KR20110114372A - 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나 - Google Patents

대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나에 관한 것으로, 다층 기판과, 상단에 개구부를 갖는 제1 도체판과, 상기 제1 도체판으로부터 적어도 2층 이상이 적층된 최하위 절연층의 하단에 형성되는 제2 도체판과, 상기 개구부 주위를 소정 간격으로 관통하는 다수의 제1 금속 비아홀과, 유전체 공진기를 급전하기 위한 급전부와, 상기 유전체 공진기 내부에 수직 방향의 금속 경계면을 형성하도록 삽입된 도체 패턴부를 포함함으로써, 공정 오차와 외부 환경에 대한 민감도가 낮고 다중 공진 시 안테나 방사 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나 {Dielectric resonant antenna embedded in multilayer substrate for enhancing bandwidth}
본 발명은 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나에 관한 것이다.
기존의 송수신 시스템은 개별 부품을 조립해 시스템을 구성한 제품이 주를 이루었다. 그러나, 최근에는 밀리미터파 대역의 송수신 시스템을 단일 패키지로 구성한 SOP(System on Package) 제품에 대한 연구가 진행되고 있으며, 일부 제품은 상용화되고 있다.
단일 패키지 제품에 대한 기술은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 및　LCP(Liquid Crystal Polymer)와 같은 유전체 기판을 적층하는 다층기판 공정기술과 함께 발달해왔다.
이와 같은 다층기판 패키지는 능동소자인 IC의 집적화뿐만 아니라 수동소자를 패키지에 내장시켜 단일화된 공정으로 제작한다. 이로써, 도선의 감소에 의한 인덕턴스 성분 감소와 소자간 결합에서 발생하는 손실 감소의 효과가 있으며, 제품 생산의 원가 절감 등의 장점을 가지고 있다.
하지만, LTCC공정의 경우 소성과정에 있어서 기판 평면 방향인 x, y 방향으로 15% 가량의 수축이 발생하며, 이에 따라 공정 오차가 발생하여 제품 신뢰성 측면에서 문제점을 안고 있다.
이러한 LTCC 및 LCP 공정과 같은 다층구조 환경에서는 평면형 특성을 갖는 패치 안테나가 주로 사용되는데, 상기 패치 안테나는 일반적으로 대역폭이 5% 정도로 좁은 단점이 있다.
이러한 단점을 해결하기 위하여 주 방사 역할을 하는 패치 안테나와 동일한 면에 기생 패치를 추가해 다중 공진을 발생시켜 대역폭을 넓히거나, 또는 2개 이상의 패치 안테나를 적층하여 다중 공진을 유도하여 대역폭을 넓히는 방법이 사용되고 있다.
이와 같은 종래 다중 공진 기법을 사용해 약 10% 정도의 대역폭을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
하지만, 이러한 종래 다중 공진 기법을 사용할 경우 각 공진 주파수에서의 안테나의 방사 패턴의 차이가 발생할 수 있고, 공정 오차에 의한 안테나 특성의 변화가 단일 공진 안테나에 비해 크게 작용할 수 있다.
따라서, 이러한 안테나의 효율 증가와 더욱 넓은 대역폭 확보 등을 위해 종래 유전체 공진기 안테나 (DRA, Dielectric Resonator Antenna)가 사용되기도 한다.
이러한 종래 유전체 공진기 안테나는 상술한 종래 다중 공진 기법을 이용한 패치 안테나와 비교해 대역폭과 효율에서 우수한 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.
종래 유전체 공진기 안테나는 종래 패치 안테나의 단점을 개선하기 위해 종종 사용되지만, 기판 외부에 위치한 별도의 유전체 공진기를 필요로 하기 때문에 단일 공정으로 이루어지는 적층 구조의 패치 안테나와 비교해 제작상 불편함이 있었다.
또한, 유전체 공진기 안테나는 유전체 공진기의 크기(이를 테면, 공진 주파수에 영향을 주지 않는 방향의 길이)가 증가함에 따라 다중 공진이 발생하여 대역폭을 더 확보할 수 있는 반면, 유전체 공진기 안테나의 방사 패턴이 대역폭 내에서 변형되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 단일 공정으로 다층 기판 공정을 사용함으로써 제작을 용이하게 하고 공정 오차에 의한 안테나 특성의 변화가 적도록 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다중 공진에 의해 대역폭은 더 확보하면서도 상기 다중 공진에 따른 방사 패턴의 변형은 최소화할 수 있는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나는, 다수의 절연층과 도체층이 교대로 적층되어 형성된 다층 기판과, 상기 다층 기판의 최상위 절연층의 상단에 개구부를 갖는 제1 도체판과, 상기 제1 도체판으로부터 적어도 2층 이상이 적층된 최하위 절연층의 하단에 형성되며 상기 개구부에 대응되는 위치의 제2 도체판과, 상기 최상위 절연층과 상기 최하위 절연층 사이의 각 층간을 전기적으로 접속하고, 상기 제1 도체판의 상기 개구부 주위를 소정 간격으로 둘러싸 수직 방향의 금속 경계면을 형성하도록 상기 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 제1 금속 비아홀과, 그리고 상기 제1 도체판, 상기 제2 도체판과, 상기 다수의 제1 금속 비아홀에 의한 금속 경계면에 의해 상기 다층 기판 내에 캐비티 형태로 내장된 유전체 공진기에 고주파 신호를 인가하기 위한 급전 라인을 포함하는 급전부와, 그리고 상기 유전체 공진기 내부에 상기 급전 라인과 교차되는 수직 방향의 금속 경계면이 형성되도록 삽입된 도체 패턴부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유전체 공진기는 육면체 형태인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도체 패턴부는, 상기 유전체 공진기 내부에 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 제2 금속 비아홀과, 그리고 상기 다수의 제2 금속 비아홀이 관통되는 절연층 사이에 상기 다수의 제2 금속 비아홀과 결합되도록 형성된 적어도 하나 이상의 제3 도체판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 금속 비아홀은 상기 급전 라인을 중심으로 상기 급전 라인으로부터 아래로 적어도 1층 이상 적층된 절연층 아래에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 급전부는 스트립 라인 구조인 것을 특징으로 하며, 상기 스트립 라인 구조는, 상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된 급전 라인과, 상기 급전 라인과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인으로부터 위로 적어도 1층 이상 적층된 절연층 상단에 형성된 제1 접지판과, 그리고 상기 급전 라인과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인으로부터 아래로 적어도 1층 이상 적층된 절연층 하단에 형성된 제2 접지판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 접지판은 상기 제1 도체판과 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스트립 라인 구조에서, 상기 급전 라인은 상기 최상위 절연층의 하단 및 상기 최하위 절연층의 상단 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스트립 라인 구조에서, 상기 급전 라인의 말단은 일자형, 스텝형, 테이퍼형 또는 원형 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 급전부는 마이크로 스트립 라인 구조인 것을 특징으로 하며, 상기 마이크로 스트립 라인 구조는, 상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된 급전 라인과, 상기 급전 라인과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인으로부터 적어도 1층 이상 적층된 절연층 하단에 형성된 접지판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 스트립 라인 구조에서, 상기 급전 라인은 상기 최상위 절연층의 상단에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 스트립 라인 구조에서, 상기 급전 라인의 말단은 일자형, 스텝형, 테이퍼형 또는 원형 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 급전부는 CPW(coplanar waveguide) 라인 구조인 것을 특징으로 하며, 상기 CPW 라인 구조는, 상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된 급전 라인과, 상기 급전 라인과 동일면에 형성되며 상기 급전 라인의 일 측면으로부터 이격되도록 형성된 제1 접지판과, 그리고 상기 급전 라인과 동일면에 형성되며 상기 급전 라인의 다른 측면으로부터 이격되도록 형성된 제2 접지판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CPW 라인 구조에서, 상기 제1 접지판과 상기 제2 접지판은 상기 제1 도체판과 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CPW 라인 구조에서, 상기 급전 라인은 상기 최상위 절연층의 상단에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 CPW 라인 구조에서, 상기 급전 라인의 말단은 일자형, 스텝형, 테이퍼형 또는 원형 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나에 따르면, 이중 공진을 사용하지 않고 단일 공진만으로도 약 10% 이상의 대역폭을 확보할 수 있다.
또한, 종래 패치 안테나 또는 스택-패치 안테나에 비해 공정 오차 및 외부 환경에 의한 안테나 특성의 변화가 적어 제작이 용이하고 활용도가 넓다.
또한, 안테나의 방사 패턴을 개구부 방향으로 모아주는 구조로 되어 있어 우수한 안테나 이득 특성을 가질 뿐만 아니라, 상기 개구부를 통한 외부로의 열 방출이 용이하여 방열 특성 또한 우수하다.
또한, 다중 공진 시, 유전체 공진기 안테나 내부에 수직 방향의 도체 패턴부를 삽입함으로써 안테나 방사 패턴의 변형을 방지하여 안테나 특성이 향상된다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 유전체 공진기 안테나의 상면도이다.
도 4는 도 3에 표시된 A-A'선을 따라 절단된 도 1의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 5는 도 3에 표시된 B-B'선을 따라 절단된 도 1의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 6은 종래 스택-패치 안테나에서의 공정 오차에 따른 안테나 특성 변화를 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나에서의 공정 오차에 따른 안테나 특성 변화를 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
도 8은 종래 스택-패치 안테나 및 본 발명의 유전체 공진기 안테나의 공정 오차에 따른 주파수 이동 현상 비교도이다.
도 9는 도 1 내지 5에 도시된 유전체 공진기 안테나에 외부 유전체를 추가한 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 10은 종래 스택-패치 안테나에 외부 유전체를 추가했을 경우, 외부 유전체의 유전율(εr)에 따른 주파수별 반사 손실의 시뮬레이션 그래프이다.
도 11은 도 1 내지 5에 도시된 유전체 공진기 안테나에 외부 유전체를 추가했을 경우, 외부 유전체의 유전율(εr)에 따른 주파수별 반사 손실의 시뮬레이션 그래프이다.
도 12는 기본 모드(TE101)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계(E-field) 분포 중 x-y 평면에서의 전계 분포도이다.
도 13은 기본 모드(TE101)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계 분포 중 x-z 평면에서의 전계 분포도이다.
도 14는 기본 모드(TE101)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계 분포 중 y-z평면에서의 전계 분포도이다.
도 15는 추가 모드(TM111)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계(E-field) 분포 중 x-y 평면에서의 전계 분포도이다.
도 16은 추가 모드(TM111)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계 분포 중 x-z 평면에서의 전계 분포도이다.
도 17은 추가 모드(TM111)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계 분포 중 y-z평면에서의 전계 분포도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나의 x 방향 길이(a)와 대역폭의 관계를 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
도 19 내지 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나에서 x 방향 길이(a)에 따른 반사손실을 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
도 22는 상기 x 방향 길이(a) 변화에 따른 안테나 특성을 비교하기 위해 도 19 내지 21의 각 반사계수 그래프를 통합하여 나타낸 도면이다.
도 23은 유전체 공진기 안테나 내부에 도체 패턴부를 삽입하기 전, 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작하는 유전체 공진기 안테나의 -10dB 매칭 주파수에서의 E-평면(E-plane) 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 24는 유전체 공진기 안테나 내부에 도체 패턴부가 삽입된 유전체 공진기 안테나의 -10dB 매칭 주파수에서의 E-평면(E-plane) 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나의 급전부 구조 중 스트립 라인 구조의 급전부를 갖는 유전체 공진기 안테나의 분해 사시도이다.
도 26은 도 25의 유전체 공진기 안테나의 상면도이다.
도 27은 도 26에 표시된 C-C'선을 따라 절단된 도 25의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 28은 도 26에 표시된 D-D'선을 따라 절단된 도 25의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 29는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나의 급전부 구조 중 마이크로 스트립 라인 구조의 급전부를 갖는 유전체 공진기 안테나의 분해 사시도이다.
도 30은 도 29의 유전체 공진기 안테나의 상면도이다.
도 31은 도 30에 표시된 E-E'선을 따라 절단된 도 29의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 32는 도 30에 표시된 F-F'선을 따라 절단된 도 29의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 33은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나의 급전부 구조 중 CPW 라인 구조의 급전부를 갖는 유전체 공진기 안테나의 분해 사시도이다.
도 34는 도 33의 유전체 공진기 안테나의 상면도이다.
도 35는 도 34에 표시된 G-G'선을 따라 절단된 도 33의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 36은 도 34에 표시된 H-H'선을 따라 절단된 도 33의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
설명의 용이함을 위하여 본 발명의 다층 기판(1)은 4층의 절연층이 적층된 기판을 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 도면에서, 급전부를 위한 도체층 이외의 도체층은 생략된 것으로 간주하여 도시하지 않았음을 일러둔다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 유전체 공진기 안테나의 상면도이며, 도 4는 도 3에 표시된 A-A'선을 따라 절단된 도 1의 유전체 공진기 안테나의 단면도이고, 도 5는 도 3에 표시된 B-B'선을 따라 절단된 도 1의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나는 다층 기판(1), 상기 다층 기판(1)의 최상위 절연층(1a) 상단에 개구부를 갖는 제1 도체판(2), 상기 다층 기판(1)의 최하위 절연층(1d)의 하단에 위치한 제2 도체판(3), 상기 최상위 절연층(1a)과 상기 최하위 절연층(1d) 사이를 관통하는 다수의 제1 금속 비아홀(4), 급전 라인(5a)과 적어도 하나 이상의 접지판(5b, 5c)으로 구성된 급전부(5) 및 상기 유전체 공진기 안테나 내부에 삽입된 도체 패턴부(6)를 포함하여 이루어진다.
상기 다층 기판(1)은 다수의 절연층(1a~1d)과 다수의 도체층(예컨대, 2,3,5a, 5c)이 교대로 적층되어 형성됨으로써, 상기 다층 기판(1) 내에 유전체 공진기를 내장할 수 있다.
종래 유전체 공진기 안테나에서는 단일 기판 위에 직육면체 또는 원통형으로 형성된 유전체 안테나와 공기 사이의 유전율 차이에 의해 경계면이 자벽(Magnetic Wall)과 같이 작용하여 특정 주파수의 공진 모드를 형성한다.
반면에, 본 발명에서와 같이 다층 기판(1) 내부에 유전체 공진기를 내장할 시에는 상기 다층 기판(1)의 수직 방향의 금속 경계면과 상기 다층 기판(1)의 최하위 절연층 하단에 형성된 도체판에 의해 형성된 금속 경계면 및 상기 최상위 절연층 상단에 형성된 개구면의 자벽을 사용해 공진 모드를 유지시켜 준다.
이때, 이상적인 경우에는 다층 구조에서 기판의 수직방향 금속 경계면이 요구되지만, 제작상의 어려움 때문에 일정한 간격으로 배열된 다수의 금속 비아를 사용해 이를 대체할 수 있다.
따라서, 도 1 및 2에 도시된 것처럼, 상기 다층 기판(1)에 유전체 공진기를 내장하기 위하여, 최상위 절연층(1a)의 상단에 개구부를 갖는 제1 도체판(2)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 제1 도체판(2)으로부터 적어도 2층 이상이 적층된 최하위 절연층(1d)의 하단에 상기 개구부에 대응되는 위치의 제2 도체판(3)이 형성되어 있다.
여기서, 상기 제2 도체판(3)의 크기가 도 1에 도시된 것처럼 상기 다수의 제1 금속 비아홀(4)로 형성된 크기의 도체판으로 도시하였다.
그러나, 이는 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 유전체 공진기를 구현하기 위한 최소 크기일 뿐, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 다층 기판(1)과 같은 크기의 도체판을 사용하여도 무방하다.
또한, 상기 최상위 절연층(1a)과 상기 최하위 절연층(1d) 사이의 각 층간을 전기적으로 접속하고 상기 제1 도체판(2)의 상기 개구부 주위를 소정 간격으로 둘러싸 수직 방향의 금속 경계면을 형성하도록 상기 다층 기판(1)을 수직으로 관통하는 다수의 제1 금속 비아홀(4)이 형성되어 있다.
이로써, 상기 제1 도체판(2), 상기 제2 도체판(3) 및 상기 다수의 제1 금속 비아홀(4)에 의해 형성된 금속 경계면에 의해 한 면(이를 테면, 상기 제1 도체판(2)의 개구부가 형성된 면) 만이 개방된 유전체 공진기가 상기 다층 기판(1) 내에 캐비티(cavity) 형태로 내장되게 되는 것이다.
상기 급전부(5)는 상기 다층 기판(1)에 캐비티 형태로 내장된 유전체 공진기에 급전하기 위해 상기 유전체 공진기의 일 측에 형성된다.
이러한 상기 급전부(5)는 상기 다층 기판(1)에 용이하게 형성될 수 있는 스트립 라인, 마이크로 스트립 라인 및 CPW(coplanar waveguide) 라인과 같은 전송 선로(이하 '급전 라인'이라 칭함)를 이용하여 급전할 수 있도록 구현된다.
이러한 상기 급전부(5)는 하나의 급전 라인(5a)과 적어도 하나 이상의 접지판(5b, 5c)으로 구성된다.
도 1 및 2에 도시된 상기 유전체 공진기 안테나의 급전부(5)는 스트립 라인 구조로 되어 있다.
보다 구체적으로, 상기 스트립 라인 구조의 급전부(5)는, 급전 라인(5a), 제1 접지판(5b) 및 제2 접지판(5c)으로 구성된다.
상기 급전 라인(5a)은 상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된다.
이때, 상기 유전체 공진기 안테나 내로 삽입된 급전 라인(5a)의 말단은 기본적으로 일자형이나, 도 3에 도시된 바와 같이, 스텝형(step shape; 5a-1), 테이퍼형(taper shape; 5a-2) 및 원형(round shape; 5a-3) 등의 형태로도 제작될 수 있다.
상기 제1 접지판(5b)은 상기 급전 라인(5a)과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인(5a)으로부터 위로 적어도 1층 이상 적층된 절연층(1a) 상단에 형성된다.
상기 제2 접지판(5c)은 상기 급전 라인(5a)과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인(5a)으로부터 아래로 적어도 1층 이상 적층된 절연층(1b) 하단에 형성된다.
상술한 상기 제1 및 제2 접지판(5b 및 5c)은 상기 급전 라인(5a)과 반드시 대응되는 위치에 형성되어야 하며, 그 크기와 형태에 제한은 없다.
도 1 및 2에서, 상기 제1 접지판(5b)은 최소한 점선으로 구획된 영역 중 상기 급전 라인(5a)과 대응되는 위치에 해당하는 일부 영역(5b)만을 필요로 하나, 이 영역(5b)을 포함하는 상기 제1 도체판(2)으로 대체해도 무방하다.
즉, 상기 제1 접지판(5b)은 상기 제1 도체판(2)과 일체로 형성될 수 있다.
또한, 도 1에서, 상기 제2 접지판(5c)이 상기 급전 라인(5a)과 대응되는 위치에 해당하는 일부 영역으로 형성된 도체판으로 도시되었으나, 도 2에 도시된 것처럼 상기 제1 도체판(2)과 동일한 형태와 크기의 도체판을 사용하여도 무방하다.
도 1 및 2에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나의 경우, 상기 급전 라인(5a)이 제2 절연층(1b)에 형성되고, 상기 급전 라인(5a)으로부터 상하로 각각 1층 적층된 절연층(1a 및 1c)에 상기 제1 및 제2 접지판(5b, 5c)이 형성되어 있다.
따라서, 상기에 언급된 것처럼 상기 제1 도체판(2)의 일부가 상기 제1 접지판(5b)의 역할을 한다.
도 1과 도 2를 비교하면, 상기 제2 도체판(3)과 상기 제1 및 제2 접지판(5b, 5c)의 크기만 다를 뿐, 본 발명의 일 실시예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 안테나로서 동일한 기능과 역할을 한다.
따라서, 이하에서는 도 1에 도시된 유전체 공진기 안테나를 중심으로 설명하기로 하며, 도 2에 도시된 유전체 공진기 안테나에 대한 상세 도면 및 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같은 대역폭 향상을 위한 상기 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기는 급전부(5)의 급전 라인(5a)을 통해 고주파 신호가 인가되며, 상기 유전체 공진기의 형태 및 크기에 따라 특정 주파수에서 공진하는 고주파 신호를 상기 개구부를 통해 방사하는 안테나 방사체로서 기능하게 된다.
한편, 상기 급전부(5)의 급전 라인(5a)은 다층 기판(1)의 최상위 절연층(1a)의 상단과 최하위 절연층(1d)의 상단 사이에 어디에라도 위치할 수 있다.
여러 가지 다른 형태의 급전부 구조 및 제작 시 상기 급전 라인(5a)의 위치에 따른 급전부(5)의 위치 관계에 대해서는, 도 25 내지 36을 참조하여 하기에 보다 더 상세히 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나는 종래 패치 안테나 또는 스택-패치 안테나에 비해 공정 오차에 대한 안테나 특성의 변화가 적다는 장점이 있다.
이러한 공정 오차에 대한 민감도를 도 6 및 7의 그래프를 참조하여 비교하기로 한다.
도 6은 종래 스택-패치 안테나에서의 공정 오차에 따른 안테나 특성 변화를 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
여기서, 상기 시뮬레이션에 사용된 스택-패치 안테나의 상세 치수는, 상부 패치의 면적이 0.5㎜ X 0.8㎜, 하부 패치의 면적이 0.4㎜ X 0.8㎜, 상부-하부 패치 사이의 기판 두께가 0.2㎜, 하부 패치-그라운드 사이의 기판 두께가 0.2㎜, 급전부의 기판 두께가 0.1㎜이며, 기판의 유전율은 6이다.
여기서, 종래 스택-패치 안테나의 주파수에 따른 반사 손실을 실선으로 나타내었으며, 이를 기준으로 상기 스택-패치 안테나의 치수를 ± 5% 조절했을 때의 주파수에 따른 반사 손실을 함께 나타내었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나에서의 공정 오차에 따른 안테나 특성 변화를 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
이때, 상기 시뮬레이션에 사용된 유전체 공진기 안테나의 상세 치수는, 급전 라인(5a)의 길이 방향과 평행한 방향인 x 방향 길이(a)=0.3㎜, y 방향 길이(b)=0.9㎜, z 방향 길이(두께; c)=0.5㎜이며, 기판의 유전율은 6이다.
여기서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나의 주파수에 따른 반사 손실을 실선으로 나타내었으며, 이를 기준으로 상기 유전체 공진기 안테나의 치수를 ± 5% 조절했을 때 주파수에 따른 반사 손실을 함께 나타내었다.
도 6 및 7을 참조하여 반사 손실이 -10dB일 경우를 중심으로 비교해 보면, 종래 스택-패치 안테나에서의 공정 오차에 따른 주파수 이동 현상(도 6에 표시된 a-b-c지점들 간의 간격)이 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나에서의 공정 오차에 따른 주파수 이동 현상(도 7에 표시된a-b-c 지점들 간의 간격) 보다 더 크다.
이는 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나가 종래 스택-패치 안테나에 비해 공정 오차에 의한 민감도가 낮다는 것을 의미한다.
즉, 종래 패치 안테나 또는 스택-패치 안테나는 패치 안테나의 급전 라인의 길이 방향과 평행한 방향인 x 방향 길이에 의해서 공진 주파수가 결정된다.
반면에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나는 x 방향 길이(a), y 방향 길이(b) z 방향 길이(두께)(c)에 의해서 공진 주파수가 결정되므로 한쪽 방향의 공정 오차가 공진 주파수에 미치는 영향을 감소시켜주게 되는 것이다.
도 8은 종래 스택-패치 안테나 및 본 발명의 유전체 공진기 안테나의 공정 오차에 따른 주파수 이동 현상 비교도이다.
도 8을 참조하면, 종래 스택-패치 안테나는 공정 오차에 따른 주파수 이동이 비례하여 변화하나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나는 공정 오차에 따른 주파수 이동이 거의 일정하다.
즉, 본 발명의 유전체 공진기는 공정 오차가 주파수 이동에 큰 영향을 미치지 않으므로 종래 스택-패치 안테나에 비해 공정 오차에 의한 민감도가 낮다고 볼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나는 종래 패치 안테나 또는 스택-패치 안테나에 비해 외부 환경 변화에 의한 안테나 특성 변화도 적다는 장점이 있는데, 이를 도 9 내지 11을 참조하여 설명하기로 한다.
도 9는 도 1 내지 5에 도시된 유전체 공진기 안테나에 외부 유전체를 추가한 유전체 공진기 안테나의 단면도를 도시한다.
도 9를 참조하면, 도 1~5에 도시된 유전체 공진기 안테나의 방사 개구부 위에 외부 유전체(7)가 추가되어 있다.
이렇게 외부 유전체(7)가 추가되었을 때, 종래 패치 안테나와 본 발명의 안테나에서 주파수에 따른 반사 손실을 비교해 보면, 외부 환경에 의한 안테나 특성 변화의 확연한 차이를 알 수 있다.
도 10은 종래 스택-패치 안테나에 외부 유전체(7)를 추가했을 경우, 외부 유전체(7)의 유전율(εr)에 따른 주파수별 반사 손실의 시뮬레이션 그래프이다.
여기서, 상기 시뮬레이션에 사용된 종래 스택-패치 안테나는 도 6에서 설명한 안테나의 치수와 동일하다.
도 11은 도 1 내지 5에 도시된 유전체 공진기 안테나에 외부 유전체(7)를 추가했을 경우, 외부 유전체(7)의 유전율(εr)에 따른 주파수별 반사 손실의 시뮬레이션 그래프이다.
여기서, 상기 시뮬레이션에 사용된 본 발명의 유전체 공진기 안테나는 도 7에서 설명한 안테나의 치수와 동일하다.
도 10 및 11을 비교해 보면, 도 10은 상기 외부 유전체(7)의 유전율(εr)에 따라 주파수의 이동뿐만 아니라 반사 손실이 크게 변화함을 알 수 있다.
즉, 반사 손실이 -10dB인 지점을 기준으로 상기 외부 유전체(7)의 유전율(εr)이 높을수록 반사 손실이 커진다.
특히, 상기 외부 유전체(7)의 유전율(εr)이 4인 경우(점선으로 표시) 모든 주파수에서 -10dB 이상의 반사 손실을 가지므로 안테나 특성이 좋지 않음을 알 수 있다.
반면에, 도 11은 상기 외부 유전체(7)의 유전율(εr)에 따라 공진 주파수의 이동은 있으나, 반사 손실이 -10dB 인 지점을 기준으로 유사한 반사 손실 형태를 유지하고 있다.
즉, 본 발명에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나는 상기 외부 유전체(7)의 유전율(εr)이 증가하여도 공진 주파수의 이동만 있을 뿐 반사 손실은 양호하게 유지된다.
따라서, 본 발명에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나는 종래 스택-패치 안테나에 비해 외부 환경의 변화에 따른 안테나의 특성 변화가 적다는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나는 공진을 기반으로 하는 안테나이다.
도 1 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나는 육면체 형태이며, x방향 길이(a), y방향 길이(b) 및 z방향 길이(두께)(c)로 그 크기가 결정된다.
이러한 유전체 공진기 안테나는 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기의 크기에 따라 공진 주파수가 결정된다.
또한, 본 발명의 일 실시에에 따른 유전체 공진기 안테나는 상기 급전부(5)의 급전 라인(5a)의 길이 방향과 평행한 방향인 x방향 길이(a)에 따라 유전체 안테나 공진기 내부에 하나의 공진 주파수만 존재하는 단일 공진 또는 두 개의 공진 주파수가 중첩되어 상호 작용되는 이중 공진으로 동작할 수 있다.
보다 자세하게, 단일 공진은 상기 x 방향 길이(a)에 따라 유전체 공진기 안테나 내부에 하나의 공진 모드만 존재하여 급전한 주파수에서 공진점이 한 개만 발생하는 현상을 의미한다.
또한, 이중 공진은 상기 x 방향 길이(a)에 따라 유전체 공진기 안테나 내부에 두 개의 공진 모드가 함께 존재하여 상기 두 개의 공진 모드의 중첩 및 상호작용에 의해 급전한 주파수에서 공진점이 2개가 발생하는 현상을 의미한다.
한편, 본 발명에서의 단일 공진이란, 여러 개의 공진 모드 중 가장 낮은 주파수를 갖는 공진 모드, 즉, 기본 모드(fundamental mode)(예컨대, TE101)만 존재할 때를 말하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
그리고, 본 발명에서의 이중 공진이란, 상기 기본 모드(TE101) 외에 추가 모드(extra mode)(예컨대, TM111)가 함께 존재할 때를 말하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.
그러면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나가 기본 모드(TE101) 및 추가 모드(TM111)로 동작하는 경우, 상기 유전체 공진기 안테나에서의 전계(E-field) 분포를 도 12 내지 14 및 도 15 내지 17을 참조하여 살펴보기로 한다.
여기서, 본 실시 예에 따른 유전체 공진기 안테나는 내부에 도체 패턴부(6)가 삽입되지 않은 상태의 유전체 공진기만을 도시하였으며, 상기 유전체 공진기 내부에 삽입되는 급전 라인(5a)도 생략하였다.
도 12는 기본 모드(TE101)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계(E-field) 분포 중 x-y 평면에서의 전계 분포도이고, 도 13은 기본 모드(TE101)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계 분포 중 x-z 평면에서의 전계 분포도이며, 도 14는 기본 모드(TE101)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계 분포 중 y-z평면에서의 전계 분포도이다.
도 12 내지 14를 참조하면, 기본 모드(TE101)에서 상기 유전체 공진기 안테나는 상기 급전부(5)의 급전 라인(5a)의 길이 방향과 평행하는 x방향으로 균일한 전계(E-field) 분포를 갖는 것을 알 수 있다.
도 15는 추가 모드(TM111)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계(E-field) 분포 중 x-y 평면에서의 전계 분포도이고, 도 16은 추가 모드(TM111)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계 분포 중 x-z 평면에서의 전계 분포도이며, 도 17은 추가 모드(TM111)로 동작하는 유전체 공진기 안테나에서의 전계 분포 중 y-z평면에서의 전계 분포도이다.
도 15 내지 17을 참조하면, 추가 모드(TM111)에서 상기 유전체 공진기 안테나는 기본 모드(TE101)에서와는 달리, x방향 전계(E-field)와 -x방향 전계(E-field)가 상기 유전체 공진기 안테나의 중심부에서 -z방향으로 분포되는 전계(E-field)를 갖는 것을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나의 x방향 길이(a)와 대역폭의 관계를 나타내는 시뮬레이션 그래프이다.
여기서, 본 시뮬레이션에 사용된 유전체 공진기 안테나의 상세 치수는, y 방향 길이(b)=0.9㎜, z 방향 길이(두께)(c)=0.5㎜이며, 기판의 유전율은 6이다.
도 18을 참조하면, 상기 유전체 공진기 안테나는 x방향 길이(a)가 증가함에 따라 약 1.2㎜ 부근의 점선을 중심으로 좌편에서는 단일 공진 (TE101)으로 동작하고 우편에서는 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작 된다.
상기 유전체 공진기 안테나가 단일 공진(TE101)으로 동작하는지 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작하는지는 주파수에 따른 반사손실을 측정하여 알 수 있다.
도 19 내지 21은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(10)에 내장된 유전체 공진기 안테나에서 x 방향 길이(a)에 따른 반사손실을 나타내는 시뮬레이션 그래프로서, 상기 x 방향 길이(a)가 차례로 a=0.9㎜, 1.1㎜ 및 1.3㎜이다. 여기서, 본 시뮬레이션에 사용된 유전체 공진기 안테나의 상세 치수는 도 18에 설명한 것과 동일하다.
도 22는 상기 x 방향 길이(a) 변화에 따른 안테나 특성을 비교하기 위해 도 19 내지 21의 각 반사계수 그래프를 통합하여 나타낸 도면이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 상기 x방향 길이(a)가 0.9㎜인 경우 상기 유전체 공진기 안테나는 약 60GHz에서 공진되는 것을 알 수 있다.
이에 따라, 도 19의 경우, 안테나로서 동작하는 범위로 -10dB를 기준으로 보면 약 60GHz 전후의 대역(a 대역)에서만 공진되므로 단일 공진 (TE101)으로 동작한다.
도 20에 도시된 바와 같이, 상기 x 방향 길이(a)가 1.1㎜인 경우 상기 유전체 공진기 안테나는 약 60GHz와 약 70GHz 에서 공진되는 것을 알 수 있다.
그러나, 도 20의 경우, 안테나로서 동작하는 범위로 -10dB를 기준으로 보면 약 60GHz 전후의 대역(b 대역)과 약 70GHz 전후의 대역(c 대역)에서 두 번 공진되나, 상기 b 대역과 c 대역 사이에서는 공진이 되지 않으므로 이중 공진 (TE101 + TM111)이 아닌 단일 공진(TE101)으로 간주한다.
또한, 도 19와 비교하여 대역폭이 더 넓어졌음을 알 수 있다(b 대역 > a 대역).
도 21에 도시된 바와 같이, 상기 x 방향 길이(a)가 1.3㎜인 경우 상기 유전체 공진기 안테나도 역시 약 60GHz와 약 70GHz 에서 공진되는 것을 알 수 있다.
그러나, 도 21의 경우, 안테나로서 동작하는 범위로 -10dB를 기준으로 보면 약 60GHz 내지 약 70GHz 사이의 대역(d대역)이 모두 공진되므로 도 20의 경우와 달리 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작한다.
또한, 도 19 및 20과 비교하여 대역폭이 훨씬 더 넓어졌음을 알 수 있다(d 대역 > b 대역 > a 대역).
도 22를 참조하면, 상기 유전체 공진기 안테나의 x 방향 길이(a)가 증가함에 따라 단일 공진(TE101) 및 이중 공진(TE101 + TM111)이 발생되고, 상기 단일 공진(TE101)에 비해 이중 공진(TE101 + TM111)일 경우 대역폭이 더 넓다는 것을 알 수 있다.
이러한 상기 유전체 공진기 안테나가 기본 모드(TE101)에서 동작할 경우, 공진 주파수(f)는 다음의 식(1)과 같다:
Figure pat00001
(1)
상기 식(1)을 참조하면, 유전체 공진기 안테나의 공진 주파수(f)는 y방향 길이(b)와 두께(c)에 따라 결정되며, x 방향 길이(a)는 공진 주파수(f)에 영향을 미치지 않는다.
이는 도 12 내지 14에 설명한 바와 같이, 상기 유전체 공진기 안테나가 기본 모드(TE101)일 경우 상기 급전부(5)의 급전 라인(5a)의 길이 방향과 평행하는 x 방향으로 균일한 전계(E-field) 분포를 갖기 때문이다.
또한, 기본 모드(TE101)에서 상기 x방향 길이(a)를 증가시키면 방사면의 증가로 Q(Quality factor)값이 감소한다. Q값이 감소한다는 것은, 다시 말해, 대역폭이 증가 되었음을 의미한다.
도 18을 참조하면, 상기 유전체 공진기 안테나가 기본 모드(TE101)의 단일 공진으로 동작할 때, 상기 x 방향 길이(a)가 증가됨에 따라 10dB-매칭 대역폭이 증가되는 것을 알 수 있다.
그러나, 상기 x 방향 길이(a)를 점선으로 표시된 길이 이상으로 지속적으로 증가시키면 상기 유전체 공진기 안테나에서는 이중 공진(TE101 + TM111)이 발생된다.
이러한 상기 유전체 공진기 안테나가 이중 공진(TE101 + TM111)에서 동작할 경우, 이중 공진의 두 번째 공진에 해당하는 추가 모드(TM111)에서의 공진 주파수(f)는 하기 식(2)와 같다:
Figure pat00002
(2)
상기 식(2)를 참조하면, 상기 유전체 공진기 안테나의 공진 주파수(f)는, 기본 모드(TE101)에서와 달리, x 방향 길이(a), y 방향 길이(b) 및 z 방향 길이(두께)(c) 모두에 따라 결정된다.
이는 도 15 내지 17에 설명한 바와 같이, 상기 유전체 공진기 안테나가 추가 모드(TM111)로 동작할 경우 x 방향 전계와 -x 방향 전계가 상기 유전체 공진기 안테나의 중심부에서 -z방향으로 분포되는 전계(E-field)를 갖기 때문이다.
다시 도 18을 참조하면, 상기 유전체 공진기 안테나가 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작할 때, 상기 x 방향 길이(a)가 증가됨에 따라 P지점까지는 10dB-매칭 대역폭이 소폭 상승하나 상기 P지점 이후 급격히 저하되는 것을 알 수 있다.
이처럼, 상기 유전체 공진기 안테나는 x 방향 길이(a)를 증가시켜 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작시킴으로써 대역폭을 증가시킬 수 있다.
그러나, 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작하는 유전체 공진기 안테나의 경우 두 가지 모드가 중첩(overlap)되면서 대역폭이 불규칙적으로 증가하는 현상이 발생한다.
다시 말해, 이중 공진(TE101 + TM111)의 경우 두 공진 주파수에서의 E-평면(E-Plane) 방사 패턴이 서로 달라 전체적인 방사 패턴이 불규칙적으로 변형된다.
도 23은 상기 유전체 공진기 안테나 내부에 상기 도체 패턴부(6)를 삽입하기 전, 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작하는 유전체 공진기 안테나의 -10dB 매칭 주파수에서의 E-평면(E-plane) 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 23을 참조하면, 상기 유전체 공진기 안테나는 두 공진 주파수(61.2GHz 및 70.1GHz)에서의 방사 패턴이 서로 일치하지 않는 것을 알 수 있다.
상기 방사 패턴이 일치하지 않는다는 것은 수신감도가 일정하지 않고 잡음(noise)이 많이 발생된다는 것으로 안테나로서의 특성이 저하됨을 의미한다.
도 24는 상기 유전체 공진기 안테나 내부에 후술될 도체 패턴부(6)가 삽입된 유전체 공진기 안테나의 -10dB 매칭 주파수에서의 E-평면(E-plane) 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 24를 참조하면, 상기 유전체 공진기 안테나는 두 공진 주파수(57.6GHz및 62.5GHz)에서의 방사 패턴이 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
도 23과 도 24를 비교하면, 대역폭은 도 23의 경우가 더 넓은 반면, 안테나의 방사 특성은 도 24의 경우가 더 우수함을 알 수 있다.
따라서, 이중 공진(TE101 + TM111)으로 동작하는 유전체 공진기 안테나의 경우, 추가 모드(TM111)를 제거하여 안테나의 방사 특성을 좋게 하기 위해 상기 유전체 공진기 안테나 내부에 도체 패턴부(6)를 삽입한다.
상기 도체 패턴부(6)가 상기 유전체 공진기 내부에 삽입되면, 이중 공진(TE101 + TM111) 시 상기 유전체 공진기 내부에 형성된 전계(E-field)(도 15 내지 17 참조)의 접선 전계(Tangential field)를 제거하고 법선 전계(Normal field)를 유지시켜 효과적으로 추가 모드( TM111)만을 제거할 수 있다.
이러한 상기 도체 패턴부(6)는 상기 유전체 공진기 안테나가 이중 공진 시 상기 유전체 공진기 중앙에 강한 전계(E-field)를 가지므로 x방향 길이(a)의 중심(a/2)에 위치하는 것이 가장 바람직하다.
구체적으로, 도 1 내지 5를 다시 참조하면, 상기 도체 패턴부(6)는 상기 유전체 공진기 내부에 상기 급전 라인(5a)과 교차되는 수직방향의 금속 경계면을 형성하도록 급전 라인(5a)으로부터 아래로 적어도 1층 이상 적층된 절연층 아래에 형성된다.
이러한 상기 도체 패턴부(6)는 상기 유전체 공진기 내부에 다층 기판(1)을 수직으로 관통하는 다수의 제2 금속 비아홀(6b)과, 상기 다수의 제2금속 비아홀(6b)이 관통되는 절연층(1a~1d) 사이에 상기 다수의 제2 금속 비아홀(6a)과 결합되도록 형성된 적어도 하나 이상의 제3 도체판(6a, 6c)으로 이루어진다.
상기 도체 패턴부(6)는 상기 다수의 제2 금속 비아홀(6b)과 상기 적어도 하나 이상의 제3 도체판(6a, 6c)에 의해, 도 5에 도시된 바와 같은 그물 형태의 도체 패턴으로 상기 유전체 공진기 내부에 상기 급전 라인(5a)과 교차되는 수직방향의 금속 경계면을 형성할 수 있게 된다.
도 5를 참조하면, 상기 다수의 제2 금속 비아홀(6b)은 상기 급전 라인(5a)을 중심으로 상기 급전 라인(5a)으로부터 아래로 적어도 1층 이상 적층된 절연층 아래에 형성되어야 한다.
또한, 상기 다수의 제2 금속 비아홀(6b)은 상기 급전 라인(5a)을 중심으로 좌우로는 모든 절연층에 형성될 수 있다.
다만, 상기 다수의 제2 금속 비아홀(6b)은 상기 급전 라인(5a)으로부터 개구부까지 상기 급전 라인(5a) 바로 위의 모든 절연층에는 형성되어서는 안 된다.
도 5에서는, 상기 도체 패턴부(6)가 전체적으로 말굽 형태로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며 사각 형태를 포함한 여러 가지 형태로 형성될 수도 있다.
한편, 종래의 기판 외부에 제작된 유전체 공진기 안테나에 고주파 신호를 인가하기 위한 급전부는 상기 유전체 공진기 내부에 금속 프로브를 삽입해 전류를 인가하는 방법이 가장 이상적이다.
하지만, 제작의 용이함을 위해 기판 내부에 제작된 전송 라인과 기판 외부에 제작된 유전체 공진기 사이의 커플링(coupling)을 통한 급전 방법이 사용된다.
다층 구조를 갖는 상기 스트립 라인, 마이크로 스트립 라인, 및 CPW 라인과 같은 구조의 급전부(5)는 안테나 방사체인 상기 유전체 공진기가 상기 다층 기판(1) 내에 내장되어 있기 때문에 쉽게 구현 가능하다.
이하에서, 상기에 언급한 여러 가지 형태의 급전부 구조와 그에 따른 상기 급전 라인의 위치 관계에 대해 도 25 내지 36을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 도 25 내지 28은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나의 급전부(5) 구조 중 스트립 구조로 구현한 예로서, 도 25는 스트립 구조의 급전부를 갖는 유전체 공진기 안테나의 분해 사시도이고, 도 26은 도 25의 유전체 공진기 안테나의 상면도이고, 도 27은 도 26에 표시된 C-C'선을 따라 절단된 도 25의 유전체 공진기 안테나의 단면도이며, 도 28은 도 26에 표시된 D-D'선을 따라 절단된 도 25의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 25 내지 28에 도시된 유전체 공진기 안테나의 급전부는, 도 1에 도시된 유전체 공진기 안테나의 급전부(5)에서 급전 라인(5a)의 위치를 제외하면 도 1에 설명한 급전부(5)와 유사하므로, 각 구성요소에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.
도 1에 도시된 급전부(5)와 도 25 내지 28에 도시된 급전부(5)의 구조를 비교해 보면, 급전 라인(5a)의 위치가 다르다는 점이다.
도 1의 경우, 급전 라인(5a)이 제1 절연층(1a)과 제2 절연층(1b) 사이에 위치하는 반면, 도 25 내지 28의 급전 라인(5a)은 제2 절연층(1b)과 제3 절연층(1c) 사이에 위치한다.
이처럼, 스트립 구조의 급전부(5)는 급전 라인(5a)과, 상기 급전 라인(5a)으로부터 상하로1층 이상 적층된 상하위 절연층에 각각 형성된 제1 및 제2 접지판(5b 및 5c)을 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 급전 라인(5a)의 위치에 따라 상기 제1 및 제2 접지판(5a 및 5c)의 위치가 달라질 수 있고, 상기 급전 라인(5a)은 상기 최상위 절연층(1a)의 하단 및 상기 최하위 절연층(1d)의 상단 사이의 어디에라도 위치하는 것이 가능하다.
다음, 도 29 내지 32는 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나의 급전부(5) 구조 중 마이크로 스트립 구조로 구현한 예로서, 도 29는 마이크로 스트립 구조의 급전부(5)를 갖는 유전체 공진기 안테나의 분해 사시도이고, 도 30은 도 29의 유전체 공진기 안테나의 상면도이고, 도 31은 도 30에 표시된 E-E'선을 따라 절단된 도 29의 유전체 공진기 안테나의 단면도이며, 도 32는 도 30b에 표시된 F-F'선을 따라 절단된 도 29의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 29 내지 32에 도시된 마이크로 스트립 구조의 급전부(5)는, 상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된 급전 라인(5a)을 포함한다.
또한, 상기 급전부(5)는 상기 급전 라인(5a)과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인(5a)으로부터 적어도 1층 이상 적층된 절연층(1a) 하단에 형성된 접지판(5b)을 포함한다.
이때, 상기 마이크로 스트립 라인 구조의 급전부(5) 역시 상기 급전 라인(5a)의 말단은 기본적으로 일자형이며, 도 3에 도시된 바와 같이, 스텝형(step shape; 5a-1), 테이퍼형(taper shape; 5a-2) 및 원형(round shape; 5a-3) 등의 형태로도 제작될 수 있다.
다음, 도 33 내지 36은 본 발명의 일 실시 예에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판(1)에 내장된 유전체 공진기 안테나의 급전부(5) 구조 중 CPW 라인 구조로 구현한 예로서, 도 33은 CPW 구조의 급전부(5)를 갖는 유전체 공진기 안테나의 분해 사시도이고, 도 34는 도 33의 유전체 공진기 안테나의 상면도이고, 도 35는 도 34에 표시된 G-G'선을 따라 절단된 도 33의 유전체 공진기 안테나의 단면도이며, 도 36은 도 34에 표시된 H-H'선을 따라 절단된 도 33의 유전체 공진기 안테나의 단면도이다.
도 33 내지 36에 도시된 CPW 라인 구조의 급전부(5)는, 상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된 급전 라인(5a)을 포함한다.
또한, 상기 급전부(5)는 상기 급전 라인(5a)과 동일면에 형성되며 상기 급전 라인(5a)의 일 측면으로부터 소정 간격(d) 이격되도록 형성된 제1 접지판(5b) 및 상기 급전 라인(5a)과 동일면에 형성되며 상기 급전 라인(5a)의 다른 측면으로부터 소정 간격(d) 이격되도록 형성된 제2 접지판(5c)을 포함한다.
이때, 상기 제1 및 제2 접지판(5b 및 5c)은 상기 제1 도체판(2)과 일체로 형성될 수 있다.
상기 마이크로 스트립 구조와 상기 CPW 라인 구조에의 급전 라인(5a)은 상기 다층 기판(1)의 최상위 절연층(1a)의 상단에 형성될 수 있다.
이때, 상기 CPW 라인 구조의 급전부(5) 역시 상기 급전 라인(5a)의 말단은 기본적으로 일자형이며, 도 3에 도시된 바와 같이, 스텝형(step shape; 5a-1), 테이퍼형(taper shape; 5a-2) 및 원형(round shape; 5a-3) 등의 형태로도 제작될 수 있다.
이로써, 본 발명에 따른 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나의 급전 라인(5a)은 상기 다층 기판(1)의 최하위 절연층(1d)의 하단을 제외하고 어디에라도 위치될 수 있으므로, 제작 시 급전 라인(5a)의 설계 자유도가 높아 제작이 용이하고 활용도가 높다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 다층 기판 2: 제1 도체판
3: 제2 도체판 4: 제1 금속 비아홀
5a: 급전 라인 5b: 제1 접지판
5c: 제2 접지판 6: 도체 패턴부
6a, 6c: 제 3 도체판 6b: 제 2 금속 비아홀
7: 외부 유전체

Claims (18)

  1. 다수의 절연층과 도체층이 교대로 적층되어 형성된 다층 기판;
    상기 다층 기판의 최상위 절연층의 상단에 개구부를 갖는 제1 도체판;
    상기 제1 도체판으로부터 적어도 2층 이상이 적층된 최하위 절연층의 하단에 형성되며 상기 개구부에 대응되는 위치의 제2 도체판;
    상기 최상위 절연층과 상기 최하위 절연층 사이의 각 층간을 전기적으로 접속하고, 상기 제1 도체판의 상기 개구부 주위를 소정 간격으로 둘러싸 수직 방향의 금속 경계면이 형성되도록 상기 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 제1 금속 비아홀;
    상기 제1 도체판, 상기 제2 도체판, 및 상기 다수의 제1 금속 비아홀에 의한 금속 경계면에 의해 상기 다층 기판 내에 캐비티 형태로 내장된 유전체 공진기에 고주파 신호를 인가하기 위한 급전 라인을 포함하는 급전부; 및
    상기 유전체 공진기 내부에 상기 급전 라인과 교차되는 수직 방향의 금속 경계면이 형성되도록 삽입된 도체 패턴부를 포함하여 이루어진 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전체 공진기는 육면체 형태인 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도체 패턴부는,
    상기 유전체 공진기 내부에 다층 기판을 수직으로 관통하는 다수의 제2 금속 비아홀; 및
    상기 다수의 제2 금속 비아홀이 관통되는 절연층 사이에 상기 다수의 제2 금속 비아홀과 결합되도록 형성된 적어도 하나 이상의 제3 도체판을 포함하는 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 금속 비아홀은 상기 급전 라인을 중심으로 상기 급전 라인으로부터 아래로 적어도 1층 이상 적층된 절연층 아래에 형성되는 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 급전부는 스트립 라인 구조인 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  6. 제5에 있어서, 상기 스트립 라인 구조는,
    상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된 급전 라인;
    상기 급전 라인과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인으로부터 위로 적어도 1층 이상 적층된 절연층 상단에 형성된 제1 접지판; 및
    상기 급전 라인과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인으로부터 아래로 적어도 1층 이상 적층된 절연층 하단에 형성된 제2 접지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 접지판은 상기 제1 도체판과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  8. 제6항에 있어서, 상기 급전 라인은 상기 최상위 절연층의 하단 및 상기 최하위 절연층의 상단 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  9. 제6항에 있어서, 상기 급전 라인의 말단은 일자형, 스텝형, 테이퍼형 또는 원형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  10. 제1항에 있어서, 상기 급전부는 마이크로 스트립 라인 구조인 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  11. 제10항에 있어서, 상기 마이크로 스트립 라인 구조는,
    상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된 급전 라인; 및
    상기 급전 라인과 대응되도록 위치되며 상기 급전 라인으로부터 적어도 1층 이상 적층된 절연층 하단에 형성된 접지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  12. 제11항에 있어서, 상기 급전 라인은 상기 최상위 절연층의 상단에 형성되는 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  13. 제11항에 있어서, 상기 급전 라인의 말단은 일자형, 스텝형, 테이퍼형 또는 원형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  14. 제1항에 있어서, 상기 급전부는 CPW(coplanar waveguide) 라인 구조인 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 공진기 안테나.
  15. 제14항에 있어서, 상기 CPW 라인 구조는,
    상기 유전체 공진기의 개구부와 수평되게 상기 유전체 공진기의 일측면으로부터 상기 유전체 공진기의 내부로 삽입되도록 연장된 라인 형태의 도체판으로 형성된 급전 라인;
    상기 급전 라인과 동일면에 형성되며 상기 급전 라인의 일 측면으로부터 이격되도록 형성된 제1 접지판; 및
    상기 급전 라인과 동일면에 형성되며 상기 급전 라인의 다른 측면으로부터 이격되도록 형성된 제2 접지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 접지판과 상기 제2 접지판은 상기 제1 도체판과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  17. 제15항에 있어서, 상기 급전 라인은 상기 최상위 절연층의 상단에 형성되는 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
  18. 제15항에 있어서, 상기 급전 라인의 말단은 일자형, 스텝형, 테이퍼형 또는 원형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대역폭 향상을 위한 다층 기판에 내장된 유전체 공진기 안테나.
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