KR20090081256A - 적층형 패치 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 적층형 패치 안테나는 상면에는 상부패치가 형성되고, 하면에는 다수의 패치 박편으로 분리된 하부 패치가 형성되는 제1유전체층; 및 하부 패치의 저부에 결합되는 제2유전체층을 포함하고, 상부 패치와 하부 패치는 상호 전기적으로 연결되고, 제1유전체층은 탈착 수단에 의해 제2유전체층과 결합 되어있는 것을 특징으로 한다. 상기한 바와 같은 구성에 의해, 방사 패치의 형상 및 길이를 손쉽게 변경하여 원하는 공진주파수를 용이하게 조절할 수 있게 됨으로써, 종래 적층형 패치 안테나를 개발 및 제조하기 위해 소요되는 생산비용을 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
패치, 안테나, 유전체층, 박편, 패치군, 공진주파수

Description

적층형 패치 안테나{Patch antenna with multi-layer}
본 발명은 패치 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양면 접착 시트를 이용한 적층형 패치 안테나에 관한 것이다.
무선 통신 기술이 발달함에 따라, 휴대폰, PDA, GPS수신기 등과 같은 정보통신 단말기 대중화가 가능하게 되었다. 이들 정보통신 단말기에는 소형 경량이며 평면형으로 얇게 제조한 패치 안테나가 주로 사용된다.
일반적으로, 패치 안테나의 크기는 설계 주파수의 파장에 비례하며, 동일한 주파수에 대해서 패치 안테나의 크기를 줄여 소형화하기 위해서는 비유전율이 높은 유전체 기판을 사용하여야 한다. 그러나, 비유전율이 높은 유전체를 사용하면 안테나의 방사특성이 저하되어 결과적으로 이득이 나빠지는 문제점이 있다. 그리고, 유전체의 비유전율이 높아지면 상대적으로 제조원가가 상승함은 물론 생산수율이 급격하게 저하되므로, 비유전율이 높은 유전체를 사용하여 안테나의 크기를 단축하는 데에도 한계가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 다양한 구조의 패치 안테나가 제시되고 있다. 그의 일 예로 본 출원인이 2007년 9월 10일 출원하였던 출원번호 10-2007- 0091739호에 제시된 패치 안테나가 있다.
도 1은 출원번호 10-2007-0091739호에 제시된 패치 안테나의 사시도이고, 도 2는 제1유전체층(130)의 저면부를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 종래 패치 안테나는 상부 패치(110), 하부 패치(120), 제1유전체층(130)과 및 제2유전체층(140)을 포함한다.
상부 패치(110)는 제1유전체층(130)의 상면에 형성되며, 관통홀(112)이 형성되어 있다. 관통 홀(112)을 통해 급전선(도시생략)이 급전점(도시생략)에 연결된다. 그리고, 상부 패치(110)의 가장자리에는 소정 직경의 구멍(132)이 천공된다. 하부 패치(120)는 상부 패치(110)와 동일한 재질의 하부 박판이며, 제1유전체층(130)의 저면에 형성된다. 하부 패치(120)는 다수의 패치군으로 분리형성되고, 각각의 패치군은 다수의 슬롯(122)에 의해 다수의 패치 박편(121)으로 분리된다. 이때, 각각의 패치 박편(121)의 형상 및 길이를 변경하여 패치 안테나의 공진주파수를 조절할 수가 있다.
그리고, 하부 패치(120) 각각의 패치군의 최외각 부위(즉, 패치박편의 최외측)에는 소정 직경의 구멍이 천공된다. 여기서, 제1유전체층(130)의 가장자리에도 소정 직경의 구멍(132)이 직하 방향으로 천공된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1유전체층(130)은 제2유전체층(140) 위에 적층 형성된다. 이때, 종래에는 제2유전체층(140) 위에 시트(예컨대, 에폭시 시트)를 올린 후 프레스를 이용하여 고온/고압으로 제2유전체층(140)위에 제1유전체층(130)을 적층 형성하였다. 이와 같은 방법으로 제2유전체층(140)과 제1유전체층(130)이 결 합되면, 제2유전체층(140)으로부터 제1유전체층(130)을 분리하는 것이 용이하지 않게 된다.
즉, 개발단계에서 본 발명에 따른 패치 안테나가 원하는 공진주파수를 만족하지 못하는 경우, 제1유전체층(130)의 저면에 형성된 패치 박편(121)의 길이 및 형상을 변경한 새로운 제1유전체층(130)을 다시 제작하고, 이를 다시 새로운 제2유전체층(140) 위에 전술한 방식을 통해 적층하여 원하는 공진주파수를 만족하는지 테스트하는 과정을 반복해야만 했다.
전술한 바와 같은 이유로, 원하는 주파수대역에서 공진하는 패치 안테나를 제작하는데 걸리는 기간이 길어질 뿐만 아니라, 개발과정에 따른 제조비용 또한 상승하게 되는 문제점이 발생하였다.
또한, 제1유전체층(130)과 제2유전체층(140)이 각기 다른 재질의 유전체층인 경우, 전술한 종래방식을 사용하면 제2유전체층(140)위에 제1유전체층(130)을 적층 형성하는데 제약이 따른다. 따라서, 다양한 재질의 유전체층을 이용하여 적층형 패치 안테나를 구현할 수 없는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 방사 패치의 형상 및 길이를 손쉽게 변경하여 원하는 공진주파수를 용이하게 조절할 수 있는 적층형 패치 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 다양한 재질의 유전체층을 이용한 적층형 패치 안테나를 구현해줄 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 적층형패치 안테나는, 상면에는 상부패치가 형성되고, 하면에는 다수의 패치 박편으로 분리된 하부 패치가 형성되는 제1유전체층; 및 하부 패치의 저부에 결합되는 제2유전체층을 포함하고, 상부 패치와 하부 패치는 상호 전기적으로 연결되고, 제1유전체층은 탈착 수단에 의해 제2유전체층과 결합 되어있는 것을 특징으로 한다.
특히, 탈착 수단은 양면 접착 시트인 것이 바람직하다.
또한, 상부 패치와 하부 패치는 제1유전체층의 가장자리 부위에 형성된 비아 홀을 통해 상호 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 하부 패치의 다수의 패치 박편은 패치 군으로 구별되고, 패치 군은 대칭되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제1유전체층과 제2유전체층의 비유전율은 상이한 것이 바람직하다.
또한, 제1유전체층의 비유전율이 제2유전체층의 비유전율에 비해 높은 것이 바람직 하다.
또한, 제1유전체층과 제2유전체층의 두께는 상이한 것이 바람직하다.
또한, 제1유전체층은 제2유전체층의 두께보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
방사 패치의 형상 및 길이를 손쉽게 변경하여 원하는 공진주파수를 용이하게 조절할 수 있게 됨으로써, 종래 적층형 패치 안테나를 개발 및 제조하기 위해 소요되는 생산비용을 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 다양한 재질을 갖는 유전체층을 적용하여 적층형 패치 안테나를 구현해 줄 수 있게 됨으로써 방사 이득 특성이 좋은 적층형 패치 안테나를 제공해 줄 수 있다는데 그 목적이 있다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 패치 안테나의 결합 상태도이고, 도 4는 도 3의 분해 사시도이며, 도 5는 도 3에 도시된 제1유전체층의 상면부 및 저면부를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 패치 안테나는 상부 패치(210), 하부 패치(220), 제1유전체층(230) 및 제2유전체층(240)을 포함한다.
상부 패치(210)는 구리, 알루미늄, 금, 은 등과 같이 전기전도도가 높은 금속 재질의 박판으로서, 관통 홀(212)이 형성되어 있다. 그리고, 상부 패치(210)의 가장자리(예컨대, 4군데)에는 소정 직경의 구멍(232)이 천공된다.
관통홀(212)에는 상부 패치(210)의 급전점(도0시 생략)에 연결되는 급전선(도시 생략)이 삽입설치된다. 그 삽입설치된 급전선(도시 생략)의 일단은 상부 패치(110)의 급전점(도시 생략)에 연결되고 상기 급전선(도시 생략)의 타단은 관통홀(112)을 관통하여 통상적으로 PCB기판의 급전단(도시 생략)에 연결된다.
하부 패치(220)는 제1유전체층(230)의 저면에 형성된다. 그리고, 하부 패치(220)는 상부 패치(210)와 동일한 재질의 박판이다. 하부 패치(220)는 다수의 패치군(도 5에서는 4개의 패치군)으로 분리형성되고 각각의 패치군은 다수의 슬롯(222)에 의해 다수의 패치 박편(221)으로 분리된다. 하부 패치(220)의 다수의 패치군은 상호 이격되게 형성된다. 여기서, 슬롯(222) 및 하부 패치(220)의 다수의 패치군 간의 간격이 좁으면 좁을수록 그 사이에 형성되는 캐패시터값이 커지게 되므로 더 낮은 공진주파수에서 공진하게 된다. 즉, 하부 패치(220)의 형상 및 길이 등을 변경하여 구현하고자하는 공진주파수의 조절이 가능하다.
도 5에서의 하부 패치(220)는 상호 대향되는 패치군끼리 대칭되는 형상으로 형성되었지만 비대칭되는 형상으로 형성되어도 된다. 그리고, 하부 패치(220)의 각각의 패치군의 최외곽 부위(즉, 패치 박편(221)의 최외측)에는 소정 직경의 구멍(232)이 천공된다.
제1유전체층(230)은 상부 패치(210)와 하부 패치(220) 사이에 형성된다. 제1유전체층(230)의 가장자리(예컨대, 상부 패치(210)와 하부 패치(220)의 구멍(232) 위치와 대응되는 위치)에는 소정 직경의 구멍(232)이 직하 방향으로 천공된다.
여기서, 상부 패치(210)와 하부 패치(220) 및 제1유전체층(230)에 형성된 구멍(232)은 상호 동일 위치에 형성된다. 그리고, 상부 패치(210)와 하부 패치(220)를 전기적으로 연결시키기 위해 구멍(232)에는 금속 핀(260)과 같은 전도재가 삽입된다. 이때, 금속 핀(260)은 중앙부가 비어 있어도 무방하다.
즉, 도 3의 경우에는 금속 핀(260)을 이용하여 상기 상부 패치(210)와 하부 패치(220)를 전기적으로 연결시키게 하였으나, 금속 핀(260)이 없어도 그 상부 패치(210)와 하부 패치(220) 간의 연결이 가능하다. 예를 들어, 구멍(232)을 전도재로 도포하여 상부 패치(210)와 하부 패치(220)를 연결시킬 수도 있다. 그리고, 금속 핀(260)을 삽입하는 것보다는 펀칭 후에 구멍을 전도재로 도포하는 것이 제조 공정수를 줄이는 차원에서 보다 바람직하다.
한편, 제1유전체층(230)은 제2유전체층(240)과 탈착 수단(235)에 의해 결합되며, 제2유전체층(240)위에 적층된다. 따라서, 제1유전체층(230)과 제2유전체층(240)은 필요에 따라 탈착이 가능하다. 이때, 탈착 수단(235)은 양면 접착시트(예컨대, 양면 테이프)가 이용될 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 패치 안 테나는 개발과정에서 원하는 주파수를 구현하기 위해 제1유전체층(230)의 저면에 형성된 하부 패치의 형상 및 길이를 조절하는 것이 용이하다.
또한, 본 발명에 따른 패치 안테나는 완제품 상태에서도 제1유전체층(230)과 제2유전체층(240) 간의 탈착이 가능하기 때문에 제1유전체층(230)의 저면에 형성된 하부 패치의 형상 및 길이를 조절하여 원하는 공진주파수로 패치안테나를 튜닝하는 것도 가능하다.
또한, 제2유전체층(240)위에 제1유전체층(230)을 적층 형성하기 위해 필요한 별도의 과정(예를 들면, 에폭시 시트를 사이에 두고 고온/고압으로 프레스하여 결합해주는 종래 과정)이 줄어들게 됨에 따라, 기존 패치 안테나보다 제조에 소요되는 비용이 절감되고 안테나의 제조원가를 낮춰줄 수가 있게 된다.
또한, 각기 다른 재질의 유전체층을 적용하여 적층 형성하는데 따른 제약이 없기 때문에 비유전율이 다른 재질의 유전체층을 적용하여 다양한 방사 이득 특성을 갖는 적층형 패치 안테나의 구현이 가능하다. 또한, 제1유전체층(230)에 적용되는 유전체 재료보다 상대적으로 낮은 원가의 유전체 재료를 사용하여 본 발명에 따른 패치 안테나의 구현이 가능하게 됨에 따라, 대량 생산에 따른 제조 원가를 낮출 수 있게 된다.
제2유전체층(240)은 제1유전체층(230)보다 높은 비유전율을 갖는 재질로 유전체층을 형성하는 것이 바람직하다. 제1유전체층(230) 보다 높은 비유전율을 갖는 재질로 제2유전체층(240)을 형성해주면 제1유전체층(230)의 저면에 형성된 하부 패치(220)의 물리적인 길이를 전기적으로 길어지게 하는 효과를 얻을 수 있다. 따라 서, 더욱 소형화된 패치 안테나를 구현할 수 있다.
도 3에 도시된 것처럼, 제1유전체층(230)은 제2유전체층(240)의 두께보다 두껍게 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1유전체층(230)의 두께가 3.2mm 라면 제2유전체층(240)의 두께는 대략 0.8mm 정도이다. 본 발명에 따른 패치 안테나의 두께가 일정하다고 했을 때, 상부에 위치한 유전체층이 두꺼울수록 공진주파수가 낮아지게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 패치 안테나는 상부에 위치한 제1유전체층(230)의 두께를 하부에 위치한 제2유전체층(240)의 두께보다 두껍게 하여 보다 낮은 주파수대역에서 공진하되 소형화된 패치 안테나가 구현된다.
한편, 고유전율의 유전체층(예컨대, 비유전율 20이상)을 채용하는 패치 안테나의 경우, 접지판이 형성되어 있지 않으면 생산단계에서 공진주파수를 정확하게 측정하기가 용이하지 않다. 고유전체가 채용된 패치 안테나의 경우 접지 정도에 따라 측정되는 공진주파수가 크게 달라지기 때문이다. 다시 말해, 패치 안테나에 접지판이 형성되어 있지 않으면 지그(Jig)를 이용하여 패치안테나를 접지면에 완전하게 접지시키는게 용이하지 않다. 접지가 완전하게 이루어지지 않으면 고유전체의 특성상 정확한 공진 주파수 측정이 어렵다. 따라서, 고유전율의 유전체층(고유전체)을 채용하는 패치 안테나는 일반적으로 유전체층 저면에 접지판이 형성된다.
하지만, 본 발명의 따른 패치 안테나는 저유전체(예컨대, 비유전율 5)의 유전체층(230, 240)을 채용한다. 저유전체가 채용된 패치 안테나의 경우에는 접지 정도와는 상관없이 측정되는 공진주파수가 거의 일정하다. 따라서, 생산시 측정단계에서 접지가 완전하게 이루어지지지 않아도 비교적 정확한 공진주파수 측정이 가능 하다. 이러한 이유에서, 저유전체를 채용하는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 안테나는 유전체층 저면에 접지판이 형성되지 않아도 무방하다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져는 안될 것이다.
도 1은 종래 패치 안테나의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 적용되는 제1유전체층의 저면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 패치 안테나의 결합 상태도이다.
도 4는 도 3의 분해 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 제1유전체층의 상면부 및 저면부를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
210 : 상부 패치 220 : 하부 패치
212 : 관통홀 221 : 패치 박편
222 : 슬릿 230 : 제1유전체층
232 : 구멍 235 : 탈착 수단
240 : 제2유전체층

Claims (8)

  1. 상면에는 상부패치가 형성되고, 하면에는 다수의 패치 박편으로 분리된 하부 패치가 형성되는 제1유전체층; 및
    상기 하부 패치의 저부에 결합되는 제2유전체층을 포함하고,
    상기 상부 패치와 상기 하부 패치는 상호 전기적으로 연결되고, 상기 제1유전체층은 탈착 수단에 의해 상기 제2유전체층과 결합 되어있는 것을 특징으로 하는 적층형 패치 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탈착 수단은 양면 접착 시트인 것을 특징으로 하는 적층형 패치 안테나.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 패치와 상기 하부 패치는 상기 제1유전체층의 가장자리 부위에 형성된 비아 홀을 통해 상호 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 적층형 패치 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 패치의 다수의 패치 박편은 패치 군으로 구별되고, 상기 패치 군 은 대칭되는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 적층형 패치 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유전체층과 상기 제2유전체층의 비유전율은 상이한 것을 특징으로 하는 적층형 패치 안테나.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1유전체층의 비유전율이 상기 제2유전체층의 비유전율에 비해 높은 것을 특징으로 하는 적층형 패치 안테나.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1유전체층과 상기 제2유전체층의 두께는 상이한 것을 특징으로 하는 적층형 패치 안테나.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1유전체층은 상기 제2유전체층의 두께보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 패치 안테나.
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