)의 각 선로들은 전도도가 1.6X107 S/m이고, 두께가 0.35 μm인 Ti/Au 박막을 사용하였고, 안테나(100)와 DC 바이어스 회로(180)가 형성되는 반도체 기판(미도시)는 유전율 12.9인 GaAs를 사용하였다. 이하에서도 특별히 달리 언급되지 아니하는 한, 상기와 같은 조건에 의하여 시뮬레이션 결과가 기재된다.
이렇듯, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나는 DC 바이어스 라인의 연결에 따른 안테나 특성 변화가 거의 야기되지 않는다.
다음으로, 도 1의 네잎클로버 형상의 안테나와 종래 전파장 다이폴 안테나의 입력 임피던스를 비교하는 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나는 공진시에 전파장 다이폴 안테나보다 높은 입력임피던스 특성을 가지므로, 테라헤르츠 포토믹서와의 부정합효율을 높일 수 있음을 알 수 있다. 이때, 길이 88 μm이며 선폭은 3 μm인 전파장 다이폴 안테나가 사용되었다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 안테나는 가로 길이와 세로 길이의 합(Dx+Dy)은 고정된 상태에서 그 비율(Dy/Dx)을 달리하여 입력임피던스가 계산되었다. 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 안테나는 가로 길이와 세로 길이의 합(Dx+Dy)이 고정된 상태에서 그 비율(Dy/Dx)을 달리하더라도 공진주파수가 거의 일정하게 나타난다.
특히, 도 6의 그래프는 1 THz의 공진주파수에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것인데, 해당 주파수에서 전파장 다이폴의 입력임피던스가 245Ω에 불과한 반면, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 최소 4배에서 최대 10배까지 높음을 알 수 있다. 이는, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나가 도 1의 (a)에 도시되는 바와 같이, 안테나 선로의 끝단이 안테나의 내부로 구부러진 형상을 구비함으로써, 공진이 강하게 유도되기 때문이다.
또한, 도 1의 안테나와 전파장 다이폴 안테나의 복사패턴을 x-z 평면 및 y-z 평면에서 비교한 결과를 나타내는 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 도 1의 테라헤르츠 포토믹서 안테나의 z축 방향의 회전 대칭성이 전파장 다이폴 안테나보다 높고, 빔폭의 변화가 작음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나는 DC 바이어스 라인과의 연결에 따른 안테나 특성 변화가 적고, 높은 입력임피던스에 의하여 부정합효율을 높일 수 있으며, z축 방향의 회전 대칭성 복사패턴을 얻을 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나의 복사효율과 부정합효율과의 관계를 알아본다.
도 8은 DC 바이어스 라인(회로)이 연결된 상태에서 도 1의 안테나의 가로세로의 길이비에 따른 복사효율 및 부정합효율의 변화를 나타내는 도면이고, 도 9는 도 8의 경우에 대한 전체효율을 나타내는 도면이다. 그리고, 도 10은 도 9의 최대 전체효율을 가지는 시뮬레이션의 조건에 따른 안테나 설계 변수의 값을 나타내는 표이다. 도 10은 특히 1 THz 공진주파수에 대한 것이다.
도 8을 참조하면, 안테나의 세로 길이가 길어질수록 입력임피던스가 높아져 부정합효율이 개선되나, 그 경우 복사효율은 오히려 낮아져 양 효율의 관계가 서로 상충적임을 알 수 있다. 다만, 도 10에 도시되는 바와 같이, 도 1의 안테나의 가로세로 길이비(Dy/Dx)가 1.06인 지점에서의 전체효율이 22.9%로 최대값을 가짐을 알 수 있다. 이는, 전파장 다이폴 안테나의 전체효율이 8.3%임에 비하여 2.7배 가량 증가된 것이다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나의 출력이 전파장 다이폴 안테나의 경우보다 증가됨을 알 수 있다.
이상에서는 반도체 기판 위에 형성된 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나에 대하여 알아보았다. 다음으로, 복사패턴의 지향성을 높여주는 렌즈기판 상에 형성된 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나에 대하여 알아본다.
도 11은 확장형 반구렌즈기판에 형성되는 안테나 장치에 대한 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 11의 안테나 장치(1100)는 평평한 반도체 기판에 형성되는 경우에 발생되는 전반사효과에 따른 안테나의 지향성 및 복사효율의 저하를 방지하기 위해, 반경 R의 반구렌즈(300) 및 두께 T의 GaAs 평판(200)이 결합된 확장형 반구렌즈(200, 300) 및 확장형 반구렌즈에 형성되는 도 1의 안테나(100 또는 100a)를 구비한다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 도 11의 안테나 장치(1100)에 구비되는 도 1의 안테나(100 또는 100a)는 도 1의 안테나(100)로 기재된다.
GaAs 평판(200) 아래에 부착되는 반구는 유전율 11.7의 실리콘(Si)으로 구현될 수 있다. 실리콘은 널리 알려진 바와 같이, GaAs와 유전율이 비슷하면서도 상대적으로 가공이 쉽고 유전체 손실의 발생이 적다. 그리고, 반구렌즈는 렌즈면에 두께 t의 플랙시글래스(plexiglass)로 코팅한 정합층(400)을 구비하는데, 이는 렌즈 내부에서 발생하는 반사파의 영향을 최소화하기 위함이다. 이때 t는 자유공간에서의 파장 λ인 300 μm을 기준으로 λ/4일 수 있다.
도 12는 확장형 반구반경에 대한 평판두께비율 T/R의 변화에 따라 z축으로 나 타나는 빔의 지향성을 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 반구반경 R은 1 THz에서 자유공간에서의 파장 λ인 300 μm을 기준으로 2.5λ, 3.5λ 및 4.5λ로 주어졌으며, 평판두께비율 T/R은 0.3에서 0.5까지 변화되었다. 이때, 반구반경이 4.5λ인 경우의 지향성 변화가 2.5λ인 경우보다 뚜렷한 것에서 알 수 있듯이, 반구반경이 커짐에 따라 주빔의 지향성은 높아지며 최대지향성이 형성되는 평판두께 조건도 명확하다. 구체적으로 도 11에 구비되는 도 1의 안테나(100)는 반구반경이 각각 2.5λ, 3.5λ 및 4.5λ인 경우, 0.41, 0.40 및 0.40 지점에서 최대 지향되었고, 그 값은 각각 23.7 dBi, 26.2 dBi 및 28.5 dBi이다.
반면, 확장형 반구렌즈기판 위에 형성된 전파장 다이폴 안테나의 경우, 반구반경이 각각 2.5λ, 3.5λ 및 4.5λ인 경우, 모두 0.38인 지점에서 최대 지향되었고, 그 값은 각각 23.7 dBi, 26.5 dBi 및 28.4 dBi이다. 또한, 확장형 반구렌즈기판 위에 형성된 전파장 다이폴 안테나의 경우, 평판두께비율 T/R이 0.44인 지점에서 주빔 방향인 z축으로 널이 발생하여 지향성이 급격히 감소하였다.
즉, 동일한 반구반경의 확장형 반구렌즈에서 도 1의 안테나와 전파장 다이폴 안테의 최대 지향성은 거의 동일하게 구현되었지만 최적화된 평판두께비율은 도 1의 안테나를 구비하는 경우가 더 두꺼웠다. 이는, 확장형 반구렌즈가 타원렌즈와 제일 유사한 형태일 때 안테나의 복사패턴이 최대지향되며, 동시에 렌즈위의 안테나 구조 자체가 최대지향성에 영향을 끼침을 나타낸다.
도 13은 반구반경이 4.5λ인 조건에서 최대 지향된 복사패턴을 x-z 평면 및 y- z 평면에서 비교한 도면이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 도 11에 구비되는 도 1의 안테나(100) 및 확장형 반구렌즈기판 위에 형성된 전파장 다이폴 안테나는, 각각 평판두께비율 T/R이 0.40 및 0.38인 지점에서 28.5 dBi 및 28.4 dBi인 지향성을 보임을 알 수 있다.
또한, x-z 평면에서의 도 11에 구비되는 도 1의 안테나(100)와 전파장 다이폴의 반전력빔폭(half-power beamwidth)은 각각 6.8도 및 5.6도이고, 부엽레벨(side lobe level)은 각각 -21.3 dB 및 -13.5 dB 이하이며, 전후방비(front-to-back ratio)는 각각 24.6 dB 및 27.1 dB 이하이다. 그리고, y-z 평면에서의 도 11에 구비되는 도 1의 안테나(100)와 전파장 다이폴의 반전력빔폭(half-power beamwidth)은 각각 5.6도 및 7.0도이고, 부엽레벨(side lobe level)은 각각 -14.7 dB 및 -27.9 dB 이하이며, 전후방비(front-to-back ratio)는 각각 24.6 dB 및 25.2 dB 이하이다.
이렇듯, 본 발명의 실시 예에 따른 네잎클로버 형상의 테라헤르츠 포토믹서 안테나가 확장형 반구렌즈기판 위에 형성되는 경우, 상기 각 평면에 대한 반전력빔폭의 차가 전파장 다이폴 안테나의 경우보다 작다. 따라서, 복사패턴이 z축 방향으로 높은 회전대칭성을 갖는 것을 알 수 있다.
이상에서는 평판두께비율 T/R을 변화시키면서 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나가 반구렌즈기판 위에 형성되는 경우의 입력임피던스 특성을 살펴보았다.
다음으로는, 도 14를 참조하여, 도 11의 반구반경 R을 4.5λ로 고정시킨 상태 에서의 평판두께비율 T/R이 각각 0.3, 0.4 및 0.5인 경우와, 반구렌즈를 구비하지 아니하는 경우에서의 도 1의 안테나의 안테나 특성을 비교하여 본다. 도 14를 참조하면, 도 1의 안테나가 확장형 반구렌즈기판 위에 형성된 경우, 공진주파수의 변동은 평평한 기판에 안테나가 형성된 경우에 비하여 1.0% 범위 내에서 이루어지고, 최대 입력임피던스는 평평한 기판에 안테나가 형성된 경우에 비하여 최대 15%까지 증가됨을 알 수 있다.
도 15는 최대지향성이 형성되는 확장형 반구렌즈 조건에서 도 1의 안테나와 전파장 다이폴 안테나의 입력 임피던스를 비교한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 도 1의 안테나와 전파장 다이폴 안테나가 형성되는 확장형 반구렌즈의 반구반경 R은 모두 4.5λ(1350μm)이고 정합층은 두께는 모두 39μm이며, 평판두께비율 T/R은 각각 0.40 및 0.38인 경우, 도 1의 안테나의 입력임피던스는 전파장 다이폴 안테나보다 6배 이상 높음을 알 수 있다.
이렇듯, 본 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나에 의하면, 확장형 반구렌즈에 형성되는 경우에는 전파장 다이폴 안테나의 경우보다 높은 입력임피던스를 지니며, 렌즈면의 내부반사파에 대하여서도 안정적인 특성을 나타낸다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 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 발명의 실시 예에 따른 테라헤르츠 포토믹서 안테나를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 안테나의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 1의 안테나가 DC 바이어스 라인과 연결되는 경우의 입력임피던스 및 복사 효율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 안테나에 형성된 전계를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 안테나와 전파장 다이폴 안테나의 입력임피던스를 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 안테나와 전파장 다이폴 안테나의 복사패턴을 x-z 평면 및 y-z 평면에서 비교한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 DC 바이어스 라인이 연결된 상태에서 도 1의 안테나의 가로세로의 길이 비에 따른 복사효율 및 부정합효율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 조건에 따른 도 1의 안테나의 전체효율을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에서 최대 전체효율을 가지는 시뮬레이션의 조건에 따른 안테나 설계 변수의 값을 나타내는 표이다.
도 11은 확장형 반구렌즈기판에 형성되는 안테나 장치에 대한 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 반구반경에 대한 평판두께비율의 변화에 따라 도 1의 안테나의 z축으로 나타나는 빔의 지향성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 11의 반구반경이 4.5λ인 조건에서 도 1의 안테나의 최대 지향된 복사패턴을 x-z 평면 및 y-z 평면에서 비교한 도면이다.
도 14는 도 11의 반구반경 R을 4.5λ로 고정시킨 상태에서의 평판두께비율이 각각 0.3, 0.4 및 0.5인 경우와, 도 11의 반구렌즈를 구비하지 아니하는 경우에서의 도 1의 안테나의 안테나 특성을 비교한 도면이다.
도 15는 최대지향성이 형성되는 확장형 반구렌즈 조건에서 도 1의 안테나와 전파장 다이폴 안테나의 입력 임피던스를 비교한 그래프이다.

Claims (9)

  1. 테라헤르츠파를 발생하는 테라헤르츠 포토믹서; 및
    각각, 상기 테라헤르츠 포토믹서에 연결되는 제 1 안테나 선로 및 제 2 안테나 선로를 구비하고,
    상기 제 1 안테나 선로는,
    일단이 상기 테라헤르츠 포토믹서와 연결되고, 제 1 위치에서 제 1 방향으로 수평하게 분기되는 양 끝단이 제 2 위치 및 제 3 위치에서 각각 직각으로 구부러지며, 상기 일단과 상기 양 끝단이 상기 제 1 방향으로 제 1 간격만큼 이격하여 위치하게 형성되고,
    상기 제 2 안테나 선로는,
    일단이 상기 테라헤르츠 포토믹서와 연결되고, 상기 제 1 안테나 선로와 상기 제 1 방향을 기준으로 대칭되며, 양 끝단이 상기 제 1 안테나 선로의 양 끝단과 제 2 간격만큼 이격하여 위치하게 형성되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 포토믹서 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 안테나 선로가 상기 제 2 위치에서 직각으로 구부러져 형성되는 제 1 모서리와, 상기 제 1 모서리에 상기 제 1 방향을 기준으로 대칭되는 제 2 모서리에 연결되어, 상기 테라헤르츠 포토믹서에 직류전압(DC)을 인가하는 직류전압 바이어스 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 포토믹서 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 직류전압 바이어스 회로는,
    CPS(coplanar strip) 선로로 구현되는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 포토믹서 안테나.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 직류전압 바이어스 회로는,
    각각 상기 제 1 모서리와 상기 제 2 모서리에 연결되는 바이어스 라인들; 및
    상기 바이어스 라인들 사이에 위치하는 적어도 하나 이상의 포토닉 밴드갭 셀(Photonic Bandgap cell)을 구비하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 포토믹서 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 바이어스 라인들 각각에 연결되어 상기 직류전압을 상기 직류전압 바이어 스 회로에 인가하는 직류전압패드들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠 포토믹서 안테나.
  6. 반도체 기판; 및
    상기 반도체 기판 위에 형성되는 제 1 항의 테라헤르츠 포토믹서 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  7. 반도체 기판; 및
    상기 반도체 기판 위에 형성되는 제 2 항의 테라헤르츠 포토믹서 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  8. 제 1 반경을 갖는 반구렌즈 및 상기 반구렌즈의 상부에 형성되고 제 1 두께를 갖는 평평한 반도체 기판이 결합되는 확장형 반구렌즈 기판; 및
    상기 반도체 기판 위에 형성되는 제 1 항의 테라헤르츠 포토믹서 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반구렌즈의 표면에 코팅되고 제 2 두께의 플랙시글래스(plexiglass)로 형성되는 정합층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
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