KR20200070120A

KR20200070120A - 릿지 갭 도파관 및 이를 포함하는 다층 안테나 어레이

Info

Publication number: KR20200070120A
Application number: KR1020190160963A
Authority: KR
Inventors: 아르템 루돌포비취 빌렌스키; 미캐일 니콜래비취 마쿠린; 이종민
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: EP3888186B1; WO2020116934A1; EP3888186A1; CN113169457A; US20200185802A1; KR102734951B1; RU2696676C1; US11626652B2; CN113169457B

Abstract

개시된 릿지 갭 도파관은 전도성 베이스; 상기 전도성 베이스로부터 상부로 돌출되고, 소정의 전파 전송 방향을 따라 연장되게 형성된 전도성 릿지; 상기 전도성 베이스 및 상기 전도성 릿지 상에 위치하며, 상기 전도성 릿지와 소정 간극으로 이격 배치되는 상부 전도성 벽; 상기 전도성 베이스와 상기 상부 전도성 벽 사이에, 상기 전도성 릿지에 인접하게 배치되는 전자기 밴드갭(EBG) 구조물;을 포함한다.

Description

릿지 갭 도파관 및 이를 포함하는 다층 안테나 어레이{Ridge gap waveguide and multilayer antenna array including the same}

본 개시는 무선 공학에 관한 것으로, 보다 상세하게는 릿지 갭 도파관 및 인쇄 회로 기판 기반의 다층 밀리미터파 안테나 어레이에 관한 것이다.

통신 기술의 신속한 개발에 대한 사용자의 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 밀리미터 파 대역에서 통신을 활용하는, 현재 활발하게 개발되고 있는 시스템으로, 각각 28GHz 및 60GHz 대역에서 작동하는 데이터 전송 시스템 5G 및 WiGig, ISM 24 GHz 대역에서 동작하는 장거리 무선 전력 전송 시스템 (LWPT), 24 GHz 및 79 GHz 대역에서 작동하는 자동차 레이더 시스템이 있다. 이러한 시스템 및 유사 시스템은 모두 효율적이고 기능적이며 동시에 대량 생산에 적합한 단순하고 신뢰할 수 있는 구성요소들을 필요로 한다. 이러한 구성요소들 중에서 안테나는 특별한 위치를 점하고 있다. 밀리미터 파 안테나에 요구되는 사항으로, 낮은 안테나 손실, 높은 이득, 유연한 빔 제어 기능(광각 빔 스티어링 및 포커싱) 및 대량 생산에 적용할 수 있는 간단하고 저렴하며 컴팩트하고 반복 가능한 하드웨어 설계 들이 요구된다.

기능적 요구 사항을 고려할 때 가장 적절한 방법은 안테나 배열을 사용하는 것이다. 그러나 기존의 안테나 어레이 아키텍처를 밀리미터 파 대역에 적용하려고 하면 너무 비싸거나(액티브 안테나) 너무 크고, 안테나의 다른 부분들 (예를 들어, 도파관 기반 안테나)간에 전기 접촉이 필요하다. 따라서 레거시 아키텍처(legacy architecture)를 사용하여 설계된 밀리미터 파 안테나 어레이는 높은 비용과 크기로 인해 방위 및 항공 우주 산업에만 주로 적합하다.

특히, 공지된 솔루션의 주된 문제점 중 하나는, 주파수가 증가함에 따라 안테나 효율이 현저히 저하된다는 것이며, 이는 마이크로 웨이브 시스템에 이전에 사용되었던 기존 물질의 약한 전자기 특성 및 급전 회로의 손실 증가에 의한 것이다. 큰 손실을 처리하기 할 수 있기 위해 복잡성이 증가함에 따라 안테나 크기가 증가하고 있는 점, 이러한 크기 증가가 위의 요구 사항을 기반으로 한 최적의 솔루션이 아니라는 점에서, 이러한 문제는 훨씬 더 커진다. 복잡성과 손실 수준 사이의 상충 관계를 찾기 위해, 알려진 다른 유형의 도파관에 기초한 안테나 구조가 고려될 수 있으며, 이들의 주요 파라미터는 표 1에 요약되어 있다.

아키텍쳐(Architecture)	크기 mm x mm	기판의 유전상수 및 로스 탄젠트.	물질 조도	손실(dB/cm at 24 GHz)
공기-충진 직사각형 도파관 (도 1a)	8 x 2.5	1.0 0	구리 5um	0.0085
유전체-충진 직사각형 도파관	5 x 2.5	2.500.0015	구리 5um	0.069
기판 집적 도파관 (SIW) (도 1b)	5 x 2.5	2.500.0015	구리 5um	0.111
마이크로스트립 라인	0.45 x 0.203	3.550.003	구리 5um	0.3-0.4
PCB-기반 릿지갭 도파관 (RGW) (도 1c)	3.2 x 2.5	2.500.0015	구리 5um	0.083
금속 전자기 밴드갭(EBG) 구조 기반 RGW (도 1d)	3.4 x 3.7	1.0 0	구리 5um	0.05
EBG 벽을 가지는 직사각형 도파관(Kishk)	8 x 2.5	1.00	구리 5um	0.03

바람직하지 않은 파라미터는 표 1에 굵게 표시되어 있다. 예를 들어, 공기- 충진 도파관(도 1a)은 폭이 안테나 요소 사이의 거리와 필적하므로 안테나 어레이에 적용하기에는 상당히 부피가 크다. 더욱이, 전형적인 공기-충진 도파관은 금속 부품의 접촉에 매우 민감하다. 즉, 안테나의 부품 사이에 부적절한 접촉이 있는 경우 누설로 인해 추가 손실이 발생할 수 있다 (도 2a). 다층 인쇄 회로 기판을 사용하여 제조된 안테나는 추가적인 정확도가 필요하지만, 어떠한 경우에도 추가적인 손실이 발생한다. 따라서, 많은 밀리미터 파 장치에 있어서, 도파 요소와 비접촉 결합이 가능한 구조가 선호된다. 그러나 EBG 구조물(electromagnetic band gap structure)(도 1c)가 있는 모든 금속 도파관은 밀링(milling) 성능에 의해 제한된다. 즉, 허용 가능한 장치 특성을 보장하려면 높은 정확도로 EBG 도파관 요소를 제조하는 것이 필요하다. (도 2b, 도 2c).

따라서 안테나 어레이를 생성하기 위한 기존의 아키텍처 솔루션은 개발중인 밀리미터 파 시스템에 적합하지 않다.

예를 들어, 텍스쳐 또는 표면들 중 하나에 다층 구조를 사용하여 2 개의 평행 한 전도성 표면들 사이의 좁은 갭으로 구현되는 종래 기술(US 9,806,393 B2, 31.10.2017; US 2017/0084971 A1, 03/23/2017)로 부터 알려진 도파관 구조가 있다. 이들은 매우 큰 복잡성, 시간 및 제조 비용이 필요한 얇은 밀링(milling) 성능을 요구한다.

이 분야에서 알려진 다른 기술 솔루션으로 A. Kishk, N., Bayat-Makou의 문헌(Contactless Air-Filled Substrate Integrated Waveguide, IEEE Transactions on Theory and Techniques (Volume: 66, Issue: 6, June 2018))이 있다. 이 논문은 처음으로, 공기가 채워진 SIW 도파관 (AF-SIW)에 대한 비접촉식 대안을 소개했다. 종래의 AF-SIW 구성은 코팅층을 중간 기판에 정확하고 결함없이 연결하는 것을 요구한다. 고주파수에서의 효율적인 작동을 위해서, 이는 복잡하고 고가의 제조 공정을 요구한다. 도 3a 및 도 3b에 나타난 이 구성에서, 도파관은 상부 및 하부의 전도성 층이며, 그 사이에 공기로 채워진 매체가 있고, 측부에는 인쇄 회로 기판이 있다. 이러한 내장 인쇄 회로 기판의 상부 및 하부 층은 인공 자기 전도체 (artificial magnetic conductor, AMC) 조건을 얻도록 수정된다. 도파관 기판의 양면상의 AMC 표면은 특수한 유형의 단위 셀을 갖는 주기적 구조로 만들어진다. 도전층에 평행한 기판 영역에 놓인 형성된 AMC 플레이트는 도파관 밖으로의 누설을 방지한다. 이러한 도파관의 폭은 약 λ/2이지만, λ/2의 간격으로 안테나 어레이를 만드는 것은 매우 어렵다.

따라서, 기존 솔루션이 가지고 있는, 높은 손실, 큰 크기, 높은 제조 복잡성, 그리고, 전도성을 갖는 구성 요소간 접촉 품질에 대한 강한 의존성과 같은 단점들을 제거할 수 있는 안테나 어레이에 대한 요구가 있다.

본 개시는 전술한 종래 기술의 단점 중 적어도 일부를 극복하기 위해, 새로운 타입의 릿지 갭 도파관을 제공한다. 또한, 이를 활용한 밀리미터 파 대역 의 다층 안테나 어레이를 제공한다.

일 유형에 따르면, 전도성 베이스; 상기 전도성 베이스로부터 상부로 돌출되고, 소정의 전파 전송 방향을 따라 연장되게 형성된 전도성 릿지; 상기 전도성 베이스 및 상기 전도성 릿지 상에 위치하며, 상기 전도성 릿지와 소정 간극으로 이격 배치되는 상부 전도성 벽; 상기 전도성 베이스와 상기 상부 전도성 벽 사이에, 상기 전도성 릿지에 인접하게 배치되는 전자기 밴드갭(EBG) 구조물;을 포함하는, 릿지 갭 도파관이 제공된다.

상기 EBG 구조물은 상기 전도성 베이스 및 상기 상부 전도성 벽 중 적어도 어느 하나와 에어 갭(air gap)을 사이에 두고 이격되게 배치될 수 있다.

상기 릿지 갭 도파관은 상기 EBG 구조물과 상기 전도성 베이스 사이 및 상기 EBG 구조물과 상기 상부 전도성 벽 사이 중 적어도 한 위치에 배치되어, 상기 EBG 구조물을 고정하고, 상기 EBG 구조물과 상기 전도성 베이스 사이 및 상기 EBG 구조물과 상기 상부 전도성 벽 사이 중 적어도 하나에 에어 갭을 제공하는 스페이서;를 더 포함할 수 있다.

상기 스페이서는 상기 전도성 베이스의 상면 또는 상기 상부 전도성 벽의 하면으로부터 상기 EBG 구조물을 향하여 돌출된 형상을 가질 수 있다.

상기 스페이서는 상기 EBG 구조물에 구비되는 서로 인접하는 셀들에 동시에 접촉하지 않도록 위치할 수 있다.

상기 EBG 구조물은 2차원 주기 격자 구조로 배열되고 전기적으로 서로 결합되지 않는 복수의 셀을 포함하며, 상기 복수의 셀 각각은, 유전체층, 상기 유전체층의 하면 및 상면에 각각 형성된 제1 전도패턴 및 제2 전도패턴 및 상기 유전체층을 관통하여 상기 제1 전도패턴과 상기 제2 전도패턴을 연결하는 전도성 비어를 포함할 수 있다.

상기 EBG 구조물은 양면 인쇄 회로 기판 기반으로 형성될 수 있다.

상기 양면 인쇄 회로 기판은 오목부를 포함하며, 상기 오목부에 상기 전도성 릿지가 배치될 수 있다.

상기 전도성 릿지는 소정 주파수의 전자기파를 필터링하는 패턴을 가질 수 있다.

상기 릿지 갭 도파관은 상기 상부 벽으로부터 상기 전도성 릿지를 향하여 돌출되고 상기 전도성 릿지와의 사이에 소정 간격을 유지하는 상부 릿지를 더 포함할 수 있다.

일 유형에 따르면, 전도성 베이스; 상기 전도성 베이스로부터 상부로 돌출되고, 소정의 전파 전송 방향을 따라 연장되게 형성되며, 입력 포트와 연결된 전도성 릿지; 상기 전도성 베이스 상에, 상기 전도성 릿지에 인접하게 배치되는 전자기 밴드갭(EBG) 구조물; 및 상기 전도성 릿지 및 상기 EBG 구조물 상에 배치된 것으로, 상기 전도성 릿지와 소정 간극으로 이격되어 상기 전도성 릿지와 함께 도파관을 형성하는 하부 전도층과, 상기 하부 전도층과 함께 공진 캐비티를 형성하는 상부 전도층을 구비하는 기판 집적형 도파관(SIW) 공진기를 포함하는, 안테나 어레이가 제공된다.

상기 EBG 구조물은 2차원 주기 격자 구조로 배열되고 전기적으로 서로 결합되지 않는 복수의 셀을 포함하며, 상기 복수의 셀 각각은, 제1 유전체층, 상기 제1 유전체층의 하면 및 상면에 각각 형성된 제1 전도패턴과 제2 전도패턴 및 상기 제1 유전체층을 관통하여 상기 제1 전도패턴과 상기 제2 전도패턴을 연결하는 전도성 비어를 포함할 수 있다.

상기 EBG 구조물은 제1 양면 인쇄 회로 기판 기반으로 형성될 수 있다.

상기 SIW 공진기는 상기 하부 전도층과 입력 슬롯을 구비하는 입력층; 상기 상부 전도층과 출력 슬롯을 구비하는 출력층; 및 상기 입력층과 상기 출력층 사이에 배치된 제2 유전체층과, 상기 입력층과 상기 출력층을 연결하며 상기 공진 캐비티의 측벽을 형성하는 복수의 전도성 요소를 구비하는 중간층;을 포함할 수 있다.

상기 전도성 요소는 상기 제2 유전체층을 관통하는 금속성 비어일 수 있다.

상기 SIW 공진기는 제2 양면 인쇄 회로 기판 기반으로 형성될 수 있다.

상기 복수의 전도성 요소들 간의 거리는 상기 SIW 공진기 외부로의 전력 누출이 방지되도록 설정될 수 있다.

상기 안테나 어레이는 상기 공진 캐비티 내에 위치하며 상기 SIW 공진기와의 매칭을 위한 추가 전도성 요소를 더 포함할 수 있다.

상기 안테나 어레이는 상기 SIW 공진기 상에 배치되고, 상기 출력 슬롯에 대향하는 전도성 패치를 구비하는 방사부를 더 포함할 수 있다.

상기 안테나 어레이는 상기 방사부와 상기 SIW 공진기 사이에 위치하며, 상기 방사부와 상기 SIW 공진기 사이에 에어 갭을 제공하는 스페이서를 더 포함할 수 있다.

상기 입력 포트는 상기 전도성 릿지와 상기 하부 전도층이 형성하는 상기 도파관의 중심부에 위치할 수 있다.

상기 SIW 공진기에 구비되는 상기 입력 슬롯은 복수개이고, 상기 전도성 릿지는 상기 복수개의 입력 슬롯에 동일한 진폭 및 위상으로 전력을 분배하는 형상을 가질 수 있다.

상술한 릿지 갭 도파관은 공차 허용 범위가 커서 높은 정밀도의 제조를 요구하지 않으며 외부로의 전파 누출을 효과적으로 차단할 수 있어 손실이 매우 적다.

상술한 릿지 갭 도파관은 조립에 있어 각 층들 사이에 강력하고 신뢰성 있는 접촉이 요구되지 않으며, 공차 허용 범위가 커서 높은 정밀도의 제조를 요구하지 않는다.

상술한 안테나 어레이는 상술한 릿지 갭 도파관을 구비하여, 손실이 적고 광대역이며 개선된 빔 포밍 특성을 나타낼 수 있다.

상술한 아테나 어레이는 방사부가 없이도 효과적으로 작동할 수 있으며, 방사부를 구비하는 경우 작동 주파수 대역이 확장될 수 있다.

안테나 어레이는 2개 또는 3개의 간단한 인쇄 회로 기판 기반으로 제조될 수 있고, 구성요소들의 직접 접촉이 최소화 될 수 있어 제조 공정이 단순화되어 정확성과 공차에 대한 요구 사항을 줄일 수 있다.

도 1a 내지 도 1d는 밀리미터 파 대역에 대한 종래 유형의 도파관들의 개략적인 형상을 보인다.
도 2a-2c는 종래 유형의 도파관들의 특징을 설명하는 도면들이다.
도 3a-3b는 공지된 비접촉 AF-SIW 도파관을 도시한다.
도 4는 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 개략적인 구조를 보이는 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 릿지 갭 도파관의 A-A 단면도이다.
도 6은 도 4의 릿지 갭 도파관에 구비되는 EBG 구조물의 단위 셀 형상을 보인 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 릿지 갭 도파관에서 밴드 갭의 작용을 설명하는 도면들이다.
도 8은 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 예시적인 치수를 보인다.
도 9 및 도 10은 실시예에 따른 릿지 갭 도파관에 구비되는 스페이서의 예시적인 형상들을 보인다.
도 11a 내지 도 11c는 실시에에 따른 릿지 갭 도파관에서 EBG 구조물이 하부 전도성 베이스 및 상부 전도성 벽 사이에 형성하는 간극의 변동 범위를 보이는 도면들이다.
도 12a 및 도 12b는 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 에어 갭 크기에 따른 S 파라미터의 변동 폭을 보이는 그래프이다.
도 13a 내지 13d는 실시예에 따른 릿지 갭 도파관에 채용될 수 있는 EBG 구조물의 다양한 형상들을 예시한 평면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 16은 실시예에 따른 안테나 어레이의 개략적인 구조를 보이는 분해 사시도이다.
도 17a은 도 16의 안테나 어레이의 B-B 단면도이다.
도 17b은 도 16의 안테나 어레이의 C-C 단면도이다.
도 18은 도 16의 안테나 어레이를 8X8 기초 셀 어레이로 확장한 평면도이다.
도 19는 도 18의 평면도를 사사분면으로 분할하여 각 사분면에서 중첩된 구성요소를 다르게 표현한 도면이다.
도 20은 실시예에 따른 안테나 어레이의 전력 흐름을 보인 개념도이다.
도 21은 실시예에 따른 안테나 어레이의 작동 주파수 대역을 보이는 그래프이다.
도 22는 실시예에 따른 안테나 어레이의 방사 패턴을 보인 그래프이다.
도 23은 실시예에 따른 안테나 어레이의 방사선 다이어그램을 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.

도 4는 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 개략적인 구조를 보이는 분해 사시도이다. 도 5는 도 4의 릿지 갭 도파관의 A-A 단면도이고, 도 6은 도 4의 릿지 갭 도파관에 구비되는 EBG 구조물의 단위 셀 형상을 보인 사시도이다.

도면들을 참조하면, 릿지 갭 도파관(100)은 전도성 베이스(110), 전도성 베이스(110)로부터 상부로 돌출되고, 소정의 전파 전송 방향을 따라 연장되게 형성된 전도성 릿지(120), 전도성 베이스(110) 및 상기 전도성 릿지(120) 상에 위치하며, 전도성 릿지(120)와 소정 간극으로 이격 배치되는 상부 전도성 벽(190), 전도성 베이스(110)와 상부 전도성 벽(190) 사이에, 전도성 릿지(120)에 인접하게 배치되는 전자기 밴드갭(electromagnetic bandgap, EBG) 구조물(170)을 포함한다.

전도성 릿지(120)는 전자기파 진행 방향(W)을 따라 연장될 수 있다. 도 4에서는 Y 방향을 따른 직선 형상으로 도시되었으나 이에 한정되지 않고 원하는 전파 경로를 따라 연장되는 형상을 가질 수 있다.

상부 전도성 벽(190)은 전도성 릿지(120)와 소정 간극으로 이격되게 배치되며, 전도성 릿지(120)와 상부 전도성 벽(190) 사이의 공간이 전자기파의 진행 경로로 제공된다.

EBG 구조물(170)은 릿지 갭 도파관(100) 내에서 전자기파가 소정의 원하는 방향으로 진행되고 다른 방향으로는 누출되지 않도록 구비되고 있다. 즉, EBG 구조물(170)은 전도성 릿지(120) 주변의 영역을 채우도록 배치될 수 있다.

EBG 구조물(170)은 전도성 릿지(120)와 이격되게 배치되며, 전도성 릿지(120)의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. EBG 구조물(170)은 전도성 베이스(110) 및 상부 전도성 벽(190) 중 적어도 하나로부터 에어 갭(air gap)을 사이에 두고 이격되게 배치될 수 있다. EBG 구조물(170)과 전도성 베이스(110) 사이의 간격은 g1, EBG 구조물(170)과 상부 전도성 벽(190) 사이의 간격은 g2 일 수 있다. g1, g2 중 적어도 하나는 0보다 클 수 있다. 이하의 도면에서 g1, g2는 모두 0보다 큰 것으로 예시될 수 있으나 이에 한정되지 않고, 어느 하나는 0이 될 수도 있다.

EBG 구조물(170)은 양면 인쇄 회로 기판(double sided printed circuit board) 기반으로 형성될 수 있다.

EBG 구조물(170)은 제1층(130), 제2층(140), 제3층(150)을 포함한다. 제1층(130)은 유전체층(146)의 하면에 형성되는 복수의 제1 전도패턴(132)을 포함하며, 제3층(150)은 유전체층(146)의 상면에 형성되고, 복수의 제1 전도패턴(132)과 각각 대응하는 복수의 제2 전도패턴(152)을 포함한다. 제2층(140)은 유전체층(146) 및 유전체층(146)을 관통하여 제1 전도패턴(132)과 제2 전도패턴(152)을 연결하는 전도성 비어(142)를 포함한다. 전도성 비어(142)는 금속성 비어일 수 있다. 제1 전도패턴(132), 제2 전도패턴(152)의 크기나 형상은 도시된 크기나 형상에 한정되지 않으며, 릿지 갭 도파관(100)이 적용될 특정 어플리케이션의 요구 사항에 따라 선택될 수 있다.

EBG 구조물(170)을 형성하는 양면 인쇄 회로 기판에는 오목부(H)가 형성될 수 있다. 오목부(H)는 전도성 릿지(120)가 배치되는 공간을 제공할 수 있다. 오목부(H)는 전도성 릿지(120)와 대응하는 위치에 형성되며 전도성 릿지(120)와 EBG 구조물(170) 간에 소정 간격을 유지할 수 있는 크기를 가질 수 있다. 즉, 오목부(H)에 전도성 릿지(120)가 배치되도록, EBG 구조물(170), 전도성 베이스(110), 전도성 릿지(120)가 조립된다.

EBG 구조물(170)은 2차원 주기 격자 구조로 배열되고 전기적으로 서로 결합되지 않는 복수의 셀(CE)을 포함하는 형상을 이룬다. 즉, 유전체층(146) 하면의 복수의 제1 전도패턴(132)들은 서로 이격되게 배치되고, 유전체층(146) 상면의 제2 전도패턴(152)들도 서로 이격되게 형성된다. 복수의 셀(CE) 각각은 도 6에 도시된 바와 같이, 유전체층(146), 유전체층(146)의 하면 및 상면에 각각 형성된 제1 전도패턴(132) 및 제2 전도패턴(152), 유전체층(146)을 관통하여 제1 전도패턴(132)과 제2 전도패턴(152)을 연결하는 전도성 비어(142)를 포함한다.

이러한 EBG 구조물(170)은 작동 주파수 대역에서 전도성 베이스(110)와 상부 전도성 벽(190) 사이의 영역에 밴드 갭을 형성하여 릿지 갭 도파관(100)의 외부 공간으로 소정 주파수 대역의 파동 전파(누설)를 차단할 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 릿지 갭 도파관에서 밴드 갭의 작용을 설명하는 도면들이다.

도 7a는 EBG 구조물(170)을 통해 전송되는 신호의 주파수(frequency)가 각 셀에서 구현되는 위상 편이에 의존하는 것을 보이고 있다. 이 구조에서의 파동의 전파는 특정 주파수 범위, 즉, 세로축 상에 표시된 두 개의 나란한 선 사이에 위치하는 밴드 갭 내에서는 거의 불가능하다.

도 7b에 개념적으로 도시한 바와 같이, 상기 밴드 갭 내의 주파수에서 EBG 구조물(170)은 높은 임피던스(high impedance)를 나타내며 따라서, 전자기파는 EBG 구조물(170)과 상부 전도성 벽(190) 사이, EBG 구조물(170)과 전도성 베이스(110) 사이의 영역에서 전자기파의 전파(propagation)가 거의 일어나지 않는다. 즉, 전자기파는 전도성 릿지(120)와 상부 전도성 벽(190) 사이의 영역에서 전도성 릿지(120)가 연장된 방향(Y 방향)을 따라 전파되며, 다른 방향으로는 전파되지 않는다.

도 8은 실시예에 따른 릿지 갭 도파관(100)의 예시적인 치수를 보인다.

도 8은 높은 성능을 제공할 수 있는 릿지 갭 도파관(100)의 일부 치수를 예시하고 있다. 이 치수는 작동 주파수 2.4GHz의 경우로서 EBG 구조물(170)과 전도성 베이스(110) 사이, EBG 구조물(170)과 상부 전도성 벽(190) 사이의 공극이 0.5mm이고, 전도성 릿지(120)를 사이에 두고 배치된 인접 EBG 구조물(170) 간 거리가 릿지 2.2-3.2mm(파장의 0.176-0.256에 해당)이고, 전도성 베이스(110)와 상부 전도성 벽(190) 사이의 거리가 2.5 mm(파장의 0.2에 해당)일 때, 삽입 손실(insertion loss) 수준은 겨우 0.06dB/cm 이다. 즉, 이러한 컴팩트한 크기에서, 실시예에 따른 릿지 갭 도파관(100)은 손실이 매우 적으며, 릿지 갭 도파관(100)의 조립에 있어 각 층들 사이에 강력하고 신뢰성 있는 접촉이 요구되지 않는다.

도 9 및 도 10은 실시예에 따른 릿지 갭 도파관에 구비될 수 있는 스페이서의 예시적인 형상들을 보인다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 릿지 갭 도파관(100)은 EBG 구조물(170)과 상기 전도성 베이스(110) 사이 및 EBG 구조물(170)과 상부 전도성 벽(190)사이 중 적어도 한 위치에 배치되어, EBG 구조물(170)을 고정하고, EBG 구조물(170)과 전도성 베이스(110) 사이 및 EBG 구조물(170)과 상부 전도성 벽(190) 사이 중 적어도 하나에 에어 갭을 제공하는 스페이서(181)(182)(183)(184)를 포함할 수 있다.

도 9에 도시한 바와 같이, 스페이서(181)는 상부 전도성 벽(190)의 하면으로부터 EBG 구조물(170)을 향해 돌출된 형상을 가질 수 있다. 스페이서(182)는 전도성 베이스(110)의 상면으로부터 EBG 구조물(170)을 향하여 돌출된 형상을 가질 수 있다. 스페이서(181)(182)는 전도성 베이스(110) 또는 EBG 구조물(170) 또는 상부 전도성 벽(190)에 돌출부로서 미리 형성될 수 있다. 스페이서(182)는 전도성 베이스(110)로부터 EBG 구조물(170)을 향해 돌출되게 형성되거나, 또는, EBG 구조물(170)에서 전도성 베이스(110)를 향해 돌출되게 형성될 수 있다. 스페이서(181)는 상부 전도성 벽(190)으로부터 EBG 구조물(170)을 향해 돌출되게 형성되거나, 또는, EBG 구조물(170)에서 상부 전도성 벽(190)을 향해 돌출되게 형성될 수 있다. 상부 전도성 벽(190)과 EBG 구조물(170) 사이 및 EBG 구조물(170)과 전도성 베이스(110) 사이에 모두 스페이서(181)(182)가 구비된 것으로 예시되었으나 이에 한정되지 않고 어느 하나만 구비되는 것도 가능하다.

도 10에 도시한 바와 같이, 스페이서(183)(184)는 릿지 갭 도파관(100)의 제조 공정 중 각 층 사이에 삽입되는 별도의 요소일 수 있다. 스페이서(184)는 전도성 베이스(110)와 EBG 구조물(170) 사이에 삽입될 수 있고, 스페이서(183)는 EBG 구조물(170)과 상부 전도성 벽(190) 사이에 삽입될 수 있다. 상부 전도성 벽(190)과 EBG 구조물(170) 사이 및 EBG 구조물(170)과 전도성 베이스(110) 사이에 모두 스페이서(183)(184)가 구비된 것으로 예시되었으나 이에 한정되지 않고 어느 하나만 구비되는 것도 가능하다.

스페이서(181)(182)(183)(184)들은 전도성 또는 비전도성의 재질일 수 있지만, EBG 구조물(170)의 인접하는 요소를 서로 접촉시키지 않아야 한다. 스페이서(181)(182)(183)(184)들은 서로 인접하는 셀들에 동시에 접촉하지 않도록 위치할 수 있다.

스페이서(181)(182)(183)(184)들은 상부 전도성 벽(190)과 EBG 구조물(170) 사이 및/또는 EBG 구조물(170)과 전도성 베이스(110) 사이에 에어 갭을 만드는 기능뿐만 아니라 고정 수단의 기능을 수행 할 수 있다. 예를 들어, 접착제 방울이 스페이서(181)(182)(183)(184)들 또는 이에 포함되는 구성 일부로 사용될 수 있다. 또한, 구조를 조이기 위한 나사와 같은 체결 요소가 스페이서(181)(182)(183)(184)를 통과할 수 있다. 또는, 스페이서(181)(182)(183)(184) 내부에 위치하지 않는 다른 수단에 의해 구조적 고정이 수행될 수도 있다.

도 11a 내지 도 11c는 실시에에 따른 릿지 갭 도파관에서 EBG 구조물이 하부 전도성 베이스 및 상부 전도성 벽 사이에 형성하는 간극의 변동 범위를 보이는 도면들이고, 도 12a 및 도 12b는 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 에어 갭 크기에 따른 S 파라미터의 변동 폭을 보이는 그래프이다.

실시예에 따른 릿지 갭 도파관(100)은 EBG 구조물(170)과 전도성 베이스(110) 간의 간극 및/또는 EBG 구조물(170)과 상부 전도성 벽(190) 사이의 간극이 최상의 성능을 위해 구비되는 것으로 제안되고 있다. 이들 간극의 크기는 상당한 범위 내에서 변동 가능하다.

도 12a 내지 12b에 도시된 바와 같이, 에어 갭 크기의 변화는 전기 길이(electrical length)나 전송 계수(transmission coefficient)와 관련되는, 릿지 갭 도파관(100)의 성능에 전체적으로 큰 영향을 미치지 않는다. 즉, 도 11a와 같이, EBG 구조물(170)이 상부 전도성 벽(190)에 접하는 경우, 도 11b와 같이, EBG 구조물(170)의 상, 하 양측에 에어 갭이 형성된 경우, 도 11c와 같이, EBG 구조물(170)이 전도성 베이스(110)에 접하는 경우에 이르는 g1, g2의 변동 범위에서, S-파라미터의 변동 범위는 대략 5 %이다. 이와 같이, 제안된 릿지 갭 도파관(100)의 구조는 상당히 가변적이며(versatile), 공차 허용 범위가 커서 높은 정밀도의 제조를 요구하지 않음을 다시 알 수 있다.

도 13a 내지 13d는 실시예에 따른 릿지 갭 도파관에 채용될 수 있는 EBG 구조물의 다양한 형상들을 예시한 평면도이다.

전술한 바와 같이, EBG 구조물(170)에 구비되는 전도성 부분의 크기, 형상 및 위치는 특정 응용의 요구 사항에 따라 선택된다. 셀의 다양한 구체적인 예시가 13a-13d에 도시되어있다. EBG 구조물 셀의 전도성 부분은 팔각형, 정사각형, 원형, 삼각형 등으로 만들어 질 수 있다.

전자기 결정 구조(electromagnetic crystal structure)의 크기를 형성하는 원리는 당업자에게 공지되어 있으며, 본 발명의 주요 주제가 아니므로 여기서 상세히 설명하지 않는다. 전자기 결정 구조의 주요 요구 사항은 구조가 주기적이어야 한다는 것이다. 격자는 정사각형, 직사각형, 삼각형 등일 수 있다. EBG 구조물(170)은 셀 배치, 셀 형상이 유연하게 조절될 수 있어 필요한 전기적 성능을 편리하게 조정할 수 있을 뿐 아니라, 릿지 갭 도파관(100)이 사용될 장치의 내부 구조에 간단하게 채용될 수 있다.

도 14는 다른 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.

릿지 갭 도파관(101)은 전도성 릿지(124)의 형상에서 도 1의 릿지 갭 도파관(100)고 차이가 있다. 전도성 릿지(124)는 소정 주파수의 전자기파를 필터링하는 패턴을 가질 수 있다. 다만, 도시된 패턴은 예시적인 것이며 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 전도성 릿지(124)는 표면 굴곡(corrugation)을 포함할 수 있고, 이외에도 다양하게 구부러진 형상을 포함할 수 있다. 또는, 전도성 릿지(124)를 따라 공진 핀(resonant pin)들이 위치될 수 있다. 이러한 릿지 갭 도파관(101)은 안테나의 구성요소로 채용될 수도 있고 또는, 필요한 주파수에 대한 개별 필터로 적용될 수도 있다.

도 15는 또 다른 실시예에 따른 릿지 갭 도파관의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.

본 실시예의 릿지 갭 도파관(102)은 전도성 베이스(110)로부터 돌출된 전도성 릿지(126) 외에 추가적으로, 상부 전도성 벽(190)으로부터 하부의 전도성 릿지(126)를 향해 돌출된 상부 릿지(196)를 더 포함하는 점에서 도 1의 릿지 갭 도파관(100)과 차이가 있다.

상부 릿지(196)는 상부 전도성 벽(190)으로부터 도파관의 공동(cavity) 내부로 돌출될 수 있다. 상부 릿지(196)는 하부의 전도성 릿지(126)와 접촉되지 않게, 즉, 전도성 릿지(126)와 소정 간격을 갖도록 형성될 수 있다. 상부 릿지(196)는 하부의 전도성 릿지(126)와 대칭적으로 위치할 수 있다. 상부 릿지(196)와 하부의 전도성 릿지(126) 사이의 공간을 따라 파동이 전파될 수 있다. 이와 같이, 전술한 U 자형 구조와는 다른 고유한 특성을 가지는 H 자형 릿지 갭 도파관(102)을 얻을 수 있다.

도 16은 실시예에 따른 안테나 어레이의 개략적인 구조를 보이는 분해 사시도이다. 도 17a은 도 16의 안테나 어레이의 B-B 단면도이고, 도 17b은 도 16의 안테나 어레이의 C-C 단면도이다.

실시예에 따른 안테나 어레이(1000)는 전도성 베이스(210), 전도성 베이스(210)로부터 상부로 돌출되고, 소정의 전파 전송 방향을 따라 연장되게 형성된 전도성 릿지(220), 전도성 베이스(210) 상에, 전도성 릿지(220)에 인접하게 배치되는 전자기 밴드갭(EBG) 구조물(270), 및 전도성 릿지(220)와 EBG 구조물(270) 상에 배치된 기판-집적형-도파관(substrate integrated waveguide) 공진기(400)(이하, SIW 공진기)를 포함한다.

SIW 공진기(400)는 전도성 릿지(220)와 소정 간극으로 이격되어 전도성 릿지(220)와 함께 도파관을 형성하는 하부 전도층(412) 및 하부 전도층(412)과 함께 공진 캐비티(resonant cavity)를 형성하는 상부 전도층(452)을 구비한다. 즉, 하부 전도층(412)은 그 하부에 배치된 전도성 릿지(220), EBG 구조물(270)과 함께 도파관 섹션을 구성하며, 또한, 상부 전도층(512)과 함께 공진기 섹션을 구성한다.

안테나 어레이(1000)는 또한, SIW 공진기(400) 상에 배치되고, 전도성 패치(630) 구비하는 방사부(600)를 더 포함할 수 있다. 이하의 도면들에서 안테나 어레이(1000)는 방사부(600)를 포함한 것으로 도시될 것이나, 방사부(600)는 선택적인(optional) 구성요소이며, 생략될 수도 있다.

EBG 구조물(270)은 전술한 릿지 갭 도파관(100)에서 설명한 EBG 구조물(170)과 실질적으로 동일하다.

EBG 구조물(270)은 도파관 섹션 내에서 전자기파가 소정의 원하는 방향으로 진행되고 다른 방향으로는 누출되지 않도록 구비되고 있으며, 전도성 베이스(210), SIW 공진기(400)의 하부 전도층(412) 중 적어도 하나로부터 에어 갭(air gap)을 사이에 두고 이격되게 배치될 수 있다.

EBG 구조물(270)은 양면 인쇄 회로 기판(double sided printed circuit board) 기반으로 형성될 수 있으며, 제1층(230), 제2층(240), 제3층(250)을 포함한다. 제1층(230), 제3층(250)은 각각 서로 마주하게 배치된 복수의 전도 패턴을 구비한다. 제2층(240)은 유전체층과, 제1층(230), 제3층(250)에서 서로 마주하는 복수의 전도 패턴을 연결하는 전도성 비어를 구비한다.

EBG 구조물(270)은 2차원 주기 격자 구조로 배열되고 전기적으로 서로 결합되지 않는 복수의 셀을 포함하는 형상을 이룬다. 이러한 EBG 구조물(270)은 작동 주파수 대역에서 전도성 베이스(210)와 SIW 공진기(400)의 하부 전도층(412) 사이의 영역에 밴드 갭을 형성하여, 도파관 섹션의 외부 공간으로 소정 주파수 대역의 파동 전파(누설)를 차단할 수 있다.

SIW 공진기(400)는 3개의 층, 즉, 입력층(410), 중간층(430) 및 출력층(450)을 포함한다. 이러한 구조는 양면 인쇄 회로 기판(double sided printed circuit board) 기반으로 제조될 수 있다.

입력층(410)은 하부 전도층(412)과 입력 슬롯(414)을 구비한다. 입력 슬롯(414)은 유전체층(433) 상면의 영역 중 전도성 물질로 덮이지 않은 영역이다. 즉, 양면 인쇄 회로 기판 하면에서 비전도성 부분이 입력 슬롯(414)이 된다.

출력층(450)은 하부 전도층(412)과 출력 슬롯(454)을 구비한다. 출력 슬롯(454)은 유전체층(433) 하면의 영역 중 전도성 물질로 덮이지 않은 영역이다. 즉, 양면 인쇄 회로 기판 상면에서 비전도성 부분이 출력 슬롯(454)이 된다.

입력 슬롯(414) 및 출력 슬롯(454)은 인쇄 회로 기판에 구비되는 전도성 층에서 필요한 크기 및 형상을 갖는 슬롯으로서 적절한 개수로 제조될 수 있다.

중간층(430)은 입력층(410)과 출력층(450) 사이에 배치된 유전체층(433)과, 입력층(410)과 출력층(450)을 연결하고 공진 캐비티 전체의 측벽을 형성하는 복수의 전도성 요소(436)를 구비한다. 전도성 요소(436)는 유전체층(433)을 관통하는 금속성 비어일 수 있고, 핀 형상을 가질 수 있고, 임의의 다른 적절한 전도성 요소일 수 있다.

상부 전도층(452), 하부 전도층(412), 복수의 전도성 요소(436)들은 각각 공진 캐비티의 상부벽, 하부벽, 측벽을 형성한다. 복수의 전도성 요소(436)들 간의 거리는 SIW 공진기(400) 외부로의 전력 누출이 방지되도록 설정될 수 있다. 한편, 공진 캐비티 내에는 SIW 공진기(400)와의 매칭을 위한 추가 전도성 요소가 더 구비될 수 있다.

SIW 공진기(400)의 크기는 공진 캐비티에 진행파 모드를 생성하도록 선택되어 SIW 공진기(400)는 저손실 모드에서 작동한다. SIW 공진기(400) 매칭은 캐비티 내에 위치할 수 있는 추가적인 핀으로 수행될 수 있다.

SIW 공진기 (400)의 출력 슬롯(454)로부터 방사(radiation)가 직접 발생할 수 있다. 또는, 방사부(600)가 구비되는 경우, 방사부(600)의 안테나 요소, 즉, 전도성 패치(630)를 통해 방사가 발생한다.

방사부(600)는 SIW 공진기(400)의 출력층(450)과 일면이 마주하게 배치되는 유전체층(610)과, 유전체층(610)의 다른 면에 형성된 전도성 패치(630)를 포함한다. 전도성 패치(630)는 SIW 공진기(400)의 출력 슬롯(454)과 마주하게 배치된다.

방사부(600)는 단면 인쇄 회로 기판 기반으로 제조될 수 있으며, 즉, 인쇄 회로 기판에 구비되는 전도성 부분(마이크로 스트립)으로부터 전도성 패치(630)가 형성될 수 있다.

SIW 공진기(400)와 방사부(600) 사이에 에어 갭을 제공하는 스페이서(530)가 구비될 수 있다. 또한, EBG 구조물(270)과 SIW 공진기(400) 사이, 즉, EBG 구조물(170)과 하부 전도층(412) 사이에 에어 갭을 제공하는 스페이서(520)가 구비될 수 있다. 전도성 베이스(210)와 EBG 구조물(270) 사이에 에어 갭을 제공하는 스페이서(510)가 구비될 수 있다.

EBG 구조물(270), SIW 공진기(400), 방사부(600)는 모두 인쇄 회로 기판에 기초하여 제조될 수 있다. EBG 구조물(270)은 양면 인쇄 회로 기판에 기초하여 제조될 수 있으며, 전도성 베이스(210)로부터 돌출된 전도성 릿지(220)가 위치되기 위한 오목부가 인쇄 회로 기판에 형성될 수 있다. 즉, 오목부에 전도성 릿지(220)가 배치되도록, EBG 구조물(270), 전도성 베이스(210), 전도성 릿지(220)가 조립된다. SIW 공진기(400)도 양면 인쇄 회로 기판에 기초하여 제조될 수 있고, 방사부(600)는 단면 인쇄 회로 기판을 기반으로 제조될 수 있다.

SIW 공진기(400)의 입력층(410)의 하부 전도층(412)은 도파관의 상부 벽 역할을 하며, SIW 공진기(400)의 출력층(450)에 구비된 상부 전도층(452)은 방사부(600)에 구비된 전도성 패치(630)를 위한 하부 전도성 층으로서 기능한다.

이러한 인쇄 회로 기판들은 미리 정의된 에어 갭을 제공하는 스페이서(510(520)(530)에 의해, 전도성 베이스(210)로부터, 그리고 서로 간에 분리되게 배치될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 안테나 어레이(1000)는 단지 2 개 (또는, 방사부를 구비하는 경우에는 3 개)의 가장 간단한 인쇄 회로 기판 및 하나의 간단한 기계 부품을 포함한다. 안테나 어레이(1000)를 이루는 모두 구성요소들이 서로 직접 접촉할 필요는 없다. 이러한 구조는 제조 공정을 크게 단순화할 수 있고, 정확성과 공차에 대한 요구 사항을 줄일 수 있다.

도 18은 도 16의 안테나 어레이를 8X8 기초 셀 어레이로 확장한 평면도이다. 도 19는 도 18의 평면도를 사사분면으로 분할하여 각 사분면에서 중첩된 구성요소를 다르게 표현한 도면이다.

도 16에 도시된 구조는 여기서 2x2 기초 셀에 해당한다. 이해하기 쉽도록 도 19에서 안테나 배열은 4 개의 등분면으로 구분되고 있다. 오른쪽 아래 사분면은 EBG 구조물(270)과 전도성 릿지(220) 만을 도시하고 있으며, 오른쪽 위 사분면에는 전도성 릿지(220)와 이에 겹쳐진 SIW 공진기(400)의 입력 슬롯(414), 출력 슬롯(454)을 도시하고 있다. 왼쪽 위 사분면에는 전도성 릿지(220)와 이에 겹쳐진 SIW 공진기(400)의 입력 슬롯(414), 출력 슬롯(454), 그리고, 여기에 더 중첩된 방사부(600)의 전도성 패치(630)를 도시하고 있다. 마지막으로 왼쪽 아래 사분면에는 나머지 세 사분면에 도시된 구성을 모두 보여준다.

하나의 입력 슬롯(414)과 네 개의 출력 슬롯(454)이 SIW 공진기(400)에서 반복적으로 배치되는 기본 유닛(RU)을 이룬다. 다만, 이에 포함되는 입력 슬롯(414), 출력 슬롯(454)의 개수는 예시적이며 이에 한정되지 않는다.

입력 포트(IP)는 도파관의 중심부에 위치한다. 안테나 어레이(1000)의 도파관 섹션의 중심부에, 즉, 전도성 릿지(220)와 SIW 공진기(400)의 하부 전도층(412)이 형성하는 도파관의 중심부에 입력 포트(IP)가 위치하며, 이를 통해 전력이 안테나에 공급된다. 입력 포트(IP)는 직사각 도파관 포트 또는 동축 포트일 수 있다.

전도성 베이스(210)로부터 돌출되어 필요한 전파 방향을 따라 연장되는 전도성 릿지(220)는 전파의 분배에 적절한 형상을 구비하여, 도파관 분배기(wave guide divider)의 역할을 수행할 수 있다.

전도성 릿지(220)는 입력 포트(IP)로부터 입력된 전력을 SIW 공진기(400)에 구비된 복수개의 입력 슬롯(414)으로 분배하기 위한 형상을 가질 수 있다. 전도성 릿지(220)는 복수개의 입력 슬롯(414)에 동일한 진폭 및 위상으로 전력을 분배하는 형상을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 전도성 릿지(220)는 16개의 입력 슬롯(414)으로 동일한 위상과 진폭을 갖는 전력을 전달하기 위한 형상을 가질 수 있다.

전도성 릿지(220) 단면은 직사각형이나, 정사각형일 수 있고, 또는 도파관 분배기(waveguide divider)의 기능을 위한, 즉, 전자기파를 손실없이 원하는 형태로 잘 분배하기에 적합한 임의의 다른 형상 및 크기를 가질 수 있다.

전도성 릿지(220) 주변 영역은 EBG 구조물(270)로 채워지며, EBG 구조물(270)에 의해 전자기파의 외부 공간으로의 누설(leakage)이 차단되고 전도성 릿지(220)가 연장되는 전파 진행 방향으로 전파가 전송되고 분배된다.

SIW 공진기(400)의 각 기본 유닛(RU)은 전력 분할을 수행하고 공진 캐비티(resonant cavity)을 통해 얻은 전력의 일부를 동일한 위상 및 진폭으로 각각의 출력 슬롯(454)에 공급한다.

도 20은 실시예에 따른 안테나 어레이의 전력 흐름을 보인 개념도이다.

안테나 어레이(1000)에서의 전력 흐름의 상세도가 도 20에 개념적으로 도시되어 있다. 굵은 직선 화살표는 전기장 라인을 나타내고, 얇은 곡선 화살표는 안테나 어레이(1000) 내에서의 구성 요소를 따른 전력 흐름의 방향을 나타낸다.

먼저, 입력 포트(IP)로부터 전달되는 전력은 도파관, 즉, 전도성 릿지(220)와 하부 전도층(412) 사이의 영역을 따라 진행하며 SIW 공진기(400)의 입력 슬롯(414)으로 전달된다. EBG 구조물(270)로 인해 전력이 도파관 밖으로 흘러 나가지 않고, SIW 공진기(400)의 공진기 공동(resonator cavity)로 거의 완전히 전달된다. 다음, 전도성 요소(436), 상부 전도층(452), 하부 전도층(412)으로 둘러싸인 공진기 공동(resonator cavity)을 따라, 전력은 출력 슬롯(454)으로 전달된다.

전술한 바와 같이, 전력은 SIW 공진기(400)의 출력 슬롯(454)로부터 직접 방사될 수 있고, 방사부가 존재하는 경우 안테나 요소인 전도성 패치(630)을 사용하여 방사가 수행된다

SIW 공진기(400)의 입력 슬롯(414), 출력 슬롯(454)은 양면 인쇄 회로 기판의 전도성 층에서 슬롯으로서 형성되므로, SIW 공진기(400)와 인접하는 도파관, 방사부 간에, 직접적인 접촉의 필요가 없는 편리한 연결이 제공되며, 안테나 어레이 어퍼쳐의 동 위상 여기(in-phase excitation)가 제공된다. 공진기 및 패치 안테나 요소는 자체 전기장이 0 인 중심점에서 여기된다.

도 21은 실시예에 따른 안테나 어레이의 작동 주파수 대역을 보이는 그래프이다. 도 22는 실시예에 따른 안테나 어레이의 방사 패턴을 보인 그래프이다. 도 23은 실시예에 따른 안테나 어레이의 방사선 다이어그램을 보인다.

일반적으로 예를 들어, 현재 안테나의 전원 공급 회로에서 삽입 손실(insertion loss)을 추정하는 경우, 8x8 안테나 요소의 요소 사이의 거리가 0.6λ이고 입력 포트가 도파관 섹션의 중심에 위치할 때, 입력 포트로부터 각 요소까지의 평균 거리는 대략 7 * 0.6λ, 즉 24GHz의 주파수 및 1.25cm의 파장에서 5.25cm이다. 이러한 조건 하에서의 마이크로 스트립 전송 라인에 기초한 종래의 솔루션은 2.1 dB (62 % 효율) 레벨에서 삽입 손실을 나타내는 반면, 본 발명은 0.3 dB (93 % 효율) 레벨에서 삽입 손실을 나타낸다.

도 21은 작동 주파수 대역을 보이는 그래프로서, S₁₁ < -10dB 레벨의 주파수 대역은 대략 15 %임을 알 수 있다. 방사 효율은 작동 주파수 대역에서 93 % 이상이다. 방사 요소가 안테나 어레이의 표면에 대칭 적으로 분포되어 있기 때문에, 도 22에 나타난 바와 같이, 넓은 범위의 스캐닝 각도에서 낮은 수준의 사이드 로브(side lobe)를 가지며 빔 형성의 정확도가 높다.

제안된 안테나 어레이의 방사선 다이어그램의 모델이 도 23에 도시되어있다. 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 안테나 어레이의 방사선 다이어그램은 높은 대칭성을 나타낸다.

따라서, 본 발명에 따른 안테나 어레이(1000)는 확장 가능하고, 콤팩트하며 광대역이며, 손실이 적고 빔 포밍 특성이 개선될 수 있고, 밀리미터 파 및 THz 대역에서의 응용에 성공적으로 사용될 수 있다.

제안된 안테나 어레이(1000)는 방사부(600)가 없어도 효과적으로 작동할 수 있으며, 방사부(600)가 구비되는 경우, 안테나 어레이(1000)의 작동 주파수 대역이 확장될 수 있다.

이상에서, 릿지 갭 도파관, SIW 공진기 및 이들에 기초한 다층 안테나 어레이의 구성 원리 및 기본 예가 예시된 것임이 이해되어야 한다. 즉, 이들 원리를 사용하는 당업자는 어떠한 창의적인 노력도 없이 본 발명의 다른 실시 예를 얻을 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 안테나는 고주파 신호의 제어가 요구되는 전자 장치, 예를 들어 미래 표준 5G 및 WiGig의 모바일 네트워크 용 밀리미터 파 대역, 다른 센서 용, Wi-Fi 네트워크 용, 장거리를 포함한 무선 전력 전송, 스마트 홈 시스템 및 기타 밀리미터 파 적응 형 지능형 시스템, 자동차 내비게이션, 사물 인터넷 (IoT), 무선 충전 등에 사용될 수 있다. 이 새로운 유형의 릿지 갭 도파관은 증폭기, 스위치, 위상 시프터, 안테나, 필터 등과 같은 여러 유형의 도파관 장치에서 사용될 수 있다.

본 명세서에서 "제 1", "제 2", "제 3"등과 같은 용어는 다양한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 기술하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션이 이러한 용어들에 의해 제한되어서는 안된다. 이들 용어는 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 제 1 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 제 2 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다. 본 설명에서, "및 또는"의 용어는 각각의 열거된 항목들 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 단수로 언급 된 구성 요소는 달리 특정되지 않는 한 복수의 구성 요소를 배제하지 않는다.

단일 요소로서 설명 또는 청구 범위에 특정된 요소의 기능은 실제로 장치의 여러 구성 요소를 통해 구현될 수 있고, 그 반대도 마찬가지로, 다수의 개별 요소들로서 설명 또는 청구 범위에 기재된 요소들의 기능은 실질적으로 단일 요소를 통해 구현될 수도 있다.

일 실시예에서, 본 장치의 요소 / 유닛은 공통 하우징에 배치되고, 동일한 프레임 / 구조 / 인쇄 회로 기판 상에 배치되고, 장착 (조립) 동작에 의해 그리고 기능적으로 통신 라인을 통해 서로 구조적으로 연결된다. 통신 라인 또는 채널은, 달리 명시되지 않는 한, 재료 구현이 창조적 노력을 요구하지 않는 종래의 통신 라인이다. 통신 회선은 전선, 전선 세트, 버스, 경로, 무선 통신 링크 (유도, 무선 주파수, 적외선, 초음파 등) 일 수 있다. 통신 링크를 통한 통신 프로토콜은 당 업계에 공지되어 있으며 별도로 개시되지 않는다.

요소들의 기능적 관계는 이들 요소들이 서로 올바르게 협력하고 요소들의 특정 기능을 구현하는 연결로서 이해되어야 한다. 기능적 관계의 특정 예는 정보 교환을 제공하는 연결, 전류의 전송을 제공하는 연결, 기계적 운동의 전달을 제공하는 연결, 광, 소리, 전자기 또는 기계적 진동의 전송을 제공하는 연결 등일 수 있다. 기능적 관계는 요소들의 상호 작용의 본질에 의해 결정되며, 달리 명시되지 않는 한, 당업계에 공지된 원리를 사용하여 공지된 수단에 의해 제공된다.

본 장치의 구성 요소의 구조적 실시예는 당업자에게 공지되어 있으며, 달리 명시되지 않는 한 본 명세서에서 별도로 설명되지 않는다. 장치의 요소는 임의의 적합한 재료로 제조 될 수 있다. 이들 구성 요소는 단지 예를 들어 기계 가공 및 로스트 왁스 주조를 포함하는 공지 된 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 상기 설명에 따른 조립, 연결 및 다른 동작은 또한 당업자의 지식에 대응하므로 여기서 더 상세히 설명되지 않을 것이다.

예시적인 실시예가 상세하게 설명되고 첨부 도면에 도시되었지만, 이러한 실시예는 단지 예시적인 것이며 본 발명을 제한하도록 의도되지 않으며 본 발명은 도시되고 설명된 특정 구성으로 제한되지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 본질 및 범위를 벗어나지 않는 본 발명의 다양한 다른 변형 및 실시예가 설명에 포함된 정보 및 관련 기술 분야의 지식에 기초하여 당업자에게 명백하기 때문이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

100, 101, 102 - 릿지 갭 안테나
110, 210 - 전도성 베이스
120, 220 - 전도성 릿지
132, 152 - 제1, 제2 전도패턴
142 - 전도성 비어
146, 433, 610 - 유전체층
170, 270 - EBG 구조물
190 - 상부 전도성 벽
400 - SIW 공진기
410 - 입력층
412 - 하부 전도층
414 - 입력 슬롯
450 - 출력층
452 - 상부 전도층
454 - 출력 슬롯
436 - 전도성 요소
600 - 방사부
630 - 전도성 패치

Claims

전도성 베이스;
상기 전도성 베이스로부터 상부로 돌출되고, 소정의 전파 전송 방향을 따라 연장되게 형성된 전도성 릿지;
상기 전도성 베이스 및 상기 전도성 릿지 상에 위치하며, 상기 전도성 릿지와 소정 간극으로 이격 배치되는 상부 전도성 벽;
상기 전도성 베이스와 상기 상부 전도성 벽 사이에, 상기 전도성 릿지에 인접하게 배치되는 전자기 밴드갭(EBG) 구조물;을 포함하는, 릿지 갭 도파관.
제1항에 있어서,
상기 EBG 구조물은 상기 전도성 베이스 및 상기 상부 전도성 벽 중 적어도 어느 하나와 에어 갭(air gap)을 사이에 두고 이격되게 배치되는, 릿지 갭 도파관.
제1항에 있어서
상기 EBG 구조물과 상기 전도성 베이스 사이 및 상기 EBG 구조물과 상기 상부 전도성 벽 사이 중 적어도 한 위치에 배치되어,
상기 EBG 구조물을 고정하고, 상기 EBG 구조물과 상기 전도성 베이스 사이 및 상기 EBG 구조물과 상기 상부 전도성 벽 사이 중 적어도 하나에 에어 갭을 제공하는 스페이서;를 더 포함하는 릿지 갭 도파관.
제3항에 있어서,
상기 스페이서는
상기 전도성 베이스의 상면 또는 상기 상부 전도성 벽의 하면으로부터 상기 EBG 구조물을 향하여 돌출된 형상을 가지는, 릿지 갭 도파관.
제3항에 있어서,
상기 스페이서는
상기 EBG 구조물에 구비되며 서로 인접하는 셀들에 동시에 접촉하지 않도록 위치하는 릿지 갭 도파관.
제1항에 있어서,
상기 EBG 구조물은 2차원 주기 격자 구조로 배열되고 전기적으로 서로 결합되지 않는 복수의 셀을 포함하며, 상기 복수의 셀 각각은,
유전체층, 상기 유전체층의 하면 및 상면에 각각 형성된 제1 전도패턴 및 제2 전도패턴 및 상기 유전체층을 관통하여 상기 제1 전도패턴과 상기 제2 전도패턴을 연결하는 전도성 비어를 포함하는, 릿지 갭 도파관.
제6항에 있어서,
상기 EBG 구조물은 양면 인쇄 회로 기판 기반으로 형성되는, 릿지 갭 도파관.
제7항에 있어서,
상기 양면 인쇄 회로 기판은 오목부를 포함하며,
상기 오목부에 상기 전도성 릿지가 배치되는, 릿지 갭 도파관.
제1항에 있어서,
상기 전도성 릿지는 소정 주파수의 전자기파를 필터링하는 패턴을 가지는, 릿지 갭 도파관.
제1항에 있어서,
상기 상부 벽으로부터 상기 전도성 릿지를 향하여 돌출되고 상기 전도성 릿지와의 사이에 소정 간격을 유지하는 상부 릿지를 더 포함하는, 릿지 갭 도파관.
전도성 베이스;
상기 전도성 베이스로부터 상부로 돌출되고, 소정의 전파 전송 방향을 따라 연장되게 형성되며, 입력 포트와 연결된 전도성 릿지;
상기 전도성 베이스 상에, 상기 전도성 릿지에 인접하게 배치되는 전자기 밴드갭(EBG) 구조물; 및
상기 전도성 릿지 및 상기 EBG 구조물 상에 배치된 것으로,
상기 전도성 릿지와 소정 간극으로 이격되어 상기 전도성 릿지와 함께 도파관을 형성하는 하부 전도층과, 상기 하부 전도층과 함께 공진 캐비티를 형성하는 상부 전도층을 구비하는 기판-집적-도파관형(SIW) 공진기;를 포함하는, 안테나 어레이.
제11항에 있어서,
상기 EBG 구조물은 2차원 주기 격자 구조로 배열되고 전기적으로 서로 결합되지 않는 복수의 셀을 포함하며, 상기 복수의 셀 각각은,
제1 유전체층, 상기 제1 유전체층의 하면 및 상면에 각각 형성된 제1 전도패턴과 제2 전도패턴 및 상기 제1 유전체층을 관통하여 상기 제1 전도패턴과 상기 제2 전도패턴을 연결하는 전도성 비어를 포함하는, 안테나 어레이.
제12항에 있어서,
상기 EBG 구조물은 제1 양면 인쇄 회로 기판 기반으로 형성되는, 안테나 어레이.
제12항에 있어서,
상기 SIW 공진기는
상기 하부 전도층과 입력 슬롯을 구비하는 입력층;
상기 상부 전도층과 출력 슬롯을 구비하는 출력층; 및
상기 입력층과 상기 출력층 사이에 배치된 제2 유전체층과, 상기 입력층과 상기 출력층을 연결하며 상기 공진 캐비티의 측벽을 형성하는 복수의 전도성 요소를 구비하는 중간층;을 포함하는, 안테나 어레이.
제14항에 있어서,
상기 전도성 요소는 상기 제2 유전체층을 관통하는 금속성 비어인, 안테나 어레이.
제14항에 있어서,
상기 SIW 공진기는 제2 양면 인쇄 회로 기판 기반으로 형성되는, 안테나 어레이.
제14항에 있어서,
상기 복수의 전도성 요소들 간의 거리는 상기 SIW 공진기 외부로의 전력 누출이 방지되도록 설정되는, 안테나 어레이.
제14항에 있어서,
상기 공진 캐비티 내에 위치하며 상기 SIW 공진기와의 매칭을 위한 추가 전도성 요소를 더 포함하는, 안테나 어레이.
제14항에 있어서,
상기 SIW 공진기 상에 배치되고, 상기 출력 슬롯에 대향하는 전도성 패치를 구비하는 방사부를 더 포함하는, 안테나 어레이.
제19항에 있어서,
상기 방사부와 상기 SIW 공진기 사이에 위치하며, 상기 방사부와 상기 SIW 공진기 사이에 에어 갭을 제공하는 스페이서를 더 포함하는, 안테나 어레이.
제11항에 있어서,
상기 입력 포트는 상기 전도성 릿지와 상기 하부 전도층이 형성하는 상기 도파관의 중심부에 위치하는, 안테나 어레이.
제14항에 있어서,
상기 SIW 공진기에 구비되는 상기 입력 슬롯은 복수개이고,
상기 전도성 릿지는 상기 복수개의 입력 슬롯에 동일한 진폭 및 위상으로 전력을 분배하는 형상을 가지는, 안테나 어레이.