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KR20110040952A - 메타물질 구조물에 기초된 안테나 - Google Patents

메타물질 구조물에 기초된 안테나 Download PDF

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KR20110040952A
KR20110040952A KR1020117004230A KR20117004230A KR20110040952A KR 20110040952 A KR20110040952 A KR 20110040952A KR 1020117004230 A KR1020117004230 A KR 1020117004230A KR 20117004230 A KR20117004230 A KR 20117004230A KR 20110040952 A KR20110040952 A KR 20110040952A
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South Korea
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antenna
ground electrode
conductive
mtm
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마하 애코어
아제이 굼말라
마린 스토이체프
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레이스팬 코포레이션
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Abstract

전자기파 신호를 처리하고 취급할 때에 하나 이상의 왼손오른손 혼합형(CRLH) 메타물질 구조물을 사용하는 기술, 장비 및 시스템이 개시된다. 개선된 CRLH 메타물질 구조물에 기초된 안테나 또는 안테나 어레이가 다양한 다대역 무선 통신을 위한 광역 공진을 제공하도록 구성된다.

Description

메타물질 구조물에 기초된 안테나{Antennas based on metamaterial structures}
우선권 주장 및 관련 출원들
본 출원은 2006년 8월 25일에 출원된 "Broadband and Compact Multiband Metamaterial Structures and Antennas"의 명칭의 미국 가특허 출원 제60/840,181호와, 2006년 9월 22일에 출원된 "Advanced Metamaterial Antenna Sub-Systems"의 명칭의 미국 가특허 출원 제60/826,670호의 이익을 주장한다.
*상기 출원들의 공개문헌은 참조에 의해 본 출원 명세서의 일부로서 통합된다.
본 출원은 메타물질(MTM) 구조물 및 그 응용에 관한 것이다.
대부분의 물질내에서는 전자기파의 전파가 (E,H,β)벡터장에 대해 오른손 법칙을 따르며, 여기서, E는 전계, H는 자계, 그리고 β는 파동 벡터이다. 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파(군속도)의 방향과 동일하고 굴절율은 양수이다. 이러한 물질은 "오른손 형(right handed; RH)"이다. 대부분의 자연 물질들은 RH 물질이다. 인공 물질도 또한 RH 물질일 수 있다.
메타물질은 인공 구조물이다. 구조적 평균 단위 셀 크기(p)를 메타물질에 의해 유도되는 전자기 에너지의 파장보다 훨씬 작도록 설계하는 경우, 메타물질은 유도되는 전자기 에너지에 대해 균질 매질처럼 행동할 수 있다. RH 물질과는 다르게, 메타물질은 음의 굴절율을 나타낼 수 있는데, 이 경우 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파의 방향과 반대이고, (E,H,β)벡터장의 관련 방향들은 왼손 법칙을 따른다. 음의 굴절율만을 지원하는 메타물질은 "왼손형(left handed; LH)" 메타물질이다.
많은 메타물질들이 LH 메타물질과 RH 메타물질의 혼합체임에 따라 왼손오른손 혼합형(Composite Left and Right Handed; CRLH) 메타물질이 된다. CRLH 메타물질은 저주파수에서 LH 메타물질처럼 행동하고 고주파수에서 RH 메타물질처럼 행동할 수 있다. 다양한 CRLH 메타물질들의 설계 및 특성이 칼로즈(Caloz)와 이토(Itoh)의 "Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications"(John Wiley & Sons, 2006)에서 설명되어 있다. CRLH 메타물질들 및 이들의 안테나 응용이 다츠오 이토(Tatsuo Itoh)의 "Invited paper: Prospects for Metamaterials"(전자학회지, 제40권 제16호, 2004년 8월)에서 설명되어 있다.
CRLH 메타물질은 특수한 응용에 맞춰진 전자기적 특성을 나타내도록 구축되고 설계될 수 있으며, 다른 물질을 사용하는 것이 곤란하거나, 비실용적이거나, 또는 실현불가능할 수 있는 응용들에서 사용될 수 있다. 또한, CRLH 메타물질은 새로운 응용들을 개발하는데 사용될 수 있고, RH 메타물질로는 가능하지 않을 수 있는 새로운 장치를 구축하는데 사용될 수 있다.
본 출원은, 무엇보다도, 전자기파 신호를 처리하고 취급함에 있어서 하나 이상의 왼손오른손 혼합형(CRLH) 메타물질 구조물을 사용하는 기술, 장비 및 시스템을 설명한다. 안테나, 안테나 어레이 및 기타 RF 장치가 CRLH 메타물질 구조물에 기초하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 설명된 CRLH 메타물질 구조물은 무선 통신 RF 전단부 및 안테나 서브시스템에서 사용될 수 있다.
일 구현예에서, 안테나 장치는 제1 측면상의 제1 표면과 제1 측면과 반대쪽의 제2 측면상의 제2 표면을 갖는 유전체 기판; 제1 표면상에 형성된 셀 도전성 패치; 제2 표면상에 그리고 셀 도전성 패치에 의해 제2 표면상으로 투영된 풋프린트내에 존재하는 셀 접지 도전성 전극; 제2 표면상에 형성되고 셀 접지 도전성 전극과 분리된 메인 접지 전극; 셀 도전성 패치를 셀 접지 도전성 전극에 접속시키기 위해 기판내에 형성된 셀 도전성 비아 커넥터; 제1 표면상에 형성되고, 안테나 신호를 셀 도전성 패치에 전달하고 이로부터 안테나 신호를 전달받기 위해 셀 도전성 패치에 근접위치되고 이에 전자기적으로 결합되는 말단부를 갖는 도전성 피드 라인; 및 제2 표면상에 형성되고, 셀 접지 도전성 전극을 메인 접지 전극에 접속시키는 도전성 스트립 라인을 포함한다. 셀 도전성 패치, 기판, 셀 도전성 비아 커넥터 및 셀 접지 도전성 전극, 및 전자기적으로 결합된 도전성 피드 라인은 왼손오른손 혼합형(CRLH) 메타물질 구조물을 형성하도록 구축된다. 셀 접지 전극은 셀 도전성 비아 커넥터의 단면보다 크고 셀 도전성 패치의 면적보다 작은 면적을 가질 수 있다. 셀 접지 전극은 또한 셀 도전성 패치의 면적보다 클 수 있다.
다른 구현예에서, 안테나 장치는 제1 측면상의 제1 표면과 제1 측면과 반대쪽의 제2 측면상의 제2 표면을 갖는 유전체 기판; 제1 표면 위에 형성되고, 두 개의 인접한 셀 도전성 패치들 사이에 용량성 결합이 가능하도록 서로가 분리된 상태로 인접해 있는 셀 도전성 패치; 셀 도전성 패치들에 의해 집단적으로 제2 표면상으로 투영된 풋프린트의 외부에서 제2 표면상에 형성된 메인 접지 전극; 및 셀 도전성 패치들에 각각 공간적으로 일대일 대응하도록 제2 표면상에 형성된 셀 접지 전극들을 포함한다. 각각의 셀 접지 전극들은 각각의 셀 도전성 패치들에 의해 제2 표면상으로 투영된 풋프린트내에 위치하며, 셀 접지 전극들은 메인 접지 전극과 공간적으로 분리된다. 이 장치는 또한 왼손오른손 혼합형(CRLH) 메타물질 구조물을 구축하는 복수개의 단위 셀들을 형성하도록 셀 도전성 패치들을 셀 접지 전극들에 각각 접속시키기 위해 기판내에 형성된 도전성 비아 커넥터; 및 복수개의 셀 접지 전극들을 메인 접지 전극에 접속시키기 위해 제2 표면상에 형성된 적어도 하나의 도전성 스트립 라인을 포함한다.
다른 구현예에서, 안테나 장치는 제1 측면상의 제1 윗면과 제1 측면과 반대쪽의 제2 측면상의 제1 바닥면을 갖는 제1 유전체 기판, 및 제1 측면상의 제2 윗면과 제1 측면과 반대쪽의 제2 측면상의 제2 바닥면을 갖는 제2 유전체 기판을 포함한다. 제1 유전체 기판과 제2 유전체 기판은 제2 윗면과 제1 바닥면이 서로 맞물려지도록 서로에 대해 적층된다. 이 장치는 제1 윗면상에 형성되고, 두 개의 인접한 셀 도전성 패치들 사이에 용량성 결합이 가능하도록 서로가 분리된 상태로 인접해 있는 셀 도전성 패치들, 및 제1 표면상에 형성되고 셀 도전성 패치들과 공간적으로 분리된 제1 메인 접지 전극을 포함한다. 제1 메인 접지 전극은 안테나 신호를 상기 셀 도전성 패치들 중에서 선택된 셀 도전성 패치에 전달하거나 또는 안테나 신호를 상기 선택된 셀 도전성 패치로부터 전달받기 위해 상기 선택된 셀 도전성 패치에 전자기적으로 결합된 동일평면 도파관을 형성하도록 패턴화된다. 제2 메인 접지 전극은 제1 기판과 제2 기판 사이에서 제2 윗면과 제1 바닥면상에 형성된다. 셀 접지 전극들은 셀 도전성 패치들에 각각 공간적으로 일대일 대응하도록 제2 바닥면상에 형성되고, 각각의 셀 접지 전극은 각각의 셀 도전성 패치에 의해 제2 바닥면상으로 투영된 풋프린트내에 위치한다. 이 장치는 또한 제2 메인 접지 전극 아래에서 제2 바닥면 상에 형성된 하부 접지 전극들; 하부 접지 전극들을 제2 메인 전극에 각각 접속시키기 위해 제2 기판내에 형성된 접지 도전성 비아 커넥터들; 및 복수개의 셀 접지 전극들을 하부 접지 전극들에 각각 접속시키기 위해 제2 바닥면상에 형성된 바닥면 도전성 스트립 라인들을 포함한다.
또 다른 구현예에서, 안테나 장치는 제1 측면상의 제1 표면과 제1 측면과 반대쪽의 제2 측면상의 제2 표면을 갖는 유전체 기판; 제1 표면 위에 형성된 셀 도전성 패치; 완전 자기 도전체(PMC) 표면을 포함하며, 제2 표면에 대해 PMC 표면을 압착하도록 기판의 제2 표면에 맞물려지는 완전 자기 도전체(PMC) 구조물; 셀 도전성 패치를 PMC 표면에 접속시키기 위해 기판내에 형성된 셀 도전성 비아 커넥터; 및 제1 표면상에 형성되고, 안테나 신호를 셀 도전성 패치에 전달하고 이로부터 안테나 신호를 전달받기 위해 셀 도전성 패치에 근접위치되고 이에 전자기적으로 결합되는 말단부를 갖는 도전성 피드 라인을 포함한다. 이 장치에서, 셀 도전성 패치, 기판, 셀 도전성 비아 커넥터, 전자기적으로 결합된 도전성 피드 라인, 및 PMC 표면은 왼손오른손 혼합형(CRLH) 메타물질 구조물을 형성하도록 구축된다.
이러한 구현예들 및 다른 구현예들은 다양한 응용들에서 하나 이상의 장점들을 얻기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 광대역폭 공진 및 다중모드 안테나 동작을 제공하도록 소형 안테나 장치들이 구축될 수 있다.
본 출원은, 무엇보다도, 전자기파 신호를 처리하고 취급함에 있어서 하나 이상의 왼손오른손 혼합형(CRLH) 메타물질 구조물을 사용하는 기술, 장비 및 시스템을 설명한다. 안테나, 안테나 어레이 및 기타 RF 장치가 CRLH 메타물질 구조물에 기초하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 설명된 CRLH 메타물질 구조물은 무선 통신 RF 전단부 및 안테나 서브시스템에서 사용될 수 있다.
도 1은 CRLH 메타물질의 분산도를 도시한다.
도 2는 네 개의 MTM 단위 셀들의 1차원 어레이를 갖는 CRLH MTM 장치의 예를 도시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 2에서의 각각의 MTM 단위 셀내 부품들의 전자기적 특성 및 기능과, 각각의 등가 회로를 도시한다.
도 3은 MTM 단위 셀의 2차원 어레이에 기초된 CRLH MTM 장치의 다른 예시를 도시한다.
도 4는 1-D 또는 2-D 어레이내 및 CRLH MTM 구조물내에 형성된 안테나 소자를 포함하는 안테나 어레이의 예를 도시한다.
도 5는 네 개의 단위 셀들을 갖는 CRLH MTM 전송 라인의 예를 도시한다.
도 6, 도 7a, 도 7b, 도 8, 도 9a 및 도 9b는 전송 라인 모드 또는 안테나 모드에서 여러 조건들하에 놓여있는 도 5에서의 장치의 등가 회로를 도시한다.
도 10 및 도 11은 도 5의 장치에서의 베타 곡선을 따르는 공진 주파수 위치의 예들을 도시한다.
도 12 및 도 13은 종단된(truncated) 접지 도전층 설계를 갖는 CRLH MTM 장치의 예와 그 등가 회로를 각각 도시한다.
도 14 및 도 15는 종단된 접지 도전층 설계를 갖는 CRLH MTM 장치의 다른 예와 그 등가 회로를 각각 도시한다.
도 16 내지 도 37은 다양한 종단된 접지 도전층 설계들에 기초된 CRLH MTM 안테나 설계의 예시들 및 시뮬레이션과 측정에 기초된 각각의 성능 특성들을 도시한다.
도 38, 도 39a, 도 39b, 도 39c 및 도 39d는 완전 자기 도전체(PMC) 표면을 갖는 CRLH MTM 안테나의 하나의 예를 도시한다.
도 40은 도 38의 장치에 대해 PMC 표면을 제공하는 PMC 구조물의 예를 도시한다.
도 41a와 도 41b는 도 38의 장치의 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 43 내지 도 48은 CRLH MTM 장치내의 상부 셀 금속 패치와 대응 런치 패드의 상호접촉 테두리들에 관한 비직선형 테두리의 예들을 도시한다.
순수 LH 물질은 벡터 트리오(E,H,β)에 대하여 왼손 법칙을 따르고, 위상 속도 방향은 신호 에너지 전파와 반대이다. 유전율과 투자율은 둘 다 음수이다. CRLH 메타물질은 동작 방식 또는 동작 주파수에 따라서 왼손 및 오른손 전자기 전파 모드를 나타낼 수 있다. 어떤 환경하에서는, CRLH 메타물질이 파동 벡터가 제로(zero)일 때 비제로 군속도(non-zero group velocity)를 나타낼 수 있다. 이러한 상황은 왼손 모드와 오른손 모드 양쪽이 균형을 이룰 때 발생한다. 불균형 모드에서는, 전자기 파 전파가 금지되는 대역갭이 존재한다. 균형 모드의 경우, 분산 곡선은 왼손 모드와 오른손 모드 사이의 전이점, 즉 β(ω0)=0에서 어떠한 불연속성도 나타내지 않으며, 이때 군속도가 양수, 즉
Figure pat00001
인 한, 유도된 파장은 무한대, 즉 λg =2π/|β| → ∞ 이다.
이 상태는 LH형 영역내의 전송 라인(TL) 구현에 있어서 0차 모드(m=0)에 대응한다. CRLH 구조물은 음의 β 파라볼릭 영역을 따르는 분산 관계를 갖는 저주파수의 미세 스펙트럼을 지원하는데, 이 음의 β 파라볼릭 영역은 근접장(near-field) 방사 패턴을 취급하고 제어함에 있어서 독특한 성능을 갖는 전자기적으로 크고 물리적으로 소형인 장치가 구축될 수 있게 한다. 이 TL이 0차 공진기(ZOR)로서 사용되면, 전체 공진기에 걸쳐 일정한 진폭 및 위상 공진이 가능하게 해준다. ZOR 모드는 MTM 기반의 전력 합성기/분리기, 지향성 커플러, 정합 네트워크, 및 누설파(leaky wave) 안테나를 구축하는데 사용될 수 있다.
RH TL 공진기에 있어서, 공진 주파수는 전기적 길이에 대응한다(θm=βml=mπ; 여기에서 l은 TL의 길이이고, m= 1,2,3,...이다). TL 길이는 공진 주파수의 낮고 폭넓은 스펙트럼에 도달하도록 길어야 한다. 순수 LH 물질의 동작 주파수는 저주파수이다. CRLH 메타물질 구조물은 RH 및 LH 물질과 매우 다르고, RH 및 LH 물질들의 RF 스펙트럼 범위의 높은 스펙트럼 영역 및 낮은 스펙트럼 영역에 모두 도달하기 위해 사용될 수 있다.
도 1은 균형을 이루는 CRLH 메타물질의 분산도를 도시한다. CRLH 구조물은 저주파수의 미세 스펙트럼을 지원할 수 있고, 무한대 파장에 대응하는 m=0인 전이점을 포함하는 보다 높은 주파수들을 생성한다. 이것은 지향성 커플러, 정합 네트워크, 증폭기, 필터, 및 전력 합성기 및 분리기와 CRLH 안테나 소자들의 이음매없는 통합을 가능하게 한다. 일부 구현예에서, RF 또는 마이크로파 회로 및 장치는 지향성 커플러, 정합 네트워크, 증폭기, 필터, 및 전력 합성기 및 분리기와 같은 CRLH MTM 구조물로 만들어질 수 있다. CRLH 기반의 메타물질은 누설파가 전파되는 대형의 단일 안테나 소자로서의 전자적 제어방식 누설파 안테나를 구축하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 대형의 단일 안테나 소자는 조종(steer)될 수 있는 좁은 빔을 생성하기 위해 서로 이격배치된 복수의 셀들을 포함한다.
도 2는 네 개의 MTM 단위 셀들의 1차원 어레이를 갖는 CRLH MTM 장치(200)의 예를 도시한다. MTM 단위 셀들을 지지하기 위해 유전체 기판(201)이 사용된다. 기판(201)의 윗면에는 네 개의 도전성 패치들(211)이 서로 직접적인 접촉없이 분리된 상태로 형성된다. 인접하는 두 개의 패치들(211)간에 용량성 결합이 가능하도록 이 패치들 사이에 갭(220)이 설정된다. 인접하는 패치들(211)은 다양한 기하학적 형상으로 상호접촉될 수 있다. 예를 들어, 강화된 패치간 결합을 달성하기 위해, 각각의 패치(211)의 가장자리는 다른 패치(211)의 각각의 상호맞물림 가장자리와 끼워지도록 하는 상호맞물림 형상을 가질 수 있다. 기판(201)의 바닥면상에는 접지 도전층(202)이 형성되고, 접지 도전층(202)은 여러 단위 셀들에 대한 공통 전기 접촉부를 제공한다. 접지 도전층(202)은 장치(200)의 희망하는 특성 또는 성능을 달성하도록 패턴화될 수 있다. 도전성 비아 커넥터들(212)이 기판(201) 내에 형성되어 도전성 패치들(211)을 접지 도전층(202)에 각각 접속시킨다. 이 설계에서, 각각의 MTM 단위 셀은 윗면상에 각각의 도전성 패치(211)를 갖고 각각의 도전성 패치(211)를 접지 도전층(202)에 접속시키는 각각의 비아 커넥터를 갖는 체적을 포함한다. 이 예에서, 도전성 피드 라인(230)은 윗면상에 형성되고, 그 말단부는 단위 셀의 1차원 어레이의 한쪽 끝에서 단위 셀의 도전성 패치(211)와 인접하지만 이와 분리되게 위치한다. 도전성 런치 패드는 단위 셀 부근에 형성될 수 있고, 피드 라인(230)은 런치 패드에 접속되어 단위 셀에 전자기적으로 결합된다. 이 장치(200)는 단위 셀로부터 왼손오른손 혼합형(CRLH) 메타물질 구조물을 형성하도록 구축된다. 이 장치(200)는 패치들(211)을 통해 신호를 송신 또는 수신하는 CRLH MTM 안테나일 수 있다. MTM 셀의 1차원 어레이의 다른쪽끝에서 제2 피드 라인을 결합시킴으로써 CRLH MTM 전송 라인이 또한 이러한 구조물로부터 구축될 수 있다.
도 2a, 2b 및 2c는 도 2에서의 각 MTM 단위 셀내의 부품들의 전자기적 특성과 기능 및, 각각의 등가 회로를 도시한 것이다. 도 2a는 각 패치(211)와 접지 도전층(202) 간의 용량성 결합 및 상부 패치(211)를 따른 전파에 기인한 유도성 결합을 도시한 것이다. 도 2b는 두 개의 인접한 패치들(211)간의 용량성 결합을 도시한다. 도 2c는 비아 커넥터(212)에 의한 유도성 결합을 도시한다.
도 3은 MTM 단위 셀(310)의 2차원 어레이에 기초된 CRLH MTM 장치(300)의 다른 예를 도시한 것이다. 각각의 단위 셀(310)은 도 2의 단위 셀로서 구축될 수 있다. 이 예에서, 단위 셀(310)은 다른 셀 구조물을 가지며, 금속-절연체-금속(MIM) 구조물에서 상부 패치(211) 아래에 다른 도전층(350)을 포함하여 두 개의 인접하는 단위 셀들(310) 사이에서 왼손형 캐패시턴스(CL)의 용량성 결합을 강화시킨다. 이러한 셀 설계는 두 개의 기판들과 세 개의 금속층들을 이용하여 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 도전층(350)은 비아 커넥터(212)와 분리된 상태에서 비아 커넥터(212)를 대칭적으로 에워싸는 도전성 캡들을 갖는다. 두 개의 피드 라인들(331, 332)이 두 개의 어레이 직교 방향들을 따라 CRLH 어레이에 각각 결합하도록 기판(201)의 윗면상에 형성되어 있다. 피드 런치 패드들(341, 342)이 기판(201)의 윗면상에 형성되고, 이들은 피드 라인들(331, 332)이 각각 결합된 셀 자신들의 각 패치(211)들로부터 이격되어 있다. 이 2차원 어레이는 이중 대역 안테나를 포함한 다양한 응용들을 위한 CRLH MTM 안테나로서 사용될 수 있다. 상기 MTM 구조물 설계에 더하여, 두 개의 인접한 셀들의 상부 패치들사이의 상호접촉 면적을 증가시키는 상호맞물림 캐패시터 설계 또는 다른 곡선형상을 이용함으로써 두 개의 인접한 셀들간의 용량성 결합이 또한 셀을 작은 크기로 유지하면서 증가될 수 있다.
도 4는 지지 기판(401)상에 1차원 및/또는 2차원 어레이로 형성된 안테나 소자(410)들을 포함한 안테나 어레이(400)의 예를 도시한다. 각 안테나 소자(410)는 CRLH MTM 소자이고, 특정한 셀 구조물(예를 들면, 도 2 또는 도 3의 셀)내에 각각 하나 이상의 CRLH MTM 단위 셀들(412)을 포함한다. 각 안테나 소자(410)내의 CRLH MTM 단위 셀(412)은 안테나 어레이(400)를 위한 기판(401)상에 직접 형성될 수 있거나 또는 기판(401)에 맞물려진 별개의 유전체 기판(411)상에 직접 형성될 수 있다. 각 안테나 소자내의 두 개 이상의 CRLH MTM 단위 셀들(412)은 1차원 어레이 또는 2차원 어레이를 포함하는 다양한 구성으로 배열될 수 있다. 각 셀 마다의 등가 회로가 또한 도 4에 도시되어 있다. CRLH MTM 안테나 소자는 안테나 어레이(400)에서의 희망하는 기능 또는 특성, 예를 들면, 광대역, 다대역 또는 초광대역 동작을 지원하도록 설계될 수 있다. CRLH MTM 안테나 소자는 또한 다수의 송신기/수신기에 의해 인에이블되는 비상관 다중 통신 경로들을 이용함으로써 다수의 스트림들이 동일한 주파수 대역을 통해서 동시에 송신되거나 수신되는 다중 입력 다중 출력(MIMO) 안테나를 구축하는데 사용될 수 있다.
CRLH MTM 안테나는 여러 안테나 소자들간의 희망되지 않은 결합과 이에 대응하는 RF 체인을 최소화하면서, 안테나 소자의 크기를 줄이도록 하고 두 개의 인접한 안테나 소자들간에 밀접한 간격이 가능할 수 있도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 각각의 MTM 단위 셀은 CRLH 메타물질 구조물과의 공진 신호의 파장의 1/6 또는 1/10보다 작은 치수를 가질 수 있으며, 두 개의 인접한 MTM 단위 셀들은 상기 파장의 1/4 거리 또는 이보다 작은 거리로 서로 이격될 수 있다. 이와 같은 안테나는 다음 중 하나 이상을 달성하는데 사용될 수 있다: 1) 안테나 크기 감소, 2) 최적화된 정합, 3) 지향성 커플러와 정합 네트워크를 이용함으로써 인접한 안테나들 사이의 결합을 줄이고 이들 사이의 패턴 직교성을 복원시키는 수단, 및 4) 필터, 다이플렉서/듀플렉서, 및 증폭기의 잠재적인 통합.
무선 통신을 위한 다양한 무선 장치들에는 아날로그/디지탈 변환기, 오실레이터(직접 변환의 경우에서는 하나, 또는 다단계 RF 변환의 경우에서는 여러개), 정합 네트워크, 커플러, 필터, 다이플렉서, 듀플렉서, 위상 천이기 및 증폭기가 포함된다. 이러한 컴포넌트들은 고가의 소자이며, 서로 매우 밀접한 간격으로 통합되기 어려우며, 종종 신호 전력에서의 상당한 손실을 나타내는 경향이 있다. 또한, RF 체인을 형성하는데에 제공되는 경우, MTM 기반의 필터와 다이플렉서/듀플렉서가 구축되어 안테나, 전력 합성기, 지향성 커플러, 및 정합 네트워크와 통합될 수 있다. RFIC와 직접 접속된 외부 포트만이 50Ω 규정을 따를 필요가 있다. 안테나, 필터, 다이플렉서, 듀플렉서, 전력 합성기, 지향성 커플러, 및 정합 네트워크 사이의 내부 포트들은 이러한 RF 소자들간의 정합을 최적화하기 위해서 50Ω과 다를 수 있다. 따라서, MTM 구조물들은 이러한 컴포넌트들을 능률적이고 비용효율적인 방법으로 통합시키는데 사용될 수 있다.
MTM 기술들은 종래의 RF 구조물과 유사하거나 또는 이보다 우수한 성능을 갖는 무선 주파수(RF) 컴포넌트들과 서브시스템들을 기존 크기의 몇분의 일, 예컨대 λ/40만큼의 안테나 크기 감소를 가지며 설계 및 개발하는데 사용될 수 있다. 다양한 MTM 안테나와 공진기의 한가지 제한은 단일 대역 또는 다대역 안테나들에서의 공진 주파수 주위의 대역폭이 좁다는 것이다.
*이런 점에서, 본 출원은 안테나와 같은 RF 컴포넌트와 서브시스템에서 사용되는 MTM 기반의 광대역, 다대역, 또는 초광대역 전송 라인(TL) 구조물을 설계하기 위한 기술들을 설명한다. 본 기술들은 높은 효율, 이득, 및 소형 크기를 유지하면서 저가이며 제조하기 수월한 적절한 구조물을 알아내는데 사용될 수 있다. HFSS와 같은 전파(full wave) 시뮬레이션 툴을 이용하여 이와 같은 구조물의 예시들이 또한 제공된다.
하나의 구현예에서, 본 설계 알고리즘은 (1) 구조물 공진 주파수를 알아내는 단계, 및 (2) 대역폭을 분석하기 위해 공진 주파수 근처의 분산 곡선 기울기를 판정하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 TL 및 다른 MTM 구조물을 위한 대역폭 확장 뿐만이 아니라 이들의 공진 주파수에서의 MTM 안테나 방사를 위한 대역폭 확장을 위한 통찰과 길잡이를 제공한다. 본 알고리즘은 또한 (3) BW 크기가 실현가능한 것으로 판정되는 경우, 공진 주파수 주변의 넓은 주파수 대역에 걸쳐 일정한 정합 부하 임피던스 ZL(또는 정합 네트워크)을 제공하는, 피드 라인과 (존재하는 경우)가장자리 종단을 위한 적절한 정합 메카니즘을 찾아내는 단계를 포함한다. 이러한 메카니즘을 이용하여, BB, MB, 및/또는 UWB MTM 설계는 전송 라인(TL) 분석을 이용하여 최적화되고, 그 후 HFSS와 같은 전파(full wave) 시뮬레이션 툴의 이용을 통해 안테나 설계에 적용된다.
MTM 구조물은 RF 컴포넌트, 회로, 및 서브시스템의 설계 및 성능을 강화하고 확장하는데에 사용될 수 있다. RH 공진과 LH 공진이 모두 발생할 수 있는 왼손오른손 혼합형(CRLH) TL 구조물은 희망하는 대칭성을 나타내고, 설계 유연성을 제공하며, 동작 주파수 및 동작 대역폭과 같은 특정한 응용 요건들을 해결할 수 있다.
본 출원에서의 MTM 1D 및 2D 전송 라인의 설계는 안테나와 그 밖의 다른 응용들을 위한 1D 및 2D 광대역, 다대역(MB), 및 초광대역(UWB) TL 구조물을 구축하는데에 사용될 수 있다. 하나의 설계 구현예에서, 주파수 대역과 이들의 대응 대역폭을 설정하기 위해 N개-셀 분산 관계 및 입력/출력 임피던스가 구해진다. 하나의 예시에서, 2-D MTM 어레이가 2D 이방성 패턴을 포함하도록 설계되며 나머지 셀들이 종단되면서 여러 공진들을 여기시키기 위해 두 개의 서로다른 어레이 방향들을 따르는 두 개의 TL 포트들을 사용한다.
2D 이방성 분석은 1 입력 및 1 출력을 갖는 전송 라인(TL)에 대하여 행해진다. 그 행렬 표현이 수학식 [II-1-1]에서 나타난다. 주목할 것은, 중심이탈(off-center) TL 피드 분석이 주파수 대역을 증가시키기 위해 x 방향 및 y 방향을 따른 다수의 공진들을 통합하도록 행해진다는 것이다.
[수학식 II-1-1]
Figure pat00002
CRLH MTM 어레이는 광대역 공진을 나타내도록 설계되고, 아래의 특징들 중 하나 이상을 포함하도록 설계될 수 있다: (1) 구조물 아래에 감소된 접지면(GND)을 가진 1D 및 2D 구조물, (2) 구조물 아래에 완전 GND를 갖는 오프셋(offset) 피드를 구비한 2D 이방성 구조물, 및 (3) 개선된 종단 및 피드 임피던스 정합. 본 출원 명세서에서 서술된 기술들과 예시들을 기초로, 다양한 1D 및 2D CRLH MTM TL 구조물과 안테나들이 광대역, 다대역 및 초광대역 성능을 제공하도록 구축될 수 있다.
CRLH MTM 소자의 1D 구조물은 병렬 (LL, CR) 파라미터와 직렬 (LR, CL) 파라미터를 갖는 선형 어레이내의 N개의 동일한 셀들을 포함할 수 있다. 이러한 다섯 개의 파라미터들은 N개의 공진 주파수들, 대응하는 대역폭, 및 이러한 공진 주파수주변의 입력 및 출력 TL 임피던스 변동을 결정한다. 이러한 다섯 개의 파라미터들은 또한 구조물/안테나 크기를 결정한다. 따라서, λ/40 치수만큼 작은 소형의 목표 설계에 주의 깊은 관심이 주어지며, 여기서 λ는 자유 공간에서의 전파(propagation) 파장이다. TL 및 안테나 양자의 경우에서, 공진 주파수에 걸친 대역폭은 이들 공진 주파수 근처의 분산 곡선의 경사도가 급경사일 때 확장된다. 1D의 경우에, 경사도 방정식은 대역폭을 확장하기 위한 다양한 방법들을 이끌게하는 셀의 갯수(N)와 무관한 것으로 입증되었다. 높은 RH 주파수(ωR)(즉, 낮은 병렬 캐패시턴스 CR 와 직렬 인덕턴스 LR)를 가진 CRLH MTM 구조물은 보다 큰 대역폭을 갖는 것으로 나타난다. 낮은 CR 값은 예컨대, 비아를 통해 GND에 접속되는 패치들 아래의 GND 영역을 종단시킴으로써 달성될 수 있다.
주파수 대역, 대역폭 및 크기가 특정되면, 다음 단계는 목표 주파수 대역 및 대역폭에 도달하도록 구조물을 피드 라인 및 가장자리 셀의 적절한 종단과 정합시키는 것을 고려하는 것이다. 폭넓은 피드 라인으로 BW가 증가되고 희망하는 주파수에서 정합 값 부근의 값을 가진 종단 캐패시터를 추가하는 특정한 예가 주어진다. CRLH MTM 구조물을 설계하는데에 있어서의 한가지 도전과제는 희망하는 대역에 걸쳐 주파수에 무관하게 또는 주파수에 따라 느리게 변동하는 적당한 피드/종단 정합 임피던스를 알아내는 것이다. 공진 주파수 주변의 유사한 임피던스 값을 갖는 구조물을 선택하기 위해 완전 분석이 행해진다.
이러한 분석을 행하고 FEM 시뮬레이션을 구동한 결과는 주파수 갭내에 여러 모드들이 존재한다는 것을 보여준다. 전형적인 LH(n≤0) 및 RH(n≥0)은 TEM 모드이고, 한편 LH와 RH 모드 사이의 모드들은 TE 모드들로서 이것은 LH 및 RH 혼합 모드로 간주된다. 이러한 TE 모드들은 순수 LH 모드에 비하여 보다 높은 BW를 가지며, 동일한 구조물에 대해 보다 낮은 주파수에 도달하도록 조정될 수 있다. 이 응용에서, 우리는 혼합 모드를 나타내는 몇가지 예를 제시한다.
2D CRLH MTM 구조물의 분석 및 설계는 일부 측면에서 1D 구조물과 유사하며, 일반적으로는 이보다 훨씬 복잡하다. 2D 장점은 1D 구조물에 비해 제공하는 자유도(degrees of freedom)가 추가된다는 것이다. 2D 구조물을 설계하는데에 있어서, 대역폭은 1D 설계에서와 유사한 단계들을 따라 확장될 수 있고, 장치 대역폭을 확장하기 위해 x 방향 및 y 방향을 따라 다수의 공진 주파수들이 결합될 수 있다.
2D CRLH MTM 구조물은 x 방향 및 y 방향을 따라 각각 Nx 개의 셀들과 Ny 개의 셀들의 열(column)과 행(row)을 포함하며, 총합하여 Ny × Nx 개의 셀들을 제공한다. 각 셀들은 x축과 y축을 따라 각각 직렬 임피던스 ZX (LRx,CLx) 및 Zy (LRy, CLy)와, 병렬 어드미턴스 Y (LL,CR)로 특징지어진다. 각 셀들은 x축을 따라 두 개의 브랜치와 y축을 따라 두 개의 브랜치를 가진 네 개의 브랜치 RF 네트워크로 표현된다. 1D 구조물에서, 단위 셀은 2D 구조물보다 분석에 있어서 덜 복잡한 두 개 브랜치 RF 네트워크로 표현된다. 이 셀들은 자신의 네 개의 내부 브랜치들를 통해 레고(Lego) 구조물처럼 상호접속된다. 1D 구조물에서, 셀들은 두 개의 브랜치들을 통하여 상호접속된다. 2D 구조물에서, 외부 브랜치들(또는 가장자리라고도 불리운다)은 외부 포트로서 역할을 하는 외부 소스(입력 포트)에 의해 여기되거나, 또는 "종단 임피던스"에 의해 종단된다. 2D 구조물에서는 총 Ny×Nx 개의 가장자리 브랜치들이 있다. 1D 구조물에는 입력, 출력, 입력/출력, 또는 종단 포트로 역할을 할 수 있는 두 개의 가장자리 브랜치만이 있다. 예를 들면, 안테나 설계시에 사용되는 1D TL 구조물은 일단부가 입력/출력 포트로서 역할을 하고 타단부는 Zt 임피던스로 종단되는데, 이것은 확장된 안테나 기판을 표현하는 대부분의 경우에서 무한대이다. (위와 아래에서 여러번 언급하는 것은 생략함)
2D 구조물에서, 각 셀들은 여러 값들의 럼프 소자들 Zx(nx,ny), Zy(nx,ny) 및 Y(nx,ny)에 의해 특징지어질 수 있고, 모든 종단들 Ztx(1,ny), Ztx(Nx,ny), Zt(nx,1) 및 Zt(nx,Ny) 및 피드들은 비동질적이다. 비록 이와 같은 구조물이 일부 응용에 적합한 독특한 특성을 가질 수 있지만, 그 분석은 복잡하고 그 구현은 보다 대칭적인 구조물보다 훨씬 실용적이지 못하다. 이것은 물론 공진 주파수 주변에서의 대역폭 확장을 탐사하는 것을 추가로 한다. 본 출원 명세서에서의 2D 구조물에 관한 예시들은 x 방향, y 방향을 따라 그리고 분로(shunt)를 거쳐 각각 동일한 Zx, Zy 및 Y를 갖는 CRLH MTM 단위 셀에 관한 것이다. 다른 CR 값을 갖는 구조물이 또한 다양한 응용들에서 사용될 수 있다.
2D 구조물에서는, 구조물이 입력 및 출력 포트를 따라 임피던스 정합을 최적화하는 임의의 임피던스 Ztx 및 Zty에 의해 종단될 수 있다. 간단명료함을 위해, 무한 임피던스 Ztx 및 Zty가 시뮬레이션에서 사용되며, 이 무한대 임피던스는 이러한 종단된 가장자리를 따르는 무한대의 기판/접지 평면에 대응한다.
비무한대값의 Ztx 및 Zty을 갖는 2D 구조물은 본 출원명세서에서 기술된 동일한 분석 방법을 이용하여 분석될 수 있고, 대안적인 정합 제한을 이용할 수 있다. 이와 같은 비무한대 종단의 예는 2D 구조물 내에서 전자기(EM) 파를 포함하는 표면 전류를 조정하여 다른 인접하는 2D 구조물에 대해 어떠한 간섭도 야기시키지 않게하는 것이다. 관심있는 경우는, 입력 피드가 x 또는 y 방향을 따라 하나의 가장자리 셀의 중심으로부터의 오프셋 위치에 배치된 때이다. 이 결과로 피드 라인이 상기 방향들 중 하나만을 따르는 경우에도 EM 파가 x 방향과 y 방향 양쪽 모두에서 비대칭적으로 전파되는 결과를 야기시킨다. Nx=1, Ny=2인 2D 구조물에서, 입력은 (1,1) 셀을 지나가고 출력은 (2,1) 셀을 지나간다. 산란 계수 S11과 S12를 계산하기 위해 전송 행렬 [A B C D]이 구해질 수 있다. 이와 유사한 계산이 종단된 GND, RH/LH TE 혼합 모드, 및 E 필드가 없는 완전한 H 필드 GND 에 대하여 행해진다. 1D 설계물과 2D 설계물은 모두 양쪽면 사이에 비아를 갖는 기판(두 개의 층들)의 양쪽면상에 인쇄되거나 또는, 상부 금속배선 층과 하부 금속배선 층 사이에 샌드위치된 추가적인 금속배선 층들을 갖는 다층 구조물상에 인쇄된다.
광대역( BB ), 다대역 ( MB ) 및 초광대역( UWB ) 공진을 갖는 1D CRLH MTM TL 및 안테나
도 5는 네 개의 단위 셀들에 기초된 1D CRLH 물질 TL의 예를 제공한다. 네 개의 패치들이 접지에 접속된 중심 비아들을 갖는 유전체 기판 위에 배치된다. 도 6은 도 11의 장치와 유사한 등가 네트워크 회로를 도시한다. ZLin'와 ZLout'는 각각 입력 및 출력 부하 임피던스에 대응하고, 이들은 각 단부에서의 TL 결합에 기인한 것이다. 이것은 인쇄된 2층 구조물의 예시이다. 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 도 5와 도 6 간의 일치가 도시되는데, 여기서, (1) RH 직렬 인덕턴스와 병렬 캐패시터는 패치와 접지면 사이에 샌드위치된 유전체에 기인하고, (2) 직렬 LH 캐패시턴스는 두 개의 인접한 패치들의 존재에 기인한 것이고, 비아는 병렬 LH 인덕턴스를 야기시킨다.
개별적인 내부 셀은 직렬 임피던스(Z)와 병렬 어드미턴스(Y)에 대응하는 두 개의 공진 주파수(ωSE, ωSH)를 갖는다. 그 값들은 아래의 수학식에 의해 주어진다.
[수학식 II-1-2]
Figure pat00003
여기에서,
Figure pat00004
이다.
도 6에서의 두 개의 입력/출력 가장자리 셀들은 CL 캐패시터 부분을 포함하지 않는데, 그 이유는 CL 캐패시터가 상기 입력/출력 포트에 없는 두 개의 인접한 MTM 셀들 사이의 캐패시턴스를 나타내기 때문이다. 가장자리 셀에서 CL 부분의 부재는 ωSE 주파수가 공진하는 것을 막는다. 그러므로, ωSH 만이 n=0 공진 주파수로서 나타난다.
계산 분석을 간단히 하기 위해, 우리는 도 8에 도시한 바와 같이 ZLin' 및 ZLout' 직렬 캐패시터 부분을 포함시켜서 누락된 CL 부분을 보상하며, 여기서 모든 N개의 셀들은 모두 동일한 파라미터를 갖는다.
도 7a 및 도 9a는 각각 부하 임피던스가 없는 도 6 및 도 8의 회로에 대한 2-포트 네트워크 행렬 표현을 제공한다. 도 7b와 도 9b는 TL 설계물이 안테나로서 사용되는 경우에 도 6 및 도 8에서의 회로에 대해 유사한 안테나 회로를 제공한다. [수학식 II-1-1]과 유사한 행렬 표현에서, 도 9a는 아래의 관계식을 나타낸다.
[수학식 II-1-3]
Figure pat00005
도 8의 CRLH 회로는 Vin 및 Vout 단부에서 보았을 때 대칭적이기 때문에 AN=DN의 가정을 설정한다. 파라미터 GR은 방사 저항값에 대응하는 구조물이고, ZT는 종단 임피던스이다. 종단 임피던스 ZT는 기본적으로 추가적인 2CL 직렬 캐패시터를 가진 도 7a의 구조물의 희망하는 종단 임피던스이다. ZLin' 및 ZLout'에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 즉,
[수학식 II-1-4]
Figure pat00006
파라미터 GR은 안테나를 구축하거나 안테나를 HFSS로 시뮬레이팅함으로써 구해지기 때문에, 이 안테나 구조물로 작업하여 설계를 최적화하기는 곤란하다. 그러므로, TL 방법을 채용하고, 그 다음에, 대응하는 안테나를 다양한 종단 임피던스들(ZT)로 시뮬레이팅하는 것이 바람직하다. [수학식 II-1-2]의 표현은 수정된 값들 AN', BN' 및 CN'을 가지면서 도 6의 회로에 대하여 계속 적용되며, 이 값들은 두 개의 가장자리 셀들에서의 누락 CL 부분을 반영한다.
1D CRLH MTM 구조물에서의 주파수 대역
주파수 대역은 N개 CRLH 셀 구조물을 nπ 전파 위상 길이로 공진시킴으로써 구해지는 분산 방정식으로부터 결정되고, 여기에서 n=0, ±1, ±2, ..., ±N이다. N개 CRLH 셀들은 각각 [수학식 II-1-2]에서 Z와 Y에 의해 표현되는데, 이것은 CL이 단부 셀로부터 누락되어 있는 도 6에 도시된 구조물과 다르다. 그러므로, 이러한 두 개의 구조물과 연관된 공진 주파수들은 서로 다를 것으로 예상할 수 있다. 그러나, 확장된 계산은, 모든 공진 주파수들은 n=0인 경우를 제외하고 서로 동일함을 보여주는데, 이때, ωSE와 ωSH 모두는 제1 구조물에서 공진하고 ωSH만이 제2 구조물에서 공진한다(도 6). 양의 위상 오프셋(n>0)은 RH 영역 공진에 대응하고, 음의 값(n<0)은 LH 영역과 관련된다.
[수학식 II-1-2]에서 정의된 Z 및 Y 파라미터들을 가진 N개의 동일한 셀들의 분산 관계는 아래의 관계식에 의해 주어진다.
[수학식 II-1-5]
Figure pat00007
여기에서, Z와 Y는 [수학식 II-1-2]에 의해 주어지고, AN은 N개의 동일한 셀 CRLH 회로의 선형 캐스케이드 또는 도 8에 도시된 회로로부터 구해지고 p는 셀 크기이다. 홀수 n=(2m+1) 및 짝수 n=2m 공진은 각각 AN=-1 및 AN=1과 관련된다. 도 6 및 도 7a의 AN'로 인하여 그리고 단부 셀에서 CL의 부존재에 기인해서, n=0 모드는 셀의 갯수에 관계없이 ω0는 ω0=ωSH 에서만 공진하며 ωSE와 ωSH 양쪽에서는 공진하지 않는다. [표 1]에서 지정된 χ의 여러가지 값들에 대하여, 보다 높은 주파수들이 아래의 방정식에 의해 주어진다.
[수학식 II-1-6]
Figure pat00008
[표 1]은 N=1, 2, 3 및 4인 경우에서 χ값들을 제공한다. 흥미롭게도, 보다 높은 공진들(|n|>0)은 완전 CL이 가장자리 셀들에서 존재하거나(도 8) 또는 부재하는 경우(도 6)에 상관없이 동일하다. 또한, [수학식 II-1-5]에서 나타난 것처럼, n=0에 가까운 공진은 작은 χ값을 갖고(χ 하한값 0 부근), 반면에 보다 높은 공진은 χ 상한값 4에 도달하는 경향이 있다.
[표 1]
<N=1, 2, 3 및 4인 셀들에서의 공진>
Figure pat00009
오메가의 함수로서 분산 곡선 β의 설명이 ωSE = ωSH 균형을 이루는 경우(도 10)와 ωSE ≠ ωSH 균형을 이루지 않는 경우(도 1) 모두에 대하여 도 12에서 제공된다. 후자의 경우에, 최소(ωSE, ωSH)와 최대(ωSE, ωSH) 사이에 주파수 갭이 있다. 한계 주파수 ωmin과 ωmax 값들은 아래의 수학식에서 표시된 것처럼 χ가 상한값 χ=4에 다다르는 [수학식 II-1-6]에서 동일한 공진 방정식에 의해 주어진다.
[수학식 II-1-7]
Figure pat00010
도 10 및 도 11은 베타 곡선을 따르는 공진 주파수 위치의 예를 제공한다. 도 10은 LRCL = LLCR인 균형을 이루는 경우를 도시한 것이고, 도 11은 LH 영역과 RH 영역 사이에 갭이 존재하는 불균형의 경우를 도시한 것이다. RH 영역(n>0)에서, 구조물 크기 l=Np(여기에서 p는 셀 크기)는 주파수가 감소함에 따라 증가한다. LH 영역과 비교하면, 보다 작은 Np의 값으로 보다 낮은 주파수에 도달하고, 이에 따라서 크기가 감소한다. β 곡선은 이러한 공진 주파수들 주변의 대역폭의 일부 표시를 제공한다. 예를 들면, LH 공진은 β 곡선이 LH 방식에서 거의 평탄하기 때문에 좁은 대역폭을 경험한다는 것이 명백하다. RH 영역에서, 대역폭은 β 곡선이 급경사이기 때문에 높아진다. 즉,
[수학식 II-1-8]
Figure pat00011
Figure pat00012
여기에서, χ는 [수학식 II-1-5]에 주어지고, ωR은 [수학식 II-1-2]에 정의되어 있다. [수학식 II-1-8]의 제1 BB 조건(COND1)에서 분모를 0으로 만드는 |AN|=1일 때, [수학식 II-1-5]에서의 분산 관계로부터 공진들이 발생한다. 상기하자면, AN은 N개의 동일한 셀들의 첫번째 전송 행렬 입력이다(도 8 및 도 9a). 계산 결과는 COND1이 진정으로 N과 무관하고 [수학식 II-1-8]에서의 두번째 방정식에 의해 주어진다는 것을 보여준다. 분산 곡선의 기울기 및 이에 따라 가능한 대역폭을 규정하는 것은 [표 1]에 정의된 공진에서의 분자 및 χ의 값이다. 타켓화된 구조물은 크기가 기껏해야 Np=λ/40이고 BW는 4%를 초과한다. n<0의 경우, 공진들이 [표 1]에서 4 부근의 χ 값에서 발생하기 때문에, 다시 말하면 (1-χ/4 → 0)이기 때문에, 작은 셀 크기(p)를 갖는 구조물의 경우, [수학식 II-1-8]은 높은 ωR 값이 COND1을 만족시킨다는 것, 즉 낮은 CR 및 LR 값을 만족시킨다는 것을 명백하게 보여준다.
1D CRLH MTM 전송 라인 및 안테나에서의 임피던스 정합
전술한 바와 같이, 분산 곡선 기울기가 급경사 값을 가지면, 다음 단계는 적합한 정합을 알아내는 것이다. 이상적인 정합 임피던스는 고정값을 갖고, 큰 정합 네트워크 풋프린트를 필요로 하지 않는다. 여기에서, 용어 "정합 임피던스"는 안테나와 같은 단일측 피드인 경우에서의 피드 라인 및 종단을 의미한다. 입력/출력 정합 네트워크를 분석하기 위해, Zin과 Zout이 도 9a의 TL 회로에 대하여 계산될 필요가 있다. 도 8의 네트워크는 대칭적이기 때문에, 다음의 조건, 즉 Zin=Zout이 만족된다. 또한, 아래의 방정식에서 나타난 바와 같이 Zin은 N과 무관하다.
[수학식 II-1-9]
Figure pat00013
B1/C1이 0보다 큰 이유는 [수학식 II-1-5]에서 |AN|≤1의 조건 때문이고, 이것은 아래의 임피던스 조건을 초래한다.
0≤-ZY=χ≤4.
제2 BB 조건은 일정한 정합을 유지하기 위해 공진 부근 주파수에 따라 약간 변화하는 Zin에 대한 것이다. 실제의 정합 Zin'는 [수학식 II-1-4]에서 표시한 것처럼 CL 직렬 캐패시턴스 부분을 포함한다는 것을 명심하라.
[수학식 II-1-10]
Figure pat00014
도 5 및 도 7a의 TL 예와는 달리, 안테나 설계물은 무한대 임피던스를 가진 개방 단부측을 가지는데, 이것은 전형적으로 구조물 가장자리 임피던스를 불충분하게 정합시킨다. 캐패시턴스 종단이 아래의 수학식에 의해 주어진다.
[수학식 II-1-11]
*
Figure pat00015
상기 값은 N에 따라 달라지며, 순 허수이다.
LH 공진은 전형적으로 RH 공진보다 더 좁기 때문에, 선택된 정합값은 n>0 보다는 n<0 에서 구해진 값들에 더 가깝다.
본 출원명세서에서의 1- D 및 2-D CRLH MTM 안테나의 예시들은 임피던스 정합을 위한 여러가지 기술들을 설명한다. 예를 들어, 피드 라인의 말단부 크기 및 형상, 피드 라인과 단위 셀 사이에 형성된 런치 패드의 크기 및 형상을 적절하게 선택함으로써, 피드 라인과 단위 셀간의 결합이 임피던스 정합을 지원하도록 제어될 수 있다. 런치 패드의 치수 및 단위 셀에서부터 런치 패드까지의 갭은 임피던스 정합을 제공하도록 구성될 수 있고 그 결과 목표 공진 주파수가 안테나에서 여기될 수 있다. 다른 예로서, MTM 안테나의 말단부에서 형성될 수 있는 종단 캐패시터가 임피던스 정합을 지원하는데 사용될 수 있다. 상기 두 개의 예시적인 기술들은 또한 적절한 임피던스 정합을 제공하도록 결합될 수 있다. 또한, 다른 적절한 RF 임피던스 정합 기술들이 하나 이상의 목표 공진 주파수에 대한 희망하는 임피던스 정합을 달성하는데 사용될 수 있다.
종단된 접지 전극을 갖는 CRLH MTM 안테나
CRLH MTM 구조물에서, LH 공진의 대역폭을 증가시키기 위해, 병렬 캐패시터(CR)는 감소될 수 있다. 이러한 감소는 [수학식 II-1-8]에 표시된 것처럼 급경사 베타 곡선의 보다 높은 ωR 값을 야기시킨다. CR을 감소시키는데는 1) 기판 두께를 증가시키는 것, 2) 상부 셀의 패치 면적을 감소시키는 것, 또는 3) 상부 셀 패치 아래의 접지 전극을 감소시키는 것을 포함하는 다양한 방법들이 있다. CRLH MTM 장치를 설계함에 있어서, 희망하는 특성을 갖는 MTM 구조물을 생산하기 위해, 상기 세가지 방법 중 하나가 사용될 수 있거나 또는 하나 또는 두개의 다른 방법들과 결합될 수 있다.
도 2, 도 3 및 도 5에서의 설계들은 완전 접지 전극으로서의 MTM 장치용 기판의 전체 표면을 뒤덮는데에 도전체 층을 이용한다. 공진 대역폭을 증가시키고 공진 주파수에 튜닝시키기 위해, 기판 표면의 하나 이상의 부분들을 노출시키도록 패턴화된 종단된 접지 전극이 접지 전극의 크기를 완전 기판 표면보다 작도록 감소시키는데에 사용될 수 있다. 도 12와 도 14에서의 종단된 접지 전극 설계는 기판의 접지 전극측상의 MTM 셀의 풋프린트에서의 영역내에서 접지 전극의 양이 줄어들고, 스트립 라인이 MTM 셀의 셀 비아를 MTM 셀의 풋프린트 외부의 메인 접지 전극에 접속시키는데에 사용되는 두 개의 예시들이다. 이 종단된 접지 전극 방법은 광대역 공진을 달성하기 위해 다양한 구성들로 구현될 수 있다.
예를 들어, CRLH MTM 공진 장치는 제1 측면상의 제1 표면과 제1 측면과 반대쪽의 제2 측면상의 제2 표면을 갖는 유전체 기판; 두 개의 인접한 셀 도전성 패치들을 용량성 결합시키도록 서로가 분리된 상태로 제1 표면상에 형성된 셀 도전성 패치들; 상부 패치들 아래에 각각 위치되고 제2 표면상에 형성된 셀 접지 전극들; 제2 표면상에 형성된 메인 접지 전극; 도전성 패치들을 도전성 패치들 아래에 있는 각각의 셀 접지 전극들에 접속시키기 위해 기판내에 형성된 도전성 비아 커넥터들; 및 각각의 셀 접지 전극과 메인 접지 전극 사이를 접속시키는 적어도 하나의 접지 도전체 라인을 포함한다. 이 장치는 장치에 대해 입력과 출력을 제공하도록 셀 도전성 패치들 중 하나에 용량성 결합되는 제1 표면상의 피드 라인을 포함할 수 있다. 본 장치는 왼손오른손 혼합형(CRLH) 메타물질 구조물을 형성하도록 구축된다. 일 구현예에서, 셀 접지 전극은 비아 단면적과 동일하거나 또는 이보다 크며, GND 라인을 통해 자신이 메인 GND에 접속되도록 해주는 비아 바로 아래에 위치한다. 다른 구현예에서, 셀 접지 전극은 셀 도전성 패치와 동일하거나 또는 이보다 크다.
도 12는 GND가 상부 셀 패치 아래에서 일 방향을 따르는 상부 패치보다 작은 치수를 갖는 종단된 GND의 하나의 예를 도시한 것이다. 접지 도전층은 단위 셀의 적어도 일부분의 도전성 비아 커넥터에 접속되고 단위 셀의 상기 일부분의 도전성 패치 아래를 지나가는 스트립 라인(1210)을 포함한다. 스트립 라인(1210)은 각 단위 셀의 도전 경로의 치수보다 더 작은 폭을 갖는다. 종단된 GND의 사용은 기판 두께가 작고 상부 패치의 면적이 낮은 안테나 효율로 인하여 감소될 수 없는 상용 장치에서 다른 구현 방법보다 더 실용적일 수 있다. 하부 GND가 종단되면, 다른 인덕터(Lp)(도 13)가 도 14a에 도시된 바와 같이 비아를 메인 GND에 접속시키는 금속화 스트립 라인으로부터 나타난다.
도 14 및 도 15는 종단된 GND 설계의 다른 예를 도시한 것이다. 이 예에서, 접지 도전층은 공통 접지 도전성 영역(1401)과 스트립 라인(1410)을 포함하고, 스트립 라인(1410)의 제1 말단부는 공통 접지 도전성 영역(1401)에 접속되고 스트립 라인(1410)의 제2 말단부는 단위 셀의 일부분의 도전성 패치 아래에서 단위 셀의 적어도 일부분의 도전성 비아 커넥터에 접속된다. 스트립 라인은 각 단위 셀의 도전성 패치의 치수보다 더 작은 폭을 갖는다.
종단된 GND에 관한 방정식이 구해질 수 있다. 공진 주파수들은 [수학식 II-1-6] 및 아래의 표에서와 동일한 방정식을 따른다.
[수학식 II-1-12]
Figure pat00016
[수학식 II-1-12]에서의 임피던스 방정식은 두 개의 공진(ω, ω') 주파수들이 각각 저임피던스와 고임피던스를 갖는다는 것을 보여준다. 그러므로, ω 공진 주파수 부근에서 튜닝되는 것이 보다 용이하다.
[수학식 II-1-13]
Figure pat00017
두번째 방법의 경우, 결합된 병렬 인덕턴스(LL+LP)가 증가하는 동안 병렬 캐패시터는 감소하여 보다 낮은 LH 주파수를 야기시킨다.
*일부 구현예에서, CRLH MTM 구조물에 기초된 안테나는 상부층상에 50Ω 동일평면 도파관(CPW) 피드 라인, 상부층내의 CPW 피드 라인 주변의 상부 접지(GND), 상부층내의 런치 패드, 및 하나 이상의 셀들을 포함할 수 있다. 각각의 셀들은 상부층내의 상부 금속화 셀 패치, 상부층과 하부층을 접속시키는 도전성 비아, 및 하부층내의 메인 하부 GND에 비아를 접속시키는 좁은 스트립 라인을 포함할 수 있다. 이와 같은 안테나들의 일부 특징은 HFSS EM 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이팅될 수 있다.
CRLH MTM 구조물의 다양한 특징 및 설계가 "ANTENNAS, DEVICES AND SYSTEMS BASED ON METAMATERIAL STRUCTURES"라는 명칭으로 2007년 4월 27일에 출원된 미국 특허 출원 제11/741,674호(이것은 미국 특허 공개 제-----호로서 공개되었다)에서 설명되어 있다. 미국 특허 출원 제11/741,674의 공개문헌은 본 출원의 명세서의 일부로서 참조에 의해 병합된다.
도 16은 튜닝가능 말단 캐패시터를 갖는 네 개의 CRLH MTM 셀들의 1-D 어레이의 예를 도시한다. 네 개의 CRLH MTM 셀들(1621, 1622, 1623 및 1624)이 선형 방향(y방향)을 따라 유전체 기판(1601)상에 형성되고, 갭(1644)에 의해 서로 분리되어 있다. CRLH MTM 셀들(1621, 1622, 1623 및 1624)은 안테나를 형성하도록 용량성 결합된다. 셀 어레이의 일단부에서, x 방향을 따른 각 셀들의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 도전성 피드 라인(1620)은 기판(1601)의 윗면상에 형성되고, y 방향을 따라 제1 셀(1621)과 갭(1650)에 의해 분리되어 있다. 피드 라인(1620)은 셀(1621)에 용량성 결합된다. 어레이의 타단부상에는, 용량성 튜닝 소자(1630)가 금속 패치(1631)를 포함하도록 기판(1601)내에 형성되고, 어레이를 전기적으로 종단시키기 위해 셀(1624)에 용량성 결합된다. 하부 접지 전극(1610)은 기판(1601)의 바닥면상에 형성되고, 셀들(1621-1624)과 중첩되지 않는 메인 접지 전극 영역과 접지 스트립 라인(1612)을 포함하도록 패턴화되며, 접지 스트립 라인은 셀들(1621-1624)과 용량성 튜닝 소자의 금속 패치(1631)의 선형 어레이의 풋프린트와 공간적으로 중첩하도록 y 방향을 따라 길게 늘어져 있고 y 방향에 평행하다. x 방향을 따른 접지 스트립 라인(1612)의 폭은 단위 셀의 폭보다 작으며, 따라서 접지 전극은 종단된 접지 전극이고 각 셀의 풋프린트보다 작다. 이 종단된 접지 전극 설계물은 LH 공진의 대역폭을 증가시킬 수 있고 병렬 캐패시터(CR)를 줄일 수 있다. 그 결과, 보다 높은 공진 주파수(ωR)가 달성될 수 있다.
도 17a, 도 17b, 도 17c 및 도 17d는 도 16에서의 안테나 설계의 세부모습을 도시한다. 각각의 단위 셀들은 세 개의 금속층들, 즉 기판(1601)의 바닥면상의 공통 접지 스트립 라인(1612), 기판(1601)의 윗면상에 형성된 상부 셀 금속 패치(1641), 및 기판(1601)의 윗면 근처에서 형성되고 상부 셀 금속 패치(1641) 아래에 있는 용량성 결합 금속 패치(1643)를 포함한다. 셀 비아(1642)가 상부 셀 금속 패치(1641)와 접지 스트립 라인(1612)을 접속시키기 위해 상부 셀 금속 패치(1641)의 중앙에서 형성된다. 셀 비아(1642)는 용량성 결합 소자(1630)와 분리되어 있다. 도 17b를 참조하면, 세 개의 용량성 결합 금속 패치들(1643)은, y 방향을 따라 금속 패치들의 선형 어레이를 형성하고, 두 개의 인접한 단위 셀들간의 왼손형 캐패시턴스(CL)의 용량성 결합을 강화시키기 위해 금속-절연체-금속(MIM) 구조물내에서 상부 셀 금속 패치(1641) 아래에 위치한다. 주목할 것은, 각각의 금속 패치(1643)가, 셀간 갭(1644)의 풋프린트와 중첩하도록 두 개의 인접한 셀들 사이에 위치하며, 두 개의 셀들간의 용량성 결합을 강화시키기 위해 두 개의 셀들의 상부 셀 금속 패치(1641)와 분리되어 있다는 것이다. 인접한 금속 패치들(1643)은 셀 비아(1642)와 접촉하는 것 없이 셀 비아(1642)가 통과할 수 있도록 충분한 갭을 가지면서 서로 이격되어 있다.
용량성 결합 소자(1630)는 금속 패치(1631)와 비아(1642)를 포함한다. 금속 패치(1631)는 적어도 부분적으로 셀(1624)의 상부 셀 금속 패치(1641)의 풋프린트와 중첩한다. 셀 비아(1642)와 직접 접촉하지 않는 금속 패치(1643)와는 달리, 비아(1632)는 금속 패치(1631)와 직접 접촉하며, 금속 패치(1631)를 접지 스트립 라인(1612)에 접속시킨다. 그러므로, 금속 패치(1631)와 최종 셀(1624)의 상부 셀 금속 패치는 캐패시터를 형성하며, 셀(1624)과의 용량성 결합의 세기는 설계 공정의 일부로서, 금속 패치(1631)와 최종 셀(1624)의 상부 셀 금속 패치(1643) 사이에 적절한 간격을 설정함으로써 제어될 수 있다.
도 17a는 상부 피드 라인(1620), 상부 셀 금속 패치(1641)을 형성하도록 패턴화된 상부 금속층을 도시한다. 갭(1650, 1644)은 이 금속 소자들을 서로 직접 접촉하지 못하도록 분리시키고, 두 개의 인접한 소자들사이에 용량성 결합이 가능하도록 해준다. 도 17c는 셀들(1621-1624)의 풋프린트 외부와 하부 접지 전극(1610)에 접속된 접지 스트립 라인(1612)의 외부에 위치한 하부 접지 전극(1610)을 도시한다. 도 17b에서, 용량성 결합 금속 패치(1643)는 용량성 튜닝 소자(1630)의 금속 패치(1631)와 동일한 금속층에 있는 것으로 도시된다. 이와 달리, 금속 패치(1631)는 결합 금속 패치(1643)와 다른 층에 존재할 수 있다.
그러므로, 도 16에서의 1-D 안테나는 "버섯모양" 셀 구조물을 이용하여 분배형 CRLH MTM을 형성한다. 용량성 결합 금속 패치(1643)와 상부 셀 금속 패치(1641)에 의해 형성된 MIM 캐패시터는 높은 CL 값을 획득하기 위해 마이크로스트립 패치들(1641) 사이의 갭 밑에서 사용된다. 피드 라인(1620)은 갭(1650)을 경유하여 MTM 구조물에 용량적으로 결합되고, 갭(1650)은 최적의 정합을 위해 조정될 수 있다. 용량성 튜닝 소자(1630)는 안테나 공진을 희망하는 동작 주파수로 미세튜닝시키고, 희망하는 대역폭(BW)을 획득하는데 사용된다. 튜닝은 마이크로스트립 패치에 대해 상기 소자의 높이를 변경시킴으로써 달성되며, 이에 따라 공진 주파수와 BW에 영향을 미치는 GND와의 강하거나 약한 용량성 결합을 획득하게 된다.
기판(1601)용 유전체 물질은 로저스 회사에서 상품명 "RT/Duroid 5880"으로 판매되는 물질을 포함하여 소정 범위의 물질들로부터 선택될 수 있다. 일 구현예에서, 기판은 3.14mm의 두께를 가질 수 있고, MTM 안테나 소자의 총 크기는 8mm의 폭, 18mm의 길이 및 기판 두께에 의해 설정되는 3.14mm의 높이를 가질 수 있다. 단위 CRLH 셀의 상부 패치(1641)는 두 개의 인접한 셀들사이에 0.1mm의 셀간 갭을 갖도록 하면서 x 방향으로 8mm 폭과, y 방향으로 4mm 길이를 가질 수 있다. 인접한 셀들 사이의 결합은 5 mil 미만의 높이로 두 개의 패치들의 중앙으로부터 등거리로 위치한 8mm의 폭과 2.8mm의 길이를 가질 수 있는 MIM 패치들을 이용함으로써 강화된다. 피드 라인은 첫번째 단위 셀의 가장자리로부터 0.1mm 갭을 가지면서 안테나와 결합된다. 종단 셀 상부 패치는 단위 CRLH 셀만큼의 폭과 4mm의 길이를 갖는다. 네번째 CRLH 셀과 종단 셀 사이의 갭은 5mil 이다. 모든 상부 패치들을 하부 셀 GND와 접속시키는 비아들은 0.8mm의 직경을 가지며 상부 패치들의 중앙에 위치한다.
전파(full wave) HFSS 시뮬레이션이 안테나를 특성화하는 위 장치 파라미터를 이용하여 도 17에서의 설계물에 대해 행해졌다. 도 18은 HFSS 시뮬레이션을 위해 도 17에서의 대칭적 장치의 반쪽의 모델을 도시하며, 도 19a 내지 도 19e는 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 19a는 안테나의 반사 손실(return loss; S11)을 보여준다. S11이 -10 dB 레벨 아래에 있는 영역이 안테나의 BW를 측정하는데 사용된다. S11 스펙트럼은 두 개의 잘 정의된 대역들, 즉 150MHz의 BW(4.4% 상대적 BW)을 가지며 3.38GHz에 중심이 위치된 제1 대역과, 4.43GHz에서 시작하여 30%보다 큰 상대적 BW를 가지면서 6GHz 이상으로 확장하는 제2 대역을 보여준다.
도 19b와 도 19c는 각각 3.38GHz와 5.31GHz에서, xz평면과 yz평면에서의 안테나 방사 패턴을 도시한다. 3.38GHz에서, 안테나는 2 dBi의 최대 이득(G_max)을 갖는 다이폴형 방사 패턴을 나타낸다. 5.31GHz에서, 안테나는 4 dBi의 G_max을 갖는 변형 패치형 방사 패턴을 보여준다.
HFSS 시뮬레이션은 또한 피드 라인과 MTM 구조물의 정합 효과와 용량성 튜닝 종단의 효과를 계측하는데 사용되었다. 도 19d와 도 19e는 신호 주파수의 함수로서의 안테나의 반사 손실의 플롯을 도시한다. 이와 같은 플롯은 공진 위치와 공진 대역폭을 판정하는데 사용될 수 있다. 도 19d는 피드 라인의 폭을 가변시킴으로써 획득된 안테나의 반사 손실을 도시한다. 도 19e는 안테나를 튜닝하기 위해 종단 캐패시터의 높이(예컨대, 금속 패치(1631)와 상부 셀 금속 패치(1641)간의 간격)를 가변시킴으로써 획득된 안테나의 반사 손실을 도시한다. 시뮬레이션은 종단 캐패시터의 폭 또는 간격 중 하나를 튜닝하는 것은 안테나 공진 주파수와 BW에 대해 상당한 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 그러므로, 희망하는 성능 또는 최적의 성능을 달성하도록 계획되는 설계 동안에 양쪽 파라미터들은 안테나의 공진 주파수와 대역폭을 튜닝하기 위해 독립적으로 또는 서로 조합하여 사용될 수 있다.
도 20과 도 21a 내지 도 21d는 조정가능한 피드 라인폭을 갖는 2개층, 3개셀 안테나의 예시를 도시한다. 도 16에서의 안테나 설계와 비슷하게, 이 안테나도 또한 종단된 접지 전극 설계와 종단 캐패시터 설계를 사용한다. 셀(2021, 2022, 2023)을 갖는 1-D 셀 어레이는 다른 셀 갯수와 다른 셀 치수를 가지면서 도 16에서와 유사한 설계를 갖는다. 도 20에서, MTM 구조물의 총 치수는 15mm x 10mm x 3.14mm이다. 주목할 것은, 도 20에서의 피드 라인 설계가 셀들(2021- 2023)보다 폭이 좁은 피드 라인(2020)을 사용하고, 피드 라인(2020)에 접속되고, 셀들(2021- 2023)의 폭과 일치하는 런치 패드(2060)를 사용하여 피드 라인(2020)과 셀들(2021- 2023)간의 용량성 결합을 최적화한다. 따라서, 셀들의 전체 폭과 종단 캐패시터(1630)의 간격을 조정하는 것에 더하여, 피드 라인(2020)의 폭은 안테나 공진 주파수와 대역폭을 구성할 시에 유연성을 제공하도록 독립적으로 구성될 수 있다.
도 22a는 도 20에서의 3개셀 1-D MTM 안테나 설계에서의 안테나 BW를 증가시키기 위한 감소된 접지면 방법에 대한 HFSS 시뮬레이션 모델을 도시한다. 설계의 HFSS 모델은 오직 안테나의 x>0 측만 도시한다. 다음의 파라미터들이 HFSS 시뮬레이션에서 도 22a에서의 모델을 위해 사용된다. 단위 CRLH 셀의 상부 패치는 두 개의 인접한 셀들간에 0.1mm 갭을 갖도록 하면서 10mm의 폭(x 방향)과 5mm의 길이(y 방향)를 갖는다. 인접한 셀들의 결합은 5mil 미만의 높이로 두 개의 패치들의 중앙으로부터 등거리로 위치한 10mm의 폭과 3.8mm의 길이를 갖는 MIM 패치들을 이용함으로써 강화된다. 피드 라인은 첫번째 단위 셀의 가장자리로부터 0.05mm 갭을 가지면서 10mm x 5mm 상부 패치로 구성된 런치 패드를 구비한 안테나에 결합된다. 모든 상부 패치들을 하부 셀 GND와 접속시키는 비아들은 0.8mm의 직경을 가지며 상부 패치들의 중앙에 위치한다.
도 22b는 신호 주파수의 함수로서의 이 안테나의 반사 손실을 도시한다. 이 시뮬레이션은 각각 ~10%와 23%의 상대적 BW를 가지며 2.65GHz와 5.30GHz에서 중심이 위치된 두 개의 광역 공진들을 나타낸다. 도 22c와 도 22d는 각각 상기 주파수들에서의 안테나의 방사 패턴들을 도시한다. 도 22e는 안테나 피드 폭 및 안테나 소자와의 GND 중첩을 요인으로 하는 반사 손실 변형예들을 도시한다. 첫번째 것(범례 참조)을 제외한 모든 변형예들에서, 공진 구조물은 보존된다. 10mm의 피드 폭에서 최적의 정합이 달성된다.
기판/GND 평면의 크기는 또한 도 20에서의 3개셀 1-D MTM 안테나 설계에서의 안테나 공진 및 각각의 BW에 대한 강한 GND 평면 감소의 효과를 조사하기 위해 조정된다. 도 22f는 서로다른 기판/GND 크기에 대한 시뮬레이션으로부터 획득된 반사 손실을 도시한다. S11 파라미터는 관심 주파수 범위에 걸쳐 상당히 변하며, 하나를 제외한 모든 설계 변형예들은 2GHz 에서 6GHz의 수 GHz의 큰 BW을 보여준다. 큰 BW는 감소된 GND에 대한 보다 강한 결합의 결과이다.
도 22g는 도 22a에서의 안테나 모델에 대한 2.5GHz에서의 안테나 방사 패턴을 도시한다. 작은 GND 크기에도 불구하고, 안테나 방사 패턴은 GND 평면을 훨씬 넘어서 확장하는 방사 소자와 연관된 동일한 바람직한 다이폴형 특성을 갖는다.
도 23은 3x3 MTM 셀의 2-D 어레이에 의해 형성된 안테나의 예를 도시한다. 유전체 기판(2301)은 MTM 셀 어레이를 지지하는데에 사용된다. 도 24a, 도 24b, 도 24c 및 도 24d는 이러한 안테나의 세부모습을 도시한다. 다시 도 3에서의 2-D 어레이를 참조하면, 도 23에서의 각각의 단위 셀(2300)은 용량성 결합 금속 패치(350)가 패치(211)에 용량 결합되도록 기판 윗면의 윗부분상의 상부 셀 금속 패치(211) 아래에 제공되고, 셀간 갭(320)과 중첩되어 위치하는 도 3에서의 셀과 유사하게 구성된다. 도 3에서의 기판의 바닥면상의 연속되고 균일한 접지 전극(202)과는 달리, 도 23에서의 접지 전극(2310)은 MTM 셀 어레이의 풋프린트보다 약간 큰 접지 전극 어퍼처(2320)를 갖고, 하부 전극(2310)의 주변 도전성 영역에 접속된 평행 접지 스트립 라인들(2312)을 포함하도록 패턴화된다. 이러한 하부 접지 전극(2310)의 설계는 CRLH MTM 안테나의 공진 대역폭을 증가시키기 위한 종단된 접지 전극 설계의 다른 예시를 제공한다.
도 24c는 도 23에서의 2-D MTM 셀 어레이를 위한 종단된 접지 전극(2310)의 세부모습을 도시한다. 접지 스트립 라인(2312)은 서로 평행하며, MTM 셀들(2300)의 세 개의 행들의 중앙에 각각 정렬되며, 이로써 각각의 접지 스트립 라인(2312)은 세 개의 서로다른 열들로 배치된 MTM 셀의 셀 비아들(212)과 직접 접촉한다. 이러한 설계하에서, 접지 전극(2310)의 영역은 MTM 셀 어레이의 방사 부분 주변에서 감소되고 모든 MTM 셀들(2300)은 공통 접지 전극(2310)에 접속된다.
안테나 대역폭을 증가시키기 위해 방사 소자의 근처에서의 GND 평면의 부분의 이러한 제거는 상당한 장점을 낳는다. 방사 소자의 방향으로 피드점을 넘어 연장되는 GND 평면의 일부분을 완전히 제거하는 것 대신에, 신호의 수 파장만큼 MTM 구조물보다 큰 GND 전극의 정사각형 영역이 절단된다. 셀 비아들(212)을 모든 MTM 셀(2300)에 의해 공유된 GND 전극(2310)에 접속시키기 위해 좁은 금속 스트립(2312)이 구조물 밑에 존재한다.
일 구현예에서, 도 23에서의 안테나가 서로 상하로 설치된 두 개의 기판들을 이용하여 구축될 수 있다. 예를 들어, 상부 기판은 0.25mm의 두께와 10.2의 유전율을 가질 수 있고, 하부 기판은 3.048mm의 두께와 3.48의 유전율을 가질 수 있다. 상부 셀 금속 패치(211), 중간 용량성 결합 금속 패치(350) 및 하부 접지 전극(2310)을 위한 세 개의 금속배선 층들은 각각 얇은 상부 기판의 윗부분상에, 두 기판들간의 상호접촉부에, 그리고 두꺼운 하부 기판의 아랫부분상에 위치된다. 중간층의 역할은 금속-절연체-금속(MIM) 캐패시터를 이용하여 두 개의 인접한 셀들간의 용량성 결합과 첫번째 중앙셀과 피드 라인사이의 용량성 결합을 증가시키는 것이다. 단위 CRLH 셀의 상부 패치는 두 개의 인접한 셀들간에 0.2mm의 갭을 갖도록 하면서 4mm의 폭(x 방향)과 4mm의 길이(y 방향)를 가질 수 있다. 피드 라인은 첫번째 단위 셀의 가장자리로부터 0.1mm의 갭을 가지면서 안테나에 결합된다. 모든 상부 셀 패치들을 하부 셀 GND에 접속시키는 비아들은 0.34mm의 직경을 갖고 상부 패치들의 중앙에 위치할 수 있다. 중앙에 있는 MIM 패치들은 상부 패치들로부터 45각도만큼 회전하며, 3.82mm x 3.82mm의 치수를 가질 수 있다.
도 25a는 도 23에서 도시된 종단된 접지 전극의 여러개의 서로다른 설계들에 대한 신호 주파수의 함수로서의 반사 손실의 HFSS 시뮬레이션 결과를 도시한다. GND 차단의 크기에 대한 안테나 공진 주파수와 대역폭의 특성이 조사된다. 이러한 시뮬레이션으로부터 획득된 안테나의 반사 손실에 관한 결과는 도 23에서의 접지 전극 설계가 안테나 공진 주파수와 대역폭을 설계하는 효과적인 방법임을 증명한다. 3x3 MTM 셀 어레이의 네 개의 변들에 대해 동일하게 적용된 네 개의 서로다른 GND 차단량에 관한 반사 손실이 도 25a에서 도시된다. MTM 셀 어레이 구조물보다 단지 0.5mm 큰 GND 차단으로, 공진 주파수는 완전 GND를 갖는 안테나의 경우에 근접하여 폭이 좁은 상태로 유지된다(< 1 % 상대적 BW). 3mm, 5.5mm 및 8mm 확장하는 GND 차단을 갖는 설계의 경우, 공진 주파수는 보다 높은 주파수(~ 2.70GHz)를 향해 이동하며, 공진 대역폭은 약 4% 만큼 증가한다.
비교해보면, 완전 연속 접지 전극을 갖는 동일한 MTM 셀 어레이 안테나는 대략 2.4GHz에서 n = -1 공진을 나타내는데, 이 2.4GHz는 여러 무선 통신 응용들에서의 관심 주파수이며, 특히 802.11b와 802.11g 표준하의 WiFi 네트워크의 관심 주파수이다. 하지만, 완전 연속 접지 전극을 갖는 MTM 셀 어레이 안테나의 공진 BW는 1% 보다 작으며 따라서 보다 넓은 대역폭을 필요로 하는 다양한 실제 응용에서 제한된 사용을 가질 수 있다.
도 25b는 2.62GHz에서의 안테나 방사 패턴에 대한 HFSS 시뮬레이션 결과를 도시한다. 감소된 GND 평면을 갖는 다른 안테나 설계와 비교하여, 이 설계는 GND 평면에서 비교적 작은 소거를 가지며, 따라서 방사 패턴이 보다 대칭적이며, GND 층으로부터 분리된 윗쪽 영역에서 보다 강한 방사 전력을 갖는다.
도 26은 LH형, 혼합형, 및 RH형 공진 모드를 생성하기 위한 1-D CRLH MTM 셀 어레이를 갖는 다중모드 전송 라인의 예시를 도시한다. 이 TL은 도 27a와 도 27b에서 도시된 바와 같이 두 개의 금속층들을 갖는다. 두 개의 상부 피드 라인들(2610, 2620)은 1-D 어레이의 양단에 용량성 결합된다. 분배된 CRLH MTM 구조물에서는, 순수 LH형, 순수 RH형 및 혼합 모드들이 존재한다. LH 모드와 RH 모드는 본질적으로 TEM인 반면에, 혼합 모드는 LH 모드와 RH 모드 사이에서 주파수 간격으로 나타나는 TE 모드이다. 도 26은 넓은 범위의 공진 동작 주파수를 다루기 위해 세가지 유형의 모드들을 모두 이용하는 다중모드 CRLH MTM 구조물을 도시한다.
도 26에서, 각각의 단위 셀(2600)은 6mm x 18mm x 1.57mm의 치수를 갖는다. 기판 Rogers RT 5880 물질은 3.2의 유전상수와 0.0009의 손실 탄젠트를 갖는다. 기판은 100mm의 길이와, 70mm의 폭, 그리고 1.57mm의 두께를 갖는다. 비아들(2602)은 상부 패치의 중심에 위치하고 상부 패치와 하부 완전 GND를 접속시킨다. 피드 라인(2620)은 0.1mm 갭을 갖고 첫번째 단위 셀에 접속된다. HFSS 시뮬레이션이 전송 라인의 S21과 S11 파라미터들을 구하고, 등가 회로 성분들(CL, LL, CR, LR)의 값을 추정하기 위해 위 특정한 구조물에 대해 수행되었다. S11 결과는 HFSS 시뮬레이션과 이론으로부터 얻어질 수 있다. RH 모드와 관련하여, 이론과 시뮬레이션은 뛰어난 일치를 보였다. LH의 경우, 이론적 결과는 낮은 주파수로의 약간의 이동을 보여주는데, 이것은 LH 파라미터가 추정하기 어렵다는 것을 고려하면 당연한 것이다. 혼합 모드가 HFSS 시뮬레이션에서 도시되며, 이것은 분석적 표현으로부터는 유도될 수 없다. 시뮬레이션은 서로다른 유형의 모드들이 MTM 구조물내의 셀들의 갯수와 동일함을 시사해준다.
도 28은 도 26에서의 TL 설계에 기초한 2개-셀 MTM 선형 어레이에 기초된 다중모드 안테나를 도시한다. 도 29a 내지 도 29c는 이러한 안테나의 HFSS 시뮬레이션을 도시한다. 안테나의 반사 손실은 시종일관 두 개의 LH 모드들(n = 0, n = -1)과, 이 LH 모드에 매우 가깝게 나타나는 두 개의 혼합 모드를 보여준다. 플롯에서 보는 바와 같이, n = 0 LH 공진은 BW > 1 %을 보여주는데, 이는 50Ω에 보다잘 정합시킴으로써 한층 증가될 수 있다. 서로다른 CRLH 파라미터들을 이용한 시뮬레이션은 LH 공진이 혼합 모드에 보다 근접하는 것으로 나타날 수록, LH 공진은 보다 넓어짐을 시사한다. 이러한 모습은 균형을 이룬 CRLH MTM 구조물에서의 공진의 광역화와 유사한다. 따라서, LH 모드, RH 모드, 및 혼합 모드의 위치를 조정함으로써, 다용도의 다중모드 안테나를 생성할 수 있다. 혼합 모드의 위치는 TE 모드 차단 주파수에 의해 0차로 결정된다.
안테나 응용을 위한 혼합 모드를 이용하는 추가적인 장점은 작은 안테나의 경우 RH 공진이 무선 통신에서 사용되지 않는 고주파수에서 나타난다는 사실로부터 유래된다. 혼합 모드는 이와 같은 응용에서 쉽게 이용가능하다. 또한 이러한 모드들은 도전체 손실에 기인된 최소 감쇠를 보여주기 때문에 안테나 이득과 효율이라는 측면에서 추가적인 장점을 제공한다.
수 많은 상기 MTM 설계들에서, 접지 전극층은 기판의 일측면상에 위치한다. 하지만, 접지 전극은 MTM 구조물내에서 기판의 양측면상에서 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에서, MTM 안테나는 전자기적 기생 소자를 포함하도록 설계될 수 있다. 이와 같은 MTM 안테나는 하나 이상의 기생 소자들의 존재하에서 어떠한 기술 특징을 달성시키는데에 사용될 수 있다.
도 30은 MTM 기생 소자를 갖는 MTM 안테나의 예를 도시한다. 이러한 안테나는 상부 및 하부 접지 전극들(3040, 3050)을 갖는 유전체 기판(3001)상에 형성된다. 두 개의 MTM 단위 셀들(3021, 3022)은 이러한 안테나에서 동일한 셀 구조물로 형성된다. 단위 셀(3021)은 능동 안테나 셀이며, 이것의 상부 셀 금속 패치는 전송되는 전송 신호를 수신하기 위한 피드 라인(3037)에 접속된다. 단위 셀(3022)의 상부 셀 금속 패치와 셀 비아는 상부 및 하부 접지 전극들(3040, 3050)에 각각 접속된다. 따라서, 단위 셀(3022)은 기생 MTM 셀과 같이 방사 및 동작하지 않는다.
도 31a 및 도 31b는 기판(3001)의 양측면상의 상부 및 하부 금속층들의 세부모습을 도시한다. 기생 소자는 상부 GND로 단락되는 것을 제외하고 안테나 설계물과 동일하다. 각각의 단위 셀은 기판(3001)의 윗면상의 상부 셀 금속 패치(3031), 기판(3001)의 바닥면상의 접지 전극 패드(3033) 및 접지 전극 패드(3033)를 상부 셀 금속 패치(3031)에 접속시키기 위해 기판(3001)을 관통하는 셀 비아(3032)를 포함한다. 접지 전극 스트립라인(3034)은 패드(3033)를 셀들(3022, 3021)의 풋프린트 외부에 있는 하부 접지 전극(3050)에 접속시키기 위해 바닥면상에 형성된다. 윗면상에는, 상부 런치 패드(3036)가 갭(3035)을 경유하여 상부 셀 금속 패치(3031)와 용량성 결합하도록 형성된다. 상부 피드 라인(3037)은 기생 단위 셀(3022)의 상부 런치 패드(3036)를 상부 접지 전극(3040)에 접속시키도록 형성된다. 단위 셀(3022)과는 달리, 동일평면 도파관(CPW; 3030)이 능동 단위 셀(3021)을 위한 상부 피드 라인(3037)에 접속하도록 상부 접지 전극(3040)내에 형성된다. 도 30 및 도 31a에서 도시된 바와 같이, CPW(3030)는 전송 신호를 안테나로서의 능동 MTM 셀(3021)에 공급하기 위한 RF 도파관을 제공하기 위해 금속 스트립라인과 상부 접지 전극(3040)을 에워싸는 갭에 의해 형성된다. 이 설계에서, 접지 전극 패드(3033)와 접지 전극 스트립 라인(3034)은 상부 셀 금속 패치(3031)보다 작은 치수를 갖는다. 따라서, 능동 단위 셀(3021)은 넓은 대역폭을 달성하기 위해 종단된 접지 전극을 갖는다.
도 30에서의 상기 설계의 특정한 예시로서, 도 32a는 4.4의 유전상수와 0.02의 손실 탄젠트를 갖는 1.6-mm 두께의 FR4 단일 기판상에 구축된 안테나를 도시한다. 단위 CRLH 셀의 상부 패치는 5mm 폭(x 방향)과 5mm 길이(y 방향)를 갖는다. 피드 라인은 3mm의 길이와 0.3mm의 폭을 갖는 스트립이며, 이것은 5mm의 길이와 3.5mm의 폭을 갖는 런치 패드를 경유하여 능동 안테나 셀에 결합된다. 런치 패드는 단위 셀의 가장자리와 0.1mm 갭을 가지면서 단위 셀에 결합된다. 모든 상부 패치들을 하부 셀 GND에 접속시키는 비아들은 0.25mm의 직경을 갖고, 상부 패치들의 중앙에 위치한다.
기생 소자(3022)는 선택된 방향을 따라 능동 소자(3021)의 최대 이득을 증가시키는 역할을 한다. 도 32a에서의 안테나는 5.6 dBi의 최대 이득을 갖는 지향성 총 이득 안테나 패턴을 생성한다. 비교해보면, 기생 소자가 없는 동일하게 구축된 MTM 셀 안테나 소자는 2 dBi의 최대 이득을 갖는 전방향 패턴을 갖는다. 능동 소자와 기생 소자간의 거리는 서로다른 방향들에서 최대 이득을 달성하기 위해 능동 안테나 셀의 방사 패턴을 제어하도록 설계될 수 있다. 도 32b 및 도 32c는 각각 도 32a에서의 안테나의 능동 안테나 MTM 셀의 시뮬레이팅된 반사 손실과 입력 임피던스의 실수부 및 허수부를 도시한다. 런치 패드(2036)와 셀 금속 패치(3031)의 치수가 희망하는 안테나 성능 특성을 달성하기 위해 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 32a의 예시에서의 기생 소자의 런치 패드의 길이가 3.5mm에서 2.5mm로 감소되고 셀 금속 패치의 길이가 5mm에서 6mm로 증가되면, 능동 소자의 반사 손실은 도 32d에서 도시된 바와 같이 S11 = -10 dB 에서 2.35GHz로부터 4.42GHz까지의 보다 넓은 동작 주파수 대역을 제공하도록 변경된다.
도 30에서의 상기 예시는 단일 능동 소자와 단일 기생 소자를 갖는 안테나이다. 능동 소자와 기생 소자 양쪽의 이러한 조합의 사용은 다양한 안테나 구성을 구축하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 단일 능동 소자와 두 개 이상의 기생 소자들이 안테나 내에 포함될 수 있다. 이와 같은 설계에서, 단일 능동 소자에 대한 다수의 기생 소자들의 위치와 간격은 결과적인 안테나 방사 패턴을 조정하도록 제어될 수 있다. 다른 설계에서, 안테나는 두 개 이상의 능동 MTM 안테나 소자와 다수의 기생 소자들을 포함할 수 있다. 능동 MTM 안테나 소자들은 기생 MTM 소자들과 구조적으로 동일하거나 다를 수 있다. 결과적인 이득 패턴을 조정하고 제어하는 것에 더하여, 능동 소자들은 주어진 주파수에서 BW을 증가시키거나 또는 추가적인 동작 주파수 대역(들)을 제공하는데 사용될 수 있다.
MTM 구조물은 또한 랩탑 컴퓨터용 무선 카드와, PDA, GPS 장치, 및 셀폰과 같은 이동 통신 장치용 안테나와 같이, 다양한 응용들을 위한 트랜스시버 안테나를 소형 패키지로 구축하는데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 MTM 수신기 안테나와 하나의 MTM 송신기 안테나는 공통 기판상에 통합될 수 있다.
도 33a, 도 33b, 도 33c, 및 도 33d는 종단된 접지 설계에 기초된 두 개의 MTM 수신기 안테나와 하나의 MTM 송신기 안테나를 갖는 트랜스시버 안테나 장치의 예를 도시한다. 도 33b를 참조하면, 기판(3301)은 기판 윗면의 일부상에 상부 접지 전극(3331)과 기판 바닥면의 일부상에 하부 전극(3332)을 포함하도록 처리된다. 두 개의 MTM 수신기 안테나 셀들(3321, 3322)과 하나의 MTM 송신기 안테나 셀(3323)은 상부 및 하부 접지 전극들(3331, 3332)의 풋프린트 외부에 있는 기판(3301)의 영역내에 형성된다. 세 개의 개별적인 CPW들(3030)은 세 개의 안테나 셀들(3321, 3322, 3323)을 위한 안테나 신호들을 각각 안내하도록 상부 접지 전극(3331)내에 형성된다. 세 개의 안테나 셀들(3321, 3322, 3323)은 도 33a에서 도시된 바와 같이 각각 포트 1, 포트 3, 및 포트 2로서 호칭된다. 측정치 S11, S22, 및 S33은 이러한 세 개의 포트 1, 포트 2, 및 포트 3에서 각각 획득될 수 있고, 포트 1과 포트 2사이의 신호 결합 측정치 S12와 포트 3과 포트 1사이의 신호 결합 측정치 S31가 획득될 수 있다. 이들 측정치들은 장치의 성능을 특성화시킨다. 각각의 안테나는 런치 패드(3360) 및, CPW(3030)와 런치 패드(3360)를 접속시키는 스트립 라인을 경유하여 대응 CPW(3030)에 결합된다.
각각의 안테나 셀들(3321, 3322, 3323)은 상부 기판 표면상의 상부 셀 금속 패치, 도전성 비아(3340), 및 상부 셀 금속 패치보다 작은 치수를 갖는 접지 패드(3350)를 포함하도록 구축된다. 접지 패드(3350)는 비아(3340)의 단면적보다 큰 면적을 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 접지 패드(3350)는 상부 셀 금속 패치보다 큰 면적을 가질 수 있다. 각각의 안테나 셀에서, 스트립 라인(3351)이 접지 패드(3350)를 하부 접지 전극(3332)에 접속시키기 위해 하부 기판 표면상에 형성된다. 도시된 예시에서, 두 개의 수신기 안테나 셀들(3321, 3322)은 CPW(3030)의 길게 늘어진 방향에 수직한 방향을 따라 길게 늘어진 직사각형 형상을 갖도록 구성되고, 두 개의 수신기 안테나 셀들(3321, 3322) 사이에 위치한 송신기 안테나 셀(3323)은 CPW(3030)의 길게 늘어진 방향을 따라 길게 늘어진 직사각형 형상을 갖도록 구성된다. 도 33b와 도 33d를 참조하면, 각 안테나 셀마다 공진 주파수를 보다 낮은 주파수로 이동시키기 위해, 각각의 접지 스트립라인(3351)은 각각의 접지 패드(3350)에 접속하고 이를 적어도 부분적으로 에워싸는 나선형 스트립 패턴을 포함한다. 안테나 셀들의 치수는 여러 공진 주파수들을 생성하도록 선택되며, 예컨대 송신기 안테나 셀(3323)을 위한 공진 주파수보다 높은 수신기 안테나 셀들(3321, 3322)을 위한 공진 주파수를 갖도록 하기 위해 수신기 안테나 셀들(3321, 3322)은 송신기 안테나 셀(3323)보다 짧은 길이를 가질 수 있다.
상기 트랜스시버 안테나 장치 설계는 송신기 안테나 셀을 위한 1.7GHz와, 수신기 안테나 셀을 위한 2.1GHz에서 동작하는 2개 층 MTM 클라이언트 카드를 형성하는데 사용될 수 있다. 데이터 서비스, 비디오 서비스, 및 메세징 서비스를 제공하기 위한 이동 통신용 AWS(Advanced Wireless Services) 시스템을 위해, 세 개의 MTM 안테나 셀들이 45mm의 폭을 갖는 PCMCIA 카드를 따라 배치되는데, 여기서 중앙 안테나 셀은 1710MHz에서 1755MHz까지의 주파수 대역내에서 송신기와 공진하고, 두 개의 수신기측 안테나들은 2110MHz에서 2155MHz까지의 주파수 대역내의 주파수에서 공진한다. 50Ω 임피던스 정합이 런치 패드를 외형조작함으로써 달성될 수 있다(예컨대, 패드의 폭). 안테나 셀은 아래 열거된 규격을 기초로 구성된다. 1.1mm의 두께를 갖는 FR4 기판이 셀을 지지하는데 사용된다. 측면 셀과 GND 사이의 거리는 1.5mm이다. 하부층상의 비아 라인은 0.3mm의 폭을 갖는 두 개의 직선 라인들과 0.5mm 반경을 갖는 3/4 원으로 구성된다. 중간 안테나는 자신의 기다란 하부 GND 라인으로 인해 보다 낮은 주파수에서 공진한다. 런치 패드와 상부 GND사이의 갭은 0.5mm이다. 나선형 스트립라인은 0.6mm의 반경을 가지고 접지 패드의 중앙으로부터 0.6mm 간격을 갖는 완전한 원을 구성한다.
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도 34a와 도 34b는 상기 트랜스시버 장치에서의 시뮬레이팅되어 측정된 반사 손실을 도시한다. 반사 손실과 격리는 상부층 및 하부층상의 솔더 마스크로 인하여 중심 주파수에서 약간 이동을 갖는 것과 유사하다. 2.1GHz 안테나와 1.7GHz 안테나 사이의 격리는 인접한 TX 안테나와 RX 안테나 사이의 간격이 대략 λ/95인 1.5mm보다 작은 경우일지라도 -25dB를 상당히 밑돈다. 2.1GHz 안테나의 두 개의 Rx 안테나 셀들간의 격리는 3mm 보다 작은 간격을 갖고(즉, λ/45 미만) -10dB 보다 작다.
도 34c와 도 34d 내지 도 34f는 2.1GHz 대역에서의 효율과 방사 패턴을 각각 도시한다. 효율은 50% 이상이며, 피크 이득은 1.8GHz에서 얻어진다. 이것들은 안테나 셀(3323)이 λ/20(길이) x λ/35(폭) x λ/120(깊이)의 치수를 갖는 소형 안테나 구조물을 갖는 것을 고려하면 뛰어난 수치들이다.
도 34g와 도 34h 내지 도 34j는 1.71GHz 대역에서의 효율과 방사 패턴을 각각 도시한다. 효율은 50%에 다다르며, 피크 이득은 1.6GHz에서 얻어진다. 이것들은 안테나 셀(3323)이 λ/17(길이) x λ/35(폭) x λ/160(깊이)의 치수를 갖는 소형 안테나 구조물을 갖는 것을 고려하면 뛰어난 수치들이다.
랩탑과 같은 일부 응용들은 GND 평면의 표면에 수직한 방향으로의 안테나 길이에 대해 공간적 제약을 가중시키고 있다. 안테나 셀은 소형 안테나 구성을 제공하기 위해 상부 GND에 대해 평행한 방향으로 배열될 수 있다.
도 35는 이러한 구성의 하나의 예시적인 MTM 안테나 설계를 도시한다. 도 36a, 도 36b, 및 도 36c는 도 35에서의 3개층 설계의 상세모습을 도시한다. 세 개의 접지 전극층들, 즉 기판(3501)의 윗면상의 상부 접지 전극(3541), 두 개의 기판들(3501, 3502) 사이의 중간 접지 전극(3542), 및 기판(3502)의 바닥면상의 하부 접지 전극 패드(3543)를 지지하기 위해, 3개층 접지 전극 설계가 두 개의 기판들(3501, 3502)이 서로에 대해 적층되는 이러한 예시에서 사용된다. 접지 전극들(3451, 3452)은 장치를 위한 두 개의 메인 GND이다. 각각의 하부 접지 전극 패드(3543)는 MTM 셀과 연계되며, 이것은 중간 접지 전극(3542) 아래로 전류를 전달하기 위해 제공된다.
접지 전극들(3541, 3542, 3543)의 테두리와 평행한 방향을 따라 길게 늘어진 안테나를 형성하도록 MTM 안테나 셀들(3531, 3532, 3533)이 위치된다. 따라서, 세 개의 하부 접지 전극 패드(3543)는 기판(3502)의 바닥면상에 형성된다. 각각의 안테나 셀은 기판(3501)의 윗면상의 상부 셀 패치(3551), 기판(3501)의 윗면과 기판(3502)의 바닥면 사이에서 연장하고 상부 셀 금속 패치(3551)와 접촉하는 셀 비아(3552), 및 기판(3502)의 바닥면상에 있고 셀 비아(3552)와 접촉하는 하부 접지 패드(3553)를 포함한다. 셀 비아(3552)는 상부 기판(3501)내의 제1 비아와, 기판들(3501, 3502) 사이의 상호접촉부에서 제1 비아와 서로 접속되는 하부 기판(3502)내의 별개의 제2 비아를 포함할 수 있다. 하부 접지 스트립 라인(3554)은 접지 패드(3553)를 하부 접지 전극 패드(3543)와 접속시키도록 기판(3502)의 바닥면상에 형성된다. 중간 접지 전극(3542)과 접지 전극 패드(3543)는 도 36a의 상부층의 조감도를 통해서도 보여질 수 있는 도전성 중간 하부 비아(3620)에 의해 접속된다. 상부 접지 전극(3541)을 위한 금속층은 MTM 셀들(3531, 3532, 3533)에 의해 형성된 안테나를 급전시키기 위한 CPW(3030)를 형성하도록 패턴화된다. 피드 라인(3510)은 갭을 경유하여 셀(3531)에 용량성 결합된 제1 MTM 셀(3531) 옆에 위치한 런치 패드(3520)에 CPW(3030)를 접속시키도록 형성된다. 이 설계에서, 중간 전극(3542)은 하부층상의 GND 라인들을 메인 GND의 가장자리를 넘어서 연장시킴으로써 전류 경로가 낮은 공진 주파수에 대하여 메인 GND 아래로 연장된다.
일 구현예에서, 상부 기판(3501)은 0.787mm의 두께를 가지며, 하부 기판(3502)은 1.574mm의 두께를 갖는다. 기판들(3501, 3502) 모두는 4.4의 유전율을 갖는 유전체 물질로 만들어질 수 있다. 다른 구현예에서, 기판들(3501, 3502)은 이와 다른 유전율 값의 유전체 물질로 만들어질 수 있다. 단위 CRLH MTM 셀의 상부 패치는 두 개의 인접한 셀들 사이에 0.1mm 갭을 갖도록 하면서 2.5mm의 폭(y 방향)과 4mm의 길이(x 방향)를 갖는다. 피드 라인은 첫번째 단위 셀의 가장자리로부터 0.1mm 갭을 가지며 안테나에 결합된다. 모든 상부 패치들을 하부 셀 GND에 접속시키는 비아들은 12mil의 직경을 갖고 상부 패치들의 중앙에 위치한다. GND 라인은 낮은 공진 주파수에 대해 중간층 메인 GND 아래로 3.85mm 연장하며, 1.574mm의 길이와 12mil의 직경을 갖는 비아는 하부 층 GND 라인을 중간층 메인 GND에 접속시키는데 사용된다.
도 37은 주파수의 함수로서의 상기 안테나의 반사 손실의 FHSS 시뮬레이션 결과를 도시한다. 장치상에서의 각 안테나 신호의 전계 분포가 또한 2.22GHz, 2.8GHz, 3.77GHz 및 6.27GHz의 신호 주파수에 대하여 도시된다. 구조물을 따라 유도된 파가 감소됨에 따라 주파수가 감소하기 때문에 최저 공진은 LH이다. 유도된 파는 3개셀 구조물을 따른 두 개의 피크들 사이의 거리로서 나타난다. 2.2GHz에서, 공진파는 두 개의 연속적인 셀 경계선들 사이로 제한되는 반면에, 보다 높은 주파수에서는 파가 두 개 이상의 셀들에 걸친다.
완전한 자기 도전체 구조물을 갖는 CRLH MTM 안테나
상기 CRLH MTM 구조물 설계는 기판의 일측면상의 접지 전극으로서 완전한 전기 도전체(PEC)의 사용을 기초로 한다. PEC 접지는 기판 표면 전체를 뒤덮는 금속층일 수 있다. 상기 예시에서 나타난 바와 같이, PEC 접지 전극은 안테나 공진의 대역폭을 증가시키기 위해 기판 표면보다 작은 치수를 갖도록 종단될 수 있다. 상기 예시에서, 종단된 PEC 접지 전극은 기판 표면의 일부를 뒤덮도록 설계될 수 있고, MTM 셀의 풋프린트와 중첩하지 않는다. 이와 같은 설계에서, 접지 전극 스트립 라인이 셀 비아와 종단된 PEC 접지 전극을 접속시키는데 사용될 수 있다. 이것은 감소된 RH 캐패시턴스(CR)와 증가된 LH 대응값(CL)을 달성하기 위해 MTM 안테나 구조물 아래의 GND 평면의 감소를 이용한다. 그 결과, 공진 대역폭은 증가될 수 있다. PEC 접지 전극은 MTM 구조물에서 금속 접지면을 제공한다. 금속 접지면은 완전한 자기 도전체 평면 또는 완전한 자기 도전체(PMC) 구조물의 표면으로 대체될 수 있다. PMC 구조물은 인공 구조물이며 자연상태에서는 존재하지 않는다. PMC 구조물은 상당히 넓은 주파수 범위에 걸쳐 PMC 특성을 나타낼 수 있다. PMC 구조물의 예시가 Sievenpiper의 "High-Impedance Electromagnetic Surfaces"(로스 엔젤레스, 캘리포니아 대학, 박사 논문, 1999)에서 설명되어 있다. 이하의 섹션은 CRLH MTM 구조물과 PMC 구조물의 조합을 기초로 하는 안테나 및 다른 응용을 위한 PMC 구조물을 설명한다. MTM 안테나는 MTM 구조물 아래에 PEC 평면을 대신하여 PMC 평면을 포함하도록 설계될 수 있다. HFSS 모델에 기초된 초기 조사를 통해, 이와 같은 설계는 1-D와 2-D 구성의 MTM 안테나를 위한 금속 GND 평면을 갖는 MTM 안테나보다 큰 BW를 제공할 수 있음을 확인하였다. 따라서, MTM 안테나는 예들 들어, 제1 측면상의 제1 표면과, 제1 측면과 반대측의 제2 측면상의 제2 표면을 갖는 유전체 기판, 제1 표면상에 형성된 적어도 하나의 셀 도전성 패치, 제2 표면과 접촉하는 PMC 표면을 지지하기 위하여 기판의 제2 표면상에 형성된 PMC 구조물, 및 CRLH MTM 셀을 형성하기 위해 도전성 패치를 PMC 표면에 접속시키도록 기판내에 형성된 도전성 비아 커넥터를 포함할 수 있다. 제2 기판은 PMC 구조물을 지지하는데 사용될 수 있고, MTM 안테나를 구축하기 위하여 기판에 맞물려진다.
도 38은 PMC 표면 위에 형성된 2-D MTM 셀 어레이의 하나의 예시를 도시한다. 제1 기판(3801)은 어레이내의 CRLH MTM 단위 셀(3800)을 지지하는데 사용된다. 두 개의 인접한 셀들(3800)은 셀간 갭(3840)에 의해 이격되어 있으며, 서로가 용량성 결합된다. 각각의 셀은 제1 기판(3801)내에서 두 개의 표면들 사이로 연장하는 도전성 셀 비아(3812)를 포함한다. 접지 전극층에 대한 대체물로서 PMC 표면(3810)을 제공하기 위해, 제2 기판상에 형성된 PMC 구조물은 제1 기판(3801)의 바닥면에 맞물려진다. 피드 라인(3822)은 어레이내의 단위 셀(3800)에 용량성 결합된다. 런치 패드(3820)는 피드 라인(3822) 아래에 형성될 수 있고, 피드 라인(3822)과 단위 셀 사이의 용량성 결합을 강화시키기 위해 피드 라인(3822)과 단위 셀 사이의 갭을 뒤덮도록 위치할 수 있다. 도 39a, 도 39b, 도 39c 및 도 39d는 도 38에서의 설계물의 상세모습을 도시한다. 도전성 결합 금속 패치(3920) 층은 상부 셀 전극 패치(3910) 아래에 형성될 수 있고, MIM 캐패시터를 형성하기 위해 셀간 갭(3840) 밑에 위치할 수 있다. 런치 패드(3820)는 용량성 결합 금속 패치(3920)와 동일한 층내에 형성될 수 있다.
도 40은 도 38에서의 PMC 표면(3810)을 구현하는데 사용될 수 있는 PMC 구조물의 예를 도시한다. 제2 기판(4020)이 PMC 구조물을 지지하기 위해 제공된다. 기판(4020)의 윗면 위에는, 두 개의 인접한 셀 패치들 사이에 셀 갭(4003)을 갖도록 주기적인 금속 셀 패치들(4001)의 어레이가 형성된다. 완전 접지 전극층(4030)이 기판(4020)의 나머지 다른 측면, 즉 바닥측면상에 형성된다. 셀 비아(4002)가 각각의 금속 셀 패치(4001)를 완전 접지 전극층(4030)에 접속시키도록 기판(4020)내에 형성된다. 이 구조물은 대역갭 물질을 형성하도록 구성될 수 있고, 금속 셀 패치 어레이를 갖는 윗면을 PMC 표면(3810)이 되도록 한다. 금속 셀 패치 어레이를 갖는 윗면을 기판(3801)의 바닥면과 접촉하도록 배치하여 도 40에서의 PMC 구조물을 기판(3801)에 적층시킬 수 있다. 이러한 조합 구조물은 도 40에서의 PMC 구조물상에 구축된 MTM 구조물이다.
완전 HFSS 모델은 GND 전극을 PMC 표면으로 교체함으로써 도 3과 도 23에서의 2-D MTM 안테나 설계에 기초될 수 있다. HFSS 시뮬레이션이 도 38에서의 MTM 안테나에 대해 수행되었다. HFSS 시뮬레이션을 위한 안테나는 서로 상하로 설치된 두 개의 기판들을 이용한다. 상부 기판은 0.25mm의 두께와 10.2의 높은 유전율을 갖는다. 하부 기판은 3.048mm의 두께와 3.48의 유전율을 갖는다. 세 개의 금속배선 층들은 상부 기판 위, 하부 기판 위 및 두 기판들 사이에 위치한다. 중간층의 역할은 금속-절연체-금속(MIM) 캐패시터를 이용하여 두 개의 인접한 셀들간의 용량성 결합과 첫번째 중앙셀과 피드 라인사이의 용량성 결합을 증가시키는 것이다. 단위 CRLH 셀의 상부 패치는 두 개의 인접한 셀들간에 0.2mm의 갭을 갖도록 하면서 4mm의 폭(x 방향)과 4mm의 길이(y 방향)를 갖는다. 피드 라인은 첫번째 단위 셀의 가장자리로부터 0.1mm 갭을 가지면서 안테나와 결합된다. 모든 상부 패치들을 하부 셀 GND에 접속시키는 비아들은 0.34mm의 직경을 갖고 상부 패치들의 중앙에 위치한다. MIM 패치들은 상부 패치들로부터 45각도만큼 회전하며, 2.48mm x 2.48mm의 치수를 갖는다.
도 41a와 도 41b는 HFSS 시뮬레이팅된 안테나의 반사 손실과 안테나 방사 패턴을 도시한다. 안테나의 BW는 2.38GHz에서부터 5.90GHz까지 확장하는데, 이것은 무선 통신 응용(예컨대, WLAN 802.11a,b,g,n, WiMax, 블루투스 등)의 넓은 범위의 주파수 대역을 포괄한다. 감소된 GND 금속 평면을 사용하는 이전의 MTM 설계와 비교하면, PMC 표면을 갖는 MTM 구조물에서 취득된 BW는 상당히 증가될 수 있다. 또한, 안테나는 도 41b에서 도시된 바와 같은 패치형 방사 패턴을 나타낸다. 이러한 방사 패턴은 다양한 응용들에서 바람직하다.
상기 예시에서, 상부 셀 금속 패치와 런치 패드와 같은 CRLH MTM 구조물내의 다양한 컴포넌트를 위한 전극들의 테두리는 직선이다. 도 42는 이와 같은 직선 테두리를 갖는 단위 셀의 상부 셀 금속 패치와 단위 셀의 런치 패드의 한가지 예시를 도시한다. 하지만, 이와 같은 테두리는 CRLH MTM 구조물내의 전계의 공간적 분포와 CRLH MTM 구조물의 임피던스 정합 조건을 제어하기 위해 볼록형 또는 오목형 테두리를 갖도록 곡선화되거나 또는 구부러질 수 있다. 도 43 내지 도 48은 상부 셀 금속 패치와 대응 런치 패드의 상호접촉 테두리에 대한 비직선형 테두리의 예시들을 제공한다. 도 44, 도 45, 도 47 및 도 48은 다른 전극의 테두리와 상호접촉하지 않는 상부 셀 금속 패치의 외립형 테두리가 또한 CRLH MTM 구조물내의 전계 분포 또는 CRLH MTM 구조물의 임피던스 정합 조건을 제어하기 위해 곡선화되거나 또는 구부러진 테두리를 가질 수 있는 예시들을 추가로 도시한다.
1D 및 2D 구성에서의 다양한 CRLH MTM 장치들에서, 단일층 및 다중층은 RF 칩 패키징 기술을 따르도록 설계될 수 있다. 제1 방법은 저온 동시 소성 세라믹(LTCC) 설계와 제조 기술을 이용함으로써 시스템 온 패키지(SOP) 개념을 추진하는 것이다. 다층 MTM 구조물은 높은 유전상수 또는 유전율 ε를 갖는 물질을 이용함으로써 LTCC 제조를 위해 설계된다. 이와 같은 물질의 하나의 예는 ε=7.8이고 손실 탄젠트가 0.0004인 듀퐁 951이다. 보다 높은 ε값은 한층 더한 크기 소형화를 야기시킨다. 그러므로, ε=4.4인 FR4 기판을 이용하는 이전 섹션에서 제시된 모든 설계들과 예시들은 LTCC 높은 유전상수 기판을 따르도록 직렬 및 병렬 캐패시터 및 인덕터를 튜닝하면서 LTCC로 이전될 수 있다. GaAs 기판과 얇은 폴리아미드 층을 사용하는 모노리식 마이크로파 IC(MMIC)가 또한 RF 칩에 대한 인쇄된 MTM 설계를 감소시키는데에 사용될 수 있다. FR4 또는 Roger 기판상의 원래 MTM 설계물은 LTCC 및 MMIC 기판/층 유전상수 및 두께를 따르도록 튜닝된다.
약어 설명
Figure pat00019
비록 본 명세서는 많은 특정예들을 포함하고 있지만, 이 특정예들은 본 발명의 범위 또는 청구대상의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안되고, 본 발명의 특정한 실시예들에 특정된 특징들을 설명하기 위한 것으로서 보아야 한다. 개별적인 실시예들을 통해 본 명세서에서 설명된 어떠한 특징들은 단일 실시예에서 조합된 모습으로 구현되는 것이 또한 가능하다. 반대로, 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 다수의 실시예에서 개별적으로 구현될 수 있거나 또는 임의의 적절한 하위조합상태로 구현될 수 있다. 또한, 비록 위에서는 특징들이 어떠한 조합상태로 동작하고 심지어 애초에 청구된 대로 동작하는 것으로서 설명하였지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에서 해당 조합으로부터 생략될 수 있고, 청구된 조합은 하위조합 또는 하위조합의 변형예와 관련될 수 있다.
단지 몇 개의 구현예들만이 설명되었다. 그러나, 변형예와 개선예가 착상될 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 계층의 공통 접지 전극 영역에 형성되는 접지 전극 및 안테나 구조를 포함하는 왼손오른손 혼합형(Composite Left and Right Handed; CRLH)에 기반한 장치에 있어서,
    복수의 도전성 셀 패치;
    상기 복수의 도전성 셀 패치 중 적어도 하나에 용량성으로 결합되어 (capacitively coupled) 상기 복수의 도전성 셀 패치 중 적어도 하나와 직렬 캐패시턴스를 형성하는 피드 구조; 및
    상기 복수의 도전성 셀 패치를 상기 접지 전극에 결합시키는 적어도 하나의 도전성 비아 및 적어도 하나의 비아 스트립 라인을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 도전성 비아 각각은 상기 접지 전극과 분로(shunt) 인덕턴스를 형성하고,
    상기 적어도 하나의 도전성 비아는 각각의 도전성 셀 패치와 상기 적어도 하나의 비아 스트립 각각을 상기 안테나 구조의 풋프린트에서 결합시키고,
    상기 공통 접지 전극 영역은 상기 제1 계층에서 상기 안테나 구조의 풋프린트를 둘러싸지 않는 것을 특징으로 하는 왼손오른손 혼합형(Composite Left and Right Handed; CRLH)에 기반한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 측면상의 제1 표면과 제2 측면상의 제2 표면을 갖는 기판을 더 포함하고, 상기 제1 계층은 상기 제1 표면 상에 형성되고 제2 계층은 상기 제2 표면 상에 형성되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 피드 구조는:
    상기 복수의 도전성 셀 패치 중 적어도 하나에 근접하여 배치되는 런치 패드를 더 포함하는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기판은 유전체 계층을 포함하고, 금속-절연체-금속(MIM) 구조를 갖는 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 안테나 구조는,
    상기 피드 구조와 상기 복수의 도전성 셀 패치 중 적어도 하나 사이의 용량성 결합(capacitive coupling) 및 상기 복수의 도전성 셀 패치 중 적어도 하나와 상기 접지 전극 사이의 유도성 로딩(inductive loading)을 구비하여 상기 복수의 도전성 셀 패치 중 적어도 하나와 상기 접지 전극 사이의 분로 캐패시턴스를 감소시키는 CRLH 구조를 포함하는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비아 스트립 라인은 상기 제2 계층의 비-도전성 영역에 형성되고, 상기 비-도전성 영역은 상기 공통 접지 전극 영역과 분리되어 있는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피드 구조는 상기 복수의 도전성 셀 패치의 제1 도전성 셀 패치에 용량성으로 결합되고,
    상기 복수의 도전성 셀 패치의 제2 도전성 셀 패치에 용량성으로 결합되는 적어도 하나의 추가 피드 구조를 포함하는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    분로 캐패시턴스는 상기 접지 전극과 상기 복수의 도전성 셀 패치 각각 사이에 형성되고, 상기 피드 구조는 직렬 인덕턴스를 형성하고, 상기 분로 캐패시턴스와 상기 직렬 인덕턴스는 주 공진 주파수(main resonant frequency)를 가능하게 하는 오른손 모드와 연관되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 직렬 캐패시턴스와 상기 분로 인덕턴스는 상기 주 공진 주파수 보다 낮은 부가적 공진 주파수를 가능하게 하는 왼손 모드와 연관되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 피드 구조는 분리된 캐패시터(discrete capacitor)에 의해 상기 복수의 셀 패치 중 적어도 하나에 용량성으로 결합되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 공통 접지 전극 영역과 상기 셀 패치 영역은 각각의 계층들 상에서 반대편 종단들에 형성되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 공통 접지 전극 영역은 상기 안테나 구조의 풋프린트를 둘러싸지 않는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 공통 접지 전극 영역은 상기 적어도 하나의 비아 스트립 라인을 둘러싸지 않는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 비아 스트립 라인은 상기 안테나 구조의 풋프린트에 형성되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 구조와 연관된 방사 패턴을 조작(manipulate)하도록 구성된 적어도 하나의 기생 소자를 더 포함하는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기생 소자는, 하나 이상의 방향으로 증가된 이득을 생성하는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 피드 구조는 상기 접지 전극에 연결되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 상기 제2 표면을 대면하고, 상기 도전성 셀 패치들 중 적어도 하나 및 상기 피드 구조는 상기 기판의 상기 제1 표면 상에 형성되고, 상기 적어도 하나의 비아 스트립 라인 및 접지 전극은 상기 기판의 상기 제2 표면 상에 형성되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 구조는 복수의 서로 다른 파장에서 공진하도록 구성되는, 왼손오른손 혼합형에 기반한 장치.
  20. 기판 표면 상에 접지 전극을 형성하는 단계; 및
    적어도 하나의 안테나 소자를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 안테나 소자를 형성하는 단계는:
    셀 패치 영역을 갖는 도전성 셀 패치를 형성하는 단계로서, 상기 접지 전극은 상기 셀 패치 영역에 의해 상기 기판 표면 상에 투영되는(projected) 풋프린트 바깥쪽에 있는, 도전성 셀 패치 형성 단계;
    상기 도전성 셀 패치에 근접해서 용량성으로 결합되어 직렬 캐패시턴스를 형성하는 피드 구조를 형성하는 단계;
    상기 도전성 셀 패치를 상기 접지 전극에 결합시켜 분로(shunt) 인덕턴스를 형성하는 적어도 하나의 도전성 비아 및 적어도 하나의 접지 전극 스트립을 형성하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 도전성 비아는 각각의 도전성 셀 패치와 상기 적어도 하나의 접지 전극 스트립 각각을 상기 풋프린트 내에서 결합시키는, 적어도 하나의 도전성 비아 및 적어도 하나의 접지 전극 스트립 형성 단계; 및
    적어도 하나의 기생 소자를 형성하는 단계를 포함하고,
    각각의 기생 소자는 상기 적어도 하나의 안테나 소자와 관련된 방사 패턴을 조작(manipulate)하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 기생 소자는 상기 접지 전극에 연결된 피드 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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