KR102688951B1

KR102688951B1 - Liquid crystal phase shifter

Info

Publication number: KR102688951B1
Application number: KR1020210178180A
Authority: KR
Inventors: 최세환; 김회경; 남승구
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2024-07-26
Also published as: KR20230089642A

Abstract

액정형 위상 천이기가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 LC 위상 천이기는 상면에 그라운드가 형성되어 있고 하면에 전송선로가 형성되어 있는 제1 기판, 상면과 하면에 각각 그라운드가 형성된 제2 기판, 상면에 전송선로가 형성되어 있고 하면에 그라운드가 형성되어 있는 제3 기판, 제1 기판과 제2 기판 사이에 형성된 제1 LC 층, 제2 기판과 제3 기판 사이에 형성된 제2 LC 층을 포함한다. 이에 의해, 한정된 면적에서 LC의 제한된 유전율 변화를 이용하는 LC 위상 천이기에 대해, 위상 변화폭은 최대화하고 손실은 최소화할 수 있게 된다.A liquid crystal phase shifter is provided. The LC phase shifter according to an embodiment of the present invention includes a first substrate having a ground formed on the upper surface and a transmission line formed on the lower surface, a second substrate having a ground formed on the upper surface and a lower surface respectively, and a transmission line formed on the upper surface. It includes a third substrate with a ground formed on its lower surface, a first LC layer formed between the first substrate and the second substrate, and a second LC layer formed between the second substrate and the third substrate. As a result, for the LC phase shifter that uses the limited dielectric constant change of the LC in a limited area, the phase change width can be maximized and the loss can be minimized.

Description

Liquid crystal phase shifter

본 발명은 위상 천이기(phase shifter)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LC(Lyquid Crystal : 액정)을 이용하여 RF 신호의 위상을 제어하는 LC 위상 천이기에 관한 것이다.The present invention relates to a phase shifter, and more specifically, to an LC phase shifter that controls the phase of an RF signal using LC (Lyquid Crystal).

도 1은 아날로그 빔포밍 시스템의 구조를 도시한 도면이다. 안테나의 방사 패턴을 변화시키기 위해서는, 도시된 바와 같이 RF 신호의 위상을 변화시켜 주는 위상 천이기가 필요하다.Figure 1 is a diagram showing the structure of an analog beamforming system. In order to change the radiation pattern of the antenna, a phase shifter is needed to change the phase of the RF signal as shown.

최근 LC 위상 천이기에 대한 연구가 시도되고 있다. LC는 평면 디스플레이에 많이 사용되었던 소재이지만, 최근 LC의 이방성(anisotropy) 특성을 사용하여, 인가되는 전자계에 따라 LC의 유전율이 변화되는 특성을 이용하여, RF 신호의 위상을 바꾸어 주는데 이용하는 것이다.Recently, research on LC phase shifters has been attempted. LC is a material that has been widely used in flat-panel displays, but recently, the anisotropy characteristic of LC has been used to change the phase of the RF signal by using the characteristic that the dielectric constant of LC changes depending on the applied electromagnetic field.

이에 위상 천이기에서 요구되고 있는 높은 위상 변화 범위와 낮은 손실 특성을 갖는 구조의 LC 위상 천이기에 대한 개발이 요구된다.Accordingly, there is a need for the development of an LC phase shifter with a structure that has the high phase change range and low loss characteristics required for phase shifters.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 위상 변화 범위를 높이고 손실을 최소화할 수 있는 구조의 LC 위상 천이기를 제공함에 있다.The present invention was created to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to provide an LC phase shifter with a structure that can increase the phase change range and minimize loss.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, LC 위상 천이기는, 상면에 그라운드가 형성되어 있고 하면에 전송선로가 형성되어 있는 제1 기판; 상면과 하면에 각각 그라운드가 형성된 제2 기판; 상면에 전송선로가 형성되어 있고 하면에 그라운드가 형성되어 있는 제3 기판; 제1 기판과 제2 기판 사이에 형성된 제1 LC(Lyquid Crystal) 층; 제2 기판과 제3 기판 사이에 형성된 제2 LC 층;을 포함한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, an LC phase shifter includes: a first substrate having a ground formed on the upper surface and a transmission line formed on the lower surface; A second substrate with a ground formed on the upper and lower surfaces, respectively; a third substrate having a transmission line formed on the upper surface and a ground formed on the lower surface; A first LC (Lyquid Crystal) layer formed between the first and second substrates; It includes a second LC layer formed between the second substrate and the third substrate.

제1 기판에 형성된 전송선로는, Spiral 타입의 전송선로일 수 있다. 그리고 제3 기판에 형성된 전송선로는, Spiral 타입의 전송선로일 수 있다.The transmission line formed on the first substrate may be a spiral type transmission line. And the transmission line formed on the third substrate may be a spiral type transmission line.

제1 기판의 상면에 형성된 그라운드와 하면에 형성된 전송선로는, 적어도 하나의 비아를 통해 연결되어 있을 수 있다.The ground formed on the upper surface of the first substrate and the transmission line formed on the lower surface may be connected through at least one via.

제3 기판의 상면에 형성된 전송선로와 하면에 형성된 그라운드는, 적어도 하나의 비아를 통해 연결되어 있을 수 있다.The transmission line formed on the upper surface of the third substrate and the ground formed on the lower surface may be connected through at least one via.

본 발명의 실시예에 따른 LC 위상 천이기는, 제1 기판의 상부에 위치하며, 상면에 제1 기판의 하면에 형성된 전송선로와 비아를 통해 연결된 전송선로가 형성되어 있는 제4 기판; 및 제3 기판의 하부에 위치하며, 하면에 제3 기판의 상면에 형성된 전송선로와 비아를 통해 연결된 전송선로가 형성되어 있는 제5 기판;을 더 포함할 수 있다.The LC phase shifter according to an embodiment of the present invention includes a fourth substrate located on an upper portion of a first substrate and having a transmission line formed on its upper surface connected through a via to a transmission line formed on the lower surface of the first substrate; and a fifth substrate located below the third substrate and having a transmission line formed on its lower surface connected through a via to a transmission line formed on the upper surface of the third substrate.

제4 기판의 상면에 형성된 전송선로에는, DC 블럭을 위한 패턴이 형성되어 있을 수 있다.A pattern for a DC block may be formed on the transmission line formed on the upper surface of the fourth substrate.

제5 기판의 하면에 형성된 전송선로에는, DC 블럭을 위한 패턴이 형성되어 있을 수 있다.A pattern for a DC block may be formed on the transmission line formed on the lower surface of the fifth substrate.

제1 기판의 하면에 형성된 전송선로와 제3 기판의 상면에 형성된 전송선로는, 비아를 통해 연결되어 있을 수 있다.The transmission line formed on the lower surface of the first substrate and the transmission line formed on the upper surface of the third substrate may be connected through a via.

제1 기판의 하면에 형성된 전송선로와 제3 기판의 상면에 형성된 전송선로는, 슬롯을 통해 커플링될 수 있다.The transmission line formed on the lower surface of the first substrate and the transmission line formed on the upper surface of the third substrate may be coupled through a slot.

슬롯은, 제2 기판의 상면에 형성된 그라운드와 하면에 형성된 그라운드에 형성되어 있을 수 있다.The slot may be formed on a ground formed on the upper surface and a ground formed on the lower surface of the second substrate.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, LC 위상 천이기는, 상면에 그라운드가 형성되어 있고 하면에 전송선로가 형성되어 있는 제1 기판; 상면에 그라운드가 형성된 제2 기판; 제1 기판과 제2 기판 사이에 형성된 제1 LC 층;을 포함하고, 제1 기판에 형성된 전송선로는, Spiral 타입의 전송선로이다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, an LC phase shifter includes: a first substrate having a ground formed on the upper surface and a transmission line formed on the lower surface; a second substrate with a ground formed on its upper surface; It includes a first LC layer formed between the first substrate and the second substrate, and the transmission line formed on the first substrate is a spiral type transmission line.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, LC 위상 천이기는, 상면에 그라운드가 형성되어 있고 하면에 전송선로가 형성되어 있는 제1 기판; 상면에 그라운드가 형성된 제2 기판; 제1 기판과 제2 기판 사이에 형성된 제1 LC 층;을 포함하고, 제1 기판의 상면에 형성된 그라운드와 하면에 형성된 전송선로는, 적어도 하나의 비아를 통해 연결되어 있다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, an LC phase shifter includes: a first substrate having a ground formed on the upper surface and a transmission line formed on the lower surface; a second substrate with a ground formed on its upper surface; and a first LC layer formed between the first substrate and the second substrate, wherein a ground formed on the upper surface of the first substrate and a transmission line formed on the lower surface are connected through at least one via.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, LC 위상 천이기는, 상면에 그라운드가 형성되어 있고 하면에 전송선로가 형성되어 있는 제1 기판; 상면에 그라운드가 형성된 제2 기판; 제1 기판과 제2 기판 사이에 형성된 제1 LC 층; 제1 기판의 상부에 위치하며, 상면에 제1 기판의 하면에 형성된 전송선로와 비아를 통해 연결된 전송선로가 형성되어 있는 제3 기판;을 포함한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, an LC phase shifter includes: a first substrate having a ground formed on the upper surface and a transmission line formed on the lower surface; a second substrate with a ground formed on its upper surface; a first LC layer formed between the first and second substrates; It includes a third substrate, which is located on an upper part of the first substrate and has a transmission line connected to the upper surface through a via and a transmission line formed on the lower surface of the first substrate.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, LC 위상 천이기는, 상면에 그라운드가 형성되어 있고 하면에 전송선로가 형성되어 있는 제1 기판; 상면에 그라운드가 형성된 제2 기판; 제1 기판과 제2 기판 사이에 형성된 제1 LC 층;을 포함한다.Meanwhile, according to another embodiment of the present invention, an LC phase shifter includes: a first substrate having a ground formed on the upper surface and a transmission line formed on the lower surface; a second substrate with a ground formed on its upper surface; It includes a first LC layer formed between the first substrate and the second substrate.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 한정된 면적에서 LC의 제한된 유전율 변화를 이용하는 LC 위상 천이기에 대해, 위상 변화폭은 최대화하고 손실은 최소화할 수 있게 된다.As described above, according to the embodiments of the present invention, for an LC phase shifter that uses a limited dielectric constant change of LC in a limited area, the phase change amplitude can be maximized and the loss can be minimized.

도 1은 아날로그 빔포밍 시스템의 구조
도 2는 전송선로/그라운드/기판 구조에 따른 위상 변화 특성
도 3은 전송선로 타입에 따른 주파수 응답 특성
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 위상 천이기의 구조
도 6과 도 7은 컴퓨터 시뮬레이션 결과
도 8과 도 9는 LC 급전 구조
도 10은 급전 구조에 대한 주파수 응답 특성
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LC 위상 천이기의 구조
도 14는 컴퓨터 시뮬레이션 결과
도 15와 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LC 위상 천이기의 구조
도 17은 컴퓨터 시뮬레이션 결과,
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예 따른 LC 위상 천이기
도 19는 전송선로들 간의 슬롯(또는 개구)-커플링 구조
도 20은 슬롯(또는 개구)의 형태Figure 1 shows the structure of an analog beamforming system
Figure 2 shows phase change characteristics according to transmission line/ground/substrate structure.
Figure 3 shows frequency response characteristics according to transmission line type.
4 and 5 show the structure of an LC phase shifter according to an embodiment of the present invention.
Figures 6 and 7 are computer simulation results
Figures 8 and 9 show the LC power supply structure
Figure 10 shows the frequency response characteristics for the power supply structure.
11 to 13 show the structure of an LC phase shifter according to another embodiment of the present invention.
Figure 14 shows computer simulation results
15 and 16 show the structure of an LC phase shifter according to another embodiment of the present invention.
Figure 17 shows computer simulation results,
18 is an LC phase shifter according to another embodiment of the present invention.
19 shows a slot (or opening)-coupling structure between transmission lines.
20 shows the shape of the slot (or opening)

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

LC(Lyquid Crystal : 액정) 위상 천이기의 마이크로스트립이나 CPW(CoPlanar Waveguide) 전송선로에서 기판으로 사용되는 부분을 LC로 대체하여, 전압을 인가함에 따라 변화되는 LC의 유전율 변화를 이용하여, 물리적으로 길이가 변화하지 않음에도 위상을 변화시킬 수 있다By replacing the microstrip of an LC (Lyquid Crystal) phase shifter or the part used as a substrate in a CPW (CoPlanar Waveguide) transmission line with LC, the dielectric constant of LC that changes as voltage is applied is used to physically The phase can change even though the length does not change.

전송선로는 다양한 형태로 구성이 가능하지만, 액체 상태의 LC를 가두기 위해 LC 층의 윗면과 아래면에 기판이 필요하다. 또한 이 기판들에 형성되는 전송선로와 그라운드의 위치에 따라 LC 위상 천이기의 성능은 달라지게 된다.Transmission lines can be configured in various forms, but substrates are needed on the top and bottom of the LC layer to confine the liquid LC. Additionally, the performance of the LC phase shifter varies depending on the location of the transmission line and ground formed on these boards.

도 2는 LC 층의 윗면과 아래면에 기판을 위치시키는 경우, 활용가능한 전송선로들의 구조를 나타내었다. 구체적으로, a) 도 2의 좌측(Type-A)은 하부 기판의 상면에 전송선로가 하부 기판의 하면에 그라운드가 형성된 구조이고, b) 도 2의 중앙(Type-B)은 상부 기판의 상면에 전송선로가 하부 기판의 하면에 그라운드가 형성된 구조이며, c) 도 2의 우측(Type-C)은 상부 기판의 하면에 전송선로가 하부 기판의 상면에 그라운드가 형성된 구조이다.Figure 2 shows the structure of transmission lines that can be used when a substrate is placed on the top and bottom of the LC layer. Specifically, a) the left side of FIG. 2 (Type-A) is a structure in which a transmission line is formed on the upper surface of the lower substrate and the ground is formed on the lower surface of the lower substrate, and b) the center of FIG. 2 (Type-B) is a structure in which a transmission line is formed on the upper surface of the lower substrate. c) The right side of Figure 2 (Type-C) is a structure in which the transmission line is formed on the bottom of the upper substrate and the ground is formed on the bottom of the lower substrate.

도 2의 하부에는 LC의 유전율이 2.19~2.43으로 변화할 때, 20mm의 마이크로스트립 선로 상에서 12GHz 대역에서의 위상 변화를 보여주고 있는데, Type-C와 같이 LC를 중심으로 위/아래 최대한 가까이 전송선로와 그라운드를 위치시키는 경우 위상 변화가 가장 크게 나타났다.The lower part of Figure 2 shows the phase change in the 12 GHz band on a 20 mm microstrip line when the dielectric constant of the LC changes from 2.19 to 2.43. Like Type-C, the transmission line is centered on the LC as close as possible above and below. When positioning the and ground, the phase change was greatest.

이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 기판/전송선로/그라운드 구조로써 Type-C의 구조를 채택한다.Accordingly, in the embodiment of the present invention, the Type-C structure is adopted as the substrate/transmission line/ground structure.

한편, 제한된 LC의 유전율 변화 범위 내에서 가장 큰 위상 변화를 얻기 위해서는 전송선로의 길이를 길게 구현하여야 한다. 제한된 면적에서 길이를 길게 구현하기 위해서는 전송선로를 꼬아야 하는데, 이를 위한 대표적인 전송선로 타입으로 Meander 타입과 Spiral 타입을 들 수 있다.Meanwhile, in order to obtain the largest phase change within the limited dielectric constant change range of LC, the length of the transmission line must be long. In order to achieve a long length in a limited area, the transmission line must be twisted, and representative transmission line types for this purpose include the Meander type and Spiral type.

a) 도 3의 좌측에는 Meander 타입 전송선로-1의 구조와 주파수 응답 특성을, b) 도 3의 중앙에는 Meander 타입 전송선로-2의 구조와 주파수 응답 특성을, c) 도 3의 우측에는 Spiral 타입 전송선로의 구조와 주파수 응답 특성을, 각각 나타내었다.a) The structure and frequency response characteristics of Meander type transmission line-1 are shown on the left side of Figure 3, b) The structure and frequency response characteristics of Meander type transmission line-2 are shown in the center of Figure 3, and c) The right side of Figure 3 shows the structure and frequency response characteristics of Meander type transmission line-1. The structure and frequency response characteristics of each type of transmission line are shown.

도시된 바에 따르면, Meander 타입 전송선로들의 경우 전송선로 간 간격이 좁아짐에 따라 자기장이 중첩되어 상쇄되는 현상으로 특정 대역에서 감쇄가 심하게 발생되는 것을 확인할 수 있다.As shown, in the case of Meander type transmission lines, it can be seen that as the spacing between transmission lines narrows, the magnetic fields overlap and cancel each other, causing severe attenuation in a specific band.

반면, Spiral 타입 전송선로는 넓은 주파수 대역에서 안정적인 주파수 응답 특성을 보여주고 있어, 전송선로 타입으로 Spiral 타입을 채택한다.On the other hand, the spiral type transmission line shows stable frequency response characteristics in a wide frequency band, so the spiral type is selected as the transmission line type.

도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LC 위상 천이기의 구조를 나타낸 투시도와 단면도이다.Figures 4 and 5 are perspective and cross-sectional views showing the structure of an LC phase shifter according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 LC 위상 천이기는, 도시된 바와 같이, 기판-1(110), 기판-2(120), LC 층(130) 및 기판-3(140)을 포함하여 구성된다.As shown, the LC phase shifter according to an embodiment of the present invention includes substrate-1 (110), substrate-2 (120), LC layer 130, and substrate-3 (140).

기판-3(140)은 상면에 그라운드(141)가 형성되어 있다. 기판-2(120)는 상면에 그라운드(121)가 형성되어 있고 하면에 전송선로(122)가 형성되어 있다. 전송선로(122)는 Spiral 타입이다.Substrate-3 (140) has a ground 141 formed on its upper surface. Substrate-2 (120) has a ground 121 formed on the upper surface and a transmission line 122 formed on the lower surface. The transmission line 122 is of the spiral type.

LC 층(130)은 기판-2(120)와 기판-3(140)의 사이에 스페이서(131)를 통해 형성되는 공간에 위치한다.The LC layer 130 is located in a space formed between substrate-2 (120) and substrate-3 (140) through the spacer 131.

기판-1(110)의 상면에는 전송선로(111)가 형성되어 있는데, 전송선로(111)는 외부 소자와 연결되는 한편, 기판-1(110), 그라운드(121) 및 기판-2(120)에 걸쳐 형성된 비아(123)를 통해 전송선로(122)와 연결된다.A transmission line 111 is formed on the upper surface of substrate-1 (110), and the transmission line 111 is connected to an external element, while substrate-1 (110), ground 121, and substrate-2 (120) It is connected to the transmission line 122 through a via 123 formed across.

본 발명의 실시예에 따른 LC 위상 천이기에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 도 6과 도 7에 나타내었다. 도 6과 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LC 위상 천이기의 주파수 응답 특성과 위상 변화를 나타낸 그래프인데, LC의 유전율이 2.2에서 2.9로 변화할 때, 위상 변화가 약 392도로 나타나 전 범위(360도)에 대해 위상 천이가 가능함을 확인할 수 있다.The computer simulation results for the LC phase shifter according to an embodiment of the present invention are shown in Figures 6 and 7. Figures 6 and 7 are graphs showing the frequency response characteristics and phase change of the LC phase shifter according to an embodiment of the present invention. When the dielectric constant of the LC changes from 2.2 to 2.9, the phase change appears to be about 392 degrees, showing the entire range. It can be confirmed that phase shift is possible for (360 degrees).

도 8과 도 9는 기판-1(110)의 상면에 형성된 전송선로(111)의 구조의 설명에 제공되는 도면이다. 도 8에는 전송선로(111) 만을 도시하였고, 도 9에는 전송선로(111)와 함께 전송선로(122)를 투시하여 도시하였다.8 and 9 are diagrams provided to explain the structure of the transmission line 111 formed on the upper surface of substrate-1 (110). In FIG. 8, only the transmission line 111 is shown, and in FIG. 9, the transmission line 122 along with the transmission line 111 are shown through perspective.

도시된 바와 같이, 기판-1(110)의 상면에 형성된 전송선로(111)에는 DC 피드(feed)와 DC 블럭(block)을 위한 패턴이 형성되어 있다.As shown, patterns for DC feed and DC blocks are formed on the transmission line 111 formed on the upper surface of substrate-1 (110).

LC 층(130)에서 LC의 유전율을 변화시키기 위해서는 높은 전압을 DC 또는 수백Hz 이하의 주파수 성분으로 인가하여야 하는데, 이를 위해서는 고가의 High Q & High Voltage 캐패시터가 필요하다.In order to change the dielectric constant of the LC in the LC layer 130, a high voltage must be applied at DC or a frequency component of hundreds of Hz or less, and for this, an expensive High Q & High Voltage capacitor is required.

이를 대체하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 전송선로(111)의 전극 패턴에 DC 블럭(block)을 형성하여, DC 성분이 다른 회로로 흘러가지 않게 막으면서, DC 피드는 동작 주파수에 영향을 받지 않고 바이어스 전압을 인가해 줄 수 있도록 하였다.To replace this, in an embodiment of the present invention, a DC block is formed in the electrode pattern of the transmission line 111 to prevent the DC component from flowing into other circuits, and the DC feed is not affected by the operating frequency. It was possible to apply a bias voltage without

도 8과 도 9에 제시된 구조에 대한 주파수 응답 특성의 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 도 10에 제시하였다. 도 10에서 Port-3이 DC를 인가하는 부분인데, 11.85GHz에서 S31이 -38.84dB로 Port-1과 Port-2에 거의 영향이 없음을 확인할 수 있다.The computer simulation results of the frequency response characteristics for the structures shown in Figures 8 and 9 are shown in Figure 10. In Figure 10, Port-3 is the part where DC is applied, and it can be seen that S31 is -38.84dB at 11.85GHz, which has little effect on Port-1 and Port-2.

도 11, 도 12 및 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 LC 위상 천이기의 구조를 나타낸 투시 사시도, 투시 평면도 및 단면도이다.Figures 11, 12, and 13 are a perspective perspective view, a perspective plan view, and a cross-sectional view showing the structure of an LC phase shifter according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 LC 위상 천이기는, 도 4와 도 5에 제시된 구조의 LC 위상 천이기에서 기판-2(120)의 하면에 형성된 전송선로(122)와 기판-2(120)의 상면에 형성된 그라운드(121)가 다수의 비아(124)를 통해 연결되어 있다는 점에서 차이가 있다.The LC phase shifter according to an embodiment of the present invention is a transmission line 122 formed on the lower surface of substrate-2 (120) and the upper surface of substrate-2 (120) in the LC phase shifter of the structure shown in FIGS. 4 and 5. The difference is that the ground 121 formed in is connected through a plurality of vias 124.

이는 LC 위상 천이기에서 손실을 줄이기 위한 구성으로, 도 14에 제시된 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면, 손실이 약 1dB 정도 줄어들고, 주파수 안정성이 향상되었음을 확인할 수 있다.This is a configuration to reduce loss in the LC phase shifter, and according to the computer simulation results shown in Figure 14, it can be seen that loss is reduced by about 1 dB and frequency stability is improved.

한편, LC 위상 천이기를 빔포밍 안테나에 적용하는 경우, Spiral 구조를 채택한다 하더라도 전송선로(122)의 길이는 안테나 간 간격에 의해 제한되어 긴 선로 구현이 불가능하다.Meanwhile, when applying an LC phase shifter to a beamforming antenna, even if a spiral structure is adopted, the length of the transmission line 122 is limited by the spacing between antennas, making it impossible to implement a long line.

도 4, 도 11 및 도 12에서 전송선로(122)의 경우 지름은 약 15mm 수준이고, 턴수가 6인 경우 LC의 유전율이 2.2~2.9 정도 변화되면 360도 이상의 위상 변화를 얻을 수 있게 된다. 그러나, LC의 유전율 변화가 2.2~2.55 정도 변화되면, 약 180도 수준의 위상 변화만 얻을 수 있다.4, 11, and 12, the diameter of the transmission line 122 is about 15 mm, and when the number of turns is 6, a phase change of more than 360 degrees can be obtained when the dielectric constant of LC changes by about 2.2 to 2.9. However, if the dielectric constant of LC changes by about 2.2 to 2.55, only a phase change of about 180 degrees can be obtained.

게다가, 안테나간 간격이 12mm 이하로 요구되는 경우, LC의 유전율이 2.2~2.9로 변화된다 하더라도 선로의 턴수가 6에서 4로 줄어들게 되어 360도 위상 변화를 기대하기 어렵다.Moreover, when the spacing between antennas is required to be less than 12mm, even if the dielectric constant of the LC changes from 2.2 to 2.9, the number of turns of the line is reduced from 6 to 4, making it difficult to expect a 360-degree phase change.

이에 따라, 전송선로(122)의 길이를 늘이기 위한 방안으로, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 LC 층(130)과 전송선로(122)를 2층으로 구현하는 구조를 제시한다. 이 경우, 전송선로(122)가 4턴이라 하더라도 총 8턴의 선로를 구성할 수 있게 되며, 이로 인해 360도 이상의 위상 변화가 가능하기 때문이다.Accordingly, as a way to increase the length of the transmission line 122, another embodiment of the present invention proposes a structure in which the LC layer 130 and the transmission line 122 are implemented as two layers. In this case, even if the transmission line 122 has 4 turns, a total of 8 turns can be formed, which allows a phase change of more than 360 degrees.

이와 같은 구조의 LC 위상 천이기를 도 15와 도 16에 도시하였다. 도 15와 도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 LC 위상 천이기의 구조를 나타낸 투시 사시도와 단면도이다.An LC phase shifter with this structure is shown in Figures 15 and 16. Figures 15 and 16 are a perspective view and a cross-sectional view showing the structure of an LC phase shifter according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 LC 위상 천이기는, 도시된 바와 같이, 기판-1(210), 기판-2(220), LC 층-1(230), 기판-3(240), LC 층-2(250), 기판-4(260) 및 기판-5(270)를 포함하여 구성된다.As shown, the LC phase shifter according to an embodiment of the present invention includes substrate-1 (210), substrate-2 (220), LC layer-1 (230), substrate-3 (240), and LC layer-2. (250), substrate-4 (260), and substrate-5 (270).

기판-4(260)는 상면에 전송선로(261)가 형성되어 있고, 하면에 그라운드(262)가 형성되어 있다. 전송선로(261)는 Spiral 타입이다.Substrate-4 (260) has a transmission line 261 formed on its upper surface and a ground 262 formed on its lower surface. The transmission line 261 is of the spiral type.

기판-5(270)는 하면에 전송선로(271)가 형성되어 있는데, 전송선로(271)는 외부 소자와 연결되는 한편, 기판-4(260), 그라운드(262) 및 기판-5(270)에 걸쳐 형성된 비아(263)를 통해 전송선로(261)와 연결된다.Substrate-5 (270) has a transmission line 271 formed on its bottom, and the transmission line 271 is connected to an external element, while substrate-4 (260), ground 262, and substrate-5 (270) It is connected to the transmission line 261 through a via 263 formed across.

기판-3(240)은 상면에 그라운드(241)가 형성되어 있고, 하면에도 그라운드(242)가 형성되어 있다. LC 층-2(250)는 기판-3(240)과 기판-4(260)의 사이에 위치한다.Substrate-3 (240) has a ground 241 formed on the upper surface and a ground 242 formed on the lower surface. LC layer-2 (250) is located between substrate-3 (240) and substrate-4 (260).

기판-2(220)는 상면에 그라운드(221)가 형성되어 있고, 하면에 전송선로(222)가 형성되어 있다. 전송선로(222)는 Spiral 타입이다. LC 층-1(230)은 기판-2(220)과 기판-3(240)의 사이에 위치한다.Substrate-2 (220) has a ground 221 formed on the upper surface and a transmission line 222 formed on the lower surface. The transmission line 222 is of the spiral type. LC layer-1 (230) is located between substrate-2 (220) and substrate-3 (240).

기판-1(210)은 상면에 전송선로(211)가 형성되어 있는데, 전송선로(211)는 외부 소자와 연결되는 한편, 기판-1(210), 그라운드(221) 및 기판-2(220)에 걸쳐 형성된 비아(223)를 통해 전송선로(222)와 연결된다.Substrate-1 (210) has a transmission line 211 formed on its upper surface, and the transmission line 211 is connected to an external element, while substrate-1 (210), ground 221, and substrate-2 (220) It is connected to the transmission line 222 through a via 223 formed across.

또한, 기판-2(220)의 하면에 형성된 전송선로(222)와 기판-4(260)의 상면에 형성된 전송선로(261)는 LC 층-1(230)의 측벽, 그라운드(241), 기판-3(240), 그라운드(242) 및 LC 층-2(250)의 측벽에 걸쳐 형성된 비아(243)를 통해 연결된다.In addition, the transmission line 222 formed on the lower surface of substrate-2 (220) and the transmission line 261 formed on the upper surface of substrate-4 (260) are connected to the sidewall, ground 241, and substrate of LC layer-1 (230). -3 (240), ground (242), and LC layer -2 (250) are connected through vias (243) formed across the sidewalls.

도 17에는 도 15와 도 16을 통해 제시한 LC 위상 천이기의 위상 변화에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 제시하였다.Figure 17 presents computer simulation results for the phase change of the LC phase shifter shown in Figures 15 and 16.

한편, 위 구조에서는 도시되지 않았지만, 도 8을 통해 제시된 DC 피드/블럭 구조와 도 13을 통해 제시된 다수의 비아(124)가 도 16에 제시된 LC 위상 천이기에도 적용될 수 있다.Meanwhile, although not shown in the above structure, the DC feed/block structure shown in FIG. 8 and the plurality of vias 124 shown in FIG. 13 can also be applied to the LC phase shifter shown in FIG. 16.

한편, 도 16의 구조는 기판의 일정 영역을 도려내어 그 부분에 LC를 주입하여 구현한 경우이다. 만약, LC 층을 적층 구조에서 전면으로 구현하기 위해서는 스페이서를 이용하여 높이/공간을 확보하고, 그 사이에 LC를 주입하면 된다. 하지만, 이 경우에는 기판-2(220)의 하면에 형성된 전송선로(222)와 기판-4(260)의 상면에 형성된 전송선로(261)를 연결하는 비아(243)를 구성할 수 없게 된다.Meanwhile, the structure in FIG. 16 is implemented by cutting out a certain area of the substrate and injecting LC into that area. If you want to implement the LC layer on the front surface of the stacked structure, use a spacer to secure height/space and inject LC between them. However, in this case, the via 243 connecting the transmission line 222 formed on the lower surface of substrate-2 (220) and the transmission line 261 formed on the upper surface of substrate-4 (260) cannot be formed.

이를 해결하기 위해, 그라운드(241,242)의 일정 부분을 없애서 만든 슬롯(또는 개구)를 활용하여 기판-2(220)의 하면에 형성된 전송선로(222)와 기판-4(260)의 상면에 형성된 전송선로(261)를 슬롯-커플링(또는 Aperture-커플링)하는 구조를 도 18에 제시하였다.To solve this problem, a transmission line 222 formed on the lower surface of substrate-2 (220) and a transmission line formed on the upper surface of substrate-4 (260) utilize a slot (or opening) created by removing a certain portion of the ground (241, 242). The structure of slot-coupling (or aperture-coupling) of the row 261 is shown in FIG. 18.

도 18은 본 발명의 또 다른 실시예 따른 LC 위상 천이기의 단면도이다. 본 발명의 실시예 따른 LC 위상 천이기는, 점선으로 표시된 부분에서, 기판-3(230)의 상면에 형성된 그라운드(241)에 슬롯(또는 개구)(244)을 형성하고, 기판-3(230)의 하면에 형성된 그라운드(242)에 슬롯(또는 개구)(245)을 형성하되, 그라운드(241)의 슬롯(또는 개구)(244)과 그라운드(242)의 슬롯(또는 개구)(245)이 서로 대향 되도록, 즉, 마주보도록 형성한다.Figure 18 is a cross-sectional view of an LC phase shifter according to another embodiment of the present invention. The LC phase shifter according to an embodiment of the present invention forms a slot (or opening) 244 in the ground 241 formed on the upper surface of substrate-3 (230) in the portion indicated by the dotted line, and substrate-3 (230) A slot (or opening) 245 is formed in the ground 242 formed on the lower surface of the ground 241, and the slot (or opening) 244 of the ground 241 and the slot (or opening) 245 of the ground 242 are connected to each other. They are formed so that they face each other, that is, face each other.

이에 의해, 기판-2(220)의 하면에 형성된 전송선로(222)와 기판-4(260)의 상면에 형성된 전송선로(261)를 슬롯-커플링(또는 Aperture-커플링) 시킬 수 있다. 도 19에는 전송선로(222)와 전송선로(261)의 커플링 구조를 나타내었다.As a result, the transmission line 222 formed on the lower surface of substrate-2 (220) and the transmission line 261 formed on the upper surface of substrate-4 (260) can be slot-coupled (or aperture-coupled). Figure 19 shows the coupling structure of the transmission line 222 and the transmission line 261.

한편, 그라운드(241)의 슬롯(또는 개구)(244)과 그라운드(242)의 슬롯(또는 개구)(245)의 형태는 도 20에 도시된 바와 같이 다양한 구현이 가능하며, LC 위상 천이기의 규격과 사양에 맞게 적정한 형태를 선택하면 된다.Meanwhile, the shape of the slot (or opening) 244 of the ground 241 and the slot (or opening) 245 of the ground 242 can be implemented in various ways as shown in FIG. 20, and the shape of the LC phase shifter Just select the appropriate form according to the standards and specifications.

지금까지, LC 위상 천이기에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다. 위 실시예에서 LC에 인가되는 전압에 따른 유전율 변화를 이용하여, 전송선로의 Electric length가 달라지는 원리를 이용하여, 위상 제어를 하는 데 있어서, 손실을 최소화하고, 위상변화폭을 넓히기 위한 구조를 제시하였다.So far, the LC phase shifter has been described in detail with preferred embodiments. In the above example, a structure was proposed to minimize loss and widen the phase change range in phase control using the principle that the electric length of the transmission line changes by using the dielectric constant change according to the voltage applied to the LC. .

이에 의해, 한정된 면적과 LC의 제한된 유전율 변화를 가지고 더 넓은 위상 변화를 보이는 위상 천이기를 구현할 수 있게 된다.As a result, it is possible to implement a phase shifter showing a wider phase change with a limited area and a limited change in dielectric constant of LC.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In addition, although preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be understood individually from the technical idea or perspective of the present invention.

111,122,211,222,261,271 : 전송선로
121,141,221,241,242,262 : 그라운드
124,223,243,263 : 비아
2244,245 : 슬롯(또는 개구)
130,230,250 : LC 층111,122,211,222,261,271: Transmission line
121,141,221,241,242,262: Ground
124,223,243,263: Via
2244,245: Slot (or opening)
130,230,250: LC layer

Claims

A first substrate having a ground formed on the upper surface and a transmission line formed on the lower surface;
A second substrate with a ground formed on the upper and lower surfaces, respectively;
a third substrate having a transmission line formed on the upper surface and a ground formed on the lower surface;
A first LC (Lyquid Crystal) layer formed between the first and second substrates;
It includes a second LC layer formed between the second substrate and the third substrate,
The first LC layer is,
It is located between the transmission line formed on the lower surface of the first substrate and the ground formed on the upper surface of the second substrate,
The second LC layer is,
An LC phase shifter positioned between a ground formed on the lower surface of the second substrate and a transmission line formed on the upper surface of the third substrate.

In claim 1,
The transmission line formed on the first substrate is,
LC phase shifter characterized by a spiral type transmission line.

In claim 1,
The transmission line formed on the third substrate is,
LC phase shifter characterized by a spiral type transmission line.

In claim 1,
The ground formed on the upper surface of the first substrate and the transmission line formed on the lower surface,
LC phase shifter, characterized in that it is connected through at least one via.

In claim 1,
The transmission line formed on the upper surface of the third substrate and the ground formed on the lower surface are,
LC phase shifter, characterized in that it is connected through at least one via.

In claim 1,
a fourth substrate located on top of the first substrate and having a transmission line formed on its upper surface connected through a via to a transmission line formed on the lower surface of the first substrate;
An LC phase shifter further comprising a fifth substrate located below the third substrate and having a transmission line formed on its lower surface connected to a transmission line formed on the upper surface of the third substrate through a via.

In claim 6,
In the transmission line formed on the upper surface of the fourth substrate,
LC phase shifter, characterized in that a pattern for the DC block is formed.

In claim 6,
In the transmission line formed on the lower surface of the fifth substrate,
LC phase shifter, characterized in that a pattern for the DC block is formed.

In claim 1,
The transmission line formed on the lower surface of the first substrate and the transmission line formed on the upper surface of the third substrate are:
LC phase shifter, characterized in that it is connected through a via.

In claim 1,
The transmission line formed on the lower surface of the first substrate and the transmission line formed on the upper surface of the third substrate are:
LC phase shifter, characterized in that it is coupled through a slot.

In claim 10,
The slot is,
An LC phase shifter, characterized in that it is formed on a ground formed on the upper surface and a ground formed on the lower surface of the second substrate.

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