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2.5THz 서브밀리미터파대 박막 슬롯안테나의 동작

자료집필/제공: 국제테크노정보연구소
관련자료안내: 이동통신 안테나 시스템

2.5THz 이상의 서브밀리미터파대에서 동작하는 슬롯안테나 어레이의 설계 제작을 목적으로 유전체 기판상의 박막 슬롯안테나의 동작특성을 안테나 지향성을 중심으로 실험 검토했다. 그 결과, 700GHz 이하 주파수 영역의 박막 슬롯안테나와 달리, 박막 슬롯안테나 자체는 자유공간파장으로 동작하고 있을 가능성이 높다는 점. 다만, 자유공간내의 안테나가 아니라, 기판의 유전율, 흡수계수 및 기판의 두께에 따라 영향을 받고 있다는 점, 또 코플레너 웨이브가이드에 대해서는 700GHz 이하 주파수영역의 경우와 같이 자유공간과 유전체기판의 평균유전율로부터 유도되는 평균파장으로 동작하고 있다는 사실을 확인했다.
본고는 2.5THz 박막 슬롯안테나의 제작에 관해서는 오사카대학대학원 카모켄지 교수, 그리고, 2.5THz에 있어서의 박막 슬롯안테나의 동작기구에 대해서는 캘리포니아공과대학 데비드 라틀리지 교수 및 미시간대학 가브리엘 리베이즈 교수의 조언을 토대로, 아베 야슈히코, 야슈오카 요시쓰미가 실험한 2.5THz 서브밀리미터파대 박막 슬롯안테나의 동작특성에 대한 실험결과의 개요이다.

서 론

밀리미터파 및 서브밀리미터파대에 있어서 고속응답이 가능한 검출기로 MOM 다이오드, Schottky 다이오드, 웜캐리어 소자 등, 전류-전압특성에 비선형성을 가진 소자와 안테나를 결합한 안테나 결합형 검출기가 있다. 이 검출기를 구성하는 안테나로서 슬롯안테나를 채용하여 유전체 기판상에 이 박막 안테나를 제작하고, 그 수신특성에 대해 연구해 왔다. 그 결과, 마이크로파대부터 700GHz 서브밀리미터파까지의 주파수 영역에서는,
(1)유전체 기판상의 슬롯안테나가 공기, 즉 자유공간과 비유전율 ε_r인 유전체기판의 평균유전율로부터 구해지는 평균파장 (여기서 λ₀은 자유공간파장)로 동작하고 있을 것, (2)유전체 기판내의 전자파는 기판의 유전율로 정해지는 유전체파장 로 전달할 것, (3)안테나의 어레이화에 필요한 코플레이너 웨이브가이드(CPW)의 전달파장은 평균파장 λ_m이라는 것을 확인했다.
그런데, 주파수가 2.5THz의 경우에는 석영기판상의 슬롯안테나임에도 불구하고, 자유공간파장 λ₀로 동작하고 있는 안테나와 같은 안테나 지향성을 나타내었다. 이것은,2.5THz 이상의 주파수 영역에서 동작하는 안테나를 설계하는데 있어서 매우 중요한 문제이다.
그래서, 본 논문에서는 2.5THz 서브밀리미터파에 있어서 안테나의 동작파장을 분명히 하기 위해, 2.5THz에서 동작하는 박막 슬롯안테나를 석영기판 및 GaAs 기판상에 제작하고, 2.5THz에서 이 안테나의 동작특성이 기판의 종류에 따라 어떻게 영향을 받는지에 대해 검토했다. 그리고, 2.5THz 서브밀리미터파에 있어서 CPW 급전 슬롯안테나 어레이의 설계상 필요한 2가지 파라미터, 즉 유전체 기판내의 전달파장 및 CPW의 전달파장을 분명히 하기 위해, 무급전 슬롯안테나 어레이의 수신전력과 슬롯 간격과의 관계 및 CPW 급전 슬롯안테나 어레이의 안테나 패턴과 CPW 길이와의 관계에 대해 검토했다.

실험과 고찰

■ 단일 슬롯안테나의 동작 특성에 대한 기판재료의 영향

그림 1(a)에 제작한 단일 박막 슬롯안테나의 구조를 나타낸다. 안테나는 유전체 기판상에 제작되며, 기판으로는 석영과 GaAs를 사용하고 있다. 박막 슬롯안테나는 그 급전점에 안테나의 수신전력을 검출하는 Bi 보로미터를 배치하고, 그라운드면 좌우의 절연을 취하기 때문에 DC 컷이라 부르는 가느다란 2개의 슬릿을 설치하고 있다.
이 DC 컷은 안테나 동작에 영향을 주지 않도록 그 폭을 안테나 동작파장 λ의 1/100 이하로 하고, 슬롯의 끝으로부터 슬롯길이 의 1/4이 되는 위치에 설치하고 있다. 슬롯안테나는 그 파장이 슬롯길이 =0.72λ, 슬롯폭 ω=0.08λ, 검출기폭 ω_b=0.055λ일 때에 방사 임피던스 50+0j(Ω)의 1파장 안테나로서 동작한다. 그리고, 700GHz 이하의 전자파에 대해서는 안테나의 동작파장은 앞서 언급한 바와 같이, λ=λ_m이다. 이것을 적용하면, 석영기판상의 슬롯안테나의 동작파장은 석영기판의 비유전율이ε_r=3.88이므로, λ_m=0.640λ₀이 되며, GaAs 기판상의 슬롯안테나의 동작파장은 GaAs의 비유전율이 ε_r=13.0이므로, λ_m=0.378λ₀이 된다.

본 연구에서는 2.5THz대에서 슬롯안테나 동작파장을 검토하기 위해 =85μm(0.72λ₀), ω=9.4μm(0.08λ₀)의 단일 슬롯안테나를 석영 및 GaAs의 양 기판상에 미세 가공기술을 이용하여 제작했다. 제작한 안테나의 일례를 그림 1(b)에 나타낸다. 안테나의 동작파장이 2.5THz에서도 λ=λ_m인 경우에는 석영기판상에 제작된 안테나는 1=1.13λ_m의 슬롯안테나로서 동작하며, GaAs 기판상에 제작된 안테나는 =1.91λ_m의 안테나로서 동작하게 된다.

그림 2에 실험에 이용한 측정계를 나타낸다. 제작한 안테나는 각도 가변의 측정대에 고정하고, 2.5THz의 파원으로는 CH₃OH 레이저광을 사용했다. 이 레이저광은 기계적으로 1kHz로 초핑한 후, 안테나에 조사했다. 안테나의 수신신호 측정은 사전에 DC 바이어스 전류를 인가한 보로미터의 검출전압을 록인앰프로 측정하는 것으로 했다.
그림 3에 제작한 단일 슬롯안테나에 공기측으로부터 CH₃OH 레이저를 조사했을 때 H면의 안테나 패턴을 나타낸다. 또한, 단일 슬롯안테나의 E면 패턴은 무지향성이다. 그림 3(a)는 석영기판상의 슬롯안테나 안테나 지향성, 그림 3(b)는 GaAs 기판상의 슬롯안테나의 안테나 지향성이다. 그림에서, ●표시는 실측치, 실선은 안테나의 동작파장이 λ=λ_m일 때, 1점파선은 안테나의 동작파장이 λ=λ_m일 때의 이론 패턴이다. 그림 3(a)에 나타낸는 석영기판상의 슬롯길이 85μm는 자유공간과 유전체의 평균파장으로 나타내면 1.13λ_m, 자유공간의 파장으로 나타내면 0.72λ₀이다. 이 그림에서는 실측치가 실선, 즉 안테나가 0.72λ로 동작하고 있는 이론 패턴에 잘 일치하고 있으며, 석영기판상의 단일 슬롯안테나가 유전율에 관계없이 자유공간 파장으로 동작하고 있다는 가능성을 나타내고 있다. 그림 3(b)에 나타낸 GaAs 기판상의 슬롯길이 85μm는 평균파장으로 1.91λ_m, 자유공간 파장으로 0.72λ₀이며, 실측치는 그림 3(a)에 비해 다소 확산을 갖고 있지만, =1.91λ_m의 안테나 지향성과는 크게 다르며, 오히려, 실선의 0.72λ로 동작하는 안테나의 이론 패턴과 일치하고 있어, 석영기판처럼, GaAs 기판상의 안테나가 유전율에 관계없이 자유공간파장으로 동작하고 있을 가능성을 나타내고 있다. 이것은, 2.5THz에 있어서는 안테나가 유전체 기판의 종류, 즉 유전율에 관계없이 λ₀, 즉 자유공간파장으로 동작하고 있을 가능성이 높다는 것을 말해주고 있다.

그림 4에는 그림 3과 동일한 안테나에 기판의 이면(기판측)에서 CH₃OH 레이저광을 조사했을 때의 H면 안테나 패턴을 나타내고 있다. 이 그림의 (a)는 두께 h =5.19λ_d, 흡수계수 α=13.0(cm^-1)의 석영기판상에 제작된 슬롯안테나의 안테나 패턴, 이 그림 (b)는 두께 h =14.25λ_d, 흡수계수 α=2.8(cm^-1)의 GaAs 기판상에 제작된 슬롯안테나의 안테나 패턴이다.
그림에서, ●표시는 실측값, 점선, 실선 및 1점파선은 이론 패턴이다. 여기서, 실선 및 1점파선으로 나타낸 이론값에 대해서는 안테나 자체는 각각 λ₀(실선) 및 λ_m(1점파선)로 동작하지만, 안테나로부터 방사된 전자파는 유전체의 비유전율 ε_r과 흡수계수 α 및 기판 두께의 영향을 받는다고 하는 다중반사의 모델로 계산하고 있다. 이에 대하여, 점선은 안테나가 자유공간중에 있고, 유전체기판은 전혀 영향을 주지 않는 것으로 하여 계산하고 있다. 이 그림 (a), (b) 모두, 실측값이 실선의 0.72λ로 동작하는 안테나의 이론 패턴과 일치하고, 안테나 자신은 자유공간파장으로 동작하고 있을 가능성이 높지만, 기판측에 방사된 전자파는 석영이나 GaAs 기판의 유전율, 흡수계수 및 기판두께의 영향을 받고 있다는 것을 알 수 있다. 이 결론은 정면이득의 기판두께 의존성으로부터도 지지된다.

■ 무급전 슬롯안테나 어레이의 동작 특성에 대한 기판의 영향

무급전 슬롯안테나 어레이의 슬롯안테나 간격은 700GHz 이하에서는 0.5λ_d가 최적이라고 하는 결과를 얻고 있다. 이 절에서는 2.5THz대에서 같은 조건을 적용할 수 있는지, 그 여부에 대해 검토한다. 실험에 있어서는 앞절의 결과를 토대로 슬롯길이 =0.72λ₀인 3개의 슬롯으로부터 무급전 슬롯안테나 어레이를 제작하고, 그 간격 d 를 변화시켜(간격 d 가 다른 안테나 어레이를 제작) 그 정면이득을 측정했다. 실험결과를 그림 5에 나타낸다. 가로축에는 그래프중의 그림에 나타낸 3슬롯안테나 어레이 중앙의 슬롯과 양측의 슬롯 간격 d 를 유전체 파장 λ_d로 규격화한 값을, 세로축에는 단일 슬롯안테나의 수신전력으로 규격화한 상대전력이득을 취하고 있다. 그림에서, ●표시는 2.5THz 서브밀리미터파에 있어서의 실측치이다. 그림에는 참고로 4.7GHz 마이크로파에 있어서의 무급전 3슬롯안테나 어레이의 실측결과를 ○표시로 나타내고 있다(이 경우에는 평균파장 λ_m를 이용하여 설계 제작하고 있다). 마이크로파의 실험에서는 기판으로 석영기판과 유전율이 거의 같은 두께 2.0cm의 FRP 기판을 이용하고, 그라운드면에는 두께 약 70μm의 동박을 사용했다.
기판내의 전달파장이 λ_d인 4.7GHz 마이크로파의 데이터는 0.5λ_d 부근에서 최대치를 취하고 있으며, 이 간격에 있어서 안테나로부터의 방사가 최대, 즉 각 슬롯이 동상으로 동작한다고 알려져 있다. 2.5THz 서브밀리미터파의 실측치도 4.7GHz의 경우와 같이, 0.5λ_d 부근에서 보다 선명하게 최대값을 취하고 있으며, 2.5THz 서브밀리미터파에 있어서도 기판내의 전달파장은 마이크로파대와 같이 유전체 파장 λ_d라고 하는 2.1의 결과를 지지하고 있다.

이상의 결과를 토대로 하여, 다음에 기판내의 전달파장에 λ_d를 이용하여 두께 h =5.13λ_d의 석영기판상에 슬롯 간격 0.5λ_d의 무급전 3슬롯 및 5슬롯 어레이를 제작하고, 그 안테나 패턴을 측정하여 이론 패턴과 비교했다. 그 결과를 그림 6에 나타낸다. 그림 6(a)는 공기측으로부터 직접 레이저광을 조사했을 경우, 그림 6(b)는 기판의 이면측(기판측)으로부터 레이저광을 조사했을 경우이다. 단일 슬롯안테나, 3슬롯 및 5 슬롯안테나 어레이의 실측치를 ●, ○ 및 △표시로 하고, 이론 패턴을 1점파선, 점선 및 실선으로 각각 나타내고 있다. 그림 6(a), (b)의 어느 것에 대해서도 실측치는 이론 패턴과 거의 일치하고 있다.

그림 7은 두께 h =5.13λ_d의 석영기판상에 제작한 무급전 슬롯안테나 어레이에 있어서 정면이득의 어레이수 의존성을 나타낸다. ●표시 및 ○표시는 유전체 기판측 및 공기측으로부터 레이저광을 조사했을 때의 실측치, 점선 및 실선은 각각 흡수계수 α가 0 및 13cm^-1의 유전체 기판측의 이론값이고. 1점파선은 공기측의 이론값이다. 공기측에 대해서는 실측치와 이론값이 거의 일치하며, 유전체 기판측에 대해서도 실측치와 흡수계수 α가 13cm^-1의 이론값과 거의 일치하고 있다.

■ CPW 급전 슬롯안테나 어레이의 동작특성에 대한 기판의 영향

슬롯안테나 어레이의 이득 향상을 목적으로 700GHz 이하의 주파수대에 있어서 CPW 급전 슬롯안테나 어레이 제작을 추진해 왔다. 이 경우, 각 슬롯이 동위상으로 동작하도록 슬롯간의 CPW 길이를 1파장으로 하고 있다. 이 파장 λ로서 700GHz 이하에서는 λ_m를 이용하여 제작했다. 이 조건이 2.5THz대에 있어서도 적용할 수 있는지에 대해 검토한다.

그림 8에 CPW 급전 슬롯안테나 어레이의 구조를 나타낸다. 이 안테나는 석영기판상의 막두께 0.1μm의 Au 그라운드 면상에 제작했다. 1파장 안테나로 한 각 어레이 소자는 표면파 전력을 작게 하기 위해 1.0λ_d 간격으로 배열, 각 어레이 소자와 급전점을 CPW로 연결하고, 급전점에는 수신전력 검출용의 보로미터를 배치하고 있다. 여기서, 급전점에 있어서의 임피던스를 50Ω으로 하기 위해 CPW는 그 특성 임피던스가 70Ω이 되도록 중심 도체폭을 0.055λ₀, 중심도체와 그라운드 면간의 폭을 0.018λ₀로 했다. 또한 서로 인접하는 슬롯을 연결하는 CPW의 길이 L은 각 어레이 소자가 동위상으로 동작하도록 CPW의 전달파장으로 하고 있다.

그림 9에 CPW의 길이를 L=118μm(λ=λ₀)로 했을 때의 CPW 급전 슬롯안테나 어레이의 공기측 E면에 있어서 안테나 패턴을 나타내고 있다. 그림 9(a), (b), (c)는 각각 4, 6, 8의 슬롯으로 구성되는 안테나 어레이의 안테나 패턴으로, 각각 0°의 방향이 기판에 수직인 방향을 나타내고 있다. 그림에서, ●표시는 실측치, 실선은 CPW의 길이가 1.00λ인 경우의 이론 패턴, 파선은 CPW의 길이가 1.56λ인 경우의 이론 패턴을 나타내고 있다. 여기서, 2.5THz에 있어서 CPW의 전달효율은 아직 실측되지 않았기 때문에, 이후의 이론 계산에는 700GHz에 있어서 CPW의 전송효율 0.83/λ_m(=0.75/λ₀)을 이용하고 있다. 또한 CPW 길이 L=118μm는 자유공간파장 1.00λ₀ 및 평균파장 1.56λ_m에 상당한다. 그림 9(a)에 주목하면, 실측치는 실선이 아니라, 파선의 이론 패턴과 거의 일치하며, 0°방향에서 분할된 패턴으로 되어 있다. 이것은 CPW의 길이가 1.56λ이기 때문에 각 어레이 소자로부터 방사되는 전자파의 위상이 다르다는 것을 나타내고 있으며, CPW의 전달파장이 λ_m이라는 것을 시사하고 있다. 그림 9(b) 및 (c)에 대해서도 실측치는 CPW 길이가 1.00λ가 아니고, 1.56λ 파선의 이론값과 거의 일치하고 있으며, 모두 CPW의 전달파장이 λ_m이라는 것을 나타내고 있다.
CPW의 길이를 L=76μm로 했을 때의 CPW 급전 슬롯안테나 어레이의 공기측 E면에 있어서 안테나 패턴을 그림 10에 나타낸다. L=76μm라고 하는 길이는 자유공간파장으로 0.64λ₀, 평균파장으로 1.00λ_m에 상당한다. 그림 9(a), (b), (c)는 각각 4, 6, 8 슬롯으로 구성되는 안테나 어레이의 안테나 패턴으로, 0°의 방향이 기판에 수직인 방향을 나타내고 있다. 그림에서, ●표시는 실측치, 실선은 CPW 길이가 1.00λ인 경우의 이론 패턴, 파선은 CPW 길이가 0.64λ인 경우의 이론 패턴을 나타내고 있다. 그림 9(a)에 주목하면, 실측치는 실선의 CPW 길이 1.00λ의 이론 패턴과 일치하며, CPW의 전달파장이 λ_m임을 시사하고 있다. 그림 9(b) 및 (c)에 대해서도 실측치는 실선, 즉 CPW 길이 1.00λ의 이론 패턴과 일치하고 있다.
이상, 그림 9 및 그림 10으로부터 얻어진 결과를 종합하면, 2.5THz-CH₃OH 레이저광에 대해, CPW 급전 슬롯안테나 어레이의 CPW의 전달파장이 평균파장 λ_m인 것을 알 수 있다. 이것은 700GHz 이하의 주파수와 2.5THz의 주파수에 있어서 안테나의 동작파장은 변화하지만, CPW 전달파장에 대해서는 변화하지 않는 다는 것을 나타내고 있다.
또한, 700GHz 이하의 주파수대에서 2.5THz로 되면, 슬롯안테나의 동작파장이 평균파장 λ_m로부터 거의 자유공간파장 λ₀로 변화하는 원인의 하나로, 금속박막의 두께와 스킨딥스의 관계를 생각할 수 있지만, 이에 대해서는 2.5THz에 있어서 0.05μm 두께(스킨딥스와 거의 같다)의 금속박막을 이용한 박막 슬롯안테나를 제작하고, 3.4GHz 마이크로파에서는 스킨딥스에 대해 충분히 두꺼운 2.0mm의 금속판을 이용하여 슬롯안테나를 제작하여, 안테나 수신특성을 검토한 결과, 각 주파수에 있어서 금속박막의 두께를 변경함에 따른 안테나 지향성의 영향은 없으며, 적어도  금속박막의 두께가 안테나의 동작파장을 변화시키는 원인이 아니라는 것을 확인했다.
안테나 동작파장의 변화 원인에 관해서는 앞으로도 한층 더 검토가 필요하다.

종 론

2.5THz에 있어서의 유전체 기판상 슬롯안테나의 안테나 특성을 이론과 실험 양면으로 검토하여, (1)본 논문의 검토범위에 있어서는 슬롯안테나의 동작파장이 λ₀일 가능성이 높다는 점, (2)그러나, 안테나는 자유공간에서의 특성을 나타내는 것이 아니라, 유전체 기판의 유전율, 흡수계수 및 기판두께의 영향을 받은 특성을 나타내며, 기판내의 전달파장은 유전체 파장 λ_d라는 점, (3)CPW의 전달파장이 평균파장 λ_m이라는 것을 확인했다. 이상과 같은 사실에서, 2.5THz 서브밀리미터파대에 있어서의 유전체 기판상에 CPW 급전 슬롯안테나 어레이의 설계가 가능해졌다.