KR20220037913A - 안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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김윤건
고승태
금준식
박정민
이범희
이종민
이영주
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Abstract

본 개시(disclosure)는 LTE(Long Term Evolution)와 같은 4G(4th generation) 통신 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G(5th generation) 또는 pre-5G 통신 시스템에 관련된 것이다. 다양한 실시 예들에 따를 때, 무선 통신 시스템에서 안테나는, 제1 금속 패치(metal patch), 제2 금속 패치, 급전부 및 지지 구조를 갖는 기판을 포함하고, 상기 제1 금속 패치 및 상기 제2 금속 패치는 상기 기판에 배치되고, 상기 급전부는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 기판에 결합되고, 상기 제1 금속 패치는 개구부를 포함할 수 있다.

Description

안테나 구조 및 이를 포함하는 전자 장치 {ANTENNA STRUCTURE AND ELECTRONIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 개시(disclosure)는 일반적으로 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 무선 통신 시스템에서 안테나 구조(antenna structure) 및 이를 포함하는 전자 장치(electronic device)에 관한 것이다.
4G(4th generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G(5th generation) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(beyond 4G network) 통신 시스템 또는 LTE(long term evolution) 시스템 이후(post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다.
높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파 대역에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive multi-input multi-output, massive MIMO), 전차원 다중입출력(full dimensional MIMO, FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔포밍(analog beam-forming), 및 대규모 안테나(large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다.
또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀(advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud radio access network, cloud RAN), 초고밀도 네트워크(ultra-dense network), 기기 간 통신(device to device communication, D2D), 무선 백홀(wireless backhaul), 이동 네트워크(moving network), 협력 통신(cooperative communication), CoMP(coordinated multi-points), 및 수신 간섭제거(interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.
이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(advanced coding modulation, ACM) 방식인 FQAM(hybrid frequency shift keying and quadrature amplitude modulation) 및 SWSC(sliding window superposition coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(filter bank multi carrier), NOMA(non orthogonal Multiple Access), 및 SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.
5G 시스템에서 MMU(massive MIMO unit) 장치는 다수의 안테나 엘리먼트(antenna elements)들을 포함한다. 하나 이상의 안테나 엘리먼트들은 서브 어레이(sub array)를 형성한다. 이 때, 각각의 안테나 엘리먼트들은 적층형 패치 안테나(stacked patch antenna)로 형성될 수 있는데, 적층형 패치 안테나는 둘 이상의 금속 패치를 위/아래로 배치하여 고이득/광대역을 제공하는 안테나를 의미한다. 빔포밍을 위해, 요구되는 안테나 엘리먼트들의 숫자가 증가함에 따라, 안테나가 차지하는 부피, 패치를 고정하기 위한 공정 등을 고려하여 보다 효과적인 구조로 안테나를 설계할 것이 요구된다.
상술한 바와 같은 논의를 바탕으로, 본 개시(disclosure)는, 무선 통신 시스템에서 안테나에 적용되는 기판 및 금속 패치의 구조를 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 지지대 구조를 가지는 기판을 이용하여, 저가의 생산 비용 및 안테나가 차지하는 부피를 감소(thin volume)시킬 수 있는 안테나의 구조를 제공한다.
또한, 본 개시는, 무선 통신 시스템에서 안테나의 지향성(directivity)을 유지하면서 목표하는 주파수 대역을 형성하기 위한 안테나의 구조를 제공한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 안테나는 제1 금속 패치(metal patch), 급전부 및 지지 구조를 갖는 기판을 포함하고, 상기 제1 금속 패치 및 상기 제2 금속 패치는 상기 기판에 배치되고, 상기 급전부는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 기판에 결합되고, 상기 제1 금속 패치는 개구부를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치에 있어서, 급전부, 지지 구조를 갖는 기판, 적어도 하나의 프로세서 및 복수의 안테나 엘리먼트(antenna element)들을 포함하는 서브 어레이(sub array)를 포함하고, 상기 안테나 엘리먼트는 상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치되는 개구부를 갖는 제1 금속 패치를 포함하고, 상기 안테나 엘리먼트는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치되는 제2 금속 패치를 포함하고, 상기 급전부는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치는, 지지 구조를 갖는 기판을 통해 안테나가 차지하는 공간의 부피를 줄임(thin volume)과 동시에, 효율적인 비용으로 안테나 장비의 제작을 가능하게 한다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 장치는, 특정 구조를 갖는 안테나를 통해 안테나의 부피를 줄이더라도, 기존의 안테나와 비교하여 지향성을 유지하며 목표하는 방사 주파수 대역을 확보할 수 있게 한다.
이 외에, 본 문서를 통해 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치의 구성을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 서브 어레이(sub array)의 구성을 도시한다.
도 4a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 급전부의 구성을 도시한다.
도 4b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 급전부와 기판의 결합구조를 도시한다.
도 5a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제1 금속 패치의 구성을 도시한다.
도 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제1 금속 패치와 기판의 결합구조를 도시한다.
도 6a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제2 금속 패치의 구성을 도시한다.
도 6b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제2 금속 패치와 기판의 결합구조를 도시한다.
도 7a는 기존의 안테나의 패치간 간격의 감소에 따른 안테나의 구성을 도시한다.
도 7b는 기존의 안테나의 패치간 간격의 감소에 따른 안테나 성능을 도시한다.
도 8a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나의 패치간 간격이 감소된 안테나의 구성을 도시한다.
도 8b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나의 패치간 간격의 감소에 따른 안테나 성능을 도시한다.
도 9a 내지 도 9b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나에서 금속 패치의 부가에 따른 패치간 커패시터(capacitor) 구성을 도시한다.
도 9c는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나에서 금속 패치의 부가에 따른 커패시턴스(capacitance)를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 개시에서 사용되는 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.
이하에서 설명되는 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어적인 접근 방법을 예시로서 설명한다. 하지만, 본 개시의 다양한 실시 예들에서는 하드웨어와 소프트웨어를 모두 사용하는 기술을 포함하고 있으므로, 본 개시의 다양한 실시 예들이 소프트웨어 기반의 접근 방법을 제외하는 것은 아니다.
이하 설명에서 사용되는 신호를 지칭하는 용어(심볼, 스트림, 데이터, 빔포밍 신호), 빔과 관련된 용어(멀티-빔, 복수의 빔들, 싱글 빔, 듀얼 빔, 쿼드-빔, 빔포밍), 네트워크 객체(network entity)들을 지칭하는 용어, 장치의 구성 요소를 지칭하는 용어(안테나 어레이(antenna array), 안테나 요소(antenna element), 통신부, 안테나) 등은 설명의 편의를 위해 예시된 것이다. 따라서, 본 개시가 후술되는 용어들에 한정되는 것은 아니며, 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어가 사용될 수 있다.
또한, 본 개시는, 일부 통신 규격(예: 3GPP(3rd Generation Partnership Project))에서 사용되는 용어들을 이용하여 다양한 실시 예들을 설명하지만, 이는 설명을 위한 예시일 뿐이다. 본 개시의 다양한 실시 예들은, 다른 통신 시스템에서도, 용이하게 변형되어 적용될 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템을 도시한다. 도 1의 무선 통신 환경은 무선 채널을 이용하는 노드(node)들의 일부로서, 기지국(100) 및 단말(110-1 내지 110-6)을 예시한다.
기지국(100)은 단말(110-1 내지 110-6)에게 무선 접속을 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure)이다. 기지국(100)은 신호를 송신할 수 있는 거리에 기초하여 일정한 지리적 영역으로 정의되는 커버리지(coverage)를 가진다. 기지국(100)은 기지국(base station) 외에 '액세스 포인트(access point, AP)', '이노드비(eNodeB, eNB)', '5G 노드(5th generation node)', '5G 노드비(5G NodeB, NB)', '무선 포인트(wireless point)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)', '액세스 유닛(access unit)', '분산 유닛(distributed unit, DU)', '송수신 포인트(transmission/reception point, TRP)', '무선 유닛(radio unit, RU), 원격 무선 장비(remote radio head, RRH) 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다. 기지국(100)은 하향링크 신호를 송신하거나 상향링크 신호를 수신할 수 있다.
단말(110-1 내지 110-6)은 사용자에 의해 사용되는 장치로서, 기지국(100)과 무선 채널을 통해 통신을 수행한다. 경우에 따라, 단말(110-1 내지 110-6)은 사용자의 관여 없이 운영될 수 있다. 즉, 단말(110-1 내지 110-6)은 기계 타입 통신(machine type communication, MTC)을 수행하는 장치로서, 사용자에 의해 휴대되지 아니할 수 있다. 단말(110-1 내지 110-6)은 단말(terminal) 외 '사용자 장비(user equipment, UE)', '이동국(mobile station)', '가입자국(subscriber station)', '고객 댁내 장치'(customer premises equipment, CPE), '원격 단말(remote terminal)', '무선 단말(wireless terminal)', '전자 장치(electronic device)', 또는 '차량(vehicle)용 단말', '사용자 장치(user device)' 또는 이와 동등한 기술적 의미를 가지는 다른 용어로 지칭될 수 있다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 무선 통신 시스템에서 MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치의 구성을 도시한다. 이하 사용되는 '??부', '??기' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는, 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2를 참고하면, 기지국(200)은 다수의 안테나 엘리먼트(210)(antenna element)들을 포함할 수 있다. 빔포밍(beamforming) 이득을 높이기 위해, 입력 포트(port) 대비 많은 수의 안테나 엘리먼트(210)들이 사용될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 예들을 설명하기 위하여 하나의 입력 포트에 대응하는 각각의 서브 어레이(220)들을 포함하는 형태의 MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치가 본 개시의 빔포밍 장치의 예시로써, 서술된다. MMU 장치의 각 서브 어레이(220)는, 동일한 개수의 안테나 엘리먼트(210)들을 포함하는 것으로 서술되나, 본 개시의 실시 예들은 이에 한정되지 않는다. 일 실시 예에 따라, 일부 서브 어레이(220)의 안테나 엘리먼트(210)들은 다른 서브 어레이(220)의 안테나 엘리먼트(210)들의 개수와 다를 수 있다.
도 2를 참고하면, 서브 어레이(220)는 다수의 안테나 엘리먼트(210)들을 포함할 수 있다. 이하, 도 2에서는 4 x 1 형태로 배치되는 안테나 엘리먼트들이 하나의 서브 어레이(220)로서 서술되나, 이는 본 개시의 실시 예들의 설명을 위한 것일 뿐 해당 도시가 본 개시의 실시 예를 한정하는 것은 아니다. 2 x 2 또는 3 x 2 형태의 서브 어레이(220)에도 후술되는 다양한 실시 예들이 적용될 수 있음은 물론이다.
통신 성능을 높이기 위해 무선 통신을 수행하는 장비의 안테나 엘리먼트(210)들의 개수는 증가하고 있다. 또한, 각각의 안테나 엘리먼트(210)를 통해 수신되거나 송신되는 RF 신호를 처리하기 위한 RF 부품, 구성요소들(components)의 개수도 증가하게 되어 통신 장비를 구성함에 있어 통신 성능을 충족하면서 공간적 이득, 비용적 효율이 필수적으로 요구된다. 이러한 요구사항들을 충족시키기 위하여, 이중 편파 안테나(dual-polarized antenna)가 이용되고 있다. 서로 다른 편파의 신호들 간 채널 상 독립성이 충족될수록, 편파 다이버시티 및 이에 따른 신호 이득이 증가할 수 있다.
MMU 장치의 빔포밍 이득을 높이기 위해, MMU 장치에 실장되는 안테나 엘리먼트(210)의 수가 증가될 수 있다. 이에 따라, 다수의 안테나 엘리먼트(210)들을 실장하면 MMU 장치의 부피가 증가하고, 다수의 안테나 엘리먼트(210)를 생산함에 있어서 공정과정에서 공차가 증가될 수 있고, 다수의 안테나 엘리먼트(210)가 실장된 MMU 장치에 대한 관리의 어려움이 발생하는 문제가 있을 수 있다. 따라서, 이런 문제를 간소화하기 위하여 대량생산에 용이하고, 안정적인 구조가 필요하다. 본 개시에서는 공정과정에서 공차를 줄이고, 생산비용을 줄이기 위한 유전체로 형성되는 기판을 이용한 구조 및 안테나 방사 성능을 확보하기 위한 금속 패치의 구조를 제안한다.
이하, 도 3에서는 MMU 장치를 구성하는 안테나 엘리먼트(210) 및 서브 어레이(220)에 대한 전체적인 구조를 개시하고, 도 4에서는 각 안테나 엘리먼트(210)를 구성하는 급전부, 상단 및 하단부의 금속 패치 및 기판에 대하여 소개하겠다. 이하에서는, 본 개시의 일 실시 예에 따른 MMU 장치를 구성하는 안테나 엘리먼트(210) 및 서브 어레이(220)의 구조를 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 서브 어레이(sub array)의 구성을 도시한다. 이하, 도 3a 및 도 3b는 전자 장치의 구성을 설명하기 위하여 6개의 안테나 엘리먼트들이 배치되는 기판을 예로 서술되나, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 후술되는 실시 예들은 제작 방식에 따라, 3개의 안테나 엘리먼트들 혹은 4개의 안테나 엘리먼트들에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 3a를 참고하면, 서브 어레이(300)는 6개의 안테나 엘리먼트들(300-1 내지 300-6), 기판(310) 및 급전부(320)를 포함할 수 있다.
안테나 엘리먼트들(300-1 내지 300-6) 각각은 적층형 패치 안테나(stacked patch antenna)일 수 있다. 적층형 패치 안테나는 두 개 이상의 금속 패치들이 일정 간격을 두어 배치되어 높은 이득과 넓은 주파수 대역에서 이용할 수 있도록 하는 안테나이다. 일 실시 예에 따르면, 적층형 패치 안테나는 복수의 금속 패치들이 포함될 수 있다. 예를 들어, 적층형 패치 안테나는 3개 이상의 금속 패치들이 포함될 수 있다.
기판(310)은 유전율을 갖는 유전체로 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 유전체는 2[F/m] 내지 6[F/m]의 유전율을 갖는 소재로 형성될 수 있다. 유전율을 갖는 유전체로 구성되는 기판(310)은 기존의 PCB(printed circuit board)와 달리 성형성이 높아 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 기판(310)은 지지대 구조로서 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 기판(310)은 안테나 엘리먼트들(300-1 내지 300-6) 및 급전부(320) 등과 결합되기 위하여 돌출부를 포함할 수 있다. 즉, 기판(310)은 돌출부를 갖는 구조일 수 있다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이, 기판(310)은 지지대 구조의 돌출부와 적층형 패치 안테나의 제1 금속 패치 및 제2 금속 패치의 결합용 구멍(hole)을 통해 결합될 수 있다. 또한, 기판(310)은 지지대 구조의 돌출부와 급전부(320)의 결합용 구멍이 연결되어 결합될 수 있다. 다만, 기판(310)이 안테나 엘리먼트(300-1 내지 300-6) 및 급전부 등과 결합되기 위하여 다른 구조를 통해 결합될 수 있는 바, 본 개시가 기판(310)의 돌출부에 의한 결합에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 기판(310)의 지지대 구조에서 연장되어 레일(rail) 구조를 형성하여 안테나 엘리먼트(300-1 내지 300-6) 및 급전부(320) 등과 결합될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 기판(310)은 돌출부를 포함하고, 돌출부에 결합되는 구조로 설명한다.
급전부(320)는 안테나 엘리먼트(300-1 내지 300-6)에 급전하기 위하여 MMU 장치 내부의 적어도 하나의 무선 통신 회로(미도시)로부터 급전될 수 있다. 급전부(320)는 기판(310)에 결합되기 위하여 결합용 구멍이 포함될 수 있다. 예를 들어, 급전부(320)의 결합용 구멍은 급전부를 형성하는 선로에 형성될 수 있고, 상기 선로의 너비를 기준으로 중심에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 급전부(320)는 기판(310)에 결합되어 안테나 엘리먼트(300-1 내지 300-6)의 금속 패치들과 이격되어 하단에 배치될 수 있다. 예를 들어, 급전부(320)는 각각의 안테나 엘리먼트(300-1 내지 300-6)에 포함되는 금속 패치들 중 하단부의 금속 패치와 이격되어 배치될 수 있다.
도 3b는 도 3a의 서브 어레이(300)를 측면에서 바라본 도면과 안테나 엘리먼트(300-1)를 확대하여 나타낸 도면이다. 설명의 편의를 위하여, 각 안테나 엘리먼트(300-1 내지 300-3)들은 두 개의 금속 패치로 구성되는 적층형 패치 안테나일 수 있다. 다만, 본 개시는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 3개 이상의 금속 패치로 구성되는 패치 안테나일 수 있다. 또한, 도 3b를 참고하면, 상단부의 금속 패치가 하단부의 금속 패치보다 넓이가 넓게 표현되어 있으나, 설명의 편의를 위한 것으로, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상단부의 금속 패치와 하단부의 금속 패치가 동일한 면적을 갖게 형성될 수 있다.
도 3b의 아래 도면을 참고하면, 안테나 엘리먼트(300-1)는 기판(310), 급전부(320), 제1 금속 패치(330), 제2 금속 패치(340)가 포함될 수 있다. 기판(310)은 유전율을 갖는 유전체로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 기판(310)은 급전부(320), 제1 금속 패치(330) 및 제2 금속 패치(340)와 결합되기 위하여 돌출부(312 내지 314) 및 지지대(311)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 돌출부(312)는 급전부(320)와 결합될 수 있다. 다른 예를 들어, 돌출부(313)는 제2 금속 패치(330)와 결합될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 돌출부(314)는 제1 금속 패치(340)와 결합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 돌출부(312 내지 314)는 지지대(311)의 상단부에 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 4 내지 도 6에서 안테나 엘리먼트들(300-1 내지 300-6) 및 서브 어레이(300)를 구성하는 기판(310), 급전부(320), 제1 금속 패치(330) 및 제2 금속 패치(340)에 대하여 설명한다.
도 4a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 급전부의 구성을 도시한다. 도 4b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 급전부와 기판의 결합구조를 도시한다. 도 4에서는 급전부에 대하여 3개의 급전지점을 갖는 3단으로 형성된 급전부가 도시된다. 그러나 이러한 도시가 본 개시의 실시 예들을 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 2개의 급전지점을 갖는 2단으로 형성된 다수의 급전부를 통해 서브 어레이 및 MMU 장치가 형성될 수 있다. 다른 예를 들어 4개의 급전 지점을 갖는 4단으로 형성된 다수의 급전부를 통해 서브 어레이 및 MMU 장치가 형성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 개시되는 급전부에 대한 형상은 한정적이지 않으며, 개시된 바와 다른 형상으로 급전부가 형성될 수 있다.
도 4a를 참고하면, 급전부(320)는 다수의 급전지점(321a 내지 321c)과 다수의 급전(feeding)지점(321a 내지 321c)를 연결하는 연결부(322a 및 322b)가 포함될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 급전부(320)는 적어도 하나의 무선 통신 회로(미도시)에 의해 급전받을 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 무선 통신 회로에 의해 급전되는 지점은 연결부(322a 및 322b)의 적어도 일 지점 또는 급전지점(321a 내지 321c)의 적어도 일 지점 또는 다수의 급전지점(321a 내지 321c)이 연결된 일단과 반대 방향에 존재하는 일단의 적어도 일 지점에서 급전될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 급전지점(321a 내지 321c)은 연결부(322a 및 322b)와 수직인 부분과 수평인 부분으로 구성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 급전부(320)의 급전지점(321a 내지 321c) 및 연결부(322a 및 322b)는 기판(310)의 돌출부(312)와 결합되기 위한 결합용 구멍(hole)들을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면 결합용 구멍들은 급전부(320)를 구성하는 선로에 대하여, 선로의 너비를 기준으로 중앙에 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 급전부(320)의 급전지점(321)에 의해 제1 금속 패치(330)에 급전되는 경우, 제1 금속 패치(330)에는 이중 편파(dual polarization)를 형성하기 위하여 복수의 경로를 통하여 급전될 수 있다. 예를 들어, 급전지점(321)에 의해 급전되는 경로가 제1 경로 및 제2 경로로 2개의 경로에 의해 급전될 때, 제1 경로의 전류의 위상이 +45°로 형성되는 경우, 제2 경로의 전류의 위상은 -45°로 형성될 수 있다. 다른 예를 들어, 제1 경로의 전류의 위상이 -45°로 형성되는 경우, 제2 경로의 전류의 위상은 +45°로 형성될 수 있다.
도 4b는 서브 어레이(300)에 있어서, 기판(310)과 결합되는 급전부(320)에 대하여 개시하며, 자세하게는, 급전부(320)의 급전지점(321)이 기판(310)의 돌출부(312)와 결합되는 모습을 도시한다.
도 4b를 참고하면, 지지할 수 있는 구조로 구성되는 기판(310)은 다수의 지지대(311)가 포함될 수 있고, 지지대(311)는 제1 지지대(311a), 제2 지지대(311b), 제3 지지대(311c)가 포함될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제1 지지대(311a)는 지지대(311)의 중심에 배치될 수 있다. 제1 지지대(311a)의 상단부에는 돌출부(314)가 배치될 수 있다. 또한, 제1 지지대(311a)는 도 3b의 제2 금속 패치(340)의 중심과 일치하게 배치될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 제2 지지대(311b)는 제1 지지대(311a)와 이격되어 배치될 수 있으며, 복수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4b에서는, 하나의 안테나 엘리먼트에 대하여 4개의 제2 지지대(311b)가 배치될 수 있다. 다만, 본 개시는 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나의 안테나 엘리먼트에 대하여 4개보다 적은 제2 지지대(311b)가 배치될 수 있다. 다른 예를 들어, 하나의 안테나 엘리먼트에 대하여 4개보다 많은 제2 지지대(311b)가 배치될 수 있다. 또한, 제2 지지대(311b)의 상단부에는 돌출부(313)가 배치될 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 제3 지지대(311c)는 제1 지지대(311a)에서 연장되어 배치될 수 있고, 복수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 4b에서는, 하나의 안테나 엘리먼트에 있어서 4개의 제3 지지대(311c)들이 제1 지지대(311a)로부터 연장되어 배치될 수 있다. 다만, 제3 지지대(311c)들은 제1 지지대(311a)에서 이격되어 배치되어 제1 지지대(311a)와 별도의 구조를 형성할 수 있는 바, 본 개시의 일 실시 예에 따른 구조가 상술한 구조에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제3 지지대(311c)의 상단부에는 돌출부(312)가 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 급전지점(321)은, 도 3b에서 개시된 바와 같이, 제1 금속 패치(330)의 아래에서 이격되어 배치되며, 기판(310)의 돌출부(312)와 결합될 수 있다. 이 때, 급전부(320)의 급전지점(321)을 따라서 제1 금속 패치(330)에 급전되는 경우, 제1 금속 패치(330)에는 커플링(coupling)에 의한 간접적인 급전(feeding)이 형성될 수 있다. 또한, 커플링 급전에 의하여 급전지점(321)에 의해 제1 금속 패치(330)에 급전됨에 있어서, 이중 편파(dual polarization)를 형성하기 위하여 서로 다른 경로에 위상을 달리하여 급전될 수 있다.
도 5a는 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 금속 패치의 구성을 도시한다. 도 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제1 금속 패치와 기판의 결합구조를 도시한다. 도 5a 및 도 5b에 개시되는 제1 금속 패치의 형상은 한정적이지 않으며, 개시된 바와 다른 형상으로 제1 금속 패치가 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 패치의 가로 및 세로의 길이가 서로 다른 구조로 형성될 수 있다. 다른 예를 들어, 내부에 형성되는 결합용 구멍의 수가 3개, 5개, 6개 등으로 형성될 수 있다.
도 5a를 참고하면, 제1 금속 패치(330)는 결합용 구멍(hole)(331) 및 개구부(332)가 포함될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 결합용 구멍(331)은 복수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 5a에서는 결합용 구멍(331)은 4개의 결합용 구멍(331a 내지 331d)로 형성될 수 있으나, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 결합용 구멍(331)은 3개, 5개, 6개 혹은 그 이상이 될 수 있으며, 이에 대응하여 돌출부(313)도 결합용 구멍(331)과 동일한 수로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 결합용 구멍(331a 내지 331d)들은 제1 금속 패치(330)가 기판(310)의 돌출부(313a 내지 313d)들에 각각 대응되어 결합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 결합용 구멍(331)은 제1 금속 패치(330)의 방사성능의 감소를 최소화하기 위하여 제1 금속 패치(330)의 꼭지점과 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 5a를 참고하면, 개구부(332)의 각 꼭지점과 제1 금속 패치(330)의 가장자리들의 사이에 결합용 구멍(331)이 배치될 수 있다.
개구부(332)는 제1 금속 패치(330)의 중심에 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 개구부(332)의 존재여부 및 면적에 따라서, 안테나의 방사 성능이 달라질 수 있는 바, 개구부(332)의 면적은 상황에 따라 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이, 개구부(332)의 면적에 따라 달라지는 커패시턴스 값을 고려하여 개구부(332)의 면적이 설계될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제1 금속 패치(330)의 개구부(332)는 기판(310)의 제1 지지대(311a)가 통과될 수 있다. 이에 따라, 제1 금속 패치(330)와 제2 금속 패치(330)가 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 적층형 패치 안테나의 복수의 금속 패치들 중 하단부에 배치되는 금속 패치는 개구부를 포함할 수 있다. 이 때, 개구부는 금속 패치의 지정된 영역에 배치될 수 있다. 여기서, 지정된 영역이란, 급전부에서 방사체(예: 금속 패치)로의 급전으로 인해 형성되는 전기장에 기초하여 정해질 수 있다.
방사체는 급전으로 인해 형성되는 전기장을 통해 신호를 공기 중으로 방사한다. 안테나 방사 성능은 전기장의 세기와 관련될 수 있다. 안테나 방사 성능에 가장 적은 영향을 미치면서 개구부를 형성하기 위해서는, 개구부로 인해 전기장의 변화가 최소화가 되어야 한다. 전기장의 세기가 낮은 영역에 개구부가 형성된다면, 방사 성능에 적은 영향을 미칠 수 있다. 방사 성능에 적은 영향을 미치면서, 요구되는 방사 대역을 형성할 수 있도록 하는 커패시턴스를 갖도록 지정된 영역이 구성될 수 있다. 예를 들어, 사각형의 금속 패치를 가정하자. 제1 꼭지점에 급전부의 급전에 의해서 급전되는 경우, 제1 꼭지점과 제1 꼭지점에 대각선에 위치하는 제2 꼭지점에서 가장 높은 전기장이 형성되어 방사 성능이 높을 수 있다. 이에 따라, 제1 꼭지점과 제2 꼭지점의 중간 지점에 해당하는 금속 패치의 중심부에서 전기장이 널(null)인 영역이 형성될 수 있다. 다른 예를 들어, 상술된 바와 같이 이중 편파를 위하여 금속 패치의 인접한 꼭지점(예: 제1 꼭지점, 제3 꼭지점)에 급전되는 경우, 제1 꼭지점에 급전된 제1 위상을 갖는 급전에 의해 제1 꼭지점 및 제1 꼭지점에 대각선에 위치하는 제2 꼭지점에서 가장 높은 전기장이 형성될 수 있다. 또한, 제3 꼭지점에 급전된 제2 위상을 갖는 급전에 의해 제3 꼭지점 및 제3 꼭지점에 대각선에 위치하는 제4 꼭지점에서 가장 높은 전기장이 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 꼭지점 및 제2 꼭지점의 중간 지점에 해당하는 금속 패치의 중심부에서 전기장이 널(null)인 영역이 형성될 수 있고, 제3 꼭지점 및 제4 꼭지점의 중간 지점에 해당하는 금속 패치의 중심부에서 전기장이 널인 영역이 형성될 수 있다. 따라서, 하단부에 배치되는 사각형 금속 패치의 중심부, 즉 전기장이 널로 형성되는 영역에 개구부를 형성함으로써, 금속 패치의 방사 성능에는 영향을 주지 않으면서, 목표하는 방사 대역이 형성될 수 있다.
금속 패치들 간 혹은 금속 패치와 그라운드 영역 사이는 커패시터를 형성할 수 있고, 도체의 면적은 커패시터의 커패시턴스에 영향을 미치기 때문에, 개구부의 형성은 커패시턴스의 감소를 가져올 수 있다. 다시 말해, 커패시턴스의 조절은 공진 주파수의 변경을 야기하고, 이는 곧 요구되는 방사 대역을 확보할 수 있음은 후술되는 수학식들에서 확인될 수 있다.
따라서, 이하 본 개시에서 개구부는 지정된 영역을 의미할 수 있고, 지정된 영역은 상술한 바와 같이 전기장(electric field)의 세기가 낮은 영역(예: 널(null)인 영역)에 해당될 수 있다. 예를 들어, 사각형 패치의 경우, 금속 패치의 중심부가 지정된 영역을 의미할 수 있다. 그러나, 본 개시의 실시 예들이 중심부라는 용어에 한정되는 것은 아니다. 패치내에서 측면이더라도 전기장의 세기가 임계값 이하이거나 널(null)이 형성되는 영역이라면 개구부는 패치의 중심 외의 영역에 배치될 수도 있다.
도 5b는, 기판(310)과 결합되는 제1 금속 패치(330)에 대하여 개시하며, 자세하게는, 제1 금속 패치(330)의 결합용 구멍(331)과 기판(310)의 돌출부(313)가 각각 대응되어 결합되는 모습을 도시한다.
일 실시 예에 따르면, 제2 지지대(311b)의 돌출부(313)와 제1 금속 패치(330)의 결합용 구멍(331)들이 각각 대응되어 결합될 수 있다. 이 때, 제2 지지대(311b)와 제1 금속 패치(330)가 결합되기 위하여, 제1 금속 패치(330)의 중심부에 존재하는 개구부(332)에 제1 지지대(311a)가 통과될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 금속 패치(330)의 하단에 배치되는 급전부(320)에 의해, 제1 금속 패치(330)는 커플링 급전(coupling feeding)을 받을 수 있다. 이에 따라, 제1 금속 패치(330)에서 특정 주파수 대역에 해당하는 신호가 방사될 수 있다.
상술된 바에 따르면, 기판(310)에 형성되는 지지대(311) 및 돌출부(313)와 제1 금속 패치(330)에 형성되는 결합용 구멍(331)을 이용한 구조는, 기존의 PCB(printed circuit board)를 이용한 구조에 비하여, 추가적인 공정 없이 안테나가 형성될 수 있고, 금속 패치 간의 간격을 줄여 안테나 엘리먼트가 차지하는 부피를 줄일 수 있다.
또한, 후술하는 바와 같이, 제1 금속 패치(330)에 형성되는 개구부(332)를 통하여, 금속 패치 간의 간격이 짧아짐에 따라 발생될 수 있는 공진 주파수의 변경 및 대역 형성의 어려움을 해소할 수 있다.
도 6a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제2 금속 패치의 구성을 도시한다. 도 6b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 제2 금속 패치와 기판의 결합구조를 도시한다. 도 6a 및 도 6b에 개시되는 제2 금속 패치의 형상은 한정적이지 않으며, 개시된 바와 다른 형상으로 제2 금속 패치가 형성될 수 있다.
도 6a를 참고하면, 제2 금속 패치(340)는 결합용 구멍(hole)(341)이 포함될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 결합용 구멍(341)은 복수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 6a에서는 결합용 구멍(341)은 4개의 결합용 구멍(341a 내지 341d)로 형성될 수 있으나, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 결합용 구멍(341)은 3개, 5개, 6개 혹은 그 이상이 될 수 있으며, 이에 대응하여 돌출부(314) 또한 결합용 구멍(341)과 동일한 수로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제2 금속 패치(340)의 결합용 구멍(341a 내지 341d)들은 기판(310)의 돌출부(314a 내지 314d)들에 각각 대응되어 결합될 수 있다. 또한, 결합용 구멍(341)은 제2 금속 패치(340)의 방사 성능의 감소를 최소화하기 위하여, 제2 금속 패치(340)의 중심부에 배치될 수 있다. 즉, 제2 금속 패치(340)의 가장자리 혹은 꼭지점 부근에서 방사성능이 높게 형성될 수 있고, 이를 고려하여, 결합용 구멍(341)은 제2 금속 패치(340)의 중심부에 배치될 수 있다.
도 6b는, 기판(310)과 결합되는 제2 금속 패치(340)에 대하여 개시하며, 자세하게는, 제2 금속 패치(340)의 결합용 구멍(341)과 기판(310)의 돌출부(314)가 각각 대응되어 결합되는 모습을 도시한다.
일 실시 예에 따르면, 제1 지지대(311a)의 돌출부(314)와 제2 금속 패치(340)의 결합용 구멍(341)들이 각각 대응되어 결합될 수 있다. 이 때, 제1 지지대(311a)의 상단부에 배치되는 돌출부(314)와 결합될 수 있고, 이에 따라, 제2 지지대(311b)와 결합되는 제1 금속 패치(330)와 이격되어 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제1 금속 패치(330)의 하단에 배치되는 급전부(320)에 의해, 제1 금속 패치(330)는 커플링 급전(coupling feeding)을 받을 수 있고, 제1 금속 패치(330) 및 급전부(320)에 의해 제2 금속 패치(340)는 커플링 급전을 받을 수 있다. 이에 따라, 제2 금속 패치(340)에서 특정 주파수 대역에 해당하는 신호가 방사될 수 있다.
도 3 내지 도 6에서는, 본 개시의 일 실시 예에 따라 적층형 패치 안테나(stacked patch antenna)가 각각의 안테나 엘리먼트(antenna element)를 구성하는 서브 어레이의 구조에 대하여 설명하였다. 유전율을 갖는 유전체로 형성되는 기판은 성형성이 좋기 때문에 지지 구조 및 돌출부를 갖도록 형성될 수 있고, 제1 금속 패치 및 제2 금속 패치가 기판의 돌출부와 조립 또는 융착 방식으로 결합될 수 있다. 따라서, 제1 금속 패치와 제2 금속 패치간의 간격이 좁아질 수 있고, 적층형 패치 안테나로 구성되는 각각의 안테나 엘리먼트가 차지하는 부피가 낮아질 수 있다. 따라서, MMU(massive MIMO(multiple-input multiple-output) unit) 장치에 실장될 수 있는 안테나 엘리먼트의 수가 증가될 수 있다. 다만, 안테나 엘리먼트를 구성하는 적층형 패치 안테나에서 금속 패치간의 간격이 좁아짐에 따라, 요구되는 공진 주파수 대역을 형성하기 어려운 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해소하기 위하여, 본 개시의 실시 예들은 개구부를 포함하는 제1 금속 패치를 이용한 적층형 패치 안테나를 구성함으로써, 안테나에서 방사되는 신호가 목표하는 공진 주파수 대역을 형성하고 기존과 동일한 지향성을 유지할 수 있다.
이하 도 7 내지 도 9에서는, 상술된 바와 같이, 기존의 적층형 패치 안테나의 제1 금속 패치와 제2 금속 패치간의 간격이 좁아짐에 따라 발생되는 주파수 대역의 변경 및 대역형성의 어려움을 설명하고, 본 개시의 일 실시 예에 따른 개구부를 포함하는 제1 금속 패치에 의해 안테나의 방사 성능이 개선됨을 설명한다.
도 7a는 기존의 안테나의 패치간 간격의 감소에 따른 안테나의 구성을 도시한다. 도 7b는 기존의 안테나의 패치간 간격의 감소에 따른 안테나 성능을 도시한다. 도 7a 전자 장치(700)에서는, 설명의 편의를 위하여, 상단부의 금속 패치와 하단부의 금속 패치 및 그라운드 영역을 포함하는 기판을 포함하는 적층형 패치 안테나(stacked patch antenna)를 기준으로 설명한다.
도 7a를 참고하면, 다수의 안테나 엘리먼트(예: 적층형 패치 안테나)가 MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치에 실장되기 위하여, 상단부의 금속 패치와 하단부의 금속 패치간 간격을 줄여 각각의 안테나 엘리먼트가 차지하는 부피를 줄일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 일반적인 적층형 패치 안테나(710)(regular stacked patch antenna)는 상단부의 금속 패치(712)와 하단부의 금속 패치(713)간의 간격(711)이 형성될 수 있고, 간격(711)은 d0의 길이로 형성될 수 있다. 예를 들어, d0는, 안테나에서 방사하고자 하는 신호의 파장을 λ라고 할 때, λ/12 ~ λ/10의 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 이와 달리, 감소된 간격을 갖는 적층형 패치 안테나(720)는 -상단부의 금속 패치(722)와 하단부의 금속 패치(723)간의 간격(721)이 형성될 수 있고, 이는 d1의 길이로 형성될 수 있다. 이 때, d1은 d0값보다 작게 형성될 수 있다. 예를 들어, d1은, 안테나에서 방사하고자 하는 신호의 파장을 λ라고 할 때, λ/24 ~ λ/20의 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
도 7b를 참고하면, 도 7a의 일반적인 적층형 패치 안테나(710)의 반사 손실(return loss)을 나타내는 제1 그래프(730)와 감소된 간격을 갖는 적층형 패치 안테나(720)의 반사 손실을 나타내는 제2 그래프(740)가 도시된다. 각각의 그래프에서, x축은 정규화 주파수(normalized frequency)를 의미하고, y축은 반사 손실(return loss)를 의미한다. 제1 그래프(730)를 참고하면, 일반적인 적층형 패치 안테나(710)에 대한 방사 대역을 나타내는 것으로써, 제1 공진 주파수(731)는 약 0.95에서 형성될 수 있고, 제2 공진 주파수(732)는 약 1.05에서 형성될 수 있다. 따라서, 제1 공진 주파수(731)와 제2 공진 주파수(732)간의 간격이 좁고, 각각의 공진 주파수대역에서 반사 손실 값이 -25dB이하의 값을 갖기 때문에, 반사 손실 값이 -10dB를 기준으로 형성되는 방사대역(733)이 명확하게 형성될 수 있다.
이와 달리, 제2 그래프(740)를 참고하면, 감소된 간격을 갖는 적층형 패치 안테나(720)에서는, 제1 공진 주파수(741)는 약 0.87에서 형성될 수 있고, 제2 공진 주파수(742)는 약 1.13에서 형성될 수 있다. 따라서, 제1 공진 주파수(741)와 제2 공진 주파수(742)의 간격이 넓어지게 되고, 각각의 공진 주파수대역에서 반사 손실 값이 약 -10dB값을 갖기 때문에, 방사대역(743)이 형성될 수 없다.
상술한 바와 같이, 종래의 적층형 패치 안테나에서 패치간 간격을 줄이는 경우, 이중 공진에 의한 방사대역의 형성이 어려움을 확인할 수 있다. 이와 반대로, 본 개시의 일 실시 예에 따른 개구부를 포함하는 하단부의 금속 패치로 구성되는 적층형 패치 안테나는 패치간 간격을 줄여도 안테나의 방사성능을 유지할 수 있는 바, 이와 관련하여, 도 8에서 설명한다.
도 8a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나의 패치간 간격이 감소된 안테나의 구성을 도시한다. 도 8b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나의 패치간 간격의 감소에 따른 안테나 성능을 도시한다. 도 8a 전자 장치(800)에서는, 설명의 편의를 위하여, 기판의 구조는 도 7의 구조와 동일하게 그라운드를 포함하는 평평한(flat) 형태로 형성되며, 상단부의 금속 패치 및 하단부의 금속 패치의 크기는 도 7의 전자 장치(700)와 동일하나 하단부의 금속 패치는 개구부를 포함할 수 있다.
도 8a를 참고하면, 개구부를 포함하는 하단부의 금속 패치로 구성되는 적층형 패치 안테나(810)는 상단부의 금속 패치(812)와 하단부의 금속 패치(813)간의 간격(811)이 형성될 수 있다. 이 때, 간격은 도 7b의 감소된 적층형 패치 안테나(710)의 간격(711)과 동일한 d1의 길이로 형성될 수 있다. 예를 들어, d1은, 안테나에서 방사하고자 하는 신호의 파장을 λ라고 할 때, λ/24 ~ λ/20의 길이를 갖도록 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 하단부의 금속 패치(813)는 도 5의 제1 금속 패치(330)와 같이 개구부를 포함할 수 있다.
도 8b를 참고하면, 개구부를 포함하는 하단부의 금속 패치로 구성되는 적층형 패치 안테나(810)의 반사 손실(return loss)를 나타내는 제3 그래프(820)와 지향성을 나타내는 제4 그래프(830)가 도시된다. 제3 그래프(820)에서 x축은 정규화 주파수(normalized frequency)를 의미하고, y축은 반사 손실을 의미한다. 제3 그래프(820)를 참고하면, 적층형 패치 안테나(810)에 대한 방사 대역을 나타내는 것으로써, 제1 공진 주파수(821)는 약 0.95에서 형성될 수 있고, 제2 공진 주파수(822)는 약 1.05에서 형성될 수 있다. 따라서, 제1 공진 주파수(821)와 제2 공진 주파수(822)의 간격이 좁고, 각각의 공진 주파수대역에서 반사 손실 값이 약 -13dB의 값을 갖기 때문에, 반사 손실 값이 -10dB를 기준으로 형성되는 방사대역(823)이 형성될 수 있다.
제4 그래프(830)에서 x축은 안테나에서 방사되는 신호의 각도(theta)를 의미하고, y축은 지향성(directivity)을 의미한다. 제4 그래프(830)를 참고하면, 도 7의 일반적인 적층형 패치 안테나(710)에 대한 지향성을 나타내는 그래프(831)와 개구부를 포함하는 하단부의 금속 패치로 구성되는 적층형 패치 안테나(810)에 대한 지향성을 나타내는 그래프(832)가 도시된다. 일 실시 예에 따르면, d--0의 간격을 갖는 일반적인 적층형 패치 안테나(710)에 대한 지향성과 d1의 간격을 갖는 개구부를 포함하는 하단부의 금속 패치로 구성되는 적층형 패치 안테나(810)에 대한 지향성이 동일하게 형성될 수 있다. 따라서, 본 개시의 일 실시 예에 따른 적층형 패치 안테나는 간격이 감소되더라도 안테나에서 방사되는 신호가 기존과 동일한 지향성을 유지하면서 방사대역을 확보할 수 있다.
이하에서는, 상술한 바와 같이, 상단부의 금속 패치와 하단부의 금속 패치간 간격이 좁아지면 공진 주파수 간격이 벌어지는 원인을 설명하고, 본 개시의 일 실시 예에 따른 적층형 패치 안테나를 이용함으로써, 동일한 지향성을 유지하면서 방사대역을 확보가능한 이유를 설명한다.
도 9a 내지 도 9b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나에서 금속 패치의 부가에 따른 패치간 커패시터(capacitor)의 구성을 도시한다. 도 9c는 본 개시의 일 실시 예에 따른 안테나에서 금속 패치의 부가에 따른 커패시턴스(capacitance)를 나타내는 그래프이다. 도 9에서는, 설명의 편의를 위하여, 상단부의 금속 패치와 하단부의 금속 패치가 동일한 면적임을 가정하고, 개구부를 포함하지 않는 하단 금속 패치일 수 있다.
도 9a를 참고하면, 하단부의 금속 패치(912)에 급전됨으로써 형성되는 공진 주파수의 상단부의 금속 패치(913) 부가에 따른 변화를 설명하기 위하여, 좌측 도면에는 하단부의 금속 패치(912)와 그라운드 영역(911)을 포함하는 기판이, 우측 도면에는 하단부의 금속 패치(912)와 그라운드 영역(911)을 포함하는 기판 및 상단부의 금속 패치(913)가 도시되었다. 도 9의 좌측 도면을 참고하면, 하단부의 금속 패치(912)와 기판의 그라운드 영역(911)에 의해 제1 커패시터(C0)(capacitor)가 형성될 수 있다. 이 때, 하단부의 금속 패치(913)에 급전됨으로써 형성되는 제1 공진 주파수(fr1)와 제1 커패시터의 관계를 나타내면 이하의 <수학식1>과 같다.
Figure pat00001
상기 fr1은 하단부의 금속 패치(912)에 급전됨으로써 형성되는 제1 공진 주파수, 상기 C0는 하단부의 금속 패치(912)와 기판의 그라운드 영역(911)의 사이에서 형성되는 제1 커패시터를 의미한다.
상술된 수학식을 고려할 때, 하단부의 금속 패치(912)에 급전하는 경우 형성되는 제1 공진 주파수(fr1)는 하단부의 금속 패치(912)와 기판의 그라운드 영역(911)사이의 제1 커패시터(C0)와 반비례할 수 있다.
이와 달리 우측 도면을 참고하면, 상단부의 금속 패치(913)를 부가한 경우에는, 하단부의 금속 패치(912)와 기판의 그라운드 영역(911)사이의 제1 커패시터(C0)뿐만 아니라, 하단부의 금속 패치(912)와 상단부의 금속 패치(913)사이의 제2 커패시터(C1), 상단부의 금속 패치(913)와 기판의 그라운드 영역(911)사이의 제3 커패시터(C2-)가 형성될 수 있다. 이 때, 하단부의 금속 패치(912)에 급전됨으로써 형성되는 제1 공진 주파수(fr1`)와 제1 커패시터 내지 제3 커패시터 간의 관계를 나타내면 이하의 <수학식2>과 같다.
Figure pat00002
상기 fr1`-은 상단부의 금속 패치(913)가 부가되었을 때 하단부의 금속 패치(912)에 급전됨으로써 형성되는 제1 공진 주파수, 상기 C0는 하단부의 금속 패치(912)와 기판의 그라운드 영역(911)의 사이에서 형성되는 제1 커패시터, 상기 C1는 하단부의 금속 패치(912)와 상단부의 금속 패치(913)의 사이에서 형성되는 제2 커패시터, 상기 C2 상단부의 금속 패치(913)와 기판의 그라운드 영역(911)의 사이에서 형성되는 제3 커패시터를 의미한다.
상술한 수학식을 고려할 때, 제2 커패시터(C1)와 제3 커패시터(C2)의 병렬합은 항상 0보다 큰 값을 갖기 때문에, 상단부의 금속 패치(913)가 부가된 경우의 제1 공진 주파수(fr1`)는 그렇지 않은 제1 공진 주파수(fr1)보다 더 작은 값을 가질 수 있다.
도 9b를 참고하면, 상단부의 금속 패치(923)에 급전됨으로써 형성되는 공진 주파수의 하단부의 금속 패치(922) 부가에 따른 변화를 설명하기 위하여, 좌측 도면에는 상단부의 금속 패치(923)와 그라운드 영역(921)을 포함하는 기판이, 우측 도면에는 상단부의 금속 패치(923)와 하단부의 금속 패치(923) 및 그라운드 영역(921)을 포함하는 기판이 도시되었다. 도 9의 좌측 도면을 참고하면, 상단부의 금속 패치(923)와 기판의 그라운드 영역(921)에 의해 제4 커패시터(C3)(capacitor)가 형성될 수 있다. 이 때, 상단부의 금속 패치(923)에 급전됨으로써 형성되는 제2 공진 주파수(fr2)와 제4 커패시터의 관계를 나타내면 이하의 <수학식3>과 같다.
Figure pat00003
상기 fr2은 상단부의 금속 패치(923)에 급전됨으로써 형성되는 제2 공진 주파수, 상기 C3는 상단부의 금속 패치(923)와 기판의 그라운드 영역(921)의 사이에서 형성되는 제4 커패시터를 의미한다.
상술한 수학식을 고려할 때, 상단부의 금속 패치(923)에 급전하는 경우 형성되는 제2 공진 주파수(fr2)는 상단부의 금속 패치(923)와 기판의 그라운드 영역(921)사이의 제4 커패시터(C3)와 반비례할 수 있다.
이와 달리 우측 도면을 참고하면, 하단부의 금속 패치(922)를 부가한 경우에는, 하단부의 금속 패치(922)와 상단부의 금속 패치(923)사이의 제5 커패시터(C4), 하단부의 금속 패치(922)와 기판의 그라운드 영역(921)사이의 제6 커패시터(C5-)가 형성될 수 있다. 이 때, 상단부의 금속 패치(923)에 급전됨으로써 형성되는 제2 공진 주파수(fr2`)와 제5 커패시터 및 제6 커패시터 간의 관계를 나타내면 이하의 <수학식4>과 같다.
Figure pat00004
상기 fr2`-은 하단부의 금속 패치(922)가 부가되었을 때 상단부의 금속 패치(923)에 급전됨으로써 형성되는 제2 공진 주파수, 상기 C4는 상단부의 금속 패치(923)와 하단부의 금속 패치(922)의 사이에서 형성되는 제5 커패시터, 상기 C5는 하단부의 금속 패치(922)와 기판의 그라운드 영역(921)의 사이에서 형성되는 제6 커패시터를 의미한다.
상술한 수학식들을 고려할 때, 상단부의 금속 패치(923)에 급전됨으로써 형성되는 제2 공진 주파수에 대하여 하단부의 금속 패치(922) 부가에 따른 변화를 비교하기 위하여, 제4 커패시터(C3)에 비하여 제5 커패시터(C4) 및 제6 커패시터(C5)의 병렬합의 대소비교가 필요할 수 있다. 또한, 상기의 대소비교를 위하여 제4 커패시터 내지 제 6 커패시터들은 이하의 <수학식 5>에 의하여 정의될 수 있다.
Figure pat00005
상기 C는 금속 패치들 사이의 커패시턴스(capacitance)를 의미하고, 상기 ε은 금속 패치들 사이의 공간의 유전율, 상기 A는 금속 패치들의 면적, 상기 d는 금속 패치들 사이의 간격을 의미한다.
상술한 수학식 및 도 9b를 고려할 때, 제4 커패시터의 커패시턴스는 이하의 <수학식 6>과 같다.
Figure pat00006
상기 C3는 제4 커패시터의 커패시턴스, 상기 ε1은 상단부의 금속 패치(923)와 하단부의 금속 패치(922)사이의 공간의 유전율(ε0)과 하단부의 금속 패치(922)와 결합된 기판의 유전율(ε2)이 혼합된 환경에서의 유효 유전율, 상기 A는 상단부의 금속 패치(923) 및 하단부의 금속 패치(922)의 면적, 상기 h2는 상단부의 금속 패치(923)와 기판의 그라운드 영역(911) 사이의 간격을 의미한다
또한, 상술한 수학식 및 도 9b를 고려할 때, 제5 커패시터 및 제6 커패시터의 병렬합에 의한 커패시턴스는 이하의 <수학식 7>과 같다.
Figure pat00007
상기 C4는 제5 커패시터의 커패시턴스, 상기 C5는 제6 커패시터의 커패시턴스, 상기 ε2은 하단부의 금속 패치(922)와 결합된 기판의 유전율, 상기 ε0은 상단부의 금속 패치(923)와 하단부의 금속 패치(922)사이의 공간의 유전율, 상기 A는 상단부의 금속 패치(923) 및 하단부의 금속 패치(922)의 면적, 상기 h1는 하단부의 금속 패치(922)와 기판의 그라운드 영역(911) 사이의 간격, 상기 h2는 상단부의 금속 패치(923)와 기판의 그라운드 영역(911) 사이의 간격을 의미한다
상술한 수학식의 대소 비교를 위하여 도 9c를 참고하면, 도 9c의 제5 그래프(951)는 h1이 고정되었을 때, h2에 따른 제4 커패시터의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다. 제6 그래프(952)는 h1이 고정되었을 때, h2에 따른 제5 커패시터와 제6 커패시터의 병렬합의 커패시턴스 변화를 나타내는 그래프이다. 제5 그래프(951) 및 제6 그래프(952)를 참고할 때, h2의 값에 상관없이 항상 제6 그래프(952)의 커패시턴스가 제5 그래프(951)의 커패시턴스보다 낮게 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따를 때, 제5 커패시터와 제6 커패시터의 병렬합에 따른 커패시턴스는 제4 커패시터의 커패시턴스보다 항상 낮게 형성될 수 있다. 다른 일 실시 예에 따를 때, h1의 값이 변경되어도 제6 그래프(952)의 커패시턴스가 제5 그래프(951)의 커패시턴스보다 항상 낮게 형성될 수 있다. 따라서, 공진 주파수는 커패시턴스에 반비례함을 고려할 때, 상단부의 금속 패치(923)에 급전됨으로써 형성될 수 있는 제2 공진 주파수(fr2)는 하단부의 금속 패치(932)를 부가한 경우에 형성될 수 있는 제2 공진 주파수(fr2`)보다 낮게 형성될 수 있다.
상술한 바를 고려할 때, 적층형 패치 안테나에서 상단부의 금속 패치와 하단부의 금속 패치 간의 간격이 좁아지면, 적층형 패치 안테나의 금속 패치들과 그라운드 영역 사이의 커패시터들간의 상호 커패시턴스 로딩 효과가 발생하여, 발생되는 공진 주파수 간격이 벌어질 수 있다. 이와 달리, 본 개시의 일 실시 예에 따른 적층형 패치 안테나는 하단부의 금속 패치의 개구부를 통하여, 커패시터의 커패시턴스 값을 감소시킬 수 있고, 발생되는 공진 주파수의 간격이 벌어지는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상술한 수학식 및 도 9a를 고려할 때, 하단부의 금속 패치(912)에 개구부가 포함되는 경우, 제1 커패시터(C0) 및 제2 커패시터(C1)의 커패시턴스가 감소하여, 제1 공진 주파수가 낮아지는 것을 방지할 수 있다. 다른 예를 들어, 상술한 수학식 및 도 9b를 고려할 때, 하단부의 금속 패치(922)에 개구부가 포함되는 경우, 제5 커패시터(C4) 및 제6 커패시터(C5)의 커패시턴스가 감소하여, 제2 공진 주파수가 높아지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 개시의 일 실시 예에 따른 적층형 패치 안테나는 두 금속 패치간의 간격이 좁아지더라도 기존의 안테나 방사성능을 유지할 수 있다.
도 1 내지 도 9c를 참고하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는, 기존의 PCB(printed circuit board)와 달리 유전율을 가지는 유전체로 형성되는 기판을 이용함으로써, 지지 구조를 갖는 기판을 형성하고 이를 통해 금속 패치들과 융착이나 조립 등의 방식으로 결합될 수 있다. 따라서, 적층형 패치 안테나를 구성함에 있어서, 추가적인 공정이나 외부 구조물이 필요하지 않을 수 있다. 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는 종래의 PCB를 이용하는 것에 비교하여 실용적이다. 예를 들어, 종래의 PCB를 이용하는 것에 비교하여, 유전율을 가지는 유전체로 형성되는 기판을 포함하는 전자 장치는 저가의 생산 비용으로 생산될 수 있어 실용적이다. 다른 예를 들어, 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는, 성형성이 좋은 유전체로 구성된 기판이 포함될 수 있고, 상기 기판에는 금속 패치와 결합될 수 있는 지지대 구조가 포함될 수 있다. 이에 따라, 적은 부피를 갖는 안테나(또는 안테나 엘리먼트(antenna element))가 형성될 수 있고, 하나의 MMU(massive MIMO unit)에 더 많은 안테나를 실장할 수 있어 종래의 PCB를 이용하여 안테나를 형성하는 방법보다 더 실용적이다. 또 다른 예를 들어, 본 개시의 일 실시 예에 따른 전자 장치는, 하단부의 금속 패치에 포함되는 개구부를 통하여, 적은 부피를 차지하는 안테나 구조에서도 기존과 동일한 안테나 방사성능(예: 지향성, 방사 대역)을 유지할 수 있다.
도 3 내지 도 9에서는 안테나 엘리먼트들을 포함하는 하나의 안테나 구조체를 설명하였으나, 서브 어레이들이 다수 결합되어 하나의 장비를 구성하는 MMU 장치 또한 본 개시의 실시 예로써 이해될 수 있다. 이하, 도 10을 통해 본 개시의 일 실시 예에 따른 유전체로 형성되는 기판 및 개구부를 포함하는 금속 패치를 포함하는 안테나 구조가 보드(board)에 실장되어 전자 장치에 구현되는 예가 서술된다.
도 10는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 전자 장치의 기능적 구성을 도시한다. 전자 장치(1010)는, 도 1의 기지국(100) 혹은 단말(110-1 내지 110-6) 중 하나일 수 있다. 일 실시 예에 따라, 전자 장치(1010)는 MMU일 수 있다. 도 1 내지 도 9c를 통해 언급된 안테나 엘리먼트의 구조 자체뿐만 아니라, 이를 포함하는 전자 장치 또한 본 개시의 실시 예들에 포함된다.
도 10를 참고하면, 전자 장치(1010)의 예시적인 기능적 구성이 도시된다. 전자 장치(1010)는 안테나부(1011), 필터부(1012), RF(radio frequency) 처리부(1013), 제어부(1014)를 포함할 수 있다.
안테나부(1011)는 다수의 안테나들을 포함할 수 있다. 안테나는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 안테나는 서브스트레이트(예: PCB) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나는 상향 변환된 신호를 무선 채널 상에서 방사하거나 다른 장치가 방사한 신호를 획득할 수 있다. 각 안테나는 안테나 엘리먼트 또는 안테나 소자로 지칭될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 안테나부(1011)는 복수의 안테나 엘리먼트들이 열(array)을 이루는 안테나 어레이(antenna array)(예: 서브 어레이(sub array))를 포함할 수 있다. 안테나부(1011)는 RF 신호선들을 통해 필터부(1012)와 전기적으로 연결될 수 있다. 안테나부(1011)는 다수의 안테나 엘리먼트들을 포함하는 PCB에 실장될 수 있다. PCB는 각 안테나 엘리먼트와 필터부(1012)의 필터를 연결하는 복수의 RF 신호선들을 포함할 수 있다. 이러한 RF 신호선들은 급전 네트워크(feeding network)로 지칭될 수 있다. 안테나부(1011)는 수신된 신호를 필터부(1012)에 제공하거나 필터부(1012)로부터 제공된 신호를 공기중으로 방사할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따른 안테나부(1011)는 이중 편파 안테나를 갖는 적어도 하나의 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 이중 편파 안테나는 일 예로, 크로스-폴(x-pol) 안테나일 수 있다. 이중 편파 안테나는 서로 다른 편파에 대응하는 2개의 안테나 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이중 편파 안테나는 +45°의 편파를 갖는 제1 안테나 엘리먼트와 -45°의 편파를 갖는 제2 안테나 엘리먼트를 포함할 수 있다. 편파는 +45°, -45° 외에 직교하는 다른 편파들로 형성될 수 있음은 물론이다. 각 안테나 엘리먼트는 급전선(feeding line)과 연결되고, 후술되는 필터부(1012), RF 처리부(1013), 제어부(1014)와 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 이중 편파 안테나는 패치 안테나(혹은 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna))일 수 있다. 이중 편파 안테나는 패치 안테나의 형태를 가짐으로써, 배열 안테나로의 구현 및 집적이 용이할 수 있다. 서로 다른 편파를 갖는 두 개의 신호들이 각 안테나 포트에 입력될 수 있다. 각 안테나 포트는 안테나 엘리먼트에 대응한다. 높은 효율을 위하여, 서로 다른 편파를 갖는 두 개의 신호들 간 코-폴(co-pol) 특성과 크로스-폴(cross-pol) 특성과의 관계를 최적화시킬 것이 요구된다. 이중 편파 안테나에서, 코-폴 특성은 특정 편파 성분에 대한 특성 및 크로스-폴 특성은 상기 특정 편파 성분과 다른 편파 성분에 대한 특성을 나타낸다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 구조로 형성되는 안테나 엘리먼트 및 서브 어레이(예: 도 3a)는 도 10의 안테나부(1011)에 포함될 수 있다. 즉, 유전체로 형성되는 지지 구조를 갖는 기판 및 개구부를 포함하는 금속 패치를 포함하는 적층형 패치 안테나가 각각의 안테나 엘리먼트를 형성할 수 있고, 다수의 안테나 엘리먼트에 의해 도 3에 개시된 바와 같이 서브 어레이가 형성될 수 있다. 이러한 안테나 엘리먼트 또는 서브 어레이는 안테나부(1011)에 포함될 수 있다.
필터부(1012)는 원하는 주파수의 신호를 전달하기 위해, 필터링을 수행할 수 있다. 필터부(1012)는 공진(resonance)을 형성함으로써 주파수를 선택적으로 식별하기 위한 기능을 수행할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 필터부(1012)는 구조적으로 유전체를 포함하는 공동(cavity)을 통해 공진을 형성할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서 필터부(1012)는 인덕턴스 또는 커패시턴스를 형성하는 소자들을 통해 공진을 형성할 수 있다. 또한, 일부 실시 예들에서, 필터부(1012)는 BAW(bulk acoustic wave) 필터 혹은 SAW(surface acoustic wave) 필터와 같은 탄성 필터를 포함할 수 있다. 필터부(1012)는 대역 통과 필터(band pass filter), 저역 통과 필터(low pass filter), 고역 통과 필터(high pass filter), 또는 대역 제거 필터(band reject filter) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 필터부(1012)는 송신을 위한 주파수 대역 또는 수신을 위한 주파수 대역의 신호를 얻기 위한 RF 회로들을 포함할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따른 필터부(1012)는 안테나부(1011)와 RF 처리부(1013)를 전기적으로 연결할 수 있다.
RF 처리부(1013)는 복수의 RF 경로들을 포함할 수 있다. RF 경로는 안테나를 통해 수신되는 신호 혹은 안테나를 통해 방사되는 신호가 통과하는 경로의 단위일 수 있다. 적어도 하나의 RF 경로는 RF 체인으로 지칭될 수 있다. RF 체인은 복수의 RF 소자들을 포함할 수 있다. RF 소자들은 증폭기, 믹서, 오실레이터, DAC, ADC 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, RF 처리부(1013)는 기저대역(base band)의 디지털 송신신호를 송신 주파수로 상향 변환하는 상향 컨버터(up converter)와, 상향 변환된 디지털 송신신호를 아날로그 RF 송신신호로 변환하는 DAC(digital-to-analog converter)를 포함할 수 있다. 상향 컨버터와 DAC는 송신경로의 일부를 형성한다. 송신 경로는 전력 증폭기(power amplifier, PA) 또는 커플러(coupler)(또는 결합기(combiner))를 더 포함할 수 있다. 또한 예를 들어, RF 처리부(1013)는 아날로그RF 수신신호를 디지털 수신신호로 변환하는 ADC(analog-to-digital converter)와 디지털 수신신호를 기저대역의 디지털 수신신호로 변환하는 하향 컨버터(down converter)를 포함할 수 있다. ADC와 하향 컨버터는 수신경로의 일부를 형성한다. 수신 경로는 저전력 증폭기(low-noise amplifier, LNA) 또는 커플러(coupler)(또는 분배기(divider))를 더 포함할 수 있다. RF 처리부의 RF 부품들은 PCB에 구현될 수 있다. 기지국(1010)은 안테나 부(1011)-필터부(1012)-RF 처리부(1013) 순으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 안테나들과 RF 처리부의 RF 부품들은 PCB 상에서 구현될 수 있고, PCB와 PCB 사이에 필터들이 반복적으로 체결되어 복수의 층들(layers)을 형성할 수 있다.
제어부(1014)는 전자 장치(1010)의 전반적인 동작들을 제어할 수 있다. 제어부 (1014)은 통신을 수행하기 위한 다양한 모듈들을 포함할 수 있다. 제어부(1014)는 모뎀(modem)과 같은 적어도 하나의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다. 제어부(1014)는 디지털 신호 처리(digital signal processing)을 위한 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어부(1014)는 모뎀을 포함할 수 있다. 데이터 송신 시, 제어부(1014)는 송신 비트열을 부호화 및 변조함으로써 복소 심벌들을 생성한다. 또한, 예를 들어, 데이터 수신 시, 제어부(1014)는 기저대역 신호를 복조 및 복호화를 통해 수신 비트열을 복원한다. 제어부(1014)는 통신 규격에서 요구하는 프로토콜 스택(protocol stack)의 기능들을 수행할 수 있다.
도 10에서는 본 개시의 안테나 구조가 활용될 수 있는 장비로서, 전자 장치 (1010)의 기능적 구성을 서술하였다. 그러나, 도 10에 도시된 예는 도 1 내지 도 9c를 통해 서술된 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 안테나 구조의 활용을 위한 예시적인 구성일 뿐, 본 개시의 실시 예들이 도 10에 도시된 장비의 구성 요소들에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 안테나 구조를 포함하는 안테나 모듈, 다른 구성의 통신 장비, 안테나 구조물 자체 또한 본 개시의 실시 예로써 이해될 수 있다.
상술된 바와 같은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 무선 통신 시스템의 안테나는, 제1 금속 패치(metal patch), 제2 금속 패치, 급전부 및 지지 구조를 갖는 기판을 포함하고, 상기 제1 금속 패치 및 상기 제2 금속 패치는 상기 기판에 배치되고, 상기 급전부는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 기판에 결합되고, 상기 제1 금속 패치는 개구부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 지지 구조를 갖는 기판은 상기 제2 금속 패치와 결합되는 제1 지지대, 상기 제1 금속 패치와 결합되는 제2 지지대 및 상기 급전부와 결합되는 제3 지지대를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 지지대는 상기 지지 구조를 갖는 기판의 중앙에 배치되고, 상기 제2 지지대는 상기 제1 지지대와 이격되어 배치되고, 상기 제3 지지대는 상기 제1 지지대에서 연장되어 배치되고, 상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 개구부를 통하여 상기 제1 지지대를 통과하여 상기 제2 지지대에 결합되고, 상기 제2 금속 패치는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 제1 지지대에 결합될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제2 금속 패치는 상기 제2 금속 패치의 적어도 일 지점에서 상기 제1 지지대와 결합되고, 상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 적어도 일 지점에서 상기 제2 지지대와 결합될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제2 금속 패치는 상기 제2 금속 패치의 중심부에서 상기 제1 지지대와 결합될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 가장자리에서 상기 제1 지지대와 결합될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 결합은 융착 또는 조립에 의해 결합될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 지지 구조를 갖는 기판은 유전율을 갖는 유전체로 구성될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 유전체의 상대 유전율은 약 2이상 약 6이하에 해당할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 급전부의 급전은 커플링(coupling) 급전에 의해 급전될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 급전부의 급전은 제1 급전 및 제2 급전을 포함하고, 상기 제1 급전의 위상을 제1 위상이고, 상기 제2 급전의 위상을 제2 위상일 때, 상기 제1 위상과 상기 제2 위상의 위상차가 90°에 해당할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 지지 구조를 갖는 기판의 일면에 인접하여 배치되는 그라운드(ground) 영역을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 지지 구조를 갖는 기판은 그라운드(ground) 영역을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 금속 패치와 상기 제2 금속 패치에 의해 제1 커패시터가 형성되고, 상기 제1 금속 패치와 상기 그라운드 영역에 의해 제2 커패시터가 형성되고, 상기 제2 금속 패치와 상기 그라운드 영역에 의해 제3 커패시터가 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 급전부의 급전에 의해, 상기 제1 커패시터, 상기 제2 커패시터 및 상기 제3 커패시터를 경유(via)하는 제1 전류 경로에 따라 제1 공진 주파수 및 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터를 경유하는 제2 전류 경로에 따라 제2 공진 주파수가 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 금속 패치 및 상기 제2 금속 패치와 이격되어 배치되는 복수의 금속 패치들을 더 포함할 수 있다.
상술된 바와 같은 본 개시의 일 실시 예에 따른, MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치는, 급전부, 지지 구조를 갖는 기판, 적어도 하나의 프로세서 및 복수의 안테나 엘리먼트(antenna element)들을 포함하는 서브 어레이(sub array)를 포함하고, 상기 안테나 엘리먼트는 상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치되는 개구부를 갖는 제1 금속 패치를 포함하고, 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치되는 제2 금속 패치를 포함하고, 상기 급전부는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 지지 구조를 갖는 기판은 상기 안테나 엘리먼트에 대응하여 패턴(pattern) 구조로 형성되고, 상기 패턴 구조는 상기 안테나 엘리먼트의 중앙에 배치되는 제1 지지대, 상기 제1 지지대에서 이격되어 배치되는 제2 지지대 및 상기 제1 지지대에서 연장되어 배치되는 제3 지지대로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 급전부는 상기 패턴 구조의 상기 제3 지지대에 결합되고, 상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 개구부를 통하여 상기 제1 지지대를 통과하여 상기 제2 지지대에 결합되고, 상기 제2 금속 패치는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 제1 지지대에 결합될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 가장자리에서 상기 제2 지지대와 결합되고, 상기 제2 금속 패치는 상기 제2 금속 패치의 중심부에서 상기 제1 지지대와 결합될 수 있다.
본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.
소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 개시의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.
이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(read only memory, ROM), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(electrically erasable programmable read only memory, EEPROM), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(compact disc-ROM, CD-ROM), 디지털 다목적 디스크(digital versatile discs, DVDs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.
또한, 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(local area network), WAN(wide area network), 또는 SAN(storage area network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 개시의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.
상술한 본 개시의 구체적인 실시 예들에서, 개시에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 개시가 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 본 개시의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 개시의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 개시의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 무선 통신 시스템의 안테나에 있어서,
    제1 금속 패치(metal patch);
    제2 금속 패치;
    급전부; 및
    지지 구조를 갖는 기판을 포함하고,
    상기 제1 금속 패치 및 상기 제2 금속 패치는 상기 기판에 배치되고,
    상기 급전부는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 기판에 결합되고,
    상기 제1 금속 패치는 개구부를 포함하는, 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조를 갖는 기판은 상기 제2 금속 패치와 결합되는 제1 지지대, 상기 제1 금속 패치와 결합되는 제2 지지대 및 상기 급전부와 결합되는 제3 지지대를 포함하는, 안테나.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 지지대는 상기 지지 구조를 갖는 기판의 중앙에 배치되고,
    상기 제2 지지대는 상기 제1 지지대와 이격되어 배치되고,
    상기 제3 지지대는 상기 제1 지지대에서 연장되어 배치되고,
    상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 개구부를 통하여 상기 제1 지지대를 통과하여 상기 제2 지지대에 결합되고,
    상기 제2 금속 패치는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 제1 지지대에 결합되는, 안테나.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 금속 패치는 상기 제2 금속 패치의 적어도 일 지점에서 상기 제1 지지대와 결합되고,
    상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 적어도 일 지점에서 상기 제2 지지대와 결합되는, 안테나.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 금속 패치는 상기 제2 금속 패치의 중심부에서 상기 제1 지지대와 결합되는, 안테나.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 가장자리에서 상기 제1 지지대와 결합되는, 안테나.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합은 융착 또는 조립에 의해 결합되는, 안테나.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조를 갖는 기판은 유전율을 갖는 유전체로 구성되는, 안테나.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 유전체의 상대 유전율은 약 2이상 약 6이하에 해당하는, 안테나.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전부의 급전은 커플링(coupling) 급전에 의해 급전되는, 안테나.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 급전부의 급전은 제1 급전 및 제2 급전을 포함하고,
    상기 제1 급전의 위상을 제1 위상, 상기 제2 급전의 위상을 제2 위상이라 할 때, 상기 제1 위상과 상기 제2 위상의 위상차가 90°에 해당하는, 안테나.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조를 갖는 기판의 일면에 인접하여 배치되는 그라운드(ground) 영역을 더 포함하는, 안테나.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조를 갖는 기판은 그라운드(ground) 영역을 포함하는, 안테나.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 금속 패치와 상기 제2 금속 패치에 의해 제1 커패시터가 형성되고, 상기 제1 금속 패치와 상기 그라운드 영역에 의해 제2 커패시터가 형성되고, 상기 제2 금속 패치와 상기 그라운드 영역에 의해 제3 커패시터가 형성되는, 안테나.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 급전부의 급전에 의해, 상기 제1 커패시터, 상기 제2 커패시터 및 상기 제3 커패시터를 경유(via)하는 제1 전류 경로에 따라 제1 공진 주파수 및 상기 제1 커패시터 및 상기 제2 커패시터를 경유하는 제2 전류 경로에 따라 제2 공진 주파수가 형성되는, 안테나.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 금속 패치 및 상기 제2 금속 패치와 이격되어 배치되는 복수의 금속 패치들을 더 포함하는, 안테나.
  17. MMU(massive MIMO(multiple input multiple output) unit) 장치에 있어서,
    급전부;
    지지 구조를 갖는 기판;
    적어도 하나의 프로세서; 및
    복수의 안테나 엘리먼트(antenna element)들을 포함하는 서브 어레이(sub array)를 포함하고,
    상기 안테나 엘리먼트는:
    상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치되는 개구부를 갖는 제1 금속 패치를 포함하고,
    상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치되는 제2 금속 패치를 포함하고,
    상기 급전부는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 지지 구조를 갖는 기판에 배치되는, MMU 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 지지 구조를 갖는 기판은 상기 안테나 엘리먼트에 대응하여 패턴(pattern) 구조로 형성되고,
    상기 패턴 구조는 상기 안테나 엘리먼트의 중앙에 배치되는 제1 지지대, 상기 제1 지지대에서 이격되어 배치되는 제2 지지대 및 상기 제1 지지대에서 연장되어 배치되는 제3 지지대로 형성되는, MMU 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 급전부는 상기 패턴 구조의 상기 제3 지지대에 결합되고,
    상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 개구부를 통하여 상기 제1 지지대를 통과하여 상기 제2 지지대에 결합되고,
    상기 제2 금속 패치는 상기 제1 금속 패치와 이격된 채로 상기 제1 지지대에 결합되는, MMU 장치
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제1 금속 패치는 상기 제1 금속 패치의 가장자리에서 상기 제2 지지대와 결합되고,
    상기 제2 금속 패치는 상기 제2 금속 패치의 중심부에서 상기 제1 지지대와 결합되는, MMU 장치.


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