KR102054200B1 - 비아홀로 구성된, 캐비티-백 구조의 마이크로스트립 패치 안테나 - Google Patents

비아홀로 구성된, 캐비티-백 구조의 마이크로스트립 패치 안테나 Download PDF

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Abstract

마이크로스트립 패치 안테나가 개시된다. 다수의 비아홀(via-hole)들을 포함하여 캐비티 백(cavity back) 구조를 형성하는 비아홀 패드(Via-hole Pad), 비아홀 패드 상에 위치한 패치(patch), 패치의 일측에 위치하고, 패치와 비아홀 패드를 관통하는 하나 이상의 피딩 비아홀(feeding Via-hole), 및 패치의 다른 일측에 위치하고, 패치와 그라운드부를 연결하는 쇼트닝 비아홀을 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나를 제공할 수 있다.

Description

비아홀로 구성된, 캐비티-백 구조의 마이크로스트립 패치 안테나{MICROSTRIP PATCH ANTENNA WITH CAVITY-BACKED STRUCTURE INCLUDING VIA-HOLE}
아래의 실시예들은 비아홀로 구성된, 캐비티-백 구조의 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것이다.
마이크로스트립 패치 안테나는 일반적인 평면에 안테나를 구성하기 위해 이용된다. 마이크로스트립 패치 안테나는 안테나의 길이가 동작 주파수의 반파장(λ/2)의 길이를 가지므로, 크기를 줄이는 데에 어려움이 있다. 마이크로스트립 패치 안테나는 안테나의 그라운드부가 넓지 않고 패치의 크기와 유사한 경우에 동작 주파수가 이동하는 현상이 발생한다.
일실시예에 따르면, 다수의 비아홀(via-hole)들을 포함하여 캐비티 백(cavity back) 구조를 형성하는 비아홀 패드(Via-hole Pad); 상기 비아홀 패드 상에 위치한 패치(patch); 상기 패치의 일측에 위치하고, 상기 패치와 상기 비아홀 패드를 관통하는 하나 이상의 피딩 비아홀(feeding Via-hole); 및 상기 패치의 다른 일측에 위치하고, 상기 패치와 그라운드부를 연결하는 쇼트닝 비아홀을 포함할 수 있다.
상기 그라운드부는 상기 패치로부터 기판 두께보다 작거나 같은 간격을 두고 형성될 수 있다.
상기 그라운드부는 상기 패치와 동일한 레이어(layer)에 위치할 수 있다.
상기 피딩 비아홀에서 연장되어 상기 패치로 연결되는 급전 선로를 더 포함할 수 있다.
상기 패치는, 상기 마이크로스트립 패치 안테나의 동작 주파수에서 λ/4보다 짧은 길이를 가질 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 캐비티-백 구조의 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 안테나의 레이어별 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3은 캐비티-백 구조가 아닌 마이크로스트립 패치 안테나에서의 전계(Electric Field) 분포를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 캐비티-백 구조의 마이크로스트립 패치 안테나에서의 전계(Electric Field) 분포를 나타낸 도면이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 일실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 캐비티-백 구조의 마이크로스트립 패치 안테나를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나는 비아홀 패드(Via-hole Pad)(110), 패치(patch)(120), 쇼팅 비아홀(Shorting Via-hole)(121), 피딩 비아홀(feeding Via-hole)(123), 그라운드부(130), 및 급전부(140)를 포함할 수 있다.
비아홀 패드(Via-hole Pad)(110)는 다수의 비아홀(via-hole)들(115)을 포함하여 캐비티 백(cavity back) 구조를 형성한다.
패치(patch)(120)는 비아홀 패드(110) 상에 위치할 수 있다. 패치(120)는 마이크로스트립 패치 안테나의 동작 주파수의 λ/4보다 짧은 길이를 가질 수 있다.
일 실시예에서는 패치(120)의 윗부분에 그라운드부(130)와 연결되는 비아홀(예를 들어, 쇼팅 비아홀(121))을 위치시켜 패치(120)의 길이가 안테나의 동작 주파수에서 반의 반파장(λ/4)보다 짧은 길이를 가지도록 할 수 있다.
일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나에서 이용되는 비아홀은 크게 3가지로 구분할 수 있다.
첫 번째는 안테나의 가장자리에서 캐비티 백(Cavity Backed) 구조를 형성하는 비아홀(115), 두 번째는 윗면의 패치(120)와 바닥면의 그라운드부(130)를 연결하는 쇼팅 비아홀(121), 세 번째는 패치(120)에 급전을 해주는 피딩 비아홀(123)이다.
쇼팅 비아홀(Shorting Via-hole)(121)은 패치(120)의 일측에 위치하고, 패치(120)와 그라운드부(130)를 연결할 수 있다. 쇼팅 비아홀(121)은 안테나 윗면의 패치(120)와 바닥면의 그라운드부(130)를 연결할 수 있다. 쇼팅 비아홀(121)은 하나 또는 그 이상일 수 있다.
피딩 비아홀(feeding Via-hole)(123)은 패치(120)의 일측에 위치하고, 패치(120)와 비아홀 패드(110)를 관통할 수 있다. 피딩 비아홀(123)은 패치(120)에 급전을 해 준다. 피딩 비아홀(123)은 하나 또는 그 이상일 수 있다.
그라운드부(130)는 패치(120)로부터 마이크로스트립 패치 안테나가 설치되는 기판의 두께보다 작거나 같은 간격을 두고 형성될 수 있다. 다시 말해, 패치(120)와 그라운드부(130) 간의 갭(gap)은 안테나가 위치하는 기판의 두께 보다 작거나 같으며, 이는 마이크로스트립 패치 안테나의 에지(edge)에서 에너지 필드(Energy-field)가 안테나의 패치(120)와 그라운드부(130) 사이에 집중되도록 하기 위한 것이다.
일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나가 설치되는 기판의 재료로는 예를 들어, FR-4, 테프론(Teflon), 세라믹(Ceramic) 등과 같은 다양한 유전체를 이용할 수 있다.
급전부(140)는 마이크로스트립 패치 안테나에 전원을 공급하며, 급전을 위한 급전 선로(145)를 포함할 수 있다. 급전 선로(145)는 피딩 비아홀(123)에서 연장되어 패치(120)로 연결될 수 있다. 급전 선로(145)는 예를 들어, CPWG(CoPlanar Waveguide with Ground plane) 선로일 수 있다.
일 실시예에서는 비아홀들을 사용하여 안테나의 크기를 줄이고, 마이크로스트립 패치 안테나 주위에 캐비티 백 구조를 이용함으로써 주변 환경과 그라운드부(130) 크기의 변화에 따른 안테나의 동작 주파수의 변화 및 안테나의 방사 효율의 저하 또한 일반적인 안테나에 비해 줄일 수 있다.
도 2는 도 1의 안테나의 레이어 별 패턴을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나는 제1 레이어(210), 제2 레이어(230) 및 제3 레이어(250)의 3개의 레이어(layer) 혹은 2개의 레이어로 구성될 수 있다.
제1 레이어(210)는 마이크로스트립 패치 안테나를 구성하는 패치(patch)로 구성될 수 있으며 가장 윗면에 해당할 수 있다.
제2 레이어(230)는 중간면에 해당하며, 가장 자리에는 금속 패턴이 위치할 수 있다. 이때, 금속 패턴은 패치(patch)면으로부터 기판의 가장자리 방향으로 기판 높이 h 보다 좁은 간격을 띄운 곳을 위치할 수 있다.
제2 레이어(230)의 가장 자리에는 비아홀 형성을 위해 필요한 비아홀 패드(110)가 위치할 수 있다. 비아홀 패드(110)는 제2 레이어(230)가 없이도 구성 가능하며, 제2 레이어(230)가 없는 경우에 제1 레이어(210)에 위치할 수 있다.
제3 레이어(250)에는 급전을 위한 급전 선로(145)(예를 들어, CPWG 선로)와 그라운드부(130)가 위치할 수 있다. 제3 레이어(250)는 바닥면에 해당할 수 있다.
급전 선로(145)는 마이크로스트립 패치 안테나의 가장 자리에서 출발하여 쇼팅 비아홀(121) 근처까지 들어가서 제1 레이어(210)의 패치로 연결됨으로써 급전이 가능하도록 한다. 실시예에 따라서는 커넥터를 이용하여 마이크로스트립 패치 안테나를 바로 급전할 수도 있으며, 이러한 경우 급전 선로(145)는 필요하지 않을 수 있다.
도 3은 캐비티-백 구조를 가지지 않는 마이크로스트립 패치 안테나에서의 전계(Electric Field) 분포를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 캐비티-백 구조를 가지지 않는 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나의 패치(Patch)(320)와 기판 밑에 존재하는 그라운드(Ground)부(330) 간에 프린징 필드(Fringing Field)가 생긴 것을 볼 수 있다.
일반적으로, 패치 안테나를 설계할 때에는 누설 전계에 의한 길이 증가분 때문에 패치의 길이를 λ/2 보다 약간 더 짧게 해야 원하는 주파수가 방사될 수 있다. 패치 안테나의 경우, 패치(320)의 폭(width) 방향으로의 전계(electric field)는 균일하고, 길이(length) 방향으로는 패치 안테나의 양끝에서 전계가 가장 센 것을 만족하면서 스윙(swing)하기 때문에 길이 방향으로의 가장 자리에 대해서만 프린징 효과를 고려하면 된다.
여기서, 프린징 필드(Fringing Field)는 안테나 소자의 가장 자리에서 분포하는 전계(Electric field)를 말하며, 이러한 에너지가 외부로 방사(radiation)되는 데에 기여한다.
안테나의 동작 주파수에서 양 끝단의 필드의 페이즈(Phase)는 동위상이 되어 프린징 필드가 합쳐지고, 이에 의해 전자기파가 방사된다.
도 3과 같이 캐비티 백 구조를 가지지 않는 마이크로스트립 패치 안테나의 경우, 윗쪽의 패치(320)에서 안테나 기판의 그라운드부(330) 및 그라운드부(330)의 아래에 있는 테스트 보드(310) 간에 전계가 분포되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 캐비티-백 구조의 마이크로스트립 패치 안테나에서의 전계(Electric Field) 분포를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 마이크로스트립 패치 안테나에서 캐비티-백(Cavity-backed) 구조를 패치면(420)에서 기판 높이(예를 들어, h) 보다 가깝게 배치한 것을 볼 수 있다.
이 경우, 프린징 필드(Fringing Field)가 그라운드부(430)의 아래에 있는 테스트 보드(410), 즉 메인 기판과는 거의 생기지 않게 되고, 비아홀(440)을 통해 패치(420) 옆에 위치하게 되는 그라운드부(430)와 대부분 형성된다. 결과적으로, 안테나 뒷면에서 발생할 수 있는 유전체로 인해 생기는 유전체 손실을 줄일 수 있다.
일반적으로, 안테나의 경우 그라운드 크기와 모양에 따라 안테나 특성이 달라지지만, 일실시예에서는 그라운드부(430)가 전계에 영향을 안받게 함으로써, 그라운드의 조건에 큰 영향을 받지 않는 안테나를 설계할 수 있다.
또한, 일실시예에서는 단락 핀(Shorting Pin)을 이용하여 단락된 패치 안테나(Shorted Patch Antenna)를 구성함으로써 패치의 길이를 λ/7 까지 줄일 수도 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 비아홀 패드
115: 캐비티 백 구조 형성을 위한 비아홀
120: 패치
121: 쇼팅 비아홀
123: 피딩 비아홀
130: 그라운드부
140: 급전부
145: 급전 선로

Claims (5)

  1. 다수의 비아홀(via-hole)들을 포함하며 외측 경계에 형성된 금속 패턴을 포함하는 캐비티 백(cavity back) 구조를 형성하는 비아홀 패드(Via-hole Pad);
    상기 비아홀 패드 상에 위치한 패치(patch);
    상기 패치의 일측에 위치하고, 상기 패치와 상기 비아홀 패드를 통해 급전부로 관통하는 하나 이상의 피딩 비아홀(feeding Via-hole); 및
    상기 패치의 다른 일측에 위치하고, 상기 패치와 그라운드부를 연결하는 쇼트닝 비아홀
    을 포함하고,
    상기 그라운드부는 상기 패치로부터 제 1 높이에 배치되고, 상기 패치와 상기 그라운드부 사이에는 제 2 높이를 형성하는 두께를 갖는 기판이 배치되고, 상기 제 1 높이는 상기 제 2 높이보다 작으며,
    상기 금속 패턴, 상기 패치 및 상기 그라운드부는 정렬된 비아홀들을 포함하고,
    상기 패치는 단락 핀을 사용하는 마이크로 스트립 패치 안테나의 동작 주파수에서 파장의 1/7 미만의 길이를 가지며,
    마이크로 스트립 패치 안테나의 에지에서 상기 패치와 상기 그라운드부 사이에 에너지 필드가 집중되는, 마이크로스트립 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드부는
    상기 패치로부터 상기 마이크로스트립 패치 안테나가 배치되는 기판 두께보다 작거나 같은 간격을 두고 상기 패치의 아래에 형성되는, 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드부는
    상기 패치와 동일한 레이어(layer)에 위치하는, 마이크로스트립 패치 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피딩 비아홀에서 연장되어 상기 패치로 연결되는 급전 선로
    를 더 포함하는 마이크로스트립 패치 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패치는,
    상기 마이크로스트립 패치 안테나의 동작 주파수에서 λ/4보다 짧은 길이를 가지는, 마이크로스트립 패치 안테나.
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