KR20180039593A - 온 칩 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기판 모드가 줄어든 온 칩 안테나에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 온 칩 안테나는 제1슬롯 및 제2슬롯이 형성된 접지 금속 층; 상기 접지 금속 층 위에 형성되어 제1단은 상기 제1슬롯에 제2단은 상기 제2슬롯에 위치하는 피드 라인을 포함할 수 있다.

Description

온 칩 안테나{ON-CHIP ANTENNA}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 모드가 줄어든 온 칩 안테나에 관한 것이다.

안테나는 통신 목적을 위하여 전파를 방사하거나, 전파를 수신하는 장치이다. 안테나는 사용하는 주파수에 따라 모양이 여러 가지로 달라 질 수 있다. 관련 선행문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1163654호가 있다.

한편, 밀리미터나 테라헤르츠 등의 초고주파 대역은 회로 분야에 있어서 광대역 통신시스템 및 주파수 특성을 이용한 이미징 시스템 등의 연구가 진행되고 있는데 기존의 저주파수 대역을 활용하는 상용 회로들과는 달리 반도체 소자 기반에서 수 mm²이하의 공간에 원하는 수동 소자들을 집어넣을 수 있다.

따라서 밀리미터나 테라헤르츠회로를 미세 집적회로 공정에서 제작할 경우 해당 회로에서 필요한 수동 소자는 공정에서 제공하는 금속 층을 활용한 전송선로 등을 이용하여 작은 칩 공간 안에 제한적인 규격으로 구현이 가능해 진다.

이러한 초고주파 대역에서는 안테나 또한 집적회로 안에 넣어서 이미징 시스템이나 통신시스템 회로의 구현이 가능해진다. 온-칩 안테나 중 하나인 슬롯 안테나의 경우 안테나 아래의 접지평면(ground plane)을 제거함으로 10 이상의 큰 유전율을 지닌 기판을 바라보게 하여 안테나에서 방사된 빔이 유전율이 큰 기판 쪽으로 빨려 들어가게 되고 이로 인해 칩의 아래쪽인 기판 방향으로 방사하는 안테나가 된다. 다만, 전체 칩의 크기가 방사된 빔의 주파수에서 전기적으로 큰 경우 안테나에서 방사된 빔은 유전율이 1인 공기 중으로 방사되지 않고 유전율이 매우 큰 기판 쪽으로 나아가게 되는데 이것을 기판 모드(substrate mode)라고 한다. 이러한 기판 모드로 인해 안테나의 방향성이 저해된다.

따라서 기판 모드가 줄어들어 방향성이 향상된 안테나 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명의 목적은 기판 모드로 인한 온-칩 안테나의 방향성 저해 문제가 해결된 온 칩 안테나를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 제1슬롯 및 제2슬롯이 형성된 접지 금속 층; 상기 접지 금속 층 위에 형성되어 제1단은 상기 제1슬롯에 제2단은 상기 제2슬롯에 위치하는 피드 라인을 포함하고, 상기 제1슬롯 및 상기 제2슬롯은 상기 피드 라인을 기준으로 대칭되게 형성되어 있고, 상기 제1슬롯과 상기 제2슬롯과의 거리는 안테나의 동작 주파수의 파장과 동일하고, 상기 동작 주파수는 300 GHz 이상이고 3 THz 이하인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 온 칩 안테나가 개시된다.

본 발명의 일실시예에 온 칩 안테나는 듀얼 슬롯 안테나 구조를 이용하여 온 칩 안테나의 기판 모드를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 기존에 기판 모드 제거를 위해 사용되는 실리콘 렌즈에 비해 부피가 작고, 실리콘 렌즈를 사용할 필요가 없기 때문에 비용 절감의 효과가 있다.

도 1은 일반적인 슬롯 안테나의 구조를 나타낸다.
도 2는 일반적인 온 칩 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.
도 3은 도 1의 안테나 장치의 E 필드의 평균 세기를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 온 칩 안테나의 구조를 나타낸다.
도 5는 도 4의 안테나 장치의 E 필드의 평균 세기를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 온 칩 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일실시예와 관련된 온 칩 안테나의 해당 동작 주파수에서 파장과 슬롯 사이의 거리에 따른 E 필드의 평균 세기를 나타낸다.

이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 온 칩 안테나에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 일반적인 슬롯 안테나의 구조를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 일반적인 온 칩 안테나(100)는 피드 라인(feed line)(110), 접지 금속 층(130)을 포함할 수 있다. 상기 피드 라인(110)은 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 접지 금속 층(130)에는 슬롯(120)이 형성되어 있다. 그리고 피드 라인(110)의 끝단은 상기 슬롯(120)에 위치하게 된다.

상기 온 칩 안테나(100)와 같이, 슬롯 안테나를 집적회로 기판 위에 구현을 하게 되면 피드의 끝단에서 슬롯(120)으로 방사되는 빔이 슬롯(120) 아래에 있는 높은 유전율의 기판으로 빨려 들어가게 된다. 이로 인하여 안테나의 방향성이 기판이 위치하고 있는 집적회로 칩의 아래를 향하게 된다. 즉, 일반적인 온 칩 안테나(100)는 피드 라인(110)을 통해 전달된 신호가 슬롯(120)에서 공진을 하게 되고 그 주파수에서 가장 높은 방사효율을 갖는 안테나가 되게 된다.

그러나 안테나의 동작 주파수가 높아져 테라헤르츠(300 GHz ~ 3 THz)까지 올라가게 되면 기판의 두께가 동작 주파수에 해당하는 파장의 수십 배가 되어 안테나에서 방사된 빔이 기판이 많이 보이는 측면으로 진행하게 되는 기판 모드가 발생하게 된다. 이로 인하여 기판 아래로 빠져 나오는 빔이 사방으로 갈라지게 되면서 중앙으로 방사되는 빔의 크기가 줄게 된다.

도 2는 일반적인 온 칩 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 일반적인 온 칩 안테나(100)에서 기판 모드가 강해지게 되면 전파가 손실되든지 도 2과 같이 칩 뒤로가 아닌 칩 옆으로, 즉 원치 않는 방향으로 방사를 하게 된다.

종전에는 기판 모드를 억제하기 위해서 보통은 실리콘 렌즈를 별도로 칩 뒷면에 붙여서 패키징을 하여 기판 모드를 제거하는 방식을 사용하였다. 이와 같은 실리콘 렌즈가 추가되게 되면 추가비용이 발생하게 되며 부피가 크게 증가하는 단점이 있다.

도 3은 도 1의 온 칩 안테나의 E 필드의 평균 세기를 나타낸다.

E 필드의 평균 세기는 Z축 방향으로 방사되는 전파의 평균 세기를 나타낸다. 도 3을 통해 확인할 수 있듯이, 기판 모드로 인해 슬롯이 형성된 방향으로 집중적으로 E 필드가 형성되지 않고, 주변으로 퍼진 형태로 E 필드가 형성되어 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 온 칩 안테나의 구조를 나타낸다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 온 칩 안테나(400)는 피드 라인(feed line)(410), 접지 금속 층(440)을 포함할 수 있다. 피드 라인(410)은 금속으로 이루어져 있고, 끝단은 좌우 양방향으로 대칭되게 형성되어 있다. 상기 접지 금속 층(440)에는 제1슬롯(420) 및 제2슬롯(430)이 형성되어 있다. 그리고 피드 라인(410)의 양 끝단은 각각 상기 제1슬롯(420) 및 제2슬롯(430)이 형성된 곳에 위치하게 된다. 즉, 온 칩 안테나(400)는 듀얼 슬롯 안테나 구조를 갖는다. 두 개의 슬롯 또는 피드 라인(410)의 양 끝단의 거리가 적절하게 유지된 상태에서, 피드 라인(410)에 차동 신호를 인가하면 기판 모드로 진행하는 E 필드를 상쇄할 수 있다. 상기 적절한 거리를 결정하는 방법에 대해서는 후술하도록 하겠다.

도 5는 도 4의 안테나 장치의 E 필드의 평균 세기를 나타낸다.

도 5를 통해 확인할 수 있듯이, 기판 모드로 진행하는 E 필드의 상쇄로 인해, 전파가 주변으로 빠져 나가지 않고, 제1슬롯(410) 및 제2슬롯(420)을 통해 집중적으로 방사되는 된다.

도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 온 칩 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.

도 6을 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 일실시예와 관련된 온 칩 안테나의 방사 패턴이 도 2에 비해 확실히 아래 쪽으로 집중된 방사 패턴인 것을 확인할 수 있다.

한편, 기판 모드로 진행하는 E 필드 상쇄 효과를 극대화하기 위해서는 두 개의 슬롯 사이의 거리 또는 피드 라인(410)의 양 끝단의 거리를 적절하게 유지하는 것이 중요하다.

상기 적절한 거리는 온 칩 안테나(400)의 동작 주파수에 근거하여 결정될 수 있다. 온 칩 안테나(400)의 동작 주파수의 파장에 근거하여 상기 적절한 거리가 결정될 수 있다. 예를 들어, 온 칩 안테나(400)의 동작 주파수의 파장이 상기 적절한 거리로 결정될 수 있다.

도 7은 안테나의 동작 주파수가 300GHz 일 때, 해당 동작 주파수의 파장과 두 슬롯 사이 거리에 따른 E 필드의 평균 세기를 나타낸다.

도 7(a)는 두 슬롯 사이 거리 300GHz에서의 파장보다 작은 경우를 나타내고, 도 7(b)는 두 슬롯 사이 거리 300GHz에서의 파장보다 큰 경우를 나타내며, 도 7(c)는 두 슬롯 사이 거리 300GHz에서의 파장과 같은 경우를 나타낸다. 도 7을 통해 확인할 수 있듯이, 두 슬롯 사이 거리 300GHz에서의 파장과 같은 경우가 기판 모드로 진행하는 E 필드 상쇄 효과가 가장 크다.

도 8은 안테나의 동작 주파수가 400GHz 일 때, 해당 동작 주파수의 파장과 두 슬롯 사이 거리에 따른 E 필드의 평균 세기를 나타낸다.

도 8(a)는 두 슬롯 사이 거리 400GHz에서의 파장보다 작은 경우를 나타내고, 도 8(b)는 두 슬롯 사이 거리 400GHz에서의 파장보다 큰 경우를 나타내며, 도 8(c)는 두 슬롯 사이 거리 400GHz에서의 파장과 같은 경우를 나타낸다. 도 8을 통해 확인할 수 있듯이, 두 슬롯 사이 거리 400GHz에서의 파장과 같은 경우가 기판 모드로 진행하는 E 필드 상쇄 효과가 가장 크다.

결국, 온 칩 안테나(400)의 동작 주파수의 파장과 두 슬롯 사이의 거리가 동일할 때, 기판 모드로 진행하는 E 필드 상쇄 효과가 가장 크다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 온 칩 안테나 장치는 본 발명의 일실시예에 온 칩 안테나 장치는 듀얼 슬롯 안테나 구조를 이용하여 온 칩 안테나의 기판 모드를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 기존에 기판 모드 제거를 위해 사용되는 실리콘 렌즈에 비해 부피가 작고, 실리콘 렌즈를 사용할 필요가 없기 때문에 비용 절감의 효과가 있다.

상기와 같이 설명된 온 칩 안테나 장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

400: 온 칩 안테나
410: 피드 라인
420: 제1슬롯
430: 제2슬롯
440: 접지 금속 층

Claims (2)

1. 제1슬롯 및 제2슬롯이 형성된 접지 금속 층;
   상기 접지 금속 층 위에 형성되어 제1단은 상기 제1슬롯에 제2단은 상기 제2슬롯에 위치하는 피드 라인을 포함하고,
   상기 제1슬롯 및 상기 제2슬롯은 상기 피드 라인을 기준으로 대칭되게 형성되어 있고,
   상기 제1슬롯과 상기 제2슬롯과의 거리는 안테나의 동작 주파수의 파장과 동일하고,
   상기 동작 주파수는 300 GHz 이상이고 3 THz 이하인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 온 칩 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 피드 라인의 상기 제1단 및 상기 제2단에는 차동신호가 인가되는 것을 특징으로 하는 온 칩 안테나.

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