KR101286311B1 - 메타메터리얼 전송선 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

전자기파의 전송을 위한 메타메타리얼 전송선에 관한 것으로, 하단에 접지면이 형성된 기판, 기판 위에 형성된 신호선 및 접지면의 일부 영역이 식각되어 형성된 식각 영역과, 식각 영역 일부에 형성되며, 신호선 일부에서 확장된 형태로 형성되는 두 개의 금속 영역을 포함하는 결함접지구조(DGS)부를 포함하는 메타메터리얼 전송선 장치에 의해 메타메터리얼 전송선의 구조를 보다 간단하게 구현할 수 있고, 높은 주파수에서의 간섭 문제에 따른 영향을 줄임으로써, 간섭 문제를 해결할 수 있다.

Description

메타메터리얼 전송선 장치 및 그 제조방법{Metamaterial transmission line unit and making method thereof}
본 발명은 전자기파의 전송을 위한 전송선에 관한 것으로, 특히 메타메터리얼 전송선 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.[과제관리번호: 2009-F-033-01, 과제명 : 메타 전자파 구조를 이용한 전파(RF) 스펙트럼 개선 기술 연구]
일반적으로 전자기파는 전기장의 방향과 자기장의 방향, 전력의 방향이 오른손 법칙에 따라 특정 방향으로 직각을 이루도록 형성된다.
얇은 도선(thin wire)과 개방 루프(split ring resonator)를 이용하여 인공적 구조를 만들고 오른손 법칙이 아닌 왼손 법칙에 따라 전기장의 방향과, 자기장의 방향, 전력의 방향이 형성되도록 전자파가 진행하는 전송선이 메타메터리얼(metamaterial)전송선이라 한다.
얇은 도선과 개방 루프를 이용하여 왼손법칙에 따라 전기장, 자기장, 전력의 방향이 형성되도록 전파를 전송하는 실험은 광학 영역에서 시작되었지만, 이를 전송선에 적용시키면서 마이크로파 대역에서도 메타메터리얼에 관한 연구가 진행되고 있다.
메타메터리얼을 전송선에 적용할 때에는, 직렬 캐패시터와 병렬 인덕터를 전송선에 삽입함으로써 구현할 수 있다.
이 같은 구조는 전파상수가 0인 주파수 또는 영차 공진 주파수라고도 불리는 천이 주파수 이하에서는 음의 전파상수를 갖는 현상을 갖게 된다.
또한 기존의 전송선에서는 전파상수가 0일 경우 전자기파가 진행할 수 없지만, 메타메터리얼이 적용된 전송선에서는 전파상수가 0이라도 전자기파가 진행할 수 있다.
천이 주파수는 전파 상수가 0이기 때문에, 해당 영역에서는 모두 동일한 필드 크기를 볼 수 있으며, 이를 무한 파장이라 한다.
최근에는 이 같은 무한 파장을 갖는 주파수를 두 개 갖는 메타메터리얼 전송선이 제안되었는데, 이는 직렬 캐패시터와 병렬 인덕터로 구현해야 하기 때문에 그 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
본 발명은 이 같은 문제를 해결하기 위해 도출된 것으로, 결함접지구조(defected ground structure, DGS)를 이용하여 구조가 간단한 메타메터리얼 전송선을 제안하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제는 하단에 접지면이 형성된 기판, 기판 위에 형성된 신호선 및 접지면의 일부 영역이 식각되어 형성된 식각 영역과, 식각 영역 일부에 형성되며, 신호선 일부에서 확장된 형태로 형성되는 두 개의 금속 영역을 포함하는 결함접지구조(DGS)부를 포함하는 메타메터리얼 전송선 장치에 의해 달성된다.
일 양상에 따라 메타메터리얼 전송선 장치는 신호선에서 접지면까지 형성되는 접지 비아(via)를 더 포함한다. 또한 다른 양상에 따르면 신호선의 적어도 일부를 식각하여 형성된 인터디지털 캐패시터를 포함한다. 또 다른 양상에 따라 사각 패치 구조 및 사각 패치 구조를 상기 신호선에 연결하여 상기 사각 패치 구조의 임피던스를 변화시키는 병렬 스터브를 더 포함한다.
한편 상기 기술적 과제는 신호선이 형성된 기 하단의 접지면 및 신호선 일부를 식각하는 단계 및 상기 식각 부분 내에 신호선 일부에서 확장된 형태로 형성되는 두 개의 금속 영역을 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 제조방법에 의해서도 달성된다.
본 발명에 따르면, 메타메터리얼 전송선의 구조를 보다 간단하게 구현할 수 있고, 높은 주파수에서의 간섭 문제에 따른 영향을 줄임으로써, 간섭 문제를 해결할 수 있다.
즉, 개선된 DGS 구조를 이용한 메타메터리얼 전송선은 두 가지의 영차 공진 주파수를 가지며, 무한 파장 및 음의 전파상수를 생성할 수 있다. 또한 임의의 주파수 혹은 높은 주파수에서도 간섭 없이 메타메터리얼 전송선을 구현할 수 있다.
도 1은 일반 전송선에서 전기장 분포와 자기장 분포를 도시한 예시도,
도 2는 메타메터리얼 전송선에서 전기장 분포와 자기장 분포를 도시한 예시도,
도 3은 메타메터리얼 전송선의 등가 회로 예시도,
도 4는 일 실시예에 따른 메타메터리얼 전송선의 단일 셀 모델 예시도,
도 5는 일 실시예에 따른 메타메터리얼 전송선 제작 방법의 흐름도이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면들을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통해 더욱 명확해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예들을 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 일반 전송선에서 전기장 분포와 자기장 분포를 도시한 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전송선에서 전자기파가 진행할 때에는 전기장(a)의 방향과 자기장(b)의 방향, 전력의 방향이 오른손 법칙에 따라 결정되고 유지된다. 이때 도 1에서 알 수 있듯이, 전기장과 자기장의 크기는 정현파 형태이다.
도 2는 메타메터리얼 전송선에서 전기장 분포와 자기장 분포를 도시한 예시도이다.
메타메터리얼 전송선은 기존의 전송선에 직렬 캐패시터와 병렬 인덕터를 인공적으로 삽입하여 전파 상수가 0 또는 음의 값을 갖도록 한 것이다.
캐패시터와 인덕터가 전송선에 주기적으로 삽입될 때 매칭 조건(matching condition)을 만족한다면 저지대역 없이 넓은 대역에서 전파가 잘 통하며 전파 상수가 0 또는 음의 값을 갖기도 한다.
도 2에 도시된 바와 같이 전파 상수가 0이 되는 경우에는 전기장(a’)과 자기장(b’)이 일반 전송선에서와는 다르게 단일 셀 내부에서 그 크기가 일치한다.
전파 상수가 0이 되는 주파수를 보통 천이 주파수 혹은 0차 공진 주파수라 한다. 그리고 매칭 조건을 만족하면 천이 주파수 부근의 주파수들이 모두 통과 대역을 형성하게 된다. 이때 천이 주파수에서는 단일 셀 내의 전기장과 자기장이 모두 같은 크기와 방향을 형성하게 되고, 이때 무한 파장을 형성하게 된다.
매칭 조건을 만족하게 되면 천이 주파수 부근에 모두 통과 대역이 형성된다. 이때, 천이 주파수에서는 단일 셀 내의 전기장과 자기장이 모두 같은 크기와 방향을 형성하게 된다. 따라서 무한 파장을 형성하게 된다. 기존에 메타메터리얼 전송선은 조건에 따라 하나의 0차 공진 주파수를 갖게 된다. 최근에는 이를 개량하여 0차 공진 주파수가 두 개가 되도록 하는 새로운 전송선 연구가 활발해지고 있다.
도 3은 메타메터리얼 전송선의 등가 회로 예시도이다.
일 실시예에 있어서 도 3에 도시된 등가회로에 포함되는 회로 소자들은 집중정수 소자와 분포정수 소자로 나뉘어진다. 일반적인 전송선로(500)는 분포정수 소자이고, 나머지 소자들은 집중정수 소자이다. 전송선로(500)는 단일 셀의 길이 d만큼 길이에 단위 길이당 직렬 인덕턴스(L H/m)와 병렬 캐패시턴스 (C F/m)를 갖는다. 따라서 단일 셀의 길이 d 안의 분포정수 값들은 집중 정수화해서 나타낼 수 있다. 전송선로(500) 전체가 갖는 직렬 인덕턴스는 Ld(H)이고 병렬 캐패시턴스는 Cd(F)이다. 따라서 도 3의 등가회로는 전송선로(500)가 갖는 직렬 인덕턴스 Ld와 직렬 캐패시턴스(Co)의 가로방향의 직렬 공진회로, 전송선로(500)가 갖는 병렬 캐패시턴스(Cd)와 세로방향의 병렬 인덕턴스(Lo)의 공진회로, DGS 구조(Ld,Cd)에서 발생하는 가로방향의 병렬 공진 회로, 세로 방향의 직렬 공진회로(Lp,Cp)까지 총 4개의 공진 회로를 포함한다.
모든 공진회로의 공진 주파수를 ω0 라 하면, ω0아래의 주파수에서는 Co, Ld, Lp, Cd가 동작하고, ω0위의 주파수에서는 Ld, Cd, Cp, Lo가 동작한다. 즉, 두 개의 영차 공진을 갖는 메타메터리얼 전송선이 존재하는 것과 같은 효과가 나타난다. 단 모든 회로의 공진 주파수인 ω0에서는 도 3에 도시된 등가회로는 저지 대역(stop band)을 갖는다.
도 3에 도시된 등가회로는 두 개의 0차 공진회로를 갖는데, 각각의 0차 공진 주파수를 ωz1, ωz2라 하면, (ωz1< ω0 <ωz2) ωz1 아래의 주파수에서는 음의 전파상수를 갖는 영역(LH:Left-Handed), ωz1 위의 주파수에서는 양의 전파상수를 갖는 영역(RH :Right-Handed)이 되고, ω0 부근에서는 저지대역을 갖는다. 또한 ωz2 아래의 주파수에서는 마찬가지로 음의 전파상수를 갖는 영역, ωz2 위의 주파수에서는 양의 전파상수를 갖는 영역이 된다.
일 실시예에 있어서, 도 3에 도시된 등가회로에 들어가는 캐패시턴스와 인덕턴스의 값은 임의로 넣었을 경우에, 두 개의 0차 공진 주파수 부근에서 저지 대역이 생기게 된다. 이를 제거하고 넓은 통과 대역을 얻으려면, 이중 영차 공진회로에 대한 매칭 조건이 필요하다. 예를 들어 (Lp)Cd=Lp(Cd)와 같은 조건을 만족하도록 설계할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 메타메터리얼 전송선의 단일 셀 모델 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 일 실시예에 따른 메타메터리얼 전송선 장치는 기존 전송선에 인공 구조물을 삽입함으로써 구현된다. 메타메터리얼 전송선 장치는 신호선(600), 결함접지 구조부, 접지 비아(620), 직렬 캐패시터부(610), 병렬 스터브(640), 및 사각 패치 구조(645)를 포함한다.
신호선(600)은 하단부에 접지면이 형성된 기판의 상부에 형성된다. 신호선(600)은 일반 전송선으로 구현된다.
결함접지 구조부(defected ground structure, DGS)는 신호선(600)의 한쪽에만 형성된다. 이에 따라 구조를 간단하게 할 수 있을 뿐 아니라, 양쪽에 모두 결함접지 구조부가 형성되는 경우에 발생되는 직렬 공진 구조와의 간섭을 최소화 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 결함접지 구조부는 접지면의 일부 영역이 식각되어 형성된 식각 영역(630)과, 식각 영역(630) 내에 형성되며, 신호선(600) 일부에서 확장된 형태로 형성되는 두 개의 금속 영역(635)을 포함한다. 일 실시예에 있어서 금속 영역(635)은 도체로 구현되며, 그 종류는 한정되지 않는다. 즉, 결함접지 구조부는 T자형 구조로 형성된다.
한편, 결함접지구조(defected ground structure, DGS)는 단위 소자의 정의와 등가 회로 모델링이 가능하고, 적은 수의 주기적 배열만으로도 원하는 주기 구조의 특성을 얻을 수 있다. 또한 설계 및 구현이 간단하며 마이크로파 회로 설계시 우수한 응용 능력을 갖는다.
접지면의 일부 영역을 식각하고, 다시 금속 영역을 삽입함으로써, 결함접지 구조부의 인덕턴스 값을 크게 훼손하지 않으면서 부족한 캐패시턴스 값을 키울 수 있다. 이에 따라 캐패시터 및 인덕턴스를 간단하게 구현할 수 있고, 효율성을 높일 수 있다.
또한 신호선 아래의 식각 부분에서 대부분의 가로방향의 병렬 캐패시턴스를 구현하는 것이 가능하기 때문에 회로적으로 보다 간단하게 구성하는 것이 가능하다.
일 양상에 따른 직렬 캐패시터부(610)는 인터디지털 캐패시터(interdigital Capacitor)를 포함한다. 일실시예에 있어서, 직렬 캐패시터부(610)는 단순한 갭(gap) 캐패시터의 불충분한 캐패시턴스를 보충하기 위해 미앤더 라인으로 꼰 형태이다.
설계 주파수에서 원하는 캐패시턴스가 작을 경우에는 단순히 갭(gap)으로 구현하는 것이 가능하지만, 원하는 캐패시턴스가 클 경우에는 미앤더 라인의 핑거 수(꼬은 회수)를 증가시킴으로써 핑거 사이의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있다.
또한, 다른 양상에 따른 메타메터리얼 전송선 장치는 신호선(600)에서 접지면으로 직접 연결되는 접지 비아(via)를 포함한다. 접지 비아(620)에 의해 세로 방향의 병렬 인덕턴스를 구현할 수 있다. 주파수가 높은 경우에 DGS 구조와 간섭이 발생할 수 있기 때문에, 바로 신호선(600)에서 접지면으로 접지 비아(via)를 형성함으로써 보다 간단하게 인덕턴스를 구현할 수 있다.
또한, 접지 비아(via)의 반지름 크기에 따라 인덕턴스 값을 조절할 수 있다. 기판의 높이를 변경함으로써 인덕턴스값을 조절하는 것이 가능하지만, 기판의 높이가 변경되면 다른 구성요소에 대한 파라미터가 재조정되어야 하기 때문에 기판 높이를 조절하는 것보다 접지 비아(620)의 반지름을 이용하여 인덕턴스값을 조절하는 것이 용이하다.
또한, 일 실시예에 따른 메타메터리얼 전송선 장치는 병렬 스터브(640)와 정사각형의 사각 패치 구조(645)로 구현된 공진회로가 포함된다. 이는 도 5에 도시된 기존의 세로 방향의 직렬 공진회로(Lp, Cp) 에 대응되는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 병렬 스터브 및 사각 패치구조는 병렬 스터브가 세로 방향의 직렬 인덕턴스와 캐패시턴스를 구현하기 위한 구조이다. 일 실시예에 있어서, 병렬 스터브(640)의 길이를 조정함으로써 인덕턴스를 보정할 수 있고, 사각 패치 구조(645)의 넓이를 조정함으로써 캐패시턴스를 조절할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 메타메터리얼 전송선 제작 방법의 흐름도이다.
일 실시예에 있어서 하단에 접지면이 형성된 기판에 신호선이 형성된다.
그리고 신호선이 형성된 기 하단의 접지면 및 전송선 일부를 식각한다(700). 이 후에 식각 부분 내에 신호선 일부에서 확장된 형태로 형성되는 두 개의 금속 영역을 삽입함으로써 결함접지 구조부를 형성한다(710). 일 실시예에 있어서, 결함접지 구조부는 신호선의 한쪽에만 형성된다. 이에 따라 구조를 간단하게 할 수 있을 뿐 아니라, 양쪽에 모두 결함접지 구조부가 형성되는 경우에 발생되는 직렬 공진 구조와의 간섭을 최소화 할 수 있다. 금속 영역은 도체로 구현되며, 그 종류는 한정되지 않는다. 일 실시예에 있어서 결함접지 구조부는 T자형 구조로 형성된다. 이에 따라 캐패시터 및 인덕턴스를 간단하게 구현할 수 있고, 효율성을 높일 수 있다.
그리고, 신호선에서 접지면까지 접지 비아를 형성한다(720). 접지 비아에 의해 세로 방향의 병렬 인덕턴스를 구현할 수 있다. 주파수가 높은 경우에 DGS 구조와 간섭이 발생할 수 있기 때문에, 바로 신호선에서 접지면으로 접지 비아(via)를 형성함으로써 보다 간단하게 인덕턴스를 구현할 수 있다.
또한, 접지 비아(via)의 반지름 크기에 따라 인덕턴스 값을 조절할 수 있다. 기판의 높이를 변경함으로써 인덕턴스값을 조절하는 것이 가능하지만, 기판의 높이가 변경되면 다른 구성요소에 대한 파라미터가 재조정되어야 하기 때문에 기판 높이를 조절하는 것보다는 접지 비아의 반지름을 이용하여 인덕턴스값을 조절하는 것이 용이하다.
이 후에 신호선의 적어도 일부를 식각하여 직렬 캐패시터부를 형성한다. 이때, 직렬 캐패시터부를 형성하는 것은 미앤더 라인 형태로 식각하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
설계 주파수에서 원하는 캐패시턴스가 작을 경우에는 단순히 갭(gap)으로 구현하는 것이 가능하지만, 원하는 캐패시턴스가 클 경우에는 미앤더 라인의 핑거 수(꼬은 회수)를 증가시킴으로써 핑거 사이의 캐패시턴스를 증가시킬 수 있다.
이 후에, 사각 패치 구조를 형성하고, 사각 패치 구조를 신호선에 연결하여 사각 패치 구조의 임피던스를 변화시키는 병렬 스터브를 형성하여 공진회로를 구현한다(740). 병렬 스터브 및 사각 패치구조는 병렬 스터브가 세로 방향의 직렬 인덕턴스와 캐패시턴스를 구현하기 위한 구조이다. 일 실시예에 있어서, 병렬 스터브의 길이를 조정함으로써 인덕턴스를 보정할 수 있고, 사각 패치 구조의 넓이를 조정함으로써 캐패시턴스를 조절할 수 있다.
한편, 전술한 메타메터리얼 전송선 제조방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 또한, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의해 읽혀지고 실행됨으로써 구현될 수 있다. 상기 저장매체는 자기 기록매체, 광 기록 매체 등을 포함한다.
이제까지 본 발명에 대해 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
600: 신호선
610: 직렬 캐패시터부
620: 접지 비아
630: 식각 영역
635: 금속 영역
640: 병렬 스터브
645: 사각 패치 구조

Claims (15)

  1. 하단에 접지면이 형성된 기판;
    상기 기판 위에 형성된 신호선; 및
    접지면의 일부 영역이 식각되어 형성된 식각 영역과, 상기 식각 영역 일부에 형성되며, 상기 신호선 일부에서 확장된 형태로 형성되는 두 개의 금속 영역을 포함하는 결함접지구조(DGS)부;를 포함하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 신호선에서 접지면까지 형성되는 접지 비아(via)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호선의 적어도 일부를 식각하여 형성된 인터디지털 캐패시터를 포함하는 직렬 캐패시터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 직렬 캐패시터부는 신호선의 적어도 일부가 미앤더 라인 형태로 식각된 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    사각 패치 구조; 및
    상기 사각 패치 구조를 상기 신호선에 연결하여 상기 사각 패치 구조의 임피던스를 변화시키는 병렬 스터브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 병렬 스터브의 길이 변경에 따라 인덕턴스가 가변되는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 사각 패치 구조의 넓이에 따라 캐패시턴스가 가변되는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 접지 비아 반지름에 따라 인덕턴스값이 가변되는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각 영역은 상기 금속 영역의 적어도 일부 둘레를 따라 형성된 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각 영역은 상기 두 개의 금속 영역 사이와 상기 신호선 일부의 식각 영역이 연결된 형태인 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 장치.
  11. 신호선이 형성된 기 하단의 접지면 및 신호선 일부를 식각하는 단계; 및
    상기 식각 부분 내에 신호선 일부에서 확장된 형태로 형성되는 두 개의 금속 영역을 삽입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 신호선에서 접지면까지 접지 비아를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 제조방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    신호선의 적어도 일부를 식각하여 직렬 캐패시터부를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 직렬 캐패시터부를 형성하는 단계는,
    상기 직렬 캐패시터부를 미앤더 라인 형태로 식각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 제조방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    사각 패치 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 사각 패치 구조를 상기 신호선에 연결하여 상기 사각 패치 구조의 임피던스를 변화시키는 병렬 스터브를 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메타메터리얼 전송선 제조방법.
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