KR20190010991A

KR20190010991A - 안테나

Info

Publication number: KR20190010991A
Application number: KR1020170093345A
Authority: KR
Inventors: 유민영; 박범기; 조정훈
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2019-02-01
Also published as: KR102304450B1

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 제 1 유전체 기판; 및 상기 제 1 유전체 기판 아래에 배치되며, 내부에 공기층이 형성된 제 2 유전체 기판;를 포함하고, 상기 제 1 유전체 기판은, 유전층과, 상기 유전층 위에 배치되며, 적어도 하나의 방사 슬롯이 형성된 그라운드 및 급전부를 포함하는 상부층과, 상기 유전층 아래에 배치되며, 상기 제 2 유전체 기판과 접촉하는 하부층과, 상기 제 1 유전체 기판 및 상기 제 2 유전체 기판을 관통하며, 상기 상부층에 배치되는 상기 방사 슬롯 및 상기 제 2 유전체 기판에 형성되는 상기 공기층의 주위를 둘러싸는 복수의 비아를 포함한다.

Description

안테나{ANTENNA}

본 발명에 따른 실시 예는 안테나에 관한 것으로, 특히 공기층 구조의 도파관을 가지는 SIW(Surface Imntegrate Waveguide) 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 슬롯(slot) 안테나는, 넓은 금속판(도파관)의 전계면과 평행한 측면에 가늘고 긴 공간 즉, 구멍(slot, slit)을 뚫고 이것을 여진시켜 그 부분에서 전파가 복사되도록 한 안테나로서, 슬롯 또는 슬릿 안테나라고 한다.

이러한 슬롯 안테나는, 평행 2선식이나 동축 급전선을 사용할 수 있고, 도파관의 관벽 전류를 방해하도록 가로지르면 슬롯에서 전파가 복사된다. 동축 급전선으로 급전할 때는 정합시키기 위하여 중심부에서 조금 끝쪽으로 움직인 점에서 급전한다. 자기 다이폴이며 수평 슬롯에서는 수직 편파가, 수직 슬롯에서는 수평 편파가 복사된다. 지향 특성은 상보 다이폴과 같은데 도체관과 직각인 방향에서 최대가 되며, 후방에 차폐용 공동을 설치하면 단향성이 된다.

또한, 슬롯 배열(slot array) 안테나는, 도파관의 전계면과 평행한 측면으로 비스듬하게 반파장 공진 슬롯을 뚫고, 이것을 슬롯 안테나 열로서 배열하고, 필요한 지향성과 이득을 얻는 안테나이다. 급전은 안테나의 중앙부 또는 한쪽 끝에서 한다. 방수, 방지, 염해의 방지, 강도의 보강을 위해 유전체의 레이돔(radome)으로 덮는다.

한편, SIW(Surface Integrate Waveguide) 안테나는 기존 메탈 도파관 구조를 인쇄회로기판에 구현한 형태로, 밀리미터파(mm-wave) 신호를 저손실로 전송할 수 있는 장점이 있다. 이는 기존의 도파관 구조의 저 손실 특성과 인쇄회로기판의 집적화에 따른 신호 처리가 용이한 장점을 상호 결합한 것으로 밀리미터파 대역 모듈 구현의 높은 손실의 한계점을 극복할 수 있는 대안이 될 수 있다.

그러나, 기존의 SIW 안테나 구조는, 테프론이 채워진 유전층을 포함하는 도파관 구조이며, 이는, 상기 도파관 구조를 만들기 위해서는 일정 두께 이상의 테프론 소재를 사용해야 하는 단점이 있다. 또한, 테프론 원자재에 의한 밀리미터파 손실 발생은 불가피하며, 원자재 특성상 고가의 저손실 소재를 사용해야만 하는 제약은 동일하게 발생한다.

본 발명에 따른 실시 예에서는, 공기층을 활용하여 유전층의 두께를 획기적으로 줄이면서 밀리미터파의 전송 손실을 최소화할 수 있는 안테나를 제공하도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 테프론과 같은 유전층에 의한 유전율과 공기층층의 유전율이 상호 결합된 유효 유전율에 의해 신호를 전달할 수 있는 안테나를 제공하도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 실시 예에서는 신호 손실을 최소화할 수 있는 신호 전송을 위한 전송 선로를 포함한 안테나를 제공하도록 한다.

제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

또한, 상기 유전층은, 테프론을 포함한다.

또한, 상기 공기층은, 상기 상부층의 상기 그라운드에 형성되는 상기 적어도 하나의 방사 슬롯과 수직 방향으로 중첩된다.

또한, 상기 제 2 유전체 기판은, 제 1 절연층과, 상기 제 1 절연층 위에 배치되는 제 1 금속층과, 상기 제 1 금속층 위에 배치되는 제 1 접착층과, 상기 제 1 접착층 위에 배치되는 제 2 금속층과, 상기 제 2 금속층 위에 배치되는 제 2 절연층과, 상기 제 2 절연층 위에 배치되는 제 3 금속층과, 상기 제 3 금속층 위에 배치되는 제 2 접착층을 포함한다.

또한, 상기 제 1 절연층 및 상기 제 2 절연층은, FR4를 포함하고, 상기 제 1 접착층 및 상기 제 2 접착층은, 프리프레그를 포함한다.

또한, 상기 공기층은, 상기 제 1 접착층, 상기 제 2 금속층, 상기 제 2 절연층, 상기 제 3 금속층 및 상기 제 2 접착층을 관통한다.

또한, 상기 공기층의 두께는, 상기 유전층의 두께보다 두껍다.

또한, 상기 그라운드의 일단에는, 상기 급전부의 신호 전송 라인의 제 1 영역이 삽입되는 함몰부가 형성되며, 상기 함몰부의 폭은, 상기 신호 전송 라인의 상기 제 1 영역의 폭보다 크며, 상기 신호 전송 라인의 상기 제 1 영역은, 상기 그라운드와 비접촉한다.

또한, 상기 하부층은, 상기 공기층과 수직으로 중첩되는 영역에 형성되는 제 1 슬롯과, 상기 제 1 슬롯과 일정 간격 이격되며, 상기 신호 전송 라인의 상기 제 1 영역과 수직으로 중첩되는 영역에 형성되는 제 2 슬롯을 포함한다.

또한, 상기 제 2 슬롯은, 상기 제 1 영역과 수직 방향으로 중첩되는 영역에 형성되는 제 1 부분과, 상기 제 1 부분의 일단으로부터 상기 제 1 슬롯을 향하여 수직으로 절곡되어 형성되는 제 2 부분과, 상기 제 1 부분의 타단으로부터 상기 제 1 슬롯을 향하여 수직으로 절곡되어 형성되는 제 3 부분을 포함한다.

또한, 상기 신호 전송 라인의 상기 제 1 영역은, 상기 수직 방향 내에서 상기 제 2 슬롯의 상기 제 1 부분으로부터 돌출되어 적어도 일부가 상기 제 2 부분과 상기 제 3 부분 사이에 배치된다.

또한, 상기 제 1 영역의 단부는, 상기 수직 방향 내에서, 상기 제 2 부분 및 상기 3 부분 각각의 일단 및 타단 사이에 배치된다.

본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 공기층 도파관의 특성과 유전율 특성을 상호 결합한 형태로, 낮은 두께의 테프론 대비 상대적으로 높은 두께의 공기층으로 밀리미터파를 전송함에 따른 신호 손실을 최소화할 수 있고, 테프론으로 패턴(슬롯 타입 외)을 구현함으로써, 밀리미터파 안테나의 제작 용이성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 낮은 두께의 테프론을 사용하여 SIW를 구현할 수 있는 구조뿐만 아니라, 전송 손실을 최소화할 수 있는 공기층을 포함으로써, 제품 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 테프론에 의한 유전율(Er)과 공기층층의 유전율(Er=1)이 상호 결합된 유효 유전율에 의해 신호가 전달이 되며, 이에 따라 구조 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 도파관 모드(Transverse Electric 10)로 신호의 전송이 이루어지기 때문에, 공기층층에 의한 에너지 손실이 테프론의 매질의 손실 계수(Df)에 비해 상대적으로 저손실 특성을 가질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 테프론의 상부층을 이용하여 패턴을 구현함으로써, 공기층만을 포함하는 구조가 가지는 안테나 설계의 단점을 극복할 수 있으며, 이에 따른 슬롯 패턴 제작의 난이도를 저감할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 테프론의 상부층과 통신소자 사이의 연결을 위한 전송 라인을 설계함으로써, 삽입 손실(Insertion Loss)를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 안테나의 구조를 보여주는 도면이고, 도 2는, 도 1 의 제 1 유전체 기판(100)의 상부층(120)의 평면도이며, 도 3은 도 1의 제 1 유전체 기판(100)의 하부층(130)의 평면도이며, 도 4는 도 3의 제 2 슬롯이 형성된 영역의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예와의 비교 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예의 구조와 비교 구조의 삽입 손실을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 신호 특성을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 방사 특성을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나에서의 신호 손실을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 안테나와의 비교 구조에 대한 신호 손실을 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 슬롯의 다양한 구현 예를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 안테나의 구조를 보여주는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예들을 설명한다.

한편, 이하의 설명에서는 본 발명의 이해를 돕고 출원인의 설명의 편의를 위하여, 본 발명에 따른 안테나는 밀리미터파용을 예로 한다. 또한, 본 발명에 따른 밀리미터파용 안테나는, 기판 직접 도파관(SIW: Substrate Integrated Waveguide) 직렬 슬롯 배열 안테나로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명의 권리범위는 예시되는 직렬 슬롯 배열 안테나에만 한정되는 것은 아니며, 동일 또는 유사한 방법으로 다양한 형태의 안테나, 예를 들어, 병렬 슬롯 배열 안테나 또는 직/병렬 배열 안테나 등을 구현할 수 있으며, 이와 같이 구현되는 다양한 형태의 안테나도 본 발명의 권리 범위에 속할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 안테나의 구조를 보여주는 도면이고, 도 2는, 도 1 의 제 1 유전체 기판(100)의 상부층(120)의 평면도이며, 도 3은 도 1의 제 1 유전체 기판(100)의 하부층(130)의 평면도이며, 도 4는 도 3의 제 2 슬롯이 형성된 영역의 확대도이다.

도 1 내지 도 4을 참조하면, 안테나는, 제 1 유전체 기판(100) 및 상기 제 1 유전체 기판(100) 아래에 배치되는 제 2 유전체 기판(200)을 포함한다.

여기에서, 상기 제 1 유전체 기판(100)은 소정의 유전율(Er)과 두께(h)를 갖는 비전도성 물질로 이루어진다.

상기 제 1 유전체 기판(100)은 유전층(110)과, 상기 유전층(110) 위에 배치되는 상부층(120)과, 상기 유전층(110) 아래에 배치되는 하부층(130)을 포함한다.

상기 유전층(110)은 테프론(Teflon)을 사용할 수 있다.

상기 상부층(120)은 상기 유전층(110) 위에 배치되는 금속층이다. 그리고, 상기 하부층(130)은 상기 유전층(110) 아래에 배치되는 금속층이다.

다시 말해서, 상기 유전층(110), 상기 상부층(120) 및 상기 하부층(130)을 포함하는 제 1 유전체 기판(100)은 테프론 기판일 수 있다.

상기 상부층(120)은 복수의 슬롯을 포함하는 그라운드(122)와, 급전을 위한 급전부(121)를 포함한다. 상기 그라운드(122)와 상기 급전부(121)는 상기 상부층(120)을 금속 피막 에칭법을 이용하여 제작할 수 있다. 바람직하게 상기 그라운드(122)는 슬롯(1221)을 포함하는 그라운드일 수 있다. 이때, 상기 상부층(120)은 상기 그라운드(122)에 형성된 슬롯(1221)의 주위를 둘러싸며 배치되는 복수의 비아(1222)를 더 포함할 수 있다.

상기 비아(1222)는 상기 상부층(120)을 관통하며 배치된다. 바람직하게, 상기 비아(1222)는 상기 상부층(120)뿐 아니라, 상기 상부층(120)을 포함하는 제 1 유전체 기판(100)과 상기 제 2 유전체 기판(200)을 관통하며 배치된다. 이에 따라, 상기 비아(1222)의 일면은 상기 상기 제 1 유전체 기판(100)의 상면(상기 상부층(120)의 상면)을 통해 노출되고, 상기 비아(1222)의 타면은 상기 제 2 유전체 기판(200)의 하면을 통해 노출된다.

상기 비아(1222)는 제 1 유전체 기판(100)과 상기 제 2 유전체 기판(200) 사이의 층간 전기적 연결을 위한 통로로써, 전기적으로 단절되어 있는 층을 드릴링(drilling)하여 비아 홀(도시하지 않음)을 형성하고, 상기 형성된 비아 홀을 도전성 물질로 채우거나, 도전 물질로 도금하여 형성될 수 있다.

상기 비아(1222)를 형성하기 위한 금속 물질은 Cu, Ag, Sn, Au, Ni 및 Pd 중 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있으며, 상기 금속 물질 충진은 무전해 도금, 전해 도금, 스크린 인쇄(Screen Printing), 스퍼터링(Sputtering), 증발법(Ecaporation), 잉크젯팅 및 디스펜싱 중 어느 하나 또는 이들의 조합된 방식을 이용할 수 있다.

이때, 상기 비아 홀은 기계, 레이저 및 화학 가공 중 어느 하나의 가공 방식에 의해 형성될 수 있다.

상기 비아 홀이 기계 가공에 의해 형성되는 경우에는 밀링(Milling), 드릴(Drill) 및 라우팅(Routing) 등의 방식을 사용할 수 있고, 레이저 가공에 의해 형성되는 경우에는 UV나 Co2 레이저 방식을 사용할 수 있으며, 화학 가공에 의해 형성되는 경우에는 아미노실란, 케톤류 등을 포함하는 약품을 이용하여 상기 제 1 유전체 기판(100)과 상기 제 2 유전체 기판(200)을 개방할 수 있다.

한편, 상기 레이저에 의한 가공은 광학 에너지를 표면에 집중시켜 재료의 일부를 녹이고 증발시켜, 원하는 형태를 취하는 절단 방법으로, 컴퓨터 프로그램에 의한 복잡한 형성도 쉽게 가공할 수 있고, 다른 방법으로는 절단하기 어려운 복합 재료도 가공할 수 있다.

또한, 상기 레이저에 의한 가공은 절단 직경이 최소 0.005mm까지 가능하며, 가공 가능한 두께 범위로 넓은 장점이 있다. 상기 레이저 가공 드릴로, YAG(Yttrium Aluminum Garnet)레이저나 CO2 레이저나 자외선(UV) 레이저를 이용하는 것이 바람직하다. YAG 레이저는 동박층 및 절연층 모두를 가공할 수 있는 레이저이고, CO2 레이저는 절연층만 가공할 수 있는 레이저이다.

상기 비아(1222)는 일정 직경을 가지며, 상호 일정 거리만큼 이격되어 복수 개가 배치될 수 있다. 이때, 상기 복수의 비아(1222)의 각각의 직경은 300㎛일 수 있으며, 상기 복수의 비아(1222)들 사이의 이격 거리는 300㎛일 수 있다.

한편, 그라운드(122)는 상기 유전층(110)의 상면의 전체 영역에 배치되는 것이 아니라, 일부 영역에만 배치될 수 있다. 즉, 상기 그라운드(122)는 상기 유전층(110)의 상면에 a*b 크기의 장방향 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기 그라운드(122)가 가지는 크기는 상기 유전층(110)의 상면의 크기보다 작다.

또한, 상기 유전층(110) 위에는 급전부(121)가 배치된다. 상기 급전부(121)도 상기 그라운드(122)와 마찬가지로 상기 상부층(120)을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 급전부(121)는 통신소자(도시하지 않음)와 상기 상부층(120)의 상기 그라운드(122)를 연결한다. 바람직하게, 상기 급전부(121)는 상기 통신소자를 통해 전달되는 신호를 상기 그라운드(122)로 전달한다.

이를 위해, 상기 급전부(121)는 일반적으로 사용되는 마이크로 스트립 라인 구조의 신호 전송 라인(1211)을 포함할 수 있다.

이때, 상기 그라운드(122)의 일단에는 상기 그라운드(122)의 내부 방향으로 함몰된 함몰부(1223)가 형성되며, 상기 급전부(121)의 제 1 영역은 상기 그라운드(122)의 상기 함몰부(1223) 내에 삽입된다.

여기에서, 상기 함몰부(1223)가 가지는 폭은 상기 신호 전송 라인(1211)이 가지는 선폭보다 크다. 따라서, 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역은, 상기 그라운드(122)와 접촉하지 않으면서 상기 함몰부(1223) 내에 삽입된다.

다시 말해서, 상기 그라운드(122)와 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역 사이에는 상기 함몰부(1223)에 의해 하부의 상기 유전층(110)의 상면이 노출된다. 즉, 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 하부 주위에는 상기 유전층(110)이 둘러싸며 배치될 수 있다.

즉, 본 발명에서는 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 주위의 하부에 상기 유전층(110)이 둘러싸며 배치되도록 하며, 이에 따라 상기 제 1 영역의 주위를 통해 전달되는 신호의 손실을 최소화하도록 한다.

상기 유전층(110)의 하면에는 상기 하부층(130)이 배치된다.

상기 하부층(130)은 상기 비아(1222)를 통해 상기 상부층(120)과 전기적으로 연결된다. 바람직하게, 상기 하부층(130)은 상기 비아(1222)를 통해 상기 상부층(120)의 그라운드(122)와 전기적으로 연결된다.

상기 하부층(130)에는 복수의 슬롯이 형성된다. 이때, 상기 복수의 슬롯은 상기 하부층(130) 중 상기 유전층(110) 위에 배치되는 그라운드(122)와 수직으로 중첩되는 중첩 영역(R1)에 형성된다.

즉, 상기 하부층(130)의 중첩 영역(R1)에는 제 1 슬롯(131) 및 상기 제 1 슬롯(131)과 일정 간격 이격되어 제 2 슬롯(132)이 형성된다.

상기 제 1 슬롯(131)은 상기 그라운드(122)와 수직으로 중첩되는 상기 유전층(110)의 하면 중 적어도 일부를 노출한다. 이때, 상기 제 1 슬롯(131)은 상기 제 2 유전체 기판(200)에 형성되는 공기층(C)과 수직으로 중첩된다. 상기 공기층(C)은 공극이라고도 할 수 있으며, 상기 신호가 전달되는 통로이다. 명확하게, 상기 공기층(C)은 에어 캐비티(Air Cavity)라고 할 수 있다.

따라서, 상기 제 1 슬롯(131)을 통해 노출되는 상기 유전층(110)의 하면은 상기 제 2 유전체 기판(200)의 상기 공기층(C) 내에 배치된다.

한편, 상기 제 1 슬롯(131)은 '□'자 형상을 가질 수 있으며, 상기 제 2 유전체 기판(200)에 형성되는 공기층(C)의 크기보다 작은 크기로 형성될 수 있다.

상기 제 2 슬롯(132)은 상기 하부층(130) 상에 상기 제 1 슬롯(131)과 일정 간격 이격된 위치에 형성된다. 상기 제 2 슬롯(132)은 상기 중첩 영역 내에 배치된다.

바람직하게, 상기 제 2 슬롯(132)의 적어도 일부는 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역과 수직으로 중첩되는 영역에 형성된다.

다시 말해서, 상기 제 2 슬롯(132)은 일자 형상을 가지는 제 1 부분(1321)과, 상기 제 1 부분(1321)의 일단에서 상기 제 1 부분(132)의 수직 방향으로 형성되는 제 2 부분(132)과, 상기 제 1 부분(132)의 타단에서 상기 제 1 부분(132)의 수직 방향으로 형성되며 상기 제 2 부분(132)과 평행한 제 3 부분(1323)을 포함한다.

즉, 상기 제 2 슬롯(132)의 상기 제 1 부분(1321)과, 상기 제 2 부분(1322)과, 상기 제 3 부분(1323)의 조합 형상은 U자 형상을 갖는다.

상기 제 2 슬롯(132)은 상기와 같이 U자 형상을 가지며, 수직 방향으로 상기 신호 전송 라인(1211)과 적어도 일부가 중첩되도록 형성된다. 이에 따라, 본 발명에서는 공기층(C)을 가지는 신호 도파관 구조에서, 상기 급전부(121)와 상기 제 1 유전체 기판(100)의 상기 상부층(120) 사이를 삽입 손실 없이 연결할 수 있다.

한편, 도 4를 참조하여 상기 제 2 슬롯과 상기 신호 전송 라인(1211) 사이의 관계에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

상기 제 2 슬롯(132)은 상기 제 1 부분(1321)이 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역과 수직으로 중첩된다. 바람직하게, 상기 제 2 슬롯(132)의 상기 제 1 부분(1321)의 적어도 일부는 상기 제 1 영역과 수직 방향으로 중첩되는 영역에 위치한다. 이때, 상기 제 1 부분(1321)의 좌우 폭은 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 좌우 폭보다 크다.

따라서, 상기 제 1 부분(1321)은 수직 방향 내에서 상기 신호 전송 라인(1211)의 제 1 영역과 중첩되는 부분과, 상기 신호 전송 라인(1211)과 중첩되지 않는 부분을 각각 포함한다.

그리고, 상기 제 2 부분(1322)은 상기 제 1 부분(1321)의 일단에서 수직 방향으로 절곡되어 배치된다. 바람직하게, 상기 제 2 부분(1322)은 상기 제 1 부분(1321)의 일단에서, 상기 제 1 슬롯(131)이 형성된 방향을 향하여 수직 절곡된다.

또한, 상기 제 3 부분(1323)은 상기 제 1 부분(1321)의 타단에서 수직 방향으로 절곡되어 배치된다. 바람직하게, 상기 제 3 부분(1323)은 상기 제 1 부분(1321)의 타단에서, 상기 제 1 슬롯(131)이 형성된 방향을 향하여 수직 절곡된다.

한편, 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역은, 수직 방향 내에서 상기 제 2 슬롯(132)의 상기 제 1 부분(1321)과 중첩되는 영역을 포함하며, 상기 중첩되는 영역에 더하여, 수직 방향 내에서 상기 제 2 부분(1322)과 상기 제 3 부분(1323)의 사이 영역으로 돌출되어 배치된다.

이때, 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 끝단은 수직 방향 내에서 상기 제 2 부분(1322)과 상기 제 3 부분(1323)의 사이 영역 내에 배치된다. 즉, 상기 제 2 슬롯(132)과 상기 신호 전송 라인(1211)의 수직 방향 내에서의 위치 관계에 따라 삽입 손실에 큰 차이가 나타난다.

도 5는 본 발명의 실시 예와의 비교 구조를 보여주는 도면이다.

상기와 같이, 본 발명에서는 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 끝단이 수직 방향 내에서 상기 제 2 부분(1322)과 상기 제 3 부분(1323)의 사이 영역 내에 배치된다.

이와 다르게, 도 5의 (A)와 같이, 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 끝단은 수직 방향 내에서 상기 제 2 부분(1322)과 상기 제 3 부분(1323)의 사이 영역 내에 배치되지 않고, 상기 제 1 부분(1311) 상에만 배치될 수 있다. 이는, 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 길이가 본 발명의 실시 예보다 짧은 경우를 의미한다.

또한, 이와 다르게 도 5의 (B)와 같이, 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 끝단은 수직 방향 내에서 상기 제 2 부분(1322)과 상기 제 3 부분(1323)의 사이 영역 내에 배치될 뿐 아니라, 상기 제 2 부분(1322)과 상기 제 3 부분(1323)의 사이 영역을 벗어나는 위치까지 연장될 수 있다. 이는, 상기 신호 전송 라인(1211)의 상기 제 1 영역의 길이가 본 발명의 실시 예보다 더 긴 경우를 의미한다.

도 6은 본 발명의 실시 예의 구조와 비교 구조의 삽입 손실을 나타낸 그래프이다.

도 6의 그래프에서 A는 도 5의 (A) 구조에 의해 발생하는 삽입 손실을 보여주고, B는 도 5의 (B) 구조에 의해 발생하는 삽입 손실을 보여주며, C는 도 4에 따른 본 발명의 실시 예의 구조에 의해 발생하는 삽입 손실을 보여준다.

도 6에 나타난 바와 같이, 76.5GHz 주파수 영역에서, 상기 A 구조는 0.91dB의 삽입 손실이 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 상기 B 구조는 0.84dB의 삽입 손실이 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 본 발명의 실시 예의 구조는 상기 A 및 B 구조와는 확연히 구분되는 0.13dB의 삽입 손실이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 상기 제 1 유전체 기판(100) 아래에는 제 2 유전체 기판(200)이 배치된다. 상기 제 2 유전체 기판(200)은 상기 제 1 유전체 기판(100)으로부터 전달되는 밀리미터파의 신호를 전달하는 도파관이다.

다시 말해서, 상기 제 2 유전체 기판(200)은 상기 제 1 유전체 기판(100)로부터 신호를 전달받아 내부의 공기층(C)을 통해 상기 신호를 전송한다. 이때, 상기 신호는 상기 유전층(110)이 가지는 테프론의 유전율과, 상기 제 2 유전체 기판(200)의 공기층(C)이 가지는 유전율(Er=1)이 상호 결합된 유효 유전율에 의해 상기 공기층(C)을 통해 전달된다.

이를 위해, 상기 제 2 유전체 기판(200)은 제 1 절연층(210)과, 상기 제 1 절연층(210) 위에 배치되는 제 1 금속층(220)과, 상기 제 1 금속층(220) 위에 배치되는 제 1 접착층(230)과, 상기 제 1 접착층(230) 위에 배치되는 제 2 금속층(240)과, 상기 제 2 금속층(240) 위에 배치되는 제 2 절연층(250)과, 상기 제 2 절연층(250) 위에 배치되는 제 3 금속층(260)과, 상기 제 3 금속층(260) 위에 배치되는 제 2 접착층(270)을 포함한다.

상기 제 1 접착층(230)은 프리프레그일 수 있으며, 상면에 상기 제 1 금속층(220)이 배치된 제 1 절연층(210)과, 하면에 상기 제 2 금속층(240)이 배치된 제 2 절연층(220) 사이에 접착력을 제공하여 상호 결합될 수 있도록 한다.

제 2 접착층(270)은 상면에 제 3 금속층(260)이 배치된 상기 제 2 절연층(250)과 상기 제 1 유전체 기판(100) 사이에 접착력을 제공하여 상호 결합될 수 있도록 한다.

제 1 절연층(210)과 제 2 절연층(250)은 일정 두께의 상기 공기층(C)을 확보하기 위하여 형성된다. 이때, 하나의 절연층으로 상기 공기층(C)의 두께를 확보할 수 있다면, 상기 절연층은 본 발명에서와 같이 2개의 층이 아닌 1개의 층으로도 형성될 수 있을 것이다. 또한, 상기 절연층은 본 발명에서와 같이 2개의 층이 아닌 3개의 층이나 그 이상의 층으로도 형성될 수 있을 것이다.

상기 제 1 절연층(210) 및 제 2 절연층(250)은 에폭시(epoxy),듀로이드(Duroid), 베이크라이트, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, LTCC 및 에어폼(Air form) 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게 비교적 단가가 저렴한 FR-4를 사용한다.

상기 제 1 금속층(220), 제 2 금속층(240) 및 제 3 금속층(260)은 각 층들 사이에 배선 역할을 하는 회로 패턴을 포함한다.

한편, 상기 제 2 유전체 기판(200) 내에는 상기 제 2 접착층(270), 제 3 금속층(260), 제 2 절연층(250), 제 2 금속층(240) 및 상기 제 1 접착층(230)을 관통하는 공기층(C)이 형성된다.

상기 공기층(C)은 상기 제 1 유전체 기판(100)의 상부에 형성되는 상기 그라운드(122)와 수직으로 중첩되는 영역 내에 배치된다. 바람직하게, 상기 공기층(C)의 위치는 상기 그라운드(122)를 구성하는 비아(1222)의 위치에 의해 결정될 수 있다.

상기 공기층(C)은 상기 비아(1222)가 둘러싸고 있는 내부 영역과 수직으로 중첩되는 위치에 형성된다. 따라서, 상기 비아(1222)는 상기 제 2 유전체 기판(200)을 관통하며 배치되는데, 상기 공기층(C)이 상기 비아(1222)의 내부 영역에 배치되기 때문에, 상기 비아(1222)와 상기 공기층(C)은 상기 제 2 유전체 기판(200) 내에서 일정 간격 이격된다.

한편, 상기 공기층(C)이 가지는 두께는, 상기 제 1 유전체 기판(100)의 두께, 바람직하게는 상기 유전층(110)의 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 신호 특성을 보여주는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 입력 신호와 반사 신호의 비는 76.50GHz 주파수에서 -21.47dB을 가지고 있었으며, 이에 따른 신호 손실이 최소화되는 것을 확인할 수 있었다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나의 방사 특성을 보여주는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 0도의 커브를 기준으로 76.5GHz 주파수에서 최대 13.2925dB의 신호 게인이 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 90도의 커브를 기준으로 76.5GHz 주파수에서 최대 12.4109dB의 신호 게인이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나에서의 신호 손실을 보여주는 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 76.5GHz의 주파수에서 본 발명에서의 공기층(C)을 포함하는 안테나 구조가 가지는 신호 손실을 0.17dB이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

도 10은 본 발명의 안테나와의 비교 구조에 대한 신호 손실을 나타낸 도면이다.

도 10의 A는 일반적인 테프론층만을 이용하여 SIW 안테나를 구현한 경우에서 나타나는 신호 손실을 보여주고, 도 10의 B는 Conventional Micro-Strip Line에서 나타나는 신호 손실을 보여준다.

도 10의 A에서와 같이, 일반적인 테프론층만을 이용하여 SIW 안테나를 구현한 경우에는 0.72dB의 신호 손실이 발생하였고, 도 10의 B에서와 같이, Conventional Micro-Strip Line에서는 1.08dB의 신호 손실이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

도 11 내지 도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 슬롯의 다양한 구현 예를 나타낸 도면이다.

도 11은 전형적이며 대중적으로 사용되고 있는 도파관 배열 안테나 구조로써 병렬 연결로 등가화되는 슬롯 배열 안테나가 예시되었다.

여기서, 모든 방사 슬롯(301 내지 404)은, 공진(Resonance)에 해당되는 길이 및 오프셋(offset)을 가지며, 도파관의 중심에서 떨어진 오프셋 거리에 따라 다양한 병렬 서셉턴스(susceptance)를 가진다.

그 밖에 각 방사 슬롯은, 도파관 관내 파장(guide wavelength)의 반파장(λg/2) 거리만큼 떨어져 배치되어, 상기 각 방사 슬롯에 유도되는 전장 벡터의 위상은 동일하며, 높은 순도의 선형 편파를 방사할 수 있다.

도 12는 본 발명과 관련하여, 교차 회전 각도를 가지는 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 12의 단일 방사 슬롯은, 공진에 해당되는 길이를 가지며 회전 각도에 따라 다양한 직렬 레지스턴스(resistance)를 가진다.

여기서, 각 방사 슬롯(401 내지 404)은, 도파관 관내 파장(guide wavelength)의 반파장 거리만큼 떨어져 배치된다.

도 13은 본 발명과 관련하여, 동일한 회전 각도를 가진 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 13의 단일 방사 슬롯은, 공진에 해당되는 길이를 가지며 회전 각도에 따라 다양한 직렬 레지스턴스를 가진다.

여기서, 각 방사 슬롯(501 내지 502)은, 도파관 관내 파장의 한 파장 거리만큼 떨어져 배치되며, 모든 방사 슬롯은 동일한 전장 위상(phase) 정보를 가진다.

따라서, 각 방사 슬롯(501 내지 502)에 유도되는 전장 벡터 방향은 동일하여 순도 높은 선형 편파를 발생시킬수 있다.

도 14는 본 발명과 관련하여, 진행파(traveling-wave) 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 14의 진행파 직렬 슬롯 배열 안테나는, 방사 슬롯 간의 간격은 일정하지 않고 서로 다른 간격을 가진 구조이다.

또한, 도 14의 진행파 배열 안테나(601 내지 604)는, 마지막 슬롯(404) 즉, 슬롯 배열 끝에는, 도파관의 특성 임피던스 로드(load)로 종단(termination)된다.

도 15는 본 발명과 관련하여, 슬롯 쌍(slot pair) 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 15의 레이더 안테나는, 두 개의 방사 슬롯이 하나의 쌍을 형성하며 직렬로 배열된 안테나 구조이다.

여기서, 도 15와 같은 레이더 안테나는, 방사 슬롯(701 내지 702, 703 내지 704) 간의 간격이 매우 좁아 상호 커플링 임피던스(mutual coupling impedance)를 반드시 고려해야 하며, 반복적인 계산을 통한 설계만이 가능하여 그 설계가 매우 까다롭다.

도 16은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 안테나의 구조를 보여주는 도면이다.

도 16을 참조하면, 안테나는, 제 1 유전체 기판(100) 및 상기 제 1 유전체 기판(100) 아래에 배치되는 제 2 유전체 기판(200)을 포함한다.

여기에서, 상기 제 1 유전체 기판(100)은 소정의 유전율(Er)과 두께(h)를 갖는 비전도성 물질로 이루어진다. 상기 제 1 유전체 기판(100)은 유전층(110)과, 상기 유전층(110) 위에 배치되는 상부층(120)과, 상기 유전층(110) 아래에 배치되는 하부층(130)을 포함한다.

상기 유전층(110)은 테프론(Teflon)을 사용할 수 있다. 상기 상부층(120)은 상기 유전층(110) 위에 배치되는 금속층이다. 그리고, 상기 하부층(130)은 상기 유전층(110) 아래에 배치되는 금속층이다.

상기 제 1 유전체 기판(100) 아래에는 제 2 유전체 기판(200)이 배치된다. 상기 제 2 유전체 기판(200)은 상기 제 1 유전체 기판(100)으로부터 전달되는 밀리미터파의 신호를 전달하는 도파관이다.

또한, 상기 제 2 실시 예에서의 안테나는, 상기 공기층(C)에 차단층(290)이 더 형성된다. 상기 차단층(290)은 상기 공기층(C)의 내벽과 바닥면에 형성되며, 그에 따라 상기 공기층(C)의 외부로의 신호 손실을 차단하도록 한다.

Claims

제 1 유전체 기판; 및
상기 제 1 유전체 기판 아래에 배치되며, 내부에 공기층이 형성된 제 2 유전체 기판;를 포함하고,
상기 제 1 유전체 기판은,
유전층과,
상기 유전층 위에 배치되며, 적어도 하나의 방사 슬롯이 형성된 그라운드 및 급전부를 포함하는 상부층과,
상기 유전층 아래에 배치되며, 상기 제 2 유전체 기판과 접촉하는 하부층과,
상기 제 1 유전체 기판 및 상기 제 2 유전체 기판을 관통하며, 상기 상부층에 배치되는 상기 방사 슬롯 및 상기 제 2 유전체 기판에 형성되는 상기 공기층의 주위를 둘러싸는 복수의 비아를 포함하는
안테나.
제 1항에 있어서,
상기 유전층은,
테프론을 포함하는
안테나.
제 1항에 있어서,
상기 공기층은,
상기 상부층의 상기 그라운드에 형성되는 상기 적어도 하나의 방사 슬롯과 수직 방향으로 중첩되는
안테나.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 유전체 기판은,
제 1 절연층과,
상기 제 1 절연층 위에 배치되는 제 1 금속층과,
상기 제 1 금속층 위에 배치되는 제 1 접착층과,
상기 제 1 접착층 위에 배치되는 제 2 금속층과,
상기 제 2 금속층 위에 배치되는 제 2 절연층과,
상기 제 2 절연층 위에 배치되는 제 3 금속층과,
상기 제 3 금속층 위에 배치되는 제 2 접착층을 포함하는
안테나.
제 4항에 있어서,
상기 제 1 절연층 및 상기 제 2 절연층은,
FR4를 포함하고,
상기 제 1 접착층 및 상기 제 2 접착층은,
프리프레그를 포함하는
안테나.
제 4항에 있어서,
상기 공기층은,
상기 제 1 접착층, 상기 제 2 금속층, 상기 제 2 절연층, 상기 제 3 금속층 및 상기 제 2 접착층을 관통하는
안테나.
제 1항에 있어서,
상기 공기층의 두께는,
상기 유전층의 두께보다 두꺼운
안테나.
제 1항에 있어서,
상기 그라운드의 일단에는,
상기 급전부의 신호 전송 라인의 제 1 영역이 삽입되는 함몰부가 형성되며,
상기 함몰부의 폭은,
상기 신호 전송 라인의 상기 제 1 영역의 폭보다 크며,
상기 신호 전송 라인의 상기 제 1 영역은,
상기 그라운드와 비접촉하는
안테나.
제 8항에 있어서,
상기 하부층은,
상기 공기층과 수직으로 중첩되는 영역에 형성되는 제 1 슬롯과,
상기 제 1 슬롯과 일정 간격 이격되며, 상기 신호 전송 라인의 상기 제 1 영역과 수직으로 중첩되는 영역에 형성되는 제 2 슬롯을 포함하는
안테나.
제 9항에 있어서,
상기 제 2 슬롯은,
상기 제 1 영역과 수직 방향으로 중첩되는 영역에 형성되는 제 1 부분과,
상기 제 1 부분의 일단으로부터 상기 제 1 슬롯을 향하여 수직으로 절곡되어 형성되는 제 2 부분과,
상기 제 1 부분의 타단으로부터 상기 제 1 슬롯을 향하여 수직으로 절곡되어 형성되는 제 3 부분을 포함하는
안테나.
제 10항에 있어서,
상기 신호 전송 라인의 상기 제 1 영역은,
상기 수직 방향 내에서 상기 제 2 슬롯의 상기 제 1 부분으로부터 돌출되어 적어도 일부가 상기 제 2 부분과 상기 제 3 부분 사이에 배치되는
안테나.
제 11항에 있어서,
상기 제 1 영역의 단부는,
상기 수직 방향 내에서, 상기 제 2 부분 및 상기 3 부분 각각의 일단 및 타단 사이에 배치되는
안테나.