KR101140888B1 - 오른손 및 왼손 법칙을 따르는 복합 메타 재료 구조 기반의 다중 폴 다중 쓰로 스위치 소자 - Google Patents

오른손 및 왼손 법칙을 따르는 복합 메타 재료 구조 기반의 다중 폴 다중 쓰로 스위치 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자기적 신호를 조합하고 나누기 위해 복합 왼손 오른손 (composite left and right handed, CRLH) 메타 재료 구조를 사용하고 이러한 구조를 기반으로 한 다중 폴 다중 쓰로우 스위치 (multiple pole multiple throw switch) 소자를 이용하는 테크닉, 장치 그리고 시스템 등에 관한 것이다.

Description

오른손 및 왼손 법칙을 따르는 복합 메타 재료 구조 기반의 다중 폴 다중 쓰로 스위치 소자{MULTIPLE POLE MULTIPLE THROW SWITCH DEVICE BASED ON COMPOSITE RIGHT AND LEFT HANDED METAMATERIAL STRUCTURES}
본 발명은 오른손 및 왼손 법칙을 따르는 복합(Composite Right/Left Handed, CRLH) 메타 재료(Metamaterial, MTM) 안테나에 관한 것이다.
본 출원은 발명의 명칭 "MULTIPLE POLE MULTIPLE THROW RF SWITCH DEVICE BASED ON COMPOSITE RIGHT AND LEFT HANDED METAMATERIAL STRUCTURES"으로 2008년 12월 16일 출원된 미국 특허 출원 제61/138,054의 우선권을 주장한다.
상기 출원의 공개된 내용은 본 출원 명세서 일부의 참조로 통합된다.
대부분 재료에서 전자기파 전파는 (E, H, β)벡터 장에서 오른손 법칙을 따른다. 여기서, E는 전기장, H는 자기장 그리고 β는 파동벡터(wave vector)(또는 전파 상수(propagation constant))를 나타낸다. 이때 위상 속도(phase velocity)의 방향은 신호 에너지 전파(군속도, group velocity) 방향과 같고, 굴절률은 양수(+)이다. 이러한 물질을 오른손 (Right-Handed, RH) 물질이라고한다. 자연에서 대부분의 재료는 RH 재료이며, 인공적인 재료도 RH 물질일 수 있다.
메타 재료는 인공적인 구조이다. 메타제료의 평균 단위 셀(unit cell) 크기 ρ를 메타 재료에 의해 유도되는 전자기적 에너지의 파장보다 훨씬 작게 구조적으로 설계하면, 메타 재료는 유도되는 전자기적 에너지에 대해 균일한 매체로서 작용한다. RH 물질과는 달리 메타 재료는 음수(-)의 굴절률을 나타낼 수 있으며, 왼손(Left-Handed, LH) 법칙을 따르는 (E, H, β)벡터 장에서, 위상속도 방향과 신호 에너지 전파 방향은 서로 반대 방향을 갖게 된다. 음수(-)의 굴절률과, 동시에 음수(-)의 유전율 ε 및 음수(-)의 투자율 μ를 갖는 메타 재료를 순수 LH 메타 재료라고 한다.
대부분의 메타 재료는 LH 메타 재료와 RH 메타 재료의 혼합물인, 즉, 오른손 및 왼손 복합 메타 재료(Composite Right/Left Handed, CRLH) 메타 재료이다. CRLH 메타 재료는 낮은 주파수 영역에서는 LH 메타 재료의 성질을 갖고 높은 주파수 영역에서는 RH 메타 재료의 성질을 갖는다. 여러 CRLH 메타 재료의 실용화 및 특징에 대해서 예를 들면, [Caloz and Itoh:"Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications," John Wiley & Sons (2006)], CRLH 메타 재료와 이의 안테나에 응용은 [Tatsuo Itoh "Invited paper: Prospects for Metamaterials," Electronic Letter, Vol. 40, No. 16 (August, 2004)]에서 설명하고 있다.
CRLH 메타 재료는 특정 응용분야에 맞춤 가공되어 다른 재료로는 어렵거나, 비현실적이거나, 실행 불가능한 응용분야에 사용되도록 구조화 및 가공될 수 있다. 또한, CRLH 메타 재료는 RH 재료로는 가능하지 않은 새로운 응용분야를 개발하고 새로운 소자를 만드는데 사용될 수 있다.
본 문서에서 설명한 CRLH 메타 재료 기반 MPMT RF 스위치 소자는 신호 전달 방향과 경로를 응용목적에 따라 선택하는데 유연성을 제공하면서 싱글과 다중-대역 동작에서 콤팩트함을 동시에 성취한다.
도 1의 (A)는 CRLH 단위 셀을 갖는 CRLH 전송 라인 (transmission line, TL)을 보여주는 도면이다.
도 1의 (B)는 CRLH 단위 셀의 분산 다이어그램을 보여주는 도면이다.
도 2는 RH와 LH의 위상을 합성한 CRLH TL의 위상 응답의 예를 보여주는 도면이다.
도 3의 (A, B, C, D, E), 도 4의 (A, B), 도 5, 도 6의 (A, B, C), 도 7의 (A, B, C), 도 8의 (A, B, C), 도 9의 (A, B, C)는 CRLH 단위 셀의 예를 보여주는 도면이다.
도 10 내지 도 15의 (A, B)는 이중-밴드와 다중-밴드 CRLH TL 전력 분배기와 합성기(power divider and combiner)의 예를 보여주는 도면이다.
도 16 내지 도 20의 (A, B)는 이중-밴드와 다중-밴드 CRLH TL 공진기 전력 분배기와 합성기의 예를 보여주는 도면이다.
도 21의 (A)는 RH 마이크로스트립(microstrip) 방사형 전력 합성기와 분배기 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 21의 (A, B) 내지 도 25의 (A, B, C)는 CRLH 방사형 전력 합성기와 분배기 소자의 예를 보여주는 도면이다.
도 26은 일 실시예에 따른 마이크로스트립/스트립-라인(strip-line) 스위치 소자를 보여주는 도면이다.
도 27은 일 실시예에 따른 RH 스트립 라인이 합성된 CRLH TL의 위상 응답을 보여주는 도면이다.
도 28은 일 실시예에 따른 5-브랜치(branch) 다중 폴 다중 쓰로우(multiple pole mutiple throw) 스위치 소자를 보여주는 도면이다.
도 29는 일 실시예에 따른 다중-브랜치 다중 폴 다중 쓰로우 스위치 소자를 보여주는 도면이다.
도 30은 일 실시예에 따른 송전 브랜치 다중 폴 다중 쓰로우 스위치 소자를 보여주는 도면이다.
도 31은 일 실시예에 따른 싱글 폴 이중 쓰로우와 싱글 폴 트리플 쓰로우 스위치 토폴러지(topology)를 보여주는 도면이다.
순수한 LH 재료는 3 벡터 (E, H, β)가 왼손 법칙을 따르며 위상 속도 방향과 신호 에너지 전파 방향이 서로 반대이다. 유전율과 투자율은 모두 음수(-)이다. CRLH 메타 재료는 작동 주파수 영역에 따라 왼손과 오른손 법칙 전자기적 모드(mode)를 모두 나타낸다. 어떤 한 환경에서는, CRLH 메타 재료는 신호의 파동벡터(wave vector)가 0일 때, 0이 아닌 군속도(group velocity)를 나타낼 수 있다. 이는 오른손과 왼손 모드가 밸런스(balance) 된 경우에 발생한다. 언밸런스(unbalance) 모드에서는, 전자가 파의 전파가 금지되는 밴드 격차(bandgap)가 존재한다. 밸런스 모드인 경우, 분산 곡선(dispersion curve)은, 군속도가 양수(+)이면서 유도 파장이 무한대 λg=2π/|β| → ∞인, 전파 상수 β(ω0)=0의 전이 점에서 왼손과 오른손 모드 사이에 어떠한 불연속성도 보이질 않는다:
Figure 112011054626087-pct00001
위 식은 LH 법칙 영역에서 송전선 (Transmission Line, TL)을 구현했을 때 영차(zeroth order)모드 m=0에 해당한다. 상기 CRLH 구조는 양질의 저주파 스펙트럼(spectrum)을 지원하는, 음수(-)의 β 포물선(parabolic)을 따르는 영역을 갖는 분산 관계를 가짐으로써 근접 방사 패턴을 조작하고 제어하는데 독특한 능력을 갖는 전자기적으로 크고 물리적으로 작은 소자를 만드는 것이 가능하다. 상기 TL이 영차 공진기 (Zeroth Order Resonator, ZOR)에 사용될 때, 전 공진기에 걸쳐 일정한 크기(amplitude)와 위상 공진(phase resonance)이 가능하다. ZOR 모드는 메타 재료 기반의, 전력 합성기와 분배기(power combiner, spliter or divider), 방향성 커플러(directional coupler), 매칭 네트워크(matching network), 리키 웨이브 안테나(leaky wave antenna)를 제조하는데 사용될 수 있다. 메타 재료 기반의 전력 합성기와 분리기의 예를 아래에서 설명한다.
RH TL 공진기에서, 공진 주파수는 전기 길이 θm=βml=mπ (m= 1, 2, 3, ...)에 해당한다. l은 TL의 길이이다. 상기 TL의 길이는 낮고 넓은 스펙트럼의 공진 주파수에 도달할 수 있도록 길어야 한다. 순수 LH 재료의 동작 주파수는 낮은 주파수대에 있다. CRLH 메타 재료의 구조는 RH 재료와 LH 재료와 달리 RH와 LH 재료의 라디오 주파수 (radio frequency, RF) 스펙트럼 영역의 높고 낮은 스펙트럼 영역 모두에 도달하여 사용이 가능하다. CRLH의 경우, θm=βml=mπ 이며, l은 CRLH TL의 길이이며, m= 0, ±1, ±2, ±3, ...,±∞ 이다.
도 1의 (A)는 적어도 3개의 메타 재료 단위 셀이 주기적인 구성으로 직렬로 연결된 메타 재료 등가 회로를 보여준다. 각 단위 셀의 등가 회로는 RH의 직렬 유도 용량 LR과 분로(shunt) 정전 용량 CR, LH의 직렬 정전 용량 CL과 분로 유도 용량 LL을 갖는다. 분로 유도 용량 LL과 직렬 정전 용량 CL은 단위 셀에 왼손 법칙을 따르는 특성을 제공하도록 구성 및 연결된다. 이러한 CRLH TL은 분포(distributed) 회로 요소, 집중(lumped) 회로 요소 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 각 단위 셀은 λ/10 보다 작다. λ는 CRLH TL에서 전달되는 전자기 신호의 파장이다. CRLH TL은 주파수가 0인 곳에서, 안티-패래럴(anti-parallel) 위상, 군속도, 비선형 위상 기울기, 위상 오프세트(offset) 같은 흥미로운 위상 특징이 있다.
도 1의 (B)는 도 1의 (A)의 밸런스 CRLH 메타 재료 단위 셀의 분산 다이어그램을 보여주는 도면이다. CRLH 구조는 낮은 주파수대에서 양질의 스펙트럼을 지원하며 무한대의 파장에 해당하는 m=0 전이점을 포함하며 이보다 높은 주파수를 발생시킨다. 이와 같은 구조는 방향성 커플러, 매칭 네트워크β, 증폭기, 필터, 전력 합성기와 분배기와 CRLH 안테나 요소의 통합에 사용할 수 있다. 실제 구현의 예로서, 방향성 커플러, 매칭 네트워크, 증폭기, 필터, 전력 합성기와 분배기와 같은 RF 또는 마이크로 웨이브 회로를 CRLH 메타 재료의 구조로 만들 수 있다.
도 1의 (A)를 다시 참조하면, LRCL≠LLCR인 언밸런스 경우, 두 개의 다른 공진 주파수가 존재한다: 무한대의 파장을 지원하는 ωse와 ωsh는 다음 식과 같이 주어진다:
Figure 112011054626087-pct00002
Figure 112011054626087-pct00003
ωse와 ωsh에서 군속도(vg=dω/dβ)는 영(=0)이고, 위상 속도 (vp=dω/dβ)는 무한대이다. 직렬과 분로 공진이 같을 때: LRCL=LLCR를 만족할 때 밸런스 상태라 하며, 공진 주파수는 서로 일치한다.
Figure 112011056010884-pct00055

밸런스 경우, 위상 응답은 다음의 값에 접근한다:
Figure 112011054626087-pct00004
여기서 N은 단위 셀의 개수이다. 위상의 기울기는 아래의 식과 같이 주어진다:
Figure 112011054626087-pct00005
특성 임피던스는 아래와 같이 주어진다:
Figure 112011054626087-pct00006
선택된 주파수에서 원하는 기울기를 얻기 위해 유도 용량과 정전 용량 값을 선택하거나 조절할 수 있다. 또한, DC에서 양수(+)의 위상 오프세트를 갖기 위해 위상을 세트 할 수 있다. 이 두 요소를 이용함으로써 본 명세서에 제시된 다중 밴드(multi-band)와 이외의 메타 재료의 전력 합성과 분배 구조를 위한 설계가 제공된다.
이후의 단락은 이중-밴드(dual-band) 모드의 메타 재료 구조의 메타 재료 파라미터(parameter)를 결정하기 위한 예를 제공하며 셋 또는 그 이상의 밴드에서 메타 재료의 파라미터를 결정하는데 이와 유사한 기술이 사용될 수 있다.
이중-밴드 메타 재료 구조에서, 먼저 두 밴드에서 신호 주파수 f1과 f2를 서로 다른 위상 값, f1에서 φ 1, f2에서 φ 2를 갖도록 선택한다. CRLH TL의 단위 셀의 개수가 N, 특성 임피던스가 Zt라하면, LR, CR, LL, CL 파라미터의 값은 다음과 같다:
Figure 112011054626087-pct00007
언밸런스의 경우, 전파상수는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112011054626087-pct00008
여기서,
Figure 112011100264616-pct00056
밸런스 경우에는
Figure 112011054626087-pct00010
각 단위 셀의 길이가 p인 단위 셀을 N개 갖는 CRLH TL의 물리적 길이 d는: d=N.p이다. 신호 위상 값은 φ=-βd 이다. 따라서,
Figure 112011054626087-pct00011
Figure 112011054626087-pct00012
서로 다른 주파수 f1과 f2에서 서로 다른 값의 위상 φ 1과 φ 2를 선택할 수 있으며, 그 각각은 다음과 같다.
Figure 112011054626087-pct00013
비교를 위하여, 종래의 RH 마이크로스트립 TL은 다음과 같은 분산 관계를 보인다.
Figure 112011054626087-pct00014
예로서 다음의 문헌을 참조할 수 있다. [Pozar, Microwave Engineering, 3rd Edition pp 370], [Collin, Field Theory of Guided Waves, Wiley-IEEE Press; 2nd Edition pp 623 (December 1, 1990)].
[0032] 이중-, 다중-밴드 CRLH TL 소자는 발명의 명칭 "Antenna Based on Metamaterial Structures"으로 2007년 8월 24일 출원되고, 참조로서 본 출원의 일부로 통합된 미국 특허 출원 제11/844,982에서 설명한 매트릭스 접근 방식에 기반하여 설계할 수 있다. 상기의 매트릭스 접근 방식하에, 각 1차원 CRLH TL은 분로 (LL, CR)와 직렬 (LR, CL) 파라미터를 갖는 N개의 동일한 셀을 포함한다. 이 다섯 파라미터는 N 개의 공진 주파수와 위상 곡선, 해당 밴드폭(bandwidth)과 이 공진 주파수 근처에서 입/출력 TL 임피던스 변화량을 결정한다.
주파수 밴드는 N개의 CRLH 셀 구조가 전파 위상 길이 nπ에서 공진하게 함으로써 유도되는 분산 등식으로부터 결정된다. 여기서, n= 0, ±1, ±2, ±3, ...,±(N-1)이다. 이는 영(0°, zero)과 2π 위상 공진이 N=3인 CRLH 셀에서 성취될 수 있다는 것을 의미한다. 더욱이, 영(0°, zero), 2π, 4π 셀이 공진을 정의하기 위해 사용되는 N=5인 CRLH 셀을 이용하여 3중-밴드 전력 합성기와 분리기를 설계할 수 있다는 것을 의미한다.
n=0의 모드는 ω0=ωSE에서 공진하며 이보다 높은 주파수 값은 아래의 등식에 의해 주어지며, 아래 등식의 M값은 그 아래의 표에 명시되어 있다.
n> 0인 경우,
Figure 112011054626087-pct00015
표 1은 N=1, 2, 3, 4에 대한 M 값을 제공한다.
셀의 개수 N=1, 2, 3, 4일 때의 공진
N
/모드		 |n|=0 |n|=1 |n|=2 |n|=3
N=1 M=0 ; ω0=ωSH
N=2 M=0 ; ω0=ωSH M=2
N=3 M=0 ; ω0=ωSH M=1 M=3
N=4 M=0 ; ω0=ωSH
Figure 112011100264616-pct00016
 M=2
도 2는 RH 컴포넨트(component)의 위상과 LH 컴포넨트의 위상을 합성한 CRLH TL의 위상 응답에 대한 예를 보여주는 도면이다. CRLH TL 외에 RH와 LH TL의 위상 곡선도 같은 도면에 나타나 있다. 저주파수대에서 CRLH 위상 곡선은 LH TL 위상에 접근하고, 고주파수대에서는 RH TL 위상에 접근한다. 특히, CRLH 곡선은 위상이 영(0°)인 축(수평축)과 (주파수가) 영(zero, 0)이 아닌 오프세트(offset) 주파수에서 교차한다. 상기 영(zero, 0)이 아닌 오프세트 주파수에 의해, 임의의 한 쌍의 주파수에 대해 원하는 한 쌍의 위상을 갖도록 가공할 수 있다. LH와 RH의 유도 용량과 정전 용량을 선택 조절하여 영(0 Hz) 주파수(DC)에서 양수(+)의 오프세트를 갖도록 하는 바람직한 기울기를 만들 수 있다. 한 예로, 도 2는, 제1 주파수 f1의 위상이 0°, 제2의 주파수 f2의 위상이 -360°가 되도록 선택한 것을 보여준다. 더욱이 CRLH TL을 이용하여 RH TL보다 훨씬 작은 푸트프린트(footprint)에서 같은 위상을 얻을 수 있다.
따라서, 종래의 합성기나 분리기 보다 작은 콤팩트(compact)한 소자를 임피던스가 매칭된 조건하에서 둘 또는 그 이상의 다른 주파수에서 신호를 합성하고 분리를 위한 CRLH 전력 분배기와 분리기를 설계할 수 있다. 도 1의 (A)를 다시 참조하면, 각 CRLH 단위 셀은 CRLH 전력 합성기와 분로기의 여러 다른 단위 구성을 기반으로 하여 설계할 수 있다. 메타 재료의 특성을 사용하면 이중-주파수대뿐만 아니라 4중(quad)-밴드 시스템을 위한 여러 다른 유형의 설계를 위한 새로운 가능성을 제공한다.
도 3의 (A, B, C, D, E)는 CRLH 단위 셀 설계의 여러 예를 보여주는 도면이다. 분로 유도 용량 LL과 직렬 정전 용량 CL을 구성 연결하여 LH 특성을 단위 셀에 제공하고 따라서 LL은 LH 성질을 갖는 분로 유도 용량을 CL은 LH 성질을 갖는 직렬 정전 용량을 참조하는 것이다.
도 3의 (A)는 제1 및 제2의 RH 마이크로스트립 사이에 연결된 제1 및 제2 직렬 커패시터(capacitor)와 두 개의 LH 직렬 커패시터와 접지 사이에 결합한 LH 분로 인덕터(inductor)로 설계된 대칭형 CRLH 단위 셀을 보여주는 도면이다. 제1 직렬 커패시터는 제1 RH 마이크로스트립에 전자기적으로 결합하고, 제2 직렬 커패시터는 제1 LH 직렬 커패시터와 전자기적으로 결합한다. LH 분로 인덕터(inductor)는 전자기적으로 제1 및 제2의 LH 직렬 커패시터 모두에 결합한 제1 단자와 전기적으로 접지된 제2 단자를 갖는다. (RH 마이크로스트립은 제2 LH 직렬 커패시터와 전자기적으로 결합한다.
도 3의 (B, C, D, E)는 여러 비대칭 CRLH 단위 셀 설계를 보여주는 도면이다. 도 3의 (B)에서, CRLH 단위 셀은 제1 RH 마이크로스트립, 제1 RH 마이크로스트립에 전자기적으로 결합한 LH 직렬 커패시터, 제1 LH 직렬 커패시터와 전자기적으로 결합한 제1 단자를 갖는 LH 분로 인덕터, LH 직렬 커패시터와 LH 분로 인덕터의 제1 단자와 전자기적으로 결합한 제2 RH 마이크로스트립을 포함한다. LH 분로 인덕터는 전기적으로 접지된 제2 단자를 갖는다. 도 3의 (C)에서, CRLH 단위 셀은 제1 RH 마이크로스트립, 제1 RH 마이크로 스트립에 전자기적으로 결합한 LH 직렬 커패시터, LH 직렬 커패시터와 전자기적으로 결합한 제1 단자를 갖는 LH 분로 인덕터, LH 직렬 커패시터와 전자기적으로 결합한 제2 RH 마이크로스트립을 포함한다. LH 분로 인덕터의 제1 단자는 제1 RH 마이크로스트립과 전자기적으로 결합하며 LH 분로 인덕터는 전기적으로 접지된 제2 단자를 갖는다. 도 3의 (D, E)에서, CRLH 단위 셀은 RH 마이크로스트립, RH 마이크로스트립과 전자기적으로 결합하는 LH 직렬 커패시터, LH 직렬 커패시터와 전자기적으로 결합하고 RH 마이크로스트립에 직접 결합하지 않은 제1 단자와 전기적으로 접지된 제2 단자를 갖는 LH 분로 인덕터를 포함한다.
각 단위 셀은 유전체 기판의 상부 표면에 형성된 상부 전도성 패치(patch), 상부 전도성 패치를 접지 전도성 패치에 연결하기 위한 기판 (201)에 형성된 전도성 비아(via) 커넥터를 포함하며, "버섯" 구조를 할 수 있다. 높고 낮은 유전 상수와 다양한 높이를 가진 여러 다양한 유전체 기판을 이러한 구조를 설계하는데 사용할 수 있다. 본 구조의 푸트프린트를 줄이기 위해 "수직(vertical)" 기술을 사용하는 것이 가능하다. 이와 같은 예로서, 다층 구조의 저온 동시 소결 세라믹 (multilayer structue or on Low Temperature Co-fired Ceramic LTTC)를 들 수 있다.
두 개의 다른 주파수에서 LL, CL, CR, LR의 값은, 예를 들면, f1=2.44GHz, f2=5.85GHz의 주파수에서 위상은 f1에서 (0+2πn) f2에서 -2π(n+1)에서 구하여 보았다 . 여기서, (n = ..., -1, 0, 1/, 2, ....)이다. 이러한 예에서 집중(lumped) 요소를 사용하여 LH 커패시터를 모델 할 수 있고, LH 인덕터를 예를 들면 손실을 최소화하는 단락된 스터브(stub)를 사용하여 실현할 수 있다. RH 부분은 CR과 LR에 의해 결정되는 전기적 길이를 갖는 종래의 RF 마이크로스트립을 사용하여 모델 할 수 있다. 단위 셀의 개수는 N(=l/d)로 정의되며, d는 단위 셀의 길이, l은 CRLH TL의 길이이다. 예를 들면, f1에서 0°의 위상과 f2에서 -360°의 위상을 갖도록 단위 셀을 설계할 수 있다. 두 개의 셀로 이루어진 CRLH 셀은 다음의 계산 값을 이용할 수 있다. LL = 2.0560 nH, CL = 0,82238 pF, CR=2.0694 pF, LR=5.1735 nH. 여기서, LRCL=CRLL임을 알 수 있다. 또한, ωse=ωsh 인 밸런스 경우로서, 임피던스는 다음의 값을 갖는다.
Figure 112011054626087-pct00017
이러한 CRLH TL은 H=31mil(0.787mm), εr=4.4인 FR4 기판을 이용하여 구현할 수 있다.
도 4의 (A, B)는 LH 부분을 집중(lumped) 요소와 RH 부분을 마이크로스트립을 사용하여 도 2의 (A)에서 보여준 대칭의 CRLH 단위 셀 설계를 구현한 두 실시예이다. 도 4A에서, LH 분로 인덕터는 집중 회로 인덕터 요소로서 기판의 상부에 형성된다. 도 4B에서는 LH 분로 인덕터는 기판의 상부에 형성된 인쇄 인덕터 요소이다.
도 5는 분포(distributed) 회로 요소를 기반으로 하는 CRLH 단위 셀 설계의 예이다. 상기 단위 셀은 두 개의 RH 전도성 마이크로스트립과 LH 직렬 인터디지털(interdigital) 커패시터, 인쇄 LH 분로 인덕터를 포함한다. 인터디지털 커패시터는 3세트의 전극 디지트(digit)를 포함하며, 제1 세트의 전극 디지트는 하나의 RH 마이크로스트립과 다른 RH 마이크로스트립과 연결된 제2 세트의 전극 디지트 사이에 연결된다. 제3 세트의 전극 디지트는 분로 인덕터에 연결된다. 3세트의 전극 디지트는 서로 공간적으로 맞물려 있어(interleave), 정전 용량 결합을 제공하고 하나의 세트의 한 전극 디지트는 다른 두 세트의 전극 디지트와 서로 이웃하고 있다.
도 6의 (A)는 두 개의 CRLH 단위 셀을 갖는 이중-밴드 TL의 예를 나타내는 도면이다. 각 CRLH 단위 셀은 제1 신호 주파수 f1에서 0°의 위상을 제2 신호 주파수 f2에서 -360°의 위상을 갖도록 구성된다. 구체적인 예로서, 제1 주파수 f1은 2.44GHz, 제2 주파수 f2는 5.85GHz를 선택하며, 이때 TL의 파라미터는: LL=2.0560nH, CL=0.82238pF, CR=2.0694pF, LR=5.1735nH이다.
도 6의 (B)는 이중-밴드 CRLH TL 단위 셀의 측정된 크기, |S21@2.44GHz|=-0.48dB, |S21@5.85GHz|=-0.71dB를 보여준다. 관측된 손실은 FR4 기판에 기인한다. 이러한 손실은 손실이 적은 기판을 사용하여 쉽게 감소할 수 있다. 이러한 이중-밴드 단위 셀 CRLH TL은 높은 주파수에서 컷오프(cutoff)가 없는 것을 관측할 수 있는데, 이는 마이크로스트립으로 RH를 구현한 데 기인한다. 본 예에서, LH에 의해 유도되는 고역 통과 컷오프 주파수를 계산하면 다음과 같다:
Figure 112011054626087-pct00018
도 6의 (C)는 이중-밴드 CRLH TL 단위 셀의 위상 값을 보여준다: S21@2.44GHz=0°, S21@5.85GHz=-360°.
도 7의 (A)는 도 6의 (A0의 TL과 비슷한 성능의 파라미터를 유지하면서 이중-밴드 CRLH TL 단위 셀의 크기를 감소하기 위해 RH 메안더(meander) 마이크로스트립을 사용한 이중-밴드 CRLH TL의 다른 또 하나의 예를 보여주는 도면이다. 이 TL의 파라미터는: LL=2.0560nH, CL=0.82238pF, CR=2.0694pF, LR=5.1735nH이다. 도 7의 (B)는 이중-밴드 CRLH 메안더 TL의 크기, |S21@2.44GHz|=-0.35dB, |S21@5.85GHz|=-0.49dB를 보여주고, 도 7의 (C)는 두 주파수에서 위상 응답을 보여준다: S21@2.44GHz=0°, S21@5.85GHz=-360°.
도 8의 (A)는 또 다른 하나의 예로서, 두 개의 다른 주파수, f1=2.44GHz과 f2=5.85GHz에서 길이 L 이중-밴드 CRLH 1/4 파장 변환기(quater wavelength transformer)를 보여 준다. 이 단위 셀의 계산된 파라미터 값에서 LH 부분은: LL=9.65nH, CL=1.93pF, RH 부분은: CR=1.89pF, LR=9.45nH이다. 이러한 구조에서, N=2이고 그 결과 Z0=70.7Ω인 예에서, LRCL=CRLL,
Figure 112011054626087-pct00019
임을 알 수 있다. 도 8의 (B)는 이 이중-밴드 CRLH TL 변환기의 크기 |S21@2.44GHz|=-0.35dB, |S21@5.85GHz|=-0.49dB를 보여주고, 도 8의 (C)는 이중-밴드 CRLH TL 변환기의 위상 값 S21@2.44GHz=90°, S21@5.85GHz=-270°를 보여준다.
도 9의 (A)는 크기를 축소하기 위해 메안더 마이크로스트립을 사용한 이중-밴드 CRLH TL 1/4 파장 변환기를 보여주는 도면이다. 도 9의 (B)는 두 개의 다른 주파수에서 S-파라미터 |S21@2.44GHz|=-0.35dB, |S21@5.85GHz|=-0.49dB를 보여주고, 도 9의 (C)는 위상 S21@2.44GHz=90°, S21@5.85GHz=-270°를 보여준다.
전술한 그리고 이외의 이중-밴드와 다중-밴드 CRLH 구조는 N-포트(port) 이중-밴드 그리고 다중-밴드 CRLH TL 직렬 전력 합성기와 분배기를 제조하는데 사용될 수 있다.
도 10은 N-포트 다중-밴드 CRLH TL 직렬 전력 합성기와 분배기 소자를 보여주는 도면이다. 이 소자는 이중-밴드 또는 다중-밴드 메인(main) CRLH TL(1010)을 포함하며, 적어도 제 1 신호 주파수 f1에서 제1 위상, 이와 다른 제2 신호 주파수 f2에서 제2 위상을 갖도록 구성한다. 이 메인 CRLH TL(1010)은 두 개 또는 그 이상의 직렬로 연결된 CRLH 단위 셀을 포함하고, 각 CRLH 단위 셀은 제1 신호 주파수에서 +/- 180°의 배수인 제1 전기 신호 길이와, 제2 신호 주파수에서 +/- 180°의 다른 배수인 제1 전기 신호 길이와 다른 제2 전기 신호 길이를 갖는다. CRLH TL(1010)의 다른 위치에 두 개 또는 그 이상의 브랜치(branch) CRLH 피드 라인(feed line)(1020)이 연결되어 CRLH 피드 라인(1020)의 신호를 CRLH TL(1010)에 보내거나, CRLH TL(1010)들의 신호들을 다른 신호로 나누어 피드 라인(1020)에 보낸다. 각 브랜치 CRLH 피드 라인(1020)은 상기의 제1 신호 주파수에서 +/- 90°의 홀수 배인 제3 전기 길이와, 상기의 제2 신호 주파수에서 +/- 90°의 다른 홀수 배인 위와 다른 제4 전기 길이를 나타내는 적어도 하나의 CRLH 단위 셀을 포함한다. 도면에 예시한 것과 같이, 각 CRLH 피드 라인(1020)은 인접한 CRLH 단위 셀 사이나 CRLH 단위 셀의 한쪽 편에 연결되어 있다.
도 11은 도 10의 설계를 기반으로 하며 50Ω에 매칭한 입력/출력 포트(port) (포트 1-N)를 갖고 다른 포트는 최적 임피던스로 매칭한 CRLH TL 이중-밴드 직렬 전력 조합기/분리기의 한 구현 예를 보여주는 도면이다. 이 소자는 이중-밴드 CRLH TL 단위 셀(1112)과 브랜치 CRLH 피드 라인(1120)을 갖는 이중-밴드 메인 CRLH TL(1110)을 포함한다. 각 단위 셀(1112)은 제1 신호 주파수 f1에서 전기 신호 길이가 0°위상 그리고 제2 신호 주파수 f2에서 전기 신호 길이가 360°위상과 같아지도록 설계한다. 각 브랜치 CRLH 피드 라인(1120)은 하나 또는 그 이상의 CRLH 단위 셀을 포함하여 이중-밴드 CRLH TL 1/4 파장 변환기로 구성한다. 최적 임피던스는 두 개의 다른 주파수 f1과 f2에서 전기 길이가 L인 CRLH TL 1/4 파장 변환기(1120)를 통해 변환한다. 특히 이 예에서는, 각 CRLH 피드 라인(1120)은 제1 주파수 f1에서 90°(λ/4) [modulo π]의 위상과, 제2 주파수 f2에서 270°(3λ/4) [modulo π]의 위상을 갖도록 설계한다. 이 소자는 포트 간에 한 주파수에서는 0°위상 차이와 다른 하나의 주파수에서는 360°위상 차이를 갖는다.
두 개의 신호 주파수 f1과 f2는 서로 조화(harmonic) 관계를 갖고 있지 않다. 이러한 특징은 와이-파이(Wi-Fi)에 응용되는 2.4GHz 대역과 5,8GHz 대역 같은 다양한 표준에 이용되는 주파수대의 요구에 응하는데 이용할 수 있다. 본 구성에서는, 포트 사이에 f1에서 0°위상 차이 그리고 f2에서 360°위상 차이 때문에 이중-밴드 CRLH TL(1110)을 따라 포트의 위치와 포트 순번을 원하는 대로 선택할 수 있다. 예를 들면, 도 6의 (A)와 7의 (A)에서 설명한 단위 셀을 CRLH TL(1110)에서 단위 셀로 이용할 수 있고, 도 8의 (A)와 9의 (A)에서 설명한 단위 셀을 CRLH 피드 라인(1120)에 이용할 수 있다.
도 12는 3-포트 CRLH TL 이중-밴드 직렬 전력 합성기/분배기의 예를 보여주는 도면이다. 이 예는 CRLH TL에 하나의 입력/출력 포트 (포트 1)와 두 개의 CRLH 피드라인을 통한 두 개의 입력/출력 포트를 갖는다. CRLH TL에 있는 각 CRLH 단위 셀은 포트 사이에 f1에서 0°의 전기 길이와 f2에서 360°의 전기 길이를 갖는다. 도 12는 이 CRLH TL 이중-밴드 직렬 전력 조합기/분배기의 S-파라미터의 크기와 위상 값을 보여준다. |S21@2.44GHz|=|S31@2.44GHz|=-4.2dB, |S21@5.85GHz|=|S31@5.85GHz|=-4.7dB, S21@2.44GHz=S31@2.44GHz=-83°, S21@5.85GHz=S31@5.85GHz=85°를 보여준다. 따라서, 전력에 있어서 크기(amplitude)와 위상이 두 개의 다른 주파수에서 동등하게 분리 또는 합성되는 것을 알 수 있다.
도 13은 메안더 라인 CRLH TL 이중-밴드 직렬 전력 합성기/분배기의 예를 보여주는 도면이다. 메안더 라인 전도체는 일직선 마이크로스트립을 대체하여 사용하여 회로 크기(dimension)를 축소할 수 있다. 예를 들면, 메안더 라인을 사용하여 CRLH TL의 푸트프린트를 1.4배 축소하는 것이 가능하다. 이 메안더 라인 CRLH TL 이중-밴드 직렬 전력 합성기/분배기의 크기(magnitude)는 |S21@2.44GHz|=|S31@2.44GHz|=-4.08dB, |S21@5.85GHz|=|S31@5.85GHz|=-4.6dB이고, 이 메안더 라인 CRLH TL 이중-밴드 직렬 전력 합성기/분배기의 위상은 S21@2.44GHz=S31@2.44GHz=-88°, S21@5.85GHz=S31@5.85GHz=68°이다. 따라서, 전력이 두 개의 다른 주파수에서 동등하게 분리 또는 합성되는 것을 알 수 있다.
도 14의 (A)와 도 14의 (B)는 분포(distributed) CRLH 단위 셀의 두 예를 보여주는 도면이다. 도 14의 (A)에서, 분포(distributed) CRLH 단위 셀은 제1의 연결된 전극 디지트 세트(set)(1411)와 전극 디지트 세트(1412)를 포함한다. 이 두 전극 디지트 세트는 직접 접촉이 없이 분리되어 공간적으로 맞물려(interleave) 서로 전자기적 커플링(coupling)을 제공한다. 수직의 단락된 스터브(stub) 전극(1410)은 전극 디지트 세트(1411)에 연결되고 전극 디지트(1411)와 (1412)에 수직인 방향을 따라 돌출되어 있다. 도 14의 (B)는 분포(distributed) CRLH 단위 셀의 다른 하나의 설계로 두 세트의 연결된 전극 디지트(1422)와 (1423)를 갖는다. 전극 디지트(1422)는 전극 디지트(1422)와 (1423)의 방향을 따라 연장된 제1 인-라인(in-line) 단락 스터브 전극(1421)에 연결되어 있다. 전극 디지트(1423)는 전극 디지트(1422)와 (1423)의 방향을 따라 연장된 제2 인-라인 단락 스터브 전극(1424)에 연결되어 있다.
도 15의 (A)와 15의 (B)는 도 14의 (A)와 14의 (B)의 분포(distributed) CRLH 단위 셀을 기반으로 한 이중-밴드 또는 다중-밴드 CRLH TL 전력 분배기 또는 합성기를 보여주는 도면이다. 도 15의 (A)는 도 14의 (A)의 수직 단락된 스터브 전극을 갖는 두 개의 단위 셀을 포함하는 3-포트 이중-밴드 또는 다중-밴드 CRLH TL 전력 분배기 또는 합성기를 보여준다. 도 15의 (B)는 도 14의 (B)의 인-라인 단락된 스터브 전극을 갖는 세 개의 단위 셀을 포함하는 4-포트 이중-밴드 또는 다중-밴드 CRLH TL 전력 분배기 또는 합성기를 보여준다.
전술한 다중-밴드 CRLH TL 전력 분배기 또는 합성기는 공진기 형태의 다중-밴드 CRLH TL 전력 분배기 또는 합성기로 구성하는데 이용할 수 있다. 도 16은 공진기 형태의 이중 밴드 또는 다중-밴드 CRLH TL 전력 분배기 또는 합성기의 한 예를 보여주는 도면이다. 도면 10의 소자와는 다르게, 입력/출력 커패시터(1612)가 메인 CRLH TL 1010의 한 단부에 있는 포트 1에 결합하고 각 브랜치 CRLH 피드 라인(1020)은 포트 커패시터(1622)를 통해 CRLH TL(1010)과 용량 성으로 결합한다.
도 17은 전기 길이가 f1 주파수에서 0°이고, f2 주파수에서 360°인 도 10, 11, 16의 설계에 기반한 이중-밴드 공진기 직렬 전력 합성기/분배기를 보여주는 도면이다. 이 이중-밴드 CRLH TL은 개방형으로 마무리 지어져(terminated) 공진기 기능을 한다. 입력/출력 포트(포트 1-N)는 50Ω으로 매치될 수 있고, 다른 포트는 최적 임피던스로 매치한다. 이 최적 임피던스는 두 개의 다른 주파수 f1과 f2에서 전기 길이가 L인 CRLH TL 1/4 파장 변환기를 통해 변환한다. 일 예로서 주파수 f1에서 90°(λ/4) [modulo π]의 위상과, 주파수 f2에서 270°(3λ/4) [modulo π]의 위상을 갖는다.
도 18은 하나의 개방형 단위 셀을 갖는 CRLH TL 이중-밴드 공진기 직렬 전력 합성기/분배기의 예를 보여주는 도면이다. 이중-밴드 CRLH TL에 전력을 공급하기 위한 포트 또는 결합 커패시터의 정전 용량 값은 1.1pF이고, CRLH TL 이중-밴드 공진기 직렬 전력 합성기/분배기의 출력 포트에 있는 입력/출력 결합 커패시터의 정전 용량 값은 9pF이다. S-파라미터의 크기는 |S21@2.44GHz|=|S31@2.44GHz|=-4.3dB, |S21@5.85GHz|=|S31@5.85GHz|=-5.2dB, 위상은 S21@2.44GHz=S31@2.44GHz=-53°, S21@5.85GHz=S31@5.85GHz=117°이다.
도 19는 CRLH TL 이중-밴드 공진기 직렬 전력 합성기/분배기의 예이다. 이 CRLH TL 이중-대역 공진기 직렬 전력 합성기/분배기는 두 개의 단위 셀이 개방되어 있다. S-파라미터의 크기와 위상 값은 |S21@2.44GHz|=|S31@2.44GHz|=-4.7dB, |S21@5.85GHz|=|S31@5.85GHz|=-5.4dB이고 S21@2.44GHz=S31@2.44GHz=-53°, S21@5.85GHz=S31@5.85GHz=117°이다. 이 구조는 도 18의 구조보다 손실이 더 크며 이 큰 손실은 하나의 단위 셀에 의해 길어진 단위 셀 하나의 길이에 기인한다. 이 손실은 FR4 기판과 집중(lumped) 회로 요소로부터 발생한 것이다. 이 손실은 적은 손실 탄젠트(tangent)를 갖는 기판, 더 나은 집중 (lumped) 회로 요소, 또는 분포(distributed) 회로 라인을 사용하여 최소화할 수 있다. 또한, 메안더 라인을 이용하여 이 구조의 푸트프린트를 최소화할 수 있다.
도 20의 (A)와 도 20의 (B)는 도 14의 (A)와 도 14의 (B)의 분포(distributed) CRLH 단위 셀을 기반으로 한 이중-밴드 또는 다중-밴드 CRLH TL 공진기 전력 분배기 또는 합성기를 보여주는 도면이다. 도 20의 (A)는 수직 단락 스터브 전극을 갖는 도 14의 (A)의 여섯 개의 단위 셀을 포함하는 3-포트 이중-밴드 또는 다중-밴드 CRLH TL 공진기 전력 분배기 또는 합성기를 보여준다. TL은 네 개의 단위 셀이 개방형으로 마무리되어 있다. 도 20의 (B)는 인-라인 단락 스터브 전극을 갖는 도 14의 (B)의 네 개의 단위 셀을 포함하는 4-포트 이중-밴드 또는 다중-밴드 CRLH TL 공진기 전력 분배기 또는 합성기를 보여준다. TL은 하나의 단위 셀이 개방형으로 마무리되어 있다.
전력 합성기 또는 분리기는 방사형의 형태로 구성할 수 있다. 도 21의 (A)는 신호 주파수에서 전기 길이가 180°인 종래의 RH 마이크로스트립을 사용하여 형성된 종래의 싱글(single)-밴드 방사형 전력 합성기/분리기의 예를 보여주는 도면이다. 피드 라인은 마이크로스트립으로부터 전력을 합성하여 합성된 신호를 출력하거나 피드 라인에서 수신된 신호의 전력을 마이크로스트립으로 향하는 신호로 분배하기 위해 RH 마이크로스트립의 단자에 연결된다. 이러한 전력 합성기나 분배기의 물리적 크기의 아래 한계는 전기 길이가 180°인 각 마이크로스트립의 길이에 의해 정해진다.
도 21의 (B)는 싱글-밴드 N-포트 CRLH TL 방사형 전력 합성기/분리기를 보여주는 도면이다. 이 소자는 동작 신호 주파수에서 0°이거나 +/-180°의 정수배인 전기 길이를 갖는 기판상에 형성된 브랜치 CRLH TL와 메인 피드 라인을 포함한다. 각 브랜치 CRLH TL의 제1 단자는 다른 브랜치 CRLH TL의 제1 단자에 연결되어있고 제2 단자는 개방되어 있거나 전기 부하에 결합한다. 메인 신호 피드 라인은 기판 상에 형성되어 브랜치 CRLH TL의 제1 단자와 전기적으로 결합한 제1 피드 라인 단자와 개방되거나 전기적 부하와 결합한 제2 피드 라인 단자를 포함한다. 이 메인 피드 라인은 제1 피드 라인 단자에서 브랜치 CRLH TL로부터 전력을 수신하고 합성하여 합성된 신호를 제2 피드 라인 단자에 출력하거나 제2 피드 라인 단자에서 수신된 신호의 전력을 브랜치 CRLH TL의 제1 단자에 각각 분배하기 위한 것이다. 도 21의 (B)의 각 CRLH TL은 콤팩트한 N-포트 CRLH TL 방사형 전력 합성기/분배기를 형성하기 위해 동작 신호 주파수에서 0°의 위상 값을 갖도록 구성할 수 있다. 0°의 CRLH TL의 크기는 단지 집중(lumped) 회로 요소, 분포(distributed) 라인 또는 MIMS 같은 "버티칼(vertical)" 구성을 이용하는 구현 방법에 의해 제한된다.
메인 피드 라인은 종래의 RH 피드 라인이거나 CRLH 피드 라인일 수 있다. 종래의 피드 라인은 하나의 브랜치 라인이 메인 피드 라인에 연결되고 나머지 복수의 브랜치는 연결이 끊어진 스위치 구성으로 전력 합성기를 사용할 때 최적의 조건을 갖는다. 메인 CRLH TL은 브랜치 CRLH TL이 동시에 연결될 때 최적의 조건을 갖는다. 도 21의 (C)는 메인 CRLH TL이 동작 신호 주파수에서 90°(즉 파장 길이의 1/4) 또는 90°의 홀수 배에 해당하도록 전기적 길이를 갖도록 구성한 예를 보여준다. 메인 피드 라인의 임피던스는 다음과 같이 정해 질 수 있다.
Figure 112011054626087-pct00020
전술한 설계를 기반으로 한 CRLH TL 0° 콤팩트 싱글 밴드 방사형 전력 합성기와 분배기를 시뮬레이션(simulation) 및 제조하여 성능 파라미터를 측정하였다. 예시된 모든 싱글-밴드 방사형 전력 합성기/분배기는 소자의 성능을 비교하기 위해 같은 피드 라인 길이 20mm를 사용하였다. 피드 라인의 길이는 각 응용에서 필요한 구체적인 필요에 따라 선택될 수 있다.
도 22의 (A)는 4-포트 RH 180°마이크로스트립 방사형 전력 합성기/분배기 소자와 4-포트 CRLH 0°방사형 전력 합성기/분배기 소자의 예를 보여주는 도면이다. 두 소자의 크기의 비율은 3:1이다. 180°의 전기적 길이의 FR4 기판을 사용하는 마이크로스트립의 물리적 길이는 33.7mm이다. 예로서, 0°CRLH TL에 대한 계산 값은: 집중(lumped) 회로 요소의 커패시터로 구현된 CL=1.5pF, 단락된 스터브로 구현된 LL=3.75nH이며, RH 부분으로 선택된 값은 LR=2.5nH, CR=1pF이며, 이는 예를 들면 FR4 기판 (εr=4.4, H=31mil) 위에 형성된 종래의 마이크로스트립을 이용하여 구현된다.
도 22의 (B)는 3-포트 RH 180°마이크로스트립 방사형 전력 합성기/분배기 소자의 시뮬레이션(simulation) 및 측정한 S-파라미터의 크기를 보여주며, 그 값은: |S21@2.425GHz|=-0.631dB, |S11@2.425GHz|=-30.391dB 이다. 도 22의 (C)는 4-포트 CRLH TL 0°콤팩트 싱글 밴드 방사형 전력 합성기/분배기의 S-파라미터로서 시뮬레이션 및 측정한 S-파라미터의 크기를 보여주며, 그 값은: |S21@2.528GHz|=-0.603dB, |S11@2.528GHz|=-28.027dB 이다. 시뮬레이션 측정 결과 사이의 약간의 차이는 집중(lumped) 회로의 요소를 사용한 데 기인할 수 있다.
도 23의 (A)는 5-포트 CRLH TL 0°콤팩트 싱글 밴드 방사형 전력 합성기/분배기의 예를 보여주는 도면이다. 이 5-포트 소자는 4-포트 CRLH TL 0°콤팩트 싱글 밴드 방사형 전력 합성기/분배기와 같은 0°CRLH TL 단위 셀을 사용한다. 도 23의 (B)는 측정한 S-파라미터의 크기를 보여주며, 2,665GHz 주파수에서 0°위상에서 |S21@2.665GHz|=-0.700dB, |S11@2.665GHz|=-33.84373dB 이다.
전술한 싱글-밴드 방사형 CRLH 소자는 싱글 밴드 CRLH TL 컴포넨트를 각각 이중-밴드 또는 다중-밴드 CRLH TL 컴포넨트로 대체하여 이중-밴드 또는 다중-밴드 소자로 구성할 수 있다. 도 24의 (A)는 다중-밴드 방사형 전력 합성기/분배기의 예를 보여주는 도면이다. 구체적인 예로서, f1 주파수에서 위상이 0°가 되도록 선택을 하고, f2 주파수에서 위상이 180°가 되도록 선택할 수 있다. 메인 피드 라인은 종래의 RH 피드 라인 또는 CRLH 피드 라인일 수 있다. 종래의 피드 라인은 하나의 브랜치 라인이 메인 피드 라인에 연결되고 나머지 복수의 브랜치가 연결이 끊어지는 스위치 구성으로 전력 합성기가 사용될 때 최적의 조건을 갖는다. 메인 CRLH 피드 라인은 복수의 브랜치 CRLH 라인이 동시에 연결되어 있을 때 최적의 조건을 갖는다. 도 24의 (B)는 메인 피드 라인으로 이중-밴드 CRLH TL을 사용한 것을 보여준다. 메인 CRLH TL은 상기 제1 신호 주파수에서 90°또는 90°의 홀수 배 위상에 해당하는 제3 전기 길이, 그리고 상기 제2 신호 주파수에서 제3 전기 길이와 다른 90°또는 90°의 홀수 배 위상에 해당하는 제4 전기 길이를 갖도록 구성한다. 메인 CRLH TL의 임피던스는 다음과 같다.
Figure 112011054626087-pct00021
도 25의 (A)는 3-포트 CRLH TL 이중-밴드 방사형 전력 합성기/분배기의 예를 보여주는 도면이다. N-포트 CRLH TL 이중-밴드 방사형 전력 합성기/분배기의 한 암(arm)의 총 길이는 18mm이며, 이는 종래의 싱글-밴드 마이크로스트립(L180 °=33.7mm) 크기의 거의 절반 정도로 매우 작은 크기이다. 예로서, 이중-밴드 CRLH TL의 RH 부분은 FR4 기판(εr=4.4, H=31mil)을 사용하여 계산 값 CR=1pF, LR=2.5nH를 모델(model)하고, LH 부분은 CL=1.6pF, LL=4nH의 값을 갖는 집중(lumped) 요소를 사용하여 구현한다.
도 25의 (B)는 시뮬레이션 S-파라미터는, 2.44GHz에서, 위상 S21@2.44GHz=0°, 크기 |S11@2.44GHz|=-31.86dB, |S21@2.44GHz|=-0.71dB 이고, 5.85GHz에서, 위상 S21@5.85GHz=-180°, 크기 |S11@5.85GHz|=-33.34dB, |S21@5.85GHz|=-1.16dB이다. 도 25의 (C)는 4-포트 0° CRLH TL 이중-밴드 방사형 전력 합성기/분배기의 측정 S-파라미터의 크기는 2.15GHz에서 |S21@2.15GHz|=-0.786dB, |S11@2.15GHz|=-27.2dB 이고 5.89GHz에서 측정 S-파라미터의 크기와 위상은 |S11@5.89GHz|=-33.34dB, |S21@5.89GHz|=-1.16dB, S21@5.89GHz =-180°이다. 관측된 손실은 FR4 기판의 손실에 기인하며 손실이 적은 기판과 더 좋은 집중(lumped) 회로 요소를 이용하여 감소시킬 수 있다. N-포트 CRLH TL 다중-밴드 방사형 합성기/분배기를 "버티컬" 아키텍츄어(architecture) 구성 또는 분포(distributed) 회로 라인을 이용하여 구현하는 것은 또 다른 한 예이다. 예시된 N-포트 CRLH TL 다중-밴드 방사형 합성기/분배기는 이중-밴드 일 수 있고 종래의 마이크로스트립 방사형 전력 합성기/분배기 보다 작아 유리한 면이 있다. 이 N-포트 CRLH TL 이중-밴드 방사형 합성기/분배기는 보드-공간(board-space)이 제한된 와이-파이(Wi-Fi), 와이맥스(WiMax), 셀룰러/피씨에쓰 (cellular/PCS) 주파수, 지에쓰엠(GSM) 밴드와 같은 이중-밴드 구성에 이용이 가능하다.
마이크로스트립/스트립-라인(strip-line) RF 스위치 소자
도 26은 RH TL(2603) 기반의 전력 합성기/분배기 회로(2600)에 연결된 다중 RF 스위치(2601)를 보여주는 도면이다. RH TL(2603)은 예로서 마이크로스트립이나 스트립라인을 포함할 수 있다. 도 26에서, 전력 합성기/분배기 회로(2600)의 한 단부는 입력/출력 RF 포트(2605)와 결합한다. 전력 합성기/분배기 회로(2600)의 다른 쪽 단부는 입력/출력 포트(2607, 2609, 2611)와 결합한다. 도시된 예에서, 각 브랜치의 전기적 길이를 180°의 곱 또는 λ/2의 길이를 가져 RH TL(2603)의 양끝에서 적절한 임피던스와 기능성을 갖도록 한다. 그러나 이와 같은 구성은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 영역 상에 커다란 푸트프린트를 요구하고, 긴 TL(180°또는 360°)과 연관하여 높은 손실과 하나 또는 조화(harmony) 관련된 제한적인 주파수에서만 동작하는 등 여러 불리한 면이 있다.
앞서 지적한 바와 같이, CRLH TL은 전력 합성기/분배기에 사용할 때 크기의 축소나 성능의 향상 등 유리한 점을 제공한다. 매칭된 임피던스 조건하에서 CRLH 특성에 기반한 다중-밴드 동작을 위해 전기 길이가 (0°를 포함한) 180°의 배수와 같게 만들 수 있다. CRLH TL을 사용한 전력 합성기/분배기 소자는 낮은 RF 반환(return)손실과 RH TL과 같은 조화(harmony) 관계가 없는 다중-밴드에서도 사용 가능한 것 같은 또 다른 유리한 점을 제공한다. 한 예로, 도 27은 다중-밴드 CRLH TL과 조화 관계가 있는 RH TL 사이의 차이가 있는 것을 보여준다.
도 27은 CRLH TL(실선)과 RH TL(점선)의 위상 응답을 주파수의 함수로 보여주는 도면이다. 이 도면에서 F1은 위상 응답이 CRLH와 RH TL 모두 -180°에 해당하는 제1 주파수를 나타낸다. CRLH TL의 경우 주파수 F2와 주파수 F1은 -360°의 위상 응답에 대해 F2가 F1의 정수배 관계를 갖는 조화(harmony) 관계를 갖고 있지 않다. 그러나 RH TL의 경우 F2'는 -360°의 위상 응답에 대해 F2'가 F1의 정수배 F2'= 2F1 관계를 갖는 조화(harmony) 관계가 있다. 이러한 차이는 각 TL의 선형 대 비선형 위상 응답 특성에 기인한다.
다중 폴 다중 쓰로 ( Multiple Pole Multiple Throw , MPMT ) RF 스위치 소자
본 문서에서 공개된 다중 폴 다중쓰로(Multiple Pole Multiple Throw, MPMT) 스위치 소자는 다중 단자 사이에 하나 또는 그 이상의 연결을 제공하기 위해 다중 브랜치와 다중 스위치 메커니즘(mechanism)을 포함하는 다중 단자 소자이다. 한 실시예에 의하면, RF 스위치와 CRLH TL을 기반으로 하는 MPMT 스위치 소자는 복수의 CRLH TL, 각 CRLH TL에 결합한 다중 RF 스위치와 다중 브랜치를 이용하여 형성된 전력 합성기/분배기와 CRLH TL을 갖는 피드 라인을 포함한다. 브랜치와 피드 라인은 본 소자에서 신호 전달에 대한 특별한 방향성이 없이 동등하게 구성한다. 이후 본 문서에서는 이와 같이 동등하게 구성한 브랜치와 피드 라인 모두를 "브랜치"로 참조한다. 컨트롤러(controller)는 각 브랜치에 위치한 RF 스위치를 제어하여 임의의 브랜치 또는 브랜치의 조합으로부터 다른 임의의 브랜치나 브랜치의 조합으로 신호를 보내도록 한다. 크기가 콤팩트한 MPMT RF 스위치 소자는 전술한 CRLH TL 원리와 기술에 기반하여 구성할 수 있다. 이러한 소자의 예를 다음에 설명한다.
CRLH TL 기반의 5-브랜치 MPMT RF 스위치 소자
도 28은 다섯 개의 단자와 다섯 개의 브랜치를 갖는 MPMT 스위치 소자(2800)의 일 실시예를 보여주는 도면이다. 각 브랜치(2851-2855)는 RF 스위치(2815)에 결합한 CRLH TL (2811)을 포함할 수 있다. 이 실시예에 의하면, 각 CRLH TL(2811)은 도 3의 (A, B, C, D, E)에서 설명한 CRLH 단위 셀 설계를 기반으로 할 수 있다. MPMT RF 스위치 소자(2800)는 송신, 수신, 안테나 포트와 같은 단자 사이의 RF 신호를 통신하기 위해 연결된 다중 통신선을 나타내는 다섯 개의 브랜치(2851-2855)를 포함한다. 예를 들면, 다섯 개의 브랜치(2851-2855)는 방사형 패턴으로 연결되어 다섯 개의 단자 사이의 RF 신호를 통신한다. 다섯 개의 단자는 송신(TX) 포트(2801), 수신(RX) 포트(2803), 그리고 세 개의 안테나 포트(2805, 2807, 2809)에 결합할 수 있다. 이 예에서 브랜치 5(2855)는 송신(TX)포트(2801), 브랜치 4(2854)는 수신(RX)포트(2803) 그리고 나머지 세 개의 브랜치(2851, 2852, 2853)는 각각 세 개의 안테나 포트 (2805, 2807, 2809)에 연결되어 있다.
도 28은 다섯 개의 CRLH TL(2811)이 공통 지점(common point)(2819)에 연결되어 방사형 구성의 전력 합성기/분배기를 형성한 MPMT 스위치 소자(2800)를 나타낸 도면이다. 이 전력 합성기/분배기 소자는 다섯 개의 브랜치에 각각 연결된 단자로부터 또는 단자에게로 하나 또는 그 이상의 RF 신호를 모으거나 나누는 양방향 소자의 기능을 가질 수 있다. 일 예로, MPMT 스위치 소자(2800)에 사용되는 방사형 전력 합성기/분배기 소자 구성은 도 21의 (A, B, C), 도 22의 (A, B, C), 도 23의 (A), 도 24의 (A, B), 도 25의 (A)에서 보여준 설계를 포함한다. 하나의 실시예로, 각 브랜치(2851-2855)의 총 전기적 길이는 다중-밴드 동작을 위한 임피던스 매칭 조건 하에 CRLH 특성을 기반으로 하여 싱글-밴드 동작의 경우 0°이고, 다중-밴드 동작의 경우 180°의 배수일 수 있다. 예를 들면, 브랜치 1(2851)의 RF 스위치(2815)가 어떤 위상 φ를 가질 때, 이 스위치에 결합한 CRLH TL(2811)은 주파수 f0에서 180°*k-φ(k는 임의의 정수)의 위상을 갖도록 구성할 수 있다. 따라서 RF 스위치 (2815)와 CRLH TL(2811)의 합성된 위상은 주파수 f0에서 브랜치 1(2851)에 180°*k의 총 전기 길이를 제공한다.
도 28을 다시 참조하면, RF 스위치(2815)는 각 브랜치에 위치하여 외부의 제어 신호(2817)로 제어할 수 있다. 더 명확한 이 회로 동작의 이해를 위해 해당 브랜치 위치에 따라 각각의 RF 스위치(2815)와 제어 신호(2817)를 지명하여 설명을 하도록 한다. 예를 들면, 브랜치 1의 RF 스위치(2815)를 외부의 CRTL1에 의해 제어되는 SW1으로 지명하고, 브랜치 2의 RF 스위치(2815)를 외부의 CRTL2에 의해 제어되는 SW2으로 지명하고, 나머지도 같은 식으로 지명할 수 있을 것이다. RF 스위치(2815)의 예로 PIN 다이오드, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET), 싱글 폴 싱글 쓰로우(Single Pole Single Throw, SPST) 스위치 또는 싱글 폴 듀얼 쓰로우(Single Pole Dual Throw, SPDT) 스위치가 있다. 한 실시예로 디지털 제어 신호(2817)가 제공되어 RF 스위치 2815의 온/오프(on/off) 상태를 제어한다. 예를 들면, 로직(logic) 1은 RF 스위치(2815)를 키고(on) 로직 0은 RF 스위치(2815)를 끌(off) 것이다. 이러한 신호(2817)는 시스템 제어기로부터 일반 목적을 갖는 입력/출력 (General Purpose Input/Output, GPIO)에서 발생한 것일 수 있다. 도 28의 소자는 송신과 수신 기능이 동시에 수행되지 않는 통신 시스템에 적절할 것이다. 예로는 GSM, 802.11(WiFi), 802.16(WiMax) 시스템을 포함한다.
이 예에서, RF 스위치(2815)를 각 브랜치에 위치하여 제어신호(2817)의 제어하여 다섯 개의 브랜치 중 어느 하나 또는 조합된 브랜치로부터의 RF 신호를 다른 어느 임의의 한 브랜치 또는 조합된 브랜치로 보낼 수 있다. 도 28에 보인 RF 스위치 소자의 동작은 다음과 같이 설명할 수 있다. 각각의 제어신호 CTRL1과 CTRL5에 의해 SW1과 SW5를 각각 키고(on) 각각의 제어신호 CTRL2, CTRL3과 CTRL4에 의해 나머지 RF 스위치(SW2, SW3, SW4)를 각각 꺼서(off) TX 포트(2801)로부터 안테나 1(2805)을 통해 신호를 송신한다. 각 브랜치의 각 CRLH TL(2811)과 해당 RF 스위치(2815)는 합성된 0°또는 180°의 배수인 위상 가짐으로써 RF 스위치(2815)와 공통지점(2819) 사이의 임피던스 매칭을 제공한다. 예를 들면, TX 포트(2801)에서 안테나 1(2805)에 신호를 송신할 때, 꺼진(off) RF 스위치(SW2, SW3, SW4)의 높은 임피던스는 공통지점(2819) 에서 높은 임피던스를 보일 것이며, RF 전력의 대부분은 TX 포트(2801)에서 안테나 1(2805)로 전달될 수 있다. 한편, 안테나 2(2805)와 안테나 3(2809)으로부터 신호를 수신하기 위해서, RF 스위치(SW2, SW3, SW4)가 제어 신호 CTRL2, CTRL3, CTRL4에 의해 각각 켜지고(on), RF 스위치(SW1, SW5)가 제어 신호 CTRL1, CTRL5에 의해 각각 꺼질(off) 수 있다. 따라서, 안테나 2(2807)와 안테나 3(2809)으로 수신된 RF 전력은 RX 포트 (2803)로 전달된다. 특히, 이 다섯 개의 브랜치는 신호의 송수신을 지원하여 이 소자의 안테나 포트에 하나 또는 그 이상의 RF 신호에 대하여 특정 방향성이 있지 않다. 표 2는 도 28에 나타난 실시예에 따른 RF 스위치 소자의 가능한 스위치 조합의 목록을 보여 준다. 표 2에서, TX는 송신 포트, RX는 수신 포트, A1, A2, A3는 안테나 1, 2, 3을 각각 나타낸다.
Figure 112011054626087-pct00022
5- 브랜치 MPMT RF 스위치 소자 로직 표
다중 브랜치 MPMT RF 스위치 소자
또 하나의 다른 실시예로, 본 문서에 나타난 CRLH MPMT RF 스위치 소자는 다양한 구성을 할 수 있으며, 하나 또는 그 이상의 RF 신호를 보내는 다양한 단자의 조합에 연결된 다수의 브랜치를 가질 수 있다. 예를 들면, 전술한 5-브랜치 스위치 소자는 m 개의 단자에 결합한 m개의 브랜치, n 개의 단자에 결합한 n개의 브랜치, p 개의 단자에 결합한 p개의 브랜치를 갖는 다중-브랜치 MPMT RF 스위치 소자로 일반화할 수 있다. 여기서, m, n, p는 하나 또는 그보다 큰 값을 갖는다. 이 예에서, m, n, p개의 단자는 각각 m개의 TX 포트, n개의 RX 포트, p개의 안테나와 결합할 수 있다.
도 29는 다중-브랜치 CRLH MPMT RF 스위치 소자(2900)를 보여주는 도면이다. 이 예에 의하면 제1 세트의 단자(2951)에 m개의 TX(2941) 포트, 제2 세트의 단자(2953)에 n개의 RX 포트(2942), 제 3세트의 단자(2955)에 p개의 안테나 포트(2943)가 각각 m, n, p개의 브랜치에 연결되며, 각 브랜치는 CRLH TL(2947)에 결합하는 제어 스위치(2945)를 포함한다. 각 CRLH TL의 한쪽으로는 m, n, p개의 브랜치가 공통지점(2949)에 수렴하여 다중의 브랜치 사이에서 전력합성기/분배기 소자(2961)를 형성할 수 있어, 브랜치 사이에 여러 가능한 연결을 구축한다. 이 전력 합성기/분배기 소자(2961)는 하나 또는 그 이상의 RF 신호를 해당 브랜치에 각각 연결된 단자에/또는 단자로 모으거나 분리하는 양방향 소자의 기능을 할 수 있다. 도 29에 보여준 전력 합성기/분배기 소자(2961)는 도 21의 (A, B, C), 도 22의 (A, B, C), 도 23의 (A), 도 24의 (A, B), 도 25의 (A)에서 예시된 것과 같은 여러 설계를 포함할 수 있다. 앞서 예에서 설명한 것과 같이, CRLH TL(2947)은 전력 합성기/분배기 소자에 사용되어 크기의 축소나 기능의 향상 등에 유리한 점을 제공할 수 있다. 이 예에서는 CRLH TL(2947)과 해당 제어 스위치(2945)는 0°의 합성 위상을 갖도록 구성할 수 있으며 각 브랜치를 통해 포트를 공통지점과 연결하는데 이용할 수 있다. 다른 한 예로, CRLH 특성을 기반으로 한 다중-밴드 동작을 위한 임피던스 매칭 조건하에 각 CRLH TL(2947)과 해당 제어 스위치(2945)는 합성된 위상이 180°의 배수가 되도록 구성할 수 있다.
이 실시예의 예를 따르면, 제어 스위치(2945)는 각 브랜치에 위치할 수 있으며 여타 임의의 개수의 브랜치나 브랜치의 조합으로부터의 RF 신호를 다른 어떤 브랜치나 브랜치의 조합에 보낼 수 있도록 제어 신호를 제어할 수 있다. RF 스위치 같은 제어 스위치 (2945)는 각 브랜치에 위치하여 외부에서 제어할 수 있다. RF 스위치 예로는 PIN 다이오드, FET, SPST 스위치, SPDT 스위치가 있다. 어떤 한 구현에 있어서, 디지털 제어 신호로 RF 스위치의 온/오프를 제어할 수 있다. 예를 들면, 로직 1로 RF 스위치가 켜지고(on), 로직 0으로 RF 스위치가 꺼질(off) 수 있다. 이러한 신호는 시스템 제어기로부터의 일반 목적 입력/출력(General Purpose Input/Output, GPIO)일 수 있다. 도 29에 나타난 소자는 송신과 수신의 기능을 동시에 발생하지 않는 통신 시스템에 사용하기에 적합하다. 예로는 GSM, 802.11(WiFi), 802.16(WiMAX)가 있다.
도 29에 나타난 제어 스위치(2945)의 동작은 각 제어 스위치(2945)와 연관된 디지털 제어 신호 세트에 의해 제어되는 제어 스위치(2945)를 TX/RX포트(2941,2942) 사이의 연결을 안테나 포트(2943)에 제공하기 위해 사용한다는 점에서 5-브랜치 회로와 유사하다. 또한, 각 브랜치는 0°또는 180°의 배수인 합성 위상을 갖도록 구성하고 제어 스위치(2945)와 공통지점(2949) 사이에 임피던스 매칭을 제공한다. 그러나 예를 들면 5-브랜치 회로 설계의 경우를 포함한 다중-브랜치 회로 설계에서는 무제한의 포트와 브랜치, TX-안테나 포트와 RX-안테나 포트 사이의 연결에서 무제한의 조합이 가능하다. 한 예로, 5-브랜치 회로에서, m=1, n=1, p=3이다. 도 29에 나타난 다중 브랜치 소자(2900)는 다중 송신 신호와 다중 수신 신호를 지원하고, 따라서, 안테나 포트(2943)의 하나 또는 그 이상의 RF 신호에 대해 특정한 방향성을 갖지 않는다.
TX 브랜치 MPMT RF 스위치 소자 (m=2, n=0, p=4)
다른 또 하나의 실시예로, RX 또는 TX의 개 수가 0(zero)일 수 있다. 예를 들면, 도 30에 나타난 다중-브랜치 MPMT 소자(3000)는 여섯 개의 브랜치를 가질 수 있다: 도 30에 보여준 것과 같이 두 브랜치(3021) (m=2)는 TX 포트(3001)에 연결되어 있고, RX 포트가 없으므로 여기에 해당하는 브랜치도 없으며 (n=0), 네 개의 브랜치(3023)는 네 개의 안테나(3025)에 연결되어 있다. 각 브랜치는 CRLH TL(3029)과 결합한 스위치(3027)를 포함하며, 이 예에서, 각 CRLH TL(3029)과 이의 해당 스위치(3027)는 0°또는 180°의 배수인 합성 위상을 갖도록 구성하여 공통지점(3031)에 연결할 수 있다.
표 3은 도 30에 보여준 다중-브랜치 MPMT 소자(3000)의 진리표이다. 표 2는 신호를 두 개의 TX 포트 중에 하나의 TX 포트 또는 두 개의 TX 포트로부터 어느 하나의 안테나, 모든 조합의 안테나 또는 네 개 모두의 안테나로 동시에 송신할 수 있는 능력을 보여준다. 표 3에서, TX1은 송신 포트 1, TX2는 송신 포트 2, A1은 안테나 1, A2는 안테나 2, A3은 안테나 3, A4은 안테나 4를 가리킨다.
Figure 112011054626087-pct00023
6- 브랜치 MPMT RF 스위치 소자 로직 표 (m=2, n=0, p=4)
싱글 폴 더블 쓰로우 ( SPDT )와 싱글 폴 트리플 쓰로우 ( SP3T ) 스위치 토폴로지( topology )에서 MPMT RF 스위치의 구현
도 31은 도 28에서 보여준 소자와 비슷한 기능을 수행하는 싱글 폴 싱글 쓰로우(Single Pole, Double Throw, SPDT) 그리고 싱글 폴 트리플 쓰로우 (Single Pole Triple Throw,SP3T) 스위치 토폴러지(3100)의 예를 보여주는 도면이다. 상업적으로 사용가능한 SPDT와 SP3T 스위치는 신호 송신 방향, 경로를 선택하는데 이용하는데, 막대한 부동산과 높은 비용을 초래한다. SPDT/SP3T 스위치(3101)에 연결된 포트는 다중-밴드 TX 포트(3103), 다중-밴드 RX 포트(3105), 그리고 세 개의 안테나 포트(3107, 3109, 3111)를 포함한다. 이 경우 오직 하나의 안테나만 주어진 시간에 켜지고(on) 나머지 두 개의 안테나는 꺼진다(off). 도 28에 보여준 5-브랜치 MPMT RF 스위치 소자는 이 SPDT/SP3T(3101) 토폴러지에 크기의 축소와 성능의 향상을 제공하면서 그대로 대체될 수 있다.
도 31에 보여준 SPDT/SP3T 스위치 토폴러지(3100)는 싱글-밴드 TX 포트와 싱글-밴드 RX 포트를 지원하는데 사용할 수 있다. 예를 들면, 두 개의 싱글-밴드 SPDT/SP3T 토폴러지는 두 개의 싱글-밴드 TX 포트와 두 개의 싱글-밴드 RX 포트, 그리고 여섯 개의 안테나 포트를 포함하는 네 개의 싱글-밴드 입력 포트를 지원할 수 있다. 그러나 이 설계의 구현은 SPDT/SP3T와 연관된 막대한 부동산과 비용 때문에 현실적이지 못할 수 있다. 이러한 토폴러지의 다른 해결 방안으로 7-브랜치 MPMT RF 스위치 소자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 29를 두 개의 TX 포트 (n=2), 두 개의 RX 포트 (m=2), 세 개의 안테나 (p=3)를 갖는 7-브랜치 RF 스위치 소자로 구성할 수 있다. 이 설계에서, 두 개의 TX 포트와 두 개의 RX 포트는 싱글-밴드 주파수를 지원하도록 구성하고 세 개의 안테나는 다중-밴드 주파수를 지원하도록 구성한다. 따라서, 커다란 SPDT/SP3T 스위치 토폴러지는 도 29에 보여준 다양한 구성의 다중-밴드 MPMT RF 스위치 소자로 작은 컴포넨트를 활용하여 작은 푸트프린트를 제공하면서 대체될 수 있다.
더욱이, 도 28과 도 29에서 보여준 CRLH MPMT RF 스위치 소자는 CRLH TL 특성을 기반으로 하여 매칭된 임피던스 조건하에 둘 또는 그 이상의 다른 주파수에서 동작하도록 구성하여 이중-밴드 또는 다중-밴드 동작을 제공할 수 있다. 구체적인 예로서, 이중-밴드 동작을 위하여, 각 CRLH TL과 각 브랜치에 위치한 해당 RF 스위치의 전기 길이가 한 주파수에서 0°가 그리고 다른 한 주파수에서 180°가 되도록 선택할 수 있다. 다른 방법으로는, 다른 브랜치의 전기적 길이를 여러 주파수를 다루기 위해 다르게 만들 수 있다. 예를 들면, k1과 k2가 서로 다른 정수 즉, (0, ±1, ±1, ..., k1≠k2)일 때, 주파수 f1에서 한 브랜치의 전기적 길이 k1*180°와, 또 다른 하나의 주파수 f2에서 다른 브렌치가 전기적 길이 k2*180°를 서로 다르게 가질 수 있다.
그러므로, 본 명세서에 기재된 CRLH 재료를 기반으로 한 MPMT RF 스위치 소자는 싱글-밴드뿐만 아니라 다중-밴드 동작에 대해 콤팩트성(compactness)를 성취하면서 목표 어플리케이션에 의거한 신호 전송 방향 및 경로를 선택하는데 있어서 유연성을 제공할 수 있다.
비록 본 명세서는 많은 구체적인 것을 포함하고 있으나, 이러한 것이 발명이나 청구항의 범위를 한정하는 것으로 해석해서는 아니 되며, 특정 발명 실시예를 위한 구체적인 설명으로 해석해야 한다. 본 명세서에서 분리된 실시예의 내용으로 설명한 특징들은 또한 하나의 실시예로 구현할 수 있다. 또한, 이와 반대로, 하나의 실시예의 내용으로 설명한 여러 특징은 분리된 복수의 실시예로 구현할 수 있다. 더욱이, 전술한 어떤 조합으로 작용하는 특징 그리고 맨 처음 그러한 조합으로 청구한 경우라 하더라도, 청구한 조합에서 하나 또는 그 이상의 특징을 그 조합에서 어떤 경우에는 제거할 수 있고, 청구한 조합은 종속의 조합 또는 변형된 종속의 조합으로 변경할 수 있다.
단지 몇몇의 구현예만을 개시하였으나, 이에 대한 변형과 개선이 가능하다.

Claims (20)

  1. 복수의 브랜치(branch)로서, 각각의 브랜치는: 제1 단부와 제2 단부를 갖는 복합 오른/왼손 법칙(Composite Right/Left-Handed, CRLH) 메타 재료(metamaterial) 송전선(Transmission Line, TL);과 상기 CRLH 메타 재료 TL의 상기 제1 단부와 결합하는 스위치;를 포함하는 복수의 브랜치;
    상기 복수의 브랜치와 결합하여 상기 복수의 브랜치와 신호 통신이 가능한 복수의 단자;
    두 개 또는 그 이상의 CRLH 메타 재료 TL 각각의 제2 단부와 결합하여 상기 두 개 또는 그 이상의 CRLH 메타 재료 TL 사이를 결합하는 공통지점(common point)
    을 포함하는 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 브랜치 각각은 싱글-밴드(single-band)의 동작 동안에 대응하는 동작 주파수에 대해 0°전기 길이를 갖는 것인 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 브랜치 각각은 이중-밴드(dual-band) 또는 다중-밴드(multi-band) 동작 동안에 제1 동작 주파수에서 제1 전기길이 A, 제2 동작 주파수에서 제2 전기 길이 B를 갖는 것인 소자로, 여기서 A≠B인 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    A=180°*k1, B=180°*k2인 소자로, 여기서 k1과 k2는 정수이고 k1≠k2인 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단자 각각은:
    송신 포트(transmit port)에 결합하는 제1 단자;
    수신 포트(receive port)에 결합하는 제2 단자;
    안테나 포트(antenna port)에 결합하는 제3 단자
    를 포함하는 것인 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기의 스위치는 적어도 하나의 안테나 포트로부터 적어도 하나의 수신 포트로 신호 전달을 가능하게 하는 것인 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기의 스위치는 상기 안테나 포트의 조합에 대해 상기 수신 포트로 신호 전달을 가능하게 하는 것인 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 스위치는: PIN 다이오드(PIN diode), 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET), 싱글 폴 싱글 쓰로우(Single Pole Single Throw, SPST) 스위치, 싱글 폴 듀얼 쓰로우(Single Pole Dual Throw, SPDT)스위치 또는 이들의 조합 중 하나인 것인 소자.
  9. 복수의 브랜치로서, 각각의 브랜치는: 브랜치의 한 단부에 결합한 복합 오른/왼손 법칙(Composite Right/Left-Handed, CRLH) 메타 재료(metamaterial) 송전선(Transmission Line, TL);
    상기 CRLH TL에 결합한 스위치;
    상기 복수의 브랜치에 결합한 공통지점(common point)
    을 포함하는 복수의 브랜치를 포함하는 소자로서,
    상기 복수의 브랜치의 각각의 스위치는 신호 전달을 위한 단자와 결합하고,
    복수의 제어신호는 상기 스위치를 제어하여 상기 단자 또는 상기 단자의 조합으로부터 신호 전달을 가능하게 하는 것인 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 브랜치는 상기 공통지점으로부터 방사형으로 분포되는 것인 소자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 브랜치 각각은 싱글-밴드(single-band) 동작 동안에 대응하는 동작 주파수에 대해 0°의 전기 길이를 갖는 것인 소자.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 브랜치 각각은 이중-밴드(dual-band) 또는 다중-밴드(multi-band) 동작 동안에 제1 동작 주파수에서 제1 전기 길이 A, 제2 동작 주파수에서 제2 전기 길이 B를 갖는 것인 소자로서, 여기서 A≠B인 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    A=180°*k1, B=180°*k2인 소자로, 여기서 k1과 k2는 정수이고 k1≠k2인 소자.
  14. 제9항에 있어서,
    상기의 복수 브랜치는:
    제1 동작 주파수에서 180°*k1의 제1 전기길이를 갖는 제1 브랜치와
    제2 동작 주파수에서 180°*k2의 제2 전기길이를 갖는 제2 브랜치를 포함하는 것인 소자로, 여기서 k1과 k2는 정수이고 k1≠k2인 소자.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 단자 각각은:
    송신 포트(transmit port)에 결합하는 제1 단자;
    수신 포트(receive port)에 결합하는 제2 단자;
    안테나 포트(antenna port)에 결합하는 제3 단자
    를 포함하는 것인 소자
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 단자는 상기 복수의 안테나 포트와 결합하는 것인 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    각 스위치는 적어도 하나의 안테나 포트로부터 적어도 하나의 수신 포트로 신호 전달을 가능하게 하는 것인 소자.
  18. 제16항에 있어서,
    각 스위치는 적어도 하나의 송신 포트로부터 적어도 하나의 안테나 포트로 신호 전달을 가능하게 하는 것인 소자.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 소자는 상기의 안테나 포트의 조합에 대해 상기 수신 포트로 신호 전달을 가능하게 하는 소자.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 소자는 상기의 안테나 포트의 조합에 대해 상기의 송신 포트로 신호 전달을 가능하게 하는 소자.
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