KR102343596B1 - 평판형 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

평판형 안테나 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치는 제1 금속판, 제1 금속판과 이격되어 배치되는 제2 금속판, 제1 금속판과 제2 금속판 사이에 배치되고, 일 측이 제1 금속판과 연결된 급전 코일, 제2 금속판의 급전점으로부터 연장되어 급전 코일의 타 측과 연결된 급전핀, 급전핀과 연결된 칩 인덕터, 칩 인덕터와 제2 금속판을 연결하여 단락시키기 위한 단락핀, 제1 금속판과 제2 금속판 사이에 배치되고, 일 측이 제1 금속판과 연결된 외곽 코일, 및 외곽 코일의 타 측과 제2 금속판을 연결하는 단락판을 포함한다.

Description

평판형 안테나 장치{PLANAR ANTENNA DEVICE}

아래 실시예들은 평판형 안테나 기술에 관한 것이다.

무선 통신에서 막대 형태의 모노폴 안테나를 가장 많이 사용하는 큰 이유 중 하나는 지상 통신에 유리한 무지향성 방사 패턴을 갖고 있기 때문이다. 모노폴 안테나의 경우 도체로 이루어진 무한한 접지면이 거울처럼 동작하여 같은 거리만큼 떨어진 곳에 영상 전류를 만들기 때문에 파장의 1/4의 크기로 제작된다.

예를 들어, HF 대역(3~30MHz)에서 모노폴의 길이는 80cm~8m으로 매우 길다. 반면 평판형 패치 안테나는 그 높이가 낮아(저자세) 차량 또는 장비의 평평한 면에 설치하기 용이하나 평판에 수직인 방향으로 전파를 방사하여 전방향성 무선통신에 용이하지 않다.

US 9634396 B2 US 7956815 B2

일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치는 제1 금속판; 상기 제1 금속판과 이격되어 배치되는 제2 금속판; 상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판 사이에 배치되고, 일 측이 상기 제1 금속판과 연결된 급전 코일; 상기 제2 금속판의 급전점으로부터 연장되어 상기 급전 코일의 타 측과 연결된 급전핀; 상기 급전핀과 연결된 칩 인덕터; 상기 칩 인덕터와 상기 제2 금속판을 연결하여 단락시키기 위한 단락핀; 상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판 사이에 배치되고, 일 측이 상기 제1 금속판과 연결된 외곽 코일; 및 상기 외곽 코일의 타 측과 상기 제2 금속판을 연결하는 단락판을 포함할 수 있다.

상기 급전 코일은, 상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판의 중앙 부분에 배치될 수 있다.

상기 제1 금속판은, 코일이 배치된 부분과 대응되는 홀(hole)들을 포함하고, 상기 급전 코일이 배치된 부분과 대응되는 홀의 크기는 상기 급전 코일 및 상기 칩 인덕터를 포함하는 영역의 크기에 대응되고, 상기 외곽 코일이 배치된 부분과 대응되는 홀의 크기는 상기 외곽 코일을 포함하는 영역의 크기에 대응될 수 있다.

일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치는 상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판 사이에 배치되고, 상기 제1 금속판의 모서리 부분 또는 가장자리 부분에 배치되며, 일 측이 상기 제1 금속판과 연결된 복수의 외곽 코일들; 및 상기 복수의 외곽 코일들 각각의 타 측과 상기 제2 금속판을 연결하는 단락판들을 포함할 수 있다.

상기 복수의 외곽 코일들은, 상기 제1 금속판의 모서리 부분 각각에 배치된 제1 외곽 코일, 제2 외곽 코일, 제3 외곽 코일 및 제4 외곽 코일을 포함하고, 상기 단락판은, 상기 제1 외곽 코일, 상기 제2 외곽 코일, 상기 제3 외곽 코일 및 상기 제4 외곽 코일 각각의 타 측과 상기 제2 금속판을 연결하는 단락판들을 포함할 수 있다.

상기 복수의 외곽 코일들 및 상기 단락판들은 상기 제1 금속판의 중심을 기준으로 서로 대칭이 되도록 배치될 수 있다.

상기 단락판은, 상기 외곽 코일과 대향하여 상기 외곽 코일의 타 측과 연결되는 제1 판; 및 상기 제1 판의 가장자리에 상기 제1 판과 연결된 제2 판을 포함할 수 있다.

상기 급전핀과 상기 단락핀 사이의 거리에 기초하여 입력 임피던스가 결정될 수 있다.

상기 칩 인덕터의 인덕턴스 값에 기초하여 입력 임피던스가 결정될 수 있다.

상기 제2 금속판은, 차량의 지붕의 적어도 일 부분에 해당할 수 있다.

상기 제1 판의 크기 및 상기 제2 판의 크기에 기초하여 상기 평판형 안테로부터 방사되는 전파의 전방향성이 결정될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 개요를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 일 실시예에 따라 자동차에 탑재되는 평판형 안테나 장치의 구성들 간 연결관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 등가 회로 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치에 포함된 코일의 파라미터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 성능 개선을 위한 코일 파라미터의 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 4c는 일 실시예에 따른 코일 파라미터 변경에 의한 평판형 안테나 장치의 통신 대역 및 반사계수를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a및 도 5b는 급전핀과 단락핀 사이 거리, 패치의 길이 및 칩 인덕터의 인덕턴스 값에 기초한 평판형 안테나 장치의 입력 임피던스 매칭을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치에 포함된 외곽 코일의 개수에 따른 90도 수평 방향의 안테나 이득을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치에 포함된 단락판의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치에 포함된 단락판의 표면 전류 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 7c는 외곽 코일에 단락핀 대신 단락판을 연결했을 때 나타나는 제1 금속판의 표면 전류 분포의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7d는 외곽 코일에 단락핀 대신 단락판을 연결했을 때 나타나는 따른 평판형 안테나 장치의 E-평면 및 H-평면 방사 패턴의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치가 탑재될 수 있는 차량의 개략적인 형상을 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치 자체와 평판형 안테나 장치가 차량에 탑재되었을 때 나타나는 방사 패턴의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8c는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치 자체와 평판형 안테나 장치가 차량에 탑재되었을 때 나타나는 평판형 안테나 장치의 E-평면 및 H-평면 방사 패턴의 변화를 설명하기 위한 도면이다.

실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 개요를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치와 평판형 안테나 장치가 탑재된 차량이 도시되어 있다.

일반적으로 차량, 특히 군용 차량에 탑재되는 안테나는 전파의 무지향성 방사를 위해 모노폴 형태를 갖는다. 모노폴 안테나는 도체로 이루어진 무한한 접지면이 거울처럼 동작하여 같은 거리만큼 떨어진 곳에 영상 전류를 만들기 때문에 파장의 1/4의 크기로 제작되어야 한다. 예를 들어, HF 대역(3~30MHz)에서 모노폴의 길이는 80cm~8m으로 매우 길다.

모노폴 안테나를 차량에 탑재하기 위해 급전부에 코일을 삽입하는 형식으로 소형화를 시키지만 여전히 모노폴 형태이고 길이가 길다. 이와 같은 모노폴 안테나는 적에게 노출되기 쉽고 기동성을 저해한다. 또한, 차량 운행시에 안테나를 “ㄱ”자 형태로 꺾어서 끈으로 고정하기 때문에 안테나 방사 성능에 큰 악영향을 미친다. 안테나를 “ㄱ”자 형태로 꺾으면 전파 방사부인 안테나의 끝부분이 금속 차체에 가까워져 방사효율이 떨어지고, 지상 작전 시 요구되는 전방향성 방사 패턴을 유지하기 어려워진다.

일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치(100)는 평판형 안테나임에도 불구하고 무지향성 방사 패턴을 가질 수 있다. 평판형 안테나 장치는 단락핀(shorting pin)을 적절한 위치에 설치하여 평판 사이의 캐패시턴스(capacitance)를 상쇄함과 동시에, 단락핀에 흐르는 전류를 주요 방사원(radiation source)으로 활용하여 안테나 수평 방향으로 고르게 전파가 방사하도록 하여 무지향성 방사 패턴을 보일 수 있다. 평판형 안테나 장치(100)는 추가적인 안테나 소형화를 위해 평판의 가장자리 단락핀 옆에 배치된 코일을 더 포함하여 품질 계수(Q-Factor)를 높일 수 있다. 평판형 안테나 장치(100)는 평판의 가장자리에 단락핀 대신 단락판(shorting plate)을 포함함으로써 더 높은 이득을 얻을 수 있다.

일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치(100)는 차량(105)에 탑재될 수 있으며, 차량(105)에 탑재되더라도 모노폴 안테나와 달리 기동성에 영향을 주지 않고 무지향성 방사 패턴을 나타낼 수 있다.

이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 구조를 자세히 설명한다. 도 2a는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 일 실시예에 따라 자동차에 탑재되는 평판형 안테나 장치의 구성들 간 연결관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 2a를 참조하면, 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치(200)는 제1 금속판(210), 제1 금속판(210)과 이격되어 배치되는 제2 금속판(205), 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 사이에 배치되고, 일 측이 제1 금속판(210)과 연결된 급전 코일(255), 제2 금속판(205)의 급전점으로부터 연장되어 급전 코일(255)의 타 측과 연결된 급전핀(230), 급전핀(230)과 연결된 칩 인덕터(245), 칩 인덕터(245)와 제2 금속판(205)을 연결하여 단락시키기 위한 단락핀(240), 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 사이에 배치되고, 일 측이 제1 금속판(210)과 연결된 외곽 코일(225, 260, 265 또는 270) 및 외곽 코일(225, 260, 265 또는 270)의 타 측과 제2 금속판(205)을 연결하는 단락판(220, 275, 280또는 285)을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205)은 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205)은 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205)의 중심을 지나는 직선이 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 각각과 수직이 되도록 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205)은 제1 금속판(210)의 중심과 제2 금속판(205)의 중심이 서로 어긋나도록 배치될 수도 있다. 제1 금속판(210)은 제2 금속판(205)보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2a에서 제1 금속판(210)은 가로(b), 세로(c)가 각각 70cm이고, 제2 금속판(205)은 가로(a), 세로(e)가 각각 100cm인 금속판일 수 있고, 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 간 간격(q)은 5cm일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 제1 금속판(210) 및 제2 금속판(205)은 필요에 따라 다양한 크기와 간격을 갖도록 형성될 수 있다.

급전핀(230), 급전 코일(255), 칩 인덕터(245) 및 칩 인덕터(245)에 연결된 단락핀(240)은 제1 금속판(210)의 중앙 부분에 배치될 수 있다. 칩 인덕터(245)는 칩 인덕터(245)를 급전핀(230) 및 단락핀(240)과 연결하기 위한 패치(212)에 포함되고 급전핀(230)과 칩 인덕터(245) 및 칩 인덕터(245)와 단락핀(240)은 패치(212)를 통해 연결될 수 있다. 급전핀(230)에 연결된 칩 인덕터(245)의 인덕턴스 값, 및 칩 인덕터(245)에 연결된 단락핀(240)과 급전핀(230) 간의 거리를 결정하는 것에 의해 입력 임피던스 매칭이 수행될 수 있다. 일 예에서, 단락핀(240)과 급전핀(230) 사이 거리(h)는 3cm이고, 패치(212)의 폭(i)은 1.4cm일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 단락핀(240)과 급전핀(230) 사이 거리와 패치(212)의 폭은 필요에 따라 결정될 수 있다. 이와 관련하여서는 도 5a를 참조하여 아래에서 설명한다.

제2 금속판(205)의 급전점으로부터 연장된 급전핀(230)은 급전 코일(255)을 통해 제1 금속판(210)으로 연결될 수 있고, 급전핀(230) 및 급전 코일(255)을 이용하여 제1 금속판(210)에 대한 급전이 수행될 수 있다.

평판형 안테나 장치(200)는 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 사이에 배치되고, 일 측이 제1 금속판(210)과 연결된 외곽 코일(225, 260, 265 또는 270)을 포함할 수 있다. 외곽 코일(225, 260, 265 또는 270)은 제1 금속판(210)의 가장자리 부분 또는 모서리 부분에 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 외곽 코일(225, 260, 265 또는 270)은 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 사이 어디에나 배치될 수 있다. 평판형 안테나 장치(200)는 외곽 코일(225, 260, 265 또는 270)을 포함함으로써 보다 높은 품질 계수(Q-Factor)를 나타낼 수 있다. 일 실시예에서, 급전 코일(255)과 외곽 코일(225, 260, 265 또는 270)은 에어 코어 인덕터(air core inductor)일 수 있다.

평판형 안테나 장치(200)는 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 사이에 배치되고, 일 측이 제1 금속판(210)과 연결된 복수의 외곽 코일들(225, 260, 265 및 270)을 포함할 수 있다. 복수의 외곽 코일들(225, 260, 265 및 270)은 제1 금속판(210)의 모서리 부분 또는 가장자리 부분에 배치될 수 있다.

도 2a를 참조하면, 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치(200)는 사각형 형상의 제1 금속판(210)의 모서리에 배치된 제1 외곽 코일(225), 제2 외곽 코일(260), 제3 외곽 코일(265) 및 제4 외곽 코일(270)을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 평판형 안테나 장치(200)는 필요에 따라 다양한 위치에 배치되는 다양한 개수의 외곽 코일을 포함할 수 있다. 예를 들어, 평판형 안테나 장치(200)는 제1 외곽 코일(225)만을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 평판형 안테나 장치(200)는 제1 외곽 코일(225)과 제2 외곽 코일(260)만을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 평판형 안테나 장치(200)는 제1 외곽 코일(225)과 제3 외곽 코일(265)만을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 평판형 안테나 장치(200)는 도 2a와 달리 제1 금속판(210)의 모서리가 아닌 가장자리 부분에 배치된 제5 외곽 코일(미도시)만을 포함할 수 있다.

평판형 안테나 장치(200)에 포함되는 외곽 코일의 개수가 증가함에 따라 평판형 안테나 장치(200)의 90도 수평 방향에서의 이득이 증가할 수 있다. 이와 관련하여서는 도 6을 참조하여 아래에서 자세히 설명한다.

평판형 안테나 장치(200)의 제1 금속판(210) 및 제2 금속판(205)은 도 2a의 사각형 형상뿐만 아니라 다각형 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 금속판(210) 및 제2 금속판(205)은 원형의 형상을 가질 수 있다. 이때 외곽 코일들은 원형 형상의 제1 금속판(210)의 가장자리 부분에 배치될 수 있다. 다른 예에서, 제1 금속판(210) 및 제2 금속판(205)은 오각형의 형상을 가질 수 있다. 이때 외곽 코일들은 오각형 형상의 제1 금속판(210)의 5개의 모서리에 배치될 수 있다.

제1 금속판(210)은 코일(예를 들어, 급전 코일(255) 및 외곽 코일)이 배치된 부분과 대응되는 홀(hole)들(예를 들어, 215, 235)을 포함할 수 있다. 급전 코일(255)이 배치된 부분과 대응되는 홀(235)의 크기는 급전 코일(255) 및 칩 인덕터(245)를 포함하는 영역의 크기에 대응될 수 있다. 외곽 코일이 배치된 부분과 대응되는 홀(215)의 크기는 외곽 코일을 포함하는 영역의 크기에 대응될 수 있다. 제1 금속판(210)이 홀들을 포함함으로써 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 사이 불필요한 캐패시턴스가 제거되고 평판형 안테나 장치(200)의 성능이 개선될 수 있다. 도 2a에서, 홀들은 사각형 형상을 갖고, 급전 코일(255)이 배치된 부분과 대응되는 홀(235)의 가로(f), 세로(g)는 각각 8.9cm, 4cm이며, 외곽 코일이 배치된 부분과 대응되는 홀(215)의 가로(j), 세로(k)는 각각 5.7cm, 4.2cm일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 홀들은 다양한 형상과 크기를 가질 수 있다.

평판형 안테나 장치(200)는 외곽 코일의 타 측과 제2 금속판(205)을 연결하는 단락핀을 포함할 수 있다. 제1 금속판(210)은 외곽 코일 및 외곽 코일과 제2 금속판(205)을 연결하는 단락핀을 통해 접지면 역할을 하는 제2 금속판(205)과 연결될 수 있다. 평판형 안테나 장치(200)가 외곽 코일과 제2 금속판(205)을 연결하는 단락핀을 포함함으로써 제1 금속판(210)과 제2 금속판(205) 사이의 캐패시턴스를 상쇄할 수 있고, 단락핀에 흐르는 전류를 주요 방사원으로 활용함으로써 평판형 안테나 장치(200)의 수평 방향으로 전파가 고르게 방사될 수 있다.

평판형 안테나 장치(200)는 방사 패턴이 전방향성에 더욱 가깝게 형성되도록 하기 위해 외곽 코일과 연결되는 단락핀 대신 외곽 코일의 타 측과 제2 금속판(205)을 연결하는 단락판(shorting plate)(220, 275, 280또는 285)을 포함할 수 있다. 단락판(220, 275, 280또는 285)의 구조에 대해서는 도 7a을 참조하여 아래에서 자세히 설명한다.

평판형 안테나 장치(200)가 복수의 외곽 코일들(225, 260, 265 및 270)을 포함하는 경우, 평판형 안테나 장치(200)는 복수의 외곽 코일들(225, 260, 265 및 270) 각각의 타 측과 제2 금속판(205)을 연결하는 단락판들(220, 275, 280 및 285)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 외곽 코일들(225, 260, 265 및 270) 및 단락판들(220, 275, 280 및 285)은 제1 금속판(210)의 중심을 기준으로 서로 대칭이 되도록 배치될 수 있다. 도 2a와 같이, 단락판(220)과 연결된 제1 외곽 코일(225)과 단락판(280)과 연결된 제3 외곽 코일(265)은 제1 금속판(210)의 중심을 기준으로 서로 대칭이 되도록 배치될 수 있고, 단락판(275)과 연결된 제2 외곽 코일(260)과 단락판(285)과 연결된 제4 외곽 코일(270)은 서로 대칭이 되도록 배치될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 접지면 역할을 하는 차체, 제1 금속판(210), 급전 코일(255), 급전핀(230), 칩 인턱터, 단락핀 및 외곽 코일들(225, 260, 265 및 270) 간 연결 관계가 도시되어 있다. 도 2b와 같이 평판형 안테나 장치가 차량(250)에 탑재되는 경우 제2 금속판 대신 차량(250)의 지붕이 접지면 역할을 할 수 있다. 이 경우 접지면이 커지는 효과가 생겨 평판형 안테나 장치의 이득이 증가할 수 있다. 이와 관련하여서는 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 아래에서 자세히 설명한다.

도 2b에서, 외곽 코일들(225, 260, 265 및 270)의 일 측은 제1 금속판(210)과 연결되고, 외곽 코일들(225, 260, 265 및 270)의 타 측은 단락판(220)과 연결될 수 있다. 단락판(220)은 외곽 코일들의 타 측과 제2 금속판 역할을 하는 차체의 지붕을 연결할 수 있다.

급전 코일(255)은 제1 금속면 중앙 부분에 배치되고 급전 코일(255)의 일 측은 제1 금속면과 연결될 수 있다. 급전핀(230)은 차제의 지붕으로부터 연장되어 급전 코일(255)의 타 측과 연결될 수 있다. 급전핀(230)은 금속판을 통해 칩 인덕터(245)와 연결되고 칩 인덕터(245)는 패치(212)를 통해 단락핀과 연결될 수 있다. 단락핀은 패치(212)와 제2 금속판을 연결할 수 있다.

도 2b와 같이 제2 금속판 대신 차량(250)의 지붕을 이용할 수 있어서 평판형 안테나 장치를 차량(250)에 용이하게 차량(250)에 탑재할 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 등가 회로 모델을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 평판형 안테나 장치의 등가 회로 모델은 도 2a의 급전핀, 칩 인덕터 및 단락핀에 대응되는 급전부 V, 급전 코일을 의미하는 인덕터 L1, 제1 외곽 코일을 의미하는 인덕터 L2, 제2 외곽 코일을 의미하는 인덕터 L3, 제3 외곽 코일을 의미하는 인덕터 L4, 제4 외곽 코일을 의미하는 인덕터 L5 및 제1 금속판과 제2 금속판에 대응되는 캐패시터(capacitor) C로 모델링될 수 있다. 도 3의 화살표는 전류의 방향을 의미한다.

급전 코일은 급전부와 직렬로 연결되고 외곽 코일들은 병렬로 연결되어 단락판에 의해 접지와 연결된다. 급전부에 위치한 급전 코일과 외곽 코일들은 180도 위상 천이기와 같은 역할을 하여 도 2a의 제1 금속판의 단락판에 동위상 전류를 흐르도록 할 수 있고, 이로써 유효 전기적 길이(electrical length)를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 전방향성 방사 패턴을 갖는 차량용 HF(high frequency) 대역 저자세 안테나로서 HF대역을 사용하고 있는 군 통신, 아마추어 무선(HAM) 등의 안테나 크기를 6m에서 5cm(0.0034λ)로 낮추어 차량의 이동성 및 기동성을 확보할 수 있고, 높은 이득과 방사효율, 전방향성 방사 패턴을 얻을 수 있다.

도 4a는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치에 포함된 코일의 파라미터를 설명하기 위한 도면이고, 도 4b는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 성능 개선을 위한 코일 파라미터의 변경을 설명하기 위한 도면이며, 도 4c는 일 실시예에 따른 코일 파라미터 변경에 의한 평판형 안테나 장치의 반사계수를 설명하기 위한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 평판형 안테나 장치에 포함된 코일의 파라미터로서, 권선 간격, 권선의 두께, 코일의 직경, 코일의 길이가 도시되어 있다. 도 4a의 코일은 급전 코일 및 외곽 코일 중 적어도 하나에 해당될 수 있다. 코일은 에어 코어 인덕터일 수 있다.

도 4b를 참조하면, 코일의 파라미터에 따른 도 2a의 평판형 안테나 장치의 품질 계수(Q-Factor)가 도시되어 있다. 일 예에서, 코일의 직경이 25mm, 코일을 감은 횟수가 15회, 코일의 길이가 75mm, 코일의 권선 두께가 2mm, 권선 간격이 5mm인 경우, 평판형 안테나 장치의 품질 계수는 745로 나타날 수 있다. 코일의 직경을 40mm, 코일을 감은 횟수를 11회, 코일의 길이를 55mm, 코일의 권선 두께를 2mm, 권선 간격을 5mm로 변경하는 경우 평판형 안테나 장치의 품질 계수는 970으로 나타날 수 있다.

도 4b와 같이, 코일의 파라미터에 기초하여 품질 계수가 결정될 수 있고, 코일의 파라미터를 변경함으로써 코일의 품질 계수를 개선할 수 있다. 평판형 안테나 장치에 있어서 코일은 안테나의 성능을 좋게 하는 중요한 요소이고, 안테나 성능을 최적화하기 위한 코일의 파라미터가 결정될 수 있다.

도 4c를 참조하면, 도 4b의 코일 파라미터의 변경에 따라 도 2a의 평판형 안테나 장치의 통신 대역이 24MHz ~25MHz에서 19MHz~20MHz로 변경될 수 있다. 이와 같이 코일의 파라미터를 최적화함으로써 평판형 안테나 장치의 성능이 개선될 수 있고, 더욱 소형화할 수 있다.

도 5a및 5b는 급전핀과 단락핀 사이 거리, 패치의 길이 및 칩 인덕터의 인덕턴스 값에 기초한 평판형 안테나 장치의 입력 임피던스 매칭을 설명하기 위한 도면들이다.

일 실시예에서, 도 5a의 (A) 및 (B)를 참조하면, 급전핀과 단락핀 사이 거리(515)는 6mm, 패치의 길이(510)는 10mm, 급전핀과 단락핀의 길이(505)는 48mm일 수 있고, 칩 인덕터의 값(535)은 40nH일 수 있다. 도 5b의 (A)를 참조하면, 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 안테나 임피던스가 도시되어 있다.

다른 실시예에서, 도 5b의 (A) 및 (B)를 참조하면, 급전핀과 단락핀 사이 거리(525)는 26mm, 패치의 길이(520)는 30mm, 급전핀과 단락핀의 길이(530)는 48mm일 수 있고, 칩 인덕터의 값(540)은 68nH일 수 있다. 도 5b의 (B)를 참조하면, 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치의 안테나 임피던스가 도시되어 있다.

도 5a의 (A) 및 (B)와 같이 급전핀과 단락핀 사이 거리 및 칩 인덕터의 인덕턴스 값을 변경함으로써 안테나 임피던스를 변화시킬 수 있고, 급전핀과 단락핀 사이의 거리 및 칩 인덕터의 인덕턴스 값에 기초하여 입력 임피던스가 결정될 수 있으며, 필요에 따라 입력 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치에 포함된 외곽 코일의 개수에 따른 90도 수평 방향의 안테나 이득을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 평판형 안테나 장치는 적어도 하나의 외곽 코일을 포함할 수 있고, 평판형 안테나 장치에 포함된 외곽 코일들의 개수가 많아질수록 90도 수평 방향에서 이득이 증가함이 도시되어 있다. 제1 금속판 아래에 연결된 코일의 전압과 전류를 모두 같게 하여 코일의 개수가 한 개씩 늘어날 때마다 이득이 증가할 수 있다.

도 6에서는 도 2a의 실시예에 기초하여 제1 금속판 및 제2 금속판이 사각형의 형상을 갖는 경우의 예를 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 형상의 제1 금속판 및 제2 금속판이 이용될 수 있으며 이때에도 평판형 안테나 장치에 포함되는 코일들의 개수가 많아질수록 90도 수평 방향의 이득이 증가할 수 있다. 예를 들어, 제1 금속판 및 제2 금속판의 형상은 원형일 수 있다. 원형의 형상인 평판형 안테나 장치는 적어도 하나의 외곽 코일을 포함할 수 있다. 원형의 형상인 평판형 안테나 장치에 포함된 외곽 코일들의 개수가 많아질수록 90도 수평 방향의 이득이 증가할 수 있다.

도 6의 실시예에서는 급전 코일을 포함하여 최대 5개의 코일을 포함하는 평판형 안테나 장치만이 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 필요에 따라 개수 제한 없이 복수의 외곽 코일들을 포함할 수 있다.

도 7a는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치에 포함된 단락판의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 7b는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치에 포함된 단락판의 표면 전류 분포를 설명하기 위한 도면이며, 도 7c는 외곽 코일에 단락핀 대신 단락판을 연결했을 때 나타나는 제1 금속판의 표면 전류 분포의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 7d는 외곽 코일에 단락핀 대신 단락판을 연결했을 때 나타나는 따른 평판형 안테나 장치의 E-평면 및 H-평면 방사 패턴의 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 7a의 (A)를 참조하면, 외곽 코일 및 외곽 코일과 연결된 단락핀이 도시되어 있다. 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치는 단락핀(shorting pin)을 적소에 설치하여 제1 금속판과 제2 금속판 사이의 캐패시턴스를 상쇄함과 동시에, 단락핀에 흐르는 전류를 주요 방사원(radiation source)으로 활용하여 안테나 수평 방향으로 고르게 전파가 방사하도록 하여 무지향성 방사 패턴을 보일 수 있다.

평판형 안테나 장치에 포함된 단락핀은 지름(705)이 2mm이고 높이(710)가 48mm일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 코일과 제2 금속판을 연결할 수 있는 어떤 크기로든 형성될 수 있다.

도 7a의 (B)를 참조하면, 외곽 코일 및 외곽 코일과 연결된 단락판이 도시되어 있다. 평판형 안테나 장치는 외곽 코일과 제2 금속판을 연결할 때 사용되는 단락핀 대신 단락판을 포함할 수 있다. 단락판은 외곽 코일과 제2 금속판을 연결하는 제1 판 및 제1 판의 가장자리에 제1 판과 연결된 제2 판을 포함할 수 있다. 제1 판과 제2 판은 수직으로 연결될 수 있다. 제2 판은 제1 판보다 크기가 작을 수 있다.

평판형 안테나 장치는 단락핀 대신 단락판을 포함함으로써 평판형 안테나 장치의 전방향성 및 이득을 향상시킬 수 있다. 제1 판의 크기 및 제2 판의 크기에 기초하여 평판형 안테로부터 방사되는 전파의 전방향성이 결정될 수 있다. 단락판의 제1 판과 제2 판의 크기를 조절함으로써 평판형 안테나 장치의 전방향성 및 이득을 더 향상시킬 수 있다. 도 7a의 (B)에서, 제1 판의 가로 길이(730)는 0.8cm, 가로 길이(735)는 1.6cm이고, 세로 길이(740)는 0.3cm, 세로 길이(745)는 1.35cm, 세로 길이(750)는 1.3cm, 세로 길이(755)는 1.55cm일 수 있다. 제2 판의 가로 길이(720)는 0.9cm, 세로 길이(715)는 1.3cm, 두께(725)는 0.04cm일 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 평판형 안테나 장치에서 도 7a (A)의 단락핀 대신 도 7a (B)의 단락판을 사용하는 경우 이득이 1.17dBi 증가할 수 있다. 다만, 이는 일 실시예일 뿐이고 제1 판 및 제2 판의 형상 및 세부적인 길이, 두께는 다양할 수 있다.

도 7b를 참조하면, 도 7a (B)의 단락판에 흐르는 표면 전류 분포가 도시되어 있다. 단락판의 가장자리 전류 값이 높으며, 특히 제2 판에 강한 전류가 분포되어 있음을 확인할 수 있다.

도 7c의 (A)를 참조하면, 평판형 안테나 장치에 단락핀이 적용되었을 때 제1 금속판의 표면 전류 분포가 도시되어 있고, 도 7c의 (B)를 참조하면, 평판형 안테나 장치에 단락판이 적용되었을 때 제1 금속판의 표면 전류 분포가 도시되어 있다.

도 7c의 (A)의 경우와 도 7c의 (B)의 경우 모두 5개의 코일 부분에 전류가 집중되어 있는 것을 관찰할 수 있으나, 단락핀을 사용했을 때에 비해 단락판을 사용했을 때 코일이 존재하지 않는 상판 부분에 표면 전류 값이 더 작다. 단락핀 대신 단락판을 적용함으로써 제1 판과 제2 판의 결합 구조에 전류가 더욱 집중되어 전방향성 이득이 커질 수 있다.

도 7d의 (A)를 참조하면, 평판형 안테나 장치에 단락핀을 적용한 경우와 단락판을 적용한 경우의 E-평면 방사 패턴의 변화가 도시되어 있다. 단락판을 적용하였을 때 방사 패턴이 더욱 대칭형에 가깝게 변화한 것을 확인할 수 있다.

도 7d의 (B)를 참조하면, 평판형 안테나 장치에 단락핀을 적용한 경우와 단락판을 적용한 경우의 H-평면 방사 패턴의 변화가 도시되어 있다. 도 7d의 (A)와 마찬가지로 단락판을 적용하였을 때 방사 패턴이 더욱 대칭형에 가깝게 변화하면서 이득이 증가된 것을 확인할 수 있다.

도 8a는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치가 탑재될 수 있는 차량의 개략적인 형상을 설명하기 위한 도면이고, 도 8b는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치 자체와 평판형 안테나 장치가 차량에 탑재되었을 때 나타나는 방사 패턴의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 8c는 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치 자체와 평판형 안테나 장치가 차량에 탑재되었을 때 나타나는 평판형 안테나 장치의 E-평면 및 H-평면 방사 패턴의 변화를 설명하기 위한 도면이다.

도 8a를 참조하면, 평판형 안테나 장치가 탑재될 수 있는 차량이 도시되어 있다. 평판형 안테나 장치는 차량의 지붕에 탑재될 수 있고, 제2 금속판은 차량의 지붕의 적어도 일부분에 해당할 수 있다. 차량의 차체는 금속이므로 접지면 역할을 할 수 있다. 일 실시예에서, 차량은 군용 차량일 수 있다.

차량의 가로 길이(810) 및 세로 길이(805)는 일반적으로 수 m이므로, 도 2a의 평판형 안테나 장치가 지붕에 탑재되어도 기존의 모노폴 안테나에 비해 매우 작은 크기가 됨을 확인할 수 있다. 예를 들어, 차량의 가로 길이(810) 및 세로 길이(805)는 각각 367cm, 160cm일 수 있고, 차량 지붕의 가로 길이(820) 및 세로 길이(815)는 각각 128.4cm, 125cm일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 평판형 안테나가 탑재될 수 있는 차량에는 아무런 제한이 없다.

평판형 안테나가 차량에 탑재되는 경우 차량의 금속 차체가 평판형 안테나 장치의 제2 금속판 대신 접지면 역할을 할 수 있으며, 금속 차체가 제2 금속판보다 크게 되므로 더 큰 접지면으로 인해 평판형 안테나 장치의 이득이 증가할 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 평판형 안테나 장치가 도 8a의 차량의 지붕에 탑재되는 경우 3배 이상 이득이 증가할 수 있다.

도 8b의 (A)를 참조하면, 일 실시예에 따른 평판형 안테나 장치가 단독으로 동작하는 경우의 3차원 방사 패턴이 도시되어 있다. 평판형 안테나 장치의 방사 패턴은 전방향 패턴을 형성할 수 있다.

도 8b의 (B)를 참조하면, 평판형 안테나 장치가 차량에 탑재된 경우의 3차원 방사 패턴이 도시되어 있다. 방사 패턴은 여전히 전방향성 방사 패턴을 형성하고 있으나 한쪽의 길이가 더 긴 직사각형 모양의 금속 차체가 접지면 역할을 하여 기울어져 형성될 수 있다.

도 8c의 (A)를 참조하면, 평판형 안테나 장치가 차량에 탑재된 경우의 E-평면 방사 패턴의 변화가 도시되어 있고, 도 8c의 (B)를 참조하면, 평판형 안테나 장치가 차량에 탑재된 경우의 H-평면 방사 패턴의 변화가 도시되어 있다.

평판형 안테나 장치가 차량에 탑재되면서 차체의 영향으로 방사 패턴이 약 40도 정도 기울어져 형성되며, E-평면과 H-평면 방사 패턴에서 3배 이상 이득이 증가한 것을 확인할 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

1. 제1 금속판;
   상기 제1 금속판과 이격되어 배치되는 제2 금속판;
   상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판 사이에 배치되고, 일 측이 상기 제1 금속판과 연결된 급전 코일;
   상기 제2 금속판의 급전점으로부터 연장되어 상기 급전 코일의 타 측과 연결된 급전핀;
   상기 급전핀과 연결된 칩 인덕터;
   상기 칩 인덕터와 상기 제2 금속판을 연결하여 단락시키기 위한 단락핀;
   상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판 사이에 배치되고, 일 측이 상기 제1 금속판과 연결된 외곽 코일; 및
   상기 외곽 코일의 타 측과 상기 제2 금속판을 연결하는 단락판
   을 포함하는,
   평판형 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 급전 코일은,
   상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판의 중앙 부분에 배치된,
   평판형 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 금속판은,
   코일이 배치된 부분과 대응되는 홀(hole)들을 포함하고,
   상기 급전 코일이 배치된 부분과 대응되는 홀의 크기는 상기 급전 코일 및 상기 칩 인덕터를 포함하는 영역의 크기에 대응되고,
   상기 외곽 코일이 배치된 부분과 대응되는 홀의 크기는 상기 외곽 코일을 포함하는 영역의 크기에 대응되는,
   평판형 안테나.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 금속판과 상기 제2 금속판 사이에 배치되고, 상기 제1 금속판의 모서리 부분 또는 가장자리 부분에 배치되며, 일 측이 상기 제1 금속판과 연결된 복수의 외곽 코일들; 및
   상기 복수의 외곽 코일들 각각의 타 측과 상기 제2 금속판을 연결하는 단락판들을 포함하고,
   상기 복수의 외곽 코일들 및 상기 단락판들은 상기 제1 금속판의 중심을 기준으로 서로 대칭이 되도록 배치되는,
   평판형 안테나.
5. 제1항에 있어서,
   상기 단락판은,
   상기 외곽 코일과 대향하여 상기 외곽 코일의 타 측과 연결되는 제1 판; 및
   상기 제1 판의 가장자리에 상기 제1 판과 연결된 제2 판
   을 포함하는,
   평판형 안테나.

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