KR20170004863A - 차량용 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

하나의 코일로 다중 대역 특성을 갖도록 하여 안테나 구조의 통합화와 소형화를 가능하게 하는 차량용 안테나 장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 차량용 안테나 장치는, 접지면을 포함하는 신호 처리 기판; 및 상기 신호 처리 기판의 상기 접지면에 연결되는 코일 피치가 서로 다른 적어도 두 개의 영역으로 이루어진 나선형 코일을 포함하여 다중 대역 특성을 나타내는 안테나 모듈을 포함한다.

Description

차량용 안테나 장치{Antenna apparatus for vehicle}
본 출원은 차량용 안테나 장치에 관한 것으로서, 안테나 구조의 통합화와 소형화가 가능한 차량용 안테나 장치에 관한 것이다.
최근의 차량용 안테나 장치는 라디오 신호, 방송 신호의 수신 기능뿐만 아니라 통신 신호 수신 기능까지도 요구된다. 즉, AM/FM 라디오 신호의 수신, DMB, DAB, SXM 등 방송 신호의 수신, 3G/4G(LTE) 등 통신 신호의 수신 기능이 요구되고 있다. 향후에는 ADAS(Advanced Driver Assistance Systems) 기능 및 WAVE(Wireless Access in Vehicular Environment) 기능도 요구될 것으로 예상된다. 따라서 다양한 신호의 수신을 위한 여러 안테나가 차량용 안테나 장치에 추가되면서 차량용 안테나 장치의 크기가 커지고 있고, 업계에서는 차량의 공간 제약 등의 이유로 안테나를 소형화하는 것을 주요 기술적 과제로 삼고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 차량용 안테나 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 차량용 안테나 장치는, 베이스(110), 신호 처리 기판(120), 안테나 모듈(130:130-1, 130-2, 130-3) 및 하우징(150)을 포함한다.
베이스(110)는, 전체적으로 플레이트(plate) 형상을 가지는 부재로서, 하부면이 차량의 외부 패널에 결합되고 상부에 상기 신호 처리 기판(120) 및 안테나 모듈(130)이 설치된다.
신호 처리 기판(120)은 상기 안테나 모듈(130)을 통해 수신되는 신호를 처리한다. 예컨대, 원하는 주파수 대역의 신호를 대역 통과 필터로 필터링하여 노이즈 등을 제거하고 필요한 수준으로 증폭한다. 이러한 신호 처리 기판(120)은 예를 들어 PCB(Printed Circuit Board) 형태로 구성될 수 있다.
안테나 모듈(130)은 복수 개가 구비된다. 제 1 안테나 모듈(130-1)은, GNSS(Global Navigation Satellite System) 신호를 수신하고, 제 2 안테나 모듈(130-2)은 북미향 위성 멀티미디어 서비스를 위한 SXM 신호를 수신하며, 제 3 안테나 모듈(130-3)은 AM/FM 라디오 신호를 수신한다. 이외에도 텔레메틱스 신호를 수신하기 위한 안테나 모듈 등이 더 포함될 수도 있다. 안테나 모듈(130)은 신호를 수신하여 상기 신호 처리 기판(120)으로 전달한다.
하우징(150)은, 베이스(110)와 결합하여 내부 수용 공간에 상기 신호 처리 기판(120), 안테나 모듈(130), 리플렉터(140)를 수용한다. 하우징(150)은 샤크 핀 형태로 구현되어 차량 이동시 발생하는 공기 저항과 풍절음을 감소시킬 수 있다.
제 1, 2 안테나 모듈(130-1, 130-2)은 상기 신호 처리 기판(120)의 접지면에 설치되고, 유전체 및 안테나 패치가 순서대로 적층되어 있다. 즉 제 1, 2 안테나 모듈(130-1, 130-2)은 일반적인 패치 안테나 타입이다. 제 3 안테나 모듈(130-3)은 모노폴(monopole) 타입의 안테나로서 나선형 코일 구조로 이루어져 있다. 특히, 제 3 안테나 모듈(130-3)은 여러 주파수 대역을 지원하기 위해 외부 코일(Outer Coil)(130b) 내에 내부 코일(Inner Coil)(130a)을 포함하여 이루어져 있다. 외부 코일(130b)은 AM/FM 라디오 신호를 수신하고, 내부 코일(130a)은 LTE 등의 통신 신호를 수신한다.
이와 같이 모노폴 타입의 제 3 안테나 모듈(130-3)은 외부 코일(130b) 내에 내부 코일(130a)을 추가한 형태로 구현되어 있는데, 일반적으로 외부 코일(130b)과 내부 코일(130a) 간에 성능 간섭을 일으켜 원하는 성능 발현이 안 되는 경우가 많고, 실제 구현시 외부 코일(130b)과 내부 코일(130a)이 접촉하게 되면 안테나 특성이 변하게 되어 기능 구현이 문제가 발생한다. 또한, 외부 코일(130b)과 내부 코일(130a)이 접촉하지 않도록 구현하더라도 모노폴 타입은 잘 휘는 특성을 가지고 있어 차량 이동 중에 바람에 의해 또는 충격에 의해 외부 코일(130b)과 내부 코일(130a)이 물리적으로 접촉하는 경우가 발생하고 이에 따라 안테나 성능에 장애를 일으킨다. 그리고, 외부 코일(130b)의 안쪽에 내부 코일(130a)을 삽입하는 구조이므로 제품 단가가 상승하고, 공정 수가 증가하여 비용 증가의 요인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로 하나의 코일로 다중 대역 특성을 갖도록 하여 안테나 구조의 통합화와 소형화를 가능하게 하는 차량용 안테나 장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 차량용 안테나 장치는, 접지면을 포함하는 신호 처리 기판; 및 상기 신호 처리 기판의 상기 접지면에 연결되는 코일 피치가 서로 다른 적어도 두 개의 영역으로 이루어진 나선형 코일을 포함하여 다중 대역 특성을 나타내는 안테나 모듈을 포함한다.
상기 나선형 코일은, 코일 피치가 서로 다른 세 개의 영역으로 이루어지고, 상단으로부터 상기 접지면으로 갈수록 코일 피치가 커진다.
상기 나선형 코일의 상단부터 상기 접지면까지는 88~108MHz 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
상기 나선형 코일의 상단 기준으로 첫 번째 피치 변곡점부터 상기 접지면까지는 700~900MHz 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
상기 나선형 코일의 상단 기준으로 두 번째 피치 변곡점부터 상기 접지면까지는 1710~2170MHz 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
상기 나선형 코일의 상기 세 개의 영역은, 상단으로부터 상기 접지면으로 갈수록 코일 피치가 커질 수 있다.
상기 접지면과 상기 나선형 코일의 사이에 설치되어 상기 접지면과 연결되고 상기 나선형 코일을 지지하는 도체 구조물을 더 포함하고, 상기 도체 구조물은, 5850~5925MHz 주파수 대역에서 공진할 수 있다.
본 발명은 하나의 코일로 다중 대역을 구현함으로써 기존 차량용 안테나 장치의 하우징, 베이스 구성품 등의 구조물을 그대로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 하나의 코일을 이용하여 다중 대역을 구현하여 두 개의 코일의 접촉에 의한 불량을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 하나의 코일을 이용함으로써 종래에 비해 부품의 증가가 없고 공정이 단순화되어 작업 시간을 줄이고 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명은, 기존 모노폴 타입의 안테나 구조를 유지할 수 있어 점차 늘어가는 소형 SUV/CVU 시장에 대응이 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따른 차량용 안테나 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 안테나 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 제 3 안테나 모듈을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 안테나 모듈의 LTE 주파수 대역에서의 전압 정재파 비(VSWR)를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 안테나 모듈의 LTE 주파수 대역에서의 이득(Gain)을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 3의 안테나 모듈의 V2X 주파수 대역에서의 전압 정재파 비(VSWR)를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 3의 안테나 모듈의 V2X 주파수 대역에서의 이득(Gain)을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 안테나 장치를 나타낸 도면으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 차량용 안테나 장치는, 베이스(210), 신호 처리 기판(220), 안테나 모듈(230:230-1, 230-2, 230-3) 및 하우징(250)을 포함한다.
베이스(210)는 전체적으로 판 형상을 가지는 부재로서 하부면이 차량의 외부 패널에 결합되고 상부에 상기 신호 처리 기판(220) 및 상기 안테나 모듈(230)이 설치된다.
신호 처리 기판(220)은 상기 안테나 모듈(230)을 통해 수신되는 신호를 처리한다. 예컨대, 원하는 주파수 대역의 신호를 대역 통과 필터로 필터링하여 노이즈 등을 제거하고 필요한 수준으로 증폭한다. 이러한 신호 처리 기판(220)은 예를 들어 PCB(Printed Circuit Board) 형태로 구성될 수 있다.
안테나 모듈(230)은 복수 개가 구비된다. 제 1 안테나 모듈(230-1)은, GNSS(Global Navigation Satellite System) 신호를 수신하고, 제 2 안테나 모듈(230-2)은 북미향 위성 멀티미디어 서비스를 위한 SXM 신호를 수신하며, 제 3 안테나 모듈(230-3)은 AM/FM 라디오 신호 및 LTE 등의 통신용 신호를 수신한다. 이외에도 텔레메틱스 신호를 수신하기 위한 안테나 모듈 등이 더 포함될 수도 있다. 안테나 모듈(230)은 신호를 수신하여 상기 신호 처리 기판(220)으로 전달한다.
제 1, 2 안테나 모듈(230-1, 230-2)은 상기 신호 처리 기판(220)의 접지면에 설치되고, 유전체 및 안테나 패치가 순서대로 적층되어 있다. 즉 제 1, 2 안테나 모듈(230-1, 230-2)은 일반적인 패치 안테나 타입이다. 제 3 안테나 모듈(230-3)은 모노폴(monopole) 타입의 안테나로서 나선형(helical) 코일 구조로 이루어져 있다. 특히, 제 3 안테나 모듈(130-3)은 하나의 코일로 포함하되 그 하나의 코일은 피치(pitch)가 다른 적어도 두 개의 영역으로 구분된다. 여기서 피치는 코일의 두 권선 사이의 간격을 의미한다. 피치가 다른 각 영역은 서로 다른 주파수 대역 특성을 갖는다. 이에 관해서는 도 3을 참조하여 자세히 설명한다.
도 3은 도 2의 제 3 안테나 모듈을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 제 3 안테나 모듈(230-3)은 모노폴 타입의 안테나로서 신호 처리 기판(220)의 접지면 및 급전선에 연결되고 코일을 지지하는 전도성의 도체 구조물(310)과 상기 도체 구조물(310)에 연결된 코일(320)을 포함한다.
도체 구조물(310)은 신호 처리 기판(220)의 접지면에 연결되고 코일(320)을 통해 수신되는 신호를 전달받아 신호 처리 기판(220)으로 전달한다. 도체 구조물(310)은 코일(320)과 연결되어 코일(320)을 지지할 수 있는 형태라면 특별히 그 형태가 제한되지 않는다.
일반적으로 안테나는 재질이나 형상의 변화로 안테나가 가지는 임피던스가 변하게 되며 공진이 새롭게 형성되거나 공진 특성이 변하게 된다. 본 실시예에 따른 제 3 안테나 모듈(230-3)은 이러한 특성을 이용하여 다중 대역을 형성한다. 하나의 코일(320)의 피치를 조절하여 임피던스를 변경함으로써 하나의 코일(320)로 복수의 주파수 대역을 지원한다. 즉 피치의 변곡점을 원하는 주파수 대역만큼 형성함으로써 다중 대역을 구현한다. 구체적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 제 3 안테나 모듈(230-3)의 코일(320)은 나선형 코일(helical coil)로서 적어도 두 개의 주파수 대역의 신호를 수신하기 위해 피치가 다른 적어도 두 개의 영역으로 구분된다. 본 실시예에서는 세 개의 주파수 대역을 위해 세 개의 영역으로 구분된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 영역(320a)의 피치보다 제 2 영역(320b)의 피치가 크고, 제 2 영역(320b)의 피치보다 제 3 영역(320c)의 피치가 크다. 공진 주파수가 클수록 이에 대응하는 영역의 피치도 비례하여 커지는 것이 바람직하다.
일반적으로 안테나는 동작 주파수 대역의 파장(λ)의 1/4의 길이를 가져야 한다. AM/FM 라디오 신호의 주파수 대역은 88~108MHz이고 중심 주파수는 98MHz이며 이에 따른 파장(λ)은 3.06m이다. 따라서 AM/FM 라디오 신호를 위해서는 안테나는 파장(λ)의 1/4인 76.5cm의 길이를 갖고, 본 실시예에서 도체 구조물(310) 및 코일(320)을 포함하는 제 3 안테나 모듈(230-3)의 전체 길이(t1)가 76.5cm이다. 즉 도체 구조물(310) 및 코일(320)을 포함하는 제 3 안테나 모듈(230-3) 전체가 AM/FM 주파수 대역에서 공진하고, 도체 구조물(310)의 밑단, 즉 접지면으로부터 코일(320)의 상단까지의 길이가 76.5cm이다.
LTE 신호는 두 개의 주파수 대역으로 나누어진다. 700~900MHz 대역과 1710~2170MHz 대역으로 나누어진다. 700~900MHz 대역은 LTE 저주파수 대역(Low)으로 칭하고, 1710~2170MHz 대역은 LTE 고주파수 대역(high)으로 칭한다. 본 실시예에서 도체 구조물(310)의 밑단으로부터 제 2 영역(320b)의 상단까지가 LTE 저주파수 대역(Low)에서 공진하고, 도체 구조물(310)의 밑단, 즉 접지면으로부터 제 3 영역(320c)의 상단까지가 LTE 고주파수 대역(High)에서 공진한다. LTE 저주파수 대역(Low)의 중심 주파수는 800MHz이고 이에 따른 파장(λ)은 0.375m이다. 따라서 LTE 저주파수 대역(Low)을 위해서 도체 구조물(310)의 밑단으로부터 제 2 영역(320b)의 상단까지는 파장(λ)의 1/4인 9.3cm의 길이(t2)를 갖는다. 그리고 LTE 고주파수 대역(High)의 중심 주파수는 1900MHz이고 이에 따른 파장(λ)은 0.157m이다. 따라서 LTE 고주파수 대역(High)을 위해서 도체 구조물(310)의 밑단, 즉 접지면으로부터 제 3 영역(320c)의 상단까지는 파장(λ)의 1/4인 3.9cm의 길이(t3)를 갖는다.
한편, 도체 구조물(310)은 도 3에 도시된 바와 같이 두 개의 영역(310a, 310b)으로 구분될 수 있다. 도체 구조물(310)의 두 영역(310a, 310b)은 직경의 차이를 두어 구분될 수 있고 하단의 영역(310a)은 V2X 대역에서 공진한다. 즉 도체 구조물(310)의 하단 영역(310a)은 V2X 대역의 파장(λ)의 1/4의 길이를 갖는다. V2X 신호는 5850~5925MHz 대역으로서 중심 주파수는 5885MHz이고 이에 따른 파장(λ)은 0.051m이고 파장(λ)의 1/4은 1.2cm이다. 따라서 도체 구조물(310)의 하단의 영역(310a)은 1.2cm의 길이를 갖는다.
도 4는 도 3의 안테나 모듈의 LTE 주파수 대역에서의 전압 정재파 비(VSWR)를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3의 안테나 모듈의 LTE 주파수 대역에서의 이득(Gain)을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 도 3의 안테나 모듈(230-3)은 700~900MHz 대역과 1710~2170MHz 대역에서 공진 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 700~900MHz 대역과 1710~2170MHz 대역에서 60도 각도에서 -3dBi 이상의 이득(gain)을 가져 규격을 만족하는 것을 알 수 있다.
도 6은 도 3의 안테나 모듈의 V2X 주파수 대역에서의 전압 정재파 비(VSWR)를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 3의 안테나 모듈의 V2X 주파수 대역에서의 이득(Gain)을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 도 3의 안테나 모듈(230-3)은 5850~5925MHz 대역에서 공진 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 5850~5925MHz 대역에서 45도 및 60도 각도에서 모두 -3dBi 이상의 이득(gain)을 가져 규격을 만족하는 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 안테나 장치의 제 3 안테나 모듈(230-3)은 하나의 코일로 AM/FM 주파수 대역, LTE 주파수 대역 및 V2X 주파수 대역을 모두 서비스한다. 기존의 소형 모노폴 안테나의 기구 크기를 늘리거나 변경하지 않으면서 AM/FM 주파수 대역, LTE 주파수 대역 및 V2X 주파수 대역의 신호를 수신할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 안테나 장치는 하나의 코일로 다중 대역을 구현함으로써 기존 차량용 안테나 장치의 하우징, 베이스 구성품 등의 구조물을 그대로 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 안테나 장치는 하나의 코일을 이용하여 다중 대역을 구현하여 두 개의 코일의 접촉에 의한 불량을 방지할 수 있고, 종래에 비해 부품의 증가가 없고 공정이 단순화되어 작업 시간을 줄이고 제조 비용을 절감할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
210 : 베이스
220 : 신호 처리 기판
230 : 안테나 모듈
250 : 하우징
310 : 도체 구조물
320 : 코일

Claims (6)

  1. 차량용 안테나 장치에 있어서,
    접지면을 포함하는 신호 처리 기판; 및
    상기 신호 처리 기판의 상기 접지면에 연결되는 코일 피치가 서로 다른 적어도 두 개의 영역으로 이루어진 나선형 코일을 포함하여 다중 대역 특성을 나타내는 안테나 모듈을 포함하는 차량용 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나선형 코일은,
    코일 피치가 서로 다른 세 개의 영역으로 이루어지고, 상단으로부터 상기 접지면으로 갈수록 코일 피치가 커지는 차량용 안테나 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 나선형 코일의 상단부터 상기 접지면까지는 88~108MHz 주파수 대역에서 공진하는 차량용 안테나 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 나선형 코일의 상단 기준으로 첫 번째 피치 변곡점부터 상기 접지면까지는 700~900MHz 주파수 대역에서 공진하는 차량용 안테나 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 나선형 코일의 상단 기준으로 두 번째 피치 변곡점부터 상기 접지면까지는 1710~2170MHz 주파수 대역에서 공진하는 차량용 안테나 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접지면과 상기 나선형 코일의 사이에 설치되어 상기 접지면과 연결되고 상기 나선형 코일을 지지하는 도체 구조물을 더 포함하고,
    상기 도체 구조물은, 5850~5925MHz 주파수 대역에서 공진하는 차량용 안테나 장치.
KR1020160080021A 2015-07-02 2016-06-27 차량용 안테나 장치 KR102337296B1 (ko)

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