KR20220068511A - 안테나 장치 - Google Patents
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Abstract
안테나 장치는 제1 RF 신호를 송수신하는 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna), 제2 RF 신호를 송수신하고 유전체 공진기 안테나와 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩하는 패치 안테나 패턴, 유전체 공진기 안테나로 급전하는 제1 피드비아, 그리고 패치 안테나 패턴으로 급전하는 제2 피드비아를 포함하고, 제1 RF 신호의 주파수는 제2 RF 신호의 주파수보다 낮다.
Description
본 기재는 안테나 장치에 관한 것이다.
이동통신의 데이터 트래픽(Data Traffic)은 매년 비약적으로 증가하는 추세이다. 이러한 비약적인 데이터를 무선망에서 실시간으로 지원해 주고자 활발한 기술 개발이 진행 중에 있다. 예를 들어, IoT(Internet of Thing) 기반 데이터의 컨텐츠화, AR(Augmented Reality), VR(Virtual Reality), SNS와 결합한 라이브 VR/AR, 자율 주행, 싱크뷰 (Sync View, 초소형 카메라 이용해 사용자 시점 실시간 영상 전송) 등의 애플리케이션(Application)들은 대용량의 데이터를 주고 받을 수 있게 지원하는 통신(예: 5G 통신, mmWave 통신 등)을 필요로 한다.
따라서, 최근 5세대(5G) 통신을 포함하는 밀리미터웨이브(mmWave)통신이 활발하게 연구되고 있으며, 이를 원활히 구현하는 안테나 장치의 상용화/표준화를 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.
높은 주파수 대역(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz 등)의 RF 신호는 전달되는 과정에서 쉽게 흡수되고 손실로 이어지므로, 통신의 품질은 급격하게 떨어질 수 있다. 따라서, 높은 주파수 대역의 통신을 위한 안테나는 기존 안테나 기술과는 다른 기술적 접근법이 필요하게 되며, 안테나 이득(Gain) 확보, 안테나와 RFIC의 일체화, EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 확보 등을 위한 별도의 전력 증폭기 등 특수한 기술 개발을 요구할 수 있다.
일 실시예는 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단을 제공하면서도 쉽게 소형화될 수 있는 안테나 장치를 제공하는 것이다.
일 실시예는 안테나의 대역폭을 넓게 확보하면서 이득을 개선하기 위한 것이다.
일 실시예는 서로 다른 복수의 주파수 대역 간의 격리도를 향상시켜서 서로 다른 복수의 주파수 대역 각각의 이득을 향상시킬 수 있는 안테나 장치를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따르면, 안테나 장치는 제1 RF 신호를 송수신하는 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna), 제2 RF 신호를 송수신하고 유전체 공진기 안테나와 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩하는 패치 안테나 패턴, 유전체 공진기 안테나로 급전하는 제1 피드비아, 그리고 패치 안테나 패턴으로 급전하는 제2 피드비아를 포함하고, 제1 RF 신호의 주파수는 제2 RF 신호의 주파수보다 낮다.
유전체 공진기 안테나의 유전율은 패치 안테나 패턴이 구현되어 있는 유전층의 유전율보다 높을 수 있다.
안테나 장치는 제1 피드비아를 유전체 공진기 안테나에 전기적으로 연결시키는 제3 피드비아를 더 포함할 수 있다.
유전체 공진기 안테나는 제1 유전체 블록, 제1 유전체 블록 위에 위치하는 폴리머층, 그리고 폴리머층 위에 위치하는 제2 유전체 블록을 포함할 수 있다.
안테나 장치는 제1 유전체 블록의 상면에 위치하고, 제3 피드비아와 전기적으로 연결되어 있는 금속 패치를 더 포함할 수 있다.
안테나 장치는 제1 피드비아와 전기적으로 연결되어 있으며, 제1 피드비아로부터 멀어지는 방향으로 확장되어 있는 스트립 패턴을 더 포함할 수 있다.
안테나 장치는 패치 안테나 패턴에 커플링되어 있고, 제1 피드비아에 근접하여 위치하는 복수의 차폐비아를 더 포함할 수 있다.
복수의 차폐비아는 패치 안테나 패턴으로 송수신되는 신호로부터 제1 피드비아를 차폐할 수 있다.
제1 피드비아는 서로 편파인 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호가 각각 통과하는 제1-1 피드비아 및 제1-2 피드비아를 포함할 수 있다.
제2 피드비아는 서로 편파인 제2-1 RF 신호와 제2-2 RF 신호가 각각 통과하는 제2-1 피드비아 및 제2-2 피드비아를 포함할 수 있다.
안테나 장치는 제1 피드비아의 상단에 전기적으로 연결되어 있으며, 적어도 일부분이 권선 형태인 권선 피드패턴(winding feed pattern)을 더 포함할 수 있다.
권선 피드패턴은 권선 피드패턴의 끝 분이 연장되어 있는 연장 파트를 포함할 수 있다.
안테나 장치는, 제1 유전율을 갖는 유전층, 유전층에 위치하는 패치 안테나 패턴, 패치 안테나 패턴 위에 위치하고, 제2 유전율을 갖는 유전체 공진기 안테나, 유전체 공진기 안테나에 커플링되어 있는 제1 피드비아, 그리고 패치 안테나 패턴에 커플링되어 있는 제2 피드비아를 포함하고, 제2 유전율은 상기 제1 유전율보다 높다.
패치 안테나 패턴은 적어도 일부가 유전체 공진기 안테나와 수직 방향으로 중첩할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단을 제공하면서도 쉽게 소형화될 수 있다.
일 실시예에 따르며, 안테나의 대역폭을 넓게 확보하면서 이득을 개선할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 서로 다른 복수의 주파수 대역 간의 격리도를 향상시켜서 서로 다른 복수의 주파수 대역 각각의 이득을 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도 및 측면도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도 및 측면도이다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도 및 평면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 장치의 배열을 나타낸 평면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 장치의 배열을 나타낸 평면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 하측의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 하측의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3b는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3c는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도 및 측면도이다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도 및 평면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 장치의 배열을 나타낸 평면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 장치의 배열을 나타낸 평면도이다.
도 13은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 하측의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 하측의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "커플링(coupling)"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 또는 물리적으로 커플링되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 간접적으로 커플링되어 있는 경우, 또는 비접촉 커플링되어 있는 경우를 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 또는 물리적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "간접적으로 또는 비접촉 연결"되어 있는 경우, 또는 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 패턴(pattern), 비아(via), 플레인(plane), 라인(line), 그리고 전기연결구조체(electrical connection structure)는, 금속 재료(예: 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 도전성 물질)를 포함할 수 있으며, CVD(chemical vapor deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), 서브트랙티브(Subtractive), 애디티브(Additive), SAP(Semi-Additive Process), MSAP(Modified Semi-Additive Process) 등의 도금 방법에 따라 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 유전층 및/또는 절연층은 FR4, LCP(Liquid Crystal Polymer), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic), 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러와 함께 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 수지, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine), 감광성 절연(Photo Imagable Dielectric: PID) 수지, 일반 동박 적층판(Copper Clad Laminate, CCL) 또는 글래스나 세라믹 (ceramic) 계열의 절연재 등으로 구현될 수도 있다.
명세서 전체에서, RF(Radio Frequency) 신호는 Wi-Fi(IEEE 802. 11 패밀리 등), WiMAX(IEEE 802. 16 패밀리 등), IEEE 802. 20, LTE(long term evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPS, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 3G, 4G, 5G 및 그 이후의 것으로 지정된 임의의 다른 무선 및 유선 프로토콜들에 따른 형식을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
그러면 일 실시예에 따른 안테나 장치에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도 및 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna)(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)을 포함함으로써 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단을 제공할 수 있다.
안테나 장치(100)는, 제1 피드비아(121a)와 제2 피드비아(122a)를 포함한다. 제1 피드비아(121a)는 유전체 공진기 안테나(160)로 직접 급전 또는 커플링 피딩(coupling feeding)에 의한 간접 급전을 제공할 수 있으며, 제2 피드비아(122a)는 패치 안테나 패턴(112a)로 직접 급전 또는 커플링 피딩에 의한 간접 급전을 제공할 수 있다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 제3 피드비아(127a)를 포함할 수 있다. 제3 피드비아(127a)는 제1 피드비아(121a) 및 유전체 공진기 안테나(160)를 전기적으로 연결시키고 있으며, 유전체 공진기 안테나(160)의 내부에 삽입되어 있다. 이외에도, 제3 피드비아(127a)는 유전체 공진기 안테나(160)의 외부 표면에 위치할 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160)는 제1 피드비아(121a) 및 제3 피드비아(127a)를 통하여 급전을 제공받을 수 있으며, 이에 따라 급전 효율이 증대될 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160)는 급전을 통하여 유전체에 공진 모드를 발생시켜 전자기파를 방사할 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160)가 대기 중에 있을 때에는 유전체 공진기 안테나(160)의 측면은 공기와 접하도록 형성될 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160)는 세라믹 물질 또는 유전율이 1 보다 큰 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160)는 체적과 유전율에 기초하여 공진 주파수가 정해질 수 있다. 이에 따라, 유전체 공진기 안테나(160)를 구성하는 물질의 유전율과 면적을 활용하여, 안테나 장치(100)의 소형화가 가능하다.
유전체 공진기 안테나(160)는 제1 피드비아(121a)로부터 제1 주파수 대역(예: 28GHz)의 제1 RF 신호를 제공받아서 송신하거나 제1 RF 신호를 수신하여 제1 피드비아(121a)로 제공할 수 있다.
패치 안테나 패턴(112a)은 제2 피드비아(122a)로부터 제2 주파수 대역(예: 39GHz)의 제2 RF 신호를 제공받아서 송신하거나 제2 RF 신호를 수신하여 제2 피드비아(122a)로 제공할 수 있다. 제2 RF 신호의 주파수는 제1 RF 신호의 주파수보다 높을 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)은 각각 제1 및 제2 주파수 대역에 대해 공진하여, 제1 및 제2 신호에 대응되는 에너지를 집중적으로 수용하여 외부로 방사할 수 있다.
또한, 안테나 장치(100)는 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있다. 그라운드 플레인(201a)은 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(111a, 112a)이 방사하는 제1 및 제2 RF 신호 중 그라운드 플레인(201a)을 향하여 방사되는 제1 및 제2 RF 신호를 반사할 수 있으므로, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)의 방사패턴을 특정 방향(예: z방향)으로 집중시킬 수 있다. 이에 따라, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)의 이득은 향상될 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)의 공진은, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)와 그 주변의 구조에 대응하는 인덕턴스와 캐패시턴스의 조합에 따른 공진 주파수에 기반하여 발생할 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a) 각각의 상면 및/또는 하면의 크기는 공진 주파수에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a) 각각의 상면 및/또는 하면의 크기는 방사되는 제1 및 제2 RF 신호에 각각 대응하는 제1 및 제2 파장에 종속적일 수 있다
유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)의 적어도 일부분은 상하방향(예: z방향)으로 중첩된다. 이에 따라, 안테나 장치(100)의 수평방향(예: x방향 및/또는 y방향) 크기는 크게 감소할 수 있으므로, 안테나 장치(100)는 전반적으로 쉽게 소형화될 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160)를 구성하는 유전체의 유전율은 패치 안테나 패턴(112a)이 구현되어 있는 유전층(150)의 유전율보다 높다. 이에 따라, 상대적으로 높은 유전율을 갖는 유전체 공진기 안테나(160)로 인하여, 유전체 공진기 안테나(160)의 전기적 길이가 짧아질 수 있기 때문에, 전체 안테나 장치(100)의 크기가 작아질 수 있다. 또한, 유전체 공진기 안테나(160)의 공진 주파수는 유전율과 체적에 기초하여 정해지므로, 유전체 공진기 안테나(160)의 체적을 조절함으로써, 전체 안테나 장치(100)의 크기가 더욱 작아질 수 있으며, 안테나 장치(100)의 설계의 자유도가 증가할 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160)는 단일층 구조 또는 다층(multi-layer) 구조를 갖는다. 유전체 공진기 안테나(160)가 다층 구조를 갖는 경우, 유전체 공진기 안테나(160)의 대역폭이 더욱 충분히 확보될 수 있다. 예를 들어, 단일층의 두께를 두껍게 하는 것에는 제약이 있으므로, 복수의 층을 사용하는 경우 유전체 공진기 안테나(160)와 그라운드 플레인(201a)의 사이의 거리가 증가하여, 대역폭이 확장될 수 있다. 또한, 다층 구조에서, 유전체 공진기 안테나(160)가 커플링 피딩에 의해 간접 급전되는 경우, 유전체 공진기 안테나(160)에서 하나의 공진을 형성시켜 대역폭이 확장될 수 있으며, 설계의 자유도도 증가할 수 있다.
안테나 패턴(112a)이 구현되어 있는 유전층(150)은 단일층 구조 또는 다층 구조를 갖는다. 유전층(150)이 다층 구조를 갖는 경우, 패치 안테나 패턴(112a)의 대역폭이 더욱 충분히 확보될 수 있다. 예를 들어, 단일층의 두께를 두껍게 하는 것에는 제약이 있으므로, 복수의 층을 사용하는 경우 패치 안테나 패턴(112a)과 그라운드 플레인(201a)의 사이의 거리가 증가하여, 대역폭이 확장될 수 있다. 또한, 다층 구조에서, 패치 안테나 패턴(112a)이 커플링 피딩에 의해 간접 급전되는 경우, 유전층(150)에서 하나의 공진을 형성시켜 대역폭이 확장될 수 있으며, 설계의 자유도도 증가할 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160)와 제1 피드비아(121a)는 전기연결구조체(190)를 통하여 연결될 수 있다. 예를 들어, 전기연결구조체(190)는 솔더볼(solder ball), 핀(pin), 랜드(land), 패드(pad)과 같은 구조를 가질 수 있다.
제1 피드비아(121a) 및 제2 피드비아(122a)는 그라운드 플레인(201a)의 적어도 하나의 관통홀을 관통하도록 배치된다. 이에 따라, 제1 피드비아(121a) 및 제2 피드비아(122a) 각각의 일단은 그라운드 플레인(201a)의 상측에 위치하고, 제1 피드비아(121a) 및 제2 피드비아(122a) 각각의 타단은 그라운드 플레인(201a)의 하측에 위치한다. 여기서, 제1 피드비아(121a) 및 제2 피드비아(122a)의 타단은 IC(Integrated Circuit)에 연결됨으로써, 제1 RF 신호 및 제2 RF 신호를 IC로 제공하거나, IC로부터 제공받을 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)이 방사하는 제1 RF 신호 및 제2 RF 신호 중 그라운드 플레인(201a)을 향하여 방사하는 제1 RF 신호 및 제2 RF 신호는, 그라운드 플레인(201a)에 의하여 반사되므로, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)과 IC 사이의 전자기적 격리도는 그라운드 플레인(201a)에 의해 향상될 수 있다. 이에 따라, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)의 방사패턴을 특정 방향(예: z방향)으로 집중시킬 수 있으므로, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)의 이득은 향상될 수 있다.
안테나 장치(100)에서 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)은 각각 제1 및 제2 피드비아(121a, 122a)를 통하여 상하방향(예: z방향)으로 IC와 전기적으로 연결되어 있다. 이에 따라, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)과 IC 사이의 상하방향(예: z방향) 길이가 상대적으로 짧으므로, 제1 및 제2 피드비아(121a, 122a)는 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)과 IC 사이의 전기적 거리를 쉽게 줄일 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)부터 IC까지의 전기적 길이가 짧기 때문에, 제1 및 제2 RF 신호의 안테나 장치(100) 내에서의 전송 에너지 손실은 감소할 수 있으며, 이에 따라 안테나 장치(100)의 이득이 개선될 수 있다.
또한, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)의 적어도 일부분이 중첩될 경우, 제1 피드비아(121a)는 유전체 공진기 안테나(160)에 전기적으로 연결되기 위해 패치 안테나 패턴(112a)을 관통하도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 제1 및 제2 RF 신호의 안테나 장치(100) 내에서의 전송 에너지 손실은 감소할 수 있으며, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)에서의 제1 및 제2 피드비아(121a, 122a)의 연결 지점은 더욱 자유롭게 설계될 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 피드비아(121a, 122a)의 연결 지점은 제1 및 제2 RF 신호 관점에서의 전송선로 임피던스에 영향을 줄 수 있다. 전송선로 임피던스는 특정 임피던스(예: 50옴)에 가까이 매칭될수록 제1 및 제2 RF 신호의 제공 과정에서의 반사현상을 줄일 수 있으므로, 제1 및 제2 피드비아(121a, 122a)의 연결 지점의 설계 자유도가 높을 경우, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)의 이득은 더욱 쉽게 향상될 수 있다.
지지패턴(125a, 126a, 129a)은 선택적으로 유전층(150) 및 유전체 공진기 안테나(160)에 위치할 수 있다. 지지패턴(125a, 126a, 129a)은 금속으로 구성되며, 전기연결구조체(190)와 접촉하며, 이에 따라, 유전층(150)과 유전체 공진기 안테나(160)가 전기연결구조체(190)와 단단히 접착되도록 만들 수 있다. 또한, 지지패턴(125a, 126a, 129a)은 제1 피드비아(121a)의 폭이나 전기연결구조체(190)의 폭보다 더 넓은 폭을 가질 수 있다. 다층 PCB 제조에서 얼라인먼트(alignment)할 때 공정 오차가 발생할 수 있는데, 이러한 지지 패턴(125a, 126a, 129a)은 제1 피드비아(121a)의 폭이나 전기연결구조체(190)의 폭보다 넓은 폭을 갖기 때문에, 다층 PCB 제조에서 단선이 발생기지 않도록 만들 수 있다. 그러나, 지지 패턴(125a, 126a, 129a)은 설계에 따라 생략될 수 있다.
도 3a는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3a를 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(160), 패치 안테나 패턴(112a), 제1 피드비아(121a), 그리고 제2 피드비아(122a)를 포함한다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있으며, 선택적으로 전기연결구조체(190)를 포함할 수 있다. 도 3a의 안테나 장치(100)의 구성들 중에서 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)와 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)에 대한 설명이 적용된다.
패치 안테나 패턴(112a)의 적어도 일부는 유전체 공진기 안테나(160)와 수직 방향으로 중첩하며, 패치 안테나 패턴(112a)의 평면적은 유전체 공진기 안테나(160)의 평면적보다 작을 수 있다. 이에 따라, 안테나 장치(100)의 전체 크기가 작아지기 때문에, 안테나 장치(100)의 소형화가 가능하다.
도 3b는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3b를 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(160), 패치 안테나 패턴(112a), 제1 피드비아(121a), 그리고 제2 피드비아(122a)를 포함한다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있으며, 선택적으로 전기연결구조체(190)를 포함할 수 있다. 도 3b의 안테나 장치(100)의 구성들 중에서 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)와 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)에 대한 설명이 적용된다.
유전체 공진기 안테나(160)는 제1 유전체 블록(161), 제1 유전체 블록(161) 위에 위치하는 폴리머층(163), 그리고 폴리머층(163) 위에 위치하는 제2 유전체 블록(162)을 포함한다. 이러한 유전체 공진기 안테나(160)의 구조로 인하여, 대역폭이 확장될 수 있으며, 이득이 개선될 수 있다. 예를 들어, 제1 유전체 블록(161)만 있는 경우 대략 35GHz 부근에서 단일의 공진이 발생할 수 있으며 보어사이트(boresight)에서의 최대 이득이 대략 2 dB일 수 있다. 그러나, 도 3의 유전체 공진기 안테나(160)의 경우 대략 27GHz 부근과 31GHz 부근에서 이중의 공진이 발생할 수 있으며 보어사이트에서의 최대 이득이 대략 5 dB일 수 있다.
제1 유전체 블록(161)과 제2 유전체 블록(162)은, 각각 직육면체 형상을 가질 수 있으며, 서로 동일한 평면 형상을 가질 수 있으며, 그리고 평면뷰(planar view)에서 적어도 일부가 서로 중첩할 수 있다.
제1 유전체 블록(161)과 제2 유전체 블록(162)은 각각 급전을 통하여 공진 모드를 발생시켜 전자기파를 방사할 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160)가 대기 중에 있을 때에는 제1 유전체 블록(161)과 제2 유전체 블록(162)의 각각의 측면은 공기와 접하도록 형성될 수 있다.
제1 유전체 블록(161)과 제2 유전체 블록(162)은 각각 세라믹 물질 또는 유전율이 1 보다 큰 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 제1 유전체 블록(161)과 제2 유전체 블록(162)은 각각 체적과 유전율에 기초하여 공진 주파수가 정해질 수 있다. 이에 따라, 제1 유전체 블록(161)과 제2 유전체 블록(162) 각각을 구성하는 물질의 유전율과 면적을 활용하여, 안테나 장치(100)의 소형화가 가능하다. 제1 유전체 블록(161)과 제2 유전체 블록(162)의 유전율은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있다.
폴리머층(163)은 제1 유전체 블록(161)과 제2 유전체 블록(162) 사이에 개재되며, 이러한 유전체 블록들을 서로 접합시킬 수 있다. 폴리머층(163)은 폴리이미드계 고분자(polyimide-based polymer), 폴리메틸메타크릴레이트계 고분자(poly(methyl methacrylate)-based polymer), 폴리테트라플로오로에틸렌계 고분자(polytetrafluoroethylene-based polymer), 폴리페닐렌에테르계 고분자(polyphenylene ether-based polymer, 벤조사이클로부텐계 고분자(benzocylcobutene-based polymer), 액정 고분자(liquid crystal polymer), 또는 이들을 하나 이상 포함할 수 있다. 폴리머층(163)의 유전율은 제1 유전체 블록(161)의 유전율보다 낮을 수 있고, 제2 유전체 블록(162)의 유전율보다 낮을 수 있다.
안테나 장치(100)는 선택적으로 제3 피드비아(127a)를 포함할 수 있다. 제3 피드비아(127a)는 제1 피드비아(121a) 및 제1 유전체 블록(161)을 전기적으로 연결시키고 있으며, 제1 유전체 블록(161)의 내부에 삽입되어 있을 수 있다. 이외에도 제3 피드비아(127a)는 제1 유전체 블록(161)의 외부 표면에 위치할 수 있다. 제1 유전체 블록(161) 및 제2 유전체 블록(162)은 제1 피드비아(121a) 및 제3 피드비아(127a)를 통하여 급전을 제공받을 수 있으며, 이에 따라 급전 효율이 증대될 수 있다.
안테나 장치(100)는 선택적으로 제1 유전체 블록(161)의 상면에 위치하는 금속 패치(124a)를 포함할 수 있다. 금속 패치(124a)는 폴리머층(163)의 하면에 위치한다. 금속 패치(124a)는 제3 피드비아(127a)와 전기적으로 연결되어 있으며, 이에 따라 급전 효율이 더욱 증대될 수 있다. 금속 패치(124a)는 다각형, 원형 등 다양한 형상의 평면을 다양한 크기로 가질 수 있다. 금속 패치(124a)의 크기와 형상을 변경함으로써, 제1 피드비아(121a) 및 제3 피드비아(127a)와 함께 조합되어 안테나 장치(100)의 설계 자유도가 향상될 수 있다.
도 3c는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3c를 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(160), 패치 안테나 패턴(112a), 제1 피드비아(121a), 그리고 제2 피드비아(122a)를 포함한다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 제3 피드비아(127a)를 포함할 수 있으며, 선택적으로 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있으며, 그리고 선택적으로 전기연결구조체(190)를 포함할 수 있다. 도 4의 안테나 장치(100)의 구성들 중에서 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)와 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)에 대한 설명이 적용된다.
안테나 장치(100)는 스트립 패턴(strip pattern)(117a)을 포함한다. 스트립 패턴(117a)은 제1 피드비아(121a)로부터 멀어지는 방향으로 확장되어 있으며, 제1 피드비아(121a)와 제3 피드비아(127a)를 서로 전기적으로 연결시킨다. 스트립 패턴(117a)은 패치 안테나 패턴(112a)의 평면과 평행한 평면을 가질 수 있다. 스트립 패턴(117a)을 통하여 유전체 공진기 안테나(160)로 급전되는 경로의 전기적 길이가 조절될 수 있으며, 이에 따라 임피던스 매칭 자유도가 증대될 수 있으며, 안테나 장치(100)의 이득이 개선될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4를 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(160), 패치 안테나 패턴(112a), 제1 피드비아(121a), 그리고 제2 피드비아(122a)를 포함한다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있으며, 선택적으로 전기연결구조체(190)를 포함할 수 있다. 도 4의 안테나 장치(100)의 구성들 중에서 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)와 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)에 대한 설명이 적용된다.
안테나 장치(100)는 유전체 공진기 안테나(160)의 외부 표면에 위치하는 급전 패턴(127b)을 포함한다. 급전 패턴(127b)은 유전체 공진기 안테나(160)의 외부 측면과 하면에 위치하며, 전기연결구조체(190)와 전기적으로 연결되어 있다. 급전 패턴(127b)은 전기연결구조체(190)에 의하여 제1 피드비아(121a)와 전기적으로 연결되어 있으며, 유전체 공진기 안테나(160)로 급전 경로를 제공한다. 급전 패턴(127b)의 전기적 길이가 조절될 수 있으며, 이에 따라 임피던스 매칭 자유도가 증대될 수 있으며, 안테나 장치(100)의 이득이 개선될 수 있다.
도 5 및 도 6은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도 및 측면도이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(160), 패치 안테나 패턴(112a), 제1 피드비아(121a), 제2 피드비아(122a), 그리고 복수의 차폐비아들(131a)을 포함한다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 제3 피드비아(127a)를 포함할 수 있으며, 선택적으로 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있으며, 그리고 선택적으로 전기연결구조체(190)를 포함할 수 있다. 도 5 및 6의 안테나 장치(100)의 구성들 중에서 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)와 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100)에 대한 설명이 적용된다.
복수의 차폐비아들(131a)은 제1 피드비아(121a)에 근접하여 위치한다. 예를 들어, 복수의 차폐비아들(131a)은 제1 피드비아(121a)를 둘러싸도록 배열될 수 있다. 복수의 차폐비아들(131a)은 패치 안테나 패턴(112a)과 그라운드 플레인(201a) 사이를 연결시키도록 배치될 수 있다. 복수의 차폐비아들(131a)은 패치 안테나 패턴(112a)으로 송수신되는 신호로부터 제1 피드비아(121a)를 차폐할 수 있다.
제1 피드비아(121a)는 패치 안테나 패턴(112a)을 관통하도록 배치됨에 따라 패치 안테나 패턴(112a)에 집중된 제2 RF 신호의 방사에 영향을 받을 수 있는데, 복수의 차폐비아들(131a)이 이러한 영향을 줄여서 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a) 각각의 이득의 열화를 줄일 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160)에서 방사되는 제1 RF 신호 중 제2 피드비아(122a)를 향하여 방사되는 제1 RF 신호는 복수의 차폐비아들(131a)에 의해 반사될 수 있으므로, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 개선될 수 있으며, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a) 각각의 이득은 향상될 수 있다.
복수의 차폐비아들(131a)의 개수와 폭은 특별히 한정되지 않는다. 복수의 차폐비아들(131a) 사이의 간격이 특정 길이(예: 제1 RF 신호의 제1 파장에 종속적인 길이 또는 제2 RF 신호의 제2 파장에 종속적인 길이)보다 짧을 경우, 제1 RF 신호 또는 제2 RF 신호는 복수의 차폐비아들(131a) 사이 공간을 실질적으로 통과하지 못할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 더욱 개선될 수 있다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 측면도 및 평면도이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(160), 패치 안테나 패턴(112a), 2 개의 제1 피드비아들(121a, 121b), 그리고 2 개의 제2 피드비아들(122a, 122b)을 포함한다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 복수의 차폐비아들(131a)을 포함할 수 있으며, 선택적으로 제3 피드비아(127a)를 포함할 수 있으며, 선택적으로 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있으며, 그리고 선택적으로 전기연결구조체(190)를 포함할 수 있다. 도 7 및 8의 안테나 장치(100)의 구성들 중에서 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100) 또는 도 5 및 도 6의 안테나 장치(100)와 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100) 또는 도 5 및 도 6의 안테나 장치(100)에 대한 설명이 적용된다.
2 개의 제1 피드비아들(121a, 121b)은 각각 위상이 서로 다른 복수의 편파를 송수신할 수 있다. 2 개의 제2 피드비아들(122a, 122b)도 각각 위상이 서로 다른 복수의 편파를 송수신할 수 있다.
제1 피드비아들(121a, 121b)은 서로 편파인 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호가 각각 통과할 수 있다. 제2 피드비아들(122a, 122b)은 서로 편파인 제2-1 RF 신호와 제2-2 RF 신호가 각각 통과할 수 있다.
유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a) 각각은 복수의 RF 신호를 송수신할 수 있으며, 복수의 RF 신호는 서로 다른 데이터가 실린 복수의 캐리어 신호일 수 있다. 이에 따라, 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a) 각각의 데이터 송수신율은 복수의 RF 신호의 송수신에 따라 2배 향상될 수 있다.
예를 들어, 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호는 서로 다른 위상(예: 90도 또는 180도 위상차)을 가져서 서로에 대한 간섭을 줄일 수 있으며, 제2-1 RF 신호와 제2-2 RF 신호는 서로 다른 위상(예: 90도 또는 180도 위상차)을 가져서 서로에 대한 간섭을 줄일 수 있다.
예를 들어, 제1-1 RF 신호와 제2-1 RF 신호는 전파방향(예: z방향)에 수직이며 서로 수직인 x방향 및 y방향에 대해 각각 전계와 자계를 형성하고, 제1-2 RF 신호와 제2-2 RF 신호는 x방향 및 y방향에 대해 각각 자계와 전계를 형성함으로써, RF 신호 간의 편파를 구현할 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160) 및 패치 안테나 패턴(112a)에서 제1-1 RF 신호와 제2-1 RF 신호에 대응되는 표면전류와 제1-2 RF 신호와 제2-2 RF 신호에 대응되는 표면전류는 서로 수직을 이루도록 흐를 수 있다. 여기서, x 방향 및 y 방향은 패치 안테나 패턴(112a)의 서로 수직인 변들이 나타내는 방향과 일치하며, z 방향은 패치 안테나 패턴(112a)에 대한 법선 방향과 일치한다.
도 9는 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 9를 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(160), 패치 안테나 패턴(112a), 2 개의 제1 피드비아들(121a, 121b), 그리고 2 개의 제2 피드비아들(122a, 122b)을 포함한다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 복수의 차폐비아들(131a)을 포함할 수 있으며, 선택적으로 제3 피드비아(127a)를 포함할 수 있으며, 선택적으로 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있으며, 그리고 선택적으로 전기연결구조체(190)를 포함할 수 있다. 도 9의 안테나 장치(100)의 구성들 중에서 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100), 도 5 및 도 6의 안테나 장치(100), 또는 도 7 및 도 8의 안테나 장치(100)와 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1 및 도 2의 안테나 장치(100), 도 5 및 도 6의 안테나 장치(100), 또는 도 7 및 도 8의 안테나 장치(100)에 대한 설명이 적용된다.
복수의 차폐비아들(131a)은 서로 대칭으로 배열되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 피드비아(121a) 및 제2 피드비아(122a)를 연결하는 가상의 제1 연장선(V1)을 기준으로 하여, 복수의 차폐비아들(131a)은 서로 좌우 대칭으로 배열되어 있으며, 또한 제1 피드비아(121b) 및 제2 피드비아(122b)를 연결하는 가상의 제2 연장선(V1)을 기준으로 하여, 복수의 차폐비아들(131a)은 서로 좌우 대칭으로 배열되어 있다.
복수의 차폐비아들(131a)이 서로 대칭으로 배열되어 있는 경우, 도 8에 도시된 복수의 차폐비아들의 비대칭 배열 구조와 비교할 때, 방사 패턴에서 최대 이득이 보어사이트(boresight) 쪽으로 이동하면서, 최대 이득(peak gain)과 보어사이트에서의 이득(gain at boresight)의 차이가 줄어들 수 있다. 또한, 복수의 차폐비아들의 대칭 배열 구조의 경우, 전자기장 분배도(E-field distribution)에서 안테나 장치(100) 안에서 유기되는 전류의 양이 복수의 차폐비아들의 비대칭 배열 구조보다 균일할 수 있으며, 안테나 장치(100)에서 프린징 필드(fringing field)의 크기(magnitude)가 더 커질 수 있다. 이에 따라, 안테나 장치(100)의 빔 틸팅(beam tilting) 현상이 완화될 수 있으며, 보어사이트에서의 이득이 향상될 수 있으며, 대역폭 내에서 균일한 이득이 형성될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 10을 참고하면, 안테나 장치(100)는, 유전체 공진기 안테나(160), 패치 안테나 패턴(112a), 2 개의 제1 피드비아들(121a, 121b), 2 개의 제2 피드비아들(122a, 122b), 그리고 2 개의 권선 피드패턴들(winding feed pattern)(140a, 140b)을 포함한다. 안테나 장치(100)는 선택적으로 복수의 차폐비아들(131a)을 포함할 수 있으며, 선택적으로 2 개의 제3 피드비아들(127a, 127b)을 포함할 수 있으며, 선택적으로 2 개의 스트립 패턴들(117a, 117b)을 포함할 수 있으며, 선택적으로 그라운드 플레인(201a)을 포함할 수 있으며, 그리고 선택적으로 전기연결구조체(190)를 포함할 수 있다. 도 10의 안테나 장치(100)의 구성들 중에서 도 1 내지 도 9의 안테나 장치(100)와 중복되는 구성들에 대해서는 전술한 도 1 내지 도 9의 안테나 장치(100)에 대한 설명이 적용된다.
권선 피드패턴들(140a, 140b)은 각각 제1 피드비아들(121a, 121b)의 상단에 전기적으로 연결되어 있고, 패치 안테나 패턴(112a)으로부터 이격되어 있다. 제1 피드비아들(121a, 121b)과 패치 안테나 패턴(112a)의 이격으로 발생한 공간에, 권선 피드패턴들(140a, 140b)이 위치할 수 있으므로, 권선 피드패턴들(140a, 140b)의 설계의 자유도가 개선될 수 있다
권선 피드패턴들(140a, 140b) 각각은 적어도 일부분이 권선 형태이다. 예를 들어, 권선 피드패턴들(140a, 140b) 각각은 제1 권선 피드패턴(141a), 제2 권선 피드패턴(142a), 또는 권선 비아(143a) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 제2 권선 피드패턴(142a)은 연장 파트(144a)를 포함할 수 있다.
권선 피드패턴들(140a, 140b) 각각은 패치 안테나 패턴(112a)에 대한 전자기적 커플링에 의하여 패치 안테나 패턴(112a)으로 급전 경로를 제공한다. 권선 피드패턴들(140a, 140b)이 급전 경로로 사용될 수 있으므로, 각각의 권선 피드패턴들(140a, 140b)을 통해 전송되는 RF 신호에 대응되는 권선 전류는 권선 피드패턴들(140a, 140b)을 통해 흐를 수 있다. 권선 전류의 방향은 권선 피드패턴들(140a, 140b)의 권선 형태에 대응하여 회전할 수 있다. 이에 따라, 권선 피드패턴들(140a, 140b)의 자기 인덕턴스(self-inductance)가 부스트(boost)될 수 있으므로, 권선 피드패턴들(140a, 140b)은 비교적 큰 인덕턴스를 가질 수 있다. 권선 피드패턴들(140a, 140b) 각각은 인덕턴스를 패치 안테나 패턴(112a)으로 제공할 수 있으며, 이에 따라 패치 안테나 패턴(112a)은 인덕턴스에 대응되는 추가 공진 주파수에 기반하여 더욱 넓은 대역폭을 가질 수 있다.
권선 피드패턴들(140a, 140b) 각각의 적어도 일부분은 권선 형태의 일 끝부분에서 서로 다른 복수의 방향들로 연장된 형태를 가질 수 있다. 권선 피드패턴들(140a, 140b) 각각은 연장 파트(144a)를 포함할 수 있다. 연장 파트(144a)에서 연장 방향들의 개수가 많거나 연장 파트(144a)에서 연장 방향들 간의 각도가 클수록, 권선 피드패턴들(140a, 140b) 각각에서 RF 신호에 대응되는 에너지는 연장 파트(144a)에 더욱 집중될 수 있다.
권선 피드패턴들(140a, 140b) 각각은 에너지가 집중된 연장 파트(144a)를 포함하므로, 패치 안테나 패턴(112a)은 연장 파트(144a)를 급전 경로의 임피던스 정합을 위한 중계점으로 사용할 수 있다. 이에 따라, 연장 파트(144a)는 패치 안테나 패턴(112a)에 대한 급전 경로의 임피던스 정합 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 안테나 장치(100)에서 권선 피드패턴들(140a, 140b)의 패치 안테나 패턴(112a)에 대한 전자기적 커플링 집중도가 커질 수 있으므로, 패치 안테나 패턴(112a)의 이득이 더욱 향상될 수 있다.
제3 피드비아들(127a, 127b) 각각은 제1 피드비아들(121a, 121b) 및 유전체 공진기 안테나(160)를 연결하고 있으며, 유전체 공진기 안테나(160)의 내부에 삽입되어 있다. 이외에도 제3 피드비아들(127a, 127b) 각각은 유전체 공진기 안테나(160)의 외부 표면에 위치할 수 있다. 유전체 공진기 안테나(160)는 제1 피드비아들(121a, 121b) 및 제3 피드비아들(127a, 127b)을 통하여 급전을 제공받을 수 있으며, 이에 따라 급전 효율이 증대될 수 있다.
스트립 패턴들(117a, 117b) 각각은 제1 피드비아들(121a, 121b)로부터 멀어지는 방향으로 확장되어 있으며, 제1 피드비아들(121a, 121b)들과 제3 피드비아들(127a, 127b)을 서로 전기적으로 연결시킨다. 스트립 패턴들(117a, 117b) 각각은 패치 안테나 패턴(112a)의 평면과 평행한 평면을 가질 수 있다. 스트립 패턴들(117a, 117b)을 통하여 유전체 공진기 안테나(160)로 급전되는 경로의 전기적 길이가 조절될 수 있으며, 이에 따라 임피던스 매칭 자유도가 증대될 수 있으며, 안테나 장치(100)의 이득이 개선될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 장치의 배열을 나타낸 평면도이다.
안테나 어레이(antenna array)는 복수의 안테나 장치들(100)을 포함한다. 복수의 안테나 장치들(100) 각각은 전술한 도 1 내지 도 10의 안테나 장치들 중 하나일 수 있다. 이러한 배열 안테나가 5G 밀리미터웨이브 통신에 사용되는 경우, 배열 안테나는 크기가 소형이면서도, 5G 주파수 대역에 대해 높고 균일한 이득을 가질 수 있다.
복수의 안테나 장치들(100)의 사이에 복수의 안테나 장치들(100)을 가로막도록 복수의 차폐 구조체들(180)이 선택적으로 위치할 수 있다. 이러한 복수의 차폐 구조체들(180)은 복수의 안테나 장치들(100) 사이의 간섭을 방지할 수 있으며, 이에 따라 안테나 어레이의 이득이 증대될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 안테나 장치의 배열을 나타낸 평면도이다.
안테나 어레이는 복수의 안테나 장치들(100)을 포함한다. 복수의 안테나 장치들(100) 각각은 전술한 도 1 내지 도 10의 안테나 장치들 중 하나일 수 있다. 이러한 배열 안테나가 5G 밀리미터웨이브 통신에 사용되는 경우, 배열 안테나는 크기가 소형이면서도, 5G 주파수 대역에 대해 높고 균일한 이득을 가질 수 있다.
복수의 안테나 장치들(100) 각각의 적어도 하나의 변은 평면뷰(planar view)에서 복수의 안테나 장치들(100)이 실장되는 기판의 한 변을 기준으로 하여 일정한 각도로 슬랜트(slant)되어 있다. 예를 들어, 안테나 장치(100)에서 패치 안테나 패턴(112a)의 적어도 하나의 변 또는 유전체 공진기 안테나(160)의 적어도 하나의 변이 평면뷰에서 슬랜트되어 있다. 슬랜트되어 있는 복수의 안테나 장치들(100) 사이에서는 복수의 패치 안테나 패턴들(112a)이 서로 평행하지 않게 배열되어 있으므로, 복수의 패치 안테나 패턴들(112a) 사이의 커플링이 약화될 수 있다. 또한, 복수의 유전체 공진기 안테나들(160)이 서로 평행하지 않게 배열되어 있으므로, 복수의 유전체 공진기 안테나들(160) 사이의 커플링이 약화될 수 있다. 이에 따라, 복수의 안테나 장치들(100) 사이의 커플링으로 인하여 안테나 장치(100)의 이득 손실이 발생할 수 있는데, 이러한 이득 손실이 슬랜트되어 있는 복수의 안테나 장치들(100) 사이에서는 적을 수 있다.
복수의 안테나 장치들(100)의 사이에 복수의 안테나 장치들(100)을 가로막도록 복수의 차폐 구조체들(180)이 선택적으로 위치할 수 있다. 이러한 복수의 차폐 구조체들(180)은 복수의 안테나 장치들(100) 사이의 간섭을 방지할 수 있으며, 이에 따라 안테나 어레이의 이득이 증대될 수 있다.
도 13은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 하측의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 13을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 연결 부재(200), IC(310), 접착 부재(320), 전기연결구조체(330), 봉합재(340), 수동 부품(350), 그리고 코어 부재(410) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
연결 부재(200)는 인쇄회로기판(PCB)과 같이 기 설계된 패턴을 가지는 복수의 금속층과 복수의 절연층이 적층된 구조를 가질 수 있다.
IC(310)는 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있다. IC(310)는 연결 부재(200)의 배선에 연결되어 RF 신호를 전달하거나 전달받을 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 연결되어 그라운드를 제공받을 수 있다. 예를 들어, IC(310)는 주파수 변환, 증폭, 필터링, 위상제어, 그리고 전원생성 중 적어도 일부를 수행하여 변환된 신호를 생성할 수 있다.
접착 부재(320)는 IC(310)와 연결 부재(200)를 서로 접착시킬 수 있다.
전기연결구조체(330)는 IC(310)와 연결 부재(200)를 연결시킬 수 있다. 예를 들어, 전기연결구조체(330)는 솔더볼, 핀, 랜드, 패드와 같은 구조를 가질 수 있다. 전기연결구조체(330)는 연결 부재(200)의 배선과 그라운드 플레인보다 낮은 용융점을 가져서 이러한 낮은 용융점을 이용한 소정의 공정을 통해 IC(310)와 연결 부재(200)를 연결시킬 수 있다.
봉합재(340)는 IC(310)의 적어도 일부를 봉합할 수 있으며, IC(310)의 방열성능과 충격 보호성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 봉합재(340)는 PIE(Photo Imageable Encapsulant), ABF (Ajinomoto Build-up Film), 에폭시 몰딩 컴파운드(epoxy molding compound, EMC) 등으로 구현될 수 있다.
수동 부품(350)은 연결 부재(200)의 하면 상에 배치될 수 있으며, 전기연결구조체(330)를 통해 연결 부재(200)의 배선 및/또는 그라운드 플레인에 연결될 수 있다. 예를 들어, 수동 부품(350)은 캐패시터(예: Multi-Layer Ceramic Capacitor(MLCC))나 인덕터, 칩저항기 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
코어 부재(410)는 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있으며, 외부로부터 IF(intermediate frequency) 신호 또는 기저대역(base band) 신호를 전달받아 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 IF 신호 또는 기저대역 신호를 전달받아 외부로 전달하도록 연결 부재(200)에 연결될 수 있다. 여기서, RF 신호의 주파수(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz)는 IF 신호(예: 2GHz, 5GHz, 10GHz 등)의 주파수보다 크다.
예를 들어, 코어 부재(410)는 연결 부재(200)의 IC 그라운드 플레인에 포함될 수 있는 배선을 통해 IF 신호 또는 기저대역 신호를 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 전달받을 수 있다. 연결 부재(200)의 그라운드 플레인이 IC 그라운드 플레인과 배선의 사이에 배치되므로, 안테나 장치 내에서 IF 신호 또는 기저대역 신호와 RF 신호는 전기적으로 격리될 수 있다.
도 14는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 하측의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 14를 참고하면, 일 실시예에 따른 안테나 장치는, 차폐 부재(360), 커넥터(420), 그리고 칩 안테나(430) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
차폐 부재(360)는 연결 부재(200)의 하측에 배치되어 연결 부재(200)와 함께 IC(310)와 봉합재(340)를 가두도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(360)는 IC(310), 수동 부품(350), 그리고 봉합재(340) 모두를 함께 커버(예: conformal shield)하거나 각각 커버(예: compartment shield)하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(360)는 일면이 개방된 육면체의 형태를 가지고, 연결 부재(200)와의 결합을 통해 육면체의 수용공간을 가질 수 있다. 차폐 부재(360)는 구리와 같이 높은 전도도의 물질로 구현되어 짧은 스킨뎁스(skin depth)를 가질 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 연결될 수 있다. 따라서, 차폐 부재(360)는 IC(310)와 수동 부품(350)이 받을 수 있는 전자기적 노이즈를 줄일 수 있다. 그러나, 봉합재(340)는 설계에 따라 생략될 수 있다.
커넥터(420)는 케이블(예: 동축케이블, 연성PCB)의 접속구조를 가질 수 있으며, 연결 부재(200)의 IC 그라운드 플레인에 연결될 수 있으며, 서브기판과 유사한 역할을 수행할 수 있다. 커넥터(420)는 케이블로부터 IF 신호, 기저대역 신호 및/또는 전원을 제공받거나 IF 신호 및/또는 기저대역 신호를 케이블로 제공할 수 있다.
칩 안테나(430)는 일 실시예에 따른 안테나 장치에 보조하여 RF 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 예를 들어, 칩 안테나(430)는 절연층보다 큰 유전율을 가지는 유전체 블록과, 유전체 블록의 양면에 배치되는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 복수의 전극 중 하나는 연결 부재(200)의 배선에 연결될 수 있으며, 다른 하나는 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 연결될 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 15를 참고하면, 안테나 장치(100)는 전자기기(700)의 세트 기판(600) 상에서 전자기기(700)의 측면 경계에 인접하여 배치될 수 있다. 안테나 장치(100)는 전술한 도 1 내지 도 14의 안테나 장치들 중 하나일 수 있다.
전자기기(700)는 스마트 폰(smart phone), 개인용 정보 단말기(personal digital assistant), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 네트워크 시스템(network system), 컴퓨터(computer), 모니터(monitor), 태블릿(tablet), 랩탑(laptop), 넷북(netbook), 텔레비전(television), 비디오 게임(video game), 스마트 워치(smart watch), 오토모티브(Automotive) 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
세트 기판(600) 상에는 통신모듈(610) 및 기저대역 회로(620)가 더 배치될 수 있다. 안테나 장치(100)는 동축케이블(630)을 통해 통신모듈(610) 및/또는 기저대역 회로(620)에 연결될 수 있다.
통신모듈(610)은 디지털 신호처리를 수행하도록 휘발성 메모리(예컨대, DRAM), 비-휘발성 메모리(예컨대, ROM), 플래시 메모리 등의 메모리 칩; 센트랄 프로세서(예컨대, CPU), 그래픽 프로세서(예컨대, GPU), 디지털 신호 프로세서, 암호화 프로세서, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러 등의 어플리케이션 프로세서 칩; 아날로그-디지털 컨버터, ASIC(application-specific IC) 등의 로직 칩 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.
기저대역 회로(620)는 아날로그-디지털 변환, 아날로그 신호에 대한 증폭, 필터링 및 주파수 변환을 수행하여 베이스 신호를 생성할 수 있다. 기저대역 회로(620)로부터 입출력되는 베이스 신호는 케이블을 통해 안테나 장치로 전달될 수 있다.
예를 들어, 베이스 신호는 전기연결구조체와 코어 비아와 배선을 통해 IC로 전달될 수 있다. IC는 베이스 신호를 밀리미터웨이브(mmWave) 대역의 RF 신호로 변환할 수 있다.
유전층(1140)은 일 실시예에 따른 안테나 장치 내에서 패턴, 비아, 플레인, 라인, 전기연결구조체가 배치되지 않은 영역에 채워질 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 16을 참고하면, 안테나 장치(100)는 전자기기(700)의 세트 기판(600) 상에서 다각형의 전자기기(700)의 변의 중심에 각각 인접하여 배치될 수 있으며, 세트 기판(600) 상에는 통신모듈(610) 및 기저대역 회로(620)가 더 배치될 수 있다. 안테나 장치(100)는 동축케이블(630)을 통해 통신모듈(610) 및/또는 기저대역 회로(620)에 연결될 수 있다. 안테나 장치(100)는 전술한 도 1 내지 도 14의 안테나 장치들 중 하나일 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.
도 17을 참고하면, 안테나 장치(100)는 전자기기(700)의 세트 기판(600) 상에서 다각형의 전자기기(700)의 변에 수직으로 세워져 배치될 수 있다. 예를 들어, 전자기기(700)의 상측 변에 위치하는 안테나 장치(100)는 안테나 장치(100)의 보어사이트 방향이 X 방향일 수 있으며, 전자기기(700)의 좌측 변에 위치하는 안테나 장치(100)는 안테나 장치(100)의 보어사이트 방향이 전자기기(700)로부터 멀어지는 Y 방향일 수 있다. 세트 기판(600) 상에는 통신모듈(610) 및 기저대역 회로(620)가 더 배치될 수 있다. 안테나 장치(100)는 동축케이블(630)을 통해 통신모듈(610) 및/또는 기저대역 회로(620)에 연결될 수 있다. 안테나 장치(100)는 전술한 도 1 내지 도 14의 안테나 장치들 중 하나일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
112a: 패치 안테나 패턴
117a, 117b: 스트립 패턴(strip pattern)
121a, 121b: 제1 피드비아(feed via)
122a, 122b: 제2 피드비아
127a, 127b: 제3 피드비아
131a: 복수의 차폐비아(shielding via)
150: 유전층(dielectric layer)
160: 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna)
201a: 그라운드 플레인(ground plane)
117a, 117b: 스트립 패턴(strip pattern)
121a, 121b: 제1 피드비아(feed via)
122a, 122b: 제2 피드비아
127a, 127b: 제3 피드비아
131a: 복수의 차폐비아(shielding via)
150: 유전층(dielectric layer)
160: 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna)
201a: 그라운드 플레인(ground plane)
Claims (16)
- 제1 RF 신호를 송수신하는 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna),
제2 RF 신호를 송수신하고, 상기 유전체 공진기 안테나와 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩하는 패치 안테나 패턴,
상기 유전체 공진기 안테나로 급전하는 제1 피드비아, 그리고
상기 패치 안테나 패턴으로 급전하는 제2 피드비아
를 포함하고,
상기 제1 RF 신호의 주파수는 상기 제2 RF 신호의 주파수보다 낮은 안테나 장치.
- 제1항에서,
상기 유전체 공진기 안테나의 유전율은 상기 패치 안테나 패턴이 구현되어 있는 유전층의 유전율보다 높은 안테나 장치.
- 제2항에서,
상기 제1 피드비아를 상기 유전체 공진기 안테나에 전기적으로 연결시키는 제3 피드비아를 더 포함하는 안테나 장치.
- 제1항에서,
상기 유전체 공진기 안테나는 제1 유전체 블록, 상기 제1 유전체 블록 위에 위치하는 폴리머층, 그리고 상기 폴리머층 위에 위치하는 제2 유전체 블록을 포함하는 안테나 장치.
- 제4항에서,
상기 제1 피드비아를 상기 유전체 공진기 안테나에 전기적으로 연결시키는 제3 피드비아를 더 포함하는 안테나 장치.
- 제5항에서,
상기 제1 유전체 블록의 상면에 위치하고, 상기 제3 피드비아와 전기적으로 연결되어 있는 금속 패치를 더 포함하는 안테나 장치.
- 제1항에서,
상기 제1 피드비아와 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 제1 피드비아로부터 멀어지는 방향으로 확장되어 있는 스트립 패턴을 더 포함하는 포함하는 안테나 장치.
- 제1항에서,
상기 패치 안테나 패턴에 커플링되어 있고, 상기 제1 피드비아에 근접하여 위치하는 복수의 차폐비아를 더 포함하는 포함하는 안테나 장치.
- 제8항에서,
상기 복수의 차폐비아는 상기 패치 안테나 패턴으로 송수신되는 신호로부터 상기 제1 피드비아를 차폐하는 안테나 장치.
- 제1항에서,
상기 제1 피드비아는 서로 편파인 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호가 각각 통과하는 제1-1 피드비아 및 제1-2 피드비아를 포함하는 안테나 장치.
- 제10항에서,
상기 제2 피드비아는 서로 편파인 제2-1 RF 신호와 제2-2 RF 신호가 각각 통과하는 제2-1 피드비아 및 제2-2 피드비아를 포함하는 안테나 장치.
- 제1항에서,
상기 제1 피드비아의 상단에 전기적으로 연결되어 있으며, 적어도 일부분이 권선 형태인 권선 피드패턴(winding feed pattern)을 더 포함하는 안테나 장치.
- 제12항에서,
상기 권선 피드패턴은 상기 권선 피드패턴의 끝 분이 연장되어 있는 연장 파트를 포함하는 안테나 장치.
- 제1 유전율을 갖는 유전층,
상기 유전층에 위치하는 패치 안테나 패턴,
상기 패치 안테나 패턴 위에 위치하고, 제2 유전율을 갖는 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna),
상기 유전체 공진기 안테나에 커플링되어 있는 제1 피드비아, 그리고
상기 패치 안테나 패턴에 커플링되어 있는 제2 피드비아
를 포함하고,
상기 제2 유전율은 상기 제1 유전율보다 높은 안테나 장치.
- 제14항에서,
상기 유전체 공진기 안테나는 제1 유전체 블록, 상기 제1 유전체 블록 위에 위치하는 폴리머층, 그리고 상기 폴리머층 위에 위치하는 제2 유전체 블록을 포함하는 안테나 장치.
- 제14항에서,
상기 패치 안테나 패턴은 적어도 일부가 상기 유전체 공진기 안테나와 수직 방향으로 중첩하는 안테나 장치.
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