KR20180050265A - 유전체 캐비티 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유전체 캐비티 안테나에 관한 것으로, 미리 설정된 면 중 적어도 일부에 개구부가 형성되어 있는 다층 기판; 상기 다층 기판의 내부에 삽입되어 상기 개구부를 통해 전자기파 신호를 방사하는 유전체 캐비티; 상기 유전체 캐비티에 급전하기 위한 급전 라인; 및 상기 유전체 캐비티의 내부 또는 표면에 형성되어 상기 급전 라인과 전자기적으로 커플링되는 적어도 하나의 금속 패턴;을 포함한다.

Description

유전체 캐비티 안테나 {DIELECTRIC CAVITY ANTENNA}

본 발명은 금속 패턴의 리액턴스 특성을 이용하여 대역폭 및 공진 주파수는 동일하면서 안테나의 크기를 줄일 수 있는 유전체 캐비티 안테나에 관한 것이다.

최근 국내외에서 2.4GHz/5GHz 차세대 WiFi 및 60GHz WPAN, WiFi와 60GHz를 결합한 통합 솔루션과 같은 대용량 데이터 전송을 위한 근거리 무선통신 송수신기의 연구가 활발히 진행되고 있다. 60GHz 대역은 수 GHz의 넓은 대역폭을 라이센스 없이 사용할 수 있어서 단순한 음성 서비스만의 제공이 아니라 음성, 영상, 데이터 서비스를 제공하는 대용량 전송 시스템 응용에 대한 관심이 확대되고 있다. 이러한 다양한 서비스를 제공하기 위해서는 시스템 모듈 크기가 커지는 문제점이 있다. 따라서, 시스템 모듈 크기를 줄이기 위해서는 안테나의 크기를 줄일 필요가 있다.

(선행기술문헌)

(특허문헌1) KR 2011-0114372호

본 발명의 일 실시예의 목적은 금속 패턴의 리액턴스 특성을 이용하여 대역폭 및 공진 주파수는 동일하면서 안테나의 크기를 줄일 수 있는 유전체 캐비티 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 미리 설정된 면 중 적어도 일부에 개구부가 형성되어 있는 다층 기판; 상기 다층 기판의 내부에 삽입되어 상기 개구부를 통해 전자기파 신호를 방사하는 유전체 캐비티; 상기 유전체 캐비티에 급전하기 위한 급전 라인; 및 상기 유전체 캐비티의 내부 또는 표면에 형성되어 상기 급전 라인과 전자기적으로 커플링되는 적어도 하나의 금속 패턴;을 포함하는 유전체 캐비티 안테나를 제안한다.

본 발명에 따르면, 금속 패턴의 리액턴스 특성을 이용하여 대역폭 및 공진 주파수는 동일하면서 안테나의 크기를 줄이는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 여러 실시예에 따른 금속 패턴을 포함하는 유전체 캐비티 안테나의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 A-A'단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 반사 계수(Return Loss)와 주파수의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 평면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 다층 기판(110), 유전체 캐비티(120), 급전부(130)를 포함할 수 있다.

다층 기판(110)은 미리 설정된 면 중 적어도 일부에 개구부가 형성되어 있을 수 있고, 이때 미리 설정된 면은 최상층일 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 이와 같이 방사전극을 사용하지 않고, 개구부를 사용하여 전자기파 신호를 방사하는 것이 하나의 특징이다. 방사 전극을 사용하지 않으므로 급전 패턴의 길이를 조절하여 공진 주파수를 조절하는 방식 대신, 후술할 유전체 캐비티(120)의 크기를 조절함으로써 공진을 발생시킬 특정한 주파수를 설정하는 것이 가능하다. 또한, 안테나를 포함하는 시스템 모듈에서는 발생되는 열을 외부로 방출할 수 있는 구조가 필요한데 본 발명과 같이 개구부를 사용하는 경우 열의 외부 방출이 보다 용이하게 되는 효과가 있다.

상기 다층 기판(110)은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic), Rogers, Teflon, organic 계열의 FR4 등의 물질로 형성될 수 있다. 가격 측면을 고려할 때, 저렴한 organic 계열의 FR4를 이용하는 것이 바람직할 수 있으나, 고주파 대역에서 우수한 특성을 구현하기 위해서는 LTCC를 이용하는 것이 바람직할 수 있다.

유전체 캐비티(120)는 다층 기판(110)의 내부에 삽입되어 상기 개구부를 통해 전자기파 신호를 방사할 수 있다. 이처럼 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 유전체가 기판과 분리된 구조가 아니라 유전체가 기판 내부에 집적된 구조이다. 따라서, 유전체가 기판과 분리된 구조일 경우 필요한 별도의 방사 패턴을 구비할 필요가 없고, 안테나의 제조 공정의 난이도 또한 더 낮아지게 된다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 직육면체 형태일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 원통 형태, 반구 형태, 기타 다면체의 형태 역시 가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 유전체 캐비티(120)가 직육면체 형태라 가정한다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)의 공진 주파수(Reasonance Frequency), 즉 방사되는 전자기파 신호가 갖는 공진 주파수는 유전체 캐비티 안테나(100)가 단일 공진 모드에서 동작한다고 가정할 경우, 하기의 수학식 1과 같이 결정될 수 있다. 수학식 1에서 a는 유전체 캐비티(120)의 x 방향의 길이이고, c는 다층 기판의 두께이다.

[수학식 1]

수학식 1에 의하면 유전체 캐비티(120)의 x 방향의 길이 a를 크게 하면 공진 주파수는 작아지고, 반대로 a를 작게 하면 공진 주파수는 커진다. 다층 기판(110)의 두께 c 역시 마찬가지로 크게 하면 공진 주파수는 작아지고, 작게 하면 공진 주파수는 커진다. 즉, 단일 공진 모드에서는 a와 c의 길이에 따라 방사되는 전자기파 신호의 공진 주파수가 결정된다. 또한, 유전체 캐비티(120)의 y 방향의 길이 b를 조절하여 안테나의 대역폭 향상이 가능하다. 이와 같이 직육면체 형태의 유전체 캐비티(120)를 사용할 경우 이용 가능한 설계 파라미터가 여러 가지가 있다는 장점이 있다.

또한, 수학식 1에 의하면 저주파를 공진 주파수로 얻기 위해서는 유전체 캐비티(120)의 x 방향의 길이 a 또는 다층 기판(110)의 두께 c를 크게 해야 한다. 그러나, 안테나의 제조 공정상 한계 등으로 인하여 안테나의 다층 기판(110)의 두께는 원하는 만큼 크게 할 수 없다는 한계가 있으므로 결국, 저주파의 신호를 방사하기 위해서는 a를 크게 해야 한다. 즉, 저주파를 공진 주파수로 얻기 위해서는 유전체 캐비티(120)의 크기가 커져야 하고, 결국 유전체 캐비티 안테나(100)의 전체 크기가 커져야 한다는 문제가 있다. 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단의 하나로서 후술할 금속 패턴(132)을 급전부(130)에 포함시킨다.

급전부(130)는 도 1에 도시되지 않은 송수신기 등과 상기 유전체 캐비티 안테나(100)를 연결하여 고주파 전력을 전송하기 위한 구성요소로서, 급전 라인(131) 및 금속 패턴(132)을 포함할 수 있다.

급전 라인(131)은 상기 유전체 캐비티(120)에 급전하기 위한 구성 요소로서, 후술할 임피던스 결정 비아(443)에 의해 그 특성 임피던스가 결정될 수 있다. 급전 라인(131)은 상기 다층 기판(110)의 어느 한 층으로부터 상기 유전체 캐비티(120)의 표면 또는 내부까지 연장될 수 있고, 라인 형태의 도체판으로 형성될 수 있다. 또한, 급전 라인(131)은 스트립 라인, 마이크로 스트립 라인 또는 CPW(coplanar waveguide)라인일 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 유전체 캐비티 안테나(100)의 후술할 제1 도체판(411a), 즉 최상층을 사용한 마이크로 스트립 라인을 급전 라인(131)으로 사용할 수 있다.

금속 패턴(132)은 소정의 리액턴스를 가지며, 상기 유전체 캐비티(120)의 내부 또는 표면에 형성될 수 있으며, 상기 급전 라인(131)과 전자기적으로 커플링될 수 있다. 즉, 금속 패턴(132)의 위치는 그 제한이 없으며, 상기 유전체 캐비티(120)의 표면 또는 중간 부분 어디에 위치해도 후술할 본 발명의 효과를 가져올 수 있다. 또한, 금속 패턴(132)은 상기 급전 라인(131)과 같은 층에 위치할 수도 있으나, 다른 층에 위치할 수도 있다. 특히, 금속 패턴(132)은 상기 급전 라인(131)보다 상층, 즉 상기 개구부와 더 가까이 위치할 수 있다. 또한, 금속 패턴(132)은 상기 급전 라인(131)과 소정의 간격만큼 이격될 수 있으나, 급전 라인과 접촉하는 것 역시 가능하다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)와 같이 금속 패턴(132)을 안테나에 추가하면 캐비티의 단일 공진 모드와 금속 패턴(132)의 리액턴스 특성이 결합하여 공진주파수가 낮은 주파수로 이동하게 된다. 즉, 급전부(130)에 금속 패턴(132)이 추가됨으로써 급전 라인(131)과 금속 패턴(132) 간의 전자기적 커플링 효과로 인해 급전부(130)의 임피던스 및 공진 주파수가 변화하는 것을 이용하여 공진 주파수를 보다 저주파로 변화시키는 것이 가능하다. 그리고, 금속 패턴(132)은 그 형태에 제한이 없으므로 상기 급전 라인(131)과 전자기적으로 커플링되는 패턴을 변화시켜 상기 급전 라인(131) 및 상기 금속 패턴(132)에 의해 형성되는 임피던스를 변화시킬 수 있다.

이때, 이동한 공진 주파수를 다시 중심 주파수로 이동시키기 위해서는 유전체 캐비티(120)의 x 방향의 길이 a를 줄이면 된다. 따라서, 금속 패턴(132)이 부가되지 않은 경우에 비해 저주파의 공진 주파수를 얻기 위해 필요한 유전체 캐비티(120)의 x 방향의 길이는 작게 되며, 결과적으로 안테나의 크기를 작게 하면서도 동일한 특성을 갖는 유전체 캐비티 안테나(100)를 얻을 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 금속 패턴(132)이 포함되어 있지 않은 유전체 캐비티 안테나에 비해 크기를 약 14%정도 축소할 수 있다.

예를 들어, 60GHz 대역에서 동작하기 위한 시스템 모듈에 사용되는 유전체 캐비티 안테나(100)는 60GHz를 공진 주파수로 가져야 할 것이다. 이는 유전체 캐비티 안테나(100)가 60GHz에서 50Ω 매칭이 이루어지는 것으로 볼 수 있는데, 유전체 캐비티 안테나(100)의 x 방향의 길이 a가 감소하면 상기 수학식 1에 따라, 공진 주파수는 증가하며 이는 유전체 캐비티 안테나(100)가 더 이상 60GHz에서 50Ω 매칭이 이루어지지 않고, 이를테면 63GHz에서 50Ω 매칭되는 것으로 해석할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예와 같이 금속 패턴(132)를 추가하면 상술한 바대로 급전부(130)의 임피던스가 변화하게 되고, 이에 따라 63GHz에서의 50Ω 매칭이 깨지고 다시 60GHz에서의 50Ω 매칭이 될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 동일한 주파수에서 50Ω 매칭된 안테나를 보다 작은 크기로도 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 설명한 60GHz 뿐 아니라 얼마든지 다른 공진 주파수도 가질 수 있고, 그 경우에도 역시 금속 패턴(132)를 추가하여 안테나의 크기를 감소시키는 것이 가능하다.

본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 복수의 금속 비아(140)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 금속 비아(140)는 상기 개구부의 둘레를 따라 소정의 간격으로 상기 다층 기판(110)을 수직으로 관통할 수 있다. 이상적인 유전체 캐비티 안테나(100)는 다층 기판(110)의 수직 방향으로 금속 경계면이 필요하나, 일반적인 기판 적층 공정에서 이를 현실적으로 구현하는 것이 어려우므로 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 개구부의 둘레를 따라 일정 간격으로 배열되어 다층 기판(110)을 수직으로 관통하는 복수의 금속 비아(140)를 사용하여 수직 방향의 금속 경계면을 대체하였다. 따라서, 유전체 캐비티(120)는 상기 복수의 금속 비아(140)에 의해 상기 다층 기판(110) 내부에 개구부만 개방된 형태로 내장되게 된다.

도 3은 본 발명의 여러 실시예에 따른 금속 패턴을 포함하는 유전체 캐비티 안테나의 평면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 여러 실시예에 따른 금속 패턴(332)은 다양한 형태를 가질 수 있으며, 그 형태에 제한이 없다.

도 4는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 A-A' 단면도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(400)는 다층 기판 및 복수의 금속 비아의 실시예를 보다 상세히 나타낸 것으로, 다층 기판 및 복수의 금속 비아 이외의 구성, 즉 유전체 캐비티 및 급전부는 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)와 실질적으로 동일하므로, 이들 구성에 대한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 다층 기판 및 복수의 금속 비아를 중심으로 설명하기로 한다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(400)는 다층 기판, 복수의 금속 비아(440), 유전체 캐비티(420), 급전부(430)를 포함할 수 있다. 이때, 급전부(430)가 급전 라인(431)과 금속 패턴(432)를 포함할 수 있음은 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)와 같다.

다층 기판은 다수의 유전층(412)과 도체판(411)이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 다수의 도체판(411)은 제1 도체판(411a), 제2 도체판(411b), 제3 도체판(411c), 제4 도체판(411d), 제5 도체판(411e), 제6 도체판(411f)을 포함할 수 있고, 다수의 유전층(412)은 제1 유전층(412a), 제2 유전층(412b), 제3 유전층(412c), 제4 유전층(412d), 제5 유전층(412e)을 포함할 수 있다. 이때 다층 기판의 최상층과 최하층은 도 5의 제1 도체판(411a)과 제6 도체판(411f)과 같이, 도체판일 수 있다. 또한, 최상층인 제1 도체판(411a)에는 신호의 방사를 위한 개구부가 형성될 수 있다.

복수의 금속 비아(440)는 상기 개구부의 둘레를 따라 소정의 간격을 두고 상기 다층 기판(410)을 수직으로 관통하여 상기 다수의 도체판을 서로 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 복수의 금속 비아(440)는 유전체 캐비티(420)의 크기를 결정하고, 이에 따라 공진 주파수를 결정할 수 있고, 유전체 캐비티(420)의 신호 누설을 차단하는 역할도 할 수 있다.

특히, 상기 복수의 금속 비아(440)는 제1 도체판(411a)과 제6 도체판(411f)을 연결하는 비아(441) 및 제2 도체판(411b)과 제6 도체판(411f)을 연결하는 비아(442)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 도체판(411a) 내지 제6 도체판(411f)은 제1 도체판(411a)과 제6 도체판(411f)을 연결하는 비아(441)에 의해 전기적으로 연결되어 접지 역할을 할 수 있다.

또한, 상기 복수의 금속 비아(440)는 제1 도체판(411a)과 제2 도체판(411b)을 연결하는 임피던스 결정 비아(443)를 더 포함할 수 있다. 여기서 급전 라인(431)의 임피던스는 급전 라인(431)의 폭, 급전 라인(431)과 접지 간의 간격, 그리고 급전 라인(431)과 접지판의 높이에 의해 결정되므로, 제1 도체판(411a)과 제2 도체판(411b)를 연결하는 임피던스 결정 비아(443)는 급전 라인(431)의 임피던스를 결정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나의 반사 계수(Return Loss)와 주파수의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 6에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)에서 금속 패턴이 포함되지 않은 비교예(510) 및 금속 패턴이 포함된 본 발명의 하나의 실시예(520)의 경우 주파수에 따른 반사 계수의 변화가 나타나 있다. 반사계수가 가장 큰 값을 갖는 주파수가 공진 주파수이다. 그리고, 금속 패턴이 포함된 실시예(520)에 따른 경우 금속 패턴이 포함되지 않은 비교예(510)에 비해 안테나의 크기가 약 14%정도 작다.

실선으로 도시된 비교예(510)에 의할 경우, 공진주파수는 약 59~60GHz의 값을 가진다. 점선으로 도시된 실시예(520)에 의할 경우에도 공진주파수는 약 60GHz의 값을 가지므로 금속 패턴이 추가된 실시예(520)는 금속 패턴이 포함되지 않은 비교예(510)와 거의 동일한 공진 주파수를 가짐을 알 수 있다.

또한, 반사 계수 값이 -10dB인 주파수는 비교예(510)의 경우 56.4GHz와 63.6GHz이고, 실시예(520)의 경우 57GHz와 64.4GHz이다. 따라서, 반사 계수 값이 -10dB보다 큰 값을 갖는 대역폭은 비교예(510)의 경우 7.2GHz이고 실시예(520)의 경우 7.4GHz이므로 거의 동일한 대역폭을 가짐을 알 수 있다.

결론적으로, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나(100)는 상술한 바와 같이 동일한 안테나 성능을 나타내면서도 금속 패턴이 포함되지 않은 비교예보다 더 작은 크기로 구현하는 것이 가능하다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나
110: 다층 기판 120: 유전체 캐비티
130: 급전부 131: 급전 라인
132: 금속 패턴 140: 복수의 금속 비아
332: 금속 패턴
400: 본 발명의 다른 하나의 실시예에 따른 유전체 캐비티 안테나
411: 다수의 도체판 412: 다수의 유전층
420: 유전체 캐비티 430: 급전부
431: 급전 라인 432: 금속 패턴
440: 복수의 금속 비아 441: 제1 도체판과 제6 도체판을 연결하는 비아
442: 제2 도체판과 제6 도체판을 연결하는 비아
443: 임피던스 결정 비아

Claims (1)

1. 미리 설정된 면 중 적어도 일부에 개구부가 형성되어 있는 다층 기판;
   상기 다층 기판의 내부에 삽입되어 상기 개구부를 통해 전자기파 신호를 방사하는 유전체 캐비티;
   상기 유전체 캐비티에 급전하기 위한 급전 라인; 및
   상기 유전체 캐비티의 내부 또는 표면에 형성되어 상기 급전 라인과 전자기적으로 커플링되는 적어도 하나의 금속 패턴;
   을 포함하는 유전체 캐비티 안테나.

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