KR102281873B1 - 후면 방사 안테나 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 후면 방사 안테나 시스템은 소정의 두께를 가지는 제1 기판; 상기 제1 기판의 일 면에 위치하고, 슬롯을 포함하는 피드 안테나를 구비하는 제2 기판; 및 상기 슬롯을 둘러싸는 가장자리를 따라 배치되는 비아 펜스;를 포함하고, 상기 비아 펜스는, 상기 제1 기판 내부를 관통하고 상기 가장자리를 따라 배치되는 복수의 금속 비아; 및 상기 제1 기판의 타 면에 위치하고 상기 복수의 금속 비아가 형성되는 위치를 따라 상기 복수의 금속 비아 각각의 일면을 연결하도록 배치되는 지지 금속판을 포함한다.

Description

후면 방사 안테나 시스템 {Antenna System for Backside Radiation}

본 발명은 후면 방사 안테나 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 비아 펜스 구조를 포함하는 후면 방사 안테나 시스템에 관한 것이다.

무선 통신 반송 주파수는 개척되지 않은 주파수 대역의 사용과 전송 속도의 향상을 위해 계속해서 높아진다. 반송 주파수가 높을수록 안테나를 포함한 통신 시스템은 작아진다. 밀리미터파 혹은 테라헤르츠 대역의 경우, 공간과 비용의 효율을 위해 모놀리식(monolithic) 칩에 통신 시스템을 제작하는 경우가 많다. 다만, 굉장히 얇고 유전율이 높은 기판이 존재하는 환경에서 안테나가 동작하기 위해서는 몇 가지 어려움이 있다.

우선, 온 칩(on-chip) 형태로 안테나를 설계할 경우, 안테나의 전면부는 공기, 후면부는 고유전율을 갖는 기판이 존재한다. 필드는 높은 유전율의 후면부로 상대적으로 많이 방사되며, 필드를 전면부로만 방사하기 위해서는 안테나와 고유전율의 기판 중간에 접지면을 배치한다. 전면부 방사를 위해 설계된 패치 안테나는 칩 내의 접지면과 안테나 간의 수 ㎛ 수준의 매우 좁은 간격으로 대역폭과 효율이 낮다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방안으로서 전면이 아닌 후면 방사 안테나를 사용할 수 있다.

후면 방사 안테나의 경우 높은 유전율을 가지는 기판의 손실에 의한 효율 저하가 발생할 수 있으나 패치 안테나보다 월등한 대역폭과 효율을 보유한다. 그 중에서도 슬롯 안테나는 광대역 성능을 쉽게 구현할 수 있고 접지면이 충분히 확보되어 전자 회로를 안테나 위에 설계하는 것이 가능하고, 이로 인해 성능 확보 및 시스템 크기의 소형화, 집적도 향상에 기여할 수 있으며. 또한 이를 이중으로 배치하면 E-plane과 H-plane 방향의 빔 패턴을 균일하게 조정할 수 있어 필드를 다른 시스템으로 보다 효율적으로 전달할 수 있다. 이때 후면 방사 안테나의 경우 기판 손실보다 큰 문제는 피드 안테나에서 방사되는 필드가 높은 유전율의 기판에 갇히는 기판 모드의 발생이며 이는 방사 패턴을 망가뜨리고 효율을 낮추는 문제점이 있다. 피드 안테나에서 방사하는 필드는 기판의 경계와 수직하지 않기 때문에 경계에서 반사된 필드가 기판 내부에 갇히는 기판 모드가 발생할 수 있다.

이러한 기판 모드를 제거하기 위해 안테나 시스템 상에 유전체나 렌즈 등의 구성을 추가하는 방안이 있으나 구성이 추가됨으로써 안테나 효율을 더 악화시키거나 변화되는 안테나의 정확한 성능을 예측하기 어려운 추가적인 문제점이 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 비아(Via) 펜스 구조를 채용함으로써 칩 내부의 구조만으로 기판 모드를 방지할 수 있는 후면 방사 안테나 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 후면 방사 안테나 시스템은 소정의 두께를 가지는 제1 기판; 상기 제1 기판의 일 면에 위치하고, 슬롯을 포함하는 피드 안테나를 구비하는 제2 기판; 및 상기 슬롯을 둘러싸는 가장자리를 따라 배치되는 비아 펜스;를 포함하고, 상기 비아 펜스는, 상기 제1 기판 내부를 관통하고 상기 가장자리를 따라 배치되는 복수의 금속 비아; 및 상기 제1 기판의 타 면에 위치하고 상기 복수의 금속 비아가 형성되는 위치를 따라 상기 복수의 금속 비아 각각의 일면을 연결하도록 배치되는 지지 금속판;을 포함한다.

상기 복수의 금속 비아는 상기 슬롯을 둘러싸는 가장자리의 일 측에 배치되는 제1 비아 그룹 및 상기 제1 비아 그룹과 마주보는 제2 비아 그룹을 포함하고, 상기 제1 비아 그룹 및 상기 제2 비아 그룹은 상기 피드 안테나에 공급되는 전류에 의한 전기적 필드가 형성하는 H 평면에 수직하며, 상기 지지 금속판은 상기 제1 비아 그룹의 일 면을 연결하도록 배치되는 제1 지지 금속판 및 상기 제2 비아 그룹의 일 면을 연결하도록 배치되는 제2 지지 금속판을 포함하고, 상기 비아 펜스는 상기 제1 비아 그룹 및 상기 제1 지지 금속판을 포함하는 제1 펜스, 및 상기 제2 비아 그룹 및 상기 제2 지지 금속판을 포함하는 제2 펜스를 포함할 수 있다.

상기 제2 기판은 상기 슬롯을 형성하는 제1 금속판을 포함하고, 상기 슬롯은 이중 슬롯으로 구비되며, 상기 이중 슬롯의 중심과 상기 제1 펜스의 양단 사이의 각도는 120˚ 이상 180˚ 미만이고, 상기 이중 슬롯의 중심과 상기 제2 펜스의 양단 사이의 각도는 120˚ 이상 180˚ 미만일 수 있다.

상기 슬롯의 일 단으로부터 상기 금속 비아의 중심까지의 거리는 상기 피드 안테나에 공급되는 전기장의 파장의 1/2과 같을 수 있다.

상기 복수의 금속 비아는 균일한 간격으로 위치할 수 있다.

상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 유전체를 포함하는 유전체 층이고, 상기 제2 기판의 두께는 상기 제1 기판의 두께보다 얇고, 상기 제1 기판의 유전율은 상기 제2 기판의 유전율보다 클 수 있다.

상기 복수의 금속 비아는, 상기 제1 비아 그룹 및 상기 제2 비아 그룹 사이에서 상기 가장자리를 따라 배치되는 제3 비아 그룹, 및 상기 제3 비아 그룹과 마주보는 제4 비아 그룹을 더 포함하고, 상기 제3 비아 그룹 및 상기 제4 비아 그룹은 상기 피드 안테나에 공급되는 전류에 의한 전기적 필드에 의해 형성되고 상기 H 평면과 수직한 E 평면에 수직하며, 상기 지지 금속판은 상기 제3 비아 그룹의 일 면을 연결하도록 배치되는 제3 지지 금속판 및 상기 제4 비아 그룹의 일 면을 연결하도록 배치되는 제4 지지 금속판을 더 포함하고, 상기 비아 펜스는 상기 제3 비아 그룹 및 상기 제3 지지 금속판을 포함하는 제3 펜스, 및 상기 제4 비아 그룹 및 상기 제4 지지 금속판을 포함하는 제4 펜스를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 후면 방사 안테나 시스템은 소정의 두께를 가지는 제1 기판; 상기 제1 기판의 일 면에 위치하고, 슬롯을 포함하는 피드 안테나를 구비하는 제2 기판; 및 상기 슬롯을 둘러싸는 가장자리를 따라 배치되는 비아 펜스;를 포함하고, 상기 비아 펜스는, 상기 제1 기판 내부를 관통하고 상기 가장자리의 전체를 따라 배치되는 복수의 금속 비아; 및 상기 제1 기판의 타 면에 위치하고 상기 복수의 금속 비아가 형성되는 위치를 따라 상기 복수의 금속 비아 각각의 일면을 연결하되 폐쇄형으로 구비되는 지지 금속판;을 포함한다.

상기 제2 기판은 상기 슬롯을 형성하는 제1 금속판을 포함하고, 상기 슬롯은 이중 슬롯으로 구비되며, 상기 이중 슬롯의 중심과 상기 비아 펜스의 양단 사이의 각도는 120˚ 이상 180˚ 미만일 수 있다.

상기 슬롯의 일 단으로부터 상기 금속 비아의 중심까지의 거리는 상기 피드 안테나에 공급되는 전기장의 파장의 1/2과 같을 수 있다.

상기 복수의 금속 비아는 균일한 간격으로 위치할 수 있다.

상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 유전체를 포함하는 유전체 층이고, 상기 제2 기판의 두께는 상기 제1 기판의 두께보다 얇고, 상기 제1 기판의 유전율은 상기 제2 기판의 유전율보다 클 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 후면 방사 안테나 시스템에서 비아 펜스 구조를 채용함으로써 칩 내부의 구조만으로 방사 패턴의 방향성이 향상되고 기판 모드를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비아 펜스를 포함하는 안테나 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 안테나 시스템을 일 측면에서 바라본 모습을 도시한 측면도이다.
도 3은 도 1의 실시예에 따른 안테나 시스템을 상측에서 바라본 모습을 도시한 상면도이다.
도 4는 비교예 및 도 1의 실시예에 따른 안테나 시스템의 후면 방사 효율을 도시한 그래프이다.
도 5는 비교예 및 도 1의 실시예에 따른 안테나 시스템의 방사 패턴을 도시한 도면이다.
도 6은 비교예 및 도 1의 실시예에 따른 안테나 시스템의 반사 손실을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비아 펜스를 포함하는 안테나 시스템을 도시한 사시도이다.
도 8은 도 7의 실시예에 따른 안테나 시스템의 후면 방사 효율을 도시한 그래프이다.
도 9는 도 7의 실시예에 따른 안테나 시스템의 방사 패턴 및 반사 손실을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비아 펜스를 포함하는 안테나 시스템을 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 실시예에 따른 비아 펜스를 포함하는 안테나 시스템을 상측에서 바라본 모습을 도시한 상면도이다.
도 12는 도 10의 실시예에 따른 안테나 시스템의 후면 방사 효율을 도시한 그래프이다.
도 13은 도 10의 실시예에 따른 안테나 시스템의 방사 패턴 및 반사 손실을 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 형태는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우도 포함한다.

이하, 도 1 및 도 2를 함께 사용하여 일 실시예에 따른 안테나 시스템에 관하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비아 펜스를 포함하는 안테나 시스템(10)을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 실시예에 따른 안테나 시스템(10)을 일 측면(본 도면에서는 D1-D3 평면 방향)에서 바라본 모습을 도시한 측면도이다.

일 실시예에 따른 안테나 시스템(10)은 제1 기판(100), 제2 기판(200), 제1 기판(100) 내부에 형성되어 있는 금속 비아(via)(300) 및 제1 기판(100)의 일 면에 배치되는 지지 금속판(400)을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에서 제1 기판(100) 및 제2 기판(200)은 D1-D2 평면 상에 배치된 것으로 도시하였다.

제1 기판(100)은 소정의 유전율을 가지는 유전체를 포함하는 유전체층으로 구비될 수 있다. 일 예로, 제1 기판(100)은 유전체로서 InP를 포함할 수 있고, 제1 기판(100)의 유전율은 약 12.4일 수 있다.

제1 기판(100)은 제1 두께(d1)를 가질 수 있고, 제1 두께(d1)는 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛일 수 있고, 일 예로 약 75 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 후술하는 안테나 시스템의 기판 모드를 방지할 수 있는 범위 내에서 다양한 범위의 값을 가질 수 있다.

제2 기판(200)은 제1 기판(100)의 일 면(100a)에 위치할 수 있다. 제2 기판(200)은 소정의 유전율을 가지는 유전체를 포함하는 유전체층으로 구비될 수 있다. 일 예로, 제2 기판(200)은 유전체로서 벤조시클로부텐(Benzocyclobutene; BCB)을 포함할 수 있고, 제2 기판(200)의 유전율은 약 2.7일 수 있다. 제2 기판(200)은 제2 두께(d2)를 가지고, 제2 두께(d2)는 제1 두께(d1)보다 작을 수 있다. 제2 두께(d2)는 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛일 수 있고, 일 예로 약 6.8 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 기판 모드를 방지할 수 있는 범위 내에서 다양한 범위의 값을 가질 수 있다.

제2 기판(200)은 슬롯(210)을 포함하는 제1 금속판(M1) 및 상기 슬롯(210)에 전류를 공급하는 제2 금속판(220)을 포함할 수 있다. 이하에서, 피드 안테나는 슬롯(210) 및 제2 금속판(220)을 포함하는 개념으로 설명될 수 있다. 도 2의 측면도에 도시된 제1 금속판(M1)은 일체로 구비된 하나의 금속판일 수도 있고, 분리된 별개의 금속판일 수도 있다. 슬롯(210)은 제1 금속판(M1) 사이에 형성된 얇은 틈일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯(210)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 이중 슬롯으로 구비될 수 있다. 이와 같이, 제1 금속판(100)은 슬롯(210)이 배치되는 본 발명의 피드 안테나의 접지면(ground)일 수 있다.

제2 금속판(220)은 슬롯(210)에 전류를 인가하는 급전부(feed)의 역할을 수행할 수 있다. 도 1의 사시도에서는 일체로 형성된 것처럼 점선으로 도시하였으나, 도 2에 도시된 바와 같이 외부 회로 시스템의 포트가 연결되도록 분리된 양 단(220a)을 포함하는 형태로 구비될 수 있다. 상기 제2 금속판(220)의 양 단(220a)은 감지기 회로 등의 외부 회로 시스템의 포트와 연결되는 안테나의 포트일 수 있다.

제2 금속판(220)은 일 예로 급전원을 포함하거나 급전원과 임피던스 매칭을 위한 매칭 소자를 포함할 수 있다. 도 2에서는 제2 금속판(220)이 제1 금속판(M1)의 하부에 위치하는 것으로 도시하였으나, 제2 금속판(220)의 위치는 급전부의 역할을 수행할 수 있는 범위 내에서 다양하게 변경 설계될 수 있다.

피드 안테나는 제1 금속판(M1)과 제2 금속판(M2)를 연결하는 연결 비아(230)를 더 포함할 수 있다. 제2 금속판(M2)으로부터 인가되는 전기장은 연결 비아(230)를 통해 슬롯(210)을 포함하는 제1 금속판(M1)으로 인가될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 시스템(10)에서는 피드 안테나로서 이중 슬롯 안테나를 채용하였으며, 제1 기판(100)의 일 면(100a)에 배치된 제2 기판(200) 상에 구비되어 후면 방사할 수 있다. 이러한 후면 방사 이중 슬롯 안테나는 접지면 상단부 또는 하단부에서 차동 구조의 회로와 연결하여 동작할 수 있다. 일 실시예에 따른 이중 슬롯 안테나는 접지면의 하단부, 다시 말해 제1 기판(100)을 향해, 더 구체적으로는 제1 기판(100)의 하부면(100b)으로 전기적 필드(Electric field)를 방사하며, 슬롯(210)의 길이와 간격으로 필드의 E 평면(E-plane)의 E 방사 패턴, H 평면(H-plane)의 H 방사 패턴 및 주파수를 조절할 수 있다. E 평면과 H 평면은 이중 슬롯 안테나에 인가되는 전기적 필드의 E, H 필드의 방향에 의해 결정될 수 있다. 일 예로, 제2 금속판(M2)을 통해 슬롯(210)에 전기장이 D1 방향으로 인가될 수 있고, 이때 전파는 D3 방향으로 방사되고, E 평면은 D3축을 포함하는 D1-D3 평면일 수 있고, H 평면은 E 평면과 수직한 D2-D3 평면일 수 있다.

이하, 비아 펜스(VF) 구조에 관하여 설명한다. 비아 펜스(VF)는 슬롯(210)을 포함하는 피드 안테나를 둘러싸는 가장자리를 따라 배치됨으로써 피드 안테나에서 후면 방사되는 필드가 제1 기판(100) 내부에 갇히는 기판 모드를 방지할 수 있다. 이러한 비아 펜스(VF)는 복수의 금속 비아(300) 및 지지 금속판(400)을 포함할 수 있다.

금속 비아(300)는 제1 기판(100)의 내부를 관통하고 상기 슬롯(210)을 둘러싸는 가장자리를 따라 배치될 수 있다. 이때 금속 비아(300)은 내부가 비어 있는 홀(hole) 형태이며, 그 내부면(300a)이 금속으로 코팅된 구조일 수 있다. 하나의 금속 비아(300)의 직경(r1)은 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 일 수 있고, 일 예로 약 80 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

지지 금속판(400)은 제1 기판(100)의 타 면(100b)에 위치하고, 상기 복수의 금속 비아(300)가 형성되는 위치를 따라 금속 비아(300) 각각의 일면(도 1 기준, 금속 비아(300)의 하부면)을 연결하는 구조일 수 있다.

금속 비아(300)의 내부면(300a) 및 지지 금속판(400)이 포함하는 금속은 Cu, Au 등의 전기 전도성이 높은 금속일 수 있고, 금속 비아(300)의 내부면(300a) 및 지지 금속판(400)은 동일한 종류의 금속을 포함할 수도 있고 서로 다른 종류의 금속을 포함할 수도 있다.

이와 같이, 비아 펜스(VF) 구조를 채용함으로써 피드 안테나에서 후면 방사되는 필드가 제1 기판(100) 내부에 갇히는 기판 모드를 방지할 수 있다. 구체적으로, 도 2를 참조하면, 슬롯(210) 주변을 둘러싸는 비아 펜스(VF) 구조를 통해 슬롯(210)을 통해 방사되는 전파가 제1 기판(100) 내부에 갇히기보다 후면 방사되는 비율을 높임으로써 기판 모드가 방지될 수 있다.

도 1의 실시예에 따른 비아 펜스(VF) 구조에 관하여 후술하는 도 3을 함께 참조하여 더 상세히 설명한다.

도 3은 도 1의 실시예에 따른 이중 슬롯 안테나(10)를 상측(D3 방향)에서 바라본 모습을 도시한 상면도이다.

복수의 금속 비아(300)는 슬롯(210)을 둘러싸는 가장자리의 일 측에 배치되는 제1 비아 그룹(310) 및 상기 제1 비아 그룹(310)과 마주보는 제2 비아 그룹(320)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 비아 그룹(310, 320) 각각은 서로 동일한 개수의 금속 비아를 포함할 수 있다. 본 도면에서는 제1 및 제2 비아 그룹(310, 320) 각각이 5 개의 금속 비아를 포함하는 예시를 도시하였으나, 각 비아 그룹(310, 320)이 포함하는 금속 비아의 개수는 이에 한정되지 않는다.

제1 비아 그룹(310) 및 제2 비아 그룹(320)이 포함하는 복수의 금속 비아(300)는 슬롯(210)을 포함하는 피드 안테나에 공급되는 전류에 의한 전기적 필드가 형성하는 H 평면에 수직할 수 있다. 본 도면에서는, 전술한 바와 같이 슬롯(210)에 전기장이 D1 방향으로 인가된다고 가정할 때, H 평면은 D2-D3 평면일 수 있다.

복수의 금속 비아(300) 각각은 균일한 간격으로 배치될 수 있다. 이때, 인접한 금속 비아(300) 간의 간격은 전기장의 주파수에 따라 다를 수 있고, 차단 주파수(cutoff frequency)를 기준으로 결정할 수 있다. 이때 차단 주파수는 전기장의 세로축을 dB 단위로 할 때 -3dB이 되는 지점의 주파수를 의미할 수 있다.

지지 금속판(400)은 상기 제1 비아 그룹(310)의 일 면을 연결하도록 배치되는 제1 지지 금속판(410) 및 상기 제2 비아 그룹(320)의 일 면을 연결하도록 배치되는 제2 지지 금속판(420)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 지지 금속판(410, 420)은 제1 기판(100)의 하부면(100b)에 배치되므로 본 도면에서는 점선으로 도시하였다. 이때, 비아 펜스(VF)는 상기 제1 비아 그룹(310) 및 상기 제1 지지 금속판(410)을 포함하는 제1 펜스(VF1), 및 상기 제2 비아 그룹(320) 및 상기 제2 지지 금속판(420)을 포함하는 제2 펜스(VF2)를 포함할 수 있다.

제1 펜스(VF1) 및 제2 펜스(VF2)는 슬롯(210)의 중심(C)을 기준으로 서로 대칭으로 배치될 수 있다. 상기 슬롯(210)의 중심(C)은 슬롯(210)이 이중 슬롯으로 구비될 때 각 슬롯의 사이에 위치할 수 있고, 이중 슬롯에 전기장을 인가하는 제2 금속판(220)의 중심과 일치할 수 있다. 상기 중심(C)과 상기 제1 펜스(VF1) 양단 사이의 각도(θ1)는 약 120˚ 이상 약 180˚ 미만일 수 있고, 특히 약 120˚일 수 있다. 이때, E와 H 방사 패턴의 -3 dB 빔폭 차이는 약 10도 이하일 수 있다. 상기 각도(θ1)가 120도 미만일 경우 방사 패턴의 빔 폭이 넓어지므로 방사 집중도가 떨어질 수 있다. 상기 중심(C)과 제2 펜스(VF2) 양단 사이의 각도 또한 동일할 수 있다.

제1 펜스(VF1)는 슬롯(210)의 일 단(211)으로부터 피드 안테나에 공급되는 전류에 의한 전기장의 파장(λ)의 1/2의 거리에 위치할 수 있다. 다시 말해, 슬롯(210)의 일 단(211)으로부터 금속 비아(300)의 중심까지의 거리(l1)는 상기 파장의 1/2과 같을 수 있다(l1=λ/2). 두 펜스(VF1, VF2)는 중심(C)을 기준으로 대칭으로 배치될 수 있으므로, 제2 펜스(VF2) 또한 슬롯(210)의 일 단(211)과 대향하는 타 단(212)으로부터 상기 전기장의 파장의 1/2의 거리에 위치할 수 있다(l2=λ/2). 실시예에 따라서, 두 펜스(VF1, VF2)는 중심(C)을 기준으로 대칭으로 배치되지 않아 전술한 l1과 l2는 다를 수도 있고, 기판 모드를 방지하는 범위 내에서 슬롯(210)을 둘러싸는 범위 내라면 다양하게 배치될 수 있음은 물론이다.

한편, 복수의 금속 비아(300) 각각이 중심(C)으로부터 동일한 원주(직경 r2) 상에 위치한다고 가정하면, 비아 펜스(VF)의 길이는 'r2×θ1'으로 표현할 수 있다. 이때 지지 금속판(410, 420)은 r2의 직경을 가지는 원주의 일부분으로서 띠 형태를 가질 수 있다. 실시예에 따라서, 지지 금속판(410, 420)은 타원형의 가장자리의 일부로서, 중심(C)으로부터 제1 펜스(VF1)가 포함하는 복수의 금속 비아(300) 각각의 중심까지의 거리는 다를 수 있다. 즉, 비아 펜스(VF1, VF2)의 곡률은 다양할 수 있다.

비아 펜스(VF)와 피드 안테나 사이의 거리(l1, l2), 비아 펜스(VF)의 길이 및 비아 펜스(VF)의 각도(θ1)는 안테나 시스템(10)의 용도, 사용 조건에 맞게 적절히 조절될 수 있다.

피드 안테나가 방사하는 필드는 기판의 경계에서 반사되어 기판(본 발명에서는 제1 기판(100)) 내부에 갇혀 기판 모드를 발생시킬 수 있다. 이러한 필드의 기판 내부로의 반사를 제거하기 위한 일 방안으로 1/4 파장 두께의 매칭용 유전체를 추가하여도 동일한 문제가 발생하며, 오히려 추가된 유전체에서도 기판 모드가 발생하여 효율을 더욱 악화시킬 수 있다. 또한, 기판 모드를 제거하기 위한 다른 방안으로서 기판(100) 하단에 렌즈를 부착하는 방안이 있다. 이는, 기판(100)과 렌즈의 유전율이 동일하다면 필드가 반사 없이 렌즈의 경계에 도달하며 수직으로 부딪혀 기판 모드를 제거할 수 있는 원리이다. 그러나, 렌즈를 부착하는 방안도 기판(100)과 렌즈를 접합하는 접착제의 유전율이 상대적으로 낮기 때문에 접착제에서 기판 모드가 발생할 수 있다. 또한, 미세한 피드 안테나를 렌즈에 수작업으로 부착하기 때문에 정 중앙에 부착하는 것이 쉽지 않으며 정확한 성능을 예측하기도 어렵다. 이에, 본 개시에서는 칩 내부의 구조만으로 기판 모드를 제거할 수 있는 안테나 시스템을 제공하고자 한다.

도 1 내지 도 3에서 전술한 바와 같이, 본 발명의 비아 펜스(VF)는 기판(100) 내부로 필드가 갇히는 것을 막는 역할을 수행하고, 이와 동시에 필드가 기판(100)의 후면을 통해 공기 중으로 방사되는 비율을 높여 후면 방사 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 비아 펜스(VF)를 통해 퍼져나가는 필드를 모아줌으로써 필드의 방향성(directivity)이 증가할 수 있다. 한편, 광대역 특성은 그대로 유지되어 안테나로서 정상 동작이 가능하다.

여기서 도 4 내지 도 6을 함께 참조하여 본 발명의 효과에 관하여 설명한다. 이하, 비교예라 함은 비아 펜스(VF) 구조가 채용되지 않은 제1 기판(100) 및 제2 기판(200) 만을 포함하는 안테나 시스템을 의미할 수 있다.

먼저, 도 4는 비교예(a) 및 도 1의 실시예(b)에 따른 이중 슬롯 안테나의 후면 방사 효율(Radiation Power)을 도시한 그래프이다. 도 4(b)의 경우 도 4(a)와 비교할 때 최대 후면 방사 효율은 약 67 %로 동일하나, 전체적인 후면 방사 효율은 향상되었음을 확인할 수 있다.

도 5는 비교예(a) 및 도 1의 실시예(b)에 따른 이중 슬롯 안테나의 방사 패턴을 도시한 도면이다. 도 5(b)의 경우 도 5(a)와 비교할 때 E 방사 패턴과 H 방사 패턴의 유사도가 향상되었고, 방향성이 0.4 dB에서 6.3 dB로 약 5.9 dB이 향상된 것을 확인할 수 있다. 이때, 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 비아 펜스(VF) 구조 채용 전(도 5(a))에는 ±90 도(˚) 방향(도 2의 D1, D2 방향)으로의 방사가 상대적으로 높았으나, 본 발명의 비아 펜스(VF) 구조 채용 시(도 5(b)) 동일한 전원을 인가할 때 ±90 도 방향의 방사는 감소하고 대부분이 -180 도 방향(도 2의 -D3 방향)으로 방사되는 것을 확인할 수 있다. 이는 비아 펜스(VF)가 필드가 기판(100) 내부로 퍼져나가는 것을 막고 기판(100) 하부로 집중적으로 방사되도록 하기 때문이다.

도 6은 비교예 및 도 1의 실시예에 따른 이중 슬롯 안테나의 반사 손실을 도시한 도면이다. 도 6(b)의 경우 도 6(a)와 마찬가지로 약 200 GHz 내지 약 320 GHz 범위 내의 주파수에서 정상 동작하는 바 광대역 특성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비아 펜스를 포함하는 안테나 시스템(20)을 도시한 사시도이다. 전술한 실시예에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 설명을 생략할 수 있으며, 전술한 실시예와 구별되는 특징점을 위주로 설명한다. 본 실시예는 전술한 도 1 내지 도 3의 실시예 대비 제3 펜스(VF3) 및 제4 펜스(VF4)를 더 포함한다.

복수의 금속 비아(300)는 상기 제1 비아 그룹(310) 및 상기 제2 비아 그룹(320) 사이에서 상기 가장자리를 따라 배치되는 제3 비아 그룹(330), 및 상기 제3 비아 그룹(330)과 마주보는 제4 비아 그룹(340)을 더 포함할 수 있다.

제1 내지 제4 비아 그룹(310, 320, 330, 340) 각각은 서로 동일한 개수의 금속 비아를 포함할 수 있다. 본 도면에서는 제1 내지 제4 비아 그룹(310~340) 각각이 3 개의 금속 비아를 포함하는 예시를 도시하였으나, 각 비아 그룹(310~340)이 포함하는 금속 비아의 개수는 이에 한정되지 않는다.

제3 비아 그룹(330) 및 제4 비아 그룹(340)이 포함하는 복수의 금속 비아(300)는 슬롯(210)을 포함하는 피드 안테나에 공급되는 전류에 의한 전기적 필드가 형성하는 E 평면에 수직할 수 있다. 상기 E 평면은 전술한 H 평면과 수직한 평면이다. 본 도면에서는, 전술한 바와 같이 슬롯(210)에 전기장이 D1 방향으로 인가된다고 가정할 때, E 평면은 D1-D3 평면일 수 있다.

지지 금속판(400)은 상기 제3 비아 그룹(330)의 일 면을 연결하도록 배치되는 제3 지지 금속판(430) 및 상기 제4 비아 그룹(340)의 일 면을 연결하도록 배치되는 제4 지지 금속판(440)을 더 포함할 수 있다. 제3 및 제4 지지 금속판(430, 440)은 제1 기판(100)의 하부면(100b)에 배치되므로 본 도면에서는 점선으로 도시하였다. 이때, 비아 펜스(VF)는 상기 제3 비아 그룹(330) 및 상기 제3 지지 금속판(430)을 포함하는 제3 펜스(VF3), 및 상기 제4 비아 그룹(340) 및 상기 제4 지지 금속판(440)을 포함하는 제4 펜스(VF4)를 더 포함할 수 있다.

이때, 각 비아 펜스(VF1, VF2, VF3, VF4) 각각이 포함하는 복수의 금속 비아(300)는 동일한 개수로 동일한 간격으로 배치되며, 동일한 길이를 가질 수 있다. 각 비아 펜스(VF1~VF4)는 동일한 간격으로 이격될 수 있다. 본 도면의 실시예의 비아 펜스(VF1~VF4)는 전술한 도 1의 실시예에 따른 비아 펜스(VF1, VF2)보다 그 길이가 짧을 수 있다. 그러나 각 비아 펜스(VF1~VF4)의 형태 및 배치는 이에 한정되지 않으며, 실시예에 따라서 각 비아 펜스(VF1~VF4)가 포함하는 금속 비아(300)의 개수는 다를 수도 있고, 그 곡률이 다를 수도 있음은 물론이다.

이와 같이 도 7의 실시예에 의하면, H 평면 방향의 기판 모드를 막기 위해 배치한 H 평면과 수직한 제1 및 제2 펜스(VF1, VF2)와 함께, E 평면과 수직한 제3 및 제4 펜스(VF3, VF4)를 추가함으로써 E 평면 방향의 기판 모드이 발생 또한 억제하여 기판 모드 제거의 효율을 향상시킬 수 있다.

여기서 도 8 및 도 9를 함께 참조하여 도 7의 실시예에 따른 안테나 시스템의 효과에 관하여 설명한다.

도 8은 도 7의 실시예에 따른 안테나 시스템(20)의 후면 방사 효율을 도시한 그래프이다. 도 8을 참조하면, 최대 후면 방사 효율이 약 79 %로, 도 4(b)와 비교할 때 약 18 % 향상된 것을 확인할 수 있다.

도 9는 도 7의 실시예에 따른 안테나 시스템(20)의 방사 패턴(a) 및 반사 손실(b)을 도시한 도면이다. 도 9(a)의 방사 패턴을 참조하면, 도 5(b)와 마찬가지로 E 방사 패턴과 H 방사 패턴의 유사도가 높아 양 패턴의 밸런스가 유지되고, -180도 방향의 방사가 높은 것을 확인할 수 있다. 도 9(b)의 반사 손실을 참조하면, 도 6과 같이 광대역 특성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

이하, 도 10 및 도 11을 함께 사용하여 일 실시예에 따른 안테나 시스템에 관하여 설명한다. 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비아 펜스를 포함하는 안테나 시스템(30)을 도시한 사시도이고, 도 11은 도 10의 실시예에 따른 비아 펜스를 포함하는 안테나 시스템(30)을 상측에서 바라본 모습을 도시한 상면도이다.

전술한 실시예에서 설명한 내용과 중복되는 내용은 설명을 생략할 수 있으며, 전술한 실시예와 구별되는 특징점을 위주로 설명한다. 본 실시예는 전술한 실시예 대비 비아 펜스(VF)가 일체로 형성되는 실시예이다.

안테나 시스템(30)은 슬롯(210)을 둘러싸는 가장자리를 따라 배치되는 비 펜스(VF)를 포함하되, 상기 비아 펜스(VF)는 복수의 금속 비아(300) 및 지지 금속판(450)을 포함한다. 상기 가장자리는 슬롯(210)의 중심(C)으로부터 소정의 직경(r2)을 가지는 원주일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 타원형, 사각형 등의 폐쇄형 구조를 가질 수 있다.

복수의 금속 비아(300)는 제1 기판(100) 내부를 관통하고 상기 가장자리 전체를 따라 균일한 간격으로 배치될 수 있다. 지지 금속판(450)은 제1 기판(100)의 타 면(100b)에 위치하고 상기 복수의 금속 비아(300)가 형성되는 위치를 따라 상기 복수의 금속 비아(300) 각각의 일면을 연결하되 폐쇄형으로 구비될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전술한 실시예들과 대비하여 분리된 비아 펜스들을 모두 연결하여 일체로 구성함으로써 E 평면, H 평면 방향 뿐만 아니라 전 방향에 대한 기판 모드를 방지할 수 있으므로 보다 안정적인 안테나 성능을 확보할 수 있다.

여기서 도 12 및 도 13을 함께 참조하여, 도 10의 실시예에 따른 안테나 시스템의 효과에 관하여 설명한다.

도 12는 도 10의 실시예에 따른 안테나 시스템(30)의 후면 방사 효율을 도시한 그래프이다. 도 12를 참조하면, 최대 후면 방사 효율이 약 84 %로, 도 4(b)와 비교할 때 약 26 % 향상된 것을 확인할 수 있다.

도 13은 도 10의 실시예에 따른 안테나 시스템(30)의 방사 패턴(a) 및 반사 손실(b)을 도시한 도면이다. 도 13(a)의 방사 패턴을 참조하면, 도 5(b)와 마찬가지로 E 방사 패턴과 H 방사 패턴의 유사도가 높아 양 패턴의 밸런스가 유지되고, -180도 방향의 방사가 높은 것을 확인할 수 있다. 도 13(b)의 반사 손실을 참조하면, 도 6과 같이 광대역 특성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 유전체나 렌즈 등의 추가 구성 없이 기판 내부의 구조만으로 기판 모드를 제거하여 후면 방사 효율, 방사 패턴의 방향성(directivity)를 향상시킬 수 있다. 이에 따라 안테나 시스템 설계 시 비용 절감, 공정 간소화가 가능하며, 안테나 시스템의 성능의 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라 소형화, 집적화가 가능하다. 이러한 본 발명의 안테나 시스템은 온 칩(on-chip) 형태로 구현하기 용이하며, 밀리미터파 혹은 테라헤르츠 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 사용 가능하고 대역폭 또한 넓으므로 5G, 6G와 같은 통신 시스템에 적용할 수 있다. 또한 수 cm 수준의 근거리 칩-칩 통신, 웨어러블 장치 등 근거리에서 높은 전송 속도가 필요한 응용에도 적용할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

따라서, 본 발명의 사상은 앞에서 설명된 실시예들에 국한하여 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위가 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10, 20, 30: 안테나 시스템
100: 제1 기판
200: 제2 기판
210: 슬롯
M1: 제1 금속판
220: 제2 금속판
300: 금속 비아(via)
400: 지지 금속판
VF: 비아 펜스

Claims (12)

1. 소정의 두께를 가지는 제1 기판;
   상기 제1 기판의 일 면에 위치하고, 슬롯을 포함하는 피드 안테나를 구비하는 제2 기판; 및
   상기 슬롯을 둘러싸는 가장자리를 따라 배치되는 비아 펜스;를 포함하고,
   상기 비아 펜스는,
   상기 제1 기판 내부를 관통하고 상기 가장자리를 따라 배치되는 복수의 금속 비아; 및
   상기 제1 기판의 타 면과 직접 접촉하도록 위치하고 상기 복수의 금속 비아가 형성되는 위치를 따라 상기 복수의 금속 비아 각각의 일면을 연결하도록 배치되는 지지 금속판;을 포함하는, 후면 방사 안테나 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 금속 비아는 상기 슬롯을 둘러싸는 가장자리의 일 측에 배치되는 제1 비아 그룹 및 상기 제1 비아 그룹과 마주보는 제2 비아 그룹을 포함하고, 상기 제1 비아 그룹 및 상기 제2 비아 그룹은 상기 피드 안테나에 공급되는 전류에 의한 전기적 필드가 형성하는 H 평면에 수직하며,
   상기 지지 금속판은 상기 제1 비아 그룹의 일 면을 연결하도록 배치되는 제1 지지 금속판 및 상기 제2 비아 그룹의 일 면을 연결하도록 배치되는 제2 지지 금속판을 포함하고,
   상기 비아 펜스는 상기 제1 비아 그룹 및 상기 제1 지지 금속판을 포함하는 제1 펜스, 및 상기 제2 비아 그룹 및 상기 제2 지지 금속판을 포함하는 제2 펜스를 포함하는, 후면 방사 안테나 시스템
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 기판은 상기 슬롯을 형성하는 제1 금속판을 포함하고,
   상기 슬롯은 이중 슬롯으로 구비되며,
   상기 이중 슬롯의 중심과 상기 제1 펜스의 양단 사이의 각도는 120˚ 이상 180˚ 미만이고, 상기 이중 슬롯의 중심과 상기 제2 펜스의 양단 사이의 각도는 120˚ 이상 180˚ 미만인, 후면 방사 안테나 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 슬롯의 일 단으로부터 상기 금속 비아의 중심까지의 거리는 상기 피드 안테나에 공급되는 전기장의 파장의 1/2과 같은, 후면 방사 안테나 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 금속 비아는 균일한 간격으로 위치하는, 후면 방사 안테나 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 유전체를 포함하는 유전체 층이고,
   상기 제2 기판의 두께는 상기 제1 기판의 두께보다 얇고,
   상기 제1 기판의 유전율은 상기 제2 기판의 유전율보다 큰, 후면 방사 안테나 시스템.
7. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 금속 비아는,
   상기 제1 비아 그룹 및 상기 제2 비아 그룹 사이에서 상기 가장자리를 따라 배치되는 제3 비아 그룹, 및 상기 제3 비아 그룹과 마주보는 제4 비아 그룹을 더 포함하고, 상기 제3 비아 그룹 및 상기 제4 비아 그룹은 상기 피드 안테나에 공급되는 전류에 의한 전기적 필드에 의해 형성되고 상기 H 평면과 수직한 E 평면에 수직하며,
   상기 지지 금속판은 상기 제3 비아 그룹의 일 면을 연결하도록 배치되는 제3 지지 금속판 및 상기 제4 비아 그룹의 일 면을 연결하도록 배치되는 제4 지지 금속판을 더 포함하고,
   상기 비아 펜스는 상기 제3 비아 그룹 및 상기 제3 지지 금속판을 포함하는 제3 펜스, 및 상기 제4 비아 그룹 및 상기 제4 지지 금속판을 포함하는 제4 펜스를 더 포함하는, 후면 방사 안테나 시스템.
8. 소정의 두께를 가지는 제1 기판;
   상기 제1 기판의 일 면에 위치하고, 슬롯을 포함하는 피드 안테나를 구비하는 제2 기판; 및
   상기 슬롯을 둘러싸는 가장자리를 따라 배치되는 비아 펜스;를 포함하고,
   상기 비아 펜스는,
   상기 제1 기판 내부를 관통하고 상기 가장자리의 전체를 따라 배치되는 복수의 금속 비아; 및
   상기 제1 기판의 타 면과 직접 접촉하도록 위치하고 상기 복수의 금속 비아가 형성되는 위치를 따라 상기 복수의 금속 비아 각각의 일면을 연결하되 폐쇄형으로 구비되는 지지 금속판;을 포함하는, 후면 방사 안테나 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2 기판은 상기 슬롯을 형성하는 제1 금속판을 포함하고,
   상기 슬롯은 이중 슬롯으로 구비되며,
   상기 이중 슬롯의 중심과 상기 비아 펜스의 양단 사이의 각도는 120˚ 이상 180˚ 미만인, 후면 방사 안테나 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 슬롯의 일 단으로부터 상기 금속 비아의 중심까지의 거리는 상기 피드 안테나에 공급되는 전기장의 파장의 1/2과 같은, 후면 방사 안테나 시스템.
11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 금속 비아는 균일한 간격으로 위치하는, 후면 방사 안테나 시스템.
12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 유전체를 포함하는 유전체 층이고,
    상기 제2 기판의 두께는 상기 제1 기판의 두께보다 얇고,
    상기 제1 기판의 유전율은 상기 제2 기판의 유전율보다 큰, 후면 방사 안테나 시스템.

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