KR101070758B1

KR101070758B1 - 지피에스용 패치 안테나

Info

Publication number: KR101070758B1
Application number: KR1020090017176A
Authority: KR
Inventors: 손태호; 성하원
Original assignee: 순천향대학교 산학협력단
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-10-07
Also published as: KR20100098153A

Abstract

본 발명의 일실시 예는 GPS용 패치 안테나에 관한 것이다.

본 발명의 일실시 예에 따라 접지층, 접지층의 상부에 이격되어 배치되는 패치층 및 접지층과 패치층 사이에 배치되는 유전체층을 포함하는 GPS용 패치 안테나에 있어서, 패치층은 접지층과 접하면서 수직되어 형성되는 제1 패치면, 제1 패치면과 서로 마주보며 형성되는 제2 패치면, 제1 패치면과 제2 패치면 사이에 배치되어 제1 패치면 및 제2 패치면에 접하여 형성되는 제3 패치면, 제3 패치면과 서로 마주보고 제1 패치면 및 제2 패치면과 접하면서 형성되는 제4 패치면 및 접지층과 서로 마주보면서 제1 패치면 내지 제4 패치면과 접하여 형성되는 제5 패치면을 포함하고, 제1 패치면 내지 제4 패치면에 적어도 하나 이상의 패치 홀이 형성되는 것을 포함한다.

GPS, 안테나, 패치

Description

지피에스용 패치 안테나{Patch Antenna for GPS}

일실시 예는 GPS용 패치 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 마이크로스트립 패치 안테나는 이동통신용 및 위성통신용 안테나로 널리 사용되고 있는 안테나이다. 이러한 안테나는 전송선로인 마이크로스트립 선로 혹은 동축선로와 연결되어 한 개의 소자 혹은 여러 개 소자를 배열한 안테나로 적용되고 있다.

도 1은 일반적인 패치 안테나를 설명하기 위한 것이고, 도 2는 일반적인 GPS안테나로 사용되는 세라믹패치 안테나를 설명하기 위한 것이다.

도 1을 살펴보면, 안테나 패치의 크기는 사용하는 주파수에 따라 다르게 되는데, 사용 주파수가 낮을수록 크기가 커지며, 주파수가 높을수록 크기가 작아진다.

이러한 안테나 패치의 폭 W, 길이 L의 관계식은 아래 수학식 (1), (2)와 같다.

따라서 주파수가 높을수록 혹은 기판의 유전율이 높을수록 치수 W, L은 작아지게 된다. 이 안테나는 안테나 전면으로 방사가 일어나고, 후면으로는 일어나지 않는 지향성 방사특성을 갖는다. 또한 유전체 기판 상단 면에 동과 같은 도체로 만들어지기 때문에 제작성이 뛰어난 장점을 가진다. 이에 따라, 이득이 크고 지향성이 필요한 이동통신, 국간통신 및 위성통신용 안테나로 널리 적용되고 있다.

도 2를 살펴보면, 일반적인 패치안테나는 손쉽게 원편파 방사특성을 얻을 수 있기 때문에 원편파를 사용하는 GPS시스템 등 위성통신에 널리 적용되고 있다. 현재 차량용 네비게이션(navigation) 및 샤크(shark)안테나 시스템의 GPS안테나로는 세라믹(ceramic) 유전체를 사용하는 세라믹패치 안테나(혹은 세라믹안테나라 부름)가 사용되고 있다.

한편, 세라믹패치 안테나의 경우 세라믹을 유전체 기판으로 사용한다. 따라서 공정이 까다롭기 때문에 고가이다. 더구나 세라믹의 강유전율에 의해 밴드특성 이 매우 협소하다. GPS시스템 밴드특성을 만족하기 위하여 유전체의 높이를 높인 두꺼운 세라믹을 사용하고 있다. 따라서 무게가 무겁고 견고하므로 가공이 불가한 단점을 지니고 있다. 또한 강유전체 적용으로 인한 방사효율의 저하로 이득이 떨어지고 온도에 따라 유전율이 변함으로써 공진주파수가 변하는 문제점이 발생하였다.

본 발명의 일실시 예에 따라 패치층에 패치 홀을 형성함과 동시에 패치층의 크기를 줄임으로써 저가격 및 고이득 특성을 가질 수 있는 GPS용 패치 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나는 패치층에 패치 홀을 형성함으로써 패치층의 크기를 줄일 수 있어 더욱 효과적으로 제품의 소형화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나는 패치층의 크기를 줄 임에 따라 공진주파수를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나는 공기를 유전체층으로 사용할 수 있어 밴드 폭이 넓고, 큰 이득 특성을 가질 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나는 공기를 유전체층으로 사용함에 따라 제품의 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나를 설명하기 위한 것이다.

도 3 내지 도 5를 살펴보면, 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나는 접지층(100), 패치층(200) 및 유전체층(300)을 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 접지층(100)은 GPS용 패치 안테나가 안정적으로 접지되도록 하며, 커넥터 접지부 또는 동축 케이블 접지부 등이 접속될 수 있다. 이러한 접지층(100)은 패치층(200)과 실질적으로 동일한 형상을 가지며, 접지층(100)의 넓이는 패치층(200)의 넓이보다 넓을 수 있다. 이는 패치층(200)에서 방사되는 방사 패턴을 대칭적으로 원형에 가깝게 유도하여 원하지 않은 방향으로의 방사량을 최소화하고 수직방향으로 집중되도록 하여 위성에서 쏘는 신호를 잘 수신하기 위해서이다.

패치층(200)은 접지층(100)의 상부에 이격되어 배치될 수 있다. 이러한 패치층(200)은 접지층(100)과 접하면서 수직되어 형성되는 제1 패치면(211), 제1 패치 면(211)과 서로 마주보며 형성되는 제2 패치면(212), 제1 패치면(211)과 제2 패치면(212) 사이에 배치되어 제1 패치면(211) 및 제2 패치면(212)에 접하여 형성되는 제3 패치면(213), 제3 패치면(213)과 서로 마주보고, 제1 패치면(211) 및 제2 패치면(212)과 접하면서 형성되는 제4 패치면(214) 및 접지층(100)과 서로 마주보면서 제1 패치면(211) 내지 제4 패치면(214)과 접하여 형성되는 제5 패치면(215)을 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 패치층(200)은 제1 패치면(211) 내지 제5 패치면(215)으로 구성되고 제1 패치면(211) 내지 제4 패치면(214)에 적어도 하나 이상의 패치 홀(210)이 형성될 수 있다. 적어도 하나 이상의 패치 홀(210)이 패치층(200)에 형성됨에 따라 패치층(200)의 크기를 줄일 수 있다. 이와 같이, 패치층(200)의 크기가 줄어들 수 있어 더 낮은 공진주파수를 가질 수 있는 것이다. 여기서 패치 홀(210)은 제1 패치면(211) 내지 제4 패치면(214) 중 제3 패치면(213)와 제4 패치면(214)에 형성되는 것이 효율적으로 패치층(200)의 크기를 줄일 수 있으며, 특히, 이러한 패치 홀(210)은 제5 패치면(215)의 중앙부와 거리가 먼 제3 패치면(213) 및 제4 패치면(214)과 접하는 부분에 형성되는 것이 더욱 효율적으로 패치층(200)의 크기를 줄일 수 있다. 이에 따라, 낮은 공진 주파수를 형성함과 동시에 GPS용 패치 안테나를 소형화할 수 있는 것이다.

게다가 제5 패치면(215)의 중앙을 중심으로 제3 패치면(213)과 제4 패치면(214)은 서로 대칭되어 형성될 수 있다. 이와 같이 제3 패치면(213)과 제4 패치면(214)이 서로 대칭되어 형성됨에 따라 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라 좌 우 대칭적으로 패치층(200)의 크기를 줄일 수 있다.

또한, 이러한 패치층(200)은 크기를 줄이기 위해 제5 패치면(215)을 사다리꼴로 형성할 수 있다. 즉, 제5 패치면(215)을 사다리꼴로 형성하고 제3 패치면(213) 및 제4 패치면(214)에 패치 홀(210)을 형성함으로써, 보다 효율적으로 패치층(200)의 크기를 줄일 수 있으며 최대 40%까지 줄일 수 있다.

GPS 시스템은 위성통신 시스템으로 우회전 원편파 방사특성으로 통신을 하는 시스템이다. 이에 따라 본 발명의 GPS용 패치 안테나는 더욱 효율적으로 우회전원편파 특성을 얻기 위해 슬롯(220)과 급전부(230)를 형성할 수 있다. 즉. 제5 패치면(215)의 중심부에 슬롯(220)을 형성하고 슬롯(220) 근처에 이심을 갖도록 급전부(230)를 형성하여 급전해 줌으로써 우회전 원편파 특성을 더욱 효과적으로 가질 수 있다.

도 4에서는 슬롯(220)이 하나로 형성된 것만 도시하였지만 이러한 슬롯(220)이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 이와 같이 다중으로 슬롯(220)이 형성되면 이중대역에서 원형편파를 발생시키고 하나의 안테나로 두 가지의 신호를 수신할 수 있다.

또한 슬롯(220)의 형상은 십자가 형상, H 형상 삼각형 형상 등으로 다양하게 형성될 수 있다. 즉, 위성통신을 통해 수신되는 통신 기능에 가장 적합한 형상으로 슬롯(220)의 형상을 변경할 수 있다.

유전체층(300)은 접지층(100)과 패치층(200) 사이에 배치될 수 있다. 이러한 유전체층(300)은 유전율이 낮은 공기(Air)일 수 있다. 이와 같이, 유전율이 낮은 공기(Air)를 유전체층(300)으로 사용함으로써 안테나 방사 효율, 대역폭 및 안테나 특성 등이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 제작 단가도 낮출 수 있다. 즉, 유전체층(300)이 공기(Air)를 포함하여 구성됨으로써, 고유전율로 인한 유전체 손실을 최소화할 수 있는 것이다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나의 단면을 설명하기 위한 것이다. 도 6에서는 도 3 내지 도 5에서 이미 설명한 부분에 대해서는 생략하기로 한다.

도 6을 살펴보면, 본 발명의 일실시 예에 따라 GPS용 패치 안테나의 단면 펼쳐서 제1 패치면(211) 내지 제5 패치면(215)을 나타낸 것이다.

접지층(100)과 접하는 수직하는 제1 패치면(211)의 높이(h1)는 접지층(100)과 접하는 수직하는 제2 패치면(212)의 높이(h2)보다 짧을 수 있다. 이에 따라, 제1 패치면(211)의 넓이는 제2 패치면(212)의 넓이보다 작을 수 있다. 이와 같이 패치층(200)이 형성됨으로써, 상대적으로 사다리꼴 면적을 넓혀줄 수 있을 뿐만 아니라 소형화율을 높일 수 있다. 또한 이와 같이 패치층(200)이 형성됨으로써, 다양한 안테나 형상에 적용될 수 있으며, 특히 샤크 꼬리(shark tail) 형상에 적합하게 적용될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나의 S11 및 대역특성을 설명하기 위한 것이고, 도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나의 방사 패턴을 설명하기 위한 것이다.

도 7을 살펴보면, 본 발명의 일실시 예에 따라 GPS용 패치 안테나를 적용하 였을 때의 S11 및 대역특성을 나타난 것이다.

본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나의 대역은 정재파비 2:1을 기준으로 1.54-1.68GHz의 140MHz 광대역을 가질 수 있다. 이는 일반 세라믹 패치안테나가 가지는 10MHz 대역에 비하면 14배가 넓은 대역을 가질 수 있는 것이다.

또한 GPS주파수인 1.575GHz에서의 방사특성은 도 8에 도시된 바와 같이 다른각도 방향보다 0도 방향으로 최대방사가 나타나므로 GPS용 안테나로 사용하기에 적합할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 안테나의 다양한 패치층을 설명하기 위한 것이다.

패치층(200)에 형성되는 패치 홀(210)은 제3 패치면(213) 및 제4 패치면(214)에 소정의 간격과 소정의 폭을 가지면서 소정의 깊이로 형성되어 패치층(200)의 크기를 줄임으로써 더 낮은 공진주파수를 가질 수 있다. 이에 따라 접지층(100)과 수평되는 방향으로 절단한 패치 홀(210)의 단면은 다각형 형상으로 형성될 수 있다. 도 8의 (a) 반원 형상(210a), (b) 삼각형 형상(210b), (c) 머리빗 형상(210c) 등이 형성될 수 있으며, 도 8의 (d)와 같이, 제1 패치면(211)에서 제2 패치 면으로 갈수록 패치 홀(210d)의 단면이 증가하도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은 도 8에 도시된 예에 한정되는 것이 아니라 패치층(200)에 소정의 간격과 소정의 폭을 가지면서 소정의 깊이로 형성되어 패치층(200)의 크기를 줄일 수 있으면 다양한 형상의 패치 홀(210a, 210b, 210c, 210d)의 단면을 가질 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나를 설명하기 위한 것이다.

도 10을 살펴보면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나는 접지층(미도시), 패치층(200a) 및 유전체층(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 접지층(미도시) 및 유전체층(미도시)은 도 3 내지 도 5에서 설명한 접지층(100) 및 유전체층(300)과 실질적으로 동일함으로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

패치층(200a)은 접지층(미도시)의 상부에 이격되어 배치될 수 있다. 이러한 패치층(200a)은 접지층(미도시)과 서로 마주보면서 제2 패치면(211a) 내지 제4 패치면(214a)과 접하여 형성되는 제5 패치면(215a), 접지층과 제5 패치면(215a) 사이에 배치되고 서로 마주보면서 형성되는 제3 패치면(213a) 및 제4 패치면(214a), 제3 패치면(213a) 및 제4 패치면(214a)과 접하여 형성되고 접지층(미도시)과 접하면서 수직되어 형성되는 제2 패치면(212a)으로 구성될 수 있다.

도 10에 도시된 패치층은 도 3 내지 도 5에서 도시된 패치층(200a)과 비교하여 패치층(200a)에 제1 패치층이 형성되지 아니할 수 있다. 이와 같이, 제1 패치층이 형성되지 아니함으로써, 패치층(200a)의 크기를 효율적으로 줄일수 있을 뿐만 아니라 GPS용 패치 안테나의 제조단가를 절감할 수 있다. 또한, 제1 패치층이 형성되지 않기 때문에 패치층(200a)이 형성된 접지층(미도시) 반대 면에 전자부품을 용이하게 배치할 수 있다.

또한, 이러한 패치층(200a)은 제2 패치면(212a) 내지 제5 패치면(215a)으로 구성되고 제2 패치면(212a) 내지 제4 패치면(214a)에 적어도 하나 이상의 패치 홀(210a)이 형성될 수 있다. 적어도 하나 이상의 패치 홀(210a)이 패치층(200a)에 형성됨에 따라 패치층(200a)의 크기를 줄일 수 있다. 이와 같이, 패치층(200a)의 크기가 줄어들 수 있어 더 낮은 공진주파수를 가질 수 있는 것이다. 여기서 패치 홀(210a)은 제2 패치면(212a) 내지 제4 패치면(214a) 중 제3 패치면(213a)와 제4 패치면(214a)에 형성되는 것이 효율적으로 패치층(200a)의 크기를 줄일 수 있으며, 특히, 이러한 패치 홀(210a)은 제5 패치면(215a)의 중앙부와 거리가 먼 제3 패치면(213a) 및 제4 패치면(214a)과 접하는 부분에 형성되는 것이 더욱 효율적으로 패치층(200a)의 크기를 줄일 수 있다. 이에 따라, 낮은 공진 주파수를 형성함과 동시에 GPS용 패치 안테나를 소형화할 수 있는 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 일반적인 패치 안테나를 설명하기 위한 것이다.

도 2는 일반적인 GPS안테나로 사용되는 세라믹패치 안테나를 설명하기 위한 것이다.

도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나의 단면을 설명하기 위한 것이다.

도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나의 S11 및 대역특성을 설명하기 위한 것이다.

도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 GPS용 패치 안테나의 방사 패턴을 설명하기 위한 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 설명*

100: 접지층 200: 패치층

210: 패치 홀 211: 제1 패치면

212: 제2 패치면 213: 제3 패치면

214: 제4 패치면 215: 제5 패치면

220: 슬롯 230: 급전부

300: 유전체층

Claims

접지층;

상기 접지층의 상부에 이격되어 배치되는 패치층; 및

상기 접지층과 상기 패치층 사이에 배치되는 유전체층;

을 포함하는 GPS용 패치 안테나에 있어서,

상기 패치층은

상기 접지층과 접하면서 수직되어 형성되는 제1 패치면;

상기 제1 패치면과 서로 마주보며 형성되는 제2 패치면;

상기 제1 패치면과 상기 제2 패치면 사이에 배치되어 상기 제1 패치면 및 상기 제2 패치면에 접하여 형성되는 제3 패치면;

상기 제3 패치면과 서로 마주보고, 상기 제1 패치면 및 상기 제2 패치면과 접하면서 형성되는 제4 패치면; 및

상기 접지층과 서로 마주보면서 상기 제1 패치면 내지 상기 제4 패치면과 접하는 제5 패치면을 포함하고,

상기 제1 패치면 내지 제4 패치면에 적어도 하나 이상의 패치 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제1 항에 있어서,

상기 패치층은

상기 제2 패치면 내지 상기 제5 패치면으로 구성되고, 상기 제2 패치면 내지 제4 패치면에 적어도 하나 이상의 패치 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,

상기 제3 패치면 및 상기 제4 패치면 중 적어도 하나 이상의 패치 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제1 항에 있어서,

상기 접지층과 접하여 수직하는 상기 제1 패치면의 높이는 상기 접지층과 접하여 수직하는 상기 제2 패치면의 높이보다 짧은 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제4 항에 있어서,

상기 제1 패치면의 넓이는 상기 제2 패치면의 넓이보다 작은 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,

상기 제5 패치면에는 적어도 하나의 슬롯이 배치되는 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,

상기 제5 패치면에는 적어도 하나의 급전부가 배치되는 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,

상기 유전체층은 공기로 형성되는 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,

상기 제5 패치면의 중앙을 중심으로 상기 제3 패치면과 상기 제4 패치면은 서로 대칭되어 형성되는 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,

상기 접지층과 수평되는 방향으로 절단한 상기 패치 홀의 단면은 다각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.
제9 항에 있어서,

상기 접지층의 넓이는 상기 패치층의 넓이보다 넓은 것을 특징으로 하는 GPS용 패치 안테나.