KR102154226B1 - 패치 안테나 - Google Patents

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Abstract

하부 패치와 급전 핀 사이에 커플링 갭을 형성하여 안테나 성능을 최대화하도록 한 패치 안테나를 제시한다. 제시된 패치 안테나는 베이스층, 베이스층의 상면에 배치된 상부 패치, 베이스층의 하면에 배치된 하부 패치 및 베이스층, 상부 패치 및 하부 패치를 관통하는 급전 핀을 포함하고, 급전 핀은 상부 패치와 이격되어 커플링 갭을 형성한다.

Description

패치 안테나{PATCH ANTENNA}
본 발명은 전자기기의 패치 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 GPS 주파수 대역 및 GNSS 주파수 대역의 신호를 포함하는 초광대역에서 주파수를 수신하는 패치 안테나에 관한 것이다.
차량용 샤크 안테나는 차량 내에 설치되는 전자기기들의 신호 수신율을 향상시키기 위해 설치된다. 차량용 샤크 안테나는 차량의 외부에 설치된다.
일반적인 차량용 샤크 안테나에는 차량에서 주로 사용되는 위치정보 서비스를 제공하기 위한 GPS(Global Positioning System) 안테나가 포함된다. 최근에는, DMB, 오디오 등의 전자기기들이 설치됨에 따라, 차량용 샤크 안테나에도 GNSS(예를 들면, GPS(미국), Glonass(러시아)), SDARS(Sirius, XM), Telematics, FM, T-DMB 등의 주파수 대역의 신호를 수신하는 다수의 안테나가 내장되고 있다.
최근에 시장 및 사용자의 요구에 따라 패치 안테나의 크기가 소형화되고 있다. 패치 안테나의 사이즈가 소형화되면 반사 손실(Return loss)이 증가한다. 패치 안테나는 급전 핀 간의 간격을 가깝게 해서 반사 손실을 최소화할 수 있지만, 급전 핀이 가까워지는 경우 급전 핀들 간에 간섭이 발생하여 안테나 성능이 저하되는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1105443호(명칭: GPS용 세라믹 패치 안테나) 한국등록실용신안 제20-0326365호(명칭: 축비 및 반사손실 개선 GPS 패치 안테나)
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 하부 패치와 급전 핀 사이에 커플링 갭을 형성하여 안테나 성능을 최대화하도록 한 패치 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 하부 패치와 급전 핀 사이에 커플링 갭을 형성하여 반사 손실을 최소화하면서 급전 핀 간의 간섭을 최소화하여 안테나 성능을 최대화하도록 한 패치 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 패치 안테나는 베이스층, 베이스층의 상면에 배치된 상부 패치, 베이스층의 하면에 배치된 하부 패치 및 베이스층, 상부 패치 및 하부 패치를 관통하는 급전 핀을 포함하고, 급전 핀은 상부 패치와 이격되어 커플링 갭을 형성한다.
상부 패치에는 급전 핀이 관통하는 급전 홀이 형성되고, 급전 핀은 상부 패치에 형성된 급전 홀과 이격되어 커플링 갭을 형성할 수 있다. 이때, 커플링 갭의 폭은 0.5mm 이상이고, 1.5mm 이하일 수 있다.
급전 핀은 상부 패치에 형성된 제3 급전 홀을 관통하는 제1 급전 핀 및 상부 패치에 형성된 제4 급전 홀을 관통하는 제2 급전 핀을 포함하고, 커플링 갭은 제1 급전 핀과 제3 급전 홀 사이의 이격 공간에 형성된 제1 커플링 갭 및 제2 급전 핀과 제4 급전 홀 사이의 이격 공간에 형성된 제2 커플링 갭을 포함할 수 있다. 이때, 제1 커플링 갭의 폭은 제2 커플링 갭의 폭과 동일할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시 예에 따른 패치 안테나는 베이스층, 베이스층의 상면에 배치된 상부 패치, 급전 홀이 형성되어 베이스층의 하면에 배치된 하부 패치 및 급전 홀에 삽입되어 베이스층의 하면에 배치된 급전 패치를 포함하고, 급전 홀은 급전 패치와 이격되어 커플링 갭을 형성할 수 있다.
급전 홀의 면적은 급전 패치의 면적보다 넓게 형성되고, 급전 패치의 외주는 급전 홀과 이격되어 이격 영역을 형성하고, 이격 영역은 커플링 갭을 형성하고, 커플링 갭의 폭은 0.5mm 이상이고, 1.5mm 이하일 수 있다.
하부 패치는 제1 급전 홀 및 제2 급전 홀이 형성되고, 급전 패치는 제1 급전 홀이 삽입되는 제1 급전 패치 및 제2 급전 홀에 삽입되는 제2 급전 패치를 포함하고, 커플링 갭은 제1 급전 패치 및 제1 급전 홀 사이의 이격 공간에 형성된 제1 커플링 갭 및 제2 급전 패치 및 제2 급전 홀 사이의 이격 공간에 형성된 제2 커플링 갭을 포함할 수 있다. 이때, 제1 커플링 갭의 폭은 제2 커플링 갭의 폭과 동일할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 패치 안테나는 베이스층, 베이스층의 상면에 배치된 상부 패치, 베이스층의 하면에 배치된 하부 패치 및 베이스층 및 하부 패치에 형성된 급전 홀을 관통하여 상부 패치에 접촉된 급전 핀을 포함하고, 급전 핀은 하부 패치와 이격되어 커플링 갭을 형성한다.
하부 패치에 형성된 급전 홀의 면적은 급전 핀의 수평 단면의 면적보다 넓게 형성되고, 급전 핀의 외주는 하부 패치에 형성된 급전 홀과 이격되어 이격 영역을 형성하고, 이격 영역은 커플링 갭을 형성할 수 있다. 이때, 커플링 갭의 폭은 0.5mm 이상이고, 1.5mm 이하일 수 있다.
베이스층은 제1 급전 홀 및 제2 급전 홀이 형성되고, 하부 패치는 제3 급전 홀 및 제4 급전 홀이 형성되고, 급전 핀은 제1 급전 홀 및 제3 급전 홀을 관통하는 제1 급전 핀 및 제2 급전 홀 및 제4 급전 홀을 관통하는 제2 급전 핀을 포함하고, 커플링 갭은 제1 급전 핀 및 제3 급전 홀 사이의 이격 공간에 형성된 제1 커플링 갭 및 제2 급전 핀 및 제4 급전 홀 사이의 이격 공간에 형성된 제2 커플링 갭을 포함할 수 있다. 이때, 제1 커플링 갭의 폭은 제2 커플링 갭의 폭과 동일할 수 있다.
본 발명에 의하면, 패치 안테나는 하부 패치와 급전 부재(급전 패치, 급전 핀) 사이에 0.5mm 이상 1.5mm 이하의 폭을 갖는 커플링 갭을 형성함으로써, 사이즈가 감소된 패치 안테나에서 반사 손실(Return loss)의 저하를 방지하여 안테나 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 패치 안테나는 하부 패치와 급전 부재(급전 패치, 급전 핀) 사이에 0.5mm 이상 1.5mm 이하의 폭을 갖는 커플링 갭을 형성함으로써, 사이즈가 감소된 패치 안테나에서 송신 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 패치 안테나의 분해 사시도.
도 2는 도 1의 하부 패치를 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1의 제1 급전 패치, 제2 급전 패치 및 커플링 갭을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 패치 안테나의 분해 사시도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 패치 안테나의 측면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 패치 안테나의 분해 사시도.
도 7은 도 6의 베이스층을 설명하기 위한 도면.
도 8은 도 6의 상부 패치를 설명하기 위한 도면.
도 9는 도 6의 패치 안테나의 단면도.
도 10은 도 6의 제1 급전 핀, 제2 급전 핀 및 커플링 갭을 설명하기 위한 도면.
도 11은 사이즈 감소에 따른 패치 안테나의 반사 손실을 측정한 그래프.
도 12는 커플링 갭 유무에 따른 패치 안테나의 반사 손실을 측정한 그래프.
도 13은 커플링 갭의 폭(사이즈)에 따른 패치 안테나의 반사 손실을 측정한 그래프.
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 실시 예를 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 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 패치 안테나는 베이스층(110), 상부 패치(120), 하부 패치(130), 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150)를 포함하여 구성된다.
베이스층(110)은 유전체 또는 자성체로 구성된다. 즉, 베이스층(110)은 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성을 갖는 세라믹으로 구성되는 유전체기판으로 형성되거나, 페라이트 등의 자성체로 구성되는 자성체기판으로 형성된다.
상부 패치(120)는 베이스층(110)의 상면에 형성된다. 즉, 상부 패치(120)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 베이스층(110)의 상면에 형성된다. 이때, 상부 패치(120)는 사각형, 삼각형, 원형, 팔각형 등의 다각형 형상으로 형성된다.
상부 패치(120)는 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150)와 커플링 급전을 통해 구동하여 GPS 위성 및 글로나스 위성에서 송출되는 신호(즉, 위치 정보를 포함한 주파수)를 수신한다.
하부 패치(130)는 베이스층(110)의 하면에 형성된다. 즉, 하부 패치(130)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 베이스층(110)의 하면에 형성된다.
하부 패치(130)에는 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150)가 삽입되는 복수의 급전 홀이 형성될 수도 있다. 즉, 하부 패치(130)에는 제1 급전 홀(132) 및 제2 급전 홀(134)이 형성된다. 제1 급전 홀(132)에는 제1 급전 패치(140)가 삽입되고, 제2 급전 홀(134)에는 제2 급전 패치(150)가 삽입된다. 이때, 제1 급전 홀(132)과 하부 패치(130)의 중심점을 잇는 가상선과 제2 급전 홀(134)과 하부 패치(130)의 중심점을 잇는 가상선은 교차하여 설정각도를 이루도록 형성된다. 이때, 설정각도는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 110도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다.
제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150)는 하부 패치(130)에 형성된 급전 홀에 삽입 형성될 수도 있다. 즉, 제1 급전 패치(140)는 하부 패치(130)의 제1 급전 홀(132)의 내부에 삽입 형성되고, 제2 급전 패치(150)는 하부 패치(130)의 제2 급전 홀(134)에 삽입 형성된다. 이때, 제1 급전 패치(140)는 제1 급전 홀(132)의 외주와 소정간격 이격되어 형성되고, 제2 급전 패치(150)는 제2 급전 홀(134)의 외주와 소정간격 이격되어 형성된다.
제1 급전 패치(140)와 제2 급전 패치(150)는 하부 패치(130)의 중심을 기준으로 설정 각도를 갖도록 배치된다. 즉, 도 3을 참조하면, 제1 급전 패치(140)와 하부 패치(130)의 중심점(C)을 잇는 가상선(A)과 제2 급전 패치(150)와 하부 패치(130)의 중심점(C)을 잇는 가상선(B)은 교차하여 설정 각도(θ)를 이루도록 형성된다. 이때, 설정 각도(θ)는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 110도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다. 여기서, 도 3의 f는 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150)의 중심점 간의 y축(W2) 방향 거리를 의미한다.
이때, 패치 안테나의 크기가 25×25(W1=25mm, W2=25mm) 이상의 면적으로 형성된 경우, 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150) 사이에 간섭이 발생하지 않아 패치 안테나의 성능에는 영향을 미치지 않는다.
하지만, 패치 안테나의 크기가 20×20(W1=20mm, W2=20mm) 이하의 면적으로 형성된 경우, 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150) 사이의 간격이 좁아지기 때문에 간섭이 발생하여 패치 안테나의 성능이 저하된다.
즉, 패치 안테나의 크기가 감소하면 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150) 사이의 이격 간격이 좁아지기 때문에, 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150) 사이에 간섭이 발생한다. 패치 안테나는 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150) 사이의 간섭 발생으로 인해 반사 손실(Return loss)이 감소되고, 결과적으로 안테나의 성능이 저하된다.
이에, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 패치 안테나는 하부 패치(130)와 급전 패치(즉, 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150)) 사이에 커플링 갭(Coupling Gap)을 형성하여 기준(20×20(W1=20mm, W2=20mm)) 이하의 사이즈로 형성되어도 안테나 성능이 저하되지 않도록 한다.
커플링 갭은 제1 커플링 갭(160) 및 제2 커플링 갭(170)을 포함한다.
제1 커플링 갭(160)은 하부 패치(130) 및 제1 급전 패치(140) 사이에 형성된다. 즉, 제1 급전 홀(132)은 제1 급전 패치(140)보다 큰 면적으로 형성된다. 제1 급전 홀(132)은 제1 급전 패치(140)와 소정간격 이격되어 이격 영역을 형성된다. 그에 따라, 제1 급전 홀(132) 및 제1 급전 패치(140) 사이에는 제1 커플링 갭(160, 즉, 이격 영역)이 형성된다.
제2 커플링 갭(170)은 하부 패치(130) 및 제2 급전 패치(150) 사이에 형성된다. 즉, 제2 급전 홀(134)은 제2 급전 패치(150)보다 큰 면적으로 형성된다. 제2 급전 홀(134)은 제2 급전 패치(150)와 소정간격 이격되어 이격 영역을 형성한다. 그에 따라, 제2 급전 홀(134) 및 제2 급전 패치(150) 사이에는 제2 커플링 갭(170, 즉, 이격 영역)이 형성된다.
제1 커플링 갭(160)의 폭(D1) 및 제2 커플링 갭(170)의 폭(D2)은 설정 범위 내의 폭으로 형성된다. 이때, 제1 커플링 갭(160)의 폭(D1) 및 제2 커플링 갭(170)의 폭(D2)은 대략 0.5mm 이상 1.5mm 이하의 폭으로 형성되는 것을 일례로 한다. 제1 커플링 갭(160)의 폭(D1)은 제2 커플링 갭(170)의 폭(D2)과 동일하게 형성된다. 물론, 제1 커플링 갭(160)의 폭(D1) 및 제2 커플링 갭(170)의 폭(D2)은 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다.
제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150)가 일반적으로 원형으로 형성되기 때문에, 제1 커플링 갭(160) 및 제2 커플링 갭(170)은 원형 도넛 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 제1 급전 패치(140) 및 제2 급전 패치(150)가 삼각형, 사각형 등의 다각형으로 형성되는 경우, 제1 커플링 갭(160) 및 제2 커플링 갭(170)은 삼각형, 사각형 등의 다각형 도넛 형상으로 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 패치 안테나는 베이스층(210), 상부 패치(220), 하부 패치(230), 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)을 포함하여 구성된다.
베이스층(210)은 유전체 또는 자성체로 구성된다. 즉, 베이스층(210)은 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성을 갖는 세라믹으로 구성되는 유전체기판으로 형성되거나, 페라이트 등의 자성체로 구성되는 자성체기판으로 형성된다.
베이스층(210)에는 복수의 급전 홀이 형성된다. 즉, 베이스층(210)에는 제1 급전 핀(240)이 관통 삽입되는 제1 급전 홀(212), 제2 급전 핀(250)이 관통 삽입되는 제2 급전 홀(214)이 형성된다. 이때, 제1 급전 홀(212)과 베이스층(210)의 중심점을 잇는 가상선과 제2 급전 홀(214)과 베이스층(210)의 중심점을 잇는 가상선은 교차하여 설정 각도를 이루도록 형성된다. 이때, 설정 각도는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 110도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다.
상부 패치(220)는 베이스층(210)의 상면에 형성된다. 즉, 상부 패치(220)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 베이스층(210)의 상면에 형성된다. 이때, 상부 패치(220)는 사각형, 삼각형, 원형, 팔각형 등의 다각형 형상으로 형성된다.
상부 패치(220)의 하면은 베이스층(210) 및 하부 패치(230)를 관통한 급전 핀과 전기적으로 연결된다. 상부 패치(220)는 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)을 통한 급전 또는 커플링 급전을 통해 구동하여 GPS 위성 및 글로나스 위성에서 송출되는 신호(즉, 위치 정보를 포함한 주파수)를 수신한다.
하부 패치(230)는 베이스층(210)의 하면에 형성된다. 즉, 하부 패치(230)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 베이스층(210)의 하면에 형성된다.
하부 패치(230)에는 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)이 관통 삽입되는 복수의 급전 홀이 형성될 수도 있다. 즉, 하부 패치(230)에는 제3 급전 홀(232) 및 제4 급전 홀(234)이 형성된다. 제3 급전 홀(232)에는 제1 급전 핀(240)이 관통 삽입되고, 제4 급전 홀(234)에는 제2 급전 핀(250)이 관통 삽입된다. 이때, 제3 급전 홀(232)과 하부 패치(230)의 중심점을 잇는 가상선과 제4 급전 홀(234)과 하부 패치(230)의 중심점을 잇는 가상선은 교차하여 설정각도를 이루도록 형성된다. 이때, 설정각도는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 110도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다.
제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)은 일측이 하부 패치(230) 및 베이스층(210)을 관통하여 상부 패치(220)의 하면에 접촉된다. 즉, 제1 급전 핀(240)은 하부 패치(230)의 제3 급전 홀(232) 및 베이스층(210)의 제1 급전 홀(212)을 관통하여 상부 패치(220)의 하면에 접촉된다. 제2 급전 핀(250)은 하부 패치(230)의 제4 급전 홀(234) 및 베이스층(210)의 제2 급전 홀(214)을 관통하여 상부 패치(220)의 하면에 접촉된다.
제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)은 타측이 전자기기의 급전부(미도시)와 연결되어 급전 전원을 공급받는다. 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)은 베이스층(210)의 상면에 형성된 상부 패치(220)의 하면에 접촉되어 상부 패치(220)에게로 급전 전원을 공급한다.
제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)은 하부 패치(230) 및 베이스층(210)의 중심부를 기준으로 설정각도를 갖도록 배치된다. 즉, 제1 급전 핀(240)과 하부 패치(230)의 중심점을 잇는 가상선과 제2 급전 핀(250)과 하부 패치(230)의 중심점을 잇는 가상선은 교차하여 설정각도를 이루도록 형성되고, 제1 급전 핀(240)과 베이스층(210)의 중심점을 잇는 가상선과 제2 급전 핀(250)과 베이스층(210)의 중심점을 잇는 가상선은 교차하여 설정각도를 이루도록 형성된다. 이때, 설정각도는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 110도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다.
이때, 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)은 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질을 이용하여 핀 형상으로 미리 제작된다. 물론, 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)은 베이스층(210), 상부 패치(220), 하부 패치(230)를 적층하여 소체를 형성한 후에 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질을 베이스층(210)의 급전 홀 및 하부 패치(230)의 급전 홀에 주입하여 형성될 수도 있다.
이때, 패치 안테나의 크기가 25×25(W1=25mm, W2=25mm) 이상의 면적으로 형성된 경우, 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250) 사이에 간섭이 발생하지 않아 패치 안테나의 성능에는 영향을 미치지 않는다.
하지만, 패치 안테나의 크기가 20×20(W1=20mm, W2=20mm) 이하의 면적으로 형성된 경우, 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250) 사이의 간격이 좁아지기 때문에 간섭이 발생하여 패치 안테나의 성능이 저하된다.
즉, 패치 안테나의 크기가 감소하면 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250) 사이의 이격 간격이 좁아지기 때문에, 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250) 사이에 간섭이 발생한다. 패치 안테나는 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250) 사이의 간섭 발생으로 인해 반사 손실(Return loss)이 감소되고, 결과적으로 안테나의 성능이 저하된다.
이에, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 패치 안테나는 하부 패치(230)와 급전 핀(즉, 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)) 사이에 커플링 갭(Coupling Gap)을 형성하여 기준(20×20(W1=20mm, W2=20mm)) 이하의 사이즈로 형성되어도 안테나 성능이 저하되지 않도록 한다.
커플링 갭은 제1 커플링 갭(260) 및 제2 커플링 갭(270)을 포함한다.
제1 커플링 갭(260)은 하부 패치(230) 및 제1 급전 핀(240) 사이에 형성된다. 즉, 제3 급전 홀(232)은 제1 급전 핀(240)의 수평 단면보다 큰 면적으로 형성된다. 제3 급전 홀(232)은 제1 급전 핀(240)과 소정간격 이격되어 이격 영역을 형성한다. 그에 따라, 제3 급전 홀(232) 및 제1 급전 핀(240) 사이에는 제1 커플링 갭(260, 즉, 이격 영역)이 형성된다.
제2 커플링 갭(270)은 하부 패치(230) 및 제2 급전 핀(250) 사이에 형성된다. 즉, 제4 급전 홀(234)은 제2 급전 핀(250)의 수평 단면보다 큰 면적으로 형성된다. 제4 급전 홀(234)은 제2 급전 핀(250)과 소정간격 이격되어 이격 영역을 형성한다. 그에 따라, 제4 급전 홀(234) 및 제2 급전 핀(250) 사이에는 제2 커플링 갭(270, 즉, 이격 영역)이 형성된다.
제1 커플링 갭(260)의 폭(D3) 및 제2 커플링 갭(270)의 폭(D4)은 설정 범위 내의 폭으로 형성된다. 이때, 제1 커플링 갭(260)의 폭(D3) 및 제2 커플링 갭(270)의 폭(D4)은 대략 0.5mm 이상 1.5mm 이하의 폭으로 형성되는 것을 일례로 한다. 제1 커플링 갭(260)의 폭(D3)은 제2 커플링 갭(270)의 폭(D4)과 동일하게 형성된다. 물론, 제1 커플링 갭(260)의 폭(D3) 및 제2 커플링 갭(270)의 폭(D4)은 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다.
제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)의 수직 단면이 일반적으로 원형으로 형성되기 때문에, 제1 커플링 갭(260) 및 제2 커플링 갭(270)은 원형 도넛 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 제1 급전 핀(240) 및 제2 급전 핀(250)의 수직 단면이 삼각형, 사각형 등의 다각형으로 형성되는 경우, 제1 커플링 갭(260) 및 제2 커플링 갭(270)은 삼각형, 사각형 등의 다각형 도넛 형상으로 형성될 수 있다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 패치 안테나는 베이스층(310), 상부 패치(320), 하부 패치(330), 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)을 포함하여 구성된다.
베이스층(310)은 유전체 또는 자성체로 구성된다. 즉, 베이스층(310)은 고유전율 및 낮은 열팽창계수 등의 특성을 갖는 세라믹으로 구성되는 유전체기판으로 형성되거나, 페라이트 등의 자성체로 구성되는 자성체기판으로 형성된다.
베이스층(310)에는 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)이 삽입되는 복수의 급전 홀이 형성될 수도 있다. 즉, 도 7을 참조하면, 베이스층(310)에는 제1 급전 홀(312) 및 제2 급전 홀(314)이 형성된다. 제1 급전 홀(312)에는 제1 급전 핀(340)이 삽입되고, 제2 급전 홀(314)에는 제2 급전 핀(350)이 삽입된다. 이때, 제1 급전 홀(312)과 베이스층(310)의 중심점을 잇는 가상선과 제2 급전 홀(314)과 베이스층(310)의 중심점을 잇는 가상선은 교차하여 설정각도를 이루도록 형성된다. 이때, 설정각도는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 310도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다.
상부 패치(320)는 베이스층(310)의 상면에 형성된다. 즉, 상부 패치(320)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 베이스층(310)의 상면에 형성된다. 이때, 상부 패치(320)는 사각형, 삼각형, 원형, 팔각형 등의 다각형 형상으로 형성된다.
상부 패치(320)에는 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)이 삽입되는 복수의 급전 홀이 형성될 수도 있다. 즉, 도 8을 참조하면, 상부 패치(320)에는 제3 급전 홀(322) 및 제4 급전 홀(324)이 형성된다. 제3 급전 홀(322)에는 제1 급전 핀(340)이 삽입되고, 제4 급전 홀(324)에는 제2 급전 핀(350)이 삽입된다. 이때, 제3 급전 홀(322)과 상부 패치(320)의 중심점을 잇는 가상선과 제4 급전 홀(324)과 상부 패치(320)의 중심점을 잇는 가상선은 교차하여 설정각도를 이루도록 형성된다. 이때, 설정각도는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 310도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다.
상부 패치(320)는 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)과의 커플링 급전을 통해 구동하여 GPS 위성 및 글로나스 위성에서 송출되는 신호(즉, 위치 정보를 포함한 주파수)를 수신한다.
하부 패치(330)는 베이스층(310)의 하면에 형성된다. 즉, 하부 패치(330)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 도전성 재질의 박판으로서, 베이스층(310)의 하면에 형성된다.
하부 패치(330)에는 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)이 관통하는 복수의 급전 홀이 형성될 수도 있다. 즉, 하부 패치(330)에는 제5 급전 홀(332) 및 제6 급전 홀(334)이 형성된다. 제5 급전 홀(332)에는 제1 급전 핀(340)이 관통되고, 제6 급전 홀(334)에는 제2 급전 핀(350)이 관통된다. 이때, 제5 급전 홀(332)과 하부 패치(330)의 중심점을 잇는 가상선과 제6 급전 홀(334)과 하부 패치(330)의 중심점을 잇는 가상선은 교차하여 설정각도를 이루도록 형성된다. 이때, 설정각도는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 310도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다.
도 9를 참조하면, 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)은 베이스층(310), 상부 패치(320) 및 하부 패치(330)에 형성된 급전 홀들에 삽입된다. 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)의 헤드는 베이스층(310)의 상면에 배치되고, 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)의 바디는 베이스층(310), 상부 패치(320) 및 하부 패치(330)의 내부에 삽입 배치된다.
제1 급전 핀(340)은 베이스층(310)의 제1 급전 홀(312), 상부 패치(320)의 제3 급전 홀(322) 및 하부 패치(330)의 제5 급전 홀(332)의 내부에 삽입 배치된다. 제2 급전 핀(350)은 베이스층(310)의 제2 급전 홀(314), 상부 패치(320)의 제4 급전 홀(324) 및 하부 패치(330)의 제6 급전 홀(334)의 내부에 삽입 배치된다.
이때, 제1 급전 핀(340)의 외주는 제1 급전 홀(312), 제3 급전 홀(322) 및 제5 급전 홀(332)의 외주(즉, 내벽면)과 소정간격 이격되도록 배치되고, 제2 급전 핀(350)의 외주는 제2 급전 홀(322), 제4 급전 홀(324) 및 제6 급전 홀(334)의 외주(즉, 내벽면)과 소정간격 이격되도록 배치된다.
제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)은 패치 안테나의 중심을 기준으로 설정 각도를 갖도록 배치된다. 즉, 도 10을 참조하면, 제1 급전 핀(340)과 패치 안테나의 중심점(C')을 잇는 가상선(A')과 제2 급전 핀(350)과 패치 안테나의 중심점(C')을 잇는 가상선(B')은 교차하여 설정 각도(θ')를 이루도록 형성된다. 이때, 설정 각도(θ')는 90도로 형성되는 것이 바람직하나, 70도 이상 310도 이하의 범위로 형성되어도 무방하다. 여기서, 도 10의 f'는 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)의 중심점 간의 y축(W2) 방향 거리를 의미한다.
제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)은 상부 패치(320)와 전자기적 커플링으로 연결된다.
이때, 패치 안테나의 크기가 25×25(W1=25mm, W2=25mm) 이상의 면적으로 형성된 경우, 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350) 사이에 간섭이 발생하지 않아 패치 안테나의 성능에는 영향을 미치지 않는다.
하지만, 패치 안테나의 크기가 20×20(W1=20mm, W2=20mm) 이하의 면적으로 형성된 경우, 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350) 사이의 간격이 좁아지기 때문에 간섭이 발생하여 패치 안테나의 성능이 저하된다.
즉, 패치 안테나의 크기가 감소하면 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350) 사이의 이격 간격이 좁아지기 때문에 간섭이 발생한다. 패치 안테나는 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350) 사이의 간섭 발생으로 인해 반사 손실(Return loss)이 감소되고, 결과적으로 안테나의 성능이 저하된다.
이에, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 패치 안테나는 상부 패치(320)와 급전 핀(즉, 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)) 사이에 커플링 갭(Coupling Gap)을 형성하여 기준(20×20(W1=20mm, W2=20mm)) 이하의 사이즈로 형성되어도 안테나 성능이 저하되지 않도록 한다.
커플링 갭은 제1 커플링 갭(360)을 포함한다. 제1 커플링 갭(360)은 상부 패치(320) 및 제1 급전 핀(340) 사이에 형성된다. 즉, 제3 급전 홀(322)은 제1 급전 핀(340)보다 큰 면적으로 형성된다. 제3 급전 홀(322)은 제1 급전 핀(340)과 소정간격 이격되어 이격 영역을 형성된다. 그에 따라, 제3 급전 홀(322) 및 제1 급전 핀(340) 사이에는 제1 커플링 갭(380, 즉, 이격 영역)이 형성된다.
커플링 갭은 제2 커플링 갭(370)을 더 포함한다. 제2 커플링 갭(370)은 상부 패치(320) 및 제2 급전 핀(350) 사이에 형성된다. 즉, 제4 급전 홀(324)은 제2 급전 핀(350)보다 큰 면적으로 형성된다. 제4 급전 홀(324)은 제2 급전 핀(350)과 소정간격 이격되어 이격 영역을 형성한다. 그에 따라, 제4 급전 홀(324) 및 제2 급전 핀(350) 사이에는 제2 커플링 갭(390, 즉, 이격 영역)이 형성된다.
제1 커플링 갭(360)의 폭(D3) 및 제2 커플링 갭(370)의 폭(D4)은 설정 범위 내의 폭으로 형성된다. 이때, 제1 커플링 갭(360)의 폭(D3) 및 제2 커플링 갭(370)의 폭(D4)은 대략 0.5mm 이상 1.5mm 이하의 폭으로 형성되는 것을 일례로 한다. 제1 커플링 갭(360)의 폭(D3)은 제2 커플링 갭(370)의 폭(D4)과 동일하게 형성된다. 물론, 제1 커플링 갭(360)의 폭(D3) 및 제2 커플링 갭(370)의 폭(D4)은 서로 다른 폭으로 형성될 수 있다.
일반적으로 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)의 헤드 부분이 원형으로 형성되기 때문에, 제1 커플링 갭(360) 및 제2 커플링 갭(370)은 원형 도넛 형상으로 형성될 수 있다.
물론, 제1 급전 핀(340) 및 제2 급전 핀(350)의 헤드 부분이 삼각형, 사각형 등의 다각형으로 형성되는 경우, 제1 커플링 갭(360) 및 제2 커플링 갭(370)은 삼각형, 사각형 등의 다각형 도넛 형상으로 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 25×25, 제1 급전 라인 및 제2 급전 라인 사이의 간격을 대략 2.6mm로 제작된 패치 안테나는 대략 -11.6dB 정도의 반사 손실을 갖고, 대략 93& 정도의 송신효율을 갖는다. 여기서, 제1 급전 라인 및 제2 급전 라인은 본 발명의 제1 실시 예의 제1 급전 패치 및 제2 급전 패치, 본 발명의 제2 실시 예 및 제3 실시 예의 제1 급전 핀 및 제2 급전 핀에 대응된다.
이때, 제1 급전 라인 및 제2 급전 라인 사이의 간격을 대략 2.6mm로 유지한 체 크기를 20×20으로 축소 제작된 패치 안테나는 25×25 크기의 패치 안테나에 비해 대략 7.9dB 정도 증가한 -3.7dB 정도의 반사 손실을 갖고, 송신효율이 대략 66% 정도로 감소한다.
이는, 패치 안테나의 사이즈 감소로 인해 제1 급전 라인 및 제2 급전 라인 사이에 간섭이 발생하기 때문이다.
본 발명의 실시 예에 따른 패치 안테나는 상술한 문제점을 해소하기 위해서 커플링 갭을 형성한다.
도 12를 참조하면, 20×20 사이즈(f=2.6mm)로 제작된 패치 안테나에 커플링 갭을 형성하지 않은 경우, 대략 -3.7dB 정도의 반사 손실과 대략 66% 정도의 송신 효율을 갖는다.
이때, 동일한 사이즈의 패치 안테나에 커플링 갭을 형성하면, 커플링 갭이 형성되지 않은 패치 안테나에 비해 대략 16.7dB 정도 감소한 -20.4dB 정도의 반사 손실을 갖고, 대략 33% 정도 증가한 대략 99% 정도의 송신 효율을 갖는다.
이처럼, 본 발명의 실시 에에 따른 패치 안테나는 커플링 갭을 형성하여 시장에서 요구되는 반사 손실 및 송신 효율을 만족시킨다.
한편, 도 13을 참조하면, 20×20 사이즈(f=2.6mm)로 제작된 패치 안테나에 형성된 커플링 갭의 폭을 대략 0.5mm 단위로 증가시키면 패치 안테나의 반사 손실 및 송신 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.
즉, 커플링 갭의 폭을 대략 0.5mm 정도로 형성한 패치 안테나는 대략 -10.9dB 정도의 반사 손실과 대략 92% 정도의 송신 효율을 갖는다.
커플링 갭의 폭을 증가시켜 대략 1.0mm 정도로 형성한 패치 안테나는 0.5mm 폭인 패치 안테나에 비해 반사 손실이 대략 9.5dB 정도 감소하여 대략 -20.4dB 정도의 반사 손실을 갖고, 송신 효율이 대략 7% 정도 증가하여 99% 정도의 송신 효율을 갖는다.
커플링 갭의 폭을 증가시켜 대략 1.5mm 정도로 형성한 패치 안테나는 0.5mm 폭인 패치 안테나에 비해 반사 손실이 대략 11.4dB 정도 감소하여 대략 -22.3dB 정도의 반사 손실을 갖고, 송신 효율이 대략 7.4% 정도 증가하여 99.4% 정도의 송신 효율을 갖는다.
이처럼, 패치 안테나는 커플링 갭의 폭이 대략 0.5mm 이상 1.5mm 이하로 형성될 때 안테나 시장에서 요구되는 반사 손실 및 송신 효율을 만족시킬 수 있다.
이때, 커플링 갭의 폭이 대략 0.5mm 미만이거나, 1.5mm를 초과하는 경우 반사 손실이 증가하여 송신 효율이 저하되기 때문에 안테나 시장에서 요구되는 반사 손실 및 송신 효율을 만족시킬 수 없다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 패치 안테나는 커플링 갭의 폭을 대략 0.5mm 이상 1.5mm 이하로 형성한다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형 예 및 수정 예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
110, 210, 310: 베이스층
120, 220, 320: 상부 패치
130, 230, 330: 하부 패치
240, 340: 제1 급전 핀
250, 350: 제2 급전 핀

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  7. 가로 길이가 20mm 이하이고, 세로 길이가 20mm 이하인 베이스층;
    상기 베이스층의 상면에 배치된 상부 패치;
    급전 홀이 형성되어 상기 베이스층의 하면에 배치된 하부 패치; 및
    상기 급전 홀에 삽입되어 상기 베이스층의 하면에 배치된 급전 패치를 포함하고,
    상기 급전 홀은 상기 급전 패치와 이격되어 커플링 갭을 형성하되, 상기 급전 홀의 외주는 상기 급전 패치의 외주 전체와 마주하도록 배치되고, 상기 커플링 갭의 폭은 0.5mm 이상이고, 1.5mm 이하인 패치 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 급전 홀의 면적은 상기 급전 패치의 면적보다 넓게 형성된 패치 안테나.
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  11. 제7항에 있어서,
    상기 하부 패치는 제1 급전 홀 및 제2 급전 홀이 형성되고,
    상기 급전 패치는,
    상기 제1 급전 홀이 삽입되는 제1 급전 패치; 및
    상기 제2 급전 홀에 삽입되는 제2 급전 패치를 포함하는 패치 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 커플링 갭은,
    상기 제1 급전 패치 및 상기 제1 급전 홀 사이의 이격 공간에 형성된 제1 커플링 갭; 및
    상기 제2 급전 패치 및 상기 제2 급전 홀 사이의 이격 공간에 형성된 제2 커플링 갭을 포함하는 패치 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 커플링 갭의 폭은 상기 제2 커플링 갭의 폭과 동일한 패치 안테나.
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