KR100546822B1

KR100546822B1 - Patch antenna for GPS having radiation patch with T-shape's slit

Info

Publication number: KR100546822B1
Application number: KR1020030023744A
Authority: KR
Inventors: 이홍민; 김영두
Original assignee: 경기대학교
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2006-01-25
Also published as: KR20040089902A

Abstract

본 발명은 원형편파를 형성하기 위하여 T-자형 슬릿이 대칭적으로 부설된 방사패치를 구비한 GPS용 패치 안테나를 제공하기 위한 것으로서, 고주파 신호처리부로부터 입력되는 고주파 신호를 급전하기 위한 마이크로 스트립 라인이 형성된 하부기판과, 마이크로 스트립 라인과 방사패치 사이의 전자기적인 차폐를 수행하고, 중심부에 마이크로 스트립 라인으로부터 입력되는 고주파 신호를 방사패치에 결합시키기 위한 크로스 형상의 개구면이 형성된 절연판 및 개구면을 통하여 입력된 고주파 신호로부터 원형편파를 형성하여 이를 외부로 방사하기 위한 4개의 T-자형 슬릿이 대칭적으로 부설되고 모서리가 잘린 형상의 방사패치가 형성된 상부기판을 포함하여 구성된다.The present invention provides a patch antenna for GPS having a radiation patch in which a T-shaped slit is symmetrically placed to form a circular polarization. The microstrip line for feeding a high frequency signal input from a high frequency signal processor is provided. Through the insulating plate and the opening surface formed with a cross-shaped opening surface for performing electromagnetic shielding between the formed lower substrate, the micro strip line and the radiation patch, and for coupling the high frequency signal input from the micro strip line to the radiation patch in the center. Four T-shaped slits for forming a circular polarization from the input high frequency signal and radiating it outward are symmetrically laid and the upper substrate includes a radiation patch having a cut edge shape.

따라서, 본 발명은 모서리가 절단된 구조를 갖는 방사패치에 4개의 T-자형 슬릿이 대칭적으로 부설되도록 구성함으로써, 방사패치의 종횡 비를 증가시키거나 또는 방사패치의 비유전율 값의 증가 없이 안테나의 공진 주파수를 낮추어 패치 안테나의 소형화 및 슬림화를 구현할 수 있는 효과를 제공한다.Accordingly, the present invention is configured such that four T-shaped slits are symmetrically laid in a radiation patch having a corner-cut structure, thereby increasing the aspect ratio of the radiation patch or without increasing the relative dielectric constant value of the radiation patch. By lowering the resonant frequency of the antenna provides a miniaturization and slimming of the patch antenna.

패치 안테나, 마이크로 스트립 라인, 방사패치, T-자형 슬릿, 크로스 형상 의 개구면.Patch antenna, micro strip line, radiation patch, T-shaped slit, cross opening.

Description

Patch antenna for GPS having radiation patch with T-shape slit {T-shape's slit}

도 1은 종래의 GPS용 패치 안테나의 사시도.1 is a perspective view of a conventional patch antenna for GPS.

도 2는 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿이 부설된 방사패치를 구비한 GPS용 패치 안테나의 분해 사시도.Figure 2 is an exploded perspective view of a patch antenna for GPS having a radiation patch attached to the T-shaped slit according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿이 부설된 방사패치를 구비한 GPS용 패치 안테나의 상면도.Figure 3 is a top view of a patch antenna for GPS having a radiation patch attached to the T-shaped slit according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 마이크로 스트립 라인이 형성된 하부기판의 상면도.4 is a top view of a lower substrate on which a microstrip line is formed in accordance with the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 크로스 형상의 개구면이 형성된 절연판의 상면도.5 is a top view of an insulating plate having a cross-shaped opening surface formed in accordance with the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿이 대칭적으로 부설된 절단 모서리 구조를 갖는 방사패치가 형성된 상부기판의 상면도.Figure 6 is a top view of the upper substrate formed with a spin patch having a cutting edge structure in which the T-shaped slit symmetrically laid according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿의 형성 유무에 따른 공진 주파수의 특성을 도시한 도면. 7 is a view showing the characteristics of the resonant frequency with or without the formation of a T-shaped slit according to the present invention.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿의 설계변경에 따른 공진 주파수의 특성을 도시한 도면. 8A and 8B are diagrams illustrating characteristics of a resonance frequency according to a design change of a T-shaped slit according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 방사패치의 개방 스터브의 길이에 따른 임피던스 궤적의 특징을 도시한 스미스 차트.9 is a Smith chart showing the characteristics of the impedance trajectory according to the length of the open stub of the radiation patch according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 크로스 형상의 개구면의 길이에 따른 임피던스 궤적의 특징을 도시한 스미스 차트.10 is a Smith chart showing the characteristics of the impedance trajectory according to the length of the cross-shaped opening surface according to the present invention.

도 11a는 본 발명에 따른 GPS용 패치 안테나의 반사 손실값의 특성을 도시한 도면.11A is a diagram showing the characteristics of the return loss value of the GPS patch antenna according to the present invention.

도 11b는 본 발명에 따른 GPS용 패치 안테나의 대역폭의 특징을 도시한 스미스 차트.11B is a Smith chart illustrating the characteristics of the bandwidth of a patch antenna for GPS in accordance with the present invention.

도 12는 본 발명에 따른 크로스 형상의 개구 결합 급전구조를 갖는 GPS용 패치 안테나의 방사패턴을 도시한 스미스 차트.12 is a Smith chart showing a radiation pattern of a GPS patch antenna having a cross-shaped opening coupling feeding structure according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100 : 하부기판 101 : 마이크로 스트립 라인100: lower substrate 101: micro strip line

200 : 절연판 201 : 크로스 형상의 개구면200: insulating plate 201: cross-shaped opening surface

300 : 상부기판 301 : 방사패치300: upper substrate 301: radiation patch

302 : T-자형 슬릿302: T-shaped slit

본 발명은 T형 슬릿이 부설된 방사패치를 구비한 GPS용 패치 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모서리가 잘린 형상의 방사패치상에 대칭 형상의 T-자형 슬롯이 부설된 크로스 형상의 개구결합 급전구조를 갖는 GPS용 패치 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to a patch antenna for GPS having a radiation patch in which a T-shaped slit is attached, and more particularly, to a cross-shaped opening coupling in which a symmetrical T-shaped slot is attached to a radiation patch having a cut corner. The present invention relates to a patch antenna for GPS having a power feeding structure.

최근 GPS(Global Positioning System)을 이용한 사용자의 위치파악이나 또는 GIS(Geographical Information System : 지리 정보 시스템) 등의 기반 기술을 활용해 교통정보를 파악하고 부가 서비스를 제공하는 위치기반 서비스(LBS : Local-Based Service)가 주목받고 있다. 특히 기존 GPS 시스템의 단점인 실내 전파 음영지역을 해소하고 무선 통신 환경에서 개인 이동통신 서비스가 보편화됨에 따라 무선측위(Wireless Positioning) 및 응급 서비스와 같은 GPS 기능을 개인 이동통신과 연동 하여 운용할 수 있도록 연구개발 중이며, 국내에서도 정보통신부의 화재 및 조난 등의 위험상황을 대비한 응급구조 서비스의 법제화 추세와 새로 출시되는 이동 단말기에 GPS 기능이 의무화됨으로써 각종 교통, 보안 및 물류 등의 부가 서비스 기능이 더욱 활발히 전개될 전망이다.Location-based services (LBS: Local-) that identify traffic information and provide additional services using the latest technologies such as GPS (Global Positioning System) or user's location or GIS (Geographical Information System). Based Service) is drawing attention. In particular, as the indoor radio shadow area, which is a disadvantage of the existing GPS system, is eliminated, and personal mobile communication service is popularized in a wireless communication environment, GPS functions such as wireless positioning and emergency services can be interoperated with personal mobile communication. R & D is underway in Korea, and the trend of legislation of emergency rescue services for risks such as fire and distress of the Ministry of Information and Communication and the addition of GPS functions to new mobile terminals will make additional services such as transportation, security, and logistics more important. It is expected to be actively developed.

이와 같은 기존의 개인 이동통신 서비스와 연동하기 위해서는 무선 통신기기의 다기능화 추세에 따라 메인 안테나 이외의 부가적인 안테나의 필요성과, RF 고주파 부품의 고밀도화 및 실장면적의 최소화를 위한 복합 부품들의 모듈화 및 유닛화 추세에 대응하여 소형화된 안테나가 요구되고 있다.In order to interoperate with the existing personal mobile communication service, the necessity of additional antennas other than the main antenna according to the trend of the multifunctionalization of wireless communication devices, the modularization and the unit of the composite parts for the high-density of RF high-frequency components and the minimization of the mounting area In response to the trend of miniaturization, miniaturized antennas are required.

상술한 바와 같은 소형화된 특성을 갖는 GPS용 패치 안테나를 구현하기 위한 종래의 방법으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 유전체 기판(2)의 제1 주면(2a)의 거의 전면에 형성된 평판형 접지 전극(3)과, 제2 주면에(2b) 형성되고 거의 정사각형인 방사전극(5) 및 제1 주면(2a)으로부터 기판(2)을 관통하여 방사전극에 접속된 급전선(7)을 포함하도록 구성하고, 상기 정사각형 패치인 방사전극(5)이 주파수 실효파장의 반과 실질적으로 동일한 길이를 가지며 원형편파를 발생시키도록 대각으 로 마주하는 2개의 코너를 절단하여 축퇴분리부(9)를 형성함으로써, 상기 축퇴분리부(9)에 의해 두개의 직교모드(orthogonal mode)로 분리되고 절단된 조각의 크기(Δs)를 적절히 조절하여 그 직교모드가 동일크기의 90°위상 차이를 갖게 하여 원편파 안테나를 만들 수 있었다.As a conventional method for implementing a patch antenna for GPS having a miniaturized characteristic as described above, as shown in Fig. 1, a flat ground formed on almost the entire surface of the first main surface (2a) of the dielectric substrate (2) To include an electrode 3, a radiation electrode 5 formed on the second main surface 2b and a feed line 7 connected to the radiation electrode from the first main surface 2a and penetrating the substrate 2 from the first main surface 2a. By forming the degenerate separation section 9 by cutting the two corners diagonally facing each other so that the radial electrode 5, which is the square patch, has a length substantially equal to half of the frequency effective wavelength and generates circular polarization. By degenerating the two orthogonal modes by the degenerate separator 9, the size (Δs) of the cut pieces are appropriately adjusted so that the orthogonal modes have a 90 ° phase difference of the same size so that the circularly polarized antenna Could make

상술한 바와 같이, 지금까지의 GPS 대역(L1 : 1.575Ghz)의 소형화된 특성을 갖는 패치 안테나를 구현하기 위한 방법은 비 유전 상수 값이 높은 세라믹 유전체 상에 방사패치를 구현하거나, 방사패치 모서리를 전기적으로 단락하기 위해 단락핀 (Shorting-pin)과 칩저항을 부설하여 기본 저차모드(TM₀₁)의 영점 전압 위치(Null-voltage point)를 변경하여 효과적으로 공진 주파수를 낮추는 방법이 제안되었다.As described above, the method for implementing a patch antenna having a miniaturized characteristic of the GPS band (L1: 1.575 Ghz) so far implements a radiation patch on a ceramic dielectric having a high non- dielectric constant value, A method of effectively lowering the resonant frequency by changing the null-voltage point of the basic low-order mode (TM ₀₁ ) by installing a shorting pin and chip resistor to electrically short the circuit has been proposed.

그러나, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 종래 기술에 있어서는, 정사각형 패치인 방사전극의 한 변이 공진 주파수의 λ/ 2 길이를 가져야 하므로 인쇄회로기판 (PCB)에 실장하기 위한 소형화를 위해서는 높은 유전율의 세라믹 소재를 사용해야만 하고, 이에 의해 패치 안테나는 사용 주파수 대역이 좁아지고 방사효율이 저하되는 문제점이 있었다.However, in the prior art having the above-described configuration, since one side of the radiation electrode, which is a square patch, must have a length of λ / 2 of the resonant frequency, a ceramic material having a high dielectric constant for miniaturization for mounting on a printed circuit board (PCB) Must be used, whereby the patch antenna has a problem that the frequency band used is narrowed and radiation efficiency is lowered.

또한, 이러한 방법은 제한된 임피던스 대역폭과 표면파(Surface Wave)를 증가시켜 안테나의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라 방사패턴에서 블라인드 앵글 (Blind Angle)을 형성하여 안테나 성능을 제한하는 문제점이 있었다.In addition, this method has a problem of limiting antenna performance by forming a blind angle in a radiation pattern as well as reducing the efficiency of the antenna by increasing a limited impedance bandwidth and surface wave.

그리고, 최근에는 LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic)기술을 사용하여 기계적 강도나 모듈화가 용이한 안테나 구조, FR-4나 에폭시 기판을 다층으로 적층 한 형태의 안테나 및 회로기판 인쇄기술과 홀 가공기술을 이용한 칩 형태의 안테나가 개발되고 있으나, 이와 같은 종류의 안테나에 있어서는 RT/Duroid 기판이나 알루미나 계열의 유전체를 이용한 연구에 집중되어 소형화된 안테나를 구성하는데 효과적이지만 GPS 시스템에서 요구하는 편파특성( 원편파 : RHCP)을 만족시킬 수 없다는 문제점이 있었다.In recent years, LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) technology is used for the antenna structure, which is easy to achieve mechanical strength and modularity, and the antenna and circuit board printing technology and the hole processing technology in which the FR-4 or epoxy substrate is laminated in multiple layers. Although chip-type antennas have been developed, this type of antenna is effective in constructing miniaturized antennas focused on research using RT / Duroid substrates or alumina-based dielectrics, but polarization characteristics required by GPS systems (circular polarization: There was a problem that RHCP) cannot be satisfied.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 모서리가 절단된 구조를 갖는 방사패치에 4개의 T-자형 슬릿이 대칭적으로 부설되도록 구성함으로써, 방사패치의 종횡비를 증가시키거나 또는 방사패치의 비유전율 값의 증가 없이 안테나의 공진 주파수를 낮추어 패치 안테나의 소형화 및 슬림화를 달성할 수 있는 크로스 형상의 개구결합 급전구조를 갖는 GPS용 패치 안테나를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to configure the four T-shaped slit symmetrically placed in the radiation patch having a corner-cut structure to solve the above problems, thereby increasing the aspect ratio of the radiation patch or radiation patch The present invention provides a patch antenna for GPS having a cross-shaped opening-coupled feed structure that can achieve a miniaturization and slimming of a patch antenna by lowering the resonance frequency of the antenna without increasing the relative dielectric constant of.

또한, 본 발명의 다른 목적은 절연판의 중심부에 형성된 크로스 형상의 개구면을 통하여 상기 마이크로 스트립 라인과 상기 방사패치간에 급전구조를 형성함으로써, 급전부분과 방사패치간의 독립적인 설계가 가능하도록 하여 안테나 성능 개선에 유연성을 제공할 수 있는 크로스 형상의 개구결합 급전구조를 갖는 GPS용 패치 안테나를 제공하는 데 있다.In addition, another object of the present invention is to form a feed structure between the micro strip line and the radiation patch through a cross-shaped opening formed in the center of the insulating plate, to enable independent design between the feed portion and the radiation patch antenna performance It is to provide a patch antenna for GPS having a cross-shaped opening-coupled feed structure that can provide flexibility to the improvement.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, RF 신호처리부로부터 입력되는 고주파 신호를 급전하기 위한 마이크로 스트립 라인이 형성된 하부기판과; 상기 마 이크로 스트립 라인과 방사패치 사이의 전자기적인 차폐를 수행하고, 중심부에 상기 마이크로 스트립 라인으로부터 입력되는 고주파 신호를 방사패치에 결합시키기 위한 개구면이 형성된 절연판; 및상기 개구면을 통하여 입력된 고주파 신호를 외부로 방사하기 위하여 슬릿이 대칭적으로 부설된 방사패치가 형성된 상부기판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a lower substrate formed with a micro strip line for feeding a high frequency signal input from the RF signal processor; An insulation plate which performs electromagnetic shielding between the micro strip line and the radiation patch and has an opening surface formed at a central portion thereof for coupling a high frequency signal input from the micro strip line to the radiation patch; And an upper substrate on which a radiation patch in which slits are symmetrically disposed in order to radiate the high frequency signal input through the opening surface to the outside.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2 내지 도 6은 본 발명의 일실시예 따른 크로스 형상의 개구결합 급전구조를 갖는 GPS용 패치 안테나의 구성을 도시한 도면으로서, 도 2는 본 발명에 따른 GPS용 패치 안테나의 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 GPS용 패치 안테나의 상면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 마이크로 스크립 라인이 형성된 하부기판의 상면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 크로스 형상의 개구면이 형성된 절연판의 상면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 T-자형 슬릿이 대칭적으로 부설된 모서리가 절단된 구조를 갖는 방사패치가 형성된 상부기판의 상면도이다.2 to 6 are views showing the configuration of a GPS patch antenna having a cross-shaped opening-coupled feeding structure according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view of the GPS patch antenna according to the present invention, 3 is a top view of a patch antenna for GPS according to the present invention, FIG. 4 is a top view of a lower substrate on which a micro script line is formed according to the present invention, and FIG. 5 is an insulating plate having an opening surface having a cross shape according to the present invention. 6 is a top view of an upper substrate on which a spin patch having a structure in which a T-shaped slit is cut symmetrically and has an edge-cut structure according to the present invention.

하부기판(100)에는, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, RF 신호처리부(미도시)로부터 입력되는 무선 고주파 신호를 입력받은 후, 이를 후술하는 절연판(200)에 형성된 크로스 형상의 개구면(201)을 통하여 상부기판(300)에 형성된 방사패치 (301)에 인가하기 위한 소정의 저항값, 예를 들면 50오옴의 저항값을 갖는 마이크로 스트립 라인(101)이 형성되어 있다.As shown in FIGS. 2 and 4, the lower substrate 100 receives a radio frequency signal input from an RF signal processing unit (not shown), and then has a cross-shaped opening surface formed on the insulating plate 200 to be described later. A micro strip line 101 having a predetermined resistance value, for example, a resistance value of 50 ohms, is applied to the radiation patch 301 formed on the upper substrate 300 through the 201.

여기서, 하부기판(100)은 알루미나 계열의 유전체 기판으로서, 보다 상세하 게는 비유전 상수 값이 9.5이고 기판의 두께가 0.635인 유전체 기판이다.Here, the lower substrate 100 is an alumina-based dielectric substrate, and more specifically, a dielectric substrate having a dielectric constant of 9.5 and a thickness of 0.635.

절연판(200)은, 도2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하부기판(100)과 후술하는 상부기판(300) 사이에 위치하여 상기 마이크로 스트립 라인(101)과 다른 능동 소자간에 커플링이나 스퓨리어스 방사의 영향을 방지하는 안테나의 접지면으로 작용하며, 상기 RF 신호처리부에 의해 신호 처리된 무선 고주파 신호를 안테나로 전달하기 위한 상기 마이크로 스트립 라인(101)과 후술하는 방사패치 사이(301)에서 전자기적인 차폐를 수행한다.As shown in FIGS. 2 and 5, the insulating plate 200 is positioned between the lower substrate 100 and the upper substrate 300, which will be described later, to form a coupling between the micro strip line 101 and another active element. It acts as a ground plane of the antenna to prevent the influence of spurious radiation, and between the microstrip line 101 for transmitting the radio frequency signal processed by the RF signal processor to the antenna 301 and the radiation patch described later (301) Perform electromagnetic shielding.

또한, 상기 절연판(200)은 중심부에 상기 마이크로 스트립 라인(101)으로부터 입력되는 무선 고주파 신호를 수용하여 후술하는 방사패치(301)에 인가하기 위한 임계 커플링(Critical coupling)이나 또는 임피던스 매칭을 위한 리액턴스 제어를 용이하게 수행할 수 있도록 크로스 형상의 개구면(201)이 형성되어 있다.In addition, the insulation plate 200 may receive a radio frequency signal input from the micro strip line 101 at a central portion thereof, and apply it to a critical coupling or impedance matching for applying to a radiation patch 301 which will be described later. A cross-shaped opening surface 201 is formed to facilitate reactance control.

따라서, 상기 절연판(200)의 중심부에 형성된 크로스 형상의 개구면(201)을 통하여 상기 마이크로 스크립 라인(101)과 후술하는 방사패치(301)간에 급전구조를 형성함으로써, 급전부분과 방사패치간의 독립적인 설계가 가능하여 안테나 성능 개선에 유연성을 제공할 수 있다.Therefore, a feed structure is formed between the micro script line 101 and the radiation patch 301 to be described later through the cross-shaped opening surface 201 formed at the center of the insulating plate 200, thereby independent of the feed portion and the radiation patch. The design allows for flexibility in improving antenna performance.

상부기판(300)은, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 절연판(200)의 크로스 형상의 개구면(201)을 통하여 상기 마이크로 스트립 라인(101)으로부터 인가되는 무선 고주파 신호(RF)를 입력받아 이를 외부로 방사하기 위한 소정의 크기, 예를 들면 11.6 x 11.6mm 크기의 방사패치(301)가 형성되어 있으며, 상기 방사패치 (301)에는 4개의 T-자형 슬릿(302)이 대칭 구조로 부설되어 있다.As shown in FIGS. 2 and 6, the upper substrate 300 is a radio frequency signal RF applied from the micro strip line 101 through the cross-shaped opening surface 201 of the insulating plate 200. A radiation patch 301 having a predetermined size, for example, 11.6 x 11.6 mm, is formed to receive the radiation to the outside, and four T-shaped slits 302 are symmetric in the radiation patch 301. It is laid in a structure.

또한, 상기 방사패치(301)는 소정의 방법, 예를 들면 스크린 인쇄 방법에 의거하여 상기 상부기판(300)상에 전도성 물질인 은(Ag)으로 부설되어 있다. In addition, the radiation patch 301 is formed of silver (Ag), which is a conductive material, on the upper substrate 300 according to a predetermined method, for example, a screen printing method.

여기서, 상기 상부기판(300)은 안테나의 저자세 특성(Low-profile)을 위하여 고 유전율 특성, 예를 들면 비유전율 값이 21인 유전체 세라믹 쉬트로 구성되어 있다.Here, the upper substrate 300 is composed of a dielectric ceramic sheet having a high dielectric constant, for example, a relative dielectric constant of 21, for low-profile characteristics of the antenna.

이하, 상부기판에 형성된 방사패치와 상기 방사패치에 부설된 대칭구조의 T-자형 슬릿의 구성 및 기능를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and function of the radiation patch formed on the upper substrate and the T-shaped slit of the symmetrical structure attached to the radiation patch will be described in more detail.

상기 방사패치(301)는 안테나의 부피를 효과적이고 신축성 있게 감소시키기 위하여 전도성 물질, 예를 들면 은 등의 전도성 물질로 도포 되어 있으며, GPS시스템에서 요구하는 원형편파(RHCP) 특성을 만족시키기 위하여 소정의 크기, 예를 들면 0.8x0.8mm의 크기로 모서리가 절단된 구조(Corner truncated)를 갖는다.The radiation patch 301 is coated with a conductive material, for example, a conductive material such as silver to reduce the volume of the antenna effectively and flexibly, and to satisfy the circular polarization (RHCP) characteristics required by the GPS system. It has a corner truncated structure, for example, a size of 0.8 × 0.8 mm.

또한, 상기 방사패치(301)에는 다른 안테나 성능을 저하시키지 않고 상기 방사패치(301)에 표면전류(Surface Current)의 실효길이(Effect Length)를 증가시켜 공진 주파수를 감소시키고 상기 안테나의 Q-factor를 낮추어 임피던스 대역폭을 개선함으로써, 상기 방사패치(301)에 전류의 실효 길이(Current Path)를 물리적으로 증가시켜 동일 크기의 방사패치에 비해 소형화된 안테나를 형성할 수 있는 4개의 T-자형 슬릿(302)이 대칭적으로 부설되어 있다.In addition, the radiation patch 301 increases the effective length of the surface current in the radiation patch 301 to reduce the resonance frequency without degrading other antenna performance and reduces the Q-factor of the antenna. By lowering the impedance bandwidth to improve the impedance, the radiation path 301 by physically increasing the current (Current Path) of the current (four T-shaped slit that can form a miniaturized antenna compared to the radiation patch of the same size ( 302 is symmetrically laid.

상술한 바와 같이 모서리가 절단된 구조를 갖는 방사패치(301)에 4개의 T-자형 슬릿(302)이 대칭적으로 부설되도록 구성함으로써, 본 발명은 공진 주파수를 낮추기 위하여 방사패치의 종횡 비를 증가시키거나 또는 방사패치의 비유전율 값을 증가시키지 않으면서 효과적으로 안테나의 공진 주파수를 낮추어 일반적인 패치 안테나의 크기에 비해 약 45%의 크기를 감소시킬 수 있다. By constructing four T-shaped slits 302 symmetrically placed in the radiation patch 301 having a corner-cut structure as described above, the present invention increases the aspect ratio of the radiation patch to lower the resonance frequency. By reducing the antenna's resonant frequency without increasing the relative dielectric constant value of the radiation patch, the size of the antenna can be reduced by about 45% compared to the size of a general patch antenna.

이하, 도 7, 도 8a 및 도 8b를 참조하여 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿이 부설된 방사패치를 구비한 GPS용 패치 안테나의 공진 주파수 특성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the resonance frequency characteristics of the GPS patch antenna having the radiation patch in which the T-shaped slit is installed according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 7, 8A, and 8B.

여기서, 도 7은 본 발명에 따른 T-형 슬릿의 형성 유무에 따른 패치 안테나의 공진 주파수 변화를 도시한 도면이고, 도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 T-형 슬릿의 설계변경에 따른 패치 안테나의 공진 주파수 특성을 도시한 도면이다.7 is a view showing a change in the resonance frequency of the patch antenna with or without the formation of the T-type slit according to the present invention, Figures 8a and 8b is a patch according to the design change of the T-type slit according to the present invention It is a figure which shows the resonance frequency characteristic of an antenna.

도 7는 본 발명에 따른 방사패치에 대칭형의 T-자형 슬릿이 형성된 패치 안테나와 상기 슬릿이 형성되지 않은 일반 패치 안테나 상호간의 공진 주파수 변화를 도시한 도면으로서, 상기 패치 안테나의 공진 주파수를 만족시키기 위한 패치 안테나의 크기는 (

_r )^-1/2에 비례하므로 소형의 패치 안테나를 설계하기 위해서는 안테나의 비유전율 값을 증가시키면 된다.7 is a diagram illustrating a change in resonance frequency between a patch antenna in which a symmetrical T-shaped slit is formed in a radiation patch and a general patch antenna in which the slit is not formed, and satisfying a resonance frequency of the patch antenna. The size of the patch antenna for (

_r ) Since it is proportional to ^-1/2 , the relative dielectric constant of the antenna may be increased to design a small patch antenna.

그러나, 상기한 바와 같이 안테나의 비유전율 값을 증가시키면 안테나의 효율과 임피던스 대역폭이 작아지므로 안테나 성능을 저하시키는 문제점 또한 발생한다.However, as described above, increasing the relative dielectric constant of the antenna decreases the efficiency and impedance bandwidth of the antenna, thereby causing a problem of degrading antenna performance.

따라서, 본 발명에서는 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 상부기판(300)에 형성된 모서리가 절단된 방사패치상(301)에 T-자형 슬릿(302)을 대칭적으로 부설하여 상기 방사패치(301)의 물 리적인 표면전류의 실효길이를 효과적으로 증가시킴으로써, 패치 안테나의 크기를 감소시킬 수 있도록 구성된 것이다.Therefore, in the present invention, in order to solve the problems as described above, as shown in Figure 2 and 5, the T-shaped slit ( By symmetrically laying 302 to effectively increase the effective length of the physical surface current of the radiation patch 301, it is configured to reduce the size of the patch antenna.

상술한 내용을 보다 구체적으로 설명하면, 상기 상부기판(300)에 형성된 모서리가 절단된 방사패치상(301)에 부설된 T-자형 슬릿(302)에 의해 원편파를 형성하는 표면 전류의 회전 흐름이 대칭으로 형성된 상기 4개의 T-자형 슬릿(302)의 중심에 집중적으로 형성된다.In more detail, the flow of surface current that forms a circular polarization by the T-shaped slit 302 attached to the radiated patch image 301 of the corner formed on the upper substrate 300 is cut. The symmetrically formed four T-shaped slits 302 are formed centrally.

즉, 방사패치(301) 중심에 위치하는 크로스 형상의 개구면( Closed Aperture)(201)에 의해 자계 에너지 밀도(Magnetic Energy Density)는 개구면이 위치한 패치 안테나의 중심에 집중되고, 방사패치(301)의 표면 전류 분포는 4개의 T-자형 슬릿(302)주변으로 회전하여 안테나의 전기적인 전류의 경로(Current Path)를 증가시키고, 물리적으로 증가된 전류의 경로는 등가적으로 인덕턴스 성분을 유기 시킨다.That is, the magnetic energy density is concentrated in the center of the patch antenna where the opening surface is located by the cross-shaped closed surface 201 located at the center of the radiation patch 301, and the radiation patch 301 is formed. ), The surface current distribution rotates around the four T-shaped slits 302 to increase the current path of the electrical current of the antenna, and the physically increased current path equivalently induces the inductance component. .

이와 같이 등가적으로 유기된 인덕턴스 성분으로 인하여 패치 안테나의 공진 주파수는 T-자형 슬릿(302)의 길이가 증가할수록 낮아지며, 도 5에 도시된 바와 같이, T-자 형상 슬릿이 존재하지 않을 경우 2.545Ghz인 공진 주파수가 방사패치 (301)상에 T-자형 슬릿(302)을 부설함으로써 공진 주파수가 1.575Ghz로 감소되어 약 970Mhz 정도 낮아진다는 것을 알 수 있다.The resonance frequency of the patch antenna is lowered as the length of the T-shaped slit 302 increases due to the inductively induced inductance component as described above, and as shown in FIG. 5, when the T-shaped slit is not present, 2.545 It can be seen that the resonance frequency, which is Ghz, is reduced by about 970 Mhz by reducing the resonance frequency to 1.575 Ghz by installing the T-shaped slit 302 on the radiation patch 301.

또한, 상부기판(300)의 전기적 특성이 동일한 경우 1.575Ghz의 공진 주파수가 갖는 안테나의 종횡비는 약 26mm이나, 본 발명에 의하면 방사패치의 크기를 14.4mm로 구성할 수 있어 약 44.65%의 감소효과를 구현 할 수 있는 것이다.In addition, if the electrical characteristics of the upper substrate 300 are the same, the aspect ratio of the antenna having a resonance frequency of 1.575Ghz is about 26mm, but according to the present invention, the size of the radiation patch can be configured as 14.4mm, thereby reducing the effect of about 44.65%. Can be implemented.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 방사패치(301)에 대칭형의 T-자형 슬릿(302)이 형성된 패치 안테나에서 상대적으로 공진 주파수에 적은 영향을 미칠 것으로 예상되는 Ws x L_S의 설계변수를 0.5 x 4mm로 고정시킨 후, T-자형 슬릿(302)을 구성하는 L_T와 W_T의 설계변수에 따른 공진 주파수의 변화를 나타낸 것으로서, 패치 안테나의 공진 주파수는 T-자형 슬릿(302)을 구성하는 폭(W_T)과 길이(L_T)의 설계 변수가 증가할수록 공진 주파수가 현저히 감소하는 특성을 나타내고 있다.8A and 8B illustrate design parameters of Ws x L _S which are expected to have a relatively small influence on the resonance frequency in a patch antenna in which a symmetric T-shaped slit 302 is formed in the radiation patch 301 according to the present invention. After fixing to 0.5 x 4mm, the change in the resonance frequency according to the design variables of L _T and W _T constituting the _T -shaped slit 302, the resonance frequency of the patch antenna is a T-shaped slit 302 As the design variable of the width W _T and the length L _T increases, the resonance frequency decreases significantly.

따라서, 상기한 바와 같이 방사패치(301) 상에 대칭적으로 부설된 T-자형 슬릿(302)은 상기 방사패치(301)의 표면 전류 경로를 증가시킴으로써 방사패치(301)의 크기를 효과적으로 감소시킬 수 있는 것이다. Thus, the T-shaped slit 302 symmetrically placed on the radiation patch 301 as described above can effectively reduce the size of the radiation patch 301 by increasing the surface current path of the radiation patch 301. It can be.

이하, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿이 부설된 방사패치를 구비한 GPS용 패치 안테나의 임피던스 궤적(스미스 차트)의 특성을 상세하게 설명한다.9 and 10 will be described in detail the characteristics of the impedance trajectory (Smith chart) of the GPS patch antenna with a radiation patch is provided with a T-shaped slit according to the present invention.

여기서, 도 9는 본 발명에 따른 방사패치의 개방 스터브의 길이에 따른 임피던스 궤적의 특징을 도시한 스미스 차트이고, 도 10은 본 발명에 따른 크로스 개구면의 길이에 따른 임피던스 궤적의 특징을 도시한 스미스 차트이다.9 is a Smith chart showing the characteristics of the impedance trajectory according to the length of the open stub of the radiation patch according to the present invention, Figure 10 is a characteristic of the impedance trajectory according to the length of the cross opening surface according to the present invention. Smith chart.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 방사패치(301)의 개방 스터브의 길이(F_OS)가 3mm 에서 7mm로 증가시 임피던스의 궤적이 커지면서 공진주파수 (f_o=1.575Ghz) 지점이 스미스 차트의 단락 회로 위치로 이동하며, 또한 크로스 형상의 개구면(201)의 길이(Lap)를 3.6mm에서 4.6mm로 증가함에 따라 일정 정항원 (constant resistance circle)을 유지하면서 공진 주파수 지점이 스미스 차트 상에서 용량성 영역(Capacitive region)에서 유도성 영역(Inductive region)으로 이동한다. As shown in FIGS. 9 and 10, when the length F _OS of the open stub of the radiation patch 301 increases from 3 mm to 7 mm, the resonance frequency (f _o = 1.575 Ghz) point is increased as the locus of impedance increases. The resonant frequency point is moved on the Smith chart while maintaining the constant resistance circle as the length Lap of the cross-shaped opening surface 201 is increased from 3.6 mm to 4.6 mm as it moves to the short circuit position of. It moves from the capacitive region to the inductive region.

따라서, 패치 안테나의 입력 임피던스 저항성분과 리액턴스 저항 정분을 결정하는 주된 설개요소는 크로스 형상의 개구면(201)의 길이(L_ap)와 방사패치(301)의 개방 스터브(F_OS)의 길이에 관련한다는 것을 알 수 있다.Therefore, the main explanation factors for determining the input impedance resistance component and the reactance resistance component of the patch antenna are related to the length L _ap of the cross-shaped opening surface 201 and the length of the open stub F _OS of the radiation patch 301. It can be seen that.

이하, 도 11a, 도 11b 및 도 12을 를 참조하여 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿이 부설된 방사패치를 구비한 GPS용 패치 안테나의 반사 손실값과 스미스 차트상의 임피던스 특성 및 방사패턴을 상세하게 설명한다.Hereinafter, referring to FIGS. 11A, 11B, and 12, reflection loss values, impedance characteristics, and radiation patterns on a Smith chart of a GPS patch antenna including a radiation patch in which a T-shaped slit is installed according to the present invention will be described. It demonstrates in detail.

도 11a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 크로스 형상의 개구결합 급전구조를 갖는 GPS용 패치 안테나는 1.575GHz에서 공진 주파수가 형성됨을 알 수 있으며, 또한 도 11b에 도시된 바와 같이, 대역폭 측면에 있어서 안테나의 전기적인 특성은 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) < 2 규격으로 결정되고, 중심주파수 1.575GHz를 중심으로 약 21MHz 로 GPS 수신기에 요구되는 사양을 만족하고 있다.As shown in FIG. 11A, the GPS patch antenna having a cross-shaped opening-coupled feed structure according to the present invention can be seen that a resonant frequency is formed at 1.575 GHz, and as shown in FIG. 11B, in terms of bandwidth, Therefore, the electrical characteristics of the antenna are determined by VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) <2, and meet the specifications required for the GPS receiver at about 21MHz around the center frequency 1.575GHz.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 T-자 형상의 슬릿이 부설된 방사패치를 구비한 GPS용 패치 안테나는, GPS 통신환경에서는 전체 방위에 걸쳐 앙각으로 수신 가능한 지향성이 요구되는데, T-자형 슬릿(201)의 부설에 의해 큰 왜곡 없이 대칭적인 패턴을 유지하고 있으며, 여기서 본 발명에 의해 설계된 안테나의 이득은 2.8dBi의 특성을 나타내었고, 3dB 축비 대역폭은 약 17MHz로 양호한 특성을 얻을 수 있다. In addition, as shown in Figure 12, the GPS patch antenna with a radiation patch is attached to the T-shaped slit according to the present invention, the directivity that can be received at elevation angles over the entire orientation in the GPS communication environment is required The T-shaped slit 201 maintains a symmetrical pattern without significant distortion. The antenna designed by the present invention exhibits a characteristic of 2.8 dBi, and the 3 dB axial bandwidth is about 17 MHz. Can be obtained.

상기한 바와 같이, 본 발명은 모서리가 절단된 구조를 갖는 방사패치에 4개의 T-자형 슬릿이 대칭적으로 부설되도록 구성함으로써, 방사패치의 종횡비를 증가시키거나 또는 방사패치의 비유전율 값의 증가없이 안테나의 공진 주파수를 낮추어 패치 안테나의 소형화 및 슬림화를 달성하는 효과가 있다.As described above, the present invention is configured such that the four T-shaped slits are symmetrically laid in the radiation patch having a corner-cut structure, thereby increasing the aspect ratio of the radiation patch or increasing the relative dielectric constant value of the radiation patch. There is an effect of achieving a miniaturization and slimming of the patch antenna by lowering the resonance frequency of the antenna without.

또한, 본 발명은 절연판의 중심부에 형성된 크로스 형상의 개구면을 통하여 상기 마이크로 스트립 라인과 상기 방사패치간에 급전구조를 형성함으로써, 급전부분과 방사패치간의 독립적인 설계가 가능하도록 하여 안테나 성능 개선에 유연성을 제공할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention forms a feed structure between the micro strip line and the radiation patch through a cross-shaped opening formed in the center of the insulating plate, thereby enabling an independent design between the feed portion and the radiation patch to improve the antenna performance flexibility There is an effect that can provide.

여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Herein, while the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art will variously modify the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. And can be changed.

Claims

A lower substrate having a microstrip line for feeding a high frequency signal input from the RF signal processor;

An insulation plate which performs electromagnetic shielding between the micro strip line and the radiation patch and has an opening surface formed at a central portion thereof for coupling a high frequency signal input from the micro strip line to the radiation patch; And

Including a top substrate formed with a radiation patch slit is symmetrically laid in order to radiate the high frequency signal input through the opening surface to the outside,

The slit formed on the upper substrate is a patch antenna for GPS, characterized in that the T-shaped.

The method of claim 1,

A patch antenna for GPS, characterized in that the opening surface formed on the insulating plate has a cross shape.

delete

The method of claim 1,

The radio patch is a patch antenna for GPS, characterized in that configured in the shape of a corner cut to generate a circular polarization.

The method according to claim 1 or 4,

The patch patch for GPS, characterized in that the radiation patch is attached to the upper substrate by a conductive material by screen printing.

The method of claim 1,

The upper substrate is a patch antenna for GPS, characterized in that the ceramic dielectric having a high dielectric constant.