KR20200021835A - 반도체 안테나 - Google Patents

Abstract

반도체 안테나가 제공된다. 반도체 안테나는, 기판, 상기 기판의 전면부에 형성되어 있는 금속 라인으로 이루어진 피더(feeder) 라인, 복수의 플라즈마 채널을 형성하는 반도체 다이폴 암, 상기 피더 라인에 연결되어 있으며, 상기 피더 라인으로부터의 신호를 상기 반도체 다이폴 암으로 전달하는 금속 라인인 평행 스트립 라인, 상기 기판의 후면부에 형성되어 있는 접지면, 그리고 상기 기판의 일측면에 형성되어 상기 반도체 다이폴 암과 상기 접지면 사이에 연결되어 있는 금속 라인인 바이어스 라인을 포함한다.

Description

반도체 안테나{Semiconductor antenna}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 반도체 안테나에 관한 것이다.

IoT(Internet of things) 기술의 발달과 함께 무선 데이터 통신은 매우 중요해지고 있다. 다양한 통신 환경에서 장치간의 데이터 송수신을 위해서는 다양한 환경에 적합한, 재구성 가능한 안테나가 요구된다. 또한, 과밀화된 무선 스펙트럼 환경에서 주파수 재구성이 가능한 안테나는 신호간 간섭을 피하기 위해 매우 매력적인 솔루션이다. 상이한 동작 주파수를 갖는 다양한 디바이스와 통신하기 위해, 공진 주파수를 조정 가능한 주파수 재구성 가능 안테나가 매우 유용할 것으로 판단된다. 따라서 이러한 안테나의 개발은 연구의 초점이 되고 있다.

PIN 다이오드 및 배렉터(Varactor) 다이오드를 사용하는 많은 유형의 주파수 재구성 가능 안테나들이 연구되었다. PIN 다이오드를 사용하는 경우, 작동 주파수는 미리 결정된 요구 사항을 충족시키도록 변경될 수 있지만, 연속적인 주파수 변경이 제한된다. 이와는 달리, 배렉터 다이오드는 연속적인 주파수 변경이 가능하지만, 낮은 자기 공진 주파수(self-resonance frequency)를 가지므로, 가변 주파수 범위가 제한된다.

반도체에 기반한 주파수 재구성 가능 안테나는, 종래의 금속 기반 위상 배열 안테나에 의해 발생하는 단점을 극복하기 위해 제안되었다. 이 안테나에서의 주파수 재구성은 고체 상태의 플라즈마(전자 및 홀의 구름)에 의해 구현될 수 있으며, 이는 제어 신호에 따라 실리콘 디바이스의 채널 내에 전도 영역을 일시적으로 생성하는 것에 의해 이루어진다. 이러한 안테나에서 스위치가 온(ON)되는 경우, 실리콘 디바이스의 특정 패턴을 어드레싱함으로써 반도체는 금속처럼 동작하기 시작하여 안테나에서 요청된 방사 특성을 형성하는 것이 가능해진다. 그러나 실제적이고 신뢰할 수 있는 빔 형성 특성을 얻는 데 있어서, 기존 반도체 기반의 주파수 재구성 가능 안테나로는 해결할 수 없는 다음과 같은 몇 가지 문제들이 존재한다. 반도체 기반의 주파수 재구성 가능 안테나를 간략하게 "반도체 재구성 안테나"라고 명명할 수 있다.

첫째, 기존에 야기 우다(Yagi-Uda) 안테나 및 슬롯형 도파관 안테나 등의 반도체 재구성 안테나가 발표되었지만, 이와 같은 안테나에서의 반도체 역할은 단순히 반사판 또는 슬롯 개폐 등의 수동적인 임무만을 수행하였을 뿐 능동적인 라디에이터(radiator)로써의 역할을 보여주지 못한다. 즉, 반도체 재구성 안테나가 더욱 넓은 응용 범위에서 사용되기 위해서 반도체 소자는 능동적인 부품으로 사용되어야만 한다. 반도체 소자를 라디에이터로 이용한 연구들이 있지만, 모노폴을 이용한 단순한 구조에 주파수 호핑되는 특성만을 보임으로써 안테나로써 온전히 동작하는 모습은 보여주지 못하였다. 즉, 안테나 피더 및 접지면에 대한 구체적이고 면밀한 설계가 필요하다.

둘째, 기존에 발표된 야기 우다 안테나는 바이어스 라인에 의해 양방향의 빔을 형성하는 재구성 특성을 보여주지 못한다. 반도체 재구성 안테나는 반도체 소자에 전원을 공급하기 위해 바이어스 라인을 필수적으로 갖추어야 하며, 바이어스 라인들이 안테나의 특성에 큰 영향을 준다. 따라서 바이어스 라인은 빔의 형성에 영향을 주지 않도록 설계되어야만 한다. 그러나 기존의 야기 우다 안테나는 바이어스 라인에 의해 양 방향의 빔을 형성하는 재구성 특성을 제시하고 있지 않다.

셋째, 접지면과 평행한 방향으로 빔을 형성하기 위한 구조적인 측면이 고려되지 않고 있다. 대부분의 평판 안테나의 경우 형성된 빔은 접지면에 수직한 방향으로 형성된다. 이러한 빔의 방향은 차량 및 비행체 등에 장착될 경우 공기 저항을 크게 받게 되므로 실제의 응용에 적용되기 어려운 측면이 있다. 실제 움직이는 사물에 평판 안테나가 적용되기 위해서는 접지면과 평행한 방향으로 빔이 형성되어야만 공기저항을 받지 않게 장착될 수 있기 때문에, 이러한 구조적인 측면이 고려되어야 한다.

이와 같이 종래의 반도체 재구성 안테나들은 그 개념들만 제안했을 뿐 실제 안테나의 구조에 대해서는 정확히 언급한 것이 없다. 그러나 반도체 소자를 안테나에 적용하여 그 특성을 얻기 위해서는 안테나의 구조가 정확하게 설계되어야지만 이득, 주파수 등의 성능을 정확히 얻을 수 있고, 이러한 상태가 되어야 빔 형성이 재대로 되고 있는지 판단할 수 있기 때문에, 반도체를 통해 안테나를 구성하는 경우, 개념을 구현할 수 있는 안테나 구조가 제시되어야 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 반도체 기반의 주파수 재구성이 가능한 안테나를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 반도체 소자의 온/오프(ON/OFF)에 따라 안테나의 주파수 및 이득이 호핑되어 재구성되는 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따른 반도체 안테나는, 기판; 상기 기판의 전면부에 형성되어 있는 금속 라인으로 이루어진 피더(feeder) 라인; 복수의 플라즈마 채널을 형성하는 반도체 다이폴 암; 상기 피더 라인에 연결되어 있으며, 상기 피더 라인으로부터의 신호를 상기 반도체 다이폴 암으로 전달하는 금속 라인인 평행 스트립 라인; 상기 기판의 후면부에 형성되어 있는 접지면; 및 상기 기판의 일측면에 형성되어 상기 반도체 다이폴 암과 상기 접지면 사이에 연결되어 있는 금속 라인인 바이어스 라인을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 반도체 소자를 이용하면서 주파수의 재구성이 가능한 구체적인 구조를 가지는 반도체 안테나를 제공할 수 있다.

또한, 주파수 호핑뿐만 아니라 이득의 호핑 특성도 동시에 획득할 수 있는 반도체 재구성 안테나를 제공할 수 있다.

또한, 바이어스 라인에 의해 안테나 성능이 영향을 받지 않고 접지면에 평행한 방향으로 빔이 형성되는 안테나를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명이 실시 예에 따른 반도체 안테나의 동작 원리를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 주파수 호핑 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 이득 호핑 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 빔 패턴을 나타낸 도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명이 실시 예에 따른 반도체 안테나의 동작 원리를 나타낸 도이다.

안테나에서 반도체가 라디에이터로서의 역할을 수행하도록 하기 위해서, 안테나는 다이폴(dipole) 안테나를 기반으로 설계될 수 있다. 도 1에서와 같이, 반도체 안테나는 급전부(메탈로 이루어짐)를 중심으로 서로 다른 길이의 다이폴 암(arm)을 가지는 형태로 구성되며, 각각의 다이폴 암은 PIN 다이오드로 이루어질 수 있다.

이러한 다이폴 기반의 반도체 안테나의 동작 주파수는 안테나의 길이(l)를 변경하는 것에 의해 재구성이 가능하다. 도 1에 도시된, 상대적으로 짧은 다이폴 암의 길이는 더 높은 공진 주파수를 발생시킨다.

이러한 다이폴 기반의 구조로 이루어지는 반도체 안테나에서, PIN 다이오드로 이루어지는 어레이 패턴을 활성화시키면 중앙의 급전부로부터 인가되는 신호가 방사되며, 전기적인 신호를 조절하여 주파수 등을 조절할 수 있다.

또한, 실리콘 PIN 다이오드를 이용하는 경우, 고체 플라즈마(전자 또는 홀 캐리어)는 플라즈마 라디에이터의 각 세그먼트를 활성화 또는 비활성화하여 제어할 수 있는 다이폴 암의 길이를 변경함으로 재구성 가능한 라디에이터로 사용한다.

한편, 도 1에서, PIN 다이오드를 직렬로 연결하여 다이폴 암을 구성하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, PIN 다이오드의 병렬 배치뿐 아니라, PIN 다이오드 및 금속 패턴을 주기적으로 배열한 구조도 사용될 수 있다. 이러한 구조의 차이는 안테나의 타겟 주파수 및 요구되는 성능 지표에 따라 선택 및 조절될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 평면도이다.

첨부한 도 2에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나(1)는, 기판(11)에 형성된 패턴화된 금속 라인들에 연결된 반도체 다이폴 암(12)을 포함한다. 구체적으로, 피더(feeder) 라인(13)과, 피더 라인에 연결된 평행 스트립 라인(14), 평행 스트립 라인에 연결된 반도체 다이폴 암(12), 반도체 다이폴 암에 연결된 바이어스 라인(15)을 포함한다. 피더 라인(13), 평행 스트립 라인(14), 바이어스 라인(15)은 금속 라인으로 이루어진다.

피더 라인(13)은 안테나의 전면부 즉, 기파(11)의 전면에만 위치되며, 바이어스 라인(15)이 연결되는 접지면(16)은 안테나의 후면부 즉, 기판(11)의 후면에만 위치된다.

접지면은 기판(11)의 후면의 일측면에 형성되며, 안테나의 이득을 높이기 위해 반도체 다이폴 암(12)과 접지면(16) 사이의 거리가 λ/4로 설정될 수 있다.

바이어스 라인(15)은 RF(radio frequency) 신호에 대한 영향이 없으며, 안테나의 표면 전류의 흐름에 대한 영향을 받지 않는다. 바이어스 라인(15)은 반도체 다이폴 암(12)의 (-) 전압이 안정적으로 접지면(16)에 가해지도록 하기 위해 사용된다. 이러한 바이어스 라인(15)은 형성되는 빔 패턴에 영향을 주지 않도록 반도체 다이폴 암(12)의 하단부에 형성된다.

피더 라인(13)과 평행 스트립 라인(14) 사이에 커패시터(17)가 형성되어 있으며, 커패시터(17)는 DC(direct current)를 막아주는 역할을 수행한다. 커패시터(17)는 RF 신호는 결합하고 DC 신호는 차단한다.

평행 스트립 라인(14)은 선형으로 테이퍼진 발룬 구조(linearly tapered balun structure)를 가진 평행 스트립 라인이며, 피더 라인(13)을 통해 전달되는 신호를 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터 즉, 반도체 다이폴 암(12)으로 전달한다. 여기서, 양호한 임피던스 매칭을 위해 발룬은 일정한 각을 갖도록 설계되는데, 본 발명의 실시 예에서 25~75° 범위의 테이퍼 각을 가지는 발룬 구조가 사용될 수 있다.

반도체 다이폴 암(12)과 바이어스 라인(15) 사이에 인덕터(inductor)(18)가 형성되며, 인덕터(18)는 RF 신호를 차단하기 위해 쵸크(choke) 인덕터로 이루어질 수 있다.

이러한 구조로 이루어지는 반도체 안테나(1)에서, 피더 라인(13)과 접지면(16)을 통해, 안테나의 빔이 +z 방향으로 형성된다. 또한, 바이어스 라인(15)은 +z 방향으로 형성되는 빔 패턴에 영향을 주지 않도록 -z 방향으로 형성된 다음에 +x 방향으로 형성된다.

피더 라인(13)은 예를 들어, 50Ω으로 매칭되어 있으며, 상용 동축 커넥터(도시하지 않음)를 통해 RF 신호를 공급한다. 피더 라인(13)에 연결된 평행 스트립 라인(14)은 반도체 다이폴 암(12)인 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터로 신호를 원활하게 전송한다. 피더 라인(13)과 평행 스트립 라인(14) 사이에 형성된 커패시터(17)에 의해 DC 신호는 차단되면서 RF 신호가 반도체 다이폴 암(12)으로 전달된다.

반도체 다이폴 암(12) 즉, 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터는 다음과 같은 구조로 이루어질 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터의 구조를 나타낸 도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터는 수평 금속라인(121), 수직 금속라인(122) 및 복수의 플라즈마 채널(123)을 포함한다. 여기서는 설명의 편의성을 위해 3개의 플라즈마 채널을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 원하는 주파수 대역 및 재구성 개수에 따라 다양한 개수의 채널을 구성할 수 있다.

수평 금속라인(121)은 안테나의 금속 패턴 중 평행 스트립 라인(14)에 연결되고, 수직 금속라인(122)은 플라즈마 채널(123)에 형성된 다이오드의 P 또는 N 형 전극에 연결되어 바이어스 라인의 역할을 하며, 안테나의 금속 패턴 중 바이어스 라인(15)에 연결된다.

반도체 안테나(1)는 플라즈마 채널(123)의 ON/OFF 상태에 따라 각기 다른 주파수로 동작될 수 있다. 도 3에서와 같이, 예를 들어, 3개의 플라즈마 채널을 사용한 경우, 4개의 동작 상태가 있다. 즉, 모든 플라즈마 채널이 "OFF"되는 제1 동작 상태, 플라즈마 채널(Ch1)만 "ON"되고 나머지 플라즈마 채널(Ch2, Ch3)은 "OFF"되는 제2 동작 상태, 플라즈마 채널(Ch1)과 플라즈마 채널(Ch2)은 "ON"되고 플라즈마 채널(Ch3)은 "OFF"되는 제3 동작 상태, 모든 플라즈마 채널(Ch1, Ch2, Ch3)이 "ON"되는 제4 동작 상태가 있다. 이러한 각각의 동작 상태를 통해, 반도체 안테나(1)는 4개의 상이한 주파수에서 작동될 수 있다. 즉, 제1 동작 상태에서의 주파수, 제2 동작 상태의 주파수, 제3 동작 상태의 주파수 및 제4 동작 상태에서의 주파수가 서로 상이하므로, 반도체 안테나(1)는 4개의 상이한 주파수에서 작동된다.

기존의 다이폴 안테나와는 달리, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터는 상용 실리콘 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 실리콘 플라즈마가 금속과 같은 성능을 보이기 위해서 다이오드는 ON 상태에서 높은 전도성을 가져야 한다. 기존에 금속을 통해 다이폴 암을 구성하는 일반적인 재구성 안테나에 비해 많은 장점을 가진다.

첫째, 다이폴 암을 금속으로 구성할 경우, 주파수 변경을 위해 형성한 금속 라인 등의 패턴이 다른 주파수 대역에 영향을 미쳐 안테나의 주파수 특성을 악화시킨다. 실리콘으로 형성된 다이폴 암은 채널이 OFF 되었을 경우 온전한 실리콘을 통해 미리 형성된 패턴이 주파수에 영향을 주지 않는다.

둘째, 다이폴 암을 금속으로 구성할 경우, 재구성을 위해 사용된 다이오드의 전극이 같은 금속에 서로 다른 극성으로 연결되기 때문에 바이어스를 인가하기 위한 추가적인 노력이 요구된다. 그러나 실리콘으로 형성된 다이폴 암의 경우에는 위와 같은 노력이 요구되지 않는다.

마지막으로, 다이폴 암을 금속으로 구성할 경우, 금속 패턴이 안테나 빔의 모양에도 영향을 주기 때문에 안테나 동작에도 나쁜 영향을 미친다. 그러나 실리콘으로 형성된 다이폴 암의 경우에는 금속 패턴에 의한 영향이 제거된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 주파수 호핑 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나에서, 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터인 반도체 다이폴 암이, 제1 동작 상태 내지 제4 동작 상태로 각각 동작하는 경우의 주파수 호핑 특성은 도 4와 같다. 반도체 다이폴 암의 길이가 길어짐에 따라 안테나가 동작하는 공진 주파수가 6.25 GHz에서 4.9 GHz까지 낮아지고 있음을 확인할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나는 주파수 호핑 특성뿐만 아니라 이득의 호핑 특성도 동시에 얻어짐을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 이득 호핑 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나에서, 재구성 가능한 플라즈마 라디에이터인 반도체 다이폴 암이, 제1 동작 상태 내지 제4 동작 상태로 각각 동작하는 경우의 이득 호핑 특성은 도 5와 같다.

이를 통해 완벽하게 재구성된 반도체 안테나를 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나의 빔 패턴을 나타낸 도이다.

첨부한 도 6에 예시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나에서, 피더 라인(13)과 접지면(16)을 통해, 안테나의 빔이 +z 방향으로 형성된다. 안테나의 빔이 +z 방향 즉, 접지면에 평행한 방향으로 형성되기 때문에, 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 안테나가 움직이는 물체에 장착되어도, 공기의 저항을 최소화 할 수 있게 되어, 다양한 응용에 활용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 기판;
   상기 기판의 전면부에 형성되어 있는 금속 라인으로 이루어진 피더(feeder) 라인;
   복수의 플라즈마 채널을 형성하는 반도체 다이폴 암;
   상기 피더 라인에 연결되어 있으며, 상기 피더 라인으로부터의 신호를 상기 반도체 다이폴 암으로 전달하는 금속 라인인 평행 스트립 라인;
   상기 기판의 후면부에 형성되어 있는 접지면;
   상기 기판의 일측면에 형성되어 상기 반도체 다이폴 암과 상기 접지면 사이에 연결되어 있는 금속 라인인 바이어스 라인
   을 포함하는 반도체 안테나.

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