KR101856880B1 - 공기 유전체를 활용한 패치 안테나 시스템 - Google Patents

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윤태순
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호남대학교 산학협력단
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Abstract

기판으로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 패치층, 패치층의 일부가 연장되며 패치층을 기판과 연결시키는 임피던스 선로, 임피던스 선로와 연결되어 패치층에 전력을 공급하는 급전부를 포함하며, 공기층을 유전체로 활용하는 패치 안테나 시스템이 개시된다.

Description

공기 유전체를 활용한 패치 안테나 시스템{PATCH ANTENNA SYSTEM USING AIR DIELECTRIC}
본 발명은 패치 안테나 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 공기층을 유전체로 활용하는 패치 안테나 시스템에 관한 것이다.
패치 안테나(patch antenna)는 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna)라고도 불리며, 개방된 윗면을 통해서 마이크로스트립 선로가　고주파를 방사하는 원리를 이용한 소형 안테나 중 하나이다.
패치 안테나(또는, 마이크로스트립 안테나)는　유전체　층의 한 면을 접지층으로 하고 다른 면은 스트립 선로나 슬롯 선로로 회로를 구성하여 제작되기 때문에 제작이 쉽고, 대량 생산에 적합하며 높이가 낮고 견고하다는 등의 여러 가지 특징이 있다. 이러한 패치 안테나(또는, 마이크로스트립 안테나)는 대역이 좁고 이득이 낮지만, 같은 기판 위에 다른 마이크로　집적 회로(IC) 소자들과 쉽게 결합할 수 있어 밀리미터 대역의 소형 기기에 많이 사용된다.
간단한 형태의 패치 안테나는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB)위에 만들어진 마이크로스트립 선로(microstrip line)를 포함하는 구성이다. 즉, 접지판과 유전체판 스트립라인으로 구성될 수 있다. 이러한 패치 안테나는 얇고, 저손실, 저유전율을 가진 유전체 위에 약 λ/2 길이의 얇은 직사각형 금속 패치판으로 이루어진 안테나로서, 접지판 상에 붙어있는 저손실 유전체 기판 위에 금속 패치가 부착된 형태가 일반적이다.
패치의 형태는 직사각형, 정사각형, 원형, 원형링 등 다양하게 존재할 수 있다. 즉, 마이크로스트립 패치 안테나의 유전체 기판 위에 놓이게 되는 패치의 모양은 그 구조에 제한이 없으나 해석 상의 용이성 때문에 주로 사각형 패치와 디스크형 패치가 많이 사용된다. 패치 안테나는 공진형 안테나의 일종으로써 제작이 용이하고, 회로와 함께 집적이 가능하다는 점에서 활용성이 높게 평가된다.
또한, 급전 위치의 변화만으로써도 선형 편파 및 원형 편파 안테나를 제작할 수 있고, 급전선과 정합 회로망을 동시에 구성할 수 있다는 점에서 활용상의 장점이 있다.
이러한 패치 안테나의 급전 방식에는 개구 결합 급전, 마이크로스트립 선로 급전, 동축 급전 등이 있다. 예를 들어, 개구면 결합 급전 마이크로스트립 패치 안테나는 급전 네트워크의 불필요 방사가 없는 이점과 각 유전체의 높이와 유전율을 조정함으로써 급전부와 방사부를 각각 최적화시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
마이크로스트립 패치 안테나를 이론적으로 해석하기 위한 방법으로는 슬롯-전송선 모델링 해석 방법, 공진기 모델링 해석 방법, 수치해석적 방법 등이 연구되어 왔다. 슬롯-전송선 모델링 해석 방법은 안테나의 물리적인 개념을 볼 수 있고 사각형 패치에만 적용이 가능하며 다른 해석법에 비하여 비교적 간단한 방법이다. 또한, 공진기 모델링 해석 방법은 주로 디스크형 패치에 많이 사용하는데 패치와 접지면 사이에 자기 벽(magnetic wall)으로 둘러싸인 유전체 공진기로 패치 안테나를 모델링하여 안테나 특성을 계산한다. 수치해석적 방법은 모멘트 법(moment method), 유한요소법(finite element technique), DFNA(Direct Form of Network Analogs) 등 다양한 방법을 이용하여 임의의 패치 모양을 모델링 하고 정확한 안테나 특성을 구할 수 있다.
이러한 패치 안테나는 다양한 산업분야에서 폭넓게 활용되며, 특히 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 분야에서도 다양한 목적에 따라 이용된다. 한편, 패치 안테나 구조에 대해서는 종래에도 다양한 기술이 존재하여 공개된 바 있으나(등록특허공보 제10-0449836호, 2004년 9월 13일 등록), 종래의 패치 안테나 구조에서는 패치 안테나의 성능개선과 함께 생산 비용 절감을 도모하는 기술에 대해서는 아직까지 이루어지지 않은 상황이다.
등록특허공보 제10-0449836호
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다양한 산업분야에 활용될 수 있는 성능이 개선된 패치 안테나 시스템을 제안하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 패치 안테나 시스템의 성능을 개선하면서도 비용 상승을 최소화하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 사물인터넷 환경에 적합한 패치 안테나 시스템을 제안함으로써 산업 분야의 목적에 최적화된 패치 안테나 시스템을 제안하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 목적들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 본 발명의 실시 예들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예로써, 패치 안테나 시스템이 제공될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 안테나 시스템은, 사각형 형태를 가지며 기판으로부터 평행하게 소정 거리 이격되어 배치되는 패치층, 패치층의 일측 변의 일부가 수직 아래 방향으로 연장되며 패치층을 기판과 연결시키는 임피던스 선로, 기판에 배치되고 임피던스 선로와 연결되어 패치층에 전력을 공급하는 급전부를 포함하며, 패치층은 기판으로부터 소정 거리만큼 이격됨으로써 이격된 공간의 공기층을 유전체로 활용하며, 임피던스 선로는 패치층과 인접한 일측 단부의 폭보다 급전부와 인접한 다른측 단부의 폭이 더 좁도록 구성될 수 있다.
제안하는 발명의 또 다른 실시 예에 따른 임피던스 선로는, 패치층의 일측 변의 일부가 동일한 폭을 유지하며 연장되는 제1 부분, 제1 부분 중 일부가 동일한 폭을 유지하며 연장되는 제2 부분 및 제2 부분 중 일부가 폭이 점점 좁아지며 연장되는 제3 부분으로 구성되며, 제3 부분에서 폭이 가장 좁은 단부는 급전부와 연결될 수 있다.
제안하는 발명의 또 다른 실시 예에 따른 패치층은, 임피던스 선로와 연결되는 제1 패치층, 및 제1 패치층의 하부면에 부착되고 제1 패치층 보다 작은 크기로 구현되는 제2 패치층을 포함할 수 있다.
제안하는 발명의 또 다른 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템은, 출입문 부근에 배치되어 출입하는 사용자의 수를 세기 위한 휴먼 카운팅 시스템에 적용될 수 있다.
제안하는 발명의 또 다른 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템에 의한 방사 신호는, 휴먼 카운팅 시스템이 이용하는 7.2 GHz 내지 10.2 GHz 의 주파수 대역에서 최대 이득이 나타날 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째로, 패치 안테나 시스템의 성능을 개선함으로써 다양한 산업분야의 요구에 맞춘 안테나 설계가 가능하게 된다.
둘째로, 패치 안테나 시스템의 성능을 개선하면서도 생산에 요구되는 비용 증가를 최소화할 수 있다.
셋째로, 사물인터넷과 같은 특수한 목적에 적합한 패치 안테나 시스템을 설계하여 최적화된 효율을 낼 수 있다.
본 발명의 실시 예들에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 이하의 본 발명의 실시 예들에 대한 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다. 즉, 본 발명을 실시함에 따른 의도하지 않은 효과들 역시 본 발명의 실시 예들로부터 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 도출될 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 패치 안테나에 관한 종래기술을 설명하는 도면이다.
도 2는 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템 구조를 도시하는 도면이다.
도 3은 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템의 전압 정재파 비(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) 성능을 도시하는 도면이다.
도 4는 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템의 방사 패턴을 도시하는 도면이다.
도 5는 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템의 구현 예를 도시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 패치 안테나에 관한 종래기술을 설명하는 도면이다.
도 1(a)는 종래의 마이크로스트립 선로를 포함하는 패치 안테나 구조를 도시한다. 이러한 패치 안테나(또는, 마이크로스트립 안테나)는 기본적으로 바닥의 접지면 또는 접지층(14), 접지면 또는 접지층으로부터 소정간격 이격된 방사소자(11), 그리고 방사소자(11)의 지지를 위한 유전체 또는 유전체층(12)을 포함하는 구조이다.
유전체(12)의 양면은 얇은 동박으로 구현될 수 있으며, 한쪽 면은 접지면(14)으로 활용되고 다른쪽 면은 방사소자(11)가 부착되는 형태로 구현된다. 유전체(12)를 사용한 패치 안테나는 제작의 용이성을 확보할 수 있다는 장점이 있으나, 손실 탄젠트(tanδ=σ/με. tanδ는 손실 탄젠트, σ는　전기전도도, μ는　투자율, ε은　유전율을 의미한다) 특성으로 인해 안테나의 방사효율이 열화되어 궁극적으로는 안테나의 이득이 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 유전체(12)를 구현할 때 손실 탄젠트 특성이 좋은 고가의 기판을 사용할 수도 있으나, 이는 안테나의 원가상승을 낳는 한계가 있다.
또한, 패치 안테나의 방사소자(11)의 상단부에 소정 간격을 두고 기생소자를 형성시켜 안테나의 이득을 높이는 방법도 사용되고 있으나, 이는 패치 안테나의 전체적인 높이(두께)를 증가시킨다는 문제가 있다.
도 1(b)는 도 1(a)의 패치 안테나에 레이돔(Radome, 15)이 결합된 구조를 도시한다. 패치 안테나와 결합된 레이돔은 외부 환경으로부터 내부의 패치 안테나를 구성하는 소자들을 보호하고 안테나의 내구성을 향상시키는 역할을 한다.
최근 사물인터넷(IoT, Internet of Things)이 부각되면서, 다양한 종류의 스마트 디바이스에 부착된 센서들을 이용하여 정보를 수집하고 스마트 디바이스를 원격으로 제어하기 위한 관심이 증대되고 있다.
이러한 사물인터넷 환경의 부흥과 더불어, 출입문에 부착되어 특정 장소를 출입하는 인원을 세는 인체 계수기 또한 다양한 장소에서 다양한 목적으로 사용되고 있다. 한편, 출입문에 부착되는 인체 계수기에는 많은 수의 센서가 적용되어 사용되고 있지만, 장소마다 온도, 습도, 조명 등의 환경적인 요인이 모두 다르기 때문에 센서의 정상적인 동작이 항상 보장되기 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 고주파 신호를 이용하여 센서를 구동시킨다면, 환경적 요인에 의한 센서 동작의 영향을 최소화할 수 있어, 정밀도가 높고 안정적으로 동작하는 인체 감지 시스템을 구현할 수 있다. 한편, 고주파 신호를 송수신하기 위한 목적으로서 앞서 도 1에서 설명한 패치 안테나가 이용될 수 있다.
따라서, 이하에서는 패치 안테나를 활용한 휴먼 카운팅 시스템(또는, 인체 계수 시스템)을 구현하기 위하여, 패치 안테나 시스템에 대한 실시 예를 제안하고 설명한다.
도 2는 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템 구조를 도시하는 도면이다.
앞서 설명한 휴먼 카운팅 시스템(인체 계수 시스템)에서는 UWB(Ultra WideBand) 의 일부인 7.2~10.2 GHz 의 주파수 대역이 사용된다. 이에 따라, 휴먼 카운팅 시스템에서는 광대역 특성을 갖는 안테나 시스템이 요구된다.
한편, 안테나의 손실 탄젠트 특성은 공기층을 유전체로 이용하는 경우 우수하게 나타난다. 따라서, 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템(100)에서는 일반적인 패치 안테나 시스템(또는, 마이크로스트립 안테나 시스템)과는 달리 패치층(또는, 패치면)을 기판(160)으로부터 소정 거리 이격시킨 구조로 구현할 수 있다. 이러한 실시 예에 따라, 패치 안테나 시스템의 패치층과 기판(160) 간의 이격된 거리 내의 공기층이 유전체 역할을 수행하게 된다.
한편, 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템(100)의 패치층은 상면 패치층(110)과 하면 패치층(120)의 양면 구조로 구성되며, 상면 패치층(110)과 하면 패치층(120) 모두 정사각형 형태를 갖는다. 다만, 하면 패치층(120)은 상면 패치층(110)에 비해 크기가 작도록 구현될 수 있다.
또한, 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템(100)에서 상면 패치층(110)과 하면 패치층(120)으로 구성되는 패치층은 기판(160)에 마련된 전송 선로인 급전부(150)를 통해서 급전된다. 이러한 급전부(150)는 기판(160)에 CBCPW(conductor backed coplanar waveguide) 전송 선로로 구현될 수 있으며, 급전부(150)와 패치층은 계단형의 임피던스 선로(130)로써 연결된다.
이어서, 계단형 임피던스 선로(130)에 대해 자세히 설명한다. 계단형 임피던스 선로(130)는 정사각형인 상면 패치층(110)의 일측 변이 연장되어 구현될 수 있으며, 해당 변의 일부분이 변과 수직한 방향으로 계단식으로 돌출되게끔 구현될 수 있다. 이러한 계단형 임피던스 선로(130)는 단계적으로 줄어들며 연장됨으로써 급전부(150)와 상면 패치층(110)을 연결시킨다.
한편, CBCPW 전송 선로로 구현된 급전부(150)의 특성 임피던스는 컨포멀 맵핑(conformal mapping)을 통해서 계산될 수 있다. 예를 들어, 0.76mm의 유전체 두께를 입력함으로써 급전부(150)의 폭과 접지 간의 간격은 각각 0.6mm, 0.3mm로 계산될 수 있다.
한편, 아래의 표 1은 제안하는 실시 예에 따라 도 2에 도시된 패치 안테나 시스템(100)을 실제로 구현하기 위한 설계 파라미터의 예를 도시한다. 표 1에 기재된 파라미터들은 제안하는 패치 안테나 시스템(100)을 구현하기 위한 예에 불과하며, 패치 안테나 시스템(100)은 얼마든지 다른 파라미터와 값을 통해서 구현될 수 있다.
Figure 112016123899878-pat00001
표 1에서, 계단형 임피던스 선로(130)는 총 3개의 선로로 나누어 기재하였다. 이는, 도 2에 도시된 바와 같이, 계단형 임피던스 선로(130)는 상면 패치층(110)과 기판(160)을 연결하는 과정에서 그 폭이 계단식으로 점차 줄어들도록 구성되기 때문이다.
또한, 계단형 임피던스 선로(130)는 기판(160)에 수직한 방향으로 배치되어 상면 패치층(110)과 기판(160)을 연결하고 상면 패치층(110)은 기판(160)에 평행하기 때문에, 계단형 임피던스 선로(130)의 '길이'는 곧 상면 패치층(110)을 기판(160)으로부터 이격시키는 거리를 의미한다.
즉, 계단형 임피던스 선로(130)에서 상면 패치층(110)과 인접한 제1 부분은 가장 짧은 길이(예를 들어, 1.0mm)를 가지며, 제1 부분 중 일부분이 연장된 제2 부분은 제1 부분보다 긴 길이(예를 들어, 1.5mm)를 가지며, 제2 부분 중 일부분이 연장되고 기판(160)의 급전부(150)와 연결되는 제3 부분은 가장 긴 길이(예를 들어, 2.5mm)를 갖는다.
한편, 계단형 임피던스 선로(130) 중에서 급전부(150)와 연결되는 제3 부분의 경우, 제1 부분이나 제2 부분과는 달리 그 폭이 일정하지 않고 급전부(150)에 가까워질수록 좁아진다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 제3 부분 중 제2 부분에 인접한 말단의 폭은 제3 부분 중 급전부(150)에 인접한 말단의 폭 보다 넓으며, 급전부(150)에 가까워질수록 그 폭은 점차 좁아진다.
표 1에도 이러한 특성이 표현되어 있으며, 예를 들어 제3 부분은 제3 부분에 인접한 말단의 제1폭이 w1=2.4mm로, 급전부(150)에 인접한 말단의 제2폭이 w2=0.6mm로 각각 구현될 수 있다.
도 3은 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템의 전압 정재파 비(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio) 성능을 도시하는 도면이다.
전압 정재파비(VSWR)는 전송 선로에서 부하쪽으로 진행하는 전압파와 부하쪽에서 반사되어 돌아오는 전압파의 합인 정재파(standing wave) 진폭의 최대값과 최소값 간의 비율을 의미하며, 최대전압 크기와 최소전압 크기 간의 비율로써 정의된다. 이러한 전압 정재파비는 안테나와 급전부의 임피던스 정합 정도를 나타내기 위해 활용된다.
도 3은 도 2에서 설명한 예에 따라 구현된 패치 안테나 시스템의 VSWR 성능을 도시하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 제안하는 패치 안테나 시스템에 의하면 7.2 GHz 내지 10.2 GHz 대역의 주파수에서 2.0 이하의 VSWR 특성이 나타난다.
또한, 도 2에서 설명한 예에 따라 구현된 패치 안테나 시스템의 최대 이득은 9.14 dBi로 얻어지며, x 축 방향(φ=90') 반전력 빔폭은 80'이고, y축 방향(φ=0') 반전력 빔폭은 40'로 나타난다.
도 4는 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템의 방사 패턴을 도시하는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이 제안하는 패치 안테나 시스템의 최대 이득은 9.14 dBi로 나타나며, x축 방향 반전력 빔폭(HPBW, Half Power Beam Width)은 80'로 나타난다.
도 5는 제안하는 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템의 구현 예를 도시하는 도면이다.
도 5에 도시된 예에 따른 패치 안테나 시스템에서 패치층은 구리(copper)로 구현되며, 기판은 비유전율 er=2.55, 두께 0.76mm를 갖는 테프론(teflon)으로 구현된다.
한편, 상면 패치층은 기판으로부터 5.0mm 이격되도록 구현되며, 하면 패치층은 기판으로부터 4.5mm 이격되도록 구현된다. 이에 따라, 상면 패치층과 기판 사이에는 5.0mm의 공기층이 유전체의 역할을 하게 된다.
상면 패치층은 표 1에서 설명했듯이 14.6*14.6mm2의 크기를 가지며 하면 패치층은 12.6*12.6mm2의 크기를 가진다. 상면 패치층과 하면 패치층 자체의 두께는 0.018mm로 패치층과 기판 간의 유전체 두께에 비하면 그 크기가 아주 작아 무시할 수 있을 만큼의 오차이다.
이어서, 계단형 임피던스 선로의 경우 세 개의 세부 부분들로 구성되며, 상면 패치층의 일 변이 돌출된 제1 부분의 경우 길이는 1.0mm, 폭은 9.0mm로 구성되며, 제1 부분에 인접하고 제1 부분의 일부가 돌출된 제2 부분의 경우 길이는 1.5mm, 폭은 5.8mm로 구성되며, 제2 부분에 인접하고 제2 부분의 일부가 돌출된 제3 부분의 경우 길이는 2.5mm, 폭은 2.4mm로부터 0.6mm까지 줄어들도록 구성된다. 제3 부분의 가장 좁은 말단은 기판에 전송 선로로 구현된 급전부와 연결된다. 급전부는 폭 0.6mm, 간격 0.3mm, 길이 4.35mm로 구현될 수 있다.
도 5에서 패치 안테나 시스템의 구현 예를 수치를 들어 설명하였다. 그러나, 도 5에 도시된 수치와 이상에서 설명한 수치들은 단순한 예시에 불과하다. 즉, 패치 안테나 시스템의 구현을 위한 수치 값들은 도시하고 설명한 수치 외에 다른 값으로 선택될 수 있으며, 목적하는 기능과 동작을 구현하기 위한 여러 가지 다른 크기와 구조의 패치 안테나 시스템이 설계 및 구현될 수 있다.
이상에서는 사물인터넷 환경에서 휴먼 카운팅 시스템에 적용할 수 있는 패치 안테나 시스템에 대해 제안하고 설명하였다. 제안한 패치 안테나 시스템은 공기층을 유전체로 하며 계단형 임피던스 선로를 통해 안테나 패치층과 급전부가 연결된다.
이러한 구조를 통해서 패치 안테나 시스템은 특정 주파수 대역에서 VSWR 성능이 2.0 이하로 얻어지는 광대역 특성을 가지며, 휴먼 카운팅 시스템의 주된 설계 주파수 대역인 8.2 GHz 대역에서 80'의 반전력 빔폭으로 최대 9.14 dBi의 이득을 가질 수 있다.
한편, 이상에서는 패치 안테나 시스템 휴먼 카운팅 시스템에 적용되는 예를 중점적으로 설명하였다. 그러나, 제안하는 패치 안테나 시스템은 상술한 예에 한정되지 않고 다양한 다른 분야에도 얼마든지 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템의 동작 방법과 관련하여서는 전술한 패치 안테나 시스템의 구성에 대하여 설명한 내용들이 동일하거나 유사한 취지로 적용될 수 있다. 따라서, 패치 안테나 시스템의 동작 방법과 관련하여, 전술한 패치 안테나 시스템에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 패치 안테나 시스템의 동작 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 형태를 통해서도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 이 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
100: 패치 안테나 시스템
110: 상면 패치층
120: 하면 패치층
130: 계단 임피던스 선로
140: 공기 유전층
150: 급전부
160: 기판

Claims (5)

  1. 패치 안테나 시스템에 있어서,
    사각형 형태를 가지며 기판으로부터 평행하게 소정 거리 이격되어 배치되는 패치층;
    상기 패치층의 일측 변의 일부가 수직 아래 방향으로 연장되며 상기 패치층을 상기 기판과 연결시키는 임피던스 선로;
    상기 기판에 배치되고 상기 임피던스 선로와 연결되어 상기 패치층에 전력을 공급하는 급전부를 포함하며,
    상기 패치층은 상기 기판으로부터 상기 소정 거리만큼 이격됨으로써 이격된 공간의 공기층을 유전체로 활용하며,
    상기 임피던스 선로는 상기 패치층과 인접한 일측 단부의 폭보다 상기 급전부와 인접한 다른측 단부의 폭이 더 좁도록 계단형으로 구성되고,
    상기 임피던스 선로는,
    상기 패치층의 일측 변의 일부가 동일한 폭을 유지하며 상기 기판에 수직한 방향으로 상기 급전부를 향하여 연장되는 제 1 부분;
    상기 제 1 부분 중 일부가 상기 제 1 부분의 폭보다는 작지만 일정한(constant) 폭을 유지하며 상기 제 1 부분으로부터 상기 급전부를 향하여 연장되는 제 2 부분; 및
    상기 제 2 부분 중 일부가 상기 급전부에 가까워질수록 폭이 점점 좁아지며 깔때기 형상으로 연장되는 제 3 부분으로 구성되며,
    상기 제 3 부분에서 폭이 가장 좁은 단부는 상기 급전부와 연결되고,
    상기 제 1 부분의 상기 급전부를 향한 연장된 길이는 상기 제 2 부분의 연장된 길이 및 상기 제 3 부분의 연장된 길이보다 짧고, 상기 제 3 부분의 연장된 길이는 상기 임피던스 선로의 연장된 길이 중 가장 길고,
    상기 패치 안테나 시스템에 의한 방사 신호는 휴먼 카운팅 시스템이 이용하는 7.2 GHz 내지 10.2 GHz 의 주파수 대역에서 1 이상 2 이하의 전압 정재파비(VSWR) 및 최대 이득이 나타나는 것인, 패치 안테나 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패치층은 상기 임피던스 선로와 연결되는 제1 패치층; 및
    상기 제1 패치층의 하부면에 부착되고 상기 제1 패치층 보다 작은 크기로 구현되는 제2 패치층을 포함하는 것인, 패치 안테나 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패치 안테나 시스템은 출입문 부근에 배치되어 출입하는 사용자의 수를 세기 위한 휴먼 카운팅 시스템에 적용되는 것인, 패치 안테나 시스템.
  5. 삭제
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