KR101256556B1

KR101256556B1 - 밀리미터파 대역 패치 안테나

Info

Publication number: KR101256556B1
Application number: KR1020090084400A
Authority: KR
Inventors: 김동영; 김해천
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2013-04-19
Also published as: US20110057853A1; JP4972144B2; KR20110026654A; US8319689B2; JP2011061754A

Abstract

밀리미터파 대역 패치 안테나가 제공된다. 이 패치 안테나는 복수의 유전체층들이 적층된 다층 기판, 다층 기판의 중심 영역을 제외하고, 복수의 유전체층들 사이에 개재된 적어도 하나의 금속 패턴층, 다층 기판의 상부면 상에 배치되되, 중심 영역 내에 위치된 안테나 패치, 다층 기판의 상부면에 대향하는 하부면 상에 배치된 접지층, 및 유전체층을 관통하여 금속 패턴층과 접지층을 전기적으로 연결하되, 중심 영역을 에워싸는 복수의 비아들을 포함한다. 접지층 및 복수의 비아들에 의해 둘러싸인 다층 기판의 중심 영역은 공진기 역할을 한다.

밀리미터파, 패치, 안테나, 표면파, 광대역

Description

밀리미터파 대역 패치 안테나{Patch Antenna with Wide Bandwidth at Millimeter Wave Band}

본 발명은 밀리미터파 대역 패치 안테나에 관한 것으로, 더 구체적으로 다층 기판 상에 구현된 고이득, 고효율 및 광대역 특성을 갖는 밀리미터파 대역 패치 안테나에 관한 것이다.

밀리미터파 대역(millimeter wave band)의 주파수(frequency)는 마이크로파 대역(micro wave band)의 주파수에 비해서, 직진성이 우수하고, 그리고 광대역 특성이 있기 때문에, 레이더(radar)나 통신 서비스(communications service)에의 응용이 주목받고 있다. 특히, 밀리미터파 대역은 파장이 작기 때문에, 안테나(antenna)의 크기를 소형화하는 것이 용이하므로, 시스템(system)의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 이러한 밀리미터파 대역을 이용한 통신 서비스로 60GHz 대역을 이용한 광대역(broadband) 통신과 77GHz 대역의 자동차용 레이더는 이미 상용화가 상당히 진행되어, 제품의 출시가 이루어지고 있다.

이러한 밀리미터파 대역의 시스템을 구성하는 방법으로 제품의 소형화와 비용절감을 위하여, 시스템 온 패키지(System On Package : SOP)의 형태로 시스템을 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 시스템 온 패키지의 방법으로 저온 동시소결 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramics : LTCC)나 액정 폴리머(Liquid Crystal Polymer : LCP) 기술 등이 가장 적합한 기술 중의 하나로 고려되고 있다. 이와 같은 저온 동시소결 세라믹이나 액정 폴리머 기술은 기본적으로 다층기판을 이용하는 기술로 기판의 내부에 커패시터(capacitor), 인덕터(inductor), 필터(filter) 등의 수동 부품을 내장시켜, 모듈(module)의 소형화와 저가격화를 이룰 수 있다는 장점이 있다. 또한, 이러한 다층기판의 장점으로는 캐버티(cavity)를 자유롭게 형성할 수 있기 때문에, 모듈 구성의 자유도가 증가한다는 점을 들 수 있다.

특히, 시스템 온 패키지를 이용한 시스템의 구성에서 안테나 패치(patch)의 구현이 시스템의 성능을 좌우하는 핵심 구성요소로 생각되고 있다. 일반적으로 밀리미터파 주파수 대역, 특히, 60GHz 이상의 초고주파 대역에서 동작하는 패치 안테나를 제작하는 경우, 패치 안테나에서 유전체 기판의 표면을 타고 흐르는 표면파(surface wave)의 형태로 신호의 누설이 발생한다. 이러한 신호의 누설은 기판의 두께가 증가할수록 커지고, 또한 기판의 유전율이 높을수록 커진다. 이러한 신호의 누설은 패치 안테나의 방사 효율을 떨어뜨려서 안테나 이득(gain)을 감소시킨다. 또한, 60GHz 대역의 통신 시스템에서는 7GHz 이상의 넓은 대역폭을 요구하고 있는데, 일반적인 패치 안테나 구조에서는 이러한 넓은 대역폭을 가지는 안테나를 구현하는 것이 불가능하다.

현재 제품화되고 있는 밀리미터파 대역의 모듈은 비용을 줄이기 위해서 저온 동시소결 세라믹 기술을 이용하여 시스템 온 패키지의 형태로 제작되고 있다. 그러나 위에서 서술한 바와 같이, 저온 동시소결 세라믹과 같은 세라믹 기판은 유기(organic) 기판에 비해서 유전율이 높기 때문에, 패치 안테나로 구현하는 경우, 안테나의 방사 효율과 이득이 감소하고, 원하는 안테나 이득을 얻기 위해서는 요구되는 어레이(array)의 수가 급격히 증가하며, 또한 광대역 특성을 얻는 것이 힘들다. 따라서, 종래의 제품들은 안테나 패치 부분만을 유전율이 낮은 유기 기판으로 제작하여 사용한다. 이 때문에 저온 동시소결 세라믹 단일 기판 상에 안테나 패치를 포함하는 전체 시스템 온 패키지 모듈의 형태로 제작되는 것에 비해, 모듈의 크기와 제작 비용이 증가한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유전체 기판의 표면을 타고 흐르는 표면파 형태로 신호가 누설되는 것을 방지하여 광대역 특성을 갖는 동시에 모듈의 크기 및 제작 비용을 감소시킬 수 있는 패치 안테나를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 밀리미터파 대역 패치 안테나를 제공한다. 이 패치 안테나는 복수의 유전체층들이 적층된 다층 기판, 다층 기판의 중심 영역을 제외하고, 복수의 유전체층들 사이에 개재된 적어도 하나의 금속 패턴층, 다층 기판의 상부면 상에 배치되되, 중심 영역 내에 위치된 안테나 패치, 다층 기판의 상부면에 대향하는 하부면 상에 배치된 접지층, 및 유전체층을 관통하여 금속 패턴층과 접지층을 전기적으로 연결하되, 중심 영역을 에워싸는 복수의 비아들을 포함할 수 있다. 접지층 및 복수의 비아들에 의해 둘러싸인 다층 기판의 중심 영역은 공진기 역할을 할 수 있다.

복수의 비아들은 안테나 패치에서 방사되는 파장의 반 이하의 거리로 서로 이격될 수 있다.

복수의 비아들은 중심 영역에 축적된 신호의 누설을 억제하는 금속 벽 역할을 할 수 있다.

복수의 비아들은 중심 영역에 대해 방사상으로 배치되는 적어도 하나의 추가적인 비아를 더 포함할 수 있다.

복수의 비아들에 의해 다층 기판의 상부면과 접지층 사이의 거리가 가까워지는 정도에 따라, 표면파의 전달 정도가 억제될 수 있다.

비아는 전도성 금속을 포함할 수 있다.

중심 영역은 설계 주파수 대역에서 공진할 수 있는 크기를 가질 수 있다.

중심 영역의 평면 단면은 원형, 팔각형 및 정사각형 중에서 선택된 적어도 하나의 형태를 가질 수 있다.

안테나 패치와 중심 영역 사이의 커플링에 의해 대역폭이 커질 수 있다.

안테나 패치의 평면 단면은 반지형, 원형, 팔각형, 마름모, 사각형 및 삼각 형 중에서 선택된 적어도 하나의 형태를 가질 수 있다.

안테나 패치는 전도성 금속을 포함할 수 있다.

다층 기판은 저온 동시소결 세라믹을 포함할 수 있다.

금속 패턴층은 중심 영역에 대해 방사상으로 펼쳐진 복수의 라인 패턴들일 수 있다. 복수의 라인 패턴들 각각은 복수의 비아들에 대응될 수 있다.

금속 패턴층은 전도성 금속을 포함할 수 있다.

접지층은 전도성 금속을 포함할 수 있다.

안테나 패치에 신호를 공급하기 위한 전송 선로를 더 포함할 수 있다.

전송 선로의 하부 주위에 배치된 추가적인 비아를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 다층 기판의 내부에서 비아들로 형성된 벽과 접치층에 의해 둘러싸인 영역이 공진기 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 안테나 패치에서 다층 기판의 표면을 타고 누설되는 표면파가 공진기 외부에서는 다층 기판의 표면과 접지층 사이의 줄어든 거리로 인해 전달이 어려워지고, 공진기 내부에서는 축적될 수 있다.

결과적으로, 다층 기판의 표면을 타고 외부로 누설되는 신호가 많이 줄어들고, 그리고 공진기에 축적된 신호가 외부로 방사될 수 있다. 이에 따라, 방사 효율 및 이득이 향상된 패치 안테나가 제공될 수 있다.

또한, 안테나 패치와 공진기의 커플링에 의해 대역폭이 커질 수 있다. 이에 따라, 광대역 특성을 갖는 패치 안테나가 제공될 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 이에 더하여, 본 명세서에서, 어떤 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다는 것을 의미한다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단 면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 패치 안테나(100)는 복수의 유전체층들(110f 및 110s)이 적층된 다층 기판(105), 다층 기판(105)의 중심 영역(R1)을 제외하고 복수의 유전체층들(110f 및 110s) 사이에 개재된 금속 패턴층들(metal pattern layer, 120f), 다층 기판(105)의 상부면 상에 배치되면서 중심 영역(R1) 내에 위치된 안테나 패치(140), 다층 기판(105)의 상부면에 대향하는 하부면 상에 배치된 접지층(ground layer, 120g), 내부 유전체층들(110f)을 관통하여 금속 패턴층들(120f)과 접지층(120g)을 전기적으로 연결하면서 중심 영역(R1)을 에워싸는 복수의 비아들(via, 130)을 포함한다. 접지층(120g) 및 복수의 비아들(130)에 의해 둘러싸인 다층 기판(105)의 중심 영역(R1)은 공진기(resonator) 역할을 할 수 있다. 즉, 본 발명에 실시예에 따른 패치 안테나(100)는 다층 기판(105)의 상부면에 위치하는 안테나 패치(140) 및 다층 기판(105)의 내부의 중심 영역(R1) 내에 위치하는 유전체 공진기(DR)를 갖는 구조로 이루어질 수 있다. 여기서 중심 영역(R1)과 유전체 공진기(DR)의 평면 단면의 크기 및 형태는 동일한 것일 수 있다.

다층 기판(105)은 저온 동시소결 세라믹을 포함할 수 있다. 다층 기판(105)은 유전율이 높은 복수의 유전체층들(110f 및 110s)을 적층한 후, 소결 공정을 통해 형성될 수 있다.

금속 패턴층들(120f)은 전도성 금속을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 금속 패턴층들(120f)은 은(Ag)으로 이루어질 수 있다. 다층 기판(105)의 중심 영역(R1)을 제외하고, 복수의 유전체층(110f 및 110s) 사이에 개재된 금속 패턴층들(120f)은 프린팅(printing) 등과 같은 인쇄 방식으로 하나의 유전체층(110f) 상에 형성될 수 있다.

즉, 금속 패턴층들(120f)을 포함하는 다층 기판(105)을 형성하는 것은 하나의 유전체층(110f) 상에 금속 패턴층(120f)을 형성하고, 금속 패턴층(120f)이 형성된 유전체층(110f) 상에 다시 추가적인 유전체층(110f)을 적층한 후, 추가적인 유전체층(110f) 상에 금속 패턴층(120f)을 추가로 형성하는 것을 반복적으로 수행하고, 마지막으로 표면 유전체층(110s)을 적층하는 것을 포함할 수 있다.

안테나 패치(140)는 전도성 금속을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 안테나 패치(140)는 은으로 이루어질 수 있다. 안테나 패치(140)는 프린팅 등과 같은 인쇄 방식으로 다층 기판(105)의 상부면을 포함하는 표면 유전체층(110s) 상에 형성될 수 있다. 안테나 패치(140)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 이에 대해서는 아래의 본 발명의 다른 실시예들에서 설명된다.

접지층(120g)은 전도성 금속을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 접지층(120g)은 은으로 이루어질 수 있다. 접지층(120g)은 프린팅 등과 같은 인쇄 방식으로 다층 기판(105)의 하부면을 포함하는 최하부 유전체층(110f) 하부에 형성될 수 있다.

복수의 비아들(130)은 전도성 금속을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 복수의 비아들(130)은 은으로 이루어질 수 있다. 다층 기판(105)의 중심 영역(R1)을 에워싸는 복수의 비아들(130)을 형성하는 것은 다층 기판(105)의 표면 유전체층(110s)을 적층하기 전에 내부 유전체층들(110f) 및 금속 패턴층들(120f)을 관통하는 비아 홀들(via hole)을 형성한 후, 비아 홀들을 전도성 금속으로 채우는 것일 수 있다. 이때, 비아 홀들을 형성하는 것은 펀칭(punching) 등과 같은 방법을 이용하는 것일 수 있다. 이는 소결 전의 유전체층(110f 또는 110s)은 유연성(flexibility)을 갖고 있기 때문이다. 비아 홀들(130)을 형성한 후, 표면 유전체층(110s)을 적층하고, 다층 기판(105)의 상부면 및 하부면 상에 각각 안테나 패치(140) 및 접지층(120g)을 형성한 후, 결과물을 소결함으로써, 패치 안테나(100)가 제조될 수 있다.

복수의 비아들(130)에 의해 금속 패턴층들(120f)과 접지층(120g)이 전기적으로 연결됨으로써, 다층 기판(105)의 상부면과 접지층(120g) 사이의 거리가 가까워질 수 있다. 이에 따라, 안테나 패치(140)에서 표면파 형태로 누설되는 신호가 억제될 수 있다.

또한, 다층 기판(105)의 중심 영역(R1)을 에워싸는 복수의 비아들(130)은 안 테나 패치(140)에서 방사되는 파장의 반(λ/2) 이하의 거리로 서로 이격될 수 있다. 이는 안테나 패치(140)에서 방사되는 파장(λ)이 복수의 비아들(130) 사이를 빠져나가지 못하는 거리에 해당하기 때문이다. 이에 따라, 안테나 패치(140)에서 표면파 형태로 누설되는 신호가 유전체 공진기(DR)에 축적될 수 있다.

다층 기판(105)의 중심 영역(R1)을 에워싸는 복수의 비아들(130) 외에도 중심 영역(R1)에 대해 방사상으로 배치되는 추가적인 비아들(130)이 다층 기판(130)의 내부에 더 포함될 수 있다. 이는 안테나 패치(140)에서 방사되는 파장이 중심 영역(R1) 외부로 빠져나가는 것을 최소화하기 위한 것일 수 있다.

중심 영역(R1)은 패치 안테나(100)의 설계 주파수 대역에서 공진할 수 있는 크기를 가질 수 있다.

안테나 패치(140)와 중심 영역(R1) 사이의 커플링(coupling)에 의해 패치 안테나(100)의 대역폭이 커질 수 있다. 이에 따라, 안테나 패치(140)와 중심 영역(R1)이 적당한 커플링 값을 갖도록 조절함으로써, 광대역 특성을 갖는 패치 안테나(100)가 구현될 수 있다. 중심 영역(R1)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 이에 대해서는 아래의 본 발명의 다른 실시예들에서 설명된다.

패치 안테나(100)는 안테나 패치(140)에 신호를 공급하기 위한 전송 선로(150)를 더 포함할 수 있다. 전송 선로(150)는 마이크로스트립(microstrip) 형태, 동축 프로브(coaxial probe) 형태, 개구면 결합(apertured-coupled) 형태 또는 근접 결합(proximity-coupled) 형태 등과 같은 다양한 형태로 형성될 수 있다.

도 1 및 도 2에서는 마이크로스트립 형태의 전송 선로(150)가 도시되어 있 다. 마이크로스트립 형태의 전송 선로(150)는 전도성 금속을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 마이크로스트립 형태의 전송 선로(150)는 은으로 이루어질 수 있다. 마이크로스트립 형태의 전송 선로(150)는 프린팅 등과 같은 인쇄 방식으로 다층 기판(105)의 상부면을 포함하는 표면 유전체층(110s) 상에 안테나 패치(140)와 접촉하도록 형성될 수 있다. 마이크로스트립 형태의 전송 선로(150)와 안테나 패치(140)는 서로 전기적으로 연결되기 때문에, 이 둘은 동시에 형성될 수도 있다.

마이크로스트립 형태의 전송 선로(150)의 하부 주위에 다층 기판(150) 내에 배치된 추가적인 비아들(130)을 더 포함할 수 있다. 이는 앞에서 설명된 바와 유사하게, 다층 기판(105)의 상부면과 접지층(120g) 사이의 거리가 가까워지게 하여 마이크로스트립 형태의 전송 선로(150)에 의한 표면파 형태로 누설되는 신호를 억제하기 위한 것일 수 있다.

본 발명에 실시예에 따른 패치 안테나(100)의 구조에서는 안테나 패치(140)가 접지층(120g)으로부터 거리가 멀어서, 안테나 패치(140)의 임피던스(impedance)가 방사에 적합한 임피던스를 가질 수 있으며, 다층 기판(105)의 내부의 중심 영역(R1) 내에 위치하는 유전체 공진기(DR)를 벗어난 영역에서는 비아들(130)에 의해 다층 기판(105)의 상부면과 접지층(120g) 사이의 거리가 가까워질 수 있다.

일반적으로 전송 선로(150)가 접지층(120g)에서 멀어질수록, 즉, 다층 기판(150)의 두께가 두꺼워질수록 표면파가 쉽게 전달되므로, 본 발명에 실시예에 따른 구조에서는 안테나 패치(140)를 제외한 영역에서는 접지층(120g)을 전송 선로(150)에 가깝게 함으로써, 표면파의 전달이 억제될 수 있다. 이에 따라, 안테나 패치(140)에서 표면파의 형태로 누설되는 신호는 외부로 누설되지 못하고, 유전체 공진기(DR) 안에 축적될 수 있다. 유전체 공진기(DR)의 크기를 설계 주파수 대역에서 공진하도록 조절하면, 공진된 신호가 다층 기판(105)의 외부로 방사하게 되어, 전체 패치 안테나(100)의 방사 효율 및 안테나 이득을 높이게 될 수 있다. 또한, 안테나 패치(140)와 다층 기판(105) 내부의 유전체 공진기(DR)가 적당한 커플링 값을 갖도록 조절되면, 전체 패치 안테나(100)의 대역폭이 확장되어, 광대역 특성을 갖는 패치 안테나(100)가 얻어질 수 있다.

도 3 및 도 4는 서로 다른 두께의 유전체층을 포함하는 밀리미터파 대역 패치 안테나의 마이크로 스트립 전송 선로에 신호가 전달될 때, 기판 표면에서의 전계 분포 특성들을 나타낸 그래프들이다.

도 3을 참조하면, 하나의 유전체층(도 1의 110f 또는 110s 참조)이 0.1mm의 두께를 갖는 다층 기판 상에 구현된 마이크로 스트립 전송 선로(도 1의 150 참조)에 신호가 전달되면, 전송 선로의 주위로 전계가 집중된다. 전송 선로에서 멀어질수록, 전계의 크기가 급격히 감소함을 알 수 있다.

도 4를 참조하면, 하나의 유전체층이 0.5mm의 두께를 갖는 다층 기판 상에 구현된 마이크로 스트립 전송 선로에 신호가 전달되면, 유전체층의 두께가 보다 얇은 도 3과는 달리, 전송 선로로부터 멀리 떨어져 있는 부분까지 전계가 더 분포된다. 이는 다층 기판의 표면을 타고 전계가 누설되는 것을 의미하며, 이러한 전계의 누설은 하나의 유전체층의 두께가 두꺼워질수록 증가한다.

패치 안테나(도 1의 100 참조)에서는 공급되는 신호가 안테나 패치(도 1의 140 참조)에서 방사되는 것이 이상적이지만, 유전체층의 유전율이 증가할수록, 또한 유전체층의 두께가 증가할수록 다층 기판의 표면을 타고 누설되는 표면파가 증가하여 패치 안테나의 방사 효율 및 이득이 감소한다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 반사 특성(S11) 및 방사 특성(안테나 이득)을 각각 설명하기 위한 그래프들이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 패치 안테나(도 1의 100 참조)의 반사 특성 및 방사 특성을 알아보기 위해 고주파수 모사 소프트웨어(High Frequency Simulation Software : HFSS)를 이용하여 전자기장 모사 실험 결과값들이 도시되어 있다. S-파라미터(Scattering parameter) 중 S11 값에 대한 결과값이다. S11은 입력 포트(input port)에서 입력한 파와 그 파가 반사되어 다시 입력 포트에서 출력된 파 사이의 세기 비를 나타내는 값이다.

패치 안테나는 유전율이 7.2이며, 한 층의 두께가 0.1mm인 5개의 유전체층들(도 1의 110f 및 110s참조)이 적층되어 이루어진 다층 기판(도 1의 105 참조)의 상부면 상에 마름모 형태의 안테나 패치(도 1의 140 참조)를 갖는다. 다층 기판의 내부에 복수의 비아들(도 1의 130 참조)로 이루어진 벽(wall 또는 fense) 및 접지층(120g)에 의해 둘러싸인 유전체 공진기(도 1의 DR 참조)는 다층 기판의 상부면에서 한 층 아래에 위치하여, 4개의 유전체층들의 두께를 갖는 원형 형태일 수 있다.

마름모 형태의 안테나 패치의 크기는 60GHz 대역에서 공진 주파수를 갖도록 설계되었다.

도 5를 참조하면, 패치 안테나의 대역은 57.0~64.3GHz(m1~m2)로, 패치 안테나는 7.3GHz의 대역폭을 가짐을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 금속 패턴층(도 1의 120f) 및 이를 접치층에 연결하기 위한 복수의 비아들이 제외된 동일한 종래의 패치 안테나의 경우, 패치 안테나의 대역은 58.0~61.8GHz로, 이러한 패치 안테나는 3.8GHz의 대역폭을 가졌다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 종래의 패치 안테나에 비해 광대역 특성이 향상됨을 알 수 있다.

도 6을 참조하면, 패치 안테나는 최고 8.2 dBi의 안테나 이득을 가짐을 알 수 있다. 또한, 전송 선로(도 1의 150 참조)에 수직인 방향과 수평인 방향으로 이득이 거의 유사함을 알 수 있다. 이는 표면파에 의한 신호의 누설이 다층 기판의 표면을 타고 흐르면서 방사되는 것이 억제되고 있기 때문이다. 게다가, 모사 실험의 결과, 패치 안테나는 67.8%의 방사 효율을 가짐을 알 수 있었다.

일반적으로 단층 기판을 갖는 패치 안테나는 단층 기판에 수직인 방향으로 이득이 가장 큰 값을 갖는다. 그러나 도 5에서 설명된 종래의 패치 안테나의 경우, 다층 기판에 수직인 방향에 대해 기울기(θ)가 -15°인 방향으로 최대값이 보여졌다. 또한, 안테나 패치의 형태가 마름모 형태이기 때문에, 전송 선로에 수직인 방향과 수평인 방향의 방사특성이 거의 유사한 특성을 보여주어야 하지만, 전송 선로에 수직한 방향으로는 이득이 좌우 대칭의 형상을 보였으나, 전송 선로에 수평인 방향으로는 이득이 15° 정도 이동되어 좌우 대칭의 형상이 보이지 않았다. 이는 표면파에 의한 신호의 누설이 다층 기판의 표면을 타고 흐르면서 방사되고 있기 때문이다. 게다가, 모사 실험의 결과, 종래의 패치 안테나는 32.8%의 방사 효율을 가 졌다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 종래의 패치 안테나에 비해 안테나 이득 및 방사 효율 모두 크게 향상됨을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도이다.

도 7을 참조하면, 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예와 금속 패턴층들(220f)의 형태가 다른 경우이다. 금속 패턴층(220f)은 다층 기판(205) 내의 중심 영역(R1)에 대해 방사상으로 펼쳐진 복수의 라인 패턴들일 수 있다.

앞서 도 1 및 도 2에서 설명된 바와 같이, 다층 기판(205)의 중심 영역(R1)을 에워싸는 복수의 비아들(230)은 안테나 패치(240)에서 방사되는 파장의 반(λ/2) 이하의 거리로 서로 이격되기 때문에, 안테나 패치(240)에서 방사되는 파장(λ)이 복수의 비아들(230) 사이를 빠져나가지 못한다. 즉, 다층 기판(205)의 중심 영역(R1)을 에워싸는 복수의 비아들(230)만으로도 안테나 패치(240)에서 표면파 형태로 누설되는 신호가 유전체 공진기(도 2의 DR 참조)에 축적되도록 할 수 있다.

다만, 다층 기판(205)의 상부면과 접지층(220g) 사이의 거리가 가까워지게 하여 마이크로스트립 형태의 전송 선로(250)에 의한 표면파 형태로 누설되는 신호를 억제하기 위해, 마이크로스트립 형태의 전송 선로(250)의 하부의 다층 기판(150) 내에 최소한의 금속 패턴층(220f)가 존재해야 한다. 이에 따라, 금속 패턴층(220f)은 라인 패턴 형태일 수 있다.

도 8 내지 도 11은 각각 본 발명의 제 3 내지 제 6 실시예들에 따른 밀리미 터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도들이다.

도 8 내지 도 11을 참조하면, 패치 안테나들(300, 400, 500 및 600)은 팔각형의 평면 단면을 갖는 유전체 공진기를 갖는 중심 영역(R2) 및 각각 원형, 마름모, 팔각형 및 정사각형의 평면 단면을 갖는 안테나 패치들(340, 440, 540 및 640)을 포함할 수 있다. 도시되지 않았지만, 반지형(ring), 사각형 또는 삼각형 등과 같은 다른 형태의 안테나 패치들이 포함될 수도 있다.

아래 표 1은 이러한 패치 안테나들(300, 400, 500 및 600)의 특성을 나타낸 것이다.

안테나 패치의 형태	대역폭(GHz)	안테나 이득(dBi)	안테나 효율(%)
원형	7.3(57.6~64.9)	8.05	67.1
팔각형	7.4(57.5~64.9)	7.97	67.1
마름모	7.1(57.0~64.1)	8.60	68.1
정사각형	4.8(57.2~62.0)	9.09	67.3

표 1에서 알 수 있듯이, 안테나 패치(340, 440, 540 또는 640)의 형태와 큰 관계없이, 패치 안테나들(300, 400, 500 및 600)은 고이득, 고효율 및 광대역 특성을 갖는 것을 알 수 있다.

도 12 및 도 13은 본 발명의 제 7 및 제 8 실시예들에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도들이다.

도 1, 도 11 및 도 12를 참조하면, 패치 안테나들(100, 700 및 800)은 마름모의 평면 단면을 안테나 패치(140, 740 또는 840) 및 각각 원형, 팔각형 및 정사각형의 평면 단면을 갖는 유전체 공진기들을 갖는 중심 영역들(R1, R2 및 R3)을 포함할 수 있다. 도시되지 않았지만, 정다각형 등과 같은 다른 형태의 공진기들이 포함될 수도 있다.

아래 표 1은 이러한 패치 안테나들(100, 700 및 800)의 특성을 나타낸 것이다.

공진기의 형태	대역폭(GHz)	안테나 이득(dBi)	안테나 효율(%)
원형	7.3(57.0~64.3)	8.41	67.8
팔각형	7.1(57.0~64.1)	8.60	68.1
정사각형	8.4(54.5~62.9)	8.88	65.0

표 2에서 알 수 있듯이, 중심 영역(R1, R2 또는 R3) 내의 유전체 공진기의 형태와 큰 관계없이, 패치 안테나들(100, 700 및 800)은 고이득, 고효율 및 광대역 특성을 갖는 것을 알 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예들에 따른 패치 안테나들은 안테나 패치와 그 하부에 금속으로 둘러싸인 유전체 공진기를 가짐으로써, 안테나 패치가 접지층으로부터 거리가 멀어질 수 있다. 이에 따라, 안테나 패치의 임피던스가 방사에 적합한 임피던스를 가질 수 있으며, 다층 기판의 내부에 위치하는 유전체 공진기를 벗어난 영역에서는 다층 기판의 상부면과 접지층 사이의 거리가 가까워질 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 패치 안테나들은 안테나 패치를 제외한 영역에서는 접지층이 전송 선로에 가깝게 됨으로써, 표면파의 전달이 억제될 수 있다. 이에 따라, 안테나 패치에서 표면파의 형태로 누설되는 신호가 외부로 누설되지 못하고, 유전체 공진기 안에 축적될 수 있다. 유전체 공진기의 크기가 설계 주파수 대역에서 공진하도록 조절되면, 공진된 신호가 다층 기판의 외부로 방사하게 되어, 전체 패치 안테나의 방사 효율 및 안테나 이득가 높아질 수 있다. 또한, 안테나 패치와 다층 기판 내부의 유전체 공진기가 적당한 커플링 값을 갖도록 조절되면, 전체 패치 안테나의 대역폭이 확장될 수 있다. 이에 따라, 유전체이 적층된 다층 기판 상에 구현된 고이득, 고효율 및 광대역 특성을 갖는 밀리미터파 대역 패치 안테나가 제공될 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도;

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ' 선을 따라 절단한 단면도;

도 3 및 도 4는 서로 다른 두께의 유전체층을 포함하는 밀리미터파 대역 패치 안테나의 마이크로 스트립 전송 선로에 신호가 전달될 때, 기판 표면에서의 전계 분포 특성들을 나타낸 그래프들;

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 반사 특성을 설명하기 위한 그래프;

도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 방사 특성을 설명하기 위한 그래프;

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도;

도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도;

도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도;

도 10은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도;

도 11은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조 를 설명하기 위한 입체도;

도 12는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도;

도 13은 본 발명의 제 8 실시예에 따른 밀리미터파 대역 패치 안테나의 구조를 설명하기 위한 입체도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 : 패치 안테나

110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810 : 유전체층

105, 205, 305, 405, 505, 605, 705, 805 : 다층 기판

110f, 210f, 310f, 410f, 510f, 610f, 710f, 810f : 내부 유전체층

110s, 210s, 310s, 410s, 510s, 610s, 710s, 810s : 표면 유전체층

120f, 220f, 320f, 420f, 520f, 620f, 720f, 820f : 금속 패턴층

120g, 220g, 320g, 420g, 520g, 620g, 720g, 820g : 접지층

130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 830 : 비아

140, 240, 340, 440, 540, 640, 740, 840 : 안테나 패치

150, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850 : 전송 선로

DR : 유전체 공진기

R1, R2, R3 : 중심 영역

Claims

복수의 유전체층들이 적층되되, 상기 유전체층들은 세라믹을 포함하는 다층 기판;

상기 다층 기판의 중심 영역을 제외하고, 상기 복수의 유전체층들 사이에 개재된 적어도 하나의 금속 패턴층;

상기 다층 기판의 제 1 면 상에 배치되되, 상기 중심 영역 내에 위치된 안테나 패치;

상기 안테나 패치에 신호를 공급하기 위해, 동일한 상기 다층 기판의 상기 제 1 면 상에 배치된 전송 선로;

상기 다층 기판의 상기 제 1 면에 대향하는 제 2 면 상에 배치된 접지층; 및

상기 유전체층을 관통하여 상기 금속 패턴층과 상기 접지층을 전기적으로 연결하되, 상기 중심 영역을 에워싸는 복수의 비아들을 포함하되,

상기 접지층 및 상기 복수의 비아들에 의해 둘러싸인 상기 다층 기판의 상기 중심 영역은 공진기 역할을 하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 비아들은 상기 안테나 패치에서 방사되는 파장의 반 이하의 거리로 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 비아들은 상기 중심 영역에 축적된 신호의 누설을 억제하는 금속 벽 역할을 하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 비아들은 상기 중심 영역에 대해 방사상으로 배치되는 적어도 하나의 추가적인 비아를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 비아들에 의해 상기 다층 기판의 상기 제 1 면과 상기 접지층 사이의 거리가 가까워지는 정도에 따라, 표면파의 전달 정도가 억제되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 중심 영역은 설계 주파수 대역에서 공진할 수 있는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 중심 영역의 평면 단면은 원형, 팔각형 및 정사각형 중에서 선택된 적어도 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 안테나 패치와 상기 중심 영역 사이의 커플링에 의해 대역폭이 커지는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 안테나 패치의 평면 단면은 반지형, 원형, 팔각형, 마름모, 사각형 및 삼각형 중에서 선택된 적어도 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 세라믹은 저온 동시소결 세라믹인 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 1항에 있어서,

상기 금속 패턴층은 상기 중심 영역에 대해 방사상으로 펼쳐진 복수의 라인 패턴들인 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
제 11항에 있어서,

상기 복수의 라인 패턴들 각각은 상기 복수의 비아들에 대응되는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 전송 선로의 하부 주위에 배치된 추가적인 비아를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패치 안테나.