KR20100134672A - 단일­피드 다중­셀 메타물질 안테나 기기 - Google Patents

단일­피드 다중­셀 메타물질 안테나 기기 Download PDF

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    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H01Q15/008—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices having Sievenpipers' mushroom elements

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Abstract

복합좌우현(CRLH) 메타물질(MTM) 안테나 기기들에 관한 설계 및 기술이 개시되는데, 그 CRLH MTM 안테나 기기들은, 기판 상에 형성된 MTM 셀들 및 그 기판 상에 형성되어 그 MTM 셀들 각각에 인접하며 그 MTM 셀들 각각에 전자기적으로 커플링되는 전도성 론치 스터브를 포함하는 CRLH MTM 기기들을 포함한다.

Description

단일­피드 다중­셀 메타물질 안테나 기기{Single-feed multi-cell metamaterial antenna devices}
- 우선권 주장 및 관련 출원
이 특허 출원은 다음의 미국 특허 출원들의 (우선권) 이익을 주장한다:
2009년 3월 20일에 출원된 "Single-Feed Multi-Cell Metamaterial Antenna Devices" 명칭의 실용 특허 번호 제12/408,642호;
2008년 4월 4일에 출원된 "Dual Cell Metamaterial (MTM) Antenna Systems" 명칭의 임시 출원 번호 제61/042,699호; 및
2008년 5월 15일에 출원된 "Single-Feed Dual Cell Metamaterial Quadband and Pentaband Antenna Devices" 명칭의 임시 출원 번호 제61/053,616호.
상기 출원들의 개시내용들은 본 출원 명세서의 개시내용의 일부로서 참조에 의해 통합된다.
대부분의 물질에서의 전자기파의 전파(propagation)는 (E,H,β) 벡터 장(field)들 - 여기서 E는 전기장, H는 자기장 및 β는 파 벡터(wave vector)임 - 에 관한 오른손 법칙을 따른다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파(그룹 속도)의 방향과 동일하고 굴절률은 양수(positive number)이다. 이러한 물질은 "우현"(right handed; RH)이다. 대부분의 자연 물질은 RH 물질이다. 인조 물질도 또한 RH 물질일 수 있다.
메타물질(metamaterial; MTM)은 인공적 구조를 가진다. 메타물질에 의해 인도(guide)되는 전자기파 에너지의 파장보다 훨씬 더 작은 구조적 평균 단위 셀 사이즈(p)로 설계될 때, 메타물질은 그 인도되는 전자기파 에너지에 대해 균질 매체(homogeneous medium)처럼 행동할 수 있다. RH 물질과는 다르게, 메타물질은 유전율 ε 및 투자율 μ가 동시에 음인 음의 굴절률을 나타낼 수 있고, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파의 방향과 반대이며 여기서 (E,H,β) 벡터 장들의 상대적 방향들은 왼손 법칙을 따른다. 유전율 ε 및 투자율 μ가 동시에 음인 음의 굴절률만을 지원하는 메타물질은 순 "좌현"(left handed; LH) 메타물질이다.
많은 메타물질은 LH 메타물질과 RH 메타물질의 혼합물이고, 따라서 복합좌우현(Composite Left and Right Handed; CRLH) 메타물질이다. CRLH 메타물질은 저주파수에서 LH 메타물질처럼 행동하고 고주파수에서 RH 물질처럼 행동할 수 있다. 다양한 CRLH 메타물질의 설계(design) 및 속성은 칼로즈(Caloz)와 이토(Itoh)의 "Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications", John Wiley & Sons(2006)에 기재되어 있다. CRLH 메타물질 및 안테나에서의 그것의 응용예는 다츠오 이토(Tatsuo Itoh)의 "Invited paper: Prospects for Metamaterials", 전자학회지(Electronics Letters) 제40권 제16호 (2004년 8월)에 기재되어 있다.
CRLH 메타물질은 특정 응용예들에 맞추어진 전자기적 속성들을 나타내도록 구성 및 제작설계될 수 있고, 그리고 다른 물질을 사용하기 곤란하거나 비실용적이거나 또는 불가능할 수 있는 응용예들에서 사용될 수 있다. 또한, CRLH 메타물질은 새로운 응용예들을 개발하고 RH 메타물질로는 가능하지 않은 신 기기를 구성하는데 사용될 수 있다.
본 출원은 복합좌우현(CRLH) 메타물질(MTM) 안테나들의 구현을 제공한다.
하나의 측면에서, CRLH MTM 안테나는, 기판, 상기 기판 상에 형성되는 MTM 셀들, 및 상기 기판 상에 형성되어 상기 MTM 셀들 각각에 인접하며 상기 MTM 셀들 각각에 전자기적으로 커플링되는(electromagnetically coupled) 전도성 론치 스터브(conductive launch stub)를 포함한다.
또 하나의 측면에서, CRLH MTM 안테나 기기는, 제1 측에 제1 표면 및 상기 제1 측과 반대되는 제2 측에 제2 표면을 가지는 유전체 기판; 상기 제1 표면 상에 형성되는 제1 셀 전도성 패치(conductive patch); 상기 제1 표면 상에 형성되며 그리고 절연 갭(insulation gap)을 통해 상기 제1 셀 전도성 패치에 인접한 제2 셀 전도성 패치; 및 상기 제1 표면 상에 형성되며 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 양자 모두에 인접하면서 절연 갭에 의해 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 각각으로부터 분리되어 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 각각에 전자기적으로 커플링되는 공유형(shared) 전도성 론치 스터브를 포함한다. 상기 공유형 전도성 론치 스터브는, 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치에 신호를 송신하고 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치로부터 신호를 수신하는 확장형 스트립 라인(extended strip line)을 포함한다. 이 기기는, 상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제2 표면 상으로 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트(footprint)들 밖에 위치한 셀 그라운드 전도성 전극(cell ground conductive electrode); 상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제2 표면 상으로 상기 제1 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제1 셀 전도성 비아(via) 패치; 상기 기판에 형성되어 상기 제1 셀 전도성 비아 패치에 상기 제1 셀 전도성 패치를 연결하는 제1 셀 전도성 비아 커넥터(connector); 상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제2 표면 상으로 상기 제2 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제2 셀 전도성 비아 패치; 상기 기판에 형성되어 상기 제2 셀 전도성 비아 패치에 상기 제2 셀 전도성 패치를 연결하는 제2 셀 전도성 비아 커넥터; 상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 셀 그라운드 전도성 전극에 상기 제1 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 제1 전도성 스트립 라인; 및 상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 셀 그라운드 전도성 전극에 상기 제2 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 제2 전도성 스트립 라인을 포함한다.
또 하나의 측면에서, CRLH MTM 안테나 기기는, 제1 측 상에 제1 표면 및 상기 제1 측과 반대되는 제2 측에 제2 표면을 가진 유전체 기판; 상기 제1 표면 상에 형성되는 제1 셀 전도성 패치; 상기 제1 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제1 셀 전도성 패치와 분리되어 있는 제2 셀 전도성 패치; 및 상기 제1 표면 상에 형성되며 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 양자 모두에 인접하면서 절연 갭에 의해 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 각각으로부터 분리되어 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 각각에 전자기적으로 커플링되는 전도성 론치 스터브를 포함한다. 상기 전도성 론치 스터브는, 외부 론치 케이블로부터 신호를 수신하는 제1 전도성 라인; 상기 전도성 론치 스터브의 제1 말단으로부터 뻗어나와 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치에 상기 신호를 인도하는 제2 전도성 라인; 상기 전도성 론치 스터브의 제2 말단에서부터 상기 제1 전도성 패치 및 상기 제2 전도성 패치로부터 떨어진 위치까지 뻗어 있는 미앤더링(meandering) 전도성 라인; 상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제2 표면 상으로 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치와 상기 전도성 론치 스터브에 의해 투영되는 풋프린트들 밖에 위치하는 셀 그라운드 전도성 전극; 상기 제2 표면 상에 형성되며 상기 제2 표면 상으로 상기 제1 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제1 셀 전도성 비아 패치; 상기 기판에 형성되어 상기 제1 셀 전도성 비아 패치를 상기 제1 셀 전도성 패치를 연결하는 제1 셀 전도성 비아 커넥터; 상기 제2 표면 상에 형성되며 상기 제2 표면 상으로 상기 제2 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제2 셀 전도성 비아 패치; 상기 기판에 형성되어 상기 제2 셀 전도성 비아 패치에 상기 제2 셀 전도성 패치를 연결하는 제2 셀 전도성 비아 커넥터; 상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 실질적으로 상기 제2 표면 상으로 상기 미앤더링 스트립 라인에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제3 전도성 비아 패치; 상기 기판에 형성되어 상기 제3 전도성 비아 패치에 상기 미앤더링 스트립 라인의 말단을 연결하는 제3 전도성 비아 커넥터; 상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 셀 그라운드 전도성 전극에 상기 제1 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 제1 전도성 스트립 라인; 및 상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 셀 그라운드 전도성 전극에 상기 제2 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 제2 전도성 스트립 라인을 포함한다.
이들 및 다른 구현예들과 그것들의 변형예들이 첨부 도면, 상세한 설명 및 특허청구범위에 상세히 묘사된다.
도 1은 4개의 단위 셀들에 기반한 1D CRLH MTM 전송선(TL)의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타나 있는 1D CRLH MTM TL의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타나 있는 1D CRLH MTM TL의 등가 회로에 관한 또 하나의 표현을 도시하는 도면이다.
도 4a는 도 2에 나타나 있는 1D CRLH TL 등가 회로에 대한 2-포트 네트워크(network) 매트릭스(matrix) 표현을 도시하는 도면이다.
도 4b는 도 3에 나타나 있는 1D CRLH TL 등가 회로에 대한 또 하나의 2-포트 네트워크 매트릭스 표현을 도시하는 도면이다.
도 5는 4개의 단위 셀들에 기반한 1D CRLH MTM 안테나의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6a는 도 4a에 나타나 있는 TL 케이스와 유사한 1D CRLH 안테나 등가 회로에 대한 2-포트 네트워크 매트릭스 표현을 도시하는 도면이다.
도 6b는 도 4b에 나타나 있는 TL 케이스와 유사한 1D CRLH 안테나 등가 회로에 대한 또 하나의 2-포트 네트워크 매트릭스 표현을 도시하는 도면이다.
도 7a는 밸런싱 케이스에서의 분산 곡선(dispersion curve)의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7b는 비밸런싱 케이스에서의 분산 곡선의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 4개의 단위 셀들에 기반한 절단형(truncated) 그라운드를 가진 1D CRLH MTM TL의 일례를 도시하는 도면이다.
도 9는 도 8에 나타나 있는 절단형 그라운드를 가진 1D CRLH MTM TL의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 10은 4개의 단위 셀들에 기반한 절단형 그라운드를 가진 1D CRLH MTM 안테나의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11은 4개의 단위 셀들에 기반한 절단형 그라운드를 가진 1D CRLH MTM TL의 또 하나의 예를 도시하는 도면이다.
도 12는 도 11에 나타나 있는 절단형 그라운드를 가진 1D CRLH MTM TL의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 13은 CRLH MTM 단일 피드 다중 셀 (Single Feed Multi-Cell; SFMC) 안테나 구조의 등가 회로를 도시하는 도면이다.
도 14a 내지 도 14d는 바람직한 단일 피드 다중 셀 메타물질 안테나 구조의 상단 층의 전망도, 하단 층의 전망도, 측면도 및 3D 투시도를 각각 도시하는 도면들이다.
도 15a 내지 도 15b는 도 14a 내지 도 14b에 도시되어 있는 단일 피드 다중 셀 메타물질 안테나 구조의 실제 제조 샘플의 상단 층 전망도 및 하단 층 전망도에 관한 사진들을 각각 도시하고 있다.
도 16은 단일 피드 다중 셀 메타물질 안테나 구조에서의 전자기적 커플링의 방향 흐름을 도시하는 도면이다.
도 17은 도 14a 내지 도 14d의 단일 피드 다중 셀 메타물질 안테나 구조의 반사 손실(return loss)을 시뮬레이션한 도면이다.
도 18은 도 15a 내지 도 15b의 단일 피드 다중 셀 메타물질 안테나 구조의 반사 손실을 측정한 도면이다.
도 19는 도 15a 내지 도 15b의 단일 피드 다중 셀 메타물질 안테나 구조의 효율을 측정한 도면이다.
도 20a 내지 도 20c는 도 14a 내지 도 14d의 단일 피드 다중 셀 메타물질 안테나 구조의 방사 패턴을 각각 900MHz에서, 1.575GHz에서, 그리고 2.5GHz에서 시뮬레이션한 도면이다.
도 21a 내지 도 21d는 바람직한 단일 피드 다중 셀 메타물질 5중대역 안테나 구조의 상단 층의 전망도, 하단 층의 전망도, 측면도 및 3D 투시도를 각각 도시하고 있다.
도 22는 도 21a 내지 도 21d의 단일 피드 다중 셀 메타물질 5중대역 안테나 구조의 반사 손실을 시뮬레이션한 도면이다.
도 23a 내지 도 23b는 도 21a 내지 도 21b에 도시되어 있는 단일 피드 다중 셀 메타물질 5중대역 안테나 구조의 실제 제조 샘플의 상단 층 전망도 및 하단 층 전망도에 관한 사진들을 각각 도시하고 있다.
도 24a 내지 도 24b는 각각 도 23a 내지 도 23b의 단일 피드 다중 셀 메타물질 5중대역 안테나 구조의 반사 손실 측정 결과 및 효율성 측정 결과를 도시하는 도면들이다.
도 25a 내지 도 25b는 단일 피드 다중 셀 메타물질 5중대역 안테나 구조의 "동조형(Tuned)" 실제 제조 샘플의 상단 층 전망도 및 하단 층 전망도에 관한 사진들을 각각 도시하고 있다.
도 26a 내지 도 26b는 각각 도 25a 내지 도 25b에 나타나 있는 단일 피드 다중 셀 메타물질 5중대역 안테나 구조의 "동조형" 제조 샘플의 "동조형" 반사 손실 및 "동조형" 효율을 측정한 도면들이다.
첨부된 도면들에서, 유사한 콤포넌트들 및/또는 기술특징들은 동일한 참조 번호를 가질 수 있다. 또한, 동일 타입의 다양한 콤포넌트들은 그 참조 번호 뒤에 따르는 그 유사한 콤포넌트들 간을 구별해 주는 대시기호 및 제2 라벨에 의해 구별될 수 있다. 만약 제1 참조 번호만이 본 명세서에서 사용된다면, 그에 관한 설명은 제2 참조 번호에 관계없이 동일한 제1 참조 번호를 가진 그 유사한 콤포넌트들 중 어느 것에도 적용가능하다.
메타물질(MTM) 구조는 안테나 및 다른 전기적 콤포넌트 및 기기를 구성하는데 사용될 수 있어 크기 감소 및 성능 향상과 같은 광범위한 기술 진보를 가능하게 해 준다. MTM 안테나 구조는 예를 들어 전통적 FR-4 PCB(Printed Circuit Board) 또는 FPC(Flexible Printed Circuit) 보드와 같은 다양한 회로 플랫폼 상에서 제조될 수 있다. 다른 제조 기술의 예는 박막(thin film) 제조 기술, 시스템 온 칩(system on chip; SOC) 기술, 저온 동시소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 기술, 및 단일 마이크로웨이브 집적 회로(monolithic microwave integrated circuit; MMIC) 기술을 포함한다. 바람직한 MTM 안테나 구조는 2007년 4월 27일에 출원된 "Antennas, Devices, and Systems Based on Metamaterial Structures"이란 명칭의 미국 특허 출원 번호 제11/741,674호(미국 공개 번호 US-2008-0258981-A1) 및 2007년 8월 24일에 출원된 "Antennas Based on Metamaterial Structures"란 명칭의 미국 특허 출원 번호 제11/844,982호(미국 공개 번호 US-2008-0048917-A1)에 기재되어 있다. 이 두 개의 특허 출원들의 개시내용들은 본 명세서의 개시내용의 일부로서 참조에 의해 통합된다.
MTM 안테나 또는 MTM 전송선(TL)은 하나 또는 그 이상의 MTM 단위 셀들을 가진 MTM 구조이다. 각 MTM 단위 셀에 대한 등가 회로는 우현 직렬 인덕턴스(LR), 우현 분기(shunt) 커패시턴스(CR), 좌현 직렬 커패시턴스(CL), 및 좌현 분기 인덕턴스(LL)를 포함한다. LL 및 CL은 그 단위 셀에 좌현 속성들을 제공하도록 구성되고 연결되어진다. 이 유형의 CRLH TL이나 안테나는 분포형 회로 소자(distributed circuit component), 집중형 회로 소자(lumped circuit element) 또는 양자의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 각 단위 셀은 약 λ/4보다 작은데, 여기서 λ는 CRLH TL 또는 안테나에서 전송되는 전자기 신호의 파장이다.
순 LH 메타물질은 벡터 3요소 (E,H,β)에 관한 왼손 법칙을 따르고, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파와는 반대이다. LH 물질의 유전율 ε 및 투자율 μ 양자 모두는 음(negative)이다. CRLH 메타물질은 동작 방식이나 주파수에 따라 좌현 및 우현 전자기 전파 모드들 양자 모두를 나타낼 수 있다. 일정 환경 하에서는, CRLH 메타물질은 신호의 파벡터가 0일 때 0이 아닌 그룹 속도(group velocity)를 나타낼 수 있다. 이러한 상황은 좌현 모드 및 우현 모드 양쪽 모두가 밸런싱될 때 일어난다. 비밸런싱 모드에서, 전자기파의 전파를 막는 대역갭(bandgap)이 존재한다. 밸런싱 케이스에서, 분산 곡선은 좌현 모드 및 우현 모드 간에 전파 상수 β(ω0) = 0의 천이점(transition point)에서 어떠한 불연속도 보여주지 않는데, 여기서 그룹 속도가 다음과 같이 양(positive)인 동안, 인도되는 파장은 무한, 즉
Figure pct00001
이다:
Figure pct00002
이 상태는 LH 영역에서의 TL 구현에서의 0차 모드 m=0에 대응된다. CRHL 구조는 음의 β 파라볼라 영역(parabolic region)을 뒤따르는 분산 관계로써 제1 스펙트럼의 저 주파수들을 지원한다. 이는 근접장(near-field) 방사 패턴을 조작하고 제어하는데 있어서의 고유 능력에 관련하여 전자기적으로 큰, 물리적으로는 작은 기기를 제작할 수 있게 해 준다. 이 TL가 0차 공진기(Zeroth Order Resonator; ZOR)로서 사용될 때, 그것은 전체 공진기를 거쳐 일정한 진폭 및 위상 공진을 가능하게 해 준다. ZOR 모드는 MTM-기반의 전력 결합기(combiner) 및 분할기(splitter)나 분배기(divider), 방향성 커플러(directional coupler), 매칭 네트워크, 및 누설파 안테나를 제작하는데 사용될 수 있다.
RH TL 공진기의 경우에, 공진 주파수는 전기적 길이
Figure pct00003
(m = 1, 2, 3, ...)에 대응되고, 여기서 l은 TL의 길이이다. TL 길이는 낮은 그리고 더 넓은 스펙트럼의 공진 주파수들에 도달하기 위해 길어야 할 것이다. 순 LH 물질의 동작 주파수들은 저 주파수들이다. CRLH MTM 구조는 RH 또는 LH 물질과는 매우 다르고 RF 스펙트럼 범위의 고 스펙트럼 영역 및 저 스펙트럼 영역 양쪽 모두에 도달하는데 사용될 수 있다. CRLH 케이스에서
Figure pct00004
이고, 여기서 l은 CRLH TL의 길이이고 파라미터 m은 m=0, ±1, ±2, ±3 ... ±∞이다.
도 1은 4개의 단위 셀들에 기반한 1D CRLH MTM TL의 일례를 도시하는 도면이다. 하나의 단위 셀은 셀 패치 및 비아를 포함하고, 그리고 MTM 구조를 제작하는데 반복되어 사용되는 최소 단위이다. 4개의 셀 패치들은 그라운드 면에 연결된 각자의 중심부 비아들을 가진 기판 상에 배치된다.
도 2는 도 1의 1D CRLH MTM TL의 등가 네트워크 회로를 보여주고 있다. ZLin' 및 ZLout'은 각각 TL 입력 부하 임피던스 및 TL 출력 부하 임피던스에 대응되고, 각 말단에서의 TL 커플링에 기인한다. 이것은 프린트 2-층 구조의 일례이다. LR은 유전체 기판 상의 셀 패치에 기인하고, CR은 셀 패치와 그라운드 면 사이에 샌드위치된 유전체 기판에 기인한다. CL은 2개의 인접 셀 패치들의 존재에 기인하며, 그리고 비아는 LL을 유도한다.
각각의 개별 단위 셀은 직렬(SE) 임피던스 Z 및 분기(SH) 어드미턴스(admittance) Y에 대응되는 2개의 공진들 ωSE 및 ωSH를 가질 수 있다. 도 2에서, Z/2 블록은 LR/2와 2CL의 직렬 조합을 포함하고, Y 블록은 LL과 CR의 병렬 조합을 포함한다. 이들 파라미터들 간의 관계들은 다음과 같이 표현된다:
[수학식 1]
Figure pct00005
(여기서,
Figure pct00006
).
도 1의 입력/출력 에지들에서의 2개의 단위 셀들은 CL을 포함하지 않는데, 왜냐하면 CL은 2개의 인접 셀 패치들 사이의 커패시턴스를 나타내어 이들 입력/출력 에지들에서 빠져 있기 때문이다. 에지의 단위 셀들에서의 CL 부분이 없음으로써 ωSE 주파수에서 공진하는 것을 방지한다. 그러므로, 단지 ωSH만이 m=0 공진 주파수로서 나타난다.
계산적인 분석을 단순화하기 위해, ZLin' 및 ZLout' 직렬 커패시터의 일부분이 그 빠진 CL 부분을 보상하도록 포함되고, 나머지 입력 및 출력 부하 임피던스들은 도 3에 보여지는 바와 같이 각각 ZLin 및 ZLoout으로 표시된다. 이러한 상태 하에서, 모든 단위 셀들은 도 3에서 2개의 직렬 Z/2 블록들 및 1개의 분기 Y 블록으로 표현되는 동일한 파라미터들을 가진다 - 여기서 그 Z/2 블록은 LR/2 및 2CL의 직렬 조합을 포함하고, 그 Y 블록은 LL 및 CR의 병렬 조합을 포함한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 2 및 도 3에서 보여지는 바와 같은 부하 임피던스들 없이 TL 회로들에 대한 2-포트 네트워크 매트릭스 표현을 예시하고 있다.
도 5는 4개의 단위 셀들에 기반한 1D CRLH MTM 안테나의 일례를 도시하는 도면이다. 도 6a는 도 5의 안테나 회로에 대한 2-포트 네트워크 매트릭스 표현을 보여주고 있다. 도 6b는, 빠진 CL 부분을 고려하여 모든 단위 셀들을 동일하게 하도록 에지들에서 수정이 이루어진, 도 5의 안테나 회로에 대한 2-포트 네트워크 매트릭스 표현을 보여주고 있다. 도 6a 및 도 6b는 각각 도 4a 및 도 4b에 나타나 있는 TL 회로들과 유사하다.
매트릭스 표시법을 사용하여, 도 4b는 아래와 같이 주어진 관계를 나타내고 있다:
[수학식 2]
Figure pct00007
여기서, AN = DN인데 왜냐하면 도 3의 CRLH MTM TL 회로는 Vin 및 Vout 단자에서 볼 때 대칭적이기 때문이다.
도 6a 및 도 6b에서, 파라미터들 GR' 및 GR은 방사 저항(radiation resistance)을 나타내며, 파라미터들 ZT' 및 ZT는 종단 임피던스(termination impedance)를 나타낸다. ZT', ZLin' 및 ZLout' 각각은 다음과 같이 표현되는 부가적 2CL에서 유래한 기여분을 포함한다:
[수학식 3]
Figure pct00008
방사 저항 GR 또는 GR'는 안테나의 제작 또는 시뮬레이션 중 어느 한 가지에 의해 파생될 수 있기 때문에, 안테나 설계를 최적화하는 것은 어려울 수도 있다. 그러므로, TL 기법을 차용하여 그 경우 다양한 종단(termination) ZT를 가진 그에 대응되는 안테나들을 시뮬레이션하는 것이 바람직하다. 수학식 1의 관계는 수정 값들 AN', BN' 및 CN' - 이들은 그 두 에지들에서 빠진 CL 부분을 반영함 - 을 적용하는 경우 도 2의 회로에 대하여 유효하다.
주파수 대역은 N개의 CRLH 셀 구조가 nπ 전파 위상 길이(propagation phase length)(여기서 n = 0, ±1, ±2, ... ±N) 로 공진하게 함으로써 유도되는 분산식(dispersion equation)으로부터 결정될 수 있다. 여기서, N개의 CRLH 셀들 각각은 수학식 1에서 Z 및 Y에 의해 표현되고, 이는 CL이 말단 셀들로부터 빠져 있는 도 2에 나타나 있는 구조와 다르다. 그러므로, 이들 두 구조들과 연관된 공진들은 서로 다름을 예상할 수 있다. 그러나, 대규모 계산에 따르면, 모든 공진들은 n = 0인 경우를 제외하고는 - 여기서 도 3의 구조에서는 ωSE 및 ωSH 양자 모두에서 공진하고, 도 2의 구조에서는 단지 ωSH에서만 공진함 - 동일함을 알 수 있다. 양의 위상 오프셋(offset)들(n>0)은 RH 영역 공진들에 대응되고 음의 값들(n<0)은 LH 영역 공진들과 연관된다.
Z 및 Y 파라미터들을 가진 N개의 동일한 CRLH 셀들의 분산 관계는 아래와 같이 주어진다:
[수학식 4]
Figure pct00009
(여기서 짝수 공진들
Figure pct00010
일 때 AN = 1, 그리고 홀수 공진들
Figure pct00011
일 때, AN = -1임)
여기서, Z 및 Y는 수학식 1에 주어져 있고, AN은 도 3에서와 같은 N개의 동일한 CRLH 단위 셀들의 선형 캐스케이드(cascade)로부터 유도되며, 그리고 p는 셀 크기이다. 홀수 n=(2m+1) 및 짝수 n=2m 공진들은 각각 AN=-1 및 AN=1과 연관되어진다. 도 4a 및 도 6a에서의 AN'에 관하여, n=0 모드는 셀의 개수에 관계없이 말단 셀들에서의 CL의 부존재에 기인하여 단지 ω0 = ωSH에서만 공진하고 ωSE 및 ωSH 양자 모두에서 공진하지는 않는다. 더 고차의 주파수들이 표 1에서 규정된 여러가지 χ 값들에 대하여 다음의 수학식에 의해 주어진다:
[수학식 5]
Figure pct00012
.
표 1은 N = 1, 2, 3 및 4인 경우에 대한 χ 값들을 제시하고 있다. ｜n｜> 0인 고차 공진들은, CL 전체가 에지 셀들에 존재하는지 (도 3) 또는 부존재하는지 (도 2) 여부에 관계없이, 동일함을 유념하여야 할 것이다. 또한, n=0에 가까운 공진들은 작은 χ 값들(χ의 하한 0 근처)을 가지고, 반면에 고차 공진들은 수학식 4에서 진술하는 바와 같이 χ의 상한 4에 도달하려는 경향이 있다.
Figure pct00013
<표 1: N=1, 2, 3 및 4인 셀들에 대한 공진>
주파수 ω의 함수로서의 분산 곡선 β는 각각 ωSE=ωSH인 경우 (밸런싱된 경우, 즉 LR CL = LL CR) 및 ωSE≠ωSH인 경우(비밸런싱된 경우)에 대하여 도 7a 및 도 7b에 예시되어 있다. 후자의 경우에, min(ωSE,ωSH) 및 max(ωSE,ωSH) 간의 주파수 갭이 존재한다. 한계 주파수들 ωmin 및 ωmax 값들은 다음의 수학식에서 진술되는 바와 같이 χ가 자신의 상한 χ=4에 도달함에 따라 수학식 5에서와 동일한 공진 등식들로써 주어진다:
[수학식 6]
Figure pct00014
.
부가하여, 도 7a 및 도 7b는 분산 곡선들을 따라 존재하는 공진 위치의 예들을 제시하고 있다. RH 영역(n>0)에서 구조 크기 l=Np(여기서 p는 셀 크기)는 주파수가 감소함에 따라 증가한다. 반대로, LH 영역에서, Np 값이 더 작아짐에 따라 따라서 크기가 감소됨에 따라 더 낮은 주파수에 도달한다. 분산 곡선은 이러한 공진들 주위의 대역폭에 관한 몇몇 표시들을 제공한다. 예컨대, LH 공진은 분산 곡선이 거의 평평하기(flat) 때문에 대역폭이 좁다. RH 영역에서는, 분산 곡선이 더 가파르기 때문에 대역폭이 더 넓다. 따라서, 광대역을 얻기 위한 제1 조건(COND1), 즉 제1 BB 조건(1st BB condition)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
[수학식 7]
Figure pct00015
(여기서 χ는 수학식 4에 주어져 있고 ωR은 수학식 1에 정의되어 있음). 수학식 4의 분산 관계는 수학식 7의 제1 BB 조건(COND1)에서 분모를 0으로 되게 하는 ｜AN｜=1인 경우에 공진이 일어남을 나타내고 있다. 상기하여 보면, AN은 N개의 동일한 단위 셀들의 제1 전송 매트릭스 원소(entry)이다 (도 4b 및 도 6b). 계산결과는 COND1은 사실 N에 독립적이고 수학식 7의 제2 식에 의해 주어짐을 보여주고 있다. 분산 곡선의 기울기, 따라서 가능한 대역폭을 정의하는 것은, 표 1에 나타나 있는, 공진시 χ 및 분자 값들이다. 타겟 구조는 4% 초과 대역폭에 관하여 기껏해야 Np=λ/40의 크기를 가진다. 작은 셀 크기 p를 가진 구조에 대하여, 수학식 7은 높은 ωR 값이, 즉 낮은 CR 및 LR 값들이 COND1을 만족시킴을 나타내고 있는데, 왜냐하면 n<0의 경우에는 표 1에서의 4 근처의 χ 값들에서 다른 항이 (1 - χ/4 → 0)와 같이 되어 공진이 일어나기 때문이다.
앞에서 나타난 바와 같이, 일단 분산 곡선 기울기가 가파른 값을 가지면, 그 경우 다음 단계는 적합한 매칭을 식별하는 것이다. 이상적인 매칭 임피던스는 고정 값을 가지며 그리고 매칭되는 큰 네트워크 풋프린트(footprint)를 필요로 하지 않을 수 있다. 여기에서, "매칭 임피던스"라는 단어는 안테나에서와 같은 단일 측 피드의 경우에 피드 라인 및 종단을 가리킨다. 입력/출력 매칭 네트워크을 분석하기 위해, Zin 및 Zout가 도 4b의 TL 회로에 대하여 계산될 수 있다. 도 3의 네트워크은 대칭적이기 때문에, Zin=Zout임을 증명하는 것은 간단하다. Zin은 N에 관하여 독립적이고 다음 수학식에서 나타낸 것과 같음이 증명될 수 있다:
[수학식 8]
Figure pct00016
(이는 단지 양의 실수값만을 가짐). B1/C1이 0보다 큰 한 가지 이유는 수학식 4에서의 ｜AN｜≤ 1의 조건에 기인하고, 이는 다음의 임피던스 조건을 도출한다:
0≤-ZY=χ≤4.
제2 광대역(BB) 조건은 일정한 매칭을 유지하기 위해 Zin은 공진 근처의 주파수에 따라 약간만 변화하는 것이다. 실제 입력 임피던스 Zin'는 수학식 3에서 언급된 CL 직렬 커패시턴스로부터의 기여분을 포함한다는 것을 기억하여야 할 것이다. 제2 BB 조건은 다음과 같이 주어진다:
[수학식 9]
Figure pct00017
.
도 2 및 도 3에서의 전송선 예와 달리, 안테나 설계는 구조 에지 임피던스와 형편없게 매칭되는 무한 임피던스를 가진 개방단 측(open-ended side)을 가진다. 커패시턴스 종단은 아래의 수학식에 의해 주어진다:
[수학식 10]
Figure pct00018
(이는 N에 종속적이고 순수하게 허수(imaginary)임). LH 공진은 전형적으로 RH 공진보다 더 협대역이기 때문에, 선택되는 매칭 값들은 n>0 영역보다 n<0 영역에서 유도된 것들에 더 가깝다.
LH 공진의 대역폭을 증가시키기 위해, 분기 커패시터 CR이 감소되어야 할 것이다. 이러한 감소는 수학식 7에 설명된 바와 같이 더 가파른 분산 곡선에 관한 더 높은 ωR 값을 도출시킬 수 있다. CR을 감소시키는 다양한 방법들이 존재하는데, 그 방법들은, 1) 기판 두께를 증가시키는 것, 2) 셀 패치 면적을 감소시키는 것, 3) 상단 셀 패치 아래의 그라운드 면적을 감소시켜, "절단형 그라운드"를 도출시키는 것, 또는 상기 기술들의 조합들을 포함하고, 그러나 이에 제한되지 않는다.
도 1 및 도 5의 구조들은 전도성 층을 사용하여 기판의 전체 하단 표면을 전체 그라운드 전극으로서 커버한다. 그 기판 표면의 하나 이상의 부분들을 노출시키도록 패터닝된 절단형 그라운드 전극은 그 그라운드 전극의 면적을 전체 기판 표면의 면적보다 더 작게 줄이는데 사용될 수 있다. 이는 공진 대역폭을 증가시키고 공진 주파수를 동조시킬 수 있다. 절단형 그라운드 구조의 두 가지 예들은 도 8 및 도 11을 참조하여 논의되는데, 여기서 그 기판의 그라운드 전극 측 상의 셀 패치의 풋프린트에서의 면적에서의 그라운드 전극의 양은 감소되었고, 나머지 스트립 라인(strip line)(비아 라인(via line))이 셀 패치의 풋프린트 외부에서 메인 그라운드 전극에 셀 패치의 비아를 연결시키는데 사용된다. 이 절단형 그라운드 기법은 광대역 공진을 달성하기 위해 다양한 구성들로 구현될 수 있다.
도 8은, 그라운드가 셀 패치 아래에서 한 방향을 따라 그 셀 패치보다 적은 치수을 갖는, 4-셀 전송선을 위한 절단형 그라운드 전극의 일례를 도시하는 도면이다. 그라운드 전도성 층은 셀 패치들 아래를 통과하고 비아들에 연결되어지는 비아 라인을 포함한다. 그 비아 라인은 각 단위 셀의 셀 패치의 치수보다 더 작은 폭을 가진다. 절단형 그라운드의 이용은, 기판 두께를 증가시키거나 셀 패치 면적을 감소시키면 안테나 효율성이 감소되기 때문에 그러한 기판 두께 증가나 셀 패치 면적 감소를 수행할 수 없는 상업적 기기들의 구현에 있어서, 다른 방법들에 비해 선호되는 대안일 수 있다. 그라운드가 절단형으로 될 때, 도 8에 도시되어 있는 메인 그라운드에 비아들을 연결시키는 금속화 스트립(metallization strip)(비아 라인)에 의해 다른 인덕터 Lp (도 9)가 도입된다. 도 10은 도 8의 TL 구조와 유사한 절단형 그라운드를 가진 4-셀 안테나 유사물(counterpart)을 보여주고 있다.
도 11은 절단형 그라운드 구조의 또 하나의 예를 도시하는 도면이다. 이 예에서, 그라운드 전도성 층은 비아 라인들 그리고 셀 패치들의 풋프린트 외부에 형성되는 메인 그라운드를 포함한다. 각 비아 라인은 제1 말단에서 메인 그라운드에 연결되고 제2 말단에서 비아에 연결되어진다. 비아 라인은 각 단위 셀의 셀 경로(cell path)의 치수보다 더 작은 폭을 가진다.
절단형 그라운드 구조에 대한 식들이 유도될 수 있다. 절단형 그라운드 예에서, CR은 매우 작게 되고, 공진은 아래에서 설명할 바와 같이 수학식 1, 수학식 5 및 수학식 6에서와 동일한 식들과 표 1을 따른다:
- 기법 1 (도 8 및 도 9)
공진은 수학식 1, 수학식 5 및 수학식 6과 표 1에서 LR을 (LR+Lp)로 대체함으로써 표현된다.
또한, ｜n｜≠ 0인 경우, 각 모드는 다음에 해당하는 2개의 공진들을 가진다: (1) LR을 LR+Lp로 대체한 경우 ω±n; 및 (2) LR을 LR+Lp/N로 대체한 경우(여기서 N은 셀들의 개수임) ω±n. 해당 임피던스 식은 다음과 같다:
[수학식 11]
Figure pct00019
(여기서 Zp=jωLp이고 Z와 Y는 수학식 2에 정의되어 있음). 상기의 임피던스 식 수학식 11은 2개의 공진들 ω 및 ω'가 각각 저 임피던스 및 고 임피던스를 가짐을 암시하고 있다. 따라서, 대부분의 경우들에서 ω 공진 근처에서 동조시키는 것이 용이하다.
- 기법 2 (도 11 및 도 12)
공진은 수학식 1, 수학식 5 및 수학식 6과 표 1에서 LL을 (LL+Lp)로 대체함으로써 표현된다. 이 기법 2에서, 분기 커패시터 CR이 감소하는 동안 분기 인덕터 조합 (LL+Lp)는 증가하며, 이는 LH 주파수들을 더 낮게 만든다.
도 13은 CRLH MTM 단일 피드 다중 셀(SFMC) 안테나 구조의 바람직한 등가 회로를 도시하는 도면이다. 도 13에서, (CR1, LL1)으로 나타나 있는 제1 MTM 셀(1307) 및 (CR2, LL2)로 나타나 있는 제2 MTM 셀(1311)이 서로 병렬로 연결되어 있고 하나의 피드 라인 LR(1301)을 공유한다. 이 회로 설계에서, 상이한 용량성 로딩(capacitive loading)들, CL1(1303) 및 CL2(1305)는 용량성 커플링들 CL1(1303) 및 CL2(1305)에 의존하여 그 병렬 MTM 셀들 간의 유해한 상호작용(interaction)들을 줄이도록 제공될 수 있다. 그 2개의 MTM 셀들의 LM(1313) 및 CM(1315)로 나타나 있는 바와 같은 상호 커플링을 별문제로 할 때, 이 SFMC 모델의 등가 회로는 (CL1, LR, CR1, LL1) 및 (CL2, LR, CR2, LL2)를 포함하는 2개의 분리된 단위 MTM 셀 구조들의 병렬 조합으로 단순화될 수 있다. LM(1313)은 2개의 비아 트레이스(via trace)들 간의 거리에 의해 제어될 수 있고, 한편 CM(1315)은 2개의 MTM 셀들(1307, 1311) 간의 거리에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 여기서 기술된 그 2개의 MTM 셀들 간의 상호작용 및 커플링은 GPS 대역, DCS 뿐만 아니라 PCS 대역 효율에 기여할 수 있다.
여기에서 제시된 MTM 기반 안테나 구조들의 실시예들 및 그것들의 이점들은 상세화된 예들과 도면들을 참조함으로써 이해될 수 있다. 하나의 구현에서, 복합좌우현(CRLH) 메타물질(MTM) 안테나 구조들은 단일의 피드 라인을 공유하는 2개의 캐스케이딩(cascading) MTM 셀 패치들을 사용할 수 있다. 여기에서 기술된 피드 라인 및 MTM 셀 패치들의 개수, 타입 및 구성은 다양한 방식들로 설계될 수 있다. 예를 들어, MTM 셀 패치들의 개수는 2개보다 많은 캐스케이딩 셀들을 포함할 수 있고, 피드 라인은 다수의 론치 패드들을 지원하도록 설계될 수 있다. 또 하나의 구현에서, 공진 주파수들 및 연관된 효율들은 그 2개의 MTM 셀들 간의 전자기적 커플링 뿐만 아니라 그 2개의 MTM 셀들 각각 및 론치 패드 간의 전자기적 커플링에 의해 제어될 수 있다. 이들 MTM 안테나 구조들은 GPS 및 WWAN과 같은 다수의 주파수 대역들을 지원하는 단일 포트를 가진 안테나 시스템들로 구현될 수 있다. 이 MTM 안테나 설계로부터 이익을 얻을 수 있는 기기들은 무선 랩탑(laptop), GPS 기기 또는 다수의 RF 신호들을 송신 또는 수신하는 어떤 다른 기기들이라도 포함할 수 있다. 이들 MTM 안테나 구조들은 2개 이상의 안테나들을 단일 안테나로 효과적으로 결합하기 때문에, 구성 비용 및 풋프린트 크기를 줄이는 것이 가능하다.
이들 안테나 구조들은 종래의 FR-4 PCB(printed circuit board)들을 사용하여 구현될 수 있다. 다른 제조 기술의 예는 박막(thin film) 제조 기술, 시스템 온 칩(system on chip; SOC) 기술, 저온 동시소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 기술, 및 단일 마이크로웨이브 집적 회로(monolithic microwave integrated circuit; MMIC) 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
도 14a 내지 도 14d는 단일-피드 이중-셀(Single-Feed Dual-Cell; SFDC) MTM 안테나 구조에 기반한 단일-피드 다중-셀(SFMC) MTM 안테나 설계의 일례를 보여준다. 이 안테나는 2개의 반대되는 표면들(1400, 1430)을 가진 기판(1459)에 형성된 2개의 셀들(1403, 1405)을 포함한다. 도 14a에서는 SFDC MTM 안테나 구조의 상단 층의 전망도가 도시되어 있는데 여기에서 제1 표면(1400) 상에 형성된 제1 셀(1403)의 제1 셀 전도성 패치(1415); 제1 표면(1400) 상에 형성되며 셀 절연 갭(insulation cell gap, 1418)에 의해 제1 셀 전도성 패치(1415)에 인접한 제2 셀(1405)의 제2 셀 전도성 패치(1417); 및 제1 표면(1400) 상에 형성되어 제1 셀 전도성 패치(1415) 및 제2 셀 전도성 패치(1417) 양자 모두에 인접하며 제1 셀(1403)에 대한 용량성 커플링 갭 및 제2 셀(1405)에 대한 용량성 커플링 갭에 의해 각각 제1 셀 전도성 패치(1415) 및 제2 셀 전도성 패치(1417) 각각으로부터 분리되어 제1 셀 전도성 패치(1415) 및 제2 셀 전도성 패치(1417) 각각에 전자기적으로 커플링되는 공유형 전도성 론치 스터브(1401)를 보여주고 있다. 공유형 전도성 론치 스터브(1401)는 제1 셀 전도성 패치(1415) 및 제2 셀 전도성 패치(1417)로부터의 신호를 수신하고 송신하는 확장형 스트립 라인을 포함한다. 상단 그라운드 전도성 전극(1423)이 제1 표면(1400) 상에 형성되며 제1 셀 전도성 패치(1415) 및 제2 셀 전도성 패치(1417)로부터 이격된다. 이 예에서, 상단 그라운드 전도성 전극(1423)은 제1 단자 및 제2 단자를 갖는 공면 도파관(co-planar waveguide; CPW, 1421)을 포함하도록 패터닝되며 여기서 그 제2 단자는 피드 라인(1414)에 연결된다. 공유형 전도성 론치 스터브(1401)는, 피드 라인(1414)에 연결되어 2개의 셀 전도성 패치들(1415, 1417)로 또는 그것들로부터 신호를 전하는 확장형 스트립 라인을 가진다.
도 14b 및 도 14c는 SFDC MTM 안테나 구조의 하단 층의 전망도 및 단면도를 각각 보여주고 있다. 도 14b에서, 하단 그라운드 전도성 전극(1439)은 제2 표면(1430) 상에 있으며 제2 표면(1430) 상으로 제1 셀 전도성 패치(1415) 및 제2 셀 전도성 패치(1417)에 의해 투영되는 풋프린트들 밖에 위치해 있는 것으로 나타나 있다. 제1 셀(1403)은 제2 표면(1430) 상에 형성되며 그리고 제2 표면(1430) 상으로 제1 표면(1400) 상의 제1 셀 전도성 패치(1415)에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제1 셀 전도성 비아 패치(1435) 및 기판(1459) 상에 형성되어 제2 표면(1430) 상의 제1 셀 전도성 비아 패치(1435)에 제1 표면(1400) 상의 제1 셀 전도성 패치(1415)를 연결하는 제1 셀 전도성 비아 커넥터(1451)를 구비한다. 제2 셀(1405)은 제2 표면(1430) 상에 형성되며 제2 표면(1430) 상으로 제1 표면(1400) 상의 제2 셀 전도성 패치(1417)에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제2 셀 전도성 비아 패치(1437) 및 기판(1459)에 형성되어 제2 표면(1430) 상의 제2 셀 전도성 비아 패치(1437)에 제1 표면(1400) 상의 제2 셀 전도성 패치(1417)를 연결하는 제2 셀 전도성 비아 커넥터(1453)를 포함한다.
제1 전도성 스트립 라인(1431)이 또한 제2 표면(1430) 상에 형성되어 하단 그라운드 전도성 전극(1439)에 제1 셀 전도성 비아 패치(1435)를 연결하며 그리고 제2 전도성 스트립 라인(1433)이 제2 표면(1430) 상에 형성되어 하단 그라운드 전도성 전극(1439)에 제2 셀 전도성 비아 패치(1437)를 연결한다.
도 14d는 도 14a 내지 도 14c의 단일-피드 이중-셀(SFDC) MTM 안테나 구조의 3D 투시도를 도시하고 있다. 이 도면에서, 제1 표면(1400) 및 제2 표면(1430) 간의 층간 관계가 제2 표면(1430) 상에 위치한 콤포넌트들에 관한 제1 표면(1400) 상에 위치한 콤포넌트들의 상대적 포지셔닝을 보여주기 위해 도시되어 있다. 3D 뷰에 도시된 요소들은 제1 전도성 패치(1415), 제1 셀 전도성 비아 커넥터(1451), 공유형 전도성 론치 스터브(1401), 제2 셀 전도성 비아 커넥터(1453), 제2 전도성 패치(1417), 그라운드된 CPW(1421) 및 상단 그라운드 전극(1423)을 포함한다.
도 15a 내지 도 15b는 상기 설계에 기반하여 FR-4 기판들을 사용하여 제조된 샘플 안테나의 이미지들을 보여준다. 이 샘플 안테나는 상단 그라운드 전극(1507) 및 하단 그라운드 전극(1517)을 연결하는 비아들의 매트릭스(1500)를 갖는다. 이러한 비아 배열 설계는 도 14a 내지 도 14d에서 보여진 슬랩(slab)들의 배열 후에 모델링되며 그리고 이 제조 샘플에서 사용된다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 안테나 구조는 2개의 캐스케이딩 MTM 셀 패치들(1501, 1503)을 동시에 피드하는 단일 론치 스터브(1505)에 의해 특징지어진다. 그라운드된 CPW 라인(1509)은 론치 스터브(1505)에 연결된 피드 라인(1506)에 연결된다. 또 하나의 구현에서, 그 안테나 요소는 하단 GND 없이 공면 도파관(CPW) 라인을 사용하여 피드될 수 있다. 다른 또 하나의 구현에서, 그 안테나 요소는 프로브 패치(probed patch), 케이블 커넥터(cable connector) 또는 다른 형태의 RF 피드 라인들을 통해 피드될 수 있다.
그라운드된 CPW 라인은 피드 라인 및 론치 스터브를 통해 안테나 요소에 전력을 전달하는데 사용될 수 있다. 특히, 피드 라인은, CPW 라인으로부터 론치 스터브로 전력을 전달하는, 임피던스 매치 기기로서 기능할 수 있다. 갭들(1510)은 MTM 셀들(1501, 1503) 각각과 론치 스터브를 분리시켜 이들 요소들을 전자기적으로 커플링할 수 있다. 각 갭의 치수(dimension) - 이는 예를 들어 4 내지 12 밀리미터(mil) 사이일 수 있음 - 는 서로 다를 수 있으며 그리고 안테나의 성능에 기여할 수 있다. 각 MTM 셀은 비아(1512-1, 1512-2) 및 비아 트레이스(1513-1, 1513-2)를 통해 하단 GND(1517)에 개별적으로 연결될 수 있다.
여기에서 기술된 그리고 도 16에서 또한 도시되어 있는 2개의 캐스케이딩 MTM 셀들은 MTM 셀#1(1601) 및 론치 스터브(1605) 간의 전자기적 커플링 그리고 MTM 셀#2(1603) 및 론치 스터브(1605) 간의 전자기적 커플링이 동일 방향으로 되는 식으로 피드될 수 있다. 이 경우에서의 전자기 에너지의 흐름들(1607-1, 1607-2)이 도 16에 도식적으로 도시되어 있다. 이 도면에서, 상단 층 및 하단 층 양자 모두가 함께 포개어져 있다. 이 설계는 커플링 효과를 상호 간에 강화시켜 줄 수 있고, 이에 의해 효율적인 방사 모드(radiating mode)들을 생성할 수 있다. 이들 방사 모드들은 그 두 MTM 셀들 간의 상호작용 뿐만 아니라 개별 MTM 셀들의 전자기적 방사로부터 비롯될 수 있다.
여기에서 기술된 SFDC MTM 안테나 설계의 콤포넌트들, 설명 및 위치는 표 1에 요약되어 있다.
파라미터 설명 위치

안테나 요소


론치 스터브 및 피드 라인을 통해 GND 50 Ω CPW 라인에 연결된 2개의 MTM 셀들을 포함함. 피드 라인 및 론치 스터브 양자 모두는 FR-4 기판의 상단 층 상에 위치할 수 있음.
상단 층

피드 라인

GND 50 Ω CPW 라인으로 론치 스터브를 연결함.
상단 층

론치 스터브


전형적으로 직사각형 모양이며 그리고 좁은 갭을 통한 커플링에 의해 2개의 MTM 셀들 각각에 전자기 에너지를 전달함.
상단 층

MTM 셀들




셀 패치

하나는 실질적으로 L 형이며; 다른 하나는 실질적으로 직사각형 모양임.
상단 층

비아

일반적으로 원통형임. 셀 패치들 각각을 대응되는 비아 패드와 연결함.

비아 패드

비아의 하단부를 대응되는 비아 트레이스에 연결함.
하단 층

비아 트레이스

비아 패드를, 따라서 해당 MTM 셀을 하단 GND에 연결하는 얇은 트레이스.
하단 층
<표 1: SFDC MTM 안테나 설계를 위한 요소 부분들>
각 셀 및 다양한 다른 콤포넌트들에 대한 구조적 변경들은 다수의 모드들의 공진 및 매칭에 영향을 끼칠 수 있다. 특히, 안테나 공진은 좌현 모드(left handed mode)의 존재에 의해 영향을 받을 수 있다. 일반적으로, 좌현 모드는 더 높은 공진들의 매칭을 향상시킬 뿐만 아니라 가장 낮은 공진을 일으키며 그 공진에 더 양호하게 매칭시키는 것을 돕는다.
도 14a 내지 도 14d에 도시되어 있는 설계는 다양한 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 론치 스터브는 직사각형 모양, 나선형 모양(원형, 타원형, 직사각형 및 다른 모양들) 또는 미앤더(meander) 모양과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 기하학적 형상들을 가질 수 있고; MTM 셀 패치는 직사각형 모양, 나선형 모양(원형, 타원형, 직사각형 및 다른 모양들) 또는 미앤더 모양과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 기하학적 형상들을 가질 수 있고; 비아 패드들은 직사각형 모양, 원형 모양, 타원형 모양, 다각형 모양 또는 불규칙한 모양과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 기하학적 형상들 및 크기들을 가질 수 있으며; 그리고 론치 스터브 및 MTM 셀 패치 간의 갭은 직선 모양, 곡선 모양, L-모양, 미앤더 모양, 지그재그(zigzag) 모양 또는 불연속선 모양과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 형태들을 취할 수 있다. GND에 MTM 셀을 연결하는 비아 트레이스는 몇몇 구현들에서는 상단 층 또는 하단 층 상에 위치할 수 있다. 부가적인 MTM 셀들이 그 2개의 MTM 셀들과 직렬로 캐스케이드되어 다중-셀 1D 구조를 제공할 수도 있고, 또는 직교 방향으로 캐스케이드되어 2D 구조를 생성할 수도 있으며, 또는 서로의 위에 캐스케이드되어 3D 구조를 생성할 수도 있다. 도 14a 내지 도 14d의 안테나 설계는 또한 2008년 10월 13일에 출원된 "Single-Layer Metallization and Via-less Metamaterial Structures" 명칭의 미국 특허 출원 번호 제12/250,477호에 기술된 바와 같이 단일층 구조로도, 또는 2008년 11월 13일에 출원된 "Metamaterial Structures with Multilayer Metallization and Via" 명칭의 미국 특허 출원 번호 제12/270,410호에 기술된 바와 같은 3D MTM 안테나 구조로도 구현될 수 있다 - 이 특허출원들은 본 명세서의 개시내용의 일부로서 참조에 의해 통합됨. 단일층 금속화 MTM 설계에서, 각 MTM 셀은 기판의 표면 상에 형성되는 셀 전도성 패치, 기판의 표면 상에 형성되며 셀 전도성 패치로부터 분리되어 있는 그라운드 전극, 및 기판의 표면 상에 형성되어 그라운드 전극에 셀 전도성 패치를 연결하는 전도성 라인을 포함할 수 있다. 따라서, 그 MTM 셀의 모든 콤포넌트들은 동일한 기판 표면 상에 형성된다. 3D 안테나 설계에서, 안테나는 기판보다 몇 밀리미터 위에 또는 그라운드 위 일정 높이에 배치될 수 있다. 안테나는 단일 대역 또는 다중 대역을 지원하도록 설계될 수 있다. 상기의 기술특징들 중 하나 이상이 안테나에 대한 특정 요건들에 기초하여 그 안테나에서 사용될 수 있다.
도 14a 내지 도 14d 및 도 15a 내지 도 15b에 도시된 SFDC MTM 안테나에 대한 특정 구현예에서와 같이, 충분히 상이한 크기들 및 모양들을 가진 2개의 MTM 셀들이, 하나의 MTM 셀에 의해 생성되는 방사 모드들이 다른 MTM 셀의 작은 구조적 변화에 의해 크게 영향을 받지 않도록 SFDC MTM 안테나를 구성하는데 사용될 수 있다. 이러한 안테나는 다음의 기기 파라미터들을 가진다: PCT는 4.4의 유전율을 가진 FR4로 만들어지며 그리고 약 45mm 폭, 80mm 길이 및 1mm 두께이고; 안테나는 GND 보다 약 10mm 위인 전체 높이 및 약 38mm의 총 길이를 가지며; 그라운드된 CPW 피드-라인은 FR4 PCB 기판에 대하여 50옴의 전송선으로서 기능하도록 양 사이드 상에 0.2mm 에어-갭(air-gap)을 가지며 약 1.01mm 폭이고; 안테나 피드 라인은 약 10mm 길이 및 0.8mm 폭이고; 론치 스터브는 약 20mm 길이 및 0.4mm 폭이고; 제1 셀 #1은 실질적으로 약 7.5mm의 총 길이 및 약 6.5mm의 총 폭을 가진 'L' 모양이며; 그리고 제2 셀 #2는 실질적으로 약 24mm 길이 및 5mm 폭의 직사각형 모양이다. 제1 셀 #1 및 론치 스터브 간에 4-mil 갭이 제공되며 그리고 제2 셀 #2 및 론치 스터브 간에 6-mil 갭이 제공된다. 셀 #1 및 셀 #2 간의 거리는 약 0.2mm이다. 셀 #1를 그라운드하는 비아 트레이스는 약 총 19.2mm 길이이고, 셀 #2를 그라운드하는 비아 트레이스는 약 총 43mm 길이이다. 두 비아 트레이스들 모두 도 14b, 14d 및 15b에 도시된 바와 같이 일정 모양들로 굽어져 있다.
이 예에서의 안테나는 (시뮬레이션 결과인) 도 17 및 (측정 결과인) 도 18에 도시된 바와 같이 4개의 주파수 대역들을 가진다. 측정결과에 따르면, 최저 (제1) 대역은 대략적으로 900MHz를 중심으로 두며 -6dB 반사 손실에서 32MHz 대역폭을 갖는다. 이 대역을 제어하는 요인들은 MTM 셀 #2 및 해당 비아 트레이스의 레이아웃(layout)을 포함할 수 있다. 제2 대역은 대략적으로 1.58GHz를 중심으로 두며 -6dB에서 370MHz 대역폭을 가진다. 이 대역을 제어하는 요인들은 MTM 셀 #1 및 해당 비아 트레이스의 레이아웃을 포함할 수 있다. 셀 #1 및 셀 #2 간의 거리는 직접적으로 제2 공진에 영향을 끼치거나 줄 수 있다. 환언하면, 2개의 MTM 셀들이 서로 더 가까이 있게 될 때, 제2 공진은 이들 셀들의 레이아웃에 의해 더 많이 영향을 받을 수 있다. 제3 대역은 약 2.5GHz에서 2.7GHz까지의 범위를 커버한다. 이 공진을 위한 대역폭은 -10dB에서 약 155MHz이다. 제4 대역은 약 4GHz에서 6GHz까지의 범위를 커버한다. 그 두 셀들 간의 상호간 상호작용은 제3 대역 및 제4 대역을 제어하는 한 요인일 수 있다.
각 대역과 연관된 효율은 도 19에서 볼 수 있다. 이 도면에서의 효율 측정 결과는 양호한 효율을 가진 방사 모드들을 나타내 준다.
도 20a는 제1 공진에 해당하는 900MHz에서의 방사 패턴 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 방사는 일반적으로 y 방향 쪽으로 향하는데, 이는 도 14d에 도시된 안테나의 정렬 방향이다.
도 20b는 제2 공진에 해당하는 1.575GHz에서의 방사 패턴 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 공진에서 방사는 도 20a에서 보여지는 제1 공진과 비교하여 볼 때 일반적으로 y 방향 쪽으로 향한다.
도 20c는 제3 공진에 해당하는 2.5GHz에서의 방사 패턴 시뮬레이션 결과를 보여준다. 이 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 방사는 일반적으로 ±z 방향 쪽으로 향하는 가로형(broadside) 방사 패턴의 특성을 가진다.
따라서, 여기에서 기술된 기술특징들 및 구조들은 단일 론치 스터브를 공유하는 2개 이상의 MTM 셀들을 포함하는 안테나 구조를 구성하는데 사용될 수 있다. 이들 안테나 구조들은 다수의 공진들을 발생시킬 수 있으며 그리고 이중층 PCB 상에서 프린팅 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 여기에서 기술된 MTM 안테나 구조들은 다수의 연결되지 않은 대역들 및 연결된 대역들을 커버할 수 있다. 어떤 구현들에서는, 2개보다 많은 MTM 셀들이 더 복잡한 명세들을 충족시키기 위해 이중 MTM 셀들과 유사한 방식으로 단일 공유형 피드 라인에 의해 피드될 수 있다. 여기에서 제시된 구조들은 필터, 전력 결합기 및 분할기, 다이플렉서(diplexer)와 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다른 RF 콤포넌트들을 설계하는데 사용될 수 있다. 여기에서 제시된 구조들은 RF 프론트-엔드(front-end) 서브시스템들을 설계하는데 사용될 수 있다.
도 21a 내지 도 21d는 단일-피드 이중-셀 MTM 5중대역 안테나 구조에서의 SFMC MTM 안테나 설계에 관한 하나의 구현을 보여주고 있다. 이 설계는 제1 측에 제1 표면(2100) 및 상기 제1 측의 반대편인 제2 측에 제2 표면(2140)을 가진 유전체 기판(2167) 및 2개의 MTM 셀들을 포함한다. 도 21a를 참조하면, 그 두 MTM 셀들에 대한 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121)가 제1 표면(2100) 상에 형성되며 서로 분리되어 있다. 이 예에서, 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121)는 서로 다른 모양들 및 크기들을 가진다. 전도성 론치 패드(2107)는 제1 표면(2100) 상에서 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121) 양자 모두에 인접하며 위치해 있으며 그리고 절연 갭들(2101)에 의해 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121) 각각으로부터 분리되어 있는데 이는 전도성 론치 패드(2107)에 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121) 각각을 전자기적으로 커플링하기 위함이다. 상단 그라운드 전극(2125)이 제1 표면(2100) 상에 형성되며 그리고 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121)로부터 이격되어 있다.
전도성 론치 패드(2107)는 외부의 론치 케이블로부터 신호를 수신하는 제1 전도성 라인(2117)을 포함할 수 있다. 제1 말단에서, 전도성 론치 패드(2107)는 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121)에 신호를 보내주는 제2 전도성 라인(2103)으로 뻗어 있다. 제2 전도성 라인(2103)은 제1 전도성 패치(2119) 및 제2 전도성 패치(2121) 사이에 삽입되며 절연 갭들(2105)에 의해 그 패치들로부터 분리되어 있는 제3 전도성 라인(2123)으로 지로를 형성한다. 제3 전도성 라인(2123)은 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121) 간의 전자기적 커플링을 돕는다. 제2 말단에서, 전도성 론치 패드(2107)는 제1 전도성 패치(2119) 및 제2 전도성 패치(2121)로부터 떨어진 위치로 뻗어 있는 미앤더링 전도성 라인(2109)에 부착될 수 있다.
또 하나의 구현에서, 제2 전도성 라인(2103)은 지로를 형성하지 않고, 따라서 제3 전도성 라인(2123)이 존재하지 않는다. 이로서, 제1 전도성 셀 패치(2119)는 절연 갭들(2105)을 통해 제2 전도성 셀 패치(2121)에 인접하게 위치한다.
도 21a 내지 도 21c를 참조하면, 이 설계는, 기판(2167)의 제2 표면(2140) 상에 형성되며 그리고 기판(2167)의 제2 표면(2140) 상으로 제1 셀 전도성 패치(2119) 및 제2 셀 전도성 패치(2121) 그리고 전도성 론치 패드(2107)에 의해 투영되는 풋프린트들 밖에 위치한 셀 그라운드 전도성 전극(2153)을 포함한다. 또한 제2 표면(2140) 상에 그리고 제2 표면(2140) 상으로 제1 셀 전도성 패치(2119)에 의해 투영되는 풋프린트 내에, 제1 셀 전도성 비아 패치(2147)가 존재한다. 제1 셀 전도성 비아 패치(2147)에 제1 셀 전도성 패치(2119)를 연결하기 위해 기판(2167)에 제1 셀 전도성 비아 커넥터(2161)가 형성된다.
부가하여, 도 21a 내지 도 21c의 설계는 제2 표면(2140) 상으로 제2 셀 전도성 패치(2121)에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있으며 제2 표면(2140) 상에 형성되는 제2 셀 전도성 비아 패치(2141)를 포함한다. 제2 표면(2140) 상에 그리고 제2 표면(2140) 상으로 제2 셀 전도성 패치(2121)에 의해 투영되는 풋 프린트 내에 제2 셀 전도성 비아 패치(2141)가 형성된다. 제2 셀 전도성 비아 패치(2141)에 제2 셀 전도성 패치(2121)를 연결하기 위해 제2 셀 전도성 비아 커넥터(2163)가 기판(2167)에 형성된다.
도 21a 내지 도 21c의 설계는 실질적으로 제2 표면(2140) 상으로 미앤더링 스트립 라인(2109)에 의해 투영되는 풋프린트 내에 그리고 제2 표면(2140) 상에 형성되는 제3 전도성 비아 패치(2145)를 포함한다. 제3 전도성 비아 패치(2145)에 미앤더링 스트립 라인(2109)의 말단을 연결하기 위해 제3 전도성 비아 커넥터(2165)가 기판(2167)에 형성된다. 부가하여, 셀 그라운드 전도성 전극(2153)에 제1 셀 전도성 비아 패치(2147)를 연결하기 위해 제1 전도성 스트립 라인(2149)이 제2 표면(2140) 상에 형성되며 셀 그라운드 전도성 전극(2153)에 제2 셀 전도성 비아 패치(2141)를 연결하기 위해 제2 전도성 스트립 라인(2143)이 제2 표면(2140) 상에 형성된다.
도 21d는 도 21a 내지 도 21c에서의 단일-피드 이중-셀 MTM 5중대역 안테나 구조의 3D 투시도를 보여준다. 제2 표면(2140) 상에 위치한 콤포넌트들에 대한 제1 표면(2100) 상에 위치한 콤포넌트들의 상대적 포지셔닝을 예시하기 위해 제1 포면(2100) 및 제2 표면(2140) 간의 층간 관계가 도시되어 있다. 3D 뷰에서 도시된 요소들은, 미앤더링 전도성 라인(2109), 전도성 론치 스터브(2107), 제1 셀 전도성 패치(2119), 제2 전도성 라인(2103), 제2 전도성 셀 패치(2121), 제1 전도성 라인(2117), 제3 전도성 라인(2123) 및 상단 그라운드 전극(2125)을 포함한다.
FR-4 기판 상에 제조된 실제 샘플이 도 23a 내지 도 23b에 도시되어 있다. 도 23a 내지 도 23b에서, 상단 그라운드 전극(1507) 및 하단 그라운드 전극을 연결하는 비아들의 매트릭스가 예시되어 있다. 이러한 비아 배열 설계는 도 21a 내지 도 21d에 도시된 슬랩들의 배열 후에 모델링되며 그리고 예상되는 수치적 불일치가 무시될 수 있는 경우에 시뮬레이션 회수를 감소시키도록 이 제조 샘플에서 사용된다. 도 23a 내지 도 23b에서, 5중대역 안테나 구조는 2개의 캐스케이딩 MTM 셀 패치들(2175, 2177)을 동시에 피드하는 단일 론치 패드(2183) 및 전도성 론치 패드(2183)에 부착된 미앤더된 전도성 라인(2181)에 의해 특징지어진다. 이 샘플에서, 론치 케이블(2178)은 제1 전도성 라인(2176)에 연결되며 차례로 제1 전도성 라인(2176)은 론치 패드(2183)에 연결된다. 여기에서 기술된 피드 라인은 다양한 방식들로 설계될 수 있고, 예시된 실시예는 관련 기술분야에서의 당업자가 다른 설계를 구현하는 것을 결코 제한하지 않는다. 예를 들어, 안테나 요소를 피드하기 위한 다른 방식들은 그라운드된 CPW 라인, 하단 GND 없는 종래의 CPW 라인, 프로브 패치, 또는 다른 형태의 RF 피드 라인들을 사용하는 것을 포함할 수 있다.
론치 케이블(2178)은 피드 라인(2176) 및 론치 패드(2183)를 통해 안테나 요소에 전력을 전달할 수 있다. 피드 라인(2176)은 임피던스 매칭 기기로서 기능할 수 있어, 론치 케이블(2178)로부터 론치 패드(2183)로 전력을 전달할 수 있다. MTM 셀들(2175, 2177) 각각과 론치 패드(2183) 간에 여러 곳에서 갭들(2173)이 형성되어 이들 요소들을 전자기적으로 커플링할 수 있다. 각 갭의 치수 - 이는 예를 들어 0.2 ~ 0.8 mm 사이일 수 있음 - 는 다를 수 있으며 또한 안테나의 성능에 영향을 끼칠 수도 있다. 각 MTM 셀(2175, 2177)은 비아(2191-1, 2191-2) 및 비아 라인(2190-1, 2190-2)를 통해 하단 GND(2189)에 개별적으로 연결된다.
MTM 셀 #1(2175) 및 론치 패드(2183) 간의 전자기적 커플링 및 MTM 셀 #2(2177) 및 론치 패드(2183) 간의 전자기적 커플링이 동일 방향이 되도록 2개의 캐스케이딩 MTM 셀들(2175, 2177)이 피드될 수 있다. 본 설계는 커플링 효과를 상호 간에 강화시켜 줄 수 있고, 이에 의해 효율적인 방사 모드들을 생성할 수 있다. 이들 방사 모드들은 두 MTM 셀들(2175, 2177) 간의 상호작용 뿐만 아니라 그 개별 MTM 셀들로부터의 전자기적 방사로부터 비롯될 수 있다. 론치 패드(2183)에서부터 나온 미앤더된 스터브(2181)는 다른 효율적인 모드를 도입하는 역할을 할 수 있어, 이 안테나 구조가 추가 대역을 커버할 수 있게 해 준다.
도 24a 내지 도 24b는 도 23a 내지 도 23b의 제조된 안테나 구조의 반사 손실 및 효율을 각각 측정한 도면들이다.
여기에서 기술된 단일 피드 이중 셀(SFDC) MTM 5중대역 안테나 설계의 콤포넌트들, 설명 및 위치는 표 2에 요약되어 있다.
파라미터 설명 위치

안테나 요소

피드 라인 및 론치 패드를 통해 론치 동축 케이블에 연결되는 2개의 MTM 셀들을 포함함. 또한, 안테나 요소의 부분은 론치 패드에서부터 나온 미앤더된 스터브를 포함할 수 있음. 이들 요소들은 FR-4 기판의 상단 층 상에 위치할 수 있음.
상단 층

피드 라인

론치 동축 케이블과 론치 패드를 연결함.
상단 층

론치 스터브

좁은 갭을 통한 커플링에 의해 2개의 MTM 셀들 각각에 그리고 미앤더된 스터브에 전자기 에너지를 전달함.
상단 층

미앤더된 스터브

이것으로부터 전류를 얻는 론치 패드에서부터 나와 효율적인 추가 공진 모드를 생성함
상단 층

MTM 셀들




셀 패치

하나는 실질적으로 L 형이며; 다른 하나는 실질적으로 직사각형 모양임.
상단 층

비아

셀 패치들 각각을 대응되는 비아 패드와 연결하는 원통형 모양.

비아 패드

비아의 하단부를 대응되는 비아 트레이스에 연결하는 패드.
하단 층

비아 트레이스

해당 MTM 셀을 하단 GND에 연결하는 비아 패드에 연결된 얇은 트레이스.
하단 층
<표 2: SFDC MTM 안테나 설계를 위한 요소 부분들>
각 셀의 구조가 변경될 때, 미앤더된 스터브 및 다양한 다른 부분들은 다수의 모드들의 공진 및 매칭에 영향을 끼칠 수 있다. 특히, 안테나 공진은 좌현 모드의 존재에 의해 영향을 받을 수 있다. 일반적으로, 좌현 모드는 더 높은 공진들의 매칭을 향상시킬 뿐만 아니라 가장 낮은 공진을 일으키며 그 공진에 더 양호하게 매칭시키는 것을 돕는다.
상기의 설계는 다양한 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 론치 스터브는 직사각형 모양, 나선형 모양 (원형, 타원형, 직사각형 및 다른 모양들) 또는 미앤더 모양과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 기하학적 모양들을 가질 수 있고; MTM 셀 패치는 직사각형 모양, 나선형 모양 (예: 원형, 타원형, 직사각형 및 다른 모양들), 또는 미앤더 모양과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 기하학적 모양들을 가질 수 있고; 미앤더된 스터브는 직사각형 또는 나선 (원형, 타원형, 직사각형 및 다른 모양들)과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 기하학적 모양들을 가질 수 있으며 그리고 상단 층 또는 하단 층에 또는 그 구조보다 몇 밀리미터 위에 배치될 수 있으며; 그리고 비아 패드들은 여러가지 크기들을 가진 직사각형, 다각형 또는 불규칙한 모양과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 기하학적 모양들을 가질 수 있다. 론치 스터브 및 MTM 셀 패치 간의 갭은 직선, 곡선, L-모양, 미앤더, 지그재그 또는 불연속선과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 여러가지 형태들을 취할 수 있다. GND에 MTM 셀을 연결하는 비아 트레이스가 상단 층 또는 하단 층 상에 위치할 수 있으며, 그리고 여러가지 방식들로 라우팅되거나 민더링될 수 있다. 여기에서 기술된 안테나들은 기판보다 몇 밀리미터 위에 또는 그라운드 위 일정 높이에 배치될 수 있다. 부가적인 MTM 셀들이 그 2개의 MTM 셀들과 직렬로 캐스케이드되어 다중-셀 1D 구조를 형성할 수도 있고, 또는 직교 방향으로 캐스케이드되어 2D 구조를 형성할 수도 있으며, 또는 서로의 위에 캐스케이드되어 3D 구조를 형성할 수도 있다. 여기에서 기술된 안테나들은 단일 대역 또는 다중 대역을 지원하도록 설계될 수 있다.
아래에서 주어진 예에서, 2개의 MTM 셀들은 충분히 상이한 크기 및 모양을 가질 수 있으며, 이에 따라 하나의 셀에 의해 생성되는 방사 모드들이 다른 MTM 셀의 작은 구조적 변화에 의해 크게 영향을 받지 않을 수 있다. 또한, 미앤더된 스터브 공진은 정확히 매치될 때 존재할 수 있으며 여기에서 미앤더된 스터브의 공진 모드가 식별되며 동조될 수 있다. 도 25a 내지 도 25b는 동조형 안테나 구조의 제조 샘플을 도시하고 있는데 여기서 동조형 제조 안테나 설계에서의 콤포넌트들이 도 23a 내지 도 23b에 도시된 비동조형 샘플의 것과 동일하다. 그러나, 동조형 제조 안테나 샘플에서, 공진 주파수들을 낮추기 위해 구리 스트립들이 콤포넌트들에 선택적으로 부가될 수 있다. 예를 들어, 도 25a 내지 도 25b는 론치 패드에 부가된 제1 구리 스트립(2191), 제2 전도성 라인에 부가된 제2 구리 스트립(2193), 및 제3 전도성 비아 패치에 부가된 제3 구리 스트립(2195)을 예시하고 있다. 그 제조 샘플의 동조형 반사 손실 측정결과 및 동조형 효율 측정결과가 각각 도 26a와 도 26b에 도시되어 있다. 시뮬레이션된 그리고 비동조된 샘플들에 대한 이들 결과들의 분석 및 비교가 다음 섹션에서 제시된다.
도 21a, 도 23a 및 도 25a에 도시된 것과 같은 SFDC MTM 5중대역 안테나 설계를 구현하는데 사용되는 설계 파라미터들의 몇 가지 예들이 아래에 열거되어 있다:
PCB의 크기는 대략적으로 54mm 폭, 90mm 길이 및 1mm 두께이다. 그 재료는 4.4의 유전율을 가진 FR4로 이루어질 수 있다.
안테나의 전체 높이는 GND 위쪽으로 대략적으로 10.5mm이고, 그것의 총 길이는 대략적으로 53mm이다.
안테나 피드 라인은 대략적으로 길이가 1.7mm 및 폭이 0.5mm이다. 론치 패드는 안테나의 서로 다른 부분들에서 서로 다른 폭들을 가질 수 있으며 그리고 약 28.2mm의 총 길이를 가질 수 있다.
셀 #1은 실질적으로 'L' 모양이다. 더 긴 "선부분"(leg)은 약 1mm의 폭 및 약 5.7mm의 길이를 가지고; 다른 선부분은 약 1.3mm의 폭 및 약 4mm의 길이를 가진다. 더 긴 선부분 및 론치 패드 간에 0.25mm 갭이 있고 더 짧은 선부분과 론치 패드 간에 0.8mm 갭이 있다.
셀 #2는 실질적으로 직사각형 모양이며, 그리고 길이가 약 23.5mm이고 폭이 약 4mm이다. 셀 #2 및 론치 패드 간에 0.2mm 갭이 있다.
셀 #1 및 셀 #2 간의 거리는 대략적으로 1.8mm이며 론치 패드의 확장부가 그 사이에 있어 전자기적 커플링을 돕는다.
미앤더된 스터브는 상단 층 상에서 대략적으로 154mm의 전체 길이를 가지며 그리고 그것은 약 8.5mm 길이 및 약 7mm 폭의 직사각형 패치를 통해 하단 층 상에서 계속된다.
셀 #1을 그라운드하는 비아 트레이스는 대략적으로 20.9mm의 총 길이를 가지며, 셀 #2를 그라운드하는 비아 트레이스는 약 41.85mm의 총길이를 가진다. 양 비아 트레이스들 모두는 대략적으로 0.3mm의 폭을 가지며 그리고 도 21b, 도 21d, 도 23b 및 도 25b에 도시된 바와 같이 일정 모양들로 굽어져 있다.
이 예에서의 안테나는 도 22(시뮬레이션 결과), 도 24a(비동조형 측정결과) 및 도 26a(동조형 측정결과)에서 도시된 바와 같이 5개의 주파수 대역들을 가진다. 이들 도면들 각각에서, 추가 모드(extra mode)가 카운트될 수도 있다. 그러나, 이 추가 모드는 주 모드(main mode)들에 속한 고조파들의 근접함(closing in)에 기인할 것이다. 모드를 생성하는 안테나 요소 및 나머지 안테나 요소들의 상호작용에 따라, 그 모드는 효율적이거나 비효율적일 수 있다. 이 안테나 예에서, 그 모드는 효율적이다.
도 24a에 도시된 비동조형 샘플의 측정에 따르면, 가장 낮은 (제1) 공진은 약 860 MHz를 중심으로 두며 약 -6dB 반사 손실에서 72MHz 대역폭을 가진다. 이 공진을 제어하는 요인들은 MTM 셀 #2, 해당 비아 트레이스 및 그 셀과 론치 패드 간의 갭의 레이아웃을 포함할 수 있다. 제2 공진은 약 1.17GHz를 중심으로 두며 약 -6dB에서 25MHz 대역폭을 가진다. 이 공진을 제어하는 요인들은 미앤더된 스터브 길이 및 그것이 론치 패드에서부터 나오는 상대적 위치를 포함할 수 있다. 도 24a에 도시된 제3 공진은 약 1.67GHz를 중심으로 두며, 그리고 MTM 셀 #1, 해당 비아 트레이스 및 그 셀과 론치 패드 간의 갭의 레이아웃에 의해 제어될 수 있다. 도 24a에 도시된 바와 같이, 이 공진의 대역폭은 대략적으로 180MHz이다. 도 24a에서 묘사된 결과들은 그 공진이 셀 #2의 RH 공진과 통합됨으로 인한 것일 수 있고, 이에 따라 3개의 더 높은 셀룰러 폰 주파수 대역들을 커버하는 매우 광범위한 공진을 생성할 수 있다. 안테나 구조의 이 "고대역"은 비동조형 샘플에서 약 1.62GHz에서부터 2.25GHz까지 이른다.
5개 모든 셀룰러 폰 대역들을 커버하기 위해, 미앤더된 스터브에 의해 생성된 제2 공진은 도 26a에 도시된 동조형 샘플에서 볼 수 있는 바와 같이 주파수에 있어 제어될 수 있다. 이 예에서, 안테나 구조는 2개의 주요 대역 - 각각 약 815MHz 내지 990MHz의 범위 및 약 1.5GHz 내지 2.18GHz의 범위를 커버하는 "저" 대역 및 "고" 대역 - 들을 가진 것으로 나타나 있다. 또한, 셀 #1 및 셀 #2 간의 거리는 제3 공진에 영향을 줄 수 있다. 환언하면, 그 두 MTM 셀들이 서로 더 가까이 있게 될 때, 그 두 셀들 간에 이격이 이렇게 감소하는 것은 제3 공진에 대한 영향력을 증가시킬 수 있다.
각 대역과 연관된 효율이 각각 비동조형 샘플 및 동조형 샘플에 대한 도 24b 및 도 26b에서 볼 수 있다. 이 도면에서의 효율 측정 결과들은 보여지는 방사 모드들이 양호한 효율을 가짐을 나타내고 있다.
따라서, 여기에서 기술된 안테나 설계는 상이한 셀룰러 폰 대역들을 커버하기 위해 2개의 MTM 셀들, 하나의 론치 패드 및 미앤더된 스터브를 포함하는 안테나 구조들을 제조하는데 사용될 수 있다. 이들 안테나 구조들은 다수의 공진들을 발생시킬 수 있으며 그리고 이중층 PCB 상에서 프린팅 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
요컨대, 다수의 비연속 및 연속 대역들을 커버하는 SFDC MTM 5중대역 안테나들의 비동조형 예 및 동조형 예가 앞에서 제시되었다. 다른 구현들이 다음의 응용예들로 확장될 수 있다:
더 복잡한 명세들을 충족시키기 위해 이중 MTM 셀들과 유사한 방식으로 단일의 공유형 피드 라인에 의해 2개보다 많은 MTM 셀들이 피드될 수 있다.
본 문서에서 제시된 구조들은 필터, 전력 결합기 및 분할기, 다이플렉서 및 RF 프론트-엔드 서브시스템들과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 다른 RF 콤포넌트들을 설계하는데 사용될 수 있다.
본 문서는 다수의 세부사항들을 포함하고 있지만, 이것들은 청구될 수 있는 대상 또는 어떤 발명의 범위에 대한 제한으로서 해석되어서는 안될 것이며, 오히려 특정 실시예들에 특정된 기술특징들을 설명하는 것으로서 해석되어야 할 것이다. 본 문서에서 개별 실시예들의 콘텍스트(context)에서 기술된 어떤 기술특징들은 또한 조합되어 단일 실시예로 구현될 수도 있다. 역으로, 단일 실시예의 콘텍스트에서 기술된 다양한 기술특징들이 또한 개별적으로 다수의 실시예들로 또는 임의의 적합한 서브조합으로 구현될 수 있다. 또한, 기술특징들이 앞의 내용에서 일정 조합들로 기능하는 것으로 그리고 심지어는 최초 청구된 대로 기술되어 있을 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 기술특징들은 어떤 경우들에서는 그 조합에서 실행될 수 있으며 그 청구된 조합은 서브조합 또는 서브조합의 변형에 관한 것일 수 있다.
이와 같이, 특정 실시예들이 기술되었다. 설명되어 있고 도시되어 있는 사항에 기초하여 본 문서의 기술된 실시예들 및 다른 실시예들에 관한 변형들 및 개선들을 만들어낼 수 있다.

Claims (15)

  1. 복합좌우현(Composite Right-Left Handed; CRLH) 메타물질(metamaterial; MTM) 안테나 기기에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 형성되는 복수의 MTM 셀들; 및
    상기 기판 상에 형성되며 상기 MTM 셀들 각각에 인접하여 상기 MTM 셀들 각각과 전자기적으로 커플링되는 전도성 론치 스터브(conductive launch stub)를 포함하는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 론치 스터브에 연결된 미앤더링(meandering) 전도성 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 MTM 셀은,
    상기 기판의 제1 표면 상에 형성된 셀 전도성 패치(cell conductive patch), 상기 제1 표면의 반대편인 상기 기판의 제2 표면 상에 형성된 셀 전도성 비아(via) 패치, 상기 기판에 형성되어 상기 셀 전도성 패치 및 상기 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 셀 전도성 비아, 상기 제2 표면 상에 형성되며 상기 셀 전도성 비아 패치로부터 분리되어 있는 그라운드 전극, 및 상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 그라운드 전극에 상기 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 전도성 비아 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 MTM 셀들 중 두 셀들은 형상 및 크기에 있어 서로 다른 셀 전도성 패치들을 구비하는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  5. 제3항에 있어서,
    각 MTM 셀에서, 상기 셀 전도성 비아 패치는 상기 셀 전도성 패치보다 더 작은 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 MTM 셀들 및 상기 전도성 론치 스터브는 2개 이상의 공진 주파수들을 지원하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  7. 제1항에 있어서,
    각각의 MTM 셀은
    상기 기판 상에 형성되는 셀 전도성 패치, 상기 기판 상에 형성되며 상기 셀 전도성 패치로부터 분리되어 있는 그라운드 전극, 및 상기 기판 상에 형성되어 상기 그라운드 전극에 상기 셀 전도성 패치를 연결하는 전도성 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  8. 복합좌우현(CRLH) 메타물질(MTM) 안테나 기기에 있어서,
    제1 측에 제1 표면을 그리고 상기 제1 측에 반대되는 제2 측에 제2 표면을 구비하는 유전체 기판;
    상기 제1 표면 상에 형성되는 제1 셀 전도성 패치;
    상기 제1 표면 상에 형성되며 절연 갭(insulation gap)을 통해 상기 제1 셀 전도성 패치에 인접해 있는 제2 셀 전도성 패치;
    상기 제1 표면 상에 형성되며 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 양쪽 모두에 인접하면서 절연 갭에 의해 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 각각으로부터 분리되어 있어 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 각각에 전자기적으로 커플링되는 공유형 전도성 론치 스터브 - 상기 공유형 전도성 론치 스터브는, 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치에 신호를 송신하고 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치로부터 신호를 수신하는 확장형 스트립 라인(extended strip line)을 포함함;
    상기 제2 표면 상에 형성되며 상기 제2 표면 상으로 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트(footprint)들 밖에 위치하는 셀 그라운드 전도성 전극;
    상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제2 표면 상으로 상기 제1 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제1 셀 전도성 비아 패치;
    상기 기판에 형성되어 상기 제1 셀 전도성 비아 패치에 상기 제1 셀 전도성 패치를 연결하는 제1 셀 전도성 비아 커넥터;
    상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제2 표면 상으로 상기 제2 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제2 셀 전도성 비아 패치;
    상기 기판에 형성되어 상기 제2 셀 전도성 비아 패치에 상기 제2 셀 전도성 패치를 연결하는 제2 셀 전도성 비아 커넥터;
    상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 셀 그라운드 전도성 전극에 상기 제1 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 제1 전도성 스트립 라인; 및
    상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 셀 그라운드 전도성 전극에 상기 제2 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 제2 전도성 스트립 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 CRLH MTM 안테나 기기는, 상기 제1 표면 상에 형성되며 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치로부터 이격되어 있는 제1 셀 그라운드 전도성 전극 - 상기 제1 셀 그라운드 전도성 전극은 제1 단자 및 제2 단자를 갖는 공면 도파관(co-planar waveguide)을 포함하도록 패터닝됨 - 을 포함하며,
    상기 공유형 전도성 론치 스터브의 확장형 스트립 라인은 상기 제2 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치는 크기가 서로 다른 것임을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치는 모양이 서로 다른 것임을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  12. 복합좌우현(CRLH) 메타물질(MTM) 안테나 기기에 있어서,
    제1 측에 제1 표면을 그리고 상기 제1 측에 반대되는 제2 측에 제2 표면을 구비하는 유전체 기판;
    상기 제1 표면 상에 형성되는 제1 셀 전도성 패치;
    상기 제1 표면 상에 형성되며 상기 제1 셀 전도성 패치로부터 분리되어 있는 제2 셀 전도성 패치;
    상기 제1 표면 상에 형성되며 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 양쪽 모두에 인접하면서 절연 갭에 의해 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 각각으로부터 분리되어 있어 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 각각에 전자기적으로 커플링되는 전도성 론치 스터브;
    상기 제2 표면 상에 형성되며 상기 제2 표면 상으로 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치와 상기 전도성 론치 스터브에 의해 투영되는 풋프린트들 밖에 위치하는 셀 그라운드 전도성 전극;
    상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제2 표면 상으로 상기 제1 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제1 셀 전도성 비아 패치;
    상기 기판에 형성되어 상기 제1 셀 전도성 비아 패치에 상기 제1 셀 전도성 패치를 연결하는 제1 셀 전도성 비아 커넥터;
    상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 상기 제2 표면 상으로 상기 제2 셀 전도성 패치에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제2 셀 전도성 비아 패치;
    상기 기판에 형성되어 상기 제2 셀 전도성 비아 패치에 상기 제2 셀 전도성 패치를 연결하는 제2 셀 전도성 비아 커넥터;
    상기 제2 표면 상에 형성되며 그리고 실질적으로 상기 제2 표면 상으로 상기 미앤더링 스트립 라인에 의해 투영되는 풋프린트 내에 있는 제3 전도성 비아 패치;
    상기 기판에 형성되어 상기 제3 전도성 비아 패치에 상기 미앤더링 스트립 라인의 말단을 연결하는 제3 전도성 비아 커넥터;
    상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 셀 그라운드 전도성 전극에 상기 제1 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 제1 전도성 스트립 라인; 및
    상기 제2 표면 상에 형성되어 상기 셀 그라운드 전도성 전극에 상기 제2 셀 전도성 비아 패치를 연결하는 제2 전도성 스트립 라인을 포함하며,
    상기 전도성 론치 스터브는,
    외부 론치 케이블로부터 신호를 수신하는 제1 전도성 라인;
    상기 전도성 론치 스터브의 제1 말단으로부터 뻗어나온 제2 전도성 라인 - 상기 제2 전도성 라인은 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치에 상기 신호를 인도함; 및
    상기 전도성 론치 스터브의 제2 말단에서 시작하여 상기 제1 전도성 패치 및 상기 제2 전도성 패치로부터 떨어진 위치까지 뻗어 있는 미앤더링 전도성 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 CRLH MTM 안테나 기기는, 상기 제1 전도성 패치 및 상기 제2 전도성 패치 사이에 삽입되며 절연 갭에 의해 상기 제1 전도성 패치 및 상기 제2 전도성 패치로부터 분리되어 있어 상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치 간의 전자기적 커플링을 돕는 제3 전도성 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치는 크기가 서로 다른 것임을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 셀 전도성 패치 및 상기 제2 셀 전도성 패치는 모양이 서로 다른 것임을 특징으로 하는 CRLH MTM 안테나 기기.
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