KR101099255B1 - 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

생산원가를 절감하면서도 기존 패치 안테나와 거의 동일한 성능을 유지할 수 있도록 한 패치 안테나가 제시된다. 제시된 패치 안테나는 상부 패치; 다수의 구멍을 갖는 하부 패치; 및 상부 패치와 하부 패치 사이에 설치된 유전체층을 포함한다. 이러한 본 발명에 의하면, 패치 안테나는 망(Mesh) 구조의 패치를 사용하도록 함으로써, 패치에 사용되는 도전성 재질의 사용량을 최소화하여 패치 안테나의 생산 원가를 절감하면서, 종래의 패치 안테나와 거의 동일한 성능을 유지할 수 있다.

Description

패치 안테나{Patch antenna}

본 발명은 패치 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정보통신 단말기에 채용되는 패치 안테나에 관한 것이다.

무선 통신 기술이 발달함에 따라, 휴대폰, PDA, GPS수신기 등과 같은 정보통신 단말기 대중화가 가능하게 되었다. 이들 정보통신 단말기에는 소형 경량이며 평면형으로 얇게 제조한 패치 안테나가 주로 사용된다.

도 1은 종래 패치 안테나의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1의 패치 안테나는 소정의 두께로 형성되는 유전체층(300)의 일면(상면)에는 안테나의 역할을 하는 평면 형상의 상부 패치(100)가 설치되고, 유전체층(300)의 타면(하면)에는 하부 패치(200)가 설치되는 구성으로 이루어진다.

여기에서, 유전체층(300)은 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성이 우수하여 고주파용 부품으로 많이 사용되는 세라믹이 사용된다. 도 1의 패치 안테나는 세라믹 유전체층을 사용하기 때문에 세라믹 패치 안테나라고도 한다.

여기에서 상부 패치(100) 및 하부 패치(200)의 형상은 사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 고리형 등 다양한 형상으로 형성되는데, 주로 사각형 또는 원형이 사 용된다. 이때, 상부 패치(100) 및 하부 패치(200)는 세라믹 유전체층과의 도전율이 높은 도전성 재질로 형성된다. 상부 패치(100) 및 하부 패치(200)의 구조로는 멀티레이어(multilayer), 벌크 타입(bulk type) 등이 있다.

최근에는, 패치 안테나의 판매가격의 하락과 더불어 국제적인 원자재 가격의 상승에 의해 패치 안테나의 생산원가절감이 요구되고 있는 실정이다. 특히, 세라믹 패치 안테나는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질로 형성된 도전층이 세라믹 유전체층의 상부면 및 하부면을 덮고 있는 구조이기 때문에 도전성 재질(예컨대, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등)의 원자재 비중이 높아 제품 생산 비용이 증가하는 문제점이 발생하였다.

패치 안테나 생산 업체들은 이를 해결하기 위해 도전층 내의 금속(예컨대, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등)의 함량을 낮추거나 금속(예컨대, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등)을 재활용하는 방법 등을 개발하고 있는 실정이다. 하지만, 도전층 내의 금속 함량을 낮추거나 금속을 재활용하는 방법으로 생산된 패치 안테나는 종래의 패치 안테나에 대비하여 최대 이득(peak gain), 축비(Axial Ratio) 등의 성능이 상당히 감소하는 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 그 목적은 생산원가를 절감하면서도 기존 패치 안테나와 거의 동일한 성능을 유지할 수 있도록 한 패치 안테나를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 패치 안테나는, 상부 패치; 다수의 구멍을 갖는 하부 패치; 및 상부 패치와 하부 패치 사이에 설치된 유전체층을 포함한다.

하부 패치는, 접지를 위한 패치이다.

다수의 구멍은 직교 배열 또는 사선 배열 형태의 망 구조로 형성된다.

상부 패치는, 직교 배열 또는 사선 배열 형태의 다수의 구멍이 추가로 형성된다.

본 발명에 의하면, 패치 안테나는 망(Mesh) 구조의 패치를 사용하도록 함으로써, 패치에 사용되는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 사용량을 최소화하여 패치 안테나의 생산 원가를 절감하면서, 종래의 패치 안테나와 거의 동일한 최대 이득(peak gain), 축비(Axial Ratio) 등의 성능을 유지할 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

(제1실시예)

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 패치 안테나의 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 하부 패치를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 패치 안테나는 상부 패치(100), 하부 패치(200), 유전체층(300)을 포함한다.

상부 패치(100)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 유전체층(300)의 상면에 형성되고, 관통 홀(400)이 형성되어 있다.

하부 패치(200)는 상부 패치(100)와 동일한 재질의 박판으로, 유전체층(300) 의 저면에 형성되며, 상부 패치(100)의 관통 홀(400)과 동일한 위치에 관통 홀(400)이 형성된다.

이때, 하부 패치(200)는 다수의 구멍(500)이 직하 방향으로 천공된 망 구조로 형성된다. 여기서, 하부 패치(200)에 천공되는 구멍은 원형, 사각형, 삼각형 등과 같이 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 지름 또는 각 변의 길이가 대략 0.1㎜ 내지 2.5㎜ 정도로 형성되는 것이 바람직하다.

하부 패치(200)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 다수의 구멍(500)이 직교 배열 형태로 천공된 망 구조로 형성되거나, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 다수의 구멍(500)이 사선 배열 형태로 천공된 망 구조로 형성될 수도 있다.

이때, 망 구조의 하부 패치(200)는 패치 안테나가 PCB 기판(미도시)에 장착될 때 망 구조의 하부 패치(200)가 PCB 기판(미도시)의 접지판(미도시)과 겹치게(overlap)되어 망 구조의 하부 패치(200)가 판 구조의 하부 패치(200)와 동일한 특성을 갖게 된다.

또한, 하부 패치(200)는 사선 배열 형태로 천공된 망 구조가 직교 배열 형태로 천공된 망 구조보다 금속의 인쇄 면적이 작으면서 판 구조의 하부 패치(200)와 동일한 특성을 유지하므로 사선 배열 형태로 천공된 망 구조를 사용하는 것이 바람직하다.

망 구조의 도체는 고주파에서 도체에 형성되는 망 크기(Mesh Size; 예컨대, 구멍(500)의 크기)가 파장에 비해 상당히 작을 때에만 판 구조의 도체와 유사한 특성을 갖는다. 이는 동종업계에 종사하는 자라면 혼 안테나의 반사판 구조(예컨대, 판 구조, 망(Grid(mesh)))를 통해서도 알 수 있는 내용이므로 상세한 설명을 생략한다. 따라서, 하부 패치(200)에 천공되는 다수의 구멍(500)은 판 구조의 도체와 유사한 특성을 갖기 위해 패치 안테나의 공진 주파수보다 작은 직경(예를 들면, 대략 0.1㎜ 내지 2.5㎜ 정도)을 갖는다.

유전체층(300)은 상부 패치(100)와 하부 패치(200) 사이에 설치된다. 이때, 유전체층(300)에는 상부 패치(100) 및 하부 패치(200)에 형성된 관통 홀(400)과 동일한 위치에 관통 홀(400)이 형성된다. 여기서, 유전체층(300)은 일반적으로 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성을 갖는 세라믹이 사용되며, 상부 패치(100) 및 하부 패치(200)와의 결합을 위한 구멍(미도시)이 형성될 수도 있다.

여기서, 상부 패치(100)와 하부 패치(200) 및 유전체층(300)에 형성된 관통 홀(400)에는 상부 패치(100)의 급전점(도시 생략)에 연결되는 급전선(도시 생략)이 삽입설치된다. 그 삽입설치된 급전선(도시 생략)의 일단은 상부 패치(100)의 급전점(도시 생략)에 연결되고 상기 급전선(도시 생략)의 타단은 관통 홀(400)을 관통하여 통상적으로 PCB기판의 급전단(도시 생략)에 연결된다.

(제2실시예)

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 패치 안테나의 분해 사시도이며, 도 5는 도 4의 상부 패치를 나타낸 도면이다.

상술한 본 발명의 제1실시예에서는 패치 안테나의 하부 패치(200)가 망(Mesh) 구조로 형성되었으나, 본 발명의 제2실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같 이, 상부 패치(100) 및 하부 패치(200)가 망(Mesh) 구조로 형성된다.

즉, 상부 패치(100)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 유전체층(300)의 상면에 형성되고, 관통 홀(400)이 형성되어 있다.

상부 패치(100)는 다수의 구멍(500)이 직하 방향으로 천공된 망 구조로 형성된다. 여기서, 상부 패치(100)에 천공되는 구멍은 원형, 사각형, 삼각형 등과 같이 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 지름 또는 각 변의 길이가 대략 0.1㎜ 내지 2.5㎜ 정도로 형성되는 것이 바람직하다.

상부 패치(100)는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 다수의 구멍(500)이 직교 배열 형태로 천공된 망 구조로 형성되거나, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 다수의 구멍(500)이 사선 배열 형태로 천공된 망 구조로 형성된다.

이때, 망 구조의 도체는 고주파에서 도체에 형성되는 망 크기(Mesh Size; 예컨대, 구멍(500)의 크기)가 파장에 비해 상당히 작을 때에만 판 구조의 도체와 유사한 특성을 갖는다. 이는 동종업계에 종사하는 자라면 혼 안테나의 반사판 구조(예컨대, 판 구조, 망(Grid(mesh))를 통해서도 알 수 있는 내용이므로 상세한 설명을 생략한다. 따라서, 상부 패치(100)에 천공되는 다수의 구멍(500)은 판 구조의 도체와 유사한 특성을 갖기 위해 패치 안테나의 공진 주파수보다 작은 직경(예를 들면, 대략 0.1㎜ 내지 2.5㎜ 정도)을 갖는다.

상부 패치(100)의 면적은 패치 안테나의 공진 주파수에 영향을 준다. 즉, 상부 패치(100)의 면적이 감소하게 되면 공진 주파수가 증가하게 되고, 면적이 증가 하게 되면 공진 주파수가 감소하게 된다. 따라서, 상부 패치(100)를 망 구조로 형성하는 경우에는 공진 주파수의 변화를 감안하여 상부 패치(100)의 전체 면적을 증가시킬 필요가 있다. 이때, 상부 패치(100)의 전체 면적은 실험을 통해 적절한 면적을 도출할 수 있다.

하부 패치(200) 및 유전체층(300)은 앞서 설명한 제1실시예의 구성요소와 동일하므로 설명을 생략한다. 물론, 제1실시예와 같이, 상부 패치(100)와 하부 패치(200) 및 유전체층(300)에 형성된 관통 홀(400)에는 상부 패치(100)의 급전점(도시 생략)에 연결되는 급전선(도시 생략)이 삽입설치된다. 그 삽입설치된 급전선(도시 생략)의 일단은 상부 패치(100)의 급전점(도시 생략)에 연결되고 상기 급전선(도시 생략)의 타단은 관통 홀(400)을 관통하여 통상적으로 PCB기판의 급전단(도시 생략)에 연결된다.

도 6은 본 발명의 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 패치 안테나와 종래의 패치 안테나의 도체 인쇄 면적을 비교하기 위한 도면이다.

먼저, 판 구조의 하부 패치(200)와 망 구조의 하부 패치(200)에 인쇄되는 도체(예컨대, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등)의 인쇄면적을 비교하기 위해, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 판 구조의 하부 패치(200)에 인쇄되는 도체의 인쇄면적인 대략 558.5㎟ 정도를 100%로 한다.

도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 망 구조의 하부 패치(200)에 지름이 대략 2.5㎜ 정도인 복수의 구멍(500)을 소정 간격으로 천공하면 도체의 인쇄면적은 대략 341.1㎟ 정도로 판 구조의 하부 패치(200)의 인쇄면적에 61%에 해당하는 면적이 된다. 즉, 종래의 판 구조의 하부 패치(200)에 대비하여 도체의 사용량이 대략 39% 정도 감소하게 된다.

도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 망 구조의 하부 패치(200)에 지름이 대략 0.1㎜ 정도인 복수의 구멍(500)을 직교 배열 형태로 천공하면 도체의 인쇄면적은 대략 378.5㎟ 정도로 판 구조의 하부 패치(200)의 인쇄면적에 68%에 해당하는 면적이 된다. 즉, 종래의 판 구조의 하부 패치(200)에 대비하여 도체의 사용량이 대략 32% 정도 감소하게 된다.

도 6의 (d)에 도시된 바와 같이, 망 구조의 하부 패치(200)에 지름이 대략 0.1㎜ 정도인 복수의 구멍(500)을 사선 배열 형태로 천공하면 도체의 인쇄면적은 대략 291.5㎟ 정도로 판 구조의 하부 패치(200)의 인쇄면적에 52%에 해당하는 면적이 된다. 즉, 종래의 판 구조의 하부 패치(200)에 대비하여 도체의 사용량이 대략 48% 정도 감소하게 된다.

이처럼, 본 발명에 따른 패치 안테나는 망(Mesh) 구조의 패치를 사용하도록 함으로써, 패치에 사용되는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 사용량을 최소화하여 패치 안테나의 생산 원가를 절감하면서, 종래의 패치 안테나와 동일한 최대 이득(peak gain), 축비(Axial Ratio) 등의 성능을 유지할 수 있다.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 제1실시예 또는 제2실시예에 의한 패치 안테나 에 의해 종래와 같은 특성을 얻어낼 수 있음을 설명하기 위한 그래프이다. 먼저, 판 구조의 패치 안테나 및 망 구조의 패치 안테나는 모두 유전체층(300)의 사이즈가 25×25mm이고 유전체층(300)의 두께가 4mm인 패치 안테나를 이용하며, 망 구조의 패치 안테나는 지름이 대략 2.5㎜ 정도인 구멍(500)이 천공되어 있다.

도 7은 판 구조로 형성된 패치 안테나의 응답손실(Return loss) 및 스미스차트(Smithchart)를 나타낸 그래프이고, 도 8은 망 구조로 형성된 패치 안테나의 응답손실(Return loss) 및 스미스차트(Smithchart)를 나타낸 그래프이다. 도 7 및 도 8에 도시된 그래프들을 비교해 보면, 판 구조의 패치 안테나의 중심 주파수(Center Frequency(Fc))는 대략 1607.50㎒ 정도이고, 망 구조의 패치 안테나의 중심 주파수(Fc)는 대략 1607.16㎒ 정도이다. 이와 같이, 패치 안테나는 하부 패치(200)가 망 구조로 형성된 경우에도 판 구조로 형성된 패치 안테나와 거의 동일한 중심 주파수(Fc)를 갖는 것을 알 수 있다.

도 9는 판 구조로 형성된 패치 안테나의 안테나 지향성도(Radiation Pattern)를 나타낸 그래프이고, 도 10은 망 구조로 형성된 패치 안테나의 안테나 지향성도(Radiation Pattern)를 나타낸 그래프이다. 도 9 및 도 10에 도시된 그래프들을 비교해 보면, 판 구조의 패치 안테나의 최대 이득(Peak Gain)이 대략 5.12 dBic 정도이고 축비(Axial Ratio)가 대략 0.85 정도이고, 망 구조의 패치 안테나의 최대 이득(Peak Gain)이 대략 4.87 dBic 정도이고 축비(Axial Ratio)가 대략 1.26 정도이다. 이와 같이, 패치 안테나는 하부 패치(200)가 망 구조로 형성된 경우에도 판 구조로 형성된 패치 안테나와 거의 동일한 최대 이득 및 축비를 갖는 것을 알 수 있다.

이처럼, 도 7 내지 도 10에 도시된 그래프를 통해, 패치 안테나는 하부 패치(200)를 망 구조로 형성하더라도 중심 주파수, 최대 이득, 축비를 포함하는 패치 안테나의 특성은 판 구조로 형성된 하부 패치(200)를 갖는 종래의 패치 안테나와 거의 동일한 특성을 유지하는 것을 알 수 있다. 즉, 망 구조의 하부 패치(200)는 판 구조의 하부 패치(200)와 유사한 전기적 도전층 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 더욱 상세하게는, 패치 안테나가 PCB 기판(미도시)에 장착될 때 망 구조의 하부 패치(200)가 PCB 기판(미도시)의 접지판(미도시)과 겹치게(overlap) 되어 망 구조의 하부 패치(200)가 판 구조의 하부 패치(200)와 거의 동일한 특성을 갖게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 패치 안테나는 망(Mesh) 구조의 패치를 사용하도록 함으로써, 패치에 사용되는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 사용량을 최소화하여 패치 안테나의 생산 원가를 절감하면서, 종래의 패치 안테나와 거의 동일한 최대 이득(peak gain), 축비(Axial Ratio) 등의 성능을 유지할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

도 1은 종래의 패치 안테나를 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 패치 안테나의 분해 사시도.

도 3은 도 2의 하부 패치를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 패치 안테나의 분해 사시도.

도 5는 도 4의 상부 패치를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 패치 안테나와 종래의 패치 안테나의 도체 인쇄 면적을 비교하기 위한 도면.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 제1실시예 또는 제2실시예에 의한 패치 안테나에 의해 종래와 같은 특성을 얻어낼 수 있음을 설명하기 위한 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 상부 패치 200: 하부 패치

300: 유전체층 400: 관통 홀

500: 구멍

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 상부 패치;

   다수의 구멍을 갖는 하부 패치; 및

   상기 상부 패치와 상기 하부 패치 사이에 설치된 유전체층을 포함하되,

   상기 상부 패치는 직교 배열 또는 사선 배열 형태의 다수의 구멍이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 패치 안테나.

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