KR20230012224A - 안테나 소자 및 안테나 장치 - Google Patents

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KR20230012224A
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Abstract

일 양상에 따른 안테나 소자는 하부 그라운드; 상기 하부 그라운드의 상부에 배치되는 방사체; 상기 방사체에 신호를 인가하는 급전부; 상기 하부 그라운드의 상부에 상기 방사체 및 상기 급전부와 이격되어 배치되는 상부 그라운드; 및 상기 하부 그라운드와 상기 상부 그라운드를 연결하는 둘 이상의 비아; 를 포함한다.

Description

안테나 소자 및 안테나 장치{Antenna element and Antenna apparatus}
무선 통신 기술과 관련된다.
안테나는 무선 기기에서 신호를 송수신하는 역할을 하며, 무선 통신의 품질을 결정하는 핵심 소자이다. 최근, IT 기술이 발전함에 따라 무선 기기가 소형화 및 경량화되어 가고 있으며, 이러한 추세에 부응하기 위해 무선 기기에 장착되는 안테나도 외장형 안테나에서 내장형 안테나로 많이 대체되고 있다.
따라서, 안테나를 소형화하고 이와 동시에, 다중 주파수 대역에서 신호를 방사할 수 있는 안테나에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0096009호
다중 주파수 대역에서 동일한 방사 패턴으로 신호의 송수신이 가능한 안테나 소자 및 안테나 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 안테나 소자는, 하부 그라운드; 상기 하부 그라운드의 상부에 배치되는 방사체; 상기 방사체에 신호를 인가하는 급전부; 상기 하부 그라운드의 상부에 상기 방사체 및 상기 급전부와 이격되어 배치되는 상부 그라운드; 및 상기 하부 그라운드와 상기 상부 그라운드를 연결하는 둘 이상의 비아; 를 포함할 수 있다.
상기 상부 그라운드, 상기 하부 그라운드, 상기 둘 이상의 비아 및 상기 방사체는 방사 구조체를 형성하고, 상기 방사체는 제1 공진 주파수에서 동작하고, 상기 방사 구조체는 제2 공진 주파수에서 동작할 수 있다.
상기 제2 공진 주파수는 비아의 개수와 위치에 따라 조절 가능할 수 있다.
상기 상부 그라운드는 서로 이격된 2개의 상부 그라운드를 포함하고, 각 상부 그라운드는 하나 이상의 비아를 통해 상기 하부 그라운드와 연결될 수 있다.
상기 방사체 및 상기 급전부는 동일한 층에 배치되고, 상기 상부 그라운드는 상기 방사체 및 상기 급전부와 상이한 층에 배치될 수 있다.
상기 방사체, 상기 급전부 및 상기 상부 그라운드는 동일한 층에 배치될 수 있다.
상기 상부 그라운드는, 상기 급전부를 사이에 두고 서로 마주보는 2개의 상부 그라운드; 를 포함할 수 있다.
상기 상부 그라운드는 하나 이상의 볼록부 또는 하나 이상의 오목부를 포함할 수 있다.
상기 급전부는, 안테나 구동부로부터 신호를 인가받는 제1 급전 라인; 및 임피던스 매칭을 위해 상기 제1 급전 라인 및 상기 방사체 사이에 배치되어 상기 제1 급전 라인으로부터의 신호를 상기 방사체에 전달하는 제2 급전 라인; 을 포함할 수 있다.
상기 급전부는, 상기 하부 그라운드를 관통하여 수직 연장되는 관통홀; 및 상기 관통홀을 통해 상기 방사체에 연결되는 급전 라인; 을 포함할 수 있다.
상기 상부 그라운드는 상기 하부 그라운드와 상기 방사체 사이에 배치되고, 상기 관통홀은 상기 상부 그라운드를 관통할 수 있다.
상기 안테나 소자는, 상기 상부 그라운드와 각 비아의 사이 또는 상기 각 비아와 상기 하부 그라운드의 사이에 배치되는 스위치; 를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른 안테나 장치는, 복수의 안테나 소자; 및 상기 복수의 안테나 소자에 신호를 인가하는 안테나 구동부; 를 포함하고, 각 안테나 소자는, 하부 그라운드; 상기 하부 그라운드의 상부에 배치되는 방사체; 상기 방사체에 신호를 인가하는 급전부; 상기 하부 그라운드의 상부에 상기 방사체 및 상기 급전부와 이격되어 배치되는 상부 그라운드; 및 상기 하부 그라운드와 상기 상부 그라운드를 연결하는 둘 이상의 비아; 를 포함할 수 있다.
둘 이상의 비아를 통해 하부 그라운드와 연결된 상부 그라운드를 방사체와 이격 배치함으로써, 다중 대역에서 동일한 방사 패턴으로 신호를 송수신할 수 있다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 5는 비아와, 상부 그라운드 또는 하부 그라운드의 연결 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 Leq에 따른 제2 공진 주파수의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 10 내지 도 12는 예시적 실시예에 다른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 13은 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 14는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 15는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 16은 예시적 실시예에 따른 안테나 장치를 도시한 도면이다.
도 17 및 도 18은 예시적 실시예에 따른 안테나 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 19 및 도 20은 예시적 실시예에 따른 안테나 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 21은 예시적 실시예에 따른 안테나 소자의 S11 특성을 도시한 예시도이다.
도 22는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자의 제1 공진 주파수에서의 방사 패턴 및 안테나 이득을 도시한 예시도이다.
도 23은 예시적 실시예에 따른 안테나 소자의 제2 공진 주파수에서의 방사 패턴 및 안테나 이득을 도시한 예시도이다.
도 24 내지 도 27은 비아의 개수 및 위치에 따른 제1 공진 주파수에서의 방사 방향을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
실시예들을 설명함에 있어서, 관련된 공기 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하고, '포함하다' 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.
또한, "일측", "타측", "상부", "하부", "X 방향", "Y 방향", "Z 방향" 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 사용된다. 실시예들의 구성 요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있으므로, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주 기능별로 구분한 것에 불과하다. 즉, 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있다.
본 명세서에서 설명되는 안테나 소자 및 안테나 장치는 예를 들면, 고주파 내지 초고주파(예컨대, 3G, 4G, 5G 또는 그 이상) 이동통신, Wi-Fi, 블루투스, NFC(Near Field Communication), GPS(Global Positioning System) 등을 위한 전자 장치에 적용될 수 있다. 여기서, 전자 장치는 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션 장치, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 데이터 단말기, 웨어러블 디바이스 등을 포함할 수 있고, 웨어러블 디바이스는 손목시계형, 손목 밴드형, 반지형, 벨트형, 목걸이형, 발목 밴드형, 허벅지 밴드형, 팔뚝 밴드형 등을 포함할 수 있다. 그러나 전자 장치는 상술한 예에 제한되지 않으며, 웨어러블 디바이스 역시 상술한 예에 제한되지 않는다.
본 명세서에서 "급전"이라는 용어는 2개의 구성부가 물리적 및/또는 전기적으로 연결되어 하나의 구성부에서 다른 하나의 구성부로 신호가 인가되는 것을 의미할 수 있다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 사시도이고, 도 2는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 단면도이고, 도 3 및 도 4는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 평면도이고, 도 5는 비아와, 상부 그라운드 또는 하부 그라운드의 연결 방법을 설명하기 위한 예시도이다.이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 예시적 실시예에 따른 안테나 소자는 하부 그라운드(110), 유전체 기판(120), 안테나층(130) 및 상부 그라운드(230)를 포함할 수 있다.
유전체 기판(120)은 소정의 유전율을 갖는 절연 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 유전체 기판(120)은 글래스, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 금속 산화물 등과 같은 무기 절연 물질, 또는 에폭시 수지, 아크릴 수지, 이미드 계열 수지 등과 같은 유기 절연 물질을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 유전체 기판(120)은 안테나층(130)이 형성되는 안테나 소자의 기재층으로서 기능할 수 있다.
유전체 기판(120)은 하나 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 유전체 기판(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 적층된 제1 유전체 기판(121) 및 제2 유전체 기판(122)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 유전체 기판(120)은 Rigid PCB(Printed Circuit Board), FCPB(Flexible PCB), RF PCB(Rigid-Flexible PCB), 세라믹, LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic), LCP(Liquid Crystal Polymer), Polyimide 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
안테나층(130)은 도전성 물질로 형성되어, 제1 유전체 기판(121)과 제2 유전체 기판(122) 사이에 배치될 수 있다.
안테나층(130)은 방사체(210) 및 급전부(220)를 포함할 수 있다.
방사체(210)는 안테나 소자가 배치되는 전자 장치의 위치에 따라, 속이 찬(solid) 구조로 형성되거나 메쉬(mesh) 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 방사체(210)가 전자 장치의 디스플레이 영역에 배치되는 경우 메쉬 구조로 형성될 수 있다. 이를 통해 방사체(210)의 투과율이 증가될 수 있으며 안테나 소자의 유연성이 향상될 수 있다.
방사체(210)는 제1 공진 주파수에서 동작할 수 있다. 예컨대, 방사체(210)의 길이 및 너비는 원하는 제1 공진 주파수, 방사 저항 및 이득에 따라 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 방사체(210)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 직사각형으로 구현될 수 있으나 이는 일 실시예에 불과할 뿐 방사체(210)의 모양에 특별한 제한이 없다. 또한, 방사체(210)는 다중 대역에서 동작할 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이 슬릿(211)을 포함할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 보다 높은 안테나 이득과 보다 넓은 대역폭을 위해 방사체(210)와 상이한 층, 예컨대, 제2 유전체 기판(122)의 상면에 보조 방사체(212, 도 18 참조)가 형성될 수 있다. 보조 방사체(212, 도 18 참조)는 유전체 기판(120)의 상면에서 보았을 때, 방사체(210)와 적어도 부분적으로 중첩되도록 배치되며, 방사체(210)와 함께 신호를 송수신할 수 있다.
급전부(220)는 방사체(210)와 전기적 또는 물리적으로 연결되어, 방사체(210)에 신호를 전달할 수 있다. 일 실시예에 따르면 급전부(220)는 안테나 구동부(예컨대, RFIC)로부터 신호를 인가받는 제1 급전 라인(221) 및 임피던스 매칭을 위해 제1 급전 라인(221)과 방사체(210) 사이에 배치되어, 제1 급전 라인(221)으로부터의 신호를 방사체(210)에 전달하는 제2 급전 라인(222)을 포함할 수 있다.
상부 그라운드(230)는 방사체(210) 및 급전부(220)와 이격되어 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상부 그라운드(230)는 방사체(210) 및 급전부(220)가 배치된 층과 상이한 층에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상부 그라운드(230)는 제2 유전체 기판(122)의 상면에 형성될 수 있다.
상부 그라운드(230)는 2개 이상의 비아(240)를 통해 하부 그라운드(110)와 물리적으로 또는 전기적으로 연결될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상부 그라운드(230)는 4개의 비아(241, 242, 243, 244)를 통해 하부 그라운드(110)와 물리적으로 또는 전기적으로 연결될 수 있다.
상부 그라운드(230), 하부 그라운드(110), 상부 그라운드(230)와 하부 그라운드(110)를 연결하는 2개 이상의 비아(240), 및 방사체(210)는 제2 공진 주파수에서 동작하는 하나의 방사 구조체를 형성할 수 있다.
구체적으로 상부 그라운드(230), 하부 그라운드(110), 및 상부 그라운드(230)와 하부 그라운드(110)를 연결하는 2개 이상의 비아(240)는 사면이 도전성 물질로 형성된 일종의 도파관 구조체를 형성할 수 있다. 상부 그라운드(230), 하부 그라운드(110) 및 2개 이상의 비아(240)로 형성된 구조체는 TE10 모드로 동작하여 상부 그라운드(230) 및 하부 그라운드(110)에 수직하는 전기장을 형성할 수 있다. 방사체(210)가 TM10 모드로 동작하는 경우, 상부 그라운드(230), 하부 그라운드(110) 및 2개 이상의 비아(240)로 형성된 구조체와 방사체(210)는 하나의 방사 구조체를 형성하여 TM10 모드와 유사하게 동작할 수 있다(이하 유사 TM10 모드(quasi-TM10 모드)로 칭함).
즉, 방사체(210)는 TM10 모드로 제1 공진 주파수에서 동작하며, 방사 구조체는 유사 TM10 모드로 제2 공진 주파수에서 동작할 수 있다. 따라서, 방사체(210)의 방사 패턴과 방사 구조체의 방사 패턴은 유사할 수 있다.
일 실시예에 따르면 제2 공진 주파수는 비아(240)의 위치 및 개수에 따라 조정될 수 있다.
한편, 비아(240)의 위치 및 개수에 따라 제1 공진 주파수에서의 방사 방향이 조정될 수 있다(도 24 내지 도 27 참조).
일 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 상부 그라운드(230)와 비아(240) 사이 또는 하부 그라운드(110)와 비아(240) 사이에 스위치(250)가 배치될 수 있다. 스위치(250)를 통해 제1 공진 주파수에서 원하는 방향으로 방사하거나 원하는 제2 공진 주파수를 가지도록 둘 이상의 비아(250) 중 적절한 비아를 선택하여 상부 그라운드(230)와 하부 그라운드(110)를 연결할 수 있다.
하부 그라운드(110)는 유전체 기판(120)의 저면에 형성될 수 있다. 하부 그라운드(110)는 유전체 기판(120)의 상면에서 보았을 때 안테나층(130)과 적어도 부분적으로 중첩되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 하부 그라운드(110)는 방사체(210)와 중첩되도록 배치될 수 있다.
한편, 도 1, 도 3 및 도 4는 4개의 비아를 포함하는 안테나 소자를 도시하나, 이는 일 실시예에 불과하다. 즉, 비아의 개수와 위치는 원하는 제2 공진 주파수 및 방사 방향 등을 고려하여 다양하게 변경될 수 있다.
도 6는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자의 등가 회로를 도시한 도면이고, 도 7은 도 6의 Leq에 따른 제2 공진 주파수의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 방사체(210) 및 급전부(220)는 도 6의 참조번호 510과 같이 RLC 병렬 회로로 표현될 수 있다. 상부 그라운드(230)와 하부 그라운드(110) 사이, 및 상부 그라운드(230)와 급전부(220) 사이의 커패시턴스는 Ceq로 표현되며, 비아(240)로 인하여 형성되는 인덕턴스는 Leq로 표현될 수 있다. Ceq 및 Leq는 직렬 연결되고, 직렬 연결된 Ceq 및 Leq는 RLC 병렬 회로(510)와 병렬 연결될 수 있다.
따라서, Ceq가 일정한 값으로 고정되는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 Leq를 조정함으로써 제2 공진 주파수를 조정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 결국 Leq는 비아의 위치 및 개수에 따라 조정 가능하므로 비아의 위치 및 개수를 조정함으로써 제2 공진 주파수를 조정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 8 및 도 9는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상부 그라운드(230)는 하나 이상의 볼록부(235, 도 8 참조) 또는 하나 이상의 오목부(236, 도 9 참조)를 포함할 수 있다. 볼록부(235) 또는 오목부(236)를 통해 임피던스를 섬세히 조절할 수 있으며, 임피던스 매칭이 용이할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 상부 그라운드(230)는 2개의 상부 그라운드(231, 232)로 구분될 수 있다. 제1 상부 그라운드(231) 및 제2 상부 그라운드(232)는 상부 그라운드(231, 232)의 상면에서 보았을 때, 급전부(220), 예를 들어 제1 급전 라인(221)을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
제1 상부 그라운드(231) 및 제2 상부 그라운드(232) 각각은 하나 이상의 비아(240)를 통해 하부 그라운드(110, 도 1 참조)와 물리적 또는 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 상부 그라운드(231)는 비아(241, 243)를 통해 하부 그라운드(110, 도 1 참조)와 연결될 수 있고, 제2 상부 그라운드(232)는 비아(242, 244)를 통해 하부 그라운드(110, 도 1 참조)와 연결될 수 있다.
제1 상부 그라운드(231) 및 제2 상부 그라운드(232) 각각은 하나 이상의 볼록부(235, 도 11 참조) 또는 하나 이상의 오목부(236, 도 12 참조)를 포함할 수 있다.
도 13은 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 13을 참조하면, 방사체(210) 및 급전부(220)는 상부 그라운드(230)와 동일한 층에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 그라운드(230), 방사체(210) 및 급전부(220)는 유전체 기판(120)의 상면 상에 형성될 수 있다.
상부 그라운드(230)는 방사체(210) 및 급전부(220)와 이격되어 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상부 그라운드(230)는 2개의 상부 그라운드(231, 232)를 포함하며, 2개의 상부 그라운드(231, 232)는 급전부(220)를 사이에 두고 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
도 14는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 14를 참조하면, 예시적 실시예에 따른 안테나 소자는 도 1의 급전부(220) 대신에 급전부(1110)를 포함할 수 있다.
급전부(1110)는 하부 그라운드(110) 및 유전체 기판(120)를 관통하여 수직 연장되는 관통홀(1111)과, 관통홀(1111)을 통해 방사체(210)에 물리적으로 연결되는 급전 라인(1112)을 포함할 수 있다.
도 15는 예시적 실시예에 따른 안테나 소자를 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 15를 참조하면, 예시적 실시예에 따른 안테나 소자는 도 14의 안테나 소자와 달리 상부 그라운드(230)가 방사체(210)와 하부 그라운드(110) 사이에 배치될 수 있다.
이 경우, 급전부(1110)는 하부 그라운드(110), 상부 그라운드(230) 및 유전체 기판(120)을 관통하여 수직 연장되는 관통홀(1111)과, 관통홀(1111)을 통해 방사체(210)에 물리적으로 연결되는 급전 라인(1112)을 포함할 수 있다.
한편, 도 15의 상부 그라운드(230)는 유전체 기판(120)의 상면에서 보았을 때 하부 그라운드(110)와 전체적으로 중첩된 예를 도시하나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상부 그라운드(230)의 크기는 다양하게 변경될 수 있다.
도 1 내지 도 15는 급전 방법과 그에 따른 안테나 소자의 예시적인 실시예들에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니다. 안테나 소자의 구조는 급전 방법(예컨대, Coaxial probe feeding, Plate probe feeding, Coaxial sidewall feeding, Probe-CPW combination feeding, Microstrip feeding, Microstrip inset feeding, Differential feeding, L-probe feeding, L-plate feeding, Edge-gap coaxial probe feeding, Edge-gap microstrip feeding, Electromagnetic coupling(or proximity coupling), Probe-gap feeding, Probe-capacitive pad feeding, Aperture-coupled feeding 등)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
도 16은 예시적 실시예에 따른 안테나 장치를 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 안테나 장치는 하나 이상의 안테나 소자(1310) 및 안테나 구동부(1320)를 포함할 수 있다. 여기서 안테나 소자(1310)는 도 1 내지 도 15를 참조하여 전술한 안테나 소자와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
안테나 구동부(1320)는 각 안테나 소자(1310)에 인가되는 신호의 크기와 위상을 조절할 수 있다. 예를 들어, 안테나 구동부(1320)는 각 안테나 소자(1310)에 상이한 위상의 신호를 인가함으로써, 원하는 방향에서 빔포밍을 수행할 수 있다. 예시적 실시예에 따르면 안테나 구동부(1320)는 RFIC일 수 있다.
도 17 및 도 18은 예시적 실시예에 따른 안테나 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 17 및 도 18은 하나의 안테나 소자를 통해 방사체(210)와 수직하는 제1 방향으로 방사하는 안테나 장치의 구조를 도시한다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 안테나 구동부(1320)는 하부 그라운드(110)의 저면에 배치될 수 있다. 안테나 구동부(1320)는 급전부(1801)를 통해 급전부(220)와 물리적으로 또는 전기적으로 연결될 수 있다. 급전부(1801)는 하부 그라운드(110) 및 제1 유전체 기판(121)을 관통하여 수직 연장되는 관통홀과, 관통홀을 통해 안테나 구동부(1320)와 급전부(220)를 물리적으로 또는 전기적으로 연결하는 급전 라인을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 18에 도시된 바와 같이, 제2 유전체 기판(122)의 상면에 보조 방사체(212)가 형성될 수 있다. 보조 방사체(212)를 통해 안테나 장치가 보다 높은 안테나 이득과 보다 넓은 대역폭을 가질 수 있다.
도 19 및 도 20은 예시적 실시예에 따른 안테나 장치를 나타내는 개략적인 단면도이다. 도 19 및 도 20은 2개의 안테나 소자(1310a, 1310b)를 통해 방사체(210a, 210b)와 수직하는 제1 방향 및 제2 방향으로 방사하는 안테나 장치의 구조를 도시한다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 제1 안테나 소자(1310a)와 제2 안테나 소자(1310b)는 서로 반대 방향으로 신호를 방사하도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 제1 유전체 기판(1921)의 저면에 제1 그라운드(1910)가 배치되고, 제1 그라운드(1910)의 저면에 안테나 구동부(1320)가 배치될 수 있다. 제1 유전체 기판(1921)과 제2 유전체 기판(1922) 사이에 방사체(210a, 210b)와 급전부(220a, 210b)가 배치되고, 제2 유전체 기판(1922)의 상면에 제2 그라운드(1930)가 배치될 수 있다.
안테나 구동부(1320)는 급전부(1801a)를 통해 급전부(220a)와 물리적으로 또는 전기적으로 연결되고, 급전부(1801b)를 통해 급전부(220b)와 물리적으로 또는 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 그라운드(1910) 및 제2 그라운드(1930)는 비아(240a, 240b)를 통해 물리적으로 또는 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 그라운드(1910)는 제1 안테나 소자(1310a)의 하부 그라운드임과 동시에 제2 안테나 소자(1310b)의 상부 그라운드이고, 제2 그라운드(1930)은 제1 안테나 소자(1310a)의 상부 그라운드임과 동시에 제2 안테나 소자(1310b)의 하부 그라운드일 수 있다.
실험예 1 - 공진 주파수 및 방사 패턴 평가
도 1 내지 도 3에 도시된 구조의 안테나 소자를 제작하였다. 비아(241, 242)는 상부 그라운드(230)의 상면에서 보았을 때 제1 급전 라인(220)의 중심축과 280um 이격된 위치에 형성하고, 비아(243, 244)는 인접하는 비아(241, 242)와 1mm 이격된 위치에 형성하였다.
제작된 안테나 소자로 S11 특성, 안테나 이득 및 방사 패턴을 측정하였다. 측정결과 도 21의 S11 특성과, 도 22 및 도 23의 안테나 이득 및 방사 패턴을 획득하였다.
도 21에 도시된 바와 같이, 안테나 소자는 상이한 두 개의 공진 주파수(28GHz 및 39GHz)에서 동작함을 확인할 수 있었으며, 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 두 개의 공진 주파수(28GHz 및 39GHz)의 방사 패턴이 유사하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 두 개의 공진 주파수(28GHz 및 39GHz)에서의 안테나 이득 역시 각각 5.2 dBi 및 6.2 dBi이라는 점을 확인할 수 있었다.
실험예 2 - 비아의 개수 및 위치에 따른 제1 공진 주파수에서의 방사 방향 평가
6개의 비아(241 내지 246)를 포함하는 도 24에 도시된 구조의 안테나 소자를 제작하였다. 비아들(241 내지 246)은 서로 100um 이격된 위치에 형성하였다. 상부 그라운드(230)와 각 비아들(241 내지 246) 사이에 스위치(250)가 배치하여, 실시예 1은 6개의 비아(241 내지 246)를 상부 그라운드(230)에 연결하고, 실시예 2는 4개의 비아(241 내지 244)를 상부 그라운드(230)에 연결하고, 실시예 3은 4개의 비아(241, 242, 245, 246)을 상부 그라운드(230)에 연결하였다.
실시예 1에 대하여 제1 공진 주파수에서의 방사 방향을 측정한 결과 도 25를 획득하였고, 실시예 2에 대하여 제1 공진 주파수에서의 방사 방향을 측정한 결과 도 26을 획득하였고, 실시예 3에 대하여 제1 공진 주파수에서의 방사 방향을 측정한 결과 도 27을 획득하였다.
도 25 내지 도 27에 도시된 바와 같이, 비아의 개수 및 위치를 조정함으로써 제1 공진 주파수에서의 방사 방향을 조정할 수 있다는 점을 확인할 수 있었다.
이제까지 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 발명의 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
110: 하부 그라운드 120: 유전체 기판
130: 안테나층 210: 방사체
220: 급전부 230: 상부 그라운드
241, 242, 243, 244: 비아

Claims (13)

  1. 하부 그라운드;
    상기 하부 그라운드의 상부에 배치되는 방사체;
    상기 방사체에 신호를 인가하는 급전부;
    상기 하부 그라운드의 상부에 상기 방사체 및 상기 급전부와 이격되어 배치되는 상부 그라운드; 및
    상기 하부 그라운드와 상기 상부 그라운드를 연결하는 둘 이상의 비아; 를 포함하는,
    안테나 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 그라운드, 상기 하부 그라운드, 상기 둘 이상의 비아 및 상기 방사체는 방사 구조체를 형성하고,
    상기 방사체는 제1 공진 주파수에서 동작하고,
    상기 방사 구조체는 제2 공진 주파수에서 동작하는,
    안테나 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 공진 주파수는 비아의 개수와 위치에 따라 조절 가능한,
    안테나 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 그라운드는 서로 이격된 2개의 상부 그라운드를 포함하고,
    각 상부 그라운드는 하나 이상의 비아를 통해 상기 하부 그라운드와 연결되는,
    안테나 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방사체 및 상기 급전부는 동일한 층에 배치되고,
    상기 상부 그라운드는 상기 방사체 및 상기 급전부와 상이한 층에 배치되는,
    안테나 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방사체, 상기 급전부 및 상기 상부 그라운드는 동일한 층에 배치되는,
    안테나 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 그라운드는,
    상기 급전부를 사이에 두고 서로 마주보는 2개의 상부 그라운드; 를 포함하는,
    안테나 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 그라운드는 하나 이상의 볼록부 또는 하나 이상의 오목부를 포함하는,
    안테나 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는,
    안테나 구동부로부터 신호를 인가받는 제1 급전 라인; 및
    임피던스 매칭을 위해 상기 제1 급전 라인 및 상기 방사체 사이에 배치되어 상기 제1 급전 라인으로부터의 신호를 상기 방사체에 전달하는 제2 급전 라인; 을 포함하는,
    안테나 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 하부 그라운드를 관통하여 수직 연장되는 관통홀; 및
    상기 관통홀을 통해 상기 방사체에 연결되는 급전 라인; 을 포함하는,
    안테나 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상부 그라운드는 상기 하부 그라운드와 상기 방사체 사이에 배치되고,
    상기 관통홀은 상기 상부 그라운드를 관통하는,
    안테나 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 상부 그라운드와 각 비아의 사이 또는 상기 각 비아와 상기 하부 그라운드의 사이에 배치되는 스위치; 를 더 포함하는,
    안테나 소자.
  13. 복수의 안테나 소자; 및
    상기 복수의 안테나 소자에 신호를 인가하는 안테나 구동부; 를 포함하고,
    각 안테나 소자는,
    하부 그라운드;
    상기 하부 그라운드의 상부에 배치되는 방사체;
    상기 방사체에 신호를 인가하는 급전부;
    상기 하부 그라운드의 상부에 상기 방사체 및 상기 급전부와 이격되어 배치되는 상부 그라운드; 및
    상기 하부 그라운드와 상기 상부 그라운드를 연결하는 둘 이상의 비아; 를 포함하는,
    안테나 장치.
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