KR20150033187A

KR20150033187A - 다층 기판내에 구비된 원편파 수평 방사 안테나 및 그제조방법

Info

Publication number: KR20150033187A
Application number: KR20130112851A
Authority: KR
Inventors: 이재진; 김도원; 곽규섭; 이정석; 조신희
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2015-04-01

Abstract

다층 기판내에 구비된 원편파 안테나 및 그 제조방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 원편파 안테나는 복수의 적층된 접지면을 포함하는 다층 접지면과, 상기 다층 접지면과 이격된 신호선과, 상기 신호선에 수직하게 연결된 제1 수평성분과, 상기 신호선 및 상기 제1 수평성분에 수직하게 연결된 수직성분을 포함한다. 상기 수직성분의 끝단에 상기 제1 수평성분과 동일한 방향으로 제2 수평성분이 연결될 수 있다. 상기 제2 수평성분은 목적 주파수의 파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이를 가질 수 있다.

Description

다층 기판내에 구비된 원편파 수평 방사 안테나 및 그제조방법{Antenna provided in multi-layer substrate horizontally radiating circular polarized wave and method of manufacturing the same}

본 개시는 안테나에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 다층 기판내에 구비된 원편파 수평 방사 안테나 및 그 제조방법에 관한 것이다.

원편파 안테나는 원편파 방사를 위해 서로 수직한 2개의 선형편파가 공기 중으로 방사된다. 각 선형편파는 서로 90°의 위상차를 가지고 있어야 원편파가 형성될 수 있다. 단일 안테나 구조에서 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 물리적으로 구분 되어 있는 두 개의 선형방사체가 서로 수직을 이뤄야 하며, 하나의 입력 신호를 90°위상차가 나는 2개의 신호로 저손실 분리시킬 수 있는 커플러 네트워크(coupler network)가 안테나 입력부분에 위치하여야 한다. 이는 구조적으로 복잡하기 때문에, 제작이 어려울 수 있고, 안테나 제작비용 상승과 함께 신뢰성을 감소시키는 원인의 하나가 될 수 있다.

또한, 접지면이 원편파 방사체에 근접하게 되면 안테나 전체 성능이 감소될 수 있고, 원편파를 만들기 위해 필요한 2개의 수직 선형편파를 형성하는데도 어려움이 발생될 수 있다. 접지면 근접에 따른 원편파 성능감소를 최소화하기 위해 원편파 방사체 주변에 위치하는 접지면을 제거하는 방법이나 접지면과 방사체를 일정 간격으로 이격시키고, 그 사이를 공기로 채우는 방법을 고려할 수 있다.

그러나 이러한 방법을 적용할 경우, 실제 PCB 기판 내에 안테나 실장의 어려움이 있고, 실제 PCB 환경에서는 안테나 주변에 금속면이 존재하기 때문에, 안테나 특성 유지가 어려울 수 있다. 특히, 실제 PCB에서 접지면과 평행하게 수평방사 하는 안테나를 실장할 경우, 안테나의 방사체와 접지면 사이의 거리가 매우 근접하게 되면, 방사체로부터 형성되는 전기장(E-field)은 공기 중으로 방사되지 못하고, 대부분 접지면을 향하게 된다. 따라서 접지면을 따라 평행하게 수평방사하는 2개의 상호 수직한 선형편파가 구성되기 어려울 수 있고, 결과적으로 원편파 방사가 어렵거나 원편파 특성이 저하될 수 있다.

특허문헌: 미국 특허(US 6842154 - dual polarization Vivaldi notch/meander line loaded antenna) 비특허문헌 1(논문): 2008년 IEE Electronics letters, "Circularly polarized printed crossed dipole antennas with broadband axial ratio" 비특허문헌 2(논문): 2012년 IEEE Antenna and wireless propagation letters, "A printed circularly polarized Y-shaped monopole antenna"

본 개시는 접지면을 향한 기생 결합 전기장을 감소 또는 제거할 수 있는, 다층 기판내에 구비된 원편파 수평방사 안테나를 제공한다.

본 개시는 이러한 안테나의 제조방법을 제공한다.

개시된 일 실시예에 따른 다층 기판내에 구비된 원편파 안테나는 복수의 적층된 접지면을 포함하는 다층 접지면과, 상기 다층 접지면과 이격된 신호선과, 상기 신호선에 수직하게 연결된 제1 수평성분과, 상기 신호선 및 상기 제1 수평성분에 수직하게 연결된 수직성분을 포함한다.

이러한 원편파 안테나에서, 상기 수직성분의 끝단에 상기 제1 수평성분과 동일한 방향으로 제2 수평성분이 연결될 수 있다.

상기 제2 수평성분은 목적 주파수의 파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이를 가질 수 있다.

상기 제1 수평성분과 상기 제2 수평성분 사이의 상기 수직 성분에 적어도 하나의 수평성분이 더 연결될 수 있다.

상기 제2 수평성분의 길이는 상기 적어도 하나의 수평성분의 길이와 다를 수 있다.

상기 제2 수평성분의 길이는 제1 목적 주파수의 파장(λ₁)의 λ₁/4이고, 상기 적어도 하나의 수평성분의 길이는 제2 목적 주파수의 파장(λ₂)의 λ₂/4일 수 있다.

상기 제1 수평성분의 길이는 상기 수직성분의 길이와 다를 수 있다.

상기 수직성분과 상기 다층 접지면 사이의 이격거리는 목적 주파수의파장(λ)의 λ/5 이하일 수 있다.

상기 다층 접지면은 하부 접지면과, 상기 하부 접지면 위에 구비된 중간 접지면과, 상기 중간 접지면 위에 구비된 상부 접지면을 포함하고, 상기 접지면들 사이에 유전층이 구비될 수 있다.

개시된 일 실시예에 의한 원편파 안테나의 제조방법은 하부 접지면 상에 하부 PCB를 형성하는 과정과, 관통홀이 형성된 상부 PCB를 상기 하부 PCB 상에 형성하는 과정과, 상기 관통홀을 통해 상기 하부 PCB 상에 형성된 것과 상기 상부 PCB 상에 형성된 것을 연결하는 과정을 포함하고, 상기 하부 PCB 상에 서로 이격된 중간 접지면과 기생 수평성분이 형성되고, 상기 상부 PCB 상에 상부 접지면 및 상기 상부 접지면과 이격된 신호선 및 수평성분이 형성되며, 상기 관통홀은 상기 기생 수평성분의 일부가 노출되도록 형성하고, 상기 관통홀을통해 상기 기생 수평성분과 상기 신호선과 상기 수평성분이 연결되며, 상기 수평 성분과 상기 기생 수평성분은 동일한 방향으로 형성된다.

이러한 원편파 안테나 제조방법에서, 상기 기생 수평성분과 상기 신호선과 상기 수평성분을 연결하는 과정은 상기 관통홀을 도전성 플러그로 채우는 과정을 포함할 수 있다.

상기 기생 수평성분과 상기 신호선과 상기 수평성분을 연결하는 과정은 상기 관통홀의 내면을 금속막으로 코팅하는 과정을 포함할 수 있다.

상기 기생 수평성분은 목적 주파수의 파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이로 형성할 수 있다.

상기 하부 PCB와 상기 상부 PCB 사이에 중간 PCB를 더 형성하고, 상기 중간 PCB는 상기 관통홀과 정렬되는 관통홀(이하, 중간 관통홀)을 포함할 수 있다.

상기 중간 PCB 상에 상기 중간 관통홀에 연결되고, 상기 기생 수평성분과 평행한 다른 기생 수평성분이 더 형성될 수 있다.

상기 기생 수평성분의 길이는 상기 다른 기생 수평성분의 길이와 다를 수 있다.

상기 수평성분의 길이와 상기 콘택홀의 깊이는 다르게 형성할 수 있다.

상기 관통홀과 상기 상부 접지면의 이격거리는 목적 주파수의 파장(λ)의 λ/5 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 다층 기판내에 구비된 원편파 수평방사 안테나는 기판에 수직한 방향으로 형성된 수직 성분과 수직 성분의 양단에 각각 형성된 제1 및 제2 수평 성분을 포함한다. 상기 제1 및제2 수평 성분 중 한 성분은 상기 기판에 내재되어 있고, 접지면을 향한 기생 결합 전기장을 상쇄시키는 특정 길이 조건을 갖는다. 이에 따라 접지면을 향한 기생 결합 전기장이 감소 또는 제거될 수 있어 원편파 수평 방사 특성이 향상될 수 있다.

도 1은 개시된 본 발명의 일 실시예에 의한 원편파 수평 방사 안테나가 구비된 다층 기판의 개략적 평면도이다.
도 2는 도 1의 안테나 영역(A1)에 구비된, 본 발명의 일 실시예에 의한 원편파 수평 방사 안테나(이하, 원편파 안테나)의 평면도이다.
도 3은 도 2를3-3' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 4는 도 2를 4-4' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 5는 도 2를 5-5' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 6은 도 2를 6-6' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 7은 개시된 일 실시예에 따른 원편파 안테나의 수직성분에 제2 수평성분이 더 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 8은 개시된 일 실시예에 따른 원편파 안테나의 유전층(PCB)에 복수의 수평성분이 내재된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 9는 개시된 일 실시예에 의한 C형 원편파 안테나의 전체 구조를 보여주는입체도이다.
도 10은 제1 수평성분과 수직성분을 포함하는 원편파 안테나에서 원편파가 형성되는 동작과정을 설명하기 위한 입체도이다.
도 11은 개시된 일 실시예에 의한 C형 원편파 안테나에서 원편파가 형성되는 동작과정을 설명하기 위한 입체도이다.
도 12는 개시된 일 실시예에 의한 C형 원편파 안테나에 대한 전기장 밀도(E-field density) 분포 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 목표 주파수가 80GHz일 때, 기존의 수평방사 원편파 Y형 안테나(a)와 개시된 일 실시예에 의한 C형 원편파 안테나(b)의 방사패턴을 나타낸 도면이다.
도 14는 개시된 일 실시예에 의한 C형 원편파 안테나에서 제2 수평성분(기생 수평성분)의 길이변화에 따른 축상비(axial ratio) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 15 내지 도 19는 개시된 일 실시예에 의한 원편파 안테나의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.

이하, 개시된 실시예에 의한 다층 기판내에 구비된 원편파 안테나 및 그 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 원편파 수평 방사 안테나가 구비된 다층 기판의 평면도이다.

도 1을 참조하면, 기판(100)은 안테나 영역(A1)을 포함한다. 기판(100)은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)일 수 있다. 예를 들면, 기판(100)은 다층 구조를 갖는 PCB일 수 있다. 상기 다층 구조를 갖는 PCB는 2개 이상의 PCB를 적층하여 구성할 수 있다. 기판(100)의 안테나 영역(A1)은 후술되는 본 발명의 일 실시예에 의한 원편파 수평 방사 안테나를 포함한다. 기판(100)에서 안테나 영역(A1)을 제외한 나머지 영역은 무선 통신에 필요한 여러 소자들과 회로 배선이 형성되는 영역이다.

도 2는 도 1의 안테나 영역(A1)에 구비된, 본 발명의 일 실시예에 의한 원편파 수평 방사 안테나(이하, 원편파 안테나)의 평면도이다.

도 2를 참조하면, 원편파 안테나는 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34), 신호선(36), 제1 수평성분(40) 및 수직 성분(42)을 포함한다. 참조번호 30은 유전층을 나타낸다. 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34)은 같은 방향으로 배치되어 있고, 서로 이격되어 있다. 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34) 사이의 유전층(30) 상에 신호선(36)이 존재한다. 신호선(36)은 소정의 저항을 갖는데, 예를 들면 50옴(Ω)을 갖는 신호선일 수 있다. 신호선(36)은 y축 방향으로 형성된다. 신호선(36)의 y축 방향의 끝단에 제1 수평성분(40)이 구비되어 있다. 제1 수평성분(40)은 신호선(36)에 연결되어 있고, 신호선(36)에 수직한 방향으로 형성되어 있다. 예를 들면, 제1 수평성분(40)은 양의 z축 방향으로 형성되어 있다. 그러나 제1 수평성분(40)은 음의 z축 방향으로 형성될 수도 있다. 제1 수평성분(40)은 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34)과 이격되어 있다. 수직 성분(42)은 신호선(36) 및 제1 수평성분(40)에 연결되어 있다. 수직 성분(42)은 신호선(36)과 제1 수평성분(40)이 만나는 부분에 위치한다. 수직 성분(42)은 기판(100)의 내부로 향하는 x축의 음의 방향으로 형성되어 있다. 수직 성분(42)은 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34)과 이격되어 있다. 수직 성분(42)과 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34) 사이의 이격거리(D1)는, 예를 들면 λ/5 이하일 수 있다. 여기서 λ는 목적으로 하는 주파수의 파장이다.

도 3은 도 2를 3-3' 방향으로 절개한 단면을 보여준다.

도 3을 참조하면, 하부 접지면(60) 위로 중간 접지면(62)이 존재한다. 중간 접지면(62)은 순차적으로 적층된 복수의 접지면들을 포함한다. 중간 접지면(62) 상에 제1 상부 접지면(32)이 존재한다. 상기한 각 접지면들(32, 34, 60, 62)은 서로 연결될 수 있다. 상기한 각 접지면들(32, 34, 60, 62)은 도전성 금속막일 수 있는데, 예를 들면 동막(Cu film)일 수 있다. 하부 접지면(60)은 베이스 접지면일 수 있다. 하부 접지면(60)은 기판(100)의 밑면 전체를 덮을 수도 있다. 중간 접지면(62)과 제1 상부 접지면(32)의 y축 방향 길이는 하부 접지면(60)보다 짧다. 제1 상부 접지면(32)은 유전층(30) 상에 형성되어 있다. 유전층(30)은 각 접지면 사이사이에 위치한다. 후술되지만, 유전층(30)은 적층된 복수의 PCB를 포함한다.

도 4는 도 2를 4-4' 방향으로 절개한 단면을 보여준다.

도 4를 참조하면, 하부 접지면(60) 상에 중간 접지면(62)이 존재하고, 중간 접지면(62) 위에 신호선(36)이 존재한다. 유전층(30)은 각 접지면 사이사이에 위치하고, 중간 접지면(62)과 신호선(36) 사이에도 존재한다. 신호선(36)은 y축 방향으로 중간 접지면(62)보다 길다. 신호선(36)의 y축 방향의 끝단에 신호선(36)에 수직한 방향으로 수직성분(42)이 연결되어 있다. 수직성분(42)은 z축의 음의 방향으로 형성되어 있고, 소정의 길이를 갖는다. 수직성분(42)은 유전체(30)에 형성된 홈(70)에 구비된다. 수직성분(42)은 홈(70)을 채울 수도 있고, 홈(70)의 내면을 덮도록 형성될 수도 있다. 홈(70)의 깊이는 유전층(30)의 두께보다 작다. 따라서 홈(70)은 유전층(30)을 관통하지 않는다. 수직성분(42)과 중간 접지면(62) 사이의 이격거리(D1)는 λ/5 이하이다. 수직성분(42)의 길이는 제1 수평성분(40)보다 짧다. 이러한 길이차이로 인해 제1 수평성분(40)과 수직성분(42)에 동시에 신호가 인가되더라도, 제1 수평성분(40)에 인가된 신호와 수직성분(42)에 인가된 신호 사이에 위상차가 발생된다.

도 5는 도 2를 5-5' 방향으로 절개한 단면을 보여준다.

도 5를 참조하면, 유전층(30) 상에 제1 수평성분(40)이 형성되어 있다. 제1 수평성분(40)의 좌측단에 수직성분(42)이 연결되어 있다. 제1 수평성분(40)의 하부 접지면(60)에 평행한 방향의 길이는 수직성분(42)의 하부 접지면(60)에 수직한 방향의 길이보다 길다. 제1 수평성분(40)과 수직성분(42) 사이의 이와 같은 물리적 길이차이로 인해 상기한 바와 같은 위상차가 발생된다. 수직성분(42)은 하부 접지면(60)에 수직하고, 제1 수평성분(40)은 하부 접지면(60)에 평행하다. 수직성분(42)과 하부 접지면(60)은 서로 이격되어 있다.

도 6은 도 2를 6-6' 방향으로 절개한 단면을 보여준다.

도 6을 참조하면, 하부 접지면(60) 위로 중간 접지면(62)이 위치한다. 중간 전지면(62) 상에 서로 이격된 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34)이 존재한다. 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34) 사이의 유전층(30) 상에 신호선(36)이 배치되어 있다. 하부 접지면(60)과 중간 접지면(62) 사이에 유전층(30)이 존재하고, 중간 접지면(62)에 포함된 복수의 접지면들 사이에도 유전층(30)이 존재한다. 또한 중간 접지면(62)은 유전층(30)으로 덮여 있고, 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34)과 신호선(36)은 중간 접지면(62)을 덮는 유전층(30) 상에 형성되어 있다.

이와 같이 하부 접지면(60), 중간 접지면(62), 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34)이 순차적으로 적층되어 이루어진 다층 접지면(ML1)은 다층 접지면(ML1)으로(y축의 음의 방향으로) 방사되는 원편파를 y축의 양의 방향으로 반사시킨다. 이에 따라 y축의 양의 방향으로 방사되는 원편파의 세기가 증가될 수 있다.

도 7은 안테나의 수직 성분(42)에 제2 수평성분이 더 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.

도 7을 참조하면, 하부 접지면(60) 상에 유전층(30)이 존재한다. 유전층(30) 상에 제1 수평성분(40)이 구비되어 있다. 유전층(30) 내에 제2 수평성분(80)이 존재한다. 제2 수평성분(80)은 기생 수평성분일 수 있다. 제1 및 제2 수평성분(40, 80)은 수직 성분(42)으로 연결되어 있다. 제2 수평 성분(80)은 수직 성분(42)의 끝단에 연결되어 있다. 제1 및 제2 수평 성분(40, 80)은 서로 평행하고, 하부 접지면(60)에 평행하다. 제2 수평 성분(80)의 길이는 제1 수평 성분(40)과 동일하거나 다를 수 있다. 제2 수평 성분(80)은 목적으로 하는 주파수의 파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이를 가질 수 있다.

이와 같이 수직 성분(42)의 끝단에 제2 수평성분(80)이 구비됨으로써, 수직 성분(42)의 끝단은 가상 접지 쇼트(virtual ground short)로 보이게 된다. 이 결과, 기생 결합된 전기장(parasitic coupled E-field)이 획기적으로 감소된다. 이에 따라 원편파의 수평방사 특성이 크게 향상된다.

수직 성분(42)과 제1 및 제2 수평 성분(40, 80)의 구성 형태를 고려해서, 수직 성분(42)과 제1 및 제2 수평 성분(40, 80)을 포함하는 원편파 안테나를 편의 상 C형(C-shape) 원편파 안테나로 칭하기로 한다. C형 원편파 안테나는 접지면과 방사체 사이의 거리가 근접한 환경에서도 특성저하없이 접지면과 평행한 방향으로 원편파를 방사할 수 있다.

도 8은 유전층(30)에 복수의 수평성분이 내재된 경우를 보여준다. 도 7과 다른 부분에 대해서만 설명한다.

도 8을 참조하면, 유전층(30) 내에 제2 및 제3 수평성분(80, 82)이 존재한다. 제2 및 제3 수평성분(80, 82)은 서로 평행하며, 서로 이격되어 있다. 제2 및 제3 수평성분(80, 82)은 제1 수평성분(40)과 같은 방향으로 배치되어 있다. 제2 및 제3 수평성분(80, 82)은 수직성분(42)에 연결되어 있다. 제3 수평 성분(82)은 제1 및 제2 수평 성분(40, 80) 사이에 위치한다. 제3 수평성분(82)은 제1 수평성분(40)보다는 제2 수평 성분(80)에 가깝게 위치할 수 있다. 제3 수평성분(82)의 길이는 제2 수평성분(80)보다 짧거나 길수 있다. 제2 수평성분(80)의 길이는 제1 목적 주파수의 파장(λ₁)의 λ₁/4일 수 있고, 제3 수평성분(82)의 길이는 제2 목적 주파수의 파장(λ₂)의 λ₂/4일 수 있다. 상기 제1 목적 주파수와 상기 제2 목적 주파수는 다를 수 있다. 따라서 제2 및 제3 수평 성분(80, 82)이 구비됨으로써, 필요에 따라 제1 목적 주파수를 방사하거나 제2 목적 주파수를 방사할 수도 있다. 특정한 여러 주파수에 적합하도록 더 많은 수평 성분을 구비함으로써, 하나의 원편파 안테나에서 다양한 주파수를 선택적으로 방사할 수 있다.

도 9는 상술한 C형 원편파 안테나(100)의 전체 구조를 입체적으로 보여준다.

도 9를 참조하면, 접지면들(60, 62, 32, 34)과 신호선(36)과 수직성분(42)과 제1 및 제2 수평성분(40, 80) 사이의 위치 관계를 보다 명확히 알 수 있다. 도 9에서 y축 방향의 화살표는 원편파 방사 방향을 나타낸다. 그리고 y축 방향의 점선은 신호선(36)에 인가되는 신호를 나타낸다.

도 10은 제1 수평성분(40)과 수직성분(42)으로부터 원편파가 형성되는 동작과정을 설명하기 위한 입체도이다.

도 10을 참조하면, 신호선(36)으로 인가된 신호는 제1 수평성분(40)과 수직성분(42)에 동시에 전달된다. 동시에 전달된 신호는 제1 수평성분(40)과 수직성분(42)의 물리적 길이 차이로 인하여 각각 서로 다른 위상차를 갖게 된다. 제1 수평성분(40)에 의해 형성되는 전기장의 벡터(A)는 z축의 음의 방향으로 제1 수평성분(40)에 수직하게 형성된다. 수직 성분(42)에 의해 형성되는 전기장의 벡터(B)는 x축의 음의 방향으로 수직 성분(42)에 수직하게 형성된다. 이렇게 형성된 전기장 벡터(A, B)의 합에 의해 y축 방향으로 진행하는 원편파가 형성된다. 이렇게 형성된 원편파는 아래의 접지면(60)의 영향을 일부 받을 수 있다.

도 11은 제2 수평성분(80)을 포함하는 C형 원편파 안테나에서 원편파가 형성되는 동작과정을 설명하기 위한 입체도이다.

도 11을 참조하면, 신호선(36)에 인가된 신호는 제1 수평성분(40)과 수직성분(42)에 동시에 전달되고, 제1 수평성분(40)과 수직성분(42)의 물리적 길이 차이로 인하여 각각 서로 다른 위상차를 갖게 된다. 제1 수평 성분(40)에 의해 형성되는 전기장 벡터(A)의 방향과 수직성분(42)에 의해 형성되는 전기장 벡터(B)의 방향은 도 10에서 설명한 바와 같다. 수직성분(42)의 끝단에 연결된 제2 수평성분(80)에 전달된 특정 주파수 성분은 수직성분(42)의 끝단에서 가상 접지 쇼트로 동작하게 된다. 이에 따라 기존의 Y형(Y-shape) 안테나의 원편파 방사에서 나타나는, 접지면으로의 커플링(coupling)에 의한 기생 결합된 전기장 벡터(parasitic coupled E-field vector)의 형성이 억제될 수 있다. 이 결과, 접지면이 근접한 상황에서도 원편파의 특성이 저하됨이 없이 하부 접지면(60)에 평행한 방향으로 원편파를 수평방사할 수 있다.

도 12는 C형 원편파 안테나에 대한 전기장 밀도(E-field density) 분포 시뮬레이션 결과를 보여준다.

도 12를 참조하면, 수직성분(42)의 끝단에서 기생 결합된 전기장, 곧 하부 접지면(60)을 향하는 전기장은 나타나지 않음을 알 수 있다. 이러한 결과는 하부 접지면(60)에 평행한 방향(y축 방향)으로 수평 방사되는 원편파 특성이 향상됨을 시사한다.

도 13은 목표 주파수가 80GHz일 때, 기존의 수평방사 원편파 Y형 안테나(a)와 C형 원편파 안테나(b)의 방사패턴을 보여준다.

도 13에서, 참조부호 G1, G11은 우선성 원편파(right-handed circular polarization)의 방사패턴을 나타내고, G2, G22는 좌선성 원편파(left-handed circular polarization)의 방사패턴을 나타낸다.

우수한 특성의 원편파 안테나의 경우, 원편파는 y축 방향으로 하부 접지면(60)과 평행하게 수평 방사되고, 우선성 혹은 좌선성 중 한가지 방사특성이 강하게 나타난다.

도 13의 (a)와 (b)를 비교하면, 제2 수평성분(80)을 갖는 C형 원편파 안테나(b)의 경우, 기존의 Y형 원편파 안테나(a)와 달리 y축 방향의 수평방사(60~90° 사이의 방사)에서 우선성 원편파 방사특성이 억제되는 것을 볼 수 있다. 곧, C형 원편파 안테나(b)의 경우, y축 방향으로 한가지 원편파 특성(좌선성 원편파 특성)이 강하게 나타나는 바, 기존의 Y형 원편파 안테나에비해 원편파 특성이 우수함을 알 수 있다.

한편, 원편파 특성을 판단하는 다른 하나의 지표는 축상비(Axial Ratio, AR)이다. 상기 축상비는 원편파를 이루는 두 개의 수직 선형편파 간 크기 차이를 dB로 표현한 수치이다. 우수한 원편파를 형성하기 위해서는 같은 크기를 갖는 두 개의 수직 선형편파가 구성되어야 한다. 따라서 상기 축상비가 작을 수록 우수한 원편파 특성을 갖게 된다.

도 14는 C형 원편파 안테나에서 제2 수평성분(80)의 길이변화에 따른 축상비 변화를 나타낸 그래프이다.

상술한 바와 같이 제2 수평성분(80)은 특정 주파수의 λ/4에 해당하는 길이를 갖고, 수직성분(42)의 끝단에 위치한다. 제2 수평성분(80)으로 인해 수직 성분(42)의 끝단은 특정 주파수에서 가상 접지 쇼트로 동작하여 접지면으로 유기되는 기생 결합된 전기장을 제거하는 역할을 하게 된다.

목표 주파수가 80GHz일 경우, PCB 내에서 λ/4에 해당하는 길이는 약0.47mm 정도이다.

도 14를 참조하면, 제2 수평성분(80)의 길이가 λ/4에 해당하는 약 0.47mm 근처에서 축상비는 2dB 이하로 작다(원편파 특성은 우수). 반면, 제2 수평성분(80)의 길이가 λ/4보다 작거나 클 때, 축상비는 커진다(원편파 특성은 감소).

다음에는 본 발명의 일 실시예에 의한 원편파 안테나 제조방법을 도 15 내지 도 19를 참조하여 설명한다.

도 15를 참조하면, 하부 접지면(60) 상에 제1 PCB(30a)를 형성한다. 제1 PCB(30a) 상에 제1 중간 접지면(62a)이형성되어 있다. 제1 중간 접지면(62a)은 제1 PCB(30a) 상에 도전막, 예를 들면 동막을 코팅한 다음, 동막을 설계된 형태로 패터닝하여 형성할 수 있다. 제1 중간 접지면(62a)을 형성할 때, 다른 배선들(미도시)도 함께 형성될 수 있다. 하기되는 다른 접지면도 동일한 방식으로 형성될 수 있다. 제1 PCB(30a) 상에 제1 중간 접지면(62a)을 덮는 제2 PCB(30b)를 형성한다. 제1 및 제2 PCB(30a, 30b)는 하부 PCB라 할 수 있다. 제2 PCB(30b) 상에는 제2 중간 접지면(62b)과 제2 수평성분(80)이 형성되어 있다. 제2 중간 접지면(62b)과 제2 수평성분(80)은 동시에 형성된다. 제2 중간 접지면(62b)과 제2 수평성분(80)은 이격되어 있다. 제2 중간 접지면(62b)은 제1 중간 접지면(60a)에 대응하는 위치에(제1 중간 접지면(60a) 바로 위쪽에) 형성된다. 제1 및 제2 중간 접지면(62a, 62b)이 정렬되도록 제2 PCB(30b)를 제1 PCB(30a) 상에 형성한 후, 하방으로 눌러 제2 PCB(30b)와 제1 PCB(30a)를 밀착시킬수 있다.

다음, 도 16을 참조하면, 제2 PCB(30b) 상에 제2 중간 접지면(62b)을 덮는 제3 PCB(30c)를 형성한다. 제3 PCB(30c) 상에 제3 중간 접지면(62c)이 형성되어 있다. 제3 PCB(30c)는 제1 관통홀(70a)을 포함한다. 제1 관통홀(70a)은 제3 중간 접지면(62c)과 이격되어 있다. 제1 관통홀(70a)을 통해 제2 수평성분(80)의 일부가 노출된다. 제1 관통홀(70a)과 제3 중간 접지면(62c)의 이격거리(D1)는 도 2에서 y축 방향으로 측정된 수직성분(42)과 제1 상부 접지면(32) 사이의 이격거리(D1)에 해당한다. 제3 PCB(30c)가 형성될 때, 제2 중간 접지면(62b)과 제3 중간 접지면(62c)의 정렬이 이루어지고, 정렬이 이루어진 상태에서 제3 PCB(30c)를 하방으로 눌러 제2 PCB(30b)에 밀착시킨다. 제3 PCB(30c)는 중간 PCB라 할 수 있다. 제3 PCB(30c) 상에는 제3 수평성분(도 8의 82)에 대응하는 기생 수평성분이 더 형성될 수 있다.

도 16의 (a)는 (b)를 16-16' 방향으로 절개한 단면이다.

다음, 도 17에 도시한 바와 같이, 제3 PCB(30c) 위에 제4 PCB(30d)를 위치시킨다. 제4 PCB(30d)는 상부 PCB라 할 수 있다. 제4 PCB(30d) 상에는 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34)과 신호선(36)과 제1 수평성분(40)이 형성되어 있다. 제4 PCB(30d)는 제2 관통홀(70b)을 포함한다. 제2 관통홀(70b)은 제1 관통홀(70a)에 대응되는 위치에 형성한다. 제4 PCB(30d)가 제3 PCB(30c) 위에 위치한 상태에서 제2 관통홀(70b)과 제1 관통홀(70a)을정렬시키고, 제1 및 제2 상부 접지면(32, 34)과 제3 중간 접지면(62c)을 정렬시킨다. 이러한 정렬이 이루어진 상태에서 제4 PCB(30d)를 하방으로 눌러 제3 PCB(30c) 상에 밀착시킨다. 이 결과, 제3 중간 접지면(62c)을 덮는 제4 PCB(30d)가 제3 PCB(30c) 상에 형성된다.

도 17에서 (a)는 (b)를 17-17' 방향으로 절개한 단면이다.

도 18은 제3 PCB(30c) 상에 제4 PCB(30d)가 형성된 결과를 보여준다.

도 18을 참조하면, 제1 및 제2 관통홀(70a, 70b)은 정렬되어 하나의 홈(70)을 형성하게 된다. 홈(70)은 신호선(70)에 연결된다. 제1 내지 제4 PCB(30a-30d)은 유전층(30)에 대응될 수 있다. 유전층(30)에 대응되는 부분에는 다른 배선이 존재하지 않는다. 제1 내지 제3 중간 접지면(62a-62c)은 도 4의 중간 접지면(62)에 해당될 수 있다.

다음, 도 19를 참조하면, 홈(70)을 도전성 플러그(90)를 채운다. 도전성 플러그(90)는 금속 플러그일 수 있는데, 예를 들면 신호선(36)과 동일한 물질일 수 있다. 도전성 플러그(90)는 홈(70)을 완전히 채울 수도 있으나, 홈(70)의 내면(측면+바닥)을 코팅하는 정도로 형성될 수도 있다. 어느 경우에서나 도전성 플러그(90)는 신호선(36) 및 제1 수평성분(40)과 접촉되도록 형성한다. 또한, 도전성 플러그(90)는 제2 수평성분(80)과 접촉된다. 도전성 플러그(90)는 수직 성분(42)에 대응될 수 있다.

상술한 제조방법에서 제1 PCB(30a)와 제4 PCB(30d) 사이에 제2 및 제3 PCB(30b, 30c)만 형성하였지만, 더 많은 PCB가 형성될 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

30:유전층30a-30d:제1 내지 제4 PCB
32, 34:제1 및 제2 상부 접지면 36:신호선
40, 80, 82:제1 내지 제3 수평성분 42:수직성분
60:하부 접지면 62:중간 접지면
62a-62c:제1 내지 제3 중간 접지면 70:홈
70a, 70b:제1 및 제2 관통홀 90:도전성 플러그
100:C형 원편파 안테나 A1:안테나 영역
D1:수직성분(42)과 중간 접지면(62) 사이의 간격
ML1:다층 접지면

Claims

복수의 적층된 접지면을 포함하는 다층 접지면
상기 다층 접지면과 이격된 신호선
상기 신호선에 수직하게 연결된 제1 수평성분 및
상기 신호선 및 상기 제1 수평성분에 수직하게 연결된 수직성분;을 포함하는 원편파 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 수직성분의 끝단에 상기 제1 수평성분과 동일한 방향으로 제2 수평성분이 연결된 원편파 안테나.
제 2 항에 있어서,
상기 제2 수평성분은 목적 주파수의 파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이를 갖는 원편파 안테나.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 수평성분과 상기 제2 수평성분 사이의 상기 수직 성분에 적어도 하나의 수평성분이 더 연결된 원편파 안테나.
제 4 항에 있어서,
상기 제2 수평성분의 길이는 상기 적어도 하나의 수평성분의 길이와 다른 원편파 안테나.
제 5 항에 있어서,
상기 제2 수평성분의 길이는 제1 목적 주파수의 파장(λ1)의 λ₁/4이고, 상기 적어도 하나의 수평성분의 길이는 제2 목적 주파수의 파장(λ₂)의 λ₂/4인 원편파 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 수평성분의 길이는 상기 수직성분의 길이와 다른 원편파 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 수직성분과 상기 다층 접지면 사이의 이격거리는 목적 주파수의파장(λ)의 λ/5 이하인 원편파 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 다층 접지면은,
하부 접지면
상기 하부 접지면 위에 구비된 중간 접지면 및
상기 중간 접지면 위에 구비된 상부 접지면을 포함하고,
상기 접지면들 사이에 유전층이 구비된 원편파 안테나.
하부 접지면 상에 하부 PCB를 형성하는단계
관통홀이 형성된 상부 PCB를 상기 하부 PCB 상에 형성하는 단계 및
상기 관통홀을 통해 상기 하부 PCB 상에 형성된 것과 상기 상부 PCB 상에 형성된 것을 연결하는 단계를 포함하고,
상기 하부 PCB 상에 서로 이격된 중간 접지면과 기생 수평성분이 형성되고,
상기 상부 PCB 상에 상부 접지면 및 상기 상부 접지면과 이격된 신호선 및 수평성분이 형성되며,
상기 관통홀은 상기 기생 수평성분의 일부가 노출되도록 형성하고,
상기 관통홀을 통해 상기 기생 수평성분과 상기 신호선과 상기 수평성분이 연결되며,
상기 수평 성분과 상기 기생 수평성분은 동일한 방향으로 형성되는 원편파 안테나 제조방법.
제 10 항에 있어서,
상기 기생 수평성분과 상기 신호선과 상기 수평성분을 연결하는 단계는,
상기 관통홀을 도전성 플러그로 채우는 단계를 포함하는 원편파 안테나 제조방법.
제 10 항에 있어서,
상기 기생 수평성분과 상기 신호선과 상기 수평성분을 연결하는 단계는,
상기 관통홀의 내면을 금속막으로 코팅하는 단계를 포함하는원편파 안테나 제조방법.
제 10 항에 있어서,
상기 기생 수평성분은 목적 주파수의 파장(λ)의 λ/4에 해당하는 길이로 형성하는 원편파 안테나 제조방법.
제 10 항에 있어서,
상기 하부 PCB와 상기 상부 PCB 사이에 중간 PCB를 더 형성하고,
상기 중간 PCB는 상기 관통홀과 정렬되는 관통홀(이하, 중간 관통홀)을 포함하는 원편파 안테나 제조방법.
제 14 항에 있어서,
상기 중간 PCB 상에 상기 중간 관통홀에 연결되고, 상기 기생 수평성분과 평행한 다른 기생 수평성분이 더 형성되는 원편파 안테나 제조방법.
제 15 항에 있어서,
상기 기생 수평성분의 길이는 상기 다른 기생 수평성분의 길이와 다른 원편파 안테나 제조방법.
제 10 항에 있어서,
상기 수평성분의 길이와 상기 관통홀의 깊이는 다르게 형성하는 원편파 안테나 제조방법.
제 10 항에 있어서,
상기 관통홀과 상기 상부 접지면의 이격거리는 목적 주파수의파장(λ)의 λ/5 이하인 원편파 안테나 제조방법.