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KR20150087595A - 유전체 공진기 안테나 - Google Patents

유전체 공진기 안테나 Download PDF

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KR20150087595A
KR20150087595A KR1020140007748A KR20140007748A KR20150087595A KR 20150087595 A KR20150087595 A KR 20150087595A KR 1020140007748 A KR1020140007748 A KR 1020140007748A KR 20140007748 A KR20140007748 A KR 20140007748A KR 20150087595 A KR20150087595 A KR 20150087595A
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KR
South Korea
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dielectric resonator
antenna
vias
substrate
ground plane
Prior art date
Application number
KR1020140007748A
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English (en)
Inventor
김동영
임종원
김천수
Original Assignee
한국전자통신연구원
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0485—Dielectric resonator antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
    • H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
    • H01P1/2084—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure with dielectric resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

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Abstract

본 발명은 유전체 공진기 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 유전체 공진기 안테나는 유전체 공진기, 유전체 공진기가 내부에 형성되고, 유전체 공진기 주변에 위치한 복수의 비아들을 포함한 안테나 기판, 안테나 기판의 상부에서 개구면을 형성하는 금속 패턴, 유전체 공진기 상부에서 금속 패턴을 덮는 유전체 기판, 유전체 공진기의 하부에서, 유전체 공진기로 신호를 입력하기 위한 커플링 어퍼쳐를 포함한 내부 그라운드면, 및 유전체 공진기로 신호를 전달하는 스트립 전송선로를 포함하고, 안테나 기판의 하부에 위치한 급전 회로 기판을 포함한다.

Description

유전체 공진기 안테나{DIELECTRIC RESONATOR ANTENNA}
본 발명은 안테나 시스템에 관한 것으로서, 제작 비용을 감소시킬 수 있는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC: Low Temperature Co-fired Ceramic) 기반의 기판 매립형 유전체 공진기 안테나에 관한 것이다.
밀리미터파 대역의 주파수는 마이크로파 대역의 주파수에 비해 직진성이 우수하고, 광대역 특성을 가지고 있기 때문에 레이더나 통신 서비스의 응용에 주목받고 있다. 특히, 밀리미터파 대역은 파장이 작기 때문에 안테나의 소형화가 용이하므로, 시스템의 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 장점을 가진다. 이러한 밀리미터파 대역을 이용한 서비스로, 60기가헤르쯔(GHz) 대역을 이용한 광대역 통신과 77GHz 대역을 이용한 자동차용 레이더가 특히 주목 받고 있으며 현재, 상용화를 통해 제품의 출시가 이루어지고 있다.
이러한 밀리미터파 대역을 이용한 시스템을 구성하기 위해, 제품의 소형화와 비용 절감을 할 수 있는 시스템 인 패키징(SIP: System in Packaging) 형태로 시스템을 구현하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한, 시스템 인 패키징의 구현방법으로는 저온 동시 소성 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic, 이하 'LTCC'라 칭하기로 함), 액정 고분자(Liquid Crystal Polymer, 이하 'LCP'라 칭하기로 함)와 같은 기술들이 고려되고 있다. 이러한, LTCC, LCP와 같은 기술들은 다층기판을 이용하여 모듈의 소형화와 저가격화를 이룰 수 있다.
특히, LTCC를 이용하면, 안테나를 프론트 앤드 모듈(FEM: Front End Module)과 통합하여 실장하여 안테나 인 패키지(Antenna in Package, 이하 'AIP'라 칭하기로 함)의 형태로 안테나 일체형 모듈을 구현할 수 있다. 일반적으로, AIP를 구성에 적합한 안테나 구조로 패치 안테나가 널리 사용된다. 그러나, 밀리미터파 주파수 대역, 특히 약 60GHz 대역 이상의 초고주파 대역에서 동작하는 패치 안테나를 제작하는 경우, 유전체 기판의 표면을 타고 흐르는 표면파의 발생으로 인한 신호의 누설로 안테나 특성이 열화되는 문제를 가지고 있다.
이러한 신호의 누설은 안테나의 방사 효율을 떨어뜨려서 안테나 이득을 감소시키는데 사용되는 기판의 두께가 증가할수록 커지고, 기판의 유전율이 높을수록 커진다. 따라서, LTCC 기반의 패치안테나에서는 표면파의 발생을 억제하기 위한 에어 캐비티(Air Cavity)의 도입이나, 전자기 밴드갭(Electro-Magnetic Bandgap) 구조의 삽입 등과 같이 복잡한 구조를 필요로 한다. 반면에, LTCC에서 기판의 내부를 파내는 에어 캐비티 공정은 제품의 수율을 저하시켜, 대량 생산에는 적합하지 않다.
패치 안테나 이외에 AIP에 적용되는 안테나 구조는 유전체 공진기를 이용하는 안테나가 있다. 유전체 공진기 안테나는 안테나의 역할을 하는 유전체 공진기가 금속으로 둘러싸여 있어서 구조적으로 표면파의 발생이 억제되므로 양호한 안테나 특성을 갖는다.
LTCC를 이용한 유전체 공진기 안테나는 안테나의 개구면의 형성을 위해 기판 표면에 금속면이 위치한다. LTCC 공정에서 은(Ag)페이스트를 이용하여 표면 및 내부의 금속 패턴을 프린팅하고, 이를 적층한 후 소성을 한다. 이때, 표면에 노출된 은(Ag) 전극은 외부의 산소와 반응하여 쉽게 산화되기 때문에 도금 공정을 추가로 하여 산화를 억제한다.
이와 같이, 기존의 LTCC를 이용한 유전체 공진기 안테나는 외부에 노출된 금속으로 인해, 도금 공정을 필요로 함에 따라 공정 비용이 크게 증가하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 안테나 제작 공정 비용을 감소시킬 수 있는 유전체 기판 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 기판들로 구성된 안테나에서 금속 패턴을 기판 내부로 매립시킨 유전체 공진기 안테나를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 유전체 공진기 안테나는 유전체 공진기, 상기 유전체 공진기가 내부에 형성되고, 상기 유전체 공진기 주변에 위치한 복수의 비아들을 포함한 안테나 기판, 상기 안테나 기판의 상부에서 개구면을 형성하는 금속 패턴, 상기 유전체 공진기 상부에서 상기 금속 패턴을 덮는 유전체 기판, 상기 유전체 공진기의 하부에서, 상기 유전체 공진기로 신호를 입력하기 위한 커플링 어퍼쳐를 포함한 내부 그라운드면, 및 상기 유전체 공진기로 신호를 전달하는 스트립 전송선로를 포함하고, 상기 안테나 기판의 하부에 위치한 급전 회로 기판을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 급전 회로 기판 하부에 위치한 외부 그라운드면을 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 복수의 비아들은 상기 안테나 기판 내부에 형성되고, 신호 누설을 억제하도록 상기 유전체 공진기의 펜스를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 복수의 비아들의 간격은 상기 유전체 공진기 안테나의 주파수 파장의 1/4이하의 값으로 간격을 설정하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 커플링 어퍼쳐에 의한 커플링을 위해 커플링 어퍼쳐의 크기를 조절하여 상기 유전체 공진기 안테나의 대역폭을 확장하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 유전체 공진기와 상기 금속 기판은 상기 안테나 기판, 상기 유전체 기판, 상기 급전 회로 기판들 내부에 매립되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 급전 회로 기판은 상기 스트립 전송선로 주변에 위치한 복수의 비아들을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 급전 회로 기판은 두 개의 기판을 포함하고, 상기 스트립 전송선로는 상기 두 개의 기판들 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 내부 그라운드면과 상기 외부 그라운드면은 상기 스트립 전송선로 주변에 위치한 복수의 비아들을 통해 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유전체 공진기 안테나는 복수의 기판들, 상기 기판들 내부에 위치한 유전체 공진기, 상기 기판들 내부에 위치하고, 상기 유전체 공진기 안테나 주변에 위치한 복수의 비아들, 상기 유전체 공진기의 상부에 위치하고, 상기 기판들 내부에 매립된 금속 패턴, 및 상기 유전체 공진기의 하부에 위치하고, 상기 기판들 사이에 위치하는 내부 그라운드면을 포함하고, 상기 금속 패턴과 상기 내부 그라운드면은 상기 비아들을 통해 상호 간에 연결되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 복수의 비아들은 신호 누설을 억제하도록 상기 유전체 공진기의 펜스를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 복수의 비아들의 간격은 상기 유전체 공진기 안테나의 주파수 파장의 1/4이하의 값으로 간격을 설정하여 배치되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 내부 그라운드면은 유전체 공진기로 신호를 입력하기 위한 커플링 어퍼쳐를 포함하고, 상기 커플링 어퍼쳐에 의한 커플링을 위해 커플링 어퍼쳐의 크기를 조절하여 상기 유전체 공진기 안테나의 대역폭을 확장하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 기판들은 상기 유전체 공진기와 상기 복수의 비아들이 형성된 안테나 기판, 상기 안테나 기판의 상부에 위치한 유전체 기판, 및 상기 안테나 기판의 하부에 위치하여 상기 유전체 공진기로 신호를 전달하는 급전 회로 기판을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 급전 회로 기판 하부에 위치한 외부 그라운드면을 더 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 급전 회로 기판은 상기 유전체 공진기로 신호를 전달하는 스트립 전송선로, 및 상기 스트립 전송선로의 주변에 위치한 복수의 비아들을 포함하고, 상기 복수의 비아들은 상기 내부 그라운드면과 상기 외부 그라운드면을 연결하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유전체 공진기 안테나는 유전체 공진기를 복수의 기판 내부에 매립시켜 외부에 노출되는 금속면을 제거함으로써, 금속 면의 보호를 위한 공정을 제거하여 공정 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나의 단면을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스트립 전송선로와 커플링 어퍼쳐를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시에에 따른 유전체 공진기 안테나를 설명하기 위한 유전체 공진기를 이용한 안테나를 도시한 도면,
도 5는 도 4의 유전체 공진기 안테나의 반사특성을 예시적으로 도시한 그래프,
도 6은 도 4의 유전체 공진기 안테나의 이득을 예시적으로 도시한 그래프,
도 7은 도 1에 도시된 유전체 공진기 안테나의 반사 특성을 예시적으로 도시한 그래프, 및
도 8은 도 1에 도시된 유전체 공진기 안테나의 이득을 예시적으로 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
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 Co-fired Ceramic, 이하 'LTCC'라 칭하기로 함) 기술을 이용하여 구현된 안테나를 일예로 설명한다. 또한, 본 발명의 유전체 공진기 안테나는 밀리미터파 주파수 대역(특히, 60기가헤르쯔(GHz)) 이상의 초고주파 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 유전체 공진기 안테나(100)는 유전체 공진기(110), 안테나 기판(120), 금속 패턴(130), 유전체 기판(140), 내부 그라운드면(150), 급전 회로 기판(160), 및 외부 그라운드면(170)을 포함한다.
유전체 공진기(110)는 안테나 기판(120)의 내부에 매립되어 있다. 유전체 공진기(110)의 사용 주파수 대역에서의 공진에 따른 두께와 크기를 가질 수 있다.
안테나 기판(120)은 복수의 기판들이 겹쳐진 복수의 층들로 구성될 수 있고, 유전체 공진기(110)를 내부에 포함한다. 안테나 기판(120)은 유전체 공진기(110) 주변을 둘러싼 복수의 비아들(121)을 포함한다. 여기서, 복수의 비아들(121)은 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 복수의 비아들(121)은 유전체 공진기(110)의 금속 패턴(130)과 내부 그라운드면(150)의 연결을 통해 펜스 기능을 가짐으로써, 유전체를 통한 신호 누설을 차단하고, 유전체 공진기(110)를 구성할 수 있다.
금속 패턴(130)은 유전체 공진기(110)의 상부에 위치한다. 금속 패턴(130)은 안테나의 개구면을 형성한다.
유전체 기판(140)은 금속 패턴(130)의 상부에 위치하여 금속 패턴(130)을 보호한다. 예를 들어, 유전체 기판(140)은 하나의 층으로 이루어질 수 있다.
내부 그라운드면(150)은 유전체 공진기(110)의 하부에 위치한다. 내부 그라운드면(150)은 금속면으로 안테나의 그라운드 기능을 갖는다. 내부 그라운드면(150)은 복수의 비아들(121)을 통해 금속 패턴(130)과 연결된다. 복수의 비아들(121)은 유전체 공진기(110) 주변을 둘러싼 형태로 배치된다. 내부 그라운드면(150)은 유전체 공진기(110)로 신호 입력을 위한 커플링 어퍼쳐(coupling aperture)(151)를 포함한다. 여기서, 커플링 어퍼쳐(151)는 유전체 공진기(110)의 하단에 위치할 수 있으며, 안테나 신호를 입력하기 위한 것이다.
급전 회로 기판(160)은 내부 그라운드면(150)의 하부에 위치한다. 일예로, 두 개의 층들로 구성될 수 있고, 급전 회로 기판(160)을 구성하는 기판들 사이에 스트립 전송선로(161)가 위치한다. 스트립 전송선로(161)는 신호의 급전을 위해 사용된다. 스트립 전송선로(161)의 일부는 커플링 어퍼쳐(151)에 의해 형성된 영역의 하단에 위치할 수 있다.
외부 그라운드면(170)은 급전 회로 기판(160)의 하단에 위치한다. 외부 그라운드면(170)은 금속면으로 그라운드 기능을 갖는다.
유전체 공진기 안테나(100)는 복수의 기판층들, 즉 다층구조의 LTCC 기술을 이용한다. 예를 들어, 유전체 공진기 안테나(100)는 밀리미터파 주파수 대역, 특히 60기가헤르쯔(GHz) 이상의 초고주파 대역에서 동작할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 제안된 유전체 공진기 안테나(100)는 안테나의 맨 윗면에는 유전체 기판(140)이 위치함으로써 금속의 노출이 없이 유전체로만 구성된다. 이를 통해, 기판 외부에 노출되는 금속면을 제거함으로써, 유전체 공진기 안테나(100)는 LTCC 공정에서 기판 외부 금속의 산화를 방지하기 위한 금의 도금 공정을 필요로 하지 않음으로 공정 비용을 절감할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유전체 공진기 안테나의 단면을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 유전체 공진기 안테나(100)는 유전체 공진기(110), 안테나 기판(120), 금속 패턴(130), 유전체 기판(140), 내부 그라운드면(150), 급전 회로 기판(160), 및 외부 그라운드면(170)을 포함한다. 여기서, 유전체 공진기 안테나(100)는 도 1에 도시된 유전체 공진기 안테나(100)의 측면을 도시한다.
유전체 공진기(110)가 안테나 기판(120)과 유전체 기판(140)에 포함된다. 유전체 공진기(110)의 상부를 통해서 신호가 방사(radiated signal)(10)되고 있다.
안테나 기판(120)은 복수의 비아들(121)을 포함한다. 여기서, 안테나 기판(120)은 네 개의 기판들을 포함한 경우를 예시적으로 도시한다. 이때, 복수의 비아(121)들은 유전체 공진기(110)의 측면에 위치한다.
금속 기판(130)은 안테나 기판(120)의 상부에 위치하고 있으며, 유전체 공진기(110) 주변의 비아들(121)의 상단에 연결된다.
유전체 기판(140)이 금속 기판(130)의 상부에 위치한다.
내부 그라운드면(150)은 안테나 기판(120)의 하단에 위치한다. 내부 그라운드면(150)에 유전체 공진기(110)로 신호를 전달하기 위한 커플링 어퍼쳐(151)가 형성된다. 예를 들어, 내부 그라운드면(150)은 은(Ag) 전극을 이용한 금속층으로 형성될 수 있다.
이때, 내부 그라운드면(150)과 금속 기판(130)은 금속층으로 형성될 수 있고, 비아들(121)을 이용하여 전기적으로 연결된다.
급전 회로 기판(160)은 내부에 스트립 전송선로(161)를 포함한다. 여기서, 급전 회로 기판(160)은 두 개의 기판들을 포함한 경우를 예시적으로 도시한다. 이때, 스트립 전송선로(161)는 두 개의 기판들 사이에 위치할 수 있고, 스트립 전송선로(161)의 일부는 커플링 어퍼쳐(151)에 의해 형성된 영역의 하단에 위치할 수 있다.
외부 그라운드면(170)은 급전 회로 기판(160)의 하단에 위치한다.
예를 들어, 본 발명에서 제안된 유전체 공진기 안테나(100)는 유전율은 0.6이고, 유전손실( )이 0.0035인 LTCC 다층 기판으로 구성된다. 이때, 유전체 공진기 안테나(100)는 일곱 개의 기판들(안테나 기판(120), 유전체 기판(140), 및 급전 회로 기판(160))의 층으로 구성된다.
유전체 공진기(110)는 안테나 기판(120)에 형성될 수 있고, 안테나 기판(120)이 네 개의 층으로 구성된다. 기판들 하나의 간격을 0.1밀리미터(mm)이면, 유전체 공진기(110)는 0.4mm의 두께를 갖는다.
유전체 공진기(110)는 비아들로 둘러싸여 있다. 이때, 비아들 간의 간격을 결정된 주파수에서 파장의 1/4 이하의 값으로 감소시켜 배치하면, 비아들이 금속벽(metal wall)의 역할을 수행하여 신호의 누설을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스트립 전송선로와 커플링 어퍼쳐를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 급전 회로 기판(160)에 위치한 스트립 전송선로(161)를 도시한 도면이다. 스트립 전송선로(161)의 상부에 위치한 커플링 어퍼쳐(151)가 함께 도시되어 있다.
이때, 급전 회로 기판(160)은 스트립 전송선로(161)의 주변으로 누설되는 신호를 차단하기 위한 복수의 비아들(162)을 포함할 수 있다. 복수의 비아들(162)은 상부에 위치한 내부 그라운드면(150)과, 하부에 위치한 외부 그라운드면(170)을 연결한다. 이때, 복수의 비아들(162)은 스트립 전송선로(161)와 커플링 어퍼쳐(151)의 주변을 둘러싼 형태로 배치된다.
유전체 공진기 안테나(100)의 동작 주파수 대역에서 유전체 공진기(110)의 커플링을 위해서, 커플링 어퍼쳐(151)의 크기, 즉 길이(length)와 폭(width)은 가변될 수 있다. 또한, 커플링 어퍼쳐(151)의 중점을 기준으로 급전 회로 기판(160) 내부로 유입된 스트립 전송라인의 끝부분까지의 거리, 즉 급전 길이(feeding length)도 유전체 공진기(110)와 커플링을 위해서 가변될 수 있다.
따라서, 어퍼쳐 길이(aperture length), 어퍼쳐 폭(aperture width), 급전 길이의 제어를 통한 커플링으로부터 유전체 공진기 안테나(100)의 동작 주파수를 확장할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시에에 따른 유전체 공진기 안테나를 설명하기 위한 유전체 공진기를 이용한 안테나를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 유전체 공진기 안테나(200)는 유전체 공진기(210), 안테나 기판(220), 금속 패턴(230), 내부 그라운드면(240), 급전 회로 기판(250), 및 외부 그라운드면(260)을 포함한다.
도 4에 도시된 유전체 공진기 안테나(200)는 전반적으로 도 2에 도시된 유전체 공진기 안테나(100)와 유사한 구조를 갖는다. 여기서는, 도 2에 도시된 유전체 공진기 안테나(100)의 성능을 확인하기 위해, 도 2의 구조에서 금속 패턴(230)을 노출시킨 구조를 갖는다.
이와 같은 유전체 공진기 안테나(200)는 기판 상부에 금속 패턴(230)이 노출됨에 따라 금도금 공정 등이 필요하다.
따라서, 유전체 기판이 금속 패턴(230) 상부에 존재하지 않는 차이점을 제외한 나머지 전반적인 구성에 대해서는 도 2 또는 도 1의 설명을 참조하기로 한다.
여기서도, 유전체 공진기 안테나(200)는 일곱 개의 기판들(안테나 기판(220), 급전 회로 기판(160))의 층으로 구성된다. 따라서, 안테나 기판(220)은 다섯 개의 층으로 구성된다.
도 4에서는 도 2(또는, 도 1)와의 비교를 위해, 유전체 공진기(210)는 약 77GHz에서 공진하도록 설계되어 있다.
도 5는 도 4의 유전체 공진기 안테나의 반사특성을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 그래프의 가로축은 주파수(GHz)를 나타내고, 세로축은 에스파라미터(S11(dB))를 나타낸다.
이때, 유전체 공진기 안테나(200)를 고주파수 구조 시뮬레이터(High Frequency Structural Simulator, 이하 'HFSS'라 칭하기로 함)를 이용하여 측정한 반사특성(310)이 도시되어 있다.
유전체 공진기 안테나(200)의 대역은 약 72.9GHz 내지 약 81.7GHz의 넓은 대역폭을 갖는다.
도 6은 도 4의 유전체 공진기 안테나의 이득을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 전기장 필드(E-field)(320)와 자기장 필드(H-field)(330)를 도시한다. 이를 통해, 약 77GHz 대역에서의 유전체 공진기 안테나(200)의 이득은 7.4dBi로 일반적인 패치 안테나에 비해 우수한 특성을 갖는다.
도 7은 도 1에 도시된 유전체 공진기 안테나의 반사 특성을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 그래프의 가로축은 주파수(GHz)를 나타내고, 세로축은 에스파라미터(S11(dB))를 나타낸다.
이때, 유전체 공진기 안테나(100)를 HFSS를 이용하여 측정한 반사특성(410)이 도시되어 있다.
유전체 공진기 안테나(100)의 대역은 약 74.4GHz 내지 약 83.3GHz로 약 8.9GHz의 넓은 대역폭을 갖는다.
도 8은 도 1에 도시된 유전체 공진기 안테나의 이득을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 전기장 필드(E-field)(420)와 자기장 필드(H-field)(430)를 도시한다. 이를 통해, 약 77GHz 대역에서의 유전체 공진기 안테나(100)의 이득은 7.1dBi로 도 4의 유전체 공진기 안테나(200)와 유사한 고이득 특성을 갖는다.
이를 통해, 본 발명에서 제안된 유전체 공진기 안테나는 금속 기판이 노출된 안테나 구조에 비해 성능에서 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다.
본 발명의 유전체 공진기 안테나는 유전체 공진기의 주위는 신호의 누설을 막는 금속벽(비아들, 금속 패턴, 내부 그라운드면)과 같은 형태로 구현된다. 이때, 다층 기판의 맨 윗부분의 유전체 공진기 부분만이 개구면으로 개방되어 있어 신호를 전송할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 유전체 공진기 안테나는 매립형 유전체 공진기의 사용으로 인해 기판의 외부에 노출된 금속 패턴을 보호(일예로, 산화를 방지)하기 위한 고가의 도금 공정을 사용하지 않고도 제작될 수 있다. 이를 통해, 본 발명에서 제안된 유전체 공진기 안테나는 제조를 위한 공정 단가를 낮추면서도 광대역 고이득 성능이 감소되지 않는다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 유전체 공진기 안테나 110, 210: 유전체 공진기
120, 220: 안테나 기판 130, 230: 금속 패턴
140: 유전체 기판 150, 240: 내부 그라운드면
160, 250: 급전 회로 기판 170, 260: 외부 그라운드면
121, 221, 162: 비아들 151, 241: 커플링 어퍼쳐
161, 251: 스트립 전송선로

Claims (16)

  1. 유전체 공진기;
    상기 유전체 공진기가 내부에 형성되고, 상기 유전체 공진기 주변에 위치한 복수의 비아들을 포함한 안테나 기판;
    상기 안테나 기판의 상부에서 개구면을 형성하는 금속 패턴;
    상기 유전체 공진기 상부에서 상기 금속 패턴을 덮는 유전체 기판;
    상기 유전체 공진기의 하부에서, 상기 유전체 공진기로 신호를 입력하기 위한 커플링 어퍼쳐를 포함한 내부 그라운드면; 및
    상기 유전체 공진기로 신호를 전달하는 스트립 전송선로를 포함하고, 상기 안테나 기판의 하부에 위치한 급전 회로 기판을 포함하는 유전체 공진기 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 회로 기판 하부에 위치한 외부 그라운드면을 더 포함하는 유전체 공진기 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 비아들은 상기 안테나 기판 내부에 형성되고, 신호 누설을 억제하도록 상기 유전체 공진기의 펜스를 형성하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  4. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 비아들의 간격은 상기 유전체 공진기 안테나의 주파수 파장의 1/4이하의 값으로 간격을 설정하여 배치되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 어퍼쳐에 의한 커플링을 위해 커플링 어퍼쳐의 크기를 조절하여 상기 유전체 공진기 안테나의 대역폭을 확장하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 공진기와 상기 금속 기판은 상기 안테나 기판, 상기 유전체 기판, 상기 급전 회로 기판들 내부에 매립되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 회로 기판은 상기 스트립 전송선로 주변에 위치한 복수의 비아들을 포함하는 유전체 공진기 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 급전 회로 기판은 두 개의 기판을 포함하고,
    상기 스트립 전송선로는 상기 두 개의 기판들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 내부 그라운드면과 상기 외부 그라운드면은 상기 스트립 전송선로 주변에 위치한 복수의 비아들을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  10. 복수의 기판들;
    상기 기판들 내부에 위치한 유전체 공진기;
    상기 기판들 내부에 위치하고, 상기 유전체 공진기 안테나 주변에 위치한 복수의 비아들;
    상기 유전체 공진기의 상부에 위치하고, 상기 기판들 내부에 매립된 금속 패턴; 및
    상기 유전체 공진기의 하부에 위치하고, 상기 기판들 사이에 위치하는 내부 그라운드면을 포함하고,
    상기 금속 패턴과 상기 내부 그라운드면은 상기 비아들을 통해 상호 간에 연결되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 비아들은 신호 누설을 억제하도록 상기 유전체 공진기의 펜스를 형성하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 비아들의 간격은 상기 유전체 공진기 안테나의 주파수 파장의 1/4이하의 값으로 간격을 설정하여 배치되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부 그라운드면은
    유전체 공진기로 신호를 입력하기 위한 커플링 어퍼쳐를 포함하고,
    상기 커플링 어퍼쳐에 의한 커플링을 위해 커플링 어퍼쳐의 크기를 조절하여 상기 유전체 공진기 안테나의 대역폭을 확장하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판들은
    상기 유전체 공진기와 상기 복수의 비아들이 형성된 안테나 기판;
    상기 안테나 기판의 상부에 위치한 유전체 기판; 및
    상기 안테나 기판의 하부에 위치하여 상기 유전체 공진기로 신호를 전달하는 급전 회로 기판을 포함하는 유전체 공진기 안테나.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 급전 회로 기판 하부에 위치한 외부 그라운드면을 더 포함하는 유전체 공진기 안테나.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 급전 회로 기판은
    상기 유전체 공진기로 신호를 전달하는 스트립 전송선로; 및
    상기 스트립 전송선로의 주변에 위치한 복수의 비아들을 포함하고,
    상기 복수의 비아들은 상기 내부 그라운드면과 상기 외부 그라운드면을 연결하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
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