KR101779593B1 - 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

유전체층의 상면이 하면보다 넓은 면적으로 갖도록 형성하여 인쇄회로기판에 실장함으로써 에어 갭(Air Gap)을 형성하여 경량화를 구현하면서 안테나 성능을 최대화하도록 한 패치 안테나를 제시한다. 제시된 패치 안테나는 유전체층, 유전체층의 상면에 형성되는 방사 패치 및 유전체층의 하면에 형성되는 하부 패치를 포함하고, 유전체층은 상면의 면적이 하면의 면적보다 넓게 형성되어, 인쇄회로기판과 유전체층 사이에 에어 갭을 형성한다.

Description

패치 안테나{PATCH ANTENNA}

본 발명은 패치 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 GPS, GNSS 및 SDARS 등의 주파수 대역 신호를 수신하는 패치 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 패치 안테나는 차량, 드론, 정보통신 단말기 등에 설치되어 GPS(Global Positioning System), GNSS(Global Navigation Satellite System) 및 SDARS(Satellite Digital Audio Radio Services) 등의 주파수 대역에서 신호를 송수신한다.

도 1을 참조하면, 종래의 패치 안테나는 소정의 두께로 형성되는 유전체층(30)과, 유전체층(30)의 일면(상면)에 적층되어 안테나의 역할을 하는 평면 형상의 상부 패치(10) 및 유전체층(30)의 타면(하면)에 적층되는 하부 패치(20)로 구성된다.

여기에서, 유전체층(30)은 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성이 우수하여 고주파용 부품으로 많이 사용되는 세라믹이 주로 사용되기 때문에 세라믹 패치 안테나라고도 한다.

상부 패치(10) 및 하부 패치(20)의 형상은 사각형, 원형, 타원형, 삼각형, 고리형 등 다양한 형상으로 형성되는데, 주로 사각형 또는 원형이 사용된다. 이때, 상부 패치(10) 및 하부 패치(20)는 세라믹 유전체층(30)과의 도전율이 높은 도전성 재질로 형성된다. 상부 패치(10) 및 하부 패치(20)의 구조로는 멀티레이어(multilayer), 벌크 타입(bulk type) 등이 있다.

최근에는, 자동차, 드론 등의 경량화 추세에 따라 패치 안테나의 경량화가 요구되고 있어, 유전체층을 고유전율을 갖는 재질로 형성하는 패치 안테나가 개발되고 있다.

하지만, 패치 안테나는 고유전율을 갖는 재질로 유전체층을 형성하면 소형화 및 경량화가 가능하지만 안테나 특성(예를 들면, 이득(Gain))이 저하되는 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-2015-0012632(명칭: 차량용 패치 안테나) 일본공개특허 제2002-118417(명칭: 평면 패치 안테나)

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 유전체층의 상면이 하면보다 넓은 면적으로 갖도록 형성하여 인쇄회로기판에 실장함으로써 에어 갭(Air Gap)을 형성하여 경량화를 구현하면서 안테나 성능을 최대화하도록 한 패치 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 기판에 실장되는 패치 안테나로 유전체층, 유전체층의 상면에 형성되는 방사 패치 및 유전체층의 하면에 형성되는 하부 패치를 포함하고, 유전체층은 상면의 면적이 하면의 면적보다 넓게 형성된다.

이때, 패치 안테나가 기판에 실장될 때 유전체층의 하면이 기판과 대향되고, 하부 패치는 유전체층의 하면 전체에 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 유전체층과 기판 사이의 영역에 형성되는 에어 갭을 더 포함할 수도 있다. 이때, 에어 갭은 하부 패치 주위를 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다.

한편, 유전체층은 하면 외주에 단차부가 형성되고, 기판과 단차부 사이에 형성되는 영역에서 에어 갭을 형성할 수 있다. 이때, 에어 갭의 단면은 사각형 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 유전체층은 상면에 방사 패치가 형성되는 상부 유전체층 및 상부 유전체층의 하부에 위치하고, 하면에 하부 패치가 형성되는 하부 유전체층을 포함하고, 상부 유전체층은 하부 유전체층보다 넓은 면적으로 형성될 수도 있다. 이때, 상부 유전체층은 하면 일부가 기판 방향으로 노출되고, 상부 유전체층의 하면과 하부 유전체층의 외주 및 기판 사이에 형성되는 영역에 에어 갭이 형성될 수 있다. 여기서, 에어 갭은 사각형 형상의 단면을 갖는 링 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 상부 유전체층 및 하부 유전체층은 일체로 형성될 수도 있다.

본 발명에 의하면, 패치 안테나는 유전체층과 인쇄회로기판 사이에 에어 갭이 형성함으로써, 안테나 성능을 최대화하면서, 경량화를 구현할 수 있다. 즉, 에어 갭은 낮은 유전율 및 손실을 갖기 때문에, 패치 안테나는 안테나 성능이 향상되면서, 유전체층의 부피를 감소시킴으로써 경량화를 구현할 수 있다.

또한, 패치 안테나는 이득이 증가함에 따라 종래의 패치 안테나에 비해 전파 수신 영역에서의 전력 밀도가 증가하여 수신율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 패치 안테나는 유전체층으로 사용되는 재질들보다 가벼운 에어 갭이 형성됨으로써, 무게를 감소시켜 경량화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 패치 안테나를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나를 설명하기 위한 도면.
도 3 내지 도 11은 도 2의 유전체층을 설명하기 위한 도면.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나의 안테나 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.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 유전체층(100), 유전체층(100)의 상면에 접합되는 방사 패치(200) 및 유전체층(100)의 하면에 접합되는 하부 패치(300)를 포함하여 구성된다.

유전체층(100)은 유전율을 갖는 유전체 또는 자성체로 구성된다. 즉, 유전체층(100)은 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성을 갖는 세라믹으로 구성되는 유전체 기판으로 형성되거나, 페라이트 등의 자성체로 구성되는 자성체 기판으로 형성된다. 이때, 유전체층(100)은 방사 패치(200)의 급전을 위한 급전핀이 삽입되는 급전홀(110)이 형성될 수 있다.

유전체층(100)은 패치 안테나가 인쇄회로기판에 실장될 때 하면이 인쇄회로기판과 대향되도록 실장된다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 유전체층(100)은 방사 패치(200)가 적층되는 상면의 면적이 하부 패치(300)가 적층되는 하면의 면적보다 큰 면적을 갖도록 형성된다. 이때, 유전체층(100)은 상면 면적과 하면 면적의 비율이 설정 비율 범위를 유지하도록 형성된다. 여기서, 유전체층(100)은 하면 면적과 상면 면적의 비율이 최소 설정 비율 이상이고, 최대 설정 비율 이하로 유지하도록 상면 면적과 하면 면적이 형성된다.

일례로, 유전체층(100)은 상면 면적과 하면 면적의 비율이 최소 설정 비율이 대략 30%이고, 최대 설정 비율이 80% 이하로 설정된 경우, 하면 면적이 상면 면적의 30% 미만인 경우 경량화 효율이 향상되지만 안테나 성능이 저하되고, 하면 면적이 상면 면적의 80%를 초과하는 경우 안테나 성능을 향상되지만 경량화 효율이 감소한다.

따라서, 유전체층(100)은 상면 면적과 하면 면적의 비율이 대략 30% 이상 80% 이하의 비율 범위 내에서 유지되도록 상면 면적과 하면 면적이 설정된다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 유전체층(100)은 상면의 면적이 하면의 면적보다 큰 면적을 갖도록 형성됨에 따라 하면 외주에 단차부(120)가 형성된다. 이때, 단차부(120)는 유전체층(100)을 수직으로 절단한 단면을 기준으로 직각으로 형성되거나(도 5 참조), 곡선 형태로 형성될 수 있다(도 6 참조).

유전체층(100)은 패치 안테나가 인쇄회로기판(400)에 실장 됨에 따라 단차부(120)에서 에어 갭(500; Air Gap)을 형성한다. 즉, 유전체층(100)은 패치 안테나가 인쇄회로기판(400)에 실장 됨에 따라 단차부(120)와 인쇄회로기판(400) 사이에 에어 갭(500)이 형성된다.

에어 갭(500)은 단차부(120)의 외주를 따라 형성되어, 소정 형상의 단면을 갖는 링 형상으로 형성된다. 에어 갭(500)은 단차부(120)의 형상에 따라 다양한 형상의 단면이 형성될 수 있다. 이때, 에어 갭(500)은 단차부(120)의 외주를 따라 형성됨에 따라 하부 패치(300)의 주위(외주)를 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다.

예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 에어 갭(500)은 단차부(120)가 직각으로 형성되면 사각형 형상의 단면을 갖도록 형성된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 에어 갭(500)은 단차부(120)가 곡선 형태로 형성되면 일측 모서리가 둥근 사각형 형상의 단면을 갖도록 형성된다.

이처럼, 패치 안테나는 유전체층(100)과 인쇄회로기판(400) 사이에 에어 갭(500)이 형성함으로써, 안테나 성능을 최대화하면서, 경량화를 구현할 수 있다. 즉, 에어 갭(500)은 유전체층(100)보다 낮은 유전율(대략 1.03 정도) 및 손실(즉, Loss Tangent=0)을 갖기 때문에, 패치 안테나는 안테나 성능(즉, 이득(gain))이 향상되면서, 유전체층(100)의 부피를 감소시킴으로써 경량화를 구현할 수 있다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 유전체층(100)은 상부 유전체층(140) 및 하부 유전체층(160)을 포함하여 구성될 수도 있다.

상부 유전체층(140)은 상면에 방사 패치(200)가 접합된다. 상부 유전체층(140)은 사각형, 원형, 적어도 하나의 모서리가 둥근 사각형 등과 같이 다양한 형상으로 형성된다. 상부 유전체층(140)은 하부 유전체층(160)보다 넓은 제1면적을 갖도록 형성된다. 이때, 상부 유전체층(140)은 방사 패치(200)의 급전을 위한 급전핀이 삽입되는 급전홀(142)이 형성될 수 있다.

상부 유전체층(140)은 하면에 하부 유전체층(160)이 접합됨에 따라 하면의 일부가 패치 안테나가 실장되는 인쇄회로기판(400) 방향으로 노출된다. 즉, 상부 유전체층(140)은 상대적으로 좁은 면적을 갖는 하부 유전체층(160)이 접합됨에 따라 하면의 일부가 노출된다.

이때, 도 11에 도시된 바와 같이, 상부 유전체층(140)의 하면이 노출됨에 따라, 상부 유전체층(140)의 하면 일부와 하부 유전체층(160)의 외주 및 인쇄회로기판(400)(즉, 패치 안테나가 실장되는 인쇄회로기판(400)) 사이에 에어 갭(500)이 형성된다.

에어 갭(500)은 하부 유전체층(160)의 외주를 따라 형성되어, 소정 형상의 단면을 갖는 링 형상으로 형성된다. 이때, 에어 갭(500)의 단면은 상부 유전체층(140)과 하부 유전체층(160)이 접합되는 부분의 형상에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 에어 갭(500)의 단면은 사각형, 일측 변이 둥근 사각형, 일측 모서리가 둥근 사각형 등과 같이 다양한 형상으로 형성된다.

하부 유전체층(160)은 상부 유전체층(140)의 하면에 접합된다. 하부 유전체층(160)은 하면에 하부 패치(300)가 접합된다. 하부 유전체층(160)은 사각형, 원형, 적어도 하나의 모서리가 둥근 사각형 등과 같이 다양한 형상으로 형성된다. 하부 유전체층(160)은 상부 유전체층(140)보다 좁은 제2면적을 갖도록 형성된다.

이때, 하부 유전체층(160)은 방사 패치(200)의 급전을 위한 급전핀이 삽입되는 급전홀(162)이 형성될 수 있다.

상부 유전체층(140)과 하부 유전체층(160)은 서로 다른 재질의 형성되어 접합되거나, 동일한 재질로 형성되어 접합될 수 있다. 이때, 상부 유전체층(140)과 하부 유전체층(160)은 동일한 재질로 형성되어 일체로 형성될 수 있다.

이처럼, 패치 안테나는 서로 다른 면적을 갖는 상부 유전체층(140)과 하부 유전체층(160)로 구성하여 인쇄회로기판(400)에 유전체층(100)이 실장되는 경우 상부 유전체층(140)의 하면 일부와 하부 유전체층(160)의 외주 및 인쇄회로기판(400) 사이의 영역에서 에어 갭(500)을 형성함으로써, 안테나 성능을 최대화하면서, 경량화를 구현할 수 있다. 즉, 에어 갭(500)은 낮은 유전율(대략 1.03 정도) 및 손실(즉, Loss Tangent=0)을 갖기 때문에, 패치 안테나는 안테나 성능(즉, 이득(gain))이 향상되면서, 유전체층(100)의 부피를 감소시킴으로써 경량화를 구현할 수 있다.

방사 패치(200)는 유전체층(100)의 상면에 형성된다. 즉, 방사 패치(200)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 유전체층(100)의 상면에 형성된다. 이때, 방사 패치(200)는 사각형, 삼각형, 원형, 팔각형 등의 다각형 형상으로 형성된다. 방사 패치(200)는 급전점과 커플링으로 연결되거나, 유전체층(100)을 관통하여 연결되는 급전핀과 연결되어 구동하며, GPS 신호, 글로나스 신호, SDARS 신호 등을 수신한다.

하부 패치(300)는 유전체층(100)의 하면에 형성된다. 즉, 하부 패치(300)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 유전체층(100)의 하면에 형성된다. 이때, 하부 패치(300)는 그라운드를 형성하기 위해 일정 이상의 면적 확보가 필요하기 때문에 유전체층(100)의 하면 전체에 형성될 수 있다. 하부 패치(300)는 급전점 또는 급전핀이 삽입되는 급전홈(320)이 형성될 수도 있다.

도 12 및 도 13은 SDARS 대역에 포함된 주파수들(즉, 2320㎒, 2326㎒, 2332㎒, 2338㎒, 2345㎒)에서 동일한 크기(35×35, 5T)를 갖는 종래의 패치 안테나와 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나의 안테나 특성을 측정한 결과이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 손실이 적은 에어 갭(500)이 형성됨에 따라, SDARS 대역의 주파수들에서 종래의 패치 안테나보다 LHCP(Left Hand Circular Polarization)의 평균 이득과 HP(horizontal polarization) 평균 이득이 대략 1 dB 정도 증가함을 알 수 있다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 손실이 적은 에어 갭(500)이 형성됨에 따라, 앙각(Elevation angle) 변화에 따른 최대 이득(Peak Gain)을 측정한 결과 종래의 패치 안테나에 비해 대략 1dBic 정도 증가함을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 이득이 증가함에 따라 종래의 패치 안테나에 비해 전파 수신 영역에서의 전력 밀도가 증가하여 수신율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 패치 안테나는 유전체층으로 사용되는 재질들보다 가벼운 에어 갭이 형성됨으로써, 무게를 감소시켜 경량화할 수 있는 효과가 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: 유전체층 120: 단차부
140: 상부 유전체층 160: 하부 유전체층
200: 방사 패치 300: 하부 패치
400: 인쇄회로기판 500: 에어 갭

Claims (13)

1. 기판에 실장되는 패치 안테나에 있어서,
   하면 외주를 따라 단차부가 형성되어 상면의 면적이 하면의 면적보다 넓게 형성된 유전체층;
   상기 유전체층의 상면에 형성된 방사 패치;
   상기 유전체층의 하면에 형성된 하부 패치; 및
   상기 유전체층과 상기 기판 사이의 영역에 형성된 에어 갭을 포함하고,
   상기 에어 갭은 상기 기판과 상기 단차부 사이에 링 형상으로 형성된 패치 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 패치 안테나가 상기 기판에 실장될 때 상기 유전체층의 하면이 상기 기판과 대향하는 패치 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 하부 패치는 상기 유전체층의 하면 전체에 형성되는 패치 안테나.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 에어 갭은 상기 하부 패치 주위를 둘러싸는 형상으로 형성되는 패치 안테나.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 에어 갭의 단면은 사각형 형상으로 형성되는 패치 안테나.
9. 제1항에 있어서,
   상기 유전체층은,
   상면에 상기 방사 패치가 형성되는 상부 유전체층; 및
   상기 상부 유전체층의 하부에 위치하고, 하면에 상기 하부 패치가 형성되는 하부 유전체층을 포함하고,
   상기 상부 유전체층은 상기 하부 유전체층보다 넓은 면적으로 형성되는 패치 안테나.
10. 제9항에 있어서,
    상기 상부 유전체층은 하면 일부가 상기 기판 방향으로 노출되는 패치 안테나.
11. 제9항에 있어서,
    상기 상부 유전체층의 하면과 상기 하부 유전체층의 외주 및 상기 기판 사이에 형성되는 영역에 에어 갭이 형성되는 패치 안테나.
12. 제11항에 있어서,
    상기 에어 갭은 사각형 형상의 단면을 갖는 링 형상으로 형성되는 패치 안테나.
13. 제9항에 있어서,
    상기 상부 유전체층 및 하부 유전체층은 일체로 형성되는 패치 안테나.

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