KR20170071955A - 다중 공진 안테나 장치 - Google Patents

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KR20170071955A
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Abstract

본 개시는 안테나 장치에 관한 것으로, 안테나 장치는, 단일 기판의 윗면에 배치되고, 개구면(aperture)을 포함하는 제1 도체판과, 상기 단일 기판을 수직으로 관통하도록 삽입된 다수의 비아(via)들과, 상기 단일 기판의 아랫면에 배치된 제2 도체판과, 상기 제1 도체판, 상기 제2 도체판, 및 상기 비아들에 의해 형성되는 캐비티(cavity) 형태로 내장된 유전체 공진기에 방사될 신호를 인가하는 피드 라인(feed line)을 포함한다. 여기서, 상기 개구면은, 동작 주파수에서 다중 공진(multiple resonance)을 발생시키는 크기를 가진다.

Description

다중 공진 안테나 장치{APPARATUS FOR MULTIPLE RESONANCE ANTENNA}
본 개시는 다중 공진(multiple-resonance)을 이용한 안테나 장치에 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.
LTCC 및 LCP 공정과 같은 환경의 경우, 평면형 특성을 갖는 패치 안테나가 주로 사용된다. 패치 안테나는 일반적으로 대역폭이 5% 미만으로 좁은 단점이 있다. 좁은 대역폭을 해결하기 위하여 주 방사 역할을 하는 패치 안테나와 동일한 면에 기생 패치를 추가해 다중 공진을 발생시켜 대역폭을 넓히거나, 또는 2개 이상의 패치 안테나들을 적층하여 다중 공진을 유도하여 대역폭을 넓히는 기술이 사용되기도 한다.
다수의 패치들을 이용하는 기술을 통해 대역폭이 증가될 수 있다. 그러나, 이러한 다중 공진 기법을 사용할 경우 각 공진 주파수에서의 안테나의 방사 패턴의 차이가 발생할 수 있고, 공정 오차에 의한 안테나 특성의 변화가 단일 공진(single resonance) 안테나에 비해 크게 작용할 수 있다. 따라서, 안테나의 효율 증가와 더욱 넓은 대역폭 확보 등을 위해 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna, DRA)가 사용되기도 한다. 유전체 공진기 안테나는 상술한 종래 다중 공진 기법을 이용한 패치 안테나와 비교해 대역폭과 효율에서 우수한 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.
유전체 공진기 안테나는 패치 안테나의 단점을 개선하기 위해 종종 사용되지만, 기판 외부에 위치한 별도의 유전체 공진기를 필요로 하기 때문에 단일 공정으로 이루어지는 패치 안테나와 비교해 제작상 불편함을 가진다. 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.
일 실시 예는 다중 공진(multiple-resonance)을 이용한 안테나 장치를 제공한다.
다른 실시 예는 다중 공진 가능한 캐비티(cavity) 안테나 장치를 제공한다.
또 다른 실시 예는 단일 기판에 구성되는 캐비티 안테나 장치를 제공한다.
일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 단일 기판의 윗면에 배치되고, 개구면(aperture)을 포함하는 제1 도체판과, 단일 기판을 수직으로 관통하도록 삽입된 다수의 비아(via)들과, 단일 기판의 아랫면에 배치된 제2 도체판과, 제1 도체판, 제2 도체판, 및 비아들에 의해 형성되는 캐비티(cavity) 형태로 내장된 유전체 공진기에 방사될 신호를 인가하는 피드 라인(feed line)을 포함한다. 여기서, 개구면은, 동작 주파수에서 다중 공진(multiple resonance)을 발생시키는 크기를 가진다.
반도체 온 칩 안테나 구조에서, 높은 효율과 광대역 특성이 제공될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 도시한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 단면을 도시한다.
도 3은 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구현 예를 도시한다.
도 4는 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 구현하기 위한 기판 구성을 도시한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 Q-인자(factor)를 도시한다.
도 6은 단일 공진(single resonance) 특성을 가지는 안테나 장치의 설계 예를 도시한다.
도 7은 단일 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 공진 주파수들을 도시한다.
도 8은 단일 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 방사 패턴들을 도시한다.
도 9는 일 실시 예에 따른 다중 공진(multiple resonance) 특성을 가지는 안테나 장치의 설계 예를 도시한다.
도 10은 일 실시 예에 따른 다중 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 공진 주파수들을 도시한다.
도 11은 일 실시 예에 따른 다중 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 방사 패턴들을 도시한다.
도 12는 다양한 실시 에에 따른 안테나 장치의 개구면(aperture)의 변형 예들을 도시한다.
도 13은 다양한 실시 에에 따른 안테나 장치의 내부 구조의 변형 예들을 도시한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예들의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하 본 개시는 신호를 방사하기 위한 안테나 구조에 대해 설명한다. 구체적으로, 본 개시는 캐비티(cavity) 안테나로서, 다중 공진(multiple resonance) 특성을 가지는 안테나에 대한 다양한 실시 예들을 설명한다.
이하 설명에서 사용되는 안테나 또는 안테나와 결합되는 구조물의 구성 요소들을 지칭하는 용어, 안테나의 동작 상태를 지칭하는 용어, 안테나의 수치 측정을 위한 용어, 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 발명이 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른 안테나 장치는 캐비티 안테나 구조를 가진다. 캐비티 안테나는 일면이 개방된 도체로 둘러싸인 공간에 신호를 피딩(feeding)하고, 신호가 공간에서 공진함으로써 신호가 방사되는 구조의 안테나를 의미한다. 개방된 일면은 개구면(aperture)라 지칭된다.
다양한 실시 예에 따른 안테나는 기판에 설치된 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 공간을 둘러싸기 위한 도체들은 다양한 형태로 기판 상 또는 기판 내부에 설치될 수 있다. 예를 들어, 이하 도 1과 같이, 금속 판 또는 비아(via)들을 이용하여 안테나가 구현될 수 있다.
이하 다양한 실시 예들은 테라헤르츠(terahertz) 대역의 신호를 방사하기 위해 적용될 수 있다. 일반적으로, 테라헤르츠는 약 300㎓ 내지 3000㎓의 주파수 또는 약 100㎓ 내지 3000㎓의 주파수를 의미한다. 그러나, 본 발명이 신호의 주파수 대역에 한정되는 것은 아니며, 다른 주파수 대역의 신호를 방사하기 위해 후술하는 다양한 실시 예들이 활용될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 도시한다. 설명의 편의를 위해, 도 1은 안테나 장치의 구성 요소들을 분리하여 도시한다. 도 1을 참고하면, 안테나 장치는 제1 도체판 102, 비아 집합 104, 기판 106, 제2 도체판 108을 포함한다. 도 1에 도시된 구성 요소들은 안테나 장치의 구조를 설명하기 위한 것이며, 구체적인 설계 상 치수를 반영하여 도시된 것은 아니다.
제1 도체판 102는 금속으로 구성될 수 있으며, 개구면을 포함한다. 제1 도체판 102는 비아 집합 104 및 기판 106의 윗면에 배치된다. 이에 따라, 제1 도체판 120은 안테나 장치의 상단 면을 구성하고, 개구면을 형성한다.
비아 집합 104은 다수의 비아들을 포함하며, 다수의 비아들 각각은 도체로 구성될 수 있다. 비아 집합 104은 안테나 장치의 측면을 구성한다. 즉, 비아 집합 104에 포함되는 비아들은 개구면의 경계를 따라 배치되며, 비아 펜스(fence)를 이룬다. 비아 집합 104에 포함되는 비아들은 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 비아들 간 간격은 반도체 공정에서 허용하는 범위에서 가능한 작게 설계될 수 있다. 도 1에서, 비아 집합 140에 포함되는 각 비아는 상단 및 하단의 단면들이 동일한 원기둥의 형상으로 예시되었다. 그러나, 다양한 실시 예들에 따라, 각 비아는 다각형 기둥의 형상을 가지거나, 상단 및 하단의 단면들이 상이한 형상을 가질 수 있다.
기판 106은 다양한 실시 예들에 따른 안테나 장치를 위한 집적 회로가 설치되는 구조물이다. 기판 106은 비아 집합 104이 삽입될 비아 홀(hole)들을 포함한다. 기판 106은 단일 기판이다. 기판 106는 제1 도체판 102, 비아 집합 104, 제2 도체판 108를 연결하기 위한 구조물이다. 기판 106은 단일 기판이지만, 적어도 하나의 패턴(pattern), 피드 라인(feed line)을 설치하기 위한 다 층(multi-layer) 구조를 가질 수 있다.
제2 도체판 108은 금속으로 구성될 수 있으며, 안테나 장치의 하부 면을 구성한다. 제2 도체판 108은 기판 106의 아랫면에 배치된다. 즉, 제2 도체판 108은 기판 106을 중심으로 제1 도체판 102와 반대 방향에 배치된다.
도 1에 도시되지 아니하였으나, 안테나 장치를 통해 방사될 신호를 공급하는 피드 라인이 더 포함될 수 있다. 피드 라인의 위치는 구체적인 실시 예에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 피드 라인은 제1 도체판 102보다 위에, 또는, 기판 106의 중간에 배치될 수 있다. 다시 말해, 피드 라인은, 기판 106의 내부 층들 사이 또는 제1 도체판 102의 상단에 배치될 수 있다.
다시 말해, 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 단일 기판 104의 윗면에 배치되고, 개구면을 포함하는 제1 도체판 102, 단일 기판 104을 수직으로 관통하도록 삽입된 다수의 비아들을 포함하는 비아 집합 104, 단일 기판 104의 아랫면에 배치된 제2 도체판 108을 포함한다. 그리고, 안테나 장치는 상기 제1 도체판 102, 상기 제2 도체판 108, 및 상기 비아 집합 104에 의해 형성되는 캐비티 형태로 내장된 유전체 공진기에 방사될 신호를 인가하는 피드 라인을 더 포함할 수 있다. 여기서, 개구면은, 동작 주파수에서 다중 공진을 발생시키는 크기로 설계된다.
도 2는 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 단면을 도시한다. 도 2는 도 1에 도시된 구성 요소들을 포함하는 안테나 장치의 단면을 도시한다. 도 2를 참고하면, 기판 106에 비아 집합 104가 삽입된다. 그리고, 제1 도체판 102는 기판 106의 상단에, 제2 도체판 108은 기판 106의 하단에 배치된다.
도 2의 실시 예에 따르면, 제1 도체판 102는 기판 106의 상단에 올려지는 방식으로 설치된다. 그러나, 다른 실시 예에 따라, 기판 106의 상단에 제1 도체판 102을 일정 깊이 만큼 삽입할 수 있는 홈이 존재하고, 제1 도체판 102이 기판 106에 삽입되는 방식의 구현도 가능하다.
도 3은 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구현 예를 도시한다. 도 3은 다 층 구조를 가지는 기판에 구현된 안테나 장치의 단면을 예시한다.
도 3을 참고하면, 기판은 다수의 층들을 포함한다. 도 3의 예시의 경우, 4개의 층들이 포함되며, InP(Indium phosphide)로 구성된 제1 층, BCB(benzocyclotene)로 구성된 제2 층, BCB로 구성된 제3 층, BCB로 구성된 제4 층이 포함될 수 있다. 여기서, 제1 층의 두께는 82㎛, 제2 층의 두께는 1㎛, 제3 층의 두께는 4㎛, 제4 층의 두께는 2㎛로 설계될 수 있다. 각 층은 상호연결(interconnect) 층이라 불리는 금속선 구성을 위해 존재할 수 있다. 즉, SiO2, InP, BCB와 같은 소재로 구성된 저유전율의 절연막들이 얇게 형성됨으로 인해, 3 내지 4개의 금속 패터닝(patterning)이 가능한 층들이 제공될 수 있다. 절연막들에 의해 형성된 표면 층에 피드 라인(예: 피드 금속 208) 및 개구면을 형상하더라도, 테라헤르츠 대역의 경우, 캐비티 안테나는 원활히 동작될 수 있다. 여기서, 다수의 층들의 구성은 캐비티 안테나의 형성에 크게 관련되지 아니한다.
기판 아랫면에 바닥 금속(bottom metal) 108이 위치하며, 기판 윗면에 개구면을 형성하는 상단 금속(top metal) 102가 배치된다. 그리고, 상단 금속 102 및 바닥 금속 108은 비아 104에 의해 전기적으로 연결된다. 여기서, 상단 금속 102의 두께는 1㎛, 비아 104의 두께는 70㎛로 설계될 수 있다. 피드 금속 208이 기판에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 피드 금속 208은 제2 층의 상단에 배치될 수 있다. 즉, 피드 안테나, 즉, 피드 금속 208은 캐비티 내부가 아닌 개구면에 근접한 표면층에 위치할 수 있다. 여기서, 피드 금속 208의 두께는 0.8㎛로 설계될 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 구현하기 위한 기판 구성을 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 기판 106, 비아 104, 제2 도체판 108을 포함한다. 여기서, 기판 106은 단일 기판이라는 수직 계층 구조를 가진다. 단, 기판 106은 다수의 층들을 포함할 수 있으며, 도 4와 같이, InP로 구성되는 두꺼운(thick) 층, BCB로 구성되는 얇은 표면(thin surface)이 단일 기판에 포함될 수 있다. 이에 따라, 2 내지 3 층의 금속 패터닝이 가능하다. 단, 2 내지 3층의 금속 패터닝은 일반적인 반도체 회로 구성을 위한 것으로, 다양한 실시 예들에 따른 캐비티 안테나 장치의 형성과 크게 관련되지 아니한다.
즉, 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 적층 구조가 아닌 단일 반도체 구조를 가진다. 따라서, 집적회로 공정에서 안테나 장치가 생성될 수 있다. 구체적으로, 제1 도체판 102, 비아들 104, 제2 도체판 108은, 반도체 제조 공정을 통해 기판 106에 결합될 수 있다. 즉, 반도체 제조 공정에서 다양한 실시 예에 따른 캐비티 구조의 안테나 장치가 구현될 수 있다. 구체적으로, 일정 두께의 기판 하나만으로, 금속 패터닝 없이, 다수의 비아들을 이용하여 캐비티를 형성함으로써, 안테나 장치가 구현될 수 있다. 다시 말해, 상술한 구조에 의해, 추가 제작 및 조립 작업 없이, 높은 효율과 광대역 특성을 보유한 안테나 장치가 생성될 수 있다.
안테나는 신호의 주파수에 따라 공진 모드를 가진다. 공진 주파수의 신호가 공급되면, 전파의 방사가 용이하게 이루어지고, 안테나가 신호를 방사하게 된다. 캐비티 안테나의 경우, 캐비티의 크기에 따라 동작 주파수, 대역폭, 효율 등의 안테나 성능이 최적화될 수 있다. 예를 들어, 캐비티의 깊이(depth)에 따라 공진 모드가 발생하는 주파수가 달라질 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 안테나 장치의 경우, 특정 공진 모드를 특정 주파수에서 발생시키기 위해서는 최소한의 캐비티 깊이가 확보되어야 한다. 하지만, 캐비티 깊이가 너무 클 경우에는 인접한 주파수에서 다수의 공진 모드들이 발생하게 된다. 따라서, 이러한 점을 고려하여 캐비티의 적절한 깊이가 확보되어야 한다. 다양한 실시 예에 따른 안테나 장치의 경우, 캐비티가 비아 펜스에 의해 구성되므로, 기판의 두께에 따라 비아의 길이, 즉, 캐비티의 깊이가 달라진다. 따라서, 다중 공진을 위해 요구되는 기판의 두께를 결정하기 위해 이하 도 5와 같은 특성이 고려될 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 Q-인자(factor)를 도시한다. 도 5는 기판, 즉, 기판(substrate)의 두께에 따라 달라지는 TE101 모드(transverse electric 101 mode)의 Q-인자를 나타낸다. TE 모드는 전송선을 따라서 전파되는 전자파에서 진행 방향에 자계 성분이 존재하고, 전계 성분이 존재하지 아니하는 전기적 횡파가 형성되는 상태를 의미한다. TE 모드 중 TE101 모드는 일반적으로 가장 낮은 주파수에서 ㄹ발생하는 공진 모드이다. Q-인자는 공진의 예리함을 나타내는 지표이다.
도 5는 캐비티 안테나의 개구면 높이(height) b가 120㎛, 160㎛, 200㎛인 경우에 기판 두께, 즉, 캐비티 안테나의 두께 c에 따른 Q-인자 변화에 대한 예측을 도시한다. 도 5를 참고하면, 300㎓에서 TE101 모드를 생성시키기 위해 요구되는 기판의 두께는 최소 70㎛임이 확인된다. 즉, 기판의 두께가 너무 작을 경우, 캐비티 내부에 공진은 300㎓ 보다 더 높은 주파수에서 형성된다. 따라서, 300㎓에서의 공진을 지원하기 위해서, 두께가 1/4 파장을 초과하는 70㎛ 이상이어야 함이 바람직하다. 반면, 기판이 지나치게 두꺼운 경우, 예를 들어 300㎓에서 기판의 두께가 90㎛ 이상인 경우, 공진성의 증가로 대역폭이 감소할 수 있다.
캐비티의 개구면 크기를 증가시키면, 대역폭이 증가할 수 있다. 다른 공진 모드인 TM111 모드의 공진 주파수가 대역폭 내로 포함됨으로 인해, 이중 공진이 발생하기 때문이다. 따라서, 공진 주파수 조정을 위해, 캐비티의 개구면의 폭(width) a는 300㎓에서 약 400㎛으로 고정됨이 바람직하다.
한편, 캐비티의 개구면 높이 b가 클수록, TE101 모드의 공진 주파수에 상관없이 대역폭 특성이 향상될 수 있다. 그러나, 개구면의 높이 b가 300㎛을 상회하는 경우, 다수의 모드들이 300㎓에 근접한 주파수 대역에서 동시에 발생할 수 있다. 이에 따라, 다중 모드 공진에 의해, 넓은 주파수 대역이 확보될 수 있다. 단, 다중 공진 시, 방사 패턴의 변화와 같은 안테나 특성이 나타날 수 있지만, 스캐터링(scattering)이 많은 통신 환경이라면 신호 전달 성능에 크게 문제되지 아니한다.
이하 도 6 내지 도 8은 단일 공진(single resonance)을 발생시키는 안테나의 설계 및 특성에 대해 도시한다.
도 6은 단일 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 설계 예를 도시한다. 도 6을 참고하면, 제1 도체판 102는 600×430㎛의 크기를 가지며, 제1 도체판 102 내의 개구면은 400×160㎛의 크기를 가진다. 즉, 개구면의 높이는 160㎛, 개구면의 너비는 400㎛이다. 비아 104의 지름은 70㎛이고, 개구면의 경계로부터 비아 104의 중심까지의 거리는 40㎛이다. 피드 라인은 개구면을 향해 60㎛ 돌출된다. 이때, 공진 주파수는 이하 도 7과 같다.
도 7은 단일 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 공진 주파수들을 도시한다. 도 7을 참고하면, 260㎓에서 3.8의 Q-인자를 가지는 TE101 모드가 발생하고, 320㎓에서 20.0의 Q-인자를 가지는 TM111 모드가 발생한다. 그리고, 362㎓에서 8.6의 Q-인자를 가지는 TE201 모드가 발생하며, 362㎓ 부근에서 TE211 모드가 발생한다. 또한, 387㎓에서 8.3의 Q-인자를 가지는 TE011 모드가 발생하며, 397㎓에서 9.1의 Q-인자를 가지는 TE111 모드가 발생한다. 도 8와 같이, 300㎓ 주변에서 TE101 모드 외 다른 모드가 발생하지 아니하므로, 도 7의 안테나는 300㎓ 인근 대역에서 단일 공진 안테나로 동작할 수 있다. 이때, 주파수 대역에 대한 방사 패턴을 살펴보면 도 8과 같다.
도 8은 단일 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 방사 패턴들을 도시한다. 도 8에서, (a)는 주파수 변화에 따른 반사 계수 S(1,1)를 나타내며, (b)는 (a)에 표시된 9개의 주파수들 각각에 대응하는 방사 패턴들을 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 단일 공진 설계의 경우, 동작 대역폭이 상대적으로 좁으나, 주파수에 따라 변하지 않는 비교적 일정한 방사 패턴이 제공된다.
이하 도 9 내지 도 11은 다중 공진을 발생시키는 안테나의 설계 및 특성에 대해 도시한다.
도 9는 일 실시 예에 따른 다중 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 설계 예를 도시한다. 도 9를 참고하면, 제1 도체판 102는 670×640㎛의 크기를 가지며, 제1 도체판 102 내의 개구면은 470×370㎛의 크기를 가진다. 즉, 개구면의 높이 및 폭의 비율은 약 1:1에 근접한다. 예를 들어, 개구면의 폭 및 높이의 차이는, 100㎛ 이하로 설계될 수 있다. 예를 들어, 개구면의 폭의 길이는 높이의 길이에 비하여 1 내지 1.3의 비율을 가질 수 있다. 도 9에 표현되지 아니하였으나, 개구면의 폭은 캐비티의 깊이보다 상당히 크게 설계될 수 있다. 비아 104의 지름은 70㎛이고, 개구면의 경계로부터 비아 104의 중심까지의 거리는 40㎛이다. 피드 라인은 개구면을 향해 90㎛ 돌출된다. 이때, 공진 주파수는 이하 도 10과 같다.
도 10은 일 실시 예에 따른 다중 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 공진 주파수들을 도시한다. 도 10을 참고하면, 248㎓에서 2.8의 Q-인자를 가지는 TE101 모드가 발생하고, 261㎓에서 5.7의 Q-인자를 가지는 TM111 모드가 발생한다. 그리고, 288㎓에서 4.2의 Q-인자를 가지는 TE011 모드가 발생하며, 298㎓에서 4.7의 Q-인자를 가지는 TE111 모드가 발생한다. 또한, 303㎓에서 25.3의 Q-인자를 가지는 TM211 모드가 발생하며, 321㎓에서 18.9의 Q-인자를 가지는 TM121 모드가 발생하고, 338㎓에서 6.9의 Q-인자를 가지는 TE201 모드가 발생한다. 도 10와 같이, 300㎓ 주변에서 약 5개의 공진 모드들이 발생한다. 즉, 개구면의 높이를 370㎛으로 증가시킴으로써, 300㎓ 주변에서 최대 5개의 공진들이 발생할 수 있다. 이에 따라, 300㎓ 주파수 사용 시, 도 9에 도시된 안테나 장치는 다중 공진 안테나로서 동작할 수 있다. 이때, 주파수 대역에 대한 방사 패턴을 살펴보면 도 11과 같다.
도 11은 일 실시 예에 따른 다중 공진 특성을 가지는 안테나 장치의 방사 패턴들을 도시한다. 도 11에서, (a)는 주파수 변화에 따른 반사 계수 S(1,1)를 나타내며, (b)는 (a)에 표시된 9개의 주파수들 각각에 대응하는 방사 패턴들을 도시한다. 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 다수의 공진들이 복합적으로 발생함으로 인해 대역폭은 크게 향상된다. 그러나, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 방사 패턴은 주파수에 따라 변형될 수 있다. 하지만, 근거리 통신에 활용한다면, 다양한 실시 예들에 따른 안테나 장치는, 방사 패턴의 변형 현상에도 불구하고 광대역 통신 시스템에 적용이 가능한 안테나 구조로서 큰 활용 가능성을 가진다. 예를 들어, 근거리 통신은 장치 내의 칩들 간 통신을 포함한다.
도 11과 같은 주파수에 따른 방사 패턴 특성으로 인해, 다수의 공진 모드들로 인해 결정되는 방사 패턴이 의도치 아니하게 형성될 수 있다. 이때, 일부 공진 모드를 억제함으로써, 방사 패턴이 의도에 따라 조절될 수 있다. 공진 모드의 억제는 피드 라인 등 급전(feeding) 회로의 형태를 조절하는 것 또는 추가적인 금속 패터닝에 의해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 수직 모노폴(monopole) 피드를 사용하는 경우, 도 10에서 TE011 모드, TE201 모드는 피드와 직교(orthogonal)한 형태의 필드 분포를 보유하기 때문에, TE011 모드, TE201 모드가 억제될 수 있다.
상술한 다양한 실시 예들에 다른 안테나 장치의 캐비티의 개구면은 사각형 모양(shape)으로 설명되었다. 그러나, 다른 실시 예에 따라, 개구면의 모양은 다르게 설계될 수 있다. 다른 모양의 캐비티의 설계 예는 이하 도 12와 같다.
도 12는 다양한 실시 에에 따른 안테나 장치의 개구면의 변형 예들을 도시한다. 도 12에서, (a)는 원형 개구면을, (b)는 마름모형 개구면을 예시한다. 도 12의 (a)를 참고하면, 기판 1206 내에 비아들 1204이 삽입되고, 비아들 1204는 원형 개구면의 경계를 따라 배치된다. 피드 라인 1208이 원형 개구면의 내부로 돌출된다. 도 12의 (b)를 참고하면, 기판 1216 내에 비아들 1214이 삽입되고, 비아들 1214는 마름모형 개구면의 경계를 따라 배치된다. 피드 라인 1218이 마름모형 개구면의 내부로 돌출된다. 도 12는 원 및 마름모 모양의 개구면들을 예시하였으나, 다양한 실시 예들에 따라, 다른 도형(예: 다각형)의 모양으로 개구면이 설계될 수 있다.
도 12의 예들과 같이 개구면의 모양이 변경됨으로 인해, 각 공진 모드에서 형성되는 방사 패턴이 변화할 수 있다. 따라서, 안테나 장치를 구비한 모듈 또는 장치의 구조, 신호의 주파수 대역, 통신하고자 하는 상대방 모듈 또는 장치와의 위치 관계 등에 따라, 효과적인 방사 패턴을 구성하기 위해 개구면의 모양이 적절히 설계될 수 있다.
상술한 다양한 실시 예들에 다르면, 캐비티의 내부 공간은 기판, 즉, 유전체로 채워진다. 그러나, 내부 공간을 공기로 채우거나, 다른 유전체로 채우는 변형이 가능하다. 캐비티의 내부 공간의 변형에 의한 다른 실시 예들은 도 13과 같다.
도 13은 다양한 실시 에에 따른 안테나 장치의 내부 구조의 변형 예들을 도시한다. 도 13은 안테나 장치의 단면을 도시한다. 도 13에서, (a)는 내부 공간을 모두 공기로 채운 경우, (b)는 내부 공간의 일부만을 공기로 채운 경우를 예시한다. 도 13의 (b)는 내부 공간의 모든 위치에서 동일한 깊이까지 공기로 채운 경우를 예시한다. 그러나, 다양한 실시 예들에 따라, 공기로 채워진 깊이는 내부 공간의 위치에 따라 달라질 수 있다. 이에 따라, 공기로 채워진 공간 및 유전체로 채워진 공간의 경계는 직선이 아닌 다른 형태(예: 곡선, 꺾인선)를 가질 수 있다. 또한, 도 13은 빈 공간, 즉, 공기로 채워진 경우를 예시하지만, 빈 공간은 기판 108과 다른 유전율을 가진 물질로 대체될 수 있다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 안테나 장치에 있어서,
    단일 기판의 윗면에 배치되고, 개구면(aperture)을 포함하는 제1 도체판과,
    상기 단일 기판을 수직으로 관통하도록 삽입된 다수의 비아(via)들과,
    상기 단일 기판의 아랫면에 배치된 제2 도체판과,
    상기 제1 도체판, 상기 제2 도체판, 및 상기 비아들에 의해 형성되는 캐비티(cavity) 형태로 내장된 유전체 공진기에 방사될 신호를 인가하는 피드 라인(feed line)을 포함하며,
    상기 개구면은, 동작 주파수에서 다중 공진(multiple resonance)을 발생시키는 크기를 가지는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 비아들은, 상기 개구면의 경계를 따라 배치되는 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구면은, 사각형 모양을 가지며,
    상기 개구면의 폭(width)의 길이는, 높이(height)의 길이에 비하여 1 내지 1.3의 비율을 가지는 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도체판, 상기 비아들, 상기 제2 도체판은, 반도체 제조 공정을 통해 상기 기판에 결합되는 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 비아들은, 상기 캐비티를 형성하기 위한 펜스(fence)를 구성하는 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐비티의 내부의 전부 또는 일부는, 공기, 상기 기판과 다른 유전율을 가진 물질 중 적어도 하나로 채워진 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 개구면는, 사각형, 원형, 마름모, 삼각형, 다각형 중 어느 하나의 모양을 가지는 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 피드 라인은, 상기 기판의 내부 층들 사이 또는 상기 제1 도체판의 상단에 배치되는 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 기판의 두께는, 70㎛ 이상인 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 기판은, 적어도 하나의 금속 패터닝(patterning)을 구성하기 위한 다수의 내부 층들을 포함하는 장치.
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