KR101113443B1 - 패치 안테나 및 무선통신 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일측면은, 캐비티가 형성된 고유전율 기판과, 상기 고유전율 기판의 일면 중 상기 캐비티에 대응하는 영역에 형성된 방사체와, 상기 고유전율 기판에 형성되어 상기 방사체에 신호를 공급하는 급전선, 및 상기 고유전율 기판에 형성되는 접지부를 포함하는 패치 안테나를 제공할 수 있다.
안테나, 유전율

Description

패치 안테나 및 무선통신 모듈{PATCH ANTENNA AND MOBILE COMMUNICATION MODULE}
본 발명은 패치 안테나 및 무선통신 모듈에 관한 것으로서 보다 상세하게는 안테나 특성을 향상시키고 전체 안테나 크기를 줄일 수 있는 패치 안테나 및 무선통신 모듈에 관한 것이다.
최근에 개발되고 있는 무선통신 시스템은 신호를 만드는 역할을 하는 부분과 신호를 주고 받는 역할을 하는 안테나 부분을 통합하여 소형화시키는 방향으로 개발되고 있다. 이처럼 무선통신 시스템을 이루는 여러 부분들을 하나로 통합할 때 사용될 수 있는 집적기술이 다층 세라믹 기판 기술이다.
그러나, 다층 세라믹 기판(Multi-layer Ceramic Substrate)은 기판을 이루는 유전체의 유전율이 높기 때문에 평면형 마이크로 스트립 패치 안테나를 구현할 때 표면파, 좁은 대역폭, 낮은 효율 등과 같은 문제가 발생하게 된다. 따라서 안테나를 다층 세라믹 기판에 형성하는 경우에는 기판의 유전율을 낮추어 안테나의 특성을 향상시키기 위한 노력이 계속되고 있다.
반면, 상기 통합된 다른 부품들의 형성을 위해서는 상기 기판은 어느정도의 유전율을 유지해야 한다. 따라서, 안테나의 특성 및 다른 부품의 특성을 모두 만족시킬 수 있도록 기판을 형성하고자 하는 연구가 계속되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 안테나 특성 향상 및 소형화를 이룰 수 있는 패치 안테나 및 무선통신 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면은, 내부에 공기를 포함하는 밀폐된 캐비티가 형성된 고유전율 기판과, 상기 고유전율 기판의 일면 중 상기 캐비티에 대응하는 영역에 형성된 방사체와, 상기 고유전율 기판에 형성되어 상기 방사체에 신호를 공급하는 급전선, 및 상기 고유전율 기판에 형성되는 접지부를 포함하는 패치 안테나를 제공할 수 있다.
상기 캐비티는 밀폐구조로 형성될 수 있다.
상기 고유전율 기판은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 적층기판일 수 있다.
상기 급전선은 상기 캐비티에 형성될 수 있다.
상기 접지부는 상기 고유전율 기판의 타면에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일측면은, 내부에 공기를 포함하는 밀폐된 캐비티가 형성된 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 적층 기판과, 상기 LTCC 적층 기판의 일면 중 상기 캐비티에 대응하는 영역에 형성된 방사체와, 상기 LTCC 적층 기판에 형성되어 상기 방사체에 신호를 공급하는 급전선, 상기 LTCC 적층 기판에 형성되는 접지부 및 상기 LTCC 적층 기판에 실장되는 적어도 하나의 전자소자를 포함하는 무선통신 모듈을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 패치 안테나 및 무선통신 모듈의 소형화가 가능하고 안테나의 방사특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 패치 안테나의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 패치 안테나는 고유전율 기판(110), 방사체(120), 급전선(130), 및 접지부(140)를 포함할 수 있다.
상기 고유전율 기판(110)은, 캐비티(Cavity)(101)가 형성되어 상기 방사체, 급전선 및 접지부가 형성될 수 있는 영역을 제공할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 고유전율 기판(110)은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 적층기판일 수 있으며, 상기 캐비티(101)는 상기 적층 기판 내부에 밀폐구조로 형성될 수 있다.
상기 LTCC 적층기판(110)은 복수의 그린시트를 적층하고 상기 적층된 적층체를 저온에서 소성하는 공정에 의해 형성될 수 있다. 본 실시형태와 같이 밀폐된 캐비티(101)를 기판의 내부에 형성하기 위해서 복수개의 그린시트 적층후 캐비티를 형성하고 다시 캐비티를 덮는 그린시트를 적층할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 LTCC 적층기판을 형성하기 위한 그린시트의 유전율은 일반적으로 약 7 내지 8 정도일 수 있다.
상기 방사체(120)는, 상기 고유전율 기판의 일면 중 상기 캐비티(101)에 대응하는 영역에 형성될 수 있다. 안테나의 특성은 방사체가 형성된 기판의 유전율에 의해 크게 좌우될 수 있다. 본 실시형태와 같이 LTCC 적층기판을 안테나의 기판으로 사용하는 경우에 안테나의 소형화 측면에서는 이점이 있으나, 상기 LTCC 적층기판의 유전율이 높으므로 저유전율의 PCB 기판 등에 방사체를 형성하는 경우에 비해 안테나 특성이 열화되는 문제점이 생길 수 있다. 본 실시형태에서는 방사체(120)가 형성되는 LTCC 적층기판의 내부에 캐비티(101)를 형성함으로서 기판 전체의 유전율을 낮출 수 있다. 일반적으로 공기의 유전율은 약 1 이므로, 상기 캐비티(101) 내부의 유전율이 1이 되어 상기 캐비티가 형성된 LTCC 적층기판 전체의 유전율은 상기 캐비티가 없는 LTCC 적층기판의 유전율에 비해 낮아질 수 있다. 따라서, 상기 방사체에 의한 전달 특성이 향상될 수 있다.
상기 급전선(130)은 상기 방사체(120)에 신호를 공급할 수 있다. 상기 급전선(130)은 상기 방사체(120)에 직접 연결될 수도 있지만, 본 실시형태에서는 상기방사체(120)와 소정 간격 이격되도록 형성될 수도 있다. 상기 급전선(130)이 방사체(120)와 소정간격 이격된 경우에는 서로 전자기적으로 결합되어 상기 방사체(120)에 신호가 흐를 수 있다. 본 실시형태에서 상기 급전선(130)은 상기 LTCC 적층 기판(110) 중 캐비티(101) 내에 형성될 수 있다.
상기 접지부(140)는 상기 방사체(120)에서 방사되는 전파에 대한 접지를 제공함으로서 안테나를 구성할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 접지부(140)는 상기 LTCC 적층기판의 하면에 형성될 수 있다.
이처럼, 본 실시형태에 따른 패치 안테나는 LTCC 적층기판을 사용함으로서 안테나의 소형화를 도모할 수 있고, 또한, 상기 LTCC 적층기판의 내부에 캐비티를 형성함으로서 상기 안테나의 대역폭 및 방사특성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 무선통신 모듈의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시형태에 따른 무선통신 모듈은 고유전율 기판(210), 방사체(220), 급전선(230), 접지부(240) 및 전자소자(251 ,252)를 포함할 수 있다.
상기 고유전율 기판(210)은, 캐비티(201)가 형성되어 상기 방사체, 급전선 및 접지부가 형성될 수 있는 영역을 제공할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 고유전율 기판(210)은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 적층기판일 수 있으며, 상기 캐비티(201)는 상기 적층 기판 내부에 밀폐구조로 형성될 수 있다.
상기 LTCC 적층기판(210)은 복수의 그린시트를 적층하고 상기 적층된 적층체를 저온에서 소성하는 공정에 의해 형성될 수 있다. 본 실시형태와 같이 밀폐된 캐비티(201)를 기판의 내부에 형성하기 위해서 복수개의 그린시트 적층후 캐비티를 형성하고 다시 캐비티를 덮는 그린시트를 적층할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 LTCC 적층기판을 형성하기 위한 그린시트의 유전율은 일반적으로 약 7 내지 8 정도일 수 있다.
본 실시형태에 사용되는 상기 LTCC 적층기판(210)에 실장되는 전자소자(251, 252)들을 연결할 수 있는 회로패턴이 상기 적층된 그린시트의 적층면 사이에 형성될 수 있으며, 상기 회로패턴들은 적층된 그린시트를 관통하는 도전성 비아에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 도면에서 상세한 회로패턴 및 도전성 비아에 대해서는 생략하였다. 또한, 상기 적층기판의 적층면에는 캐패시터를 이루는 전극이 형성될 수도 있다.
상기 방사체(220)는, 상기 고유전율 기판의 일면 중 상기 캐비티(201)에 대응하는 영역에 형성될 수 있다. 안테나의 특성은 방사체가 형성된 기판의 유전율에 의해 크게 좌우될 수 있다. 본 실시형태와 같이 LTCC 적층기판을 안테나의 기판으로 사용하는 경우에 안테나의 소형화 측면에서는 이점이 있으나, 상기 LTCC 적층기 판의 유전율이 높으므로 저유전율의 PCB 기판 등에 방사체를 형성하는 경우에 비해 안테나 특성이 열화되는 문제점이 생길 수 있다. 본 실시형태에서는 방사체(220)가 형성되는 LTCC 적층기판의 내부에 캐비티(201)를 형성함으로서 기판 전체의 유전율을 낮출 수 있다. 일반적으로 공기의 유전율은 약 1 이므로, 상기 캐비티(201) 내부의 유전율이 1이 되어 상기 캐비티가 형성된 LTCC 적층기판 전체의 유전율은 상기 캐비티가 없는 LTCC 적층기판의 유전율에 비해 낮아질 수 있다. 따라서, 상기 방사체에 의한 전달 특성이 향상될 수 있다.
상기 급전선(230)은 상기 방사체(220)에 신호를 공급할 수 있다. 상기 급전선(230)은 상기 방사체(220)에 직접 연결될 수도 있지만, 본 실시형태에서는 상기방사체(220)와 소정 간격 이격되도록 형성될 수도 있다. 상기 급전선(230)이 방사체(220)와 소정간격 이격된 경우에는 서로 전자기적으로 결합되어 상기 방사체(220)에 신호가 흐를 수 있다. 본 실시형태에서 상기 급전선(230)은 상기 LTCC 적층 기판(210) 중 캐비티(201) 내에 형성될 수 있다.
상기 접지부(240)는 상기 방사체(220)에서 방사되는 전파에 대한 접지를 제공함으로서 안테나를 구성할 수 있다. 본 실시형태에서 상기 접지부(240)는 상기 LTCC 적층기판의 하면에 형성될 수 있다.
상기 전자소자(251, 252)는 상기 LTCC 적층기판에 실장될 수 있다. 상기 전 자소자들은 상기 적층기판의 내부에 형성된 회로패턴 및 도전성 비아에 의해 전기적으로 연결되어 정해진 기능을 수행하도록 작동할 수 있다.
이처럼, 본 실시형태에 따른 무선통신 모듈은, LTCC 적층기판의 일부를 이용하여 패치 안테나를 형성하고, 상기 LTCC 적층기판의 다른 영역에는 전자소자를 실장할 수 있도록 하여 무선통신 모듈의 소형화를 도모할 수 있다. 이러한 무선통신 모듈을 형성하는 경우에 상기 LTCC 적층기판의 고유전율에 의해 상기 안테나의 특성이 열화되는 것을 방지하기 위해서 본 실시형태에서는 상기 방사체가 형성되는 영역에 캐비티를 형성할 수 있다. 이처럼, 캐비티가 형성된 LTCC 적층기판을 사용함으로서, 무선통신 모듈의 소형화 및 안테나 특성의 향상 효과를 얻을 수 있다.
도 3의 (a) 내지 (f)는, 본 발명의 일실시형태에 따른 패치 안테나를 제조하는 공정예를 나타내는 순서도이다.
도 3의 (a)는 LTCC 적층기판을 형성하기 위해 제1 그린시트(311) 및 제2 그린시트(312)를 적층하는 공정이다. 상기 제1 및 제2 그린시트(311, 312)는 세라믹 분말 및 글래스 성분이 포함된 세라믹 슬러리로부터 제조될 수 있다. 상기 각각의 그린시트에 도전패턴 및 도전성 비아홀을 형성한 후 상기 복수개의 그린시트를 적층할 수 있다. 또한, 상기 제1 그린시트 및 제2 그린시트는, 판상형 세라믹 분말 및 글래스 성분을 포함하는 슬러리로 제조될 수도 있다.
도 3의 (b)는 LTCC 적층기판을 형성하기 위해 제3 그린시트(313) 및 제4 그린시트(314)를 적층하는 공정이다. 본 실시형태에서는 LTCC 적층기판에 밀폐된 캐비티(301)를 형성하기 위해서 상기 제3 그린시트(313) 및 제4 그린시트(314)를 적층하기 전에 미리 캐비티 영역을 펀칭한 후 펀칭된 그린시트를 적층할 수도 있고, 적층 후 상기 제3 그린시트 및 제4 그린시트에 대해서만 펀칭하여 상기 캐비티를 형성할 수도 있다. 상기 제3 그린시트 및 제4 그린시트는 세라믹 분말 및 글래스 성분을 포함하는 슬러리로 제조될 수 있다.
도 3의 (c)는 캐비티 내에 급전선(330)을 형성하는 공정이다. 본 공정에서 상기 급전선은 프린팅 공정에 의해 형성될 수 있다. 도전성 페이스트를 이용하여 원하는 형태의 급전선을 프린트하고 건조시켜 상기 급전선을 형성할 수 있다. 본 실시예에서는 방사체에 전류를 공급하는 급전선을 상기 캐비티(301) 내에 형성하기 위해 본 단계에서 급전선을 형성할 수 있다. 상기 급전선(330)이 다른 위치에 형성되도록 하기 위해서 공정의 순서가 바뀔 수 있다. 예를 들어 급전선(330)을 캐비티 영역이 아닌 LTCC 적층기판의 외부에 형성하는 경우에는 급전선 형성 공정은 적층체의 소성공정 이후에 진행될 수 있다. 상기 급전선은 프린팅 공정 외에 스퍼터링 또는 증착 공정에 의해 형성될 수도 있다.
도 3의 (d)는, 상기 캐비티 영역을 덮는 제5 그린시트(315)를 적층하는 공정이다. 본 공정에 의해 복수개의 그린시트가 적층된 적층체(310a)가 형성될 수 있 다. 본 실시예에서는 5 개의 그린시트를 적층하는 것으로 설명하였으나, 상기 적층체의 내부에 밀폐된 형태의 캐비티가 형성되는 한 상기 그린시트 내부에 형성되는 회로패턴 및 전자소자에 따라 상기 그린시트의 적층수는 다양하게 변화될 수 있다.
상기 적층된 적층체에 대해서 일정온도 및 일정 압력하에서 압착하는 단계가 포함될 수 있다. 상기 압착하는 단계는 1차 가압착 단계후 2차 등방압력(iso-static press)을 이용하여 압착하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 등방압력을 이용한 공정은, 적층된 적층체를 물 또는 기름내에서 전방향으로 압력을 가하는 것일 수 있다.
도 3의 (e)는, 상기 적층된 적층체를 소성하여 LTCC 적층기판을 형성하는 공정이다. 도 3의 (d)에서 형성된 적층체는 상기 적층된 그린시트의 소성온도로 동시소성(co-firing)될 수 있다. 즉, 약 800℃ 내지 1000℃의 저온에서 소성공정이 이루어질 수 있다. 이러한 소성 공정동안 상기 적층체의 상부 및 하부에 소성용 지그를 유지할 수 있다. 저온 소성 공정이 실시되면 그린시트 적층체(310a)는 수평방향으로 수축이 일어나 형태가 변형될 수 있다. 이러한 소성시 형태 변형을 방지하기 위해서 적층체의 최상층 및 최하층에 일정한 압력으로 소성용 지그를 유지할 수 있다. 따라서 소성용 지그와 고착되어 있는 적층체(310a)는 수평방향(X 방향 및 Y 방향)으로는 수축이 억제되고 수직방향(Z 방향), 즉 두께방향으로만 수축이 일어날 수 있다. 이와 같이 소성시 그린시트층이 수평방향으로 수축되는 것을 방지하기 위해서 그린시트층의 상층 및 하층에 소성용 지그를 적층하여 동시소성하는 것을 무 수축 공정이라고 한다. 상기 무수축 공정을 위해서 소성용 지그 대신에 저온에서 소성되지 않는 고온 소성용 시트를 접착하여 상기 소성 공정 후 고온 소성용 시트를 제거할 수도 있다.
도 3의 (f)는, 상기 LTCC 적층기판에 방사체 및 접지부를 형성하는 공정이다. 본 공정은 상기 소성된 LTCC 적층기판(310)에 도전성 페이스트를 이용하여 방사체(320) 및 접지부(340)를 인쇄하고 건조시키는 순서로 진행될 수 있다. 상기 방사체 및 접지부는 인쇄 공정 이외에 스퍼터링 또는 증착 공정에 의해 형성될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 즉, 적층체의 두께, 그린시트의 성분 등은 다양하게 구현될 수 있다. 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 패치 안테나의 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 무선통신 모듈의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일실시 형태에 따른 패치 안테나를 제조하는 예를 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
110 : 고유전율 기판 120 : 방사체
130 : 급전선 140 : 접지부

Claims (8)

  1. 내부에 공기를 포함하는 밀폐된 캐비티(Cavity)가 형성된 고유전율 기판;
    상기 고유전율 기판의 일면 중 상기 캐비티에 대응하는 영역에 형성된 방사체;
    상기 고유전율 기판에 형성되어 상기 방사체에 신호를 공급하며, 상기 캐비티 내에 형성되는 급전선; 및
    상기 고유전율 기판에 형성되는 접지부
    를 포함하는 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티는 밀폐구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고유전율 기판은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 적층기판인 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접지부는 상기 고유전율 기판의 타면에 형성된 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
  6. 내부에 공기를 포함하는 밀폐된 캐비티가 형성된 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 적층 기판;
    상기 LTCC 적층 기판의 일면 중 상기 캐비티에 대응하는 영역에 형성된 방사체;
    상기 LTCC 적층 기판에 형성되어 상기 방사체에 신호를 공급하며, 상기 캐비티 내에 배치되는 급전선;
    상기 LTCC 적층 기판에 형성되는 접지부; 및
    상기 LTCC 적층 기판에 실장되는 적어도 하나의 전자소자
    를 포함하는 무선통신 모듈.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 접지부는 상기 LTCC 기판의 타면에 형성되는 것을 특징으로 하는 무선통신 모듈.
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