KR20120078896A - 안테나 및 그 구현 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 및 그 구현 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대수 주기 안테나(Log periodic antenna)를 이용하여 구현되는 위상 어레이 안테나(Phased array antenna)에 관한 것이다.
본 명세서에서 개시하는 안테나는 복수의 개별 안테나를 통해 소정의 전파 신호를 외부에 방사시키는 방사부; 단일 포트를 통해 입력되는 전파 신호를 상기 개별 안테나의 개수만큼 분기시켜(branching) 각 개별 안테나에 전달하는 신호 분기부; 및 상기 각 개별 안테나에 전달된 상기 분기된 입력 전파 신호의 위상(phase)을 조정하는 위상 조정부를 포함하고, 상기 방사부는 상기 각 개별 안테나를 어레이(array) 형태로 구비하고, 상기 각 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호를 상기 조정된 위상에 따라 외부로 방사시켜 본 발명의 과제를 해결한다.

Description

안테나 및 그 구현 방법{Antenna and Method for configuring the same}

본 발명은 안테나 및 그 구현 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대수 주기 안테나(Log periodic antenna)를 이용하여 구현되는 위상 어레이 안테나(Phased array antenna) 및 반도체 제조 공정을 이용하여 이 안테나를 구현하는 방법에 관한 것이다.

정보의 전송량 증가와 주파수 자원의 고갈로 인해서 더욱 높은 주파수를 갖는 전파를 활용하여 정보를 전송할 수 있는 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 높은 주파수를 갖는 전파를 이용하여 정보를 정상적으로 전송할 수 있도록 하는 소자들의 개발은 매우 중요하다. 특히 77[GHz]에서 동작하는 자동 충돌 방지 시스템이나 94[GHz]에서 동작하는 레이더 센서 시스템, 밀리미터파(30 ~ 300 GHz) 이미징 시스템 등의 전파 전송 시스템(이하 '시스템'으로 언급)에 장착되는 안테나(antenna)는 이러한 소자들 중 매우 중요한 소자 중에 하나이다.

시스템에 장착되는 안테나의 경우 특히 안테나의 방사 패턴의 각이 가급적 작게 형성되어야 함이 바람직하다. 방사 패턴의 각을 작게 형성하기 위해서는 안테나 하나로는 무리가 따르기 때문에 개별 안테나 여러 개를 집적화하여 어레이 안테나(array antenna)로 구성하여 방사 패턴의 각을 작게 형성하도록 한다.

또한 안테나의 디멘젼(크기)도 시스템의 소형화 구현 추세와 맞물려 소형으로 구현되어야 할 필요성이 있으며, 아울러 안테나를 시스템의 다른 파트와 일체화해서 구현해야 할 필요도 있다. 그러므로 안테나를 시스템과 동일한 기판(substrate)에서 평면형(planar)으로 제작하여 집적화하는 방안도 개발될 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 필요성을 인식하여 창안된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 시스템에 장착되는 안테나의 상기한 요구되는 특성을 만족시킬 수 있는 안테나 및 그 구현 방법을 제시하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 명세서에서 개시하는 안테나는

복수의 개별 안테나를 통해 소정의 전파 신호를 외부에 방사시키는 방사부; 단일 포트를 통해 입력되는 전파 신호를 상기 개별 안테나의 개수만큼 분기시켜(branching) 각 개별 안테나에 전달하는 신호 분기부; 및 상기 각 개별 안테나에 전달된 상기 분기된 입력 전파 신호의 위상(phase)을 조정하는 위상 조정부를 포함하고, 상기 방사부는 상기 각 개별 안테나를 어레이(array) 형태로 구비하고, 상기 각 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호를 상기 조정된 위상에 따라 외부로 방사시켜 본 발명의 과제를 해결한다.

이때 상기 개별 안테나는 대수 주기(Log periodic) 안테나이고, 상기 전파 신호는 밀리미터파(millimeter wave) 신호이며, 상기 대수 주기 안테나의 이중 극자(dipole)는 2개로 구현하는 것이 본 발명의 과제 해결에 바람직하다.

본 발명에 의하면, 개별 대수 주기 안테나가 복수로 어레이 형태로 구현되기 때문에 안테나의 빔 폭이(방사 패턴의 각이) 대폭 줄어들어 작은 빔 폭을 요구하는 자동 충돌 방지 시스템이나 이미징 시스템 등과 같은 밀리미터파 응용 분야에 적합하다.

그리고 이러한 시스템과 동일한 기판위에 반도체 공정을 이용하여 제작하기 때문에 기존의 안테나 구현 방안들과는 달리 시스템의 다른 파트와 안테나 파트를 연결시키기 위한 와이어 본딩(wire bonding) 등이 필요가 없으며 제작하는 중간에 에어-브리지(air-bridge) 공정을 통해서 연결시킬 수 있다. 즉, 시스템과 같은 기판 위에 집적화하여 시스템의 다른 파트와 동시에 제작할 수 있기 때문에 다른 파트와 안테나를 따로 제작하여 연결시키기 위한 추가적인 공정을 진행할 필요가 없으므로 제작비용 및 제작시간의 현저한 감소를 가져올 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 바람직한 일 구성 및 실시예를 제시한 도면이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하려는 과제의 해결 방안의 개요를 우선 제시한다.

밀리미터파(millimeter wave) 등을 포함한 고주파 신호를 이용하여 정보를 전송하는 시스템(이하 '시스템'으로 약칭)에 장착되는 안테나를 구현하기 위해 고려해야 할 여러 사항 중에서 가장 중요한 사항은 안테나의 빔 폭(beam width)을 최대한 작게(방사 패턴의 각을 최대한 작게) 하는 것이다. 이를 위해 가장 바람직한 방안은 여러 개의 개별 안테나를 하나로 집적하여 어레이 형태로 안테나를 구현하는 것이다.

어레이 안테나를 통해 외부로 방사(출력)되는 전파 신호는 하나의 입력 포트에서 오는 전파 신호이므로 입력 전파 신호를 개별 안테나의 개수만큼 분기시켜(branching) 어레이 안테나의 각 개별 안테나로 전달하며, 각 개별 안테나로 전달된 입력 전파 신호는 위상차(phase difference)를 두고 외부로 방사되도록 하여 안테나의 바람직한 특성의 발현을 꾀한다.

아울러 본 발명에 의한 안테나의 실제 구현은 시스템의 제작과 동시에 이루어질 수 있도록 시스템이 구현되는 반도체 기판 위에 직접 제작하도록 한다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 안테나의 일 구성 및 일 실시예를 제시한 도면이다.

신호 분기부(11)는 단일 포트를 통해 입력되는 전파 신호를 후술할 방사부(13)에 위치하는 각 개별 안테나에 전달하기 위해 상기 입력 전파 신호를 개별 안테나의 개수만큼 분기시키는(branching) 기능을 수행한다.

위상 조정부(12)는 방사부(13)에 위치하는 각 개별 안테나에 전달된 상기 각 입력 전파 신호의 위상(phase)을 조정하는 기능을 수행하는 부분으로, 특정 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호의 위상을 기준 위상으로 하고, 나머지 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호의 위상을 상기 기준 위상과 다르게 하여 상기 단일 포트를 통해 입력된 전파 신호가 각 개별 안테나에서 시간차(위상차)를 두고 외부에 방사되도록 한다. 즉, 위상 조정부(12)는 각 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호가 모두 동시에 외부에 방사되도록 하는 것이 아니라 나머지 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호의 위상을 상기 기준 위상보다 지연(delay)시킨다.

각 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호의 위상을 다르게 하면 각 개별 안테나가 독립적으로 동작하는 효과를 볼 수 있어, 이달된 입력과를 볼 을 더욱 좁게 하고 입력과를이득(gain)과를향상도 아울러 도모할 수 있다.

방사부(13)는 상기 각 개별 안테나가 어레이(array) 형태로 복수 배열된 부분으로, 상기 분기되어 각 개별 안테나에 전달된 전파 신호를 위상 조정부(12)에 의해 조정된 위상에 따라 외부로 방사시키는 기능을 수행한다. 이때 각 개별 안테나는 일례로 이중 극자(dipole) 구조를 갖는 대수 주기(Log periodic) 안테나이며, 도 1a에는 대수 주기 안테나 4개가 어레이 형태로 구현되어 있다. 물론 대수 주기 안테나의 개수가 4개로만 국한되는 것은 아니며, 적용 환경에 따라 달리 정해질 수 있다.

한편, 대수 주기 안테나는 어레이 형태가 아닌 단일 소자 단위의 안테나로 구현시에는 이중 극자 구조로 구현되는데(예를 들어 도 1b에는 3개의 이중 극자 구조로 된 대수 주기 안테나가 제시되어 있다), 본 발명에서는 2개의 이중 극자로 구현되는 것이 바람직하다(도 1c 참조). 이는, 위상 조정부(12)의 경우와 마찬가지로, 안테나의 빔 폭을 줄이고 이득을 높이기 위함이다. 한편 이중 극자를 2개인 것을 택한 이유는 3개의 이중 극자를 적용한 경우에 비해서 안테나 특성이 보다 우수하고, 2개의 구조가 물리적으로 보다 간단한 구조이며 어레이 안테나에 적용할 경우 전체 면적을 줄일 수 있다는 장점이 있기 때문이다.

이러한 예에 의하면, 신호 분기부(11)는 단일 포트를 통해 입력되는 전파 신호를 4개의 신호로 분기하고, 위상 조정부(12)는 특정 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호의 기준 위상을 0ㅀ로 하고, 나머지 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호의 위상을 각각 45ㅀ 씩 지연(delay)시킨다. 방사부(13)는 각 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호를 45ㅀ씩 위상차를 두어 외부로 방사하게 된다.

한편 본 발명에 의한 안테나는 반도체 공정을 통해 시스템의 제작과 동시에 이루어질 수 있도록 시스템이 구현되는 반도체 기판 위에 직접 제작(안테나를 시스템과 동일한 기판(substrate)에서 평면형(planar)으로 제작된다.

시스템의 구현에 있어서 일반적으로 증폭기, 믹서(mixer)와 같은 회로들은 반도체 기판(예를 들어 GaAs 기판)에서 제작되고, 전송을 위한 안테나는 듀로이드(Duroid) 기판 등에서 구현된다. 즉, 따로 제작된다. 기존에는 이렇게 따로 제작된 반도체 기판과 안테나 기판을 서로 결합하기 위해서 추가적인 본딩 공정(bonding process, 예를 들어, 와이어-본딩)과 같은 공정을 진행해야 하기 때문에, 시스템의 크기가 커지는 문제 및 제작비용과 제작시간의 비약적 소모를 야기하며, 무엇보다도 본딩 공정상에서 신호의 손실 등 성능 저하가 필히 발생한다. 하지만 본 발명은 단일의 반도체 기판에서 안테나를 포함한 시스템 전체를 제작하도록 하여 와이어-본딩과 같은 추가적인 공정이 필요가 없으므로 시스템의 제작비용 및 제작시간의 현저한 절감을 볼 수 있고, 성능 저하를 방지할 수 있다.

한편 단일의 반도체 기판 위에 직접 제작하는 과정의 일례를 제시하면 다음과 같다.

1. 먼저 안테나가 구현될 기판(예를 들어 GaAs 기판)을 화학 용액을 이용하여 세정 작업을 한다.

2. 기판 윗면에 Metalization 공정을 통해 어레이 안테나가 임플리먼트(implement)되는 부분을 금속 패터닝(patterning)하는데 이때 사용되는 금속은 Ti, Au로 메탈이 증착되는 두께는 각각 70, 700[nm]이다.

3. 기판 윗면에 금속으로 패터닝된 기판의 두께를 줄이기 위해서 Lapping 공정을 진행한다.

4. 기판 뒷면에 Metalization 공정을 통해서 금속 패터닝(Backside Metalization patterning)을 진행한다. 이는 2번의 진행 방식과 동일하다. 기판 뒷면의 패터닝은 안테나의 접지(ground) 부분을 만들기 위한 것이고, 기판 윗면의 패터닝(2번에 의한 패터닝)은 안테나 구조의 구현을 위한 것이다.

5. 기판의 윗면에 연결 부위가 필요한 부분에 에어-브리지(air-bridge) 구조(접지와 접지 부분(도 1c에서 아래쪽에 보이는 2개의 에어-브리지), 그리고 신호선의 연결을 위해서 필요한 부분(도 1c의 위쪽에 보이는 에어-브릿지))를 이용하여 연결하는 공정(Air-bridge patterning)을 진행한다.

6. 마지막으로 하나의 기판에는 어레이 안테나가 제작되기 때문에 각 안테나를 구분하기 위한 Sawing 공정을 진행한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 복수의 개별 안테나를 통해 소정의 전파 신호를 외부에 방사시키는 방사부;
   단일 포트를 통해 입력되는 전파 신호를 상기 개별 안테나의 개수만큼 분기시켜(branching) 각 개별 안테나에 전달하는 신호 분기부; 및
   상기 각 개별 안테나에 전달된 상기 분기된 입력 전파 신호의 위상(phase)을 조정하는 위상 조정부를 포함하고,
   상기 방사부는 상기 각 개별 안테나를 어레이(array) 형태로 구비하고, 상기 각 개별 안테나에 전달된 입력 전파 신호를 상기 조정된 위상에 따라 외부로 방사시키는 것을 특징으로 하는 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 개별 안테나는
   대수 주기(Log periodic) 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전파 신호는 밀리미터파(millimeter wave) 신호이고,
   상기 대수 주기 안테나의 이중 극자(dipole)는 2개인 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 전파 신호는 밀리미터파 신호이고,
   상기 대수 주기 안테나의 이중 극자는 2개인 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 안테나를,
   상기 안테나를 이용하여 소정의 전파 신호를 전송하는 시스템과 동일한 기판(substrate)에 구현하는 것을 특징으로 하는 안테나 구현 방법.

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