KR20210060331A

KR20210060331A - 듀얼 밴드 패치를 구비한 다층 안테나

Info

Publication number: KR20210060331A
Application number: KR1020200151228A
Authority: KR
Inventors: 하지자 데디
Original assignee: 웨이퍼 엘엘씨; 스데로테크 인코포레이티드
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-05-26
Also published as: JP2021083087A; EP3823094A1; US11728577B2; US20210151900A1; CN112928494A

Abstract

복수의 방사 패치를 갖는 어레이 안테나가 제공된다. 각 패치는 제1 방향을 따라 하나의 주파수 밴드 및, 제1방향에 직교하는 제2 방향을 따라 다른 주파수 밴드에서 동작한다. 각 방사 패치로부터의 신호는, 가변 유전 상수 플레이트를 횡단하는 　2개의 지연 라인에 커플된다. 전위는, 지연 라인 부근의 　VDC 플레이트의 유전 상수를 변경하여, 신호 이동에 지연을 도입하도록, 각 지연 라인에 제어가능하게 인가된다. 각 방사 패치에 인가된 2개의 직교 지연 라인으로부터 전위를 절연시키기 위해, 적어도 하나의 지연 라인이, RF 에너지를 방사 패치에 용량성으로 커플링하는 커플링 패치에 접속된다.

Description

듀얼 밴드 패치를 구비한 다층 안테나{MULTI-LAYERED ANTENNA HAVING DUAL-BAND PATCH}

관련 출원

본 출원은 2019년 11월 15에 출원된 미국 가출원 제62/936,283호에 대한 우선권 주장 출원이며, 미국 가출원에 개시된 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함된다.

개시되는 발명은 무선 전송 안테나 및 그 안테나 제조 방법에 관한 것이다.

종래 개시에서, 본 발명자는 가변 유전 상수를 이용하여 안테나 특성을 제어하는 안테나를 개시하였다. 이러한 안테나에 대한 상세한 내용은 미국 등록 특허 제7,466,269호에 기재되어 있고, 이 특허에 개시된 모든 내용이 본 명세서에서 참고로 포함된다. 이전 개시에서, 본 발명자는 각 지연 라인 부근 영역의 유전 상수를 독자적으로 조절하는 소프트웨어 제어를 이용하여 어레이 안테나가 어떻게 조절 또는 스캐닝되는 지에 대하여 상술하였다. 본 명세서는 유사한 조절/스캐닝 메카니즘을 구현하지만, 상이한 주파수 대역에서 송신 및 수신하는 안테나에서 소프트웨어 제어가 구현되도록 할 수 있다.

이하 요약은 본 발명의 일부 양상 및 특징에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위한 것이다. 본 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니며, 본 발명의 핵심 또는 주요 구성요소를 특정하거나 본 발명의 범위를 기술하기 위한 것이 아니다. 본 요약의 유일한 목적은 아래에서 제공되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 본 발명의 일부 개념을 간소화된 형태로 소개하는 데 있다.

본 발명은 가변 유전 상수 안테나에 대한 다양한 개선점 및 발전 내용을 소개하고, 개선된 어레이 안테나 및 안테나 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예는 가변 유전체를 이용하여 지연 라인을 제어함으로써 안테나의 공간적 방위에 대한 위상 천이를 발생시키는 소프트웨어 정의 안테나(software defined antenna)를 제공한다. 개시된 실시예는 안테나 및 통합 공급(corporate feed) 디자인을 분리시킨다. 또한, 개시된 실시예는 RF 및 DC 전위를 직교하는 지연 라인들로부터 분리한다. 안테나의 다양한 구성 요소, 예컨대 라디에이터(radiator), 통합 공급(feed), 가변 유전체, 위상 천이 제어 라인 등은 다층 안테나 구조의 여러 층에서 제공된다.

다양하게 개시된 특징은 방사 요소 및 공급 라인 간에 RF 신호 커플링을 위한 구조(arrangement), 송수신용 이중 주파수 밴드 구조, 증가된 대역폭 구조, 및 안테나 제조 방법을 포함한다.

본 발명의 다른 양태와 특징은 첨부 도면을 참조하여 개시되는 상세한 설명을 통하여 명백해 질 것이다. 상세한 설명과 도면은 첨부된 청구 범위에 의해 정의되는 본 발명의 다양한 실시예의 비한정적 사례를 제공하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하고 도시하는 데 활용된다. 도면은 예시적 실시예의 주요 특징을 도식적 방법으로 설명하기 위한 것이다. 도면은 실제 실시예의 모든 특징이나 묘사된 구성 요소의 상대적 크기(relative dimension)를 나타내기 위한 것이 아니며, 축적(scale)에 따라 도시된 것도 아니다.
도 1은 개시된 실시예에 따른 어레이의 평면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 어레이 안테나의 어느 하나의 구성 요소에 대한 평면도이다.
도 2a는 듀얼 밴드 패치 구조의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 다층 어레이 안테나 구조의 평면도이고, 도 3b는 그 단면도이다.
도 4는 듀얼 밴드 어레이 안테나 구조를 도시한 평면 "투명도"이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 다층 어레이 안테나의 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 다층 어레이 안테나의 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 다층 어레이 안테나의 단면도이다.

이제, 어레이 안테나에 대한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 상이한 실시예 또는 그들의 조합은 상이한 응용 또는 상이한 효과를 위해 사용될 수 있다. 원하는 결과에 따라, 본 명세서에서 설명되는 다른 특징들은 그 장점과 요구 사항/제약 조건의 균형을 유지하면서, 일부 또는 전부, 단독 또는 다른 특징과 조합하여 이용될 수 있다. 따라서, 일부 효과는 다른 실시예들을 참조하여 강조될 수 있으나, 개시되는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 즉, 여기서 개시되는 특징들은 설명되는 실시예로 한정되지 않고, 다른 특징들과 "혼합 및 매칭"될 수 있고 다른 실시예에 포함될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 안테나(100)의 평면도이다. 일반적으로, 안테나는 다층 프린트 안테나(multi-layered printed antenna)인데, 이하에서 상술되는 바와 같이, 패치 층, 실시간 지연 층(true time delay layer), 접지 층 및 통합 공급 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 부가 층이 추가되어 다중 편극(multiple polarization), 보다 넓은 대역폭 등을 제공한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 어레이 안테나(100)는 4x4 기생(parasitic) 라디에이터(210) 어레이를 포함한다. 어떠한 개수의 라디에이터도 사용가능하며 4x4는 단지 하나의 예로서 선택되었다. 각 기생 라디에이터(210)는 절연층(105) 윗면에서 대응하는 듀얼 밴드 패치 위에 제공되는데, 이 듀얼 밴드 패치는 기생 라디에이터(210)에 가려 도면에서는 보이지 않는다. 듀얼 밴드 패치는 물리적으로 또는 용량성으로(capacitively) 커플링된 두 개의 지연 공급 라인(delay feed line)(215 및 217)을 포함하는데, 이에 대해서는 아래에서 상술한다. 각 지연 공급 라인(215 및 217)은 RF 신호를 해당 듀얼 밴드 패치에 제공하여, 방사 에너지를 기생 라디에이터(210)에 커플링한다. RF 신호는 가변 유전층을 제어함으로써, 조작(예컨대, 지연, 주파수 변경, 위상 변경)될 수 있다. 지연 라인(215 및 217) 모두를 제어함으로써, 어레이는 필요에 따라 다른 방향을 가리키거나 스캐닝되어, 스캐닝 어레이를 제공할 수 있다. 여기서, 지연 라인이 도 1에 도시되어 있지만, 이는 단지 이해를 돕기 위한 것이며, 보통은 유전체(105)에 의해 가려지기 때문에 위에서는 보이지 않을 수 있다.

도 2는 도 1의 기생 라디에이터(210)에 의해 가려서 보이지 않는 듀얼 밴드 패치(220)의 구조를 도시한다[각 기생 라디에이터(210) 아래에 하나의 패치(220)]. 패치(220)는 두 개의 다른 주파수에서 직교성을 유지하면서 송수신하도록 구현된다. 즉, 지연 라인(215 및 217) 중 어느 하나는 송신 전용이고 다른 하나는 수신 전용이며, 송수신 신호는 각 패치에서 서로 직교성을 유지하며 이동한다. 따라서, 각 지연 라인은 다른 대역폭에서 선택된 다른 주파수 신호를 전송한다. 이는 지연 라인을 바이어스-t(bias-t)에 커플링함으로써 구현된다. 그러나, 바이어스-t의 효과적인 사용을 위하여, 패치는 두 개의 지연 라인 사이에 갈바닉 접속(galvanic connection)이 없도록 설계된다. 이는 다음과 같이 구현될 수 있다.

하나의 지연 라인(예컨대, 저주파수 수신)은 저항성 접촉(Ohmic contact)을 통해 패치에 접속되고, 다른 하나는 지연 라인(예컨대, 고주파수 송신)은 저항성 연결없이 용량성 결합(capacitive coupling)을 통하여 패치에 커플링된다. 이는 도 2에서 아래와 같이 설명된다. 송신 지연 라인은 콘택 포인트(223)에서 아래로부터 패치(220)에 접속된다. 지연 라인이 아래 층에 형성되기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이, 비아를 이용하여 콘택 포인트(223)에 연결된다. 반대로, 다른 지연 라인은 콘택 포인트(227)에 연결되어 커플링 패치(225)에 제공된다. 커플링 패치(225)는 패치(220)와 간격(d₁)을 두고 커패시터를 형성함으로써 패치(220) 및 패치(225) 사이에서 RF 신호 전송은 가능해지고, DC 전류 흐름은 방지된다.

또한, 도 2에 도시되어 있는 옵션 특징은 대역폭을 증가시키기 위하여 방사 패치에 부착된 LC(유도성-용량성, inductive-capacitive) 회로이다. LC 회로는 방사 패치와 간격(d₂)을 두고 근접 패치(proximity patch)(229)(또는 '용량성 패치'라고 칭함)를 추가함으로써 형성되는데, 간격(d₂)는 LC 회로의 용량성 포션(capacitive portion)을 정의하고, 패치 그 자체는 선택된 주파수에서 LC 회로의 유도성 포션(inductive portion)을 형성한다.

도 1 및 도 2에 도시된 안테나의 구조와 동작은 도 3a 및 도 3b에 대한 아래의 설명과 도 4의 참고를 통하여 보다 잘 이해될 수 있다. 도 3a는 단일 패치(220)의 평면도이고, 도 3b는 도 3a의 패치(220) 위치에서 안테나 관련 섹션에 대한 단면도이다. 도 4는 도 3a 및 도 3b의 실시예를 포함하여, 본 명세서에서 설명되는 실시예에 적용될 수 있는 "투명" 평면도를 제공한다. 따라서, 본 명세서에서 개시된 어떠한 실시예를 연구하는 경우도, 독자는 보다 나은 이해를 위하여 도 4도 함께 참고하여야 한다.

기생 라디에이터(210)는 유리, PET(polyethylene terephthalate) 등과 같은 유전체 스페이서(310) 위에 형성된다. 기생 라디에이터(210)의 각 패치가 있는 곳에, 방사 패치(220)가 기생 라디에이터(210) 아래에 정렬되어 형성된다. 기생 라디에이터(210)는 대역폭을 증가시키기 위하여 방사 패치(220) 보다 측면 치수(lateral dimension)가 크지만, 방사 패치(220)와 전반적으로 동일한 형태를 가질 수 있다. RF 에너지는 기생 라디에이터(210) 및 방사 패치(220) 사이에서 커플링된다. 따라서, 방사 패치(220)가 RF 에너지를 방사하는 경우, 방사 패치(220)는 기생 패치(201)에 커플링되고, 그 다음 기생 라디에이터(210)로부터 주변으로 방사된다. 반대로, 기생 라디에이터(210)가 RF 신호를 수신하는 경우, 기생 라디에이터(210)가 RF 신호를 방사 패치(220)에 커플링하고, 그 다음 커플링 패치(225) 및 지연 라인(217)를 통하여 트랜시버(미도시)로 보내진다.

도 3b를 추가로 참고하면, 비아(125)는 구리 등과 같은 전도성 소재로 채워져 콘택(325)을 형성하여, 방사 패치(220)에 물리적으로 그리고 전기적으로 연결된다(예컨대, 저항성 접촉 형성). 하나의 지연 라인(예컨대, 215)이 유전체 스페이서의 아래 면에 형성되고, 물리적으로 그리고 전기적으로 콘택(325)에 연결된다. 즉, 지연 라인(215)에서 방사 패치(220)로 연속적인 DC 전기 접속이 존재한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 지연 라인은 구불구불한 전도성 라인이고, 원하는 지연을 생성하기에 충분한 길이를 갖도록 임의의 형상을 띨 수 있으며, 이로 인하여 신호에서 원하는 위상 천이를 발생시킬 수 있다.

지연 라인(215 및 217)에서의 지연은 가변 유전 상수(variable dielectric constant, VDC) 플레이트(340)에 의하여 제어되는데, 본 실시예에서 VDC 플레이트는 상부 바인더(342)(예컨대, 유리 PET 등), 가변 유전 상수 소재(344)(예컨대, 트위스티드 네마틱 액정 층(twisted nematic liquid crystal layer)), 및 하부 바인더(346)을 포함한다. VDC 플레이트(340)의 유전 상수는 VDC 플레이트(340)를 가로질러 DC 전위를 인가함으로써 제어할 수 있다. DC 전위를 인가하기 위하여, 본 실시예에서는 전극(341 및 343)이 형성되고 제어 가능한 전압 전위(351), 예컨대 펄스 폭 변조 DC 공급기에 연결된다. 전극을 형성하기 위한 다양한 구조가 존재하고 이중 일례가 도시되어 있는데, VDC에 DC 전위를 인가하는 종래의 어떠한 구조도 가능한다.

일례로, 전극(341)이 가변 전위(351)에 연결되고 전극(343)은 접지에 연결된다. 다른 방법으로, 접선으로 도시된 바와 같이, 전극(343)도 가변 전위(349)에 연결될 수 있다. 따라서, 가변 전위(351) 및/또는 가변 전위(349)의 출력 전압을 변화시킴으로써, 전극(341 및 343) 부근의 VDC 소재의 유전 상수를 바꿀 수 있고, 이로써 지연 라인(215) 상으로 이동하는 RF 신호를 변화시킬 수 있다.

본 명세서에서 접지(ground)의 용어는 일반적으로 통용되는 접지 전위(ground potential), 즉 대지 전위(earth potential)를 의미하며, 또한 고정 전위(set potential) 또는 유동 전위(floating potential)가 될 수 있는 공통 또는 기준 전위를 의미할 수도 있다는 점을 여기서 명확히 한다. 유사하게, 도면에서 접지 심볼이 사용되지만, 이는 대지 또는 공통 전위 중 어느 하나를 표시하기 위한 약식 표현이며, 상호 교환 가능하다. 따라서, 본 명세서에서 접지라는 용어가 사용되는 경우, 고정 양성 또는 음성 전위 또는 유동 전위가 될 수 있는 공통 또는 기준 전위가 포함된다.

제2 지연 라인(217)은 비아(218)를 통하여 용량성 패치(225)에 물리적으로 그리고 전기적으로 연결된다. 다른 세트의 전극이 지연 라인(217) 부근의 LC에 전압 전위를 인가하는 데 사용될 수 있으나, 도 3b에 도시된 섹션을 물리적으로 벗어나는 것이기에 도시하지 않는다. 유도성/용량성 LC 패치(229)는 어떠한 것에도 물리적으로나 저항적으로 연결되어 있지 않고, 전기적으로 플로트(float)되어 방사 패치(220)와 LC 회로를 형성한다.

모든 RF 안테나와 마찬가지로, 수신 및 송신은 대칭적이기 때문에 어느 하나에 대한 설명은 다른 하나에도 동등하게 적용된다. 본 명세서에서는 편의상 송신 동작에 대하여 설명하지만, 수신 동작도 진행 방향이 반대라는 것을 제외하고 동일하다.

송신 모드에서, RF 신호는 트랜시버에서 공급 라인(860)으로 이동하고, 여기서 지연 라인(215)에 용량성으로 결합되고, 거기서 비아(125)를 통하여 방사 패치(220), 기생 라디에티어(210), 그 다음 공기(atmosphere) 중으로 이동한다. 수신 모드에서, 기생 라디에이터(210)에서 수신된 신호는 방사 패치(220)에 결합되고, 거기서 커플링 패치(225)에 결합되고, 거기서 지연 라인(217)으로, 그리고 거기서 공급 라인(862)을 통하여 트랜시버로 이동한다. 도시된 실시예에서, 일부 신호 커플링은 저항성 접촉을 통해 이루어 지고, 다른 커플링은 후술하는 바와 같이 용량성 결합으로 이루어진다.

도 3b의 실시예에서 도시된 바와 같이, 공급 라인(860/862)과 각각의 지연 라인(215/217) 사이에 전기적 DC(저항) 연결이 존재하지 않는다. 대신, 본 실시예에서 RF 쇼트가 발생하여 RF 신호가 접지면에 형성된 윈도우를 가로질러 용량성으로 결합된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 윈도우(353)가 후면 접지(또는 공통)(350)에 제공되고 지연 라인(215)의 한쪽 끝 아래에 정렬된다(다른 한쪽 끝은 콘택(325)에 연결됨). RF 신호는 공급 라인(860)에서 윈도우(353)를 통하여 이동하고, 지연 라인(215)에 용량성 결합된다. 유사하게, 윈도우(357)가 접지면(350)에 제공되고 지연 라인(217)의 어느 한쪽 끝 아래에 정렬된다(다른 한쪽은 비아(128)에 연결됨). 수신 모드에서, 신호는 윈도우(357)를 통하여 지연 라인(217)에서 공급 라인(862)으로 용량성 결합된다.

개시된 실시예의 RF 쇼트[또는 버추얼 쵸크(virtual choke)] 디자인에 대한 추가적 이해를 위하여, 도 4를 참고한다. 도 4의 송신 측에서, 방사 패치(220)는 콘택(825)을 통하여 지연 라인(215)에 전기적으로 연결된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, VDC 플레이트(340)는 지연 라인(215) 아래에 위치하지만, 도 4에서는 RF 쇼트 특징을 좀더 잘 이해할 수 있도록 도면 간소화를 위하여 생략하였다. 후면 접지(350)는 빗금(hatch mark)(850)으로 일부 표현되고, 윈도우(353)도 도시되어 있다. RF 신호의 효과적인 커플링을 위하여, 윈도우(853)의 길이("L"로 표시)는 공급 라인(860)에서 이동하는 파장의 대략 절반(즉, λ/2)으로 설정되어야 한다. 여기서, 파장(λ)에 대한 모든 언급은 관련된 매체에서의 파장을 의미하는 데, 이는 안테나 디자인 및 안테나 내부의 가변 유전 소재에 인가되는 DC 전위에 따라 안테나의 다양한 매체에서 신호가 이동하기 때문에 파장은 변할 수 있기 때문이다. 윈도우 폭("W"로 표시)은 파장의 대략 1/10(즉, λ/10)로 설정되어야 한다.

또한, RF 신호의 효과적인 커플링을 위하여, 공급 라인(860)은 D로 표시된 바와 같이, 윈도우(853) 모서리를 넘어 약 ¼ 파장(λ/4) 만큼 확장된다. 유사하게, 지연 라인(215)의 종단[콘택(825)의 반대 끝]은 E로 표시된 것처럼, 윈도우(353) 모서리를 넘어 ¼ 파장(λ/4) 만큼 확장된다. 공급 라인(860)에서 이동하는 RF 신호가 지연 라인(215)에서 이동하는 신호 보다 긴 파장을 가지고 있기 때문에, 거리 D가 거리 E 보다 길게 도시되었다.

수신된 신호를 지연 라인(217)에서 공급 라인(860)으로 커플링하기 위한 유사한 용량성 결합 구조가 제공된다. 또한, 신호가 방사 패치에서 커플링 패치(225)를 가로질러 지연 라인(217)으로 용량성 결합된다. 도 3b에서 좀 더 명확히 도시된 바와 같이, 커플링 패치(225)는 방사 패치(220)와 동일면에 제공되고 방사 패치(220)의 끝에서 거리(d₁) 만큼 떨어져 위치한다. 이러한 구조가 방사 패치(220) 및 커플링 패치(225) 간에 RF 신호 전송은 가능하게 하지만, 방사 패치(220) 및 커플링 패치(225) 간에 DC 신호 전송은 방지한다. 이러한 구조는 VDC 플레이트를 제어하는 동안, 수신 신호가 송신 신호와 다른 주파수에서 간섭없이 동작할 수 있게 한다. 또한, 송신 및 수신은 다른 주파수에서 동작하고 상호 직교하는 방사 패치에서 수신되기 때문에, 방사 패치는 정사각형이 아니고, 오히려 서로 다른 길이와 폭을 갖는 직사각형이다.

도면 부호 228이 표시하는 바와 같이, 도 2에서 패치는 한쪽 면의 두 모서리가 제거되어 있기 때문에, 종종 "유사(pseudo) 정사각형"이라 불리운다. 본 실시예에서 모서리를 제거하는 것은 2가지 이유에서 유용하다. 첫 번째, 이웃 방사 패치간의 신호 "누설(leakage)"을 방지한다. 뾰족한 모서리는 필드(field, 場)의 고 집중을 일으키고 RF 신호 누설을 야기한다. 또한, 커플링 패치(225) 쪽 면을 오려낸 이유 중 하나는 방사 패치(220) 및 커플링 패치(225) 사이에 RF 신호 커플링을 강화하기 위함이다.

위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 다른 특징은 방사 패치에서 유도성-용량성 LC 회로를 사용하여 대역폭을 증가시키는 것이다. LC 회로는 방사 패치와 동일면에 위치한 용량성 또는 근접 패치(229)와, 방사 패치(220)의 한쪽 면에서 d₂ 만큼 이격된 커플링 패치(225)에 의하여 형성되는데, 이격 거리 d₂ (및 이격 공간 물질의 유전 상수)는 LC 회로의 용량성 포션의 커패시턴스를 정의하고, 패치 그 자체는 LC 회로의 유도성 포션을 형성한다. 용량성 패치(229)는 전기적으로 플로팅되고 어레이 안테나의 다른 모든 전도성 파트로부터 절연된다.

도 2a는 도 2와 유사한 RF 신호의 용량성 결합이지만 변형된 LC 구조를 갖는 듀얼 밴드 패치 구조에 대한 다른 실시예를 도시한다. 특히, 근접 패치(229)의 길이가 방사 패치(220)의 길이와 동일할 필요가 없다. 도 2a의 실시예에서, 근접 패치(229)의 길이는 방사 패치(220) 보다 짧다. 또한, 근접 패치(229) 쪽과 커플링 패치(225) 쪽의 방사 패치(220) 모서리가 제거되어 있다. 이와 관련하여, 도 2에 도시된 방사 패치 디자인은 반유사(half-pseudo) 정사각형이라 하고, 도 2a의 디자인은 유사 정사각형이라고 할 수 있는 데, 위에서 언급된 바와 같이, 디자인은 직사각형이기 때문에 유사 직사각형(모서리가 제거된 직사각형을 의미)이라고 할 수도 있다. 또한, 기생 패치(210)은 치수가 좀 더 크다는 것을 제외하고는, 방사 패치(220)와 같이 모서리가 제거된 동일한 형태를 가질 수 있다.

도 5는 본 명세서에서 개시된 특징, 특히 방사 패치(220)로의 송신 및 수신 RF 커플링 분리로 인해 큰 유용성을 얻는 실시예를 도시한다. 특히, 본 실시예에서 제어 전압이 DC 전원 공급기(351 및 349)에서 지연 라인(215 및 217)으로 각각 공급된다. 따라서, DC 전위가 지연 라인에 인가되는 경우, 인가된 전위에 따라 지연 라인 부근의 액정이 유전 상수를 변화시킨다. 동작하는 과정에, 지연 라인(215)에 인가된 전위가 지연 라인(217)에 인가된 전위가 달라진다. 따라서, 하나의 지연 라인은 방사 패치(220)와 저항 접촉하고 다른 지연 라인은 방사 패치(220)에 DC 브레이크를 갖도록 함으로써, 두 개 지연 라인 모두가 방사 패치(220)와 RF 커플링을 여전히 유지하면서 지연 라인(215 및 217) 사이에 DC 차폐(isolation)가 생성된다.

상술한 바로부터, DC 차폐 특징은 방사 패치(220)가 정사각형, 즉 송수 및 수신이 동일 대역폭에서 이루어지는 경우에도 유용하다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 유용함이 도 5의 실시예에서 예시된 바와 같이, 기생 라디에이터를 이용하지 않고 구현될 수 있다는 점을 알아야 한다. 즉, 도 5에서, 신호는 방사 패치에서 기생 패치가 아닌 공기 중으로 직접 방사된다. 이는 본 명세서의 다른 실시예에도 물론 적용될 수 있다. 도 5의 실시예에서 접지면(350)은 안테나의 RF 및 DC 신호를 위한 접지로서 동작한다 점도 알아야 한다.

앞서 언급한 바와 같이, 송신 및 수신 동작은 대칭적이다. 따라서, 본 실시예가 송신용 지연 라인(215) 및 수신용 지연 라인(217)에 대해 설명하고 있지만, 이들 라인의 역할이 서로 반대가 되어 수신용 지연 라인(215) 및 송신용 지연 라인(217)이 될 수 있다는 점도 이해하여야 한다.

따라서, 어레이 안테나가 제공되는 데, 어레이 안테나는 절연 기판; 상기 절연 기판 윗면에 제공되는 복수 개의 방사 패치; 상기 절연 기판에 형성되는 복수 개의 제1 비아로서, 각 제1 비아는 전도성 소재로 채워지고 상기 방사 패치들 중 하나에 각각 접촉하는 복수 개의 제1 비아; 상기 절연 기판 윗면에 제공되는 복수 개의 용량성 패치로서, 각 패치는 상기 방사 패치들 중 하나로부터 각각 거리(d) 만큼 떨어져 위치하여 상기 방사 패치들 중 하나와 각각 커패시터를 형성하는 복수 개의 용량성 패치; 상기 절연 기판에 형성되는 복수 개의 제2 비아로서, 각 제2 비아는 전도성 소재로 채워지고 상기 용량성 패치들 중 하나에 각각 전기적으로 접촉하는 복수 개의 제2 비아; 복수 개의 제1 지연 라인으로서, 각 제1 지연 라인은 상기 제1 비아들 중 하나에 각각 연결되는 복수 개의 제1 지연 라인; 복수 개의 제1 제어 라인으로서, 각 제1 제어 라인은 전압원에 연결되고, 또한 상기 제1 지연 라인들 중 하나에 각각 연결되는 복수 개의 제1 제어 라인; 복수 개의 제2 지연라인으로서, 각 제2 지연 라인은 상기 제2 비아들 하나에 각각 연결되는 복수 개의 제2 지연 라인; 복수 개의 제2 제어 라인으로서, 각 제2 제어 라인은 상기 전압원에 연결되고, 또한상기 제2 지연 라인들 중 하나에 각각 연결되는 복수 개의 제2 제어 라인; 상기 절연 기판 아래에 제공되는 가변 유전 상수(a variable dielectric constant, VDC) 플레이트; 및 상기 VDC 플레이트 표면에 제공되는 접지면을 포함한다.

도 6은 또 다른 실시예에따른 다층 어레이 안테나에 대한 단면도이다. 도 6의 실시예에서, 공급 라인(860 및 862)은 지연 라인(215 및 217)에 각각 직접 연결된다. 상기 연결은 지면에서 수선(perpendicular) 방향에서 이루어지는 데, 그런 이유로 공급 라인이 쇄선(dash-dot line)으로 도시되었다. 공급 라인이 지연 라인에 직접 연결되기 때문에, 접지면(350)은 RF 신호의 용량성 결합을 위한 윈도우를 구비할 필요가 없다.

도 7은 또 다른 실시예에 따른 다층 어레이 안테나의 단면도이다. 도 7의 실시예에서, 지연 라인(217)의 RF 신호는 커플링 패치(225)를 통하여 방사 패치(220)에 용량성 결합되고, 지연 라인(215)의 RF 신호는 접지면(350)의 윈도우(353)를 통하여 방사 패치(220)에 용량성 결합된다. 따라서, 지연 라인(215 및 217) 사이에서 완전한 차폐가 제공된다. 또한, 전압 공급기(349)로부터의 제어 신호는 지연 라인(217) 부근의 VDC 층(340) 영역에 영향을 미치고, 전압 공급기(351)의 제어 신호는 지연 라인(215) 부근의 VDC 층(341) 영역에 영향을 미친다. 접지면(350)은 VDC 층(340 및 341)에 차폐를 제공한다. 또한, 지연 라인(215 및 217) 각각은 서로 다른 층에 존재하기 때문에, 원하는 만큼 길고 원하는 어떠한 형태의 구불구불한 지연 라인을 만들 수 있는 보다 많은 "부동산(real estate)" 또는 공간이 존재한다. 또한, 지연 라인(215)에서 윈도우(353)로의 정렬은 도 4에서 설명된 것과 유사하게 설계될 수 있다.

따라서, 어레이 안테나가 제공되는데, 상기 어레이 안테나는 유전체 기판; 상기 유전체 기판 위에 제공되는 복수 개의 방사 패치; 상기 유전체 기판 위에 제공되는 복수 개의 커플링 패치로서, 각 커플링 패치는 상기 방사 패치들 중 대응하는 어느 하나와 거리(d)를 두고 크기가 작아진 커플링 패치; 제1 VDC 층 및 제2 VDC 층 사이에 샌드위치된 접지면으로, 상기 접지면은 복수 개의 윈도우를 포함하고, 각각은 상기 복수 개의 방사 패치 중 하나의 아래에 정렬되어 있는 접지면; 복수 개의 제1 지연라인으로서, 각각은 상기 커플링 패치들 하나에 저항성 접촉되어 있는 복수 개의 제1 지연 라인; 및 복수 개의 제2 지연 라인으로서, 각각은 상기 복수 개의 윈도우 중 하나와 정렬되고 RF 에너지를 상기 방사 패치들 중 하나에 용량성으로 RF 커플링하도록 구성된 종단을 포함하는 제2 지연라인을 포함한다. 상기 저항성 접촉은 상기 유전체 기판에 형성된 복수 개의 용량성 비아를 포함하는데, 각 비아는 상기 제1 지연 라인들 하나를 상기 커플링 패치들 중 대응하는 하나에 연결한다. 상기 어레이 안테나는 상기 유전체 기판 위에 제공되는 복수 개의 근접 패치를 더 포함하는데, 각 근접 패치는 상기 방사 패치들 중 대응하는 하나에 거리(d2)를 두고 위치하며 크기가 작다. 상기 어레이 안테나는 복수 개의 제1 지연 라인을 더 포함하고, 각 제1 지연 라인은 전압원과, 상기 복수 개의 제1 지연 라인 중 하나에 각각 연결되며, 상기 어레이 안테나는 복수 개의 제2 제어 라인을 더 포함하는 데, 각 제2 지연 라인은 전압원과, 상기 복수 개의 제2 지연 라인 중 어느 하나에 각각 연결된다.

본 명세서에서 기술된 공정과 기술은 본질적으로 어떤 특정 장치에 관련되어 있지 않고 구성요소의 어떠한 적절한 조합에 의하여 구현될 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 다양한 종류의 범용 디바이스가 본 명세서에서 기술된 교시(teaching)에 따라 사용될 수 있다. 본 발명이 특정 실시예와 연관되어 설명되었으나, 이는 모든 측면에서 제한적인 것이 아니라 예시적인 목적으로 설명되었다. 이 분야에서 통상의 지식을 가지는 자는 많은 상이한 조합이 본 발명을 실시하는 데 적합하다는 것을 이해할 것이다.

또한, 본 발명의 다른 구현 예들은 본 명세서를 참작하여 개시된 본 발명을 실시하는 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 개시된 실시예들의 다양한 양태 및/또는 구성 요소는 단독으로 또는 어떠한 조합으로 사용될 수 있다. 본 명세서와 실시예는 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 진정한 범위 및 사상은 이하의 청구 범위에 의해 지시된다.

Claims

절연 기판;
상기 절연 기판 윗면에 제공되는 방사 패치;
상기 절연 기판에 형성되고, 상기 방사 패치에 접촉하는 전도성 소재로 채워진 제1 비아;
상기 방사 패치로부터 거리(d) 만큼 떨어져 상기 절연 기판의 윗면에 제공되어 상기 방사 패치와 커패시터를 형성하는 용량성 패치;
상기 절연 기판에 형성되고, 상기 용량성 패치에 전기적으로 접촉하는 전도성 소재로 채워진 제2 비아;
상기 제1 비아에 연결된 제1 지연 라인;
상기 제2 비아에 연결된 제2 지연 라인;
가변 유전 상수(variable dielectric constant, VDC) 플레이트; 및
상기 VDC 플레이트 표면에 제공되는 접지면을 포함하는 안테나.
제1항에 있어서, 상기 방사 패치의 한쪽 방향의 길이는 수선 방향(perpendicular direction)의 길이 보다 긴 것인, 안테나.
제1항에 있어서, 상기 방사 패치에서 커플링된 유도성-용량성 회로를 더 포함하는, 안테나.
제3항에 있어서, 상기 유도성-용량성 회로는 상기 절연 기판의 윗면에 제공되는 전기적으로 플로팅된(electrically floating) 패치를 더 포함하는, 안테나.
제4항에 있어서, 상기 전기적으로 플로팅된 패치는 상기 방사 패치에서 거리(d2) 만큼 떨어져 위치한 반대쪽 용량성 패치인 것인, 안테나.
제5항에 있어서, 상기 거리(d2)는 상기 거리(d)와 다른 것인, 안테나.
제1항에 있어서, 상기 방사 패치에 제공되는 기생 패치를 더 포함하는, 안테나.
제7항에 있어서, 상기 기생 패치는 상기 방사 패치 보다 큰 것인, 안테나.
제1항에 있어서, 제1 공급 라인 및 제2 공급 라인을 더 포함하고, 상기 제1 공급 라인은 상기 제1 지연 라인 아래에 정렬된 종단을 포함하고, 상기 제2 공급 라인은 상기 제2 공급 라인 아래에 정렬된 종단을 포함하며, 상기 접지면은 상기 제1 공급 라인의 종단에 정렬된 제1 윈도우와, 상기 제2 공급 라인의 종단에 정렬된 제2 윈도우를 더 포함하는, 안테나.
절연 기판;
상기 절연 기판 윗면에 제공되는 복수 개의 방사 패치;
상기 절연 기판에 형성되는 복수 개의 제1 비아로서, 각 제1 비아는 전도성 소재로 채워지고 상기 방사 패치들 중에서 각자 하나와 접촉하는 복수 개의 제1 비아;
상기 절연 기판의 윗면에 제공되는 복수 개의 커플링 패치로서, 각 패치는 상기 방사 패치들 중 각자 하나로부터 거리(d) 만큼 떨어져 위치하는 복수 개의 커플링 패치;
상기 절연 기판에 형성되는 복수 개의 제2 비아로서, 각 제2 비아는 전도성 소재로 채워지고 상기 커플링 패치들 중 각자 하나와 전기적으로 접촉하는 복수 개의 제2 비아;
복수 개의 제1 지연 라인으로서, 각 제1 지연 라인은 상기 제1 비아들 중 각자 하나와 연결되는 복수 개의 제1 지연 라인;
복수 개의 제1 제어 라인으로서, 각 제1 제어 라인은 전압원과 상기 제1 지연 라인들 중 각자 하나에 연결되는 복수 개의 제1 제어 라인;
복수 개의 제2 지연 라인으로서, 각 제2 지연 라인은 상기 제1 비아들 중 각자 하나에 연결되는 복수 개의 제2 지연 라인;
복수 개의 제2 제어 라인으로서, 각 제2 지연 라인은 상기 전압원과 상기 제2 지연 라인들 중 각자 하나에 연결되는 복수 개의 제2 제어 라인;
상기 절연 기판 아래에 제공되는 가변 유전 상수(variable dielectric constant, VDC) 플레이트; 및
접지면을 포함하는 어레이 안테나.
제10항에 있어서,
복수 개의 제1 RF 공급 라인으로서, 각 라인은 상기 복수 개의 제1 지연 라인 중 각자 하나에 RF 에너지를 커플링하는 복수 개의 제1 RF 공급 라인; 및
복수 개의 제2 RF 공급 라인으로서, 각 라인은 상기 복수 개의 제2 지연 라인 중 각자 하나에 RF 에너지를 커플링하는 복수 개의 제2 RF 공급 라인을 더 포함하는, 어레이 안테나.
제11항에 있어서, 복수 개의 유도성-용량성(LC) 구조를 포함하고, 각 구조는 상기 복수 개의 방사 패치 중 하나에 커플링되는, 어레이 안테나.
제12항에 있어서, 상기 복수 개의 유도성-용량성 구조는 각각 상기 절연 기판 윗면에 제공되고, 상기 방사 패치들 중 각자 하나로부터 거리(d2) 만큼 떨어저 위치하는 근접 패치를 포함하는, 어레이 안테나.
제10항에 있어서, 제2 VDC 플레이트를 더 포함하고, 상기 접지면은 상기 VDC 플레이트와 상기 제2 플레이트 사이에서 샌드위치된 것인, 어레이 안테나.
제11항에 있어서, 상기 접지면은 복수 개의 윈도우를 포함하고, 각 윈도우는 상기 복수 개의 제1 지연 라인 중 하나의 종단에 정렬되는, 어레이 안테나.
제10항에 있어서, 복수 개의 기생 패치를 더 포함하고, 각 패치는 상기 복수 개의 방사 패치 중 대응하는 하나 위에 제공되고, 상기 각 기생 패치는 동일한 형태를 가지나, 상기 대응 방사 패치 보다는 치수가 큰 것인, 어레이 안테나.
제16항에 있어서, 상기 각 방사 패치의 한쪽 방향의 길이는 수선 방향의 길이 보다 긴 것인, 어레이 안테나.
제17항에 있어서, 상기 각 방사 패치는 유사 정사각형 형상을 갖는, 어레이 안테나.
제13항에 있어서, 상기 각 근접 패치는 상기 전압원으로부터 전기적으로 DC 차폐된 것인, 어레이 안테나.
제10항에 있어서,
복수 개의 제1 공급 라인으로서, 각 라인은 상기 복수 개의 제1 지연 라인 중 하나 아래에 정렬된 종단을 포함하는 복수 개의 제1 공급 라인; 및
복수 개의 제2 공급 라인으로서, 각 라인은 상기 복수 개의 제2 공급 라인 중 하나 아래에 정렬된 종단을 포함하는 복수 개의 제2 공급 라인을 더 포함하고,
상기 접지면은 복수 개의 제1 윈도우 및 복수 개의 제2 윈도우를 포함하고, 각 제1 윈도우는 상기 제1 공급 라인들 중 하나의 종단에 정렬되고, 각 제2 윈도우는 상기 제2 공급 라인들 중 하나의 종단에 정렬되는, 어레이 안테나.