KR102275167B1 - 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치 - Google Patents

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KR102275167B1
KR102275167B1 KR1020200105015A KR20200105015A KR102275167B1 KR 102275167 B1 KR102275167 B1 KR 102275167B1 KR 1020200105015 A KR1020200105015 A KR 1020200105015A KR 20200105015 A KR20200105015 A KR 20200105015A KR 102275167 B1 KR102275167 B1 KR 102275167B1
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patch
patch radiator
amc
antenna device
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KR1020200105015A
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김병남
유홍일
손창기
이강표
박철근
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주식회사 센서뷰
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Abstract

본 발명은 제1 기판의 일면에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되는 제1 패치 방사체와 상기 제1 기판의 타면에 형성되는 접지면 및 상기 제1 기판의 일면과 타면 사이에 기지정된 패턴에 따라 배열되도록 배치되는 다수의 AMC 소자를 포함하는 제1 대역 방사부, 상기 제1 대역 방사부의 일면측에 적층되는 다수의 제2 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되어 적층된 구조로 배치되고 상기 제1 기판의 타면에 형성된 접지면과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 제2 패치 방사체를 포함하는 제2 대역 방사부 및 상기 제1 대역 방사부와 상기 제2 대역 방사부 사이에 배치되는 제3 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 링 소자가 형성된 매칭부를 포함하여, 작은 면적과 작은 높이를 갖는 소형으로 제조 가능할 뿐만 아니라, 다중 광대역에서 동작하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치를 제공할 수 있다.

Description

밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치{Wideband patch antenna device for millimeter wave}
본 발명은 패치 안테나 장치에 관한 것으로, 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치에 관한 것이다.
5G 통신은 20GHz 이상의 밀리미터파 대역을 이용하여 통신을 수행한다. 밀리미터파 대역은 저주파 대역에 비해 매우 큰 감쇠 특성을 보이고 장애물에 의한 신호의 소실이 매우 큰 특성이 있다.
5G 통신에서는 매우 큰 용량의 IoT 데이터, 360도 영상 데이터, VR 데이터 및 다양한 종류의 빅 데이터를 이동 통신망을 통해 지원하며, 이러한 이유로 밀리미터파 대역을 이용한 통신은 필수적이다.
밀리미터파 대역에서의 특성으로 인해 밀리미터파용 안테나 역시 충분한 이득 및 대역폭을 제공할 필요가 있다. 안테나의 사이즈는 방사 대역에 반비례하여 결정되므로 밀리미터파 대역에서의 안테나는 극소형의 구조를 가지며, 이러한 소형 구조는 스마트 폰과 같은 소형 휴대용 단말에서도 용이하게 실장될 수 있는 장점이 있는 반면, 소형으로 제작됨으로 인해 약간의 가공 오차에도 빔의 특성이 크게 변화하여 충분한 이득 및 대역폭을 확보하기 어려울 뿐만 아니라 빔이 의도치 않게 틸트되는 문제가 있다.
또한 5G 통신에서도 사용 주파수가 상이하게 지정될 수 있으므로, 범용성을 보장하기 위해서는 밀리미터파용 안테나는 광대역 및 다중 대역 특성을 갖도록 구성될 필요가 있다.
한국 등록 특허 제10-2134761호 (2020.07.10 등록)
본 발명의 목적은
밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은
밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치는 제1 기판의 일면에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되는 제1 패치 방사체와 상기 제1 기판의 타면에 형성되는 접지면 및 상기 제1 기판의 일면과 타면 사이에 기지정된 패턴에 따라 배열되도록 배치되는 다수의 AMC 소자를 포함하는 제1 대역 방사부; 상기 제1 대역 방사부의 일면측에 적층되는 다수의 제2 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되어 적층된 구조로 배치되고 상기 제1 기판의 타면에 형성된 접지면과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 제2 패치 방사체를 포함하는 제2 대역 방사부; 및 상기 제1 대역 방사부와 상기 제2 대역 방사부 사이에 배치되는 제3 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 링 소자가 형성된 매칭부를 포함한다.
상기 다수의 AMC 소자는 상기 제1 기판의 내부에서 상기 접지면과 기지정된 제1 간격만큼 이격되어 형성되는 다수의 제1 AMC 소자; 상기 제1 기판의 내부에서 상기 접지면과 상기 제1 간격보다 작은 기지정된 제2 간격만큼 이격되어 형성되는 다수의 제2 AMC 소자; 및 상기 다수의 제1 AMC 소자 각각으로부터 상기 제1 기판 내부를 관통하여 상기 접지면과 전기적으로 연결하는 다수의 AMC 비아를 포함할 수 있다.
상기 다수의 제2 AMC 소자 각각은 기지정된 패턴으로 배열된 다수의 제1 AMC 소자 중 서로 인접하여 배치된 제1 AMC 소자 사이에 배치될 수 있다.
상기 다수의 제1 AMC 소자 및 상기 다수의 제2 AMC 소자 각각은 서로 다른 크기를 갖는 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 제1 대역 방사부는 상기 제1 기판의 일면 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되어 급전 신호를 커플링 방식으로 상기 제1 패치 방사체로 전달하는 다수의 급전 패턴; 및 상기 제1 기판의 일면과 타면을 관통하는 도전체로 형성되어 인가되는 급전 신호를 상기 다수의 급전 패턴 중 대응하는 급전 패턴으로 인가하는 다수의 급전 비아를 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 급전 비아는 각각 서로 다른 각도의 편파를 갖는 급전 신호를 인가받을 수 있다.
상기 제1 대역 방사부는 상기 제1 패치 방사체로부터 이격되어 감싸는 패턴으로 형성되는 다수의 제1 기생 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 대역 방사부는 상기 다수의 제2 기판 중 제21 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되고 상기 제1 패치 방사체와 커플링되어 급전 신호를 인가받는 제21 패치 방사체; 상기 다수의 제2 기판 중 상기 제21 기판의 일측면에 배치되는 제22 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되고 상기 제21 패치 방사체와 커플링되어 급전 신호를 인가받는 제22 패치 방사체; 및 상기 다수의 제2 기판 중 상기 제22 기판의 일측면에 배치되는 제23 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되고 상기 제22 패치 방사체와 커플링되어 급전 신호를 인가받는 제23 패치 방사체를 포함할 수 있다.
상기 제2 대역 방사부는 상기 제23 패치 방사체로부터 이격되어 감싸는 패턴으로 형성되는 다수의 제2 기생 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 대역 방사부는 상기 제23 패치 방사체로부터 이격되어 감싸는 패턴으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 기생 소자보다 긴 길이를 갖는 패턴으로 형성되는 다수의 중간 기생 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 대역 방사부는 상기 제1 기판 및 적층된 다수의 제2 기판을 관통하는 도전체로 형성되어, 상기 다수의 제2 패치 방사체와 상기 접지면을 전기적으로 연결하는 접지 비아를 더 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치는 작은 면적과 작은 높이를 갖는 소형으로 제조 가능할 뿐만 아니라, 다중 광대역에서 동작할 수 있다. 또한 커플링 급전 방식을 이용함에도 교차 편파 특성을 개선할 수 있으며, 빔 틸팅 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치의 분해 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 안테나 장치에서 다수의 인공 자기 소자 구성의 다른 예를 나타낸다.
도 3은 본 실시예에 따른 광대역 패치 안테나의 주파수 대역별 방사 패턴을 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치의 분해 사시도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치는 제1 주파수 대역 신호를 방사하는 제1 대역 방사부(10)와 제1 대역 방사부(10) 상에 배치되어 제2 주파수 대역 신호를 방사하는 제2 대역 방사부(20)를 포함할 수 있다. 즉 본 실시예의 안테나 장치는 제1 대역 방사부(10)와 제2 대역 방사부(20)가 적층 구조로 배치된 다중 대역 안테나로 동작할 수 있다.
우선 제1 대역 방사부(10)는 제1 기판(110)과 접지면(120), 제1 패치 방사체(130), 다수의 제1 급전 비아(140) 및 다수의 급전 패턴(150)을 포함한다.
제1 기판(110)은 기지정된 크기 및 두께를 갖는 유전체 기판으로 형성될 수 있다.
제1 패치 방사체(130)와 다수의 제1 급전 패턴(150)은 제1 기판(110)의 일면, 즉 상부면에 기지정된 패턴을 갖는 도전체로 형성된다. 그리고 다수의 급전 비아(140)는 제1 기판(110)의 기지정된 위치에서 일면과 타면을 관통하는 도전체로 형성될 수 있다.
제1 패치 방사체(130)는 제1 주파수 대역 신호를 방사할 수 있도록 미리 지정된 패턴으로 형성되며, 내부에 다수의 급전 패턴(150)이 형성되는 영역에서 기지정된 간격만큼 이격되어 형성된다. 즉 다수의 급전 패턴(150)과 제1 패치 방사체(130)는 직접 전기적으로 연결되지는 않는다. 그러나 제1 패치 방사체(130)는 다수의 급전 패턴(150)과 커플링되어 다수의 급전 패턴(150)으로 인가된 급전 신호를 인가받는다. 그리고 인가된 급전 신호에 제1 주파수 대역의 신호가 포함되면, 제1 패치 방사체(130)에서는 제1 주파수 대역의 신호에 대응하는 빔이 방사된다.
여기서 제1 패치 방사체(130)는 일 예로 24 ~ 29.5GHz의 제1 주파수 대역의 신호를 방사하도록 형성될 수 있다.
다수의 급전 비아(140) 각각은 급전 신호를 인가받아 다수의 제1 급전 패턴(150) 중 대응하는 제1 급전 패턴으로 인가된 급전 신호를 전달한다. 이때 다수의 급전 비아(140)는 서로 다른 편파의 급전 신호를 인가받을 수 있다. 일 예로 도 1에 도시된 2개의 급전 비아(140) 중 하나는 45도 편파 급전 신호를 인가받고 다른 하나는 -45도 편파 급전 신호를 인가받을 수 있다. 여기서는 일 예로 2개의 급전 비아(140)를 도시하였으나, 급전 비아의 개수는 다양하게 조절될 수 있다.
다수의 제1 급전 패턴(150)은 다수의 급전 비아(140)에 대응하는 위치에 형성된다. 다만, 제1 패치 방사체(130)가 대칭 구조의 패턴을 유지할 수 있도록 급전 비아(140)가 형성되지 않은 위치에도 추가적으로 형성될 수 있다. 이에 도 1에서는 일 예로 2개의 급전 비아(140)에 대해 4개의 급전 패턴(150)이 형성되어 있다. 여기서 2개의 급전 비아(140)는 각각 대응하는 급전 비아(140)를 통해 급전 신호를 인가받는 패턴이고, 나머지 2개는 제1 패치 방사체(130)가 대칭성을 유지하도록 추가된 패턴이다.
접지면(120)은 제1 기판(110)의 타면, 즉 하부면에 도전체로 형성된다. 이때 접지면(120)은 제1 기판(110)의 일면과 타면을 관통하는 다수의 급전 비아(140)가 형성되는 영역에서 기지정된 간격만큼 이격되어 형성된다. 즉 접지면(120)은 제1 기판(110)의 타면에서 다수의 급전 비아(140)가 형성되는 영역을 제외하여 형성된다.
추가적으로 제1 패치 방사체(130)는 제1 기판(110)을 관통하여 제2 대역 방사부로 연장되는 접지 비아(170)가 전기적으로 연결되지 않도록, 접지 비아(170)가 영역에서 기지정된 간격만큼 이격되어 형성될 수 있다. 접지 비아(170)에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
한편, 제1 대역 방사부(10)에는 다수의 제1 기생 소자(160)가 더 형성될 수 있다. 여기서 다수의 제1 기생 소자(160)는 제1 패치 방사체(130)와 기지정된 간격만큼 이격되어 주변을 감싸도록 형성될 수 있으며, 대칭 패턴 구조의 제1 패치 방사체(130)에 대응하여 다수의 제1 기생 소자(160)는 제1 패치 방사체(130)를 중심으로 서로 대칭되는 패턴으로 형성될 수 있다. 여기서 다수의 제1 기생 소자(160)는 제1 대역 방사부(10)의 반사 손실(Return loss)를 저감시키기 위해 형성될 수 있다.
또한 제1 기판(110)에는 타면에 형성된 접지면(120)으로부터 일면 방향으로 기지정된 간격만큼 이격된 다수의 인공 자기 도체(Artificial Magnetic Conductor: 이하 AMC) 소자(180)가 형성될 수 있다. 즉 다수의 AMC 소자(180)는 제1 기판(110)의 일면에 형성된 제1 패치 방사체(130)와 타면에 형성된 접지면(120) 사이에 기지정된 패턴에 따라 형성될 수 있다. 그리고 다수의 AMC 소자(180)는 도전체로 형성되는 AMC 비아를 통해 접지면(120)과 전기적으로 연결될 수 있다.
다수의 AMC 소자(180)는 배치되는 패턴에 따라 제1 패치 방사체(130)에서 방사되는 빔이 의도하지 않은 방향으로 기울어지는 빔 틸팅 현상을 개선하기 위해 이용될 수도 있다.
여기서는 일 예로 다수의 AMC 소자(180)가 도 1과 같이 제1 기판(110)의 양측으로 평행하게 진행하는 패턴으로 형성되는 경우를 도시하였으나, 다수의 AMC 소자(180)의 배치 패턴은 다양하게 조절될 수 있다.
도 1에서는 제1 기판(110)이 단일 기판으로 구성되는 것으로 도시하였으나, 다수의 AMC 소자(180)를 용이하게 형성하기 위해 제1 기판(110)은 다수의 기판이 적층되는 다층 기판 구조로 형성될 수도 있다.
한편 제1 대역 방사부(10) 상에 배치되는 제2 대역 방사부(20) 또한 다수의 기판(210 ~ 240)이 적층된 다층 기판 구조로 형성된다. 여기서는 일 예로 3개의 제21 내지 제 23 기판(210 ~ 230)이 적층되는 경우를 도시하였다. 그리고 제21 내지 제23 기판(220 ~ 230) 상에는 제2 주파수 대역 신호를 방사할 수 있도록 미리 지정된 패턴으로 형성되는 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)가 배치된다. 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231) 중 제21 패치 방사체(211)는 제21 기판(210) 상에 형성되고, 제22 패치 방사체(221)는 제22 기판(220) 상에 형성되며, 제23 패치 방사체(231)는 제23 기판(230) 상에 형성된다. 즉 다수의 제2 패치 방사체(221, 231, 241)는 각각 대응하는 서로 다른 기판 상에 배치되어 서로 기지정된 간격만큼 이격된 적층 구조로 형성된다.
다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231) 중 제1 패치 방사체(130)와 가장 인접하게 배치되는 제21 패치 방사체(211)는 제1 패치 방사체(130)와 커플링되어 제1 패치 방사체(130)로부터 급전 신호를 인가받고, 제22 패치 방사체(221)는 제21 패치 방사체(211)와 커플링되어 제21 패치 방사체(211)를 통해 급전 신호를 인가받는다. 그리고 제23 패치 방사체(231)는 제22 패치 방사체(221)와 커플링되어 급전 신호를 인가받는다. 제1 패치 방사체(130)와 제21 패치 방사체(211) 및 제22 패치 방사체(221)를 통해 급전 신호가 인가된 제23 패치 방사체(231)는 대응하는 주파수 대역의 빔을 방사한다.
여기서 제23 패치 방사체(231)로 급전 신호를 전달하는 제21 패치 방사체(211)와 제22 패치 방사체(221)는 커플링 급전 소자로 볼 수 있으나, 제21 패치 방사체(211)와 제22 패치 방사체(221) 또한 대응하는 주파수 대역의 빔을 방사하는 패치 방사체 소자로 볼 수도 있다. 즉 최상단에 배치되는 제23 패치 방사체(231) 뿐만 아니라, 제1 패치 방사체(130)와 제23 패치 방사체(231) 사이에 배치된 제21 패치 방사체(211)와 제22 패치 방사체(221) 또한 대응하는 주파수 대역의 빔을 방사할 수 있다.
그리고 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)는 방사하고자 하는 주파수 대역에 따라 다양한 패턴으로 형성될 수 있으며, 서로 다른 패턴으로 형성될 수 있다. 도 1에서는 일 예로 제21 패치 방사체(211)가 원형 패턴으로 형성되는 반면, 제21 패치 방사체(211)와 달리 제22 패치 방사체(221)와 제23 패치 방사체(231)는 서로 유사한 패턴으로 형성되었다. 이는 제1 패치 방사체(130)와 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)가 용이하게 커플링되어 제1 패치 방사체(130)로 인가된 급전 신호가 제23 패치 방사체(231)까지 용이하게 전달되도록 하고 대응하는 주파수 대역의 신호를 방사하도록 하기 위함이다.
일 예로 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)는 37 ~ 43GHz의 제2 주파수 대역의 신호를 방사하도록 형성될 수 있다. 즉 제2 대역 방사부(20)는 제1 대역 방사부(10)보다 높은 주파수 대역 신호를 방사하도록 구성될 수 있다.
한편 제2 대역 방사부(20)는 제23 패치 방사체(231)와 기지정된 간격만큼 이격되어 주변을 감싸는 패턴으로 다수의 제2 기생 소자(232)가 더 형성될 수 있다. 여기서 다수의 제2 기생 소자(232)는 제23 패치 방사체(231)를 중심으로 서로 대칭되는 패턴으로 형성될 수 있다. 그리고 제23 패치 방사체(231)를 중심으로 대칭되는 패턴으로 기지정된 간격만큼 이격되어 형성되는 다수의 제2 기생 소자(232)는 다수의 제1 기생 소자(160)와 마찬가지로 제2 대역 방사부(20)의 반사 손실(Return loss)를 저감시키기 위해 형성될 수 있다.
다만, 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)가 급전 신호를 제1 대역 방사부(10)로부터 커플링 방식으로 인가받는 경우, 다수의 패치 안테나 장치가 어레이 형태로 배열되거나 실장되는 경우, 상호 결합이 증가하여 교차 편파(cross polarization)에 큰 영향을 미치게 된다. 이는 상기한 바와 같이, 다수의 급전 비아(140)를 통해 서로 다른 각도의 편파를 급전 신호로 인가받는 경우에, 상호 간섭과 같은 의도하지 않은 왜곡을 발생할 수 있게 된다. 이에 본 실시예의 안테나 장치에서는 접지면(120)로부터 제1 기판(110)과 제21 내지 제 23 기판(210 ~ 230)을 모두 관통하는 접지 비아(170)가 더 형성될 수 있다. 접지 비아(170)는 제1 기판(110) 상에 형성되는 제1 패치 방사체(130)와는 기지정된 간격만큼 이격되어 전기적으로 연결되지 않는 반면, 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231) 각각과 전기적으로 연결된다.
다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)는 접지 비아(170)를 통해 접지면(120)과 전기적으로 연결되어 쇼트 패치(short patch)로 기능함으로써, 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)는 커플링 방식으로 편파 성분의 급전 신호가 인가되더라도 전류의 흐름이 개선되어 교차 편파가 독립성을 유지하도록 할 수 있다.
또한 제2 대역 방사부(20)는 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231) 중 제1 패치 방사체(130)와 인접한 제21 패치 방사체(211)의 주변으로 기지정된 간격만큼 이격된 다수의 중간 기생 소자(212)를 더 포함할 수 있다. 여기서 다수의 중간 기생 소자(212)는 제1 패치 방사체(130)와 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)보다 긴 길이를 갖는 패턴으로 형성되어, 안테나 장치의 동작 주파수대에서 유기되는 전류 및 상호 결합을 상쇄시킴으로써, 교차 편파 특성을 추가적으로 개선할 수 있다.
추가적으로 본 실시예에 따른 안테나 장치는 제1 대역 방사부(10)와 제2 대역 방사부(20) 사이에 배치되는 매칭부(30)를 더 포함할 수 있다.
매칭부(30)는 제1 기판(110)과 제21 기판(210) 사이에 배치되는 제3 기판(310)과 제3 기판(310) 상에 링 형상 패턴으로 형성되는 링 소자(311)를 포함할 수 있다.
제1 대역 방사부(10)와 제2 대역 방사부(20) 사이에 배치되는 링 소자(311)는 제2 대역 방사부(20)의 다수의 제2 패치 방사체(211, 221, 231)에서 방사되는 제2 주파수 대역 신호가 접지면(120)에 반사되어 발생할 수 있는 감쇄 현상을 저감시켜 반사 손실을 줄일 수 있다.
또한 제1 패치 방사체(130) 및 제21 패치 방사체(211)와 커플링되어 제1 패치 방사체(130) 및 제21 패치 방사체(211)의 요구되는 방사 특성을 나타내도록 하는 임피던스 매칭 소자로 이용될 수 있으며, 빔 틸팅 현상을 저감시킬 수도 있다.
여기서 링 소자(311)의 지름과 폭은 제1 패치 방사체(130)와 제21 패치 방사체(211)의 패턴에 따라 조절될 수 있다.
결과적으로 도 1에 도시된 안테나 장치는 작은 면적과 작은 높이를 갖는 소형으로 제조 가능할 뿐만 아니라, 24 ~ 27.5GHz와 37 ~ 43GHz의 다중 광대역에서 동작할 수 있다. 또한 커플링 급전 방식을 이용함에도 패치 방사체(211, 221, 231)를 접지 비아(170)를 통해 접지면(120)과 전기적으로 연결함으로써, 교차 편파 특성을 개선할 수 있다.
도 2는 도 1의 안테나 장치에서 다수의 인공 자기 소자 구성의 다른 예를 나타낸다.
상기한 바와 같이, 제1 기판(110)의 타면에 형성된 접지면(120)으로부터 일면 방향으로 기지정된 간격만큼 이격되어 형성되는 다수의 AMC 소자(180)는 제1 패치 방사체(130)의 방사 특성을 변화시켜, 제1 패치 방사체(130)의 방사 특성을 변화시켜, 접지면(120)과 제1 패치 방사체(130) 사이의 간격이 좁아지더라도 제1 패치 방사체(130)가 요구되는 제1 주파수 대역의 신호를 방사할 수 있도록 한다.
그러나 최근 안테나 장치가 실장되는 단말은 더욱 더 소형화되어가고, 기능이 증가됨에 따라 안테나 장치 또한 더욱 소형화될 필요가 있다. 특히 최근 단말은 각종 장치들이 적층되는 구조로 제조되므로, 안테나 장치의 두께가 특히 중요한 이슈가 된다.
이에 도 2에서는 도 1의 안테나 장치의 높이를 추가적으로 줄일 수 있도록 다수의 AMC 소자(180)의 배치 구조를 조절한다.
도 1에서는 동일한 크기의 다수의 AMC 소자(180)가 접지면(120)으로부터 동일한 간격만큼 이격되어 배치되었다. 그에 비해 도 2의 다수의 AMC 소자(181, 182)는 접지면(120)으로부터 서로 다른 간격으로 이격되어 배치되어 되어 있음을 알 수 있다. 다수의 AMC 소자(181, 182) 중 다수의 제1 AMC 소자(181)는 접지면(120)과 기지정된 제1 간격만큼 이격되어 배치된다. 다수의 제1 AMC 소자(181)는 그리고 다수의 제1 AMC 소자(181)는 도 1에 도시된 다수의 AMC 소자(180)와 마찬가지로 도전체로 형성되는 AMC 비아(183)를 통해 접지면(120)과 전기적으로 연결된다. 또한 다수의 제1 AMC 소자(181)는 도 1에서와 마찬가지로, 제1 기판(110)의 양측으로 평행하게 진행하는 패턴으로 형성될 수 있다.
한편 다수의 제2 AMC 소자(182)는 접지면(120)으로부터 제1 간격보다 작은 제2 간격만큼 이격되어 배치된다. 즉 다수의 제2 AMC 소자(182)는 제1 AMC 소자(181)보다 접지면(120)에 인접하여 형성될 수 있다. 또한 다수의 제2 AMC 소자(182)는 다수의 제1 AMC 소자(181) 중 서로 인접한 2개의 제1 AMC 소자 사이에 배치될 수 있으며, 서로 다른 크기를 갖는 패턴으로 형성될 수 있다. 여기서 다수의 제2 AMC 소자(182)는 다수의 제1 AMC 소자(181)와 달리 접지면(120)과 전기적으로 연결되지 않는다. 즉 다수의 제2 AMC 소자(182)에는 AMC 비아(183)가 형성되지 않는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 서로 인접한 제1 AMC 소자(181) 사이에 제1 AMC 소자(181)와 다른 높이로 제2 AMC 소자(182)가 교대로 배치되면, 교대로 서로 다른 높이로 배치된 다수의 제1 AMC 소자(181)와 다수의 제2 AMC 소자(182)에 의해 제1 패치 방사체(130)의 방사 특성에 변화가 발생되어 빔 틸팅 현상이 개선될 뿐만 아니라, 접지면(120)과 제1 패치 방사체(130) 사이의 간격이 좁아지더라도 제1 패치 방사체(130)가 요구되는 제1 주파수 대역의 신호를 방사할 수 있도록 한다.
즉 제1 대역 방사부(10)가 로우 프로파일(Low Profile) 특성을 갖도록 함으로써, 제1 기판(110)의 두께를 더욱 줄일 수 있도록 한다. 이는 안테나 장치의 높이를 전체적으로 줄일 수 있도록 하여 안테나 장치가 소형의 박막 기기에도 용이하게 실장될 수 있도록 한다. 즉 안테나 장치의 높이 한계를 극복할 수 있도록 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 광대역 패치 안테나의 주파수 대역별 방사 패턴을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 본 실시예 따른 광대역 패치 안테나는 24 ~ 27.5GHz와 37 ~ 43GHz의 다중 광대역에서 안정적인 이득을 확보할 수 있으며, 의도하지 않은 빔 틸트가 억제되어 90도에서 최대 에너지를 가지는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 제1 대역 방사부 20: 제2 대역 방사부
30: 매칭부 110: 제1 기판
120: 접지면 130: 제1 패치 방사체
140: 급전 비아 150: 급전 패턴
160: 제1 기생 소자 170: 접지 비아
180: AMC 181: 제1 AMC
182: 제2 AMC 183: AMC 비아
210: 제21 기판 211: 제21 패치 방사체
220: 제22 기판 221: 제22 패치 방사체
212: 중간 기생 소자 230: 제23 기판
231: 제23 패치 방사체 232: 제2 기생 소자
310: 제3 기판 311: 링 소자

Claims (11)

  1. 제1 기판의 일면에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되는 제1 패치 방사체와 상기 제1 기판의 타면에 형성되는 접지면 및 상기 제1 기판의 일면과 타면 사이에 기지정된 패턴에 따라 배열되도록 배치되는 다수의 AMC 소자를 포함하는 제1 대역 방사부;
    상기 제1 대역 방사부의 일면측에 적층되는 다수의 제2 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되어 적층된 구조로 배치되고 상기 제1 기판의 타면에 형성된 접지면과 각각 전기적으로 연결되는 다수의 제2 패치 방사체를 포함하는 제2 대역 방사부; 및
    상기 제1 대역 방사부와 상기 제2 대역 방사부 사이에 배치되는 제3 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 링 소자가 형성된 매칭부를 포함하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 AMC 소자는
    상기 제1 기판의 내부에서 상기 접지면과 기지정된 제1 간격만큼 이격되어 형성되는 다수의 제1 AMC 소자;
    상기 제1 기판의 내부에서 상기 접지면과 상기 제1 간격보다 작은 기지정된 제2 간격만큼 이격되어 형성되는 다수의 제2 AMC 소자; 및
    상기 다수의 제1 AMC 소자 각각으로부터 상기 제1 기판 내부를 관통하여 상기 접지면과 전기적으로 연결하는 다수의 AMC 비아를 포함하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다수의 제2 AMC 소자 각각은
    기지정된 패턴으로 배열된 다수의 제1 AMC 소자 중 서로 인접하여 배치된 제1 AMC 소자 사이에 배치되는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다수의 제1 AMC 소자 및 상기 다수의 제2 AMC 소자 각각은 서로 다른 크기를 갖는 패턴으로 형성되는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 대역 방사부는
    상기 제1 기판의 일면 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되어 급전 신호를 커플링 방식으로 상기 제1 패치 방사체로 전달하는 다수의 급전 패턴; 및
    상기 제1 기판의 일면과 타면을 관통하는 도전체로 형성되어 인가되는 급전 신호를 상기 다수의 급전 패턴 중 대응하는 급전 패턴으로 인가하는 다수의 급전 비아를 더 포함하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다수의 급전 비아는
    각각 서로 다른 각도의 편파를 갖는 급전 신호를 인가받는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 대역 방사부는
    상기 제1 패치 방사체로부터 이격되어 감싸는 패턴으로 형성되는 다수의 제1 기생 소자를 더 포함하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제2 대역 방사부는
    상기 다수의 제2 기판 중 제21 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되고 상기 제1 패치 방사체와 커플링되어 급전 신호를 인가받는 제21 패치 방사체;
    상기 다수의 제2 기판 중 상기 제21 기판의 일측면에 배치되는 제22 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되고 상기 제21 패치 방사체와 커플링되어 급전 신호를 인가받는 제22 패치 방사체; 및
    상기 다수의 제2 기판 중 상기 제22 기판의 일측면에 배치되는 제23 기판 상에 기지정된 패턴의 도전체로 형성되고 상기 제22 패치 방사체와 커플링되어 급전 신호를 인가받는 제23 패치 방사체를 포함하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 대역 방사부는
    상기 제23 패치 방사체로부터 이격되어 감싸는 패턴으로 형성되는 다수의 제2 기생 소자를 더 포함하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 대역 방사부는
    상기 제23 패치 방사체로부터 이격되어 감싸는 패턴으로 형성되고, 상기 제1 및 제2 기생 소자보다 긴 길이를 갖는 패턴으로 형성되는 다수의 중간 기생 소자를 더 포함하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 대역 방사부는
    상기 제1 기판 및 적층된 다수의 제2 기판을 관통하는 도전체로 형성되어, 상기 다수의 제2 패치 방사체와 상기 접지면을 전기적으로 연결하는 접지 비아를 더 포함하는 밀리미터파용 광대역 패치 안테나 장치.
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