KR20200051617A

KR20200051617A - 위상 배열 안테나

Info

Publication number: KR20200051617A
Application number: KR1020207006717A
Authority: KR
Inventors: 지안 양; 토마스 에마누엘손; 자만 아쉬라프 우즈
Original assignee: 갭웨이브스 에이비
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2018-09-24
Publication date: 2020-05-13
Also published as: CN111066201B; US11121475B2; WO2019057965A1; JP2020535702A; ES2886940T3; US20200287291A1; CN111066201A; JP7264884B2; EP3460908B1; EP3460908A1

Abstract

위상 배열 안테나에 있어서, 베이스층으로, 베이스층을 따르는 파동 전파를 정지시키기 위한 복수의 돌출 포스트를 구비하는 기판을 포함하는 베이스층, 및 베이스층 위에 배열되는 인쇄회로기판(PCB)으로, 베이스층 및 돌출 포스트들을 마주보는 PCB의 제1 사이드 위에 있는 적어도 하나의 위상 배열 무선 주파수(RF) 집적 회로(IC)를 포함하는 PCB를 포함하는 위상 배열 안테나가 개시된다. PCB는 및 RF 신호들을 위상 배열 RF IC(들)로부터 PCB의 반대쪽 제2 사이드로 전달하기 위한 급전부들을 더 포함한다. 또한 위상 배열 안테나로부터 RF 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 복수의 방사 요소를 포함하는 방사층이 RF 신호의 전달을 위한 급전층으로, 제2 사이드 위에 있는 PCB의 급전부들과 방사층의 방사 요소들 사이에 배열되는 급전층과 함께 구비된다.

Description

위상 배열 안테나

본 발명은 위상 배열 안테나, 특히 대규모 2D MIMO 빔 스티어링 안테나에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 빔 제어 및 송신/수신 기능을 위한 전자 장치가 통합된 RF/마이크로파/밀리미터파 안테나에 관한 것이다. 안테나의 일반적인 응용 분야는 통신, 자동차 레이더, 군사용 레이더 또는 위성 응용 분야이다.

위상 배열 안테나는 주로 군사 레이더 응용 분야를 위해 1960년대 후반부터 개발되었다. 그 후로 모든 전자 장치의 통합 수준이 밀리미터파 주파수에서도 크게 증가함에 따라, 저렴한 위상 배열 안테나를 구축할 수 있는 가능성이 상업적 응용 분야에도 적합한 비용 수준에 도달했다. 기존 시스템은 원칙적으로 각각 "벽돌"과 "타일"이라고 하는 두 가지 다른 방식으로 구축된다.

브릭 시스템은 안테나 평면과 직교하게 장착 된 송신/수신 모듈을 사용하여, 간단한 방식으로 전자 장치의 가용 공간을 늘리고 냉각 가능성을 높인다. 브릭 방식 구축의 실례에서 큰 문제는 비싸고 부피가 크고 공차에 민감한 동축 커넥터들을 통해 주로 이루어지는 안테나에 대한 연결이다. 따라서 이러한 방식의 구축은 고비용, 고성능의 군사용 레이더 시스템에만 사용됩니다.

타일 방식 구축의 실례는 직교형 안테나 연결이 없어 안테나를 전자 장치에 쉽게 통합 할 수 있기 때문에 이상적으로 보인다. 그러나 이러한 방식으로 안테나를 구축하는 데에도 몇 가지 단점이 또한 존재한다. 주된 문제는 인접한 안테나 요소들 간의 최대 거리가 반 파장(예를 들면 30GHz에서 5mm)이어야 하는 요건으로 인한 전자 장치를 위한 제한된 가용 공간, 채널들 간의 분리를 위한 차폐 벽들에 대한 필요성, 송신/수신 경로에 필터를 추가하기 위한 제한된 공간, 전자 장치들이 빽빽하게 채워져 있을 때 높은 단위 면적 당 출력으로 인한 열 제한 등이다. 이러한 제한 또는 경계 조건은 타일 안테나를 필터링 없는 저전력 장치들 및 제한된 스캔 범위에 사용하는 것으로 제한한다.

따라서 비교적 비용 대비 효율적으로 제조될 수 있고 위에서 언급한 문제들 중 적어도 일부를 완화시키는 신규한 위상 배열 안테나에 대한 필요성이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 비교적 비용 대비 효율적으로 제조될 수 있고 위에서 언급한 문제들 중 적어도 일부를 완화시키는 신규한 위상 배열 안테나를 제공하는 데 있다.

이 목적은 첨부된 특허청구범위에 따른 위상 배열 안테나에 의해 달성된다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 위상 배열 안테나는

베이스층으로, 상기 베이스층을 따르는 파동 전파를 정지시키기 위한 복수의 돌출 포스트를 구비하는 기판을 포함하는 베이스층;

상기 베이스층 위에 배열되는 인쇄회로기판(PCB)으로, 상기 베이스층 및 상기 돌출 포스트들을 마주보는 상기 PCB의 제1 사이드 위에 있는 적어도 하나의 위상 배열 무선 주파수(RF) 집적 회로(IC) 및 RF 신호들을 위상 배열 RF IC(들)로부터 PCB의 반대쪽 제2 사이드로 전달하기 위한 급전부들을 포함하는 PCB;

상기 위상 배열 안테나로부터 RF 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 복수의 방사 요소를 포함하는 방사층; 및

RF 신호의 전달을 위한 급전층으로, 제2 사이드 위에 있는 PCB의 급전부들과 방사층의 방사 요소들 사이에 배열되는 급전층을 포함한다.

신규한 위상 배열 안테나는 하나의 또는 복수의 층의 갭 도파관 기술을 사용하여 타일 안테나 구축의 실례에서 이전에 겪었던 다수의 필연적인 문제들을 해결한다.

다르게 말하면, 본 발명은 저손실 다층 갭 도파관 구조를 포함하고, 그리고 전자 장치의 냉각을 위한 효율적인 전기 결합 및 고효율의 내장형 열 경로를 갖는 마이크로파/밀리미터파 컴포넌트들을 위한 보드를 포함하는 신규의 안테나를 제공한다. 갭 포스트/핀 기술은 안테나의 채널 내에서의 또는 채널들 사이에서의 전파를 억제한다.

전자 장치, 즉 적어도 하나의 위상 배열 무선 주파수(RF) 집적 회로(IC)는 마이크로스트립 보드와 같은 PCB 위에 장착되며, 이는 PCB의 다른 사이드 위에 있는 급전 구조에 결합된다. 베이스층을 따르는 파동 전파를 억제하는 돌출 포스트들을 구비하는 베이스층에 의해 매우 효율적인 급전이 가능하다. 따라서 돌출 포스트들은 갭 인공 자기 도체(AMC) 표면을 형성한다. 돌출 포스트들을 구비하는 베이스층은 PCB의 전체 영역을 덮는 것이 바람직하다.

이 베이스층의 효과는 PCB를 따라는 또는 PCB 내부에서의 임의의 파동 전파를 완전히 억제하는 것이고, 이는 인접한 채널들을 분리하기 위해서 항상 존재해야 했었던 모든 차폐벽들을 생략할 수 있어 PCB 영역을 매우 효율적으로 사용할 수 있게 하는 장점을 나타낸다. 이는 또한 보드에서의 라우팅 문제를 최소화한다.

갭 도파관 구조, 즉 돌출 포스트들을 포함하는 구조는 바람직하게는 금속 표면을 포함하고, 가장 바람직하게는 전체적으로 금속으로 만들어진다. 예를 들어, 구조는, 예컨대 알루미늄 또는 아연을 사용하여, 다이캐스팅 또는 사출 성형에 의해 제조될 수 있다.

돌출 포스트들을 구비하는 베이스층은, 특히 금속으로 제조될 때, PCB 위에 장착된 마이크로파 회로가 보드로부터 매우 효과적인 열 경로를 가질 것이고 이에 의해 안테나 냉각을 효과적이게 하는 다른 커다란 장점을 또한 나타낸다. 이는 매우 높은 전력 처리 능력으로 이어지고 안테나에서 더 높은 출력 전력을 가능하게 한다. 이는 예를 들어 통신 시스템 또는 레이더 시스템에서 매우 중요하다. 또한 돌출 포스트들을 구비하는 베이스층은 예를 들어 상부로부터의 냉각을 필요로 하는 회로, 예컨대 시스템의 저전력 및 디지털 부품에 일반적으로 사용되는 BGA 패키지 CMOS 회로를 위한 냉각 표면으로서 기능할 것이다.

원치 않는 방향으로 전파되는 것을 방지하는 표면 억제파를 형성하는 돌출 포스트의 사용은 그 자체로 특히 모두 동일 출원인에 의한 WO 10/003808, WO 13/189919, WO 15/172948, WO 16/058627, WO 16/116126, WO 17/050817 및 WO 17/052441로부터 공지되어 있고, 상기 문서들 각각은 그 전문이 참조에 의해 본 출원에 포함된다.

원치 않는 방향으로의 파동을 억제하기 위해 돌출 포스트를 사용하는 것을 갭 도파관 기술이라고 할 수 있는데, 이는 평행한 전도성 판들 사이의 좁은 갭에서 파동 전파를 제어하거나 혹은 파동 전파를 억제하는 표면을 형성하는 데 사용되는 기술이다. 두 개의 평행한 전도성 표면 중 하나 또는 둘 다에 금속 포스트(핀이라고도 함)와 같은 주기적 요소들을 사용하는 것에 의해 파동 전파가 중단되고, 도파관이 형성되어야 하는 경우, 파동들은 두 개의 전도성 표면 중 하나에 배열된 예컨대 금속 융기부들을 따라 안내된다. 두 개의 평행한 전도성 표면 사이에 금속 연결이 필요하지 않다. 장은 두 개의 표면들 사이의 갭 내부에 주로 존재하고 텍스처 또는 층 구조 자체에는 존재하지 않으므로, 손실이 작다. 이러한 유형의 마이크로파 도파관 기술은 기존 전송 라인들 및 도파관들이 너무 높은 손실을 가지거나 혹은 요구되는 공차 내에서 비용 대비 효과적으로 제조될 수 없을 정도로 높은 주파수에 대해 특히 유리하다.

방사 요소들이 방사층을 통해 연장되는 슬롯 개구들, 바람직하게는 직사각형 슬롯 개구들일 수 있다. 슬롯 개구는 바람직하게는 비교적 짧고, 방사층에 평행한 라인들을 따라 배열되는데 각각의 라인은 복수의 슬롯 개구를 포함한다. 그러나 방사층의 거의 전체 폭에 걸쳐 연장되는 슬롯 개구들과 같은 보다 긴 슬롯 개구들이 사용될 수도 있다.

방사층에 위에서 설명한 슬롯 개구들 대신, 방사 패치 등과 같은 다른 방사 요소들이 사용될 수도 있다.

실시예의 하나의 라인에 따르면, 방사 요소들이 보우-타이 안테나들이다. 보우-타이 안테나들은 매우 효과적이며 생산하는 데에도 비용 대비 효과적이다. 보우-타이 안테나들은 그 자체로 예를 들어 동일한 출원인에 의한 WO 14/062112, WO 17/086853 및 WO 17/086855로부터 공지되어 있고, 상기 문서들 각각은 그 전문이 참조에 의해 본 출원에 포함된다.

급전층은 PCB의 급전부들과 방사 요소들 사이에서 RF 신호들을 전달하기 위한 갭 도파관들을 포함하는 갭 도파관층일 수 있다. 이러한 갭 도파관은, 위에서 언급한 바와 같이, 그 자체로 특히 동일한 출원인에 의한 WO 10/003808, WO 13/189919, WO 15/172948, WO 16/058627, WO 16/116126 및 WO 17/050817로부터 공지되어 있고, 상기 문서들 각각은 그 전문이 참조에 의해 본 출원에 포함된다. 급전층에 갭 도파관들을 사용하면 추가적인 놀라운 이점이 있다. 갭 도파관은 낮은 손실과 매우 낮은 제조비용의 조합을 가능하게 한다. 여기서, PCB 위에 장착된 전자 장치는 예컨대 슬롯 개구에 있는 개방 단부 마이크로스트립 라인으로부터의 갭 도파관들에 결합될 수 있다. 따라서 PCB의 급전부들은 갭 도파관층의 상응하는 개구들에 연결되는 통공들일 수 있고, PCB의 통공들은 PCB의 제1 사이드 위의 마이크로스트립 라인에 의해 급전된다. 그러면 돌출 포스트들을 구비하는 앞에서 설명한 베이스층에 의해 매우 효과적인 결합이 가능해지고, 장을 슬롯에 효과적으로 밀어 넣음으로써 다른 솔루션들이 사용하도록 요구받는 매우 공간 소모적인 4분의 1 파장 단락을 방지한다.

또한, 갭 도파관층으로 인해 PCB 위에 장착된 마이크로파 회로는 또한 PCB의 매우 효과적인 열 경로를 추가로 지면사이드에 직접 구비함으로써 훨씬 더 높은 전력 처리 성능을 제공 할 것이고 이는 안테나로부터 더 높은 출력 전력이 가능하게 할 것이다. 이 효과는 갭 도파관 구조가 금속으로 만들어질 때 특히 두드러진다.

갭 도파관 급전층을 사용하면 예컨대 PCB와 급전층 사이에 여분의 갭 도파관 구조를 추가하는 것에 의해 송신/수신 경로에 저손실 필터를 포함하는 것이 또한 가능해진다. 필터링은 때로는 노이즈와 간섭을 억제하기 위해 예컨대 통신 시스템에서 중요한 기능이고, 마이크로스트립 또는 스트립라인 기판과 같은 다른 구축례들에 손실을 낮게 하면서 통합하는 것이 매우 어렵다.

갭 도파관층, 즉 갭 도파관들을 구비하는 급전층은 상기 융기부를 따르는 방향이 아닌 다른 방향으로 파동이 전파되는 것을 정지시키도록 배열된 돌출 포스트들에 의해 둘러싸인 융기부 급전 구조를 포함하는 것이 바람직하다.

특히 갭 도파관을 포함 할 때 베이스층 및 급전층 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 다가 금속, 바람직하게는 알루미늄으로 제조된다.

갭 도파관을 구비하는 베이스층 및 급전층 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 다에서, 돌출 포스트는 작동 주파수에서 공기 중의 파장의 절반보다 작은 최대 단면 치수를 가지고 그리고/또는 돌출 포스트들 간의 간격이 작동 주파수에서 공기 중의 파장의 절반보다 작다. 또한, 돌출 포스트들은 바람직하게는 주기적 또는 준주기적 패턴으로 배열되고 베이스층/급전층에 고정적으로 연결된다. 바람직하게는, 돌출 포스트들은 적어도 상기 베이스층/급전층을 통해 그 베이스에서 서로 전기적으로 연결된다.

열 경로들을 개선하기 위해, 돌출 포스트들 중 적어도 일부, 바람직하게는 전부가 인쇄 회로 기판과 기계적으로 접촉되게 배열될 수 있다. 그러나 대안적으로 PCB는 짧은 이격 갭만큼 돌출 포스트로부터 이격될 수 있다. 또한 베이스층은 PCB의 전체 영역을 덮기에 충분한 연장을 가질 수 있다. 또한 베이스층은 금속, 바람직하게는 알루미늄으로 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 안테나는 PCB와 급전층 사이에 배열되는 필터층을 더 포함한다. 필터층은 공진 공동을 형성하는 제2 갭 도파관층으로 구현될 수 있다.

바람직하게는, 안테나의 모든 층들이 본질적으로 동일한 폭 및 길이 치수들을 갖는다. 이에 의해, 우수한 차폐 및 방열 특성을 갖는 컴팩트한 안테나가 제공된다. 그러나 일부 층들이 다른 층, 예컨대 방사층 및/또는 베이스층보다 좀 더 클 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예들과 장점들은 본 발명의 현재의 바람직한 실시예에 대한 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

아래에서는, 예시적인 목적으로, 첨부 도면에 예시된 실시예들을 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나의 분해도이다.
도 2는 PCB층으로부터 갭 도파관 급전층으로의 전이부를 형성하는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 일부분을 각기 다른 방향에서 본 상세도이다.
도 3은 PCB층으로부터 갭 도파관 급전층으로의 전이부를 형성하되 그 사이에 필터층을 구비하는 본 발명의 실시예에 따른 안테나의 일부분의 상세 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PCB층 및 베이스층의 상세 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 베이스층의 상세 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 사용하기 위한 보우-타이(bow-tie) 안테나를 위에서 본 상세 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에서 사용하기 위한 보우-타이 안테나를 위에서 본 상세 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 사용하기 위한 보우-타이 안테나 배열체를 위에서 본 상세 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 안테나의 다른 실시예의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 위상 배열 안테나(1)는 베이스층(2)을 포함한다. 베이스층은, 베이스층을 따르는 파동 전파를 정지시키기 위해, 복수의 돌출 포스트(22)를 갖는 기판(21)을 포함한다. 돌출 포스트들은 주기적 또는 준-주기적 패턴으로 배열 될 수 있으며, 바람직하게는 작동 주파수에서 공기 중의 파장의 절반보다 작은 최대 단면 치수 및 작동 주파수에서 공기 중의 파장의 절반보다 작은 돌출 포스트들 간의 간격을 갖는다. 돌출 포스트는 기판에 고정되게 연결되고, 또한 상기 기판을 통해 서로 전기적으로 연결된다. 기판과 돌출 포스트들은 전도성 금속 표면을 가지며, 바람직하게는 전체적으로 금속으로 만들어진다. 예를 들어,베이스층은 알루미늄 또는 아연으로 다이캐스팅되거나 사출성형될 수 있다. 돌출 포스트(22)들은 예를 들어 직사각형 또는 원형의 단면 형상을 갖는다.

인쇄 회로 기판(PCB)(3)이 베이스층 위에 배열된다. PCB는 바람직하게는 전자 컴포넌트들, 구체적으로는 적어도 하나의 위상 배열 무선 주파수(RF) 직접회로(IC)를 포함하는 컴포넌트 사이드(side), 및 접지층을 포함하는 다른 사이드를 포함한다. 여기서 컴포넌트 사이드는 베이스층 및 돌출 포스트들을 향하도록 배열된다.

PCB는 위상 배열 RF IC(들)로부터 PCB의 반대쪽 사이드로 RF 신호를 전송하기 위한 급전부(feed)(31)들을 더 포함한다. 여기서, 급전부들은 PCB를 통과하는 슬롯 개구들을 포함한다. PCB에 장착된 전자 장치들은, 예컨대 슬롯 개구들 내로 연장하는 개방된 단부 마이크로스트립 라인들로부터, 슬롯 개구들에 결합된다.

선택적인 필터층(4)이 PCB층(3) 위에 배열 될 수 있다. 필터는 바람직하게는 저손실 도파관 필터링을 제공한다. 필터층은 전자기파를 필터링하는 공진 공동들을 형성하는 갭 도파관들을 포함할 수 있다. 갭 도파관은, 앞에서 설명한 것과 동일한 방식으로, 의도된 것과 다른 방향의 파동을 정지시키거나 혹은 억제하기 위해 돌출 포스트(42)들에 의해 둘러싸인 융기부(41)로 구현될 수 있다.

급전층(5)이 필터층(4) 위에 또는 필터층이 생략되는 경우에는 PCB(3) 바로 위에 배열된다. 급전층(5)은 PCB의 급전부로부터 나오는 RF 신호를, 가능한 경우에는 선택적인 필터층을 통해, 방사층의 방사요소들로 전달하거나 혹은 그 반대로 전달하는 것을 포함한다. 이 실시예에서, 급전층은 신호가 전파될 융기부(51)들 및 앞에서 설명한 것과 동일한 방식으로 다른 방향으로의 파동 전파를 정지시키거나 혹은 억제하도록 배열된 돌출 포스트(52)들을 포함하는 갭 도파관 구조로 구현된다. 돌출 포스트는 각각의 도파관을 따라 양측 사이드들에 적어도 2개의 평행한 열로 배열되는 것이 바람직하다. 그러나 일부 응용 분야의 경우, 단일 열로 충분할 수 있다. 또한, 3개, 4개 또는 그 이상의 평행한 열과 같은 2개 이상의 평행한 열이 또한 많은 실시예들에서 유리하게 사용될 수 있다.

PCB층의 급전부(31)들, 및 급전층(5)의, 또는 필터층이 구비된다면 필터층(4)의 상응하는 개구들/입력부들은 두 개의 라인을 따라 배열될 수 있고, PCB의 두 개의 대향하는 사이드들 가까이에 배열될 수 있다. 이는 급전층의 평행 라인들에 있는 신호들을 급전층의 사이드들로부터 중앙을 향해 공급할 것이다. 그러나 대안적으로, 급전부들은 하나 이상의 중앙선 또는 비교적 중앙에 가까이 배열된 하나 또는 몇 개의 선을 따라 배열될 수 있다. 이는 급전층의 평행 라인들에 있는 신호들을 중앙으로부터 외측으로 사이드들을 향해 공급할 것이다. PCB 상에 분리되게 분포되는 급전부(31)들의 세 개 또는 네 개의 평행한 라인들을 구비하는 것도 또한 가능하다. 그러나 급전부들의 다른 형태로 배열하는 것도 또한 가능하다.

방사층(6)이 급전층(5) 위에 배열되고, 배열체로 배열되는 복수의 방사 요소(61)를 포함한다. 방사 요소들은 RF 신호를 송신 및/또는 수신하도록 구성된다. 방사층은 평평한 방사 표면을 형성하는 것이 바람직하다.

이 실시예에서, 방사 요소들은 방사층을 통해 연장하고 급전층(5)의 갭 도파관에 결합되도록 배열되는 슬롯 개구들이다. 슬롯 개구들은 바람직하게는 비교적 짧고, 방사층에 있는 평행 라인들을 따라 배열되고, 각각의 라인은 복수의 슬롯 개구를 포함한다.

예컨대 슬롯의 형태로 된 안테나 요소들 사이의 간격은 작동 주파수에서 공기 중의 파장보다 작은 것이 바람직하다.

도 2에, PCB층으로부터 갭 도파관 급전층으로의 전이가 보다 상세하게 도시되어있다. 갭 도파관은 파동을 위한 전파 경로를 형성하고 돌출 포스트(52)들에 의해 둘러싸인 융기부(51)들을 포함한다. 파동은 기판의 개구(53)를 통해 공급된다. 개구(53)는 PCB(3) 상의 마이크로스트립 라인(32)의 개방 단부에 결합된다. 또한, 돌출 핀을 갖는 베이스층(2)이 PCB의 다른 사이드에 배열된다. 도 2에는 베이스층(2)의 작은 부분 및 PCB 만이 도시되어 있다.

필터층(4)이 사용되는 경우, 위에서 설명한 것처럼, 필터층으로의 급전은 동일한 방식으로 이루어질 수 있다. 이는 PCB(3)로부터 필터층으로의 신호/파동의 공급을 나타내는 도 3에 도시되어있다. 여기서 공급은 개구부(31)들에서 PCB(3)의 사이드 위에서 일어난다. 그 후 신호/파동이 융기부 갭 도파관을 따라 전파되고 나서, 개구(53)를 통해 급전층(5)의 융기부 갭 도파관으로 전달된다. 여기서, 신호/파동은 안테나층(6)의 슬롯 개구(61)들을 향해 안내된다. 설명한 신호 전파는 안테나로부터 신호를 전송하기 위한 것이다. 신호를 수신하기 위해, 동일한 경로를 따르지만 순서와 방향은 반대이다.

위상 배열 RF IC(들)는 바람직하게는 복수의 위상 제어 피드 및/또는 진폭 제어 피드를 포함한다. 위상 배열 RF IC(들)는 각기 다른 위상들/진폭들을 갖는 신호들을 방사층의 하나 또는 다수의 안테나 요소에 제공함으로써 그 자체로 공지된 방식으로 빔 조향을 제공하도록 배열될 수 있다. 위상 배열 RF IC(들)는 예컨대 하나의 방향으로의 빔 조향을 제공하기 위해 각기 다른 열들 또는 줄들로 개별적으로 배열된 안테나 요소들의 위상을 제어하도록 배열된다. 그러나, 대안적으로, 2개의 직교하는 방향의 빔 조향을 제공하기 위해 방사층의 폭 및 길이 방향으로 분포되는 섹션들의 안테나 요소들을 개별적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 또한 모든 안테나 요소들을 개별적으로 제어하도록 배열될 수 있다.

도 4에서 가장 잘 알 수 있는 것처럼, 베이스층(2)의 돌출 포스트(22)들은 PCB(3)의 활성 부분들 위에/아래에 배열된다. 돌출 포스트(22)들은 PCB 및 그 위의 컴포넌트들로부터 작은 거리 떨어져 배열될 수 있다. 그러나 대안적으로 돌출 포스트들은 PCB 및/또는 PCB 위에 구비된 컴포넌트(32)들과 직접 접촉하도록 배열될 수 있고 이에 의해 열 방출이 보다 효율적이 된다.

돌출 포스트들의 높이는 모두 동일할 수 있다. 높이가 약간씩 다른 돌출 핀들을 사용하는 것도 또한 가능하다. 예를 들어, 컴포넌트(32)들 바로 위에/아래에 있는 돌출 포스트들의 높이가 더 낮을 수 있다. 이에 의해, 돌출 포스트들에 의해 존재하는 표면에 오목 영역들이 형성될 수 있으며, 이 오목 영역들에 집적 회로 등이 삽입된다.

베이스층의 각기 다른 섹션들에 높이가 다양한 돌출 포스트들을 구비하는 것이 또한 가능하다. 이러한 실시예는 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서 제1 섹션의 돌출 포스트 (22')가 다른 섹션의 돌출 포스트(22")보다 높다. 이 실시예는 예를 들어 각기 다른 주파수의 신호들이 PCB의 각기 다른 부분들에 사용됨으로써 각각의 부분의 차폐를 보다 효율적이게 하는 경우에 유용하다.

위에서 설명한 방사층의 슬롯 개구들 대신, 방사 패치들 등과 같은 다른 방사 요소들이 또한 사용될 수 있다.

일 실시예의 하나의 라인에 따르면, 방사 요소들은 보우-타이 안테나들이다. 보우-타이 안테나는 매우 효율적이며, 생산을 하는 데에도 비용 대비 효과적이다. 보우-타이 안테나 자체는 예를 들어 동일한 출원인에 의한 WO 14/062112, WO 17/086853 및 WO 17/086855에 공지되어 있고, 상기 문서들 각각은 참조에 의해 본 명세서에 전체적으로 통합된다.

보우-타이 안테나는 접지면에 배열되는 자체 접지 안테나이다. 이 접지면은 안테나의 열 발산을 더 향상시킨다. 보우-타이 안테나는 생산하기 쉽고 비용 대비 효율적인 것으로 알려져 있으며 작고 컴팩트하다.

도 6에 도시 된 바와 같이, 각각의 보우-타이 안테나 요소는 접지면(611) 위에 배열된 다수의 안테나 페탈(antenna petal)(610)을 포함 할 수 있다. 접지면 (611)은 안테나 배열체 내의 모든 안테나 요소들에 대한 공통 접지면일 수 있다. 바람직하게는, 2개 또는 4개의 안테나 페탈이 구비되고, 급전부 주위에 대칭으로 배열된다. 각각의 안테나 페탈은 중앙 단부 부분(613)을 향해 테이퍼지는 암 섹션 (612)을 포함하고, 전기 전도성 재료로 만들어진다. 중앙 단부 부분으로부터, 각각의 안테나 페탈은 보우에서 보다 넓은 외측 단부(614)로 연장되고, 이는 접지면(611)에 연결된다.

중앙 단부 부분(613)들은 접지면(611)에 전도성으로 연결될 수 있으며, 예를 들어 개구(615)의 형태로 안테나 급전부 근처에 배열될 수 있다. 이에 의해 안테나 페탈은 소위 템 혼(TEM horn)의 기능을 닮았다. 이러한 유형의 보우-타이 안테나는 예를 들어 WO 2017/086855에 개시되어 있다. 개구부(615)들은 슬롯 개구들의 형태로 된 앞서 설명한 안테나 요소들과 유사한 방식으로 급전층의 개구부들에 결합 될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 도 7에 도시 된 바와 같이, 각각의 안테나 페탈의 중앙 단부 부분은 하나 또는 다수의 안테나 급전부에 연결된다. 특히, 단부 부분들은 급전 포트들에 연결하기에 단부 팁 부분을 가질 수 있으며, 특정 포트가 각각의 안테나 페탈에 대해 구비된다. 이러한 유형의 보우-타이 안테나는 예를 들어 WO 2014/062112 및 WO 2017/086855에 개시되어 있다.

보우-타이 안테나는, 제1 유형인지 또는 제2 유형인지 여부에 관계없이, 도 8에 도시 된 바와 같이 방사층의 표면 위에 안테나 요소의 배열체로 배열될 수 있다.

제2 유형의 보우-타이 안테나의 경우, 도 7과 관련하여 위에서 설명한 것처럼, 위상 배열 안테나의 급전 구조는 다소 상이할 수 있다. 이 경우 예를 들어 비아홀, 동축 케이블 등의 형태로 된 전도성 라인이 급전층을 통해 배열되어 PCB층으로부터의 급전부 출력부를 방사층의 급전부 입력부와 연결할 수 있다.

이러한 실시예는 도 9에 개략적으로 도시되어 있다. 여기서, 방사층(6')은, 도 7과 관련하여 설명하고 도 8에 도시된 바와 같은 유형의 보우-타이 안테나 형태로 된 안테나 요소(61')들의 배열체를 포함한다. PCB층(3')은 급전층(4')을 통해 이어지는 전도성 라인(41')에 연결되는 급전부 출력부를 포함한다. 급전층은 예를 들어 알루미늄층과 같은 금속층으로 형성될 수 있고, 동축 연결 라인들인 금속층의 관통 구멍들에 배열되어 있다.

위에서 설명한 실시예들에서와 유사한 방식으로 급전층과 PCB층 사이에 선택적인 필터층을 구비하는 것도 또한 가능하다.

PCB층(3')의 다른 사이드에, 돌출 포스트들을 구비하는 베이스층(2)이 배열되고, 여기서 베이스층은 앞에서 설명한 실시예들과 동일한 방식으로 구조화될 수 있고 동일한 기능을 수행할 수 있다.

위에서 설명한 위상 배열 안테나의 실시예는 매우 우수한 성능을 가지며, 매우 높은 주파수에서도 동작 할 수 있다. 안테나는 고주파에서 사용하기에 적합한 것이 바람직하다. 특히, 300MHz를 초과하는, 바람직하게는 1GHz를 초과하는 주파수의 작동 주파수/파동 영역에서 사용하기에 적합한 것이 바람직하다. 또한 10GHz를 초과하는, 20GHz를 초과하는 또는 30GHz를 초과하는 또는 100GHz를 초과하는 더 높은 주파수에서도 사용할 수 있다. 특히, 도 1과 관련하여 설명한 제1 실시예는 10GHz를 초과하는 주파수에서 작동할 수 있는 반면, 도 9와 관련하여 나중에 설명하는 실시예는 적어도 6GHz까지 작동할 수 있다.

또한, 위상 배열 안테나는 독립형 안테나로서 사용될 수 있다. 그러나 다른 컴포넌트와 통합될 수도 있다. 위에서 설명한 유형의 복수의 위상 배열 안테나를 더 큰 배열체로 함께 조립하고, 공통 전원에 동기화시킴으로써 더 많은 전력을 제공하는 것도 또한 가능하다.

본 발명의 안테나는 전자기파의 송신 또는 수신, 또는 송수신 둘 다에 사용될 수 있다.

안테나는 평평하고 본질적으로 직사각형 형상인 것이 바람직하다. 그러나 원형, 타원형과 같은 다른 형상들도 또한 가능하다. 형상은 또한 육각형, 팔각형 또는 기타 다각형의 형태일 수 있다 안테나 표면은 또한 볼록한 형상과 같은 비평면일 수 있다.

안테나의 도파관들, 및/또는 돌출 포스트들 간의 공간은 기계적 이유로 유전체 폼과 같은 유전체 재료로 채워질 수 있다. 그러나 적어도 일부의, 바람직하게는 모든 도파관들, 및/또는 모든 돌출 포스트들 간의 공간은 공기로 채워지고 유전체 재료가 없는 것이 바람직하다.

돌출 포스트는 임의의 단면 형상을 가질 수 있지만, 바람직하게는 정사각형, 직사각형 또는 원형 단면 형상을 갖는다. 또한, 돌출 포스트는 바람직하게는 작동 주파수에서 공기 중의 파장의 절반보다 작은 최대 단면 치수를 갖는다. 바람직하게는, 최대 치수는 이보다 훨씬 작다. 최대 단면 치수는 원형 단면의 경우 직경이거나, 혹은 정사각형 또는 직사각형 단면의 경우 대각선이다. 복수의 돌출 포스트는 또한 핀 그리드 배열체라고도 한다.

돌출 포스트들은 전부 하나의 도전성 표면에 고정되고 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 그러나 돌출 요소 중 적어도 일부, 바람직하게는 전부가 돌출 포스트들 위에 놓인 표면과 직접적으로 또는 간접적으로 기계적 접촉할 수 있다.

위에서 설명한 층들에 추가하여, 위상 배열 안테나는 앞서 설명한 층들의 배열체 위 또는 아래에, 또는 이 층들 중 임의의 것들 사이에 배열되는 지지층들, 이격층들 등과 같은 추가 층들을 또한 포함할 수 있다. 또한, 예컨대 서로 상하로 배열되는 하나를 초과하는 PCB 층이 샌드위치 구조로 구비되거나 혹은 그 사이에 다른 층들을 끼워서 배열될 수 있다.

이러한 그리고 다른 명백한 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 것과 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다. 위에서 설명한 실시예는 본 발명을 제한하기보다는 예시하는 것이며, 당업자는 첨부된 특허청구범위의 범주를 벗어나지 않고 많은 대안적인 실시예들을 디자인할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 특허청구범위에서, 괄호 안에 놓이는 참조 부호는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. "포함하는"이라는 단어는 청구항에 열거된 것 이외의 다른 요소 또는 단계의 존재를 배제하지 않는다. 구성 요소 앞에 있는 단어 "a"또는 "an"은 다수의 이러한 구성 요소의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 단일한 유닛이 청구 범위에 인용 된 여러 수단의 기능을 수행 할 수 있다.

Claims

위상 배열 안테나에 있어서,
베이스층으로, 상기 베이스층을 따르는 파동 전파를 정지시키기 위한 복수의 돌출 포스트를 구비하는 기판을 포함하는 베이스층;
상기 베이스층 위에 배열되는 인쇄회로기판(PCB)으로, 상기 베이스층 및 상기 돌출 포스트들을 마주보는 상기 PCB의 제1 사이드 위에 있는 적어도 하나의 위상 배열 무선 주파수(RF) 집적 회로(IC) 및 RF 신호들을 위상 배열 RF IC(들)로부터 PCB의 반대쪽 제2 사이드로 전달하기 위한 급전부들을 포함하는 PCB;
상기 위상 배열 안테나로부터 RF 신호를 송신 및/또는 수신하기 위한 복수의 방사 요소를 포함하는 방사층; 및
RF 신호의 전달을 위한 급전층으로, 제2 사이드 위에 있는 PCB의 급전부들과 방사층의 방사 요소들 사이에 배열되는 급전층을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 방사 요소들이 상기 방사층을 통해 연장하는 슬롯 개구들, 바람직하게는 직사각형 슬롯 개구들인 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 방사 요소들이 보우-타이 안테나들인 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 급전층은 PCB의 급전부들과 방사 요소들 사이에서 RF 신호들을 전달하기 위한 갭 도파관들을 포함하는 갭 도파관층인 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
청구항 4에 있어서,
상기 PCB의 급전부들은 갭 도파관층의 상응하는 개구들에 연결되는 통공들이고, PCB의 통공들은 PCB의 제1 사이드 위의 마이크로스트립 라인에 의해 급전되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
갭 도파관층이 상기 융기부를 따르는 방향이 아닌 다른 방향으로 파동이 전파되는 것을 정지시키도록 배열된 돌출 포스트들에 의해 둘러싸인 융기부 급전 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
베이스층이 PCB의 전체 영역을 덮기에 충분한 연장을 갖는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
베이스층이 금속, 바람직하게는 알루미늄으로 형성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
안테나가 PCB와 급전층 사이에 배열되는 필터층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
청구항 9에 있어서,
필터층이 공진 공동을 형성하는 제2 갭 도파관층인 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
모든 층들이 본질적으로 동일한 폭 및 길이 치수들을 갖는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
베이스층이 금속, 바람직하게는 알루미늄으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
베이스층의 돌출 포스트들은 작동 주파수에서 공기 중의 파장의 절반보다 작은 최대 단면 치수를 가지고 그리고/또는 돌출 포스트들이 작동 주파수에서 공기 중의 파장의 절반보다 작은 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
베이스층의 돌출 포스트들이 주기적 또는 준-주기적 패턴으로 배열되고 베이스층에 고정적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
베이스층의 돌출 포스트들이 적어도 상기 베이스층을 통해 그 베이스에서 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
선행하는 청구항들 중 어느 한 청구항에 있어서,
돌출 포스트들 중 적어도 일부, 바람직하게는 전부가 인쇄 회로 기판과 기계적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.