KR101165910B1 - 듀얼 패치 안테나 모듈 - Google Patents

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Abstract

전자력 커플링을 이용하여 듀얼 패치 안테나 모듈을 형성하고 안테나 모듈에 방사 패치를 형성하도록 하는 듀얼 패치 안테나 모듈이 제시된다. 제시된 듀얼 패치 안테나 모듈은 제1유전체층의 상면에 형성되는 제1패치전극; 제1유전체층의 상면에 제1패치전극과 이격되어 형성되는 제2패치전극; 제1패치전극 및 제2패치전극의 상면에 형성되는 제2유전체층; 및 제2유전체층의 상부에 형성되는 방사패치를 포함한다. 그에 따라, 안테나의 이득 저하를 방지하고, 전자력 커플링 간격에 대한 전기적 특성을 안정화할 수 있는 효과가 있다.

Description

듀얼 패치 안테나 모듈{Dual patch antenna module}
본 발명은 듀얼 패치 안테나 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 샤크 안테나에서 GPS 및 SDARS 주파수를 수신하는 듀얼 패치 안테나 모듈에 관한 것이다.
무선 통신 기술이 발달함에 따라, 휴대폰, PDA, GPS수신기, 내비게이션 등과 같은 정보통신 단말기 대중화가 가능하게 되었다. 이들 정보통신 단말기에는 소형 경량이며 평면형으로 얇게 제조한 패치 안테나가 주로 사용된다.
패치 안테나는 소정의 두께로 형성되는 유전체층의 일면(상면)에는 안테나의 방사체 역할을 하는 평면 형상의 상부 패치가 설치되고, 유전체층의 타면(하면)에는 그라운드(GND) 역할을 하는 하부 패치가 설치되는 구성으로 이루어진다. 여기에서, 유전체층은 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성이 우수하여 고주파용 부품으로 많이 사용되는 세라믹이 사용된다. 이때, 패치 안테나는 세라믹 유전체층을 사용하는 경우에 세라믹 패치 안테나라고도 한다. 여기에서, 상부 패치 및 하부 패치의 형상은 사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 고리형 등 다양한 형상으로 형성되는데, 주로 사각형 또는 원형이 사용된다. 이때, 상부 패치 및 하부 패치는 세라믹 유전체층과의 도전율이 높은 도전성 재질로 형성된다. 상부 패치 및 하부 패치의 구조로는 멀티레이어(multilayer), 벌크 타입(bulk type) 등이 있다.
최근에는, 운전자의 편의성을 위해 내비게이션, 카오디오 등과 같이 다양한 단말기가 자동차에 장착되고 있다. 그에 따라, GPS, SDARS(Sirius, XM), 텔레메틱스(Telematics), FM, T-DMB 등의 수신율 향상을 위한 샤크 안테나가 자동차의 외부에 설치된다. 예를 들면, GPS 안테나 및 SDARS 안테나를 각각 샤크 안테나의 내부에 실장한다. 이때, 각 안테나별로 급전점이 하나씩 형성되어 2개의 급전점이 형성된다.
하지만, GPS, SDARS(Sirius, XM), 텔레매틱스(Telematics), FM, T-DMB 등과 같이 다양한 안테나가 샤크 안테나에 장착되면서 샤크 안테나의 실장 공간이 부족해지는 문제점이 있다.
그에 따라, GPS/SDARS 등과 같이 서로 다른 두 개 이상의 신호를 수신할 수 있는 듀얼 패치 안테나 모듈이 개발되었다. 예를 들면, GPS 안테나 및 SDARS 안테나를 적층하여 2개의 급전점이 형성된 스택 구조의 듀얼 패치 안테나 모듈과, GPS 안테나 및 SDARS 안테나를 원칩화하여 하나의 급전점이 형성된 스택 주조의 듀얼 패치 안테나 모듈이 개발되었다.
하지만, 종래의 듀얼 패치 안테나 모듈은 이득(gain) 성능의 저하가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 그 목적은 전자력 커플링을 이용하여 듀얼 패치 안테나 모듈을 형성하고 안테나 모듈에 방사 패치를 형성하도록 하는 듀얼 패치 안테나 모듈을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈은, 제1유전체층의 상면에 형성되는 제1패치전극; 제1유전체층의 상면에 제1패치전극과 이격되어 형성되는 제2패치전극; 제1패치전극 및 제2패치전극의 상면에 형성되는 제2유전체층; 및 제2유전체층의 상부에 형성되는 방사패치를 포함한다.
제1패치전극은 제1유전체층의 상면 중심부에 형성되어 급전선로와 연결된다.
급전선로는 동축 케이블, 급전 핀, 급전 홀 중에 하나를 통해 제1패치전극과 연결된다.
제2패치전극은 제1패치전극과 이격되어 제1패치전극의 외주부를 감싸는 형상으로 형성된다.
제2패치전극은 제1패치전극과 1mm 이하의 간격으로 이격되어 형성된다.
제1패치전극은 SDARS 대역에 공진한다.
제2패치전극은 GPS 대역에 공진한다.
제1패치전극 및 제2패치전극은 전자력 커플링을 통해 GPS 대역 및 SDARS 대역에 듀얼 공진한다.
본 발명에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈은 전자력 커플링 방식을 이용하여 듀얼 패치 안테나 모듈을 형성하고 안테나 모듈에 방사 패치를 형성함으로써, 안테나의 이득 저하를 방지하고, 전자력 커플링 간격에 대한 전기적 특성을 안정화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1의 급전선로를 설명하기 위한 도면.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 공진 주파수를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 GPS 주파수 특성을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 SDARS 주파수 특성을 설명하기 위한 도면.
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 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
먼저, 본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명의 듀얼 패치 안테나 모듈의 특징을 설명하면 아래와 같다.
본 발명의 듀얼 패치 안테나 모듈은 전자력 커플링(Eectro-Magnetic Coupling)과 라디에이터를 이용하여 듀얼 밴드를 구현하는 것을 특징으로 한다. 즉, 듀얼 패치 안테나는 제1패치전극과 제2패치전극 사이에 간극을 형성하여 제1패치전극과 제2패치전극 사이의 전자력 커플링을 형성하고, 제1패치전극과 제2패치전극의 상부에는 라디에이터를 적층하여 듀얼 밴드를 구현한다.
이때, 제1패치전극 및 제2패치전극의 전자력 커플링을 통해 듀얼 밴드를 구현할 수도 있다.
하지만, 전자력 커플링만을 이용하여 듀얼 밴드를 구현하는 경우, 각 밴드의 이득 성능에 저하가 발생하게 되어 자동차용 안테나 시장에서 요구되는 스펙을 만족하지 못하게 된다.
또한, 라디에이터를 사용하지 않고 전자력 커플링만을 이용하는 경우, 제1패치전극과 제2패치전극의 간극에 따라 전자력 커플링의 전기적 특성이 불안정하게 되어 GPS 및 SDARS의 이득 성능이 저하될 수 있다. 즉, 라디에이터를 사용하지 않는 경우에는 전자력 커플링에만 전계의 통로가 형성되어 커플링 효과가 저하된다. 따라서, 제1패치전극과 제2패치전극이 대략 0.2mm 내지 0.3mm 정도의 간극을 유지하는 경우에만 전자력 커플링의 전기적 특성이 안정된 듀얼 밴드를 구현할 수 있다.
반면, 본 발명에서 라디에이터를 사용하는 경우 전자력 커플링 및 라디에이터를 통해 전계의 통로가 형성되기 때문에 커플링 효과를 극대화할 수 있다. 따라서, 각 밴드의 이득 성능에 저하가 발생하게 되어 자동차용 안테나 시장에서 요구되는 스펙을 만족시킬 수 있고, 전자력 커플링 간격이 대략 1.0mm이하를 유지하는 경우에도 전기적 특성이 안정되어 듀얼 밴드의 이득 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈을 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명하면 아래와 같다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 급전선로를 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위해 GPS 및 SDARS의 듀얼 밴드를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 듀얼 패치 안테나 모듈은 제1유전체층(100), 제1패치전극(200), 제2패치전극(300), 제2유전체층(400), 방사패치(500)를 포함한다.
제1유전체층(100)은 듀얼 패치 안테나 모듈의 최하부에 설치된다. 이때, 제1유전체층(100)에는 제1패치전극(200)에 형성되는 관통 홀(220)과 동일한 위치에 관통 홀(120)이 형성된다. 여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 관통 홀(120)은 제1패치전극(200)과 급전라인(미도시)을 전기적으로 연결하는 급전 핀(250)이 삽입되는 것으로, 동축 케이블, 급전 홀을 통해 급전라인과 연결되는 경우 관통 홀(120)의 형성이 생략될 수도 있다.
제1유전체층(100)은 일반적으로 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성을 갖는 세라믹이 사용되며, 제1패치전극(200) 및 제2패치전극(300)과의 결합을 위한 구멍(미도시)이 형성될 수도 있다.
제1패치전극(200)은 제1유전체층(100)의 상면에 형성된다. 제1패치전극(200)은 SDARS 대역에 공진하는 방사부로, 제1유전체층(100)의 중심부에 형성된다. 제1패치전극(200)은 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 제1패치전극(200)은 제1유전체층(100)의 중심부에 형성되어 급전선로와 연결된다. 이때, 급전선로는 동축 케이블, 핀, 홀 인쇄 중에 하나로 형성되어 제1패치전극(200)과 연결된다. 이때, 제1패치전극(200)에는 제1유전체층(100)에 형성되는 관통 홀(120)과 동일한 위치에 관통 홀(220)이 형성된다. 여기서, 관통 홀(220)은 제1패치전극(200)과 급전라인(미도시)을 전기적으로 연결하는 급전 핀(250)이 삽입되는 것으로, 동축 케이블, 급전 홀을 통해 급전라인과 연결되는 경우 관통 홀(220)의 형성이 생략될 수도 있다.
제2패치전극(300)은 제1유전체층(100)의 상면에 제1패치전극(200)과 이격되어 형성된다. 제2패치전극(300)은 GPS 대역에 공진하는 방사부로, 제1유전체층(100)의 상면 외주부에 형성된다. 즉, 제2패치전극(300)은 제1패치전극(200)과 동일한 재질의 박판으로서, 제1유전체층(100)의 상면 외측부에 제1패치전극(200)과 이격되어 형성된다. 이때, 제2패치전극(300)은 제1패치전극(200)과 이격되어 제1패치전극(200)의 외주부를 감싸는 형상으로 형성되고, 제1패치전극(200)과 대략 1.0mm 이하의 간극이 형성된다. 여기서, 제1패치전극(200) 및 제2패치전극(300)의 간극을 통해 전자력 커플링이 형성되어 GPS 및 SDARS 대역에서 듀얼 밴드를 구현한다. 즉, 제1패치전극(200) 및 제2패치전극(300)의 간극에서 형성되는 전자력 커플링을 통해 제1패치전극(200)에서 대략 2.468㎓ 정도의 SDARS 대역에 공진하고, 제2패치전극(300)에서 대략 1.265㎓ 정도의 GPS 대역에 공진하여 듀얼 밴드를 구현한다.
제2유전체층(400)은 제1패치전극(200) 및 제2패치전극(300)의 상면에 형성된다. 여기서, 제2유전체층(400)은 일반적으로 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성을 갖는 세라믹이 사용되며, 제1패치전극(200)과 제2패치전극(300)과의 결합을 위한 구멍(미도시)이 하부면에 형성되고, 상부면에 방사패치(500)와의 결합을 위한 구멍(미도시)이 형성될 수도 있다.
방사패치(500)는 제2유전체층(400)의 상부에 형성된다. 즉, 방사패치(500)는 제1패치전극(200) 및 제2패치전극(300)과 동일한 재질의 박판으로서, 제2유전체층(400)의 상부에 형성된다. 이때, 방사패치(500)는 사각형, 삼각형, 원형 등과 같이 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 방사패치(500)는 라디에이터(Radiator)로 사용되는 박판으로, 제1패치전극(200)과 제2패치전극(300)의 상부에 적층되어 각 밴드의 이득 성능을 향상시킨다. 그에 따라, 제1패치전극(200)과 제2패치전극(300)의 간극(즉, 전자력 커플링 간격)이 대략 1.0mm이하를 유지하는 경우에도 전기적 특성이 안정되어 듀얼 밴드의 이득 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 주파수 특성을 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명하면 아래와 같다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 공진 주파수를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 GPS 주파수 특성을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 SDARS 주파수 특성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈은 전자력 커플링 듀얼 안테나부(즉, 제1유전체층(100), 제1패치전극(200), 제2패치전극(300))와 라디에이터부(즉, 제2유전체층(400), 방사패치(500))로 구성된다. 전자력 커플링 듀얼 안테나부 및 라디에이터부는 대략 35mm×35mm 정도의 사이즈에 대략 4mm의 두께로 각각 형성된다.
도 3 및 도 4에 도시된 그래프를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈은 대략 1.265㎓ 정도의 GPS 대역(즉, 도 3의 "A", 도 4의 "C"), 및 대략 2.468㎓ 정도의 SDARS 대역(즉, 도 3의 "B", 도 4의 "D")에서 공진함을 알 수 있다. 이때, 제1패치전극(200)에서는 SDARS 대역에 공진하고, 제1패치전극(200) 및 제2패치전극(300)에서는 GPS 대역에 공진하는 듀얼 밴드가 형성된다.
도 5에 도시된 그래프를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 GPS 대역 신호 이득(640)은 단일 밴드 GPS 모듈의 신호 이득(620)에 비해 대략 2dBic 정도의 이득저하가 발생하지만, 65˚이상의 앙각에서 시장에서 요구되는 GPS 스펙(610; 예를 들면, 대략 70˚~90˚에서 1.5dBic)을 만족함을 알 수 있다. 즉, 전자력 커플링으로만 듀얼 공진을 구현하게 되면 제2패치전극(300)에서 방사되는 주파수 밴드(즉, GPS 밴드)의 안테나는 커플링에 의해 신호 이득이 감소하여 GPS 스펙을 만족시키지 못한다. 이때, 라디에이터(즉, 방사패치(500))를 사용하게 되면 신호 이득이 대략 2.5dBic 정도 개선되어 스펙을 만족시킨다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 GPS 대역 신호 이득(640)은 전자력 커플링만을 이용한 듀얼 패치 안테나 모듈의 GPS 대역 신호 이득(630)에 비해 대략 2.5dBic 정도 향상됨을 알 수 있다. 즉, 라디에이터(즉, 방사패치(500))를 이용하는 경우 듀얼 패치 안테나 모듈의 신호 이득이 향상됨을 알 수 있다.
도 6에서, 710은 SIRIUS사의 SDARS 신호 이득의 스펙을 나타내는 곡선이고, 720은 XM사의 SDARS 신호 이득의 스펙을 나타내는 곡선이다. 이때, 본 발명에 따른 듀얼 패치 안테나 모듈의 경우 대략 2.456㎓대역의 신호 이득(750) 및 2.468㎓대역의 신호 이득(740)이 XM사의 신호 이득 스펙은 만족하고, 2.481㎓대역의 신호 이득(730)이 SIRIUS사 및 XM사의 신호 이득 스펙을 만족함을 알 수 있다. 특히, 앙각이 대략 70˚~90˚인 경우의 SDARS 신호 이득이 향상됨을 알 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.
100: 제1유전체층 120: 관통 홀
200: 제1패치전극 220: 관통 홀
250: 급전 핀 300: 제2패치전극
400: 제2유전체층 500: 방사패치

Claims (8)

  1. 제1유전체층의 상면에 형성되는 제1패치전극;
    상기 제1유전체층의 상면에 상기 제1패치전극과 이격되어 형성되는 제2패치전극;
    상기 제1패치전극 및 제2패치전극의 상면에 형성되는 제2유전체층; 및
    상기 제2유전체층의 상부에 형성되는 방사패치를 포함하되,
    상기 제2패치전극은 상기 제1패치전극과 이격되어 상기 제1패치전극의 외주부를 감싸는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 패치 안테나 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1패치전극은 상기 제1유전체층의 상면 중심부에 형성되어 급전선로와 연결되는 것을 특징으로 하는 듀얼 패치 안테나 모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 급전선로는 동축 케이블, 급전 핀, 급전 홀 중에 하나를 통해 상기 제1패치전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 듀얼 패치 안테나 모듈.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2패치전극은 상기 제1패치전극과 1mm 이하의 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 듀얼 패치 안테나 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1패치전극은 SDARS 대역에 공진하는 것을 특징으로 하는 듀얼 패치 안테나 모듈.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2패치전극은 GPS 대역에 공진하는 것을 특징으로 하는 듀얼 패치 안테나 모듈.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1패치전극 및 상기 제2패치전극은 전자력 커플링을 통해 GPS 대역 및 SDARS 대역에 듀얼 공진하는 것을 특징으로 하는 듀얼 패치 안테나 모듈.
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