KR102623525B1 - 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나 - Google Patents

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한양대학교 산학협력단
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Abstract

밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는, 제1 레이어 기판; 상기 제1 레이어 기판상에 형성되는 방사패치; 상기 제1 레이어 기판 하부에 결합되며, 상부에 제1 접지면이 형성되는 제2 레이어 기판; 및 상기 제2 레이어 기판 하부에 결합되고 상부 또는 하부에 전송 선로가 형성되는 제3 레이어 기판을 포함하되, 상기 제1 레이어 기판은 상대적으로 손실이 낮은 유전체로 이루어지고, 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제3 레이어 기판은 상대적으로 손실이 높은 유전체로 이루어진다. 개시된 안테나는 낮은 제조 비용으로 높은 이득을 구현할 수 있으며, 양호한 편파 격리도를 확보할 수 있는 장점이 있다.

Description

밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나{Multilayer Antenna for Millimeter Wave Band}
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나에 관한 것이다.
5G 통신이 도입되면서 새로운 주파수 대역인 NR 대역(26.5 ~ 29.5GHz)이 통신 대역에 포함되었다. NR 대역은 경로 손실이 매우 크고 투과 특성이 약한 관계로 NR 대역의 안테나에는 높은 이득이 요구되고 있다.
이러한 고이득 특성과 함께 근래에는 광대역 특성이 함께 요구되고 있다. 3GHz의 광대역을 충족시키기 위해 멀티레이어 구조의 안테나가 제안되었으나
저온 동시소성 세라믹(LTCC) 기술을 사용하여 밀리미터 웨이브 대역 안테나를 설계한 연구가 있었으며, 이와 같이 설계된 안테나는 안테나 이득 및 효율 측면에서 양호한 특성을 제공하고 설계 자유도가 높은 장점이 있었다.
그러나, 이러한 설계 방법은 많은 비용을 소요하며 차량용 또는 단말기용으로 활용하기에는 내구성이 약한 문제가 있었다.
한편, 기존의 밀리미터 웨이브 대역 안테나는 이중 편파 또는 그 이상의 다중 편파를 사용하는 안테나에서 편파간 격리도를 확보할 수 없는 문제가 발생하였다. 하나의 방사 패치에 서로 다른 포트를 통해 다중 편파 신호를 각각 독립적으로 급전하는 구조가 사용되었으나, 이러한 구조는 양호한 편파간 격리도를 확보할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 낮은 제조 비용으로 높은 이득을 구현할 수 있는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나를 제안한다.
본 발명은 양호한 편파 격리도를 확보할 수 있는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나를 제안한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 레이어 기판; 상기 제1 레이어 기판상에 형성되는 방사패치; 상기 제1 레이어 기판 하부에 결합되며, 상부에 제1 접지면이 형성되는 제2 레이어 기판; 및 상기 제2 레이어 기판 하부에 결합되고 상부 또는 하부에 전송 선로가 형성되는 제3 레이어 기판을 포함하되, 상기 제1 레이어 기판은 상대적으로 손실이 낮은 유전체로 이루어지고, 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제3 레이어 기판은 상대적으로 손실이 높은 유전체로 이루어지는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나가 제공된다.
상기 제1 레이어 기판은 테프론 물질로 이루어지고, 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제3 레이어 기판은 에폭시 물질로 이루어진다.
상기 제1 레이어 기판의 두께는 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제2 레이어 기판의 두께에 비해 상대적으로 크게 설정되는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나.
상기 제2 레이어 기판 하부에는 제2 접지면이 형성되고, 상기 전송 선로는 접지 선로 및 신호 선로를 포함한다.
상기 제1 T형 프로브의 종단에는 상기 제1 레이어 기판 내지 상기 제3 레이어 기판을 관통하여 상기 신호 선로와 전기적으로 결합하는 제1 급전 비아핀이 결합되고, 상기 제2 T형 프로브의 종단에는 상기 제1 레이어 기판 내지 상기 제3 레이어 기판을 관통하여 상기 신호 선로와 전기적으로 결합하는 제2 급전 비아핀이 결합된다.
상기 제1 레이어 기판에는 상기 제1 T형 프로브와 인접하여 배치되고 전기적으로 접지 전위를 가지는 제1 접지 패턴이 형성되고, 상기 제2 T형 프로브와 인접하여 배치되고 전기적으로 접지 전위를 가지는 제2 접지 패턴이 형성된다.
상기 제1 접지면에는 상기 방사 패치의 제1 모서리와 상하로 정렬되는 제1 슬롯이 형성되고, 상기 제1 모서리는 상기 제1 및 제2 T형 프로브와 인접하는 측면들이 교차하는 모서리이다.
상기 제1 접지면에는 상기 제1 모서리와 대각선으로 대향하는 제2 모서리와 상하로 정렬되는 제2 슬롯이 형성된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 레이어 기판; 상기 제1 레이어 기판상에 형성되는 방사패치; 상기 제1 레이어 기판 하부에 결합되며, 상부에 제1 접지면이 형성되는 제2 레이어 기판; 및 상기 제2 레이어 기판 하부에 결합되고 상부 또는 하부에 전송 선로가 형성되는 제3 레이어 기판을 포함하는 단일 안테나가 배열되는 서브 어레가 형성되고, 상기 서브 어레이가 다수개 배열되어 전체적인 어레이가 형성되며, 상기 제1 레이어 기판은 테프론 물질로 이루어지고, 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제3 레이어 기판은 에폭시 물질로 이루어지는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 배열 안테나가 제공된다.
본 발명의 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나는 낮은 제조 비용으로 높은 이득을 구현할 수 있으며, 양호한 편파 격리도를 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 전체적인 구조를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 제1 레이어 기판의 상부면을 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 제2 레이어 기판의 상부면을 나타낸 평면도.
도 5는 제1 레이어 기판 상부면과 제2 레이어 기판 상부면을 오버랩하여 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 제2 레이어 기판의 하부면을 나타낸 평면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 레이어 기판의 하부면의 일부를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레이어 안테나들이 배열된 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 멀티 레이어 기판을 모두 에폭시 물질을 사용할 경우의 안테나의 이득을 각도별로 나타낸 그래프.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “...부”, “...기”, “모듈”, “블록” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 전체적인 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티 레이어 안테나는 제1 레이어 기판(100), 제2 레이어 기판(120) 및 제3 레이어 기판(140)을 포함한다.
제1 레이어 기판(100)이 최상위층에 위치하고, 제1 레이어 기판(100) 하부에 제2 레이어 기판(120)이 결합되고, 제2 레이어 기판(120) 하부에 제3 레이어 기판(140)이 결합된다. 일례로 멀티레이어 PCB가 본원발명의 멀티레이어 안테나를 구현하기 위해 사용될 수 있을 것이다.
제1 레이어 기판(100)에는 급전되는 RF 신호의 방사를 위한 엘리먼트들이 형성되며, 제2 레이어 기판(120)의 상하부에는 접지 전위를 제공하는 엘리먼트들이 형성된다. 제3 레이어 기판(140)의 하부에는 급전 신호를 제공하기 위한 전송 선로가 형성된다. 각 레이어 기판의 상세 구조는 별도의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 단면도이다.
일반적인 멀티레이어 안테나의 각 레이어는 동일한 유전체로 이루어진다. 본 발명에서는 최상위층에 위치하는 제1 레이어 기판(100)의 유전체가 제2 레이어 기판(120) 및 제4 레이어 기판(140)과는 다른 유전체 재질로 이루어지도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 낮은 유전율로 인해 손실이 상대적으로 작은 유전체가 제1 레이어 기판(100)의 유전체로 사용되고, 높은 유전율로 인해 손실이 상대적으로 큰 유전체가 제2 레이어 기판(120) 및 제3 레이어 기판(140)의 유전체로 사용되도록 한다.
모든 레이어 기판의 유전체를 저손실 유전체로 사용할 때 안테나의 이득은 증가될 수 있을 것이나 안테나의 제조 비용이 증가하는 트레이드 오프 문제가 발생하게 된다. 본 발명의 발명자의 연구에 의하면, 멀티레이어 안테나에서 방사 패치가 위치하는 최상위층의 레이어가 손실에 가장 크게 관여하게 된다. 이에, 본 발명에서는 제1 레이어 기판(100)은 손실이 작은 유전체를 사용하도록 하나 하위 레이어인 제2 레이어 기판(120)과 제3 레이어 기판(140)은 상대적으로 큰 손실의 유전체를 사용하도록 한다. 이와 같은 방법으로 각 레이어 기판의 유전체를 사용하도록 함으로써 높은 이득을 유지함과 동시에 제조 비용이 절감될 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 레이어 기판(100)의 유전체로는 테프론 물질(TLY-5)이 사용될 수 있다. 제2 레이어 기판(120) 및 제3 레이어 기판(120)의 유전체로는 에폭시 물질(FR-4)이 사용될 수 있다. 바람직하게는 제2 레이어 기판(120)의 유전체로는 FR-4 Prepreg가 사용되고 제3 레이어 기판(140)의 유전체로는 FR-4 Core가 사용될 수 있다.
한편, 제1 레이어 기판(100)은 제2 레이어 기판(120) 및 제3 레이어 기판(140)에 비해 상대적으로 두꺼운 두께를 가지도록 설정된다. 제1 레이어 기판(100)의 두께를 상대적으로 두껍게 하여 보다 양호한 광대역 특성을 도모할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 제1 레이어 기판의 상부면을 나타낸 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 레이어 기판(100)의 상부에는 방사 패치(200) 및 두 개의 T형 프로브(210, 220) 두 개의 접지 패턴(230, 240)이 형성된다.
방사 패치(200)는 금속 재질로 이루어지며 급전되는 RF 신호를 방사하는 기능을 한다. 방사 패치(200)의 사이즈는 방사되는 RF 신호의 주파수에 기초하여 결정될 수 있다. 일례로, 5G NR 대역에서 사용될 경우 방사 패치(200)는 가로 길이 2.8mm, 세로 길이 2.8mm를 가지는 사각형 구조를 가질 수 있다.
두 개의 T형 프로브(210, 220)를 이용한 방사 패치(200)에 커플링 급전을 제공한다. 제1 T형 프로브(210)는 방사 패치(200)의 4개의 측면 중 제1 측면과 인접하여 배치되며, 커플링 급전을 위해 방사 패치(200)와 전기적으로 연결되지 않는다. 제2 T형 프로브(220)는 방사 패치(200)의 4개의 측면 중 제2 측면과 인접하여 배치되며, 제2 T형 브로브 역시 커플링 급전을 위해 방사 패치(200)와 전기적으로 연결되지 않는다.
T형 프로브(210, 220)는 수평 부재(210a)의 중심에 수직 부재(210b)가 직교하여 결합하는 형태를 가진다. T형 프로브(210, 220)의 수평 부재(210a)는 인접하는 방사 패치의 측면과 평행하게 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수평 부재(210a)의 길이는 인접하는 방사 패치의 측면과 동일한 길이를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
T형 프로브의 수직 부재(210b)의 제1 종단은 수평 부재(210a)의 중앙에 결합되며, 수직 부재(210b)의 제2 종단에는 급전 신호가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판을 관통하여 형성되는 급전 비아홀에 형성되는 급전 비아핀(110, 150)을 이용하여 각 T형 프로브(210, 220)에 급전 신호를 제공한다.
일례로, 제1 T형 프로브(210)에는 수평 편파 신호가 급전되며, 제2 T형 프로브(220)에는 수직 편파 신호가 급전된다. 서로 직교하는 수평 편파 신호와 수직 편파 신호는 T형 프로브(210, 220)에 의해 커플링을 통해 방사 패치(200)로 전달되며, 방사 패치(200)는 수평 편파 신호와 수직 편파 신호를 동시에 방사한다. 한편, 급전 비아핀(110, 150)은 급전 신호를 제공하는 전송 선로와 전기적으로 연결된다.
일반적으로, 다중 편파 급전은 두 개의 포트가 방사 패치에 직접 직교하는 편파 신호를 제공하는 구조를 가진다. 그러나, 본 발명과 같이 광대역이 요구되는 환경에서는 두꺼운 기판의 사용이 요구되고, 두꺼운 기판이 사용될 때에는 일반적인 급전 구조로 다중 편파 급전을 수행할 때 편파간 격리도를 확보하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 두 개의 T형 프로브(210, 220)를 이용하여 커플링 급전을 수행하는 구조를 제안한다. T형 프로브(210, 220)를 이용하는 구조에 의해 보다 작은 사이즈의 방사 패치를 사용하는 것이 가능하며, T형 프로브(210, 220)를 통해 방사 패치의 소형화를 도모할 수 있다.
제1 레이어 기판(100)에는 각 T형 프로브(210, 220)와 이격되어 배치되는 두 개의 접지 패턴(230, 240)이 형성된다. 접지 패턴(230, 240)은 전기적으로 접지 전위를 가지며 반원 고리 형상을 가질 수 있다.
접지 패턴(230, 240)은 전기적으로 접지 전위를 유지할 수 있도록 다수의 접지 비아핀(120, 130)이 접지 패턴(230, 240)과 전기적으로 연결된다. 제1 접지 패턴(230)은 제1 접지 비아핀(120)과 전기적으로 연결되고, 제2 접지 패턴(240)은 제2 접지 비아핀(130)과 전기적으로 연결된다. 도 1 및 도 3에는 4개의 제1 접지 비아핀(120)이 제1 접지 패턴(230)에 연결되고, 4개의 제2 접지 비아핀(130)이 제2 접지 패턴(240)에 연결되는 경우가 도시되어 있으나 접지 비아핀의 개수가 필요에 따라 변경될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.
도 1을 참조하면, 급전 비아핀(110, 150)과 접지 비아핀(120, 130)은 제1 레이어 기판(100) 내지 제3 레이어 기판(160)을 관통하고, 제3 레이어 기판(160)에 형성된 급전 선로 및 접지 선로와 전기적으로 연결된다.
접지 패턴(230, 240)은 각 T형 프로브(210, 220)를 둘러싸는 반원 고리 구조를 가지는데, 이러한 구조는 임피던스 매칭 향상을 도모하기 위한 구조로서, 임피던스 매칭 향상을 통해 방사되는 신호의 이득을 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 제2 레이어 기판의 상부면을 나타낸 평면도이고, 도 5는 제1 레이어 기판 상부면과 제2 레이어 기판 상부면을 오버랩하여 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제2 레이어 기판 상부에는 제1 접지면(300)이 형성된다. 제1 접지면(300)은 다양한 방식으로 접지 전위를 유지할 수 있다. 일례로, 다수의 접지 비아핀(120, 130)과 연결되어 접지 전위가 유지된다.
제2 레이어 기판 상부에 형성된 접지면(300)에는 두 개의 슬롯(350, 360)이 형성된다. 두 개의 슬롯(350, 360)은 제1 접지면의 일부 영역이 제거되는 Defected Ground로 기능할 수 있다.
도 5를 참조하면, 두 개의 슬롯(350, 360)의 중심이 방사 패치의 두 개의 모서리와 상하로 정렬되도록 그 위치가 설정될 수 있다. 제1 슬롯(350)의 중심은 방사 패치(200)의 제1 모서리와 상하로 정렬하도록 그 위치가 설정될 수 있으며, 제2 슬롯(360)은 방사 패치(200)의 제1 모서리와 대각선으로 대향하는 제2 모서리와 상하로 정렬되도록 그 위치가 설정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 두 개의 슬롯(350, 360) 각각은 '+' 형태를 가지는 것이 바람직하며, 두 개의 슬롯의 사이즈 및 형태는 동일한 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1 모서리는 제1 T형 프로브(210)와 인접하는 방사 패치의 제1 측면 및 제2 T형 프로브(220)와 인접하는 제2 측면이 교차하는 모서리일 수 있다.
제1 모서리 및 이와 대각선으로 대향하는 제2 모서리와 중심이 일치하는 두 개의 슬롯(350, 360)에 의해 편파간 격리도를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제2 레이어 기판(120)의 상부면에 형성되는 제1 접지면(300)에는 두 개의 원형 슬롯(370, 380)이 추가적으로 형성된다. 제1 원형 슬롯(370)은 제1 급전 비아핀(110)이 접지면(300)과 전기적으로 연결되지 않고 관통하기 위한 슬롯이고, 제2 원형 슬롯(380)은 제2 급전 비아핀(150)이 접지면(300)과 전기적으로 연결되지 않고 관통하기 위한 슬롯이다. 이에, 두 개의 원형 슬롯(370, 380)의 위치는 급전 비아핀의 위치에 기초하여 설정된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나의 제2 레이어 기판의 하부면을 나타낸 평면도이다.
도 6을 참조하면, 제2 레이어 기판 하부에는 제2 접지면(400)이 형성된다. 제2 접지면(400)에는 별도의 defected ground가 형성되지 않으며 두 개의 원형 슬롯(410, 420)만이 형성된다. 두 개의 원형 슬롯(410, 420)은 제1 접지면(300)에 형성되는 원형 슬롯(370, 380)과 상하로 정렬되어 형성되다. 제2 접지면(400)에 형성되는 두 개의 원형 슬롯(410, 420)도 각각 제1 급전 비아핀(110) 및 제2 급전 비아핀(150)이 관통하는 슬롯으로 기능한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 레이어 기판의 하부면의 일부를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 제3 레이어 기판(140)에는 전송 선로가 형성되며, 전송 선로는 신호 선로(700) 및 접지 선로(710)를 포함한다. 제1 급전 비아핀(110)은 신호 선로(700)와 결합되며, 제1 접지 비아핀들(120)은 접지 선로(710)와 결합된다. 제3 레이어 기판(140)에는 도 7에 도시된 바와 같은 전송 선로가 추가적으로 배치되며, 추가적인 전송 선로는 제2 급전 비아핀(150) 및 제2 접지 비아핀들(130)과 결합된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티레이어 안테나들이 배열된 배열 안테나의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 배열 안테나는 도 1에 도시된 단일 안테나가 다수개 배열된 구조를 가진다.
각 안테나로 급전되는 신호의 위상은 페이즈 쉬프터(미도시)와 같은 위상 천이 수단에 의해 조절되며, 이러한 위상 조절을 통해 원하는 빔 패턴이 형성되도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명의 배열 안테나에는 서브 어레이가 정의되고, 본 발명의 배열 안테나는 서브 어레이가 다수개 배열된 구조를 가진다. 하나의 서브 어레이는 미리 설정된 개수의 단일 안테나를 포함한다.
도 8에는 4개의 서브 어레이(900, 910, 920, 930)가 배열된 경우가 도시되어 있으며, 서브 어레이의 개수는 요구되는 이득 및 특성에 기초하여 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
각 서브 어레이 (900, 910, 920, 930)에는 미리 설정된 개수의 단일 안테나가 배열된다. 도 8에는 4개의 단일 안테나가 2 X 2 배열 구조를 형성하면서 배열된 경우가 도시되어 있으나, 서브 어레이에 포함되는 단일 안테나의 수 및 배열 구조 역시 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 하나의 서브 어레이에 포함되는 단일 안테나는 서로 다른 방향으로 급전을 받도록 설정된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 안테나는 두개의 T형 프로브를 이용하여 두 개의 측면에서 커플링 급전을 받는다. 이때, 하나의 서브 어레이에 포함된 단일 안테나 각각은 급전을 받는 두 개의 측면 중 적어도 하나가 서로 상이하도록 급전 구조가 설정되는 것이다.
도 8의 제1 서브 어레이(900)를 살펴보면, 4개의 단일 안테나(950, 952, 954, 956)가 배열되어 있다. 제1 단일 안테나(950)는 좌측면 및 상부 측면에 T형 프로브가 형성되어 좌측면 및 상부 측면으로부터 급전을 받는다. 제2 단일 안테나(952)는 상부 측면 및 우측면에 T형 프로브가 형성되어 상부 측면 및 우측면으로부터 급전을 받는다. 제3 단일 안테나(954)는 우측면 및 하부 측면에 T형 프로브가 형성되어 우측면 및 하부 측면으로부터 급전을 받는다. 제4 단일 안테나(956)는 좌측면 및 하부 측면에 T형 프로브가 형성되어 좌측면 및 하부 측면으로부터 급전을 받는다.
도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 서브 어레이에 포함된 단일 안테나들의 급전 방향은 시계 방향으로 회전하면서 변경될 수 있다. 물론, 이는 일 실시예이며, 반시계 방향으로 회전하면서 급전 방향이 변경될 수도 있을 것이다.
하나의 서브 어레이 내에서 방사체들의 급전 방향을 변경함으로써 다중 편파에서 높은 편파 분리도를 구현할 수 있다.
편파 분리도는 편파에 대한 영향을 방사 패턴 관점에서 살펴보는 것으로서, 포트 관점에서 편파에 대한 영향을 살펴보는 편파 격리도와는 상이하다. 일레로, 편파 격리도는 단일 방사체에서 수평 편파 신호가 수직 편파 신호의 급전 포트에 어느 정도 영향을 주는 지에 대한 지표라고 할 수 있으며, 편파 분리도는 어레이를 구성하는 다수 방사체들의 수평 편파 신호의 방사 패턴에 수직 편파 신호의 성분이 어느 정도 영향을 주는 지에 대한 지표라고 할 수 있다.
도 8에 도시된 서브 어레이를 구성하는 방사체들의 회전 급전 구조는 편파 분리도를 향상시키나 각 방사체의 편파 격리도에 악영향을 줄 수 있다. 이러한 영향을 방지하기 위해 각 서브 어레이 영역에는 슬릿(980)이 형성된다. 슬릿(980)은 접지면(300)을 제거하는 형태로 형성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 서브 어레이의 중심을 기준으로 ‘X’자 형태의 슬릿이 형성될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, X’자 형태의 슬릿(980)은 단일 안테나들의 제1 슬롯(350)과 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 배열 안테나는 다수의 서브 어레이의 배열을 통해 형성되는 전체 어레이를 둘러싸는 다수의 기생 패치(990)를 포함한다.
도 8를 참조하면, 직사각형 구조를 형성하면서 배열된 방사체들을 둘러싸는 기생 패치들이 도시되어 있다. 기생 패치(990)들은 접지 또는 급전 신호와 연결되지 아니하며 전기적으로 플로팅 상태이다.
기생 패치(990)들은 제1 슬롯(350) 및 제2 슬롯(360)으로 인해 발생하는 표면파들을 억제하는 기능을 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 기생 패치들의 사이즈는 각 방사체의 방사 패치(200)의 사이즈에 비해 작게 설정되는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 멀티 레이어 기판을 모두 에폭시 물질을 사용할 경우의 안테나의 이득을 각도별로 나타낸 그래프이다.
도 9에서 (a)는 모든 기판을 에폭시 물질 기판으로 사용하였을 경우의 xz 평면(좌) 및 yz 평면(우)의 이득을 각도별로 나타낸 그래프이고, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 레이어 기판으로 테프론 물질을 사용하고 제2 및 제3 레이어 기판으로 에폭시 물질을 사용할 경우의 xz 평면(좌) 및 yz 평면(우)의 이득을 각도별로 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나는 17.71 dBi의 최대 이득, 86.79%의 방사 효율, 21.9도의 반전력 빔폭, 13.14 dB의 부엽 레벨을 제공한다.
반면에, 모든 기판을 에폭시 물질 기판으로 사용하였을 경우, 16.37dBi의 최대 이득을 가지며, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나와 비교하였을 때 최대 이득이 1.34dB만큼 감소하였음을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 제1 레이어 기판;
    상기 제1 레이어 기판상에 형성되는 방사 패치;
    상기 제1 레이어 기판 하부에 결합되며, 상부에 제1 접지면이 형성되는 제2 레이어 기판; 및
    상기 제2 레이어 기판 하부에 결합되고 상부 또는 하부에 전송 선로가 형성되는 제3 레이어 기판을 포함하되,
    상기 제1 레이어 기판은 상대적으로 손실이 낮은 유전체로 이루어지고, 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제3 레이어 기판은 상대적으로 손실이 높은 유전체로 이루어지고,
    상기 제1 레이어 기판상에는 상기 방사 패치의 제1 측면과 인접하여 배치되는 제1 T형 프로브 및 상기 방사 패치의 제2 측면과 인접하여 배치되는 제2 T형 프로브가 형성되며,
    상기 제1 레이어 기판에는 상기 제1 T형 프로브와 인접하여 배치되고 전기적으로 접지 전위를 가지는 제1 접지 패턴이 형성되고, 상기 제2 T형 프로브와 인접하여 배치되고 전기적으로 접지 전위를 가지는 제2 접지 패턴이 형성되는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이어 기판은 테프론 물질로 이루어지고, 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제3 레이어 기판은 에폭시 물질로 이루어지는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 레이어 기판의 두께는 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제2 레이어 기판의 두께에 비해 상대적으로 크게 설정되는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 레이어 기판 하부에는 제2 접지면이 형성되고, 상기 전송 선로는 접지 선로 및 신호 선로를 포함하는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 T형 프로브의 종단에는 상기 제1 레이어 기판 내지 상기 제3 레이어 기판을 관통하여 상기 신호 선로와 전기적으로 결합하는 제1 급전 비아핀이 결합되고, 상기 제2 T형 프로브의 종단에는 상기 제1 레이어 기판 내지 상기 제3 레이어 기판을 관통하여 상기 신호 선로와 전기적으로 결합하는 제2 급전 비아핀이 결합되는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나.
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 접지면에는 상기 방사 패치의 제1 모서리와 상하로 정렬되는 제1 슬롯이 형성되고, 상기 제1 모서리는 상기 제1 및 제2 T형 프로브와 인접하는 측면들이 교차하는 모서리인 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 접지면에는 상기 제1 모서리와 대각선으로 대향하는 제2 모서리와 상하로 정렬되는 제2 슬롯이 형성되는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 안테나.
  9. 제1 레이어 기판;
    상기 제1 레이어 기판상에 형성되는 방사패치;
    상기 제1 레이어 기판 하부에 결합되며, 상부에 제1 접지면이 형성되고 하부에 제2 접지면이 형성되는 제2 레이어 기판; 및
    상기 제2 레이어 기판 하부에 결합되고 상부 또는 하부에 전송 선로가 형성되는 제3 레이어 기판을 포함하는 단일 안테나가 배열되는 서브 어레이가 형성되고, 상기 서브 어레이가 다수개 배열되어 전체적인 어레이가 형성되며,
    상기 제1 레이어 기판은 테프론 물질로 이루어지고, 상기 제2 레이어 기판 및 상기 제3 레이어 기판은 에폭시 물질로 이루어지며,
    상기 제1 접지면에는 상기 방사 패치의 제1 모서리와 상하로 정렬되어 제1 슬롯이 형성되고, 상기 제2 접지면에는 상기 제1 모서리와 대각선으로 대향하는 제2 모서리와 상하로 정렬되어 제2 슬롯이 형성되는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 배열 안테나.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 서브 어레이에 포함된 단일 안테나들은 서로 다른 방향에서 커플링 급전을 받는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 배열 안테나.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 접지면에는 상기 서브 어레이 영역별로 X자형 슬릿이 형성되는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 배열 안테나.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전체적인 어레이를 둘러싸도록 배치되는 다수의 기생 소자를 더 포함하는 밀리미터 웨이브 대역 멀티레이어 배열 안테나.


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