KR20140134452A - Dual-band gps antennas for crpa array - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a dual-band GPS antenna for CRPA arrangement which has an indirect feeding structure. The dual-band GPS antenna comprises: a substrate having a ground surface formed at the upper part thereof; a ground plate formed on the ground surface; a feeding patch which is formed to be spaced apart from the substrate; a first radiation patch which is located to be spaced between the substrate and the feeding patch to receive power from the feeding patch through an electromagnetic field; and a second radiation patch which is located to be spaced apart from the feeding patch at the opposite side to the first radiation patch based on the feeding patch to receive power from the feeding patch. According to the present invention the dual-band GPS antenna can improve isolation properties in GPS L1 band and L2 band of a CRPA arrangement antenna in small space and improve isolation performance among arranged antenna modules, thereby improving radiation gain and minimizing pattern distortion.

Description

CRPA 배열을 위한 듀얼 밴드 GPS 안테나{DUAL-BAND GPS ANTENNAS FOR CRPA ARRAY}Dual Band GPS Antenna for CRPA Array {DUAL-BAND GPS ANTENNAS FOR CRAP ARRAY}

본 발명은 듀얼 밴드 GPS(Global positioning system) 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간접 급전 구조를 갖는 CRPA(Controlled reception pattern antenna) 배열을 위한 듀얼 밴드 GPS 안테나에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dual band global positioning system (GPS) antenna, and more particularly, to a dual band GPS antenna for a controlled reception pattern antenna (CRPA) arrangement having an indirect feed structure.

현대를 살아가는 많은 사람에게 휴대용 디지털 통신기기들은 하나의 필수 요소가 되었다. 소비자들은 언제 어디서나 자신이 원하는 다양한 고품질의 서비스를 제공받고 싶어한다. 또한, 소비자들의 휴대용 디지털 통신기기의 선택에 있어 휴대성과 디자인 그리고 다양한 기능은 매우 중요한 요소이다. 따라서 휴대용 디지털 통신기기는 추가적인 주변 기기의 구성이 없어야 하고 작은 크기를 가지면서도 다양한 기능을 제공하여야 한다. 하지만, 무선 통신 장치를 구현하는데 있어서 안테나의 효율은 물리적 크기에 의존하기 때문에 제약으로 작용한다. 일반적으로 안테나는 통신기기의 내부에 실장되어야 하고, 주변의 간섭을 최소한으로 받아야만 복잡한 전파 송수신 역할을 충실히 만족할 수 있다.Portable digital communication devices have become an essential element for many people living in modern times. Consumers want to be provided with various high-quality services that they want whenever and wherever they want. In addition, portability, design, and various functions are very important factors for consumers to choose portable digital communication devices. Therefore, portable digital communication devices should have no additional peripherals, provide small size, and provide various functions. However, the efficiency of an antenna in implementing a wireless communication device is a constraint because it depends on the physical size. In general, the antenna must be mounted inside the communication device, and the interference of the surroundings must be minimized so that the complicated function of transmitting and receiving radio waves can be satisfactorily satisfied.

무선 통신 장치에 사용되는 패치 안테나는 평면형 형태의 안테나로써 경량화, 집적화, 배열이 용이하고, 공정이 간단하여 경제적이므로 현재 RF 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 안테나 중 하나이다. 특히 모바일 장치, 자동차, 선박 및 항공기와 같은 움직이는 물체의 위치 및 시간 정보를 제공하는 다양한 애플리케이션에 있어서 GPS 안테나는 중요한 위치를 차지한다.The patch antenna used in the wireless communication device is a planar type antenna, which is one of the most widely used antennas in the RF field because it is lightweight, easy to integrate and arrange, is simple and economical. GPS antennas have an important place in various applications, especially providing location and time information of moving objects such as mobile devices, automobiles, ships and aircraft.

그러나 GPS 위성 신호보다 강한, 예를 들면 다중 경로 신호와 같은 원치 않는 방해 요소의 파워로 인해 GPS 시스템은 움직이는 물체의 정확한 위치를 추적하지 못할 수 있다. 이러한 점을 방지하기 위하여, 방해 요소의 근원지 방향으로 적합한 패턴 널(adaptive pattern null)을 위치시킴으로써 SNR(signal noise ratio)을 증가시키는 CRPA(controlled reception pattern antenna) 배열에 관한 연구가 활발하다.However, the GPS system may not be able to track the exact location of a moving object because of the power of unwanted disturbing elements, such as multipath signals, that are stronger than GPS satellite signals. In order to prevent this, there is an active research on a controlled reception pattern antenna (CRPA) arrangement that increases the signal noise ratio (SNR) by placing an appropriate pattern null in the direction of the source of the disturbance.

CRPA 배열의 안테나 동작에 있어서 각각의 GPS 안테나가 낮은 고도각(low-elevation angle)에서 위성 신호를 받기 위해서는 다중 주파수 동작, 원형 편파 특성 및 와이드 빔 고도 범위(wide-beam elevation coverage) 등이 요구된다. 상기 요구를 만족시키기 위해 다양한 형태, 예를 들면 나선형, 원뿔 형의 안테나 방사기가 연구되고 있는데, 상기 방사기의 물리적 특징들이 작은 CRPA 배열에서는 걸림돌이 되는 것이 현실이다. 즉 수 밀리의 높이와 수 센티미터 직경의 안테나만이 가능하기 때문이다. 마이크로 스트립 패치 안테나는 낮은 프로파일 특성으로 인해 최근 많이 연구되는 형태의 안테나이다. 그런데 기존의 기술에 의하면 이득 저하(gain degradation), 패턴 왜곡(pattern distortions) 및 기대 이하의 원형 편파 특성을 야기하는 상호 결합 효과(mutual coupling effect)에 대한 고려 없이 안테나가 설계되었다.In the antenna operation of the CRPA array, each GPS antenna requires multi-frequency operation, circular polarization characteristics, and wide-beam elevation coverage in order to receive satellite signals at a low-elevation angle . In order to satisfy the above requirements, various types of antenna radiators such as helical and conical antennas have been studied. It is a reality that the physical characteristics of the radiator are a stumbling block in a small CRPA arrangement. This is because only antennas of several millimeters in height and several centimeters in diameter are possible. The microstrip patch antenna is a type of antenna recently studied because of its low profile characteristics. However, according to the existing technology, the antenna is designed without consideration of gain degradation, pattern distortions, and mutual coupling effect causing circularly polarized characteristics below expectation.

본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0005934호(2005.01.21 공개)에 개시되어 있다.The background art of the present invention is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2005-0005934 (published on Jan. 21, 2005).

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복수의 안테나 모듈이 배열되는 CRPA 배열의 패치 안테나에서 상호 결합 효과(mutual coupling effect)를 최소화시키는, 간접 급전 구조의 격리도(isolation)가 향상된 CRPA 배열의 듀얼 밴드 패치 안테나를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a dual band antenna with improved isolation of an indirect feed structure that minimizes a mutual coupling effect in a patch antenna of a CRPA array in which a plurality of antenna modules are arranged, To provide a patch antenna.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따른 CRPA 배열을 위한 듀얼 밴드 GPS 안테나는, 상측에 접지면이 형성된 기판; 상기 접지면에 형성된 접지판; 상기 기판과 이격되어 형성되는 급전 패치; 상기 기판과 상기 급전 패치 사이에 이격되어 위치하며, 상기 급전 패치로부터 전자기장을 통해 전력을 공급받는 제1 방사 패치; 및 상기 급전 패치를 기준으로 상기 제1 방사 패치가 있는 측의 반대 측에 상기 급전 패치와 이격되어 위치하며, 상기 급전 패치로부터 전력을 공급받는 제2 방사 패치를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a dual band GPS antenna for a CRPA array, comprising: a substrate having a ground plane on an upper side; A ground plate formed on the ground plane; A feed patch spaced apart from the substrate; A first radiation patch spaced between the substrate and the feed patch and receiving power from the feed patch through an electromagnetic field; And a second radiation patch located on the opposite side of the first radiation patch on the basis of the feed patch and spaced apart from the feed patch and receiving power from the feed patch.

또한, CRPA 배열을 위한 듀얼 밴드 GPS 안테나는, 상기 기판, 제1 방사 패치, 급전 패치 및 제2 방사 패치 사이에 유전 물질로 채워질 수 있다.In addition, a dual band GPS antenna for a CRPA arrangement may be filled with a dielectric material between the substrate, the first radiation patch, the feed patch, and the second radiation patch.

또한, 상기 유전 물질은, 세라믹으로 이루어진 복수의 서브 기판(180)이 적층된 구조이고, 상기 제1 방사 패치, 급전 패치 및 제2 방사 패치가 상기 복수의 서브 기판 위에 인쇄될 수 있다.In addition, the dielectric material is a structure in which a plurality of sub-substrates 180 made of ceramic are stacked, and the first radiation patch, the feed patch, and the second radiation patch can be printed on the plurality of sub-substrates.

또한, 상기 제1 방사 패치는 GPS L2 밴드를 통해 전파를 송수신하고, 상기 제2 방사 패치는 GPS L1 밴드를 통해 전파를 송수신할 수 있다.In addition, the first radiation patch transmits and receives radio waves through the GPS L2 band, and the second radiation patch can transmit and receive radio waves through the GPS L1 band.

또한, 상기 기판은, 하측에 원형 편파 특성을 가진 칩커플러를 더 포함할 수 있다.In addition, the substrate may further include a chip coupler having a circular polarization characteristic on the lower side.

또한, 상기 급전 패치는, 상기 기판과 제1 비아 및 제2 비아를 통해 연결될 수 있다.In addition, the feed patch may be connected to the substrate via the first via and the second via.

또한, 상기 급전 패치의 중심을 기준으로 상기 제1 비아 및 제2 비아가 이루는 각도는 90°를 형성할 수 있다.In addition, the angle formed by the first via and the second via with respect to the center of the feed patch may be 90 °.

이와 같이 본 발명에 따르면, 작은 공간에서 CRPA 배열 안테나의 GPS L1 밴드 및 L2 밴드에서 격리도(isolation) 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to improve the isolation characteristic in the GPS L1 band and the L2 band of the CRPA array antenna in a small space.

또한, 배열되는 안테나 모듈 사이의 격리도 성능을 향상시킴으로써 방사 이득을 높일 수 있으며 패턴 왜곡을 최소화할 수 있다.In addition, by improving the isolation performance between the arrayed antenna modules, the radiation gain can be increased and the pattern distortion can be minimized.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 CRPA 배열에 사용되는 단일의 듀얼 밴드 GPS 안테나 모듈의 XY-평면에서의 평면도 및 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 5개 안테나 모듈을 포함하는 CRPA 배열의 안테나의 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 CRPA 배열의 시뮬레이션에서의 메쉬 트라이앵글(mesh triangles)을 나타내는 시뮬레이션 화면이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 CRPA 배열로 제작된 안테나의 실제 사진이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 칩커플러 특성들의 측정치 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 반사 계수에 관한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 조준 중심방향(bore-sight)의 안테나 이득(gain of the antenna)에 관한 그래프이다.
도 6a은 본 발명의 실험예에 따른 ZX-평면에서의 L1 밴드 방사 패턴에 관한 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 실험예에 따른 ZY-평면에서의 L1 밴드 방사 패턴에 관한 그래프이다.
도 6c는 본 발명의 실험예에 따른 ZX-평면에서의 L2 밴드 방사 패턴에 관한 그래프이다.
도 6d는 본 발명의 실험예에 따른 ZY-평면에서의 L2 밴드 방사 패턴에 관한 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 안테나의 등가 회로 모델의 회로도이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 안테나의 입력 임피던스에 관한 그래프이다.
도 7c 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 안테나의 결합 계수에 관한 도면이다.
도 8a는 본 발명의 실험예에 따른 L1 밴드 H-필드 분포도이다.
도 8b는 본 발명의 실험예에 따른 L2 밴드 H-필드 분포도이다.
도 9a는 본 발명의 필드 테스트 결과에 따른 GPS 위성의 위치도이다.
도 9b는 본 발명의 필드 테스트 결과에 따른 SNR의 측정치에 관한 그래프이다.1A is a plan view and a cross-sectional view in a XY-plane of a single dual band GPS antenna module used in a CRPA arrangement according to an embodiment of the present invention.
1B is a block diagram of an antenna of a CRPA array including five antenna modules according to an embodiment of the present invention.
2A is a simulation screen showing mesh triangles in a simulation of a CRPA arrangement according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2B is an actual photograph of an antenna fabricated with a CRPA array according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph of measured values of chip coupler characteristics according to an experimental example of the present invention.
4 is a graph relating to reflection coefficient according to an experimental example of the present invention.
5 is a graph illustrating gain-of-the-antenna bore-sight according to an experimental example of the present invention.
6A is a graph relating to the L1 band radiation pattern in the ZX-plane according to the experimental example of the present invention.
6B is a graph relating to the L1 band radiation pattern in the ZY-plane according to the experimental example of the present invention.
6C is a graph relating to the L2 band radiation pattern in the ZX-plane according to the experimental example of the present invention.
6D is a graph relating to the L2 band radiation pattern in the ZY-plane according to the experimental example of the present invention.
7A is a circuit diagram of an equivalent circuit model of an optimized antenna according to an embodiment of the present invention.
7B is a graph of the input impedance of the optimized antenna according to an embodiment of the present invention.
7c is a diagram of coupling coefficients of an optimized antenna according to an embodiment of the present invention.
8A is a L1 band H-field distribution diagram according to an experimental example of the present invention.
8B is an L2 band H-field distribution diagram according to an experimental example of the present invention.
9A is a position diagram of a GPS satellite according to the field test result of the present invention.
FIG. 9B is a graph showing the measured SNR according to the field test result of the present invention. FIG.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "including" an element, it is to be understood that the element may include other elements as well as other elements, And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 CRPA 배열에 사용되는 단일의 듀얼 밴드 GPS 안테나 모듈의 XY-평면에서의 평면도 및 단면도이다.1A is a plan view and a cross-sectional view in a XY-plane of a single dual band GPS antenna module used in a CRPA arrangement according to an embodiment of the present invention.

도 1a를 참조하면, 듀얼 GPS 안테나는 기판(110), 접지판(120), 급전 패치(130), 제1 방사 패치(140), 제2 방사 패치(150), 제1 비아(160) 및 제2 비아(170)를 포함한다. 또한 듀얼 GPS 안테나는 칩커플러(190)를 더 포함할 수 있다.1A, a dual GPS antenna includes a substrate 110, a ground plate 120, a feed patch 130, a first radiation patch 140, a second radiation patch 150, a first via 160, And a second via 170. The dual GPS antenna may further include a chip coupler 190.

여기서 본 발명의 실시예로서 기판(110)은 FR-4 기판(FR4 substrate)일 수 있다. 기판의 재질인 세라믹은 비유전율(이하 유전율)이 4.5 이상이고, 손실 탄젠트값이 0.02일 수 있다.Here, as an embodiment of the present invention, the substrate 110 may be an FR-4 substrate (FR4 substrate). Ceramic as a material of the substrate may have a relative dielectric constant (dielectric constant) of 4.5 or more and a loss tangent value of 0.02.

도 1a를 참조하면, 칩커플러(190)와 같은 소자들이 구비되는 면이 아래를 향하도록 기판(110)을 위치시킬 경우, 기판(110)의 상측면이 접지면에 해당된다. 접지면상에는 접지판(120)이 형성된다. 접지판(120)의 형성은 마이크로 스트립 패치 안테나의 특성 중의 하나이다. 기판(110)의 상측에 이격되어 급전 패치(130)가 형성된다. 그리고 기판(110)과 급전 패치(130) 사이에 이격되어 제1 방사 패치(140)가 형성된다. 급전 패치(130)를 기준으로 제1방사 패치가 있는 측의 반대 측에 급전 패치(130)와 이격되어 제2 방사 패치(150)가 형성된다. 즉 급전 패치(130)를 중심으로 일측에 제1 방사 패치(140)가 타측에 제2 방사 패치(150)가 급전 패치(130)와 행하게 이격되어 형성된다. 바꿔 말하면 제1 방사 패치(140)와 제2 방사 패치(150) 사이에 샌드위치 형태로 급전 패치(130)가 위치하는 기하학적 구조를 가진다.Referring to FIG. 1A, when the substrate 110 is positioned such that the side having elements such as the chip coupler 190 faces downward, the upper surface of the substrate 110 corresponds to the ground plane. A ground plate 120 is formed on the ground plane. The formation of the ground plate 120 is one of the characteristics of the microstrip patch antenna. The feeding patch 130 is formed on the upper side of the substrate 110. [ A first radiation patch 140 is formed between the substrate 110 and the feed patch 130. The second radiation patch 150 is formed on the opposite side of the side where the first radiation patch is present with respect to the feeding patch 130, spaced apart from the feeding patch 130. [ A first radiation patch 140 is formed on one side of the feeding patch 130 and a second radiation patch 150 is formed on the other side of the feeding patch 130 so as to be spaced apart from the feeding patch 130. In other words, the first radiation patch 140 and the second radiation patch 150 have a geometric structure in which the feed patch 130 is positioned in a sandwich form.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예로서 듀얼 밴드 GPS 안테나에 포함되는 기판(110), 제1 방사 패치, 급전 패치(130) 및 제2 방사 패치(150) 사이에는 유전 물질로 이루어진 서브 기판(180)이 형성될 수 있다. 또한 상기 유전 물질로서 세라믹을 사용할 수 있다. 패치 사이의 유전 물질은 패치와 패치 사이에 하나의 서브 기판(180)으로 하여 복수의 세라믹 기판을 제작하여 적층함으로써 구현할 수 있다.1A, a substrate 110, a first radiation patch, a feeding patch 130, and a second radiation patch 150, which are included in a dual band GPS antenna according to an embodiment of the present invention, Sub-substrate 180 may be formed. Further, ceramics may be used as the dielectric material. The dielectric material between the patches can be realized by fabricating and laminating a plurality of ceramic substrates using one sub-substrate 180 between the patches and the patches.

또한, 제1 방사 패치(140), 급전 패치(130) 및 제2 방사 패치(150)는 상기 복수의 서브 기판(180) 상에 인쇄되어 구현될 수 있다. 즉 세라믹 재질의 서브 기판(180)을 제작하여, 서브 기판(180) 상에 패치를 프린트하고, 이렇게 제작된 복수의 서브 기판(180)을 적층함으로써 본 발명의 하나의 실시예에 따른 듀얼 밴드 GPS 안테나를 제작할 수 있다. 서브 기판(180)의 유전 상수는 안테나 개구(antenna aperture) 크기 및 배열되는 안테나 모듈 사이의 상호 결합 계수를 고려하여 선택될 수 있다.The first radiation patch 140, the feed patch 130, and the second radiation patch 150 may be printed and implemented on the plurality of sub-substrates 180. That is, a sub-substrate 180 made of a ceramic material is manufactured, a patch is printed on the sub-substrate 180, and a plurality of the sub-substrates 180 thus manufactured are laminated to form a dual band GPS An antenna can be manufactured. The dielectric constant of the sub-substrate 180 may be selected in consideration of the antenna aperture size and the mutual coupling coefficient between the arrayed antenna modules.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예로서 제1 방사 패치(140)는 GPS L2 밴드를 통해 전파를 송수신하고, 제2 방사 패치는 GPS L1 밴드를 통해 전파를 송수신 할 수 있다.Referring to FIG. 1A, in one embodiment of the present invention, the first radiation patch 140 transmits and receives radio waves through the GPS L2 band, and the second radiation patch can transmit and receive radio waves through the GPS L1 band.

또한, 제1 방사 패치(140)는 GPS L2 밴드에서, 제2 방사 패치(150)는 GPS L1 밴드에서 공진할 수 있도록 구성될 수 있다. 그리고 제1 방사 패치(140)와 제2 방사 패치(150)는 이들 사이에 위치한 급전 패치(130)와 전자기적으로 결합(link)되어 있다. 여기서 GPS L1 밴드는 상용 밴드로서 GPS 위성이 1,575.42 MHz 주파수의 신호를 송신하는 밴드이며, GPS L2 밴드는 군사용으로서 GPS 위성이 1,227.6 MHz 주파수의 신호를 송신하는 밴드이다.Also, the first radiation patch 140 can be configured to resonate in the GPS L2 band, and the second radiation patch 150 can resonate in the GPS L1 band. The first radiation patch 140 and the second radiation patch 150 are electromagnetically coupled to the feed patch 130 located therebetween. Here, the GPS L1 band is a commercial band, and the GPS satellite transmits a signal at a frequency of 1,575.42 MHz. The GPS L2 band is a band for military use, and a GPS satellite transmits a signal at a frequency of 1,227.6 MHz.

도 1a를 참조하면, 제1 방사 패치(140)는 사각형 형상이며, 제1 방사 패치(140)의 하나의 모서리(W2)는 GPS L2 밴드에서의 반파장의 길이에 대응된다. 제2 방사 패치(150)도 같은 형상이며, 제2 방사 패치(150)의 하나의 모서리(W1)는 GPS L1 밴드에서의 반파장의 길이에 대응된다. 즉, 모서리 길이(W2, W1)는 GPS L1 또는 GPS L2 밴드에서 각각 공진을 얻기 위해 책정된다.Referring to FIG. 1A, the first radiation patch 140 has a rectangular shape, and one edge W 2 of the first radiation patch 140 corresponds to the length of a half-wave length in the GPS L2 band. The second radiation patch 150 is also of the same shape and one edge W 1 of the second radiation patch 150 corresponds to the length of the half-wave length in the GPS L1 band. That is, the edge length (W 2 , W 1 ) is set to obtain resonance in the GPS L1 or GPS L2 band, respectively.

급전 패치(130)는 방사 패치에 전력을 공급하는데, 본 발명의 실시예에서 급전 패치(130)는 제1 방사 패치(140) 및 제2 방사 패치(150)에 전력을 공급한다. 제1 방사 패치(140) 및 제2 방사 패치(150)는 급전 패치(130)와 유선 회로적으로 연결되어 있는 대신에 무선 전자기적으로 결합되어 있기 때문에 전자기장을 통해 급전 패치(130)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 급전 패치(130)와 제1 방사 패치(140) 및 제2 방사 패치(150) 사이의 결합력은 급전 패치(130)의 하나의 모서리 길이(W3) 및 서브 기판(180)의 높이(H1, H2 및 H3)에 따라 달라질 수 있다.The feeding patch 130 supplies power to the radiation patch, which in the embodiment of the present invention feeds power to the first radiation patch 140 and the second radiation patch 150. The first radiation patch 140 and the second radiation patch 150 are coupled to the feed patch 130 in a wireless electromagnetic manner instead of being connected to the feed patch 130 in a wire circuit, Can be supplied. Height of the feeding patch 130 and the first radiation patch 140 and the second one of the edge length of the radiation patch bonding between 150 feed patch 130 (W 3) and the sub-board (180) (H 1 , H 2, and H 3 ).

도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예로서 듀얼 밴드 GPS 안테나의 급전 패치(130)는 기판(110)과 제1 비아(160) 및 제2 비아(170)를 통해 연결될 수 있다. 제1 비아(160) 및 제2 비아(170)는 급전 패치(130)와 기판(110) 사이에 형성되며, 각각의 비아는 전도성을 가진 연결선 형태로 이루어진다. 따라서 제1 방사 패치(140)면에는 상기 비아가 통과할 수 있도록 제1 비아(160) 및 제2 비아(170)에 대응하는 제1 비아홀(141) 및 제2 비아홀(142)이 형성되어 있다.1A, a feed patch 130 of a dual band GPS antenna may be connected to a substrate 110 through a first via 160 and a second via 170 as an embodiment of the present invention. The first via 160 and the second via 170 are formed between the feed patch 130 and the substrate 110, and each via is formed in the form of a conductive line having conductivity. The first via hole 141 and the second via hole 142 corresponding to the first via 160 and the second via 170 are formed on the surface of the first radiation patch 140 .

도 1a를 참조하면, XY-평면에서 급전 패치(130) 상의 제1 비아(160)가 있는 위치인 제1 비아 위치(X2, Y2), 제2 비아(170)가 있는 제2 비아 위치(X1, Y1)를 급전 위치(feeding position)라고 한다. 비아(160, 170)의 일단은 기판에 연결되고 그 타단은 급전 위치인 제1 비아 위치 및 제2 비아 위치에서 급전 패치(130)와 연결된다. 급전 패치(130)의 중심을 원점으로 가정할 경우, 원점을 시작점으로 하고 종점을 제1 비아 위치(X2, Y2)로 하는 제1 벡터와 원점을 시작점으로 하고 종점을 제2 비아 위치(X1, Y1)로 하는 제2 벡터를 구성할 수 있다. 여기서 제1 벡터와 제2 벡터가 형성하는 사잇각이 90°가 되도록 할 수 있는데, 이를 통상 2-포트 급전 구조(two-port feed network)를 위한 원형 편파 기술(circular polarization technique)이라고 한다.1A, a first via position (X 2 , Y 2 ), a second via position where a second via 170 is located at a position where the first via 160 on the feed patch 130 is located in the XY plane (X 1 , Y 1 ) is referred to as a feeding position. One end of the vias 160 and 170 are connected to the substrate and the other end thereof is connected to the feeding patch 130 at the first via position and the second via position which are the feeding positions. Assuming the center of the feed patch (130) as the origin, the a and the end point to the origin as a starting point, first via location (X 2, Y 2), the first vector and the second to a and the end point as a starting point the origin via a position in ( X 1 , Y 1 ). Here, the angle formed by the first vector and the second vector may be 90 [deg.], Which is commonly referred to as a circular polarization technique for a two-port feed network.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예로서 듀얼 밴드 GPS 안테나의 기판은 원형편파 특성을 가진 칩커플러(190))를 더 포함할 수 있다. 칩커플러(190)는 입력 포트(192), 종단 포트(termination)(191) 및 두 개의 출력 포트(193, 194))로 구성되는 총 4개의 포트를 포함한다. 입력 포트(192)는 안테나의 총 반사 계수의 관찰 지점이며, 종단 포트(191)는 50Ω의 부하와 연결될 수 있다. 이상적으로 칩커플러(190)는 90° 위상차로 각 출력 포트(193, 194)에 공급되는 파워의 절반을 공급한다. 두 개의 출력 포트는 제1 비아(160) 및 제2 비아(170)와 각각 연결된다.Referring to FIG. 1A, the substrate of the dual band GPS antenna may include a chip coupler 190 having a circular polarization characteristic as an embodiment of the present invention. The chip coupler 190 includes a total of four ports consisting of an input port 192, an termination 191 and two output ports 193, 194). The input port 192 is an observation point of the total reflection coefficient of the antenna, and the end port 191 can be connected to a load of 50 ?. Ideally, the chip coupler 190 supplies half of the power supplied to each output port 193, 194 with a 90 ° phase difference. The two output ports are connected to the first via 160 and the second via 170, respectively.

칩커플러(190)는 광대역 원형 편파 특성을 얻기 위해 사용되며, 그 특성은 정교한 성능 평가로부터 측정된다. 본 발명의 실시예로서 칩커플러(190)는 FR4 기판의 하측면에 구비될 수 있다. 칩커플러(190)는 복수의 비아를 통해 급전 패치(130)와 연결된다.The chip coupler 190 is used to obtain broadband circular polarization characteristics, the characteristics of which are measured from a sophisticated performance evaluation. As an embodiment of the present invention, the chip coupler 190 may be provided on the lower side of the FR4 substrate. The chip coupler 190 is connected to the feed patch 130 via a plurality of vias.

도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 5개 안테나 모듈을 포함하는 CRPA 배열의 안테나의 구성도이다.1B is a block diagram of an antenna of a CRPA array including five antenna modules according to an embodiment of the present invention.

도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CRPA 배열의 안테나는 5개의 안테나 모듈 및 원형의 플랫폼을 포함한다. 5개 안테나 모듈의 회로 기판은 원 모양으로 일체를 이루면서 지름 150㎜의 원형의 플랫폼 위에 적층된다.Referring to FIG. 1B, the antenna of the CRPA array according to the embodiment of the present invention includes five antenna modules and a circular platform. The circuit boards of the five antenna modules are stacked on a circle platform with a circular shape and a diameter of 150 mm.

도 1b에서, 복수의 안테나 모듈은 주어진 공간에서 최대의 격리도를 유지하기 위해 플랫폼의 바깥 주변에 위치한다. 인접하는 모듈간의 평균 격리도는 두 개의 밴드에서 약 18.36dB이다.In Fig. 1B, a plurality of antenna modules are located outside the platform to maintain maximum isolation in a given space. The average isolation between adjacent modules is about 18.36 dB in the two bands.

도 2a는 본 발명의 실험에 따라 FEKO EM 시뮬레이터에 인가된 CRPA 배열의 메쉬 트라이앵글의 구성도이다. 그리고 도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 CRPA 배열의 안테나의 사진이다.2A is a configuration diagram of a mesh triangle of a CRPA array applied to an FEKO EM simulator according to an experiment of the present invention. And FIG. 2B is a photograph of an antenna of a CRPA array fabricated according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따르면 짧은 시뮬레이션 시간 안에 안테나 성능을 측정하기 위해, 전류 밀도를 고려하여 메쉬 트라이앵글의 크기가 재조정된다. 예를 들면, 낮은 전류 밀도 때문에 배열 플랫폼을 위해 성긴 메쉬 트라이앵글이 채택되는 반면, 급전 패치(130) 가까운 영역에서는 밀집한 메쉬 트라이앵글이 사용된다.According to the embodiment of the present invention, in order to measure the antenna performance within a short simulation time, the mesh triangle is resized in consideration of the current density. For example, a coarse mesh triangle is employed for the array platform due to the low current density, while a dense mesh triangle is used in the vicinity of the feed patch 130.

결과적으로, 전체 안테나 배열의 기하학적 구조는 약 5500개의 메쉬 트라이앵글로 재구성되며, 각 주파수 포인트 당 약 10분의 시뮬레이션 시간이 소요된다.As a result, the geometry of the entire antenna array is reconstructed to about 5500 mesh triangles, with a simulation time of about 10 minutes per frequency point.

EM 시뮬레이션에서, 칩커플러(190)의 두 개의 급전 핀에 해당하는 두 개의 포트에 의해 안테나는 여기된다. 모든 입력 포트의 입력 파워는 동일한 것으로 가정하고, 포트 간의 위상차는 90°로 세트된다. 이는 칩커플러의 이상적인 동작이다.In the EM simulation, the antenna is excited by two ports corresponding to the two feed pins of the chip coupler 190. Assume that the input powers of all the input ports are the same, and the phase difference between the ports is set to 90 degrees. This is the ideal operation of the chip coupler.

패턴 왜곡, 이득 감소 및 격리도와 같은 배열 특성들은 50Ω 부하를 포함하는 나머지 4개의 다른 안테나 모듈을 배치함으로써 관찰될 수 있다.Pattern characteristics, such as pattern distortion, gain reduction, and isolation, can be observed by placing the remaining four different antenna modules including a 50Ω load.

당업자가 원하는 대역에서의 원형 편파 특성을 얻는 과정에서 안테나의 복사 이득을 향상시키기 위해, EM 소프트웨어에서 개발된 FEKO EM 시뮬레이터와 관련된 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 사용함으로써 안테나 파라미터들은 최적화된다.The antenna parameters are optimized by using a genetic algorithm associated with the FEKO EM simulator developed in EM software to improve the antenna's radiated gain in the process of obtaining circular polarization characteristics in the band desired by a person skilled in the art.

작은 CRPA 배열에 대한 본 발명의 안테나 적합성을 검증하기 위해, 다섯 개의 최적화된 안테나들이 세라믹 기판 상에 제조되고, 15㎝ 지름의 회로 플랫폼의 바깥 주변에 원형으로 배열된다.To verify the antenna fit of the present invention for a small CRPA array, five optimized antennas are fabricated on a ceramic substrate and arranged in a circle around the outside of a 15 cm diameter circuit platform.

이하에서는 도 3을 통하여 안테나의 특성 실험에 대해 설명한다.Hereinafter, the characteristics test of the antenna will be described with reference to FIG.

안테나의 특성들, 예를 들면 반사계수, 복사이득 및 패턴 들은 무반향실에서 측정된다. 그리고 GPS L1 밴드에서 실제 GPS 위성 신호에 대해 수신되는 노이즈 대비 시그널 비(signal noise ratio: SNR)를 측정하기 위해 필드 테스트가 수행된다.The properties of the antenna, for example reflection coefficient, radiation gain and patterns, are measured in an anechoic chamber. And a field test is performed to measure the signal-to-noise ratio (SNR) to the received true GPS satellite signal in the GPS L1 band.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

수학식 1은 칩커플러(190) 동작에 관한 이상적인 산란 행렬(scattering matrix)을 나타낸다 수학식 2는 2개 포트 급전 구조의 안테나에 관한 시뮬레이트된 산란 행렬을 나타낸다. 상기 수학식에서, 입력 포트의 반사 계수는 수학식 3에 의해 계산된다. 그러나 전력 반사(power reflection), 디비전(division) 및 격리도(isolation)와 같은 칩커플러(190)의 실제 특성들은 도 3에 나타낸 것처럼 주파수에 관한 함수이다. 따라서, 하기 수학식 4와 같이 측정 데이터를 본 발명에 관한 새로운 산란 행렬로 바꿔 쓸 수 있다. 상기 행렬은 입력 반사 계수를 수정하기 위한 4-포트 네트워크로 Ansoft사의 Designer 프로그램에 의해 조정된다.Equation (1) represents an ideal scattering matrix for the operation of the chip coupler (190). Equation (2) represents a simulated scattering matrix for an antenna of a two-port feed structure. In the above equation, the reflection coefficient of the input port is calculated by Equation (3). However, the actual characteristics of the chip coupler 190, such as power reflection, division and isolation, are a function of frequency as shown in FIG. Therefore, the measurement data can be replaced with a new scattering matrix according to the present invention as shown in the following equation (4). The matrix is a 4-port network for modifying the input reflection coefficient and is adjusted by Ansoft's Designer program.

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
Figure pat00005

이하 유전 알고리즘(genetic algorithm)에 의한 듀얼 밴드 GPS 안테나 배열의 최적화에 대해 설명한다.Hereinafter, optimization of a dual band GPS antenna array by a genetic algorithm will be described.

임피던스 매칭 특성 뿐만 아니라 방사 이득(radiation gain)을 향상시키기 위해서, 본 발명의 실시예에서 안테나 구조는 FEKO EM 시뮬레이터와 유전 알고리즘(genetic algorithm)에 의해 최적화된다. 본 발명의 최적화에 사용되는 비용 함수(cost function)는 수학식 5와 같다. 그리고 상기 비용 함수는 본 발명의 안테나의 평균 원형 편파 이득(circular polarization gain: CP gain)을 증가시키기 위해 정의된다.In order to improve the radiation matching as well as the impedance matching characteristics, the antenna structure in the embodiment of the present invention is optimized by the FEKO EM simulator and the genetic algorithm. The cost function used in the optimization of the present invention is expressed by Equation (5). And the cost function is defined to increase the average circular polarization gain (CP gain) of the antenna of the present invention.

수학식 5에서, GL1 및 GL2는 상반구에서의 GPS L1 및 GPS L2 밴드 각각에 대한 원형 편파 이득(circular polarization gain: CP gain)을 나타내고,

Figure pat00006
및
Figure pat00007
은
Figure pat00008
및
Figure pat00009
의 평가값의 갯수를 나타낸다. 본 발명에서 배열되는 안테나 모듈 간의 상호 결합이 12dB, 즉 반전력 빔폭(half power beam width: HPBW)보다 큰 경우는 제외되어 있다.In Equation (5), G L1 and G L2 represent a circular polarization gain (CP gain) for each of the GPS L1 and GPS L2 bands in the upper half,
Figure pat00006
And
Figure pat00007
silver
Figure pat00008
And
Figure pat00009
Of the evaluation value. The case where the mutual coupling between the antenna modules arranged in the present invention is larger than 12 dB, that is, the half power beam width (HPBW) is excluded.

ParametersParameters W1 W 1 W2 W 2 W3 W 3 X1 X 1 X2 X 2 Y1 Y 1 Y2 Y 2 H1 H 1 H2 H 2 H3 H 3 H4 H 4 Values(㎜)Values (mm) 23.723.7 31.231.2 21.021.0 5.55.5 -2.2-2.2 2.52.5 4.34.3 2.52.5 2.52.5 2.52.5 0.80.8

상기 표 1은 최적화된 안테나의 파라미터 값을 나타낸다.Table 1 shows the parameter values of the optimized antenna.

표 1을 참조하면, 도 1a에 나타난 바와 같이 W1은 제2 방사 패치(150)의 모서리의 길이를, W2는 제1 방사 패치(140)의 모서리의 길이를 그리고 W3은 급전 패치(130)의 모서리의 길이를 나타낸다. 또한, (X1, Y1)는 제2 비아의 위치를, (X2, Y2)는 제1 비아의 위치를 나타낸다. 또한, H1, H2 및 H3는 각각 서브 기판(180)의 두께를, H4는 기판(110)의 두께를 나타낸다.Referring to Table 1, W 1 denotes the length of the edge of the second radiation patch 150, W 2 denotes the length of the edge of the first radiation patch 140, and W 3 denotes the feed patch 130). Further, (X 1 , Y 1 ) represents the position of the second via and (X 2 , Y 2 ) represents the position of the first via. H 1 , H 2 and H 3 denote the thickness of the sub-substrate 180, and H 4 denotes the thickness of the substrate 110, respectively.

본 발명의 실시예에서 W2로 표시되는 L2 패치(제1 방사 패치(140))의 모서리 길이는 L2 GPS 밴드에서 유효 파장의 반파장이 되도록 최적화된다. 그러나 L1 방사 패치(제2 방사 패치(150))는 반파장과 비교해서 약간 작은 길이(W1)인데, 이는 L1 패치는 공진 길이로서 대각선 패치 길이를 사용하기 때문이다.In the embodiment of the present invention, the edge length of the L2 patch (first radiation patch 140) indicated by W 2 is optimized to be a half wavelength of the effective wavelength in the L2 GPS band. But L1 radiating patch (the second radiation patch 150) is the slightly smaller length (W 1), as compared to the half-wave, which is because the L1 patch using the diagonal length of the patch as a resonator length.

상기 두 개의 급전 위치는 그들간의 포지션 벡터가 92.7° 차이의 각도를 갖도록 최적화된다. 이로 인하여 안테나는 출력 포트의 90° 위상차를 갖는 칩커플러(190)와 상매치를 잘 이룬다.The two feed positions are optimized so that the position vector between them has an angle of 92.7 [deg.] Difference. This allows the antenna to match well with the chip coupler 190 having a 90 ° phase difference of the output port.

이하 듀얼 밴드 GPS 안테나에 대한 성능 실험 및 분석에 대해 설명한다.Hereinafter, a performance experiment and analysis for a dual band GPS antenna will be described.

안테나의 성능을 검증하기 위해, 최적화된 안테나는 삼부 세라믹의 세라믹 기판을 사용하여 제작될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 안테나는 절삭기계를 사용하여 놋쇠 재질로 만들어진 회로 플랫폼에 적층되며, 측정은 전체 무반향실(15.2 m(W)×7.9m(L)×7.9m(H))에서 행해진다.In order to verify the performance of the antenna, the optimized antenna can be fabricated using a ceramic substrate of three-layer ceramic. In an embodiment of the present invention, the antenna is laminated to a circuit platform made of brass using a cutting machine, and the measurement is made in a total anechoic chamber (15.2 m (W) x 7.9 m (L) x 7.9 m (H) .

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 안테나의 측정 및 시뮬레이션 반사 계수를 도시한다.FIG. 4 shows measurement and simulation reflection coefficients of an antenna according to an experimental example of the present invention.

도 4에서, 성긴 파선은 이상적인 커플러의 경우에 시뮬레이션으로 예상되는 반사 계수(Sc , ideal)를, 촘촘한 파선은 실제의 커플러의 경우에 시뮬레이션으로 예상되는 반사 계수(Sc , meas)를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 측정치와 시뮬레이션 값의 유사성을 실선을 통해 알 수 있다. 측정치는 수정된 산란 행렬을 사용하여 개선의 여지가 있다.In FIG. 4, the coarse dashed line represents the reflection coefficient (S c , ideal ) expected by the simulation in the case of an ideal coupler, and the dashed dashed line represents the reflection coefficient (S c , meas ) expected by simulation in the case of an actual coupler. Referring to FIG. 4, the similarity between the measurement value and the simulation value can be found through the solid line. The measurements have room for improvement using a modified scattering matrix.

도 5는 주파수 함수로서 조준 중심방향(bore-sight)의 안테나 이득(gain of the antenna)의 측정치 및 시뮬레이션 값을 나타낸다.Figure 5 shows the measurements and simulation values of the gain of the antenna as a function of frequency as a function of bore-sight.

도 5를 참조하면, 안테나가 L1 밴드에서는 0 dBic을, L2 밴드에서는 -1.8 dBic 을 가지는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the antenna has 0 dBic in the L1 band and -1.8 dBic in the L2 band.

도 6은 시뮬레이션 값과 비교하여 방사 패턴의 측정치를 도시하는 방사 패턴 분포도이다. 여기서 실선은 측정치를 파선은 시뮬레이션 값을 나타낸다.Fig. 6 is a radiation pattern distribution diagram showing measured values of radiation patterns compared with simulation values. Fig. Here, the solid line represents the measurement value, and the broken line represents the simulation value.

특히 도 6a는 본 발명의 실험예에 따른 ZX-평면에서의 L1 밴드 방사 패턴을 도시하고, 도 6b는 본 발명의 실험예에 따른 ZY-평면에서의 L1 밴드 방사 패턴을 도시한다.In particular, FIG. 6A shows the L1 band radiation pattern in the ZX-plane according to the experimental example of the present invention, and FIG. 6B shows the L1 band radiation pattern in the ZY-plane according to the experimental example of the present invention.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 1.5754 GHz 주파수에서 반전력 빔폭(HPBW)이 각각 117도 및 138도이 되는 ZX-평면 및 ZY-평면의 방사 패턴이 도시되어 있다.Referring to Figures 6A and 6B, there is shown a radiation pattern of ZX-plane and ZY-plane with a half power beam width (HPBW) of 117 degrees and 138 degrees at a frequency of 1.5754 GHz, respectively.

도 6c는 본 발명의 실험예에 따른 ZX-평면에서의 L2 밴드 방사 패턴을, 도 6d는 ZY-평면에서의 L2 밴드 방사 패턴을 도시한다.FIG. 6C shows the L2 band radiation pattern in the ZX-plane according to the experimental example of the present invention, and FIG. 6D shows the L2 band radiation pattern in the ZY-plane.

도 6c 및 도 6d를 참조하면, 주파수 1.2276 GHz 에서 반전력 빔폭이 각각 96도 및 112도임을 알 수 있다. 도 6c 및 도 6d을 참조하여 본 발명의 실시예를 관찰하면, 안테나는 두 개의 주파수 밴드에서 어떠한 심각한 이득 저하 또는 패턴 왜곡없이 90° 보다 큰 HPBW를 만족한다. 이는 CRPA 배열 응용에 있어서 상용에 적합하다.Referring to FIGS. 6C and 6D, it can be seen that the half power beam width is 96 degrees and 112 degrees at a frequency of 1.2276 GHz, respectively. Observing an embodiment of the present invention with reference to Figures 6c and 6d, the antenna meets HPBW greater than 90 degrees without any significant gain drop or pattern distortion in two frequency bands. Which is suitable for commercial use in CRPA array applications.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 최적화된 안테나의 등가 회도 모델의 회로도이다.7A is a circuit diagram of an equivalent circuit model of an optimized antenna according to an embodiment of the present invention.

도 7a를 참조하면, 안테나의 작동 원리를 분석하고, 회로적 관점에서 본 발명의 듀얼 패치 구조를 설명하기 위해, 데이터 맞춤 방법(data fitting method)에 의해 하나의 등가 회로 모델에 관한 실시예를 통해 동일한 임피던스 응답을 얻을 수 있다. 상기 등가 모델 및 상세한 파라미터 값은 도 12에 도시되어 있다. 도 12에서 급전 패치(130), L1 패치 및 제2 방사 패치(150)를 나타내는 세 개의 회로는 비록 물리적으로는 분리되어 있어도, 상기 회로들은 유도 결합 계수(inductive coupling coefficient) K1 또는 K2에 의해 상호 결합되어 있다. 여기서 Zin은 입력 임피던스(input impedance)이다.Referring to FIG. 7A, in order to analyze the operation principle of the antenna and to explain the dual patch structure of the present invention in terms of circuit, the embodiment of one equivalent circuit model by a data fitting method The same impedance response can be obtained. The equivalent model and detailed parameter values are shown in FIG. Although the three circuits representing the feed patch 130, the L1 patch, and the second radiation patch 150 in FIG. 12 are physically separated, the circuits may have an inductive coupling coefficient K 1 or K 2 Respectively. Where Z in is the input impedance.

도 7b는 본 발명의 실험예로서 등가 회로 모델의 입력 임피던스(input impedance)를 EM 시뮬레이션의 등가 임피던스와 비교하여 도시하고 있다.FIG. 7B shows an input impedance of an equivalent circuit model as an experimental example of the present invention compared with an equivalent impedance of an EM simulation.

도 7b을 참조하면, 실선은 실수부인 저항의 시뮬레이션 값을, 성긴 파선은 실수부인 등가 회로의 저항값을, 촘촘한 파선은 허수부인 리액턴스의 시뮬레이션 값을, 일점 쇄선은 허수부인 등가 회로의 리액턴스 값을 나타낸는데, 등가 회로 모델의 입력 임피던스와 EM 시뮬레이션의 등가 임피던스는 대체로 서로 일치하는 것을 알 수 있다.7B, the solid line represents the simulation value of the resistance, the coarse dashed line represents the resistance value of the equivalent circuit which is the real number, the dashed line represents the simulation value of the reactance which is the imaginary number, and the one-dot chain line represents the reactance value of the equivalent circuit which is the imaginary number. It can be seen that the input impedance of the equivalent circuit model and the equivalent impedance of the EM simulation are generally coincident with each other.

도 7c는 본 발명의 실험예로서 주파수 도메인에서 KVL에 의한 메쉬 방정식의 해법에 의해 계산되는 등가 회로 모델의 결합 계수를 EM 시뮬레이션의 결합 계수와 비교하여 도시하고 있다. 여기서 K1은 급전패치와 제1 방사 패치(140) 사이의 유도 결합 계수를, K2는 급전 패치(130)와 제2 방사 패치(150) 사이의 유도 결합 계수를 나타낸다.FIG. 7C shows the coupling coefficient of the equivalent circuit model calculated by the solution of the mesh equation by KVL in the frequency domain in comparison with the coupling coefficient of the EM simulation as an experimental example of the present invention. Where K 1 is the inductance coupling coefficient between the feeding patch and the first radiation patch 140 and K 2 is the inductance coupling coefficient between the feeding patch 130 and the second radiation patch 150.

예상대로, 제1 방사 패치(140)는 1.575 GHz 주파수에서 0.6의 K1 값으로 급전 패치(130)와 강하게 결합되어 있고, 제2 방사 패치(150)는 급전패치와 1.2276 GHz 주파수에서 0.35의 K2 값으로 결합되어 있다.As expected, the first radiation patch 140 is tightly coupled to the feed patch 130 at a K 1 value of 0.6 at a frequency of 1.575 GHz and the second radiation patch 150 is coupled to the feed patch and a 0.35 K 2 values.

도 8은 필드 관점에서 안테나를 분석하기 위해, 각 밴드(L1 band 및 L2 band)에서 단면(Y=0)의 H-필드 분포를 나타낸다.Figure 8 shows the H-field distribution of the cross section (Y = 0) in each band (L1 band and L2 band) to analyze the antenna from the field perspective.

도 8을 참조하면, 등가 회로 모델에서 관찰되듯이, 1.575 GHz 주파수에서 제1 방사 패치(140), 급전 패치(130) 및 제2 방사 패치(150)에 강한 H-필드 분포가 존재하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 급전 패치(130), 제2 방사 패치(150) 및 접지에 있어서 1.2276 GHz 주파수에서 강한 필드를 관찰할 수 있다.8, it can be seen that there is a strong H-field distribution in the first radiation patch 140, the feed patch 130 and the second radiation patch 150 at a frequency of 1.575 GHz, as observed in the equivalent circuit model. . In addition, a strong field can be observed at the frequency of 1.2276 GHz in the feed patch 130, the second radiation patch 150, and the ground.

이하 필드 테스트에 대해 설명한다.The field test will be described below.

안테나가 GPS 수신기와 기능적으로 어떻게 동작하는지 알아보기 위해, 본 발명의 하나의 실험예로서 GPS 위성으로부터 수신되는 L 밴드 GPS 신호의 SNR 값을 측정하기 위한 필드 테스트를 수행하였다.In order to understand how the antenna works functionally with the GPS receiver, a field test was performed to measure the SNR value of the L-band GPS signal received from the GPS satellite as an experimental example of the present invention.

필드 측정은 맑은 날씨(온도: 21.4℃, 습도: 52.3%)에 빌딩 옥상(높이=13m, 위치: 판교)에서 수행하였다. 도 9a는 안테나에 의해 관측된 GPS 위성의 위치를 나타낸다. 본 실험예의 안테나는 θ=25° 내지 θ=78°에 위치하는 10개의 위성으로부터 신호를 수신한다. 도 9b는 각 위성마다 번호가 명시된 위성들에 대한 SNR 값의 측정치를 나타낸다. 여기서 본 발명의 안테나는 θ=78°의 높이에서 12.5dB의 SNR 값으로 위성 신호를 수신할 수 있음을 알 수 있다.Field measurements were performed on building roofs (height = 13 m, location: Pangyo) in clear weather (temperature: 21.4 ° C, humidity: 52.3%). 9A shows the position of the GPS satellite observed by the antenna. The antenna of this experimental example receives signals from 10 satellites located at [theta] = 25 [deg.] To [theta] = 78 [deg.]. FIG. 9B shows a measure of the SNR value for the satellites numbered for each satellite. It can be seen that the antenna of the present invention can receive the satellite signal at an SNR value of 12.5 dB at a height of? = 78 °.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 작은 공간에서 CRPA 배열 안테나의 GPS L1 밴드 및 L2 밴드에서 격리도(isolation) 특성을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, the isolation characteristic can be improved in the GPS L1 band and the L2 band of the CRPA array antenna in a small space.

또한, 배열되는 안테나 모듈 사이의 격리도 성능을 향상시킴으로써 방사 이득을 높일 수 있으며 패턴 왜곡을 최소화할 수 있다.In addition, by improving the isolation performance between the arrayed antenna modules, the radiation gain can be increased and the pattern distortion can be minimized.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

110: 기판 120: 접지판
130: 급전 패치 140: 제1 방사 패치
141: 제1 비아홀 142: 제2 비아홀
150: 제2 방사 패치 160: 제1 비아
170: 제2 비아 180: 서브 기판
190: 칩커플러 191: 종단 포트
192: 입력 포트 193, 194: 출력 포트110: substrate 120: ground plate
130: feeding patch 140: first radiation patch
141: first via hole 142: second via hole
150: second radiation patch 160: first vias
170: second via 180: sub-substrate
190: Chip coupler 191: Termination port
192: input port 193, 194: output port

Claims (7)

상측에 접지면이 형성된 기판;
상기 접지면에 형성된 접지판;
상기 기판과 이격되어 형성되는 급전 패치;
상기 기판과 상기 급전 패치 사이에 이격되어 위치하며, 상기 급전 패치로부터 전자기장을 통해 전력을 공급받는 제1 방사 패치; 및
상기 급전 패치를 기준으로 상기 제1 방사 패치가 있는 측의 반대 측에 상기 급전 패치와 이격되어 위치하며, 상기 급전 패치로부터 전력을 공급받는 제2 방사 패치를 포함하는 듀얼 밴드 GPS 안테나.A substrate on which a ground plane is formed;
A ground plate formed on the ground plane;
A feed patch spaced apart from the substrate;
A first radiation patch spaced between the substrate and the feed patch and receiving power from the feed patch through an electromagnetic field; And
And a second radiation patch located on the opposite side of the first radiation patch on the basis of the feed patch and spaced apart from the feed patch and receiving power from the feed patch. 제1항에 있어서,
상기 기판, 제1 방사 패치, 급전 패치 및 제2 방사 패치 사이에 유전 물질로 채워져 있는 듀얼 밴드 GPS 안테나.The method according to claim 1,
Wherein the first radiation patch, the feed patch, and the second radiation patch are filled with dielectric material between the substrate, the first radiation patch, the feed patch, and the second radiation patch. 제2항에 있어서,
상기 유전 물질은,
세라믹으로 이루어진 복수의 서브 기판이 적층된 구조이고, 상기 제1 방사 패치, 급전 패치 및 제2 방사 패치가 상기 복수의 서브 기판 위에 인쇄되어 있는 듀얼 밴드 GPS 안테나.3. The method of claim 2,
Wherein the dielectric material comprises:
Wherein the first radiation patch, the feeding patch, and the second radiation patch are printed on the plurality of sub-substrates. 제1항에 있어서,
상기 제1 방사 패치는 GPS L2 밴드를 통해 전파를 송수신하고, 상기 제2 방사 패치는 GPS L1 밴드를 통해 전파를 송수신하는 듀얼 밴드 GPS 안테나.The method according to claim 1,
Wherein the first radiation patch transmits and receives radio waves through a GPS L2 band and the second radiation patch transmits and receives radio waves through a GPS L1 band. 제1항에 있어서,
상기 기판은,
하측에 원형편파 특성을 가진 칩커플러를 더 포함하는 듀얼 밴드 GPS 안테나.The method according to claim 1,
Wherein:
And a chip coupler having a circular polarization characteristic on the lower side. 제1항에 있어서,
상기 급전 패치는,
상기 기판과 제1 비아 및 제2 비아를 통해 연결되어 있는 듀얼 밴드 GPS 안테나.The method according to claim 1,
The feeding patch includes:
Wherein the first and second vias are connected to the substrate via the first and second vias. 제6항에 있어서,
상기 급전 패치의 중심을 기준으로 상기 제1 비아 및 제2 비아가 이루는 각도는 90°를 형성하는 듀얼 밴드 GPS 안테나.The method according to claim 6,
Wherein an angle between the first via and the second via is 90 DEG with respect to a center of the feed patch.
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