KR20210015976A

KR20210015976A - 안테나 장치

Info

Publication number: KR20210015976A
Application number: KR1020210007222A
Authority: KR
Inventors: 김상현
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2021-02-10
Also published as: KR102486786B1

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 그라운드 플레인과, 그라운드 플레인의 상측으로 이격 배치되고 제1 대역폭을 가지도록 구성된 제1 패치 안테나 패턴과, 그라운드 플레인의 상측으로 이격 배치되고 제1 패치 안테나 패턴의 적어도 일부분이 오버랩되도록 배치되고 제1 대역폭의 주파수보다 더 높은 주파수에 대응되는 제2 대역폭을 가지도록 구성된 제2 패치 안테나 패턴과, 각각 제1 패치 안테나 패턴과 그라운드 플레인의 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치된 복수의 가이드 비아를 포함하고, 복수의 가이드 비아는 제1 패치 안테나 패턴의 일 변을 따라 배열될 수 있다.

Description

안테나 장치{Antenna apparatus}

본 발명은 안테나 장치에 관한 것이다.

이동통신의 데이터 트래픽(Data Traffic)은 매년 비약적으로 증가하는 추세이다. 이러한 비약적인 데이터를 무선망에서 실시간으로 지원해 주고자 활발한 기술 개발이 진행 중에 있다. 예를 들어, IoT(Internet of Thing) 기반 데이터의 컨텐츠화, AR(Augmented Reality), VR(Virtual Reality), SNS와 결합한 라이브 VR/AR, 자율 주행, 싱크뷰 (Sync View, 초소형 카메라 이용해 사용자 시점 실시간 영상 전송) 등의 애플리케이션(Application)들은 대용량의 데이터를 주고 받을 수 있게 지원하는 통신(예: 5G 통신, mmWave 통신 등)을 필요로 한다.

따라서, 최근 5세대(5G) 통신을 포함하는 밀리미터웨이브(mmWave) 통신이 활발하게 연구되고 있으며, 이를 원활히 구현하는 안테나 장치의 상용화/표준화를 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.

높은 주파수 대역(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz 등)의 RF 신호는 전달되는 과정에서 쉽게 흡수되고 손실로 이어지므로, 통신의 품질은 급격하게 떨어질 수 있다. 따라서, 높은 주파수 대역의 통신을 위한 안테나는 기존 안테나 기술과는 다른 기술적 접근법이 필요하게 되며, 안테나 이득(Gain) 확보, 안테나와 RFIC의 일체화, EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 확보 등을 위한 별도의 전력 증폭기 등 특수한 기술 개발을 요구할 수 있다.

공개특허공보 제10-2019-0062064호

본 발명은 안테나 성능(예: 이득, 대역폭, 지향성(directivity) 등)을 향상시키거나 소형화에 유리한 구조를 가질 수 있는 안테나 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 그라운드 플레인; 상기 그라운드 플레인의 상측으로 이격 배치되고 제1 대역폭을 가지도록 구성된 제1 패치 안테나 패턴; 상기 그라운드 플레인의 상측으로 이격 배치되고 상기 제1 패치 안테나 패턴의 적어도 일부분이 오버랩되도록 배치되고 상기 제1 대역폭의 주파수보다 더 높은 주파수에 대응되는 제2 대역폭을 가지도록 구성된 제2 패치 안테나 패턴; 및 각각 상기 제1 패치 안테나 패턴과 상기 그라운드 플레인의 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치된 복수의 가이드 비아; 를 포함하고, 상기 복수의 가이드 비아는 상기 제1 패치 안테나 패턴의 일 변을 따라 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 그라운드 플레인; 상기 그라운드 플레인의 상측으로 이격 배치되고 다각형인 복수의 제1 패치 안테나 패턴; 및 각각 상기 복수의 제1 패치 안테나 패턴과 상기 그라운드 플레인의 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치된 복수의 가이드 비아; 를 포함하고, 상기 복수의 가이드 비아는 상기 복수의 제1 패치 안테나 패턴 각각의 서로를 향하지 않는 타 변과 상기 그라운드 플레인의 사이를 개방하고 상기 타 변의 반대방향에 위치한 일 변을 따라 배열될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 안테나 성능(예: 이득, 대역폭, 지향성(directivity) 등)을 향상시키거나 소형화에 유리한 구조를 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 측면도이다.
도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 치수들을 나타낸 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 제2 패치 안테나 패턴을 나타낸 평면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 제1 패치 안테나 패턴을 나타낸 평면도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 배치방향을 예시한 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 제1 대역폭에 속하는 주파수의 전계(E-field) 분포를 예시한 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 제2 대역폭에 속하는 주파수의 전계(E-field) 분포를 예시한 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 그라운드 플레인을 나타낸 평면도이다.
도 5b는 도 5a의 그라운드 플레인의 하측의 피드라인을 나타낸 평면도이다.
도 5c는 도 5b의 피드라인의 하측의 배선비아와 제2 그라운드 플레인을 나타낸 평면도이다.
도 5d는 도 5c의 제2 그라운드 플레인의 하측의 IC 배치 영역과 엔드-파이어 안테나를 나타낸 평면도이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치에 포함된 연결 부재의 하측 구조를 예시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조를 예시한 측면도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 사시도이고, 도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 측면도이고, 도 3a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 제2 패치 안테나 패턴을 나타낸 평면도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 제1 패치 안테나 패턴을 나타낸 평면도이다.

도 1, 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a, 100b, 100c, 100d)는, 그라운드 플레인(201a), 제1 패치 안테나 패턴(111a), 제2 패치 안테나 패턴(112a) 및 복수의 가이드 비아(130a)를 포함할 수 있으며, 피드비아(120a), 피드패턴(126a), 유전층(151a) 및 연결 부재(200a) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)은 그라운드 플레인(201a)의 상측으로 이격 배치되고 제1 대역폭을 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 대역폭은 20GHz 이상 40GHz 이하의 범위에 속하는 중심 주파수를 가지도록 설계될 수 있으며, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 내재적 요소(예: 제1 패치 안테나 패턴의 크기, 형태, 타 구성요소에 대한 이격거리, 유전층의 유전율 등)에 의해 결정될 수 있다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)은 상면으로 표면전류가 흐름에 따라 상하방향(예: z방향)으로 방사패턴을 형성할 수 있으며, 상하방향(예: z방향)으로 RF(Radio Frequency) 신호를 원격 송수신할 수 있다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)을 흐르는 표면전류의 방향 및/또는 크기는 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 상기 내재적 요소에 대응되는 임피던스(캐패시턴스 및/또는 인덕턴스)에 기반하여 결정될 수 있다.

예를 들어, 제1 패치 안테나 패턴(111a)은 복수의 변을 가지는 다각형으로 구성될 수 있다. 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 다각형의 변의 전자기적 경계조건은 상기 표면전류가 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 일 변에서 타 변을 향하여 흐르도록 할 수 있다.

그라운드 플레인(201a)은 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 하측으로 이격 배치될 수 있으며, 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 상하방향(예: z방향)으로 오버랩될 수 있다.

그라운드 플레인(201a)은 연결 부재(200a)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 연결 부재(200a)는 인쇄회로기판(PCB)와 같거나 유사한 방식의 금속층과 절연층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.

그라운드 플레인(201a)은 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 대해 전자기적으로 리플렉터(reflector)로 작용할 수 있으므로, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 RF 신호 원격 송수신 방향을 더욱 상하방향(예: z방향)으로 집중시킬 수 있다.

제2 패치 안테나 패턴(112a)은 그라운드 플레인(201a)의 상측으로 이격 배치되고 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 적어도 일부분이 오버랩되도록 배치되고 제1 대역폭보다 더 높은 제2 대역폭을 가지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 대역폭은 60GHz을 포함하도록 설계될 수 있으며, 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 내재적 요소(예: 제2 패치 안테나 패턴의 크기, 형태, 타 구성요소에 대한 이격거리, 유전층의 유전율 등)에 의해 결정될 수 있다.

제2 패치 안테나 패턴(112a)은 상면으로 표면전류가 흐름에 따라 상하방향(예: z방향)으로 방사패턴을 형성할 수 있으며, 상하방향(예: z방향)으로 RF(Radio Frequency) 신호를 원격 송수신할 수 있다.

제2 대역폭이 제1 대역폭보다 더 높으므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a, 100b, 100c, 100d)는, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)을 통해 서로 다른 주파수의 복수의 RF 신호를 상하방향(예: z방향)으로 원격 송수신할 수 있다.

또한, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 적어도 일부분이 제2 패치 안테나 패턴(112a) 상하방향(예: z방향)으로 오버랩되므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a, 100b, 100c, 100d)는, 수평방향(예: x방향 및/또는 y방향) 사이즈의 별다른 증가 없이도 서로 다른 주파수의 복수의 RF 신호를 상하방향(예: z방향)으로 원격 송수신할 수 있다.

한편, 제2 대역폭이 제1 대역폭보다 더 높으므로, 제2 패치 안테나 패턴(112a)에서 원격 송수신되는 RF 신호의 제2 파장은 제1 패치 안테나 패턴(111a)에서 원격 송수신되는 RF 신호의 제1 파장보다 짧을 수 있다.

제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)을 각각 흐르는 제1 및 제2 표면전류는 각각 제1 및 제2 파장의 영향을 받을 수 있으며, 제1 및 제2 표면전류는 각각 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 공진에 의해 형성될 수 있다.

따라서, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)은 제1 및 제2 표면전류가 각각 제1 및 제2 파장에 대응되는 공진 환경에서 흐르도록 설계될 수 있다.

복수의 가이드 비아(130a)는 각각 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 그라운드 플레인(201a)의 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치된다.

또한, 복수의 가이드 비아(130a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 일 변을 따라 배열될 수 있다. 복수의 가이드 비아(130a)의 조합은 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 그라운드 플레인(201a) 사이의 전기적 경로의 폭을 넓힐 수 있으며, 제1 패치 안테나 패턴(111a)를 흐르는 제1 표면전류가 복수의 가이드 비아(130a)를 효율적으로 흐르도록 적절한 임피던스를 가질 수 있다.

이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111a)를 흐르는 제1 표면전류는 복수의 가이드 비아(130a)를 통해 그라운드 플레인(201a)까지 효율적으로 흐를 수 있다. 즉, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 공진에 대응되는 길이는 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 길이와, 복수의 가이드 비아(130a)의 길이와, 그라운드 플레인(201a)에서 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 오버랩되는 부분의 길이의 합에 대응될 수 있다.

따라서, 제1 패치 안테나 패턴(111a)은 수평방향(예: x방향 및/또는 y방향) 사이즈의 별다른 증가 없이도 제2 대역폭보다 낮은 제1 대역폭을 보다 쉽게 가질 수 있으며, 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 크기와 유사한(예: 80% 내지 120%의 비율) 크기를 가지더라도 제2 대역폭보다 크게(예: 50%의 비율) 낮은 제1 대역폭을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a, 100b, 100c, 100d)는 상대적으로 더 높은 제2 대역폭을 가지는 제2 패치 안테나 패턴(112a)에 대응되는 작은 수평방향(예: x방향 및/또는 y방향) 사이즈를 가지면서도, 더 낮은 제1 대역폭을 가지는 제1 패치 안테나 패턴(111a)을 별다른 수평방향 사이즈 증가 없이 포함할 수 있으므로, 서로 다른 주파수의 복수의 RF 신호를 상하방향(예: z방향)으로 원격 송수신하면서도 보다 쉽게 소형화될 수 있다.

한편, 예를 들어, 복수의 가이드 비아(130a)는 3개 이상이고 직선을 이루도록 배열될 수 있다. 이에 따라, 복수의 가이드 비아(130a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)를 흐르는 제1 표면전류가 복수의 가이드 비아(130a)를 효율적으로 흐르도록 보다 적절한 임피던스를 가질 수 있다.

예를 들어, 복수의 가이드 비아(130a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 일 변과 그라운드 플레인(201a) 사이를 폐쇄하고 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 일 변을 제외한 나머지 변(예: 3개 변)과 그라운드 플레인(201a) 사이를 개방하도록 배열될 수 있다.

이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111a)를 흐르는 제1 표면전류는 일 방향으로 보다 효율적으로 집중될 수 있으므로, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 공진에 영향을 주는 길이 요소가 분산되는 것은 방지될 수 있다.

예를 들어, 복수의 가이드 비아(130a)는 제2 패치 안테나 패턴(112a)으로부터 분리될 수 있다. 이에 따라, 복수의 가이드 비아(130a)은 제1 및/또는 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 방사패턴 형성을 보다 확실히 방해하지 않을 수 있으므로, 제1 및/또는 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 이득(gain)을 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 복수의 가이드 비아(130a) 중 적어도 일부는 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 일 변에 오버랩될 수 있다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)을 흐르는 제1 표면전류는 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 복수의 가이드 비아(130a)의 사이에서 꺾일 수 있으므로, 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 복수의 가이드 비아(130a)가 만나는 경계선의 전자기적 경계조건은 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 일 변의 전자기적 경계조건과 유사할 수 있다.

따라서, 복수의 가이드 비아(130a) 중 적어도 일부가 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 일 변에 오버랩될 경우, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)은 서로 전자기적으로 조화롭게 동작할 수 있으므로, 서로에 대한 전자기적 간섭을 효율적으로 억제할 수 있으며, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 이득(gain)을 향상시킬 수 있다.

피드비아(120a)는 제2 패치 안테나 패턴(112a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 피드비아(120a)는 송신시에 IC(Integrated Circuit)로부터 전달받은 RF 신호를 제2 패치 안테나 패턴(112a)으로 전달할 수 있으며, 수신시에 제2 패치 안테나 패턴(112a)으로으로부터 전달받은 RF 신호를 IC로 전달할 수 있다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)은 피드비아(120a)가 관통하는 관통홀을 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 패치 안테나 패턴(112a)은 피드비아(120a)에 전기적으로 연결되면서도 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 상하방향(예: z방향)으로 오버랩될 수 있으므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a, 100b, 100c, 100d)는 보다 쉽게 소형화될 수 있다.

피드패턴(126a)은 피드비아(120a)에 전기적으로 연결되고 피드비아(120a)의 폭보다 더 큰 폭을 가지고 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 관통홀에 위치할 수 있다.

이에 따라, 피드비아(120a)는 송신시에 IC로부터 전달받은 RF 신호를 제1 패치 안테나 패턴(111a)으로 간접적으로 전달할 수 있으며, 수신시에 제1 패치 안테나 패턴(111a)으로으로부터 간접적으로 전달받은 RF 신호를 IC로 전달할 수 있다.

즉, 피드비아(120a)는 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 각각의 IC에 대한 전기적 연결 경로를 함께 제공할 수 있다.

예를 들어, 피드비아(120a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 중심에서 복수의 가이드 비아(130a)를 향하여 치우쳐져 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 피드비아(120a) 사이의 임피던스는 제1 패치 안테나 패턴(111a)를 흐르는 제1 표면전류가 복수의 가이드 비아(130a)를 효율적으로 흐르도록 적절히 결정될 수 있다.

예를 들어, 피드비아(120a)는 그라운드 플레인(201a)의 관통홀을 관통하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제2 피드패턴(127a)은 그라운드 플레인(201a)의 관통홀에 배치될 수 있다.

이에 따라, IC는 그라운드 플레인(201a)보다 하위에 배치될 수 있으며, 그라운드 플레인(201a)은 IC와 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 사이의 전자기적 간섭을 효율적으로 막을 수 있다.

도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 치수들을 나타낸 단면도이다.

도 2c를 참조하면, 제1 패치 안테나 패턴(111a)은 제1 길이(L1)를 가질 수 있고, 제2 패치 안테나 패턴(112a)은 제2 길이(L2)를 가질 수 있고, 피드비아(120a)는 제1 폭(W1)을 가질 수 있고, 복수의 가이드 비아(130a)는 제2 폭(W2)을 가질 수 있고, 피드패턴(126a)은 제3 폭(W3)을 가질 수 있다.

피드패턴(126a)은 피드비아(120a)의 제1 폭(W1)보다 더 큰 제3 폭(W3)을 가질 수 있다. 제3 폭(W3)이 제1 폭(W1)보다 더 크므로, 피드비아(120a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 접촉하지 않고도 전자기적 커플링 방식으로 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)의 제1 길이(L1)는 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 제2 길이(L2)의 0.8배 이상 1.2배 이하일 수 있다. 여기서, 제2 대역폭은 60GHz을 포함하고, 제1 대역폭의 중심 주파수는 20GHz 이상 40GHz 이하의 범위에 속할 수 있다.

즉, 복수의 가이드 비아(130a)로 인해, 제1 패치 안테나 패턴(111a)은 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 제2 대역폭보다 크게 낮은 제1 대역폭을 가지면서도 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 크기와 비교적 유사한 크기를 가질 수 있다.

한편, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 사이의 이격 거리(H2)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 그라운드 플레인(201a) 사이의 이격 거리(H1)보다 짧을 수 있다.

이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 복수의 가이드 비아(130a)와 그라운드 플레인(201a)이 이루는 U형태의 구조가 형성하는 방사패턴은 더욱 상하방향(예: z방향)으로 집중될 수 있으므로, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 이득은 보다 향상될 수 있다.

도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치와 제1 패치 안테나 패턴을 나타낸 평면도이고, 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 배치방향을 예시한 평면도이다.

RF 신호의 원격 송수신 방향이 상하방향(예: z방향)일 경우, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 전계는 수평방향이면서 표면전류의 방향과 동일한 방향(예: x방향 또는 y방향)으로 형성될 수 있으며, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 자계는 수평방향이면서 표면전류의 방향에 수직인 방향(예: y방향 또는 x방향)으로 형성될 수 있다.

복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 이득(gain)은 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 개수가 많을수록 높을 수 있다. 그러나, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 전계 및 자계는 인접한 제1 패치 안테나 패턴으로 전자기적 간섭을 일으킬 수 있다. 상기 전자기적 간섭은 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 이득 및/또는 지향성을 저하시킬 수 있다.

도 3b를 참조하면, 복수의 가이드 비아(130a)는 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a) 각각의 서로를 향하지 않는 타 변(예: +x방향)과 그라운드 플레인(201a)의 사이를 개방하고 상기 타 변의 반대방향인 일 변(예: -x방향)과 그라운드 플레인(201a)의 사이를 폐쇄하도록 배열될 수 있다.

이에 따라, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a) 각각의 표면전류는 더욱 일 변과 타 변 사이를 향하는 방향(예: x방향)으로 집중될 수 있으므로, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)에서 표면전류가 y방향으로 흐르는 것은 더욱 억제될 수 있다.

따라서, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 인접한 제1 패치 안테나 패턴으로의 전자기적 간섭은 더욱 억제될 수 있으며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100a, 100b, 100c, 100d)의 이득 및/또는 지향성은 향상될 수 있다.

예를 들어, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)은 제1 방향(예: y방향)으로 배열되고, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a) 각각의 일 변 및 타 변은 대응되는 제1 패치 안테나 패턴에서 제1 방향에 대해 다른 방향(예: x방향)일 수 있다.

이에 따라, 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)을 흐르는 표면전류의 방향(예: x방향)은 제1 방향(예: y방향)과 다르므로, 표면전류의 방향에 기반하여 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)이 서로에 주는 전자기적 간섭은 감소할 수 있다.도 3c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치(100e. 100f)의 복수의 가이드 비아(130a)는 복수의 제1 패치 안테나 패턴(111a)에서 인접 제1 패치 안테나 패턴에 가까운 일 변을 따라 배열될 수 있다.

도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 그라운드 플레인을 나타낸 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 그라운드 플레인의 하측의 피드라인을 나타낸 평면도이고, 도 5c는 도 5b의 피드라인의 하측의 배선비아와 제2 그라운드 플레인을 나타낸 평면도이고, 도 5d는 도 5c의 제2 그라운드 플레인의 하측의 IC 배치 영역과 엔드-파이어 안테나를 나타낸 평면도이다.

도 5a를 참조하면, 그라운드 플레인(201a)은 피드비아(120a)가 통과하는 관통홀을 가질 수 있으며, 패치 안테나 패턴과 피드라인 사이를 전자기적으로 차폐시킬 수 있다. 제2 차폐 비아(185a)는 하측(예: -z방향)을 향하여 연장될 수 있다.

도 5b를 참조하면, 배선 그라운드 플레인(202a)은 엔드-파이어 안테나 피드라인(220a)의 적어도 일부분과 피드라인(221a)을 각각 둘러쌀 수 있다. 엔드-파이어 안테나 피드라인(220a)은 제2 배선비아(232a)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 피드라인(221a)은 제1 배선비아(231a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 배선 그라운드 플레인(202a)은 엔드-파이어 안테나 피드라인(220a)과 피드라인(221a) 사이를 전자기적으로 차폐시킬 수 있다. 엔드-파이어 안테나 피드라인(220a)의 일단은 제2 피드비아(211a)에 연결될 수 있다.

도 5c를 참조하면, 제2 그라운드 플레인(203a)은 제1 배선비아(231a)와 제2 배선비아(232a)가 각각 통과하는 복수의 관통홀을 가질 수 있으며, 커플링 그라운드 패턴(235a)을 가질 수 있다. 제2 그라운드 플레인(203a)은 피드라인과 IC 사이를 전자기적으로 차폐시킬 수 있다.

도 5d를 참조하면, IC 그라운드 플레인(204a)은 제1 배선비아(231a)와 제2 배선비아(232a)가 각각 통과하는 복수의 관통홀을 가질 수 있다. IC(310a)는 IC 그라운드 플레인(204a)의 하측에 배치될 수 있으며, 제1 배선비아(231a)와 제2 배선비아(232a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 엔드-파이어 안테나 패턴(210a)과 디렉터 패턴(215a)은 IC 그라운드 플레인(204a)과 실질적으로 동일한 높이에 배치될 수 있다.

IC 그라운드 플레인(204a)은 IC(310a)의 회로 및/또는 수동부품에서 사용되는 그라운드를 IC(310a) 및/또는 수동부품으로 제공할 수 있다. 설계에 따라, IC 그라운드 플레인(204a)은 IC(310a) 및/또는 수동부품에서 사용되는 전원 및 신호의 전달경로를 제공할 수 있다. 따라서, IC 그라운드 플레인(204a)은 IC 및/또는 수동부품에 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 배선 그라운드 플레인(202a), 제2 그라운드 플레인(203a) 및 IC 그라운드 플레인(204a)의 상하관계와 형태는 설계에 따라 달라질 수 있다.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 하측 구조를 예시한 측면도이다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 연결 부재(200), IC(310), 접착 부재(320), 전기연결구조체(330), 봉합재(340), 수동부품(350) 및 코어 부재(410) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.

연결 부재(200)는 전술한 그라운드 플레인, 배선 그라운드 플레인, 제2 그라운드 플레인, IC 그라운드 플레인 및 절연층이 적층된 구조를 가질 수 있다.

IC(310)는 전술한 IC와 동일하며, 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있다. 상기 IC(310)는 연결 부재(200)의 배선에 전기적으로 연결되어 RF 신호를 전달하거나 전달받을 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 전기적으로 연결되어 그라운드를 제공받을 수 있다. 예를 들어, IC(310)는 주파수 변환, 증폭, 필터링, 위상제어 및 전원생성 중 적어도 일부를 수행하여 변환된 신호를 생성할 수 있다.

접착 부재(320)는 IC(310)와 연결 부재(200)를 서로 접착시킬 수 있다.

전기연결구조체(330)는 IC(310)와 연결 부재(200)를 전기적으로 연결시킬 수 있으며, 연결 부재(200)의 배선과 그라운드 플레인보다 낮은 용융점을 가져서 상기 낮은 용융점을 이용한 소정의 공정을 통해 IC(310)와 연결 부재(200)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.

봉합재(340)는 IC(310)의 적어도 일부를 봉합할 수 있으며, IC(310)의 방열성능과 충격 보호성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 봉합재(340)는 PIE(Photo Imageable Encapsulant), ABF (Ajinomoto Build-up Film), 에폭시몰딩컴파운드(epoxy molding compound, EMC) 등으로 구현될 수 있다.

수동부품(350)은 연결 부재(200)의 하면 상에 배치될 수 있으며, 전기연결구조체(330)를 통해 연결 부재(200)의 배선 및/또는 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 수동부품(350)은 캐패시터(예: Multi Layer Ceramic Capacitor(MLCC))나 인덕터, 칩저항기 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.

코어 부재(410)는 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있으며, 외부로부터 IF(intermediate frequency) 신호 또는 기저대역(base band) 신호를 전달받아 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 IF 신호 또는 기저대역 신호를 전달받아 외부로 전달하도록 연결 부재(200)에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, RF 신호의 주파수(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz)는 IF 신호(예: 2GHz, 5GHz, 10GHz 등)의 주파수보다 크다.

예를 들어, 코어 부재(410)는 연결 부재(200)의 IC 그라운드 플레인에 포함될 수 있는 배선을 통해 IF 신호 또는 기저대역 신호를 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 전달받을 수 있다. 연결 부재(200)의 제1 그라운드 플레인이 IC 그라운드 플레인과 배선의 사이에 배치되므로, 안테나 장치 내에서 IF 신호 또는 기저대역 신호와 RF 신호는 전기적으로 격리될 수 있다.

도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 차폐 부재(360), 커넥터(420) 및 칩 안테나(430) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.

차폐 부재(360)는 연결 부재(200)의 하측에 배치되어 연결 부재(200)와 함께 IC(310)를 가두도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(360)는 IC(310)와 수동부품(350)을 함께 커버(예: conformal shield)하거나 각각 커버(예: compartment shield)하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(360)는 일면이 개방된 육면체의 형태를 가지고, 연결 부재(200)와의 결합을 통해 육면체의 수용공간을 가질 수 있다. 차폐 부재(360)는 구리와 같이 높은 전도도의 물질로 구현되어 짧은 스킨뎁스(skin depth)를 가질 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 차폐 부재(360)는 IC(310)와 수동부품(350)이 받을 수 있는 전자기적 노이즈를 줄일 수 있다.

커넥터(420)는 케이블(예: 동축케이블, 연성PCB)의 접속구조를 가질 수 있으며, 연결 부재(200)의 IC 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있으며, 전술한 서브기판과 유사한 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상기 커넥터(420)는 케이블로부터 IF 신호, 기저대역 신호 및/또는 전원을 제공받거나 IF 신호 및/또는 기저대역 신호를 케이블로 제공할 수 있다.

칩 안테나(430)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치에 보조하여 RF 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 예를 들어, 칩 안테나(430)는 절연층보다 큰 유전율을 가지는 유전체 블록과, 상기 유전체 블록의 양면에 배치되는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 상기 복수의 전극 중 하나는 연결 부재(200)의 배선에 전기적으로 연결될 수 있으며, 다른 하나는 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 구조를 예시한 측면도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 엔드-파이어 안테나(100f)와 패치 안테나 패턴(1110f)과 IC(310f)와 수동부품(350f)이 연결 부재(500f)에 통합된 구조를 가질 수 있다.

엔드-파이어 안테나(100f) 및 패치 안테나 패턴(1110f)은 각각 전술한 안테나 장치 및 전술한 패치 안테나 패턴과 동일하게 설계될 수 있으며, IC(310f)로부터 RF 신호를 전달받아 송신하거나, 수신된 RF 신호를 IC(310f)로 전달할 수 있다.

연결 부재(500f)는 적어도 하나의 도전층(510f)과 적어도 하나의 절연층(520f)이 적층된 구조(예: 인쇄회로기판의 구조)를 가질 수 있다. 상기 도전층(510f)은 전술한 그라운드 플레인과 피드라인을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 연성 연결 부재(550f)를 더 포함할 수 있다. 연성 연결 부재(550f)는 상하방향으로 볼 때 연결 부재(500f)에 오버랩되는 제1 연성 영역(570f)과 연결 부재(500f)에 오버랩되지 않는 제2 연성 영역(580f)을 포함할 수 있다.

제2 연성 영역(580f)은 상하방향으로 유연하게 휘어질 수 있다. 이에 따라, 제2 연성 영역(580f)은 세트 기판의 커넥터 및/또는 인접 안테나 장치에 유연하게 연결될 수 있다.

연성 연결 부재(550f)는 신호선(560f)을 포함할 수 있다. IF(Intermediate frequency) 신호 및/또는 기저대역 신호는 신호선(560f)을 통해 IC(310f)로 전달되거나 세트 기판의 커넥터 및/또는 인접 안테나 장치에 전달될 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.

도 8a를 참조하면, 안테나부(100g)를 포함하는 안테나 장치는 전자기기(700g)의 세트 기판(600g) 상에서 전자기기(700g)의 측면 경계에 인접하여 배치될 수 있다.

전자기기(700g)는 스마트 폰(smart phone), 개인용 정보 단말기(personal digital assistant), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 네트워크 시스템(network system), 컴퓨터(computer), 모니터(monitor), 태블릿(tablet), 랩탑(laptop), 넷북(netbook), 텔레비전(television), 비디오 게임(video game), 스마트 워치(smart watch), 오토모티브(Automotive) 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 세트 기판(600g) 상에는 통신모듈(610g) 및 기저대역 회로(620g)가 더 배치될 수 있다. 상기 안테나 장치는 동축케이블(630g)을 통해 통신모듈(610g) 및/또는 기저대역 회로(620g)에 전기적으로 연결될 수 있다.

통신모듈(610g)은 디지털 신호처리를 수행하도록 휘발성 메모리(예컨대, DRAM), 비-휘발성 메모리(예컨대, ROM), 플래시 메모리 등의 메모리 칩; 센트랄 프로세서(예컨대, CPU), 그래픽 프로세서(예컨대, GPU), 디지털 신호 프로세서, 암호화 프로세서, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러 등의 어플리케이션 프로세서 칩; 아날로그-디지털 컨버터, ASIC(application-specific IC) 등의 로직 칩 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.

기저대역 회로(620g)는 아날로그-디지털 변환, 아날로그 신호에 대한 증폭, 필터링 및 주파수 변환을 수행하여 베이스 신호를 생성할 수 있다. 상기 기저대역 회로(620g)로부터 입출력되는 베이스 신호는 케이블을 통해 안테나 장치로 전달될 수 있다.

예를 들어, 상기 베이스 신호는 전기연결구조체와 코어 비아와 배선을 통해 IC로 전달될 수 있다. 상기 IC는 상기 베이스 신호를 밀리미터웨이브(mmWave) 대역의 RF 신호로 변환할 수 있다.

도 8b를 참조하면, 안테나부(100h)를 각각 포함하는 복수의 안테나 장치는 전자기기(700h)의 세트 기판(600h) 상에서 전자기기(700h)의 일측면 경계와 타측면 경계에 각각 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 세트 기판(600h) 상에는 통신모듈(610h) 및 기저대역 회로(620h)가 더 배치될 수 있다. 상기 복수의 안테나 장치는 동축케이블(630h)을 통해 통신모듈(610h) 및/또는 기저대역 회로(620h)에 전기적으로 연결될 수 있다.

도 8c를 참조하면, 안테나부(100i)를 각각 포함하는 복수의 안테나 장치는 전자기기(700i)의 세트 기판(600i) 상에서 다각형의 전자기기(700i)의 변의 중심에 각각 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 세트 기판(600i) 상에는 통신모듈(610i) 및 기저대역 회로(620i)가 더 배치될 수 있다. 상기 안테나 장치는 동축케이블(630i)을 통해 통신모듈(610i) 및/또는 기저대역 회로(620i)에 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 본 명세서에 개진된 패치 안테나 패턴, 피드비아, 가이드 비아, 피드패턴, 그라운드 플레인, 전기연결구조체는, 금속 재료(예: 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 도전성 물질)를 포함할 수 있으며, CVD(chemical vapor deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), 서브트랙티브(Subtractive), 애디티브(Additive), SAP(Semi-Additive Process), MSAP(Modified Semi-Additive Process) 등의 도금 방법에 따라 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

한편, 본 명세서에 개진된 절연층 및 유전층은 FR4, LCP(Liquid Crystal Polymer), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic), 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러와 함께 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 수지, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine), 감광성 절연(Photo Imagable Dielectric: PID) 수지, 일반 동박 적층판(Copper Clad Laminate, CCL) 또는 글래스나 세라믹 (ceramic) 계열의 절연재 등으로 구현될 수도 있다. 상기 절연층 및 유전층은 본 명세서에 개진된 안테나 장치에서 패치 안테나 패턴, 피드비아, 가이드 비아, 피드패턴, 그라운드 플레인, 전기연결구조체가 배치되지 않은 위치의 적어도 일부분에 채워질 수 있다.

한편, 본 명세서에 개진된 RF 신호는 Wi-Fi(IEEE 802.11 패밀리 등), WiMAX(IEEE 802.16 패밀리 등), IEEE 802.20, LTE(long term evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPS, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 3G, 4G, 5G 및 그 이후의 것으로 지정된 임의의 다른 무선 및 유선 프로토콜들에 따른 형식을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

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.

100a: 안테나 장치
111a: 제1 패치 안테나 패턴(patch antenna pattern)
112a: 제2 패치 안테나 패턴
120a: 피드비아(feed via)
126a: 피드패턴(feed pattern)
130a: 복수의 가이드 비아(guide via)
151a: 유전층(dielectric layer)
200a: 연결 부재(connection member)
201a: 그라운드 플레인(ground plane)

Claims

그라운드 플레인;
상기 그라운드 플레인의 상측으로 이격 배치되고 제1 대역폭을 가지도록 구성되고 각각 다각형인 복수의 제1 패치 안테나 패턴;
각각 상기 복수의 제1 패치 안테나 패턴 중 대응되는 제1 패치 안테나 패턴에 대해 급전하도록 구성된 복수의 피드비아;
상기 그라운드 플레인의 상측으로 이격 배치되고 상기 복수의 제1 패치 안테나 패턴의 적어도 일부분이 오버랩되도록 배치되고 상기 제1 대역폭의 주파수보다 더 높은 주파수에 대응되는 제2 대역폭을 가지도록 구성된 복수의 제2 패치 안테나 패턴; 및
각각 상기 복수의 제1 패치 안테나 패턴과 상기 그라운드 플레인의 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치된 복수의 가이드 비아; 를 포함하고,
상기 복수의 가이드 비아는 상기 복수의 제1 패치 안테나 패턴 각각의 서로를 향하지 않는 타 변과 상기 그라운드 플레인의 사이를 개방하고 상기 타 변의 반대방향에 위치한 일 변을 따라 배열된 안테나 장치.