KR20240054679A - 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents

Abstract

공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈은, 다층 PCB에 적층되는 다수의 안테나 소자를 포함하는 멀티 피드 배열 안테나 모듈로서, 각 안테나 소자는, 단락 핀과 연결되고 모노폴 타입 급전기로 연결된 4개의 패치 안테나를 포함하고, 각 패치 안테나는 송신기의 전력증폭기(power amplifier; 이하 PA) 및 수신기의 저잡음증폭기(low-noise amplifier; 이하 LNA)로 구성된 다수의 쌍(pair)과 연결되는 4개의 포트를 포함한다. 이에 따라, 광대역 주파수의 구현 및 다양한 편파 형성이 가능하다.

Description

공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈 및 이를 포함하는 장치{MULTI-FEED ARRAY ANTENNA MODULE FOR POWER COMBINING AND POLARIZATION SYNTHESIS AND DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈 및 이를 포함하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다층 PCB 임베디드 안테나, 메인 PCB 및 RFIC(radio-frequency integrated circuit)로 구성된 멀티 피드 배열 안테나의 인-패키지 기술에 관한 것이다.

28 GHz 이상의 주파수를 사용하는 통신의 경우 넓은 대역폭 확보가 가능하여 다량의 정보를 주고받을 수 있으므로, 5G/6G 통신 주파수로 많은 각광을 받고 있다.

그러나, 안테나, RFIC 배열 수 N (M × M) 일 때, EIRP는 N² 증가하고 안테나 빔폭은 1/N로 감소한다. 따라서, EIRP 증가를 위해 안테나 배열 수 늘려야 하지만 스마트 폰 등에 실장 가능한 면적에 한계가 있다.

Sadhu, X. Gu, and A. Valdes-Garcia, "The more (antennas), the merrier: A survey of silicon-based mm-wave phased arrays using multi-IC scaling," IEEE Microwave Magazine, vol. 20, no. 12, pp. 32-50, 2019.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈을 포함하는 장치를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈은, 다층 PCB에 적층되는 다수의 안테나 소자를 포함하는 멀티 피드 배열 안테나 모듈로서, 각 안테나 소자는, 단락 핀과 연결되고 모노폴 타입 급전기로 연결된 4개의 패치 안테나를 포함하고, 각 패치 안테나는 송신기의 전력증폭기(power amplifier; 이하 PA) 및 수신기의 저잡음증폭기(low-noise amplifier; 이하 LNA)로 구성된 다수의 쌍(pair)과 연결되는 4개의 포트를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 각 패치 안테나의 4개의 포트는 각각 PA 및 LNA로 구성된 2개의 쌍과 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 각 패치 안테나의 4개의 포트는 각각 PA 및 LNA로 구성된 4개의 쌍과 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 각 패치 안테나는, 각 포트와 PA 및 LNA로 구성된 쌍과 선택적으로 연결 가능한 스위칭 소자를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 4개의 패치 안테나는 각각 단락 핀과 연결되어 직접적으로 접지될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 4개의 패치 안테나는 각각 단락 핀과 연결되는 단락 금속과 커플링되어 접지될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 각 안테나 소자는, 다층 PCB에 적층된 RFIC 라우팅 소자와 전기적으로 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 각 안테나 소자는, PA 및 LNA와 각각 연결된 위상 제어기를 더 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 장치는, 상기 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈을 포함한다.

이와 같은 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈에 따르면, 실장 면적을 줄이면서 동시에 광대역 주파수의 구현 및 다양한 편파 형성이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 안테나의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 피드 배열 안테나 모듈의 평면도이다.
도 4는 도 3의 멀티 피드 배열 안테나 모듈의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 피드 배열 안테나 모듈의 평면도이다.
도 6은 도 5의 멀티 피드 배열 안테나 모듈의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 멀티 피드 배열 안테나 모듈과 종래 안테나 모듈의 공진을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 멀티 피드 배열 안테나 모듈에 따른 45˚ 편광 형성을 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 멀티 피드 배열 안테나 모듈에 따른 수직 편광 형성을 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 멀티 피드 배열 안테나 모듈에 따른 오른손 원형 편광 형성을 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성요소들과 다른 소자 또는 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용 시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 안테나의 구성도이다.

본 발명에 따른 멀티 피드 배열 안테나 모듈은 메인 PCB 및 RFIC(radio-frequency integrated circuit) 상에 구현된 다층 PCB 임베디드 안테나로 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 멀티 피드 배열 안테나 모듈은 다수의 안테나 소자를 포함하며, 각 안테나 소자는 다층 PCB에 실장된 4개의 패치 안테나를 포함한다.

각 패치 안테나는 다수의 포트들을 가지며, 다수의 포트들은 송신기의 전력증폭기(power amplifier; 이하 PA) 및 수신기의 저잡음증폭기(low-noise amplifier; 이하 LNA)와 연결된다. 각 PA 및 LNA의 일 단에는 위상 제어기가 형성될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나는 M(M1×M2) 개가 배열되고, 각 패치 안테나는 N(N1×N2) 개의 PA 및 LNA와 연결된다. 각 패치 안테나는 4개의 포트를 가지며 2개의 PA 및 LNA 쌍과 연결될 수 있다.

구체적으로 제1 패치 안테나는 제1 PA 및 제1 LNA와 제2 PA 및 제2 LNA와 연결되며, 제2 패치 안테나는 제3 PA 및 제3 LNA와 제4 PA 및 제4 LNA와 연결된다. 동일한 방법은 제M 패치 안테나는 제N-1 PA 및 제N-1 LNA와 제N PA 및 제N LNA와 연결된다.

이와 같이 본 발명은 하나의 패치 안테나가 다수의 PA 및 LNA와 연결되어 실장 면적을 줄일 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 각 패치 안테나는 4개의 포트를 가지며 4개의 PA 및 LNA 쌍과 스위치로 연결될 수 있다.

구체적으로 제1 패치 안테나는 제1 포트가 제1 PA 및 제1 LNA의 쌍과 연결되고, 제2 포트가 제2 PA 및 제2 LNA의 쌍과 연결된다. 마찬가지로, 제3 포트가 제3 PA 및 제3 LNA의 쌍과 연결되며, 제4 포트가 제4 PA 및 제4 LNA의 쌍과 연결된다.

포트와 PA 및 LNA 쌍 사이에는 스위치가 생성되어 PA 및 LNA과 선택적으로 연결할 수 있다. 이에 따라, 각 패치 안테나는 필요에 따라 또는 외부 제어에 따라 스위칭하여 각 포트를 PA 또는 LNA와 연결시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 피드 배열 안테나 모듈의 평면도이고, 도 4는 도 3의 멀티 피드 배열 안테나 모듈의 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 각 안테나 소자는, 모노폴 타입의 4개의 패치 안테나를 포함한다. 패치 안테나는 송신기의 출력을 제공하는 급전기와 전기적으로 연결되고, 단락 핀과 연결되어 접지된다.

패치 안테나, 단락 핀, 급전기 등은 다층 PCB로 구현될 수 있고, 안테나 인터커넥션, RFIC와 전기적으로 또는 물리적으로 연결될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 피드 배열 안테나 모듈의 평면도이다. 도 6은 도 5의 멀티 피드 배열 안테나 모듈의 단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 각 안테나 소자는, 모노폴 타입의 4개의 패치 안테나를 포함한다. 패치 안테나는 송신기의 출력을 제공하는 급전기와 전기적으로 연결되고, 단락 핀과 연결되는 단락 금속과 커플링되어 접지된다.

도 5에서 패치 안테나들 사이에 십자 모양으로 형성된 것이 단락 금속으로, 단락 핀과 연결된다. 그러나, 도면에 표시된 단락 금속 등의 모양, 크기들의 변형은 필요에 따라 가능하다.

도 7은 본 발명의 멀티 피드 배열 안테나 모듈과 종래 안테나 모듈의 공진을 보여주는 그래프이다.

도 7(a)는 λ/4 안테나 패치의 경우로서 150 GHz 정도에서 공진이 하나가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 도 7(b)는 λ/2 안테나 패치로서 공진이 여러 개 형성된다.

도 7(c)는 본 발명의 4개 안테나 패치에 따른 공진 그래프로서 공진이 여러 개 형성되며, 여기서 높은 주파수 쪽의 공진을 higher order mode라고 할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 안테나 모듈은 이러한 모드를 이용하여 광대역 주파수의 구현이 가능하다.

또한, 본 발명은 단락 핀(shorting pin)을 이용하여 패치 안테나 포트 간의 아이솔레이션(isolation)을 향상시킬 수 있다. 일반적인 사각 안테나 구조의 경우 포트 간 전류가 쉽게 넘어갈 수 있기 때문에 아이솔레이션이 약해질 수 있다.

반면에, 본 발명에서 제안한 구조에서는 단락 핀 부분에서 전류가 감소하고, 이로 인해 아이솔레이션을 개선할 수 있다.

도 8은 본 발명의 멀티 피드 배열 안테나 모듈에 따른 45˚ 편광 형성을 보여주는 그래프이다. 도 9는 본 발명의 멀티 피드 배열 안테나 모듈에 따른 수직 편광 형성을 보여주는 그래프이다. 도 10은 본 발명의 멀티 피드 배열 안테나 모듈에 따른 오른손 원형 편광 형성을 보여주는 그래프이다.

도 8 내지 도 10과 같이 본 발명이 제안하는 안테나 모듈은 45˚ 편광(linear polarization), 수직 편광(Vertical linear polarization), 오른손 원형 편광(right hand circular polarization) 등 다양한 편파 형성이 가능하다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 광대역 주파수의 구현 및 다양한 편파 형성이 가능하면서도 실장 면적을 줄일 수 있으므로, 스마트 폰 등의 전자기기에 유용하게 적용할 수 있다.

Claims (9)

1. 다층 PCB에 적층되는 다수의 안테나 소자를 포함하는 멀티 피드 배열 안테나 모듈로서,
   각 안테나 소자는, 단락 핀과 연결되고 모노폴 타입 급전기로 연결된 4개의 패치 안테나를 포함하고,
   각 패치 안테나는 송신기의 전력증폭기(power amplifier; 이하 PA) 및 수신기의 저잡음증폭기(low-noise amplifier; 이하 LNA)로 구성된 다수의 쌍(pair)과 연결되는 4개의 포트를 포함하는, 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   각 패치 안테나의 4개의 포트는 각각 PA 및 LNA로 구성된 2개의 쌍과 연결되는, 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈.
   
3. 제1항에 있어서,
   각 패치 안테나의 4개의 포트는 각각 PA 및 LNA로 구성된 4개의 쌍과 연결되는, 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈.
   
4. 제3항에 있어서, 각 패치 안테나는,
   각 포트와 PA 및 LNA로 구성된 쌍과 선택적으로 연결 가능한 스위칭 소자를 더 포함하는, 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈.
   
5. 제1항에 있어서,
   4개의 패치 안테나는 각각 단락 핀과 연결되어 직접적으로 접지되는, 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈.
   
6. 제1항에 있어서,
   4개의 패치 안테나는 각각 단락 핀과 연결되는 단락 금속과 커플링되어 접지되는, 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈.
   
7. 제1항에 있어서,
   각 안테나 소자는, 다층 PCB에 적층된 RFIC 라우팅 소자와 전기적으로 연결되는, 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈.
   
8. 제1항에 있어서,
   각 안테나 소자는, PA 및 LNA와 각각 연결된 위상 제어기를 더 포함하는, 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 공간 결합과 편파 합성을 위한 멀티 피드 배열 안테나 모듈을 포함하는 장치.

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