KR102228689B1 - 안테나 장치 및 그것의 제조 방법 - Google Patents

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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
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Abstract

본 발명은 플라스틱 재질의 커버부에 전도성 재질의 와이어를 초음파 압착 방식으로 융착하여 안테나를 형성할 수 있도록 하는 안테나 장치 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 안테나 장치는, 제1 커버부; 제1 커버부의 일면에서 내부 방향으로 매립된 안테나 와이어; 및 안테나 와이어 상에 도포된 절연층을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라스틱 사출물에 와이어를 융착하여 직접 안테나 특성을 구현함으로써, 공간적 제약 및 스타일링 영향이 큰 차량용 안테나에 적용할 수 있으며, 공간 활용도를 높이고 안테나 크기를 줄일 수 있으며, 무지향성 특성을 용이하게 확보할 수 있다.

Description

안테나 장치 및 그것의 제조 방법{Antenna device and manufacturing method thereof}
본 발명은 안테나 장치 및 그것의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 플라스틱 재질의 커버부에 전도성 재질의 와이어를 초음파 압착 방식으로 융착하여 안테나를 형성할 수 있도록 하는 안테나 장치 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량 외부에는 다수의 전파를 송신 또는 수신하는 안테나가 장착된다. 예를 들면, 차량 뒤의 윈도우의 열선에 내장되어 AM 신호 또는 FM 신호를 수신하는 글래스(Glass) 안테나, λ/4의 수직 도선을 동축 케이블에 접속하고 차체를 접지로 사용하는 휩(whip) 안테나, 막대형의 폴(pole) 안테나, 그리고 현재 가장 흔히 볼 수 있는 상어 지느러미 모양의 샤크핀(Shark Fin) 안테나 등이 있다.
통합형 샤크핀 안테나는 내부에 여러 주파수 대역의 안테나를 제공함으로써 통합 안테나의 기능을 제공하는데, 통상 샤크핀 안테나는 AM, FM, DMB, SXM, GPS, LTE 등 다양한 주파수 대역을 커버하는 안테나가 내장된다. 샤크핀 안테나는 증폭기능을 위한 회로부품이 실장된 PCB와, 실질적인 외부신호의 수신을 위한 안테나로 구성된다.
안테나 구현 방법에 있어서 보편적으로 AM, FM, DMB 주파수 대역의 경우에는 헤리컬 타입 안테나를 이용하거나 PCB를 이용하여 안테나를 구현한다. LTE와 같이 높은 주파수 대역 및 넓은 주파수 대역을 가지는 경우에는 PCB 타입이나 프레스물을 이용하여 구현하며, SXM 및 GPS 안테나의 경우는 세라믹 재질을 이용한 패치 안테나로 구현한다.
PCB나 프레스물을 이용하여 안테나를 구현하는 경우에는 통합형 샤크핀 안테나의 크기가 커지며, 안테나 개발 시, 안테나 특성을 조절하기 위해 패턴을 변형 및 절삭해야 한다. 특히 안테나의 특성 조절 시, 기존 제품을 재사용하지 못하여 재 제작이 필요하므로 수정이 용이하지 않고, 그에 따라 개발 기간 또는 개발 비용이 많이 들어가 원가 상승요인이 되는 단점이 있다.
한국 등록특허공보 제10-1598059호(등록일: 2016년 02월 22일)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 플라스틱 재질의 커버부에 전도성 재질의 와이어를 초음파 압착 방식으로 융착하여 안테나를 형성할 수 있도록 하는 안테나 장치 및 그것의 제조 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치는, 제1 커버부; 제1 커버부의 일면에서 내부 방향으로 매립된 안테나 와이어; 및 안테나 와이어 상에 도포된 절연층을 포함할 수 있다.
안테나 와이어는, 그 두께의 70% 이상 제1 커버부의 내부에 매립될 수 있다.
안테나 와이어는, 안테나 패턴 및 안테나 패턴에서 연장된 반사 패턴을 포함할 수 있다.
반사 패턴은, 안테나 패턴 사이에 배치될 수 있다.
안테나 와이어는, 안테나 패턴의 각 주파수 대역의 파장 길이보다 짧은 길이를 가질 수 있다.
제1 커버부는, 상면(the top side)과, 상면에서 아래 방향 양측으로 연장된 두 옆면(two side surface) 및 밑면(the base side)을 포함할 수 있다.
반사 패턴은, 제1 커버부의 상면에 배치될 수 있다.
안테나 패턴은, 스파이럴(spiral line) 패턴 또는 지그재그(Meander line) 패턴일 수 있다.
안테나 패턴은, 기준선에 스파이럴 패턴이 배치되고, 기준선을 기준으로 제1 지그재그 패턴과 제2 지그재그 패턴이 서로 대향하게 배치될 수 있다.
안테나 패턴은, 제1 지그재그 패턴과 제2 지그재그 패턴에 수직한 방향으로 제3 지그재그 패턴이 배치될 수 있다.
스파이럴 패턴은 AM 신호를 수신하고, 제1 지그재그 패턴 및 제2 지그재그 패턴은 FM 신호를 수신하며, 제3 지그재그 패턴은 DMB 신호를 수신할 수 있다.
절연층은, 제1 커버부와 동일 재료로 이루어질 수 있다.
절연층은, 안테나 와이어의 직경의 10% 내지 20%의 두께를 가질 수 있다.
안테나 와이어는, 제1 커버부의 일면에서 일부 돌출될 수 있다.
또한, 안테나로부터 수신된 신호를 증폭하는 저잡음 증폭회로 및 기판 실장용 안테나를 포함하는 회로기판; 회로기판을 고정하는 베이스; 및 제1 커버부의 외측면을 덮는 형태로 제1 커버부에 조립되는 제2 커버부를 더 포함할 수 있다.
제1 커버부는 회로 기판을 덮는 형태로 베이스와 결합할 수 있다.
기판 실장용 안테나는, DMB 신호와 GPS 신호, 와이파이(Wi-Fi) 신호, 3G 이동통신 신호, 4G 이통통신 신호 등을 수신할 수 있는 안테나를 포함 할 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치 제조 방법은, (a) 초음파 압착 장치가 제1 커버부의 표면에 안테나 가이드 라인을 형성하는 단계; (b) 초음파 압착 장치가 안테나 와이어를 안테나 가이드 라인을 따라 제1 커버부의 내부 방향으로 매립하는 단계; 및 (c) 초음파 압착 장치가 안테나 와이어에 절연층을 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
(b) 단계는 초음파 압착 장치가 안테나 와이어를 안테나 가이드 라인을 따라 제1 커버부 상에서 초음파 진동에 의한 열압착으로 그 두께의 70% 이상으로 제1 커버부의 내부에 매립할 수 있다.
(b) 단계에서 안테나 와이어는, 송신 또는 수신하는 신호의 파장 길이보다 짧은 길이를 가질 수 있다.
(b) 단계에서 안테나 와이어가 형성하는 안테나 패턴은, 패턴 형상 및 패턴 선간 상호 커플링 결합에 의해 인덕턴스 성분이 증가되어, 신호의 파장 길이보다 짧은 안테나 와이어의 길이를 보상할 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라스틱 사출물에 와이어를 융착하여 각 주파수 대역의 안테나를 구현할 수 있다.
또한, 와이어를 사출물에 융착하여 안테나를 구현함으로써, 기존의 PCB, 프레스물 등으로 구현되었던 안테나의 역할을 대신하는 제품을 제공할 수 있다.
또한, 서로 다른 주파수 대역의 안테나를 하나의 안테나 캐리어에 구현함으로써 장치의 소형화를 가능하게 하고, 안테나의 방사 효율 등도 개선할 수 있다.
또한, 돔(dome) 구조의 폴리카보네이트(PC) 사출면에 임베디드 와이어 패턴을 형성하여 안테나 특성을 구현함으로써, 공간적 제약 및 스타일링에 영향이 큰 차량용 안테나에 적용할 수 있다.
또한, 차량용 안테나 환경에서 공간 활용도를 높이고 안테나 크기를 줄일 수 있으며, 차량용 안테나에서 요구되는 무지향성 특성을 용이하게 확보할 수 있다.
또한, 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 안테나들이 상호 결합되도록 패턴을 설계하여 각 안테나별로 길이를 보상할 뿐만 아니라 넓은 주파수 대역을 수신할 수 있다. 따라서, 다중 주파수 대역을 커버하는 통합 안테나 장치의 소형화를 가능하게 하고, 소형 안테나 장치가 커버할 수 있는 주파수 대역을 저주파 대역까지 확장시킬 수 있다.
또한, 안테나 간 이격 거리 확보가 어려운 경우에도 안테나 장치의 방사 효율 및 송수신 성능을 개선 할 수 있다.
그리고, 서로 다른 주파수 대역에서 동작하는 안테나들을 개별로 조립하는 작업을 하지 않고 하나의 돔 구조로 조립함으로써 안테나 장치의 제조공정을 간소화하고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 안테나 와이어를 초음파 융착하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 패턴과 반사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 제1 커버부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 커버부에 안테나 와이어가 초음파 압착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 와이어에 의해 형성된 FM 안테나부 및 AM 안테나부를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 FM 안테나부 및 AM 안테나부의 연결부 패턴에 대한 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 제조를 위한 초음파 압착 장치를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 제1 커버부를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 조립 상태도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이너 커버 내면 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이너 커버 초음파 압착 장치를 이용해 안테나 와이어를 초음파 압착하는 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2 커버부의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 와이어를 제1 커버부 상에 LTE 안테나로 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 와이어를 제1 커버부 상에 융착하여 5G 안테나로 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 와이어 매립 상태를 나타낸 부분 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 그에 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 벗어나지 않고, 제 1 구성 요소가 제 2 또는 제 3 구성 요소 등으로 명명될 수 있으며, 유사하게 제 2 또는 제 3 구성 요소도 교호적으로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 18을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치를 설명한다.
본 발명에 따른 안테나 장치는, 안테나 와이어를 초음파 진동에 의한 열압착으로 플라스틱 소재에 융착하여 실시하는 것으로서, 차량용 안테나 장치에 적용하여 설명하기로 한다. 예를 들면, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치는 차량용 안테나 장치로서 샤크 핀(Shark Fin) 안테나 장치에 적용하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 안테나 와이어를 초음파 융착하는 과정을 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 패턴과 반사 패턴을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치(100)는, 플라스틱 소재의 제1 커버부(110); 제1 커버부(110)의 일면에서 내부 방향으로 매립된 안테나 와이어(120); 및 안테나 와이어(120) 상에 도포된 절연층(130)을 포함할 수 있다.
또한, 저잡음 증폭회로와 기판 실장형 안테나(142)를 실장하는 회로기판(141); 회로기판을 고정하는 베이스(140); 및 제1 커버부(110)의 외측면을 덮는 형태로 제1 커버부(110)에 조립되는 제2 커버부(150)를 더 포함할 수 있다.
제1 커버부(110) 및 제2 커버부(150)는, 도 1에 도시된 바와 같이 상어 지느러미와 유사한 샤크핀 형상을 가질 수 있으며, 플라스틱 소재(carrier)로서 예컨대, 폴리 카보네이트(Poly Cabonate)를 사용할 수 있다. 폴리 카보네이트는 엔지니어링 플라스틱에 속하며, 전기 절연성과 치수 안정성이 좋고, 내산성이 있으며, 내후성이 크고 내충격성이 높은 특징이 있어 전기부품으로 가장 많이 사용된다. 또한 폴리 카보네이트는 용융점이 260℃가 넘기 때문에, 활용 할 수 있는 온도가 100℃~130℃?에서도 사용 할 수 있어서, 그 사용 범위가 다양하다.
제1 커버부(110)는 예를 들면 이너 레이돔(inner radome)으로 구현하고, 제2 커버부(150)는 아웃터 레이돔(outter radome)으로 구현할 수 있다. 즉, 베이스(140)를 덮는 제1 커버부(110)의 이너 레이돔 및 이너 레이돔을 덮는 제2 커버부(150)의 아웃터 레이돔을 포함할 수 있다.
레이돔은 커버를 구성하는 것으로, 하나 또는 그 이상의 레이돔으로 구성될 수 있다. 레이돔은 커버 안테나를 제공하는 것으로, 이너 레이돔 또는 아웃터 레이돔의 외측 표면뿐만 아니라 내측 표면에도 안테나 와이어(120)를 초음파 압착하여 커버 안테나를 형성할 수 있다.
그러나, 어느 한 레이돔에서 외면과 내면의 표면적이 동일하고 그 재질 역시 동일해도, 내면(조립 상태의 내면)은 초음파 압착 작업시 필요한 공간이 비교적 좁기 때문에 외면에 안테나 와이어(120)를 초음파 압착하는 것이 좋다.
레이돔 중 아웃터 레이돔은 최외각에 배치되므로 전파 수신 환경은 좋으나, 베이스(140)와의 연결이 어렵고 주행 중 외부에 직접 노출되므로 이너 레이돔에 안테나 와이어(120)를 초음파 압착한다. 즉, 안테나 와이어(120)는 이너 레이돔인 제1 커버부(110)의 외면에 초음파 압착된다.
제1 커버부(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 기판 회로(141)를 덮는 형태로 베이스(140)와 결합할 수 있다. 베이스(140)는 차량 외부에 부착되는 것으로, 본 발명이 차량용 안테나로써 샤크핀 안테나에 적용되는 경우에 차량의 탑루프 후단부에 부착된다. 따라서, 베이스(140)는 차량에 부착시 차량의 손상을 방지하기 위해 표면이 부드러우면서도 견고한 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 베이스(140)는 유선형 형상으로 이루어질 수 있으며, 그 상면에 회로 기판(141) 등이 조립될 수 있게 상면은 편평한 형상을 가지며, 일 예로 하부의 패드 및 그 위의 고정판 등을 포함하여 구성할 수 있다.
베이스(140)는 테두리부에 몇몇 개소에 커버 조립구가 구비될 수 있으며, 커버 조립구는 나사공이 형성된 플랜지나 커플러 등 다양한 타입의 조립구가 사용될 수 있다.
회로 기판(141)은 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭회로 및 기판 실장형 안테나를 포함하며, 전파 신호를 수신하기 위한 신호 라인이 형성되어 있으며, 베이스(140)에 고정된다. 이때 회로 기판(141)은 베이스(140)의 상면에 고정된다. 회로 기판(141)은 적어도 하나 이상의 기판 실장 안테나(142)를 포함할 수 있다.
기판 실장용 안테나(142)는 회로 기판(141)에 실장되는 안테나를 의미하는 것으로, 제1 커버부(110)에 형성된 '커버 안테나'와 구분된다. 기판 실장용 안테나(142)는 회로기판(141)에 실장되어, DMB 신호, GPS 신호, SXM신호, 와이파이(Wi-Fi) 신호, 3G 이동통신 신호, 4G 이통통신 신호 등을 수신 할 수 있다.
본 발명은 일반적인 기판 실장용 안테나(142) 이외에 제1 커버부(110)의 한 표면에 안테나 가이드 라인을 따라 초음파 압착된 안테나 와이어(120)로 인해 추가적으로 '커버 안테나'를 더 제공한다. 안테나 가이드 라인은 제1 커버부(110)에 형성되는 안테나를 위한 패턴을 의미하는 것으로, 안테나 와이어(120)가 제1 커버부(110)에 초음파 압착되는 경로를 제공한다.
제1 커버부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 압착 장치(160)의 초음파 진동에 의한 열압착으로 안테나 와이어(120)를 내부로 매립한다. 그에 따라 안테나 와이어(120)의 주위에 융착 돌기(115)가 생성된다. 이어, 뜨거운 열에 의해 달구어진 노즐(170)을 융착 돌기(112)에 접촉시키면, 융착 돌기(115)는 노즐(170)의 열에 녹아서 안테나 와이어(120)를 덮게 된다. 따라서, 안테나 와이어(120)는 제1 커버부(110)의 내부로 매립되고, 일부가 제1 커버부(110)의 상면에 돌출된 상태에서 융착 돌기(115)가 녹아서 생성된 절연층(130)으로 덮이게 된다.
절연층(130)은, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 커버부(110)와 동일 재료로 이루어질 수 있다. 즉, 절연층(130)은 폴리 카보네이트(PC) 재질의 제1 커버부(110) 상에서 동일한 재질의 융착 돌기(112)가 녹아서 생성된 것이므로, 제1 커버부(110)와 동일한 재질이다. 절연층(130)은, 안테나 와이어(120)의 직경의 10% 내지 20%의 두께를 가질 수 있다.
제1 커버부(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상면(the top side)과, 상면에서 아래 방향 양측으로 연장된 두 옆면(two side surface) 및 밑면(the base side)을 포함할 수 있다.
안테나 와이어(120)는 제1 커버부(110)에 초음파 압착되어 '커버 안테나'를 형성한다. 즉, 안테나 와이어(120)는 이너 레이돔에 초음파 진동에 의한 열압착으로 제1 커버부(110)에 융착되어 커버 안테나를 형성한다.
안테나 와이어(120)는, 제1 커버부(110)의 일면에서 일부 돌출될 수 있다. 안테나 와이어(120)는 두께를 Ψ0.25로 하고, EUW(Enamel Urethane Wire)를 사용한다.
안테나 와이어(120)는, 도 3에 도시된 바와 같이 안테나 패턴(310, 330), 및 안테나 패턴에서 연장된 반사 패턴(320, 340)을 포함할 수 있다.
안테나 패턴(310, 330)은, 제1 안테나 패턴(310) 및 제2 안테나 패턴(330)을 포함할 수 있다. 안테나 패턴(310)은, 스파이럴(spiral line) 패턴(312) 또는 지그재그(Meander line) 패턴(314, 316)일 수 있다.
제1 안테나 패턴(310)은 스파이럴 패턴(312)과 제1 지그재그 패턴(314) 및 제2 지그재그 패턴(316)을 포함할 수 있다. 안테나 패턴은, 기준선에 스파이럴 패턴(312)이 배치되고, 기준선을 기준으로 제1 지그재그 패턴(314)과 제2 지그재그 패턴(316)이 서로 대향하게 배치될 수 있다.
제2 안테나 패턴(330)은 제1 지그재그 패턴(332)과 중앙 지그재그 패턴(334) 및 제2 지그재그 패턴(336)을 포함할 수 있다.
안테나 패턴은, 제1 지그재그 패턴(314, 332)과 제2 지그재그 패턴(316, 336)에 수직한 방향으로 제3 지그재그 패턴(318, 338)이 배치될 수 있다.
스파이럴 패턴(312)은 AM 신호를 수신하고, 제1 지그재그 패턴(314, 332) 및 제2 지그재그 패턴(316, 336)은 FM 신호를 수신하며, 제3 지그재그 패턴(318, 338)은 DMB 신호를 수신할 수 있다. 제1 커버부(110)에 형성되는 커버 안테나는 FM 안테나 및 AM 안테나를 포함한다. 이는 비교적 주파수 대역이 낮아서 파장이 크고 안테나 크기 역시 상대적으로 큰 안테나를 제1 커버부(110)에 형성시키기 위한 것이다.
안테나 와이어(120)는, 안테나 패턴(310, 330)의 각 주파수 대역의 파장 길이보다 짧은 길이를 가질 수 있다. 즉, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 안테나 와이어(120)에 의한 스파이럴 패턴(312)의 AM 안테나와, 제1 지그재그 패턴(314)과 제2 지그재그 패턴(316)의 FM 안테나를 연결하여 제1 커버부(110) 상에 형성시킴에 따라 길이 보상 및 전자기 결합(electronic magnetic coupling), 특히 상호 자기결합(magnetic coupling) 방식에 의해 신호 파장보다 짧은 길이로 안테나를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 차량용 안테나의 사이즈를 줄이고 주행 중 공기 저항을 저감시킨다. 또한, 초음파 압착 방식으로 인해 안테나를 커버의 형상 및 안테나 패턴에 따라 자유롭게 설계할 수 있으며, 많은 수의 안테나를 통합할 수 있게 한다.
반사 패턴(320, 340)은, 도 3에 도시된 바와 같이 안테나 패턴(310, 330) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 제1 반사 패턴(320)은 제1 지그재그 패턴(314)과 제2 지그재그 패턴(316) 사이에 있는 스파이럴 패턴(312) 상에 배치될 수 있다. 제2 반사 패턴(340)은 제1 지그재그 패턴(332)과 제2 지그재그 패턴(336) 사이에 있는 중앙 지그재그 패턴(334) 상에 배치될 수 있다. 반사 패턴(320, 340)은, 제1 커버부(110)의 상면(the top side)에 배치될 수 있다. 이때, 반사 패턴(320, 340)은 안테나 패턴(310, 330)에서 방사되는 전파를 목적하는 방향으로 에너지를 집중시켜 보다 먼 거리에 도달시키거나, 수신 입력의 감도를 올리거나 하는 경우에 사용된다. 따라서, 반사 패턴(320, 340)은 안테나 패턴(310, 330)의 방사 효율을 높이고, 수신 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 제1 커버부를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 커버부(110)는 베이스(140)의 상면에 고정되어 베이스(140)의 전부 또는 일부를 덮는 커버 형상으로 이루어져 있으며, 안테나 와이어(120)가 초음파 압착될 수 있도록 합성수지 재질로 이루어진다.
이러한 제1 커버부(110)는 차량용 안테나, 특히 샤크 안테나에 적용하여, 열가소성 플라스틱의 일종인 폴리 카보네이트(PC)와 같이 내충격성 및 내열성 등의 특징이 있으면서도 가공성이 우수한 재질을 사용한다.
따라서, 안테나 와이어(120)는 제1 커버부(110)에 초음파 압착하는 경우에도 열변형이 방지되면서도 당해 제1 커버부(110)의 표면에 초음파 진동에 의해 열압착 시 견고히 고정될 수 있다.
다만, 이너 레이돔인 제1 커버부(110)는 아웃터 레이돔인 제2 커버부(150)의 저면에 밀착 결합되고, 이를 위해 이너 레이돔인 제1 커버부(110)도 역시 샤크 핀 형상(또는 그와 유사한 유선형 형상)으로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이 이너 레이돔인 제1 커버부(110)는 상단에 샤크 핀 형상의 돌출부(111)를 구비하고, 그를 굴곡 기준점으로 하여 좌우 양측으로 퍼져 나가며, 단부에는 날개(112)를 구비하여 전체적으로 유선형으로 이루어진다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 이너 레이돔인 제1 커버부(110)는 내측에 빈 공간(113)이 구비되어 베이스(140)에 실장된 각종 기판 실장용 안테나(142)를 비롯하여, 신호 수신 필터 및 케이블 커넥터 등의 설치 공간을 확보한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 커버부에 안테나 와이어가 초음파 압착된 상태를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 와이어에 의해 형성된 FM 안테나부 및 AM 안테나부를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 FM 안테나부 및 AM 안테나부의 연결부 패턴에 대한 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 안테나 와이어(120)는 전파를 수신하도록 전도성 재질로 이루어지며, 일 예로 동선에 에나멜이 코팅된 에나멜 와이어가 사용될 수 있다.
안테나 와이어(120)는 안테나 가이드 라인의 FM 안테나 패턴을 따라 초음파 압착된 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나 패턴을 따라 초음파 압착된 AM 안테나부(122)를 포함한다.
이때, FM 안테나부(121)의 길이는 FM 주파수 대역의 파장 길이보다 짧고, AM 안테나부(122)의 길이는 AM 주파수 대역의 파장 길이보다 짧아서 차량용 안테나 장치 전체의 크기를 줄이고, 그에 따라 주행 중 공기저항 역시 저감시킨다.
특히, FM 안테나부(121)의 선단부가 AM 안테나부(122)의 선단부와 연결된다. 따라서, 본 발명은 FM 신호 및 AM 신호를 모두 동시에 수신이 가능하며, 서로 다른 캐리어 주파수(혹은 중심 주파수)를 갖는 신호는 필터(예, 대역통과 필터나 대역저지 필터 등)를 통해 채널 선택시 수신 신호 강도나 이득(gain)이 FM 방송 및 AM 방송 청취에 적합한 수준을 제공한다.
FM 안테나부(121)의 선단부가 AM 안테나부(122)의 선단부와 연결시, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)는 안테나 와이어(120)의 길이가 각각 주파수 대역의 파장 길이보다 짧은 것이 '보상'됨에 따라 FM 신호 및 AM 신호를 모두 동시에 수신할 수 있다.
여기서, 주파수 대역의 파장 길이보다 짧은 것이 '보상'된다는 의미는 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)의 길이가 짧아도 FM 신호 및 AM 신호를 수신할 수 있다는 것을 의미한다.
이를 위해, FM 안테나부(121)는 그에 일체로 연결된 AM 안테나부(122)의 일부분을 이용하고, AM 안테나부(122)는 그에 일체로 연결된 FM 안테나부(121)의 일부분을 이용함에 따라 길이가 보상된다.
물론, 후술하는 바와 같이 '보상'은 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)의 자체 패턴에 따른 자기결합(magnetic coupling)은 물론, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122) 간의 자기결합에 의해서도 길이가 보상된다.
아웃터 레이돔인 제2 커버부(150)는 이너 레이돔인 제1 커버부(110)를 덮는 것으로서, 차량용 안테나의 외관을 구성함과 동시에 제1 커버부(110)에 초음파 압착된 안테나 와이어(120)를 보호한다. 제2 커버부(150)는 필요시 안테나 수신에 적합한 유전율(permittivity)을 갖는 것을 채택할 수 있다. 이러한 제2 커버부(150)는 제1 커버부(110)의 외측면을 덮도록 조립되며, 상어 샤크 핀 형상을 갖는다.
안테나 와이어(120)는 제1 커버부(110)의 외면에 초음파 압착된다. 물론, 안테나 와이어(120)는 이러 레이돔인 제1 커버부(110)의 내면에도 초음파 압착될 수 있다.
따라서, 본 발명은 안테나 와이어(120)를 제1 커버부(110)의 표면(즉, 외면)에 매립함으로써 초음파 압착을 쉽게 하면서도, 최대한 전파 환경(propagation environment)에 노출시킬 수 있도록 한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 제조를 위한 초음파 압착 장치를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 커버부(110)의 표면에 안테나 와이어(120)를 초음파 진동에 의한 열압착 시에 초음파 압착 장치(160)를 이용한다.
초음파 압착 장치(160)는 일 예로 진동기(161) 및 진동 혼(162)을 포함하는데, 이때 진동기(161)는 전원을 공급받아 진동하는 것으로 고정대(163)에 설치되고, 진동 혼(162)은 진동기(161)의 하단에 연결되어 진동이 전달된다. 고정대(163)는 X/Y/Z 3축 이동장치에 의해 이동한다.
또한, 초음파 압착과 동시에 안테나 와이어(120)가 공급되도록 진동 혼(162)의 중심부에는 공급 통로가 형성되어 있고, 공급통로는 진동 혼(162)의 하단 첨두부까지 형성되어 있다. 따라서, 진동 혼(162)의 하단에 구비된 첨두부를 통해 안테나 와이어(120)가 배출 공급된다.
또한, 진동 혼(162)의 내부 공급 통로 중 일부분은 진동 혼(162)의 측면을 통해 외부로 개방되어 있어서 진동 혼(162)의 측부를 통해 안테나 와이어(120)가 공급 통로로 공급된다. 이때, 안테나 와이어(120)는 와이어 공급기(164)에 감겨 있다가 진동 혼(162)이 이동하면 안테나 와이어(120)를 풀어 공급한다.
따라서, 와이어 공급기(164)에 감겨있던 안테나 와이어(120)가 초음파 압착 장치(160)로 공급되고, 안테나 가이드 라인을 따라 이동 중인 진동 혼(162)을 통해 안테나 와이어(120)가 공급되면서 초음파 압착이 이루어진다.
안테나 와이어(120)는 안테나 가이드 라인의 FM 안테나 패턴을 따라 초음파 압착된 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나 패턴을 따라 초음파 압착된 AM 안테나부(122)를 포함한다.
따라서, FM 안테나 패턴을 따라 형성된 FM 안테나부(121)는 FM 안테나로 기능하고, AM 안테나 패턴을 따라 형성된 AM 안테나부(122)는 AM 안테나로 기능한다.
FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)는 각각 이너 레이돔인 제1 커버부(110)의 폭 방향을 기준으로 그 좌우 양측에 균등하게 형성된다.
즉, 제1 커버부(110)가 상단 중심부에 샤크 핀 형상의 돌출부(111)를 구비하는 경우, 초음파 압착 장치(160)는 그 좌우 양측으로 균등하게 이동하며 초음파 진동에 의해 안테나 와이어(120)를 열압착한다.
다만, 도 5에서는 FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)가 각각 전방측과 후방측에 연속하여 배치된 것을 예로 들었으나, 그와 반대로 FM 안테나가 후방측에 배치되고, AM 안테나가 전방측에 배치될 수 있다.
또한, 제1 커버부(110)는 FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)가 구비된 부분 이외의 여유 부분에 또 다른 안테나를 구비할 수도 있다. 예컨대, 안테나 가이드 라인의 DMB 안테나 패턴을 따라 안테나 와이어(120)를 초음파 압착함에 따라 DMB 안테나를 기판 실장용 안테나(142) 대신 커버 안테나로 제공할 수도 있다.
한편, 본 발명에서 FM 안테나부(121)의 길이는 FM 주파수 대역의 파장 길이보다 짧고, AM 안테나부(122)의 길이는 AM 주파수 대역의 파장 길이보다 짧게 한다. 즉, FM 안테나부(121)는 안테나 와이어(120)를 제1 커버부(110)에 FM 주파수 대역의 파장 길이보다 짧게 초음파 압착하고, AM 안테나부(122)는 안테나 와이어(120)를 제1 커버부(110)에 AM 주파수 대역의 파장 길이보다 짧게 초음파 압착한다.
이를 위해, 본 발명은 FM 안테나부(121)의 선단부를 AM 안테나부(122)의 선단부와 연결시킨다. 따라서, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)의 안테나 와이어(120)의 길이가 각각 주파수 대역의 파장 길이보다 짧은 것을 보상한다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 국가마다 할당된 밴드 폭에 다소 차이는 있을 수는 있지만 FM 라디오 방송의 주파수 대역은 88 MHz ~ 108 MHz이고, AM 라디오 방송의 주파수 대역은 535 KHz ~ 1,605 KHz이다.
그러므로, 일 예로 100 MHz FM 신호인 경우, 파장(λ)은 다음 수학식 1에 따라 전파의 속도(c)를 주파수(f)로 나누면 3,000 mm를 얻을 수 있다.
Figure 112020025351923-pat00001
여기서, c는 전파의 속도를 나타내는 것으로 3×108 m/s이고, f는 주파수를 나타낸다.
이때, 사출물의 유전율과 권선된 패턴 형상 및 패턴 선간 간격에 의한 자기결합에 의해 파장(λ)의 약 7/10인 2,000 mm ~ 2,100 mm의 안테나 길이에서 최적의 FM 주파수 대역의 공진을 얻을 수 있다. 따라서, FM 안테나부(121)는 안테나 와이어(120)의 길이가 2,100 mm가 된다.
AM의 경우에도 유사하게, 일 예로 1,000 KHz(1MHz) AM 신호의 파장(λ)을 구한 후, 안테나 패턴(예, 스파이럴 패턴)의 권선과 커플링 효과에 의해 파장(λ)의 약 8/10인 길이 2,300 mm ~ 2,400 mm에서 최적의 AM 주파수 대역의 공진을 얻을 수 있다. 따라서, AM 안테나부(122)는 안테나 와이어(120)의 길이가 2,400 mm로 된다.
여기서, 만약 FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)를 각각 별개로 구비하려면, FM 안테나부(121)는 약 2,100 mm의 안테나 와이어(120)와, AM 안테나부(122)는 약 2,400 mm의 안테나 와이어(120)를 구비해야 한다. 전체적으로 안테나 와이어(120)는 약 4,500 mm의 길이가 필요하다.
그러나, 본 발명은 FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)를 일렬로 연결함에 따라 다수의 공진점을 얻을 수 있고, 회로 정합에 의해 FM, AM 주파수 대역의 공진 주파수를 수신할 수 있다. 나아가, 개별적인 안테나들의 총합에 비해 FM 및 AM을 포함한 전체 길이를 약 40% 길이(약 2,500 mm ~ 2,800 mm)로 줄이며, FM 및 AM 각각 주파수 대역의 파장 길이보다 짧은 것을 보상한다.
FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)를 일렬로 연결하는 방법으로, FM 안테나부(121)를 형성하는 안테나 와이어(120) 및 AM 안테나부(122)를 형성하는 안테나 와이어(120)를 하나의 안테나 와이어(120)로 구성할 수 있다. 즉, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)는 하나의 안테나 와이어(120)를 FM 안테나 패턴 및 AM 안테나 패턴을 따라 연속하여 초음파 압착하여 형성한다. 따라서 FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)를 한번의 공정으로 제작할 수 있다.
FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)가 일렬로 연결된 경우 출력 포트는 1개이며, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)의 어느 한 끝단에 출력 포트가 연결된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일 예로 FM 안테나부(121)의 끝단(선단부)을 출력 포트로 이용하는 경우, 제1 커버부(110)에는 인출공(114)이 형성되어 있어서 그 내측의 출력 케이블 커넥터에 연결되게 한다.
FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)는 1 개의 출력 포트를 공통으로 이용하므로 FM 신호 및 AM 신호를 동시에 수신한다. 동시에 수신된 서로 다른 캐리어 주파수(혹은 중심 주파수)를 갖는 신호들은 필터(예, 대역통과 필터나 대역저지 필터 등)를 통해 서로 분리된다.
이때, 본 발명에 따른 FM 안테나부(121)의 길이는 FM 주파수 대역의 파장 길이보다 짧고, AM 안테나부(122)의 길이는 AM 주파수 대역의 파장 길이보다 짧다.
그럼에도 도 5에 도시된 바와 같이 FM 안테나부(121)는 AM 안테나부(122)를 구성하는 안테나 와이어(120)의 일부를 포함하여 이용하고, AM 안테나부(122)는 FM 안테나부(121)를 구성하는 안테나 와이어(120)의 일부를 포함하여 이용한다.
따라서, 본 발명에 따른 안테나 장치(100)는, FM 신호 및 AM 신호를 모두 동시에 수신이 가능하며, 신호 수신 필터를 통해 채널 선택시 수신 신호 강도나 이득(gain)이 FM 방송 및 AM 방송 청취에 적합한 수준을 제공한다.
도 6에는 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)의 안테나 와이어(120)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 신호 감도의 향상을 위해 AM 안테나부(122)의 길이와 FM 안테나부(121)의 길이는 1:0.9±0.04의 비율을 갖는다.
예컨대, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)를 포함한 전체 길이가 2,500 mm 내지 2,800 mm인 경우, FM 안테나부(121)는 약 1,184 mm 내지 1,300 mm의 길이로 구성되고, AM 안테나부(122)는 약 1,315 mm 내지 1,500 mm의 길이로 구성된다.
또한, FM 안테나부(121)를 구성하는 안테나 와이어(120)의 길이는 FM 주파수 대역의 파장 길이가 λFM인 경우 (7/10)× λFM의 60±4%의 범위 이내이고, AM 안테나부(122)를 구성하는 안테나 와이어(120)의 길이는 AM 주파수 대역의 파장 길이가 λAM인 경우 (8/10)× λAM의 60±8%의 범위 이내일 수 있다.
예컨대, 본 발명과 같이 FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)를 서로 연결시키지 않고, 초음파 압착 방식으로 안테나를 제작하되 각각 전기적으로 이격시켜 별개로 구성하는 경우, FM 안테나부(121)는 안테나 와이어(120)의 길이를 2,100 mm로 하고, AM 안테나부(122)는 안테나 와이어(120)의 길이를 2,400 mm로 해야 한다.
그러나, 본 발명의 경우, FM 안테나부(121)는 안테나 와이어(120)를 약 1,184 mm 내지 1,300 mm의 길이로 구성하고, AM 안테나부(122)는 안테나 와이어(120)를 약 1,315 mm 내지 1,500 mm의 길이로 구성할 수 있다. 따라서, 차량용 안테나의 길이를 약 40% 혹은 그 이상 줄일 수 있다.
또한, FM 안테나부(121)는 안테나 와이어(120)를 안테나 가이드 라인의 지그재그 패턴을 따라 초음파 압착한 것이고, AM 안테나부(122)는 안테나 와이어(120)를 안테나 가이드 라인의 스파이럴 패턴을 따라 초음파 압착한 것이다.
FM 신호는 국가마다 혹은 전파 수신 환경(평지 혹은 산지 등)에 따라 다르기는 하지만 주로 수평 편파 혹은 원편파로 송출된다. 물론 경우에 따라 FM 신호는 수직 편파로 송출되는 경우도 있다. 예컨대, 대한민국의 경우에는 수평 편파를 이용하는 반면 일본의 경우에는 수직 편파를 이용한다. AM 신호는 수직 편파 혹은 원편파로 송출된다.
따라서 FM 안테나부(121)의 경우, 수직 편파, 수평 편파 및 원편파 등 수신 환경에 적응적으로 대응할 수 있고, 신호 감도가 좋은 지그재그 패턴을 적용하며, AM 안테나부(122)의 경우에 스파이럴 패턴을 적용할 수 있다. 나아가 본 발명은 FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122)를 연결하여 더욱 적응적으로 대응할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, FM 안테나부(121)를 구성하는 지그재그 패턴은 안테나 와이어(120)의 선간 간격을 2mm±0.5mm로 형성하고, AM 안테나부(122)를 구성하는 스파이럴 패턴의 선간 간격 역시 2mm±0.5mm로 형성한다.
또한, FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122) 사이의 간격은 5.5mm±1.0mm로 형성하고, FM 안테나부(121)의 전후방 방향 길이는 38mm±2mm로 형성하며, AM 안테나부(122) 사이의 전후방 방향 길이는 42mm±2mm로 형성한다.
이때, FM 신호 및 AM 신호를 수신함에 있어서, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122) 자체에서 각각 선간 자기결합(magnetic coupling)이 발생함과 동시에 FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122) 간에도 자기결합이 발생한다.
따라서, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)를 연결한 경우에, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122) 자체의 자기결합 효과는 물론, FM 안테나부(121)와 AM 안테나부(122) 간의 자기결합 효과로 인해 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)의 길이를 각각 짧게 구성할 수 있다.
물론, 위에서 설명한 바와 같이 FM 안테나부(121)는 AM 안테나부(122)를 구성하는 안테나 와이어(120)의 일부를 포함하여 신호 수신에 이용하고, AM 안테나부(122)는 FM 안테나부(121)를 구성하는 안테나 와이어(120)의 일부를 포함하여 신호 수신에 이용하므로, 안테나 와이어(120)의 길이를 짧게 할 수 있다.
도 7에는 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)의 다양한 연결부(C1, C2) 패턴이 도시되어 있다.
도 6에서는 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122) 사이의 선단부 연결이 아닌 제1 커버부(110)의 상단 중심부에 구비된 샤크 핀 형상의 돌출부(111, 이하 '중심선'이라 함)를 기준으로 일측 즉, 도면 기준 좌측에만 구비된다.
반면, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122) 사이의 선단부 연결(c1)은 중심선(111)을 기준으로 좌우 양측에 균등하게 배치되되, 각각 FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122)에 인접하여 계단 패턴을 가질 수 있다.
또한, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, FM 안테나부(121) 및 AM 안테나부(122) 사이의 선단부 연결(c2)은 중심선(111)을 기준으로 좌우 양측에 균등하게 배치되되, FM 안테나부(121)의 선단부가 AM 안테나부(122)에 바로 연결되는 패턴을 가질 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 제1 커버부를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치는, 베이스(140), 제1 커버부(110'), 안테나 와이어(120') 및 제2 커버부(150)를 포함하며, 제1 커버부(110')에 초음파 압착된 안테나 와이어(120')가 '커버 안테나'를 형성한다.
본 발명의 다른 실시 예에서는 이너 레이돔인 제1 커버부(110')에 특징이 있는 것으로, 제1 커버부(110')는 상단에 샤크 핀 형상의 돌출부(111')를 구비하고, 이를 굴곡 기준점으로 하여 좌우 양측으로 퍼져 나가는 유선형으로 이루어진다.
특히, 이너 레이돔인 제1 커버부(110')의 전단과 후단에는 각각 설정된 높이를 갖는 보조 커버부를 갖는다. 보조 커버부는 전방 보조벽(112') 및 후방 보조벽(113')을 포함하며, 각 보조벽(112', 113')에 안테나 와이어(120')를 초음파 압착하여 안테나를 추가로 형성한다.
예컨대, 전방 보조벽(112')에는 안테나 가이드 라인의 DMB 안테나 패턴에 따라 안테나 와이어(120')를 초음파 압착하여 DMB 안테나를 구현하고, 후방 보조벽(113')에는 LTE 안테나 패턴에 따라 안테나 와이어(120')를 초음파 압착하여 LTE 안테나를 구현한다.
따라서, 본 발명은 제1 커버부(110')에 FM 안테나 및 AM 안테나를 커버 안테나로 형성함과 더불어 DMB 안테나 및 LTE 안테나도 커버 안테나로 형성함으로써, 제1 커버부(110')에 더욱 많은 수의 안테나를 형성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치를 나타낸 분해 사시도이고, 도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치의 조립 상태도이며, 도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이너 커버(230)의 내면 구조를 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이너 커버(230)에 초음파 압착 장치를 이용해 안테나 와이어를 초음파 압착하는 예를 나타낸 도면이며, 도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제2 커버부(250)의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 안테나 장치(200)는, 베이스(210), 회로 기판(220), 기판 안테나(AT1, AT2), 이너 커버(230)(inner cover), 안테나 와이어(240-1, 240-2) 및 마감 커버(250)(outer cover)를 포함한다.
여기서, 본 발명은 회로 기판(220) 위에 실장되는 '기판 실장용 안테나(AT1, AT2)'를 구비한다. 기판 실장용 안테나(AT1, AT2)로는 DMB(T-DMB) 안테나(AT1) 및 GPS 안테나(AT2)를 비롯하여 Wi-Fi, 3G/4G,SXM, V2X(DSRC) Passive와 같은 다양한 안테나를 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명은 차별적으로 이너 커버(230)를 더 구비하고, 이너 커버(230)에 안테나 가이드 라인의 커버 안테나 패턴을 따라 초음파 압착된 안테나 와이어(240-1, 240-2)로 인해 추가적으로 '커버 안테나'를 더 제공할 수 있다.
즉, 커버 안테나 패턴은 이너 커버(230)에 형성되는 안테나를 위한 패턴을 의미하는 것으로, 이너 커버(230)에 초음파 압착된 안테나 와이어(240-1, 240-2)가 또 다른 안테나가 되며 기판 실장용 안테나(AT1, AT2)들과 하나의 장치에서 통합하여 제공한다.
이너 커버(230)에 형성되는 커버 안테나는 다양한 안테나 중 AM 안테나 및 FM 안테나일 수 있다. 이는 비교적 주파수 대역이 낮아서 파장이 크고 안테나 크기 역시 상대적으로 큰 AM 안테나 및 FM 안테나를 회로 기판(220)이 아닌 이너 커버(230)에 형성시키는 것이 바람직하기 때문이다.
따라서, 본 발명은 초음파 압착 방식으로 인해 안테나를 커버의 형상 및 안테나 패턴에 따라 자유롭게 설계할 수 있으며, 안테나 장치의 사이즈가 커지는 것을 방지하면서도 상대적으로 많은 수의 안테나를 통합할 수 있다.
이를 위해, 베이스(210)는 차량에 부착된다. 샤크핀 안테나(shark-fin antenna)는 차량의 루프(roof) 후단부에 부착되므로, 베이스(210)는 차량에 부착 시 차량의 손상을 방지하도록 표면이 부드러우면서도 견고한 재질로 이루어진다.
이러한 베이스(210)는 유선형 형상으로 이루어질 수 있다. 또한 회로 기판(220) 등이 조립될 수 있도록 상면은 편평한 형상을 가지며, 일 예로 하부의 패드(211) 및 그 위의 고정판 등을 포함할 수 있다.
베이스(210)의 하부를 구성하는 패드(211)는 합성고무 재질 등으로 이루어져 있어서 차량에 부착이 쉽고 차량의 손상을 방지한다. 그 위의 고정판(212)은 금속 재질로 이루어져 있어서 회로 기판(220)을 볼트(B) 등으로 안정적으로 고정할 수 있다.
또한, 베이스(210)의 테두리에는 몇몇 개소에 커버 조립구(211a)가 구비되어 있다. 커버 조립구(211a)는 나사공이 형성된 플랜지나 커플러 등 다양한 타입의 조립구가 사용될 수 있다.
따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 베이스(210)의 커버 조립구(211a)에 마감 커버(250)의 제1 결합구(251)를 조립한 상태에서, 일 예로 베이스(210)의 저면에서 상측으로 볼트를 체결하여 커버 조립구(211a)와 제1 결합구(251)를 결합시키면 마감 커버(250)가 베이스(210)에 고정된다.
다만, 베이스(210)(정확히는 패드(211))에는 그 테두리를 따라 연속하여 삽입홈(211b)이 형성되어 있다. 삽입홈(211b)에는 마감 커버(250)의 단부가 끼워져 견고한 조립을 가능하게 하면서도 빗물 등의 유입을 방지한다.
다음, 회로 기판(220)은 저잡음 증폭회로 및 각종 안테나가 실장되는 것으로, 전파 신호를 수신하기 위한 회로 패턴이 형성되어 있으며, 베이스(210)의 상면에 고정된다. 더욱 정확히는 베이스(210) 중 고정판(212) 위에 고정된다.
이러한 회로 기판(220)에는 적어도 하나 이상의 기판 실장용 안테나(AT1, AT2)가 구비되어 있다. 기판 실장용 안테나(AT1, AT2)는 회로 기판(220)에 실장되는 일반적인 안테나를 의미하는 것으로 이너 커버(230)에 형성된 커버 안테나와 구분된다.
기판 실장용 안테나(AT1, AT2)로는 상술한 바와 같은 DMB(T-DMB), GPS,SXM, Wi-Fi, 3G/4G, V2X(DSRC)와 같은 다양한 안테나를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명은 이들 중 하나 이상의 안테나(예: DMB 안테나)를 이너 커버(230)에 별도로 구비함으로써 차별화한다.
한편, 회로 기판(220)의 일측부에는 도 12에 도시된 바와 같이 이너 커버(230)의 커버 연결단자(232)에 연결되는 기판 연결단자(221)가 구비되어 있다. 일 예로 회로 기판(220)의 전방측 단부에는 4개의 단자가 하나의 셋트로 이루어진 기판 연결단자(221)가 구비된다.
기판 연결단자(221)에 구비된 4개의 단자는 3개의 안테나(예: AM, FM ,DMB 안테나) 양단과 각각 연결되는 것으로, 안테나 1개당 1개의 선단부 와 1개의 접지부가 있으므로 4개의 단자를 통해 3개의 안테나와 연결된다. 4개의 단자 각각은 회로 기판(220)에 배선된 회로 패턴과 연결이 이루어진다.
다음, 이너 커버(230)는 회로 기판(220)을 덮는 커버 형상으로 이루어져 있으며, 합성수지 재질로 이루어진다. 이너 커버(230)는 일 예로 열가소성 플라스틱의 일종인 폴리카보네이트(PC: polycarbonate)와 같이 내충격성 및 내열성 등의 특징이 있으면서도 가공성이 우수한 재질을 사용한다.
따라서, 이너 커버(230)에 안테나 와이어(240-1, 240-2)를 초음파 압착하는 경우에도 열변형이 방지되면서도 안테나 와이어(240-1, 240-2)가 초음파 진동에 의해 이너 커버(230)의 표면에 열압착 시 견고히 고정될 수 있다.
다만, 이너 커버(230)는 마감 커버(250)의 저면에 밀착 결합될 수 있다. 이를 위해 이너 커버(230) 역시 상어 지느러미 형상(혹은 유사한 형상)으로 이루어질 수 있다.
또한, 이너 커버(230)는 도 12에 도시된 바와 같이 마감 커버(250)의 저면에 밀착되면서도 쉬운 결합이 가능하도록 커버 끼움구(231)를 구비하고, 도 14에 도시된 바와 같이 마감 커버(250)는 저면에 커버 끼움구(231)에 끼워지는 제2 결합구(252)를 구비할 수 있다.
일 예로, 커버 끼움구(231)는 다수 개의 끼움공이고, 제2 결합구(252)는 끼움공에 끼워지는 끼움돌기일 수 있다. 따라서, 마감 커버(250)의 저면에 이너 커버(230)를 끼운 후 마감 커버(250)를 베이스(210) 위에 조립하여 이너 커버(230) 및 마감 커버(250)를 베이스(210) 위에 조립할 수 있다.
또한, 이너 커버(230)의 일측부에는 안테나 와이어(240-1, 240-2)의 단부가 접속되는 커버 연결단자(232)가 구비된다. 도 12와 같이 커버 연결단자(232)는 회로 기판(220)을 바라보도록 이너 커버(230)의 전방부 저면에 구비된다.
또한, 커버 연결단자(232)는 이너 커버(230)의 전방부에 형성된 관통홀과 연결되어 있어서, 일 예로 이너 커버(230)의 상측 표면에 안테나 와이어(240-1, 240-2)를 초음파 압착한 경우, 안테나 와이어(240-1, 240-2)의 선단부(초음파 압착되지 않은 연결부분)를 관통홀에 삽입하여 그 후면의 커버 연결단자(232)와 전기적으로 접속되게 한다.
따라서, 이너 커버(230)의 커버 연결단자(232)에 연결되는 안테나 와이어(240-1, 240-2)는 회로 기판(220)의 일측부에 구비된 기판 연결단자(221)와 연결됨에 따라, 이너 커버(230)의 안테나 와이어(240-1, 240-2)를 통해 수신된 전파 신호를 회로 기판(220)으로 전송할 수 있다.
커버 연결단자(232)와 기판 연결단자(221) 간의 접속은 별도의 커넥터나 와이어(도시 생략)를 이용하여 연결하거나 혹은 안테나 와이어(240-1, 240-2)를 커버 연결단자(232)와 기판 연결단자(221)에 동시에 연결하는 등의 다양한 방법을 통해 가능하다.
다음, 안테나 와이어(240-1, 240-2)는 초음파 압착에 따라 커버 안테나를 형성하는 것으로, 전파를 수신하도록 전도성 재질로 이루어지며, 이너 커버(230)의 표면에 커버 안테나 패턴을 따라 초음파 압착된다.
이러한 안테나 와이어(240-1, 240-2)는 이너 커버(230)의 상측 표면(도면 기준 외측) 또는 하측 표면(도면 기준 내측) 중 어디나 초음파 압착될 수 있으나, 도면에서는 안테나 와이어(240-1, 240-2)가 이너 커버(230)의 상측 표면에 구비함으로써 최대한 전파 환경(propagation environment)에 노출시킨 것을 예로 들었다.
안테나 와이어(240-1, 240-2)는 도 13에 도시된 바와 같이 초음파 압착 장치(160)에 의해 이너 커버(230)에 초음파 압착된다. 초음파 압착 장치(160)는 일 예로 진동기(161) 및 진동 혼(162)을 포함한다.
이때 진동기(161)는 전원을 공급받아 진동하는 것으로 고정대(313)에 설치되고, 진동 혼(162)은 진동기(161)의 하단에 연결되어 진동이 전달된다. 고정대(163) 는 X/Y/Z 3축 이동장치에 의해 이동한다.
또한, 초음파 압착과 동시에 안테나 와이어(M-W)가 공급되도록 진동 혼(162)의 중심부에는 공급통로가 형성되어 있고, 공급통로는 진동 혼(162)의 하단 첨두부까지 형성되어 있다. 따라서, 진동 혼(162)의 하단에 구비된 첨두부를 통해 안테나 와이어(M-W)가 배출 공급된다.
또한, 진동 혼(162) 내부의 공급통로 중 일부분은 진동 혼(162)의 측면을 통해 외부로 개방되어 있어서 진동 혼(162)의 측부를 통해 안테나 와이어(M-W)가 공급 통로로 공급된다. 이때, 안테나 와이어(M-W)는 와이어 공급기(164)에 감겨 있다가 진동 혼(162)이 이동하면 안테나 와이어(M-W)를 풀어 공급한다.
따라서, 와이어 공급기(164)에 감겨있던 안테나 와이어(M-W)가 초음파 압착 장치(160)로 공급되고, 초음파 압착장치의 이동 중(즉, 안테나 패턴을 따라 이동 중) 진동 혼(162)을 통해 안테나 와이어(M-W)가 공급되면서 초음파 압착이 이루어진다. 초음파 압착이 이루어진 안테나 와이어(240-1, 240-2)는 이너 커버(230)의 안테나가 된다.
다만, 이너 커버(230)는 다수 개의 구역으로 구획되고, 다수 개의 구역에는 각각 서로 다른 커버 안테나 패턴을 따라 초음파 압착된 안테나 와이어(240-1, 240-2)가 형성될 수 있다.
예컨대, 이너 커버(230)를 2개 구역으로 구획하는 경우 이너 커버(230)를 폭 방향으로 2 등분하여 그 좌우 구역에 각각 서로 다른 커버 안테나 패턴을 따라 안테나 와이어(240-1, 240-2)를 초음파 압착한다.
이때, 커버 안테나 패턴은 FM(Frequency Modulation) 주파수 대역의 안테나 패턴 및 AM(Amplitude Modulation) 주파수 대역의 안테나 패턴을 포함함에 따라 이너 커버(230)에 FM 안테나 및 AM 안테나가 구비될 수 있다.
국가에 따라 오차가 있을 수는 있지만 AM 라디오 방송의 주파수 대역은 535KHz ~ 1,605KHz 이고, FM 라디오 방송의 주파수 대역은 88MHz ~ 108MHz이며, 이들은 다른 안테나들에 비해 주파수 대역이 낮다.
또한 주파수 대역이 낮으면 파장이 길어지므로, 파장이 긴 주파수 대역의 안테나는 전파(radio wave)를 수신할 수 있도록 안테나 역시 상대적으로 길어야 하므로 FM 안테나 및 AM 안테나를 표면적이 넓은 이너 커버(230)에 구비하는 것이다.
다음, 마감 커버(250)는 상기 이너 커버(230)의 외측면을 덮도록 조립되며, 상어 지느러미 형상을 갖는다. 마감 커버(250)는 커버 안테나(즉, 안테나 와이어(240-1, 240-2))가 초음파 압착된 이너 커버(230)의 외표면을 덮어 마감을 하는 것으로 공지의 다양한 재질로 성형된다.
한편, 도 7과 같이 마감 커버(250)의 저면에는 제1 결합구(251)가 구비되는데, 제1 결합구(251)는 상술한 바와 같이 베이스(210)에 구비된 커버 조립구(211a)에 조립된다.
따라서, 이너 커버(230)가 조립된 마감 커버(250)는 베이스(210) 위에 덮어 커버 조립구(211a)와 제1 결합구(251)를 맞물리게 한 상태에서 베이스(210)의 저면에서 볼트 등을 체결하여 조립을 완료한다.
또한, 마감 커버(250)의 저면에는 중심부에 그 길이 방향을 따라 제2 결합구(252)가 구비된다. 일 예로 끼움돌기 형상으로 이루어진 제2 결합구(252)는 끼움공들로 구성된 이너 커버(230)의 커버 끼움구(231)에 삽입된다. 따라서, 이너 커버(230)가 마감 커버(250)의 저면에 밀착되면서도 쉬운 결합이 가능하다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나 장치 제조 방법은, 초음파 압착 장치(160)가 제1 커버부(110)의 표면에 3D 안테나 가이드 라인을 형성한다(S1510).
여기서, 안테나 가이드 라인은 플라스틱 재질의 제1 커버부(110)의 표면에 AM 안테나를 구현하기 위한 스파이럴 형태의 패턴을 표식하거나, FM 안테나를 구현하기 위한 지그재그 패턴을 표식할 수 있다.
또한, 안테나 가이드 라인은 제1 커버부(110)의 표면에 DMB 안테나를 구현하기 위한 지그재그 패턴 등을 FM 안테나의 지그재그 패턴과 수직한 방향으로 표식할 수 있다.
이어, 초음파 압착 장치(160)는 안테나 와이어를 안테나 가이드 라인을 따라 초음파 압착하여 제1 커버부(110)의 내부 방향으로 매립한다(S1520).
이때, 초음파 압착 장치(160)는 안테나 와이어(120)를 FM, AM, DMB 등의 안테나 가이드 라인을 따라 제1 커버부(110) 상에서 초음파 진동에 의한 열압착으로 제1 커버부(110)의 내부 방향으로 매립한다.
즉, 초음파 압착 장치(160)는 도 8에 도시된 바와 같이 진동 혼(162)의 측부를 통해 안테나 와이어(120)가 공급되면, 안테나 와이어(120)를 폴리카보네이트 소재의 제1 커버부(110) 상에 안테나 가이드 라인을 따라 진동 혼(162)을 통해 공급하면서 초음파 진동에 의한 열압착으로 안테나 와이어(120)를 제1 커버부(110)의 내부 방향으로 매립되게 한다. 여기서, 안테나 와이어(120)는 도 18에 도시된 바와 같이 제1 커버부(110) 상에 일부가 돌출되게 매립될 수 있다. 즉, 안테나 와이어(120)는 제1 커버부(110)의 내부에 70% 매립되고, 외부로 30% 돌출되게 매립할 수 있다.
안테나 와이어(120)는, 송신 또는 수신하는 신호의 파장 길이보다 짧은 길이를 가질 수 있다. 즉, 안테나 와이어가 형성하는 안테나 패턴은, 패턴 형상 및 패턴 선간 상호 커플링 결합에 의해 인덕턴스 성분이 증가되어, 송수신 신호의 파장 길이보다 짧은 안테나 와이어의 길이를 보상할 수 있다.
이어, 초음파 압착 장치(160)는 안테나 와이어에 절연층을 도포한다(S1530).
초음파 열압착에 의해 안테나 와이어(120)가 제1 커버부(110)의 내부 방향으로 매립될 때, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 커버부(110) 상에는 안테나 와이어(120)의 주위에 융착 돌기(115)가 형성된다.
초음파 압착 장치(160)는 도 2에 도시된 바와 같이 높은 온도의 노즐(170)을 융착 돌기(115)에 닿게 하여 융착 돌기(115)를 녹여서 제1 커버부(110) 상의 안테나 와이어(120)를 덮도록 함으로써 절연층(130)이 생성되게 한다. 이때, 절연층(130)은 안테나 와이어(120)의 직경의 10% 내지 20%의 두께를 갖도록 안테나 와이어(120)를 덮을 수 있다. 또한, 절연층(130)은 도 18에 도시된 바와 같이 제1 커버부(110)의 외부로 30% 돌출된 안테나 와이어(120)를 도포할 수 있다.
폴리카보네이트 소재의 제1 커버부(110)에 매립된 안테나 와이어(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 스파이럴 패턴(312)이나 지그재그 패턴(314, 316)을 이룰 수 있다.
이때, 안테나 와이어(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 제1 커버부(110)의 상면에 스파이럴 패턴(312)을 형성한다. 따라서, 안테나 와이어(120)는 스파이럴 패턴(312)을 이용하여 AM 신호를 수신하며, 이때 스파이럴 패턴(312)은 반사기 역할을 겸하는 제1 반사 패턴(320)으로서 AM 수신 성능을 향상시킨다.
또한, 안테나 와이어(120)는 제1 커버부(110)의 양 옆면에 지그재그 패턴(314, 316)을 형성하여 FM 신호를 수신한다. 이때, 안테나 와이어(120)는 FM 안테나의 지그재그 라인을 AM 안테나의 스파이럴 라인과 연결시킨다. 이렇게 함으로써 FM 안테나 및 AM 안테나의 와이어 길이가 각각 주파수 대역의 파장 길이보다 짧게 할 수 있다.
예를 들면, FM 주파수 대역은 88 ~ 108 MHz이므로, 수학식 1에 따라 파장은 3,400 ~ 2,700 mm이고, 이 길이만큼의 와이어 길이가 필요하게 되며, 이 길이의 와이어가 전력 방사를 유도하게 된다. 이때, 안테나 와이어(120)를 제1 커버부(110)의 사출면에 지그재그 형상으로 융착하여 권선하게 되면 패턴 형성 및 패턴 선간 상호 커플링 결합이 발생한다. 이 결합 특성에 의해 인덕턴스 성분이 증가되어 일반적인 신호 파장보다 짧게 설계되는 안테나의 길이를 보상하며, 또한 방사 효율을 개선할 수 있다. 결과적으로, FM 주파수 대역의 파장을 2,300 ~ 1,800 mm로 축소 가능하며 안테나의 크기를 줄일 수 있다.
여기서, 지그재그 형상의 안테나 패턴 권선은 적은 면적에 최대의 와이어 길이를 얻을 수 있으며, 위에서 설명한 바와 같이 선간 결합 특성을 이용하여 짧은 안테나의 길이를 보상할 수 있다. 지그재그 권선 간격은 1mm ~ 수mm 정도로 할 수 있는데 이는 안테나 공진의 Q값을 결정하게 된다. 안테나의 Q값은 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020025351923-pat00002
여기서, Q는 안테나의 Q값을 나타내고, X는 리액턴스 값을 나타내며, R은 입력 저항을 나타낸다.
수학식 2에서, 안테나의 Q값은 입력 저항(R)과 리액턴스(X) 값으로 결정이 되는데, 본 발명의 안테나는 와이어의 길이에 따른 인덕턴스가 지배적이므로 와이어 선간에 분포하는 커패시턴스 변화에 따라 리액턴스 값을 조정하여 Q값을 조정할 수 있다. 이때 선간 간격을 좁힐수록 선간 분포 용량이 증가하게 되어 인덕턴스 성분을 줄일 수 있고 이로 인해 Q값을 낮추어 대역폭을 넓게 할 수 있다. 이때, 안테나 캐리어, 즉 제1 커버부(110)의 양쪽에 대칭 구조가 되게 지그재그 패턴을 형성하므로써 무지향성의 안테나 수신 특성을 얻을 수 있다.
또한, 제1 커버부(110)의 탑(Top) 면에 스파이럴 구조의 패턴을 형성하고, 이를 FM 안테나의 지그재그 패턴과 하나의 권선으로 연결함으로써 AM 주파수 대역의 수신 특성을 향상 시킨다.
DMB 안테나의 경우도 AM 및 FM 안테나와 같은 방법으로 제1 커버부(110) 상에 형성할 수 있다. DMB 주파수 대역은 174 ~ 216 MHz이므로, 파장은 1720 ~ 1380 mm가 된다. 안테나 와이어(120)를 제1 커버부(110)의 사출면에 지그재그 패턴으로 와이어 융착을 하게 되면 선간 상호 커플링 결합 특성에 의해 상술한 바와 같이 인덕턴스 성분이 증가되고, 송수신 신호의 파장보다 20 ~ 30% 정도 짧게 설계가 된다. 그래서 제1 커버부(110) 상에 매립되는 안테나 와이어(120)의 길이는 1200 ~ 950 mm로 줄어 든다.
한편, 두 개의 안테나 패턴, 즉 AM/FM 안테나 패턴과 DMB안테나 패턴이 같은 사출물에 인접하게 배열되는 경우, 두 패턴에 의해 발생되는 커플 결합에 의해 상호 영향을 미치게 된다. 이때 결합되는 커플의 양은 두 패턴 간의 이격 거리에 따라 변화하는데 이격 거리가 멀어질수록 결합량이 떨어지므로 상호 영향을 줄일 수 있다.
안테나 장치(100)는 소형화 및 목표 성능을 구현할 수 있는 필요한 최소의 이격 거리를 설정해야 한다. 최소 이격 거리를 유지하면서 상호 안테나 간에 영향을 줄이기 위한 또 다른 방법의 하나는 두 안테나 패턴을 서로 수직방향으로 배치할 수 있다. 따라서 와이어에 유기되는 전류의 방향이 서로 직교될 수 있게 됨으로써 서로의 간섭을 줄일 수 있다. 선간 간격은 1.5mm로 하여 충분한 대역폭을 확보한다.
LTE 안테나의 경우, 국가마다 약간의 차이가 있으나 세계적으로 700 MHz ~ 2600 MHz 대역의 넓은 주파수 대역을 사용하므로 모든 대역을 커버하는 안테나를 구성하는 것이 쉽지 않다. 기존 안테나의 경우 대역을 나누어 lte1, lte2와 같이 2개의 안테나로 구성한다.
본 발명은 도 9에 도시된 제1 커버부(110)의 앞면(112') 또는 뒷면(113')에 도 16에 도시된 바와 같이 LTE 대역 안테나(510)를 구성할 수 있다. 도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 와이어를 제1 커버부(110) 상에 LTE 안테나로 형성한 예를 나타낸 도면이다. 이때 주파수 대역을 분리하여 각각의 안테나로 구성하지 않고 제1 커버부(110)의 한 면에 안테나를 구성하여 LTE 전 대역을 커버하게 구성할 수 있으며 안테나 소형화를 이룰 수 있다. 안테나 구성은 높은 주파수 대역과 낮은 주파수 대역의 안테나를 적절하게 배열하고 상호 결합 특성을 이용하여 LTE 주파수 전 대역을 커버 할 수 있게 구성 할 수 있다.
LTE 주파수 대역은 690 ~ 890 MHz의 낮은 주파수 대역과 1700 ~ 2600 MHz의 높은 주파수 대역으로 넓게 분포되어 있다. 그러므로 낯은 주파수 대역과 높은 주파수 대역 신호를 수신하는 안테나를 구성하게 되고 각각의 주파수 대역 역시 넓으므로, 690 ~ 890 MHz 대역을 수신하는 안테나를 2 개로 구성한다. 마찬가지로 높은 주파수 대역 신호도 2 개의 안테나로 구성한다.
하지만 높은 주파수 대역의 주파수 범위는 너무 넓어서 2개의 안테나로 수신 성능을 올리는 한계가 있다. 하지만 낮은 주파수 대역 안테나들을 이용하여 성능을 올릴 수 있는데, 낮은 대역 안테나의 선간 간격에 따른 결합 특성을 이용하여 또 다른 높은 대역의 주파수 공진을 얻을 수 있다. 이렇게 해서 LTE 전 대역의 신호를 하나의 캐리어로 구성하며 넓은 대역 신호를 수신할 수 있다.
낮은 주파수 대역 690 ~ 890 MHz의 경우 파장은 430 ~ 330 mm로 1/4파장의 모노폴 안테나 형상을 구성하게 되면 107 ~ 82 mm 와이어 길이가 필요하게 된다. 반면 높은 주파수 대역 1700 ~ 2600 MHz의 파장은 176 ~ 115 mm로 되고 1/4파장 모노폴 안테나 형상을 구성하게 되면 44 ~ 28 mm의 와이어 길이가 필요하게 된다.
LTE 안테나는 도 16에 도시된 바와 같이 사출 뒤 수직면에 형성을 하게 되고, 수직면 중앙부에 낮은 주파수 대역의 안테나를 배치하고 외측면에 높은 주파수 대역의 안테나를 배치한다. 각각의 안테나 피딩(Feeding)은 하나로 연결하여 공정을 간소화 시킬 수 있다.
5G 주파수 대역은 대략적으로 낮은 주파수 3.5 GHz 대역과, 높은 주파수 26 ~ 29 GHz 대역으로 구분할 수 있다. 5G 주파수 대역은 전파경로 상의 반사, 지연 등의 영향에 의한 수신성능 저하문제 및 전송속도의 향상을 위하여 MIMO(Multi Input Multi Output) 안테나 기술을 이용하여 고속의 데이터 전송을 가능하게 한다. MIMO 기술에는 공간 다중화 방식, 공간 다이버시티 방식, 빔포밍 방식 등이 사용되고 있다.
본 발명은 도 17에 도시된 바와 같이 안테나 와이어(120)를 제1 커버부(110) 상에 5G 안테나 패턴에 따라 융착하여 5G 안테나를 형성할 수 있다. 도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 와이어를 제1 커버부 상에 융착하여 5G 안테나로 형성한 예를 나타낸 도면이다. 즉, 본 발명은 5G 주파수 대역에 대해 3.5 GHz 대역 신호를 수신할 수 있는 수신 안테나를 구현했으며, 공간 다이버시티 방식을 이용하여 수신 성능을 향상시킬 수 있는 2중 수신 안테나 형태를 구현했다.
3.5 GHz 대역 주파수의 파장은 안테나 와이어(120)가 85 mm 정도의 길이를 가진다. 안테나 캐리어에 해당하는 제1 커버부(110)의 전면 좌, 우측에 1/4 파장의 모노폴 타입 안테나를 구성한다. 이때 서로의 안테나는 최대한 이격함으로써 수신 다이버시티 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 4G LTE와 연계하여 안테나 캐리어의 전, 후면에 4G LTE 주파수 대역과 5G 3.5 GHz 대역 안테나를 배치하여 더욱 향상된 다이버시티 특성을 얻을 수 있다.
한편, 안테나 와이어(120)가 안테나 패턴에 따라 제1 커버부(110)에 매립될 때, 폴리카보네이트의 매질 속에서 양 도선 간의 정전용량(C)은 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112020025351923-pat00003
여기서, ε는 유전율을 나타내고, S는 면적을 나타내며, d는 도선 간 거리를 나타낸다.
제1 커버부(110)의 재질인 폴리카보네이트의 유전율은 2.9 ~ 3.2 정도로 공기 유전율(1)보다 크다. 따라서 안테나 와이어(120)는 제1 커버부(110)의 폴리카보네이트의 융착 정도에 따라 정전 용량값이 달라지며, 깊이 융착 될수록 정전 용량값은 커지게 된다.
이때, 주파수(F)는 다음 수학식 4와 같이 정전 용량(C) 값과 인덕턴스(L) 값에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112020025351923-pat00004
여기서, C는 정전 용량값을 나타내고, L은 인덕턴스 값을 나타낸다.
수학식 4에서, 주파수(F)가 고정일 때, 정전 용량(C) 값이 커지면 인덕턴스(L) 값은 적어져야 한다. 안테나 와이어(120)의 융착 깊이에 따라 정전 용량(C) 값이 커지므로 인덕턴스(L) 값은 작아지게 되고, 이로 인해 물리적인 안테나의 길이는 축소될 수 있다.
본 발명은 폴리카보네이트(PC) 재질의 제1 커버부(110) 상에 안테나 와이어(120)를 초음파 융착한 후, 노즐(170)에 의해 안테나 와이어(120)의 매립을 가중시킬 수 있어, 제1 커버부(110) 내에 90% 이상 융착할 수 있다. 따라서 안테나의 물리적인 방사 길이를 효율적으로 줄일 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치의 안테나 와이어 매립 상태를 나타낸 부분 단면도이다.
본 발명에 따른 안테나 장치(100)는 와이어 공급기(164)를 통해 안테나 와이어(120)를 공급하면서 동시에 초음파 압착장치(160)로 압착하면 안테나 제작 시간을 단축시키면서 정밀한 안테나를 제작할 수 있다.
여기서, 안테나 와이어(120)는 도 18의 (a)와 같이 제1 커버부(110)의 내부에 그 두께의 100%로 완전히 매립하거나, 혹은 도 18의 (b)와 같이 제1 커버부(110)의 내부에 그 두께의 70% ~ 90% 정도로 매립할 수 있다. 예를 들면, 안테나 와이어(120)는 도 18의 (b)와 같이 그 두께의 70%가 제1 커버부(110)의 내부에 매립된 경우에, 그 두께의 30%는 외부로 도출되고, 그 위에 안테나 와이어(120)의 10% ~ 20% 두께를 갖는 절연층(130)이 도포된다.
물론, 안테나 와이어(120)는 매립 정도를 다르게 할 수 있다. 예를 들면, 안테나 와이어(120)는 그 두께의 10%를 제1 커버부(110)의 외부로 도출되게 하고 나머지 90%를 매립되게 하는 등 안테나의 종류에 따라 다르게 매립할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 안테나 장치(100)는, 안테나 와이어(120)를 초음파 압착에 의해 제1 커버부(110)의 내부에 직접 압착하면, 안테나 와이어(120)의 전체 또는 일부분이 제1 커버부(110)에 매립되어 견고하게 고정되고 변형이 방지된다.
따라서, 장시간 차량을 운행한 경우라도 그 주행시 발생한 진동 등이 전달되어 안테나 패턴에 변형이 발생하는 것을 방지하므로 안테나 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 안테나 장치(100)는 차량용 안테나 장치에 적용하여 설명하였으나, 이에 한정하지 않고 와이어 융착 기술이 가능한 분야에는 모두 적용하여 실현할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 플라스틱 재질의 커버부에 전도성 재질의 와이어를 초음파 압착 방식으로 융착하여 안테나를 형성할 수 있도록 하는 안테나 장치 및 그것의 제조 방법을 실현할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 안테나 장치 110: 제1 커버부
111: 돌출부 112: 날개
113: 빈 공간 114: 인출공
115: 융착 돌기 120: 안테나 와이어
121: FM 안테나부 122: AM 안테나부
130: 절연층 140: 베이스
141: 회로기판 142: 기판 실장용 안테나
150: 제2 커버부 160: 초음파 압착 장치
161: 진동기 162: 진동혼
163: 고정대 164: 와이어 공급기
170: 노즐 200: 안테나 장치
210: 베이스 220: 회로 기판
230: 이너 커버 240-1, 240-2: 안테나 와이어
250: 마감 커버 310: 제1 안테나 패턴
312: 스파이럴 패턴 314: 제1 지그재그 패턴
316: 제2 지그재그 패턴 318: 제3 지그재그 패턴
320: 제1 반사 패턴 330: 제2 안테나 패턴
332: 제1 지그재그 패턴 334: 중앙 지그재그 패턴
336: 제2 지그재그 패턴 338: 제3 지그재그 패턴
340: 제2 반사 패턴 AT1, AT2: 기판 안테나
510: LTE 안테나 710: 5G 안테나

Claims (14)

  1. 제1 커버부;
    상기 제1 커버부의 일면에서 내부 방향으로 매립된 안테나 와이어; 및
    상기 안테나 와이어 상에 도포된 절연층;
    을 포함하고,
    상기 절연층은 상기 제1 커버부와 일체로 형성되며,
    상기 절연층은 상기 제1 커버부의 일면에서 돌출되고,
    상기 안테나 와이어는 상기 제1 커버부의 표면에서 압착되어 형성되는 안테나 가이드 라인을 따라 상기 제1 커버부의 내부방향으로 매립되고,
    상기 안테나 와이어가 상기 제1 커버부에 매립됨에 따라 상기 안테나 와이어의 주위에 융착 돌기가 생성되고, 상기 융착 돌기에 열에 달구어진 노즐이 접촉됨에 따라 상기 융착 돌기가 녹아서 상기 안테나 와이어를 덮어 상기 절연층을 형성하는 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 와이어는, 그 두께의 70% 이상 상기 제1 커버부의 내부에 매립된, 안테나 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 와이어는,
    안테나 패턴, 및
    상기 안테나 패턴에서 연장된 반사 패턴을 포함하는, 안테나 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반사 패턴은, 상기 안테나 패턴 사이에 배치된, 안테나 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 와이어는, 상기 안테나 패턴의 각 주파수 대역의 파장 길이보다 짧은 길이를 갖는, 안테나 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 커버부는, 상면(the top side)과, 상기 상면에서 아래 방향 양측으로 연장된 두 옆면(two side surface) 및 밑면(the base side)을 포함하고,
    상기 반사 패턴은, 상기 제1 커버부의 상면에 배치된, 안테나 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은, 스파이럴(spiral line) 패턴 또는 지그재그(Meander line) 패턴인 안테나 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은, 기준선에 스파이럴 패턴이 배치되고, 기준선을 기준으로 제1 지그재그 패턴과 제2 지그재그 패턴이 서로 대향하게 배치되는, 안테나 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 안테나 패턴은, 상기 제1 지그재그 패턴과 상기 제2 지그재그 패턴에 수직한 방향으로 제3 지그재그 패턴이 배치된, 안테나 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스파이럴 패턴은 AM 신호를 수신하고, 상기 제1 지그재그 패턴 및 상기 제2 지그재그 패턴은 FM 신호를 수신하며, 상기 제3 지그재그 패턴은 DMB 신호를 수신하는, 안테나 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은, 상기 제1 커버부와 동일 재료로 이루어진, 안테나 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층은, 상기 안테나 와이어의 직경의 10% 내지 20%의 두께를 갖는, 안테나 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 와이어는, 상기 제1 커버부의 일면에서 일부 돌출된, 안테나 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    기판 실장용 안테나를 실장하는 회로기판;
    상기 회로기판을 고정하는 베이스; 및
    상기 제1 커버부의 외측면을 덮는 형태로 상기 제1 커버부에 조립되는 제2 커버부;
    를 더 포함하고,
    상기 제1 커버부는 상기 기판 실장용 안테나를 덮는 형태로 상기 베이스와 결합하는,
    안테나 장치.
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