KR102518149B1 - 다층 액정 위상 변조기 - Google Patents

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Abstract

가변 유전상수(VDC) 층; 상기 VDC 층 위에 제공된 복수의 방사 패치; 각각이 방사 패치들 중 하나 아래에서 정렬되어 종단되는 복수의 신호 라인; 각각이 상기 신호 라인들 중 하나에 대응하는 복수의 제어 라인; 접지면을 포함하며, 상기 VDC 층은 서로의 상부에 적층된 복수의 VDC 서브 층을 포함하는 안테나.

Description

다층 액정 위상 변조기
본 개시는 일반적으로 액정 위상 변조기 및 안테나 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안테나와 같은 RF 장치의 전기적 특성을 제어하기 위한 다층 액정의 사용에 관한 것이다.
본 출원은 2017년 10월 30일자로 출원된 미국 가출원 제62/579,053호로부터 우선권을 주장하며, 상기 출원의 개시 내용은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
최근, 무선 통신 시스템 관련 애플리케이션이 서로 다른 분야들에서 증가하고 있다. 미래의 애플리케이션에는 다중 대역 및 광대역 기능을 가진 안테나를 필요로 한다. 위상 변조기, 및 특히 안테나는 낮은 프로파일, 경량, 낮은 비용 및 마이크로파 장치와의 통합 용이성 등을 가져야 한다. 대형 기계식 회전 접시를 포함하는 현재의 안테나 설계와 달리, 전 방향 방사 패턴, 넓은 대역폭, 및 안정적인 이득을 갖는 소형 안테나가 차세대 통신 하드웨어에 안테나를 통합하기 위해 바람직하다. 가변 유전상수 물질, 특히 액정(LC)의 사용이 이전 연구에서 제안되었다. 이러한 안테나는 인가된 전기장 힘 및 방향에 따라 스캐닝 RF 빔을 생성하며, 이는 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 초점면 스캐닝 안테나, 또는 일반적으로 위상 변조기는 기계적으로 움직이는 부품을 사용하지 않고도 낮은 프로파일 및 크기를 유지할 수 있다. 예를 들어, US 7,466,269, US 2014/0266897, US 2018/0062268, 및 US 2018/0062238를 참조한다.
작동 장치의 파장이 마이크로파 범위에 있는 애플리케이션의 경우, 요구되는 활성층 두께, 즉 가변 유전체 물질(액정과 같은)의 두께는 50 내지 200 μm, 200 내지 500 μm, 1000 μm 및 심지어 수 밀리미터까지 매우 높을 것이 요구된다. 또한, 안테나/위상 변조기 장치의 응답 시간(τon, τoff)은 패킷 기반 빔 형성을 지원하기에 적절해야 한다. 빠르게 움직이는 타겟을 추적하거나, 동시에 여러 개의 움직이는 q 고정타겟을 모니터하는 것이 요구되는 스캐닝 초점면 배열 안테나와 같은, 다양한 애플리케이션들에서 응답 시간은 예를 들어 1 μs 이하로 더 감소되어야 한다. 그러나, 활성층 두께의 증가는 시스템의 응답 시간의 증가를 초래한다. 네마틱 액정 물질, 또는 오븐 강유전체(oven ferroelectrics)에 기반한 위상 변조기/안테나 장치에서, 응답시간은 일반적인 수식, τon∝ r2에 의해 활성층 두께(r)와 상관되며, 이는 매우 두꺼운 활성층으로 작동하는 장치가 시스템 요구사항에 따라 초고속 응답 시간에 도달할 수 없음을 의미한다.
본 발명의 일부 양태 및 특징에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 개시의 하기 요약이 포함된다. 이 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니며, 따라서 본 발명의 핵심 또는 중요한 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 설명하기 위한 것은 아니다. 그 유일한 목적은 본 발명의 일부 개념을 하기에 제시되는 보다 상세한 설명의 서두로서 단순화된 형태로 제시하는 것이다.
본 발명의 개시된 양태는 RF 장치, 예를 들어 안테나 또는 위상 변조기, 가변 유전상수(VDC) 물질 층, 및 그러한 장치를 제조하는 방법을 제공하며, 상기 VDC 층은 다수의 적층된 서브 층들로 만들어져, 성능과 스위칭 시간이 향상된다.
본 발명의 다른 양태는 박막 또는 미세 구조에 의해 분리된, 다층의 액정 또는 다른 가변 유전체 물질을 포함하는 RF 장치, 및 그러한 장치를 제조하는 방법을 제공하는 한편, 상기 장치는 두 개의 배향층들 사이에서 액정 물질을 균일하게 정렬시킨다.
본 발명의 다른 양태는 안테나 장치의 상부와 하부 사이에 균일한 전기장을 생성하기 위해, 액정의 유전상수를 효과적으로 변화시키기 위해, 본리된 다수의 VDC 필름 사이의 차동 전압을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태는 5-10 μm, 또는 10-20 μm, 20-50 μm 및 가능하게는 50-500 μm에 이르는 다수의 얇은 VDC 층에 전압을 인가함으로써, 액정 분자들을 효과적으로 회전시키는데 필요한 전압을 감소시키는 것이다.
본 발명의 다른 양태는 실제 시간 지연 장치를 위한 핵심 컴포넌트로서 구현된 전송 라인의 삽입 손실을 극적으로 감소시키는 것이다. 전체 VDC 층의 두께는 손실을 제어하고, VDC 층의 높이가 낮을수록 손실이 줄어든다.
일반적인 양태에서, 가변 유전상수(VDC) 층; VDC 층 위에 제공된 복수의 방사 패치; 각각이 방사 패치들 중 하나 아래에서 정렬되어 종단되는 복수의 신호 라인; 각각이 신호 라인들 중 하나에 대응하는 복수의 제어 라인; 접지면을 포함하며, VDC 층은 서로의 상부에 적층되고 박막에 의해 서로 분리되는 복수의 서브 층을 포함한다.
본 발명의 다른 양태 및 특징은 다음의 도면을 참조하여 이루어진 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 도면은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 다양한 실시예의 다양한 비제한적인 예를 제공하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예들을 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하고 나타내는 역할을 한다. 도면은 예시적인 실시예의 주요 특징을 개략적으로 도시하도록 의도된다. 도면은 실제 실시예의 모든 특징 또는 도시된 요소의 상대적인 치수를 나타내도록 의도된 것은 아니며, 축적대로 도시된 것은 아니다.
도 1은 종래 기술 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1a는 다수의 VDC 서브 층을 사용하는 안테나의 일 실시예의 단면도이다.
도 1b는 각각의 방사 패치에 커플링된 2개의 신호 라인을 갖는 실시예이며, 도 1c는 그 평면도이다.
도 1d는 2개의 VDC 층 및 2개의 접지면을 갖는 실시예의 단면도이며, 도 1e는 그 평면도이다.
도 1f는 변형된 층 순서를 갖는 실시예의 단면도이다.
도 1g는 다수의 방사 패치를 갖는 실시예의 단면도를 도시한다.
도 1h는 2차원 어레이 안테나의 실시예의 단면도를 도시하며, 도 1i는 그 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 서브 층으로 만들어진 VDC의 단면을 도시하는 한편, 도 2a는 제어 신호가 개별적으로 또한 증가된 전압의 점진적인 문제로 각각의 서브 층에 인가되는 실시예를 도시한다.
도 3은 VDC 층을 제조하기 위한 실시예를 도시한다.
본 발명의 RF 장치의 실시예가 이제 도면을 참조하여 설명될 것이다. 상이한 실시예 또는 이들의 조합은 상이한 응용을 위해 또는 상이한 이점을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 달성하고자 하는 결과에 따라, 본 명세서에 개시된 상이한 특징들은 부분적으로 또는 최대로, 단독으로 또는 다른 특징과 조합하여, 장점 및 요건과 제약의 균형을 이룰 수 있다. 따라서, 특정 실시예들이 다른 실시예들을 참조하여 강조될 것이지만, 개시된 실시예들로 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 명세서에 개시된 특징은 이들이 기술된 실싱로 제한되지는 않지만, 다른 특징과 “혼합 및 매칭”될 수 있고 다른 실시예에 포함될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 RF 장치, 이 예에서 안테나(100)를 도시한다. 안테나(100)는 일반적으로 유전체(110)에 형성되거나 부착된 구리 패치 형태의 방사 패치(105)를 갖는다. 도 1은 단일 방사 경로를 도시하지만, 일반적으로 안테나는 2차원 방사 패치 어레이를 가지므로, 도 1은 안테나의 일부만을 도시하는 것으로 간주될 수 있다. 유전체(110)는 예를 들어 Rogers® 회로 기판 재료, 유리, PET, 테플론 등일 수 있다. 유전체(110)의 바닥과 VDC 층(120) 사이에는 접지면(115)이 제공된다. 커플링 윈도우(125)는 접지면에 형성되고 방사 패치(105)와 신호 라인(140) 사이에 RF 에너지를 커플링하는 데 사용된다. 신호 라인은 출력 포트, 예를 들어 동축 F-커넥터에 커플링된다. 따라서, RF 신호는 VDC 층(120)에 의해 형성된 개재 유전체 층을 통해 신호 라인(140)과 방사 패치(105) 사이에 용량성으로 커플링된다. VDC 층(120)는 상부 유전체 층/필름(122), 하부 유전체 층/필름(124), 스페이서들(126), 및 스페이서들 사이에 분산되는 액정(128)에 의해 형성된다. 또한, 접지면(115), VDC 층(120), 및 신호 라인(140)은 커패시터를 형성하며, 그 특성은 VDC 층(120)의 유전상수 값에 의존한다.
또한, VDC 층이 액정을 사용하여 형성될 수 있기 때문에, 약식으로 층은 본 명세서에서 액정(LC) 층 또는 서브 층으로도 지칭될 수 있다. 유사하게, VDC 물질을 언급할 때, 약식으로 용어 액정이 사용될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 VDC 층(120)과 같은 종래 기술의 VDC 층을 사용하는 임의의 장치에 사용될 수 있는 VDC 층(220)의 전체 다층 구조의 실시예를 도시한다. 도 2에서, 전력 공급기(201)는 상부 및 하부 전극(202 및 207)에 걸쳐 전압을 인가하는 것으로 도시되어 있지만, 실제로 도시된 구조는 본 명세서에 개시된 다른 실시예에서 도시된 바와 같이 RF 장치의 일부로서 형성될 것이다. 전체 VDC 층(220)은 함께 적층된 복수의 얇은 LC 서브 층으로 형성된다. 개별 VDC 서브 층들 각각은 유전체 필름들(205) 사이에 삽입되고 분리하는 스페이서(203)를 가질 수 있다. 액정(206)은 상부 및 하부 유전체 필름들(205) 사이의 스페이서들(203) 사이에서 분산된다. LC에 대한 정렬력을 형성하기 위해 배향층(204)이 제공된다. 유효 유전상수, Et는 다음과 같이 개별 유전상수와 각 층의 개별 높이를 사용하여 다음과 같이 계산될 수 있다:
Et=E1(h 1 /H t )*E2(h 2 /H t )*E3(h 3 /H t ); 여기서 hi는 각 개별 서브 층의 높이이고 Ht는 총 높이이다.
서브 층의 수 및 두께는 원하는 유효 유전상수를 제공하도록 설계될 수 있다. 그러나, VDC 층은 다수의 서브 층으로 형성되기 때문에, 유효 델타 ε(Δε=ε∥-ε┴)가 개선되는데, 이는 각 층의 디렉터가 오프 및 온 조건 모두에서보다 잘 정렬되기 때문이다. 또한, 응답 시간이 향상된다.
도 1a는 도 2에 도시된 다중 VDC 서브 층 구조를 도 1에 도시된 안테나와 결합한 실시예를 도시한다. 도 1의 것과 유사한 도 1a의 요소는 동일한 참조 번호를 갖는다. 도 1a에 도시된 바와 같이, VDC 층(220)은 함께 적층된 3개의 서브 층으로 구성된다. 온 및 오프 조건에서 요구되는 유전상수 및 스위칭 응답 시간과 같은 요구되는 성능을 달성하기 위해, 서브 층의 수 및 각 서브 층의 두께가 설계될 수 있다. 필요한 경우, 각 서브 층의 두께가 요구되는 사양에 따라 유지되도록, 스페이서(126)가 일부 또는 전부의 서브 층에 사용될 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 전극(135)은 제어 라인(137)을 통해 전극(135)에 AC, DC, 또는 구형파 DC 전위를 인가하는 제어기(150)에 커플링된다. 제어기가 전극(135)에 전위를 인가할 때, 전기장(파선 화살표로 표시됨)이 형성되어, 각각의 서브 층에서 전극(135) 부근의 액정(128)이 인가된 전위에 대응하는 양으로 회전하게 한다. 결과적으로 접지면(115)과 신호 라인(140) 사이에 형성된 커패시터의 특성이 변한다. 이는 신호 라인(140)에서 진행하는 RF 신호를 제어하며, 예를 들어, 신호에서 지연 또는 위상 천이를 유발하는 데 사용될 수 있다.
도 1a의 예에서, 하나의 방사 패치 및 하나의 신호 라인만이 도시되어 있지만, 이 배열은 2차원 어레이로 반복되어 전자적으로 조향 가능한 안테나를 형성될 수 있다. 이러한 배열에서, 각각의 신호 라인마다 하나씩, 다수의 제어 라인이 제공될 수 있다. 또한, 접지면은 각각이 각가의 신호 라인 및 대응하는 방사 패치에 대응하는 다수의 커플링 윈도우를 가질 것이다.
따라서, 일 실시예에 따르면, 유전체 플레이트; 유전체 플레이트 상에 제공되는 적어도 하나의 방사 패치; 적어도 하나의 윈도우를 갖는 접지면- 각각의 방사 패치는 하나의 윈도우와 정렬됨 -; 적어도 하나의 신호 라인- 각각의 신호 라인은 RF 신호를 하나의 방사 패치에 용량성으로 커플링하도록 구성됨 -; 및 상기 신호 라인과 상기 접지면 사이에서 제공되며, 서로 적층된 복수의 액정 서브 층을 포함하고, 각각이 상부 유전체 필름, 하부 유전체 필름, 상부 유전체 필름과 하부 유전체 필름 사이에 제공되는 복수의 스페이서, 및 스페이서들 사이에 분산되는 액정으로 만들어지는 액정 층을 포함한다. 스페이서는 예를 들어, 유리, PS(폴리스티렌), PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PMMA, 실리카, 셀룰로오스 아세테이트, 지르코니아로 제조될 수 있다.
도 1b 및 도 1c는 각각의 방사 패치가 그것에 커플링된 2개의 신호 라인을 갖고, 2개의 신호 라인이 서로 직교하는 실시예를 도시한다. 도 1b 및 도 1b의 실시예의 요소는 다른 유전체 층(132)이 제1 신호 라인(140) 아래에 제공되고, 직교하는 제2 신호 라인(142)이 제2 유전체 층(132) 아래에 제공된다는 점을 제외하고는 도 1a의 실시예와 동일하다. 이 실시예에서, 하나의 신호 라인은 전송을 위해 사용될 수 있는 한편, 다른 신호 라인은 수신을 위해 사용될 수 있다. 다른 구현에서, 신호 라인들 중 하나의 신호 라인에서 다른 신호 라인에 대한 신호를 지연시키는 방식으로, 두 신호 라인 모두 제어 신호를 전극(135)에 인가함으로써 원형 편광 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 물론, 도 1a의 실시예에서와 같이, 도 1b 및 도 1c의 실시예는 복수의 방사 패치 및 대응하는 신호 및 제어 라인을 사용하여 구현될 수 있다.
도 1b의 예에 도시된 바와 같이, 다중 서브 층은 동일한 두께일 필요는 없다. 각각의 층은 예를 들어 상이한 두께 스페이서(126)를 사용하여 상이한 두께로 설계되고 제조될 수 있다.
도 1d 및 도 1e는 각각의 신호 라인(135, 142)의 전송 특성이 독립적으로 제어될 수 있는 실시예를 도시한다. 특히, 이 실시예는 2개의 VDC 층(220 및 221)을 이용하여, 각각 또는 모두는 다수의 서브 층으로 구성될 수 있다. 또한, 이 실시예는 각각이 방사 패치 및 대응하는 신호 라인 사이에 RF 신호를 커플링하도록 정렬된 윈도우를 갖는 다수의 접지면을 이용한다. 배열은 다른 실시예에서와 같이 다수의 방사 패치로 구현될 수 있다. 2차원 어레이로 구현될 때, 빔은 다수의 제어 라인에 인가된 제어 신호에 의해 반구(hemisphere) 공간에서 임의의 방향으로 조향될 수 있어서, 각 신호 라인에 인가된 지연을 독립적으로 제어할 수 있다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 신호 라인(140)에서 전파되는 신호는 전극(135)에 제어 신호를 인가함으로써 제어되며, 따라서, 적층된 다층 VDC(220)에서 액정을 회전시키며, 신호 라인(142)에서 전파되는 신호는 제어 신호를 전극(138)에 인가함으로써 제어되며, 따라서, 적층된 다층 VDC(221)에서 LC를 회전시킨다. 따라서, 일 예에서, 신호는 원형 편파(circular polarization)를 생성하기 위해 서로에 대해 90°만큼 지연된다.
도 1d 및 도 1e의 실시예는 다수의 VDC 층 및 다수의 접지면을 갖는 안테나를 제공하며, 상부 유전체 층; 상부 유전체 층 위에 제공되는 복수의 방사 패치; 상부 유전체 층 아래에 위치된 제1 액정 층; 복수의 윈도우를 갖는 제1 접지면- 각각의 윈도우는 방사 패치들 중 하나와 정렬됨 -; 방사 패치들 중 하나와 정렬하여 각각 종단되는 복수의 제1 신호 라인; 각각이 제1 신호 라인들 중 하나와 정렬된 복수의 제1 제어 라인; 제2 액정 층; 각각이 방사 패치들 중 하나와 정렬된 복수의 윈도우를 갖는 제2 접지면; 방사 패치들 중 하나와 정렬하여 각각 종단되는 복수의 제2 신호 라인; 및 각각이 제1 신호 라인들 중 하나와 정렬된 복수의 제2 제어 라인을 포함하며, 제1 및 제2 액정 층 각각은 함께 적층된 복수의 서브 층을 포함하고, 각각의 서브 층은 상부 유전체, 하부 유전체, 상부 유전체와 하부 유전체 사이에 제공된 복수의 스페이서, 및 상부 유전체와 하부 유전체 사이에서 분산되는 복수의 액정을 갖는다.
일부 실시예들에서, 층들은 위에서 아래로, 방사 패치들, 상부 유전체 층, 제1 접지면, 제1 액정 층, 제1 제어 라인들, 제1 신호 라인들, 제2 접지면, 제2 액정 층, 제2 제어 라인들, 및 제2 신호 라인들의 순서로 배열된다. 또한, 도시된 바와 같이, 다양한 중간 유전체 층들이 다양한 신호 라인들, 제어 라인들, 및 접지면들 사이에 제공된다. 그러나, 예시된 층의 순서는 필수는 아니며, 다른 순사가 이용될 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 도 1f는 다수의 VDC 층 및 다수의 접지면을 갖지만, 도 1d와는 다른 순서를 갖는 실시예를 도시한다.
도 1f는 층들의 순서가 상이하다는 것을 제외하고는 도 1d와 유사한 실시예를 도시한다. 도 1f에서, 제1 신호 라인(140)은 방사 패치(105) 아래에 있지만, 제1 접지면 (115) 위에 그리고 제1 VDC 층(220) 위에 제공된다. 제1 제어 라인(135)은 제1 VDC 층(220) 위 또는 아래에 제공될 수 있다. 제1 접지면(115)은 제1 VDC 층(220) 아래에 제공된다. 이 실시예에서, 제1 접지면(115)은 윈도우(125)를 갖지만, 윈도우(125)는 신호를 제2 신호 라인(142)에 커플링하기 위한 것이며, 따라서, 제1 신호 라인(140)이 아닌 제2 신호 라인(142)에 대해 정렬된다. 제1 신호 라인(140)에 대한 신호는 상부 유전체(110)를 통해 방사 패치(105)에 직접 커플링된다.
표시된 바와 같이, 제2 신호 라인(142)이 제1 접지면 아래에 있지만, 제2 VDC 층(221) 위에 있기 때문에, 제1 접지면의 윈도우(125)는 제2 신호 라인(142)으로부터의 RF 신호를 커플링하도록 정렬된다. 제2 접지면(117)은 제2 신호 라인(142) 아래에 제공되므로, 따라서, 윈도우가 필요하지 않다. 제2 제어 라인(138)은 제2 VDC 층(221) 아래 또는 위에 제공될 수 있다.
따라서, 다수의 접지면 및 다수의 가변 유전체 층을 갖는 RF 안테나가 제공되며, 이는 상부 유전체 층; 상부 유전체 위에 제공된 복수의 방사 패치들; 제1 가변 유전상수(VDC) 층; 각각이 방사 패치들 중 하나와 정렬된 복수의 윈도우를 갖는 제1 접지면; 각각이 제1 접지면의 윈도우 중 하나 아래에서 종단되는 복수의 제1 신호 라인; 각각이 제1 신호 라인들 중 하나의 주변에서 제1 VDC 층의 액정 도메인을 제어하도록 구성되는 복수의 제1 제어 라인; 제1 VDC 층 아래에 제공되는 제2 VDC 층; 각각이 방사 패치들 중 하나와 정렬되는 복수의 윈도우를 갖는 제2 접지면; 각각이 제2 접지면의 윈도우들 중 하나 아래에서 종단되는 복수의 제2 신호 라인; 각각이 제2 신호 라인들 중 하나의 주변에서 제2 VDC 층의 액정 도메인을 제어하도록 구성되는 복수의 제2 제어 라인을 포함한다.
RF 장치의 VDC 층을 위한 서브 층을 제조함에 있어서, 액정을 캡슐화하는 2개의 대향하는 유전체 기판은 광학적 고려가 없기 때문에, 원하는 투명 또는 불투명한 임의의 비전도성 물질로 제조될 수 있다. 제어 전극은 예를 들어, 증발, 전기 도금, 무전해 도금 등과 같은 증착에 의해 제조될 수 있으며, 전도성 잉크 또는 페이스트 등을 사용하여 인쇄될 수 있다. 본 명세서에 개시된 실시예에 도시된 바와 같이, 제어 전극은 RF 장치의 기능에 필요한 전기장을 생성하기 위해 액정의 어느 한 측면 상에 위치될 수 있다. 제어 전극 및 신호 라인 물질은 구체적으로 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 및 백금(Pt)과 같은 금속, 또는 다른 금속 및/또는 금속 층 또는 합금인 일종의 전도성 물질일 수 있다. 두 개의 기판 사이에서, 절연 물질로 제조되는 스페이서는 원하는 셀 갭(cell gap)을 고정 및 유지하기 위해 배치될 수 있다.
액정 서브 층은 롤투롤(roll to roll) 방법에 의해, 또는 사전 절단된 얇은 유전체 시트를 사용하여 제조될 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 VDC 서브 층을 제조하는 롤투롤 방법을 도시한다. 도 3에서, 공급 롤(301)은 가요성 절연 물질(302), 예를 들어, PET, 고분자 나노 복합물, Pyralux®(Du Pont으로부터 입수 가능함), ECCOSTOCK® 저손실 유전체(영국 런던의 Emerson & Cuming of Laird PLC로부터 입수 가능함) 등을 제공한다. 한편, 공급 롤(311)은 스트립(302)과 동일하거나 유사한 물질로 제조되는 연속적인 절연 물질 스트립(312)을 제공한다. 절연 스트립(312)은 스페이서 스테이션(305)을 통과하며, 스페이서는 절연 스트립(312)의 상부 표면에 형성되거나 증착된다. 절연 스트립(302)은 액정 정렬기(예를 들어, PI(폴리이미드), PVA, SiOx 등)가 절연 스트립(302) 상에 증착되거나 부착되는 정렬기 스테이션(318)을 통과한다.
액정 스테이션(308)에서, 액정은 스트립(302) 상에 증착된다. 이어서, 상부 및 하부 필름을 모아 밀봉 스테이션(309)으로 진입하여, 절연 스트립(302 및 312)의 에지를 밀봉한다. 밀봉 후, 시어(sheer)(322)에 의해 필름은 치수에 맞게 절단될 수 있고, 절단된 모서리가 밀봉될 수 있다. 이어서, VDC 필름이 서로의 상부에 적층된 다수의 서브 층으로부터 형성되도록 하기 위해, 층은 스태커(326)로 전달되고, 이는 선택적으로 접착제 도포기(320)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 명세서에 도시된 모든 실시예는 도 1g에 도시된 특징인 다수의 방사 패치를 가짐으로써 구현될 수 있지만, 설명을 위해 단지 2개의 방사 패치(105, 105a)만이 도 1g에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 각각의 방사 패치의 신호는 대응하는 윈도우(125 및 125a)를 통해 신호 라인(140 및 140a)을 사용하여 독립적으로 공급된다. 또한, 각 신호 라인에 대한 유전상수는 대응하는 제어 라인(135 및 135a)에 의해 독립적으로 제어된다. 따라서, 다수의 방사 패치가 어레이로 제공될 때, 각각의 신호 라인에 대한 유전체는 독립적으로 제어될 수 있고, 이에 따라 각 라인에 상이한 지연을 도입하여, 빔을 조향 또는 스캐닝한다.
상술한 바와 같이, VDC 물질은 종래 기술에서 사용되었다. 그러나, 안테나와 같은 특정 RF 및 마이크로파 장치에서, 활성층 두께는 (안테나 파장 및 응용 기술의 함수로서) 예를 들어 50 내지 500 μm로 비교적 높아야 한다. 더 높은 활성층 두께는 벌크에서 LC 분자 정렬의 손실을 초래하고, 정렬될 배향층에 가까운 양쪽 표면에는 LC 분자만이 남게 된다. 그 결과, 안테나 성능을 저하시키고 그 사용을 제한하는 두 가지 일이 발생한다. 첫째, 벌크에서 전체적으로 LC 분자는 정렬되지 않기 때문에(전압 “오프” 상태에서), 특정 방향 없이 자유롭게 배향되고, 시작 또는 전압 “오프” 상태에서, 유전상수 값은 순수한 평면 정렬 LC 물질보다 높다. 전압이 “온” 상태에서 임계 값을 초과하면, 모든 LC 디렉터가 배향을 전기장 방향과 평행하게 변경하지만, 벌크 층보다 가장자리에서 효과가 더 강할 수 있다. 최종 결과 또는 델타 ε(Δε=ε∥-ε┴)는 시작 또는 “오프” 상태가 완전히 ε┴인 경우 도달할 수 있는 것보다 낮다. “온” 및 “오프” 단계 사이에서 이러한 델타 ε의 손실은 안테나의 성능 및 기능을 제한한다. 둘째, 벌크에서 LC 정렬이 없기 때문에, 전압을 오프로 스위칭할 때, 스위칭 시간이 밀리 초에서 초로 증가한다. 결과적으로, 현재 기술은 낮은 유전체 성능 및 매우 느린 스위칭 시간으로 인해 높은 두께에서 LC를 사용할 수 없다.
반대로, 각각의 활성 서브 층의 두께를, 예를 들어 5 내지 50 μm로 낮게 유지함으로써, LC 분자는 “오프” 상태에서 벌크 전체 및 양 표면에 정렬되어, 더 빠른 반응 시간 (τon, τoff)을 달성하고 ε┴ 값을 감소시키며, 이는 또한 더 높은 Δε에 해당한다. 결과적으로, 위상 변조기의 전체 성능은 더 빨라지고 더 높은 위상 변조 및 더 큰 빔 조향각을 달성할 수 있을 것이다. 그러나, 얇은 LC 층을 사용할 때 시스템에 발생하는 보다 중요한 과제는 마이크로스트립 또는 스트립 라인 신호 전송 라인의 높은 유전체 및 옴 손실이므로, 안테나 및/또는 장치의 전체 성능이 크게 저하된다. 따라서, 매우 구체적이고 훨씬 더 높은 기판 두께를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 총 VDC 층의 두께는 다수의 LC 서브 층을 적층함으로써 달성된다.
개시된 실시예에 따르면, 표면 정렬된 LC들이 작은 인가된 전기장으로 가역적으로 변조되는 저비용의 박막 액정(LC) 위상 변조기 및 위상 배열 안테나 설계가 제공된다. 각 서브 층의 LC 매체는 두 표면 사이에 위치된다. 배향층은 사전 증착되고 사전 조절된다(예를 들어, 마찰, 광 배향, 증발 등에 의해). 제2 LC 층을 얇은 고분자 필름의 상부에 첨가한 후, 또 다른 얇은 고분자 필름이 뒤따른다. 이들 반복 고분자 필름의 수 및 LC층 두께는 설정되어 있지 않으며, 상이한 응용 및 장치 요구사항에 따라 달라질 수 있다.
LC층을 분리하는 얇은 유전체 또는 고분자 필름은 PE 폴리에틸렌, PP 폴리프로필렌, ABS, MAYLAR, PET, 폴리에스테르, PTFE(모든 플루오르 플라스틱 화합물 포함), Delrin, FEP, PFA, HALCAR ETPE, Hytrel(TPE), 폴리우레탄 PU, Cirlex Kapton, Kapton(폴리이미드) 타입 HN, VN, XC, MT, 및 모든 유형의 폴리이미드 화합물, 나일론 6/6, PEEK, PEI ULTEM 폴리에터이미드, PES ULTRASON, PC 폴리카보네이트, PPS(폴리페닐렌), PSU UDEL(폴리술폰 레진), PVDF/KYNAR(폴리염화비닐리덴 플루오라이드 레진), Tefzel, TPX 폴리메틸펜텐, PS 폴리스티렌, 및 상기 언급된 고분자들의 코폴리머(co-polymer)로 제조될 수 있다.
중간 고분자 필름의 두께는 가능한 한 얇게, 예를 들어, 3 내지 10 μm 또는 10 내지 25 μm, 최대 25 내지 50 μm로 유지되는 것이 바람직하다. LC 층을 사용할 때, LC와 접촉하는 장치의 모든 표면은 예를 들어, PI(폴리이미드), PVA, SiOx 등과 같은 배향 물질로 덮여 있다. 모든 서브 층이 함께 쌓여 PDLC/SLC 층을 형성한다.
다층 구조 장치의 구성은 장치의 영역 전체에 걸쳐 평행하고 단단한 두께 제어로 층들을 다른 층 위에 놓을 것을 요구한다. 유리, PS(폴리스티렌), PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PMMA, 실리카, 셀룰로오스 아세테이트, 지르코니아와 같은 재료로 만들어진 스페이서는 장치 영역 전체에 걸쳐 필요한 갭을 유지하기 위해 표면에 균일하게 분포될 수 있다. 스페이서 상에 (배향 물질이 도포되고, 방향이 주어진 후) 배향 필름이 배치될 수 있다. LC 물질이 장치 밖으로 누출되는 것을 막고 밀봉하기 위해 접착제/실란트 물질이 장치 주변에 적용되어야 한다. 장치 주변의 2개의 대향하는 영역은 LC 삽입을 위한 접착제 없이 (진공의 유무와 관계없이 모세관 또는 액체 주입에 의해) 초기에 유지될 수 있다. 다음 층은 동일한 방식으로 구성된다: 스페이서는 갭을 균일하게 지키고 유지하기 위해 분배되고, 다른 유전체 필름이 뒤따른다. 갭 구체 상에 놓인 최종 층이 반대의 폐쇄 유전체 층이 될 때까지, 이러한 방식으로 다층 구조가 형성되어 장치가 닫힌다. 장치 계층화가 완료된 후, LC 삽입이 발생할 수 있다. 마지막 단계는 적절한 실란트/접착제 물질로 양면의 삽입 구멍을 밀봉하는 것이다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 박막에 인가된 전압 Vi는 총 전압 VT보다 낮고, 가장 작은 전압 VB보다 높은 방식으로 각각의 개별 박막에 전압이 인가된다. 분리 필름이 통전되는 다층 구조를 설치함으로써, 장치의 상부 층과 하부 층 사이에 전기장이 생성되지만, 장치의 전체 작동 전압은 감소된다. 분리 필름이 전극으로서 작용하기 위해서는, 금속 또는 금속 코팅된 고분자 필름으로 만들어지거나 각각의 얇은 층에 전도성 제어 전극이 인가되어야 한다. 도 2a에서, 각각의 층에 주어진 가변 전압이 도시되며, 여기서 VT는 상부 유전체 층에 인가되는 전압이고, VB는 하부 유전체 층에 인가되는 전압이며; Vi 및 Vi+1은 분리 필름에 인가되는 전압이다. “오프” 상태 동안, 다층 구조에 전압이 인가되지 않고, “온” 상태에서, 전압은 VT>Vi+1>Vi>VB와 같은 방식으로 인가된다.
따라서, 배향층에 의해 양면이 코팅된 얇은 고분자 필름에 의해 내부적으로 분리된 다층 위상 변조기 또는 안테나 장치를 제조하는 방법이 제공되며, 하부 유전체 층 상에 배향층을 코팅하고 상기 배향층 상에 지향성을 유도하는 단계; 배향층 상에 스페이서를 배치하는 단계; 분리 필름을 양면에 배향 물질로 코팅하고 배향 물질의 지향성을 유도하는 단계; 분리막을 하부 유전체 층의 상부에 배치하는 단계; 분리 필름의 상부에 스페이서의 제2 층을 배치하는 단계; 상부 유전체 필름 상에 상부 배향층을 코팅하고, 상부 배향층에서 지향성을 유도하고 상부 유전체 층을 분리 필름의 상부에 배치하는 단계; 및 하부 유전체 층과 분리 필름 사이, 및 분리 필름과 상부 유전체 층 사이에 액정을 삽입하는 단계를 포함한다.
유사하게, 다층 가변 유전상수(VDC) 장치가 제공되며, 하부 유전체 필름; 상부 유전체 필름; 하부 유전체 층과 상부 유전체 층 사이에 샌드위치되어 서로 물리적으로 접촉하는 적어도 2개의 VDC 층; 및 2개의 가변 유전상수 층 각각의 사이에 위치되는 분리 층을 포함한다. VDC 층들 각각은, 하부 액정(LC) 배향층; 상부 LC 배향층; 하부 LC 배향층과 상부 LC 배향층 사이에 분산된 복수의 스페이서; 하부 LC 배향층과 상부 LC 배향층 사이에 분산된 복수의 액정을 포함할 수 있다.
도 1h 및 도 1i는 대응하는 지연 라인(136)에 의해 공급되는 2x2 방사 패치(105)를 갖는 2차원 어레이로의 혁신적인 VDC 층의 구현을 도시한다. 도 1h의 단면도에 도시된 바와 같이, 지연 라인은 VDC 층(220) 위에 제공되고, 접지면(115)은 VDC 층(220) 아래에 제공된다. 신호 라인(140)은 접지 평면(115)에서 윈도우(125)를 통해 신호를 지연 라인(136)에 커플링한다. 제어기(150)는 제어 신호를 지연 라인(136)에 인가하여, 지연 라인(136)에 근접한 액정이 제어기(150)에 의해 생성된 신호에 의해 제어되도록 한다. 상술한 바와 같이, 대안적인 실시예로서, 제어 신호는 VDC 층(220)의 각각의 연속적인 서브 층에 점진적으로 인가된다.
본 명세서에 기술된 프로세스 및 기술은 본질적으로 임의의 특정 장치와 관련된 것은 아니며, 임의의 적절한 구성요소의 조합에 의해 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 다양한 유형의 범용 장치가 본 명세서에 기재된 교시에 따라 사용될 수 있다. 본 발명은 모든 면에서 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 의도된 특정 예시들과 관련되어 설명되었다. 당업자는 많은 상이한 조합이 본 발명을 실시하는 데 적합할 것임을 이해할 것이다.
더욱이, 본 발명의 다른 구현예는 본 명세서에 개시된 본 발명의 사양 및 실시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 설명된 실시예의 다양한 양태 및/또는 구성요소는 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다. 사양 및 예시들은 단지 예시적인 것으로 간주되며, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 다음의 청구범위에 의해 명시된다.

Claims (20)

  1. 가변 유전상수(VDC) 층;
    상기 VDC 층 위에 제공된 복수의 방사 패치;
    각각이 상기 복수의 방사 패치 중 대응하는 하나에 접속되는 복수의 지연 라인;
    각각이 상기 지연 라인들 중 하나 아래에서 정렬되어 종단되는 복수의 신호 라인;
    각각이 상기 신호 라인들 중 하나에 대응하는 복수의 제어 라인;
    접지면을 포함하며,
    상기 VDC 층은 서로의 상부에 적층되는 복수의 VDC 서브 층을 포함하며,
    상기 제어 라인들 각각은 상기 접지면 및 상기 VDC 층과 커패시터를 형성하며, 각각의 신호 라인은 상기 접지면 내의 윈도우를 통해 신호를 상기 지연 라인들 중 하나에 커플링하는, 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 VDC 서브 층 각각은 하부 필름; 상부 필름; 및 상기 하부 필름과 상부 필름 사이에 분산되는 액정(LC)을 포함하는, 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하부 필름 상에 제공되는 하부 LC 배향층 및 상기 상부 필름 상에 제공되는 상부 LC 배향층을 더 포함하는, 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하부 필름과 상기 상부 필름 사이에 제공되는 복수의 스페이서를 더 포함하는, 안테나.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 접지면은 복수의 윈도우를 포함하고, 각각의 윈도우는 상기 방사 패치들 중 하나와 상기 신호 라인들 중 대응하는 하나 사이에서 직접 가시선(direct line of sight)으로 정렬되는, 안테나.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 신호 라인은 상기 VDC 층 위에 제공되고, 상기 접지면은 상기 VDC 층 아래에 제공되는, 안테나.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 VDC 서브 층은,
    하부 필름;
    상부 필름;
    상기 하부 필름과 상부 필름 사이에 제공되는 적어도 하나의 분리 필름; 및
    상기 하부 필름, 상부 필름, 및 적어도 하나의 분리 필름 사이에 분산되는 액정들을 포함하는, 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하부 필름 상에 제공되는 하부 배향층;
    상기 상부 필름 상에 제공되는 상부 배향층; 및
    상기 적어도 하나의 분리 필름 각각의 양 측면 상에 제공되는 중간 배향층을 더 포함하는, 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    각각이 상기 방사 패치들 중 하나의 아래에서, 및 상기 복수의 신호 라인 중 하나에 대한 직교 방향에서 정렬되어 종단되는 복수의 직교 신호 라인들 더 포함하는, 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    제2 접지면을 더 포함하는, 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 접지면은 각각이 상기 방사 패치들 중 하나와 상기 직교 신호 라인들 중 대응하는 하나 사이에서 직접 가시선으로 정렬되는 복수의 윈도우를 포함하는, 안테나.
  13. 제10항에 있어서,
    각각이 상기 직교 신호 라인들 중 하나에 대응하는 복수의 제2 제어 라인을 더 포함하는, 안테나.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 신호 라인과 복수의 직교 신호 라인 사이에 위치되는 제2 VDC 층을 더 포함하는, 안테나.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제어 라인은 복수의 액정 상기 서브 층 사이에 분포되고, 액정 상기 서브 층들 각각에 제어 신호를 인가하도록 구성되는, 안테나.
  16. 유전체 플레이트;
    상기 유전체 플레이트 상에 제공되는 복수의 방사 패치;
    복수의 윈도우를 갖는 접지면;
    각각이 상기 복수의 방사 패치 중 대응하는 하나에 접속되는 복수의 지연 라인;
    복수의 신호 라인- 각각의 신호 라인은 RF 신호를 하나의 지연 라인에 용량성으로 커플링하도록 구성됨 -;
    상기 신호 라인과 상기 접지면 사이에 제공되며, 상부 유전체 필름, 하부 유전체 필름, 상기 상부 유전체 필름과 상기 하부 유전체 필름 사이에 제공되는 적어도 하나의 중간 유전체 필름, 및 상기 상부 유전체 필름, 상기 하부 유전체 필름, 및 상기 적어도 하나의 중간 유전체 필름 사이에 제공되는 VDC 물질을 포함하는 가변 유전상수(VDC) 층을 포함하며; 및
    적어도 하나의 제어 라인을 포함하며, 상기 제어 라인은 상기 접지면 및 VDC 층과 커패시터를 형성하며, 각각의 신호 라인은 상기 접지면 내의 윈도우를 통해 신호를 지연 라인들 중 하나에 커플링하는, 안테나.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하부 유전체 필름 상에 제공되는 하부 배향층;
    상기 상부 유전체 필름 상에 제공되는 상부 배향층; 및
    상기 적어도 하나의 중간 유전체 필름 각각의 양 측면 상에 제공되는 중간 배향층을 더 포함하는, 안테나.
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제어 라인들 중 어느 것도 상기 신호 라인들 중 어느 것과 접촉하지 않는, 안테나.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 신호 라인 아래에 위치되는 복수의 제2 신호 라인; 및
    제2 접지면을 더 포함하는, 안테나.
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