KR101872487B1 - 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나 - Google Patents

초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수개의 세라믹 시트가 적층되어 형성된 세라믹 구조체; 상기 안테나의 신호를 전달할 수 있도록 상기 세라믹 구조체의 내부에 형성된 신호패턴; 상기 신호패턴을 중심으로 대칭구조를 갖고, 상기 세라믹 구조체의 접지면을 기준으로 상기 세라믹 구조체의 상부에서 하부로 관통되어 형성된 접지패턴; 및 상기 세라믹 구조체의 상에 형성된 패드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나를 제공한다.

Description

초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나{Ceramic antenna for ultra high frequency wireless communication}
본 발명은 세라믹 안테나에 관한 것으로, 더 상세하게는 근거리 및 중거리 대역을 커버할 수 있는 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 블루투스(Bluetooth)는 통신기기 간의 기계적으로 취약하고 불편한 유선케이블을 대체할 수 있는 하나의 통신수단이다. 이는 휴대폰, 무선 헤드셋 및 네트워크뿐 아니라 디지털 카메라, 디지털 캠코더 및 조이스틱 등과 같은 다양한 기기로 넓어지고 있는 실정이다.
이러한 블루투스는 메인보드 상에 쉽게 장착할 수 있도록 RF모듈과 베이스밴드 프로세서, 플래쉬 그리고 그 주변 회로와 안테나 등을 하나의 소형 인쇄회로기판 형태로 구성된다. 즉, 상기 블루투스의 메인보드 상에는 반도체칩, 플래쉬메모리 및 여러 종류의 칩부품이 상부면에 탑재되고, 다양한 인쇄패턴이 인쇄된 인쇄회로기판(PCB)과, 상기 인쇄회로기판 상의 전자부품들에서 발생되는 유해한 전자파가 외부로 방사되는 것을 방지하면서 이들을 보호하도록 상기 인쇄회로기판 상에 조립되는 커버로 이루어진 RF모듈(Radio Frequency Module)과, 광대역의 신호를 송수신하는 안테나를 설치하였다.
또한, 상기 인쇄회로기판 상에 탑재된 반도체칩과 상기 메인보드 상에 탑재되는 안테나간의 전기적인 연결을 보다 용이하게 할 수 있도록 장방형의 칩안테나를 반도체칩이 탑재되는 인쇄회로기판 상에 일체로 조립 구성한 RF모듈을 블루투스의 메인보드에 채용하여 사용하기도 하였다.
그러나, 블루투스를 소형화하도록 메인보드를 설계할 때, 메인보드 상에 장착되는 안테나의 점유면적 및 상기 인쇄회로기판 상에 장착되는 칩안테나가 점유면적에 의해서 부품을 소형화하는데 제한적인 문제점이 있었다.
또한, RF모듈을 조립하는 라인에서 상기 인쇄회로기판 상에 커버를 조립하는 작업은, 납(Pb)분말과 주석(Sn)분말 및 특수 플럭스(FLUX)를 균일하게 혼합하여 솔더링 방식으로 납땜하여 납땜부를 형성하였으나, 솔더링하는 작업이 매우 번거롭고, 복잡하여 작업생산성을 저하시키고, 제조원가를 상승시키는 문제점이 있었다. 또, 솔더링 작업시 상기 인쇄회로기판의 전후, 좌우테두리 및 상기 인쇄회로기판 상에 탑재된 전자부품들이 솔더액에 의해서 오염되거나 납땜시 발생되는 열원에 의해 손상되는 문제점이 있었다.
또한, 60㎓ 대역에서의 근거리 무선통신에서는 7㎓ 이상의 광대역 주파수를 사용하게 되므로 사용되는 안테나의 동작 주파수도 광대역 특성이 요구된다. 이 경우, 종래의 칩안테나로는 광대역 주파수에 따른 신호를 처리하기가 매우 어렵다.
선행문헌 1 : 미국 특허출원공개공보 US2014/0145883호(2014.05.29.) 선행문헌 2 : 일본 공개특허공보 특개2012-151467호(2012.08.09.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 안테나 제조 공정을 단순화하고, 제조단가를 절감하며, 신호패턴의 단락 발생을 방지하고, 소형화할 수 있고, 근거리 및 중거리 대역을 커버할 수 있는 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나를 제공하고자 한다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나가 제공된다. 상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나는 복수개의 세라믹 시트가 적층되어 형성된 세라믹 구조체; 상기 안테나의 신호를 전달할 수 있도록 상기 세라믹 구조체의 내부에 형성된 신호패턴; 상기 신호패턴을 중심으로 대칭구조를 갖고, 상기 세라믹 구조체의 접지면을 기준으로 상기 세라믹 구조체의 상부에서 하부로 관통되어 형성된 접지패턴; 및 상기 세라믹 구조체의 상에 형성된 패드부;를 포함할 수 있다.
상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서, 상기 접지패턴은 복수개의 비아패턴을 포함하고, 상기 복수개의 비아패턴은 제 1 비아홀과 제 2 비아홀을 포함하며, 상기 제 1 비아홀은 제 1 열에 배치되고, 상기 제 2 비아홀은 제 2 열에 배치되며, 상기 제 1 열은 상기 제 2 열보다 상기 신호패턴에 더 가깝게 배치될 수 있다.
상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서, 상기 제 1 비아홀과 상기 제 2 비아홀은 서로 중첩되어 형성될 수 있다.
상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서, 상기 복수개의 비아패턴은 제 1 비아패턴과 제 2 비아패턴을 포함하고, 상기 제 1 비아패턴과 상기 제 2 비아패턴 사이의 거리는 180㎛ 내지 250㎛ 일 수 있다.
상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서, 상기 제 1 비아의 중심과 상기 제 2 비아의 중심 사이의 거리는 50㎛ 내지 200㎛ 일 수 있다.
상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서, 상기 접지패턴은 복수개의 비아패턴과 적어도 하나 이상의 슬롯(slot)을 포함하며, 상기 신호패턴은 직선 또는 곡선이 일체로 서로 연결된 구조를 포함하고, 상기 복수개의 비아패턴은 곡선 형태의 상기 신호패턴과 소정의 거리만큼 서로 이격되어 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 슬롯은 직선 형태의 상기 신호패턴과 소정의 거리만큼 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서, 상기 세라믹 구조체의 최하단에 위치한 상기 세라믹 시트의 일측면에 형성된 반도체칩을 포함하고, 신호를 출력하거나 수신할 수 있도록 상기 반도체칩은 인쇄회로기판(PCB)과 접합되며, 상기 신호패턴과 상기 접지패턴의 일단은 각각 상기 반도체칩에 연결될 수 있다.
상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서, 상기 패드부는 은(Ag) 성분을 함유하는 안테나 패드가 일정한 간격으로 배열된 어레이 구조를 포함할 수 있다.
상기 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서, 상기 신호패턴은 상기 안테나에 전원을 공급할 수 있는 스트립 라인(strip line)을 포함하고, 상기 스트립 라인은 상기 세라믹 구조체의 내부로 매립되도록 연장된 라인 형태의 금속판으로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 제조공정을 단순화하고, 제조단가를 절감하며, 신호패턴의 단락을 방지하고, 원하는 형상 및 소형으로 제조가 가능하며, 광대역 주파수 범위를 커버할 수 있으며, 임피던스 매칭 효과가 뛰어나며, 우수한 쉴드 효과를 갖는 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 구조를 개략적으로 도해하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 구조를 개략적으로 도해하는 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 구조를 개략적으로 도해하는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 라인 로스를 측정한 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나는 LTE 대비 수십배 큰 용량인 5세대 주파수 대역을 확보할 수 있으며, 방대한 주파수를 활용해 데이터 전송속도가 약 7Gbps 이상의 대용량 안테나로서, 근거리 및 중거리 대역을 모두 커버할 수 있다.
또한, 300㎓ 대역의 넓은 대역폭을 라이센스 없이 사용할 수 있어 단순한 음성 서비스뿐만 아니라 영상 및 데이터 서비스를 제공하는 스마트 기기 간 대용량 데이터 및 Full HD급 영상을 무선 고속 전송이 가능하게 하는 대용량 전송 시스템에 응용이 가능하다.
이에 따라, 300㎓ 대역에서의 근거리 무선통신에서는 7㎓ 이상의 광대역 주파수를 사용하게 되므로 사용되는 안테나의 동작 주파수도 광대역 특성이 요구된다. 이를 해결하기 위해서, 본 발명은 300㎓ 주파수 대역에서 쉴딩(shielding) 효과가 우수한 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나를 제공한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나는 복수개의 세라믹 시트가 적층된 것을 사용하며, 상기 세라믹 시트는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC, Low Temperature Cofired Ceramic)을 이용한 유전체 세라믹을 의미한다. 상기 유전체 세라믹은 저항손실이 작아 전기적 특성이 우수한 은(Ag) 또는 구리(Cu) 등의 금속재료를 패드 또는 신호패턴으로 사용한다. 이하에서, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 대한 상세한 설명에 대해 후술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 구조를 개략적으로 도해하는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 구조를 개략적으로 도해하는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 복수개의 세라믹 시트(12, 14, 16, 18)가 적층되어 형성된 세라믹 구조체(10), 안테나의 신호를 전달할 수 있도록 세라믹 구조체(10)의 내부에 형성된 신호패턴(20), 신호패턴(20)을 중심으로 대칭구조를 갖고, 세라믹 구조체(10)의 접지면(GP; Ground Plane)을 기준으로 세라믹 구조체(10)의 상부에서 하부로 관통되어 형성된 접지패턴(60) 및 세라믹 구조체(10)의 상에 형성된 패드부(30)를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)의 AA를 따라 절단한 단면도로서, 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)의 세라믹 구조체(10)는 원하는 주파수를 확보하고, 신호를 주고받을 수 있도록 세라믹 구조체(10)의 내부에 신호패턴(20)을 형성할 수 있다. 또, 세라믹 구조체(10)는 복수개의 세라믹 시트를 다층(multi layer) 형태로 적층한 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 세라믹 구조체(10)는 제 1 세라믹 시트(12), 제 2 세라믹 시트(14), 제 3 세라믹 시트(16) 및 제 4 세라믹 시트(18)가 순서대로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 각 세라믹 시트(12, 14, 16, 18)의 적어도 일부분에 신호패턴(20)이 형성될 수 있다.
일예로 제 1 세라믹 시트(12), 제 2 세라믹 시트(14), 제 3 세라믹 시트(16) 및 제 4 세라믹 시트(18)의 상면과 하면에 각각 신호패턴(20)이 형성될 수 있으며, 각각의 신호패턴(20)은 각 세라믹 시트(12, 14, 16, 18)에 구비된 비아홀(via hole)을 통해서 전기적으로 연결될 수 있다. 신호패턴(20)은 저항을 고려하여 일정한 두께를 갖도록 은(Ag)과 같은 전기전도도가 우수한 재료 및 실크 스크린 인쇄와 같은 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 여기서, 상기 비아홀은 이하에서 신호패턴(20)의 하부로 세라믹 구조체(10)를 수직하게 관통되어 형성된 신호비아(signal via, 22)를 의미한다. 신호비아(22)의 내부는 상기 은(Ag)이 직경 약 50㎛ 내지 100㎛의 두께로 채워질 수 있다.
또한, 각 세라믹 시트(12, 14, 16, 18)에 형성된 신호패턴(20)은 위치에 따라 맨 위에 형성된 것부터 차례대로 접지(ground), 파워(power) 및 신호(signal) 등을 각각 제어하는 역할을 수행할 수 있다. 여기서, 세라믹 시트는 4개의 층으로 구분하여 설명하였으나, 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)의 용도, 즉, 신호의 세기 및 주파수 대역의 범위에 따라 세라믹 시트의 개수나 크기는 다르게 제어될 수 있다.
한편, 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 신호패턴(20)을 중심으로 대칭구조를 가질 수 있는 접지패턴(60)을 포함할 수 있다. 접지패턴(60)은 세라믹 구조체(10)의 접지면(GP)을 기준으로 세라믹 구조체(10)의 상부에서 하부로 수직하게 관통되어 형성될 수 있다. 접지패턴(60)은 신호패턴(20)과 같은 방식으로 복수개의 비아홀을 이용하여 접지될 수 있으며, 상기 복수개의 비아홀은 이하에서 접지패턴(60)의 하부로 세라믹 구조체(10)를 수직하게 관통되어 형성된 접지비아(ground via, 62)를 의미한다. 여기서, 신호패턴(20)과 접지패턴(60)에 대한 상세한 설명은 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술한다.
한편, 패드부(30)는 세라믹 구조체(10)의 상면에 형성될 수 있다. 패드부(30)는 세라믹 구조체(10)의 상면(최외각에 배치된 세라믹 시트의 상면), 즉, 제 4 세라믹 시트(18)의 상면 상에 스크린 인쇄 방식과 같은 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 패드부(30)는 세라믹 구조체(10)의 상면을 기준으로 돌출된 형태를 가질 수 있다. 여기서, 상기 인쇄방식은 이미 공지된 기술로서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
패드부(30)는 신호패턴(20)으로 사용된 재료와 동일한 재료를 사용할 수 있다. 패드부(30)는 은(Ag)을 사용하여 약 10㎛의 두께의 원기둥 형상으로 형성할 수 있다. 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)의 상면에서 바라보면, 패드부(30)는 원형 패드가 일정한 간격으로 배열된 어레이 구조를 포함할 수 있다. 그러나 패드부(30)의 형상은 상기 원형에만 국한되는 것은 아니며, 정육면체, 직육면체 및 각기둥 등 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 인쇄 방법은 이미 공지된 기술로서, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 도면에 도시되지는 않았지만, 패드부(30)는 안테나 신호의 세기를 증폭시키기 위해서, 세라믹 구조체(10)의 측면에 형성될 수도 있다. 패드부(30)는 세라믹 구조체(10)의 측면에 매립된 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 세라믹 구조체(10)의 측면에 형성되는 패드부(30)는 비아 펀칭(via punching) 공정을 이용하여 세라믹 구조체(10)의 측면 중 적어도 일부를 제거한다. 이후에 제거된 영역에 비아 필링(via filling) 공정으로 은(Ag) 성분을 함유하는 페이스트(paste)로 비아(via)를 채워줌으로써 세라믹 구조체(10)의 측면에 패드부(30)를 형성할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았지만 패드부(30) 상에 패드부(30) 보다 상대적으로 전도성 물질의 함량이 더 높은 전도성 구조물(미도시)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 패드부(30)가 중량 %로, 약 70%의 은(Ag)과 약 30%의 기타 유리(glass) 성분을 함유한다면, 패드부(30) 상에 형성되는 전도성 구조물(미도시)은 중량 %로, 약 85% 내지 70%의 은(Ag)과 약 10% 내지 15%의 기타 유리(glass) 성분을 함유할 수 있다.
패드부(30) 상에 형성되는 전도성 구조물(미도시)은 약 40㎛ 내지 90㎛의 두께로 형성할 수 있다. 따라서, 패드부(30)와 전도성 구조물(미도시)을 합한 두께 총합은 약 50㎛ 내지 100㎛가 될 수 있다. 전도성 구조물(미도시)은 패드부(30)와 동일한 형상으로 형성될 수 있으나, 신호의 송수신을 보다 효율적으로 하기 위해서, 예를 들어, 돔형태, 반구형태, 원기둥, 원뿔 및 각뿔 중 적어도 어느 하나의 형태를 포함할 수 있다.
또한, 패드부(30) 상에 형성된 전도성 구조물(미도시)의 하부면을 기준으로 아래에서 위로 갈수록 지름의 크기가 점점 작아질 수 있다. 또는, 패드부(30) 상에 형성된 전도성 구조물(미도시) 높이의 절반을 기준으로 2개의 층으로 구분될 수도 있는데, 이 경우, 하부는 제 1 영역, 상부는 제 2 영역으로 구분할 수 있다. 이때, 상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역보다 지름의 크기가 더 큰 구조를 가질 수 있다. 패드부(30) 상에 형성된 전도성 구조물(미도시)이 적어도 둘 이상의 층으로 구분될 경우, 전도성 구조물(미도시)의 하부면의 면적은 제 1 패드부(32)의 상부면과 면적이 동일할 수 있다.
또한, 전도성 구조물(미도시)의 하부면을 기준으로 높이의 약 10% 지점되는 위치에서 2개의 층으로 구분될 수도 있다. 이 때, 층으로 구분되는 전도성 구조물(미도시)의 하부 구조와 상부 구조는 예를 들어, 원기둥 형상으로 서로 다른 지름을 가지고 길게 볼록한 형상을 포함할 수도 있다. 이 경우, 반구형상의 전도성 구조물(미도시) 보다 제조 단가 및 공정시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 패드부(30)와 전도성 구조물(미도시) 사이에는 버퍼층(미도시)을 포함할 수 있다. 버퍼층(미도시)은 패드부(30) 상에 형성되어 전도성 구조물(미도시)의 접착력을 향상시키는 기능을 수행하며, 안테나 신호의 노이즈 감소를 최소화할 수 있는 재료로 예를 들어, 니켈(Ni)과 금(Au)으로 이루어질 수 있다. 여기서, 버퍼층(미도시)의 니켈(Ni)과 금(Au) 성분의 함량은 패드부(30)와 전도성 구조물(미도시)의 조성에 따라 변경 설계될 수 있다.
또한, 세라믹 구조체(10)의 하부면에는 반도체칩(50)이 형성될 수 있다. 반도체칩(50)은 신호를 출력하거나 수신할 수 있도록 인쇄회로기판(PCB, 40)과 접합될 수 있다. 인쇄회로기판(40)과 반도체칩(50)은 솔더볼(45)에 의해서 접합됨으로써 안테나 제조공정을 단순화하고, 제조단가를 절감하며, 소형으로 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)를 구현할 수 있다.
한편, 주파수 대역에 따라서 신호패턴(20)의 길이와 관계가 있다. 예를 들어, 신호패턴(20)의 길이가 증가할수록 증가한 길이에 비례하여 주파수 대역이 증가할 수 있다. 이 경우, 세라믹 구조체(10)의 크기에 따라 신호패턴(20)의 길이가 증가할 수 있다. 만약, 세라믹 구조체(10)를 구성하는 세라믹 시트를 복수개로 구분하여 세라믹 시트의 표면적을 증대시킴으로써 신호패턴(20)의 길이를 제어할 수 있다.
또한, 안테나 신호의 세기는 패드부(30)의 개수 및 크기와 관계가 있다. 예를 들어, 패드부(30)의 개수를 증가시키거나, 패드부(30)의 크기를 증가시킬 경우, 패드부(30)의 크기 및 개수의 증가에 비례하여 안테나 신호의 세기가 증가할 수 있다. 만약, 패드부(30)가 약 20개 내외가 배치된 경우보다 약 30개 내외가 배치된 경우 안테나의 세기는 약 30개 내외의 패드부(30)가 배치된 안테나의 세기가 더 큰 값을 가질 수 있다. 또는, 패드부(30)의 두께가 동일하다고 가정할 때, 패드부(30)의 면적이 증가할 경우, 안테나의 세기가 더 큰 값을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 세라믹 구조체(10)의 상면 또는, 세라믹 구조체(10)의 상면과 측면 모두 패드부(30)가 형성됨으로써 종래기술 대비 신호 세기가 상대적으로 더 높은 안테나를 구현할 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 세라믹 구조체(10)의 측면 또는 측면과 상면에 걸쳐 형성된 충격보호층(미도시)을 포함할 수 있다. 충격보호층(미도시)은 예를 들어, 폴리머(polymer) 재질을 사용할 수 있다. 충격보호층(미도시)은 세라믹 구조체(10)의 측면을 둘러싸는 구조를 가질 수 있다. 충격보호층(미도시)은 하나의 폴리머층으로 이루어질 수 있으나, 얇은 폴리머 재질의 폴리머층 복수개가 서로 적층되어 겹쳐질 수도 있다.
충격보호층(미도시)의 두께는 0.1㎜ 내지 1.0㎜을 만족할 수 있다. 만약, 충격보호층(미도시)의 두께가 0.1㎜ 미만일 경우, 외부의 충격으로부터 세라믹 구조체(10)를 보호할 수 없다. 반면에 충격보호층(미도시)의 두께가 1.0㎜ 초과할 경우, 외부의 충격으로부터는 견뎌낼 수 있으나, 안테나 신호의 세기가 감소되어 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)로서 기능을 수행할 수 없다.
또한, 충격보호층(미도시)은 폴리머 재질 이외에도 금속 또는 복합 재료 등을 사용할 수도 있다. 이 경우, 세라믹 구조체(10)의 측면을 감아 둘러싸는 형태가 아니라, 소정의 거리만큼 이격되어 배치될 수도 있다. 이 때, 안테나 신호의 감도를 방해하지 않도록 세라믹 구조체(10)의 상부면은 외부로 노출되도록 형성되어야 하며, 금속성분 중에서도 안테나 신호의 감도를 방해하지 않는 재료를 사용해야 한다.
예를 들어, 금속 재질을 사용하여 충격보호층(미도시)이 세라믹 구조체(10)와 서로 이격되어 배치될 경우, 상기 금속 재질로 이루어진 충격보호층(미도시)의 외부에 폴리머 재질로 더 감싼 형태로 제조할 수도 있다. 이 경우, 폴리머 재질로만 이루어진 보호층의 두께보다 더 얇게 형성할 수도 있어, 안테나 신호의 감도를 저해하는 것을 방지할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 구조를 개략적으로 도해하는 평면도이다. 도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 접지면(GP)을 기준으로 절단한 평면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 세라믹 구조체(10)의 내부에 신호패턴(20)을 구비할 수 있다. 신호패턴(20)은 안테나의 신호를 전달할 수 있는 신호선(20a)과 안테나에 전원을 공급할 수 있는 스트립 라인(선로(strip line), 20b)을 포함할 수 있다. 신호선(20a)은 세라믹 구조체(10)의 내부로 매립되도록 연장되어 소정의 형태로 형성될 수 있다.
상기 소정의 형태는 예를 들어, 아령 모양처럼 어느 일측에 원 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 원 형상의 일부에 연결되어 직사각형 형상을 갖도록 길게 늘어진 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 소정의 형태는 원 형상 또는 직사각형 형태로 한정되지 않으며, 안테나 신호의 주파수 대역과 신호세기에 따라 변경설계 될 수 있다.
스트립 라인(20b)은 신호선(20a)의 형태에 따라 형성될 수 있다. 즉, 스트립 라인(20b)은 신호선(20a) 최외곽의 테두리를 따라 신호선(20a)의 모양과 동일하게 형성될 수 있다. 스트립 라인(20b)은 세라믹 구조체(10)의 내부로 매립되도록 연장된 라인 형태의 금속판으로 형성될 수 있다. 이 때, 스트립 라인(20b)은 신호선(20a)의 최외곽 테두리와 소정의 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 신호선(20a)과 스트립 라인(20b)간 간격은 설정된 주파수 대역과 신호세기에 따라 좁게 배치하거나 넓게 배치할 수 있다.
한편, 접지패턴(60)은 복수개의 비아패턴을 포함할 수 있다. 상기 복수개의 비아패턴은 제 1 비아패턴(64)과 제 2 비아패턴(66)을 포함할 수 있다. 제 1 비아패턴(64) 또는 제 2 비아패턴(66)은 각각 복수개의 비아홀을 구비할 수 있다.
구체적으로, 제 1 비아패턴(64)은 제 1 비아홀(64a)과 제 2 비아홀(64b)을 포함할 수 있다. 제 1 비아홀(64a)과 제 2 비아홀(64b)은 서로 중첩되어 형성될 수 있다. 상기 중첩은 제 1 비아홀(64a)와 제 2 비아홀(64b)이 완전히 겹쳐지는 것을 의미하는 것이 아니라, 제 1 비아홀(64a)의 적어도 어느 일부분과 제 2 비아홀(64b)의 적어도 어느 일부분이 서로 겹쳐지는 것을 의미한다.
제 1 비아홀(64a)는 제 1 열에 배치되고, 제 2 비아홀(64b)은 제 2 열에 배치되어 서로 중첩될 수 있다. 여기서, 상기 제 1 열은 상기 제 2 열보다 신호패턴(20)에 더 가깝게 배치된 것을 의미한다. 제 1 비아홀(64a)의 중심과 제 2 비아홀(64b)의 중심 사이의 거리(x1)는 약 50㎛ 내지 200㎛ 의 거리를 만족할 수 있다.
제 2 비아패턴(66)은 제 3 비아홀(66a)과 제 4 비아홀(66b)을 포함할 수 있다. 제 3 비아홀(66a)과 제 4 비아홀(66b)은 서로 중첩되어 형성될 수 있다. 상기 중첩은 제 3 비아홀(66a)와 제 4 비아홀(66b)이 완전히 겹쳐지는 것을 의미하는 것이 아니라, 제 3 비아홀(66a)의 적어도 어느 일부분과 제 4 비아홀(66b)의 적어도 어느 일부분이 서로 겹쳐지는 것을 의미한다.
제 3 비아홀(66a)는 제 1 비아홀(64a)과 같이 제 1 열에 배치되고, 제 4 비아홀(66b)은 제 2 비아홀(64b)와 같이 제 2 열에 배치되어 서로 중첩될 수 있다. 여기서, 상기 제 1 열은 상기 제 2 열보다 신호패턴(20)에 더 가깝게 배치된 것을 의미한다. 제 3 비아홀(66a)의 중심과 제 4 비아홀(66b)의 중심 사이의 거리(x2)는 약 50㎛ 내지 200㎛ 의 거리를 만족할 수 있다.
한편, 제 1 비아패턴(64)과 제 2 비아패턴(66)은 서로 소정의 거리(y1)만큼 이격되어 배치될 수 있다. 상기 소정의 거리(y1)는 약 180㎛ 내지 250㎛ 의 거리를 만족할 수 있다. 상기 소정의 거리(y1)는 제 1 비아패턴(64)에 구비된 제 2 비아홀(64b)과 제 2 비아패턴(66)에 구비된 제 3 비아홀(66a)간의 거리를 의미한다.
이하에서, 각각의 비아패턴의 구조 및 각 비아홀 간의 간격이 갖는 공정상의 의미에 대해서 설명한다. 접지패턴(60)은 광대역 주파수 특성을 갖도록 복수개의 비아들이 형성되어 비아의 구조 및 개수에 따라 쉴드효과를 개선할 수 있다. 일반적으로, 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)에서 비아가 증가할수록 특성은 좋아진다. 그러나 디자인 룰(design rull)상 무한정으로 비아의 개수를 증가시킬 수 없다. 통상적으로 공정상 비아의 센터 간 거리 즉, 제 1 비아홀(64a)의 중심과 제 2 비아홀(64b)의 중심간 피치(pitch)는 약 250㎛ 이상인데, 이는 250㎛ 이하로 간격을 좁혀서 비아홀을 형성할 경우, 공정을 수행하기 매우 어려운 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 디자인 가이드(design guide)를 통상적인 수준으로 진행하되, 각 비아의 중심간 거리(x1, x2)를 약 250㎛ 이하로 줄일 수 있는 구조를 형성하였다. 각 비아의 중심간 거리(x1, x2)가 증가할수록 임피던스 값은 낮아지게 되는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 비아의 개수를 증가시키면서, 각 비아의 중심간 거리(x1, x2)를 줄일 수 있는 형태이기 때문에, 임피던스 매칭에 매우 유리합니다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 소정의 형태를 갖는 신호패턴(20)과 접지패턴(60)을 구비한다. 신호패턴(20)에 대한 상세한 설명은 도 3을 참조하여 상술한 바와 동일하므로 생략한다. 접지패턴(60)은 제 1 열에 배치되는 제 1 비아홀(64a)과 제 2 열에 배치되는 제 2 비아홀(64b)을 구비할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 열은 상기 제 2 열보다 신호패턴(20)에 더 가깝게 배치된 것을 의미한다. 이 경우, 제 1 비아홀(64a)과 제 2 비아홀(64b)은 서로 중첩되지 않도록 배치되며, 각각의 제 1 비아홀(64a) 사이사이에 제 2 비아홀(64b)이 배치될 수 있다. 이 때, 각각의 제 1 비아홀(64a)간의 거리, 각각의 제 2 비아홀(64b)간의 거리 및 제 1 비아홀(64a)과 제 2 비아홀(64b)의 거리는 약 50㎛ 내지 200㎛ 의 거리를 만족할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 구조적인 측면에서 각 비아간 피치를 유지하면서, 임피던스 매칭에 유리하며, 뛰어난 쉴드(shild) 효과를 낼 수 있다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 소정의 형태를 갖는 신호패턴(20)과 접지패턴(60)을 구비한다. 신호패턴(20)에 대한 상세한 설명은 도 3과 도 4를 참조하여 상술한 바와 동일하므로 생략한다. 접지패턴(60)은 복수개의 제 5 비아홀(68)과 슬롯(slot, 69)을 구비할 수 있다.
제 5 비아홀(68)은 원 형상으로 형성된 신호패턴(20)의 주변에 일정한 간격을 갖고 배치될 수 있다. 이 때, 신호패턴(20)의 스트립 라인(20b)과 제 5 비아홀(68) 간의 간격은 가까울수록 좋으나, 각각 제 5 비아홀(68)간의 간격이 약 50㎛ 내지 200㎛ 의 거리를 만족하면서 최대한 많이 배치할 수 있도록 거리를 유지할 수 있다.
또한, 슬롯(69)은 직사각형 형상으로 형성된 신호패턴(20)의 주변에 일정한 간격을 갖고 배치될 수 있다. 상기 일정한 간격은 제 5 비아홀(68)과 스트립 라인(20b)간 거리와 동일한 거리를 의미하며, 제 5 비아홀(68)과 슬롯(69) 사이의 거리도 약 50㎛ 내지 200㎛ 의 거리를 만족할 수 있다. 제 5 비아홀(68)의 직경과 슬롯(69)의 폭 크기는 서로 동일하게 설계될 수 있다. 슬롯(69)의 길이는 신호패턴(20)의 구조에 따라 적어도 하나 이상의 직사각형 구조물로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
발명의 실험예에 의한 샘플로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 접지패턴(60)을 구성하는 복수개의 비아패턴을 구비하며, 상기 비아패턴을 구성하는 제 1 비아홀(64a)의 적어도 일부와 제 2 비아홀(64b)의 적어도 일부가 서로 중첩되도록 배치시킨 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100) 샘플을 제조하였다. 여기서, 제 1 비아홀(64a)과 제 2 비아홀(64b)의 직경은 약 100㎛이며, 제 1 비아홀(64a)의 중심과 제 2 비아홀(64b)의 중심 사이의 거리는 약 100㎛로 제어하였으며, 각 비아패턴의 간격은 약 200㎛로 제어하여 제조하였다. 제조된 샘플을 Network Analyzer Agilent, Probe Station을 이용하여 0 내지 67㎓의 범위내에서 라인 프루빙(line probing)으로 라인 로스(line loss)를 측정하였다.
한편, 이와 비교하기 위해서, 비아홀을 중첩시키지 않고, 제 1 열에만 배치시킨 세라믹 안테나 샘플을 비교예로 제조하였다. 상기 비아홀의 직경은 약 100㎛이며, 각 비아홀 사이의 간격은 약 200㎛로 제어하여 제조하였다. 상기 비교예 샘플의 라인 로스는 상기 실험예와 동일한 방법으로 테스트하였다.
상기 라인 로스 측정 조건은 하기 표 1에 정리하였고, 그 결과값은 하기 표 2에 정리하였다.
Figure 112017013352488-pat00001
Figure 112017013352488-pat00002
도 6은 본 발명의 일 실험예에 따른 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나의 라인 로스를 측정한 결과이다.
도 6, 표 1 및 표2를 참조하면, 본 발명의 실험예와 같이, 비아홀을 중첩하여 종래의 디자인 룰을 극복하도록 설계한 경우, 비교예와 같이, 비아홀을 일렬로 배치한 경우를 서로 비교하면, 동일한 비아크기를 갖고 있음에도 동일한 주파수 대역에서의 라인 로스(line loss) 값에 차이를 보이고 있다. 실험예의 비아패턴간 간격과 비교예의 비아홀간 간격이 동일하게 유지되면서도 제 1 비아홀과 제 2 비아홀의 배치에 따라 노이즈 감소 효과가 평균 약 20% 내외 개선됨을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 의한 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)는 세라믹 구조체(10), 신호패턴(20), 접지패턴(60) 및 패드부(30)를 포함하며, 신호패턴(20)과 접지패턴(30)의 적절한 배치를 통해서 광대역 범위의 안테나 신호를 처리할 수 있다.
또한, 본 발명은 접지패턴(60)을 구성하는 복수개의 비아홀들을 제 1 열과 제 2 열로 구분하여 배치하고, 복수개의 비아홀들 중 적어도 일부분을 서로 중첩되도록 배치함으로써 임피던스 매칭이 유리한 구조를 형성하였으며, 이로 인해, 종래의 구조보다 평균 약 20% 이상 더 우수한 쉴드효과를 얻을 수 있고, 300㎓의 넓은 주파수 대역을 갖는 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나(100)를 구현할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 세라믹 구조체
12 : 제 1 세라믹 시트
14 : 제 2 세라믹 시트
16 : 제 3 세라믹 시트
18 : 제 4 세라믹 시트
20 : 신호패턴
20a : 신호선
20b : 스트립 라인(선로)
22 : 신호비아
30 : 패드부
40 : 인쇄회로기판
45 : 솔더볼
50 : 반도체칩
60 : 접지패턴
62 : 접지비아
64 : 제 1 비아패턴
64a : 제 1 비아홀
64b : 제 2 비아홀
66 : 제 2 비아패턴
66a : 제 3 비아홀
66b : 제 4 비아홀
68 : 제 5 비아홀
69 : 슬롯
100 : 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나

Claims (9)

  1. 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서,
    복수개의 세라믹 시트가 적층되어 형성된 세라믹 구조체;
    상기 안테나의 신호를 전달할 수 있도록 상기 세라믹 구조체의 내부에 형성된 신호패턴;
    상기 신호패턴을 중심으로 대칭구조를 갖고, 상기 세라믹 구조체의 접지면을 기준으로 상기 세라믹 구조체의 상부에서 하부로 관통되어 형성된 접지패턴; 및
    상기 세라믹 구조체의 상에 형성된 패드부;
    를 포함하며,
    상기 접지패턴은 복수개의 비아패턴을 포함하고, 상기 복수개의 비아패턴은 제 1 비아홀과 제 2 비아홀을 포함하며, 상기 제 1 비아홀은 제 1 열에 배치되고, 상기 제 2 비아홀은 제 2 열에 배치되며, 상기 제 1 열은 상기 제 2 열보다 상기 신호패턴에 더 가깝게 배치되는 것을 특징으로 하는,
    초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 비아홀과 상기 제 2 비아홀은 서로 중첩되어 형성된 것을 특징으로 하는,
    초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수개의 비아패턴은 제 1 비아패턴과 제 2 비아패턴을 포함하고, 상기 제 1 비아패턴과 상기 제 2 비아패턴 사이의 거리는 180㎛ 내지 250㎛ 인 것을 특징으로 하는,
    초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 비아홀의 중심과 상기 제 2 비아홀의 중심 사이의 거리는 50㎛ 내지 200㎛ 인 것을 특징으로 하는,
    초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나.
  6. 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 있어서,
    복수개의 세라믹 시트가 적층되어 형성된 세라믹 구조체;
    상기 안테나의 신호를 전달할 수 있도록 상기 세라믹 구조체의 내부에 형성된 신호패턴;
    상기 신호패턴을 중심으로 대칭구조를 갖고, 상기 세라믹 구조체의 접지면을 기준으로 상기 세라믹 구조체의 상부에서 하부로 관통되어 형성된 접지패턴; 및
    상기 세라믹 구조체의 상에 형성된 패드부;
    를 포함하며,
    상기 접지패턴은 복수개의 비아패턴과 적어도 하나 이상의 슬롯(slot)을 포함하며, 상기 신호패턴은 직선 또는 곡선이 일체로 서로 연결된 구조를 포함하고,
    상기 복수개의 비아패턴은 곡선 형태의 상기 신호패턴과 소정의 거리만큼 서로 이격되어 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 슬롯은 직선 형태의 상기 신호패턴과 소정의 거리만큼 서로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는,
    초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 구조체의 최하단에 위치한 상기 세라믹 시트의 일측면에 형성된 반도체칩을 포함하고, 신호를 출력하거나 수신할 수 있도록 상기 반도체칩은 인쇄회로기판(PCB)과 접합되며, 상기 신호패턴과 상기 접지패턴의 일단은 각각 상기 반도체칩에 연결된 것을 특징으로 하는,
    초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패드부는 은(Ag) 성분을 함유하는 안테나 패드가 일정한 간격으로 배열된 어레이 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호패턴은 상기 안테나에 전원을 공급할 수 있는 스트립 라인(strip line)을 포함하고, 상기 스트립 라인은 상기 세라믹 구조체의 내부로 매립되도록 연장된 라인 형태의 금속판으로 형성된 것을 특징으로 하는,
    초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나.
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CN113923860A (zh) * 2021-10-11 2022-01-11 恒为科技（上海）股份有限公司 一种基于sfi接口的电信号测试装置
CN113923860B (zh) * 2021-10-11 2023-08-29 恒为科技（上海）股份有限公司 一种基于sfi接口的电信号测试装置

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