KR20170116558A - 편파-가변 위상 어레이 안테나를 포함하는 무선 통신 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 밀리미터-파 안테나 모듈을 포함하는 무선 통신 장치로서, 상기 안테나 모듈은,
복수 개의 안테나 소자들(antenna elements); RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit); 및 급전 라인을 포함하며, 상기 복수의 안테나 소자들은 서로 다른 편파 모드들을 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며, 상기 급전 라인은, 상기 서로 다른 별개 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming)을 하기 위해, 상기 RFIC의 복수 개의 포트들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자에 개별적으로 연결될 수 있다.
상기와 같은 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는 실시예에 따라 다양할 수 있다.
복수 개의 안테나 소자들(antenna elements); RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit); 및 급전 라인을 포함하며, 상기 복수의 안테나 소자들은 서로 다른 편파 모드들을 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며, 상기 급전 라인은, 상기 서로 다른 별개 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming)을 하기 위해, 상기 RFIC의 복수 개의 포트들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자에 개별적으로 연결될 수 있다.
상기와 같은 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는 실시예에 따라 다양할 수 있다.
Description
본 발명의 다양한 실시예는, 안테나 장치에 관한 것으로서, 예를 들면, 편파 가변에 따른 밀리미터-파(mmWave) 송수신이 가능한 안테나 장치 및 그를 포함하는 무선 통신 장치에 관한 것이다.
5G 시대는 인근 장치들과의 연결(예: 무선 접속) 용이성과 개선된 에너지 효율을 구현함으로써, 전자 장치 접속 확장성이나 확장된 성능을 제공하고 다양한 사용자 경험을 제공할 수 있다. mm(밀리미터) 파 주파수대에서 운용되는 무선 액세스 기술들에 있어서, 안테나 어레이 물리학 및 고속 트랜시버 설계, 등화기 설계에 있어서의 기본적인 문제들 중 다수는 WiGig/802.11ad 표준에 의해 이미 보여져 왔다. 4G/5G 모바일 네트워크나 무선 로컬 영역 모바일 네트워크(예: wireless LAN)를 지원하는 무선 통신 장치는 사용자의 이동 등에 따라 그 위치가 가변되므로, 안정된 통신 채널을 제공함에 있어, 폭넓은 빔 스캐닝 범위 등이 요구될 수 있다.
밀리미터-파 안테나를 무선 통신 장치에 탑재함에 있어, 제작 비용, 전력 효율, 소형화의 용이성, 안정된 접속 등을 고려할 수 있다. 예를 들어, 통신 주파수 대역이 높아질수록, 무선주파수 집적회로(radio frequency integrated circuit; RFIC)에서의 고 레벨 잡음 요소나 전파 손실이 증가하므로, 안정된 접속을 확보하기 위해서는 안테나 이득을 강제로 높일 수 있으며, 이는 전력 효율을 저하시킬 수 있다. 다른 예에서는, 안정된 접속을 확보하기 위해서, 폭넓은 빔 포밍(beam forming) 및 빔 스캐닝(beam scanning) 범위가 요구될 수 있지만, 통신 주파수 대역이 높아질수록 지향성이 커지므로, 빔 포밍(beam forming) 및 빔 스캐닝(beam scanning) 범위가 협소해질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 수십 GHz 이상의 높은 주파수 대역에서 운용되는 밀리미터-파 안테나로서, 하나의 회로 기판에 무선주파수 집적회로(radio frequency integrated circuit; RFIC)와 방사 도체가 통합된 모듈로 이루어질 수 있다. 이러한 안테나 모듈은, 상당히 높은 주파수 대역에서 동작하면서도, 전력 효율이 우수하고, 폭넓은 빔 포밍 및 빔 스캐닝 범위를 확보함으로써 안정된 통신망 접속을 제공할 수 있다. 또한, 소형화가 용이하여 이동 통신 단말기와 같은 소형화된 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치에 탑재하기 용이할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 주변의 금속 구조물이나 유전체 구조물과 전기적으로 조화를 이루어 안정된 통신망 접속을 제공할 수 있는 안테나 모듈 및 그를 포함하는 무선 통신 장치(또는 전자 장치)를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 편파-가변 위상 어레이 안테나)를 포함하는 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는, 밀리미터-파 안테나 모듈에 있어서, 복수 개의 안테나 소자들(antenna elements); RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit); 및 급전 라인을 포함하며,
상기 복수의 안테나 소자들은 서로 다른 편파 모드들을 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며,
상기 급전 라인은, 상기 서로 다른 별개 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming)을 하기 위해, 상기 RFIC의 복수 개의 포트들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자에 개별적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 모듈은, 기판; 수직 편파 모드를 여기시키는 제 1방향으로 배열된 복수의 제 1안테나 소자들; 상기 제 1편파 모드와 다른 제 2편파 모드를 여기시키는 제2 방향으로 배열된 복수의 제2 안테나 소자들; 상기 제 1안테나 소자들에 연결된 복수의 제 1급전라인들; 상기 제 2안테나 소자들에 연결된 복수의 제 2급전 라인들; 상기 복수의 제 1안테나 소자들과 상기 제 2안테나 소자들을 교번적으로 상기 기판 상에 배열될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 편파-가변 위상 어레이 안테나)를 포함하는 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는,
복수의 안테나 소자(antenna element)를 포함하는 밀리미터-파 안테나 모듈; 및 상기 안테나 모듈을 외부 공간과 정합시키는 적어도 하나의 개구를 가진 도전성 패턴들을 포함하는 하우징을 포함하고, 상기 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈은,
복수 개의 안테나 소자들(antenna elements); RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit); 및 급전 라인을 포함하며,
상기 복수의 안테나 소자들은 서로 직교하는 편파 모드를 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며, 상기 급전 라인은, 상기 서로 직교하는 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming) 하기 위해, 상기 RFIC와 연결된 복수 개의 급전 라인들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자에 개별적으로 연결되며, 상기 밀리미터-파 안테나 모듈은, 상기 하우징에 의해 외부 공간으로부터 분리되고, 상기 하우징의 상기 도전성 패턴들을 통해 상기 외부 공간으로 전자기파를 방사할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 모듈에 배치된 안테나 소자들은 편파-가변 위상 어레이 안테나를 구성하여 밀리미터-파를 송수신할 수 있으며, 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치에 제공되는 도전성 구조물(예: 적어도 하나의 개구를 포함하는 메탈 프레임)과 전기적으로 결합할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 편파-가변 위상 어레이 안테나들은 동일한 안테나 소자 내에 서로 다른 방사 타입을 독립적으로 형성하여 듀얼-편파 방사 빔 포밍의 제어를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 안테나 소자들의 배열에 의한 어레이 모드, 도전성 구조물을 통해 이루어지는 누설파 방사부에 의한 누설파 모드, 상기 어레이 모드와 누설파 모드의 조합에 따른 혼합 모드 중 적어도 하나의 빔 포밍 모드로 동작함으로써, 폭넓은 빔 포밍 및 빔 스캐닝 범위를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치를 나타내는 분리 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치의 일부분을 나타내는 사시도 및 상면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 상기 듀얼-타입 안테나 소자 및 소자들의 배열을 나타낸 사시도 및 상면도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 듀얼-타입 안테나 소자들의 편파-가변을 나타내기 위하여 도 3a의 소자들의 A-A'및 B-B'방향으로 절단한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 편파 다이버시티 빔 포밍을 위한 상기 듀얼-타입 안테나 소자들의 배열을 나타낸 상면도 및 상측에서 바라본 투영도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 편파 다이버시티 빔 포밍을 위한 상기 듀얼-타입 안테나 소자의 내부 일부 구조를 나타낸 확대도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 도 3의 듀얼-타입 안테나 소자들의 일부 적층 구조를 구체적으로 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, RFIC를 포함하는 안테나 어레이 모듈의 예시적인 레이아웃을 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, RFIC와 전기적으로 연결된 안테나 어레이 모듈의 예시적인 레이아웃을 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 안테나 어레이 모듈의 방사 타입 구조들의 격리 및 임피던스 정합에 대한 예시적인 그래프를 도시한 것이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치의 안테나 장치에서 다양한 형태의 누설파 구조를 각각 나타내는 도면이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 금속 프레임 또는 플라스틱 케이스가 없는 안테나 어레이를 도시한 것이다.
도 17a 및 도 17b는 은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 메탈 프레임의 듀얼-편파형 누설파 구조의 사시도이다.
도 18a 및 도 18b는 은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 누설파 구조들을 통해 전파하는 전자기파들의 분포를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 누설파 구조들을 통해 전파된 수직 편파 모드 및 수평 편파 모드의 방사 패턴을 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치의 일부분을 나타내는 사시도 및 상면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 상기 듀얼-타입 안테나 소자 및 소자들의 배열을 나타낸 사시도 및 상면도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 듀얼-타입 안테나 소자들의 편파-가변을 나타내기 위하여 도 3a의 소자들의 A-A'및 B-B'방향으로 절단한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 편파 다이버시티 빔 포밍을 위한 상기 듀얼-타입 안테나 소자들의 배열을 나타낸 상면도 및 상측에서 바라본 투영도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 편파 다이버시티 빔 포밍을 위한 상기 듀얼-타입 안테나 소자의 내부 일부 구조를 나타낸 확대도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 도 3의 듀얼-타입 안테나 소자들의 일부 적층 구조를 구체적으로 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, RFIC를 포함하는 안테나 어레이 모듈의 예시적인 레이아웃을 도시한 것이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, RFIC와 전기적으로 연결된 안테나 어레이 모듈의 예시적인 레이아웃을 도시한 것이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 안테나 어레이 모듈의 방사 타입 구조들의 격리 및 임피던스 정합에 대한 예시적인 그래프를 도시한 것이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치의 안테나 장치에서 다양한 형태의 누설파 구조를 각각 나타내는 도면이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 금속 프레임 또는 플라스틱 케이스가 없는 안테나 어레이를 도시한 것이다.
도 17a 및 도 17b는 은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 메탈 프레임의 듀얼-편파형 누설파 구조의 사시도이다.
도 18a 및 도 18b는 은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 누설파 구조들을 통해 전파하는 전자기파들의 분포를 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 누설파 구조들을 통해 전파된 수직 편파 모드 및 수평 편파 모드의 방사 패턴을 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 일부 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
'제1', '제2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, '전면', '후면', '상면', '하면' 등과 같은 도면에 보이는 것을 기준으로 기술된 상대적인 용어들은 '제1', '제2' 등과 같은 서수들로 대체될 수 있다. '제1', '제2' 등의 서수들에 있어서 그 순서는 언급된 순서나 임의로 정해진 것으로서, 필요에 따라 임의로 변경될 수 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에서 전자 장치는 터치 패널을 구비하는 임의의 장치일 수 있으며, 전자 장치는 단말, 휴대 단말, 이동 단말, 통신 단말, 휴대용 통신 단말, 휴대용 이동 단말, 디스플레이 장치 등으로 칭할 수 있다.
예를 들어, 전자 장치는 스마트폰, 휴대폰, 내비게이션 장치, 게임기, TV, 차량용 헤드 유닛, 노트북 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 태블릿(Tablet) 컴퓨터, PMP(Personal Media Player), PDA(Personal Digital Assistants) 등일 수 있다. 전자 장치는 무선 통신 기능을 갖는 포켓 사이즈의 휴대용 통신 단말로서 구현될 수도 있다. 또한, 전자 장치는 플렉서블 장치 또는 플렉서블 디스플레이 장치일 수 있다.
전자 장치는 서버 등의 외부 전자 장치와 통신하거나, 외부 전자 장치와의 연동을 통해 작업을 수행할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치는 카메라에 의해 촬영된 영상 및/또는 센서부에 의해 검출된 위치 정보를 네트워크를 통해 서버로 전송할 수 있다. 네트워크는, 이에 한정되지 않지만, 이동 또는 셀룰러 통신망, 근거리 통신망(Local Area Network: LAN), 무선 근거리 통신망(Wireless Local Area Network: WLAN), 광역 통신망(Wide Area Network: WAN), 인터넷, 소지역 통신망(Small Area Network: SAN) 등일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는, 복수의 안테나 소자를 포함하는 안테나 모듈과, 케이스 또는 하우징(100)의 도전성 구조물(적어도 하나의 개구를 포함)을 전자기적으로 결합할 수 있다.
상기와 같은 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치에서, 위상 어레이 안테나 모듈은 편파-가변적이고, 밀리미터-파 주파수에서 동작하며, 또한 모바일 디바이스과 같은 전자 장치에서 수직 및/또는 수평 편파 빔 포밍 모두를 제공할 수 있다. 다양한 실시예에 따른, 상기 듀얼-타입 안테나 어레이의 소자들은 애퍼처 방사 타입 구조 및/또는 진행 방사 타입 구조에 의하여 제공될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 동일한 안테나 소자 내에 서로 다른 방사 타입들(애퍼처 방사 타입 및/또는 진행 방사 타입)을 독립적으로 형성하는 것은 듀얼-편파 방사 빔 포밍(beam forming)을 제공할 수 있다. 상기 서로 다른 구조에 의해 형성되는 애퍼처 방사 타입 및/또는 진행 방사 타입은 각각의 타입에 대응하는 편파 방사를 형성할 수 있다. 예를 들어, 수직 편파 방사는 애퍼처 방사 타입 구조에 의해 형성되며, 수평 편파 방사는 진행파 방사 타입 구조에 의해 형성될 수 있다.
상기와 같은 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는, 듀얼-타입 안테나 소자들의 배열에 의한 어레이 모드, 도전성 구조물에 의한 누설파 모드, 어레이 모드와 누설파 모드의 조합에 따른 혼합 모드 중 어느 하나의 빔 포밍(beam forming) 모드로 동작함으로써, 폭넓은 빔 포밍 및/또는 빔 스캐닝 범위를 확보할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 밀리미터-파 듀얼-타입 안테나를 구성하기 위한 안테나 소자 및/또는 안테나 모듈은 전자 장치의 하우징(100) 내에 수용될 수 있으며, 안테나 소자로부터 방사되는 전파는 하우징(100)의 금속 부분 또는 유전체 부분을 투과할 수 있어야 한다.
다양한 실시예에 따른, 금속 부분 또는 유전체 부분의 두께(t)가 다음의 [수학식 1]을 만족할 때, 무선 신호가 하우징(100)의 금속 부분 또는 유전체 부분을 투과할 수 있다.
여기서, 
의 중심 주파수, 예를 들면, 60.5GHz 주파수의 파장이고, 통상적인 
을 적용했을 때, 하우징(100)의 금속 부분 또는 유전체 부분은 대략 690 마이크로미터(㎛) 이하의 두께를 가져야 무선 신호가 원활하게 투과할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는, 다음과 같은 특징을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는 신규한 듀얼-타입 안테나로서, 수평 편파된 진행파 타입 안테나가 수직 편파된 애퍼처 타입 안테나의 일부로서 형성되어, 수직 편파 방사와 수평 편파 방사를 동시에 제공할 수 있다. 종래에는 본 발명과 같이, 진행파 타입 및 애퍼처 타입 안테나들을 동일한 애퍼처로 통합하는 구조는 제시되지 못하였다.
본 발명에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치의 편파 위상 제어 누설파 안테나 어레이는 복수 개의 빔 포밍 모드를 제공할 수 있다. 예를 들어, 안테나 소자들 자체로서 무선 신호를 방사하는 어레이 모드에서는 각 안테나 소자들에 대한 위상차 급전을 통해 밀리미터-파 송수신을 수행할 수 있으며, 혼합 모드 또는 누설파 모드에서는 안테나 소자들로부터 방사된 전자기 에너지의 적어도 일부가 누설파 구조에 포커싱되어 누설파 구조에 의해 밀리미터파 신호를 자유 공간으로 방사할 수 있다. 종래에는 본 발명과 같이, 복수 개의 모드에서 동작하는 위상 제어 안테나 구조는 제시되지 못하였다.
본 발명에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는, 상기 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치의 유전체 및/또는 금속 구조들에 커플링되는 어레이 안테나의 구현할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는 하우징(100)의 도전성 구조물에 적어도 하나의 개구를 형성하여 누설파 구조(예: 누설파 방사부 또는 누설파 위상 어레이 안테나)를 구현하고, 누설파 구조를 안테나 소자들의 배열과 결합할 수 있다. 누설파 구조와 안테나 소자 배열의 결합은, 빔 포밍 모드를 다양화할 수 있다.
한 실시예에 따르면, 어레이 모드에서 안테나 소자들은 하우징(100)의 도전성 구조물에 형성된 개구를 통해 무선 신호를 방사할 수 있다. 누설파 위상 어레이 안테나는 어레이 모드와는 다른 방향 및/또는 다른 각도 범위에서 빔 포밍 및 빔 스캐닝을 실행할 수 있다. 예컨대, 어레이 모드와 누설파 모드를 선택적으로 운용함으로써, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는 더 폭넓은 빔 포밍 및 빔 스캐닝 범위를 확보할 수 있다. 어떤 실시예에서, 누설파 위상 어레이 안테나가 작동하는 동안 안테나 소자들은 개구를 통해 무선 신호를 방사함으로써, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는 어레이 모드와 누설파 모드가 조합된 혼합 모드에서 빔 포밍 등을 실행할 수 있다. 따라서 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는 수십 GHz 이상의 높은 통신 주파수 대역에서도 폭넓은 빔 포밍 및 빔 스캐닝 범위를 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치(10)를 나타내는 분리 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치(10)(이하, '전자 장치')는, 메탈 프레임(101)과 전면 커버(102) 및/또는 후면 커버(103) 중 적어도 하나로 이루어진 하우징(100), 상기 하우징(100)에 수용된 회로 기판(104)을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 상기 전자 장치(10)의 안테나 모듈은, 복수의 안테나 소자(200)를 포함할 수 있으며, 상기 안테나 소자(200)들의 배열(201)이 상기 회로 기판(104)에 형성될 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 안테나 소자(200)들은 서로에 대하여 독립된 위상차 급전을 각각 제공받을 수 있다. 예컨대, 상기 안테나 소자(200)들의 배열(201)은 위상 어레이 안테나를 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 안테나 소자(200)들은 무선 주파수 집적 회로(radio frequency integrated circuit; RFIC)와 하나의 회로 기판(예: 상기 회로 기판(104))에 통합될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 메탈 프레임(101)은, 대체로 폐루프(closed loop) 형상을 가지고 있으며, 적어도 부분적으로 도전성 재질을 포함할 수 있다. 상기 후면 커버(103)는, 상기 메탈 프레임(101)에 결합하여 상기 하우징(100) 및/또는 상기 전자 장치(10)의 후면을 형성할 수 있다. 상기 후면 커버(103)는 알루미늄이나 마그네슘 등의 금속 재질 또는 합성 수지 등의 유전체 재질로 제작될 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 후면 커버(103)는 상기 메탈 프레임(101)과 일체형으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 후면 커버(103)는 상기 메탈 프레임(101)과 동일한 재질로 제작되거나, 인서트 사출 등의 공정을 통해 별도의 조립 공정을 통하지 않고 성형과 동시에 상기 메탈 프레임(101)과 한 몸체(uni-body)로 형성될 수 있다. 상기 전면 커버(102)는 상기 후면 커버(103)와 대향하는(opposite to) 방향에서 상기 메탈 프레임(101)에 결합하여 상기 하우징(100) 및/또는 상기 전자 장치(10)의 전면을 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 메탈 프레임(101)은, 상기 후면 커버(103)와 전면 커버(103) 사이 공간을 적어도 일부 감싸게 제공되며, 상기 하우징(100) 및/또는 상기 전자 장치(10)의 측벽(들)을 형성할 수 있다. 상기 전면 커버(102)는, 예를 들면, 윈도우 글래스(window glass)와 디스플레이 소자 및/또는 터치 패널이 통합된 디스플레이 장치일 수 있다.
상기 하우징(100)은 측벽, 예를 들어, 상기 메탈 프레임(101)을 관통하게 형성된 적어도 하나의 개구(111)를 포함할 수 있다. 상기 개구(111)(들)는, 예를 들면, 상기 메탈 프레임(101) 중에서도 도전성 구조물 상에 형성될 수 있다. 한 실시예에서, 상기 개구(111)는 상기 하우징(100)의 측벽들 중 하나에, 또는, 상기 하우징(100)의 측벽들 중 복수의 측벽에 각각, 또는, 상기 하우징(100)의 측벽들 중 서로 인접하는 두 측벽에 걸쳐 형성된 장공(elongated slot)일 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 안테나 소자(200)(들) 및/또는 상기 회로 기판(104)의 일부는 상기 개구(111) 내에 수용될 수 있다. 상기 개구(111)(들) 중 적어도 일부분은, 상기 안테나 소자(200)(들)와 전자기적으로 결합하여 누설파 구조(500)(예: 누설파 위상 어레이 안테나)를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 원형 또는 다각형 형상을 가진 복수의 개구들이 상기 하우징(100)의 측벽(예: 상기 메탈 프레임(101)의 도전성 구조물 부분) 상에 배열될 수 있다. 상기 하우징(100)의 측벽에 형성된 복수의 개구는 상기 전자 장치(10)의 음향 홀(acoustic hole)로 활용될 수 있다. 예를 들어, 사용자 음성의 입력을 위한 마이크 홀, 스피커 모듈로부터 발생된 음향을 출력하는 음향 출력 홀로 활용될 수 있다. 어떤 실시예에서, 이러한 음향 홀은, 상기 안테나 소자(200)(들)를 직접 수용하지는 않지만, 상기 안테나 소자(200)(들) 또는 상기 안테나 소자(200)들의 배열과 인접하게 배치될 수 있다. 예컨대, 음향 홀로서 제공되는 복수의 개구는 각각 상기 안테나 소자(200)(들)와 전자기적으로 결합하여 누설파 구조(500)(예: 누설파 위상 어레이 안테나)를 형성할 수 있다.
한 실시예에서, 상기 회로 기판(104)은 인쇄회로 기판(printed circuit board; PCB) 또는 저온 동시 소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 상기 안테나 소자(200)(들)는 상기 회로 기판(104)의 적어도 한 면에 배치된 도파관(waveguide)(들)로 구성될 수 있다. 또는, 상기 회로 기판(104)이 다층 회로 기판이라면 상기 회로 기판(104)의 적어도 어느 한 층에 형성된 도파관의 일부 층, 또는, 다층 회로 기판 내 형성된 도전성 패턴 및/또는 비아 홀의 조합으로 이루어진 그리드 구조를 포함할 수 있다. 상기 회로 기판(104)이 상기 하우징(100)에 수용됨에 있어, 상기 안테나 소자(200)(들)는 상기 개구(111)에 수용되거나 상기 개구(111)에 인접하게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하우징(100)에는, 예를 들면, 상기 개구(111)에는 빔 편향기(beam deflector)(105)가 제공될 수 있다. 상기 빔 편향기(105)는 상기 하우징(100)의 외측에서 상기 개구(111)로 삽입될 수 있다. 한 실시예에 따르면, 상기 빔 편향기(105)는 대체로 유전체(예: 합성수지) 소재의 몸체와 상기 몸체에 형성된 기생 도체(parasitic conductor)를 포함할 수 있으며, 상기 개구(111)에 삽입되었을 때, 한 측면이 자유 공간(예: 상기 하우징(100)의 외부 공간)으로 노출될 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 빔 편향기(105)는 상기 개구(111)와 조합되어 누설파 구조(500)(예: 누설파 위상 어레이 안테나)를 형성할 수 있다. 예컨대, 상기 안테나 소자(200)(들)를 통해 무선 신호를 송수신할 때, 상기 빔 편향기(105)는 상기 개구(111)와 조합되어 도전성 구조물(예: 상기 메탈 프레임(101))에 형성되는 표면 전류의 흐름을 누설파로 변환하여 자유 공간으로 방사할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치(10)의 일부분(안테나 모듈(20))을 나타내는 사시도 및 상면도이다.
도 2a를 참조하면, 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자(200)들의 배열(201)은 상기 하우징(100)의 측벽(예: 상기 메탈 프레임(101)의 도전성 구조물 부분)에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 메탈 프레임(101)의 도전성 구조물 부분은 누설파 구조(500)를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 듀얼-타입 안테나 소자(200)들은 누설파 구조(500)의 형상과 대응하여 전자 장치(10) 모서리 내측으로 호의 일부 형상으로 배열될 수 있다. 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)은, 예를 들면, 도파관(waveguide) 형상을 가질 수 있으며, 수직 편파 방사 및/또는 수평 편파 방사를 위한 급전 포트들을 통해 안테나 소자들 외부로부터 전력을 제공받을 수 있다. 상기 급전 포트들의 위치는 무선 신호의 방사 방향이나, 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)를 포함하는 안테나 어레이(201)의 설치 환경 등에 따라 다양할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)를 포함하는 안테나 어레이(201)는 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(10)) 및/또는 하우징(100) 내에서, 한 모서리(corner)에 인접하게 배치될 수 있으며, 메탈 프레임(예: 도 1의 메탈 프레임(101))에 형성된 개구(111) 내에 배치될 수 있다. 상기 급전 포트들로부터 각각에 제공되는 급전 신호는 서로에 대하여 위상차를 가질 수 있으며, 이를 통해 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)를 통해 송수신되는 무선 신호의 방사 방향 등을 다양하게 설정할 수 있다. 도시된 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)들의 등각 어레이(201)는 빔 스캔 범위를 증가시킬 수 있다.
도 2c를 참조하면, 도 2b의 메탈 프레임(101)의 내측 구조(105)와 인쇄 회로기판(104)간의 거리는 응력 충격 내구성을 위한 기계적 요구사항에 따라 정렬될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200) 및 소자들의 배열(201)을 나타낸 사시도 및 상면도이다.
본 발명에 따른, 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(10)) 내의 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(예: 도 2의 안테나 모듈(20))은 복수 개의 듀얼-타입의 안테나 소자들(antenna elements)(200), 무선주파수 집적회로(RFIC;Radio Frequency Integrated Circuit)(300) 및 급전 라인(400)들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 복수의 안테나 소자(200)들은 서로 다른 편파 모드들을 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며, 상기 급전 라인(400)들은, 상기 서로 다른 별개 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming)을 하기 위해, 상기 RFIC(300)의 복수 개의 포트들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자(200)에 개별적으로 연결되도록 구성할 수 있다.
도 3a에 나타난 바와 같이, 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)들은 2개로 구분되는 편파 모드에 따른 전자기파 방사가 가능하도록, 애퍼쳐 방사 타입 구조(aperture radiation type structure)(210) 및 진행 방사 타입 구조(traveling radiation type structure)(230)를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 애퍼쳐 방사 구조(aperture radiation structure)(210)는 일면이 애퍼쳐(212)로 구성된 직사각형 형태의 도파관(waveguide)의 형태로 제공될 수 있으며, 진행 방사 구조(traveling radiation structure)(230)는 상기 도파관 형상의 길이 방향 면에 제공된 슬롯 라인(slot line)(232)들에 의하여 제공될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 애퍼쳐 방사 구조(210)의 상기 애퍼쳐(212)는 제 1방향(X)으로 편파된 방사를 제공할 수 있으며, 상기 도파관에 제공된 슬롯 라인은 상기 제 1방향(X)과 직교하는 제 2방향(Y)으로 편파된 방사를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 도파관 일측에 배치된 상기 애퍼쳐(212)는 도파관의 길이 방향에 수직하는 수직 편파 방사를 발생시키며, 상기 도파관 중심에 배치된 슬롯 라인은 수평 편파 방사를 발생시킬 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 수직 편파 방사는 애퍼쳐 방사 구조(210)에 의해 제공될 수 있으며, 상기 애퍼처 방사 구조(210)는 TE10 모드를 지원하는 직사각형 도파관의 형상에 의해 달성될 수 있다. 상기 수직 편파 방사는 메탈-유전체로 구성된 임피던스 변환부 임피던스 변환부(impedance transforming part)(211)에 의해 외부 공간과 정합되는 직사각형 도파관의 애퍼쳐(212)에 의해서 방사될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 수평 편파 방사는 진행파 방사 구조(230)에 의해서 제공될 수 있으며, 상기 진행파 방사 구조(230)는 도파관(waveguide)의 상부면에 형성된 비-방사 슬롯 라인(non-radiative slot lines)(232)들에 의해 달성될 수 있다. 상기 진행파 방사 구조(230) 하부면에 배치된 피드 스트립 라인(feed strip line)(233)은 상기 슬롯 라인(232)에 급전(feeding)하기 위하여 좁은 벽으로부터 직사각형 도파관으로 연결 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 슬롯 라인(232)은 테이퍼드 슬롯의 형태로 배치될 수 있다.
도 3b에 나타난 바와 같이,, 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)들의 배열(201)은, 인쇄 회로기판(예: 도 1의 인쇄 회로기판(104)) 상에서 하나의 직선 구간을 형성하도록 나란하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 하우징(100)의 내부의 공간 및 그를 형성하는 도전성 구조물들은 상기 안테나 소자(200)(들) 및/또는 상기 안테나 소자(200)들의 배열과 전자기적으로 결합하여 복수의 도파로 구조를 형성할 수 있다. 복수의 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)들은 서로에 대하여 독립된 채널을 통해 RFIC로부터 급전을 제공받을 수 있으며, 주변의 도전성 구조물들과 함께 도파로 구조(들)를 형성할 수 있다. 상기 RFIC로부터 급전을 제공받는 급전 라인은 수직 편파 방사를 위한 제 1급전 포트(213) 및 수평 편파 방사를 위한 제 2급전 포트(233)을 포함할 수 있다.
도 3c에 나타난 바와 같이, 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)들의 배열(201)의 상부 및/또는 하부에는 적어도 하나의 메탈 스크린(106,107)을 포함할 수 있다. 상기 메탈 스크린(106,107)은 도전성 구조물에 인접하는, 예를 들면, 상기 메탈 프레임(101)(도 1참조)에 인접하도록 배치될 수 있다.
상기 제 1메탈 스크린(106)과 상기 제 2메탈 스크린(107)은 상기 회로 기판(104)의 적어도 일부, 예를 들면, 적어도 상기 안테나 소자(200)(및/또는 안테나 소자(200)들의 배열 영역)를 사이에 두고 서로 마주보게 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제 1메탈 스크린(106) 및/또는 상기 제 2메탈 스크린(107)은 상기 메탈 프레임(101) 내에 배치되어 상술한 전자 장치의 강성을 향상시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 제 1메탈 스크린(106) 및/또는 상기 제 2메탈 스크린(107)은 상기 회로 기판(104)과 다른 전자 부품(예: 디스플레이 소자) 사이의 전자기적인 차폐 기능을 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 제 1메탈 스크린(106) 및/또는 상기 제 2메탈 스크린(107)은 상기 회로 기판(104)에 배치되는 각종 전자 부품들(예: 프로세서, RFIC, 오디오 모듈, 전원 관리 모듈 등) 간을 공간적으로 및/또는 전자기적으로 격리시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른, 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200) 내의 광대역 임피던스 정합(wide-band impedance matching)의 특성들은 다음과 같은 수단에 의해 달성될 수 있다.
- 수평 편파의 임피던스 변환을 위한 테이퍼드(tapered) 슬롯 프로파일.
- 수직 편파의 임피던스를 변환하기 위해 형성되는 금속-유전체부.
- 듀얼-타입 안테나 소자(200)의 단부에 배치되는 기생 정합 소자들.
다양한 실시예에 따른, 애퍼처 방사 구조(210)와 진행파 방사 구조(230)간의 디커플링(decoupling)은 다음과 같은 수단에 의해 달성될 수 있다.
- 스트립 라인은 기하학적 대칭 라인(geometrical symmetry line)이면서 TE10 모드의 E-필드에 수직이기 때문에, TE10 모드는 스트립 라인에 커플링되지 않을 수 있으며, 진행파 방사 구조(230)는 도파관의 넓은 측면들의 중심에서 대칭 비-방사 슬롯 라인들로서 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 듀얼-타입 안테나 소자(100)는 인쇄 회로 기판(PCB)(104) 상에 제조되며, 다른 실시예들에서는 모놀리식 집적 기판 상에 제조되고, 또 다른 실시예들에서는 그것에 에칭되는 도전부들을 가진 성형 플라스틱을 사용하여 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 듀얼-타입 안테나 소자(200)들의 편파-가변을 나타내기 위하여 도 3의 안테나 소자들의 A-A'및 B-B'방향으로 절단한 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 수평 편파 방사를 나타내기 위한 전계 벡터들(11)은 슬롯-커플러 라인 형상의 제 2급전 포트(233)과 애퍼처 방사 구조(210)의 메탈 부분들에 분포되어 있다. 일 실시예에 따라, 수평 편파 모드의 전자기파들은 슬롯- 커플러 라인에 의해서 방사됨을 확인할 수 있으며, 제 2급전 포트(233)은 진행파 방사 구조(230)의 슬롯 라인 상으로 전류를 유도할 수 있다.
또 한 예로, 수직 편파 모드의 전자기파들(13,14)이 직사각형 도파관 포트 형상의 애퍼쳐 방사 구조(210)에 의해서 발생되며, 상기 슬롯 구조를 통해 전파하는 전자기파들(13, 14)은 준(quasi) TE10 모드를 가질 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 편파 다이버시티 빔 포밍을 위한 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)들의 배열을 나타낸 상면도 및 상측에서 바라본 투영도이다.
도 5a 및 도 5b에 나타난 바와 같이, 상기 애퍼쳐 방사 구조(210)는 수직 편파 방사를 제공하며 제 1안테나(211)에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1안테나(211)는 혼 안테나(horn antenna) 형상의 애퍼쳐 방사 구조(210) 내부에 기둥 형태로 배치된 프로브 안테나를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 제 1안테나(211)는 애퍼쳐 방사 구조(210)의 일측에 애퍼쳐(212) 방향을 향해 라인으로 배치된 제 1급전 포트(213)에 의해 급전(feeding)될 수 있다. 상기 제 1급전 포트(213)은 스트립 라인(strip line)을 포함할 수 있다. RFIC의 급전 라인으로부터 연장 형상된 상기 제 1급전 포트(213)를 통해 급전된 제 1안테나(211)는 애퍼쳐 방향으로 수직 편파를 방사할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 혼 안테나 형상의 애퍼쳐 방사 구조(210)는 상부, 하부에 배치된 두 개의 도전층 및 외측에 배치된 후술될 슬롯 라인 형상의 제 2안테나(231)의 일면으로 둘러싸여 형성될 수 있으며, 상기 애퍼쳐 방사 구조(210) 내부에 배치된 제 1안테나(211)의 단부는 제 1급전 포트(213)의 단부와 연결되어 전력을 제공받을 수 있다.
다른 실시예에 따른, 제 1급전 포트(213)은 테이퍼트 슬롯 사이에 라인 형태로 배치되며, 인쇄 회로기판(104)으로 제조되어 직접 전기적 연결을 제공할 수 있다.
상기 진행파 방사 구조(230)는 수평 편파 방사를 제공하며, 제 2안테나(231)에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2안테나(231)는 슬롯(slot) 형태로 구현될 수 있다. 다양한 실시예에 따른, 상기 제 2안테나(231)는 진행파 방사 구조(230)의 테이퍼드 슬롯을 연결하도록 배치된 제 2급전 포트(233)에 의하여 급전(feeding)될 수 있다. 상기 제 2급전 포트(233)은 슬롯-커플러(slot coupler) 스트립 라인을 포함할 수 있다. RFIC의 급전 라인에 의하여 연장된 상기 제 2급전 포트(233)에 의하여 급전된 제 2안테나(231)는 슬롯이 개구된 방향을 향해 수평 편파를 방사할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 제 2안테나(231)는 내측으로 길수록 좁아지는 테이퍼드 슬롯(tapered slot) 형태이며, 소정의 간격에 따라 규칙적으로 복수 개 배치될 수 있다. 상기 제 2안테나 소자(200)들 내측 단부는 원형의 개구를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따른, 제 2급전 포트(233)은 테이퍼트 슬롯 사이를 연결하는 라인 형태로 배치되며, 인쇄 회로기판(104)으로 제조되어 직접 전기적 연결을 제공할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 편파 다이버시티 빔 포밍을 위한 상기 듀얼-타입 안테나 소자(200)의 내부 일부 구조를 나타낸 확대도이다.
도 6a에 나타난 바와 같이, 듀얼-타입 안테나 소자(200)들은 복수 개로 연결되어 일측으로 확장(도 6a)될 수 있으며, 복수 개의 층으로 배열(도 6b)될 수 있다. 예를 들어, 듀얼-타입 안테나 소자(200)의 애퍼쳐 방사 구조(210)(도 5a의 점선부)는 전자 장치(10)의 가로 방향으로 복수 개가 연결되어 배치될 수 있으며, 진행파 방사 구조(230)는 상기 애퍼쳐 방사 구조(210)의 일부로 형성되며, 테이퍼드 슬롯을 중심으로 전자 장치(10)의 가로 방향으로 복수 개가 연결되어 배치될 수 있다. 상기 테이퍼드 슬롯 형상의 제 2안테나(231)는 넓은 주파수 대역에서 낮은 반사 손실을 유지하는 수평 편파 방사를 제공할 수 있다.
도 6b에 나타난 바와 같이, 듀얼-타입 안테나 소자(200)들은 동일한 형상의 복수 개의 층이 적층된 구조를 포함할 수 있다. 또한, 각 층 사이 사이에는 유전층이 배치될 수 있으며, 최상층 또는 최하층은 수직 편파 방사 및 수평 편파 방사를 위한 소자들의 격리를 위하여 초크(240)가 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 안테나 소자(200)는 제 2안테나(231)에 의한 수평 편파 방사 구조 및 제 1안테나(211)의 수직 편파 방사 구조 간의 격리를 위해, 초크(choke)(240)를 포함할 수 있다. 따라서, 서로 인접하는 듀얼-타입 안테나 소자(200)들 사이의 디커플링은 고-임피던스(high-impedance) 초크(240)들을 통해 달성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 초크(240)의 길이는 0.18λ이며, 폭은 0.024λ일 수 있다. 상기 초크(240)들은 제 1안테나(211)를 중심으로 대칭 배치되어 서로 대면할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 진행파 방사 구조(230)는 테이퍼드 슬롯 일측에 배치된 임피던스 정합용 발룬(balun; Balance-to-Unbalance)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2급전 포트(233)은 테이퍼드 슬롯 형상의 제 2안테나(231)의 측면에서 단락될 수 있으며, 여기서 제 2급전 포트(233) 개방형으로 임피던스 정합용 발룬의 단부에 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 진행파 방사 구조(230)는 수평 편파 방사를 위하여 안테나 임피던스에 정합시키는 구조를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 구조는 스터브(stub)(250)에 의해서 형성될 수 있다. 상기 스터브(250)은 테이퍼드 슬롯(231)의 길이 방향을 향하여 하나의 쌍이 돌출된 형상이며, 서로 이격 배치될 수 있다. 상기 스터브(250)는 초단파대 전송 회로에서 접지에 대하여 평형하게 배치된 회로와 동축 케이블과 같은 불평형 회로를 접속하여 임피던스 정합을 유도할 수 있다. 상기 스터브(250)는 제 2안테나(231)를 넓은 주파수 대역에서 외부 공간과 정합시킬 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 인쇄 회로기판(104) 내의 제 2안테나(231)에 대하여 수직 방향으로 적층된 구조들은, 도전성 포스트(conductive posts)(260)에 의하여 서로 전기적 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(millimeter-wave monolithically integrated antenna module)(20)의 적층 구조를 나타낸 단면도이다.
밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20)의 예시적인 실시예들은 인쇄 회로기판(PCB), 저온 동시 소성 세라믹(LTCC; Low Temperature Co-fired Ceramic) 또는 임의의 유전체 재료를 이용하는 다른 모놀리식 다층 기술들을 사용하여 제조될 수 있다. 명확성을 위해, 다음의 설명은 인쇄회로기판(PCB)(예: 도 1의 인쇄 회로기판(104))으로 제조되는 안테나 모듈의 예를 설명한다. 다만 이에 한정된 것은 아니며, 유사한 구조들이 본 발명을 벗어나지 않는 다른 모든 실시예들에 대해 동일하게 적용될 수 있다.
모바일 디바이스와 같은, 전자 장치(10) 내의 인터그레이션(intergration)을 위한 안테나 소자(200)들의 위상 제어된 어레이의 예시적인 실시예는 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20)에 기초할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20)은, 듀얼-편파 안테나 소자들(200), 수직 편파 안테나 소자들의 피드 라인들(200a), 수평 편파 안테나 소자들의 피드 라인들(200b), 및 RFIC(300)의 전력과 통신 라인용 피드 라인들(300a)의 적층 구조를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(300)의 스택-업(stack-up)은 복수의 도전층들을 포함하여 배치되며, 상측으로부터 복수 개로 배치된 층들(L1-L5)은 브로드-사이드(broad-side) 안테나 어레이를 위한 복수 개의 도전층일 수 있다. 상기 안테나 어레이를 위한 도전층들 하부 방향을 따라 순서대로, 엔드-파이어(end-fire) 수평 편파 안테나 피드 라인들을 위한 도전 층들(L5-L9), 엔드-파이어 수직 편파 안테나 피드 라인들을 위한 도전 층들(L9-L13), RFIC 데이터 및 전력 라인용 피드 라인들을 위한 도전 층들(L13-L17)로 배치되어 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 수평 편파 안테나 피드 라인들(200b) 및 수직 편파 안테나 피드 라인들(200a)은 스트립 라인 타입을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수평 편파 안테나 피드 라인들(200b) 및 수직 편파 안테나 피드 라인들(200a)의 사이에는 유전체(307)로 구성된 층에 의하여 분리될 수 있다. 상기 도전체 트레이스 폭 및 기판 높이는 최소의 피드 라인 손실을 제공하면서 몇 쌍의 층들을 적층하는 것에 의해 결정될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 듀얼-편파 어레이는 고밀도로 할당된 안테나 소자들을 포함할 수 있도록, 상기 듀얼-타입 소자들의 구조 및 피드 라인들은 적층 배치에 의해 달성될 수 있다.
도 8 및 도 9는 다양한 실시예에 따른, 도 3의 듀얼-타입 안테나 소자들(200)의 일부 적층 구조를 구체적으로 도시한 것이다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 수직 편파 방사하는 수직 편파 안테나 소자들의 일부 피드 라인들(200a)은 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20)의 레이어 11(L11)(도 7참조)에 배치될 수 있으며, 수평 편파 방사하는 수평 편파 안테나 소자들의 일부 피드 라인들(200b)은 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(300)의 레이어 7(L7)(도 7참조)에 배치될 수 있다. 하부에는 적층된 RFIC 데이터 및 전력 라인용 피드 라인들(300a)을 위한 도전 층들 중 하나가 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 도전층들은 적층 방향을 따라 배치될 수 있으며, 유전체로 구성된 절연층(307)이 상기 도전층 후면 또는 전면에 배치될 수 있다. 상기 각 층들은 번갈아 가면서 교대로 배치될 수 있다. 상기 도전층들을 전기적으로 연결시킬 수 있도록 적어도 하나의 전도성 비아(200e)를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 절연층(307)은 상기 도전층들이 접촉하여 전기적으로 서로 연결되지 않도록, 도전층들의 사이에 구비될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 도전층 사이에 배치된 복수 개의 절연층은 각각의 층간을 절연시키는 역할을 하며, 수지(Resin) 및 글래스 천(Glass Fabric)을 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 도전층들은 복수의 신호선 및 복수의 그라운드 라인(200c) 중 어느 하나와 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 도전층들을 서로 전기적으로 연결하는 전도성 비아(200e)는 전 층을 일괄 도통할 수 있는 전도성 비아들 및 인접한 층간 사이를 도통하는 전도성 비아들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 하부에 적층된 RFIC 데이터 및 전력 라인용 피드 라인들을 위한 도전층(300a)들 중 일부는 컨택층(200d)을 포함할 수 있다. 상기 컨택층(200d)으로부터 상기 피드 라인들은 전술된 전도성 비아(200c)를 통하여 전기적으로 각각의 신호층들로 전달될 수 있다. 예를 들어, 상기 신호층들은 혼 안테나 형상의 애퍼처 방사 타입 구조(210)의 제 1안테나(211)를 급전하는 스트립 라인들(제 1급전 포트(213))을 형성할 수 있다. 또 한 예로, 상기 신호층들은 진행파 방사 구조(230)의 제 2안테나(231)를 급전하는 슬롯-커플러 스트립 라인(제 2급전 포트(233))을 형성할 수 있다. 인접 신호 층들의 상호 격리는 그라운드 층(200c)에 의해서 이루어질 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 두 개의 별개의 편파 모드들에 있어서의 듀얼-타입 안테나 소자(200)들의 편파 모드의 여기(excitation)는 수직 편파 안테나 소자들의 피드 라인들 및 수평 편파 안테나 소자들의 피드 라인들에 의해서 제공될 수 있다. 예를 들어, 수평 편파 안테나 소자들에 대한 일부 피드 라인들이 듀얼-타입 안테나 소자(200)들의 레이어 11(L11)에 할당되며, 레이어 7-레이어 11(L7-L11)에 배치된 비아(200f)에 의해서 안테나 소자 층으로 전달될 수 있다.
도 10 및 도 11은 다양한 실시예에 따른, RFIC(300)를 포함하는 안테나 어레이 모듈(20)의 예시적인 레이아웃을 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 전자 장치(10)의 모서리 부근에 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 상부 좌측 부근에 부채꼴의 호 방향으로 연장 배치된 안테나 소자(200)의 구조(애퍼쳐 방사 타입 구조(210) 및 진행파 방사 타입 구조(230))를 확인할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 안테나 모듈(20)의 안테나 소자(200)(들)는 상기 회로 기판(104)의 적어도 한 면에 배치된 도파관(waveguide)(들)로 구성될 수 있다. 또는, 상기 회로 기판(104)이 다층 회로 기판이라면 상기 회로 기판(104)의 적어도 어느 한 층에 형성된 도파관의 일부 층, 또는, 다층 회로 기판 내 형성된 도전성 패턴 및/또는 비아 홀의 조합으로 이루어진 그리드 구조를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 안테나 모듈(20)은 위에서 바라볼 때, 진행파 방사 타입 구조(230)를 형성하는 다수의 슬롯을 포함할 수 있다. 진행 방사 구조(traveling radiation structure)(230)는 상기 도파관 형상의 어퍼쳐 방사 구조(210)의 길이 방향 면에 제공된 슬롯 라인(slot line)들에 의하여 제공될 수 있다.
도 10c에 도시된 바와 같이, 상기 안테나 모듈(20)은 중심부 내측에는 RFIC(300)를 배치할 수 있다. 상기 RFIC(300)는 안테나 소자(200)들과 인접 배치되어 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 RFIC(300) 및 안테나 어레이가 차지하는 영역은 2.4λ x 3λ일 수 있다.
도 11a, 도 11b에 도시된 바와 같이, 상기 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20) 내에는 전기적 연결을 담당하는 스트립 라인들이 유기적으로 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 피드 스트립 라인 형상의 제 1급전 포트(211)들 및 슬롯-커플러 스트립 라인 형상의 제 2급전 포트(233)들은, RFIC(300)의 출력(310)들로부터 혼 안테나 형상의 제 1안테나(211) 및 테이퍼드 슬롯 형상의 제 2안테나(231) 소자들로 급전될 수 있다.(도 10참조). 전기적으로 연결된 제 1안테나(211) 및 제 2안테나(231)는 각각 수직 편파 방사 및 수평 편파 방사를 이룰 수 있다. 이러한 구조들은 모두 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20) 내에 제조될 수 있다.
다양한 실시예에 따른, RFIC(310)와 스트립 라인들은 서로 인접한 거리에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 RFIC(310)의 출력(310)으로부터 제 2안테나(231) 급전시, 슬롯-커플러 스트립 라인에서 피드 라인 손실을 최소화할 필요가 있다. 또한 예로, RFIC(310)의 출력(310)으로부터 제 1안테나(211)로 급전시, 스트립 라인에서의 피드 라인 손실을 최소화할 필요가 있다. 따라서, 상기 피드 라인들의 손실을 줄이고자, RFIC(310)는 제 1안테나(211) 및/또는 제 2안테나(231)(도 6c)로부터 최소 거리에 위치하도록 배치할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20)에 따른 각 구조는, 피드 라인들 및 접합(junction)들에서의 최소화된 전력 손실로 최대의 전체 방사 전력을 제공할 수 있다. 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈(20)의 모든 구성요소들은 일반적인 모놀리식 모듈 프로세스 시퀀스 내에서 제조된다. 따라서, 제조 허용 오차 및 생산 수율이 극대화될 수 있다.
도 12는 다양한 실시예에 따른, 안테나 어레이 모듈(20)의 방사 타입 구조들의 격리 및 임피던스 정합에 대한 예시적인 그래프를 도시한 것이다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 상부에 도시된 두 개의 라인을 통하여 인접 동일 편파 소자들(Coupling between adjacent copolar elements)(601)의 관계가 도시되어 있으며, 하부에 도시된 두 개의 라인을 통하여 인접 교차 편파 소자들(Coupling between adjacent crosspolar elements)(602)의 관계가 도시되어 있다.
일 실시예에 따른, 애퍼쳐 방사 구조에 의한 수직 편파를 방사하는 인접 교차 편파 소자들(601) 간의 커플링을 살펴보면, 가로축 60.00[GHz] 기준으로, 대략 -20dB정도의 낮은 수치가 확인됨을 알 수 있다. 상기와 같은 수치값은, 매우 낮은 수치로 교차-편파 커플링(602)은 무시해도 될 정도이며, 안테나 어레이의 빔 포밍에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다.
일 실시예에 따른, 진행파 방사 구조에 의한 수평 편파를 방사하는 인접 동일 편파 소자들(602) 간의 커플링을 살펴보면, 가로축 60.00[GHz] 기준으로, 대략 -12dB정도의 낮은 수치가 확인됨을 알 수 있다. 같은 편파(Polarization)를 가지는 안테나라서 커플링(coupling) 값이 동일 편파 소자들의 커플링 값에 비해 상대적으로 높지만, 전체적으로 매우 낮은 수준으로, 동일 편파 커플링(602)은 무시해도 될 정도이며, 안테나 어레이의 빔 포밍에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
도 12b을 참고하면, 애퍼처 방사 구조에 따른 수직 편파(604)에 대한 임피던스 정합 및 진행파 타입 방사 구조에 따른 수평 편파(603)에 대한 임피던스 정합을 도시하고 있다.
상기 그래프는 Smith chart상의 50ohm matching을 보여주는 임피던스 차트이며, Center 1.0으로 표기되는 부분이 50ohm 영역이다. 각 수치는 =R+jX 로 표기된 복소수 값을 Normalizing한 값이다.
상기 그래프에 나타내는 선들이 1.0 근처에 있을수록 임피던스 정합이 잘 되었다고 분석할 수 있으므로, 본 발명에 따른, 안테나 교차-편파 커플링은 무시해도 될 정도이며, 안테나 어레이의 빔 포밍에 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다. 상기 본 발명에 따른 임피던스 정합은 전력 전송의 극대화 및 기생 신호 반사들의 최소화를 제공할 수 있다.
이하, 누설파 구조의 다양한 형상에 대하여 설명하도록 한다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치(10)의 안테나 모듈에서, 다양한 형태의 누설파 구조(500)를 각각 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 실시예에서는 개구가 하우징(100)의 두 측면에 걸쳐 형성된 구조가 예시되었으나, 본 실시예는, 개구가 하우징(100)(예: 메탈 프레임(101))의 한 측면에 형성된 누설파 구조(500)를 예로 들어 살펴보기로 한다.
도 1 및 도 13을 참조하면, 상기 전자 장치(예: 도 1의 전자 장치(10))는, 메탈 프레임(101)의 일부가 누설파 표면(예: 부분 반사 표면)으로서 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 메탈 프레임(101)에는 유전체로 채워진 복수의 개구(155)(예; 도파로)가 제공될 수 있으며, 서로 인접하는 상기 개구(155)들 사이의 도전성 구조물(또는 도전성 패턴)이 상기 누설파 표면으로서 기능할 수 있다. 상기 메탈 프레임(101)의 내측에는, 안테나 소자(200)(들)을 포함하는 회로 기판(104)이 수용될 수 있다. 상기 안테나 소자(200)들은 상기 메탈 프레임(101)의 내측에서 상기 개구(155)와 인접하게 배치될 수 있다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전자 장치(10)의 빔 편향기(예: 도 1의 빔 편향기(105))는 도전성 구조물, 예를 들면, 메탈 프레임(101)과, 상기 메탈 프레임(101)에 형성된 복수의 개구(155, 157)들의 배열로 이루어질 수 있다. 상기 메탈 프레임(101)의 일부와 상기 개구(155, 157)들의 배열은 상기 메탈 프레임(101) 내에 형성된 공동(cavity)을 통해 안테나 소자들의 배열(예: 도 1의 배열(201))과 전자기적으로 결합할 수 있으며, 표면 전류를 누설파로 변환하여 자유 공간으로 방사할 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 개구(155, 157)들은 다각형 또는 원형의 형상을 가질 수 있으며, 부분적으로 유전체 소재로 채워질 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전자 장치에 음향의 입력 또는 출력 기능이 있다면, 상기 개구(155, 157)들 중 적어도 일부는 음향이 전파되는 음향 홀로 활용될 수 있다.
도 16은 다양한 실시예에 따른, 금속 프레임 또는 플라스틱 케이스가 없는 안테나 어레이를 도시한 것이다.
도 16a에 도시된 바와 같이, 안테나 모듈(20) (예: 도 7의 안테나 모듈(20))은 유전체 충전 도파관(701) 및 피드 듀얼-편파 포트들(702)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 듀얼-편파 포트들(702)은 편파기(706)와 연결될 수 있다. 피드 듀얼-편파 포트들(702)은 모놀리식 집적 기술에 의하여 구현될 수 있다.
도 16b에 도시된 바와 같이, 상기 편파기(706)는 전자 장치 내부를 통과하는 전자기파의 방향을 가변하는 편파 필터(polarization filter)(704)를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 편파기(706)의 편파 필터(704)를 통하여 수직 편파된 전자기파 및/또는 수평 편파된 전자기파를 독립적으로 방사할 수 있다. 수직 편파된 전자기파는 웨이브 포트(wave port)(705)에 의해 여기될 수 있으며, 수평 편파된 전자기파는 웨이브 포트(703)에 의해 여기될 수 있다.
도 17은 다양한 실시예에 따른, 메탈 프레임(101)의 듀얼-편파형 누설파 구조(500)의 사시도이다.
도 1에 도시된 실시예에서는 개구가 하우징(100)의 두 측면에 걸쳐 형성된 구조가 예시되었으나, 본 실시예는, 개구가 하우징(100)(예: 메탈 프레임(101))의 한 측면에 형성된 누설파 구조(500)를 예로 들어 살펴보기로 한다.
도 1 및 도 17a를 참조하면, 상기 듀얼-편파형 누설파 구조(500)는, 하우징(100)의 한 측면, 예를 들면, 메탈 프레임(509) 상에 배치될 수 있다. 상기 메탈 프레임(509) 하나의 직선 구간에 형성된 개구(511)와, 상기 개구(511) 내측으로 배치된 누설 도파관(502)과, 상기 누설 도파관(502) 일측에 배치된 빔 편향기(505) (예: 도 1의 빔 편향기(105))를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 빔 편향기(505)는 도전성 패턴들(504)을 가진 유전체 커버에 의해 형성될 수 있다. 다른 실시예에 따라, 상기 도전성 패턴들(504)은 주조된 메탈 스트립들(molded metal stripes)을 기반으로 형성될 수 있다. 다만 이에 한정된 것은 아니며, 또 다른 실시예에서, 레이저-에칭된 금속 패턴들(laser-etched metal patterns), 금속 증착 또는 관련 기술들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기 누설파 구조(500)는 0.64λ x 0.8λ x 5λ('λ'는 누설파 구조에서 형성되는 공진 주파수의 파장)의 크기를 가질 수 있으며, 상기 빔 편향기(505)는 상기 메탈 프레임(509)의 외측에서 개구로 삽입되어 상기 개구를 폐쇄할 수 있다.
도 17b에 확대된 빔 편향기(505)의 구조를 살펴보면, 상기 도전성 패턴들(metal stripes)(504)은 0.34λ 및 0.27λ의 단차들을 가진 두 개의 층으로 구성될 수 있다. 상기 도전성 패턴들(504)은 0.02λ x 0.8λ의 크기를 가질 수 있으며, 빔 편향기(505)의 두께는 대략 0.1λ일 수 있다.
다양한 실시예에 따른, 상기와 같은 누설파 구조(500)에서 전자기파(503)는, 상기 개구(111)의 길이 방향을 따라 진행하거나, 상기 빔 편향기(105)를 통해 자유 공간으로 방사될 수 있다. 자유 공간으로 방사되는 전자기파 및/또는 무선 신호의 방사 방향(또는 방사각)은, 상술한 안테나 소자들 배열의 위상 분포나 상기 누설파 구조의 전파 상수(propagation constant) 등에 따라 다양할 수 있다.
예를 들어, 상기 누설파 구조(500)에 따른 누설 도파관에서 두 가지 모드의 전자기파(503)를 전파할 수 있다. 두 가지 모드의 전자기파(503)는 수직 편파 모드(506)에 따른 수직 편파 방사 및 수평 편파 모드(507)에 따른 수평 편파 방사일 수 있으며, 각각의 전자기파(503)들은 빔 편향기(105)을 통하여 외부 공간 내로 또는 누설 도파관(502) 속을 전파할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 장치에 따라 빔은 미리 규정된 방향으로 형성되며, 상기 안테나 소자들의 배열에 의한 어레이 모드, 상기 누설파 방사부에 의한 누설파 모드, 상기 어레이 모드와 상기 누설파 모드의 조합에 따른 혼합 모드 중 적어도 하나의 빔 포밍(beam forming) 모드로 동작할 수 있다.
도 18은 다양한 실시예에 따른, 누설파 구조들(500)을 통해 전파하는 전자기파(503)들의 분포를 도시한 것이다.
도 18a를 참조하면, 상기 애퍼쳐 방사 구조(예: 도 2의 애퍼쳐 방사 구조(210))에 따른 수직 편파 모드(506)가 실행될 때, 누설파 구조(500)의 성능을 확인할 수 있다. 또한, 도 18b를 참조하면, 진행파 방사 구조(예: 도 2의 진행파 방사 구조(230))에 따른 수평 편파 모드(507)가 실행될 때, 누설파 구조(500)의 성능을 나타낸다.
도 19는 다양한 실시예에 따른, 누설파 구조(500)를 통해 전파된 수직 편파 모드 및 수평 편파 모드(506, 507)의 방사 패턴을 도시한 것이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 수직 편파 모드(506)가 방위각 평면에서 대칭 선(Y1)에 상대적으로 105도(701)상의 빔 포밍(beam forming)을 제공하는 것을 확인할 수 있다. 빔 스퀸트(squint)는 동작 주파수 대역에서 ±5도이다.
또한, 수평 편파 모드(507)는 방위각 평면에서 대칭 선(Y1)에 상대적으로 100도(702) 상의 빔 포밍을 제공하는 것을 확인할 수 있다. 상기 빔 스퀸트는 동작 주파수 대역에서 수직 편파 모드 ±5도와 동일함을 확인할 수 있다. 이러한 방법은 극(極)값의 빔의 경사 각도들에 대한 빔 스퀸팅을 방지하고 빔 스캐닝에 대한 손실들을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 누설파 위상 어레이 안테나 및/또는 그를 포함하는 전자 장치는 모바일 폰, 태블릿, 웨어러블과 같은 장치들뿐 아니라 기지국, 라우터, 및 다른 종류의 전송기들과 같은 고정 장치들에 대해 사용될 수 있다. 안테나 어레이는 고선명 텔레비전(HDTV) 및 초고선명 비디오(UHDV), 데이터 파일 공유, 영화 업로드/다운로드, 클라우드 서비스 및 기타 상황들과 같은 멀티 기가비트 통신 서비스들을 제공하기 위한 모바일 장치 안에 내장될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 누설파 위상 어레이 안테나 및/또는 전자 장치에 의해 가능한 네트워크 기능 개선 방법들로는 동시 전송(공간 재사용), MIMO 기법 및 풀 듀플렉스 기법 등을 예로 들수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 누설파 위상 어레이 안테나 및/또는 전자 장치에 의해 가능한 mmWave 통신 표준으로는, WPAN(wireless personal area networks)이나 WLAN(wireless local area networks), 가령 ECMA-387, IEEE 802.15.3c, 및 IEEE 802.11ad 등을 예로 들수 있다.
예시적 실시예에서, 물리 계층과 MAC 계층이 즉석 무선 싱크, 고선명(HD) 스트림들의 무선 디스플레이, 무선 컴퓨팅, 및 인터넷 액세스를 포함하는 멀티 기가비트 무선 애플리케이션들을 지원할 수 있다. 물리 계층에서, 고성능 애플리케이션들(가령, 높은 데이터 레이트)에 대한 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 모드, 및 저전력 저복잡도 구현을 위한 단일 캐리어 모드의 두 동작 모드들이 정의될 수 있다.
지정된 장치가 기본 서비스 집합에 기본 타이밍을 제공하고, 모바일 장치들로부터의 트래픽 요청을 수용하기 위해 미디엄 액세스를 조정할 수 있다. 채널 액세스 시간은 비콘 인터벌들(BIs)의 시퀀스로 분할되고, 각각의 BI는 비콘 전송 인터벌, 연결 빔포밍 트레이닝, 공지 전송 인터벌, 및 데이터 전송 인터벌을 포함할 수 있다. 비콘 전송 인터벌에서, 기지국이 전송 섹터 스윕 방식으로 하나 이상의 mmWave 비콘 프레임들을 전송할 수 있다. 그런 다음 지정 장치 및 모바일 장치들 간 초기 빔포밍 트레이닝, 및 연결이 연결 빔포밍 트레이닝을 통해 수행될 수 있다. 경합 기반 액세스 주기들과 서비스 주기들이 공지 전송 인터벌 중에 AP에 의해 각각의 데이터 전송 인터벌 안에서 할당될 수 있다. 데이터 전송 인터벌 중에, 지정 장치 및 모바일 장치들을 포함하는 임의 개의 쌍의 모바일 장치들 간 피어 투 피어 통신이 빔포밍 트레이닝 완료 후에 지원될 수 있다. IEEE 802.11ad에서, CSMA/CA(carrier sensing multiple access/collision avoidance) 및 TDMA(time division multiple access)의 하이브리드 다중화 액세스가 장치들 간 전송을 위해 채택될 수 있다. CSMA/CA는 대기시간을 줄이기 위해 웹 브라우징과 같은 버스티(bursty) 트래픽에 보다 적합하고, TDMA는 더 나은 서비스 품질(QoS)을 지원하기 위해 비디오 전송과 같은 트래픽에 보다 적합할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 도 2에 도시된 것과 같이 모바일 장치의 적어도 한 모서리에서 안테나들(예: 안테나 소자들)이 배치될 수 있다.
달성 가능한 스캔 범위 및 안테나 이득은 모바일 장치 없이 단독동작 가능 안테나 모듈과 같거나 더 향상될 수 있다. 그러한 장치들의 케이스에서, 표면 전류 등으로 인한 기생 효과들은 억제, 개선될 수 있다.
제안된 누설파 어레이 안테나는 이하의 이점을 가질 수 있다.
- 메탈 또는 유전체 장치 구조들로 인한 빔포밍 왜곡이 제거된다. 따라서, 안테나 이득이 증가된다.
- 위상 제어되고 빔 편향 없는 빔포밍이 어레이의 16% 부분 대역폭에 대해 달성될 수 있다. +-70도 보다 향상된 빔 스캐닝 범위가 수직 및/또는 수평 편향들에 대해 확보될 수 있다.
- 8개의 안테나 소자들의 배열은 전체 동작 대역에 대해 10dBi 이상으로 구현된 이득을 가진 안정적 엔드 파이어(end fire) 방사 빔들을 제공한다.
- 밀리미터-파 안테나 어레이는 구조적으로 단순하며 전도체가 뒤에 있으며(conductor-backed), 이는 메탈 프레임을 가진 모바일 장치 안으로의 등각 병합(conformal integration)에 대해 유용할 것이다.
- 밀리미터-파 안테나는 메탈 프레임을 가진 모바일 폰 안으로의 병합 가능성을 통해 설계된다.
- 환경적 요소들 및 기계적 영향으로부터의 안테나들의 분리 또는 격리 배치할 수 있다.
- 밀리미터-파 안테나는 안정된 성능을 제공하면서도, 전자 장치 및/또는 하우징(100) 등의 기계적 내성 및 스트레스 강건성 요건을 만족시킬 수 있다.
- 누설파 위상 어레이 안테나를 형성하는 구조들은 고이득을 가진 소형 사이즈의 안테나 모듈들을 제공할 수 있다.
- 안테나 모듈에 결합 중인 개별 동작 누설파 구조는 빔 스캐닝 범위를 증가시키고 고편향 빔들에 대한 안테나 이득을 개선한다
- 빔 편향기들을 포함하는 메탈 프레임이 빔 스캐닝 범위를 확장할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 누설파 위상 어레이 안테나는 다음과 같이 사용될 수 있다:
1. 전자 장치에 내장된 안테나 어레이는 패킹되지 않은 HD 비디오 스트림과 같은 대용량 데이터를 전송하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 단순히 TV 수상기나 모니터를 켜고, 사용자의 전자 장치에서 스트리밍을 활성화하는 것만으로도 TV 수상기나 모니터 등을 통해 원하는 영화를 시청할 수 있다.
2. 사용자들 간에 HD 영화를 공유하고자 할 때, 단지 전자 장치의 데이터 전송 기능을 활성화하면 2, 3초 안에, 그러한 표준을 지원하는 다른 사용자의 모바일 장치로 영화 전체를 전송할 수 있다.
3. 키오스크에서 마지막 영화를 다운로드해야 할 때 모바일 페이를 통해 그 영화에 대해 비용을 지불하는 것만으로도, 데이터 전송을 활성화하고 2, 3초 후에 영화를 수신할 수 있다.
4. 전자북 스토어나 일부 디지털 정보 공유 시스템에서 비용만 지불하는 것만으로도, 2, 3초 안에 주문한 것을 수신할 수 있다.
5. 기타, 대용량 데이터 전송이 필요한 다른 경우에도 본 발명의 다양한 실시예에 따른 누설파 위상 어레이 안테나 및/또는 그를 포함하는 전자 장치가 유용하게 활용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 편파-가변 위상 어레이 안테나)를 포함하는 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는, 밀리미터-파 안테나 모듈에 있어서, 복수 개의 안테나 소자들(antenna elements); RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit); 및 급전 라인을 포함하며,
상기 복수의 안테나 소자들은 서로 다른 편파 모드들을 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며,
상기 급전 라인은, 상기 서로 다른 별개 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming)을 하기 위해, 상기 RFIC의 복수 개의 포트들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자에 개별적으로 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 듀얼-타입 안테나 소자들은, 수직 편파 방사를 제공하는 애퍼쳐 방사 구조(aperture radiation structure) 및 수평 편파 방사를 제공하는 진행파 방사 구조(traveling radiation structure)에 의해 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 진행파 방사 구조는 상기 애퍼쳐 방사 구조의 일부로 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 애퍼쳐 방사 구조는, 일면이 애퍼쳐(aperture)로 구성된 도파관(waveguide); 상기 도파관 내측에 배치된 제 1안테나; 및 상기 급전 라인으로부터 연장되며, 상기 제 1안테나로 급전하는 제 1급전 포트를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 진행파 방사 구조는, 상기 도파관의 길이 방향 상에 배치된 슬롯 라인; 상기 슬롯 라인 상에 배치된 제 2안테나; 및 상기 급전 라인으로부터 연장되며, 상기 제 2안테나로 급전하는 제 2급전 포트를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 각각의 듀얼-타입 안테나 소자들은 편파-가변(polarization-agile)을 통해 상기 빔 포밍을 제공하도록 구성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 편파-가변에 의한 빔 포밍은 상기 듀얼-타입 안테나 소자들의 위상-제어된 급전(phase-controlled feeding)에 의하여 수행될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제 1안테나는 프로브 형상을 포함하고 상기 제 2안테나는 테이퍼드 슬롯(tapered slot)형상을 포함하며, 상기 제 1안테나 및 상기 제 2안테나는 서로 직교하도록 배치될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 인쇄회로 기판(printed circuit board; PCB)과 저온 동시 소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 중 어느 하나로 이루어진 회로 기판을 더 포함하고, 상기 듀얼-타입 안테나 소자들은 상기 회로 기판의 가장자리에 인접하는 일부 영역에 형성되고, 상기 일부 영역은 상기 안테나 소자들을 정합시키는 유전체 변환기로서 기능할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 급전 라인들은 상기 안테나 소자들에 대한 피드 라인(feed line)들의 적층 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 안테나 장치(예: 편파-가변 위상 어레이 안테나)를 포함하는 무선 통신 장치 및/또는 전자 장치는,
복수의 안테나 소자(antenna element)를 포함하는 밀리미터-파 안테나 모듈; 및 상기 안테나 모듈을 외부 공간과 정합시키는 적어도 하나의 개구를 가진 도전성 패턴들을 포함하는 하우징(100)을 포함하고, 상기 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈은,
복수 개의 안테나 소자들(antenna elements); RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit); 및 급전 라인을 포함하며,
상기 복수의 안테나 소자들은 서로 직교하는 편파 모드를 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며, 상기 급전 라인은, 상기 서로 직교하는 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming) 하기 위해, 상기 RFIC와 연결된 복수 개의 급전 라인들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자에 개별적으로 연결되며, 상기 밀리미터-파 안테나 모듈은, 상기 하우징(100)에 의해 외부 공간으로부터 분리되고, 상기 하우징(100)의 상기 도전성 패턴들을 통해 상기 외부 공간으로 전자기파를 방사할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 도전성 패턴을 형성하는 도전성 구조물은 상기 하우징(100)의 측벽(side wall)들의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 듀얼-타입 안테나 소자들은, 제 1방향의 편파 방사를 제공하는 제 1안테나를 포함하는 애퍼쳐 방사 구조 및 상기 제 1방향과 서로 다른 제 2방향의 편파 방사를 제공하는 제 2안테나를 포함하는 진행파 방사 구조에 의해 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하우징(100)은 메탈 프레임을 더 포함하고, 상기 메탈 프레임은 상기 도파관을 외부 공간과 정합시킬 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하우징(100)은 메탈 프레임을 더 포함하고, 플라스틱이 충전된 도파관의 일측은 상기 외부 공간에 노출될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하우징(100)은 상기 복수개의 안테나 소자를 수용하며, 메탈 재질의 도전성 구조물을 포함하여 구성되고, 상기 도전성 구조물은 상기 하우징(100)의 측벽(side wall)들의 적어도 일부를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 무선 통신 장치는, 상기 안테나 모듈을 상기 하우징(100)의 외부 공간과 정합시키는 누설파 방사부를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 누설파 방사부는 상기 도전성 구조물에 형성된 복수의 상기 개구의 배열로 이루어질 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 장치는, 상기 안테나 소자들의 배열에 의한 어레이 모드, 상기 누설파 방사부에 의한 누설파 모드, 상기 어레이 모드와 상기 누설파 모드의 조합에 따른 혼합 모드 중 적어도 하나의 빔 포밍(beam forming) 모드로 동작할 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10: 무선 통신 장치(및/또는 전자 장치)
101: 메탈 프레임
104: 회로 기판
105: 빔 편향기(beam deflector)
200 : 안테나 소자
210 : 애퍼쳐 방사 구조
230 : 진행파 방사 구조
300 : RFIC
400 : 급전 라인
500 : 누설파 구조
101: 메탈 프레임
104: 회로 기판
105: 빔 편향기(beam deflector)
200 : 안테나 소자
210 : 애퍼쳐 방사 구조
230 : 진행파 방사 구조
300 : RFIC
400 : 급전 라인
500 : 누설파 구조
Claims (20)
- 밀리미터-파 안테나 모듈에 있어서,
복수 개의 안테나 소자들(antenna elements);
RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit); 및
급전 라인을 포함하며,
상기 복수의 안테나 소자들은 서로 다른 편파 모드들을 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며,
상기 급전 라인은, 상기 서로 다른 별개 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming)을 하기 위해, 상기 RFIC의 복수 개의 포트들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자에 개별적으로 연결되는 안테나 모듈.
- 제 1항에 있어서, 상기 듀얼-타입 안테나 소자들은,
수직 편파 방사를 제공하는 애퍼쳐 방사 구조(aperture radiation structure) 및 수평 편파 방사를 제공하는 진행파 방사 구조(traveling radiation structure)에 의해 구성되는 안테나 모듈.
- 제 2항에 있어서,
상기 진행파 방사 구조는 상기 애퍼쳐 방사 구조의 일부로 형성되는 안테나 모듈.
- 제 2항에 있어서, 상기 애퍼쳐 방사 구조는,
일면이 애퍼쳐(aperture)로 구성된 도파관(waveguide);
상기 도파관 내측에 배치된 제 1안테나; 및
상기 급전 라인으로부터 연장되며, 상기 제 1안테나로 급전하는 제 1급전 포트를 포함하는 안테나 모듈.
- 제 4항에 있어서, 상기 진행파 방사 구조는,
상기 도파관의 길이 방향으로 배치된 슬롯 라인;
상기 슬롯 라인 상에 배치된 제 2안테나; 및
상기 급전 라인으로부터 연장되며, 상기 제 2안테나로 급전하는 제 2급전 포트를 포함하는 안테나 모듈.
- 제 2항에 있어서,
상기 각각의 듀얼-타입 안테나 소자들은 편파-가변(polarization-agile)을 통해 상기 빔 포밍을 제공하도록 구성되는 안테나 모듈.
- 제 6항에 있어서,
상기 편파-가변에 의한 빔 포밍은 상기 듀얼-타입 안테나 소자들의 위상-제어된 급전(phase-controlled feeding)에 의하여 수행되는 안테나 모듈.
- 제 5항에 있어서,
상기 제 1안테나는 프로브 형상을 포함하고 상기 제 2안테나는 테이퍼드 슬롯(tapered slot)형상을 포함하며,
상기 제 1안테나 및 상기 제 2안테나는 서로 직교하도록 배치된 안테나 모듈.
- 제 5항에 있어서,
인쇄회로 기판(printed circuit board; PCB)과 저온 동시 소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic; LTCC) 중 어느 하나로 이루어진 회로 기판을 더 포함하고,
상기 듀얼-타입 안테나 소자들은 상기 회로 기판의 가장자리에 인접하는 일부 영역에 형성되고, 상기 일부 영역은 상기 안테나 소자들을 정합시키는 유전체 변환기로서 기능하는 안테나 모듈.
- 제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 급전 라인들은 상기 안테나 소자들에 대한 피드 라인(feed line)들의 적층 구조를 갖는 안테나 모듈.
- 밀리미터-파 안테나 모듈에 있어서,
기판;
수직 편파 모드를 여기시키는 제 1방향으로 배열된 복수의 제 1안테나 소자들;
상기 제 1편파 모드와 다른 제 2편파 모드를 여기시키는 제2 방향으로 배열된 복수의 제2 안테나 소자들;
상기 제 1안테나 소자들에 연결된 복수의 제 1급전라인들; 및
상기 제 2안테나 소자들에 연결된 복수의 제 2급전 라인들을 포함하며,
상기 복수의 제 1안테나 소자들과 상기 제 2안테나 소자들을 교번적으로 상기 기판 상에 배열되는 안테나 모듈.
- 무선 통신 장치에 있어서,
복수의 안테나 소자(antenna element)를 포함하는 밀리미터-파 안테나 모듈; 및
상기 안테나 모듈을 외부 공간과 정합시키는 적어도 하나의 개구를 포함하는 하우징을 포함하고, 상기 밀리미터-파 모놀리식 집적 안테나 모듈은,
복수 개의 안테나 소자들(antenna elements);
RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit); 및
급전 라인을 포함하며,
상기 복수의 안테나 소자들은 서로 직교하는 편파 모드를 여기시키도록 구성된 듀얼-타입(dual-type) 안테나 소자이며,
상기 급전 라인은, 상기 서로 직교하는 편파 모드를 여기시켜 빔 포밍(beam forming) 하기 위해, 상기 RFIC와 연결된 복수 개의 급전 라인들이 상기 복수 개의 듀얼-타입 안테나 소자에 개별적으로 연결되며,
상기 밀리미터-파 안테나 모듈은, 상기 하우징에 의해 외부 공간으로부터 분리되고, 상기 하우징의 상기 도전성 패턴들을 통해 상기 외부 공간으로 전자기파를 방사하는 장치.
- 제 12항에 있어서,
상기 도전성 패턴을 형성하는 도전성 구조물은 상기 하우징의 측벽(side wall)들의 적어도 일부를 형성하는 장치.
- 제 13항에 있어서, 상기 듀얼-타입 안테나 소자들은,
제 1방향의 편파 방사를 제공하는 제 1안테나를 포함하는 애퍼쳐 방사 구조 및 상기 제 1방향과 서로 다른 제 2방향의 편파 방사를 제공하는 제 2안테나를 포함하는 진행파 방사 구조에 의해 구성되는 장치.
- 제 12항에 있어서,
상기 하우징은 메탈 프레임을 더 포함하고, 상기 메탈 프레임은 상기 도파관을 외부 공간과 정합시키는 장치.
- 제 12항에 있어서,
상기 하우징은 메탈 프레임을 더 포함하고, 플라스틱이 충전된 도파관의 일측은 상기 외부 공간에 노출되는 장치.
- 제 12항에 있어서,
상기 하우징은 상기 복수개의 안테나 소자를 수용하며, 메탈 재질의 도전성 구조물을 포함하여 구성되고, 상기 도전성 구조물은 상기 하우징의 측벽(side wall)들의 적어도 일부를 형성하는 장치.
- 제 17항에 있어서,
상기 무선 통신 장치는, 상기 안테나 모듈을 상기 하우징의 외부 공간과 정합시키는 누설파 방사부를 더 포함하는 장치.
- 제 17항에 있어서,
상기 누설파 방사부는 상기 도전성 구조물에 형성된 복수의 상기 개구의 배열로 이루어지는 장치.
- 제 17항에 있어서,
상기 장치는, 상기 안테나 소자들의 배열에 의한 어레이 모드, 상기 누설파 방사부에 의한 누설파 모드, 상기 어레이 모드와 상기 누설파 모드의 조합에 따른 혼합 모드 중 적어도 하나의 빔 포밍(beam forming) 모드로 동작하는 장치.
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|---|---|---|---|
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