KR101833037B1 - 다중편파 안테나 - Google Patents

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KR101833037B1
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이영철
최동근
윤대환
김수진
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목포해양대학교 산학협력단
대한민국(미래창조과학부 국립전파연구원장)
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Abstract

본 실시예는 차원 다층회로 기술인 저온 동시 소성 세라믹 기술을 이용하여 제작되며, 급전용 프로브를 동축선로 구조를 이용하여 기판 내부에 형성함으로써 임피던스 정합과 급전회로 사이의 격리도가 종래 대비 향상되도록 한 다중편파 안테나에 관한 것이다.

Description

다중편파 안테나{Multi Polarized Antenna}
본 실시예는 다중편파 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 3차원 다층회로 기술인 저온 동시 소성 세라믹 기술을 이용하여 제작된 다중편파 안테나에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명에 따른 일 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
대용량 멀티미디어 서비스가 제공되는 주요 단말기가 TV나 데스크탑 PC에서 스마트폰으로 바뀜에 따라, 통신기기에 장착되는 안테나의 구조는 작고 가벼운 형태로, 기능은 다중대역 동작을 할 수 있는 방향으로 진화하고 있다.
현재 이동통신 단말기에는 마이크로스트립(Microstrip) 구조의 안테나가 많이 이용되고 있다. 마이크로스트립 구조의 안테나는 저렴하고 견고하며 대량생산이 가능한 장점을 갖고 있지만, 좁은 대역폭(Narrow Bandwidth)과 낮은 효율을 갖는 것이 단점이다. 이를 개선하기 위해 광대역 또는 다중대역 특성을 얻기 위한 다양한 형태의 연구가 진행되고 있으며, 특히 다중 편파 능력을 갖는 안테나에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.
종래의 경우 밀리미터파 대역에서는 도파관이나 기판 집적 도파관을 이용하여 안테나를 제작하는 것이 일반적이다. 다중 편파 형성을 위해 이중 급전회로를 이용하여 이중 편파를 형성하는 경우, 각 급전회로에서 분리된 두 개의 신호선의 말단에 한 쌍의 프로브가 서로 위상차가 180도가 되도록 설계하고, 두 쌍의 프로브가 상호 직각이 되도록 배치하여 마이크로 스트립 패치에 연결함으로써 서로 직교하는 편파를 형성할 수 있다. 한편, 종래의 안테나 제작 기술에 의하는 경우 PCB나 소형 금속판을 이용하여 방사소자가 제작되기 때문에, 밀리미터파 대역으로 주파수가 높아질 경우 방사소자가 작아지게 될 수밖에 없다. 이 경우, 프로브를 인입 및 연결하는 데 있어서 어려움이 발생할 수밖에 없으며, 기판에 집적된 프로브의 길이가 길 경우 임피던스 정합에 있어서도 어려움이 발생한다는 문제점이 존재한다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 실시예는, 3차원 다층회로 기술인 저온 동시 소성 세라믹 기술을 이용하여 다중 편파 능력을 갖는 안테나를 구현하되, 급전용 프로브를 동축선로 구조를 이용하여 기판 내부에 형성함으로써 임피던스 정합과 급전회로 사이의 격리도(Isolation)가 향상될 수 있도록 하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예는, 복수의 기판이 적층된 구조로 형성된 적층기판; 상기 적층기판에 연결되어 기 설정된 주파수의 전기 에너지를 공급하도록 하는 복수 개의 입력단; 상기 적층기판의 상면에 위치하고 상기 전기 에너지를 전달받아 전자기파를 외부로 방사하는 방사부; 및 상기 적층기판의 내부에 상기 방사부의 하측면에 대응되는 지점에 형성되어 상기 입력단으로부터 공급된 상기 전기 에너지를 상기 방사부로 전달하며, 다중 편파를 발생하도록 일정 간격을 두고 배치된 급전 프로브용 비아 및 상기 급전 프로브용 비아의 둘레 방향을 따라 소정 간격을 두고 배치되어 상기 전기 에너지의 전달을 보조하는 보조 비아를 포함하여 구성되는 급전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면, 3차원 다층회로 기술인 저온 동시 소성 세라믹 기술을 이용하여 다중 편파 능력을 갖는 안테나를 구현하되, 급전용 프로브를 동축선로 구조를 이용하여 기판 내부에 형성함으로써 임피던스 정합과 급전회로 사이의 격리도가 종래 대비 향상된 다중편파 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 급전부의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 급전 선로의 교차 부분에 대한 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 분배기의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나에서의 이중 편파 형성 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
지난 수년간 소형화 및 고기능화를 원하는 소비자 요구를 만족시키기 위해 급속히 진행되어온 무선통신 기기의 발전추세는 더욱 다양한 기능을 작은 부피에 구현하는 일, 더 높은 RF 주파수 대역의 사용, 그리고 회로 및 기능의 집적화라는 측면에서 특징 지울 수 있다. 이런 배경에 따라 특히 수동소자의 집적화에 대한 요구가 높아지게 되었고 이를 실현할 수 있는 방법으로 떠오른 것이 LTCC(Low-Temperature Co-fired Ceramic) 기술이다.
LTCC 기술이란 테이프 캐스팅(tape casting)의 방법으로 제조된 후막(수십~수백㎛의 두께) 형태의 세라믹 유전체와 여러 가지 회로요소를 구현하기 위한 전도성 금속 페이스트를 이용하여 여러 층의 적층형 소자를 제조하는 기법으로서, 적층형 소자 내부에 각종 수동소자를 모두 포함시킬 수 있고 나아가 능동소자도 함께 실장 할 수 있다.
본 실시예에서는, LTCC 기술을 이용하여 제조되며, 특히, 급전용 프로브를 동축선로 구조를 이용하여 LTCC 기판 내부에 형성함으로써 임피던스 정합과 급전회로 사이의 격리도가 종래 대비 향상된 효과를 갖는 다중편파 안테나를 제공한다.
도 1은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나를 도시한 도면이다. 도 1의 (a)는 다중편파 안테나의 평면도를 도시하였다. 도 1의 (b)는 다중편파 안테나의 3차원 도면을 도시하였다. 다만, 도 1의 (a)에 도시된 다중편파 안테나의 평면도의 경우 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 특징을 보다 명확하게 설명하기 위해 그 내부에 구비된 구성요소들을 함께 도시하였다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나는 적층기판(100), 입력단(110, 120), 분배기(111a, 111b), 급전 선로(112, 113, 122, 123), 급전부(119a, 119b, 129a, 129b, 128) 및 방사부(130)를 포함한다.
적층기판(100)은 전기적 부품이 장착되거나 회로가 설계된 장치를 의미한다. 본 실시예에 따른 적층기판(100)은 복수의 기판이 적층된 구조로 형성된다. 이하, 본 실시예에서는 적층기판(100)이 총 8개의 단위 기판이 적층되어 형성된 것으로 예시하여 설명하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
적층기판(100)은 LTCC 기술을 통해 그 내부에는 입력단(110, 120), 분배기(111a, 111b), 급전 선로(112, 113, 122, 123) 및 급전부(119a, 119b, 129a, 129b, 128)로 구성되는 급전 회로가 집적되며, 상부에는 방사부(130)가 형성된다.
적층기판(110)은 유전율(Permittivity)이 5.9인 수십~수백 ㎛의 세라믹 유전체를 이용하여 제작되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 적층기판(110)의 높이, 유전율, 재료 등은 제작에 사용되는 재료의 물성 및 제조공정의 능력에 따라 다양하게 변경 적용될 수 있다.
입력단(110, 120)은 적층기판(110)에 연결되어 기 설정된 주파수의 전기 에너지를 공급하는 역할을 수행한다. 본 실시예의 경우 입력단(110, 120)은 다중편파 안테나를 이용하여 발생하고자 하는 편파의 특성에 따라 그 개수가 상이하게 결정될 수 있다. 예컨대, 본 실시예에 따른 입력단은 다중편파 안테나를 이용하여 형성하고자 하는 편파의 개수에 비례하여 그 개수가 결정될 수 있다. 한편, 도 1에서는 본 실시예에 따른 다중편파 안테나가 이중편파 안테나로 구현된 경우를 예시하고 있으며, 이에, 입력단이 제1 입력단(110) 및 제2 입력단(120)으로 구성된 것으로 예시하여 설명하도록 하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 다중편파 안테나는 동일 주파수의 서로 간 간섭이 없는 복수 개의 전파를 발생시켜 전파함으로써 송수신이 동시에 가능토록 구성된다. 이를 위해, 다중편파 안테나는 예컨대, 이중 편파를 형성 시 상호 수직인 편파가 발생하도록 구현될 수 있다. 이 경우, 제1 입력단(110) 및 제2 입력단(120)은 각각의 입력단을 통해 공급되는 전기 에너지의 방향이 서로 직각을 이루도록 하는 형태로 구비될 수 있다.
분배기(111a, 111b)는 입력단별로 각각 구비되며, 입력단을 이용하여 공급되는 전기 에너지를 2개의 경로로 분배하는 역할을 수행한다. 본 실시예에 따른 분배기는 제1 입력단(110)에 대응되는 제1 분배기(111a) 및 제2 입력단(120)에 대응되는 제2 분배기(111b)로 구성된다.
분배기(111a, 111b)는 입력단을 통해 공급되는 전기 에너지로부터 제1 주파수 신호와 제2 주파수 신호를 분리 추출하고, 이를 통해, 전기 에너지가 2개의 경로로 분배될 수 있도록 한다. 예컨대, 분배기(111a, 111b)는 전기 에너지의 위상을 분리하여 양(+)의 신호와 음(-)의 신호를 추출하도록 구현될 수 있다. 이러한, 분배기(111a, 111b)는 윌킨스 전력 신호 분리기 또는 T-접합 회로가 사용될 수 있다.
급전 선로(112, 113, 122, 123)는 분배기(111a, 111b)를 이용하여 분배된 전기 에너지 각각을 급전부 내 대응되는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)로 전달하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 급전 선로(112, 113, 122, 123)는 각각 일단이 분배기(111a, 111b)와 연결되고, 타단이 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)와 연결된다.
도 1을 참조하여 설명하자면, 제1 분배기(111a)에 의해 분배된 전기 에너지는 각각 제1 급전 선로(112) 및 제2 급전 선로(113)를 거쳐 제1 급전 프로브용 비아(119a) 및 제2 급전 프로브용 비아(119b)로 전달된다. 마찬가지로, 제2 분배기(111b)에 의해 분배된 전기 에너지는 각각 제3 급전선로(122) 및 제4 급전선로(123)를 거쳐 제3 급전 프로브용 비아(129a) 및 제4 급전 프로브용 비아(129b)로 전달된다.
한편, 본 실시예의 경우 동일한 분배기에 의해 분배된 전기 에너지 각각에 대응되는 급전 선로는 급전 선로의 말단 즉, 급전 프로브용 비아와 연결되는 타단에서 각각이 전달하는 전기 에너지 간 180도의 위상 차를 갖도록 그 길이가 상이하게 결정될 수 있다. 이를 위해, 도 1에서는 제2 급전 선로(113) 및 제4 급전선로(123)가 각각 제1 급전 선로(112) 및 제3 급전선로(122)와 상이한 길이를 갖도록 구현된 것을 확인할 수 있다.
급전부(119a, 119b, 129a, 129b, 128)는 급전 선로(112, 113, 122, 123)와 전기적으로 연결되어 입력단(110, 120)으로부터 공급된 전기 에너지를 방사부(130)로 전달하는 역할을 수행한다. 본 실시예의 경우 급전부(119a, 119b, 129a, 129b, 128)는 적층기판(100)의 내부에 방사부(130)의 하측면에 대응되는 지점에 형성된다.
본 실시예에 따른 급전부는 동축 선로(Coaxial Line) 구조에 기반하여 적층기판(100)의 내부에 형성된다. 일반적으로 동축 선로 구조는 내부도체, 절연체, 외부도체로 구성되며 TEM mode로 불리우는 전송모드로 신호를 전송한다. 이를 위해, 급전부는 내부도체로서 동작하는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b) 및 외부도체로서 동작하는 보조 비아(128)를 구성요소로서 포함하는 형태로 구현된다.
본 실시예의 경우 동축 선로 구조에 기반하여 적층기판(100)의 내부에 급전부를 형성함에 따라 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)와 방사부(130) 사이의 임피던스 정합과 급전회로 예컨대, 제1 입력부(110) 및 제2 입력부(120) 사이의 격리도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 2를 함께 참조하여 동축 선로 구조에 기반하여 형성되는 급전부의 상세한 구조에 대해서 설명하도록 한다. 한편, 도 2의 (a)는 본 실시예에 따른 급전부의 3차원 구조를 도시하였으며, 도 2의 (b)는 본 실시예에 따른 급전부의 평면도를 도시하였다.
급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)는 일단이 급전 선로(112, 113, 122, 123)와 전기적으로 연결되며, 타단이 방사부(130)와 전기적으로 연결되어 입력단(110, 120)으로부터 공급된 전기 에너지를 방사부(130)로 전달하는 역할을 수행한다. 본 실시예의 경우 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)는 50㎛ 직경을 갖도록 구현되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따른 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)는 다중 편파를 발생하도록 일정 간격을 두고 배치된다. 이때, 급전 프로브용 비아 사이의 간격은 다중편파 안테나를 이용하여 형성하고자 하는 편파 특성에 따라 상이하게 결정될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나가 이중편파 안테나로 구현된 경우에 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)의 배치 형태를 예시하여 설명하도록 한다.
급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)는 방사부(130)의 중심을 기준으로 방사형으로 배치되되, 제1 분배기(111a)로부터 분배된 전기 에너지에 대응되는 한 쌍의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)에 대해서는 각각의 급전 프로브용 비아 사이의 중심선을 기준으로 서로 대칭되는 형태로 구현된다. 한편, 본 실시예의 경우 상기의 한 쌍의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)는 방사부(130)와 연결되는 말단 지점에서 각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)로부터 제공되는 전기 에너지가 서로 180도의 위상 차를 갖도록 구현된다. 즉, 본 실시예의 경우 상기의 한 쌍의 급전 프로브용 비아(119a, 119b) 사이의 전기 에너지의 위상 차 및 배치 구조로 인해 각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)가 마주보는 방향으로 하나의 편파가 발생하게 된다.
제2 분배기(111b)로부터 분배된 전기 에너지에 대응되는 한 쌍의 급전 프로브용 비아(129a, 129b)에 대해서는 각각의 급전 프로브용 비아(129a, 129b) 사이의 중심선을 기준으로 서로 대칭되는 형태로 구현되되, 다른 한 쌍의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)와는 수직되는 형태로 구현된다. 즉, 본 실시예의 경우 상기의 한 쌍의 급전 프로브용 비아(129a, 129b) 사이의 전기 에너지의 위상 차 및 배치 구조로 인해 다른 한 쌍의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)와 수직인 방향으로 또 하나의 편파가 발생하게 된다.
보조 비아(128)는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)를 통해 방사부(130)로 전달되는 전기 에너지에 대하여 그 전달이 용이하도록 보조하는 역할을 수행한다. 본 실시예의 경우 보조 비아(128)는 외부도체로서 동작하며, 내부도체로서 동작하는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b) 및 절연제로서 동작하는 적층기판(100)과 더불어 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b), 보다 상세하게는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)와 방사부(130) 사이의 임피던스 정합을 위한 기능을 수행한다. 즉, 보조 비아(128)는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)로 입력된 신호가 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)의 주위로 모이게(Confined) 하는 기능을 수행한다.
보조 비아(128)는 급전 프로브용 비아별로 각각 대응되는 보조 비아(128)가 구비된다. 이러한, 보조 비아(128)는 각 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)의 둘레 방향을 따라 소정 간격을 두고 배치된다. 예컨대, 보조 비아(128)는 급전 프로브용 비아를 중심으로 하여 380㎛의 직경 범위 내에 구현될 수 있다. 한편, 도 2에서는 보조 비아(128)가 급전 프로브용 비아의 중심에서 30도 간격으로 이격된 형태로 총 12개가 배치된 것으로 예시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 보조 비아(128)의 총 개수 및 간격은 LTCC 제작 기술에 의해 제한될 수 있다.
보조 비아(128)는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)와 동일한 직경을 갖도록 구현되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 보조 비아(128)는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)의 배치 형태 등을 고려하여 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)와 상이한 직경을 갖도록 구현될 수도 있다.
한편, 각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)는 각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)에 대응되는 보조 비아(128)를 다른 급전 프로브용 비아와 공유하는 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예의 경우, 각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)는 각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)에 대응되는 보조 비아(128)들이 상호 겹치게 되는 경우를 방지하기 위해 보조 비아(128)를 서로 간 공유하는 형태로 구현될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제1 급전 프로브용 비아(119a) 및 제2 급전 프로브용 비아(119b)에 대응하여 배치된 외부 비아(128)를 제3 급전 프로브용 비아(129a) 및 제4 급전 프로브용 비아(129b)가 공유하는 형태로 구현된 것을 확인할 수 있다.
방사부(130)는 적층기판(100)의 상면에 위치한다. 방사부(130)는 급전부로부터 전기 에너지를 전달받아 전자기파를 발생시키며, 발생시킨 전자기파를 외부로 방사하는 역할을 수행한다.
본 실시예에 따른 방사부(130)는 단일 패치로 구현되며, 그 형상은 사각형, 원형 및 다각형 등의 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 다중편파 안테나는 LTCC 기술을 이용하여 제작되되, 스트립 라인(Strip Line) 구조로 급전회로가 구성된다. 스트립 라인 구조는 신호선 위 아래로 GND 판을 깔아놓은 구조의 회로를 말한다. 스트립 라인 구조는 위 아래로 똑같이 GND 판이 있기 때문에 수직으로 정확히 필드가 위아래로 분포하며, Fringing Field가 최소화되어 거의 완벽한 TEM 모드로 전송이 가능해진다. 또한, 스트립 라인 구조는 위아래에 GND 판이 있기 때문에 그 자체로 외부와 차단되는 차폐가 이루어진다는 점이 큰 장점이 된다.
이하, 도 3을 참조하여 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 구조에 대해 설명도록 한다. 한편, 도 3의 경우, 다중편파 안테나를 정면에서 바라본 경우의 다중편파 안테나의 구조를 도시하였다.
다중편파 안테나는 총 8개의 유전체 기판(101 ~ 108) 중 6개 층의 유전체 기판(101 ~ 106)을 이용해서 하부 접지면(300), 상부 접지면(310) 및 급전 선로(112, 113)를 포함하는 급전 회로를 구성한다. 이때, 하부 접지면(300)은 제1 유전체 기판(101) 하부에 배치되며, 상부 접지면(310)은 제6 유전체 기판(106) 상부에 배치되며, 급전 선로(112, 113)는 제3 유전체 기판(103) 상부에 배치된다.
다중편파 안테나는 급전 선로(112, 113)에 닿지 않도록 일정한 거리를 두고 배치된 접지 비아(140)를 추가로 구비한다. 이러한, 접지 비아(140)는 접지면(300, 310) 사이에 동일한 전위 유지를 위해 접지면들을 상호 연결하는 역할을 수행한다.
제6 유전체 기판(106) 및 상부 접지면(310) 상부에는 제7 내지 제8 유전체 기판(107, 108)이 적층되고, 제8 유전체 기판(108) 상부에는 방사부(130)가 배치된다.
제 1 입력단(110)으로 입력되고 제1 분배기(111a)에 의해 분배된 전기 에너지는 급전 선로(112, 113)를 이용하여 각각에 대응되는 제1 급전 프로브용 비아(119a) 및 제2 급전 프로브용 비아(119b)로 전달된다. 제1 급전 프로브용 비아(119a) 및 제2 급전 프로브용 비아(119b)는 각각 적층기판(100)의 내부로부터 상부로 돌출되는 구조로 형성되어 제4 내지 제6 유전체 기판(104 ~ 106)을 상호 직접 연결하고, 각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)의 위치에 대응하여 상부 접지면(310)에 형성된 직경 240㎛의 홀을 가로질러 제7 내지 제8 유전체 기판(107, 108)을 상호 직접 연결한다. 최종적으로, 각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)는 제8 유전체 기판(108)에 형성된 방사부(130)에 연결된다.
각각의 급전 프로브용 비아(119a, 119b)에 대응되는 보조 비아(128)는 제5 내지 제6 유전체 기판(105, 106)을 상호 직접 연결하는 구조로 형성되며, 최종적으로 상부 접지면(310)에 연결된다.
도 4는 본 실시예에 따른 급전 선로의 교차 부분에 대한 단면 구조를 나타낸 도면이다. 한편, 도 4에서는 제1 입력단(110)의 제2 급전 선로(113)와 제2 입력단(120)의 제4 급전 선로(123)가 교차하는 부분(도 1의 124)에 대한 단면 구조를 도시하였다.
본 실시예에 있어서, 다중편파 안테나에 구비되는 급전 선로(112, 113, 122, 123)는 급전 선로 간 전자기장에 의한 간섭이 최소화될 수 있도록 구현된다. 예컨대, 본 실시예의 경우 구비된 급전 선로 중 서로 교차하게 되는 급전 선로에 대해서는 어느 하나의 급전 선로의 일부 또는 전부가 다른 하나의 급전 선로가 위치하는 적층기판(100) 내 특정 층과 상이한 다른 층에 구현될 수 있다.
도 4를 참조하여 설명하자면, 서로 교차하는 제2 급전 선로(113) 및 제 4 급전 선로(123)의 경우 제4 급전 선로(123)의 일부가 제2 급전 선로(113)가 위치하는 적층기판(100) 내 특정 층과 상이한 다른 층에 구현될 수 있다. 즉, 제4 급전 선로(123)는 제3 유전체 기판(103) 및 제2 유전체 기판(102) 내에 형성된 비아 패드(124c) 및 각 비아 패드(124c)를 상호 연결하는 연결 비아(124b)를 이용하여 일부 선로(124a)가 제2 급전 선로(113)가 위치하는 적층기판(100) 내 특정 층과 상이한 다른 층에 구현될 수 있다. 이때, 일부 선로(124a)는 제2 급전 선로(113)와 제4 급전 선로(123)가 교차하는 부분에 대응되는 선로인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 제2 급전 선로(113)와 제4 급전 선로(123)의 비아 패드(124c) 사이의 거리(124d, 124e)는 제2 급전 선로(113)와 각 접지면(300, 310) 사이의 높이 값인 300㎛ 보다는 큰 값 예컨대, 600㎛의 값을 갖도록 형성되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 비아 패드(124c)의 직경 또한 240㎛의 값을 갖도록 형성되는 것이 바람직하나 급전 선로의 구조 또는 모양에 따라 최적의 값이 상이하게 결정될 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 분배기의 구조를 도시한 도면이다. 한편, 도 5에서는 제1 입력단(110)에 대응되는 제1 분배기(111a)의 구조를 예시하여 설명하나 제2 입력단(120)에 대응되는 제2 분배기(111b) 또한 동일한 구조로 이루어진다.
제1 분배기(111a)는 저항부(500) 및 λ/4 임피던스 변환기(510)를 포함하여 구성된다. 즉, 제1 분배기(111a)는 제1 입력단(110)에서 입력된 전기 에너지가 임피던스 변환기(510) 및 저항부(500)를 통과하여 2개의 경로(112, 113)로 분배되는 구조로 이루어진다. 이러한, 제1 분배기(111a)는 월킨스 전력 신호 분리기와 동일한 구조로 이루어지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 분배기(111a)는 다중편파 안테나의 구조나 모양의 변경에 따른 임피던스 정합 및 신호 분리 특성의 최적화를 위해 일부가 변형된 형태로 구현될 수 있다. 다른 실시예에서 제1 분배기(111a)는 T-접합 회로를 이용하는 형태로 구현될 수도 있다.
이하, 도 1 내지 도 5의 내용을 참조하여, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 제조 공정을 설명하도록 한다.
본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 제조 공정은 먼저 각각의 유전체 기판(101 ~ 108)에 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b), 보조 비아(128) 및 접지 비아(140)의 형성을 위한 비아용 홀을 레이저 또는 기계 펀칭기를 이용하여 펀칭하는 과정으로부터 시작된다. 형성된 비아용 홀에는 전도성 금속재료가 채워지며, 건조 과정을 거쳐 최종적으로 각각의 비아가 형성될 수 있다.
제1 유전체 기판(101) 하부에 하부 접지면(300)을 스크린 프린팅하여 형성하고 건조한다. 이러한, 하부 접지면(300)의 스크린 프린팅 공정은 제조업체에 따라 상이할 수 있다.
제2 유전체 기판(102) 상부에 제2 급전 선로(113)와 교차하게 되는 제4 급전 선로(123)의 일부 선로(124a)를 스크린 프린팅하여 형성하고 건조한다.
제3 유전체 기판(103) 상부에 입력단(110, 120)의 전송선로, 급전 선로(112, 113, 122, 123), 분배기(111a, 111b)용 선로, 비아 패드(124c)를 스크린 프린팅하여 형성하고 건조한다. 한편, 상기의 각 선로 및 비아 패드(124c)를 위한 스크린 프린팅 과정에 앞서 저항성 재료를 이용하여 분배기(111a, 111b)의 저항부(500)를 스크린 프린팅하는 과정이 우선하여 수행될 수 있다.
제6 유전체 기판(106) 상부에 상부 접지면(310)을 스크린 프린팅하여 형성하고 건조한다. 이때, 제6 유전체 기판(106)을 경유하는 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)에 대하여 상부 접지면(310)과 접촉이 이루어지지 않도록 상부 접지면(310) 내 급전 프로브용 비아(119a, 119b, 129a, 129b)의 위치에 대응되는 지점(직경 240㎛의 홀)에 대해서는 스크린 프린팅이 수행되지 않도록 한다.
제 8 유전체 기판(108) 상부에 방사부(130)를 스크린 프린팅하여 형성하고 건조한다. 이후, 준비된 각 유전체 기판을 정렬 및 적층하고 일정한 온도 및 압력을 가하여 적층 스택을 형성하고 열처리 공정을 수행한다.
본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 제조 공정은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제조 공정에서의 온도 및 압력 등은 제조 업체별로 상이한 값이 적용될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 각 구성요소의 재료 및 그 특성은 제조 과정에서 사용되는 재료의 물성 및 제조공정의 능력에 따라 다양하게 변경 적용될 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나에서의 이중 편파 형성 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시하듯이, 방사부(130)의 하부에서 급전 프로브용 비아(P1, P2)를 인입하여 급전시킬 때, 두 급전 프로브용 비아 사이의 위상차가 180도일 경우 급전 프로브용 비아 P1에서 급전 프로브용 비아 P2로 전류가 방사부(130)의 가장자리(가로 방향)를 따라 흐르게 된다. 이때, 방사부(130)의 가로방향 길이가 방사 주파수의 반파장(λ/2)에 해당된다.
또한, 동일한 방사부(130)의 하부에서 상기의 급전 프로브용 비아(P1, P2)와 직각인 방향으로 급전 프로브용 비아(P3, P4)를 인입하여 급전시키고, 마찬가지로 두 급전 프로브용 비아 사이의 위상차를 180도로 유지하는 경우 급전 프로브용 비아 P3에서 급전 프로브용 비아 P4로 전류가 방사부(130)의 가장자리(세로 방향)를 따라 흐르게 된다. 이때, 방사부(130)의 세로방향 길이기 방사 주파수의 반파장(λ/2)에 해당된다.
이와 같은 원리에 따라, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나는 입력단에 신호가 인가되는 경우 상호 수직인 이중의 편파가 발생하게 된다.
도 7 내지 도 10은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 특성을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 종래의 다중편파 안테나(a)와 본 실시예에 따른 다중편파 안테나(b) 사이에 급전부의 구현 형태 차이에 따른 특성을 나타낸 도면이다. 한편, 도 7에서는 각 안테나별 입력단과 급전 프로브용 비아 사이의 반사손실(S11, S22, S33) 및 전달특성(S21, S31)에 대한 시뮬레이션 값을 비교 도시하였다.
도 7을 참조하면, 종래의 다중편파 안테나의 급전부 구조에 의하는 경우 반사손실(S22, S33)이 약 -16.2 ~ -17.7dB로 나타났고, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 급전부 구조에 의하는 경우 반사손실(S22, S33)이 약 -22.08 ~ -22.9 dB로 나타난 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 급전부 구조에 의하는 경우 반사손실이 종래 대비 약 6 dB 정도 개선되어 임피던스 정합에 있어서 훨씬 유리하다는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 구조에 따른 입력단의 반사손실 및 격리도 특성을 나타낸 도면이다. 한편, 도 8에서는 26.5GHz 대역에서 이중 편파가 발생한 경우에 제1 입력단(110) 및 제2 입력단(120)의 반사손실(S11, S22) 및 격리도(S12, S21) 특성을 도시하였다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 구조에 의하는 경우 26.5GHz 대역에서 반사손실이 12.7 ~ 12.9 dB로, 격리도가 19 dB 이상으로 종래의 다중편파 안테나 대비 훨씬 양호한 효율을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 다중편파 안테나에서 입력단의 구조에 따른 방사부의 전류 방향을 나타낸 도면인다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 입력단 구조에 의하는 경우 제1 입력단(110)에서 입력된 전파신호에 의해 흐르는 전류가 그림과 같이 y축과 평행하게 흐르고, 제2 입력단(120)에서 입력된 전파신호에 흐르는 전류는 x축과 평행하게 흐르는 것을 확인할 수 있다. 즉, 두 입력단에 의해서 흐르는 전류의 방향이 서로 직각을 이루어 서로 간 영향을 주지 않음을 확인할 수 있다. 이는, 도 8의 격리도 특성을 통해서도 확인할 수 있다.
도 10은 본 실시예에 따른 다중편파 안테나에서 입력단의 구조에 따른 방사부의 방사특성을 3차원으로 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 다중편파 안테나의 입력단 구조에 의하는 경우 방사부(130)를 통해 방사되는 전자기파의 방사방향이 도 9에 도시된 방사부(130)의 전류 방향의 특성과 동일하게 서로 직각을 이루는 것을 확인할 수 있다. 한편, 제1 입력단(110)에 의한 안테나의 이득은 6.04dBi로, 제2 입력단(120)에 의한 안테나의 이득은 6.7dBi로 나타났다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 적층기판 110, 120: 입력단
111a, 111b: 분배기 112, 113, 122, 123: 급전선로
119a, 119b, 129a, 129b: 급전 프로브용 비아
128: 보조 비아 130: 방사부
140: 접지 비아 300: 하부 접지면
310: 상부 접지면

Claims (12)

  1. 복수의 기판이 적층된 구조로 형성된 적층기판;
    상기 적층기판에 연결되어 기 설정된 주파수의 전기 에너지를 공급하도록 하는 복수 개의 입력단;
    상기 적층기판의 상면에 위치하고 상기 전기 에너지를 전달받아 전자기파를 외부로 방사하는 방사부; 및
    상기 적층기판의 내부에 상기 방사부의 하측면에 대응되는 지점에 동축 선로 구조에 기반하여 형성되어 상기 입력단으로부터 공급된 상기 전기 에너지를 상기 방사부로 전달하며, 내부 도체로서 동작하며 다중 편파를 발생하도록 일정 간격을 두고 배치된 급전 프로브용 비아 및 상기 급전 프로브용 비아의 둘레 방향을 따라 소정 간격을 두고 배치되어 외부 도체로서 동작하며, 상기 급전 프로브용 비아와 더불어 상기 급전 프로브용 비아와 상기 방사부 사이의 임피던스 정합을 위한 기능을 수행하는 보조 비아를 포함하여 구성되는 급전부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 입력단별로 각각 상기 전기 에너지를 2개의 경로로 분배하는 분배기를 더 포함하며,
    상기 급전부는, 상기 분배기를 이용하여 분배된 전기 에너지별로 대응되는 급전 프로브용 비아를 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 급전 프로브용 비아 중 동일 분배기로부터 분배된 전기 에너지에 대응되는 한 쌍의 급전 프로브용 비아에 대해서는 상기 방사부와 연결되는 말단 지점에서 각각의 급전 프로브용 비아로부터 제공되는 전기 에너지가 서로 180°의 위상 차를 갖도록 구현되는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 급전 프로브용 비아는,
    각각의 급전 프로브용 비아 사이의 중심선을 기준으로 서로 대칭되는 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 분배기를 이용하여 분배된 전기 에너지를 대응되는 급전 프로브용 비아로 전달하기 위한 급전 선로를 더 포함하되, 각각의 급전 선로의 길이는 상기 위상 차에 따라 상이하게 결정되는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 급전 선로 중 적어도 하나의 급전 선로는 다른 급전 선로와 전자기장에 의한 간섭이 최소화되도록 하기 위해 급전 선로 중 일부 또는 전부가 상기 다른 급전 선로가 위치되는 상기 적층기판 내 특정 층과 상이한 다른 층에 구현되는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 적층기판의 내부에 기 설정된 지점 및 상기 적층기판의 하부에 각각 상부 접지면 및 하부 접지면이 형성된 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 보조 비아는, 상기 상부 접지면에 연결되고,
    상기 급전 프로브용 비아는, 상기 적층기판의 내부로부터 상기 상부 접지면 상에 상기 급전 프로브용 비아의 위치에 대응하여 형성된 홀을 가로질러 상기 방사부에 연결되는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 상부 접지면 및 상기 하부 접지면을 상호 연결하는 접지 비아를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 급전 프로브용 비아 및 상기 보조 비아는 서로 상이한 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 급전 프로브용 비아별로 대응되는 상기 보조 비아가 구비되되, 상기 급전 프로브용 비아 각각에 대응되는 보조 비아 간 상호 겹치지 않도록 적어도 어느 하나의 급전 프로브용 비아는 이웃하는 다른 급전 프로브용 비아와 보조 비아를 일부 공유하는 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 방사부는 사각형, 원형 및 다각형 형상 중 어느 하나의 형상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 다중편파 안테나.
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