KR20180099897A - 패치 안테나 유닛 및 안테나 - Google Patents

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KR20180099897A
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리앙쉥 리우
신홍 리
후일리 푸
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후아웨이 테크놀러지 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 발명은 통신 기술 분야에 관한 것이고, 패치 안테나 유닛 및 안테나를 개시한다. 패치 안테나 유닛은 적층된 제1 지지과, 기판, 제2 지지층, 및 집적 회로를 포함한다. 하나의 방사 패치가 상기 제1 지지층에 부착되고, 그리고 하나의 방사 패치가 상기 제2 지지층에 부착된다. 접지층은 상기 제2 지지층 상에 배치되고, 커플링 슬롯은 상기 접지층 상에 배치되고, 상기 커플링 슬롯에 대응하는 피더는 상기 제2 지지층 상에 배치된다. 상기 집적 회로는 상기 제1 접지층 및 상기 피더에 접속된다. 전술한 특정 기술 해결 방법에서, 4-층 기판이 제조에 사용된다. 제3 층 상의 커플링 슬롯은 57-66GHz의 전체 주파수 대역의 고주파수 신호를, 방사를 위한 두 개의 더 높은 층 상의 안테나에 효과적으로 피드하기 위하여 사용될 수 있다. 기생 효과가 감소된다. 또한, 적층 구조는 안테나의 유효 면적을 증가시킨다. 낮은 기생 파라미터 및 큰 유효 면적이 달성되면 고대역폭과 고이득의 안테나를 제공할 수 있다.

Description

패치 안테나 유닛 및 안테나
본 출원은 2016년 1월 30일에 중국 특허청에 출원되고 명칭이 “PATCH ANTENNA UNIT AND ANTENNA”인 중국 특허 출원 201610071196.2에 우선권을 주장한다. 이 중국 특허 출원은 본 명세서에서 그 전문이 인용 참조된다.
본 발명은 통신 기술 분야, 특히, 패치 안테나 유닛 및 안테나에 관한 것이다.
현재, WPAN(wireless personal area network)의 무선 개인 통신 시스템에서, 60GHz 주파수 대역의 응용은 사람들의 관심을 불러 일으키고 있는데, 이는 사람들이 7GHz를 넘는 대역폭을 필요로 하기 때문이다. 이러한 고대역폭 및 밀리미터파에 대한 요구 조건은 마이크로파 단말 애플리케이션의 설계에 많은 어려움을 초래한다. 일반적으로 60GHz 무선 프런트 엔드(front-end) 제품은 비싼 갈륨(gallium) 비소(arsenide) 마이크로파 집적 회로를 기반으로 구현된다. 일부 무선 프런트 엔드 제품은 비용을 줄이기 위해 실리콘-게르마늄(silicon-germanium) 집적 회로를 기반으로 구현된다. 이러한 프런트 엔드 제품에서, 안테나와 칩은 주로 함께 배치되거나, 또는 안테나는 복수의 모듈을 이용함으로써 패키징 본체(system in chip 또는 system on chip)에 내장된다. 안테나는 60GHz 대역폭의 어플리케이션에서 매우 중요한 역할을 한다. 최신 기술에서, 안테나는 종래의 유전체층 기판 상에 설계될 수 있으며, 동시에 안테나 및 칩은 멀티칩 모듈(multichip module, MCM) 패키징 기술을 사용하여 패키징 몸체로 패키징될 수 있다. 따라서, 비용 및 크기가 감소될 수 있고, 통신 칩의 특징 및 사양이 구현될 수 있어, 제품의 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
종래 기술에서, 패키징 몸체에 60GHz 안테나 장치를 구현하는 방법은 주로 다음을 포함한다.
1) 다중 층의 유전체층 기판이 사용되며, 여기서, 안테나 어레이는 제1 층 상에 배치되고, 피더(feeder)는 제2 층 상에 배치되고, 접지면은 제2 층 또는 제3 층 상에 배치되어, 수동 안테나 장치의 집적을 구현한다.
2) 안테나는 집적 회로 상에 설계되고, 기판은 집적 회로 아래에 배치되며, 수동 장치는 패키징 기술을 이용하여 칩에 직접 접합된다.
종래 기술에서, 60GHz 안테나 장치는 패키징 몸체의 기판 상에 구현된다. 안테나는 피더투슬롯(feeder-to-slot) 방식으로 구현된다. 슬롯 안테나를 매칭하기 위하여 안테나는 90°로 구부러진 슬롯을 사용하여 구현된다. 슬롯 피더의 입력 라인과 피더의 입력 라인은 동일한 직선 상에 있다. 이러한 설계로 면적이 감소되고 대역폭이 증가될 수 있다. 안테나 구조는 한쪽 끝이 두 갈래인 슬롯(forked slot)이 있는 금속 캐리어에 설계되어, 안테나가 상대적으로 높은 강도를 가지며 금속 반사체(metallic reflector)와 쉽게 집적될 수 있다. 안테나는 일반적으로 다중 층의 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)를 갖는 기판에 기초하여 제조된다.
그러나, 상술한 구조의 안테나가 사용되는 경우, 안테나 패키징을 구현하는 많은 과정에서 슬롯 피딩(slot feeding)을 사용하면, 안테나 이득이 제조 공정에 크게 영향을 받고, 안테나 주파수 대역폭은 쉽게 제어될 수 없게 된다. 이러한 집적 방식은 일부 대량 제작 시나리오에서는 구현될 수 없다.
종래 기술의 다른 방식으로, 다중 지지층 및 패치 안테나 어레이는 기판의 상부 층 상에 배치되고, 제1 층과 제2 유전체층 사이의 피더는 안테나 피드-인(feed-in)을 위해 사용되고, 접지면은 제2 층과 제3 유전체층 사이에 배치된다.
종래 기술에서, 피드-인은 제2 층에서 수행되고, 반사 손실이 -10dB이면 대역폭은 대략 4.6GHz인데, 65GHz 안테나의 반사 손실은 -7dB에 불과하다. 안테나 이득이 상대적으로 낮기 때문에, 16 패치 안테나는 이득을 증가시키는데 사용된다. 결과적으로, 영역은 증가하고, 안테나 특징은 좋지 않다.
본 발명은 패치 안테나 유닛 및 안테나를 제공하여, 안테나의 효율을 향상시킨다.
본 발명의 일 실시예는 패치 안테나 유닛을 제공하는데, 이 패치 안테나 유닛은 제1 지지층과, 상기 제1 지지층 상에 적층 방식으로 배치되는 기판과, 상기 제1 지지층과 떨어져 있는 상기 기판의 일면 상에 배치되는 제2 지지층과, 상기 기판과 떨어져 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치되는 집적 회로를 포함하고, 제1 방사 패치가 상기 기판과 떨어져 있는 상기 제1 지지층의 일면 상에 부착되어 있고, 제2 방사 패치가 상기 제2 지지층과 떨어져 있는 상기 기판의 일면 상에 부착되어 있으며, 상기 제1 방사 패치 및 상기 제2 방사 패치는 중앙에 정렬되고, 제1 접지층이 상기 기판을 향하고 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치되어 있으며, 커플링 슬롯이 상기 제1 접지층 상에 배치되어 있고, 상기 커플링 슬롯에 의해 상기 제1 방사 패치와 상기 제2 방사 패치에 결합 및 접속된 피더가 상기 기판과 떨어져 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치되어 있으며, 상기 집적 회로는 상기 제1 접지층 및 상기 피더와 전기적으로(electrically) 접속된다.
전술한 특정 기술적 해결 방법에서, 4-층 기판이 제조에 사용된다. 안테나 패치 유닛은 제1 층 구리 시트 및 제2 층 구리 시트 상에 배치된다. 제3 층은 접지면으로서 사용되고, 커플링 슬롯은 상기 제3 층 상에 배치되고, 집적 회로 및 패드를 결합하기 위한 제4 층으로서 사용되며 피더의 피드-인(feed-in)을 위해 사용된다. 제3 층 상의 커플링 슬롯은 57-66GHz의 전체 주파수 대역의 고주파수 신호를, 방사를 위한 두 개의 더 높은 층 상의 안테나에 효과적으로 피드하기 위하여 사용될 수 있다. 구체적으로, 전자기장은 피더의 양 단에서 생성되고, 분배된 전류는 전자기장 내의 자기장 성분에 기초하여 커플링 슬롯에 의한 수단으로서 두 개의 방사 패치의 층에 의해 유도되고, 전자기파는 방사선를 위해 분배된 전류에 기초하여 생성된다. 기생 효과(parasitic effect)가 감소된다. 또한, 적층 구조는 안테나의 유효 면적을 증가시킨다. 낮은 기생 파라미터(parasitic parameter) 및 큰 유효 면적이 달성되면 고대역폭과 고이득의 안테나를 제공할 수 있다. 제조하는 과정에서, 추가 프로세스는 필요하지 않고, 인쇄 회로 기판에 대한 기존의 프로세스 과정만이 필요할 뿐이다.
실제 프로세싱 시나리오에서는, 구체적으로, 실제 기판 프로세싱에서 각 층의 구리 커버율(coverage rate)이 고려될 필요가 있다. 구리 커버율이 상대적으로 높은 경우, 프로세싱 신뢰성과 일관성이 더 높다. 따라서, 가능한 설계에서, 패치 안테나 유닛은 상기 제1 지지층 상에 배치되며, 상기 제1 방사 패치와 동일한 층 상에 배치되는 제2 접지층을 더 포함하고, 제1 슬롯은 상기 제2 접지층 및 상기 제1 방사 패치 사이에 배치되고, 상기 제2 접지층은 상기 제1 접지층에 전기적으로 접속된다. 즉, 구리가 제1 지지층을 덮고, 제1 방사 패치가 에칭(etching)과 같은 기존 프로세싱 기술을 사용하여, 덮인 구리 상에 형성된다.
또한, 패치 안테나 유닛은 상기 기판 상에 배치되며, 상기 제2 방사 패치와 동일한 층 상에 배치되는 제3 접지층을 더 포함하고, 제2 슬롯은 상기 제3 접지층 및 상기 제2 방사 패치 사이에 배치되고, 상기 제3 접지층은 상기 제1 접지층에 전도성으로(conductively) 접속된다. 접지층은 상이한 기판에 배치되어 기판의 구리 커버율을 증가시킨다. 또한, 전술한 구조의 사용은 다음과 같은 효과를 야기한다.
1) 실제 칩의 집적에 있어서, EMC 성능이 향상될 수 있다.
2) 안테나의 전방 방사 특징이 강화된다(에뮬레이션에 의하면, 안테나를 둘러싸는 구리 시트가 접지되어 접지층을 형성하는 경우의 에뮬레이션 이득은, 구리 시트가 접지되지 않은 경우에 비해 0.5dB 더 크다는 것이 증명됨).
특정한 배치에서, 상기 제1 슬롯 및 상기 제2 슬롯의 폭은, 상기 패치 안테나 유닛의 최대 동작 주파수 파장의 1/10 이상이다.
구체적으로, 상기 제1 접지층 및 상기 집적 회로는 상기 제4 접지층을 사용하여 전도성으로(conductively) 접속된다. 구체적으로, 패치 안테나 유닛은 상기 제2 지지층 상에 배치되며, 상기 피더와 동일한 층 상에 배치되는 제4 접지층을 더 포함하고, 제3 슬롯은 상기 제4 접지층 및 상기 피더 사이에 배치되고, 상기 제1 접지층은 상기 제4 접지층을 사용하여 상기 집적 회로에 전도성으로(conductively) 접속된다. 배치된 제4 접지층은 구리 커버 면적을 증가시킬 뿐만 아니라, 안테나 구조와 집적 회로 사이의 접속을 용이하게 한다.
특정 제조 프로세스에서, 상기 집적 회로는 솔더 볼(solder ball)을 사용하여 상기 제4 접지층 및 상기 피더에 접속된다. 접속 효율은 좋다.
예시적인 실시예에서, 제1 지지층, 제2 지지층, 및 기판의 구리 커버율의 범위는 50%에서 90%일 수 있다.
제1 방사 패치 및 제2 방사 패치는 중앙에 정렬된 방식으로 배열되고, 상기 제1 방사 패치의 영역의 상기 제2 방사 패치의 영역에 대한 비율의 범위는 0.9:1에서 1.2:1일 수 있다.
가능한 설계에서, 상기 커플링 슬롯의 길이(L)의 값의 범위는, 상기 패치 안테나 유닛의 최대 전력 주파수에 대응하는 전자기 파장의 1/3에서 1/5이고, 상기 커플링 슬롯의 최대 폭의 범위는, 상기 커플링 슬롯의 길이(L)의 75%에서 100%이고, 상기 커플링 슬롯의 최소 폭의 범위는, 상기 커플링 슬롯의 길이(L)의 20%에서 30%일 수 있다.
특정 구조에서, 상기 커플링 슬롯은, 평행한 두 개의 제1 슬롯과, 상기 두 개의 제1 슬롯 사이에 배치되며 상기 두 개의 제1 슬롯을 접속하는 제2 슬롯을 포함하고, 상기 제1 슬롯의 길이 방향은 상기 제2 슬롯의 길이 방향에 수직이고, 상기 피더는 직사각형 구리 시트이고, 상기 피더의 길이 방향은 상기 제2 슬롯의 길이 방향에 수직이고, 상기 커플링 슬롯이 위치하는 평면 상의 상기 피더의 수직 투영은 상기 제2 슬롯을 가로지른다(cross).
특정 재료의 선택에 있어서, 제1 지지층, 제2 지지층, 기판, 및 집적 회로 트랜지스터 플레이트는 수지 기판일 수 있다.
제2 측면에 따르면, 본 발명의 실시예는 안테나를 더 제공하는데, 이 안테나는 피드와, 이 피드에 접속된 나무 같은 가지(tree-like branches)를 포함한다. 각 가지(branch)의 노드는 전력 스플리터(power splitter)로 제공된다. 나무 같은 가지의 말단 가지는 전술한 패치 안테나 유닛 중 어느 것과 접속된다.
전술한 특정 기술적 해결 방법에서, 4-층 기판이 제조에 사용된다. 안테나 패치 유닛은 제1 층 구리 시트 및 제2 층 구리 시트 상에 배치된다. 제3 층은 접지면으로서 사용되고, 커플링 슬롯은 제3 층 상에 배치되고, 집적 회로 및 패드를 결합하는 제4 층으로서 사용되며 피더의 피드-인(feed-in)을 위해 사용된다. 제3 층 상의 커플링 슬롯은 57-66GHz의 전체 주파수 대역의 고주파수 신호를, 방사를 위한 두 개의 더 높은 층 상의 안테나에 효과적으로 피드하기 위하여 사용될 수 있다. 구체적으로, 전자기장은 피더의 양 단에서 생성되고, 분배된 전류는 전자기장 내의 자기장 성분에 기초하여 커플링 슬롯에 의한 수단으로서 두 개의 방사 패치의 층에 의해 유도되고, 전자기파는 방사를 위해 분배된 전류에 기초하여 생성된다. 기생 효과가 감소된다. 또한, 적층 구조는 안테나의 유효 면적을 증가시킨다. 낮은 기생 파라미터 및 큰 유효 면적이 달성되면 고대역폭과 고이득의 안테나를 제공할 수 있다. 제조하는 과정에서, 추가 프로세스는 필요하지 않고, 인쇄 회로 기판에 대한 기존의 프로세스 과정만이 필요할 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나 유닛의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 패치 안테나 유닛의 주요 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 각각 본 발명의 일 실시에에 따른 패치 안테나 유닛의 우측 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 다른 패치 안테나 유닛의 개략적인 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 패치 안테나 유닛의 에뮬레이션 결과이다.
도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 패치 안테나 유닛의 3D 이득 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 일 실시에에 따른 안테나의 개략적인 구조도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시에에 따른 안테나의 에뮬레이션 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시에에 따른 안테나의 3D 이득 다이어그램이다.
도 10은 본 발명의 일 실시에에 따른 다른 안테나의 개략적인 구조도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시에에 따른 안테나의 에뮬레이션 결과이다.
도 12는 본 발명의 일 실시에에 따른 안테나의 3D 이득 다이어그램이다.
본 발명의 목적, 기술적 해결 방법, 이점 등을 더욱 명확하게 설명하기 위하여, 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더 묘사한다. 명백히, 설명되는 실시예는 본 발명의 일부일 뿐 전체 실시예를 나타내는 것은 아니다. 통상의 기술자가 특별한 창의적인 노력 없이 본 발명의 실시예에 기초하여 획득하는 다른 모든 실시예도 본 발명의 보호 범위에 있다고 할 것이다.
본 발명의 실시예는 패치 안테나 유닛을 제공한다. 이 패치 안테나 유닛은 제1 지지층, 상기 제1 지지층 상에 적층 방식으로 배치되는 기판, 상기 제1 지지층과 떨어져 있는 상기 기판의 일면 상에 배치되는 제2 지지층, 및 상기 기판과 떨어져 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치되는 집적 회로를 포함한다.
제1 방사 패치는 상기 기판과 떨어져 있는 상기 제1 지지층의 일면 상에 부착된다.
제2 방사 패치는 상기 제2 지지층과 떨어져 있는 상기 기판의 일면 상에 부착된다. 여기서 상기 제1 방사 패치 및 상기 제2 방사 패치는 중앙에 정렬된다.
제1 접지층은 상기 기판을 향하고 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치되고, 커플링 슬롯은 상기 제1 접지층 상에 배치되어 있고, 상기 커플링 슬롯에 의해 상기 제1 방사 패치와 상기 제2 방사 패치에 결합 및 접속된 피더는 상기 기판과 떨어져 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치된다.
상기 집적 회로는 상기 제1 접지층 및 상기 피더와 전기적으로(electrically) 접속된다.
전술한 특정 실시예에서, 4-층 기판(제1 지지층, 기판, 제2 지지층, 및 집적 회로)이 제조에 사용된다. 제1 층 지지층 및 기판 상에 개별적으로 배치된 제1 층 구리 시트 및 제2 층 구리 시트 기판은 안테나 방사 유닛이다. 제3 층 구리 시트(제2 지지층 상에 배치된 구리 시트)는 접지면으로서 사용되고, 커플링 슬롯은 제3 층 구리 시트 상에 배치되고, 집적 회로 및 패드를 결합하기 위한 제4 층으로서 사용되며 피더의 피드-인(feed-in)을 위해 사용된다. 제1 방사 패치 및 제2 방사 패치는 피더에 결합 및 접속된다. 구체적으로, 커플링에서, 제3 층의 커플링 슬롯은 57-66GHz의 전체 주파수 대역의 고주파수 신호를, 방사를 위한 두 개의 더 높은 층 상의 안테나에 효과적으로 피드하기 위하여 사용될 수 있다. 특정 커플링 접속에서, 전자기장은 피더의 양 단에서 생성되고, 분배된 전류는 전자기장 내의 자기장 성분에 기초하여 커플링 슬롯에 의한 수단으로서 두 개의 방사 패치의 층에 의해 유도되고, 전자기파는 방사선를 위해 분배된 전류에 기초하여 생성된다. 기생 효과(parasitic effect)가 감소된다. 또한, 적층 구조는 안테나의 유효 면적을 증가시킨다. 낮은 기생 파라미터(parasitic parameter) 및 큰 유효 면적이 달성되면 고대역폭과 고이득의 안테나를 제공할 수 있다. 제조하는 과정에서, 추가 프로세스는 필요하지 않고, 인쇄 회로 기판에 대한 기존의 프로세스 과정만이 필요할 뿐이다.
본 발명의 실시예에 제공된 패치 안테나 유닛의 이해를 용이하게 하기 위하여, 이하에서는 특정 실시예에서 부재 번호와 함께 상세히 설명된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나 유닛의 개략적인 구조도를 나타내고, 도 2는 본 발명의 일 실시에에 따른 패치 안테나 유닛의 개략적인 분해도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 제공된 안테나 구조는 제1 지지층(1), 기판(2), 제2 지지층(3), 및 집적 회로(4)의 4-층을 포함한다. 제1 지지층(1), 기판(2), 제2 지지층(3), 및 기저-층(basement-layer) 트랜지스터 플레이트의 기판(2)은 수지 재료로부터 만들어지며, 상대적으로 얇은 패키징 기판(예를 들어, 전체 두께가 650 um 미만임)을 사용함으로써 57-66GHz의 전체 주파수 대역 안테나의 특징을 구현할 수 있다.
제1 방사 패치(11)는 제2 지지층(3)과 떨어져 있는 제1 지지층(1)의 일면 상에 배치되고, 제2 방사 패치(21)는 제2 지지층(3)과 떨어져 있는 기판(2)의 일면 상에 배치된다. 제1 방사 패치(11) 및 제2 방사 패치(21)는 중앙에 정렬된다. 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 층 상의 방사 유닛은 중앙에 정렬된다. 구체적인 배치에서, 제1 방사 패치(11) 및 제2 방사 패치(21)는 상이할 수 있고, 제1 방사 패치(11)의 영역의 제2 방사 패치(21)의 영역에 대한 비율의 범위는 0.9:1에서 1.2:1이고, 구체적으로는 1:1에서 1.2:1, 예를 들어, 0.9:1, 0.95:1, 1:1, 1:1.1, 또는 1:1.2일 수 있다. 따라서, 제1 방사 패치(11) 및 제2 방사 패치(21)는 제조하는 동안 약간 상이해질 수 있어서, 제조 프로세스의 어려움을 줄일 수 있다. 적층된 방사 패치의 두 개의 층의 사용은 안테나의 유효 면적을 증가시키고, 따라서 고대역폭 고이득의 안테나가 제공될 수 있다.
제2 지지층(3)은 접지에 사용된다. 구체적으로, 제1 접지면은 기판(2)을 향하고 있는 제2 지지층(3)의 일면 상에 배치되고, 커플링 슬롯(32)은 제1 접지면 상에 배치된다. 커플링 슬롯(32)에 의해 제1 방사 패치(11)와 제2 방사 패치(21)에 결합 및 접속되는 피더(33)는, 기판(2)과 떨어져 있는 제2 지지층(3)의 일면 상에 배치된다. 특정 사용에서, 제3 층 상의 커플링 슬롯(32)은 57-66GHz의 전체 주파수 대역의 고주파수 신호를, 방사를 위한 두 개의 더 높은 층 상의 안테나에 효과적으로 피드하기 위하여 사용된다. 기생 효과는 감소되고, 안테나는 고대역폭과 고이득을 제공한다.
도 3a 내지 도 3e를 참조하면, 도 3a 내지 도 3e는 상이한 커플링 슬롯(32)의 형태를 보여준다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 도 3a에 도시된 커플링 슬롯(32)은 길이 L 및 폭 W의 직사각형이다. 배치에서, 커플링 슬롯(32)의 길이(L)의 값의 범위는, 패치 안테나 유닛의 최대 전력 주파수에 대응하는 전자기 파장의 1/3에서 1/5이다. 바람직하게는, 길이(L)는 패치 안테나 유닛의 최대 전력 주파수에 대응하는 전자기 파장의 1/4일 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 도 3b에 도시된 커플링 슬롯(32)은 평행한 두 개의 제1 슬롯과, 두 개의 제1 슬롯 사이에 배치되며 두 개의 제1 슬롯을 접속하는 제2 슬롯을 포함한다. 제1 슬롯의 길이 방향은 제2 슬롯의 길이 방향에 수직이다. 제1 슬롯의 길이는 L이고, 제1 슬롯의 최대 폭은 W1이고, 제1 슬롯의 최소 폭은 W2이다. 구체적으로, 커플링 슬롯(32)의 길이(L)의 값의 범위는 패치 안테나 유닛의 최대 전력 주파수에 대응하는 전자기 파장의 1/3에서 1/5이다. 커플링 슬롯(32)의 최대 폭의 범위는 길이(L)의 75%에서 100%, 예를 들어, 75%, 80%, 90%, 또는 100%이다. 커플링 슬롯(32)의 최소 폭의 범위는, 길이(L)의 20%에서 30%, 예를 들어, 20%, 25%, 또는 30%이다. 커플링 슬롯(32)이 구체적으로 피더(33)에 대응하는 경우, 구체적으로 도 3e에 도시된 바와 같이, 커플링 슬롯(32)은 평행한 두 개의 제1 슬롯과, 두 개의 제1 슬롯 사이에 배치되며 두 개의 제1 슬롯을 접속하는 제2 슬롯을 포함한다. 제1 슬롯의 길이 방향은 제2 슬롯의 길이 방향에 수직이다. 피더(33)는 직사각형 구리 시트이다. 피더의 길이 방향은 제2 슬롯의 길이 방향에 수직이고, 커플링 슬롯이 위치하는 평면 상의 피더의 수직 투영은 제2 슬롯을 가로지른다(cross). 피더(33)는 커플링 슬롯(32)을 사용하여 제1 방사 패치 및 제2 방사 패치에 신호를 급전(피드)한다.
도 1에 도시된 바와 같은 특정 배치에서, 제1 접지층(31)은, 구체적으로 제4 접지층(34)를 사용함으로써, 집적 회로(4)에 전도성으로 접속된다. 구체적으로, 제4 접지층(34)은 기판(2)과 떨어져 있는 제2 지지층 상에 배치된다. 제4 접지층(34) 및 피더(33)는 같은 층 상에 배치되고, 제3 슬롯은 제4 접지층(34) 및 피더(33) 사이에 배치된다. 제1 접지층(31)은 제2 접지층(22)을 사용함으로써 집적 회로(4)에 전도성으로 접속된다. 배치된 제4 접지층(34)는 구리 커버 면적을 증가시킬 뿐만 아니라, 안테나 구조와 집적 회로(4) 사이의 접속을 용이하게 한다. 접지층 및 집적 회로(4) 사이의 접속은 배치된 접지층(34)을 사용함으로써 구현된다. 특정 접속에서, 집적 회로(4)의 접지 회로는 솔더 볼을 사용하여 솔더링으로 제4 접지층(34)와 접속된다. 집적 회로(4)의 피더(33)는 솔더 볼을 사용함으로써 피더(33)에 접속된다. 이는 접지층, 피더(33), 및 집적 회로(4)의 회로 사이 접속의 신뢰성을 보장하여, 전도 안정성(conduction stability)을 보장한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 다른 패치 안테나 유닛의 개략적인 구조도이다.
도 4에 도시된 구조에서, 제1 방사 패치(11), 제2 방사 패치(21), 접지 접속, 슬롯 피딩, 및 집적 회로(4)의 구조 및 접속 방식은 도 1에 도시된 패치 안테나 유닛과 같고, 여기서 다시 상세하게 설명하지는 않는다.
실제 프로세싱 시나리오에서, 구체적으로, 실제 기판(2)의 프로세싱에서 각 층의 구리 커버율이 고려될 필요가 있다. 구리 커버율이 상대적으로 높은 경우, 프로세싱 신뢰성과 일관성이 더 높다. 따라서, 가능한 설계에서, 제2 접지층(12)은 기판(2)과 떨어진 제1 지지층(1)의 일면 상에 배치되고, 제2 접지층(12) 및 제1 접지층(11)은 동일한 층 상에 배치된다. 제1 슬롯(13)은 제2 접지층(12) 및 제1 방사 패치 사이에 배치되고, 제2 접지층(12)은 제1 접지층(31)에 전도성으로 접속된다. 즉, 구리가 제1 지지층(1)을 덮고, 제1 방사 패치가 에칭(etching)과 같은 기존 프로세싱 기술을 사용하여, 덮인 구리 상에 형성된다.
또한, 제2 접지층(22)은 제2 지지층(3)과 떨어진 기판(2)의 일면 상에 배치되고, 제2 접지층(22)은 제1 접지층(31)에 전도성으로 접속된다. 제2 접지층(22) 및 제2 방사 패치(21)는 동일한 층 상에 배치되고, 제2 슬롯(23)은 제2 접지층(22) 및 제2 방사 패치(21) 사이에 배치된다. 접지층은 상이한 기판(2)에 배치되어 기판(2)의 구리 커버율을 증가시킨다. 또한, 전술한 구조의 사용은 다음의 효과를 준다.
1) 실제 칩의 집적에 있어서, EMC(electromagnetic compatibility) 성능이 향상될 수 있다.
2) 안테나의 전방 방사 특징이 강화된다(에뮬레이션에 의하면, 안테나를 둘러싸는 구리 시트가 접지되어 접지층을 형성하는 경우의 에뮬레이션 이득은, 제1 접지층(31) 및 제2 접지층(12)이 배치되지 않은 경우에 비해 0.5dB 더 크다는 것이 증명됨).
특정 배치에서, 제1 슬롯(13) 및 제2 슬롯(23)의 폭은 패치 안테나 유닛의 최대 동작 주파수 파장의 1/10 이상이다.
예시적인 실시예에서, 제1 지지층(1), 제2 지지층(3), 및 기판(2)의 구리 커버율의 범위는 50%에서 90%이다. 전술한 구리로 덮인 구조를 사용하는 것은 제1 방사 패치(11) 및 제2 방사 패치(21)의 프로세싱을 용이하게 하여, 프로세싱의 어려움을 감소시킬 수 있다. 또한, 추가적으로 배치된 제1 접지층(31) 및 제2 접지층(12)은 안테나의 전방 방사 특징을 더욱 효과적으로 강화시킬 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 도 5는 도 4에 도시된 구조의 반사 손실의 에뮬레이션 결과를 나타내고, 도 6은 도 4에 도시된 구조의 3D 이득 다이어그램을 나타낸다. 도 5에서 알 수 있듯이, -10dB 미만의 반사 손실을 갖는 WiGig 대역은 54GHz에서 70GHz이다. 이는 이러한 설계가 신호 손실이 매우 적은, 뛰어난 광대역 설계임을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예는 안테나를 더 제공하는데, 이 안테나는 피드(30) 및 피드(30)에 전기적으로 접속된 전력 할당 네트워크를 포함한다. 전력 할당 네트워크는 전술한 실시예에서 설명된 다중 패치 안테나 유닛(10) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
패치 안테나 유닛(10)은 4-층 기판(2)을 사용함으로써 제작된다. 안테나 패치 유닛은 제1 층 구리 시트 및 제2 층 구리 시트 상에 배치된다. 제3 층은 접지면으로서 사용되고, 커플링 슬롯(32)은 제3 층 상에 배치되며 집적 회로 및 패드를 결합하기 위하여 제4 층으로서 사용된다. 제3 층 상의 커플링 슬롯(32)은 57-66GHz의 전체 주파수 대역의 고주파수 신호를, 방사를 위한 두 개의 더 높은 층 상의 안테나에 효과적으로 피드하기 위하여 사용될 수 있다. 구체적으로, 전자기장은 피더의 양 단에서 생성되고, 분배된 전류는 전자기장 내의 자기장 성분에 기초하여 커플링 슬롯에 의한 수단으로서 두 개의 방사 패치의 층에 의해 유도되고, 전자기파는 방사를 위해 분배된 전류에 기초하여 생성된다. 기생 효과가 감소된다. 또한, 적층 구조는 안테나의 유효 면적을 증가시킨다. 낮은 기생 파라미터 및 큰 유효 면적이 달성되면 고대역폭과 고이득의 안테나를 제공할 수 있다. 제조하는 과정에서, 추가 프로세스는 필요하지 않고, 인쇄 회로 기판(2)에 대한 기존의 프로세스 과정만이 필요할 뿐이다.
도 7 및 도 10에 도시된 바와 같이, 도 7 및 도 10은 각각 나무와 같은(tree-like) 상이한 구조를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 도 7은 두 개의 패치 안테나 유닛(10)이 사용되는 구조를 나타낸다. 도 7에서, 피드(30)는 전력 스플리터(20)에 접속되고, 각각의 전력 스플리터(20)는 패치 안테나 유닛(10)에 접속된다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 도 8은 도 7에 도시된 구조의 반사 손실의 에뮬레이션 결과를 나타내고, 도 9는 도 7에 도시된 구조의 3D 이득 다이어그램을 나타낸다. 도 8의 데이터로부터 알 수 있듯이, 반사 손실이 -10dB 미만인 대역은 54GHz에서 70GHz일 수 있다. 이는 이러한 설계가 신호 손실이 매우 적은, 뛰어난 광대역 설계임을 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 도 10은 다중 패치 안테나 유닛(10)이 사용된느 구조의 개략도를 나타낸다. 도 10에서, 선들은 전력 스플리터(20)를 사용하여 분기되어, 나무와 같은 구조를 형성한다. 구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 피드(30)는 전력 스플리터(20)에 접속되고, 전력 스플리터(20)의 출력단은 두 가지(분기)로 분할되고, 각각의 가지(분기)는 전력 스플리터(20)에 접속되고, 전력 스플리터(20)의 출력단은 마지막 가지(분기)가 안테나 패치 유닛에 접속될 때까지 더 분기된다. 전술한 구조가 사용되는 경우, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 도 11은 도 10에 도시된 구조의 반사 손실의 에뮬레이션 결과를 나타내고, 도 12는 도 10에 도시된 구조의 3D 이득 다이어그램을 나타낸다. 반사 손실이 -10dB 미만인 대역은 55GHz에서 70GHz임을 알 수 있다. 이는 이러한 설계가 신호 손실이 매우 적은, 뛰어난 광대역 설계임을 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 통신 장치를 더 제공하는데, 이 통신 장치는 전술한 안테나를 포함한다.
전술한 특적 기술적 해결 방법에서, 4-층 기판(2)이 제작을 위해 사용된다. 안테나 패치 유닛은 제1 층 구리 시트 및 제2 층 구리 시트 상에 배치된다. 제3 층은 접지면으로서 사용되고, 커플링 슬롯(32)은 제3 층 상에 배치되고, 집적 회로 및 패드를 결합하기 위한 제4 층으로서 사용되며, 피더의 피드-인(feed-in)을 위해 사용된다. 제3 층 상의 커플링 슬롯(32)은 57-66GHz의 전체 주파수 대역의 고주파수 신호를, 방사를 위한 두 개의 더 높은 층 상의 안테나에 효과적으로 피드(급전)하기 위하여 사용될 수 있다. 기생 효과(parasitic effect)가 감소된다. 또한, 적층 구조는 안테나의 유효 면적을 증가시킨다. 낮은 기생 파라미터(parasitic parameter) 및 큰 유효 면적이 달성되면 고대역폭과 고이득의 안테나를 제공할 수 있다. 제조하는 과정에서, 추가 프로세스는 필요하지 않고, 인쇄 회로 기판(2)에 대한 기존의 프로세스 과정만이 필요할 뿐이다.
명백하게, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 사상 및 범위에 국한되지 않고 다양한 변형 및 수정을 가할 수 있다. 본 발명은 이러한 변형 및 수정까지도 본 발명의 청구항 및 동등한 기술로 정의되는 보호 범위에 속하는 것으로 의도된 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 지지층;
    상기 제1 지지층 상에 적층 방식으로 배치되는 기판;
    상기 제1 지지층과 떨어져 있는 상기 기판의 일면 상에 배치되는 제2 지지층; 및
    상기 기판과 떨어져 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치되는 집적 회로
    를 포함하고,
    제1 방사 패치가 상기 기판과 떨어져 있는 상기 제1 지지층의 일면 상에 부착되어 있고,
    제2 방사 패치가 상기 제2 지지층과 떨어져 있는 상기 기판의 일면 상에 부착되어 있으며,
    상기 제1 방사 패치 및 상기 제2 방사 패치는 중앙에 정렬되고,
    제1 접지층이 상기 기판을 향하고 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치되어 있으며,
    커플링 슬롯이 상기 제1 접지층 상에 배치되어 있고,
    상기 커플링 슬롯에 의해 상기 제1 방사 패치와 상기 제2 방사 패치에 결합 및 접속된 피더가 상기 기판과 떨어져 있는 상기 제2 지지층의 일면 상에 배치되어 있으며,
    상기 집적 회로는 상기 제1 접지층 및 상기 피더와 전기적으로(electrically) 접속된,
    패치 안테나 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지층 상에 배치되며, 상기 제1 방사 패치와 동일한 층 상에 배치되는 제2 접지층
    을 더 포함하고,
    제1 슬롯은 상기 제2 접지층 및 상기 제1 방사 패치 사이에 배치되고,
    상기 제2 접지층은 상기 제1 접지층에 전기적으로 접속된,
    패치 안테나 유닛.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판 상에 배치되며, 상기 제2 방사 패치와 동일한 층 상에 배치되는 제3 접지층
    을 더 포함하고,
    제2 슬롯은 상기 제3 접지층 및 상기 제2 방사 패치 사이에 배치되고,
    상기 제3 접지층은 상기 제1 접지층에 전도성으로(conductively) 접속된,
    패치 안테나 유닛.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 슬롯 및 상기 제2 슬롯의 폭은,
    상기 패치 안테나 유닛의 최대 동작 주파수 파장의 1/10 이상인,
    패치 안테나 유닛.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 지지층 상에 배치되며, 상기 피더와 동일한 층 상에 배치되는 제4 접지층
    을 더 포함하고,
    제3 슬롯은 상기 제4 접지층 및 상기 피더 사이에 배치되고,
    상기 제1 접지층은 상기 제4 접지층을 사용하여 상기 집적 회로에 전도성으로(conductively) 접속된,
    패치 안테나 유닛.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 집적 회로는 솔더 볼(solder ball)을 사용하여 상기 제4 접지층 및 상기 피더에 접속되는,
    패치 안테나 유닛.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 방사 패치의 영역의 상기 제2 방사 패치의 영역에 대한 비율의 범위는 0.9:1에서 1.2:1인,
    패치 안테나 유닛.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 커플링 슬롯의 길이(L)의 값의 범위는,
    상기 패치 안테나 유닛의 최대 전력 주파수에 대응하는 전자기 파장의 1/3에서 1/5이고,
    상기 커플링 슬롯의 최대 폭의 범위는,
    상기 커플링 슬롯의 길이(L)의 75%에서 100%이고,
    상기 커플링 슬롯의 최소 폭의 범위는,
    상기 커플링 슬롯의 길이(L)의 20%에서 30%인,
    패치 안테나 유닛.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 커플링 슬롯은,
    평행한 두 개의 제1 슬롯; 및
    상기 두 개의 제1 슬롯 사이에 배치되며 상기 두 개의 제1 슬롯을 접속하는 제2 슬롯
    을 포함하고,
    상기 제1 슬롯의 길이 방향은 상기 제2 슬롯의 길이 방향에 수직이고,
    상기 피더는 직사각형 구리 시트이고,
    상기 피더의 길이 방향은 상기 제2 슬롯의 길이 방향에 수직이고,
    상기 커플링 슬롯이 위치하는 평면 상의 상기 피더의 수직 투영은 상기 제2 슬롯을 가로지르는,
    패치 안테나 유닛.
  10. 피드(feed); 및
    상기 피드에 전기적으로 접속된 전력 할당 네트워크
    를 포함하고,
    상기 전력 할당 네트워크는,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 다중 패치 안테나 유닛을 포함하는,
    안테나.
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