KR20120095401A

KR20120095401A - 기계적 연결부를 구비한 메타물질 안테나

Info

Publication number: KR20120095401A
Application number: KR1020127013056A
Authority: KR
Inventors: 바닛 파탁; 아자이 구말라
Original assignee: 타이코 일렉트로닉스 서비시스 게엠베하
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2012-08-28
Also published as: EP2491614A1; CN102044738B; US20110095964A1; US8698700B2; WO2011049584A1; US8704730B2; KR101416080B1; EP2491614A4; CN102044738A; US20110273348A1

Abstract

하나 이상의 기계적인 연결 유닛을 가지는 메타물질 안테나 장치는 도전성 물질로 이루어져 안테나 장치의 기계적인 결합과 전기 전도를 모두 제공한다.

Description

기계적 연결부를 구비한 메타물질 안테나 {METAMATERIAL ANTENNA WITH MECHANICAL CONNECTION}

본 명세서는 메타물질 안테나 구조에 관한 것이다.

대부분의 물질에서 전자파의 전파(propagation)는 (Ε,Η,β) 벡터장에 대해 오른손의 법칙을 따르며, 여기서 E는 전계이고, H는 자계이고, β는 파수 벡터(wave vector)(또는 전파 상수)이다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파(군 속도, group velocity)의 방향과 동일하고 굴절률은 양수(positive number)이다. 이러한 물질이 "우현(right handed, RH)" 물질이다. 대부분의 자연 물질은 RH 물질이다. 인공 물질도 RH 물질일 수 있다.

메타물질(metamaterial, MTM)은 인공적인 구조를 가진다. 메타물질에 의해 안내되는 전자기 에너지의 파장보다 훨씬 작은 구조적인 평균 단위 셀의 크기 p를 가지도록 설계될 때, 메타물질은 안내되는 전자기 에너지와 동질의 매체(homogeneous medium)처럼 행동할 수 있다. RH 물질과는 달리, 메타물질은 음의 굴절률을 보일 수 있고, (Ε,Η,β) 벡터장의 상대적인 방향이 왼손의 법칙을 따르는 경우 위상 속도 방향이 신호 에너지 전파의 방향과 반대이다. 동시에 유전율(permittivity) ε 및 투자율(permeability) μ를 가지는 음의 굴절률만을 지원하는 메타물질은 수순한 "좌현(left handed, LH)" 물질이다. 많은 메타물질은 LH 물질과 RH 물질의 혼합물이므로, "복합 좌우현(composite right and left handed, CRLH)" 물질이다. CRLH 물질은 저주파수에서는 LH 물질처럼, 그리고 고주파수에서는 RH 물칠처럼 행동할 수 있다.

각종 CRLH 물질의 구현예 및 특성은, 예를 들면 Caloz와 Itoh의 "Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications", John Wiley & Sons(2006)에 기술되어 있다. 안테나에서의 CRLH 물질 및 그 애플리케이션은 Tatsuo Itoh에 의한 "Invited paper: Prospects for Metamaterials," Electronics Letters, Vol. 40, No. 16(August, 2004)에 기술되어 있다. CRLH 물질은, 특정 애플리케이션에 맞춤되고, 다른 물질을 사용하는 것이 어렵거나, 비현실적이거나, 불가능할 수 있는 애플리케이션에 사용될 수 있는 전자기 특성을 보이도록 구조화 및 제작될 수 있다. 또, CRLH 물질은 RH 물질로는 불가능할 수 있는 새로운 장치를 구성하고 새로운 애플리케이션을 개발하는 데 사용될 수 있다.

본 명세서는 안테나 장치를 위한 기계적 결합(mechanical engagement) 및 전기 전도 모두를 제공하는 도전성(electrically conductive) 물질로 이루어지는 하나 이상의 기계적 연결 유닛을 구비한 메타물질 안테나 장치의 예를 개시한다.

일 측면에서, 메타물질 안테나 장치는 기판 구조체; 상기 기판 구조체에 의해 지지되고, 접지 전극 및 도전성 부분을 포함하도록 구조화된 하나 이상의 금속배선층(metallization layer) - 상기 접지 전극은 상기 하나 이상의 금속배선층 중 하나에 형성되고, 상기 도전성 부분은 상기 하나 이상의 금속배선층 중 적어도 하나에 형성됨 -; 및 하나 이상의 연결 유닛을 포함하도록 제공된다. 각 연결 유닛은, 상기 기판의 구조체의 부분들 또는 상기 기판 구조체를 장치 인클로저(device encloure)와 기계적으로 결합시키고(engage) 상기 복수의 도전성 부분 중 적어도 하나에 전기적으로 결합(couple)된다. 상기 도전성 부분, 상기 하나 이상의 연결 유닛, 및 상기 기판 구조체의 적어도 일부는 안테나 신호와 연관된 복수의 주파수 공진을 보이는 복합 좌우현(CRLH) 메타물질 안테나 구조체를 형성하도록 구성된다.

다른 측면에서, 메타물질 안테나 장치는, 장치 인클로저; 상기 장치 인클로저 내부에 있는 기판 구조체; 상기 기판 구조체에 의해 지지되는 접지 전극; 상기 기판 구조체에 의해 지지되는 복수의 도전성 부분; 및 도전성 물질로 이루어지고 상기 기판 구조체를 상기 장치 인클로저에 기계적으로 결합시키고 상기 복수의 도전성 부분 중 적어도 하나에 전기적으로 결합되는 기계적인 커넥터를 포함하도록 제공된다. 상기 기계적인 커넥터, 상기 접지 전극, 상기 기판 구조체의 적어도 일부, 및 상기 복수의 도전성 부분은 안테나 신호와 연관된 하나 이상의 주파수 공진을 보이는 CRLH 메타물질 안테나 구조체를 형성하도록 구성된다.

이들 및 다른 측면, 그 구현예 및 변형예에 대해 첨부된 도면, 상세한 설명 및 특허청구범위에서 상세하게 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 이중층 MTM 안테나 구조체의 일례로, 상층의 상면도 및 하층의 상면도를 각각 나타낸다.
도 1c는 스크류와 스크류 보스를 가지는 기계적인 연결 유닛 근처의 측면도를 나타낸다.
도 2는 스크류 유무의 구성에 대한 효율 측정 결과를 나타낸다.
도 3은 슬라이드 개방 및 슬라이드 폐쇄의 구성을 가지는 셀룰러폰 애플리케이션에 대한 반사 손실(return loss) 측정 결과를 나타낸다.
도 4a는 도 1a 및 도 1b에 나타낸 구조체와 유사하게, 피드 라인(feed line)에 부착된 수직 나선형의 예시적인 MTM 안테나 구조체의 3D 도면이다.
도 4b 및 도 4c는 도 4a에 나타낸 MTM 안테나 구조체의 상층의 상면도 및 하층의 상면도를 나타낸다.

메타물질(MTM) 구조체는 안테나, 전송 선로, 및 기타 RF 구성요소 및 장치를 구성하기 위해 사용될 수 있어, 기능 강화, 크기 축소, 성능 향상과 같은 광범위한 기술 진보가 가능하도록 한다. MTM 구조체는 하나 이상의 MTM 유닛 셀을 가진다. MTM 유닛 셀의 등가회로는 우현 직렬 인덕턴스(LR), 우현 션트 커패시턴스(shunt capacitance)(CR), 우현 직렬 커패시턴스(CL), 및 좌현 션트 인턱턴스(LL)을 포함한다. MTM 기반의 구성요소 및 장치는 분산형(distrubuted) 회로 요소, 집중형(lumped) 회로 요소, 또는 이 둘의 조합을 사용하여 구현될 수 있는 이들 CRLH MTM 유닛 셀을 기초로 설계될 수 있다. 종래의 안테나와는 달리, MTM 안테나 공진은 우현(LH) 모드의 존재에 영향을 받는다. 일반적으로 LH 모드는 여기를 돕고 저주파 공진에 더 잘 정합하는 것은 물론 고주파 공진의 정합을 향상시킨다. MTM 안테나 구조체는 하나 이상의 주파수 대역을 지원하도록 구성될 수 있고, 지원되는 주파수 대역은 하나 이상의 안테나 주파수 공진을 포함할 수 있다. 예를 들면, MTM 안테나 구조체는 "저대역" 및 "고대역"을 포함하는 복수의 주파수 대역을 지원하도록 구조화될 수 있다. 안테나 신호와 관련하여 저대역은 적어도 하나의 LH 모드 공진을 포함하고 고대역은 적어도 하나의 RH 모드를 포함한다

MTM 안테나에 대한 일례 및 구현예는 미국 특허출원 제11/741,674호[발명의 명칭: "Antennas, Devices and Systems Based on Metamaterial Structures", 출원일: 2007년 4월 27일]; 및 미국특허 제7,592,957호[발명의 명칭: "Antennas Based on Metamaterial Structures", 특허 발행일: 2009년 9월 22일]에 기재되어 있다. 상기한 미국 특허문헌의 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 이들 MTM 안테나 구조체는 종래의 FR-4 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 또는 가요성 인쇄회로(Flexible Printed Circuit, FPC) 기판을 사용하여 제조될 수 있다. 다른 제조 기술의 예로는 박막 제조 기술, 시스템온칩(system on chip, SOC) 기술, 저온 동시소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic, LTCC) 기술, 및 모노리식 마이크로파 집적회로(monolithic microwave integrated circuit, MMIC) 기술을 포함한다.

MTM 안테나 구조체 중 한 유형은 단층의 금속배선(single-layer metallization, SLM) MTM 안테나 구조체이며, 이는 기판의 일면에 형성된 단일 금속배선층에 MTM 구조체의 전도성 부분을 가진다. 이층의 금속배선 비아레스(Two-Layer Metallization Via-Less, TLM-VL) MTM 안테나 구조체는, 하나의 금속배선층 내의 하나의 전도성 부분을 다른 금속 배선층 내의 다른 전도성 부분에 연결하기 위한 전도성 비아가 없는 기판의 두 개의 평행면 상의 두 개의 금속배선층에 특징이 있다. SLM 및 TLM-피 MTM 안테나 구조체의 예 및 구현에 대해서는 미국 특허출원 제12/250,477호[발명의 명칭: "Single-Layer Metallization and Via-Less Metamaterial Structures", 출원일: 2008년 10월 13일]에 기술되어 있으며, 그 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

일 구현예에서, SLM MTM 구조체는 제1 기판면 및 반대쪽의 기판면을 가지는 기판, 상기 제1 기판면 상에 형성되고 둘 이상의 전도성 부분을 가지도록 패터닝되어 유전체 기판을 관통하는 전도성의 비아가 없는 SLM MTM 구조체를 형성하는 금속배선층을 포함한다. 금속배선층 내의 전도성의 부분은 SLM MTM 구조체의 셀 패치(cell patch), 이 셀 패치와 공간적으로 분리되어 있는 접지, 접지와 셀 패치를 상호연결하는 비아 라인(via line), 및 셀 패치와 직접 접촉하지 않으면서 셀 패치와 용량적으로 결합되는 피드 라인을 포함한다. RH 직렬 인덕턴스(LR)은 주로 피드 라인과 셀 패치에서 생성된다. 이 SLM MTM 구조체에서 두 개의 전도성 부분 사이에 수직으로 끼워지는 유전체 물질은 없다. 그 결과, SLM MTM 구조체의 RH 션트 커패시턴스(CR)가 설계에 의해 무시할 수 있을 정도로 작아질 수 있다. 상당히 작은 RH 션트 커패시턴스(CR)는 셀 패치와 접지 사이에서 유도될 수 있으며, 이들 모두는 단일 금속배선층에 있다. SLM MTM 구조체 내의 LH 션트 인덕턴스(LL)는 기판을 관통하는 비아가 존재하지 않기 때문에 무시할 수 있지만, 접지에 연결된 비아 라인은 LH 션트 인덕턴스 LL과 동등한 인덕턴스를 유발할 수 있다. 예시적인 TLM-VL MTM 안테나 구조체는 두 개의 상이한 층에 피드 라인과 셀 패치를 가져 수직의 용량성 결합을 생성할 수 있다.

SLM 및 TLM-VL MTM 안테나 구조체와는 달리, 다층 MTM 안테나 구조체는 적어도 하나의 비아에 의해 연결되는 둘 이상의 금속배선층에 전도성의 부분의 가진다. 이러한 다층 MTM 안테나 구조체의 예 및 구현은 미국 특허출원 제12/270,410호 [발명의 명칭: "Metamaterial Structures with Multilayer Metallization and Via", 출원일: 2008년 11월 13일]에 기술되어 있으며, 그 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 이들 다층 금속배선층은 두 개의 인접한 금속배선층이 전기 절연 물질(예컨대, 유전 물질)에 의해 분리되어 있는, 기판, 필름 또는 플레이트 구조체에 기반한 복수의 전도성 부분을 갖도록 패터닝된다. 둘 이상의 기판은 유전체 스페이서를 구비하거나 구비하지 않으면서 적층되어 다층 금속배선층을 위한 복수의 표면을 제공하여 일정한 기술적 특징 또는 이점을 달성할 수 있다. 이러한 다층 MTM 구조체는 적어도 하나의 전도성 비아를 가져 하나의 금속배선층 내의 전도성 부분을 다른 금속배선층 내의 다른 전도성 부분에 연결할 수 있다.

비아를 구비한 이중층 MTM 안테나 구조체의 예시적인 구현예는 제1 기판면과 제1 기판면 반대쪽의 제2 기판면을 가지는 기판, 제1 기판면 상에 형성된 제1 금속배선층, 및 제2 기판면 상에 형성된 제2 금속배선층을 포함하며, 상기한 두 금속배선층은 기판을 관통하는 적어도 하나의 전도성 비아를 구비하는 둘 이상의 전도성 부분을 가지도록 패터닝되어, 제1 금속배선층 내의 하나의 전도성 부분을 제2 금속배선층 내의 다른 전도성 부분에 연결한다. 절두형(truncated) 접지는 제1 금속배선층에 형성되고, 표면의 나머지 부분은 노출될 수 있다. 제2 금속배선층 내의 전도성 부분은 MTM 구조체의 셀 패치 및 피드 라인을 포함할 수 있고, 그 원위단(distal end)은 셀 패치 가까이에 위치하고 용량적으로 결합되어 안테나 신호를 셀 패치와 주고받는다. 셀 패치는 노출된 표면의 적어도 일부와 평행하게 형성된다. 제1 금속배선층 내의 전도성 부분은, 제1 금속배선층 내의 절두형 접지와 제2 금속배선층 내의 셀 패치를 기판에 형성된 비아를 통해 연결하는 비아 라인을 포함한다. LH 직렬 커패시턴스(CL)은 주로 피드 라인과 셀 패치에서 생성된다. LH 션트 인덕턴스(LL)은 주로 비아와 비아 라인에 의해 유도된다. RH 션트 커패시턴스(CR)는 주로 제2 금속배선층 내의 셀 패치와, 제1 금속배선층 위로 돌출되는 셀 패치의 풋프린트(footprint) 내의 비아 라인의 일부분 사이의 커패시턴스 때문일 수 있다. 미앤더 라인(meander line)과 같은, 추가의 전도성 라인이 피드 라인에 부착되어 RH 단극 공진(monopole resonance)을 유도하여 광대역 또는 다중대역 안테나 동작을 지원할 수 있다.

MTM 안테나가 지원할 수 있는 다양한 주파수 대역의 예는 셀폰(cell phone) 및 모바일 장치 애플리케이션, WiFi 애플리케이션, WiMax 애플리케이션 및 기타 무선 통신 애플리케이션을 위한 주파수 대역을 포함한다. 셀폰 및 모바일 장치 애플리케이션을 위한 주파수 대역의 예는, 두 개의 대역, CDMA(824 - 894MHz) 및 GSM(880 - 960MHz) 대역을 포함하는 셀룰러 대역(824 - 960MHz); 및 세 개의 대역, DCS(1710 - 1880MHz), PCS(1850 - 1990MHz) 및 AWS/WCDMA(2110 - 2170MHz)를 포함하는 PCS/DCS 대역(1710 - 2170 MHz)이 있다.

MTM 구조체는 PCB 면적(real-estate) 인자, 장치 성능 요건 및 기타 규격과 같은, 특정한 애플리케이션의 요건을 따르도록 특별 맞춤될 수 있다. MTM 구조체 내의 셀 패치는 예를 들면, 직사각형, 다각형, 불규칙한 형상, 원형, 타원형, 또는 상이한 형상의 조합을 비롯한, 다양한 기하학적 형상과 크기를 가질 수 있다. 비아 라인 및 피드 라인 또한, 예를 들면, 직사각형, 다각형, 불규칙한 형상, 지그재그형, 나선형, 미앤더형 또는 상이한 형상들의 조합을 비롯한, 다양한 기하학적 형상과 크기를 가질 수 있다. 피드 라인의 원위단은 용량성 결합을 수정하기 위해 론치 패드(launch pad)를 형성하도록 수정될 수 있다. 이 론치 패드는, 예를 들면, 직사각형, 다각형, 불규칙한 형상, 원형, 타원형 또는 상이한 형상들의 조합을 비롯한, 다양한 기하학적 형상과 크기를 가질 수 있다. 론치 패드와 셀 패치 사이의 갭(gap)은, 예를 들면 직선, 곡선, L자형 선, 지그재그선, 불연속선, 인클로징선(enclosing line) 또는 상이한 형태들의 조합을 비롯한, 다양한 형태를 취할 수 있다. 피드 라인, 론치 패드, 셀 패치 및 비아 라인 중 일부는 서로 다른 층에 형성될 수 있다. 피드 라인, 론치 패드, 셀 패치 및 비아 라인 중 일부는 하나의 금속배선층에서 다른 금속배선층까지 연장될 수 있다. 안테나 부분은 주 기판의 수 밀리미터 위에 배치될 수 있다. 복수의 셀은 직렬로 연결되어 다중셀 1D 구조체를 형성할 수 있다. 복수의 셀은 직교 방향으로 연결되어 2D 구조체를 형성할 수 있다. 일 구현예에서, 단일 피드 라인은 복수의 셀 패치에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 다른 구현예에서, 추가적인 전도성 라인(conductive line)이 피드 라인 또는 론치 패드에 추가될 수 있으며, 이 추가적인 전도성 라인은, 예를 들면, 직사각형, 불규칙한 형상, 지그재그형, 평면 나선형(planar spiral), 수직 나선형(vertical spiral), 미앤더형, 또는 상이한 형상들의 조합을 비롯한, 다양한 기하학적 형상과 크기를 가질 수 있다. 이 추가적인 전도성 라인은 맨 위, 중간 또는 맨 아래 층, 또는 기판의 수 밀리미터 위에 배치될 수 있다. 또, 비평면(삼차원) MTM 안테나 구조체는 다중 기판(multi-substrate) 구조체에 기반하여 실현될 수 있다. 이러한 다중 기판에 기반한 MTM 구조체는 미국 특허출원 제12/465,571호[발명의 명칭: "Non-Planar Metamaterial Antenna Structures", 출원일: 2009년 5월 13일]에 기술되어 있으며, 그 개시내용은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.

안테나 효율은 PCB 면적이 제한되어 있는 소형 모바일 통신 장치의 중요한 성능 측정 중 하나이다. 어떤 안테나 장치의 설계에서, 안테나 크기의 감소는 효율의 감소를 유발할 수 있다. 이러한 설계에서, 주어진 제한된 공간으로 고효율을 얻는 것은 특히 셀폰 및 다른 소형의 모바일 통신 장치의 애플리케이션을 위한 안테나 설계에서 도전을 제기할 수 있다. 본 명세서는, 도전성의 기계적인 부분을 사용하여 (1) 기계적인 연결, 고정 또는 지지 및 (2) MTM 안테나 요소를 위한 바람직한 도전 경로 및 연결을 모두 제공할 수 있는 MTM 안테나 설계에 대해 기술한다. 이러한 도전성의 기계적인 부분의 많은 기능은 한정된 허용 공간 내에서 실질적인 안테나 크기를 증가시킬 수 있고, 소형 다바이스에 유익할 수 있다. 본 명세서에 기술한 MTM 안테나의 예에서는, 기계적인 연결뿐 아니라 전도성의 연장부(extension)를 제공하기 위해 MTM 안테나에서 전도성의 기계적인 연결 유닛의 간단한 예로서 금속 스크류를 사용한다. 일 구현예에서, 이러한 전도성의 기계적인 연결 유닛은 MTM 안테나의 면적 및 용량(volume)을 효과적으로 증대시킬 수 있으므로, 점유 공간을 증가시키지 않고 안테나 효율을 향상시킬 수 있다. 이 기계적인 연결 유닛은, 예를 들면, 인쇄된 안테나 표면에 수직인 방향으로 MTM 안테나와 연관된 전류 분포를 수정하도록 설계 및 위치될 수 있다. 따라서, 방사 패턴 및 분극화(polarization)가 기계적인 연결 유닛의 위치 및/또는 크기를 변경함으로써 조절될 수 있다. 이러한 기계적인 연결 유닛과 MTM 안테나 구조체의 결합은 주파수 튜닝 및 임피던스 매칭을 용이하게 할 수 있다. 기계적인 연결 유닛의 예는, 스크류 보스, 너트, 와셔, 링 등과 결합하여 사용될 수 있는 스크류, 앵커(anchor), 핀, 네일(neil), 클립, 스페이서와 스탠드오프(standoff), 로드(rod)와 스터드(stud), 및 삽입물(insert) 등의 패스너(fastener)를 포함한다.

도 1a 및 도 1b는 PCB에 인쇄된 이층 MTM 안테나 구조체의 일례를 보여주며, 상층의 상면도 및 하층의 상면도를 각각 나타낸다. 셀 패치(104)는 상층에 형성되어 있다. 셀 패치 면적을 최대화하기 위해, 이 예에서는 셀 패치(104)의 윤곽의 바깥 부분은 PCB(108)의 에지에 바짝 접근하여 따르는 형상으로 형성된다. 피드 라인(112)은 상층에 형성되어 있다. 피드 라인(112)의 근위단은, 예를 들면 안테나를 통해 밖으로 송신될 안테나 신호를 생성하여 공급하거나, 또는 안테나를 통해 안테나 신호를 수신하고 수신된 안테나 신호를 처리하는 안테나 회로와 통하는, 동일평면 도파관(coplanar waveguide, CPW) 피드선을 통해 피드 포트에 연결되어 있다. 피드 라인(112)의 원위단은 셀 패치(104)에의 그리고 셀 패치(104)로부터의 안테나 신호를 안내하는(direct) 결합 갭(116)을 통해 셀 패치(104)와 용량적으로 결합된다. 비아 1(120), 비아 2(124), 비아 3(128) 및 비아 4(124)는 각각 비아 홀 내에 삽입되어 상층 내의 전도성 부분과 하층 내의 전도성 부분 사이에 전도성 연결을 제공한다. 이 예에서는 전도성 나선이 피드 라인(112)에 부착되어 있다. 이 전도성의 나선은 상부 나선부(136), 하부 나선부(140), 및 PCB를 관통하는 비아를 포함한다. 상부 나선부(136)는 상층에 형성된 불연속 세그먼트로 구성되고; 하부 나선부(140)는 하층에 형성된 다른 세트의 불연속 세그먼트로 구성되고; 비아 2(124), 비아 3(128) 및 비아 4(124)가 상부 및 하부의 불연속 세그먼트를 연결하는 데 사용되어 수직의 나선형을 형성한다. 피드 라인(112)에 부착된 추가적인 전도성 라인은 RH 단극 공진을 유도할 수 있다. 본 예에서 사용된 수직의 나선 대신에, 미앤더 라인, 지그재그 라인, 또는 기타 유형의 라인 또는 스트립이 사용될 수 있다. 집중형 인덕터(144)는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 공간 절약을 위해 피드 라인(112)과 수직의 나선을 연결하는 데 사용된다. 다르게는, 피드 라인(112)과 나선은 직접 연결될 수 있지만 상이한 전체 길이를 가진다. 비아 라인(148)은 하층에 형성되고 접지에 결합된다. 비아 1(120)은 상층의 셀 패치(104)를 하층의 비아 라인(148)에 연결한다.

본 예에서는 두 개의 스크류 홀 1(152) 및 스크류 홀 2(156)는 PCB(164)와 더불어 제공된다. 셀 패치(104)는 연장부를 형성하는 형상으로 되어 있어 스크류 홀 1(152)을 둘러싸며, 금속으로 이루어진 스크류(160) 또는 도전성 물질이 삽입되어 PCB(164)를 인클로저(168)에 기계적으로 연결한다. 스크류만 사용하는 대신에, 둘 이상의 부분을 연결하기 위해 스크류 보스를 추가할 수 있다. 도 1c는 스크류(160)와 스크류 보스(161)를 가지는 기계적인 연결 유닛의 근처를 나타낸 측면도이다. 본 예에서, 기계적인 연결 유닛은 PCB(164)를 인클로저(168)의 상부 및 하부에 기계적으로 연결한다. 이 구성에서, 스크류(160)는 스크류 보스(161)에 전기적으로 접촉하고, 스크류 보스(161)는 PCB(164) 내에 만들어진 스크류 홀 1(152)의 도금된(plated) 내벽에 전기적으로 접촉한다. 따라서, 스크류(160), 스크류 보스(161) 및 셀 패치(104)가 전기적으로 연결되어 연속적인 도전성 부분을 제공한다. 그 결과, 셀 패치의 면적 및 체적이 기계적인 연결 유닛, 예컨대, 스크류(160)와 스크류 보스(161)의 부착으로 인해 실질적으로 증대되므로, 안테나 효율이 향상된다. 스크류의 상단 부분은 스크류에 의해 사용자가 방해받는 것을 방지하기 위해 전기 절연 재료, 예컨대 고무 충전재, 플라스틱 케이스 또는 기타 수단으로 덮일 수 있다. 이러한 전도성의 기계적인 연결 유닛을 추가함으로써, 특히 인쇄된 안테나 표면에 수직인 방향으로, 안테나와 연관된 전류 분포를 수정할 수 있다. 따라서 방사 패턴 및 분극화는 기계적인 연결 유닛의 위치 및/또는 크기를 변경함으로써 조절될 수 있고, 이것이 또한 주파수 튜닝 및 임피던스 매칭을 용이하게 할 수 있다.

도 2는 동일 MTM 안테나 설계에 기반한 두 개의 MTM 안테나 장치의 대해 스크류 유무에 대한 효율 측정 결과를 보여준다. 측정 데이터는, 스크류가 있는 설계의 안테나 효율이 스크류가 없는 동일한 안테나 설계의 안테나 효율에 비해 향상됨을 나타낸다.

도 3은 스크류를 구비하는 본 MTM 안테나가 셀폰 애플리케이션에 구현된 경우의 반사 손실 측정 결과를 보여준다. 이 결과는, 셀룰러 및 PCS/DCS 대역을 커버하는 복수의 공진이 슬라이드 개방 및 슬라이드 폐쇄의 양쪽 구성의 안테나의 CRLH 물질 구조체로 인해 이루어진다는 것을 나타낸다.

기계적인 연결 유닛은 기계적인 연결뿐 아니라 전기적인 접촉을 통해 전도성 부분의 면적 및/또는 체적을 증가시키기 위해 MTM 안테나 구조체의 다른 위치에 사용될 수 있다. 도 4a는 셀 패치(404)가 불규칙한 다각형의 셀 패치(104)가 아닌 직사각형이고; 피드 라인(412) 및 비아 라인(448)이 피드 라인(112) 및 비아 라인(148)보다 더 단순한 라인 패널을 가지고; 나선(438)이, 도 1a 및 도 1b의 나선보다 방향전환 수가 더 많고, 더 많은 불연속 세그먼트 및 더 많은 비아 2(424), 비아 3(428), 비아 4(432), 비아 5(433), 비아 6(434), 및 비아 7(435)를 가지는 상부 나선부(436)와 하부 나선부(440)를 가지는 것을 제외하고는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 구조체와 유사한, 예시적인 MTM 안테나 구조체의 3D 도면을 보여준다. 도 4b 및 도 4c는, 연결부 1(451), 연결부 2(452), 연결부 3(453), 연결부 4(454), 및 연결부 5(455)로 나타낸 기계적인 연결 유닛의 예시적인 위치와 함께, 도 4a에 도시된 MTM 안테나 구조체의 상층의 상면도 및 하층의 상면도를 각각 보여준다.

연결부 1(451)은 결합 갭(416)을 통해 셀 패치(401)에 용량적으로 결합되는 피드 라인(412)의 원위단 부분에 위치한다. 앞서 언급한 바와 같이, 피드 라인(412)의 원위단 부분은 용량성 결합을 수정하기 위해 론치 패드를 형성하도록 수정될 수 있다. 이러한 구성에서, 연결부 1(451)은 피드 라인(412)의 수정된 원위단 부분인, 론치 패드에 위치하는 것으로 보일 수 있다. 연결부 1(451)에 위치한 전도성의 기계적인 연결 유닛은 론치 패드(또는 피드 라인(412)의 원위단 부분)의 체적 및/또는 면적을 실질적으로 증가시킬 수 있으므로, 주로 좌현 직렬 커패시턴스(left-handed series capacitance, CL)을 결정하는 용량성 결합을 변화시킨다. 또한 RH 직렬 인덕터(RH series inductance, LR)은 론치 패드(또는 피드 라인(412)의 원위단부)에 부착된 기계적인 연결 유닛의 형상 및 크기에 영향을 받을 수 있다. 따라서 주파수 튜닝 및 임피던스 매칭은 연결부 1(451)에서 적절한 구성의 기계적인 연결 유닛을 사용함으로써 최적화될 수 있다.

연결부 2(452)는 나선(438)의 단부에 위치하여, 실질적으로 그 길이를 증가시킨다. 이 더 긴 나선은 저주파수 영역으로 향하는 RH 단극 공진의 편이(shifting)에 기여할 수 있다.

연결부 3(453)은 상층의 셀 패치(404)와 하층의 비아 라인(448)을 연결하는 비아 1(420) 대신에 사용된다. 따라서 연결부 3(453)에서의 기계적인 연결 유닛은 PCB에 비아 1(420)를 형성할 필요를 없앨 수 있는 동시에, PCB를 인클로저에 연결하는 기계적인 기능을 수행한다. 연결부 3(453)에서의 기계적인 연결 유닛의 형상 및 치수는 LH 션트 인덕턴스(LL)에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 주파수 튜닝 및 임피던스 매칭은 원래 셀 패치(404)와 비아 라인(448)을 연결하는 비아 대신에 적절한 구성의 기계적인 연결 유닛을 사용함으로써 최적화될 수 있다.

연결부 4(451)는 상층에 있는 상부 나선부(436)의 하나의 세그먼트를 하층에 있는 하부 나선부(440)의 다른 세그먼트에 연결하는 비아(432) 대신에 사용된다. 기계적인 연결 유닛이 나선(438)에 사용된 비아 대신에 사용될 때, 그 기계적인 연결 유닛의 형상 및 크기는 RH 단극 공진에 영향을 미칠 수 있다. 도 4a - 도 4b에 도시된 바와 같은 수직 나선의 경우, 하나 이상의 비아가 이러한 기계적인 부분으로 교체될 수 있다.

연결부 5(455)는 비아 라인(448) 중 일부분에 위치한다. 연결부 5(455)에서의 기계적인 연결 유닛은, LH 션트 인덕턴스(LL)에 영향을 미치는 비아 라인의 길이, 면적, 및 체적을 실질적으로 증가시킬 수 있다. 따라서 주파수 튜닝 및 임피던스 매칭은 비아 라인(448)과 함께 적절한 구성의 기계적인 연결 유닛을 사용함으로써 최적화될 수 있다.

앞서 예시한 바와 같이, 기계적인 연결은 물론 MTM 안테나의 전도성 부분에 대한 전도성의 연장부를 제공하는 기계적인 연결 유닛은 MTM 안테나의 여러 곳에 사용될 수 있다. 예를 들면, 연결부 1 및 연결부 3은 두 개의 기계적인 연결 유닛의 형상 및 크기를 최적화함으로써 안테나 성능을 더 향상시키는 데 사용될 수 있다. 유사한 기계적인 구현예는, 단층의 금속배선(SLM) MTM 안테나, 이층 금속배선 비아레스(TLM-VL) MTM 안테나 구조체, 적어도 하나의 비아를 구비한 다층 MTM 안테나 구조체와 같은, 앞서 언급한 폭넓고 다양한 MTM 안테나로 이루어질 수 있다. 다중 기판 구조체의 경우, 기계적인 연결 유닛은 기판 중 하나를 다른 기판 또는 기판들에, 인클로저에, 기판들과 인클로저의 일부에, 또는 기판들과 인클로저 전부에 기계적으로 연결할 수 있다. 위의 예에서 수직 나선형이 RH 단극 모드를 유도하기 위해 피드 라인에 부착되는 전도성 라인에 사용된다. 그러나, 직사각형, 불규칙한 형상, 지그재그형, 평면 나선형, 미앤더형, 또는 상이한 형상들의 조합과 같은, 여러 상이한 기하학적 형상 및 크기가 유사한 목적을 위해 사용될 수 있다. 따라서, 기계적인 연결 유닛은 이들 형상 중 어느 것으로 구현될 수 있다.

MTM 안테나 장치에 기계적인 결합과 전기적인 전도를 모두 제공하기 위해 도전성 물질로 이루어지는 하나 이상의 기계적 연결 유닛을 사용하는 전술한 기술은, 본 명세서에 기술된 MTM 구조체 및 인용에 의해 본 명세서의 일부로서 포함되는 참조문헌에 기술된 MTM 구조체 등, 다양한 MTM 안테나 구조체에 구현될 수 있다.

본 명세서는 많은 구체적인 사항을 포함하지만, 이들은 발명 또는 특허청구될 수 있는 범위를 한정하는 것이 아니라, 본 발명의 구체적인 실시예에만 있는 특징에 대한 설명으로 해석되어야 한다. 개별 실시예의 맥락에서 본 명세서에 기술된 일정한 특징들은 하나의 실시예에서 조합으로 구현될 수 있다. 반대로, 하나의 실시예의 맥락에서 기술된 다양한 특징은 복수의 실시예에서 개별적으로 구현될 수 있거나 임의의 적당한 부분 조합(subcombination)로 구현될 수도 있다. 또한,

이상에서는 특징들이 특정한 조합으로 작용하는 것으로 기술되고 그와 같이 특허청구되기도 하지만, 특허청구되는 조합 중 하나 이상의 특징은 어떤 경우에 그 조합에서 삭제될 수 있으며, 특허청구된 조합은 부분 조합 또는 부분 조합의 변형예에 관한 것일 수 있다.

이상에서는 몇 개의 구현예만을 개시하였다. 개시된 구현예의 변형예 및 개선과 다른 구현예들은 개시 및 예시된 것에 기초하여 이루어질 수 있다.

Claims

기판 구조체;
상기 기판 구조체에 의해 지지되고, 접지 전극 및 복수의 도전성 부분을 포함하도록 구조화된 하나 이상의 금속배선층 - 상기 접지 전극은 상기 하나 이상의 금속배선층 중 하나에 형성되고, 상기 복수의 도전성 부분은 상기 하나 이상의 금속배선층 중 적어도 하나에 형성됨 -; 및
각각이 상기 기판의 구조체의 부분들 또는 상기 기판 구조체를 장치 인클로저에 기계적으로 결합시키고 상기 복수의 도전성 부분 중 적어도 하나에 전기적으로 결합되는, 하나 이상의 연결 유닛
을 포함하고,
상기 복수의 도전성 부분, 상기 하나 이상의 연결 유닛, 및 상기 기판 구조체의 적어도 일부는 안테나 신호와 연관된 복수의 주파수 공진을 보이는 복합 좌우현(CRLH) 메타물질 안테나 구조체를 형성하도록 구성되는, 메타물질 안테나 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 도전성 부분은,
셀 패치;
상기 셀 패치 가까이에서 상기 셀 패치에 용량적으로 결합되는 원위단, 및 피드 포트에 결합되어 상기 셀 패치에의 그리고 상기 셀 패치로부터의 상기 안테나 신호를 안내하는 근위단을 가지는 피드 라인; 및
상기 셀 패치를 상기 접지 전극에 결합하는 비아 라인을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 상기 셀 패치에 전기적으로 결합하는 제1 연결 유닛을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 상기 피드 라인의 원위단 부분에 전기적으로 결합하는 제1 연결 유닛을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제2항에 있어서,
상기 피드 라인의 원위단 부분은 용량성 결합을 수정하기 위해 론치 패드를 형성하도록 수정되는, 메타물질 안테나 장치.
제5항에 있어서,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 상기 론치 패드에 전기적으로 결합하는 제1 연결 유닛을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 상기 비아 라인에 전기적으로 결합하는 제1 연결 유닛을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제2항에 있어서,
상기 피드 라인은 전도성 라인 부착물을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제8항에 있어서,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 상기 전도성 라인 부착물에 전기적으로 결합하는 제1 연결 유닛을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제8항에 있어서,
상기 전도성 라인 부착물은 미앤더 라인형, 평면 나선형, 지그재그 라인형, 수직 나선형, 또는 다른 형상들의 조합을 가지도록 구조화되는, 메타물질 안테나 장치.
제10항에 있어서,
상기 전도성 라인 부착물은, 제1 금속배선층 내의 복수의 제1 세그먼트, 제2 금속배선층 내의 복수의 제2 세그먼트, 및 상기 제1 금속배선층과 상기 제2 금속배선층 사이에 형성되어 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트를 여러 위치에서 연결하는 복수의 비아를 포함하고,
상기 제1 세그먼트, 상기 제2 세그먼트, 및 상기 비아는 상기 수직 나선형을 형성하도록 구성되는, 메타물질 안테나 장치.
제10항에 있어서,
상기 전도성 라인 부착물은, 제1 금속배선층 내의 복수의 제1 세그먼트, 제2 금속배선층 내의 복수의 제2 세그먼트, 상기 제1 세그먼트 중 하나와 상기 제2 세그먼트 중 하나를 하나의 위치에서 전기적으로 결합하는 상기 하나 이상의 연결 유닛 중 하나, 및 상기 제1 금속배선층과 상기 제2 금속배선층 사이에 형성되어 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트를 상기 하나의 위치 이외의 여러 위치에서 연결하는 복수의 비아를 포함하고,
상기 제1 세그먼트, 상기 제2 세그먼트, 상기 하나 이상의 연결 유닛 중 하나, 및 상기 비아는 상기 수직 나선형을 형성하도록 구성되는, 메타물질 안테나 장치.
제10항에 있어서,
상기 전도성 라인 부착물은, 제1 금속배선층 내의 복수의 제1 세그먼트, 제2 금속배선층 내의 복수의 제2 세그먼트, 상기 제1 세그먼트 중 하나와 상기 제2 세그먼트 중 하나를 제1 위치에서 전기적으로 결합하는 상기 하나 이상의 연결 유닛 중 제1 연결 유닛, 상기 제1 세그먼트 중 하나와 상기 제2 세그먼트 중 하나를 제2 위치에서 전기적으로 결합시키는 상기 하나 이상의 연결 유닛 중 제2 연결 유닛, 및 상기 제1 금속배선층과 상기 제2 금속배선층 사이에 형성되고 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트를 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치 이외의 여러 위치에서 연결하는 복수의 비아를 포함하고,
상기 제1 세그먼트, 상기 제2 세그먼트, 상기 하나 이상의 연결 유닛 중 제1 연결 유닛, 상기 하나 이상의 연결 유닛 중 제2 연결, 및 상기 비아는 상기 수직 나선형을 형성하도록 구성되는, 메타물질 안테나 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 도전성 부분은,
제1 금속배선층 내에 형성된 셀 패치;
상기 셀 패치 가까이에서 상기 셀 패치에 용량적으로 결합되는 원위단, 및 피드 포트에 결합되어 상기 셀 패치에의 그리고 상기 셀 패치로부터의 상기 안테나 신호를 안내하는 근위단을 가지는 피드 라인;
제2 금속배선층에 내에 형성되고 상기 접지 전극에 결합되는 비아 라인; 및
상기 제1 금속배선층와 상기 제2 금속배선층 사이에 형성되고 상기 셀 패치를 상기 비아 라인에 결합시키는 비아를 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 도전성 부분은,
제1 금속배선층 내에 형성된 셀 패치;
상기 셀 패치 가까이에서 상기 셀 패치에 용량적으로 결합되는 원위단, 및 피드 포트에 결합되어 상기 셀 패치에의 그리고 상기 셀 패치로부터의 상기 안테나 신호를 안내하는 근위단을 가지는 피드 라인; 및
제2 금속배선층에 내에 형성되고 상기 접지 전극에 결합되는 비아 라인을 포함하고,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 상기 셀 패치와 상기 비아 라인을 전기적으로 결합시키는 제1 연결 유닛을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 제1 연결 유닛을 포함하고,
상기 제1 연결 유닛은,
도전성 스크류 물질로 이루어지고, 상기 장치 인클로저와 기계적으로 결합되는 스크류; 및
도전성 스크류 보스 물질로 이루어지고, 상기 스크류, 상기 장치 인클로저, 및 상기 기판 구조체와 기계적으로 결합되고 상기 스크류 및 상기 복수의 도전성 부분 중 적어도 하나에 전기적으로 결합하는 스크류 보스를 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 도전성 부분은,
복수의 셀 패치;
상기 복수의 셀 패치 가까이에서 상기 복수의 셀 패치 중 하나 이상에 용량적으로 결합되는 원위단, 및 피드 포트에 결합되어 상기 복수의 셀 패치 중 하나 이상에의 그리고 상기 복수의 셀 패치 중 하나 이상으로부터의 상기 안테나 신호를 안내하는 근위단을 가지는 피드 라인; 및
상기 복수의 셀 패치 각각을 상기 접지 전극에 결합시키는 복수의 비아 라인을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제17항에 있어서,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 상기 셀 패치 중 하나에 결합된 제1 연결 유닛, 및 상기 셀 패치 중 다른 하나에 결합된 제2 연결 유닛을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
제17항에 있어서,
상기 하나 이상의 연결 유닛은 상기 비아 라인 중 하나에 결합된 제1 연결 유닛, 및 상기 비아 라인 중 다른 하나에 결합된 제2 연결 유닛을 포함하는, 메타물질 안테나 장치.
장치 인클로저;
상기 장치 인클로저 내부에 있는 기판 구조체;
상기 기판 구조체에 의해 지지되는 접지 전극;
상기 기판 구조체에 의해 지지되는 복수의 도전성 부분; 및
도전성 물질로 이루어지고, 상기 기판 구조체를 상기 장치 인클로저에 기계적으로 결합시키고 상기 복수의 도전성 부분 중 적어도 하나에 전기적으로 결합되는 기계적인 커넥터
를 포함하고,
상기 기계적인 커넥터, 상기 접지 전극, 상기 기판 구조체의 적어도 일부, 및 상기 복수의 도전성 부분은 안테나 신호와 연관된 하나 이상의 주파수 공진을 보이는 좌우현(CRLH) 메타물질 안테나 구조체를 형성하도록 구성되는, 메타물질 안테나 장치.
제20항에 있어서,
상기 도전성 부분 및 상기 접지 전극은 상기 기판 구조체의 하나의 표면 상에 형성되는, 메타물질 안테나 장치.
제20항에 있어서,
상기 도전성 부분 및 상기 접지 전극은 상기 기판 구조체의 둘 이상의 표면 상에 형성되는, 메타물질 안테나 장치.