KR102563772B1 - 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나 - Google Patents

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KR102563772B1
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Abstract

복수의 단위 소자를 포함하고, 상기 복수의 단위 소자는, 기판과, 상기 기판 상에 적어도 부분적으로 형성된 부분 접지면과, 상기 부분 접지면의 일 측방에 배치되는 평면 방사체와, 상기 부분 접지면의 양쪽 가장자리에 병렬로 집적된 비아벽을 포함하고, 상기 부분 접지면의 상기 평면 방사체 측 엣지(edge)에는 일차원 EBG(electromagnetic bandgap) 구조가 내장된, 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나가 제공된다.

Description

고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나{PHASED ARRAY ANTENNA WITH HIGH IMPEDANCE SURFACE}
본 발명은 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나에 관한 것이고, 더 구체적으로는 단층 FR-4 PCB 공정에 기반한 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나에 관한 것이다.
종래기술로서 이중 방향(표면파 및 평면파 제어 가능)의 저속 파동 거동을 띄는 고임피던스 표면 특성의 일차원 전자기 밴드갭(Electromagnetic Bandgap, 이하 EBG) 접지 구조를 역전-L 안테나(Inverted-L Antenna, 이하 ILA)에 구비함에 따라 별도의 부가회로 없이도 종방향의 수평편파에서 광대역 및 고이득 특성을 제공할 수 있는 소형 안테나 장치가 고안된 바 있다. 해당 안테나 장치는 별도의 부가회로가 필요 없어 다양한 전파 극한환경의 재료 플랫폼(예: 박막 디스플레이 일체형 안테나, 단층 FR-4 PCB 공정 기반 안테나, 온칩 안테나 등) 기반에서도 소형 배열 안테나의 단위소자에 활용될 가능성을 확보하였다.
그러나 동일한 단일층 FR-4 PCB 공정 (1/2 Oz. 전극두께 설계의 최소 선폭: 100 um)을 활용하여 동작주파수를 종래기술보다 10배 이상 증가시킨 일차원 EBG 단위셀 설계 사례가 없으며 이와 더불어 고임피던스 표면으로 구동할 수 있는 안테나 연구 사례가 없다.
한편, 종래의 일차원 EBG 구조물이 구비된 ILA 단위소자 기술이 배열 안테나에 적용되더라도 인접 소자간 공통 접지면을 타고 흐르는 표면전류로 인한 상호 간섭 경로를 억제하는 고임피던스 표면 설계 기술이 적용된 선례가 없었다.
한국 등록특허공보 제10-2123976호(2020.06.11.)
본 발명의 목적은 배열 안테나 소자 간 2가지 상호 간섭 경로 중 공통 접지면에 흐르는 표면 전류를 억제하고, 광대역 임피던스 특성을 가지는 위상배열 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 글로벌 로밍 서비스 지원이 가능한 밀리미터파 5G 단말 안테나에 적용 가능하고, 초저가의 단층형 FR-4 PCB 공정 기반임에도 불구하고 광대역에서 큰 음영지역 없이 구형 커버리지를 달성할 수 있는 위상배열 안테나를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나는 복수의 단위 소자를 포함하고, 상기 복수의 단위 소자는, 기판과, 상기 기판 상에 적어도 부분적으로 형성된 부분 접지면과, 상기 부분 접지면의 일 측방에 배치되는 평면 방사체와, 그리고 상기 부분 접지면의 양쪽 가장자리에 병렬로 집적된 비아벽을 포함하고, 상기 부분 접지면의 상기 평면 방사체 측 엣지(edge)에는 일차원 EBG(electromagnetic bandgap) 구조가 내장된다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 단위 소자는 0.39λ0 이내로 선형 배열 - 여기서, λ0는 자유공간에서의 파장임 - 될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 일차원 EBG 구조는 복수의 주기적인 단위셀을 포함하고, 상기 복수의 주기적인 단위셀은 상기 부분 접지면의 상기 평면 방사체 측 엣지에 일렬로 배치될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 일차원 EBG 구조에 구성된 복수의 주기적인 단위셀은 단층 FR-4 PCB 공정을 활용한 미앤더 스트립 라인으로 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 일차원 EBG 구조는, 상기 일차원 EBG 구조를 구비하지 않는 안테나와 비교하여, 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 주파수 변동에 따른 더 가파른 반사 위상의 변화를 유도하고 평면파 제어를 수행 가능하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 위상배열 안테나는, 상기 일차원 EBG 구조의 모서리의 수평 방향에서, 상기 일차원 EBG 구조를 구비하지 않는 안테나와 비교하여, 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 표면파 제어를 가능하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 위상배열 안테나는, 일차원 EBG 구조와 역-L형 안테나 단위 소자가 통합되어 선형 배열된 위상배열 안테나와 비교하여, 상기 비아벽의 고임피던스 표면 특성에 의해 공통 접지면을 타고 흐르는 표면 전류에 의한 안테나 단위 소자 간 상호 간섭 경로를 억제하는 기능을 구비할 수 있다.
일 측면에 따르면, 누설전력 최소화가 가능한 고임피던스 표면 역할을 하는 섬 모양의 다수의 비아벽을 포함하는 CPWG(coplanar waveguide with ground) 전송선로로 구성된 급전부 회로를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 위상배열 안테나는, 8개의 상기 단위 소자로 구성될 수 있고, 최소 선폭 100 um인 FR-4 PCB 공정의 전극 제조 해상도 제약에도 불구하고 임피던스 정합과 저손실 급전을 용이하게 하기 위해 테이퍼된 T자형 전력분배기를 포함하는 1x8 전력 분배용 회로를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 위상배열 안테나는, 필수회로인 Balun을 구비하지 않고 고임피던스 표면을 구비함으로써, 전극 제조해상도 제약과 더불어 높은 유전손실을 갖는 단층 FR-4 PCB 공정을 활용하였음에도 불구하고, 광대역에서 광각 빔조향이 가능하며 구형 커버리지 특성을 제공할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나에 따르면, 단층형 FR-4 PCB 기판 내에 고임피던스 표면 (일차원 EBG와 비아벽) 구조물과 ILA가 안테나 단위소자에 통합되어 이를 활용한 밀리미터파 위상배열 안테나 설계 및 검증 방법에 대해 제시하였다. 배열 안테나 소자간 2가지 상호 간섭 경로 중 공통 접지면에 흐르는 표면 전류를 억제하기 위해 본 발명에서는 고임피던스 표면 구조물인 비아벽을 삽입시켰다. 그 결과 일차원 EBG와 비아벽 구조물을 포함한 안테나가 보다 광대역 임피던스 특성을 가짐을 확인하였다. 보다 구체적으로 제안된 안테나 타입이 포함된 4개 위상배열 안테나와 상용 빔포밍 칩셋을 활용해 빔조향 각도(90°, 90±60°)별 OTA 테스트한 결과 최대 16.6% EVM 특성이 3GPP 표준 요구사양을 충족함을 확인하였다. 더 나아가, 글로벌 로밍 서비스 지원이 가능한 밀리미터파 5G 단말 안테나의 적용 가능성을 확인하기 위해 위상지연 특성을 가진 3가지 타입의 1x8 전력분배기와 8개 위상배열 안테나를 제작, 시뮬레이션 및 방사성능을 검증하였다. 그 결과 본 발명에서 초저가의 단층형 FR-4 PCB 공정 기반임에도 불구하고 광대역에서 큰 음영지역없이 구형 커버리지를 달성하였다. 따라서 제안된 안테나는 단말에서 밀리미터파 5G 로밍 서비스를 제공하는 가능성을 제시하였다.
도 1은 밀리미터파 안테나에 활용되는 다양한 인쇄 및 패키징 공정 기술을 보여준다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고임피던스 표면을 구비하는 안테나를 구성하는 단위 소자의 구조 및 종래기술에 따른 안테나의 구조를 도시한다.
도 3은 부분 접지면이 집적된 FR-4 기판의 반사 위상을 도시한다.
도 4는 3가지 안테나 단위 소자의 시뮬레이션된 성능을 도시한다.
도 5는 이상적인 급전 포트로 설계된 4개 요소 배열 안테나를 도시한다.
도 6은 동일한 급전부를 포함하도록 제작된 3가지 타입별 배열 안테나의 샘플을 도시한다.
도 7은 제작된 3가지 타입별 4개 요소 배열 안테나의 측정결과이다.
도 8은 제작된 3가지 타입별 4개 요소 배열 안테나 공통 접지면의 위치별 주파수 대비 표면 전류분포의 평균값을 도시한다.
도 9는 OTA 시스템 성능 검증을 위한 실험 셋업 및 실험 결과를 도시한다.
도 10은 8개 요소 배열 안테나 구현을 위한 설계된 급전부 회로의 구조를 도시한다.
도 11은 앞서 설계한 3개의 서로 다른 미리 결정된 위상 특성을 갖는 T자형 전력분배기의 시뮬레이션된 반사계수 및 삽입손실을 도시한다.
도 12는 대칭형 T자형 전력분배기의 샘플 이미지 및 측정된 삽입 손실을 도시한다.
도 13은 광각 커버리지 특성을 평가하기 위해 제작된 위상 배열 안테나의 세 가지 샘플 이미지와 측정된 반사계수 결과이다.
도 14는 8소자 배열로 구성된 제작된 3가지 타입별 위상 배열 안테나의 측정된 방사패턴을 도시한다.
도 15는 8소자 배열 안테나의 전체 빔 스캔된 패턴을 도시한다.
도 16은 8개 배열 안테나의 실현이득 대비 커버리지 효율을 도시한다.
도 17은 종래의 단말용 수평편파 종방향 방사 밀리미터파 안테나와의 성능 비교표이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
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 기술분야에서 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.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 명확하고 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 밀리미터파 안테나에 활용되는 다양한 인쇄 및 패키징 공정 기술을 보여준다. 이러한 공정 기술의 전극 해상도는 공정 단가와 안테나 작동 주파수의 핵심 요인이며, 특히 일차원 EBG 구조물의 경우 평면 구조에서 파장 이하 주기 구조물을 구현함에 따라 단위 셀 설계가 중요하다. 따라서 2.7 GHz 이하의 낮은 주파수 대역에서 구동하는 종래기술(예: 일차원 EBG 구조물이 포함된 안테나)보다 10배 이상의 동작 주파수에서 고임피던스 표면 특성의 일차원 EBG 단위셀, 주기 구조물과 이를 포함한 안테나를 저가형의 단층 PCB 공정에서 구현하기는 매우 어렵다. 또한 단층 FR-4 PCB는 다른 PCB보다 1/3 ~ 1/5 이하의 초저가 제조단가에 불과하여 밀리미터파 5G 가속화의 촉진제 역할이 가능하나 밀리미터파 대역에서 큰 유전손실(0.032 @ 28 GHz)로 인해 활용되지 못하고 있었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에서는 경제적인 생산 비용과 더불어 밀리미터파 대역에서 광대역 및 구형 커버리지 달성을 위해 낮은 상호 간섭 특성의 초소형/초박형 안테나(안테나 소자간 간격: 0.39λ0, 여기서, λ0는 자유공간에서의 파장임) 구현을 위한 고임피던스 구조물(일차원 EBG 및 비아벽)이 포함된 위상배열 안테나를 고안하였다.
도 2는 종래기술에 따른 안테나의 구조 및 본 발명의 일 실시예에 따른 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나를 구성하는 단위 소자의 구조를 도시한다.
도 2의 (a)를 참조하면, 각 안테나 소자 간격을 0.5λ0 이내로 촘촘하게 배열할 때 다중 안테나(예: 거대 MIMO 안테나, 배열 안테나)의 두 가지 주요한 상호 간섭 경로가 나타난다. 하나는 기판 유전체 또는 자유 공간에도 존재할 수 있는 공간파(space-wave)에 의한 간섭 경로이며, 다른 하나는 공통 접지면의 표면 전류(surface-current)에 의한 간섭 경로이다. 일차원 EBG 구조물이 포함된 단일 안테나 소자의 경우 접지면 가장자리의 높은 임피던스 표면은 다중 안테나로 배열되었을 때 낮은 임피던스 표면으로 변환되며, 이는 표면 전류에 의한 상호 간섭 경로가 된다.
도 2의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나는 일차원 EBG 구조(100)와 비아벽(200)을 포함하는 ILA의 형태로 구성된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나를 구성하는 단위 소자는 기판(10), 기판(10) 상에 적어도 부분적으로 형성된 부분 접지면(20), 부분 접지면(10)의 일 측방에 배치되는 평면 방사체(30), 및 부분 접지면(20)의 양쪽 가장자리에 병렬로 집적된 비아벽(via wall)(200)을 포함할 수 있다. 여기서, 부분 접지면(20)의 평면 방사체(30) 측 엣지(edge)에는 일차원 EBG 구조(100)가 내장될 수 있다. 복수의 단위 소자는 0.39 λ0 이내로 선형 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 (b)에서 단위 소자의 크기는 0.4 mm Х 2.1 mm Х 3.6 mm 일 수 있고, W 1 = 0.1 mm, W 2 = 0.1 mm, W 3 = 0.1 mm, W 4 = 0.3 mm, W 5 = 0.5 mm, L 1 = 1.8 mm, S 1 = 0.3 mm, S 2 = 0.25 mm, S 3 = 0.8 mm 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나는 비아벽(200)을 안테나 단위 소자 부분 접지면(20)의 양쪽 가장자리에 병렬로 집적함으로써 표면 전류에 의한 간섭 경로를 억제하고 안테나 소자간 자가 상호 간섭 억제 효과 기능을 제공할 수 있다. 또한 일차원 EBG 구조(100)는 복수의 주기적인 단위셀(100-1, 100-2)을 포함할 수 있으며, 복수의 주기적인 단위셀(100-1, 100-2)은 부분 접지면(20)의 평면 방사체(30) 측 엣지에 일렬로 배치될 수 있다. 단위셀(100-1, 100-2)은 제조 해상도 한계인 FR-4 (유전율 4.4, 손실계수 0.032 @ 28 GHz) PCB 설계 규칙(100um 최소 선폭)에 맞춘 미앤더 스트립 라인으로 구성될 수 있으며, 부분 접지면(20) 내에 5개가 일렬로 배치될 수 있다.
도 3은 부분 접지면이 집적된 FR-4 기판의 반사 위상을 도시한다.
도 3과 같이, 동일한 안테나 크기임에도 불구하고 일차원 EBG 구조(100)와 비아벽(200)을 모두 포함하는 기판의 반사 위상은 다른 기판보다 상대적으로 가파른 위상 변화를 나타낸다. 일차원 EBG 구조(100)와 비아벽(200)을 모두 포함하는 기판의 반사 위상이 135° ~ 0°일 때 입력 임피던스 정합되는 주파수 대역은 23 ~ 34 GHz임을 알 수 있다.
도 4는 3가지 안테나 단위 소자의 시뮬레이션된 성능을 도시한다.
동일 요소간 간격 내에서 가장 낮은 입력 임피던스 정합 주파수로 나타냄에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나의 단위 소자(ILA with EBG and via wall)의 전기적 길이는 다른 안테나보다 더 압축된다. 보다 전기적으로 압축 구성됨에도 불구하고 일차원 EBG 구조(100) 및 비아벽(200)이 있는 ILA 토폴로지는 별도의 성능 저하 없이 수평편파에서 종방향으로 높은 이득을 달성할 것으로 예상된다.
도 5는 이상적인 급전 포트로 설계된 4개의 단위 소자가 배열된 위상배열 안테나를 도시한다.
도 5의 (a)를 참조하면, 이상적인 동위상 50Ω 포트를 활성화한 4개 요소 위상배열 안테나가 0.39λ0 (3.6 mm) 요소 간격 내에서 촘촘하게 배열하였다. 도 5의 (c)와 같이 일차원 EBG 구조(100) 및 비아벽(200)과 함께 ILA 요소를 사용함으로써 위상배열 안테나는 좁은 간격임에도 불구하고 -10 dB 미만의 평균 상호 간섭을 달성하였다. 또한, 도 5의 (b) 및 (d)는 4개 요소 위상배열 안테나가 -10 dB 이하 입력 임피던스를 만족하는 23 ~ 31 GHz 대역 내에서 높은 종방향 방사 이득과 적은 교차편파의 방사 에너지를 얻을 수 있음을 나타낸다.
도 6은 동일한 급전부를 포함하도록 제작된 3가지 타입별 위상배열 안테나의 샘플을 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나는 개별적으로 동위상의 전력을 공급하기 위해 낮은 누설 전력 손실과 우수한 임피던스 정합 특성을 갖춘 급전부 회로를 더 포함할 수 있다. 도 6과 같이, 급전부 회로는 FR-4 기판 내에 고임피던스 표면 역할을 하는 섬 모양의 다수의 비아벽을 포함하는 CPWG(coplanar waveguide with ground) 전송선로로 구성될 수 있다. 예를 들어, W 6 = 0.6 mm, W 7 = 0.2 mm, S 4 = 1.0 mm, S 5 = 0.4 mm, Z 0_1 = 65 Ω, Z 0_x = 60 Ω 일 수 있다. 임피던스 정합과 동시에 우수한 방사효율을 얻기 위해 급전부 회로의 특성 임피던스는 PCB 설계 규칙을 충족하는 조건에서 소형 크기로 50 Ω에 인접하도록 설계될 수 있다. 급전부 회로와 3가지 타입의 설계된 안테나를 활용하여 소형의 4개 요소 위상배열 안테나를 제작하였다.
도 7은 제작된 3가지 타입별 4개 요소 위상배열 안테나의 측정결과이다.
ILA와 고임피던스 구조물(일차원 EBG와 비아벽)을 집적한 위상배열 안테나는 22~40 GHz 사이에서 18 GHz의 넓은 임피던스 대역폭을 얻었다. 이 안테나의 상호 간섭 평균값은 -12 dB 미만으로 억제되었다. 상용 RFIC 빔포밍 칩셋을 활용하여 동위상 급전을 인가하였을 때 이 안테나는 6 dBi의 종방향 방사 이득과 28 GHz에서 종방향으로 12 dB의 주편파 대비 낮은 교차편파 수준임을 실험으로 검증하였다. 또한 고임피던스 표면 구조물(일차원 EBG와 비아벽)이 있는 ILA 토폴로지가 포함된 안테나는 3 dB 스캔 손실 이내서 120°(±60°) 빔 커버리지가 확보되었다.
도 8은 제작된 3가지 타입별 4개 요소 배열 안테나 공통 접지면의 위치별 주파수 대비 표면 전류분포의 평균값을 도시한다.
일차원 EBG 및 비아벽 구조물의 높은 임피던스 특성으로 인해 도 5의 (a)에 표기된 공통 접지면의 가상 위치별 라인의 표면 전류를 도 8과 같이 크게 억제됨을 알 수 있다. 따라서 안테나 소자에 내장된 비아벽 구조물의 고임피던스 표면 특성에 의해 공통 접지면의 표면 전류를 통한 상호 간섭 경로를 억제할 수 있다.
도 9는 OTA 시스템 성능 검증을 위한 실험 셋업 및 실험 결과를 도시한다.
고유전 손실 특성이 있는 FR-4 기판에 제작된 안테나는 대신호에서 비선형 왜곡없이 신호를 무선 전송할 수 있음을 밀리미터파 5G 표준 사양과 EVM (Error vector magnitude) 성능을 비교하여 입증해야 한다. 상용 빔포밍 RFIC 칩셋을 사용하여 제작된 위상배열 안테나의 OTA 시스템 성능을 다양한 스캔 각도에 대해 측정한 결과를 분석하였다. 도 9의 (a)의 측정을 위해 앞서 제작한 고임피던스 표면 (일차원 EBG 및 비아벽) 구조물과 통합된 ILA 토폴로지를 포함하는 4개 소자 위상배열 안테나를 활용하였다. QPSK 변조 방식을 활용하여 28 GHz 반송주파수, 100 MHz 신호 대역폭을 실어 OTA 실험하였다. 도 7의 (d)에서 θ=120°에서 높은 부엽 레벨 영향에 의해 최대 EVM은 도 9의 (b)와 같이 60° 스캔 각도에서 16.6%였다. 측정된 OTA 성능 결과는 3GPP 표준에서 밀리미터파 5G 규격과 비교하여 QPSK 변조 방식으로도 활용 가능함을 입증하였다.
밀리미터파 5G 단말기에서 링크예산을 충족하기 위해 안테나 지향성은 증가하고 부엽 레벨은 감소된 8개 요소 이상의 대용량 선형 위상배열 안테나를 보다 심화 연구하였다. 다만 8개 요소 배열 안테나를 동시에 제어할 수 있는 상용 RFIC 칩셋이 부재하여 미리 결정된 위상지연 선로를 포함한 1x8 T자형 전력분배기를 설계하였다. 이 때 안테나 소자는 앞서 검증 완료한 고임피던스 표면 (일차원 EBG 및 비아벽) 구조물이 포함된 ILA 토폴로지를 활용하였다.
도 10은 8개 요소 배열 안테나 구현을 위한 설계된 급전부 회로의 구조를 도시한다. 예를 들어, 도 10에서 W 8 = 0.5 mm, L 2 = 3.25 mm, L 3 = 2.9 mm, L 4 = 3.6 mm, Z 0_2 = 91 Ω, Z 0_3 = 52 Ω 일 수 있다.
촘촘하게 인접한 요소 간격 내에서 저손실 급전부 회로를 실현하기 위해 전력분배기의 각 부분 사이에 비아벽 구조물을 포함하는 접지면이 부분적으로 중첩되고 압축 패턴화하여 도 10의 (a)와 같이 설계하였다. 동위상 T자형 전력분배기의 경우 FR-4 기판 재료로 인한 손실을 최소화하기 위해 입력 포트에서 출력 포트까지의 전체 급전 네트워크 길이를 19.1mm로 축소화하여 설계하였다. 광대역에서 광각 커버리지 특성을 검증하기 위해 PCB 설계 규격 내에서 넓은 임피던스 대역폭을 얻기 위해 테이퍼 형태의 T자형 전력분배기가 도 10의 (b)와 같이 설계되었으며 전송선로의 최대 특성 임피던스는 91 Ω 이하다. 28 GHz 기준으로 ±60° 빔 조향을 위해 T자형 전력분배기에서 120° 위상지연 되도록 파트 C에서 각 인접 안테나 요소 간의 물리적 길이 차이는 2 mm다.
도 11은 앞서 설계한 3개의 서로 다른 미리 결정된 위상 특성을 갖는 T자형 전력분배기의 시뮬레이션된 반사계수 및 삽입손실을 도시한다.
테이퍼 형상의 T자형 접합 구조로 설계된 1x8 전력분배기는 Ka 대역에서 -10 dB 이하의 양호한 임피던스 정합됨을 확인하였다. 또한 설계된 1x8 T자형 전력분배기의 시뮬레이션된 내부 삽입손실은 36 GHz 미만에서 3~4.5 dB이며 본 손실의 주요 원인은 임피던스 부정합보다 FR-4 기판의 유전손실에 의해 발생함을 알 수 있다.
도 12는 대칭형 T자형 전력분배기의 샘플 이미지 및 측정된 삽입 손실을 도시한다.
도 12의 (a)와 같이 1x8 T자형 전력분배기를 포함하는 대칭적인 구조의 제작된 샘플은 전력 불균형이나 발진없이 급전부 회로의 정확한 삽입손실을 유추할 수 있는 좋은 방안이다. 실험에서 커넥터의 영향을 고려하기 위해 커넥터의 랜딩 패드 모델링 형상을 삽입함으로써 T자형 전력분배기가 있는 대칭 구조 샘플을 시뮬레이션하였다. 도 12의 (b)와 같이 제작된 샘플을 사용하여 동위상 T자형 전력분배기에서 측정된 삽입손실은 36 GHz 미만에서 3.5~4.5 dB다.
도 13은 광각 커버리지 특성을 평가하기 위해 제작된 위상배열 안테나의 세 가지 샘플 이미지와 측정된 반사계수 결과이다. 앞서 설계한 3가지 급전부 회로(동위상, ±60° 빔 조향을 위한 위상지연 선로가 반영된 회로)를 토대로 제작된 배열 안테나는 26 GHz에서 40 GHz 사이의 넓은 임피던스 대역폭을 얻었다.
도 14는 8소자 배열로 구성된 제작된 3가지 타입별 위상 배열 안테나의 측정된 방사패턴을 도시한다.
지향성 팬빔을 특징으로 하는 제안된 위상 배열의 빔 스캐닝 성능을 조사하기 위해 제작된 배열 안테나의 수평면에서 방사패턴을 측정하고 비교하였다. 26~36 GHz의 주파수 범위에서 제작된 배열 안테나는 3 dB 스캔 손실 내에서 110°(±55°) 이상의 빔 스캔 범위를 얻었다. 도 14와 같이 도 7의 (d)의 4개 요소 배열 안테나의 방사패턴보다 메인빔의 반전력 빔폭이 좁아지고 부엽 레벨이 줄어 들었다. 또한 32~36 GHz의 주파수 범위에서 ±5° 빔 스퀸트 현상이 발생하였으나 여전히 10 GHz 대역폭 및 3 dB 스캔 손실 내에서 110°(±55°) 이상의 광각 스캐닝이 가능함을 입증하였다.
빔 조향 시나리오에서 밀리미터파 단말향 안테나는 준등방성 구형 커버리지를 나타내야 한다. 안정적인 구형 커버리지를 구현하기 위해 최대 실현 이득이 높아야 하고 커버리지 효율의 기울기가 상대적으로 가파르게 변화해야 한다. 커버리지 효율을 얻기 위해 먼저 전체 빔 스캔 패턴 (Total scan pattern, 이하 TSP)을 시뮬레이션하고 분석하였다. 특히 본 발명은 100 um 선폭의 제조 해상도와 큰 유전손실 재료임에도 불구하고 단말기에 적용 가능한 단층 FR-4 PCB 패키징 공정 기반 밀리미터파 안테나 설계 및 검증 방법에 주안점을 두었기에 TSP와 커버리지 효율 분석이 중요하다. 연속적인 빔 스캐닝 결과를 갖기 위해 추가로 설계된 안테나는 ±15°, ±30°, ±45° 빔조향을 위한 미리 결정된 위상지연 선로가 포함된 급전부 회로를 활용하였다.
도 15는 8소자 배열 안테나의 전체 빔 스캔된 패턴을 도시한다.
도 15와 같이 최종 종방향 방사에 대한 팬 빔 특성으로 인해 26~36 GHz에서 110°(±55°) 빔 스캐닝 범위에 도달하는 광각 커버리지를 달성하였다.
도 16은 8개 배열 안테나의 실현이득 대비 커버리지 효율을 도시한다.
도 16과 같이 FR-4 기판의 고손실 재료 특성과 전극 제조 해상도의 한계에도 불구하고 커버리지 효율은 26~36 GHz에서 50% 이상으로 -1.5 dBi 실현이득을 나타내었으며 단말기 안테나로 적용 가능성을 검증하였다.
도 17은 종래의 단말용 수평편파 종방향 방사 밀리미터파 안테나와의 성능 비교표이다.
단층 FR-4 PCB 기반 안테나 소자에 고임피던스 표면(일차원 EBG와 비아벽) 구조물을 포함한 ILA 토폴로지를 사용하여 제작된 소형 배열 안테나는 넓은 임피던스 대역폭과 광각 스캐닝 기능을 나타내었다. 또한, 섬 모양 형상의 촘촘한 비아벽 구조물이 포함된 CPWG 전송선로는 FR-4 기판의 상대적으로 손실되는 재료에도 불구하고 급전부 회로 외부로 빠져나가는 누설 전력을 최소화하고 배열 안테나에 최적의 전력을 공급하였다. 급전부 회로의 삽입 손실이 0.23dB/mm 미만으로 유지됨에 따라 제작된 4개 및 8개 소자 위상배열 안테나의 실현 이득은 각각 6 dBi 및 8.1 dBi를 달성하였다. 본 연구에서 제안한 안테나의 설계 방법론은 표에 제시된 최신 안테나에 비해 매우 낮은 생산 비용으로 향후 단말에 적용된다면 광대역에서 구형 커버리지를 제공할 수 있다.
이상에서 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 기판
20: 부분 접지면
30: 평면 방사체
100: 일차원 EBG 구조
200: 비아벽

Claims (10)

  1. 고임피던스 표면을 구비하는 위상배열 안테나에 있어서,
    상기 위상배열 안테나는 복수의 단위 소자를 포함하고,
    상기 복수의 단위 소자는,
    기판;
    상기 기판 상에 적어도 부분적으로 형성된 부분 접지면;
    상기 부분 접지면의 일 측방에 배치되는 평면 방사체; 및
    상기 부분 접지면의 양쪽 가장자리에 병렬로 집적된 비아벽을 포함하고,
    상기 부분 접지면의 상기 평면 방사체 측 엣지(edge)에는 일차원 EBG(electromagnetic bandgap) 구조가 내장되는, 위상배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 소자는 0.39λ0 이내로 선형 배열된 - 여기서, λ0는 자유공간에서의 파장임 -, 위상배열 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일차원 EBG 구조는 복수의 주기적인 단위셀을 포함하고,
    상기 복수의 주기적인 단위셀은 상기 부분 접지면의 상기 평면 방사체 측 엣지에 일렬로 배치되는, 위상배열 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 일차원 EBG 구조에 구성된 복수의 주기적인 단위셀은 단층 FR-4 PCB 공정을 활용한 미앤더 스트립 라인으로 구성되는, 위상배열 안테나.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 일차원 EBG 구조는, 상기 일차원 EBG 구조를 구비하지 않는 안테나와 비교하여, 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 주파수 변동에 따른 더 가파른 반사 위상의 변화를 유도하고 평면파 제어를 수행 가능하도록 구성되는, 위상배열 안테나.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 위상배열 안테나는, 상기 일차원 EBG 구조의 모서리의 수평 방향에서, 상기 일차원 EBG 구조를 구비하지 않는 안테나와 비교하여, 더 저속 파동 거동을 가지는 더 높은 임피던스 표면으로서 동작하여, 표면파 제어를 가능하도록 구성되는, 위상배열 안테나.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 위상배열 안테나는, 일차원 EBG 구조와 역-L형 안테나 단위 소자가 통합되어 선형 배열된 위상배열 안테나와 비교하여, 상기 비아벽의 고임피던스 표면 특성에 의해 공통 접지면을 타고 흐르는 표면 전류에 의한 안테나 단위 소자 간 상호 간섭 경로를 억제하는 기능을 구비한, 위상배열 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    누설전력 최소화가 가능한 고임피던스 표면 역할을 하는 섬 모양의 다수의 비아벽을 포함하는 CPWG(coplanar waveguide with ground) 전송선로로 구성된 급전부 회로를 포함하는, 위상배열 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 위상배열 안테나는,
    8개의 상기 단위 소자로 구성되고,
    최소 선폭 100 um인 FR-4 PCB 공정의 전극 제조 해상도 제약에도 불구하고 임피던스 정합과 저손실 급전을 용이하게 하기 위해 테이퍼된 T자형 전력분배기를 포함하는 1x8 전력 분배용 회로를 더 포함하는, 위상배열 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 위상배열 안테나는, 필수회로인 Balun을 구비하지 않고 고임피던스 표면을 구비함으로써, 전극 제조해상도 제약과 더불어 높은 유전손실을 갖는 단층 FR-4 PCB 공정을 활용하였음에도 불구하고, 광대역에서 광각 빔조향이 가능하며 구형 커버리지 특성을 제공하는, 위상배열 안테나.
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