KR102425683B1 - 액정에 기반한 고주파 장치 및 그를 포함하는 고주파 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치 및/또는 그를 포함하는 고주파 스위치는,
신호 전극;
상기 신호 전극에 평행하게 배치된 제1 접지 전극;
상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 사이에 배치된 제1 액정 층; 및
상기 제1 액정 층과 상기 제1 접지 전극 사이, 상기 신호 전극과 상기 제1 액정 층 사이 중 적어도 어느 하나에 배치된 제1 유전체 층을 포함할 수 있으며,
상기 제1 유전체 층은 상기 제1 액정 층의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가질 수 있다.
상기와 같은 고주파 장치 및/또는 그를 포함하는 고주파 스위치는 실시예에 따라 다양할 수 있다.

Description

액정에 기반한 고주파 장치 및 그를 포함하는 고주파 스위치 {HIGH-FREQUENCY DEVICE BASED ON LIQUID CRYSTALS AND HIGH FREQUENCY SWITCH WITH THE SAME}
본 발명의 다양한 실시예는 무선 통신 장치에 관한 것으로서, 예를 들면, 액정에 기반한 고주파 장치에 관한 것이다.
지속적으로 증가하는 사용자 수요가 모바일 통신 기술의 급속한 발전의 동기가 되고 있다. 현재는 5G 밀리미터파(mmWave) 네트워크들이 활발히 개발 중에 있다. 5G 밀리미터파 네트워크들은 사용자 경험에 기반하면서 인근 장치들과의 연결 용이성과 개선된 에너지 효율과 같은 요소들을 포함하는 보다 높은 성능을 필요로 할 수 있다. 밀리미터파 기술은 안테나 어레이들의 물리학, 고속 트랜시버 구조 등과 관련된 다양한 기본 난제들과 조우한다.
5GHz 이상의 작동 주파수를 갖는 현재의 고주파 장치, 예를 들면, 위상 시프터(phase shifter)나 스위칭 장치(high frequency switching device) 등의 기본적인 과제 및 제약 사항은 다음과 같다.
1) 표준 반도체 기술을 사용하는 스위칭 장치에서는 높은 손실이 발생하며, 그 결과 낮은 에너지 효율을 초래하게 되고,
2) 종래의 액정(liquid crystal; LC) 기술을 사용하는 스위칭 장치에서는, LC 층의 두께가 너무 크면(5㎛ 초과), 액정의 반응 특유성, 예를 들어, 액정이 (제어 전압 효과 없이) 자유 상태(free state)로의 재배열이 천천히 이루어지는 특성으로 인해, LC 소자의 스위치-오프 순간에 LC 층에서의 전계 스위칭이 느려지고;
3) 낮은 기생 특성을 갖는 기성 반도체 부품 및 회로는 복잡하고, 대형이면서 고가이다.
예를 들어, 다음과 같은 고주파 스위칭 장치가 알려져 있다.
미국 등록특허 제6,927,647 B2호(2002. 06. 1., "Two channels, high speed, HF switch", Ernesto G. Starri et al.)는 광대역 주파수 응답을 갖는 듀얼 채널 RF 스위치를 개시하고 있다. 개시된 RF 스위치에서는 변압기에 대한 RF 신호 입력이 제1 및 제2 바이어싱 회로들에 제공된다. 각각의 바이어싱 회로는 하나 이상의 DC 블로킹 커패시터 및 바이어싱 PIN 다이오드를 포함한다. 따라서, 바이어싱 회로는 RF 출력을 출력 포트에 제공한다. 바이어싱 회로 제어 신호는 각 바이어싱 회로를 선택적으로 제어한다. 바이어싱 회로가 바이어스될 경우에는, 출력 부하에 대해 매우 낮은 저항을 제공하며, 언바이어스 상태에서는, 바이어싱 회로가 출력 부하에 대해 매우 높은 저항 또는 임피던스를 제공한다. PIN 다이오드는 RF 신호가 흐르지 않는 바이어싱 요소를 제공한다.
이 해결책의 단점은 2개의 제어 신호, 타이밍 시스템, 제어 전류 소스(3 내지 20 mA) 및 복잡한 분기 전원 시스템을 필요로 하는 핀 다이오드의 사용하게 되며, 외부 소자(저항기, 커패시터, 인덕터)를 사용하고, 종래의 스위치에서 상대적으로 높은 손실(약 1.5dB)이 발생하고, 개별 웨이퍼 형태로 사용할 수 없으며, 주파수에 따라 비용이 증가할 수 있다는 점에 있다.
미국 등록특허 제8,476,804 B2호(2009. 09. 29., "Piezoelectric MEMS element, voltage control oscillator, communication apparatus, and method of manufacturing piezoelectric drive type MEMS element", Hishinuma Yoshikazu, Fujifilm Corp.)에 개시된 압전 구동형 MEMS 소자는 압전 구동부에 의해 볼록 형상으로 변위되도록 구동되는 가동 부분과, 가동 부분의 표면에 설치되는 가동 전극을 일부에 포함하는 제1 기판; 및 제1 기판에 접합되며, 가동 전극에 대향하는 고정 전극을 소정의 간극을 통해 지지하는 제2 기판을 포함하고, 상기 압전 구동부는 가동부의 일부분으로서 가동부를 형성하는 제1 기판의 일 영역에 설치되는 압전막, 및 이 압전막을 샌드위치 하도록 배치된 한 쌍의 전극을 포함한다.
이 해결책의 단점은 제조 과정이 매우 복잡한 다단계 프로세스이며, 외부 소자(저항, 커패시터, 인덕터)를 사용하고, 작동 전압이 높고(약 90V DC), 높은 비용이 요구되면서도 스위칭 사이클 횟수가 제한된다는 점에 있다.
미국 등록특허 제7,969,359 B2호(2011. 06. 28, "Reflective phase shifter and method of phase shifting using a hybrid coupler with vertical coupling", Krishnaswamy Harish et al., IBM Corp.)에 개시된 위상 시프터는 접지 차폐되는 하이브리드 커플러를 포함한다. 하이브리드 커플러에 연결된 반사 종단들을 갖는 하이브리드 커플러는 인가된 신호를 위상 시프트시키도록 구성되며, 여기서 반사 종단들은 병렬 LC 회로를 포함한다.
이 해결책의 단점은 개별 웨이퍼 형태로 사용할 수 없고, 분기 제어 시스템이 대형화되며, 2개 제어 신호 및 타이밍 시스템을 필요로 하고, 외부 요소(저항, 커패시터, 인덕터)를 사용하게 된다는 점에 있다.
TriQuint 사에서 제조한 30GHz 5비트 위상 시프터는 복잡한 전압-제어 모놀리식 5-비트 위상 시프터로서, 높은 손실(약 6dB)을 발생시키며, 개별 웨이퍼 형태로 사용할 수 없고, 높은 비용이 요구된다는 점에 있다.
미국 공개특허 제2014/0022029 A1호(2014. 01. 23., "Nanoparticle-enhanced liquid crystal radio frequency phase shifter", Anatoliy Volodymyrovych Glushchenko, Colorado Springs.)는 마이크로스트립라인 기반의 나노입자 강화형 액정 위상 시프터를 개시하고 있다. 개시된 위상 시프터는 단위 장치 길이당 증가된 위상 시프트(60GHz 주파수에서 30°/mm, 다른 종래의 장치(US 5,936,484 A, 1999-08-10, "UHF phase shifter and application to an array antenna", Dolfi et al., Thomson CSF)에 의해 달성되는 8°/mm와 비교됨)를 가지면서 응답 시간이 2배 가량 감소된 특성을 가질 수 있다.
그러나 개시된 위상 시프터에는 액정 층 두께와 응답 시간의 절대값이 제시되어 있지 않으며, 손실 문제는 고려하지 않고 있다.
무선 통신 환경을 조성함에 있어, 저 손실(바람직하게는 360° 위상 시프터에 있어서 3dB 이하), 작은 스위칭 시간(바람직하게는 10ms 미만) 및 저렴한 비용을 갖는 무선 통신 장치(예: 고주파 스위칭 장치, 위상 시프터)를 필요로 하며, 이는 5GHz 이상의 상당히 높은 동작 주파수를 사용하는 무선 통신 환경에서는 더욱 절실할 수 있다. 하지만, 전술한 바와 같이, 종래의 기술들은 이러한 모든 요구사항들을 동시에 충족시킬 수 있는 장치를 설계하기에 적합하지 않을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 종래 기술의 전술한 단점들 중 적어도 일부를 극복하기 위해, 위상 시프터나 스위칭 장치 등을 포함하는 고주파 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치 및/또는 그를 포함하는 고주파 스위치는,
신호 전극;
상기 신호 전극에 평행하게 배치된 제1 접지 전극;
상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 사이에 배치된 제1 액정 층; 및
상기 제1 액정 층과 상기 제1 접지 전극 사이, 상기 신호 전극과 상기 제1 액정 층 사이 중 적어도 어느 하나에 배치된 제1 유전체 층을 포함할 수 있으며,
상기 제1 유전체 층은 상기 제1 액정 층의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고주파 장치 및/또는 그를 포함하는 고주파 스위치는,
복수의 제1 세그먼트(segment)들의 조합으로 이루어진 신호 전극;
복수의 제2 세그먼트(segment)들의 조합으로 이루어지고, 상기 신호 전극에 평행하게 배치되는 제1 접지 전극;
상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 사이에 배치되는 제1 액정 층; 및
상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각의 양 단부 근처에 있는 적어도 하나의 제1 분배 전극들을 포함할 수 있으며,
상기 제1 분배 전극들은 각각에 상기 제1, 제2 세그먼트들 중 적어도 일부의 세그먼트들을 덮는 폭을 갖는 솔리드 플레이트 형상을 가지며, 절연층에 의해 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각으로부터 분리될 수 있고,
각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 제1 분배 전극들 사이의 거리, 각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 상기 제1 분배 전극들의 치수들 및 상기 절연층을 이루는 재료는, 적어도 상기 제1 세그먼트들은 인가된 제어 전압에 따라 용량성 결합을 형성함으로써 상기 제1 세그먼트들의 배열 방향을 따라 접선 전계(tangential electric field)를 형성하도록 선택될 수 있으며,
이웃하는 제1 분배 전극들은 서로 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치(예: 위상 시프터) 및/또는 그를 포함하는 고주파 스위치는, 그 구조가 단순해지면서도 손실을 개선할 수 있고, 스위칭 시간을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래의 액정에 기반한 고주파 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예 중 하나에 따른 액정에 기반한 고주파 장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예 중 하나에 따른 고주파 장치의 등가 회로도이다.
도 4는 고주파 장치에서 일반적인 액정 층 두께에 따른 스위치-오프 시간을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예 중 하나에 따른 고주파 장치의 액정 층 두께에 따른 손실을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 액정에 기반한 고주파 장치를 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 변형 예를 나타내는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 접선 전계 분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9 내지 도 11은 액정에 기반한 고주파 장치의 스위치-온, 스위치 오프 과정을 각각 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 액정 층 두께에 따른 손실을 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 구현 예를 나타내는 사시도이다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 등가 회로도이다.
도 15는 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 접선 전계 분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 다양한 실시예 중 또 다른 하나에 따른 액정에 기반한 고주파 장치를 나타내는 구성도이다.
도 17은 본 발명의 다양한 실시예 중 하나에 따른 고주파 장치의 응용 예를 나타내는 구성도이다.
도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액정에 기반한 고주파 장치를 포함하는 고주파 스위치를 나타내는 구성도이다.
도 19는 제1 제어 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치의 신호 흐름도이다.
도 20은 제1 제어 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치의 S-파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 21은 제2 제어 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치의 신호 흐름도이다.
도 22는 제1 제어 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치의 S-파라미터를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 일부 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
'제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, '전면', '후면', '상면', '하면' 등과 같은 도면에 보이는 것을 기준으로 기술된 상대적인 용어들은 '제1', '제2' 등과 같은 서수들로 대체될 수 있다. '제1', '제2' 등의 서수들에 있어서 그 순서는 언급된 순서나 임의로 정해진 것으로서, 필요에 따라 임의로 변경될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 종래의 액정에 기반한 고주파 장치(10)를 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 액정에 기반한 고주파 장치(10)는 서로 평행하게 배치된 신호 전극(11)과 접지 전극(12), 상기 신호 전극(11)과 상기 접지 전극(12) 사이에 배치된 액정 층(liquid crystal layer)(13)을 포함할 수 있다. 상기 신호 전극(11)과 상기 접지 전극(12) 사이의 전위차가 변화하면, 상기 액정 층(13)에 포함된 액정(들)의 방향성이 달라질 수 있으며, 액정(들)의 방향성 변화에 따라 상기 액정 층(13)의 유전 상수도 변화할 수 있다. 이러한 액정(들)이 가지는 특성을 활용한 상기 고주파 장치(10)는 마이크로스트립 전송 라인(microstrip transmission line)에서 위상 시프터(phase shifter)나 스위치 등으로 활용될 수 있다.
이러한 종래의 고주파 장치는, 저손실, 고속 스위칭이 요구되는 분야(예: 고주파, 초고주파, 밀리미터파 통신 등)에 적용함에 있어서는 요구되는 특정 인덕턴스를 보장하기 위해, 예를 들어, 손실을 줄이기 위해서는 전극들(예: 상기 신호 전극(11)과 상기 접지 전극(12)) 사이의 거리가 커질 수 있다.
통상적으로, 액정에 기반한 고주파 장치에서, 액정 층의 두께가 얇으면 고주파 장치의 단위 길이당 인덕턴스 L이 낮아져 차폐(shielding)를 발생시킬 수 있으며, 마이크로스트립 라인은 낮은 임피던스 Z(임피던스
Figure 112017083562949-pat00001
)를 갖게 된다. 따라서 무선 통신에 요구되는 필요전력 P(필요전력
Figure 112017083562949-pat00002
)이 요구되며, 인덕턴스 L이 낮아진 만큼 높은 전류 J를 공급해야 한다. 예컨대, 고주파 장치에서 액정 층의 두께가 얇으면 소비전력이 증가할 수 있다. 이러한 낮은 인덕턴스로 인한 높은 손실(높은 소비전력)을 보완하기 위해, 고주파 장치에서 큰 두께의 액정 층을 형성할 수 있다. 큰 두께의 액정 층을 형성하는 경우, 액정 층 전반에서의 액정 배향의 변화(change in an alignment of liquid crystal(s))가 느려질 수 있다. 예컨대, 스위치-온 상태에서 스위치-오프 상태로 전환하는 스위치-오프 동작에 소요되는 시간이 증가할 수 있으며, 이는 스위칭 속도가 느려짐을 의미할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 액정에 기반한 고주파 장치의 신호 전극과 접지 전극 사이에 유전체 층을 추가함으로써, 액정 층의 두께를 얇게 하여 빠른 스위칭 속도를 가지면서도, 손실 및/또는 소비전력을 낮출 수 있다. 다른 실시예에서, 신호 전극 또는 접지 전극을 다수의 세그먼트들로 형성하되, 적어도 2개의 세그먼트에는 서로 다른 제어 전압을 인가함으로써 액정 층의 두께와 무관하게 고주파 장치의 스위칭 속도를 빠르게 할 수 있다. 어떤 실시예에서, 신호 전극 또는 접지 전극을 다수의 세그먼트들로 형성한 경우, 세그먼트들의 배열 방향에서 고주파 장치의 양단에 추가의 전극을 배치하여 제어 전압을 인가함으로써, 고주파 장치의 스위칭 속도를 빠르게 할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치는, 빠른 스위칭 속도를 위해 액정 층의 두께를 얇게 하더라도 높은 유전 상수를 가진 유전체 층을 활용하여 전력의 손실 및/또는 소비전력을 개선할 수 있으며, 소비전력 개선을 위해 액정 층의 두께를 두껍게 형성하더라도 제어 전압을 인가하는 방식으로 스위칭 속도, 예를 들면, 액정의 배향 변화를 빠르게 할 수 있다.
이하에서, 상기와 같은 본원 발명의 다양한 실시예에 관해 도면들을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예 중 하나에 따른 액정에 기반한 고주파 장치(100)를 나타내는 구성도이다. 도 3은 본 발명의 다양한 실시예 중 하나에 따른 고주파 장치(100)의 등가 회로도이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 상기 고주파 장치(100)는 신호 전극(101), 접지 전극(102), 상기 신호 전극(101)과 접지 전극(102) 사이에 배치된 액정 층(103), 유전체 층(104)을 포함할 수 있다.
상기 신호 전극(101)과 접지 전극(102)은 판 형상, 예를 들면, 솔리드 플레이트(solid plate) 형태 또는 인쇄회로 패턴(예: 마이크로스트립 라인) 형태로 형성될 수 있다. 상기 접지 전극(102)은 대체로, 상기 신호 전극(101)과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 액정 층(103)은 상기 신호 전극(101)과 접지 전극(102) 사이에 봉지된(encapsulated) 액정(liquid crystal)들을 포함할 수 있으며, 별도로 도시하지는 않지만, 상기 액정 층(103)의 적어도 상/하부면, 예를 들면, 상기 신호 전극(101)과 상기 접지 전극(102)을 바라보는 면에는 폴리이미드(polyimide) 등이 재질로 이루어진 배향 층(alignment layer)이 제공될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 유전체 층(104)은 상기 액정 층(103)과 신호 전극(101) 사이, 상기 액정 층(103)과 상기 접지 전극(102) 사이 중 적어도 어느 하나에 배치될 수 있다. 상기 유전체 층(104)은 낮은 유전 손실, 충분한 전기적 / 기계적 강도, 열 전도성, 내온도성 및 내화학성, 양호한 기계 가공성을 가진 재료들 중에서 선택된 재료로 제작될 수 있다. 예를 들면, 상기 유전체 층(104)은, MgO-TiO2-La2O3, SrO-TiO2-MgO-ZnO, BaO-TiO2-MnO2 등의 산화물계 세라믹 또는 세라믹이 채워진 유기 재료 혼합물로 제작될 수 있으며, 대략 100 정도의 또는 100 이상의 유전 상수를 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 액정 층(103)은 등가 단위 길이 캐패시턴스(capacitance) CLC를 가지며, 상기 유전체 층(104)은 등가 단위 길이 캐패시턴스 CCer를 가질 수 있다. 상기 유전체 층(104)의 등가 단위 길이 캐패시턴스 CCer는 상기 액정 층(103)의 등가 단위 길이 캐패시턴스 CLC보다 훨씬 높은 값을 가질 수 있으며, 따라서 상기 고주파 장치(100)에서 제어 전압 등이 인가되었을 때, 전계(electric field) 에너지는 상기 액청 층(103)에 집중될 수 있다. 캐패시턴스 CCer가 상대적으로 감소하면 더 높은 전계 에너지가 상기 유전체 층(104)에 축적될 수 있다. 예컨대, 캐패시턴스 CCer가 상대적으로 감소하면 캐패시턴스 CLC가 증가하고, 제어 전압이 인가되었을 때 상기 액정 층(103)의 액정 배향 변화가 느려질 수 있다. 따라서 단위 길이 캐패시턴스 CLC가 설정되어 있다면, 캐패시턴스 CCer의 최소값은, 상기 고주파 장치(100) 내 파(wave)의 위상 속도에서 최소한의 상대적 재배열(minimum relative rearrangement)에 의해 결정될 수 있다.
이러한 유전체 층(예: 상기 유전체 층(104))의 유전 상수에 대한 필요조건(requirement)은, 상기 액정 층(103)의 상대적 재배열을 유지해야 하며, 상기 유전체 층(104)의 두께가 일정 수준의 손실을 허용할 수 있어야 한다는 사실을 통해 드러날 수 있다. 예를 들어, 액정(들)이 재배열 a(재배열
Figure 112017083562949-pat00003
)를 가지며, 라인에서 재배열의 열화(deterioration of rearrangement)가 b보다 크지 않아야 하는 경우, 예를 들어, 복합 유전체를 포함하는 라인에서 유효 유전 상수의 재배열이 a*b보다 크지 않아야 하는 경우, 2개의 평면-평행 커패시터의 병렬 접속 모델에 기초한 상기 유전체 층(104)의 유효 단위 길이 캐패시턴스에 대한 조건은, C2=C1(ab-1)/(1-b)가 될 수 있다. 여기서, C2는 유전체 층의 단위 길이 캐패시턴스이고, C1은,
Figure 112017083562949-pat00004
, a>1, 0<b<1에 상응하는, 액정 층의 최소 단위 길이 캐패시턴스이다. 예를 들어, 액정 층이 5마이크로미터이고 최소 유전 상수가 2.6이며, 유전체 층의 두께가 100마이크로미터인 경우, a=1.4, b=0.9, C2=2.6C1이면, 유전체 층에 필요한 상대 유전 상수는 135.2이다. 다만, 본 산출 값은, 설명의 간결함을 위해, 신호 전극(예: 상기 신호 전극(101)에 대한 에지 효과(edge effect)를 고려하지 않았기 때문에, 다소 과다하게 추정된 것임에 유의해야 할 것이다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 관한 이해를 돕기 위해, 유전 상수나 두께 등을 예시하여 설명하고 있지만, 본 발명의 다양한 실시예에서, 액정 층이나 유전체 층 등 각 층의 두께 등은 제작하고자 하는 고주파 장치의 사용 환경이나 요구 사양, 전극들 사이의 거리에 대한 설계 값 및 요구되는 스위칭 시간 등에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 아울러, 도 2에서, 상기 유전체 층(104)은 상기 액정 층(103)과 상기 접지 전극(102) 사이에 배치된 구성을 예시하고 있지만, 상기 액정 층(103)과 상기 신호 전극(101) 사이에 배치되거나, 상기 액정 층(103)과 상기 신호 전극(101) 사이 및 상기 액정 층(103)과 상기 접지 전극(102) 사이에 각각 배치될 수도 있다.
도 4는 고주파 장치에서 일반적인 액정 층 두께(Thickness)에 따른 스위치-오프 시간(Time)을 설명하기 위한 그래프이다. 도 5는 본 발명의 다양한 실시예 중 하나에 따른 고주파 장치의 액정 층 두께에 따른 손실을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는, 예를 들면, 스트립라인 360도 위상 시프터에 대한 28GHz의 주파수에서, 액정 층(예: 도 1 또는 도 2의 액정 층(13, 103))의 두께(Thickness)에 따른 스위치-오프 시간(Time)의 추정된 의존성을 도시한 것으로서, 도 4를 참조하면, 스위치-오프 시간, 예컨대, 액정의 배향 변화에 소요되는 시간은 상기 액정 층(13, 103)의 두께에 따라 점차 증가함을 알 수 있다. 예컨대, 고주파 장치에서 스위치-오프 시간을 줄이고자 한다면 액정 층의 두께를 줄일 수 있다. 도 4에 예시된 추정 결과(산출 결과)는, 점도 γ=0.45PA*s, 파괴전압 Vth=5V, 저주파에서 수직 및 평행 상대 유전 상수들의 차가 6인 액정 혼합물을 가정하여 산출된 것이다.
하지만 빠른 스위칭 동작(짧은 스위치-오프 시간)을 위해 단순히 액정 층의 두께를 줄인다면, 손실이 증가하므로, 소비전력이 증가함을 앞서 언급한 바 있다. 도 5는 액정 혼합물의 최대 / 최소 유전 상수에 대한 전송 신호의 위상차에 관해 360도 제어 범위를 가지는 스트립라인 위상 시프터에 대한 28GHz의 주파수에서, 액정 층의 두께(Thickness)에 따른 손실(Losses)의 추정된 의존성을 도시한 것으로서, 도 5를 참조하면, 통상적인 고주파 장치(예: 도 1의 고주파 장치(10))에서는 액정 층(예: 도 1의 액정 층(13))의 두께가 5마이크로미터 정도에서 15dB/360도이며 액정 층의 두께가 증가할수록 손실이 감소되는 반면에, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치(예: 도 2의 고주파 장치(100))에서는 액정 층(예: 도 2의 액정 층(103))의 두께가 2마이크로미터 정도라 하더라도 그 손실은 3.7dB/360도에 불과함을 알 수 있다. 도 5에 예시된 추정 결과(산출 결과)는, 상대 유전 상수 100, 유전 손실-각도 탄젠트 0.001, 두께 100마이크로미터의 유전체 층(예: 도 2의 유전체 층(104))을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 고주파 장치를 가정하여 산출된 것이다. 아울러, 최대 상대 유전 상수 3.6, 최소 상대 유전 상수 2.6, 유전 손실-각도 탄젠트 0.008인 액정 혼합물이 통상적인 고주파 장치와 본 발명의 실시예에 따른 고주파 장치에서 액정 층을 각각 형성한 것을 가정하여 산출된 것이다. 아울러, 액정 층의 각 두께에 대한 스트립라인의 폭은 고정된 360도 제어 범위에서 최소 손실을 제공하도록 선택되었다.
도 4와 도 5를 통해 나타난 바와 같이, 신호 전극과 접지 전극 사이에 단지 액정 층만을 포함하는 고주파 장치(예: 도 1의 고주파 장치(10))에서, 스위치-오프 시간을 줄이기 위해서는 액정 층의 두께를 줄여야 하지만, 이는 높은 손실을 유발할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고주파 장치(예: 도 2의 고주파 장치(100))는 신호 전극과 접지 전극 사이에 액정 층과 아울러 유전체 층(예: 도 2의 유전체 층(104))을 포함함으로써, 액정 층의 두께를 줄여 빠른 스위치-오프 동작을 구현하면서 손실을 줄일 수 있다. 예컨대, 통상의 고주파 장치라면, 2마이크로미터 두께의 액정 층을 형성하여 12ms의 스위치-오프 시간을 확보할 수 있지만, 15dB/360도 정도의 손실을 감수해야 한다. 반면에, 동일한 두께의 액정 층과 스위치-오프 시간을 가지면서도, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치에서는 그 손실이 3.7dB/360도에 불과할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 액정에 기반한 고주파 장치(200a)를 나타내는 구성도이다. 도 7은 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 변형 예(200b)를 나타내는 구성도이다.
도 6과 도 7을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치(200a, 200b)(예: 도 2의 고주파 장치(100))는 복수의 세그먼트(segment)들(211, 221)의 조합으로 이루어진 신호 전극(201) 및/또는 접지 전극(202)을 포함할 수 있으며, 상기 신호 전극(201)과 상기 접지 전극(202) 사이에는 액정 층(203)만 배치될 수 있다. 상기 신호 전극(201)을 이루는 제1 세그먼트(211)들은 각각 제1 방향(D1), 예를 들면, 상기 액정 층(203)이 연장된 방향을 따라 연장되면서, 상기 제1 방향(D1)에 수직하는 제2 방향(D2), 예를 들면, 상기 액정 층(203)의 폭 방향을 따라 배열될 수 있다. 상기 접지 전극(202)을 이루는 제2 세그먼트(221)들은 각각 상기 제1 방향(D1)을 따라 연장되면서, 상기 제2 방향(D2)을 따라 배열될 수 있다.
상기와 같은 고주파 장치(200a, 200b)는, 액정들의 수직 배향을 위한 스위치-온 동작에서, 상기 신호 전극(201)과 상기 접지 전극(202)에 각각 제어 전압을 인가받을 수 있다. 이러한 제어 전압을 인가하기 위해 상기 고주파 장치(200a, 200b)는 분배 전극(들)을 더 포함할 수 있으며, 분배 전극에 관해서는 도 13 등을 통해 더 상세하게 살펴보게 될 것이다. 제어 전압이 인가됨에 따라, 상기 신호 전극(201)과 상기 접지 전극(202) 사이에서 수직 방향(예: 도 6에서 상-하 방향)의 전계가 형성될 수 있으며, 상기 액정 층(203) 내의 액정(들)은 수직 방향으로 배향될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 액정들의 수평 배향(예: 도 6에서 상기 제2 방향(D2))을 위한 스위치-오프 동작에서, 상기 고주파 장치(200a, 200b)는, 상기 제1 세그먼트(211)들 중 일부(또는 상기 제2 세그먼트(221)들 중 일부)에 서로 다른 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 신호 전극(201)을 이루는 상기 제1 세그먼트(211)들 중, 상기 제2 방향(D2)에서 양 단(both ends)에 배치된 세그먼트들은 필터 회로들을 통해 제어 전압 소스에 연결될 수 있으며, 제어 전압이 인가됨에 따라, 인접하는 세그먼트들 간에 용량성 결합(capacitive coupling)이 형성되면서 상기 액정 층(203) 전반에서 수평 방향의 접선 전계(tangential electric field)가 형성될 수 있다. 따라서 상기 액정 층(203) 내의 액정(들)은 접선 전계의 분포에 따라 수평 방향으로 배향될 수 있다. 액정들의 수평 배향을 위한 스위치-오프 동작에서, 상기 신호 전극(201)과 상기 접지 전극(202)에 인가된 제어 전압(예: 액정들의 수직 배향을 위해 인가된 제어 전압)은 차단될 수 있다. 한 실시예에 따르면 일부의 세그먼트들에 제어 전압을 인가하여 스위치-오프 동작을 수행하는 경우, 나머지 세그먼트들에 대해서도 선택적으로 전압이 인가될 수 있다. 이러한 선택적인 전압의 인가는, 인접하는 세그먼트들(예: 상기 제1, 제2 세그먼트(211, 221)들) 간의 용량성 결합을 촉진할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치(예: 도 6 또는 도 7의 고주파 장치(200a, 200b))는 액정의 수직 배향을 위한 제어 전압을 인가받음과 아울러, 선택적으로 액정의 수평 배향을 위한 제어 전압을 인가받음으로써, 신속한 스위치-온/오프 동작을 수행할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 스위치-온 동작 및/또는 스위치-오프 동작을 위한 제어 전압을 인가함에 있어, 제어 전압과 전송 신호 사이의 디커플링(decoupling)은, 예를 들면, 1/4-파장 라인(quarter-wave line) 등을 활용하여 전송 라인들 상에 구현된 필터를 통해 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서, 제어 전압과 전송 신호 사이의 디커플링(decoupling)은, 공지된 방법에 의한 저항기(저항성 스퍼터링)를 통해 이루어질 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 고주파 장치(200b)는 스위치-오프 동작을 위한 제어 전압이 인가되는 추가 전극(예: 측면 전극)(들)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 방향(D2)에서, 상기 고주파 장치(200b)의 양단(예: 측면)에는 각각 추가 전극(또는, 측면 전극)(205, 206)이 배치될 수 있다. 한 실시예에서, 스위치-오프 동작에서, 예를 들어, 상기 신호 전극(201)과 상기 접지 전극(202)에 인가된 제어 전압이 차단되고, 상기 측면 전극(205, 206)들에 제어 전압이 인가될 수 있다. 상기 측면 전극(205, 206)들에 제어 전압이 인가되면, 상기 제2 방향(D2)으로 배열된 세그먼트들(예: 상기 제1 세그먼트(211)들 및/또는 상기 제2 세그먼트(221)들)이 용량성 결합을 형성하며, 상기 측면 전극(205, 206)들 사이에서 상기 액정 층(203) 내에 액정들의 수평 배향을 위한 접선 전계가 형성될 수 있다.
한 실시예에서, 상기 신호 전극(201) 및/또는 상기 접지 전극(202)을 이루는 세그먼트들(예: 상기 제1, 제2 세그먼트(211, 221)들)의 크기는 서로 동일할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 세그먼트들은 각각 그 위치에 따라 일부 다른 폭을 가진 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 세그먼트는 한 단부에서 다른 단부로 진행함에 따라 그 폭이 점차 증가하거나 감소할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 상기 신호 전극(201) 및/또는 상기 접지 전극(202)을 이루는 세그먼트들은 서로 다른 폭, 길이 및/또는 두께를 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 접선 전계 분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은, 신호 전극 및/또는 접지 전극이 솔리드 플레이트 형태로 이루어진 고주파 장치(예: 도 2의 고주파 장치(100))와, 세그먼트들의 조합으로 이루어진 고주파 장치(예: 도 7의 고주파 장치(200b)) 각각에서, 측면 전극(예: 도 7의 측면 전극(205, 206))을 활용한 경우 액정 층 내의 접선 전계 분포를 나타낸 것으로서, 상기 제2 방향(예: 도 7의 제2 방향(D2))에서 고주파 장치의 일단으로부터 타단으로 측정된 거리(Distance)에 따른 접선 전계(Ex)를 나타내고 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 신호 전극 및/또는 접지 전극이 솔리드 플레이트 형태인 경우, 측면 전극 등을 통해 수평 배향을 위한 제어 전압을 인가하더라도 접선 전계가 실질적으로 형성되지 않지만, 신호 전극 및/또는 접지 전극이 세그먼트들의 조합으로 이루어진 경우, 일정 정도의 접선 전계가 형성됨을 알 수 있다. 신호 전극 및/또는 접지 전극이 세그먼트들의 조합으로 이루어진 경우, 상기 제2 방향(D2)을 따라 배열된 세그먼트들 각각 인접하는 다른 세그먼트와 용량성 결합을 형성함으로써 액정 층 내에 일정 수준의 접선 전계를 형성하는 것으로 보인다.
따라서 상기 신호 전극(예: 도 7의 신호 전극(201)) 및/또는 상기 접지 전극(예: 도 7의 접지 전극(202))을 각각 다수의 세그먼트들의 조합으로 구현하고, 스위치-오프 동작을 위한 제어 전압을 인가함으로써, 상기 액정 층(203) 내에서 액정(들)의 재배열을 제어할 수 있다. 즉, 상기 액정 층(203) 내의 전계를 능동적으로 제어하여 스위치-온/오프 동작을 수행할 수 있으므로, 스위치-온 동작에서뿐만 아니라 스위치-오프 동작에서도 동작 시간을 절감할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 액정에 기반한 고주파 장치(예: 도 7의 고주파 장치(200b))의 스위치-온, 스위치 오프 과정을 각각 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 스위치-온 동작(Switch-on process)에서, 예를 들어, 상기 신호 전극(201)과 상기 접지 전극(202)에 제어 전압을 인가하면, 상기 액정 층(203) 내에 수직 방향의 전계(el. field)가 형성되며, 상기 액정 층(203) 내의 액정들은 거의 동시에 수직 방향으로 배향될 수 있다.
도 10을 참조하면, 스위치-오프 동작에서 별도의 제어 전압이 인가되지 않은 경우(Passive switch-off process), 액정들은 배향 층과의 상호 작용 또는 인접하는 다른 액정과의 상호 작용에 의해 대체로 수평 방향으로 배향될 수 있다. 하지만, 이러한 액정들의 배향 변화는 배향 층에 인접하는 액정들(예: 도 10의 액정들 배열에서 아래쪽에 위치된 액정들)로부터 순차적으로 이루어지며, 따라서 액정 층 전반에서 배향 변화를 완료하기까지, 예를 들어, 스위치-오프 동작이 완료되기까지 상당한 시간이 소요될 수 있다. 이러한 스위치-오프 동작은, 액정 층의 두께가 증가할수록 더 많은 시간이 소요됨을 앞서 도 1 내지 도 5 등을 통해 살펴본 바 있다. 예컨대, 이러한 수동적인 스위치-오프 동작에서, 본 발명의 다양한 실시예는, 액정 층보다 상당히 높은 유전율을 가지는 유전체 층을 배치함으로써 손실을 줄이면서도, 액정 층의 두께를 줄여 스위치-오프 동작에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
도 11을 참조하면, 스위치-오프 동작에서 신호 전극 및/또는 접지 전극을 이루는 세그먼트들 중 일부 또는, 고주파 장치에 제공된 추가 전극(예: 도 7의 측면 전극(205, 206))에 서로 다른 제어 전압을 인가함으로써, 신속하게 액정들을 수평 방향으로 배향할 수 있다. 예컨대, 상기 신호 전극(201)과 상기 접지 전극(202)에 인가되었던 제어 전압이 차단되고, 상기 세그먼트(예: 도 6의 제1, 제2 세그먼트(211, 221))들 중 일부 또는 상기 추가 전극(예: 도 7의 측면 전극(205, 206))에 제어 전압을 인가하면, 상기 액정 층(203) 내에는 접선 전계(el. field)가 형성되며, 상기 액정 층 내의 액정들은 거의 동시에 수평 방향으로 배향될 수 있다.
상기와 같은 고주파 장치는, 제어 전압을 인가하여 스위치-오프 동작을 수행하므로, 액정 층의 두께와 무관하게 신속한 스위치-오프 동작을 수행할 수 있다. 예컨대, 본 실시예에 따른 고주파 장치에서, 액정 층이 100마이크로미터 내외의 두께로 형성되더라도, 스위치-오프 동작은 10ms 내외의 시간에 완료될 수 있다.
한편, 앞서 살펴본 바와 같이, 액정에 기반한 고주파 장치에서, 신호 전극과 접지 전극 사이에 액정 층만 배치된 경우, 액정 층의 두께가 증가할수록 손실이 개선될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 손실에 관해 도 12를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치의 액정 층 두께에 따른 손실을 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는, 예를 들면, 스트립라인 360도 위상 시프터에 대한 28GHz의 주파수에서, 상기 고주파 장치(예: 도 7의 고주파 장치(200b))의 액정 층 두께(Thickness)에 따른 손실(Losses)의 추정된 의존성을 도시한 것으로서, 액정 층의 두께가 100마이크로미터일 때 상기 고주파 장치(200b)는, 통상적인 고주파 장치보다 다소 증가된 손실 특성을 가지지만, 그 차이가 실질적으로 크지 않음을 알 수 있으며, 스위치-오프 동작에서 소요되는 시간을 크게 절감할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치(예: 도 6의 고주파 장치(200a))는 분배 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 분배 전극은 솔리드 플레이트 형태로 이루어질 수 있으며, 고주파 장치가 탑재된 고주파 스위치 등의 입/출력 포트와의 결합을 위한 용도 및/또는 고주파 장치의 신호 전극이나 접지 전극을 이루는 세그먼트들로 고르게 전류를 분배하는 용도로 활용될 수 있다. 이하에서, 도 13 등을 참고하여 이러한 분배 전극을 포함하는 고주파 장치에 관해 살펴보기로 한다.
도 13은 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치(300)의 구현 예를 나타내는 사시도이다. 도 14는 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치(300)의 등가 회로도이다. 도 15는 본 발명의 다양한 실시예 중 다른 하나에 따른 고주파 장치(300)의 접선 전계 분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 상기 고주파 장치(300)는, 제1 세그먼트(311, 313)들의 조합으로 이루어진 신호 전극(301), 제2 세그먼트(321)들의 조합으로 이루어진 접지 전극(302), 상기 고주파 장치(300)의 양단(예: 상기 제1 세그먼트(311, 313)들 및/또는 상기 제2 세그먼트(321)들이 배열된 방향에서 상기 고주파 장치(300)의 양단)에 각각 배치된 추가 전극(305, 306)들, 상기 세그먼트(311, 313, 321)들 상에 각각 배치된 분배 전극(307a, 307b, 307c)들을 포함할 수 있다. 상기 신호 전극(301)과 상기 접지 전극(302) 사이에는 액정 층(303)이 배치되며, 상기 전극(301, 302, 307a, 307b, 307c)들 또는 세그먼트(311, 313, 321)들의 일부에 인가되는 제어 전압에 따라, 상기 액정 층(303) 내의 액정 배향이 달라질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 세그먼트(311, 313)들 및/또는 상기 제2 세그먼트(321)들은 각각 제1 방향(D1)을 따라 연장되며, 상기 제1 방향(D1)에 수직하는 제2 방향(D2)을 따라 배열될 수 있다. 상기 분배 전극(307a, 307b, 307c)들은, 상기 신호 전극(301)과 상기 접지 전극(302) 각각의 양 단부(예: 상기 제1 방향(D1)에서 상기 신호 전극(301)과 상기 접지 전극(302) 각각의 양 단부) 근처에 있는 제1 분배 전극(307a, 307b)들을 포함할 수 있다. 상기 제1 분배 전극(307a, 307b)들은 각각에 상응하는 상기 제1 또는 제2 세그먼트(311, 313, 321)들 중 적어도 일부를 덮는 폭을 가진 솔리드 플레이트로 형성될 수 있으며, 상기 고주파 장치(300)의 입력 또는 출력 포트로 활용될 수 있다. 예컨대, 상기 분배 전극(307a, 307b, 307c)들이 배치됨으로써, 상기 고주파 장치(300)의 입력 또는 출력 포트에서는 솔리드 플레이트 형태의 전극(예: 상기 제1 분배 전극(307a, 307b))에서 세그먼트들의 조합으로 이루어진 전극(예: 상기 제1 세그먼트들 중 적어도 참조번호 '311'로 지시된 세그먼트들 및/또는 상기 제2 세그먼트(321)들 중 적어도 일부)으로의 전이부(transition)가 형성될 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 고주파 장치(300)는 상기 제1 방향(D1)에서 상기 제1 분배 전극(307a, 307b)들 사이에 각각 배치된 제2 분배 전극(307c)(들)을 더 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 신호 전극 상에 배치된 분배 전극(307a, 307c)들은 서로 이웃하는 다른 분배 전극(307a, 307c)과 중첩하지 않도록 이격된 위치에 각각 배치되며, 직접적으로 접촉되지 않을 수 있다. 이는, 상기 접지 전극 상에 배치된 분배 전극(307b, 307c)들에서도 마찬가지이다.
한 실시예에 따르면, 상기 분배 전극(307a, 307b, 307c)들과 상기 신호 전극(301)(예: 상기 제1 세그먼트(311, 313)들) 및/또는 상기 접지 전극(302)(예: 상기 제2 세그먼트들(321)) 사이에는 절연층(308; 도 15에 도시됨)이 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 분배 전극(307a, 307b)들은 상기 신호 전극(301) 및/또는 상기 접지 전극(302)과 직접 접촉하지는 않지만, 상기 제1 및/또는 상기 제2 세그먼트(311, 313, 321)들로 전류를 분배할 수 있다. 상기 절연층(308)은, 상술한 유전체 층(예: 도 2의 유전체 층(104))과의 구분을 위해 '절연층'이라 칭한 것으로서, 일정 정도의 유전율을 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 분배 전극(307a, 307b, 307c)들 중 적어도 하나는, 일부의 세그먼트(예: 상기 제1 세그먼트(311, 313)들 중 참조번호 '313'으로 지시된 세그먼트들)을 덮지 않는 폭으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 신호 전극(301)을 이루는 제1 세그먼트(311, 313)들 중 일부(예: 상기 제1 세그먼트들의 배열에서 양단에 배치된 세그먼트(313)들)는 상기 제1 분배 전극(307a)(또는 상기 제2 분배 전극(307c))에 의해 덮이지 않을 수 있다. 한 실시예에서, 참조번호 '313'으로 지시된 세그먼트(들)는 스위치-오프 동작을 위한 제어 신호를 인가받는 전극으로 활용될 수 있다. 예컨대, 상기 세그먼트(313)들은 제어 전압 소스(V; 도 15에 도시됨)로 연결될 수 있으며, 제어 전압을 인가받아 상기 액정 층(303) 내에서 수평 배향을 위한 접선 전계를 형성할 수 있다. 어떤 실시예에서, 제어 전압 소스(V)는 상기 측면 전극(305, 306)에 연결될 수도 있으며, 이러한 제어 전압 소스를 연결함에 있어 필터 회로를 경유할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 세그먼트(311, 313)들 서로 간의 거리, 각각의 상기 제1 세그먼트(311, 313)들과 상기 분배 전극(307a, 307c)들 사이의 거리, 상기 절연층(308)의 재질이나 크기나 두께 등은 상기와 같은 접선 전계를 형성할 수 있는 환경을 제공하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 상기 세그먼트(313)들로 제어 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 세그먼트(311, 313)들은 인접하는 다른 제1 세그먼트와 용량성 결합을 형성함으로써 그 배열 방향, 예를 들어, 상기 제2 방향(D2)을 따라 접선 전계를 형성하도록 거리, 재질, 크기, 두께 등이 설계될 수 있다. 이에 관해서는 도 14를 참조하여 좀더 상세하게 살펴보기로 한다.
도 14에서, 'Cs'는 인접하는 상기 제1 세그먼트(311, 313)들 사이의 캐패시턴스이고, 'Cm'은 각각의 상기 제1 세그먼트(311, 313)와 분배 전극(예: 상기 제1 분배 전극(307a)) 사이의 캐패시턴스이다. 다양한 실시예에 따르면, 캐패시턴스 Cm이 작을수록 상기 신호 전극(301)과 상기 접지 전극(302) 사이의 공간(예: 상기 액정 층(303))에 양호한 접선 전계가 형성될 수 있다. 한 예로서, 'Cs/N >> Cm'인 조건(여기서, 'N+1'은 상기 제1 세그먼트(311, 313)들의 수)을 만족할 때, 예컨대, 'Cm < 0.1Cs/N'인 조건을 만족할 때, 상기 분배 전극(307a, 307b, 307c)들의 영향을 억제하고 양호한 접선 전계가 형성될 수 있다. 이러한 조건을 만족하면, 상기 세그먼트(313)들로 제어 전압이 인가됐을 때, 전계의 모든 에너지가 상기 제1 세그먼트(311, 313)들 사이의 영역에 대응하는 캐패시턴스 Cs에 집중되어 양호한 접선 전계가 형성될 수 있으며, 따라서 상기 고주파 장치(300)의 스위치-오프 동작을 신속하게 수행할 수 있다. 한편, 신호 주파수에서, 캐패시턴스 (N+1)Cm의 용량성 임피던스는 라인의 파동 임피던스와 비교할 때 가능한 작아야만 한다. 예를 들어, 'Z0'는 라인의 파동 임피던스라 할 때, 전이부(예: 분배 전극과 신호 전극 또는 분배 전극과 접지 전극으로 형성된 전이부)에서의 -10dB 반사가 병렬 용량성 임피던스 0.7Z0(신호 전극과 접지 전극의 총 임피던스)에 상응하면, 상기 고주파 장치(300)의 입력과 출력에서 별도의 매칭 회로를 사용하지 않더라도 양호한 매칭 성능을 확보할 수 있다. 다만, 필요에 따라, 통상적으로 전송 라인에서 사용되는 매칭 회로 등을 활용하여 매칭 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 캐패시턴스 Cs는 각 세그먼트들(예: 상기 제1, 제2 세그먼트들(311, 313, 321))의 길이에 비례할 수 있으며, 분배 전극과 신호 전극(또는 접지 전극)으로 형성된 전이부에서 주어지는 반사 레벨에 대응하는 분배 전극의 크기는 고정될 수 있다. 따라서, 양호한 접선 전계 형성을 위한 캐패시턴스 Cs와 Cm 사이의 비율은 각 세그먼트들의 길이를 증가시킴으로써 얻어질 수 있다. 복수의 분배 전극이 존재하는 경우, 캐패시티들 간의 요구 조건은, 캐패시턴스 Cs의 평가를 위해 세그먼트(들)의 길이를 고주파 장치의 분배 전극들의 수로 나눈 값을 사용하여 얻어질 수 있다. 캐패시턴스 Cs의 평가를 위한 공식(evaluation formulas for Cs)은 다양한 소프트웨어 시스템에서의 전극 시스템 시뮬레이션을 통해 또는 다양한 참고문헌을 통해 제시되어 있다. 캐패시턴스 Cm은 'Cm = εε0lw/d'의 공식으로 평가될 수 있으며, 여기서, 'ε'은 분배 전극 및 신호 전극(또는 접지 전극) 사이 영역에서의 상대 유전 상수이고, 'ε0'는 진공 유전율이며, 'l'은 세그먼트가 연장된 방향을 따라 측정된 분배 전극의 길이이고, 'w'는 세그먼트의 폭이며, 'd'는 분배 전극과 신호 전극 사이의 거리이다. 도 15는 상기와 같은 분배 전극(들)을 포함하는 고주파 장치에서 상기 액정 층 내에 형성된 접선 전계(Ex)의 분포를 나타내고 있다.
도 16은 본 발명의 다양한 실시예 중 또 다른 하나에 따른 액정에 기반한 고주파 장치(400)를 나타내는 구성도이다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 고주파 장치(400)는, 도 2의 고주파 장치(100)와 도 6의 고주파 장치(200a)가 조합된 예로서, 세그먼트(411, 421)들의 조합으로 각각 이루어진 신호 전극(401)과 접지 전극(402), 상기 신호 전극(401)과 상기 접지 전극(402) 사이에 액정 층(403)과 유전체 층(404)을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 고주파 장치(400)는, 상기 유전체 층(404)을 포함함으로써 상기 액정 층(403)의 두께를 얇게 함으로써 빠른 스위치-오프 동작을 수행하면서도 낮은 손실을 가질 수 있으며, 또한, 상기 액정 층(403) 내에서 접선 전계를 능동적으로 형성할 수 있다. 접선 전계를 능동적으로 형성하기 위하여(스위치-오프 동작에서 제어 전압을 인가하기 위하여) 상기 고주파 장치(400)는 측면 전극(예: 도 7의 측면 전극(205, 206))(들)을 더 포함할 수 있으며, 측면 전극을 포함하지 않는 경우, 상기 신호 전극(401)(또는 상기 접지 전극(402))을 이루는 세그먼트(411, 421)들 중 일부를 통해 제어 전압을 인가받을 수 있다. 한 실시예에서, 상기 고주파 장치(400)는 상기 신호 전극(401)과 상기 접지 전극(4042)을 이루는 각 세그먼트(411, 421)들로 전류를 분배하기 위한 분배 전극(예: 도 13의 분배 전극(307a, 307b, 307c))들을 포함할 수 있으며, 상기 분배 전극들은 상기 고주파 장치(400)의 입력 또는 출력 포트를 형성할 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 신호 전극(401) 및/또는 상기 접지 전극(402)은 전송 라인(예: 마이크로스트립 라인)의 일부로서 제공될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기와 같은 고주파 장치(400)는 고주파 신호 전송 라인 상에서 위상 시프터로 활용될 수 있다. 예컨대, 상기 고주파 장치(400)는 제어 전압을 인가받아 상기 고주파 장치(400)를 통해 흐르는 고주파 신호(high frequency signal)의 위상을 시프트할 수 있다. 이는, 제어 전압이 인가됨에 따라, 상기 액정 층(403) 내의 액정 배향이 변화되며, 이러한 액정 배향의 변화에 따라 상기 액정 층(403)의 유전율이 달라져 상기 고주파 장치(400)를 통해 전송되는 고주파 신호의 위상이 시프트될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치에서, 액정 층을 이용한 스위치-온/오프 시간은 다음의 수학식들을 통해 산출될 수 있다.
Figure 112017083562949-pat00005
Figure 112017083562949-pat00006
여기서, 't on '은 액정 층의 스위치-온 시간, 't off '는 액정 층의 스위치-오프 시간, 'γLC'는 액정 혼합물의 점도, 'hLC'는 액정 층의 두께, 'Δεr'는 저주파에서의 액정 혼합물의 세로 및 가로 배향에 따른 유전 상수들의 차이, 'Vth'는 액정 층과 배향 층(alignment layer) 사이의 상호 작용 에너지를 정의하는 파라미터(볼트 단위로 측정됨), 'Vb'는 액정 층에 인가되는 제어 전압을 의미한다.
앞서 살펴본 바와 같이, 스위치-온 동작에서 제어 전압 Vb를 증가시킴으로써 능동적으로 동작 시간을 제어할 수 있다. 스위치-오프 동작에서, 동작 시간은 액정 혼합물, 배향 층과 액정 층의 두께 특성 등을 정의하는 파라미터들에 의해 결정됨을 알 수 있다. 상기와 같은 [수학식 1, 2]는, 배향 층이 존재하는 상태에서 액정 층의 완화(relaxation)를 설명한다.
도 2에 도시된 고주파 장치(100)에서 배향 층의 효과와, 도 6에 도시된 고주파 장치(200a)에서 접선 전계의 형성에 관해서는 다음의 수학식들을 통해 설명될 수 있다.
Figure 112017083562949-pat00007
Figure 112017083562949-pat00008
Figure 112017083562949-pat00009
여기서, 'kLC'는 전송 라인에서의 파수(wave number), 'cp'는 전송 라인에서의 위상 속도, 'DjLC'는 길이 lms를 갖는 라인 세그먼트에서 얻어진 최대 위상차, 'εeff'는 액정 혼합물의 유전 상수의 함수로서 전송 라인의 유효 유전 상수, 'ε∥'는 제어 전계(control field)가 전송 라인의 전극들 사이에 인가되었을 때 전송 라인의 유효 유전 상수, 'ε⊥'는 분자들(예: 액정들)이 전송 라인의 전극들에 현저히 평행하게 정렬되었을 때 전송 라인의 유효 유전 상수를 각각 의미할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치는 마이크로스트립 전송 라인 상에서 고주파 신호를 위한 위상 시프터로서 및/또는 스위치로서 활용될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및/또는 도 6에 도시된 고주파 장치(100, 200)은 액정 층(103, 203)이나 유전체 층(104)으로 이루어진 기판을 제공함과 아울러, 전극들, 예를 들어, 신호 전극(101, 201) 및/또는 접지 전극(102, 202)이 스트립(strip)으로 형성됨으로써, 마이크로스트립(예를 들어, 비대칭 스트립(asymmetrical strip)) 전송 라인의 일부일 수 있다. 예컨대, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치는 인쇄회로 기판에 통합되거나, 개별적인 전자 부품이나 장치(예: 칩(chip))에 쉽게 통합될 수 있다.
도 17은 본 발명의 다양한 실시예 중 하나에 따른 고주파 장치의 응용 예를 나타내는 구성도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치(500)는 신호 전극(501)에 대하여 대칭을 이루게 각각 배치된 제1, 제2 액정 층(503a, 503b), 제1, 제2 유전체 층(504a, 504b), 제1, 제2 접지 전극(502a, 502b)들을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제1, 제2 접지 전극(502a, 502b)들은 상기 신호 전극(501)에 대하여 대칭을 이루게 배치되어 대칭형 마이크로스트립 전송 라인을 형성할 수 있으며, 상기 제1, 제2 액정 층(503a, 503b)은 상기 신호 전극(501)의 양측(예: 상부와 하부)에, 상기 제1, 제2 유전체 층(504a, 504b)은 상기 제1 액정 층(503a)과 상기 제1 접지 전극(502a) 사이에, 상기 제2 액정 층(503b)과 상기 제2 접지 전극(502b) 사이에 각각 대칭을 이루게 배치될 수 있다.
상기 고주파 장치(500)는, 상기 신호 전극(501)과 상기 제1, 제2 접지 전극(502a, 502)이 제어 전압 소스(V)에 연결되어 제어 전압을 인가받음으로써 스위치-온 동작을 수행할 수 있다. 인가된 제어 전압이 차단되면서 상기 고주파 장치(500)는 스위치-오프 동작을 수행할 수 있으며, 스위치-오프 동작에서, 상기 제1, 제2 유전체 층(504a, 504b)은 손실을 억제, 완화하면서 상기 제1, 제2 액정 층(503a, 503b)의 두께를 줄이는데 기여할 수 있다. 상기 제1, 제2 액정 층(503a, 503b)의 두께 감소는, 수동적인 스위치-오프 동작에서 동작 시간을 절감하는데 기여할 수 있다.
도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액정에 기반한 고주파 장치(614, 615)를 포함하는 고주파 스위치(high frequency switch)(600)를 나타내는 구성도이다.
상기 고주파 스위치(600)는 인쇄회로 기판(601) 상에 구현된 것으로서, 상기 고주파 장치(614, 615)(예: 도 13의 고주파 장치(300))의 액정 층 및/또는 유전체 층은 상기 인쇄회로 기판(601)의 일부를 형성할 수 있다. 상기 고주파 스위치(600)는 한 개의 입력 포트(611)와 복수, 예를 들면, 2개의 출력 포트(612, 613)를 포함하는 스위치일 수 있으며, 복수, 예를 들면, 상기 출력 포트(612, 613)(들)의 수에 상응하는 만큼의 상기 고주파 장치(614, 615)(들)를 포함할 수 있다. 상기 입력 포트(611)와 출력 포트(612, 613)들은 마이크로스트립 전송 라인(들)을 통해 서로 연결될 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 고주파 장치들 중, 제1 고주파 장치(614)는 상기 입력 포트(611)와 상기 출력 포트들 중 제1 출력 포트(612) 사이에서 마이크로스트립 전송 라인 상에 배치될 수 있다. 상기 고주파 장치들 중, 제2 고주파 장치(615)는 상기 입력 포트(611)와 상기 출력 포트들 중 제2 출력 포트(613) 사이에서 마이크로스트립 전송 라인 상에 배치될 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 고주파 스위치(600)는 마이크로스트립 전송 라인의 일부이면서 상기 고주파 장치(614, 615)들 각각으로부터 연장된 라인 스터브(616, 617)(들) 및/또는 상기 고주파 장치(614, 615)들 각각의 양측에 배치된 정합 스터브(618, 619, 620, 621)(들)을 더 포함할 수 있다. 상기 고주파 장치(614, 615)들 각각의 크기는, 주어진 주파수에서 제1 제어 전압이 마이크로스트립 전송 라인에 인가됐을 때 상기 제1 고주파 장치(614)의 전기적 길이가 L1=λε1/4로 설정되고, 주어진 주파수에서 제2 제어 전압이 마이크로스트립 전송 라인에 인가됐을 때 상기 제2 고주파 장치(615)의 전기적 길이는 L2=λε2/4로 설정되도록 선택될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 고주파 장치(614)와 상기 제2 고주파 장치(615)는 서로 다른 전기적인 길이를 가질 수 있다.
한 실시예에 따르면, 제1 제어 전압이 인가됐을 때, 상기 제1, 제2 고주파 장치(614, 615)의 액정 층(예: 도 13의 액정 층(303))은 ε1의 유전 상수를 가지며, 상기 제1 고주파 장치(614)는 λε1/4의 전기적인 길이를 가질 수 있다. 이때, 상기 입력 포트(611)를 통해 고주파 신호가 수신될 경우, 상기 제1 고주파 장치(614)는 해당 고주파 신호가 상기 제1 출력 포트(612)로 전달되는 것을 차단하는 1/4 파장 변환기(quater-wagelength transformer)로서 작동할 수 있다. 즉, 이 상태에서 상기 제1 고주파 장치(614)는 스위치-온 상태에 있다. 이와 동시에, 유전 상수 ε1에서, 상기 제2 고주파 장치(615)의 전기적 길이는 λε1/4가 아니며, 따라서 상기 입력 포트(611)를 통해 수신된 고주파 신호는 거의 손실이 없는 상기 제2 고주파 장치(615)를 통해 상기 제2 출력 포트(613)로 흐를 수 있다. 즉, 이 상태에서 상기 제2 고주파 장치(615)는 스위치-오프 상태에 있다.
도 19는 제1 제어 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치(600)의 신호 흐름도이다. 도 20은 제1 제어 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치(600)의 S-파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 19와 도 20을 더 참조하면, 상기 고주파 스위치(600)에 제1 제어 전압이 인가된 상태에서, 상기 입력 포트(611)를 통해 수신된 거의 모든 전력은 상기 제2 출력 포트(613)로 전달됨을 알 수 있다. 예를 들어, 28GHz의 주파수에서, 0V의 제1 제어 전압이 인가됐을 때, 상기 입력 포트(611)의 반사 계수 S(1, 1)은 -16dB이고, 상기 입력 포트(611)로부터 상기 제1 출력 포트(612)로의 전송 계수 S(2, 1)은 -28.5dB인 반면, 상기 입력 포트(611)로부터 상기 제2 출력 포트(613)로의 전송 계수 S(3, 1)는 -0.5dB일 수 있다. 예컨대, 제1 제어 전압이 인가된 상태에서, 상기 입력 포트(611)로부터 상기 제2 출력 포트(613)로의 신호 전송은 손실이 거의 없는 상태로 이루어질 수 있으며, 따라서 제1 제어 전압이 인가된 상태에서, 상기 고주파 스위치(600)는 상기 제2 출력 포트(613)로 거의 모든 전력을 전달할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 제2 제어 전압이 인가됐을 때, 상기 제1, 제2 고주파 장치(614, 615)의 액정 층(예: 도 13의 액정 층(303))은 ε2의 유전 상수를 가지며, 상기 제2 고주파 장치(615)는 λε2/4의 전기적인 길이를 가질 수 있다. 이때, 상기 입력 포트(611)를 통해 고주파 신호가 수신될 경우, 상기 제2 고주파 장치(615)는 해당 고주파 신호가 상기 제2 출력 포트(615)로 전달되는 것을 차단하는 1/4 파장 변환기(quater-wagelength transformer)로서 작동할 수 있다. 즉, 이 상태에서 상기 제2 고주파 장치(615)는 스위치-온 상태에 있다. 이와 동시에, 유전 상수 ε2에서, 상기 제1 고주파 장치(614)의 전기적 길이는 λε2/4가 아니며, 따라서 상기 입력 포트(611)를 통해 수신된 고주파 신호는 거의 손실이 없는 상기 제1 고주파 장치(611)를 통해 상기 제1 출력 포트(612)로 흐를 수 있다. 즉, 이 상태에서 상기 제1 고주파 장치(614)는 스위치-오프 상태에 있다.
도 21은 제2 제어 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치(600)의 신호 흐름도이다. 도 22는 제1 제어 전압을 인가한 상태에서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치(600)의 S-파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 21과 도 22를 더 참조하면, 상기 고주파 스위치(600)에 제2 제어 전압이 인가된 상태에서, 상기 입력 포트(611)를 통해 수신된 거의 모든 전력은 상기 제1 출력 포트(612)로 전달됨을 알 수 있다. 예를 들어, 28GHz의 주파수에서, 10V의 제2 제어 전압이 인가됐을 때, 상기 입력 포트(611)의 반사 계수 S(1, 1)은 -28dB이고, 상기 입력 포트(611)로부터 상기 제2 출력 포트(613)로의 전송 계수 S(3, 1)은 -30dB 미만인 반면, 상기 입력 포트(611)로부터 상기 제1 출력 포트(612)로의 전송 계수 S(2, 1)는 -0.8dB일 수 있다. 예컨대, 제2 제어 전압이 인가된 상태에서, 상기 입력 포트(611)로부터 상기 제1 출력 포트(612)로의 신호 전송은 손실이 거의 없는 상태로 이루어질 수 있으며, 따라서 제2 제어 전압이 인가된 상태에서 상기 고주파 스위치(600)는 상기 제1 출력 포트(612)로 거의 모든 전력을 전달할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치(들)를 조합함으로써 저손실, 고속 스위칭 동작이 가능한 고주파 스위치(예: 도 18의 고주파 스위치(600))를 구현할 수 있다. 또한, 상기와 같은 고주파 스위치는 고주파 장치로 인가되는 제어 전압(예: 직류 전압 값)에 의해서만 제어되기 때문에, 전력 및 제어 회로를 단순화할 수 있다. 상술한 고주파 스위치의 구조는 본원 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치를 이용한 구성 원리를 기술하기 위한 것으로서, 본 발명이 이에 한정될 필요는 없으며, 고주파 스위치의 설치 환경, 사용 용도 및 요구 사항에 따라 고주파 장치의 수나 배열 등이 다양하게 구현될 수 있다. 아울러, 본 발명의 구체적인 실시예에서 고주파 스위치가 수신 모드에서 동작하는 예를 언급하고 있지만, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 스위치는 송신 모드에서도 동작할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상술한 고주파 장치, 상술한 고주파 장치를 포함하는 전송 라인(예: 마이크로스트립 라인), 상술한 고주파 장치를 이용한 위상 시프터 및/또는 고주파 스위치 등은 전자 장치, 예를 들어, 5G 통신이나 WiGig와 같은 밀리미터파(mmWave) 이동통신 네트워크, 각종 센서, 장거리를 포함하는 무선 전력 송신을 위한 WiFi 네트워크, 스마트 하우스(smart house) 시스템과 같은 고주파 신호(high frequency signal) 제어를 필요로 하는 전자 장치에 활용될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 상술한 고주파 장치를 포함하는 고주파 스위치는 다중 채널 장치에서 채널들 간의 스위칭, 수신-송신(RX-TX) 스위칭, 안테나의 동작 모드들 간의 스위칭(예: 광대역 스캐닝에서 광대역 방사 모드 및 지향성 방사 모드 간의 스위칭) 및 편향, 방사 방향 스위칭을 효율적으로 수행할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상술한 고주파 장치를 이용한 고주파 위상 시프터는 빔 스캐닝용 안테나 및/또는 필드를 특정 공간 영역에 집중시키는 것을 포함하는 안테나 근접장을 이용한 조작용(manipulations with antenna near field) 안테나로서 효율적으로 활용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고주파 장치 및/또는 그를 포함하는 고주파 스위치는,
신호 전극;
상기 신호 전극에 평행하게 배치된 제1 접지 전극;
상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 사이에 배치된 제1 액정 층; 및
상기 제1 액정 층과 상기 제1 접지 전극 사이, 상기 신호 전극과 상기 제1 액정 층 사이 중 적어도 어느 하나에 배치된 제1 유전체 층을 포함할 수 있으며,
상기 제1 유전체 층은 상기 제1 액정 층의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 신호 전극은, 제1 방향을 따라 연장되면서 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 배열된 제1 세그먼트들의 조합으로 이루어질 수 있고,
상기 제1 접지 전극은 상기 제1 방향을 따라 연장되면서 상기 제2 방향을 따라 배열된 제2 세그먼트들의 조합으로 이루어질 수 있으며
상기 고주파 장치는, 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각의 양 단부 근처에 있는 제1 분배 전극(distribution electrode)들을 더 포함할 수 있고
상기 제1 분배 전극들은 각각에 상응하는 상기 제1, 제2 세그먼트들 중의 적어도 일부를 덮는 폭을 갖는 솔리드 플레이트(solid plate) 형상을 가지며, 절연층에 의해 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각으로부터 분리될 수 있고,
각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 상기 제1 분배 전극들 사이의 거리, 각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 상기 제1 분배 전극들의 치수들 및 상기 절연층을 이루는 재료는, 적어도 상기 제1 세그먼트들은 인가된 제어 전압에 따라 용량성 결합을 형성함으로써 상기 제2 방향을 따라 접선 전계(tangential electric field)를 형성하도록 선택될 수 있으며,
이웃하는 상기 제1 분배 전극들은 서로 이격되어 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 고주파 장치는, 상기 제2 방향에서, 상기 고주파 장치의 단부들에 각각 배치된 추가 전극들을 더 포함할 수 있고,
상기 추가 전극들은 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극이 각각 배치된 평면들과 수직을 이루면서 서로에 대하여 평행하게 배치되며, 제어 전압을 인가받아 상기 제1 액정 층에서 접선 전계(tangential electric field)를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 방향에서 상기 제1 세그먼트들 중 적어도 양 단(both ends)에 배치된 세그먼트들은 상기 제1 분배 전극들에 의해 덮이지 않으며, 필터 회로들을 통해 제어 전압 소스에 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 고주파 장치는, 각각의 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극의 단부들 사이의 영역에 배치되는 적어도 하나의 제2 분배 전극을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극을 이루는 상기 세그먼트들 중 적어도 일부는 서로 다른 제어 전압을 인가받아 상기 제1 액정 층에서 접선 전계(tangential field)를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 고주파 장치는,
상기 신호 전극에 대하여 상기 제1 접지 전극에 대하여 대칭을 이루게 배치되는 제2 접지 전극;
상기 신호 전극과 상기 제2 접지 전극 사이에 배치되는 제2 액정 층; 및
상기 제2 액정 층과 상기 제2 접지 전극 사이, 상기 신호 전극과 상기 제2 액정 층 사이 중 적어도 어느 하나에 배치된 제2 유전체 층을 더 포함할 수 있으며,
상기 제2 유전체 층은 상기 제2 액정 층의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제2 접지 전극은 복수의 세그먼트들의 조합으로 이루어질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 유전체 층은 100 이상의 유전 상수를 가진 산화물계 세라믹 또는 세라믹으로 충진된 유기재료 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고주파 장치 및/또는 그를 포함하는 고주파 스위치는,
복수의 제1 세그먼트(segment)들의 조합으로 이루어진 신호 전극;
복수의 제2 세그먼트(segment)들의 조합으로 이루어지고, 상기 신호 전극에 평행하게 배치되는 제1 접지 전극;
상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 사이에 배치되는 제1 액정 층; 및
상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각의 양 단부 근처에 있는 적어도 하나의 제1 분배 전극들을 포함할 수 있으며,
상기 제1 분배 전극들은 각각에 상기 제1, 제2 세그먼트들 중 적어도 일부의 세그먼트들을 덮는 폭을 갖는 솔리드 플레이트 형상을 가지며, 절연층에 의해 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각으로부터 분리될 수 있고,
각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 제1 분배 전극들 사이의 거리, 각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 상기 제1 분배 전극들의 치수들 및 상기 절연층을 이루는 재료는, 적어도 상기 제1 세그먼트들은 인가된 제어 전압에 따라 용량성 결합을 형성함으로써 상기 제1 세그먼트들의 배열 방향을 따라 접선 전계(tangential electric field)를 형성하도록 선택될 수 있으며,
이웃하는 제1 분배 전극들은 서로 이격되어 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 고주파 장치는, 상기 제1 세그먼트들의 배열 방향에서, 상기 고주파 장치의 단부들에 각각 배치된 추가 전극들을 더 포함할 수 있으며,
상기 추가 전극들은 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극이 각각 배치된 평면들과 수직을 이루면서 서로에 대하여 평행하게 배치되며, 제어 전압을 인가받아 상기 제1 액정 층에서 접선 전계를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 세그먼트들의 배열 방향에서 상기 제1 세그먼트들 중 적어도 양단에 배치된 세그먼트들은 상기 제1 분배 전극들에 의해 덮이지 않으며, 필터 회로들을 통해 제어 전압 소스에 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 고주파 장치는, 각각의 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극의 단부들 사이의 영역에 배치되는 적어도 하나의 제2 분배 전극을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 고주파 장치는,
상기 신호 전극에 대하여 상기 제1 접지 전극과 대칭을 이루게 배치되며, 복수의 제3 세그먼트(segment)들의 조합으로 이루어진 제2 접지 전극; 및
상기 신호 전극과 상기 제2 접지 전극 사이에 배치되는 제2 액정 층을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 고주파 장치는, 상기 제2 액정 층과 상기 제2 접지 전극 사이, 상기 신호 전극과 상기 제2 액정 층 사이 중 적어도 어느 하나에 배치된 유전체 층을 더 포함할 수 있으며,
상기 유전체 층은 상기 제2 액정 층의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 분배 전극들은 각각에 상응하는 상기 제1, 제2 세그먼트들의 단부를 덮는 폭을 가질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 고주파 스위치는,
입력 포트;
마이크로스트립 전송 라인을 통해 상기 입력 포트에 각각 연결된 복수의 출력 포트들을 더 포함하고,
상기 고주파 장치는 상기 출력 포트들과 상기 입력 포트 사이의 영역에 각각 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 고주파 장치들 중 제1 고주파 장치는, 상기 출력 포트들 중 제1 출력 포트와 상기 입력 포트 사이에 배치되며, 제1 신호 전압을 인가받아 제1 전기적 길이의 1/4 파장 변환기(quater-wagelength transformer)를 형성할 수 있고,
상기 고주파 장치들 중 제2 고주파 장치는, 상기 출력 포트들 중 제2 출력 포트와 상기 입력 포트 사이에 배치되며, 제2 신호 전압을 인가받아 제2 전기적 길이의 1/4 파장 변환기를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 신호 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 고주파 장치는 스위치-온(switch-on) 상태에 있고, 상기 제2 고주파 장치는 스위치-오프(switch-off) 상태일 수 있으며,
상기 제2 신호 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 고주파 장치는 스위치-오프 상태에 있고, 상기 제2 고주파 장치는 스위치-온 상태일 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100, 200, 300: 고주파 장치 600: 고주파 스위치
101, 201, 301: 신호 전극 102, 202, 302: 접지 전극
103, 203, 303: 액정 층 104: 유전체 층
307a, 307b, 307c: 분배 전극

Claims (20)

  1. 고주파 장치에 있어서,
    신호 전극;
    상기 신호 전극에 평행하게 배치된 제1 접지 전극;
    상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 사이에 배치된 제1 액정 층; 및
    상기 제1 액정 층과 상기 제1 접지 전극 사이, 상기 신호 전극과 상기 제1 액정 층 사이 중 적어도 어느 하나에 배치된 제1 유전체 층을 포함하고,
    상기 제1 유전체 층은 상기 제1 액정 층의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가지며,
    상기 신호 전극은, 제1 방향을 따라 연장되면서 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 배열된 제1 세그먼트들의 조합으로 이루어지고,
    상기 제1 접지 전극은 상기 제1 방향을 따라 연장되면서 상기 제2 방향을 따라 배열된 제2 세그먼트들의 조합으로 이루어지며,
    상기 고주파 장치는, 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각의 양 단부 근처에 있는 제1 분배 전극(distribution electrode)들을 더 포함하고,
    상기 제1 분배 전극들은 각각에 상응하는 상기 제1, 제2 세그먼트들 중의 적어도 일부를 덮는 폭을 갖는 솔리드 플레이트(solid plate) 형상을 가지며, 절연층에 의해 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각으로부터 분리되고,
    각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 상기 제1 분배 전극들 사이의 거리, 각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 상기 제1 분배 전극들의 치수들 및 상기 절연층을 이루는 재료는, 적어도 상기 제1 세그먼트들은 인가된 제어 전압에 따라 용량성 결합을 형성함으로써 상기 제2 방향을 따라 접선 전계(tangential electric field)를 형성하도록 선택되고,
    이웃하는 상기 제1 분배 전극들은 서로 이격되어 배치된 고주파 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방향에서, 상기 고주파 장치의 단부들에 각각 배치된 추가 전극들을 더 포함하고,
    상기 추가 전극들은 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극이 각각 배치된 평면들과 수직을 이루면서 서로에 대하여 평행하게 배치되며, 제어 전압을 인가받아 상기 제1 액정 층에서 접선 전계(tangential electric field)를 형성하는 고주파 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제2 방향에서 상기 제1 세그먼트들 중 적어도 양 단(both ends)에 배치된 세그먼트들은 상기 제1 분배 전극들에 의해 덮이지 않으며, 필터 회로들을 통해 제어 전압 소스에 연결되어 있는 고주파 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    각각의 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극의 단부들 사이의 영역에 배치되는 적어도 하나의 제2 분배 전극을 더 포함하는 고주파 장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극을 이루는 상기 세그먼트들 중 적어도 일부는 서로 다른 제어 전압을 인가받아 상기 제1 액정 층에서 접선 전계(tangential field)를 형성하는 고주파 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 신호 전극에 대하여 상기 제1 접지 전극에 대하여 대칭을 이루게 배치되는 제2 접지 전극;
    상기 신호 전극과 상기 제2 접지 전극 사이에 배치되는 제2 액정 층; 및
    상기 제2 액정 층과 상기 제2 접지 전극 사이, 상기 신호 전극과 상기 제2 액정 층 사이 중 적어도 어느 하나에 배치된 제2 유전체 층을 더 포함하고,
    상기 제2 유전체 층은 상기 제2 액정 층의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가지는 고주파 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제2 접지 전극은 복수의 세그먼트들의 조합으로 이루어진 고주파 장치.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제1 유전체 층은 100 이상의 유전 상수를 가진 산화물계 세라믹 또는 세라믹으로 충진된 유기재료 혼합물을 포함하는 고주파 장치.
  10. 고주파 장치에 있어서,
    복수의 제1 세그먼트(segment)들의 조합으로 이루어진 신호 전극;
    복수의 제2 세그먼트(segment)들의 조합으로 이루어지고, 상기 신호 전극에 평행하게 배치되는 제1 접지 전극;
    상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 사이에 배치되는 제1 액정 층; 및
    상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각의 양 단부 근처에 있는 적어도 하나의 제1 분배 전극들을 포함하고,
    상기 제1 분배 전극들은 각각에 상기 제1, 제2 세그먼트들 중 적어도 일부의 세그먼트들을 덮는 폭을 갖는 솔리드 플레이트 형상을 가지며, 절연층에 의해 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극 각각으로부터 분리되고,
    각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 제1 분배 전극들 사이의 거리, 각각의 상기 제1, 제2 세그먼트들과 상기 제1 분배 전극들의 치수들 및 상기 절연층을 이루는 재료는, 적어도 상기 제1 세그먼트들은 인가된 제어 전압에 따라 용량성 결합을 형성함으로써 상기 제1 세그먼트들의 배열 방향을 따라 접선 전계(tangential electric field)를 형성하도록 선택되고,
    이웃하는 제1 분배 전극들은 서로 이격되어 배치된 고주파 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트들의 배열 방향에서, 상기 고주파 장치의 단부들에 각각 배치된 추가 전극들을 더 포함하고,
    상기 추가 전극들은 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극이 각각 배치된 평면들과 수직을 이루면서 서로에 대하여 평행하게 배치되며, 제어 전압을 인가받아 상기 제1 액정 층에서 접선 전계를 형성하는 고주파 장치.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 제1 세그먼트들의 배열 방향에서 상기 제1 세그먼트들 중 적어도 양단에 배치된 세그먼트들은 상기 제1 분배 전극들에 의해 덮이지 않으며, 필터 회로들을 통해 제어 전압 소스에 연결되어 있는 고주파 장치.
  13. 제10 항에 있어서,
    각각의 상기 신호 전극과 상기 제1 접지 전극의 단부들 사이의 영역에 배치되는 적어도 하나의 제2 분배 전극을 더 포함하는 고주파 장치.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 신호 전극에 대하여 상기 제1 접지 전극과 대칭을 이루게 배치되며, 복수의 제3 세그먼트(segment)들의 조합으로 이루어진 제2 접지 전극; 및
    상기 신호 전극과 상기 제2 접지 전극 사이에 배치되는 제2 액정 층을 더 포함하는 고주파 장치.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 액정 층과 상기 제2 접지 전극 사이, 상기 신호 전극과 상기 제2 액정 층 사이 중 적어도 어느 하나에 배치된 유전체 층을 더 포함하고,
    상기 유전체 층은 상기 제2 액정 층의 유전 상수보다 큰 유전 상수를 가지는 고주파 장치.
  16. 제10 항에 있어서, 상기 제1 분배 전극들은 각각에 상응하는 상기 제1, 제2 세그먼트들의 단부를 덮는 폭을 가지는 고주파 장치.
  17. 제1 항, 제3 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 따른 고주파 장치를 포함하는 고주파 스위치(high frequency switch).
  18. 제17 항에 있어서,
    입력 포트;
    마이크로스트립 전송 라인을 통해 상기 입력 포트에 각각 연결된 복수의 출력 포트들을 더 포함하고,
    상기 고주파 장치는 상기 출력 포트들과 상기 입력 포트 사이의 영역에 각각 배치된 고주파 스위치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 고주파 장치들 중 제1 고주파 장치는, 상기 출력 포트들 중 제1 출력 포트와 상기 입력 포트 사이에 배치되며, 제1 신호 전압을 인가받아 제1 전기적 길이의 1/4 파장 변환기(quater-wagelength transformer)를 형성하고,
    상기 고주파 장치들 중 제2 고주파 장치는, 상기 출력 포트들 중 제2 출력 포트와 상기 입력 포트 사이에 배치되며, 제2 신호 전압을 인가받아 제2 전기적 길이의 1/4 파장 변환기를 형성하는 고주파 스위치.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 신호 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 고주파 장치는 스위치-온(switch-on) 상태에 있고, 상기 제2 고주파 장치는 스위치-오프(switch-off) 상태에 있으며,
    상기 제2 신호 전압이 인가되었을 때, 상기 제1 고주파 장치는 스위치-오프 상태에 있고, 상기 제2 고주파 장치는 스위치-온 상태에 있는 고주파 스위치.
KR1020170109314A 2017-01-31 2017-08-29 액정에 기반한 고주파 장치 및 그를 포함하는 고주파 스위치 KR102425683B1 (ko)

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