In this works, novel coplanar waveguide-fed suspended patch antennas at millimeter wave, especially at 60GHz, 77GHz, and 94GHz frequencies, were proposed. The proposed antennas allow the simultaneous optimization of the radiating patch and the feed line on a single substrate. In general, to achieve high performance of antenna, antenna structures are designed in low dielectric constant materials while the circuitry remains on the high dielectric constant regions. Based on this concept, patch antennas are designed to suspend 200μm from the coplanar waveguide which could lie on the high dielectric constant substrate. Because the antenna is supporting in the air with supporting post, high gain and broad bandwidth characteristic is shown. Also, 2ⅹ1 patch array antenna without λ/4 impedance transformer and 2ⅹ2 patch array antenna with λ/4 impedance transformer were designed. For obtaining high performance of patch antenna, the surface micromachining technology consisting of thick photoresist lithography and copper electroplating process is used. Fabricated single patch antenna sizes are 2.2mmⅹ2.2mm and 1.1mmⅹ2.1mm at 60GHz, 1.7mmⅹ1.7mm at 77GHz, and 1.5mmⅹ1.5mm at 94GHz respectively. The size of 2ⅹ2 array antenna for 60GHz, the biggest one, is about 5mmⅹ5.5mm.
The measured -10dB bandwidths for single patch antennas and 2ⅹ1 array antennas are in the range of from 9.1% to 19.6% and from 13.1% to 25.2% respectively. Other parameters which represent antenna performance such as field pattern could not be measured. Therefore, simulation results for other parameters are involved in this thesis. Simulated gains are distributed from 5.55dB to 8.3dB for single patch antenna, from 5.62dB to 10.9dB for 2ⅹ1 array antenna, and from 7dB to 12.14dB for 2ⅹ2 array antenna respectively. The simulated total efficiencies are in the range of from 86.7% to 97.4% for all fabricated antennas.
Finally, because the proposed antenna allows the integration with MMICs, it can be applied for the system on a chip (SOC) including an antenna at mm-wave frequency.
본 논문에서는 마이크로머시닝 (Micromachining) 기술을 이용해 밀리미터파 대역, 특히 60GHz, 77GHz, 그리고 94GHz 동작 주파수에서의 CPW 급전방식의 떠있는 패치 안테나에 대한 연구를 수행하였다. 제안된 안테나는 동일한 기판 위에서 안테나 패치를 CPW 신호 급전선 위에 떠있는 구조로 형성시킴으로서 높은 방사효율을 가지며 부가적으로 넓은 대역폭을 가지도록 설계되었다.
최근 데이타 전송량의 증가, 레이다를 이용한 무선통신의 발전 등 사용주파수 대역의 증가와 함께 밀리미터파 대역에 대한 응용이 중요해지고 있다. 대표적인 응용범위로는 24, 60, 77, 94GHz에서 차량충돌방지용 레이다, 60GHz에서 Wireless LAN, 90GHz 영상 시스템, 그리고 보안 센서, 건강 진단 센서 등이 있다. 이러한 응용에의 적합한 시스템을 위한 요구조건으로 사이즈가 작아야 하며, 이득이 높이야 하며, 감도(sensitivity)가 좋아야 한다. 그 중 안테나는 무선통신 시스템의 대부분의 면적을 차지하는 없어서는 안되는 부품이지만, 특히 밀리미터파 대역에서는 간섭이 심하기 때문에 대부분 크고 비싸긴 하지만 성능이 좋은 혼 안테나를 사용한 근거리용 레이다에 대한 응용이 주를 이루고 있다. 만약 밀리미터파 대역에서 작고 값싸고 높은 성능을 가지면서 주변회로와 집적이 편리한 안테나가 개발된다면 더욱 더 많은 응용이 이루어 질 수 있을 것이다. 따라서 작고 높은 성능을 가지는 안테나에 요구가 높아지고 있는 상황이다.
안테나에서 높은 이득을 얻기 위해서는 방사효율을 높이는 것이 중요하다. 높은 방사효율은 기판의 손실을 줄이거나 낮은 유전율을 가지는 기판을 사용함으로써 얻어진다. 하지만 주변회로의 관점에서 본다면 낮은 유전율을 가지는 기판은 회로의 사이즈를 크게 하고 안테나 이외의 부분에서 방사가 일어남으로 인해 손실을 가져온다. 따라서 일반적으로 안테나와 주변회로를 각각 다른 기판위에 제작하여 성능을 만족시키고 있다.
이러한 개념을 바탕으로 하여 본 연구에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 밀리미터파 대역에서 작고 제작하기 쉬우며 높은 성능을 가지면서 주변회로와 집적이 편리한 안테나를 제작하기 위한 연구를 수행하였다. 안테나 이외의 주변회로는 높은 유전율을 가지는 기판위에 제작하고 동일한 기판위에 안테나를 띄움으로서 안테나 밑의 기판을 공기층으로 형성시켜 방사효율을 높이고 부가적으로 얻을 수 있는 성능의 개선인 넓은 대역폭을 가지는 안테나를 제작하였다. 이 연구의 핵심인 떠있는 구조체를 위한 연구로 수십 마이크로미터 두께의 두꺼운 포토레지스트 패터닝 기술과 두꺼운 구조체를 제작하기에 적합한 전기도금 기술을 이용하여 다양한 형태의 떠있는 안테나를 제작하였다.
각 동작 주파수에 대한 단일 안테나 뿐 아니라 더 높은 성능을 얻기 위한 어레이 안테나도 제작되었다. 2×1 어레이 안테나의 경우 신호 급전선에 λ/4 impedance transformer가 필요없도록 설계되어 신호선 에서의 원하지 않은 방사를 최소화 하도록 하였으며 2×2 어레이 안테나의 경우는 원활한 매칭을 위해 λ/4 impedance transformer가 삽입되었다. 제작된 안테나의 크기는 단일 안테나의 경우 최소 1.5mm×1.5mm에서 최대 2.2mm×2.2mm의 크기를 가지며 제작된 안테나 중 가장 큰 60GHz 2×2 어레이 안테나의 경우 전체 크기는 5mm×5.5mm이다.
측정된 -10dB 대역폭은 단일 안테나의 경우 각 동작 주파수와 유형에 따라 최소 9.1%에서 최고 19.6%까지 분포를 보였고 2×1 어레이 안테나의 경우 최소 13.1%에서 최고 25.2%의 분포를 보였다. 측정상의 어려움으로 인해 입력 반사 손실만을 측정하였고 방사 패턴을 비롯한 다른 안테나 성능에 대해서는 시물레이션 결과로 나타내었다. 시물레이션된 안테나 이득은 단일 안테나의 경우 각 동작 주파수와 유형에 따라 최소 5.55dB에서 최고 8.3dB까지 분포를 보였고 2×1 어레이 안테나의 경우 최소 5.62dB에서 최고 10.9dB의 분포를 보였다. 그리고 2×2 어레이 안테나의 경우 최소 7dB에서 최고 12.14dB의 분포를 보였다. 전체 효율의 경우 모든 안테나에 대해 최소 86.7%에서 최고 97.4% 까지의 효율을 나타내었다.
