KR20000020275A - 비방사면 직접 결합 급전 방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나 - Google Patents

비방사면 직접 결합 급전 방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온초전도 방사 패치의 폭으로 직접 급전하는 방식을 지양하고 고온초전도 급전선을 비 방사면인 공진 길이 쪽의 특정한 임피던스 영역에 급전하는 방식을 취한 고온초전도 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다. 본 발명은, 단결정 유전체 기판 위에 rf-off axis-마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 고온 초전도체 박막을 증착하고, 그 고온 초전도체 박막으로 안테나 방사 패치(21)와, 그 안테나 방사 패치(21)와 직접 연결되는 급전선로(22)를 형성하되, 특정 임피던스를 가진 고온초전도 급전선로(22)를 고온초전도 방사 패치(21)의 공진길이를 결정하는 비방사면의 특정 임피던스 영역에 직접 결합하여 안테나의 초전도 패치면 임피던스와 초전도 급전선의 임피던스를 정합시키도록 구성됨을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 방사 패치의 패치면 임피던스를 계산한 후에 공진길이를 따라 임피던스를 추적하여 적정한 임피던스 영역에 직접 급전하기 때문에 급전선의 선폭 감소를 고려하지 않아도 되며 이로 인한 식각 오차도 상당히 덜 수 있는 잇점이 있다. 또한, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 손실의 감소와 대폭적인 효율 및 이득의 증가를 기할 수 있는 고품질의 안테나를 제공할 수 있다.

Description

비방사면 직접 결합 급전 방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나
본 발명은 고온초전도 방사 패치의 폭으로 직접 급전하는 방식을 지양하고 고온초전도 급전선을 비 방사면인 공진 길이 쪽의 특정한 임피던스 영역에 급전하는 방식을 취한 고온초전도 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다.
종래의 마이크로스트립 안테나는 유전체 손실과 급전 손실에 의해 안테나의 이득이 제한을 받고, 주파수 대역폭이 좁으며, 가용 전력량이 작다는 단점을 가지고 있고 일반 전도체가 가지고 있는 고유저항과 주파수 대역의 상승에 따른 표피 효과와 이로 인한 표면 저항의 증가로 인하여 이득 및 효율 면에서 상당한 제약을 받아왔다.
따라서, 고온초전도체가 가지고 있는 임계 온도 이하에서의 '0' 저항 조건과, 마이크로파 소자 응용시 상기 일반 전도체에 비하여 크게는 수백 배 작게는 수십 배 적은 고온초전도체의 저 저항 특성을 이용하여, 이득과 효율이 종래의 마이크로스트립 안테나에 비하여 향상된 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제조하려는 시도가 있어왔다.
그러나, 실제로 고온초전도 마이크로스트립 안테나 제조시 가장 어려운 난점은 고온초전도 방사 패치의 높은 입력 임피던스와 급전선을 원할하게 급전하는 일이며, 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제조함에 있어서, 효율저하의 주요 원인은 대부분 급전선과 방사패치와의 결합에서 발생한다.
또한 고온초전도 마이크로스트립 안테나 제작 시 사용될 수 있는 MgO, LaAlO, SrTiO, AlO, YSZ 기판의 단결정 구조로 인하여 고온초전도 마이크로스트립 안테나 패치의 적절한 임피던스 지점에 급전이 매우 곤란하다는 어려움이 있다.
특히 이러한 단결정 기판의 경우, 급전을 위해 접지면에서 패치면의 임피던스 매칭 영역에 동축 케이블 급전을 위해 천공을 하여 패치면과 접촉해야 하지만 단결정 기판의 속성 상 이는 매우 어렵거나 사실상 불가능하다.
따라서 파손되기 쉬운 단결정 기판의 특성을 고려하여 적절한 급전방식을 채택할 필요가 있으며 본 발명은 이러한 단결정 기판의 약점을 피하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 급전선을 복사 패치로부터 전자파가 누설되는 영역에 직접 결합 또는 갭 결합이나 각종 변환기와 삽입 방식을 사용하는 경우, 필수적으로 야기되는 문제는 급전선 선폭의 협소화로 인한 반사손실의 증가, 선폭 감소에 따른 식각 오차의 발생 및 급전선 삽입으로 인한 고온초전도 패치 내의 기본 모드의 혼란 등을 들 수 있다. 또, 파장 변환기나 삽입방식을 이용한 방식의 어려움과 마찬가지로 갭 결합의 경우는 수치해석을 이용한 갭 결합 커패시턴스의 계산이 매우 곤란하고 주파수가 증가할수록 오차 발생이 상당히 심각하다.
그러므로, 본 발명은 고온초전도 비 방사면 급전선 직접 결합 방식을 이용하여 고온초전도 안테나를 제조함으로써, 상기한 다양한 문제점을 피할 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한 방사 패치의 패치면 임피던스를 계산한 후에 공진길이를 따라 임피던스를 추적하여 적정한 임피던스 영역에 직접 급전하기 때문에 급전선의 선폭 감소를 고려하지 않아도 되며 이로 인한 식각 오차도 상당히 덜 수 있는 잇점이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 고온초전도체 박막으로 안테나 패치와, 급전선로를 형성하되, 상기 안테나 패치의 길이 방향의 비 방사면에 급전선로를 직접 결합시켜 형성함에 특징이 있다. 즉, 특정 임피던스를 가진 고온초전도 급전선로를 고온초전도 방사 패치의 공진길이를 결정하는 비방사면의 특정 임피던스 영역에 직접 결합하여 안테나의 초전도 패치면 임피던스와 초전도 급전선의 임피던스를 정합시키도록 구성함에 특징이 있다.
도 1은 본 발명인 고온초전도 비 방사면 직접 결합 급전 방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제조하기 위한 각 공정별 개략도로서,
(a)는 rf-off-axis 마그네트론 스퍼터링법에 의한 고온초전도 YBaCuO 박막의 제조공정도,
(b)는 스핀코터에 의한 포토레지스트 도포공정도,
(c) 전자선 마스크를 통해 자외선을 이용한 감광 공정도,
(d)는 EDTA 식각공정에 의한 미세형상화 공정도,
(e)는 아세톤 용액을 이용한 포토레지스트(PR) 제거 및 불순물 세정공정을 나타낸다.
도 2는 고온초전도 비 방사면 직접 결합 급전 방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 구조를 보인 것으로,
(a)는 평면도,
(b)는 측단면도를 나타낸다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 기판
20 : 고온초전도체박막층
21 : 안테나의 방사 패치
22 : 고온초전도 급전선로
30 : 포토레지스트
40 : 전자선 마스크
50 : 감광용 자외선
60 : Ti층
70 : 접지층
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명인 고온초전도 중앙 급전선로 직접 결합 방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제조하기 위한 각 공정별 개략도(사용기판 : 산화마그네슘(MgO))이다.
(a)는 상기한 고온초전도 타겟을 장착한 rf-off-axis 스퍼터링 장치의 개략도를 보여주고 있다.
고온초전도 중앙 급전선로 직접 결합 방식을 이용한 고온초전도 마이크로스트립 안테나를 제조하기 위해서, 이트륨과 바륨 그리고 구리의 성분비를 적절한 비율로 혼합한 다음 고상반응법을 이용하여 고온초전도 박막 제조용 타겟(3)을 제작하고, 이를 진공 챔버의 매칭 홀더에 장착, rf-off-axis 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 고온초전도 박막(20)을 기판(10) 위에 증착한다.
본 발명에서 사용된 rf-off axis 스퍼터링 방식은 종래의 on-axis 방식에 비하여 고온초전도 입자의 역스퍼터링을 현저하게 줄일 수 있으며 기판 홀더(1)에 장착된 열선을 이용하여 증착된 고온초전도 입자의 비정질 상태를 안정화, 결정화 할 수 있다.
(b)는 전자선 마스크에 의해서 형상화된 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 미세패턴 형상화를 위해서 스핀 코터(4)를 이용 유전체 기판(10) 위에 증착된 고온초전도 박막(20) 위에 포토레지스트(30)를 도포하는 과정을 보여주고 있다.
(c)는 포도레지스트(30)를 도포한 후 전자선 마스크(40)를 포토레지스트(30)가 도포된 고온초전도 박막(20) 위에 고정시킨 다음 자외선(50)을 이용하여 감광하는 과정을 보여주고 있다. 이때, 상기 고온초전도 박막(20)의 안테나 패턴은, 적절한 급전을 위해서 고온초전도 마이크로스트립 급전선로를 설계, 전산모사를 통하여 최적화한 다음, 고온초전도 마이크로스트립 안테나 패치의 비방사면에 급전하도록 설계한다.
(d)는 감광된 고온초전도 박막(20)을 포토리소그래피 공정과 EDTA 식각공정에 의한 미세형상화 한다. 따라서, 본 발명에 의한 특징인 고온초전도 마이크로스트립 안테나 패치의 비방사면에 급전하도록 패치의 비사사면에 급전선로가 직접 연결되어 안테나 패턴이 형성된다. 즉, 특정 임피던스를 가진 고온초전도 급전선로를 고온초전도 방사 패치의 공진길이를 결정하는 비방사면의 특정 임피던스 영역에 직접 결합하여 안테나의 초전도 패치면 임피던스와 초전도 급전선의 임피던스를 정합시키도록 구성한다.
(e)는 식각공정을 통하여 형상화된 고온초전도 박막을 아세톤 용액을 이용하여 포토레지스트를 제거한 다음 불순물 세정단계를 거치는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 고온초전도 마이크로스트립 안테나의 구조도로서, 도 2의 (a)는 급전선로를 비방사면에 직접 결합 방식으로 형성한 것을 설명하기 위한 평면도이며, 도 2의 (b)는 측단면도이다.
단결정 유전체 기판(10) 위에 고온 초전도체 박막(20)으로 안테나 패치(21)와 급전선로(22)를 형성하되, 패치(21)의 세로방향 길이 L은, 고온초전도 안테나의 길이로서, 중심주파수를 고려한 공진 길이에서 고온초전도 마이크로스트립 패치의 가장자리 효과를 고려한 전기적 길이를 계산하여 설계하며, 패치(21)의 가로방향 폭 W는 안테나의 폭으로서, 안테나의 기본 모드를 고려하여 설계한다.
그리고, 급전선로(22)는 고온초전도 마이크로스트립 급전선로의 폭을 나타내고 있으며, 특성 임피던스를 50Ω으로 계산 설계하여 기본모드가 고려된 고온초전도 마이크로스트립 안테나 패치(21)의 측면인 공진 길이의 적절한 임피던스 영역에 직접 결합하여 패치(21) 내로 전력을 공급하도록 구성한다.
이를 위해 적절한 수치해석을 통해 패치면 임피던스와 급전선 특성 임피던스의 결합 및 입력 임피던스를 전산모사한 다음 이를 실제 실험을 통해 실험치와 전산모사 결과를 비교하여 급전구조를 최적화하여 설계한다.
그리고 상기 패치(21)와 급전선로(22)는 고온초전도체 박막으로서, 증착된 두께는 통상적으로 2000 Å에서 3000 Å 정도의 두께를 가진다. 또, 기판910)의 하면에는 이중 금속층이 증착되어 접지층을 이루는데, 접지면으로 사용된 금이나 은의 증착을 돕기 위하여 매우 얇게 Ti 층(60)이 증착되고, 그 Ti층(60)의 하부에 금이나 은으로 접지층(70)을 증착하여 구성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 고온초전도 마이크로스트립 안테나는, 방사 패치의 패치면 임피던스를 계산한 후에 공진길이를 따라 임피던스를 추적하여 적정한 임피던스 영역에 직접 급전하기 때문에 급전선의 선폭 감소를 고려하지 않아도 되며 이로 인한 식각 오차도 상당히 덜 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 발명에서 제시하고 있는 비방사면 직접 급전 방식을 이용한 고온초전도 안테나는, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 손실의 감소와 대폭적인 효율 및 이득의 증가를 기할 수 있는 고품질의 안테나를 제공할 수 있다.

Claims (2)

  1. 기판의 상면에 마이크로 스트립 안테나 패턴이 형성되고, 기판의 하면에 접지층이 형성된 마이크로스트립 안테나에 있어서,
    단결정 유전체 기판 위에 rf-off axis-마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 고온 초전도체 박막을 증착하고, 그 고온 초전도체 박막으로 안테나 방사 패치(21)와, 그 안테나 방사 패치(21)와 직접 연결되는 급전선로(22)를 형성하되,
    특정 임피던스를 가진 고온초전도 급전선로(22)를 고온초전도 방사 패치(21)의 공진길이를 결정하는 비방사면의 특정 임피던스 영역에 직접 결합하여 안테나의 초전도 패치면 임피던스와 초전도 급전선의 임피던스를 정합시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 고온초전도 마이크로스트립 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 하면에 형성된 접지층은,
    Ti층(60)과,
    금 또는 은중 어느하나의 금속으로 이루어진 접지층(70)으로 이루어진 이중 금속층인 것을 특징으로 하는 고온초전도 마이크로 스트립 안테나.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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