KR100665099B1 - 저온 동시소성 세라믹 공정을 이용한 밀리미터파 대역필터링 안테나 - Google Patents

저온 동시소성 세라믹 공정을 이용한 밀리미터파 대역필터링 안테나 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, LTCC 공정을 이용하여 필터와 안테나의 접지면을 공유함으로써, 두 소자간의 간섭효과를 줄이는 동시에 그 크기를 소형화하기 위한, LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 도파관 필터 및 저온 동시소성 세라믹(LTCC) 안테나를 구비하는, LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나에 있어서, 상기 도파관 필터의 입출력 포트 및 상기 LTCC 안테나의 급전부가 동일 평면에 형성되어, 상기 도파관 필터와 상기 LTCC 안테나가 접지면을 공유하는 것을 특징으로 함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 밀리미터파 대역 송수신 시스템 등에 이용됨.
필터링 안테나, 필터, 안테나, LTCC, 밀리미터파, 베이스 기판

Description

저온 동시소성 세라믹 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나{Filtering Antenna in Millimeterwave Band using Low Temperature Cofired Ceramics(LTCC)}
도 1a는 본 발명이 적용되는 밀리미터파 대역 송수신 시스템의 구조도.
도 1b는 본 발명이 적용되는 밀리미터파 대역 송수신 시스템의 구조도.
도 2a는 본 발명의 비아를 이용한 도파관 필터의 일실시예 평면도.
도 2b는 본 발명의 비아를 이용한 도파관 필터의 일실시예 측면도.
도 2c는 본 발명의 비아를 이용한 도파관 필터의 일실시예 사시도.
도 3은 본 발명의 LTCC 안테나의 일실시예 분해 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나의 일실시예 사시도.
도 5는 상기 도 4의 베이스 기판의 일실시예 외관도.
도 6a는 상기 도 2의 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 6b는 상기 도 3의 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 7a는 베이스 기판이 있는 경우의 상기 도 3의 LTCC 안테나의 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 7b는 베이스 기판이 없는 경우의 상기 도 3의 LTCC 안테나의 특성을 설명하기 위한 그래프.
도 8은 상기 도 4의 필터링 안테나의 필터와 안테나간 격리도(Isolation)를 설명하기 위한 일실시예 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
410 : 베이스 기판 420 : 도파관 필터
430 : 접지면
본 발명은 저온 동시소성 세라믹(Low Temperature Cofired Ceramics ; 이하, 간단히 'LTCC'라 함) 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나에 관한 것으로, 특히 밀리미터파 대역(30㎓ 이상)에서 동작하는 무선 주파수(RF) 송수신 시스템에서 사용하기 위한 LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나에 관한 것이다.
기존의 RF송수신 시스템은 하이브리드(Hybrid) 형태로 각각의 필터 및 안테나를 설계한 후 결합하는 형식이었다.
일반적으로 필터는, 최종 안테나 전단에 필요한 대역폭만큼 선택적으로 통과 시키며 또한 전체 송신 스펙트럼 마스크에 영향을 준다. 크게는 10%의 대역폭에서 작게는 1%의 대역폭이 요구되는 경우가 있다. 특히, 협대역의 특성을 만족하는 필터를 제작하기는 쉽지 않다.
또한, 안테나는 광대역 특성이 되어야 하는데, 평균적으로 개구면 슬롯 안테나(Aperture Slot Antenna)의 대역폭은 2~5%정도이며, 밀리미터파 대역 시스템으로 사용하기 위해서는 10%의 대역폭이 요구된다.
한편, 멀티레이어(Multilayer) 구조로서 적층형 패치 안테나의 경우는, 요구규격을 만족시키도록 광대역 특성으로 제작하는 것이 가능하지만 적층형 구조에 의해 수반되는 유전체 손실 또한 상당한 양을 차지한다.
상기 필터 및 안테나는 서로 상반된 특성을 가진 것으로서 필터는 협대역 특성을 만족시키기가 어려우며 안테나는 광대역 특성을 만족시키기가 어려우므로, 이를 동시에 만족시키는 대역 특성을 가지는 송/수신 시스템을 제작하는 것이 상당히 어려워지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, LTCC 공정을 이용하여 필터와 안테나의 접지면을 공유함으로써, 두 소자간의 간섭효과를 줄이는 동시에 그 크기를 소형화하기 위한 LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도파관 필터 및 저온 동시소성 세라믹(LTCC) 안테나를 구비하는, LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나에 있어서, 상기 도파관 필터의 입출력 포트 및 상기 LTCC 안테나의 급전부가 동일 평면에 형성되어, 상기 도파관 필터와 상기 LTCC 안테나가 접지면을 공유하는 것을 특징으로 하는 LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나를 제공한다.
본 발명은, RF 송수신 시스템의 최종단에 위치하는 주파수 선택성이 있는 필터와 안테나를 공통의 접지면을 공유하면서 소형이 되도록 설계함으로써, 독립적으로 분리되어 있을 경우보다 소형이면서 간섭효과를 줄일 수 있는 필터링 안테나를 제작할 수 있다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명이 적용되는 밀리미터파 대역 송수신 시스템의 구조도이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 밀리미터파 대역의 송수신 시스템은, 그 최종단에 송신 스펙트럼 마스크를 고려한 필터와 기지국 및 가입자에 따른 안테나가 위치할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 비아를 이용한 도파관 필터의 일실시예 평면도, 측면도 및 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 도파관 필터는, 마이크로스트립 입/출력 포트(210, 220)와, 최상위 접지면(270)과 최하위 접지면(280) 및 도파관 측면에 해당하는 비아(290)로 구성된 도파관, 도파관 포트의 입/출력 포트(260), 상기 도파관 포트의 입/출력 포트(260)와 상기 마이크로스트립 입/출력 포트(210, 220)간의 임피던스 정합을 위한 변환부(230, 240) 및 필터 특성 구현을 위한 비아(250)를 구비한다. 이 때, 도파관 필터의 최하위 및 최상위에는 접지면을 배치할 수 있다.
또한, 도파관 필터의 내부는 소정의 두께(예를 들어, 100㎛)로 이루어진 다수의 유전체층이 구비된다.
도 3은 본 발명의 LTCC 안테나의 일실시예 분해 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 LTCC 안테나는, 입력 급전선(310), 개구면(320), 도파관(330) 및 접지면(340, 360)을 구비한다.
본 발명의 LTCC 안테나는, 입력 급전선(310)을 통하여 입력 신호가 여기된다. 이때, 입력 임피던스가 50Ω이 되도록 임피던스 정합될 수 있다. 상기 개구면(320)은 에너지를 반 평면(Half Space)으로 복사시키기 위한 것으로, 개구면 외에 직사각형 슬롯(Rectangular Slot)일 수도 있다. 상기 개구면(320)으로부터 전달된 신호를 상기 도파관(330)이 외부로 복사할 수 있다.
일반적으로, 접지면은 평평한 도체판을 사용하지만, 접지면 평면 전체가 도체로 구성되는 경우에는 그 층을 중심으로 위/아래의 층간 결합이 어려우므로, 본 발명의 LTCC 안테나는, 그물형 접지면(Meshed Ground)을 사용하기로 한다. 이때, 접지면 전체가 그물형인 것은 아니며, 개구면(320)이 존재하는 부분은 일반적인 형상의 접지면을 사용하는 것으로 한다.
이하, 상기 도 2a 내지 도 2c의 도파관 필터와, 상기 도 3의 LTCC 안테나의 접지면을 공유하는 본 발명에 따른 필터링 안테나에 대하여 도 4를 참조로 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나의 일실시예 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 필터링 안테나는, 상기 도 3의 LTCC 안테나의 상기 급전선(310)과 상기 도 2의 도파관 필터 입출력 포트(210, 220)가 같은 층에 배치되며, 도파관 필터의 최상위 접지면(270)이 안테나 급전선 접지면(360)과 공통으로 연결되어 접지면(430)을 공유하고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 2의 도파관 필터의 최하위 접지면(280)이 도 3의 LTCC 안테나의 접지면(340)으로 사용됨으로써 도 2의 도파관 필터와 도 3의 LTCC 안테나는 접지면을 서로 공유한다. 이와 같이 도파관 필터의 최상위 및 최하위 접지면과 LTCC 안테나의 접지면 및 급전선 접지면을 공통으로 공유하여 상호간 간섭이 최소가 된다.
그리고 도 2의 도파관 필터(420)의 내부 유전체층 두께 및 수를 조절함으로써 도파관 필터(420)의 입출력 포트(210, 220)와 LTCC 안테나의 급전선(310)이 동일 평면에 구현되어, 입력 신호의 필터링 및 방사가 동시에 이루어질 수 있다.
이때, 상기 LTCC 안테나의 복사패턴이 상기 도파관 필터(420)에 의해 영향을 받지 않도록 하기 위하여, 즉 개구면 결합(Aperture Coupling)이 발생할 수 있는 부분을 최소화하기 위하여 상기 LTCC 안테나의 급전선(310)과 상기 도파관 필터의 출력포트(220)는 일정한 거리를 유지하도록 한다.
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또한, 상기 LTCC 안테나의 복사효율 및 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio; VSWR)의 향상을 위하여, 상기 급전선(310)의 밑부분에 공동(Cavity)으로 작용할 수 있는 베이스 기판(410)을 배치할 수 있다. 이하, 도 5를 참조로 상기 베이스 기판(410)을 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 상기 도 4의 베이스 기판의 일실시예 외관도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 베이스 기판은, 상기 접지면(430)과 접속되어 접지면을 형성하는 도체(510), 공진기(Resonator) 형식의 베이스 기판(410)으로 구성되며, 상기 LTCC 안테나와 고정하기 위한 고정 비아홀(520)과 밀리미터파 대역에서 사용할 수 있는 커넥터의 연결부분(530)을 구비할 수 있다.
상기 베이스 기판(410)은 공진 주파수 특성을 향상시킬 수 있고, 상기 LTCC 안테나로부터 상기 베이스 기판(410)을 방사되는 복사량을 반사시켜 이득을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는, 도파관 필터 및 LTCC 안테나로서, 상기 도 2 및 도 3을 예를 들어 설명하였으나, 다른 형태의 도파관 필터 및 LTCC 안테나가 사용될 수 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 상기 도 2 및 도 3의 특성을 설명하기 위한 그래프로서, 접지면을 공유하지 않는 경우의 각각의 특성을 나타낸 것이다.
상기 도 6a에서 A와 B는 각각 S11 및 S21을 표시한 것이다.
또한, 도 7a 및 도 7b는 각각 베이스 기판이 있는 경우와 없는 경우의 상기 도 3의 LTCC 안테나의 특성을 설명하기 위한 그래프로서, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 베이스 기판이 있는 경우, 상기 LTCC 안테나의 성능이 월등해 짐을 알 수 있다.
도 8은 상기 도 4의 필터링 안테나의 필터와 안테나간 격리도(Isolation)를 설명하기 위한 일실시예 그래프로서, C와 D는 각각 S12 및 S13을 나타낸 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 필터링 안테나는, 필터의 입출력 특성에 안테나의 입출력 특성이 영향을 거의 미치지 않음을 알 수 있다.
본 발명의 필터링 안테나는, 일반적으로 필터 기능과 안테나 기능이 동시에 필요한 송수신 시스템에서부터 센서 시스템(Sensor System)에 이르기까지 다양한 송수신 시스템의 최종단에 응용될 수 있으며, 요구되는 패턴은 안테나를 중심으로 위쪽 반공간(Upper Half-Space)에서 지향성(Omni-Directional)을 구비하여야 한다.
본 발명과 같은 패키징 기술은, 밀리미터파 대역에서 요구하는 송수신 모듈의 소형화 제작에 유용하며, 또한 기존의 개구면 안테나가 가지고 있는 2~5%대역폭을 공동(Cavity)이 있는 베이스 기판을 이용함으로서 10% 이상의 대역폭을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 안테나의 급전부 평면에 필터의 입출력 포트를 배치하여 필터와 안테나 사이의 접지면을 공유하도록 하고, 부품간에 간섭 영향이 최소가 되도록 설계함으로써, 소자의 크기를 소형화할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 공통의 접지면을 이용함으로써, 필터가 안테나의 복사패턴에 영향을 주지 않으면서 여파기와 안테나간에 생길 수 있는 간섭효과를 최소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 안테나의 개구면 부분에 베이스 기판을 배치함으로써, 10% 이상의 대역폭을 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 적층 구조의 도파관 필터 및 저온 동시소성 세라믹(LTCC) 안테나를 구비하는, LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나에 있어서,
    상기 도파관 필터의 입출력 포트 및 상기 LTCC 안테나의 급전부가 소정의 거리를 두고 동일 평면에 형성되고, 상기 도파관 필터와 상기 LTCC 안테나가 접지면을 공유하는 것
    을 특징으로 하는 LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 LTCC 안테나의 급전부의 하부에 베이스 기판이 배치되는 것
    을 특징으로 하는 LTCC 공정을 이용한 밀리미터파 대역 필터링 안테나.
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