ミリメートル波帯域パッチアンテナ
【課題】多層基板上に具現された高利得、高効率及び広帯域特性を有するミリメートル波帯域パッチアンテナを提供する。
【解決手段】ミリメートル波帯域パッチアンテナが提供される。このパッチアンテナは、複数の誘電体層が積層された多層基板、多層基板の中心領域を除いて、複数の誘電体層の間に介在された少なくとも一つの金属パターン層と、多層基板の上部面上に配置され、中心領域内に位置されたアンテナパッチと、多層基板の上部面に対向する下部面上に配置された接地層と、誘電体層を貫通して金属パターン層と接地層を電気的に連結し、中心領域を取り囲む複数のビアと、を含む。接地層及び複数のビアによって囲まれた多層基板の中心領域は、共振器の役割をする。
【解決手段】ミリメートル波帯域パッチアンテナが提供される。このパッチアンテナは、複数の誘電体層が積層された多層基板、多層基板の中心領域を除いて、複数の誘電体層の間に介在された少なくとも一つの金属パターン層と、多層基板の上部面上に配置され、中心領域内に位置されたアンテナパッチと、多層基板の上部面に対向する下部面上に配置された接地層と、誘電体層を貫通して金属パターン層と接地層を電気的に連結し、中心領域を取り囲む複数のビアと、を含む。接地層及び複数のビアによって囲まれた多層基板の中心領域は、共振器の役割をする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリメートル波帯域パッチアンテナに関し、より詳細には、多層基板上に具現された高利得、高効率及び広帯域特性を有するミリメートル波帯域パッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリメートル波帯域（ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅ ｂａｎｄ）の周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、マイクロ波帯域（ｍｉｃｒｏ ｗａｖｅ ｂａｎｄ）の周波数に比べて、直進性が優秀であり、そして広帯域特性があるので、レーダー（ｒａｄａｒ）、或いは通信サービス（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｅｒｖｉｃｅ）にの応用が注目されている。特に、ミリメートル波帯域は波長が小さいので、アンテナ（ａｎｔｅｎｎａ）の大きさを小型化することが容易であるので、システム（ｓｙｓｔｅｍ）の大きさを画期的に減らすことができる長所がある。このようなミリメートル波帯域を利用した通信サービスに６０ＧＨｚ帯域を利用した広帯域（ｂｒｏａｄ ｂａｎｄ）通信と７７ＧＨｚ帯域の自動車用レーダーは、既に商用化がだいぶ進行されて製品が発売されている。
【０００３】
このようなミリメートル波帯域のシステムを構成する方法に製品の小型化と費用節減のために、システムオンパッケージ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ：ＳＯＰ）の形態にシステムを具現しようとする研究が活発に進行されている。このようなシステムオンパッケージの方法に低温同時焼結セラミック（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ-ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ：ＬＴＣＣ）、或いは液晶ポリマ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ：ＬＣＰ）技術などが最も適合した技術の中の一つで考慮されている。このような低温同時焼結セラミック、或いは液晶ポリマ技術は、基本的に多層基板を利用する技術で基板内部にキャパシタ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）、インダクタ（ｉｎｄｕｃｔｏｒ）、フィルタ（ｆｉｌｔｅｒ）などの受動部品を内蔵させて、モジュール（ｍｏｄｕｌｅ）の小型化と低価格化になることができるという長所がある。又、このような多層基板の長所には、キャヴィティ（ｃａｖｉｔｙ）を自由に形成することができるので、モジュール構成の自由度が増加するということがある。
【０００４】
特に、システムオンパッケージを利用したシステムの構成で、アンテナパッチ（ｐａｔｃｈ）の具現システムの性能を左右する核心構成要素に考えられている。一般的にミリメートル波周波数帯域、特に６０ＧＨｚ以上の超高周波帯域で動作するパッチアンテナを製作する場合、パッチアンテナで誘電体基板の表面に沿って流れる表面波（ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｖｅ）の形態に信号の漏洩が発生する。このような信号の漏洩は、基板の厚さが増加するほど大きくなり、又、基板の誘電率が高いほど大きくなる。このような信号の漏洩は、パッチアンテナの放射効率を落としてアンテナ利得（ｇａｉｎ）を減少させる。又、６０ＧＨｚ帯域の通信システムでは、７ＧＨｚ以上の広い帯域幅を要求しているが、一般的なパッチアンテナ構造ではこのような広い帯域幅を有するアンテナを具現することが不可能である。
【０００５】
現在に製品化されているミリメートル波帯域のモジュールは、費用を減らすために低温同時焼結セラミック技術を利用して、システムオンパッケージの形態に製作されている。しかし、上述のように、低温同時焼結セラミックのようなセラミック基板は、有機（ｏｒｇａｎｉｃ）基板に比べて誘電率が高いので、パッチアンテナに具現する場合、アンテナの放射効率と利得が減少して、望みのアンテナ利得を得るためには要求されるアレイ（ａｒｒａｙ）の数が急激に増加し、又、広帯域特性を得ることが難しい。従って、従来の製品は、アンテナパッチ部分のみを誘電率が低い有機基板に製作して使用する。このために、低温同時焼結セラミックの単一基板上にアンテナパッチを含む全体システムオンパッケージモジュールの形態に製作されることに比べてモジュールの大きさと製作費用が増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国特許公開第２０００−００１７０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、誘電体基板の表面に沿って流れる表面波の形態に信号が漏洩されることを防止して、広帯域特性を有すると同時にモジュールの大きさ及び製作費用を減少させることができるパッチアンテナを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、上述で言及した目的に制限されずに、言及されないまた他の目的は、後述から当業者に明確に理解されるはずである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明は、ミリメートル波帯域パッチアンテナを提供する。このパッチアンテナは、複数の誘電体層が積層された多層基板と、多層基板の中心領域を除いて、複数の誘電体層の間に介在された少なくとも一つの金属パターン層と、多層基板の上部面上に配置され、中心領域内に位置されたアンテナパッチと、多層基板の上部面に対向する下部面上に配置された接地層と、誘電体層を貫通して金属パターン層と接地層を電気的に連結し、中心領域を取り囲む複数のビアと、を含むことができる。接地層及び複数のビアによって囲まれた多層基板の中心領域は、誘電体共振器の役割をすることができる。
【００１０】
複数のビアは、アンテナパッチから放射される波長の半分以下の距離に互いに離隔されることができる。
【００１１】
複数のビアは、中心領域に蓄積された信号の漏洩を抑制する金属壁の役割をすることができる。
【００１２】
複数のビアは、中心領域に対して放射状に配置される少なくとも一つの追加的なビアをさらに含むことができる。
【００１３】
複数のビアによって多層基板の上部面と接地層との間の距離が近づく程度によって、表面波の伝達程度が抑制されることができる。
【００１４】
ビアは、伝導性金属を含むことができる。
【００１５】
中心領域は、設計周波数帯域で共振することができる大きさを有し、誘電体共振器に役割をすることができる。
【００１６】
中心領域の平面断面は、設計周波数帯域で共振を作ることができる全てのことを有することができる。
【００１７】
アンテナパッチと中心領域との間のカップリングによって、帯域幅が大きくなることができる。
【００１８】
アンテナパッチの平面断面は、設計周波数帯域で共振を作ることができる全てのことを有することができる。
【００１９】
アンテナパッチは、伝導性金属を含むことができる。
【００２０】
多層基板は、低温同時焼結セラミック、或いは液晶ポリマを含むことができる。
【００２１】
金属パターン層は、中心領域に対して放射状に広まった複数のラインパターンであることができる。複数のラインパターンの各々は、複数のビアに対応されることができる。
【００２２】
金属パターン層は、伝導性金属を含むことができる。
【００２３】
接地層は、伝導性金属を含むことができる。
【００２４】
アンテナパッチに信号を供給するための伝送線路をさらに含むことができる。
【００２５】
伝送線路の下部周囲に配置された追加的なビアをさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００２６】
上述のように、 課題を解決するための手段によると、多層基板の内部でビアに形成された壁と接地層によって囲まれた領域が共振器の役割をすることができる。これによって、アンテナパッチで多層基板の表面に沿って漏洩される表面波が共振器の外部では、多層基板の表面と接地層との間の減った距離によって伝達が難しくなり、共振器の内部では、蓄積されることができる。
【００２７】
結果的に、多層基板の表面に沿って外部に漏洩される信号が多く減ることができ、そして共振器に蓄積された信号が外部に放射されることができる。これによって、放射効率及び利得が向上されたパッチアンテナが提供されることができる。
【００２８】
又、アンテナパッチと共振器のカップリングによって、帯域幅が大きくなることができる。これによって、広帯域特性を有するパッチアンテナが提供されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図２】図１のＩ-Ｉ’線に沿って切断した断面図である。
【図３】互いに異なる厚さの誘電体層を含むミリメートル波帯域パッチアンテナのマイクロストリップ伝送線路に信号が伝えられる際に、基板表面での電界分布特性を示したグラフである。
【図４】互いに異なる厚さの誘電体層を含むミリメートル波帯域パッチアンテナのマイクロストリップ伝送線路に信号が伝えられる際に、基板表面での電界分布特性を示したグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの反射特性を説明するためのグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの放射特性を説明するためのグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図８】本発明の第３実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図９】本発明の第４実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図１０】本発明の第５実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図１１】本発明の第６実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図１２】本発明の第７実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図１３】本発明の第８実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図と共に詳細に後述される実施形態を参照すると明確になる。しかし、本発明は、ここで説明される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる形態に具体化されることができる。さって、ここで紹介される実施形態は、開示された内容が徹底で、完全になるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝えられるようにするために提供されることであり、本発明は、請求項の範囲によって定義されるのみである。明細書の全体にかけて同一の参照符号は、同一の構成要素を示す。
【００３１】
本明細書で使われた用語は、実施形態を説明するためのことであり、本発明を制限するものではない。本明細書で、単数型は、特別に言及しない限りに複数型も含む。明細書で使われる‘含む'は、言及された構成要素、段階、動作及び/または素子は、一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び/または素子の存在または追加を排除しない。又、望ましい実施形態によることなので、説明の順序によって提示される参照符号は、その順序に必ず限定されるものではない。尚、本明細書で何の膜が異なる膜または基板上にあると言及される場合に、それは異なる膜または基板上に直接形成されうる、或いはこれらの間に第３の膜が介在されうるということを意味する。
【００３２】
又、本明細書で記述する実施形態は、本発明の理想的な例示図である断面図及び/または平面図を参考にして説明される。図面において、膜及び領域の厚さは、技術的な内容の効果的な説明のために誇張されたことである。従って、製造技術及び/または許容誤差などによって例示図の形態が変形されうる。従って、本発明の実施形態は、図示された特定形態に制限されることでなく、製造工程によって生成される形態の変化も含む。例えば、直角に示されたエッチング領域は、ラウンド形、或いは所定の曲率を有する形態でありうる。従って、図面で例示された領域は、概略的な属性を有し、図面で例示された領域の模様は、素子の領域の特定形態を例示するためのことであり、発明の範囲を制限するためのことではない。
【００３３】
図１は、本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図であり、図２は、図１のＩ-Ｉ’線に沿って切断した断面図である。
【００３４】
図１及び図２を参照すると、パッチアンテナ１００は、複数の誘電体層１１０ｆ及び１１０ｓが積層された多層基板１０５と、多層基板１０５の中心領域Ｒ１を除いて複数の誘電体層１１０ｆ及び１１０ｓの間に介在された金属パターン層（ｍｅｔａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｌａｙｅｒ）１２０ｆと、多層基板１０５の上部面上に配置され、中心領域Ｒ１内に位置されたアンテナパッチ１４０と、多層基板１０５の上部面に対向する下部面上に配置された接地層（ｇｒｏｕｎｄ ｌａｙｅｒ）１２０ｇと、内部誘電体層１１０ｆを貫通して金属パターン層１２０ｆと接地層１２０ｇを電気的に連結し、中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア（ｖｉａ）１３０と、を含む。接地層１２０ｇ及び複数のビア１３０によって囲まれた多層基板１０５の中心領域Ｒ１は、共振器（ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の役割をすることができる。即ち、本発明に実施形態によるパッチアンテナ１００は、多層基板１０５の上部面に位置するアンテナパッチ１４０及び多層基板１０５の内部の中心領域Ｒ１内に位置する誘電体共振器ＤＲを有する構造に形成されることができる。ここで中心領域Ｒ１と誘電体共振器ＤＲの平面断面の大きさ及び形態は、同一でありうる。
【００３５】
多層基板１０５は、低温同時焼結セラミック、或いは液晶ポリマを含むことができる。多層基板１０５は、誘電率が高い複数の誘電体層１１０ｆ及び１１０ｓを積層した後、焼結工程を通じて形成されることができる。
【００３６】
金属パターン層１２０ｆは、伝導性金属を含むことができる。望ましくは金属パターン層１２０ｆは、銀Ａｇに形成されることができる。多層基板１０５の中心領域Ｒ１を除いて、複数の誘電体層１１０ｆ及び１１０ｓの間に介在された金属パターン層１２０ｆは、プリンティング（ｐｒｉｎｔｉｎｇ）などのような印刷方式に一つの誘電体層１１０ｆ上に形成されることができる。
【００３７】
即ち、金属パターン層１２０ｆを含む多層基板１０５を形成することは、一つの誘電体層１１０ｆ上に金属パターン層１２０ｆを形成し、金属パターン層１２０ｆが形成された誘電体層１１０ｆ上に再び追加的な誘電体層１１０ｆを積層した後、追加的な誘電体層１１０ｆ上に金属パターン層１２０ｆを追加に形成することを反復的に実行し、最後に表面誘電体層１１０ｓを積層することを含むことができる。
【００３８】
アンテナパッチ１４０は、伝導性金属を含むことができる。望ましくは、アンテナパッチ１４０は、銀に形成されることができる。アンテナパッチ１４０は、プリンティングなどのような印刷方式に多層基板１０５の上部面を含む表面誘電体層１１０ｓ上に形成されることができる。アンテナパッチ１４０は、多様な形態を有することができる。これに対して、後述される本発明の他の実施形態で説明される。
【００３９】
接地層１２０ｇは、伝導性金属を含むことができる。望ましくは、接地層１２０ｇは、銀に形成されることができる。接地層１２０ｇは、プリンティングなどのような印刷方式に多層基板１０５の下部面を含む最下部誘電体層１１０ｆの下部に形成されることができる。
【００４０】
複数のビア１３０は、伝導性金属を含むことができる。望ましくは、複数のビア１３０は、銀に形成されることができる。多層基板１０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア１３０を形成することは、多層基板１０５の表面誘電体層１１０ｓを積層する前に内部誘電体層１１０ｆ及び金属パターン層１２０ｆを貫通するビア孔（ｖｉａ ｈｏｌｅ）を形成した後、ビア孔を伝導性金属に満たすことでありうる。この際、ビア孔を形成することは、パンチング（ｐｕｎｃｈｉｎｇ）などのような方法を利用することでありうる。これは、焼結前の誘電体層１１０ｆ又は１１０ｓは、柔軟性（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を有しているためである。ビア孔１３０を形成した後、表面誘電体層１１０ｓを積層し、多層基板１０５の上部面及び下部面上に各々のアンテナパッチ１４０及び接地層１２０ｇを形成した後に、結果物を焼結することいよって、パッチアンテナ１００が製造されることができる。
【００４１】
複数のビア１３０によって金属パターン層１２０ｆと接地層１２０ｇが電気的に連結されることによって、多層基板１０５の上部面と接地層１２０ｇとの間の距離が近づくことができる。これによって、アンテナパッチ１４０で表面波の形態に漏洩される信号が抑制されることができる。
【００４２】
又、多層基板１０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア１３０は、アンテナパッチ１４０から放射される波長の半分（λ/２）以下の距離に互いに離隔されることができる。これは、アンテナパッチ１４０から放射される波長λが複数のビア１３０の間を抜け出さない距離に該当するためである。これによって、アンテナパッチ１４０で表面波の形態に漏洩される信号が誘電体共振器ＤＲに蓄積されることができる。
【００４３】
多層基板１０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア１３０の他にも中心領域Ｒ１に対して放射状に配置される追加的なビア１３０が多層基板１０５の内部によって含まれることができる。これは、アンテナパッチ１４０から放射される波長が中心領域Ｒ１の外部に抜け出すことを最小化するためのことであることができる。
【００４４】
中心領域Ｒ１は、パッチアンテナ１００の設計周波数帯域で共振することができる大きさを有することができる。
【００４５】
アンテナパッチ１４０と中心領域Ｒ１との間のカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によって、パッチアンテナ１００の帯域幅が大きくなることができる。これによって、アンテナパッチ１４０と中心領域Ｒ１が適当なカップリング値を有するように調節することによって、広帯域特性を有するパッチアンテナ１００が具現されることができる。中心領域Ｒ１は、多様な形態を有することができる。これに対して、後述される本発明の他の実施形態で説明される。
【００４６】
パッチアンテナ１００は、アンテナパッチ１４０に信号を供給するための伝送線路１５０をさらに含むことができる。伝送線路１５０は、マイクロストリップ（ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ）形態、同軸プローブ（ｃｏａｘｉａｌ ｐｒｏｂｅ）形態、開口面の結合（ａｐｅｒｔｕｒｅｄ-ｃｏｕｐｌｅｄ）形態、又は近接結合（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ-ｃｏｕｐｌｅｄ）形態などのような多様な形態に形成されることができる。
【００４７】
図１及び図２では、マイクロストリップ形態の伝送線路１５０が示されている。マイクロストリップ形態の伝送線路１５０は、伝導性金属を含むことができる。望ましくは、マイクロストリップ形態の伝送線路１５０は、銀に形成されることができる。マイクロストリップ形態の伝送線路１５０は、プリンティングなどのような印刷方式に多層基板１０５の上部面を含む表面誘電体層１１０ｓ上にアンテナパッチ１４０と接触するように形成されることができる。マイクロストリップ形態の伝送線路１５０とアンテナパッチ１４０は、互いに電気的に連結されるので、この二つは、同時に形成されることができる。
【００４８】
マイクロストリップ形態の伝送線路１５０の下部周囲に多層基板１５０内に配置された追加的なビア１３０をさらに含むことができる。これは、上述されたことのように、多層基板１０５の上部面と接地層１２０ｇとの間の距離が近づくようにして、マイクロストリップ形態の伝送線路１５０による表面波の形態に漏洩される信号を抑制するためのことでありうる。
【００４９】
本発明に実施形態によるパッチアンテナ１００の構造では、アンテナパッチ１４０が接地層１２０ｇから距離が遠くて、アンテナパッチ１４０のインピーダンス（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）が放射に適合したインピーダンスを有することができ、多層基板１０５の内部の中心領域Ｒ１内に位置する誘電体共振器ＤＲを抜け出した領域では、ビア１３０によって多層基板１０５の上部面と接地層１２０ｇとの間の距離が近づくことができる。
【００５０】
一般的に伝送線路１５０が接地層１２０ｇから遠ざかるほど、即ち、多層基板１５０の厚さが厚くなるほど表面波が容易に伝えられるので、本発明に実施形態による構造では、アンテナパッチ１４０を除外した領域では接地層１２０ｇを伝送線路１５０に近くすることによって、表面波の伝達が抑制されることができる。これによって、アンテナパッチ１４０で表面波の形態に漏洩される信号は、外部に漏洩されることができなく、誘電体共振器ＤＲの内に蓄積されることができる。誘電体共振器ＤＲの大きさを設計周波数帯域で共振するように調節すると、共振された信号が多層基板１０５の外部に放射するようになって、全体パッチアンテナ１００の放射効率及びアンテナ利得を高めるようになることができる。又、アンテナパッチ１４０と多層基板１０５内部の誘電体共振器ＤＲが適当なカップリング値を有するように調節にされると、全体パッチアンテナ１００の帯域幅が拡張されて、広帯域特性を有するパッチアンテナ１００が得られることができる。
【００５１】
図３及び図４は、互いに異なる厚さの誘電体層を含むミリメートル波帯域パッチアンテナのマイクロストリップ伝送線路に信号が伝えられる際に、基板表面での電界分布特性を示したグラフである。
【００５２】
図３を参照すると、一つの誘電体層（図１の１１０ｆ又は１１０ｓを参照する）が０．１mmの厚さを有する多層基板上に具現されたマイクロストリップ伝送線路（図１の１５０を参照する）に信号が伝えられると、伝送線路の周囲に電界が集中される。伝送線路から遠ざかるほど、電界の大きさが急激に減少することが分かる。
【００５３】
図４を参照すると、一つの誘電体層が０．５mmの厚さを有する多層基板上に具現されたマイクロストリップ伝送線路に信号が伝えられると、誘電体層の厚さがより薄い図３とは異なり、伝送線路から遠く離れている部分まで電界がより分布される。これは、多層基板の表面に沿って電界が漏洩されることを意味し、このような電界の漏洩は、一つの誘電体層の厚さが厚くなるほど増加する。
【００５４】
パッチアンテナ（図１の１００を参照する）では、供給される信号がアンテナパッチ（図１の１４０を参照する）から放射されることが理想的であるが、誘電体層の誘電率が増加するほど、また誘電体層の厚さが増加するほど、多層基板の表面に沿って漏洩される表面波が増加してパッチアンテナの放射効率及び利得が減少する。
【００５５】
図５及び図６は、本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの反射特性Ｓ１１及び放射特性（アンテナ利得）を各々説明するためのグラフである。
【００５６】
図５及び図６を参照すると、パッチアンテナ（図１の１００を参照する）の反射特性及び放射特性を調べるために高周波数摸写ソフトウェア（Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ：ＨＦＳＳ）を利用して、電磁気場摸写実験結果値が示されている。Ｓ-パラメーター（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の中、Ｓ１１値に対する結果値である。Ｓ１１は、入力ポート（ｉｎｐｕｔ ｐｏｒｔ）で入力した波と、その波が反射されて、また入力ポートから出力された波との間の強さ比を示す値である。
【００５７】
パッチアンテナは、誘電率が７．２であり、一層の厚さが０．１mmである５個の誘電体層（図１の１１０ｆ及び１１０ｓを参照する）が積層されて形成された多層基板（図１の１０５を参照する）の上部面上に菱形のアンテナパッチ（図１の１４０を参照する）を有する。多層基板の内部に複数のビア（図１の１３０を参照する）に形成された壁（ｗａｌｌ又はｆｅｎｓｅ）及び接地層１２０ｇによって囲まれた誘電体共振器（図１のＤＲを参照する）は、多層基板の上部面の一層下に位置して、４個の誘電体層の厚さを有する円形であることができる。
【００５８】
菱形のアンテナパッチの大きさは、６０ＧＨｚ帯域で共振周波数を有するように設計された。
【００５９】
図５を参照すると、パッチアンテナの帯域は、５７．０〜６４．３ＧＨｚｍ１〜ｍ２であり、パッチアンテナは、７．３ＧＨｚの帯域幅を有することが分かる。本発明の実施形態による金属パターン層（図１の１２０ｆ）及びこれを接地層に連結するための複数のビアが除外された同一な従来のパッチアンテナの場合、パッチアンテナの帯域は、５８．０〜６１．８ＧＨｚに、このようなパッチアンテナは、３．８ＧＨｚの帯域幅を有した。これによって本発明の実施形態によるパッチアンテナは、従来のパッチアンテナに比べて広帯域特性が向上されることが分かる。
【００６０】
図６を参照すると、パッチアンテナは、最高８．２ｄＢｉのアンテナ利得を有することが分かる。又、伝送線路（図１の１５０を参照する）に垂直な方向と水平な方向に利得がほとんど類似であることが分かる。これは、表面波による信号の漏洩が多層基板の表面に沿って流れ、放射されることが抑制されているためである。さらに、摸写実験の結果、パッチアンテナは、６７．８％の放射効率を有することが分かる。
【００６１】
一般的に断層基板を有するパッチアンテナは、断層基板に垂直な方向に利得がもっとも大きい値を有する。しかし、図５で説明された従来のパッチアンテナの場合、多層基板に垂直な方向に対して傾斜θが−１５゜である方向に最大値が見られた。又、アンテナパッチの形態が菱形であるので、伝送線路に垂直な方向と水平な方向の放射特性がほとんど類似の特性を見せなければならないが、伝送線路に垂直な方向には、利得が左右対称の形状を見せたが、伝送線路に水平な方向には、利得が１５゜程度移動して左右対称の形状が見られなかった。これは、表面波による信号の漏洩が多層基板の表面に沿って流れ、放射されているためである。さらに、摸写実験の結果、従来のパッチアンテナは、３２．８％の放射効率を有した。
【００６２】
これによって、本発明の実施形態によるパッチアンテナは、従来のパッチアンテナに比べて、アンテナ利得及び放射効率の全てが大きく向上されたことが分かる。
【００６３】
図７は、本発明の第２実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【００６４】
図７を参照すると、図１に示された本発明の第１実施形態と金属パターン層２２０ｆの形態が異なる場合である。金属パターン層２２０ｆは、多層基板２０５内の中心領域Ｒ１に対して放射状に広まった複数のラインパターンであることができる。
【００６５】
上述の図１及び図２で説明されたように、多層基板２０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア２３０は、アンテナパッチ２４０から放射される波長の半分（λ/２）以下の距離に互いに離隔されるので、アンテナパッチ２４０から放射される波長λが複数のビア２３０の間を抜け出さない。即ち、多層基板２０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア２３０のみでもアンテナパッチ２４０で表面波の形態に漏洩される信号が誘電体共振器（図２のＤＲを参照する）に蓄積されるようにすることができる。
【００６６】
但し、多層基板２０５の上部面と接地層２２０ｇとの間の距離が近づくようにして、マイクロストリップ形態の伝送線路２５０による表面波の形態に漏洩される信号を抑制するためにマイクロストリップ形態の伝送線路２５０の下部の多層基板２０５内に最小限の金属パターン層２２０ｆが存在しなければならない。これによって、金属パターン層２２０ｆは、ラインパターン形態であることができる。
【００６７】
図８乃至図１１は、各々本発明の第３乃至第６の実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【００６８】
図８乃至図１１を参照すると、パッチアンテナ３００、４００、５００、６００は、八角形の平面断面を有する誘電体共振器を有する中心領域Ｒ２及び各々に円形、菱形、八角形、正方形の平面断面を有するアンテナパッチ３４０、４４０、５４０、６４０を含むことができる。示さなかったが、リング形、四角形又は三角形などのような異なる形態のアンテナパッチが含まれることができる。
【００６９】
以下の表１は、このようなパッチアンテナ３００、４００、５００、６００の特性を示したことである。
【表１】
【００７０】
表１から分かるように、アンテナパッチ３４０、４４０、５４０、６４０の形態と大きい関係なく、パッチアンテナ３００、４００、５００、６００は、高利得、高効率及び広帯域特性を有することが分かる。
【００７１】
図１２及び図１３は、本発明の第７及び第８実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【００７２】
図１、図１１及び図１２を参照すると、パッチアンテナ１００、７００、８００は、菱形の平面断面をアンテナパッチ１４０、７４０または８４０及び各々の円形、八角形及び正方形の平面断面を有する誘電体共振器を有する中心領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を含むことができる。示さなかったが、正多角形などのような他の形態の共振器が含まれることができる。
【００７３】
以下の表２は、このようなパッチアンテナ１００、７００、８００の特性を示したことである。
【表２】
【００７４】
表２から分かるように、中心領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３内の誘電体共振器の形態と大きい関係なく、パッチアンテナ１００、７００、８００は、高利得、高効率及び広帯域特性を有することが分かる。
【００７５】
前記の本発明の実施形態によるパッチアンテナは、アンテナパッチとその下部に金属に囲まれた誘電体共振器を有することによって、アンテナパッチが接地層から距離が遠くなることができる。これによって、アンテナパッチのインピーダンスが放射に適合したインピーダンスを有することができ、多層基板の内部に位置する誘電体共振器を抜け出した領域では、多層基板の上部面と接地層との間の距離が近づくことができる。
【００７６】
本発明の実施形態によるパッチアンテナは、アンテナパッチを除外した領域では、接地層が伝送線路に近づくなることによって、表面波の伝達が抑制されることができる。これによって、アンテナパッチで表面波の形態に漏洩される信号が外部に漏洩されなくて、誘電体共振器内に蓄積されることができる。誘電体共振器の大きさが設計周波数帯域で共振するように調節されると、共振された信号が多層基板の外部に放射するようになって、全体パッチアンテナの放射効率及びアンテナ利得が高まることができる。又、アンテナパッチと多層基板内部の誘電体共振器が適当なカップリング値を有するように調節されると、全体パッチアンテナの帯域幅が拡張されることができる。これによって、誘電体が積層された多層基板上に具現された高利得、高効率及び広帯域特性を有するミリメートル波帯域パッチアンテナが提供されることができる。
【００７７】
以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者は本発明がその技術的な思想、或いは必須的な特徴を変更しなくて他の具体的な形態に実施されることができるのを理解することができる。従って、上述の実施形態に全ての面で例示的であり、限定的ではないことと理解されるべきである。
【符号の説明】
【００７８】
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ パッチアンテナ
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０ 誘電体層
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５ 多層基板
１１０ｆ、２１０ｆ、３１０ｆ、４１０ｆ、５１０ｆ、６１０ｆ、７１０ｆ、８１０ｆ
内部誘電体層
１１０ｓ、２１０ｓ、３１０ｓ、４１０ｓ、５１０ｓ、６１０ｓ、７１０ｓ、８１０ｓ
表面誘電体層
１２０ｆ、２２０ｆ、３２０ｆ、４２０ｆ、５２０ｆ、６２０ｆ、７２０ｆ、８２０ｆ
金属パターン層
１２０ｇ、２２０ｇ、３２０ｇ、４２０ｇ、５２０ｇ、６２０ｇ、７２０ｇ、８２０ｇ
接地層
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０ ビア
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０、８４０ アンテナパッチ
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０、６５０、７５０、８５０ 伝送線路
ＤＲ 誘電体共振器、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 中心領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリメートル波帯域パッチアンテナに関し、より詳細には、多層基板上に具現された高利得、高効率及び広帯域特性を有するミリメートル波帯域パッチアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリメートル波帯域（ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ｗａｖｅ ｂａｎｄ）の周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、マイクロ波帯域（ｍｉｃｒｏ ｗａｖｅ ｂａｎｄ）の周波数に比べて、直進性が優秀であり、そして広帯域特性があるので、レーダー（ｒａｄａｒ）、或いは通信サービス（ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｅｒｖｉｃｅ）にの応用が注目されている。特に、ミリメートル波帯域は波長が小さいので、アンテナ（ａｎｔｅｎｎａ）の大きさを小型化することが容易であるので、システム（ｓｙｓｔｅｍ）の大きさを画期的に減らすことができる長所がある。このようなミリメートル波帯域を利用した通信サービスに６０ＧＨｚ帯域を利用した広帯域（ｂｒｏａｄ ｂａｎｄ）通信と７７ＧＨｚ帯域の自動車用レーダーは、既に商用化がだいぶ進行されて製品が発売されている。
【０００３】
このようなミリメートル波帯域のシステムを構成する方法に製品の小型化と費用節減のために、システムオンパッケージ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ：ＳＯＰ）の形態にシステムを具現しようとする研究が活発に進行されている。このようなシステムオンパッケージの方法に低温同時焼結セラミック（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ-ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ：ＬＴＣＣ）、或いは液晶ポリマ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｏｌｙｍｅｒ：ＬＣＰ）技術などが最も適合した技術の中の一つで考慮されている。このような低温同時焼結セラミック、或いは液晶ポリマ技術は、基本的に多層基板を利用する技術で基板内部にキャパシタ（ｃａｐａｃｉｔｏｒ）、インダクタ（ｉｎｄｕｃｔｏｒ）、フィルタ（ｆｉｌｔｅｒ）などの受動部品を内蔵させて、モジュール（ｍｏｄｕｌｅ）の小型化と低価格化になることができるという長所がある。又、このような多層基板の長所には、キャヴィティ（ｃａｖｉｔｙ）を自由に形成することができるので、モジュール構成の自由度が増加するということがある。
【０００４】
特に、システムオンパッケージを利用したシステムの構成で、アンテナパッチ（ｐａｔｃｈ）の具現システムの性能を左右する核心構成要素に考えられている。一般的にミリメートル波周波数帯域、特に６０ＧＨｚ以上の超高周波帯域で動作するパッチアンテナを製作する場合、パッチアンテナで誘電体基板の表面に沿って流れる表面波（ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｖｅ）の形態に信号の漏洩が発生する。このような信号の漏洩は、基板の厚さが増加するほど大きくなり、又、基板の誘電率が高いほど大きくなる。このような信号の漏洩は、パッチアンテナの放射効率を落としてアンテナ利得（ｇａｉｎ）を減少させる。又、６０ＧＨｚ帯域の通信システムでは、７ＧＨｚ以上の広い帯域幅を要求しているが、一般的なパッチアンテナ構造ではこのような広い帯域幅を有するアンテナを具現することが不可能である。
【０００５】
現在に製品化されているミリメートル波帯域のモジュールは、費用を減らすために低温同時焼結セラミック技術を利用して、システムオンパッケージの形態に製作されている。しかし、上述のように、低温同時焼結セラミックのようなセラミック基板は、有機（ｏｒｇａｎｉｃ）基板に比べて誘電率が高いので、パッチアンテナに具現する場合、アンテナの放射効率と利得が減少して、望みのアンテナ利得を得るためには要求されるアレイ（ａｒｒａｙ）の数が急激に増加し、又、広帯域特性を得ることが難しい。従って、従来の製品は、アンテナパッチ部分のみを誘電率が低い有機基板に製作して使用する。このために、低温同時焼結セラミックの単一基板上にアンテナパッチを含む全体システムオンパッケージモジュールの形態に製作されることに比べてモジュールの大きさと製作費用が増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】韓国特許公開第２０００−００１７０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、誘電体基板の表面に沿って流れる表面波の形態に信号が漏洩されることを防止して、広帯域特性を有すると同時にモジュールの大きさ及び製作費用を減少させることができるパッチアンテナを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、上述で言及した目的に制限されずに、言及されないまた他の目的は、後述から当業者に明確に理解されるはずである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明は、ミリメートル波帯域パッチアンテナを提供する。このパッチアンテナは、複数の誘電体層が積層された多層基板と、多層基板の中心領域を除いて、複数の誘電体層の間に介在された少なくとも一つの金属パターン層と、多層基板の上部面上に配置され、中心領域内に位置されたアンテナパッチと、多層基板の上部面に対向する下部面上に配置された接地層と、誘電体層を貫通して金属パターン層と接地層を電気的に連結し、中心領域を取り囲む複数のビアと、を含むことができる。接地層及び複数のビアによって囲まれた多層基板の中心領域は、誘電体共振器の役割をすることができる。
【００１０】
複数のビアは、アンテナパッチから放射される波長の半分以下の距離に互いに離隔されることができる。
【００１１】
複数のビアは、中心領域に蓄積された信号の漏洩を抑制する金属壁の役割をすることができる。
【００１２】
複数のビアは、中心領域に対して放射状に配置される少なくとも一つの追加的なビアをさらに含むことができる。
【００１３】
複数のビアによって多層基板の上部面と接地層との間の距離が近づく程度によって、表面波の伝達程度が抑制されることができる。
【００１４】
ビアは、伝導性金属を含むことができる。
【００１５】
中心領域は、設計周波数帯域で共振することができる大きさを有し、誘電体共振器に役割をすることができる。
【００１６】
中心領域の平面断面は、設計周波数帯域で共振を作ることができる全てのことを有することができる。
【００１７】
アンテナパッチと中心領域との間のカップリングによって、帯域幅が大きくなることができる。
【００１８】
アンテナパッチの平面断面は、設計周波数帯域で共振を作ることができる全てのことを有することができる。
【００１９】
アンテナパッチは、伝導性金属を含むことができる。
【００２０】
多層基板は、低温同時焼結セラミック、或いは液晶ポリマを含むことができる。
【００２１】
金属パターン層は、中心領域に対して放射状に広まった複数のラインパターンであることができる。複数のラインパターンの各々は、複数のビアに対応されることができる。
【００２２】
金属パターン層は、伝導性金属を含むことができる。
【００２３】
接地層は、伝導性金属を含むことができる。
【００２４】
アンテナパッチに信号を供給するための伝送線路をさらに含むことができる。
【００２５】
伝送線路の下部周囲に配置された追加的なビアをさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００２６】
上述のように、 課題を解決するための手段によると、多層基板の内部でビアに形成された壁と接地層によって囲まれた領域が共振器の役割をすることができる。これによって、アンテナパッチで多層基板の表面に沿って漏洩される表面波が共振器の外部では、多層基板の表面と接地層との間の減った距離によって伝達が難しくなり、共振器の内部では、蓄積されることができる。
【００２７】
結果的に、多層基板の表面に沿って外部に漏洩される信号が多く減ることができ、そして共振器に蓄積された信号が外部に放射されることができる。これによって、放射効率及び利得が向上されたパッチアンテナが提供されることができる。
【００２８】
又、アンテナパッチと共振器のカップリングによって、帯域幅が大きくなることができる。これによって、広帯域特性を有するパッチアンテナが提供されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図２】図１のＩ-Ｉ’線に沿って切断した断面図である。
【図３】互いに異なる厚さの誘電体層を含むミリメートル波帯域パッチアンテナのマイクロストリップ伝送線路に信号が伝えられる際に、基板表面での電界分布特性を示したグラフである。
【図４】互いに異なる厚さの誘電体層を含むミリメートル波帯域パッチアンテナのマイクロストリップ伝送線路に信号が伝えられる際に、基板表面での電界分布特性を示したグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの反射特性を説明するためのグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの放射特性を説明するためのグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図８】本発明の第３実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図９】本発明の第４実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図１０】本発明の第５実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図１１】本発明の第６実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図１２】本発明の第７実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【図１３】本発明の第８実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付される図と共に詳細に後述される実施形態を参照すると明確になる。しかし、本発明は、ここで説明される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる形態に具体化されることができる。さって、ここで紹介される実施形態は、開示された内容が徹底で、完全になるように、そして当業者に本発明の思想が十分に伝えられるようにするために提供されることであり、本発明は、請求項の範囲によって定義されるのみである。明細書の全体にかけて同一の参照符号は、同一の構成要素を示す。
【００３１】
本明細書で使われた用語は、実施形態を説明するためのことであり、本発明を制限するものではない。本明細書で、単数型は、特別に言及しない限りに複数型も含む。明細書で使われる‘含む'は、言及された構成要素、段階、動作及び/または素子は、一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び/または素子の存在または追加を排除しない。又、望ましい実施形態によることなので、説明の順序によって提示される参照符号は、その順序に必ず限定されるものではない。尚、本明細書で何の膜が異なる膜または基板上にあると言及される場合に、それは異なる膜または基板上に直接形成されうる、或いはこれらの間に第３の膜が介在されうるということを意味する。
【００３２】
又、本明細書で記述する実施形態は、本発明の理想的な例示図である断面図及び/または平面図を参考にして説明される。図面において、膜及び領域の厚さは、技術的な内容の効果的な説明のために誇張されたことである。従って、製造技術及び/または許容誤差などによって例示図の形態が変形されうる。従って、本発明の実施形態は、図示された特定形態に制限されることでなく、製造工程によって生成される形態の変化も含む。例えば、直角に示されたエッチング領域は、ラウンド形、或いは所定の曲率を有する形態でありうる。従って、図面で例示された領域は、概略的な属性を有し、図面で例示された領域の模様は、素子の領域の特定形態を例示するためのことであり、発明の範囲を制限するためのことではない。
【００３３】
図１は、本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図であり、図２は、図１のＩ-Ｉ’線に沿って切断した断面図である。
【００３４】
図１及び図２を参照すると、パッチアンテナ１００は、複数の誘電体層１１０ｆ及び１１０ｓが積層された多層基板１０５と、多層基板１０５の中心領域Ｒ１を除いて複数の誘電体層１１０ｆ及び１１０ｓの間に介在された金属パターン層（ｍｅｔａｌ ｐａｔｔｅｒｎ ｌａｙｅｒ）１２０ｆと、多層基板１０５の上部面上に配置され、中心領域Ｒ１内に位置されたアンテナパッチ１４０と、多層基板１０５の上部面に対向する下部面上に配置された接地層（ｇｒｏｕｎｄ ｌａｙｅｒ）１２０ｇと、内部誘電体層１１０ｆを貫通して金属パターン層１２０ｆと接地層１２０ｇを電気的に連結し、中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア（ｖｉａ）１３０と、を含む。接地層１２０ｇ及び複数のビア１３０によって囲まれた多層基板１０５の中心領域Ｒ１は、共振器（ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）の役割をすることができる。即ち、本発明に実施形態によるパッチアンテナ１００は、多層基板１０５の上部面に位置するアンテナパッチ１４０及び多層基板１０５の内部の中心領域Ｒ１内に位置する誘電体共振器ＤＲを有する構造に形成されることができる。ここで中心領域Ｒ１と誘電体共振器ＤＲの平面断面の大きさ及び形態は、同一でありうる。
【００３５】
多層基板１０５は、低温同時焼結セラミック、或いは液晶ポリマを含むことができる。多層基板１０５は、誘電率が高い複数の誘電体層１１０ｆ及び１１０ｓを積層した後、焼結工程を通じて形成されることができる。
【００３６】
金属パターン層１２０ｆは、伝導性金属を含むことができる。望ましくは金属パターン層１２０ｆは、銀Ａｇに形成されることができる。多層基板１０５の中心領域Ｒ１を除いて、複数の誘電体層１１０ｆ及び１１０ｓの間に介在された金属パターン層１２０ｆは、プリンティング（ｐｒｉｎｔｉｎｇ）などのような印刷方式に一つの誘電体層１１０ｆ上に形成されることができる。
【００３７】
即ち、金属パターン層１２０ｆを含む多層基板１０５を形成することは、一つの誘電体層１１０ｆ上に金属パターン層１２０ｆを形成し、金属パターン層１２０ｆが形成された誘電体層１１０ｆ上に再び追加的な誘電体層１１０ｆを積層した後、追加的な誘電体層１１０ｆ上に金属パターン層１２０ｆを追加に形成することを反復的に実行し、最後に表面誘電体層１１０ｓを積層することを含むことができる。
【００３８】
アンテナパッチ１４０は、伝導性金属を含むことができる。望ましくは、アンテナパッチ１４０は、銀に形成されることができる。アンテナパッチ１４０は、プリンティングなどのような印刷方式に多層基板１０５の上部面を含む表面誘電体層１１０ｓ上に形成されることができる。アンテナパッチ１４０は、多様な形態を有することができる。これに対して、後述される本発明の他の実施形態で説明される。
【００３９】
接地層１２０ｇは、伝導性金属を含むことができる。望ましくは、接地層１２０ｇは、銀に形成されることができる。接地層１２０ｇは、プリンティングなどのような印刷方式に多層基板１０５の下部面を含む最下部誘電体層１１０ｆの下部に形成されることができる。
【００４０】
複数のビア１３０は、伝導性金属を含むことができる。望ましくは、複数のビア１３０は、銀に形成されることができる。多層基板１０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア１３０を形成することは、多層基板１０５の表面誘電体層１１０ｓを積層する前に内部誘電体層１１０ｆ及び金属パターン層１２０ｆを貫通するビア孔（ｖｉａ ｈｏｌｅ）を形成した後、ビア孔を伝導性金属に満たすことでありうる。この際、ビア孔を形成することは、パンチング（ｐｕｎｃｈｉｎｇ）などのような方法を利用することでありうる。これは、焼結前の誘電体層１１０ｆ又は１１０ｓは、柔軟性（ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を有しているためである。ビア孔１３０を形成した後、表面誘電体層１１０ｓを積層し、多層基板１０５の上部面及び下部面上に各々のアンテナパッチ１４０及び接地層１２０ｇを形成した後に、結果物を焼結することいよって、パッチアンテナ１００が製造されることができる。
【００４１】
複数のビア１３０によって金属パターン層１２０ｆと接地層１２０ｇが電気的に連結されることによって、多層基板１０５の上部面と接地層１２０ｇとの間の距離が近づくことができる。これによって、アンテナパッチ１４０で表面波の形態に漏洩される信号が抑制されることができる。
【００４２】
又、多層基板１０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア１３０は、アンテナパッチ１４０から放射される波長の半分（λ/２）以下の距離に互いに離隔されることができる。これは、アンテナパッチ１４０から放射される波長λが複数のビア１３０の間を抜け出さない距離に該当するためである。これによって、アンテナパッチ１４０で表面波の形態に漏洩される信号が誘電体共振器ＤＲに蓄積されることができる。
【００４３】
多層基板１０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア１３０の他にも中心領域Ｒ１に対して放射状に配置される追加的なビア１３０が多層基板１０５の内部によって含まれることができる。これは、アンテナパッチ１４０から放射される波長が中心領域Ｒ１の外部に抜け出すことを最小化するためのことであることができる。
【００４４】
中心領域Ｒ１は、パッチアンテナ１００の設計周波数帯域で共振することができる大きさを有することができる。
【００４５】
アンテナパッチ１４０と中心領域Ｒ１との間のカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）によって、パッチアンテナ１００の帯域幅が大きくなることができる。これによって、アンテナパッチ１４０と中心領域Ｒ１が適当なカップリング値を有するように調節することによって、広帯域特性を有するパッチアンテナ１００が具現されることができる。中心領域Ｒ１は、多様な形態を有することができる。これに対して、後述される本発明の他の実施形態で説明される。
【００４６】
パッチアンテナ１００は、アンテナパッチ１４０に信号を供給するための伝送線路１５０をさらに含むことができる。伝送線路１５０は、マイクロストリップ（ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ）形態、同軸プローブ（ｃｏａｘｉａｌ ｐｒｏｂｅ）形態、開口面の結合（ａｐｅｒｔｕｒｅｄ-ｃｏｕｐｌｅｄ）形態、又は近接結合（ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ-ｃｏｕｐｌｅｄ）形態などのような多様な形態に形成されることができる。
【００４７】
図１及び図２では、マイクロストリップ形態の伝送線路１５０が示されている。マイクロストリップ形態の伝送線路１５０は、伝導性金属を含むことができる。望ましくは、マイクロストリップ形態の伝送線路１５０は、銀に形成されることができる。マイクロストリップ形態の伝送線路１５０は、プリンティングなどのような印刷方式に多層基板１０５の上部面を含む表面誘電体層１１０ｓ上にアンテナパッチ１４０と接触するように形成されることができる。マイクロストリップ形態の伝送線路１５０とアンテナパッチ１４０は、互いに電気的に連結されるので、この二つは、同時に形成されることができる。
【００４８】
マイクロストリップ形態の伝送線路１５０の下部周囲に多層基板１５０内に配置された追加的なビア１３０をさらに含むことができる。これは、上述されたことのように、多層基板１０５の上部面と接地層１２０ｇとの間の距離が近づくようにして、マイクロストリップ形態の伝送線路１５０による表面波の形態に漏洩される信号を抑制するためのことでありうる。
【００４９】
本発明に実施形態によるパッチアンテナ１００の構造では、アンテナパッチ１４０が接地層１２０ｇから距離が遠くて、アンテナパッチ１４０のインピーダンス（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）が放射に適合したインピーダンスを有することができ、多層基板１０５の内部の中心領域Ｒ１内に位置する誘電体共振器ＤＲを抜け出した領域では、ビア１３０によって多層基板１０５の上部面と接地層１２０ｇとの間の距離が近づくことができる。
【００５０】
一般的に伝送線路１５０が接地層１２０ｇから遠ざかるほど、即ち、多層基板１５０の厚さが厚くなるほど表面波が容易に伝えられるので、本発明に実施形態による構造では、アンテナパッチ１４０を除外した領域では接地層１２０ｇを伝送線路１５０に近くすることによって、表面波の伝達が抑制されることができる。これによって、アンテナパッチ１４０で表面波の形態に漏洩される信号は、外部に漏洩されることができなく、誘電体共振器ＤＲの内に蓄積されることができる。誘電体共振器ＤＲの大きさを設計周波数帯域で共振するように調節すると、共振された信号が多層基板１０５の外部に放射するようになって、全体パッチアンテナ１００の放射効率及びアンテナ利得を高めるようになることができる。又、アンテナパッチ１４０と多層基板１０５内部の誘電体共振器ＤＲが適当なカップリング値を有するように調節にされると、全体パッチアンテナ１００の帯域幅が拡張されて、広帯域特性を有するパッチアンテナ１００が得られることができる。
【００５１】
図３及び図４は、互いに異なる厚さの誘電体層を含むミリメートル波帯域パッチアンテナのマイクロストリップ伝送線路に信号が伝えられる際に、基板表面での電界分布特性を示したグラフである。
【００５２】
図３を参照すると、一つの誘電体層（図１の１１０ｆ又は１１０ｓを参照する）が０．１mmの厚さを有する多層基板上に具現されたマイクロストリップ伝送線路（図１の１５０を参照する）に信号が伝えられると、伝送線路の周囲に電界が集中される。伝送線路から遠ざかるほど、電界の大きさが急激に減少することが分かる。
【００５３】
図４を参照すると、一つの誘電体層が０．５mmの厚さを有する多層基板上に具現されたマイクロストリップ伝送線路に信号が伝えられると、誘電体層の厚さがより薄い図３とは異なり、伝送線路から遠く離れている部分まで電界がより分布される。これは、多層基板の表面に沿って電界が漏洩されることを意味し、このような電界の漏洩は、一つの誘電体層の厚さが厚くなるほど増加する。
【００５４】
パッチアンテナ（図１の１００を参照する）では、供給される信号がアンテナパッチ（図１の１４０を参照する）から放射されることが理想的であるが、誘電体層の誘電率が増加するほど、また誘電体層の厚さが増加するほど、多層基板の表面に沿って漏洩される表面波が増加してパッチアンテナの放射効率及び利得が減少する。
【００５５】
図５及び図６は、本発明の第１実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの反射特性Ｓ１１及び放射特性（アンテナ利得）を各々説明するためのグラフである。
【００５６】
図５及び図６を参照すると、パッチアンテナ（図１の１００を参照する）の反射特性及び放射特性を調べるために高周波数摸写ソフトウェア（Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ：ＨＦＳＳ）を利用して、電磁気場摸写実験結果値が示されている。Ｓ-パラメーター（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）の中、Ｓ１１値に対する結果値である。Ｓ１１は、入力ポート（ｉｎｐｕｔ ｐｏｒｔ）で入力した波と、その波が反射されて、また入力ポートから出力された波との間の強さ比を示す値である。
【００５７】
パッチアンテナは、誘電率が７．２であり、一層の厚さが０．１mmである５個の誘電体層（図１の１１０ｆ及び１１０ｓを参照する）が積層されて形成された多層基板（図１の１０５を参照する）の上部面上に菱形のアンテナパッチ（図１の１４０を参照する）を有する。多層基板の内部に複数のビア（図１の１３０を参照する）に形成された壁（ｗａｌｌ又はｆｅｎｓｅ）及び接地層１２０ｇによって囲まれた誘電体共振器（図１のＤＲを参照する）は、多層基板の上部面の一層下に位置して、４個の誘電体層の厚さを有する円形であることができる。
【００５８】
菱形のアンテナパッチの大きさは、６０ＧＨｚ帯域で共振周波数を有するように設計された。
【００５９】
図５を参照すると、パッチアンテナの帯域は、５７．０〜６４．３ＧＨｚｍ１〜ｍ２であり、パッチアンテナは、７．３ＧＨｚの帯域幅を有することが分かる。本発明の実施形態による金属パターン層（図１の１２０ｆ）及びこれを接地層に連結するための複数のビアが除外された同一な従来のパッチアンテナの場合、パッチアンテナの帯域は、５８．０〜６１．８ＧＨｚに、このようなパッチアンテナは、３．８ＧＨｚの帯域幅を有した。これによって本発明の実施形態によるパッチアンテナは、従来のパッチアンテナに比べて広帯域特性が向上されることが分かる。
【００６０】
図６を参照すると、パッチアンテナは、最高８．２ｄＢｉのアンテナ利得を有することが分かる。又、伝送線路（図１の１５０を参照する）に垂直な方向と水平な方向に利得がほとんど類似であることが分かる。これは、表面波による信号の漏洩が多層基板の表面に沿って流れ、放射されることが抑制されているためである。さらに、摸写実験の結果、パッチアンテナは、６７．８％の放射効率を有することが分かる。
【００６１】
一般的に断層基板を有するパッチアンテナは、断層基板に垂直な方向に利得がもっとも大きい値を有する。しかし、図５で説明された従来のパッチアンテナの場合、多層基板に垂直な方向に対して傾斜θが−１５゜である方向に最大値が見られた。又、アンテナパッチの形態が菱形であるので、伝送線路に垂直な方向と水平な方向の放射特性がほとんど類似の特性を見せなければならないが、伝送線路に垂直な方向には、利得が左右対称の形状を見せたが、伝送線路に水平な方向には、利得が１５゜程度移動して左右対称の形状が見られなかった。これは、表面波による信号の漏洩が多層基板の表面に沿って流れ、放射されているためである。さらに、摸写実験の結果、従来のパッチアンテナは、３２．８％の放射効率を有した。
【００６２】
これによって、本発明の実施形態によるパッチアンテナは、従来のパッチアンテナに比べて、アンテナ利得及び放射効率の全てが大きく向上されたことが分かる。
【００６３】
図７は、本発明の第２実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【００６４】
図７を参照すると、図１に示された本発明の第１実施形態と金属パターン層２２０ｆの形態が異なる場合である。金属パターン層２２０ｆは、多層基板２０５内の中心領域Ｒ１に対して放射状に広まった複数のラインパターンであることができる。
【００６５】
上述の図１及び図２で説明されたように、多層基板２０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア２３０は、アンテナパッチ２４０から放射される波長の半分（λ/２）以下の距離に互いに離隔されるので、アンテナパッチ２４０から放射される波長λが複数のビア２３０の間を抜け出さない。即ち、多層基板２０５の中心領域Ｒ１を取り囲む複数のビア２３０のみでもアンテナパッチ２４０で表面波の形態に漏洩される信号が誘電体共振器（図２のＤＲを参照する）に蓄積されるようにすることができる。
【００６６】
但し、多層基板２０５の上部面と接地層２２０ｇとの間の距離が近づくようにして、マイクロストリップ形態の伝送線路２５０による表面波の形態に漏洩される信号を抑制するためにマイクロストリップ形態の伝送線路２５０の下部の多層基板２０５内に最小限の金属パターン層２２０ｆが存在しなければならない。これによって、金属パターン層２２０ｆは、ラインパターン形態であることができる。
【００６７】
図８乃至図１１は、各々本発明の第３乃至第６の実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【００６８】
図８乃至図１１を参照すると、パッチアンテナ３００、４００、５００、６００は、八角形の平面断面を有する誘電体共振器を有する中心領域Ｒ２及び各々に円形、菱形、八角形、正方形の平面断面を有するアンテナパッチ３４０、４４０、５４０、６４０を含むことができる。示さなかったが、リング形、四角形又は三角形などのような異なる形態のアンテナパッチが含まれることができる。
【００６９】
以下の表１は、このようなパッチアンテナ３００、４００、５００、６００の特性を示したことである。
【表１】
【００７０】
表１から分かるように、アンテナパッチ３４０、４４０、５４０、６４０の形態と大きい関係なく、パッチアンテナ３００、４００、５００、６００は、高利得、高効率及び広帯域特性を有することが分かる。
【００７１】
図１２及び図１３は、本発明の第７及び第８実施形態によるミリメートル波帯域パッチアンテナの構造を説明するための立体図である。
【００７２】
図１、図１１及び図１２を参照すると、パッチアンテナ１００、７００、８００は、菱形の平面断面をアンテナパッチ１４０、７４０または８４０及び各々の円形、八角形及び正方形の平面断面を有する誘電体共振器を有する中心領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を含むことができる。示さなかったが、正多角形などのような他の形態の共振器が含まれることができる。
【００７３】
以下の表２は、このようなパッチアンテナ１００、７００、８００の特性を示したことである。
【表２】
【００７４】
表２から分かるように、中心領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３内の誘電体共振器の形態と大きい関係なく、パッチアンテナ１００、７００、８００は、高利得、高効率及び広帯域特性を有することが分かる。
【００７５】
前記の本発明の実施形態によるパッチアンテナは、アンテナパッチとその下部に金属に囲まれた誘電体共振器を有することによって、アンテナパッチが接地層から距離が遠くなることができる。これによって、アンテナパッチのインピーダンスが放射に適合したインピーダンスを有することができ、多層基板の内部に位置する誘電体共振器を抜け出した領域では、多層基板の上部面と接地層との間の距離が近づくことができる。
【００７６】
本発明の実施形態によるパッチアンテナは、アンテナパッチを除外した領域では、接地層が伝送線路に近づくなることによって、表面波の伝達が抑制されることができる。これによって、アンテナパッチで表面波の形態に漏洩される信号が外部に漏洩されなくて、誘電体共振器内に蓄積されることができる。誘電体共振器の大きさが設計周波数帯域で共振するように調節されると、共振された信号が多層基板の外部に放射するようになって、全体パッチアンテナの放射効率及びアンテナ利得が高まることができる。又、アンテナパッチと多層基板内部の誘電体共振器が適当なカップリング値を有するように調節されると、全体パッチアンテナの帯域幅が拡張されることができる。これによって、誘電体が積層された多層基板上に具現された高利得、高効率及び広帯域特性を有するミリメートル波帯域パッチアンテナが提供されることができる。
【００７７】
以上、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者は本発明がその技術的な思想、或いは必須的な特徴を変更しなくて他の具体的な形態に実施されることができるのを理解することができる。従って、上述の実施形態に全ての面で例示的であり、限定的ではないことと理解されるべきである。
【符号の説明】
【００７８】
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ パッチアンテナ
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０ 誘電体層
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５ 多層基板
１１０ｆ、２１０ｆ、３１０ｆ、４１０ｆ、５１０ｆ、６１０ｆ、７１０ｆ、８１０ｆ
内部誘電体層
１１０ｓ、２１０ｓ、３１０ｓ、４１０ｓ、５１０ｓ、６１０ｓ、７１０ｓ、８１０ｓ
表面誘電体層
１２０ｆ、２２０ｆ、３２０ｆ、４２０ｆ、５２０ｆ、６２０ｆ、７２０ｆ、８２０ｆ
金属パターン層
１２０ｇ、２２０ｇ、３２０ｇ、４２０ｇ、５２０ｇ、６２０ｇ、７２０ｇ、８２０ｇ
接地層
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０、７３０、８３０ ビア
１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０、８４０ アンテナパッチ
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０、６５０、７５０、８５０ 伝送線路
ＤＲ 誘電体共振器、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３ 中心領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の誘電体層が積層された多層基板と、
前記多層基板の中心領域を除いて、前記複数の誘電体層の間に介在された少なくとも一つの金属パターン層と、
前記多層基板の第１面上に配置され、前記中心領域内に位置されたアンテナパッチと、
前記多層基板の前記第１面に対向する第２面上に配置された接地層と、
前記誘電体層を貫通して前記金属パターン層と前記接地層を電気的に連結し、前記中心領域を取り囲む複数のビアと、を含み、
前記接地層及び前記複数のビアによって囲まれた前記多層基板の前記中心領域は、共振器の役割をすることを特徴とするパッチアンテナ。
【請求項２】
前記複数のビアは、前記アンテナパッチから放射される波長の半分以下の距離に互いに離隔されていることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項３】
前記複数のビアは、前記中心領域に蓄積された信号の漏洩を抑制する金属壁の役割をすることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項４】
前記複数のビアは、前記中心領域に対して、放射状に配置される少なくとも一つの追加的なビアをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項５】
前記複数のビアによって、前記多層基板の前記第１面と前記接地層との間の距離が近づく程度によって、表面波の伝達程度が抑制されることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項６】
前記中心領域は、設計周波数帯域で共振することができる大きさを有することを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項７】
ビアによって囲まれた中心領域は、設計周波数帯域で誘電体共振器に役割をすることを特徴とする請求項６に記載のパッチアンテナ。
【請求項８】
前記アンテナパッチと前記中心領域との間のカップリングによって帯域幅が大きくなることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項９】
前記アンテナパッチに信号を供給するための伝送線路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項１０】
前記伝送線路の下部周囲に配置された追加的なビアをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のパッチアンテナ。
【請求項１】
複数の誘電体層が積層された多層基板と、
前記多層基板の中心領域を除いて、前記複数の誘電体層の間に介在された少なくとも一つの金属パターン層と、
前記多層基板の第１面上に配置され、前記中心領域内に位置されたアンテナパッチと、
前記多層基板の前記第１面に対向する第２面上に配置された接地層と、
前記誘電体層を貫通して前記金属パターン層と前記接地層を電気的に連結し、前記中心領域を取り囲む複数のビアと、を含み、
前記接地層及び前記複数のビアによって囲まれた前記多層基板の前記中心領域は、共振器の役割をすることを特徴とするパッチアンテナ。
【請求項２】
前記複数のビアは、前記アンテナパッチから放射される波長の半分以下の距離に互いに離隔されていることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項３】
前記複数のビアは、前記中心領域に蓄積された信号の漏洩を抑制する金属壁の役割をすることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項４】
前記複数のビアは、前記中心領域に対して、放射状に配置される少なくとも一つの追加的なビアをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項５】
前記複数のビアによって、前記多層基板の前記第１面と前記接地層との間の距離が近づく程度によって、表面波の伝達程度が抑制されることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項６】
前記中心領域は、設計周波数帯域で共振することができる大きさを有することを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項７】
ビアによって囲まれた中心領域は、設計周波数帯域で誘電体共振器に役割をすることを特徴とする請求項６に記載のパッチアンテナ。
【請求項８】
前記アンテナパッチと前記中心領域との間のカップリングによって帯域幅が大きくなることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項９】
前記アンテナパッチに信号を供給するための伝送線路をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
【請求項１０】
前記伝送線路の下部周囲に配置された追加的なビアをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のパッチアンテナ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−６１７５４（Ｐ２０１１−６１７５４Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７５４９０（Ｐ２００９−２７５４９０）
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（５９６１８００７６）韓國電子通信研究院 (733)
【氏名又は名称原語表記】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
【住所又は居所原語表記】１６１ Ｋａｊｏｎｇ−ｄｏｎｇ， Ｙｕｓｏｎｇ−ｇｕ， Ｔａｅｊｏｎ ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【出願人】（５９６１８００７６）韓國電子通信研究院 (733)
【氏名又は名称原語表記】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
【住所又は居所原語表記】１６１ Ｋａｊｏｎｇ−ｄｏｎｇ， Ｙｕｓｏｎｇ−ｇｕ， Ｔａｅｊｏｎ ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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