KR20220127312A - 다층 임피던스 변환부를 구비한 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 기기 - Google Patents

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Abstract

실시 예에 따른 안테나 모듈을 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 다층 기판(multi-layer substrate)으로 구성된 상기 안테나 모듈에 배치되는 송수신부 회로(transceiver circuit); 상기 안테나 모듈의 제1 레이어에 배치되고, 상기 송수신부 회로와 전기적으로 연결되도록 구성된 제1 전송 선로(transmission line); 상기 안테나 모듈의 제2 레이어에 배치되고, 안테나와 전기적으로 연결되도록 구성된 제2 전송 선로; 및 상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로를 수직하게 연결하도록 구성된 수직 비아(vertical via)를 포함하고, 상기 수직 비아와 연결되는 상기 제1 및 제2 전송 선로 중 적어도 하나는 임피던스 변환부를 구비한다.

Description

다층 임피던스 변환부를 구비한 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 기기
본 명세서는 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 기기에 관한 것이다. 특정 구현은 다층 임피던스 변환부를 구비한 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 기기에 관한 것이다.
전자기기(electronic devices)의 기능이 다양화됨에 따라 음악이나 동영상 파일의 재생, 게임, 방송의 수신 등의 복합적인 기능들을 갖춘 멀티미디어 기기(Multimedia player)와 같은 영상표시장치로 구현될 수 있다.
영상표시장치는 영상 컨텐츠를 재생하는 기기로서, 다양한 소스로부터 영상을 수신하여 재생한다. 영상표시장치는 PC(Personal Computer), 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북, TV 등 다양한 기기로 구현된다. 스마트 TV 등과 같은 영상표시장치에서 웹 브라우저와 같은 웹 컨텐츠 제공을 위한 어플리케이션을 제공할 수 있다.
이러한 영상표시장치와 같은 전자 기기가 주변의 전자 기기와 통신을 수행하기 위해, 안테나를 포함하는 통신 모듈이 구비될 수 있다. 한편, 최근 영상표시장치의 디스플레이 영역이 확장됨에 따라 안테나를 포함하는 통신 모듈의 배치 공간이 감소하게 된다. 이에 따라, 통신 모듈이 구현되는 다층 회로 기판 내부에 안테나를 배치할 필요성이 증가하고 있다.
한편, 전자 기기 간에 통신 서비스를 위한 인터페이스로 WiFi 무선 인터페이스가 고려될 수 있다. 이러한 WiFi 무선 인터페이스를 이용하는 경우, 전자 기기 간에 고속 데이터 전송을 위해 밀리미터파 대역(mmWave)을 이용할 수 있다. 특히, 802.11ay와 같은 무선 인터페이스를 이용하여 전자 기기 간에 고속 데이터 전송이 가능하다.
이와 관련하여, 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작할 수 있는 배열 안테나는 안테나 모듈 내에 실장될 수 있다. 하지만, 이러한 안테나 모듈에 배치되는 안테나와 송수신부 회로와 같은 전자 부품은 전기적으로 연결되도록 구성된다. 이와 관련하여, 서로 다른 레이어에 배치되는 전자 부품들은 다층 구조의 전송 선로로 전기적으로 연결될 수 있고, 이에 따라 수직 비아 구조가 형성될 수 있다.
밀리미터파(mmWave) 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 수직 비아 구조에 의해 전송 선로 간 임피던스 부정합과 라인 손실이 크게 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 다층 기판 내에 복수의 안테나들이 배치되는 경우 전송 선로 간 중첩을 회피하기 위해 전송 선로의 우회 경로 형성에 따라 라인 손실이 크게 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
본 명세서는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 다른 일 목적은 밀리미터파 대역에서 동작하는 다층 임피던스 변환부를 구비한 안테나 모듈 및 이를 구비하는 전자 기기를 제공하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 밀리미터파 대역의 배열 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자들을 급전하는 복수의 급전선의 우회 경로 형성에 따른 라인 손실이 증가하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 다층 기판 형태의 PCB에 배치되는 RFIC와 안테나 소자 간의 다층 임피던스 변환 구조를 통해 수직 비아에 의한 임피던스 부정합이 증가하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 다층 기판 형태의 PCB 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있는 광대역 급전 라인 구조를 제공하기 위한 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 실시 예에 따른 안테나 모듈을 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 다층 기판(multi-layer substrate)으로 구성된 상기 안테나 모듈에 배치되는 송수신부 회로(transceiver circuit); 상기 안테나 모듈의 제1 레이어에 배치되고, 상기 송수신부 회로와 전기적으로 연결되도록 구성된 제1 전송 선로(transmission line); 상기 안테나 모듈의 제2 레이어에 배치되고, 안테나와 전기적으로 연결되도록 구성된 제2 전송 선로; 및 상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로를 수직하게 연결하도록 구성된 수직 비아(vertical via)를 포함하고, 상기 수직 비아와 연결되는 상기 제1 및 제2 전송 선로 중 적어도 하나는 임피던스 변환부를 구비한다.
실시 예에서, 상기 수직 비아와 연결되는 상기 제1 전송 선로의 제1 임피던스 변환부는 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성되고, 상기 수직 비아와 연결되는 상기 제2 전송 선로의 제2 임피던스 변환부는 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 전송 선로는 유전체 상에 배치되는 도전 라인(conductive line)의 상부에 유전체 없이 공기 층(air layer)이 형성되는 마이크로 스트립 라인으로 구성되고, 상기 제2 전송 선로는 도전 라인의 상부와 하부에 각각 유전체가 배치되는 스트립 라인으로 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 길이(L1)와 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 길이(L2)의 비율 (L1/L2)은 0.45 내지 1.35 사이의 범위로 설정될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)와 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(w2)의 비율 (W2/W1)은 0.32 내지 0.71 사이의 범위로 설정될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 임피던스 변환부는 상기 마이크로 스트립 라인에서 제1 임피던스에 해당하는 상기 제1 너비(W1)와 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/4인 4반파장(quarter wavelength)의 상기 제1 길이(L1)로 구성되고, 상기 제1 전송 선로의 50ohm 임피던스와 상기 수직 비아의 상단부(upper end region)에서의 제2 임피던스 사이의 임피던스 매칭을 수행하도록 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제2 임피던스 변환부는 상기 스트립 라인에서 제3 임피던스에 해당하는 상기 제2 너비(W2)와 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/4인 4반파장의 상기 제2 길이(L2)로 구성되고, 상기 제2 전송 선로의 50ohm 임피던스와 상기 수직 비아의 하단부(lower end region)에서의 제4 임피던스 사이의 임피던스 매칭을 수행하도록 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)는 상기 제1 전송 선로의 50ohm 선폭(line width)보다 더 넓게 구성되고, 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(W2)는 상기 제2 전송 선로의 50ohm 선폭(line width)보다 더 넓고 상기 제1 너비(W1)보다 더 좁게 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)는 상기 제1 전송 선로의 50ohm 선폭과 동일하게 구성되고, 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(W2)는 상기 제2 전송 선로의 50ohm 선폭과 다르게 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(W2)는 상기 제2 전송 선로의 50ohm 선폭과 동일하게 구성되고, 상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)는 상기 제1 전송 선로의 50ohm 선폭과 다르게 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 전송 선로는 상기 수직 비아와 연결되고, 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성되는 상기 제1 임피던스 변환부; 및 상기 제1 임피던스 변환부의 일 단부와 연결되고, 제3 너비(W3)와 제3 길이(L3)를 갖도록 구성되어, 상기 제1 임피던스 변환부와 50ohm 임피던스의 상기 제1 전송 선로 간의 임피던스 변환을 수행하는 제3 임피던스 변환부를 포함할 수 있다. 상기 제3 너비(W3)는 제1 너비(W1)보다 더 좁고 상기 제1 전송 선로의 50ohm 선폭보다 더 넓게 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제2 전송 선로는 상기 수직 비아와 연결되고, 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성되는 상기 제2 임피던스 변환부; 및 상기 제2 임피던스 변환부의 일 단부와 연결되고, 제4 너비(W4)와 제4 길이(L4)를 갖도록 구성되어, 상기 제2 임피던스 변환부와 50ohm 임피던스의 상기 제2 전송 선로 간의 임피던스 변환을 수행하는 제4 임피던스 변환부를 포함할 수 있다. 상기 제4 너비(W4)는 제2 너비(W2)보다 더 좁고 상기 제2 전송 선로의 50ohm 선폭보다 더 넓게 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 안테나는 상기 제2 전송 선로와 제2 수직 비아를 통해 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 안테나는 상기 안테나 모듈의 하부 방향(lower direction)으로 신호를 방사하도록 구성되는 하부 안테나(lower antenna)인 것을 특징으로 한다.
실시 예에서, 상기 수직 비아는 상기 다층 기판의 최 상부 층에 배치된 상기 마이크로 스트립 라인과 상기 다층 기판의 내부에 배치된 스트립 라인을 수직하게 연결하도록 복수의 비아 패드와 복수의 수직 연결부를 포함할 수 있다. 서로 다른 레이어에 배치된 상기 복수의 비아 패드 각각은 동일한 레이어에 배치되는 각각의 그라운드와 소정 너비의 갭이 형성되도록 배치될 수 있다.
실시 예에서, 상기 서로 다른 레이어에 배치된 상기 복수의 비아 패드 각각은 동일한 레이어에 배치되는 각각의 그라운드와 서로 다른 소정 너비의 갭이 형성되도록 배치될 수 있다. 상기 제1 임피던스 변환부 및 상기 제2 임피던스 변환부 중 적어도 하나는 50ohm 선폭으로 구현될 수 있다.
실시 예에서, 상기 안테나 모듈은 상기 하부 안테나; 상기 다층 기판 내부에 배치되고, 상기 다층 기판의 측면 방향(side direction)으로 신호를 방사하도록 구성된 측면 안테나(side antenna); 및 상기 측면 안테나보다 상기 다층 기판의 내측에 배치되고, 서로 다른 그라운드 레이어를 수직하게 연결하도록 구성된 그라운드 비아 월을 더 포함할 수 있다.
실시 예에서, 상기 그라운드 비아 월은 상기 측면 안테나가 방사하는 신호의 측면 방향으로의 지향성이 개선되도록 상기 측면 안테나보다 상기 다층 기판의 내측에 배치되는 복수의 레이어로 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 안테나 모듈은 제1 안테나 및 상기 제1 안테나보다 상기 송수신부 회로에서 더 멀리 배치된 제2 안테나를 포함할 수 있다. 상기 송수신부 회로는 제1 마이크로 스트립 라인 및 제1 스트립 라인을 통해 상기 제1 안테나와 연결되고, 제2 마이크로 스트립 라인 및 제2 스트립 라인을 통해 상기 제2 안테나와 연결되도록 구성될 수 있다. 상기 제2 마이크로 스트립 라인의 길이가 상기 제1 마이크로 스트립 라인의 길이보다 더 길게 구성될 수 있다. 따라서, 상기 송수신부 회로에서 상기 제1 안테나까지의 길이와 상기 송수신부 회로에서 상기 제2 안테나까지의 길이 차이를 보상할 수 있다.
본 명세서의 다른 양상에 따른 안테나 모듈은 상기 안테나 모듈의 제1 레이어에 배치되고, 송수신부 회로와 전기적으로 연결되도록 구성된 제1 전송 선로(transmission line); 상기 안테나 모듈의 제2 레이어에 배치되고, 안테나와 전기적으로 연결되도록 구성된 제2 전송 선로; 및 상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로를 수직하게 연결하도록 구성된 수직 비아(vertical via)를 포함한다.
실시 예에서, 상기 수직 비아와 연결되는 상기 제1 전송 선로의 제1 임피던스 변환부는 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성되고, 상기 수직 비아와 연결되는 상기 제2 전송 선로의 제2 임피던스 변환부는 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 전송 선로는 유전체 상에 배치되는 도전 라인(conductive line)의 상부에 유전체 없이 공기 층(air layer)이 형성되는 마이크로 스트립 라인으로 구성되고, 상기 제2 전송 선로는 도전 라인의 상부와 하부에 각각 유전체가 배치되는 스트립 라인으로 구성될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 길이(L1)와 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 길이(L2)의 비율 (L1/L2)은 0.45 내지 1.35 사이의 범위로 설정될 수 있다.
실시 예에서, 상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)와 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(w2)의 비율 (W2/W1)은 0.32 내지 0.71 사이의 범위로 설정될 수 있다.
이와 같은 밀리미터파 대역에서 동작하는 다층 임피던스 변환 구조를 구비하는 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 기기의 기술적 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시 예에 따르면, 급전선이 모두 배치되기 어려운 공간에서 적은 개수의 레이어를 사용하여 모든 급전선들을 배치할 수 있는 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 커버리지를 확장시킨 mmWave 안테나 모듈의 모든 안테나에 급전선을 우회 경로를 최소화하여 연결시켜, 라인 손실을 최소화할 수 있다.
실시 예에 따르면, 밀리미터파 대역의 광대역에서 급전선의 임피던스 정합을 통해 반사손실(S11) 성능과 전달손실(S21) 성능을 모두 향상시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 수직 비아를 중심으로 서로 다른 형태의 임피던스 변환부를 구성하여, 다층 기판 형태의 PCB 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 마이크로 스트립 라인 및 스트립 라인으로 구성된 전송 선로 간을 수직 비아로 연결하면서 적어도 일 측에 임피던스 변환부를 형성하여, 임피던스 정합을 수행하면서 라인 손실을 최소화할 수 있다.
실시 예에 따르면, 서로 다른 레이어의 전송 선로 간을 연결하는 수직 비아와 인접 그라운드 간의 갭 간격을 조절하여, 임피던스 정합을 수행하면서 라인 손실을 최소화할 수 있다.
본 명세서의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 명세서의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 명세서의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 명세서의 일실시예에 따른 영상표시기기를 포함한 전체 무선 AV 시스템의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 명세서에 따른 무선 인터페이스를 지원하는 전자 기기들의 상세 구성을 나타낸다.
도 3a는 본 명세서에 따른 RTS (Request to Send) 프레임 및 CTS(Clear to Send) 프레임을 나타낸다.
도 3b는 본 명세서의 일 예시에 따른 통신 시스템(400)의 블록도를 예시한다.
도 4는 일 실시 예에 따른 복수의 안테나 모듈과 복수의 송수신부 회로 모듈이 배치되는 전자 기기를 나타낸다.
도 5a는 본 명세서와 관련하여 배열 안테나 모듈이 배치되는 다층 회로 기판과 RFIC가 연결된 구성을 나타낸다.
도 5b는 서로 다른 방사 방향을 갖는 안테나 구조를 나타낸 개념도이다.
도 5c는 실시 예들에 따른 다층 기판과 메인 기판의 결합 구조를 나타낸 것이다.
도 6은 영상표시기기 하부에 배치되는 복수의 통신 모듈과 해당 통신 모듈의 구성과 전면 방향에 배치되는 다른 통신 모듈과의 통신을 수행하는 개념도이다.
도 7a 및 도 7b는 송수신부 회로(transceiver circuit)에 해당하는 RFIC가 서로 다른 안테나와 연결되는 구성에서 RF 라인 및 전력 라인 간의 배치 구조를 비교한 것이다.
도 8은 본 명세서에 따른 다층 기판으로 구성되는 안테나 모듈의 구성을 나타낸다.
도 9는 본 명세서에서 개시되는 RFIC와 안테나를 연결하는 전송 선로 간 수직 비아 연결을 갖는 임피던스 정합 구조를 나타낸다
도 10a는 제1 및 제2 임피던스 변환부의 길이의 비율 (L1/L2)에 따른 주파수 별 반사 계수 특성을 나타낸다. 또한, 도 10b는 제1 및 제2 임피던스 변환부의 너비의 비율 (W1/W2)에 따른 주파수 별 반사 계수 특성을 나타낸다
도 11은 전술한 문제를 해결하기 위해 본 명세서에서 제안하는 임피던스 변환 구조의 등가 회로를 나타낸다.
도 12a 내지 도 12c는 다양한 실시 예들에 따른 수직 비아에 의해 연결된 전송 선로 구조를 나타낸다.
도 13a는 마이크로 스트립 라인에서 수직 비아로 연결 시 복수의 임피던스 변환부를 통해 임피던스 변환하는 구성을 나타낸다.
도 13b는 스트립 라인에서 수직 비아로 연결 시 복수의 임피던스 변환부를 통해 임피던스 변환하는 구성을 나타낸다.
도 14a는 본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조에서 수직 비아가 각 레이어에 그라운드 층과 동일한 간격으로 이격된 구조를 나타낸다.
도 14b는 본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조에서 수직 비아가 각 레이어에 그라운드 층과 서로 다른 간격으로 이격된 구조를 나타낸다.
도 15a는 수직 비아에 의해 상호 연결된 급전선의 제1 구조와 다층 임피던스 변환부를 구비한 제2 구조의 임피던스 변화를 스미스 차트(Smith chart) 상에서 나타낸 것이다. 한편, 도 15b는 도 15a의 제1 구조와 제2 구조의 주파수 변화에 따른 반사 손실과 전달 손실을 나타낸 것이다.
도 16a는 RFIC의 복수의 포트들이 복수의 안테나 소자들과 연결된 구성을 나타낸다. 한편, 도 16b는 다층 기판 상에서 RFIC가 복수의 안테나 소자들과 연결된 측면도를 나타낸다.
도 17a는 제1 타입 안테나와 제2 타입 안테나가 배열 안테나로 형성된 안테나 모듈(1100)이 전자 기기(1000)에 배치된 구조를 나타낸다. 도 17b는 복수의 배열 안테나 모듈을 확대한 도면이다.
도 18은 실시 예들에 따른 전자 기기의 특정 위치에서 서로 다른 결합 구조로 결합된 안테나 모듈을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 명세서의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 설명되는 전자 기기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기 (smartwatch), 글래스형 단말기 (smart glass), HMD(head mounted display)) 등이 포함될 수 있다.
그러나, 본 명세서에 기재된 실시 예에 따른 구성은 이동 단말기에만 적용 가능한 경우를 제외하면, 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 디지털 사이니지 등과 같은 고정 단말기에도 적용될 수도 있음을 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 명세서의 일실시예에 따른 영상표시기기를 포함한 전체 무선 AV 시스템의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 영상표시기기(100)는 무선 AV 시스템 (또는 방송 네트워크) 및 인터넷 네트워크와 연결되어 있다. 상기 영상표시기기(100)는 예를 들어, 네트워크 TV, 스마트 TV, HBBTV 등이다.
한편, 영상표시기기(100)는 무선 인터페이스를 통해 무선 AV 시스템 (또는 방송 네트워크)와 무선으로 연결되거나 또는 인터넷 인터페이스를 통해 인터넷 네트워크와 무선 또는 유선으로 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 영상표시기기(100)는 무선 통신 시스템을 통해 서버 또는 다른 전자 기기와 연결되도록 구성될 수 있다. 일 예로, 영상표시기기(100)는 대용량 고속 데이터를 송신 또는 수신하기 위해 밀리미터파 (mmWave) 대역에서 동작하는 802.111 ay 통신 서비스를 제공할 필요가 있다.
mmWave 대역은 10GHz ~ 300GHz의 임의의 주파수 대역일 수 있다. 본원에서 mmWave 대역은 60GHz 대역의 802.11ay 대역을 포함할 수 있다. 또한, mmWave 대역은 28GHz 대역의 5G 주파수 대역 또는 60GHz 대역의 802.11ay 대역을 포함할 수 있다. 5G 주파수 대역은 약 24~43GHz 대역으로 설정되고, 와 802.11ay 대역은 57~70GHz 또는 57~63GHz 대역으로 설정될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 영상표시기기(100)는 무선 인터페이스를 통해 영상표시기기(100) 주변의 전자 기기, 예컨대 셋톱박스 또는 다른 전자 기기와 무선으로 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다. 일 예로, 영상표시기기(100)는 영상표시기기의 전면 또는 하부에 배치되는 셋톱 박스 또는 다른 전자 기기, 예컨대 이동 단말기와 무선 AV 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다.
영상표시기기(100)는 예를 들어, 무선 인터페이스(101b), 섹션 필터(102b), AIT 필터(103b), 어플리케이션 데이터 처리부(104b), 데이터 처리부(111b), 미디어 플레이어(106b), 인터넷 프로토콜 처리부(107b), 인터넷 인터페이스(108b), 그리고 런타임 모듈(109b)을 포함한다.
방송 인터페이스(101b)를 통해, AIT(Application Information Table) 데이터, 실시간 방송 컨텐트, 어플리케이션 데이터, 그리고 스트림 이벤트가 수신된다. 한편, 상기 실시간 방송 컨텐트는, 리니어 에이브이 컨텐트 (Linear A/V Content)로 명명할 수도 있다.
섹션 필터(102b)는, 무선 인터페이스(101b)를 통해 수신된 4가지 데이터에 대한 섹션 필터링을 수행하여 AIT 데이터는 AIT 필터(103b)로 전송하고, 리니어 에이브이 컨텐트는 데이터 처리부(111b)로 전송하고, 스트림 이벤트 및 어플리케이션 데이터는 어플리케이션 데이터 처리부(104b)로 전송한다.
한편, 인터넷 인터페이스(108b)을 통해, 논 리니어 에이브이 컨텐트(Non-Linear A/V Content) 및 어플리케이션 데이터가 수신된다. 논 리니어 에이브이 컨텐트는 예를 들어, COD(Content On Demand) 어플리케이션이 될 수도 있다. 논 리니어 에이브이 컨텐트는, 미디어 플레이어(106b)로 전송되며, 어플리케이션 데이터는 런타임 모듈(109b)로 전송된다.
나아가, 상기 런타임 모듈(109b)은 도 1에 도시된 바와 같이 예를 들어, 어플리케이션 매니저 및 브라우저를 포함한다. 상기 어플리케이션 매니저는, 예컨대 AIT 데이터를 이용하여 인터랙티브 어플리케이션에 대한 라이프 싸이클을 컨트롤 한다. 그리고, 브라우저는, 예컨대 인터랙티브 어플리케이션을 표시하고 처리하는 기능을 수행한다.
이하에서는 전술한 영상표시기기와 같은 전자 기기에서 무선 인터페이스를 제공하기 위한 안테나를 구비하는 통신 모듈에 대해 상세하게 설명한다. 이와 관련하여, 전자 기기 간에 통신을 위한 무선 인터페이스는 WiFi 무선 인터페이스일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 전자 기기 간에 고속 데이터 전송을 위해 802.11 ay 표준을 지원하는 무선 인터페이스가 제공될 수 있다.
802.11 ay 표준은 802.11ad 표준의 스루풋(throughput)을 20Gbps이상으로 올리기 위한 후속 표준이다. 802.11ay 무선 인터페이스를 지원하는 전자 기기는 약 57 내지 64GHz의 주파수 대역을 사용하도록 구성될 수 있다. 802.11 ay 무선 인터페이스는 802.11ad 무선 인터페이스에 대한 backward compatibility를 제공하도록 구성될 수 있다 한편, 802.11 ay 무선 인터페이스를 제공하는 전자 기기는 동일 대역을 사용하는 레거시 기기(legacy device)에 대한 공존성(coexistence)를 제공하도록 구성될 수 있다.
802.11ay 표준의 무선 환경과 관련하여, indoor 환경에서는 10미터 이상의 커버리지를 제공하고, LOS(Line of Sight) 채널 조건의 실외(outdoor) 환경에서 100미터 이상의 커버리지를 제공하도록 구성될 수 있다.
802.11ay 무선 인터페이스를 지원하는 전자 기기는 VR 헤드셋 연결성 제공, 서버 백업 지원, 낮은 지연 속도가 필요한 클라우드 어플리케이션을 지원하도록 구성될 수 있다.
802.11ay의 유스 케이스(use case)인 근접 통신 시나리오인 Ultra Short Range(USR) 통신 시나리오는 두 단말 간의 빠른 대용량 데이터 교환을 위한 모델이다. USR 통신 시나리오는 100msec 이내의 빠른 링크 설정(link setup), 1초 이내의 transaction time, 10cm 미만의 초 근접 거리에서 10 Gbps data rate을 제공하면서, 400mW 미만의 낮은 전력 소모를 요구하도록 구성될 수 있다.
802.11ay의 유스 케이스로, 8K UHD Wireless Transfer at Smart Home Usage Model을 고려할 수 있다. 스마트 홈 사용 모델은 가정에서 8K UHD 콘텐츠를 스트리밍하기 위해 소스 장치와 싱크 장치 간 무선 인터페이스를 고려할 수 있다. 이와 관련하여, 소스 장치는 셋톱 박스, 블루 레이 플레이어, 태블릿, 스마트 폰 중 어느 하나이고, 싱크 장치는 스마트 TV, 디스플레이 장치 중 어느 하나일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 관련하여, 소승 장치 및 싱크 장치 간 거리는 5m 미만의 커버리지에서 비 압축 8K UHD 스트리밍(60fps, 픽셀 당 24 비트, 최소 4:2:2)을 전송하도록 무선 인터페이스가 구성될 수 있다. 이를 위해, 최소 28Gbps의 속도로 데이터가 전자 장치 간에 전달되도록 무선 인터페이스가 구성될 수 있다.
이러한 무선 인터페이스를 제공하기 위해, mmWave 대역에서 동작하는 배열 안테나 및 이를 구비하는 전자 기기와 관련된 실시 예들에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 명세서는 본 명세서의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 2는 본 명세서에 따른 무선 인터페이스를 지원하는 전자 기기들의 상세 구성을 나타낸다. 도 2는 무선 통신 시스템에서 액세스 포인트(110)(일반적으로, 제1 무선 노드) 및 액세스 단말(120)(일반적으로, 제2 무선 노드)의 블록도를 예시한다. 액세스 포인트(110)는 하향링크에 대해 송신 엔티티 및 업링크에 대해 수신 엔티티이다. 액세스 단말(120)은 상향링크에 대해 송신 엔티티 및 다운링크에 대해 수신 엔티티이다. 본원에 사용된 바와 같이, "송신 엔티티"는 무선 채널을 통해 데이터를 송신할 수 있는 독립적으로 동작되는 장치 또는 디바이스이고, "수신 엔티티"는 무선 채널을 통해 데이터를 수신할 수 있는 독립적으로 동작되는 장치 또는 디바이스이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1의 셋톱박스(STB)가 액세스 포인트(110)이고, 도 1의 전자 기기(100)는 액세스 단말(120)일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 액세스 포인트(110)는 대안적으로, 액세스 단말일 수 있고, 액세스 단말(120)은 대안적으로 액세스 포인트일 수 있음을 이해해야 한다.
데이터를 송신하기 위해, 액세스 포인트(110)는 송신 데이터 프로세서(220), 프레임 구축기(222), 송신 프로세서(224), 복수의 트랜시버들(226-1 내지 226-N) 및 복수의 안테나들(230-1 내지 230-N)을 포함한다. 액세스 포인트(110)는 또한 액세스 포인트(110)의 동작들을 제어하기 위한 제어기(234)를 포함한다.
데이터를 송신하기 위해, 액세스 포인트(110)는 송신 데이터 프로세서(220), 프레임 구축기(222), 송신 프로세서(224), 복수의 트랜시버들(226-1 내지 226-N) 및 복수의 안테나들(230-1 내지 230-N)을 포함한다. 액세스 포인트(110)는 또한 액세스 포인트(110)의 동작들을 제어하기 위한 제어기(234)를 포함한다.
동작시에, 송신 데이터 프로세서(220)는 데이터 소스(215)로부터 데이터(예를 들어, 데이터 비트들)를 수신하고, 송신을 위해 데이터를 프로세싱한다. 예를 들어, 송신 데이터 프로세서(220)는 데이터(예를 들어, 데이터 비트들)를 인코딩된 데이터로 인코딩할 수 있고, 인코딩된 데이터를 데이터 심볼들로 변조할 수 있다. 송신 데이터 프로세서(220)는 상이한 MCS들(modulation and coding schemes)을 지원할 수 있다. 예를 들어, 송신 데이터 프로세서(220)는 복수의 상이한 코딩 레이트들 중 임의의 하나에서 (예를 들어, LDPC(low-density parity check) 인코딩을 사용하여) 데이터를 인코딩할 수 있다. 또한, 송신 데이터 프로세서(220)는, BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 64APSK, 128APSK, 256QAM 및 256APSK를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌 복수의 상이한 변조 방식들 중 임의의 하나를 사용하여 인코딩된 데이터를 변조할 수 있다.
제어기(234)는, (예를 들어, 다운링크의 채널 조건들에 기초하여) 어느 MCS(modulation and coding scheme)를 사용할지를 특정하는 커맨드를 송신 데이터 프로세서(220)에 전송할 수 있다. 송신 데이터 프로세서(220)는 데이터 소스(215)로부터의 데이터를 특정된 MCS에 따라 인코딩 및 변조할 수 있다. 송신 데이터 프로세서(220)가, 데이터 스크램블링 및/또는 다른 프로세싱과 같이, 데이터에 대한 추가적인 프로세싱을 수행할 수 있음을 인식해야 한다. 송신 데이터 프로세서(220)는 프레임 구축기(222)에 데이터 심볼들을 출력한다.
프레임 구축기(222)는 프레임(또한 패킷으로 지칭됨)을 구성하고, 그 프레임의 데이터 페이로드에 데이터 심볼들을 삽입한다. 프레임은 프리앰블, 헤더 및 데이터 페이로드를 포함할 수 있다. 프리앰블은 액세스 단말(120)이 프레임을 수신하는 것을 보조하기 위해, STF(short training field) 시퀀스 및 CE(channel estimation) 시퀀스를 포함할 수 있다. 헤더는 데이터의 길이 및 데이터를 인코딩 및 변조하기 위해 사용되는 MCS와 같은 페이로드 내의 데이터와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 이러한 정보는 액세스 단말(120)이 데이터를 복조 및 디코딩하도록 허용한다. 페이로드 내의 데이터는 복수의 블록들 사이에서 분할될 수 있고, 각각의 블록은 데이터의 일부 및 GI(guard interval)를 포함하여 수신기가 위상 추적하는 것을 보조할 수 있다. 프레임 구축기(222)는 프레임을 송신 프로세서(224)에 출력한다.
송신 프로세서(224)는 하향링크 상에서의 송신을 위해 프레임을 프로세싱한다. 예를 들어, 송신 프로세서(224)는 상이한 송신 모드들, 예를 들어, OFDM(orthogonal frequency-division multiplexing) 송신 모드 및 SC(single-carrier) 송신 모드를 지원할 수 있다. 이러한 예에서, 제어기(234)는 어느 송신 모드를 사용할 지를 특정하는 커맨드를 송신 프로세서(224)에 전송할 수 있고, 송신 프로세서(224)는 특정된 송신 모드에 따른 송신을 위해 프레임을 프로세싱할 수 있다. 송신 프로세서(224)는, 다운링크 신호의 주파수 구성이 특정 스펙트럼 요건들을 충족하도록 프레임에 스펙트럼 마스크를 적용할 수 있다.
송신 프로세서(224)는 MIMO(multiple-input-multiple-output) 송신을 지원할 수 있다. 이러한 양상들에서, 액세스 포인트(110)는 다수의 안테나들(230-1 내지 230-N) 및 다수의 트랜시버들(226-1 내지 226-N)(예를 들어, 각각의 안테나에 대해 하나)을 포함할 수 있다. 송신 프로세서(224)는 착신 프레임들에 대해 공간 프로세싱을 수행할 수 있고, 복수의 송신 프레임 스트림들을 복수의 안테나들에 제공할 수 있다. 트랜시버들(226-1 내지 226-N)은 각각의 송신 프레임 스트림들을 수신 및 프로세싱(예를 들어, 아날로그로 변환, 증폭, 필터링 및 주파수 상향변환)하여, 안테나들(230-1 내지 230-N)을 통한 송신을 위한 송신 신호들을 각각 생성한다.
데이터를 송신하기 위해, 액세스 단말(120)은 송신 데이터 프로세서(260), 프레임 구축기(262), 송신 프로세서(264), 복수의 트랜시버들(266-1 내지 266-M) 및 복수의 안테나들(270-1 내지 270-M)(예를 들어, 트랜시버 당 하나의 안테나)을 포함한다. 액세스 단말(120)은 업링크 상에서 데이터를 액세스 포인트(110)에 송신할 수 있고 그리고/또는 데이터를 다른 액세스 단말에 (예를 들어, 피어-투-피어 통신을 위해) 송신할 수 있다. 액세스 단말(120)은 또한 액세스 단말(120)의 동작들을 제어하기 위한 제어기(274)를 포함한다.
트랜시버들(266-1 내지 266-M)은 하나 이상의 안테나들(270-1 내지 270-M)을 통한 송신을 위해 송신 프로세서(264)의 출력을 수신 및 프로세싱(예를 들어, 아날로그로 변환, 증폭, 필터링 및 주파수 상향변환)한다. 예를 들어, 트랜시버(266)는 송신 프로세서(264)의 출력을 60 GHz 대역의 주파수를 갖는 송신 신호로 상향 변환할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 따른 안테나 모듈은 60 GHz 대역, 일 예로 약 57 내지 63GHz 대역에서 빔포밍 동작하도록 구성될 수 있다. 또한, 안테나 모듈은 60 GHz 대역에서 빔포밍 동작하면서 MIMO 송신을 지원하도록 구성될 수 있다.
이와 관련하여, 안테나들(270-1 내지 270-M)과 트랜시버들(266-1 내지 266-M)은 다층 회로 기판에 통합된 형태로 구현될 수 있다. 이를 위해, 안테나들(270-1 내지 270-M) 중 수직 편파로 동작하는 안테나는 다층 회로 기판 내부에 수직하게 배치될 수 있다.
데이터를 수신하기 위해, 액세스 포인트(110)는 수신 프로세서(242) 및 수신 데이터 프로세서(244)를 포함한다. 동작시에, 트랜시버들(226-1 내지 226-N)은 신호를 (예를 들어, 액세스 단말(120)로부터) 수신하고, 수신된 신호를 공간 프로세싱(예를 들어, 주파수 하향변환, 증폭, 필터링 및 디지털로 변환)한다.
수신 프로세서(242)는 트랜시버들(226-1 내지 226-N)의 출력들을 수신하고, 출력들을 프로세싱하여 데이터 심볼들을 복원한다. 예를 들어, 액세스 포인트(110)는 프레임에서 (예를 들어, 액세스 단말(120)로부터의) 데이터를 수신할 수 있다. 이러한 예에서, 수신 프로세서(242)는 프레임의 프리앰블 내의 STF 시퀀스를 사용하여 프레임의 시작을 검출할 수 있다. 수신기 프로세서(242)는 또한 AGC(automatic gain control) 조절을 위해 STF를 사용할 수 있다. 수신 프로세서(242)는 또한 (예를 들어, 프레임의 프리앰블 내의 CE 시퀀스를 사용하여) 채널 추정을 수행할 수 있고, 채널 추정에 기초하여 수신된 신호에 대해 채널 등화를 수행할 수 있다.
수신 데이터 프로세서(244)는 수신 프로세서(242)로부터의 데이터 심볼들 및 제어기(234)로부터의 대응하는 MSC 방식의 표시를 수신한다. 수신 데이터 프로세서(244)는 데이터 심볼들을 복조 및 디코딩하여, 표시된 MSC 방식에 따라 데이터를 복원하고, 복원된 데이터(예를 들어, 데이터 비트들)를 저장 및/또는 추가적인 프로세싱을 위해 데이터 싱크(246)에 출력한다.
액세스 단말(120)은 OFDM 송신 모드 또는 SC 송신 모드를 사용하여 데이터를 송신할 수 있다. 이러한 경우에, 수신 프로세서(242)는 선택된 송신 모드에 따라 수신 신호를 프로세싱할 수 있다. 또한 앞서 논의된 바와 같이, 송신 프로세서(264)는 MIMO(multiple-input-multiple-output) 송신을 지원할 수 있다. 이러한 경우에, 액세스 포인트(110)는 다수의 안테나들(230-1 내지 230-N) 및 다수의 트랜시버들(226-1 내지 226-N)(예를 들어, 각각의 안테나에 대해 하나)을 포함한다. 따라서, 본 명세서에 따른 안테나 모듈은 60 GHz 대역, 일 예로 약 57 내지 63GHz 대역에서 빔포밍 동작하도록 구성될 수 있다. 또한, 안테나 모듈은 60 GHz 대역에서 빔포밍 동작하면서 MIMO 송신을 지원하도록 구성될 수 있다.
이와 관련하여, 안테나들(230-1 내지 230-M)과 트랜시버들(226-1 내지 226-M)은 다층 회로 기판에 통합된 형태로 구현될 수 있다. 이를 위해, 안테나들(230-1 내지 230-M) 중 수직 편파로 동작하는 안테나는 다층 회로 기판 내부에 수직하게 배치될 수 있다.
한편, 각각의 트랜시버는 각각의 안테나로부터 신호를 수신 및 프로세싱(예를 들어, 주파수 하향변환, 증폭, 필터링, 및 디지털로 변환)한다. 수신 프로세서(242)는 트랜시버들(226-1 내지 226-N)의 출력들에 대해 공간 프로세싱을 수행하여 데이터 심볼들을 복원할 수 있다.
액세스 포인트(110)는 또한 제어기(234)에 커플링되는 메모리(236)를 포함한다. 메모리(236)는, 제어기(234)에 의해 실행되는 경우, 제어기(234)로 하여금 본원에 설명된 동작들 중 하나 이상을 수행하게 하는 명령들을 저장할 수 있다. 유사하게, 액세스 단말(120)은 또한 제어기(274)에 커플링되는 메모리(276)를 포함한다. 메모리(276)는, 제어기(274)에 의해 실행되는 경우, 제어기(274)로 하여금 본원에 설명된 동작들 중 하나 이상을 수행하게 하는 명령들을 저장할 수 있다.
한편, 본 명세서에 따른 802.11 ay 무선 인터페이스를 지원하는 전자 기기는 다른 전자 기기와 통신하기 위해 통신 매체가 이용가능한지 여부를 결정한다. 이를 위해, 전자 기기는 RTS (Request to Send) 부분 및 제1 빔 트레이닝 시퀀스를 포함하는 RTS-TRN 프레임을 송신한다. 이와 관련하여, 도 3a는 본 명세서에 따른 RTS (Request to Send) 프레임 및 CTS(Clear to Send) 프레임을 나타낸다. 이와 관련하여, 발신 디바이스는, 하나 이상의 데이터 프레임들을 목적지 디바이스로 전송하기 위해 통신 매체가 이용가능한지 여부를 결정하기 위해 RTA 프레임을 사용할 수 있다. RTS 프레임을 수신하는 것에 대한 응답으로, 목적지 디바이스는, 통신 매체가 이용 가능하면 발신 디바이스에 CTS(Clear to Send) 프레임을 다시 전송한다. CTS 프레임을 수신하는 것에 대한 응답으로, 발신 디바이스는 목적지 디바이스에 하나 이상의 데이터 프레임들을 전송한다. 하나 이상의 데이터 프레임들을 성공적으로 수신하는 것에 대한 응답으로, 목적지 디바이스는 발신 디바이스에 하나 이상의 확인응답("ACK") 프레임들을 전송한다.
도 3a (a)를 참조하면, 프레임(300)은 프레임 제어 필드(310), 지속기간 필드(312), 수신기 어드레스 필드(314), 송신기 어드레스 필드(316) 및 프레임 체크 시퀀스 필드(318)를 포함하는 RTS 부분을 포함한다. 개선된 통신 및 간섭 감소 목적을 위해 프레임(300)은 목적지 디바이스 및 하나 이상의 이웃 디바이스들의 각각의 안테나들을 구성하기 위한 빔 트레이닝 시퀀스 필드(320)를 더 포함한다.
도 3a (b)를 참조하면, CTS 프레임(350)은 프레임 제어 필드(360), 지속기간 필드(362), 수신기 어드레스 필드(364) 및 프레임 체크 시퀀스 필드(366)를 포함하는 CTS 부분을 포함한다. 개선된 통신 및 간섭 감소 목적을 위해, 프레임(350)은 발신 디바이스 및 하나 이상의 이웃 디바이스들의 각각의 안테나들을 구성하기 위한 빔 트레이닝 시퀀스 필드(368)를 더 포함한다.
빔 트레이닝 시퀀스 필드(320, 368)는 IEEE 802.11ad 또는 802.11ay에 따른 트레이닝(TRN) 시퀀스를 준수할 수 있다. 발신 디바이스는 목적지 디바이스에 지향적으로 송신하도록 자신의 안테나를 구성하기 위해 빔 트레이닝 시퀀스 필드(368)를 사용할 수 있다. 한편, 발신 디바이스는 목적지 디바이스에서의 송신 간섭을 감소시키기 위해, 자신들 각각의 안테나들을 구성하기 위해 빔 트레이닝 시퀀스 필드를 사용할 수 있다. 이 경우, 목적지 디바이스를 목적으로 하는 널들을 갖는 안테나 방사 패턴을 생성하도록 자신들 각각의 안테나들을 구성하기 위해 빔 트레이닝 시퀀스 필드를 사용할 수 있다.
따라서, 802.11 ay 무선 인터페이스를 지원하는 전자 기기들은 빔 트레이닝 시퀀스에 따라 결정된 빔포밍 패턴으로 상호 간에 낮은 간섭 수준을 갖도록 초기 빔을 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 도 3b는 본 명세서의 일 예시에 따른 통신 시스템(400)의 블록도를 예시한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 디바이스(410, 420)는 메인 빔이 방향이 일치되도록 하여 통신 성능을 향상시킬 수 있다. 한편, 제1 및 제2 디바이스(410, 420)는 제3 디바이스(430)와의 간섭을 저감하기 위해, 신호 강도가 약한 신호-널을 특정 방향으로 형성할 수 있다.
이러한 메인 빔 및 신호 널 형성과 관련하여, 본 명세서에 따른 복수의 전자 기기들은 배열 안테나를 통해 빔포밍을 수행하도록 구성될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 복수의 전자 기기들 중 일부는 단일 안테나를 통해 다른 전자 기기의 배열 안테나와 통신하도록 구성될 수도 있다. 이와 관련하여, 단일 안테나를 통해 통신하는 경우 빔 패턴은 무지향성 패턴(omnidirectional pattern)으로 형성된다.
도 3b를 참조하면, 제1 내지 제3 디바이스(410 내지 430)이 빔포밍을 수행하고, 제4 디바이스(440)가 빔포밍을 수행하지 않는 것으로 도시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 제1 내지 제4 디바이스(410) 중 3개는 빔포밍을 수행하고, 다른 하나는 빔포밍을 수행하지 않도록 구성될 수 있다.
다른 예로 제1 내지 제4 디바이스(410) 중 어느 하나만 빔포밍을 수행하고, 나머지 3개의 디바이스들은 빔포밍을 수행하지 않도록 구성될 수 있다. 또 다른 예로, 제1 내지 제4 디바이스(410) 중 2개는 빔포밍을 수행하도 다른 2개는 빔포밍을 수행하지 않도록 구성될 수 있다. 또 다른 예로, 제1 내지 제4 디바이스(410) 전부가 빔포밍을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제1 디바이스(410)는, CTS-TRN 프레임(350)의 수신기 어드레스 필드(364)에 표시된 어드레스에 기초하여 자신이 CTS-TRN 프레임(350)의 의도된 수신 디바이스라고 결정한다. 자신이 CTS-TRN 프레임(350)의 의도된 수신 디바이스라고 결정하는 것에 대한 응답으로, 제1 디바이스(410)는 선택적으로, 실질적으로 제2 디바이스(420)를 목적으로 하는 지향성 송신을 위해 자신의 안테나를 구성하도록 수신된 CTS-TRN(350)의 빔 트레이닝 시퀀스 필드(368)의 빔 트레이닝 시퀀스를 사용할 수 있다. 즉, 제1 디바이스(410)의 안테나는 실질적으로 제2 디바이스(420)를 목적으로 하는 1차 로브(예를 들어, 가장 높은 이득 로브) 및 다른 방향들을 목적으로 하는 비-1차 로브들을 갖는 안테나 방사 패턴을 생성하도록 구성된다.
제2 디바이스(420)는 자신이 이전에 수신한 RTS-TRN 프레임(300)의 빔 트레이닝 시퀀스 필드(320)의 빔 트레이닝 시퀀스에 기초하여 제1 디바이스(410)에 대한 방향을 이미 알기 때문에, 제2 디바이스(420)는 선택적으로 제1 디바이스(410)를 목적으로 하는 지향성 수신(예를 들어, 1차 안테나 방사 로브)을 위해 자신의 안테나를 구성할 수 있다. 따라서, 제1 디바이스(410)의 안테나는 제2 디바이스(420)에 대한 지향성 송신을 위해 구성되고, 제2 디바이스(420)의 안테나는 제1 디바이스(410)로부터의 지향성 수신을 위해 구성되는 동안, 제1 디바이스(410)는 하나 이상의 데이터 프레임들을 제2 디바이스(420)에 송신한다. 이에 따라, 제1 및 제2 디바이스(410, 420)는 1차 로브 (메인 빔)을 통해 하나 이상의 데이터 프레임들의 지향성 송신/수신(DIR-TX/RX)을 수행한다.
한편, 제1 및 제2 디바이스(410, 420)는 비-1차 로브들을 갖는 안테나 방사 패턴에 의한 제3 디바이스(430)와 간섭을 저감하기 위해 제3 디바이스(430)의 빔 패턴을 일부 수정하도록 할 수 있다.
이와 관련하여, 제3 디바이스(430)는, CTS-TRN 프레임(350)의 수신기 어드레스 필드(364)에 표시된 어드레스에 기초하여 자신이 CTS-TRN 프레임(350)의 의도된 수신 디바이스가 아니라고 결정한다. 자신이 CTS-TRN 프레임(350)의 의도된 수신 디바이스가 아니라고 결정하는 것에 대한 응답으로, 제3 디바이스(430)는 실질적으로 제2 디바이스(420) 및 제1 디바이스(410)를 목적으로 하는 널들을 각각 갖는 안테나 방사패턴을 생성하도록 자신의 안테나를 구성하기 위해, 수신된 CTS-TRN(350)의 빔 트레이닝 시퀀스 필드(368)의 빔 트레이닝 시퀀스 및 이전에 수신된 RTS-TRN 프레임(300)의 빔 트레이닝 시퀀스 필드(320)의 시퀀스를 사용한다. 널들(nulls)은 이전에 수신된 RTS-TRN 프레임(300) 및 CTS-TRN 프레임(350)의 추정된 도달 각도에 기초할 수 있다. 일반적으로, 제3 디바이스(430)는 제1 디바이스(410) 및 제2 디바이스(420)를 목적으로 하는 (예를 들어, (예를 들어, 원하는 BER, SNR, SINR 및/또는 다른 하나 이상의 통신 속성들을 달성하기 위해) 이러한 디바이스들(410및 420)에서의 추정된 간섭을 정의된 임계치 이하로 달성하기 위해) 원하는 신호 전력들, 거부들 또는 이득들을 각각 갖는 안테나 방사 패턴을 생성한다.
제3 디바이스(430)는, 제1 및 제2 디바이스들(410 및 420)을 향하는 방향들에서 안테나 이득들을 추정하고, 제3 디바이스(430)와 제1 및 제2 디바이스들(410 및 420) 사이의 안테나 상호성 차이들(예를 들어, 송신 안테나 이득 - 수신 안테나 이득)을 추정하고, 제1 및 제2 디바이스들(410 및 420)에서 대응하는 추정된 간섭을 결정하기 위해 하나 이상의 섹터들에 걸쳐 상기의 것들을 각각 계산함으로써, 자신의 안테나 송신 방사 패턴을 구성할 수 있다.
제3 디바이스(430)는, 제4 디바이스(440)가 수신하는, 제4 디바이스(440)에 대해 의도된 RTS-TRN 프레임(300)을 송신한다. 제3 디바이스(430)는, 제1 디바이스(410) 및 제2 디바이스(420)가 RTS-TRN 프레임(300) 및 CTS-TRN 프레임(350)의 지속기간 필드들(312 및 362)의 지속기간 필드들에 각각 표시된 지속기간에 기초하여 통신하고 있는 한 이러한 디바이스들을 목적으로 하는 널들을 갖는 안테나 구성을 유지한다. 제3 디바이스(430)의 안테나는 제1 디바이스(410) 및 제2 디바이스(420)를 목적으로 하는 널들을 생성하도록 구성되기 때문에, 제3 디바이스(430)에 의한 RTS-TRN 프레임(300)의 송신은 제1 디바이스(410) 및 제2 디바이스(420)에서 감소된 간섭을 각각 생성할 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 개시되는 802.11 ay 무선 인터페이스를 지원하는 전자 기기들은 배열 안테나를 이용하여 상호 간에 메인 빔 방향을 일치시키면서 간섭 저감을 위해 신호 널 방향을 특정 방향으로 형성할 수 있다. 이를 위해, 복수의 전자 기기들은 빔 트레이닝 시퀀스를 통해 초기 빔 방향을 형성하고, 주기적으로 업데이트되는 빔 트레이닝 시퀀스를 통해 빔 방향을 변경할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전자 기기 간에 고속 데이터 통신을 위해 빔 방향을 상호 간에 일치시켜야 한다. 또한, 고속 데이터 통신을 위해 안테나 소자로 전달되는 무선 신호의 손실을 최소화해야 한다. 이를 위해, 배열 안테나는 RFIC가 배치된 다층 기판 내부에 배치될 필요가 있다. 또한, 방사 효율을 위해 배열 안테나는 다층 기판 내부에서 측면 영역에 인접하게 배치될 필요가 있다.
또한, 무선 환경 변화에 적응하기 위해 전자 기기들 간에 빔 트레이닝 시퀀스 업데이트가 필요하다. 빔 트레이닝 시퀀스 업데이트를 위해, RFIC는 모뎀과 같은 프로세서와 주기적으로 신호를 송수신해야 한다. 따라서, 업데이트 지연 시간을 최소화하기 위해 RFIC와 모뎀 간에 제어 신호 송수신도 빠른 시간 내에 이루어져야 한다. 이를 위해, RFIC와 모뎀 간의 연결 경로의 물리적 길이를 감소시킬 필요가 잇다. 이를 위해, 배열 안테나와 RFIC가 배치된 다층 기판에 모뎀이 배치될 수 있다. 또는, 다층 기판에 배열 안테나와 RFIC가 배치되고 메인 기판에 모뎀이 배치되는 구조에서 RFIC와 모뎀 간 연결 길이를 최소화하도록 구성할 수 있다. 이와 관련하여, 상세한 구조는 도 5c에서 설명한다.
이하에서는, 본 명세서에 따른 밀리미터파 대역에서 동작 가능한 배열 안테나를 구비하는 전자 기기에 대해 설명하기로 한다. 이와 관련하여, 도 4는 일 실시 예에 따른 복수의 안테나 모듈과 복수의 송수신부 회로 모듈이 배치되는 전자 기기를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 복수의 안테나 모듈과 다수의 송수신부 회로 모듈이 배치되는 가전 기기는 텔레비전(television)일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 명세서에서 다수의 안테나 모듈과 다수의 송수신부 회로 모듈이 배치되는 가전 기기는 밀리미터파 대역에서 통신 서비스를 지원하는 임의의 가전기기 또는 디스플레이 장치를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전자 기기(1000)는 복수의 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4), 및 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)과 복수의 송수신부 회로 모듈들(transceiver circuit modules, 1210a 내지 1210d)를 포함한다. 이와 관련하여, 복수의 송수신부 회로 모듈들(1210a 내지 1210d)은 전술한 송수신부 회로(1250)에 해당할 수 있다. 또는, 복수의 송수신부 회로 모듈들(1210a 내지 1210d)은 송수신부 회로(1250)의 일부 구성 또는 안테나 모듈과 송수신부 회로(1250) 사이에 배치되는 프론트 엔드 모듈의 일부 구성일 수 있다.
복수의 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)은 복수의 안테나 소자들이 배치된 배열 안테나로 구성될 수 있다. 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)의 소자 개수는 도시된 바와 같이 2개, 3개, 4개 등에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)의 소자 개수는 2개, 4개, 8개, 16개 등으로 확장 가능하다. 또한, 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)의 소자는 동일한 개수 또는 상이한 개수로 선택될 수 있다. 복수의 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)은 디스플레이의 서로 다른 영역 또는 전자 기기의 하부 또는 측면에 배치될 수 있다. 복수의 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)이 디스플레이의 상부, 좌측, 하부 및 우측에 배치될 수 있지만, 이러한 배치 구조에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 복수의 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)이 디스플레이의 좌측 상부, 우측 상부, 좌측 하부 및 우측 하부에 배치될 수도 있다.
안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)은 임의의 주파수 대역에서 신호를 특정 방향으로 송신 및 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4)은 28GHz 대역, 39GHz 대역, 및 64GHz 대역 중 어느 하나의 대역에서 동작할 수 있다.
전자 기기는 안테나 모듈들(ANT 1 내지 ANT4) 중 둘 이상의 모듈을 통해 서로 다른 엔티티와 연결 상태를 유지하거나 이를 위한 데이터 송신 또는 수신 동작을 수행할 수 있다. 이와 관련하여, 디스플레이 장치에 해당하는 전자 기기는 제1 안테나 모듈(ANT1)을 통해 제1 엔티티와 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다. 또한, 전자 기기는 제2 안테나 모듈(ANT2)을 통해 제2 엔티티와 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다. 일 예로, 전자 기기는 제1 안테나 모듈(ANT1)을 통해 이동 단말(mobile terminal, UE)과 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다. 전자 기기는 제2 안테나 모듈(ANT2)을 통해 셋톱 박스 또는 AP (Access Point)와 같은 제어 장치와 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다.
다른 안테나 모듈들, 예컨대 제3 안테나 모듈(ANT3) 및 제4 안테나 모듈(ANT4)을 통해 다른 엔티티와 데이터를 송신 또는 수신할 수 있다. 다른 예로, 제3 안테나 모듈(ANT3) 및 제4 안테나 모듈(ANT4)을 통해 이전에 연결된 제1 및 제2 엔티티 중 적어도 하나를 통해 이중 연결 또는 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
이동 단말(UE1, UE2)이 전자 기기의 전면 영역에 배치되고, 이동 단말(UE1, UE2)은 제1 안테나 모듈(ANT1)과 통신하도록 구성될 수 있다. 한편, 셋톱 박스(STB) 또는 AP가 전자 기기의 하부 영역에 배치되고, 셋톱 박스(STB) 또는 AP가 제2 안테나 모듈(ANT2)과 통신하도록 구성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 한다. 다른 예로, 제2 안테나 모듈(ANT2)이 하부 영역으로 방사하는 제1 안테나와 전면 영역으로 방사하는 제2 안테나를 모두 구비할 수 있다. 따라서, 제2 안테나 모듈(ANT2)은 제1 안테나를 통해 셋톱 박스(STB) 또는 AP와 통신을 수행하고, 제2 안테나를 통해 이동 단말(UE1, UE2) 중 어느 하나와 통신을 수행할 수 있다.
한편, 이동 단말(UE1, UE2) 중 어느 하나는 전자 기기와 다중 입출력(MIMO)을 수행하도록 구성될 수 있다. 일 예로, UE1은 전자 기기와 빔포밍을 수행하면서 MIMO를 수행하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이 영상표시장치에 해당하는 전자 기기는 다른 전자 기기 또는 셋톱 박스와 WiFi 무선 인터페이스를 통해 고속 통신을 수행할 수 있다. 일 예로, 전자 기기는 다른 전자 기기 또는 셋톱 박스와 802.11 ay 무선 인터페이스를 통해 60GHz 대역에서 고속 통신을 수행할 수 있다.
한편, 송수신부 회로 모듈들(1210a 내지 1210d)은 RF 주파수 대역에서 송신 신호 및 수신 신호를 처리하도록 동작 가능하다. 여기서, RF 주파수 대역은 전술한 바와 같이 28GHz 대역, 39GHz 대역, 및 64GHz 대역과 같은 밀리미터 대역의 임의의 주파수 대역일 수 있다. 한편, 송수신부 회로 모듈들(1210a 내지 1210d)은 RF SUB-MODULE (1210a 내지 1210d)로 지칭될 수 있다. 이때, RF SUB-MODULE (1210a 내지 1210d)의 개수는 4개에 한정되는 것은 아니고, 응용에 따라 2개 이상의 임의의 개수로 변경 가능하다.
또한, RF SUB-MODULE들(1210a 내지 1210d)은 RF 주파수 대역의 신호를 IF 주파수 대역의 신호로 변환하거나 또는 IF 주파수 대역의 신호를 RF 주파수 대역의 신호로 변환하는 상향변환 모듈 및 하향변환 모듈을 구비할 수 있다. 이를 위해, 상향변환 모듈 및 하향변환 모듈은 상향 주파수 변환 및 하향 주파수 변환을 수행할 수 있는 로컬 오실레이터(LO: Local Oscillator)를 구비할 수 있다.
한편, 복수의 RF SUB-MODULE들(1210a 내지 1210d)은 복수의 송수신부 회로 모듈들 중 어느 하나의 모듈에서 인접한 송수신부 회로 모듈로 신호가 전달될 수 있다. 이에 따라, 전달되는 신호가 복수의 송수신부 회로 모듈들(1210a 내지 1210d) 전부에 적어도 한 번 전달되도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 루프 구조의 데이터 전달 경로(data transfer path)가 추가될 수 있다. 이와 관련하여, 루프 구조의 전송 경로(P2)를 통해, 인접한 RF SUB-MODULE (1210b, 1210c)은 양방향(bi-direction)으로 신호 전달이 가능하다.
또는, 피드백 구조의 데이터 전달 경로가 추가될 수 있다. 이와 관련하여, 피드백 구조의 데이터 전달 경로를 통해, 적어도 하나의 SUB-MODULE(1210c)은 나머지 SUB-MODULE(1210a, 1210b, 1210c)로 일방향(uni-direction)으로 신호 전달이 가능하다.
복수의 RF SUB-MODULE들은 제1 RF SUB-MODULE 내지 제4 RF SUB-MODULE(1210a 내지 1210d)을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 RF SUB-MODULE(1210a)로부터의 신호는 인접한 RF SUB-MODULE (1210b) 및 제4 RF SUB-MODULE(1210d)로 전달될 수 있다. 또한, 제2 RF SUB-MODULE(1210b) 및 제4 RF SUB-MODULE(1210d)은 상기 신호를 인접한 제3 RF SUB-MODULE(1210c)로 전달될 수 있다. 이때, 제2 RF SUB-MODULE(1210b)과 제3 RF SUB-MODULE(1210c) 간에 도 4와 같이 양방향 전송이 가능하면, 이를 루프 구조로 지칭할 수 있다. 반면에, 제2 RF SUB-MODULE(1210b)과 제3 RF SUB-MODULE(1210c) 간에 일방향 전송만 가능하면, 이를 피드백 구조로 지칭할 수 있다. 한편, 피드백 구조에서는 제3 RF SUB-MODULE(1210c)로 전달되는 신호가 적어도 둘 이상일 수 있다.
하지만, 이러한 구조에 제한되는 것은 아니라, 응용에 따라 기저대역 모듈은 제1 내지 제4 RF sub-module(1210a 내지 1210d) 중 특정 모듈에만 구비될 수 있다. 또는, 응용에 따라 기저대역 모듈은 제1 내지 제4 RF sub-module(1210a 내지 1210d)에 구비되지 않고, 별도의 제어부, 즉 기저대역 프로세서(1400)로 구성될 수 있다. 일 예로, 별도의 제어부, 즉 기저대역 프로세서(1400)에 의해서만 제어 신호 전달이 이루어질 수도 있다.
한편, 도 1과 같은 전자 기기에서, 도 2와 같은 무선 인터페이스를 구비하는 전자기기의 구체적인 구성 및 기능에 대해서 이하에서 설명하기로 한다. 전자 기기 간에 밀리미터파(mmWave) 대역의 통신 서비스를 이용하여 전자 기기 간에 데이터를 송신 또는 수신할 필요가 있다. 이와 관련하여, mmWave 무선 인터페이스로 802.11ay 무선 인터페이스를 이용하여 무선 AV(audio-video) 서비스 및/또는 고속 데이터 전송을 제공할 수 있다. 이 경우, 802.11ay 무선 인터페이스에 한정되는 것은 아니고, 60GHz 대역의 임의의 무선 인터페이스가 적용될 수 있다. 이와 관련하여, 전자 기기 간에 고속 데이터 전송을 위해 28GHz 대역 또는 60GHz 대역을 사용하는 5G 또는 6G 무선 인터페이스가 사용될 수도 있다.
4K 이상의 해상도로 영상을 전달하기 위하여 영상표시기기와 같은 전자 기기에서 무선 인터페이스를 제공하는 안테나 및 RFIC (radio frequency integrated chip)에 대한 구체적인 솔루션이 없다는 문제점이 있다. 특히, 영상표시기기와 같은 전자 기기가 건물의 벽에 배치되거나 테이블 위에 배치된 상황을 고려하여, 다른 전자 기기와 무선 AV 데이터를 송신 또는 수신할 필요가 있다. 이를 위해, 안테나 및 RFIC를 영상표시기기의 어느 영역에 배치할지에 대한 구체적인 구성과 안테나 구조가 제시될 필요가 있다.
이와 관련하여, 도 5a는 본 명세서와 관련하여 배열 안테나 모듈이 배치되는 다층 회로 기판과 RFIC가 연결된 구성을 나타낸다. 구체적으로, 본 명세서와 관련하여 AIP (Antenna In Package) 모듈 구조와 가요성 기판에 구현된 안테나 모듈 구조를 나타낸 것이다.
도 5a(a)를 참조하면, AIP (Antenna In Package) 모듈은 mmWave 대역 통신을 위하며, RFIC - PCB - 안테나 통합형으로 구성된다. 이와 관련하여, 배열 안테나 모듈(1100-1)은 도 5(a)와 도시된 바와 같이, 다층 기판(multi-layer PCB)과 일체로 구성될 수 있다. 따라서, 다층 기판과 일체로 구성되는 배열 안테나 모듈(1100-1)을 AIP 모듈로 지칭할 수 있다. 구체적으로, 다층 기판(multi-layer)의 일 측 영역에 배열 안테나 모듈(1100-1)이 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 다층 기판의 일 측 영역에 배치되는 배열 안테나 모듈(1100-1)을 이용하여 다층 기판의 측면 영역으로 제1 빔(B1)을 형성할 수 있다.
반면에, 도 5a(b)를 참조하면, 배열 안테나 모듈(1100-2)은 다층 기판 상에 배치될 수 있다. 배열 안테나 모듈(1100-2)의 배치는 도 5a(b)의 구조에 한정되는 것이 이나라, 다층 기판 내부의 임의의 레이어 상에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 다층 기판의 임의의 레이서 상에 배치되는 배열 안테나 모듈(1100-2)을 이용하여 다층 기판의 전면 영역으로 제2 빔(B2)을 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 배열 안테나 모듈이 일체로 형성되는 AIP 모듈은 RFIC와 안테나 간의 거리를 최소화하기 위해, 동일 PCB에 배열 안테나(array antenna)가 배치될 수 있다.
한편, AIP 모듈의 안테나는 다층(multi-layer) PCB 제조 공정으로 구현될 수 있고, PCB의 수직/측면 방향으로 신호를 방사할 수 있다. 이와 관련하여, 패치 안테나, 다이폴/모노폴 안테나를 이용하여 이중 편파를 구현할 수 있다. 따라서, 도 5a(a)의 제1 배열 안테나(1100-1)를 다층 기판의 측면 영역에 배치하고, 도 5a(b)의 제2 배열 안테나(1100-2)를 다층 기판의 측면 영역에 배치할 수 있다. 이에 따라, 제1 배열 안테나(1100-1)를 통해 제1 빔(B1)을 생성하고, 제2 배열 안테나(1100-2)를 통해 제2 빔(B2)을 생성할 수 있다.
제1 배열 안테나(1100-1)와 제2 배열 안테나(1100-2)는 동일 편파를 갖도록 구성될 수 있다. 또는, 제1 배열 안테나(1100-1)와 제2 배열 안테나(1100-2)는 직교 편파를 갖도록 구성될 수 있다. 동작할 수도 있다. 이와 관련하여, 제1 배열 안테나(1100-1)는 수직 편파 안테나로 동작하고, 수평 편파 안테나로 동작할 수도 있다. 일 예로, 제1 배열 안테나(1100-1)는 수직 편파를 갖는 모노폴 안테나이고, 제2 배열 안테나는 수평 편파를 갖는 패치 안테나일 수 있다.
한편, 도 5b는 서로 다른 방사 방향을 갖는 안테나 구조를 나타낸 개념도이다.
도 5a(a) 및 도 5b(a)를 참조하면, 다층 기판의 측면 영역에 배치된 안테나 모듈의 방사 방향은 측면 방향에 해당한다. 이와 관련하여, 가요성 기판에 구현된 안테나는 다이폴/모노폴 안테나와 같은 방사 소자로 구성될 수 있다. 즉, 가요성 기판에 구현된 안테나는 end-fire antenna elements일 수 있다.
이와 관련하여, end-fire radiation은 기판과 수평 방향으로 방사하는 안테나에 의해 구현될 수 있다. 이러한 end-fire antenna는 다이폴/모노폴 안테나, 야기-다이폴 안테나, 비발디 안테나, SIW horn 안테나 등으로 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 야기-다이폴 안테나와 비발디 안테나는 수평 편파 특성을 갖는다. 한편, 본 명세서에서 제시되는 영상표시기기에 배치되는 안테나 모듈 중 하나는 수직 편파 안테나가 필요하다. 따라서, 수직 편파 안테나로 동작하면서 안테나 노출 부위를 최소화할 수 있는 안테나 구조가 제시될 필요가 있다.
도 5a(b) 및 도 5b(a)를 참조하면, 다층 기판의 전면 영역에 배치된 안테나 모듈의 방사 방향은 전면 방향에 해당한다. 이와 관련하여, AIP 모듈에 배치된 안테나는 패치 안테나와 같은 방사 소자로 구성될 수 있다. 즉, AIP 모듈에 배치된 안테나는 broadside 방향으로 방사하는 broadside antenna elements일 수 있다.
한편, 배열 안테나가 내부에 배치되는 다층 기판은 메인 기판과 일체로 형성되거나 또는 메인 기판과 커넥터에 의해 모듈형으로 결합되도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 5c는 실시 예들에 따른 다층 기판과 메인 기판의 결합 구조를 나타낸 것이다. 도 5c(a)를 참조하면, 다층 기판(1010)에 RFIC(1250)와 모뎀(1400)이 일체로 형성된 구조를 나타낸다. 모뎀(1400)은 기저대역 프로세서(1400)로 지칭될 수 있다. 이에 따라 다층 기판(1010)은 메인 기판과 일체로 형성된다. 이러한 일체형 구조는 전자 기기에 하나의 배열 안테나 모듈만 배치되는 구조에 적용될 수 있다.
반면에, 다층 기판(1010)과 메인 기판(10120)은 커넥터에 의해 모듈형으로 결합되도록 구성될 수 있다. 도 5c(b)를 참조하면, 이와 관련하여, 다층 기판(1010)은 커넥터를 통해 메인 기판(1020)과 인터페이스 되도록 구성될 수 있다. 경우, 다층 기판(1010)에 RFIC(1250)가 배치되고, 메인 기판(1020)에 모뎀(1400)이 배치될 수 있다. 이에 따라 다층 기판(1010)은 메인 기판(1020)과 별도의 기판으로 형성되고, 커넥터를 통해 결합되도록 구성될 수 있다.
이러한 모듈형 구조는 전자 기기에 복수의 배열 안테나 모듈이 배치되는 구조에 적용될 수 있다. 도 5c(b)를 참조하면, 다층 기판(1010)과 제2 다층 기판(1020)이 메인 기판(1020)과 커넥터 연결을 통해 인터페이스 되도록 구성될 수 있다. 메인 기판(1020)에 배치된 모뎀(1400)은 다층 기판(1010)과 제2 다층 기판(1020)에 배치된 RFIC(1250, 1250b)과 전기적으로 결합되도록 구성된다.
한편, AIP 모듈이 영상표시기기와 같은 전자 기기의 하부에 배치되는 경우, 하부 방향 및 전면 방향에 배치되는 다른 통신 모듈들 통신을 수행할 필요가 있다. 이와 관련하여, 도 6은 영상표시기기 하부에 배치되는 복수의 통신 모듈과 해당 통신 모듈의 구성과 전면 방향에 배치되는 다른 통신 모듈과의 통신을 수행하는 개념도이다. 도 6(a)를 참조하면, 영상표시기기(100)의 하부에 서로 다른 통신 모듈(1100-1, 1100-2)이 배치될 수 있다. 도 6(b)를 참조하면, 영상표시기기(100)는 안테나 모듈(1100)을 통해 하부에 배치된 통신 모듈(1100b)과 통신을 수행할 수 있다. 영상표시기기(100)의 안테나 모듈(1100)을 통해 전면에 배치된 제2 통신 모듈(1100c)과 통신을 수행할 수 있다. 또한, 영상표시기기(100)의 안테나 모듈(1100)을 통해 측면에 배치된 제3 통신 모듈(1100d)과 통신을 수행할 수 있다.
이와 관련하여, 통신 모듈(1100b)은 802.11 ay 무선 인터페이스를 통해 영상표시기기(100)로 고속으로 AV 데이터를 전달하는 셋톱 박스 또는 AP (Access point)일 수 있지만, 이에 한정되는 것이다. 한편, 제2 통신 모듈(1100c)은 802.11 ay 무선 인터페이스를 통해 영상표시기기(100)와 고속으로 데이터를 송수신하는 임의의 전자 기기일 수 있다. 한편, 전면, 하부 및 측면에 배치되는 통신 모듈들(1100b, 1100c,1100d)과 무선 통신을 수행하기 위해, 복수의 배열 안테나들을 구비하는 안테나 모듈(1100)은 서로 다른 방향으로 빔을 형성한다. 구체적으로, 안테나 모듈(1100)은 서로 다른 배열 안테나를 통해 전면 방향(B1), 하부 방향(B2) 및 측면 방향(B3)으로 빔을 형성할 수 있다.
한편, 도 5a(a)와 같은 AIP 모듈 구조에서 RFIC 구동 회로, 방열 구조에 따라 안테나 높이가 증가할 수 있다. 또한, 사용되는 안테나 타입에 따라 도 5(a) a와 같은 AIP 모듈 구조에서 안테나 높이가 증가할 수 있다. 반면에, 도 5a(b)와 같은 다층 기판에 측면 영역에 구현된 안테나 모듈 구조는 안테나를 low-profile 형상으로 구현할 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 2와 같은 전자 기기에서, 도 4 및 도 6의 전자 기기의 내부 또는 측면에 배치될 수 있는 도 5a 내지 도 5c의 안테나 모듈의 구체적인 구성에 대해서 설명한다.
영상표시장치와 같은 전자 기기가 주변의 전자 기기와 통신을 수행하기 위해, 안테나를 포함하는 통신 모듈이 구비될 수 있다. 한편, 최근 영상표시장치의 디스플레이 영역이 확장됨에 따라 안테나를 포함하는 통신 모듈의 배치 공간이 감소하게 된다. 이에 따라, 통신 모듈이 구현되는 다층 회로 기판 내부에 안테나를 배치할 필요성이 증가하고 있다.
한편, 전자 기기 간에 통신 서비스를 위한 인터페이스로 WiFi 무선 인터페이스가 고려될 수 있다. 이러한 WiFi 무선 인터페이스를 이용하는 경우, 전자 기기 간에 고속 데이터 전송을 위해 밀리미터파 대역(mmWave)을 이용할 수 있다. 특히, 802.11ay와 같은 무선 인터페이스를 이용하여 전자 기기 간에 고속 데이터 전송이 가능하다.
이와 관련하여, 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작할 수 있는 배열 안테나는 안테나 모듈 내에 실장될 수 있다. 하지만, 이러한 안테나 모듈에 배치되는 안테나와 송수신부 회로와 같은 전자 부품은 전기적으로 연결되도록 구성된다. 이와 관련하여, 서로 다른 레이어에 배치되는 전자 부품들은 다층 구조의 전송 선로로 전기적으로 연결될 수 있고, 이에 따라 수직 비아 구조가 형성될 수 있다.
밀리미터파(mmWave) 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 수직 비아 구조에 의해 전송 선로 간 임피던스 부정합과 라인 손실이 크게 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 다층 기판 내에 복수의 안테나들이 배치되는 경우 전송 선로 간 중첩을 회피하기 위해 전송 선로의 우회 경로 형성에 따라 라인 손실이 크게 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
본 명세서는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 명세서는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 다른 일 목적은 밀리미터파 대역에서 동작하는 다층 임피던스 변환부를 구비한 안테나 모듈 및 이를 구비하는 전자 기기를 제공하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 밀리미터파 대역의 배열 안테나를 구성하는 복수의 안테나 소자들을 급전하는 복수의 급전선의 우회 경로 형성에 따른 라인 손실이 증가하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 다층 기판 형태의 PCB에 배치되는 RFIC와 안테나 소자 간의 다층 임피던스 변환 구조를 통해 수직 비아에 의한 임피던스 부정합이 증가하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 다층 기판 형태의 PCB 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있는 광대역 급전 라인 구조를 제공하기 위한 것이다.
도 7a 및 도 7b는 송수신부 회로(transceiver circuit)에 해당하는 RFIC가 서로 다른 안테나와 연결되는 구성에서 RF 라인 및 전력 라인 간의 배치 구조를 비교한 것이다.
도 7a와 같이 수직 비아 구조 없이 연결 라인이 형성되는 경우, RFIC(1250)에서 안테나(ANT1 내지 ANT4)로 급전선(F1 내지 F4)이 연결되는 경로에 다른 RF 라인이나 전력 라인(L1 내지 L4)이 배치될 수 있다. 이 경우, RF 라인이나 전력 라인(L1 내지 L4)은 안테나(ANT1 내지 ANT4)가 배치되지 않은 영역으로 우회 경로로 구성되어야 한다. 일 예로, RF 라인이나 전력 라인(L1 내지 L4)이 수평 라인의 형태로 우회 경로를 형성한다. 이와 관련하여, 제1 타입의 안테나(ANT1 내지 ANT4)가 다층 기판 상에 또는 다층 기판의 내부의 일 레이어에 배치될 수 있다. 제2 타입의 안테나(ANT1b 내지 ANT4b)가 다층 기판의 측면에 배치될 수 있다. 제1 타입의 안테나는 다층 기판의 상부 또는 하부로 신호를 방사하는 안테나이고 제2 타입의 안테나는 다층 기판의 측면으로 신호를 방사하는 안테나일 수 있다.
반면에, 도 7b와 같이 우회 경로를 형성하지 않고, 안테나(ANT1 내지 ANT4)가 배치된 영역에서 다른 레이어를 통해 RF 라인이나 전력 라인(L1 내지 L4)이 배치될 수 있다. 이에 따라, 수평 라인으로 멀리 우회하지 않고 수직 라인으로 다른 레이어로 수직 비아를 통해 이동하여, RF 라인이나 전력 라인(L1 내지 L4)이 직선으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 급전선(F1 내지 F4) 및 RF 라인(L1 내지 L4)의 길이를 단축시켜 라인 손실을 감소시킬 수 있다.
이와 관련하여, 안테나(ANT1 내지 ANT4)의 제1 타입의 안테나이고 하단부에 제2 타입의 안테나(ANT1b 내지 ANT4b)가 배치될 수도 있다. 수직 비아(1130)를 중심으로 임피던스 변환부(impedance transformer, TR1, TR2)가 형성되는 구조는 제1 타입의 안테나(ANT1 내지 ANT4)에 연결되는 급전선(F1 내지 F4)에 적용될 수 있다. 또한, 수직 비아(1130)를 중심으로 임피던스 변환부(TR1, TR2)가 형성되는 구조는 제2 타입의 안테나(ANT1b 내지 ANT4b)에 연결되는 RF 라인(L1 내지 L4)에도 적용될 수 있다. 이와 관련하여, 제1 타입의 안테나(ANT1 내지 ANT4)가 다층 기판 상에 또는 다층 기판의 내부의 일 레이어에 배치될 수 있다. 제2 타입의 안테나(ANT1b 내지 ANT4b)가 다층 기판의 측면에 배치될 수 있다. 제1 타입의 안테나는 다층 기판의 상부 또는 하부로 신호를 방사하는 안테나이고 제2 타입의 안테나는 다층 기판의 측면으로 신호를 방사하는 안테나일 수 있다.
본 명세서의 실시 예에 따르면, 도 7b의 라인 연결 구조에서 서로 다른 레이어 배치된 전송 선로(TL1, TL2)는 수직 비아(1130)를 중심으로 λ/4변환기 형태의 임피던스 변환부(TR1, TR2)가 형성된다. 이에 따라, 급전선(F1 내지 F4)이 비아를 통해 안테나(ANT1 내지 ANT4)가 배치된 방향으로 직선으로 형성될 수 있다. 이 경우, 수직 비아(1130)를 중심으로 마주보는 라인 폭이 두꺼워졌다가 다시 얇아지는 구조를 이용하여 비아에 의한 성능 열화가 생기지 않도록 할 수 있다.
본 명세서에 따른 다층 기판(multi-layer substrate)으로 구성되는 안테나 모듈에서, 수직 비아를 고려한 임피던스 변환 구조에 대해 설명한다. 도 8은 본 명세서에 따른 다층 기판으로 구성되는 안테나 모듈의 구성을 나타낸다. 도 8을 참조하면, 여러 방향으로 전자기파를 방사하여 커버리지(coverage)를 증가시킬 수 있는 밀리미터파 (millimeter wave, mmWave) 안테나 모듈(1100)의 측면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 안테나 모듈(1100)은 송수신부 회로(transceiver circuit, 1250), 제1 전송 선로(transmission line, 1120a), 제2 전송 선로(1120b) 및 수직 비아(1130)를 포함하도록 구성될 수 있다. 한편, 안테나 모듈(1100)은 복수의 다층 기판으로 구현되므로 안테나 어셈블리(1100)로 지칭될 수도 있다.
송수신부 회로(1250)는 다층 기판으로 구성된 안테나 모듈(1110)에 배치되도록 구성될 수 있다. 송수신부 회로(1250)는 다층 기판의 최 상부 층에 배치될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 8을 참조하면, 인쇄회로 기판(printed circuit board) 형태의 다층 기판은 6층(layer)로 되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 다양한 층 수로 구성될 수 있다. 송수신부 회로(1250)에 해당하는 RFIC는 PCB에 해당하는 다층 기판에 부착되며, 안테나(1100U, 1100S, 1100L)를 통해 mmWave 대역의 신호를 송신하거나 수신하도록 구성된다. 이와 관련하여, 안테나(1100U)는 상부로 신호를 방사하므로 상부 안테나로 지칭하고 안테나(1100L)는 하부로 신호를 방사하므로 하부 안테나로 지칭할 수 있다. 또한, 안테나(1100S)는 측면으로 신호를 방사하므로 측면 안테나로 지칭할 수 있다.
상부 안테나(1100U)와 하부 안테나(1100L)는 다층 기판에 수직한 방향인 상부 방향 및 하부 방향으로 신호를 방사하도록 제1 타입의 방사체로 구성될 수 있다. 상부 안테나(1100U)와 하부 안테나(1100L)는 패치 안테나와 같이 broadside 방향으로 신호를 방사하는 제1 타입의 안테나로 구성될 수 있다. 반면에, 측면 안테나(1100S)는 다층 기판에 평행한 방향인 측면 방향으로 신호를 방사하도록 제1 타입의 방사체로 구성될 수 있다. 측면 안테나(1100S)는 다이폴 안테나 또는 모노폴 안테나와 같이 end-fire 방향으로 신호를 방사하는 제2 타입의 안테나로 구성될 수 있다.
따라서, 안테나 모듈(1100)은 하부 안테나(1100L) 및 다층 기판 내부에 배치되고, 상기 다층 기판의 측면 방향(side direction)으로 신호를 방사하도록 구성된 측면 안테나(side antenna, 1100S)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 안테나 모듈(1100)은 상부 안테나(1100U)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
측면 안테나(1100S)의 지향성(directivity)을 향상시키기 위해, 그라운드 비아 월(1130c)이 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 전술한 바와 같이 측면 안테나(1100S)는 다층 기판 내부에 배치되고, 다층 기판의 측면 방향(side direction)으로 신호를 방사하도록 구성될 수 있다. 그라운드 비아 월(1130c)은 측면 안테나(1100S)가 방사하는 신호의 측면 방향으로의 지향성이 개선되도록 측면 안테나(1100S)보다 다층 기판의 내측에 배치되는 복수의 레이어로 구성될 수 있다. 다시 말해, 그라운드 비아 월(1130c)은 제1 및 제2 그라운드(G1, G2)의 비아 패드와 비아 패드를 상호 연결하는 수직 연결부로 구성될 수 있다.
한편, 제1 전송 선로(1120a)는 안테나 모듈(1100)의 제1 레이어에 배치되고, 송수신부 회로(1250)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 제2 전송 선로(1120b)는 안테나 모듈(1100)의 제2 레이어에 배치되고, 안테나와 전기적으로 연결되도록 구성 구성될 수 있다. 여기서, 제1 레이어 및 제2 레이어는 제1 전송 선로(1120a)와 제2 전송 선로(1120b)가 배치되는 다층 기판 내의 임의의 레이어이다. 일 예로 도 8을 참조하면, 제1 레이어는 최 상부 층인 제1 층(L1)일 수 있고, 제2 레이어는 다층 기판 내부의 제3 층(L3)일 수 있다. 이에 따라, 제1 전송 선로(1120a)는 RFIC(1250)가 배치되는 PCB 상단 레이어에 배치되거나 또는 PCB 하단 레이어에 배치될 수 있다. 한편, 제2 전송 선로(1120b)는 PCB 내부 레이어에 배치될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 변경 가능하다.
한편, RFIC(1250)와 안테나(1100U, 1100S, 1100L)를 연결하기 위한 급전선(feeding line)이 다층 기판 상에 배치되거나 다층 기판 내부에 배치될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상부 안테나(1100U)와 RFIC(1250)는 다층 기판의 최 상부 층에 배치되므로 수직 비아 연결 없이 직접 연결될 수 있다. 한편, 상부 안테나(1100U)가 최 상부 층이 아닌 다른 층, 예컨대 제2 층(L2)에 배치되면 수직 비아 연결을 통해 연결될 수 있다.
한편, 하부 안테나(1100L)는 전술한 제1 전송 선로(1120a), 수직 비아(1130) 및 제2 전송 선로(1120b)에 의해 RFIC(1250)와 연결되도록 구성될 수 있다. 하부 안테나(1100L)는 제2 전송 선로(1120b)와 제2 수직 비아(1132)를 통해 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 하부 안테나(1100L)는 안테나 모듈(1100)의 하부 방향(lower direction)으로 신호를 방사하도록 구성되는 하부 안테나일 수 있다.
수직 비아(vertical via, 1120)는 제1 전송 선로(1120a)와 제2 전송 선로(1120b)를 수직하게 연결하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상부 층과 하부 층의 급전 선, 예컨대 제1 및 제2 전송 선로(1120a, 1120b)를 연결하기 위해 수직 비아(1120)는 비아 패드(via pad, VP)와 수직 연결부(vertical connection part, VC)로 구성될 수 있다. 한편, 비아 패드(VP)의 일 단부와 인접한 그라운드 비아(1130a, 1130b)와의 간격을 비아 공차(via clearance)로 지칭할 수 있다.
그라운드 비아(1130a, 1130b)는 서로 다른 그라운드, 예컨대 제1 그라운드(G1)와 제2 그라운드(G2)를 상호 연결하도록 구성될 수 있다. 제2 전송 선로(1120b)의 일 단부에 인접하게 제1 그라운드 비아(1130a)가 형성될 수 있다. 또한, 제2 전송 선로(1120b)의 타 단부에 인접하게 제2 그라운드 비아(1130b)가 형성될 수 있다.
비아 패드(VP)와 수직 연결부(VC)로 구성된 수직 비아(1130)는 시그널 비아 또는 급전 비아로 지칭될 수 있다. 비아 패드(VP)와 수직 연결부(VC)로 구성된 급전 비아(1130)와 그라운드 비아(1130b)와의 비아 공차에 의해 mmWave 대역에서 급전선의 임피던스를 50ohm보다 낮게 구성할 수 있다. 이에 따라, 안테나(1100U, 1100S, 1100L)와 RFIC(1250) 간의 임피던스 부정합(mis-matching)이 발생할 수 있다.
한편, 제1 전송 선로(1120a)에 해당하는 급전선은 PCB에 해당하는 다층 기판의 최 상부 층 또는 최 하부 층에 배치되는 마이크로 스트립 라인(micro-strip line)으로 구성될 수 있다. 이 경우, 급전선이 다층 기판의 최 상부 층 또는 최 하부 층에 배치되지 않더라도 급전선의 상부 또는 하부에 그라운드가 배치되지 않으면 급전선이 마이크로 스트립 라인이라고 간주할 수 있다. 반면에, 제2 전송 선로(1120b)에 해당하는 급전선은 PCB에 해당하는 다층 기판 내부에 배치되는 스트립 라인(strip line)으로 구성될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 전송 선로(1120b)의 상부와 하부에 각각 제1 그라운드(G1) 및 제2 그라운드(G2)가 배치되어 제2 전송 선로(1120b)는 스트립 라인 구조에 해당한다.
따라서, 제1 전송 선로(1120a)는 유전체 상에 배치되는 도전 라인(conductive line)의 상부에 유전체 없이 공기 층(air layer)이 형성되는 마이크로 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 한편, 제2 전송 선로(1120b)는 도전 라인의 상부와 하부에 각각 유전체가 배치되고, 각각의 유전체의 상부와 하부에 그라운드(G1, G2)가 배치되는 스트립 라인으로 구성될 수 있다.
안테나 및 급전선 배치 구조와 관련하여, 도 8을 참조하면 상부 안테나(1100U)와 하부 안테나(1100D)에 해당하는 패치 안테나는 최 상부 층인 제1 층(L1)과 최 하부 층인 제6 층(L6)에 배치될 수 있다. 패치 안테나의 그라운드 및 제2 전송 선로(1120b)의 상부 그라운드로 동작하는 제1 그라운드(G1)가 제2 층(L2)에 배치될 수 있다. 한편, 제2 전송 선로(1120b)의 하부 그라운드로 동작하는 제2 그라운드(G2)가 제4 층(L4)에 배치될 수 있다.
하부 안테나(1100L)를 급전하도록 제2 전송 선로(1120b)로 구성된 급전선이 제3 층(L3)에 배치될 수 있다. 이 경우, 제3 층(L3)에 배치된 측면 안테나(1100S)를 급전하는 급전선 배치 공간에 제약이 발생할 수 있다. 특히, 측면 안테나(1100S)의 반사체(reflector)로 동작하는 그라운드 비아 월(1130c)이 제2 층(L2) 내지 제4 층(L4)에 형성되면 측면 안테나(1100S)를 급전하는 급전선 배치 공간에 제약이 발생할 수 있다. 그라운드 비아 월(1130c)을 포함하여 복수의 그라운드 비아(1130a, 1130b, 1130c)가 다층 기판 내부에 배치될 수 있다.
이러한 배치 공간 제약 조건을 완화하기 위해, 다이폴 안테나와 같은 측면 안테나(1100S)가 제1 층(L1) 내지 제6 층(L6) 중 임의의 층에 배치될 수 있다. 또는, 측면 안테나(1100S)가 제2 층(L2) 내지 제4 층(L4) 중 임의의 층에 배치될 수 있다. 이 경우, 측면 안테나(1100S)를 급전하는 급전선은 그라운드 비아(1130a, 1130b, 1130c)가 형성되지 않은 영역을 통해 형성되어 측면 안테나(1100S)와 연결될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 개시되는 RFIC와 안테나를 연결하는 전송 선로 간 수직 비아 연결을 갖는 임피던스 정합 구조에 대해 상세하게 설명한다. 이와 관련하여, 도 9는 본 명세서에서 개시되는 RFIC와 안테나를 연결하는 전송 선로 간 수직 비아 연결을 갖는 임피던스 정합 구조를 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 수직 비아(1130)와 연결되는 제1 전송 선로(1120a)의 제1 임피던스 변환부(1121)는 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성될 수 있다. 수직 비아(1130)와 연결되는 제2 전송 선로(1120b)의 제2 임피던스 변환부(1122)는 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 개시되는 임피던스 정합 구조에서 제1 임피던스 변환부(1121)와 제2 임피던스 변환부(1122)의 치수는 소정 범위 내에서 설정될 수 잇다. 이와 관련하여, 도 10a는 제1 및 제2 임피던스 변환부의 길이의 비율 (L1/L2)에 따른 주파수 별 반사 계수 특성을 나타낸다. 또한, 도 10b는 제1 및 제2 임피던스 변환부의 너비의 비율 (W1/W2)에 따른 주파수 별 반사 계수 특성을 나타낸다
도 10a를 참조하면, 제1 및 제2 임피던스 변환부의 길이의 비율 (L1/L2)이 0.65, 0.85, 1.20인 경우 57.2 내지 70.2GH의 전 대역에서 -15 dB 이하의 안정적인 반사손실 성능을 나타낸다. 하지만, 제1 및 제2 임피던스 변환부의 길이의 비율 (L1/L2)이 0.45 또는 1.35이 되면 반사손실 성능이 동작주파수 대역에서 -15dB 이상의 값을 가지므로 임피던스 정합 성능이 감쇠됨을 알 수 있다.
따라서, 도 8, 도 9 및 도 10a를 참조하면, 제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 길이(L1)와 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 길이(L2)의 비율 (L1/L2)은 0.45 내지 1.35 사이의 범위로 설정될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 제1 및 제2 임피던스 변환부의 너비의 비율 (W2/W1)이 0.38, 0.48, 0.57인 경우 57.2 내지 70.2GH의 전 대역에서 -15 dB 이하의 안정적인 반사손실 성능을 나타낸다. 하지만, 제1 및 제2 임피던스 변환부의 길이의 비율 (W2/W1)이 0.32 또는 0.71이 되면 반사손실 성능이 동작주파수 대역에서 -15dB 이상 이상의 값을 가지므로 임피던스 정합 성능이 감쇠됨을 알 수 있다.
따라서, 도 8, 도 9 및 도 10b를 참조하면, 제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 너비(W1)와 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 너비(W2)의 비율 (W2/W1)은 0.32 내지 0.71 사이의 범위로 설정될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 제안하는 마이크로 스트립 라인-스트립 라인 급전 구조를 구성하기 위해, 수직 비아(1130)가 필수적으로 필요하다. 한편, mmWave 대역과 같은 높은 대역에서 동작하는 안테나에서 PCB의 다층 기판에 구현되는 수직 비아(1130)에 의한 안테나와 전송 선로 간 부정합(mis-matching)이 발생할 수 있다.
이러한 안테나와 전송 선로 간 부정합을 개선하기 위한, 수직 비아(1130)를 중심으로 양 측에서 연결되는 제1 및 제2 전송 선로(1120a, 1120b)는 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)를 구비하도록 구성될 수 있다.
도 11은 전술한 문제를 해결하기 위해 본 명세서에서 제안하는 임피던스 변환 구조의 등가 회로를 나타낸다. 한편, 도 12a 내지 도 12c는 다양한 실시 예들에 따른 수직 비아에 의해 연결된 전송 선로 구조를 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제1 및 제2 전송 선로(1120a, 1120b)는 수직 비아(1130)를 중심으로 양 측에서 연결되는 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)를 각각 포함한다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)는 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/4 길이로 형성되므로 λ/4변환기로 지칭할 수 있다. 이와 같이 수직 비아(1130)를 중심으로 양 측에서 서로 마주보도록 λ/4변환기 형태의 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)를 사용하여, 넓은 대역폭에 걸쳐 50ohm 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 수직 비아(1130)은 부하 임피던스(load impedance) RL과 수직 높이(vertical height, h)에 해당하는 전기적 길이로 모델링될 수 있다. 안테나 모듈이 저주파수 대역에서 동작하면 수직 비아의 전기적 길이는 무시할 수 있다. 하지만, mmWave 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 동작하는 안테나 모듈 내부의 수직 비아(1130)의 전기적 길이는 무시할 수 없다. 이에 따라, 특성 임피던스 Z0, 즉 50ohm을 갖는 제1 및 제2 전송 선로(1120a, 1120b)는 각각 부하 임피던스(RL)을 중심으로 좌측과 우측에 λ/4 이하의 길이로 구성된 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)가 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 파장(λ)는 기판(substrate)의 유효 유전율(eeff)에 의해 길이가 감소한 λeff가 될 수 있다. 실시 예에서는 부하 임피던스(RL)를 수직 비아(1130)로 구성하였으나 권리 범위는 수직 비아(1130)에 한정되지 않고, 서로 다른 전송 선로 간 임의의 연결 구조로 확장될 수 있다.
제1 임피던스 변환부(1121)의 특성 임피던스(characteristic impedance) Z1과 제2 임피던스 변환부(1122)의 특성 임피던스 Z2는 같거나 다를 수 있다. Z1과 Z2의 임피던스를 갖는 λ/4변환기인 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)는 서로 다른 레이어에 위치한다.
도 11(a)는 수직 비아(1130)를 중심으로 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)로 구성된다. 도 11(a)를 참조하면, 수직 비아(1130)를 중심으로 일 측에는 하나의 임피던스 변환기가 배치된다. 한편, 본 명세서에 따른 λ/4 변환기는 도 11(b)와 같은 3개 이상의 다단 변환기로 될 수 있다.
다단 변환기는 부하 임피던스(ZL, RL)가 단일 변환기(single transformer)를 거쳐 바로 50ohm이 되는 것이 아니라, 중간에 배치되는 복수의 임피던스 변환부를 거쳐서 변환된다. 도 8 내지 도 10 및 도 11(b)를 참조하면, 부하 임피던스(ZL)를 갖는 수직 비아(1130)는 복수의 임피던스 변환부(1121-1 내지 1121-3)을 통해 50ohm을 갖는 특성 임피던스 Z0로 임피던스 변환될 수 있다.
이와 관련하여, 복수의 임피던스 변환부의 개수는 3개에 한정되는 것이 아니라 2개 이상의 임의의 다단 임피던스 변환기로 구성될 수 있다. 2개의 임피던스 변환기로 구성되는 경우, 각각의 임피던스 변환기를 제1 및 제2 임피던스 변환기로 지칭할 수 있다. 약 30ohm의 부하 임피던스를 갖는 수직 비아(1130)과 제1 임피던스 변환기를 통해 약 40ohm으로 임피던스 변환되고, 다시 제2 임피던스 변환기를 통해 50ohm으로 임피던스 변환될 수 있다.
한편, 수직 비아(1130)를 중심으로 일 측과 타 측에 임피던스 변환부의 개수가 서로 다르게 구성될 수도 있다. 도 8 내지 도 11을 참조하면, 제1 및 제2 임피던스 변환부(1120a, 1120b) 중 하나는 하나의 단일 임피던스 변환기로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 임피던스 변환부(1120a, 1120b) 중 다른 하나는 둘 이상의 다단 임피던스 변환기로 구성될 수 있다.
도 12a를 참조하면, 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)가 수직 비아(1130)를 중심으로 서로 다른 레이어에 위치하고, 수직 비아(1130)를 통해 상호 연결되도록 구성된다. 다시 말해, 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)가 복수의 비아 패드(VP1, VP2,..., VPn) 및 복수의 수직 연결부(VC1, VC2,..., VCn-1)를 갖는 수직 비아(1130)를 통해 연결되도록 구성될 수 있다. 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)가 임피던스 변환부 없이 구현될 수도 있지만, 임피던스 변환을 위해 도 8의 그라운드와의 비아 공차 간격을 조절할 필요가 있다.
도 12b를 참조하면, 제1 전송 선로(TL1)가 제2 임피던스 변환부(1122)를 갖는 제2 전송 선로(TL2, 1120b)와 수직 비아(1130)를 중심으로 서로 다른 레이어에 위치하고, 수직 비아(1130)를 통해 상호 연결되도록 구성된다. 다시 말해, 제1 전송 선로(TL1)가 제2 임피던스 변환부(1122)를 갖는 제2 전송 선로(TL2, 1120b)와 복수의 비아 패드(VP1, VP2,..., VPn) 및 복수의 수직 연결부(VC1, VC2,..., VCn-1)를 갖는 수직 비아(1130)를 통해 연결되도록 구성될 수 있다. 제1 전송 선로(TL1)가 임피던스 변환부 없이 구현될 수도 있지만, 임피던스 변환을 위해 도 8의 그라운드와의 비아 공차 간격을 조절할 필요가 있다.
도 12b에 도시된 수직 비아(1130)에 의해 왜곡된 임피던스를 Z0로 다시 정합하기 위해 제2 전송 선로(TL2)에 λ/4변환기인 제2 임피던스 변환부(1122)를 사용한다. 이 경우, 제2 임피던스 변환부(1122)의 라인 임피던스는 도 11과 같이 Z2로 구성될 수 있다. 수직 비아(1130)에 의해 왜곡된 임피던스가 Z0 보다 낮다고 간주되므로, Z2 <Z0 가 되어야 한다. 따라서, 제2 임피던스 변환부(1122)의 선폭이 제2 전송 선로(TL2)의 선폭보다 더 넓다. 한편, 제2 임피던스 변환부(1122)의 라인 길이는 λ/4 이하의 길이를 갖도록 구성될 수 있다.
한편, 도 12b의 구성에 한정되는 것은 아니고, 제2 전송 선로(TL2)가 임피던스 변환부 없이 수직 비아(1130)와 연결되고 제1 전송 선로(TL1)가 임피던스 변환부를 통해 수직 비아(1130)를 통해 연결될 수도 있다.
도 12c를 참조하면, 제1 전송 선로(TL1)에 λ/4변환기인 제1 임피던스 변환부(1121)가 더 추가될 수 있다. 제1 전송 선로(TL1)의 제1 임피던스 변환부(1121)가 수직 비아(1130)을 바라보는 임피던스가 Z0 보다 낮다고 간주되므로, Z1 <Z0 가 되어야 한다. 따라서, 제2 임피던스 변환부(1121)의 선폭이 제2 전송 선로(TL2)의 선폭보다 더 넓다. 제1 전송 선로(TL1)에 사용된 제1 임피던스 변환부(1121)의 길이와 너비는 설계 사항에 따라 제2 전송 선로(TL2)에 사용된 제2 임피던스 변환부(1122)의 길이와 너비와 동일하거나 또는 서로 다르게 구성될 수 있다.
한편, 도 8 내지 도 11 및 도 12c를 참조하면, 제1 전송 선로(TL1, 1120a)는 마이크로 스트립 라인으로 구성되고, 제2 전송 선로(TL2, 1120b)는 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 상부에 공기 층이 형성된 마이크로 스트립 라인의 유효 유전율(effective permittivity)가 스트립 라인의 유효 유전율보다 더 낮다. 따라서, 제1 전송 선로(TL1, 1120a)의 제1 너비(W1)기 제2 전송 선로(TL2, 1120b)의 제2 너비(W1)보다 더 넓게 구성될 수 있다.
도 8 내지 도 11 및 도 12c를 참조하면, 제1 임피던스 변환부(1121)는 마이크로 스트립 라인에서 제1 임피던스에 해당하는 제1 너비(W1)와 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/4인 4반파장(quarter wavelength)의 제1 길이(L1)로 구성될 수 있다. 제1 임피던스 변환부(1121)는 제1 전송 선로(1120a)의 50ohm 임피던스와 수직 비아(1130)의 상단부(upper end region)에서의 제2 임피던스 사이의 임피던스 매칭을 수행하도록 구성될 수 있다.
제2 임피던스 변환부(1122)는 스트립 라인에서 제3 임피던스에 해당하는 제2 너비(W2)와 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/4인 4반파장의 제2 길이(L2)로 구성될 수 있다. 제2 임피던스 변환부(1122)는 제2 전송 선로(1120b)의 50ohm 임피던스와 수직 비아(1130)의 하단부(lower end region)에서의 제4 임피던스 사이의 임피던스 매칭을 수행하도록 구성될 수 있다.
제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 너비(W1)는 제1 전송 선로(1120a)의 50ohm 선폭(line width)보다 더 넓게 구성될 수 있다. 따라서, 제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 임피던스는 50ohm보다 더 작은 값으로 구성될 수 있다.
제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 너비(W2)는 제2 전송 선로(1120b)의 50ohm 선폭(line width)보다 더 넓고 제1 너비(W1)보다 더 좁게 구성될 수 있다. 따라서, 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 임피던스는 50ohm보다 더 작은 값으로 구성될 수 있다. 한편, 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 임피던스는 제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 임피던스보다 더 큰 값으로 구성될 수 있다.
도 8 내지 도 11 및 도 12b를 참조하면, 제1 및 제2 전송 선로(1120a, 1120b) 중 하나는 임피던스 변환부 없이 50ohm을 갖는 전송 라인으로만 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 전송 선로(1120a)가 임피던스 변환부 없이 50ohm을 갖는 전송 라인으로만 구성될 수 있다. 이를 위해, 제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 너비(W1)는 제1 전송 선로(1120a)의 50ohm 선폭과 동일하게 구성될 수 있다. 이 경우, 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 너비(W2)는 제2 전송 선로(1120b)의 50ohm 선폭과 다르게 (더 넓게) 구성될 수 있다.
다른 예로, 제2 전송 선로(1120b)가 임피던스 변환부 없이 50ohm을 갖는 전송 라인으로만 구성될 수 있다. 이를 위해, 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 너비(W2)는 제2 전송 선로(1120b)의 50ohm 선폭과 동일하게 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 너비(W1)는 제1 전송 선로(1120a)의 50ohm 선폭과 다르게 (더 넓게) 구성될 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시 예에 따른 다층 임피던스 변환 구조는 수직 비아(1130)를 중심으로 서로 다른 개수의 임피던스 변환기로 구성되는 비대칭 구조(asymmetric structure)로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 13a는 마이크로 스트립 라인에서 수직 비아로 연결 시 복수의 임피던스 변환부를 통해 임피던스 변환하는 구성을 나타낸다. 한편, 도 13b는 스트립 라인에서 수직 비아로 연결 시 복수의 임피던스 변환부를 통해 임피던스 변환하는 구성을 나타낸다.
도 13a를 참조하면, 제1 전송 선로(1120a)는 제1 임피던스 변환부(1121) 및 제3 임피던스 변환부(1123)를 포함하도록 구성될 수 있다. 제1 임피던스 변환부(1121)는 수직 비아(1130)와 연결되고, 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성될 수 있다. 제3 임피던스 변환부(1123)는 제1 임피던스 변환부(1121)의 일 단부와 연결되고, 제3 너비(W3)와 제3 길이(L3)를 갖도록 구성될 수 있다. 제3 임피던스 변환부(1123)는 제1 임피던스 변환부(1121)와 50ohm 임피던스의 제1 전송 선로(1120a) 간의 임피던스 변환을 수행하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제3 임피던스 변환부(1123)의 제3 너비(W3)는 제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 너비(W1)보다 더 좁고 제1 전송 선로(1120a)의 50ohm 선폭보다 더 넓게 구성될 수 있다.
도 13b를 참조하면, 제2 전송 선로(1120b)는 제2 임피던스 변환부(1122) 및 제4 임피던스 변환부(1124)를 포함하도록 구성될 수 있다. 제2 임피던스 변환부(1122)는 수직 비아(1130)와 연결되고, 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성될 수 있다. 제4 임피던스 변환부(1124)는 제2 임피던스 변환부(1122)의 일 단부와 연결되고, 제4 너비(W4)와 제4 길이(L4)를 갖도록 구성될 수 있다. 제4 임피던스 변환부(1124)는 제2 임피던스 변환부(1122)와 50ohm 임피던스의 제2 전송 선로(1120b) 간의 임피던스 변환을 수행하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제4 임피던스 변환부(1124)의 제4 너비(W4)는 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 너비(W2)보다 더 좁고 제2 전송 선로(1120b)의 50ohm 선폭보다 더 넓게 구성될 수 있다.
도 13a의 실시예는 도 9의 실시예와 결합하여 마이크로 스트립 라인 영역은 2개 이상의 임피던스 변환부로 구성되고 스트립 라인 영역은 1개의 임피던스 변환부로 구성될 수 있다. 다른 예로, 도 13a의 실시예는 도 9의 실시예와 결합하여 마이크로 스트립 라인 영역은 2개 이상의 임피던스 변환부로 구성되고 스트립 라인 영역도 2개의 임피던스 변환부로 구성될 수 있다.
한편, 도 13b의 실시 예는 도 9의 실시예와 결합하여 스트립 라인 영역은 2개 이상의 임피던스 변환부로 구성되고 마이크로 스트립 라인 영역은 1개의 임피던스 변환부로 구성될 수도 있다.
본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조에서 수직 비아(1130)의 각 레이어에는 그라운드 층이 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 14a는 본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조에서 수직 비아가 각 레이어에 그라운드 층과 동일한 간격으로 이격된 구조를 나타낸다. 도 14b는 본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조에서 수직 비아가 각 레이어에 그라운드 층과 서로 다른 간격으로 이격된 구조를 나타낸다.
도 8, 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 수직 비아(1130)는 다층 기판의 최 상부 층(L1)에 배치된 마이크로 스트립 라인(TL1)과 다층 기판의 내부에 배치된 스트립 라인(TL2)을 수직하게 연결하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 수직 비아(1130)는 복수의 비아 패드(VP1, VP2,..., VPn) 및 복수의 수직 연결부(VC1, VC2,..., VCn-1)를 포함하도록 구성될 수 있다. 서로 다른 레이어(L1 내지 Ln)에 배치된 복수의 비아 패드(VP1, VP2,..., VPn) 각각은 동일한 레이어에 배치되는 각각의 그라운드(G1, G2,..., Gn)와 소정 너비의 갭(GA)이 형성되도록 배치될 수 있다.
이와 관련하여, 각 레이어마다 수직 비아(1130)의 중심으로부터 각 레이어에 배치된 각각의 그라운드(G1, G2,..., Gn)까지의 거리를 갭이라고 정의할 수 있다. 도 14a를 참조하면, 수직 비아(1130)의 중심으로부터 각각의 그라운드(G1, G2,..., Gn)까지의 갭 간격은 각 층마다 동일하게 구성될 수 있다.
도 14b는 수직 비아(1130)에 의해 임피던스가 왜곡되는 것을 방지하기 위한 비아 갭의 변형 설계 구조를 나타낸다. 도 14b를 참조하면, 급전선과 비아로 이루어진 다층 임피던스 변환 구조는 서로 다른 레이어에 위치한 하나 이상의 전송 선로(TL1, TL2)를 연결하기 위한 것이다. 다층 임피던스 변환 구조는 위치한 하나 이상의 전송 선로(TL1, TL2) 간을 물리적으로 연결하기 위한 수직 비아(1130)와 수직 비아(1130)에 인접한 그라운드 층(G1, G2,..., n)을 더 포함하도록 구성된다.
하나의 전송 선로만으로 구성된 경우, 전송 선로와 연결되지 않은 수직 비아(1130)는 비아 패드와 수직 연결부만 있는 것으로 간주될 수 있다. 일 예로, 비아 패드와 수직 연결부만 있는 수직 비아(1130)는 그라운드와 연결된 그라운드 비아로 구성될 수 있다. 또는, 50ohm 라인으로 임피던스 변환되지 않고 안테나의 임의의 지점과 수직 비아(1130)과 직접 연결되도록 구성될 수도 있다. 이와 관련하여, 도 8 및 도 14b를 참조하면, 수직 비아(1130)와 제2 전송 선로(TL2)와 연결되지 않고 하부 안테나(1100L)과 직접 연결될 수도 있다.
도 8 및 도 14b를 참조하면, 복수의 비아 패드(VP1, VP2,..., VPn) 각각은 동일한 레이어에 배치되는 각각의 그라운드(G1, G2,..., Gn)와 동일한 간격의 갭으로 상호 이격될 수 있다. 반면에, 도 8 및 도 14b를 참조하면, 복수의 비아 패드(VP1, VP2,..., VPn) 각각은 동일한 레이어에 배치되는 각각의 그라운드(G1, G2,..., Gn)와 서로 다른 소정 너비의 갭으로 이 형성되도록 배치될 수 있다.
도 14b를 참조하면, 비아 공차(via clearance) 변형의 실시 예와 같이, 각 레이어마다 존재하는 갭 간격, 즉 GA1과 GA2를 서로 다른 크기로 형성하여 임피던스를 조절할 수 있다. GA1은 각 전송 선로(TL1, TL2)의 그라운드와의 비아 갭(via gap)을 의미한다. 반면에, GA2는 각 전송 선로(TL1, TL2) 사이의 수직 영역 내에 배치되는 수직 비아(1130)와 그라운드 간의 비아 갭을 의미한다. 각 레이어마다 존재하는 복수의 비아 갭(GA1, GA2)는 서로 다를 수 있다. 일 예로, G A1과 GA2의 관계는 GA1 < GA2로 설정될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)가 배치된 레이어의 갭은 GA1으로 구성되고 다층 기판의 내부에서 갭 간격은 GA2로 더 증가하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 제2 전송 선로(TL2)의 상부와 하부에 그라운드 층이 수직 비아(1130)와 수평 방향으로 인접하게 배치되어 수평 방향으로 전체 길이에 걸쳐 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 하지만, 서로 다른 소정 너비의 갭 간격은 도 14b의 구성에 한정되는 것은 아니다.
다른 예로, 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)가 배치된 레이어의 갭은 GA2로 구성되고 다층 기판의 내부에서 갭 간격은 GA1으로 더 감소하도록 구성될 수도 있다. 이에 따라, 다층 기판 내부에서 수직 비아(1130)의 특성 임피던스를 감소하도록 하고, 다층 기판의 상부 또는 하부에서 수직 비아(1130)의 특성 임피던스가 증가하도록 구성할 수도 있다.
한편, GA3은 수직 비아(1130)을 기준으로 G A1과 GA2의 반대 측의 형성된 비아 갭의 간격을 의미한다. GA3의 값을 GA1과 GA2의 값과 다르게 하여 비대칭 구조를 형성하여 임피던스 조절 성능을 더 향상시킬 수도 있다.
도 14b의 비아 갭 변형 설계 구조를 도 12a 내지 도 12c의 다양한 실시예의 λ/4 변환기 구조와 함께 사용할 수 있다. 도 8, 도 9, 도 12a 내지 도 12c 및 도 14b를 참조하면, 서로 다른 레이어에 배치된 복수의 비아 패드(VP1, VP2,..., VPn) 각각은 동일한 레이어에 배치되는 각각의 그라운드(G1, G2,??, Gn)와 서로 다른 소정 너비의 갭이 형성되도록 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 제1 임피던스 변환부(1120a) 및 제2 임피던스 변환부(1120b) 중 적어도 하나는 50ohm 선폭으로 구현될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2) 중 적어도 하나를 임피던스 변환부 없이 구현하여, 전송 선로 길이를 감소시킬 수 있다. 따라서, mmWave 대역과 같은 고주파수 대역에서 전송 선로의 라인 손실을 최소화할 수 있다.
본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조의 전기적 특성에 대해 설명하면 다음과 같다. 이와 관련하여, 도 15a는 수직 비아에 의해 상호 연결된 급전선의 제1 구조와 다층 임피던스 변환부를 구비한 제2 구조의 임피던스 변화를 스미스 차트(Smith chart) 상에서 나타낸 것이다. 한편, 도 15b는 도 15a의 제1 구조와 제2 구조의 주파수 변화에 따른 반사 손실과 전달 손실을 나타낸 것이다.
도 15a와 관련하여, 제1 구조는 도 12a와 같이 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)가 임피던스 변환부 없이 수직 비아(1130)에 의해 상호 연결된 구조이다. 반면에, 제2 구조는 도 12c와 같이 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)가 수직 비아(1130)를 중심으로 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)에 의해 상호 연결된 구조이다.
도 12a, 도 12c 및 도 15a를 참조하면, 스미스 차트 상에서 도시된 바와 같이 제1 구조의 임피던스 특성은 50ohm에 해당하는 중심에서 상당히 이격되게 된다. 제1 구조는 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)로 이루어진 급전선과 수직 비아(1130)만 있는 구조이다. 반면에, 제2 구조의 임피던스 특성은 50ohm에 해당하는 중심에 배치되고 주파수 변화에 따른 변화도 적다. 제2 구조는 제1 및 제2 전송 선로(TL1, TL2)가 수직 비아(1130)를 중심으로 서로 다른 선폭을 갖는 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)에 의해 연결된 구조이다.
도 15b(a)는 도 15a의 제1 구조와 제2 구조의 주파수 변화에 따른 반사 손실(reflection loss)를 나타낸 것이다. 도 15b(a)의 (i)제1 구조의 주파수 별 반사 손실은 -10dB 이하를 유지하지만 -15dB 이상의 값을 갖는다. 반면에, 도 15b(a)의 (ii)제2 구조의 주파수 별 반사 손실은 57 내지 70GHz의 대역에서 -20dB 이하의 값을 갖는다. 따라서, S11에 해당하는 반사 손실의 경우 본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조 사용 시 57 내지 70GHz의 대역에서 약 10 dB 이상의 성능 개선 효과가 있다.
한편, 도 15b(b)는 도 15a의 제1 구조와 제2 구조의 주파수 변화에 따른 전달 손실(transmission loss)를 나타낸 것이다. 도 15b(b)의 (i)제1 구조의 주파수 별 전달 손실은 -0.5dB 이상의 값을 갖는다. 반면에, 도 15b(b)의 (ii)제2 구조의 주파수 별 전달 손실은 57 내지 70GHz의 대역에서 약 0.2 정도의 값을 갖는다. 따라서, 본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조 사용 시 57 내지 70GHz의 대역에서 S21에 해당하는 전달 손실이 절반 이상으로 감소하는 성능 개선 효과가 있다.
한편, 본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조는 RFIC의 복수의 포트들이 복수의 안테나 소자들과 연결되도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 16a는 RFIC의 복수의 포트들이 복수의 안테나 소자들과 연결된 구성을 나타낸다. 한편, 도 16b는 다층 기판 상에서 RFIC가 복수의 안테나 소자들과 연결된 측면도를 나타낸다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 배열 안테나(1100a, 1100b)에서 RFIC(1250)에서 멀리 있는 제1 안테나(1100a)와 RFIC에서 가까이 있는 제2 안테나(1100b)의 라인 길이는 상이하다. 이 경우, 제1 안테나(1100a)의 제1 마이크로 스트립 라인의 길이(La)가 제2 안테나(1100b)의 마이크로 스트립 라인의 길이(Lb)보다 더 길게 구성할 수 있다. 도 16의 제1 안테나(1100a)와 제2 안테나(1100b)는 측면 안테나로 도시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니고 하부 안테나 또는 상부 안테나에도 라인 길이를 조절하는 구성이 적용 가능하다.
제1 안테나(1100a) 및 제2 안테나(1100b)로 인가되는 신호의 위상(phase) 차이를 최소화하도록 더 긴 전체 라인 길이를 갖는 제1 안테나(1100a)의 제1 마이크로 스트립 라인의 길이(La)를 더 길게 구성한다. 이에 따라, 제1 안테나(1100a)의 전체 라인의 라인 손실을 감소시키고 제2 안테나(1100b)와의 위상 차이를 감소시킬 수 있다. 이와 관련하여, 마이크로 스트립 라인의 상부 영역은 공기 중에 노출되기 때문에 상부와 하부에 유전체가 배치된 구조에 비해 유효 유전율이 낮아지게 된다. 따라서, 마이크로 스트립 라인으로 구현된 급전선을 통해 진행하는 RF 신호의 전기적 길이는 스트림 라인으로 구현된 급전선을 통해 진행하는 RF 신호의 전기적 길이보다 더 짧게 된다. 이에 따라, 제1 안테나(1100a)와 제2 안테나(1100b) 간의 물리적 길이 차이에 비해, 전기적 길이 차이는 감소하게 된다.
전술한 기술적 구성과 관련하여, 안테나 모듈(1100)은 제1 안테나(1100a) 및 제1 안테나(1100a) 보다 송수신부 회로(1250)에서 더 멀리 배치된 제2 안테나(1100b)를 포함하도록 구성될 수 있다. 송수신부 회로(1250)는 제1 마이크로 스트립 라인(MSL1) 및 제1 스트립 라인(SL1)을 통해 제1 안테나(1100a) 와 연결된다. 또한, 송수신부 회로(1250)는 제2 마이크로 스트립 라인(MSL2) 및 제2 스트립 라인(SL2)을 통해 제2 안테나(1100b)와 연결된다.
이와 관련하여, 제2 마이크로 스트립 라인(MSL2)의 길이가 제1 마이크로 스트립 라인(MSL1)의 길이보다 더 길게 구성될 수 있다. 이에 따라, 송수신부 회로(1250)에서 제1 안테나(1110a)까지의 길이와 송수신부 회로(1250)에서 상기 제2 안테나(1110b)까지의 길이 차이를 보상할 수 있다. 따라서, 제1 안테나(1100a)와 제2 안테나(1100b) 간의 물리적 길이 차이에 비해, 전기적 길이 차이는 감소하게 된다.
제1 안테나(1100a)와 제2 안테나(1100b)는 배열 안테나 내의 서로 다른 안테나 소자를 지칭할 수 있다. 다른 예로, 제1 안테나(1100a)와 제2 안테나(1100b)는 서로 다른 배열 안테나를 구성하는 안테나 소자를 지칭할 수도 있다. 전자 기기는 배열 안테나를 통해 도 3b와 같이 빔 포밍을 수행하도록 구성될 수 있다. 한편, 전자 기기는 복수의 배열 안테나들을 이용하여 도 4 및 도 6과 같이 복수의 전자 기기들과 통신을 수행하거나 또는 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
일 예로, 배열 안테나 내의 서로 다른 안테나 소자로 구성되는 제1 안테나(1100a)와 제2 안테나(1100b)는 RFIC(1250)와의 물리적 거리 차이를 마이크로 스트립 라인의 길이를 상이하게 하여 일부 보상할 수 있다.
한편, 마이크로 스트립 라인의 길이를 달리하여 거리 차이를 보상하여도 여전히 RFIC(1250)에서 제1 및 제2 안테나(1100a, 1100b)까지의 전기적 길이 차이, 즉 위상 차가 발생할 수 있다. 이러한 위상 차를 보상하기 위해 각 안테나(1100a, 1100b)에 위상 변위기(phase shifter)의 위상 값을 조정하여 각 안테나(1100a, 1100b)에 인가되는 신호의 위상을 동일하게 제어할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 개시되는 도 8의 상부 안테나(1100U), 하부 안테나(1100L) 또는 측면 안테나(1100S)는 배열 안테나로 구성될 수 있다. 각각의 배열 안테나에 인가되는 신호의 위상을 동일하게 하여 빔 방향이 중심 방향을 지향하도록 할 수 있다. 이와 관련하여, 중심 방향을 지향하는 빔 방향은 도 18의 제1 빔(B1) 또는 제2 빔(B2) 방향일 수 있다.
반면에, 각각의 배열 안테나의 각각의 소자에 인가되는 신호의 위상을 달리하여 빔 방향이 중심 방향에서 소정 방향으로 틸트되도록 빔 포밍을 수행할 수 있다. 이를 위해, 송수신부 회로(1250)는 각 안테나 소자에 인가되는 신호의 위상이 가변되도록 위상 변위기를 제어할 수 있다. 이에 따라, 빔 포밍된 신호의 방향은 도 18의 제1 빔(B1) 또는 제2 빔(B2) 방향에서 소정 각도만큼 변경될 수 있다. 이에 따라, 도 3b에 도시된 바와 같이 각 전자 디바이스가 최적의 방향으로 신호를 방사하도록 빔 포밍을 수행할 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 다층 임피던스 구조로 구현되는 측면 안테나(1100S) 또는 하부 안테나(1100L)는 배열 안테나로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 17a는 제1 타입 안테나와 제2 타입 안테나가 배열 안테나로 형성된 안테나 모듈(1100)이 전자 기기(1000)에 배치된 구조를 나타낸다. 도 17b는 복수의 배열 안테나 모듈을 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 17b를 참조하면, 배열 안테나는 제1 배열 안테나 모듈(1100-1) 및 제1 배열 안테나 모듈(1100-1)에 제1 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 제2 배열 안테나 모듈(1100-2)을 포함할 수 있다. 한편, 배열 안테나의 개수는 2개에 한정되는 것은 아니고 도 17b와 같이 3개 이상으로 구현될 수도 있다. 따라서, 배열 안테나는 제1 배열 안테나 모듈(1100-1) 내지 제3 배열 안테나 모듈(1100-3)을 포함하도록 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 배열 안테나 모듈(1100-1) 및 제3 배열 안테나 모듈(1100-3) 중 적어도 하나는 안테나 모듈(1100)의 측면에 배치되어 측면 방향(B3)으로 빔을 형성하도록 구성될 수 있다.
다른 예로, 제1 배열 안테나 모듈(1100-1) 및 제3 배열 안테나 모듈(1100-3) 중 적어도 하나는 안테나 모듈(1100)의 전면에 배치되어 전면 방향(B1)으로 빔을 형성하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 제1 배열 안테나 모듈(1100-1) 및 제2 배열 안테나 모듈(1100-2)을 이용하여 전면 방향(B1)으로 각각 제1 빔 및 제2 빔을 형성할 수 있다. 도 5c의 모뎀에 해당하는 프로세서(1400)는 제1 및 제2 배열 안테나 모듈(1100-1, 1100-2)을 각각 이용하여 각각 제1 빔 및 제2 빔을 제1 방향 및 제2 방향으로 형성하도록 제어할 수 있다. 즉, 제1 배열 안테나 모듈(1100-1)을 이용하여 수평 방향에서 제1 방향으로 제1 빔을 형성할 수 있다. 또한, 제2 배열 안테나 모듈(1100-2)을 이용하여 수평 방향에서 제2 방향으로 제2 빔을 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 프로세서(1400)는 제1 방향의 제1 빔 및 제2 방향의 제2 빔을 이용하여 다중 입출력(MIMO)를 수행할 수 있다.
프로세서(1400)는 제1 및 제2 배열 안테나 모듈(1100-1, 1100-2)을 이용하여 제3 방향으로 제3 빔을 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 프로세서(1400)는 제1 및 제2 배열 안테나 모듈(1100-1, 1100-2)를 통해 수신되는 신호가 합성되도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)를 통해 제1 및 제2 배열 안테나 모듈(1100-1, 1100-2)로 전달되는 신호가 각각의 안테나 소자로 분배되도록 제어할 수 있다. 프로세서(1400)는 제1 빔 및 제2 빔보다 좁은 빔 폭을 갖는 제3 빔을 이용하여 빔 포밍을 수행할 수 있다.
한편, 프로세서(1400)는 제1 방향의 제1 빔 및 제2 방향의 제2 빔을 이용하여 다중 입출력(MIMO)를 수행하고, 제1 빔 및 제2 빔보다 좁은 빔 폭을 갖는 제3 빔을 이용하여 빔 포밍을 수행할 수 있다. 이와 관련하여, 전자 기기 주변의 다른 전자 기기로부터 수신되는 제1 신호 및 제2 신호 품질이 임계치 이하이면, 제3 빔을 이용하여 빔 포밍을 수행할 수 있다.
배열 안테나의 소자 개수는 도시된 바와 같이 2개, 3개, 4개 등에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 배열 안테나의 소자 개수는 2개, 4개, 8개, 16개 등으로 확장 가능하다. 이에 따라, 배열 안테나는 1x2, 1x3, 1x4, 1x5, ??, 1x8 배열 안테나로 구성될 수 있다.
한편, 도 18은 실시 예들에 따른 전자 기기의 특정 위치에서 서로 다른 결합 구조로 결합된 안테나 모듈을 나타낸다. 도 18(a)를 참조하면, 안테나 모듈(1100)은 디스플레이(151) 하부 영역에 디스플레이(151)와 실질적으로 수평하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 모노폴 방사체를 통해 전자 기기의 하부 방향으로 빔(B1)을 생성할 수 있다. 한편, 패치 안테나를 통해 전자 기기의 전면 방향으로 다른 빔(B2)를 생성할 수 있다.
도 18(b)를 참조하면, 안테나 모듈(1100)은 디스플레이(151) 하부 영역에 디스플레이(151)와 실질적으로 수직하게 배치될 수 있다. 배치될 수 있다. 이에 따라, 모노폴 방사체를 통해 전자 기기의 전면 방향으로 빔(B2)을 생성할 수 있다. 한편, 패치 안테나를 통해 전자 기기의 하부 방향으로 다른 빔(B1)를 생성할 수 있다.
도 18(c)를 참조하면, 안테나 모듈(1100)은 기구 구조에 해당하는 후면 케이스(1001)의 내부에 배치될 수도 있다. 후면 케이스(1001)의 내부에 디스플레이(151)와 실질적으로 평행하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 모노폴 방사체를 통해 전자 기기의 하부 방향으로 빔(B2)을 생성할 수 있다. 한편, 패치 안테나를 통해 전자 기기의 후면 방향으로 다른 빔(B3)을 생성할 수 있다.
이상에서는 본 명세서의 일 양상에 따른 다층 임피던스 변환 구조를 구비한 안테나 모듈이 구비된 전자 기기에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 명세서의 다른 양상에 따른 다층 임피던스 변환 구조를 구비한 안테나 모듈에 대해 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한다.
본 명세서에서 개시되는 안테나 모듈(1100)은 60GHz 대역에서 동작하는 안테나 소자, 예컨대 패치 방사체, 모노폴 방사체, 다이폴 방사체를 포함하여 다층 기판의 상부/하부 방향 또는 측면 방향으로 방사하는 임의의 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(1100)은 안테나 소자와 RFIC(1250)와 안테나 소자 간을 연결하는 전송 선로(1120a, 1120b)을 포함할 수 있다. 한편, 안테나 소자를 통해 방사되는 신호와 전송 선로(1120a, 1120b)를 통해 전달되는 신호의 주파수 대역은 응용에 따라 변경 가능하다.
이와 관련하여, 밀리미터파 대역 (예컨대, 10GHz ~ 300GHz)에서 PCB에 해당하는 다층 기판의 서로 다른 레이어에 배치된 안테나와 RFIC를 전송 선로로 연결할 필요가 있다. 또한, 본 명세서는 다층 기판의 서로 다른 레이어의 급전선을 상호 연결하는 전송 선로 구조를 제시하기 위한 것이다. 일 예로, 안테나 모듈(1100)은 60GHz 대역에서 대역폭(bandwidth, BW)이 13GHz 이상이 되도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, IEEE 802.11ay의 경우 사용 주파수 대역이 57~70GHz로 대역폭이 넓기 때문이다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 명세서에 따른 다층 임피던스 변환 구조를 구비한 안테나 모듈은 다음과 같은 해결 수단을 통해 전술한 목적을 달성할 수 있다. 본 명세서에서 개시되는 도 1 내지 도 18의 안테나 모듈(1100)은 일체형인 것을 특징으로 한다. 일 예로, PCB 공정에서 사용되는 비아(via)와 비아 패드(via pad)를 이용하여 전송 선로를 구현하고, 안테나를 PCB의 상부, 하부 또는 측면에 배치하여, 다층 기판인 PCB와 안테나 소자를 일체로 형성할 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 안테나 모듈(1100)은 제1 전송 선로(TL1, 1120a), 제2 전송 선로(TL2, 1120b) 및 수직 비아(1130)를 포함하도록 구성된다. 제1 전송 선로(TL1, 1120a)는 안테나 모듈(1100)의 제1 레이어에 배치되고, 송수신부 회로(1250)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 제2 전송 선로(TL2, 1120b)는 안테나 모듈(1100)의 제2 레이어에 배치되고, 안테나(1100U, 1100S, 1100L)와 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다. 수직 비아(1130)는 제1 전송 선로(TL1, 1120a)와 제2 전송 선로(TL2, 1120b)를 수직하게 연결하도록 구성될 수 있다.
수직 비아(1130)와 연결되는 제1 전송 선로(TL1, 1120a)의 제1 임피던스 변환부(1121)는 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성될 수 있다. 수직 비아(1130)와 연결되는 제2 전송 선로(TL2, 1120b)의 제2 임피던스 변환부(1122)는 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성될 수 있다.
안테나 모듈(1100)의 다층 임피던스 구조의 마이크로 스트립 라인과 스트립 라인으로 구성되는 제1 및 제2 임피던스 변환부(1121, 1122)의 너비와 길이는 소정 범위 내로 구성될 수 있다. 이에 따라, 다층 임피던스 구조의 대역폭 특성을 유지하면서 라인 손실이 최소화되도록 mmWave 대역에서 전기적 성능을 유지할 수 있다.
이와 관련하여, 제1 전송 선로(TL1, 1120a)는 유전체 상에 배치되는 도전 라인(conductive line)의 상부에 유전체 없이 공기 층(air layer)이 형성되는 마이크로 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 제2 전송 선로(TL2, 1120b)는 도전 라인의 상부와 하부에 각각 유전체가 배치되는 스트립 라인으로 구성될 수 있다.
제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 길이(L1)와 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 길이(L2)의 비율 (L1/L2)은 0.45 내지 1.35 사이의 범위로 설정될 수 있다. 또한, 제1 임피던스 변환부(1121)의 제1 너비(W1)와 제2 임피던스 변환부(1122)의 제2 너비(w2)의 비율 (W2/W1)은 0.32 내지 0.71 사이의 범위로 설정될 수 있다.
이상에서는 밀리미터파 대역에서 동작하는 다층 임피던스 변환 구조를 구비하는 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 기기에 대해 살펴보았다. 이와 같은 밀리미터파 대역에서 동작하는 다층 임피던스 변환 구조를 구비하는 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 기기의 기술적 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
이와 같은 밀리미터파 대역에서 동작하는 다층 임피던스 변환 구조를 구비하는 안테나 모듈 및 이를 포함하는 전자 기기의 기술적 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시 예에 따르면, 급전선이 모두 배치되기 어려운 공간에서 적은 개수의 레이어를 사용하여 모든 급전선들을 배치할 수 있는 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 커버리지를 확장시킨 mmWave 안테나 모듈의 모든 안테나에 급전선을 우회 경로를 최소화하여 연결시켜, 라인 손실을 최소화할 수 있다.
실시 예에 따르면, 밀리미터파 대역의 광대역에서 급전선의 임피던스 정합을 통해 반사손실(S11) 성능과 전달손실(S21) 성능을 모두 향상시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 수직 비아를 중심으로 서로 다른 형태의 임피던스 변환부를 구성하여, 다층 기판 형태의 PCB 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 마이크로 스트립 라인 및 스트립 라인으로 구성된 전송 선로 간을 수직 비아로 연결하면서 적어도 일 측에 임피던스 변환부를 형성하여, 임피던스 정합을 수행하면서 라인 손실을 최소화할 수 있다.
실시 예에 따르면, 서로 다른 레이어의 전송 선로 간을 연결하는 수직 비아와 인접 그라운드 간의 갭 간격을 조절하여, 임피던스 정합을 수행하면서 라인 손실을 최소화할 수 있다.
본 명세서의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 명세서의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 명세서의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다. 전술한 본 명세서와 관련하여, 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 및 이를 제어하는 전자 기기의 설계 및 이의 구동은 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 판독될 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기의 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 명세서의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 명세서의 범위에 포함된다.

Claims (20)

  1. 안테나 모듈을 구비하는 전자 기기에 있어서,
    다층 기판(multi-layer substrate)으로 구성된 상기 안테나 모듈에 배치되는 송수신부 회로(transceiver circuit);
    상기 안테나 모듈의 제1 레이어에 배치되고, 상기 송수신부 회로와 전기적으로 연결되도록 구성된 제1 전송 선로(transmission line);
    상기 안테나 모듈의 제2 레이어에 배치되고, 안테나와 전기적으로 연결되도록 구성된 제2 전송 선로; 및
    상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로를 수직하게 연결하도록 구성된 수직 비아(vertical via)를 포함하고,
    상기 수직 비아와 연결되는 상기 제1 전송 선로는 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성되는 제1 임피던스 변환부를 구비하고,
    상기 수직 비아와 연결되는 상기 제2 전송 선로의 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성되는 제2 임피던스 변환부를 구비하는, 전자 기기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로는 유전체 상에 배치되는 도전 라인(conductive line)의 상부에 유전체 없이 공기 층(air layer)이 형성되는 마이크로 스트립 라인으로 구성되고,
    상기 제2 전송 선로는 도전 라인의 상부와 하부에 각각 유전체가 배치되는 스트립 라인으로 구성되는, 전자 기기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 길이(L1)와 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 길이(L2)의 비율 (L1/L2)은 0.45 내지 1.35 사이의 범위로 설정되는, 전자 기기.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)와 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(w2)의 비율 (W2/W1)은 0.32 내지 0.71 사이의 범위로 설정되는, 전자 기기.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 변환부는,
    상기 마이크로 스트립 라인에서 제1 임피던스에 해당하는 상기 제1 너비(W1)와 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/4인 4반파장(quarter wavelength)의 상기 제1 길이(L1)로 구성되고,
    상기 제1 전송 선로의 50ohm 임피던스와 상기 수직 비아의 상단부(upper end region)에서의 제2 임피던스 사이의 임피던스 매칭을 수행하는, 전자 기기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 임피던스 변환부는,
    상기 스트립 라인에서 제3 임피던스에 해당하는 상기 제2 너비(W2)와 동작 주파수에 해당하는 파장의 1/4인 4반파장의 상기 제2 길이(L2)로 구성되고,
    상기 제2 전송 선로의 50ohm 임피던스와 상기 수직 비아의 하단부(lower end region)에서의 제4 임피던스 사이의 임피던스 매칭을 수행하는, 전자 기기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)는 상기 제1 전송 선로의 50ohm 선폭(line width)보다 더 넓게 구성되고,
    상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(W2)는 상기 제2 전송 선로의 50ohm 선폭(line width)보다 더 넓고 상기 제1 너비(W1)보다 더 좁게 구성되는, 전자 기기.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)는 상기 제1 전송 선로의 50ohm 선폭과 동일하게 구성되고, 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(W2)는 상기 제2 전송 선로의 50ohm 선폭과 다르게 구성되는, 전자 기기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(W2)는 상기 제2 전송 선로의 50ohm 선폭과 동일하게 구성되고, 상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)는 상기 제1 전송 선로의 50ohm 선폭과 다르게 구성되는, 전자 기기.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로는,
    상기 수직 비아와 연결되고, 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성되는 상기 제1 임피던스 변환부; 및
    상기 제1 임피던스 변환부의 일 단부와 연결되고, 제3 너비(W3)와 제3 길이(L3)를 갖도록 구성되어, 상기 제1 임피던스 변환부와 50ohm 임피던스의 상기 제1 전송 선로 간의 임피던스 변환을 수행하는 제3 임피던스 변환부를 포함하고,
    상기 제3 너비(W3)는 제1 너비(W1)보다 더 좁고 상기 제1 전송 선로의 50ohm 선폭보다 더 넓게 구성되는, 전자 기기.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전송 선로는,
    상기 수직 비아와 연결되고, 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성되는 상기 제2 임피던스 변환부; 및
    상기 제2 임피던스 변환부의 일 단부와 연결되고, 제4 너비(W4)와 제4 길이(L4)를 갖도록 구성되어, 상기 제2 임피던스 변환부와 50ohm 임피던스의 상기 제2 전송 선로 간의 임피던스 변환을 수행하는 제4 임피던스 변환부를 포함하고,
    상기 제4 너비(W4)는 제2 너비(W2)보다 더 좁고 상기 제2 전송 선로의 50ohm 선폭보다 더 넓게 구성되는, 전자 기기.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나는 상기 제2 전송 선로와 제2 수직 비아를 통해 전기적으로 연결되고,
    상기 안테나는 상기 안테나 모듈의 하부 방향(lower direction)으로 신호를 방사하도록 구성되는 하부 안테나(lower antenna)인 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  13. 제2 항에 있어서,
    상기 수직 비아는 상기 다층 기판의 최 상부 층에 배치된 상기 마이크로 스트립 라인과 상기 다층 기판의 내부에 배치된 스트립 라인을 수직하게 연결하도록 복수의 비아 패드와 복수의 수직 연결부를 포함하고,
    서로 다른 레이어에 배치된 상기 복수의 비아 패드 각각은 동일한 레이어에 배치되는 각각의 그라운드와 소정 너비의 갭이 형성되도록 배치되는, 전자 기기.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 서로 다른 레이어에 배치된 상기 복수의 비아 패드 각각은 동일한 레이어에 배치되는 각각의 그라운드와 서로 다른 소정 너비의 갭이 형성되도록 배치되고,
    상기 제1 임피던스 변환부 및 상기 제2 임피던스 변환부 중 적어도 하나는 50ohm 선폭으로 구현되는, 전자 기기.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 안테나 모듈은,
    상기 하부 안테나; 및
    상기 다층 기판 내부에 배치되고, 상기 다층 기판의 측면 방향(side direction)으로 신호를 방사하도록 구성된 측면 안테나(side antenna)를 포함하는, 전자 기기.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 측면 안테나보다 상기 다층 기판의 내측에 배치되고, 서로 다른 그라운드 레이어를 수직하게 연결하도록 구성된 그라운드 비아 월을 더 포함하고,
    상기 그라운드 비아 월은 상기 측면 안테나가 방사하는 신호의 측면 방향으로의 지향성이 개선되도록 상기 측면 안테나보다 상기 다층 기판의 내측에 배치되는 복수의 레이어로 구성되는, 전자 기기.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 안테나 모듈은 제1 안테나 및 상기 제1 안테나보다 상기 송수신부 회로에서 더 멀리 배치된 제2 안테나를 포함하고,
    상기 송수신부 회로는 제1 마이크로 스트립 라인 및 제1 스트립 라인을 통해 상기 제1 안테나와 연결되고, 제2 마이크로 스트립 라인 및 제2 스트립 라인을 통해 상기 제2 안테나와 연결되고,
    상기 제2 마이크로 스트립 라인의 길이가 상기 제1 마이크로 스트립 라인의 길이보다 더 길게 구성되어, 상기 송수신부 회로에서 상기 제1 안테나까지의 길이와 상기 송수신부 회로에서 상기 제2 안테나까지의 길이 차이를 보상하는, 전자 기기.
  18. 안테나 모듈에 있어서,
    상기 안테나 모듈의 제1 레이어에 배치되고, 송수신부 회로와 전기적으로 연결되도록 구성된 제1 전송 선로(transmission line);
    상기 안테나 모듈의 제2 레이어에 배치되고, 안테나와 전기적으로 연결되도록 구성된 제2 전송 선로; 및
    상기 제1 전송 선로와 상기 제2 전송 선로를 수직하게 연결하도록 구성된 수직 비아(vertical via)를 포함하고,
    상기 수직 비아와 연결되는 상기 제1 전송 선로의 제1 임피던스 변환부는 제1 너비(W1)와 제1 길이(L1)를 갖도록 구성되고, 상기 수직 비아와 연결되는 상기 제2 전송 선로의 제2 임피던스 변환부는 제2 너비(W2)와 제2 길이(L2)를 갖도록 구성되는, 안테나 모듈.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 전송 선로는 유전체 상에 배치되는 도전 라인(conductive line)의 상부에 유전체 없이 공기 층(air layer)이 형성되는 마이크로 스트립 라인으로 구성되고,
    상기 제2 전송 선로는 도전 라인의 상부와 하부에 각각 유전체가 배치되는 스트립 라인으로 구성되는, 전자 기기.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 길이(L1)와 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 길이(L2)의 비율 (L1/L2)은 0.45 내지 1.35 사이의 범위로 설정되고,
    상기 제1 임피던스 변환부의 상기 제1 너비(W1)와 상기 제2 임피던스 변환부의 상기 제2 너비(w2)의 비율 (W2/W1)은 0.32 내지 0.71 사이의 범위로 설정되는, 안테나 모듈.
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