KR101539441B1 - 다층 금속화층과 비아를 가지는 메타물질 구조 - Google Patents

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Abstract

두개의 상이한 금속화층내의 전도성 부분들을 연결하는 하나 이상의 전도성 비아들을 가지는 다층 금속화층 메타물질 구조를 포함하여, 메타물질구조에 기초한 기술과 장치들이 안테나와 전송 선로 장치를 위하여 제공된다.

Description

다층 금속화층과 비아를 가지는 메타물질 구조{Metamaterial structures with multilayer metallization and via}
본 발명은 메타물질 구조에 관한 것이다.
대부분의 물질에서 전자기파의 전파는 (E,H,β) 벡터장(vetor field)에 대하여 오른손 법칙을 따르며, 여기에서 E는 전기장,H는 자기장, β는 파장 벡터이다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파(그룹 속도)의 방향과 동일하며 굴절지수(refractive index)는 양수이다. 그러한 물질들은 "RH(Right-handed)"이다. 대부분의 자연에 존재하는 물질들은 RH 물질이다. 인공적인 물질들도 RH 물질이 될 수 있다.
메타물질(MTM)은 인공적인 구조를 가진다. 메타물질에 의하여 유도되는(guided) 전자기 에너지의 파장보다 훨씬 작은 구조적 평균 단위 셀 크기 p로 설계될때, 메타물질은 유도된 전자기 에너지에 동질의 매체(hompgeneous medium)처럼 동작할 수 있다. RH 물질과는 달리, 메타물질은 메타물질은 유전율 ε과 투자율 μ를 동시에 음수를 가지면서 음수의 굴절지수를 보여줄 수 있으며, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파 방향에 반대이고, (E,H,β) 벡터장의 상대적 방향은 왼손 법칙을 따른다. 유전율 ε과 투자율 μ를 동시에 음수를 가지면서 음수의 굴절지수만을 지원하는 메타물질은 순수한 "LH(Left-Handed)" 메타물질이다.
많은 메타물질들은 LH 메타물질과 RH 메타물질의 혼합물이며 따라서 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질이다. CRLH 메타물질은 저주파수에서는 LH 메타물질로, 고주파에서는 RH 물질처럼 동작할 수 있다. 다양한 CRLH 메타물질의 설계와 특성들이, 예를 들면 Caloz와 Itoh의 "Electromagnetic Metamaterials:Transmission Line Theory and Microwave Applications," John Wiley & Sons (2006)에 기술되어 있다. CRLH 메타물질과 그 안테나 응용은 Tatsuo Itoh의 "Invited paer:Prospect for Metamaterials," Electronics Letters, Vol. 40, No. 16(August, 2004)에 기술되어 있다.
CRLH 메타물질은 특정한 응용을 위하여 재단된 전자기적 성질을 보이도록 구성되고 조절될 수 있으며, 다른 물질을 사용하기에 어렵거나 비실용적이거나 불가능할 수 있는 응용에서 사용될 수 있다. 게다가, CRLH 메타물질은 새로운 응용을 개발하기 위하여 그리고 RH 물질로는 가능하지 않을 수 있는 새로운 소자를 구성하기 위하여 사용될 수 있다.
메타물질 구조에 기초한 기술과 장치가 안테나와 전송 선로 장치를 위하여 제공되며, 두개의 상이한 금속화층내의 전도성 부분들을 연결하는 하나 이상의 비아를 가지는 다층 금속화층 메타물질 구조도 포함된다.
일 측면에서, 메타물질 장치는 기판, 상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층, 하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아(via);를 포함한다. 상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성한다. 본 장치의 일 실시예에서, 상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 메타물질 안테나를 형성하도록 구성되고 두 가지 이상의 주파수 공진을 생성하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 두 가지 이상의 주파수 공진중 적어도 두 개는 광대역을 생성하기에 충분할 정도로 가까이 있다. 다른 실시예에서, 상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 저대역에서 제1주파수 공진을 생성하고 고대역에서 제2주파수 공진을 생성하도록 구성되며, 상기 제1주파수 공진은 LH(Left-handed) 모드 주파수 공진이며 상기 제2주파수 공진은 RH(Right-handed) 모드 주파수 공진이다. 또 다른 실시예에서, 상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 저대역에서 제1주파수 공진을 생성하고 고대역에서 제2주파수 공진을 생성하며, 상기 제1주파수 공진과 결합할 상기 제1주파수 공진에 충분히 주파수가 근접한 제3주파 공진을 생성하여, 상기 저대역보다 넓은 결합모드(combined mode) 공진을 제공한다.
다른 면에서, 메타물질 장치는 기판, 상기 기판의 제1표면상에 형성되고 서로 분리되어 있으면서 상호간에 전자기적으로 결합된 셀 패치와 런치 패드를 포함하도록 패턴처리된 제1금속화층, 그리고 상기 제1표면에 평형하면서 상기 기판의 제2표면상에 형성되고 상기 셀 패치의 영역 밖에 위치한 접지 전극, 상기 셀 패치의 아래에 위치한 셀 비아 패드, 상기 접지 전극을 상기 셀 비아 패드에 연결하는 셀 비아 선로, 상기 런치 패드의 아래에 위치하는 상호 연결 패드, 그리고 상호 연결 패드에 연결된 공급 선로를 포함하도록 패턴처리된 제2금속층을 포함한다. 이 장치는 또한 셀 패치를 셀 비아 패드에 연결하기 위하여 기판에 형성된 셀 비아 그리고 런치 패드를 상호연결 패드에 연결하기 위하여 기판에 형성된 상호연결 비아를 포함한다. 셀 패치와 런치 패드중 하나는 개구를 포함할 수 있는 모양을 가지며 셀 패치와 런치 패드중 다른 하나는 그 개구안에 위치한다. 셀 패치, 셀 비아, 셀 비아 패드, 셀 비아 선로, 접지 전극, 런치 패드 상호연결 비아, 그리고 공급 선로는 CRLH 메타물질 구조를 형성한다.
다른 측면에서, 무선통신 장치는 안테나를 형성하기 위한 구조를 가지는 일 부분을 포함하는 인쇄회로기판(PCB)를 포함한다. 안테나는 상기 PCB의 제1표면위의 상부 금속 패치, PCB 반대면의 제2표면위의 하부 금속 패드 그리고 상기 상부 금속 패치와 하부 금속 패드를 연결하는 전도성 비아; 그리고 상기 CRLH 금속 물질 셀로부터 공간적으로 이격된 위치에서 PCB의 상부 표면상에 형성된 CPW(Co-Planar waveguid) 그리고 CPW 공급 선로, 상기 CPW 공급 선로 주변의 상부 접지를 포함하는 CRLH 메타물질 셀을 포함한다. 상기 CPW 공급 선로는 CRLH 메타물질 셀의 상부 금속 패치에 가깝고 상부 금속 패치에 용량성으로 연결되는 종단을 가진다. 안테나는 또한 PCB의 상부 표면상에 형성되는 접지 CPW의 아래에서 PCB 의 하부 표면상에형성되는 하부 접지 금속 패치; 그리고 하부 접지 금속 패치를 상기 CRLH 메타물질 셀의 하부 금속 패드에 연결하는 하부 전도성 경로를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 안테나는 상이한 주파수 대역에서 두 개 이상의 공진을 가지도록 구성되는데, 예를 들면 그 주파수 대역은 890MHz 에서 960MHz에 이르는 셀룰라 대역과 1700MHz 에서 2100MHz에 이르는 PCS 대역을 포함한다.
또 다른 측면에서, 무선통신 장치는 안테나를 형성하기 위한 구조를 가지는 일 부분을 포함하는 인쇄회로기판(PCB)를 포함한다. 이 안테나는 PCB의 제1표면상의 상부 금속 패치를 포함하는 CRLH 메타물질 셀; CRLH 금속 물질 셀로부터 공간적으로 이격된 위치에서 PCB의 상부 표면상에 형성되는 접지된 CPW를 포함하고 CPW 공급 선로, 상기 CPW 공급 선로 주변의 상부 접지를 포함하며, 여기서 상기 CPW 공급선로는 상기 CRLH 메타물질 셀의 상부 금속 패치에 용량성으로 결합되고 가까운 곳에 위치하는 종단을 가지고; 상기 CRLH 메타물질 셀의 상부 접지와 tdkqn금속 패치에 연결하기 위하여 PCB의 상부 표면상에 형성되는 상부 접지 금속 경로를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 안테나는 상이한 주파수 대역에서 두 개 이상의 공진을 가지도록 구성되는데, 예를 들면 그 주파수 대역은 890MHz 에서 960MHz에 이르는 셀룰라 대역과 1700MHz 에서 2100MHz에 이르는 PCS 대역을 포함한다.
이러한 측면들과 다른 측면들 그리고 실시예들과 그 변형들을 첨부된 도면, 상세한 설명, 그리고 청구범위에서 상세하게 설명한다.
본 발명에 의하면, 안테나와 전송 선로 장치를 위한 메타물질 구조에 기초한 기술과 장치를 얻을 수 있으며, 두개의 상이한 금속화층내의 전도성 부분들을 연결하는 하나 이상의 비아를 가지는 다층 금속화층 메타물질 구조도 가능하다.
도 1은 4개의 단위 셀(unit cell)에 기초한 1D CRLH(Composite Right and Left Handed) MTM TL의 일 예를 보여준다.
도 2는 도 1의 1D CRLH MTM TL의 등가회로를 보여준다.
도 3은 도 1의 1D CRLH MTM TL의 등가회로의 다른 표현을 보여준다.
도 4a는 도 2의 1D CRLH MTM TL 등가회로에 대한 2 단자망(two-port network) 행렬 표현을 보여준다.
도 4b는 도 3의 1D CRLH MTM TL 등가회로에 대한 다른 2 단자망 행렬 표현을 보여준다.
도 5는 4개의 단위 셀(unit cell)에 기초한 1D CRLH MTM 안테나의 일 예를 보여준다.
도 6a는 도 4a에 도시된 TL과 유사한 1D CRLH 안테나 등가 회로에 대한 2 단자망 행렬 표현을 보여준다.
도 6b는 도 4b에 도시된 TL과 유사한 1D CRLH 안테나 등가 회로에 대한 2 단자망 행렬 표현을 보여준다.
도 7a는 평형인 경우의 분산 곡선(dispersion curve)의 일 예를 보여준다.
도 7b는 불평형인 경우의 분산 곡선의 일 예를 보여준다.
도 8은 4 단위셀을 기반으로 하고 접지면이 절단된 1D CRLH MTM TL의 일 예를 보여준다.
도 9는 도 8의 접지면이 절단된 1D CRLH MTM TL의 등가 회로를 보여준다.
도 10은 4 단위셀을 기반으로 하고 접지면이 절단된 1D CRLH MTM 안테나의 일 예를 보여준다.
도 11은 4 단위셀을 기반으로 하고 접지면이 절단된 1D CRLH MTM TL의 다른 예를 보여준다.
도 12는 도 11의 접지면이 절단된 1D CRLH MTM TL의 등가회로를 보여준다.
도 13a 내지 13d는 비아(via)를 가지는 1 셀 2층(one-cell two-layer) MTM 안테나의 일 예로서, 각각 3차원 도면, 측면도, 상부층(top layer)의 평면도, 그리고 하부층(bottom layer)의 평면도를 보여준다.
도 14a는 도 13a 내지 13d에 도시된 MTM 안테나 구조의 귀환감쇠량(return loss)을 시뮬레이션한 결과이다.
도 15a와 도 15b는 도 13a 내지 13d에 도시된 MTM 안테나 구조의 효율을 저대역(low band)와 고대역(high band)에 대하여 각각 측정한 결과를 보여준다.
도 16a 내지 도 16c는 비아(via) 및 비아 선로 확장(via line extension)을 가지는 2-셀 2-층(one-cell two-layer) MTM 안테나의 일 예로서, 각각 3차원 도면(3D), 측면도, 상층(top layer)의 평면도, 그리고 하층(bottom layer)의 평면도를 보여준다.
도 17a는 도 16a 내지 도 16c에 도시된 MTM 구조의 귀환감쇠량(return loss)을 시뮬레이션한 결과이다.
도 17b는 도 16a 내지 도 16c에 도시된 MTM 안테나 구조의 입력 임피던스를 시뮬레이션한 결과이다.
도 18a 내지 18(f)는 도 16a 내지 16c에서 도시된 바와 같은 비아 및 비아 확장선을 가지면서 안테나부가 올라간 2-셀 2-층 MTM 안테나 구조의 일 예로서, 각각 3차원 도면, 측면도, 올라간 기판의 상부층(top layer)의 평면도, 상향된기판의 하부층(bottom layer)의 평면도, 주기판의 상부층의 평면도, 그리고 주기판의 하부층(bottom layer)의 평면도를 보여준다.
도 19a는 도 18a 내지 18(f)에 도시된 MTM 안테나 구조의 귀환감쇠량을 각각 높이(elevation) h=2mm, 4mm,그리고 5mm인 경우에 대하여 시뮬레이션한 것을 보여준다.
도 19b는 도 18a 내지 18(f)에 도시된 MTM 안테나 구조의 입력 임피던스를 각각 높이(elevation) h=2mm, 4mm,그리고 5mm인 경우에 대하여 시뮬레이션한 것을 보여준다.
도 20a는 도 16a 내지 16c에 도시된 MTM 안테나 구조(평면형, planar version)를 구현한 것을 사진으로 찍은 것이다.
도 20b는 도 18a 내지 18(f)에 도시된 MTM 안테나 구조(3차원형, 3D version)를 구현한 것을 사진으로 찍은 것이다.
도 21은 도 16a 내지 16c에 도시된 MTM 안테나 구조(평면형)의 귀환감쇠량을 베어 보드(bare board)인 경우, 뚜껑을 닫은 경우, 그리고 뚜껑을 연 경우에 대하여 각각 측정한 결과를 보여준다.
도 22는 도 18a 내지 18(f)에 도시된 MTM 안테나 구조(입체형)의 귀환감쇠량을 베어 보드(bare board)인 경우, 뚜껑을 닫은 경우, 그리고 뚜껑을 연 경우에 대하여 각각 측정한 결과를 보여준다.
도 23a 내지 23c는 저대역 MTM 안테나와 고대역 MTM 안테나를 가지는 2-안테나 배열의 예를 보여주는 것으로서, 각각 3D, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 24는 도 23a 내지 23c에 도시된 2-안테나 배열의 귀환감쇠량과 커플링(coupling) 측정치를 보여주는 것으로서, 여기서 귀환감쇠량 1은 저대역 MTM 안테나의 귀환감쇠량이고 귀환감쇠량 2는 고대역 MTM 안테나의 귀환감쇠량이다.
도 25a와 25b는 도 23a 내지 23c에 도시된 2-안테나 배열의 효율을 저대역과 고대역에 대하여 각각 측정한 것을 보여준다.
도 26은 저대역 MTM 안테나와 고대역 MTM 안테나를 가지는 크기가 줄어든 2-안테나 배열을 구현한 샘플의 사진으로서, 상부층의 평면도를 보여준다.
도 27a는 도 26에 도시된 크기가 줄어든 2-안테나 배열의 귀환감쇠량을 측정한 것으로서, 여기서 S11은 저대역 MTM 안테나의 귀환감쇠량을 말하고 S22는 고대역 MTM 안테나의 귀환감쇠량을 말한다.
도 27b는 도 26에 도시된 크기가 줄어든 2-안테나 배열의 커플링을 측정한 것을 보여준다.
도 28은 도 26에 도시된 크기가 줄어든 2-안테나 배열의 효율을 저대역과 고대역에 대하여 측정한 것을 보여준다.
도 29a 내지 29c는 3개의 MTM 안테나 즉, 안테나 1, 안테나 2, 안테나 3을 가지는 수신 다이버시티 안테나 배열의 예를 보여주는 것으로서, 각각 3D, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 30은 도 29a 내지 29c에 도시된 3개의 MTM 안테나를 가지는 수신 다이버시티 안테나 배열에 대하여 측정한 귀환감쇠량을 보여주는 것으로서, 여기서 S11,S22,S33은 각각 안테나 1,안테나 2, 안테나 3의 귀환감쇠량을 지칭한다.
도 31a 내지 31c는 하나의 비아를 가지는 2-셀 2-층 2-나선 MTM 안테나 구조의 예를 보여주는 도면으로, 각각 3D, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 32a는 도 31a 내지 31c에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량을 보여준다.
도 32b는 도 31a 내지 31c에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 시뮬레이션한 입력임피던스를 보여준다.
도 33은 도 31a 내지 31c에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 시뮬레이션하여 측정한 귀환감쇠량을 보여준다.
도 34는 도 31a 내지 31c에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 측정한 효율을 보여준다.
도 35a 내지 35d는 두개의 비아를 가지는 2-셀 2-층 2-나선 MTM 안테나 구조의 예를 보여주는 도면으로, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 36a 내지 36d는 연결 비아를 가지는 셀 패치 확장과 사행 확장을 가지는 세미 단일층 MTM 안테나 구조의 예를 보여주는 도면으로, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 37a는 도 36a 내지 36d에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량을 보여준다.
도 37b는 도 36a 내지 36d에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 시뮬레이션한 입력임피던스를 보여준다.
도 38은 도 36a 내지 36d에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 측정한 귀환감쇠량을 보여준다.
도 39a와 39b는 도 36a 내지 36d에 MTM 안테나 구조의 효율을 저대역과 고대역에 대하여 각각 측정한 것을 보여준다.
도 40a와 40b는 셀 패치와 동일한 면에 사행 선로를 가지는 감소된 크기의 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조의 제작 샘플의 사진을 보여주는 것으로, 각각 상부층의 평면도와 하부층의 평면도이다.
도 41은 도 40a와 40b에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 측정한 귀환감쇠량을 보여준다.
도 42는 도 40a와 40b에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 측정한 효율을 보여준다.
도 43a 내지 43c는 분리된 나선을 가지는 소형 1-셀 2층 MTM 안테나 구조의 예를 보여주는 도면으로, 각각 3D, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 44는 도 43a 내지 43c에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 측정한 귀환감쇠량을 보여준다.
도 45는 도 43a 내지 43c에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 측정한 효율을 보여준다.
도 46a 내지 46d는 셀 패치에 의하여 둘러싸인 런치 패드를 가지는 MTM 안테나 구조의 예를 보여주며, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 47a와 47b는 도 46a 내지 46d에 도시된 MTM 안테나 구조의 제작 샘플의 사진을 보여주는 것으로, 각각 상부층의 평면도와 하부층의 평면도이다.
도 48은 도 46a 내지 46d에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 측정한 귀환감쇠량을 보여준다.
도 49는 도 46a 내지 46d에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 측정한 효율을 보여준다.
도 50a 내지 50d는 도 46a 내지 46d에 도시된 각 MTM 안테나를 가지는 2-안테나 배열의 예를 보여주며, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 51a와 51b는 도 50a 내지 50d에 도시된 MTM 안테나 구조의 제작 샘플의 사진을 보여주는 것으로, 각각 상부층의 평면도와 하부층의 평면도이다.
도 52는 도 50a 내지 50d에 도시된 2-안테나 배열에 대하여 측정한 귀환감쇠량과 커플링을 보여주며, 여기에서 귀환감쇠량 1은 안테나 1의 귀환감쇠량을 지칭하며 귀환감쇠량 2는 안테나 2의 귀환감쇠량을 지칭한다.
도 53은 도 50a 내지 50d에 도시된 2-안테나 배열에 대하여 측정한 효율을 보여주며, 여기에서 효율 1은 안테나 1의 효율을 지칭하며 효율 2는 안테나 2의 효율을 지칭한다.
도 54는 도 50a 내지 50d에 도시된 2-안테나 배열에서 한 안테나가 제거되었을때 다른 안테나에 대하여 측정한 효율을 보여준다.
도 55a 내지 55d는 런치 패드에 의하여 둘러싸인 셀 패치를 가지는 각 안테나를 가지는 2-안테나 배열의 예를 보여주며, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 56a와 56b는 도 55a 내지 55d에 도시된 2-안테나 배열의 제작 샘플의 사진을 보여주는 것으로, 각각 상부층의 평면도와 하부층의 평면도이다.
도 57은 도 55a 내지 55d에 도시된 2-안테나 배열에 대하여 측정한 귀환감쇠량과 커플링을 보여주며, 여기에서 귀환감쇠량 1은 안테나 1의 귀환감쇠량을 지칭하며 귀환감쇠량 2는 안테나 2의 귀환감쇠량을 지칭한다.
도 58은 도 55a 내지 55d에 도시된 2-안테나 배열에 대하여 측정한 효율을 보여주며, 여기에서 효율 1은 안테나 1의 효율을 지칭하며 효율 2는 안테나 2의 효율을 지칭한다.
도 59a 내지 59(f)는 수직 커플링을 가지는 3-층 MTM 안테나 구조의 예를 보여주며, 각각 3D, 상부층의 평면도, 중간층의 평면도, 하부층의 평면도, 상부층 그리고 겹쳐진 중간층의 평면도, 그리고 측면도이다.
도 60a는 도 59a 내지 59(f)에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량을 보여준다.
도 60b는 도 59a 내지 59(f)에 도시된 MTM 안테나 구조에 대하여 시뮬레이션한 입력 임피던스를 보여준다.
도 61a 내지 도 61c는 셀 패치의 다른 면에 사행 선로를 가지는 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조를 보여주며, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 62a와 62b는 도 61a 내지 도 61c에 도시된 안테나 구조가 집중소자 캐패시터와 감소된 폭의 셀 패치를 가지는 것을 보여주며, 각각 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 63a와 63b는 도 61a 내지 도 61c에 도시된 안테나 구조가 집중소자 인덕터와 짧아진 비아 선로를 가지는 것을 보여주며, 각각 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 64a와 64b는 도 61a 내지 도 61c에 도시된 안테나 구조가 집중소자 인덕터와 짧아진 비아 선로뿐만 아니라 집중소자 캐패시터와 감소된 폭의 셀 패치를 가지는 것을 보여주며, 각각 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다.
도 65a 내지 65d는 도 61a 내지 61c에 도시된 MTM 안테나 구조, 도 62a와 62b에 도시된 집중소자 캐패시터를 가지는 MTM 안테나 구조, 도 63a와 63b에 도시된 집중소자 인덕터를 가지는 MTM 안테나 구조, 도 64a와 64b에 도시된 집중소자 캐패시터와 집중소자 인덕터를 가지는 MTM 안테나 구조에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량을 보여준다.
우선권 주장 및 관련된 출원
본 출원은 다음의 미국 분할 출원에 대하여 우선권을 주장한다:
1. 발명의 명칭이 "Antennas for Cell Phones, PDAs and Mobile Devices Based on Composite Right-Left Handed(CRLH) Material" 이고, 2007년 11월 13일에 출원한 제60/987,750호.
2. 발명의 명칭이 "Antennas for Mobile Communication Devices Based on Composite Right-Left Handed(CRLH) Material"이고, 2008년 1월 30일에 출원한 제661/024,876호.
3. 발명의 명칭이 "Antennas for Mobile Communication Devices Based on Composite Right-Left Handed(CRLH) Material"이고, 2008년 2월 13일에 출원한 제61/028,457호.
4. 발명의 명칭이 "Metamaterial Antenna Structure with Non-Linear Coupling Geometry"이고 2008년 8월 22일에 출원한 제61/091,203호.
상기 출원의 개시 내용은 본 출원의 명세서의 일부로서 참조된다.
메타물질(MTM) 구조를 안테나와 다른 전기 부품 및 소자들을 제작하는데 사용함으로써 기능 향상, 크기 축소, 그리고 성능 개선과 같은 광범위한 기술적 진보를 이룰 수 있다. MTM 구조는 FR-4 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 또는 연성 인쇄회로기판(Flexible PCB)과 같은 회로기판을 포함하여, 다양한 회로 플랫폼상에서 구현될 수 있다. 다른 제조(fabrication) 기술의 예에는 박막 필름 제조(thin film fabrication), SOC(System on chip) 기술, LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기술, 그리고 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)기술을 포함한다.
이 명세서에서 기술하는 MTM 구조의 예와 구현은 둘 이상의 금속화층(metallization layers)에서 접지전극을 포함하여 MTM 구조의 전도성 부품을 가지는 다층 MTM 안테나 구조를 포함한다. 이 복수의 전도층들은 기판내에서 둘 이상의 병렬 표면상에 또는 두 개의 인접한 금속화층들이 전기적 절연 물질(예를 들면 유전물질)에 의하여 분리된 판 구조상에 형성될 수 있다. 둘 이상의 기판들은 복수의 금속화층들이 어떤 기술적인 특징 혹은 장점을 가질 수 있도록 복수의 표면을 제공할 수 있게 간격을 가지고 혹은 간격 없이 함께 쌓여질 수 있다. 그러한 다층 MTM 구조는 한 금속화층내의 전도성 부품이 다른 전도층내의 다른 전도성 부품과 연결될 수 있는 전도성 비아(via)를 가질 수 있다. 적어도 하나의 비아를 가지는 기술된 다층 MTM 구조와 그 구현은 다양하게 구성될 수 있으며, 다른 MTM 또는 비MTM 회로 및 회로 소자들과 회로 기판상에서 결합될 수 있다.
이 명세서에서 기술하는 다층 MTM 안테나 구조는 휴대전화 응용, 소형 통신 장치 응용(예를 들면 PDA 와 스마트폰), WiFi 응용, WiMax 응용, 그리고 다른 무선 모바일 장치를 포함하는 다양한 응용을 위하여 복수의 주파수 대역(frequency band)을 생성하도록 설계될 수 있으며, 여기서 안테나는 제한된 공간 제약하에서 정확한 성능과 함께 복수의 주파수 대역들을 지원할 수 있을 것으로 기대된다. 이 MTM 안테나 구조들은 소형 크기, 단일 안테나에 기초한 다중 공진, 안정적이고 사용자의 상호작용으로 인하여 실질적으로 변이하지 아니하는 공진, 그리고 물리적 크기와 실질적으로 독립적인 공진 주파수들과 같이 다른 안테나에 비하여 하나 이상의 장점을 제공할 수 있도록 개조 및 설계될 수 있다. 게다가 본 MTM 안테나 구조내의 요소들은 CRLH 특성에 기초하여 원하는 대역과 대역폭을 얻을 수 있도록 구성될 수 있다.
MTM 안테나 또는 MTM 전송선로(Transmission line, TL)는 하나 이상의 MTM 단위 셀을 가지는 MTM 구조이다. 각 MTM 유니트 셀에 대한 등가회로는 RH(right-handed) 직렬 인덕턴스(LR), RH(right-handed) 병렬 캐피시턴스(shunt capacitor, CR), LH(left-handed) 직렬 캐피시턴스(CL), 그리고 LH(left-handed) 병렬 인덕턴스(shunt inductor, LL)를 포함한다. LL과 CL은 단위셀에 LH(left-handed) 특성을 제공할수 있도록 구성되고 연결된다. 이러한 종류의 CRLH TL 또는 안테나는 분산회로소자(distributed circuit elements) 또는 집중회로소자(lumped circuit elements) 또는 이들의 결합에 의하여 구현될 수 있다. 각 단위셀은
Figure 112010037303573-pct00001
보다 작으며, 여기서
Figure 112010037303573-pct00002
는 CRLH 또는 안테나로 전송되는 전자기 신호의 파장이다.
순수한 LH 물질은 3개의 벡터(E,H,β)에 대하여 왼손 법칙(left-hand rule)을 따르며, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파 방향에 반대이다. 유전율(permittivity) ε과 투자율(permeability) μ는 음수이다. CRLH 물질은 동작 주파수 범위에 따라서 LH(left-hand) 혹은 RH(right-hand) 전자기 전파 모드를 모두 보여줄 수 있다. 어떤 환경하에서, CRLH 물질은 신호의 파장벡터(wavevector)가 0인 경우, 0이 아닌 그룹 속도를 보여줄 수 있다. 이 상황은 LH(left-hand) 와 RH(right-hand) 모드가 평형일때 발생한다. 비평형 모드에서는 전자기파 전파가 금지되는 밴드갭이 존재한다. 평형의 경우, 분산 곡선은 LH(left-hand) 혹은 RH(right-hand) 모드간에 전파 상수
Figure 112010037303573-pct00003
인 천이점에서 어떠한 불연속도 보여주지 않으며, 여기서 유도된 파장은 무한대, 즉
Figure 112010037303573-pct00004
이고, 그룹 속도는 다음과 같이 양수이다.
Figure 112010037303573-pct00005
이 상태는 LH 영역에서 TL 구현시 m=0인 영차 모드에 대응한다. CRLH 구조는 음수
Figure 112010037303573-pct00006
포물선 영역을 따르는 분산 관계를 가지는 낮은 주파수들의 세밀한 스펙트럼을 지원한다. 이로 인하여 물리적으로 작은 장치(device)를 만들 수 있으며, 이 것은 안테나 주변의 근거리장(near-field)를 조절하고 제어함에 있어서 독특한 능력과 함께 전자기적으로 크며 또한 차례로 원거리장(far-field) 방사 패턴을 제어하게 된다. 이 TL이 영차 공진기(Zeroth Order Resonator,ZOR)로서 사용되는 경우에는 전체 공진기에 걸쳐 일정한 진폭과 위상 공진이 가능하다. ZOR 모드는 MTM 기반의 전력 결합기(combiner)와 분리기(Splitter) 또는 분류기(divider), 방향성 결합기(directional coupler), 매칭 네트워크, 그리고 누설파 안테나(leaky wave antenna)를 만드는데 이용될 수 있다.
RH TL 공진기의 경우, 공진 주파수는 전기적 길이
Figure 112010037303573-pct00007
에 대응하며, 여기서
Figure 112010037303573-pct00008
은 TL의 길이이다. TL 길이는 낮고 더 넓은 공진 주파수 스펙트럼에 달할 수 있을 정도로 길어야만 한다. 순수한 LH 물질의 동작 주파수들은 낮은 주파수에 있다. CRLH MTM 구조는 RH 또는 LH 물질과는 매우 다르며, RF 스페트럼 범위의 낮은 스펙트럼 영역과 높은 스펙트럼 영역 모두에 달할 수 있도록 사용될 수 있다. CRLH의 경우
Figure 112010037303573-pct00009
이며, 여기서
Figure 112010037303573-pct00010
은 CRLH TL의 길이이고 파라미터
Figure 112010037303573-pct00011
이다.
특정한 MTM 안테나 구조의 예들을 아래에서 설명한다. 이 예들과 관련된 어떤 기술적인 정보는 제목이 "Antennas, Devices, and Systems Based on Matamaterial Structures"이고 2007년 4월 27에 출원된 미국 특허 출원 제 11/741,674호 그리고 제목이 "Antennas Based on Metamaterial Structures"이고 2007년 8월 24일에 출원된 미국특허출원 제 11/844,982호에 서술되어 있으며, 이 미국출원들은 본 명세서의 일부로서 참조된다.
도 1은 4개의 단위 셀(unit cell)에 기초한 1D CRLH MTM 전송선로(TL)의 일 예를 설명하고 있다. 하나의 단위 셀은 셀 패치(patch)와 비아를 포함하며, 원하는 MTM 구조를 구성하는 단위 구성 블록이다. 설명중인 TL의 예는 기판의 두 개 전도성 금속화층(metallization layers)에서 형성된 네개의 단위셀을 포함하는데, 네개의 전도성 셀 패치(patch)는 기판의 상부 금속화층상에 형성되고 기판의 다른 면은 접지 전극으로서의 금속화층을 가진다. 기판을 관통하여 네개의 셀 패치들이 각각 접지면에 연결될 수 있도록 네개의 전도성 비아가 중심에 형성된다. 왼쪽에 있는 단위셀 패치는 전자기적으로 제1공급선로(feed line)에 결합하며, 오른쪽에 있는 단위셀 패치는 전자기적으로 제2공급선로에 결합된다. 어떤 구현예에서, 각 단위 셀 패치는 인접한 단위셀과 직접 접촉하지 않으면서 그 단위셀에 전자기적으로 결합된다. 이 구조는 한 공급선로로부터 RF 신호를 수신하고, 다른 공급선로로는 RF 신호를 출력하는 MTM 전송선로를 형성한다.
도 2는 도 1의 1D CRLH MTM TL의 등가회로를 보여준다. ZLin'와 ZLout'은 각각 TL 입력 부하 임피던스와 TL 출력 부하 임피던스에 대응하며, 각 단(end)에서의 TL 커플링(coupling)에 기인한다. 이것은 2층 인쇄회로 기판 구조의 일 예이다. LR은 유전체 기판상의 셀 패치때문이고, CR은 셀 패치와 접지면 사이에서 샌드위치되는 유전체 기판때문이다. CL은 두 개인 인접한 셀 패치의 존재때문이며, 비아는 LL을 유도한다.
각 단위셀은 직렬(SE) 임피던스 Z와 병렬(SH) 어드미턴스 Y에 대응하는 두 개의 공진 주파수
Figure 112010037303573-pct00012
와
Figure 112010037303573-pct00013
를 가질 수 있다. 도 2에서 Z/2 블록은 LR/2와 2CL의 직렬 결합을 포함하며, Y 블럭은 LL과 CR의 병렬 결합을 포함한다. 이 파라미터들간의 관계는 다음의 수학식 1처럼 표현된다.
Figure 112010037303573-pct00014
여기서,
Figure 112010037303573-pct00015
이다.
도 1에서 입력단과 출력단에 있는 두 단위셀은 CL을 포함하지 않는다. 왜냐하면 CL은 두개의 인접한 셀 패치간의 캐패시턴스를 나타내며 입력단과 출력단에는 없기 때문이다. 양단의 유니트 셀에서 CL부분이 부존재함으로서
Figure 112010037303573-pct00016
주파수가 공진하지 않도록 한다. 그러므로, 단지
Figure 112010037303573-pct00017
만이 m=0 공진 주파수로서 나타난다.
계산 분석을 단순화할 목적으로, 없어진 CL 부분을 보상하기 위하여 ZLin'과 ZLout' 직렬 캐패시터의 일부가 포함되고, 나머지 입력 부하 임피던스와 출력 부하 임피던스가 도 3에서 알 수 있는 것처럼 각각 ZLin 과 ZLout으로 표현된다. 이 조건하에서, 모든 단위셀들은 도 3에서 두 개의 직렬 Z/2 블록과 하나의 병렬 Y 블럭에 의하여 나타나는 것처럼 동일한 파라미터들을 가지며, 여기서 Z/2 블록은 LR/2과 2CL의 직렬 조합을 포함하고 Y 블록은 LL과 CR의 병렬 조합을 포함한다.
도 4A와 도 4B는 도 2와 도 3에서 도시된 부하 임피던스가 없는 TL 회로에 대한 2 단자망 행렬 표현을 각각 설명하고 있다.
도 5는 4개의 단위셀에 기초한 1D CRLH MTM 안테나의 일 예를 설명하고 있다. 도 1의 1D CRLH MTM 안테나와는 상이한 도 5의 안테나는 왼쪽에 있는 단위셀을 공급선로에 결합하여 상기 안테나와 안테나 회로를 연결하고 오른쪽에 있는 단위셀은 개방회로(open circuit)로 함으로써 4개의 단위셀들은 RF 신호를 송신 혹은 수신하기 위하여 대기(air)와 인터페이스하게 된다.
도 6A는 도 5의 안테나 회로에 대한 2 단자망 행렬 표현을 보여준다. 도 6B는 도 5의 안테나 회로에 대한 2 단자망 행렬 표현이되, 없어진 LC 부분에 대한 보상을 할 수 있도록 수정을 하여 모든 단위셀들이 동일하도록 한 것을 반영한 것이다. 도 6A와 6B는 각각 도 4A와 도 4B에 도시된 TL 회로와 유사하다.
행렬식으로, 도 4B는 아래의 수학식 2처럼 관계를 표현한다.
Figure 112010037303573-pct00018
여기서, 도 3의 CRLH MTM TL은 Vin과 Vout 단자에서 보았을때 대칭이므로 AN=DN이다.
도 6A와 6B에서, 파라미터 GR'과 GR은 복사(radiation) 저항을 나타내며, 파라미터 ZT'과 ZT는 종단임피던스(termination impedance)를 나타낸다. ZT', ZLin',그리고 ZLout'은 각각 아래의 수학식 3에 표현된 것처럼 추가적인 2CL의 기여를 포함한다.
Figure 112010037303573-pct00019
복사 저항 GR 또는 GR'은 안테나를 만들거나 시뮬레이션하면 유도될 수 있기 때문에, 안테나 설계를 최적화하는 것은 어려울 수 있다. 그러므로 TL 방식을 채택한후 다양한 종단 임피던스 ZT로 대응하는 안테나를 시뮬레이현하는 것이 바람직하다. 수학식 1에서의 관계는 수정된 값 AN', BN', CN'와 함께 양단에서 없어진 CL 부분을 반영하는 도 2에서의 회로에 대하여 유효하다.
주파수 대역은 N CRLH 셀 구조가
Figure 112010037303573-pct00020
전파 위상 길이(propagation phase length)로 공진하도록 함으로서 분산식으로부터 유도될 수 있으며, 여기서
Figure 112010037303573-pct00021
이다. 여기에서 각 N CRLH 셀은 수학식 1에서 Z와 Y로 표현되는데, 도 2에 도시된 구조와 다르며, 여기서 CL은 양단 셀들에서 없어진다. 그러므로 이 두 구조와 관련된 공진은 상이하다는 점을 예측할 수 있다. 그러나 계산을 확장하면 모든 공진이 n=0인 경우를 예외로 하고 모두 동일하다는 것을 보여주는데, 여기서
Figure 112010037303573-pct00022
와
Figure 112010037303573-pct00023
는 도 3의 구조에서 공진을 하며 도 2의 구조에서는 단지
Figure 112010037303573-pct00024
만이 공진한다. 양수 위상 오프셋(
Figure 112010037303573-pct00025
)은 RH 영역 공진에 대응하고 음수값(
Figure 112010037303573-pct00026
)은 LH 영역 공진에 연관된다.
Z 와 Y 파라미터들을 가지는 동일한 N 개의 CRLH 셀들의 분산 관계는 아래의 수학식 4처럼 주어진다.
Figure 112010037303573-pct00027
여기서 Z와 Y는 수학식 1에서 주어졌고, AN은 도 3에서의 N 개의 동일한 CRLH 단위셀들의 선형 종속 접속(cascade connection)으로부터 유도되며, p는 셀 크기이다. 홀수 n=(2m+1)과 짝수 n=2m 공진은 각각 AN=-1 과 AN=1에 연관된다. 도 4A와 도 6A에서 AN'에 대하여 n=0 모드는
Figure 112010037303573-pct00028
에서만 공진하며, 셀의 수에 상관없이 양단 셀에서의 CL의 부재로 인하여
Figure 112010037303573-pct00029
와
Figure 112010037303573-pct00030
에서는 공진하지 않는다. 보다 높은 차수의 주파수는 표 1에서 규정하고 있는 상이한 χ값에 대하여 다음의 수학식 5에 의하여 주어진다.
Figure 112010037303573-pct00031
표1은 N=1,2,3,그리고 4에 대한 χ값을 제공한다. |n|>0인 높은 차수의 공진은 만약 완전한 CL이 양단 셀에 존재하는 경우(도 3) 혹은 존재하지 않는 경우(도 2)에 무관하게 동일하다는 점을 주의하여야 한다. 게다가 n=0 에 근접한 공진은 작은 χ값(하측 경계 0에 근접한 χ)을 가지는 반면에, 높은 차수의 공진은 수학식 4에서 나타내는 것처럼 χ가 상측 경계 4에 달하는 경향을 가진다.
N=1,2,3, 그리고 4 셀에 대한 공진
N
/Modes
|n|=0
|n|=1
|n|=2
|n|=3
N=1
Figure 112010037303573-pct00032
N=2
Figure 112010037303573-pct00033
Figure 112010037303573-pct00034
N=3
Figure 112010037303573-pct00035
Figure 112010037303573-pct00036
Figure 112010037303573-pct00037
N=4
Figure 112010037303573-pct00038
Figure 112010037303573-pct00039
Figure 112010037303573-pct00040
주파수 ω의 함수로서의 분산 곡선 β는 도 7A 와 도 7B에 각각
Figure 112010037303573-pct00041
(평형, 즉 LR CL = LL CR)인 경우와
Figure 112010037303573-pct00042
(불평형)인 경우에 대하여 도시되어 있다. 후자의 경우,
Figure 112010037303573-pct00043
와
Figure 112010037303573-pct00044
사이에는 주파수 차이가 있다. 한계주파수(limiting frequencies)
Figure 112010037303573-pct00045
과
Figure 112010037303573-pct00046
값들은 수학식 5에서 동일한 공진식에 의하여 주어지며, 여기서 다음의 수학식 6에서 표현되는 것처럼 상측 경계 χ=4에 달한다.
Figure 112010037303573-pct00047
추가적으로, 도 7A와 7B는 분산곡선을 따라 존재하는 공진 위치의 예들을 제공한다. RH 영역(n>0)에서 구조 크기
Figure 112010037303573-pct00048
,p는 셀 크기, 는 주파수가 감소할수록 증가한다. 반면에 LH 영역에서 보다 작은
Figure 112010037303573-pct00049
값에 따라 보다 낮은 주파수에 달하게 되어 크기가 작아진다. 분산곡선은 이러한 공진 주변의 대역폭을 어느정도 지시해준다. 예를 들면, LH 공진은 공진곡선이 거의 평탄하기 때문에 협대역폭(narrow bandwidth)을 가진다. RH 영역에서는 분산곡선이 더 가팔라지기 때문에(more steeper) 대역폭이 넓어진다. 그러므로 광대역을 얻기 위한 첫번째 조건인 제1BB 조건은 다음의 수학식 7처럼 표현할 수 있다.
Figure 112010037303573-pct00050
여기서, χ는 수학식 4에서 주어지고,
Figure 112010037303573-pct00051
은 수학식 1에서 정의된다. 수학식 4의 분산 관계는 |AN|=1에서 공진이 발생한다는 것을 나타내며, 이 것은 수학식 7의 제1 BB조건(COND1)의 분모가 0이 되도록 한다. 주의할 점은, AN은 N개의 동일한 단위셀들의 첫번째 전송 행렬 엔트리(entry)라는 것이다(도 4B 와 도 6B). 계산을 하면 COND1은 정말로 N에 독립적이고 수학식 7의 두번째 수식에 의하여 주어진다는 것을 알 수 있다. 분산곡선의 기울기 그리고 그 결과 가능한 대역폭을 결정하는 것은 바로 공진시 분자와 χ의 값들인데, 이 값들은 표1에 있다. 목표한 구조는 4%를 초과하는 대역폭을 가지면서 크기가 기껏해야
Figure 112010037303573-pct00052
이다. 작은 셀 크기 p를 가지는 구조에 대하여, 수학식 7은 높은
Figure 112010037303573-pct00053
값은 COND1, 즉 낮은 CR과 LR 값을 만족한다. 왜냐하면 n<0 에 대하여 공진은 표 에서 4 근처의 χ값에서 발생하고 다른 항들에서 (1-χ/4 -> 0)이기 때문이다.
앞서 언급했듯이, 일단 분산곡선 기울기가 가파른 값을 가지면 다음 단계는 적절한 매칭을 식별하는 것이다. 이상적인 매칭 임피던스는 고정된 값을 가지고 큰 매칭 네트워크 공간(matching network footprint)을 요구하지 않을 수 있다. 여기서, "매칭 임피던스"라는 용어는 안테나에서와 같이 단일 측면 공급의 경우에서 공급 선로와 종단을 지칭한다. 입력/출력 매칭 네트워크를 분석하기 위하여, Zin 과 Zout 이 도 4B의 TL 회로에 대하여 계산될 수 있다. 도 3의 네트워크가 대칭이기 때문에 Zin = Zout 을 증명하기가 간단하다. Zin은 아래의 수학식 8에 나타난 것처럼 N에 독립적이라는 점을 증명할 수 있다.
Figure 112010037303573-pct00054
여기서, Zin은 단지 양수인 실수 값만을 가진다.
B1/C1이 0보다 큰 이유는 수학식 4에서
Figure 112010037303573-pct00055
조건에 기인하는데, 이로 인하여 다음의 임피던스 조건이 이루어진다.
Figure 112010037303573-pct00056
제2광대역(BB)조건은 일정한 매칭을 유지하기 위하여 Zin이 공진 근처에서 주파수가 약간 변하는 것이다. 입력 임피던스 Zin'은 수학식 3에 나타난 것처럼 CL 직렬 캐패시턴스의 기여를 포함한다는 것을 기억해야 한다. 제2BB조건은 다음의 수학식 9로 주어진다.
Figure 112010037303573-pct00057
도 2와 도 3의 전송 선로 예와 다른 것으로서, 안테나 설계는 구조 에지 임피던스(edge impedance)와 거의 매칭되지 않는 무한대의 임피던스를 가지는 개방된 측면(open-ended side)을 가진다. 캐패시턴스 종단은 다음의 수학식 10으로 주어지며, N에 좌우되고 순허수이다.
Figure 112010037303573-pct00058
LH 공진이 일반적으로 RH 공진보다 더 좁기 때문에, 선택된 매칭 값들은 n>0 영역보다 n<0 영역에서 유도된 것들에 가깝다.
LH 공진의 대역폭을 증가시키는 한 방법은 병렬 캐패시턴스 CR을 줄이는 것이다. 이렇게 줄이면 수학식 7에서 설명한 것처럼 더 가파른 분산 곡선의 보다 높은
Figure 112010037303573-pct00059
값에 이르게 된다. CR을 줄이는 여러가지 방법으로서 다음과 같은 것들이 있지만 이 것들에 한하지는 않는다 : 1) 기판의 두께를 늘림, 2) 셀 패치 영역을 줄임, 3)상층부 셀 패치 아래의 접지 영역을 줄여서 "잘려진 접지(truncated ground)"를 형성하거나, 혹은 위 기술들을 결합함.
도 1과 도 5의 MTM TL 과 안테나 구조는 기판의 전체 바닥면을 완전한 접지 전극으로 다루기 위하여 전도층을 사용한다. 기판 표면의 하나 이상의 부분을 노출시키도록 패턴화된 잘려진 접지 전극은 접지 전극 면적을 완전한 기판 표면의 크기보다 적은 면적으로 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 이로 인하여 공진 대역폭이 늘어나고 공진 주파수에 동조될 수 있다. 잘라진 접지 구조의 두가지 예를 도 8과 11을 참조하면서 설명하는데, 여기서 기판의 접지 전극쪽 위에 있는 셀 패치의 공간내 영역의 접지 전극의 크기가 감소되었으며, 나머지 스트립 선로(비아 선로)는 셀 패치의 비아를 셀 패치 공간 밖의 주된 접지 전극에 연결하기 위하여 사용된다. 이 잘려진 접지 방식은 광대역 공진을 얻기 위하여 다양한 구성으로 구현될 수 있다.
도 8은 접지 전극이 셀 패치 아래에서 한 방향을 따라 셀 패치보다 작은 차원(dimensions)을 가지는 4개 셀을 가지는 MTM 전송 선로용 잘려진 접지 전극의 일 예를 설명하고 있다. 접지 전극층은 비아들에 연결되고 셀 패치들 아래에서 통과하는 비아 선로를 포함한다. 비아 선로는 각 단위 셀의 셀 경로의 차원보다 작은 폭을 가진다. 잘려진 접지를 사용하는 것은 기판 두께를 늘릴수 없거나 안테나의 효율이 저하되기 때문에 셀 패치 영역을 줄일 수 없는 상업용 장치들을 구현하는데 있어서의 다른 방법들에 비하여 바람직한 선택이 될 수 있다. 접지가 잘려지는 경우, 다른 인덕터 Lp(도 9)가 도 8에 설명한바와 같은 주 접지에 비아를 연결하는 금속화 스트립(비아 선로)에 의하여 유도된다. 도 10은 도 8의 TL 구조와 유사한 잘려진 접지를 가지는 4개 셀을 가지는 안테나를 보여준다.
도 11은 잘려진 접지 구조를 가지는 MTM 안테나의 다른 예를 설명한다. 이 예에서, 접지 전도층은 비아 선로를 포함하고 셀 패치의 영역 밖에서 형성되는 주 접지를 포함한다. 각 비아 선로는 제1말단(distal)에서 주 접지에 연결되고 제2말 단에서 비아에 연결된다. 비아 선로는 각 단위셀의 셀 경로의 차원보다 작은 폭을 가진다.
잘려진 접지 구조에 대한 수학식들이 유도될 수 있다. 잘려진 접지의 예에서, 병렬 캐패시턴스 CR은 작아지며, 공진은 수학식 1,5,6과 표 1에서와 같은 동일한 수학식을 따른다. 도 8과 9는 첫번째 방법인, 제1방법(Approach 1)을 나타내는데, 여기서 공진은 수학식 1,5,6 그리고 표 1에서 LR을 (LR+Lp)로 대치하면 동일하다.
Figure 112010037303573-pct00060
에 대하여, 각 모드는 (1) LR을 (LR + Lp)로 대치한 경우에 대한
Figure 112010037303573-pct00061
그리고 (2) LR을 (LR + Lp/N)로 대치한 경우에 대한
Figure 112010037303573-pct00062
에 대응하는 두 가지 공진을 가지며, 여기는 N은 단위셀의 숫자이다. 이 제1방법하에서, 임피던스 방정식은 다음의 수학식 11이 되며, 여기서 Zp=jωLp와 Z,Y는 수학식 2에서 정의된다.
Figure 112010037303573-pct00063
수학식 11의 임피던스 방정식은 두 공진 ω와 ω'이 각각 낮은 임피던스 그리고 높은 임피던스를 가지도록 한다. 그러므로, 대부분의 경우에 ω 공진 근처에서 동조를 맞추는 것이 용이하다.
두 번째 접근방법인 제2방법(Approach 2)은 도 11과 12에 설명되어 있고, 공진은 LL을 (LL+Lp)로 대치하면 수학식 1,5,6, 그리고 표 1에서와 동일한다. 제2방법에서, 병렬 개패시턴스 CR이 감소하는 반면 결합된 병렬 인덕터 (LL + Lp)는 증가하는데, 이로써 LH 주파수는 더 낮아진다.
위에서 예를 들은 MTM구조는 두개의 금속화층으로 형성되며, 두 금속화층중의 하나는 접지 전극을 포함하는데 사용되고 다른 금속화층에 전도성 비아에 의하여 연결된다. 비아를 가지는 그러한 2층 CRLH MTM 과 안테나는 도 1과 5에 도시된 바와 같이 완전한 접지 전극을 가지면서, 또는 도 8,10,11에 도시된 바와 같이 잘려진 접지 전극을 가지면서 구성될 수 있다.
MTM 구조의 변화는 PCB 실제 영역(real-estate) 인자, 장치 성능 요구조건, 그리고 다른 규격을 만족하도록 도입될 수 있다. 전도성 부품들 혹은 두 개의 상이한 금속화층을 상호 연결하는 적어도 하나의 비아를 가지는 다양한 MTM 안테나 구조의 예들을 아래에서 설명한다. 사각형, 다각형, 불규칙형, 원형, 타원형, 또는 상이한 형태의 조합등과 같이 다양한 기하학적 모양과 차원을 가질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 비아 선로와 공급 선로는 사각형, 다각형, 불규칙형, 지그재그, 나선형, 사행형(meander), 또는 상이한 형태의 조합등과 같이 다양한 기하학적 모양과 차원을 가질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 결합을 강화하기 위하여 공급선로의 말단에 런치 패드(lanuch pad)가 부가될 수 있다. 런치 패드는 사각형, 다각형, 불규칙형, 원형, 타원형, 또는 상이한 형태의 조합등과 같이 다양한 기하학적 모양과 차원을 가질 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 런치 패드와 셀 패치사이의 간격(gap)은 직선, 곡선, L자 선로, 지그재그 선로, 불연속 선로, 폐쇄 선로, 또는 상이한 형태의 결합과 같은 다양한 모양과 차원을 가질 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 공급 선로, 런치 패드, 셀 패치, 그리고 비아 선로의 일부는 다른 것들과 다른 층에서 형성될 수 있다. 공급 선로, 런치 패드, 셀 패치, 그리고 비아 선로의 일부는 다른 층으로 확장될 수 있다. 안테나 부분은 주 기판의 몇 밀리미터 위에 위치할 수 있다. 공간 감소를 위하여 다양한 부분들을 상이한 평면에 수용할 수 있기 위하여 비 평면기판(non-planar substrate)이 사용될 수 있다. 여러개의 셀들이 직렬로 종속접속되어 다중셀 1D 구조를 형성할 수 있다. 여러개의 셀들이 직교 방향으로 종속연결되어 2D 구조를 만들 수 있다. 전력을 여러개의 셀 패치들로 공급하기 위하여 단일 공급 선로를 구성할 수 있다. 추가적인 전도성 선로가 공급 선로 또는 런치 패드에 부가될 수 있다. 이 추가적인 전도성 선로는 사각형, 불규칙형, 지그재그형, 나선형, 사행형, 또는 상이한 형태의 결합과 같은 다양한 모양과 차원을 가질 수 있지만 이에 한정되지는 않으며, 상부층, 중간층, 혹은 하부층, 또는 기판에서 몇 밀리미터 위에 위치할 수 있다.
이 명세서에서 기술하고 있는 다층 MTM 안테나 구조는 "저대역(low band)"과 "고대역(high band)" 을 포함하는 복수의 주파수 대역을 생성하도록 구성될 수 있다. 저대역은 적어도 하나의 LH(Left-handed) 모드 공진을 포함하고 고대역은 적어도 하나의 RH(Right-handed) 모드 공진을 포함한다. 본 장치 구조는 고주파수 공진에서의 임피던스 매칭을 향상시키기 위해서 뿐만 아니라, 저주파수 공진을 야기하고 더 잘 매칭될 수 있도록 LH 모드를 사용하여 구현될 수 있다. LH 모드의 식별은 다음 기술중의 하나가 사용될때 LH 모드 공진이 입력 임피던스와 귀환감쇄량으로부터 사라지는 것을 관찰함으로써 이루어질 수 있다: (i) 런치 패드와 셀 패치사이의 간격(gap)이 없어지는 것으로서, 이는 유도성으로 로딩된 단일폴 안테나( inductively loaded monopole antenna)에 대응함; (ii) 셀 패치를 접지 전극에 연결하는 비아 선로가 제거됨; 그리고 (iii) 비아 선로를 제거하고 상기 간격이 없어지는 것으로서, 이는 인쇄 단일폴 공진을 제공한다.
본 명세서에서 기술하는 MTM 안테나는, 휴대용 전화기와 무선 장치 응용, WiFi 응용, WiMax 응용, 그리고 다른 무선 통신 응용을 위한 주파수 대역을 포함하여 다양한 대역에서 동작할 수 있도록 설계될 수 있다. 휴대용 전화기와 무선 장치 응용을 위한 주파수 대역의 예로는; 두 개의 대역, 즉 CDMA(824-894MHz)대역과 GSM(880-960MHz)대역을 포함하는 셀룰라 대역(824-960MHz), 그리고 세 개의 대역, 즉 DCS(1710-1880MHz)대역, PCS(1850-1990MHz) 대역, 그리고 AWS/WCDMA(2110-2170MHz)대역을 포함하는 PCS/DCS 대역(1710-2170MHz)이 있다. 4 대역(quadband) 안테나는 셀룰라 대역의 CDMA 대역과 GSM 대역중의 하나에서, 그리고 PCS/DCS 대역의 모든 3개 대역을 감당하기 위하여 사용될 수 있다. 5 대역(penta-band) 안테나는 셀룰라 대역의 2개 대역 그리고 PCS/DCS 대역의 3개 대역, 모두 5개 대역을 감당하기 위하여 사용될 수 있다. WiFi 응용을 위한 주파수 대역의 예로는 ; 2.4 에서 2.5GHz 범위의 대역, 그리고 5.15 에서 5.835GHz 범위의 대역이 있다. WiMax 응용을 위한 주파수 대역은 세개의 대역을 포함한다: 2.3- 2.4GHz, 2.5-2.7GHz, 그리고 3.5-3.8GHz.
도 13a 내지 13d는 두 개의 금속화층을 연결하는 전도성 비아를 가지는 1-셀 2-층 MTM 안테나의 일 예를 보여주고 있는데, 각각 3D 도, 측면도, 상부 금속화층의 평면도이다. 상부 금속화층은 기판(1344)의 상부 표면상에 형성되고, 1-셀 2-층 MTM 안테나의 일부 요소들과 상부 접지 전극(1340)을 형성하기 위하여 패턴처리된다. 하부 금속화층은 기판(1344)의 아래쪽 표면상에 형성되고, 1-셀 2-층 MTM 안테나의 일부 요소들과 하부 접지 전극(1341)을 형성하기 위하여 패턴처리된다. 비아(1320)는 기판(1344)을 관통하며 상부 금속화층과 하부 금속화층을 연결한다.
더욱 자세하게 설명하면, 상부와 하부 금속화층은 MTM 안테나를 위하여 다음과 같이 다양한 금속 부분들로 패턴화된다; 상부 접지 전극(1340), 하부 접지 전극(1341), 상부 접지 전극(1340)과 이격되어 있는 셀 패치(1316), 셀 패치(1316)로부터 결합 갭(1328)에 의하여 분리되어 있는 런치 패드(1312), 셀 패치(1316)를 하부 금속화층상의 비아 패드(1348)에 연결하는 비아(1320), 그리고 하부 접지 전극(1324)을 비아 패드(1348)에 연결하여 결과적으로 셀 패치(1316)에 연결하는 비아 선로(1324). 공급 선로(1308)는 상부 금속화층에서 형성되고, 런치 패드(1304)에 연결되어 결합 갭(1328)을 통하여 신호를 셀 패치(1316)로 보내거나 셀 패치(1316)로부터 수신한다. PCB 홀(1332)과 PCB 컴포넌트(1336)의 위치는 참조를 위하여 도면에 표시되어있다. 결합 갭(1328)의 폭은 한 구현예에서 몇 밀(mils)처럼 설계에 따라 설정될 수 있다.
상부 접지 전극(1340)은 하부 접지 전극(1341) 위에서 형성되어 CPW(Co-Planar Waveguide) 공급(feed,1304)이 상부 접지 전극(1340)상에 형성되도록 한다. 이 CPW 공급(1304)은 전력을 공급하기 위하여 공급 선로(1308)에 연결된다. 그러므로, 이 예에서, CPW 접지가 상부와 하부 접지 전극(1340,1341)에 의하여 형성된다. 그 대안으로, 안테나는 다른 층위의 접지면, 프로브된 패치(probed patch) 또는 케이블 컨넥터를 필요로 하지 않는 CPW 공급에 의하여 급전될 수 있다.
설명한 예에서, 상부 금속화층에서 형성된 셀 패치(1316)는 비아 패드(1348)과 비아 선로(1324)를 포함하는 하층 표면의 한 부분 위에 위치하고 하부 접지 전극(1341)위에 있지 않다. 그러므로 이 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조는 상부 금속화층의 셀 패치(1308)와 비아 패드(1348) 그리고 하부 금속화층의 비아 선로(1324)와 관련되어 작은 값을 가지는 병렬 캐패시턴스 CR을 가진다. 이 MTM 안테나 구조는 또는 비아(1320)과 관련된 병렬 인덕턴스 LL을 가지며, 비아 선로(1324)와 관련된 직렬 인덕턴스 Lp를 가진다. 그러므로, 이 구조는 잘려진 접지 전극을 가지며 완전한 접지 전극 평면을 사용하지 않는다. 잘려진 접지 전극을 가지는 MTM 구조의 일부 예들은 도 8,10,11에 도시되어있다. 도 13a 내지 13d에 도시된 이 1-셀 2-층 MTM 구조에 대한 등가 회로는 도 12에 도시된 등가 회로의 1-셀 안테나 버전과 유사하다.
표 2는 도 13a 내지 13d에 도시된 비아를 가지는 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조의 엘레멘트들의 요약을 제시하고 있다.
파라미터 설명 위치
안테나 엘레먼트 각 안테나 엘레먼트는 CPW 공급(1304)에 런치 패드(1312)와 공급선로(1308)을 통하여 결합되는 셀을 포함한다.
공급 선로 런치 패드(1312)를 CPW 공급(1304)에 연결한다. 상부층
런치 패드 셀 패치(1316)를 공급 선로(1308)에연결하는 직사각형 모양.
런치 패드(1312)와 셀 패치(1316)사이에 결합 갭(1328)이 있다.		 상부층
셀 셀 패치 한쪽 구석에 컷아웃을 가지는 사각형 상부층
비아 셀 패치(1316)를 비아 패드(1348)에 연결하는 실린더 모양
비아 패드 비아(1320)의 아래쪽 부분을 비아 선로(1324)에 연결하는 작은 사각형 패드 하부층
비아 선로 비아 패드(1348)를,그러므로 셀 패치(1316)를 하층 접지 전극(1341)에 연결하는 선로 하부층
도 13a 내지 13d에 도시된 비아를 가지는 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조는 다양한 응용을 위하여 구현될 수 있다. 특히 4밴드 휴대용 전화기 응용을 위한 이 구조와 연관된 설계 파라미터들은 다음과 같이 선택될 수 있다: 공급 선로(1308)은 0.5mm x 14mm ; 런치 패드(1312)는 0.5mm x 10mm ; 셀 패치는 5.5mm x 20mm; 비아 선로(1324)는 폭이 0.3mm이고 길이는 17mm; 런치 패드(1312)와 셀 패치(1316)사이의 갭 폭은 0.1mm; 기판(1344)의 두께는 1mm; 그리고 재료(material)는 유전 상수가 4.4인 FR4;, 그리고 안테나의 영역은 17mm x 24mm이다. 런치 패드(1312)와 셀 패치(1316)는 안테나를 위하여 활용할 수 있는 공간 이용을 최대화할 수 있는 모양을 가진다. 이렇게 최적화된 파라미터들을 가지는, 이 MTM 안테나는 GSM 대역(880-960MHz)과 PCS/DCS 대역(1710-2170MHz) 모두에서 좋은 매칭을 제공한다.
HFSS EM 시뮬레이션 소프트웨어는 위의 파라미터 값들을 가지고 안테나의 성능을 시뮬레이션하기 위하여 사용된다. 도 14a의 시뮬레이션된 귀환감쇄량과 도 14b의 시뮬레이션된 입력 임피던스는 모두 두 주파수 대역에서의 좋은 매칭을 보여준다. 두 대역의 폭을 나타내는 네개의 포인트는 다음과 같다;도 14a에 도시된 바와 같이 1(0.94GHz, -5.86dB), 2(1.02GHz, -5.84dB), 3(1.87GGz, -6.04dB), 그리고 4(1.98GHz, -6.05dB)이다. 저대역은 적어도 하나의 LH 모드 공진을 포함하고, 고대역은 RH 공진을 포함한다.
몇가지 샘플들이 제작되고 측정값들에 의하여 특징지어진다. 제작된 샘플에 대하여 측정된 효율이 GSM 밴드와 PCS/DCS 밴드에 대하여 각각 도 15a와 도 15b에 도시되어 있다. 위의 설계 파라미터들을 가지는 제작된 안테나는 GSM 밴드에서는 높은 첨두 효율 52%를, PCS/DCS 밴드에서는 78%를 보여주고 있다.
적어도 하나의 비아를 가지는 위의 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조는 두 개 이상의 패치를 포함할 수 있도록 확장될 수 있다. 도 16a 내지 16c는 비아를 가지는 2-셀 2-층 MTM 안테나 구조의 일 예를 세가지 관점에서 보여주고 있다; 즉, 각각 3D 도면, 상층의 평면도, 하층의 평면도이다. 두 개의 셀 패치 1(1616-1)과 2(1616-2)는 상부 금속화층에서 형성되며 각각 분리되어 있다. 공통 런치 패드(1612)는 두 셀 패치 1(1616-1)과 2(1616-2) 사이에서 형성되며 두 셀 패치1(1616-1)과 2(1616-2)가 공유한다. 공통 런치 패드(1612)는 결합 갭(1616-2)에 의하여 셀 패치(1616-1)로부터 분리되며 결합 갭(1626-2)에 의하여 셀 패치(1616-2)와 분리되어 두 패치와 런치 패드(1612)간에 전자기적 결합을 형성함으로써 송신 안테나 신호를 두개의 셀 패치들(1616-1, 1616-2)로 보내거나 혹은 두개의 셀 패치들(1616-1, 1616-2)로부터 안테나 신호를 수신할 수 있도록 한다. 공통 공급 선로(1608)는 상부 금속화층에 형성되어 송신 안테나 신호 혹은 수신된 안테나 신호를 전도하기 위하여 공통 런치 패드(1612)와 연결된다. 비아(1620)는 기판에 형성되고 상부 금속화층내의 주된 패치인 셀 패치1(1616-1)을 하부 금속화층내의 비아 패드(1652)에 연결한다. 비아 패드(1652)는 하부 금속화층내의 비아 선로(1624)에 의하여 하부 접지 전극(1641)에 연결된다. 셀 패치 2(1616-2)는 두 번째 셀 패치이다. 비아 선로(1624)는 셀 패치 2(1616-2) 아래에서 확장되어, 비아 선로(1624)와 셀 패치 2(1616-2) 아래에 위치한 말단 부분을 연결하는 전도성 선로 부분을 포함하는 비아 선로 확장(1648)을 제공하여 상부 금속화층내의 셀 패치 2(1616-2)를 직접 연결하는 비아 없이 셀 패치 2(1616-2)에 용량성 결합을 제공한다. 비아 선로 확장(1648)은 다양한 모양, 길이, 그리고 크기를 가지면서 형성될 수 있다. 도 16a 내지 16c에 도시된 실시예의 구조에서, 비아 선로 확장(1648)의 말단 부분은 사각형의 두번째 셀 패치 2(1616-2) 아래에 위치한 나선형 부분을 가진다. PCB 홀 (1632)과 PCB 컴포넌트(1636)의 위치 역시 참조를 위하여 도면에 나타냈다.
이 안테나의 단일폴(monopole) 공진 주파수는 공급 선로, 런치 패드, 그리고 셀 패치를 합한 총 길이에 의하여 조절될 수 있다. 총 길이가 길수록 공진 주파수는 낮아진다. 예를 들면, 공급 선로(1608)의 위치는 매칭을 향상시키고, 대역폭을 조절하고, 그리고 저대역 중심 주파수를 낮추기 위하여 셀 패치 1(1616-1)에서 멀리 위치시킬 수 있다. 게다가 두번째 셀 패치를 구비함으로써, 두번째의 단일폴 모드가 낮은 주파수에서 생성될 수 있다. 상기 두번째 셀 패치는 직접 런치 패드에 연결되어 결과적으로 큰 런치 패드가 될 수 있다. 그러므로, 주로 공급 선로(1604), 런치 패드(1612), 그리고 셀 패치들(1616-1, 1616-2)의 총 길이에 의하여 조절될 수 있는 이 낮은 주파수 단일폴 공진은 LH 모드 공진 주파수에 가까운 주파수 영역에 튜닝될 수 있어서 상기 두 가지 모드들은 저 주파수 광대역 공진을 이루어내기 위하여 결합될 수 있다. 이 결과적인 저 주파수 광대역 공진은 본 명세서에서 결합된 단일폴 모드 그리고 LH 모드 공진으로 지칭한다. 휴대용 전화 응용을 위한 5대역 커버리지는 셀룰라 대역(824-960MHz)을 대략 150MHz의 대역폭과 함께 지원하기 위하여 단일폴 모드와 LH 모드를 생성하는 이 기법에 기초하여 얻을 수 있다. 셀 패치 2(1616-2) 바로 아래에서 형성되는 나선형 모양을 가지는 선로 확장(1648)은 이 예에서 매칭을 더 향상시키기 위하여 기여한다.
도 17a와 17b는 도 16a 내지 도 16c에 도시된 MTM 구조의 귀환감쇠량(return loss)과 입력 임피던스를 각각 시뮬레이션한 결과이다. 설계 파라미터들은 이전의 1-셀 2-층 MTM 예에서와 같은 보드(board)와 파라미터 규격을 따라 결정된다. 도 17a와 17b로부터 1GHz 근처의 LH 모드와 1.2GHz 근처의 첫번째 단일폴 모드가 상호 결합하여 약 300MHz의 대역폭을 가지면서 약 1GHz를 중심으로 한 넓은 저대역을 생성하고(결합된 단일폴 모드와 LH 모드 공진) RH 모드와 두번째 단일폴 모드가 상호 결합하여 약 300MHz의 대역폭을 가지면서 약 1.9GHz를 중심으로 한 넓은 고대역을 생성한다는 것을 알 수 있다.
일부 응용에서, 안테나와 주 PCB 사이의 분리를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 그 이유중의 하는 안테나와 컴포넌트들간의 간섭을 피하기 위함이다. 이러한 분리는 안테나를 주 기판면에 수직인 Z-방향을 따라 안테나를 물리적으로 이동시킴으로써 증가될 수 있다. 이것은 또한 하나는 MTM 안테나를 형성하기 위한 기판이고 다른 하나는 주 PCB를 형성하기 위한 기판인 두 개의 기판을 사용하여 이룰수 있다. 이 두개의 기판을 쌓고 중간의 유전체 절연층으로 분리시킨다. 주 기판 평면 대비 높이 h에서 상향된(elevated) 안테나 부분을 가지는 그러한 MTM 구조의 예가 도 18a 내지 18(f)에 도시되어 있으며, 각각 3D, 측면도, 상향된 기판(1851)의 상부 층의 평면도, 상향된 기판(1851)의 하부층의 평면도, 주기판(1850)의 상부층의 평면도, 그리고 주기판(1850)의 하부층의 평면도이다. 유전체 분리부(dielectric spacer, 1850)는 두 기판들(1851과 1850)사이에 샌드위치될 수 있으며 혹은 개방된채로 존재할 수도 있다. 상기 기판(1850)은 주 PCB로서 구성되며 참조번호가 1851인 기판은 MTM 안테나를 형성하기 위하여 구성된다. 어느 정도, 이 구조는 공통 런치 패드를 공유하는 두개의 셀패치 1,2를 가짐으로써 도 16a 내지 16c에 도시된 2-셀 2-층 MTM 구조에 유사하다. 도 16a내지 16c의 구조와 상이한 요소로서 도 18a 내지 18(f)의 안테나와 관련된 요소들은 상향된 기판(1851)위에서 형성되는 반면에 접지 전극과 같은 다른 요소들은 주기판(1850)상에 잔존한다.
도 18a 내지 18(f)에서, 공급 선로는 주기판(1850)의 상부 표면위 제1부분과 상향된 기판(1851)의 상부 표면위 제2부분으로 분할된다.이 공급 선로 부분들은 각각 공급선로 1(1808-1)과 공급선로 2(1808-2)로 지칭되며, 스페이서(1801)와 상향된 기판(1851)을 주기판(1850)의 상부 표면으로부터 상향된 기판(1851)의 상부 표면으로 관통하는 비아 1(1820-1)에 의하여 연결된다. 이 비아 1(1820-1)의 아래쪽 끝단은 상부 접지 전극(1840)의 끝으로부터 D1 만큼 떨어진 곳에 위치한다. 비아 선로는 또한 두 부분으로 나뉜다: 상향된 기판(1851)의 하부 표면위의 비아 선로 1(1824-1)과 주기판(1850)의 하부 표면위의 비아 선로2(1824-2). 이 두개의 비아 선로 부분들은 주기판(1850)과 스페이서(1801)를 주기판(1850)의 하부 표면으로부터 상향된 기판(1851)의 하부 표면으로 관통하는 비아 3(1820-3)에 의하여 연결된다. 이 비아 3(1820-3)의 아래쪽 끝단은 하부 접지 전극(1841)의 끝으로부터 D2 만큼 떨어진 곳에 위치한다. 비아 2(1820-2)는 상향된 기판(1851)에 형성되고 주 셀 패치이면서 상향된 기판(1851)의 상부 표면위에 있는 셀 패치 1(1816-1)을 상향된 기판(1851)의 하부 기판상의 비아 선로 1에 연결한다. 공급 선로 2(1808-2)는 상향된 기판(1851)의 상부 표면상에 있는 런치 패드(1812)에 연결되며, 셀 패치 1(1816-1)으로 신호를 유도하거나 혹은 셀패치 1(1816-1)으로부터 신호를 수신하기 위하여 결합갭 1(1828-1)을 통하여 셀 패치 1(1816-1)에 결합된다. 두번째 셀 패치인 셀 패치 2(1816-2)는 셀 패치 1(1816-1)으로부터 런치 패드(1812)의 다른 쪽에 형성되며 결합갭 2(1828-2)를 통하여 런치 패드(1812)에 결합된다. 게다가 비아 선로 1(1824-1)는 셀 패치 2(1816-2) 아래에서 확장되어, 비아 선로 확장(1848)을 제공하는데, 이 것은 상향된 기판(1851)의 상부 표면상에 있는 셀 패치 2(1816-2)에 연결하는 비아를 갖지 않는다. 비아 선로 확장(1848)은 다양한 모양, 길이, 그리고 크기를 가지면서 형성될 수 있다. 도 18a 내지 18(f)에 도신된 실시예의 구조에서, 나선형 비아 선로 확장(1848)이 사각형의 두번째 셀 패치(1816-2)의 아래에 위치해있다. PCB 홀(1832)과 PCB 컴포넌트(1836)의 위치 역시 도면에 참조를 위하여 표시하였다. PCB 컴포넌트는 주기판(1850)의 하부 표면상에 위치한다.
도 18a 내지 18c의 상향된 안테나를 가지는 2-셀 MTM 구조에서 D1=6mm와 D2=8mm인 경우에 세 가지 상이한 높이 즉 h=2mm, 4mm, 5mm에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량과 임피던스를 도 19a와 19b에 도시하였다. 이 그래프들로부터, 안테나가 도 16 내지 도 17에 도시된 2-셀 2-층 MTM 안테나 구조의 경우와 같이 동일한 대역에서 공진한다는 것을 알 수 있다. 즉, 셀룰라 대역과 PCS/DCS 대역을 지원할 수 있도록 공진이 일어나지만, 약간 상이한 매칭과 함께 일어난다. 두 대역의 중심 주파수사이에서의 주파수 범위에서 매칭은 h가 증가함에 따라 좋아지며 그 결과 h=5mm에서 매우 넓은 대역의 결과를 낳는다.
상이한 실시예에서, 비아 선로 2(1824-2)는 비아 3(1820-3)를 주기판(1850)의 상부 표면에서 종단시키기 위하여 하부 표면 대신에 주기판(1850)의 상부 표면상에 위치시킬 수 있으며, 그 결과 비아 선로 2(1824-2)는 하부 접지 전극(1841) 대신에 상부 접지 전극(1840)에 연결될 수 있다.
도 16a 내지 16c에 도시된 평면형 버전(planar version)인 2-셀 2-층 MTM 구조와 도 18a 내지 18(f)에 도시된 3D 버전인 상향된 안테나를 가지는 2-셀 MTM구조에 기초한 샘플 안테나들을 제작하여 테스트하였다. 제작된 평면형 버전과 3D 버전의 샘플 사진들이 도 20a와 20b에 각각 도시되어있다. 3D 버전에 대하여 두 기판사이의 간격은 h=1mm가 되도록 선택하였고, 이 예에서 그 들 사이의 스페이서(spacer)로서 에어갭(air gap)이 사용되었다.
휴대용 전화기의 공간 영향을 평가하기 위하여, 이들 안테나 각각은 측정을 위하여 휴대용 전화기 하우징 내부에 설치하였다. 도 21과 22는 베어보드(bare board)의 경우, 뚜껑을 닫은 경우(closed lid), 그리고 뚜껑을 연 경우(open lid)에 대하여 평면형 버전과 3D 버전의 귀환감쇠량을 측정한 것을 보여주는 그래프이다. 도 21과 22의 모든 경우에 있어서, 측정된 귀환감쇠량은 셀룰라 대역과 PCS/DCS 대역에 대응하는 두 개의 광대역 공진을 보여주고 있다. 그러나 안테나가 베어보드(bare board)구성과 비교했을 때, 휴대용 전화기 하우징내에 위치했을 때 이들 두 대역은 더 좁아지고 약간 낮은 주파수로 이동한다. 또한 측정 결과를 보면, 측정된 귀환감쇠량은 평면형과 3D 버전 모두에 대하여 뚜껑을 닫은 경우 혹은 연 경우의 구성에 충분히 덜 민감하다는 것을 알 수 있다. 몇몇 응용에서 그리고 PCB상의 RF 부품들의 위치에 따라, MTM 안테나의 3D 버전은 평면형 버전에 비하여 더 낳은 수동 및 능동 성능을 보여줄 수 있다.
몇몇 휴대용 전화기 응용에서, 저대역 대역폭의 제어를 하는 것이 바람직할 수 있다. MTM 안테나의 저주파수 공진은 LH 모드에 의하여 활성화되기 때문에, 안테나와 접지간의 거리가 증가하지 않는 한 저주파수 공진의 대역폭은 제한될 수 있다. 그러나, 몇몇 상황에서 안테나의 평면 크기를 증가시키거나 주기판으로부터 안테나를 상향시키는 것이 어렵거나 혹은 심지어 불가할 수도 있다. 그러한 경우에, 2-포트 해법을 채택할 수 있는데, 여기서 하나의 안테나는 저주파수 공진을 제공하도록 구성하여 저대역을 생성하고, 다른 안테나는 고주파수 공진을 제공하도록 구성하여 고대역을 생성한다. 저대역 대역폭은 LH 모드에 의하여 활성화되는 저주파수 공진과 결합할 단일폴 모드 공진을 낮춤으로서 넓혀질 수 있다. 두 안테나간의 결합은 주파수상의 저대역과 고대역간의 간격을 넓힘으로써 감소될 수 있다.
도 23a 내지 23c는 저대역 안테나로 기능하는 하나의 MTM 안테나와 고대역 안테나로 기능하는 다른 MTM 안테나를 가지는 2-안테나 배열의 예를 보여주고 있는데, 각각 3D, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다. 이 예에서 두 안테나 각각은 하나의 셀 패치를 가진다. 상부 금속화층은 기판의 상부 표면상에 형성되고 상부 접지 전극(2340)을 포함한다. 하부 금속화층은 기판의 하부 표면상에 형성되고 하부 접지 전극(2341)을 포함한다. 상부 접지 전극(2340)은 하부 접지 전극(2341) 위에서 형성되어 CPW 공급 1(2340-1)과 CPW 공급 2(2304-2)는 상부 접지 전극(2340)에서 형성될 수 있다. 그러므로, 이 예에서, CPW 접지는 상부 접지 전극(2340)과 하부 접지 전극(2341)에 의하여 형성된다. 저대역과 고대역 MTM 안테나는 각각 CPW 공급 1(2340-1)과 CPW 공급 2(2304-2)에 연결되는 분리된 포트들과 함게 형성된다.
고대역 MTM 안테나 구조는 도 13a 내지 13d에 도시된 비아를 가지는 1-셀 2-층 안테나 구조의 이전 예와 유사하며 각 엘레멘트들은 고대역 매칭과 동조를 위하여 상이한 크기와 모양을 가진다. CPW 공급 2(2304-2)는 결합갭 2(2328-2)를 통하여 셀 패치 2(2316-2)로 신호를 보내거나 신호를 수신하기 위하여 공급 선로 2(2308-2)와 런치 패드 2(2312-2)에 연결된다. 비아 2(2320-2)는 셀 패치 2(2316-2)를 하부 표면상의 비아 패드 2(2321-2)로 연결하고, 비아 선로 2(2324-2)는 하부 접지 전극(2341)과 비아 패드 2(2321-2)를 연결한다.
저대역 MTM 안테나 구조도 도 13a 내지 13d에 도시된 비아를 가지는 1-셀 2-층 안테나 구조의 이전 예와 유사하며 각 엘레멘트들은 저대역 매칭과 동조를 위하여 상이한 크기와 모양을 가진다. 특히, 공급 선로(2308-1)는 단일폴 공진을 낮은 주파수 영역으로 낮추기 위하여 여러개의 휘어짐(bends)과 함께 더 긴 길이를 가진다. 이 예에서, 비아 선로 1(2324-1)은 공급 선로 1의 모양을 좇아가도록 패턴화되었다. 그러나 비아 선로 1(2324-1)은 안테나 성능에 영향을 주지 않으면서 다양한 모양과 크기를 취할 수 있다.
저대역 MTM 안테나와 고대역 MTM 안테나를 가지는 2-안테나 배열의 예들이 제작되었고 도 23a 내지 23c에 도시되었다. 측정된 귀환감쇠량과 커플링이 도 24에 도시되어있다. 고대역 안테나의 귀환감쇠량 2는 -6dB의 귀환감쇠량에서 1649MHz에서 3578MHz에 이르는 넓은 고대역을 보여주고 있다. 저대역 안테나의 귀환감쇠량 1은 1.3GHz 주변에서 단일폴 모드 공진을 가지며, 이것은 LH 모드 공진에 결합하여(결합된 단일폴 모드와 LH모드 공진) -6dB의 귀환감쇠량에서 790MHz에서 1005MHz에 이르는 넓은 저대역을 생성한다. 그러므로, 이 예에서 저대역 MTM 안테나와 고대역 MTM 안테나를 가지는 2-안테나 배열은 휴대용 전화기 응용을 위한 5-밴드를 감당할 수 있는 능력을 제공한다.
저대역과 고대역에 대하여 측정된 효율을 도 25a와 25b에 도시하였다. 베어보드 효율은 저대역에서 70% 그리고 고대역에서 80%에 달하는데, 820에서 1000MHz에서는 50% 그리고 1.7에서 3GHz에서는 60% 이상이다.
저대역과 고대역 MTM 안테나를 가지는 감소된 크기의 2-안테나 배열을 제작하였고 그 사진을 도 26에 보였다. 이 구조는 도 23a 내지 23c에 도시된 저대역과 고대역 MTM 안테나를 가지는 2-안테나 배열에 유사하지만, 도 26에 도시된 바와 같이 (a x b)의 크기를 가지는 안테나 부분이 이전의 2-안테나 배열의 예에서의 27mm x 45mm에서 10mm x 45mm로 감소되었으며, 상부 접지 전극에 더 가깝다.
측정된 귀환감쇠량은 도 27a에 도시되어 있으며, S11과 S22(저대역 안테나의 귀환감쇠량 1과 고대역 안테나의 귀환감쇠량 2에 각각 대응) 모두 도 24에서 보다 좁은 대역폭을 가지고 있음을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 이들은 셀룰라 대역(824-960MHz)과 PCS/DCS 대역(1850-2170MHz)을 포함하는 5-대역을 다룰 수 있을 정도로 여전히 충분하게 넓다. 커플링은 도 27b에 도시된 것처럼 이 감소된 크기의 경우에서조차 낮다. 그러나 도 28의 감소된 크기의 경우에 대하여 측정한 효율은 도 25a와 25b에 도시된 것보다 낮아서, 저대역에서는 45% 그리고 고대역에서는 70%에 달한다. 이것은 크기와 효율을 트레이드 오프한 결과이다.
수신 다이버시티(Rx diversity)는 두 개 이상의 안테나를 이용하는 무선 다이버시티 방법중의 하나이며, 수신기가 굳건한(robust) 링크를 획득할 수 있도록 수신 신호에 대한 여러 관측을 제공한다. 복수개의 안테나를 사용하기 때문에, 안테나 장치의 소형화가 요구된다. 수신 다이버시티 안테나에 대하여 고효율은 일반적으로 요구되지 않으며, 몇몇 경우에 그 효율의 범위는 30-40%일 수 있다. 이 명세서에서 기술하고 있는 MTM 안테나 구조는 수신 다이버시티를 제공하면서 한편으로는 소형화된 안테나 패키지를 허용하는 MTM 안테나 배열을 구축하기 위하여 구현될 수 있다.
도 29a 내지 29c는 휴대용 전화기 응용을 위하여 다음의 세가지 상이한 대역에서 공진하도록 설계된 세가지 상이한 안테나를 가지는 수신 다이버시티 MTM 안테나 배열의 예를 보여준다; US Cell Rx 869-894MHz(안테나 1), GPS 1570-1589MHz(안테나 2) 그리고 PCS Rx 1930-1990MHz(안테나 3). 도 29c에서 (a x b)로 표현된 안테나 영역은 16mm x 44mm이며 기판의 두께는 1mm이다.
세개의 분리된 CPW 공급 1(2904-1), 2(2904-2), 3(2904-3)은 각각 안테나 1,2,3에 대하여 안테나 신호를 유도하기 위하여 상부 접지 전극(2940)에 형성된다. 안테나 1을 위한 CPW 공급 1(2904-1)은 특히 상부 접지의 확장된 영역인 상부 접지 확장(2950)에 형성된다. 각 안테나 구조는 기본적으로 도 13a 내지 13d에 도시된 비아를 가지는 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조이다. 다음의 구조 설명에서, 그 설명이 각 안테나에 대한 것일 때는 대시(-)다음의 두번째 참조 숫자는 생략한다. 공급 선로(2908)는 각 안테나의 결합갭(2928)을 통하여 셀 패치(2916)로 신호를 유도하거나 신호를 수신하기 위하여 상부 금속화층에 형성되고 런치 패드(2912)에 연결된다. 공급 선로 1(2908-1)은 상부 접지 확장(2950)에 형성된 CPW 공급 1(2908-1)의 부분에 연결된다. 각 셀 패치(2916)는 비아(2920)을 거쳐서 비아 선로(2924)에 연결된다. 비아 선로 2(2924-2)와 3(2924-3)은 직접 하부 접지 전극(2941)에 연결되는 반면에, 비아 선로 1(2924-1)은 도 29c에 도시된 것처럼 하부 접지의 확장된 부분인 하부 접지 확장 1(2950-1)에 연결된다. 하부 접지의 또다른 확장 부분인 하부 접지 확장 2(2950-2)는 안테나들간의 매칭과 커플링을 최적화하기 위하여 부가된다. 도시된 예에서, 세개의 상이한 위치에서 세개의 안테나가 다이버시티를 위하여 세가지 상이한 모양과 모양-신장(shape-elongation) 방향을 가지도록 구성된다. 이 안테나들에서 안테나 엘레먼트의 차원은 세개의 목표 대역에서 상이한 공진 주파수를 생성하도록 선택된다. 예를 들어, 안테나 1의 전체 길이는 안테나 2의 그것보다 길게 만들어서 안테나 1이 수신하기 위한 공진 주파수를 안테나 2의 경우보다 더 낮게 할 수 있다.
측정된 귀환감쇠율을 도 30에 도시하였으며, 안테나 1,2,3에 의하여 다루어지는 세개의 목표 대역을 각각 S11,S22,S33으로 기술하고 있다. 이 세개의 공진은 LH 모드에 기인한다. 게다가, 다음의 표 3은 측정과 시뮬레이션을 기초로 현재의 MTM 설계에 의하여 얻어지는 Rx 다이버시티 안테나 성능의 요약을 제공하고 있다.
귀환감쇠량 도 30 -6dB에서의
대역폭		 대역 시뮬레이션
S11 34 MHz 867-901 MHz 810-830 MHz
S22 62 MHz 1.527-1.589 GHz 1.46-1.51 GHz
S33 214 MHz 1.903-2.117 GHz 1.73-1.92 GHz
커플링 S12 S31 S32
-15 dB
@ 1.56GHz		 -9.27 dB
@ 2.068 GHz		 -20.01dM
@ 1.966 GHz
첨두 효율 안테나 1 안테나 2 안테나 3
51%
@ 880 MHz		 54%
@ 1.55 GHz		 58%
@ 1.93 GHz
하나의 비아를 가지는 2-셀 2-층 2-나선 MTM 안테나 구조의 예가 도 31a 내지 31c에 도시되어있는데, 각각 3D, 상부층의 평면도, 하부층의 정면도이다. 이것은 5-대역 휴대용 전화기 응용을 위하여 설계된 또다른 예의 MTM 안테나이며, 한쌍의 상부와 하부 셀 패치, 그리고 한쌍의 상부와 하부 나선으로 특징지워진다. 상부와 하부 셀 새치를 연결하기 위한 비아가 제공되지만, 상부와 하부 나선사이에는 비아가 제공되지 않아서 이들은 전도성으로 연결되지 않는다.
특히, 상부 금속화층은 상부 접지 전극(3140), 상부 접지 전극(3140)에 형성된 CPW 공급(3104), 상부 런치 패드(3112-1), 상부 런치 패드(3112-1)에 부착된 상부 나선(3152-1), CPW 공급(3104)와 상부 런치 패드(3112-1)을 연결하는 공급 선로(3108), 그리고 상부 셀 패치(3116-1)를 가진다. 안테나 신호는 상부 결합 갭(3128-1)을 통하여 상부 셀 패치(3116-1)로 유도되고 혹은 그로부터 수신되며, 상부 셀 패치(3116-1)는 기판을 관통하는 비아(3120)에 의하여 하부 셀 패치(3116-1)에 전도성으로 연결된다. 하부 금속화층은 하부 셀 패치(3116-2), 하부 접지 전극(3141), 하부 결합갭(3128-2)를 통하여 하부 셀 패치(3116-2)에 용량성으로 연결된 하부 런치 패드(3112-2), 하부 런치 패드(3112-2)에 부착된 하부 나선(3152-2), 그리고 하부 셀 패치(3116-2)를 하부 접지 전극(3141)에 연결하는 비아 선로(3124)를 가진다. 상부와 하부 나선(3152-1, 3152-2)은 실질적으로 모양과 크기가 동일하여 상호 겹친다. 상부와 하부 셀 패치(3116-1, 3116-2) 역시 실질적으로 모양과 크기가 동일하지만, 비아 선로(3124)가 연결되는 하부 셀 패치(3116-2)의 작은 부분이 상부 셀 패치(3116-1)에 비하여 약간 연장된다는 점은 예외이다.
하부 셀 패치(3116-2)는 절단된 접지를 유발하고 상부 셀 패치(3116-1)의 바로 아래의 절단된 접지(하부 셀 패치(3116-2))의 모양과 크기는 상부 셀 패치(3116-1)의 그것들과 유사하다. 이 예에서 RH 병렬 캐패시턴스 CR은 셀 패치보다 훨씬 작은 비아 패치 혹은 선로가 사용된 도 8,9,10에 도시된 절단된 접지 구조의 1-셀 버전에서보다 크다. 이전 섹션에서 설명한 분석에 기초할때, 비아(3120)에 기인한 LH 병렬 인덕턴스 LL, 비아 선로(3124)에 기인한 직렬 인덕턴스 Lp, 그리고 상부 결합갭(3131-1)에 유도된 LH 직렬 캐패시턴스 Lp는 주로 LH 공진을 제어한다.반면에 저주파수 단일폴 모드 공진은 사부 나선(3152-1)을 부가함으로써 생성된다. 상부 나선(3152-1)의 길이는 LH 공진보다 더 높은 주파수에서 공진을 일으키도록 조절될 수 있으나, 두 모드(결합된 단일폴 모드 그리고 LH 모드 공진)의 결과적인 대역폭이 ~ 150Mhz의 대역폭을 가지는 저대역을 감당하기에 충분하도록 LH 공진에 가깝게 조절될 수 있다. 하부 나선(3152-2)은 상부 나선(3152-1)을 위한 용량성 부하 엘레먼트로 해석될 수 있으며, 그럼으로써 주로 상부 나선(3152-1)의 길이에 의하여 조절되는 단일폴 공진을 위한 매칭 수단으로 기능한다.
시뮬레이션된 귀환감쇠량과 입력임피던스가 각각 도 32a와 32b에 도시되었다. 제작된 샘플의 측정된 귀환감쇠량은 도 33에 도시되어있다. LH 공진은 이 그림들에 도시된 것처럼, 890MHz근처에서 나타난다. 그러나, 하나의 비아를 가지는 2-셀 2-층 2-나선 MTM 안테나는 800MHz와 1700MHz 사이의 대역폭을 감당하기에는 잘 매칭되지 않는다. 도 34에 도시된 측정된 효율에서 알 수 있듯이, 첨두 효율은 저대역과 고대역 모두에서 약 70%이다.
모든 다섯개의 대역을 감당하기위한 매칭을 향상시키기 위하여, 도 31a 내지 31c에 도시된 하나의 비아를 가지는 2-셀 2-층 2-나선 MTM 안테나 구조에 수정이 가해진다. 도 35a 내지 35d에 도시된 수정된 버전은 2개의 비아를 가지는 2-셀 2-층 2-나선 MTM 안테나 구조로서, 여기에서 비아 2(3520-2)는 상부와 하부 나선(3552-1, 3552-2)을 연결한다. 게다가, 상부 셀 패치(3516-1)는 이 구조에서 하부 셀 패치(3516-2)보다 크게 만들어진다. 하부 런치 패드(3512-2)는 상부 나선(3552-1)을 위한 유도성 부하 엘레먼트로 해석될 수 있으며, 그럼으로써 주로 상부 나선(3552-1)의 길이에 의하여 조절되는 저주파수 단일폴 공진을 위한 매칭 수단으로 기능한다.
다음의 표 4는 두 개의 비아를 가지는 2-셀 2-층 2-나선 MTM 안테나 구조의 안테나 엘레먼트들의 요약을 제공한다. 이 수정된 설계는 임피던스 매칭을 향상시킨다.
파라미터 설명 위치
안테나 엘레먼트 각 안테나 엘레먼트는 상부 런치 패드(3512-1)과 공급 선로(3508)을 통하여 CPW 공급(3504)에 연결되는 셀을 포함한다
공급 선로 상부 런치 패드(3512-1)를 CPW 공급(3504)에 연결 상부층
상부 나선 공급 선로(3508)에 연결됨 상부층
하부 나선 하부 런치 패드(3512-2)와 상부 나선(3508)에 비아 2(3520-2)를 통하여 연결됨 하부층
비아 2 원통형 모양이고 상부와 하부 나선(3552-1, 3552-2)을 연결
런치 패드 상부 런치 패드(3512-1)는 상부 결합갭(3528-1)을 통하여 셀에 연결됨 상부층
하부 런치 패드(3512-2)는 하부 결합갭(3528-2)을 통하여 셀에 연결됨 하부층
셀 셀 패치
 상부 셀 패치(3516-1)은
폴리곤(polygon) 모양을 가짐		 상부층
하부 셀 패치(3516-2)는 폴리곤 모양을 가지며 비아 1(3520-1)을 통하여 상부 셀 패치(3516-1)에 연결됨 하부층
비아 1 원통형 모양을 가지며 상부와 하부 셀 패치(3516-1, 3516-2)를 연결
비아 선로 하부 셀 패치(3516-2)를 하부 접지 전극(3541)에 연결 하부층
도 36a 내지 36d는 세미(semi) 단일층 MTM 구조의 예로서, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 하부층의 평면도를 보여준다. 이것은 5-대역 휴대용 전화기 응용을 위하여 설계된 MTM 안테나 구조의 예이다. 도 36c는 상부층과 겹치는 하부층을 보여준다. 도 36d는 하부층과 겹치는 상부층을 보여준다. 이 설계에서, 셀은 각각 상부와 하부 금속화층에 형성되고 전도성 비아들에 의하여 연결되는 두 개의 금속 패치를 포함한다. 두 개의 금속 패치중에서 상부층의 셀 패치(3608)는 하부층의 셀 패치 확장(3644)보다 크기가 더 크며 따라서 주된 셀 패치이다. 하부층의 셀 패치 확장(3633)은 접지 전극에 연결되지 않는다. 비아 선로(3612)는 셀 패치(3608)를 상부 접지 전극(3624)에 연결하기 위하여 셀 패치(3608)의 동일한 층인 상부층에 형성된다. 그러므로 이 안테나 구조는 휴대용 전화기의 안테나용으로 제한된 가용 영역(예를 들면, 10mm x 42mm)에 부합하기 위하여 하부층위에 굽혀진 사행선로(meander line)와 셀 패치를 가지는 단일층 MTM 구조로 볼 수 있다.
더 자세하게는, 이 세미 단일층 MTM 안테나 구조는 런치 패드(3604), 사행 선로(3652), 그리고 셀 패치(3608)를 가지는데, 이들 모두는 기판의 상부 표면상에서 상부 금속화층에 존재한다. 셀 패치(3608)는 하나 이상의 비아(3648)를 사용하여 기판의 하부 표면상에서 하부 금속화층의 셀 패치 확장(3644)으로 확장되어 상부 표면상의 셀 패치(3608)와 하부 표면상의 셀 패치(3644)에 연결된다. 사행선로(3652)는 하나 이상의 비아(3640)를 사용하여 기판의 하부 표면상에서 하부 금속화층의 사행 확장(3653)으로 확장되어 상부 표면상의 사행 선로(3652)와 하부 표면상의 사행 확장(3653)에 연결된다. 각 비아는 도면에서 사행 연결 비아(3640)와 셀 연결 비아(3648)로 지칭된다. 그러한 확장은 어떤 성능 수준을 유지하면서 공간 요구 조건을 만족하기 위하여 만들어질 수 있다. 안테나는 50Ω의 특성 임피던스를 가지는 접지된 CPW 공급(3620)에 의하여 급전된다. 공급 선로(3616)는 CPW 공급(3620)을 런치 패드(3604)에 연결하며 부가된 사행 선로(3652)를 가진다. 저주파수 단일폴 모드 공진은 사행 선로(3652)를 부가하여 생성된다. 사행 선로(3652)의 길이는 LH 공진보다 높지만 가까운 주파수에서 공진을 생성할 수 있도록 조절될 수 있어서 두 모드(결합 단일폴 모드와 LH 모드 공진)의 결과적인 대역폭은 ~ 150MHz의 대역폭을 가지는 저대역을 감당하기에 충분하다. 셀 패치 확장(3644)은 LH 모드 공진의 매칭을 향상시키는데 도움을 주는 반면에 사행 확장(3653)은 단일폴 모드 공진의 매칭을 향상시키는데 도움을 준다. 셀 패치(3608)는 다각형 모양(polygonal shape)을 가지며 결합갭(3628)을 통하여 런치 패드(3604)에 용량적으로(capacitively) 결합한다. 셀 패치3608)는 비아 선로(3612)를 통하여 상부 표면상의 상부 접지 전극(3624)으로 짧게 연결된다. 비아 선로 경로는 매칭을 위하여 최적화된다. 기판(3632)은 적절한 유전물질, 예를 들면 4.4의 유전 상수를 가지는 FR4 물질로 만들어질 수 있다.
표 5는 이 예에서 세미(semi) 단일층 MTM 안테나의 엘레먼트들의 요약을 제공한다.
파라미터 설명 위치
안테나 엘레먼트 각 안테나 엘레먼트는 런치 패드(3604)와 공급 선로(3616)을 통하여 CPW 공급(3620)에 연결되는 셀을 포함한다
공급 선로 런치 패드(3604)를 CPW 공급(3620)과 함께 연결 상부층
런치 패드 사각형 모양이고 결합갭(3628)을 통하여 셀 패치(3608)에 연결된다 상부층
사행 선로 공급 선로(3616)에 부가된다 상부층
사행 확장 사행 선로(3652)의 확장인 사각형 모양의 패치 하부층
사행 연결 비아 상부층위의 사행 선로(3652)를 하부층상의 사행 확장(3653)과 연결하는 비아
셀


 셀 패치 다각형 모양 상부층
셀 패치 확장 셀 패치(3608)의 확장인 사각형 모양의 패치 하부층
비아 선로 셀 패치(3608)를 상부 접지 전극(3624)과 함께 연결하는 선로 상부층
셀 연결 비아 상부층상의 셀 패치 (3608)를 하부층상의 셀 패치 확장(3644)과 함께 연결하는 비아
설계 파라미터들은 휴대용 전화기 응용을 위한 5대역을 감당할 수 있도록 선택된다. HFSS EM 시뮬레이션 소프트웨어가 안테나 성능을 시뮬레이션하기 위하여 사용되었다. 시뮬레이션된 귀환감쇠량이 도 37a에 도시되었고 시뮬레이션된 입력 임피던스가 도 37b에 도시되었다. 이 도면들에서 도시된 것처럼, LH 공진은 이 예에서 약 800MHz에서 나타난다. 도 37a의 시뮬레이션된 귀환감쇠량은 150MHz보다 큰 저대역 대역폭을 보여준다.
도 38에서 증명된 것처럼, 이 세미 단일층 MTM 안테나의 제작 샘플에 대하여 측정된 귀환감쇠량은 셀룰라 대역(824MHz - 960MHz)을 잘 지원하는, 800MHz 에서 1GHz에 이르는 저대역을 가진다. 또한 고대역은 PCS/DCS 대역(1710-2170MHz)을 잘 감당하는 것을 보여준다. 저대역과 고대역에 대하여 측정한 효율이 도 39a와 39b에 도시되어있다. 저대역에서의 첨두 효율은 약 60%인 반면에, 고대역에서는 약 75%에 달한다.
사행 선로를 가지면서 감소된 크기의 1-셀 2-층 MTM 안테나가 설계되고 제작되었으며 도 40a와 40b의 사진으로 나타냈고, 각각 상부층의 평면도와 하부층의 평면도이다. 이것은 5-대역 휴대용 전화기 응용을 위하여 설계된 또다른 MTM 안테나이다. 이 구조는 도 13a 내지 13d에 도시된 두 금속화층을 연결하는 전도성 비아를 가지는 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조와 유사하되, 사행 선로(4052)가 공급 선로(4008)에 부가된 점은 상이하다. 도 13a - 13d에 도시된 사행 선로가 없는 1-셀 2-층 MTM 안테나의 시뮬레이션된 귀환감쇠량을 도 14a에서 볼 수 있듯이, 이 경우의 저대역은 4대역을 감당하기에는 충분한 대역폭을 가지지만 5-대역을 감당하기에는 너무 좁다. 도 40a-40b에 도시된 사행 선로(4052)를 가지는 1-셀 2-층 MTM 안테나는 저대역 대역폭을 늘리기 위하여 설계되었다. 사행 선로(4052)의 길이는 LH 공진보다 크지만 가까운 주파수에서 공진을 생성하도록 조절될 수 있어서 두 모드의 결과적인 대역폭은 824MHz에서 960MHz에 이르는 저대역(즉 셀룰라 대역)을 담당하기에 충분하다.
사행 선로(4052)는 공급 선로(4008)로부터 셀 패치(4016)와 동일한 측면(side)에서 형성된다. 이 기하학적 구조는 셀 패치(4016)와 상부 접지 전극(4040)의 모서리(edge)사이의 가용 공간을 CPW 공급(4004)의 위치와 관련해서 이용할 수 있도록 결정된다. 결과적으로 예를 들면, 이 MTM 안테나 구조의 안테나 부분이 차지하는 영역, 즉, 도 40a에서 (a x b)는 10mm x 42mm [도 31a 내지 31c, 35a 내지 35d, 그리고 36a 내지 36d에 도시된 이전의 5-대역 MTM 안테나에서]로부터 7mm x 40mm로 감소될 수 있다. 표 6은 이 예에서 사행 선로(4052)를 가지는 감소된 크기의 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조의 요소들의 요약을 제공한다.
파라미터 설명 위치
안테나 엘레먼트 각 안테나 엘레먼트는 런치 패드(4012)와 공급 선로(4008)을 통하여 CPW 공급(4004)에 연결되는 셀을 포함한다

공급 선로		 런치 패드(4012)를 CPW 공급(4004)과 함께
연결		 상부층

런치 패드		 결합갭(4028)을 통하여 셀
패치(4016)에 연결된다		 상부층

사행 선로		 공급 선로(4008)에 부가된다 상부층

셀
 셀 패치 기판상의 다른 컴포넌트 주변에서 비규칙적으로 휘어진 모양을 가짐 상부층
비아 선로 하부 접지 전극(4041)을 비아(4020)에, 그래서 셀 패치(4016)에 여녈하는 선로 하부층
비아 셀 패치(4016)를 비아 선로(4024)와 함께 연결
사행(meander)을 가지는 이 감소된 크기의 1-셀 2-층 MTM안테나의 제작된 샘플에 대하여 측정된 귀환감쇠량을 도 41에 도시하였다. -6dB 귀환감쇠량에서의 주파수값은 저대역, 즉 셀룰라 대역(824 - 960MHz)이 잘 다루어지며, 고대역 즉 PCS/DCS 대역(1710-2170MHz)은 이 MTM 안테나를 사용하여 약 1700MHz에서 시작하는 고대역을 낮추는 약간의 튜닝을 함으로써 다루어질 수 있다. 도 42에 측정된 효율을 도시하였으며, 저대역의 약 900MHz에서 50%, 고대역에서 75%를 보여주고 있다.
도 43a 내지 43c는 분할된 나선을 가지는 작은 1-셀 2-층 MTM 안테나의 예를 보여주는데, 각각 3D, 상부층의 평면도, 그리고 하부층의 평면도이다. 이것은 작은 크기(예를 들면, 8mm x 22mm)와 분할된 나선에 의하여 특징지워지며, CDMA 단일 대역 응용을 위하여 설계된 MTM 안테나이다. 이 구조는 도 40a와 40b에 도시된 사행을 가지는 감소된 크기의 1-셀 2-층 MTM 안테나와 유사하며, 사행 선로가 비아에 의하여 연결되는 상부 나선과 하부 나선으로 분할된 나선 선로에 의하여 대치된다는 점이 상이하다. 이 구조에서 긴 나선 선로를 형성하기 위하여 상부 금속화층과 하부 금속화층을 모두 이용함으로써 전체적인 영역이 감소된다. 이전의 예들에서 나선 선로 혹은 사행 선로를 가지는 MTM 안테나에 유사한, 저주파수 단일폴 모드 공진은 이 나선 선로를 부가함으로써 생성된다. 상부와 하부 나선의 전체 길이는 LH 공진보다 높지만 가까운 주파수에서 공진을 생성할 수 있도록 조절될 수 있으며, 두 모드(결합 단일폴 모드 그리고 LH 공진 모드)의 결과적인 대역폭은 ~70MHz의 대역폭을 가지는 CDMA 단일 대역을 감당하기에 충분하다.
더 자세하게는, 상부 접지 전극(4340)은 하부 접지 전극(4341)위에서 형성되어 CPW 공급(4304)이 상부 접지 전극(4340)에 형성될 수 있다. 그러므로, 위에서 언급한 예에서처럼, 분할된 나선을 가지는 작은 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조에서 CPW 접지는 상부와 하부 접지 전극들(4340, 4341)에 의하여 형성된다. 그 대안으로, 안테나는 상이한 층상에서의 접지 평면, 프로브된(probed) 패치 또는 케이블 컨넥터를 필요로 하지 않는 CPW 공급으로 급전될 수 있다. CPW 공급(4304)은 공급 선로(4308)에 연결되며, 결합갭(4328)을 통하여 셀 패치(4316)로 신호를 유도하거나 셀 패치(4316)로부터 신호를 수신하기 위하여 런치 패드(4312)로 더 연결된다. 갭의 폭은 몇몇 구현예에서 몇 밀(mil)이 될 수 있다. 나선 선로가 런치 패드(4312)에 부착된다. 나선 선로는 상부 나선(4352-1)과 하부 나선(4352-2)으로 분할되며, 이들은 비아 (4320-2)에 의하여 연결된다. 셀 패치(4316)는 기판의 하부 표면상에서 비아 선로(4324)를 통하여 하부 접지 전극(4341)으로 연결된다. 셀 패치(4316)와 비아 선로(4324)는 비아 1(4320-1)을 통하여 연결된다. 표 7은 이 분할된 나선을 가지는 작은 1-셀 2-층 MTM 안테나 구조의 엘레먼트들의 요약을 제공한다.
파라미터 설명 위치
안테나 엘레먼트 각 안테나 엘레먼트는 런치 패드(4312)와
공급 선로(4308)를 통하여 CPW 공급(4304)
에 연결되는 셀을 포함한다		 상부층
공급 선로 CPW 공급(4304)과 런치 패드(4312)를 연결하는 사각형 모양의 스프립(strip) 상부층
런치 패드 런치 패드(4312)와 셀 패치(4326)사이의 결합갭(4328)을 통하여 셀 패치(4316)를 CPW 공급(4304)에 연결한다 상부층
나선 상부 나선 런치 패드(4312)에 부착된 나선 선로의 제1부분 상부층
하부 나선 하부층에 위치하고 비아 2(4320-2)를 통하여 상부 나선(4352-1)에 연결되는 나선 선로의 제2부분 하부층
비아 2 상부와 하부 나선(4352-1, 4352-2)을 연결하는 원통형 모양
셀 셀 패치 사각형 모양 상부층
비아 선로 비아 1(4320-1)을 통하여 셀 패치(4316)를 하부 접지 전극(4343)에 연결하는 선로 하부층
비아 1 셀 패치(4316)와 비아 선로(4324)를 연결하는 원통형 모양
분할된 나선을 가지는 작은 1-셀 2-층 MTM안테나에서 엘레먼트들의 차원은 CDMA 단일 대역 공진을 생성하도록 선택된다. 일 실시예에서의 설계 파라미터들의 예를 아래에서 설명한다. 기판은 폭 42mm, 길이 100mm, 두께 1mm 이다. 물질은 유전 상수가 4.4인 FR4이다. 런치 패드(4312)와 셀 패치(4316)사이의 갭은 0.2mm이다. 셀 패치(4316)의 크기는 길이가 15.45mm이고 폭은 4mm이다. 비아 선로는 길이가 46.2mm이고 폭이 0.3mm이다. 나선 선로는 상부와 하부 나선(4352-1, 4352-2)을 결합하는 총 길이 83mm를 가지며, 그 폭은 0.3mm이다. 안테나 영역은 8mm x 22mm이다.
이 MTM 안테나의 제작된 샘플에 대하여 측정된 귀환감쇠율이 도 44에 도시되어 있으며, CDMA 단일대역(824-894MHz)이 이 MTM 안테나에 의하여 잘 다루어진다는 것을 증명하고 있다. 측정된 효율이 도 45에 도시되어 있으며, 이 대역에서의 첨두 효율이 40%에 가깝다는 것을 보여준다. 상대적으로 낮은 효율은 크기와 효율간의 트레이드 오프의 결과이다.
앞서 언급한 안테나 구조에서, 런치 패드와 셀 패치간의 결합갭은 런치 패드의 직선 말단과 셀 패치의 조절된 직선 말단 부분사이에서 얇게(slim) 그리고 직선 혹은 직각의 갭으로 형성된다. 갭의 폭은 예를 들면 몇몇 응용에서 4 - 8 밀(mils)이다. 런치 패드와 셀 패치의 배치에 의하여 결정되는 기하학적 결합 모양은 더 복잡한 기하학적 구조를 가지도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 런치 패드는 셀 패치를 완전히 둘러싸도록 혹은 그 반대의 경우가 되도록 형성될 수 있다. 이전 섹션에서 제시된 분석은 직렬 LH 캐피시턴스 CL이 런치 패드와 셀 패치사이에서 유사하게 유도되지만 갭의 기하학적 구조에 좀더 복잡하게 의존한다는 점에서 이러한 기하학적 구조에 대하여도 여전히 유효하다.
도 46a 내지 46d는 런치 패드가 셀 패치에 의하여 완전히 둘러싸인 MTM 안테나 구조의 일 예를 보여주는데, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 하부층의 평면도이다. 하부 금속화층의 셀 패치(4616)는 런치 패드(4612)가 형성되고 셀 패치(4616)에 의하여 완전히 둘러싸이는 개구 영역을 포함하기 위한 모양을 가지고 있다. 이 MTM 안테나 구조는 비아에 의하여 연결되는 두 개의 스트립, 즉 상부 금속화층의 한 스트립(공급 선로 4608), 하부 금속화층의 다른 스트립(런치 패드 4612), 그리고 두 스트립을 연결하는 비아 1(4620-1)을 포함하는 3차원 전력 공급 구조에 의하여 특징지어진다. 비아 선로(4624)는 상부 금속화층에 형성되며 상부 접지 전극(4640)과 비아 2(4620-2)의 상부 부분에 연결되며, 나아가 하부 금속화층의 셀 패치(4616)에 연결된다.
상부 접지 전극(4640)은 하부 접지 전극(4641)위에서 형성되어 CPW 공급(4604)이 상부 접지 전극(4640)에 형성될 수 있다. 그러므로 앞서 언급한 예들에서처럼, 현재의 MTM 안테나 구조에서 CPW 접지는 상부와 하부 접지 전극(4640, 4641)에 의하여 형성된다. 그 대안으로, 안테나는 상이한 층상의 접지 평면, 프로브된 패치 또는 케이블 컨넥터를 필요로 하지 않는 CPW 공급에 의하여 급전될 수 있다. CPW 공급(4604)은 공급 선로(4608)에 연결되며, 나아가 셀 패치(4616)에 의하여 둘러싸인 결합갭(4628)을 통하여 셀 패치(4616)로 신호를 유도하거나 셀 패치(4616)로부터 신호를 수신하기 위하여 런치 패드(4612)에 연결된다. 이 MTM 안테나 구조는 슬롯 안테나와 상이한데, 그 이유는 공급 구조와 셀 패치가 용량성 결합 CL을 제공하는 갭에 의하여 완전히 분리되기 때문이다.
가능한 설계 변형은 셀 패치(4616)를 하부 접지 전극(4641)과 직접 연결하면서, 하부 금속화층에 비아 선로를 갖도록 하는 것이다. 다른 변형은 제3금속화층에 비아 선로와 다른 접지 전극을 가지도록 하고 하부 금속화층의 셀 패치(4616)와 제3금속화층의 비아 선로를 연결하는 비아를 가지도록 하는 것이다. 제3금속화층은 원래의 기판(4632)의 아래에 쌓여지는 제2기판의 하부 평면상에서 형성될 수 있으며, 따라서 다층 구조를 제공한다. 하부 금속화층에 존재하는 하부 접지 전극(4641)은 제3금속화층에 다른 접지 전극을 형성하는 대신에 제3금속화층으로 이동할 수 있다. 위에서 설명한 변형에서의 추가적인 제3금속화층뿐만 아니라 상부와 하부 금속화층은 도 46a 내지 46d에 도시된 MTM 안테나 구조에서 상호 교환될 수 있다.
표 8은 도 46a 내지 46d에 도시된 셀 패치에 의하여 둘러싸인 런치 패드를 가지는 MTM 안테나 구조의 엘레먼트들의 요약을 제공한다.
파라미터 설명 위치
안테나 엘레먼트 각 안테나 엘레먼트는 공급선로(4608), 비아 1(4620-1), 런치 패드(4612)를 통하여 CPW 공급(4604)에 결합되는 셀을 포함한다. 상부층과 하부층
공급 선로 비아 1(4620-1)을 통하여 CPW 공급(4604)을 런치패드(4612)와 연결한다. 상부층
런치 패드 공급 선로(4608)에 연결되며, 결합갭(4628)을 통하여 결합함으로써 셀 패치(4616)에 전력을 공급한다 하부층

비아 1		 공급 선로(4608)와 런치 패드(4612)를 연결하는 원통형 모양



셀

 셀 패치 런피 패드(4612)가 형성되고 셀 패치(4616)에 의하여 둘러싸인 개구를 내부에 가지는 실질적인 사각형 하부층
비아 2 셀 패치(4616)를 비아 선로(4624)와 함께 연결하는 원통형 모양
비아 선로 비아 2(4620-2)를연결하고, 따라서 셀 패치(4616)를 상부 접지 전극(4640)에 연결하는 얇은 트레이스(trace) 상부층
도 46a 내지 46d에 도시된 바와 같이 셀 패치에 의하여 둘러싸인 런치 패드를 가지는 MTM 안테나 구조에서 엘레먼트들의 차원은 약 800MHz의 저대역과 약 2GHz의 고대역에서 주파수 공진을 생성하여, 휴대용 전화기 응용에서 사용되는 두 개의 대역을 감당할 능력을 제공할 수 있도록 선택된다. 일 실시예에서의 설계 파라미터들을 아래에서 제시한다. 기판의 크기는 폭 66.5mm, 길이 100mm, 두께1mm이다. 재료는 유전상수가 4.4인 FR4이다. 안테나 부분의 전체 높이는 상부 접지 전극의 에지(edge)로부터 7.8mm이고 총 길이는 35.65mm이다. 공급 선로(4608)는 길이 6.1mmm, 폭 0.5mm이며 런치 패드(4612)는 길이 13.5mm, 폭 0.5mm이다. 결합갭(4628)의 폭은 약 1.5mm이다. 셀 패치(4616)는 길이가 35.65mm이고 폭이 6.15mm이며 런치 패드(4612)를 수용할 수 있는 개구를 내부에 가지면서 실질적으로 사각형의 모양을 가진다. 비아 선로(4624)는 총 길이가 29.77mm이고 폭이 0.3mm이다. 각 비아 패드는 차원이 1mm x 1mm인 사각형이다. 제작된 샘플 사진이 도 47a와 47b에 도시되어 있으며, 각각 상부층의 평면도와 하부층의 평면도이다.
주파수 대역들은 도 48에 도시된 귀환감쇠량 측정 그래프에서 관찰할 수 있다. 첫번째 공진은 -6dB 귀환감쇠량에서 36MHz의 대역폭을 가지면서 약 834MHz의 중심 주파수를 가진다. 이것은 LH 모드 공진이며, 주로 셀 패치의 배치와 모양(LR에 기여), 대응하는 비아와 비아 선로 구조(LL과 Lp에 기여), 비아 선로와 셀 패치(CR에 기여), 그리고 셀 패치와 공급 선로-더하기-런치 패드(feed line-plus-launch pad) 구조간의 갭에 의하여 제어된다. 셀 패치와 공급 선로-더하기-런치 패드 구조간의 결합은 현재의 경우에서 두 가지 원천에 의하여 발생한다는 점에 주의하여야 한다; (1) 상부층의 공급 선로(4608)와 하부층의 셀 패치(4616)간의 수직 갭; (2)런치 패드(4612)와 셀 패치(4616)(CL에 기여)간의 수평이면서 둘러싸는 갭이 그 두가지이다. 이 예에서 수직 결합은 공급 선로와 셀 패치간의 겹침(overlay)이 매우 작기 때문에 수평이면서 둘러싸는 갭에 의한 것보다 훨씬 약하다. 예를 들면, ~ 1.5mm인 결합갭의 폭은 안테나의 성능에 중요하다. 두번째 공진은 -6dB 귀환감쇠량에서 188MHz의 대역폭을 가지면서 중심 주파수가 약 2.05GHz이다. 이 공진은 RH 모드(단일폴 모드)이며, 주로 공급 선로-더하기-런치 패드 구조의 물리적 길이에 의하여 그리고 또한 런치 패드(4612)가 갭(4628)을 통하여 셀 패치(4616)에 결합할 때 물리적 길이에 더해지는 셀 패치의 길이에 의하여 결정되는 상대적인 전기적 길이에 의하여도 제어된다. 이 예에서, 두 가지 중요한 대역인 ~800MHz에서의 "저"대역과 ~2GHz에서의 "고"대역이 정의될 수 있으며, 이것은 이 MTM 안테나를 휴대용 전화기 응용에 적합하도록 한다. 측정된 효율이 도 49에 도시되어 있으며, 양 대역에서 좋은 효율을 보여주고 있다.
도 50a 내지 50d에 셀 패치에 의하여 둘러싸인 런치 패드를 가지는 MTM 안테나 구조에 기초한 2-안테나 배열이 도시되어 있으며, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도, 하부층의 평면도이다. FR-4 기판을 사용하여 제작된 샘플 사진이 도 51a와 51b에 있으며, 각각 상부층의 평면도와 하부층의 바닥면을 보여준다. 이 배열에서 안테나 1 또는 안테나 2는 각각 도 46a 내지 46d에 도시된 이전의 예와 동일한 기본적 구조를 가진다. 아래의 설명은 안테나 1에 대한 것이지만, 참조 번호를 바꾸면 안테나 2에 대한 설명이 된다. 전력은, 상부 접지 전극(5040)에 형성되고 에너지를 상부 금속화층의 공급 선로 1(5008-1)에 전달하는 매칭 소자로서 기능하는 CPW 공급 1(5004-1)에 의하여 전달된다. 하부 접지 전극(5041)은 이 예에서 상부 접지 전극(5004) 바로 아래에서 형성된다. 비아 1(5020-1)은 공급 선로 1(5008-1)을 하부 금속화층의 런치 패드 1(5012-1)에 연결한다. 런치 패드 1(5012-1)은 하부 금속화층에 형성되는 셀 패치 1(5016-1)에 의하여 둘러싸인다. 셀 패치 1(5016-1)은 상부 금속화층에 형성되는 비아 선로 1(5024-1)에 연결되는 비아 2(5020-2)에 의하여 상부 접지 전극(5040)에 연결된다.
도 50a 내지 50d에 설명한 셀 패치에 의하여 둘러싸인 런치 패드를 가지는 MTM 안테나 구조에 기초한 2-안테나 배열의 엘레먼트들의 차원은 약 2GHz의 저대역과 약 4-6GHz의 고대역에서 주파수 공진을 생성함으로써 두 WiFi 대역을 감당할 수 있는 능력을 제공한다. 일 실시예에서의 설계 파라미터들을 아래에서 제시한다. PCB의 크기는 폭 47mm, 길이 43mm, 두께 1mm이다. 재료는 유전상수가 4.4인 FR4이다. 각 안테나의 전체 높이는 상부 접지 전극(5040)의 에지(edge)로부터 10.5mm이고 총 길이는 12.4mm이다. 공급 선로(5008-1)는 길이 4mmm, 폭 0.5mm이며 펀치 패드 1(5020-1)은 길이 5.5mm, 폭 0.5mm이다. 결합갭 1(5028-1)의 폭은 런치 패드(5012-1)와 셀 패치 1(5016-1)사이에서 0.4mm로부터 0.8mm까지 변한다. 셀 패치 1(5016-1)은 길이가 12.4mm이고 폭이 8.9mm이며 런치 패드 1(5012-1)을 수용할 수 있는 개구를 내부에 가지면서 실질적으로 사각형의 모양을 가진다. 비아 선로 1(5024-1)은 총 길이가 9mm이고 폭이 0.3mm이다. 각 비아 패드는 차원이 1mm x 7mm인 사각형이다.
이 2-안테나 배열에서 각 안테나는 도 52의 귀환감쇠량에 의하여 도시된 것처럼 두 개의 주파수 공진을 가진다. 이 도면에서 귀환감쇠량 1(S11)과 귀환감쇠량 2(S22)는 안테나 1의 귀환감쇠량과 안테나 2의 귀환감쇠량을 각각 나타낸다. 첫번째 공진은 -6dB 귀환감쇠량에서 300MHz의 대역폭을 가지면서 중심 주파수가 약 2GHz이다. 이 공진은 LH 모드 공진이다. 두번째 공진은 -6dB 귀환감쇠량에서 약 4 내지 6GHz를 감당한다. 이 공진은 RH(단일폴) 모드이다. 이 경우 ~2GHz "저"대역과 4 - 5GHz의 "고"대역인 두 가지 대역이 정의될 수 있으며, 이 안테나 구조를 WiFi 응용에 적합하게 만든다.
2-안테나 배열의 각 안테나와 관련된 효율이 도 53에 도시되어 있으며, 여기서 효율1과 효율 2는 각각 안테나1과 안테나2의 효율을 지칭한다. 도 54는 다른 안테나가 보드에서 제거될 때, 하나의 안테나(예를 들면, 안테나 1)에 대하여 측정한 효율을 보여준다. 두 안테나간의 상호작용의 결과인 결합 손실(coupling loss)은 이 경우에 존재하지 않는다. 그러므로 약 2GHz 근처에서의 효율은 도 53에 도시된 2-안테나 배열에서의 각 안테나에 비교하여 상당히 증가한다.
결합갭은 위의 예에서처럼 셀 패치에 의하여 둘러싸인 런치 패드 대신에, 셀 패치를 런치 패드가 둘러싸도록 함으로서 형성될 수 있다. 도 55a 내지 55d는 그러한 MTM 안테나 구조에 기초한 2-안테나 배열을 설명하고 있는데, 각각 3D, 측면도, 상부층의 평면도 그리고 하부층의 평면도이다. FR-4 기판을 사용함으로써 제작된 샘플의 사진이 도 56a과 56b에 있으며, 각각 상부층의 평면도와 하부층의 바닥면을 보여주고 있다.
도 55a와 55d에 도시된 바와 같이, 각 런치 패드는 내부에 개구를 가질 수 있는 모양이며 이 2-안테나 배열에서 안테나 1과 안테나 2는 각각 해당하는 런치 패드의 개구 내에 위치하는 셀 패치를 가지며 하부 금속화층의 런치 패드에 의하여 둘러싸여진다. 아래의 설명은 안테나 1에 대한 것이지만, 참조 번호를 바꾸면 안테나 2에 대한 설명이 된다. 전력은, 에너지를 상부 금속화층의 공급 선로 1(5508-1)에 전달하는 매칭 소자로서 기능하는 CPW 공급 1(5504-1)에 의하여 전달된다. 비아 1(5520-1)은 공급 선로 1(5508-1)과 하부 금속화층의 런치 패드 1(5512-1)을 연결한다. 셀 패치 1(5516-1)은 결합갭 1(5528-1)에 의하여 셀 패치 1(5516-1)로부터 분리되어 용량성 결합(CL)을 제공하는 런치 패드 1(5512-1)에 의하여 둘러싸인다. 그리고 나서 셀 패치 1(5516-1)은 비아 선로 1(5524-1)이 상부 접지 전극(5540)에 연결되는 상부 금속화층의 비아 선로 1(5524-1)에 비아 2(5520-2)를 통하여 연결된다.
상부 접지 전극(5540)은 하부 접지 전극(5541) 위에서 형성되어 CPW 공급 1(5504-1)이 상부 접지 전극(5540)에 형성될 수 있다. 그러므로 위에서 언급한 예들에서처럼, CPW 접지는 현재의 MTM 안테나 구조에서 상부와 하부 접지 전극(5540, 5541)에 의하여 형성된다. 그 대안으로, 안테나는 상이한 층위의 접지 평면, 프로브된 패치 혹은 케이블 컨넥터를 필요로 하지 않는 CPW 공급에 의하여 급전될 수 있다.
가능한 설계 변형은 비아 선로와 다른 접지 전극을 제3금속화층에 가지는 것이며, 하부 금속화층의 셀 패치와 제3금속화층의 비아 선로를 연결하는 비아를 가지는 것이다. 제3금속화층은 원래의 기판(5532) 아래에 쌓이는 제2기판의 하부 표면상에 형성될 수 있으며, 따라서 다층 구조를 제공한다. 하부 금속화층에 존재하는 하부 접지 전극(5541)은 제3금속화층에 다른 접지 전극을 형성하는 대신에 제3금속화층으로 이동할 수 있다. 위에서 설명한 변형에서의 추가적인 제3금속화층뿐만 아니라 상부와 하부 금속화층은 도 55a 내지 55d에 도시된 MTM 안테나 구조에서 상호 교환될 수 있다.
도 55a 내지 55d에 설명한 런치 패드에 의하여 둘러싸인 셀 패치를 가지는 MTM 안테나 구조에 기초한 2-안테나 배열의 엘레먼트들의 차원은 매우 넓은 대역을 감당할 수 있는 주파수 공진을 생성하도록 선택된다. 일 실시예에서의 설계 파라미터들을 아래에서 제시한다. 기판의 크기는 폭 47mm, 길이 43mm, 두께 1mm이다. 재료는 유전상수가 4.4인 FR4이다. 각 안테나의 전체 높이는 상부 접지 전극(5540)의 에지(edge)로부터 12mm이고 총 길이는 11.4mm이다. 공급 선로 1(5508-1)은 길이가 4mm 이고 폭이 0.5mm이며 런치패드 1(5512-1)은 외곽의 크기가 11mm x 11mm 이고 약 1.9mm의 루프폭을 가지는 사각형 루프(loop)를 형성한다. 셀 패치 1(5516-1)은 길이가 7mm이고 폭이 6.5mm이며 실질적으로 사각형의 모양을 가진다. 비아 선로 1(5524-1)은 총 길이가 12.5mm이고 폭이 0.3mm이다. 각 비아 패드는 차원이 1mm x 7mm인 사각형이다.
도 55a 내지 55d에 도시된 바와 같은 런치 패드에 의하여 둘러싸인 셀 패치를 가지는 MTM 안테나 구조에 기초한 2-안테나 배열에 대하여 측정한 회귀감쇠량이 도 57에 도시되어있다. 이 도면에서 귀환감쇠량 1(S11)과 귀환감쇠량 2(S22)는 3-안테나 배열에서 안테나 1의 귀환감쇠량과 안테나 2의 귀환감쇠량을 각각 나타낸다. 이 MTM안테나 구조에서는 LH 모드와 RH 모드를 합쳐서 2.1 - 4.7 GHz에 이르는 배우 넓은 영역의 대역을 이용할 수 있도록 합침으로써 둘 사이가 가까운 방사모드(radiation mode)의 생성이 가능하다. 이 두 모드는 만약 분리된 대역들이 연속적으로 넓은 대역 대신에 개별적으로 다루어질 필요가 있다면 튜닝되어 분리될 수 있다. 측정된 커플링은 또한 도 57에 도시되어 있으며, 이렇게 매우 넓은 대역에서 두개의 안테나 사이에 아주 좋은 분리(isolation)를 보여준다. 2-안테나 배열의 각각과 연관된 측정 효율은 도 58에 도시되어 있으며, 매우 넓은 대역에서 좋은 효율을 보여주고 있다.
아래에서 설명하는 MTM 안테나 예들에서, 런치 패드와 셀 패치간의 용량성 결합을 위한 결합 구조는 런치 패드와 셀 패치가 동일한 금속화층에 존재하고 따라서 그 둘 사이의 결합갭이 동일한 평면에 존재하는 평면형으로 구현된다. 그러나 결합갭은 수직으로 형성될 수 있는데, 즉 런치 패드와 셀 패치가 두 개의 상이한 층에 위치하여 수직이면서 비평면형의 결합 갭을 형성할 수 있다.
상이한 층의 셀 패치와 런치 패드간의 수직 결합을 가지는 3-층 MTM 안테나가 도 59a 내지 59(f)에 도시되어 있는데, 각각 3D, 상부층의 평면도, 중간층의 평면도, 하부층의 평면도, 상부와 중간층의 겹쳐진 것의 평면도, 그리고 측면도이다. 도 59(f)에 도시되어 있듯이, 이 3-층 MTM 구조는 3개 금속화층을 제공하기 위하여 상호간에 쌓여있는 상부 기판(5932)과 하부 기판(5933); 상부 기판(5932)의 상부 표면상의 상부층, 두 기판(5932, 5933)사이의 중간층, 그리고 하부 기판(5933)의 하부 표면상의 하부 기판을 가진다. 일 실시예에서, 중간층은 상부층 아래 30밀(mil, 0.76mm)이며, 하부층은 상부층 1mm아래이다. 이로 인하여 전체 두께가 1mm를 유지하는데, 2-층 구조에서와 동일하다.
상부층은 CPW 공급(5920)을 런치 패드(5904)에 연결하는 공급 선로(5916)를 포함한다. CPW 공급(5929)은 상부 접지 전극(5924)과 하부 접지 전극(5925)를 가지는 CPW 구조에서 형성될 수 있다. 공급 선로(5916)와 런치 패드(5904)는 각각 6.7mm x 0.3mm, 그리고 18mm x 0.5mm 크기를 가지는 사각형 모양이다. 일 실시예에서, 중간층은 L자 모양의 셀 패치(4808)을 포함할 수 있는데, 이 셀 패치의 한 섹션(section)은 6.477mm x 18.4mm의 크기를 가지고 다른 섹션은 6.0mm x 6.9mm의 크기를 가질 수 있다. 수직 결합갭(5952)이 상부층의 런치 패드(5904)와 중간층의 셀 패치(5908)사이에서 형성될 수 있다. 중간층의 셀 패치(5908)를 하부층의 비아 선로(5912)에 결합하기 위하여 하부기판에 비아(5940)가 형성될 수 있다. 하부층의 비아 선로(5912)는 도 59d에서 볼 수 있는 것처럼, 두 개의 휨(bend)을 가지는 하부 접지 전극(5925)에 짧게 연결된다.
가능한 설계 변형은 상부 접지 전극(5924)과 중간층의 셀 패치와 상부층의 비아 선로를 연결하는 비아에 상부층의 비아 선로가 연결되게 하는 것이다. 다른 설계 변형은 셀 패치(5908)를 중간층에 형성된 다른 접지 전극에 직접 연결하는 중간층의 비아 선로를 가지는 것이다. 하부(제3)층과 하부 기판은 이러한 변형에서 제거될 수 있다. 상부, 중간, 그리고 하부금속화층은 이 예의 3-층 MTM 안테나 구조에서 서로 맞바꿀 수 있다.
도 59a 내지 59(f)에서 도시된 수직 결합을 가지는 3-층 MTM 안테나에 대한 셜계 파라미터는 4-대역 휴대용 전화기 등작을 지원할 수 있는 주파수 공진을 생성하도록 위에서 설명한 것처럼 선택된다. 이 MTM 안테나에 대하여 시뮬레이션된 귀환감쇠량은 도 60a에 도시되었으며, -6dB 귀환감쇠량에서의 두 대역을 보여주는데 이들은; 0.925 - 0.99GHz에서의 저대역과 1.48 - 2.36GHz에서의 고대역으로서 4-대역을 감당할 수 있는 능력을 제공한다.
수직 결합을 가지는 이 MTM 안테나에 대하여 시뮬레이션된 입력 임피던스는 도 60b에 도시되어 있다. 일반적으로 완벽한 50Ω 매칭은 동작 주파수 대역내에서 Real(Zin)=50Ω 이고 Imaginary(Zin)=0 이며, CPW 공급과 안테나 사이에서 에너지 전달이 좋다는 것을 나타낸다. 도 60b는 저대역(LH 모드)에서 약 950MHz 그리고 고대역(RH 모드)에서 약 1.8GHz에서 일어나는 좋은 매칭을 보여준다.
다양한 실제적인 구현은 안테나 구조에서 어떤 경로 라우팅(routing of traces)을 필요로 하는 공간 제한을 제기할 수도 있다. MTM 안테나는 MTM 구조에 포함된 인덕턴스와 캐패시턴스를 늘리기 위하여 캐패시터 혹은 인덕터와 같은 집중회로소자를 사용하여 소형화될 수 있다. 도 61a 내지 61c에 도시된 전도성 사행 선로를 가지는 MTM 안테나 구조는 집중회로소자를 추가함에 따라 발생하는 효과를 평가하기 위한 기본 구조로서 사용될 수 있다. 이 MTM 안테나 구조는 도 40a 내지 40b에 도시된 사행 선로를 가지는 감소된 크기의 1-셀 2-층 MTM 구조와 유사한데, 사행 선로가 공급 선로로부터 셀 패치의 다른 측면에 위치한다는 점은 다르다. 이 도면들에서 접지 전극과 CPW 공급은 단순화를 위하여 기술되지 않았다. 특히 이 구조에서, 공급 선로(6108)는 상부 금속화층에 형성되고 결합갭(6128)을 통하여 셀 패치로 신호를 유도하거나 셀 패치(6116)로부터 신호를 수신하기 위하여 런치 패드(6112)에 연결된다. 비아(6120)는 셀 패치 그리고 하부 금속화층에 형성된 비아 선로(6124)를 연결하고 하부 접지 전극에 연결된다. 사행 선로(6152)는 공급 선로(6108)에 부가된다.
도 62a와 62b에 도시된 MTM 안테나 구조에서, 런치 패드(6112)와 셀 패치(6216)사이의 캐패시턴스는 집중소자 캐패시터(6120)를 사용함으로써 강화된다. 이 예에서, 도 61b에 도시된 기본 구조에서 결합 갭(6128)의 폭은 도 61b의 셀 패치(6116)의 크기로부터 도 62a의 셀 패치(6216)의 크기로 셀 패치의 폭을 감소시킴으로써 증가되며, 감소된 캐패시턴스는 부가된 집중소자 캐패시터(6210)에 의하여 보상된다. 갭의 폭을 증가시키는 대신에, 갭의 길이는 감소될 수 있으며 감소된 캐패시턴스는 집중소자 캐패시터를 부가함으로서 보상될 수 있다.
도 63a와 63b에 도시된 MTM 안테나 구조에서, 집중소자 인덕터(6310)가 비아선로 경로(trace)에 부가된다. 도 61c의 비아 선로(6124)의 길이는 도 63b에 도시된 비아 선로(6324)의 길이로 감소되며, 짧아진 비아 선로(6324)로 인하여 감소된 인덕턴스는 부가된 집중소자 인덕터(6310)에 의하여 보상된다.
도 64a와 64b에 도시된 MTM 안테나 구조에서, 집중소자 인덕터(6310)는 비아 선로 경로에 부가되고 집중소자 캐패시터(6210)는 결합갭에 부가된다. 비아 선로는 짧아지며 갭 폭은 위의 예에서처럼 넓어진다.
도 65a 내지 65d는 여러 MTM 구조에 대하여 시뮬레이션된 귀환감쇠량을 보여준다. 도 65a는 도 61a 내지 61c에 도시된 집중 소자가 없는 기본 MTM 구조에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량을 보여준다. 도 65b는 도 62a와 62b의 집중소자 캐패시터(6210)와 감소된 폭의 셀 패치(6216)를 가지는 MTM 구조에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량을 보여준다. 도 65c는 도 63a와 63b의 집중소자 인덕터(6310)와 짧아진 비아 선로(6324)를 가지는 MTM 구조에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량을 보여준다. 도 65d는 각각 도 64a와 64b의 감소된 폭의 셀 패치와 짧아진 비아 선로를 가지면서 집중소자 캐패시터(6210)와 집중소자 인덕터(6310)를 모두 가지는 MTM 구조에 대하여 시뮬레이션한 귀환감쇠량을 보여준다. 정성적으로 유사한 결과가 네가지 모든 경우에 대하여 얻어진다.
집중소자는 어떤 원하는 효과를 얻기 위하여 MTM 구조의 다양한 부분에 부가될 수 있다. 예를 들면, 인덕터는 사행 선로에 부가될 수 있고, 그래서 사행선로의 길이는 짧아질 수 있다. 이 예에서, 짧아진 사행선로에 기인하여 감소된 인덕턴스는 유사한 안테나 성능을 유지하면서 인덕터를 부가함으로써 보상된다. 집중소자들은 방사(radiation)를 하지 않기 때문에, 안테나의 방사 효율에 대한 영향을 최소화시키기 위하여 방사가 거의 없는 곳에 위치시킬 수 있다. 예를 들면, 사행선로의 시작 또는 끝에 인덕터를 부가함으로써 동일한 공진을 얻는 것이 가능하다. 그러나 사행선로의 끝에 인덕터를 부가하는 것은 사행선로의 끝이 높은 방사율을 가지기 때문에 방사 효율을 상당히 감소시킬 수도 있다. 이러한 깁중소자 부가 기술들은 더 나은 소형화를 획득하기 위하여 결합될 수 있음을 명심하여야 한다.
이 명세서가 많은 상세한 점을 담고 있지만 발명 혹은 청구범위의 범위에 대한 제한으로 해석되어서는 아니 된다. 오히려 본 발명의 특정한 실시예에 대한 특징 설명으로 해석되어야 할 것이다. 본 명세서에서 상이한 실시예들의 내용에서 기술된 어떤 특징들은 또한 하나의 실시예엣 결합하여 구현될 수 있다. 역으로 일 실시예에 대하여 설명된 다양한 특징들은 또한 여러개의 실시옐 분리하여 구현되거나 적절한 조합으로 구현될 수 있다. 그러나 어떤 조합에서 동작하거나 심지어 그렇게 초기에 청구된 특징들이 기술되었을지라도, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징은 어떤 경우에 그 조합으로부터 삭제될 수 있으며 청구된 조합이 서브컴비네이션 혹은 서비컴비네이션의 변형을 목적으로 할 수 있다.
단지 몇몇 구현예들이 개시되었다. 그러나 다양한 변형과 추가가 이루어질 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (72)

  1. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층(matallization layer); 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아(via);를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면, 그리고 상기 제1표면 반대쪽의 제2표면을 가지고,
    상기 복수의 금속화층들은 상기 제1표면 위에 형성되는 제1금속화층과 상기 제2표면 위에 형성되는 제2금속화층을 가지며, 그리고
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들은:
    (1) 상기 제2금속화층에 형성되는 접지 전극;
    (2) 상기 제1금속화층에 형성되는 셀 패치;
    (3) 상기 제2금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 전도성 비아를 연결하며 상기 제1금속화층의 셀 패치에 연결되는 비아 선로;
    (4) 상기 제1금속화층에 형성되는 공급 선로; 그리고
    (5) 상기 공급 선로의 끝단(distal end)에 형성되며 상기 셀 패치와 갭(gap)을 통하여 전자기적으로 연결되어 상기 셀 패치로 혹은 상기 셀 패치로부터 신호를 유도하는 런치 패드(launch pad)를 포함하며,
    상기 접지 전극은 상기 셀 패치의 영역 밖에 위치하는,
    메타물질 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 메타물질 안테나를 형성하도록 구성되고 두 가지 이상의 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 두 가지 이상의 주파수 공진중 적어도 두 개는 광대역(wide band)을 생성하기에 충분할 정도로 가까이 있는 메타물질 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 저대역(low bnad)에서 제1주파수 공진을 생성하고 고대역(high band)에서 제2주파수 공진을 생성하도록 구성되며, 상기 제1주파수 공진은 LH(Left-handed) 모드 주파수 공진이며 상기 제2주파수 공진은 RH(Right-handed) 모드 주파수 공진인 메타물질 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 저대역에서 제1주파수 공진을 생성하고 고대역에서 제2주파수 공진을 생성하며, 상기 제1주파수 공진과 결합할 상기 제1주파수 공진에 충분히 주파수가 근접한 제3주파 공진을 생성하여, 상기 저대역보다 넓은 결합모드(combined mode) 공진을 제공하는 메타물질 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1주파수 공진은 LH 모드 주파수 공진이고, 상기 제2주파수 공진은 RH 모드 주파수 공진이고, 상기 제3주파수 공진은 또다른 RH 모드 주파수 공진인 메타물질 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 결합모드 공진의 대역폭은 약 150MHz 혹은 그 이상인 메타물질 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 RH 모드 주파수 공진은 단일폴(monopole) 모드 주파수 공진인 메타물질 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 WiFi 대역(band)을 감당할 수 있도록 두 개 이상의 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 셀룰라 대역(cellular band) 부분과 4-대역(quad-band) 안테나 동작용 PCS/DCS 대역을 감당할 수 있도록 두 가지 이상의 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 셀룰라 대역(cellular band) 부분과 5-대역(penta-band) 안테나 동작용 PCS/DCS 대역을 감당할 수 있도록 두 가지 이상의 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 WiMax 대역을 감당할 수 있도록 두 개 이상의 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 메타물질 전송 선로를 형성하도록 구성되고 두 가지 이상의 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 부분들에 연결되는 집중형 회로 소자(lumped circuit element)를 더 포함하는 메타물질 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들과 전도성 비아는 복수의 메타물질 안테나를 형성하도록 구성되고 두 가지 이상의 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 CRLH 메타물질 구조는 크기와 효율간의 트레이드오프(trade-off)를 기초로 크기가 결정되는 메타물질 장치.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들은
    상기 제2금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 제1셀패치(cell patch)와 제2셀패치;
    상기 제2금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 전도성 비아를 연결하며 상기 제1금속화층내의 상기 제1셀패치에 연결되는 비아 선로;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로; 및
    상기 공급 선로의 한쪽 끝에서 형성되고 제1갭(gap)과 제2갭(gap)을 통하여 각각 제1셀패치와 제2셀패치에 전자기적으로 연결되어 상기 제1 내지 제2셀 패치로 혹은 상기 제1 내지 제2셀패치로부터 신호를 유도하는 런치 패드(launch pad);를 포함하는 메타물질 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 CRLH 물질 구조는
    저대역에서는 LH(Left-handed) 모드 주파수 공진을, 그리고 고대역에서는 RH(Right-handed)모드 주파수 공진을 생성하고, 주로 상기 제2셀패치의 구성에 의하여 제어되고 충분히 상기 LH 모드 주파수 공진에 근접하여 상기 LH 모드 주파수 공진과 결합되어 상기 저대역보다 더 넓은 결합모드 공진을 제공하는 제2RH모드 공진 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  22. 제21항에 있어서, 5-대역 안테나 동작을 위하여 상기 결합모드 공진 대역은 셀룰라 대역의 일부를 포함하고 상기 고대역은 PCS/DCS 대역을 포함하는 메타물질 장치.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 제2금속화층에 형성되고 매칭(matching)을 향상시키기 위하여 상기 비아 선로에 연결되는 비아 선로 확장(via line extension)을 포함하는 메타물질 장치.
  24. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 주기판 그리고 자신과 상기 주기판 사이에 공간을 가지면서 상기 주기판 위에 위치한 상향된 기판(elevated substrate)을 포함하며, 상기 상향된 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면 반대쪽의 제2표면을 가지며, 상기 주기판은 제3표면 그리고 상기 제3표면 반대쪽의 제4표면을 가지며, 상기 제2 내지 제3표면은 서로 공간을 두고 마주보고 있으며,
    상기 복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층, 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층, 상기 제3표면 위에 형성된 제3금속화층, 상기 제4표면 위에 형성된 제4금속화층을 포함하며,
    상기 전도성 비아는 제1비아, 제2비아, 그리고 제3비아를 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들은:
    상기 제4금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 제1셀패치 및 제2셀패치;
    상기 제2금속화층에 형성되고 상기 상향된 기판에 형성된 제1비아에 의하여 상기 제1셀패치에 연결되는 제1비아선로;
    상기 제4금속화층에 형성되고 상기 제2금속화층내의 상기 제1비아선로에 상기 기판과 공간을 관통하는 상기 제2비아에 의하여 연결되는 제2비아선로;
    상기 제3금속화층에 형성되는 제1공급선로;
    상기 제1금속화층에 형성되고 상기 제3금속화층내의 상기 제1비아선로에 상기 상향된 기판과 공간을 관통하는 상기 제3비아에 의하여 연결되는 제2공급선로;
    상기 제2 공급 선로의 끝단(distal end)에 형성되며 제1 내지 제2갭(gap)을 통하여 각각 제1 내지 제2셀패치로 연결되어 상기 제1내지 제2셀패치로 혹은 상기 제1내지 제2셀패치로부터 신호를 유도하는 런치 패드(launch pad)를 포함하는 메타물질 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 CRLH 메타물질 구조는
    저대역에서는 LH모드 주파수 공진을, 그리고 고대역에서는 제1RH모드 주파수 공진을 생성하고, 주로 상기 제2셀패치의 구성에 의하여 제어되고 충분히 상기 LH 모드 주파수 공진에 근접하여 상기 LH 모드 주파수 공진과 결합되어 상기 저대역보다 더 넓은 결합모드 공진을 제공하는 제2RH모드 공진 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 주기판과 상향된 기판사이의 공간은 저대역과 고대역 사이의 주파수 범위에서의 매칭을 향상시키기 위하여 증가되는 메타물질 장치.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 제2금속화층에 형성되고 매칭을 향상시키기 위하여 상기 제1비아선로에 연결되는 비아 선로 확장;을 더 포함하는 메타물질 장치.
  28. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조는 제1메타물질 안테나와 제2메타물질 안테나를 포함하며, 상기 제1 내지 제2메타물질 안테나는
    상기 제2금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 셀패치;
    상기 제2금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 전도성 비아를 연결하며 상기 제1금속화층내의 상기 셀패치에 연결되는 비아 선로;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로; 및
    상기 공급 선로의 한쪽 끝에서 형성되고 갭을 통하여 셀패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 또는 셀패치로부터 신호를 유도하는 런치 패드;를 포함하는 메타물질 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제1메타물질 안테나는 저대역에서 저주파수 공진을 생성하도록 구성되고, 상기 제2메타물질 안테나는 고대역에서 고주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 저주파수 공진은 LH 모드 공진이며, 상기 제1메타물질 안테나의 상기 공급 선로는 LH 모드 공진에 결합되도록 LH 모드 공진에 근접하거나 더 높은 단일폴 모드 공진을 생성하기에 충분히 길도록 형성되어 상기 저대역보다 더 넓은 결합 모드 공진 대역을 제공하는 메타물질 장치.
  31. 제1항에 있어서, 상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 상이한 주파수 공진을 생성하기 위하여 구성되는 복수의 메타물질 안테나를 포함하는 수신 다이버시티 안테나 배열(receive diversity antenna array)을 형성하기 위하여 구성되는 메타물질 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 수신 다이버시티 안테나 배열의 상기 복수의 메타물질 안테나는 크기와 효율간의 트레이드오프(trade-off)를 기초로 소형화되도록 구성되는 메타물질 장치.
  33. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 상이한 주파수 공진을 생성하기 위하여 구성되는 복수의 메타물질 안테나를 포함하는 수신 다이버시티 안테나 배열을 형성하기 위하여 구성되며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 복수의 메타물질 안테나는 제1메타물질 안테나, 제2메타물질 안테나, 및 제3메타물질 안테나를 포함하며, 상기 제1 내지 제3메타물질 안테나는
    상기 제2금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 셀패치;
    상기 제2금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 전도성 비아를 연결하며 상기 제1금속화층내의 상기 셀패치에 연결되는 비아 선로;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로; 및
    상기 공급 선로의 한쪽 끝에서 형성되고 갭을 통하여 셀패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 혹은 상기 셀패치로부터 신호를 유도하는 런치 패드;를 포함하는 메타물질 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 접지 전극은 상기 제1메타물질 안테나, 제2메타물질 안테나, 제3메타물질 안테나에 공통이며, 그리고 매칭과 분리(isolation)를 향상시키기 위하여 확장된 부분을 가지는 메타물질 장치.
  35. 제33항에 있어서, 상기 제1메타물질 안테나는 US Cell Rx 869-894MHz 대역을 감당하기 위한 제1LH주파수 공진을 생성하도록 구성되고, 상기 제2메타물질 안테나는 GPS 1570-1580MHz 대역을 감당하기 위한 제2LH주파수 공진을 생성하도록 구성되고, 상기 제3메타물질 안테나는 PCS Rx 1930-1990MHz 대역을 감당하기 위한 제3LH주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  36. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 전도성 비아는 제1비아를 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은
    상기 제2금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 제1셀패치;
    상기 제2금속화층에 형성되고 상기 제1비아에 의하여 상기 제1셀패치에 연결되는 제2셀패치;
    상기 제2금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 제2셀패치를 연결하는 비아 선로;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로;
    상기 공급 선로의 한쪽 끝에서 형성되고 제1갭을 통하여 상기 제1셀패치에 전자기적으로 연결되어 상기 제1셀패치로 혹은 상기 제1셀패치로부터 신호를 유도하는 런치 패드;
    상기 제1금속화층에 형성되고 상기 공급선로 또는 상기 런치패드에 부착되는 제1전도성 선로; 및
    상기 제2금속화층에 형성되고, 상기 제1전도성 선로와 충분히 겹치도록(overlay) 위치하며, 제2갭을 통하여 상기 제2셀패치와 전자기적으로 결합하는 제2전도성 선로;를 포함하는 메타물질 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 전도성 비아는 매칭을 향상시키기 위하여 상기 제1전도성 선로와 제2전도성 선로를 연결하는 제2비아;를 더 포함하는 메타물질 장치.
  38. 제36항에 있어서, 상기 CRLH 메타물질 구조는 저대역에서 LH 모드 공진을 생성하도록 구성되고, 상기 제1전도성 선로는 LH 모드 주파수 공진에 가깝고 높은 주파수에서 단일폴 모드 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  39. 제36항에 있어서, 상기 제1전도성 선로와 제2전도성 선로는 나선형(spiral form)인 메타물질 장치.
  40. 제36항에 있어서, 상기 제1전도성 선로와 제2전도성 선로는 사행형(meander form)인 메타물질 장치.
  41. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 전도성 비아는 제1비아 및 제2비아를 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은:
    상기 제1금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 제1셀패치;
    상기 제2금속화층에 형성되고 상기 제1비아에 의하여 상기 제1셀패치에 연결되는 제2셀패치;
    상기 제1금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 제1셀패치를 연결하는 비아 선로;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로;
    상기 공급 선로의 한쪽 끝에서 형성되고 갭을 통하여 상기 제1셀패치에 전자기적으로 연결되어 상기 제1셀패치로 혹은 상기 제1셀패치부터 신호를 유도하는 런치 패드;
    상기 제1금속화층에 형성되고 상기 공급선로 또는 상기 런치패드에 부착되는 제1전도성 선로; 및
    상기 제2금속화층에 형성되고, 상기 제2비아에 의하여 상기 제1셀패치에 연결되는 제2전도성 선로;를 포함하는 메타물질 장치.
  42. 제41항에 있어서, 상기 CRLH 물질 구조는 저대역에서는 LH모드 주파수 공진을, 그리고 고대역에서는 제1단일폴모드 주파수 공진을 생성하고, 주로 상기 제1전도성 선로의 구성에 의하여 제어되고 충분히 상기 LH 모드 주파수 공진에 근접하여 상기 LH 모드 주파수 공진과 결합되어 상기 저대역보다 더 넓은 결합모드 공진 대역을 제공하는 제2단일폴모드 공진 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  43. 제42항에 있어서, 5-대역 안테나 동작을 위하여 상기 결합모드 공진 대역은 셀룰라 대역을 포함하고 상기 고대역은 PCS/DCS 대역을 포함하는 메타물질 장치.
  44. 제41항에 있어서, 상기 제1전도성 선로는 나선형인 메타물질 장치.
  45. 제41항에 있어서, 상기 제1전도성 선로는 사행형(meander form)인 메타물질 장치.
  46. 제1항에 있어서, 상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은 상기 제1금속화층에 형성되고 상기 공급 선로 혹은 상기 런치 패드에 부착되는 전도성 선로;를 더 포함하는 메타물질 장치.
  47. 제46항에 있어서, 상기 CRLH 물질 구조는 저대역에서는 LH모드 주파수 공진을, 그리고 고대역에서는 제1단일폴모드 주파수 공진을 생성하고, 주로 상기 전도성 선로의 구성에 의하여 제어되고 충분히 상기 LH 모드 주파수 공진에 근접하여 상기 LH 모드 주파수 공진과 결합되어 상기 저대역보다 더 넓은 결합모드 공진 대역을 제공하는 제2단일폴모드 공진 주파수 공진을 생성하며,
    5-대역 안테나 동작을 위하여 상기 결합모드 공진 대역은 셀룰라 대역을 포함하고 상기 고대역은 PCS/DCS 대역을 포함하는 메타물질 장치.
  48. 제1항에 있어서, 상기 셀패치와 런치 패드를 결합하는 캐패시터를 더 포함하되, 캐패시터의 캐패시턴스값을 기초로 캐패시터가 없는 경우의 갭의 폭 그리고/또는 길이에 비하여 상기 갭의 폭은 증가 그리고/또는 상기 갭의 길이는 감소하는 메타물질 장치.
  49. 제1항에 있어서, 상기 비아 선로에 삽입되는 인덕터를 더 포함하며, 상기 비아 선로의 길이는 상기 인덕터의 인덕턴스값을 기초로 상기 인덕터가 없는 경우의 상기 비아 선로의 길이에 비하여 짧아지는 메타물질 장치.
  50. 제46항에 있어서, 상기 전도성 선로에 삽입되는 인덕터를 더 포함하며, 상기 전도성 선로의 길이는 상기 인덕터의 인덕턴스값을 기초로 상기 인덕터가 없는 경우의 상기 전도성 선로의 길이에 비하여 짧아지는 메타물질 장치.
  51. 제1항에 있어서, 상기 CRLH 메타물질 구조의 전도성 부분들은 상기 공급 선로 또는 런치 패드에 부착된 3차원 전도성 선로를 더 포함하며, 상기 3차원 전도성 선로는:
    상기 제1금속화층에 형성된 제1전도성 선로 부분;
    상기 제2금속화층에 형성된 제2전도성 선로 부분;
    상기 기판에 형성되고 상기 제1전도성 선로 부분과 제2전도성 선로 부분을 연결하는 전도성 선로 비아 부분;을 포함하는 메타물질 장치.
  52. 제51항에 있어서, 상기 3차원 전도성 선로는 나선형인 메타물질 장치.
  53. 제51항에 있어서, 상기 3차원 전도성 선로는 사행형인 메타물질 장치.
  54. 제51항에 있어서, 상기 CRLH 메타물질 구조는 CDMA 대역을 감당하기 위하여 두 가지 이상의 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  55. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 비아는 제1비아 및 제2비아를 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은
    상기 제1금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제2금속화층에 형성되고 내부 개구(internal opening)를 한정하기 위하여 패턴처리된 셀 패치;
    상기 제1금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 제1비아를 연결하고, 상기 제2금속화층의 셀 패치에 연결되는 비아 선로;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로; 및
    상기 내부 개구내에서 상기 제2금속화층에 형성되고 상기 제2비아에 의하여 상기 공급 라인에 연결되는 런치패드를 포함하며, 상기 런치 패드는 상기 셀 패치가 에워싸고 갭을 통하여 상기 셀 패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 혹은 상기 셀 패치로부터 신호를 유도하는, 메타물질 장치.
  56. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은:
    상기 제2금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제2금속화층에 형성되고 내부 개구(internal opening)를 한정하기 위하여 패턴처리된 셀 패치;
    상기 제2금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 셀 패치를 연결하는 비아 선로;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로; 및
    상기 내부 개구내에서 상기 제2금속화층에 형성되고 상기 비아에 의하여 상기 공급 라인에 연결되는 런치패드를 포함하며,
    상기 런치 패드는 상기 셀 패치가 에워싸고 갭을 통하여 상기 셀 패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 혹은 셀 패치로부터 신호를 유도하는, 메타물질 장치.
  57. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 다층(multilayer) 기판이며,
    복수의 금속화층은 상기 다층 기판과 연관된 제1금속화층, 제2금속화층, 그리고 제3금속화층을 포함하며,
    상기 비아는 제1비아 및 제2비아를 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은:
    상기 제3금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제2금속화층에 형성되고 내부 개구(internal opening)를 한정하기 위하여 패턴처리된 셀 패치;
    상기 제3금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 제1비아를 연결하고, 상기 제2금속화층의 셀 패치에 연결되는 비아 선로;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로; 및
    상기 내부 개구내 상기 제2금속화층에 형성되고 상기 제2비아에 의하여 상기 공급 라인에 연결되는 런치패드를 포함하며,
    상기 런치 패드는 상기 셀 패치가 에워싸고 갭을 통하여 상기 셀 패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 혹은 상기 셀 패치로부터 신호를 유도하는, 메타물질 장치.
  58. 제55항에 있어서, 상기 CRLH 물질 구조는 저대역에서 LH 주파수 공진을 생성하고 고대역에서 RH 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  59. 제58항에 있어서, 상기 CRLH 메타물질 구조는 WiFi 대역을 감당하기 위하여 LH 주파수 공진과 RH 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  60. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 비아는 제1비아 및 제2비아를 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은:
    상기 제1금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로;
    상기 제2금속화층에 형성되고 내부 개구를 한정하기 위하여 패턴처리되며 상기 제1비아에 의하여 상기 공급 선로에 연결되는 런치 패드;
    상기 내부 개구내에서 제2금속화층에 형성된 셀 패치; 및
    상기 제1금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 제1비아를 연결하며, 상기 제2금속화층내 셀 패치에 연결되는 비아 선로;를 포함하며,
    상기 런치 패드는 상기 셀 패치를 에워싸고 갭을 통하여 상기 셀 패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 신호를 혹은 상기 셀 패치로부터 신호를 유도하는, 메타물질 장치.
  61. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은:
    상기 제1금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제2금속화층에 형성된 공급 선로;
    상기 공급 선로의 한쪽 끝에서 상기 제2금속화층에 형성되고 내부 개구를 정의하기 위하여 패턴처리되는 런치 패드;
    상기 내부 개구내에서 제2금속화층에 형성된 셀 패치; 및
    상기 제1금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 비아를 연결하며, 상기 제2금속화층내 셀 패치에 연결되는 비아 선로;를 포함하며,
    상기 런치 패드는 상기 셀 패치를 에워싸고 갭을 통하여 상기 셀 패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 혹은 상기 셀 패치로부터 신호를 유도하는, 메타물질 장치.
  62. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 다층 기판이며,
    복수의 금속화층은 상기 다층 기판과 연관된 제1금속화층, 제2금속화층, 그리고 제3금속화층을 포함하며,
    상기 비아는 제1비아 및 제2비아를 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은:
    상기 제3금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로;
    상기 제2금속화층에 형성되고 내부 개구(internal opening)를 정의하기 위하여 패턴처리되고, 상기 제1비아에 의하여 상기 공급 라인에 연결되는 런치 패드;
    상기 내부개구내에서 상기 제2금속화층에 형성된 셀 패치; 및
    상기 제3금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 제2비아를 연결하고, 상기 제2금속화층의 셀 패치에 연결되는 비아 선로; 를 포함하며
    상기 런치 패드는 상기 셀 패치를 에워싸고 갭을 통하여 상기 셀 패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 혹은 상기 셀 패치로부터 신호를 유도하는, 메타물질 장치.
  63. 제60항에 있어서, 상기 CRLH 메타물질 구조는 저대역에서 LH 주파수 공진을 생성하고 고대역에서 RH 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  64. 제63항에 있어서, 상기 CRLH 물질 구조는 상호 결합될 수 있을만큼 충분히 가까운 저대역과 고대역을 생성하여 약 2.5GHz 이상의 대역폭을 가지는 넓은 대역을 제공하는 메타물질 장치.
  65. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 다층 기판이며,
    복수의 금속화층은 상기 다층 기판과 연관된 제1금속화층, 제2금속화층, 그리고 제3금속화층을 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은
    상기 제3금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로;
    상기 공급 선로의 한쪽 끝에서 상기 제1금속화층에 형성된 런치 패드;
    상기 제2금속화층에 형성된 셀 패치; 및
    상기 제3금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 비아를 연결하며, 상기 제2금속화층내 셀 패치에 연결되는 비아 선로;를 포함하며,
    상기 런치 패드는 상기 제1금속화층과 제2금속화층 사이에서 상기 런치 패드 아래의 수직 갭을 통하여 상기 셀 패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 혹은 상기 셀 패치로부터 신호를 유도하는, 메타물질 장치.
  66. 기판;
    상기 기판과 연관되며 복수의 전도성 부분을 가지도록 패턴처리된 복수의 금속화층; 그리고
    하나의 금속화층내의 전도성 부분을 다른 금속화층내의 전도성 부분에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 전도성 비아;를 포함하며,
    상기 전도성 부분들과 전도성 비아는 CRLH(Composite Right and Left Handed) 메타물질 구조를 형성하며,
    상기 기판은 제1표면 그리고 상기 제1표면의 반대쪽에 제2표면을 가지며,
    복수의 금속화층은 상기 제1표면 위에 형성된 제1금속화층 그리고 상기 제2표면 위에 형성된 제2금속화층을 포함하며,
    상기 CRLH 메타물질 구조의 상기 전도성 부분들은:
    상기 제1금속화층에 형성된 접지 전극;
    상기 제1금속화층에 형성된 공급 선로;
    상기 공급 선로의 한쪽 끝에서 상기 제1금속화층에 형성된 런치 패드;
    상기 제2금속화층에 형성된 셀 패치; 및
    상기 제1금속화층에 형성되고 상기 접지 전극과 비아를 연결하며, 상기 제2금속화층내 셀 패치에 연결되는 비아 선로;를 포함하며,
    상기 런치 패드는 상기 제1금속화층과 제2금속화층 사이에서 상기 런치 패드 아래의 수직 갭을 통하여 상기 셀 패치에 전자기적으로 연결되어 상기 셀패치로 혹은 상기 셀 패치로부터 신호를 유도하는, 메타물질 장치.
  67. 제65항에 있어서, 상기 CRLH 물질 구조는 저대역에서 LH 주파수 공진을 생성하고 고대역에서 RH 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  68. 제67항에 있어서, 상기 CRLH 물질 구조는 4-대역을 감당하기 위하여 LH 주파수 공진과 RH 주파수 공진을 생성하도록 구성되는 메타물질 장치.
  69. 기판;
    상기 기판의 제1표면 위에 형성되고 상호 분리되어 있으면서 전자기적으로 결합된 셀 패치와 런치 패드를 포함하도록 패턴처리된 제1금속화층;
    상기 제1표면에 평행한 상기 기판의 제2표면위에 형성되고 셀 패치의 영역 밖에 위치한 접지 전극을 포함하도록 패턴처리된 제2금속화층;
    상기 셀 패치 아래에 위치한 셀 비아 패드;
    상기 접지 전극을 상기 셀 비아 패드에 연결하는 셀 비아 선로;
    상기 런치 패드 아래에 위치한 상호연결(interconnect) 패드;
    상기 상호연결 패드에 연결된 공급 선로;
    상기 셀 패치를 상기 셀 비아 패드에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 셀 비아; 및
    상기 런치 패드를 상기 상호연결 패드에 연결하기 위하여 상기 기판에 형성되는 상호연결 비아;를 포함하며,
    상기 셀 패치와 런치 패드중 하나는 개구를 포함하도록 모양이 형성되고 다른 하나는 상기 개구내에 위치하며, 그리고
    상기 셀 패치, 셀 비아, 셀 비아 패드, 셀 비아 선로, 접지 전극, 런치 패드, 상호연결 비아, 그리고 공급 선로는 CRLH 메타물질 구조를 형성하는, 메타물질 장치.
  70. 제69항에 있어서, 상기 셀 비아 패드는 상기 셀 패치보다 면적이 작은 메타물질 장치.
  71. 제69항에 있어서, 상기 셀 패치는 개구를 가지도록 모양이 형성되고 상기 런치 패드는 상기 개구내에 위치하는 메타물질 장치.
  72. 제69항에 있어서, 상기 런치 패드는 상기 개구를 가지도록 모양이 형성되고 상기 셀 패치는 상기 개구내에 위치하는 메타물질 장치.
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