KR102354525B1 - 고이득 세그멘티드 패치 안테나 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR102354525B1
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이한림
김진우
김영준
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중앙대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 고이득 세그멘티드 패치 안테나 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 고이득 세그멘티드 패치 안테나는 유전체로 구성된 평판 구조의 기판; 상기 기판 상부에 배치되고, 접지홀과 급전홀을 갖는 주 방사체; 상기 주 방사체와 이웃하여 배치되고 급전홀을 갖는 보조 방사체를 포함하고, 상기 주 방사체의 급전홀과 상기 보조 방사체의 급전홀은 일직선 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

고이득 세그멘티드 패치 안테나 및 그 제조방법{HIGH GAIN SEGMENTED PATCH ANTENNA AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 고이득 세그멘티드 패치 안테나 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 밀리미터파 대역에서 효과적으로 활용할 수 있는 고이득 평면형 안테나 및 제조방법에 관한 것이다.
밀리미터파 대역은 전자기파(electromagnetic wave)의 고유 특성 상 전파(wave propagation)의 경로 손실 및 공기 중 수분에 의한 신호 감쇠도가 심하다. 따라서, 밀리미터파 대역에서의 전파 손실을 극복하고 원활한 통신을 지원하기 위해서는 고이득 안테나의 사용이 필수이다.
일반적으로 사용되었던 고이득 안테나 구조는 그라운드와 방사체 사이에 에어갭(air-gap)을 두어 높이가 높거나, 혼 안테나와 같이 부피가 큰 안테나이기 때문에 다수의 안테나를 사용하는 배열 안테나로 구성시 물리적인 부피의 제약이 발생한다. 또한, 밀리미터파 대역은 안테나와 칩이 모듈 형태로 통합되어 개발되어야 하기 때문에 부피가 작으면서도 평면형인 안테나 구조가 선호된다.
이에, 본 발명의 일 실시예는 고이득을 갖는 세그멘티드 패치 안테나 및 이를 제조하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)을 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 세그멘티드 패치 안테나는 유전체로 구성된 평판 구조의 기판; 상기 기판 상부에 배치되고, 접지홀과 급전홀을 갖는 주 방사체; 상기 주 방사체와 이웃하여 배치되고 급전홀을 갖는 보조 방사체를 포함하고, 상기 주 방사체의 급전홀과 상기 보조 방사체의 급전홀은 일직선 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 주 방사체는 일단에 급전홀을 포함하고 타단에 접지홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 고이득 세그멘티드 패치 안테나는 상기 주 방사체와 보조 방사체의 주변에 배치되는 복수개의 기생 소자를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 기생 소자는 주 방사체를 기준으로 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 주 방사체와 상기 보조 방사체는 동일한 소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 기판은 제1 기판 및 제2 기판을 포함하고, 고이득 세그멘티드 패치 안테나는 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 복수개의 컨덕터를 포함하는 매칭 소자를 갖는 프리프레그 층을 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 매칭 소자는 안테나 임피던스에 따라 길이가 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고이득 세그멘티드 패치 안테나의 제조방법은, 유전체로 구성된 평판 구조의 기판의 제1 평면에 접지판을 형성하는 단계; 하나의 패치 방사체를 복수개의 방사체로 분할하는 단계; 상기 기판의 제2 평면에 상기 복수개의 방사체를 배치하는 단계; 상기 복수개의 방사체 중 주 방사체에 급전홀을 형성하는 단계; 및 상기 복수개의 방사체 각각에 접지홀을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 접지홀은 일직선 상에 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래 동일 크기의 일반적인 패치 안테나에 비하여 약 2배 이상의 이득을 만들어내고, 물리적인 크기를 줄이고, RF 부품의 수, 필요 전력 소모를 줄이는 등 하드웨어 시스템의 효율을 높일 수 있는 효과가 있습니다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 패치 안테나의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 평면도와 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 방사 이득의 원리를 설명하기 위하여 종래의 안테나와 고이득 패치 안테나를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형예를 나타낸 고이득 패치 안테나의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리프레그층의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예의 xz 평면상의 방사 특성을 종래의 안테나와 비교하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예의 yz 평면상의 방사 특성을 종래의 안테나와 비교하는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예의 주파수에 따른 이득변화를 종래의 안테나와 비교하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예를 적용한 어레이 안테나를 종래의 어레이 안테나와 비교한 도면이다.
도 12는 도 11의 안테나 어레이들의 배열 이득을 시뮬레이션하여 비교한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 고이득 패치 안테나의 다양한 변형예를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 세그멘티드 패치 안테나의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 고이득 세그멘티드 패치 안테나에 대해 설명한다.
도 1은 종래의 패치 안테나의 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 패치 안테나는 공진 주파수에 맞춰 설계된 하나의 평면형 도체로 이루어진 방사체, 방사체에 신호가 인가되는 신호 급전부를 포함하는 구조를 갖는다. 급전부를 통해 인가된 신호는 방사체 주위로 전자기 필드를 생성하며 전자기파가 방사되는 구조를 갖는다. 이 때, 대부분의 표면 전류는 패치의 가장 자리를 통해 흐르게 되며, 해당 전류가 흐르는 전기적 길이에 따라 안테나의 공진 주파수, 즉 전자기파가 방사되는 주파수가 정해지게 된다. 또한, 배열 안테나로 구성 시 안테나의 수가 2배 증가할수록 배열 안테나 이득도 이론적으로는 2배 약 +3dB 증가한다. 만약 7 dBi의 이득을 갖는 단일 안테나를 1x2로 구성 시 피크 이득(peak gain)은 10 dBi로, 2x2로 확장 시에는 이상적으로는 13dBi의 이득을 가질 수 있다. 즉, 단일 안테나가 10 dBi의 이득을 갖을 경우 1x2의 구성 시 7 dBi의 이득을 갖는 안테나로 2x2의 배열 안테나를 구성한 것과 같은 피크 이득을 만들 수 있다.
이러한 구조에서 패치의 크기를 늘리지 않고 이득을 높이기 위해, 본 발명에서는 고이득 세그멘티드 안테나 구조를 제시하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 평면도와 단면도이다. 도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 평면도이고, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)에서 a-a'를 절단한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 패치 안테나는 기판(110), 주 방사체(120), 보조 방사체(130, 140)를 포함하여 구성될 수 있다.
기판(110)은 유전 소재로 구성된 평판 구조의 유전체 기판이고, 사용자 설정에 따라 유전율, 길이(c), 폭(d), 두께가 달리 설정된다.
유전체 기판의 재료로는 에폭시(epoxy), 듀로이드(Duroid), 테프론(Teflon), 베이크라이트, 고저항 실리콘, 유리, 알루미나, LTCC, 에어폼 등을 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 유전체 기판 재료를 모두 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 기판(110)은 정사각형으로 예시되었지만, 기판의 형상과 크기는 이에 한정되지 않으며, 원형, 직사각형, 다각형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
기판(110)은 제1 평면에 주 방사체(120)와 보조 방사체(130, 140)가 배치되고, 제2 평면에 접지판(도시생략)이 배치될 수 있다. 여기서, 제1 평면과 제2 평면은 기판(100)의 상면 또는 하면을 의미한다.
주 방사체(120)와 보조 방사체(130, 140)는 λ/2의 폭을 갖는 단일의 방사체를 복수개로 나누어 형성한 것으로, 주 방사체(120)와 보조 방사체(130, 140) 각각의 폭(B1, B2, B3)의 합은 λ/2 보다 작거나 같다. 주 방사체(120)와 보조 방사체(130, 140) 각각의 폭(B1, B2, B3)의 합은 접지판보다 작다.
주 방사체(120)는 제1 접지홀(121)과 급전홀(122)을 포함한다. 제1 접지홀(121)은 기판(110)의 제1 평면과 제2 평면을 관통하여, 기판(110)의 제2 평면에 배치된 접지판과 연결되는 비아(via)를 수용하는 영역이다. 즉, 주 방사체(120)는 제1 접지홀(121)을 통해 상기 접지판에 연결된다.
급전홀(122)은 기판(110)의 제1 평면과 제2 평면을 관통하여, 주 방사체(120)에 전력을 공급하기 위한 전력선을 수용하는 영역이다. 이 경우, 급전홀은 동축 케이블(coaxial cable)의 내부도체를 수용한다.
제1 보조 방사체(131)와 제2 보조 방사체(140)는 주 방사체(120)를 사이에 두고 배치될 수 있다. 제1 보조 방사체(131)와 제2 보조 방사체(140)는 주 방사체(120)를 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 보조 방사체(130)와 제2 보조 방사체(140)는 급전홀을 갖지 않으며, 각각 제2 접지홀(131)과 제3 접지홀(141)을 포함한다.
제2 접지홀(131)과 제3 접지홀(141)은 동일 평면상에서 서로 일직선 상에 배치되며, 제1 접지홀(121)과 인접하게 배치된다. 제2 접지홀(131)과 제3 접지홀(141)은 제1 접지홀(121)을 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다.
제2 접지홀(131) 및 제3 접지홀(141)은 제1 평면과 제2 평면을 관통한다. 제2 접지홀(131) 및 제3 접지홀(141)은 기판(110)의 제2 평면에 배치된 접지판과 연결되는 비아(via)를 수용하는 영역이다. 접지판에 연결된 제1 보조 방사체(130)와 제2 보조 방사체(140)는 전류 방향이 동기화되도록 매칭된다. 따라서 공진되는 주파수에서 고이득 방사 효과를 갖는다.
도 2의 본 발명의 일 실시예에서는 주 방사체(120)와 보조 방사체(130), 140)를 직사각형으로 도시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
또한, 제1 실시예에서는 하나의 방사체를 주 방사체 1개와 보조 방사체 2개 총 3개의 방사체로 분할하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 방사 이득의 원리를 설명하기 위하여 종래의 안테나와 고이득 패치 안테나를 도시한 도면이다.
도 3의 (a)는 종래의 패치 안테나와 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 사시도를 비교한 도면이고, 도 3의 (b)는 종래의 패치 안테나의 자기 필드 형상을 설명하기 위한 단면도이고, 도 3의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 방사 이득의 원리를 설명하기 위한 안테나의 평면도 및 단면도이다.
도 3을 참조하면, 급전부(f)를 통해 신호가 인가된 후 접지판에 연결된 비아(V1, V2, V3)를 통해 각 방사체에 전류가 퍼진다. 도체의 가장자리가 가운데 보다 전류 밀도를 보이게 되므로, 일반 패치의 경우, 가장자리 전류를 통해 형성되는 필드가 도체 전체 평면에 걸쳐 반대쪽으로 퍼지기 때문에 하나의 통 전류 주위에 자기 필드가 형성되는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 복수개의 방사체(주 방사체와 그 주변의 보조 방사체)에 흐르게 되는 전류의 공진점이 같아 3개의 도체 주위로 같은 방향의 자기 필드가 형성된다. 해당 자기 필드는 공기중에서 합성되어 도 3의 (b)에 도시된 종래의 패치 안테나보다 도 3의 (c)의 고이득 패치 안테나가 높은 이득을 만들게 됨을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형예를 나타낸 고이득 패치 안테나의 평면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 기생 소자를 가지는 고이득 패치 안테나는 도 2에 도시된 고이득 패치 안테나에 기생 소자(150; 151, 152, 153)가 부가된 구조이다.
즉 패치 안테나는 기판(110), 주 방사체(120), 보조 방사체(130, 140), 기생 소자(150)를 포함하여 구성될 수 있다. 보조 방사체는 제1 보조 방사체(130)와 제2 보조 방사체(140)를 포함할 수 있다.
도 1에서 설명한 기판(110), 주 방사체(120), 보조 방사체(130, 140)에 대한 중복된 설명은 생략한다.
기생 소자(150)는 하나 이상 마련되어 주 방사체(120) 및 보조 방사체(130, 140) 주변에 정렬된다. 기생 소자(150)는 접지판과 연결되지 않으므로, 접지홀을 갖지 않을 뿐만 아니라, 급전홀도 갖지 않는다.
도 4의 (a)와 같이, 기생 소자(151)는 전류 흐름 방향의 기판(110)의 양 사이드에 배치될 수 있다. 또한, 도 4의 (b)와 같이, 기생 소자(152)는 주 방사체(120) 및 보조 방사체(130, 140) 상하 좌우에 배치될 수 있다. 기생 패치(150)의 폭은 보조 방사체(130, 140)의 폭 보다 작거나 같다. 또한, 도 4의 (c)와 같이, 기판의 양 사이드에 배치된 기생 소자(151)와 방사체 사이에 기생 소자(153)가 추가로 배치될 수 있다. 기판의 양 사이드에 배치된 기생 소자(151) 보다 추가로 배치된 기생 소자(153)의 폭이 더 좁을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 기생 소자(150)는 직사각형으로 예시하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
기생 소자(150)는 주 방사체(120) 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 기생 소자(150)에 의해 방사 이득과 대역폭을 더 높힐 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리프레그층의 평면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 레이어 고이득 패치 안테나는 도 2에 도시된 고이득 패치 안테나에 매칭 소자가 부가된 구조이다.
도 5의 (a)는 고이득 패치 안테나의 평면도이고, 도 5의 (b)는 고이득 패치 안테나의 b-b'를 절단한 단면도이다.
즉 패치 안테나는 기판(110), 주 방사체(120), 보조 방사체(130, 140), 기생 소자(150)를 포함하여 구성될 수 있다. 보조 방사체는 제1 보조 방사체(130)와 제2 보조 방사체(140)를 포함할 수 있다.
도 1에서 설명한 주 방사체(120), 보조 방사체(130, 140)에 대한 중복된 설명은 생략한다. 주 방사체(120)는 급전홀(122)과, 접지홀(121)을 갖고, 보조 방사체(130, 140)는 접지홀(131, 141)을 갖는다.
기판은 제1 기판(111)과 제2 기판(112)을 포함하고, 제1 기판(111)과 제2 기판(112) 사이에 프리프레그(prepreg)(113) 층을 더 포함할 수 있다.
프리프레그 층(113)에는 매칭 소자(160)가 배치된다. 매칭 소자(160)는 주 방사체(120)의 급전홀(122)과, 접지홀(121)에 연결된다. 다른 변형예에서, 매칭 소자(160)가 추가되어 보조 방사체(130, 140)의 접지홀(121)에 각각 연결될 수 있다.
이와 같이 매칭 소자(160)가 방사체가 배치된 기판과 접지층(G1, G2) 사이에서 급전홀과 접지홀의 수직적으로 동일한 위치에 배치된다. 매칭 소자(160)는 도체로 이루어진다. 매칭 소자(160)를 통해 임피던스 정합을 용이하게 수행할 수 있다.
도 6을 참조하면, 매칭 소자(160)는 복수개의 컨덕터를 포함하고, 각각의 컨덕터는 적어도 하나의 접지홀 또는 급전홀을 포함할 수 있다. 컨덕터의 가로(Cx)와 세로(Cy)의 크기에 따라 부하 인덕턴스 및 커패시턴스가 변화된다. 세로(Cy)가 증가하면 안테나의 커패시턴스에 큰 부하를 주므로, 세로(Cy)는 접지홀 또는 급전홀의 크기로 최소화된다. 가로(Cx)는 안테나 임피던스에 영향을 준다. 따라서 가로(Cx)의 크기를 조절하여 임피던스의 작동 주파수와 일치하도록 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 반사 특성을 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예의 xz 평면상의 방사 특성을 종래의 안테나와 비교하는 그래프이며, 도 9는 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예의 yz 평면상의 방사 특성을 종래의 안테나와 비교하는 그래프이며, 도 10은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예의 주파수에 따른 이득변화를 종래의 안테나와 비교하는 그래프이다.
[표 1]
Figure 112020086708634-pat00001
도 7의 시뮬레이션 및 제작시 사용된 파라미터는 표 1과 같다.
도 7 및 표 1을 참조하면, 시뮬레이션 반사 특성과 측정된 반사 특성은 유사함을 알 수 있다. 또한, 도 8 내지 도 10 및 표 1을 참조하면 종래 안테나와 비교하여 제1 실시예와 제2 실시예의 xz 평면상의 방사 특성, yz 평면상의 방사 특성 및 -30도 내지 +30도에서의 이득이 우수한 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예를 적용한 어레이 안테나를 종래의 어레이 안테나와 비교한 도면이다.
도 11의 (a)는 종래의 패치 안테나의 2 Х4 어레이를 나타낸 도면이고, 도 11의 (b)는 도 4의 (a)에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 2 Х 2 어레이를 나타낸 도면이고, 도 11의 (c)는 종래의 패치 안테나의 4 Х4 어레이를 나타낸 도면이고, 도 11의 (b)는 도 4의 (a)에 도시한 본 발명의 제2 실시예에 따른 고이득 패치 안테나의 4 Х 4 어레이를 나타낸 도면이고, 도 12는 도 11의 안테나 어레이들의 배열 이득을 시뮬레이션하여 비교한 그래프이다.
도 11의 시뮬레이션 및 제작시 사용된 파라미터는 표 1과 같다.
[표 2]
Figure 112020086708634-pat00002
도 11의 (a)와 도 11의 (b), 도 12 및 표 2를 참조하면, 도 11의 (a)의 종래의 패치 안테나의 2 Х4 어레이의 XZ 평면상의 이득은 15.7dBi이고 YZ 평면상의 이득은 15.7dBi이며, 도 11의 (b)의 제2 실시예의 패치 안테나의 2 Х2 어레이의 XZ 평면상의 이득은 15.8dBi이고 YZ 평면상의 이득은 15.8dBi이다. 이를 통해 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나 어레이는 종래의 안테나 어레이보다 더 적은 수의 패치 즉 더 작은 크기로 동일한 이득을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
도 11의 (c)와 도 11의 (d), 도 12 및 표 2를 참조하면, 도 11의 (c)의 종래의 패치 안테나의 4 Х4 어레이의 XZ 평면상의 이득은 18.4dBi이고 YZ 평면상의 이득은 18.4dBi이며, 도 11의 (d)의 제2 실시예의 패치 안테나의 4 Х4 어레이의 XZ 평면상의 이득은 21.3dBi이고 YZ 평면상의 이득은 21.3dBi이다. 이를 통해 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나 어레이는 종래의 안테나 어레이와 동일한 수의 패치 안테나를 사용하는 경우 보다 종래의 패치 안테나 어레이 보다 우수한 이득을 제공하는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 고이득 패치 안테나의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 13의 (a)와 같이 방사체는 직사각형이 아닌 다각형일 수 있다. 도 13의 (b)와 같이, 보조 방사체가 홀수개 이거나 주 방사체를 중심으로 비대칭일 수 있다. 도 13의 (c) 내지 (e)와 같이 급전홀(122)을 갖는 주 방사체와 보조 방사체가 완전 분리되지 않을 수 있다. 한편, 도 13의 (a) 내지 (e)에 도시된 바와 같이 동일 기판 내의 방사체의 접지홀(121)은 서로 이웃하게 배치됨을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 세그멘티드 패치 안테나의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
단계 S110에서, 기판의 제1 평면에 접지판을 형성한다. 기판은 유전체로 구성된 평판 구조이고, 제1 평면은 기판의 하면일 수 있다.
단계 S120에서, 하나의 패치 방사체를 복수개의 방사체로 분할한다.
단계 S130에서, 분할된 각각의 방사체를 상기 기판의 제2 평면에 배치한다. 여기서 제2 평면은 기판의 상면일 수 있다.
단계 S140에서, 상기 기판에 배치된 복수개의 방사체에 급전홀과 접지홀을 형성한다. 여기서 하나의 방사체에만 급전홀을 형성한다. 급전홀이 형성된 방사체가 주 방사체가 된다. 주 방사체를 제외한 다른 방사체는 보조 방사체가 된다. 주 방사체 및 보조 방사체에는 하나의 접지홀을 형성한다.
여기서 급전홀과 접지홀은 기판의 제1 평면과 제2 평면을 관통하도록 형성될 수 있다.
하나 이상의 보조 방사체의 접지홀들은 서로 일직선이 되도록 배치된다.
주 방사체의 접지홀은 보조 방사체의 접지홀과 일직선 또는 이웃하도록 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고이득 세그멘티드 패치 안테나의 이득은 10 dBi 이상이 되기 때문에, 그라운드 사이즈를 포함한 동일 크기의 종래의 패치 안테나와 비교할 경우 약 2배 이상의 이득을 만들어 낼 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 종래의 패치 안테나로 2x4 배열 안테나를 구성해야 만들 수 있는 이득을 제안하는 안테나는 2x2 배열 구성만으로도 만족시킬 수 있다. 따라서, 빔포밍 시스템의 배열 안테나로 구성 시 물리적인 크기를 2배로 줄일 수 있으며, 각각의 안테나 소자에 연결되는 RF부품의 수, 필요 전력 소모 등을 줄일 수 있기 때문에 하드웨어 시스템의 효율을 높일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 실행된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 유전체로 구성된 평판 구조의 기판;
    상기 기판 상부에 배치되고, 접지홀과 급전홀을 갖는 주 방사체;
    상기 주 방사체와 이웃하여 배치되고 접지홀을 갖는 하나 이상의 보조 방사체; 및
    상기 주 방사체와 보조 방사체의 주변에 배치되는 복수개의 기생 소자
    를 포함하고,
    상기 하나 이상의 보조 방사체의 접지홀은 일직선 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 고이득 세그멘티드 패치 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 방사체는 일단에 급전홀을 포함하고 타단에 접지홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고이득 세그멘티드 패치 안테나.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기생 소자는 주 방사체를 기준으로 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고이득 세그멘티드 패치 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주 방사체와 상기 보조 방사체는 동일한 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 고이득 세그멘티드 패치 안테나.
  6. 유전체로 구성된 평판 구조의 기판;
    상기 기판 상부에 배치되고, 접지홀과 급전홀을 갖는 주 방사체;
    상기 주 방사체와 이웃하여 배치되고 접지홀을 갖는 하나 이상의 보조 방사체;
    를 포함하고,
    상기 하나 이상의 보조 방사체의 접지홀은 일직선 상에 배치되고,
    상기 기판은 제1 기판 및 제2 기판을 포함하고,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 복수개의 컨덕터를 포함하는 매칭 소자를 갖는 프리프레그 층
    을 더 포함하는 고이득 세그멘티드 패치 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 매칭 소자는 안테나 임피던스에 따라 길이가 결정되는 것을 특징으로 하는 고이득 세그멘티드 패치 안테나.
  8. 고이득 세그멘티드 패치 안테나의 제조방법으로서,
    유전체로 구성된 평판 구조의 기판의 제1 평면에 접지판을 형성하는 단계;
    하나의 패치 방사체를 복수개의 방사체로 분할하는 단계;
    상기 기판의 제2 평면에 상기 복수개의 방사체를 배치하는 단계;
    상기 복수개의 방사체 중 주 방사체에 급전홀을 형성하는 단계;
    상기 복수개의 방사체 각각에 접지홀을 형성하는 단계; 및
    상기 주 방사체와 보조 방사체의 주변에 배치되는 복수개의 기생 소자를 배치하는 단계
    를 포함하는 고이득 세그멘티드 패치 안테나의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 접지홀은 일직선 상에 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고이득 세그멘티드 패치 안테나의 제조방법.


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