KR20220054156A

KR20220054156A - 고속 무선 데이터 송신을 위한 무선 기판 대 기판 상호 연결

Info

Publication number: KR20220054156A
Application number: KR1020210028200A
Authority: KR
Inventors: 안톤 세르게예비치 루키야노프; 미하일 니콜라예비치 마쿠린
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2022-05-02
Also published as: RU2744994C1

Abstract

본 문서에 개시된 다양한 실시예에 따르면, 신호들을 송신하는 디바이스는, 서로 평행한 제1 전도성 베이스(conductive base) 및 제2 전도성 베이스, 상기 제1 전도성 베이스와 제2 전도성 베이스 사이에 위치되며, 적어도 하나의 EBG(전자기 밴드 갭; electromagnetic band gap) 구조를 포함하는 측벽들에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 도파관, 및 신호들이 송신되는 방향을 따라 서로 마주보는 적어도 두 개의 지향성 안테나들을 포함하며, 각 안테나는 인쇄 회로 기판을 기반으로 하며, 상기 인쇄 회로 기판의 상부 계층 및 하부 계층 상에 위치되고 있으며 후방 복사를 방지하도록 구성된 다른 EBG 구조와, 적어도 하나의 매칭 소자(matching element)를 포함하고, 상기 안테나들 각각의 적어도 일부는 상기 도파관 내부에 위치되어 상기 안테나들 사이의 영역에서 전자기 신호들을 전송하는 무선 채널을 형성하며, 상기 적어도 하나의 매칭 소자는 상기 무선 채널 근처에 위치되고, 상기 안테나를 상기 무선 채널과 매치하도록 구성될 수 있다.

Description

고속 무선 데이터 송신을 위한 무선 기판 대 기판 상호 연결{WIRELESS BOARD-TO-BOARD INTERCONNECT FOR HIGH RATE WIRELESS DATA TRANSMISSION}

본 발명은 무선 공학에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 다른 인쇄 회로 기판들 간의 또는 동일한 인쇄 회로 기판의 부분(portion)들 간의 고속(high rate) 무선 데이터 송신에 관한 것이다.

끊임없이 증가하는 사용자들의 요구들은 통신 분야 및 관련 분야들에서 기술들의 빠른 개발에 대한 동기를 부여한다. 현재, 활발하게 개발중인 데이터 송신 시스템들인 5G (28GHz), WiGig (60GHz), Beyond 5G (60GHz), 6G (subTHz)와 같은 밀리미터 웨이브 대역에서의 통신을 사용하는 시스템들이 존재한다. 이들 모두 그리고 유사한 시스템들은 고효율, 고기능을 필요로 하면서, 동시에 대량 생산에 적합한 간단하고 신뢰성 있는 컴포넌트(component)들을 필요로 한다.

그와 같은 컴포넌트들 중 하나는 서로 다른 인쇄 회로 기판(printed circuit board: PCB)들 간의 또는 동일한 인쇄 회로 기판의 서로 다른 부분(portion)들 간의 짧은 거리를 통해 데이터를 송신하기 위한 연결(또는 커넥터(connector))을 포함할 수 있다. 그와 같은 연결들에 부과되는 주요 요구 사항들은 다음과 같다: 연결은 바람직하게 무선이어야만 하고, 낮은 손실들과, 컴팩트한(compact) 공급 시스템, 대량 생산에 적용 가능한 저렴하고, 컴팩트하고, 반복 가능한 하드웨어 디자인을 가져야만 하고; 바람직하게는, 연결은 별도의 컴포넌트가 아니라 PCB 또는 통합 안테나(integrated antenna)의 일부이어야만 하고; 동시에, 높은 데이터 송신 속도 (> 2Gbps)에서 안정적인 수신이 지원되어야만 하고; 다중 계층 인쇄 회로 기판들을 기반으로 고성능 안테나들을 지원하는 것 역시 바람직하다. 그러나 종래 기술에 존재하는 솔루션들은 밀리미터 웨이브 대역에 상기 솔루션들을 적용시키려고 할 때, 너무 비싸거나, 너무 부피가 크거나, 또는 아이솔레이션(isolation)을 필요로 하거나, 또는 정밀한 기계적인 조립 또는 제작을 필요로 하거나, 또는 특정 데이터 송신 속도를 제공하지 않기 때문에 상기와 같은 요구 사항들을 최대로 충족하는데 적합하지 않다.

특히, 근거리를 통한 데이터 송신을 위한 보드-대-보드 연결의 알려진 전기적 방법들은 크게 다음의 두 가지 그룹들 분할될 수 있다: 유선 연결(금속 도체들을 사용한 기존의 갈바닉 연결(galvanic connection)) 및 무선 연결, 이는 순차적으로 다음의 두 가지 서브 그룹들로 분할될 수 있다: 무선 주파수 통신을 기반으로 하는 연결 및 광 통신을 기반으로 하는 연결.

갈바닉 연결의 일 예로서, SMD(표면 실장) 커넥터(connector)들이 알려져 있으며, 그 컴포넌트(component)들은 상기 인쇄 회로 기판의 표면에 직접 실장되거나 위치된다. 또 다른 예로서, 무선 주파수(radio frequency: RF) 커넥터들이 알려져 있으며, 이들은 상기 인쇄 회로 기판의 표면에 실장되어 상기 인쇄 회로 기판들 간의 연결을 제공한다. 인쇄 회로 기판들을 연결하는 그와 같은 방법들은 상기 RF 채널에서 천이(transition)를 제공하기 위해 갈바닉 접촉(galvanic contact)을 필요로 한다. 이러한 접근 방식들은 예를 들어, 낮은 송신 주파수와 연관되는 문제점들을 가진다: SMD 커넥터들이 최대 20GHz의 주파수에서 동작하고, RF 커넥터들은 최대 65GHz의 주파수에서 동작한다. 그들은 기계적 및 열적 로드(load)들뿐만 아니라 조립 및 납땜 오정렬(soldering misalignment)들에 매우 민감하여, 접촉들의 낮은 신뢰성, 상기 HF 천이의 파라미터들의 변경, 손실들의 증가, 궁극적으로 접촉들의 빠른 실패를 초래하게 된다. 따라서, 그들은 조립 및 실장을 위해 많은 시간을 소비하고, 회로 기판들 사이의 최소 거리를 8mm를 초과하도록(> 8mm) 유지하는 것을 필요로 한다.

무선 주파수 통신(radio communication)을 기반으로 하는 무선 통신의 일 예로서 근거리 통신(Near Field Communication: NFC)을 사용하는 데이터 송신이 알려져 있다. 기존 NFC 기술들은 페라이트(ferrite) 차폐의 사용과 점유되는 공간의 증가를 필요로 하는 자기장 차폐에 관한 문제점들을 가지고 있다. 그와 같은 솔루션들은 이 기술의 캐리어 주파수가 13.56MHz이기 때문에 좁은 대역폭과 낮은 데이터 송신 속도(최대 2.1Mbps)를 가지고 있다.

광 통신을 기반으로 하는 무선 통신에 관해서는, 기존의 광 기술들은 수신기 사이즈가 디바이스 사이즈에 비해 작기 때문에 필수적인, 빔 제어뿐만 아니라, 송신기와 수신기 간의 직접적인 뷰(view)에 대한 필요가 있는 내재적인 문제점들을 가진다. 이는 정교한 정밀 메커닉(mechanic)들 및 튜닝(tuning)의 사용을 필요로 하기 때문에, 점유되는 공간을 증가시키고, 광 통신 파라미터들의 변경이나 왜곡을 초래하거나, 및/또는 손실들을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 어느 정도는 가까운, 예를 들어 문서, 미국공개특허 제2019/0379426 A1호(2019. 12. 12. 공개)에서 언급될 수 있는, 고주파들에서의 데이터 송신의 분야의 특정한 기술적 솔루션들에 대해 설명하면, 이는 별도의 서브스트레이트(substrate) 또는 캐리어들에 배치되어 있는 송신기와 수신기에 대해서 개시하고 있으며, 상기 송신기 및 수신기는 동작 시 상기 송신기/수신기 페어(pair)의 안테나들이 분리되도록 서로에 대해 상대적으로 위치되어 상기 송신기 캐리어 주파수의 파장들로 근거리 커플링(near-field coupling)이 획득되도록 하는 것을 개시하고 있다. 이 문서는 무선 주파수 집적 회로(Radio Frequency Integrated Circuit: RFIC)와 상기 안테나의 공동 통합 문제를 해결하지 못하는데, 이는 상기 RFIC에 통합되어 있는 상기 안테나 소자들이 별도의 보드들에 위치되어 있기 때문이다.

미국공개특허 제2017/0250726 A1호(2017. 08. 31. 공개)는 제1 통신 디바이스 및 제2 통신 디바이스를 포함하는 무선 커넥터(connector)를 개시한다. 상기 제1 통신 디바이스는 디지털 신호로 변조되는 캐리어 신호를 포함하는 변조된 신호를 방사 커플링(radiative coupling)에 의해 무선으로 송신하도록 구성된다. 상기 제2 통신 디바이스는 상기 변조된 신호를 수신하도록 구성된다. 상기 제1 및 제2 통신 디바이스들은 상기 변조된 신호를 복조하는 데 사용되는 신호를 전달하는 적어도 하나의 유선 연결을 통해 커플링된다. 이 솔루션은 복조를 위한 적어도 하나의 갈바닉 연결(galvanic connection)을 필요로 한다.

미국등록특허 제8,041,227 B1호(2011. 10. 18. 등록)는 광 및 근거리 통신 능력을 가지는 통신 디바이스를 개시한다. 상기 디바이스는 집적 회로 다이(die) 상에 제작되고 원거리 신호들을 송신 및 수신하도록 구성되는 광 송수신기 회로를 포함한다. 근거리 송수신기 회로 역시 상기 집적 회로 다이 상에 제작되고, 근거리 전자기 신호들을 송신 및 수신하도록 구성된다. 제어 회로는 또한 상기 광 송수신기 회로 및 상기 근거리 송수신기 회로로 하여금 외부 제어 신호에 선택적으로 응답하도록 하기 위해 제공된다. 이 솔루션에서 제안되는 상기 적외선 데이터 송신은 빠른 속도를 가지지 않으며, 또한, 페어링(pairing)을 위해 추가적인 채널을 필요로 할 수 있다.

미국공개특허 제2009/0289869 A1호(2009. 11. 26. 공개)에서는 칩 상에 또는 칩에 배치된 제1 공진 구조를 포함하는 칩 및 오프-칩(off-chip) 소자 사이의 전자기 에너지를 커플링하기 위한 안테나 구조를 개시한다. 상기 제1 공진 구조는 제1 공진 주파수를 가지도록 구성된다. 상기 안테나 구조는 또한 오프-칩 소자 상에 또는 오프-칩 소자에 배치된 제2 공진 구조를 포함한다. 상기 제2 공진 구조는 상기 제1 공진 주파수와 실질적으로 동일한 제2 공진 주파수를 가지도록 구성된다. 상기 제1 공진 구조 및 제2 공진 구조는 상기 칩과 오프-칩 소자 사이의 전자기 에너지를 커플링하도록 구성되는 커플링된 안테나 구조를 형성하기 위해 서로의 근거리 거리 내에 상호 배치된다. 상기 전자기 에너지는 상기 마이크로웨이브에서 서브-밀리미터 웨이브들로의 파장 범위에서 선택된 파장을 가지고 있다. 이 솔루션은 협대역이며 밀리미터 웨이브들과 subTHz(서브-테라 헤르츠) 범위를 지원하지 않는다.

이 영역에서 알려진 다른 기술 솔루션은 공개 문서 N. Bayat-Makou, A. Kishk. Contactless Air-Filled Substrate Integrated Waveguide, IEEE Transactions on Theory and Techniques (Volume: 66, Issue: 6, 2018년 6월)이다. 이 논문은 먼저 공기로 채워진 SIW 도파관 (air-filled SIW(substrate integrated waveguide) waveguide: AF-SIW)에 대한 비접촉식 대안을 소개하였다. 기존의 AF-SIW 구성은 상기 코팅 계층(coating layer)들의 상기 중간 서브스트레이트(substrate)로의 정확하고 완벽한 연결을 필요로 한다. 고주파수들에서의 효율적인 동작에 대해서, 이는 복잡하고 비싼 제조 공정을 필요로 한다. 이 구성(도 1a 내지 도 1b)에서, 상기 도파관은 상부 및 하부 전도성 계층들이고, 그 사이에는 공기로 채워진 매체가 존재하고, 상기 도파관의 측면들에는 인쇄 회로 기판들이 배치될 수 있다. 이러한 내장된 인쇄 회로 기판들의 상단 및 하단 계층들은 인공 자기 전도체(artificial magnetic conductor: AMC) 조건들을 획득하기 위해 수정된다. 상기 도파관 서브스트레이트의 양 측면들 상의 AMC 표면들은 특정한 타입의 단위 셀(unit cell)들을 가지는 주기적 구조로서 만들어진다. 상기 전도성 계층들에 평행한 서브스트레이트 영역에 놓여져 있는 AMC 플레이트들은 상기 도파관을 넘어서 누설을 방지한다. 하지만, 이 구조는 필요로 되는 주파수에서 상대적으로 높은 손실들을 나타내므로 개선될 필요가 있다.

따라서, 종래 기술에서는 기존 솔루션들의 다음과 같은 단점들을 제거할 연결을 생성할 필요성이 존재한다.

- 높은 손실들;

- 낮은 데이터 송신 속도;

- 큰 사이즈들;

- 높은 제조 복잡성;

- 전도성 소자들 간의 접촉의 품질에 대한 강한 의존성.

상기에서 설명한 종래 기술의 단점들 중 적어도 일부를 극복하기 위해, 본 발명은 상기 밀리미터 웨이브 대역에서 사용하기 위한 인쇄 회로 기판을 기반으로 데이터를 송신하는 디바이스를 제공하는 것에 관한 것이다.

본 문서에 개시된 다양한 실시예에 따르면, 신호들을 송신하는 디바이스는, 서로 평행하게 배치된 제1 전도성 플레이트와 제2 전도성 플레이트, 상기 제1 전도성 플레이트와 상기 제2 전도성 플레이트 사이에 배치되며, 적어도 하나의 EBG(전자기 밴드 갭; electromagnetic band gap) 구조를 포함하는 측벽들, 적어도 부분적으로 상기 제1 전도성 플레이트와 상기 제2 전도성 플레이트와 상기 측벽들에 둘러싸인 도파관, 및 적어도 부분적으로 상기 도파관 내에 배치되며, 지정된 간격을 두고 서로 마주보게 배치된 한 쌍의 지향성 안테나들을 포함하고, 상기 측벽들 중 적어도 하나와 상기 지향성 안테나들 중 적어도 하나가 하나의 인쇄 회로 기판에 통합되며, 상기 지향성 안테나들은 상기 도파관의 적어도 일부분을 이용하여 서로 전자기 신호를 송수신하도록 설정될 수 있다.

본 발명은 상기 밀리미터 웨이브 대역 및 서브 THz 범위에서 동작 가능하고, 제조가 더 간략화되고, 더 콤팩트하고 저렴한 디바이스를 제공하는 한편, 종래 기술로부터 알려진 솔루션들에 비해 개선된 특성들을 입증한다. 이 외에, 본 문서를 통해 직접적으로 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.

도 1a 내지 도 1b는 알려진 비접촉식(contactless) AF-SIW 도파관을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 신호 송신 디바이스의 개략적인 단면 사시도를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 신호 송신 디바이스의 개략적인 단면 측면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 신호 송신 디바이스의 개략적인 단면 상면도를 도시하고 있다.
도 5는 조립 동안 상기 디바이스 소자들의 상대적 포지셔닝(positioning)에서 공차(tolerance)들의 방향들을 도시하고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 신호 송신 디바이스의 다른 개략적인 단면 측면도를 도시하고 있다.
도 7은 측벽들을 가지지 않는 평행 플레이트(plate) 도파관의 케이스에 대한 상기 제안된 디바이스의 등가 회로를 도시하고 있다.
도 8은 상기 안테나에서의 전력 흐름 분포를 도시하고 있다.
도 9a 내지 도 9b는 평행 플레이트 도파관의 예시적인 전자기장 분포 다이어그램들을 도시하고 있다.
도 10은 측벽들을 가지지 않는 평행 플레이트 도파관의 케이스에 대한 상기 제안된 디바이스의 시뮬레이션 결과들을 도시하고 있다.
도 11은 EBG 구조의 기본 셀(elementary cell)의 구성을 도시하고 있다.
도 12는 EBG 구조의 등가 회로를 도시하고 있다.
도 13은 EBG 구조를 가지는 도파관의 주파수 응답을 도시하고 있다.
도 14는 상기 EBG 구조의 새로운 배열을 획득하는 원리를 도시하고 있다.
도 15는 상기 절단된(truncated) EBG 구조의 기본 셀(elementary cell)의 구성을 도시하고 있다.
도 16은 상기 절단된 EBG 구조의 등가 회로를 도시하고 있다.
도 17은 절단된 EBG 구조를 가지는 도파관의 주파수 응답을 도시하고 있다.
도 18은 상기 EBG 구조의 추가적인 실시 예를 도시하고 있다.
도 19는 무선 채널에서 전기장의 개략도를 도시하고 있다.
도 20은 상기 도파관에서 상기 전기장 분포의 그래프를 도시하고 있다.
도 21은 공기 갭(air gap) 변경들을 시뮬레이션하기 위한 구성의 예시적인 실시 예를 도시하고 있다.
도 22a 내지 도 22c는 공기 갭 변경들에 대한 상기 시뮬레이션 결과들을 도시하고 있다.
도 23a 내지 도 23e는 절단된 EBG 구조들 사이의 SIW 도파관을 기반으로 안테나를 형성하는 원리를 도시하고 있다.
도 24는 절단된 EBG 구조들에 포함되는 SIW 도파관을 기반으로 안테나를 시뮬레이션하기 위한 테스트 장비의 개략도를 도시하고 있다.
도 25는 도 24의 케이스에 대한 상기 시뮬레이션 결과들을 도시하고 있다.
도 26은 폴디드 패치 안테나(folded patch antenna)의 일 예를 도시하고 있다.
도 27은 상기 폴디드 패치 안테나를 가지는 케이스에 대한 방사 패턴을 도시하고 있다.
도 28은 상기 폴디드 패치 안테나를 가지는 케이스에 대한 시뮬레이션 결과들을 도시하고 있다.
도 29는 다이폴 안테나의 일 예를 도시하고 있다.
도 30은 상기 다이폴 안테나를 가지는 케이스에 대한 방사 패턴을 도시하고 있다.
도 31은 상기 다이폴 안테나를 가지는 케이스에 대한 시뮬레이션 결과들을 도시하고 있다.
도 32는 안테나와 측벽들을 단일 인쇄 회로 기판에 통합하는 일 예를 도시하고 있다.
도 33, 도 34, 도 35, 도 36a 및 도 36b는 상기 베이스들의 평면들에 직각인 신호 송신을 가지는 실시 예들을 도시하고 있다.
도 37은 풀 듀플렉스 모드(full duplex mode)에서의 시그널링을 도시하고 있다.
도 38은 다중 계층 EBG 구조를 도시하고 있다.
상기 도면들은 축척이 아닌 개략적으로 제시될 수 있으며, 기본적으로 본 발명의 이해를 향상시키기 위한 것임을 이해해야만 할 것이다.

● 디바이스에 대한 일반적인 설명

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 신호들을 송신하는 디바이스(100)의 개략도를 도시하고 있다. 상기 디바이스(100)는 도파관(110) 및 그 내부에 위치되어 있는 지향성 안테나들(또는 어댑터들)(120, 121)을 포함한다. 지향성 안테나들은 적어도 부분적으로 도파관 내에서 지정된 간격을 두고 서로 마주보게 배치되며, 도파관의 적어도 일부(예: 후술할 무선 채널(140))를 이용하여 서로 전자기 신호를 송수신할 수 있다.

상기 도파관(110)에서의 상부 및 하부 베이스(base)들은 서로 평행하게 위치되어 있는 전도성(예를 들어, 금속) 플레이트(plate)들(111, 112)에 의해 형성된다, 즉 상기 도파관(110)에서의 상부 및 하부 베이스들은 평행 플레이트 도파관을 형성한다. 상기 도파관(110)의 측벽(side wall)들은 상기 베이스들 사이에 위치되어 있는 EBG (전자기 밴드 갭(gap)) 구조들(113)에 의해 형성되고, 이에 의해 상기 벽은 상기 베이스들과 함께 전자기파들이 전파될 수 있는 직사각 도파관을 형성한다. 예를 들어, 전자기 신호들이 전송되는 방향에 직교하는 단면으로 볼 때, 도파관(110)의 상부와 하부는 전도성 플레이트(111, 112)들에 의해 형성되고, 도파관(110)의 측면(들)은 전도성 플레이트(111, 112)들 사이에 배치된 EBG 구조(113)들에 의해 둘러싸일 수 있다. 어떤 실시예에서, 도파관(110)은 전자기 신호들이 송신되는 방향을 따라 연장될 수 있으며, 도파관(110)의 내부는 공기 또는 다른 유전체로 채워질 수 있다. 각 EBG 구조(113)는 유전체(예를 들어, 공기(air)) 갭에 의해 상기 베이스들 중 하나 또는 두 베이스들로부터 분리되고, 동시에 인공 자기 전도체(artificial magnetic conductor: AMC)의 조건들을 가진 측면 또는 측벽을 형성함으로써, 상기 도파관(110)으로부터 상기 외부 공간으로의 웨이브(wave)(예: 전자기 신호)들의 누출을 차단할 수 있다.

상기 안테나들(120, 121)은 방사 축, 예를 들어, 전자기 신호들(150)이 전송 또는 송수신되는 방향을 따라 서로 마주보게(opposite 또는 facing to each other) 위치될 수 있다. 또한, 상기 안테나들(120, 121)은 인쇄 회로 기판에 기반하여 구현된 서브스트레이트 통합 도파관(substrate integrated waveguide: SIW)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2 내지 도 4에서, 상기 안테나들 중 제1 안테나(120)는 상기 제1 인쇄 회로 기판(130)의 일부이고, 제2 안테나(121)는 상기 제2 인쇄 회로 기판(131)의 일부일 수 있다. 실시예에 따라 제1 인쇄 회로 기판(130)과 제2 인쇄 회로 기판(131)은 실질적으로 하나의 기판에서 서로 다른 두 부분일 수 있으며, 전도성 베이스(예: 전도성 플레이트(111, 112)) 및/또는 측벽들(예: ‘113’으로 지시된 EBG 구조물)이 하나의 인쇄 회로 기판 내에 통합될 수 있다. 이하, 인쇄 회로 기판들의 다른 배열들, 안테나들 및 EBG 구조들이 도시될 것이고, 따라서 본 발명은 이러한 실시 예들에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야만 할 것이다.

다양한 실시예에 따르면, 공기(air) 또는 다른 유전체로 채워진 영역이 상기 도파관(110) 내부의 안테나(120, 121)들 사이에 남아 있으며, 여기서 상기 안테나(120, 121)들 간의 전자기 신호들(150)을 송신하기 위한 무선 채널(140)이 형성될 수 있다. 상기 무선 채널(140)에서 상기 신호(150)의 자유로운 전파를 위한 조건들을 보장하기 위해, 상기 베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112)들) 사이의 거리는 상기 송신된 신호에 대해 적어도 λ/2 (예: 송신된 신호 파장의 1/2)이다. 한편, 상기 무선 채널(140)을 넘어서는 기생 방사(parasitic radiation) 및 누출을 방지하기 위해, 상기 측벽들(예: EBG 구조(113)들)의 내부 경계들 사이의 거리(예: EBG 구조(113)들 사이의 간격)는 λ를 초과하지 않아야만 하고, 상기 안테나(120, 121)들의 에지(edge)들 간의 거리는 λ/4 (상기 파장의 1/4) 보다는 작지 않아야만 하고, 또한 λ보다 크지 않아야만 하고, 상기 베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112)들) 사이의 거리는 λ를 초과하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 채널(140)의 최대 사이즈는 λхλхλ 큐브(cube)이다. 또한, 상기 EBG 구조(113)와 상기 베이스(예: 전도성 플레이트(111, 112)들) 사이의 갭의 사이즈는 λ/4를 초과하지 않을 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 인쇄 회로 기판(130) 측에 위치되고 있는 무선 주파수 집적 회로(radio frequency integrated circuit: RFIC)로부터의 고주파 신호(150)는 상기 디바이스(100)의 입력(160)(상기 제1 안테나(120)의 입력)으로 공급되어 제1 안테나(120)를 통해 상기 무선 채널(140)에서 방사되고, 상기 제2 안테나(121)에 의해 상기 무선 채널(140)로부터 수신되어, 출력(170)(상기 제2 안테나(121)의 출력)으로부터 상기 제2 PCB(131) 측에 위치되어 있는 RFIC로 송신된다. 상기 지시들 "입력" 및 "출력"은 조건적이며, 필요할 경우 전자기 또는 고주파 신호(150)가 반대 방향으로 송신될 수 있음에 유의한다.

각 안테나(예를 들어, 상기 SIW 도파관에서)(120, 121)는 상기 무선 채널(140) 근처에 위치되고 있는 하나 혹은 그 이상의 매칭 소자(matching element)들(180, 181)(도 6)을 가질 수 있다. 상기 매칭 소자(180, 181)는 전자기파가 상기 SIW 도파관으로부터 상기 무선 채널(140)로 최소의 후방 손실(backward loss)들로 방사되는 것을 허락한다.

상기 디바이스(100)의 동작을 고려할 경우, 다음과 같은 점에 유의할 수 있다. 상기 제1 안테나(120)(예: 송신 안테나)가 등방성 방사기(isotropic radiator)라고 가정할 경우, 상기 제1 안테나(120)는 모든 방향들로 동일한 강도의 전자기 에너지를 손실 없이 방사한다. 그와 같은 안테나의 방사 패턴은 모든 섹션들에서 원형, 예를 들어, 구체 형상(sphere shape)일 수 있다. 상기 제2 안테나(121)(예: 수신 안테나)의 개구(aperture)가 사이즈 a x b를 가지고, 상기 제1 안테나(120)로부터 거리 R에 위치하고 있다고 가정할 경우, 가장 일반적인 케이스에서, 등방성 방사기 주변에 장애물들이 존재하지 않을 경우, 상기 방사는 전적으로 3차원 공간에서 발생하며, 상기 제2 안테나(121)에서 수신되는 전력은 아래 [수학식1]과 같을 수 있다.

여기서, ‘Prx’는 수신되는 전력을 의미하고, ‘Psource’는 공급 전력 또는 공급된 고주파 신호를 의미할 수 있다.

상기 제1 안테나(120) 주변에서, 지정된 거리를 두고 배치된 두 개의 평행한 베이스(예: 전도성 플레이트(111, 112))를 기반으로 하는 평행 플레이트 도파관(110)이 배치될 경우, 상기 방사는 실질적으로 평행한 베이스 사이의 평면에서 모든 방향들로 발생(예: 원형)할 수 있으며, 상기 제2 안테나(121) 상에서의 수신 전력은 (2R)/b배 증가될 것이다.

상기 제1 안테나(120) 주변에서 상기 EBG 구조들(113)의 형태로 측벽들을 배치함으로써, 직선으로만 방사를 제공하면서, 두 방향들로 제공할 수 있으며, 이 경우, 상기 제2 안테나(121)에서의 수신 전력은 πR/a 배 증가할 것이다.

마지막으로, 본 발명에서 상기 제1 안테나(120)는 실제로 지향성을 가짐으로써 한 방향으로 직선 방사만 제공할 수 있으며, 이 경우, 상기 제2 안테나(121)에서의 수신 전력 Prx는 공급 전력 또는 공급된 주파수 신호 Psource와 같을 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 배열에서, 전도성 베이스(예: 전도성 플레이트(120, 121), 측벽들(예: EBG 구조(113))의 배치와 아울러, 안테나(120, 121)들이 지향성을 가짐으로써, 실질적으로 손실 없이 상기 소스(source)(예: 제1 안테나(120))의 모든 전력은 상기 수신기(예: 제2 안테나(121))로 제공될 수 있다.

이로써, 상기 디바이스(100)의 안테나(120, 121)들 사이에서 상기 신호(예: 전자기 신호 또는 고주파 신호(150))는 고효율 및 저손실로 송신되며, 또한, 상기 디바이스는 최대 2Gbps 혹은 그 이상의 고속으로 데이터 신호들을 송신할 수 있다.

평행 전도성 플레이트(예: 전도성 플레이트(111, 112))들은 디폴트로 많은 전자 디바이스들에 존재하며, 상기 인쇄 회로 기판(130. 131)들을 생산하는 기술은 광범위하게 사용되고 있고, 개발되고 있고, 저렴하다. 즉, 안테나들(120, 121) 및 EBG 구조들(113)을 포함하는 인쇄 회로 기판들(예: 제1, 제2 인쇄 회로 기판(130, 131)) 근처에 혹은 접촉하여 전도성 베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112))을 배치함으로써 상기 제안된 도파관 구조를 간단히 생성하는 것이 가능하다. 예컨대, 상기 제안된 디바이스(100)는 이미 광범위하게 사용되고 있는 생산 기술을 이용하여 제작될 수 있으므로, 저렴하고 대량 생산에 적합할 수 있다. 상기 제안된 디바이스(100)는 신호를 송수신하는 서로 다른 복수(예: 두 개)의 인쇄 회로 기판(예: 제1, 제2 인쇄 회로 기판(130, 131))들 사이뿐만 아니라 상기 디바이스의 다른 소자들 사이에서 갈바닉 접촉(galvanic contact)을 필요로 하지 않는다. 또한, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 디바이스의 모든 소자들은 엄격한 조립 공차(tolerance)들을 가지지 않을 수 있다. 한 실시예에서, 도 5에 도시된 화살표들의 방향에서는 대략 1mm 정도까지 조립 또는 제작 공차가 허용될 수 있으며, 도 5에 도시된 평면의 수직 방향에서는 대략 0.5mm 정도까지의 조립 또는 제작 공차가 허용될 수 있다. 예컨대, 상기 디바이스(100)는 더욱 여유로운 조립 공차를 가질 수 있어 제작이 용이하면서, 최대 2Gbps 혹은 그 이상의 고속으로 데이터 신호들을 송신하는 것에 적합할 수 있다. 쉬운 이해를 위해, 도 5에서는 구성요소들의 참조 번호들이 생략되고 도 4와 동일한 상면도를 도시하고 있음에 유의한다. 이와 같이, 본 발명은 조립 및 제조의 간략화를 제공하는데, 그와 같은 구조가 상기 제조 공정을 상당히 간략화시키고 정확성 및 제조 공차들에 대한 요구 사항들을 감소시킴으로써 제작이 용이할 수 있다.

다음으로, 상기 신호 송신 디바이스(100)의 소자들이 보다 구체적으로 설명될 것이다.

● 평행 플레이트 도파관

본 발명에서, 평행 플레이트 도파관(110)은 인쇄 회로 기판들(130, 131) 사이의 무선 채널(140)에서 전자기장을 집중시키기 위해 사용될 수 있다. 도 6에서, 화살표를 가지는 점선은, 상기 제2 안테나(121)로의 송신을 위한 상기 제1 안테나(120)와, 상기 제1 안테나(120)로의 송신을 위한 제2 안테나(121) 둘 다에 의해 상기 전자기파가 여기될(excited) 수 있다는 것을 나타낸다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 무선 채널(140)에서 필요로 되는 중심 주파수의 공진의 조건이 충족될 때, 상기 전자기파가 실질적으로 손실 없이 송신될 수 있다. 도 7은 계산을 돕기 위한 상기 제안된 디바이스(100)의 등가 회로를 도시하고 있다. 이는 상기 안테나(120, 121)와 무선 채널(140) 간의 두 개의 매체들의 인터페이스에서 변압기와 유사한 유도 커플링(inductive coupling)이 발생한다는 것을 도시하고 있다. 상기 평행 플레이트(예: 전도성 플레이트(111, 112)) 도파관(110)에서 측벽들(예: EBG 구조(113)들)이 배치되지 않은 경우, 상기 무선 채널(140) 주변에 오픈되어 있는(open) 공간이 존재할 수 있고, 오픈된 공간으로 상기 안테나 방사의 일부가 누출될 수 있다. 따라서, 각 매체(상기 제1 안테나(120), 상기 무선 채널(140), 상기 제2 안테나(121))는 일부 고유 저항(inherent resistance) R_antenna #1, R_leakage, R_antenna #2을 가질 수 있다. 상기 공진 조건을 획득하기 위해서는, 각 안테나에서 용량성 특징들을 가지는 매칭 소자(예: 도 6의 매칭 소자(180, 181))가 사용되어야만 한다. 상기 제1 안테나(120)와 제2 안테나(121)에서의 매칭 소자들은 각각 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 커패시턴스들 C1 및 C2를 가진다. 다음으로, 적절한 계산들을 수행하는 것이 필요로 된다. 그와 같은 계산들의 원리들은 해당 기술 분야의 당업자에게 알려져 있으며, 따라서 여기에서는 구체적으로 설명되지 않을 것이다.

도 8은 상기 안테나에서 전력 흐름 분포를 개략적으로 도시하고 있다. 소자들의 참조 번호들은 이해의 편의를 위해 다시 생략되었으며, 생략된 참조 번호들은 도 3 및 도 6과 같은 다른 도면들에서 찾을 수 있다. 가능한 웨이브 방향(예: 전력 흐름 또는 전력 흐름의 분포)들은 상기 도파관(110)으로의 송신, 반사 및 누출을 포함한다. 상기 평행 플레이트 도파관에서의 전자기장 분포를 개략적으로 예시한 다이어그램들이 각각 도 9a 내지 도 9b의 측면도 및 평면도에 도시되어 있다. 상기 제1 안테나의 여기(excited)에 의한 방사 파워의 충분히 큰 일부가 상기 무선 채널(140) 영역을 통해 상기 제2 안테나(121)로 들어가고, 나머지 일부가 제2 안테나(121)의 측면에 분포되어 있고, 즉 일부 누설이 존재한다.

본 발명의 발명자들은 60GHz에서 측벽들을 가지지 않는 평행 플레이트 도파관의 케이스를 시뮬레이션하였고, 도 10에 도시되어 있는 상응하는 손실 플롯(plot)들을 획득하였다. 특히, 다음과 같은 S-파라미터들이 획득되었다: 상기 동작 주파수 대역에서의 전송 손실 계수(transmission loss coefficient)는 약 -7dB이고, 상기 리턴 손실 계수(return loss coefficient)는 약 -22dB이다. 알 수 있는 바와 같이, 대부분의 신호(약 75 %)는 높은 리턴 손실 및 누설이 없이도 한 안테나에서 다른 안테나로 송신되고, 이에 반해 상기 안테나 매칭은 저하되지 않는다. 상기 손실들은 상기 방사된 전력의 약 25%이다. 따라서, 상기 평행 플레이트 도파관은 실제로 상기 안테나들 사이의 무선 채널에서 전자기장을 집중시키는 것을 허락한다. 따라서, 상기 방사는 한 평면(예: 전도성 플레이트(111, 112)들 사이의 평면 또는 공간)에서 아이솔레이트되고(isolated), 비교적 높은 에너지 효율이 이미 달성된다. 다음으로, 본 발명에서 어떻게 손실 감소가 달성되는지 보여줄 것이다.

● EBG 구조들을 가지는 도파관의 측벽들

베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112)들) 사이에서 오픈되어 있는 공간으로 방사 파워가 누출되는 것을 방지하기 위해, EBG 구조들(113)에 기반한 측벽들이 사용될 수 있다. EBG 구조들(113)은 상기 베이스(예: 전도성 플레이트(111, 112))들과 함께, 방사 축(예: 전자기 신호 또는 고주파 신호(150)가 전송되는 방향)에 직교하는 단면 형상이 실질적으로 직사각형인 도파관(예: 도 3 또는 도 4의 도파관(110))을 형성할 수 있다.

상기 EBG 구조(113)는 양면 인쇄 회로 기판 및/또는 다중 계층 인쇄 회로 기판을 기반으로 이루어지며, 평면도로 볼 때 2차원 주기적 격자로 나란히 배열된 다수의 셀들을 포함한다. 상기 EBG 구조(113)의 기본 셀(elementary cell)의 구조가 도 11에 도시되어 있다. 상기 기본 셀은 상기 인쇄 회로 기판의 상부 및 하부 전도성 계층들의 평행 전도성 부분들(예를 들어, 접촉 패드(contact pad)들(211))을 포함하고, 상기 평행 전도성 부분들은 상기 인쇄 회로 기판의 상기 유전체 계층을 통과하는 전도성 소자(213), 예를 들어, 금속화 관통 개구부(metallized through opening)(비아(via))에 의해 서로 연결된다. 상기 전도성 부분들의 사이즈들과 모양은 특정 적용의 요구 사항들, 예를 들면, 안테나(120, 121)들 사이에서 전송되는 신호의 주파수나 실제 제작될 디바이스(100)의 크기, 인쇄 회로 기판(130, 131)들이나 안테나(120, 121)들의 크기 및 배치 간격 등에 따라 선택된다. 일반적인 케이스에서, 인접 셀들의 전도성 부분(예: 접촉 패드(211))들은 서로 전기적으로 연결되지 않으며, 상기 EBG 구조 자체는 유전체(예를 들어, 공기(air)) 갭에 의해 상기 베이스(예: 전도성 플레이트(111, 112))들과 분리될 수 있다.

그와 같은 EBG 구조의 등가 회로는 도 12에 도시되어 있다. 특히, 베이스들과 전도성 부분들(예: 접촉 패드들(211)) 사이의 공기가 채워진 영역에서 용량성 결합(capacitive coupling)이 형성될 수 있으며, 상기 인접 셀들의 전도성 부분들 사이의 영역에서 역시 용량성 결합이 형성될 수 있고, 비아 영역들은 유도성 소자(inductive element)로서 기능할 수 있다. 따라서, 높은-Q 공진기(high-Q resonator)가 형성된다.

한 실시예에 따르면, 이러한 EBG 구조는 동작 주파수 범위에서, 상기 베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112))과 측벽(예: EBG 구조(113))들 사이의 무선 채널(140)에 밴드 갭(bandgap)을 형성함으로써, 원하는 주파수(들)에서의 웨이브들이 상기 무선 채널로부터 외부 공간으로 누설되는 것을 차단할 수 있다. 본 발명의 발명자들은 마이크로웨이브(microwave) 재료 Rogers RO 4003®의 서브스트레이트(substrate)가 적용될 필요가 있던 인쇄 회로 기판을 기반으로 상기 EBG 구조의 시뮬레이션을 수행하였고; 도 13에 도시되어 있는 그래프들을 획득하였다. 이 구조의 각 셀에서 실현되는 위상 쉬프트(phase shift)에 대한 상기 EBG 구조를 통해 송신되는 신호의 주파수의 의존성에 대해 도 13의 그래프에서 도시되어 있는 바와 같이, 이 구조에서는 특정 주파수 범위 (상기 수직 축의 두 개의 평행선들 사이에 위치되어 있는 밴드 갭 존(zone))에서 상기 웨이브의 누설을 차단할 수 있다. 따라서, 상기 제1 모드(mode)는 최대 54GHz의 주파수에서 전파되고, 상기 나머지 모드들은 71GHz의 주파수에서 전파된다. 따라서, 상기 EBG 구조로 인해, 상기 동작 주파수 범위(예를 들어, 약 60GHz)에서의 전력이 상기 도파관 밖으로 누설되는 것을 방지하고, 상기 무선 채널(140)을 통해 상기 수신 안테나(예: 제2 안테나(121))로 수신될 수 있다.

즉, 상기 제안된 디바이스는 콤팩트한 사이즈를 가지면서 매우 적은 손실을 가지고, 그 조립이나 제작에 있어, 상기 계층들 간의 강력하고 신뢰성 있는 접촉을 필요로 하지 않는다.

EBG 구조의 배열과 그에 기반한 측벽(들)은 매우 효과적일지라도, 기하학적 구조에서의 각 변경은 상기 필요로 되는 주파수 대역을 유지하기 위해 전체 EBG 구조를 다시 계산하는 것에 대한 필요성을 초래한다. 이는 상기 도파관의 높이에 대한 제한으로 인해 단일 모드 도파관만 설계하는 것을 가능하게 한다. 넓은 주파수 범위에서 웨이브들을 송신하려고 시도할 때, 상기 웨이브들의 일부가 비아들(예: 도 11의 전도성 소자(213)) 사이의 갭들과 상기 EBG 구조의 베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112))과 전도성 부분(예: 도 11의 접촉 패드(211))들 사이의 갭들로 흐를 수 있다. 또한, 이러한 배열은 상기에서 지시된 것과 같은 고품질 RF 재료들의 사용을 필요로 한다. 따라서, 높은 효율성에도 불구하고, 상기 EBG 구조의 이런 배열은 상대적으로 좁은 적용 분야를 가진다.

상기 다양성을 증가시키기 위해, 상기 EBG 구조의 새로운 배열을 사용하는 것이 제안된다. 구체적으로, 도 14에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 비아 영역에서 각 셀을 두 개의 파트(part)들로 분할하고(split 또는 cut) 상기 비아를 상기 접지 플레이트(ground plate)까지 단축하는 것이 제안된다. 결과적으로, 상기 절단된(truncated) EBG 구조의 기본 셀의 구조는 도 15에 도시되어 있는 형태를 취한다. 이 케이스에서, 상기 기본 셀은 상기 인쇄 회로 기판의 상부 및 하부 전도성 계층들의 전도성 영역들(예를 들어, 접촉 패드들)을 포함하고, 상기 전도성 영역들은 서로 평행하고, 상기 인쇄 회로 기판의 상기 유전체 계층을 통과하는 전도성 소자, 예를 들어, 금속화 개구부(metallized opening)(비아(via))를 통해 서로 연결된다. 한 계층에서 인접 셀들의 전도성 부분들은 서로 전기적으로 연결되어 있지 않지만, 다른 계층(예: 접지 플레이트)에서 인접 셀들의 전도성 부분들은 서로 전기적으로 연결되어 있다. 예를 들어, 실질적으로, 인접 셀들의 전도성 부분들은 모두 접지 계층으로 결합된다. 상기 인접 셀들의 전도성 부분들이 서로 전기적으로 연결되지 않은 측면 상에서, 상기 절단된 EBG 구조는 유전체(예를 들어, 공기) 갭에 의해 근처의 베이스(예: 전도성 플레이트(111, 112))로부터 분리될 수 있다.

그와 같은 절단된 EBG 구조의 등가 회로는 도 16에 도시되어 있다. 특히, 상기 베이스와 전도성 부분들 사이의 공기가 채워진 영역들에서 용량성 결합이 형성되며, 상기 인접 셀들의 전도성 부분(예: 도 11의 접촉 패드(211))들 사이의 영역들에서 역시 용량성 결합이 형성되고, 비아 영역들은 유도성 소자로서 기능할 수 있다. 따라서, 오직 하나의 공기 갭만 존재하며, 이는 더 적은 인덕턴스(inductance)를 필요로 하고, 따라서 이전 배열에서보다 더 낮은 Q 팩터(factor)를 초래한다.

본 발명의 발명자들은 상기 절단된 EBG 구조를 시뮬레이션하였으며, 이 케이스에서, 기존의 FR4 재료로 이루어진 서브스트레이트가 인쇄 회로 기판으로서 제공될 수 있다. 상응하는 그래프들이 도 17에 도시되어 있다. 도 17에 나타나 있는 위상 쉬프트 상의 상기 절단된 EBG 구조를 통해 송신되는 신호의 주파수의 의존성의 그래프에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제1 모드는 최대 47GHz의 주파수에서 전파되고, 상기 나머지 모드들은 75GHz의 주파수에서 전파된다. 따라서, 상기 절단된 EBG 구조의 사용은 상단 및 하단 패드들이 서로 디커플링되도록 하고(decoupled), 인덕턴스를 감소시키고, 동작 대역폭을 확장시키는 것을 허락한다. 이전 실시 예에서와 같이, 상기 제안된 디바이스는 콤팩트한 사이즈를 가지면서, 매우 적은 손실들을 가지고, 동시에 그 조립 또는 제작은 상기 계층들 사이의 강력하고 신뢰성 있는 접촉을 필요로 하지 않는다. 또한, 이러한 배열은 일반적으로 사용되는 인쇄 회로 기판용 재료들 및/또는 공정들의 사용을 허락하며, 상기 디바이스의 제작을 더 간단화시킬 수 있다.

도 18은 본 발명에 따른 상기 EBG 구조의 추가적인 실시 예를 도시하고 있다. 두 개의 절단된 EBG 구조들은 상기 두 개의 절단된 EBG 구조들의 접지 플레이트들에 대해 미러링되고(mirrored), 절단된 EBG 구조들 중 하나의 비아들은 절단된 EBG 구조들 중 다른 하나의 비아들과 동축으로(coaxially) 배열된 상태로 연결될 수 있다. 따라서, EBG 구조들은 상기 인쇄 회로 기판의 외부 및 내부 계층들 둘 다에 위치될 수 있다. 중간 계층(intermediate layer)은 예를 들어, 상기 제1 비아들과 제2 비아들이 상호 연결되는 상기 인쇄 회로 기판의 서브스트레이트로서 이러한 2개의 절단된 EBG 구조들의 접지 플레이트들(계층들) 사이에 배열될 수 있다. 상기 제1 비아들과 제2 비아들의 상호 연결은 추가의 비아로도 구현될 수 있다. 상기 두 개의 절단된 EBG 구조들의 접지 플레이트들 사이의 거리와 인접 비아들 사이의 거리는 고주파 전력의 상기 중간 계층으로의 누출을 방지하기 위해 상기 서브스트레이트 재료에서의 파장의 1/2 미만이어야만 한다. 누설을 방지하기에 충분한 EBG 셀들의 행(row)들의 최소 개수는 2개이다. 필요에 따라, 비아들 사이 및/또는 접지 계층들 사이의 거리나 간격이 위와 같이 유지되는 경우, 접지 계층들에 의해 분리된 다수의 중간 계층(예: 유전체 층)들이 사용될 수 있다. 이 모든 것들이 심각한 제한들 없이 상기 구조의 사이즈를 변경하는 것을 허락한다(예를 들어, 두께를 증가시킴으로써). 그와 같은 EBG 구조는 수평 도파관 구조와 수직 도파관 구조 둘 다 설계되는 것을 허락한다.

본 발명의 발명자들은 이 EBG 구조를 시뮬레이션하여 상기 EBG 구조 주변의 도파관에서 전기장 분포의 그래프를 생성하였다. 무선 채널에서 전기장의 개략도가 도 19에 도시되어 있고, 시뮬레이션된 그래프가 도 20에 도시되어 있다. 얇고 짧은 화살표들은 상기 전기장 값들의 최소값들을 지시하고, 굵고 긴 화살표들은 상기 전기장 값들의 최대 값들을 지시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 누설은 거의 존재하지 않으며, 상기 전체 전기장이 상기 무선 채널의 영역에 집중되어 있다.

스페이서(spacer)들(도 37 참조)은 상기 EBG 구조와 공기 갭 영역에서의 상기 베이스(예: 전도성 플레이트(111, 112)) 사이에 위치되어 상기 EBG 구조를 고정하고 이 갭을 제공할 수 있다. 상기 스페이서들은 별도의 소자들일 수 있거나, 또는 EBG 구조를 가지는 인쇄 회로 기판의 일부일 수 있거나, 또는 베이스들의 일부일 수 있다. 예를 들어, 일 실시 예에서, 상기 스페이서들은 상기 도파관 베이스 상 및 EBG 구조를 가지는 인쇄 회로 기판들의 계층들 상에 돌출부(protrusion)들로서 형성될 수 있고, 다른 실시 예에서, 상기 스페이서들은 상기 제조 공정에서 상기 계층들 사이에 삽입되는 별도의 소자들일 수 있다. 이에 따라, 제조의 설계 및 간략화에 대한 추가적인 다양성이 제공된다. 스페이서들은 전도성 또는 비-전도성일 수 있지만, 인접 EBG 소자들을 단축시켜서는 안된다. 전도성 스페이서들을 사용하는 것이 필요로 될 경우, 상기 전도성 스페이서들로부터 상기 EBG 구조와 무선 채널 간의 경계까지의 거리는 상기 도파관에서 원하지 않는 현상을 방지하기 위해 상기 EBG 구조의 3개의 셀들(예: 셀들 배열이 3개의 행(row))을 초과해야만 한다. 예컨대, 스페이서들이 전도성을 가질 때, 스페이서와 무선 채널 사이에는 적어도 3개의 셀들이 배치될 수 있다.

추가적인 실시 예들에서, 상기 스페이서들의 전부 또는 일부는 상기 EBG 구조와 상기 베이스 사이에 공기 갭을 생성하는 기능뿐만 아니라 고정 수단의 기능도 수행할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 접착제 방울(glue drop)들이 스페이서들 또는 상기 스페이서들의 일부로 사용될 수 있거나, 또는 상기 구조를 묶는 나사들과 같은 패스너(fastener)들은 상기 스페이서들을 통과할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 상기 도파관 및 안테나와 같은 구조적 소자들을 고정시키는 것은 상기와 같은 스페이서들로 한정되는 것은 아니며 다른 수단에 의해 수행될 수 있다. 이러한 가능성들 각각은 또한 설계 다양성을 증가시키는 것을 허락한다.

본 문서에서는 EBG 구조들을 스페이서들을 가지는 베이스들로부터 분리하여 최상의 성능을 제공하기 위해 공기 갭을 형성하도록 제안되었을지라도, 실제로, 그들 사이의 공기 갭의 사이즈에서의 변경들은 상당히 수용 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 발명자들은 상기 60GHz 케이스에 대한 갭 변경들을 시뮬레이션한 바 있다(도 21). 이 케이스에서, 60GHz 주파수에서의 파장 λ는 5mm이다. 상기 베이스들 사이의 거리는 대략 2.27mm와 동일하게 되도록 선택되었고, 상기 EBG 구조의 두께는 대략 1.5mm와 동일하게 되도록 선택되었고, 상기 EBG 구조들 사이의 거리는 대략 4mm와 동일하게 되도록 선택되었다. 베이스들 사이의 거리와 EBG 구조의 두께가 상기에 예시된 바와 같다면, 갭 변경들에 따른 시뮬레이션에서, 상기 도파관에서 상기 EBG 구조의 수직 위치는 즉, 상기 도파관의 하단 베이스와의 갈바닉 접촉에서 상기 도파관의 상단 베이스와의 갈바닉 접촉까지의 간격 또는 공기 갭 hz은 0mm… 0.77mm로 변경될 수 있다. 이러한 간격 또는 공기 갭 hz은 베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112)들) 사이의 간격과 EBG 구조를 포함하는 측벽의 두께에 기반한 것이며, 실시예에 따라 대략 0.8mm까지 커질 수 있다. 허용 가능한 최대 갭 hz는 상기 송신되는 신호의 1/4 파장이고, 동작 주파수가 60GHz인 케이스에서 공기 갭 hz의 최대 값은 1.25 mm이다. 예컨대, 공기 갭 hz의 최대 값 0.77 mm은 동작 주파수가 60GHz인 케이스에서 충분히 적용될 수 있다. 도 22a 내지 도 22c의 그래프들에 도시되어 있는 바와 같이, EBG 구조가 베이스에 접촉된 상태(hz=0)가 아니라면, 상기 공기 갭 hz의 파라미터들은 상기 디바이스의 파라미터들에 대해 전반적으로 심각한 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 예를 들어 상기 파라미터들의 스캐터(scatter)(반사 계수(reflection coefficient), 송신 계수(transmission coefficient) 및 그룹 지연)는 공기 갭 hz의 크기 또는 측벽(들)의 수직 위치의 변동(예: 제작 편차)에 의해 실질적으로 영향을 받지 않을 수 있다. 따라서, 상기 디바이스의 제안된 구조는 전체적으로 매우 다양한 기능을 가지고(versatile), 따라서 높은 제조 정밀도를 요구하지 않는다는 것에 다시 한번 유의해야만 할 것이다.

한 실시예에 따르면, 베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112)들) 사이에서 EBG 구조(113)를 포함하는 측벽(들)의 수직 위치에 따른 디바이스의 파라미터들의 변화가 거의 없으므로, 두께에서의 독립적인 변화를 가지는 광대역 EBG 구조가 획득될 수 있다. 예를 들어, 상기 두께를 증가시키고 기술적 한계들을 극복하는 것이 필요로 될 경우 그는 다중 계층일 수 있다. 즉, 다음이 제공된다: 불필요한 방향에서의 방사의 아이솔레이션(isolation), 상기 조립의 변경 가능한 두께, 상기 대역폭의 확장, 조립 정확도에 대한 민감도의 감소, 상기 가능한 적용 분야의 확장, 및 인쇄 회로 기판들을 제조하기 위한 기존 재료들을 사용하는 것에 대한 가능성.

● 안테나

하기에서는 상기 제안된 디바이스에서 안테나(예: 도 2 내지 도 4의 안테나(120, 121))들의 예시적인 실시 예들을 보다 상세히 설명한다.

상기 안테나는 인쇄 회로 기판을 기반으로 구현되며, 적어도 하나의 매칭 소자(예: 도 6의 매칭 소자(180, 181))와 공진 구조를 포함한다. 상기 공진 구조는 후방 방사(back radiation)를 방지하기 위해 상단 및 하단 계층들 상에 위치될 수 있다. 상기 매칭 소자들은, 예를 들어, 상기에서 도시한 바와 같이, 상기 안테나를 상기 무선 채널(예: 도 2 내지 도 4의 무선 채널(140))에 매칭함으로써 손실들을 감소시키려는 의도를 가진다. 상기 안테나는 공진 구조를 가지는 도파관(예: 도 3 또는 도 4의 도파관(110)) 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 안테나 전원 공급은 마이크로스트립 라인(microstrip line), 스트립 라인(strip line), SIW 도파관과 같은 다양한 구조를 통해 구현될 수 있다. 상기 SIW 도파관의 케이스에서, 전력은 상기 인쇄 회로 기판의 중간 계층들의 공진 구조 사이에서 공급된다.

특히, SIW 도파관을 사용하는 경우, 도파관은 2개의 절단된 EBG 구조들 사이에 포함될(enclosed between) 수 있다. 이를 위해, 상기 절단된 EBG 구조들의 모든 비아들이 상호 연결되어야만 하는 것은 아니며, 가장 바깥쪽의 비아들이 상호 연결되면서 가장 바깥쪽 비아들 사이의 공동(cavity)에 SIW 도파관이 형성될 수 있다. 이러한 SIW 도파관은, 예를 들면, 도 3에 일반적으로 도시되어 있고, 도 23a 내지 도 23e에서 보다 구체적으로 예시되어 있다. EBG 구조의 셀들을 형성하는 전도성 부분들은 인쇄 회로 기판의 전도성 계층들 내에서 서로 전기적으로 연결됨으로써, SIW 도파관의 상부 및 하부 베이스를 형성할 수 있고, 인쇄 회로 기판의 가장 바깥쪽 전도성 계층들 내에서는 서로 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 예컨대, 안테나는 상기 인쇄 회로 기판(예: 도 2 내지 도 4의 인쇄 회로 기판(130, 131))의 일부일 수 있으며, SIW 도파관을 형성하는 EBG 구조는 여기서 상기 후방 방사(backward radiation)의 아이솔레이터(isolator)로서 동작한다. 상기 무선 채널에서 지정된 방향으로 고효율 방사가 제공되며, 모든 소자들을 한 번에 포함하는 인쇄 회로 기판 자체를 제외하고는 외부 파트들이 필요로 되지 않는다.

본 발명의 발명자들은 상기 SIW 도파관을 형성하는 EBG 구조들이 상기 베이스들(예: 전도성 플레이트(111, 112)) 사이에 배열되고, 안테나(120, 121)가 상기 베이스들과 상기 EBG 구조들(예: 측벽들) 사이에 배치되는, 상기 제안된 디바이스의 배열에 대해 시뮬레이션하였으며, 상기 안테나는 결국 절단된 EBG 구조들 사이에 형성된 SIW 도파관을 포함한다.

상기 테스트 장비의 개략도는 도 24에 도시되어 있으며, 상기 투과파(transmitted wave), 반사파(reflected wave)가 어떻게 전파되고, 누출이 어떻게 발생할 수 있는지를 화살표들의 형태로 설명한다. 상기 시뮬레이션된 그래프가 도 25에 도시되어 있다. 특히, 다음과 같은 S-파라미터들이 획득되었다: 상기 동작 주파수 대역에서의 전송 손실 계수는 약 -1dB이고, 상기 리턴 손실 계수는 약 -21dB이고, 상기 아이솔레이션은 약 -37dB였다. 볼 수 있는 바와 같이, 상기 신호는 상기 안테나로부터 상기 무선 채널로의 최소한의 손실로, 즉, 높은 반사 및 누설 손실들 없이, 송신되고, 이에 반해 상기 안테나 매칭은 저하되지 않는다, 즉 상기 안테나로 통합되는 EBG 구조들은 상기 누출을 더 감소시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 상기 손실들은 상기 방사되는 전력의 약 20%로 감소된다. 따라서, 상기 제안된 디바이스는 상기 안테나들 사이의 무선 채널에 전자기장을 집중시키는 것을 허락하고, 방사 아이솔레이션은 미리 결정되어 있는 방향으로 정확하게(strictly) 발생되며, 에너지 효율성의 개선이 성취된다.

상기에서 지시된 바와 같이, 다른 안테나 구현들이 가능하다. 예를 들어, 상기 안테나는 인쇄 회로 기판에 통합되고 마이크로스트립 도파관에 의해 공급되는 폴디드 패치 안테나(folded patch antenna)를 포함할 수 있다(도 26). 그와 같은 안테나의 방사 패턴이 도 27에 도시되어 있고, 상기 S-파라미터 그래프는 도 28에 나타나 있다.

다른 실시 예에서, 상기 안테나는 인쇄 회로 기판에 통합된, 즉 상기 인쇄 회로 기판의 에지에 위치되어 있는, 다이폴 안테나(dipole antenna)를 포함할 수 있다(도 29). 그와 같은 안테나의 상기 방사 패턴은 도 30에 도시되어 있으며, 상기 S-파라미터 그래프는 도 31에 나타나 있다.

상기 제1 안테나(120) 및 상기 도파관 측벽들의 EBG 구조들(113)의 적어도 일부(예를 들어, 1/2)가 단일 인쇄 회로 기판 내에서 단일 EBG 구조를 형성하는 실시 예도 가능하다. 유사하게, 상기 제2 안테나(121) 및 상기 도파관 측벽들의 EBG 구조들(113)의 적어도 일부(예를 들어, 다른 1/2)는 단일 인쇄 회로 기판에 내장될 수 있다. 다른 실시 예에서, 도 32에 도시된 바와 같이, 상기 안테나는 두 측벽들(예: EBG 구조들(113))과 함께 완전히 하나의 인쇄 회로 기판에 통합되고, 상기 다른 안테나는 이 구조에 도킹되어(docked) 무선 채널을 형성한다. 그와 같은 케이스들에서, 상기 제안된 디바이스의 제조가 더욱 간략화된다.

이 문서의 상기의 내용에서는, 상기 안테나들이 상기 도파관에 위치되어 상기 방사 축이 상기 베이스들과 평행인 예제들만 설명되었다. 그러나 상기 방사 축이 상기 베이스들에 직각이 되도록 상기 안테나들이 상기 도파관에 위치되는 실시 예들 역시 가능하다.

특히, 상기 안테나들(120, 121)은 - 예를 들어, 도 33 내지 도 36에 도시되어 있는 바와 같이, 다른 모듈들 상에서 서로 스택화될(stacked) 수 있다.

이 케이스에서, 상기 방사를 제한하는 공진 구조들(EBG 구조들(113))은 별도의 소자들일 수 있으며, 상기 EBG 구조들과 베이스들 사이의 공기 갭을 가지는 두 개의 모듈들 사이의 상기 안테나들의 에지들에 위치될 수 있다(도 33).

다른 실시 예에서, 상기 EBG 구조들(113)은 상기 안테나들(120, 121)이 구현되는 동일한 인쇄 회로 기판들(130, 131)에 통합되고, 이들 안테나들을 커버하고, 상기 EBG 구조들 사이의 거리는 송신을 보장하고 누출을 방지하기 위한 것과 같다(도 34).

다른 실시 예에서, 상기 EBG 구조들(113)은 상기 안테나들(120, 121)이 구현되는 동일한 인쇄 회로 기판들(130, 131)에 통합되고, 이들 안테나들을 커버한다. 상기 제2 모듈은 상기 제1 모듈의 EBG 구조에 대한 베이스들 중 하나로 동작하는, 접지 계층(190)으로 커버되며, 상기 제1 모듈의 EBG 구조와 상기 제2 모듈의 외부 접지 계층 사이의 거리는 송신을 보장하고 누출을 방지하기 위한 것과 같다 (도 35).

다른 실시 예에서, 상기 EBG 구조들(113)은 상기 안테나들(120, 121)이 구현되는 동일한 인쇄 회로 기판들(130, 131)에 통합되고, 이들 안테나들을 커버한다. 상기 EBG 구조들 사이에는, 추가적으로 상기 무선 채널의 영역에 컷아웃(cutout)을 포함하는 중간 전도성 플레이트(191)가 존재한다(도 36a, 도 36b).

이 문서의 상기의 내용에서는, 상기 무선 채널을 통해 한 가지 타입의 웨이브가 송신되는 디폴트 예제들이 설명되었다. 그러나 상기 제안된 디바이스는 매우 다양한 기능을 가지고(versatile), 따라서 서로 직각인 두 가지 타입들의 웨이브들이 상기 무선 채널을 통해 송신 및 수신되는 것을 허락한다(도 37). 상기 도파관의 베이스들 사이의 거리는 추가적인 모드들의 전파에 대해 충분해야만 한다. 즉, 듀플렉스 모드(duplex mode)에서 동시에 데이터를 송신 및 수신하는 것을 허락하는 모드들간의 높은 아이솔레이션이 제공된다.

상기에서 지시된 바와 같이, 상기 EBG 셀들의 전도성 부분들의 사이즈, 모양 및 위치는 특정 적용의 요구 사항들에 따라 선택된다. EBG 셀들의 전도성 부분들은 팔각형, 정사각형, 원형, 삼각형 등으로 이루어질 수 있다. 상기 전도성 부분들은 상기 비아와 중앙에 존재할 필요가 없으며, 오프셋될(offset) 수 있다. 밴드 갭을 가지는 전자기 크리스탈 구조(electromagnetic crystal structure)의 사이징(sizing)의 원리들은 해당 기술 분야의 당업자들에게 알려져 있으며, 본 발명의 대상이 아니다. 상기 메인 요구 사항은 상기 구조가 주기적이어야 한다는 것뿐이다. 상기 격자, 예를 들어, EBG 셀들은 2차원 주기 배열을 형성할 수 있으며, 가상의 선(line)으로 연결할 때, 가상의 선들이 교차하면서 정사각형, 직사각형, 삼각형 등을 형성할 수 있다. 따라서, 셀들을 배열하는 것의 유연성, 사용되어야만 하는 상기 디바이스의 내부 구조들에 대한 도파관의 간략한 적응뿐만 아니라 필요로 되는 전기적 특성들의 편리한 조정이 제공된다.

필요할 경우, 본 발명에 개시되어 있는 상기 EBG 구조들 중 어느 하나는 서로의 상단에 계층화될 수 있다. 이 케이스에서, 그들은 중간 접지 계층에 의해 분리될 수 있다(도 38). 예를 들어, 측벽들은 중간 접지 계층을 사이에 두고 적층된 EBG 구조(들)를 포함할 수 있다. 중간 접지 계층은 적층된 EBG 구조(들)의 전도성 부분과 접촉하지 않을 수 있다.

● 유용한 효과

본 발명에 따른 상기 신호 송신 디바이스는 종래 기술에 비해 많은 이점들을 제공한다. 특히, 이는 개선된 에너지 효율성과, 감소된 RF 전력 누출과, 간략화된 조립 및 제조를 가지는 무선 채널을 제공한다. 데이터 송신 속도는 최대 2Gbps 또는 이상으로 증가된다. 실험 결과를 통해서도, 심각한 지터(jitter) 없이 2.3Gbps로 데이터가 송신될 수 있다는 것을 알 수 있다. 상기 디바이스의 기하학적 구조는 기계적 왜곡에 더 강인하다. 외부 차폐(shielding)가 필요로 되지 않는다. 상기 PCB들 사이의 최소 거리는 1mm 미만으로 감소된다. 상기 접촉들의 증가된 신뢰성 및 더 낮은 공차 요구 사항들이 비접촉식 메커닉(mechanic)들을 사용함으로써 제공된다. 상기 빔 제어가 필요로 되지 않는다. 또한, 본 발명은 PCB 기술들과의 간략화된 통합, 상기 동작 대역폭의 확장, 증가된 소형화 및 상기 디바이스 사이즈들의 변경의 가능성을 제공하며, 디바이스 소자들간의 갈바닉 연결을 필요로 하지 않는다. 상기 제안된 디바이스는 스케일러블(scalable)하고, 콤팩트하며 광대역이고, 낮은 손실들을 가지고, 상기 밀리미터 웨이브 및 subTHz 대역들에서의 적용들에 대해 성공적으로 사용될 수 있다.

상기 RF 신호 송신 디바이스의 구성의 원리 및 기본 예제들이 여기에 도시되어 있다는 것이 이해되어야만 할 것이다. 이러한 원리들을 사용하여 해당 기술 분야의 당업자는 어떠한 창의적인 노력도 하지 않고도 본 발명의 다른 실시 예들을 획득할 수 있을 것이다.

● 적용 가능성

본 발명에 따른 상기 신호 송신 디바이스는, 예를 들어, 이동 네트워크들인 5G (28GHz), WiGig (60GHz), 5G (60 GHz), 6G (subTHz)에 대해서, 자동차 레이더 시스템들(24GHz, 79GHz)에 대해서, 근거리 통신들(60GHz)에 대해서, 스마트 홈 시스템들 및 다른 밀리미터 웨이브 적응적 지능형 시스템들에 대해서, 자동차 내비게이션에 대해서, 사물 인터넷(Internet of things: IoT), 무선 충전 등에 대해서 단거리를 통한 RF 신호 송신을 필요로 하는 전자 디바이스들에서 사용될 수 있다.

여기에서는 "제1", "제2", "제3", 등과 같은 용어들이 다양한 소자들, 컴포넌트들, 영역들, 계층들 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용될 수 있을지라도, 이들 소자들, 컴포넌트들, 영역들, 계층들 및/또는 섹션들은 이들 용어들에 의해 제한되어서는 안 된다는 것이 이해되어야만 할 것이다. 이들 용어들은 하나의 소자, 컴포넌트, 영역, 계층 또는 섹션을 다른 소자, 컴포넌트, 영역, 계층 또는 섹션과 구분하는 데에만 사용된다. 따라서, 제1 소자, 컴포넌트, 영역, 계층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 제2 소자, 컴포넌트, 영역, 계층 또는 섹션으로 칭해질 수 있다. 본 설명에서, 용어 "및/또는"은 각 리스트된 아이템들 중 하나 혹은 그 이상 중 임의의 그리고 모든 조합들을 포함한다. 단수로 언급된 상기 소자들은 별도로 명시되지 않는 한 다수의 소자들을 배제하지 않는다.

상세한 설명 또는 청구항들에서 단일 소자로 명시된 소자의 기능은 실제로 상기 디바이스의 여러 컴포넌트들을 통해 구현될 수 있으며, 그 반대로, 상세한 설명 또는 청구항들에서 다수의 별도의 소자들로 명시된 소자들의 기능은 실제로 단일 컴포넌트로 구현될 수 있다.

일 실시 예에서, 본 디바이스의 소자들/유닛들은 공통 하우징에 배치되고, 동일한 프레임/구조/인쇄 회로 기판에 배치되고, 실장(조립) 동작들에 의해 구조적으로, 그리고 통신 라인들을 통해 기능적으로 서로 연결된다. 별도로 명시되지 않는 한, 상기 통신 라인들 또는 채널들은 기존의 통신 라인들이며, 그 재료 구현은 창의적인 노력을 필요로 하지 않는다. 통신 라인은 유선, 유선들의 집합, 버스, 패스, 무선 통신 링크(유도, 무선 주파수, 적외선, 초음파 등)일 수 있다. 상기 통신 링크들을 통한 통신 프로토콜들은 해당 기술 분야에 알려져 있으며 별도로 개시하지 않는다.

소자들의 기능적 관계는 이들 소자들의 정확한 협력을 서로에게 제공하고 소자들의 특정 기능을 구현하는 연결로 이해되어야만 한다. 기능적 관계의 특정 예제들은 정보의 교환을 제공하는 연결, 전류의 송신을 제공하는 연결, 기계적 움직임의 전달을 제공하는 연결, 빛, 소리, 전자기 또는 기계적 진동, 등의 송신을 제공하는 연결 등일 수 있다. 상기 기능적 관계의 특정 형태는 상기 소자들의 상호 작용의 특성에 의해 결정되며, 별도로 명시되지 않는 한, 해당 기술 분야의 공지된 원리들을 사용하여 공지된 수단에 의해 제공된다.

본 디바이스의 소자들의 구조적 실시 예는 해당 기술 분야의 당업자들에게 공지되어 있으며, 별도로 명시되어 있지 않은 한 본 문서에서 별도로 설명하지 않는다. 상기 디바이스의 소자들은 임의의 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 컴포넌트들은 단지 예제로서 기계 가공(machining) 및 로스트 왁스 주조(lost-wax casting)를 포함하는 알려진 방법들을 사용하여 제조될 수 있다. 상기한 바와 같은 설명에 따른 조립, 연결 및 다른 동작들은 또한 해당 기술 분야의 당업자의 지식에 상응하고, 따라서 여기서 보다 자세히 설명되지 않을 것이다.

본 발명의 본질 및 범위를 벗어나지 않는 본 발명의 다양한 다른 수정들 및 실시 예들이 상세한 설명에 포함되어 있는 정보 및 해당 기술 분야의 지식을 기반으로 해당 기술 분야의 당업자들에게 명백할 것이기 때문에, 예시적인 실시 예들이 상세하게 설명되고 첨부된 도면들에 도시되어 있을 지라도, 그와 같은 실시 예들은 단지 예시적인 것이며 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명이 도시되어 있고 설명된 특정 배열들 및 구성들로 제한되어서는 안 된다는 것이 이해되어야만 할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 문서에 개시된 다양한 실시예에 따르면, 신호들(예: 도 2 내지 도 4의 전자기 신호 또는 고주파 신호(150))을 송신하는 디바이스(예: 도 2 내지 도 4의 디바이스(100))는, 서로 평행한 제1 전도성 베이스(conductive base) 및 제2 전도성 베이스(예: 도 2 내지 도 4의 전도성 플레이트(111, 112)), 상기 제1 전도성 베이스와 제2 전도성 베이스 사이에 위치되며, 적어도 하나의 EBG(전자기 밴드 갭; electromagnetic band gap) 구조(예: 도 2 내지 도 4의 EBG 구조(113))를 포함하는 측벽들에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 도파관(예: 도 3 또는 도 4의 도파관(110)), 및 신호들이 송신되는 방향(예: 방사 축으로서, 도 2 내지 도 4의 신호(150)가 송신되는 방향)을 따라 서로 마주보는 적어도 두 개의 지향성 안테나(예: 도 2 내지 도 4의 안테나(120, 121))들을 포함하며, 각 안테나는 인쇄 회로 기판을 기반으로 하며, 상기 인쇄 회로 기판의 상부 계층 및 하부 계층 상에 위치되고 있으며 후방 복사를 방지하도록 구성된 다른 EBG 구조(예: 도 23a 내지 도 23e의 EBG 구조)와, 적어도 하나의 매칭 소자(matching element)(예: 도 6의 매칭 소자(180, 181))를 포함하고, 상기 안테나들 각각의 적어도 일부는 상기 도파관 내부에 위치되어 상기 안테나들 사이의 영역에서 전자기 신호들을 전송하는 무선 채널(예: 도 2 내지 도 4의 무선 채널(140))을 형성하며, 상기 적어도 하나의 매칭 소자는 상기 무선 채널 근처에 위치되고, 상기 안테나를 상기 무선 채널과 매치하도록 구성될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 측벽들 또는 상기 안테나에 포함된 EBG 구조는 2차원 주기 배열 격자(two-dimensional periodic lattice)를 이루도록 나란히 배치된 다수의 셀(예: 도 10 또는 도 14 참조)들을 포함하고, 각 셀은, 상기 인쇄 회로 기판의 유전체 계층을 사이에 두고 제1 및 제2 전도성 계층들 내에서 서로 평행하게 위치되어 있는 전도성 부분(예: 도 11의 접촉 패드(211))들, 및 상기 유전체 계층을 통과하여 상기 전도성 부분들을 서로 연결하는 전도성 소자(예: 도 11의 전도성 소자(213))를 포함하며, 상기 인쇄 회로 기판의 상기 제1 및 제2 전도성 계층들 중 적어도 하나 내의 인접 셀들의 상기 전도성 부분들은 전기적으로 상호 연결되지 않을 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조는 유전체 갭에 의해 상기 제1 전도성 베이스와 상기 제2 전도성 베이스 중 적어도 하나로부터 분리되고, 상기 디바이스는 상기 유전체 갭의 영역에서 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조와 상기 제1 전도성 베이스 또는 상기 제2 전도성 베이스 사이에 위치되는 스페이서(spacer)들(예: 도 37 참조)을 더 포함하고, 상기 스페이서들은 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조를 고정시키면서 상기 유전체 갭을 제공하며, 상기 스페이서들은 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조의 인접 셀들이 서로 접촉하지 않도록 위치될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 스페이서들은 전도성이고, 상기 스페이서들로부터 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조와 상기 무선 채널 간의 경계 사이에는 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조의 셀들 중 적어도 3개의 셀들이 배치(예: 도 37 참조)될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 측벽들 또는 상기 안테나에 포함된 EBG 구조 셀의 전도성 소자는 금속화된 비아(metallized via)로 제조되고, 상기 측벽들 또는 상기 안테나에 포함된 EBG 구조 셀의 전도성 부분은 접촉 패드(contact pad)로 제조될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 안테나들 중 적어도 하나는, 다중 계층을 가진(multi layered) 상기 인쇄 회로 기판 내에서, 적어도 2개의 EBG 구조들 및 상기 적어도 2개의 EBG 구조들 사이에 형성된 SIW 도파관(서브스트레이트(substrate) 통합 도파관)(예: 도 23a 내지 도 23e 참조)을 포함하며, 상기 안테나에 포함된 EBG 구조의 인접 셀들의 전도성 부분들은 상기 인쇄 회로 기판의 전도성 계층들 내에서 서로 전기적으로 연결되어 상기 SIW 도파관의 상부 및 하부 베이스를 형성하고, 상기 안테나에 포함된 EBG 구조들의 인접 셀들의 전도성 부분들은, 상기 인쇄 회로 기판의 가장 바깥쪽 전도성 계층들 내에서, 서로 전기적으로 연결되지 않을 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 측벽들의 EBG 구조들 중 적어도 일부 및 상기 안테나들 중 적어도 하나는 단일 인쇄 회로 기판 내의 단일 EBG 구조를 구성할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 도파관의 적어도 일부와 상기 안테나들 중 적어도 하나는 단일 인쇄 회로 기판으로 통합될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 안테나들은 서로 직각인 두 가지 타입들의 웨이브(wave)들을 상기 무선 채널을 통해 송신 및 수신하도록 구성될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 안테나들 중 적어도 하나는 마이크로스트립(microstrip) 도파관에 의해 동작되는(energized), 상기 인쇄 회로 기판에 통합되는 폴디드 패치 안테나(folded patch antenna)를 포함(예: 도 26 참조)할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 안테나들 중 적어도 하나는 상기 인쇄 회로 기판에 통합되는 다이폴 안테나(예: 도 29 또는 도 30 참조)를 포함할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 안테나들은 신호들이 송신되는 방향이 상기 베이스들에 평행하도록 상기 도파관에 배치될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 안테나들은 신호들이 송신되는 방향이 상기 베이스들에 직각이 되도록 상기 도파관에 위치될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 전도성 베이스, 측벽들 및 상기 안테나들 중 어느 하나는 제1 인쇄 회로 기판에 통합되고, 상기 제2 전도성 베이스 및 상기 안테나들 중 다른 하나는 제2 인쇄 회로 기판에 통합될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 측벽들은 적어도 2개의 EBG 구조들을 포함하고, 상기 디바이스는 상기 무선 채널의 상기 영역에서 슬롯을 포함하는 전도성 플레이트(conductive plate)(예: 도 36a 또는 도 36b 참조)를 더 포함하고, 상기 제1 전도성 베이스, 상기 측벽들의 EBG 구조들 중 적어도 하나, 및 상기 안테나들 중 어느 하나는 제1 인쇄 회로 기판에 통합되고, 상기 제2 전도성 베이스, 상기 측벽들의 EBG 구조들 중 다른 적어도 하나 및 상기 안테나들 중 다른 하나는 제2 인쇄 회로 기판에 통합될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 측벽들은 중간 접지 계층(예: 도 14 내지 도 18 참조)을 더 포함하고, 상기 EBG 구조는 상기 중간 접지 계층의 상부에 적층된 제1 EBG 구조와 상기 중간 접지 계층의 하부에 적층되어 상기 제1 EBG 구조로부터 분리된 제2 EBG 구조를 포함할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기와 같은 디바이스는, 상기 도파관 내에서 상기 지향성 안테나들 사이에 형성된 무선 채널을 더 포함하고, 상기 지향성 안테나들 중 적어도 하나는, SIW(substrate integrated waveguide) 도파관을 형성하는 다른 적어도 하나의 EBG 구조와, 상기 무선 채널에 인접하게 위치된 적어도 하나의 매칭 소자를 포함할 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조는 상기 제1 전도성 플레이트 또는 제2 전도성 플레이트와 용량성 결합을 형성하도록 구성될 수 있다.

다양한 실시예에 따르면, 상기 지향성 안테나들은 상기 도파관 내에서 제1 방향의 전기장을 생성하는 제1 모드와, 제1 방향과 직교하는 제2 방향의 전기장을 생성하는 제2 모드 중 어느 하나를 이용하여 전자기 신호를 전송하도록 구성될 수 있다.

100: 디바이스 110: 도파관
111: 제1 전도성 플레이트 112: 제2 전도성 플레이트
113: EBG 구조(측벽) 120: 제1 안테나
121: 제2 안테나 130: 제1 인쇄 회로 기판
131: 제2 인쇄 회로 기판 140: 무선 채널
150: 전자기 신호(고주파 신호) 160: 입력
170: 출력 180, 181: 매칭 소자

Claims

신호들을 송신하는 디바이스에 있어서,
서로 평행한 제1 전도성 베이스(conductive base) 및 제2 전도성 베이스,
상기 제1 전도성 베이스와 제2 전도성 베이스 사이에 위치되며, 적어도 하나의 EBG(전자기 밴드 갭; electromagnetic band gap) 구조를 포함하는 측벽들에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 도파관; 및
신호들이 송신되는 방향을 따라 서로 마주보는 적어도 두 개의 지향성 안테나들을 포함하며,
각 안테나는 인쇄 회로 기판을 기반으로 하며, 상기 인쇄 회로 기판의 상부 계층 및 하부 계층 상에 위치되고 있으며 후방 복사를 방지하도록 구성된 다른 EBG 구조와, 적어도 하나의 매칭 소자(matching element)를 포함하며;
상기 안테나들 각각의 적어도 일부는 상기 도파관 내부에 위치되어 상기 안테나들 사이의 영역에서 전자기 신호들을 전송하는 무선 채널을 형성하고,
상기 적어도 하나의 매칭 소자는 상기 무선 채널 근처에 위치되고, 상기 안테나를 상기 무선 채널과 매치하도록 구성되는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 측벽들 또는 상기 안테나에 포함된 EBG 구조는 2차원 주기 배열 격자(two-dimensional periodic lattice)를 이루도록 나란히 배치된 다수의 셀들을 포함하고, 각 셀은:
상기 인쇄 회로 기판의 유전체 계층을 사이에 두고 제1 및 제2 전도성 계층들 내에서 서로 평행하게 위치되어 있는 전도성 부분들, 및
상기 유전체 계층을 통과하여 상기 전도성 부분들을 서로 연결하는 전도성 소자를 포함하며;
상기 인쇄 회로 기판의 상기 제1 및 제2 전도성 계층들 중 적어도 하나 내의 인접 셀들의 상기 전도성 부분들은 전기적으로 상호 연결되지 않는 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 측벽들에 포함된 EBG 구조는 유전체 갭에 의해 상기 제1 전도성 베이스와 상기 제2 전도성 베이스 중 적어도 하나로부터 분리되고,
상기 디바이스는 상기 유전체 갭의 영역에서 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조와 상기 제1 전도성 베이스 또는 상기 제2 전도성 베이스 사이에 위치되는 스페이서(spacer)들을 더 포함하고, 상기 스페이서들은 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조를 고정시키면서 상기 유전체 갭을 제공하며, 상기 스페이서들은 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조의 인접 셀들이 서로 접촉하지 않도록 위치되는 디바이스.
제3항에 있어서,
상기 스페이서들은 전도성이고, 상기 스페이서들로부터 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조와 상기 무선 채널 간의 경계 사이에는 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조의 셀들 중 적어도 3개의 셀들이 배치된 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 측벽들 또는 상기 안테나에 포함된 EBG 구조 셀의 전도성 소자는 금속화된 비아(metallized via)로 제조되고, 상기 측벽들 또는 상기 안테나에 포함된 EBG 구조 셀의 전도성 부분은 접촉 패드(contact pad)로 제조되는 디바이스.
제2항에 있어서,
상기 안테나들 중 적어도 하나는, 다중 계층을 가진(multi layered) 상기 인쇄 회로 기판 내에서, 적어도 2개의 EBG 구조들 및 상기 적어도 2개의 EBG 구조들 사이에 형성된 SIW 도파관(서브스트레이트(substrate) 통합 도파관)을 포함하며,
상기 안테나에 포함된 EBG 구조의 인접 셀들의 전도성 부분들은 상기 인쇄 회로 기판의 전도성 계층들 내에서 서로 전기적으로 연결되어 상기 SIW 도파관의 상부 및 하부 베이스를 형성하고,
상기 안테나에 포함된 EBG 구조들의 인접 셀들의 전도성 부분들은, 상기 인쇄 회로 기판의 가장 바깥쪽 전도성 계층들 내에서, 서로 전기적으로 연결되지 않는 디바이스.
제6항에 있어서,
상기 측벽들의 EBG 구조들 중 적어도 일부 및 상기 안테나들 중 적어도 하나는 단일 인쇄 회로 기판 내의 단일 EBG 구조를 구성하는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 도파관의 적어도 일부와 상기 안테나들 중 적어도 하나는 단일 인쇄 회로 기판으로 통합되는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 안테나들은 서로 직각인 두 가지 타입들의 웨이브(wave)들을 상기 무선 채널을 통해 송신 및 수신하도록 구성되는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 안테나들 중 적어도 하나는 마이크로스트립(microstrip) 도파관에 의해 동작되는(energized), 상기 인쇄 회로 기판에 통합되는 폴디드 패치 안테나(folded patch antenna)를 포함하는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 안테나들 중 적어도 하나는 상기 인쇄 회로 기판에 통합되는 다이폴 안테나를 포함하는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 안테나들은 신호들이 송신되는 방향이 상기 베이스들에 평행하도록 상기 도파관에 배치되는 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 안테나들은 신호들이 송신되는 방향이 상기 베이스들에 직각이 되도록 상기 도파관에 위치되는 디바이스.
제13항에 있어서,
상기 제1 전도성 베이스, 측벽들 및 상기 안테나들 중 어느 하나는 제1 인쇄 회로 기판에 통합되고, 상기 제2 전도성 베이스 및 상기 안테나들 중 다른 하나는 제2 인쇄 회로 기판에 통합되는 디바이스.
제13항에 있어서,
상기 측벽들은 적어도 2개의 EBG 구조들을 포함하고,
상기 디바이스는 상기 무선 채널의 상기 영역에서 슬롯을 포함하는 전도성 플레이트(conductive plate)를 더 포함하고,
상기 제1 전도성 베이스, 상기 측벽들의 EBG 구조들 중 적어도 하나, 및 상기 안테나들 중 어느 하나는 제1 인쇄 회로 기판에 통합되고, 상기 제2 전도성 베이스, 상기 측벽들의 EBG 구조들 중 다른 적어도 하나 및 상기 안테나들 중 다른 하나는 제2 인쇄 회로 기판에 통합되는 디바이스.
제13항에 있어서,
상기 측벽들은 중간 접지 계층을 더 포함하고, 상기 EBG 구조는 상기 중간 접지 계층의 상부에 적층된 제1 EBG 구조와 상기 중간 접지 계층의 하부에 적층되어 상기 제1 EBG 구조로부터 분리된 제2 EBG 구조를 포함하는 디바이스.
신호들을 송신하는 디바이스에 있어서,
서로 평행하게 배치된 제1 전도성 플레이트와 제2 전도성 플레이트;
상기 제1 전도성 플레이트와 상기 제2 전도성 플레이트 사이에 배치되며, 적어도 하나의 EBG(전자기 밴드 갭; electromagnetic band gap) 구조를 포함하는 측벽들;
적어도 부분적으로 상기 제1 전도성 플레이트와 상기 제2 전도성 플레이트와 상기 측벽들에 둘러싸인 도파관; 및
적어도 부분적으로 상기 도파관 내에 배치되며, 지정된 간격을 두고 서로 마주보게 배치된 한 쌍의 지향성 안테나들을 포함하고,
상기 측벽들 중 적어도 하나와 상기 지향성 안테나들 중 적어도 하나가 하나의 인쇄 회로 기판에 통합되며,
상기 지향성 안테나들은 상기 도파관의 적어도 일부분을 이용하여 서로 전자기 신호를 송수신하도록 설정된 디바이스.
제17항에 있어서,
상기 도파관 내에서 상기 지향성 안테나들 사이에 형성된 무선 채널을 더 포함하고,
상기 지향성 안테나들 중 적어도 하나는, SIW(substrate integrated waveguide) 도파관을 형성하는 다른 적어도 하나의 EBG 구조와, 상기 무선 채널에 인접하게 위치된 적어도 하나의 매칭 소자를 포함하는 디바이스.
제17항에 있어서, 상기 측벽들에 포함된 EBG 구조는 상기 제1 전도성 플레이트 또는 제2 전도성 플레이트와 용량성 결합을 형성하도록 구성된 디바이스.
제17항에 있어서, 상기 지향성 안테나들은 상기 도파관 내에서 제1 방향의 전기장을 생성하는 제1 모드와, 제1 방향과 직교하는 제2 방향의 전기장을 생성하는 제2 모드 중 어느 하나를 이용하여 전자기 신호를 전송하도록 구성된 디바이스.