KR20210035728A - 기판 집적형 도파관에 기초한 광학 제어식 밀리미터파 스위치 - Google Patents

기판 집적형 도파관에 기초한 광학 제어식 밀리미터파 스위치 Download PDF

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KR20210035728A
KR20210035728A KR1020200100414A KR20200100414A KR20210035728A KR 20210035728 A KR20210035728 A KR 20210035728A KR 1020200100414 A KR1020200100414 A KR 1020200100414A KR 20200100414 A KR20200100414 A KR 20200100414A KR 20210035728 A KR20210035728 A KR 20210035728A
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미하일 니콜라예비치 마쿠린
게네디 알렉산드로비치 에브튜시킨
안톤 세르게예비치 루캬노프
아르템 유리예비치 니키쇼브
엘레나 알렉산드로브나 시펠레바
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Abstract

SIW를 통과하는 파의 기생 복사를 차단하기 위한 광학 제어식 스위치는, SIW의 하부 층과 전기적으로 연결되고 유전체 갭에 의해 SIW의 상부 층으로부터 분리되는 단락 비아를 포함하는 SIW, SIW의 단락 비아 및 상부 층과 전기적으로 연결되는 광도전 요소, 및 SIW의 상부 층으로부터 돌출된 전도성 벽들에 의해 형성되는 차단 도파관을 포함한다.

Description

기판 집적형 도파관에 기초한 광학 제어식 밀리미터파 스위치 {OPTICALLY-CONTROLLED MILLIMETER-WAVE SWITCH BASED ON SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDE}
아래의 실시예들은 무선 공학에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판 집적형 도파관(Substrate Integrated Waveguide: SIW)에 기초한 광학 제어식 밀리미터파 스위치에 관한 것이다.
현재 5G, 6G, WiGig, 자동차 레이더 등과 같은 밀리미터파 네트워크 및 장치가 활발히 개발되고 있다. 30GHz 이상의 주파수에 대해 밀리미터파 범위에서 이러한 새로운 애플리케이션의 출현을 위해서는 단일 장치 데이터 전송, 감지 기능 및 최적의 전송 방향 검색 기능과 통합할 수 있는 새로운 종류의 요소 및 회로(활성 요소, 안테나, PCB(Printed Circuit Boards), 피더(feeder) 및 스위칭 장치)의 개발이 필요하다. 특히, 많은 응용 분야에서 스위치는 신호 전파 채널들의 스위칭을 제어할 수 있기 때문에 중요한 구성이다.
전파되는 파(wave)의 파장이 매우 작고, 더 낮은 주파수에서는 중요하지 않은 경로의 불연속성이 기생 및 노이즈 효과로 이어질 수 있기 때문에, 30GHz 이상의 주파수에서는 장치 구현의 기술적 특징이 중요하다. 따라서, 낮은 주파수에서 사용되는 종래의 스위치는 높은 손실로 인해 높은 주파수에 대해서는 부적절할 수 있다.
스위치 내의 40GHz 이상의 주파수에서, 부분적으로 덮이고, 완전히 덮인 유전체 갭을 통해 기생 복사가 발생하는데 그것을 덮는 광도전 요소 (photoconductive element)는 비교적 높은 유전 상수(예를 들어, 실리콘의 경우 약 12)를 갖는 복사 조건을 만드는 물질로 만들어지기 때문이다. 결과적으로, 손실이 증가되고, 개방 상태에서 RF 경로의 일치가 저하되고, 외부 크로스토크에 대한 감소가 증가되고, ON/OFF 격리가 저하되고, 제어 광원에서 더 많은 광 전력이 요구된다. 더 많은 광 전력에 의해 발생하는 열에 인해 작동 수명이 단축된다.
일 측면에 따른, 광학 제어식 스위치는, 기판 집적식 도파관(substrate integrated waveguide: SIW) - 상기 SIW은, 전자기파를 입력 및 출력하기 위해 상기 SIW의 단부들에 위치된 제1 포트 및 제2 포트, 및 상기 SIW의 하부 층과 전기적으로 연결되고 유전체 갭에 의해 상기 SIW의 상부 층으로부터 분리되는 단락 비아를 포함함 -; 상기 SIW의 상기 상부 층 상에 위치하고, 상기 SIW의 상기 단락 비아 및 상기 상부 층과 전기적으로 연결되는 광도전 요소 - 상기 광도전 요소는 제어 광속(controlling light flux)의 상태에 따라 유전체 상태 및 도체 상태를 가짐 -; 및 상기 유전체 갭 및 상기 광도전 요소의 주위에 형성되고, 상기 SIW의 상기 상부 층으로부터 돌출된 전도성 벽들에 의해 형성되는 차단 도파관 - 상기 차단 도파관은 광원으로부터 상기 광도전 요소의 제어를 제공하고, 상기 유전체 갭과 상기 광도전 요소를 통해 상기 SIW를 통과하는 파(wave)의 기생 복사를 차단함 -를 포함한다.
상기 차단 도파관의 벽 높이는 상기 차단 도파관에 대한 임계 파장의 1/4 이상일 수 있다.
상기 차단 도파관은 a x b 크기의 직사각형 형태의 단면을 가지고, 상기 a는 상기 b보다 크고, 상기 a는 상기 차단 도파관에 대한 임계 파장의 1/2 보다 작을 수 있다.
상기 차단 도파관은 제1 반경을 갖는 원 형태의 단면을 가지고, 상기 제1 반경은 상기 차단 도파관의 임계 파장 보다 작을 수 있다.
상기 광학 제어식 스위치는, 상기 광원으로부터 상기 광도전 요소의 제어를 제공하고, 상기 차단 도파관의 구멍을 덮는 전도성 그리드 형태로 만들어진 광학적으로 투명한 요소를 더 포함하고, 상기 광학적으로 투명한 요소의 셀 크기는 상기 차단 도파관에 대한 임계 파장 보다 작을 수 있다.
상기 차단 도파관의 내부 공동은 비어 있고, 상기 임계 파장은 공기로 충전된 상기 차단 도파관의 임계 파장이고, 상기 임계 파장은 상기 스위치의 동작 주파수 보다 높을 수 있다.
상기 차단 도파관의 내부 공동은 유전체 물질로 채워지고, 상기 임계 파장은 공기로 충전된 차단 도파관에 대한 임계 파장을 상기 유전체 물질로 채우는 상기 유전체 물질의 유전 상수의 제곱으로 나눈 값일 수 있다.
상기 SIW는, 상기 SIW의 상기 상부 층, 상기 하부 층 및 상기 상부 층 및 상기 하부 층 사이의 유전체 층을 포함하는 PCB; 및 상기 PCB의 상기 상부 층 및 상기 하부 층과 연결되고, 상기 SIW의 측면 벽들을 형성하는 적어도 2개의 열(row)들의 비아들을 더 포함하고, 상기 비아들의 상기 열들 내에 이웃하는 비아들은 상기 스위치에 공급되는 전자기파의 파장의 10 분의 1 미만의 거리로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 거리는 동작 파장의 절반 이상일 수 있다.
상기 광학 제어식 스위치는 상기 광도전 요소에 광을 제공하도록 구성된 광원을 더 포함할 수 있다.
상기 광학 제어식 스위치는 상기 광도전 요소에 광을 제공하도록 구성된 광원을 더 포함하고, 상기 광학적으로 투명한 요소는 상기 광도전 요소에 노출된 상기 광원의 표면 상에 만들어질 수 있다.
상기 차단 도파관은 상기 광원을 수용하기 위한 섹션을 더 포함할 수 있다.
상기 차단 도파관은 적어도 하나의 층을 갖는 PCB에 기초하여 만들어질 수 있다.
상기 차단 도파관을 형성하는 상기 PCB의 모든 층들은 전도성일 수 있다.
상기 차단 도파관을 형성하는 상기 PCB의 기판들은 유전체로 만들어지고, 상기 차단 도파관의 상기 전도성 벽들은 상기 PCB의 전도성 층들을 서로 연결하는 바이들의 열들에 의해 형성될 수 있다.
상기 SIW 및 상기 차단 도파관을 포함하는 상기 스위치는, 전도성 물질 또는 유전체 물질에 기초하여 단일 하우징으로 만들어질 수 있다.
도 1a 내지 1c은 일 예에 따른 광학 제어식 스위치를 도시한다.
도 2는 일 예에 따른 차단 도파관의 높이에 대한 광도전 요소를 통해 복사되는 전력의 의존성을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
도 3은 일 예에 따른 스위치의 반사 계수를 시뮬레이션한 결과이다.
도 4a 및 4b는 열린 상태에서 스위치의 영역 내의 신호 전력 분포이다.
도 5는 일 예에 따른 스위치의 전송 계수를 시뮬레이션한 결과이다.
도 6a 및 6b는 다양한 광원을 사용하는 실시예들을 도시한다.
도 7a 내지 7c는 광학적으로 투명한 요소를 갖는 차단 도파관의 다양한 실시예들을 도시한다.
도 8 내지 11은 다중 PCB들에 기초한 스위치의 다양한 실시예들을 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1a 내지 1c은 일 예에 따른 광학 제어식 스위치를 도시한다.
도 1a 내지 1c는 일 측면에 따른, 광학 제어식 스위치(optically-controlled switch)(이하에서, 키라고 명명될 수 있음)의 측면도, 평면도 및 사시도를 도시한다.
도시된 광도전 요소(photoconductive element: PE)(1)는 PCB(printed circuit board)(2) 상에 설치된다. PCB(2)는 상부 금속화 층(top metallized layer)(3), 유전체 층(dielectric layer)(4), 및 하부 금속화 층(bottom metallized layer)(5)으로 구성된다. PCB(2)의 도시된 세그먼트를 따라, 금속화 비아들(metallized vias)(7)의 평행한 열들(rows)이 기판 집적형 도파관(substrate integrated waveguide: SIW)의 경계들(측면 벽)을 형성하는 광도전 요소(1)로부터 소정 거리에 위치한다. 비아들(7)의 열들 사이의 거리는 도파관의 폭에 대한 제한에 기초하여 선택되며, 도파관의 유전체 충전을 고려하여 동작 파장의 절반 이상이어야 할 수 있다.
도 1a 내지 1c에 도시된 구조는 제1 RF 포트(8) 및 제2 RF 포트(9)를 갖는다. 예를 들어, SIW은 전자기파를 입력 및 출력하기 위해 SIW의 단부들에 위치된 제1 포트(8) 및 제2 포트(9)를 포함한다. 비아들(7)은 PCB(2)의 상부 금속화 층(3) 및 하부 금속화 층(5)과 연결되고, SIW의 측면 벽들을 형성할 수 있다. 비아들(7)은 적어도 2개의 열(row)들로 형성된다. 비아들(7) 사이의 거리는 구현된(implemented) 도파관 외부의 기생 복사를 거의 억제하는 λ/10 미만(범위의 더 높은 주파수에 대응하는 파장의 10분의 1 미만) 이어야 한다. 예를 들어, 비아들(7)의 열들 내에 이웃하는 비아들은 스위치에 공급되는 전자기파의 파장의 10 분의 1 미만의 거리로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기의 거리는 동작 파장의 절반 이상일 수 있다.
PCB(2)에서 도파관의 벽들 사이의 대략 중간에는 단락 비아(shorting via)(6)가 위치한다. 단락 비아(6)는 하부 금속화 층(5)과 직접 접촉하지만 PCB(2)의 상부 금속화 층(3)과는 직접 접촉하지 않고, 유전체 갭(dielectric gap)(10)에 의해 그들로부터 분리된다. 예를 들어, PCB(2)(예를 들어, SIW)는 하부 금속화 층(5)과 직접 접촉하지만, 유전체 갭 (10)에 의해 PCB(2)의 상부 금속화 층(3)으로부터 분리되는 단락 비아(6)를 포함할 수 있다. 광도전 요소(1)는 단락 비아(6)와 상부 금속화 층(3)을 상호 연결한다. 일 측면에 따르면, 광도전 요소(1)는 유전체 갭(10)을 완전히 덮는다.
일 측면에 따르면, 광도전 요소(1)는 제어 광속(controlling light flux)의 상태에 따라 유전체 상태 및 도체 상태를 가질 수 있다. 예를 들어, 광도전 요소(1) 상에 빛이 떨어지는 경우 광도전 요소(1)는 도체 상태에 있을 수 있고, 광도전 요소(1) 상에 빛이 떨어지지 않는 경우 광도전 요소(1)는 유전체 상태에 있을 수 있다.
광도전 요소(1) 상에 빛이 떨어지는 경우, 광도전 요소(1)는 도체 상태에 있게 되고, 이에 의해 단락 비아(6)가 활성화되고, 상부 금속화 층(3)이 하부 금속화 층(5)에 단락된다. 단락 비아(6)를 통해 도파관 벽을 따라 흐르는 전류는 상부 금속화 층(3) 및 하부 금속화 층(5)을 단락시키고, 폐쇄 루프가 형성된다. 결과적으로, 제1 포트(8) 상의 SIW에 공급된 전자기 신호(electromagnetic signal) 또는 전자기파(electromagnetic wave)는 광도전 요소(1)의 위치와 단락 비아(6)에 반사되고(reflected), 실질적으로 제2 포트(9)로 전달되지 않는다.
광도전 요소(1) 상에 빛이 떨어지지 않는 경우, 광도전 요소(1)는 유전체 상태에 있고, 단락 비아(6)는 비활성화되고, SIW에서 제1 포트(8)를 통해 공급된 전자기 신호는 약간의 손실과 함께 포트(9)로 전달된다. 링 라디에이터인 유전체 갭(10)의 복사 조건들을 생성하는 광도전 요소(1)에 사용된 물질들은 일반적으로 비교적 높은 유전 상수를 가지기 때문에, 전자기 신호 손실의 일부는 유전체 갭(10)과 광도전 요소(1)를 통한 복사에 의한 손실에 의해 정의될 수 있다.
이러한 기생 복사를 방지하기 위해, 차단 도파관(11)은, PCB(2)의 상부 금속화 층(3) 위로 돌출되고 그에 밀착되는 전도성 벽들에 의해, 유전체 갭(10) 및 광도전 요소(1) 주위의 PCB(2) 상에 형성된다. 차단 도파관(11)의 상부는 광도전 요소(1)의 제어를 제공하도록 설계된다. 예를 들어, 차단 도파관(11)의 상부는 광을 투과시키거나 광원 자체를 차단 도파관(11)의 공동(cavity) 내로 부분적 또는 완전하게 도입(introducing)하기 위해 구멍(hole)을 가질 수 있다. 추가적으로, 차단 도파관(11)은 광원을 제어하는 요소를 포함할 수 있다. 광원은 광도전 요소(1)에 광을 제공하도록 구성될 수 있다.
차단 도파관(11)의 내부 치수들(dimensions)은 광도전 요소(1)를 통한 복사를 차단하도록 설정된다. 기생 복사의 차단은 시스템이 외부 전자기에 의한 영향으로부터 보호됨을 의미할 수 있다. 기생 복사의 차단을 통해, 광도전 요소(1)를 SIW과 매칭시키는 작업(즉, 광도전 요소(1), 단락 비아(6) 및 유전체 갭(10)의 불연속으로부터의 반사와 관련된 신호 손실의 최소화)이 용이해 질 수 있다. 단락 비아(6) 자체의 인덕턴스를 고려하여 광도전 요소(1)의 고유 커패시턴스의 반응성을 보상하기 위해, 단락 비아(6)의 패드의 유전체 갭(10)의 치수들이 선택될 수 있다. 제1 포트(8)로 공급된 전자기 신호는 최소 손실로 제2 포트(9)로 전달될 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 다양한 외부 및 내부 형태들의 차단 도파관들이 적용 가능하다. 예를 들어, 차단 도파관의 내부 단면은 직사각형, 원형 또는 상이한 형상을 가질 수 있다. 차단 도파관의 외부 형상은 직사각형, 정사각형, 원통형 또는 다른 형상일 수 있다. 필요한 경우 차단 도파관의 내부 코너들이 둥글게 될 수 있다. 차단 도파관의 내부 공동은 비어 있거나 유전체 물질들로 채워질 수 있다.
기생 복사를 방지하기 위해 필요한 내부 치수들의 계산들은 차단 도파관의 형태에 따라 이루어질 수 있다.
광도전 요소의 표면으로부터 계산할 때, 차단 도파관의 벽들의 높이(h)는 차단 도파관의 임계 파장(Λ)의 1/4을 초과해야 한다(h>Λ/4). 이 경우, 임계 파장(Λ)은 스위치의 더 높은 동작 주파수에 대응해야 한다. 차단 도파관이 유전 상수(ε)를 갖는 유전체로 채워지면, 값
Figure pat00001
이 차단 도파관의 임계 파장으로 간주된다. 임계 파장은 공기로 충전된 차단 도파관에 대한 임계 파장을 유전체 물질로 채우는 유전체 물질의 유전 상수의 제곱으로 나눈 값일 수 있다.
도 2는 일 예에 따른 차단 도파관의 높이에 대한 광도전 요소를 통해 복사되는 전력의 의존성을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.
해당 결과는 편의를 위해 아래의 [표 1]에 요약된다.
차단 도파관 높이(h) 복사 전력, %
- 23.8
Λ/8 13.2
Λ/4 5
Λ/2 0.5
3Λ/4 0.1
Λ 0.01
도 2의 그래프 및 [표 1]에서 알 수 있는 바와 같이, h>Λ/4의 값에 대해, 손실 전력은 실제 사용에 적합할 수 있다. 차단 도파관의 높이가 높을수록 손실 전력이 낮아진다. 차단 도파관의 정확한 높이 값은 특정 응용 분야의 요구 사항에 따라 스위치 크기와 손실 전력량 사이의 절충을 기반으로 설정될 수 있다.
나머지 치수들, 예를 들어, 차단 도파관이 a x b 크기의 직사각형 형태의 단면을 갖는 경우, 이러한 크기들은 아래의 수학식들에 따라 설정될 수 있다.
Figure pat00002
[수학식 1]에서, m 및 n은 전파 모드의 인덱스들이다.
직사각형 형태의 차단 도파관인 경우, 지배적 모드(가장 큰 파장을 갖는 모드)는 H10이고, 이는 비율 a > b로 특징 지어진다. 차단 도파관의 임계 파장(Λ)은 2ⅹa일 수 있다. 크기 a는 이 주파수에서 기생 복사를 차단하는 효과를 제공하기 위해 스위치의 더 높은 동작 주파수에 대응하는 파장의 반보다 작을 수 있다(a<λ/2). 차단 도파관에 유전체가 채워져 있으면 위의 값
Figure pat00003
도 고려되어야 할 수 있다.
다른 예로, 차단 도파관이 반경 a를 갖는 단면의 원형 형상을 갖는 경우, 반경은 아래의 수학식들을 이용하여 설정된다.
임계 모드 파(Hmn)에 대해,
Figure pat00004
임계 모드 파(Emn)에 대해,
Figure pat00005
원형 도파관에 대해, 주된 모드는 H11 및 E01이다. 반경 a는 이 주파수에서 기생 복사를 차단하는 효과를 제공하기 위해 스위치의 높은 동작 주파수에 대응하는 파장 보다 작아야 한다(a<λ). 차단 도파관에 유전체가 채워져 있다면, 위의 값
Figure pat00006
도 고려되어야 할 수 있다.
일 측면에 따르면, 광원으로서 광섬유가 차단 도파관에 도입될 수 있다. 이 경우, 크기 a를 선택할 때 유전 상수 ε (예를 들어, 광섬유의 경우 5와 같을 수 있음)가 고려되어야 한다.
차단 도파관(11) 및 SIW의 세그멘트와 함께 광도전 요소(1) 및 단락 비아(6)는 광도전 효과에 기초하여 동작하는 광학 제어식 스위치의 역할을 한다. 스위치가 열린(open) 상태(광도전 요소가 꺼져 있고, 전자기 파가 손실 없이 출력 포트로 전달되는 경우)에서 차단 도파관은 스위치 임피던스를 안정화시키고, 입력 포트 및 출력 포트를 서로 매칭시킨다. 이것은 76-82 GHz의 주파수에서 스위치의 반사 계수를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 도 3의 그래프로 확인된다.
도 3은 일 예에 따른 스위치의 반사 계수를 시뮬레이션한 결과이다.
도 3의 점선은 기준 레벨이 -15dB이고, 이 기준보다 낮으면 매칭이 좋지 않으므로 스위치가 차선(sub-optimal) 상태가 된다. 차단 도파관이 없는 경우(상단 실선), 반사 계수는 -7dB 내지 -11dB의 범위에 있으며, 실제 사용에는 허용되지 않는다. 대조적으로, 차단 도파관이 있는 스위치(하단 실선)는 76.4 내지 81 GHz(어두운 영역)의 주파수 대역에서 반사 계수가 -15dB 미만이고, 이는 넓은 주파수 대역에서 향상된 매칭을 의미할 수 있다.
도 4a 및 4b는 열린 상태에서 스위치의 영역 내의 신호 전력 분포이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 차단 도파관이 없는 경우, 입력 포트 및 출력 포트가 미스 매치되고, 전력의 25% 이상이 광도전 요소를 통해 자유 공간으로 복사된다.
대조적으로, 차단 도파관을 갖는 도 4b에서, 입력 포트 및 출력 포트가 매칭되고, 신호의 거의 모든 전력이 SIW을 통과하는 출력 포트로 전달되고, 4% 미만의 적은 양의 전력만이 복사됨을 알 수 있다. 이것은 차단 도파관이 기생 복사를 억제하면서 스위치 손실을 감소시킨다는 것을 의미할 수 있다.
도 5는 일 예에 따른 스위치의 전송 계수를 시뮬레이션한 결과이다.
도 5의 그래프는 76 내지 82 GHz 주파수들에 대한 스위치의 전송 계수를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 도 5의 점선은 기준 레벨이 -1.5dB이고, 이 보다 낮은 손실로 인해 스위치가 차선(sub-optimal) 상태가 된다. 차단 도파관이 없으면(하단 실선), 투과 계수(손실 계수 S12)는 -3dB 범위에 있으며, 이는 25% 이상의 기생 복사 손실에 해당하며 실제 사용에는 허용되지 않는다.
대조적으로, 차단 도파관을 갖는 스위치(상단 실선)는 전체 주파수 대역에서 -1.4dB 보다 높은 전송 계수(어두운 영역)를 갖고, 주파수 대역 중심에서 최소 약 -1.1dB로 가지며, 이는 손실이 감소된 것을 의미한다. 이 경우 복사 손실은 넓은 주파수 대역에서 4% 미만이다.
차단 도파관을 갖는 스위치는 40GHz 이상의 주파수에서 손실이 줄어들고, 매칭이 향상되며 외부 구성 요소의 간섭 영향을 받지 않으므로, 더 많은 전력을 발휘(conduct)할 수 있다. 차단 도파관의 전도성 벽들은 광원으로부터 효율적인 열 제거(heat removal)를 가능하게 한다. 기생 복사 및 가열(heating)이 없으면, 스위치 제어가 개선되고, 광원의 필요한 전력 소비가 감소되고, 스위치의 개방 및 폐쇄 상태들 사이의 격리(isolation)가 개선되고, 광원이 과열(overheating)되는 것을 방지하고, 광원의 수명이 연장된다.
일 측면에 따르면, 스위치의 공급/바이어스 회로들은 RF 경로와 분리되어 있다. 급전 광의 전력을 변경함으로써 스위치의 특성이 제어될 수 있다. 또한, 이러한 스위치는 SIW의 원하는 위치에 쉽게 통합될 수 있다. 또한, 스위치는 동작 주파수 대역이 비교적 넓다.
아래에서, 본 발명의 실시 형태들에 대해 설명된다. 본 발명은 기재된 실시예로 제한되지 않으며, 당업자가 고주파 스위치를 생성하는 개시된 원리에 따라 다른 실시예를 얻을 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
전술된 바와 같이, 차단 도파관(11)의 상부는 광도전 요소(1)의 제어를 제공하도록 설계된다. 예를 들어, 차단 도파관(11)의 상부는 광을 투과 시키거나, 광원 자체를 차단 도파관(11)의 공동 내로 부분적으로 또는 완전하게 도입하기 위해 구멍을 가질 수 있다. 추가적으로, 차단 도파관(11)의 상부의 구멍을 통해 광원 제어 요소가 도입될 수 있다. 스위치의 광원으로 적합한 소스가 사용될 수 있다. 적합한 광원의 예로, 차단 도파관 내부 또는 외부에 배치된 발광 다이오드(LED)(13)(예를 들어, 차단 도파관의 상부 표면 상에 장착됨 - 도 6a), 차단 도파관 내부에 광섬유(14)가 도입되거나 도입되지 않은 레이저 다이오드(도 6b), 수직 공동 표면 방출 레이저(또는 간단히 수직 방출 레이저, VCSEL) 등이 사용될 수 있다. 특히, 940nm의 파장을 갖는 적외선 광원이 실리콘 광도전 요소를 제어하는데 가장 효과적이다. 광학 제어식 스위치에 기존 적외선 LED를 사용하는 것이 편리할 수 있다.
일 측면에 따르면, 차단 도파관(11)의 상부에서 벽들의 높이(h) 위에, 광원을 배치(위치 및/또는 고정)하기 위해 섹션(12)이 만들어 질 수 있다(예를 들어, 도 1a 참조). 섹션(12)의 형상과 치수들은 특정 응용 분야의 요구 사항에 따라 설정될 수 있다. 예를 들어, 섹션(12)의 외벽은 차단 도파관의 하부 주요 부분(underlying main part)의 외벽들의 기하학적 구조를 반복할 수 있고, 내벽들은 도 6a (섹션(12)의 외부) 또는 도 1a (섹션(12)의 내부)에 도시된 LED(13) 또는, 도 6b (섹션(12)의 벽들 사이에 원형 구멍 내)에 도시된 광섬유(14)를 편리하고 확실하게 고정하도록 선택될 수 있다. 섹션(12) 별들의 재료는 임의로 선택될 수 있다. 예를 들어, 열 방출(광원으로부터의 열 방출을 개선하고, 상기 언급된 스위치 특성을 증가시키기 위해) 및/또는 차단 도파관의 하부 주요 부분 벽들의 재료와 동일할 수 있다(따라서 설계 및 제조의 단순화를 제공함).
일 측면에 따르면, 광도전 요소(1) 위의 높이 h 내지 Λ/4 에서, 광학적으로 투명한 요소(15)는 차단 도파관(11)의 상부 표면 상에 또는 차단 도파관(11)의 주요 부분 위의 영역에 배치될 수 있다(디자인에 따라). 광학적으로 투명한 요소(15)는 투광성 구멍을 덮는 전도성 그리드 형태의 투명 요소일 수 있다. 그리드의 형상은 임의적일 수 있지만, 셀 크기는 Λ×Λ 보다 훨씬 작아야 하고, 이 경우에 광학적으로 투명한 요소(15)는 도파관에서 전파되는 파동을 위한 반사 표면일 수 있다. 광학적으로 투명한 요소(15)는 독립적인 요소일 수 있거나, 광도전 요소(1)에 노출된 광원의 표면 상에 만들어질 수 있다. 이 경우, 광학적으로 투명한 요소(15)는 광원으로부터의 광 손실을 피하기 위해 충분히 얇고 광학적으로 투명해야 한다.
도 7a 내지 도 7c는 광학적으로 투명한 요소(15)를 갖는 차단 도파관(11)의 다양한 실시예들을 도시한다.
도 7a는 임계 파장을 고려하여 상기의 관계들에 기초하여 선택된 내부 단면 치수들을 갖는 직사각형 차단 도파관(11)을 도시한다. 거친 그리드(Λ×Λ 미만)를 갖는 광학적으로 투명한 요소(15)가 차단 도파관의 상부 표면 상에 배치된다. 이 경우, 복사 전력은 1% 이하이다.
도 7b는 도 7a의 차단 도파관(11)과 동일한 차단 도파관(11)을 도시하지만, 도 7b의 광학적으로 투명한 요소(15)는 도 7a의 거친 그리드에 비해 상당히 미세한 그리드를 갖는다. 도 7b 실시예에 대한 시뮬레이션 결과는 방사 전력이 0.001% 이하이다.
도 7c는 도 7a 및 7b에 의해 설명된 것보다 약간 더 큰 내부 단면을 갖는 차단 도파관(11)을 도시한다. 그러나, 차단 도파관(11)의 내부 공동 치수들에 따른 이러한 부정확성 조차도 광학적으로 투명한 요소(15)(여기에서는, 셀 크기가 도 7a 보다 작고, 도 7b 보다 큰 그리드)의 존재로 인해 큰 영향을 미치지 않는다. 도 7c 실시예에 대한 시뮬레이션 결과는 방사 전력이 1.2% 이하이다.
차단 조건을 준수하도록 특정된 명시된 차단 도파관 치수들은 제조 동안 엄격하게 관찰되지 않거나, 특정 응용의 요구 사항들로 인해 전혀 관찰되지 않을 수 있다(예를 들어, 섹션(12)를 설치함으로써 차단 도파관의 높이를 증가시키지 않고, LED가 약간 더 넓은 공동 내에 배치되는 경우).
광학적으로 투명한 요소로 인하여, 차단 도파관을 통한 기생 복사의 더 효율적인 억제가 차단 도파관의 벽의 낮은 높이에서도 보장되고, 동작 주파수 대역폭이 증가하고, 차단 도파관의 제조 품질 및 차단 조건의 준수에 대한 요구 사항들이 일반적으로 감소된다. 셀 크기 및 광학적으로 투명한 요소(15)의 투명성 사이의 절충을 달성함으로써 스위치의 특성이 조정될 수 있다.
전술된 실시예는 차단 도파관이 SIW 상에 설치되고, 단단한 벽들을 갖는 단일의 개별 요소로서 만들어진 실시예이다.
다른 실시예에 따르면, SIW과 유사한 차단 도파관이 하나 이상의 단층 PCB 또는 다층 PCB에 기초하여 만들어질 수 있다. 따라서, PCB를 기반으로 스위치의 설계가 간단하고 완벽하게 이루어질 수 있다. 차단 도파관을 제조하기 위해 하나의 PCB가 사용되는 경우, PCB의 두께는 높이(h)와 일치해야 한다.
스위치를 제조하기 위해, 서로 겹쳐진 여러 개의 PCB들이 사용되는 경우, 예를 들어, 도 8 내지 11에 도시된 바와 같이, 각 보드의 대응 홀의 크기를 설정함으로써 광원을 수용하기 위한 섹션(12)을 형성하는 것이 편리하다. 따라서, 도 8, 9 및 11은 광원이 LED(13)인 변형 예들을 도시하고, 광원은 차단 도파관의 주요 부분을 형성하는 하부 PCB 내의 홀 보다 큰 홀을 갖는 상부 PCB로 형성된 섹션(12) 내에 배치된다. 도 10은 광원이 광섬유(14)인 실시예를 도시하고, 차단 도파관의 주요 부분을 구성하는 하부 회로 기판의 홀 보다 작은 홀을 갖는 상부 회로 기판으로 형성된 섹션(12)에 고정된다.
차단 도파관의 벽들이 전도성이어야 한다는 것을 고려하면, 차단 도파관을 형성하는 PCB의 모든 층들도 전도성이어야 한다. 이를 위해, 도 8에 도시된 바와 같이, 전도성 기판(16)(또는 단순히 전도성 시트 요소들의 세트)을 갖는 PCB들이 사용될 수 있고, 이러한 PCB들(또는 세트들)은 차단 도파관의 벽들의 역할을 완전히 수행한다.
다른 예에서, PCB들의 기판은 유전체(17)로 제조될 수 있고, 차단 도파관의 벽은 도 9 내지 11에 도시된 바와 같이, 이들 PCB들의 전도 층들을 상호 연결하는 비아들(18)의 열(row)들에 의해 형성될 수 있다. 이들 비아들(18) 사이의 거리는 벽들을 통해 도파관에서 전파되는 파들(waves)을 허용하지 않아야 한다. 도 9 내지 11의 경우에, 차단 도파관을 형성하는 PCB 기판의 유전체 물질은 실제로 도파관의 내벽 외부에 위치되기 때문에 실질적인 중요성을 갖지 않으므로, 임의의 종래의 PCB가 사용될 수 있다. 예를 들어, 종래의 PCB는 유리 섬유 라미네이트 FR4일 수 있다. 종래의 PCB의 사용은 광학 제어식 스위치의 제조 비용을 단순화시키고, 감소시킬 수 있습니다.
광원 고정의 신뢰성을 증가시키기 위해, 패스너(fasteners)(예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이 에폭시 접착제(19))가 사용될 수 있다. 필요한 경우, 전체 제조의 신뢰성, 운송 및 운영 편의성을 높이기 위해, 적절한 경우 모든 공동들을 포함하는 전체 차단 도파관, 또는 SIW 및 차단 도파관을 포함한 전체 스위치는 전도성 또는 유전체 물질에 기초하여 하나의 하우징 내에 형성될 수 있다. 전체 차단 도파관 또는 전체 스위치는 도 11에 도시된 바와 같이 에폭시 접착제(19)로 코팅될 수도 있다.
일 측면에 따르면, 하우징을 만들고 스위치의 전체 주변에서 강도와 차폐를 증가시키기 위해 전기적으로 상호 연결된 비아의 열들이 PCB들의 모든 층들에 만들어 질 수 있다.
광학 제어식 스위치는 시그널링 장치들의 고주파 경로들에 사용될 수 있는 SMD-레디 구성 요소(101)(칩 구성 요소, 표면 실장(surface mounting)을 위한 구성 요소)로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 스위치는 도 11에 도시된 바와 같이 SIW(201)에 기초한 피더(feeder) 라인들 및 안테나들을 포함하는 다른 PCB들(200) 상에 설치될 수 있다.
SIW을 기초로 하고, 차단 도파관을 사용하는 밀리미터파 광학 제어식 스위치의 구성 원리 및 기본 예들이 여기에 나타나고 있음이 이해되어야 한다. 이러한 원리들을 사용하는 당업자는 어떠한 창의적인 노력도 없이 본 발명의 다른 실시예들을 얻을 수 있을 것이다.
<적용성>
본 발명에 따른 이러한 광학 제어식 스위치를 사용하여 만들어진 적응형 빔 포밍을 갖는 안테나들은 RF 신호에 의해 제어가 필요한 전자 장치에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 미래 표준 5G, 6G 및 WiGig의 이동 통신 네트워크, 다른 센서, Wi-Fi 네트워크, 장거리를 포함한 무선 전력 전송, "스마트 홈" 시스템, 자동차 네비게이션, 사물 인터넷(IoT), 및 무전 전력 충전 등을 위한 밀리미터파 범위에서 사용되는 전자 장치일 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (16)

  1. 광학 제어식 스위치는,
    기판 집적식 도파관(substrate integrated waveguide: SIW) - 상기 SIW은, 전자기파를 입력 및 출력하기 위해 상기 SIW의 단부들에 위치된 제1 포트 및 제2 포트, 및 상기 SIW의 하부 층과 전기적으로 연결되고 유전체 갭에 의해 상기 SIW의 상부 층으로부터 분리되는 단락 비아를 포함함 -;
    상기 SIW의 상기 상부 층 상에 위치하고, 상기 SIW의 상기 단락 비아 및 상기 상부 층과 전기적으로 연결되는 광도전 요소 - 상기 광도전 요소는 제어 광속(controlling light flux)의 상태에 따라 유전체 상태 및 도체 상태를 가짐 -; 및
    상기 유전체 갭 및 상기 광도전 요소의 주위에 형성되고, 상기 SIW의 상기 상부 층으로부터 돌출된 전도성 벽들에 의해 형성되는 차단 도파관 - 상기 차단 도파관은 광원으로부터 상기 광도전 요소의 제어를 제공하고, 상기 유전체 갭과 상기 광도전 요소를 통해 상기 SIW를 통과하는 파(wave)의 기생 복사를 차단함 -
    를 포함하는,
    광학 제어식 스위치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차단 도파관의 벽 높이는 상기 차단 도파관에 대한 임계 파장의 1/4 이상인,
    광학 제어식 스위치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차단 도파관은 a x b 크기의 직사각형 형태의 단면을 가지고, 상기 a는 상기 b보다 크고, 상기 a는 상기 차단 도파관에 대한 임계 파장의 1/2 보다 작은,
    광학 제어식 스위치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차단 도파관은 제1 반경을 갖는 원 형태의 단면을 가지고, 상기 제1 반경은 상기 차단 도파관의 임계 파장 보다 작은,
    광학 제어식 스위치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 광도전 요소의 제어를 제공하고, 상기 차단 도파관의 구멍을 덮는 전도성 그리드 형태로 만들어진 광학적으로 투명한 요소
    를 더 포함하고,
    상기 광학적으로 투명한 요소의 셀 크기는 상기 차단 도파관에 대한 임계 파장 보다 작은,
    광학 제어식 스위치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 차단 도파관의 내부 공동은 비어 있고, 상기 임계 파장은 공기로 충전된 상기 차단 도파관의 임계 파장이고, 상기 임계 파장은 상기 스위치의 동작 주파수 보다 높은,
    광학 제어식 스위치.
  7. 제2항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 차단 도파관의 내부 공동은 유전체 물질로 채워지고, 상기 임계 파장은 공기로 충전된 차단 도파관에 대한 임계 파장을 상기 유전체 물질로 채우는 상기 유전체 물질의 유전 상수의 제곱으로 나눈 값인,
    광학 제어식 스위치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 SIW는,
    상기 SIW의 상기 상부 층, 상기 하부 층 및 상기 상부 층 및 상기 하부 층 사이의 유전체 층을 포함하는 PCB; 및
    상기 PCB의 상기 상부 층 및 상기 하부 층과 연결되고, 상기 SIW의 측면 벽들을 형성하는 적어도 2개의 열(row)들의 비아들
    을 더 포함하고,
    상기 비아들의 상기 열들 내에 이웃하는 비아들은 상기 스위치에 공급되는 전자기파의 파장의 10 분의 1 미만의 거리로 서로 이격되어 배치되는,
    광학 제어식 스위치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 거리는 동작 파장의 절반 이상인,
    광학 제어식 스위치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광도전 요소에 광을 제공하도록 구성된 광원
    을 더 포함하는,
    광학 제어식 스위치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 광도전 요소에 광을 제공하도록 구성된 광원
    을 더 포함하고,
    상기 광학적으로 투명한 요소는 상기 광도전 요소에 노출된 상기 광원의 표면 상에 만들어지는,
    광학 제어식 스위치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 차단 도파관은 상기 광원을 수용하기 위한 섹션을 더 포함하는,
    광학 제어식 스위치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 차단 도파관은 적어도 하나의 층을 갖는 PCB에 기초하여 만들어지는,
    광학 제어식 스위치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 차단 도파관을 형성하는 상기 PCB의 모든 층들은 전도성인,
    광학 제어식 스위치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 차단 도파관을 형성하는 상기 PCB의 기판들은 유전체로 만들어지고,
    상기 차단 도파관의 상기 전도성 벽들은 상기 PCB의 전도성 층들을 서로 연결하는 바이들의 열들에 의해 형성되는,
    광학 제어식 스위치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 SIW 및 상기 차단 도파관을 포함하는 상기 스위치는, 전도성 물질 또는 유전체 물질에 기초하여 단일 하우징으로 만들어지는,
    광학 제어식 스위치.
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