KR20210122689A - 전방향성 밀리미터파 안테나 - Google Patents

전방향성 밀리미터파 안테나 Download PDF

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KR20210122689A
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전홍표
정희철
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엘에스엠트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 밀리미터파 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 휴대폰 등에 장착되는 초소형 안테나로서 전방향성 특성과 이중 편파 특성을 동시에 구현할 수 있는 전방향성 밀리미터파 안테나에 관한 것이다.
본 발명에서는, 길이 방향의 제1축의 길이가 폭 방향의 제2 축의 폭보다 긴 형상을 가지는 복수의 기판이 적층되어 구성되는 밀리미터파 안테나에 있어서, 상기 길이 방향으로 수평 편파의 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자가 하나 이상 배열되는 제1 기판; 및 상기 제1 기판의 상부 또는 하부에 적층되며, 상기 폭 방향으로 수직 편파의 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자가 하나 이상 배열되는 제2 기판; 을 포함하여 구성되며, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는 서로 수직하게 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나를 개시한다.

Description

전방향성 밀리미터파 안테나{Omni-directional millimeter wave antenna}
본 발명은 밀리미터파 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 휴대폰 등에 장착되는 초소형 안테나로서 전방향성 특성과 이중 편파 특성을 동시에 구현할 수 있는 전방향성 밀리미터파 안테나에 관한 것이다.
최근, 고도화된 통신 서비스를 위하여 고주파 대역을 이용한 광대역 통신이 가능한 5세대(5G) 이동통신이 확산되는 등 무선통신 기술은 보다 다양한 영역으로 적용 범위를 넓혀가고 있다.
그런데, 무선통신에 사용되는 안테나는 그 적용 용도에 따라 다양한 특성이 요구된다. 예를 들어, 위성통신 안테나의 경우 위성이 위치하는 특정 방향으로 전파 송수신이 집중되는 특성이 요구되는 반면, 휴대폰이나 사물인터넷(IoT, Internet of Things), 차량용 텔레매틱스 등과 같이 전방향으로 전파를 송수신할 수 있는 전방향성 안테나(omni-directional antenna)가 요구되는 어플리케이션도 다수 존재한다.
또한, 광대역 특성을 확보하기 위하여 무선통신에 사용되는 주파수 대역이 점차 높아지면서, 5세대(5G) 이동통신에서는 S-밴드 대역(예를 들어, 3.5GHz 대역) 뿐만 아니라 Ka-밴드 대역(예를 들어, 28GHz 대역) 등 다양한 고주파 대역을 사용하게 되면서 위와 같은 고주파 대역에 적합하며, 나아가 수직 편파 뿐만 아니라 수평 편파도 송수신할 수 있는 이중 편파 특성을 가지는 전방향성 안테나가 요구되고 있다.
이에 따라, 휴대폰 등에 장착되어 5세대(5G) 이동통신 등 고주파 대역에서 동작하면서 이중 편파 특성과 함께 전방향성 특성을 제공할 수 있는 안테나에 대한 요구가 있으나, 아직 이에 대한 적절한 해법이 제시되지 못하고 있다.
한국 공개특허공보 특2002-0078908호(2002.10.19)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 휴대폰 등에 장착되어 5세대(5G) 이동통신 등 고주파 대역에서 이중 편파 특성과 함께 전방향성 특성을 제공할 수 있는 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 휴대폰 등 사용 환경에 따라 안테나 이득(gain)과 빔폭 등 방사패턴 특성도 효과적으로 조절할 수 있는 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명에서는 초소형 모듈 형태로 구현되면서 방사소자의 갯수를 최소화하고 소모 전력 및 발열 등의 특성도 개선할 수 있는 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 아래에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나는, 길이 방향의 제1축의 길이가 폭 방향의 제2 축의 폭보다 긴 형상을 가지는 복수의 기판이 적층되어 구성되는 밀리미터파 안테나에 있어서, 상기 길이 방향으로 수평 편파의 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자가 하나 이상 배열되는 제1 기판; 및 상기 제1 기판의 상부 또는 하부에 적층되며, 상기 폭 방향으로 수직 편파의 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자가 하나 이상 배열되는 제2 기판; 을 포함하여 구성되며, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는 서로 수직하게 교차하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는, 상부에서 보았을 때 서로 이격되어 중첩되지 않고 분리되는 형상을 이루는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는, 중앙에 위치하는 제1a 영역, 상기 제1a 영역에 연접하면서 상기 제1 기판의 길이 방향에 따라 양측에 테이퍼진 측면을 구비하여 제2 선폭까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지는 제2a 영역, 및 상기 제2a 영역에 연접하면서 상기 제1 기판의 길이 방향에 따라 상기 제2 선폭보다 큰 제3 선폭을 일정하게 유지하는 제3a 영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는, 중앙에 위치하는 제1b 영역, 상기 제1b 영역에 연접하면서 상기 제2 기판의 폭 방향에 따라 양측에 테이퍼진 측면을 구비하여 제4 선폭까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지는 제2b 영역, 및 상기 제2b 영역에 연접하면서 상기 제2 기판의 폭 방향에 따라 상기 제4 선폭을 일정하게 유지하는 제3b 영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 기판의 상부에 소정의 유전율을 가지는 제3 기판이 적층되어, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자에서 방사되는 전파에 대하여 최고 이득치(peak gain)를 개선하는 렌즈로서 기능할 수 있다.
또한, 상기 제1 기판과 상기 제3 기판은 상기 제2 기판의 상부에 적층되어, 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자에서 방사되는 전파에 대하여 최고 이득치(peak gain)를 개선하는 렌즈로서 기능할 수 있다.
나아가, 상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 제3 기판의 측면에 도전체(=측면 도전체)가 구비되고, 상기 제3 기판의 하면 영역의 일부와, 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 중 하부에 적층되는 기판의 하면 영역의 일부 또는 전부에도 도전체(=하면 도전체)가 구비되어, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자가, 상기 측면 도전체 및 상기 하면 도전체로 구성되는 캐비티(cavity)에 내장되는 구조를 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는 각각 2개씩 상기 길이 방향으로 배열되어 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자의 일측 종단과 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자의 일측 종단은 각각 하나 이상의 비아-홀(via-hole)을 통해 접지면으로 단락될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 밀리미터파 안테나는, 휴대폰 등에 장착되어 5세대(5G) 이동통신 등 고주파 대역에서 이중 편파 특성과 함께 전방향성 특성을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 밀리미터파 안테나에서는, 휴대폰 등 사용 환경에 따라 안테나 이득(gain)과 빔폭 등 방사패턴 특성도 효과적으로 조절할 수 있게 된다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향성 밀리미터파 안테나는 초소형 모듈 형태로 구현되면서 방사소자의 갯수를 최소화하고 소모 전력 및 발열 등의 특성도 개선할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나를 구성하는 기판 및 그 적층 구조를 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 제1 보우-타이 방사 소자와 제2 보우-타이 방사 소자의 구체적인 구조를 예시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 제3 기판을 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나에서 제3 기판이 적층된 구조를 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 캐비티 구조를 예시하는 도면이다.
도 6과 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 방사 패턴을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 사면도를 예시하는 도면이다.
도 9는 도 8의 밀리미터파 안테나에 대한 적층 구조를 예시하는 도면이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 편파별 방사 패턴을 예시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 샘플 및 측정 환경을 예시하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 방사 패턴 측정치를 예시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은 밀리미터파 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 본 발명에서는 휴대폰 등에 장착되는 초소형 안테나로서 5세대(5G) 이동통신 등 고주파 대역에서 이중 편파(dual polarization) 특성과 함께 전방향성(omni-directional) 특성을 제공할 수 있는 전방향성 밀리미터파 안테나에 관한 것이다.
아래에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에 대한 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)를 예시하고 있다.
보다 구체적으로, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)는, 길이 방향의 제1축의 길이가 폭 방향의 제2 축의 폭보다 긴 형상을 가지는 복수의 기판이 적층되어 구성되는 밀리미터파 안테나(100)로서, 상기 길이 방향으로 수평 편파의 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)가 하나 이상 배열되는 제1 기판(110) 및 상기 제1 기판(110)의 상부 또는 하부에 적층되며, 상기 폭 방향으로 수직 편파의 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)가 하나 이상 배열되는 제2 기판(120)을 포함하여 구성된다.
이때, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는 서로 수직하게 교차하여 배치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)는, 휴대폰 등에 장착될 수 있는 초소형 안테나로서, 5세대(5G) 이동통신 등 고주파 대역에서 이중 편파(dual polarization) 특성과 함께 전방향성(omni-directional) 특성을 제공할 수 있게 된다. 이에 따라, 신호 감쇄가 큰 5G 신호의 특성상 수평 편파와 수직 편파 모두에 대해 송수신 할 수 있어서, 편파 다이버시티(Polarization Diversity)를 구현하여 주파수 활용 효율을 높일 수 있다. 즉, 경로가 다른 2 이상의 전파가 상호 간섭(상보 간섭, 소멸 간섭)하여, 신호 진폭 및 위상 등이 시간적으로 불규칙하게 변하는 페이딩 현상을 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)를 각 구성 요소 별로 나누어 보다 자세하게 살핀다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)는, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 길이 방향의 제1축의 길이(예를 들어, 도 1에서 (L1))가 폭 방향의 제2 축의 폭(예를 들어, 도 1에서 (L2)보다 긴 형상을 가지는 복수의 기판(예를 들어, 도 1에서 제1 기판(110)과 제2 기판(120))이 적층되어 구성될 수 있다.
이때, 본 발명에서 밀리미터파라 함은 통상적으로 사용되는 30~300GHz 뿐만 아니라, 20~30GHz의 준밀리미터파 대역 등도 포함하는 넓은 의미로 사용된다.
또한, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 기판(110)은, 상기 길이 방향으로 수평 편파(horizontal polarization)의 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)가 하나 이상 배열되어 구성될 수 있다.
또한, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제2 기판(120)은, 상기 제1 기판(110)의 상부 또는 하부에 적층되며, 상기 폭 방향으로 수직 편파(vertical polarization)의 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)가 하나 이상 배열되어 구성될 수 있다.
이때, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는 서로 수직하게 교차하여 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는 각각 2개씩 상기 길이 방향으로 배열되어 구비될 수 있다.
나아가, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)는, 중앙에 위치하는 제1a 영역(예를 들어, 도 2(b)에서 (1a)), 상기 제1a 영역에 연접하면서 상기 제1 기판(110)의 길이 방향에 따라 양측에 테이퍼진 측면을 구비하여 제2 선폭(예를 들어, 도 2(b)에서 W2)까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지는 제2a 영역(예를 들어, 도 2(b)에서 (2a)) 및 상기 제2a 영역에 연접하면서 상기 제1 기판(110)의 길이 방향에 따라 상기 제2 선폭보다 큰 제3 선폭(예를 들어, 도 2(b)에서 W3)을 일정하게 유지하는 제3a 영역(예를 들어, 도 2(b)에서 (3a))을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는, 중앙에 위치하는 제1b 영역(예를 들어, 도 2(a)에서 (1b)), 상기 제1b 영역에 연접하면서 상기 제2 기판(120)의 폭 방향에 따라 양측에 테이퍼진 측면을 구비하여 제4 선폭(예를 들어, 도 2(a)에서 W4)까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지는 제2b 영역(예를 들어, 도 2(a)에서 (2b)) 및 상기 제2b 영역에 연접하면서 상기 제2 기판(120)의 폭 방향에 따라 상기 제4 선폭을 일정하게 유지하는 제3b 영역(예를 들어, 도 2(a)에서 (3b))을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는, 적층 구조의 상부면에서 투시하였을 때 서로 이격되면서 중첩되지 않고 분리되는 형상으로 적층 구조를 형성할 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는 서로 간섭을 최소화하면서 효율적으로 수직 편파 및 수평 편파의 이중 편파를 송수신할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 본 발명은 휴대폰용 등에 적용 가능한 초소형의 전방향성 방사 특성을 가지는 밀리미터파 안테나(100)에 관한 것으로서, 구동 주파수는 20 ~ 39GHz에 적합하며, 기판 상에 수평 편파 특성을 가지는 2개의 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 수직 편파 특성을 가지는 2개의 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)를 교차 배열하여 이중 편파 특성을 구현할 수 있다.
이에 따라, 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 기판(110)에는 수평 편파 특성을 가지는 2개의 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)가 구비될 수 있으며, 상기 제2 기판(120)에는 수직 편파 특성을 가지는 2개의 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)가 구비되어 적층될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)는 제1 기판(110)의 전면에 구비될 수 있으며, 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는 제2 기판(120)의 전면에 구비될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 기판(110)에는 수평 편파의 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)가 구비되고, 제2 기판(120)에는 수직 편파의 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)가 구비되면서, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)가 서로 교차하는 형태로 배치되어, 이중 편파 특성과 함께 전방향성 특성을 동시에 제공할 수 있게 된다.
이때, 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)가 구비되는 제2 기판(120)의 하면에 접지면(Ground)이 구비될 수 있으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 나아가 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 적층 순서는 변경될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에는, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 상부에 소정의 유전율을 가지는 제3 기판(130)이 적층되어, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)에서 방사되는 전파에 대하여 최고 이득치(peak gain) 등 방사 패턴을 개선하는 렌즈로서 기능할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제3 기판(130)은 저유전율을 가지는 기판일 수 있으며, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 기판(110)의 상부에 적층되어 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)에서 방사되는 전파에 대하여 렌즈로서 기능할 수 있다.
이때, 상기 제3 기판(130)은 평판 형상을 가지지만 전파가 원형으로 퍼져 나가기 때문에 에너지가 가장 높은 부분이 먼저 렌즈로서 동작하는 기판에 닿게 되고, 순차적으로 퍼져 나가면서 렌즈의 기능으로 동작하게 된다.
나아가, 상기 제3 기판(130)은 반드시 평판 형상을 가져야 하는 것은 아니며, 적용 어플리케이션에 따라 단면이 볼록한 형상 등으로 구현하는 것도 가능하다.
이에 따라, 상기 제3 기판(130)의 유전율 및 두께 등을 조절하여 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)의 최고 이득치(peak gain) 등 방사 패턴을 개선할 수 있다.
이때, 상기 제2 기판(120)의 상부에는 상기 제1 기판(110)과 상기 제3 기판(130)이 적층될 수 있으며, 이에 따라 상기 제1 기판(110)과 상기 제3 기판(130)은 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)에서 방사되는 전파에 대하여 렌즈로서 기능할 수 있다.
따라서, 상기 제3 기판(130)의 유전율 및 두께 등을 조절하여 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)의 방사 패턴을 요구되는 규격에 맞추어 개선하면서, 나아가 상기 제1 기판(110) 및 상기 제3 기판(130)의 유전율 및 두께 등을 조절하여, 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)의 방사 패턴도 요구되는 규격도 동시에 만족할 수 있도록 상기 제1 기판(110) 및 상기 제3 기판(130)의 유전율 및 두께 등을 조절할 수도 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는, 상부에서 보았을 때(예를 들어, 도 4의 (b)) 미리 정해진 기준치 이상 이격되어(도 4의 (G)) 중첩되지 않고 분리되는 형상을 이루도록 구성될 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는 서로 간섭을 최소화하면서 효율적으로 수직 편파 및 수평 편파의 이중 편파를 송수신할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제3 기판(130)의 길이 및 폭은 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(110)의 길이 및 폭보다 큰 값을 가질 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 기판(110), 상기 제2 기판(120) 및 상기 제3 기판(130)의 측면에 도전체(=측면 도전체(141))가 구비되고, 또한 상기 제3 기판(130)의 하면 영역의 일부와, 상기 제1 기판(110) 또는 상기 제2 기판(120) 중 하부에 적층되는 기판의 하면 영역의 일부 또는 전부에도 도전체(=하면 도전체(142))가 구비되어, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)가 상기 측면 도전체(141) 및 상기 하면 도전체(142)로 구성되는 캐비티(cavity)(140)에 내장되는 구조를 형성할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는, 상기 캐비티(140)를 이용하여 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111) 및 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)의 빔폭(beam width) 등 방사 패턴을 조절할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 상기 캐버티(140)는 상기 제1 기판(110), 상기 제2 기판(120)의 측면과 상기 제3 기판(130)의 측면 및 하면의 일부 또는 전부에 도금 공정 등을 이용해 도전체를 구비하는 등의 방식으로 구현될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는 최대 이득치(Peak Gain) 등의 방사 패턴을 조절하는 것이 가능하다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서, 상기 제3 기판(130)의 크기를 상기 제1 기판(110) 및 상기 제2 기판(120)의 크기와 동일하게 하거나 동작 파장의 0.25배(=0.25λ) 또는 0.5배(=0.5λ) 보다 크게 제작하여 상기 캐버티(140)를 구현함으로써, 최대 이득(Peak Gain) 등의 방사 성능을 효과적으로 개선할 수 있게 된다.
또한, 도 6과 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)의 방사 패턴을 예시하고 있다.
보다 구체적으로, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서 제2 기판(120)에 배열된 수직 편파를 가지는 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)에 대한 방사 패턴을 예시하고 있다(도 6(a) 28GHz, 도 6(b) 39GHz).
또한, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서 제1 기판(110)에 배열된 수평 편파를 가지는 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)에 대한 방사 패턴을 예시하고 있다 (도 7(a) 28GHz, 도 7(b) 39GHz).
도 6 및 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는, 상기 제1 기판(110)의 방사 소자에 의한 방사 패턴과 제2 기판(120)의 방사 소자에 의한 방사 패턴이 중첩되면서 우수한 전방향 방사 특성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)의 수평 편파 특성과 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)의 수직 편파 특성에 의하여 이중 편파 특성도 동시에 구현이 가능하게 된다.
또한, 도 8에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)의 사면도를 예시하고 있으며, 도 9에서는 도 8의 밀리미터파 안테나(100)에 대한 적층 구조를 예시하고 있다.
이때, 도 8 및 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)는 급전 비아홀(170)를 이용하여 급전(feeding)될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 도 8 및 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 급전 비아올(170)로 전력을 전달하기 위한 급전 패턴(180)이 사용될 수도 있으며, 상기 급전 패턴(180)은 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)의 하면에 위치하는 접지면(150)의 하부에 분리되어 구비될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)의 일측 종단과 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)의 일측 종단이 각각 하나 이상의 비아-홀(via-hole)(160)을 통해 접지면(150)으로 단락되는 구조로 구성될 수도 있다.
이러한 구조에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는, 기판의 층을 달리하여 각 급전 패턴(180)과 급전 비아홀(170) 등을 통해 상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(111)와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자(121)에 대한 급전(feeding)을 수행할 수 있다.
이에 대하여, 도 10 내지 도 13에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서의 편파별 방사 패턴을 예시하고 있다.
보다 구체적으로, 도 10에서는 수직 편파에 대하여 28GHz에서의 co-pol 방사 패턴(도 10(a)) 및 cross-pol 방사 패턴(도 10(b))을 도시하고 있다. 또한, 도 11에서는 수직 편파에 대하여 39GHz에서의 co-pol 방사 패턴(도 11(a)) 및 cross-pol 방사 패턴(도 11(b))을 도시하고 있다.
도 10 및 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는 수직 편파에 대하여 우수한 전방향 방사 특성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 넓은 주파수 대역 범위에서 듀얼 밴드(dual band)로 동작이 가능함을 확인할 수 있다.
또한, 도 12에서는 수평 편파에 대하여 28GHz에서의 co-pol 방사 패턴(도 12(a)) 및 cross-pol 방사 패턴(도 12(b))을 도시하고 있다. 또한, 도 13에서는 수평 편파에 대하여 39GHz에서의 co-pol 방사 패턴(도 13(a)) 및 cross-pol 방사 패턴(도 13(b))을 도시하고 있다.
도 12 및 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는 수평 편파에 대해서도 우수한 전방향 방사 특성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 넓은 주파수 대역 범위에서 듀얼 밴드(dual band)로 동작이 가능함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는, 우수한 전방향 방사 특성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 수직 편파 및 수평 편파의 이중 편파 특성도 동시에 구현이 가능하며, 나아가 넓은 주파수 대역 범위에서 듀얼 밴드(dual band)로로 동작이 가능하게 된다.
나아가, 도 14에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나의 샘플 및 측정 환경을 예시하고 있다.
이때, 도 14에서는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)의 샘플이 휴대폰 단말의 측부에 장착된 사진(도 14(a)의 (A2)) 및 그에 대한 시뮬레이션 결과(도 14의 (b))를 예시하고 있다.
이때, 도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)는 휴대폰 등 단말의 측부 등과 같이 제한된 공간에 장착될 수 있도록 초소형 안테나로 구현이 가능하다.
이에 대하여, 도 15에서는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)의 샘플에 대한 방사 패턴 측정 결과를 예시하고 있다.
도 15에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는 우수한 전방향 방사 특성을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 수직 편파(도 15(a)) 및 수평 편파(도 15(b))의 이중 편파 특성도 동시에 구현이 가능함을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)는, 휴대폰 등에 장착되어 5세대(5G) 이동통신 등 고주파 대역에서 이중 편파 특성과 함께 전방향성 특성을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)는, 휴대폰 등과 같이 제한된 공간 내에 장착될 수 있는 소형화된 무지향성 안테나로서 구현이 가능하고, 방사 패턴 특성을 개선하기 위하여 저유전율의 제3 기판(130)을 추가로 적층할 수 있고, 또한 캐버티(140)를 함께 적용하여 제한된 공간에서도 최대 이득치(Peak Gain) 등 방사 성능을 효과적으로 개선할 수 있도록 구현되었다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 밀리미터파 안테나(100)에서는, 휴대폰 등에 장착되는 무지향성 안테나로서 모듈의 형태로 간소화된 구조로 구현되어 방사 소자의 개수 및 소모 전력을 줄일 수 있으며 발열 등의 문제점도 효과적으로 개선할 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 밀리미터파 안테나
110 : 제1 기판
111 : 제1 보우-타이 방사 소자
120 : 제2 기판
121 : 제2 보우-타이 방사 소자
130 : 제3 기판
140 : 캐비티
141 : 측면 도전체
142 : 하면 도전체
150 : 접지면
160 : 비아홀
170 : 급전 비아홀
180 : 급전 패턴

Claims (9)

  1. 길이 방향의 제1축의 길이가 폭 방향의 제2 축의 폭보다 긴 형상을 가지는 복수의 기판이 적층되어 구성되는 밀리미터파 안테나에 있어서,
    상기 길이 방향으로 수평 편파의 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자가 하나 이상 배열되는 제1 기판; 및
    상기 제1 기판의 상부 또는 하부에 적층되며, 상기 폭 방향으로 수직 편파의 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자가 하나 이상 배열되는 제2 기판; 을 포함하여 구성되며,
    상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는 서로 수직하게 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는,
    상부에서 보았을 때 서로 이격되어 중첩되지 않고 분리되는 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는,
    중앙에 위치하는 제1a 영역,
    상기 제1a 영역에 연접하면서 상기 제1 기판의 길이 방향에 따라 양측에 테이퍼진 측면을 구비하여 제2 선폭까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지는 제2a 영역, 및
    상기 제2a 영역에 연접하면서 상기 제1 기판의 길이 방향에 따라 상기 제2 선폭보다 큰 제3 선폭을 일정하게 유지하는 제3a 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는,
    중앙에 위치하는 제1b 영역,
    상기 제1b 영역에 연접하면서 상기 제2 기판의 폭 방향에 따라 양측에 테이퍼진 측면을 구비하여 제4 선폭까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지는 제2b 영역, 및
    상기 제2b 영역에 연접하면서 상기 제2 기판의 폭 방향에 따라 상기 제4 선폭을 일정하게 유지하는 제3b 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기판의 상부에 소정의 유전율을 가지는 제3 기판이 적층되어,
    상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자에서 방사되는 전파에 대하여 최고 이득치(peak gain)를 개선하는 렌즈로서 기능하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제3 기판은 상기 제2 기판의 상부에 적층되어,
    상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자에서 방사되는 전파에 대하여 최고 이득치(peak gain)를 개선하는 렌즈로서 기능하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 기판, 상기 제2 기판 및 상기 제3 기판의 측면에 도전체(=측면 도전체)가 구비되고,
    상기 제3 기판의 하면 영역의 일부와, 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 중 하부에 적층되는 기판의 하면 영역의 일부 또는 전부에도 도전체(=하면 도전체)가 구비되어,
    상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자가, 상기 측면 도전체 및 상기 하면 도전체로 구성되는 캐비티(cavity)에 내장되는 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자와 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자는 각각 2개씩 상기 길이 방향으로 배열되어 구비되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 보우-타이(bow-tie) 방사 소자의 일측 종단과 상기 제2 보우-타이(bow-tie) 방사 소자의 일측 종단은 각각 하나 이상의 비아-홀(via-hole)을 통해 접지면으로 단락되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파 안테나.
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