KR101304129B1 - 다중 대역 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

다중 대역 패치 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 기판; 기판 상부에 결합되는 방사 패치; 상기 방사 패치의 제1 면으로부터 연장되는 제1 오픈 스터브; 및 상기 제1면과 대향하는 제2면으로부터 연장되는 제2 오픈 스터브를 포함한다. 개시된 안테나에 의하면, 적층 구조를 사용하지 않고 단일 안테나 모듈로 다중 대역 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

다중 대역 패치 안테나{Multi Band Patch Antenna}

본 발명의 실시예들은 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 패치 방사체를 사용하는 패치 안테나에 관한 것이다.

마이크로스트립 패치 안테나는 직사각형, 원형, 삼각형 등의 패치 방사체를 유전체 기판상에 형성하는 안테나로서 건식각 기술 및 기게적 가공 방법등을 통해 유전체 기판상에 패치 방사체가 형성된다.

특히, 사각형 패치 구조를 가지는 패치 안테나는 편파(Polarization) 생성이 용이하여 원형 편파를 사용하는 시스템에 많이 이용되고 있다.

패치 안테나는 유전체 기판상에 방사패치를 형성하고 하부에 접지를 결합시키는 구조를 가지며, 방사체와 접지는 유전체 기판의 두께만큼 이격된다.

패치 안테나의 방사 주파수는 패치의 사이즈 및 기판의 유전율에 의해 결정되며, 선로 급전, 동축 급전, 결합 급전 등과 같은 다양한 급전 방식에 의해 급전 신호가 제공된다.

패치 안테나는 차량에서 GPS 신호를 수신하거나 XM 신호를 수신하는 용도로 사용된다.

차량에서 수신하는 신호가 다양화되면서, 패치 안테나의 다중 대역 특성이 요구되고 있다. 도 5는 종래의 일반적인 다중 대역 패치 안테나를 도시한 도면으로서, 미국공개특허 제7,489,280호에 개시된 안테나 구조이다.

도 5를 참조하면, 종래의 다중 대역 패치 안테나는 하부 기판(11), 하부 기판 하부에 결합되는 제1 접지(13), 하부 기판(11) 상부에 결합되는 제1 방사체(12), 상부 기판(21), 상부 기판 상부에 결합되는 제2 방사체(22) 및 상부 기판 하부에 결합되는 제2 접지(19)를 포함한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 다중 대역 패치 안테나는 제1 접지(13), 하부 기판(11) 및 제1 방사체(12)로 이루어지는 제1 패치 안테나 모듈과 상부 기판(21), 제2 방사체(22) 및 제2 접지(19)로 이루어지는 제2 패치 안테나 모듈로 두 개의 패치 안테나 모듈을 포함하며, 제1 패치 안테나 모듈에 제2 패치 안테나 모듈이 적층된 구조를 가진다.

즉, 종래의 다중 대역 패치 안테나는 두 개의 패치 안테나 모듈이 적층된 구조를 가지며, 각 패치 안테나 모듈에 독립적으로 급전이 이루어진다.

따라서, 종래의 다중 대역 패치 안테나는 적층 구조로 인해 그 두께가 두꺼워져 사이즈가 증가할 수 밖에 없었으며, 제2 패치 안테나 모듈의 제2 접지가 제1 패치 안테나 모듈의 제1 방사체(12)가 서로 결합됨으로써 간섭이 발생하는 문제점이 있었다.

다중 대역 특성 확보를 위해 단일 패치 안테나에 슬롯을 형성하는 기술이 공지되어 있기는 하나, 패치에 슬롯을 형성하는 것은 다중 대역 뿐만 아니라 원형 편파에도 영향을 미칠 수 있어 다중 대역의 원형 편파 신호를 수신하는데 활용되기 어려운 측면이 있다.

본 발명에서는 단일 안테나 모듈로 다중 대역 특성을 가지는 패치 안테나를 제공한다.

또한, 본 발명은 적층 구조를 사용하지 않고 다중 대역 특성을 구현할 수 있는 패치 안테나를 제공한다.

또한, 본 발명은 소형화된 구조로 다중 대역 특성을 구현할 수 있는 패치 안테나를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 기판; 기판 상부에 결합되는 방사 패치; 상기 방사 패치의 제1 면으로부터 연장되는 제1 오픈 스터브; 및 상기 제1면과 대향하는 제2면으로부터 연장되는 제2 오픈 스터브를 포함하는 다중 대역 패치 안테나가 제공된다.

상기 다중 대역 패치 안테나는 상기 기판 하부에 결합되는 접지를 더 포함한다.

상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브는 대칭 구조인 것이 바람직하다.

상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스타브는 “T”자 구조를 가진다.

상기 방사 패치와 상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브의 결합 부분에는 상기 방사 패치와 일부분이 절개되는 제1 절개부 및 제2 절개부가 각각 형성된다.

상기 방사 패치는 사각형 구조를 가지며 상기 다중 대역 패치 안테나는 방사 패치의 제3 면으로부터 연장되는 제3 오픈 스터브 및 상기 제3면과 대향하는 제4면으로부터 연장되는 제4 오픈 스터브를 더 포함한다.

상기 제3 오픈 스터브 및 제4 오픈 스터브는 상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브와 동일한 구조를 가진다.

상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브에 제공되는 급전 신호와 상기 제3 오픈 스터브 및 상기 제4 오픈 스터브에 제공되는 급전 신호는 90도 위상차를 가진다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판; 기판 상부에 결합되는 방사 패치; 상기 방사 패치의 제1면으로부터 연장되는 제1 오픈 스터브; 및 상기 방사 패치의 제2면으로부터 연장되는 제2 오픈 스터브를 포함하되, 상기 제1 오픈 스터브 및 제2 오픈 스터브는 “T”형 구조를 가지는 다중 대역 패치 안테나가 제공된다.

본 발명에 의하면, 적층 구조를 사용하지 않고 단일 안테나 모듈로 다중 대역 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 5는 종래의 일반적인 다중 대역 패치 안테나를 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나는 기판(100), 방사 패치(102) 및 접지(104)를 포함하며, 방사 패치(102)에는 두 개의 스터브(110, 112)가 결합된다.

기판(100)은 유전체 재질로 이루어지며, 방사 패치(102) 및 접지(104)가 결합되는 안테나의 몸체부로서 기능한다. 일례로, FR4 재질의 기판이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 기판의 유전율은 사용 주파수에 기초하여 적절하게 설정될 수 있을 것이다.

기판(100)의 상부에는 방사 패치(102)가 결합된다. 도 1에는 사각 형태의 방사 패치가 도시되어 있으나 방사 패치의 형태가 이에 한정되는 것은 아니며 다른 형태의 방사 패치가 사용될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

방사 패치의 사이즈는 사용 주파수에 상응하여 정해지며, 주파수가 낮을수록 큰 사이즈를 가지는 방사 패치가 요구된다. 도 1과 같이 사각형 형태의 방사 패치가 사용될 때 방사 패치의 한면의 길이는 파장(λ)의 1/2로 설정된다.

기판(100)의 하부에는 전도성 재질로 이루어진 접지(104)가 결합되며, 접지(104)는 신호의 방사를 위한 접지 전압을 제공한다.

본 발명에서는 단일 방사 패치로 다중 대역 특성을 제공하기 위해 두 개의 오픈 스터브(110, 112)가 제공된다. 도 1에는 "Ｔ" 자 형상을 가지는 오픈 스터브가 도시되어 있으나, 사용 주파수 및 사용 환경에 따라 "Ⅰ" 형상을 가지는 오픈 스터브가 사용될 수도 있다.

제1 오픈 스터브(110)는 방사체(102)의 제1 면으로부터 연장되며, 제2 오픈 스터브(112)는 방사체(102)의 제1 면과 대향하는 제2 면으로부터 연장된다. 제1 오픈 스터브(110) 및 제2 오픈 스터브(112)는 서로 대칭 구조를 가진다.

제1 오픈 스터브(110) 및 제2 오픈 스터브(112)의 길이는 파장(λ)의 1/4로 설정된다.

오픈 스터브(110, 112)는 급전점(120)에서 편파 진행 방향과 그 반대 방향에 의도된 공진 주파수에 대해 "Ｔ" 형 또는 "Ⅰ" 형 구조를 추가하게 되면 낮은 주파수에 대하여 +위상을, 높은 주파수에 대하여 - 위상을 갖게 되며, 이를 통해 + 또 는 - 위상이 보완되어 낮은 주파수와 높은 주파수에서 180도 위상차를 갖게되고 그 주파수에서 공진이 발생하게 된다.

급전점(120)으로는 급전 신호가 인가된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기판(100)에 수직 방향으로 동축선을 결합하여 신호를 급전한다. 동축 케이블은 내부 도체 및 외부 도체를 가지며, 외부 도체는 접지(104)와 전기적으로 결합되고 내부 도체는 급전점(120)과 전기적으로 결합된다.

그러나, 본 발명의 급전 방식이 동축 급전 방식에 한정되는 것은 아니며 선로 급전, 결합 급전과 같은 다른 급전 방식이 사용될 수도 있을 것이다.

이중 대역 구현을 위해 급전점(120)은 제1 오픈 스터브(110) 및 제2 오픈 스터브(112)를 연결하는 라인선상에 존재하는 것이 바람직하다.

도 6은 도 1의 안테나에서 오픈 스터브가 대칭으로 형성되지 않고 하나만 형성될 경우의 S11 파라미터를 도시한 그래프이고, 도 7은 도 1의 안테나의 S11 파라미터를 도시한 그래프이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 오픈 스터브가 어느 한 부분에만 형성될 경우 적절한 이중 대역 방사 특성이 확보되지 않으나 도 1과 같이 대칭 구조로 두 면에 오픈 스터브가 형성될 경우 이중 대역 방사 특성이 확보되는 것을 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나는 기판(100), 방사 패치(102) 및 접지(104)를 포함하며, 방사 패치(102)에는 두 개의 스터브(110, 112)가 결합되고, 두 개의 절개부(130, 132)가 형성된다.

제2 실시예에 따른 안테나는 제1 실시예의 안테나와 비교할 때 두 개의 절개부(130, 132)가 형성된다는 점에서만 차이가 있으며 다른 구조는 동일하다.

두 개의 절개부(130, 132)는 오픈 스터브(110, 112)와 방사체의 결합면 부위에 형성되며, 도 2에 도시된 바와 같이 사각 형상을 가질 수 있다.

절개부(130, 132)는 도 2의 안테나에 의해 발생하는 이중 공진점을 튜닝하기 위해 형성될 수 있다. 즉, 이중 대역 공진점 중 적어도 하나를 이동시키고자 할 경우 절개부(130, 132)를 형성하여 이동시키는 것이 가능하며 절개부(130, 132)의 사이즈는 공진점의 이동 범위와 연관된다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나는 기판(300), 방사 패치(302) 및 접지(304)를 포함하며, 방사 패치(302)에는 4 개의 스터브(310,312, 314, 316)가 결합된다.

도 3에 도시된 제3 실시예의 안테나는 제1 실시예의 안테나와 비교할 때 2개의 추가적인 스터브(314, 316)가 형성된다. 제3 실시예의 안테나는 이중 대역을 형성하면서 원형 편파를 형성할 수 있는 안테나이다.

제1 스터브(310) 및 제2 스터브(312)에 의해 이중 대역을 형성할 수 있다는 점은 도 1에서 살펴보았으며 제3 스터브(314) 및 제4 스터브(314)는 원형 편파를 형성하기 위한 또 다른 방사 엘리먼트로 동작한다.

제3 실시예에서 제1 스터브(310) 및 제2 스터브(312)와 방사 패치(302)가 제1 방사 엘리먼트로 동작하고, 제3 스터브(314) 및 제4 스터브(316)와 방사 패치(302)가 제2 방사 엘리먼트로 동작한다.

제3 스터브(314) 및 제4 스터브(316)는 제1 스터브(310) 및 제2 스터브(312)와 같이 방사 패치에 대향하는 면에 형성되며 제3 스터브(314) 및 제4 스터브(316)는 대칭 구조를 가지고 있다.

도 3에서, 급전점(320)은 제1 방사 엘리먼트에 신호를 급전하는 기능을 하며, 급전점(322)은 제2 방사 엘리먼트에 신호를 급전하는 기능을 한다.

이때, 제1 방사 엘리먼트에 급전되는 신호와 제2 방사 엘리먼트에 급전되는 신호는 서로 90도의 위상차를 가지며, 두 개의 방사 엘리먼트에 90도 위상차를 가진 신호의 급전이 이루어지므로 원형 편파 형성이 가능하다.

도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 다중 대역 패치 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 도 3의 제3 실시예의 안테나와 비교할 때 4개의 절개부(430, 432, 434, 436)가 형성되어 있다는 점이 상이하다. 제4 실시예의 절개부(430, 432, 434, 436)의 기능은 제2 실시예에서 설명한 절개부의 기능과 동일하며, 공진점의 이동이 필요할 경우 제4 실시예와 같이 스터브들과 방사 패치의 결합면에 절개부가 형성될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (13)

1. 기판;
   기판 상부에 결합되며 사각형 구조를 가지는 방사 패치;
   상기 방사 패치의 제1 면으로부터 연장되는 제1 오픈 스터브;
   상기 제1면과 대향하는 제2면으로부터 연장되는 제2 오픈 스터브;
   상기 방사 패치의 제3 면으로부터 연장되는 제3 오픈 스터브; 및
   상기 제3면과 대향하는 제4면으로부터 연장되는 제4 오픈 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판 하부에 결합되는 접지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브는 대칭 구조인 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브는 “T”자 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
5. 제1항에 있어서, 상기 방사 패치와 상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브의 결합 부분에는 상기 방사 패치와 일부분이 절개되는 제1 절개부 및 제2 절개부가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 제3 오픈 스터브 및 제4 오픈 스터브는 상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브와 동일한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브에 제공되는 급전 신호와 상기 제3 오픈 스터브 및 상기 제4 오픈 스터브에 제공되는 급전 신호는 90도 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
9. 기판;
   기판 상부에 결합되며 사각형 구조를 가지는 방사 패치;
   상기 방사 패치의 제1면으로부터 연장되는 제1 오픈 스터브;
   상기 방사 패치의 제2면으로부터 연장되는 제2 오픈 스터브;
   상기 방사 패치의 제3 면으로부터 연장되는 제3 오픈 스터브; 및
   상기 제3면과 대향하는 제4면으로부터 연장되는 제4 오픈 스터브를 포함하되,
   상기 제1 오픈 스터브 내지 제4 오픈 스터브는 T형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
10. 제9항에 있어서,
    상기 방사 패치의 제1면 및 제2면은 서로 대향하는 면인 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
11. 삭제
12. 제9항에 있어서,
    상기 제3 오픈 스터브 및 제4 오픈 스터브는 상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브와 동일한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 오픈 스터브 및 상기 제2 오픈 스터브에 제공되는 급전 신호와 상기 제3 오픈 스터브 및 상기 제4 오픈 스터브에 제공되는 급전 신호는 90도 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 다중 대역 패치 안테나.

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