KR102237549B1 - 높은 전자파 간섭을 활용한 초광대역 평면형 안테나 장치 - Google Patents

높은 전자파 간섭을 활용한 초광대역 평면형 안테나 장치 Download PDF

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KR102237549B1
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Abstract

본 발명의 일 양태는 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치를 개시하고 있다. 상기 장치는, 기판 및 상기 기판 상에 평면 형태로 배열되는 복수의 안테나 암들(antenna arms)을 포함하되, 상기 복수의 안테나 암들은 제 1 안테나 암 및 제 2 안테나 암을 포함하고, 상기 제 1 안테나 암은 무선 신호를 방사하기 위한 안테나 암이고, 상기 제 2 안테나 암은 접지를 위한 안테나 암이며, 상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암은, 서로 다른 전위를 만족하는 상호 결합 커패시턴스(coupled capacitance)를 유도한다.

Description

높은 전자파 간섭을 활용한 초광대역 평면형 안테나 장치{ULTRA WIDEBAND PLANAR TYPE ANTENNA APPARATUS USING HIGH ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE}
본 발명은 안테나 장치의 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 높은 전자파 간섭을 활용한 초광대역 평면형 안테나 장치의 구조에 관한 것이다.
다목적 레이더, 전자 전기, 5G 통신 등과 같은 다양한 무선 통신 분야에서 낮은 높이를 가지면서 넓은 대역, 넓은 조향 능력을 가지는 배열 안테나에 대한 요구가 점점 증가하고 있다. 이러한 배열 안테나는 넓은 대역에서 높은 G/T(gain to noise temperature ratio)를 가져야 하고, 저비용으로 구현이 가능해야 한다. 이러한 이슈를 해결하기 위하여 다양한 방식의 배열 안테나가 연구되어왔다.
기존에 널리 알려진 배열 안테나로는, 광 대역 구현이 가능한 비발디((Vivaldi) 안테나 또는 TSA(Tapered Slot Array) 안테나 등이 있다. 하지만, 비발디 안테나 또는 TSA 안테나는 높이가 높고, 스캔 시 큰 교차 편파 방사(cross-polarization radiation)를 갖는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 강한 결합 배열 안테나(TCA: Tightly Coupling Antenna)가 제안되었다.
강한 결합 배열 안테나(TCA)는 낮은 높이의 광 대역 배열 안테나를 설계하는 방법 중 하나로, 개별 소자의 간격을 줄여 형성된 소자 간 커플링을 저주파 대역 매칭 특성 향상에 이용하는 방식이다.
종래의 강한 결합 배열 안테나(TCA)는 개별 안테나들의 3차원(1D) 배열을 통해 강한 상호 결합(coupled capacitance)을 유도하여 광 대역 특성을 구현할 수 있다. 다만, 이러한 3차원 배열의 강한 결합 안테나는 소형화가 어려운 문제점이 있다.
도 1은 종래 TCA의 등가 회로 모델을 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 보통의 안테나 어레이 구조에서는 상호 결합(mutual coupling)이 지양해야 할 요소였지만, TCA에서는 커플링을 의도적으로 이용하여 결합 커패시턴스를 생성하고, 연속적인 전류를 생성하는데 도움이 되도록 한다. 또한, 접지면 인덕턴스에 대응하도록 한다. 다만, 종래의 TCA 구조는 바런(balanced-to-unbalanced transformer)(평형 전압 또는 역에 대해 불평형한 전압을 변환하기 위한 장치)을 요구하여 이 역시 안테나의 소형화 측면에서 좋지 않은 효율을 보여왔다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 따른 목적은 평면형으로 접지를 위한 안테나 암과 신호 방사를 위한 안테나 암을 교차하여 두 안테나 암 사이에 상호 결합 커패시턴스를 유도함에 의해 광대역 안테나로써 동작하도록 하는 평면형 TCA 장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태에 따른 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치는, 기판 및 상기 기판 상에 평면 형태로 배열되는 복수의 안테나 암들(antenna arms)을 포함하되, 상기 복수의 안테나 암들은 제 1 안테나 암 및 제 2 안테나 암을 포함하고, 상기 제 1 안테나 암은 무선 신호를 방사하기 위한 안테나 암이고, 상기 제 2 안테나 암은 접지를 위한 안테나 암이며, 상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암은, 서로 다른 전위를 만족하는 상호 결합 커패시턴스(coupled capacitance)를 유도할 수 있다.
상기 제 1 안테나 암 및 상기 제 2 안테나 암은 각각 수직방향 성분 및 수평방향 성분을 포함하고, 상기 제 1 안테나 암의 수직방향 성분과 상기 상기 제 2 안테나 암의 수직방향 성분은 서로 대응하며, 상기 제 1 안테나 암의 수평방향 성분과 상기 상기 제 2 안테나 암의 수평방향 성분은 서로 대응하고, 상기 제 1 안테나 암의 수평방향 성분과 상기 제 2 안테나 암의 수평방향 성분 사이 또는 상기 제 1 안테나 암의 수직방향 성분과 상기 제 2 안테나 암의 수직방향 성분 사이에 상기 상호 결합 커패시턴스가 유도될 수 있다.
상기 제 1 안테나 암 및 상기 제 2 안테나 암은 서로 페어(pair)를 형성하여 연속적으로 배열되며, 제 1 안테나 페어의 제 1 안테나 암과, 상기 제 1 안테나 페어와 인접하여 배열된 제 2 안테나 페어의 제 2 안테나 암 사이에 상기 상호 결합 커패시턴스가 유도될 수 있다.
제 1 안테나 페어의 제 1 안테나 암과, 상기 제 1 안테나 페어와 인접하여 배열된 제 2 안테나 페어의 제 2 안테나 암은 오버랩되는 구간이 존재하며, 상기 오버랩되는 구간에서 상기 상호 결합 커패시턴스가 유도될 수 있다.
상기 복수의 안테나 암은 "L" 자 형상으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 안테나 암 및 상기 제 2 안테나 암은 각각 수직방향 성분 및 수평방향 성분을 포함하고, 상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암은 L자 형상을 가지며, 상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암의 수직방향 성분 및 수평방향 성분 중 적어도 하나는 서로 다른 길이를 가질 수 있다.
상기 복수의 안테나 암의 수평방향 성분은 다이아몬드 형상으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 안테나 암에 대한 피딩(feeding)은 CPW(Coplanar Waveguide)를 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 평면형 TCA 장치의 서브 어레이 구성으로 패시브 페이즈드 어레이(passive phased array)가 적용될 경우, 전압 분배(power divide) 및 패시브 지연 전송 라인(passive delay transmission line)을 이용하고, 액티브 페이즈드 어레이(active phased array)가 적용될 경우, 위상 쉬프터(phase shifter)가 포함된 RF 칩(RF chip)을 이용할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양태에 따른 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치는, 기판, 상기 기판의 제 1 면에 평면 형태로 배열되는 제 1 안테나 암 및 상기 기판의 제 2 면에 평면 형태로 배열되는 제 2 안테나 암을 포함하되, 상기 제 1 안테나 암은 무선 신호를 방사하기 위한 안테나 암이고, 상기 제 2 안테나 암은 접지를 위한 안테나 암이며, 상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암은, 서로 다른 전위를 만족하는 상호 결합 커패시턴스(coupled capacitance)를 유도할 수 있다.
상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암은 각각 복수 개가 연속되어 배열되고, 상기 제 2 안테나 암은, 상기 기판의 수평방향으로, 상기 제 1 안테나 암과 소정 간격 이격되어 배열될 수 있다.
본 발명의 평면형 TCA 장치에 따르면, 바런 사용을 지양하여 복잡도를 감소시켰고, 소형화가 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래 TCA의 등가 회로 모델을 나타낸 회로도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 TCA 장치를 나타낸 사시도,
도 3은 다양한 형태의 평면형 TCA 장치의 안테나 암을 나타낸 예시도,
도 4a는 안테나 암의 길이가 갖는 평면형 TCA의 디자인을 나타낸 예시도,
도 4b는 안테나 암의 길이가 다른 평면형 TCA의 디자인을 나타낸 예시도,
도 5a는 도 4a의 안테나 암을 1x4 어레이(array)로 형성한 안테나 장치를 나타낸 도면,
도 5b는 도 5a의 안테나 장치의 주파수 대비 실현이득 그래프,
도 5c는 도 5a의 안테나 장치에서 발생되는 전자기파 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 6a는 도 4b의 안테나 암을 1x4 어레이(array)로 형성한 안테나 장치를 나타낸 도면,
도 6b는 도 6a의 안테나 장치의 주파수 대비 실현이득 그래프,
도 6c는 도 6a의 안테나 장치에서 발생되는 전자기파 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 7a는 다른 실시예에 따른 1x4 어레이 평면형 TCA 장치를 나타낸 도면,
도 7b는 도 7a의 안테나 장치의 주파수 대비 실현이득 그래프,
도 7c는 도 7a의 안테나 장치에서 발생되는 전자기파 스펙트럼을 나타낸 도면,
도 8a 내지 도 8g는 언밸런스드(unbalanced) 타입 TCA 장치의 설계 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 9a 내지 도 9g는 다이아몬드 타입 TCA 장치의 설계 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 10a 내지 도 10g는 숏 암(short arm) 타입 TCA 장치의 설계 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 11의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 기판의 서로 다른 면에 접지 안테나 암과 신호 안테나 암이 형성된 TCA 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 TCA 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 TCA 장치는 유전체 기판(210), 접지면(220), 제 1 안테나 암(230) 및 제 2 안테나 암(240)을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 유전체 기판(210)은 기판 위에서 내려다 봤을 때, 하단부에 접지면(220)이 형성되어 있고, 기판의 상부는 유전체로 형성된다. 그리고, 접지면(220)은 제 1 안테나 암(230)과 연결되어 제 1 안테나 암(230)은 접지를 위해 사용된다. 그리고, 제 2 안테나 암(250)은 전원(250)과 연결되어 전송되어질 무선 신호의 방사에 사용된다.
일 예에서, 제 1 안테나 암(230)과 제 2 안테나 암(240)은 각각 기판 상에 배열된다. 즉, 두 안테나 암(230, 240)은 평면으로 배열되어 전체적으로 평면형 TCA를 구성한다. 두 안테나 암(230, 240)은 각각 모노폴 안테나로써 동작할 수 있다. 두 안테나 암(230, 240)은 서로 대칭되는 형상을 가질 수 있다. 다른 예에서, 두 안테나 암(230, 240)은 서로 대칭되지 않는 형상을 가질 수 있고, 서로 다른 수직방향 길이 성분 및/또는 서로 다른 수평방향 길이 성분을 가질 수 있다. 두 안테나 암(230, 240) 사이에 서로 다른 전위를 만족하는 상호 결합 커패시턴스가 유도될 수 있고, 상기 상호 결합 커패시턴스로 인해, 빔 포밍(beam forming) 효율이 제고되고, 광대역 안테나로써 기능하게 된다. 즉, 기판 상에 평면으로 형성된 두 개의 안테나 암(230, 240)에 의해 버룬(balun)을 사용하지 않고도 광대역 안테나로써 동작할 수 있고, 이때, 인접한 모노폴이 PEC(Perfect Electric Conductor) 역할을 하면서 동작한다. 다시 말해, 두 안테나 암(230, 240)은 서로에 대해 PEC 경계 조건을 만족하는 컨덕터 소자로써 기능하여 강합 결합 다이폴 배열 안테나를 형성한다. 캐피시턴스는 두 안테나 암(230, 240)의 수직방향 성분 사이 및/또는 수평방향 성분 사이에 유도된다. 여기서, 수직방향은 기판을 위에서 바라봤을 때, 접지면(220)이 배치된 하단 부분부터 접지면(220)이 없는 상단 부분을 향하는 방향을 의미하고, 수평방향은 상기 수직방향에 수직인 방향을 의미한다. PEC 경계 조건은, 특히, 수평한 방향으로 형성되어, 가상의 도파관(virtual waveguide)이 단위 셀 주변 영역에 형성될 수 있다. 이러한 경계 조건을 유지하면 강한 상호 결합 배열 안테나의 특성을 그대로 보존할 수 있기 때문에, 위와 같은 안테나 암들(230, 240)이 2차원 기판 상에 수평한 방향으로 연속적으로 배열되는 평면형 TCA 장치의 구현이 가능하다. 본 발명의 실시예에 따르면, PEC 경계조건의 만족은 바람직한 예이며, 반드시 이를 만족해야만 하는 것은 아니다.
일 예에서, 두 안테나 암(230, 240)의 수직방향 성분 및/또는 수평방향 성분끼리는 서로 대응된다. 여기서, 대응이라 함은 그 모양이 동일해야 함을 의미하지 않으며, 서로 연계하여 동작하는 개체가 존재함을 의미한다. 이에, 두 안테나 암의 수직방향 성분 및/또는 수평방향 성분은 서로 평행할 수 있고, 또는 그렇지 않을 수도 있다. 서로 비스듬한 각도를 형성하며 배열될 수도 있다.
한편, TCA에서, 제 2 안테나 암(240)에 대한 피딩(feeding)은 기본적으로 CPW(Coplanar Waveguide), MS(Microstrip) 및 일반 도파관(waveguide) 모두 사용가능하다. 단, 평면형 타입에서는 CPW가 바람직할 수 있다.
도 3은 다양한 형태의 평면형 TCA 장치의 안테나 암을 나타낸 예시도이다.
도 3을 참조하면, (a) 도면과 같이 서로 대칭되는 형태를 가지면서 "L"자 형상을 갖는 안테나 암들로 형성할 수 있다. 이때, 위와 같은 한 쌍의 안테나 암(두 개의 안테나 암을 한 쌍으로 가정)이 수평방향으로 연속적으로 배열된다고 할 때, 수평방향으로 외부을 향해 뻗은 두 개의 안테나 암이 서로를 향해 만나는 형상이 형성된다. 커패스턴스는 안테나 암들이 서로에게 가장 가까이 접근된 위치 부근에서 유도된다. 한편, 안테나 암의 수직방향 성분과 수평방향 성분의 길이는 동일할 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 평면형 TCA 장치는 비대칭의 안테나 암을 사용할 수 있다. 비대칭은 두 안테나 암의 수평방향 성분의 길이 및 수직방향 성분의 길이 중 적어도 하나가 다른 것을 의미한다. 이때, 커패시턴스는 두 안테나 암의 수평방향 성분이 수직방향으로 가장 가까운 위치 부근에서 유도된다. 안테나 암은 반드시 "L" 자 형상을 가져야만 하는 것은 아니고, 수평방향 성분이 상기 수평방향으로 수직방향 성분을 지나쳐 형성되어도 무방하다. 이때, 수직방향 성분을 지나쳐 빠져나온 수평방향 성분의 일부 구간과 다른 안테나 암의 수평방향 성분 사이에 커패시턴스가 형성될 수 있다.
도 3의 (c)를 참조하면, 두 안테나 암의 수평방향 성분은 다이아몬드 형상을 가질 수 있다. 또는, 소정의 면적을 갖는 직사각형 또는 정사각형의 형상을 가질 수 있다. 추가적으로, 반드시 사각형으로만 형성되어야 하는 것은 아니고 다각형을 형상을 가질 수 있다. 다이아몬드 형상의 안테나 암의 수직방향 성분 및 수평방향 성분의 길이 중 적어도 하나는 동일한 길이를 가질 수도 있고, 서로 다른 길이를 가질 수도 있다.
도 3의 (d)를 참조하면, TCA 장치의 안테나 암은 수평방향 성분과 수직방향 성분이 각각 구분되는 형상을 가지지 않아도 된다. 제 1 안테나 암은 삼각형 형상을 갖고, 제 2 안테나 암은 상기 삼각형 형상 주위를 둘러싸는 다각형 형상을 갖도록 할 수 있다. 이를 통해 제 1 안테나 암의 삼각형 형상의 대각선 모서리 중 일 영역과 제 2 안테나 암의 상기 다각형 형상의 대각선 모서리 중 일 영역 또는 대각선 모서리의 종단과 수평방향 성분의 종단이 형성하는 수직방향으로 형성된 모서리 부분(수직방향 성분 아님) 상에 커패시턴스가 유도될 수 있도록 한다.
도 3의 (e)를 참조하면, 안테나 암은 비대칭 형상을 갖되, 도 3의 (b)와 같이 수직방향 성분 및 수평방향 성분의 길이가 각각 다를 수 있다. 특히 제 1 안테나 암은 매우 짧은 수평방향 성분을 갖기 때문에 이러한 형태의 안테나를 숏 암(short arm) 타입이라고 부를 수 있다. 이는 모노폴 타입이다. 또한, 도 3의 (b)의 실시예와 다른 점은 제 1 안테나 암의 수평방향 성분이 수직방향 성분의 위치를 지나치는 부분이 없이 수직방향 성분 위에서 수직으로 꺽여지는 형상으로 형성된다는 점이 있다. 이때, 커패시턴스는 수평방향 성분 사이에서 유도될 수 있다.
도 4a는 안테나 암의 길이가 갖는 평면형 TCA의 디자인을 나타낸 예시도이다.
도 4a를 참조하면, 대칭형 안테나 암(430-1, 440-1)을 갖는 평면형 TCA 장치는 다음과 같은 수학식을 만족하는 것이 바람직하다. 이때, 안테나를 구성하는 저항, 커패시터 및 인덕터 요소가 각각 Ra, Ca 및 La로 표현되어 직렬로 연결되어 있다고 가정한다.
Figure 112020000330136-pat00001
이와 같은 수식을 참조하면, 대칭을 이루는 두 안테나 암을 포함하는 구조를 통해 적절히 무선 주파수를 결정할 수 있다. 특히, 주파수가 낮아질수록 L과 C 값은 증가해야 하므로, 주파수와의 관계를 고려하여 안테나 암의 길이 및 형상을 조절할 수 있다.
도 4b는 안테나 암의 길이가 다른 평면형 TCA의 디자인을 나타낸 예시도이다.
도 4b를 참조하면, 언밸런스드(unbalanced) 타입의 두 안테나 암(430-2, 440-2)은 서로 다른 수직방향 성분 길이 및/또는 서로 다른 수평방향 성분 길이를 갖는다. 이때, 수평방향 성분 사이에 커패시턴스가 형성된다. 커패시턴스가 형성되는 수평방향 성분 사이의 거리를 조절하여 무선 주파수를 조절할 수 있다.
도 5a는 도 4a의 안테나 암을 1x4 어레이(array)로 형성한 안테나 장치를 나타낸 도면이다.
도 5a를 참조하면, 도 4a의 대칭형 안테나 암의 쌍을 수평방향으로 연속하여 복수 개 배열할 수 있다. 이때, 제 1 안테나 암 쌍(530-1, 540-1)의 제 2 안테나 암(540-1)은 제 2 안테나 암 쌍(530-2, 540-2)의 제 1 안테나 암(530-2)과 최단거리로 맞닿게 된다. 이때, 두 안테나 암(540-1, 530-2) 사이의 공간(502)에 커패시턴스가 형성된다.
일 예에서, 안테나 암의 거리(사이의 거리가 아니고 안테나 암의 길이를 포함)는 3 내지 8 mm가 적합하다. 보다 바람직하게는, 5 내지 6mm가 적합하다. 특히, 5.55mm이면 좋다. 또한, 이때, 파장은 3.75 내지 7.5mm의 무선 공간에서의 파장을 나타낼 수 있고, 주파수는 약 20 내지 40GHz를 가질 수 있다.
한편, 기판의 유전율(εr)은 3.4가 적합하고, 기판의 두께는 50um 내지 150um가 적합하다. 보다 바람직하게는 90um 내지 110um가 좋고, 특히 100um면 적절하다. 기판을 이루는 유전체는 금속인 것이 바람직하다. 기판의 넓이는 가로 약 26mm, 그리고 세로는 8mm 인 것이 좋다.
도 5b는 도 5a의 안테나 장치의 주파수 대비 실현이득 그래프이고, 도 5c는 도 5a의 안테나 장치에서 발생되는 전자기파 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 20GHz 이상의 주파수에서 실현 이득이 높이 나오는 것을 확인할 수 있고, 밸런스드 타입의 안테나에서 양 안테나 암이 만나는 위치에서 전자기파가 많이 발생되고 있음을 확인할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 안테나 어레이의 경우, i) 패시브 페이즈드 어레이(passive phased array)는 전력 분배(power divide)와 패시브 지연 전송 라인(passive delay transmission line)을 이용하고, ii) 액티브 페이즈드 어레이(active phased array)는 위상 쉬프터(phase shifter)가 포한된 RF 칩(RF chip)을 이용할 수 있다.
도 6a는 도 4b의 안테나 암을 1x4 어레이(array)로 형성한 안테나 장치를 나타낸 도면이다.
도 6a를 참조하면, 도 4b의 언밸런스드 타입의 안테나 암의 쌍도 수평방향으로 연속하여 복수 개 배열할 수 있다. 이때, 제 1 안테나 암 쌍(630-1, 640-1)의 제 2 안테나 암(640-1)은 제 2 안테나 암 쌍(630-2, 640-2)의 제 1 안테나 암(630-2)과 최단거리로 맞닿게 된다. 이때, 두 안테나 암(640-1, 630-2) 사이의 공간(602)에 커패시턴스가 형성된다.
일 예에서, 안테나 암의 거리(사이의 거리가 아니고 안테나 암의 길이를 포함)는 4 내지 9 mm가 적합하다. 보다 바람직하게는, 6 내지 7mm가 적합하다. 특히, 6.55mm이면 좋다. 또한, 이때, 파장은 3.75 내지 7.5mm의 무선 공간에서의 파장을 나타낼 수 있고, 주파수는 약 20 내지 40GHz를 가질 수 있다.
한편, 기판의 유전율(εr)은 3.4가 적합하고, 기판의 두께는 50um 내지 150um가 적합하다. 보다 바람직하게는 90um 내지 110um가 좋고, 특히 100um면 적절하다. 기판을 이루는 유전체는 금속인 것이 바람직하다. 기판의 넓이는 가로 약 30mm, 그리고 세로는 8mm 인 것이 좋다.
도 6b는 도 6a의 안테나 장치의 주파수 대비 실현이득 그래프이고, 도 6c는 도 6a의 안테나 장치에서 발생되는 전자기파 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 20GHz 이상의 주파수에서 실현 이득이 높이 나오는 것을 확인할 수 있고 이때, 밸런스드 타입의 안테나보다 높은 실현 이득을 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 언밸런스드 타입의 안테나에서도 양 안테나 암이 만나는 위치 및 수직방향 성분 사이에서 전자기파가 많이 발생되고 있음을 확인할 수 있다.
도 7a는 다른 실시예에 따른 1x4 어레이 평면형 TCA 장치를 나타낸 도면이다.
도 7a를 참조하면, 다른 실시예에 따른 언밸런스드 타입의 안테나 암의 쌍도 수평방향으로 연속하여 복수 개 배열할 수 있다. 이때, 제 1 안테나 암 쌍(730-1, 740-1)의 제 2 안테나 암(740-1)과 제 2 안테나 암 쌍(730-2, 740-2)의 제 1 안테나 암(730-2) 사이에는 오버랩되는 구간이 존재한다. 이때, 상기 오버랩되는 구간 사이의 공간(702)에서 수직방향으로 커패시턴스가 형성될 수 있다. 즉, 두 안테나 암(740-1, 730-2) 사이에 수직방향의 커패시턴스가 유도된다.
한편, 기판의 유전율(εr)은 3.4가 적합하고, 기판의 두께는 50um 내지 150um가 적합하다. 보다 바람직하게는 90um 내지 110um가 좋고, 특히 100um면 적절하다. 기판을 이루는 유전체는 금속인 것이 바람직하다. 기판의 넓이는 가로 약 22mm, 그리고 세로는 8mm 인 것이 좋다.
도 7b는 도 7a의 안테나 장치의 주파수 대비 실현이득 그래프이고, 도 7c는 도 7a의 안테나 장치에서 발생되는 전자기파 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 20GHz 이상의 주파수에서 실현 이득이 높이 나오는 것을 확인할 수 있고, 커패시턴스가 유도되는 양 안테나 암의 거리가 가까워졌기 때문에, 밸런스드 타입의 안테나 그리고, 도 6a의 언밸런스드 타입의 안테나보다 높은 실현 이득을 보이는 것을 알 수 있다. 또한, 언밸런스드 타입의 안테나에서도 양 안테나 암이 만나는 위치 및 수직방향 성분 사이에서 전자기파가 많이 발생되고 있음을 확인할 수 있다.
도 8a 내지 도 8g는 언밸런스드(unbalanced) 타입 TCA 장치의 설계 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8a를 참조하면, 도 6a의 언밸런스드 타입의 TCA 장치에서 양 안테나 암의 수평방향 성분이 2.5mm로 안테나를 설계할 때, 다음의 팩터들에 대한 정보를 확인할 수 있다. 도 8b부터 도 8g까지 차례로 위 설계에 따른 안테나의 주파수에 따른 임피던스 매칭(입력정재파비 및 축비), 25 내지 40Ghz에서의 패턴, 주파수 대비 S11 값의 비율, 35GHz에서의 방사패턴, 전류 방향 및 1x4 어레이에서의 주파수에 따른 어레이 게인(array gain)을 나타낸다. 어레이 게인 측면에서 살펴보면, 약 27.5GHz부터 47.5GHz까지 약 20GHz의 주파수 대역에서 높은 이득을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 9a 내지 도 9g는 다이아몬드 타입 TCA 장치의 설계 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9a를 참조하면, 도 3의 (c) 실시예의 다이아몬드 타입의 TCA 장치로 안테나를 설계할 때, 다음의 팩터들에 대한 정보를 확인할 수 있다. 도 9b부터 도 9g까지 차례로 위 설계에 따른 안테나의, 주파수에 따른 임피던스 매칭(입력정재파비 및 축비), 25 내지 40Ghz에서의 패턴, 주파수 대비 S11 값의 비율, 35GHz에서의 방사패턴, 전류 방향 및 1x4 어레이에서의 주파수에 따른 어레이 게인(array gain)을 나타낸다. 어레이 게인 측면에서 살펴보면, 약 40GHz의 주파수 대역에서 높은 이득을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 10a 내지 도 10g는 숏 암(short arm) 타입 TCA 장치의 설계 및 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10a를 참조하면, 도 3의 (e) 실시예의 숏 암 타입의 TCA 장치(모노폴 타입)로 안테나를 설계할 때, 다음의 팩터들에 대한 정보를 확인할 수 있다. 도 10b부터 도 10g까지 차례로 위 설계에 따른 안테나의, 주파수에 따른 임피던스 매칭(입력정재파비 및 축비), 25 내지 40Ghz에서의 패턴, 주파수 대비 S11 값의 비율, 35GHz에서의 방사패턴, 전류 방향 및 1x4 어레이에서의 주파수에 따른 어레이 게인(array gain)을 나타낸다. 어레이 게인 측면에서 살펴보면, 약 40GHz 이후의 주파수 대역에서 높은 이득을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 11의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 기판의 서로 다른 면에 접지 안테나 암과 신호 안테나 암이 형성된 TCA 장치를 나타낸 도면이다.
도 11의 (a)를 참조하면, 하나의 평면 상의 형성되는 일반 평면형 안테나 타입이 아닌 넌-플래너(non-planar) 타입의 TCA 장치가 존재할 수 있다. 기판(1110)의 상부 면에 무선신호 방사를 위한 안테나 암(1140)이, 기판(1110)의 하부 면에 접지면이 형성되며, 해당 접지면 상에 접지를 위한 안테나 암(1130)이 배열된다. 기판의 상부 및 하부면은 반대가 되도 무방하다. 즉, 상부 면에 접지 안테나 암(1130)이 하부 면에 무선신호 방사를 위한 안테나 암(1140)이 배열될 수도 있다. 수평방향으로 볼 때, 안테나 암(1140)과 안테나 암(1130)은 서로 일정한 간격을 두고 연속되어 배열되며, 두 안테나 암(1140, 1130)은 약간의 단차를 두고 배열된다. 또한, 수평방향으로 두 안테나 암(1140, 1130)의 종단 부근에서 오버랩되는 부분이 존재하며, 상기 오버랩되는 부분에서 커패시턴스가 유도될 수 있다. 오버랩되는 부분은 서로 다른 안테나 암의 쌍에 대해서도 형성가능하며, 안테나 암의 임의의 쌍에 대해 모두 또는 적어도 일부 형성되며, 따라서, 임의의 안테나 암의 쌍은 모두 또는 적어도 일부 커패시턴스가 유도될 수 있다.
도 11의 (b)와 (c)를 참조하면, 상기 안테나 암들(1140, 1130)은 다이아몬드 타입으로 형성될 수 있다. 하지만, 이외에 다양한 타입(예컨대, 도 3의 (a) 내지 (e) 등)이 상기 안테나 암들(1140, 1130)의 형태로 적용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자들에게는 자명할 것이다.
이상 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 평면 형태로 배열되는 복수의 안테나 암들(antenna arms)을 포함하되,
    상기 복수의 안테나 암들은 제 1 안테나 암 및 제 2 안테나 암을 포함하고,
    상기 제 1 안테나 암은 무선 신호를 방사하기 위한 안테나 암이고, 상기 제 2 안테나 암은 접지를 위한 안테나 암이며,
    상기 제 1 안테나 암 및 상기 제 2 안테나 암은 서로 페어(pair)를 형성하여 연속적으로 배열되며,
    제 1 안테나 페어의 제 1 안테나 암과, 상기 제 1 안테나 페어와 인접하여 배열된 제 2 안테나 페어의 제 2 안테나 암 사이에 서로 다른 전위를 만족하는 상호 결합 커패시턴스(coupled capacitance)가 유도되는, 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 안테나 암 및 상기 제 2 안테나 암은 각각 수직방향 성분 및 수평방향 성분을 포함하고,
    상기 제 1 안테나 암의 수직방향 성분과 상기 상기 제 2 안테나 암의 수직방향 성분은 서로 대응하며,
    상기 제 1 안테나 암의 수평방향 성분과 상기 상기 제 2 안테나 암의 수평방향 성분은 서로 대응하고,
    상기 제 1 안테나 암의 수평방향 성분과 상기 제 2 안테나 암의 수평방향 성분 사이 또는 상기 제 1 안테나 암의 수직방향 성분과 상기 제 2 안테나 암의 수직방향 성분 사이에 상기 상호 결합 커패시턴스가 유도되는, 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 1 안테나 페어의 제 1 안테나 암과, 상기 제 1 안테나 페어와 인접하여 배열된 제 2 안테나 페어의 제 2 안테나 암은 오버랩되는 구간이 존재하며,
    상기 오버랩되는 구간에서 상기 상호 결합 커패시턴스가 유도되는, 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 암은 "L" 자 형상으로 형성되는, 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 안테나 암 및 상기 제 2 안테나 암은 각각 수직방향 성분 및 수평방향 성분을 포함하고,
    상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암은 L자 형상을 가지며,
    상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암의 수직방향 성분 및 수평방향 성분 중 적어도 하나는 서로 다른 길이를 갖는, 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나 암의 수평방향 성분은 다이아몬드 형상으로 형성되는, 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  8. 제 1 항에 있어서
    상기 복수의 안테나 암에 대한 피딩(feeding)은 CPW(Coplanar Waveguide)를 이용하여 이루어지는, 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 평면형 TCA 장치의 서브 어레이 구성으로 패시브 페이즈드 어레이(passive phased array)가 적용될 경우, 전압 분배(power divide) 및 패시브 지연 전송 라인(passive delay transmission line)을 이용하고,
    액티브 페이즈드 어레이(active phased array)가 적용될 경우, 위상 쉬프터(phase shifter)가 포함된 RF 칩(RF chip)을 이용하는, 평면형 TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  10. 기판;
    상기 기판의 제 1 면에 평면 형태로 배열되는 제 1 안테나 암; 및
    상기 기판의 제 2 면에 평면 형태로 배열되는 제 2 안테나 암을 포함하되,
    상기 제 1 안테나 암은 무선 신호를 방사하기 위한 안테나 암이고, 상기 제 2 안테나 암은 접지를 위한 안테나 암이며,
    상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암은, 서로 다른 전위를 만족하는 상호 결합 커패시턴스(coupled capacitance)를 유도하고,
    상기 제 1 안테나 암과 상기 제 2 안테나 암은 각각 복수 개가 연속되어 배열되고,
    상기 제 2 안테나 암은, 상기 기판의 수평방향으로, 상기 제 1 안테나 암과 소정 간격 이격되어 배열되는, TCA(Tightly Coupling Antenna) 장치.
  11. 삭제
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