KR20240015623A - 안테나를 구비하는 전자 기기 - Google Patents

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KR20240015623A
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radiator
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우승민
서유석
이동익
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엘지전자 주식회사
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안테나를 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 금속 패턴들이 다층 기판(multi-layer substrate)의 서로 다른 레이어에 적층(stack)되어 구성된 방사체(radiator); 및 상기 방사체의 특정 레이어에 배치되고, 상기 방사체와 연결되도록 구성된 급전 라인을 구비하는 급전부를 구비하는 안테나 모듈을 포함하고, 상기 방사체는 상기 급전 라인과 연결되는 제1 패드와 상기 제1 패드의 상부에 배치된 제2 패드를 포함하고, 상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 제1 연결 라인 및 제2 연결 라인에 의해 상호 연결된다.

Description

안테나를 구비하는 전자 기기
본 명세서는 안테나를 구비하는 전자 기기에 관한 것이다. 특정 구현은 다층 회로 기판 내에 구현되는 안테나 모듈과 이를 구비하는 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 안테나는 수평 편파 안테나 이외에 수직 편파 안테나로 구성될 수 있다. 수직 편파 안테나로 구성되는 경우, 안테나가 수직하게 배치될 필요가 있어 안테나 모듈을 구성하는 다층 기판 형태의 PCB 내에 배치하는 데 문제점이 있다.
또한, 안테나 모듈을 구성하는 다층 기판 형태의 PCB 내에 배치하기 위해 안테나의 물리적 크기를 제약하는 경우, 안테나 성능이 저하되는 문제점이 있다. 특히, 다층 기판 형태의 PCB 내에 배치하기 위해 안테나의 물리적 크기를 제약하는 경우, 안테나 대역폭 성능이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 밀리미터파(mmWave) 대역에서 동작하는 안테나를 다층 기판 형태의 PCB와 별도로 구현하지 않고 일체형 모듈로 제공할 필요가 있다. 이 경우, 안테나의 물리적 크기를 축소하여 다층 기판 형태의 PCB 내부에 배치할 필요가 있다.
본 명세서는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 다른 일 목적은 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 모듈 및 이를 제어하는 구성을 포함하는 전자 기기를 제공하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 소자를 다층 기판 내부에 배치하여 RF 회로와 일체형 안테나 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 다층 기판 형태의 PCB 내부에 수직하게 배치되는 안테나 소자의 높이를 낮춰 소형화된 안테나 모듈을 제공하기 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 안테나를 구비하는 전자 기기가 제공된다. 상기 전자 기기는 금속 패턴들이 다층 기판(multi-layer substrate)의 서로 다른 레이어에 적층(stack)되어 구성된 방사체(radiator); 및 상기 방사체의 특정 레이어에 배치되고, 상기 방사체와 연결되도록 구성된 급전 라인을 구비하는 급전부를 구비하는 안테나 모듈을 포함하고, 상기 방사체는 상기 급전 라인과 연결되는 제1 패드와 상기 제1 패드의 상부에 배치된 제2 패드를 포함하고, 상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 제1 연결 라인 및 제2 연결 라인에 의해 상호 연결된다.
실시 예에 따르면, 상기 전자 기기는 상기 안테나 모듈과 동작 가능하게 연결되고, 상기 전자 기기의 주변에 배치된 무선 기기로 상기 안테나 모듈을 통해 무선 신호를 송신 또는 수신하도록 제어하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 연결 라인은 상기 제1 패드의 제1 단부와 상기 제2 패드의 제1 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제1 인덕턴스 성분을 형성하고, 상기 제2 연결 라인은 상기 제1드의 제2 단부와 상기 제2 패드의 제2 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제2 인덕턴스 성분을 형성한다. 제1 면적을 갖는 상기 제1 패드와 제2 면적을 갖는 상기 제2 패드가 소정 간격으로 이격되도록 구성되어 커패시턴스 성분을 형성한다. 상기 제1 및 제2 인덕턴스 성분 및 상기 커패시턴스 성분에 의해 상기 방사체는 광대역 특성을 갖도록 구현될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 급전부는 상기 급전 라인; 상기 급전 라인의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역까지 배치된 제1 그라운드 층; 및 상기 제1 그라운드 층의 하부에서 수평 방향으로 상기 제1 영역보다 상기 방사체에 인접한 제2 영역까지 배치된 제2 그라운드 층을 포함하고, 상기 제1 영역에 형성된 상기 급전 라인의 제1 너비와 상기 제2 영역에 형성된 상기 급전 라인의 제2 너비는 상이하도록 구성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 급전부는 상기 제1 영역에서 상기 급전 라인과 상기 제1 그라운드 층까지의 제1 높이보다 상기 제2 영역에서 상기 급전 라인과 상기 제2 그라운드 층까지의 제2 높이가 더 높게 계단식 그라운드(stepped ground)로 형성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 급전부는 상기 급전 라인의 상부에 배치되는 상부 그라운드 층을 더 포함하고, 상기 상부 그라운드 층에 의해 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에서 상기 급전 라인은 스트립 라인으로 구성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 상기 제1 연결 라인, 상기 제2 연결 라인 및 제3 연결 라인에 의해 상호 연결되고, 상기 제3 연결 라인은 상기 제1 연결 라인과 상기 제2 연결 라인 사이에 배치될 수 있다
실시 예에 따르면, 상기 제1 연결 라인과 상기 제2 연결 라인은 제1 축 상에 배치되고, 상기 제3 연결 라인은 상기 제1 축 상에서 상기 제1 연결 라인과 상기 제2 연결 라인 사이에 배치되고, 상기 제1 축에 수직한 제2 축 상에서 상기 제1 및 제2 연결 라인보다 오프셋된 지점에서 배치될 수 있다
실시 예에 따르면, 상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 제1 축 상에 배치되는 상기 제1 연결 라인 및 상기 제2 연결 라인에 의해 연결되고, 상기 제1 축에 수직한 제2 축 상에서 상기 제1 연결 라인 및 제3 연결 라인 또는 상기 제2 연결 라인 및 제4 연결 라인에 의해 연결될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 안테나 모듈은 상기 방사체와 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조를 더 포함하고, 상기 비아 월 구조는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 비아 월 구조는 상기 다층 기판의 그라운드와 전기적으로 연결되지 않은 플로팅 비아 월(floating via wall)로 형성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 패드와 상기 제2 패드를 수직 연결하는 상기 제1 연결 라인 및 상기 제2 연결 라인에 의해 상기 방사체는 수직 편파 안테나로 동작하고, 상기 안테나 모듈은 상기 다층 기판 내부의 그라운드 층 상부에 배치되고, 수평 편파 안테나로 동작하는 패치 안테나를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 방사체는 상기 다층 기판에 평행한 제1 방향으로 제1 신호를 방사하도록 구성된 제1 안테나로 동작하고, 상기 패치 안테나는 상기 다층 기판에 수직한 제2 방향으로 제2 신호를 방사하도록 구성된 제2 안테나로 동작할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 방사체는 상기 다층 기판의 제1 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 복수의 방사체들에 의해 배열 안테나를 구성할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 안테나 모듈이 형성된 상기 다층 기판 상에 배치될 수 있다. 또는, 상기 프로세서는 상기 안테나 모듈과 별도로 상기 전자 기기 내부에 배치되는 메인 기판 상에 배치될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 복수의 방사체들 각각은 상기 방사체와 제2 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조를 더 포함하고, 상기 비아 월 구조는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 배열 안테나는 제1 배열 안테나 모듈 및 상기 제1 배열 안테나 모듈에 제1 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 제2 배열 안테나 모듈을 포함하고, 상기 프로세서는 상기 제1 및 제2 배열 안테나 모듈을 각각 이용하여 각각 제1 빔 및 제2 빔을 제1 방향 및 제2 방향으로 제1 빔 및 제2 빔을 형성하고, 상기 제1 배열 안테나 모듈 및 상기 제2 배열 안테나 모듈을 이용하여 제3 방향으로 제3 빔을 형성할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 프로세서는 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔을 이용하여 다중 입출력(MIMO)를 수행하고, 상기 제1 빔 및 상기 제2 빔보다 좁은 빔 폭을 갖는 상기 제3 빔을 이용하여 빔 포밍을 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 안테나 모듈이 제공된다. 상기 안테나 모듈은 금속 패턴들이 다층 기판(multi-layer substrate)의 서로 다른 레이어에 적층(stack)되어 구성된 방사체(radiator); 및 상기 방사체의 특정 레이어에 배치되고, 상기 방사체와 연결되도록 구성된 급전 라인을 구비하는 급전부를 포함한다.
실시 예에 따르면, 상기 방사체는 상기 급전 라인과 연결되는 제1 패드와 상기 제1 패드의 상부에 배치된 제2 패드를 포함하고, 상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 제1 연결 라인 및 제2 연결 라인에 의해 상호 연결되도록 구성된다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 연결 라인은 상기 제1 패드의 제1 단부와 상기 제2 패드의 제1 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제1 인덕턴스 성분을 형성하고, 상기 제2 연결 라인은 상기 제1드의 제2 단부와 상기 제2 패드의 제2 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제2 인덕턴스 성분을 형성한다. 제1 면적을 갖는 상기 제1 패드와 제2 면적을 갖는 상기 제2 패드가 소정 간격으로 이격되도록 구성되어 커패시턴스 성분을 형성하고, 상기 제1 및 제2 인덕턴스 성분 및 상기 커패시턴스 성분에 의해 상기 방사체는 광대역 특성을 갖도록 구현될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 급전부는 상기 급전 라인; 상기 급전 라인의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역까지 배치된 제1 그라운드 층; 및 상기 제1 그라운드 층의 하부에서 수평 방향으로 상기 제1 영역보다 상기 방사체에 인접한 제2 영역까지 배치된 제2 그라운드 층을 포함하고, 상기 제1 영역에 형성된 상기 급전 라인의 제1 너비와 상기 제2 영역에 형성된 상기 급전 라인의 제2 너비는 상이하도록 구성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 안테나 모듈은 상기 방사체와 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조를 더 포함하고, 상기 비아 월 구조는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 비아 월 구조는 상기 다층 기판의 그라운드와 전기적으로 연결되지 않은 플로팅 비아 월(floating via wall)로 형성될 수 있다.
이와 같은 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 모듈 및 이를 제어하는 구성을 포함하는 전자 기기의 기술적 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시 예에 따르면, 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 모듈 및 이를 제어하는 구성을 포함하는 전자 기기를 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 소자를 비아 패드 사이에 복수 개의 비아 구조를 이용하여 다층 기판 내부에 배치하여 RF 회로와 일체형 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 비아 패드 사이에 복수 개의 비아 구조를 이용하여 다층 기판 내부에 수직하게 배치되는 안테나 소자의 높이를 낮춰 소형화된 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 안테나 소자에 일 방향으로 인접하게 배치된 비아 월 구조를 이용하여 다층 기판 내부에 수직하게 배치되는 안테나 소자의 높이를 낮춰 소형화된 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 모노폴 안테나와 연결되는 급전라인의 폭을 테이퍼드 라인 형태로 구현하여, 다층 기판 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있는 광대역 급전 라인 구조를 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 모노폴 안테나와 연결되는 급전라인의 그라운드를 계단식으로 배치하여, 다층 기판 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있는 광대역 급전 라인 구조를 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 직교 편파를 갖는 안테나들을 통해 하나의 안테나 모듈만을 이용하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 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 내지 도 7b는 실시 예들에 따른 다층 기판(multi-layer substrate)으로 구현된 안테나 모듈의 사시도를 나타낸다. 도 7c는 도 7b의 비아 월을 포함하는 안테나 모듈의 측면도를 나타낸다.
도 8a는 급전부의 구성을 나타낸 전면도와 측면도를 나타낸다. 도 8b는 복수의 비아 패드들을 수직 연결하여 구성된 모노폴 안테나 구성을 나타낸다.
도 9a는 비아 월 구조가 없는 경우, 플로팅 비아 월 및 그라운드 비아 월 구조에서의 반사 계수 특성을 나타낸 것이다. 도 9b는 일반 모노폴 안테나, LC Tank 모노폴 안테나 및 LC Tank 모노폴 안테나 + tapered 급전선 구조에서의 반사 계수 특성을 나타낸 것이다.
도 10a 및 도 10b는 실시 예에 따른 LC Tank 안테나 + 비아 월 구조에서 급전부가 마이크로스트립 라인 또는 스트립 라인 구조로 형성된 구성을 나타낸다.
도 11a 및 도 11b는 배열 안테나가 배치된 회로 기판의 내측으로 제1 및 제2 타입의 비아 월 구조가 배치된 구성을 나타낸다.
도 12는 밀리미터파 대역에서 일반 모노폴 안테나 구조와 LC Tank 모노폴 안테나 구조를 비교한 것이다.
도 13은 다양한 실시 예들에 따른 LC Tank 모노폴 구조에서 복수의 연결 라인들에 의해 형성되는 유효 면적을 표시한 개념도이다.
도 14a 및 도 14b는 제1 타입 안테나와 제2 타입 안테나를 구비하는 다층 기판에 형성된 안테나 모듈을 나타낸다.
도 15a는 제1 타입 안테나와 제2 타입 안테나가 배열 안테나로 형성된 안테나 모듈(1100)이 전자 기기(1000)에 배치된 구조를 나타낸다. 도 15b는 복수의 배열 안테나 모듈을 확대한 도면이다.
도 16은 실시 예들에 따른 전자 기기의 특정 위치에서 서로 다른 결합 구조로 결합된 안테나 모듈을 나타낸다.
도 17은 일 실시 예에 따른 LC Tank 모노폴 + tapered 급전 라인 구조를 갖는 복수의 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나와 이를 포함하는 전자 기기를 나타낸다.
도 18는 일 실시 예에 따른 LC Tank 모노폴 + tapered 급전 라인 구조의 안테나 소자는 복수의 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나와 이를 포함하는 전자 기기를 나타낸다.
도 19는 다른 실시 예에 따른 복수의 안테나 소자로 이루어진 복수의 배열 안테나와 이를 포함하는 전자 기기를 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 1 내지 도 2b와 같은 전자 기기에서, 도 3과 같은 다중 송수신 시스템과 도 4의 전자 기기의 내부 또는 측면에 배치될 수 있는 안테나를 구비하는 전자기기의 구체적인 구성 및 기능에 대해서 이하에서 설명하기로 한다.
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 안테나는 수평 편파 안테나 이외에 수직 편파 안테나로 구성될 수 있다. 수직 편파 안테나로 구성되는 경우, 안테나가 수직하게 배치될 필요가 있어 안테나 모듈을 구성하는 다층 기판 형태의 PCB 내에 배치하는 데 문제점이 있다.
또한, 안테나 모듈을 구성하는 다층 기판 형태의 PCB 내에 배치하기 위해 안테나의 물리적 크기를 제약하는 경우, 안테나 성능이 저하되는 문제점이 있다. 특히, 다층 기판 형태의 PCB 내에 배치하기 위해 안테나의 물리적 크기를 제약하는 경우, 안테나 대역폭 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 명세서는 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또한, 다른 일 목적은 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나가 배치된 안테나 모듈 및 이를 제어하는 구성을 포함하는 전자 기기를 제공하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 소자를 다층 기판 내부에 배치하여 RF 회로와 일체형 안테나 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 다층 기판 내부에 수직하게 배치되는 안테나 소자의 높이를 낮춰 소형화된 안테나 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 명세서의 다른 일 목적은, 다층 기판 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있는 광대역 급전 라인 구조를 제공하기 위한 것이다.
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. 또한, 영상표시기기(100)의 안테나 모듈(1100)을 통해 전면에 배치된 제2 통신 모듈(1100c)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, 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.
도 7a 내지 도 7b는 실시 예들에 따른 다층 기판(multi-layer substrate)으로 구현된 안테나 모듈의 사시도를 나타낸다. 도 7c는 도 7b의 비아 월을 포함하는 안테나 모듈의 측면도를 나타낸다.
도 7a는 복수의 연결라인들을 구성된 모노폴 방사체에 인접하여 제1 타입의 비아 월이 배치된 구성이다. 구체적으로, 다층 기판에 해당하는 PCB 종단에 모노폴 안테나가 배치된 실시 예이다. 도 7b는 복수의 연결라인들을 구성된 모노폴 방사체에 인접하여 제2 타입의 비아 월이 배치된 구성이다. 이와 관련하여, 제1 타입의 비아 월은 다층 기판 영역 전체에 비아 월이 배치된 구성일 수 있다. 제2 타입의 비아 월은 다층 기판 영역 중 모노폴 방사체 영역의 내측에 일부 영역에만 비아 월이 배치된 구성일 수 있다.
도 7a 및 도 7c를 참조하면, 안테나 모듈(1100)의 구성은 Multilayer PCB(1010)에 그라운드(ground, 1150), 급전부(feed part, 1120), 비아(via, 1111), 비아 패드(via pad, 1112)로 구성된다. 다층 기판의 각 층은 기판(substrate)로 이루어져 있다.
모노폴 방사체(1110)는 비아(1111)와 비아 패드(1112)로 이루어져 있다. 다층 기판(1010)에 수직으로 2개 이상의 비아(1111)와 비아 패드(1112)로 연결되어 있다. 2개 이상의 비아(1111)가 하나의 방사체처럼 동작하기 위해 비아 간 간격은 동작주파수의 lambda/4 이하로 구성된다.
도 7b 및 도 7c를 참조하면, 비아 월이 그라운드와 연결되지 않은 플로팅 비아 월(Floating Via wall)의 구조다. 한편, 제2 타입의 비아 월(1130b)은 다층 기판 영역 중 모노폴 방사체 영역의 내측에 일부 영역에만 비아 월이 배치된 구성일 수 있다.
안테나 모듈(1010)에 배치되는 안테나 소자는 모노폴 안테나에 한정되는 것은 아니다. 다른 타입의 안테나 소자가 배치되거나 또는 모노폴 안테나가 배치되는 경우에도 응용에 따라 비아 월은 부분적으로만 배치될 수 있다. 예를 들어, 모노폴 방사체(1110)의 인접하여 PCB(1010) 내부에 패치 안테나나 SMT가 필요한 커패시터와 같은 부품이 배치될 수 있다. 이러한 경우, 비아 월 구조(1130)를 특정 방향으로 길게 형성할 수 없다.
한편, Via Wall이 Ground와 연결됐을 때 발생하는 전류 흐름으로 근처의 Patch 안테나 또는 RF부품의 성능 저하가 발생할 수 있다. 이 경우, 비아 월 구조(1130)를 그라운드와 연결하지 않고 플로팅 비아 월로 형성하여, Patch 안테나 또는 RF부품의 성능 저하를 회피할 수 있다.
한편, 도 8a는 급전부의 구성을 나타낸 전면도와 측면도를 나타낸다. 도 8b는 복수의 비아 패드들을 수직 연결하여 구성된 모노폴 안테나 구성을 나타낸다. 도 8b (a)는 모노폴 안테나 구성을 나타내고, 도 8b (b)는 복수의 연결라인에 비아 패드가 연결된 일반 모노폴 안테나 구성, 즉 LC Tank 모노폴 안테나 구성을 나타낸다. 도 8b (c)는 비아 패드(1112)와 복수의 비아, 즉 제1 및 제2 연결 라인(1111a, 1111b)로 이루어진 비아 유닛(1110v)과 그 등가 회로를 나타낸다.
도 8a를 참조하면, 광대역 임피던스 변환(Impedance Transformation) 구현을 위한 급전부(1120)의 구조를 나타낸다. 도 8a (a)를 참조하면, 급전 라인(1121)의 폭을 변형하여 광대역 임피던스 변환부를 구현한다. 도 8a (a)를 참조하면, 계단식 그라운드(Stepped Ground)를 이용하여 광대역 임피던스 변환부를 구현한다.
이와 관련하여, 제1 영역(R1)에 형성된 급전 라인(1121a)의 제1 너비(W1)와 제2 영역(R2)에 형성된 급전 라인(1121b)의 제2 너비(W2)는 상이하게 설정될 수 있다. 제1 영역(R1)에 형성된 급전 라인(1121a)을 임피던스 변환부(1121a) 또는 제1 급전 라인(1121a)로 지칭할 수 있다. 제2 영역(R2)에 형성된 급전 라인(1121b)을 제2 급전 라인(1121b)으로 지칭할 수 있다. 따라서, 급전 라인(1121)은 제1 급전 라인(1121a) 및 제2 급전 라인(1121b)을 포함하도록 구성될 수 있다. 즉, 급전 라인(1121)은 임피던스 변환부(1121a) 및 제2 급전 라인(1121b)을 포함하도록 구성될 수 있다.
따라서, 급전 라인(1121)은 제1 너비(W1)와 제2 너비(W2)를 갖도록 구성될 수 있고, 방사체(1110)과 인접한 제2 영역(R2)의 급전 라인(1121), 즉 제2 제2 급전 라인(1121b)의 제2 너비(W2)는 제1 너비(W1)보다 높은 임피던스를 갖도록 구현된다. 또한, 제2 급전 라인(1121b)의 길이(L2)는 동작주파수의 lambda/4 이하로 설정될 수 있고, 임피던스 변환을 위한 임피던스 변환부로 동작할 수 있다. 임피던스 변환부(1121a)에 의해 안테나 모듈 내의 방사체(1110)의 동작 주파수가 저주파수 대역으로 변경될 수 있다. 이에 따라, 안테나 모듈 내의 방사체(1110)의 크기를 소형화할 수 있다. 제1 급전 라인(1121a)의 제1 너비(W1)는 50ohm 특성 임피던스를 가지는 전송선로일 수 있다.
또 다른 구현방법으로, 도 8a (b)와 같이 그라운드를 계단식으로 형성하여, 제1 높이와 제2 높이로 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 급전부(1120)는 급전 라인(1121), 제1 그라운드 층(1122a) 및 제2 그라운드 층(1122b)를 포함할 수 있다. 제1 그라운드 층(1122a)은 급전 라인(1121)의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역(R1)까지 배치되도록 구성될 수 있다. 제2 그라운드 층(1122b)은 제1 그라운드 층(1122a)의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역(R1)보다 방사체(1110)에 인접한 제2 영역(R2)까지 배치되도록 구성될 수 있다.
계단식 그라운드(stepped ground)와 관련하여, 제1 영역(R1)에서 급전 라인(1121)과 제1 그라운드 층(1122a)까지는 제1 높이(h1)로 형성된다. 반면에, 제2 영역(R2)에서 급전 라인(1121)과 제2 그라운드 층(1122b)까지는 제2 높이(h2)로 형성된다. 이 경우, 제2 영역(R2)에서 급전 라인(1121)과 제2 그라운드 층(1122b)까지의 제2 높이(h2)가 더 높게 계단식 그라운드(stepped ground)로 형성된다.
전술한 바와 같이, 제1 영역(R1)의 제1 높이(h1)는 제2 영역(R1)의 제2 높이(h2)보다 낮은 높이로 형성될 수 있다. 제1 영역(R1)에서 제1 그라운드 층(1122a)과 급전 라인(1121)과 높이가 상대적으로 낮기 때문에 급전 라인(1121)이 낮은 임피던스로 형성될 수 있다. 제2 영역(R2)에서 제2 그라운드 층(1122b)과 급전 라인(1121)과 높이가 상대적으로 높기 때문에 높은 임피던스로 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)에서 제1 너비(W1)와 제2 너비(W2) 간에 큰 너비 변화 없이도 임피던스 변환이 이루어질 수 있다. 즉, 급전 라인(1121)의 낮은 특성 임피던스, 예컨대 50ohm을 방사체(1110)의 높은 특성 임피던스로 변환할 수 있다.
도 8b (b)를 참조하면, 두 개 이상의 비아(1111a, 1111b)와 비아 패드(1112)를 사용하여 구조적으로 LC Tank 모노폴 안테나를 형성한 것이다. 도 8b (c)를 참조하면, 비아(1111a, 1111b)와 비아 패드(1112)는 구조적으로 인덕턴스와 커패시턴스를 갖도록 형성된다. 따라서, LC Tank라 지칭하며 LC Tank에 의해 안테나 동작주파수가 낮아지고 대역폭이 넓어져 안테나 소형화가 가능하다. 구체적으로, 비아에 해당하는 제1 및 제2 연결 라인(1111a, 1111b)에 전류가 흐르는 경우, 비아 유닛(1110v)은 인덕턴스 (L)로 등가화 될 수 있다. 반면에, 비아 패드(1112a, 1112b) 사이에 전계(E-field, electric field)가 발생하면서, 비아 유닛(1110v)은 커패시턴스 (C)로 등가화될 수 있다.
도 9a는 비아 월 구조가 없는 경우, 플로팅 비아 월 및 그라운드 비아 월 구조에서의 반사 계수 특성을 나타낸 것이다. 도 9b는 일반 모노폴 안테나, LC Tank 모노폴 안테나 및 LC Tank 모노폴 안테나 + tapered 급전선 구조에서의 반사 계수 특성을 나타낸 것이다.
도 9a를 참조하면, S11이 -10 dB 이하에서 i) 비아 월이 없을 때는 63~76GHz, ii) 플로팅 비아 월의 경우 58~73GHz, iii) 그라운드 비아 월의 경우 55~77GHz의 공진 주파수 특성을 만족한다. 따라서 비아 월에 의해 안테나의 동작주파수가 낮아진다. 이에 따라, 비아 월에 의해 안테나 크기를 증가시키지 않고 안테나 동작주파수를 감소시킬 수 있다. ii) 플로팅 비아 월의 경우 이중 공진 특성을 나타내고, 이중 공진 주파수가 서로 인접하도록 플로팅 비아 월의 구조를 최적화할 수도 있다.
도 9b는 i) LC Tank가 없는 일반 모노폴 구조, ii) LC Tank 모노폴 구조 및 LC iii) Tank 모노폴 안테나 + tapered 급전선 구조에서의 반사 계수 특성을 나타낸 것이다. LC Tank가 없는 일반 모노폴 구조의 경우 안테나 동작주파수는 61~75GHz이다. LC Tank 모노폴 구조 구조의 경우 안테나 동작주파수는 64~80GHz이다. LC Tank 모노폴 안테나 + tapered 급전선 구조의 경우 안테나 동작주파수는 55~77GHz이다. 따라서, LC Tank 모노폴 안테나 + tapered 급전선 구조를 모두 적용한 경우 안테나 동작주파수가 감소하여, 안테나 크기 소형화 효과를 달성할 수 있다.
도 9b를 참조하면, 일반 모노폴 구조의 동작 대역폭이 약 13GHz인데 비하여, LC Tank 모노폴 안테나 + tapered 급전선 구조의 동작 대역폭은 약 22GHz로 증가하였다. 한편, 일반 모노폴 구조의 최소 동작 주파수가 약 62.9GHz인데 비하여, LC Tank 모노폴 안테나 + tapered 급전선 구조의 최소 동작 주파수는 약 54.6GHz이다. 이에 따라, 본 명세서의 실시예를 통해 안테나 동작 주파수를 약 8.3GHz만큼 하향할 수 있다. 이를 통해, 안테나의 크기를 증가시키지 않고 안테나를 소형화하여 안테나를 PCB 내부에 배치하여 일체형 구조를 제공할 수 있다.
도 2b, 도 3 및 도 7a 내지 도 8b를 참조하여, 안테나를 구비하는 전자 기기에 대해 설명한다. 전자 기기는 안테나 모듈(1100) 및 프로세서(1400)를 포함하도록 구성될 수 있다. 도 3의 프로세서(1400)는 도 2b의 무선 인터페이스(101) 및 데이터 처리부(111)로 구성될 수 있다. 또한, 도 3의 프로세서(1400)는 도 2b의 인터넷 인터페이스(108) 및 인터넷 프로토콜 처리부(107)로 구성될 수도 있다.
방사체(radiator, 1110)는 금속 패턴들이 다층 기판(multi-layer substrate, 1010)의 서로 다른 레이어에 적층(stack)되어 구성될 수 있다. 급전부(1120)는 방사체(1110)의 특정 레이어에 배치되고, 방사체(1110)와 연결되도록 구성된 급전 라인(1121)을 구비할 수 있다.
프로세서(1400)는 안테나 모듈(1100) 과 동작 가능하게 연결되고, 전자 기기의 주변에 배치된 무선 기기로 안테나 모듈(1100)을 통해 무선 신호를 송신 또는 수신하도록 제어할 수 있다. 프로세서(1400)는 안테나 모듈(1100)이 형성된 다층 기판(1010) 상에 배치되거나 또는 안테나 모듈(1100)과 별도로 전자 기기 내에 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 5c(a)를 참조하면, 프로세서(1400)는 안테나 모듈과 함께 다층 기판(1010) 상에 배치될 수 있다. 반면에, 도 5c(b)를 참조하면, 프로세서(1400)는 안테나 모듈과 별도로 전자 기기 내부에 배치될 수 있다. 즉, 프로세서(1400)는 안테나 모듈과 별도로 메인 기판(1020) 상에 배치될 수 있다.
도 5c의 송수신부 회로(1250)가 다층 기판(1010) 상에 배치되어, 안테나 모듈(1100)을 제어하도록 구성될 수 있다. 프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)와 동작 가능하게 연결될 수 있다. 프로세서(1400)는 전자 기기의 주변에 배치된 무선 기기로 안테나 모듈(1100)을 통해 무선 신호를 송신 또는 수신하도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다.
방사체(1110)는 급전 라인(1121)과 연결되는 제1 패드(1112a)와 제1 패드(1112a)의 상부에 배치된 제2 패드(1112b)를 포함하도록 구성될 수 있다. 제1 패드(1112a)와 제2 패드(1112b)는 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 한편, 도 8b에 도시된 바와 같이, 복수의 패드들은 제1 패드(1112a) 내지 제n 패드(1112n)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 패드들(1112a 내지 1112n) 중 인접한 레이어의 패드들이 모두 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 연결되도록 구성될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 인덕턴스(L) 성분이 발생될 수 있다. 또한, 인접한 레이어의 패드들, 예컨대 제1 패드(1112a)와 제1 패드(1112a)의 상부에 배치된 제2 패드(1112b) 간에 커패시턴스(C) 성분이 발생될 수 있다.
이와 관련하여, 제1 연결 라인(1111a)은 제1 패드(1112a)의 제1 단부와 제2 패드(1112b)의 제1 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제1 인덕턴스(L1) 성분을 형성할 수 있다. 제2 연결 라인(1111b)은 제1 패드(1112a)의 제2 단부와 제2 패드(1112b)의 제2 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제2 인덕턴스(L2) 성분을 형성할 수 있다. 또한, 제1 면적을 갖는 제1 패드(1112a)와 제2 면적을 갖는 제2 패드(1112b)가 소정 간격으로 이격되도록 구성되어 커패시턴스(C) 성분을 형성할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 인덕턴스(L1, L2) 성분 및 커패시턴스(C) 성분에 의해 방사체(1110)는 광대역 특성을 갖도록 구현될 수 있다.
급전부(1120)는 급전 라인(1121) 및 급전 라인(1121)의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역(R1)까지 배치된 제1 그라운드 층(1122a)를 포함하도록 구성될 수 있다. 급전부(1120)는 제1 그라운드 층(1122a)의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역(R1)보다 방사체(1110)에 인접한 제2 영역(R2)까지 배치된 제2 그라운드 층(1122b)을 포함하도록 구성될 수 있다. 제1 영역(R1)에 형성된 급전 라인(1121)의 제1 너비(W1)와 제2 영역(R2)에 형성된 급전 라인(1121)의 제2 너비는 상이하게 형성될 수 있다.
급전부(1120)는 제1 영역(R1)에서 급전 라인(1121)과 제1 그라운드 층(1122a)까지의 제1 높이(h1)보다 제2 영역(R2)에서 급전 라인(1121)과 제2 그라운드 층(1122b)까지의 제2 높이(h2)가 더 높게 형성될 수 있다. 따라서, 급전부(1120)는 제1 높이(h1)보다 제2 높이(h2)가 더 높게 형성된 계단식 그라운드(stepped ground)로 형성될 수 있다.
한편, 급전부(1120)는 마이크로스트립 라인 구조 이외에 상부에도 그라운드가 형성된 스트립 라인 구조로 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 10a 및 도 10b는 실시 예에 따른 LC Tank 안테나 + 비아 월 구조에서 급전부가 마이크로스트립 라인 또는 스트립 라인 구조로 형성된 구성을 나타낸다. 도 10a는 LC Tank 안테나 + 비아 월 구조에서 급전부가 마이크로스트립 라인으로 구성된 것이다. 반면에, 도 10 b는 LC Tank 안테나 + 비아 월 구조에서 급전부가 스트립 라인으로 구성된 것이다. 도 10b를 참조하면, 급전부(1120)는 급전 라인(1121)의 상부에 배치되는 상부 그라운드 층(1123)을 더 포함할 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 안테나 모듈은 방사체(1110)와 수평 방향, 예컨대 다층 기판(1010)의 내측 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조(1130)를 더 포함할 수 있다. 비아 월 구조(1130)는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함하도록 배치될 수 있다. 비아 월 구조(1130)는 다층 기판(1010)의 그라운드와 전기적으로 연결된 그라운드 비아 월로 형성될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 비아 월 구조(1130)는 다층 기판(1010)의 그라운드와 전기적으로 연결되지 않은 플로팅 비아 월(floating via wall)로 형성될 수 있다.
한편, 그라운드 층(1123)에 의해 제1 영역(R1) 및 제2 영역(R2)에서 급전 라인(1121)은 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 제1 영역(R1)에서 상부 그라운드 층(1123)과 제1 그라운드 층(1122a)에 의해 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 제1 영역(R1)에서 급전 라인(1121)은 상부 그라운드 층(1123)과 제1 그라운드 층(1122a)에 의해 제1 타입의 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 제1 타입의 스트립 라인은 급전 라인(1121)에서 제1 그라운드 층(1122a)까지의 높이가 제1 높이(h1)으로 설정된다. 제1 타입의 스트립 라인은 급전 라인(1121)에서 상부 그라운드 층(1123)까지의 높이가 제3 높이(h3)로 설정된다.
제2 영역(R2)에서 상부 그라운드 층(1123)과 제2 그라운드 층(1122b)에 의해 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 제2 영역(R2)에서 급전 라인(1121)은 상부 그라운드 층(1123)과 제2 그라운드 층(1122b)에 의해 제2 타입의 스트립 라인으로 구성될 수 있다. 제2 타입의 스트립 라인은 급전 라인(1121)에서 제2 그라운드 층(1122b)까지의 높이가 제1 높이(h2)으로 설정된다. 제2 타입의 스트립 라인은 급전 라인(1121)에서 상부 그라운드 층(1123)까지의 높이가 제3 높이(h3)로 설정된다.
제1 영역(R1)에서 제2 영역(R2)으로 스트립 라인 형태가 변경됨에 따라 임피던스 변환부에 의해 낮은 특성 임피던스에서 높은 특성 임피던스로의 임피던스 변환이 가능하다. 또한, 급전 라인(1121)이 스트립 라인으로 구성되어 밀리미터파 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 급전 손실을 저감할 수 있다.
도 8a (a) 및 도 10a를 참조하여, 급전 라인(1121)의 너비(W1, W2)와 계단식 그라운드의 높이(h1, h2)의 상관 관계에 대해 설명한다. 임피던스 변환부(1121a)의 제1 너비(W1)와 제1 높이(h1)와 제2 급전 라인(1121b)의 제2 너비(W2)와 제2 높이(h2)의 상관 관계에 대해 설명한다.
제1 급전 라인(1121a)이 방사체(1110)와 제2 급전 라인(1121b)의 임피던스 간 변환을 수행하는 임피던스 변환부(1121a)로 동작하도록 너비(W1, W2)와 계단식 그라운드의 높이(h1, h2)는 아래의 수학식 1 및 수학식 2을 만족한다.
Figure pct00001
Figure pct00002
수학식 1에서 Z1 및 Z2는 각각 제1 급전 라인(1121a) 및 제2 급전 라인(1121b)의 특성 임피던스를 나타낸다. 수학식 1에서 제1 특성 임피던스(Z1)를 갖는 제1 급전 라인(1121a)의 w는 제1 너비(W1)에 해당한다. 제2 특성 임피던스(Z2)를 갖는 제2 급전 라인(1121b)의 w는 제2 너비(W2)에 해당한다.
실시 예에 따르면, w = 0.1mm, h1 = 0.1mm, h2 = 0.2mm, εr =3.3인 경우, Z1 = 272 ohm, Z2 = 532 ohm로 결정된다. 여기서, εr 은 급전 라인(1121)이 배치된 제1 영역(R1) 또는 제2 영역(R2)에서의 급전 라인(1121)의 유효 유전율(effective permittivity)이다. 이에 따라, 수학식 1 및 2를 모두 만족하고, 제1 급전 라인(1121a)이 방사체(1110)과 제2 급전 라인(1121b)의 임피던스 간 변환을 수행하는 임피던스 변환부(1121a)로 동작한다.
전술한 수학식 1 및 2에 따른 급전 라인(1121)의 너비(W1, W2)와 계단식 그라운드의 높이(h1, h2)의 상관 관계는 도 10a와 같은 마이크로스트립 라인 구성에 적용될 수 있다. 또한, 수학식 1 및 2에 따른 급전 라인(1121)의 너비(W1, W2)와 계단식 그라운드의 높이(h1, h2)의 상관 관계는 도 10b와 같이 상부 그라운드 층(1123)이 배치되는 스트립 라인 구성에도 이와 유사하게 적용될 수 있다. 스트립 라인 구성의 경우, 수학식 1의 h1 및 h2가 각각 스트립 라인의 높이를 고려하여 h1 + h3 및 h2 + h3로 대체될 수 있다. 이와 관련하여, 수학식 1의 비례상수 값인 60과 8h, 4w의 비례 상수는 스트립 라인 구성을 반영하여 변경될 수 있다.
한편, 본 명세서에 따른 방사체(1110)는 복수의 소자들이 소정 간격 이격되어 배치되어, 도 11a 및 도 11b와 같이 배열 안테나(array antenna, 1100)를 구성할 수 있다. 이와 관련하여, 도 11a 및 도 11b는 배열 안테나가 배치된 회로 기판의 내측으로 제1 및 제2 타입의 비아 월 구조가 배치된 구성을 나타낸다. 도 11a는 배열 안테나(1100)가 배치된 회로 기판(1010)의 내측으로 제1 타입의 비아 월 구조(1130a)가 배치된 구성이다. 도 11b는 배열 안테나(1100)가 배치된 회로 기판(1010)의 내측으로 제2 타입의 비아 월 구조(1130b)가 배치된 구성이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, LC Tank 모노폴 안테나 형상의 방사체(1110)를 소정 간격으로 배열한 배열 안테나(array antenna, 1100)의 실시예를 나타낸다. 모노폴 안테나 형상의 방사체(1110) 간의 배열 간격은 동작주파수의 lambda/2로부터 소정 범위 내의 값을 갖고, 응용에 따라 이보다 작거나 큰 값으로 설정될 수 있다. 방사체(1110) 간의 배열 간격이 lambda/2보다 큰 값을 갖도록 설정되면 안테나 이득이 증가하고 안테나 간 간섭이 감소하지만, 안테나 배치 공간이 증가한다. 한편, 방사체(1110) 간의 배열 간격이 lambda 이상으로 설정되면 둘 이상의 메인 빔이 생성되는 그레이팅 로브(grating lobe) 현상이 발생할 수 있어, 배열 간격은 동작주파수의 lambda/2에서 lambda 사이의 범위로 설정될 수 있다. 한편, 방사체(1110) 간의 배열 간격이 lambda/2보다 크게 감소하면 안테나 배치 공간이 감소하여 안테나 소형화가 가능하지만, 안테나 이득이 감소하고 안테나 간 간섭이 증가한다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제1 및 제2 타입의 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 서로 연결되거나 또는 부분적으로 끊어져 독립적으로 배치되도록 구성될 수 있다. 도 11a를 참조하면, 제1 타입의 비아 월 구조(1130a)는 상호 연결되어 하나의 비아 월로 복수의 방사체(1110-1 내지 1110-3)로 이루어진 배열 안테나(1100)의 내측에 배치될 수 있다. 도 11b를 참조하면, 제2 타입의 비아 월 구조(1130b)는 부분적으로 끊어져 독립적으로 배치되도록 구성될 수 있다. 따라서, 제2 타입의 비아 월 구조(1131b 내지 1133b)는 복수의 방사체(1110-1 내지 1110-3)로 이루어진 배열 안테나(1100)의 내측에 배치될 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.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 안테나 모듈은 방사체(1110)와 수평 방향, 예컨대 다층 기판(1010)의 내측 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조(1130a, 1130b)를 더 포함할 수 있다. 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함하도록 배치될 수 있다.
이와 관련하여, 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 제1 축 (x축) 방향으로 배치되는 복수의 수직 비아들로 구성될 수 있다. 이에 따라, 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 1차원 비아 월(one-dimensional via wall)로 형성될 수 있다. 응용에 따라, 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 도 10a 및 도 10b와 같이 제1 축 (x축) 방향과 제2 축 방향(y축 방향)으로 배치되는 복수의 수직 비아들로 구성될 수 있다. 이에 따라, 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 2차원 비아 월(two-dimensional via wall)로 형성될 수 있다. 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 다층 기판(1010)의 그라운드와 전기적으로 연결되지 않은 플로팅 비아 월(floating via wall)로 형성될 수 있다.
도 11a 및 도 11b에서 복수의 방사체(1110-1 내지 1110-3)의 개수는 3개로 표시되었지만, 이에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 변경 가능하다. 배열 안테나(1100) 내의 복수의 방사체의 개수는 급전 라인의 결합을 고려하여 2개, 4개, 6개, 8개, 10개, 12개, 16개와 같이 짝수(even number)로 결정될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 3개, 5개, 7개, 9개, 11개와 같이 홀수(odd number)로 결정될 수도 있다.
한편, 제1 및 제2 타입의 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 그라운드 층들 중 적어도 하나와 비아로 연결되어 그라운드 비아 월 구조로 형성될 수 있다. 또는, 제1 및 제2 타입의 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 그라운드 층들과 연결되지 않고 전기적으로 플로팅된 플로팅 비아 월 구조로 형성될 수 있다.
본 명세서에 따른 LC Tank 모노폴 안테나 구조는 응용에 따라 다양하게 변경할 수 있다. 한편, LC Tank 모노폴 안테나 구조는 일반 모노폴 안테나 구조에 비해 안테나 높이를 감소시켜 안테나 소형화가 가능하다. 특히, 모노폴 안테나 구조가 낮은 높이를 갖는 기판 내에 배치되는 경우 안테나 높이 감소는 중요한 이슈이다.
이와 관련하여, 도 12는 밀리미터파 대역에서 일반 모노폴 안테나 구조와 LC Tank 모노폴 안테나 구조를 비교한 것이다. 도 12(a)는 60GHz 대역에서 일반 모노폴 안테나 구조를 나타낸 것이다. 도 12(a)를 참조하면, 모노폴 안테나는 약 1.25mm의 높이로 형성될 수 있다. 한편, 도 12(b)는 60GHz 대역에서 LC Tank 모노폴 안테나 구조를 나타낸 것이다. 도 12(b)를 참조하면, LC Tank 모노폴 안테나(1110)는 약 0.8mm의 높이로 형성될 수 있다. 일 예로, 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b) 간의 간격(d)는 약 0.25mm로 설정될 수 있다. 복수의 레이어 상에서 복수의 패드들(1112a 내지 1112n)과 복수의 연결 라인(1111a, 1111b)에 의해 형성된 LC Tank 모노폴 안테나(1110)의 높이는 약 0.83mm일 수 있다.
이와 관련하여, 수학식 3 및 수학식 4는 일반 모노폴 안테나 구조와 LC Tank 모노폴 안테나 구조의 길이(Length1, Length2)를 비교한 것이다.
Figure pct00003
Figure pct00004
도 12(a)의 일반 모노폴 구조에 대해 수학식 3을 적용하면, f0=60GHz에서 Length1=1.25mm가 된다. 반면에, 도 12(b)의 본 명세서에 따른 LC Tank 모노폴 구조에 대해 수학식 4를 적용할 수 있다. 이와 관련하여, 도 12(b)의 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 형성되는 커패시턴스 값 Cap는 아래의 수학식 5와 같이 결정될 수 있다.
Figure pct00005
수학식 5와 관련하여, 커패시턴스 값 Cap은 복수의 연결 라인(1111a, 1111b)에 의해 형성되는 면적(A)에 의해 결정되고, 이에 따라 수학식 4의 LC Tank 모노폴의 길이(L2)가 결정될 수 있다. 일 예로, 직선 연결 구조에서 수학식 4, 수학식 5 및 도 12(b)를 참조하면, A(면적)의 조건은 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 형성되는 면적일 수 있다. 즉, 비아 패드에서 비아의 중심을 연결한 경우 형성되는 면적일 수 있다.
도 12(b)를 참조하면, A = 0.25mm, L = 0.83mm 및 εr,eff = 2.2 이므로, Cap = 0.66로 결정된다. 이에 따라, A(면적)를 증가시켜 Cap 값이 증가하고, LC Tank 모노폴 구조의 모노폴 길이(L2)가 감소할 수 있다. 따라서, LC Tank 모노폴 구조에 의해 형성되는 커패시턴스 값 (Cap)에 의해 모노폴 길이(L2)가 일반 모노폴 구조의 모노폴 길이(L1)에 비해 감소된다. 하지만, A(면적)가 임계치 이상으로 증가하면 LC Tank 모노폴 구조에 의해 커패시터 효과가 발생하지 않을 수 있다. 이에 따라, 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b) 이외에 추가의 연결 라인을 형성하여 커패시터로 동작하도록 하면서 A(면적)을 증가시킬 필요가 있다.
이와 관련하여, 도 13은 다양한 실시 예들에 따른 LC Tank 모노폴 구조에서 복수의 연결 라인들에 의해 형성되는 유효 면적을 표시한 개념도이다.
도 13(a)는 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 형성되는 직선 연결 구조를 나타낸다. 도 13(b)는 제1 연결 라인(1111a) 내지 제3 연결 라인(1111c)에 의해 형성되는 삼각형 연결 구조를 나타낸다. 도 13(c)는 제1 연결 라인(1111a) 내지 제4 연결 라인(1111d)에 의해 형성되는 사각형 연결 구조를 나타낸다. 한편, 본 명세서에 따른 인접한 패드 간 복수의 연결 라인들에 의한 LC Tank 모노폴 구조는 임의의 다각형 연결 구조로 표현될 수 있다. 한편, 의한 LC Tank 모노폴 구조의 성능을 최적화하기 위해, 인접한 각 레이어마다 다른 형태의 연결 구조의 조합으로 표현될 수도 있다.
도 10a, 도 10b 및 도 13(b)를 참조하면, 제1 패드(1112a)와 제2 패드 (1111b)는 제1 연결 라인(1111a), 제2 연결 라인(1111b) 및 제3 연결 라인(1111c)에 의해 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 제3 연결 라인(1111c)은 제1 연결 라인(1111a)과 제2 연결 라인(1111b) 사이에 배치될 수 있다.
제3 연결 라인(1111c)은 도 13(a)와 같이 직선 연결 구조, 즉 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)과 실질적으로 동일 라인 상에서 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b) 사이에 배치될 수도 있다. 또는, 제3 연결 라인(1111c)은 도 13(b)와 같이 삼각형 연결 구조를 형성하도록 배치될 수도 있다.
이를 위해, 도 13 (b)과 같이 제1 연결 라인(1111a)과 제2 연결 라인(1111b)은 제1 축 상에 배치될 수 있다. 제3 연결 라인(1111c)은 제1 축 (x축) 상에서 제1 연결 라인(1111a)과 상기 제2 연결 라인(1111b) 사이에 배치된다. 한편, 제3 연결 라인(1111c)은 제1 축에 수직한 제2 축 (y축) 상에서 제1 및 제2 연결 라인(1111a, 1111b) 보다 오프셋된 지점에 배치될 수 있다.
도 10a, 도 10b 및 도 13(c)를 참조하면, 제1 패드(1112a)와 제2 패드 (1111b)는 제1 연결 라인(1111a), 제2 연결 라인(1111b), 제3 연결 라인(1111c) 및 제4 연결 라인(1111d)에 의해 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 응용에 따라, 제1 패드(1112a)와 제2 패드 (1111b)는 제1 연결 라인(1111a), 제2 연결 라인(1111b) 및 제3 연결 라인(1111c)에 의해 상호 연결되도록 구성될 수 있다. 또는, 제1 패드(1112a)와 제2 패드 (1111b)는 제1 연결 라인(1111a), 제2 연결 라인(1111b) 및 제4 연결 라인(1111d)에 의해 상호 연결되도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 도 13 (c)와 같이 제1 패드(1112a)와 제2 패드(1112b)는 제1 축 상에 배치되는 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 연결된다. 상기 제1 축에 수직한 제2 축 상에서 제1 패드(1112a)와 제2 패드(1112b)는 제1 연결 라인(1111a) 및 제3 연결 라인(1111c)에 의해 연결될 수 있다. 또는, 상기 제1 축에 수직한 제2 축 상에서 제1 패드(1112a)와 제2 패드(1112b)는 제2 연결 라인(1111b) 및 제4 연결 라인(1111d)에 의해 연결될 수 있다. 사각형 연결 조 형성을 위해, 상기 제1 축에 수직한 제2 축 상에서 제1 패드(1112a)와 제2 패드(1112b)는 제1 연결 라인(1111a) 및 제3 연결 라인(1111c)에 의해 연결되고 제2 연결 라인(1111b) 및 제4 연결 라인(1111d)에 의해 연결될 수 있다.
본 명세서에 따르면, 안테나 모듈(1100)은 모노폴 방사체(1110)와 같이 다층 기판(1010)의 측면 영역으로 방사하는 제1 타입 안테나 이외에 다층 기판(1010)의 상부 영역으로 방사하는 제2 타입 안테나를 더 구비할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 타입 안테나 및 제2 타입 안테나는 동일 편파를 갖는 안테나로 구성될 수 있다. 또는, 제1 타입 안테나 및 제2 타입 안테나는 서로 다른 편파를 갖는 안테나로 구성될 수 있다. 일 예로, 제1 타입 안테나는 수직 편파 안테나로 동작하고, 제2 타입 안테나는 수평 편파 안테나로 동작할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 제1 타입 안테나와 제2 타입 안테나를 구비하는 다층 기판에 형성된 안테나 모듈을 나타낸다. 구체적으로, 도 14a는 제2 타입 안테나가 모노폴 안테나와 그라운드 비아 월의 사이에 배치된 구성을 나타낸다. 도 14b는 제2 타입 안테나가 그라운드 비아 월의 내측에 배치된 구성을 나타낸다.
도 14a를 참조하면, 비아 월은 그라운드 비아 월(1130a)로 구성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 타입 안테나에 해당하는 패치 안테나(1110-2)가 모노폴 안테나에 해당하는 비아 월(1112)과 그라운드 비아 월(1130a) 사이에 배치될 수 있다.
도 14b를 참조하면, 비아 월은 플로팅 비아 월(1130b)로 구성될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 타입 안테나에 해당하는 패치 안테나(1110-2)가 모노폴 안테나에 해당하는 비아 월(1112)과 플로팅 비아 월(1130b)사이에 배치될 수 있다. 다시 말해, 패치 안테나(1110-2)가 플로팅 비아 월(1130b)보다 다층 기판의 내측에 배치될 수 있다.
도 7a 내지 도 14b를 참조하면, 제1 패드(1112a)와 제2 패드(1112b)를 수직 연결하는 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 방사체(1110)는 수직 편파 안테나로 동작한다. 한편, 안테나 모듈(1100)은 수직 편파 안테나 이외에 수평 편파 안테나로 동작하는 패치 안테나(1110-2)를 더 포함할 수 있다. 패치 안테나(1110-2)는 도 10b의 상부 그라운드 층(1123)의 상부에 배치될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로, 도 10a와 같이 제1 그라운드 층(1122a)의 상부에 배치될 수도 있다.
한편, 방사체(1110), 즉 모노폴 방사체는 다층 기판(1010)에 평행한 제1 방향으로 제1 신호 (제1 빔(B1))를 방사하도록 구성된 제1 안테나로 구성될 수 있다. 반면에, 패치 안테나(1110-2)는 다층 기판(1010)에 수직한 제2 방향으로 제2 신호 (제2 빔(B2))를 방사하도록 구성된 제2 안테나로 구성될 수 있다.
한편, 방사체(1110)는 도 11a 및 도 11b와 같이 다층 기판(1010)의 제1 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 복수의 방사체들에 의해 배열 안테나(1100-1)를 구성할 수 있다. 복수의 방사체들 각각은 방사체(1110)와 제2 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조(1130a, 1130)를 더 포함할 수 있다. 비아 월 구조(1130a, 1130b)는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 모노폴 방사체(1100) 이외에 패치 안테나(1110-2)도 배열 안테나로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 15a는 제1 타입 안테나와 제2 타입 안테나가 배열 안테나로 형성된 안테나 모듈(1100)이 전자 기기(1000)에 배치된 구조를 나타낸다. 도 15b는 복수의 배열 안테나 모듈을 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 15b를 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 15b와 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.
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.
한편, 도 16은 실시 예들에 따른 전자 기기의 특정 위치에서 서로 다른 결합 구조로 결합된 안테나 모듈을 나타낸다. 도 16(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 16(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 16(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 LC Tank 모노폴 구조의 방사체가 배치된 안테나 모듈이 구비된 전자 기기에 대해 설명하였다. 이하에서는 본 명세서의 다른 양상에 따른 LC Tank 모노폴 구조의 방사체가 배치된 안테나 모듈에 대해 설명한다.
본 명세서에서 개시되는 안테나 모듈(1100)은 60GHz 대역에서 동작하는 안테나 소자, 예컨대 모노폴 방사체(1110)일 수 있지만, 동작 주파수 대역은 응용에 따라 변경 가능하다. 일 예로, 밀리미터파 대역 (예컨대, 10GHz ~ 300GHz)에서 PCB에 해당하는 다층 기판(1010)의 종단에 수직 편파를 갖는 안테나가 구현될 수 있다. 본 명세서는 두께가 얇은 PCB 높이를 고려하여, 소정 높이의 안테나의 동작 주파수를 낮춰, 안테나 소형화를 위한 것이다. 또한, 본 명세서는 안테나 광대역 성능 확보를 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 계단식 급전 그라운드 구조를 갖는 LC Tank 안테나는 다음과 같은 해결 수단을 통해 전술한 목적을 달성할 수 있다. 본 명세서에서 개시되는 도 1 내지 도 16의 안테나 모듈(1100)은 일체형인 것을 특징으로 한다. 일 예로, PCB 공정에서 사용되는 비아(Via)와 비아 패드(Via PAD)를 이용하여 안테나를 PCB 종단에 배치하여, 다층 기판인 PCB와 안테나 소자를 일체로 형성할 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 안테나 모듈(1100)은 소형화인 것을 특징으로 한다. 일 예로, Via 2개와 Via PAD를 이용하여 LC Tank 구조를 형성하여 모노폴 방사체(1110)의 높이를 낮출 수 있다. 이와 관련하여, 비아에 해당하는 제1 및 제2 연결 라인(1111a, 1111b)와 비아 패드에 해당하는 제1 및 제2 패드(1112a, 1112b)를 일렬로 연결하여 비아 월을 형성할 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 안테나 모듈(1100)은 계단식 급전 그라운드인 것을 특징으로 한다. 일 예로, 모노폴 방사체(1110)와 연결되는 급전 라인(1121)의 폭을 테이퍼드(Tapered) 구조로 형성하여 모노폴 방사체(1110)의 동작주파수를 확장시킬 수 있다. 한편, 모노폴 방사체(1110)에 연결되는 급전 라인(1121)을 위한 그라운드를 계단식으로 배치하여 급전 라인(1121)의 임피던스를 조절하여 임피던스 매칭 및 동작 대역폭 향상이 가능하다.
이와 관련하여, 도 1 내지 도 16을 참조하면, 안테나 모듈(1100)은 금속 패턴들이 다층 기판(multi-layer substrate, 1010)의 서로 다른 레이어에 적층(stack)되어 구성된 방사체(radiator, 1110)을 포함할 수 있다. 안테나 모듈(1010)은 방사체(1110)의 특정 레이어에 배치되고, 방사체(1110)와 연결되도록 구성된 급전 라인을 구비하는 급전부(1120)를 포함할 수 있다.
방사체(1110)는 급전 라인(1121)과 연결되는 제1 패드(1112a)와 제1 패드(1112a)의 상부에 배치된 제2 패드(1112b)를 포함하도록 구성될 수 있다. 제1 패드(1112a)와 제2 패드(1112b)는 제1 연결 라인(1111a) 및 제2 연결 라인(1111b)에 의해 상호 연결되도록 구성될 수 있다.
제1 연결 라인(1111a)은 제1 패드(1112a)의 제1 단부와 제2 패드(1112b)의 제1 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제1 인덕턴스(L1) 성분을 형성하도록 구성될 수 있다. 제1 연결 라인(1111b)은 제1 패드(1112a)의 제2 단부와 제2 패드(1112b)의 제2 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제2 인덕턴스(L2) 성분을 형성하도록 구성될 수 있다. 한편, 제1 면적을 갖는 제1 패드(1112a)와 제2 면적을 갖는 제2 패드(1112b)가 소정 간격으로 이격되도록 구성되어 커패시턴스(C) 성분을 형성할 수 있다. 제1 및 제2 인덕턴스(L1, L2) 성분 및 커패시턴스 성분(C)에 의해 방사체(1110)는 광대역 특성을 갖도록 구현될 수 있다.
이와 관련하여, 방사체(1110)의 광대역 임피던스 특성을 위해 제1 패드(1111a)와 제2 패드(1112a)의 면적은 상이하게 구성될 수 있다. 이에 따라 복수의 레이어에 배치되는 복수의 패드들(1112a 내지 1112n)의 면적은 순차적으로 증가하거나 또는 순차적으로 감소하도록 구성될 수 있다.
급전부(1120)는 급전 라인(1121) 및 급전 라인(1121)의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역(R1)까지 배치된 제1 그라운드 층(1122a)을 포함하도록 구성될 수 있다. 급전부(1120)는 제1 그라운드 층(1122a)의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역보다 방사체(1110)에 인접한 제2 영역(R2)까지 배치된 제2 그라운드 층(1122b)을 더 포함하도록 구성될 수 있다. 제1 영역(R1)에 형성된 급전 라인(1121)의 제1 너비(W1)와 제2 영역(R2)에 형성된 급전 라인(1121)의 제2 너비(W2)는 상이하게 구성될 수 있다.
안테나 모듈(1100)은 방사체(1110)와 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조(1130)를 더 포함할 수 있다. 비아 월 구조(1130)는 복수의 패드들(1112a 내지 1112n) 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함할 수 있다. 비아 월 구조(1130)는 다층 기판의 그라운드와 전기적으로 연결되지 않은 플로팅 비아 월(floating via wall, 1130a, 1130b)로 형성될 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 LC Tank 모노폴 + tapered 급전 라인 구조의 안테나 소자는 복수의 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 17은 일 실시 예에 따른 LC Tank 모노폴 + tapered 급전 라인 구조를 갖는 복수의 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나와 이를 포함하는 전자 기기를 나타낸다. 도 17을 참조하면, 다층 회로 기판은 방사체(1110) 및 tapered 급전라인(1121)으로 구성된 급전부(1120)을 포함하는 안테나 모듈(ANT, 1100)에 해당할 수 있다. 안테나 모듈(ANT, 1100)은 빔 포밍을 수행하도록 소정 간격 이격되어 배치되는 복수의 안테나 소자들(1100-1 내지 1100-4)을 포함하는 배열 안테나(array antenna)로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 복수의 안테나 소자들의 개수는 4개일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 변경 가능하다. 복수의 안테나 소자들의 개수는 2개, 4개, 6개 또는 8개 등으로 변경 가능하다.
안테나 모듈(ANT, 1100)은 복수의 안테나 소자들 각각에 인가되는 신호의 위상을 제어하도록 구성된 위상 제어부(1230)를 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 전자 기기는 송수신부 회로(transceiver circuit, 1250) 및 프로세서(1400)를 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 다층 기판은 안테나 모듈(ANT, 1100)에 해당할 수 있다. 일 예로, 송수신부 회로(1250)와 프로세서(1400)는 안테나 모듈(ANT, 1100)과 별도의 회로 기판에 배치될 수 있다. 다른 예로, 송수신부 회로(1250) 중 일부는 안테나 모듈(ANT, 1100)에 해당하는 다층 기판에 배치될 수 있다.
송수신부 회로(1250)는 위상 제어부(1230)와 동작 가능하게 결합될 수 있다. 송수신부 회로(1250)는 위상 제어부(1230)를 통해 배열 안테나로 인가되는 신호를 제어하도록 구성될 수 있다.
본 명세서에서 개시되는 LC Tank 모노폴 + tapered 급전 라인 구조의 복수의 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나가 전자 기기의 서로 다른 위치에 배치되는 복수의 배열 안테나로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 도 18는 일 실시 예에 따른 LC Tank 모노폴 + tapered 급전 라인 구조의 안테나 소자는 복수의 안테나 소자로 이루어진 배열 안테나와 이를 포함하는 전자 기기를 나타낸다. 도 17 및 도 18을 참조하면, 다층 회로 기판은 방사체(1110) 및 tapered 급전라인(1121)으로 구성된 급전부(1120)을 포함하는 안테나 모듈(ANT, 1100)에 해당할 수 있다. 안테나 모듈(ANT, 1100)은 빔 포밍을 수행하도록 소정 간격 이격되어 배치되는 복수의 안테나 소자들을 포함하는 복수의 배열 안테나(array antenna, ANT1 내지 ANT4)로 구성될 수 있다. 일 예로, 복수의 배열 안테나(ANT1 내지 ANT4)는 제1 배열 안테나(1100a, ANT1) 내지 제4 배열 안테나(1100d, ANT4)로 구현될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 응용에 따라 변경 가능하다.
이와 관련하여, 안테나 모듈(ANT, 1100)은 전자 기기의 서로 다른 영역에 배치되는 복수의 안테나 모듈(1100a 내지 1100d)로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 전자 기기는 송수신부 회로(transceiver circuit, 1250) 및 프로세서(1400)를 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 다층 기판은 안테나 모듈(ANT, 1100)에 해당할 수 있다. 일 예로, 송수신부 회로(1250)와 프로세서(1400)는 안테나 모듈(ANT, 1100)과 별도의 회로 기판에 배치될 수 있다. 다른 예로, 송수신부 회로(1250) 중 일부는 안테나 모듈(ANT, 1100)에 해당하는 다층 기판에 배치될 수 있다.
프로세서(1400)는 송수신부 회로(1250)와 동작 가능하게 결합되고, 송수신부 회로(1250)를 제어하도록 구성될 수 있다. 프로세서(1400)는 복수의 안테나 모듈(1100a 내지 1100d)을 통해 서로 다른 방향으로 빔 포밍을 수행하면서 다중 입출력(MIMO)을 수행하도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다.
제1 배열 안테나(ANT1) 내지 제4 배열 안테나(ANT4)는 각각 제1 프론트 엔드 모듈(FEM1) 내지 제4 프론트 엔드 모듈(FEM4)과 동작 가능하게 결합될 수 있다. 이와 관련하여, 제1 프론트 엔드 모듈(FEM1) 내지 제4 프론트 엔드 모듈(FEM4) 각각은 위상 제어부, 전력 증폭기 및 수신 증폭기를 구비할 수 있다. 제1 프론트 엔드 모듈(FEM1) 내지 제4 프론트 엔드 모듈(FEM4) 각각은 RFIC에 해당하는 송수신부 회로(1250) 중 일부 구성을 포함할 수 있다.
프로세서(1400)는 제1 프론트 엔드 모듈(FEM1) 내지 제4 프론트 엔드 모듈(FEM4)과 동작 가능하게 결합될 수 있다. 프로세서(1400)는 RFIC에 해당하는 송수신부 회로(1250) 중 일부 구성을 포함할 수 있다. 프로세서(1400)는 모뎀에 해당하는 기저대역 프로세서(1400)를 포함할 수 있다. 프로세서(1400)는 RFIC에 해당하는 송수신부 회로(1250) 중 일부 구성과 모뎀에 해당하는 기저대역 프로세서(1400)를 포함하도록 SoC (System on Chip) 형태로 제공될 수 있다. 하지만, 도 12의 구성에 한정되는 것은 아니고 응용에 따라 다양하게 변경 가능하다.
프로세서(1400)는 제1 배열 안테나(ANT1) 내지 제4 배열 안테나(ANT4) 중 적어도 하나를 통해 신호를 방사하도록 제1 프론트 엔드 모듈(FEM1) 내지 제4 프론트 엔드 모듈(FEM4)을 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 배열 안테나(ANT1) 내지 제4 배열 안테나(ANT4)를 통해 수신되는 신호의 품질에 기반하여, 최적의 안테나를 선택할 수 있다.
프로세서(1400)는 제1 배열 안테나(ANT1) 내지 제4 배열 안테나(ANT4) 중 둘 이상을 통해 다중 입출력(MIMO)를 수행하도록 제1 프론트 엔드 모듈(FEM1) 내지 제4 프론트 엔드 모듈(FEM4)을 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4)를 통해 수신되는 신호의 품질과 간섭 수준에 기반하여, 최적의 안테나 조합을 선택할 수 있다.
프로세서(1400)는 제1 배열 안테나(ANT1) 내지 제4 배열 안테나(ANT4) 중 적어도 하나를 통해 반송파 집성(carrier aggregation, CA)이 수행되도록 제1 프론트 엔드 모듈(FEM1) 내지 제4 프론트 엔드 모듈(FEM4)을 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4) 각각이 제1 대역과 제2 대역에서 이중 공진하므로, 하나의 배열 안테나를 통해 반송파 집성(CA)을 수행할 수 있다.
프로세서(1400)는 각각의 안테나에 대해 제1 대역과 제2 대역에서의 신호 품질을 판단할 수 있다. 프로세서(1400)는 제1 대역과 제2 대역에서의 신호 품질에 기반하여, 제1 대역에서 어느 하나의 안테나와 제2 대역에서 다른 안테나를 통해 반송파 집성(CA)을 수행할 수 있다.
다층 기판에 해당하는 안테나 모듈은 다양한 개수의 배열 안테나를 포함하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 전자 기기는 2개 이상의 배열 안테나를 구비할 수 있다. 전자 기기는 2개의 배열 안테나를 포함하고 이들을 이용하여 빔 포밍과 MIMO를 수행할 수 있다. 다른 예로, 전자 기기는 4개 이상의 배열 안테나를 포함하고 이들 중 일부 배열 안테나를 이용하여 빔 포밍과 MIMO를 수행할 수 있다.
다층 기판에 해당하는 안테나 모듈은 제1 배열 안테나(1100a, ANT1) 및 제2 배열 안테나(1100b, ANT2)를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 배열 안테나(1100a, ANT1) 및 제2 배열 안테나(1100b, ANT2)는 서로 다른 편파로 동작할 수 있다. 이와 관련하여, 도 19는 다른 실시 예에 따른 복수의 안테나 소자로 이루어진 복수의 배열 안테나와 이를 포함하는 전자 기기를 나타낸다.
도 19를 참조하면, 제1 배열 안테나(1100a, ANT1)는 제1 수평 편파 안테나(ANT1-H) 및 제1 수직 편파 안테나(ANT1-V)를 포함할 수 있다. 제2 배열 안테나(1100b, ANT2)는 제2 수평 편파 안테나(ANT2-H) 및 제2 수직 편파 안테나(ANT2-V)를 포함할 수 있다. 한편, 제3 배열 안테나(1100c, ANT3)는 제3 수평 편파 안테나(ANT3-H) 및 제3 수직 편파 안테나(ANT3-V)를 포함할 수 있다. 제4 배열 안테나(1100d, ANT4)는 제4 수평 편파 안테나(ANT4-H) 및 제4 수직 편파 안테나(ANT4-V)를 포함할 수 있다.
이와 관련하여, 제1 내지 제4 수평 편파 안테나(ANT1-H 내지 ANT4-H)는 패치 안테나와 같이 다층 기판의 상부 방향으로 방사하는 제1 타입 배열 안테나일 수 있다. 한편, 제1 내지 제4 수직 편파 안테나(ANT1-V 내지 ANT4-V)는 모노폴 방사체와 같이 다층 기판의 측면 방향으로 방사하는 제2 타입 배열 안테나일 수 있다.
하나의 안테나 모듈 내에 직교하는 편파를 갖는 서로 다른 안테나를 구비하여, MIMO 스트림 개수를 2배만큼 증가시킬 수 있다. 전자 기기는 제1 수평 편파 안테나(ANT1-H) 내지 제4 수평 편파 안테나(ANT4-H)와 제1 수직 편파 안테나(ANT1-V) 내지 제4 수직 편파 안테나(ANT4-V)를 통해 최대 rank 8 MIMO르르 수행할 수 있다. 전자 기기는 제1 수평 편파 안테나(ANT1-H) 내지 제4 수평 편파 안테나(ANT4-H)와 제1 수직 편파 안테나(ANT1-V) 내지 제4 수직 편파 안테나(ANT4-V)를 통해 8Tx UL-MIMO를 수행할 수 있다. 전자 기기는 제1 수평 편파 안테나(ANT1-H) 내지 제4 수평 편파 안테나(ANT4-H)와 제1 수직 편파 안테나(ANT1-V) 내지 제4 수직 편파 안테나(ANT4-V)를 통해 8Rx DL-MIMO를 수행할 수 있다.
대안으로, 하나의 안테나 모듈 내에 직교하는 편파를 갖는 서로 다른 안테나를 통해 전자 기기의 회전에 따른 신호 품질 저하를 방지할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 안테나(ANT1)는 제1 수평 편파 안테나(ANT1-H) 및 제1 수직 편파 안테나(ANT1-V)를 통해 신호를 동시에 송신 및/또는 수신할 수 있다. 이에 따라, 전자 기기의 회전에 따라 어느 하나의 안테나를 통해 수신되는 신호 품질이 저하되어도 다른 안테나를 통해 신호를 수신할 수 있다. 이와 유사하게, 제4 안테나(ANT4)는 제4 수평 편파 안테나(ANT4-H) 및 제4 수직 편파 안테나(ANT4-V)를 통해 신호를 동시에 송신 및/또는 수신할 수 있다. 이에 따라, 전자 기기의 회전에 따라 어느 하나의 안테나를 통해 수신되는 신호 품질이 저하되어도 다른 안테나를 통해 신호를 수신할 수 있다.
프로세서(1400)는 수평 편파 안테나와 수직 편파 안테나를 통해 서로 다른 엔티티와 이중 연결 상태를 유지하거나 MIMO 동작을 수행할 수 있다. 이와 관련하여, 제1 배열 안테나(1100a, ANT1)와 제4 배열 안테나(1100d, ANT4)를 통해 각각 제1 엔티티 및 제2 엔티티와 이중 연결 상태가 유지되도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다. 이 경우, 제1 배열 안테나(1100a, ANT1)와 제4 배열 안테나(1100d, ANT4)는 각각 수평 편파 안테나와 수직 편파 안테나로 동작할 수 있다. 따라서, 프로세서(1400)는 전자 기기에서 서로 다른 위치에 배치된 안테나 모듈에서 서로 직교하는 편파로 동작하는 안테나를 통해 이중 연결 동작 또는 MIMO를 수행할 수 있다. 이 경우, 이중 연결 또는 MIMO 동작 시에 서로 다른 안테나를 통해 송신 또는 수신되는 신호 간의 간섭을 저감할 수 있다.
다른 예로, 제2 배열 안테나(1100b, ANT2)와 제3 배열 안테나(1100c, ANT3)를 통해 각각 제1 엔티티 및 제2 엔티티와 이중 연결 상태가 유지되도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다. 이 경우, 제2 배열 안테나(1100b, ANT2)와 제3 배열 안테나(1100c, ANT3)는 각각 수직 편파 안테나와 수평 편파 안테나로 동작할 수 있다. 따라서, 프로세서(1400)는 전자 기기에서 서로 다른 위치에 배치된 안테나 모듈에서 서로 직교하는 편파로 동작하는 안테나를 통해 이중 연결 동작 또는 MIMO를 수행할 수 있다. 이 경우, 이중 연결 또는 MIMO 동작 시에 서로 다른 안테나를 통해 송신 또는 수신되는 신호 간의 간섭을 저감할 수 있다.
밀리미터파 대역에서 동작하는 배열 안테나 및 이를 제어하는 전자기기와 관련된 전술한 실시예들에 대한 다양한 변경 및 수정은 본 명세서의 사상 및 범위 내에서 당업자에게 명확하게 이해될 수 있다. 따라서, 실시예들에 대한 다양한 변경 및 수정은 이하의 청구항들의 권리 범위 내에 속하는 것으로 이해되어 한다.
본 명세서에서 설명되는 전자 기기는 주변 전자 기기, 외부 기기 또는 기지국 등 다양한 엔티티로부터 동시에 정보를 송신 또는 수신할 수 있다. 도 1 내지 도 19를 참조하면, 전자 기기는 안테나 모듈(1100)과 이를 제어하는 송수신부 회로(1250) 및 기저대역 프로세서(1400)를 통해 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 다중 입출력(MIMO)을 수행하여 통신 용량 향상 및/또는 정보 송신 및 수신의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 전자 기기는 다양한 엔티티로부터 동시에 서로 다른 정보를 송신 또는 수신하여 통신 용량을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 전자 기기에서 대역폭의 확장 없이도 MIMO 동작을 통해 통신 용량을 향상시킬 수 있다.
대안으로, 전자기기는 다양한 엔티티로부터 동시에 동일한 정보를 동시에 송신 또는 수신하여 주변 정보에 대한 신뢰성을 향상시키고 레이턴시를 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 전자기기에서 URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communication) 통신이 가능하고 전자기기는 URLLC UE로 동작할 수 있다. 이를 위해, 스케줄링을 수행하는 기지국은 URLLC UE로 동작하는 전자기기를 위해 시간 슬롯을 우선적으로 할당할 수 있다. 이를 위해 이미 다른 UE에게 할당된 특정 시간-주파수 자원 중 일부를 펑처링(puncturing)할 수 있다.
전술한 바와 같이, 복수의 배열 안테나(ANT1 내지 ANT4)은 제1 주파수 대역과 제2 주파수 대역에서 광대역 동작할 수 있다. 기저대역 프로세서(1400)는 제1 주파수 대역에서 복수의 배열 안테나(ANT1 내지 ANT4) 중 일부를 통해 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 또한, 기저대역 프로세서(1400)는 제2 주파수 대역에서 배열 안테나(ANT1 내지 ANT4) 중 일부를 통해 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 이와 관련하여, 상호 간에 충분한 거리로 이격되고 소정 각도로 회전된 상태로 배치된 배열 안테나들을 이용하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 이에 따라, 동일 대역 내의 제1 신호 및 제2 신호 간의 격리도(isolation)를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
전자 기기 내의 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4) 중 하나 이상의 배열 안테나는 제1 주파수 대역에서 방사체(radiator)로서 동작할 수 있다. 한편, 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4) 중 하나 이상의 배열 안테나가 제2 주파수 대역에서 방사체로서 동작할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 주파수 대역에서 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4) 중 둘 이상의 배열 안테나를 통해 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 한편, 기저대역 프로세서(1400)는 제2 주파수 대역에서 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4) 중 둘 이상의 배열 안테나를 통해 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
이와 관련하여, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 주파수 대역에서 둘 이상의 배열 안테나의 신호 품질이 모두 임계치 이하이면, 제2 주파수 대역의 시간/주파수 자원 요청을 기지국으로 송신할 수 있다. 이에 따라, 제2 주파수 대역의 시간/주파수 자원이 할당되면, 기저대역 프로세서(1400)는 해당 자원을 통해 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4) 중 둘 이상의 배열 안테나를 통해 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다.
제2 주파수 대역의 자원이 할당된 경우에도 동일한 둘 이상의 배열 안테나를 이용하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 따라서, 배열 안테나가 변경됨에 따라 해당 프론트 엔드 모듈(FEM)을 다시 온/오프 함에 따라 전력 소모를 방지할 수 있다. 또한, 배열 안테나가 변경됨에 따라 해당 프론트 엔드 모듈(FEM)을 다시 온/오프 함에 따른 전자 부품, 예컨대 증폭기의 settling time에 따른 성능 저하를 방지할 수 있다.
한편, 제2 주파수 대역의 자원이 할당된 경우, 둘 이상의 배열 안테나 중 적어도 하나의 배열 안테나가 변경되고, 해당 배열 안테나들을 통해 다중 입출력(MIMO)을 수행할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 주파수 대역의 전파 환경이 상이하여 해당 배열 안테나를 통해 통신 수행이 어렵다고 판단되면 다른 배열 안테나를 이용할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 안테나(ANT1) 내지 제4 안테나(ANT4) 중 하나를 통해 제1 대역의 제1 신호를 수신하면서 제2 대역의 제2 신호를 수신하도록 송수신부 회로(1250)를 제어할 수 있다. 이 경우, 하나의 안테나를 통해 반송파 집성(carrier aggregation, CA)을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 기저대역 프로세서(1400)는 제1 주파수 대역과 제2 주파수 대역이 결합된 대역을 통해 반송파 집성(CA: Carrier Aggregation)을 수행할 수 있다. 이에 따라, 본 명세서에서는 전자 기기에서 대용량의 데이터를 송신 또는 수신할 필요가 있는 경우, 반송파 집성을 통해 광대역 수신이 가능하다는 장점이 있다.
이에 따라, 전자 기기는 eMBB (Enhanced Mobile Broad Band) 통신이 가능하고 전자 기기는 eMBB UE로 동작할 수 있다. 이를 위해, 스케줄링을 수행하는 기지국은 eMBB UE로 동작하는 전자 기기를 위해 광대역 주파수 자원을 할당할 수 있다. 이를 위해 이미 다른 UE에게 할당된 주파수 자원을 제외하고 여유 있는 주파수 대역들에 대한 반송파 집성(CA)이 수행될 수 있다.
밀리미터파 대역에서 동작하는 배열 안테나 및 이를 제어하는 전자기기와 관련된 전술한 실시예들에 대한 다양한 변경 및 수정은 본 명세서의 사상 및 범위 내에서 당업자에게 명확하게 이해될 수 있다. 따라서, 실시예들에 대한 다양한 변경 및 수정은 이하의 청구항들의 권리 범위 내에 속하는 것으로 이해되어 한다.
이상에서는 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 모듈 및 이를 제어하는 구성을 포함하는 전자 기기에 대해 살펴보았다. 이와 같은 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 모듈 및 이를 제어하는 구성을 포함하는 전자 기기의 기술적 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
실시 예에 따르면, 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 모듈 및 이를 제어하는 구성을 포함하는 전자 기기를 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나 소자를 비아 패드 사이에 복수 개의 비아 구조를 이용하여 다층 기판 내부에 배치하여 RF 회로와 일체형 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 비아 패드 사이에 복수 개의 비아 구조를 이용하여 다층 기판 내부에 수직하게 배치되는 안테나 소자의 높이를 낮춰 소형화된 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 안테나 소자에 일 방향으로 인접하게 배치된 비아 월 구조를 이용하여 다층 기판 내부에 수직하게 배치되는 안테나 소자의 높이를 낮춰 소형화된 안테나 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 모노폴 안테나와 연결되는 급전라인의 폭을 테이퍼드 라인 형태로 구현하여, 다층 기판 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있는 광대역 급전 라인 구조를 제공할 수 있다.
실시 예에 따르면, 모노폴 안테나와 연결되는 급전라인의 그라운드를 계단식으로 배치하여, 다층 기판 내부의 급전 라인과 전기적으로 연결되는 안테나 소자의 임피던스 매칭 특성을 향상시킬 수 있는 광대역 급전 라인 구조를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 직교 편파를 갖는 안테나들을 통해 하나의 안테나 모듈만을 이용하여 다중 입출력(MIMO)을 수행할 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. 안테나를 구비하는 전자 기기에 있어서,
    금속 패턴들이 다층 기판(multi-layer substrate)의 서로 다른 레이어에 적층(stack)되어 구성된 방사체(radiator); 및
    상기 방사체의 특정 레이어에 배치되고, 상기 방사체와 연결되도록 구성된 급전 라인을 구비하는 급전부를 구비하는 안테나 모듈; 및
    상기 안테나 모듈과 동작 가능하게 연결되고, 상기 전자 기기의 주변에 배치된 무선 기기로 상기 안테나 모듈을 통해 무선 신호를 송신 또는 수신하도록 제어하는 프로세서를 포함하고,
    상기 방사체는,
    상기 급전 라인과 연결되는 제1 패드; 및
    상기 제1 패드의 상부에 배치된 제2 패드를 포함하고, 상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 제1 연결 라인 및 제2 연결 라인에 의해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 연결 라인은 상기 제1 패드의 제1 단부와 상기 제2 패드의 제1 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제1 인덕턴스 성분을 형성하고
    상기 제2 연결 라인은 상기 제1드의 제2 단부와 상기 제2 패드의 제2 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제2 인덕턴스 성분을 형성하고,
    제1 면적을 갖는 상기 제1 패드와 제2 면적을 갖는 상기 제2 패드가 소정 간격으로 이격되도록 구성되어 커패시턴스 성분을 형성하고,
    상기 제1 및 제2 인덕턴스 성분 및 상기 커패시턴스 성분에 의해 상기 방사체는 광대역 특성을 갖도록 구현되는, 전자 기기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 급전 라인;
    상기 급전 라인의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역까지 배치된 제1 그라운드 층; 및
    상기 제1 그라운드 층의 하부에서 수평 방향으로 상기 제1 영역보다 상기 방사체에 인접한 제2 영역까지 배치된 제2 그라운드 층을 포함하고,
    상기 제1 영역에 형성된 상기 급전 라인의 제1 너비와 상기 제2 영역에 형성된 상기 급전 라인의 제2 너비는 상이한 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 제1 영역에서 상기 급전 라인과 상기 제1 그라운드 층까지의 제1 높이보다 상기 제2 영역에서 상기 급전 라인과 상기 제2 그라운드 층까지의 제2 높이가 더 높게 계단식 그라운드(stepped ground)로 형성되는 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 급전 라인의 상부에 배치되는 상부 그라운드 층을 더 포함하고,
    상기 상부 그라운드 층에 의해 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에서 상기 급전 라인은 스트립 라인으로 구성되는, 전자 기기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 상기 제1 연결 라인, 상기 제2 연결 라인 및 제3 연결 라인에 의해 상호 연결되고,
    상기 제3 연결 라인은 상기 제1 연결 라인과 상기 제2 연결 라인 사이에 배치되는, 전자 기기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 연결 라인과 상기 제2 연결 라인은 제1 축 상에 배치되고,
    상기 제3 연결 라인은 상기 제1 축 상에서 상기 제1 연결 라인과 상기 제2 연결 라인 사이에 배치되고, 상기 제1 축에 수직한 제2 축 상에서 상기 제1 및 제2 연결 라인보다 오프셋된 지점에서 배치되는, 전자 기기.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 제1 축 상에 배치되는 상기 제1 연결 라인 및 상기 제2 연결 라인에 의해 연결되고,
    상기 제1 축에 수직한 제2 축 상에서 상기 제1 연결 라인 및 제3 연결 라인 또는 상기 제2 연결 라인 및 제4 연결 라인에 의해 연결되는, 전자 기기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 방사체와 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조를 더 포함하고,
    상기 비아 월 구조는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함하는, 전자 기기.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 비아 월 구조는,
    상기 다층 기판의 그라운드와 전기적으로 연결되지 않은 플로팅 비아 월(floating via wall)로 형성되는, 전자 기기.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 패드와 상기 제2 패드를 수직 연결하는 상기 제1 연결 라인 및 상기 제2 연결 라인에 의해 상기 방사체는 수직 편파 안테나로 동작하고,
    상기 다층 기판 내부의 그라운드 층 상부에 배치되고, 수평 편파 안테나로 동작하는 패치 안테나를 더 포함하는, 전자 기기.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 방사체는 상기 다층 기판에 평행한 제1 방향으로 제1 신호를 방사하도록 구성된 제1 안테나이고,
    상기 패치 안테나는 상기 다층 기판에 수직한 제2 방향으로 제2 신호를 방사하도록 구성된 제2 안테나인 것을 특징으로 하는, 전자 기기.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 방사체는 상기 다층 기판의 제1 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 복수의 방사체들에 의해 배열 안테나를 구성하고,
    상기 프로세서는 상기 안테나 모듈이 형성된 상기 다층 기판 상에 배치되는, 전자 기기.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 복수의 방사체들 각각은,
    상기 방사체와 제2 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조를 더 포함하고,
    상기 비아 월 구조는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함하는, 전자 기기.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 배열 안테나는 제1 배열 안테나 모듈 및 상기 제1 배열 안테나 모듈에 제1 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 제2 배열 안테나 모듈을 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 및 제2 배열 안테나 모듈을 각각 이용하여 각각 제1 빔 및 제2 빔을 제1 방향 및 제2 방향으로 형성하고,
    상기 제1 배열 안테나 모듈 및 상기 제2 배열 안테나 모듈을 이용하여 제3 방향으로 제3 빔을 형성하는, 전자 기기.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 빔 및 상기 제2 빔을 이용하여 다중 입출력(MIMO)를 수행하고,
    상기 제1 빔 및 상기 제2 빔보다 좁은 빔 폭을 갖는 상기 제3 빔을 이용하여 빔 포밍을 수행하는, 전자 기기.
  17. 안테나 모듈에 있어서,
    금속 패턴들이 다층 기판(multi-layer substrate)의 서로 다른 레이어에 적층(stack)되어 구성된 방사체(radiator); 및
    상기 방사체의 특정 레이어에 배치되고, 상기 방사체와 연결되도록 구성된 급전 라인을 구비하는 급전부를 포함하고,
    상기 방사체는 상기 급전 라인과 연결되는 제1 패드와 상기 제1 패드의 상부에 배치된 제2 패드를 포함하고, 상기 제1 패드와 상기 제2 패드는 제1 연결 라인 및 제2 연결 라인에 의해 상호 연결되는 것을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제1 연결 라인은 상기 제1 패드의 제1 단부와 상기 제2 패드의 제1 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제1 인덕턴스 성분을 형성하고
    상기 제2 연결 라인은 상기 제1드의 제2 단부와 상기 제2 패드의 제2 단부를 수직 연결하도록 구성되어 제2 인덕턴스 성분을 형성하고,
    제1 면적을 갖는 상기 제1 패드와 제2 면적을 갖는 상기 제2 패드가 소정 간격으로 이격되도록 구성되어 커패시턴스 성분을 형성하고,
    상기 제1 및 제2 인덕턴스 성분 및 상기 커패시턴스 성분에 의해 상기 방사체는 광대역 특성을 갖도록 구현되는, 안테나 모듈.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 급전부는,
    상기 급전 라인;
    상기 급전 라인의 하부에서 수평 방향으로 제1 영역까지 배치된 제1 그라운드 층; 및
    상기 제1 그라운드 층의 하부에서 수평 방향으로 상기 제1 영역보다 상기 방사체에 인접한 제2 영역까지 배치된 제2 그라운드 층을 포함하고,
    상기 제1 영역에 형성된 상기 급전 라인의 제1 너비와 상기 제2 영역에 형성된 상기 급전 라인의 제2 너비는 상이한 것을 특징으로 하는, 안테나 모듈.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 방사체와 수평 방향으로 소정 간격 이격되어 배치되는 비아 월 구조를 더 포함하고,
    상기 비아 월 구조는 복수의 패드들 간에 복수의 지점들에서 상호 간 수직 연결되는 복수의 수직 비아들을 포함하고,
    상기 비아 월 구조는,
    상기 다층 기판의 그라운드와 전기적으로 연결되지 않은 플로팅 비아 월(floating via wall)로 형성되는, 안테나 모듈.
KR1020237033056A 2021-05-31 2021-05-31 안테나를 구비하는 전자 기기 KR20240015623A (ko)

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