KR102138445B1 - 소형 버틀러 매트릭스 장치 및 이를 포함하는 빔포밍 안테나 장치 - Google Patents

소형 버틀러 매트릭스 장치 및 이를 포함하는 빔포밍 안테나 장치 Download PDF

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Abstract

소형 버틀러 매트릭스 장치 및 이를 포함하는 빔포밍 안테나 장치가 개시된다. 개시된 버틀러 매트릭스 장치는 복수의 유전체 레이어; 및 복수의 금속 레이어;를 포함하되, 상기 복수의 유전체 레이어 및 상기 복수의 금속 레이어는 적층된 구조를 가지되, 상기 복수의 금속 레이어 중 일부의 금속 레이어는 상기 복수의 유전체 레이어의 사이에 배치되고, 상기 일부의 금속 레이어 중 2 이상의 금속 레이어는 상기 유전체 레이어를 관통하는 비아(via)를 통해 전기적으로 연결되어 버틀러 매트릭스를 구성한다.

Description

소형 버틀러 매트릭스 장치 및 이를 포함하는 빔포밍 안테나 장치{Small-sized butler matrix device and Beam-forming antenna device including the same}
본 발명의 실시예들은 크기를 소형화 할 수 있는 버틀러 매트릭스 장치 및 이를 포함하는 빔포밍 안테나 장치에 관한 것이다.
본 발명은 방송통신산업기술개발(R&D) 및 IT·SW융합산업원천기술개발의 일환으로 출원된 특허이며, 관련 사항은 아래와 같다.
관련 사항 1
연구 사업명: 방송통신산업기술개발(R&D)
부처명: 과학기술정보통신부
연구관리전문기관: 정보통신기술진흥센터
연구 과제명: 대학 ICT 기초연구실 (RF 빔포밍 안테나 및 송수신기 다기능 MMIC 고도화 기술)
연구기관(주관기관): 광운대학교 산학협력단
과제고유번호: 2017-0-00959
연구기간: 2018.01.01 ~ 2018.12.31
관련 사항 2
연구 사업명: IT·SW융합산업원천기술개발
부처명: 과학기술정보통신부
연구관리전문기관: 정보통신기술진흥센터
연구 과제명: 캡슐 내시경 통신용 초저전력 MICS/BAN 이중 광대역 송수신기 개발
연구기관(주관기관): 광운대학교 산학협력단
과제고유번호: 2016-0-00111
연구기간: 2018.01.01 ~ 2018.12.31
밀리미터파 대역에서 사용되는 스위치 빔포밍 안테나 시스템(Switched Beamforming Antenna System)은 미리 설정된 여러 개의 빔 패턴 중에서 하나의 빔 패턴으로 스위칭하여 특정 빔 패턴을 발생시키는 방식이다. 이러한 스위치 빔포밍 방식은 구조가 간단하고 생성된 빔 패턴의 재현성이 높아 5세대 이동통신 단말 또는 기지국과, 60GHz 대역 근거리 무선통신, 77GHz의 자동차용 충돌방지 레이다 등에 많이 사용되고 있다.
스위치 빔포밍 안테나 시스템을 구현하는 핵심 회로는 버틀러 매트릭스이다. 버틀러 매트릭스는 하이브리드 커플러 및 고정형 위상 변위기로 이루어진 수동 회로 네트워크로서, 다수의 신호 입력 단자 중에 어떤 단자를 선택하느냐에 따라 다수의 출력 단자에 나오는 신호의 위상 간격이 미리 설정된 원하는 값으로 정해진다. 일반적인 버틀러 매트릭스는 보통 동작 주파수 파장의 2~3배에 해당하는 가로 및 세로의 크기를 갖는다.
보다 상세하게, 도 1은 일반적인 버틀러 매트릭스의 구조도를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 버틀러 매트릭스는 4×4 구조의 버틀러 매트릭스로서, 세 개의 구성요소인 하이브리드 커플러, 크로스오버 커플러 및 고정형 위상변위기를 포함한다.
하이브리드 커플러의 경우, 입력 신호가 P1에 인가되었을 때, P2에서는 3dB 감쇄되고 90도 위상 지연된 신호가 출력되고, P3에서는 3dB 감쇄되고 0도 지연된 신호가 출력되고, P4에서는 출력신호가 발생되지 않는다. 크로스오버 커플러의 경우, P1과 P4에 인가되는 입력신호가 각각 P3와 P2로 전달되고 다른 포트로는 신호전달이 없다. 위상 변위기의 경우, P1에 입력된 신호에 대해 설정된 위상값이 변위된 출력신호가 P2로 출력된다. 도 1의 경우, 위상변위기의 위상값은 -45도이다.
도 2는 도 1의 버틀러 매트릭스의 실제 구현도를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 1층 기판의 상하 양면에 메탈층을 전극으로 사용하며, 버틀러 매트릭스의 구성요소를 마이크로스트립 형태로 구현한다.
그리고, 입력포트 P1 내지 P4에 두 개의 하이브리드 커플러(A)가 연결되고, 그 뒤에 두 개의 위상변위기(C) 및 하나의 크로스오버 커플러(B)가 연결되고, 그 뒤에 두 개의 하이브리드 커플러(A)가 연결되고, 이어서 네 개의 위상변위기(C) 및 하나의 크로스오버 커플러(B)가 연결되고, 마지막으로 4개의 출력포트 P5 내지 P8가 연결된다.
버틀러 매트릭스의 전체 크기는 가로 W1, 세로 L1을 갖는다. 버틀러 매트릭스의 크기는 일반적으로 동작 주파수 대역 파장의 2~3배를 차지하며, 추가적인 라우팅까지 포함하면 이보다 클 수 있다. 예를 들어, 5G를 위한 28GHz 대역에서, 타코닉사의 TLY-5A(유전상수 = 3.17) 기판 상에 도 2와 같은 버틀러 매트릭스가 존재하는 경우, 그 크기는 16.4×16.6 mm2이다.
하지만, 근래의 휴대용 이동통신용 단말기들이 소형화되고 있는 추세를 감안하면, 기존의 버틀러 매트릭스를 이용한 스위치 빔포밍 회로는 큰 면적으로 인해 실제 밀리미터파 빔포밍 시스템에 활용이 어려운 단점이 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 크기를 최소화할 수 있는 버틀러 매트릭스 장치 및 이를 포함하는 빔포밍 안테나 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 복수의 유전체 레이어; 및 복수의 금속 레이어;를 포함하되, 상기 복수의 유전체 레이어 및 상기 복수의 금속 레이어는 적층된 구조를 가지되, 상기 복수의 금속 레이어 중 일부의 금속 레이어는 상기 복수의 유전체 레이어의 사이에 배치되고, 상기 일부의 금속 레이어 중 2 이상의 금속 레이어는 상기 유전체 레이어를 관통하는 비아(via)를 통해 전기적으로 연결되어 버틀러 매트릭스를 구성하는 것을 특징으로 하는 버틀러 매트릭스 장치가 제공된다.
상기 2 이상의 금속 레이어 각각은 하이브리드 커플러, 크로스오버 커플러 및 위상 변위기 중 하나 이상으로 구성되는 회로를 포함할 수 있다.
상기 2 이상의 금속 레이어 중 어느 하나의 금속 레이어는 상기 2 이상의 금속 레이어 중 상기 어느 하나의 금속 레이어의 위쪽에 배치된 금속 레이어 및 상기 2 이상의 금속 레이어 중 상기 어느 하나의 금속 레이어의 아래쪽에 배치된 금속 레이어 중 적어도 하나와 비아를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 복수의 금속 레이어 중 2개의 금속 레이어는 상기 복수의 유전체 레이어 중 최하위 유전체 레이어의 하부 및 최상위 유전체 레이어의 상부에 배치되어 접지면의 기능을 수행하고, 비아 홀이 형성될 수 있다.
상기 일부의 금속 레이어 중 2 이상의 금속 레이어를 제외한 나머지 금속 레이어는 상기 2 이상의 금속 레이어 각각의 사이에 배치되어 접지면의 기능을 수행하고, 비아 홀이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 비아 홀이 형성되는 N(2 이상의 정수)개의 유전체 레이어; 및 N+1개의 금속 레이어;를 포함하되, 상기 N개의 유전체 레이어 및 상기 N+1개의 금속 레이어는 적층된 구조를 가지고, 상기 N+1개의 금속 레이어 중 N-1개의 금속 레이어는 상기 N개의 유전체 레이어의 사이에 배치되고, 상기 N+1개의 금속 레이어 중 N-1개의 금속 레이어를 제외한 2개의 금속 레이어는 상기 복수의 유전체 레이어 중 최하위 유전체 레이어의 하부 및 최상위 유전체 레이어의 상부에 배치되고, 상기 N-1개의 금속 레이어 중
Figure 112018124178837-pat00001
개의 금속 레이어는 상기 비아 홀을 관통하는 비아를 통해 전기적으로 연결되어 버틀러 매트릭스를 구성하고, 상기 N-1개의 금속 레이어 중
Figure 112018124178837-pat00002
개의 금속 레이어를 제외한 나머지 금속 레이어 및 상기 2개의 금속 레이어는 접지면의 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 버틀러 매트릭스 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 빔포밍 안테나 장치에 있어서, 복수의 유전체 레이어; 및 복수의 금속 레이어;를 포함하되, 상기 복수의 유전체 레이어 및 상기 복수의 금속 레이어는 적층된 구조를 가지되, 상기 복수의 금속 레이어 중 일부의 금속 레이어는 상기 복수의 유전체 레이어의 사이에 배치되고, 상기 복수의 금속 레이어 중 최상위 금속 레이어인 금속 레이어 A는 상기 복수의 유전체 레이어 중 최상위 유전체 레이어의 상부에 배치되며, 상기 일부의 금속 레이어 중 2 이상의 금속 레이어는 상기 유전체 레이어를 관통하는 비아를 통해 전기적으로 연결되어 버틀러 매트릭스를 구성하고, 상기 금속 레이어 A는 배열 안테나를 포함하며, 상기 금속 레이어 A와 상기 2 이상의 금속 레이어 중 최상위 금속 레이어는 상기 비아를 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 빔포밍 안테나 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 버틀러 매트릭스 장치의 크기를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일반적인 버틀러 매트릭스의 구조도를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 버틀러 매트릭스의 실제 구현도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 장치의 섹션 분할의 개념을 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버틀러 매트릭스 장치의 구조도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 빔포밍 안테나 장치의 섹션 분할의 개념을 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 안테나 장치의 구조도를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 안테나 장치의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.
도 3은 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 장치의 섹션 분할의 개념을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 도시된 버틀러 매트릭스는 기존의 4×4 구조의 버틀러 매트릭스로서, 본 발명에서는 버틀러 매트릭스를 2개의 섹션(section)으로 분할한다.
섹션 1은 2개의 하이브리드 커플러와, 1개의 크로스오버 커플러와, 2개의 위상 변위기를 포함한다. 그리고, 섹션 2는 2개의 하이브리드 커플러와, 1개의 크로스오버 커플러와, 4개의 위상 변위기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 버틀러 매트릭스의 섹션 1와 섹션 2를 다른 층에 배치, 즉 적층함으로써 버틀러 매트릭스의 크기 내지 면적을 줄일 수 있다.
한편, 본 발명이 적용되는 버틀러 매트릭스는 4×4 구조 이외에 8×8 구조 기타 다양한 구조의 버틀러 매트릭스에 본 발명이 적용될 수 있으며, 섹션의 개수도 시스템의 요구사항에 따라 자유롭게 변경될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 2개의 섹션으로 구분되는 4×4 구조의 버틀러 매트릭스를 기준으로 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 버틀러 매트릭스 장치의 단면도를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버틀러 매트릭스 장치의 사시도를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 버틀러 매트릭스 장치는 4개의 유전체 레이어 및 5개의 금속 레이어를 포함한다.
여기서, 4개의 유전체 레이어 및 5개의 금속 레이어는 적층된 구조를 가진다. 그리고, 5개의 금속 레이어 중 3개의 금속 레이어인 금속 레이어 2, 금속 레이어 3, 금속 레이어 4는 4개의 유전체 레이어의 사이에 배치되고, 5개의 금속 레이어 중 최하위 금속 레이어인 금속 레이어 1는 4개의 유전체 레이어 중 최하위 유전체 레이어인 유전체 레이어 1의 하부에 배치되고, 5개의 금속 레이어 중 최상위 금속 레이어인 금속 레이어 5는 4개의 유전체 레이어 중 최상위 유전체 레이어인 유전체 레이어 4의 상부에 배치된다.
이 때, 4개의 유전체 레이어 각각에는 비아 홀이 형성되어 있다. 그리고, 금속 레이어 1 및 금속 레이어 5는 접지면의 기능을 수행하고, 비아 홀이 형성되어 있다. 또한, 금속 레이어 2와 금속 레이어 4 사이에 배치된 금속 레이어 3 역시 접지면의 기능을 수행하고, 비아 홀이 형성되어 있다.
더불어, 금속 레이어 2와 금속 레이어 4가 신호선으로 이용된다. 다시 말해, 금속 레이어 2는 도 3에서 설명한 버틀러 매트릭스의 섹션들 중 섹션 1와 대응되는 회로를 포함하고, 금속 레이어 4는 도 3에서 설명한 버틀러 매트릭스의 섹션들 중 섹션 2와 대응되는 회로를 포함한다. 한편, 도 3에서 설명한 바와 같이, 상기한 회로들은 하이브리드 커플러, 크로스오버 커플러 및 위상 변위기 중 하나 이상으로 구성된다.
그리고, 금속 레이어 2 및 금속 레이어 4 각각은 위쪽 및 아래쪽에 배치되는 접지면인 금속 레이어 1, 금속 레이어 3 및 금속 레이어 5과 함께 스트립라인 형태 전송 선로로 설계될 수 있다. 또한, 필요한 경우 금속 레이어 2 및 금속 레이어 4의 신호선 주위에 접지면을 추가하여 CPWG(Co-Planar Waveguide with Ground) 형태의 전송 선로로 설계될 수도 있다.
한편, 금속 레이어 2와 금속 레이어 4는 유전체 레이어 2, 금속 레이어 3 및 유전체 레이어 3에 형성된 비아를 통해 전기적으로 연결된다. 그리고, 금속 레이어 2는 유전체 레이어 1에 형성된 비아를 통해 금속 레이어 1과 전기적으로 연결되고, 금속 레이어 4는 유전체 레이어 4에 형성된 비아를 통해 금속 레이어 5과 전기적으로 연결된다.
요컨대, 본 발명은 금속 레이어 2에 버틀러 매트릭스의 섹션 1를 구현하고, 금속 레이어 4에 버틀러 매트릭스의 섹션 2를 구현한다. 따라서, 전체 버틀러 매트릭스의 면적을 약 절반으로 줄일 수 있게 된다. 물론 기존 1층 기판에 비해 4층 기판을 사용하게 됨으로 인해 두께 증가가 필연적이나, 두께 증가는 면적 감소에 비해 전체 시스템 소형화에 큰 단점은 되지 않는다
상기에서 설명한 내용을 일반화하면, 본 발명에 따른 버틀러 매트릭스 장치는 복수(N개)의 유전체 레이어와 복수(N+1개)의 금속 레이어를 포함한다. 이 때, 복수(N개)의 유전체 레이어 및 복수(N+1개)의 금속 레이어는 적층된 구조를 가지되, 복수(N+1개)의 금속 레이어 중 일부(N-1개)의 금속 레이어는 복수(N개)의 유전체 레이어의 사이에 배치된다. 또한, 복수(N+1개)의 금속 레이어 중 일부(N-1개)의 금속 레이어를 제외한 2개의 금속 레이어는 복수(N개)의 유전체 레이어 중 최하위 유전체 레이어의 하부 및 최상위 유전체 레이어의 상부에 배치된다.
그리고, 일부(N-1개)의 금속 레이어 중 2 이상(
Figure 112018124178837-pat00003
개)의 금속 레이어는 유전체 레이어를 관통하는 비아를 통해 전기적으로 연결되어 버틀러 매트릭스를 구성한다. 여기서, 2 이상(
Figure 112018124178837-pat00004
개)의 금속 레이어 각각은 하이브리드 커플러, 크로스오버 커플러 및 위상 변위기 중 하나 이상으로 구성된다.
더불어, 일부(N-1개)의 금속 레이어 중 2 이상(
Figure 112018124178837-pat00005
개)의 금속 레이어를 제외한 나머지 금속 레이어는 2 이상(
Figure 112018124178837-pat00006
개)의 금속 레이어 각각의 사이에 배치되어 접지면의 기능을 수행하고 비아 홀이 형성된다. 그리고, 상기 일부(N-1개)의 금속 레이어를 제외한 2개의 금속 레이어는 접지면의 기능을 수행하고 비아 홀이 형성된다.
또한, 2 이상(
Figure 112018124178837-pat00007
개)의 금속 레이어 중 어느 하나의 금속 레이어는 2 이상(
Figure 112018124178837-pat00008
개)의 금속 레이어 중 상기 어느 하나의 금속 레이어의 위쪽에 배치된 금속 레이어 및 2 이상(
Figure 112018124178837-pat00009
개)의 금속 레이어 중 상기 어느 하나의 금속 레이어의 아래쪽에 배치된 금속 레이어 중 적어도 하나와 비아를 통해 전기적으로 연결된다.
도 6은 본 발명에 따른 빔포밍 안테나 장치의 섹션 분할의 개념을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도시된 빔포밍 안테나 장치는 기존의 4×4 구조의 버틀러 매트릭스를 사용하는 빔포밍 안테나 장치로서, 본 발명에서는 빔포밍 안테나 장치를 3개의 섹션으로 분할한다.
섹션 1 및 섹션 2는 상기한 도 3 내지 도 5에서 설명한 섹션 1 및 섹션 2와 동일하고, 섹션 3은 배열 안테나를 포함하는 섹션이다. 한편, 배열 안테나는 마이크로스트립 패치 안테나 구조를 나타내고 있다. 패치 안테나는 전면 방사(Boresight Radiation)을 하게 되는데, 만약 종단 방사(End-Fire Radiation)이 필요한 경우, 패치 안테나 대신 다이폴 형태의 야기-우다 안테나를 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 빔포밍 안테나 장치는 버틀러 매트릭스를 구성하는 섹션 1 및 섹션 2와, 배열 안테나를 포함하는 섹션 3을 각각 다른 층에 적층한다.
한편, 본 발명이 적용되는 빔포밍 안테나 장치는 4×4 구조의 버틀러 매트릭스 외에 8×8 구조 기타 다양한 구조의 버틀러 매트릭스를 포함하는 빔포밍 안테나 장치에 적용될 수 있으며, 섹션의 개수도 시스템의 요구사항에 따라 자유롭게 변경될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 2개의 섹션으로 구분되는 4×4 구조의 버틀러 매트릭스를 포함하는 빔포밍 안테나 장치를 기준으로 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 안테나 장치의 단면도를 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 안테나 장치의 사시도를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 빔포밍 안테나 장치의 평면도를 도시한 도면이고,
도 7 내지 도 9의 빔포밍 안테나 장치는 스위치 빔포밍 안테나 장치로서, 도 4 및 도 5에 도시된 버틀러 매트릭스 장치에 배열 안테나를 포함하는 섹션 3을 추가로 적층한 구조이다.
즉, 본 발명의 빔포밍 안테나 장치는 5개의 유전체 레이어 및 6개의 금속 레이어를 포함하며, 이는 적층된 구조를 가진다.
이 때, 5개의 유전체 레이어 중 하위 4개의 유전체 레이어와, 6개의 금속 레이어 중 하위 5개의 금속 레이어는 앞서 도 4 및 도 5에서 설명한 버틀러 매트릭스 장치와 동일하며, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 6개의 금속 레이어 중 최상위 금속 레이어인 금속 레이어 6은, 5개의 유전체 레이어 중 최상위 유전체 레이어인 유전체 레이어 5의 상부에 배치된다.
여기서, 금속 레이어 6은 앞서 언급한 바와 같이 배열 안테나를 포함하며, 금속 레이어 6과, 버틀러 매트릭스를 구성하는 금속 레이어들 중 최상위 금속 레이어인 금속 레이어 4는 비아를 통해 전기적으로 연결된다.
한편, 상기에서 설명한 내용을 일반화하면, 본 발명에 따른 빔포밍 안테나 장치는, 복수(N개)의 유전체 레이어와 복수(N+1개)의 금속 레이어를 포함한다. 이 때, 복수(N개)의 유전체 레이어 및 복수(N+1개)의 금속 레이어는 적층된 구조를 가지되, 복수(N+1개)의 금속 레이어 중 일부(N-1개)의 금속 레이어는 복수(N개)의 유전체 레이어의 사이에 배치되고, 복수(N+1개)의 금속 레이어 중 최상위 금속 레이어인 금속 레이어 A는 복수(N개)의 유전체 레이어 중 최상위 유전체 레이어의 상부에 배치되고, 복수(N+1개)의 금속 레이어 중 최하위 금속 레이어인 금속 레이어 B는 복수(N개)의 유전체 레이어 중 최하위 유전체 레이어의 하부에 배치된다.
그리고, 일부(N-1개)의 금속 레이어 중 2 이상의 금속 레이어는 유전체 레이어를 관통하는 비아를 통해 전기적으로 연결되어 버틀러 매트릭스를 구성한다. 여기서, 2 이상의 금속 레이어 각각은 하이브리드 커플러, 크로스오버 커플러 및 위상 변위기 중 하나 이상으로 구성된다.
더불어, 금속 레이어 A는 배열 안테나를 포함하며, 금속 레이어 A와 2 이상의 금속 레이어 중 최상위 금속 레이어는 비아를 통해 전기적으로 연결된다.
이하, 도 7 내지 도 9에 도시된 빔포밍 안테나 장치의 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다. 이 때, 본 시뮬레이션은 5G 이동통신 대역인 28GHz에서 수행되었고, 기판은 테플론 기판인 타코닉사의 TLY-5A를 적층하는 것으로 가정하였다.
우선, 버틀러 매트릭스의 입출력 신호의 위상 결과는 아래의 표 1과 같다.
Figure 112018124178837-pat00010
표 1을 참조하면, P1에 입력신호를 인가하는 경우 P5 내지 P8 출력신호의 위상 간격은 -45도로서 좌측으로 1단계 조향된 빔패턴(1L)이 발생되고, P2에 입력신호를 인가하는 경우는 출력신호의 위상 간격이 +135도로 설정되어 우측으로 2단계 조향된 빔패턴(2R)이 발생되고, P3에 입력신호를 인가하는 경우는 출력신호의 위상 간격이 -135도로 설정되어 좌측으로 2단계 조향된 빔패턴(2L)이 발생되고, P4에 입력신호를 인가하는 경우는 출력신호의 위상 간격이 +45도로 설정되어 우측으로 1단계 조향된 빔패턴(1R)이 발생된다.
도 10에서는 상기한 시뮬레이션의 방사 패턴을 도시하고 있다. 도 10을 참조하면, P1에서 P4까지에 입력신호가 인가될 때 각각의 방사 패턴이 원하는 조향 각도로 설정됨을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 복수의 유전체 레이어; 및
    복수의 금속 레이어를 포함하되,
    상기 복수의 유전체 레이어와 상기 복수의 금속 레이어는 적층된 구조를 가지되, 상기 복수의 유전체 레이어는 상기 복수의 금속 레이어 사이에 배치되되,
    상기 복수의 금속 레이어 중 내부에 위치된 2이상의 내부 금속 레이어는 상기 유전체 레이어를 관통하는 비아(via)를 통해 전기적으로 연결되어 버틀러 매트릭스를 구성하되,
    상기 버틀러 매트릭스의 일부 회로인 제1 섹션부는 상기 2 이상의 내부 금속 레이어 중 하부 내부 금속 레이어에 형성되며, 상기 버틀러 매트릭스의 나머지 회로인 제2 섹션부는 상기 2 이상의 내부 금속 레이어 중 상부 내부 금속 레이어에 형성되되, 상기 하부 내부 금속 레이어와 상기 상부 내부 금속 레이어 사이에는 접지면으로 동작되는 내부 금속 레이어가 배치되며,
    상기 제1 섹션부는,
    입력 포트(P1 내지 P4)에 연결되는 두개의 하이브리드 커플러, 상기 두개의 하이브리드 커플러 후단에 연결되는 두개의 위상 변위기와 하나의 크로스오버 커플러를 포함하며,
    상기 제2 섹션부는,
    두개의 하이브리드 커플러, 상기 두개의 하이브리드 커플러 후단에 연결되는 4개의 위상 변위기 및 하나의 크로스오버 커플러, 상기 4개의 위상 변위기의 출력단과 연결되는 출력 포트(P5 내지 P8)을 포함하되,
    상기 복수의 금속 레이어 중 최상단 금속 레이어와 최하단 금속 레이어는 접지면으로 동작되되, 상기 복수의 금속 레이어 중 최하단 금속 레이어로부터의 입력 신호가 상기 입력 포트로 전달되도록 비아홀이 형성되며, 상기 출력 포트를 통해 상기 복수의 금속 레이어 중 최상단 금속 레이어로 출력 신호가 출력되도록 비아홀이 형성되며,
    상기 버틀러 매트릭스로 입력되는 입력 신호와 상기 버틀러 매트릭스로부터 출력되는 출력 신호는 서로 다른 금속 레이어를 통해 입출력되는 것을 특징으로 하는 버틀러 매트릭스 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2 이상의 금속 레이어 중 어느 하나의 금속 레이어는 상기 2 이상의 금속 레이어 중 상기 어느 하나의 금속 레이어의 위쪽에 배치된 금속 레이어 및 상기 2 이상의 금속 레이어 중 상기 어느 하나의 금속 레이어의 아래쪽에 배치된 금속 레이어 중 적어도 하나와 비아를 통해 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 버틀러 매트릭스 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 금속 레이어 중 2개의 금속 레이어는 상기 복수의 유전체 레이어 중 최하위 유전체 레이어의 하부 및 최상위 유전체 레이어의 상부에 배치되어 접지면의 기능을 수행하고, 비아 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 버틀러 매트릭스 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 빔포밍 안테나 장치에 있어서,
    복수의 유전체 레이어; 및
    복수의 금속 레이어를 포함하되,
    상기 복수의 유전체 레이어와 상기 복수의 금속 레이어는 적층된 구조를 가지되, 상기 복수의 유전체 레이어는 상기 복수의 금속 레이어 사이에 배치되고, 상기 복수의 금속 레이어 중 최상위 금속 레이어인 금속 레이어 A는 상기 복수의 유전체 레이어 중 최상위 유전체 레이어의 상부에 배치되며,
    상기 복수의 금속 레이어 중 내부에 위치된 2이상의 내부 금속 레이어는 상기 유전체 레이어를 관통하는 비아(via)를 통해 전기적으로 연결되어 버틀러 매트릭스를 구성하되,
    상기 버틀러 매트릭스의 일부 회로인 제1 섹션부는 상기 2 이상의 내부 금속 레이어 중 하부 내부 금속 레이어에 형성되며, 상기 버틀러 매트릭스의 나머지 회로인 제2 섹션부는 상기 2 이상의 내부 금속 레이어 중 상부 내부 금속 레이어에 형성되되, 상기 하부 내부 금속 레이어와 상기 상부 내부 금속 레이어 사이에는 접지면으로 동작되는 내부 금속 레이어가 배치되며,
    상기 제1 섹션부는,
    입력 포트(P1 내지 P4)에 연결되는 두개의 하이브리드 커플러, 상기 두개의 하이브리드 커플러 후단에 연결되는 두개의 위상 변위기와 하나의 크로스오버 커플러를 포함하며,
    상기 제2 섹션부는,
    두개의 하이브리드 커플러, 상기 두개의 하이브리드 커플러 후단에 연결되는 4개의 위상 변위기 및 하나의 크로스오버 커플러, 상기 4개의 위상 변위기의 출력단과 연결되는 출력 포트(P5 내지 P8)을 포함하되,
    상기 복수의 금속 레이어 중 차상단 금속 레이어와 최하단 금속 레이어는 접지면으로 동작되되, 상기 복수의 금속 레이어 중 최하단 금속 레이어로부터의 입력 신호가 상기 입력 포트로 전달되도록 비아홀이 형성되며, 상기 출력 포트를 통해 상기 복수의 금속 레이어 중 최상단 금속 레이어로 출력 신호가 출력되도록 상기 차상단 금속 레이어를 관통하여 비아홀이 형성되며,
    상기 버틀러 매트릭스로 입력되는 입력 신호와 상기 버틀러 매트릭스로부터 출력되는 출력 신호는 서로 다른 금속 레이어를 통해 입출력되는 것을 특징으로 하는 버틀러 매트릭스 장치.
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JP2013511185A (ja) * 2009-11-16 2013-03-28 マクマナス，ニール モジュール式フェーズドアレイアンテナ
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