KR102411477B1 - 가변 유전상수 기반 장치 - Google Patents

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Abstract

가변 전기적 특성을 가진 전기 소자. 상기 가변 전기적 특성 또는 기기의 동작은 기기와 관련되어 잠재적으로 적용될 수 있는 다양한 유전상수 섹터에 기반한다. 상기 전자 장치 또는 부품은 밴드, 전력 스플리터, 필터, 포트, 위상 이동기, 주파수 이동기, 감쇠기, 커플러, 캐패시터, 인덕터, 디플렉서, 하이브리드 빔포밍 네트워크를 포함할 수 있다.

Description

가변 유전상수 기반 장치
본 출원은 2016.09.01에 제출된 미국 임시 출원 No. 62/382,506 및 2017.01.31에 제출된 미국 특허 출원 No. 15/421,388의 우선권 이익을 주장하고, 기재된 모든 내용을 원용한다.
본 발명의 일반적인 분야는 가변될 수 있는 전기적 특성을 가진 독특한 전자기 부품에 관한 것이다. 상기 부품은 방사성(radiating) 또는 비방사성(non-radiating) 전자기 장치를 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 LCD의 동작이 전기 장치의 특성을 변화시키도록 LCD 상에 구조화된 소자를 가진 전기 장치에 관한 것이다.
수신, 송신 및 전기 신호와 전자기파의 변조를 위한 다양한 전기 장치/부품이 본 기술분야에 알려져 있다. 피드(feed) 또는 전송 라인 또는 네트워크는 전파 안테나와 송수신기 사이에서 신호를 전달한다. 그러나 피드 네트워크(feed network)는 상이한 타입의 전송 라인, 밴드, 전력 스플리터, 필터, 포트, 위상 이동기, 주파수 이동기, 감쇠기, 커플러(coupler), 캐패시터, 인덕터, 디플렉서, 하이브리드 빔포밍 네트워크를 포함할 수 있고, 방사성 소자(radiating elements)를 포함할 수도 있다. 유사한 배열(Similar arrangement)이 예를 들어, 텔레비전 프로그래밍의 동축 전송과 같이 무선 전송하지 않는 전송 라인에 있을 수 있다. 이러한 소자들은 정적이거나 또는 가변될 수 있다. 예를 들어, 캐패시터는 주어진 정전 용량을 가지거나 예를 들어 캐패시터 플레이트 사이의 거리를 기계적으로 변화시켜서 가변적 일 수 있다. 예를 들어, 전송 라인과 같은 다른 장치들은 전기적 특성(예: 저항 또는 임피던스)이 변화하지 않는 정적이다.
본 명세서에 개시된 장치들은 일반적이고 다수의 어플리케이션에 적용될 수 있지만, 대상 장치로부터 엄청난 이득을 얻을 수 있는 하나의 특정 어플리케이션은 다수의 주파수에서 동작하는 이동 장치에서 신호의 전송이다. 이러한 장치에서, 스위치들과 필터들의 정교한 네트워크는 다수의 송수신기 중 하나를 안테나와 연결하기 위해 사용된다. 이러한 네트워크는 장치의 비용을 증가시키고 신호를 감쇠 시키는 손실을 유도하여, 전송기에서 요구되는 전력을 증가시켜 배터리 전력을 더 소비한다.
다양한 타입의 마이크로스트립 안테나(microstrip antennas, 일명 '인쇄 안테나')가 있고, 마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna) 또는 심플 패치 안테나(simply patch antenna)가 가장 일반적이다. 패치 안테나는 절연 기판에 접착된 금속 트레이스에 안테나 소자 패턴 에칭에 의해 제조된 협소밴드(narrowband), 와이드-빔 안테나이다. 몇몇 패치 안테나는 기판을 피하고 유전체 스페이서(dielectric spacers)를 사용하여 접지면 위 공중에 금속 패치를 매단다; 그 결과 구조는 덜 강력하지만 더 나은 밴드폭(bandwidth)을 제공한다. 이러한 안테나는 아주 낮은 프로파일을 가지고 있고 기계적으로 튼튼하고 적합할 수 있기 때문에, 이것들은 종종 비행기 및 우주선의 외부에 장착되거나 또는 무선 전파 통신 장치에 통합된다.
패치 안테나의 고유한 장점은 편광 다이버시티를 갖는 능력이다. 패치 안테나는 다중 피드 포인트(multiple feed points) 또는 비대칭 패치 구조를 가진 싱글 피드 포인트(single feedpoint)를 사용하여 수직, 수평, 오른손 원형 편광(Right Hand Circular Polarization, RHCP) 또는 왼손 원형 편광(Left Hand Circular Polarization, LHCP)을 갖도록 쉽게 설계될 수 있다. 이러한 독특한 특성은 패치 안테나로 하여금 다양한 요구를 가진 많은 타입의 통신 링크에 사용되도록 허용한다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로스트립 안테나의 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 4개의 전도성 패치(105-120)가 절연 기판(130) 상에 제공된다. 베이스 "공통" 접지 전도체가 상기 유전체(130) 아래에 제공된다(도 1 미도시). 전도성 라인(105'-120')은 중앙 피드 라인(145)에 연결된 메인 라인(140)에 전기적 연결을 제공한다.
액정디스플레이(일반적 축약어 LCD)는 광원 또는 반사판 앞에 배열된 임의의 수의 칼라 또는 흑백 픽셀로 구성된 얇고, 평평한 디스플레이 장치이다. LCD의 각 픽셀은 두 투명 전극, 두 편광 필터, 상호 수직인 극성의 축 사이에서 배열된 수직 분자 층을 구성한다. 액정 물질은 액정 분자가 특정 방향으로 배열되도록 처리된다. 이러한 처리는 일반적으로 옷을 이용하여 단방향으로 문지른 얇은 폴리머층으로 구성된다(액정 배열의 방향은 문지르는 방향에 의해 정의됨).
전기장을 인가하기 전에, 액정 분자의 배향은 표면에서의 배열에 의해 결정된다. 꼬인 네마틱 장치(가장 일반적인 액정 장치)에서, 두 전극에서 표면 배열 방향은 수직이고, 분자들 자체가 나선 구조 또는 꼬인 상태로 배열된다. 액정 물질은 복굴절 물질이기 때문에, 하나의 편광 필터를 통과한 빛은 액정층을 통과할 때 액정 나선에 의해 회전하고, 두번째 필터를 통과하게 한다. 빛의 절반은 첫번째 필터에서 흡수되지만, 아니면 전체 어셈블리가 투명이다.
전극에 전압이 인가될 때, 토크는 액정 분자를 전기장에 평행하게 배열하도록 작용하고, 나선형 구조를 왜곡시킨다(이것은 분자가 표면에 구속되기 때문에 탄성력에 의해 저항을 받는다). 이것은 입사광의 편광 회전을 감소시키고, 장치는 더 어둡게 나타난다. 만약 인가된 전압이 충분히 크다면, 액정 분자는 완전히 꼬이지 않고 입사광의 편광은 액정 층을 통과할 때 회전되지 않는다. 이 빛은 두번째 필터에서 수직 편광될 것이고, 완전히 블럭되어 픽셀은 어둡게 나타날 것이다. 각 픽셀에 인가되는 전압 제어에 의해, 빛은 해당 픽셀을 비추는 다양한 양으로 통과하도록 할 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 LCD의 절단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, LCD(200)는 유리일 수 있는 후면패널(205), 역시 일반적으로 유리로 만들어진 전면패널(210), 상기 두 패널 사이에 위치된 액정(215), ITO(indium/titanium/oxide), 알루미늄 등 일 수 있는 후면 전극(220) 및 전위(230)에 연결되며 일반적으로 ITO로 만들어진 전면 전극(225)을 포함한다. 전위(230)은 각 전극(225)에 개별적으로 인가될 수 있다. 전위(230)가 전극(225)에 인가될 때, 전극 아래 액정은 배향이 변화하고, 이로 인해 전위가 인가된 전극과 전면 전극의 영역에 대응하는 후면 전극 섹션 사이의 국소 유전상수(local dielectric constant)가 변화한다.
이하 본 발명의 요약은 본 발명의 일부 양상 및 구성의 기본적 이해를 제공하기 위함이다. 본 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니며, 본 발명의 특정 요소 또는 핵심 요소를 구별하기 위함, 또는 본 발명의 범위를 묘사하기 위함이 아니다. 이 것의 유일한 목적은 아래에 제시된 보다 상세한 설명의 서두로서 단순화된 형태로 본 발명의 일부 개념을 제시하는 것이다.
본 발명의 양상에 따르면, 가변 전기적 특성 또는 장치와 관련된 가변 유전상수 섹션에 인가된 전위에 기초한 동작을 가진 전자 장치 또는 부품이 제공된다.
본 발명의 양상에 따르면, 전자 장치 또는 부품은 밴드, 전력 스플리터, 필터, 포트, 위상 이동기, 주파수 이동기, 감쇠기, 커플러, 캐패시터, 인덕터, 디플렉서, 하이브리드 빔포밍 네트워크를 포함할 수 있다.
본 발명의 양상에 따르면, 전자 또는 장치는 가변 캐패시턴스, 어드미턴스 및/또는 임피던스를 가진다.
본 발명의 양상에 따르면, 가변 전기적 특성은 다양한 위상 이동, 다양한 전력 분배, 다양한 필터 동작, 다양한 주파수, 다양한 매치, 다양한 전력 연결, 다양한 진폭, 다양한 감쇠 등등과 같은 장치/부품의 다양한 동작을 유도한다.
본 발명의 양상은 소프트웨어 정의된 전기 부품을 제공하고, 이들의 전기적 특성은 소프트웨어 프로그램을 사용하여 가변적이고 수정 가능하다.
첨부된 도면은 본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하고, 본 발명의 실시예를 예시하며, 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면은 예시적인 실시예의 주요 특징을 도식적으로 도시하기 위한 것이다. 도면은 실제 실시예의 모든 특징 또는 묘사된 소자의 상대 치수를 나타내기 위한 것이 아니며, 축척대로 도시되지 않는다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로스트립 안테나의 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 LCD의 절단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 스플리터를 도시하고, 도 3a는 도 3의 절단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 가변 필터의 구조를 도시한다
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 스플리터를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3-포트 가변 커플러를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 4-포트 하이브리드 스플리터를 도시한다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 이동기 소자를 도시한다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 감쇠기 소자를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 비공진 용량성 부하 소자를 도시한다.
도 11a는 종래 기술에 따른 다중 고정 필터 배열을 도시하고, 도 11b은 도 11a의 배열을 대체할 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 가변 필터를 도시한다.
본 발명의 다양한 실시예는 일반적으로 가변 유전체 구조 위에 제공된 전자 장치 또는 부품의 구조에 관한 것으로서, 부품의 동작 특성에 대한 가변 제어를 제공한다. 다양한 실시예의 설명 맥락에서, 설명의 간소화를 위해 LCD는 상기 가변 유전체 구조를 형성한다. 그러나 다른 가변 유전체 소자가 사용될 수도 있다. 예를 들어, LCD가 독창적인 전자 장치 또는 부품에 사용될 수 있는 반면, LCD가 이미지를 투영하기 위해 사용되지 않는다면 광원(illumination source)을 포함할 필요가 없다. 여기에 설명된 다양한 실시예는, 예를 들어, 고정 및/또는 이동 플랫폼과 관련되어 사용될 수 있다. 물론, 여기에 설명된 다양한 전자 장치 또는 부품은 여기에 언급되지 않은 다른 어플리케이션을 가질 수 있다. 독창적인 전자 장치 또는 부품이 특히 유익한 다양한 어플리케이션은 스마트폰, 패드, 랩톱 등을 포함한다. 또한 다양한 기술이 양방향 통신 및/또는 수신전용 어플리케이션을 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 양상들에 따른 설명은 상이한 실시예를 참조하여 진행될 것이다. 특정 실시예의 각 설명은 특정 특징을 강조할 수 있다. 그러나, 설명된 특징들이 다른 실시예들에 통합될 수 있고, 이들 특징들의 상이한 조합이 추가 실시예들을 형성하도록 조합될 수 있음을 이해해야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 스플리터(300)의 예시를 도시한다. 상기 전력 스플리터(300)는 입력 포트(310)을 가진 전도성 입력 라인(305), 선택적 확장된 커플러(315), 제1 출력 포트(325) 및 제2 출력 포트(335)를 가진 스플리터 전도성 라인(320)으로 구성되고, 모든 구성은 절연 기판(350) 상에 제공된다. 전도성 입력 라인(305), 확장된 커플러(315) 및 스플리터 전도성 라인(320)은 구리 또는 알루미늄 같은 전도성 물질의 조각(strip)일 수 있다. 일 구현예에서, 상기 기판(350)은 LCD이고, 다른 구현예에서 어드레스가능한 전극(addressable electrodes)을 가진 가변 유전상수 영역(317, 323, 327)을 가진 절연 기판이다.
이 구성을 이용하면, 상기 입력 포트(310)에서 전력 입력은 스프레더 라인(320)으로 갈라지고, 일부 전력은 상기 제1 출력 포트(325)로 출력되고, 나머지 전력은 상기 제2 출력 포트(335)로 출력된다. 자연적으로 에너지가 인가되지 않은 상태에서, 상기 전력의 갈라짐은 50-50이고(대칭적인 물리적 구조를 가정함), 전력의 절반은 상기 제1 출력 포트(325)로 출력되고 전력의 절반은 상기 제2 출력 포트(335)로 출력되고, 상기 제1 및 제2 출력 포트로부터 출력된 전력은 동위상(phase)이라는 것을 의미한다. 그러나, 전위가 상기 가변 유전체 소자(317, 323 및/또는 327)에 인가될 때, 상기 출력 전력 및 전력 갈라짐은 다양해질 수 있다. 즉, 물질(317, 323 및/또는 327)의 유전상수를 개별적으로 변화시키는 것에 의해 해당 소자의 임피던스는 변화될 수 있다.
보다 상세하게, 위상(F)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
F = 2πd/ λg
상기 λg는 물질 즉, 전도성 라인 내 파장이고, d는 전파 라인(propagation line)의 길이이다. 한편, λg는 다음과 같이 표현될 수 있다.
λg = λ0/√eeff
상기 λ0는 공기의 파장이고, eeff는 er, 라인 폭 및 마이크로스트립 라인의 물리적 파라미터의 함수로서 유효 유전상수이고, er은 매질(propagation material)의 유전상수이다. 그래서 상기 위상은 다음과 같이 표현될 수 있다.
F = 2πd√e eff/λ0
그러므로, 각 전도성 라인(315, 320) 아래 해당 가변 유전체 물질 섹션(317, 323 및/또는 327)의 유전상수 개별 제어에 의해 상기 라인에서의 신호 전파는 변화될 수 있다. 또한, 상기 위상은 제어된 가변 유전물질 섹션의 길이(d) 제어에 의해 제어될 수 있다. 즉, 각 가변 유전물질(317, 323 및/또는 327)은 가변 유전물질(317, 323 및/또는 327)의 전 영역에서 동일하게 인가된 전위를 가질 수 있도록 단일 어드레스가능한 전극(single addressable electrode)을 가질 수 있다. 반대로, 각 가변 유전물질(317, 323 및/또는 327)은 픽셀로 배열되어 개별적으로 어드레스된 다수의 전극을 가질 수 있고, 가변 유전물질 중 한 섹션만 어드레스된 픽셀에 좌우되어 인가된 전위를 가질 수 있다. 이 방식에서, 소프트웨어는 다른 픽셀을 어드레스하기 위해 사용될 수 있어서 전기 부품의 동작을 수정할 수 있기 때문에, 장치는 소프트웨어 제어된다.
예를 들어, 소자(315)는 감쇠기 역할을 할 수 있다. 전위가 가변 유전체 섹션(317)에 인가되지 않을 때, 인가된 전력 모두는 전도체(320)로 전파된다. 반면, 전위가 가변 유전체(317)에 인가될 때, 소자(315)의 유효 인덕턴스가 변화하여, 감쇠기(315)는 모든 전력이 전도체(320)에 전달되지 않도록 일부 전력을 반송시킬 수 있다. 즉, 총 출력 전력은 감소된다. 비슷하게, 전위가 가변 유전체 섹션(323)에 인가될 때, 적은 전력이 상기 제1 출력 포트(325)를 통해 출력되도록 전력의 일부를 반사 시킬 수 있고, 상기 제1 및 제2 출력 포트 사이의 전력의 갈라짐은 변화될 수 있어서 한 쪽의 출력 단자는 다른 출력 단자보다 더 많은 전력을 수신한다. 각 경우에서, 반사된 전력의 양은 가변 유전체의 전극에 인가된 전압 및 가변 유전체의 유효 사이즈에 좌우된다. 가변 유전체의 유효 사이즈는 가변 유전체를 제어하는 픽셀의 추가 또는 감소에 의해 변화될 수 있다.
도 3a는 도 3에 도시된 실시예의 스프레더 라인(320)의 절단면도이다. 본 실시예에서, 상기 유전상수는 LCD를 사용하여 또는 신호선을 사용하여 제어될 수 있는 가변 유전상수를 가진 다른 물질을 사용하여 제어된다. 도 3a에서, 스프레더 라인(320)은 유리 패널, 레진, 공기 등이 될 수 있는 절연층(330) 상에 제공된다. 가변 유전체 소자(323, 327)는 절연층(330)에 제공되고 각각은 상기 스프레더 라인(320)의 각 섹션 상에 제공된다. 액정은 상기 스프레더 라인(320)의 각 섹션 상에 하나 이상의 존(zone)에 제공될 수 있다. 각 가변 유전체 소자(323, 327)는 각각의 활성 신호 라인(activation signal line; 306, 308)에 연결된다. 상기 신호 라인(306, 308) 중 임의의 신호 라인 상 전위가 변화할 때, 해당 가변 유전체 소자(323, 327)의 유전상수가 변화하고, 상기 스프레더 라인(320)의 해당 섹션에서 위상 변화를 유도한다. 위상 변화는 투명 전극 신호 라인(306, 308)에 인가된 전압의 양을 선택하는 것 즉, er 제어에 의해, 또한 전압이 인가된 유전체 소자의 개수를 제어 즉, 유효 길이(d) 제어에 의해 제어될 수 있다.
본 발명은 LCD의 사용에 제한되지 않는 것을 인지해야 한다. 즉, 제어 가능한 가변 유전상수를 나타내는 임의의 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 액정 대신에 임의의 강유전체 재료가 사용될 수 있다. 여기에 도시된 실시예는 LCD 기술이 성숙하고 쉽게 이용 가능하기 때문에 LCD를 사용하며, 이는 본 발명을 매우 매력적이고 쉽게 구현할 수 있게 한다.
도 4는 일 실시예에 따른 가변 필터의 구조를 도시한다. 본 특정 예시는 4-레벨 필터라고도 하는 4-소자 필터를 도시한다. 물론, 소자의 개수 또는 레벨은 임의의 요구되는 구현에 맞추어 변화될 수 있다. 도 4에서 4개의 전도성 라인(405, 410, 415, 420)은 유전체 플레이트(450) 상에 형성된다. 입력(402)는 전도성 라인(405)의 한 쪽에 연결되고 출력(422)는 전도성 라인(420)의 한 쪽에 연결된다. 입력(402)와 출력(422)는 동축 커넥터, SMA(SubMiniature version A) 커넥터 등 표준 커넥터일 수 있다. 또한, 탭(T)은 각 라인(405, 410, 415)의 끝에 제공될 수 있고, 각 탭은 입력 및 출력(402, 422)과 같은 커넥터를 가질 수 있다. 이러한 구성에서, 본질적으로 필터는 하나의 입력 및 4 개의 출력을 가지며, 각각의 출력은 상이한 주파수 및/또는 위상으로 튜닝 될 수 있다.
일반적으로, 각 전도성 라인(405, 410, 415, 420)의 인덕턴스는 설명선(401, 411, 416, 421)에 각각 도시된 것과 같이 캐패시터와 인덕터의 직렬 연결로 모델링 될 수 있다. 제어 가능한 가변유전상수(variable dielectric constant, VDC)를 가진 영역 또는 존(zone)은 각 전도성 라인 아래에 제공된다. VDC 403은 405 라인 아래에 제공되고, VDC 406은 410 라인 아래에 제공되고, VDC 413은 415 라인 아래에 제공되고, VDC 423은 420 라인 아래에 제공된다. 각 VDC는 단일 전극 또는 집합적으로 또는 개별적으로 어드레스된 다수의 전극을 가질 수 있어서, VDC의 유효 유전상수를 변화시키기 위한 전위를 인가한다. 전도성 라인 중 어느 하나의 라인 아래에 제공된 VDC의 유효 유전상수를 변화시킴에 의해 라인의 유효 인덕턴스는 변화된다. 라인의 인덕턴스 변화는 라인을 타고 이동하는 신호의 밴드폭을 변화시킨다. 본 실시예에서 각 전도성 라인은 그 아래에 VDC 존을 가지기 때문에, 밴드폭 또는 각 라인은 변화될 수 있고, 이 필터를 다양한 밴드폭 필터로 만든다. 또한, 만약 상기 모든 라인 아래에 VDC가 바이어스되면, 필터의 중심 주파수는 변화된다. 전압은 VDC의 가변 전극을 어드레스하기 위해 소프트웨어를 사용하여 인가될 수 있기 때문에, 상기 필터는 소프트웨어 제어된다. 즉, 밴드폭 및 중심 주파수는 VDC에 다양한 전위를 인가하기 위해 소프트웨어를 사용하여 제어될 수 있다.
도 4의 필터에서 신호는 하나의 라인으로부터 라인 사이를 용량성 연결(capacitive coupling)된 것을 통해 다음 라인으로 이동한다. 예를 들어, 라인 405의 섹션은 라인 410의 섹션에 평행하게 놓여 있어서 이 둘 사이에 캐패시터를 형성한다. 신호가 라인 405에서 이동할 때, 라인 410에 용량성 연결되고 라인 410에 전파되기 시작한다. 다른 라인에서도 동일하게 진행된다. 연결의 효율은 겹쳐진 라인 섹션의 양과 겹쳐진 라인 사이의 효과적 분리(effective separation)에 좌우된다. 상기 효과적 분리는 라인 사이의 거리와 라인 사이의 유전상수와 관련된다. 본 실시예에서, 라인 사이의 유전상수는 설명선 407, 417, 427 각각에 예시된 것과 같이, VDC 404가 라인 405와 410 사이의 연결을 제어하고, VDC 414가 라인 410와 415 사이의 연결을 제어하고, VDC 424가 라인 415와 420 사이의 연결을 제어하도록 VDC의 존(zone)에 의해 제어된다. VDC 404, 414 및 424 중 임의의 VDC에 인가된 전위 변화에 의해, 필터의 밴드패스(bandpass) 및 리젝션 기울기(rejection slope)는 다양해지고 제어된다. 그래서, 필터(400)의 필터링 특성은 소프트웨어 제어되도록 만들어질 수 있다. 즉, 다양한 VDC에 인가된 전위를 제어하는 소프트웨어를 제공함으로써 필터(400)의 동작이 제어될 수 있다.
필터(400)의 다른 동작 특성은 중심 주파수이다. 정적 필터에서 중심 주파수는 일정하다. 그러나 도 4의 배열에서 상기 중심 주파수는 라인 아래 및 라인 사이 모든 VDC에 동시에 인가된 전위에 의해 변화될 수 있다. 그래서, 필터(400)의 VDC의 적적한 전위 제어에 의해, 중심 주파수, 밴드폭, 밴드패스 및 리젝션 기울기를 제어할 수 있다.
전력 디바이더(전력 스플리터라고 불리며, 반대로 사용될 때 전력 컴바이너라고 불림) 및 방향성 커플러는 무선 기술 분야에서 가장 많이 사용되는 수동 장치(passive devices)이다. 이들은 전송 라인에서 일정량의 전자기력을 포트에 연결하여 다른 회로에서 신호를 사용할 수 있게 한다. 두 개의 포트 사이에서 전력을 동일하게 분리하도록 설계된 방향성 커플러는 하이브리드 커플러로 불린다. 가장 일반적인 방향성 커플러 형태는 커플링된 전송 라인 쌍이다. 이들은 동축 및 평면 기술(스트립라인 및 마이크로스트립)을 포함하는 많은 기술로 실현될 수 있다. 스트립라인에서의 구현은 1/4-파장(λ/4) 방향성 커플러가 도 5에 도시되어 있다. 커플링된 라인 상의 전력은 메인 라인 상의 전력과 반대 방향으로 흐른다. 따라서, 이 것은 때때로 역방향 커플러로 불린다. 상기 메인 라인은 포트 1 및 2 사이의 섹션이고 커플링된 라인은 포트 3 및 4 사이의 섹션이다.
도 5의 실시예에서, 메인 라인(505) 및 커플링된 라인(520)은 유전체 플레이트(450) 상에 형성된다. 상기 메인 라인(505) 및 커플링된 라인(520)은, 예를 들어 유전체 플레이트 상에 마이크로스트립처럼, Rogers(FR-4 인쇄기판) 등 위에 전도체로 인쇄될 수 있다. 도 5의 실시예에서 포트 1은 메인 라인의 입력이고 포트 2는 메인 라인의 출력이고, 포트 3 및 포트 4는 각각 커플링된 라인의 입력 및 출력이다. 일반적으로 포트 2에서 출력은 포트 1에서의 입력과 동위상이고, 포트 4에서 출력은 포트 1의 입력보다 90도 이동된 위상일 것이다.
도 5의 커플러를 다양하게 만들기 위해, VDC 존(zone) 515는 유전체 플레이트(550) 아래 제공되고 메인 라인(505)와 커플링된 라인(520) 사이에 위치된다. VDC 존 515의 전극에 전위를 인가하여, 커플링된 라인 상의 위상 이동은 제어될 수 있다. 나아가, 선택적으로 추가 VDC 존 503, 507, 523 및 527은 각 포트에서 위상 이동을 추가로 제어하기 위해 상기 메인 라인과 커플링된 라인 아래 제공될 수 있다. 예를 들어, VDC 존 507에서 전위 변화에 의해 메인 라인과 커플링된 라인에서 출력 비율이 변화하도록 출력 포트 2의 인덕턴스는 변화한다.
도 5의 상단 설명선에 도시된 바와 같이, 상기 메인 라인과 커플링된 라인은 유전체 플레이트(550)의 상부에 위치될 수 있다. 반대로, 상기 메인 라인과 커플링된 라인은 상기 유전체 플레이트(550), VDC 존 515 및 하부 유전체 플레이트(555)를 사이에 두고 서로 위에 형성될 수 있다.
도 6은 3-포트 가변 커플러를 위한 실시예를 도시한다. 이전과 같이, 모든 금속 라인은 유전체 플레이트 위에 형성되고 VDC는 유전체 플레이트 아래 제공된다. 그러나, 명확성과 간결성을 위해, 다양한 실시예의 설명은 유전체 플레이트를 나타내거나 언급하지 않고 계속된다. 메인 라인(605)는 입력 포트 1 및 위상 변화 없는 출력 포트 2를 가진다. 커플링된 라인(620)은 메인 라인(605) 상에 전파된 신호에 대해 가변 위상을 가진 출력 포트 3을 가진다. 커플링된 라인(620)에서 신호의 위상은 VDC 존(zone) 615에 인가된 전위에 의해 제어된다.
도 7은 4-포트 하이브리드 커플러(700)의 다른 실시예를 도시한다. 임의의 VDC 없이, 포트 1에 입력된 신호는 갈라져서 위상 변화없이 포트 2로 출력되고 90도 위상 변화되어서 포트 3으로 출력된다. 유사하게, 포트 4로 입력된 신호는 갈라져서 위상 변화없이 포트 3으로 출력되고, 90도 위상 변화되어 포트 2로 출력된다. 이것은 도 7에 도시된 표에 정리되어 있다. 그러나 도 7의 실시예에서 하이브리드 커플러(700)의 동작에 대해 요구되는 제어에 따라 VDC를 위한 몇몇 선택적 대체가 도시되고, 전부 또는 일부가 구현될 수 있다.
예를 들어, VDC 703은 입력 포트1 라인 아래에 제공된다. VDC 703의 전극에 전위를 인가하여 입력 신호의 위상은 제어된다. 결과적으로, 양 출력 포트 2 및 3에서 위상은 VDC 703에서 전위에 의해 변화된 위상에 기반하여 함께 변화될 것이다. 이것은 출력 포트 2에서의 위상은 입력 포트 1에서 입력 신호의 위상과 다를 수 있다는 것을 의미한다. 반면, 출력 포트 2에서 위상은 VDC 707의 전위에 의해 독립적으로 변화될 수 있다. 결과적으로, 출력 포트 3에서 위상은 VDC 707에 인가된 전위에 의해 입력 포트 1보다 90도 변화된 상태로 남게 되고, 출력 포트 2에서 위상은 0과 다를 것이다. 또한, 전위는 포트 2에서 출력과 독립적으로 출력 포트 3에서 위상을 변화시키기 위해 VDC 727의 전극에 인가될 수 있다. 그래서, 포트 2에서 출력은 포트 1에서 입력과 같이 동일한 위상으로 남고, 포트 3에서 출력은 포트 1에서 입력에 대해 90도 수정될 수 있다. VDC 723, 707 및 727에 전위를 인가하는 것에 의해 동일한 효과가 입력 포트 4의 입력에 적용될 수 있다. 나아가, 포트 1에서 일반적인 입력 신호는 출력 포트 2 및 3 사이에서 같은 에너지로 나누어질 것이다. 그러나, VDC 708, 728, 715A 및 715B에서 전위 제어에 의해, 각 출력 포트에 전달되는 에너지의 양은 변화되고, 각 포트에서 출력 진폭은 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 2-포트 장치를 제공한다. 예를 들어, 도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 이동기 소자(800)를 도시한다. 신호는 포트 1에 입력되고 전도성 라인(805)에 전파된다. 일반적으로 포트 2에서 출력 신호는 일정한 진폭 및 입력 신호와 같은 위상일 것이다. 그러나, 도 8의 표에 도시된 바와 같이, VDC 803의 전극에 전위가 인가됨에 따라, 포트 2에서 출력 신호의 위상은 포트 1에서 입력에 대해 변화될 수 있다.
2-포트 소자의 다른 예시가 도 9에 도시된다. 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 감쇠기를 도시한다. 포트 1에서 입력 신호는 메인 라인(905)을 횡단해서 포트 2에서 같은 위상을 출력하지만, 진폭이 제어된다. 특히, 2개의 감쇠기는 메인 라인(905) 상에 제공된다. 상기 감쇠기는 VDC 903 및 907 상에 제공된 전도성 감쇠 패치(930, 937)로 만들어졌다. VDC 903 및 907의 전극에 인가된 전위에 따라, 포트 2에서 출력 신호의 진폭은 제어 즉, 감쇠될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 단일 포트 장치를 제공한다. 예를 들어, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 포트 부하 소자(1000)를 도시한다. 도 10의 예시에서 부하는 전도성 라인(1005)의 막다른 곳에서 가변 캐패시터의 형태이다. 특히, 캐패시터 판(1030)은 메인 라인(1005)의 막다른 곳에 형성되어 전기적으로 연결된다. VDC 1003의 접지 전극은 상보적 캐패시터 판(complementary capacitor plate)을 형성할 수 있고, 또는 상보적 캐패시터 판은 VDC 1003 아래에 형성될 수 있다. 본 부하의 캐패시턴스는 VDC 1003의 전극에 전위를 인가함에 의해 다양해질 수 있다.
도 11a 및 도 11b은, 예를 들어 휴대전화에서 구현된 대로, 개시된 실시예에 따라 소자들이 어떻게 스위치 배열의 구조를 단순화시키도록 사용될 수 있는지 도시한다. 도 11a는 종래 기술에 따른 스위치 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 예시에 두 배열은 Tx/Rx1 ~ Tx/Rx4로 식별되는 4개의 안테나를 포함한다. 각 안테나는 다른 주파수에서 동작하도록 설계되어 있다. 도 11a에 도시된 종래 기술에서, 각 안테나는 전용 고정 필터 F1 ~ F4에 연결되어 있고, 각 전용 고정 필터는 전용 스위치 S1 ~ S4에 연결되어 있다. 그리고, 각 2개의 스위치가 단일 중간 스위치에 연결된다. 즉, 스위치 S1 및 S2는 중간 스위치 S5에 의해 선택될 수 있고, 스위치 S3 및 스위치 S4는 중간 스위치 S6에 의해 선택될 수 있다. 스위치 S5 및 S6는 마스터 스위치 S7에 연결된다. 그래서, 예를 들어, 만약 안테나 Tx/Rx1이 선택되면, 그때 스위치 S7, S5 및 S1이 닫히고, 동시에 다른 모든 스위치는 개방 위치로 바뀐다. 반대로, 만약 안테나 Tx/Rx3이 선택되면, 그때 스위치 S7, S6 및 S3이 닫히고, 동시에 다른 모든 스위치는 개방 위치로 바뀐다. 그래서, 이 배열은 4개의 고정 필터 및 7개의 스위치를 요구한다. 반대로, 도 11b의 실시예에서, 단일 가변 필터가 모든 안테나 Tx/Rx1 ~ Tx/Rx4에 연결된다. 임의의 안테나가 선택되었는지에 따라, 상이한 전위가 가변 필터(1140)의 VDC 전극에 인가된다. 상기 가변 필터(1140)은 예를 들어 도 4의 실시예를 이용하여 여기에 제시된 기술에 따라 구성될 수 있다.
마지막으로, 여기에 설명된 절차 및 기술은 본질적으로 임의의 특정 장치와 관련 없으며, 구성 요소의 적절한 조합에 의해 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 다양한 유형의 범용 장치가 여기에 설명된 가르침에 따라 사용될 수 있다. 또한, 여기에 설명된 방법 단계를 수행하기 위한 특수 장치를 구성하는 것이 유리할 수도 있다. 본 발명은 모든 면에서 제한적이기보다는 예시적인 것으로 의도된 특정 예와 관련하여 설명되었다. 당업자라면 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 많은 다른 조합이 본 발명을 실시하는데 적합할 것을 이해할 것이다.
본 발명은 모든 면에서 제한적이기보다는 예시적인 것으로 의도된 특정 예와 관련하여 설명되었다. 당업자라면 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어의 많은 다른 조합이 본 발명을 실시하는데 적합할 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 다른 구현은 본 명세서에 개시된 본 발명의 명세서 및 실시의 고려로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 본 명세서 및 실시예는 단지 예시적인 것으로 고려될 것을 의도되었고, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 다음의 청구 범위에 의해 표시된다.

Claims (20)

  1. 가변 특성을 가진 전기 소자로서,
    전기적 절연 특성을 가진 유전체 패널;
    후면패널;
    전도성 공통 플레이트;
    상기 유전체 패널 위에 제공된 전도성 라인;
    상기 전도성 라인 아래 정의된 영역에 제공된 가변 유전체 존; 및
    가변 전력 스플리터를 포함하고,
    상기 가변 유전체 존은,
    상기 후면패널과 상기 유전체 패널 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질(variable dielectric constant material, VDC)을 포함하고 전압원에 커플링된 전극을 가지고,
    상기 전도성 라인은 입력 라인을 포함하고,
    상기 전력 스플리터는 각각 상기 입력에 커플링된 2개의 출력 라인을 포함하며,
    상기 전기 소자는 가변 필터를 포함하고
    상기 전도성 라인은 상기 가변 필터의 입력 라인을 포함하고,
    상기 가변 필터는 상기 유전체 패널의 상부에 제공된 복수의 출력 라인을 포함하고,
    상기 복수의 출력 라인의 각 출력 라인은 상기 입력 라인 또는 상기 복수의 출력 라인의 다른 출력 라인과 옴 접촉이 없고,
    상기 복수의 출력 라인 중 2개 출력 라인 사이 영역에 제공된 복수의 가변 유전체 존을 더 포함하는 가변 특성을 가진 전기 소자.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 2개의 출력 라인 중 하나 아래에 제공된 제2 가변 유전체 존; 및
    상기 2개의 출력 라인 중 나머지 아래에 제공된 제3 가변 유전체 존;을 더 포함하는 가변 특성을 가진 전기 소자.
  4. 가변 특성을 가진 전기 소자로서,
    전기적 절연 특성을 가진 유전체 패널;
    후면패널;
    전도성 공통 플레이트;
    상기 유전체 패널 위에 제공된 전도성 라인;
    상기 전도성 라인 아래 정의된 영역에 제공된 가변 유전체 존; 및
    가변 전력 스플리터를 포함하고,
    상기 가변 유전체 존은,
    상기 후면패널과 상기 유전체 패널 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질(variable dielectric constant material, VDC)을 포함하고 전압원에 커플링된 전극을 가지고,
    상기 전기 소자는 가변 필터를 포함하고,
    상기 전도성 라인은 상기 가변 필터의 입력 라인을 포함하고,
    상기 가변 필터는 상기 유전체 패널의 상부에 제공된 적어도 하나의 출력 라인을 포함하고,
    상기 출력 라인은 상기 입력 라인에 옴 접촉이 없고,
    상기 입력 라인과 상기 출력 라인 사이 영역 내에 제공된 제2 가변 유전체 존을 더 포함하는 가변 특성을 가진 전기 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 출력 라인 아래에 제공된 제3 가변 유전체 존을 더 포함하는 가변 특성을 가진 전기 소자.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 출력 라인 중 하나의 출력 라인 아래에 각각 제공된 제2 복수의 가변 유전체 존을 더 포함하는 가변 특성을 가진 전기 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기 소자는 가변 감쇠기를 포함하고,
    상기 전도성 라인과 옴 접촉된 감쇠 패치를 더 포함하고,
    상기 정의된 영역은 상기 감쇠 패치 아래에 있는 가변 특성을 가진 전기 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기 소자는 가변 부하를 포함하고,
    상기 전도성 라인과 옴 접촉된 캐패시터 플레이트를 더 포함하고,
    상기 정의된 영역은 상기 캐패시터 플레이트 아래에 있는 가변 특성을 가진 전기 소자.
  10. 전기적 절연 특성을 가진 유전체 패널;
    후면패널;
    전도성 공통 플레이트;
    상기 유전체 패널 위에 제공되고 제1 입력 포트와 제2 출력 포트를 가진 메인 라인;
    상기 유전체 패널 위에 제공되고 제2 출력 포트를 가진 커플링된 라인으로서, 상기 커플링된 라인은 상기 메인 라인으로부터 떨어지고 평행한 방향으로 위치되는 커플링된 라인; 및
    상기 메인 라인과 상기 커플링된 라인 사이에 정의된 영역에 제공된 가변 유전체 존을 포함하며,
    상기 가변 유전체 존은, 상기 후면패널과 상기 유전체 패널 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질(variable dielectric constant material,VDC)을 포함하고 전압원에 커플링된 전극을 가진 스플리터.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 커플링된 라인은 제2 입력 포트를 더 포함하는 스플리터.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 메인 라인과 상기 커플링된 라인 중 하나의 라인 아래에 정의된 영역 내에 제공된 제2 가변 유전체 존을 더 포함하는 스플리터.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 메인 라인 아래 정의된 영역 내에 제공된 제2 가변 유전체 존 및 상기 커플링된 라인 아래 정의된 영역 내에 제공된 제3 가변 유전체 존을 더 포함하는 스플리터.
  14. 청구항 11에 있어서,
    일단에서 상기 메인 라인과 옴 접촉되고 타단에서 상기 커플링된 라인과 옴 접촉된 브리지 라인을 더 포함하는 스플리터.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 브리지 라인 아래 정의된 영역 내에 제공된 제4 가변 유전체 존을 더 포함하는 스플리터.
  16. 전기적 절연 특성을 가진 유전체 패널;
    후면패널;
    전도성 공통 플레이트;
    상기 유전체 패널 위에 제공된 입력 라인;
    상기 유전체 패널 위에 제공되고, 상기 입력 라인과 떨어지며 평행한 방향으로 위치되고, 출력 탭을 가진 적어도 하나의 커플링된 라인; 및
    상기 입력 라인과 상기 커플링된 라인 사이에 정의된 영역에 제공된 가변 유전체 존을 포함하며,
    상기 가변 유전체 존은, 상기 후면패널과 상기 유전체 패널 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질(variable dielectric constant material, VDC)을 포함하고 전압원에 커플링된 전극을 가진 가변 필터.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 입력 라인 아래에 정의된 영역에 제공된 제2 가변 유전체 존을 더 포함하는 가변 필터.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 커플링된 라인 아래 정의된 영역에 제공된 제2 가변 유전체 존을 더 포함하는 가변 필터.
  19. 전기적 절연 특성을 가진 유전체 패널;
    후면패널;
    전도성 공통 플레이트;
    상기 유전체 패널 위에 제공된 입력 라인;
    상기 유전체 패널 위에 제공되고 각각이 상기 입력 라인과 떨어지며 평행한 방향으로 위치된 복수의 커플링된 라인으로서, 상기 복수의 커플링된 라인 중 적어도 하나는 출력 탭을 갖는 복수의 커플링된 라인; 및
    각각이 상기 복수의 커플링된 라인 중 2개의 커플링된 라인 사이에 정의된 영역에 제공된 복수의 가변 유전체 존을 포함하며,
    상기 가변 유전체 존은, 상기 후면패널 및 상기 유전체 패널 사이에 샌드위치된 가변 유전상수 물질(variable dielectric constant material, VDC)을 포함하고 전압원에 커플링된 전극을 가진 가변 필터.
  20. 청구항 19에 있어서,
    각각이 상기 커플링된 라인 중 하나의 커플링된 라인 아래 정의된 영역에 제공된 복수의 제2 가변 유전체 존을 더 포함하는 가변 필터.
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