5G 스마트폰 용 이중대역 (28/39GHz) 이중편파를 지원하는 초소형 안테나 인 패키지

Abstract

차세대 이동통신 5G(5 Generation)를 위한 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 현재 5G의 주파수 대역은 Sub-6 GHz(3.5 GHz)와 밀리미터파(millimeter wave, mmWave)가 주요 주파수 대역이며 Sub-6 GHz 보다 저지연율, 빠른 속도의 장점을 갖는 밀리미터파의 경우 28 GHz, 39 GHz가 대표적인 후보 대역이다. 밀리미터파 대역을 사용하는 5G 스마트폰에서는 안테나가 할당되는 공간은 매우 좁아 이득과 대역폭 성능이 하락하는 문제점이 발생한다. 안테나의 소형화 기술, 대역폭, 이득향상 기술을 통해 밀리미터파 대역에서의 소형화 안테나가 갖는 문제점을 극복할 수 있다. 본 논문에서는 이중 대역(28 / 39 GHz) 이중 편파를 지원하는 5G 스마트폰 용 안테나 인 패키지를 설계, 제작 및 측정하였다. 안테나 인 패키지의 구성은 유전율 3.47, 손실 탄젠트 0.004의 특성을 갖는 12층 PCB 스택업 (Stack-up) 구조 기판이며 브로드사이드 (Broadside) 방향으로 방사하는 1x4 패치 배열 안테나와 엔드파이어 (End-fire) 방향으로 방사하는 1x4 다이폴 배열 안테나로 구성되어 있다. 제안된 안테나 인 패키지는 현재 연구된 논문 중 가장 작은 사이즈로 전체 크기는 5.8 mm x 19 mm x 1.122 mm (0.54λ0 x 1.74λ0 x 0.105λ0, λ0: 28 GHz의 파장)로 초소형이다. 스마트폰에 안테나 인 패키지를 실장하기 위하여 안테나의 소형화, 이중 대역, 이중 편파 성능을 달성하기 위한 다양한 방법들이 적용되었다. 우선 패치안테나의 경우 물리적으로 접촉하는 급전방법을 사용하게 되면 소형화된 안테나에서 근접한 안테나 및 단일 안테나의 이중급전에 악영향을 끼치게 되어 격리도 성능이 하락한다. 이를 해결하고 이중대역을 얻기 위하여 커플링 효과를 이용한 간접 디스크 커플드 급전(Proximity disk coupled feed) 방법을 이용하였다. 또한 안테나의 소형화와 대역폭 향상을 위하여 주기 구조인 RIS(Reactive Impedance Surface)를 배치하였다. 일반적인 경우 단일 층에 주기적인 구조를 배치하는데 소형화된 기판에서 안테나의 성능을 극대화하기 위하여 RIS를 다층에 배치하였다. 다이폴 안테나의 경우 작은 사이즈의 기판에서 이중대역 동작하기 위하여 다이폴 안테나를 수직 구조로 변경하였다. 격리도를 향상시키기 위하여 안테나 사이에 벽을 세워 성능을 향상시켰다. 제작된 안테나 인 패키지를 측정함으로써 안테나의 효율적인 방사 및 효과를 검증하였다. 측정된 안테나 인 패키지는 목표대역(28 / 39 GHz)에서 패치안테나는 26.22 - 29.57 GHz / 35.18 - 41.00 GHz, 다이폴 안테나는 26.40 - 29.74 GHz / 36.65 – 40.72 GHz을 얻어 모든 대역에서 3 GHz 이상의 대역폭을 얻었다. 최대 이득은 패치 안테나의 경우 11.6 dBi, 다이폴 안테나의 경우 9.9 dBi의 성능을 확인할 수 있었다.

In this paper, a novel approach to a miniaturized Antenna in Package (AiP) for a fifth-generation (5G) millimeter-wave (mmWave) smartphones that supporting dual polarization and dual band (28 / 39 GHz) is proposed. It is demonstrated that the proposed architecture enables supporting dual polarization and dual band even at the size of 5.8 mm × 19 mm × 1.122 mm (0.54 λ0 × 1.76 λ0 × 0.105 λ0, λ0: wavelength at 28 GHz). As far as we know, it is the smallest and effective AiP that can mount in 5G smartphones. The key feature of two types of antenna in AiP, 1 × 4 patch antenna array (broadside) and 1 × 4 dipole antenna array (end-fire) are introduced. In order to reduce the size of patch antenna, multi-layer Reactive Impedance Surface (RIS) is added between the patch layer and ground plane. In addition to this, Multi-Layer RIS Patch Antenna (MLRPA) improves isolation and bandwidth by applying proximity disk coupled feed method. End-fire achieves miniaturization and bandwidth improvement through modifying Vertically Bent Folded Dipole Antenna (VBFDA) and T-shape side via walls. The fabricated AiP has a bandwidth of 26.22-29.57 GHz / 35.18-41.00 GHz (MLRPA), 26.40-29.74 GHz / 36.65-40.72GHz (VBFDA) with over 3GHz in each band and a gain of 11.6 dBi (MLRPA) and 9.9 dBi (VBFDA).