KR101297314B1

KR101297314B1 - 단일층 금속화 및 비아-레스 메타 물질 구조

Info

Publication number: KR101297314B1
Application number: KR1020107007682A
Authority: KR
Inventors: 애제이 검말라; 마하 애코어; 청-정 리; 바네트 파타크; 그레고리 푸아라슨느
Original assignee: 레이스팬 코포레이션
Priority date: 2007-10-11
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2013-08-16
Also published as: TWI376838B; US9887465B2; KR20100065210A; CN101919114B; KR101246173B1; EP2201645A4; US20090128446A1; US8514146B2; EP2201645A1; KR20100065209A; US20140022133A1; TW200933979A; ES2619685T3; KR101492850B1; EP2201645B1; KR101075424B1; CN101919114A; WO2009049303A1; KR20100051127A; KR20130039775A

Abstract

단일층 금속화 및 비아 레스 메타 물질 구조를 포함하는, 안테나 및 도전 선로 장치를 위한 메탈 물질 구조에 기초한 기술 및 장치가 제공된다.

Description

단일층 금속화 및 비아-레스 메타 물질 구조 {Single-layer metallization and via-less metamaterial structures}

우선권 주장 및 관련 출원들

본 출원은

1. 2007년 10월 11일 출원된 "단일층 금속화 및 비아-레스 메타 물질과 안테나"라는 명칭의 출원 번호 제60/979,384,

2. 2007년 11월 3일 출원된 "왼손오른손 혼합형 (Composite Right-Left Handed) 메타 물질에 기초한 휴대폰, PDA 및 모바일 장치용 안테나"라는 명칭의 출원 번호 제60/987,750,

3. 2008년 1월 30일 출원된 "왼손오른손 혼합형 (Composite Right-Left Handed) 메타 물질에 기초한 모바일 통신 장치용 안테나"라는 명칭의 출원 번호 제61/024,876,

4. 2008년 8월 22일 출원된 "비선형 결합 구조 (geometry)를 갖는 메타 물질 안테나 구조"라는 명칭의 출원 번호 제61/091,203인 미국 가특허 출원들의 이익을 주장한다.

상기 출원들의 공개 내용은 참조에 의해 본 출원의 일부로서 통합된다.

본 출원은 메타물질 구조물 및 그 응용에 관한 것이다.

대부분의 물질내에서는 전자기파의 전파가 (E,H,β) 벡터장에 대해 오른손 법칙을 따르며, 여기서 E는 전계, H는 자계, β는 파동 벡터이다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파 (군속도)의 방향과 동일하고 굴절율은 양수이다. 이러한 물질은 "오른손 형(right handed:RH)"이다. 대부분의 자연 물질은 RH 물질이다. 인공 물질도 또한 RH 물질일 수 있다.

메타물질은 인공 구조물이다. 구조적 평균 단위 셀 크기(p)를 메타물질에 의해 유도되는 전자기 에너지의 파장보다 훨씬 작도록 설계하는 경우, 메타물질은 유도되는 전자기 에너지에 의해 균질 매질처럼 행동할 수 있다. RH 물질과 달리, 메타물질은 음의 굴절율을 나타낼 수 있는데, 이 경우 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파의 방향과 반대이고, (E,H,β) 벡터장의 관련 방향들은 왼손 법칙을 따른다. 음의 굴절률만을 지원하는 메타물질은 "왼손형 (left handed:LH)" 메타물질이다.

많은 메타물질들이 LH 메타물질과 RH 메타물질의 혼합체임에 따라 왼손오른손 혼합형 (Composite Right-Left Handed:CRLH) 메타물질이 된다. CRLH 메타물질은 저주파수에서 LH 메타물질처럼 행동하고 고주파수에서 RH 메타물질처럼 행동할 수 있다. 다양한 CRLH 메타물질들의 설계 및 특성이 칼로즈 (Caloz)와 이토(Itoh)의 "Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications" (John Wiley & Sons, 2006)에 설명되어 있다. CRLH 메타물질들 및 이들의 안테나 어플리케이션이 다츠오 이토 (Tatsuo Itoh)의 "Invited paper: Prospects for Metamaterials" (전자화학지, 제40권 제16호, 2003년 8월)에 설명되어 있다.

CRLH 메타물질은 특정 응용에 맞춰진 전자기적 특성을 나타내도록 구축되고 설계될 수 있으며, 다른 물질을 사용하는 것이 곤란하거나, 비실용적이거나 또는 실현불가능할 수 있는 어플리케이션들에서 사용될 수 있다. 또한, CRLH 메타물질은 새로운 어플리케이션들을 개발하는데 사용될 수 있고, RH 메타물질로는 가능하지 않을 수 있는 새로운 장치를 구축하는데 사용될 수 있다.

도 1은 4개의 단위 셀에 기반한 1D CRLH MTM TL의 한 예를 도시한다.
도 2는 도 1의 1D CRLH MTM TL의 등가 회로를 도시한다.
도 3은 도 1의 1D CRLH MTM TL의 등가 회로의 다른 표현을 도시한다.
도 4A는 도 2에 도시된 1D CRLH MTM TL의 등가 회로의 2 포트 네트워크 매트릭스 표현을 도시한다.
도 4B는 도 3에 도시된 1D CRLH MTM TL의 등가 회로의 다른 2 포트 네트워크 매트릭스 표현을 도시한다.
도 5는 4개의 단위 셀에 기반한 1D CRLH MTM 안테나의 한 예를 도시한다.
도 6A는 도 4A에 도시된 TL 케이스와 유사한 1D CRLH MTM TL의 등가 회로의 한 2 포트 네트워크 매트릭스 표현을 도시한다.
도 6B는 도 4B에 도시된 TL 케이스와 유사한 1D CRLH MTM TL의 등가 회로의 다른 2 포트 네트워크 매트릭스 표현을 도시한다.
도 7A는 밸런스를 이루는 경우의 분산 커브의 예를 도시한다
도 7B는 밸런스를 이루지 않는 경우의 분산 커브의 예를 도시한다.
도 8은 4 셀에 기반한 트런케이티드 접지를 갖는 1D CRLH MTM TL의 한 예를 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 4 셀에 기반한 트런케이티드 접지를 갖는 1D CRLH MTM TL의 등가회로를 도시한다.
도 10은 4 셀에 기반한 트런케이티드 접지를 갖는 1D CRLH MTM 안테나의 한 예를 도시한다.
도 11은 4 셀에 기반한 트런케이티드 접지를 갖는 1D CRLH MTM TL의 다른 예를 도시한다.
도 12는 도 11에 도시된 트런케이티드 접지를 갖는 1D CRLH MTM TL의 등가 회로를 도시한다.
도 13 (a)- 13 (c)는 단일 셀 SLM MTM 안테나의 한 예를 도시하는데, 각각 3D 도면, 상부 층의 평면도와 측면도를 보여준다.
도 14 (a)는 도 13 (a)- 13 (c)에 도시된 단일 셀 SLM MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 14 (b)는 도 13 (a)- 13 (c)에 도시된 단일 셀 SLM MTM 안테나의 측정된 리턴 로스를 도시한다.
도 14 (c)는 도 13 (a)- 13 (c)에 도시된 단일 셀 SLM MTM 안테나의 입력 임피던스를 도시한다.
도 15는 2 셀 SLM MTM 안테나의 한 예의 삼차원 도면을 도시한다.
도 16 (a)는 도 15에 도시된 2 셀 SLM MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 16 (b)는 도 15에 도시된 2 셀 SLM MTM 안테나의 시뮬레이트된 입력 임피던스를 도시한다.
도 17은 3 셀 SLM MTM TL의 한 예를 도시한다.
도 18은 도 17에 도시된 3 셀 SLM MTM TL의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 19 (a)와 도 19(b)는 각각 1.6GHz 및 1.8GHz 공진에 상응하는 전자기 유도된 파장을 도시한다.
도 20(a) 내지 20(d)는 1 셀 TLM-VL 안테나 구조의 한 예를 도시하는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 상부 층의 평면도와 하부 층의 평면도이다.
도 21(a)는 비아를 갖는 2층 MTM 구조의 단순화된 등가 회로를 도시한다.
도 21(b)는 비아는 없으며 하부층에 비아 라인을 갖는 2층 MTM 구조의 단순화된 등가 회로를 도시한다.
도 22 (a)는 도 20 (a)- 20 (d)에 도시된 단일 셀 TLM-VL MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 22 (b)는 셀 패치의 중심과 하부 트런케이티드 접지의 중심을 연결하는 비아가 부가된, 도 20 (a)- 20 (d)에 도시된 단일 셀 TLM-VL MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스 도시한다.
도 23은 도 20 (a)- 20 (d)에 도시된 단일 셀 TLM-VL MTM 안테나의 2.4GHz 에서의 방사 패턴을 도시한다.
도 24(a) 내지 24(d)는 연장된 접지 전극에 접속된 비아 라인을 갖는 TLM-VL MTM 안테나의 한 예를 도시하는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 상부 층의 평면도와 하부 층의 평면도이다.
도 25는 도 24 (a) 및 24 (d)에 도시된 TLM-VL MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 26(a) 내지 26(b)는 도 24 (a)- 24 (d)에 도시된 것과 같이 제조된 TLM-VL MTM 안테나의 사진을 도시한다.
도 27은 도 26 (a)- 26 (b)에 도시된 TLM-VL MTM 안테나의 측정된 리턴 로스를 도시한다.
도 28(a) 내지 28(d)는 1 셀 SLM MTM 안테나의 다른 예를 제공하는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 상부 층의 평면도와 하부 층의 평면도이다
도 29(a)는 도 28 (a)- 28 (d)에 도시된 1 셀 SLM MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 29(b)는 도 28 (a)- 28 (d)에 도시된 1 셀 SLM MTM 안테나의 시뮬레이트된 입력 임피던스를 도시한다.
도 30(a), 30(b)는 도 28 (a)- 28 (d)에 도시된 것처럼 제조된 SLM MTM 안테나의 측정된 효율을 도시하는데, 각 도면은 셀룰러 대역 효율 및 PCS/DCD 대역 효율을 도시한다.
도 31은 변형된 1 셀 SLM MTM 안테나의 다른 예를 도시한다.
도 32(a), 32(b)는 도 31에 도시된 것처럼 제조된 SLM MTM 안테나의 측정된 효율을 도시하는데, 각 도면은 셀룰러 대역 효율 및 PCS/DCD 대역 효율을 도시한다.
도 33(a), 33(b)는 연장된 접지 전극이 효율에 미치는 영향을 상기 전극이 없는 경우와 있는 경우를 비교함으로써 도시하는데, 각 도면은 셀룰러 대역 효율 및 PCS/DCD 대역 효율을 보여준다.
도 34(a) 내지 34(d)는 TLM-VL 안테나 구조의 다른 예를 도시하는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 상부 층의 평면도와 하부 층의 평면도 이다.
도 35(a)는 도 34 (a)- 34 (d)에 도시된 TLM-VL 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 35(b)는 도 34 (a)- 34 (d)에 도시된 TLM-VL 안테나의 시뮬레이트된 입력 임피던스를 도시한다.
도 36(a) 내지 36(d)는 세미 단일층 MTM 안테나 구조의 한 예를 도시하는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 하부 층과 겹쳐지는 상부 층의 평면도 및 상부층과 겹쳐지는 하부 층의 평면도이다.
도 37(a)는 도 36 (a)- 36 (d)에 도시된 세미 단일층 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 37(b)는 도 36 (a)- 36 (d)에 도시된 세미 단일층 안테나의 시뮬레이트된 입력 임피던스를 도시한다.
도 38은 SLM MTM 안테나 구조의 다른 예의 상부층의 평면도이다.
도 39는 SLM MTM 안테나 구조의 다른 예 (멘더를 갖는)의 상부층의 평면도이다.
도 40은 도 38과 도 39 (멘더를 갖는)에 도시된 SLM MTM 안테나들의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 41은 도 39에서처럼 제조된 SLM MTM 안테나 구조의 (멘더를 갖는) 사진을 보여준다.
도 42는 도 41에 도시된 SLM MTM 안테나 구조의 측정된 리턴 로스를 도시한다.
도 43(a) 및 43(b)는 도 41에 도시된 SLM MTM 안테나의 측정된 효율을 도시하는데, 각각 셀룰러 대역 효율 및 PCS/DCD 대역 효율을 보여준다.
도 44는 도 39에 도시된 멘더 라인을 갖는 SLM MTM 안테나가 론치 패드와 셀 패치 사이에 집중 커패시터를 갖는 것을 도시한다.
도 45는 도 39에 도시된 멘더 라인을 갖는 SLM MTM 안테나가 단락된 비아 선로트레이스에 집중 인덕터를 갖는 것을 도시한다.
도 46은 도 39에 도시된 멘더 라인을 갖는 SLM MTM 안테나가 단락된 멘더 라인 트레이스에 집중 인덕터를 갖는 것을 도시한다.
도 47은 멘더 라인을 갖는 SLM MTM 안테나가 도 44에서처럼 집중 커패시터를 갖는 경우, 도 45에서처럼 집중 인덕터를 갖는 경우, 도 46에서처럼 집중 인덕터를 갖는 경우의 시뮬레이티드된 리턴 로스를 도시한다.
도 48 (a) - 48(f)는 수직 결합 (vertical coupling)을 갖는 3 층 MTM 안테나를 도시하는데, 각 도면은 각 도면은 3D 도면, 상부 층의 평면도, 중간층의 평면도, 하부 층의 평면도, 상부층과 중간층이 겹쳐진 평면도와 측면도이다.
도 49 (a)는 도 48 (a) - 48(f)에 도시된 수직 결합을 갖는 3 층 MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 49 (b)는 도 48 (a) - 48(f)에 도시된 수직 결합을 갖는 3 층 MTM 안테나의 시뮬레이트된 입력 임피던스를 도시한다.
도 50(a) 내지 도50(c)는 수직 결합을 갖는 TLM-VL MTM 안테나의 한 예를 도시하는데, 각 도면은 3D 도면, 상부 층의 평면도, 하부 층의 평면도이다.
도 51(a)는 도 50(a) 내지 50(c)에 도시된 수직 결합을 갖는 TLM-VL MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스를 도시한다.
도 51(b)는 도 50(a) 내지 50(c)에 도시된 수직 결합을 갖는 TLM-VL MTM 안테나의 시뮬레이트된 입력 임피던스를 도시한다.

메타물질 (MTM) 구조는 크기 축소나 성능 향상과 같은 광범위한 기술적 진보를 가능케 하는 안테나 및 다른 전기 부품과 장치를 구축하는데 사용될 수 있다. MTM 안테나 구조는 FR-4 인쇄 회로 기판 (PCB) 이나 연성 인쇄 회로 (FPC)와 같은 회로 기판을 포함하는 다양한 회로 플랫폼 상에 제조될 수 있다. 박막 제조 기술, 시스템 온 칩 (SOC) 기술, 저온 공동소결 세라믹 (LTCC) 기술, 모노리식 마이크로웨이브 집적 회로 (MMIC) 기술이 다른 제조 기술의 예이다.

본 문서에 기술된 MTM 구조의 예 및 구현예는 접지 전극을 포함하는 MTM 안테나 구조의 도전 부품을 유전체 기판이나 보드의 일면에 형성된 단일 도전 금속화 층에 위치시키는 단일층 금속화 (SLM), 및 유전체 기판이나 보드의 2개의 평행면 상의 2개의 도전 금속화층이 상기 유전체 기판이나 보드의 도전 금속화 층 상의 MTM 구조의 어떤 부품을 상기 유전체 기판이나 보드의 다른 도전 금속화 층 상의 MTM 구조의 다른 부품에 접속하는 도전 비아가 없는 MTM 구조를 형성하기 위해 사용되는 2 층 비아 레스 금속화 (TLM-VL) 안테나 구조를 포함한다. 이와 같은 SLM MTM이나 TLM-VL MTM 구조는 다양한 구성으로 구축될 수 있으며, 다른 MTM 또는 비-MTM 회로 및 회로 보드 상의 회로 소자들과 결합될 수 있다.

예컨대, 이와 같은 SLM MTM이나 TLM-VL MTM 구조는 관통공 (via hole)들을 뚫거나 도금할 수 없는 얇은 기판이나 물질을 갖는 장치에서 사용될 수 있다. 다른 예로, 이와 같은 SLM MTM이나 TLM-VL MTM 안테나 구조는 제품 엔클로저 (product enclosure) 주변이나 내부에 포장될 수 있다. 이와 같은 SLM MTM이나 TLM-VL MTM 구조에 기초한 안테나는 제품 하우징의 내부 벽, 안테나 캐리어의 외부면 또는 장치 패키지의 외관에 등각으로 (conformal) 제조될 수 있다. 관통공 (via hole)들을 뚫거나 도금할 수 없는 얇은 기판이나 물질은 10mil 미만의 두께를 갖는 FR4 기판, 연성 박막 및 3 mil 내지 5 mil 두께의 박막 기판을 포함한다. 이들 물질 중 몇몇은 좋은 제조성 (manufacturability)을 가지며, 잘 구부러진다. 어떤 FR-4 및 유리 물질은 원하는 정도로 구부러거나 휜 모양을 얻기 위해 열 휨 또는 다른 기술을 요한다.

본원에 기술된 MTM 안테나 구조는 "저대역"과 "고대역"을 포함하는 다중 주파수 대역을 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 저대역은 적어도 하나의 왼손형 (LH) 공진을 포함하며, 상기 고대역은 적어도 하나의 오른손형 (RH) 공진을 포함한다. 본원에 기술된 다중 대역 MTM 안테나 구조는 안테나가 제한된 공간 하에서 적정한 성능을 가지면서 다중 주파수 대역을 지원하도록 기대되는, 휴대폰 어플리케이션, 휴대용 장치 어플리케이션 (예컨대, PDA와 스마트폰) 및 기타 모바일 장치 어플리케이션 등에 사용될 수 있다. 본원에 개시된 MTM 안테나 디자인은 다른 안테나들에 비하여 작은 사이즈, 단일 안테나 솔루션에 기반한 다중 공진, 유저 인터액션에 의해 야기되는 쉬프트에 안정되고 강한 공진, 및 물리적 크기에 실질적으로 독립적인 공진 주파수와 같은 하나 이상의 이점을 제공하도록 적응되며 디자인될 수 있다.

본원에 기술된 MTM 안테나는 휴대폰, 모바일 장치 어플리케이션, WiFi 어플리케이션, WiMax 어플리케이션 및 기타 무선 통신 장치를 포함하는 다양한 대역에서 동작하도록 디자인 될 수 있다. 휴대폰, 모바일 장치 어플리케이션을 위한 주파수 대역의 예는 CDMA와 GSM을 포함하는 셀룰러 대역 (824 - 960MHz); 3개의 밴드를 포함하는 PCS/DCS 대역 (1710 - 2170 MHz); 와 PCS, DCS 및 WCDMA 밴드이다. 쿼드-밴드 (quad-band) 안테나는 셀룰러 대역에서의 CDMA와 GSM 대역 중의 하나와 PCS, DCS 대역의 3 대역 모두를 커버하도록 사용될 수 있다. 펜타 밴드 (penta-band) 안테나는 셀룰러 대역의 2개 대역과 PCS/DCS 대역의 3개 대역의 5개 대역 모두를 커버하도록 사용될 수 있다. WiFi 어플리케이션 주파수 대역의 예는 2.4 내지 2.48 GHz 범위 및 5.15 GHz 내지 5.835 GHz의 다른 범위의 2 대역을 포함한다. WiMax 어플리케이션을 위한 주파수 대역은 2.3 - 2.4 GHZ, 2.5 - 2.7 GHZ, 및 3.5 - 3.8 GHz의 2개의 대역을 포함한다.

MTM 안테나 또는 MTM 전송 선로(transmission line:TL)은 하나 이상의 MTM 단위 셀을 갖는 MTM 구조이다. 각 MTM 단위 셀의 등가회로는 오른손형 직렬 인덕턴스 (LR), 오른손형 션트 커패시턴스 (CR), 왼손형 직렬 커패시턴스 (CL)과 왼손형 션트 커패시턴스 (LL)을 포함한다. LL과 CL은 왼손형 특성 (properties)을 상기 단위 셀에 제공하도록 구조화되고 접속된다. 이 유형의 CRLH TL들 또는 안테나는 분산 회로 소자들, 집중 회로 소자들 또는 양자의 결합을 사용하여 구현될 수 있다. 각 단위 셀은 ~λ/4 보다 작으며, 여기서 λ는 CRLH TL 또는 안테나에 송신되는 전자기 신호의 파장이다.

순수 LH 메타 물질은 3개의 벡터 (E,H,β)에 대해 왼손 법칙을 따르며, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파 방향에 반대된다. LH 메타 물질의 유전율 (ε) 및 투자율 (μ)은 음수이다. CRLH 메타물질은 동작 레짐 (regime)이나 주파수에 따라 왼손형과 오른손형 전자기 전파 모드를 보인다. 때에 따라서는 CRLH 메타 물질은 신호의 파장 벡터가 0이면, 비-영 (non-zero) 군속도를 보인다. 이런 상황은 왼손형, 오른손형 모드 양자가 균형을 이룰 때 발생한다. 불균형 모드에서는 전자기파 전파가 금지되는 밴드 갭 (bandgap)이 있다. 균형 모드에서는, 왼손형 모드와 오른손형 모드 간의 전파 상수 β(ω0)=0 의 전이점에서 분산 커브가 어떤 단절도 보이지 않는데, 여기서 유도된 파장은 무한대다. 즉,

이다. 반면, 군 속도가 양수일 때:

이 상태는 LH 영역의 TL 구현에서 영차 모드 m=0에 상응한다. 상기 CRHL 구조는 음수 β 포물선 영역을 따르는 분산 관계 (relation)를 갖는 저 주파수의 미세 (fine) 스펙트럼을 지원한다. 이것은 근접 필드 (near-field) 방사 패턴을 조작 또는 조종하는데 있어 유니크한 능력 (capability)을 갖는, 전자기적으로 크면서 물리적으로는 작은 장치를 만들 수 있게 한다. 이 TL이 0차 공명기 (ZOR)로 사용되면, 전 공명기에 걸쳐 일정한 진폭과 위상 공명을 허용한다. ZOR 모드는 MTM 기반의 파워 결합기 및 스플리터 (splitter) 또는 디바이더 (divider), 방향성 결합기, 매칭 네트워크 및 누설파 안테나 (leaky wave antenna)로 사용될 수 있다.

RH TL 공명기의 경우, 공명 주파수는 전기적 길이 θm=βm1=mπ(m=1,1,3...)에 상응하는데, 여기서, 1은 TL의 길이이다. TL의 길이는 공명 주파수의 낮고 넓은 스펙트럼에 이를 정도로 길어야 한다. 순수 LH 물질의 동작 주파수는 저 주파수에 존재한다. CRLH MTM 구조는 RH 또는 LH 물질과 매우 상이하며, RF 스펙트럼 레인지의 고 스펙트럼 및 저 스펙특럼 영역 모두에 이르도록 사용될 수 있다.θm=βm1=mπ CRLH 인 경우, 1은 CRLH TL의 길이이며, 변수

이다.

특정 MTM 안테나 구조의 예는 후술된다. 이런 예와 관련된 기술적 정보들은 2007년 4월 27일 출원된 "메타물질 구조에 기반한 안테나, 장치 및 시스템"이라는 명칭의 미국 특허 출원 제11/741,674, 2007년 8월 26일 출원된 "메타물질 구조에 기반한 안테나"라는 명칭의 미국 특허 출원 제11/844,982 에 개시되어 있으며, 이 특허들은 참조로서 본 출원 명세서에 통합되어 있다.

도 1은 4개의 단위 셀에 기반한 1차원 (1D) CRLH MTM 전송 선로(TL)의 한 예를 도시한다. 하나의 단위 셀은 셀 패치와 비아 (via)를 포함하며, 원하는 MTM 구조를 구축하기 위한 빌딩 블럭 (building block)이다. 도시된 TL 예는 기판의 2개의 도전 금속화 층에 형성된 4개의 단위 셀을 도시하는데, 여기서 4개의 도전 셀 패치가 상기 기판의 상부 도전 금속화 층에 형성되며 상기 기판의 다른 면은 접지인 금속화층을 갖는다. 중심에 위치하는 (centered) 도전 비아가 상기 기판을 관통하여 상기 4개의 셀 패치를 각 접지면에 접속시키도록 형성되어 있다. 좌측 단위 셀은 제 1 피드 라인과 전자기적으로 결합되며, 우측 단위 셀은 제 2 피드 라인과 전자기적으로 결합된다. 어떤 구현예에서는 각 단위 셀 패치가 인접 단위 셀과 직접 접촉하지 않으면서, 인접 단위 셀 패치와 전자기적으로 결합된다. 이 구조는 RF 신호를 하나의 피드 라인으로부터 수신하여 다른 피드 라인에 상기 RF 신호를 출력하는 MTM 전송 선로를 형성한다.

도 2는 도 1의 1D CRLH MTM TL의 등가 네트워크 회로를 도시한다. ZLin'와 ZLout'은 각각 TL 입력 부하 임피던스와 TL 출력 부하 임피던스에 상응하며, 각 단에서 TL 커플링을 위한 것이다. 이것은 인쇄 2층 구조 (printed two-layer structure)의 한 예이다. LR은 셀 패치에 의한 것이고, CR은 셀 패치와 접지면 사이에 개재된 유전체 기판에 의한 것이다. CL은 2개의 인접 셀 패치에 의한 것이고, via 는 LL을 유도한다.

각 개별 단위 셀은 직렬 (SE) 임피던스 (Z) 및 션트 (SH) 어드미턴스 Y에 상응하는 2개의 공진

,

을 가질 수 있다. 도 2에서, Z/2 블록은 LR/2, 2CL의 직렬 결합을 포함하며, Y 블록은 LL과 CR의 병렬 결합을 포함한다. 3개 매개변수의 관계는 다음과 같다:

식 (1)

도 1에서 2개의 단위 셀은 입/출력 단에 CL를 포함하지 않는데, 왜냐하면 CL은 2개의 인접 셀 패치간의 커패시턴스를 표현하는 것인데, 입/출력 단에는 빠지기 때문이다. 단위 셀 에지에 CL 부분이 부재함으로써,

주파수의 공명이 방지된다. 그러므로 m=0 공명 주파수로서

만이 나타난다.

계산 분석을 단순화하기 위해, ZLin', ZLout' 직렬 커패시턴스 부분이 빠진 CL 부분을 보완하도록 포함되며, 도 3에 도시된 바와 같이 나머지 입력, 출력 부하 임피던스가 각각 ZLin와 ZLout로 표시된다. 이 조건하에서 모든 단위 셀은 도 3의 2개의 직렬 Z/2 블록과 하나의 션트 Y 블록으로 표시된 동일한 매개변수를 갖는데, 여기서 Z/2 블록은 LR/2, 2CL의 직렬 결합을 포함하고, Y 블록은 LL, CR의 병렬 결합을 포함한다.

도 4A 4B는 각각 도 2, 도 3에 도시된 부하 임피던스가 없는 TL 회로를 보여주는 2 포트 네트워트 매트릭스를 도시한다.

도 5는 4개의 단위 셀에 기반한 1D CRLH MTM 안테나의 한 예를 도시한다. 도 1의 1D CRLH MTM TL과 달리, 도 5에서는, 4개의 셀이 공기와 인터페이스 하여 RF 신호를 송/수신하도록, 안테나가 좌측 단위 셀을 안테나와 안테나 회로를 접속시키는 피드라인에 결합하며, 우측 단위 셀은 개방회로이디.

도 6A는 도 5의 안테나 회로의 2 포트 네트워트 매트릭스 표현을 도시한다. 도 6B는 빠진 CL 부분을 대신해서 모든 단위 셀이 동일하도록 단부에 변형을 갖는 도 5의 안테나 회로의 2 포트 네트워트 매트릭스 표현을 도시한다. 도 6A와 6B는 각각 도 4A와 4B에 도시된 TL 회로와 유사하다.

매트릭스 기호에서, 도 4B는 다음과 같이 주어진 관계를 보여준다:

식 (2)

여기서 Vin, Vout 단에서 보았을 때, 도 3의 CRLH MTM TL 회로가 대칭이기 때문에 AN=DN이다.

도 6A, 6B에서 매개변수 GR', GR은 방사 저항을, 변수 ZT', ZT는 종단 임피던스를 나타낸다. 각 ZT, ZLin', ZLout'은 다음과 같이 표현되는 2CL로부터의 기여분을 갖는다:

식 (3).

방사 저항 GR', GR은 안테나를 구성하거나 시뮬레이팅함으로써 도출될 수 있기 때문에, 안테나 디자인을 최적화하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, TL 어프로우치 (approach)를 채택하여, 다양한 종단 ZT로 상응하는 안테나를 시뮬레이트하는 것이 바람직하다. 식 (1)의 관계는 2개의 에지에 CL 부분이 빠진 것을 반영하는 AN' BN' CN'의 변형을 갖는, 도 2의 회로에 대해서도 유효하다.

주파수 대역은 N CRLH 셀 구조를 n=0, ±1, ±2, ...±N의 전파 위상 길이로 공진하게 함으로써 유도되는 분산 방정식에 의해 결정되는데, 여기서, n=0, ±1, ±2, ...±N이다. 여기서 각 N CRLH 셀은 식 (1)이 Z, Y로 표현되는데, 이것은 말단 셀에 CL이 빠진 도 2에 도시된 구조와 상이하다. 따라서, 이 2개의 구조와 관련된 공진이 서로 다르다는 것을 알 수 있다. 하지만, 대규모 계산은 모든 공진이 n=0만 예외로 모두 동일함을 보여주는데, 여기서 도 3의 구조에서는

,

양자가 공진하며, 도 2의 구조에서는

만 공진한다. 양의 위상오프셋 (n>0)은 RH 영역 공진에 상응하고, 음의 값은 LH 영역 공진에 상응한다.

Z, Y 매개변수를 갖는 N 개의 동일한 CRLH 셀의 분산 관계는 다음과 같다:

식 (4)

여기서 Z, Y는 식 (1)에서처럼 주어지며, AN은 도 3에서 N 개의 동일한 CRLH 단위 셀의 선형 캐스케이드 (cascade)로부터 도출되고, p는 셀의 사이즈이다. 홀수 n=(2m+1)과 짝수 n=2m 공진은 각각 AN=-1, AN=1과 연관된다. 도 4A와 도 6A에서의 AN'에 대하여, n=0 모드는

에서만 공진하며

,

에서 모두 공진하지 않는데, 이것은 셀의 숫자와 무관하게 말단 셀에 CL이 부재하기 때문이다. 고차 주파수는 표 1에 명시된 상이한

값에 대하여 다음과 같은 식으로 주어진다:

n>0인 경우,

식 (5)

표 1은 N=1, 2, 3, 4일 경우의

값을 보여준다.

인 고차 공진은 말단 셀들에 CL이 풀로 존재하건 (도 3), 혹은 존재하지 않건 (도 2) 동일함을 기억해야 한다. 나아가, n=0에 가까운 공진은 작은

값을 가지며 (하한 0에 가까운

), 고차 공진은 식 (4)에 언급한 것처럼,

가 상한 4에 도달하는 경향을 보인다. 아래의 표는 N=1, 2, 3, 4 셀인 경우의 공진들에 관한 것이다.

인 경우 (균형을 이룬, 즉, LR CL= LL CR인 경우)의 주파수 ω함수로서의 분산 커브 및

인 경우 (균형을 이루지 않은 경우)의 분산 커브가 각각 도 7A, 7B에 도시되어 있다. 후자의 경우, 최소치 (

,

) 와 최대치 (

,

) 간에 주파수 갭이 있다. 한계 주파수 값은 하기의 식에 언급된 바와 같이

값이 상한인

=4에 도달하는 때의 식 (5)에서와 동일한 공진 방정식으로 주어진다:

식 (6)

나아가, 도 7A, 7B는 분산 커브를 따라 공진 위치의 예들을 보여준다. RH 영역 (n>0)에서 구조의 크기 l=Np ( 여기서 p는 셀의 크기) 주파수가 감소함에 따라 증가한다. 반대로, LH 영역에서는, Np 값이 감소함에 따라, 즉 사이즈가 감소하면 낮은 주파수에 도달된다. 분산 커브는 이 공진 근방의 대역폭의 몇몇 인디케이션 (indication)을 제공한다. 예컨대, 분산 커브가 거의 평평하므로, LH 공진은 좁은 대역폭을 갖는다. RH 영역에서는 분산 커브가 가파르므로 대역폭이 보다 넓다. 그러므로 광대역을 얻기 위한 제 1 조건, 즉 1st BB 조건, 다음과 같이 표현될 수 있다:

식 (7).

여기서

는 식 (4)에서처럼 주어지며,

은 식 (1)에서처럼 정의된다. 식 (4)의 분산 관계는

인 때, 즉, 1st BB 조건 (COND1) 에서의 영 분모에서 공진이 일어난다는 것을 보여준다. AN은 N 개의 동일한 단위 셀 (도 4B, 6B)의 제 1 트랜스미션 매트릭스 엔트리임을 상기하라. 계산은 COND1이 N 값과 아주 무관하며, 식 (7)의 두번째 식에 의해 주어진다는 것을 보여준다. 표 1에 도시된 바와 같이 분산 커브의 기울기, 따라서 가능한 대역폭을 정의하는 것은 분자와 공진에서의

이다. 원하는 구조들은 대역폭이 4%를 초과하면 크기에 있어, 대부분 Np=λ/40에 있다. 소형 크기의 p 구조에 대해서는, 식 (7)이 높은

값, 즉 낮은 CR,LR 값이 COND1을 만족함을 보여준다. 왜냐하면 n<0인 공진은 표 1의

이 4 값 근처일 때, 즉, 다른용어로는 (1 - χ/4 -> 0)인 경우 일어나기 때문이다.

전술한 바와 같이, 분산 커브 기울기가 가파른 값을 가지면, 다음 단계는 적당한 매칭을 찾는 것이다. 이상적인 매칭 임피던스는 고정 값을 가지며, 큰 매칭 네트워크 풋 프린트 (footprint)를 필요로 하지 않을 것이다. 여기서, "매칭 임피던스"는 안테나에서처럼 단일 사이드 피드 (side feed)인 경우의 피드 라인 및 피드 종단을 지칭한다. 입/출력 매칭 네트워크를 분석하기 위해, Zin과 Zout이 도 4B의 TL 회로에 대해 계산될 수 있다. 도 3의 네트워크가 대칭이기 때문에, Zin=Zout 임을 보여주는 것은 간단하다. 하기의 식에 나타나는 것처럼, Zin이 N에 무관하다는 것이 증명될 수 있다.

이며,

이것은 양의 실수 값만을 갖는다. B1/C1이 영보다 큰 하나의 이유는 식 (4)의 조건

때문인데, 이것은 다음과 같은 임피던스 조건을 낳는다:

제 2 광대역 (BB) 조건은 일정한 매칭을 유지하기 위하여 주파수 근접 공진에 대해 Zin이 약간 변화하는 것이다. 실제 입력 임피던스 Zin'는 식 (3)에 언급된 것처럼, CL 직렬 캐퍼시턴스로부터의 기여분을 갖는다는 것을 기억하라. 2nd BB 조건은 다음과 같다:

.

도 2, 3의 트랜스미션 라인의 예와 달리, 안테나 디자인은 구조 에지 임피던스에 잘 매치되지 않는 무한 임피던스를 갖는 오픈 엔드 사이드 (open-ended side)를 가질 수 있다. 커패시던스 종단은 다음과 같은 식에 의해 주어진다:

.

이것은 N에 좌우되며 순수 허수이다. 전형적으로 LH 공진이 RH 공진보다 좁기 때문에, 선택된 매칭 값은 n>0인 영역에서 보다 n<0인 영역에서 도출된 값에 더 근접한다.

LH 공진의 대역폭을 증가시키는 방법의 하나는 션트 커패시터 (CR)를 감소하는 것이다. 이러한 감소는 식 (7)에서 설명한 바와 같이, 가파른 분산 커브의 높은

값을 가져온다. CR을 감소시키는 방법은 다양한데, 후술하는 바를 포함하되, 이에 제한되지는 않는다: 1) 기판 두께 늘리기 2) 셀 패치 영역 감소 3) 상부 셀 패치 하부의 접지 영역을 줄여서, "트런케이티드 접지 (truncated ground)" 만들기, 또는 상기 방법들의 결합이 그것이다.

도 1과 도 5의 MTM TL 및 안테나 구조는 풀 (full) 접지 전극으로서 기판의 하부면 전체를 커버하는 도전층을 사용한다. 기판이 하나 이상의 부분을 노출하도록 패터닝 된 트런케이티드 접지 전극이 접지 전극의 영역을 기판면 전체보다 작도록 만들기 위해 사용될 수 있다. 이것은 공진 대역폭을 증가시켜 공진 주파수 대역을 동조할 수 있다. 트런케이티드 접지 구조의 2개의 예가 도 8, 11을 참조하여 논의되는데, 이 도면에서 기판의 접지 전극 측의 셀 패치의 풋 프린트 영역 내의 접지 전극의 수는 감소하고 나머지 스트립 라인 (비아 라인)은 셀 패치의 비아를 상기 셀 패치의 풋 프린트 외곽의 메인 접지 전극에 접속하기 위해 사용된다. 이 트런케이티드 접지 어프로우치는 광대역 공진을 달성하기 위한 다양한 구성에서 구현될 수 있다.

도 8은 4 셀 MTM 트랜스레이션 라인의 트런케이티드 접지 전극의 한 예인데, 여기서 접지 전극은 셀 패치 하부의 일 방향을 따른 셀 패치보다 작은 크기를 갖는다. 접지 도전 층은 비아에 접속된 비아 라인을 포함하며 상기 셀 패치 하부를 통과한다. 비아 라인은 각 단위 셀의 셀 패치보다 작은 폭을 갖는다. 트런케이티드 접지의 사용은 안테나 성능 때문에 기판 두께가 증가할 수 없으며 셀 패치 영역이 감소할 수 없는 상용 장치의 구현에서 다른 방법들에 비해 바람직한 선택이다. 접지가 트런케이티드 되면, 다른 인덕터 Lp (도 9)가 도 8에 도시된 바와 같이 비아를 메인 접지에 접속하는 금속 스트립 (비아 라인)에 의해 도입된다. 도 10은 도 8의 TL 구조와 유사한 트런케이디드 접지를 갖는 4 셀 안테나 카운터파트를 도시한다.

도 11은 트런케이티드 접지 구조를 갖는 MTM 안테나의 또 다른 예를 도시한다. 이 예에서, 접지 도전 층은 비아 라인과 셀 패치의 풋 프린트 외곽에 형성된 메인 접지를 포함한다. 각 비아 라인은 제 1 말단 단부에서 메인 접지에 접속되며, 제 2 말단 단부에서 비아에 접속된다. 상기 비아 라인은 각 단위 셀의 셀 패치 크기보다 작은 폭을 갖는다.

트런케이티드 접지 구조를 위한 식이 유도될 수 있다. 트런케이티드 접지 예에서는, 션트 캐퍼시턴스 CR이 작아지기 때문에 공진이 식 (1), (5), (6) 및 표 1에서와 동일한 식을 따르는 2개의 어프로우치가 존재한다. 도 8과 9는 제 1 접근 ( Approch 1)을 도시하는데, 여기서 공진은 LR을 (LR+Lp)로 대체한 후의 식 (1), (5). (6) 및 표 1에서와 동일하다.

인 경우, 각 모드는 (1) LR이 (LR+Lp)로 대체된

과 (2) LR이 (LR+Lp/N)으로 대체된

(여기서 n은 셀의 갯수)에 상응하는 2개의 공진을 갖는다. Approch 1하에서, 임피던스 방정식은 다음과 같다:

여기서

이며 Z, Y는 식 (2)에서와 같이 정의된다. 식 (11)의 임피던스 방정식은 2개의 공진 ω,ω'가 각각 낮은 임피던스와 높은 임피던스를 갖는다는 것을 제공한다. 따라서, 대부분의 경우 ω 공진 근처로 동조하는 것은 쉽다.

두번째 접근 (Approach 2)가 도 11 및 12에 도시되어 있으며, 여기서 공진은 LL을 (LL+LP)로 대체한 후의 식 (1), (5), (6) 및 표 1과 동일하다. 이 두번째 접근에서, 결합된 션트 인덕터 (LL+LP)는 션트 커새티터 (CR)가 감소할때 증가하며, 이것이 낮은 LH 주파수를 가져온다.

상기의 예시적인 MTM 구조는 2개의 금속화 층 상에 형성되는데, 두개의 금속화 층 중의 하나는 접지 전극으로 사용되며 도전 비아를 통해 다른 금속화 층에 접속된다. 이와 같은 비아를 갖는 2층의 CRLH MTM TL 및 안테나는 도 1과 5에 도시된 것과 같은 풀(full) 접지 전극을 갖거나 도 8 및 10에 도시된 트런케이티드 접지 전극을 갖는다.

여기에 기술된 SLM 과 TLM-VL MTM 구조는 상기 2 층 디자인을 단일 금속화 층 디자인으로 줄이거나 상호 연결 비아가 없는 2 층 디자인을 제공함으로써, 상기 2 층 비아 디자인을 단순화한다. SLM 및 TLM-VL MTM 구조는 장치 비용을 줄이고 제조를 단순화하는데 사용될 수 있다. 이와 같은 SLM MTM 구조와 TLM-VL MTM 구조의 특정 예 및 구현예들이 후술된다.

SLM MTM 구조는 보다 단순한 구조에도 불구하고, 트런케이티드 접지에 접속된 비아를 갖는 2 층의 CRLH MTM 기능을 수행하도록 구현될 수 있다. 2개의 금속화 층을 연결하는 비아를 갖는 2층 CRLH MTM 구조에서, 션트 커패시턴스 CR은 상부층의 셀 패치와 하부층의 접지 금속 사이의 유전 물질에 유도되며, 상기 CR 값은 풀 접지 전극을 가진 디자인에 비해, 트런케이티드 접지 전극을 가질 때 작아지는 경향이 있다.

SLM MTM 구조는 다양한 회로 부품들과 접지 전극을 갖는 단일 도전층에 형성될 수 있다. 일 구현예에서, SLM MTM 구조는 제 1 기판 및 대향 기판을 구비하는 유전체 기판과 금속화 층을 포함하는데, 상기 금속화 층은 상기 제 1 기판 표면에 형성되며, 상기 유전체 기판을 관통하는 도전 비아 없이 금속화 층 내에 단일 메타물질 구조를 형성하는 2 이상의 금속화 파트를 갖도록 패터닝된다. 상기 금속화 층의 상기 금속화 파트는 SLM MTM 구조의 단위 셀 패치인 제 1 금속 패치, 상기 단위 셀을 위한 접지 전극이며 상기 단위 셀 패치와 공간적으로 분리된 제 2 금속 패치및, 상기 접지 전극과 상기 단위 셀 패치를 상호 연결하는 비아 금속 라인, 상기 단위 셀 패치와 직접 접촉하지 않으면서 상기 단위 셀 패치를 전자기적으로 결합하는 신호 피드 라인을 포함한다.

따라서, SLM MTM 구조에서는 2개의 금속화 파트 사이에 수직적으로 개재된 (sandwitched) 유전 물질이 없다. 그 결과, SLM MTM 구조의 커패시턴스 CR은 적정 디자인이라면 무시할 수 있을 만큼 작다. 작은 션트 커패시턴스가 단일 금속화 층에 존재하는 상기 셀 패치와 상기 접지 전극 사이에 유도될 수 있다. SLM MTM 구조의 션트 인덕턴스는 상기 기판을 관통하는 비아의 부재로 인하여 무시할 수 있지만, 인덕턱스 Lp는 접지 전극에 접속된 금속화 층의 비아 메탈 라인으로 인해 상대적으로 클 수 있다.

도 13 (a)- 13 (c)는 단일 셀 SLM MTM 안테나의 한 예를 도시하는데, 각각 3D 도면, 상부 층의 평면도와 측면도를 보여준다. 이 단일 셀 SLM MTM 안테나는 기판 (1301) 상에 형성된다. 상부 금속화 층이 기판 (1301)의 상부면 상에 형성되며, SLM 셀의 부품들과 SLM 셀을 위한 접지 전극을 형성하도록 패터닝 된다.

보다 상세하게는, 상부 금속화 층은 다양한 금속 파트로 패터닝 되는데, 상부 접지 전극 (1324), 상기 상부 접지 전극 (1324)과 떨어진 셀 패치인 금속 패치 (1308), 결합 갭 (1328)에 의해 상기 셀 패치 (1308)과 분리된 론치 패드 (launch pad: 1304) 및 상부 접지 전극 (1324)과 상기 셀 패치 (1308)를 상호 접속하는 비아 라인 (1312)가 그것이다. 피드 라인 (1316)이 상부 금속화 층에 형성되며, 신호를 상기 셀 패치 (1308)로 향하게 하거나 이로부터 수신하도록 론치 패드 (1304)에 접속되어 있다. 이 단일 금속화 층 디자인은 기판 (1301) 하부면 상에 형성된 트런케이티드 접지에 및 기판 (1301)을 통해 상기 셀 패치 (1308) 및 트런케이티드 접지를 접속하도록 관통된 도전 비아에 대한 필요를 없앤다.

도시된 예에서, 상기 기판 (1301)의 하부면은 SLM MTM 구조의 부품을 구축하는데 사용되지 않는 하부 금속화 층을 갖는다. 이 하부 금속화 층은 상기 기판 (1301)의 일부를 점하면서 상기 기판 (1301)의 다른 부분은 노출하는 하부 접지 전극 (1325)을 형성하도록 패터닝된다. 상기 상부 금속화 층에 형성된 SLM MTM 구조의 셀 패치 (1308)는 하부면의 상기 하부 금속화 층이 없는 부분 상방에 위치하며 상기 하부 접지 전극 (1325) 상방에 위치하지 않는데, 이것은 상기 셀 패치 (1308)와 연관된 션트 커패시턴스를 제거 또는 최소화하기 위함이다. 상기 상부 접지 전극 (1324)은 동일 평면 도파관 (co-planar waveguide: CPW) 피드 (1320)가 상부 접지 전극 (1324)에 형성될 수 있도록 상기 하부 접지 전극 (1325) 상방에 형성된다. 이 CPW 피드 (1320)는 신호를 상기 셀 패치 (1308)로 향하게 하거나 이로부터 수신하도록 피드 라인 (1316)에 접속되어 있다. 따라서, 이 특정 예에서 CPW 접지가 상부 및 하부 접지면 또는 상기 상부 및 하부 접지 전극들 (1324, 1325)에 의해 형성될 수 있고, 상기 하부 접지 전극 (1325)은 피드 라인을 위한 CPW 디자인을 달성하기 위해 제공된다. CPW 디자인이 사용되지 않은 다른 구현 예에서는 상기 하부 접지 전극 (1325)이 제거될 수 있다. 예컨대, 상기 SLM MTM 구조에 의해 형성되는 안테나는 상기 하부 접지 전극 (1325)을 필요로 하지 않으며, 상기 상부 접지 전극 (1324)에 의해서만 또는 탐사 (probed) 패치나 케이블 커넥터에 의해 지지되는 CPW 라인에 의해 급전된다.

어느 정도는, 본원의 SLM MTM 안테나가 2 층 MTM 안테나의 상기 비아 및 비아 라인이 상기 상부 금속화 층에 존재하는 비아 라인으로 대체된 MTM 구조로 보일 수 있다. 상기 비아 라인 (1312)의 위치 및 길이는 원하는 임피던스 매칭 조건을 얻고 원하는 하나 이상의 주파수 대역을 얻도록 디자인될 수 있다.

특히, 단일 셀 SLM MTM 안테나 구조에서는 상기 기판 (1301)의 상기 셀 패치 (1308) 하부의 상기 하부면 부분에는 금속 부분이 없으며, 상기 기판 (1301)의 상기 하부층 상의 상기 셀 패치 (1308)의 직하부에는 트런케이티드 접지나 금속화 영역이 없다. 상기 피드 라인 (1316)은 CPW 피드 (1320)으로부터의 전자기 신호의 전력을 론치 패드 (1304)로 운반하는데, 이것은 상기 전자기 신호를 커플링 갭 (1328)을 통해 용량적으로 상기 셀 패치 (1308)와 결합한다. 상기 갭 (1328)의 크기는 디자인에 따라 결정될 수 있는데, 일 구현예에서는 수 mil이다. 상기 셀 패치 (1308)는 상기 비아 라인 (1312)를 통해 상기 접지 전극 (1324)에 접속된다. 상기 SLM MTM 안테나 등가 회로는 전술한 부분에서 분석된, 2 층 CRLH MTM 안테나의 등가 회로와 유사한데, SLM MTM 안테나에서는 션트 커패시턴스 CR과 션트 인덕터 LL이 무시할 정도이지만, Lp는 크다는 점에서 차이가 있다.

표 2는 도 13(a), 13(b), 13(c)에 도시된 단일 셀 SLM 안테나 구조의 소자들의 요약이다.

매개변수	설명		위치
안테나 소자	각 안테나 소자는 론치 패드 (1304) 및 피드 라인 (1316)에 의해 CPW 피드(1320)에 접속된 SLM 셀을 포함한다.
피드 라인	상기 CPW 피드(1320)를 상기 론치 패드(1304)와 접속시킨다.		상부층
론치 패드	상기 셀 패치 (1308)를 상기 피드 라인 (1316)에 접속하며, 장방형이다. 상기 론치 패드 (1304)와 상기 셀 패치 (1308) 사이에 커플링 갭 (1328)이 존재한다.		상부층
SLM 셀	셀 패치	장방형	상부층
	비아 라인	상기 셀 패치 (1308)을 상기 상부 접지 전극 (1324)와 접속시킨다.	상부층

도 13(a), 13(b), 13(c)에 도시된 단일 셀 SLM 안테나 구조는 다양한 어플리케이션을 위해 구현될 수 있다. 예컨대, 특히 WiFi 어플리케이션을 위한 SLM MTM 안테나와 관련된 디자인 변수들은 다음과 같이 선택될 수 있다: 상기 기판 (1332)는 20mm 폭에 0.787 mm 두께이며; 상기 물질은 유전 상수 4.4의 FR4이고; 상기 피드 라인 (1326)은 0.4mm 폭이며; 상기 론치 패드 (1304)와 상기 접지 전극 (1324) 단부 사이의 간격은 2.5 mm이고; 상기 론치 패드 (1304)는 폭 3.5mm, 길이 2mm이며; 상기 셀 패치 (1308)는 길이 8mm, 폭 5 mm이고, 상기 론치 패드 (1304)로부터 0.1mm 떨어져 있고; 상기 비아 라인 (1312)의 상기 셀 패치 (1308)와 접속하는 부분은 상기 셀의 중앙 길이로부터 2mm 오프셋이다.

2 층 MTM 구조의 분석은 전술되었다. 유사한 분석이 단일 셀 (N=1) SLM MTM 안테나를 위한 무시할 정도의 션트 캐퍼시턴스 CR을 갖는 트런케이티드 접지 케이스에 대해서도 행해질 수 있다. 상기 매개변수 값을 갖는 이 예시적 안테나는 도 14(a)의 시뮬레이티드된 리턴 로스 (return loss) 및 도 14(b)의 측정된 리턴 로스에 기술된 바와 같은 2개의 주파수 대역을 갖는다. 가장 낮은 대역은 LH 기여 (contribution)을 가지며, 2.45 GHz에 집중된다. 이 대역은 도 14(a) 에 도시된 바와 같이 -10dB에서 약 100MHz의 대역폭을 갖는다. 시뮬레이티드된 입력 임피던스를 보여 주는 도 14(c) 에 도시된 바와 같이, 50-Ω 매칭은 LH 밴드의 고 주파수 에지에서 일어난다.

단일 층 메타 물질 구조에 형성된 상기의 단일 셀 SLM MTM 안테나는 2개 이상의 전자기적으로 결합된 셀을 갖는 SLM MTM 안테나를 구축하는데 사용될 수 있다. 이와 같은 SLM MTM 안테나는 적어도 기판의 제 1 기판면 상의 제 1 위치에 형성된 제 1 셀 메탈 패치, 상기 제 1 기판면 상의 제 2 위치에 형성된 제 2 셀 메탈 패치, 상기 제 1 및 제 2 위치로부터 이격된, 상기 제 1 기판면 상의 제 3 위치에 형성된 상기 제 1 및 제 2 셀 메탈 패치의 접지인 접지 전극, 및 상기 제 1 기판 상에 형성되고 상기 제 1, 제 2 셀 패치 중 하나와 전자기적으로 결합된 적어도 하나의 피드 라인을 포함한다. 각 셀 메탈 패치에 대해, 상기 접지 전극과 접속된 제 1 단부 및 상기 셀 메탈 패치와 접속된 제 2 단부를 포함하는 비아라인이 상기 제 1 기판면 상에 형성된다. 상기 제 1 기판면에 대향하는 측의 제 2 기판면 상에는 상기 제 1 기판면 상의 셀 메탈 패치에 상응하는 위치에 비 금속부가 형성된다.

도 15는 2 셀 SLM MTM 안테나의 한 예를 도시하는데, 이 안테나는 전술한 도 13 (a)에 도시된 1 셀 SLM MTM 안테나와 유사하되, 2개의 별개의 비아 라인들 (1512-1,1512-1)에 의해 상기 접지 전극에 접속되는 2개의 셀 패치 (1508-1, 1508-2)의 전면까지 상부 접지 전극이 연장되어 있는 점에서 다르다. 도 13(a)와 유사하게, 도 15의 2 셀 SLM MTM 안테나용 기판의 하부면은 하부 금속화 면을 구비하는데, 상기 하부 금속화 면은 상부 접지 전극 (1524)와 함께 CPW 접지를 형성하는 하부 접지 전극을 형성하도록 패터닝되며 SLM MTM 구조의 부품을 구축하는데 사용되지는 않는다. 이 하부 금속화 면은 상기 기판 하부면의 일부를 점하며, 상기 기판 하부면의 다른 부분은 노출하는 하부 접지 전극으로 패터닝된다. 상부 접지 전극 (1524)와 2개의 SLM 셀 (1508-1, 1508-2)은 상기 기판의 상부면 상에 형성된다. 상부 금속화 층의 단위 셀 패치 (1508-1, 1508-2)는 상기 하부 기판의 상기 하부 금속화 면이 없는 부분 상방에 위치하여 상기 단위 셀 패치 (1508-1, 1508-2)와 관련된 션트 커패시턴스를 제거 또는 최소화한다. 상기 하부 접지 전극과 상기 상부 접지 전극 (1524)는 상기 CPW 피드 (1520)를 지지하는 CPW 접지를 형성하기 위해 이용된다. 상기 하부 접지 전극을 필요로 하는 상기의 특정 CPW 디자인이 사용되지 않는 다른 구현 예에서는, 상기 하부 금속화 층이 제거될 수 있으며 하부 접지면을 필요로 하는 CPW 라인, 탐사 (probed) 패치 또는 케이블 커넥터가 상기 2 셀 안테나로 신호를 공급하거나 상기 안테나로부터 신호를 수신하기 위해 사용될 수 있다.

특히, 상기 2 셀 SLM 안테나의 상기 셀 패치 1 (1508-1)과 상기 셀 패치 2 (1508-2)는 상호 인접 배치되며, 상기 셀 패치 사이에 전자기적 결합을 제공하는 커플링 갭 2 (1528-2)에 의해 분리된다. 상부 금속화 층의 론치 패드는 커플링 갭 1 (1528-1)을 통해 상기 셀 패치 1 (1508-1)로/ 로부터 전자기 신호를 결합한다. 상기 상부 금속화에 형성된 피드 라인 (1516)은 접지된 CPW 피드 (1520) 및 좁은 갭에 의해 상기 접지 전극 (1524)와 분리된 금속 스트립을 상기 론치 패드 (1524)와 접속시킨다. 상기 접지 전극 (1524)은 상기 2개의 셀 패치 (1508-1, 1508-2) 전방에 배치된 연장부 또는 돌출부 (1536)를 구비한다. 이러한 구성은 상기 2 개의 셀 패치 (1508-1, 1508-2)를 상기 상부 접지 전극에 접속시키는 2개의 비아 라인 (1512-1, 1512-2)이 실질적으로 동일한 길이를 갖는 것을 가능하게 한다.

2 층 MTM 구조의 분석은 전술되었다. 2 셀 (N=2)의 SLM MTM 안테나를 위해 무시할 정도의 션트 커패시턴스 CR을 갖는 트런케이티드 접지의 경우에도 유사한 분석이 행해질 수 있다. 2 셀 (N=2)의 SLM MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스가 도 16(a)에 도시되어 있다. 도 13(a)의 1 셀 디자인과 도 15의 2셀 디자인의 리턴 로스를 비교하면 도 16(a)의 2 셀 SLM MTM 안테나의 가장 낮은, 좁은 공진은 고차 LH 모드에 상응함을 보여준다. 시뮬레이트된 입력 임피던스가 도 16 (b)에 도시되어 있다.

도 17은 상부 금속화 층만이 도시된 SLM MTM 구조에서의 3 셀 전송 선로(TL)을 도시한다. 이 TL의 저주파수 영역의 서로 다른 2 개의 공진에 상응하는 전자기 유도된 파장의 값은 저주파수 공진이 실제로 LH 영역에 존재한다는 것을 확인해준다. 이 TL 구조는 2개의 인접 셀 패치 사이에 직접적인 접촉 없이 전자기 결합을 제공하는 커플링 갭을 가지며, 일렬로 놓인 3개의 셀 패치 (1708-1, 1708-2, 1708-3)을 포함한다. 셀 패치들 (1708-1, 1708-2, 1708-3)은 각각 3개의 비아 라인 (1712-1, 1712-2, 1712-3)을 통해 접지 전극 (1724)에 접속되어 있다. 2개의 피드 라인 (1716-1, 1716-2)이 TL의 입력 및 출력으로서 양 끝의 2개의 셀 패치 (1708-1, 1708-3)에 접속되어 있다. 2개의 CPW 피드 (1720-1, 1720-2)가 각각 피드 라인에 (1716-1, 1716-2)에 접속되어 3 셀 시리즈의 양 끝에 약간의 신호 전력을 전달한다. 나머지 신호 전력은 방출된다. 제 1 셀 패치 (1708-1)는 커플링 갭 1 (1728-1)을 통해 론치 패드 1 (1704-1)에 용량적으로 결합되는데, 이 론치 패드는 피드 라인 1 (1716-1)을 통해 CPW 피드 1 (1720-1)에 접속된다. 제 2 셀 패치 (1708-2)는 커플링 갭 2 (1728-2)을 통해 론치 패드 1 (1704-1)에 용량적으로 결합하며, 제 3 셀 패치 (1708-3)는 커플링 갭 3 (1728-3)을 통해 제 2 셀 패치 (1708-1)에 용량적으로 결합한다. 제 3 셀 패치 (1708-3)의 타단부는 론치 패드 2 (1704-2) 및 피드 라인 2 (1716-2)를 통해, 상기 론치 패드 2 (1704-2) 및 상기 제 3 셀 패치 (1708-3) 사이의 커플링 갭을 가지면서 CPW 피드 2 (1720-2)에 접속된다.

도 18에 도시된 것과 같이 시뮬레이트된 리턴 로스에서 1.6 GHz와 1.8 GHz의 공진을 생성하도록 디자인 변수들이 선택된다. 이 2개의 공진에 상응하는 전자기 유도된 파장이 도 19(a) 및 19(b)에 각각 도시된다. 종래의 비-MTM 오른손형 (RH) RF 회로에서는 주파수가 증가함에 따라 유도된 파장도 증가하여 더 낮은 주파수를 위해서는 더 큰 RH RF 구조를 만든다. 다른 한편, 왼손형 (LH) MTM RF 회로에서는, 파장이 감소함에 따라 전자기 유도된 파장도 감소한다. 따라서, 도 19(a) 및 19(b)는 저주파수 공진이 실제로 LH 영역에 존재한다는 것을 확인해준다.

SLM MTM 구조 외에, 하부 트런케이티드 접지에 접속된 비아를 갖는 TLM-VL MTM 구조도 비아를 제거함으로써, 2 층 CRLH MTM 안테나를 비아가 없는 (VL) MTM 구조로 단순화한다. 이와 같은 TLM-VL MTM 구조는 제 1 기판면 및 대향 기판면을 구비하는 유전체 기판과 상기 제 1 기판면에 형성되며, 상호 이격된 접지 전극부 및 셀 금속 패치를 포함하도록 패터닝된 제 1 금속화 층을 포함할 수 있다. 피드 라인은 제 1 기판상에 형성되며 상기 셀 금속 패치의 일단에 전자기적으로 결합된다. 이 TLM-VL MTM 구조는 상기 제 2 기판면에 형성되는 제 2 금속화층을 포함하는데, 이 제 2 금속화층은 상기 셀 패치 하부에 위치하면서, 상기 유전체 기판을 관통하는 도전 비아에 의해 상기 셀 금속 패치에 접속되지 않는 금속 패치를 포함하도록 패터닝된다. 상부 셀 금속 패치 하부의 상기 금속 패치는 트런케이티드 접지일 수 있다. 적절히 구성되면, 이와 같은 TLM-VL MTM 구조는 트런케이티드 접지에 접속된 비아를 갖는 2 층 CRLH MTM 안테나의 기능을 달성하도록 동작할 수 있다. SLM MTM 구조와 달리, TLM-VL MTM 구조는 한 금속화 층 상의 셀 패치와 제 2 금속화 층 사이에 작지만 한정된 션트 커패시턴스 CR을 갖는데, 이것은 상부층의 셀 패치와 하부 층의 트런케이티드 접지 사이에 개재된 유전 물질 때문이다. 상기 금속 비아 라인과 연관된 인덕터 Lp의 인덕턴스는 비교적 크며, 상기 비아 라인은 션트 커패시터 CR과 직렬 연결된다. TLM-VL MTM에서의 션트 인덕턴스 LL는 무시할만큼 작은데, 이것은 비아가 부재하기 때문이다. LH 공진은

의 미니멈 이하의 주파수 영역에서 여기될 수 있다. 여기서 LL은 상기 어프로우치 (Approach) 2에서처럼, (LL +Lp)로 정의된다.

1 셀 TLM-VL 안테나의 한 예가 도 20(a) 내지 20(d)에 도시되어 있는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 상부 층의 평면도와 하부 층의 평면도이다. 이 1 셀 TLM-VL 안테나 구조는 상부 및 하부 금속화 층에 부품들을 포함한다. 도 20(c)를 참조하면, 상부 금속화 층의 부품들은 상부 접지 전극 (2024), 상기 상부 접지 전극 (2024)의 갭에 형성된 CPW 피드 (2020), 론치 패드 (2004), 상기 CPW 피드 (2020)와 상기 론치 패드 (2004)를 접속시키는 피드 라인 (2016) 및 커플링 갭 (2028)에 의해 상기 론치 패드 (2004)로부터 이격된 셀 패치 (2008)을 포함한다. 하부 금속화 층은 상기 상부 접지 전극 (2024) 하부의 하부 접지 전극 (2025), 상기 셀 패치 (2008) 하부의 하부 트런케이티드 접지 (2036) 및 상기 하부 트런케이티드 접지 (2036)와 상기 하부 접지 전극 (2025)을 접속시키는 비아 라인 (2012)를 포함하도록 패터닝된다. 이 예에서 상기 피드 라인 (2016)은 하부 접지면을 필요로 하는 상기 CPW 피드 (2020)에 접속된다. 따라서, 이 예에서 상기 CPW 접지는 상부, 하부 접지 전극 (2024, 2025) 2개를 포함한다. 다른 구현 예에서는 안테나가 하부 접지를 필요로 하지 않는 종래의 CPW 라인, 즉 탐사 패치 (probed patch) 또는 단순히 케이블 커넥너나 마이크로스트립 TL에 의해 급전될 수 있다. SLM MTM 구조의 비아-리스 (VL) 디자인과 달리, 기판 상부면 상의 셀 패치에 상응하는 트런케이티드 접지 (2036)는 기판 하부면에 형성되어 공진 구조를 형성한다. 신호가 상기 셀 패치 (2008)와 상기 트런케이티드 접지 (2036) 사이의 유전 물질을 통해 결합된다. 상기 론치 패드 (2004)는 커플링 갭 (2028)을 통해 전자기 신호를 상기 셀 패치 (2008)에 결합한다. 상기 갭 (2028)의 크기는 수 mil일 수 있다. 상기 셀 패치 (2008) 하부에 상기 트런케이티드 접지 (2036)가 존재하기 때문에, 상기 셀 패치 (2008)와 상기 트런케이티드 접지 (2036) 사이에 션트 커패시터 CR이 유발된다. 상기 트런케이티드 접지 (2036)와 상기 하부 접지 전극 (2025)를 접속시키는 비아 라인 (2012)은 도 21(b)에 도시된 바와 같이 상기 션트 커패시터 CR와 직렬 결합된 인덕턴스 (Lp)를 포함한다. 이 예에서, 상기 션트 인덕터 LL은 상기 구조에 비아가 포함되지 않기 때문에 무시할 정도이다. 도 21(b)에서 기호 LL은 상기 어프로우치 2 (Approach 2)에서처럼, (LL +Lp)로 정의된다. 비아를 갖는 2 층 MTM 구조에서, CR은 도 2, 3, 9 및 12의 전술한 부분에서 설명된 바와 같이, 비아에 의해 유도되는 LL과 병렬 연결된다. 단순화된 등가 회로가 도 21(a)의 후자의 경우와의 비교를 위해서 재생된다.

도 20(a) 내지 20(d)의 TLM-VL 구조에서, LL (즉, Lp)이 크고 CR이 유한하기 때문에 주파수

는 언제나

보다 작다. LH 공진은 미니엄 ωsh와 ωse미만에서 일어난다. 유효 유전율 및 투자율은 각각 하기의 식에 의해 주어진다:

.

공진은 비아를 갖는 2 층 MTM 구조에 대해 설명한 것과 유사한 방식으로 유도되는데, 전술되고 도 21(a) 및 21(b)에 도시된 수정을 제외하면 그렇다.

도 20(a) 내지 20(d)에 도시된 1 셀 TLM-VL 안테나의 디자인 변수는 2.4 GHz에서 공진을 갖도록 결정되는데, 이는 도 22(a)에 도시된 시뮬레이트된 리턴 로스로부터 보여지는 정도로 넓다. 이 공진이 정말로 LH 모드에 의해 트리거된다는 것을 증명하기 위해, 상기 셀 패치 (2008)의 중심과 상기 트런케이티드 접지 (2036)의 중심을 연결하도록 비아가 부가된다. 이 과정은 상기 부가된 비아를 갖는 안테아 구조에 상응하는 최저 LH 모드의 위치를 결정하는데 이용된다. 비아를 갖는 안테나는 2.4 GHz 근처에서 LH 공진을 갖는다. 뿐만 아니라, 도 22(a)는 3.0 GHz 근처에서의 RH 공진의 존재로 인해, 이 TLM-VL MTM 안테나를 사용하면 WiFi, WiMax를 모두 커버하는 광대역이 달성가능함을 보여준다. 도 23은 도 20(a) 내지 20(d)의 1 셀 TLM-VL 안테나의 2.4 GHz에서의 방사 패턴을 보여준다. 이 패턴은 상기 안테나 모양이 Y 축에 대해 대칭이기 때문에, X-Z 평면에서 실질적으로 전방향이다.

도 24(a) 내지 24(d)는 하부 연장된 접지 전극 (2440)에 접속된 비아 라인 (2412)를 가지며, 상부 금속화 층의 이 구조의 기타 소자들은 도 20 (a) 내지 20 (d)에 도시된 것과 유사한 TLM-VL MTM 안테나를 도시한다. 도 24(d)를 참조하면, 하부 금속화 층은 2개의 인테그럴하게 (integral) 연장된 접지부 (2440)를 갖는 하부 접지 전극 (2025)을 형성하도록 패터닝된다. 도시된 예에서, 상기 연장된 접지 전극부 (2440)는 하부 트런케이티드 접지 (2036) 양 측상에 대칭적으로 연장되고, 비아 라인 (2312)는 하나의 연장부 (2440)을 상기 하부 트런케이티드 접지 (2036)에 연결한다. 상기 하부 접지 전극 연장부의 다른 디자인도 가능하다.

도 25는 도 22(a)의 연장된 접지 전극이 없는 장치에 대한 결과와 유사한 시뮬레이티드 된 리턴 로스와 광대역 공진을 도시한다. 도 20 (a) 내지 20 (d)의 TLM-VL MTM 안테나와 달리, 여기서는 최저 LH 공진이 1.3 GHz 근처에서 생성되며, 2개의 RH 공진이 2.8 GHz와 3.8 GHz 근처에서 생성된다. 높은 RH 공진은 WiFi, WiMax를 모두 커버하는 광대역을 생성하며, 최저 LH 공진은 예컨대 GPS를 커버하는데 사용될 수 있다.

도 26(a) 및 26(b)는 도 24(a) 내지 24(d)에 도시된 연장된 접지부 (2440)를 갖는 디자인에 기초하여 제조된 TLM-VL 안테나의 사진을 보여준다. 이 안테나에서 측정된 리턴 로스가 도 27에 도시되는데, 도 25의 시뮬레이션 결과와 유사한 경향을 보여준다.

도 28(a) 내지 28(d)는 1 셀 SLM MTM 안테나의 다른 예를 제공하는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 상부 층의 평면도와 하부 층의 평면도이다. 이 안테나는 특히 쿼드밴드(quad-band) 휴대폰 장치용 쿼드밴드(quad-band) 공진을 생성하도록 디자인되며, 기판 (2832)의 2 면에 형성된 2개의 상부 및 하부 금속화 층을 사용하여 형성된다. 이 안테나는 다양한 부품을 형성하도록 패터닝된 상부 금속화 층에 형성된다.

도 28 (c)을 참조하면, 상기 상부 금속화 층은 상부 접지 전극 (2824), 상기 상부 접지 전극 (2824)의 갭에 형성된 CPW 피드 (2820), 상기 CPW 피드 (2820)에 접속된 피드 라인 (2816), 상기 피드 라인 (2816)에 접속된 론치 패드 (2804), 커플링 갭 (2828)에 의해 상기 론치 패드 (2804)로부터 이격된 셀 패치 (2808), 상기 셀 패치 (2808)를 상기 상부 접지 전극 (2824)에 접속시키는 비아 라인 (2812)을 포함하도록 패터닝된다. 상기 안테나는 50Ω의 특성 임피던스를 갖도록 구성될 수 있는 접지 CPW 피드 (2820)에 의해 급전된다. 피드 라인 (2816)은 상기 CPW 피드 (2820)를 상기 론치 패드 (2804)에 접속시킨다. PCB 홀 (2840)과 PCB 부품 (2844)의 위치가 참조를 위해 도 28(a) 내지 28(d)에 도시된다.

도 28(d)를 참조하면, 상기 하부 금속화 층은 하부 접지 전극 (2825), 상기 하부 접지 전극 (2825)으로부터 연장된 동조 금속 스텁 (2836) 및 하나 이상의 PCB 부품들 (2844)를 포함하도록 패터닝된다. 이 하부 금속화 층의 패턴은 셀 패치 (2808) 하부에 금속이 없는 영역을 제공한다.

이 예에서, 피드 라인 (2816)은 0.5 mm x 14mm이다. 론치 패드 (2804)는 총 0.5 mm x 10mm이다. 셀 패치 (2808)은 0.1 mm (4mil)의 커플링 갭 (2828)에 의해 상기 론치 패드 (2804)에 용량적으로 결합된다. 상기 셀 패치 (2808)는 한쪽 모서리에 컷 아웃을 가지며 4mm x 20mm이다. 상기 셀 패치 (2808)는 비아 라인 (2812)에 의해 접지 전극 (2824)에 단락된다. 비아 라인의 폭은 0.3 mm (12mil)이며, 두번의 벤드 (bend)를 가지며 총 길이는 27 mm이다. 상기 접지 전극 (2824)이 모양은 최적화되며 셀룰러 대역 (890-960 MHz)과 PCS/DCD 대역 (1700-2170 MHz)에서의 보다 좋은 매칭을 위해 동조 스텁 (2836)을 포함한다. 상기 안테나는 17mm x 24mm 영역을 커버한다. 보통, 고주파수에의 매칭은 상부 접지 전극 (2824)를 론치 패드 (2804)에 근접시킴으로써 개선될 수 있다. 한편, 이 예에서는 동조 스텁 (2836)으로 표시된 것처럼, 하부 층의 론치 패드 근처에 접지가 부가된다. 동조 스텁 (2836)의 크기는 2.7mm x 17mm이다. 이 기판은 유전 상수 4.4를 갖는 표준 FR 4 물질이다.

HFSS EM 시뮬레이션 소프트웨어가 안테나 성능을 시뮬레이션 하기 위해 사용된다. 그 외에 측정에 의해 몇몇 샘플들이 제조되고 특징 지워진다. 시뮬레이트된 리턴 로스가 도 29 (a)에 도시되는데, 이것은 셀룰러 및 PCS/DCD 대역 모두에서 좋은 매칭을 보인다. 이 그림의 4개의 대표적인 포인들은: 포인트 1= (0.94 GHz, -2.94dB),포인트 2= (1.02 GHz, -6.21dB), 포인트 3= (1.75 GHz, -7.02dB)과 포인트 4= (2.20 GHz, -5.15dB)이다. 시뮬레이트된 입력 임피던스가 도 29(b)에 도시되어 있다.

제조된 안테나에 대해 측정된 효율은 도 30(a), 30(b)에 도시되는데, 이 도면들은 각각 셀룰러 및 PCS/DCD 대역 효율에 상응한다. 상기 안테나는 셀룰러 대역의 52%에서, PCS/DCD 대역의 78%에서 피크를 이루는 고효율이다.

핸드폰과 휴대용 장치는 소형화의 경향을 보이며, 따라서 복잡한 전자기 속성을 가질 수 있는데 이로 인해 안테나 통합을 어렵게 한다. 장치 내부에서 안테나의 안정된 동작을 가능하게 하도록 현재의 구현예에서 안테나의 개선이 이루어질 수 있다.

도 31은 도 28(a) 내지 28(d)의 SLM MTM 안테나에 기초하여 변경된 SLM MTM 안테나의 한 예를 도시한다. 상부 금속화 층이 상부 접지 전극 (3124), CPW 피드 (3120), 피드 라인 (3116), 연장된 론치 패드 (3152), 셀 패치 (3108), 연장된 셀 패치 (3148) 및 상기 셀 패치 (3108)와 상기 상부 접지 전극 (3124)을 접속시키는 비아 라인 (3112)를 포함하도록 패터닝된다. 제 1 변형은 안테나 임피던스의 용량성 부품을 개선하는 연장된 론치 패드 (3148)를 제공하는 론치 패드의 크기를 증가시키는 것이다. 이것은 스미스 챠트 (Smith Chart)의 루프를 길게 만들며 자유 공간에서는 의도적으로 안테나를 미스 매칭한다. 안테나가 장치 안에 통합되면, 그 주변 부품들의 로딩 때문에 루프가 준다. 따라서 통합되었을 때, 이러한 방법이 안테나가 더 잘 매치되게 한다. 제 2 변형은 L 형태의 연장된 셀 패치 (3148)을 셀 패치 (3108)에 부가하는 것이다. 이것은 커플링 갭 (3128)의 길이의 증가에 따라 상기 연장된 셀 패치 (3148)와 상기 셀 패치 (3108) 간의 용량성 커플링을 증가시키며, 이로 인해 저대역의 공진 주파수가 감소된다.

도 31의 장치의 다른 동조 변수는 상부 금속화 층의 상기 비아 라인 (3112)와 상기 상부 접지 전극 (3124) 간의 컨택 포인트 (3114)이다. 상기 컨택 포인트 (3114)는 높은 대역에서는 미스 매칭을 증가시키며 낮은 대역에서는 매칭을 개선하도록 피드 라인 (3116)에 더 가까이 이동할 수 있다. 상기 컨택 포인트 (3114)가 상기 피드 라인 (3116)으로부터 멀어지면 반대의 효과가 나타난다. 하부 금속화 층의 PCB 홀 (3140)과 PCB 부품 (3144)의 위치가 도 31에 참조를 위해 도시된다.

전술한 변경을 가진 안테나가 제조되었다. 상기 안테나의 측정된 효율이 도 32(a) 및 32(b)에 도시된다. 상기 안테나는 셀룰러 대역의 51%에서, PCS/DCD 대역의 74%에서 피크를 이루는 고효율이다. 안테나 주변의 클리어런스 (clearance) 감소 효과를 분석하기 위해 도 31의 접지 전극이 안테나 셀 밑의 측변 상으로 연장된다. 도 33(a) 및 33(b)가 각각 셀룰러 대역 및 PCS/DCD 대역에서 효율성에 미치는 효과를 도시한다. 이 도면으로부터 안테나 성능이 접지의 연장에 영향을 받음을 알 수 있다.

도 34(a) 내지 34(d)는 휴대폰 어플리케이션을 위한 쿼드 밴드 TLM-VL MTM 안테나를 도시하는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 상부 층의 평면도와 하부 층의 평면도 이다. 이 TLM-VL MTM 안테나는 상부 층에 론치 패드 (3404) 및 셀 패치 (3408)를 포함하며, 상기 셀 패치 (3408)을 상부 접지 전극 (3424)에 접속시키는 비아 라인이 없다. 하부 금속화 층에서, 이 TLM-VL MTM 안테나는 하부 트런케이티드 접지 (3436) 및 상기 트런케이티드 접지 (3436)를 하부 접지 전극 (3425)에 접속시키는 비아 라인 (3412)을 포함한다. 상기 안테나는 상기 상부 접지 전극 (3424)에 형성된 접지된 CPW 피드 (3420) 및 상기 CPW 피드 (3420)를 상기 론치 패드 (3404)에 접속시키는 피드 라인 (3416)에 의해 급전된다. 이 피드는 50Ω의 특성 임피던스를 갖도록 구성될 수 있다. 하부 금속화 층의 PCB 홀 (3440)과 PCB 부품 (3444)의 위치가 도 34에 참조를 위해 도시된다.

이 디자인의 한 구현 예에서, 상기 피드 라인 (3416)은 매칭 목적을 위해 2개의 섹션으로 구성된다. 제 1 섹션은 1.2mm x 17.3mm이고, 제 2 섹션은 0.7mm x 5.23mm이다. L 형상의 론치 패드 (3404)가 상기 셀 패치 (3408)에 충분한 커플링을 제공하고, 보다 나은 임피던스 매칭을 제공하기 위해 이용된다. 상기 L 형상의 론치 패드 (3404)의 하나의 암(arm)은 1mm x 5.6mm이고 다른 암은 0.4mm x 3.1mm이다. 상기 셀 패치 (3408)는 긴 암에는 0.4mm의 갭을, 짧은 암에는 0.2mm의 갭을 가지면서 상기 론치 패드 (3404)에 용량적으로 접속되어 있다. 상기 셀 패치 (3408)는 5.4mm x 15mm이고, 상기 하부 트런케이티드 접지 (3436)은 5.4mm x 10.9mm이다. 상기 셀 패치 (3408) 하부에 상기 하부 트런케이티드 접지 (3436)가 존재하기 때문에 션트 커패시터 CR이 유도된다. 상기 하부 트런케이티드 접지 (3436)를 상기 하부 접지 전극 (3425)에 접속시키는 비아 라인 (3412)이 도 21(b)에 도시된 바와 같이 CR과 직렬 연결된 인덕턴스 (Lp)를 유도한다. 상기 구조 안에 바이어스가 포함되지 않음으로 인해 션트 인덕터 LL은 무시할 정도이다. 도 21(b)에서 기호 LL은 분석 2에서처럼 LL+Lp를 나타낸다. 비아 라인의 크기는 0.3mm x 40.9mm이다. 상기 비아 라인의 루트는 셀룰러 대역 (824-960 MHz)과 PCS/DCD 대역 (1700-2170 MHz)에 매치 되도록 최적화된다. 상기 안테나는 15.9mm x 22mm 영역을 커버한다. 이 기판은 유전 상수 4.4를 갖는 표준 FR 4 물질이다.

표 3은 이 예의 TLM-VL 안테나 구조의 소자들의 요약이다.

매개변수	설명		위치
안테나 소자	각 안테나 소자는 론치 패드 (3404) 및 피드 라인 (3416)에 의해 50Ω의 CPW 피드(3420)에 접속된 셀을 포함한다. 상기 론치 패드 (3404) 및 피드 라인 (3416)은 기판 (3432)의 상부 층에 위치한다.
피드 라인	상기 50Ω CPW 피드(3420)를 상기 론치 패드(3404)와 접속시킨다.		상부층
론치 패드	셀 패치 (3408)을 상기 피드 라인 (3416)에 접속하며, L 형상이다. 상기 론치 패드(3404)와 셀 패치 (3408) 사이에는 커플링 갭 (3428)이 있다.		상부층
셀	상부 셀 패치	장방형	상부층
	하부 트런케이티드 접지	장방형	하부층
	비아 라인	상기 하부 트런케이티드 접지 (3436)을 하부 접지 전극 (3425)와 접속시킨다.	하부층

HFSS EM 시뮬레이션 소프트웨어가 안테나 성능을 시뮬레이션 하기 위해 사용된다. 시뮬레이트된 리턴 로스가 도 35 (a)에 도시되는데, 이것은 셀룰러 및 PCS/DCD 대역 모두에서 좋은 매칭을 보인다. 시뮬레이트된 입력 임피던스가 도 35(b)에 도시되어 있다.

상기 MTM 구조의 예에서 각 단위 셀은 하나의 위치에 위치하는 단일 셀 패치를 구비한다. 어떤 구현 예에서는 셀 패치가 "연장된" 셀 패치를 유발하도록 상호 연결된 다른 위치들에 적어도 2 개의 금속 패치를 포함할 수 있다.

도 36(a) 내지 36(d)는 세미 단일층 구조를 갖는, 펜타 밴드 (penta-band) MTM 안테나를 도시하는데, 각 도면은 3D 도면, 측면도, 상부 층의 평면도 및 하부 층의 평면도이다. 이 디자인에서는 셀이 각각 상부 및 하부 금속화층에 형성되며 도전 비아에 의해 접속되어 있는 2개의 금속 패치를 포함한다. 2개의 금속 패치 중, 상부 층의 셀 패치 (3608)가 하부층의 연장된 셀 패치 (3644) 보다 크기에 있어 더 크며, 따라서 이것이 메인 셀 패치이다. 상기 하부층의 연장된 셀 패치 (3644)는 접지 전극에 접속되어 있지 않다. 상부 층, 즉 셀 패치 (3608)와 동일 층에 비아 라인 (3612)가 형성되어 상기 셀 패치 (3608)를 상기 상부 접지 전극 (3624)에 접속시킨다. 그 자체로, 상기 상부 접지 전극 (3624)은 상기 셀 패치 (3608)를 위한 접지 전극이다. 따라서, 이 장치는 하부층에 셀을 위한 하부 트런케이티드 접지를 갖지 않는다. 이런 이유로, 이 디자인은 "세미 단일층 구조"이다.

보다 상세하게, 이 MTM 안테나는 멘더 라인 (meander line: 3652)이 부가된 론치 패드 (3604)와 셀 패치 (3608)을 갖는데, 이 모든 것들은 다 상부층에 존재한다. 상기 셀 패치 (3608)는 상부층의 상기 셀 패치 (3608)와 하부층의 셀 패치 연장부 (3644)를 접속시키는 하나 이상의 비아 (3648)을 사용하여 하부 층의 셀 패치 연장부 (3644)까지 연장된다. 론치 패드 (3604)도 상부층의 상기 론치 패드 (3604)와 하부층의 셀 패치 연장부 (3644)를 접속시키는 하나 이상의 비아 (3640)을 사용하여 하부 층의 론치 패드 연장부 (3636)까지 연장된다. 하부 층의 상기 론치 패드 연장부 (3636)는 연장된 론치 패드 (3636)로 불릴 수도 있고 하부 층의 상기 셀 패치 연장부 (3644)도 연장된 셀 패치 (3644)로 불릴 수 있다. 각 비아들은 도면에서 론치 패드 커넥팅 비아 (3640)와 셀 커넥팅 비아 (3648)로 지칭된다. 이 연장부들은 성능 레벨을 유지하면서 공간 요구에 맞출도록 만들어질 수 있다.

도 36(c)는 상부층과 겹쳐지는 하부층을 도시한다. 도 36(d)는 하부층과 겹쳐지는 상부층을 도시한다.

상기 안테나는 50Ω의 특성 임피던스를 갖도록 구성될 수 있는 접지 CPW 피드 (3620)에 의해 급전된다. 피드 라인 (3616)이 CPW 피드 (3620)와 론치 패드 (3604)를 접속하는데, 이것은 부가된 멘더 라인 (3652)를 갖는다. 상기 셀 패치 (3608)은 다각형 형상이며 커플링 갭 (3628)에 의해 상기 론치 패드 (3604)에 용량적으로 결합된다. 상기 셀 패치 (3608)는 피드 라인 (3612)에 의해 상부 층의 상부 접지 전극 (3624)에 단락된다. 상기 비아 라인 루트는 매칭을 위해 최적화된다. 기판 (3632)은 적절한 유전 물질, 예컨대, 유전 상수 4.4의 FR 4 물질로 제조될 수 있다.

표 4는 이 예의 세미 단일층 펜타 밴드 안테나 구조 소자들의 요약이다.

매개변수	설명		위치
안테나 소자	각 안테나 소자는 피드 라인 (3616) 및, 론치 패드 (3604) 에 의해 50Ω의 CPW 피드(3620)에 접속된 셀을 포함한다. 상기 론치 패드 (3604) 및 피드 라인 (3616)은 기판 (3632)의 상부 층에 위치한다.
피드 라인	상기 50Ω CPW 피드(3620)를 상기 론치 패드(3604)와 접속시킨다.		상부층
론치 패드	셀 패치 (3608)을 커플링 갭 (3628)에 의해 상기 피드 라인 (3616)에 접속되며, L 형상이다. 멘더 라인 (3652)가 상기 론치 패드(3604)에 부가되어 있다.		상부층
멘더 라인	상기 론치 패드(3604)에 부가되어 있다.
연장된 론치 패드	상기 론치 패드 (3604)의 연장인 장방형의 패치		하부층
론치 패드 커넥팅 비아	상부층의 상기 론치 패드 (3604)를 하부층의 연장된 론치 패드 (3636)에 연결하는 비아
셀	셀 패치	다각형 모양	상부층
	연장된 셀 패치	상기 셀 패치 (3608)의 연장인 장방형의 패치	하부층
	비아 라인	셀 패치를 상부 접지 전극 (3624)와 접속하는 라인	상부층
	셀 커넥팅 비아	상부층의 상기 셀 패치 (3608)을 하부층의 연장된 셀 패치 (3644)와 접속시킨다.

HFSS EM 시뮬레이션 소프트웨어가 안테나 성능을 시뮬레이션 하기 위해 사용된다. 시뮬레이트된 리턴 로스가 도 37 (a)에 도시되며, 시뮬레이트된 입력 임피던스가 도 37(b)에 도시되어 있다. 이 도면에 의해 증명되는 바와 같이, 이 예에서는 약 800 MHz에서 LH 공진이 나타난다.

펜타 밴드 MTM 안테나는 단일 층에 기초하여 구축될 수 있다. SLM 펜타 밴드 MTM 안테나의 한 예가 도 38에 도시되는데, 이 도면은 상부층의 평면도를 보여준다. 이 도면에는 CPW 피드와 CPW 접지가 생략되어 있다.

하나의 예시적 구현 예의 다양한 변수들의 예가 이하에 제공된다. 상기 론치 패드 (3804)는 10.5mm x 0.5mm 크기의 장방형이다. 상기 피드 라인 (3816)은 CPW 피드로부터 상기 론치 패드 (3804)로 전력을 공급하며 10mm x 0.5mm 크기이다. 상기 론치 패드 (3804)는 상기 셀 패치 (3808)에 용량적으로 결합되는데, 상기 셀 패치는 32mm x 3.5mm 크기이다. 커플링 갭 (3828)은 폭 0.25mm이다. 상기 셀 패치 (3808)의 코너에는 2개의 컷 아웃 (cutout)이 있다. 제 1 컷 아웃은 론치 패드 근처에 있으며, 10.5mm x 0.75mm 크기이다. 제 2 컷 아웃은 상기 셀 패치 (3808)의 상부 코너 근처에 있으며, 4.35mm x 0.75mm 크기이다. 상기 제 2 컷 아웃은 성능에 중요하지 않지만 본 어플리케이션을 위한 제품의 테두리 아웃 라인에 맞는 형상을 갖는다. 비아 라인 (3812)은 상기 셀 패치 (3808)를 상기 CPW 접지에 접속시킨다. 상기 비아 라인 (3812)의 폭은 0.5mm이다. 상기 비아 라인 (3812)의 총 길이는 45.9mm이다. 상기 비아 라인은 상기 셀 패치 (3808)로부터 상기 CPW 접지 방향으로 각각 0.4mm, 23mm, 3.25mm, 8mm, 1.5mm, 8mm와 1.75mm 길이의 7개의 세그먼트(segment)를 갖는다.

상기 비아 라인 (3812)의 루팅 (routing)이 도 38에 도시된다. 한 구현예에서 상기 비아 라인 (3812)은 상기 피드 라인 (3816)으로부터 1mm 떨어진 곳의 CPW 접지 상에서 끝난다.

도 39는 SLM 펜타 밴드 안테나의 다른 예를 도시한다. 상부층의 평면도만이 도시되며 이 도면에 CPW 피드와 CPW 접지는 생략되어 있다. 멘더 라인 (3952)이 론치 패드 (3904)에 부가되어 있다. 이 예에서 멘더 라인의 총 길이는 84.8mm이다. 나머지 구조는 도 38에 도시된 구조와 동일할 수 있다.

도 38에 도시된 SLM 펜타 밴드 안테나 (멘더 라인 없는)는 2개의 별개의 대역을 창출하는데, 이는 도 40의 십자가 표시된 선으로 도시된 시뮬레이트된 리턴 로스가 증명하는 바다. 낮은 대역은 쿼드 밴드 휴대폰 장치를 충족시키기에 충분한 대역폭을 갖지만 펜타 밴드 휴대폰을 위한 요구를 충족시키기에는 너무 좁다. 멘더 라인 (3952)를 갖는 SLM 펜타 밴드 안테나가 도 39에 도시된 바와 같이, 대역폭을 증가시키는데 이용될 수 있다. 멘더 라인 (3952)의 길이는 LH 공진보다 높지만 이에 근접한 주파수에서 공진하도록 조정된다. 결과로 얻게 되는 2 모드의 대역폭은 824MHz에서 960MHz 범위의 낮은 대역을 커버하기에 충분한데, 이는 도 40의 사각형 표시된 선으로 도시된 시뮬레이트 된 리턴 로스로부터 알 수 있다. 이 특정 예에서는 상기 멘더 라인 (3952)이 낮은 대역에서 추가 모드를 생성하기 위해 사용되었지만 필요하다면 보다 짧은 멘더 라인 길이로, 높은 대역을 증가시키기 위해서 사용될 수 있다. 나아가, 나선형의 다층 멘더 라인이나 이것들의 결합을 추가 모드를 도입하기 위해 사용하는 것이 가능하다.

표 5는 멘더 라인을 갖는 SLM 펜타 밴드 MTM 안테나 구조 소자들의 요약이다.

매개변수	설명		위치
안테나 소자	각 안테나 소자는 피드 라인 (3916) 및, 론치 패드 (3904) 및 에 의해 50Ω의 CPW 피드(3920)에 접속된 셀을 포함한다. 상기 론치 패드 (3904) 및 피드 라인 (3916)은 기판의 상부 층에 위치한다.
피드 라인	상기 50Ω CPW 피드(3920)를 상기 론치 패드(3904)와 접속시킨다.		상부층
론치 패드	커플링 갭 (3928)에 의해 셀 패치 (3908)에 접속하며, 장방형이다. 멘더 라인 (3952)가 상기 론치 패드(3904)에 부가되어 있다.		상부층
멘더 라인	상기 론치 패드(3904)에 부가되어 있다.		상부층
셀	셀 패치	다각형 모양	상부층
	비아 라인	셀 패치 (3908)을 상부 접지 전극과 접속한다	상부층

도 41은 1mm FR4 보드에 기초하여 제조되며, 도 39의 멘더 라인을 갖는 SLM 펜타 밴드 MTM 안테나의 안테나의 원형의 사진을 보여준다. 도 42는 상기 원형의 측정된 리턴 로스를 도시한다. 이 안테나는 낮은 대역에서는 대역폭 240MHz (760MHz -1000MHz)의 높은 대역에서는 대역폭 600MHz의 -6dB의 리턴 로스를 갖는다.

각각 낮은 대역 및 높은 대역에 대해 측정된 효율이 도 43(a) 및 43(b)에 도시되어있다. 낮은 대역에서는 피크 효율이 66%이고, 높은 대역에서는 거의 일정한 효율 60%가 달성된다.

현실의 많은 상황에서는 안테나 구조 트레이스 (trace)의 확실한 루팅 (routing)을 필요로 하는 공간의 제한이 있다. 구조 내에 포함된 인덕턴스와 커패시턴스를 증가시키는 커패시터나 인덕터와 같은, 집중 회로 소자를 사용함으로써 보다 컴팩트해질 수 있다. 도 44, 45, 46은 도 39의 멘더 라인을 갖는 SLM 펜타 밴드 MTM 안테나가 사용된 디자인 예를 도시한다.

도 44에서는 론치 패드 (3904) 및 셀 패치 (3908) 간의 커패시턴스가 집중 커패시터 (4410)을 사용함으로써 강화된다. 이 예에서, 상기 론치 패드 (3904) 및 상기 셀 패치 (3908) 간의 갭은 0.25mm에서 0.4mm로 증가하는데, 감소된 커패시턴스는 추가된 0.3pF의 집중 커패시턴스에 의해 보상된다. 갭을 증가시키는 대신, 갭의 길이가 감소될 수 있으며, 감소된 커패시턴스는 추가된 집중 커패시턴스에 의해 보상된다.

도 45에서, 집중 인덕터 (4510)가 비아 라인 트레이스에 추가된다. 비아 라인 (3912)의 길이가 24mm 줄지만 감소된 인덕턴스는 단락된 비아 라인 (3912) 때문에 10nH의 추가된 집중 인덕턴스에 의해 보상된다.

도 46에서는, 집중 인덕터 (4610)가 추가되며 멘더 라인 (3952)의 길이가 감소한다. 이 예에서, 상기 인덕터 (4610)는 멘더 라인 (3952)과 상기 론치 패드 (3904)의 교차점에 결합된다. 상기 인덕터 (4610)를 사용하여 23nH의 인덕턴스가 추가됨으로써, 도 40에 도시된 것과 동일한 낮은 공진을 얻기 위해 필요한 인쇄 멘더 라인 (3952)이 84.8mm에서 45.7mm로 줄어든다.

집중 소자들은 방사하지 않기 때문에, 안테나 방사 효율에 대한 영향을 최소화하는, 방사가 적은 곳에 집중 소자들이 위치할 수 있다. 예컨대, 멘더 라인의 처음이나 끝에 상기 인덕터 (4610)을 추가함으로써 멘더 라인과 동일한 공진을 얻는 것이 가능하다. 하지만, 인덕터 (4610)를 멘더 라인의 끝에 부가하는 것은 방사 효율에 심각하게 감소할 수 있는데, 왜냐하면 멘더 라인의 끝은 가장 높은 방사를 갖기 때문이다. 이 집중 소자 테크닉이 소형화를 더 촉진하기 위해 결합될 수 있다는 것을 명심해야 한다.

도 47은 전술한 집중 소자가 탑재된 SLM 펜타 밴드 MTM 안테나의 시뮬레션 결과를 도시한다. 이 도면에서 입증되는 것처럼, 전술한 탑재 기술로 도 40의 대역 및 대역폭과 유사한 값을 얻을 수 있다.

지금까지 설명된 SLM 또는 TLM-VL MTM 안테나 예에서는, 론치 패드와 셀 패치 간의 용량성 결합을 위한 결합 구조가 평면적인 방법으로 구현된다, 즉, 상기 론치 패드와 셀 패치 양자가 동일 층 상에 위치하며, 따라서 이 양자간의 커플링 갭이 동일 평면에 형성된다. 하지만, 커플링 갭이 수직적으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 론치 패드와 셀 패치 양자가 다른 층에 위치할 수 있으며, 이로 인해 양자간에 수직적인, 비 평면적인 (non-planar) 커플링 갭이 형성된다.

셀 패치와 론치 패드가 다른 층에서 수직적으로 결합되는 3 층 MTM 안테나의 한 예가 48(a) 내지 48(f)에 도시되어 있는데, 각 도면은 3D 도면, 상부 층의 평면도, 중간층의 평면도, 하부 층의 평면도, 상부층과 중간층이 겹쳐진 평면도와 측면도이다. 도 48(f)에 도시된 것처럼, 이 3 층 MTM 안테나 구조는 3개의 금속화 층을 제공하도록 적층되어 있는 상부 기판 (4832) 및 하부 기판 (4833), 상기 상부 기판 (4832)의 상부면 상의 상부층, 상기 2개의 기판 (4832,4833) 사이의 중간층과 상기 하부 기판 (4833)의 하부면 상의 하부층을 포함한다. 한 구현예에서, 상기 중간층은 30mil (0.76mm), 하부층은 1mm일 수 있다. 2 층 구조에서처럼 전체에 걸쳐 1mm 두께가 유지된다.

상부층은 CPW 피드 (4820)을 론치 패드 (4804)에 접속시키는 피드 라인 (4816)을 포함한다. 상기 CPW 피드 (4820)는 상부 접지 전극 (4824) 및 하부 접지 전극 (4825)을 구비하는 CPW 구조 내에 형성될 수 있다. 상기 피드 라인 (4816)과 론치 패드 (4804) 양자는 장방형이며 각각 6.7mm x 0.3mm, 18mm x 0.5mm 크기를 갖는다. 중간층은 L 형상의 셀 패치를 포함하는데, 한 구현예에서 상기 셀 패치는 6.477mm x 18.4mm 크기의 일 섹션과 6.0mm x 6.9mm 크기의 타 섹션을 가질 수 있다. 수직 커플링 갭 (4852)이 상기 상부층의 상기 론치 패드 (4804)와 상기 중간층의 셀 패치 (4808) 사이에 형성된다. 하부 기판에 비아 (4840)가 형성되어 상기 중간층의 상기 셀 패치 (4808)를 비아 패드 (4844)를 통해 상기 하부층의 비아 라인 (4812)에 접속시킨다. 상기 하부층의 상기 비아 라인 (4812)은 도 48 (d)에 도시된 것처럼, 2번 꺽인 후 하부 접지 전극 (4825)에 단락된다.

도 49 (a)에 수직 결합을 갖는 3 층 MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스가 도시되는데, -6dB 리턴 로스에서 2 개의 대역을 보여준다: 0.925 내지 0.99 GHz에서 낮은 대역, 1.48 내지 2.36 GHz에서 높은 대역이 그것이다.

도 49 (b)에 수직 결합을 갖는 3 층 MTM 안테나의 시뮬레이트된 입력 임피던스가 도시된다. 개괄적으로 동작 주파수 대역에서 완전한 50Ω 매칭이 실수 (Zin) = 50Ω와 허수 (Zin) =0에 상응하는데, 이것은 CPW 피드와 안테나 간의 좋은 에너지 전달을 의미한다. 도 49 (b)는 낮은 대역 (LH 모드)에서는 950 MHz 근방에서, 높은 대역 (RH 모드)에서는 1.8 GHz 근방에서 좋은 매칭이 이루어진다는 것을 보여준다.

전술한 수직 결합을 갖는 3 층 MTM 안테나는 비아 없이 2개 층만을 갖도록 변형될 수 있다. 수직 결합을 갖는 TLM-VL MTM 안테나의 한 예가 50(a) 내지 50(c)에 도시되어 있는데, 각 도면은 3D 도면, 상부 층의 평면도, 하부 층의 평면도이다. 이 TLM-VL MTM 안테나는 상부층 상의 론치 패드 (5004)와 하부층 상의 셀 패치 (5008)를 포함한다. 피드 라인 (5016)이 상기 론치 패드 (5004)와 상기 상부층의 상부 접지 전극 (5024)에 형성된 CPW 피드 (5020)를 접속시킨다. 수직 커플링 갭 (5052)이 상부층의 상기 론치 패드 (5004)와 하부층 상의 셀 패치 (5008) 상에 형성된다. 3층 안테나와 달리, 이 TLM-VL MTM 안테나는 상기 셀 패치 (5008)와 동일한 하부층에 비아 라인 (5012)을 가지며, 상기 셀 패치 (5008)를 직접 하부 접지 전극 (5025)에 접속시킨다.

수직 결합을 갖는 TLM-VL MTM 안테나의 시뮬레이트된 리턴 로스가 도 51(a)에 도시되어 있는데, 이 도면은 낮은 대역과 높은 대역을 보여준다. 도 49(a)와 51(a)를 비교하면, 높은 밴드의 대역폭이 3층 안테나의 대역폭보다 좁다는 것을 알 수 있다.

수직 결합을 갖는 TLM-VL MTM 안테나의 시뮬레이트된 입력 임피던스가 도 51(b)에 도시되어 있는데, 낮은 대역 (LH 모드)에서는 950 MHz 근방에서 좋은 매칭이 이루어지지만, 높은 대역 (RH 모드)에서는 좋은 매칭이 이루어지지 않는다는 것을 보여준다.

상기 예에 기초해서, 다양한 CRLH MTM 구조들이 구축될 수 있다. 하나의 예가 제 1 면 및 제 2의 다른 면을 갖는 유전체 기판: 상기 기판에 형성된 왼손오른손 혼합형 (CRLH) 메타 물질 구조를 포함하는 메타 물질 장치이다. 이 구조는 상기 제 1 면 상의 접지 전극; 상기 제 1 면 상에 상기 접지 전극과 이격된 셀 패치; 상기 셀 패치와 상기 접지 전극을 결합하는 비아 라인; 갭에 의해 상기 셀 패치에 전자기적으로 결합되고 상기 제 1 면 상에 형성되며, 셀 패치로/로부터의 신호를 향하게 하는 피드 라인을 포함한다.

하나의 구성에서, 이 구조는 제 2 면 상의 셀 패치 연장부 및 상기 기판을 관통하며, 제 1 면 상의 셀 패치를 상기 제 2 면 상의 상기 셀 패치 연장부에 접속시키는 도전 비아를 포함한다. 다른 구성에서, 이 구조는 상기 제 1 면상에 형성되며 상기 피드 라인과 상기 셀 패치 사이에 위치하는 론치 패드를 더 포함한다. 상기 론치 패드는 상기 셀 패치로부터 이격되며 전자기적으로 결합되고 상기 피드 라인에 접속된다. 론치 패드 연장부가 상기 제 1 면에 형성되며 상기 제 1 면 상의 상기 셀 패치를 상기 제 2 면 상의 상기 셀 패치 연장부에 접속시키는 도전 비아를 포함한다.

메타 물질 장치의 다른 예는 제 1 면 및 제 2의, 다른 면을 갖는 유전체 기판 상에 형성된 CRLH MTM 구조이다. 이 MTM 구조는 상기 제 1 면 상의 셀 패치; 상기 제 1 면에 위치하며 상기 셀 패치로부터 이격된 상부 접지 전극; 상기 셀 패치에 접속된 제 1 단부와 상기 상부 접지 전극에 접지된 제 2 단부를 갖는, 제 1 면 상의 상부 비아 라인; 상기 제 1 면에 형성되며 상기 제 1 면의 상기 셀 패치 하부에 놓이는 하부 셀 접지 전극을 포함한다. 상기 하부 셀 접지 전극 기판을 관통하는 도전 비아에 의해 상기 셀 패치에 직접 접속되지 않는다. 이 MTM 구조는 상기 제 2 면에 하부 셀 접지 전극과 이격되어 있는 하부 접지 전극; 상기 하부 셀 접지 전극에 접속된 제 1 단부와 상기 하부 접지 전극에 접지된 제 2 단부를 갖는, 제 2 면 상의 하부 비아 라인; 갭에 의해 상기 셀 패치에 전자기적으로 결합되며 상기 셀 패치로부터 이격되어 상기 제 1 면 상에 존재하는 론치 패드; 및 상기 론치 패드에 접속되어 상기 셀 패치로/로부터 신호를 향하게 하는 피드 라인을 포함한다. 상기 제 2면에는 상기 제 1 면 상의 상기 셀 패치 하부에는 금속화 영역이 없다.

이 명세서가 많은 세부사항들을 포함하지만, 이것들은 발명의 범위나 청구되는 것의 제한으로 이해되어서는 안 되며 발명의 특정 실시예를 특정하는 특징들로 이해되어야 한다. 개별 실시예들의 맥락에서 이 명세서에 기술된 어떤 특징들은 하나의 실시예로 결합될 수 있다. 반대로, 단일 실시예의 맥락에서 기술된 다양한 특징들이 복수의 실시예들에서 개별적으로 또는 적절한 하부 결합으로 구현될 수 있다. 나아가, 특징들이 특정 결합에서 동작하는 것으로 전술되어 최초에는 그 자체로 청구되었다 할지라도, 청구된 결합으로부터 하나 이상의 특징들이 때에 따라 이 결합으로부터 제거되고, 청구된 결합이 하부 결합을 향하거나 하부 결합의 변형을 이룰 수 있다.

단지 몇 개의 구현예들이 개시되었을 뿐이지만, 변형 및 발전이 이루어질 수 있음은 자명하다.

Claims

접지 전극;
셀 패치;
상기 셀 패치와 용량적으로(capacitively) 결합된 피드 구조; 및
상기 셀 패치를 상기 접지 전극과 결합시키는 비아 라인(via line)을 포함하며, 상기 비아 라인과 상기 셀 패치는 제 1 금속화 층상에 형성되는, 왼손오른손 혼합형(Composite Right-Left Handed: CRLH) 안테나 장치.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 금속화 층과 제 2 금속화 층을 지지하는 기판을 더 포함하며,
상기 제 1 금속화 층은 상기 기판의 상부면상에 형성되고,
상기 제 2 금속화 층은 상기 기판의 하부면상에 형성되는, CRLH 안테나 장치.
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제 2항에 있어서, 상기 피드 구조에 결합된 론치 패드 (launch pad)를 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
제 4항에 있어서, 상기 제 1 금속화 층상에 형성되며 상기 피드 구조와 접속되는 멘더 라인 (meander line)을 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
제 5항에 있어서, 상기 제 1 금속화 층상에 형성되며 상기 론치 패드와 접속되는 연장된 론치 패드 (extended launch pad)를 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
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제 5항에 있어서, 상기 제 2 금속화 층상에 형성되며 하나 이상의 비아를 통해 상기 멘더 라인에 결합된, 연장된 론치 패드를 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
제 8항에 있어서, 상기 제 2 금속화 층상에 형성되며 복수의 비아를 통해 상기 셀 패치에 결합된, 연장된 셀 패치를 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
제 4항에 있어서, 상기 접지 전극과 접속되는 동조 스텁 (tuning stub)을 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
제 4항에 있어서, 상기 론치 패드와 상기 셀 패치 사이에 접속된 집중 커패시터를 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
제 4항에 있어서, 상기 비아 라인에 추가된 (added) 집중 인덕터를 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
제 5항에 있어서, 상기 멘더 라인과 상기 피드 구조 사이에 결합된 집중 인덕터를 더 포함하는, CRLH 안테나 장치.
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제 1항에 있어서, CRLH 구조는 적어도 2개의 상이한 파장에서 공진하도록 구조화 되는, CRLH 안테나 장치.
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접지 전극을 형성하는 단계;
셀 패치를 형성하는 단계;
상기 셀 패치와 용량적으로(capacitively) 결합된 피드 구조를 형성하는 단계; 및
상기 셀 패치를 상기 접지 전극에 결합시키는 비아 라인(via line)를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 비아 라인과 상기 셀 패치는 제 1 금속화 층상에 형성되는, CRLH 안테나 장치를 형성하는 방법.
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