KR20000017029A

KR20000017029A - 다층 세라믹 기판을 사용하여 형성된 안테나

Info

Publication number: KR20000017029A
Application number: KR1019990031805A
Authority: KR
Inventors: 알리 파씨; 버나드도브 겔러; 스튜어트마크 펄로우; 아리 로젠
Original assignee: 윌리암 제이. 버크; 사르노프 코포레이션
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2000-03-25
Also published as: US6320547B1; US6154176A; JP2000114866A

Abstract

어레이 안테나는 제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층을 포함한다. 제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층 사이에 금속층이 배치된다. 다수의 방사 요소들이 제 1 세라믹층 상에 장착되며, 다수의 제어 회로들이 제 2 세라믹층 상에 장착된다. 제어 회로들은 금속층을 통해 피드되는 다수의 전도성 비어들을 통해 방사 요소들에 연결된다. 어레이 안테나는 또한 제 2 세라믹층에 형성되며 하나 이상의 전도성 비어들을 통해 방사 요소들 중의 하나에 연결되는 다수의 기둥들을 가진 스위치도 포함할 수 있다. 다수의 위상 지연 요소들의 제 1 단부가 신호원에 연결되고 제 2 단부가 스위치의 다수의 기둥들의 각각에 연결되어 위상 지연 신호를 제공할 수 있다. 또한 도파관도 세라믹층들 내에 형성될 수 있다. 전도성 비어들 또는 동축 전송선호들이 어레이 안테나 내의 요소들을 연결하는데 사용될 수 있다.

Description

다층 세라믹 기판을 사용하여 형성된 안테나 {ANTENNAS FORMED USING MULTILAYER CERAMIC SUBSTRATES}

본 출원은 1998년 8월 7일자로 출원된 미국 가출원 제 60/095,689 호에 근거하여 우선권을 주장하는 출원이다.

본 발명은 대체로 안테나, 특히 다층 세라믹 기판을 사용하여 형성된 안테나에 관한 것이다.

안테나는 최신 통신 및 레이더 시스템의 필수적 구성요소이다. 안테나의 장점 중의 하나는 시스템의 요구에 따라 빔(beam)이 용이하게 주사(scan)되거나 재구성될 수 있다는 것이다. 안테나의 다른 장점은 하나 이상의 빔을 동시에 생성할 수 있다는 것이다.

동작 주파수가 높아지면 어레이(array) 안테나들이 더 작은 장치로 구성될 수 있다. 이는 안테나 내의 방사 요소(elements)들 사이에 요구되는 간격이 전형적으로 파장의 함수이기 때문이다. 따라서 안테나를 소형화하는 것에 큰 기술적 동기가 부여된다.

현대 위성 서비스에서, 각 서비스는 서로 다른 주파수 범위, 서로 다른 편파(polarization), 서로 다른 공간 할당을 가진다. 소비자들을 각 서비스를 이용하기 위해 서로 다른 안테나를 사용하지 않고도 이들 서로 다른 서비스를 이용하는 것에 관심을 가진다.

여러 서비스와 통신할 수 있는 단일 안테나를 설계하기 위한 통상적인 해법은 값비싼 이상기(phase shifter)를 이용하는 것으로, 보통 단결정 마이크로파 집적 회로(MIMIC) 회로를 사용한다. 따라서, 크기와 비용을 최소화하기 위해 특히 새로이 개발 중인 밀리미터파 LMDS 및 위성 서비스에 또한 강한 상업적 동기가 부여된다.

그러나, 위상 어레이 안테나(phased array antennas)가 작아짐에 따라, 이들 장치를 구동하는데 필요한 전력을 생성, 분배, 및 제어하는 것이 더 어려워지게 된다.

현대 통신 시스템이 안테나에 부과하는 크기 제한과 고주파 시스템으로 인해 저손실 전력 분배 기술의 개발이 요구되고 있다. 차량용 및 군사용 레이더와 같이 밀리미터파 범위에서 동작하는 여러 RF 시스템과 여러 형태의 통신 시스템들은 고효율과 고감도를 유지하기 위해 최소의 감쇄로 RF 신호를 분배 및 집중시킬 것을 요한다. 그러나, 통상적인 전력 분배 기술들은 효율, 감도, 감쇄 사이의 바람직한 균형을 불가능하게 하는 관련 문제들을 가지고 있다.

평면 안테나는 설계하기 매우 어려운 것으로 알려져 있으며, 역사적으로 볼 때 평면 안테나는 매립형 피드 네트워크(buried feed network)에서 안테나 표면에 장착된 방사 요소로의 EM 결합을 사용하였다. 특히, EM파는 지향시키기가 어렵고 에너지가 여러 방향으로 누설될 수 있어서 피드 네트워크와 방사 요소들 사이의 격리를 열화(degrading)시킨다. 이 문제는 서로 다른 편파를 가진 다수의 신호가 방사 요소들로 공급되고 각 편파가 다층(multi-level) 환경에서 고유의 피드 네트워크를 가진다면 해결된다.

도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 LTCC-M 구조를 사용하여 구현된 어레이 안테나(100)의 횡단면도.

도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 LTCC-M 구조와 통합되도록 일체형 전력 분배기 또는 결합기로 구성된 도파관(200)의 등척도.

도 2a는 도 2의 도파관(200)의 일단의 라인 2A-2A 에 따른 측면도.

도 2b는 도 2의 도파관(200)의 라인 2A-2A와 동일 평면이지만 실질적으로 직각인 라인 2B-2B 에 따른 측면도.

도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 LTCC-M 구조를 사용하여 형성된 평면 안테나(300)의 횡단측면도.

도 4는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 LTCC-M 구조를 사용하여 형성된 평면 안테나(400)의 횡단측면도.

도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 양면(double-sided) LTCC-M 구조에 형성된 평면 안테나(500)의 횡단측면도.

도 6은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 LTCC-M 구조를 사용하여 형성되며 이중 편파를 가지고 동작할 수 있는 안테나(600)의 횡단측면도.

도 7a는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 LTCC-M 환경에 형성된 동축 전송선로(700)의 횡단측면도.

도 7b는 도 7a의 라인 7B-7B에 따른 동축 전송선로(700)의 횡단면도.

도 8은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 동축 전송선로를 가진 이상(dual-phase) 어레이 안테나(800)의 횡단측면도.

도 9a-9d는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 미세 기계 가공된(micro-machined) 전자-기계 스위치의 형성을 도시한 LTCC-M 구조의 횡단측면도.

도 10은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 양면 LTCC-M 구조에 형성되어 있으며 스위치와 이상기(phase shifters)를 포함하는 위상(phased) 어레이 안테나(1000)의 횡단측면도.

도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 위상 어레이 안테나 제조에 사용될 수 있는 이상기, 스위치 및 그 사이의 연결관계를 도시한 회로도.

본 발명의 일 면에 따르면, 어레이 안테나는 제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층을 포함한다. 제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층 사이에 금속층이 배치된다. 다수의 방사 요소들이 제 1 세라믹층 상에 장착되며, 다수의 제어 회로들이 제 2 세라믹층 상에 장착된다. 제어 회로들은 금속층 또는 다른 수단을 통해 제공되는 다수의 전도성 비어(vias)를 통해 방사 요소들과 연결된다.

금속 코어층(metal core layer)은 몇 가지 중요한 기능을 한다. 금속 코어층은 기계적 강도와 구조적 지지력을 제공한다. 게다가, 금속 코어층은 전기적 차폐와 접지를 제공할 수도 있다. 금속 코어층은 또한 발생된 열의 효과적인 확산을 위한 열 관리를 제공하는데, 이는 본질적으로 내부 형성 탈열기(built-in heat sink)이다.

가열하는 동안, 금속 코어층은 안테나가 형성되는 구조면에서 수축이 최소가 되도록 한다. 금속 코어층은 또한 안테나가 형성되는 구조면에 수직한 방향으로 제한되고 정밀하게 계산된 수축을 제공한다. 세라믹 다층의 기계적 안정성이 처리과정을 통해 유지되며 이러한 기계적 안정성으로 인해 넓은 세라믹 영역에 걸쳐 고밀도 회로가 형성되고(screened) 층들 사이에 우수한 정합상태(registration)가 유지된다. 비어들은 정확히 위치되며, 전도체 패턴들이 큰 보드(board) 영역 상에 작은 오차로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 면에 따르면, 안테나는 제 2 세라믹층에 형성되고 하나 이상의 비어들을 통해 방사 요소들 중의 하나에 연결된 다수의 기둥(poles)들을 가진 스위치를 포함할 수 있다. 게다가, 다수의 위상 지연 요소들의 제 1 단이 신호원에 연결되고 제 2 단이 스위치의 다수의 기둥들의 각각에 연결될 수 있다. 다수의 위상 지연 요소들은 각 지상(phase-delayed) 신호를 제공할 수 있으며, 이 때 스위치가 동작하여 지상 신호들 중 선택된 하나를 방사 요소에 인가하게 된다.

본 발명의 다른 면에 따르면, 금속층의 상부에 적층된 다수의 세라믹층들 내에 도파관이 형성된다. 도파관은 세라믹층에서 적어도 두 부분으로 갈라지도록 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 면에 따르면, 어레이 안테나는 제 1 피드 요소가 내장된 제 1 세라믹층, 제 2 피드 요소가 내장된 제 2 세라믹층을 포함한다. 제 1 세라믹층과 마주보는 제 2 세라믹층에 인접하여 방사 요소가 배치된다. 제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층 사이에 제 1 접지면이 배치되며, 제 2 세라믹층과 방사 요소 사이에 제 2 접지면이 배치된다. 제 1 차폐(shielded) 동축 전송선로는 제 1 접지면과 제 2 접지면을 통해 제 1 피드 요소를 방사 요소에 연결하고, 제 2 차폐 동축 전송선로는 제 2 접지면을 통해 제 2 피드 요소를 방사 요소에 연결한다.

본 발명의 다른 면에 따르면, 금속층의 상부에 적층된 다수의 세라믹층들에 기계적 스위치가 형성된다. 제 1 전극은 제 1 세라믹층 쌍 사이에 배치된 제 1 부분과 세라믹층들에 형성된 공동(cavity)으로 뻗어 있는 제 2 부분을 가진다. 제 2 전극은 제 2 세라믹층 쌍 사이에 배치된 고정부와 공동으로 뻗어 있으며 제 1 전극과 결합하기 위해 공동 내에서 움직일 수 있는 가동부를 가진다.

본 발명의 다른 면에 따르면, 안테나는 금속베이스층(metal base layer), 금속베이스층의 상부에 배치된 제 1 세라믹층, 제 1 세라믹층의 상부에 배치된 제 1 접지면을 포함한다. 제 2 세라믹층이 접지면의 상부에 배치되며, 제 2 접지면이 제 2 세라믹층의 상부에 배치되며, 제 3 세라믹층이 제 2 접지면의 상부에 배치된다. 다수의 방사 요소들이 제 3 세라믹층의 상부에 장착된다. 제 1 분배(distributed) 네트워크는 제 1 세라믹층에 내장되며, 제 1 편파(polarization)를 가진 제 1 신호를 방사 요소들에 제공하기 위해 제 1 접지면과 제 2 접지면을 통해 피드되는 다수의 비어들을 통해 방사 요소들에 연결된다. 제 2 분배 네트워크는 제 2 세라믹층에 내장되며, 제 2 편파를 가진 제 2 신호를 방사 요소들에 제공하기 위해 제 2 접지면을 통해 피드되는 다수의 비어들을 통해 방사 요소들에 연결된다. 방사 요소들에 의해 제공된 방사 신호는 제 1 신호와 제 2 신호의 크기를 제어함에 의해 극성(polarity)과 위상이 제어될 수 있다.

본 발명에 따른 안테나의 다층 기능은 구성 요소들 사이의 길이가 짧은 간단한 구조의 설계를 가능하게 하여 손실을 감소시키고 전체 성능을 향상시킨다.

상기한 일반적 설명과 아래의 상세한 설명은 예시적인 것이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

이하의 설명은 도면에 도시된 선택된 본 발명의 몇몇 실시예들을 설명하는 것이다. 개시된 실시예들은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니며, 본 발명은 청구의 범위에서 각기 정의된다. 여러 도면들은 특정 스케일이나 비율을 의미하는 것이 아니며, 본 발명의 특징을 강조하기 위해 어느 정도 왜곡되었다.

통상적인 안테나에 관련된 여러 가지 문제점들이 안테나 제조용 기판을 형성하기 위한 "금속 상의 저온 공동 가열 세라믹(Low-Temperature Co-fired Ceramic on Metal, LTCC-M)" 기술을 사용함에 의해 방지된다. 전형적인 LTCC-M 구조는 금속 코어층과 금속 코어층의 일면 또는 양면에 배치된 적어도 하나의 세라믹층을 포함한다.

금속 코어층은 Cu/Mo/Cu 금속 합금일 수 있으며, 이는 이러한 재료들이 세라믹층에 강한 결합력을 제공하기 때문이다. 한편, 티타늄과 같은 다른 재료로 대체될 수도 있다. 레이저 또는 기계적 드릴 장비를 사용하여 금속 코어에 구멍 즉 비어(vias)가 형성된다. 금속 코어의 비어들은 바람직하게는 매립되어 있지 않고(deburied) 니켈 도금되어 있다.

금속 코어층의 한쪽에 배치된 세라믹층들은 바람직하게는 유전체 유리층들이다. 통상, 금속 코어층의 양면에 적어도 하나의 유전체 유리층이 형성되며, 일면 또는 양면에 더 많은 또는 더 적은 수의 유리층들이 형성될 수도 있다. 세라믹과 금속의 전자적 특성은 고주파 동작에 적합하다.

LTCC-M 기술에 관하 다른 정보는 본 출원에 참조 문헌으로 통합된 미국 특허 제 5,277,724 호 "Method of Minimizing Lateral Shrinkage in a Co-fired Ceramic-on-Metal"에 개시되어 있다.

도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따라 LTCC-M 구조를 이용하여 구현된 일체형(integrated) 어레이 안테나(100)를 도시하고 있다. 어레이 안테나(100)는 금속 코어층(104)의 일면에 장착된 제 1 세라믹층(102)과 금속 코어층(104)의 반대면에 장착된 제 2 세라믹층(106)을 포함한다. 패키지된 표면 장착 소자들(components)(130, 108)이 제 2 세라믹층(106)에 부착된다. 상기한 바와 같이, 제 1 세라믹층(102)과 제 2 세라믹층(106)은 단일 세라믹층일 수도 있고 세라믹층의 적층일 수도 있다.

상대적 고주파(예를 들어, RF) 회로가 제 1 세라믹층(102) 상에 장착된다. 제어 회로(108)와 같이 상대적 저주파 신호로 동작하는 회로는 제 2 세라믹층(106) 상에 장착된다. 어레이 안테나(100)의 저주파 회로는 또한 제 2 세라믹층(106)에 내장된 인쇄 수동 소자(109) 전도체(111)들을 포함할 수도 있다. 그러므로, 상대적 고주파 회로는 금속 코어층(104)의 일면(110)으로 분리되고, 상대적 저주파 회로는 반대면(112)으로 분리된다.

도 1에서, 다수의 방사 요소들(114)이 금속 코어층(104)의 고주파측(110)에 장착된다. 방사 요소들(114)은 도 1에서 실질적인 원형 조각(patches)으로 도시되어 있지만, 본 발명의 범위 내에서 예상되는 바와 같이 방사기들이 다른 형상으로 또는 전도성 시트의 구멍으로 형성될 수 있으며 다른 재료로 형성될 수도 있다. 방사 요소들(114)은 고주파 집적 회로(116)에 의해 제공되는 RF 신호와 같은 고주파 신호에 의해 구동된다.

도 1에서, 제어 회로들(108)은 금속 코어층(104)을 통해 피드되는 다수의 전도성 비어들(118)을 통해 방사 요소들(114)에 연결된다. 전도성 비어들(118)은 바람직하게는 은-충진(silver-filled)되지만, 다른 전도성 재료들도 사용될 수 있다. 전도성 비어들(118)은 구조의 저주파측(112)으로부터 고주파측(110)으로 신호와 전압을 향하게 한다. 금속 기판(104)은 바람직하게는 서로 격리되어 있는 LTCC-M 구조의 부분들 사이에 차폐를 제공한다.

제 1 세라믹층(102) 부분을 다른 것과 차폐시키기 위해 제 1 세라믹층(102)에 하나 이상의 차폐 비어들(119)이 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제 2 세라믹층(106)의 부분들 사이의 혼신(interference)을 최소화하기 위해 제 2 세라믹층(106)에 다수의 차폐 비어들(120)이 형성될 수 있다.

도 2와 관련하여 아래에 설명될 전력 분배 구조와 같이 어레이 안테나(100)의 일부로 포함된 전력 분배 네트워크(도시되지 않음)가 제 1 세라믹층(102)에 내장될 수 있다. 전력 분배 네트워크는 전도성 비어들을 통해 전력원과 방사 요소들(114) 사이에 연결될 수 있으며, 각 방사 요소에 적절한 진폭과 위상으로 전력을 분배할 수 있다.

도 1에서, 어레이 안테나(100)의 고주파측(110)에 커버(도시되지 않음)를 부착하는데 바람직한, 금속화된 표면을 가지는 한 쌍의 차폐벽(122)이 제 1 세라믹층(102)에서 금속 코어층(104)으로부터 멀어지는 방향으로 솟아 있다. 차폐벽(122)은 차폐채널(124)을 형성하는데, 이는 차폐벽(122)에 의해 방사 요소들(114)로부터 전자기적으로 격리되어 있다. 이산 회로 소자들(수동 및 능동)이 방사 요소들(114)로부터 격리되도록 차폐채널(124)에 위치될 수 있다. 예를 들어, 고주파 집적회로(116), 여러 가지의 트랜지스터, 및 다른 집적회로와 같은 능동 소자들이 차폐채널(124) 내에 설치될 수 있다. 자석(126)과 같은 수동 소자들도 또한 차폐채널(124) 내에 설치될 수 있다. 저항 및 커패시터와 같은 다른 회로 소자들도 안테나(100)의 다른 채널이나 공동에 장착 또는 내장될 수 있다.

또한 도 1에서, 금속 코어층(104)과 세라믹 기판의 제 1 세라믹층(102) 사이에 페라이트층(ferrite layer)(128)이 배치되어, 서큘레이터나 아이솔레이터 같은 소자들의 형성을 가능하게 한다. 예를 들어, 서큘레이터는 마이크로 칩의 형태에 여러 연결된 스트립 라인(strip lines)을 가진 인쇄된 공진기로 구현될 수 있다. 하나 이상의 자석(126)이 서큘레이터의 일측 또는 양측에 위치될 수 있다. 이들 자석들은 제 1 세라믹층(102)의 표면 또는 그 안에 형성된 공동에 위치될 수 있다. 다수의 유전체 세라믹층들이 고주파측(110)에 형성된다면, 페라이트층은 이들 유전체 세라믹층들 사이에 산재될(interspersed) 수 있다.

어레이 안테나(100)의 특징에는 높은 유전율(dielectric constants)을 가지는 세라믹층들을 사용함에 따른 탄력성(flexibility), 스위치 같은 MEM(미세 전자 기계)소자를 형성하는 능력이 포함된다. 예시적인 미세 전자 기계 스위치들은 아래에서 도 9a-9d를 들어 더 상세히 설명하기로 한다. 이들 스위치들은 예를 들어 제 2 세라믹층(106)에 형성될 수 있으며, 비어들을 통해 하나 이상의 방사 요소들(114)에 연결될 수 있다. 도파관도 또한 어레이 안테나(100)의 고주파측(110) 상에 형성되어 저손실로 RF 또는 다른 고주파 신호를 방사 요소들(114)로 전달할 수 있다. 본 발명에 따른 예시적인 도파관은 도 2, 2a 및 2b를 들어 이하에 설명된다.

어레이 안테나(100)의 여러 적용예 중의 하나는 양방향 통신용의 송신파(transmitter ray)와 수신파(receiver ray)를 제공하는 장치이다. 통상, 송신파와 수신파는 서로 다른 주파수 대역에서 동작한다. 따라서, 송신기를 취급하는 서브어레이와 수신기를 취급하는 서브어레이의 두개의 서브어레이를 가지도록 어레이 안테나(100)가 설계될 수 있다. 또한, 도 1의 안테나와 같은 다수의 LTCC-M 보드들을 "타일(tile)" 모양으로 배치함에 의해 더 넓은 어레이가 설계될 수도 있다. 원한다면 더 큰 안테나를 만들기 위해 다수의 LTCC-M 타일들이 결합될 수도 있다. 여러 보드들이 일측 또는 양측에 다수의 세라믹층들과 전도체 패턴을 가질 수 있다.

도 2는 LTCC-M 구조에 사용되도록 전력 분배기 또는 결합기 구조로 형성된 예시적 도파관(200)을 도시하고 있다. 도파관(200)은 특히 도 1의 어레이 안테나(100)와 같은 위상 어레이 안테나와 통합되기에 매우 적합하다. 도파관으로 발사(launching)하는 것은 집적 E-면 탐침(integrated E-plane probe)으로 용이하게 달성될 수 있다.

도파관(200)은 LTCC-M 구조 내에 저손실 고주파 RF 전력 분배를 제공한다. 그러한 저손실의 전력 분배는 밀리미터파 범위에서 동작하는 RF 통신 시스템과 같은 고주파 기술에서 바람직하다. 분배 네트워크에서의 손실이 최소화되며, 특히 그러한 고주파 신호가 생성되는 곳과 방사되는 곳 사이에서 손실이 최소화된다. 도 2의 도파관 구조의 손실은 구조를 채우고 있는 세라믹에 관련된 손실보다는 주로 금속 저항 손실(ohmic metal losses)이다.

도 2에서, 도파관(200)은 상부 금속벽(202)과 하부 금속벽(204)을 포함한다. 금속벽(202, 204)들은 바람직하게는 어레이 안테나(100)의 고주파측(100)과 같은 LTCC-M 구조의 일측 상의 세라믹층들 사이에 넓은 금속 스트립으로 인쇄된다. 도 2의 도파관(200)은 전력 분배기 또는 결합기로 형성되어 있으며, 기본적인 "Y" 형상을 하고 있다. 도파관의 일단은 하나의 직사각부(rectangular portion)(206)의 형상이다. 도파관(200)의 길이 방향을 따라, 이 단일 직사각부가 적어도 두개의 별개의 직사각부(208, 210)로 분기된다.

도파관(200)은 바람직하게는 하나 이상의 세라믹층 내에 내장되어 있다. 이들 세라믹층들은 도 1의 어레이 안테나(100)와 같은 안테나로 구성된 LTCC-M 구조에서 금속 코어층의 일측 상에 적층될 수 있다. 도파관(200)의 일단은 고주파 회로(116)에 연결될 수 있으며, 다른 일단은 어레이 안테나(100)의 방사 요소들(114)에 연결될 수 있다. 이런 식으로, 도파관(200)은 고주파 회로(116)와 방사 요소들(114) 사이에 전력을 전달하도록 구성된다.

도 2a는 도 2의 도파관(200)의 일단(206)에서 라인 2A-2A에 따른 도파관(200)의 측면도이다. 도 2a에서, 도파관(200)은 금속 베이스층(214)의 상부에 적층된 다수의 세라믹층(212)들 내에 형성된다. 도 1의 위상 어레이 안테나(100)에 도파관(200)을 형성한다면, 도파관은 금속 코어층(104)의 고주파측(110) 상의 하나 이상의 세라믹층들에 내장되고, 차폐채널(124)에 설치된 소자들(116)에 의해 제공되는 신호의 루트를 정하기 위해 전도성 비어들을 통해 방사 요소들(114)로 연결될 수 있다. 대안적으로, 도파관 벽의 구멍들도 방사 요소들(114)을 도파관(200)으로 연결하는데 사용될 수 있다.

도 2의 도파관(200)을 라인 2B-2B를 따라 보면, 원주(cylindrical posts)형으로 형성된 다수의 제 1 전도성 비어들(216)이 도파관(200)의 측면 상에 상부 금속벽(202)과 하부 금속벽(204)의 경계를 따라 고르게 분포되어 있다. 도 2a와 2b에 도시된 바와 같이, 일련의 전도성 비어들(216)의 각각은 사이에 놓인 임의의 세라믹층(212)들을 통해 상부 금속벽(202)과 하부 금속벽(204)을 연결시킨다.

다수의 제 2 전도성 비어들(218)은 도 2a에 도시된 바와 같이 도파관의 다른 측면 상에 유사하게 형성되며, 다수의 제 3 전도성 비어들(220)은 도 2에 도시된 바와 같이 도파관(200)의 분기된 부분의 오목한 곳(recessed portion)(222) 유사하게 형성된다. 이런 식으로, 일련의 이산된(discrete) 비결합(disjointed) 측벽들은 도파관의 구멍들(207, 209, 211) 보다 도파관(200)의 경계 주변에 형성된다. 측벽 전도성 비어들(216, 218, 220)은 도 2a에 도시된 바와 같이 넓은 금속벽(202, 204)에 비해 상대적으로 좁다.

도 2, 2a, 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 측벽 전도성 스트립(224)은 제 1 전도성 비어들(216) 사이에 삽입되며, 제 2 측벽 전도성 스트립(226)은 제 2 전도성 비어들(218) 사이에 유사하게 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도파관(200)의 분기된 부분(222)에 오목한 부분(222) 내에 위치되도록 형성된 제 3 측벽 전도성 스트립(228)은 그 영역의 제 3 전도성 비어들(220) 사이에 삽입된다.

도파관(200)의 동작에 대한 일 예에서, 전류는 주 모드(dominant mode)인 TE₁₀전파(propagation) 모드로 도파관(200)의 구멍(207)으로 향한다. 도파관의 넓은 벽들(202, 204)과 좁은 벽들(전도성 비어들(216, 218)에 의해 형성됨) 모두에서 전류가 흐르는 동안, 도파관(200)의 좁은 벽들에서 흐르는 전류는 단지 수직 성분만을 가진다. 따라서, 전계는 도파관의 넓은 벽들 사이에서 수직으로 전파된다. 비결합된 전도성 비어들(216, 218)이 이러한 수직 전류를 유지시킨다.

도 3은 평면 안테나(300)로 형성된 LTCC-M 구조를 도시하고 있다. 평면 안테나(300)는 구사용 및 상업용 수신기 양자에서 나타나는 것과 같은 저전력, 고주파 시스템에 통합되기에 적합하다.

평면 안테나(300)는 금속 베이스층(302)을 포함하는 다수의 층을 가진다. 제 1 세라믹층(304)은 금속 베이스층(302)의 상부에 적층되며, 접지면(306)은 제 1 세라믹층(304)의 상부에 적층되며, 제 2 세라믹층(308)은 접지면(306)의 상부에 적층된다. 다수의 방사 요소들(310)이 제 2 세라믹층(308)의 상부에 장착된다. 도 5의 평면 안테나가 도 1에서와 같은 LTCC-M 구조로 형성된다면, 금속 베이스층(302)은 금속 코어층(104)에 해당될 수 있으며, 부가적인 세라믹층들, 접지면(306) 및 방사 요소들(310)은 모두 LTCC-M 구조의 고주파측(110) 상에 적층될 수 있다.

도 3에서, 분배 네트워크(312)는 제 1 세라믹층(304)에 내장되어 있으며 접지면(306)을 통해 피드되는 다수의 전도성 비어들(314)을 통해 방사 요소들(310)과 연결된다. 분배 네트워크(312)는 바람직하게는 고밀도 피드 구조이며, 이를 통해 여러 가지 편파의 신호들이 전송될 수 있다. 이중 편파(dual polarization)를 제공하도록 구성된, 본 발명의 다른 실시예가 도 6을 들어 아래에 설명된다. 도 3에서, 제 1 세라믹층(304)은 바람직하게는 분배 네트워크(312)를 통한 고주파 신호의 전파를 촉진하기 위해 높은 유전율을 가진다. 제 2 세라믹층(308)은 평면 안테나(300)의 광대역 동작을 위해 제 1 세라믹층(304)에 비해 상대적으로 낮은 유전율을 가진다.

도 3에서, 전도성 비어들(314)에 의한 분배 네트워크(312)에서 방사 요소들(310)로의 직접 연결은, 접지면(306)에 의해 차폐되든지 아니든지, 통상적인 평면 안테나 보다 유리하다. LTCC-M 기술을 이용하여 형성된 평면 안테나는 더 넓은 대역폭 송수신, 존재한다 하더라도 최소한인 절연 누출(isolation leak), 표면파의 여진(excitation) 감소, 및 설계와 통합 모두에 있어서의 비용 감소를 가진다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 다층 평면 안테나(400)의 다른 구성을 도시하고 있다. 평면 안테나(400)는 도 3의 평면 안테나(300)와 어느 정도 유사한 다층 구조이다. 평면 안테나(400)는 예를 들어 어레이 안테나(100)의 고주파측(110)과 같은 LTCC-M 구조의 일측 상에 안테나(100)의 금속 코어층(104)에 대응되는 금속 베이스층(402)을 가지도록 형성될 수 있다.

도 4에서, 제 1 세라믹층(404)은 금속 베이스층(402)의 상부에 적층되며, 고밀도 스트립 라인 피드 네트워크와 같은 분배 네트워크(406)가 제 1 세라믹층(404)에 내장된다. 접지면(408)이 제 1 세라믹층(404)의 상부에 인쇄되며, 제 2 세라믹층(410)은 접지면(408)의 상부에 적층된다. 분배 네트워크(406)의 일부와 제 1 세라믹층(404)을 서로 격리하기 위해 다수의 차폐 비어들(412)이 제 1 세라믹층(404)에 형성된다. 차폐 비어들(412)은 또한 접지면(408)을 금속 베이스층(402)에 연결하도록 하여 그 사이에 공통 접지를 제공한다.

도 4에서, 다수의 방사 요소들(414)이 제 2 세라믹층(410)의 상부에 장착된다. 분배 네트워크(406)의 여러 피드 요소들(406a, 406b)이 접지면(408)으로 뻗어 있는 전도성 비어들(416, 418)을 통해 방사 요소들(414)에 연결된다. 제 3 세라믹층(420)이 방사 요소들(414)의 상부와 방사 요소들(414)에 의해 덮이지 않은 제 2 세라믹층(410)의 일부에 적층된다. 다수의 기생(parasitic) 방사 요소들(422)이 제 3 세라믹층(420)의 상부에 장착된다. 각 기생 방사 요소들(422)은 각 방사 요소들(414)에 인접하여 쌍을 이루어 용량성으로 결합된다. 기생 방사 요소들(422)은 어레이 안테나(400)가 동작할 수 있는 대역폭을 확장시키는 작용을 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 양면 LTCC-M 구조로 형성된 평면 안테나(500)를 도시하고 있다. 평면 안테나(500)는 금속 코어층(504)의 일측에 장착된 제 1 세라믹층(502), 금속 코어층(504)의 반대측에 장착된 제 2 세라믹층(506)을 포함한다. 바람직하게는 인쇄된 다이폴(dipole)인 다수의 방사 요소들(508)이 제 1 세라믹층(502) 상에 장착된다. 커패시터나 저항 같은 다수의 이산 회로 소자들(509)이 제 2 세라믹층(506)에 내장된다. 원한다면 수동 소자 및 능동 소자를 포함하는 다른 회로 소자들도 제 2 세라믹층(506)에 내장될 수 있다.

도 5에서, 분배 네트워크(510)는 제 2 세라믹층(506)에 내장되는 것이 아니라 그 표면에 장착된다. 다수의 증폭기(512)들도 또한 제 2 세라믹층(506)의 이 표면에 장착된다. 각 증폭기(512)는 금속 코어층(504)을 통해 피드되는 전도성 비어(514)를 통해 분배 네트워크(510)의 피드 요소와 방사 요소(518) 사이에 연결된다.

도 5의 평면 안테나(500)에서의 표면 분배 네트워크(510)는 고주파(예를 들어, RF, 마이크로파 등)나 상대적 저주파 신호들을 통과시킬 수 있다. 어떤 경우이든지, 증폭기들은 분배 네트워크(510)의 피드 요소들로부터 이들 신호를 수신하여 더 높은 전압으로 변경시켜 전도성 비어들(514)을 통해 방사 요소들(518)로 통과시킨다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 LTCC-M 구조에 형성된 이중 편파 방사 안테나(600)를 도시하고 있다. 안테나(600)는 금속 베이스층(602)을 포함하는데, 만약 안테나(600)가 도 1의 LTCC-M 구조에 형성되었다면 이는 금속 코어층(104)에 대응된다. 제 1 세라믹층(604)이 금속 베이스층(602)의 상부에 배치되며, 제 1 접지면(606)이 제 1 세라믹층(604)의 상부에 인쇄된다. 제 2 세라믹층(608)이 제 1 접지면(606)의 상부에 배치되며, 제 2 접지면(610)이 제 2 세라믹층(608)의 상부에 인쇄된다. 제 3 세라믹층(612)이 제 2 접지면(610)의 상부에 배치되며, 다수의 방사 요소들(614)이 제 3 세라믹층(612)의 상부에 장착된다.

도 6에서, 제 1 분배 네트워크(616)가 제 1 세라믹층(604)에 내장된다. 제 1 분배 네트워크(616)는 제 1 편파를 가진 제 1 신호를 전송할 수 있는 스트립 라인 피드(feed)로 형성된다. 제 1 분배 네트워크(616)의 피드 구조들 중 적어도 하나는 제 1 접지면(606)과 제 2 접지면(610)을 통과하는 전도성 비어들(618)을 통해 방사 요소들(614)에 연결된다. 제 2 분배 네트워크(620)는 제 2 세라믹층(608)에 내장된다. 제 2 분배 네트워크(620)는 제 2 편파를 가진 제 2 신호를 전송할 수 있는 스트립 라인 피드로 형성된다. 제 2 분배 네트워크(620)의 피드 구조들 중 적어도 하나는 제 2 접지면(610)을 통과하는 전도성 비어들(622)을 통해 방사 요소들(614)에 연결된다.

도 6에서, 제 1 접지면(606)은 제 1 세라믹층(604)과 제 2 세라믹층(610) 사이에 차폐를 제공하여 그것을 통해 전송되는 제 1 신호와 제 2 신호가 서로 혼신되지 않도록 한다. 또한, 제 2 접지면(610)은 제 2 접지면(610) 아래의 LTCC-M 구조에 내장된 회로들이 방사 요소들(614)에 의해 생성될 수 있는 바람직하지 않은 주파수 또는 잡음들로부터 차폐되도록 한다.

제 1 신호와 제 2 신호가 제 1 세라믹층(604)과 제 2 세라믹층(610)을 통해 전파할 때, 방사 요소들(614)은 직접 비어 연결(618, 622)을 통해 이들 신호들을 필수적으로(essentially) "탭(tap)"한다. 따라서, 제 1 신호와 제 2 신호의 각 편파와 진폭을 제어함에 의해, 두 분배 네트워크(616, 620) 모두에서 방사 요소들(614)로 제공되는 누적(cumulative) 신호의 극성을 제어할 수 있다.

도 7a와 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 LTCC-M 환경에 형성된 동축 전송선(700)을 도시하고 있다. 구체적으로는, 도 7a는 동축 전송선로(700)의 측면도이며, 도 7b는 도 7a의 라인 7B-7B를 따라 취해진 동축 전송선로(700)의 단면도이다.

동축 전송선로(700)는 상기 설명된 구조에서의 전도성 비어들의 대체물로서, LTCC-M 구조의 여러 소자들을 전도시킬 수 있다. 전송선로(700)는 하나 이상의 세라믹층들을 통해 방사 요소를 분배 네트워크의 피드 구조와 상호연결시키는데 특히 적합하다.

도 7a에서, 다수의 세라믹층들(702a-d)이 예를 들어 분배 네트워크의 피드 구조를 나타내는 금속패드(704)의 상부에 적층된다. 방사 요소들(706)은 세라믹층(702d)의 상부에 장착된다. 전도성 비어가 세라믹층들(702a-d)을 통해 형성되어, 동축 전송선로(700)의 내부 도체(708)를 형성한다. 내부 도체(708)는 세라믹층(702a-d)들을 통해 뻗어서 금속패드(704)를 방사 요소(706)와 연결시킨다.

도 7a에서, 다수의 외측(outer) 전도성 비어들이 세라믹층들(702)을 통해 뻗어 있다. 도 7b에서, 이들 일련의 외측 전도성 비어들은 서로 소정 간격을 유지하며 내부 도체(708)에 대해 방사상으로 분포된다. 다수의 외측 전도성 비어들을 동축 전송선로(700)의 비결합된 외부 도체(710)를 형성한다. 외부 도체(710)와 내부 도체(708)는 함께 금속패드(704)와 방사 요소(706) 사이에 직접 EM 결합을 제공한다.

동축 전송선로(700)를 포함하도록 LTCC-M 구조를 형성함에 있어서, 바람직하게는 세라믹층(702d)이 세라믹층(702c) 상에 적층되기 전에 세라믹층(702c) 상에 접지면(703)이 인쇄되어 외부 도체(710)를 위한 접지를 제공한다. LTCC-M 구조에 상기한 전도성 비어들이 형성될 때, 접지면(703)은 동축 전송선로(700)의 외부 도체(710)를 형성하는 외측 전도성 비어의 각각과 접촉하도록 배치된다. 비록 제조 시에 약간의 오정렬이 발생할 수는 있지만, 바람직하게는 접지면(703)이 외부 도체(710)와 내부 도체(708) 사이의 동축 전송선로(700) 속으로 실질적으로 뻗지는 않는다. 접지면(703)은 또한 원하는 접지 접촉을 제공하기 위해 세라믹층(702b)과 세라믹층(702c) 사이에 또는 세라믹층(702a)과 세라믹층(702b) 사이에 배치될 수도 있다.

안테나의 제조에 있어서 LTCC-M 기술의 사용은 안테나의 방사 요소들로의 서로 다른 "피드 레벨(feed levels)" 사이에 원활하고 잘 조화된 변화(transitions)를 제공한다. 예를 들어, 도 6에서, 각 세라믹층(604, 608)과 그 각각의 내장된 분배 네트워크(616, 620)는 서로 다른 피드 레벨을 나타낼 수 있다. 접지면(606)에 의해 제공되는 차폐로 인해, 각 피드 레벨이 다른 피드 레벨과의 최소한의 혼신만으로도 별개의 신호를 통과시킬 수 있다.

다수의 피드 레벨들은 도 6에서와 같이 전도성 비어들에 의해 하나 이상의 방사 요소들로 직접 연결될 수 있으며, 주어진 방사 요소는 피드 레벨들 중 선택된 것들을 "탭"하여 그 피드 레벨들을 통해 통과하는 신호들을 전송한다. 어떤 적용예에 있어서는 직접 연결들 형성하기 위해 전도성 비어들을 사용하는 것이 바람직한데, 저비용 펀칭(punching)만을 요하며 간단하고 설계하기 용이하기 때문이다. 대안적으로, LTCC-M 기술은 서로 다른 피드 레벨들 사이의 교차결합(cross-coupling)을 방지하기 위해 도 7a와 7b에 도시된 바와 같이 차폐된 동축 피드스루(feedthrough)를 지원할 수도 있다.

도 8은 본 발명에 따라 구성된 이상(dual-phase) 어레이 안테나(800)를 도시하고 있다. 도 7a 및 7b를 들어 개시된 것과 같은 동축 전송선로들이 여러 층들 사이에 연결을 형성하기 위해 사용된다.

도 8에서, 안테나(800)는 베이스 접지면(base ground plane)(804)의 상부에 배치된 제 1 세라믹층(802)을 포함한다. 제 1 분배 네트워크(807)의 제 1 피드 요소(806)는 제 1 세라믹층(802)에 내장된다. 제 1 접지면(808)은 제 1 세라믹층(802)의 상부에 인쇄된다. 제 2 세라믹층(810)은 제 1 접지면(808)의 상부에 배치되며 그 속에 내장된 제 2 피드 요소(812)를 가진다. 제 2 피드 요소(812)는 제 2 분배 네트워크(809)의 일 요소이다. 제 2 접지면(814)은 제 2 세라믹층(810)의 상부에 배치된다. 제 3 세라믹층(816)은 제 2 접지면(814)의 상부에 배치되며, 방사 요소(818)는 제 3 세라믹층(816)의 상부에 배치된다.

도 8에서, 제 1 차폐(shielded) 동축 전송선로는 (ⅰ) 제 1 세라믹층(802)의 일부, (ⅱ) 제 1 접지면(808)과 제 2 접지면(814), 및 (ⅲ) 제 2 세라믹층(810) 및 제 3 세라믹층(816)을 통해 뻗어 제 1 피드 요소(806)를 방사 요소(818)와 연결한다. 유사하게, 제 2 차폐 동축 전송선로는 (ⅰ) 제 2 세라믹층(810)의 일부, (ⅱ) 제 2 접지면(810), 및 (ⅲ) 제 3 세라믹층(816)을 통해 뻗어 제 2 피드 요소(812)를 방사 요소(818)와 연결한다.

도 8의 안테나에서, 제 1 차폐 동축 전송선로와 제 2 차폐 동축 전송선로의 각각은 전도성 비어의 형태인 동축 내부 도체(820)와 내부 도체(820)를 둘러싸는 공동 비어(hollow via)에 의해 형성된다. 각 동축 전송선로에서 공동 비어의 주의에 동축 차폐물(822)이 형성되며 공동 비어에 의해 동축 내부 도체(820)와 소정 간격을 두게 된다. 도 7a 및 7b를 들어 개시된 것과 같은 다른 형태의 동축 전송선로들도 원하는 연결을 형성하기 위해 사용될 수 있다.

도 8의 이상 어레이 안테나가 동작할 때, 제 1 편파를 가진 제 1 신호는 제 1 세라믹층(802)을 통해 전파한다. 이런 식으로, 제 1 세라믹층(802)은 제 1 피드 레벨로 작용한다. 유사하게, 제 2 편파를 가진 제 2 신호는 제 2 세라믹층(810)을 통해 전파하며, 제 2 세라믹층(810)이 제 2 피드 레벨로 작용한다. 제 1 접지면(808)은 제 1 피드 레벨과 제 2 피드 레벨을 서로 격리시킨다.

방사 요소(818)가 동축 전송선로들을 통해 두 피드 레벨에 모두 연결되어 있기 때문에, 상기 설명한 방식으로, 방사 요소(818)가 각 동축 연결을 통해 제 1 신호 및 그 제 1 편파와 제 2 신호 및 그 제 2 편파를 "탭"한다.

일 예에서, 제 1 편파가 실질적으로 수직이며, 제 2 편파가 실질적으로 수평인 경우에, 수직 및 수평 편파 모두 각각의 동축 전송선로를 통해 방사 요소(818)에 제공된다. 따라서, 방사 요소(818)에 의해 발생된 신호의 편파는 제 1 신호와 제 2 신호 각각의 크기를 제어함에 의해 제어될 수 있다.

도 8의 구성이 단지 두개의 피드 레벨만을 도시하고 있지만, 다상(multi-phase) 어레이 안테나도 유사하게 설계될 수 있음을 예상할 수 있다. 예를 들어, 내장된 피드 요소를 가진 부가적인 세라믹층들이 안테나(800)의 제 3 세라믹층(816)과 방사 요소(818) 사이에 적층될 수 있다. 피드 레벨들 사이에 차폐를 제공하기 위해 여러 가지 세라믹층들 사이에 접지면들이 산재되며, 이는 도 8의 이상 어레이 안테나(800)에서의 배치와 유사하다. 이런 식으로 형성된 이상 또는 다상 어레이 안테나는 여러 피드 레벨들 사이의 교차 결합을 최소화하고 방사 요소의 여진을 최대화한다.

본 발명에 따라 LTCC-M 구조에 제조되는 가조정 안테나(steerable antennas)는 여러 가지 주파수, 편파, 공간 할당에서 동작하는 통신 서비스를 처리할 수 있다. 이러한 가조정 안테나 설계 비용을 감소시키기 위해, 미세 가공 전자 기계 소형 스위치(MEMS)가 별개의 특성을 가진 여러 가지 신호를 입수 또는 제공하는데 사용될 수 있다. 특히, MEMS는 위상 어레이 안테나의 원하는 가조정성을 얻기 위해 저가의 이상기를 만드는 데에도 사용될 수 있다.

LTCC-M 환경에 미세 가공 전자 기계 스위치를 만드는 방법을 도 9a-9d를 들어 아래에 설명한다. 예시적인 실시예에서, 다수의 이들 스위치들은 양면 LTCC-M 구조의 일측에 장착되고, 제어 회로는 다른 측에 장착될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 LTCC-M 구조로 제조된다면, 다수의 미세 가공 스위치들은 LTCC-M 구조의 고주파측(110) 상에 형성되며, (ⅰ) 특유한 위상을 가지는 신호원과 (ⅱ) 방사 요소들(114) 사이에 결합된다. 미세 가공 스위치가 서로 다른 편파 사이에서 용이한 스위칭을 제공한다는 점에서 상기한 안테나 구조는 용이하게 "조정가능"하다.

도 9a의 구조는 금속 베이스층(902) 상에 형성된다. 제 1 세라믹층(904)이 금속 베이스층(902)의 상부에 적층된다. 정전력(electrostatic force)을 가할 수 있는 자극 패드(stimulus pad)(906)가 제 1 세라믹층(904) 상에 배치된다.

도 9b에서, 바람직하게는 제 1 세라믹층(904)보다 더 얇은 제 2 세라믹층(908)이 자극 패드(906)와 제 1 세라믹층(904)의 상부에 적층된다. 제 1 금속 부재(910)와 제 2 금속 부재(912)가 제 2 세라믹층(908) 상에 배치된다. 금속 부재들(910, 912)은 예를 들어 인쇄된 전송 선로의 요소들일 수 있다. 제 1 금속 부재(910)와 제 2 금속 부재(912)는 도 9b에 도시된 바와 같이 소정 간격을 두고 있으며, 제 2 금속 부재(912)의 일단(914)은 자극 패드(906)의 바로 위에 위치된다. 제 2 금속 부재(912)는 스위치의 고정 전극을 형성하며, 제 1 금속 부재(910)는 가동(moveable) 전극의 베이스를 형성한다.

도 9c에서, 바람직하게는 역시 제 1 세라믹층(904)보다 얇은 제 3 세라믹층(916)이 제 1 금속 부재(910)와 제 2 금속 부재(912) 및 금속 부재(910, 912)에 덮이지 않은 제 2 세라믹층(908) 부분 상에 적층된다. 공동(918)이 제 3 세라믹층(916)에 형성되며, 제 1 금속 부재(910)의 단부(tip)(920)가 제 2 세라믹층(908)과 제 3 세라믹층(916)의 사이에서 돌출되어 공동(918) 속으로 뻗게 된다. 또한, 공동(918)의 위치 설정은 제 2 금속 부재(912)의 단부(914)가 제 2 세라믹층(908)과 제 3 세라믹층(916) 사이로부터 돌출되어 제 1 금속 부재(910)의 단부(920)에 반대되게 공동(918) 속으로 뻗도록 이루어진다. 공동(918)은 제 3 세라믹층(196)에 펀칭 또는 에칭될 수 있으며, 통상 펀칭이 더 저렴한 방법으로서 선호된다.

도 9c에서, 전도성 요소(922)가 공동(918)의 일 측벽을 따라 제 1 금속 부재(910)의 단부(920)로부터 제 3 세라믹층(916)의 상부까지 수직으로 배치된다. 제 1 금속 부재(910)와 수직 전도성 요소(922)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 가공 스위치의 가동 전극(924)을 장착하기 위한 베이스와 스탠드(stand)를 형성한다. 전도성 요소(922)는 LTCC-M 보드에 간단하고 용이하게 형성될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에서, 가동 전극(924)은 마일라(mylar)와 같은 가요성 전도체이며 LTCC-M 구조가 가열된(fired) 후에 스탠드(922) 상에 장착된다.

완성된 미세 가공 스위치(900)가 도 9d에 도시되어 있으며, 가동 전극(924)이 제 2 금속 부재(912)와의 선택적 결합을 위해 장착되어 있다. 가동 전극(924)의 단부(926)는 제 1 금속 부재(910)의 반대측이 전도성 요소(922)의 단부에 고정된다. 가동 전극(924)의 나머지 부분은 공동(918) 속으로 실질적으로 수평으로 뻗어 그 속에서 자유로이 움직이게 된다. 도 9d에 도시된 것과 같은 형상의 기둥(928)이 배치되어 본질적으로 어떠한 전압도 자극 패드(906)에 인가되지 않을 때 전극의 가동부(924)와 접촉하게 된다. 전압이 자극 패드(906)에 인가되면, 정전력이 전극의 가동부(924)를 기둥(928)으로부터 제 2 금속 부재(912)의 단부(914) 쪽으로 당겨 접촉하게 한다. 기둥(928)과 제 2 금속 부재(912)의 단부(914) 사이의 일관된 스위칭을 얻기 위해 바람직하게는 30-40 볼트 범위의 정전 전압이 자극 패드(906)에 인가된다.

도 9d에서, LTCC-M 구조의 다층화로 인해 스위치(900)의 고정 전극과 가동 전극은 서로 격리된다. 자극 패드도 서로 다른 층에 구성되기 때문에 또한 격리되어 단락(short circuit)을 방지한다.

스위치(900)와 같은 MEMS는 현수된 외팔보 아암(suspended cantilevered arms)을 이용하여 알루미나와 반절연(semi-insulating) GaAs 기판 위에 설계되고 제조되어 왔다. 이들 스위치들은 DC에서 마이크로파에 이르기까지 우수한 스위칭 능력, 격리 능력 및 최소의 삽입손을 보여준다. 게다가, 본 발명에 따른 MEMS는 수 밀리세컨드의 스위칭 속도를 제공하며, 이는 대부분의 적용예에 적합하다.

위상 어레이 안테나로 원하는 광대역 가조정성(steerability)을 얻기 위해서는, 안테나가 다수의 이상(phase shifting) 장치들을 가지는 위상 어레이 네트워크를 포함하도록 설계하는 것이 유리하다. 도 9a-9d를 들어 설명된 MEMS와 같은 스위치들은 이러한 이상기와 같은 적용예에서 기본적으로 사용될 수 있다.

도 10은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따라 양면 LTCC-M 구조에 형성된 위상 어레이 안테나(1000)의 측면도이다. 안테나(1000)는 금속 코어층(1004)의 일면에 장착된 제 1 세라믹층(1001)과 금속 코어층(1004)의 반대면에 장착된 제 2 세라믹층(1002)을 포함한다. 제 1 세라믹층(1001)은 바람직하게는 상대적으로 낮은 유전율을 가지며, 제 2 세라믹층(1002)은 상대적으로 높은 유전율을 가진다.

다수의 방사 요소들(1008)이 제 1 세라믹층(1001) 상에 장착된다. 도 9d에서 설명된 MEMS와 같은 다수의 스위치들(1010)이 제 2 세라믹층(1002)에 내장된다. 제 2 세라믹층(1002)에는 또한 이상기(1012)들이 내장되어 스위치들(1010)에 연결된다. 능동 소자와 수동 소자를 포함하는 다른 회로 소자들도 원하는 구성에 따라 제 2 세라믹층(1002) 내에 내장될 수 있다.

도 10에서, 분배 네트워크(1014)가 제 2 세라믹층(1002)의 표면 상에 장착된다. 분배 네트워크(1014) 내의 선택된 피드 구조들이 금속 코어층(1004)을 통해 피드되는 다수의 전도성 비어들(1016)을 통해 방사 요소들(1008)에 연결된다. 분배 네트워크(1004)는 고주파 신호(예를 들어, RF, 마이크로파 등) 또는 상대적 저주파 신호들을 통과시킬 수 있다. 여러 이상기들(1012)이 이런 신호들을 여러 가지 편파를 갖도록 변경시키며, 이들 변경된 신호들을 전도성 비어들(1016)을 통해 방사 요소들(1008)로 통과시키도록 스위치들(1010)이 선택적으로 동작한다.

도 11a와 11b는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따라 안테나에 사용되는 이상기와 스위치들 사이의 가능한 연결을 도시한 회로도이다. 도 11a에서, 예를 들어 도 9d에서 설명된 스위치(900)로 구성된 스위치(1100)가 기둥(1102)과 기둥(1104) 사이에서 토글(toggle)된다. 스위치(1100)가 기둥(1102)에 접촉할 때, 스위치(1100)는 분배 네트워크 내의 피드 구조에 의해 제공된 신호와 같은 입력 신호(1106)를 직접 통과시킨다. 스위치(1100)가 기둥(1104)에 접촉하면, 입력 신호(1106)는 스위치(1100)를 통해 외부 회로로 통과하기 전에 이상기(1108)를 반드시 통과하여야 하므로, 스위치(1100)는 위상 지연 입력 신호(1106)를 통과시키게 된다.

도 11b는 4개의 가능한 편파 ψ1, ψ2, ψ3, 및 ψ4를 가진 신호로 광대역 안테나를 구동하기 위하여 다수의 이상기를 이용하는 2단(two-stage) 스위칭 장치를 도시하고 있다. 제 1 스위치(1110)는 이상기들(1114, 1116) 사이에서 토글되며, 제 2 스위치(1112)는 이상기들(1118, 1120) 사이에서 토글된다. 스위치들(1110, 1112)은 제어 라인(1122)에 의해 각기 선택적으로 동작한다. 제 3 스위치(1124)는 제어 라인(1126)에 의해 선택적으로 동작하며 제 1 스위치(1110, 1112)에 의해 통과된 신호들 사이에서 토글된다.

본 발명의 예시적 실시예들에 따른 안테나의 조정은 일면(one plane) 또는 이면(two planes)으로 될 수 있다. 일면의 경우, 단지 한 줄의 이상기들만이 사용되며, 이면에서의 조정을 위해서는 이상기의 2차원 어레이가 사용될 것이다. 이들 안테나들의 광대역 조정도 또한 복수 어레이의 이상기들을 사용하여 다면(multiple planes)에서 수행될 수 있다.

비록 이상에서 도시되고 설명된 사항들이 특정한 구체적 실시예들에 대해 개시되었지만, 본 발명을 그것으로 한정하려는 의도는 아니다. 오히려, 청구의 범위와 균등한 범주 및 범위 내에서 본 발명의 사상을 벗어나지 않고도 여러 가지의 변경이 이루어질 수 있다.

Claims

제 1 세라믹층 제 2 세라믹층;

제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층 사이에 배치되는 금속층;

제 1 세라믹층 상에 장착되는 다수의 방사 요소들; 그리고

제 2 세라믹층 상에 장착되며, 금속층을 통해 피드되는 다수의 전도성 비어들을 통해 방사 요소들에 연결되는 다수의 제어 회로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
금속층의 상부에 적층된 다수의 세라믹층들 내에 형성된 도파관에 있어서,

한 쌍의 상기 세라믹층들 사이에 배치된 상부 금속벽;

다른 한 쌍의 상기 세라믹층들 사이에 배치된 하부 금속벽;

상부 금속벽의 제 1 측을 하부 금속벽의 제 1 측에 연결하기 위해서 상부 금속벽과 하부 금속벽 사이의 상기 세라믹층들의 부분을 통해 뻗어 있는 제 1 전도성 비어들에 의해 형성되는 제 1 측벽; 그리고

상부 금속벽의 제 2 측을 하부 금속벽의 제 2 측에 연결하기 위해서 상부 금속벽과 하부 금속벽 사이의 상기 세라믹층들의 부분을 통해 뻗어 있는 제 2 전도성 비어들에 의해 형성되는 제 2 측벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층;

제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층 사이에 배치되는 금속층;

제 1 세라믹층 상에 장착되는 다수의 방사 요소들;

제 2 세라믹층 상에 장착되어 있으며, 금속층을 통해 뻗어 있는 다수의 전도성 비어들을 통해 방사 요소들에 연결되는 다수의 제어 회로들; 그리고

제 1 세라믹층에 내장되어 있으며, 신호를 방사 요소로 라우트(route)하기 위해 금속층을 통해 뻗어 있는 전도성 비어들을 통해 방사 요소들에 연결되는 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
전력 분배를 위해 다수의 세라믹층들 내에 형성되는 도파관에 있어서,

세라믹층들의 부분 내에 형성되며 상기 세라믹층들의 면에서 적어도 두개의 별개의 직사각 부분으로 분기되는 직사각 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 도파관.
제 1 피드 요소가 내장되어 있는 제 1 세라믹층;

제 2 피드 요소가 내장되어 있는 제 2 세라믹층;

제 1 세라믹층의 반대쪽에 제 2 세라믹층에 인접하여 배치되는 방사 요소;

제 1 세라믹층과 제 2 세라믹층 사이에 배치되는 제 1 접지면 및 제 2 세라믹층과 방사 요소 사이에 배치되는 제 2 접지면;

제 1 피드 요소를 방사 요소에 연결하기 위해 제 1 접지면과 제 2 접지면을 통해 피드되는 제 1 차폐 동축 전송선로; 그리고

제 2 피드 요소를 방사 요소에 연결하기 위해 제 2 접지면을 통해 피드되는 제 2 차폐 동축 전송선로를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
금속층의 상부에 적층된 다수의 세라믹층들에 형성된 스위치에 있어서,

제 1 세라믹층 쌍 사이에 배치되는 제 1 부분과 세라믹층들에 형성된 공동 속으로 뻗어 있는 제 2 부분을 가지는 제 1 전극; 그리고

제 2 세라믹층 쌍 사이에 배치되는 고정부와 제 1 전극과 결합하기 위해 공동 속으로 뻗어 있으며 공동 내에서 움직일 수 있는 가동부를 가지는 제 2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치.
금속층 상에 적층된 다수의 세라믹층들에 스위치를 형성하는 방법에 있어서,

금속층을 배치하는 단계;

금속층의 상부에 제 1 세라믹층을 배치하는 단계;

제 1 세라믹층의 상부에 자극 패드를 배치하는 단계;

자극 패드 및 제 1 세라믹층의 상부에 제 2 세라믹층을 배치하는 단계;

제 2 세라믹층의 상부에 제 2 금속 패치(patch)가 자극 패드에 인접하도록 제 1 금속 패치와 제 2 금속 패치를 배치하는 단계;

제 1 금속 패치, 제 2 금속 패치, 및 제 2 금속층의 최상부에 제 3 세라믹층을 배치하는 단계;

제 2 금속 패치의 일부가 공동 속으로 뻗어서 제 1 전극을 형성하도록 제 3 세라믹층에 공동을 형성하는 단계;

제 1 금속 패치로부터 공동 벽을 따라 수직으로 뻗어 있는 스탠드를 형성하는 단계; 그리고

제 2 전극을 형성하기 위해 제 1 금속 패치의 반대쪽으로 스탠드의 일단에 제 3 금속 패치의 일단을 부착하며, 제 3 금속 패치는 제 2 전극의 힌지 부분(hinged portion)으로 되어 제 1 전극과 결합하기 위해 공동 내에서 움직일 수 있게 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치 형성 방법.
금속 베이스층;

금속 베이스층의 상부에 적층되는 제 1 세라믹층;

제 1 세라믹층의 상부에 적층되는 접지면;

접지면의 상부에 적층되는 제 2 세라믹층;

제 2 세라믹층의 상부에 장착되는 다수의 방사 요소들;

방사 요소들 및 제 2 세라믹층의 상부에 적층되는 제 3 세라믹층; 그리고

제 3 세라믹층의 상부에 장착되는 다수의 기생 방사 요소들을 포함하며,

각 기생 방사 요소는 용량성으로 결합되도록 각 방사 요소들에 인접하여 쌍을 이루는 것을 특징으로 하는 안테나.
금속 베이스층;

금속 베이스층의 상부에 배치되는 제 1 세라믹층;

제 1 세라믹층의 상부에 배치되는 제 1 접지면;

제 1 접지면의 상부에 배치되는 제 2 세라믹층;

제 2 세라믹층의 상부에 배치되는 제 2 접지면;

제 2 접지면의 상부에 배치되는 제 3 세라믹층;

제 3 세라믹층의 상부에 장착되는 다수의 방사 요소들;

제 1 세라믹층에 내장되며, 제 1 편파를 가지는 제 1 신호를 방사 요소들로 제공하기 위해 제 1 접지면과 제 2 접지면을 통해 뻗어 있는 다수의 비어들을 통해 방사 요소들에 연결되는 제 1 분배 네트워크; 그리고

제 2 세라믹층에 내장되며, 제 2 편파를 가지는 제 2 신호를 방사 요소들로 제공하기 위해 제 2 접지면을 통해 뻗어 있는 다수의 비어들을 통해 방사 요소들에 연결되는 제 2 분배 네트워크를 포함하며,

제 1 신호와 제 2 신호의 크기를 제어함에 의해 방사 요소들에 의해 제공되는 방사 신호의 편파가 제어되는 것을 특징으로 하는 평면 안테나.