As the proportion of mobile devices such as smartphones and tablet PCs increasing in personal life, various functions and technologies are being integrated into mobile devices. In particular, attention has recently been focused on applications using virtual reality such as VR HMD and AR Glass. High-speed wireless communication is indispensable for the use of mobile devices that process high-capacity data. Because high-speed data communication is possible with a wide bandwidth of 9 GHz and the size of the system can be reduced with a high frequency, various attempts are being made to apply wireless communication using the 60 GHz band to mobile systems. Research on antenna-in-package technology has many difficulties due to the problems of radiation distortion, efficiency and coverage degradation due to interference from space limitation and complex internal structures of mobile devices. Therefore, in this paper, a new antenna-in-package structure (AiP) is proposed. The 3-axes radiating AiP has a compact structure suitable for a mobile communication, wide coverage, and high radiation efficiency.
This paper is composed of a total of 6 chapters. In chapter2, vertically polarized Yagi-Uda antenna is presented. The proposed antenna reduces the size of the antenna by using the image effect of the ground plane. In addition, it is easy to integrate into mobile devices because end-fire radiation is possible with vertically polarized field that are insensitive to substrate interference. In chapter 3, a compact vertically polarized end-fire antenna that implemented as a multi-layered horn antenna is presented. A horn aperture is configured by using metal patterns and a number of via on a multilayer substrate, and a small radiator is applied for vertically polarized radiation. As a result, the antenna is reduced effect of interference and increase radiation efficiency. In Chapter 4, a new multibeam AiP structure is presented. The AiP is able to radiate 3-axes by integrating a broadside horn antenna and three end-fire antennas introduced in Chapter 3 into a single multilayer substrate. The AiP reduces signal loss by applying efficient packaging method that allows integration of RFIC and radiate 3-axes by integrated four antennas into a single substrate with low interference through shielding structures composed of metal patterns and vias. In chapter 5, two directional 1x4 antenna array in package is presented. The compact end-fire antenna and broadside antenna introduced in chapters 3 and 4 are arranged in an array structure in two directions most commonly used to utilize various mobile devices. The antenna array in package increase utilization and coverage through beamforming technology. At last, in chapter 6, the paper is summarized and concluded.
스마트폰과 태블릿 PC와 같은 모바일 디바이스가 개인의 삶에 자지하는 비중이 점점 커지면서 다양한 기능 및 기술이 모바일 기기로 통합되고 있다. 특히 최근에는 VR HMD와 AR Glass와 같은 가상현실을 활용한 응용분야로 관심이 집중되고 있다. 고용량 데이터를 처리하는 모바일 기기의 활용을 위해서는 고속 무선통신이 반드시 필요하다. 이를 위해 9 GHz의 넓은 대역폭으로 고속 데이터 통신이 가능하고 높은 주파수로 시스템의 크기를 줄일 수 있기 때문에 60 GHz 대역을 이용한 무선 통신을 모바일 시스템에 적용하기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다. 그 중 안테나 인 패키지 기술의 연구는 모바일 기기의 공간제약과 복잡한 내부구조로 인한 간섭으로 인해 방사 왜곡, 효율 및 커버리지 저하의 문제로 많은 어려움이 있다. 따라서 본 논문은 60 GHz 대역의 모바일 통신 환경에 적합한 소형 구조를 갖고 3축 방향으로 빔을 방사하며 고효율의 성능을 갖는 안테나 인 패키지 구조를 제안하고 이를 검증한다.
본 논문은 총 6개의 챕터로 구성되어 있다. 2장에서는 수직 편파를 갖는 수직 야기-우다 안테나를 소개한다. 제안된 안테나는 그라운드 평면의 이미지 효과를 이용하여 안테나의 크기를 줄였다. 또한, 기판 간섭에 둔감한 수직편파로 엔드파이어 빔 방사가 가능하여 모바일 기기에 적용이 용이하다. 3장에서는 혼 안테나를 다층기판으로 구현한 소형 수직 편파 엔드파이어 안테나를 소개한다. 다층 기판에 금속 패턴과 비아 구조를 활용하여 간섭이 적은 혼 어퍼처를 구성하였고 수직 편파 방사를 위해 소형 방사체를 적용하여 간섭을 줄이고 효율을 높였다. 4장에서는 3장에서 소개한 엔드파이어 안테나와 브로드사이드 혼 안테나를 하나의 다층기판에 통합하여 3축 방사가 가능한 안테나 인 패키지 구조를 제안한다. RFIC의 집적이 가능한 효율적인 패키징 방법을 적용하여 신호 손실을 줄이고 4개의 안테나를 금속 패턴과 비아 구조를 통해 낮은 간섭으로 하나의 기판에 통합하여 3축 방사를 만든다. 5장에서는 두 방향으로 방사하는 1x4 안테나 어레이 패키지를 소개한다. 챕터 3과 4에서 소개한 소형 엔드파이어 안테나와 브로드사이드 안테나를 다양한 모바일 기기에 활용하기 위해 가장 많이 사용되는 두 방향에 어레이 구조로 배치하여 빔포밍 기술을 통해 활용도와 커버리지를 증가시켰다. 마지막으로 6장에서 논문 내용을 요약하고 마무리한다.
