KR102567182B1 - 나선형 안테나 및 관련 제조 기술 - Google Patents

Abstract

본원에 기재된 개념, 시스템, 회로 및 기술은 표준 포토-에칭(standard photo-etch) 또는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board; PCB) 제조 공정을 사용하여 제조된 나선형 안테나(spiral antennas)보다 높은 주파수에서 동작할 수 있는 안테나를 제공하기 위한, 적층 제조 기술(additive manufacturing technology)을 사용하여 제공될 수 있는 나선형 안테나에 관한 것이다.

Description

나선형 안테나 및 관련 제조 기술

본 출원은 2017년 11월 10일자로 출원된 SPIRAL ANTENNA AND RELATED FABRICATION TECHNIQUES라는 제목의 미국 가 특허출원 62/584,260를 우선권으로 주장하며, 이는 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.

당 업계에 공지된 바와 같이, 소위 나선형(spiral) 안테나는 그 위에 나선형 형태로 배치된 둘 이상의 전도체를 갖는 기판으로부터 제공된 일종의 무선 주파수(RF) 안테나이다. 알려진 바와 같이, 나선형 안테나의 상위 동작 주파수(upper operating frequency)는 안테나의 내부 반경(inner radius)(ri)에 의해 정의되며, 반경이 작을수록 동작 주파수가 높다. 그러나, 종래의 제조 기술(예를 들어, 표준 포토-에칭 또는 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 공정)에서의 한계는 달성될 수 있는 나선형 안테나의 내부 반경 크기를 제한하여 나선형 안테나의 상위 동작 가능 주파수(upper operational frequency)를 제한한다.

본 명세서에 설명된 개념 시스템, 회로 및 기술에 따르면, 나선형 안테나는 그 제1 표면상에 배치된 2개 이상의 나선형 전도체를 갖는 안테나 기판 - 나선형 안테나 각각은 나선형의 내부 반경(radius)을 정의하는 제1(또는 내부) 단부(end) 및 나선형의 외부 반경을 정의하는 제2(또는 외부) 단부 를 가짐 -을 포함한다. 안테나 기판의 제2 표면은 피드 회로 기판의 제1 접지면(ground plane) 표면 위에 배치된다. 각각의 나선형 전도체의 제1 단부는 이에 연결된 수직 런치 피드 라인(vertical launch feed line)을 갖는다. 각각의 수직 런치 피드 라인은 피드 회로 기판 내에 또는 위에 배치된 피드 회로에 연결된다. 원통형 형상(cylindrical shape)을 갖는 패러데이 벽이 피드 회로 기판의 제1 접지면과 안테나 기판의 제1 표면 사이에 배치되고, 수직 런치 피드 라인을 둘러싼다. 피드 회로 패러데이 벽(wall)은 피드 회로 주변의 접지면들 사이에 배치되고 피드 회로를 둘러싼다(surrounds).

이러한 특정 구성에 의해, 나선형 안테나 및 피드 회로가 제공된다. 안테나 피드 회로 및 수직 런치 피드 라인 주위에 배치된 패러데이 벽은 회로의 다른 부분에서 전파되는 신호들 사이의 격리량(amount of isolation)을 증가시킨다.

본 명세서에 설명된 개념의 다른 양태에 다르면, 나선형 안테나를 제조하기 위한 적층 제조 기술(Additive Manufacturing Technique; AMT)은 안테나 기판으로부터 전도성 물질을 제거하여(예를 들어, 밀링 기술(milling technique)을 통해) 기판 상에 2개 이상의 나선형 전도체를 형성하는 단계; 각 나선형 전도체의 제1 단부에서, 기판의 제1 표면에서 제2 대향 표면까지 연장되는 개구부(opening)를 기판에 형성(예를 들어, 밀링 기술(milling technique)을 통해 )하는 단계; 나선형의 제1 단부에서 종결되는(terminate) 각 상기 개구부를 둘러싸는 개구부를 형성(예를 들어, 밀링 기술(milling technique)을 통해 )하는 단계 - 상기 개구부는 원통형 형상을 가짐-; 및 안테나 기판 내에 전도성 신호 경로 및 전도성 벽을 형성하기 위해 각 개구부를 전도성 잉크로 채우는 단계를 포함한다.

이 특정 기술을 사용하면 AMT 제작 접근 방식은 생산 비용이 저렴하고 신속하게 프로토 타입을 제작할 수 있으며 설계 요구에 맞게 커스터마이징된 안테나를 제공한다. AMT는 지금까지 나선형 안테나로 달성할 수 있었던 동작 주파수보다 높은 약 25GHz 이상의 주파수에서 동작하도록 컴포넌트(component) 디멘젼(dimension)을 소형화(miniaturize)하는 데 사용된다.

따라서, 나선형 안테나를 제조하기 위한 AMT 사용은 표준 포토-에칭 또는 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 공정의 사용으로 인한 현재 제조 한계를 넘어선다.

본 명세서에 설명된 안테나는 AMT에 의해 제공되는 적어도 밀링 및 인쇄 능력(milling and printing capabilities)을 사용하는 설계 특징(예를 들어, 수직 런치 피드 회로, 패러데이 벽 등)을 이용함으로써 종래의 PCB 제조와 관련된 문제를 해결한다. 이러한 AMT 기계의 밀링 및 인쇄 기능은 약 25GHz 내지 약 25GHz 범위의 주파수에서 동작하는 안테나에 필요한 특징 크기(feature sizes)의 제조를 가능하게 한다. 실시예에서, 본원에 기술된 설계 및 기술을 사용하여, 트레이스 폭(trace width)이 약 0.002''이고 수직 런치 피드 회로의 직경이 약 0.005''인 디멘젼을 달성할 수 있다.

또한, 인쇄된 전도성 패러데이 벽은 전기장을 제한하는 데 사용되며 다른 형상을 밀링하는 것과 동일한 제조 단계에서 생산될 수 있다. 이는 상당한 인건비를 절약하여 전체 어셈블리의 비용을 절감한다. 결국, 장치를 테스트하는 데 표준 동축 커넥터(standard coaxial connector)가 사용될 수 있도록 커스텀 인쇄 커넥터 인터페이스(custom printed connector interface)가 사용된다.

본원에 설명된 안테나 설계는 패러데이 벽(Faraday wall), 수직 런치 연결(vertical-launch connection), 단일-단계 밀링 및 필링 작업(single-step mill and filling operations), 소형(2 x 2 소자) 빌딩 블록 및 밀링된 구리 트레이스(milled copper traces)와 같은 AMT 기술을 사용한다. 이는 비용 효율적인 방식으로 컴포넌트(components)를 안정적으로 생산하기 위해 AMT를 사용하여 완전히 제조되는 안테나 구조를 나타낸다. 또한 AMT를 활용하는 안테나 설계는, 생산 비용을 크게 낮추고 신속하게 프로토 타입을 제작하고, 설계 요구에 맞게 커스터마이징 될 수 있다. 본원에 설명된 나선형 안테나 설계는 종래 기술 나선형 안테나의 동작 주파수 이상의 주파수에서 동작하도록 컴포넌트 디멘젼을 소형화(miniaturize component dimensions)하기 위해 AMT를 사용한다.

종래 기술의 설계는 소형 피쳐 크기(miniature feature sizes), 인쇄 전도성 소자(printed conductive elements), 신속한 프로토 타이핑 기능(rapid prototyping capability) 및 표준 커넥터에의 연결의 조합을 갖지 않는다.

AMT에 의해 제공되는 기능(예를 들어, AMT 기계의 밀링 및 인쇄 기능)을 사용하는 안테나 설계를 이용함으로써, 본원에 설명된 안테나는 종래의 PCB 제조와 관련된 문제를 해결한다. 특히, AMT 밀링 및 인쇄 능력의 사용은 26.5GHz 이상의 주파수에서 동작하는 안테나에 필요한 더 작은 피쳐 크기를 갖는 안테나를 제조할 수 있게 한다.

실시예에서, 디멘젼은 트레이스 폭(trace widths)의 경우 0.002인치, 비아 직경(via diameters)(즉, 수직 런치 피드 라인 직경)의 경우 0.005 인치까지 소형화될 수 있다. 인쇄된 전도성 패러데이 벽은 전기장을 제한하는 데 사용되며 다른 형상을 밀링하는 것과 동일한 제조 단계에서 생산될 수 있다. 이를 통해 상당한 인건비를 절약할 수 있고, 이는 안테나 조립의 전체 비용을 낮춘다. 최종적으로, 표준 동축 커넥터(standard coaxial connector)를 사용하여 장치를 테스트할 수 있도록 커스텀 인쇄 커넥터 인터페이스(custom printed connector interface)가 사용된다.

본원에 개시된 유형의 나선형 안테나를 제조하기 위한 AMT의 사용은 표준 포토-에칭(standard photo-etch) 또는 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 공정의 현재 한계를 넘어서고, 이에 따라 26.5GHz 및 심지어 30GHz 이상의 RF 주파수에서 모든 동작을 하는 디멘젼(dimension)를 갖는 나선형 안테나의 제조가 가능해진다.

본 개시의 일 양태는 제1 표면(first surface) 및 제2 표면(second surface)을 갖는 안테나 기판(antenna substrate), 상기 안테나 기판의 상기 제1 표면 상에 배치된 2개 이상의 나선형 전도체(spiral conductors) - 나선형 안테나 각각은 상기 나선형의 내부 반경(inner radius)을 정의하는 제1 단부(first end) 및 상기 나선형의 외부 반경(outer radius)을 정의하는 제2 단부(second end)를 가짐-, 상기 안테나 기판의 상기 제2 표면 상에 배치된 피드 회로 기판(feed circuit substrate), 상기 피드 회로 기판 내에 또는 위에 배치된 피드 회로(feed circuit), 각 나선형 전도체(spiral conductor)의 상기 제1 단부에 연결된(coupled to) 제1 단부(first end) 및 상기 피드 회로에 연결된 제2 단부(second end)를 갖는 수직 런치 피드 라인(vertical launch feed line) 및 상기 수직 런치 피드 라인을 둘러싼 수직 런치 피드 라인 패러데이 벽(vertical launch feed line Faraday wall)을 포함하는 나선형 안테나에 대한 것이다.

나선형 안테나의 실시예는 제1 접지면 및 제2 접지면을 갖는 피드 회로 기판을 더 포함할 수 있다. 수직 런치 피드 라인 패러데이 벽은 피드 회로 기판의 제1 접지면과 안테나 기판의 제1 표면 사이에 배치된 원통형 형상을 가질 수 있다. 회로는 2개의 피드 라인(feed lines)을 포함하고, 상기 2개 이상의 나선형 전도체의 제1 나선형 전도체(first spiral conductor)의 제1 단부(first end)는 제1 피드 라인(first feed line)에 연결되고(coupled to), 상기 2개 이상의 나선형 전도체의 제2 나선형 전도체(second spiral conductor)의 제1 단부(first end)는 제2 피드 라인(second feed line)에 연결(coupled to)될 수 있다. 피드 회로 패러데이 벽은 2개의 피드 라인을 둘러쌀 수 있다. 나선형 안테나는 상기 피드 회로 기판의 상기 제1 및 제2 접지면 사이에 및 상기 피드 회로 주위에 배치된 피드 회로 패러데이 벽을 더 포함할 수 있다. 나선형 안테나는 피드 회로 기판의 제1 및 제2 접지면 사이에 및 상기 피드 회로 주위에 배치된 피드 회로 패러데이 벽을 더 포함할 수 있다.

본 개시의 다른 양태는 제1 표면(first surface) 및 제2 표면(second surface)을 갖는 안테나 기판(antenna substrate), 상기 안테나 기판의 상기 제1 표면 상에 배치된 2개 이상의 나선형 전도체(spiral conductors) - 나선형 안테나 각각은 상기 나선형의 내부 반경(inner radius)을 정의하는 제1 단부(first end) 및 상기 나선형의 외부 반경(outer radius)을 정의하는 제2 단부(second end)를 가짐-, 상기 안테나 기판의 상기 제2 표면 상에 배치된 피드 회로 기판(feed circuit substrate) - 상기 피드 회로 기판은 제1 접지면(first ground plane) 및 제2 접지면(second ground plane)을 가짐-, 상기 피드 회로 기판 내에 또는 위에 배치된 피드 회로(feed circuit) 및 상기 피드 회로 기판의 상기 제1 및 제2 접지면 사이에 및 상기 피드 회로 주위에 배치된 피드 회로 패러데이 벽(feed circuit Faraday wall)을 포함하는 나선형 안테나에 관한 것이다.

나선형 안테나의 실시예는 각 나선형 전도체(spiral conductor)의 상기 제1 단부에 연결된(coupled to) 제1 단부(first end) 및 상기 피드 회로에 연결된 제2 단부(second end)를 갖는 수직 런치 피드 라인(vertical launch feed line)을 더 포함할 수 있다. 나선형 안테나는 상기 수직 런치 피드 라인을 둘러싸는(surrounding) 수직 런치 피드 라인 패러데이 벽(vertical launch feed line Faraday wall)을 더 포함할 수 있다. 상기 수직 런치 피드 라인 패러데이 벽은, 상기 피드 회로 기판의 상기 제1 접지면과 상기 안테나 기판의 상기 제1 표면 사이에 배치된 원통형 형상(cylindrical shape)을 가질 수 있다. 상기 피드 회로는 2개의 피드 라인(feed lines)을 포함하고, 상기 2개 이상의 나선형 전도체의 제1 나선형 전도체(first spiral conductor)의 제1 단부(first end)는 제1 피드 라인(first feed line)에 연결되고(coupled to), 상기 2개 이상의 나선형 전도체의 제2 나선형 전도체(second spiral conductor)의 제1 단부(first end)는 제2 피드 라인(second feed line)에 연결(coupled to)될 수 있다. 피드 회로 패러데이 벽은 상기 2개의 피드 라인을 둘러싼다.

본 개시의 또 다른 양태는 나선형 안테나(spiral antenna)를 제조하는 AMT 공정에 관한 것으로, 상기 공정은 (a) 2개 이상의 전도성 나선(spiral antenna)을 안테나 기판(antenna substrate)상에 형성하기 위해 상기 안테나 기판에서 전도성 물질(conductive material)을 제거하는 단계; (b) 각 나선형 전도체(spiral conductor)의 제1 단부(first end)에서, 상기 기판에 제1 표면(first surface)에서 상기 기판의 제2 대향 표면(second opposing surface)까지 연장되는 개구부(opening)를 형성하는 단계; (c) 상기 나선형의 제1 단부(first end)에서 종결되는(terminate) 각 상기 개구부를 둘러싸는 개구부를 형성하는 단계 - 상기 개구부는 원통형 형상(cylindrical shape)을 가짐-; 및 (d) 상기 안테나 기판(antenna substrate)에 전도성 신호 경로(conductive signal paths) 및 전도성 벽(conductive walls)을 형성하기 위해 각 개구부를 전도성 잉크(conductive ink)로 채우는 단계를 포함한다.

공정의 실시예는 상기 나선형 안테나 및 상기 신호 경로(signal paths)에 연결된 전도성 수직 런치를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 전도성 물질(conductive material)를 제거하는 단계, 상기 기판 내에 개구부를 형성하는 단계, 및/또는 각 상기 개구부를 둘러싸는 개구부를 형성하는 단계는 밀링 기술(milling technique)을 포함할 수 있다.

본 개시의 다른 양태는 나선형 안테나(spiral antenna) 및 피드 회로(feed circuit)에 연결된(coupled to) 전도성 수직 런치(conductive vertical launch)를 형성하는 방법에 관한 것이다. 일실시예에서, 상기 방법은 신호 트레이스(signal trace)가 이중 클래딩 유전체 기판(double cladded dielectric substrate)으로부터 밀링(milled out of)된 후 솔더 범프(solder bump)를 갖는 피드 회로(feed circuit)의 하부 트레이스(bottom trace)를 사전-티닝(pre-tinning)하는 단계; 본딩(bonding)동안 상기 솔더 범프가 공동(cavity)에서 리플로우(reflow)될 공간을 만들기 위해 상기 피드 회로와 본딩 필름(bonding film)의 상부 층에 홀(hole)을 드릴링(drilling)하는 단계; 나선형으로 상기 상부 층으로 이어지는 공동을 미리 절단(pre-cutting)하고 상기 어셈블리(assembly)를 함께 적층하는(laminating) 단계; 구리가 상기 솔더 범프에 닿을 때까지 상기 구리로 상기 홀에 삽입하거나 채우는(inserting or filling) 단계; 및 상기 피드 회로에서 상기 솔더를 리플로우하기 위해 상기 구리의 상부를 납땜 인두(soldering iron)으로 누르는 단계를 포함한다.

본 명세서에 개시되어 있다.

적어도 한 실시예의 다양한 양태가 첨부 도면을 참조하여 이하 논의되며, 이는 비율(scale)에 맞게 도시되지는 않았다. 도면들은 다양한 양상들 및 실시예들의 예시 및 추가 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본원에 포함되고 본원의 일부를 구성하지만, 본 개시의 한계를 정의하도록 의도된 것은 아니다. 도면에서, 다양한 도면들에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성 요소는 유사한 숫자로 표시될 수 있다. 명확성을 위해, 모든 도면에 모든 구성 요소가 표시되는 것은 아니다. 전술한 특징들은 이하 도면의 설명으로부터 보다 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 나선형 안테나의 투명한 등측도(isometric view)이다;
도 1a는 스트립라인 피드 회로(stripline feed circuit)에 대한 커넥터 인터페이스(connector interface)의 저면도(bottom view)이다;
도 1b는 스트립라인 피드 회로에 대한 커넥터 인터페이스의 등측도이다;
도 1c는 스트립라인 피드 회로에 대한 커넥터 인터페이스의 측면도이다;
도 2는 적층 제조 기술(AMT)을 사용하여 도 1의 안테나와 동일하거나 유사한 나선형 안테나를 제조하는 공정의 흐름도이다;
도 3은 AMT를 사용하여 도 1의 피드 회로와 동일하거나 유사한 피드 회로를 제조하는 공정의 흐름도이다; 및
도 4-4d는 나선형 안테나를 피드 회로에 연결하는 프로세스를 도시한 일련의 도면이다.

본 명세서에 기재된 개념, 시스템, 회로 및 기술은 표준 포토-에칭 또는 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 공정을 사용하여 제조된 나선형 안테나보다 높은 주파수에서 동작할 수 있는 나선형 안테나를 제공하기 위한, 적층 제조 기술을 사용해 제공될 수 있는 나선형 안테나에 관한 것이다.

본 명세서에서 논의된 방법 및 장치의 실시예는 다음 설명에서 설명되거나 첨부 도면에 도시된 구성 요소의 구성 및 배열의 세부 사항에의 적용에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 방법 및 장치는 다른 실시예에서 구현될 수 있고 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 특정 구현 예는 단지 예시의 목적으로 본원에 제공되며, 제한하려는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다. "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "관련하는(involving)" 및 이들의 변형의 본원에서의 사용은 이후 열거된 항목 및 그 등가물 뿐만 아니라 추가적인 항목을 포함하는 것으로 의도된다. "또는(or)"에 대한 언급은, "또는(or)"을 사용하여 설명된 임의의 용어가 설명된 단일 용어, 하나 이상의 용어 및 모든 용어를 나타낼 수 있도록 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 전방(front) 및 후방(back), 좌측(left) 및 우측(right), 상부(top) 및 하부(bottom), 상위(upper) 및 하위(lower), 단부(end), 측면(side), 수직(vertical) 및 수평(horizontal) 등에 대한 언급은 설명의 편의를 위해 의도된 것이며, 본 시스템 및 방법 또는 그 구성 요소를 하나의 위치 또는 공간적 방향으로 제한하려는 것이 아니다.

이제 도 1을 참조하면, 나선형 안테나 어셈블리(8)는 피드 회로 부분(20)에 연결된 나선형 안테나 부분(10)을 포함한다. 나선형 안테나 부분(10)은 안테나 기판(12)의 제1 표면(12a) 상에 배치되거나 형성된 2개 이상의 나선형 전도체(14a, 14b)(일반적으로 14로 표시됨)를 갖는 제1 및 제2 대향 표면(12a, 12b)을 갖는 안테나 기판(12)을 포함한다. 도 1의 예시적인 실시예에는 2개의 나선형 전도체(14)만이 도시되어 있지만, 당업자는 N개의 나선형 전도체(14)가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 임의의 특정 응용에 사용하기 위한 특정 수의 나선형 전도체(14)는 방사 거리(radiating distance), 전송 전력(transmit power), 플랫폼 크기(platform size)를 포함하는 다양한 요인에 의존하지만, 이에 제한되지는 않는다.

당업자는 주어진 응용에 대해 나선형 전도체의 수를 어떻게 선택할지를 이해할 것이다. 또한, 당업자는 특정 응용에 사용하기 위해 특정 나선 모양(예를 들어, 아르키메데스 나선(Archimedean spiral), 사각형 나선(square spiral), 스타 나선(star spiral) 등)을 어떻게 선택할지 또한 이해할 것이다.

나선형 전도체 각각은 나선형의 내부 반경을 정의하는 제1(또는 내부) 단부(15a) 및 나선형의 외부 반경을 정의하는 제2(또는 외부) 단부(15b)를 갖는다. 나선형 안테나의 방사 패턴에 영향을 미치는 나선형 전도체 특성은, 턴들(turns) 사이의 간격, 각 나선형 전도체(또는 암(arm))의 폭, 내부 반경(ri) 및 외부 반경(ro)을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 특정 유형의 나선형 안테나에 따라, 간격(spacing)(s) 및 폭(width)(w)은 나선형을 따라 다른 지점에서 달라질 수 있음을 이해해야 한다. 즉, 실시예에서, 나선형 전도체(14)는 나선의 전체 길이(나선의 길이는 나선형 전도체(14)의 중심선을 따라 측정된 나선형 전도체(14)의 길이를 의미함)에 걸쳐 동일한 폭을 유지하지 않을 수 있다. 유사하게, 실시예에서 나선형 전도체(14) 사이의 간격은 나선의 전체 길이를 따라 일정하지 않을 수 있다.

나선의 내부 반경(ri)은 나선의 중심으로부터 제1 턴(first turn)의 중심까지 측정되고, 나선의 외부 반경은 나선의 중심으로부터 최외곽 턴(outermost turn)의 중심까지 측정된다. 이러한 설계 파라미터 외에, 나선형 안테나는 최저 동작 주파수(lowest frequency of operation) f_low = c/2πro 및 최고 동작 주파수(highest frequency of operation) f_high = c/2πri 를 갖는다. 여기서 c는 빛의 속도를 나타낸다. 나선은 r, 좌표계에서 r 축과 축을 동시에 따라 나아간다.

안테나 기판(12)은 스트립 라인 피드 회로(20)의 제1 접지면(20a) 위에 배치되어 결합된다. 실시예에서, 안테나는 수직 천이(vertical transition)을 이용하여 스트립 라인 피드 회로(20)에 연결되어 트윈 라인 피드(twin line feed)(22)를 생성할 수 있다. 나선형 스트립 라인 회로(20)를 연결하는 하나의 특정 기술이 도 4-4d와 관련하여 이하 설명된다. 스트립 라인 피드 회로(20)는 제2 접지면(20b)을 포함한다. 여기서, 스트립 라인 피드 회로(20)는 피드 회로(26)를 사이에 두고 배치된 한 쌍의 기판(23, 24)으로부터 제공된다.

각각의 나선형 전도체의 제1 단부는 이에 연결된 수직 런치 피드 라인(22)을 갖는다. 각각의 수직 런치 피드 라인(22)은 스트립 라인 피드 회로(20)의 일부로서 제공된 피드 회로(26)에 결합된다. 이 예시적인 실시예에서, 피드 회로는 2개의 유전체 기판(23,24)을 포함하고, 상부 및 하부 접지면(20a,20b)을 갖는 스트립 라인 회로로서 구현된다. 다른 실시예에서, 피드 회로는 다른 기술(예를 들어, 마이크로 스트립 피드 회로(microstrip feed circuit), 서스펜디드 에어 스트립 라인 회로(suspended air stripline circuit)와 같은, 또는 다른 기술)을 사용하여 구현될 수 있다. 즉, 피드를 스트립 라인 회로 이외의 것으로 구현하는 것이 가능하다는 것이 인식된다.

스트립 라인 피드 회로 기판의 제1 접지면(20a)과 안테나 기판의 제1 표면(12a) 사이에 원통형 형상을 갖는 패러데이 벽(30)이 배치되고 수직 런치 피드 라인(22)을 둘러싼다(surrounds)(즉, 에워싼다(encompasses)). 바람직한 실시예에서, 패러데이 벽(30)은 단단한 원통형 형상으로 제공된다. 실시예에서, 갭(gaps), 슬롯(slots) 또는 그 안에 제공된 다른 형태의 개구부(openings)를 갖는 원통형 벽을 제공하는 것이 가능할 수 있다. 실시예들에서, 패러데이 벽(30)의 일 단부는 피드 회로 접지면(20a)과 전기적으로 접촉하고 패러데이 벽의 제2 대향 단부(opposite end)는 안테나 기판(12)을 통해 연장되지만 안테나 기판 표면(12a)으로 연장되지는 않는다. 실시예에서, 패러데이 벽(30)은 제2 접지면(20b)과 물리적으로 접촉할 수도 있고, 접촉하지 않을 수도 있다. 이러한 전도성 패러데이 벽(30)은 전기장을 제한하여 격리 및 모드 억제(isolation and mode suppression)를 제공한다. 패러데이 벽(30)은 따라서 수직 런치 격리(vertical launch isolation) 및 모드 억제 구조(mode suppression structure)로 기능하여 안테나에 원하는 안테나 동작 특성을 제공하는 것을 돕는다.

피드 회로 패러데이 벽(32)은 스트립 라인 피드 회로(20)의 접지면(20a, 20b) 사이에 배치되고 피드 회로(26)를 둘러싸거나(surrounds) 감싼다(encases). 실시예들에서, 패러데이 벽(32)은 스트립 라인 회로의 상부 및 하부 접지면 모두와 전기적으로 접촉한다. 실시예들에서, 패러데이 벽은 스트립 라인 회로의 상부 및 하부 접지면 모두와 물리적으로 접촉한다. 패러데이 벽(30)과 유사하게, 패러데이 벽(32)은 피드 회로(26)로부터의 전기장을 제한한다. 실시예에서, 갭(gaps), 스롯(slots) 또는 그 안에 다른 형태의 개구부(openings)를 갖는 벽(32)을 제공하는 것이 가능할 수 있다.

RF 커넥터(33)는 피드 회로(26)의 입력/출력 포트(34)에 연결된다. 실시예들에서, 입력/출력 포트(34)는 RF 커넥터(33)가 표준 동축 커넥터로서 제공될 수 있게 하는 맞춤형 인쇄 커넥터 인터페이스(custom printed connector interface)(34)로 제공된다. 도 1의 유사한 소자가 유사한 참조 번호를 갖는 것으로 제공되는 도 1a-1c에 도시된 바와 같이, 인터페이스(34)는 어댑터가 스트립 라인 피드와 인터페이스 할 수 있도록 AMT 생성된 수직 런치(35)를 사용한다.

포함한 턴(turns)의 개수, 턴과 암 폭(width of its arm) 사이의 간격(spacing)을 변경하여 다른 나선형 안테나 설계를 얻을 수 있음을 이해해야 한다. 안테나 기판은 원하는 방사 패턴을 갖는 안테나를 제공하기 위해 선택된 특정 유전율(permittivity) 및 크기(dimensions)를 갖도록 선택됨을 이해해야 한다. 일실시예에서, 약 25GHz 내지 35GHz의 주파수 범위에서 동작하기 위해, 안테나 기판(12)은 약 70-80 밀(mils) 범위의 두께 및 약 2.2의 상대 유전율(relative permittivity)을 갖도록 제공되고, 나선형 전도체(14)는 약 2-3밀(mils)의 범위의 폭 및 약 0.055''의 내부 반경 및 약 0.185''의 외부 반경을 갖도록 제공되며, 피드 기판은 약 20밀(mils)의 두께를 갖도록 제공된다.

당업자는 물론 실질적으로 동일한 안테나 전기 특성을 달성하기 위해 기판 두께와 상대 유전율 값 사이에서 트레이드 오프(trade-off)가 생길 수 있음(예를 들어, 비교적 높은 상대 유전율 값을 갖는 비교적 얇은 기판이 낮은 상대 유전율을 갖는 비교적 두꺼운 기판과 실질적으로 동일한 안테나 동작 특성을 달성하도록 사용될 수 있음)을 이해할 것이다.

실시예에서, 본원에 설명된 안테나는 중심으로부터 바깥쪽으로 연장되는 2개의 나선형 전도체(또는 "암") 및 원통형 형상을 가지며 상기 암에 결합된 안테나 피드 라인 주위에 배치된 패러데이 벽을 포함한다. 안테나는 그 표면에 나선형 전도체가 배치된 평평한 디스크(flat disc)일 수 있거나, 나선형 전도체는 예를 들어 절단된 원뿔형 구조(truncated cone shape) 위에 배치된 것처럼 3차원 형태로 연장될 수 있다. 나선의 회전 방향은 안테나 편파 방향(direction of antenna polarization)을 정의한다. 다중 나선 구조(multi-spiral structure)를 형성하기 위해, 추가 나선이 또한 포함될 수 있다. 실시예에서, 나선은 캐비티-백(cavity-backed) 된다; 즉, 전도성 벽으로 둘러싸인 공기 또는 비전도성 물질 또는 진공의 공동(cavity)이 있다. 공동은 안테나 패턴을 단방향 형태(unidirectional shape)로 변경한다.

실시예들에서, 2개의 기판은 개별적으로 제조된 다음 함께 접합(bonded together)될 수 있다. 그 후 수직 천이(vertical transition)가 배치된다.

이제 도 2의, 도 1과 관련하여 위에서 설명된 안테나(10)와 동일하거나 유사할 수 있는 나선형 안테나를 제조하기 위한 예시적인 적층 제조 기술(AMT)(40)을 참조하면, 공정은 공정 블록(42)에 도시된 바와 같이 기판의 제1 표면 상에 2개 이상의 나선형 전도체를 형성하기 위해 안테나 기판의 제1 표면에서 전도성 물질을 제거(예를 들어, 밀링 기술을 통해)하는 단계로 시작한다. 따라서, 나선형 전도체를 남기고 구리를 밀링함으로써(milling away) 작은 피쳐 크기(small feature sizes)가 달성된다.

공정 블록(44)에 도시된 바와 같이, 각 나선형 전도체의 제1 단부에서, 밀링(또는 다른) 기술이 안테나 기판의 제1 표면에서 제2 대향 표면까지 연장되는 개구부를 안테나 기판에 형성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 개구부는 나중에 수직 런치 피드(예를 들어, 도 1에 도시된 수직 런치 피드(22))를 형성하는 데 사용될 것이다.

공정 블록(46)에 도시된 바와 같이, 밀링 기술이 각각의 수직 런치 피드 개구부를 둘러싸는 개구부를 형성하는 데 사용될 수 있다. 실시예에서, 각각의 수직 런치 피드 개구부를 둘러싸는 개구부는 연속적인 원통형 형상으로 제공되며, 수직 런치 피드 개구부를 둘러싼다. 실시예들에서, 원통형 형상의 개구부는 안테나 기판을 통해 안테나 기판의 제2 표면으로부터 50%-95% 지점까지 연장된다(즉, 원통형은 안테나 기판을 통해 부분적으로만 연장된다).

안테나 기판에 수직 런치 피드 개구부 및 원통형 개구부를 형성한 후, 공정은 공정 블록(48)으로 진행하여 안테나 기판에 전도성 신호 경로(signal paths) 및 전도성 벽을 형성하기 위해 각 개구부를 전도성 잉크로 채우는 단계가 수행된다.

실시예에서, 각각 직경이 다른 일련의 원통형 형상의 개구부가 공정 블록(46)에 형성되어 전도성 잉크로 채워진 후 분할된(segmented) 원통형 벽이 수직 런치 피드 라인 주위에 배치될 수 있다. 벽은 수직 천이(vertical transitions)의 2개의 원통형 개구부가 내부에 있는 원통형 링(cylindrical ring)에 가깝다는 것을 이해해야 한다.

이제 도 3의, 도 1과 관련하여 위에서 설명된 피드 회로(20)와 동일하거나 유사할 수 있는 피드 회로를 제조하기 위한 예시적인 AMT 어프로치(58)를 참조하면, 공정은 공정 블록(60)에 도시된 바와 같이 피드 회로(예를 들어, 도 1의 회로(26))를 형성하기 위해 피드 회로 층에서 전도성 물질을 제거(예를 들어, 밀링 기술을 통해)하는 단계로 시작한다. 실시예에서, 스트립 라인 피드는 AMT 밀링 공정에 의해 밀링되지 않은 구리이다.

공정 블록(62)에 도시된 바와 같이, 피드 회로의 주변부(perimeter) 주위에 개구부가 형성된다. 바람직한 실시예에서, 개구부는 밀링 작업을 통해 형성된 연속적인 개구부이다. 따라서, 피드 기판의 제1 표면으로부터 제2 대향 표면으로 연장되는 피드 기판 내에 개구부를 형성하기 위해 밀링(또는 다른) 기술이 사용될 수 있다. 이러한 개구부는 나중에 피드 회로를 둘러싸는 패러데이 벽(예를 들어, 도 1에 도시된 패러데이 벽(32))을 형성하는 데 사용될 것이다.

피드 기판에 개구부를 형성한 후, 공정은 공정 블록(64)으로 진행하여 피드 기판 내에 전도성 신호 경로 및 전도성 벽을 형성하기 위해 각각의 개구부를 전도성 잉크로 채우는 단계가 수행된다.

따라서, 전술한 바와 같이 AMT를 사용하여, 인쇄된 전도성 패러데이 벽은 다른 형상을 밀링하는 것과 동일한 제조 단계에서 형성될 수 있으며, 이 패러데이 벽은 안테나 및 피드 회로 모두에서 전기장을 제한하는 데 사용될 수 있음이 인식된다.

도 2의 AMT 기술을 사용하여 나선형 안테나를 형성하고 도 3의 AMT 기술을 사용하여 피드를 형성한 후, 이렇게 형성된 나선형 안테나 및 피드 회로는 본딩 기술을 통해 결합되어 도 1과 관련하여 전술한 어셈블리(8)와 같은 통합된 나선형 안테나 어셈블리를 제공할 수 있다.

이하 도 4-4d는 부가적이고, 저렴하며, PCB 제조 공정에서 구리의 전착(electro-deposition)을 제거하는 전도성 수직 런치를 제공하는 구조 및 기술을 설명한다.

이제 도 4 내지 도 4d를 참조하면, AMT 나선형 안테나(도 1과 관련하여 전술한 나선형 안테나 전도체(14a, 14b)와 같은)를 AMT 피드 회로(도 1과 관련하여 전술한 피드 회로(26)와 같은)에 결합하기 위한 전도성(예를 들어, 구리) 수직 런치(예를 들어 도 1과 관련하여 전술한 수직 런치(22))를 형성하는 기술은 신호 트레이스가 이중 클래딩 유전체로부터 밀링(milled out of)된 후(도 4) 솔더 범프(solder bump)로 하부 트레이스(피드 회로(26))를 사전-티닝(pre-tinning)하며 시작한다.

피드 및 본드 필름의 상부 유전체 층에 홀이 제공되어 본딩 동안 솔더 범프가 공동 내로 리플로우(reflow)될 수 있도록 한다(도 4a).

나선형으로 상부 층으로 이어지는 공동이 사전 절단(pre-cut)된 다음, 어셈블리가 함께 적층된다(도 4b).

드릴 비트(drill bit) 또는 이와 유사한 구조가 미리 형성된 홀에 삽입되어 영역으로 유입되었을 수 있는 본드 필름을 제거하는 드릴링 작업이 수행된다. 솔더 범프로 드릴링한 후 구리 실린더가 아래의 솔더 범프에 닿을때까지 삽입된다. 이러한 구리 실린더는 직경이 5밀(mils) 이상일 수 있으며, 이는 종래 공정이 생성할 수 있는 것보다 훨씬 작다(도 4c).

그 단부에 일부 땜납(solder)을 갖는 납땜 인두(soldering iron)가 삽입된 구리 조각의 상부로 눌러진다. 짧은 거리로 인해, 피드 층에서 땜납을 리플로우하는 구리 가닥으로 열이 전도된다. 납땜 인두의 솔더는 나선형 층에 남아있어 삽입된 구리 조각과 나선형 사이를 연결한다(도 4d).

본원에 설명된 바와 같이, 패러데이 벽은 기판을 통해 "수직으로" 전자기 경계를 제공하는 전도체이다. 패러데이 벽은 기판을 통해 아래로 접지면까지 트렌치를 가공하고(machining) 적층 제조 기술이 적용된 전도성 잉크와 같은 전도성 물질로 트렌치를 채우는 과정에 의해 형성될 수 있다. 전도성 잉크가 준비되면, 실질적으로 전기적으로 연속적인 전도체를 형성할 수 있다. 패러데이 벽이 형성된 트렌치는 접지면을 관통하거나 지나갈 필요가 없다. 따라서 패러데이 벽은 접지면과 전기적으로 접촉할 수 있다. 또한, 패러데이 벽의 상부는 다른 접지면과 전기적으로 접촉할 수 있으며, 이는 전도성 잉크와 접지면 사이의 접촉을 보장하기 위한 가공된 트렌치(machined trench)의 약간의 과충전(over-filling) 및/또는 솔더(solder)의 도포(application)에 의해 달성될 수 있다. 패러데이 벽의 위치는 피드 회로에 의해 전달되는 신호(들)에 대한 그 영향에 따라 선택될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 패러데이 벽은 격리를 제공하는 것 이외에도, 임의의 특정한 방식으로 신호에 영향을 미치지 않으면서 격리를 제공하도록 위치될 수 있다.

본 특허의 주제인 다양한 개념, 구조 및 기술을 설명하는 바람직한 실시예를 설명하였지만, 이제 이러한 개념, 구조 및 기술을 포함하는 다른 실시예가 사용될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 여기에 설명된 상이한 실시예들의 요소들은 위에서 구체적으로 설명되지 않은 다른 실시예들을 형성하도록 결합될 수 있다.

따라서, 본 특허의 범위는 설명된 실시예로 제한되지 않아야 하며, 다음의 청구범위의 사상 및 범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (17)

1. 나선형 안테나(spiral antenna)에 있어서,
   제1 표면(first surface) 및 제2 표면(second surface)을 갖는 안테나 기판(antenna substrate);
   상기 안테나 기판의 상기 제1 표면 상에 배치된 2개 이상의 나선형 전도체(spiral conductors) - 나선형 안테나 각각은 상기 나선형의 내부 반경(inner radius)을 정의하는 제1 단부(first end) 및 상기 나선형의 외부 반경(outer radius)을 정의하는 제2 단부(second end)를 가짐-;
   상기 안테나 기판의 상기 제2 표면 상에 배치되고, 제1 접지면(first ground plane) 및 제2 접지면(second ground plane)을 포함하는 피드 회로 기판(feed circuit substrate);
   상기 피드 회로 기판 내에 또는 위에 배치된 피드 회로(feed circuit);
   각 나선형 전도체(spiral conductor)의 상기 제1 단부에 연결된(coupled to) 제1 단부(first end) 및 상기 피드 회로에 연결된 제2 단부(second end)를 갖는 수직 런치 피드 라인(vertical launch feed line);
   상기 피드 회로 기판의 상기 제1 접지면과 상기 안테나 기판의 상기 제1 표면 사이에 배치되고, 상기 수직 런치 피드 라인을 둘러싸는(surrounding) 원통형 형상(cyllindrical shape)을 갖는 수직 런치 피드 라인 패러데이 벽(vertical launch feed line Faraday wall); 및
   상기 피드 회로의 상기 제1 및 상기 제2 접지면과 상기 피드 회로 주변 사이에 배치되는 피드 회로 패러데이 벽
   을 포함하고,
   상기 수직 런치 피드 라인 페러데이 벽은 상기 원통형 형상 내부에 두 개 또는 그 이상의 수직 런치 피드 라인을 포함하는,
   나선형 안테나(spiral antenna).
   
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4. 제1항에 있어서,
   상기 피드 회로는 2개의 피드 라인(feed lines)을 포함하고,
   상기 2개 이상의 나선형 전도체의 제1 나선형 전도체(first spiral conductor)의 제1 단부(first end)는 제1 피드 라인(first feed line)에 연결되고(coupled to),
   상기 2개 이상의 나선형 전도체의 제2 나선형 전도체(second spiral conductor)의 제1 단부(first end)는 제2 피드 라인(second feed line)에 연결되는(coupled to),
   나선형 안테나.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 피드 회로 패러데이 벽은 상기 2개의 피드 라인에 둘러쌓인,
   나선형 안테나.
   
7. 나선형 안테나(spiral antenna)에 있어서,
   제1 표면(first surface) 및 제2 표면(second surface)을 갖는 안테나 기판(antenna substrate);
   상기 안테나 기판의 상기 제1 표면 상에 배치된 2개 이상의 나선형 전도체(spiral conductors) - 나선형 안테나 각각은 상기 나선형의 내부 반경(inner radius)을 정의하는 제1 단부(first end) 및 상기 나선형의 외부 반경(outer radius)을 정의하는 제2 단부(second end)를 가짐-;
   상기 안테나 기판의 상기 제2 표면 상에 배치된 피드 회로 기판(feed circuit substrate) - 상기 피드 회로 기판은 제1 접지면(first ground plane) 및 제2 접지면(second ground plane)을 가짐-;
   상기 피드 회로 기판 내(in) 또는 상기 피드 회로 기판 상에(on) 배치된 피드 회로;
   상기 피드 회로의 상기 제1 및 상기 제2 접지면과 상기 피드 회로 주변 사이에 배치되는 피드 회로 패러데이 벽(feed circuit Faraday wall); 및
   상기 나선형 전도체 각각의 상기 제1 단부와 연결된 제1 딘부 및 상기 피드 회로와 연결된 제2 단부를 갖는 수직 런치 피드 라인을 둘러싸는(surrounding) 원통형 형상을 갖는 수직 런치 피드 라인 패러데이 벽(vertical launch feed line Faraday wall)
   을 포함하고,
   상기 수직 런치 피드 라인 페러데이 벽은 상기 원통형 형상 내부에 두 개 이상의 수직 런치 피드 라인을 포함하는,
   을 포함하는,
   나선형 안테나(spiral antenna).
   
8. 제7항에 있어서,
   각 나선형 전도체(spiral conductor)의 상기 제1 단부에 연결된(coupled to) 제1 단부(first end) 및 상기 피드 회로에 연결된 제2 단부(second end)를 갖는 수직 런치 피드 라인(vertical launch feed line)
   을 더 포함하는,
   나선형 안테나.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 수직 런치 피드 라인 패러데이 벽은 상기 피드 회로 기판의 상기 제1 접지면과 상기 안테나 기판의 상기 제1 접지면 사이에 배치되는,
   나선형 안테나.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 피드 회로는 2개의 피드 라인(feed lines)을 포함하고,
    상기 2개 이상의 나선형 전도체의 제1 나선형 전도체(first spiral conductor)의 제1 단부(first end)는 제1 피드 라인(first feed line)에 연결되고(coupled to),
    상기 2개 이상의 나선형 전도체의 제2 나선형 전도체(second spiral conductor)의 제1 단부(first end)는 제2 피드 라인(second feed line)에 연결되는(coupled to),
    나선형 안테나.
    
    
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