WO2018004169A1 - 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법 - Google Patents

알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법 Download PDF

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antenna
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Definitions

  • the present invention relates to an RF passive device and a miniaturization method thereof, and more particularly, to an RF passive device and a miniaturization method thereof by inducing surface plasmon resonance phenomenon by applying a metamaterial.
  • RF passive elements such as antennas, oscillators, and resonators applied to wireless communication systems are gradually integrated into monolithic microwave integrated circuits (MMICs).
  • MMICs monolithic microwave integrated circuits
  • a passive device that can be applied to a miniaturized communication system that can operate at a low power that can be applied to a nano communication system is required.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2015-0109363, published on October 1, 2015
  • Patent Document 2 Korean Patent Registration No. 10-1282263, published July 10, 2013
  • An object of the present invention is to solve the problems as described above, to provide a surface plasmon resonance phenomenon by applying a meta-material having a negative dielectric constant to provide a miniaturized RF passive device and a method of miniaturization thereof in nanometers. .
  • Another object of the present invention is to provide a passive passive element and a method for miniaturizing the surface plasmon resonance phenomena occurring in the natural frequency in the THz frequency band can induce surface plasmon resonance phenomena in the MHz and GHz frequency band mainly used in communication systems To provide.
  • the RF passive device is a ground plane to which the meta-material constituting each unit resonant cell is applied using a radiator, a ring resonator of a quasi-Moebius strip structure provided on a dielectric substrate, It characterized in that it is provided with an antenna for inducing a surface plasmon resonance phenomenon between the atmosphere and the ground plane including a feed line electrically connecting the radiator and the ground plane.
  • the miniaturization method of the RF passive element comprises the steps of (a) configuring each unit resonant cell using a ring resonator of a quasi-Moebius strip structure, (b) a plurality Inducing surface plasmon resonance between the atmosphere and the ground plane, including applying a unit resonant cell of the provided metamaterial to the ground plane and (c) electrically connecting the radiator and the ground plane using a feed line. It is characterized in that the antenna is downsized in nanometer units.
  • the surface plasmon resonance phenomenon can be induced by applying a metamaterial composed of a unit resonance cell to which a quasi-Mobius strip ring resonator is applied to the ground plane. Is obtained.
  • the unit resonant cell is applied to the ground plane by applying a metamaterial composed of a quasi-Mobius strip ring resonator to reduce the unit resonant cell and obtain a high quality factor of the metamaterial. Obtained.
  • the present invention it is possible to control the stop bandwidth and the cue factor in which the permeability becomes negative according to the rotation angle of the ring resonator of the quasi-Moebius strip structure applied to each unit resonant cell based on the feed line.
  • the effect of the surface plasmon resonance between the atmosphere and the antenna ground plane can minimize the physical wavelength of the CPW antenna radiator to nanometer units irrespective of the structure and size of the radiator.
  • the surface plasmon in the desired frequency band according to the structure of the ring resonator and feed line of the quasi-Moebius strip structure applied to the unit resonant cell The effect of inducing a phenomenon is obtained.
  • the effect of minimizing the low power RF passive elements capable of communicating with the nanocommunication system and making the MMIC of the RF passive elements difficult to integrate is obtained.
  • the resonant frequency of the stop band is varied by adjusting the number of cuts of the quasi-Mobius strip ring resonators constituting each unit resonant cell, and the stop bandwidth is controlled by controlling the rotation angle of the ring resonator,
  • the effect of controlling the cue factor of the stop bandwidth can be controlled by varying the width of each loop constituting the quasi-Moebius strip, the distance between the loops, the radius and position of the via hole, and the width of the bridge.
  • 1 is a configuration diagram of a general ring resonator
  • FIG. 2 and 3 are graphs of the input reflection coefficient and the forward transfer coefficient of the general ring resonator shown in FIG. 1;
  • FIG. 4 is an S-parameter graph of the general ring resonator shown in FIG.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a ring resonator of a quasi-Moebius strip structure
  • 6 and 7 are graphs of the reflection coefficient and the forward transfer coefficient of the input stage of the ring resonator shown in FIG.
  • FIG. 8 is an S-parameter graph of the ring resonator shown in FIG.
  • FIG. 9 is a block diagram of a ring resonator of a semi-Moebius strip structure cut twice;
  • 10 and 11 are graphs of the reflection coefficient and the forward transfer coefficient of the input stage of the ring resonator shown in FIG.
  • FIG. 13 is a view showing a state in which the ring resonator shown in Figure 9 rotated 90 °
  • 14 and 15 are graphs of the reflection coefficient and the forward transfer coefficient of the input stage of the ring resonator shown in FIG. 13;
  • FIG. 16 is an S-parameter graph of the ring resonator shown in FIG. 13;
  • FIG. 17 is a view illustrating a state in which the ring resonator illustrated in FIG. 9 is rotated 180 °;
  • FIG. 18 and 19 are graphs illustrating the reflection coefficient and the forward transfer coefficient of the input stage of the ring resonator shown in FIG. 17;
  • FIG. 20 is an S-parameter graph of the ring resonator shown in FIG. 17;
  • FIG. 21 is a view showing a state in which the ring resonator shown in Figure 9 is rotated 270 °
  • 22 and 23 are graphs of the reflection coefficient and the forward transfer coefficient of the input stage of the ring resonator shown in FIG. 21;
  • 25 is a block diagram of a quasi-Mobius strip ring resonator
  • FIG. 26 is an S-parameter graph of the ring resonator shown in FIG. 25;
  • FIG. 27 is a configuration diagram of a miniaturized antenna using a surface plasmon resonance phenomenon according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 illustrates surface plasmons propagating along an interface between a metal and a dielectric.
  • the RF passive device according to the present invention is minimized by nanometer units by inducing a surface plasmon resonance (SPR) phenomenon by applying a metamaterial having a negative dielectric constant.
  • SPR surface plasmon resonance
  • a miniaturized design method of a resonator using quasi-Moebius strip a method for designing a cue factor and bandwidth control, a method of designing a unit resonant cell of metamaterial using a quasi-Mobius ring resonator, and a high cue factor
  • a method of designing a unit resonance cell of a metamaterial having a broadband property and a small antenna structure using a surface plasmon resonance phenomenon will be described sequentially.
  • FIG. 1 is a block diagram of a general ring resonator
  • FIGS. 2 and 3 are graphs illustrating an input reflection coefficient S11 and a forward transfer coefficient S21 of the general ring resonator illustrated in FIG. 1
  • FIG. 4 is a diagram of FIG. S-parameter graph of a typical ring resonator.
  • the general ring resonator 10 may include a resonance pattern 11 formed in a ring shape and an input / output port 12 provided at both sides of the resonance pattern 11, respectively, as seen in FIG. 1. , 13).
  • the ring resonator 10 configured as described above is characterized in that a wave passing through the input / output ports 12 and 13 at a time and a wave returned by the wheel (and several wheels) through the resonance pattern 11 meet at the output port 13 and interfere with each other.
  • a filter which is a frequency selection element.
  • the ring resonator 10 has characteristics similar to a Fabry-Perot resonator, and oscillates due to a saturation related phenomenon such as staple hole burning due to standing wave formation in the Fabry-Perot resonator structure.
  • the problem of frequency instability can be solved.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a ring resonator having a quasi-Moebius strip structure
  • FIGS. 6 and 7 are graphs of reflection coefficients and forward transfer coefficients of the input stage of the ring resonator illustrated in FIG. 5
  • FIG. 8 is a ring resonator illustrated in FIG. 5. S-parameter graph of.
  • N 1, N is the Number of cuts of Moebius strip).
  • Mobius strips have a 180 ° phase difference between the inner space and the outer space.
  • the internal space and the external space are not separated spaces, but have an open space connected thereto.
  • the Mobius strip when cut along the circumference, it is not divided into two strips, but rather a strip that is twice as long as the circumference before cutting.
  • the Mobius strip has no start in phase mathematics and has one side. And Mobius strips resemble cylinders, but are bounded surfaces rather than ordinary surfaces. In addition, the mobius strip is not a three-dimensional closed space but a two-dimensional open space.
  • the ring resonator 20 of the quasi-Mobius strip structure includes the first and the second loops 21 and 22, the first and the second, which are formed by cutting the Mobius strip once along the circumference. Via holes formed in each of the first bridge 23 sequentially connecting one end of the second loops 21 and 22 and one end of the second loop 22 disposed on the inner side and the first loop 21 disposed on the outer side are formed. It may include a second bridge 24 for connecting.
  • the first and second loops 21 and 22 are each composed of concentric ring lines having different diameters, but have a characteristic of a single resonance frequency.
  • One of the first bridge 23 and the second bridge 24 is disposed on the front of the first and second loops 21 and 22, and the other is the rear of the first and second loops 21 and 22. Can be placed in.
  • the ring resonator 20 of the quasi-Moebius strip structure cut once has a resonance at about 3 kHz as shown in FIGS. 6 to 8.
  • FIG. 9 is a block diagram of a ring resonator having a quasi-Moebius strip structure cut twice
  • FIGS. 10 and 11 are graphs of reflection coefficients and forward transfer coefficients of the input stage of the ring resonator illustrated in FIG. 9, and FIG. S-parameter graph of the ring resonator shown.
  • the ring resonator 30 having a quasi-Mobius strip structure includes first to third loops 31 to 33 and first to third structures formed by cutting the Mobius strip twice along the circumference. Vias formed at one end of the first bridge 34 sequentially connecting one end of the three loops 31 to 33 and at one end of the third loop 33 disposed at the innermost side and the first loop 31 disposed at the outermost side, respectively. It may include a second bridge 35 connecting the holes.
  • the first to third loops 31 to 33 are each provided with concentric ring lines having different diameters, and have a characteristic of a single resonance frequency.
  • One of the first bridge 34 and the second bridge 35 is disposed in front of the first to third loops 31 to 33, and the other is at the rear of the first to third loops 31 to 33. Can be placed in.
  • the ring resonator 30 of the quasi-Moebius strip structure cut twice, as shown in FIGS. 10 to 12, generates resonance at about 1.35 kHz.
  • the present invention can reduce the size of the ring resonator by increasing the number of times of cutting the quasi-Mobius strip along the circumference.
  • the present invention controls the bandwidth and cue factor by varying the rotation angle of the resonator.
  • FIG. 13 is a view illustrating a state in which the ring resonator shown in FIG. 9 is rotated 90 °
  • FIGS. 14 and 15 are graphs of reflection coefficients and forward transfer coefficients of the input stage of the ring resonator shown in FIG. 16 is a S-parameter graph of the ring resonator shown in FIG.
  • FIG. 17 is a view illustrating a state in which the ring resonator shown in FIG. 9 is rotated 180 °
  • FIGS. 18 and 19 are graphs of reflection coefficients and forward transfer coefficients of the input stage of the ring resonator shown in FIG. 17, and FIG. S-parameter graph of the ring resonator shown in 17.
  • FIG. 21 is a view illustrating a state in which the ring resonator shown in FIG. 9 is rotated by 270 °
  • FIGS. 22 and 23 are graphs of the reflection coefficient and the forward transfer coefficient of the input resonator of the ring resonator shown in FIG. S-parameter graph of the ring resonator shown in FIG.
  • the ring resonator 30 of the quasi-Mobius strip structure can be seen that the bandwidth and the cue factor change according to the rotation angle.
  • the present invention can control the bandwidth and cue factor of the ring resonator by controlling the rotation angle of the quasi-Moebius strip structure.
  • the ring resonator of the quasi-Moebius strip structure that can control the resonant frequency and bandwidth of the stopband generated by the time-varying electric field perpendicular to the quasi-Mobius strip through characterization of the S-parameter is applied.
  • a method of designing a unit resonance cell of metamaterial will be described.
  • FIG. 25 is a schematic diagram of a quasi-Mobius strip ring resonator
  • FIG. 26 is a S-parameter graph of the ring resonator shown in FIG.
  • FIG. 25 shows the structure of a quasi-Mobius strip ring resonator cut once along the circumference of the mobius strip.
  • the quasi-Mobius strip ring resonator 40 is similar to the configuration of the ring resonator 20 of the quasi-Mobius strip structure shown in FIG. 5, except that the top of the first loop 41 is formed.
  • Input ports 43 and output ports 44 may be connected to the bottom and the bottom, respectively.
  • This quasi-Mobius strip ring resonator has a bandstop phenomenon in the frequency band of about 4.6 kHz to about 5 kHz.
  • the quasi-Mobius strip ring resonator has a negative effective permeability in the frequency band of about 4.6 kHz to about 5 kHz.
  • the present invention controls the resonant frequency of the stop band by applying the structure of the above-described cut-off semi-Mobius strip ring resonator.
  • the present invention can vary the resonant frequency of the stopband by varying the number of cuts of the quasi-Moebius strip.
  • the present invention can variably control the stop bandwidth by changing the input impedance by rotating the ring resonator with respect to the feed line.
  • the present invention may control the cue factor of the stop bandwidth by varying the width of each loop constituting the quasi-Moebius strip, the distance between loops, the radius and position of the via hole, and the width of the bridge.
  • FIG. 27 is a configuration diagram of an antenna miniaturized by using a surface plasmon resonance phenomenon according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the antenna 50 includes a ring resonator having a semi-mobius strip structure to induce a surface plasmon resonance phenomenon and a radiator 52 provided on the dielectric substrate 51.
  • the ground plane 53 to which the metamaterial constituting each unit resonance cell is applied using the 20 and 30, and the feeder line 54 connecting the radiator 52 and the ground plane 53 are included.
  • radiator 52 is illustrated in a circular shape in FIG. 27, it should be noted that the radiator 52 may be modified in various structures such as one or more ring shapes, split ring shapes, and quasi-Moebius strip shapes.
  • the feed line 54 may be electrically connected to the ring resonators 20 and 30 of the quasi-Moebius strip structure constituting each unit resonant cell of the ground plane 53 through a feed pattern formed on the rear surface of the substrate 51. .
  • Input ports 25 and 36 of each ring resonator 20 and 30 are connected to a feed line 54, and output ports 26 and 37 output signals to ring resonators 20 and 30 provided in the next unit resonant cell. To the input ports 26 and 37 of the ring resonators 20 and 30 of the next unit resonant cell.
  • Metamaterial means a material with a permittivity or permeability of less than 1, including negative numbers.
  • Meta-materials have negative permittivity (ENG), negative permeability (MNG), negative permeability (MNG), double negative (DNG), negative refractive index (NRI), and negative relative permittivity (LH). -Handed) It is called variously.
  • Resonant metamaterials have a periodic structure that is much shorter than the wavelength, so that they have a negative dielectric constant or negative permeability that does not exist in the natural state at certain frequencies.
  • Metamaterials are an extension of the physical phenomena so far, with very mysterious and diverse properties: negative refraction index, wavelength and frequency independence, phase velocity and group delay characteristics, reverse phase, inverse Doppler effect, inverse Focus, surface plasma, etc.).
  • the resonant metamaterial is a technique for obtaining a characteristic of a uniform medium in a macroscopic manner by periodically arranging a specific structure with a lattice spacing (1/10 or less) which is much shorter than a wavelength.
  • the metamaterial unit resonance cell may be set to a size of about 1/5 to 1/15 of the wavelength in order to reduce the effects of diffraction, scattering, etc. between the cells.
  • the quasi-Moebius strip ring resonator 40 applied to the unit resonant cell in this embodiment can be downsized to about one fourth the size of the split ring resonator of the prior art.
  • SPs Surface Plasmons
  • SPPs Surface Plasmon Polaritons
  • PSPs Plasmon Surface Polaritons
  • FIG. 28 illustrates surface plasmons propagating along an interface between a metal and a dielectric.
  • surface plasmons propagate along the interface of a metal having a negative dielectric function ⁇ ' ⁇ 0 and a medium having a positive dielectric function ⁇ '> 0, as shown in FIG. It refers to the phenomenon of collective oscillation of the conduction band electrons, which is amplified as a result of the interaction with light (more specifically, electromagnetic waves) and incident light, and is perpendicular to the interface. As they get farther away, they have the nature and shape of an evanescent wave that decreases exponentially.
  • the surface plasmon resonance phenomenon can be defined as a unique phenomenon caused and observed as a result of the interaction between photon and nano-scale noble metal.
  • Such surface plasmon resonance is a phenomenon caused by the occurrence of plasmon by the conductor and the air in the frequency band of THz.
  • the present invention can induce surface plasmon resonance by applying a metamaterial composed of a unit resonance cell to which a quasi-Mobius strip ring resonator is applied to the ground plane.
  • the present invention can apply a material having a negative dielectric constant to cause the surface plasmon resonance phenomenon occurring in the natural frequency in the THz frequency band in the MHz and ⁇ frequency band to minimize the RF passive element to nanometer units .
  • the present invention can miniaturize the unit resonance cell by applying the metamaterial composed of the quasi-Mobius strip ring resonator to the ground plane, and obtain a high cue factor of the metamaterial.
  • the present invention provides a stop band width and a cue factor in which the permeability is negative depending on the rotation angle of the quasi-Moebius strip structure ring resonator applied to each unit resonant cell with respect to the feeder line to which the improved coupling gap is applied. Can be controlled.
  • the present invention can minimize the physical wavelength of the CPW antenna radiator to nanometers (nm) regardless of the structure and size of the radiator by the surface plasmon resonance between the atmosphere and the CPW antenna ground plane.
  • the CPW antenna has a structure in which the radiator and the ground plane are on the same plane, and as described above, when the ground plane of the CPW antenna is made of metamaterial, surface plasmon resonance may be induced.
  • the present invention is a surface plasmon phenomenon in the desired frequency band according to the structure of the ring resonator and feed line of the quasi-Moebius strip structure applied to the unit resonant cell irrespective of the material of graphene, metal, copper, etc. applied to the resonator. Can be induced.
  • the present invention can enable the MMIC of the RF passive device, which has been difficult to integrate by minimizing the low power RF passive device capable of communicating with the nano communication system.
  • the ring resonator of the quasi-Moebius strip structure and the small antenna in which the meta-material composed of each unit resonant cell is applied to the ground plane are described.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the antenna and the oscillator may be changed to be applied to various RF passive devices used in the field of wireless communication and wireless power transmission.
  • the present invention is applied to the miniaturized RF passive device and its miniaturization technique in nanometer by applying a metamaterial having a negative dielectric constant to induce surface plasmon resonance phenomenon.

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Abstract

음의 유전율을 갖는 메타물질을 적용하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도해서 나노미터 단위의 극소화된 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법에 관한 것으로, 유전체 기판에 마련되는 방사체, 준 뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기를 이용해서 각 단위 공진 셀을 구성하는 메타물질이 적용된 접지면 및 상기 방사체와 접지면을 전기적으로 연결하는 급전선을 포함하여 대기와 상기 접지면 사이에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도하는 안테나로 마련되는 구성을 마련하여, 준-뫼비우스 스트립 링 공진기가 적용된 단위 공진 셀로 구성되는 메타물질을 접지면에 적용해서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도할 수 있다.

Description

알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법
본 발명은 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 메타물질을 적용한 표면 플라즈몬 공명현상 유도에 의한 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법에 관한 것이다.
무선 통신 기술이 급속도로 발전하면서, 4G/5G 이동통신 단말기, 무선제어 시스템, 사물통신 및 사물인터넷, 만물통신과 무선센서네트워크 등 다양한 무선통신 시스템은 더욱 경량이고, 간단한 구조이면서, 집적화하기 쉬운 구조로 소형화된 소자들을 요구하고 있다.
이에 따라, 무선 통신 시스템에 적용되는 안테나(antenna), 발진기(oscillator), 공진기(resonator) 등의 알에프 패시브 소자(RF passive element)는 점차로 집적화, MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)화 되어 가고 있다.
또한, 나노 통신 시스템에 적용될 수 있는 저전력으로 동작 가능한 극소화된 통신 시스템에 적용할 수 있는 패시브 소자가 요구되고 있다.
기존 패시브 소자를 소형화시키는 방법은 완전 전계벽(PEC)이나 완전 자계벽(PMC)의 특성을 이용하는 방법, 반도체 직접기술인 SoC(System On Chip) 등이 있다.
예를 들어, 특허문헌 1(대한민국 특허 공개번호 제10-2015-0109363호, 2015년 10월 1일 공개) 및 특허문헌 2(대한민국 특허 등록번호 제10-1282263호, 2013년 7월 10일 공고)에는 안테나를 소형화하는 기술이 개시되어 있다.
그러나 집적화된 집적회로(IC)일수록 더 많은 패시브 소자가 필요하나, 패시브 소자를 집적회로로 집적화하는 기술은 매우 어려운 기술이다.
이는 디지털 분야와 달리, 무선 주파수 시스템(RF System)은 정밀한 임피던스 매칭과 같은 아날로그 특유의 미묘한 특성이 있고, 고전력 증폭기, 필터 등과 같은 특이한 소자를 필요로 하기 때문이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 음의 유전율을 갖는 메타물질을 적용하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도해서 나노미터 단위의 극소화된 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 ㎔ 주파수 대역에서 자연현상으로 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 통신 시스템에서 주로 활용되는 ㎒ 및 ㎓ 주파수 대역에서의 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도할 수 있는 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공진형 메타물질을 적용하고, 단위 셀의 소형화에 의한 메타물질의 높은 큐 팩터(quality factor)를 갖는 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 알에프 패시브 소자는 유전체 기판에 마련되는 방사체, 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기를 이용해서 각 단위 공진 셀을 구성하는 메타물질이 적용된 접지면 및 상기 방사체와 접지면을 전기적으로 연결하는 급전선을 포함하여 대기와 상기 접지면 사이에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도하는 안테나로 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 알에프 패시브 소자의 소형화 방법은 (a) 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기를 이용해서 각 단위 공진 셀을 구성하는 단계, (b) 복수의 단위 공진 셀을 마련된 메타물질을 접지면에 적용하는 단계 및 (c) 급전선을 이용해서 방사체와 상기 접지면을 전기적으로 연결하는 단계를 포함하여 대기와 상기 접지면 사이에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도해서 안테나를 나노미터 단위로 소형화하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법에 의하면, 준-뫼비우스 스트립 링 공진기가 적용된 단위 공진 셀로 구성되는 메타물질을 접지면에 적용해서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도할 수 있다는 효과가 얻어진다.
특히, 본 발명에 의하면, 음의 유전율을 갖는 물질을 적용하여 ㎔ 주파수 대역에서 자연현상으로 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 ㎒ 및 ㎓의 주파수 대역에서도 발생하게 해서 알에프 패시브 소자를 나노미터 단위까지 극소화할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 단위 공진셀이 준-뫼비우스 스트립 링 공진기로 구성되는 메타물질을 접지면에 적용해서 단위 공진 셀을 소형화하고, 메타물질의 높은 큐 팩터(quality factor)를 얻을 수 있다는 효과가 얻어진다.
특히, 본 발명에 의하면, 급전선을 기준으로 각 단위 공진 셀에 적용된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기의 회전각도에 따라 투자율이 음이 되는 저지대역폭 및 큐 팩터를 제어할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 대기와 안테나 접지면 사이의 표면 플라즈몬 공명현상에 의하여 방사체의 구조 및 크기와 상관없이, CPW 안테나 방사체의 물리적 파장을 나노미터 단위까지 극소화할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 공진기에 적용되는 그래핀, 메탈, 구리 등의 소재에 관계없이, 단위 공진 셀에 적용되는 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기 및 급전선의 구조에 따라 원하는 주파수 대역에서 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 나노 통신 시스템과 통신할 수 있는 저전력 알에프 패시브 소자를 극소화하여 집적화하기 어려웠던 알에프 패시브 소자의 MMIC화를 가능하게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 각 단위 공진 셀을 구성하는 준-뫼비우스 스트립 링 공진기의 절단 횟수를 조절해서 저지대역의 공진 주파수를 가변하고, 링 공진기의 회전 각도를 제어해서 저지대역폭을 가변 제어하며, 준-뫼비우스 스트립을 구성하는 각 루프의 폭, 루프 간 이격거리, 비아 홀의 반경 및 위치와 브릿지의 폭을 가변시켜 저지대역폭의 큐 팩터를 제어할 수도 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 일반적인 링 공진기의 구성도,
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 일반적인 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프,
도 4는 도 1에 도시된 일반적인 링 공진기의 S-파라미터 그래프,
도 5는 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기의 구성도,
도 6 및 도 7은 도 5에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프,
도 8은 도 5에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프,
도 9는 2회 절단된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기의 구성도,
도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프,
도 12는 도 9에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프,
도 13은 도 9에 도시된 링 공진기가 90°회전된 상태를 보인 도면,
도 14 및 도 15는 도 13에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프,
도 16은 도 13에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프,
도 17은 도 9에 도시된 링 공진기가 180°회전된 상태를 보인 도면,
도 18 및 도 19는 도 17에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프,
도 20은 도 17에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프,
도 21은 도 9에 도시된 링 공진기가 270°회전된 상태를 보인 도면,
도 22 및 도 23은 도 21에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프,
도 24는 도 21에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프,
도 25는 준-뫼비우스 스트립 링 공진기의 구성도,
도 26은 도 25에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프,
도 27은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용해서 소형화된 안테나의 구성도,
도 28은 금속과 유전체의 계면을 따라 전파하는 표면 플라즈몬을 설명한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 알에프 패시브 소자는 음의 유전율을 갖는 메타물질을 적용하여 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 현상을 유도함으로써 나노미터 단위로 극소화된다.
이하에서는 준-뫼비우스 스트립(Quasi Moebius strip)을 응용한 공진기의 소형화 설계방법, 큐 팩터 및 대역폭 제어에 관한 설계방법, 준-뫼비우스 링 공진기를 적용한 메타물질의 단위 공진 셀의 설계방법, 높은 큐 팩터 및 광대역성을 갖는 메타물질의 단위 공진 셀의 설계방법 그리고 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 소형 안테나 구조를 순차적으로 설명한다.
Ⅰ. 준-뫼비우스 스트립을 응용한 공진기의 소형화 설계방법
1. 일반적인 링 공진기 구조
도 1은 일반적인 링 공진기의 구성도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 일반적인 링 공진기의 입력단 반사계수(S11)와 정방향 전달계수(S21) 그래프이며, 도 4는 도 1에 도시된 일반적인 링 공진기의 S-파라미터(S-parameter) 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 링 공진기(10)는 링 형상으로 형성되는 공진 패턴(11)과 공진 패턴(11)의 양측, 도 1에서 보았을 때 상측 및 하측에 각각 마련되는 입출력 포트(12,13)를 포함한다.
이와 같이 구성되는 링 공진기(10)는 입출력 포트(12,13)를 한 번에 통과하는 파와 공진 패턴(11)을 한 바퀴(그리고 여러 바퀴) 돌아온 파가 출력 포트(13)에서 만나서 간섭하는 특성에 의해, 주파수 선택 소자인 필터로 활용될 수 있다.
이러한 링 공진기(10)는 파브리-페로(Fabry-Perot) 공진기와 유사한 특성이 있으며, 상기 파브리-페로 공진 구조에서 스탠딩 웨이브(standing wave) 형성에 따른 (statial) hole burning이라는 포화 관련 현상으로 인해 발진 주파수가 불안정해지는 문제점을 해소할 수 있다.
한편, 일반적인 링 공진기(10)의 S-파라미터 특성은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 약 6㎓에서 공진이 발생함을 알 수 있다.
2. 준-뫼비우스 스트립의 구조
도 5는 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기의 구성도이고, 도 6 및 도 7은 도 5에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프이며, 도 8은 도 5에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프이다.
도 5에는 뫼비우스 스트립을 원주를 따라 1회 절단(N=1, N은 Number of cuts of Moebius strip)한 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기 구조가 도시되어 있다.
뫼비우스 스트립은 내부 공간(inner space)와 외부 공간(outer space)이 180°의 위상차를 가진다. 즉, 내부 공간과 외부 공간이 분리된 공간이 아닌, 연결되어 있는 오픈 공간의 특성을 가진다.
따라서 뫼비우스 스트립은 원주를 따라 잘랐을 때, 두 개의 스트립으로 분리되는 것이 아니라, 원주의 길이가 자르기 전의 2배가 되는 하나의 스트립이 되는 특성이 있다.
즉, 뫼비우스 스트립은 위상수학적으로 시작이 없고, 한 개의 면을 가진다. 그리고 뫼비우스 스트립은 원통과 유사하나, 일반적인 표면이라기보다는 경계를 가진 표면이다. 또, 뫼비우스 스트립은 3차원의 닫힌 공간이 아니며, 2차원의 열린 공간이다.
준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(20)는 도 5에 도시된 바와 같이, 뫼비우스 스트립을 원주를 따라 1회 절단한 구조로 형성되는 제1 및 제2 루프(21,22), 제1 및 제2 루프(21,22)의 일단을 순차적으로 연결하는 제1 브릿지(23) 그리고 내측에 배치되는 제2 루프(22)와 외측에 배치되는 제1 루프(21)의 일단에 각각 형성된 비아 홀을 연결하는 제2 브릿지(24)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 루프(21,22)는 각각 서로 다른 직경을 갖는 동심의 링 라인으로 구성되어 있으나, 단일 공진 주파수의 특성을 갖는다.
제1 브릿지(23)와 제2 브릿지(24) 중에서 어느 하나는 제1 및 제2 루프(21,22)의 전면에 배치되고, 다른 하나는 제1 및 제2 루프(21,22)의 후면에 배치될 수 있다.
이와 같이, 1회 절단된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(20)는 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 약 3㎓에서 공진이 발생함을 알 수 있다.
3) 2회 절단된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기
도 9는 2회 절단된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기의 구성도이고, 도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프이며, 도 12는 도 9에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프이다.
도 9에는 뫼비우스 스트립을 원주를 따라 2회 절단(N=2)한 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기 구조가 도시되어 있다.
준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(30)는 도 9에 도시된 바와 같이, 뫼비우스 스트립을 원주를 따라 2회 절단한 구조로 형성되는 제1 내지 제3 루프(31 내지 33), 제1 내지 제3 루프(31 내지 33)의 일단을 순차적으로 연결하는 제1 브릿지(34) 그리고 최내측에 배치되는 제3 루프(33)와 최외측에 배치되는 제1 루프(31)의 일단에 각각 형성된 비아 홀을 연결하는 제2 브릿지(35)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 내지 제3 루프(31 내지 33)는 각각 서로 다른 직경을 갖는 동심의 링 라인으로 마련되고, 단일 공진 주파수의 특성을 갖는다.
제1 브릿지(34)와 제2 브릿지(35) 중에서 어느 하나는 제1 내지 제3 루프(31 내지 33)의 전면에 배치되고, 다른 하나는 제1 내지 제3 루프(31 내지 33)의 후면에 배치될 수 있다.
이와 같이, 2회 절단된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(30)는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 약 1.35㎓에서 공진이 발생함을 알 수 있다.
여기서, 도 8과 도 12에 도시된 바와 같이, 물리적 파장의 길이가 동일할 경우, 준-뫼비우스 스트립의 원주를 따른 절단 횟수(N)가 증가할수록, 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기의 공진 주파수가 낮아짐에 따라, 동일 공진 주파수의 조건에서 물리적 파장의 소형화가 가능하다.
이에 따라, 본 발명은 준-뫼비우스 스트립을 원주를 따라 절단하는 절단 횟수를 증가시켜 링 공진기를 소형화할 수 있다.
Ⅱ. 큐 팩터 및 대역폭 제어에 관한 설계방법
본 발명은 공진기의 회전각을 변화시켜 대역폭 및 큐 팩터를 제어한다.
예를 들어, 도 13은 도 9에 도시된 링 공진기가 90°회전된 상태를 보인 도면이고, 도 14 및 도 15는 도 13에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프이며, 도 16은 도 13에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프이다.
도 13에는 도 9에 도시된 뫼비우스 스트립을 원주를 따라 2회 절단(N=2)한 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(30)를 반시계 방향으로 90°만큼 회전시킨 상태가 도시되어 있다.
그리고 도 17은 도 9에 도시된 링 공진기가 180°회전된 상태를 보인 도면이고, 도 18 및 도 19는 도 17에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프이며, 도 20은 도 17에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프이다.
도 17에는 도 9에 도시된 뫼비우스 스트립을 원주를 따라 2회 절단(N=2)한 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(30)를 반시계 방향으로 180°만큼 회전시킨 상태가 도시되어 있다.
또한, 도 21은 도 9에 도시된 링 공진기가 270°회전된 상태를 보인 도면이고, 도 22 및 도 23은 도 21에 도시된 링 공진기의 입력단 반사계수와 정방향 전달계수 그래프이며, 도 24는 도 21에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프이다.
도 21에는 도 9에 도시된 뫼비우스 스트립을 원주를 따라 2회 절단(N=2)한 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(30)를 반시계 방향으로 270°만큼 회전시킨 상태가 도시되어 있다.
도 13 내지 도 24에 도시된 바와 같이, 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(30)는 회전 각도에 따라 대역폭과 큐 팩터가 변화함을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 준-뫼비우스 스트립 구조의 회전 각도를 제어해서 링 공진기의 대역폭과 큐 팩터를 제어할 수 있다.
Ⅲ. 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기를 적용한 메타물질의 단위 공진 셀의 설계방법
준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기와 수직으로 시간에 따라 변하는 전계가 발생하면, 특정 공진 주파수에서 유효 투자율이 음이 되는 현상이 발생한다.
이에 따라, 특정 공진 주파수에서 전파가 진행하지 못하는 대역저지 현상이 발생하는 것을 알 수 있다.
이하에서는 S-파라미터의 특성 분석을 통해 준-뫼비우스 스트립에 수직으로 시간에 따라 변하는 전계가 발생함에 따라 발생하는 저지대역의 공진 주파수 및 대역폭을 제어할 수 있는 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기를 적용한 메타물질의 단위 공진 셀의 설계방법을 설명한다.
예를 들어, 도 25는 준-뫼비우스 스트립 링 공진기의 구성도이고, 도 26은 도 25에 도시된 링 공진기의 S-파라미터 그래프이다.
도 25에는 뫼비우스 스트립의 원주를 따라 1회 절단한 준-뫼비우스 스트립 링 공진기의 구조가 도시되어 있다.
도 25에 도시된 바와 같이, 준-뫼비우스 스트립 링 공진기(40)는 도 5에 도시된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(20)의 구성과 유사하고, 다만, 제1 루프(41)의 상단과 하단에 각각 입력 포트(43)와 출력 포트(44)가 연결될 수 있다.
이러한 준-뫼비우스 스트립 링 공진기는 약 4.6㎓ 내지 약 5㎓ 주파수 대역에서 대역저지 현상이 발생한다.
즉, 준-뫼비우스 스트립 링 공진기는 약 4.6㎓ 내지 약 5㎓ 주파수 대역에서 유효 투자율이 음이 됨을 확인할 수 있다.
Ⅳ. 높은 큐 팩터 및 광대역성의 메타물질의 단위 공진 셀의 설계 방법
본 발명은 상기한 1회 절단된 준-뫼비우스 스트립 링 공진기의 구조를 응용해서 저지대역의 공진 주파수를 제어한다.
즉, 링 공진기의 반경이 동일할 경우, 절단 횟수가 증가하면 저지대역의 공진 주파수는 낮아지고, 절단 횟수가 감소하면 공진 주파수는 높아진다.
이에 따라, 본 발명은 준-뫼비우스 스트립의 절단 횟수를 가변시킴으로써, 저지대역의 공진 주파수를 가변시킬 수 있다.
그리고 본 발명은 상기의 도 13 내지 도 24를 참조하여 설명한 바와 같이, 급전선을 기준으로 링 공진기를 회전시킴으로써, 입력 임피던스를 변화시켜 저지대역폭을 가변 제어할 수 있다.
이와 함께, 본 발명은 준-뫼비우스 스트립을 구성하는 각 루프의 폭, 루프 간 이격거리, 비아 홀의 반경 및 위치와 브릿지의 폭을 가변시켜 저지대역폭의 큐 팩터를 제어할 수도 있다.
Ⅴ. 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 소형 안테나의 구조
도 27은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용해서 소형화된 안테나의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 안테나(50)는 도 27에 도시된 바와 같이, 유전체 기판(51)에 마련되는 방사체(52), 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도하도록 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(20,30)를 이용해서 각 단위 공진 셀을 구성하는 메타물질이 적용된 접지면(53) 및 방사체(52)와 접지면(53)을 연결하는 급전선(54)을 포함한다.
여기서, 방사체(52)는 도 27에서 원 형상으로 도시되어 있으나, 하나 이상의 링 형상이나 스플리트 링 형상, 준-뫼비우스 스트립 형상 등 다양한 구조로 변형될 수 있음에 유의하여야 한다.
접지면(53)은 급전선(52)의 양측에 각각 마련되고, 접지면(53)에 적용된 메타물질을 구성하는 각 단위 공진 셀은 뫼비우스 스트립을 원주를 따라 N(N=1,2,3,…)회 절단된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(20,30)로 마련될 수 있다.
급전선(54)은 기판(51)의 후면에 형성되는 급전패턴을 통해 접지면(53)의 각 단위 공진 셀을 구성하는 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기(20,30)와 전기적으로 연결될 수 있다.
각 링 공진기(20,30)의 입력 포트(25,36)는 급전선(54)과 연결되고, 출력 포트(26,37)는 다음 단위 공진 셀에 마련된 링 공진기(20,30)로 신호를 출력하도록 다음 단위 공진 셀의 링 공진기(20,30)의 입력 포트(26,37)와 전기적으로 연결될 수 있다.
메타물질은 음수를 포함하여 1보다 적은 유전율이나 투자율을 가진 물질을 의미한다.
메타물질은 유전율과 투자율의 부호에 따라 유전율이 음인 ENG(Epsilon Negative), 투자율이 음인 MNG(Mu Negative), 투자율과 유전율이 동시에 음인 DNG(Double Negative), NRI(Negative Refractive Index), LH(Left-Handed) 물질 등으로 다양하게 불린다.
공진형 메타물질은 특정 주파수에서 자연 상태의 물질로는 존재하지 않는 음의 유전율 또는 음의 투자율을 가질 수 있도록, 파장보다 훨씬 짧은 주기적 구조로 이루어진다.
메타물질(MTM)은 지금까지의 물리적 현상을 보다 확장한 것으로서 매우 신비롭고 다양한 특성(음의 굴절률, 파장과 주파수의 독립성, 위상속도와 군 지연(group delay) 특성의 역상, 역 도플러 효과, 역 초점, 표면 플라즈마 등)을 가진다.
공진형 메타물질은 파장보다 훨씬 짧은 격자 간격(1/10이하)의 특정 구조를 주기적으로 적절히 배열함으로써, 거시적인 관점에서 균일 매질의 특성을 얻도록 한 기술이다.
이러한 메타물질 단위 공진 셀은 셀 간의 회절, 산란 등의 영향을 줄이기 위해, 파장의 약 1/5 내지 1/15의 크기로 설정될 수 있다.
이에 따라, 본 실시 예에서 단위 공진 셀에 적용되는 준-뫼비우스 스트립 링 공진기(40)는 종래기술의 스플리트 링 공진기의 약 1/4의 크기로 소형화될 수 있다.
한편, 표면 플라즈몬(Surface Plasmons, SPs)은 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polaritons, SPPs) 또는 플라즈몬 표면 폴라리톤(Plasmon Surface Polaritons, PSPs)이라고도 불린다.
도 28은 금속과 유전체의 계면을 따라 전파하는 표면 플라즈몬을 설명한 도면이다.
일반적으로, 표면 플라즈몬은 도 28에 도시된 바와 같이, 음의 유전 함수(dielectric function, ε'<0)를 갖는 금속과 양(ε'>0)의 유전 함수를 갖는 매체의 계면을 따라 전파하는 전도대(conduction band) 전자들의 집단적인 진동(collective oscillation) 현상을 말하며, 빛(보다 구체적으로 전자기파)과의 상호작용의 결과 여기(excitation)되어 입사하는 빛보다 증강된 크기를 갖고, 계면에서 수직 방향으로 멀어질수록 지수적으로 감소하는 소멸파(evanescent wave)의 성질과 형태를 갖게 된다.
즉, 표면 플라즈몬 공명 현상은 빛(photon)과 나노 크기의 귀금속(noble metal) 간의 상호작용의 결과로써 야기되고 관찰되는 독특한 현상이라고 정의할 수 있다.
이러한 표면 플라즈몬 공명 현상은 ㎔의 주파수 대역에서 도체(Conductor)와 대기(air)가 플라즈몬(plasmon) 현상을 일으킴으로써 발생하는 현상이다.
도체와 대기 사이의 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하면, 파장이 극소화되는 현상이 발생한다.
한편, 종래기술에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상은 ㎔의 주파수 대역제한이 있으므로, 현재 통신 시스템에서 주로 활용되는 ㎒ 및 ㎓ 대역에서는 표면 플라즈몬 공명 현상을 활용할 수 없다.
따라서 본 발명은 준-뫼비우스 스트립 링 공진기가 적용된 단위 공진 셀로 구성되는 메타물질을 접지면에 적용해서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도할 수 있다.
특히, 본 발명은 음의 유전율을 갖는 물질을 적용하여 ㎔ 주파수 대역에서 자연현상으로 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 ㎒ 및 ㎓의 주파수 대역에서도 발생하게 해서 알에프 패시브 소자를 나노미터 단위까지 극소화할 수 있다.
그리고 본 발명은 단위 공진셀이 준-뫼비우스 스트립 링 공진기로 구성되는 메타물질을 접지면에 적용해서 단위 공진 셀을 소형화하고, 메타물질의 높은 큐 팩터(quality factor)를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명은 개선된 커플링 갭(enchanced coupling gap)이 적용된 급전선을 기준으로 각 단위 공진 셀에 적용된 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기의 회전각도에 따라 투자율이 음이 되는 저지대역폭 및 큐 팩터를 제어할 수 있다.
또, 본 발명은 대기와 CPW 안테나 접지면 사이의 표면 플라즈몬 공명현상에 의하여 방사체의 구조 및 크기와 상관없이 CPW 안테나 방사체의 물리적 파장을 나노미터 단위(nm)까지 극소화할 수 있다.
여기서, CPW 안테나는 방사체와 접지면이 동일면에 있는 구조를 가지고, 상술한 바와 같이 CPW 안테나의 접지면을 메타물질로 구성하면, 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도할 수 있다.
또한, 본 발명은 공진기에 적용되는 그래핀, 메탈, 구리 등의 소재에 관계없이, 단위 공진 셀에 적용되는 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기 및 급전선의 구조에 따라 원하는 주파수 대역에서 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 나노 통신 시스템과 통신할 수 있는 저전력 알에프 패시브 소자를 극소화하여 집적화하기 어려웠던 알에프 패시브 소자의 MMIC화를 가능하게 할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
즉, 상기의 실시 예에서는 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기와 그를 이용해서 각 단위 공진 셀이 구성된 메타물질이 접지면에 적용된 소형 안테나를 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 공진기, 안테나, 발진기 등 무선 통신, 무선전력전송 분야에서 이용되는 다양한 알에프 패시브 소자에 적용되도록 변경될 수 있다.
본 발명은 음의 유전율을 갖는 메타물질을 적용하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도해서 나노미터 단위의 극소화된 알에프 패시브 소자 및 그의 소형화 기술에 적용된다.

Claims (9)

  1. 유전체 기판에 마련되는 방사체,
    준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기를 이용해서 각 단위 공진 셀을 구성하는 메타물질이 적용된 접지면 및
    상기 방사체와 접지면을 전기적으로 연결하는 급전선을 포함하여
    대기와 상기 접지면 사이에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도하는 안테나로 마련되는 것을 특징으로 하는 알에프 패시브 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링 공진기는 뫼비우스 스트립을 적어도 1회 이상 원주를 따라 절단한 구조로 형성되는 복수의 루프,
    각 루프의 일단을 순차적으로 연결하는 제1 브릿지 그리고
    최내측에 배치되는 루프와 최외측에 배치되는 루프의 일단에 각각 형성된 비아 홀을 연결하는 제2 브릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 알에프 패시브 소자.
  3. [규칙 제91조에 의한 정정 24.07.2017]
    제2항에 있어서,
    상기 제1 브릿지와 제2 브릿지 중에서 어느 하나는 상기 유전체 기판의 전면에 배치되고,
    다른 하나는 상기 유전체 기판의 후면에 배치되는 것을 특징으로 하는 알에프 패시브 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 급전선은 상기 유전체 기판의 후면에 형성된 급전패턴을 통해 상기 각 루프의 입력 포트와 연결되고,
    각 루프의 출력 포트는 다음 공진 셀에 마련된 링 공진기의 입력 포트와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 알에프 패시브 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 안테나는 상기 급전패턴을 중심으로 한 상기 링 공진기의 회전각도를 조절해서 큐 팩터 및 대역폭 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 알에프 패시브 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 안테나는 각 루프의 두께와 각 브릿지의 넓이 및 비아 홀의 반지름과 위치를 가변해서 공진 주파수 및 반사계수 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 알에프 패시브 소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 안테나는 각 루프의 폭, 루프 간 이격거리, 비아 홀의 반경 및 위치와 브릿지의 폭을 가변시켜 저지대역폭의 큐 팩터 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 알에프 패시브 소자.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 링 공진기의 각 루프는 서로 다른 직경을 갖는 링 라인으로 마련되고,
    단일 공진 주파수 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 알에프 패시브 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 알에프 패시브 소자의 소형화 방법에 있어서,
    (a) 준-뫼비우스 스트립 구조의 링 공진기를 이용해서 각 단위 공진 셀을 구성하는 단계,
    (b) 복수의 단위 공진 셀을 마련된 메타물질을 접지면에 적용하는 단계,
    (c) 급전선을 이용해서 방사체와 상기 접지면을 전기적으로 연결하는 단계를 포함하여
    대기와 상기 접지면 사이에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 유도해서 안테나를 나노미터 단위로 소형화하는 것을 알에프 패시브 소자의 소형화 방법.
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