KR101757719B1

KR101757719B1 - 안테나

Info

Publication number: KR101757719B1
Application number: KR1020110043854A
Authority: KR
Inventors: 김동영
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2011-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2017-07-14
Also published as: KR20120126222A; US20120287008A1; US8884823B2

Abstract

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 다층 기판 내부에 비아 펜스(Via Fence)로 둘러싸인 유전체 공진기; 상기 유전체 공진기의 개구면에 형성되는 패치 안테나; 상기 다층 기판 내부의 내부 그라운드 면에 형성되는 커플링 개구부; 및 외부로부터 인가되는 신호를 전달하는 전송선로를 포함한다.

Description

안테나{Antenna}

본 발명은 밀리미터파 대역에서 방사 효율이 높은 고이득 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전체 기판을 타고 누설되는 표면파의 전달을 억제하여 고이득, 고효율 특성을 가지는 안테나에 관한 것이다.

밀리미터파 대역의 주파수는 마이크로파 대역의 주파수에 비해서 직진성이 우수하고 광대역 특성을 가지고 있기 때문에 레이더나 통신 서비스에 응용되어 주목받고 있다. 특히 밀리미터파 대역은 파장이 작기 때문에 안테나 크기의 소형화가 용이하므로 시스템의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 이러한 밀리미터파 대역을 이용한 서비스로 60GHz 대역을 이용한 광대역 통신과 77GHz 대역의 자동차용 레이더는 이미 상용화가 상당히 진행되어 제품의 출시가 이루어지고 있다.

이러한 밀리미터파 대역의 시스템을 구성하는 방법으로 제품의 소형화와 비용절감을 위하여 SiP(System in Packaging)의 형태로 시스템을 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 SiP의 방법으로 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics)나 LCP(Liquid Crystal Polymer) 기술이 가장 적합한 기술 중의 하나로 고려되고 있는데, 이와 같은 LTCC나 LCP 기술은 기본적으로 다층 기판을 이용하는 기술로 기판의 내부에 커패시터, 인덕터, 필터 등의 수동부품을 내장시켜 모듈의 소형화와 저가격화를 이룰 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한 이러한 다층 기판의 장점으로는 캐비티(Cavity)를 자유롭게 형성할 수 있기 때문에 모듈 구성의 자유도가 증가한다는 점을 들 수 있다.

이러한 LTCC를 이용한 SiP 시스템의 구성에서 안테나의 구현이 시스템의 성능을 좌우하는 핵심 구성요소로 생각되고 있다. 일반적으로 밀리미터파 주파수 대역, 특히 60GHz 이상의 초고주파 대역에서 동작하는 패치 안테나를 제작하는 경우, 유전체 기판의 표면을 타고 흐르는 표면파의 형태로 신호의 누설이 발생한다. 이러한 신호의 누설은 기판의 두께가 증가할수록 커지고 또한 기판의 유전율이 높을수록 커진다. 이러한 신호의 누설은 안테나의 방사 효율을 떨어뜨려서 안테나 이득을 감소시킨다.

현재 제품화되고 있는 밀리미터파 대역의 모듈은 소형화와 비용절감을 위해서 LTCC 기술을 이용하여 SiP의 형태로 제작되고 있다. 그러나 상술한 바와 같이 LTCC와 같은 세라믹 기판은 유기 기판에 비해서 유전율이 높기 때문에 패치 안테나로 구현하는 경우 안테나의 방사 효율과 이득이 감소한다. 이에 따라 원하는 안테나 이득을 얻기 위해서는 보다 요구되는 어레이 개수가 급격히 증가하게 된다. 따라서 기존의 제품은 안테나 부분만을 유전율이 낮은 유기기판으로 제작하고, 이를 LTCC 모듈과 결합하여 하이브리드 형태로 사용한다. 이로 인해, LTCC 단일 기판 위에 안테나를 포함하는 전체 SiP 모듈의 형태로 제작되는 것에 비해 모듈의 크기와 제작 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다층구조를 가지는 LTCC 기술을 이용하여 밀리미터파 주파수 대역, 특히 60GHz 이상의 초고주파 대역에서 동작하는 안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 다층구조를 가지는 세라믹 기판 위에 표면파의 진행을 억제하는 고이득 안테나를 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 안테나와 전치(Front-end) 모듈 부분이 하나의 기판 위에 구현 가능한 안테나를 제공한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 안테나는, 다층 기판 내부에 비아 펜스(Via Fence)로 둘러싸인 유전체 공진기; 상기 유전체 공진기의 개구면에 형성되는 패치 안테나; 상기 다층 기판 내부의 내부 그라운드 면에 형성되는 커플링 개구부; 및 외부로부터 인가되는 신호를 전달하는 전송선로를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 유전체 공진기 상부에 패치 안테나를 구비한 안테나를 제공함으로써, 패치 안테나가 반사판의 역할을 수행하여 안테나의 이득이 증가하며, 이에 따라 고효율, 고이득 특성을 가지는 안테나를 제작할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 안테나 구조를 나타낸 도면,
도 2a는 도 1의 안테나의 반사특성(S11)에 대한 HFSS(High Frequency Simulation Software) 모사실험 결과를 나타낸 그래프,
도 2b는 도 1의 안테나의 반사특성(안테나 이득)에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 안테나의 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 안테나의 스트립라인 전송선로와 커플링 개구부를 나타낸 평면도,
도 5a는 본 발명에 따른 안테나의 반사특성(S11)에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프,
도 5b는 본 발명에 따른 안테나의 반사특성(안테나 이득)에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프,
도 5c는 본 발명에 따른 안테나의 주파수에 따른 이득의 변화에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 도 3의 안테나 구조에서 커플링 개구부와 전송선로만을 45°기울인 경우의 안테나 구조를 나타낸 도면,
도 7a는 도 6의 안테나의 반사특성(S11)에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프,
도 7b는 도 6의 안테나의 77GHz에서의 반사특성(안테나 이득)에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 종래의 안테나 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 안테나는 다층 기판(110) 위에 패치 안테나(120)가 형성되어 있다. 여기서, 다층 기판(110)의 유전율은 7.2이며, 각 층의 두께는 0.1mm이다.

도 2a는 도 1의 안테나의 반사특성(S11)에 대한 HFSS(High Frequency Simulation Software) 모사실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 도 1의 안테나는 대역이 58 ~ 61.8GHz로서, 3.8GHz의 대역폭을 가진다.

도 2b는 도 1의 안테나의 반사특성(안테나 이득)에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 도 1의 안테나는 최고 4.2dBi의 이득값을 가진다. 일반적인 단일 패치 안테나에서는 기판에 수직인 방향으로 가장 큰 이득값을 가진다. 그러나 도 1의 안테나는 세타가 -15도일 때 최대 이득값을 가진다. 또한, 도 1의 안테나는 패치 안테나(120)의 형상이 마름모 모양이기 때문에 전송선로에 수직인 방향과 수평인 방향의 방사특성이 거의 유사한 특성을 보여주어야 한다. 그러나 도 2b에 도시된 바와 같이, 전송선로에 수직인 방향으로는 이득값이 좌우 대칭의 형상을 보이나, 전송선로 방향으로는 이득값의 최대점이 15도 정도 이동해 있다. 이는 표면파에 의한 신호의 누설에 의해서 기판을 타고 신호가 흐르면서 방사되기 때문이다. 따라서, 모사실험 결과 안테나의 방사 효율은 32.8%이다.

도 3은 본 발명에 따른 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나는 유전율이 6.0, tanδ가 0.0035인 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics) 재질의 다층 기판으로 이루어지고, 크게 유전체 공진기(312)를 포함하는 안테나층(310)과 급전을 위한 전송선로(321)가 위치하는 전송 네트워크층(320)으로 구성된다. 자세하게는, 다층 기판은 6개의 층으로 이루어지고, 상부 4개의 층이 안테나층(310)을 구성하고, 하부 2개의 층이 전송 네트워크층(320)을 구성한다.

한편, 본 발명에 따른 안테나는 표면 금속층(311), 유전체 공진기(312), 복수의 제1 비아(313), 패치 안테나(314), 내부 그라운드 면(315), 커플링 개구부(316), 전송선로(321), 복수의 제2 비아(322) 및 하부 그라운드 면(323) 등을 포함한다.

표면 금속층(311)은 은전극을 이용하여 유전체 공진기(312)가 형성되어 있는 영역을 제외한 다층 기판의 상부 영역에 형성된다.

유전체 공진기(312)는 4개의 층으로 이루어지고, 0.4mm의 두께를 가진다. 유전체 공진기(312)는 복수의 제1 비아(313)로 둘러싸여 있고, 복수의 제1 비아(313)가 금속벽(Metal Wall)의 역할을 수행하여 신호의 누설을 막아준다.

패치 안테나(314)는 유전체 공진기(312)의 개구면에 형성되어, 유전체 공진기(312)와 더불어 이중 공진기를 구성한다. 여기서, 유전체 공진기(312)와 패치 안테나(314)는 77GHz에서 공진하도록 설계되는 것이 바람직하다.

내부 그라운드 면(315)은 은전극을 이용하여 유전체 공진기(312)의 밑면에 형성되고, 내부 그라운드 면(315) 내부에 커플링 개구부(316)가 위치한다. 또한, 표면 금속층(311)과 내부 그라운드 면(315)은 복수의 제1 비아(313)를 통하여 전기적으로 연결된다.

또한, 유전체 공진기(312) 하부의 2개 층 즉, 전송 네트워크층(320)은 신호의 급전을 위한 스트립라인 형태의 전송선로(321)가 위치하는 층으로서, 전송선로(321) 주변에 복수의 제2 비아(322)가 위치하여 신호의 누설을 차단한다. 여기서, 복수의 제2 비아(322)는 내부 그라운드 면(315)과 하부 그라운드 면(323)을 전기적으로 연결하고, 전송선로(321) 주위로 누설되는 신호를 차단하는 역할을 수행한다.

도 4는 본 발명에 따른 안테나의 스트립라인 전송선로와 커플링 개구부를 나타낸 평면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 다층 기판의 아래 2개 층 즉, 전송 네트워크층(320)에는 신호의 급전을 위한 전송선로(321)가 위치하고 있으며, 안테나층(310)과 전송선로(321) 사이의 내부 그라운드 면(315)에는 안테나에 신호를 입력하기 위한 커플링 개구부(316)가 존재한다. 여기서, 전송선로(321)는 신호의 누설을 막아주기 위해 복수의 제2 비아(322)로 둘러싸여 있다. 이때, 커플링 개구부(316)의 폭(a)과 길이(b), 그리고 전송선로(321)의 길이(c)는 안테나의 동작 주파수 대역에서 유전체 공진기(312)와 커플링이 원활히 이루어질 수 있도록 설계된다.

이러한 안테나 구조에서 안테나의 가장 윗면은 유전체 공진기(312)의 개구부를 제외하고는 모두 금속으로 덮여있기 때문에, 표면파의 발생에 의한 신호의 누설을 방지할 수 있고, 전송선로(321)로부터 인가되는 신호는 표면파에 의한 신호의 손실 없이 유전체 공진기(312)와 패치 안테나(314)를 통하여 외부로 방사된다. 이때, 표면에 위치한 패치 안테나(314)에 의해서 안테나의 이득이 증가하여 기존의 유전체 공진기를 포함하는 안테나에 비해서 고이득 특성을 얻을 수 있다.

도 5a는 본 발명에 따른 안테나의 반사특성(S11)에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 반사 손실이 10dB 이하인 안테나의 대역은 74.1 ~ 82.6GHz로서, 8.5GHz의 넓은 대역폭을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 안테나는 도 1의 안테나보다 상당히 광대역 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

도 5b는 본 발명에 따른 안테나의 반사특성(안테나 이득)에 대한 HFSS 모사실험 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 77GHz에서 본 발명에 따른 안테나의 이득은 10.5dBi로서, 도 1의 안테나 구조에 비해서 고이득 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 이와 더불어, 도 5c에 도시된 바와 같이, 75 ~ 80GHz 대역에서 주파수에 따른 안테나 이득이 10dBi 이상으로 평탄한 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

도 6은 도 3의 안테나 구조에서 커플링 개구부와 전송선로만을 45°기울인 경우의 안테나 구조를 나타낸 도면이다.

일반적으로 커플링 개구부를 통해 급전되는 안테나의 경우 안테나에서 방사되는 신호는 전계(Electric Field)가 커플링 개구부의 장축 방향으로 정렬되기 어렵고, 단축 방향으로 정렬되는 선형 편파(Linear Polarization)를 가지게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 안테나의 커플링 개구부(316)를 도 6에 도시된 바와 같이, 45° 기울이게 되면 안테나의 편파도 45° 기울어지게 된다. 이러한 45° 편파는 자동차 분야에서 특히 중요한 특성으로 서로 마주보고 다가오는 자동차에서 방사되는 신호는 편파가 90° 차이가 나기 때문에 상대편 차량에서 방사된 신호의 간섭을 막아주게 된다.

따라서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 45° 선형 편파를 가지는 안테나에서 반사 손실이 10dB 이하인 안테나의 대역은 73.9 ~ 83.9GHz로서 10GHz의 넓은 대역폭을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 도 1의 안테나의 대역폭인 8.5GHz보다 약간 증가한 값이다.

또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 77GHz에서 본 발명에 따른 안테나의 이득은 10.3dBi로서 도 1의 안테나의 이득인 10.5dBi보다 약간 감소한 값임을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나는 커플링 개구부(316)와 전송선로(321)를 단순히 회전시켜서 쉽게 안테나의 편파 방향을 조절할 수 있다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

310: 안테나층 311: 표면 금속층
312: 유전체 공진기 313: 복수의 제1 비아
314: 패치 안테나 315: 내부 그라운드 면
316: 커플링 개구부 320: 전송 네트워크층
321: 전송선로 322: 복수의 제2 비아
323: 하부 그라운드 면

Claims

다층 기판 내부에 신호의 누설을 억제하는 제1 비아 펜스(Via Fence)로 둘러싸인 유전체 공진기;
상기 유전체 공진기의 개구면에 형성되는 패치 안테나;
상기 다층 기판 내부의 내부 그라운드 면에 형성되는 커플링 개구부; 및
외부로부터 인가되는 신호를 전달하는 전송선로를 포함하되,
상기 전송 선로는 신호의 누설을 억제하는 제2 비아 펜스로 둘러싸인 안테나.
제1항에 있어서,
상기 유전체 공진기는 상기 제1 비아 펜스를 이용하여 상기 다층 기판 내부에 형성되고, 상기 제1 비아 펜스는 상기 다층 기판을 통한 신호의 누설을 억제하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
상기 제1 비아 펜스는 상기 유전체 공진기를 둘러싸는 복수의 비아 월(Via Wall)로 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
상기 유전체 공진기의 크기와 두께는 사용 주파수 대역에서 공진을 할 수 있도록 정해지는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
상기 유전체 공진기와 상기 전송선로 사이의 상기 커플링 개구부를 통한 커플링(Coupling)에 의해서 안테나의 대역폭을 확장하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
상기 안테나는 상기 패치 안테나를 이용하여 이득을 향상시키는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
상기 전송선로는 스트립라인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
제1항에 있어서,
상기 안테나는 상기 커플링 개구부와 상기 전송선로의 방향을 조절하여 안테나의 편파(Polarization)를 조절하는 것을 특징으로 하는 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 다층 기판 상에 제공되는 표면 금속층을 더 포함하되,
상기 표면 금속층은 상기 패치 안테나로부터 수평적으로 이격되어, 상기 패치 안테나를 둘러싸는 안테나.