KR20230036000A - 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈 - Google Patents

밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈 Download PDF

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KR20230036000A
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유종인
정재웅
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한국전자기술연구원
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Abstract

밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈이 개시된다. 이 패치 배열 안테나 모듈은, IC 칩이 실장된 인쇄회로기판; 및 상기 인쇄회로기판의 상면에서 상기 IC 칩이 실장된 영역을 제외한 나머지 영역에 실장된 안테나 기판을 포함한다. 그리고, 상기 안테나 기판은, 유전체층; 상기 유전체층의 상면에 배치된 패치 배열 안테나; 상기 유전체층의 상면에 배치되어, 상기 패치 배열 안테나와 연결되는 급전 선로; 상기 유전체층의 상면에 배치되어, 상기 급전 선로에 의해 상기 패치 배열 안테나와 연결되는 캡쳐 패드; 상기 유전체층을 관통하는 관통 비아; 및 상기 유전체층의 하면에 배치되어, 상기 관통 비아에 의해 상기 캡쳐 패드와 연결되고, 동시에 상기 인쇄회로기판의 표면에 배치된 전송 선로에 의해 상기 IC 칩에 연결되는 급전 패드를 포함한다.

Description

밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈{Patch Array Antenna module for Millimeter Waves}
본 발명은 IC 칩과 배열 안테나와의 연결을 위해 사용되는 기술로서 IC 칩과 배열 안테나 간의 성능 개선 및 임피던스 정합과 관련된 기술이다.
무선 통신이 발달하면서 복수 개의 안테나를 배열하여 지향성과 이득을 높일 수 있는 패치 배열 안테나 기반의 MIMO 시스템이 주목받고 있다. MIMO 시스템에 적용되는 패치 배열 안테나를 제어하고 성능을 높이기 위해서는 배열 안테나의 입력단에 센서, 전력 증폭기, 위상 천이기 등과 같은 IC 칩을 배치하여 디자인한다.
일반적으로 안테나 모듈을 구현할 때, PCB 제작 비용을 절감하기 위해 저렴한 FR-4재료의 기판을 사용한다. 하지만 밀리미터 웨이브와 같이 고주파 대역에서는 높은 유전손실을 가진 FR-4 재료의 기판으로는 상호 연결선(Interconnection Line)과 안테나에서 많은 손실이 발생하여 고이득, 고효율 특성을 내지 못한다.
또한, 종래의 패치 배열 안테나 모듈은, 도 1에 도시된 바와 같이, 동일한 PCB에 패치 배열 안테나와 상기 패치 배열 안테나에 RF 신호를 급전하는 IC 칩을 배치함으로써, PCB의 유전 손실에 따라 패치 배열 안테나의 성능이 달라지는 문제가 있다.
또한 패치 배열 안테나의 급전 선로(Feeding Line)의 길이가 동일하지 않다면 방사되는 빔이 분리되어 지향성이 감소하고, 사이드 로브(Side Lobe)와 같은 빔 패턴이 발생한다. 이러한 문제는 물체 인식이 중요한 레이더 시스템에 맞지 않으며, 안테나의 성능을 개선하기 위한 대책이 필요하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, IC 칩이 배치된 PCB에 안테나를 배치하는 것이 아니라 별개의 저손실 유전체로 이루어진 패치 배열 안테나용 기판을 PCB에 표면 실장한 구조를 갖는 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 저손실 유전체로 이루어진 패치 배열 안테나용 기판을 PCB에 표면 실장함에 따라, 발생하는 패치 배열 안테나와 IC 칩 사이의 임피던스 비정합 문제를 해결할 수 있는 구조를 갖는 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 전술한 목적들 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확 해진다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈은, IC 칩이 실장된 인쇄회로기판; 및 상기 인쇄회로기판의 상면에서 상기 IC 칩이 실장된 영역을 제외한 나머지 영역에 실장된 안테나 기판을 포함하고, 상기 안테나 기판은, 유전체층; 상기 유전체층의 상면에 배치된 패치 배열 안테나; 상기 유전체층의 상면에 배치되어, 상기 패치 배열 안테나와 연결되는 급전 선로; 상기 유전체층의 상면에 배치되어, 상기 급전 선로에 의해 상기 패치 배열 안테나와 연결되는 캡쳐 패드; 상기 유전체층을 관통하는 관통 비아; 및 상기 유전체층의 하면에 배치되어, 상기 관통 비아에 의해 상기 캡쳐 패드와 연결되고, 동시에 상기 인쇄회로기판의 표면에 배치된 전송 선로에 의해 상기 IC 칩에 연결되는 급전 패드를 포함한다.
실시 예에서, 상기 캡쳐 패드의 폭 조절을 통해, 상기 캡쳐 패드와 상기 유전체층의 하면에 배치된 금속 접지층 사이에 형성되는 커패시턴스를 조절하여 상기 패치 배열 안테나와 상기 IC 칩 사이의 임피던스 정합을 수행할 수 있다.
실시 예에서, 상기 관통 비아에 의한 임피던스 비정합을 해결하기 위해, 상기 임피던스 정합을 수행하는 것일 수 있다.
실시 예에서, 상기 캡쳐 패드와 오버랩되는 영역의 상기 금속 접지층은 사각 형상으로 제거되어, 개구부를 형성하고, 상기 개구부에 상기 급전 패드가 배치될 수 있다.
실시 예에서, 상기 캡쳐 패드의 폭 조절을 통해, 상기 캡쳐 패드와 금속 접지층 사이의 오버랩되는 면적을 조절하는 방식으로, 상기 커패시턴스를 조절하는 것일 수 있다.
실시 예에서, 상기 패치 배열 안테나는 N개의 패치 배열 안테나들로 구성되고, 상기 캡쳐 패드는 N개의 캡쳐 패드들로 구성되고, 상기 급전 선로는 상기 N개의 패치 배열 안테나들과 상기 N개의 캡쳐 패드들을 각각 연결하는 N개 급전 선로들로 구성되고, 상기 N개 급전 선로들은 적어도 2개의 절곡된 부위를 갖도록 연장되는 것일 수 있다.
실시 예에서, 상기 N개 급전 선로들은, 상기 N개의 패치 배열 안테나들의 위상을 동위상으로 맞추기 위해, 서로 동일한 길이로 연장되는 것일 수 있다.
실시 예에서, 상기 유전체층은, 저손실 유전체로 이루어진 폴리테트라플루오로에틸렌 복합재일 수 있다.
본 발명에 따르면, 패치 배열 안테나가 패터닝된 저손실 유전체로 이루어진 별개의 안테나 기판을 PCB의 표면에 SMT(Surface Mount Technology)를 이용하여 실장함으로써 안테나의 성능을 개선할 수 있다.
패치 배열 안테나와 PCB를 연결하는 전송 라인(Transmission Line)의 임피던스 정합을 통해 성능 최적화 및 출력 효율을 개선할 수 있다.
패치 배열 안테나에 RF 신호를 급전하는 급전 선로(Feeding line)를 꺾은 형태의 Delay Line으로 구성함으로써, 패치 배열 안테나의 위상을 동위상으로 맞추어 안테나 지향성을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 패치 배열 안테나 모듈의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 패치 배열 안테나 모듈의 3D 형상을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시한 패치 배열 안테나 모듈을 위에서 바라본 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 패치 배열 안테나, 급전 선로 및 IC 칩의 연결을 따라 절단한 패치 배열 안테나 모듈의 단면도이다.
도 5는 도 2 및 3에 도시한 캡쳐 패드(송신용 급전 선로와 연결된 캡쳐 패드들)의 확대도이다.
도 6은 도 2에 도시한 송신용 급전 선로들(A)의 확대도이다.
도 7은 도 2에 도시한 수신용 급전 선로들(B)의 확대도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 패치 배열 안테나 모듈의 3D 형상을 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시한 패치 배열 안테나 모듈을 위에서 바라본 평면도이다. 그리고, 도 4는 도 3에 도시한 패치 배열 안테나, 급전 선로 및 IC 칩의 연결을 따라 절단한 패치 배열 안테나 모듈의 단면도이고, 도 5는 도 2 및 3에 도시한 캡쳐 패드(송신용 급전 선로와 연결된 캡쳐 패드들)의 확대도이다.
도 2 내지 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 패치 배열 안테나 모듈은 크게, 인쇄 회로 기판(100)(PCB: Printed Circuit Board), PCB(100)의 표면에 실장된 안테나 기판(200) 및 PCB(100)와 안테나 기판(200)을 연결하는 전송 선로(150)를 포함한다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 패치 배열 안테나 모듈은 동일한 PCB 기판에 패치 배열 안테나와 IC 칩이 실장되는 종래와는 다르게, PCB 기판 위에 패치 배열 안테나를 갖는 안테나 기판(200)이 부착된 구조로 이루어짐을 특징으로 한다.
PCB(100) 상에는 패치 배열 안테나들(10~70)로 RF 신호를 급전하거나 패치 배열 안테나(10~70)로부터 RF 신호를 수신하는 IC 칩(110)이 실장 된다.
안테나 기판(200)은 PCB(100)의 표면에서 IC 칩(110)이 실장된 영역을 제외한 나머지 영역에 실장 된다.
PCB(100)의 표면에 실장된 안테나 기판(200)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 유전체층(220)과, 상기 유전체층(220)의 하면에 형성된(패터닝된) 금속 접지층(230) 및 상기 유전체층(220)의 상면에 형성된(패터닝된) 패치 배열 안테나(10~70)를 포함한다.
유전체층(220)은, 예를 들면, 'NF-30'와 같은 유전체를 포함하며, 'NF-30'은 'Ceramic Filled 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, Poly Tetra Fluoro Ethylene,) 복합재(Composite)'이며, 유전율 3.0, 유전손실은 0.0013의 특성을 갖는 재료이다. 유전체층(220)의 두께는, 예를 들면, 127um일 수 있다.
유전체층(220)의 하면에는 금속 접지층(230)과, 동일한 층에서 급전 패드(240, Feeding-Pad)가 배치(형성 또는 패터닝)된다. 금속 접지층(230)은 유전체층(220)의 하면에서 대다수의 영역을 차지하며, PCB(100)에 배치된 금속 접지층(105)에 상에 부착된다. 유전체층(220)의 하면에서 나머지 영역에는 금속 접지층(230)과 전기적으로 분리된 급전 패드(240)가 배치(형성 패터닝)된다.
유전체층(220)의 상면에는 패치 배열 안테나들(10, 20, 30, 40, 50, 60 및 70), 캡쳐 패드(Capture-Pad)들(11', 21', 31', 41', 51', 61' 및 71') 및, 패치 배열 안테나들(10~70)과 캡쳐 패드들(11', 21', 31', 41', 51', 61' 및 71')을 각각 연결하는 급전 선로들(11, 21, 31, 41, 51, 61 및 71)이 배치(패터닝 또는 형성)된다.
패치 배열 안테나들(10~70) 각각은 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 마치 포도송이와 같이 사각 형상의 패치 안테나들이 연결된 형상으로 패터닝된다.
패치 배열 안테나들(10~70)은 송신용과 수신용으로 구분되며, 패치 배열 안테나들(10~40)은 송신용 패치 배열 안테나들이고, 패치 배열 안테나들(50~70)은 수신용 패치 배열 안테나들이다.
패치 배열 안테나들(10~70)을 송신용과 수신용으로 구분함에 따라, 급전 선로들(11, 21, 31 및 41)은 송신용 급전 선로들이고, 급전 선로들(51, 61 및 71)은 수신용 급전 선로들이다.
그리고, 송신용 급전 선로들(11, 21 및 31)에 의해 패치 배열 안테나들(10~40)과 각각 연결되는 캡쳐 패드들(도 6의 11', 21', 31' 및 41')은 송신용 캡쳐 패드들이고, 수신용 급전 선로들(51, 61 및 71)에 의해 수신용 패치 배열 안테나들(50, 60 및 70)과 각각 연결되는 캡쳐 패드들(도 7의 51', 61' 및 71')은 수신용 급전 패드들이 된다.
급전 선로들(11, 21, 31, 41, 51, 61 및 71) 각각은, 안테나의 크기를 줄이기 위해, 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 적어도 2개의 절곡부를 갖도록 연장된다.
도 6은 도 2에 도시한 송신용 급전 선로들(A)의 확대도이고, 도 7은 도 2에 도시한 수신용 급전 선로들(B)의 확대도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 패치 배열 안테나(10)와 캡쳐 패드(11')를 연결하는 급전 선로(11)는 2개의 절곡부(점선의 원으로 표시)를 가지며, 패치 배열 안테나(20)와 캡쳐 패드(21')를 연결하는 급전 선로(21)는 4개의 절곡부를 가지며, 패치 배열 안테나(30)와 캡쳐 패드(31')를 연결하는 급전 선로(31)는 4개의 절곡부(점선의 원으로 표시)를 갖는다. 그리고, 패치 배열 안테나(40)와 캡쳐 패드(41')를 연결하는 급전 선로(41)는 2개의 절곡부(점선의 원으로 표시)를 갖는다.
이처럼 급전 선로들(11과 41)과 급전 선로들(21, 31)은 서로 다른 개수의 절곡부를 갖지만, 모두 동일할 길이로 설계된다. 예를 들면, 송신용 급전 선로들(11, 21, 31 및 41) 각각의 길이는 동일한 2.7λg mm로 설계될 수 있다.
패치 배열 안테나들(10~40)의 위상이 동위상이 아닌 경우, 각 패치 배열 안테나에서 방사되는 빔이 합쳐지지 않기 때문에, 패치 배열 안테나들의 위상을 동위상으로 맞추기 위해, 급전 선로들(11, 21, 31 및 41)을 동일한 길이로 설계한다.
동일한 이유로, 도 7에 도시된 수신용 급전 선로들(51, 61 및 71) 역시,
각각은 절곡된 부위의 개수가 서로 다를 수 있으나, 각각의 길이는 동일한 길이, 예를 들면, 8.7λg mm로 설계될 수 있다.
다시 도 2 내지 5를 참조하면, 캡쳐 패드들(11', 21', 31') 각각은 도시된 바와 같이, 폭(WPad)을 갖는 사각 형상으로 형성된다.
캡쳐 패드들(11', 21', 31', 41', 51', 61' 및 71')은 유전체층(220)을 관통하는 관통 비아(222)에 의해 유전체층(220)의 하면에 배치(형성 또는 패터닝)된 해당 급전 패드(240)들과 각각 전기적으로 연결된다. 관통 비아(222)에는 전도성 높은 금속 재료들로 채워질 수 있다.
급전 패드(240)는 PCB(100)의 표면에 배치(형성 또는 패터닝)된 전송 선로(150)(transmission line 또는 Interconnection line)에 의해 PCB(100)의 표면에 실장된 IC 칩(110)과 전기적으로 연결된다.
이처럼, 안테나 기판(200)에 배치된 패치 배열 안테나(예를 들어, 10)와 PCB(200)에 배치된 IC 칩(110)은 급전 선로(예를 들어, 11), 캡쳐 패드(11'), 관통 비아(222), 급전 패드(240) 및 전송 선로(150)를 포함하는 신호 경로를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
한편, IC 칩(110)으로부터 출력되는 RF 신호는 관통 비아(222)를 경유하여, 패치 배열 안테나(예, 10)로 급전된다. 따라서, 이러한 관통 비아(222)에 의해 발생할 수 있는 임피던스 비정합을 해결할 수 있는 추가적인 임피던스 정합이 필요한다.
본 발명의 실시 예에 따른 임피던스 정합 방법으로, 캡쳐 패드(예, 도 5의 21')의 폭(WPad)을 조정하는 방식으로 캡쳐 패드(11')와 금속 접지층(230) 간의 커패시턴스를 형성하여, 원하는 주파수 대역에서 패치 배열 안테나와 IC 칩(110) 사이의 임피던스 정합을 수행할 수 있다.
이러한 커패시턴스를 형성하기 위해, 금속 접지층(230)의 전체 영역에서 상부에 배치된 캡쳐 패드들(예, 도 5의 11', 21' 및 31')과 오버랩되는 영역은 도 5에 도시된 바와 같이, 요철 패턴을 갖도록 패터닝된다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 캡쳐 패드들(예, 도 5의 11', 21' 및 31')과 오버랩되는 영역의 금속 접지층(230)은 일부가 사각 형상으로 제거되어, 개구부(OP)를 형성하고, 그 개구부(OP)에 급전 패드(240)가 배치된다.
즉, 캡쳐 패드들(예, 도 5의 11', 21' 및 31')의 하부에는 캡쳐 패드들(예, 도 5의 11', 21' 및 31')과 오버랩되는 금속 접지층(230)이 존재하지 않는다. 하지만, 캡쳐 패드들(예, 도 5의 11', 21' 및 31') 각각의 길이를 고정한 상태에서 폭(WPad)을 증가시키면, 캡쳐 패드들(예, 도 5의 11', 21' 및 31')과 금속 접지층(230)과 오버랩되는 면적이 증가하여, 커패시턴스를 증가시킬 수 있다.
이와 같이, 캡쳐 패드들(예, 도 5의 11', 21' 및 31')의 폭 조정을 통해 캡쳐 패드(11')와 금속 접지층(230) 간의 커패시턴스를 조절하여, 원하는 주파수 대역에서 패치 배열 안테나와 IC 칩(110) 사이의 임피던스 정합을 수행할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (8)

  1. IC 칩이 실장된 인쇄회로기판; 및
    상기 인쇄회로기판의 상면에서 상기 IC 칩이 실장된 영역을 제외한 나머지 영역에 실장된 안테나 기판을 포함하고,
    상기 안테나 기판은,
    유전체층;
    상기 유전체층의 상면에 배치된 패치 배열 안테나;
    상기 유전체층의 상면에 배치되어, 상기 패치 배열 안테나와 연결되는 급전 선로;
    상기 유전체층의 상면에 배치되어, 상기 급전 선로에 의해 상기 패치 배열 안테나와 연결되는 캡쳐 패드;
    상기 유전체층을 관통하는 관통 비아; 및
    상기 유전체층의 하면에 배치되어, 상기 관통 비아에 의해 상기 캡쳐 패드와 연결되고, 동시에 상기 인쇄회로기판의 표면에 배치된 전송 선로에 의해 상기 IC 칩에 연결되는 급전 패드를 포함하는 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 캡쳐 패드의 폭 조절을 통해, 상기 캡쳐 패드와 상기 유전체층의 하면에 배치된 금속 접지층 사이에 형성되는 커패시턴스를 조절하여 상기 패치 배열 안테나와 상기 IC 칩 사이의 임피던스 정합을 수행하는 것인 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 관통 비아에 의한 임피던스 비정합을 해결하기 위해, 상기 임피던스 정합을 수행하는 것인 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈.
  4. 제2항에서,
    상기 캡쳐 패드와 오버랩되는 영역의 상기 금속 접지층은 사각 형상으로 제거되어, 개구부를 형성하고,
    상기 개구부에 상기 급전 패드가 배치되는 것인 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈.
  5. 제4항에서,
    상기 캡쳐 패드의 폭 조절을 통해, 상기 캡쳐 패드와 금속 접지층 사이의 오버랩되는 면적을 조절하는 방식으로, 상기 커패시턴스를 조절하는 것인 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈.
  6. 제1항에서,
    상기 패치 배열 안테나는 N개의 패치 배열 안테나들로 구성되고, 상기 캡쳐 패드는 N개의 캡쳐 패드들로 구성되고,
    상기 급전 선로는 상기 N개의 패치 배열 안테나들과 상기 N개의 캡쳐 패드들을 각각 연결하는 N개 급전 선로들로 구성되고,
    상기 N개 급전 선로들은 적어도 2개의 절곡된 부위를 갖도록 연장되는 것인 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈.
  7. 제6항에서,
    상기 N개 급전 선로들은,
    상기 N개의 패치 배열 안테나들의 위상을 동위상으로 맞추기 위해, 서로 동일한 길이로 연장되는 것인 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈.
  8. 제1항에서,
    상기 유전체층은, 저손실 유전체로 이루어진 폴리테트라플루오로에틸렌 복합재인 것인 밀리미터 웨이브용 패치 배열 안테나 모듈.
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