KR20110045264A - Ｒｆ ｍｅｍｓ 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나 - Google Patents

Ｒｆ ｍｅｍｓ 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나 Download PDF

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Abstract

RF MEMS 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나가 개시된다. 내부 접지면은 하부 기판의 상면에 배치되며, 원형 접지면과, 원형 접지면의 제1지점으로부터 길게 형성된 신호 공급선과, 제1지점과 상이한 제2지점으로부터 신호 공급선의 형성 방향과 수직하도록 길게 형성된 스터브를 구비한다. 외부 접지면은 내부 접지면을 감싸도록 하부 기판의 상면에 배치되며, 원형 접지면의 외측부로부터 일정 간격만큼 이격되어 링 형상의 슬롯을 형성한다. 편파 변환 스위치는 제2지점에 배치되어 원형 접지면과 스터브 사이의 연결을 단속한다. 원형의 방사 패치는 하부 기판의 상면으로부터 이격되도록 위치하는 상부 기판의 상면에 슬롯이 형성하는 영역에 걸쳐 배치된다. 중간 부재는 하부 기판과 상부 기판의 사이에 배치되며 직사각형 고리의 형상을 가진다. 본 발명에 따르면, 방사 패치가 배치된 상부 기판은 유전체 기판으로서의 역할뿐만 아니라 RF MEMS 스위치를 보호하는 패키징 기판으로도 사용될 수 있다. 그에 따라 패키징 공정과 안테나 패치의 제작을 동시에 수행할 수 있어 안테나의 제작 공정을 간소화할 수 있다. 또한 편파 변환 스위치로서 RF MEMS 스위치를 사용할 경우에 상부 기판과 하부 기판의 사이에 실리콘 재질의 중간 부재에 의해 밀폐된 공기층을 형성함으로써 RF MEMS 스위치를 하부 기판에 외부와 차단된 형태로 패키징할 수 있다.

Description

ＲＦ ＭＥＭＳ 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나 {Circular/Linear polarization reconfigurable antenna using RF MEMS switch}
본 발명은 RF MEMS 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선형 편파와 원형 편파를 동일한 동작 주파수에서 변환하는 안테나에 관한 것이다.
이동통신 기술의 발전으로 인해 필요에 따라 안테나 특성의 일부를 변환할 수 있는 재구성 안테나(reconfigurable antenna)의 중요성이 증대되고 있다. 재구성 안테나는 기계적 또는 전기적인 방법으로 안테나의 특성인 중심 주파수, 방사 패턴 및 편파를 변환한다.
구체적으로, 주파수 재구성 안테나는 다중 대역 또는 광대역 안테나를 대신할 수 있다. 또한 방사 패턴 재구성 안테나는 위상배열 안테나에 대한 대안이 될 수 있다. 마지막으로 편파 재구성 안테나는 선형 편파와 원형 편파를 동일 동작 주파수에서 변환하며, 디지털 멀티미디어 브로드캐스팅(Digital Multimedia Broadcasting : DMB) 시스템, RFID(Radio-Frequency IDentification) 태그 시스템 또는 적응적 스마트 안테나 시스템에 적용될 수 있다.
이러한 재구성 안테나를 구현하기 위해 가변 소자, 예를 들면, CMOS 및 MMIC와 같은 반도체 스위치 또는 미세전자기계시스템(Micro-Electro-Mechanical System : MEMS) 스위치가 필요하다. 이 중에서 CMOS는 밀리미터파의 응용기기에서 삽입 손실이 크므로 적합하지 않고, MMIC는 비용이 많이 든다는 문제가 있다. 반면에 RF MEMS 스위치는 요구되는 비용이 적절하며 낮은 삽입 손실을 보인다.
그러나 RF MEMS 스위치가 재구성 안테나에 사용되는 경우에는 패키징(packaging)이 중요한 문제가 된다. MEMS 스위치는 그 크기가 매우 작고 수 마이크로미터 단위의 미세한 움직임으로 동작하기 때문에 습기, 먼지 및 외부 충격과 같은 외부 환경에 민감하다. 기존의 발명에서는 안테나에 RF MEMS 스위치를 사용한 경우가 드물고, RF MEMS 스위치를 사용한 경우에는 방사 패치 위에 RF MEMS 스위치가 형성되어 스위치의 추가적인 패키징 공정이 요구되거나, 혹은 완전히 패키징된 스위치 부품을 비용과 시간이 소모되는 와이어 접합 등의 방법으로 실장시켜 사용하였다. 따라서 안테나 구조에서 RF MEMS 스위치를 효과적으로 패키징하면서 선형 편파와 원형 편파를 변환할 수 있는 편파 재구성 안테나의 개발이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선형 편파와 원형 편파를 서로 변환할 수 있으며, 간소화된 제작 공정에 의해 소형으로 제작할 수 있는 RF MEMS 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 RF MEMS 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나는, 하부 기판의 상면에 배치되며, 원형 접지면과, 상기 원형 접지면의 제1지점으로부터 길게 형성된 신호 공급선과, 상기 제1지점과 상이한 제2지점으로부터 상기 신호 공급선의 형성 방향과 수직하도록 길게 형성된 스터브를 구비하는 내부 접지면; 상기 내부 접지면을 감싸도록 상기 하부 기판의 상면에 배치되며, 상기 원형 접지면의 외측부로부터 일정 간격만큼 이격되어 링 형상의 슬롯을 형성하는 외부 접지면; 상기 제2지점에 배치되어 상기 원형 접지면과 상기 스터브 사이의 연결을 단속하는 편파 변환 스위치; 상기 하부 기판의 상면으로부터 이격되도록 위치하는 상부 기판의 상면에 상기 슬롯이 형성하는 영역에 걸쳐 배치되는 원형의 방사 패치; 및 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 사이에 배치되는 직사각형 고리 형상의 중간 부재;를 구비한다.
본 발명에 따른 RF MEMS 스위치를 사용하는 편파 재구성 안테나에 의하면, 하나의 안테나에서 스위치의 동작에 따라 원형 편파와 선형 편파를 서로 변환하여 방사할 수 있다. 또한 방사 패치가 배치된 상부 기판이 유전체 기판으로서 동작함과 동시에 RF MEMS 스위치를 보호하는 패키징 기판으로서의 역할도 수행하므로 RF MEMS 스위치의 패키징 공정 내에서 방사 패치가 형성되어 안테나의 제작 공정을 간소화할 수 있다. 나아가 상부 기판과 하부 기판의 사이에 중간 부재에 의해 밀폐된 공간을 형성함으로써 RF MEMS 스위치를 보호하도록 패키징을 수행할 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 RF MEMS 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 RF MEMS 스위치를 사용하는 원형/선형 편파 재구성 안테나에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나는 하부 기판(100)의 상부에 상부 기판(200)이 이격되어 배치되며, 상부 기판(200)을 하부 기판(100)으로부터 이격시키고 상부 기판(200)과 하부 기판(100)의 사이에 밀폐된 공간을 형성하기 위해 직사각형 고리 형상의 중간 부재(300)가 배치된다. 또한 중간 부재(300)의 높이는 약 100μm로 할 수 있다.
도 2는 하부 기판(100)을 위에서 내려다보았을 때 하부 기판(100)의 상면의 구성을 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 하부 기판(100)의 상면에는 내부 접지면(110) 및 내부 접지면을 감싸는 외부 접지면(120)이 배치된다. 내부 접지면(110)은 원형 접지면(112), 원형 접지면(112)의 제1지점으로부터 길게 형성된 신호 공급선(114) 및 제1지점과 상이한 제2지점으로부터 신호 공급선(114)의 형성 방향과 수직하도록 길게 형성된 스터브(116)로 이루어진다. 신호 공급선(114)을 통해 외부에서 입력되는 신호가 전달된다. 또한 외부 접지면(120)은 내부 접지면(110)과 동일한 평면, 즉 하부 기판(100)의 상면에 내부 접지면(110)을 감싸는 형태로 배치된다.
외부 접지면(120)이 내부 접지면(110)의 바깥쪽에 배치될 때 원형 접지면(112)의 외측부와 그에 대응하는 외부 접지면(120)의 내측부는 서로 이격되어 링 형상의 슬롯(130)을 형성한다. 이렇게 형성된 링 슬롯(130)은 뒤에 설명할 방사 패치(210)와의 사이에서 개구면 커플링(aperture coupling)을 발생시킨다.
이와 같이 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나는 유한 접지면 동일 평면 도파관(Finite-Grounded Coplanar Waveguide : FGCPW) 급전 방식을 사용하므로 그 크기를 소형화할 수 있다. 또한 유한 접지면은 안테나의 제작 공정을 안정화시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 상부 기판(200)의 상면에는 원형의 방사 패치(210)가 링 슬롯(130)이 형성하는 영역에 걸쳐 배치된다. 따라서 상부 기판(200)의 크기는 외부 접지면(120)에서 신호 공급선(120)을 감싸는 영역을 제외한 나머지 영역의 크기보다 크게 하는 것이 바람직하다. 내부 접지면(110)의 신호 공급선(114)을 통해 외부로부터 신호가 공급되면 방사 패치(210)와 링 슬롯(130) 사이에서 개구면 커플링이 발생하며, 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나가 동작하게 된다. 또한 외부 접지면(120)에서 원형 접지면(112)을 감싸는 영역의 외측면, 즉 신호 공급선(114)을 감싸는 부분을 제외한 원형 부분의 반경은 가장자리 전계(fringing field) 때문에 방사 패치(210)의 반경에 비해 크게 되도록 하는 것이 바람직하다.
스터브(116) 부분을 제외하고 원형 접지면(112)만 구비되어 있는 경우에는 링 슬롯(130)과 방사 패치(210) 사이의 개구면 커플링에 의해 안테나가 동작할 때 선형 편파의 특성을 보인다. 또한 안테나의 편파는 신호 공급선(114)의 방향과 평행하다. 안테나가 동작하는 동안 방사 패치(210)가 배치된 상부 기판(200)은 유전체 기판으로서의 기능을 수행한다.
다시 도 1 및 도 2에 도시된 하부 기판(100)의 구성을 참조하면, 스터브(116)는 원형 접지면(112)의 제1지점과 상이한 제2지점으로부터 신호 공급선(114)의 형성 방향과 수직하도록 길게 형성된다. 즉, 원형 접지면(112)의 제1지점과 제2지점은 신호 공급선(114)이 연장되어 형성된 직선과 스터브(116)가 연장되어 형성된 직선이 원형 접지면(112)의 중심에서 서로 직교하도록 결정된다. 그에 따라 링 슬롯(130)은 제1지점 및 제2지점에서 단절된 형상을 가지게 된다.
본 발명에 따른 편파 재구성 안테나는 선형 편파와 원형 편파를 서로 변환할 수 있는 구성을 가진다. 앞에서 설명한 바와 같이 스터브(116)가 안테나의 동작에 관여하지 않는 경우에는 안테나가 선형 편파의 특성을 보인다. 스터브(116)는 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나가 원형 편파의 특성을 나타내도록 하기 위해 구비된 것이다.
스터브(116)가 원형 접지면(112)과 연결된 제2지점에는 편파 변환 스위치(140)가 배치된다. 편파 변환 스위치(140)는 온오프(on/off)에 의해 원형 접지면(112)과 스터브(116) 사이의 연결을 단속, 즉 원형 접지면(112)과 스터브(116)를 연결시키거나 단절시킨다. 편파 변환 스위치(140)가 오프(off)되면 스터브(116)가 원형 접지면(112)으로부터 분리된 것과 같은 형태가 되므로 앞에서 설명한 것과 같이 선형 편파의 특성을 보인다.
반면, 편파 변환 스위치(140)가 온(on)되면 원형 접지면(112)과 스터브(116)가 서로 연결된 형태가 되어 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나가 다르게 동작하게 된다. 이하에서는 편파 변환 스위치(140)가 온(on)되어 스터브(116)가 원형 접지면(112)에 연결된 경우의 안테나의 동작에 대하여 설명한다.
신호 공급선(114)에 공급된 신호에 의해 생성되는 링 슬롯(130)과 방사 패치(210) 사이의 커플링에 의해 발생하는 전계는 스터브(116)에 의해 생성되는 커플링에 의한 전계와 직교하여 발생한다. 링 슬롯(130)이 형성하는 영역의 반경은 1/8λg(λg는 안테나의 동작 주파수에 따른 파장)와 유사하며, 이는 스터브(116)를 통해 흐르는 전류가 신호 공급선(114)에 흐르는 전류에 비해 약 90°의 위상 지연을 보인다는 것을 의미한다. 그 결과 편파 변환 스위치(140)가 온(on)되어 스터브(116)가 원형 접지면(112)에 연결되었을 때 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나는 원형 편파의 특성을 보인다.
본 발명에 따른 편파 재구성 안테나의 편파를 변환하기 위한 편파 변환 스위치(140)로는 RF MEMS 스위치를 사용할 수 있다. RF MEMS 스위치는 직류 전원에 의해 온오프(on/off)되어 원형 접지면(112)과 스터브(116)를 연결시키거나 단절시킨다. 앞에서 설명한 바와 같이 RF MEMS 스위치는 소요되는 비용이 적절하며 낮은 삽 입 손실을 보인다는 장점을 가지지만 패키징의 문제 때문에 잘 사용되지 않았다. 그러나 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나에서는 하부 기판(100)과 상부 기판(200)이 중간 부재(300)에 의해 서로 이격되며, 중간 부재(300)는 밀폐된 공간을 형성한다. 이와 같이 중간 부재(300)에 의해 형성되는 두 기판(100, 200) 사이의 공간에 RF MEMS 스위치가 놓이게 되어 RF MEMS 스위치의 미세 구조를 보호할 수 있다. 기존에 제기되었던 패키징의 문제는 이러한 구성에 의해 해결된다.
정리하면, 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나는 편파 변환 스위치, 즉 RF MEMS 스위치의 동작에 의해 선형 편파와 원형 편파를 서로 변환할 수 있다. 구체적으로, RF MEMS 스위치가 온(on)되면 스터브(116)가 원형 접지면(112)과 연결되므로 안테나는 원형 편파의 특성을 보이고, RF MEMS 스위치가 오프(off)되면 스터브(116)가 원형 접지면(112)으로부터 분리되므로 스터브(116)가 없는 것과 동일한 상태가 되어 안테나는 선형 편파의 특성을 보이게 된다.
한편, 도 2를 참조하면, 신호 공급선(114)에는 임피던스 변환부(150)가 구비되어 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 임피던스 변환부(150)는 신호 공급선(114)의 일부가 외부 접지면(120)으로부터 이격되도록 좁게 형성된 부분을 말한다. 원형 편파 안테나와 선형 편파 안테나의 입력 임피던스는 동작 주파수에서 차이가 있지만, 임피던스 변환부(150)에 의해 각 입력 임피던스의 중간 지점으로 임피던스 매칭이 이루어지게 된다.
본 발명에 따른 편파 재구성 안테나를 실제로 제작할 때, 상부 기판(200)은 RF MEMS 스위치를 보호하는 패키징 수단으로서 뿐만 아니라 안테나가 동작할 때 유 전체 기판으로서도 사용된다. 석영 유리(quartz glass)는 낮은 탄젠트 손실(tangential loss)을 보이기 때문에 좋은 유전체 물질로 사용될 수 있으며, 패키징 기판으로도 사용될 수 있으므로 상부 기판(200)을 석영 유리로 제작하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상부 기판(200)이 패키징 기판인 것과 동시에 유전체 기판으로도 사용됨으로써, 방사 패치(210)가 패키징 공정 중에 형성되므로 안테나의 제작 공정이 간소화될 수 있다. 방사 패치(210)는 상부 기판(200)의 상면에 금 도금에 의해 원형 패치로 형성된다.
하부 기판(100)은 유리 기판으로 형성되며, 하부 기판(100)의 하면, 즉 접지 패치(110)가 배치된 면의 반대편에는 반사판(미도시)이 배치되어 배면 방사(back radiation)를 억제하고 안테나의 효율을 향상시킬 수 있다.
상부 기판(200)과 하부 기판(100)의 사이에 RF MEMS 스위치가 배치되는 밀폐된 공간을 형성하는 중간 부재(300)는 실리콘 재질로 형성될 수 있다. 또한 중간 부재(300)를 위한 접착 물질로는 벤조사이클로부틴(benzocyclobutene : BCB)이 사용된다. BCB는 낮은 탄젠트 손실 및 낮은 유전율을 보이기 때문에 접착용 물질로 적합하다.
도 3은 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나의 입력 임피던스를 나타낸 스미스 차트(smith chart)이다. 도 3을 참조하면, 원형 편파와 선형 편파 모두에 대해 약 20GHz에서 임피던스 매칭이 잘 된 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 안테나는 k-대역, 즉 18GHz에서 27GHz 사이의 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 또한 선형 편파의 경우에는 2:1의 정재파비(voltage standing wave ratio : VSWR)를 가 지고, 12.5%의 넓은 대역폭을 보인다.
다음으로 도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나의 주파수에 따른 반사계수(S11 파라미터) 및 원형 편파의 특성을 보일 때의 축비(axial ratio)를 도시한 그래프이다. 도 4a를 참조하면 안테나의 임피던스 매칭이 20GHz에서 이루어짐을 알 수 있다. 또한 도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나가 원형 편파의 특성을 보일 때 3dB 대역폭은 19.75GHz에서 20.30GHz의 550MHz 대역으로, 2.75%의 좋은 대역폭을 보인다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나가 원형 편파 및 선형 편파의 특성을 보일 때 방사 패턴을 각각 도시한 도면이다. 도 5a 및 도 5b는 안테나가 20GHz에서 원형 편파의 특성을 보일 때 X-Y 평면 및 Y-Z 평면에서의 방사 패턴을 도시한 도면으로, 좌향(left-handed) 원형 편파가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 5c 및 도 5d는 본 발명에 따른 안테나가 20GHz에서 선형 편파의 특성을 보일 때 X-Y 평면 및 Y-Z 평면에서의 방사 패턴을 도시한 도면으로, 주 편파(co-pol)의 방사 패턴과 주 편파에 교차하는 편파(x-pol)의 방사 패턴을 나타내었다. 주 편파의 이득이 교차 편파에 비해 높은 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 RF MEMS 스위치의 온오프(on/off)에 의해 원형 접지면(112)과 스터브(116) 사이의 연결을 제어함으로써 선형 편파와 원형 편파를 서로 변환할 수 있다. 또한 RF MEMS 스위치를 보호하기 위해 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이에 중간 부재(300)에 의한 밀폐된 공간을 형성함으로써 패키징 문제를 해결하고 제작 공정을 간소화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 RF MEMS 스위치를 사용하는 편파 재구성 안테나에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 사시도,
도 2는 하부 기판을 위에서 내려다보았을 때 하부 기판의 상면의 구성을 도시한 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나의 입력 임피던스를 나타낸 스미스 차트,
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나의 주파수에 따른 반사계수(S11 파라미터) 및 원형 편파의 특성을 보일 때의 축비(axial ratio)를 도시한 그래프, 그리고,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 편파 재구성 안테나가 원형 편파 및 선형 편파의 특성을 보일 때 방사 패턴을 각각 도시한 도면이다.

Claims (7)

  1. 하부 기판의 상면에 배치되며, 원형 접지면과, 상기 원형 접지면의 제1지점으로부터 길게 형성된 신호 공급선과, 상기 제1지점과 상이한 제2지점으로부터 상기 신호 공급선의 형성 방향과 수직하도록 길게 형성된 스터브를 구비하는 내부 접지면;
    상기 내부 접지면을 감싸도록 상기 하부 기판의 상면에 배치되며, 상기 원형 접지면의 외측부로부터 일정 간격만큼 이격되어 링 형상의 슬롯을 형성하는 외부 접지면;
    상기 제2지점에 배치되어 상기 원형 접지면과 상기 스터브 사이의 연결을 단속하는 편파 변환 스위치;
    상기 하부 기판의 상면으로부터 이격되도록 위치하는 상부 기판의 상면에 상기 슬롯이 형성하는 영역에 걸쳐 배치되는 원형의 방사 패치; 및
    상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 사이에 배치되는 직사각형 고리 형상의 중간 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 편파 재구성 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 편파 변환 스위치는 RF MEMS 스위치인 것을 특징으로 하는 편파 재구성 안테나.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 편파 변환 스위치가 온(on)되면 상기 슬롯과 상기 방사 패치 사이의 커플링에 의해 형성된 전계가 원형 편파의 특성을 보이며, 상기 편파 변환 스위치가 오프(off)되면 상기 슬롯과 상기 방사 패치 사이의 커플링에 의해 형성된 전계가 선형 편파의 특성을 보이는 것을 특징으로 하는 편파 재구성 안테나.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 신호 공급선의 일부가 상기 외부 접지면의 내측부로부터 이격되도록 좁아진 형태로 형성되어 상기 신호 공급선으로 입력되는 신호의 임피던스를 변환하는 것을 특징으로 하는 편파 재구성 안테나.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 외부 접지면에서 상기 원형 접지면을 감싸는 영역의 외측면의 반경이 상기 방사 패치의 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 편파 재구성 안테나.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 상부 기판을 상기 하부 기판으로부터 이격시키는 상기 중간 부재의 높이는 100μm인 것을 특징으로 하는 편파 재구성 안테나.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 상부 기판은 석영 유리에 의해 제작되는 것을 특징으로 하는 편파 재구성 안테나.
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