PCB와 ACF를 이용한 77 GHz 슬롯 배열 안테나

제안하는 도파관 슬롯 배열 안테나는 두 부분으로 나누어 제작된다. 먼저, 앞서 언급하였듯이 종래의 미세 가공방식을 대신하여 PCB로 슬롯이 포함된 상판을 제작한다. PCB는 유전층(dielectric)과 하부 금속층(bottom metal)으로 구성된다. 이때 하부 금속층을 에칭하여 슬롯 배열 안테나를 구현한다. 이후, 도파관 측벽과 하판 및 급전구조는 기존 금속가공을 이용하여 하나의 금속블록으로 제작한다. 즉, 난이도가 높은 미세가공은 PCB를 이용하고, 나머지는 기존 금속가공을 이용하는 방식이다.

이렇게 준비된 도파관 안테나의 상, 하부 구성체는 ACF로 접합한다. ACF는 폴리머 matrix에 미세한 전도성 볼들이 산포되어 있는 접착 필름이며, 고주파 소자 간 interconnection에 전기적으로 우수한 특성을 보인다. 또한, ACF는 저가로 대량생산이 가능한 동시에 우수한 신뢰성을 보이기 때문에 flip-chip 본딩과 같은 밀리미터파 패키징 기술에 주로 응용되고 있다^[3]～^[5]. 본 연구에서는 Dexerial사의 ACF(CP801AM-35AC) 제품을 사용하였으며, 해당 ACF를 구성하는 전도성 볼은 구형 폴리머에 니켈-금이 코팅되어 있는 구조이다. 따라서 접합지점의 전도도를 높이기 위해 상, 하부 도파관 구성체를 금도금한 이후, 열-압착 본딩을 진행하였다. 그림 1은 본 연구에서 제안하는 안테나 제작 방식과 구조도를 나타낸다.

그림 1. | Fig. 1. 제안한 77 GHz 도파관 안테나 제작 과정 | Proposed fabrication process of a 77 GHz waveguide antenna.

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안테나 설계를 위해 도파관은 77 GHz에서 기본 모드인 TE₁₀ 모드로 동작하도록 한다. 그림 2(a)와 같이 PCB의 상판 금속 층에는 16개의 슬롯이 일정한 간격으로 배열되고, 슬롯들은 균일한 크기와 동 위상에 가까운 전장을 방사하도록 관내 파장(λ_g)의 반 파장 간격으로 배치한다. 도파관의 닫힌 끝(closed end) 벽면이 도파관의 입력 임피던스에 미치는 영향을 최소화하기 위해 마지막 슬롯은 닫힌 끝에서 1/4 λ_g 길이만큼 떨어뜨려 배치한다. 그림 2(a)와 같이 도파관 급전 구조는 WR-10이며, 금속블록의 밑면에 구현한다. 이러한 구조들이 모두 포함된 안테나의 최적화 및 전기적 특성 계산은 전자파 해석 툴인 HFSS를 이용하였다.

그림 2. | Fig. 2. 도파관 슬롯 배열안테나의 구조도 | The configuration of a waveguide slot array.

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일반적인 도파관 슬롯 배열 안테나 구조와 다르게 상판의 하부 금속층을 지지하는 유전층이 존재하기 때문에 입력 임피던스 및 안테나 방사 패턴에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 시뮬레이션을 통해 이러한 유전층이 배열 안테나 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 유전층이 없는 경우(air)도 함께 시뮬레이션을 진행하여 비교하였다. 상판 PCB는 유전율 2.2, 손실탄젠트 0.0009의 RT/Duroid 5880(RO5880) 기판을 이용하였으며, 두께는 0.381 mm이다. ACF layer없이 상부 기판과 하부 블록이 이상적으로 접합된 조건으로 시뮬레이션을 진행하였다. 이렇게 구한 세부 파라미터 값들과 시뮬레이션 결과를 표 1에 제시하였다. Air에 비해 슬롯의 장축 길이(S_w)가 줄어들었으며, 안테나 최대 이득(peak IEEE gain)은 약 0.3 dB 감소한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안하는 77 GHz 슬롯 배열 안테나 구조에서 유전층이 안테나 특성에 미치는 영향은 크지 않은 것을 확인할 수 있었다.

그림 3은 도파관 슬롯 배열 안테나의 E-field 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 유전층이 Air와 RO5880 두 경우 모두 77 GHz에서 TE₁₀가 정상적으로 형성된 것을 확인할 수 있었다.

그림 3. | Fig. 3. 77 GHz에서 E-field 분포의 시뮬레이션 결과(yz-평면) | The simulated E-field distribution at 77 GHz(yz-plane).

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그림 4는 제작된 슬롯 배열 안테나 실측 사진을 나타낸다. 그림 4(a)는 제작된 상판 PCB를 나타내며, 하부 금속 층을 에칭하여 구현된 1×16 슬롯 배열 안테나를 보여준다. 그림 4(b)와 그림 4(c)는 상․하부 구조체가 ACF 공정으로 접합되어 있는 모습이다. 그림 4(b)에서 상부 RO5800 기판의 흰색 실선은 공정 시 필요한 alignment mark를 나타낸다. 제작된 안테나의 크기는 5×28×64 mm³이다.

그림 4. | Fig. 4. 제작된 안테나 사진(RO5880 PCB) | Photograph of the fabricated antenna.

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먼저, 반사손실(return loss)와 방사패턴(radiation pattern)의 해석 결과를 실제 측정 결과와 비교하였다. 그림 5는 제작된 안테나의 S-파라미터의 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 된 반사손실은 10 dB 기준으로 75.85～77.95 GHz(2.10 GHz)의 대역폭 특성을 보인다. 또한, 제작된 안테나의 측정된 대역폭은 76～78.47 GHz(2.47 GHz)로 시뮬레이션과 잘 부합하는 것을 확인하였다. 무반향실에서 측정된 안테나의 방사 패턴 결과는 그림 6에 제시되었다. 77 GHz의 측정 주파수에서 시뮬레이션 결과와 유사한 패턴 형상을 확인할 수 있었다. 최대 이득 값을 비교해본 결과, 시뮬레이션 대비 3.5 dB 낮은 16.6 dBi의 측정값을 확인하였다. 이는 시뮬레이션 상에 포함되지 않은 ACF layer의 폴리머(matrix) 손실, 접합 부위의 접촉저항, 상․하부 구조체의 mis-alignment, 그리고 공정 tolerance 때문으로 예상되며, 향후 원인에 대한 정확한 추가 분석이 필요하다.

그림 5. | Fig. 5. 제작된 안테나의 S-파라미터 측정 및 시뮬레이션 결과(RO5880 PCB) | The simulated and measured S-parameters.

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그림 6. | Fig. 6. 제작된 안테나의 이득 패턴(RO5880 PCB) | Gain patterns of the fabricated antenna.

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상부 기판을 RO5880 기판보다 저가인 FR-4 기판으로 대체하여 안테나를 추가 제작 및 특성평가를 진행하였다. FR-4는 유전율 4.4, 손실탄젠트 0.02의 유전 특성을 가지며, 두께는 0.2 mm이다. 동일한 과정으로 안테나를 제작하였으며, 그림 7은 제작된 안테나의 S-파라미터 측정 결 과를 나타낸다. 제작된 안테나는 반사손실 10 dB 기준으로 75.7～78.1 GHz(2.4 GHz) 대역폭 특성을 보인다. RO5880의 경우와 비슷하게 FR-4의 또한 시뮬레이션 결과와 잘 부합하는 것을 확인할 수 있었다. 제작된 안테나 사이 즈와 77 GHz에서 최대이득 측정결과(measured peak realized gain)를 표 2에 제시하였다. 이득 측정은 연구실 환경에서 W-밴드 표준 이득 혼 안테나와 positioner를 이용하여 진행하였다. 시뮬레이션 대비 2.3 dB 낮아졌지만, 77 GHz에서 17.1 dBi의 높은 최대이득 측정값을 얻을 수 있었다.

그림 7. | Fig. 7. 제작된 안테나의 S-파라미터 시뮬레이션 및 측정 결과(FR-4 PCB) | The simulated and measured S-parameters.

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