KR102461628B1 - 안테나 장치 - Google Patents

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KR102461628B1
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한규범
류정기
오정석
서정우
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삼성전기주식회사
서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 패치 안테나 패턴과, 패치 안테나 패턴의 하측에서 패치 안테나 패턴에 비접촉 방식으로 급전하는 제1 피드비아와, 적어도 하나가 제1 피드비아에 전기적으로 연결되고, 각각 제1 피드비아보다 더 긴 폭을 가지고 상기 패치 안테나 패턴보다 작은 면적을 가지고 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩된 복수의 피드패턴을 포함한다.

Description

안테나 장치{Antenna apparatus}
본 발명은 안테나 장치에 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 장치의 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.
미국 공개특허공보 US2013/0063310
본 발명은 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단을 제공하면서도 안테나 성능을 향상시키거나 쉽게 소형화될 수 있는 안테나 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 패치 안테나 패턴; 상기 패치 안테나 패턴의 하측에서 상기 패치 안테나 패턴에 비접촉 방식으로 급전하는 제1 피드비아; 및 적어도 하나가 상기 제1 피드비아에 전기적으로 연결되고, 각각 상기 제1 피드비아보다 더 긴 폭을 가지고, 각각 상기 패치 안테나 패턴보다 작은 면적을 가지고, 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩된 복수의 피드패턴; 을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단을 제공하면서도 안테나 성능(예: 이득, 대역폭, 지향성(directivity), 송수신율 등)을 향상시키거나 쉽게 소형화될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 비접촉 방식 급전 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴을 나타낸 사시도이다.
도 1c는 도 1a에서 도시된 구조와 도 1b에서 도시된 구조가 결합된 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 연결 부재의 결합을 예시한 사시도이다.
도 1e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 N X 1 배열 구조를 예시한 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴 각각의 면적을 예시한 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴의 다양한 배열 구조를 예시한 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 측면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1a 내지 도 3b에 도시된 안테나 장치에 포함될 수 있는 연결 부재와 그 하측 구조를 예시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 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 1a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 비접촉 방식 급전 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 패치 안테나 패턴(110a), 제1 피드비아(120a) 및 복수의 제1 피드패턴(190a)을 포함한다.
패치 안테나 패턴(110a)은 제1 피드비아(120a)로부터 RF(Radio Frequency) 신호를 전달받아서 z방향으로 원격 송신하거나 원격 수신된 RF 신호를 제1 피드비아(120a)로 전달할 수 있다.
패치 안테나 패턴(110a)의 상면은 표면전류가 흐르는 공간으로 작용할 수 있으며, 상기 표면전류는 패치 안테나 패턴(110a)이 공진에 따라 패치 안테나 패턴(110a)의 상면의 법선방향으로 공기를 향해 방사될 수 있다.
패치 안테나 패턴(110a)은 내재적 요소(예: 형태, 크기, 두께, 이격 거리, 절연층의 유전율 등)에 따른 내재적(intrinsic) 공진 주파수와, 인접 패턴 및/또는 비아와의 전자기적 커플링에 따른 외재적(extrinsic) 공진 주파수에 기반한 대역폭을 가질 수 있다.
상기 내재적 공진 주파수의 개수와 상기 외재적 공진 주파수의 개수가 각각 복수일 수 있으므로, 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단은 패치 안테나 패턴(110a)의 개수가 1개이더라도 구현될 수 있다.
즉, 패치 안테나 패턴(110a)은 서로 다른 복수의 대역폭을 가질 경우에 서로 다른 주파수(예: 28GHz, 39GHz)의 제1 및 제2 RF 신호를 함께 원격 송수신할 수 있다.
제1 피드비아(120a)는 IC와 패치 안테나 패턴(110a) 사이의 전기적 연결 경로를 제공할 수 있으며, 제1 및 제2 RF 신호의 전송선로로 작용할 수 있다.
제1 피드비아(120a)는 패치 안테나 패턴(110a)의 하측에서 패치 안테나 패턴(110a)에 비접촉 방식으로 급전할 수 있다. 즉, 제1 피드비아(120a)는 패치 안테나 패턴(110a)에 접촉하지 않는다.
따라서, 제1 피드비아(120a)와 패치 안테나 패턴(110a) 사이의 임피던스는 제1 피드비아(120a)와 패치 안테나 패턴(110a)이 이루는 캐패시턴스를 포함할 수 있다. 즉, 제1 피드비아(120a)의 길이에 대응되는 인덕턴스와 상기 캐패시턴스의 조합에 따른 전송선로 임피던스가 특정 임피던스(예: 50옴)에 가까울 경우, 제1 피드비아(120a)는 패치 안테나 패턴(110a)에 접촉하지 않고도 패치 안테나 패턴(110a)으로 제1 및 제2 RF 신호를 전달하거나 전달받을 수 있다.
복수의 제1 피드패턴(190a) 중 적어도 일부는 제1 피드비아(120a)에 전기적으로 연결될 수 있다.
복수의 제1 피드패턴(190a)는 각각 상기 제1 피드비아보다 더 긴 폭을 가지고 각각 상기 패치 안테나 패턴보다 작은 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 피드패턴(190a)과 패치 안테나 패턴(110a) 사이의 임피던스는 복수의 제1 피드패턴(190a)의 면적에 대응될 수 있다.
또한, 복수의 제1 피드패턴(190a)과 패치 안테나 패턴(110a) 사이의 캐패시턴스는 패치 안테나 패턴(110a)의 공진주파수에 영향을 주는 요소로 작용할 수 있다. 즉, 패치 안테나 패턴(110a)의 공진주파수는 복수의 제1 피드패턴(190a)의 면적에 대응될 수 있다.
또한, 복수의 제1 피드패턴(190a)는 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 피드패턴(190a)은 패치 안테나 패턴(110a)에 대한 서로 다른 이격 거리를 가질 수 있으므로, 서로 다른 캐패시턴스를 가질 수 있다.
예를 들어, 복수의 제1 피드패턴(190a) 중 제1-1, 제1-2, 제1-3 및 제1-4 피드패턴(192a, 193a, 194a, 195a)은 서로 다른 높이에 배치될 수 있으므로, 패치 안테나 패턴(110a)에 대해 서로 다른 복수의 캐패시턴스를 제공할 수 있다. 설계에 따라, 제1-1, 제1-2, 제1-3 및 제1-4 피드패턴(192a, 193a, 194a, 195a) 중 일부의 면적은 나머지의 면적과 다르게 설계될 수 있다.
상기 복수의 캐패시턴스는 패치 안테나 패턴(110a)이 서로 다른 복수의 공진주파수를 가질 수 있는 환경을 제공한다. 이에 따라, 패치 안테나 패턴(110a)은 서로 다른 주파수의 제1 및 제2 RF 신호를 함께 원격 송수신할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 추가적인 패치 패턴이 없더라도 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단을 제공할 수 있으므로, 추가적인 패치 패턴을 생략함에 따른 전체 사이즈 감소 효과를 가질 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 제2 피드비아(120b) 및 복수의 제2 피드패턴(190b)을 더 포함할 수 있다.
제2 피드비아(120b)는 패치 안테나 패턴(110a)의 하측에서 패치 안테나 패턴(110a)에 비접촉 방식으로 급전하고 패치 안테나 패턴(110a)의 중심에서부터 제2 방향(예: x방향)으로 치우쳐져 배치될 수 있다. 제1 피드비아(120a)는 패치 안테나 패턴(110a)의 중심에서부터 제1 방향(예: y방향)으로 치우쳐져 배치될 수 있다.
이에 따라, 제1 피드비아(120a)에서 전송되는 제1-1 RF 신호 및/또는 제2-1 RF 신호와 제2 피드비아(120b)에서 전송되는 제1-2 RF 신호 및/또는 제2-2 RF 신호는 서로 편파(polarized wave)를 이룰 수 있다. 제1-1 RF 신호 및/또는 제2-1 RF 신호는 H폴(Horizontal pol.) RF 신호로 정의될 수 있으며, 제2-1 RF 신호 및/또는 제2-1 RF 신호는 V폴(Vertical pol.) RF 신호로 정의될 수 있다.
패치 안테나 패턴(110a)을 흐르는 제1-1 RF 신호 및/또는 제2-1 RF 신호에 대응되는 제1 표면전류와, 제1-2 RF 신호 및/또는 제2-2 RF 신호에 대응되는 제2 표면전류는 서로 직교할 수 있으며, 각각 z방향으로 방사될 수 있다. 제1-1 RF 신호 및/또는 제2-1 RF 신호가 방사될 때의 전계와 제1-2 RF 신호 및/또는 제2-2 RF 신호가 방사될 때는 전계는 서로 직교할 수 있으며, 제1-1 RF 신호 및/또는 제2-1 RF 신호가 방사될 때의 자계와 제1-2 RF 신호 및/또는 제2-2 RF 신호가 방사될 때는 자계는 서로 직교할 수 있다. 이에 따라, 제1-1 RF 신호 및/또는 제2-1 RF 신호는 제1-2 RF 신호 및/또는 제2-2 RF 신호에 대해 전자기적 간섭을 일으키지 않을 수 있으며, 제1-2 RF 신호 및/또는 제2-2 RF 신호는 제1-1 RF 신호 및/또는 제2-1 RF 신호에 대해 전자기적 간섭을 일으키지 않을 수 있다.
예를 들어, 복수의 제2 피드패턴(190b) 중 제2-1, 제2-2, 제2-3 및 제2-4 피드패턴(192b, 193b, 194b, 195b)은 서로 다른 높이에 배치될 수 있으므로, 패치 안테나 패턴(110a)에 대해 서로 다른 복수의 캐패시턴스를 제공할 수 있다.
설계에 따라, 제2-1, 제2-2, 제2-3 및 제2-4 피드패턴(192b, 193b, 194b, 195b) 중 일부의 면적은 나머지의 면적과 다르게 설계될 수 있다.
상기 복수의 캐패시턴스는 패치 안테나 패턴(110a)이 서로 다른 복수의 공진주파수를 가질 수 있는 환경을 제공한다. 이에 따라, 패치 안테나 패턴(110a)은 제1-1 RF 신호, 제1-2 RF 신호, 제2-1 RF 신호 및 제2-2 RF 신호를 함께 원격 송수신할 수 있다.
한편, 제1 및 제2 피드비아(120a, 120b)는 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)보다 하위에 배치되는 복수의 제3 및 제4 피드패턴(290a, 290b)을 포함할 수 있다. 복수의 제3 및 제4 피드패턴(290a, 290b)은 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)보다 더 작은 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 패치 안테나 패턴(110a)에 제공되는 캐패시턴스는 더욱 다양해질 수 있다.
복수의 제3 피드패턴(290a)은 서로 다른 높이에 배치된 제3-1, 제3-2, 제3-3, 제3-4, 제3-5, 제3-6 피드패턴(291a, 292a, 293a, 294a, 295a, 296a)을 포함할 수 있으며, 복수의 제4 피드패턴(290b)은 서로 다른 높이에 배치된 제4-1, 제4-2, 제4-3, 제4-4, 제4-5, 제4-6 피드패턴(291b, 292b, 293b, 294b, 295b, 296b)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 복수의 제3 및 제4 피드패턴(290a, 290b)은 설계에 따라 생략될 수 있다.
도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴을 나타낸 사시도이고, 도 1c는 도 1a에서 도시된 구조와 도 1b에서 도시된 구조가 결합된 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1b 및 도 1c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 복수의 제1 커플링 패턴(130a)과 복수의 제2 커플링 패턴(180a)을 더 포함할 수 있다.
복수의 제1 커플링 패턴(130a)은 패치 안테나 패턴(110a)을 둘러싸도록 배열되고 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 커플링 패턴(130a)은 서로 z방향으로 오버랩되고 각각 패치 안테나 패턴(110a)을 둘러싸는 제1-1, 제1-2, 제1-3, 제1-4, 제1-5 및 제1-6 커플링 패턴(131a, 132a, 133a, 134a, 135a, 136a)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 복수의 제1 커플링 패턴(130a)은 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)과 패치 안테나 패턴(110a)에 전자기적으로 커플링될 수 있으므로, 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)과 패치 안테나 패턴(110a) 사이의 전자기적 커플링을 보조할 수 있다.
이에 따라, 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)과 패치 안테나 패턴(110a) 사이의 전자기적 커플링에 따라 패치 안테나 패턴(110a)의 공진주파수가 받는 영향은 더욱 커질 수 있다. 따라서, 패치 안테나 패턴(110a)의 서로 다른 주파수의 제1 및 제2 RF 신호에 대한 이득 및/또는 대역폭은 더욱 향상될 수 있다.
복수의 제2 커플링 패턴(180a)은 복수의 제1 커플링 패턴(130a)을 둘러싸도록 배열되고 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제2 커플링 패턴(180a)은 서로 z방향으로 오버랩되고 각각 복수의 제1 커플링 패턴(130a)을 둘러싸는 제2-1, 제2-2, 제2-3, 제2-4, 제2-5 및 제2-6 커플링 패턴(181a, 182a, 183a, 184a, 185a, 186a)을 포함할 수 있다.
복수의 제1 및 제2 커플링 패턴(130a, 180a)은 패치 안테나 패턴(110a)에서 수평방향(예: x방향 및/또는 y방향)으로 새는 제1 및 제2 RF 신호에 대해 반사할 수 있으므로, 패치 안테나 패턴(110a)의 방사패턴 형성방향은 더욱 z방향으로 집중될 수 있다.
한편, 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴(130a, 180a)은 각각 반복적 배열 구조를 가질 수 있으므로, 전자기 밴드갭(electro-magnetic bandgap) 특성을 가질 수 있다. 전자기 밴드갭 특성은 특정 주파수의 RF 신호에 대해 음의 굴절률을 가질 수 있으므로, 특정 주파수의 RF 신호에 대한 전자기 차폐 성능을 선택적으로 높일 수 있다.
도 1d는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 연결 부재의 결합을 예시한 사시도이다.
도 1d를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100)는 패치 안테나 패턴(110a), 유전층(140a), 복수의 제1 커플링 패턴(130a), 복수의 제2 커플링 패턴(180a) 및 연결 부재(200a)를 포함할 수 있다.
연결 부재(200a)는 복수의 그라운드 플레인을 포함할 수 있으며, 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)보다 하위에 배치될 수 있다.
또한, 유전층(140a)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 빈 공간의 적어도 일부분에 채워질 수 있다.
도 1e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 N X 1 배열 구조를 예시한 사시도이다.
도 1e을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a, 100b, 100c, 100d)는 제2 방향(예: x방향)으로 N X 1 구조로 배열될 수 있다. 여기서, N은 2 이상의 자연수이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴 각각의 면적을 예시한 평면도이다.
도 2a를 참조하면, 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d)는 복수의 그룹으로 분할되어 복수의 패치 안테나 패턴(110a)을 각각 둘러쌀 수 있다. 이에 따라, 복수의 패치 안테나 패턴(110a) 각각의 제1 및 제2 RF 신호에 대한 이득 및/또는 대역폭은 향상될 수 있다.
복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c)은 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d)의 복수의 그룹을 연계시키도록 배열될 수 있다. 즉, 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d)의 복수의 그룹은 복수의 제1 커플링 패턴 사이의 이격거리보다 더 긴 거리만큼 서로 이격되고, 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c)의 적어도 일부분은 상기 복수의 그룹의 사이에 배열될 수 있다.
이에 따라, 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴(130b, 130c, 130d, 180b, 180c)은 제2 방향(예: x방향)에 대한 전자기적 차폐 성능을 더욱 향상시킬 수 있으므로, 복수의 패치 안테나 패턴(110a) 사이의 전자기적 간섭을 더욱 줄일 수 있다.
한편, 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d) 각각의 면적은 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c) 각각의 면적과 다를 수 있다. 여기서, 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d) 각각의 면적은 제1 방향 길이(W21)과 제2 방향 길이(W11)에 따라 결정될 수 있으며, 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c) 각각의 면적은 제1 방향 길이(W22)과 제2 방향 길이(W12)에 따라 결정될 수 있다.
이에 따라, 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d)은 제1 RF 신호의 주파수에 대응되는 캐패시턴스를 복수의 패치 안테나 패턴(110a)으로 보다 집중적으로 제공할 수 있으며, 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c)은 제2 RF 신호의 주파수에 대응되는 캐패시턴스를 복수의 패치 안테나 패턴(110a)으로 보다 집중적으로 제공할 수 있다. 따라서, 복수의 패치 안테나 패턴(110a)은 제1 및 제2 RF 신호에 대한 이득 및/또는 대역폭을 더욱 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d) 중 패치 안테나 패턴(110a)으로부터 제1 방향(예: y방향)으로 이격된 제1 커플링 패턴의 면적은 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c) 중 패치 안테나 패턴(110a)으로부터 제1 방향(예: y방향)으로 이격된 제2 커플링 패턴의 면적보다 작을 수 있으며, 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d) 중 패치 안테나 패턴(110a)으로부터 제2 방향(예: x방향)으로 이격된 제1 커플링 패턴의 면적은 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c) 중 패치 안테나 패턴(110a)으로부터 제2 방향(예: x방향)으로 이격된 제2 커플링 패턴의 면적보다 클 수 있다.
이에 따라, 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d) 중 일부는 제1 RF 신호에 대응되는 캐패시턴스를 패치 안테나 패턴(110a)에 제공할 수 있으며, 나머지는 제2 RF 신호에 대응되는 캐패시턴스를 패치 안테나 패턴(110a)에 제공할 수 있으며, 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c) 중 일부는 제2 RF 신호에 대응되는 캐패시턴스를 패치 안테나 패턴(110a)에 제공할 수 있으며, 나머지는 제1 RF 신호에 대응되는 캐패시턴스를 패치 안테나 패턴(110a)에 제공할 수 있다.
복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d) 중 제1 RF 신호에 대응되는 제1 커플링 패턴과 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c) 중 제1 RF 신호에 대응되는 제2 커플링 패턴의 패치 안테나 패턴(110a)에 대한 평균적인 이격 거리는 복수의 제1 커플링 패턴(130b, 130c, 130d) 중 제2 RF 신호에 대응되는 제1 커플링 패턴과 복수의 제2 커플링 패턴(180b, 180c) 중 제2 RF 신호에 대응되는 제2 커플링 패턴의 패치 안테나 패턴(110a)에 대한 평균적인 이격 거리는 서로 유사해질 수 있다.
이에 따라, 패치 안테나 패턴(110a)은 제1 방향에 대응되는 안테나 성능과 제2 방향에 대응되는 안테나 성능(예: 이득, 대역폭)을 더욱 균형적으로 확보할 수 있으며, 제1 방향으로 흐르는 표면전류와 제2 방향으로 흐르는 표면전류 사이의 전자기적 간섭을 더욱 줄여서 더욱 효율적으로 편파(polarized wave)를 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 복수의 패치 안테나 패턴(110a)으로부터 제1 방향(예: y방향)으로 이격 배치되어 제2 방향(예: x방향)으로 배열된 복수의 엔드파이어 안테나 패턴(210a, 210b, 210c, 210d)을 더 포함할 수 있다. 복수의 엔드파이어 안테나 패턴(210a, 210b, 210c, 210d)은 각각 복수의 엔드파이어 피드라인(220a, 220b, 220c, 220d)에 전기적으로 연결될 수 있다. 복수의 엔드파이어 피드라인(220a, 220b, 220c, 220d)은 연결 부재(200a)를 경유하여 IC에 전기적으로 연결될 수 있다.
복수의 제1 및 제2 커플링 패턴(130b, 130c, 130d, 180b, 180c)은 복수의 엔드파이어 안테나 패턴(210a, 210b, 210c, 210d)과 복수의 패치 안테나 패턴(110a)의 사이를 가로막을 수 있으므로, 복수의 엔드파이어 안테나 패턴(210a, 210b, 210c, 210d)과 복수의 패치 안테나 패턴(110a) 사이의 전자기적 격리도를 향상시킬 수 있다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴의 다양한 배열 구조를 예시한 사시도이다.
도 2b를 참조하면, 복수의 제1 커플링 패턴 중 제1-1 커플링 패턴(132e)의 적어도 일부는 패치 안테나 패턴(110a)에 z방향으로 오버랩될 수 있다.
제1-2 커플링 패턴(133e)과 제1-3 커플링 패턴(134e)과 제1-4 커플링 패턴(135e)의 면적은 서로 다를 수 있다.
즉, 복수의 제1 커플링 패턴의 구체적 구조는 도 1b 내지 도 2a에 도시된 구조로 한정되지 않는다.
*도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 측면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제1 및 제2 피드비아(120a, 120b)는 전기연결구조체(280a)를 통해 IC(310a)에 전기적으로 연결될 수 있다.
연결 부재(200a)는 복수의 그라운드 플레인(201a, 202a, 203a, 204a, 205a, 206a)을 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 피드비아(120a, 120b)는 복수의 그라운드 플레인(201a, 202a, 203a, 204a, 205a, 206a)의 관통홀을 관통하도록 배치될 수 있다.
복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)은 복수의 그라운드 플레인(201a, 202a, 203a, 204a, 205a, 206a)의 관통홀보다 더 큰 면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)과 패치 안테나 패턴(110a)이 이루는 캐패시턴스는 패치 안테나 패턴(110a)의 공진주파수에 더 큰 영향을 줄 수 있다.
또한, 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴(130a, 180a)은 복수의 그라운드 플레인(201a, 202a, 203a, 204a, 205a, 206a)에 대해 전기적으로 분리될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴(130a, 180a)은 패치 안테나 패턴(110a)에 대해 더욱 집중적으로 커플링될 수 있으므로, 패치 안테나 패턴(110a)의 대역폭을 더욱 넓힐 수 있다.
또한, 복수의 제1 커플링 패턴(130a) 중 일부는 패치 안테나 패턴(110a)에 대해 동위에 배치되고, 다른 일부는 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)에 대해 동위에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제1 커플링 패턴(130a)은 패치 안테나 패턴(110a)과 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b) 사이의 전자기적 커플링을 더욱 효율적으로 지지할 수 있다.
또한, 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴(130a, 180a)은 패치 안테나 패턴(110a)에 대해 동위 또는 하위에만 배치될 수 있다. 예를 들어, 패치 안테나 패턴(110a)은 복수의 제1 및 제2 커플링 패턴(130a, 180a) 중 최상위 커플링 패턴에 대해 동위에 배치될 수 있다.
이에 따라, 패치 안테나 패턴(110a)의 전자기적 커플링은 상측보다 하측으로 더 집중될 수 있으므로, 복수의 제1 및 제2 피드패턴(190a, 190b)이 패치 안테나 패턴(110a)의 공진주파수에 주는 영향은 더 커질 수 있다. 이에 따라, 패치 안테나 패턴(110a)의 이득 및/또는 대역폭은 더욱 향상될 수 있다.
한편, 연결 부재(200a)는 복수의 그라운드 플레인(201a, 202a, 203a, 204a, 205a, 206a) 사이에 배치된 복수의 절연층(240a)을 포함할 수 있다.
연결 부재(200a)의 상측은 코어 영역(152a)과 유전층(140a)이 위치할 수 있으며, 봉합재(151a)에 의해 봉합될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 1a 내지 도 3b에 도시된 안테나 장치에 포함될 수 있는 연결 부재와 그 하측 구조를 예시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 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 1a 내지 도 3b를 참조하여 전술한 연결 부재와 유사한 구조를 가질 수 있다.
IC(310)는 전술한 IC와 동일하며, 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있다. 상기 IC(310)는 연결 부재(200)의 배선에 전기적으로 연결되어 RF 신호를 전달하거나 전달받을 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 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 솔더볼(solder ball), 핀(pin), 랜드(land), 패드(pad)과 같은 구조를 가질 수 있다. 전기연결구조체(330)는 연결 부재(200)의 배선과 그라운드 플레인보다 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 배선 및/또는 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 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 그라운드 플레인에 포함될 수 있는 배선을 통해 IF 신호 또는 기저대역 신호를 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 전달받을 수 있다. 연결 부재(200)의 제1 그라운드 플레인이 IC 그라운드 플레인과 배선의 사이에 배치되므로, 안테나 장치 내에서 IF 신호 또는 기저대역 신호와 RF 신호는 전기적으로 격리될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 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 그라운드 플레인에 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 그라운드 플레인에 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 있다. 예를 들어, 칩 안테나(430)는 절연층보다 큰 유전율을 가지는 유전체 블록과, 상기 유전체 블록의 양면에 배치되는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 상기 복수의 전극 중 하나는 연결 부재(200)의 배선에 전기적으로 연결될 수 있으며, 다른 하나는 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 5a를 참조하면, 안테나 장치(100g)를 포함하는 안테나 모듈은 전자기기(700g)의 세트 기판(600g) 상에서 전자기기(700g)의 측면 경계에 인접하여 배치될 수 있다. 안테나 장치(100g)는 연결 부재(1140g)를 포함할 수 있다.
전자기기(700g)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(600g) 상에는 통신모듈(610g) 및 기저대역 회로(620g)가 더 배치될 수 있다. 상기 안테나 모듈은 동축케이블(630g)을 통해 통신모듈(610g) 및/또는 기저대역 회로(620g)에 전기적으로 연결될 수 있다.
통신모듈(610g)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(620g)는 아날로그-디지털 변환, 아날로그 신호에 대한 증폭, 필터링 및 주파수 변환을 수행하여 베이스 신호를 생성할 수 있다. 상기 기저대역 회로(620g)로부터 입출력되는 베이스 신호는 케이블을 통해 안테나 모듈로 전달될 수 있다.
예를 들어, 상기 베이스 신호는 전기연결구조체와 코어 비아와 배선을 통해 IC로 전달될 수 있다. 상기 IC는 상기 베이스 신호를 밀리미터웨이브(mmWave) 대역의 RF 신호로 변환할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 안테나 장치(100i)를 각각 포함하는 복수의 안테나 모듈은 전자기기(700i)의 세트 기판(600i) 상에서 다각형의 전자기기(700i)의 변의 중심에 각각 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 세트 기판(600i) 상에는 통신모듈(610i) 및 기저대역 회로(620i)가 더 배치될 수 있다. 안테나 장치 및 안테나 모듈은 동축케이블(630i)을 통해 통신모듈(610i) 및/또는 기저대역 회로(620i)에 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, 본 명세서에 개진된 패치 안테나 패턴, 피드패턴, 피드비아, 커플링 패턴, 그라운드 플레인, 엔드파이어 안테나 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 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.
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.
110a: 패치 안테나 패턴(patch antenna pattern)
120a: 제1 피드비아(feed via)
120b: 제2 피드비아
130a: 복수의 제1 커플링 패턴(coupling pattern)
180a: 복수의 제2 커플링 패턴
190a: 복수의 제1 피드패턴(feed pattern)
190b: 복수의 제2 피드패턴
200a: 연결 부재
201a, 202a, 203a, 204a, 205a, 206a: 그라운드 플레인(ground plane)
210a, 210b, 210c, 210d: 엔드파이어 안테나 패턴(endfire antenna pattern)

Claims (10)

  1. 패치 안테나 패턴;
    상기 패치 안테나 패턴의 중심에서부터 제1 방향으로 치우쳐져 상기 패치 안테나 패턴의 제1 가장자리에 인접하여 상기 패치 안테나 패턴 아래에 위치하고 상기 패치 안테나 패턴에 급전하는 제1 피드 비아;
    상기 패치 안테나 패턴의 중심에서부터 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 치우쳐져 상기 패치 안테나 패턴의 제2 가장자리에 인접하여 상기 패치 안테나 패턴 아래에 위치하고 상기 패치 안테나 패턴에 급전하는 제2 피드 비아;
    상기 제1 피드 비아에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 피드 비아보다 넓은 폭을 가지고, 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩된 복수의 제1 피드패턴, 그리고
    상기 제2 피드 비아에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 피드 비아보다 넓은 폭을 가지고, 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩된 복수의 제2 피드패턴을 포함하고,
    상기 복수의 제1 피드패턴은 상기 복수의 제2 피드패턴과 이격되어 있는 안테나 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 복수의 제1 피드패턴 및 상기 복수의 제2 피드패턴보다 하위에 배치되고, 상기 패치 안테나 패턴과 서로 중첩하는 그라운드 플레인을 더 포함하는 안테나 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 그라운드 플레인은 상기 제1 피드비아 및 상기 제2 피드비아가 관통하는 관통홀을 가지고,
    상기 복수의 제1 피드패턴과 상기 복수의 제2 피드 패턴은 상기 그라운드 플레인의 상기 관통홀보다 더 큰 면적을 가지는 안테나 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 피드 비아에 연결되고 상기 관통홀 내에 위치하는 복수의 제3 피드패턴과 상기 제2 피드 비아에 연결되고 상기 관통홀 내에 위치하는 복수의 제4 피드 패턴을 더 포함하는 안테나 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 복수의 제3 피드패턴의 면적은 상기 복수의 제1 피드패턴의 면적보다 작고,
    상기 복수의 제4 피드패턴의 면적은 상기 복수의 제2 피드패턴의 면적보다 작은 안테나 장치.
  6. 제2항에서,
    상기 패치 안테나 패턴을 둘러싸도록 배열되고 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩된 복수의 제1 커플링 패턴을 더 포함하는 안테나 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 복수의 제1 커플링 패턴 중 일부는 상기 패치 안테나 패턴에 대해 동위에 배치되고,
    상기 복수의 제1 커플링 패턴 중 다른 일부는 상기 복수의 제1 피드패턴 및 상기 복수의 제2 피드패턴에 대해 동위에 배치되는 안테나 장치.
  8. 제6항에서,
    상기 복수의 제1 커플링 패턴을 둘러싸도록 배열되고 서로 다른 높이에 배치되어 서로 오버랩된 복수의 제2 커플링 패턴을 더 포함하는 안테나 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 복수의 제1 커플링 패턴과 상기 복수의 제2 커플링 패턴은 상기 그라운드 플레인에 대해 전기적으로 분리된 안테나 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 복수의 제1 커플링 패턴 각각의 면적은 상기 복수의 제2 커플링 패턴 각각의 면적과 다른 안테나 장치.
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