KR102334711B1 - 안테나 장치 및 안테나 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 관통홀을 가지는 그라운드 패턴과, 그라운드 패턴의 상측에 배치되고 RF 신호를 송신 또는 수신하도록 구성된 안테나 패턴과, 관통홀을 관통하도록 배치되고 일단이 안테나 패턴에 전기적으로 연결되는 피드 비아와, 복수의 도전성 패턴과 복수의 도전성 패턴을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 도전성 비아를 각각 포함하는 복수의 셀이 반복적으로 이격 배열된 구조를 가지는 메타 부재를 포함하고, 메타 부재는 그라운드 패턴의 상측에서 안테나 패턴의 측경계의 적어도 일부를 따라 배치되되, 안테나 패턴보다 상위까지 확장되어 배치될 수 있다.

Description

안테나 장치 및 안테나 모듈{Antenna apparatus and antenna module}
본 발명은 안테나 장치 및 안테나 모듈에 관한 것이다.
이동통신의 데이터 트래픽(Data Traffic)은 매년 비약적으로 증가하는 추세이다. 이러한 비약적인 데이터를 무선망에서 실시간으로 지원해 주고자 활발한 기술 개발이 진행 중에 있다. 예를 들어, IoT(Internet of Thing) 기반 데이터의 컨텐츠화, AR(Augmented Reality), VR(Virtual Reality), SNS와 결합한 라이브 VR/AR, 자율 주행, 싱크뷰 (Sync View, 초소형 카메라 이용해 사용자 시점 실시간 영상 전송) 등의 애플리케이션(Application)들은 대용량의 데이터를 주고 받을 수 있게 지원하는 통신(예: 5G 통신, mmWave 통신 등)을 필요로 한다.
따라서, 최근 5세대(5G) 통신을 포함하는 밀리미터웨이브(mmWave) 통신이 활발하게 연구되고 있으며, 이를 원활히 구현하는 안테나 모듈의 상용화/표준화를 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.
높은 주파수 대역(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz 등)의 RF 신호는 전달되는 과정에서 쉽게 흡수되고 손실로 이어지므로, 통신의 품질은 급격하게 떨어질 수 있다. 따라서, 높은 주파수 대역의 통신을 위한 안테나는 기존 안테나 기술과는 다른 기술적 접근법이 필요하게 되며, 안테나 이득(Gain) 확보, 안테나와 RFIC의 일체화, EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 확보 등을 위한 별도의 전력 증폭기 등 특수한 기술 개발을 요구할 수 있다.
전통적으로 밀리미터웨이브 통신환경을 제공하는 안테나 모듈은 높은 주파수에 따른 높은 수준의 안테나 성능(예: 송수신율, 이득, 직진성(directivity) 등)을 만족시키기 위해 IC와 안테나를 기판상에 배치시켜서 동축케이블로 연결하는 구조를 사용하여왔다. 그러나, 이러한 구조는 안테나 배치공간 부족, 안테나 형태 자유도 제한, 안테나와 IC간의 간섭 증가, 안테나 모듈의 사이즈/비용 증가를 유발할 수 있다.
미국 등록특허공보 9,030,360
본 발명은 안테나 성능(예: 송수신율, 이득, 대역폭, 직진성(directivity) 등)을 향상시키거나 소형화에 유리한 구조를 가질 수 있는 안테나 장치 및 안테나 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 관통홀을 가지는 그라운드 패턴; 상기 그라운드 패턴의 상측에 배치되고 RF 신호를 송신 또는 수신하도록 구성된 안테나 패턴; 상기 관통홀을 관통하도록 배치되고 일단이 상기 안테나 패턴에 전기적으로 연결되는 피드 비아; 및 복수의 도전성 패턴과 상기 복수의 도전성 패턴을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 도전성 비아를 각각 포함하는 복수의 셀이 반복적으로 이격 배열된 구조를 가지는 메타 부재; 를 포함하고, 상기 메타 부재는 상기 그라운드 패턴의 상측에서 상기 안테나 패턴의 측경계의 적어도 일부를 따라 배치되되, 상기 안테나 패턴보다 상위까지 확장되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은, 복수의 배선과, 상기 복수의 배선의 상측에 배치된 그라운드 패턴과, 상기 복수의 배선의 하측에서 상기 복수의 배선에 전기적으로 연결되는 복수의 배선비아를 포함하는 연결 부재; 상기 배선비아에 전기적으로 연결되고 상기 연결 부재의 하측에 배치된 IC; 및 상기 복수의 배선에 전기적으로 연결되고 상기 연결 부재의 상측에 배치된 복수의 안테나 장치; 를 포함하고, 상기 복수의 안테나 장치 중 적어도 하나는, RF 신호를 송신 또는 수신하도록 구성된 안테나 패턴; 상하방향으로 볼 때 적어도 일부가 상기 안테나 패턴에 오버랩되도록 상기 안테나 패턴의 상측에 배치되는 상부 커플링 패턴; 일단이 상기 안테나 패턴의 중심에서 제2 측면방향으로 치우쳐진 지점에 전기적으로 연결되는 제1 피드 비아; 일단이 상기 안테나 패턴의 중심에서 제1 측면방향으로 치우쳐진 지점에 전기적으로 연결되는 제2 피드 비아; 및 RF 신호에 대한 음의 굴절률을 가지도록 배열된 복수의 도전성 패턴을 포함하고, 상하방향으로 볼 때 상기 안테나 패턴을 둘러싸는 메타 부재; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 안테나 모듈은, 안테나 패턴의 방사패턴을 더욱 집중시켜서 안테나 성능(예: 송수신율, 이득, 대역폭, 직진성(directivity) 등)을 향상시키거나 소형화에 유리한 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 안테나 모듈은, 안테나 패턴의 내재적 요소에 따른 주파수 대역을 확장시켜서 넓은 대역폭을 가지거나 듀얼밴드(dual-band) 송수신을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치 및 안테나 모듈은, 듀얼피딩(dual feeding) 방식의 안테나 패턴의 복수의 표면전류 각각을 집중시켜서 안테나 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 다양한 구조를 나타낸 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 표면 전류 흐름에 대응되는 메타 부재를 나타낸 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 다양한 구조를 나타낸 측면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 단면을 나타낸 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 메타 부재의 단면을 나타낸 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 메타 부재의 다양한 구조를 나타낸 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 RF 신호 투과경로를 나타낸 측면도이다.
도 8a은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 S파라미터를 나타낸 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 원형 안테나 패턴과 원형으로 둘러싸는 메타 부재를 나타낸 사시도 및 평면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치가 배열된 안테나 모듈을 나타낸 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 포함하는 안테나 모듈의 개략적인 구조를 나타낸 측면도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 포함하는 안테나 모듈의 다양한 구조를 나타낸 측면도이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 포함하는 안테나 모듈의 연결 부재의 하측 구조를 예시한 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a)는, 안테나 패턴(110a), 피드 비아(120a), 그라운드 패턴(125a) 및 메타 부재(130a)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 상하방향은 그라운드 패턴(125a)의 상면 및/또는 하면의 수직방향을 의미하고, 본 명세서에서 상위(upper level) 및 하위(lower level)는 상기 상하방향을 기준으로 정의된다.
안테나 패턴(110a)은 RF 신호를 원격 수신하여 피드 비아(120a)로 전달하거나 피드 비아(120a)로부터 RF 신호를 전달받아 원격 송신하도록 구성될 수 있다. 상기 안테나 패턴(110a)은 내재적 요소(예: 형태, 크기, 높이, 절연층의 유전율 등)에 따른 내재적 주파수 대역(예: 28GHz)을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 안테나 패턴(110a)은 원형 또는 다각형의 양면을 가지는 패치 안테나의 구조를 가질 수 있다. 상기 패치 안테나의 양면은 RF 신호가 전도체와 비전도체 사이를 투과하는 경계로 작용할 수 있다.
피드 비아(120a)는 안테나 패턴(110a)으로부터 수신된 RF 신호를 IC로 전달할 수 있으며, IC로부터 전달받은 RF 신호를 안테나 패턴(110a)으로 전달할 수 있다.
예를 들어, 하나의 안테나 패턴에 전기적으로 연결되는 피드 비아(120a)의 개수는 2개 이상일 수 있다. 피드 비아(120a)의 개수가 복수일 경우, 피드 비아(120a)는 서로 다른 위상(예: 90도 위상차, 180도 위상차)의 RF 신호가 각각 통과하도록 구성될 수 있으며, 서로 다른 시점에 RF 신호가 각각 통과하도록 구성될 수 있으며, 송신될 RF 신호와 수신된 RF 신호가 각각 통과하도록 구성될 수 있다. 여기서, RF 신호의 위상차는 IC의 위상변환기(phase shifter)를 통해 구현되거나, 배선의 전기적 길이(electrical length) 차이를 통해 구현될 수 있다.
그라운드 패턴(125a)은 안테나 패턴(110a)의 하측에 배치될 수 있으며, 적어도 하나의 관통홀을 가질 수 있다. 피드 비아(120a)는 상기 적어도 하나의 관통홀을 관통하도록 배치될 수 있다.
그라운드 패턴(125a)은 상측의 안테나 패턴(110a)과 하측의 연결 부재(1200a) 사이를 가로막도록 배치되므로, 안테나 패턴(110a)과 연결 부재(1200a)간의 격리도를 향상시킬 수 있다. 또한, 그라운드 패턴(125a)은 안테나 패턴(110a)과의 전자기적 커플링에 따른 캐패시턴스를 안테나 패턴(110a)에 제공할 수 있다. 또한, 그라운드 패턴(125a)은 안테나 패턴(110a)의 RF 신호를 반사하여 RF 신호를 상면방향으로 더욱 집중시킬 수 있으므로, 안테나 패턴(110a)의 안테나 성능을 향상시킬 수 있다.
메타 부재(130a)는 각각 안테나 패턴(110a)보다 작은 복수의 도전성 패턴과 상기 복수의 도전성 패턴을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 비아를 각각 포함하는 복수의 셀이 반복적으로 이격 배열된 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 메타 부재(130a)는 전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap) 구조를 가질 수 있으므로, RF 신호에 대한 음의 굴절률을 가질 수 있다.
메타 부재(130a)는 상하방향으로 볼 때 안테나 패턴(110a)에 오버랩되지 않도록 그라운드 패턴(125a)의 상면 상에 이격 배치되고, 메타 부재(130a)의 중간 높이에서 그라운드 패턴(125a)까지의 이격 거리가 안테나 패턴(110a)과 그라운드 패턴(125a) 간의 이격 거리보다 길도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 메타 부재(130a)는 그라운드 패턴(125a)의 상측에서 안테나 패턴(110a)의 측경계의 적어도 일부를 따라 배치되되, 안테나 패턴(110a)보다 상위까지 확장되어 배치될 수 있다.
이에 따라, 메타 부재(130a)는 음의 굴절률을 더욱 효율적으로 활용하여 안테나 패턴(110a)의 RF 신호를 상면방향으로 더욱 집중시킬 수 있으므로, 안테나 패턴(110a)의 안테나 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 그라운드 패턴(125a)은 안테나 패턴(110a)으로부터 입사되는 RF 신호를 반사할 수 있다. 반사된 RF 신호는 메타 부재(130a)로 투과될 수 있다. 메타 부재(130a)를 투과하는 RF 신호의 측면벡터의 방향은 메타 부재(130a)의 음의 굴절률에 의해 반대방향으로 변경될 수 있다. 이에 따라, 메타 부재(130a)를 투과하는 RF 신호는 상면방향으로 집중될 수 있다.
한편, 메타 부재(130a)는 안테나 패턴(110a)에 전자기적으로 커플링될 수 있는데, 메타 부재(130a)의 요소(예: 높이, 금속판 형태, 금속판 크기, 금속판 개수, 복수의 금속판 사이 간격, 안테나 패턴에 대한 이격거리 등)에 종속적으로 안테나 패턴(110a)의 주파수 특성에 영향을 줄 수 있다.
이에 따라, 안테나 패턴(110a)은 확장 주파수 대역(예: 26GHz, 38GHz)을 가질 수 있다. 상기 확장 주파수 대역이 상기 내재적 주파수 대역에 인접할 경우, 안테나 패턴(110a)는 넓은 대역폭을 가질 수 있다. 상기 확장 주파수 대역이 상기 내재적 주파수 대역에 인접하지 않을 경우, 안테나 패턴(110a)는 듀얼밴드(dual-band) 송수신을 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a)는 안테나 패턴(110a)의 상면 상에 이격 배치된 상부 커플링 부재(115a)를 더 포함할 수 있다. 상기 상부 커플링 부재(115a)는 안테나 패턴(110a)과의 전자기적 커플링에 따른 캐패시턴스를 안테나 패턴(110a)에 제공할 수 있으며, 안테나 패턴(110a)의 RF 신호 송수신 면적을 확대시킬 수 있다. 이에 따라, 안테나 패턴(110a)의 이득이나 대역폭은 향상될 수 있다.
상기 상부 커플링 부재(115a)의 배치에 따라, 안테나 패턴(110a)에서의 피드 비아(120a)의 연결을 위한 최적 위치는 안테나 패턴(110a)의 중심에서 멀어질 수 있다.
도 3a를 참조하면, 상기 최적 위치가 안테나 패턴(110a)의 제2 측면방향(예: 270도 방향) 가장가리에 가까울 경우, 안테나 패턴(110a)의 RF 신호 송수신에 따라 안테나 패턴(110a)를 흐르는 표면 전류는 안테나 패턴(110a)의 제4 측면방향(예: 90도 방향)을 향하여 흐를 수 있다. 이때, 표면 전류는 제1 측면방향(예: 0도 방향) 및 제3 측면방향(예: 180도 방향)으로 분산될 수 있는데, 메타 부재(130a)는 표면 전류중 제1 및 제3 측면방향으로 분산되는 성분에 따른 RF 신호가 제1 및 제3 측면방향으로 세는 것을 억제할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 상기 최적 위치가 안테나 패턴(110a)의 제1 측면방향(예: 0도 방향) 가장가리에 가까울 경우, 안테나 패턴(110a)의 RF 신호 송수신에 따라 안테나 패턴(110a)를 흐르는 표면 전류는 안테나 패턴(110a)의 제3 측면방향(예: 180도 방향)을 향하여 흐를 수 있다. 이때, 표면 전류는 제2 측면방향(예: 270도 방향) 및 제4 측면방향(예: 90도 방향)으로 분산될 수 있는데, 메타 부재(130a)는 표면 전류가 제2 및 제4 측면방향으로 분산되는 성분에 따른 RF 신호가 제2 및 제4 측면방향으로 세는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 안테나 패턴(110a) 및/또는 상부 커플링 부재(115a)를 둘러싸는 메타 부재(130a)는 안테나 패턴(110a)의 RF 신호가 측면으로 세는 것을 억제할 수 있으므로, 안테나 패턴(110a)의 안테나 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 다양한 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2a를 참조하면, 메타 부재(130a)는 상하방향으로 볼 때 안테나 패턴(110a)을 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 안테나 패턴(110a)에 대한 이격 거리가 균일하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 메타 부재(130a)는 안테나 패턴(110a)의 RF 신호가 측면으로 세는 것을 효율적으로 억제하고 그라운드 패턴에서 반사된 RF 신호를 효율적으로 상면방향으로 집중시킬 수 있다.
도 2b 및 도 2c를 참조하면, 메타 부재(130a)는 안테나 패턴(110a)의 일부만 둘러쌀 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 메타 부재(130a)의 음의 굴절률을 활용하여 안테나 성능을 향상시키면서도 메타 부재(130a)의 사용에 따른 사이즈 증가를 억제할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 메타 부재(130a)는 다각형의 꼭지점에 인접하여 배치된 복수의 더미 셀을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 복수의 더미 셀 각각의 도전성 패턴의 크기는 메타 부재의 도전성 패턴의 크기보다 클 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 메타 부재(130a)의 음의 굴절률 특성에 별다른 영향을 주지 않으면서 안테나 모듈 내의 인접 안테나 장치의 메타 부재와 쉽게 결합될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 어레이(array) 관점에서의 안테나 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 안테나 패턴(110a)은 피드 비아가 연결되는 지점에 인접하여 형성된 슬릿(122a)을 포함할 수 있다. 슬릿(122a)은 안테나 패턴(110a)의 임피던스에 영향을 줄 수 있으며, 안테나 패턴(110a)을 흐르는 표면 전류가 일측 슬릿에서 타측 슬릿으로 흐르도록 유도할 수 있다. 이에 따라, 안테나 패턴(110a)에서 측면으로 세는 RF 신호는 감소할 수 있다.
한편, 도 2e를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 안테나 패턴(110d), 그라운드 패턴(125d) 및 메타 부재(130d)를 포함할 수 있다. 여기서, 메타 부재(130d)에 포함된 복수의 셀은 n X 1의 구조로 배열될 수 있다. 여기서, n은 2보다 큰 자연수이다. 즉, 복수의 셀은 1개의 스트링(string)으로 배열될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 사이즈는 감소할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 다양한 구조를 나타낸 측면도이다.
도 4a를 참조하면, 메타 부재(130a)의 하위 도전성 패턴은 안테나 패턴과 동일한 높이에 배치될 수 있다. 따라서, 메타 부재(130a)의 중간 높이에서 그라운드 패턴(125a)까지의 이격 거리는 안테나 패턴에서 그라운드 패턴(125a)까지의 이격 거리보다 길 수 있다.
도 4b를 참조하면, 메타 부재(130a)의 도전성 패턴 전체는 안테나 패턴(110a)보다 높은 위치에 배치될 수 있다. 메타 부재(130a)의 높이는 RF 신호의 주파수나, 안테나 성능 설계조건이나, 안테나 모듈에 포함된 안테나 장치의 개수/간격/크기에 따라 달라질 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 단면을 나타낸 사시도이다.
도 5a를 참조하면, 그라운드 패턴(125a)은 상하방향으로 볼 때 메타 부재(130a)와 안테나 패턴(110a)의 사이를 커버하도록 메타 부재(130a)의 적어도 일부와 안테나 패턴(110a)의 적어도 일부를 함께 오버랩할 수 있다. 이에 따라, 그라운드 패턴(125a)은 안테나 패턴(110a)의 RF 신호를 더욱 집중적으로 메타 부재(130a)로 반사시킬 수 있으므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 성능은 향상될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 도전성 패턴의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 평균 이격 거리(d2)는, 안테나 패턴(110a)의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리(d3)보다 길고, 상부 커플링 패턴(115a)의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리(d4)보다 짧도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 그라운드 패턴(125a)에서 반사되는 RF 신호는 메타 부재(130a)에서 상면방향으로 집중되는 적절한 각도로 메타 부재(130a)로 투과될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 성능은 향상될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 도전성 패턴 중 최상위 도전성 패턴의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리는 상부 커플링 패턴(115a)의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리(d4)와 실질적으로 동일하도록 배치될 수 있으며, 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 도전성 패턴 중 최하위 도전성 패턴의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리는 안테나 패턴(110a)의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리(d3)와 실질적으로 동일하도록 배치될 수 있다. 즉, 메타 부재(130a)는 안테나 패턴(110a)의 측경계의 적어도 일부를 따라 배치되되, 상부 커플링 패턴(115a)의 동위(same level)까지 확장되어 배치될 수 있다. 이에 따라, 메타 부재(130a)는 안테나 패턴(110a)과 상부 커플링 패턴(115a)에서 측면으로 세는 RF 신호를 더욱 효율적으로 상면방향으로 유도할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 도전성 패턴 중 적어도 하나(예: 중간 높이의 도전성 패턴)의 그라운드 패턴으로부터의 이격 거리는 상부 커플링 패턴(115a)의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리(d4)보다 짧고 안테나 패턴(110a)의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리(d3)보다 길도록 배치될 수 있다. 상기 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 도전성 패턴 중 적어도 하나는 안테나 모듈 내의 타 안테나 장치의 안테나 패턴 및 상부 커플링 패턴과 안테나 패턴(110a) 및 상부 커플링 패턴(115a)을 물리적으로 가로막을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 인접 안테나 장치 사이의 격리도는 향상될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 도전성 패턴의 안테나 패턴(110a)에 대한 이격 거리(d1)는 상부 커플링 패턴(115a)의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리(d4)보다 짧고 안테나 패턴(110a)의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리(d3)보다 길도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 그라운드 패턴(125a)에서 반사되는 RF 신호는 메타 부재(130a)에서 상면방향으로 집중되는 적절한 각도로 메타 부재(130a)로 투과될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 성능은 향상될 수 있다.
도 5a를 참조하면, 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 도전성 패턴 각각의 변 길이는 상기 복수의 도전성 패턴 중 최상위 도전성 패턴의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리보다 짧고 상기 복수의 도전성 패턴 중 최하위 도전성 패턴의 그라운드 패턴(125a)으로부터의 이격 거리보다 길 수 있다. 또한, 메타 부재(130a)의 최하위 도전성 패턴부터 그라운드 패턴(125a)까지의 이격 거리는, 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 도전성 패턴 중 최상위 도전성 패턴부터 최하위 도전성 패턴까지의 이격 거리보다 길 수 있다. 이에 따라, 메타 부재(130a)는 메타 부재(130a)를 투과하는 RF 신호가 상면방향으로 집중되도록 적절한 음의 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 성능은 향상될 수 있다.
한편, 도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 그라운드 패턴(125a)에 전기적으로 연결되도록 배치되고 상하방향으로 볼 때 메타 부재(130a)의 적어도 일부를 둘러싸도록 배열되는 복수의 제1 차폐비아(126a)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 인접 안테나 장치 사이의 격리도는 향상될 수 있으며, 그라운드 패턴(125a)의 RF 신호 반사 성능은 더욱 향상될 수 있다.
또한, 도 5a를 참조하면, 그라운드 패턴(125a)에 전기적으로 연결되도록 배치되고 상하방향으로 볼 때 피드 비아(120a)를 둘러싸도록 배열되는 복수의 제2 차폐비아(121a)를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 피드 비아(120a)를 통과하는 RF 신호의 전자기 노이즈는 감소할 수 있다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 메타 부재의 단면을 나타낸 사시도이며, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 메타 부재의 다양한 구조를 나타낸 측면도이다.
도 5b, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 메타 부재(130a)에 포함된 복수의 셀 각각은 도전성 비아(131a), 제1 도전성 패턴(132a), 제2 도전성 패턴(133a), 제3 도전성 패턴(134a), 제4 도전성 패턴(135a) 및 제5 도전성 패턴(136a)을 포함할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 상기 복수의 셀은 n X 2의 구조로 배열될 수 있다. 여기서, n은 2보다 큰 자연수이다. 즉, 복수의 셀은 2개의 스트링(string)으로 배열될 수 있다. 안테나 패턴에서 측면방향으로 세는 RF 신호는 2개의 스트링 중 안테나 패턴에 가까운 스트링과 안테나 패턴에 먼 스트링 간의 좁은 갭에 의해 마치 음의 굴절률의 매질에 입사하는 것처럼 투과될 수 있다. 따라서, n X 2의 구조로 배열된 복수의 셀은 RF 신호를 상면방향으로 더욱 집중시킬 수 있다. 상기 복수의 셀의 구조는 n X의 구조로 한정되지 않으며, 설계에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 셀은 도 2e에 도시된 바와 같이 n X 1의 구조로 배열될 수 있다.
도전성 비아(131a)는 제1 내지 제5 도전성 패턴(132a, 133a, 134a, 135a, 136a)을 서로 전기적으로 연결시킬 수 있으며, 제1 내지 제5 도전성 패턴(132a, 133a, 134a, 135a, 136a)의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도전성 비아(131a)는 안테나 모듈 내의 타 안테나 장치의 안테나 패턴 및 상부 커플링 패턴과 안테나 패턴(110a) 및 상부 커플링 패턴(115a)을 물리적으로 가로막도록 배치되므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 인접 안테나 장치 사이의 격리도를 향상시킬 수 있다.
제1 내지 제5 도전성 패턴(132a, 133a, 134a, 135a, 136a)은 서로 실질적으로 동일한 형태와 크기를 가지고 실질적으로 동일한 간격으로 서로 이격될 수 있으므로, 메타 부재(130a)는 전자기 밴드갭 특성(음의 굴절률)을 가질 수 있다.
도 8a은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 등가회로를 나타낸 회로도이다.
도 8a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 패턴(110b)은 IC와 같은 소스(SRC2)로 RF 신호를 전달하거나 RF 신호를 전달받을 수 있으며, 저항값(R2)과 인덕턴스(L3, L4)를 가질 수 있다.
메타 부재(130b)는 안테나 패턴(110b)에 대한 캐패시턴스(C5, C12)와, 복수의 도전성 패턴 사이의 캐패시턴스(C6, 10)와, 도전성 비아의 인덕턴스(L5, L6)와, 도전성 패턴과 그라운드 패턴 간의 캐패시턴스(C7, C11)를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 주파수 대역과 대역폭은 전술한 저항값, 캐패시턴스 및 인덕턴스에 의해 결정될 수 있다.
한편, 도전성 패턴과 그라운드 패턴 간의 캐패시턴스(C7, C11)는 메타 부재(130b)와 그라운드 패턴 간의 전기적 연결 여부에 따라 인덕턴스로 대체될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 메타 부재(130b)의 도전성 패턴과 그라운드 패턴의 사이를 전기적으로 연결하도록 배치된 비아를 더 포함할 수 있다.
상기 비아가 연결되지 않을 경우, 메타 부재(130b)는 RF 신호의 주파수에 더욱 순응적으로 작용할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 대역폭을 더욱 넓힐 수 있다.
도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 S파라미터를 나타낸 그래프이다.
도 8b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 S파라미터(예: 피드 비아로부터 안테나 패턴으로 전달되는 RF 신호의 제1 에너지 대비 안테나 패턴부터 피드 비아로 전달되는 RF 신호의 제2 에너지의 비율)는 약 26GHz와 약 28GHz에서 낮은 값을 가질 수 있다. 즉, 약 26GHz의 RF 신호와 약 28GHz의 RF 신호는 전송과정에서의 반사율이 낮을 수 있으므로, 안테나 패턴은 26GHz의 RF 신호와 약 28GHz의 RF 신호에 대한 높은 안테나 성능을 가질 수 있다.
대역폭의 기준을 -10dB의 S파라미터로 설정할 경우, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은 약 4.7GHz의 대역폭을 가질 수 있다.
S파라미터가 약 28GHz에서 낮은 값을 가지는 것은 안테나 패턴의 내재적 요소에 따라 결정되고, S파라미터가 약 26GHz에서 낮은 값을 가지는 것은 메타 부재의 요소에 따라 결정될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 메타 부재를 사용하여 대역폭을 더욱 넓힐 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 원형 안테나 패턴과 원형으로 둘러싸는 메타 부재를 나타낸 사시도 및 평면도이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 안테나 패턴(110e), 상부 커플링 패턴(115e), 그라운드 패턴(125e), 제1 차폐비아(126e) 및 메타 부재(130e) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
안테나 패턴(110e)의 형태는 원형일 수 있다. 이에 따라, 메타 부재(130e)는 상하방향으로 볼 때 안테나 패턴(110e)을 원형으로 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 메타 부재(130e)에 포함된 복수의 도전성 패턴은 각각 사다리꼴의 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 메타 부재(130e)는 안테나 패턴(110e)에서 측면으로 세는 RF 신호를 더욱 상면방향으로 집중시킬 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치가 배열된 안테나 모듈을 나타낸 평면도이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은, 안테나 패턴(110c), 그라운드층(125c), 메타 부재(130c), 제2 안테나 패턴(210c), 디렉터 패턴(215c) 및 피드라인(220c) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
안테나 패턴(110c)은 제1 방향(예: 상면 방향)으로 RF 신호를 송신 또는 수신하도록 제1 방향으로 방사패턴을 형성할 수 있다.
제2 안테나 패턴(210c)은 제2 방향(예: 측면 방향)으로 RF 신호를 송신 또는 수신하도록 제2 방향으로 방사패턴을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 안테나 패턴(210c)는 연결 부재에서 연결 부재의 측면에 인접하여 배치될 수 있으며, 다이폴(dipole) 형태 또는 접힌 다이폴(folded dipole) 형태를 가질 수 있다. 여기서, 제2 안테나 패턴(210c)의 각각의 폴의 일단은 피드라인(220c)의 제1 및 제2 라인에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 안테나 패턴(210c)의 주파수 대역은 안테나 패턴(110c)의 주파수 대역과 실질적으로 동일하게 설계될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제2 안테나 패턴(210c)은 그라운드 패턴(125c)보다 낮은 위치에 배치될 수 있다. 이에 따라, 그라운드 패턴(125c)은 제2 안테나 패턴(210c)과 안테나 패턴(110c) 간의 격리도를 향상시킬 수 있다.
디렉터 패턴(215c)은 제2 안테나 패턴(210c)에 전자기적으로 커플링되어 제2 안테나 패턴(210c)의 이득이나 대역폭을 향상시킬 수 있다. 디렉터 패턴(215c)은 제2 안테나 패턴(210c)의 다이폴 총 길이보다 짧을 수 있는데, 제2 안테나 패턴(210c)는 디렉터 패턴(215c)의 길이가 짧을수록 전자기적 커플링을 집중시킬 수 있다. 이에 따라, 제2 안테나 패턴(210c)의 이득 또는 직진성(directivity)은 더욱 향상될 수 있다.
피드라인(220c)은 제2 안테나 패턴(210c)로부터 수신된 RF 신호를 IC로 전달할 수 있으며, IC로부터 전달받은 RF 신호를 제2 안테나 패턴(210c)로 전달할 수 있다. 상기 피드라인(220c)은 연결 부재의 배선으로 구현될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은 제1 및 제2 방향으로 방사패턴을 형성할 수 있으므로, RF 신호 송수신 방향을 전방향(omni-directional)으로 확대할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 도 10a에 도시된 바와 같이 n X m의 구조로 배열될 수 있으며, 상기 안테나 장치를 포함하는 안테나 모듈은 전자기기의 꼭지점에 인접하여 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 도 10b에 도시된 바와 같이 n X 1의 구조로 배열될 수 있으며, 상기 안테나 장치를 포함하는 안테나 모듈은 전자기기의 모서리의 중간 지점에 인접하여 배치될 수 있다.
도 10c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은, 복수의 안테나 패턴(110d), 그라운드층(125d), 복수의 메타 부재(130d), 복수의 제2 안테나 패턴(210d), 복수의 디렉터 패턴(215d) 및 복수의 피드라인(220d) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
복수의 메타 부재(130d)는 각각 n X 1의 구조로 배열된 복수의 셀을 포함할 수 있다. 복수의 메타 부재(130d)는 각각 복수의 안테나 패턴(110d) 각각을 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 서로 이격 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 안테나 장치의 서로에 대한 영향은 감소할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 포함하는 안테나 모듈의 개략적인 구조를 나타낸 측면도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은 안테나(10a)와 IC(20a)가 통합된 구조를 가질 수 있으며, 안테나(10a), 제2 방향 안테나(15a), 칩 안테나(16a), IC(20a), 수동부품(40a), 기판(50a) 및 서브기판(60a) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
안테나(10a)는 도 1 내지 도 10c를 참조하여 전술한 안테나 패턴과 상부 커플링 패턴에 대응될 수 있으며, 기판(50a)의 상단에 배치될 수 있다.
메타 부재(30a)는 도 1 내지 도 10c를 참조하여 전술한 메타 부재에 대응될 수 있다.
제2 방향 안테나(15a)는 도 10a 및 도 10c를 참조하여 전술한 제2 안테나 패턴과 디렉터 패턴에 대응될 수 있으며, 측면 방향으로 RF 신호를 송수신하도록 기판(50a)의 측면에 인접하여 배치될 수 있다.
칩 안테나(16a)는 절연층(52a)보다 높은 유전상수를 가지는 유전체와 상기 유전체의 양면 상에 배치된 복수의 전극을 포함하는 입체적 구조를 가질 수 있으며, 측면 방향 및/또는 상면 방향으로 RF 신호를 송수신하도록 기판(50a)의 상면과 측면에 인접하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은 안테나(10a)와 제2 방향 안테나(15a)와 칩 안테나(16a) 중 적어도 둘을 포함함으로써 전방향으로(omni-directionally) 방사패턴을 형성할 수 있다.
IC(20a)는 안테나(10a), 제2 방향 안테나(15a) 및/또는 칩 안테나(16a)로부터 전달받은 RF 신호를 IF(intermediate frequency) 신호 또는 기저대역(base band) 신호로 변환할 수 있으며, 변환된 IF 신호 또는 기저대역 신호를 안테나 모듈의 외부에 배치된 IF IC, 기저대역 IC 또는 통신모뎀으로 전달할 수 있다. 또한, IC(20a)는 안테나 모듈의 외부에 배치된 IF IC, 기저대역 IC 또는 통신모뎀으로부터 전달받은 IF 신호 또는 기저대역 신호를 RF 신호로 변환할 수 있으며, 변환된 RF 신호를 안테나(10a), 제2 방향 안테나(15a) 및/또는 칩 안테나(16a)로 전달할 수 있다. 여기서, RF 신호의 주파수(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz)는 IF 신호(예: 2GHz, 5GHz, 10GHz 등)의 주파수보다 크다. 한편, IC(20a)는 주파수 변환, 증폭, 필터링, 위상제어 및 전원생성 중 적어도 일부를 수행하여 변환된 신호를 생성할 수 있다. 한편 설계에 따라, 안테나 모듈은 기판(50a)의 하면 상에 배치된 IF IC 또는 기저대역 IC를 더 포함할 수 있다.
IC(20a)와 수동부품(40a)은 기판(50a)의 하면에 인접하여 배치될 수 있다. 수동부품(40a)은 IC(20a)에 필요한 임피던스를 제공하도록 캐패시터(예: 다층 세라믹 캐패시터(MLCC)), 인덕터 또는 칩저항기를 포함할 수 있다.
기판(50a)은 적어도 하나의 도전층(51a)과 적어도 하나의 절연층(52a)을 포함할 수 있으며, 복수의 도전층을 전기적으로 연결하도록 절연층을 관통하는 적어도 하나의 비아를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(50a)은 인쇄회로기판으로 구현될 수 있으며, 상단의 안테나 패키지와 하단의 연결 부재가 결합된 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 안테나 패키지는 RF 신호의 송수신 효율 관점에서 설계될 수 있으며, 연결 부재는 배선 효율 관점에서 설계될 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 도전층(51a) 중 상대적으로 기판(50a)의 상면에 가까운 도전층은 안테나(10a)의 그라운드 패턴으로 사용될 수 있으며, 적어도 하나의 도전층(51a) 중 상대적으로 기판(50a)의 하면에 가까운 도전층은 RF 신호, IF 신호 또는 기저대역 신호가 통과하는 배선층과, 상기 배선층의 전자기적 격리를 위한 배선 그라운드층과, IC(20a)에 그라운드를 제공하는 IC 그라운드층으로 사용될 수 있다.
서브기판(60a)은 기판(50a)의 하면 상에 배치될 수 있으며, IF 신호 또는 기저대역 신호의 경로를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 서브기판(60a)은 안테나 모듈의 외부에 안착되어 안테나 모듈을 지지하도록 지지 부재로 구현될 수 있다.
설계에 따라, 상기 서브기판(60a)은 동축케이블이 연결되는 커넥터로 대체되거나, 외부의 세트 기판과 IC(20a)를 전기적으로 연결시키는 신호 전송라인이 배치되는 연성(flexible) 절연층으로 대체될 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 포함하는 안테나 모듈의 다양한 구조를 나타낸 측면도이다.
도 12a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은 안테나 패키지와 연결 부재가 결합된 구조를 가질 수 있다.
연결 부재는 적어도 하나의 배선층(1210b)과, 적어도 하나의 절연층(1220b)을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 배선층(1210b)에 연결된 배선 비아(1230b)와, 배선 비아(1230b)에 연결된 접속패드(1240b)를 포함할 수 있으며, 구리 재배선 층(Redistribution Layer, RDL)과 유사한 구조를 가질 수 있다. 상기 연결 부재의 상면에는 안테나 패키지가 배치될 수 있다.
안테나 패키지는 복수의 상부 커플링 부재(1110b), 복수의 안테나 패턴(1115b), 복수의 피드 비아(1120b), 메타 부재(1130b), 유전층(1140b) 및 마감 부재(1150b) 중 적어도 일부를 포함할 수 있으며, 도 1 내지 도 11을 참조하여 전술한 안테나 장치에 대응될 수 있다.
유전층(1140b)은 복수의 피드 비아(1120b) 각각의 측면을 포위하도록 배치될 수 있다. 상기 유전층(1140b)은 연결 부재의 적어도 하나의 절연층(1220b)의 높이보다 긴 높이를 가질 수 있다. 안테나 패키지는 상기 유전층(1140b)의 높이 및/또는 너비가 클수록 안테나 성능 확보 관점에서 유리할 수 있으며, 복수의 안테나 패턴(1115b)의 RF 신호 송수신 동작에 유리한 경계조건(예: 작은 제조공차, 짧은 전기적 길이, 매끄러운 표면, 유전층의 큰 크기, 유전상수 조절 등)을 제공할 수 있다.
마감(encapsulation) 부재(1150b)는 유전층(1140b) 상에 배치될 수 있으며, 복수의 안테나 패턴(1115b) 및/또는 복수의 상부 커플링 부재(1110b)의 충격이나 산화에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 마감 부재(1150b)는 PIE(Photo Imageable Encapsulant), ABF(Ajinomoto Build-up Film), 에폭시몰딩컴파운드(epoxy molding compound, EMC) 등으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
IC(1301b), PMIC(1302b) 및 복수의 수동부품(1351b, 1352b, 1353b)은 연결 부재의 하면 상에 배치될 수 있다. IC(1301b)는 도 10에 도시된 IC에 대응될 수 있다.
PMIC(1302b)는 전원을 생성하고, 생성한 전원을 연결 부재의 적어도 하나의 배선층(1210b)을 통해 IC(1301b)로 전달할 수 있다.
상기 복수의 수동부품(1351b, 1352b, 1353b)은 IC(1301b) 및/또는 PMIC(1302b)로 임피던스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 수동부품(1351b, 1352b, 1353b)은 캐패시터(예: Multi Layer Ceramic Capacitor(MLCC))나 인덕터, 칩저항기 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
도 12b를 참조하면, IC 패키지는 IC(1300a)와, IC(1300a)의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재(1305a)와, 제1 측면이 IC(1300a)를 마주보도록 배치되는 지지 부재(1355a)와, IC(1300a)와 지지 부재(1355a)에 전기적으로 연결된 적어도 하나의 배선층(1310a)과 절연층(1280a)을 포함하는 연결 부재를 포함할 수 있으며, 연결 부재 또는 안테나 패키지에 결합될 수 있다.
연결 부재는 적어도 하나의 배선층(1210a)과, 적어도 하나의 절연층(1220a)과, 배선 비아(1230a)와, 접속패드(1240a)와, 패시베이션층(1250a)를 포함할 수 있다. 안테나 패키지는 복수의 상부 커플링 부재(1110a, 1110b, 1110c, 1110d), 복수의 안테나 패턴(1115a, 1115b, 1115c, 1115d), 복수의 피드 비아(1120a, 1120b, 1120c, 1120d), 복수의 메타 부재(1130a, 1130b, 1130c, 1130d), 유전층(1140a) 및 마감 부재(1150a)를 포함할 수 있다.
상기 IC 패키지는 전술한 연결 부재에 결합될 수 있다. IC 패키지에 포함된 IC(1300a)에서 생성된 RF 신호는 적어도 하나의 배선층(1310a)을 통해 안테나 패키지로 전달되어 안테나 모듈의 상면 방향으로 송신될 수 있으며, 안테나 패키지에서 수신된 제1 RF 신호는 적어도 하나의 배선층(1310a)을 통해 IC(1300a)로 전달될 수 있다.
상기 IC 패키지는 IC(1300a)의 상면 및/또는 하면에 배치된 접속패드(1330a)를 더 포함할 수 있다. IC(1300a)의 상면에 배치된 접속패드는 적어도 하나의 배선층(1310a)에 전기적으로 연결될 수 있으며, IC(1300a)의 하면에 배치된 접속패드는 하단 배선층(1320a)을 통해 지지 부재(1355a) 또는 코어 도금 부재(1365a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 코어 도금 부재(1365a)는 IC(1300a)에 접지영역을 제공할 수 있다.
상기 지지 부재(1355a)는 상기 연결 부재에 접하는 코어 유전층(1356a)과, 코어 유전층(1356a)의 상면 및/또는 하면에 배치된 코어 배선층(1359a)과, 코어 유전층(1356a)을 관통하며 코어 배선층(1359a)을 전기적으로 연결하고 접속패드(1330a)에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 코어 비아(1360a)를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 코어 비아(1360a)는 솔더볼(solder ball), 핀(pin), 랜드(land)와 같은 전기연결구조체(1340a)에 전기적으로 연결될 수 있다.
이에 따라, 상기 지지 부재(1355a)는 하면으로부터 베이스 신호 또는 전원을 공급받아서 상기 연결 부재의 적어도 하나의 배선층(1310a)을 통해 상기 베이스 신호 및/또는 전원을 IC(1300a)로 전달할 수 있다.
상기 IC(1300a)는 상기 베이스 신호 및/또는 전원을 사용하여 밀리미터웨이브(mmWave) 대역의 RF 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 IC(1300a)는 저주파수의 베이스 신호를 전달받고 상기 베이스 신호의 주파수 변환, 증폭, 필터링 위상제어 및 전원생성을 수행할 수 있으며, 고주파 특성을 고려하여 화합물 반도체(예: GaAs)로 구현되거나 실리콘 반도체로 구현될 수도 있다.
한편, 상기 IC 패키지는 적어도 하나의 배선층(1310a)의 대응되는 배선에 전기적으로 연결되는 수동부품(1350a)을 더 포함할 수 있다. 상기 수동부품(1350a)은 지지 부재(1355a)가 제공하는 수용공간(1306a)에 배치될 수 있으며, IC(1300a) 및/또는 적어도 하나의 제2 방향 안테나 패턴(1370a)로 임피던스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 수동부품(1350a)은 세라믹 캐패시터(Multi Layer Ceramic Capacitor, MLCC)나 인덕터, 칩저항기 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
한편, 상기 IC 패키지는 지지 부재(1355a)의 측면에 배치된 코어 도금 부재(1365a, 1370a)를 포함할 수 있다. 상기 코어 도금 부재(1365a, 1370a)는 IC(1300a)에 접지영역을 제공할 수 있으며, IC(1300a)의 열을 외부로 발산시키거나 IC(1300a)에 대한 잡음을 제거할 수 있다.
한편, IC 패키지와 연결 부재는 각각 독립적으로 제조되어 결합될 수 있으나, 설계에 따라 함께 제조될 수도 있다. 즉, 복수의 패키지간 별도의 결합과정은 생략될 수 있다.
한편, 상기 IC 패키지는 전기연결구조체(1290a)와 패시베이션층(1285a)을 통해 상기 연결 부재에 결합될 수 있으나, 설계에 따라 상기 전기연결구조체(1290a)와 패시베이션층(1285a)은 생략될 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 포함하는 안테나 모듈의 연결 부재의 하측 구조를 예시한 도면이다.
도 13a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은, 연결 부재(200), IC(310), 접착 부재(320), 전기연결구조체(330), 봉합재(340), 수동부품(350) 및 서브기판(410) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
연결 부재(200)는 도 12a 및 도 12b에 도시된 연결 부재와 유사한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 연결 부재(200)는 배선층, 그라운드층 및 IC 그라운드층을 포함할 수 있다.
배선층은 RF 신호가 흐르는 배선과 상기 배선을 둘러싸는 배선 그라운드 패턴을 포함할 수 있다. 상기 배선은 전술한 피드 비아와 IC(310)의 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치될 수 있다.
그라운드층은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 배선층의 사이에 배치될 수 있으며, 안테나 장치와 배선층을 전자기적으로 격리시킬 수 있다.
IC 그라운드층은 IC(310)의 회로에 필요한 그라운드를 제공하고, 배선층과 IC(310)의 사이에 배치되어 배선층과 IC(310)의 사이를 전자기적으로 격리시킬 수 있으며, IF 신호, 기저대역 신호 또는 전원이 통과하는 배선을 포함할 수 있다.
IC(310)는 전술한 IC와 동일하며, 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있다. 상기 IC(310)는 연결 부재(200)의 배선층에 전기적으로 연결되어 RF 신호를 전달하거나 전달받을 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드층에 전기적으로 연결되어 그라운드를 제공받을 수 있다. 예를 들어, IC(310)는 주파수 변환, 증폭, 필터링, 위상제어 및 전원생성 중 적어도 일부를 수행하여 변환된 신호를 생성할 수 있다.
접착 부재(320)는 IC(310)와 연결 부재(200)를 서로 접착시킬 수 있다.
전기연결구조체(330)는 IC(310)와 연결 부재(200)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 예를 들어, 전기연결구조체(330)는 연결 부재(200)의 배선층과 그라운드층의 사이를 전기적으로 연결하도록 배치될 수 있으며, 솔더볼(solder ball), 핀(pin), 랜드(land), 패드(pad)과 같은 구조를 가질 수 있다. 전기연결구조체(330)는 연결 부재(200)의 배선층과 그라운드층보다 낮은 용융점을 가져서 상기 낮은 용융점을 이용한 소정의 공정을 통해 IC(310)와 연결 부재(200)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.
봉합재(340)는 IC(310)의 적어도 일부를 봉합할 수 있으며, IC(310)의 방열성능과 충격 보호성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 봉합재(340)는 PIE(Photo Imageable Encapsulant), ABF (Ajinomoto Build-up Film), 에폭시몰딩컴파운드(epoxy molding compound, EMC) 등으로 구현될 수 있다.
수동부품(350)은 연결 부재(200)의 하면 상에 배치될 수 있으며, 전기연결구조체(330)를 통해 연결 부재(200)의 배선층 및/또는 그라운드층에 전기적으로 연결될 수 있으며, 도 11 내지 도 12b에 도시된 수동부품에 대응될 수 있다.
서브기판(410)은 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있으며, 외부로부터 IF(intermediate frequency) 신호 또는 기저대역(base band) 신호를 전달받아 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 IF 신호 또는 기저대역 신호를 전달받아 외부로 전달하도록 연결 부재(200)에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, RF 신호의 주파수(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz)는 IF 신호(예: 2GHz, 5GHz, 10GHz 등)의 주파수보다 크다.
예를 들어, 서브기판(410)은 연결 부재(200)의 IC 그라운드층에 포함될 수 있는 배선을 통해 IF 신호 또는 기저대역 신호를 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 전달받을 수 있다.
도 13b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈은, 차폐 부재(360), 커넥터(420) 및 칩 안테나(430) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
차폐 부재(360)는 연결 부재(200)의 하측에 배치되어 연결 부재(200)와 함께 IC(310)를 가두도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(360)는 IC(310)와 수동부품(350)을 함께 커버(예: conformal shield)하거나 각각 커버(예: compartment shield)하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(360)는 일면이 개방된 육면체의 형태를 가지고, 연결 부재(200)와의 결합을 통해 육면체의 수용공간을 가질 수 있다. 차폐 부재(360)는 구리와 같이 높은 전도도의 물질로 구현되어 짧은 스킨뎁스(skin depth)를 가질 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드층에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 차폐 부재(360)는 IC(310)와 수동부품(350)이 받을 수 있는 전자기적 노이즈를 줄일 수 있다.
커넥터(420)는 케이블(예: 동축케이블, 연성PCB)의 접속구조를 가질 수 있으며, 연결 부재(200)의 IC 그라운드층에 전기적으로 연결될 수 있으며, 전술한 서브기판과 유사한 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상기 커넥터(420)는 케이블로부터 IF 신호, 기저대역 신호 및/또는 전원을 제공받거나 IF 신호 및/또는 기저대역 신호를 케이블로 제공할 수 있다.
칩 안테나(430)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치에 보조하여 RF 신호를 송신 또는 수신할 수 있으며, 도 11에 도시된 칩 안테나에 대응될 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 모듈의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 14a를 참조하면, 안테나 장치(100g), 안테나 패턴(1110g) 및 유전층(1140g)를 포함하는 안테나 모듈은 전자기기(400g)의 세트 기판(300g) 상에서 전자기기(400g)의 측면 경계에 인접하여 배치될 수 있다.
전자기기(400g)는 스마트 폰(smart phone), 개인용 정보 단말기(personal digital assistant), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 네트워크 시스템(network system), 컴퓨터(computer), 모니터(monitor), 태블릿(tablet), 랩탑(laptop), 넷북(netbook), 텔레비전(television), 비디오 게임(video game), 스마트 워치(smart watch), 오토모티브(Automotive) 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 세트 기판(300g) 상에는 통신모듈(310g) 및 기저대역 회로(320g)가 더 배치될 수 있다. 통신모듈(310g)은 디지털 신호처리를 수행하도록 휘발성 메모리(예컨대, DRAM), 비-휘발성 메모리(예컨대, ROM), 플래시 메모리 등의 메모리 칩; 센트랄 프로세서(예컨대, CPU), 그래픽 프로세서(예컨대, GPU), 디지털 신호 프로세서, 암호화 프로세서, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러 등의 어플리케이션 프로세서 칩; 아날로그-디지털 컨버터, ASIC(application-specific IC) 등의 로직 칩 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
기저대역 회로(320g)는 아날로그-디지털 변환, 아날로그 신호에 대한 증폭, 필터링 및 주파수 변환을 수행하여 베이스 신호를 생성할 수 있다. 상기 기저대역 회로(320g)로부터 입출력되는 베이스 신호는 케이블을 통해 안테나 모듈로 전달될 수 있다.
예를 들어, 상기 베이스 신호는 전기연결구조체와 코어 비아와 배선층을 통해 IC로 전달될 수 있다. 상기 IC는 상기 베이스 신호를 밀리미터웨이브(mmWave) 대역의 RF 신호로 변환할 수 있다.
도 14b를 참조하면, 안테나 장치(100h), 안테나 패턴(1110h) 및 유전층(1140h)를 각각 포함하는 복수의 안테나 모듈은 전자기기(400h)의 세트 기판(300h) 상에서 전자기기(400h)의 일측면 경계와 타측면 경계에 각각 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 세트 기판(300h) 상에는 통신모듈(310h) 및 기저대역 회로(320h)가 더 배치될 수 있다.
한편, 본 명세서에 개진된 도전층, 배선층, 그라운드층, 피드라인, 피드 비아, 안테나 패턴, 상부 커플링 패턴, 제2 안테나 패턴, 메타 부재, 그라운드 패턴, 제1 및 제2 차폐비아, 디렉터 패턴, 전기연결구조체는, 금속 재료(예: 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 도전성 물질)를 포함할 수 있으며, CVD(chemical vapor deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), 서브트랙티브(Subtractive), 애디티브(Additive), SAP(Semi-Additive Process), MSAP(Modified Semi-Additive Process) 등의 도금 방법에 따라 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 본 명세서에 개진된 유전층 및/또는 절연층은 FR4, LCP(Liquid Crystal Polymer), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic), 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러와 함께 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 수지, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine), 감광성 절연(Photo Imagable Dielectric: PID) 수지, 일반 동박 적층판(Copper Clad Laminate, CCL) 또는 글래스나 세라믹 (ceramic) 계열의 절연재 등으로 구현될 수도 있다. 상기 절연층은 본 명세서에 개진된 안테나 장치 및 안테나 모듈에서 도전층, 배선층, 그라운드층, 피드라인, 피드 비아, 안테나 패턴, 상부 커플링 패턴, 제2 안테나 패턴, 메타 부재, 그라운드 패턴, 제1 및 제2 차폐비아, 디렉터 패턴, 전기연결구조체가 배치되지 않은 위치의 적어도 일부에 채워질 수 있다.
한편, 본 명세서에 개진된 RF 신호는 Wi-Fi(IEEE 802.11 패밀리 등), WiMAX(IEEE 802.16 패밀리 등), IEEE 802.20, LTE(long term evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPS, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 3G, 4G, 5G 및 그 이후의 것으로 지정된 임의의 다른 무선 및 유선 프로토콜들에 따른 형식을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
100: 안테나 장치
110: 안테나 패턴
115: 상부 커플링 패턴
120: 피드 비아(feed via)
121: 제2 차폐비아
122: 슬릿
125: 그라운드(ground) 패턴
126: 제1 차폐비아
130: 메타(meta) 부재
131: 도전성 비아
132, 133, 134, 135, 136: 복수의 도전성 패턴
200, 1200: 연결 부재
210: 제2 안테나 패턴
215: 디렉터 패턴
220: 피드라인(feed line)
310: IC(Integrated Circuit)
320: 접착 부재
330: 전기연결구조체
340: 봉합재(encapsulant)
350: 수동부품(passive component)
360: 차폐(shielding) 부재
410: 서브기판
420: 커넥터(connector)

Claims (13)

  1. 관통홀을 가지는 그라운드 패턴;
    상기 그라운드 패턴의 상측에 배치되고 RF 신호를 송신 또는 수신하도록 구성된 안테나 패턴;
    상기 관통홀을 관통하도록 배치되고 일단이 상기 안테나 패턴에 전기적으로 연결되는 피드 비아; 및
    복수의 도전성 패턴과 상기 복수의 도전성 패턴을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 도전성 비아를 각각 포함하는 복수의 셀이 반복적으로 이격 배열된 구조를 가지는 메타 부재; 를 포함하고,
    상기 메타 부재는 상기 그라운드 패턴의 상측에서 상기 안테나 패턴의 측경계의 적어도 일부를 따라 배치되되, 상기 안테나 패턴보다 상위까지 확장되어 배치되고,
    상기 메타 부재는 상하방향으로 볼 때 상기 안테나 패턴의 측면을 둘러싸도록 서로 다른 방향으로 배치되는 제1 복수의 셀, 제2 복수의 셀, 제3 복수의 셀, 그리고 제4 복수의 셀을 포함하고,
    상기 그라운드 패턴으로부터 측정한 상기 제1 복수의 셀의 최고 높이들, 상기 제2 복수의 셀의 최고 높이들, 상기 제3 복수의 셀의 최고 높이들, 상기 제4 복수의 셀의 최고 높이들은 서로 같은 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상하방향으로 볼 때 적어도 일부가 상기 안테나 패턴에 오버랩되도록 상기 안테나 패턴의 상측에 배치되는 상부 커플링 패턴을 더 포함하는 안테나 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메타 부재의 상기 제1 복수의 셀은 상하방향으로 볼 때 상기 안테나 패턴에서 제1 측면방향으로 이격 배치되고, 상기 제2 복수의 셀은 상기 상하방향으로 볼 때 상기 안테나 패턴에서 상기 제1 측면방향의 반대방향으로 이격 배치되고,
    상기 피드 비아의 일단은 상기 안테나 패턴의 중심에서 상기 제1 측면방향과 다른 제2 측면방향으로 치우쳐진 지점에 전기적으로 연결되는 안테나 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    일단이 상기 안테나 패턴의 중심에서 상기 제1 측면방향으로 치우쳐진 지점에 전기적으로 연결되는 제2 피드 비아를 더 포함하고,
    상기 메타 부재의 상기 제3 복수의 셀은 상기 상하방향으로 볼 때 상기 안테나 패턴에서 상기 제2 측면방향으로 이격 배치되고, 상기 제4 복수의 셀은 상기 상하방향으로 볼 때 상기 안테나 패턴에서 상기 제2 측면방향의 반대방향으로 이격 배치되는 안테나 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 복수의 셀은 a X n 구조로 배열되고,
    상기 제2 복수의 셀은 b X n 구조로 배열되고,
    상기 제3 복수의 셀은 c X n 구조로 배열되고,
    상기 제4 복수의 셀은 d X n 구조로 배열되고,
    상기 n은 자연수이고, 상기 a, b, c, d는 n보다 큰 자연수인 안테나 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메타 부재는 상기 제1 복수의 셀의 일단과 상기 제3 복수의 셀의 일단의 사이에 배치된 제1 복수의 더미 셀과, 상기 제1 복수의 셀의 타단과 상기 제4 복수의 셀의 일단의 사이에 배치된 제2 복수의 더미 셀과, 상기 제2 복수의 셀의 일단과 상기 제3 복수의 셀의 타단의 사이에 배치된 제3 복수의 더미 셀과, 상기 제2 복수의 셀의 타단과 상기 제4 복수의 셀의 타단의 사이에 배치된 제4 복수의 더미 셀을 포함하고,
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 복수의 더미 셀은 각각 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 복수의 셀 각각보다 큰 안테나 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 메타 부재는 상기 안테나 패턴의 측경계의 적어도 일부를 따라 배치되되, 상기 상부 커플링 패턴의 동위까지 확장되어 배치되는 안테나 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 메타 부재는 상기 복수의 도전성 패턴 중 최상위 도전성 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리가 상기 상부 커플링 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리와 동일하도록 배치되고,
    상기 메타 부재는 상기 복수의 도전성 패턴 중 최하위 도전성 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리가 상기 안테나 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리와 동일하도록 배치되는 안테나 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 메타 부재는 상기 복수의 도전성 패턴 중 적어도 하나의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리가 상기 상부 커플링 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리보다 짧고 상기 안테나 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리보다 길도록 배치되는 안테나 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메타 부재는 상하방향으로 볼 때 상기 복수의 셀의 상기 안테나 패턴에 대한 수평 이격 거리가 상기 복수의 도전성 패턴 중 최상위 도전성 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리보다 짧고 상기 복수의 도전성 패턴 중 최하위 도전성 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 수직 이격 거리보다 길도록 배치되는 안테나 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 메타 부재는 상하방향으로 볼 때 상기 복수의 셀의 상기 안테나 패턴에 대한 수평 이격 거리가 서로 균일하고 상기 복수의 셀 간의 간격보다 길도록 배치되는 안테나 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은 다각형의 패치(patch) 형태를 가지고,
    상기 복수의 도전성 패턴은 각각 상기 안테나 패턴에 대응되는 다각형의 형태를 가지고,
    상기 복수의 도전성 패턴 각각의 변 길이는 상기 복수의 도전성 패턴 중 최상위 도전성 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 이격 거리보다 짧고 상기 복수의 도전성 패턴 중 최하위 도전성 패턴의 상기 그라운드 패턴으로부터의 이격 거리보다 긴 안테나 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 메타 부재는 최하위 도전성 패턴부터 상기 그라운드 패턴까지의 이격 거리가 상기 복수의 도전성 패턴 중 최상위 도전성 패턴부터 상기 최하위 도전성 패턴까지의 이격 거리보다 길도록 배치되는 안테나 장치.
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