KR20110099732A - 그리드 어레이 안테나 및 집적 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 집적 그리드 어레이 안테나는, 밀리미터 파장 신호용으로 작동하는 그리드 어레이 안테나로서, 복수의 메시 소자(mesh element) 및 적어도 하나의 방사(radiation) 소자를 포함하고, 각각의 상기 메시 소자는 적어도 하나의 긴 변 및 상기 적어도 하나의 긴 변에 작동적으로(operatively) 연결된 짧은 변을 포함하며, 상기 적어도 하나의 방사 소자, 상기 적어도 하나의 짧은 변, 및 상기 적어도 하나의 긴 변 중 적어도 하나는 향상된 안테나 방사를 위한 향상된 안테나 출력을 위한 보상을 포함하는, 그리드 어레이 안테나이다.

Description

그리드 어레이 안테나 및 집적 구조{GRID ARRAY ANTENNAS AND AN INTEGRATION STRUCTURE}
본 발명은 그리드 어레이 안테나(Grid Array Antennas) 및 집적 구조(integration structure), 특히 밀리미터 파장 신호를 사용하는 그리드 어레이 안테나 및 그러한 안테나의 집적 구조에 관한 것이며, 그에 한정되지 않는다.
그리드 어레이 안테나는 크라우스(Kraus)에 의해 1964년 처음 제안되었다. 그 이후, 몇몇 연구가 행해졌지만 상대적으로 낮은 극초단파(microwave) 주파수에서였다. 도 1은 기본적인 그리드 구조(basic grid arrangement)를 나타낸 것이다. 그것은 뒤쪽에 금속성 접지판(metallic ground plane)을 가지며 이 접지판의 구멍을 관통하는 금속 비아(metal via)에 의해 급전되는 유전체 기판 위에 있는 사각형 메시를 이루는 마이크로스트립 라인으로 이루어진다. 메시의 변들(sides)의 전기적 길이에 따라, 그리드 어레이 안테나는 공진형 또는 비공진형일 수 있다.
공진형 그리드 어레이 안테나에서, 메시의 변들은 유전체에서 반파장x한파장이며, 순시 전류(instantaneous current)는 각각 메시의 긴 변에서는 이상(out of phase)이고 메시의 짧은 변에서는 동상(in phase)이다. 그 결과로, 메시의 긴 변은 마이크로스트립 라인 소자로 동작하고 메시의 짧은 변은 방사 및 마이크로스트립 라인 소자로 동작한다. 짧은 변은 조준 방향(boresight direction)으로의 방사의 주엽(main lobe)을 생산한다.
비공진형 그리드 안테나에서, 메시의 짧은 변의 길이는 파장의 삼분의 일보다 약간 길 수 있고, 메시의 긴 변의 길이는 유전체에서 메시의 짧은 변의 길이보다 두 배에서 세 배 사이의 길이여야 한다. 한쪽 끝에서 급전된다고 가정하면, 매시의 짧은 변의 전류는 뒤 발사각 방향(backward angle-fire direction)으로의 최대 방사를 생산하는 위상 전이(phase progression)를 따른다.
도 2는 제1 사이드로브(sidelobe)를 줄이기 위하여 마이크로스트립 라인 임피던스(또는 마이크로스트립 라인 폭)을 조절함으로써 진폭을 조절하는 방법을 나타낸 것이다.
그리드 어레이 안테나는 1990년대 중반 이후로 상당한 주목을 받았다. 도 3의 (a)부터 (c)는 다음의 방법으로 축소된 그리드 어레이 안테나를 나타낸 것이다.
(a) 메시의 긴 변을 "멘더링(meandering)"함;
(b) 메시를 크로싱함으로써 이중-선형-편파(dual-linearly-polarized) 그리드 어레이 안테나; 및
(c) 메시의 짧은 변을 변형함으로써 원형-편파(circularly-polarized) 그리드 어레이 안테나
추가적으로, 더블-레이어 그리드-어레이 안테나가 개발되었다. 그것은 상부 및 하부 그리드 어레이 안테나로 구성되며, 각각은 선형 편파를 방사하기 위하여 그 중심 단자로부터 급전된다. 상부 및 하부 그리드 어레이 안테나는 동일한 설정 파라미터를 갖는다. 하부 그리드 어레이 안테나의 방향은 상부 그리드 어레이 안테나에 비해 90도 회전되어 있다. 직각 배열은 양 중앙 급전 단자(feeding terminal)에서 높은 격리(isolation)를 제공하고, 한 안테나가 수평 편파(horizontally-polarized waves)를 방사하고 다른 안테나가 수직 편파(vertically-polarized waves)를 방사하는 결과를 낳는다.
크로스-메시 어레이 안테나가 도 4에 나타나 있다. 원형 편파의 방사는 c-형(c-figured) 소자의 레이어를 크로스-메시 어레이 안테나 위쪽에 더하거나 정확한 위상 차이(correct phase differences)를 네 단자에 공급한 결과로 얻어진다. 급전 단자는 도 4(b)에 나타나 있다.
과거에는, 그리드 어레이 안테나는 싱글-엔드 신호로 여기(excited)되었다. 그것은 또한 다른 신호로도 여기될 수 있다. 도 5는 차등 급전 방식(differential feeding scheme)을 나타낸 것이다. 중앙 메시의 하나의 수직(방사) 변이 잘려져 오픈되어 있으며, 한쪽 끝은 양의 신호에 연결되어 있고 다른 한쪽 끝은 음의 신호에 연결되어 있다.
밀리미터 파장 신호를 위한 전형적인 안테나는 리플렉터(reflector), 렌즈, 및 혼(horn) 안테나이다. 리플렉터 안테나 기술은 고 이득 어플리케이션 발전의 최고 레벨을 달성하였다. 렌즈 안테나는 두 번째 고 이득 기술이고, 혼 안테나는 구조상의 제약 때문에 이득이 약 30 dBi에 한정된다. 이러한 안테나들이 모두 높은 이득을 가지고 있지만, 그들은 비싸고, 크고, 무겁고, 더 중요하게는 그들은 고체 상태의 기기와 집적될 수 없으므로, 상업적인 밀리미터-웨이브(mm-wave) 라디오에 적당하지 않다. 인쇄된, 증착된(deposited) 그리고 에칭된 안테나 어레이가 밀리미터-웨이브 라디오 시스템에 사용된다.
멀티레이어 LTCC 기판 위에 형성된 밀리미터 선형 편파(linearly-polarized mm-wave) 60-GHz 안테나 어레이를 사용하도록 제안되었다. 이 안테나 어레이는 1/4파장 정합 T-접합 네트워크(matched T-junction network) 및 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson power divider) 네트워크로 급전된 4x4 마이크로스트립 패치 방사 소자를 사용한다. 측정된 결과는 정합 T-접합 네트워크로 급전된 안테나 어레이가 윌킨슨 전력 분배기 네트워크로 급전된 것 보다 성능이 좋다는 것을 나타낸다. 캐비티가 내장된 안테나 및 캐비티가 내장되지 않은 안테나 어레이의 측정된 임피던스 대역폭(bandwidth)은 각각 9.5%와 5.8%이고 최대 이득은 18.2 dBi 및 15.7dBi이다.
몇몇 안테나는 세 가지 주요 기술 - 원 안테나 소자, 적층 도파관(laminated waveguide) 및 원형 편파의 축비(axial ratio)를 조정하기 위한 디자인 방법 - 에 의해 넓은 대역폭을 달성하였다. 안테나 소자는 비아-홀 및 전도성 패턴으로 채워 형성되어 넓은 대역폭 특성을 생성하는 적층 공명기(resonator) 구조를 갖는다. 측정 결과는 6x8 방사 소자의 어레이가 -15 dB 미만의 사이드로브 레벨, 19 dBi 근처에서 1 dB 미만의 이득 변화 및 4 GHz 초과 대역폭에서 3 dB 미만의 축비를 갖는 것을 보여준다.
방사 소자와 같은 슬롯 및 마이크로스트립 패치의 선택으로 인하여, 사용 가능한 안테나 어레이는 요구되는 성능을 달성하기 위하여 복잡한 급전 네트워크, 정교한 프로세스 기술, 및 추가적인 캐비티 내장을 필요로 한다. 또한, 사용 가능한 안테나 어레이는, 만약 다른 차등 라디오와 결합하기 위해서는, 훨씬 더 복잡한 급전 네트워크를 필요로 할 것이다. 차등 라디오는 고집적 밀리미터-웨이브 라디오에서 싱글-엔드 라디오보다 우세하다. 더욱이, 사용 가능한 안테나 어레이는 밀리미터-웨이브 라디오 기기에 안테나 기능을 제공한다. 따라서, 사용 가능한 안테나 어레이는 높은 가격 및 낮은 기능성 때문에 고집적 밀리미터-웨이브 60-GHz에 아직 적당하지 않다는 결론이 난다.
공진형 그리드 어레이 안테나에서 순시 전류는 메시의 짧은 변에서 동상이어야 한다는 것이 알려져 있다. 그와 같이, 방사 소자(메시의 짧은 변)의 위상 조정(phasing)은 중요하다. 도 8은 60-GHz에서의 그리드 어레이 안테나 위의 순시 전류의 분배를 나타낸 것이다. 도면으로부터 위상 동기(phase synchronism)는 두 점선 바 사이의 방사 소자에서만 실현되는 것이 분명하다. 따라서, 종래의 그리드 어레이 안테나는 밀리미터-웨이브 주파수에서는 제대로 동작하지 않을 것이다. 밀리미터-웨이브 그리드 어레이 안테나를 위한 위상 보상(phase compensation) 방법이 마련되어야 한다.
본 발명은 밀리미터 웨이브 그리드 어레이 안테나를 제공한다.
본 발명에 따른 그리드 어레이 안테나는, 밀리미터 파장 신호용으로 작동하는 그리드 어레이 안테나로서, 복수의 메시 소자(mesh element) 및 적어도 하나의 방사(radiation) 소자를 포함하고, 각각의 상기 메시 소자는 적어도 하나의 긴 변 및 상기 적어도 하나의 긴 변에 작동적으로(operatively) 연결된 짧은 변을 포함하며, 상기 적어도 하나의 방사 소자, 상기 적어도 하나의 짧은 변, 및 상기 적어도 하나의 긴 변 중 적어도 하나는 향상된 안테나 방사를 위한 향상된 안테나 출력을 위한 보상을 포함하는, 그리드 어레이 안테나이다.
또한 상기 보상은, 인덕터, 커패시터, 및 공명기(resonator)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 집적(integrated) 소자를 포함하고, 상기 보상은 차등 급전 네트워크(differential feeding network)를 포함하고, 상기 차등 급전 네트워크는 제1 단자 및 제2 단자를 포함하며, 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 각각 상기 적어도 하나의 방사 소자의 단부에 작동적으로 연결되며, 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 적어도 관내 파장(guided wavelength)의 반파장 이상 떨어져 있을 수 있다.
상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 동일한 방사 소자의 각 단부에 연결되어 있고, 상기 제1 단자는 제1 방사 소자의 내측의 단부에 연결되어 있고, 상기 제2 단자는 제2 방사 소자의 내측 단부에 연결되어 있으며, 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 적어도 관내 파장의 한파장 반 이상 떨어져 있고, 상기 보상은, 상기 적어도 하나의 짧은 변 각각과 정렬되어 있는 반사성 금속 패치(reflective metal patch)를 포함하는 패터닝된 접지판(patterned ground plane)을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 긴 변 및 상기 적어도 하나의 짧은 변은, 평행사변형 모양의 메시 소자를 형성하기 위해 서로에 대해 각각 기울어져 있고, 제2의 그리드 어레이 안테나가 상기 그리드 어레이 안테나에 평행한 제2 레이어를 형성하며, 상기 그리드 어레이 안테나는 와이어 그리드 어레이로 구성되고, 상기 제2 그리드 어레이 안테나는 슬롯 그리드 어레이로 구성될 수 있다.
상기 와이드 그리드 어레이 및 상기 슬롯 그리드 어레이는 상대적으로 90도가 회전된 방향으로 배치되어 있고, 각각의 짧은 변이 서로 오프셋되어 있으며, 상기 제2 그리드 어레이 안테나 및 상기 그리드 어레이 안테나가 서로 기생할 수 있다.
접지판 및 비아 펜스(fences of vias)로서 캐비티-백(cavity-back) 그리드 어레이를 제공하는 제3 레이어를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 짧은 변 및 상기 적어도 하나의 방사 소자로부터 수직으로 돌출된 투쓰부가 제공되며, 상기 짧은 변의 각각은, 급전 소자를 포함하는 상기 적어도 하나의 긴 변 및 상기 적어도 하나의 방사 소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 그리드 어레이 안테나를 적어도 두 개 포함하는 적응적(adaptive) 어레이 안테나일 수 있으며, 상기 적어도 하나의 그리드 어레이 안테나의 긴 변에 기울어진 각도를 이루며 작동적으로 연결된 직류(DC) 급전 네트워크를 더 포함할 수 있다.
또한 적어도 하나의, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 그리드 어레이 안테나; 안테나 레이어를 포함하는 제1 레이어; 제1 구멍을 포함하는 제2 레이어;
제2 구멍을 포함하는 제3 레이어; 및 제3 구멍을 포함하는 제4 레이어를 포함하며, 상기 제1, 제2 및 제3 구멍이 다이(die)를 위한 캐비티를 형성하는 패키지이다.
상기 제2 구멍이 상기 제1 구멍보다 넓고, 상기 제3 구멍이 상기 제2 구멍보다 넓고, 상기 제1 구멍, 제2 구멍 및 제3 구멍이 모두 정렬되어 있을 수 있다.
제15항 또는 제16항의 적응적 어레이 안테나를 더 포함하는 패키지일 수 있고, 제15항 또는 제16항의 적응적 어레이 안테나를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 그리드 어레이 안테나;및 세 개의 동시소성(co-fired) 적층 레이어를 포함하며, 상기 세 개의 동시소성 적층 레이어는, 안테나 레이어; 급전 트레이스를 포함하는 제2 레이어; 및 상기 급전 트레이스의 그라운드 및 신호 트레이스를 포함하는 제3 레이어를 포함하고, 상기 급전 트레이스는 적어도 하나의 차등 안테나 급전 트레이스(traces)와 싱글-엔드(single-end) 급전 트레이스를 포함할 수 있다.
또한 상기 차등 안테나 급전 트레이스는, 두 개의 스트립라인(striplines)과, 다른 준 동축 케이블과, 그리고 접지판의 두 개의 구멍을 통해 비아와 캐스케이드 접속된 두 개의 준-동축(quasi-coaxial) 케이블을 포함하고, 상기 급전 트레이스는 GSGSG 정렬되며, 상기 싱글-엔드 급전 트레이스는, 접지판 상의 하나의 구멍을 통해 비아와 캐스케이드 되는 준-동축 케이블을 포함하고, 상기 싱글-엔드 급전 트레이스는 GSG 정렬을 포함하고, 제15항 또는 제16항의 적응적 어레이 안테나를 더 포함할 수 있다.
그리고 오픈 캐비티가 실장된 다이를 수용하고 보호하기 위하여 시스템 인쇄 회로 기판의 표면에 형성되어 있는 시스템 인쇄 회로 기판을 포함하고, 상기 다이는 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항의 패키지를 포함하는, 칩-스케일 패키지일 수 있다.
본 발명에 따른 그리드 어레이 안테나는 밀리미터 웨이브 주파수에서 제대로 동작하는 그리드 어레이 안테나를 제공한다.
본 발명이 충분히 이해되고 실제 효과를 내기 위하여, 한정적이지 안은 실시례가 예로서 첨부된 도면을 참조하여 기술되어 있다.
도 1은 종래의 그리드 어레이 안테나를 (a) 위에서 본 것 및 (b) 아래에서 본 것을 도시한 것이다.
도 2는 진폭 제어를 하는 종래의 그리드 어레이 안테나를 도시한 것이다.
도 3은 세 개의 그리드 어레이 안테나를 도시한 것이다.
도 4는 종래의 크로스-메시 어레이 안테나 및 급전 단자를 도시한 것이다.
도 5는 종래의 그리드 어레이 안테나 및 차등 급전 시스템을 도시한 것이다.
도 6은 종래의 안테나 어레이 및 다른 급전 네트워크를 도시한 것이다.
도 7은 종래의 안테나 어레이의 내부 구조(a) 및 제1 급전 라인의 안테나 소자(b)를 도시한 것이다.
도 8은 종래의 그리드 어레이 안테나의 순시 전류 분배를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시례에 따른 인덕터를 사용한 위상 보상을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 실시례에 따른 커패시터를 사용한 것을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시례에 따른 45도 선형 편파 그리드 어레이 안테나를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 실시례에 따른 멀티플-레이어를 사용한 축소된 그리드 어레이 안테나를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 실시례에 따른 원형 편파 그리드 어레이 안테나를 도시한 것이다.
도 14는 (a) 종래의 메시 접지판 및 (b) 본 발명의 실시례에 따른 접지판을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 실시례에 따른 (a) 와이어 그리드 어레이, (b) 슬롯 그리드 어레이 및 (c) 크로스-섹션을 포함하는 더블-레이어 그리드 어레이 안테나를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 차등 급전 시스템의 두 실시례를 도시한 것이다.
도 17은 도 16의 (b)의 안테나의 순시 전류 분배를 도시한 것이다.
도 18은 본 발명의 실시례에 따른 그리드 어레이 안테나 소자 및 직류(DC) 급전 네트워크의 일부인 적응적인(adaptive) 어레이 안테나의 일례를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 실시례에 따른 와이어 본딩 연결을 위한 볼 그리드 어레이를 포함하는 그리드 어레이 안테나의 분해도이다.
도 20은 도 19의 안테나 급전 구조의 상세도이다.
도 21은 본 발명의 실시례에 따른 듀얼 그리드-어레이 안테나를 포함하는 칩-스케일 패키지를 (a) 위에서 본 것 및 (b) 아래에서 본 것을 도시한 것이다.
도 22는 도 21의 안테나 급전 구조의 상세도이다.
도 23은 본 발명의 실시례에 따른 시스템 인쇄 회로 기판과 함께 조립된 그리드-어레이 안테나를 옆에서 바라본 것을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 24는 (a) S11, (b) 이득 (c) 도 19 및 20의 실시례에 따른 방사 패턴의 성능 시뮬레이션을 도시한 것이다.
도 25는 도 21 및 22의 실시례에 따른 성능 시뮬레이션을 도시한 것이다.
발명의 상세한 설명을 통하여 공통된 참조 번호는 번호가 붙은 구성요소와 같은 도면부호로 사용되었다.
도 8을 참조하면, 방사 소자의 위상(phase)은 두 개의 바(bars) 밖의 메시의 긴 변과 짧은 변 모두의 전기 길이(electrical length)를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 급전 및 방사 소자의 위상은 이상기(phase shifter) 및 증폭기(amplifier)를 사용함으로써 보상될 수 있다. 예를 들어, 반전 증폭기(inverting amplifier)는 위상과 진폭을 모두 보상하는 데에 사용될 수 있다. 인덕터 또는 커패시터 또는 공명기는 수동(passive) 이상기로 고려될 수 있다. 이산형(discrete) 칩(chip)-타입 인덕터, 또는 커패시터, 또는 공명기를 사용하는 것을 제외하고는, 일체형 소자(integral element)를 사용하는 것이 선호된다. 싱글-레이어 그리드-어레이 안테나(900)를 위한 일체형 인덕터의 사용이 도 9에 나타나 있다. 안테나(900)는 소자 또는 짧은 변(904) 및 긴 변(912)을 포함하는 메시(902)를 포함한다. 짧은 변(904)의 하나 혹은 그 이상은 방사 소자이다. 하나 혹은 그 이상의 방사 소자(904)는 일체형 인덕터(906 또는 908)를 포함한다. 긴 변(912)은 급전 소자이다. 하나 혹은 그 이상의 긴 변/급전 소자(912)는 일체형 인덕터(906) 또는 공명기(908)를 또한 포함할 수 있다. 멀티-레이어 또는 적층된 인덕터가 사용될 수 있다. 덧붙여서, 하나 혹은 그 이상의 짧은 변(904)은 방사 소자일 수 있다. 싱글-레이어 그리드-어레이 안테나를 위한 일체형 커패시터(1010)의 사용이 도 10에 나타나 있다. 마찬가지로 멀티-레이어 또는 적층된 커패시터가 사용될 수 있다.
도 9 및 10에 나타나 있는 일체형 인덕터(906) 및 커패시터(1010)의 조합은 일체형 공명기를 제공한다.
한 디자인의 위상 조건(phase condition)을 이해하기 위하여 EM 시뮬레이터를 사용한 후 위상 조정기(phase adjuster)가 위상 조정이 필요한 곳에 추가될 수 있다.
상기 위상 보상에 덧붙여서, 45도 선형 편파를 사용하는 것은, 반대방향에서 오는 자동차로부터의 수직 편파를 포함하는 방사는 레이더 동작에 영향을 미치지 않으므로, 밀리미터 파장의 카 레이더(car radar) 어플리케이션에 적용될 수 있다. 도 11은 메시(1102)의 긴 변(1112) 및 짧은 변(1104) 사이의 각도가 45도/135도가 되어 평행사변형 모양의 메시(1102)를 형성하는 45도 선형-편파 그리드 어레이 안테나(1100)를 나타낸다. 그러나, 요청되거나 바람직한 다른 각도가 사용될 수 있다.
도 12는 멀티-레이어 금속 구조에서 긴 변(1212)이 계단 모양이고 짧은 변(1204)이 구부러진 축소된 그리드 어레이 안테나(1200)를 나타낸 것이다. 휨은 메시의 짧은 변(1204)의 대부분을 접지판(1214)으로부터 멀어지게 하고, 방사를 개선시킨다. 짧은 변(1204)은 제1 레이어(1216)에 있을 수 있고 긴 변(1212)은 두 개의 다른 레이어(1218, 1220)에 있을 수 있다. 레이어들(1216, 1218, 1220)은 예를 들어 알려진 인쇄 기술에 의해 만들어진 동일한 레이어 상에 금속 라인을 사용함으로써 연결될 수 있다. 다른 레이어들 상에 금속 라인은 금속 비아를 사용하여 연결될 수 있다.
도 13은 원형-편파 그리드 어레이 안테나(1300)를 나타낸 것이다. 메시(1302)의 각 짧은 변(1304) 및 방사 소자(1305)는 추가로 투쓰부(tooth)(1322)를 포함한다. 각 투쓰부(1322)은 일반적으로 짧은 변(1304) 및 방사 소자(1305)에 대해 직각으로 연장된다. 모든 투쓰부(1322)은 각각의 짧은 변(1304) 및 방사 소자(1305)에 대하여 같은 방향으로 향한다. 투쓰부(1322)의 위치는 투쓰부 상의 전류가 투쓰부(1322)가 연결되어 있는 짧은 변(1304) 및 방사 소자(1305) 상의 전류에 대하여 90도 위상차가 있다는 것을 의미한다. 투쓰부(1322)의 폭은 투쓰부 상의 전류가 투쓰부(1322)가 연결되어 있는 짧은 변(1304) 및 방사 소자(1305) 상의 전류와 동일한 진폭을 갖도록 조정된다. 각 투쓰부(1322)는 짧은 변(1304)의 길이 절반의 1/4 관내 파장(a quarter guided wavelength) 정도의 길이를 가질 수 있다. 도 13에 나타나 있는 그리드 어레이 안테나(1300)는 좌측 원형 편파(right hand circular polarization)를 제공한다. 투쓰부(1322)을 각 짧은 면(1304) 및 방사 소자(1305)에 대해 180도 회전시키면 우측 원형 편파(left hand circular polarization)를 생산한다.
그리드 어레이 안테나는 대개 고체이며 평평한 접지판을 사용한다. 접지판은 휘어있거나 주름진 것이 제안되어왔다. 또는 둘레 길이가 파장의 절반 미만인 홀 또는 천공을 포함하는 그리드 또는 스크린이 제안되어왔다. 바람직하게는, 홀은 파장의 절반보다 훨씬 작은 둘레 길이를 가진다. 기계적으로 실현 가능하게 요구된 메시형 접지판은 구조적으로 천공형 접지판과 유사하다. 도 14의 (a)에 종래의 메시형 접지판이 나타나 있다. 그것은 공명 주파수(resonant frequency)를 하향 이동시키고, 임피던스 대역폭을 확장시키고, 안테나 이득을 감소시킨다. 도 14의 (b)에 있는 본보기로 패터닝된 접지판은 안테나 이득 페널티의 줄어든 페널티로 공명 주파수를 하향시키고 임피던스 대역폭을 확장시킨다. 이것은 메시(1402)의 짧은 변(1404)이 방사 소자이기 때문이다. 짧은 변(1404) 아래에서 메시형 접지판(1414)에 금속 패치(1424)가 더해져 리플렉터로 동작하고, 뒤쪽 누설 필드(backward leakage field)가 감소된다. 그 결과로, 안테나 이득 페널티는 감소된다.
멀티-레이어 구조의 안테나는 사이즈 이점을 가지고 있다. 그러나, 알려진 더블-레이어 그리드 어레이 안테나는 상부 및 하부 그리드 어레이 안테나가 동일한 설정 파라미터를 가지고 있으므로 이 이점을 완전히 제공하지 않는다. 그러나, 하부 그리드 어레이 안테나는 상부 그리드 어레이 안테나에 대해서 90도 회전되어 있다. 도 15는 와이어 그리드 어레이 방사 소자(1528)를 포함하는 상부 레이어(1526); 및 슬롯 그리드 어레이 방사 소자(1532)를 포함하는 하부 레이어(1530)를 포함하는 투(2)-레이어 그리드-어레이 안테나(1500)를 나타낸다. 세번째 레이어(1514)가 리플렉터로서 기능한다. 하부 레이어(1530) 또한 와이드 그리드 어레이 안테나로서의 와이어 그리드 어레이 방사 요소(1528)를 위해 접지판으로 기능한다. 리플렉터(1514)는 하부 슬롯 그리드 어레이 방사 요소(1532)와 함께 슬롯 그리드 어레이 안테나로 기능한다. 더욱이, 슬롯 그리드 어레이 방사 요소(1532) 아래에는 하부 레이어(1530) 상의 그라운드를 바닥 리플렉터 레이어(1514)에 비아(1534) 펜스를 이용하여 연결시킴으로써 준-캐비티(quasi-cavity)가 형성된다. 이것은 캐비티-백(cavity-back) 슬롯 그리드 어레이 안테나를 제공한다. 상부 와이어 그리드 어레이(1528) 및 하부 슬롯 그리드 어레이(1532) 안테나는 서로 기생한다. 더블-레이어 그리드 안테나(1500)의 양극화는 상호간의 방향에 의존한다. 도 15에 나타나 있는 방향에 대해, 와이어(1528) 및 슬롯(1532) 그리드 어레이 안테나는 동일한 선형-편파를 방사한다. 그러나, 만약 와이어 그리드 어레이(1528) 및 슬롯 그리드 어레이(1532)가 90도 회전하고 만약 와이어 그리드 어레이(1528) 및 슬롯 그리드 어레이(1532) 모두의 메시(1502)의 짧은 변(1504)이 오프셋이 없었던 것처럼 상쇄되면, 슬롯 그리드 어레이의 방사는 와이어 그리드 어레이에 의해 차단될 것이다. 오프셋은 준-캐비티로의 방사 누설이 줄어듬에 따라 와이어 그리드 어레이 안테나의 방사를 향상시킨다. 그와 같이 하나가 선형-수평-편파를 방사하면 다른 하나는 선형-수직-편파를 방사한다. 오프셋은 방사를 악화시키지 않는다. 필요한 경우 또는 바람직한 경우 90도가 아닌 각도가 사용될 수 있다.
도 5에 나타난 바와 같이, 알려진 차등 급전 구조는 중앙 방사 소자(505)를 자른다. 두 급전 단자는 가깝고, 따라서 격리가 좋지 않다. 또한 여기 효율도 좋지 않다. 도 16은 두 차등 급전 단자의 위치를 나타낸 것이다. 도 16의 (a)의 차등 급전 단자(1636)는 중앙 방사 소자(1605)의 각 끝부분에 연결되어 있고 관내 파장의 절반만큼 떨어져 있다. 도 16의 (b)의 차등 급전 단자(1638)는 두 개의 다른 방사 소자(1605)의 더 넓게 떨어진 끝부분에 연결되어 있고 관내 파장의 1.5배만큼 떨어져 있다. 두 단자(1636, 1638)는 최소한 관내 파장의 절반만큼 떨어져 있다. 그와 같이, 격리가 좋고, 따라서 여기 효율이 좋다.
도 17은 도 16의 (b)에 따른 차등 실행의 그리드 어레이 안테나(1700) 상의 순시 전류 분배를 나타낸 것이다. 차등 급전은 더 많은 메시 소자(1702)중에서 더 나은 위상 동기의 결과를 낳는다.
그리드 어레이 안테나는 적응적인 어레이 안테나 또는 스위치 빔 어레이 안테나를 디자인하기 위한 기본 소자로 사용될 수 있다. 도 18은 예를 들어 고 집적 라디오에 사용되기 위한 적응적인 어레이 안테나로서 그리드 어레이 안테나 소자(1800)의 용법을 나타낸 것이다. 그리드 어레이 안테나 소자(1800)는 더 넓은 임피던스 대역폭을 가지며 직류 커플링에 또한 적합하다. 예를 들어, 도 18에 나타난 것과 같이 직류 신호가 메시(1802)의 긴 변(1812)의 중간으로부터 쉽게 공급된다. 직류 라인(1840)은 고주파 신호에는 높은 임피던스를 가지고, 안테나 방사에의 효과를 최소화하기 위하여 바람직하게 긴 변(1812)쪽으로 기울어져 있다. 기울어진 각도는 40도에서 50도 사이이다.
와이어-본딩 연결을 위한 볼 그리드 어레이(1968) 패키지의 그리드 어레이 안테나(1900) 집적의 제1 방법이 도 19 및 20에 나타나 있다. 패키지는 스탠다드 와이어 본딩을 특징으로 하며 네 개의 적층된 레이어를 포함한다. 제1 레이어(1950)는 안테나 레이어이며 안테나가 밑에 있어 보이지 않는다. 제2 레이어(1952)는 구멍(1954)을 포함하고, 제3 레이어(1956)는 조금 더 큰 구멍(1958)을 포함한다. 제4 레이어(1960)는 가장 큰 구멍(1962)를 포함한다. 세 구멍(1954, 1958, 및 1962)들은 모두 정렬되어 있다. 제2 레이어(1952) 및 제3 레이어(1956)의 트레이스(traces)는 나타나 있지 않다. 구멍(1954, 1958, 및 1962)들은 라디오 다이(die)를 수용할 수 있는 3단(three-tier) 캐비티를 형성한다.
패키지를 위하여 다섯 개의 금속 레이어가 존재한다. 제1 레이어는 그리드 어레이 안테나(1900)를 제공하고, 제2 레이어는 부분 메시 안테나를 위한 접지판(1914), 그리고 다음의 두 금속 레이어는 하나는 안테나 급전 트레이스를 위하여, 그리고 다른 하나는 신호 트레이스를 위하여 제2 및 제3 레이어(1952, 1956)에 존재한다. 마지막 금속 레이어는 패키지 접지판(1970)을 위한 것으로, 솔더 볼 패드(1968)를 위한 것이기도 하다.
플립-칩 본딩을 위한 칩-스케일 패키지의 듀얼 그리드 어레이 안테나(2100) 집적의 다른 방법(하나의 안테나(2100)는 전송용이고 다른 안테나(2100)는 수신용이다)이 도 21에 나타나 있다. 패키지를 위하여 세 개의 적층된 동시소성(co-fired) 레이어가 존재한다. 상부 안테나 레이어(2172)는 싱글 레이어이며 바닥 레이어(2174)는 두 개의 적층된 레이어를 포함한다. 역시 패키지를 위하여 네 개의 금속 레이어가 존재한다. 상부 레이어(2172)는 듀얼 그리드 어레이 안테나(2100) 및 패터닝된 바닥면(2114)을 포함한다. 제2 레이어(2174)는 차등 안테나 금전 트레이스, 및 싱글엔드 급전 트레이스(2178)를 포함하고, 제3 레이어는 안테나 급전 트레이스의 그라운드, 및 신호 트레이스(나타나 있지 않음)를 포함한다. 다이는 신호 트레이스에 플립-칩 본딩 되어 있다.
도 22는 듀얼 그리드 어레이 안테나(2100)의 급전 네트워크를 나타낸 것이다. 듀얼-급전 트레이스(2126)를 위하여, 도 22의 (a)는 GSGSG 정렬의 처음에는 두 개의 스트립라인(striplines)과 캐스케이드 연결되고(cascaded) 그 후 다른 준 동축(quasi-coaxial) 케이블과, 마지막으로 접지판 상의 두 개의 구멍(aperture)을 통해 비아와 캐스케이드 연결되는 두 개의 준-동축 케이블을 나타낸다. GSG 및 GSGSG 정렬은 잠재적인 전자기적 간섭(potential electromagnetic interference)만을 최소화하는 것이 아니라, 급전 성능을 향상시킨다. GSG 및 GSGSG 급전 네트워크는 그리드 어레이 안테나(2100)와 함께 디자인된다.
도 23은 안테나를 칩-스케일 패키지에서 시스템 인쇄-회로 기판(printed-circuit board: PCB, 2380)과 함께 조립하는 것을 나타낸 것이다. 오픈 캐비티(2382)가 다이(2386)을 수용하고 보호하기 위하여 PCB(2380)의 표면(top surface, 2384)에 형성되어 있다. 칩 패키치(2390) 상의 랜드(2388)는 패키지(2390)를 통하여 칩 패키지(2390)로부터 PCB(2380)까지의 연결을 환성하기 위하여 PCB(2380)에 납땜되어 있다.
와이어-본딩 기술은 가전 제품(consumer electronics)에서 확고히 자리매김 하였다. 본드 와이어는 주파수 혹은 길이가 증가됨에 따라 손실을 대폭 증가시킬 직렬 인덕터로 기능한다. 플립-칩 기술을 사용한 연결은 범프 높이(bump height)가 본드 와이어의 길이보다 작게 유지되고 범프 지름(bump diameter)가 본드 와이어의 지름보다 두껍기 때문에 와이어-본딩 기술을 사용할 때 보다 나은 성능을 가진다.
공진형 및 비공진형 그리드 어레이 안테나가 많은 어플리케이션에서 모두 유용하지만, 여기에 개시된 공진형 안테나는 밀리미터 파장 신호를 위한 것이다. 디자인은 유전체 기판 규모(dimensions), 메시의 개수, 마이크로스트립 라인 임피던스, 및 금속 비아 및 구멍의 지름과 관련된 여기 위치를 결정한다. 그리드 어레이 안테나는 예를 들어, 최대 이득이 10 dBi 이상인 61.5 GHz으로 동작할 수 있다. 임피던스 및 방사 대역폭은 7 GHz이다. 효율은 IEEE 802.15.3c 표준 어플리케이션에서 80% 이상일 수 있다.
도 24 및 25는 도 19 및 21의 두 예의 성능 시뮬레이션을 나타낸 것이다.
앞선 상세한 설명에서 실시례가 기술되었으나, 당업자에 의해 디자인, 구성 및/또는 실행의 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 행해질 수 있음이 이해될 것이다.

Claims (28)

  1. 밀리미터 파장 신호용으로 작동하는 그리드 어레이 안테나로서,
    복수의 메시 소자(mesh element) 및 적어도 하나의 방사(radiation) 소자를 포함하고,
    각각의 상기 메시 소자는 적어도 하나의 긴 변 및 상기 적어도 하나의 긴 변에 작동적으로(operatively) 연결된 짧은 변을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 방사 소자,
    상기 적어도 하나의 짧은 변, 및
    상기 적어도 하나의 긴 변
    중 적어도 하나는 향상된 안테나 방사를 위한 향상된 안테나 출력을 위한 보상을 포함하는,
    그리드 어레이 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보상은,
    인덕터, 커패시터, 및 공명기(resonator)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 집적(integrated) 소자를 포함하는,
    그리드 어레이 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보상은 차등 급전 네트워크(differential feeding network)를 포함하고,
    상기 차등 급전 네트워크는 제1 단자 및 제2 단자를 포함하며,
    상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 각각 상기 적어도 하나의 방사 소자의 단부에 작동적으로 연결되며,
    상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 적어도 관내 파장(guided wavelength)의 반파장 이상 떨어져 있는,
    그리드 어레이 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 동일한 방사 소자의 각 단부에 연결되어 있는,
    그리드 어레이 안테나.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 단자는 제1 방사 소자의 내측의 단부에 연결되어 있고, 상기 제2 단자는 제2 방사 소자의 내측 단부에 연결되어 있으며,
    상기 제1 단자 및 상기 제2 단자는 적어도 관내 파장의 한파장 반 이상 떨어져 있는,
    그리드 어레이 안테나.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보상은,
    상기 적어도 하나의 짧은 변 각각과 정렬되어 있는 반사성 금속 패치(reflective metal patch)를 포함하는 패터닝된 접지판(patterned ground plane)을 포함하는,
    그리드 어레이 안테나.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 긴 변 및 상기 적어도 하나의 짧은 변은,
    평행사변형 모양의 메시 소자를 형성하기 위해 서로에 대해 각각 기울어져 있는,
    그리드 어레이 안테나.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2의 그리드 어레이 안테나가 상기 그리드 어레이 안테나에 평행한 제2 레이어를 형성하는,
    그리드 어레이 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 그리드 어레이 안테나는 와이어 그리드 어레이로 구성되고,
    상기 제2의 그리드 어레이 안테나는 슬롯 그리드 어레이로 구성되는,
    그리드 어레이 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 와이드 그리드 어레이 및 상기 슬롯 그리드 어레이는 상대적으로 90도가 회전된 방향으로 배치되어 있고, 각각의 짧은 변이 서로 오프셋되어 있는,
    그리드 어레이 안테나.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2의 그리드 어레이 안테나 및 상기 그리드 어레이 안테나가 서로 기생하는(parasitic),
    그리드 어레이 안테나.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    접지판 및 비아 펜스(fences of vias)로서 캐비티-백(cavity-back) 그리드 어레이를 제공하는 제3 레이어를 더 포함하는,
    그리드 어레이 안테나.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 짧은 변 및 상기 적어도 하나의 방사 소자로부터 수직으로 돌출된 투쓰부가 제공되는,
    그리드 어레이 안테나.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 짧은 변의 각각은,
    급전 소자를 포함하는 상기 적어도 하나의 긴 변 및 상기 적어도 하나의 방사 소자를 포함하는,
    그리드 어레이 안테나.
  15. 상기 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 그리드 어레이 안테나를 적어도 두 개 포함하는 적응적(adaptive) 어레이 안테나.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그리드 어레이 안테나의 긴 변에 기울어진 각도를 이루며 작동적으로 연결된 직류(DC) 급전 네트워크를 더 포함하는,
    적응적 어레이 안테나.
  17. 적어도 하나의, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 그리드 어레이 안테나;
    안테나 레이어를 포함하는 제1 레이어;
    제1 구멍을 포함하는 제2 레이어;
    제2 구멍을 포함하는 제3 레이어; 및
    제3 구멍을 포함하는 제4 레이어
    를 포함하며,
    상기 제1, 제2 및 제3 구멍이 다이(die)를 위한 캐비티를 형성하는,
    패키지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 구멍이 상기 제1 구멍보다 넓고,
    상기 제3 구멍이 상기 제2 구멍보다 넓은,
    패키지.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제1 구멍, 상기 제2 구멍 및 상기 제3 구멍이 모두 정렬되어 있는,
    패키지.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    제15항 또는 제16항의 적응적 어레이 안테나를 더 포함하는,
    패키지.
  21. 제15항 또는 제16항의 적응적 어레이 안테나를 포함하는,
    패키지.
  22. 적어도 하나의, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 그리드 어레이 안테나;및
    세 개의 동시소성(co-fired) 적층 레이어
    를 포함하며,
    상기 세 개의 동시소성 적층 레이어는,
    안테나 레이어;
    급전 트레이스를 포함하는 제2 레이어; 및
    상기 급전 트레이스의 그라운드 및 신호 트레이스를 포함하는 제3 레이어
    를 포함하고,
    상기 급전 트레이스는 적어도 하나의 차등 안테나 급전 트레이스(traces)와 싱글-엔드(single-end) 급전 트레이스를 포함하는,
    패키지.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 차등 안테나 급전 트레이스는, 두 개의 스트립라인(striplines)과, 다른 준 동축 케이블과, 그리고 접지판의 두 개의 구멍을 통해 비아와 캐스케이드 접속된 두 개의 준-동축(quasi-coaxial) 케이블을 포함하고,
    패키지.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 급전 트레이스는 GSGSG 정렬된,
    패키지.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 싱글-엔드 급전 트레이스는,
    접지판 상의 하나의 구멍을 통해 비아와 캐스케이드 되는 준-동축 케이블을 포함하는,
    패키지.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 싱글-엔드 급전 트레이스는 GSG 정렬을 포함하는,
    패키지.
  27. 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    제15항 또는 제16항의 적응적 어레이 안테나를 더 포함하는,
    패키지.
  28. 오픈 캐비티가 실장된 다이를 수용하고 보호하기 위하여 시스템 인쇄 회로 기판의 표면에 형성되어 있는 시스템 인쇄 회로 기판을 포함하고,
    상기 다이는 제22항 내지 제27항 중 어느 한 항의 패키지를 포함하는,
    칩-스케일 패키지.
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