KR20200057892A - 반도체 기반의 빔포밍 안테나 - Google Patents

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Abstract

반도체 기반의 빔포밍 안테나가 제공된다. 빔포밍 안테나는, 두 개의 금속 사이에 실리콘 매질이 형성되어 있으며 도파로를 형성하는 도파관; 상기 도파관에 배치되어 있으며, 인가되는 전기적 신호에 따라 구동되어 전도성 반사벽으로 동작하여 입사되는 신호를 반사시키는 적어도 하나의 다이오드 어레이; 상기 도파관에 연결되어 있으며, 상기 다이오드 어레이에 반사되는 신호 또는 입사되는 신호에 대응하는 빔을 방사하는 라디에이터; 및 상기 도파관 내부로 전기적 신호를 공급하는 급전부를 포함한다.

Description

반도체 기반의 빔포밍 안테나{Semiconductor based beamforming antenna}
본 발명은 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 반도체 기반의 빔포밍 안테나에 관한 것이다.
최근 통신 네트워크는 5G 무선 통신 시스템으로 패러다임의 전환이 이루어지고 있다. 소위 빅데이터의 시대로 불리우는 이러한 전환은 동적 모바일 링크를 사용하는 광범위한 애플리케이션들에 대해 높은 무선 용량 및 성능을 요구하고 있다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위해 밀리미터파 대역에서는 위상 배열 안테나와 같은 빔포밍(beamforming) 안테나가 주목을 받고 있다.
기존의 위상 배열 안테나들은 어레이의 재구성을 통해 높은 지향성 빔 형성 가능하지만, 대형 위상 어레이 피드(feed) 네트워크와 관련된 물리적인 안테나 크기, 손실 및 전력 소모는 매우 큰 문제로 대두되고 있다.
반도체에 기반한 주파수 재구성 가능 안테나가, 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 얻는데 있어서, 기존 반도체 기반의 주파수 재구성 가능 안테나로는 해결할 수 없는 다음과 같은 몇 가지 문제들이 존재한다.
첫째, 재구성 특성을 얻기 위해 기존에 반도체 재구성 안테나들이 개발되었지만, 이들 중 어떠한 방식도 순수하게 반도체만을 기반으로 한 재구성 가능한 빔 형성 안테나를 구성하지 못하였다. 실리콘 PIN 다이오드를 기반으로 한 야기 우다(Yagi-Uda) 안테나 및 슬롯형 도파관 안테나가 제시되었다. 그러나 이러한 안테나들은 추가 금속 패턴 및 기판이 필요하거나 대부분의 부품이 금속으로 구성되어 있기 때문에, 재구성을 위해서는 물리적인 구조 및 연결 상태를 바꾸어야만 한다. 주파수 호핑을 통한 재구성 가능성을 보여준 다이폴 안테나들도 제안되었으나, 이 역시 완벽하게 실리콘만으로 구성된 예는 전무하며, 빔포밍 특성을 보여주는 경우는 존재하지 않는다.
둘째, 밀리미터파 및 서브-테라헤르츠(sub-tera hertz) 시스템에 부여된 다양한 요구를 수용하기 위해서는 새로운 빔포밍 안테나 구조가 제안되어야만 한다. 전술한 바와 같이, 전형적인 고주파 빔포밍 안테나는 크기가 크고 높은 안테나 손실을 겪을 뿐 아니라, 다중 빔 시스템에서는 기판을 통한 신호의 결합이 이루어지므로 고주파 빔포밍 안테나는 인접한 빔 요소들 사이에 강한 크로스 토크 효과를 유발시킬 수 있다. 그러므로 요구사항에 적합하게 빔포밍 안테나를 개발하는 데 많은 어려움이 있다.
마지막으로, 대부분의 반도체 재구성 안테나는 표면 핀 다이오드(surface PIN diode)를 이용하여 SOI(Silicon on Insulator) 웨이퍼 위에 제작되기 때문에, 2~3배의 표피 깊이(skin depth)의 전도성 영역을 커버하도록 높은 캐리어 밀도의 고체 상태 플라즈마를 얻기 위해서는 높은 전력 소모를 피할 수 없다. 또한, 기판 하부를 통해 손실되는 파동 손실을 방지하기 위해서는 SOI 웨이퍼의 실리콘 두께를 매우 얇게 해야 하는 단점을 극복해야 하고, 이로 인해 발생하는 매칭 및 손실 문제를 추가적으로 고려해야만 한다. 또한, 이러한 반도체 재구성 안테나는 다이오드 구동을 위해 바이어스 라인이 필수적이나, 바이어스 라인과 안테나 간의 신호 간섭이 발생하기 때문에 이를 줄이기 위한 절연 방식의 개발이 추가로 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 반도체 기반의 재구성이 가능한 빔포밍 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따른 빔포밍 안테나는, 두 개의 금속 사이에 실리콘 매질이 형성되어 있으며 도파로를 형성하는 도파관; 상기 도파관에 배치되어 있으며, 인가되는 전기적 신호에 따라 구동되어 전도성 반사벽으로 동작하여 입사되는 신호를 반사시키는 적어도 하나의 다이오드 어레이; 상기 도파관에 연결되어 있으며, 상기 다이오드 어레이에 반사되는 신호 또는 입사되는 신호에 대응하는 빔을 방사하는 라디에이터; 및 상기 도파관 내부로 전기적 신호를 공급하는 급전부를 포함한다.
상기 라디에이터는 상기 도파관에 상기 다이오드 어레이가 형성된 일측면에 연결된 제1 라디에이터 및 상기 도파관의 상기 일측면의 반대 방향인 타측면에 연결된 제2 라디에이터를 포함할 수 있다. 상기 다이오드 어레이가 턴온되는 경우 상기 다이오드 어레이가 전도성 반사벽으로 동작하여, 입사되는 신호를 상기 제2 라디에이터의 방향으로 반사시키고, 상기 다이오드 어레이가 턴오프되는 경우 상기 입사되는 신호가 상기 다이오드 어레이를 통해 상기 제1 라디에이터로 진행할 수 있다.
상기 다이오드 어레이는 복수의 수직 PIN 다이오드를 포함하며, 각각의 수직 PIN 다이오드가 선택적으로 구동될 수 있다.
상기 다이오드 어레이의 수직 PIN 다이오드들이 포물선 형태로 배치될 수 있다.
상기 수직 PIN 다이오드는, 실리콘 기판의 일측 표면에 형성되어 있는 P-유형 영역; 상기 실리콘 기판의 타측 표면에 상기 P-유형 영역에 대향하는 위치에 형성되어 있는 N-유형 영역; 상기 P-유형 영역상에 형성되어 있으며 외부로부터의 전기 신호를 인가받는 컨택(contact) 금속; 상기 N-유형 영역의 하부에 형성되어 있으며 외부로부터의 전기 신호를 인가받는 하부 금속; 및 상기 실리콘 기판의 상부에 상기 하부 금속에 대향하는 위치에 형성되어 상기 하부 금속과 웨이브 가이드 층을 형성하며, 절연층에 의해 상기 컨택 금속과 분리되면서 상기 컨택 금속과 중첩되도록 형성되는 상부 금속을 포함할 수 있다.
상기 빔포밍 안테나에서, 도파관의 일측면에 제1 다이오드 어레이가 형성되어 있고, 상기 제1 다이오드 어레이에 대향하는 타측면에 제2 다이오드 어레이가 형성될 수 있으며, 그리고 상기 제1 다이오드 어레이 및 상기 제2 다이오드 어레이를 포함하는 한 쌍의 다이오드 어레이들이 적어도 하나 상기 도파관에 형성될 수 있다.
상기 제1 다이오드 어레이 및 상기 제2 다이오드 어레이의 선택적 구동에 따라 상기 안테나로부터의 빔의 방향이 달라질 수 있다.
이 경우, 상기 제1 다이오드 어레이 및 상기 제2 다이오드 어레이 중 턴온되는 다이오드 어레이에 따라, 상기 턴온된 다이오드 어레이에 신호가 입사되는 방향의 반대 방향으로 빔이 방사될 수 있다.
상기 라디에이터는 상기 제1 다이오드 어레이가 형성된 상기 도파관의 일측면에 연결된 제1 라디에이터 및 상기 제2 다이오드 어레이가 형성된 상기 도파관의 타측면에 연결된 제2 라디에이터를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 다이오드 어레이가 턴온되고 상기 제2 다이오드 어레이가 턴오프되는 경우, 상기 제1 다이오드 어레이가 전도성 반사벽으로 동작하여 입사되는 신호를 상기 제2 라디에이터의 방향으로 반사시켜, 상기 제2 라디에이터를 통해 빔이 방사되고, 상기 제1 다이오드 어레이가 턴오프되고 상기 제2 다이오드 어레이가 턴온되는 경우, 상기 제2 다이오드 어레이가 전도성 반사벽으로 동작하여 입사되는 신호를 상기 제1 라디에이터의 방향으로 반사시켜, 상기 제1 라디에이터를 통해 빔이 방사되며, 상기 제1 다이오드 어레이가 턴오프되고 상기 제2 다이오드 어레이가 턴오프되는 경우, 상기 빔포밍 안테나는 유휴 모드로 동작하고, 상기 제1 다이오드 어레이가 턴온되고 상기 제2 다이오드 어레이가 턴온되는 경우, 상기 제1 라디에이터 및 상기 제2 라디에이터를 통해 양방향으로 빔이 방사될 수 있다.
한편, 상기 빔포밍 안테나는 상기 도파관과 상기 라디에이터 사이에 형성된 임피던스 매칭부; 및 상기 다이오드 어레이로 바이어스 전압을 인가하는 바이어스부를 더 포함하고, 상기 바이어스부는 상기 빔포밍 안테나가 형성되는 기판상에서 상기 도파관을 기준으로 서로 대향하는 방향에서 상기 기판의 하단부에 각각 형성되어 있는 복수의 바이어스부를 포함할 수 있다.
상기 임피던스 매칭부는 테이퍼형(tapered) 라인인 금속 패턴으로 이루어질 수 있다.
상기 라디에이터는 미앤더(meander) 라인 형태의 금속 패턴으로 이루어질 수 있다.
상기 도파관은 상기 빔포밍 안테나가 형성되는 기판상에 형성된 금속 도체로 이루어진 마이크로 스트립 라인과, 상기 마이크로 스트립 라인과 실리콘 매질로 분리된 하단 금속 그리고 내부 도체를 포함하며, 상기 내부 도체를 기준으로 일측에 하나의 다이오드 어레이가 형성되고, 상기 내부 도체를 기준으로 타측에 다른 다이오드 어레이가 형성될 수 있다.
상기 빔포밍 안테나는 동작 주파수 대역에 따라 상기 빔의 방사 각도가 변할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 반도체 소자를 이용하면서 주파수의 재구성이 가능한 구체적인 구조를 가지는 반도체 기반의 빔포밍 안테나를 제공할 수 있다.
또한, 반도체 기반 진행파 구조를 가지면서, 입력 신호를 웨이브 가이드 금속을 통해 가두어 신호가 실리콘 매체 내에서 효과적으로 이동할 수 있는 구조의 안테나를 제공할 수 있다. 따라서 안테나의 전체 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 다이오드 어레이를 전도성 반사벽으로 기능하면서 다이오드 어레이의 선택적 턴온/턴오프에 의해, 입사파가 실리콘 매질내를 이동하는 동안 실리콘 플라즈마로 구성된 전도성 반사벽을 선택적으로 형성함으로써 빔 방향 및 경사각을 재구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 수평 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다이오드 어레이를 구성하는 다이오드의 구조를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 사시도이다.
도 6은 금속 리플렉터 및 다이오드 어레이 리플렉터의 전계 분포 결과를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서의 전기 전도도가 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 3차원 빔패턴 측정 결과를 나타낸 도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 동작 모드에 따라 측정된 이득과 방사 각도를 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 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
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 빔포밍 안테나에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 평면도이다.
첨부한 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나(1)는, 도파관(10), 도파관(10)에 연결된 라디에이터(21, 22), 도파관(10)과 라디에이터(20) 사이에 형성된 임피던스 매칭부(31, 32), 도파관(10)에 형성되어 있으며 전도성 반사벽으로 기능하는 다이오드 어레이(41, 42), 그리고 도파관(10) 내부로 전기 신호를 공급하는 급전부(50)를 포함하며, 이외에도 다이오드 어레이(41, 42))에 연결된 바이어스부(61, 62, 63, 64)를 더 포함한다.
이러한 구조의 빔포밍 안테나(1)는 실리콘 기판 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 빔포밍 안테나가 두 방향으로 빔을 조향하는 것을 예로 들어 설명하며, 이에 따라 다이오드 어레이가 2개 형성되어 있는 것을 예로 들었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 하나 또는 그 이상의 다이오드 어레이가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 수직 단면도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 수평 단면도이다.
첨부한 도 2와 도 3 그리고 도 1을 토대로 빔포밍 안테나(1)의 구조를 구체적으로 살펴보면, 도파관(10)은 내부에 도체(11)가 있는 동축 도파관이다. 도파관(10)의 내부 도체(11)는 전기 신호를 도파관(10) 내부의 실리콘 매질에 전달하는 급전부(50)로 기능한다.
도파관(10)은 도 2에서와 같이, 상단 금속(12)과 실리콘 매질로 분리된 하단 금속(13)을 포함한다. 본 발명의 실시 예에서는 상단 금속(12)은 마이크로 스트립 라인으 이루어진다. 여기서는 빔포밍 안테나가 두 방향의 빔을 조향하는 것을 예로 들었기에, 도파관(10)의 상단 금속(12)이 마이크로 스트립 라인으로 구성되지만, 더욱 많은 방향의 빔을 형성하기 위해서, 도파관(10)의 상단 금속(12)의 면적은 임피던스 매칭을 위해 더욱 넓어질 수 있다.
도파관(10)의 내부 도체(11)를 기준으로 일측에 하나의 다이오드 어레이(41)가 형성되며, 내부 도체(11)를 기준으로 타측에 다른 다이오드 어레이(42)가 형성된다. 다이오드 어레이(41, 42)는 다수의 PIN 다이오드를 포함하며, 각 PIN 다이오드는 효율적인 웨이브 리플렉션(wave reflection)을 위해 포물선 모양으로 배치된다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다이오드 어레이(41, 42)를 구성하는 PIN 다이오드들이 빔의 방향 및 빔폭을 조절하기 위해서 원형, 직선형 등 다양한 형태로 배치될 수 있다.
다이오드 어레이(41, 42)는 복수의 다이오드 특히 수직 PIN 다이오드를 포함하며, 각각의 다이오드는 선택적으로 구동될 수 있다. 다이오드 어레이(41, 42)는 도 2에서와 같이, 도파관(10)에 수직으로 배치되어 전도성 반사벽을 구성한다. 구체적으로, 도 3에서와 같이, 다이오드 어레이(42)가 턴온(turned ON)되고, 다른 다이오드 어레이(41)는 턴오프(turned-OFF)되면, 내부 플라즈마가 실리콘 기판에 수직으로 생성되어, 턴온된 다이오드 어레이(42)는 입사파를 반대 방향으로 반사시키는 전도성 반사벽으로 기능한다. 이러한 전도성 반사벽에 의해, 입사파 신호는 더 이상 그 방향으로 전파되지 않고 반사벽의 반대쪽으로만 반사된다. 따라서 빔의 방향은 다이오드 어레이(41, 42)를 선택적으로 턴온하는 것에 의해 재구성될 수 있다. 이에 대해서는 추후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
한편, 급전부(50)는 도파관(10)에 형성되는 내부 도체(11)로 이루어지며, 도파관(10)의 내부로 전기 신호를 공급한다. 이에 따라 다이오드 어레이(41, 42)로도 전기 신호가 제공된다.
바이어스부(61~64)는 다이오드 어레이(41, 42)와 연결되어 바이어스 전압을 공급한다. 바이어스부(61~64)는 빔포밍 안테나가 형성되는 기판상에서 도파관(10)을 기준으로 서로 대향하는 방향에서 기판의 하단부에 각각 형성된다. 구체적으로, 일부 바이어스부(61, 62)가 도파관(10)을 기준으로 기판의 일측에 형성되고, 나머지 바이어스부(63, 64)가 기판의 타측에 형성된다. 바이어스부(61, 63)가 본딩 와이어(bonding wire)를 통해 하나의 다이오드 어레이(41)에 연결되며, 다른 바이어스부(62, 64)가 본딩 와이어를 통해 다른 다이오드 어레이(42)에 연결된다. 다이오드에 전위를 적용하기 위한 본딩 와이어는 편의를 위해, PCB 보드에 장착되어 반도체 칩 양측면에 장착되었지만, 이 구성 역시 빔의 개수 및 안테나 특성을 고려하여 조정될 수 있다.
도파관(10)과 라디에이터(21, 22) 사이에 형성된 임피던스 매칭부(31, 32)는 부드러운 임피던스 매칭을 위해, 도 1에서와 같이, 테이퍼형(tapered) 라인인 금속 패턴으로 이루어진다.
라디에이터(21, 22)는 전파를 따라 진행하는 진행파를 방사시키며, 본 발명의 실시 예에서는 도 1에서와 같이, 진행파의 방사를 더욱 활성화시켜 안테나의 이득을 높이기 위해, 미앤더(meander) 라인 형태의 금속 패턴으로 이루어진다.
진행파의 파수 (wave number)는 주파수에 따라서 변하기 때문에 주빔은 그에 따라 ±yz 방향의 각도로 형성된다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 동작 주파수 대역에 따라 빔의 방사 각도가 변하는 특성을 달성할 수 있다. 여기서 라디에이터(21, 22)는 실리콘 기판 표면 위에 형성되는 금속 패턴으로 구성되지만, 안테나의 특성을 더욱 개선하기 위해서 반도체와 하이브리드 형태 및 여러 가지 다양한 모양의 패턴으로 구성될 수 있다. 또한, 임피던스 매칭부(31, 32)의 형태 또한 테이퍼형 라인에 한정되지 않고, 라디에이터(21, 22)의 형태 변경에 대응하여 다양한 형태로 설계될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다이오드 어레이를 구성하는 다이오드의 구조를 나타낸 도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 다이오드 어레이를 구성하는 다이오드는 수직 PIN 다이오드이며, 첨부한 도 4에서와 같은 구조로 구성될 수 있다. 구체적으로, 수직 PIN 다이오드(400)는 P-유형 영역(411), N-유형 영역(412)을 갖는 실리콘 기판(413), 컨택 금속(contact metal)(414), 상부 금속(415), 하부 금속(416) 및 절연층(417)을 포함한다.
수직 PIN 다이오드(400)는 도전성 영역, 즉 P-유형 영역(411)과 N-유형 영역(412)이 실리콘 기판(413)의 상측 표면과 하측 표면에 서로 대향하는 위치에 형성되어 있다. 여기서는 P-유형 영역(411)이 상측 표면에 형성되고 N-유형 영역(412)은 하측 표면에 형성되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 반대가 될 수도 있다. 그리고 P-유형 영역(411)과 N-유형 영역(412)의 형상은 도 4에서와 같은 직사각형에 한정되는 것은 아니다.
P-유형 영역(411) 상에 컨택 금속(414)이 형성되어 있으며, N-유형 영역(412) 상에 하부 금속(416)이 형성된다. 컨택 금속(414) 및 하부 금속(416)은 P-유형 영역(411)과 N-유형 영역(412)이 각각 전원 등과 같은 외부와 전기적으로 연결되도록, P-유형 영역(411) 및 N-유형 영역(412))에 물리적으로 접촉되거나 또는 전기적으로 연결되도록 형성되어 있다.
또한, 상부 금속(415)과 하부 금속(416)이 반사파 등과 같은 전파를 특정한 방향으로 가이드하는 웨이브 가이드층으로 기능한다. 웨이브 가이드층을 형성하는 상부 금속(415)을 도전성 구성요소(예컨대, 컨택 금속(414))와 절연시키고 또한 물리적으로 보호하기 위하여 절연층(417)이 형성되며, 절연층(417)은 유기물(organic)이나 질화물(nitride)과 같은 전기 절연 물질로 형성될 수 있다.
구체적으로 이러한 구조의 수직 PIN 다이오드(400)를 위해, 실리콘 기판(413)의 바닥면에 N-유형 정션(junction) 도핑을 실시하고, 그라운드로 기능하는 하부 금속(416)을 형성한다. 실리콘 기판(413)의 상층부에 P-유형 정션 도핑과 컨택 금속(414)과 상부 금속(415)을 형성한다.
이러한 다이오드(400)의 구조에서, 도파관의 구성은 상부 금속(415)과 하부 금속(416)의 웨이브 가이드층을 통해 이루어지며, 바이어스 전압을 인가하기 위한 컨택 금속(414)은 상부 금속(415)의 상층부에 형성된다. 컨택 금속(414)이 도파관을 구성하는 금속(상부 금속(415))에 비해 낮게 위치하면, 실리콘 매질에서 이동하는 전파에 영향을 주기 때문에, 본 발명의 실시 예에서는 이중 적층 금속 구조를 이용하여 실리콘 매질 내에서 이동하는 전파에 바이어스 라인이 영향을 주지 않도록 하였다. 또한, 이중 적층 구조로 금속을 형성하면 실리콘 매질내에서 이동하는 전파가 상부 금속(415)과 컨택 금속(414)의 사이 공간을 통해 빠져나가 추가적인 손실이 발생할 수 있는데, 이러한 손실은 컨택 금속(414)과 상부 금속(415)을 적절히 중첩시켜 구성하는 것에 의해 해결할 수 있다. 컨택 금속(414)과 상부 금속(415)이 중첩되는 구간이 클수록 전파손실에 대해 유리하다.
이러한 구조로 이루어지는 수직 PIN 다이오드는 수평 PIN 다이오드에 비해 더 견고한 전도성 벽을 구축하기 때문에 상대적으로 높은 전력 효율로 안테나의 구성이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수직 PIN 다이오드는 웨이브 가이드 층 위로 직류 공급 경로를 라우팅함으로써, 신호 간섭이 없는 바이어스 라인을 제공할 수 있다.
또한, 수직 플라즈마 기반 반도체 재구성 안테나의 제조를 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하는 CMOS 공정을 통해 구현함으로써, SOI 웨이퍼를 이용하는 경우에 비해 저가의 대량 생산 및 높은 집적도로 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 실리콘 기판을 사용한 반도체 안테나를 기술하였으며, 실리콘 기판은 화합물 기판 (GaAs, GaN, InP, InGaP 등)을 사용하여 제작될 수 있으며, 다이오드는 이에 상응하는 물질을 통해 제작될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 사시도이다.
첨부한 도 5에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는 도파관, 재구성 리플렉터, 임피던스 매칭부 및 라디에이터와 같은 모든 안테나 구성요소를 완전히 통합할 수 있다. 이러한 구조를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 크기가 작고 손실이 적으므로, 밀리미터파 및 서브(sub)-테라헤르츠 영역에서 빔포밍 안테나를 용이하게 구성할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는 도 5에서와 같이, 빔 방향을 상이한 방향으로 각각 조향할 수 있고, 주파수에 따라 빔의 각도를 조절할 수 있다.
다음에는 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 동작에 대하여 설명한다.
입사파 신호는 실리콘 매질 내를 이동하면서 실리콘 플라즈마로 구성된 전도성 반사벽을 만나면, 입사파 신호는 더 이상 그 방향으로 전파되지 않고 반사벽의 반대쪽으로만 반사된다. 본 발명의 실시 예에서는 다이오드 어레이(41, 42)를 이용하여 전도성 반사벽을 형성하며, 다이오드 어레이의 선택적 구동에 따라 빔의 방향을 재구성한다. 이러한 다이오드 어레이(41, 42)는 리플렉터(reflector) 또는 재구성 가능한 리플렉터라고 명명될 수 있다.
반도체 안테나를 통해 고주파 대역에서 빔포밍 기능을 수행하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는 진행파(traveling wave) 구조를 가진다. 진행파 구조는 일반적인 위상 어레이(phased-array) 안테나의 큰 사이즈, 복잡한 매칭 네트워크, 다양한 빔포밍 구성요소 및 높은 삽입 손실 특성을 개선할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 실리콘 매질의 상부 및 하부가 금속으로 덮어진 도파관(10)에 의해 도파로가 형성되며, 다이오드 어레이(50)가 수직으로 배치되어 전도성 반사벽을 구성한다.
입사 신호가 하측 개방 창을 통해 실리콘으로 여기되며, 입사파 신호가 도파관(10)의 실리콘 매질 내를 이동하면서 실리콘 플라즈마로 구성된 전도성 반사벽 즉, 다이오드 어레이(41, 42)를 만나면, 입사파 신호는 더 이상 그 방향으로 전파되지 않고 반사벽의 반대쪽으로만 반사된다. 따라서 빔의 방향은 다이오드 어레이(41, 42)를 선택적으로 턴온하는 것에 의해 재구성될 수 있다. 전도성 반사벽으로 기능하는 다이오드 어레이(41, 42)에 의해 반사된 전파가 라디에이터(21, 22)에 입사되면 방사파의 yz 방향의 벡터 성분은 주파수에 따라 변하게 되므로 안테나의 주빔은 다양한 각도로 형성된다. 따라서 제안된 안테나는 yz 평면에서 광각 빔포밍 특성을 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2 및 도 3에서와 같이, 바이어스 전압을 통해 일측면의 다이오드 어레이(42)가 턴온되고, 다른 다이오드 어레이(41)는 턴오프되면, 내부 플라즈마가 실리콘 기판에 수직으로 생성된다. 턴온된 다이오드 어레이(42)는 입사파를 반대 방향으로 반사시키는 전도성 반사벽 즉, 리플렉터로 작동한다. 이때, 다이오드 어레이(42)는 반사된 신호(반사파 신호)가 리플렉터의 반대 방향으로 진행하는 입사 신호와 보강 간섭을 할 수 있도록 배치된다.
따라서 턴온된 다이오드 어레이(42)의 반대쪽에 있는 라디에이터(21) 만이 강하게 여기되어 입사파는 그 방향으로 메인 빔을 형성하게 된다. 여기서 턴오프된 다이오드 어레이(41)는 실리콘 기판만큼 낮은 전기 전도도를 갖기 때문에 전파의 진행에 영향을 미치지 않는다.
위에 기술된 바와는 달리, 바이어스 전압을 통해 다이오드 어레이(41)가 턴온되고, 다른 다이오드 어레이(42)는 턴오프되면, 턴온된 다이오드 어레이(41)가 입사파를 반대 방향으로 반사시키는 전도성 반사벽으로 작동하여, 턴온된 다이오드 어레이(41)의 반대쪽에 있는 라디에이터(22) 만이 강하게 여기되어 입사파는 그 방향으로 메인 빔을 형성하게 된다.
한편, 2개의 다이오드 어레이(41, 42)가 동시에 모두 턴온되면, 다이오드 어레이(41, 42)가 모두 전도성 반사벽으로 동작하므로, 파동 신호는 도파관 내부에 포획되므로 안테나는 모든 주파수 대역에 대해 매우 약한 방사 특성을 나타내는 유휴 모드로 동작된다.
또한, 2개의 다이오드 어레이(41, 42)가 동시에 모두 턴오프되면 안테나는 양방향 빔 모드로 동작하며, 입사파 신호가 두 개의 반대 방향으로 균등하게 분배되어 라디에이터(21, 22)들이 모두 강하게 여기됨으로써, 입사파는 라디에이터에 대응하는 방향으로 각각 메인 빔을 형성하게 된다. 따라서 두 개의 라디에이터(21, 22)에 의해 대칭적인 빔 패턴이 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에서는 다이오드 어레이(41, 42)를 이용하여 전도성 반사벽을 형성하며, 다이오드 어레이의 선택적 구동에 따라 빔의 방향을 재구성할 수 있다.
한편, 전도성 반사벽으로 기능하는 다이오드 어레이(41, 42)에 의해 반사된 전파가 라디에이터(21, 22)에 입사되면 방사파의 yz 방향의 벡터 성분은 주파수에 따라 변하게 되므로, 안테나의 주빔의 다양한 각도로 형성된다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 yz 평면에서 광각 빔포밍 특성을 얻을 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서, 다이오드 어레이의 구성 및 다이오드의 전기 전도도는 반도체 기반의 빔포밍 안테나에서 매우 중요한 설계 변수 중의 하나이다.
도 6은 금속 리플렉터 및 다이오드 어레이 리플렉터의 전계 분포 결과를 나타낸 예시도이다.
금속 리플렉터를 통해 단 방향의 빔만을 형성한다고 가정하였을 때, 도 6의 (a)에서와 같이, 금속 펜스의 위치 및 모양은 리플렉터가 반대 방향으로 가장 효과적인 반사 및 보강 간섭을 유도할 수 있고, 급전부의 구조에 대해 양호한 임피던스 매칭을 도출할 수 있도록 설정한다.
본 발명의 실시 예에서는 반도체 기반의 재구성 가능한 빔포밍 안테나를 위해, 도 6의 (b)에서와 같이, 금속 리플렉터 대신에 다이오드 어레이를 사용한다. 다이오드 어레이는 하나의 다이오드가 아닌 여러 세부 블록으로 구분된 작은 다이오드의 병렬 연결로 구성될 수 있다.
전계 벡터에 평행한 전도성 펜스를 전기적으로 근접하게 배열하면 도체판과 같이 강한 반사벽을 만들 수 있기 때문에 이러한 이산 배치는 효율적인 전파 반사 성능을 유지하면서 다이오드 어레이의 전력소비를 줄일 수 있다.
도 6의 금속 리플렉터 및 다이오드 어레이 리플렉터의 전계 분포 결과를 살펴보면, 반도체의 전기 전도도가 2000 S/m에 불과함에도 불구하고 두 리플렉터를 통해 반대방향으로 집중된 전기장의 최대값은 5.7% 정도의 작은 차이만을 보임을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서의 전기 전도도가 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 도 7의 (a)는 입력 임피던스 정합(S11)에 대해 다이오드 어레이의 전기 전도도가 미치는 영향을 나타내는 그래프이며, 도 7의 (b)는 안테나의 구현된 이득(realized gain)에 대해 다이오드 어레이의 전기 전도도가 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
다이오드 어레이의 전도도는 높을수록 더 개선된 정합 특성과 이득 특성을 보여주지만, 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는 도파관 유형의 안테나 구조 및 수직 배치된 다이오드 리플렉터를 통해 높은 수준의 전기 전도성을 요구하지 않는다. 일례로 기존의 반도체 안테나를 성능의 열화없이 동작시키기 위해서는 다이오드의 전도도는 104~105 S/m의 높은 전기 전도도가 요구된다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서는 500 S/m의 낮은 전도도에서도 적절한 성능이 나타남을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나는 다이오드의 낮은 열 방생 특성과 함께 전력 효율적인 동작이 가능하다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 3차원 빔패턴 측정 결과를 나타낸 도이다.
기존의 반도체 안테나들은 그 개념들만 제안했을 뿐 실제 안테나의 구조에 대해서는 정확히 언급된 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 발명의 경우, 개념을 구현할 수 있는 안테나 구조가 제시되어야 한다.
본 발명의 실시 예에서는 구체적인 구조를 가지는 반도체 기반의 빔포밍 안테나를 제공하며, 도 8에서와 같은 우수한 빔패턴 성능을 가진다.
도 8은, 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서 하나의 다이오드 어레이만이 여기된 상태에서 측정된 결과를 나타낸다.
도 8에서, 빔 패턴은 켜진 리플렉터의 반대 방향으로 형성되고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 빔의 방사각도는 주파수에 따라서 변화하고 있음을 알 수 있다.
구체적으로 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 29GHz 동작 주파수 대역에서 7.2dBi 의 최대이득을 가지면 방사각도는 약 61도를 가진다. 또한, 29.6GHz의 주파수 대역에서 5dBi 이상의 일정한 이득 특성을 가지면서, 방사 각도는 16~74도의 특성을 가진다. 따라서 복잡한 구조의 빔포밍 네트워크 및 어레이 구조의 안테나가 없이도 손쉽게 빙포밍을 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 기존의 위상 어레이(phased array) 안테나에 비해 우수한 back 및 side lobe 특성을 보임을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 동작 모드에 따라 측정된 이득과 방사 각도를 나타낸 도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나의 실행가능성(feasibility)을 검증하기 위해서, 리플렉터로서 기능하는 다이오드 어레이를 두 개의 방향으로 각각 배치한 구조를 사용하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 안테나의 응용 분야 및 사용 방식에 따라 다양한 형태로 다이오드 어레이를 배치하여 안테나가 더 다양한 모드로 동작되도록 할 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나가, 양쪽의 다이오드 어레이 중 하나의 다이오드 어레이만 턴온되는 단일 빔 모드로 동작하는 경우(도 9), 26.5 ~ 29.5 GHz 의 동작 주파수에 대해 빔 스캐닝 범위가 0~75도로 변하고 있음을 확인할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서 어떤 다이오드 어레이가 활성화 되는지에 따라 주 빔 방향을 쉽게 전환하고 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서 2개의 다이오드 어레이가 동시에 모두 턴온되면, 안테나는 유휴 모드로 동작한다. 이 경우 다이오드 어레이는 모두 리플렉터로 동작하므로 파동신호는 도파관 내부에 포획되므로, 안테나는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이 모든 주파수 대역에 대해 매우 약한 방사 특성을 나타낸다. 이러한 결과는 켜진 다이오드 어레이가 효과적인 반사벽이라는 사실을 뒷받침 해준다.
본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나에서 2개의 다이오드 어레이가 모두 동시에 모두 턴오프되면 안테나는 양방향 빔 모드로 동작한다. 양 방향 빔모드에서, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이 모든 다이오드 어레이가 턴오프되어, 입력 신호는 두 개의 반대 방향으로 균등하게 분배되고 두 개의 라디에이터가 동시에 여기되어 대칭적인 빔 패턴을 형성한다.
위의 본 발명의 실시 예에서는 설명을 용이하게 하기 위해서 두 개의 다이오드 어레이를 이용한 4개의 모드로 동작하는 안테나를 기반으로 설명을 하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 확장된 다이오드 어레이 구성을 통해 다중 모드로 확장할 수 있다. 예를 들어, 4개의 다이오드 어레이를 이용하여 16개의 모드로 동작하는 안테나를 구성할 수 있다.
이를 통해 메인 빔을 다양한 방향으로 전환시키는 안테나를 구현할 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 따른 빔포밍 안테나가 다른 많은 빔 조종 또는 빔 형성 응용분야에 우수한 해결책이 될 것이다.
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 (15)

  1. 두 개의 금속 사이에 실리콘 매질이 형성되어 있으며 도파로를 형성하는 도파관;
    상기 도파관에 배치되어 있으며, 인가되는 전기적 신호에 따라 구동되어 전도성 반사벽으로 동작하여 입사되는 신호를 반사시키는 적어도 하나의 다이오드 어레이;
    상기 도파관에 연결되어 있으며, 상기 다이오드 어레이에 반사되는 신호 또는 입사되는 신호에 대응하는 빔을 방사하는 라디에이터; 및
    상기 도파관 내부로 전기적 신호를 공급하는 급전부
    를 포함하는 빔포밍 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라디에이터는 상기 도파관에 상기 다이오드 어레이가 형성된 일측면에 연결된 제1 라디에이터 및 상기 도파관의 상기 일측면의 반대 방향인 타측면에 연결된 제2 라디에이터를 포함하며,
    상기 다이오드 어레이가 턴온되는 경우 상기 다이오드 어레이가 전도성 반사벽으로 동작하여, 입사되는 신호를 상기 제2 라디에이터의 방향으로 반사시키고, 상기 다이오드 어레이가 턴오프되는 경우 상기 입사되는 신호가 상기 다이오드 어레이를 통해 상기 제1 라디에이터로 진행하는, 빔포밍 안테나
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다이오드 어레이는 복수의 수직 PIN 다이오드를 포함하며, 각각의 수직 PIN 다이오드가 선택적으로 구동되는, 빔포밍 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다이오드 어레이의 수직 PIN 다이오드들이 포물선 형태로 배치되는, 빔포밍 안테나.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 수직 PIN 다이오드는,
    실리콘 기판의 일측 표면에 형성되어 있는 P-유형 영역;
    상기 실리콘 기판의 타측 표면에 상기 P-유형 영역에 대향하는 위치에 형성되어 있는 N-유형 영역;
    상기 P-유형 영역상에 형성되어 있으며 외부로부터의 전기 신호를 인가받는 컨택(contact) 금속;
    상기 N-유형 영역의 하부에 형성되어 있으며 외부로부터의 전기 신호를 인가받는 하부 금속; 및
    상기 실리콘 기판의 상부에 상기 하부 금속에 대향하는 위치에 형성되어 상기 하부 금속과 웨이브 가이드 층을 형성하며, 절연층에 의해 상기 컨택 금속과 분리되면서 상기 컨택 금속과 중첩되도록 형성되는, 상부 금속
    을 포함하는, 빔포밍 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도파관의 일측면에 제1 다이오드 어레이가 형성되어 있고, 상기 제1 다이오드 어레이에 대향하는 타측면에 제2 다이오드 어레이가 형성되어 있으며, 그리고
    상기 제1 다이오드 어레이 및 상기 제2 다이오드 어레이를 포함하는 한 쌍의 다이오드 어레이들이 적어도 하나 상기 도파관에 형성되는, 빔포밍 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 다이오드 어레이 및 상기 제2 다이오드 어레이의 선택적 구동에 따라 상기 안테나로부터의 빔의 방향이 달라지는, 빔포밍 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 다이오드 어레이 및 상기 제2 다이오드 어레이 중 턴온되는 다이오드 어레이에 따라, 상기 턴온된 다이오드 어레이에 신호가 입사되는 방향의 반대 방향으로 빔이 방사되는, 빔포밍 안테나.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 라디에이터는 상기 제1 다이오드 어레이가 형성된 상기 도파관의 일측면에 연결된 제1 라디에이터 및 상기 제2 다이오드 어레이가 형성된 상기 도파관의 타측면에 연결된 제2 라디에이터를 포함하는, 빔포밍 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 다이오드 어레이가 턴온되고 상기 제2 다이오드 어레이가 턴오프되는 경우, 상기 제1 다이오드 어레이가 전도성 반사벽으로 동작하여 입사되는 신호를 상기 제2 라디에이터의 방향으로 반사시켜, 상기 제2 라디에이터를 통해 빔이 방사되고,
    상기 제1 다이오드 어레이가 턴오프되고 상기 제2 다이오드 어레이가 턴온되는 경우, 상기 제2 다이오드 어레이가 전도성 반사벽으로 동작하여 입사되는 신호를 상기 제1 라디에이터의 방향으로 반사시켜, 상기 제1 라디에이터를 통해 빔이 방사되며,
    상기 제1 다이오드 어레이가 턴오프되고 상기 제2 다이오드 어레이가 턴오프되는 경우, 상기 빔포밍 안테나는 유휴 모드로 동작하고,
    상기 제1 다이오드 어레이가 턴온되고 상기 제2 다이오드 어레이가 턴온되는 경우, 상기 제1 라디에이터 및 상기 제2 라디에이터를 통해 양방향으로 빔이 방사되는, 빔포밍 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 도파관과 상기 라디에이터 사이에 형성된 임피던스 매칭부; 및
    상기 다이오드 어레이로 바이어스 전압을 인가하는 바이어스부
    를 더 포함하고,
    상기 바이어스부는 상기 빔포밍 안테나가 형성되는 기판 상에서 상기 도파관을 기준으로 서로 대향하는 방향에서 상기 기판의 하단부에 각각 형성되어 있는 복수의 바이어스부를 포함하는, 빔포밍 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 임피던스 매칭부는 테이퍼형(tapered) 라인인 금속 패턴으로 이루어지는, 빔포밍 안테나.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 라디에이터는 미앤더(meander) 라인 형태의 금속 패턴으로 이루어지는, 빔포밍 안테나.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 빔포밍 안테나가 형성되는 기판 상에 형성된 금속 도체로 이루어진 마이크로 스트립 라인과, 상기 마이크로 스트립 라인과 실리콘 매질로 분리된 하단 금속 그리고 내부 도체를 포함하며,
    상기 내부 도체를 기준으로 일측에 하나의 다이오드 어레이가 형성되고, 상기 내부 도체를 기준으로 타측에 다른 다이오드 어레이가 형성되는, 빔포밍 안테나.
  15. 제1항에 있어서,
    동작 주파수 대역에 따라 상기 빔의 방사 각도가 변하는, 빔포밍 안테나.
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