KR102679818B1 - 안테나 장치 - Google Patents

안테나 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102679818B1
KR102679818B1 KR1020220148228A KR20220148228A KR102679818B1 KR 102679818 B1 KR102679818 B1 KR 102679818B1 KR 1020220148228 A KR1020220148228 A KR 1020220148228A KR 20220148228 A KR20220148228 A KR 20220148228A KR 102679818 B1 KR102679818 B1 KR 102679818B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
antenna
pattern
patch antenna
profile
antenna pattern
Prior art date
Application number
KR1020220148228A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20240066894A (ko
Inventor
김남기
한규범
강경인
임영균
강윤모
김진혁
박해권
Original Assignee
한화엔엑스엠디 주식회사
Filing date
Publication date
Application filed by 한화엔엑스엠디 주식회사 filed Critical 한화엔엑스엠디 주식회사
Priority to KR1020220148228A priority Critical patent/KR102679818B1/ko
Publication of KR20240066894A publication Critical patent/KR20240066894A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102679818B1 publication Critical patent/KR102679818B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/44—Details of, or arrangements associated with, antennas using equipment having another main function to serve additionally as an antenna, e.g. means for giving an antenna an aesthetic aspect
    • H01Q1/46—Electric supply lines or communication lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/526—Electromagnetic shields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/314—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors
    • H01Q5/335—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors at the feed, e.g. for impedance matching

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치는 그라운드 플레인 상에 배치되는 복수의 안테나 소자를 포함하는 안테나 어레이로서, 각 안테나 소자는 제1 패치 안테나 패턴과, 상기 제1 패치 안테나 패턴으로의 급전을 위한 제1 피드비아를 포함하는, 안테나 어레이; 및 상기 각 안테나 소자 간의 디커플링(Decoupling)을 위해 미리 정의된 배치 프로파일에 따라 상기 그라운드 플레인 상에 배치되는 복수의 차폐 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

안테나 장치{ANTENNA APPARATUS}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 RF(Radio Frequency) 대역에서의 통신을 위한 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 주고받을 수 있도록 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 RFIC(Radio-Frequency Integrated Circuit)의 일체화, EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 확보 등을 위한 별도의 전력 증폭기 등 특수한 기술 개발을 요구할 수 있다.
본 발명의 배경기술은 미국공개특허공보 제2002-0175874호(2002.11.28. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 목적은 안테나 소자 간의 격리 특성과 임피던스 특성이 개선된 안테나 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 안테나 장치는 그라운드 플레인 상에 배치되는 복수의 안테나 소자를 포함하는 안테나 어레이로서, 각 안테나 소자는 제1 패치 안테나 패턴과, 상기 제1 패치 안테나 패턴으로의 급전을 위한 제1 피드비아를 포함하는, 안테나 어레이; 및 상기 각 안테나 소자 간의 디커플링(Decoupling)을 위해 미리 정의된 배치 프로파일에 따라 상기 그라운드 플레인 상에 배치되는 복수의 차폐 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제1 피드비아는 상기 제1 패치 안테나 패턴으로부터 이격되어 배치되고, 상기 제1 피드비아의 상단에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 패치 안테나 패턴으로부터 이격되어 상기 제1 패치 안테나 패턴으로의 급전 경로를 제공하며, 적어도 일부분이 권선 형태로 형성되는 권선 피드패턴;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 안테나 소자는, 상기 제1 패치 안테나 패턴의 상단에 배치되는 제2 패치 안테나 패턴과, 상기 제2 패치 안테나 패턴으로의 급전을 위한 제2 피드비아를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 제1 패치 안테나 패턴은 제1 주파수를 갖는 제1 RF 신호를 송수신하도록 구성되고, 상기 제2 패치 안테나 패턴은 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 갖는 제2 RF 신호를 송수신하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 배치 프로파일은, 상기 제1 패치 안테나 패턴에 의해 송수신되는 제1 RF 신호의 제1 주파수에서 상기 안테나 소자의 임피던스 정합 특성이 고려되어 미리 정의되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 배치 프로파일은, 각 차폐 구조체 간의 거리에 대한 거리 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 거리 프로파일은, 상기 제1 패치 안테나 패턴에 의해 송수신되는 제1 RF 신호의 제1 주파수에 의존적으로 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 거리 프로파일은, 상기 제1 패치 안테나 패턴에 의해 송수신되는 제1 RF 신호의 위상 왜곡을 방지하기 위한 위상 보상 팩터에 의존적으로 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 배치 프로파일은, 상기 그라운드 플레인 상의 각 차폐 구조체의 위치에 대한 위치 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 안테나 어레이는, 상기 그라운드 플레인 상에 상기 복수의 안테나 소자가 2차원으로 배치되는 형태의 2차원 어레이로 구성되고, 상기 위치 프로파일은, 상기 안테나 어레이의 컬럼(Column) 방향에 대한 각 차폐 구조체의 위치를 규정하는 제1 위치 프로파일과, 상기 안테나 어레이의 로우(Row) 방향에 대한 각 차폐 구조체의 위치를 규정하는 제2 위치 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 각 차폐 구조체는, 상기 위치 프로파일에 따라, 상기 안테나 어레이의 컬럼 방향 및 로우 방향을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 배치 프로파일은, 각 차폐 구조체의 형상 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어 상기 안테나 어레이는, 상기 그라운드 플레인 상에 상기 복수의 안테나 소자가 2차원으로 배치되어, 적어도 두 개의 서브 어레이로서 제1 및 제2 서브 어레이를 포함하는 2차원 어레이로 구성되고, 상기 제1 및 제2 서브 어레이는, 상호 선택적으로 활성화되거나 동시에 활성화되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따를 때, 안테나 소자 간의 디커플링(Decoupling)을 위해 미리 정의된 배치 프로파일에 따라 복수의 차폐 구조체를 배치하는 안테나 구조를 채용함으로써, 안테나 소자 간의 커플링이 감소되고 그에 따라 격리 특성이 향상되어 저주파수 대역 및 고주파수 대역 모두에서 높은 안테나 이득이 확보될 수 있으며, 종래의 안테나 장치 대비 동일 사이즈에서 광대역 특성이 확보되면서 임피던스 정합 특성이 개선될 수 있다.
도 1은 본 실시예의 안테나 장치를 보인 평면도이다.
도 2는 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 소자를 보인 사시도이다.
도 3은 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 소자를 보인 평면도이다.
도 4는 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 소자를 구성하는 권선 피드패턴을 보인 사시도이다.
도 5는 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 소자를 보인 정면도이다.
도 6은 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 어레이의 구현예를 보인 평면도이다.
도 7은 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 어레이의 제1 및 제2 서브 어레이의 예시를 보인 평면도이다.
도 8은 본 실시예의 안테나 장치에 적용되는 더미 안테나 소자 및 스크류 결합 구조를 보인 평면도이다.
도 9는 본 실시예의 안테나 장치에서 더미 안테나 소자 및 스크류 결합 구존의 적용에 따른 특성을 보인 실험데이터이다.
도 10 내지 도 12는 본 실시예의 안테나 장치에 적용되는 배치 프로파일의 예시를 보인 평면도이다.
도 13은 본 실시예의 안테나 장치에서 차폐 구조체의 적용에 따른 안테나 소자의 특성을 보인 실험데이터이다.
도 14 및 도 15는 본 실시예의 안테나 장치의 하측 구조를 보인 측면도이다.
도 16 내지 도 21은 본 실시예의 안테나 장치의 특성을 보인 실험데이터이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 안테나 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 관리자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 실시예의 안테나 장치를 보인 평면도이고, 도 2는 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 소자를 보인 사시도이며, 도 3은 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 소자를 보인 평면도이고, 도 4는 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 소자를 구성하는 권선 피드패턴을 보인 사시도이며, 도 5는 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 소자를 보인 정면도이고, 도 6은 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 어레이의 구현예를 보인 평면도이며, 도 7은 본 실시예의 안테나 장치에서 안테나 어레이의 제1 및 제2 서브 어레이의 예시를 보인 평면도이고, 도 8은 본 실시예의 안테나 장치에 적용되는 더미 안테나 소자 및 스크류 결합 구조를 보인 평면도이며, 도 9는 본 실시예의 안테나 장치에서 더미 안테나 소자 및 스크류 결합 구존의 적용에 따른 특성을 보인 실험데이터이고, 도 10 내지 도 12는 본 실시예의 안테나 장치에 적용되는 배치 프로파일의 예시를 보인 평면도이며, 도 13은 본 실시예의 안테나 장치에서 차폐 구조체의 적용에 따른 안테나 소자의 특성을 보인 실험데이터이고, 도 14 및 도 15는 본 실시예의 안테나 장치의 하측 구조를 보인 측면도이며, 도 16 내지 도 21은 본 실시예의 안테나 장치의 특성을 보인 실험데이터이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 안테나 장치는 복수의 안테나 소자(100)를 포함하는 안테나 어레이(200)와, 각 안테나 소자(100) 간의 디커플링(Decoupling)을 위한 복수의 차폐 구조체(170)를 포함한다. 이하에서는 본 실시예의 안테나 장치를 그 세부 구성으로 구분하여 구체적으로 설명한다.
1. 안테나 소자 구조
도 2 내지 도 5를 참조하면, 안테나 소자(100)(즉, 개별 안테나 유닛)는 제1 패치 안테나 패턴(111), 제1 피드비아(120), 권선 피드패턴(130), 제2 패치 안테나 패턴(112), 제2 피드비아(150), 복수의 차폐비아(160), 제3 패치 안테나 패턴(113), 복수의 확장 패치 안테나 패턴(114)을 포함하며, 상기 각 구성요소(111, 112, 113, 114, 120, 130, 150, 160)가 배치되지 않은 영역에는 유전층(140)이 충진된다.
제1 패치 안테나 패턴(111)은 그라운드 플레인(G) 상에 배치되며, 제1 주파수(공진 주파수)를 갖는 제1 RF 신호를 원격 송수신하도록 구성된다. 여기서, 제1 주파수는 밀리미터웨이브(mmWave) 주파수 대역 중 저주파수 대역(Low-Band, 예: 24GHz ~ 30GHz) 상의 특정 주파수(예: 28GHz)에 해당할 수 있다.
제1 RF 신호의 원격 송수신시, 제1 RF 신호에 대응되는 표면전류의 대부분은 제1 패치 안테나 패턴(111)의 상하면을 통해 흐를 수 있다. 이러한 표면전류에 의해 전류 방향과 동일한 제1 수평방향으로 전기장이 형성되며, 또한 전류 방향에 수직인 제2 수평방향으로 자기장이 형성된다. 제1 RF 신호의 대부분은 제1 및 제2 수평방향에 수직인 상하방향(예: 도 2 기준 z방향)으로 공기나 유전층을 통해 전파된다. 이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111)의 방사패턴은 제1 패치 안테나 패턴(111)의 상하면의 법선방향(예: 도 2 기준 z방향)으로 집중적으로 형성되며, 제1 패치 안테나 패턴(111)의 방사패턴 집중도가 커질수록 제1 패치 안테나 패턴(111)의 이득은 향상된다.
그라운드 플레인(G)은 제1 패치 안테나 패턴(111)으로부터 방사되는 제1 RF 신호를 반사함으로써 제1 패치 안테나 패턴(111)의 방사패턴 집중을 지원한다. 이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111)의 이득은 더욱 향상될 수 있으며, 또한 그라운드 플레인(G)은 제1 패치 안테나 패턴(111)으로부터 방사되는 제1 RF 신호의 제1 주파수에 대응되는 임피던스 형성도 지원할 수 있다. 그라운드 플레인(G)은 제1 패치 안테나 패턴(111)을 비롯하여 후술하는 각 패치 안테나 패턴들과 IC(Integrated Circuit, 후술) 사이의 전자기적 격리도를 향상시키는 기능도 수행할 수 있다.
제1 패치 안테나 패턴(111)에서 흐르는 표면전류는 제1 패치 안테나 패턴(111)에 제공되는 급전 경로에 기반하여 형성된다. 급전 경로는 제1 패치 안테나 패턴(111)으로부터 IC(410)까지 이어질 수 있으며, 제1 RF 신호의 전송 경로에 해당한다. IC(410)는 수신된 제1 RF 신호에 대해 증폭, 주파수 변환, 위상 제어(위상 시프트), 또는 필터링 중 적어도 하나를 수행할 수 있으며, 또는 송신될 제1 RF 신호를 생성할 수 있다.
제1 피드비아(120)는 제1 패치 안테나 패턴(111)으로 급전 경로를 제공한다. 제1 피드비아(120)는 그라운드 플레인(G) 및/또는 유전층(140)을 관통하도록 구성되며, 제1 패치 안테나 패턴(111)으로부터 이격되고 제1 패치 안테나 패턴(111)에 접촉하지 않도록 배치된다. 이에 따라, 제1 피드비아(120) 및 제1 패치 안테나 패턴(111) 부근의 구성들은 보다 자유롭게 설계될 수 있으므로, 제1 패치 안테나 패턴(111)으로 추가 임피던스가 제공될 수 있다. 이러한 추가 임피던스에 대응하는 적어도 하나의 추가 공진 주파수는 제1 패치 안테나 패턴(111)의 대역폭(Band Width)을 증가시킬 수 있다. 대역폭의 너비는 적어도 하나의 추가 공진 주파수와 제1 주파수 간의 주파수 차이의 적정성과, 적어도 하나의 추가 공진 주파수 중 제1 주파수에 가까운 추가 공진 주파수의 개수에 기반하여 결정될 수 있다.
제1 피드비아(120) 및 제1 패치 안테나 패턴(111) 부근에서 구성들의 설계 자유도가 높을수록, 적어도 하나의 추가 공진 주파수의 적정성 및/또는 개수는 더욱 효율적으로 향상될 수 있다. 이에 따라, 제1 피드비아(120)는 제1 패치 안테나 패턴(111)에 대해 비접촉 방식의 급전 경로를 제공함으로써(즉, 간접 급전 방식), 제1 패치 안테나 패턴(111)의 대역폭이 더욱 증가될 수 있다.
제1 피드비아(120)는 제1-1 피드비아(121) 및 제1-2 피드비아(122)를 포함한다. 제1-1 피드비아(121) 및 제1-2 피드비아(122) 각각은 위상이 상호 다른 편파인 제1-1 RF 신호(예: Low-Band V-pol.(수직 편파))와 제1-2 RF 신호(예: Low-Band H-pol.(수평 편파))에 대한 급전 경로를 제공한다. 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호는 서로 다른 위상(예: 90도 또는 180도 위상차)을 가지며, 따라서 상호 간섭이 감소된다.
권선 피드패턴(130)은 제1 피드비아(120)의 상단에 전기적으로 연결되고, 제1 패치 안테나 패턴(111)으로부터 이격되어 배치된다. 제1 피드비아(120)와 제1 패치 안테나 패턴(111)의 이격으로 발생한 공간에 권선 피드패턴(130)이 위치할 수 있으므로 권선 피드패턴(130)의 설계 자유도가 개선될 수 있다. 권선 피드패턴(130)은 적어도 일부분이 권선 형태이다. 예를 들어, 권선 피드패턴(130)은 도 4에 도시된 것과 같이 제1 권선 피드패턴(131), 권선비아(132) 및 제2 권선 피드패턴(133)을 포함할 수 있으며, 제2 권선 피드패턴(133)은 연장 파트(134)를 포함할 수 있다.
권선 피드패턴(130)은 제1 패치 안테나 패턴(111)에 대한 전자기적 커플링에 의하여 제1 패치 안테나 패턴(111)으로 급전 경로를 제공한다. 권선 피드패턴(130)이 급전 경로로 사용될 수 있으므로, 권선 피드패턴(130)을 통해 전송되는 RF 신호에 대응되는 권선 전류는 권선 피드패턴(130)을 통해 흐를 수 있다. 권선 전류의 방향은 권선 피드패턴(130)의 권선 형태에 대응하여 회전할 수 있다. 이에 따라, 권선 피드패턴(130)의 자기 인덕턴스(self-inductance)가 부스트(boost)될 수 있으므로, 권선 피드패턴(130)은 비교적 큰 인덕턴스를 가질 수 있다. 권선 피드패턴(130)은 인덕턴스를 제1 패치 안테나 패턴(111)으로 제공할 수 있으며, 이에 따라 제1 패치 안테나 패턴(111)은 인덕턴스에 대응되는 추가 공진 주파수에 기반하여 더욱 넓은 대역폭을 가질 수 있다.
도 4에 도시된 것과 같이 권선 피드패턴(130)의 적어도 일부분은 상술한 연장 파트(134)에 의해 권선 형태의 일 끝부분에서 서로 다른 복수의 방향들로 연장된 형태를 가질 수 있다. 연장 파트(134)에서 연장 방향들의 개수가 많거나 연장 파트(134)에서 연장 방향들 간의 각도가 클수록 권선 피드패턴(130)에서 RF 신호에 대응되는 에너지는 연장 파트(134)에 더욱 집중될 수 있다. 권선 피드패턴(130)이 에너지가 집중된 연장 파트(134)를 포함함에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111)은 연장 파트(134)를 급전 경로의 임피던스 정합을 위한 중계점으로 사용할 수 있다. 따라서, 연장 파트(134)는 제1 패치 안테나 패턴(111)에 대한 급전 경로의 임피던스 정합 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 안테나 장치에서 권선 피드패턴(130)의 제1 패치 안테나 패턴(111)에 대한 전자기적 커플링 집중도가 커질 수 있으므로, 제1 패치 안테나 패턴(111)의 이득이 더욱 향상될 수 있다.
제2 패치 안테나 패턴(112)은 제1 패치 안테나 패턴(111)의 상단에 배치되며, 제2 주파수(공진 주파수)를 갖는 제2 RF 신호를 원격 송수신하도록 구성된다. 여기서, 제2 주파수는 밀리미터웨이브(mmWave) 주파수 대역 중 고주파수 대역(High-Band, 예: 37GHz ~ 40GHz) 상의 특정 주파수(예: 39GHz)에 해당할 수 있다. 제2 패치 안테나 패턴(112)의 관점에서, 제1 패치 안테나 패턴(111)은 제2 주파수에 대한 그라운드 플레인으로 기능할 수 있다. 한편, 제3 패치 안테나 패턴(113)은 제2 패치 안테나 패턴(112)으로부터 상하 방향으로 이격되고, 제2 패치 안테나 패턴(112)의 적어도 일부와 평면 뷰(planar view)에서 서로 중첩되도록 구성된다. 제3 패치 안테나 패턴(113)은 제2 패치 안테나 패턴(112)과 커플링되어 있으며, 전자기적 커플링 집중도를 높일 수 있으므로, 제2 패치 안테나 패턴(112)의 이득이 개선될 수 있다.
제2 피드비아(150)는 제1 피드비아(120)로부터 이격되고, 제1 패치 안테나 패턴(111)을 관통하며, 제2 패치 안테나 패턴(112)에 커플링되도록 구성된다. 예를 들어, 제2 패치 안테나 패턴(112)는 제2 피드비아(150)로부터 직접적으로 급전될 수도 있고, 간접적으로 급전될 수도 있다. 제2 피드비아(150)는 제2 패치 안테나 패턴(112)에 대한 급전 경로를 제2 패치 안테나 패턴(112)에 제공할 수 있으며, 제2 RF 신호의 전송 경로로 사용될 수 있다.
제2 피드비아(150)는 제2-1 피드비아(151) 및 제2-2 피드비아(152)를 포함한다. 제2-1 피드비아(151) 및 제2-2 피드비아(152) 각각은 위상이 상호 다른 편파인 제2-1 RF 신호(예: High-Band V-pol.(수직 편파))와 제2-2 RF 신호(예: High-Band H-pol.(수평 편파))에 대한 급전 경로를 제공한다. 제2-1 RF 신호와 제2-2 RF 신호는 서로 다른 위상(예: 90도 또는 180도 위상차)을 가지며, 따라서 상호 간섭이 감소된다.
복수의 차폐비아(160)는 제2 피드비아(150)에 근접하여 위치한다. 예를 들어, 복수의 차폐비아(160)는 제2 피드비아(150)를 둘러싸도록 배열될 수 있다. 복수의 차폐비아(160)는 제1 패치 안테나 패턴(111)과 그라운드 플레인(G) 사이를 연결시키도록 배치될 수 있다. 복수의 차폐비아(160)는 제1 패치 안테나 패턴(111)으로 송수신되는 신호로부터 제2 피드비아(150)를 차폐할 수 있다.
제2 피드비아(150)가 제1 패치 안테나 패턴(111)을 관통하도록 배치됨에 따라 제1 패치 안테나 패턴(111)에 집중된 제1 RF 신호의 방사에 영향을 받을 수 있으며, 복수의 차폐비아(160)가 이러한 영향을 감소시켜 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111, 112) 각각의 이득의 열화를 감소시킬 수 있다. 또한, 제1 패치 안테나 패턴(111)에서 방사되는 제1 RF 신호 중 제2 피드비아(150)를 향하여 방사되는 제1 RF 신호는 복수의 차폐비아(160)에 의해 반사될 수 있으므로, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 개선될 수 있으며, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111, 112) 각각의 이득은 향상될 수 있다.
복수의 차폐비아(160)의 개수와 폭은 특별히 한정되지 않는다. 복수의 차폐비아(160) 사이의 간격이 특정 길이(예: 제1 RF 신호의 파장에 종속적인 길이 또는 제2 RF 신호의 파장에 종속적인 길이)보다 짧을 경우, 제1 RF 신호 또는 제2 RF 신호는 복수의 차폐비아(160) 사이의 공간을 실질적으로 통과하지 못할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 더욱 개선될 수 있다.
복수의 차폐비아(160)는 서로 대칭으로 배열되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이 제1 및 제2 피드비아(120, 150)를 연결하는 가상의 제1 연장선(V1)을 기준으로 하여, 4개의 차폐비아(160a, 160b, 160d, 160e)가 서로 좌우 대칭으로 배열될 수 있고, 가상의 제1 연장선(V1)과 수직인 가상의 제2 연장선(V2)을 기준으로 하여, 4개의 차폐비아(160a, 160b, 160d, 160e)가 서로 좌우 대칭으로 배열될 수 있다.
복수의 차폐비아(160)가 서로 대칭으로 배열되어 있는 경우, 복수의 차폐비아의 비대칭 배열 구조와 비교할 때, 방사 패턴에서 최대 이득이 보어사이트(Boresight) 쪽으로 이동하면서, 최대 이득(Peak Gain)과 보어사이트에서의 이득(Gain at Boresight)의 차이가 감소될 수 있다. 또한, 복수의 차폐비아(160)의 대칭 배열 구조의 경우, 전자기장 분배도(E-field Distribution)에서 안테나 장치 안에서 유기되는 전류의 양이 복수의 차폐비아(160)의 비대칭 배열 구조보다 균일할 수 있으며, 안테나 장치에서 프린징 필드(fringing field)의 크기(magnitude)가 더 커질 수 있다. 이에 따라, 안테나 장치의 빔 틸팅(beam tilting) 현상이 완화될 수 있고, 보어사이트에서의 이득이 향상될 수 있으며, 대역폭 내에서 균일한 이득이 형성될 수 있다.
복수의 확장 패치 안테나 패턴(114)은 제1 패치 안테나 패턴(111)의 적어도 한 변에 위치하며, 제1 패치 안테나 패턴(111)과 커플링되도록 구성된다. 또한, 복수의 확장 패치 안테나 패턴(114)은 제1 패치 안테나 패턴(111)과 이격되도록 배치된다. 복수의 확장 패치 안테나 패턴(114) 중 적어도 하나의 적어도 일부분은 권선 피드패턴(130)의 상측에서 권선 피드패턴(130)에 상하방향(예: 도 2 기준 z 방향)으로 중첩되도록 배치될 수 있다. 제2 패치 안테나 패턴(112)은 제1 패치 안테나 패턴(111)의 상측에서 적어도 일부분이 제1 패치 안테나 패턴(111)에 상하방향(예: 도 2 기준 z 방향)으로 중첩되도록 배치될 수 있다.
복수의 확장 패치 안테나 패턴(114) 중 적어도 하나는 권선 피드패턴(130)에 전자기적으로 커플링될 수 있으므로, RF 신호에 대응되는 에너지 중 일부는 복수의 확장 패치 안테나 패턴(114) 중 적어도 하나로 제공될 수 있으며, 제2 패치 안테나 패턴(112)을 통해 제1 패치 안테나 패턴(111)으로 제공될 수 있다. 이 경우, 권선 피드패턴(130)의 급전 경로는 더욱 다양해질 수 있으므로, 권선 피드패턴(130)의 급전 효율은 더욱 향상될 수 있다.
이에 따라, 안테나 장치는 권선 피드패턴(130)의 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111, 112)에 대한 전자기적 커플링 집중도를 높일 수 있으므로, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111, 112)의 이득을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 복수의 확장 패치 안테나 패턴(114)에 의하여 임피던스 매칭이 개선될 수 있다. 이에 따라, 안테나 장치의 동작 주파수 대역폭 내에서 높은 이득이 균일하게 유지될 수 있다.
2. 안테나 어레이 배치
하기 표 1은 5G 광대역 통신을 위한 광대역(n257/n258/n260/n261) 안테나 장치에 요구되는 5G NR(New Radio) UE(User Equipment) Power Class를 나타낸다.
Classes Max. TRP Max. EIRP Min. EIRP Application
Power Class 1 35 55 40, 38 FWA UEs
Power Class 2 23 43 29 Vehicular
Power Class 3 23 43 22.4, 20.6 Handheld UEs
Power Class 4 23 43 34, 31 High Power Non-Handheld UEs
모바일 디바이스와 같은 핸드헬드 디바이스의 경우, Power Class 3에 따라 22.4dBm(n257/n258/n261) 또는 20.6dBm(n260) 수준의 Min. EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)가 확보되어야 하며, 안테나 장치를 '로우(Row) X 컬럼(Column)' 기준으로 '1 X M'(M은 2 이상의 자연수로서 안테나 소자의 수) 형태의 1차원 어레이로 구성되는 배열 안테나(Array Antenna)로 구현할 경우 Power Class 3에 규정된 Min. EIRP이 확보될 수 있다.
차량 전장, 또는 FWA(Fixed Wireless Access) UE로의 안테나 장치의 활용 확장을 위해서는 Power Class 2 기준 29dBm 수준의 Min. EIRP가 확보될 필요가 있으며, 하기 표 2는 Power Class 2를 충족하기 위해 현재 업계에서 요구하는 안테나 모듈의 Spec.을 나타낸다.
Items Specification
Frequency Band n257/n258/n261 or n257/n258/n260/n261
Ant. Gain Unit Ant.(dBi) 5
Array Ant.(dBi) 13
Module EIRP(dBm) Min Peak EIRP > 29dBm
(Max Peak EIRP < 43dBm)







Array Antenna
(Radiation Pattern) 		2x5 Array 14dBi
Beam Scan Angle Normal ±45°or ±60°
표 2에 따른 안테나 모듈의 Spec.을 충족시키기 위해서는 '로우(Row) X 컬럼(Column)' 기준으로 'N X M'(N은 2 이상의 자연수로서 로우 방향 안테나 소자(100)의 수, M은 2 이상의 자연수로서 컬럼 방향 안테나 소자(100)의 수) 형태의 2차원 어레이로 배열 안테나를 구현할 필요가 있다. 이에, 본 실시예에서는 안테나 장치의 활용 확장을 위해 안테나 소자(100)가 그라운드 플레인(G) 상에 2차원으로 배치된 2차원 어레이 구조를 채용하며, 위 2차원 어레이 구조를 본 실시예의 안테나 어레이(200)로 정의한다. 도 6은 본 실시예의 구현 예시로서 '2 X 5', '4 X 4' 및 '8 X 8' 구조의 안테나 어레이(200)를 보이고 있다. 설명의 편의를 위해 이하에서는 '2 X 5' 구조의 안테나 어레이(200)를 예시로서 설명한다.
안테나 어레이(200)는 적어도 두 개의 서브 어레이로서 제1 및 제2 서브 어레이(210, 220)를 포함할 수 있다. 도 7은 '2 X 5' 구조의 안테나 어레이(200)에서 상단 로우(Row)에 해당하는 안테나 소자(100)들이 제1 서브 어레이(210)를 구성하고, 하단 로우(Row)에 해당하는 안테나 소자(100)들이 제2 서브 어레이(220)를 구성하는 예시를 도시하고 있다. 제1 및 제2 서브 어레이(210, 220)는 상호 선택적으로 활성화(구동)되거나 동시에 활성화(구동)되도록 구성될 수 있으며, 구체적인 설명은 후술한다.
한편, 안테나 장치가 Power Class 3에 따른 차량 전장 장치에 적용될 경우, 도 8에 도시된 것과 같이 장착 대상이 되는 전장 부품(예: TCU(Telematics Control Unit), 차량 루프, 또는 리어 글라스(Rear Glass) 주변)과의 스크류(SC(Screw)) 체결 구조가 적용될 수 있으며, 스크류(SC) 주변부에는 더미 안테나 소자(DMANT)가 배치될 수 있다. 도 9 및 하기 표 3은 '2 X 5' 구조의 안테나 어레이(200)를 기준으로, ①PCB(후술하는 연결 부재(300)) 사이즈가 디폴트(22.9 x 11.9mm2)인 경우, ②PCB 사이즈를 증가시킨 경우(41.9 x 11.9mm2), ③PCB 사이즈를 증가시키고(41.9 x 11.9mm2) 더미 안테나 소자(DMANT)를 배치한 경우, ④PCB 사이즈를 증가시키고(41.9 x 11.9mm2) 더미 안테나 소자(DMANT)를 배치하고 2개의 스크류(SC) 체결 구조를 적용한 경우에 있어서 안테나 장치의 특성에 대한 실험데이터를 나타낸다. 하기 표 3에 따를 때, 안테나 장치의 저주파수 대역 이득과 고주파수 대역 이득이 표 2의 Spec.상의 이득(13dB)을 충족함을 확인할 수 있다.
Band Low-Band Gain High-Band Gain
Freq. 24.25 25 26 27 28 29 29.5 Avg. 37 38 39 40 Avg.
① V-pol 12.3 13.1 13.5 13.6 13.8 13.5 13.1 13.3 15.2 15.3 15.3 15.8 15.4
H-Pol 12.4 13.0 13.4 13.6 13.4 13.0 12.7 13.1 15.4 15.6 14.6 15.5 15.3
② V-pol 12.0 13.0 13.4 13.5 13.5 13.2 12.8 13.1 15.3 15.3 15.3 15.8 15.4
H-Pol 12.2 13.0 13.5 13.6 13.4 13.0 12.7 13.1 15.5 15.6 14.6 15.6 15.3
③ V-pol 11.8 12.9 13.5 13.6 13.6 13.6 13.3 13.2 15.5 15.6 15.4 15.8 15.6
H-Pol 12.0 12.8 13.5 13.7 13.6 13.2 12.9 13.1 15.6 15.8 14.9 15.6 15.5
④ V-pol 11.9 13.2 13.9 13.5 13.6 13.5 13.0 13.2 15.3 15.5 15.5 15.6 15.5
H-Pol 12.0 13.2 13.9 13.7 13.6 13.1 12.8 13.2 15.4 15.7 15.0 15.3 15.4
3. 차폐 구조체
상기와 같은 2차원 어레이 형태의 안테나 어레이(200)의 경우, 각 안테나 소자(100) 간의 전류 간섭, 그리고 고주파수 대역 및 저주파수 대역 간의 간섭을 최소화하기 위한 격리 특성이 요구된다. 높은 격리 특성 확보를 위해 안테나 소자(100) 간의 이격 거리를 증가시키는 방안이 고려될 수 있으나, 이 경우 전체적인 안테나 시스템 사이즈가 증가하게 되며, 저주파수 대역 및 고주파수 대역을 포함하는 광대역 배열 안테나를 고려할 때 배열 간격을 증가시키는 것에는 현실적인 어려움이 따른다. 본 실시예에서는 안테나 장치의 사이즈 증대를 최소화하는 범위 내에서 높은 격리 특성을 확보하기 위한 차폐 구조체(170)의 배치 설계를 제시한다.
구체적으로, 본 실시예에서 차폐 구조체(170)는 연결비아(171)를 통해 그라운드 플레인(G)에 전기적으로 연결되는 방식으로 그라운드 플레인(G) 상에 복수 개 배치되며, 그 배치 방식은 각 안테나 소자(100) 간의 디커플링(Decoupling)을 위해 미리 정의된 배치 프로파일에 따른다. 상기한 디커플링은 설정 주파수에서 S-파라미터에 따른 리턴 로스(Return Loss)로 정량적으로 표현될 수 있으며, 리턴 로스는 급전 경로의 임피던스 정합 특성을 나타내기 때문에, 배치 프로파일은 안테나 소자(100)의 임피던스 정합 특성에 따른 설계자의 실험적 결과에 기초하여 미리 정의되어 있을 수 있다. Power Class 2에 따른 모바일 디바이스에서 고주파수 대역 대비 저주파수 대역에서 더 낮은 격리 특성을 보이며, 이는 차량 전장, 또는 FWA UE로의 안테나 장치의 활용 확장을 위해서는 고주파수 대역 대비 저주파수 대역에서 더 높은 격리 특성을 확보할 필요가 있음을 의미하므로, 본 실시예에서 배치 프로파일은 제1 패치 안테나 패턴(111)에 의해 송수신되는 제1 RF 신호의 제1 주파수(즉, 저주파수 대역)에서 안테나 소자(100)의 임피던스 정합 특성에 따라 정의될 수 있다.
배치 프로파일은 각 차폐 구조체(170) 간의 거리에 대한 거리 프로파일(도 10 참조), 그라운드 플레인(G) 상의 각 차폐 구조체(170)의 위치에 대한 위치 프로파일(도 11 참조), 및 각 차폐 구조체(170)의 형상에 대한 형상 프로파일(도 12 참조)을 포함한다.
거리 프로파일은 제1 패치 안테나 패턴(111)에 의해 송수신되는 제1 RF 신호의 제1 주파수와, 제1 RF 신호의 위상 왜곡(즉, 제1 패치 안테나 패턴(111)에 의해 송신된 제1 RF 신호, 및 제1 RF 신호가 그라운드 플레인(G)에 반사된 반사 신호 간의 간섭으로 인한 제1 RF 신호의 위상 왜곡)을 방지하기 위한 위상 보상 팩터에 의존적으로 결정된다. 거리 프로파일은 하기 수학식 1에 따라 정의된다.
Figure 112022118838827-pat00002
수학식 1에서 d는 각 차폐 구조체(170) 간의 거리, λe는 제1 RF 신호의 파장, α는 위상 보상 팩터, c는 제1 RF 신호의 진행 속도(광속), f1은 제1 주파수, ε은 유전층(140)의 유전율이다. 위상 보상 팩터는 제1 RF 신호의 위상 왜곡에 대한 설계자의 실험적 결과에 기초하여 정의되어 있을 수 있다(예: 4).
위치 프로파일은 제1 및 제2 위치 프로파일(PR, PC)로 구분될 수 있으며, 제1 위치 프로파일(PR)은 안테나 어레이(200)의 로우(Row) 방향에 대한 각 차폐 구조체(170)의 위치를 규정하고, 제2 위치 프로파일(PC)은 안테나 어레이(200)의 컬럼(Column) 방향에 대한 각 차폐 구조체(170)의 위치를 규정한다. 도 11에 도시된 것과 같이, 제1 위치 프로파일(PR)에 따라 로우 방향 기준 각 안테나 소자(100) 사이, 최좌측 안테나 소자(100)의 좌측, 최우측 안테나 소자(100)의 우측에 차폐 구조체(170)가 배치되고, 제2 위치 프로파일(PC)에 따라 컬럼 방향 기준 각 안테나 소자(100) 사이, 최상단 안테나 소자(100)의 상단, 최하단 안테나 소자(100)의 하단에 차폐 구조체(170)가 배치된다. 제1 및 제2 위치 프로파일(PR, PC)을 토대로 복수의 차폐 구조체(170)는 안테나 어레이(200)의 컬럼 방향 및 로우 방향을 기준으로 대칭적으로 배치된다.
형상 프로파일은 차폐 구조체(170)의 형상을 규정한다. 형상 프로파일에 따라 차폐 구조체(170)는 다각형 또는 원형 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 도 12는 차폐 구조체(170)가 'Rectangular Shape', 'Circular Shape', 'Rhombus Shape'으로 구현된 예시를 보이고 있다.
도 13은 배치 프로파일에 따라 배치된 복수의 차폐 구조체(170)에 의한 안테나 소자(100)의 임피던스 특성 개선 및 격리 특성 개선 효과를 S-파라미터를 통해 보인 실험데이터이다(도 13에서 수학식 1의 α는 4, ε은 3.4의 값으로 설정되었으며, 이는 후술하는 도 16 내지 도 21에서도 동일하다). 도 13(a)는 Power Class 2에 따라 모바일 디바이스에 적용된 안테나 소자의 임피던스 특성을 나타내며, 도 13(b)는 본 실시예의 안테나 소자(100)(도 2에 도시된 안테나 소자 기준)의 임피던스 특성을 나타낸다. 도 13(a)와 비교할 때, 본 실시예의 안테나 소자(100)는 배치 프로파일에 따라 배치된 복수의 차폐 구조체(170)를 통해 저주파수 대역 및 고주파수 대역에서 임피던스 정합 특성이 각각 2dB 및 5dB 정도 개선되었음을 확인할 수 있으며(즉, 리턴 로스 감소), 이에 따라 안테나 소자(100) 간의 격리 특성이 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.
4. 안테나 장치의 하측 구조
도 14를 참조하면, 안테나 장치는 연결 부재(300), IC(410), 접착 부재(420), 전기연결구조체(430), 봉합재(440), 수동 부품(450), 그리고 코어 부재(510)를 포함한다.
연결 부재(300)는 인쇄회로기판(PCB)과 같이 기 설계된 패턴을 가지는 복수의 금속층과 복수의 절연층이 적층된 구조를 가질 수 있다. 연결 부재(300)의 배선은 안테나 소자(100)의 급전 경로(즉, 제1 및 제2 피드비아(120, 150))를 IC(410)에 전기적으로 연결하는 3층 Strip Line으로 구현될 수 있으며, 인접 선로 간 커플링이 적은 비아로 차폐됨으로써 임피던스 정합의 기준점인 50Ω을 충족하는 배선이 구현될 수 있다.
IC(410)는 연결 부재(300)의 하측에 배치될 수 있다. IC(410)는 연결 부재(300)의 배선에 연결되어 RF 신호를 전달하거나 전달받을 수 있으며, 연결 부재(300)의 그라운드 플레인에 연결되어 그라운드를 제공받을 수 있다. IC(410)는 주파수 변환, 증폭, 필터링, 위상 제어 및 전원 생성 중 적어도 일부를 수행하여 변환된 신호를 생성할 수 있다.
한편, 앞서 언급한 것과 같이 안테나 어레이(200)는 제1 및 제2 서브 어레이(210, 220)를 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 서브 어레이(210, 220)는 IC(410)의 제어에 의해 상호 선택적으로 활성화되거나 동시에 활성화되도록 구성될 수 있다. 즉, IC(410)는 안테나 장치 구동을 위한 충분한 전력이 확보되지 않은 경우 또는 상대적으로 낮은 안테나 이득을 통해 통신이 가능한 경우에는 제1 및 제2 서브 어레이(210, 220) 중 어느 하나만을 활성화시킬 수 있으며, 안테나 장치 구동을 위한 충분한 전력이 확보되어 있는 경우 또는 상대적으로 높은 안테나 이득을 통해서만 통신이 가능한 경우에는 제1 및 제2 서브 어레이(210, 220)를 모두 활성화시키도록 동작할 수 있다. 각 서브 어레이에 대한 활성화 조건은 안테나 장치가 위치한 필드 조건(예: 음영 지역 여부 등) 또는 전력 소모량 등에 기초하여 IC(410)에 미리 정의되어 있을 수 있다.
접착 부재(420)는 IC(410)와 연결 부재(300)를 서로 접착시킬 수 있다.
전기연결구조체(430)는 IC(410)와 연결 부재(300)를 연결시킬 수 있다. 예를 들어, 전기연결구조체(430)는 솔더볼(solder ball), 핀(pin), 랜드(land), 패드(pad)와 같은 구조를 가질 수 있다. 전기연결구조체(430)는 연결 부재(300)의 배선과 그라운드 플레인보다 낮은 용융점을 가져서 이러한 낮은 용융점을 이용한 소정의 공정을 통해 IC(410)와 연결 부재(300)를 연결시킬 수 있다.
봉합재(440)는 IC(410)의 적어도 일부를 봉합할 수 있으며, IC(410)의 방열성능과 충격 보호성능을 향상시킬 수 있다. 봉합재(440)는 PIE(Photo Imageable Encapsulant), ABF (Ajinomoto Build-up Film), 에폭시 몰딩 컴파운드(epoxy molding compound, EMC) 등으로 구현될 수 있다.
수동 부품(450)은 연결 부재(300)의 하면 상에 배치될 수 있으며, 전기연결구조체(430)를 통해 연결 부재(300)의 배선 및/또는 그라운드 플레인에 연결될 수 있다. 수동 부품(450)은 캐패시터(예: MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor)), 인덕터 및 칩저항기 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
코어 부재(510)는 연결 부재(300)의 하측에 배치될 수 있으며, 외부로부터 IF(intermediate frequency) 신호 또는 기저대역(base band) 신호를 전달받아 IC(410)로 전달하거나, IC(410)로부터 IF 신호 또는 기저대역 신호를 전달받아 외부로 전달하도록 연결 부재(300)에 연결될 수 있다. 여기서, RF 신호의 주파수(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz)는 IF 신호(예: 2GHz, 5GHz, 10GHz 등)의 주파수보다 크다. 코어 부재(510)는 연결 부재(300)의 IC 그라운드 플레인에 포함될 수 있는 배선을 통해 IF 신호 또는 기저대역 신호를 IC(410)로 전달하거나 IC(410)로부터 전달받을 수 있다. 연결 부재(300)의 그라운드 플레인이 IC 그라운드 플레인과 배선의 사이에 배치되므로, 안테나 장치 내에서 IF 신호 또는 기저대역 신호와 RF 신호는 전기적으로 격리될 수 있다.
도 15를 참조하면, 안테나 장치는 차폐 부재(460), 커넥터(520), 그리고 칩 안테나(530)를 포함한다.
차폐 부재(460)는 연결 부재(300)의 하측에 배치되어 연결 부재(300)와 함께 IC(410)와 봉합재(440)를 가두도록 배치될 수 있다. 차폐 부재(460)는 IC(410), 수동 부품(450), 그리고 봉합재(440) 모두를 함께 커버(예: conformal shield)하거나 각각 커버(예: compartment shield)하도록 배치될 수 있다. 차폐 부재(460)는 일면이 개방된 육면체의 형태를 가지고, 연결 부재(300)와의 결합을 통해 육면체의 수용 공간을 가질 수 있다. 차폐 부재(460)는 구리와 같이 높은 전도도의 물질로 구현되어 짧은 스킨뎁스(skin depth)를 가질 수 있으며, 연결 부재(300)의 그라운드 플레인에 연결될 수 있다. 따라서, 차폐 부재(460)는 IC(410)와 수동 부품(450)이 받을 수 있는 전자기적 노이즈를 줄일 수 있다.
커넥터(520)는 케이블(예: 동축 케이블, 연성 PCB)의 접속 구조를 가질 수 있고, 연결 부재(300)의 IC 그라운드 플레인에 연결될 수 있으며, 서브기판과 유사한 역할을 수행할 수 있다. 커넥터(520)는 케이블로부터 IF 신호, 기저대역 신호 및/또는 전원을 제공받거나 IF 신호 및/또는 기저대역 신호를 케이블로 제공할 수 있다.
칩 안테나(530)는 본 실시예의 안테나 장치에 보조하여 RF 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 칩 안테나(530)는 절연층보다 큰 유전율을 가지는 유전체 블록과, 유전체 블록의 양면에 배치되는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 복수의 전극 중 하나는 연결 부재(300)의 배선에 연결될 수 있으며, 다른 하나는 연결 부재(300)의 그라운드 플레인에 연결될 수 있다.
5. 안테나 장치의 특성 검증
도 16 및 하기 표 4는 안테나 소자(100)(즉, 개별 안테나 유닛)의 특성에 대한 실험데이터를 나타낸다. 저주파수 대역(24.25GHz ~ 29.5GHz)에서 V-pol.의 경우(즉, 제1-1 RF 신호 방사의 경우) 및 H-pol.의 경우(즉, 제1-2 RF 신호 방사의 경우), 그리고 고주파수 대역(37GHz ~ 40GHz)에서 V-pol.의 경우(즉, 제2-1 RF 신호 방사의 경우) 및 H-pol.의 경우(즉, 제2-2 RF 신호 방사의 경우) 모두 평균 안테나 이득이 표 2의 Spec.상의 이득(5dB) 수준으로 측정되었다.
Band Low-Band Gain High-Band Gain
Freq. 24.25 25 26 27 28 29 29.5 Avg. 37 38 39 40 Avg.
V-pol 5.22 5.40 5.51 5.64 5.79 5.70 5.51 5.54 5.25 5.22 5.07 5.08 5.16
H-Pol 5.22 5.41 5.51 5.64 5.79 5.70 5.50 5.54 5.26 5.14 4.69 4.81 4.98
도 17 내지 도 19와 하기 표 5는 안테나 어레이(200)를 포함하는 안테나 장치 전체의 특성에 대한 실험데이터를 나타낸다. 제1 서브 어레이(210)의 단독 활성화의 경우(하기 표 5의 'A') 및 제2 서브 어레이(220)의 단독 활성화의 경우(하기 표 5의 'B'), 저주파수 대역에서 V-pol. 및 H-pol.의 각 경우에 대하여 평균 안테나 이득이 10dB 수준으로 측정되었으며(도 18의 ② 및 ③ 참조), 고주파수 대역에서 V-pol. 및 H-pol.의 각 경우에 대하여 평균 안테나 이득이 12dB 수준으로 측정되었다(도 19의 ② 및 ③ 참조). 안테나 어레이(200) 전체 활성화의 경우(하기 표 5의 'C'), 저주파수 대역에서 V-pol. 및 H-pol.의 각 경우에 대하여 평균 안테나 이득이 13dB 수준으로 측정되었으며(도 18의 ① 참조), 고주파수 대역에서 V-pol. 및 H-pol.의 각 경우에 대하여 평균 안테나 이득이 15dB 수준으로 측정되었다(도 19의 ① 참조). 안테나 어레이(200) 전체 활성화 시, 표 2의 Spec.상의 이득(13dB)을 충족함을 확인할 수 있다.
Band Low-Band Gain High-Band Gain
Freq. 24.25 25 26 27 28 29 29.5 Avg. 37 38 39 40 Avg.
A
V-pol 9.08 9.92 10.3 10.5 10.8 11.0 10.9 10.4 12.8 13.0 12.8 12.5 12.8
H-Pol 9.11 10.1 10.7 10.8 10.8 10.8 10.6 10.4 12.8 13.2 12.1 12.2 12.6
B V-pol 8.89 10.0 10.5 10.7 10.8 10.7 10.4 10.3 12.6 12.9 12.3 12.9 12.7
H-Pol 9.30 9.95 10.6 10.9 10.8 10.2 10.0 10.3 12.7 13.0 11.3 12.9 12.5
C V-pol 11.9 12.9 13.4 13.5 13.5 13.6 13.4 13.2 15.5 15.7 15.2 15.6 15.5
H-Pol 12.1 13.0 13.6 13.7 13.5 13.1 13.0 13.1 15.6 15.9 14.3 15.4 15.3
도 20 및 도 21은 안테나 장치에 대한 빔포밍 특성에 대한 실험데이터를 나타낸다. 저주파수 대역 및 고주파수 대역에서 위상을 45°만큼 시프트시키면서 스캔 커버리지(Scan Coverage)를 측정하였으며, 도 20 및 도 21의 우측 하단의 Scan Coverage를 참조할 때, 표 2의 Spec.상의 Beam Scan Angle(±45°or ±60°)을 충족함을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따를 때, 안테나 소자 간의 디커플링(Decoupling)을 위해 미리 정의된 배치 프로파일에 따라 복수의 차폐 구조체를 배치하는 안테나 구조를 채용함으로써, 안테나 소자 간의 커플링이 감소되고 그에 따라 격리 특성이 향상되어 저주파수 대역 및 고주파수 대역 모두에서 높은 안테나 이득이 확보될 수 있으며, 종래의 안테나 장치 대비 동일 사이즈에서 광대역 특성이 확보되면서 임피던스 정합 특성이 개선될 수 있다.
본 명세서에 개진된 패턴, 비아, 라인, 플레인은, 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.
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.
본 명세서에 개진된 RF 신호는 Wi-Fi(IEEE 80211 패밀리 등), WiMAX(IEEE 80216 패밀리 등), IEEE 80220, 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.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 안테나 소자
111: 제1 패치 안테나 패턴
112: 제2 패치 안테나 패턴
113: 제3 패치 안테나 패턴
114: 확장 패치 안테나 패턴
120: 제1 피드비아
121: 제1-1 피드비아
122: 제1-2 피드비아
130: 권선 피드패턴
131: 제1 권선 피드패턴
132: 권선비아
133: 제2 권선 피드패턴
134: 연장 파트
140: 유전층
150: 제2 피드비아
151: 제2-1 피드비아
152: 제2-2 피드비아
160: 차폐비아
170: 차폐 구조체
171: 연결비아
200: 안테나 어레이
210: 제1 서브 어레이
220: 제2 서브 어레이
DMANT: 더미 안테나 소자
SC: 스크류
G: 그라운드 플레인
300: 연결 부재
410: IC
420: 접착 부재
430: 전기연결구조체
440: 봉합재
450: 수동 부품
460: 차폐 부재
510: 코어 부재
520: 커넥터
530: 칩 안테나

Claims (13)

  1. 그라운드 플레인 상에 배치되는 복수의 안테나 소자를 포함하는 안테나 어레이로서, 각 안테나 소자는 제1 패치 안테나 패턴과, 상기 제1 패치 안테나 패턴으로의 급전을 위한 제1 피드비아를 포함하는, 안테나 어레이; 및
    상기 각 안테나 소자 간의 디커플링(Decoupling)을 위해 미리 정의된 배치 프로파일에 따라 상기 그라운드 플레인 상에 배치되는 복수의 차폐 구조체;
    를 포함하고,
    상기 제1 패치 안테나 패턴은 제1 RF 신호를 송수신하도록 구성되고,
    상기 배치 프로파일은, 각 차폐 구조체 간의 거리에 대한 거리 프로파일을 포함하고,
    상기 거리 프로파일은, 상기 제1 패치 안테나 패턴에 의해 송신된 송신 신호, 및 상기 송신 신호가 상기 그라운드 플레인에 반사된 반사 신호 간의 간섭으로 인한 상기 제1 RF 신호의 위상 왜곡을 방지하기 위한 위상 보상 팩터에 의존적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 피드비아는 상기 제1 패치 안테나 패턴으로부터 이격되어 배치되고,
    상기 제1 피드비아의 상단에 전기적으로 연결되고, 상기 제1 패치 안테나 패턴으로부터 이격되어 상기 제1 패치 안테나 패턴으로의 급전 경로를 제공하며, 적어도 일부분이 권선 형태로 형성되는 권선 피드패턴;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 소자는, 상기 제1 패치 안테나 패턴의 상단에 배치되는 제2 패치 안테나 패턴과, 상기 제2 패치 안테나 패턴으로의 급전을 위한 제2 피드비아를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 패치 안테나 패턴은 제1 주파수를 갖는 제1 RF 신호를 송수신하도록 구성되고, 상기 제2 패치 안테나 패턴은 상기 제1 주파수와 상이한 제2 주파수를 갖는 제2 RF 신호를 송수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배치 프로파일은, 상기 제1 패치 안테나 패턴에 의해 송수신되는 제1 RF 신호의 제1 주파수에서 상기 안테나 소자의 임피던스 정합 특성이 고려되어 미리 정의되어 있는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 거리 프로파일은, 상기 제1 패치 안테나 패턴에 의해 송수신되는 제1 RF 신호의 제1 주파수에 의존적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배치 프로파일은, 상기 그라운드 플레인 상의 각 차폐 구조체의 위치에 대한 위치 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 안테나 어레이는, 상기 그라운드 플레인 상에 상기 복수의 안테나 소자가 2차원으로 배치되는 형태의 2차원 어레이로 구성되고,
    상기 위치 프로파일은, 상기 안테나 어레이의 컬럼(Column) 방향에 대한 각 차폐 구조체의 위치를 규정하는 제1 위치 프로파일과, 상기 안테나 어레이의 로우(Row) 방향에 대한 각 차폐 구조체의 위치를 규정하는 제2 위치 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 각 차폐 구조체는, 상기 위치 프로파일에 따라, 상기 안테나 어레이의 컬럼 방향 및 로우 방향을 기준으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배치 프로파일은, 각 차폐 구조체의 형상 프로파일을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 어레이는, 상기 그라운드 플레인 상에 상기 복수의 안테나 소자가 2차원으로 배치되어, 적어도 두 개의 서브 어레이로서 제1 및 제2 서브 어레이를 포함하는 2차원 어레이로 구성되고,
    상기 제1 및 제2 서브 어레이는, 상호 선택적으로 활성화되거나 동시에 활성화되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
KR1020220148228A 2022-11-08 안테나 장치 KR102679818B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220148228A KR102679818B1 (ko) 2022-11-08 안테나 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220148228A KR102679818B1 (ko) 2022-11-08 안테나 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20240066894A KR20240066894A (ko) 2024-05-16
KR102679818B1 true KR102679818B1 (ko) 2024-07-01

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11670857B2 (en) Antenna apparatus
US10886618B2 (en) Antenna apparatus and antenna module
KR102607538B1 (ko) 안테나 장치
KR102486785B1 (ko) 칩 안테나 모듈
KR20200120580A (ko) 칩 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자기기
KR102510682B1 (ko) 칩 안테나 모듈
KR102207151B1 (ko) 안테나 장치
KR102272590B1 (ko) 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자기기
US11502423B2 (en) Antenna apparatus
KR20200112581A (ko) 안테나 장치
KR20210123032A (ko) 칩 안테나
KR102085792B1 (ko) 안테나 장치 및 안테나 모듈
KR102160966B1 (ko) 안테나 장치
KR102107023B1 (ko) 안테나 장치 및 안테나 모듈
US11588247B2 (en) Antenna apparatus
US11316272B2 (en) Antenna apparatus
KR102529052B1 (ko) 안테나 장치
KR102679818B1 (ko) 안테나 장치
US11955726B2 (en) Antenna device
KR20240066894A (ko) 안테나 장치
KR102672233B1 (ko) 안테나 장치 및 분리형 안테나 모듈
KR20220066536A (ko) 안테나 장치
KR20220068557A (ko) 안테나 장치
KR102166126B1 (ko) 칩 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자기기
KR102486786B1 (ko) 안테나 장치