KR101556019B1 - 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나 - Google Patents

밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나에 관한 것이다.
본 발명의 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나는 다층 구조의 인쇄회로기판의 상면에 형성되며, 외부로부터 신호를 공급받는 급전부; 다층 구조의 인쇄회로기판의 상면에 복수의 단위 셀의 어레이로 형성되며, 상기 급전부로부터 전달받은 신호를 방사하는 ZOR(zeroth order resonance) 방사부; 및 상기 방사부와 인쇄회로기판의 내부에 형성되어 있는 그라운드(ground)를 연결하는 비아(via)를 포함하며, 상기 ZOR 방사부는 목표 주파수 대역에서 영차(zeroth order)와 1차(first order) 모드를 생성하고, 버터플라이형 방사 패턴 특성을 가지며, 인쇄회로기판의 표면에 대하여 수평으로 전파를 방사한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 제작이 용이하고, 데이터 전송 손실이 적어 밀리미터파 칩대칩(chip-to-chip) 무선 통신에 적합하며, 소형 전자부품에 채용될 경우 생산성 증진 및 제품 성능에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Description

밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나{PCB-unified zeroth order resonance antenna for millimeter-wave band}
본 발명은 영차 공진 안테나에 관한 것으로서, 더 상세하게는 인쇄회로기판(printed circuit board:PCB)에 일체로 형성되어 목표 대역폭 전체에 걸쳐 낮은 반사 계수와 일정한 방사 패턴 특성을 나타낼 수 있는 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나에 관한 것이다.
오늘날 무선 링크를 통한 기가비트(gigabit)급 데이터 전송에 대한 요구는 밀리미터파 애플리케이션(applications)의 도래를 촉진하고 있다. 마이크로파 주파수에 비해 더 짧은 파장 덕분에, 도파관이나 캐비티, 안테나 등과 같은 전파소자를 더 작게, 더 넓은 대역폭을 갖도록 설계할 수 있다. 밀리미터파 대역을 이용하는 유망한 애플리케이션 중의 하나는 칩대칩(chip-to-chip) 커뮤니케이션이다. 전자칩들 간의 무선 링크는 본딩 와이어, 볼 그리드 및 PCB 트레이스와 같은 유선 연결 부분을 줄임으로써 더 좋은 제작성과 고속 데이터 통신에 있어서의 더 적은 방열 손실의 결과를 가져온다.
밀리미터파 대역에서 칩대칩 무선링크를 구현하기 위해서는 PCB 일체형 안테나가 필요하다. 더 구체적으로, 별도의 마운트 없이 칩이 실장된 인근 PCB에 용이하게 구현할 수 있는 안테나가 필요하다. 이러한 안테나의 전기적 조건은 방사판과 접지면이 짧은 낮은 프로파일형이어야 함과 동시에, 방사판과 수평인 방향으로 전파를 방사할 수 있어야 한다.
한편, 이상과 같은 조건을 충족하는 안테나로 영차 공진 안테나(zeroth order resonance: ZOR)가 있다. ZOR 안테나는 모노폴 안테나와 같은 방사 패턴을 제공함으로써 수평 방향 방사가 가능하나, 밀리미터파 대역의 고속 데이터 통신용도로 사용하기에는 대역폭이 좁다는 단점이 있다.
최근, ZOR 안테나의 대역폭 문제를 해결하기 위한 연구가 수행되었다. 도 1은 대역폭 개선을 위해 제안된 종래 메타 물질 링 안테나의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 메타 물질 링 안테나는 낮은 유전율을 가지는 두꺼운 기판을 포함하는 다층(multi-layer) 구조체 상에 구현된다. 기판은 지지 브라켓에 의해 지지되며, 슬리브 발룬(sleave balun)에 의해 대역폭이 6.8%까지 증가한다. 그러나 이러한 링 안테나는 제작이 용이하지 않다는 단점이 있다.
한국 공개특허 제10-2013-0017274호(2013.02.20 공개) 한국 공개특허 제10-2009-0055002호(2009.06.01 공개)
본 발명은 상기와 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 목표 대역폭 전체에 걸쳐 낮은 반사 계수와 일정한 방사 패턴 특성을 가지며, 제작이 용이하고, 데이터 전송 손실이 적으며, 밀리미터파 칩대칩(chip-to-chip) 통신에 적합한 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나는,
다층 구조의 인쇄회로기판의 상면에 형성되며, 외부로부터 신호를 공급받는 급전부;
다층 구조의 인쇄회로기판의 상면에 복수의 단위 셀의 어레이로 형성되며, 상기 급전부로부터 전달받은 신호를 방사하는 ZOR(zeroth order resonance) 방사부; 및
상기 방사부와 인쇄회로기판의 내부에 형성되어 있는 그라운드(ground)를 연결하는 비아(via)를 포함하며,
상기 ZOR 방사부는 목표 주파수 대역에서 영차(zeroth order)와 1차(first order) 모드를 생성하고, 버터플라이형 방사 패턴 특성을 가지며, 인쇄회로기판의 표면에 대하여 수평으로 전파를 방사하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 급전부는 직사각형 형태의 동일 평면상의 도파로와, 하나의 정합 회로의 역할을 하는 것으로서 상기 도파로에 일체로 형성되는 직사각형 형태의 신호 전달부로 구성될 수 있다.
또한, 상기 ZOR 방사부는 직사각형 형태의 4개의 단위 셀의 어레이로 구성될 수 있다.
또한, 상기 4개의 단위 셀의 각 단위 셀은 직사각형의 패치(patch)와, 그 패치를 그라운드와 연결하는 비아로 구성될 수 있다.
또한, 상기 ZOR 방사부는 특정 주파수 범위에서 동작하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 비아는 인쇄회로기판의 상단으로부터 그 하부로 3층에 걸쳐 형성될 수 있다.
이때, 상기 3층에 걸쳐 형성되는 깊이는 특정값의 깊이로 설정될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 제작이 용이하고, 데이터 전송 손실이 적어 밀리미터파 칩대칩(chip-to-chip) 무선 통신에 적합하며, 소형 전자부품에 채용될 경우 생산성 증진 및 제품 성능에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 대역폭 개선을 위해 제안된 종래 메타 물질 링 안테나의 구조를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나의 구조를 보여주는 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나의 구조를 보여주는 종단면도.
도 4는 도 2에 도시된 안테나에 있어서 "g"를 변경하는 것에 의해 시뮬레이션된 반사 계수(S11)에 있어서의 변화를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나에 의한 버터플라이형 방사 패턴을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 안테나에 의한 전송 계수(S21)의 시뮬레이션 및 측정 결과를 보여주는 도면.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나의 구조를 보여주는 것으로서, 도 2는 평면도이고, 도 3은 종단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나(200)는 급전부(210), ZOR(zeroth order resonance) 방사부(220), 비아(via)(230)를 포함하여 구성된다.
상기 급전부(210)는 다층 구조의 인쇄회로기판(PCB)의 상면에 형성되며, 외부로부터 신호를 공급받는다. 여기서, 이와 같은 급전부210)는 PCB와 동일 평면상의 직사각형 형태의 도파로(211)와, 그 도파로(211)와 일체로 형성되며, 하나의 정합 회로의 역할을 하는 직사각형 형태의 신호 전달부(212)로 구성될 수 있다. 여기서, 특히 신호 전달부(212)는 도시된 바와 같이, 도파로(211)에 비해 상대적으로 더 넓은 폭과 길이를 갖는 하나의 직사각형 평면부로 구성된다.
상기 ZOR(zeroth order resonance) 방사부(220)는 다층 구조의 PCB의 상면에 복수의 단위 셀(221∼224)의 어레이로 형성되며, 상기 급전부(210)로부터 전달받은 신호를 방사한다. 이와 같은 ZOR 방사부(220)는 목표 주파수 대역에서 영차(zeroth order)와 1차(first order) 모드를 생성하고, 버터플라이형 방사 패턴 특성을 가지며, 인쇄회로기판의 표면에 대하여 수평으로 전파를 방사한다.
또한, 상기 ZOR 방사부(220)는 도시된 바와 같이 직사각형 형태의 4개의 단위 셀(221∼224)의 어레이로 구성될 수 있다.
또한, 상기 4개의 단위 셀(221∼224)의 각 단위 셀은 직사각형의 패치(patch)와, 그 패치를 그라운드(250)와 연결하는 비아(230)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 ZOR 방사부(220)는 특정 주파수 범위(예를 들면, 76∼84GHz의 주파수 범위)에서 동작하도록 구성될 수 있다.
상기 비아(via)(230)는 상기 ZOR 방사부(220)와 인쇄회로기판의 내부에 형성되어 있는 그라운드(250)를 연결하는 역할을 한다. 이와 같은 비아(230)는, 도시된 바와 같이 인쇄회로기판의 상단으로부터 그 하부로 3층에 걸쳐 형성될 수 있다. 이때, 3층에 걸쳐 형성되는 깊이(높이)는 특정값의 깊이(높이)(예를 들면, 0.18mm)로 설정될 수 있다.
그러면, 이하에서는 이상과 같은 본 발명에 따른 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나에 대하여 좀 더 구체적으로 상세히 설명해 보기로 한다.
< 안테나 설계 및 시뮬레이션>
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 안테나의 높이(h)는 h=0.18mm로 제한된다. 이는 안테나의 비아가 일반적인 10층 구조의 PCB에 있어서, 상부의 3층 내부에 걸쳐 형성(매설)되는 것을 의미한다. 도 2에서와 같이, 주기적인 4개의 유니트 셀(221∼224)의 어레이가 목표 주파수 대역에서 영차 및 1차 모드를 생성하기 위한 ZOR(zeroth order resonance) 방사기(radiator)로서 채용된다. 각 유니트 셀은 4각형의 패치와 그라운드로 연결하는 비아(via)로 구성된다. 안테나 급전부는 동일 평면상의 도파로와, 도파로에 비해 상대적으로 더 넓은 면적의 스터브(stub)(즉, 신호 전달부(212))로 구성된다. 여기서, 스터브는 76-84GHz의 대역폭에서 원활한 천이와 관련된 하나의 매칭 회로로서의 역할을 한다.
도 3은 목표 주파수가 80GHz로 전기적으로 작지 않아, 안테나의 공진 주파수 및 대역폭에 중대하게 영향을 미치기 때문에, 안테나 설계에 있어서 비아 랜드(via lands)가 마련되는 것을 보여준다. 비아 랜드의 직경은 25mm이며, 이는 PCB 제조사 측에 의해 제공된다.
전파(full-wave) 시뮬레이션 툴(Ansys HFSS)에 의거한 파라메트릭 연구는, 안테나 공진 주파수 및 대역폭은 파라미터들, 즉 cx, cy, fx, fy, w 및 g(도 2 참조)에 의해 조정될 수 있음을 보여준다. 그 파라미터들 중에서 스터브(신호 전달부)(212)와 첫 번째 유니트 셀(221) 간의 간격인 "g"가 대역폭에 대하여 가장 중요한 파라미터이다.
도 4는 "g"를 변경하는 것에 의해 시뮬레이션된 반사 계수(S11)에 있어서의 변화를 보여주는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 대역폭은 g가 0.1mm로부터 0.06mm로 감소함에 따라 증가한다. g = 0.08mm, 반사 계수(S11)< -10dB 인 경우, 대역폭은 목표 80GHz를 망라하여 75.4GHz로부터 84.2GHz에 걸쳐 있다. 최적화된 안테나 설계는 cx=1.5, cy=0.47, fx=1.2, fy=0.8, w=0.21 및 g=0.08mm로 수행되었다. 이러한 값들을 바탕으로, 하나의 샘플이 유전율(εr)=4.6, 손실 탄젠트(tanδ)=0.019의 값으로 10층 구조의 FR4 PCB의 상부 3층에 제작되었다. 제작된 안테나의 동일 평면상의 급전은 GSG(ground-signal-ground) 프로브로 탐색된 후, 반사계수(S11)가 네트워크 분석기를 이용하여 수집되었다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 측정된 반사계수(S11)는 시뮬레이션 데이터의 정상(top) 부분 위에 존재한다. 측정 데이터의 공진 주파수가 시뮬레이션 데이터의 공진 주파수보다 약 2 GHz 더 높다는 것을 제외하고, 그들(시뮬레이션 및 측정 데이터)이 일치하고 있음을 알 수 있다. 이것은 FR4 유전 상수에 있어서의 불일치(차이) 때문일지도 모른다. 또 다른 연구는 시뮬레이션에 있어서의 유전율(εr)=4.6 대신에, 유전율(εr)=4.4로 할당함으로써, 그 차이가 현저히 감소됨을 보여주었다.
도 5는 본 발명에 따른 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나에 의한 버터플라이형 방사 패턴을 보여주는 도면이다.
도 5의 (a)는 최적화된 설계의 80GHz에서 시뮬레이션된 3차원 방사 패턴을 보여준다. 소위 버터플라이형(butterfly-like) 방사 패턴이 관찰된다. 이러한 독특한 패턴은 두 개의 서로 다른 방사 모드, 즉 영차 모드와 일차 모드의 조합으로부터 비롯된다. 그들(영차 모드와 일차 모드)은 모노폴형 및 패치형 방사 패턴을 보여준다. 그들의 조합은 z축 방향에서 뿐만 아니라 x축 방향에서도 특징이 없으며, 이는 결과적으로 버터플라이형 방사 패턴이 된다.
도 5의 (b), (c) 및 (d)에서 2차원 플롯은 각각 76, 80 및 84GHz에서의 yz-절단형 방사 패턴에 관한 것이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 일관된 매칭 조건뿐만 아니라 방사 패턴을 제공한다는 점에서 버터플라이형 패턴은 대역폭을 통하여 잔존한다. 버터플라이형 방사 패턴은 84GHz에서 약간 기형이다. 이는 일차 모드가 영차 모드를 넘어 우세해지기 시작한다는 것을 의미한다. 비록 6.5dBi의 최대 이득이 θ=60°(PCB 표면으로부터 30°떨어진)에서 발생한다고 하더라도 2.6 dBi 이득의 평균이 θ=90°의(PCB 표면에 대하여 수평인) 방향으로 제공된다. 부정합을 포함하여 실현 이득이 76∼84GHz 범위에서 대략 1.7∼2.7dBi임을 주목해야 한다. 방사 효율은 대략 68∼72%이다.
본 발명의 안테나가 방사 에너지를 PCB 표면을 따라 성공적으로 전달한다는 것을 입증하면서, 이제 두 안테나 간의 전송계수(S21) 측정과 관련하여 살펴보기로 한다.
도 6은 전송계수(S21)의 시뮬레이션 및 측정결과와 함께 제작된 테스트 구성을 보여준다.
도 6을 참조하면, 두 안테나는 가장자리 간의 간격이 10mm로 서로 대면하도록 위치된다. 연결 분할 분석을 토대로, 전송계수(S21) > -40dB는 10mm 범위를 커버하는 신뢰할만한 칩대칩 통신을 보장한다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 시뮬레이션 전송계수(S21)는 76∼84GHz에서 -36.6∼-32.9의 범위에 걸쳐 특성을 보이며, 이는 위의 요건을 만족한다. 측정된 데이터는 시뮬레이션 데이터와 유사한 경향을 보이기는 하나, -25.3∼-20.8 dB의 훨씬 더 높은 전송계수(S21) 값을 갖는 것으로 나타난다. 이러한 10dB 차이에 대한 이유는 안테나 급전부 후방에 실장된 GSG 프로브가 반사기로서 작용하여, 후방 방사가 전방 방사에 더해지기 때문이다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나는 구성이 단순하여 제작이 용이하고, 데이터 전송 손실이 적어 밀리미터파 칩대칩(chip-to-chip) 무선 통신에 적합하며, 소형 전자부품에 채용될 경우 생산성 증진 및 제품 성능에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 안테나는 PCB 표면을 따라 무선 통신에 적합한 특유의 버터플라이형 방사 패턴을 제공할 수 있다.
이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200...(본 발명의) 안테나 210...급전부
211...도파로 212...신호 전달부
220...방사부 221∼224...유니트 셀
230...비아(via) 250...그라운드(ground)

Claims (6)

  1. 다층 구조의 인쇄회로기판의 상면에 형성되며, 외부로부터 신호를 공급받는 급전부;
    다층 구조의 인쇄회로기판의 상면에 복수의 단위 셀의 어레이로 형성되며, 상기 급전부로부터 전달받은 신호를 방사하는 ZOR(zeroth order resonance) 방사부; 및
    상기 방사부와 인쇄회로기판의 내부에 형성되어 있는 그라운드(ground)를 연결하는 비아(via)를 포함하며,
    상기 ZOR 방사부는 목표 주파수 대역에서 영차(zeroth order)와 1차(first order) 모드를 생성하고, 버터플라이형 방사 패턴 특성을 가지며, 인쇄회로기판의 표면에 대하여 수평으로 전파를 방사하고,
    다층 구조의 인쇄회로기판의 내부에 상기 비아와 인접하게 형성되어, 안테나의 공진 주파수 및 대역폭에 영향을 미치는 비아 랜드를 구비하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는 직사각형 형태의 동일 평면상의 도파로와, 하나의 정합 회로의 역할을 하는 것으로서 상기 도파로에 일체로 형성되는 직사각형 형태의 신호 전달부로 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 전달부는 상기 도파로에 비해 상대적으로 더 넓은 면적을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 ZOR 방사부는 직사각형 형태의 4개의 단위 셀의 어레이로 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 4개의 단위 셀의 각 단위 셀은 직사각형의 패치(patch)와, 그 패치를 그라운드와 연결하는 비아로 구성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비아는 인쇄회로기판의 상단으로부터 그 하부로 3층에 걸쳐 형성된 것을 특징으로 하는 밀리미터파 대역용 인쇄회로기판 일체형 영차 공진 안테나.
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