KR20210033461A

KR20210033461A - 안테나 장치

Info

Publication number: KR20210033461A
Application number: KR1020210035907A
Authority: KR
Inventors: 이원철; 김남기; 류정기; 금재민
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2021-03-26
Also published as: CN111725615A; US20200303821A1; US20210408687A1; CN111725615B; US11158948B2; US11670857B2; KR102465880B1

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 관통홀을 가지는 제1 패치 안테나 패턴과, 제1 패치 안테나 패턴의 상측에 이격 배치된 제2 패치 안테나 패턴과, 제1 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결된 제1 피드비아와, 제1 패치 안테나 패턴의 관통홀을 관통하는 제2 피드비아와, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴의 사이에서 제2 피드비아에 전기적으로 연결되고 제2 패치 안테나 패턴의 중심에서 가장자리 방향으로 제2 피드비아보다 더 치우쳐져 제2 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결되는 피드 패턴을 포함할 수 있다.

Description

안테나 장치{Antenna apparatus}

본 발명은 안테나 장치에 관한 것이다.

이동통신의 데이터 트래픽(Data Traffic)은 매년 비약적으로 증가하는 추세이다. 이러한 비약적인 데이터를 무선망에서 실시간으로 지원해 주고자 활발한 기술 개발이 진행 중에 있다. 예를 들어, IoT(Internet of Thing) 기반 데이터의 컨텐츠화, AR(Augmented Reality), VR(Virtual Reality), SNS와 결합한 라이브 VR/AR, 자율 주행, 싱크뷰 (Sync View, 초소형 카메라 이용해 사용자 시점 실시간 영상 전송) 등의 애플리케이션(Application)들은 대용량의 데이터를 주고 받을 수 있게 지원하는 통신(예: 5G 통신, mmWave 통신 등)을 필요로 한다.

따라서, 최근 5세대(5G) 통신을 포함하는 밀리미터웨이브(mmWave) 통신이 활발하게 연구되고 있으며, 이를 원활히 구현하는 안테나 장치의 상용화/표준화를 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.

높은 주파수 대역(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz 등)의 RF 신호는 전달되는 과정에서 쉽게 흡수되고 손실로 이어지므로, 통신의 품질은 급격하게 떨어질 수 있다. 따라서, 높은 주파수 대역의 통신을 위한 안테나는 기존 안테나 기술과는 다른 기술적 접근법이 필요하게 되며, 안테나 이득(Gain) 확보, 안테나와 RFIC의 일체화, EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 확보 등을 위한 별도의 전력 증폭기 등 특수한 기술 개발을 요구할 수 있다.

일본 특개2015-216577

본 발명은 안테나 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 관통홀을 가지는 제1 패치 안테나 패턴; 상기 제1 패치 안테나 패턴의 상측에 이격 배치된 제2 패치 안테나 패턴; 상기 제1 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결된 제1 피드비아; 상기 제1 패치 안테나 패턴의 관통홀을 관통하는 제2 피드비아; 및 상기 제1 및 제2 패치 안테나 패턴의 사이에서 상기 제2 피드비아에 전기적으로 연결되고 상기 제2 패치 안테나 패턴의 중심에서 가장자리 방향으로 상기 제2 피드비아보다 더 치우쳐져 상기 제2 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결되는 피드 패턴; 을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 관통홀을 가지는 제1 패치 안테나 패턴; 상기 제1 패치 안테나 패턴의 상측에 이격 배치된 제2 패치 안테나 패턴; 상기 제1 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결된 제1 피드비아; 상기 제1 패치 안테나 패턴의 관통홀을 관통하는 제2 피드비아; 각각 상기 제1 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결되고 상기 제2 피드비아를 둘러싸도록 배열되는 복수의 차폐비아; 및 상기 제1 패치 안테나 패턴의 중심에서 상기 복수의 차폐비아가 치우져진 방향과 다른 방향으로 치우쳐져 상기 제1 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결된 복수의 더미비아; 를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단을 제공하면서도 안테나 성능(예: 이득, 대역폭, 지향성(directivity), 송수신율 등)을 향상시키거나 쉽게 소형화될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 압축적 배치에 따라 전반적인 사이즈의 소형화를 쉽게 구현할 수 있으며, 서로 다른 복수의 주파수 대역 각각의 전송선로 임피던스 매칭 자유도를 높이면서 전송선로 에너지 손실을 줄일 수 있으며, 서로 다른 복수의 주파수 대역 간의 격리도를 향상시켜서 서로 다른 복수의 주파수 대역 각각의 이득을 향상시킬 수 있으며, 복수의 RF 신호 간의 편파를 보다 효율적으로 구현할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 복수의 패치 안테나 패턴과 복수의 피드비아를 나타낸 사시도 및 측면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1a 및 도 1b의 안테나 장치와 그에 포함될 수 있는 차폐비아, 피드 패턴 및 슬롯을 나타낸 측면도, 평면도 및 부분 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b의 안테나 장치와 그에 포함된 더미비아를 나타낸 측면도 및 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 그라운드 플레인을 나타낸 평면도이다.
도 4b는 도 4a의 그라운드 플레인의 하측의 피드라인을 나타낸 평면도이다.
도 4c는 도 4b의 피드라인의 하측의 배선비아와 제2 그라운드 플레인을 나타낸 평면도이다.
도 4d는 도 4c의 제2 그라운드 플레인의 하측의 IC 배치 영역과 엔드-파이어 안테나를 나타낸 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4a 내지 도 4d가 도시하는 부분과 그 하측의 구조를 예시한 측면도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치를 개략적으로 나타낸 사시도 및 측면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 제1 패치 안테나 패턴(111a) 및 제2 패치 안테나 패턴(112a)을 포함함으로써 서로 다른 복수의 주파수 대역에 대한 송수신 수단을 제공할 수 있으며, 커플링 패치 패턴(115a)을 더 포함함으로써 제2 패치 안테나 패턴(112a)에 대응되는 주파수 대역폭을 넓힐 수 있다. 여기서, 커플링 패치 패턴(115a)은 대역폭 설계 조건에 따라 생략될 수 있다.

또한, 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 제1 피드비아(121a, 121b), 제2 피드비아(122a, 122b) 및 그라운드 플레인(201a)을 포함한다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)은 제1 피드비아(121a, 121b)의 일단에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111a)은 제1 피드비아(121a, 121b)로부터 제1 주파수 대역(예: 28GHz)의 제1 RF(Radio Frequency) 신호를 제공받아서 송신하거나 제1 RF 신호를 수신하여 제1 피드비아(121a, 121b)로 제공할 수 있다.

제2 패치 안테나 패턴(112a)은 제2 피드비아(122a, 122b)의 일단에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 제2 패치 안테나 패턴(112a)은 제2 피드비아(122a, 122b)로부터 제2 주파수 대역(예: 39GHz)의 제2 RF(Radio Frequency) 신호를 제공받아서 송신하거나 제2 RF 신호를 수신하여 제2 피드비아(122a, 122b)로 제공할 수 있다.

제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)은 각각 제1 및 제2 주파수 대역에 대해 공진하여 제1 및 제2 신호에 대응되는 에너지를 집중적으로 수용하여 외부로 방사할 수 있다.

그라운드 플레인(201a)은 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)이 방사하는 제1 및 제2 RF 신호 중 그라운드 플레인(201a)을 향하여 방사되는 제1 및 제2 RF 신호를 반사(reflect)할 수 있으므로, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 방사패턴을 특정 방향(예: z방향)으로 집중시킬 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 이득(gain)은 향상될 수 있다.

제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 공진은 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)과 그 주변의 구조에 대응되는 인덕턴스와 캐패시턴스의 조합에 따른 공진 주파수에 기반하여 발생할 수 있다.

제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 각각의 상면 및/또는 하면의 크기는 상기 공진 주파수에 영향을 줄 수 있다. 즉, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 각각의 상면 및/또는 하면의 크기는 상기 제1 및 제2 주파수 각각에 대응되는 제1 및 제2 파장에 종속적일 수 있다. 만약 제1 주파수가 제2 주파수보다 더 낮을 경우, 제1 패치 안테나 패턴(111a)은 제2 패치 안테나 패턴(112a)보다 더 클 수 있다.

또한, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 적어도 일부분은 상하방향(예: z방향)으로 오버랩될 수 있다. 이에 따라, 안테나 장치의 수평방향(예: x방향 및/또는 y방향) 크기는 크게 감소할 수 있으므로, 안테나 장치는 전반적으로 쉽게 소형화될 수 있다.

제1 및 제2 피드비아(121a, 121b, 122a, 122b)는 그라운드 플레인(201a)의 적어도 하나의 관통홀을 관통하도록 배치된다. 이에 따라, 제1 및 제2 피드비아(121a, 121b, 122a, 122b)의 일단은 그라운드 플레인(201a)의 상측에 위치하고 제1 및 제2 피드비아(121a, 121b, 122a, 122b)의 타단은 그라운드 플레인(201a)의 하측에 위치한다. 여기서, 제1 및 제2 피드비아(121a, 121b, 122a, 122b)의 타단은 IC(Integrated Circuit)에 전기적으로 연결됨으로써, 제1 및 제2 RF 신호를 IC로 제공하거나 IC로부터 제공받을 수 있다. 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)과 IC 사이의 전자기적 격리도는 그라운드 플레인(201a)에 의해 향상될 수 있다.

제1 피드비아(121a, 121b)는 서로 편파인 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호가 각각 통과하는 제1-1 피드비아(121a) 및 제1-2 피드비아(121b)를 포함할 수 있으며, 제2 피드비아(122a, 122b)는 서로 편파인 제2-1 RF 신호와 제2-2 RF 신호가 각각 통과하는 제2-1 피드비아(122a) 및 제2-2 피드비아(122b)를 포함할 수 있다.

즉, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 각각은 복수의 RF 신호를 송수신할 수 있으며, 복수의 RF 신호는 서로 다른 데이터가 실린 복수의 캐리어 신호일 수 있으므로, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 각각의 데이터 송수신율은 복수의 RF 신호의 송수신에 따라 2배 향상될 수 있다.

예를 들어, 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호는 서로 다른 위상(예: 90도 또는 180도 위상차)을 가져서 서로에 대한 간섭을 줄일 수 있으며, 제2-1 RF 신호와 제2-2 RF 신호는 서로 다른 위상(예: 90도 또는 180도 위상차)을 가져서 서로에 대한 간섭을 줄일 수 있다.

예를 들어, 제1-1 RF 신호와 제2-1 RF 신호는 전파방향(예: z방향)에 수직이며 서로 수직인 x방향 및 y방향에 대해 각각 전계와 자계를 형성하고, 제1-2 RF 신호와 제2-2 RF 신호는 x방향 및 y방향에 대해 각각 자계와 전계를 형성함으로써, RF 신호 간의 편파를 구현할 수 있다. 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)에서 제1-1 RF 신호와 제2-1 RF 신호에 대응되는 표면전류와 제1-2 RF 신호와 제2-2 RF 신호에 대응되는 표면전류는 서로 수직을 이루도록 흐를 수 있다.

따라서, 제1-1 피드비아(121a) 및 제2-1 피드비아(122a)는 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)에서 일방향(예: x방향) 가장자리에 인접하여 연결될 수 있으며, 제1-2 피드비아(121b) 및 제2-2 피드비아(122b)는 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)에서 타방향(예: y방향) 가장자리에 인접하여 연결될 수 있으나, 구체적 연결 지점은 설계에 따라 달라질 수 있다.

제1 및 제2 RF 신호의 안테나 장치 내에서의 에너지 손실은 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)부터 IC까지의 전기적 길이가 짧을수록 감소할 수 있다. 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)과 IC 사이의 상하방향(예: z방향) 길이가 상대적으로 짧으므로, 제1 및 제2 피드비아(121a, 121b, 122a, 122b)는 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)과 IC 사이의 전기적 거리를 쉽게 줄일 수 있다.

제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 적어도 일부분이 오버랩될 경우, 제2 피드비아(122a, 122b)는 제2 패치 안테나 패턴(112a)에 전기적으로 연결되기 위해 제1 패치 안테나 패턴(111a)을 관통하도록 배치될 수 있다.

이에 따라, 제1 및 제2 RF 신호의 안테나 장치 내에서의 전송 에너지 손실은 감소할 수 있으며, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)에서의 제1 및 제2 피드비아(121a, 121b, 122a, 122b)의 연결 지점은 더욱 자유롭게 설계될 수 있다.

여기서, 제1 및 제2 피드비아(121a, 121b, 122a, 122b)의 연결 지점은 제1 및 제2 RF 신호 관점에서의 전송선로 임피던스에 영향을 줄 수 있다. 전송선로 임피던스는 특정 임피던스(예: 50옴)에 가까이 매칭될수록 제1 및 제2 RF 신호의 제공 과정에서의 반사현상을 줄일 수 있으므로, 제1 및 제2 피드비아(121a, 121b, 122a, 122b)의 연결 지점의 설계 자유도가 높을 경우, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 이득(gain)은 더욱 쉽게 향상될 수 있다.

그러나, 제2 피드비아(122a, 122b)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)을 관통하도록 배치됨에 따라 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 집중된 제1 RF 신호의 방사에 영향을 받을 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 열화될 수 있다. 상기 전자기적 격리도는 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 각각의 이득의 열화를 야기할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 도 1a 및 도 1b의 안테나 장치와 그에 포함될 수 있는 차폐비아, 피드 패턴 및 슬롯을 나타낸 측면도, 평면도 및 부분 사시도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 제1 패치 안테나 패턴(111a) 및 제2 패치 안테나 패턴(112a)을 포함하고, 제2 피드비아(122a)를 둘러싸도록 배열되는 복수의 차폐비아(131a)를 더 포함할 수 있다.

복수의 차폐비아(131a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 그라운드 플레인(201a) 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111a)에서 방사되는 제1 RF 신호 중 제2 피드비아(122a)를 향하여 방사되는 제1 RF 신호는 복수의 차폐비아(131a)에 의해 반사될 수 있으므로, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 개선될 수 있으며, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 각각의 이득은 향상될 수 있다.

여기서, 복수의 차폐비아(131a)의 개수와 폭은 특별히 한정되지 않는다. 복수의 차폐비아(131a) 사이 공간의 간격이 특정 길이(예: 제1 RF 신호의 제1 파장에 종속적인 길이)보다 짧을 경우, 제1 RF 신호는 복수의 차폐비아(131a) 사이 공간을 실질적으로 통과하지 못할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 더욱 개선될 수 있다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 피드 패턴(132a)을 더 포함할 수 있다.

피드 패턴(132a)은 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 사이에서 제2 피드비아(122a)에 전기적으로 연결되고 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 중심에서 가장자리 방향으로 제2 피드비아(122a)보다 더 치우쳐져 제2 패치 안테나 패턴(112a)에 전기적으로 연결될 수 있다.

예를 들어, 제2-3 피드비아(122c)는 피드 패턴(132a)과 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치될 수 있다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)의 관통홀 및/또는 복수의 차폐비아(131a)는 제1 RF 신호에 대응되는 표면전류에 대해 장애물로 작용할 수 있으므로, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 중심에 가까울수록 제1 RF 신호에 대한 부정적 영향은 감소할 수 있다.

그러나, 제2 패치 안테나 패턴(112a)과 제2 피드비아(122a)의 연결 지점은 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 가장자리에 가까울수록 전송선로 임피던스 매칭에 유리할 수 있다.

피드 패턴(132a)은 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 관통홀 및/또는 복수의 차폐비아(131a)의 제1 최적 위치와 제2 패치 안테나 패턴(112a)에서 제2 피드비아(122a)가 연결되는 제2 최적 위치가 서로 맞지 않더라도 상기 제1 및 제2 최적 위치가 모두 구현될 수 있도록 배치될 수 있다.

이에 따라, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 각각의 이득은 향상될 수 있다.

또한, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 관통홀 및/또는 복수의 차폐비아(131a)는 제1 RF 신호에 대응되는 표면전류에 대해 장애물로 작용할 수 있으므로, 제1 RF 신호가 전송되는 제1 피드비아(121a)와 관통홀 및/또는 복수의 차폐비아(131a) 사이의 전기적 거리가 멀수록 제1 RF 신호에 대한 부정적 영향은 감소할 수 있다.

피드 패턴(132a)으로 인해, 제1 및 제2 피드비아(121a, 122a) 사이의 이격 거리는 쉽게 길어질 수 있다.

예를 들어, 제1 피드비아(121a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 중심에서 가장자리 방향으로 제2 피드비아(122a)보다 더 치우쳐져 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 전기적으로 연결될 수 있다.

예를 들어, 제1 피드비아(121a)는 제2 패치 안테나 패턴(112a)에서의 피드 패턴(132a)의 전기적 연결 지점보다 가장자리 방향으로 더 치우쳐져 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 전기적으로 연결될 수 있다.

이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111a)에서 관통홀 및/또는 복수의 차폐비아(131a)가 제1 RF 신호에 주는 부정적 영향은 줄어둘 수 있으므로, 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 이득은 더욱 향상될 수 있다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치에 포함될 수 있는 커플링 패치 패턴(115a)은 슬롯(133a)을 포함할 수 있다.

커플링 패치 패턴(115a)은 제2 패치 안테나 패턴(112a)이 외재적(extrinsic) 공진 주파수를 가지도록 추가 캐패시턴스와 추가 인덕턴스를 제2 패치 안테나 패턴(112a)으로 제공함으로써, 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 대역폭을 넓힐 수 있다. 여기서, 외재적 공진 주파수는 커플링 패치 패턴(115a)의 수평방향 면적과 커플링 패치 패턴(115a)의 제2 패치 안테나 패턴(112a)에 대한 이격 거리에 따라 결정될 수 있다.

예를 들어, 상기 외재적 공진 주파수는 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 내재적(intrinsic) 공진 주파수보다 작을 수 있으며, 커플링 패치 패턴(115a)은 외재적 공진 주파수의 설계에 따라 제2 패치 안테나 패턴(112a)보다 더 커질 수 있다. 여기서, 내재적 공진 주파수는 패치 안테나 패턴의 내재적 요소(예: 형태, 크기, 높이, 절연층의 유전율 등)에 따라 결정될 수 있다.

이 경우, 커플링 패치 패턴(115a)은 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 대해 전자기적으로 커플링될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 열화될 수 있다.

커플링 패치 패턴(115a)은 슬롯(133a)을 포함함으로써, 커플링에 따라 커플링 패치 패턴(115a)을 흐르는 표면전류는 슬롯(133a)을 우회하여 흐를 수 있다. 즉, 상기 표면전류의 관점에서의 전기적 거리는 커플링 패치 패턴(115a)의 슬롯(133a)에 의해 길어질 수 있다. 따라서, 커플링 패치 패턴(115a)은 상기 외재적 공진 주파수를 낮추면서도 슬롯이 없는 경우에 비해 상대적으로 작아질 수 있다. 또한, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 향상될 수 있다.

제2 패치 안테나 패턴(112a)은 제1 패치 안테나 패턴(111a)보다 작고 커플링 패치 패턴(115a)보다 클 수 있다. 이에 따라, 커플링 패치 패턴(115a)의 커플링은 더욱 제2 패치 안테나 패턴(112a)에 집중될 수 있으므로, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 더욱 향상될 수 있다.

또한, 제2 패치 안테나 패턴(112a)은 구멍(예: 관통홀, 슬롯 등)을 가지지 않는 형태일 수 있다. 이에 따라, 커플링 패치 패턴(115a)의 커플링은 더욱 제2 패치 안테나 패턴(112a)에 집중될 수 있으므로, 제1 및 제2 RF 신호 사이의 전자기적 격리도는 더욱 향상될 수 있다.

또한, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 사이의 이격 거리는 제2 패치 안테나 패턴(112a)과 커플링 패치 패턴(115a) 사이의 이격 거리보다 더 짧을 수 있다.

이에 따라, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a) 사이의 이격 거리가 짧아지므로, 피드 패턴(132a)은 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 외부로부터 더욱 전자기적으로 격리될 수 있으며, 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 전자기적 커플링은 더욱 커플링 패치 패턴(115a)에 집중될 수 있다. 따라서, 제2 패치 안테나 패턴(112a)의 이득 및/또는 대역폭은 더욱 개선될 수 있다.

한편, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 제1 및 제2 패치 안테나 패턴(111a, 112a)의 적어도 일부분을 둘러싸도록 배치된 주변 커플링 부재(180a)를 더 포함할 수 있다. 주변 커플링 부재(180a)는 주변 비아(185a)를 통해 그라운드 플레인(201a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는 인접 안테나 장치에 대한 전자기적 격리도를 더욱 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 주변 커플링 부재(180a)는 수평방향 패턴과 상하방향 비아의 조합으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 주변 커플링 부재(180a)는 설계에 따라 생략될 수 있다.

한편, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제2 피드비아(122a)는 제2 피드비아(122a)의 폭보다 더 넓은 폭을 가지는 지지패턴(125a, 126a, 136a)을 포함할 수 있으나, 지지패턴(125a, 126a, 136a)은 설계에 따라 생략될 수 있다.

한편, 유전층(150a)은 그라운드 플레인(201a)의 상측에 메워질 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b의 안테나 장치와 그에 포함된 더미비아를 나타낸 측면도 및 평면도이다.

도 3a 및 도 3b을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 복수의 더미비아(134a)를 더 포함할 수 있다.

복수의 더미비아(134a) 중 적어도 일부는 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 중심에서 복수의 차폐비아(131a)가 치우져진 방향과 다른 방향으로 치우쳐져 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 전기적으로 연결될 수 있다.

복수의 더미비아(134a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)과 그라운드 플레인(201a) 사이를 전기적으로 연결시키도록 배치될 수 있다.

이에 따라, 제1 패치 안테나 패턴(111a)에서 복수의 차폐비아(131a)와 복수의 더미비아(134a)는 종합적으로 대칭에 더 가깝게 배열될 수 있다.

제1 패치 안테나 패턴(111a)에서 제1-1 RF 신호에 대응되는 제1 피드비아 연결 지점과 제1-2 RF 신호에 대응되는 제1 피드비아 연결 지점이 서로 다르므로, 제1 패치 안테나 패턴(111a)에서 제1-1 RF 신호에 대응되는 표면전류의 전기적 특성과 제1-2 RF 신호에 대응되는 표면전류의 전기적 특성은 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 전기적으로 연결된 복수의 비아의 배열이 전반적으로 대칭에 가까울수록 서로 유사해질 수 있다. 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호의 서로에 대한 간섭은 제1-1 RF 신호에 대응되는 표면전류의 전기적 특성과 제1-2 RF 신호에 대응되는 표면전류의 전기적 특성의 유사도가 높을수록 낮아질 수 있다.

따라서, 복수의 더미비아(134a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 전기적으로 연결된 복수의 비아의 배열의 전반적인 대칭도를 높임으로써, 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호 간의 간섭을 줄여서 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 전반적인 이득을 향상시킬 수 있다.

한편, 복수의 더미비아(134a)는 복수의 차폐비아(131a)에 대해 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 중심에서 대칭적으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 더미비아(134a)는 제1 패치 안테나 패턴(111a)에 전기적으로 연결된 복수의 비아의 배열의 전반적인 대칭도를 더욱 높일 수 있으므로, 제1-1 RF 신호와 제1-2 RF 신호 간의 간섭을 줄여서 제1 패치 안테나 패턴(111a)의 전반적인 이득을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 4a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 그라운드 플레인을 나타낸 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 그라운드 플레인의 하측의 피드라인을 나타낸 평면도이고, 도 4c는 도 4b의 피드라인의 하측의 배선비아와 제2 그라운드 플레인을 나타낸 평면도이고, 도 4d는 도 4c의 제2 그라운드 플레인의 하측의 IC 배치 영역과 엔드-파이어 안테나를 나타낸 평면도이다.

도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 피드비아(120a)는 전술한 제1 및 제2 피드비아에 종합적으로 대응되며, 패치 안테나 패턴(110a)은 전술한 제1 및 제2 패치 안테나 패턴에 종합적으로 대응되며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 안테나 장치는 수평방향(예: x방향 및/또는 y방향)으로 배열될 수 있다.

도 4a를 참조하면, 그라운드 플레인(201a)은 피드비아(120a)가 통과하는 관통홀을 가질 수 있으며, 패치 안테나 패턴(110a)과 피드라인 사이를 전자기적으로 차폐시킬 수 있다. 제2 차폐 비아(185a)는 하측(예: -z방향)을 향하여 연장될 수 있다.

도 4b를 참조하면, 배선 그라운드 플레인(202a)은 엔드-파이어 안테나 피드라인(220a)의 적어도 일부분과 피드라인(221a)을 각각 둘러쌀 수 있다. 엔드-파이어 안테나 피드라인(220a)은 제2 배선비아(232a)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 피드라인(221a)은 제1 배선비아(231a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 배선 그라운드 플레인(202a)은 엔드-파이어 안테나 피드라인(220a)과 피드라인(221a) 사이를 전자기적으로 차폐시킬 수 있다. 엔드-파이어 안테나 피드라인(220a)의 일단은 제2 피드비아(211a)에 연결될 수 있다.

도 4c를 참조하면, 제2 그라운드 플레인(203a)은 제1 배선비아(231a)와 제2 배선비아(232a)가 각각 통과하는 복수의 관통홀을 가질 수 있으며, 커플링 그라운드 패턴(235a)을 가질 수 있다. 제2 그라운드 플레인(203a)은 피드라인과 IC 사이를 전자기적으로 차폐시킬 수 있다.

도 4d를 참조하면, IC 그라운드 플레인(204a)은 제1 배선비아(231a)와 제2 배선비아(232a)가 각각 통과하는 복수의 관통홀을 가질 수 있다. IC(310a)는 IC 그라운드 플레인(204a)의 하측에 배치될 수 있으며, 제1 배선비아(231a)와 제2 배선비아(232a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 엔드-파이어 안테나 패턴(210a)과 디렉터 패턴(215a)은 IC 그라운드 플레인(225)과 실질적으로 동일한 높이에 배치될 수 있다.

IC 그라운드 플레인(204a)은 IC(310a)의 회로 및/또는 수동부품에서 사용되는 그라운드를 IC(310a) 및/또는 수동부품으로 제공할 수 있다. 설계에 따라, IC 그라운드 플레인(204a)은 IC(310a) 및/또는 수동부품에서 사용되는 전원 및 신호의 전달경로를 제공할 수 있다. 따라서, IC 그라운드 플레인(204a)은 IC 및/또는 수동부품에 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 배선 그라운드 플레인(202a), 제2 그라운드 플레인(203a) 및 IC 그라운드 플레인(204a)은 캐비티(cavity)를 제공하도록 함몰된 형태를 가질 수 있다. 이에 따라, 엔드-파이어 안테나 패턴(210a)은 더욱 IC 그라운드 플레인(204a)에 가까이 배치될 수 있다.

한편, 배선 그라운드 플레인(202a), 제2 그라운드 플레인(203a) 및 IC 그라운드 플레인(204a)의 상하관계와 형태는 설계에 따라 달라질 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 도 4a 내지 도 4d가 도시하는 부분과 그 하측의 구조를 예시한 측면도이다.

도 5a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 연결 부재(200), IC(310), 접착 부재(320), 전기연결구조체(330), 봉합재(340), 수동부품(350) 및 코어 부재(410) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.

연결 부재(200)는 인쇄회로기판(PCB)과 같이 기 설계된 패턴을 가지는 복수의 금속층과 복수의 절연층이 적층된 구조를 가질 수 있다.

IC(310)는 전술한 IC와 동일하며, 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있다. 상기 IC(310)는 연결 부재(200)의 배선에 전기적으로 연결되어 RF 신호를 전달하거나 전달받을 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 전기적으로 연결되어 그라운드를 제공받을 수 있다. 예를 들어, IC(310)는 주파수 변환, 증폭, 필터링, 위상제어 및 전원생성 중 적어도 일부를 수행하여 변환된 신호를 생성할 수 있다.

접착 부재(320)는 IC(310)와 연결 부재(200)를 서로 접착시킬 수 있다.

전기연결구조체(330)는 IC(310)와 연결 부재(200)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 예를 들어, 전기연결구조체(330)는 솔더볼(solder ball), 핀(pin), 랜드(land), 패드(pad)과 같은 구조를 가질 수 있다. 전기연결구조체(330)는 연결 부재(200)의 배선과 그라운드 플레인보다 낮은 용융점을 가져서 상기 낮은 용융점을 이용한 소정의 공정을 통해 IC(310)와 연결 부재(200)를 전기적으로 연결시킬 수 있다.

봉합재(340)는 IC(310)의 적어도 일부를 봉합할 수 있으며, IC(310)의 방열성능과 충격 보호성능을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 봉합재(340)는 PIE(Photo Imageable Encapsulant), ABF (Ajinomoto Build-up Film), 에폭시몰딩컴파운드(epoxy molding compound, EMC) 등으로 구현될 수 있다.

수동부품(350)은 연결 부재(200)의 하면 상에 배치될 수 있으며, 전기연결구조체(330)를 통해 연결 부재(200)의 배선 및/또는 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 수동부품(350)은 캐패시터(예: Multi Layer Ceramic Capacitor(MLCC))나 인덕터, 칩저항기 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.

코어 부재(410)는 연결 부재(200)의 하측에 배치될 수 있으며, 외부로부터 IF(intermediate frequency) 신호 또는 기저대역(base band) 신호를 전달받아 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 IF 신호 또는 기저대역 신호를 전달받아 외부로 전달하도록 연결 부재(200)에 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, RF 신호의 주파수(예: 24GHz, 28GHz, 36GHz, 39GHz, 60GHz)는 IF 신호(예: 2GHz, 5GHz, 10GHz 등)의 주파수보다 크다.

예를 들어, 코어 부재(410)는 연결 부재(200)의 IC 그라운드 플레인에 포함될 수 있는 배선을 통해 IF 신호 또는 기저대역 신호를 IC(310)로 전달하거나 IC(310)로부터 전달받을 수 있다. 연결 부재(200)의 제1 그라운드 플레인이 IC 그라운드 플레인과 배선의 사이에 배치되므로, 안테나 장치 내에서 IF 신호 또는 기저대역 신호와 RF 신호는 전기적으로 격리될 수 있다.

도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치는, 차폐 부재(360), 커넥터(420) 및 칩 안테나(430) 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.

차폐 부재(360)는 연결 부재(200)의 하측에 배치되어 연결 부재(200)와 함께 IC(310)를 가두도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(360)는 IC(310)와 수동부품(350)을 함께 커버(예: conformal shield)하거나 각각 커버(예: compartment shield)하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 차폐 부재(360)는 일면이 개방된 육면체의 형태를 가지고, 연결 부재(200)와의 결합을 통해 육면체의 수용공간을 가질 수 있다. 차폐 부재(360)는 구리와 같이 높은 전도도의 물질로 구현되어 짧은 스킨뎁스(skin depth)를 가질 수 있으며, 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 차폐 부재(360)는 IC(310)와 수동부품(350)이 받을 수 있는 전자기적 노이즈를 줄일 수 있다.

커넥터(420)는 케이블(예: 동축케이블, 연성PCB)의 접속구조를 가질 수 있으며, 연결 부재(200)의 IC 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있으며, 전술한 서브기판과 유사한 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상기 커넥터(420)는 케이블로부터 IF 신호, 기저대역 신호 및/또는 전원을 제공받거나 IF 신호 및/또는 기저대역 신호를 케이블로 제공할 수 있다.

칩 안테나(430)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치에 보조하여 RF 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 예를 들어, 칩 안테나(430)는 절연층보다 큰 유전율을 가지는 유전체 블록과, 상기 유전체 블록의 양면에 배치되는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 상기 복수의 전극 중 하나는 연결 부재(200)의 배선에 전기적으로 연결될 수 있으며, 다른 하나는 연결 부재(200)의 그라운드 플레인에 전기적으로 연결될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치의 전자기기에서의 배치를 예시한 평면도이다.

도 6a를 참조하면, 패치 안테나 패턴(100g)을 포함하는 안테나 장치는 전자기기(700g)의 세트 기판(600g) 상에서 전자기기(700g)의 측면 경계에 인접하여 배치될 수 있다.

전자기기(700g)는 스마트 폰(smart phone), 개인용 정보 단말기(personal digital assistant), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 네트워크 시스템(network system), 컴퓨터(computer), 모니터(monitor), 태블릿(tablet), 랩탑(laptop), 넷북(netbook), 텔레비전(television), 비디오 게임(video game), 스마트 워치(smart watch), 오토모티브(Automotive) 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

상기 세트 기판(600g) 상에는 통신모듈(610g) 및 기저대역 회로(620g)가 더 배치될 수 있다. 상기 안테나 장치는 동축케이블(630g)을 통해 통신모듈(610g) 및/또는 기저대역 회로(620g)에 전기적으로 연결될 수 있다.

통신모듈(610g)은 디지털 신호처리를 수행하도록 휘발성 메모리(예컨대, DRAM), 비-휘발성 메모리(예컨대, ROM), 플래시 메모리 등의 메모리 칩; 센트랄 프로세서(예컨대, CPU), 그래픽 프로세서(예컨대, GPU), 디지털 신호 프로세서, 암호화 프로세서, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러 등의 어플리케이션 프로세서 칩; 아날로그-디지털 컨버터, ASIC(application-specific IC) 등의 로직 칩 중 적어도 일부를 포함할 수 있다.

기저대역 회로(620g)는 아날로그-디지털 변환, 아날로그 신호에 대한 증폭, 필터링 및 주파수 변환을 수행하여 베이스 신호를 생성할 수 있다. 상기 기저대역 회로(620g)로부터 입출력되는 베이스 신호는 케이블을 통해 안테나 장치로 전달될 수 있다.

예를 들어, 상기 베이스 신호는 전기연결구조체와 코어 비아와 배선을 통해 IC로 전달될 수 있다. 상기 IC는 상기 베이스 신호를 밀리미터웨이브(mmWave) 대역의 RF 신호로 변환할 수 있다.

도 6b를 참조하면, 패치 안테나 패턴(100i)을 각각 포함하는 복수의 안테나 장치는 전자기기(700i)의 세트 기판(600i) 상에서 다각형의 전자기기(700i)의 변의 중심에 각각 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 세트 기판(600i) 상에는 통신모듈(610i) 및 기저대역 회로(620i)가 더 배치될 수 있다. 상기 안테나 장치 및 안테나 모듈은 동축케이블(630i)을 통해 통신모듈(610i) 및/또는 기저대역 회로(620i)에 전기적으로 연결될 수 있다.

유전층(1140g, 1140h)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 장치 내에서 패턴, 비아, 플레인, 라인, 전기연결구조체가 배치되지 않은 영역에 채워질 수 있다.

예를 들어, 유전층(1140g, 1140h)은 FR4, LCP(Liquid Crystal Polymer), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic), 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러와 함께 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 수지, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine), 감광성 절연(Photo Imagable Dielectric: PID) 수지, 일반 동박 적층판(Copper Clad Laminate, CCL) 또는 글래스나 세라믹 (ceramic) 계열의 절연재 등으로 구현될 수 있다.

한편, 본 명세서에 개진된 패턴, 비아, 플레인, 라인, 전기연결구조체는, 금속 재료(예: 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 도전성 물질)를 포함할 수 있으며, CVD(chemical vapor deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), 서브트랙티브(Subtractive), 애디티브(Additive), SAP(Semi-Additive Process), MSAP(Modified Semi-Additive Process) 등의 도금 방법에 따라 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

한편, 본 명세서에 개진된 RF 신호는 Wi-Fi(IEEE 802.11 패밀리 등), WiMAX(IEEE 802.16 패밀리 등), IEEE 802.20, LTE(long term evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPS, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 3G, 4G, 5G 및 그 이후의 것으로 지정된 임의의 다른 무선 및 유선 프로토콜들에 따른 형식을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

111a: 제1 패치 안테나 패턴(patch antenna pattern)
112a: 제2 패치 안테나 패턴
115a: 커플링 패치 패턴(coupling patch pattern)
121a, 121b: 제1 피드비아(feed via)
122a, 122b: 제2 피드비아(feed via)
131a: 복수의 차폐비아(shielding via)
132a: 피드 패턴(feed pattern)
133a: 슬롯(slot)
134a: 복수의 더미비아
201a: 그라운드 플레인(ground plane)

Claims

관통홀을 가지는 제1 패치 안테나 패턴;
상기 제1 패치 안테나 패턴의 상측에 이격 배치된 제2 패치 안테나 패턴;
상기 제1 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결된 제1 피드비아;
상기 제1 패치 안테나 패턴의 관통홀을 관통하는 제2 피드비아; 및
상기 제1 및 제2 패치 안테나 패턴의 사이에서 상기 제2 피드비아에 전기적으로 연결되고 상기 제2 패치 안테나 패턴의 중심에서 가장자리 방향으로 상기 제2 피드비아보다 더 치우쳐져 상기 제2 패치 안테나 패턴에 전기적으로 연결되는 피드 패턴; 을 포함하는 안테나 장치.