KR102631849B1

KR102631849B1 - 패터닝된 공동들을 갖는 유전체 기판들을 사용하는스택 패치 안테나들

Info

Publication number: KR102631849B1
Application number: KR1020237022517A
Authority: KR
Inventors: 닝 양
Original assignee: 노바텔 인크.
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2024-02-01
Also published as: EP3455905B1; CN109075437B; AU2017263727B2; US20200006854A1; WO2017193206A1; EP3455905A4; KR20230107402A; CA3017262C; US20210257737A1; CN109075437A; CA3017262A1; US10454174B2; AU2017263727A1; KR20190002515A; US11888242B2; US20170331192A1; JP2019515536A; EP3455905A1; JP2021153330A; US10985467B2

Abstract

넓은 듀얼 밴드, 높은 효율, 및 작은 크기를 갖는 GNSS RHCP 스택 패치 안테나는 유전체 기판 내에 패터닝된 공동을 갖는 세라믹과 같은 몰딩된 고유전율 재료로 이루어진다. 기판 내의 천공된 공동들은 유효 유전 상수를 감소시키고, 대역폭 및 효율을 증가시킨다. 고차 모드들은 공동들의 설계를 통해 조작될 수 있다.

Description

패터닝된 공동들을 갖는 유전체 기판들을 사용하는 스택 패치 안테나들{STACKED PATCH ANTENNAS USING DIELECTRIC SUBSTRATES WITH PATTERNED CAVITIES}

패치 안테나(patch antenna)는 그것의 평면적인 구성, 및 회로 보드들과의 통합의 용이성으로 인해, 로우 프로파일 및 저비용 멀티-컨스텔레이션(multi-constellation)의 범지구 위성 항법 시스템(global navigation satellite system)(GNSS) 안테나로서 활용되는 경우가 많다. 안테나의 크기를 축소시키기 위해, 세라믹 재료를 기판으로서 사용하는 것이 본 기술분야에 잘 알려져 있다. 세라믹을 사용하는 것의 전형적인 고려사항들은 세라믹의 높은 DK(ε': 유전 상수)와 낮은 유전 손실이다. 화합물들(compounds) 및 혼합물들(composites)에 따라, 세라믹의 DK는 약 4 내지 수 백의 범위에서 변할 수 있다. 전형적인 GNSS 시스템의 듀얼 밴드 요건들을 커버하기 위해, 둘 이상의 스택 패치가 각각의 주파수에서 공진하도록 요구된다. 원형 패치들의 경우, 기본 동작 모드는 TM11 모드이고, 이것은 GNSS 응용들에서 잘 작동하는 상측 반구 방사 패턴(upper-hemisphere radiation pattern)을 갖는다. 잘 알려진 공동 모델을 이용하여, 기본 모드의 공진 주파수는 다음에 의해 주어진다:

여기서, x₁₁은 Bessel 함수의 도함수의 제1 제로 J₁ ^'(x)=0를 나타내고, a_eff는 원형 패치 디스크의 유효 반경이고, ε_eq는 등가 유전 상수이고, c는 빛의 속도이다. 기판과 동일한 재료를 사용하면, 2개의 패치의 크기는 상당히 달라진다: L1 대역에서 공진하는 최상위 것은 최하위 층에서의 L2 패치의 대략 약 77%이다. 그러므로, 안테나의 전체적인 횡방향 크기(lateral size)는 최하위 방사기에 의해 결정된다. 세라믹을 기판으로 사용하면, 안테나의 크기가 감소되지만, 두드러진 단점으로서 대역폭이 또한 좁아지는데, 왜냐하면 공진 안테나의 품질 계수 Q는 전기적으로 작은 안테나들에 대한 Chu-Harrington 제한에 따라 그것이 물리적으로 차지하는 용적에 반비례하기 때문이다.

종래 기술의 단점들은 천공된 공기 공동들(perforated air-cavities)을 갖는 예시적인 몰딩된 세라믹 퍽(molded ceramic puck)을 기판으로서 사용하는 스택 패치 안테나(stacked patch antenna)를 이용함으로써 극복된다. 예시적으로, 안테나를 위한 기판은 세라믹으로 완전히 충진되는 것이 아니라, 일부는 공기로 충진된다. 천공된 유전체 영역 내에서의 유효 유전율(effective permittivity)은 재료의 전체 벌크 용적(total bulk volume)에 대한 공극-공간(voids-space)의 용적의 분율로서 정의되는, 천공의 공극률(porosity) 또는 공극 분율(void fraction)로부터 결정된다.

하나 이상의 천공된 공기 공동을 갖는 세라믹 퍽을 가짐으로써, 다수의 두드러진 이점이 획득된다. 스택 안테나의 최상위 층 패치에 대한 유전체 기판에 천공을 도입함으로써, 세라믹의 패터닝된 영역에서의 유효 유전율이 감소되고, 그에 의해, 예시적으로 L1 대역 공진 점유 용적(L1-band resonance occupied volume)은 전체 재료 중량을 크게 변화시키지 않고 증가된다. 이를 통해, Q 인자가 감소되고, 동작 대역폭은 실질적으로 넓어진다. 동시에, 천공으로 인해 세라믹의 중량이 감소된다. 또한, 공진 시의 전자기장 분포는 기판 내의 천공에 의해 변화된다. 이는 설계자에게 천공 위치, 크기, 및 패턴을 변경함으로써 패치들의 크기를 변경하고, 그에 따라 대역폭을 변경하는 유연성을 제공한다.

예시적인 듀얼 밴드 스택 패치 안테나를 사용하면, 최하위 패치(L2 대역) 요소의 여기(excitation)가 기생 커플링을 통해 이루어지기 때문에, 최상위 패치 방사기로의 직접 피드들의 단 하나의 세트만이 적용된다. 스택 패치는 2개의 커플링된 공진기에 의해 모델링될 수 있다. 커플링은 최하위 패치 요소의 임피던스 대역폭에 영향을 주고; 따라서 최상위 패치 크기를 변경하는 능력은 커플링 및 임피던스 정합에 대한 가능한 제어를 용이하게 한다.

또한, 공동들이 배치되는 위치들을 조작함으로써, 고차 모드와 기본 모드 사이의 주파수 비가 제어될 수 있다. 이것은 공진하는 정상파들의 상이한 모드들에 대한 전압 피크들이 안테나의 상이한 영역들에 배치되기 때문에 가능하다. 이것은 고조파 또는 고주파수 방사가 제어되어야 하는 상황에서 특히 유용하다.

이하의 설명은 첨부된 도면들을 참조한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 스택 패치 안테나의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공동을 보여주는 패치 안테나의 세라믹 컴포넌트의 하부도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 스택 패치 안테나의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 복수의 공동을 갖는 예시적인 스택 패치 안테나의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 복수의 공동을 보여주는 패치 안테나의 세라믹 컴포넌트의 하부도이다.
도 6a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 천공 없는 안테나를 도시하는 차트이다.
도 6b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 천공 있는 안테나를 도시하는 차트이다.
도 7a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 천공 있는 및 천공 없는 RHCP 안테나의 고 대역 이득을 도시하는 차트이다.
도 7b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 천공 있는 및 천공 없는 RHCP 안테나의 저 대역 이득을 도시하는 차트이다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 예시적인 세라믹 안테나의 대역폭은 설계가능하고 유연하다. 예시적으로, 이것은 천공된 공동들을 갖는 세라믹을 몰딩하고 예시적인 패치 안테나를 위한 기판으로서 천공된 세라믹을 사용함으로써 달성된다. 홀들이 아니라 공동들을 천공하는 이유는, 종래의 천공되지 않은 세라믹과 동일한 금속화 프로세스가 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 사용될 수 있도록, 세라믹의 최상부면이 영향을 받지 않게 유지하는 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 듀얼 스택 패치 안테나(100)의 측면도이다. 듀얼 스택 패치 안테나(100)는 예시적으로 제1 금속 층(105), 제1 세라믹 층(110), 제2 금속 층(115), 및 제2 세라믹 층(120)을 포함한다. 예시적으로, 제1 금속 층은 제1 세라믹 층(110)의 최상부면 상에 배치된다. 제2 금속 층(115)은 제1 세라믹 층의 최하부면과 제2 세라믹 층(120)의 최상부면 사이에 배치된다.

제1 세라믹 층(110)은 공기 공극(air void)을 포함하는 공동(125)을 포함한다. 예시적으로, 공동(125)은 본 발명의 대안적인 실시예들에 따라 크기가 다를 수 있다. 이와 같이, 공동(125)의 설명 또는 묘사는 단지 예시로서만 간주되어야 한다. 마찬가지로, 제2 세라믹 층(120)은 본 발명의 대안적인 실시예들에 따라 크기가 다를 수 있는 제2 공동(130)을 포함한다. 예시적으로, 공동들(125, 130) 둘 다는 각각의 세라믹 층들(110, 120)의 최하부 상에 위치된다. 즉, 공동들(125, 130)은 각각의 세라믹 층들의 최하부 면 상에 위치된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 공동(125)의 용적은 제2 공동(130)의 용적보다 크다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 2개의 공동은 동일한 및/또는 상이한 용적들을 가질 수 있다. 이와 같이, 제2 공동보다 큰 용적을 갖는 제1 공동의 설명은 단지 예시로서만 간주되어야 한다.

추가로, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라, 피드 와이어들 및/또는 핀들이 제1 금속 층(105) 및/또는 제2 금속 층(115)으로 나아가는 것을 가능하게 하기 위해, 하나 이상의 관통 홀(135)이 제공된다. 예시적인 실시예에 따르면, 네(4) 개의 관통 홀(135)이 있다. 그러나, 본 발명의 대안적인 실시예들에서는 다양한 수의 관통 홀이 이용될 수 있음을 주목해야 한다. 이와 같이, 4개의 관통 홀의 설명은 단지 예시로서만 간주되어야 한다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 공동(125)을 보여주는 패치 안테나의 세라믹 컴포넌트(110)의 하부도(200)이다. 도면(200)에서, 세라믹 컴포넌트(110)는 10개의 면을 갖고, 공동(125)은 마찬가지로 10개의 면을 갖는다. 본 발명의 대안적인 실시예들에 따르면, 세라믹 컴포넌트 및/또는 공동은 상이한 기하형상들을 가질 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 둘 다 실질적으로 원 형상 등일 수 있다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 스택 패치 안테나(100)의 사시도(300)이다. 도면(300)은 안테나(100)의 다양한 컴포넌트들을 보여주는 절취도이다. 도면(300)은 안테나(100)의 베이스로부터 연장되는 복수의 관통 홀(135)을 예시한다. 도면(300)은 공동(125)을 갖는 제1 세라믹 층(110)의 최상부 상에 배치된 제1 금속 층(105)을 더 도시한다. 다음으로, 제2 금속 층(115)은 제2 공동(130)을 갖는 제2 세라믹 층(120)의 최상부 상에 배치된다.

도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 복수의 공동을 갖는 예시적인 스택 패치 안테나(400)의 측면도이다. 예시적으로, 안테나(400)는 제1 세라믹 층(110)의 최상부 상에 배치된 제1 금속 층(105)을 포함한다. 제2 금속 층(115)은 제1 세라믹 층(110)의 최하부 면과 제2 세라믹 층(120)의 최상부 면 사이에 배치되고, 신호가 제1 금속 층(105)으로부터 피드/수신되는 것을 가능하게 하기 위해, 다양한 층들을 통해 하나 이상의 관통 홀(135)이 배열된다. 본 발명의 대안적인 실시예들에 따르면, 복수의 공동(125)은 제1 세라믹 층(120)의 최하부를 따라 배치된다. 마찬가지로, 복수의 공동(130)은 제2 세라믹 층(120)의 최하부 면을 따라 배치된다.

도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 복수의 공동(125)을 보여주는 패치 안테나(400)의 세라믹 컴포넌트(110)의 하부도(500)이다. 도 4를 참조하여 위에서 언급된 바와 같이, 세라믹 층들(110, 120) 각각은 복수의 공동(125, 130)을 포함한다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 공동들은 둥근 형상으로 구성된다. 그러나, 본 발명의 대안적인 실시예들에 따르면, 공동들은 임의의 형상 및/또는 크기를 가질 수 있다. 이와 같이, 공동들(125)의 도시는 단지 예시로서만 간주되어야 한다. 또한, 도 5는 제1 세라믹 층(110) 내의 공동들(125)을 도시하지만, 제2 세라믹 층(120) 내의 공동들(130)은 유사하게 배열될 수 있다. 이와 같이, 제1 세라믹 층(110)을 참조하는 도 5의 설명은 단지 예시로서만 간주되어야 한다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 세라믹 층 내의 복수의 공동은 대칭 또는 실질적으로 대칭인 방식으로 배열된다는 점에 유의해야 한다.

도 6a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 천공 없는 예시적인 안테나를 도시하는 차트이다. 마찬가지로, 도 6b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 공동 천공들을 갖는 안테나를 도시하는 차트이다. 도 6a 및 도 6b 둘 다는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 설명된 바와 같이 공동들이 있는 안테나와 공동들이 없는 안테나의 S 파라미터들의 광대역 스윕을 도시한다. 본 기술분야의 통상의 기술자가 알 수 있는 바와 같이, 천공들을 갖는 안테나들(즉, 본 발명의 실시예들에 따른 공동들을 갖는 안테나들)은 고조파를 이동시키고 조작하고, 고차 모드와 기본 모드 사이의 주파수 비를 제어하기 위해 사용될 수 있다.

도 7a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 천공 있는 및 천공 없는 RHCP 안테나의 고 대역 이득을 도시하는 차트이다. 도 7a로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 안테나들이 천공들(공동들)을 가질 때 개선된 이득이 존재한다. 도 7b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 천공 있는 및 천공 없는 RHCP 안테나의 저 대역 이득을 도시하는 차트이다. 도 7b로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 안테나들이 천공들(공동들)을 가질 때 개선된 이득이 존재한다.

본 발명의 원리들은 비 일시적인 컴퓨터 판독가능한 매체, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 하드웨어, 소프트웨어로 구현될 수 있음이 명백하게 고려된다. 또한, 공동들의 특정한 크기들 및/또는 수들에 대한 설명은 단지 예시로서만 간주되어야 한다.

Claims

안테나로서,
제1 유전체 기판의 제1 표면 상에 배치된 제1 금속 층; 및
상기 제1 유전체 기판의 제2 표면과 제2 유전체 기판의 제1 표면 사이에 배치된 제2 금속 층
을 포함하고,
상기 제1 유전체 기판은 하나 이상의 제1 공동을 갖고, 상기 하나 이상의 제1 공동 각각은 상기 제1 금속 층에 도달하도록 상기 제1 유전체 기판 전체를 통해 연장되지 않고, 상기 하나 이상의 제1 공동의 각각의 개구부(opening)는 상기 제2 금속 층에 맞닿아(against) 배치되고,
상기 제2 유전체 기판은 하나 이상의 제2 공동을 갖고, 상기 하나 이상의 제2 공동 각각은 상기 제2 금속 층에 도달하도록 상기 제2 유전체 기판 전체를 통해 연장되지 않고, 상기 하나 이상의 제2 공동의 각각의 개구부(opening)는 상기 제2 유전체 기판의 제2 표면 상에 위치하고,
상기 안테나의 대역폭은 (1) 상기 하나 이상의 제1 공동 및 상기 하나 이상의 제2 공동의 위치들, (2) 상기 하나 이상의 제1 공동 및 상기 하나 이상의 제2 공동의 크기들, 및 (3) 상기 하나 이상의 제1 공동 및 상기 하나 이상의 제2 공동의 패턴들 중 하나 이상을 변화시킴으로써 수정되도록 구성되는, 안테나.
제1항에 있어서, 상기 제1 금속 층, 상기 제1 유전체 기판, 상기 제2 금속 층 및 상기 제2 유전체 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 관통 홀을 더 포함하는, 안테나.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 제1 공동은 상기 제1 유전체 기판 상에 대칭으로 배열되는 복수의 제1 공동을 포함하는, 안테나.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 제2 공동은 상기 제2 유전체 기판 상에 대칭으로 배열되는 복수의 제2 공동을 포함하는, 안테나.
안테나로서,
제1 유전체 기판의 제1 표면 상에 배치된 제1 금속 층;
상기 제1 유전체 기판의 제2 표면과 제2 유전체 기판의 제1 표면 사이에 배치된 제2 금속 층 - 상기 제2 유전체 기판의 제2 표면은 상기 제2 유전체 기판의 상기 제1 표면에 대향함 -;
상기 제1 유전체 기판의 하나 이상의 제1 공기 공동 - 상기 하나 이상의 제1 공기 공동 각각은 상기 제1 유전체 기판의 상기 제2 표면으로부터, 상기 제1 유전체 기판을 통해, 상기 제1 유전체 기판의 상기 제1 표면에 도달하지 않는 복수의 제1 상이한 깊이 중 제1 깊이까지 연장되고, 상기 하나 이상의 제1 공기 공동의 각각의 개구부(opening)는 상기 제2 금속 층에 맞닿아(against) 배치됨-; 및
상기 제2 유전체 기판의 하나 이상의 제2 공기 공동 - 상기 하나 이상의 제2 공기 공동 각각은 상기 제2 유전체 기판의 상기 제2 표면으로부터, 상기 제2 유전체 기판을 통해, 상기 제2 유전체 기판의 상기 제1 표면에 도달하지 않는 복수의 상이한 제2 깊이 중 제2 깊이까지 연장되고, 상기 하나 이상의 제2 공기 공동의 각각의 개구부(opening)는 상기 제2 유전체 기판의 상기 제2 표면 상에 위치함-
을 포함하고,
(1) 상기 하나 이상의 제1 공기 공동 또는 상기 하나 이상의 제2 공기 공동의 위치들이 수정되도록 구성되거나, (2) 상기 하나 이상의 제1 공기 공동 또는 상기 하나 이상의 제2 공기 공동의 하나 이상의 크기들이 수정되도록 구성되는, 안테나.
제5항에 있어서, 상기 하나 이상의 제1 공기 공동은 상기 제1 유전체 기판 상에 대칭으로 배열되는 복수의 제1 공기 공동을 포함하는, 안테나.
제5항에 있어서, 상기 하나 이상의 제2 공기 공동은 상기 제2 유전체 기판 상에 대칭으로 배열되는 복수의 제2 공기 공동을 포함하는, 안테나.
제5항에 있어서, 상기 제1 금속 층, 상기 제1 유전체 기판, 상기 제2 금속 층 및 상기 제2 유전체 기판을 통해 연장되는 하나 이상의 관통 홀을 더 포함하는, 안테나.