KR102360712B1

KR102360712B1 - Dual Polarization Antenna

Info

Publication number: KR102360712B1
Application number: KR1020180002964A
Authority: KR
Inventors: 김동영; 강동민; 김성일; 김해천; 도재원; 민병규; 신민정; 안호균; 윤형섭; 이상흥; 이종민; 임종원; 장성재; 장유진; 정현욱; 조규준; 지홍구
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2022-02-11
Also published as: KR20190029402A

Abstract

본 발명은 이중 편파 안테나에 대한 것이고, 더욱 상세하게는, 유전체 공진기; 상기 유전체 공진기의 측면에 위치하는 복수개의 비아들을 포함하는 안테나 기판; 상기 안테나 기판 상에 위치하고, 안테나 개구를 포함하는 금속 패턴; 상기 안테나 기판 및 상기 유전체 공진기 아래에 위치하고, 커플링 어퍼쳐를 포함하는 내부 그라운드층; 및 상기 내부 그라운드층 아래에 위치하고, 제1 전송 선로 및 제2 전송 선로를 포함하는 급전 회로 기판을 포함한다. 상기 커플링 어퍼쳐는 제1 방향으로 연장하는 제1 개구 및 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 연장하는 제2 개구를 포함하고, 상기 제1 전송 선로의 제1 단부는 상기 제1 개구와 수직적으로 중첩되고, 상기 제2 전송 선로의 제2 단부는 상기 제2 개구와 수직적으로 중첩된다.The present invention relates to a dual polarization antenna, and more particularly, to a dielectric resonator; an antenna substrate including a plurality of vias positioned on side surfaces of the dielectric resonator; a metal pattern positioned on the antenna substrate and including an antenna opening; an internal ground layer disposed under the antenna substrate and the dielectric resonator and including a coupling aperture; and a power supply circuit board positioned under the internal ground layer and including a first transmission line and a second transmission line. The coupling aperture includes a first opening extending in a first direction and a second opening extending in a second direction crossing the first direction, the first end of the first transmission line having the first opening and a second end portion of the second transmission line vertically overlaps with the second opening.

Description

Dual Polarization Antenna

본 발명은 이중 편파 안테나에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 서로 수직하는 편파 특성을 가지는 이중 편파 안테나에 대한 것이다.The present invention relates to a dual polarization antenna. More particularly, the present invention relates to a dual polarization antenna having polarization characteristics perpendicular to each other.

밀리미터파 대역의 주파수는 마이크로파 대역의 주파수에 비해서 직진성이 우수하고 광대역 특성을 가지고 있어 레이더나 통신 서비스로의 응용이 주목 받고 있다. 특히 밀리미터파 대역의 주파수는 파장이 작아 안테나 크기의 소형화가 용이하므로 시스템의 크기를 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 밀집된 사용으로 광대역 주파수의 확보가 어려운 6GHz 이하의 주파수 대역과는 달리, 밀리미터파 대역의 주파수는 고속통신에 필요한 광대역 주파수의 활용이 용이하여 차세대 5G 이동통신에서의 활용도 활발히 연구되고 있다. The millimeter wave band has excellent straightness and broadband characteristics compared to the microwave band frequency, so its application to radar or communication services is attracting attention. In particular, since the frequency of the millimeter wave band has a small wavelength, it is easy to reduce the size of the antenna, so that the size of the system can be remarkably reduced. In addition, unlike frequency bands below 6 GHz, where it is difficult to secure broadband frequencies due to dense use, millimeter wave bands facilitate the use of broadband frequencies required for high-speed communication, so their application in next-generation 5G mobile communication is being actively studied.

이러한 밀리미터파 대역의 주파수 시스템을 구성하는 방법으로, 제품의 소형화와 비용절감을 위하여 SOP(System On Packaging)의 형태로 시스템을 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 SOP의 방법으로 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics) 또는 LCP(Liquid Crystal Polymer) 기술이 가장 적합한 기술로 고려되고 있다. LTCC 또는 LCP 기술은 다층기판을 이용하는 기술로 기판의 내부에 캐패시터, 인덕터, 필터 등의 수동부품을 내장시켜 모듈의 소형화 및 저가격화를 이룰 수 있다. 이러한 다층기판은 내부 공간을 자유롭게 형성할 수 있어 모듈 구성의 자유도가 증가할 수 있다. As a method of constructing a frequency system of such a millimeter wave band, research to implement a system in the form of SOP (System On Packaging) in order to reduce product size and cost is being actively conducted. As a method of such SOP, LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) or LCP (Liquid Crystal Polymer) technology is considered as the most suitable technology. LTCC or LCP technology is a technology that uses a multi-layer substrate, and by embedding passive components such as capacitors, inductors, and filters inside the substrate, it is possible to achieve miniaturization and low cost of the module. Such a multilayer substrate can freely form an internal space, so that the degree of freedom of module configuration can be increased.

본 발명은 단일 편파 안테나와 동일한 크기를 가지면서, 서로 수직하는 편파 특성을 가지는 이중 편파 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a dual polarization antenna having the same size as a single polarization antenna and having polarization characteristics perpendicular to each other.

본 발명은 유전체 공진기; 상기 유전체 공진기의 측면에 위치하는 복수개의 비아들을 포함하는 안테나 기판; 상기 안테나 기판 상에 위치하고, 안테나 개구를 포함하는 금속 패턴; 상기 안테나 기판 및 상기 유전체 공진기 아래에 위치하고, 커플링 어퍼쳐를 포함하는 내부 그라운드층; 및 상기 내부 그라운드층 아래에 위치하고, 제1 전송 선로 및 제2 전송 선로를 포함하는 급전 회로 기판을 포함하고, 상기 커플링 어퍼쳐는 제1 방향으로 연장하는 제1 개구 및 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 연장하는 제2 개구를 포함하고, 상기 제1 전송 선로의 제1 단부는 상기 제1 개구와 수직적으로 중첩되고, 상기 제2 전송 선로의 제2 단부는 상기 제2 개구와 수직적으로 중첩되는 이중 편파 안테나를 제공한다.The present invention is a dielectric resonator; an antenna substrate including a plurality of vias positioned on side surfaces of the dielectric resonator; a metal pattern positioned on the antenna substrate and including an antenna opening; an internal ground layer disposed under the antenna substrate and the dielectric resonator and including a coupling aperture; and a power supply circuit board positioned under the internal ground layer and including a first transmission line and a second transmission line, wherein the coupling aperture crosses a first opening extending in a first direction and the first direction. a second opening extending in a second direction, wherein a first end of the first transmission line vertically overlaps with the first opening, and a second end of the second transmission line is perpendicular to the second opening to provide an overlapping dual polarization antenna.

본 발명에 따른 이중 편파 안테나는, 십자가 형태의 커플링 어퍼쳐를 포함함으로써, 단일 편파 안테나와 동일한 크기를 가지면서, 서로 수직하는 편파 특성을 가질 수 있다.The dual polarization antenna according to the present invention may have the same size as the single polarization antenna and have polarization characteristics perpendicular to each other by including a cross-shaped coupling aperture.

도 1은 본 발명의 따른 이중 편파 안테나의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 안테나의 전송 선로 및 커플링 어퍼쳐를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3a는 제1 전송 선로에 신호를 입력하는 경우의 커플링 어퍼쳐의 전기장을 설명하는 도면이다.
도 3b는 제1 전송 선로에 신호를 입력하는 경우의 30GHz 안테나 방사패턴을 설명하는 도면이다.
도 4a는 제2 전송 선로에 신호를 입력하는 경우의 커플링 어퍼쳐의 전기장을 설명하는 도면이다.
도 4b는 제2 전송 선로에 신호를 입력하는 경우의 30GHz 안테나 방사패턴을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 이중 편파 안테나의 S-파라미터(Parameter) 모사실험 결과를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 이중 편파 안테나의 주파수에 따른 안테나 이득을 설명하는 도면이다.1 is a cross-sectional view of a dual polarization antenna according to the present invention.
2 is a plan view illustrating a transmission line and a coupling aperture of an antenna according to the present invention.
3A is a view for explaining an electric field of a coupling aperture when a signal is input to a first transmission line.
3B is a view for explaining a 30 GHz antenna radiation pattern when a signal is input to a first transmission line.
4A is a view for explaining an electric field of a coupling aperture when a signal is input to a second transmission line.
4B is a diagram for explaining a 30 GHz antenna radiation pattern when a signal is input to a second transmission line.
5 is a view for explaining the S-parameter simulation test results of the dual polarization antenna according to the present invention.
6 is a diagram for explaining an antenna gain according to a frequency of a dual polarization antenna according to the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 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 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

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 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or devices mentioned. or addition is not excluded.

본 발명은 복수의 기판들로 구성된 안테나에서 기판 내부로 금속 패턴을 매립시켜 모듈의 크기를 감소시킨 유전체 공진기 안테나를 제공한다. 이를 위해, 본 발명은 다층구조의 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Cofired Ceramic, 이하 LTCC) 기술을 이용하여 구현된 안테나를 일예로 설명한다. 또한, 본 발명의 유전체 공진기 안테나는 밀리미터파 주파수 대역(특히, 30GHz)의 주파수 대역에서 동작하는 안테나 인 패키지(AIP: Antenna in Package)에 적용된다. 하지만, 밀리미터파 주파수 대역 이외에도 다른 주파수 대역에도 본 발명의 유전체 공진기 안테나가 확장되어 사용될 수도 있다.The present invention provides a dielectric resonator antenna in which a size of a module is reduced by embedding a metal pattern into a substrate in an antenna composed of a plurality of substrates. To this end, in the present invention, an antenna implemented using a multi-layered low temperature cofired ceramic (LTCC) technology will be described as an example. In addition, the dielectric resonator antenna of the present invention is applied to an antenna in package (AIP) operating in a frequency band of a millimeter wave frequency band (particularly, 30 GHz). However, in addition to the millimeter wave frequency band, the dielectric resonator antenna of the present invention may be extended and used in other frequency bands.

도 1은 본 발명의 따른 안테나의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an antenna according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나(100)는 유전체 공진기(110), 안테나 기판(120), 금속 패턴(130), 제1 내부 그라운드층(140), 급전 회로 기판(150), 제2 내부 그라운드층(160), 외부 회로 기판(170)을 포함할 수 있다.1 , an antenna 100 according to the present invention includes a dielectric resonator 110 , an antenna substrate 120 , a metal pattern 130 , a first internal ground layer 140 , a power supply circuit board 150 , and a second 2 may include an internal ground layer 160 and an external circuit board 170 .

유전체 공진기(110)는 안테나 기판(120)의 내부에 매립되어 있을 수 있다. 유전체 공진기(110)는 안테나의 사용 주파수 대역에서 공진에 알맞은 두께와 크기를 가질 수 있다. 유전체 공진기(110) 상에 안테나 개구(131)가 형성되어 유전체 공진기(110)의 외부로 신호가 방사될 수 있다. 유전체 공진기(110)의 측면 및 하면은 제1 비아들(121) 및 제1 내부 그라운드층(140)에 의해 둘러싸일 수 있다. 다시 말하면, 유전체 공진기(110)의 측면 및 하면은 금속에 의해 둘러싸일 수 있다. 유전체 공진기(110)는 복수개의 유전체층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 유전체 공진기(110)는 13개의 유전체층들을 포함할 수 있다.The dielectric resonator 110 may be embedded in the antenna substrate 120 . The dielectric resonator 110 may have a thickness and size suitable for resonance in the frequency band used by the antenna. An antenna opening 131 is formed on the dielectric resonator 110 so that a signal may be radiated to the outside of the dielectric resonator 110 . Side and lower surfaces of the dielectric resonator 110 may be surrounded by the first vias 121 and the first internal ground layer 140 . In other words, the side and lower surfaces of the dielectric resonator 110 may be surrounded by metal. The dielectric resonator 110 may include a plurality of dielectric layers. For example, the dielectric resonator 110 may include 13 dielectric layers.

안테나 기판(120)은 제1 방향(D1)을 따라 순서대로 적층된 복수개의 유전체층들을 포함할 수 있다. 일 예로, 안테나 기판(120)은 13개의 유전체층들을 포함할 수 있다. 안테나 기판(120)은 유전체 공진기(110)를 내부에 포함할 수 있다. 안테나 기판(120)은 유전체 공진기(110)의 측면을 둘러싼 복수개의 제1 비아들(121)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 복수개의 제1 비아들(121) 각각은 유전체 공진기(110)의 측면에 위치할 수 있고, 제1 방향(D1)을 따라 연장할 수 있다. 일 예로, 복수개의 제1 비아들(121)은 금속을 포함할 수 있다. 복수개의 제1 비아들(121)은 유전체 공진기(110) 상의 금속 패턴(130)과 제1 내부 그라운드층(140)을 연결할 수 있다. 2개의 제1 비아들(121)은 서로 이격될 수 있다. 2개의 제1 비아들(121)이 이격된 거리는 모두 일정할 수 있다. 제1 비아들(121) 사이의 거리가 안테나(100)의 동작 파장의 1/4 보다 작을 수 있다. 따라서, 제1 비아들(121)은 펜스의 기능을 할 수 있다. 다시 말하면, 제1 비아들(121)은 유전체층을 통한 신호 누설을 차단할 수 있다.The antenna substrate 120 may include a plurality of dielectric layers sequentially stacked along the first direction D1 . For example, the antenna substrate 120 may include 13 dielectric layers. The antenna substrate 120 may include a dielectric resonator 110 therein. The antenna substrate 120 may include a plurality of first vias 121 surrounding the side surface of the dielectric resonator 110 . In other words, each of the plurality of first vias 121 may be located on a side surface of the dielectric resonator 110 and may extend in the first direction D1 . For example, the plurality of first vias 121 may include a metal. The plurality of first vias 121 may connect the metal pattern 130 on the dielectric resonator 110 and the first internal ground layer 140 . The two first vias 121 may be spaced apart from each other. All distances by which the two first vias 121 are spaced apart may be constant. A distance between the first vias 121 may be less than 1/4 of an operating wavelength of the antenna 100 . Accordingly, the first vias 121 may function as fences. In other words, the first vias 121 may block signal leakage through the dielectric layer.

금속 패턴(130)은 안테나 기판(120) 상에 위치할 수 있다. 금속 패턴(130)은 안테나 개구(131)를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 금속 패턴(130)은 유전체 공진기(110)와 수직적으로 중첩되지 않을 수 있다.The metal pattern 130 may be positioned on the antenna substrate 120 . The metal pattern 130 may include an antenna opening 131 . In other words, the metal pattern 130 may not vertically overlap the dielectric resonator 110 .

제1 내부 그라운드층(140)은 유전체 공진기(110) 및 안테나 기판(120)의 아래에 위치할 수 있다. 일 예로, 제1 내부 그라운드층(140)은 금속을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 내부 그라운드층(140)은 은(Ag)을 포함할 수 있다. 제1 내부 그라운드층(140)은 안테나의 그라운드 기능을 가질 수 있다. 제1 내부 그라운드층(140)은 복수개의 제1 비아들(121)을 통해 금속 패턴(130)과 연결될 수 있다. 다시 말하면, 제1 내부 그라운드층(140), 복수개의 제1 비아들(121) 및 금속 패턴(130)은 전기적으로 연결될 수 있다.The first internal ground layer 140 may be positioned under the dielectric resonator 110 and the antenna substrate 120 . For example, the first internal ground layer 140 may include a metal. For example, the first internal ground layer 140 may include silver (Ag). The first internal ground layer 140 may have a ground function of the antenna. The first internal ground layer 140 may be connected to the metal pattern 130 through the plurality of first vias 121 . In other words, the first internal ground layer 140 , the plurality of first vias 121 , and the metal pattern 130 may be electrically connected to each other.

제1 내부 그라운드층(140)은 유전체 공진기(110)로 신호를 입력하기 위한 커플링 어퍼쳐(Coupling aperture, 141)를 포함할 수 있다. 커플링 어퍼쳐(141)는 유전체 공진기(110)의 아래에 위치할 수 있다. 커플링 어퍼쳐(141)는 유전체 공진기(110)와 급전 회로 기판(150)을 연결하는 개구일 수 있다. 커플링 어퍼쳐(141)는 안테나 신호를 입력하기 위한 것일 수 있다. 커플링 어퍼쳐(141)에 대하여는 도 2에서 더욱 상세히 설명한다.The first internal ground layer 140 may include a coupling aperture 141 for inputting a signal to the dielectric resonator 110 . The coupling aperture 141 may be positioned under the dielectric resonator 110 . The coupling aperture 141 may be an opening connecting the dielectric resonator 110 and the power supply circuit board 150 . The coupling aperture 141 may be for inputting an antenna signal. The coupling aperture 141 will be described in more detail with reference to FIG. 2 .

급전 회로 기판(150)은 제1 내부 그라운드층(140)의 아래에 위치할 수 있다. 일 예로, 급전 회로 기판(150)은 6개의 유전체층들을 포함할 수 있다. 급전 회로 기판(150)의 유전체층들 사이에 제1 전송 선로(151) 및 제2 전송 선로(152)가 제공될 수 있다. 일 예로, 제1 전송 선로(151)는 급전 회로 기판(150)의 위에서 두번째 및 세번째 유전체층들 사이에 제공될 수 있다. 일 예로, 제2 전송 선로(152)는 급전 회로 기판(150)의 위에서 네번째 및 다섯번째 유전체층들 사이에 제공될 수 있다. 제1 전송 선로(151)는 급전 회로 기판(150)의 길이 방향인 제2 방향(D2)을 따라 연장할 수 있다. 제2 전송 선로(152)는 상기 제1 방향(D1) 및 상기 제2 방향(D2)과 수직하는 제3 방향(D3)을 따라 연장할 수 있다(도 2 참조). 다시 말하면, 제1 전송 선로(151) 및 제2 전송 선로(152)가 연장하는 방향들은 서로 수직할 수 있다. 제1 및 제2 전송 선로들(151,152) 각각의 일부는 커플링 어퍼쳐(141)와 수직적으로 중첩될 수 있다. 제1 및 제2 전송 선로들(151,152)은 신호의 급전을 위해 사용될 수 있다. 다시 말하면, 제1 전송 선로(151)는 제1 연결 선로(153) 및 제1 외부 선로(171)를 통해 신호를 전달받을 수 있고, 제2 전송 선로(152)는 제2 연결 선로(미도시) 및 제2 외부 선로(미도시)를 통해 신호를 전달받을 수 있다. 제1 및 제2 전송 선로들(151,152)은 서로의 거리가 멀어질수록 서로 간의 신호 누설이 작아질 수 있다. 제1 및 제2 전송선로들(151,152)에 대하여는 도 2에서 더욱 상세히 설명한다.The power supply circuit board 150 may be positioned under the first internal ground layer 140 . For example, the power supply circuit board 150 may include six dielectric layers. A first transmission line 151 and a second transmission line 152 may be provided between the dielectric layers of the power supply circuit board 150 . For example, the first transmission line 151 may be provided between the second and third dielectric layers from the top of the power supply circuit board 150 . For example, the second transmission line 152 may be provided between the fourth and fifth dielectric layers from the top of the power supply circuit board 150 . The first transmission line 151 may extend along the second direction D2 which is the longitudinal direction of the power supply circuit board 150 . The second transmission line 152 may extend in a third direction D3 perpendicular to the first direction D1 and the second direction D2 (refer to FIG. 2 ). In other words, directions in which the first transmission line 151 and the second transmission line 152 extend may be perpendicular to each other. A portion of each of the first and second transmission lines 151 and 152 may vertically overlap the coupling aperture 141 . The first and second transmission lines 151 and 152 may be used to supply signals. In other words, the first transmission line 151 may receive a signal through the first connection line 153 and the first external line 171 , and the second transmission line 152 is a second connection line (not shown). ) and a second external line (not shown). Signal leakage between the first and second transmission lines 151 and 152 may decrease as the distance from each other increases. The first and second transmission lines 151 and 152 will be described in more detail with reference to FIG. 2 .

제1 전송 선로(151)는 제1 연결 선로(153)와 연결될 수 있다. 제1 연결 선로(153)는 급전 회로 기판(150)의 유전체층들을 가로지르면서 제1 방향(D1)을 따라 연장할 수 있다. 다시 말하면, 제1 연결 선로(153) 및 제1 전송 선로(151)가 연장하는 방향들은 서로 수직할 수 있다. 제1 연결 선로(153)는 제2 그라운드층(160)을 가로지를 수 있다. 제1 연결 선로는 제1 외부 선로(171)와 연결될 수 있다.The first transmission line 151 may be connected to the first connection line 153 . The first connection line 153 may extend along the first direction D1 while crossing the dielectric layers of the power supply circuit board 150 . In other words, directions in which the first connection line 153 and the first transmission line 151 extend may be perpendicular to each other. The first connection line 153 may cross the second ground layer 160 . The first connection line may be connected to the first external line 171 .

도시되지는 않았지만, 제1 연결 선로(153)와 유사하게 제2 연결 선로가 제공될 수 있다. 제2 전송 선로(152)는 제2 연결 선로와 연결될 수 있다, 제2 연결 선로는 급전 회로 기판(150)의 유전체층들을 가로지르면서 제1 방향(D1)을 따라 연장할 수 있다. 다시 말하면, 제2 연결 선로 및 제2 전송 선로(152)가 연장하는 방향들은 서로 수직할 수 있다. 제2 연결 선로는 제2 그라운드층(160)을 가로지를 수 있다. 제2 연결 선로는 제2 외부 선로와 연결될 수 있다.Although not shown, a second connection line may be provided similarly to the first connection line 153 . The second transmission line 152 may be connected to the second connection line, and the second connection line may extend along the first direction D1 while crossing the dielectric layers of the power supply circuit board 150 . In other words, directions in which the second connection line and the second transmission line 152 extend may be perpendicular to each other. The second connection line may cross the second ground layer 160 . The second connection line may be connected to a second external line.

급전 회로 기판(150)은 제1 및 제2 전송 선로들(151,152)의 측면을 둘러싸는 복수개의 제2 비아들(154, 도 2 참조)을 포함할 수 있다. 복수개의 제2 비아들(154, 도 2 참조)은 제1 방향(D1)을 따라 연장할 수 있다. 일 예로, 복수개의 제2 비아들(154, 도 2 참조)은 금속을 포함할 수 있다. The power supply circuit board 150 may include a plurality of second vias 154 (refer to FIG. 2 ) surrounding side surfaces of the first and second transmission lines 151 and 152 . The plurality of second vias 154 (refer to FIG. 2 ) may extend in the first direction D1 . For example, the plurality of second vias 154 (refer to FIG. 2 ) may include metal.

제2 내부 그라운드층(160)은 급전 회로 기판(150)의 아래에 위치할 수 있다. 일 예로, 제2 내부 그라운드층(160)은 금속을 포함할 수 있다. 제2 내부 그라운드층(160)은 그라운드의 기능을 가질 수 있다. 제2 내부 그라운드층(160)은 제1 유전 스페이서(161)를 포함할 수 있다. 제1 유전 스페이서(161)는 제2 내부 그라운드층(160)과 제1 연결 선로(153) 사이에 제공될 수 있다. 도시되지는 않았지만, 제2 내부 그라운드층(160)은 제2 유전 스페이서를 포함할 수 있다. 제2 유전 스페이서는 제2 내부 그라운드층(160)과 제2 연결 선로 사이에 제공될 수 있다.The second internal ground layer 160 may be positioned under the power supply circuit board 150 . For example, the second internal ground layer 160 may include a metal. The second internal ground layer 160 may have a ground function. The second internal ground layer 160 may include a first dielectric spacer 161 . The first dielectric spacer 161 may be provided between the second internal ground layer 160 and the first connection line 153 . Although not shown, the second internal ground layer 160 may include a second dielectric spacer. The second dielectric spacer may be provided between the second internal ground layer 160 and the second connection line.

외부 회로 기판(170)은 제2 내부 그라운드층(160)의 아래에 위치할 수 있다. 외부 회로 기판(170)은 유전체층을 포함할 수 있다. 외부 회로 기판(170) 아래에, 제1 연결 선로(153)와 연결되는 제1 외부 선로(171) 및 제2 연결 선로와 연결되는 제2 외부 선로가 위치할 수 있다.The external circuit board 170 may be positioned under the second internal ground layer 160 . The external circuit board 170 may include a dielectric layer. A first external line 171 connected to the first connection line 153 and a second external line connected to the second connection line may be positioned under the external circuit board 170 .

본 발명에 따른 이중 편파 안테나(100)는 복수개의 유전체층들을 포함할 수 있다. 즉, 다층구조의 LTCC 기술을 이용할 수 있다. 일 예로, 본 발명에 따른 이중 편파 안테나(100)는 밀리미터파 주파수 대역, 특히 30기가헤르쯔(GHz)의 주파수 대역에서 동작할 수 있다.The dual polarization antenna 100 according to the present invention may include a plurality of dielectric layers. That is, the LTCC technology having a multi-layer structure can be used. For example, the dual polarization antenna 100 according to the present invention may operate in a millimeter wave frequency band, in particular, a frequency band of 30 gigahertz (GHz).

도 2는 본 발명에 따른 안테나의 전송 선로 및 커플링 어퍼쳐를 설명하기 위한 평면도이다.2 is a plan view illustrating a transmission line and a coupling aperture of an antenna according to the present invention.

도 2를 참조하면, 제1 내부 그라운드층(140)은 커플링 어퍼쳐(141)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 커플링 어퍼쳐(141)는 십자가 형태의 개구일 수 있다. 다시 말하면, 커플링 어퍼쳐(141)는 제2 방향(D2)을 따라 연장하는 제1 개구(141a) 및 제3 방향(D3)을 따라 연장하는 제2 개구(141b)를 포함할 수 있다. 제1 개구(141a)의 가운데와 제2 개구(141b)의 가운데는 서로 중첩될 수 있다. Referring to FIG. 2 , the first internal ground layer 140 may include a coupling aperture 141 . As shown, the coupling aperture 141 may be a cross-shaped opening. In other words, the coupling aperture 141 may include a first opening 141a extending along the second direction D2 and a second opening 141b extending along the third direction D3 . A center of the first opening 141a and a center of the second opening 141b may overlap each other.

제1 내부 그라운드층(140) 아래에 제1 및 제2 전송 선로들(151,152)이 위치할 수 있다. 용이한 설명을 위해, 제1 및 제2 전송 선로들(151,152)은 파선으로 도시하였다. First and second transmission lines 151 and 152 may be positioned under the first internal ground layer 140 . For ease of description, the first and second transmission lines 151 and 152 are illustrated with broken lines.

제1 전송 선로(151)의 일부는 커플링 어퍼쳐(141)의 제1 개구(141a)와 수직적으로 중첩될 수 있다. 다시 말하면, 제1 전송 선로(151)는 제1 개구(141a)와 수직적으로 중첩되는 제1 단부(151a)를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 단부(151a)의 제3 방향(D3)으로의 폭은 제1 개구(141a)의 제3 방향(D3)으로의 폭보다 작을 수 있다.A portion of the first transmission line 151 may vertically overlap the first opening 141a of the coupling aperture 141 . In other words, the first transmission line 151 may include a first end 151a vertically overlapping with the first opening 141a. For example, a width of the first end 151a in the third direction D3 may be smaller than a width of the first opening 141a in the third direction D3 .

제2 전송 선로(152)의 일부는 커플링 어퍼쳐(141)의 제2 개구(141b)와 수직적으로 중첩될 수 있다. 다시 말하면, 제2 전송 선로(151)는 제2 개구(141b)와 수직적으로 중첩되는 제2 단부(152a)를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 단부(151a)의 제2 방향(D2)으로의 폭은 제2 개구(141b)의 제2 방향(D2)으로의 폭보다 클 수 있다.A portion of the second transmission line 152 may vertically overlap the second opening 141b of the coupling aperture 141 . In other words, the second transmission line 151 may include a second end 152a vertically overlapping with the second opening 141b. For example, a width of the second end 151a in the second direction D2 may be greater than a width of the second opening 141b in the second direction D2 .

제1 내부 그라운드층(140) 위에 복수개의 제1 비아들(121)이 위치할 수 있다. 복수개의 제1 비아들(121)이 평면적으로 둘러싸는 영역에 유전체 공진기(110, 도 1 참조)가 제공될 수 있다.A plurality of first vias 121 may be positioned on the first internal ground layer 140 . The dielectric resonator 110 (refer to FIG. 1 ) may be provided in a region planarly surrounded by the plurality of first vias 121 .

제1 내부 그라운드층(140) 아래에 복수개의 제2 비아들(154)이 위치할 수 있다. 복수개의 제2 비아들(154)이 평면적으로 둘러싸는 영역에 제1 및 제2 전송 선로들(151,152)이 제공될 수 있다. 복수개의 제2 비아들(154)은 제1 내부 그라운드층(140) 및 제2 내부 그라운드층(160, 도 1 참조)을 연결할 수 있다. 2개의 제2 비아들(154)은 서로 이격될 수 있다. 2개의 제2 비아들(154)이 이격된 거리는 모두 일정할 수 있다. 제2 비아들(154)은 펜스의 기능을 할 수 있다. 다시 말하면, 제2 비아들(154)은 유전체층을 통한 신호 누설을 차단할 수 있다.A plurality of second vias 154 may be positioned under the first internal ground layer 140 . First and second transmission lines 151 and 152 may be provided in an area planarly surrounded by the plurality of second vias 154 . The plurality of second vias 154 may connect the first internal ground layer 140 and the second internal ground layer 160 (refer to FIG. 1 ). The two second vias 154 may be spaced apart from each other. All distances by which the two second vias 154 are spaced apart may be constant. The second vias 154 may function as a fence. In other words, the second vias 154 may block signal leakage through the dielectric layer.

도 3a는 제1 전송 선로에 신호를 입력하는 경우의 커플링 어퍼쳐의 전기장을 설명하는 도면이고, 도 3b는 제1 전송 선로에 신호를 입력하는 경우의 30GHz 안테나 방사패턴을 설명하는 도면이고, 도 4a는 제2 전송 선로에 신호를 입력하는 경우의 커플링 어퍼쳐의 전기장을 설명하는 도면이고, 도 4b는 제2 전송 선로에 신호를 입력하는 경우의 30GHz 안테나 방사패턴을 설명하는 도면이다.3A is a diagram illustrating an electric field of a coupling aperture when a signal is input to a first transmission line, and FIG. 3B is a diagram illustrating a 30 GHz antenna radiation pattern when a signal is input to a first transmission line, 4A is a view for explaining an electric field of a coupling aperture when a signal is input to a second transmission line, and FIG. 4B is a view for explaining a 30 GHz antenna radiation pattern when a signal is input to a second transmission line.

도 3a 내지 도 4b는 고주파수 구조 시뮬레이터(High Frequency Structural Simulateor, 이하 HFSS)를 이용하여 측정한 것이다. 도 3a 및 도 4a에서, 특정 영역이 밝을수록(하얀색에 가까울수록) 해당 영역의 전기장의 세기가 강한 것이고, 어두울수록(검은색에 가까울수록) 해당 영역의 전기장의 세기가 약한 것이다.3A to 4B are measurements taken using a High Frequency Structural Simulator (HFSS). In FIGS. 3A and 4A , the brighter (closer to white) a specific area is, the stronger the electric field is, and the darker (closer to black), the weaker the electric field is.

도 2 및 도 3a를 참조하면, 제1 전송 선로(151)에 신호를 입력하는 경우, 커플링 어퍼쳐(141)의 제2 개구(141b)에 강한 전기장이 형성된다. 다시 말하면, 제1 전송 선로(151)에 신호를 입력하는 경우, 제2 개구(141b)에 제2 방향(D2)으로 전기장이 형성되어 선형 편파 특성을 가질 수 있다.2 and 3A , when a signal is input to the first transmission line 151 , a strong electric field is formed in the second opening 141b of the coupling aperture 141 . In other words, when a signal is input to the first transmission line 151 , an electric field is formed in the second opening 141b in the second direction D2 to have a linear polarization characteristic.

도 2 및 도 3b를 참조하면, 제1 전송 선로(151)에 신호를 입력하는 경우, 30GHz 주파수 대역에서, 동일편파(Co-polarization)의 엘리베이션(Elavation) 방향 패턴(210), 동일편파의 버티컬(Vertical) 방향 패턴(220), 교차편파(Cross-polarizaton)의 엘리베이션 방향 패턴(230), 교차 편파의 버티컬 방향 패턴(240)이 나타난다. 이중 편파 안테나(100)의 이득은 6.5dBi일 수 있다. 동일편파의 엘리베이션 방향 패턴(210)의 3dB 빔폭은 112도일 수 있고, 동일편파의 버티컬 방향 패턴(220)의 3dB 빔폭은 61도일 수 있다. 교차편파의 엘리베이션 방향 패턴(230) 및 버티컬 방향 패턴(240)의 이득은 -25dBi 이하일 수 있다.2 and 3B, when a signal is input to the first transmission line 151, in a frequency band of 30 GHz, an elevation pattern 210 of co-polarization and a vertical pattern of co-polarization A (Vertical) direction pattern 220 , a cross-polarizaton elevation pattern 230 , and a cross-polarization vertical direction pattern 240 appear. The gain of the dual polarization antenna 100 may be 6.5 dBi. The 3dB beamwidth of the elevation direction pattern 210 of the same polarization may be 112 degrees, and the 3dB beamwidth of the vertical direction pattern 220 of the same polarization may be 61 degrees. The gain of the elevation direction pattern 230 and the vertical direction pattern 240 of the cross polarization may be -25 dBi or less.

도 2 및 도 4a를 참조하면, 제2 전송 선로(152)에 신호를 입력하는 경우, 커플링 어퍼쳐(141)의 제1 개구(141a)에 강한 전기장이 형성된다. 다시 말하면, 제2 전송 선로(152)에 신호를 입력하는 경우, 제1 개구(141a)에 제3 방향(D3)으로 전기장이 형성되어 선형 편파 특성을 가질 수 있다.2 and 4A , when a signal is input to the second transmission line 152 , a strong electric field is formed in the first opening 141a of the coupling aperture 141 . In other words, when a signal is input to the second transmission line 152 , an electric field is formed in the first opening 141a in the third direction D3 to have linear polarization characteristics.

도 2 및 도 4b를 참조하면, 제2 전송 선로(152)에 신호를 입력하는 경우, 30GHz 주파수 대역에서, 동일편파(Co-polarization)의 엘리베이션(Elavation) 방향 패턴(310), 동일편파의 버티컬(Vertical) 방향 패턴(320), 교차편파(Cross-polarizaton)의 엘리베이션 방향 패턴(330), 교차 편파의 버티컬 방향 패턴(340)이 나타난다. 이중 편파 안테나(100)의 이득은 6.4dBi일 수 있다. 동일편파의 엘리베이션 방향 패턴(310)의 3dB 빔폭은 112도일 수 있고, 동일편파의 버티컬 방향 패턴(320)의 3dB 빔폭은 61도일 수 있다. 교차편파의 엘리베이션 방향 패턴(330) 및 버티컬 방향 패턴(340)의 이득은 -20dBi 이하일 수 있다.2 and 4B, when a signal is input to the second transmission line 152, in a frequency band of 30 GHz, an elevation pattern 310 of co-polarization, a vertical pattern of co-polarization A (Vertical) direction pattern 320 , a cross-polarizaton elevation pattern 330 , and a cross-polarization vertical pattern 340 are shown. The gain of the dual polarization antenna 100 may be 6.4 dBi. The 3dB beamwidth of the elevation direction pattern 310 of the same polarization may be 112 degrees, and the 3dB beamwidth of the vertical direction pattern 320 of the same polarization may be 61 degrees. The gain of the elevation direction pattern 330 and the vertical direction pattern 340 of the cross polarization may be -20 dBi or less.

도 5는 본 발명에 따른 이중 편파 안테나의 S-파라미터(Parameter) 모사실험 결과를 설명하는 도면이다.5 is a view for explaining the S-parameter simulation test results of the dual polarization antenna according to the present invention.

도 2 및 도 5를 참조하면, 제1 전송 선로(151)에 신호를 입력하는 경우의 제1 S-파라미터(410), 제2 전송 선로(152)에 신호를 입력하는 경우의 제2 S-파라미터(420), 양 선로간의 신호의 누설을 의미하는 선로 아이솔레이션(Isolation, 430)이 나타난다. 제1 S-파라미터(410)에서, 10dB 이상의 반사 손실을 가지는 안테나의 대역은 25.3 내지 30.7GHz일 수 있다. 따라서, 5.4GHz의 대역폭을 가질 수 있다. 제2 S-파라미터(420)에서, 10dB 이상의 반사 손실을 가지는 안테나의 대역은 25.7 내지 31.2GHz일 수 있다. 따라서, 5.5GHz의 대역폭을 가질 수 있다. 다시 말하면, 제1 및 제2 S-파라미터들(410,420)은 18% 이상의 비대역폭(Fractional bandwidth)을 가질 수 있다. 선로 아이솔레이션(430)은 10dB 이상의 반사 손실을 가지는 대역 내에서 27dB 이상일 수 있다.2 and 5 , a first S-parameter 410 when a signal is input to the first transmission line 151 and a second S-parameter 410 when a signal is input to the second transmission line 152 A parameter 420, line isolation 430, which means signal leakage between both lines, appears. In the first S-parameter 410 , the band of the antenna having a return loss of 10 dB or more may be 25.3 to 30.7 GHz. Accordingly, it may have a bandwidth of 5.4 GHz. In the second S-parameter 420 , the band of the antenna having a return loss of 10 dB or more may be 25.7 to 31.2 GHz. Accordingly, it may have a bandwidth of 5.5 GHz. In other words, the first and second S-parameters 410 and 420 may have a fractional bandwidth of 18% or more. The line isolation 430 may be 27 dB or more within a band having a 10 dB or more return loss.

도 6은 본 발명에 따른 이중 편파 안테나의 주파수에 따른 안테나 이득을 설명하는 도면이다.6 is a diagram for explaining an antenna gain according to a frequency of a dual polarization antenna according to the present invention.

도 2 및 도 6을 참조하면, 제1 전송 선로(151)에 신호를 입력하는 경우의 제1 안테나 이득(510) 및 제2 전송 선로(152)에 신호를 입력하는 경우의 제2 안테나 이득(520)이 나타난다. 제1 및 제2 안테나 이득(510,520)을 참조하면, 10dB 이상의 반사 손실을 가지는 주파수 대역 내에서, 제1 및 제2 안테나 이득(510,520)의 변화는 1dB 이하일 수 있다. 따라서, 평탄한 주파수-이득 특성이 나타날 수 있다. 10dB 이상의 반사 손실을 가지는 주파수 대역 내에서, 제1 및 제2 안테나 이득(510,520)의 최대 이득은 6.5dBi일 수 있다. 2 and 6 , a first antenna gain 510 when a signal is input to the first transmission line 151 and a second antenna gain 510 when a signal is input to the second transmission line 152 ( 520) appears. Referring to the first and second antenna gains 510 and 520 , within a frequency band having a return loss of 10 dB or more, the change of the first and second antenna gains 510 and 520 may be 1 dB or less. Accordingly, a flat frequency-gain characteristic may appear. In a frequency band having a return loss of 10 dB or more, the maximum gain of the first and second antenna gains 510 and 520 may be 6.5 dBi.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.As mentioned above, although embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can practice the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You can understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

100: 이중 편파 안테나
110: 유전체 공진기
120: 안테나 기판
130: 금속 패턴
140: 제1 내부 그라운드층
141: 커플링 어퍼쳐
150: 급전 회로 기판
151: 제1 전송 선로
152: 제2 전송 선로
160: 제2 내부 그라운드층
170: 외부 회로 기판100: dual polarization antenna
110: dielectric resonator
120: antenna board
130: metal pattern
140: first internal ground layer
141: coupling aperture
150: power supply circuit board
151: first transmission line
152: second transmission line
160: second inner ground layer
170: external circuit board

Claims

dielectric resonators;
an antenna substrate including a plurality of vias positioned on side surfaces of the dielectric resonator;
a metal pattern positioned on the antenna substrate and including an antenna opening;
an internal ground layer disposed under the antenna substrate and the dielectric resonator and including a coupling aperture; and
and a power supply circuit board located under the internal ground layer and including a first transmission line and a second transmission line,
the coupling aperture includes a first opening extending in a first direction and a second opening extending in a second direction intersecting the first direction;
a first end of the first transmission line vertically overlaps with the first opening;
A second end of the second transmission line vertically overlaps with the second opening.

The method of claim 1,
The first transmission line includes a first end vertically overlapping with the first opening,
A width of the first end is smaller than a width of the first opening.

The method of claim 1,
The second transmission line includes a second end vertically overlapping with the second opening,
A width of the second end is greater than a width of the second opening.

The method of claim 1,
The dual polarization antenna further comprising first vias electrically connecting the metal pattern and the internal ground layer.

5. The method of claim 4,
Each of the first vias extends in the first direction, the dual polarization antenna is located on the side of the dielectric resonator.

5. The method of claim 4,
The dual polarization antenna further comprising second vias surrounding side surfaces of the first transmission line and the second transmission line.

7. The method of claim 6,
The dual polarization antenna further comprising a second internal ground layer positioned below the power supply circuit board.

8. The method of claim 7,
The second vias electrically connect the inner ground layer to the second inner ground layer.

8. The method of claim 7,
Further comprising a first external line positioned below the second internal ground layer,
The first external line is a dual polarization antenna connected to the first transmission line.

10. The method of claim 9,
Further comprising a first connection line connecting the first transmission line and the first external line,
wherein the second inner ground layer provides a first dielectric spacer that is a hole extending in the first direction;
The first connection line is a dual polarization antenna passing through the first dielectric spacer.