KR20190027909A - 마이크로스트립 안테나, 안테나 어레이, 및 마이크로스트립 안테나의 제조 방법 - Google Patents

마이크로스트립 안테나, 안테나 어레이, 및 마이크로스트립 안테나의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시내용의 실시예들은 마이크로스트립 안테나 및 안테나 어레이를 제공한다. 마이크로스트립 안테나는 마이크로스트립 안테나의 기판의 제1 표면 상에 배치된 접지 평면; 제1 표면에 대향하는 기판의 제2 표면 상에 배치된 금속 패치; 마이크로스트립 안테나가 제1 공진 주파수를 갖도록 금속 패치 상에 배치된 급전점; 및 마이크로스트립 안테나가 제1 공진 주파수와 상이한 제2 공진 주파수를 갖도록 금속 패치 상에 배치되는 단락점을 포함한다. 본 개시내용의 실시예들에 따른 마이크로스트립 안테나는 넓은 대역폭, 낮은 프로파일, 높은 이득, 작은 크기 및 간단한 구조를 갖는다.

Description

마이크로스트립 안테나, 안테나 어레이, 및 마이크로스트립 안테나의 제조 방법
본 개시내용은 일반적으로 안테나들에 관한 것으로, 더 구체적으로는 마이크로스트립 안테나, 안테나 어레이, 및 마이크로스트립 안테나의 제조 방법에 관한 것이다.
광대역 로우 프로파일(low-profile) 마이크로스트립 안테나는 다중 입력 다중 출력(MIMO) 애플리케이션들, 특히 많은 수의 안테나 요소가 사용되고 각각의 안테나 요소가 작은 점유 면적 및 넓은 대역폭을 갖는 5G의 매시브(Massive) MIMO를 위한 핵심적인 역할을 한다.
마이크로스트립 안테나들은 일반적으로 부피가 큰 안테나들을 대체하기에 적합한 원통형 및 형상추종(conformal) 구조를 갖는 경량, 로우 프로파일 및 저비용 디바이스들이다. 그러나, 종래의 마이크로스트립 안테나들은 좁은 대역폭으로 인해 어려움을 겪고, 광대역 마이크로스트립 안테나는 일반적으로 높은 프로파일을 가지며 기판으로서 공기를 사용하므로 제조 복잡성을 증가시킨다. 일부 광대역 마이크로스트립 안테나들은 로딩된 슬롯들로 인해 상대적으로 큰 크기를 가지거나 상대적으로 낮은 이득을 갖는다. 즉, 기존의 광대역 마이크로스트립 안테나들은 여러 측면에서 다양한 결함을 가지고 있다.
본 개시내용의 실시예들은 마이크로스트립 안테나, 안테나 어레이, 및 마이크로스트립 안테나의 제조 방법을 제공한다.
본 개시내용의 제1 양태에 따르면, 마이크로스트립 안테나가 제공된다. 마이크로스트립 안테나는 마이크로스트립 안테나의 기판의 제1 표면 상에 배치된 접지 평면(ground plane); 제1 표면에 대향하는 기판의 제2 표면 상에 배치된 금속 패치(metal patch); 마이크로스트립 안테나가 제1 공진 주파수를 갖도록 금속 패치 상에 배치된 급전점(feeding point); 및 마이크로스트립 안테나가 제1 공진 주파수와 상이한 제2 공진 주파수를 갖도록 금속 패치 상에 배치되는 단락점(shorting point)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 단락점으로부터 금속 패치의 중심점까지의 선과 급전점으로부터 중심점까지의 선 사이의 각도는 90도보다 크고 180도보다 작을 수 있다. 일부 실시예들에서, 단락점은 접지 평면에 연결된 비아(via)를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 마이크로스트립 안테나는 급전점 주위에 배치된 적어도 하나의 슬롯을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 슬롯은 급전점으로부터 중심점까지의 선에 대해 실질적으로 대칭인 두 개의 슬롯을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 금속 패치는 원형 금속 패치를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로스트립 안테나는 동축 케이블을 통해 피딩될 수 있다.
일부 실시예들에서, 기판의 두께는 마이크로스트립 안테나의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/10보다 작을 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속 패치의 크기는 마이크로스트립 안테나의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/2보다 작을 수 있다.
본 개시내용의 제2 양태에 따르면, 안테나 어레이가 제공된다. 안테나 어레이는 본 개시내용의 제1 양태에 따른 복수의 마이크로스트립 안테나를 포함한다.
일부 실시예들에서, 복수의 마이크로스트립 안테나의 배열, 및 각각의 금속 패치들 상의 각각의 마이크로스트립 안테나들의 단락점들의 위치들은 안테나 어레이에서 표면파의 전파(propagation)가 감소되도록 협력하여 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 안테나 어레이는 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템에서 사용될 수 있다.
본 개시내용의 제3 양태에 따르면, 마이크로스트립 안테나의 제조 방법이 제공된다. 방법은 마이크로스트립 안테나의 기판의 제1 표면 상에 접지 평면을 제공하는 단계; 제1 표면에 대향하는 기판의 제2 표면 상에 금속 패치를 제공하는 단계; 마이크로스트립 안테나가 제1 공진 주파수를 갖도록 금속 패치 상에 급전점을 제공하는 단계; 및 마이크로스트립 안테나가 제1 공진 주파수와 상이한 제2 공진 주파수를 갖도록 금속 패치 상에 단락점을 제공하는 단계를 포함한다.
첨부된 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명을 통해, 본 개시내용의 실시예들의 전술한 그리고 다른 목적들, 특징들 및 이점들이 더욱 명백해질 것이다. 본 개시내용의 몇몇 예시적인 실시예들은 도면에서 예시적으로 도시되나 제한적이지 않다.
도 1은 종래의 마이크로스트립 안테나의 구조도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 다른 종래의 마이크로스트립 안테나의 구조도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 또 다른 종래의 마이크로스트립 안테나의 구조도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 추가로 또 다른 종래의 마이크로스트립 안테나의 구조도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로스트립 안테나의 평면도를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로스트립 안테나의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로스트립 안테나의 단락점의 존재/부재시의 반사 계수 그래프를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로스트립 안테나의 방사 패턴을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 안테나 어레이를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 안테나 어레이 및 종래의 마이크로스트립 안테나들에 의해 형성된 안테나 어레이에 대한 주파수에 따라 변화하는 상관 계수의 비교 그래프를 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 안테나 어레이가 소형 기지국(small base station)의 표면 상에 장착될 수 있는 개략도를 개략적으로 도시한다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로스트립 안테나의 제조 방법의 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도면들 전체에 걸쳐, 동일하거나 유사한 요소들을 나타내기 위해 동일하거나 유사한 참조 번호들이 사용된다.
본 개시내용의 원리들 및 사상들이 도면들에 도시된 다양한 예시적인 실시예들을 참조하여 이제 설명될 것이다. 이 실시예들의 설명은 단지 관련 기술 분야의 통상의 기술자가 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예들을 더 잘 이해하고 더 구현할 수 있도록 하기 위한 것이며 어떠한 방식으로든 본 명세서에 개시된 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다.
전술한 바와 같이, 마이크로스트립 안테나들은 부피가 큰 안테나들을 대체하기에 적합한 원통형 및 형상추종 구조를 갖는 경량, 로우 프로파일 및 저비용 디바이스들이다. 그러나, 마이크로스트립 안테나는 일반적으로 본질적으로 좁은, 예를 들어 중심 주파수의 5%보다 작은 동작 주파수 대역폭을 가지며, 이는 마이크로스트립 안테나들의 보다 광범위한 사용을 제한한다.
종래의 해결책들에서, 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 확장시키는 방법은 낮은 유효 유전율을 갖는 기판의 두께를 증가시키는 것이다. 이 종래의 해결책은 도 1 및 도 2를 참조하여 이하에서 논의될 것이다.
도 1은 종래의 마이크로스트립 안테나(100)의 구조도를 개략적으로 도시한다. 구체적으로는, 왼쪽 도면은 마이크로스트립 안테나(100)의 평면도이고, 오른쪽 도면은 마이크로스트립 안테나(100)의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 안테나(100)는 마이크로스트립 패치(101), 마이크로스트립 라인(102), 백 캐비티(back cavity)(103), 마이크로스트립 유전체 플레이트(104), 구조적 지지 플레이트(105) 및 금속 접지(106)를 포함할 수 있다.
도 2는 다른 종래의 마이크로스트립 안테나(200)의 구조도를 개략적으로 도시한다. 구체적으로는, 왼쪽 도면은 마이크로스트립 안테나(200)의 평면도이고, 오른쪽 도면은 마이크로스트립 안테나(200)의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 안테나(200)는 중공 중심부(hollow center portion)를 갖는 모서리가 절단된 직사각형 패치(rectangular corner-truncated patch)(211), 타원형 패치(212), 급전점(221), 유전체 플레이트(220), 동축 프로브(230), 접지 플레이트(240), 및 접지 단자를 피딩하는 동축 라인(250)을 포함할 수 있다.
도 1의 광대역 마이크로스트립 안테나(100)는 공기 캐비티(103)를 추가하여 대역폭을 확장시킴으로써, 마이크로스트립 안테나(100)의 두께 및 제조 비용을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 도 2의 마이크로스트립 안테나(200)는 단순히 마이크로스트립 안테나(200)의 두께를 증가시키고, 긴 피딩 프로브(230)에 의해 유도된 인덕턴스를 제거하기 위해 모서리가 절단된 직사각형 패치(211)와 타원형 패치(212) 사이의 슬롯들을 사용한다. 도 1 및 도 2의 이러한 방법들은 높은 프로파일의 마이크로스트립 안테나 및 증가된 제조 비용을 초래할 것이다. 또한, 공기 캐비티(103)는 마이크로스트립 패치(101)의 후면 상에 있을 때 피딩 네트워크 배열을 제한할 수도 있다.
종래의 해결책들 중에서, 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 확장시키는 또 다른 해결책은 비아 로딩 또는 저항 로딩을 사용하는 것이다. 이 종래의 해결책은 도 3 및 도 4를 참조하여 이하에서 논의될 것이다.
도 3은 또 다른 종래의 마이크로스트립 안테나(300)의 구조도를 개략적으로 도시한다. 구체적으로는, 왼쪽 도면은 마이크로스트립 안테나(300)의 평면도이고 오른쪽 도면은 마이크로스트립 안테나(300)의 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 안테나(300)는 정사각형 패치(310), 프로브 피딩(320), 단락 핀(330), 접지 평면(340) 및 공기 충진 기판(350) 등을 포함할 수 있다.
도 4는 추가로 또 다른 종래의 마이크로스트립 안테나(400)의 구조도를 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 왼쪽 도면은 마이크로스트립 안테나(400)의 평면도이고, 오른쪽 도면은 마이크로스트립 안테나(400)의 3차원(3D) 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 안테나(400)는 상부 패치(410), 하부 패치(420), 절곡된 경사진 부분(430), 프로브 피딩(440), 단락 핀(450), 센터 핀(460), 접지 평면(470) 등을 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4의 마이크로스트립 안테나들(300 및 400)에서의 비아 로딩 해결책은 여러 개의 비아를 사용하여 안테나 이득이 감소할 것임을 알 수 있다. 마찬가지로, 저항 로딩은 대역폭도 증가시킬 수 있지만 방사 효율과 안테나 이득도 감소시킨다.
또한, 종래의 해결책들에서, 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 증가시키기 위해 방사기(radiator)에 슬롯들, 예를 들어, U자형 슬롯들 및 직사각형 슬롯들도 도입할 수 있다. 이러한 슬롯들은 일반적으로 안테나 크기를 늘리지만 대역폭은 기판 두께와 함께 크게 향상된다. 따라서, 이러한 구성은 또한 고비용으로 어려움을 겪는다. 또한, 슬롯들의 도입은 일반적으로 불필요한 표면파들을 여기시키고 MIMO 시스템에서 마이크로스트립 안테나의 성능을 감소시킨다. 안테나는 MIMO 또는 매시브 MIMO 애플리케이션에서 작게 설계되어야 하기 때문에, 각각의 요소의 커다란 크기는 안테나 어레이 배열에 영향을 미치게 된다. 근접 피딩(proximity feeding)은 상대적으로 얇은 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 증가시킬 수 있지만, 이 배열은 여러 레이어를 포함하기 때문에 너무 복잡하다.
따라서, 기존의 해결책들은 얇은 기판, 넓은 대역폭, 작은 크기 및 높은 이득을 갖는 저비용 마이크로스트립 안테나를 제공할 수 없다. 이러한 관점에서, 본 개시내용의 실시예는 마이크로스트립 안테나의 두께, 이득 및 패치 기하구조에 영향을 주지 않으면서 단일 레이어 마이크로스트립 안테나의 대역폭을 증가시키는 마이크로스트립 안테나를 제공한다. 급전점 및 단락점 프로브의 배열은 MIMO 시스템에서 마이크로스트립 안테나의 성능을 향상시킨다. 본 개시내용의 실시예들에 따른 마이크로스트립 안테나는 낮은 프로파일, 작은 크기, 넓은 대역폭 및 높은 이득을 가지며, 또한 구조가 간단하고 비용 면에서 효과적이다. 따라서, 예를 들어 MIMO 시스템, 특히 5G 통신에서의 매시브 MIMO 시스템에서 널리 사용될 수 있다. 본 개시내용의 실시예들에 따른 마이크로스트립 안테나의 구조는 도 5 및 도 6을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다.
도 5 및 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로스트립 안테나(500)의 평면도 및 측면도를 각각 나타낸다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 안테나(500)는 마이크로스트립 안테나에 적합한 임의의 유전체 재료들로 제조된 기판(510)을 포함한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 기판(510)은 2.55의 유전율 및 0.0019의 유전 손실 탄젠트를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(510)의 두께는 마이크로스트립 안테나(500)의 낮은 프로파일을 달성하기 위해, 마이크로스트립 안테나(500)의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/10보다 작을 수 있다. 예를 들어, 마이크로스트립 안테나(500)의 동작 주파수 대역이 LTE(Long Term Evolution) 대역의 3.4 내지 3.6GHz를 커버하도록 설계되는 경우, 기판(510)의 두께는 대략 3mm일 수 있다. 위에서 서술한 특정 값들은 단지 예시들일 뿐이며 어떠한 방식으로든 본 개시내용의 범위를 제한하려는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다. 특정 애플리케이션 환경들 및 요구들에 따라 임의의 다른 적절한 값들이 사용될 수 있다.
또한, 마이크로스트립 안테나(500)는 기판(510)의 제1 표면 상에 배치된 접지 평면(530)도 포함한다. 도 5에서, 기판(510)의 제1 표면은 도시되지 않은 기판(510)의 바닥 표면을 참조한다. 도 6에서, 기판(510)의 제1 표면은 기판(510)의 하부 측의 바닥 표면으로 도시되어 있다. 도 6은 접지 평면(530)이 기판(510)의 제1 표면을 완전히 덮고 있는 것으로 도시하지만, 다른 덮는 방식들 또한 가능하다. 예를 들어, 접지 평면(530)은 기판(510)의 제1 표면의 일부분만을 덮거나 또는 패턴을 형성하는 등이다.
또한, 마이크로스트립 안테나(500)는 금속 패치(520)도 포함한다. 도면들에 도시된 바와 같이, 금속 패치(520)는 기판(510)의 제1 표면에 대향하는 제2 표면에 배치된다. 도 5에서, 기판(510)의 제2 표면은 기판(510)의 상부 표면으로 도시된다. 도 6에서, 기판(510)의 제2 표면은 기판(510)의 상부 측의 상부 표면으로 도시된다. 도 5에서 비록 금속 패치(520)가 원형 금속 패치로서 설명되었지만, 본 개시내용의 실시예들의 기술적 해결책들은 다른 형상들의 금속 패치(520), 예를 들어 직사각형 금속 패치, 정사각형 금속 패치 등에도 적용 가능하다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예들에서, 금속 패치(520)는 마이크로스트립 안테나(500)의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/2보다 작은 크기로 될 수 있어서, 금속 패치(520)는 MIMO의 안테나 어레이 배열에 사용되기 더 유리할 것이다. 예를 들어, 마이크로스트립 안테나(500)의 동작 주파수 대역이 3.4 내지 3.6GHz의 LTE 대역을 커버하도록 설계되고 금속 패치(520)가 원형 금속 패치인 경우, 그 반경은 3.5GHz에서의 파장의 0.175배인 15mm가 될 수 있다. 다른 중심 주파수 값들도 역시 가능하며 본 개시내용의 범위는 이에 한정되지 않는다.
또한, 마이크로스트립 안테나(500)는 금속 패치(520) 상에 배치된 급전점(522)을 더 포함하여, 마이크로스트립 안테나(500)는 제1 공진 주파수를 갖게 된다. 또한, 마이크로스트립 안테나(500)는 금속 패치(520) 상에 또한 배치된 단락점(523)을 더 포함하여, 마이크로스트립 안테나(500)는 제1 주파수와 상이한 제2 공진 주파수를 갖게 된다. 본 개시내용의 실시예들에서, 단락점(523)은 마이크로스트립 안테나(500)를 소형화할 수 있으며 단락점(523)의 도입은 마이크로스트립 안테나(500)가 또한 제1 공진 주파수와 상이한 제2 공진 주파수를 가질 수 있게 한다. 이러한 방식으로, 마이크로스트립 안테나(500)의 동작 대역폭은 마이크로스트립 안테나(500)의 두께를 증가시키거나 이득을 감소시키지 않고 현저히 확장될 수 있다. 마이크로스트립 안테나(500)의 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수는 도 7을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 것이다.
도 7은 단락점(523)의 존재/부재시의 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로스트립 안테나(500)의 반사 계수들의 그래프(700)를 개략적으로 도시한다. 도 7의 그래프(700)에서, 가로축은 주파수를 기가헤르츠(GHz) 단위로 나타내고, 세로축은 스캐터링 파라미터(S 파라미터)의 반사 계수(S11)를 데시벨(dB) 단위로 나타낸다. 또한, 점선 곡선(701)은 단락점(523)이 없는 마이크로스트립 안테나(500)의 반사 계수 곡선을 나타내고, 실선 곡선(702)은 단락점(523)을 갖는 마이크로스트립 안테나(500)의 반사 계수 곡선을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 단락점(523)이 존재하지 않을 때 마이크로스트립 안테나(500)는 오직 하나의 공진 주파수(710)를 갖는다. 이 경우, -10dB의 동작 대역폭은 그래프(700)에 의해 기술된 특정 예에서 중심 주파수의 4%보다 작다. 대조적으로, 단락점(523)이 존재할 때 마이크로스트립 안테나(500)는 2개의 공진 주파수, 즉 제1 공진 주파수(720) 및 제2 공진 주파수(730)를 가지며, 이에 따라 동작 대역폭이 현저하게 확장된다. 예를 들어, 그래프(700)에 의해 기술된 특정 예에서, -10dB의 동작 대역폭은 약 3.35 내지 3.73GHz로 증가될 수 있으며, 이는 동작 주파수의 10.7%와 비슷하고, -15dB의 동작 대역폭은 약 3.39 내지 3.68GHz로 증가될 수 있으며, 이는 동작 주파수의 8.2%와 비슷하다. 일부 실시예들에서, 마이크로스트립 안테나(500)의 반사 계수(S11)는 단락점(523)의 위치를 변경함으로써 조정될 수 있다.
도 5 및 도 6로 돌아와서, 일부 실시예들에서, 단락점(523)으로부터 금속 패치(520)의 중심점(521)까지의 선과 급전점(522)으로부터 중심점(521)까지의 선 사이의 각도는 90도보다 크고 180도보다 작을 수 있다. 이 범위의 각도를 구현함으로써, 마이크로스트립 안테나(500)의 동작 대역폭을 증가시키기 위해, 마이크로스트립 안테나(500)의 제1 공진 주파수(720)와 제2 공진 주파수(730) 사이의 위치 관계가 최적화될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각도는 약 135도가 될 수 있다. 이 값의 범위 또는 각도 값은 필수적이지 않다는 점에 유의해야 한다. 다른 실시예들에서, 마이크로스트립 안테나(500)는 다른 각도들을 사용하여 구현될 수 있다.
마이크로스트립 안테나(500)의 동작 주파수 대역이 3.4 내지 3.6GHz의 LTE 대역을 커버하도록 설계된 경우, 급전점(522)과 중심점(521) 사이의 거리는 7mm가 될 수 있다. 중심점(521)을 원점으로 하고, 급전점(522)으로부터 중심점(521)까지의 선을 세로축으로 하여 직교 좌표계를 패치(520)의 평면에 형성한 경우, 단락점(523)은 좌표 (3.7mm, -4mm)에 위치될 수 있고, 단락점(523)의 반경은 0.5mm일 수 있다.
도 6에서 단락점(523)은 접지 평면(530)에 연결된 비아(523)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 개시내용의 실시예는 이에 한정되지 않고 다른 동등한 대안들도 단락점(523)을 구현하기 위해 또한 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 마이크로스트립 안테나(500)는 동축 케이블(도시되지 않음)을 통해 피딩될 수 있다. 예를 들어, 기판(510)의 제2 표면 상의 마이크로스트립 안테나(500)를 피딩하기 위해 50Ω 동축 케이블이 사용될 수 있다. 이러한 피딩 방식은 안테나 어레이를 형성하는 마이크로스트립 안테나들(500)에 유리할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 마이크로스트립 안테나(500)를 피딩하기 위해, 동축 케이블의 내부 도체는 급전점(522)에 연결될 수 있으면서 동축 케이블의 외부 도체는 접지 평면(530)에 연결될 수 있다. 그러나, 본 개시내용의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 피딩으로서 다른 동등한 대안들, 예를 들어 마이크로스트립 라인을 통한 피딩 등도 사용될 수 있다.
계속해서 도 5를 참조하면, 마이크로스트립 안테나(500)는 적어도 하나의 슬롯(524)을 더 포함할 수 있다. 본 개시내용의 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 슬롯(524)은 급전점(522) 주위에 배열될 수 있다. 적어도 하나의 슬롯(524)은 마이크로스트립 안테나(500)의 제2 공진 주파수의 형성을 용이하게 할 수 있고, 마이크로스트립 안테나(500)가 안테나 어레이를 형성하는 데 사용되는 시나리오에서 안테나 어레이의 표면파들의 전파를 감소시킬 수 있다. 또한, 적어도 하나의 슬롯(524)은 마이크로스트립 안테나(500)의 프로브 인덕턴스를 보상하기 위해 사용될 수 있으며, 마이크로스트립 안테나(500)의 방사 효율에 영향을 미치지 않도록, 가능한 한 방사 전류에 대한 손상을 줄이는 방식으로 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 슬롯(524)은 급전점(522)으로부터 중심점(521)까지의 선에 대해 실질적으로 대칭인 두 개의 슬롯을 포함할 수 있다. 슬롯(524)은 본 개시내용의 실시예들의 마이크로스트립 안테나(500)에 필수적이지 않으며, 마이크로스트립 안테나(500)는 슬롯(524) 없이도 구현될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 마이크로스트립 안테나의 방사 패턴의 도면(800)을 개략적으로 도시한다. 도 8에 도시된 특정 시뮬레이션 과정에서, 마이크로스트립 안테나(500)의 동작 주파수 대역은 LTE 대역 3.4 내지 3.6GHz를 커버하도록 설계되고, 급전점(522)과 중심점(521) 사이의 거리는 7mm이고, 중심점(521)을 원점으로 하고 급전점(522)으로부터 중심점(521)까지의 선을 세로축으로 하여 패치(520)의 평면에 형성된 직각 좌표계에서 단락점(523)은 좌표 (3.7mm, -4mm)에 위치하며, 단락점(523)의 반경은 0.5mm, 기판(510)의 유전율은 2.55, 유전 손실 탄젠트는 0.0019, 두께는 3mm이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 안테나(500)의 시뮬레이션 이득은 7.5dB이며, 이는 좁은 대역폭을 갖는 종래의 원형 마이크로스트립 안테나에 대해 시뮬레이션된 이득인 7.6dB와 실질적으로 동일하다. 또한 단락점(523)의 도입(예를 들어, 단락 비아)은 방사 패턴의 약간의 비대칭을 유발하고, 3dB의 대역폭은 -45도에서 -36도까지다. 그러나, 마이크로스트립 안테나(500)의 성능에 미치는 영향은 무시할 만하다.
따라서, 본 개시내용의 실시예들에 따른 마이크로스트립 안테나(500)는 기판이 얇고, 대역폭이 넓고, 크기가 작고, 가격이 저렴하면서, 고이득을 구현할 수 있는 이점들을 얻는다. 이 유리한 특징들은 마이크로스트립 안테나(500)가 MIMO 또는 매시브 MIMO 애플리케이션에 사용되기 위해 안테나 어레이를 형성하는 데 특히 유리하게 만든다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 안테나 어레이(900)를 개략적으로 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 안테나 어레이(900)는 복수의 마이크로스트립 안테나(500)를 포함할 수 있으며, 각각은 공통 기판(510) 및 각각의 금속 패치들(520)을 포함할 수 있다. 도 9의 안테나 어레이(900)는 2개의 마이크로스트립 안테나(500)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 안테나 어레이(900)는 다른 실시예들에서 더 많은 마이크로스트립 안테나들(500)에 의해 형성될 수 있다. 또한, 안테나 어레이(900)는 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템에서 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 안테나 어레이(900)의 복수의 마이크로스트립 안테나(500)의 배열 및 각각의 금속 패치들(520) 상의 각각의 마이크로스트립 안테나들(500)의 단락점(523)의 위치들은 안테나 어레이(900)의 표면파들의 전파를 감소하기 위하여 협력하여 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 안테나 어레이(900)의 성능이 더욱 개선될 수 있다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 마이크로스트립 안테나(500)는 나란히 배치될 수 있고, 상호간의 거리는 마이크로스트립 안테나(500)의 중심 주파수의 파장의 약 1/2로 구성될 수 있다. 이하, 종래의 마이크로스트립 안테나들에 의해 형성된 안테나 어레이에 대해서 본 개시내용의 실시예들에 따른 안테나 어레이(900)가 갖는 성능 이점들이 도 10을 참조하여 기술될 것이다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 안테나 어레이(900) 및 종래의 마이크로스트립 안테나들에 의해 형성된 안테나 어레이에 대한 주파수에 따라 변화하는 상관 계수의 비교 그래프(1000)를 개략적으로 도시한다. 도 10에서, S 파라미터들은 상관관계를 계산하기 위해 사용된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 점선 곡선(1001)은 종래의 마이크로스트립 안테나들에 의해 형성된 안테나 어레이 내의 마이크로스트립 안테나들 간의 상관 곡선을 나타내며, 실선 곡선(1002)은 본 개시내용의 실시예들에 따른 마이크로스트립 안테나들(500)에 의해 형성된 안테나 어레이(900) 내의 마이크로스트립 안테나들(500) 간의 상관 곡선을 나타낸다. 도 10으로부터, 마이크로스트립 안테나들(500)은 형성된 안테나 어레이(900)에서 대역폭을 증가시키고 매우 낮은 상관 계수를 유지함으로써, 종래의 안테나 어레이와 비교하여 안테나 어레이(900)의 성능을 현저하게 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 개시내용의 실시예들에 따른 마이크로스트립 안테나(500)는 넓은 대역폭을 가지며 안테나 어레이(900)에서 매우 낮은 상관 계수를 유지할 수 있다. 작은 크기와 낮은 프로파일은 마이크로스트립 안테나(500)가 임의의 표면들 상에도 장착될 수 있게 하여, 관련 제품을 더 매력적으로 만든다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 안테나 어레이(900)가 소형 기지국(1100)의 표면 상에 장착될 수 있다는 다이어그램을 개략적으로 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 패치(520)를 포함하는 안테나 어레이(900)는 소형 기지국(1100)의 표면 상에 배열될 수 있다. 이러한 배열은 MIMO 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 안테나 어레이(900)는 넓은 범위의 커버리지를 실현하기 위해 소형 기지국(1100) 주위에 배치될 수도 있다.
도 12는 본 개시내용의 실시예들에 따른 마이크로스트립 안테나(500)를 제조하는 방법(1200)의 흐름도를 개략적으로 도시한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 블록(1202)에서, 접지 평면(530)이 마이크로스트립 안테나(500)의 기판(510)의 제1 표면에 배치된다. 블록(1204)에서, 금속 패치(520)가 제1 표면에 대향하는 기판(510)의 제2 표면에 배치된다. 블록(1206)에서, 마이크로스트립 안테나(500)가 제1 공진 주파수를 갖도록, 급전점(522)이 금속 패치(520) 상에 배치된다. 블록(1208)에서, 마이크로스트립 안테나(500)가 제1 공진 주파수와 상이한 제2 공진 주파수를 갖도록, 단락점(523)이 금속 패치(520) 상에 배치된다.
일부 실시예들에서, 금속 패치(520) 상에 단락점(523)을 제공하는 것은 단락점(523)으로부터 금속 패치(520)의 중심점(521)까지의 선과 급전점(522)으로부터 중심점(521)까지의 선 사이의 각도가 90도보다 크고 180도보다 작도록 단락점(523)을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 단락점(523)을 제공하는 것은 접지 평면에 연결된 비아를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 슬롯(524)은 급전점(522) 주위에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 슬롯(524)을 제공하는 것은 급전점(522)으로부터 중심점(521)까지의 선에 대해 실질적으로 대칭인 두 개의 슬롯을 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 금속 패치(520)는 원형 금속 패치를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로스트립 안테나(500)는 동축 케이블을 통해 피딩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로스트립 안테나(500)의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/10보다 작은 두께를 갖는 기판(510)이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 금속 패치(520)를 제공하는 것은 마이크로스트립 안테나(500)의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/2보다 작은 크기를 갖는 금속 패치(520)를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 낮은 프로파일, 높은 이득, 작은 크기 및 간단한 구조를 갖는 광대역 마이크로스트립 안테나를 제공한다. 제안된 마이크로스트립 안테나들은 안테나 어레이에서 넓은 대역폭과 매우 낮은 상관 계수를 나타낸다. 그것은 5G의 MIMO 시스템 및 유사한 애플리케이션들에서 사용될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들에 의해 제공되는 마이크로스트립 안테나는 다음의 다섯 가지 측면에서 혁신적인 개선을 달성한다. 첫 번째 측면은 마이크로스트립 안테나와 다른 회로들의 통합을 용이하게 하고 제조 비용을 줄이는 얇은 기판이다. 그리고, 제안된 마이크로스트립 안테나는 이득을 손상시키지 않으면서 크기가 작아, MIMO 시스템에서 유연한 배열을 제공한다. 셋째로, 제안된 마이크로스트립 안테나는 단층 구조를 가지므로 그 구조가 간단하고 만들기 용이하다. 넷째로, 제안된 마이크로스트립 안테나는 본 개시내용의 실시예들에서 동작 대역폭을 증가시키는 데 사용될 수 있는 비아 부하를 덜 사용한다. 그러나, 비아 로딩이 적으면 이득에 미치는 영향을 줄이면서 제조 비용을 줄일 수 있다. 다섯째로, 제안된 마이크로스트립 안테나는 두 개의 직교 편파를 동시에 방사할 수 있어, 통신에서의 편파 불일치(polarization mismatch)를 줄일 수 있다.
종래의 광대역 마이크로스트립 안테나들과 비교하여, 제안된 마이크로스트립 안테나는 몇 가지 이점을 갖는다. 제안된 마이크로스트립 안테나는 다소 낮은 프로파일을 가지며 안테나의 두께는 실제 사용시 중심 주파수 λ의 0.035배에 근접한 3mm밖에 되지 않는 반면, 종래의 광대역 마이크로스트립 안테나들의 대부분은 일반적으로 0.1λ의 두께를 갖는다. 제안된 마이크로스트립 안테나는 단층 구조로 되어 있으며 종래의 단일 층 광대역 마이크로스트립 안테나들은 일반적으로 공기 캐비티가 필요하기 때문에 높은 프로파일 또는 복잡한 어셈블리를 가지고 있는 반면, 제안된 안테나는 종래의 협대역 마이크로스트립 안테나들과 동일한 간단한 구조를 갖는다. 제안된 마이크로스트립 안테나는 또한 작은 크기를 가지며, 특정 애플리케이션 시나리오에서 중심 주파수 파장 λ의 약 0.35배가 될 수 있다. 이와 대조적으로, 슬롯들을 사용하는 기존의 광대역 마이크로스트립 안테나들은 마이크로스트립 안테나의 크기를 증가시킨다. 작은 크기는 제안된 안테나가 MIMO 안테나 어레이 배열에서 더 많은 선택권을 가질 수 있게 한다. 제안된 마이크로스트립 안테나는 안테나 어레이에서 낮은 상관 계수를 가지므로 보다 우수한 MIMO 성능을 제공할 수 있다. 마지막으로, 제안된 마이크로스트립 안테나는 낮은 프로파일, 작은 크기 및 높은 이득을 갖는 다른 종래의 마이크로스트립 안테나들에 비해 매우 넓은 대역폭을 갖는다.
본 개시내용의 실시예들에 대한 설명에서, 용어 "포함한다" 및 그 변형들은 "포함하지만 이에 한정되지는 않는다"를 의미하는 개방형 용어로 읽혀야 한다. 용어 "기반하는"은 "적어도 부분적으로 기반하는"으로 읽혀야 한다. "하나의 예시적인 실시예" 및 "상기 예시적인 실시예"라는 용어들은 "적어도 하나의 예시적인 실시예"로서 읽혀야 한다.
본 개시내용은 몇몇 특정 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 개시내용은 본 명세서에 개시된 특정 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 특히, 본 개시내용의 설명된 내용들은 첨부된 청구항들의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 배열들을 포함하는 것을 목적으로 한다.

Claims (21)

  1. 마이크로스트립 안테나로서,
    상기 마이크로스트립 안테나의 기판의 제1 표면 상에 배치된 접지 평면(ground plane);
    상기 제1 표면에 대향하는 상기 기판의 제2 표면 상에 배치된 금속 패치(metal patch);
    상기 마이크로스트립 안테나가 제1 공진 주파수를 갖도록 상기 금속 패치 상에 배치된 급전점(feeding point); 및
    상기 마이크로스트립 안테나가 상기 제1 공진 주파수와 상이한 제2 공진 주파수를 갖도록 상기 금속 패치 상에 배치되는 단락점(shorting point)
    을 포함하는, 마이크로스트립 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단락점으로부터 상기 금속 패치의 중심점까지의 선과 상기 급전점으로부터 상기 중심점까지의 선 사이의 각도가 90도보다 크고 180도보다 작은, 마이크로스트립 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단락점은 상기 접지 평면에 연결된 비아(via)를 포함하는, 마이크로스트립 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 급전점 주위에 배치된 적어도 하나의 슬롯을 더 포함하는, 마이크로스트립 안테나.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 슬롯은 상기 급전점으로부터 상기 금속 패치의 중심점까지의 선에 대해 실질적으로 대칭인 두 개의 슬롯을 포함하는, 마이크로스트립 안테나.
  6. 제1항에 있어서, 상기 금속 패치는 원형 금속 패치를 포함하는, 마이크로스트립 안테나.
  7. 제1항에 있어서, 상기 마이크로스트립 안테나는 동축 케이블을 통해 피딩되는, 마이크로스트립 안테나.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기판의 두께는 상기 마이크로스트립 안테나의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/10보다 작은, 마이크로스트립 안테나.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속 패치의 크기는 상기 마이크로스트립 안테나의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/2보다 작은, 마이크로스트립 안테나.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 복수의 마이크로스트립 안테나를 포함하는, 안테나 어레이.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복수의 마이크로스트립 안테나의 배열, 및 각각의 금속 패치들 상의 각각의 마이크로스트립 안테나들의 상기 단락점들의 위치들은 상기 안테나 어레이에서 표면파의 전파(propagation)가 감소되도록 협력하여 배치되는, 안테나 어레이.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 안테나 어레이는 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템에서 사용되는, 안테나 어레이.
  13. 마이크로스트립 안테나의 제조 방법으로서,
    상기 마이크로스트립 안테나의 기판의 제1 표면 상에 접지 평면을 제공하는 단계;
    상기 제1 표면에 대향하는 상기 기판의 제2 표면 상에 금속 패치를 제공하는 단계;
    상기 마이크로스트립 안테나가 제1 공진 주파수를 갖도록 상기 금속 패치 상에 급전점을 제공하는 단계; 및
    상기 마이크로스트립 안테나가 상기 제1 공진 주파수와 상이한 제2 공진 주파수를 갖도록 상기 금속 패치 상에 단락점을 제공하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 금속 패치 상에 상기 단락점을 제공하는 단계는,
    상기 단락점으로부터 상기 금속 패치의 중심점까지의 선과 상기 급전점으로부터 상기 중심점까지의 선 사이의 각도가 90도보다 크고 180도보다 작도록 상기 단락점을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 단락점을 제공하는 단계는,
    상기 접지 평면에 연결된 비아를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 급전점 주위에 적어도 하나의 슬롯을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 슬롯을 제공하는 단계는,
    상기 급전점으로부터 상기 금속 패치의 중심점까지의 선에 대해 실질적으로 대칭인 2개의 슬롯을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 금속 패치는 원형 금속 패치를 포함하는, 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 마이크로스트립 안테나는 동축 케이블을 통해 피딩되는, 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 안테나의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/10보다 작은 두께를 갖는 상기 기판을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  21. 제13항에 있어서, 상기 금속 패치를 제공하는 단계는,
    상기 마이크로스트립 안테나의 중심 주파수에 대응하는 파장의 약 1/2보다 작은 크기를 갖는 상기 금속 패치를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
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