JP2012019503A

JP2012019503A - アンテナモジュール

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Publication number: JP2012019503A
Application number: JP2010287838A
Authority: JP
Inventors: Che-Yon Kim; キム・チェ・ヨン; Don-Yon Kim; キム・ドン・ヨン; Kwan-Jie Oh; オ・クァン・ジェ; Yun-Wi Park; パク・ユン・ウィ; Bon-Gyon Kim; キム・ボン・ギョン; Yun-Hyok Chae; チェ・ユン・ヒョク; Sok-Chol Yun; ユン・ソク・チョル
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-01-26
Also published as: DE102010056573A1; KR20120004188A; US20120007781A1

Abstract

【課題】表面波の進行を抑制して表面波形態の信号を再放射することにより、アンテナの効率と利得を高め、アンテナの帯域を広げることができるアンテナ構造がＬＴＣＣのような誘電率の高い多層基板上に具現されたアンテナモジュールを提供する。
【解決手段】本発明によるアンテナモジュールは、誘電体基板の表面に形成されるパッチアンテナ共振器と、前記パッチアンテナ共振器と離隔されて配置され、前記パッチアンテナ共振器から前記誘電体基板の表面に沿って流れる信号を放射させるように前記パッチアンテナ共振器の周辺を取り囲む表面波放射共振器を含むことができる。
【選択図】図１

Description

本発明はアンテナモジュールに関し、さらに詳細には、誘電体基板の表面に沿って流れる信号を放射して、ミリ波帯で広帯域特性を有しながら放射効率の高い高利得のアンテナモジュールに関する。

ミリ波帯の周波数は波長が小さいためアンテナの小型化が容易であり、マイクロ波帯の周波数に比べて直進性に優れて広帯域特性を有するため、レーダーや広帯域通信サービスに用いられている。

このようなミリ波帯のシステムを構成するにあたり、製品の小型化及びコスト節減のためにＳＯＰ（ＳｙｓｔｅｍＯｎＰａｃｋａｇｉｎｇ）の形態を用いており、このようなＳＯＰの方法としてＬＴＣＣ（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ）やＬＣＰ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒ）技術が考慮されている。このようなＬＴＣＣやＬＣＰ技術は基本的に多層基板を用いる技術であり、基板の内部にキャパシタ、インダクター、フィルターなどの手動部品を内蔵することができるため、モジュールの小型化と低価格化を果たすことができ、キャビティを自由に形成することができるため、モジュール構成の自由度が増加するという利点がある。

このようなＳＯＰを用いたシステムの構成において、システムの性能を左右する要素の一つがパッチアンテナの具現である。しかし、ミリ波周波数帯、特に６０ＧＨｚ以上の超高周波帯で動作するパッチアンテナの場合、誘電体基板の表面に沿って流れる表面波の形態で信号の漏洩が発生するという問題があり、これは基板の厚さが増加するほど、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アンテナの放射効率を落とし、結局アンテナ利得を減少させる。

また、６０ＧＨｚ帯の通信システムでは７ＧＨｚ以上の広い帯域幅が求められているが、従来の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という問題がある。

従って、アンテナ部分のみをＬＴＣＣのようなセラミックス基板に比べて相対的に誘電率が低い有機基板で製作して用いているが、この場合、ＬＴＣＣ単一基板上にアンテナを含む全体ＳＯＰモジュールの形態で製作するよりモジュールの大きさと製作コストが増加するという問題がある。

従って、本発明は上述のような従来技術の問題点を解決するためのもので、ＬＴＣＣのような誘電率が高い多層基板上に表面波の進行を抑制して表面波形態の信号を再放射することにより、アンテナの効率と利得を高め、アンテナの帯域を広げることができるアンテナ構造が具現されたアンテナモジュールを提供することをその目的とする。

上述の技術的課題を果たすための本発明の一実施形態によるアンテナモジュールは、誘電体基板の表面に形成されるパッチアンテナ共振器と、前記パッチアンテナ共振器と離隔されて配置され、前記パッチアンテナ共振器から前記誘電体基板の表面に沿って流れる信号を放射させるように前記パッチアンテナ共振器の周辺を取り囲む表面波放射共振器を含むことができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記表面波放射共振器は金属帯の形状を有することができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記パッチアンテナ共振器は円形パッチであり、前記表面波放射共振器は円形リングの形状で前記パッチアンテナの周辺を取り囲むように形成されることができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記パッチアンテナ共振器は四角形パッチであり、前記表面波放射共振器は四角リング形状で前記パッチアンテナの周辺を取り囲むように形成されることができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記パッチアンテナ共振器は一側にフィードラインを備えて、前記表面波放射共振器は前記フィードラインが通過するようにスロットを備えることができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールは、前記誘電体基板の厚さ方向に前記表面波放射共振器に対応する位置に形成される第２の表面波放射共振器と、前記表面波放射共振器と前記第２の表面波放射共振器を電気的に連結するビアをさらに含むことができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記表面波放射共振器は前記パッチアンテナ共振器の周波数帯で共振することができるサイズに設計されることができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記表面波放射共振器は前記パッチアンテナ共振器の周波数帯と近い周波数帯で共振することができるサイズに設計されることができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記表面波放射共振器の共振周波数は前記表面波放射共振器の幅、厚さ、及び前記パッチアンテナ共振器との間隔によって決まることができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールは、前記パッチアンテナ共振器と前記表面波放射共振器の共振ピークをカップリングしてアンテナの帯域幅を拡張させることができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記誘電体基板はグランドパターンが形成された回路基板に連結されることができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記パッチアンテナ共振器と前記表面波放射共振器はミリ波帯の周波数で動作することができる。

また、本発明の一実施形態によるアンテナモジュールにおいて、前記誘電体基板はＬＴＣＣまたはＬＣＰからなることができる。

本発明によるアンテナモジュールによると、パッチアンテナ共振器の周りに表面波放射共振器を配置することにより、誘電体基板から表面波形態で信号が漏洩されることを防止し、またパッチアンテナ共振器から表面波放射共振器に流れる信号を再放射することにより、アンテナの放射効率と利得を高めることができる。

また、本発明によるアンテナモジュールによると、パッチアンテナ共振器と表面波放射共振器のカップリングを調節して、アンテナの帯域幅を拡張することができる。

本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの平面図である。本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールで信号の放射を示す厚さ方向の断面図である。本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの反射特性（Ｓ１１）を示すグラフである。本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの放射特性（アンテナ利得）を示すグラフである。本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールの分解斜視図である。本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールで信号の放射を示す厚さ方向の断面図である。本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールの斜視図である。本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールの反射特性（Ｓ１１）を示すグラフである。本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールの放射特性（アンテナ利得）を示すグラフである。比較例によるアンテナモジュールの反射特性（Ｓ１１）を示すグラフである。比較例によるアンテナモジュールの放射特性（アンテナ利得）を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。但し、本発明の思想は提示される実施形態に制限されず、本発明の思想を理解する当業者は同一の思想の範囲内にて他の構成要素を追加、変更、削除等によって、退歩的な他の発明や本発明の思想の範囲内に含まれる他の実施形態を容易に提案することができるが、これもまた本発明の思想の範囲内に含まれるとするべきであろう。

また、各実施形態の図面に示される同一の思想の範囲内の機能が同一の構成要素は、同一または類似の参照符号を用いて説明する。

図１は本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの平面図であり、図２は本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールで信号の放射を示す厚さ方向の断面図であり、図３ａ及び図３ｂは本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールの反射特性（Ｓ１１）及び放射特性（アンテナ利得）を示すグラフである。

図１から図３を参照すると、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールは、誘電体基板１１０上に形成されるパッチアンテナ共振器１２０と表面波放射共振器１３０を含む。

上記誘電体基板１１０は、シリコン（Ｓｉ）のような半導体基板、高周波用低温同時焼成セラミックス（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ：ＬＴＣＣ）のようなセラミックス基板、液晶高分子（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒ：ＬＣＰ）のような有機基板などで具現されることができる。

本実施形態で、誘電体基板１１０は誘電率が９．２、誘電損失が０．００２であり、一層の厚さが０．０６ｍｍであるＬＴＣＣ基板を６層積層し、総基板の厚さが０．３６ｍｍである基板に設計することができる。

パッチアンテナ共振器１２０は誘電体基板１１０の表面に円形パッチの形態で形成されて、円形パッチの一側にフィードライン１２１が連結される。誘電体基板１１０の裏面にはグランド１２２が形成される。

表面波放射共振器１３０は、誘電体基板１１０上にパッチアンテナ共振器１２０から漏洩される信号を放射するようにパッチアンテナ共振器１２０の周辺に一定間隔だけ離れて形成される。

表面波放射共振器１３０は金属帯の形状を有することができ、パッチアンテナ共振器１２０の一側に形成されたフィードライン１２１が通過することができるようにスロット１３５を備える。

表面波放射共振器１３０はパッチアンテナ共振器１２０の周辺を取り囲むように形成されるため、パッチアンテナ共振器１２０の周りと対応する形状を有する。即ち、本実施形態でパッチアンテナ共振器１２０が円形パッチからなるため、表面波放射共振器１３０はパッチアンテナ共振器１２０と同一の中心を有する円形リングの形状を有する。

表面波放射共振器１３０はパッチアンテナ共振器１２０から誘電体基板１１０の表面に沿って流れる信号を放射するようにサイズが決められることができる。例えば、表面波放射共振器１３０はパッチアンテナ共振器１２０の周波数帯と近い周波数帯で共振することができるサイズに設計されたり、パッチアンテナ共振器１２０の周波数帯で共振することができるサイズに設計されることができる。

この時、表面波放射共振器１３０の幅、厚さ、パッチアンテナ共振器１２０との間隔、スロット１３５の幅を調整することにより、表面波放射共振器１３０のピークとパッチアンテナ共振器１２０のピークを適切にカップリングすると、アンテナの帯域幅を拡張させることが可能である。表面波放射共振器１３０の厚さは、パッチアンテナ共振器１２０の表面波信号が遮断及び放射するように、パッチアンテナ共振器１２０の厚さと実質的に同一またはそれより大きいことが好ましい。

本実施形態では、パッチアンテナ共振器１２０の直径を０．６７ｍｍ、表面波放射共振器１３０の幅を０．５９ｍｍ、厚さを１０μｍ、外径を１．４５ｍｍ、スロット１３５の幅を０．３ｍｍ、フィードライン１２１の幅を０．０８ｍｍに設計し、この時のアンテナ特性としてＨＦＳＳ（ＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｏｆｔｗａｒｅ）を用いた電磁場模写実験によって測定して示したのが図３ａ及び図３ｂである。

図３ａに図示されたように、本実施形態によるアンテナモジュールは周波数帯が５７．５〜６３．７ＧＨｚで６．２ＧＨｚの帯域幅を有し、二重共振器による二つのポール（ｐｏｌｅ）が存在することが分かる。即ち、パッチアンテナ共振器１２０とその周辺を取り囲む表面波放射共振器１３０の共振ピークが存在し、この二つの共振ピークのカップリングの程度を調節することによりアンテナモジュールの帯域幅を調節することができる。

また、図３ｂに図示されたように、本実施形態によるアンテナモジュールの利得は９．６ｄＢｉであることが分かり、フィードライン１２１に垂直の方向（Φ＝９０゜）と水平の方向（Φ＝０゜）での利得がほぼ類似であることが分かる。この時、アンテナモジュールの放射効率は６０．８％である。

図８ａ及び図８ｂは比較例によるアンテナモジュールの反射特性（Ｓ１１）及び放射特性（アンテナ利得）を示すグラフである。比較例によるアンテナモジュールは一般的な誘電体基板上に具現されたパッチアンテナであり、誘電率が９．２、誘電損失が０．００２であり、一層の厚さが０．０６ｍｍであるＬＴＣＣ基板を６層積層し、総基板の厚さが０．３６ｍｍである誘電体基板を用いている。

図８ａに図示されたように、比較例によるアンテナモジュールの周波数帯は５９．３〜６２ＧＨｚで２．７ＧＨｚの帯域幅を有し、図８ｂに図示されたように、アンテナ利得は２．５ｄＢｉであり、アンテナ放射効率は２５％である。

従って、本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールは、比較例によるアンテナモジュールに比べて、帯域幅が約３倍程度広く、アンテナ利得が約４倍程度高くて、アンテナ放射効率は約２．５倍程度より大きく表れることが分かる。

これは図２に示したように、本実施形態によるアンテナモジュールにおいて、パッチアンテナ共振器１２０から誘電体基板１１０の表面に沿って漏洩される信号（ｘ軸方向の矢印）が表面波放射共振器１３０で再び放射（ｙ軸方向の矢印）されるためである。

図４は本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールの分解斜視図であり、図５は本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールで信号の放射を示す厚さ方向の断面図である。

図４及び図５に図示された本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールは、誘電体基板の表面だけでなく内部にも表面波放射共振器が形成されたものであり、他の構成は図１に図示された本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールと同一であるため、この構成に対する詳細な説明は省略し、以下では差異点を中心に説明する。

図４及び図５を参照すると、本発明の第２実施形態によるアンテナモジュールは、誘電体基板２１０上に形成されたパッチアンテナ共振器２２０を含み、上記パッチアンテナ共振器２２０の一側にはフィードライン２２１を備え、誘電体基板２１０の裏面にはグランド２２２を含む。

一方、誘電体基板２１０上には、パッチアンテナ共振器２２０の周辺を取り囲むように円形リング形状の第１の表面波放射共振器２３１がパッチアンテナ共振器２２０から所定間隔だけ離れて形成され、誘電体基板２１０の厚さ方向の内部には、上記第１の表面波放射共振器２３１と対応する位置に円形リング形状の第２の表面波放射共振器２３２が形成されている。

この時、上記第１の表面波放射共振器２３１と第２の表面波放射共振器２３２は、誘電体基板２１０の厚さ方向に形成されるビア２３３によって連結される。ビア２３３は第１及び第２の表面波放射共振器の周りに沿って配置されることができる。

第１の表面波放射共振器２３１と第２の表面波放射共振器２３２は同一のサイズに設計されることができ、求める周波数帯や帯域幅によって異なるサイズに設計されることもできる。即ち、本実施形態のように第２の表面波放射共振器２３２の厚さをより大きく設計することもできる。

本実施形態によるアンテナモジュールの特性は次の通りである。

上記表１に示されたように、第１の表面波放射共振器２３１の厚さが第２の表面波放射共振器２３２の厚さより半分程度小さくても、ほぼ同一のアンテナ特性を表すことが分かる。

第２の表面波放射共振器２３２は誘電体基板２１０の内部層に形成されることもでき、図５のように誘電体基板２１０の裏面にキャビティを形成して内蔵することもできる。

図６は本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールの斜視図であり、図７ａ及び図７ｂは本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールの反射特性（Ｓ１１）及び放射特性（アンテナ利得）を示すグラフである。

図６及び図７に図示された本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールは、パッチアンテナ共振器が四角形パッチからなり、表面波放射共振器が四角リングの形状に形成されるものであり、他の構成は図１に図示された本発明の第１実施形態によるアンテナモジュールと同一であるため、この構成に対する詳細な説明は省略し、以下では差異点を中心に説明する。

図６を参照すると、本発明の第３実施形態によるアンテナモジュールは、誘電体基板３１０上にパッチアンテナ共振器３２０と表面波放射共振器３３０を含む。

パッチアンテナ共振器３２０は四角形パッチからなり、一側にフィードライン３２１を備え、誘電体基板３１０の裏面に形成されたグランド３２２と接地される。

表面波放射共振器３３０は、誘電体基板３１０上にパッチアンテナ共振器３２０から漏洩される信号を放射するようにパッチアンテナ共振器３２０の周辺に一定間隔だけ離れて形成される。

表面波放射共振器３３０は金属帯の形状を有することができ、パッチアンテナ共振器３２０の一側に形成されたフィードライン３２１が通過することができるようにスロット３３５を備える。

表面波放射共振器３３０はパッチアンテナ共振器３２０の周辺を取り囲むように形成されるため、パッチアンテナ共振器３２０の周りと対応する形状を有する。即ち、本実施形態でパッチアンテナ共振器３２０が四角形パッチからなるため、表面波放射共振器３３０は四角形リングの形状を有する。

本実施形態によるアンテナモジュールの特性をＨＦＳＳ（ＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｏｆｔｗａｒｅ）を用いた電磁場模写実験によって測定して示したのが図７ａ及び図７ｂである。

図７ａに図示されたように、本実施形態によるアンテナモジュールは周波数帯が５５．８〜６６ＧＨｚで１０．２ＧＨｚの帯域幅を有し、図７ｂに図示されたように、アンテナ利得が７．１ｄＢｉであることが分かり、フィードライン３２１に垂直の方向（Φ＝９０゜）と水平の方向（Φ＝０゜）での利得がほぼ類似することが分かる。

従って、本実施形態によるアンテナモジュールは、図８ａ及び図８ｂに図示された比較例によるアンテナモジュールの特性に比べて大きく向上された特性を表すことが分かる。

以上、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当該分野にて通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であることを理解するであろう。例えば、本発明で誘電体基板の誘電率、誘電損失のような特性、厚さや積層数は求められる設計条件によって多様に変更されることができる。また、パッチアンテナ共振器または表面派放射共振器の寸法や形態、表面派放射共振器の配置形態なども求められる設計条件及び仕様によって多様に変更されることができる。例えば、本発明の第２実施形態で表面派放射共振器を二つの層で形成することを例として説明したが、これは例示的なものであり、３層以上で形成することも可能である。従って、本発明の真正な技術的保護範囲は添付の特許請求範囲によって決まるべきであろう。

１１０、２１０、３１０誘電体基板
１２０、２２０、３２０パッチアンテナ共振器
１２１、２２１、３２１フィードライン
１２２、２２２、３２２グランド
１３０、２３１、２３２、３３０表面波放射共振器
１３５、２３５、３３５スロット

Claims

誘電体基板の表面に形成されるパッチアンテナ共振器と、
前記パッチアンテナ共振器と離隔されて配置され、前記パッチアンテナ共振器から前記誘電体基板の表面に沿って流れる信号を放射させるように前記パッチアンテナ共振器の周辺を取り囲む表面波放射共振器と
を含むアンテナモジュール。
前記表面波放射共振器は金属帯の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記パッチアンテナ共振器は円形パッチであり、
前記表面波放射共振器は円形リングの形状で前記パッチアンテナ共振器の周辺を取り囲むように形成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記パッチアンテナ共振器は四角形パッチであり、
前記表面波放射共振器は四角リング形状で前記パッチアンテナ共振器の周辺を取り囲むように形成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記パッチアンテナ共振器は一側にフィードラインを備え、
前記表面波放射共振器は前記フィードラインが通過するようにスロットを備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記誘電体基板の厚さ方向に前記表面波放射共振器に対応する位置に形成される第２の表面波放射共振器と、
前記表面波放射共振器と前記第２の表面波放射共振器を電気的に連結するビアと
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記表面波放射共振器は前記パッチアンテナ共振器の周波数帯で共振することができるサイズであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記表面波放射共振器は前記パッチアンテナ共振器の周波数帯と近い周波数帯で共振することができるサイズであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記表面波放射共振器の共振周波数は前記表面波放射共振器の幅、厚さ、及び前記パッチアンテナ共振器との間隔によって決まることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記パッチアンテナ共振器と前記表面波放射共振器の共振ピークをカップリングしてアンテナの帯域幅を拡張させることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記誘電体基板はグランドパターンが形成された回路基板に連結されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記パッチアンテナ共振器と前記表面波放射共振器はミリ波帯の周波数で動作可能であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記誘電体基板はＬＴＣＣまたはＬＣＰからなることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。