KR20220094382A - 초고주파 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고주파 안테나에 관한 것으로, 피더가 삽입되는 공간을 제공하는 급전부와, 상기 급전부의 측면에 접하며, 내부가 연통되는 적어도 하나 이상의 방사부를 포함하되, 상기 방사부는, 일측이 상기 급전부의 측면에 접하여 내측 공간이 연통되는 제1도파관부와, 상기 제1도파관부의 외측 끝단에 일단이 접하고, 타단이 상기 급전부로부터 멀어지는 방향으로 연장되며, 상기 급전부로부터 멀어질수록 내부 공간의 단면적이 증가하는 제2도파관부를 포함할 수 있다.

Description

초고주파 안테나{mmWave antenna}

본 발명은 초고주파 안테나에 관한 것으로, 더 상세하게는 금속재를 사용한 차량용 안테나에 관한 것이다.

종래 초고주파 안테나는 FR4, 테프론 등 유전체를 사용하고 있다.

그 예로, 등록특허 10-1872487호(2018년 6월 22일 등록, 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나)에는 세라믹 시트가 적층된 세라믹 구조체를 이용하는 초고주파 무선 통신용 세라믹 안테나에 대하여 기재되어 있다.

또한, 등록특허 10-2020676호(2019년 9월 4일 등록, 안테나 모듈)에는 테프론 소재의 안테나를 사용하는 안테나 모듈에 대하여 기재되어 있다.

이처럼 기존의 초고주파(mmWave)용 안테나는 유전체를 사용하여 안테나를 구성함으로써, 유전체에서 발생되는 손실에 의해 안테나 방사 이득이 감소하게 된다.

또한 방사시 측엽(Side-Lobe)이 발생하게 됨으로써 원하는 방향으로의 신호 전달을 위해서는 보다 고출력을 사용하거나 안테나의 수를 증가시켜야 한다.

고출력을 사용할 때 예측할 수 있는 문제점은 신호전달을 위한 에너지를 제외하고 다른 대부분의 에너지는 열을 발생시켜 시스템의 성능을 저하시킨다.

또한, 열에 의한 시스템의 열화가 촉진되어 제품수명이 단축되고, 신뢰성을 저하시키는 문제점이 발생할 수 있다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 유전체를 사용하지 않음으로써 손실을 줄일 수 있으며, 측엽의 발생을 방지할 수 있는 초고주파 안테나를 제공함에 있다.

좀 더 구체적으로, 본 발명은 전체 구조를 금속으로 구성하여 신호의 손실을 방지할 수 있는 초고주파 안테나를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 고출력 앰프와 일체로 제품을 구성할 때, 별도의 방열 구조를 부가하지 않고 자체에서 방열이 이루어지도록 함으로써, 제품의 소형화에 유리한 초고주파 안테나를 제공함에 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 초고주파 안테나는, 피더가 삽입되는 공간을 제공하는 급전부와, 상기 급전부의 측면에 접하며, 내부가 연통되는 적어도 하나 이상의 방사부를 포함하되, 상기 방사부는, 일측이 상기 급전부의 측면에 접하여 내측 공간이 연통되는 제1도파관부와, 상기 제1도파관부의 외측 끝단에 일단이 접하고, 타단이 상기 급전부로부터 멀어지는 방향으로 연장되며, 상기 급전부로부터 멀어질수록 내부 공간의 단면적이 증가하는 제2도파관부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 방사부가 둘 이상일 때, 상기 방사부 사이에 위치하는 지지부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 급전부와 상기 방사부 및 상기 지지부는, 모두 금속재일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 급전부와 상기 방사부 및 상기 지지부는, 모두 일체형일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1도파관부와 상기 제2도파관부는, 각각 단면이 직사각형인 내부 공간을 제공하며, 상기 제2도파관부의 외측 내부 공간의 단면 면적은 상기 제1도파관부의 내부 공간의 단면 면적의 2 내지 6배일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제2도파관부는, 상면, 하면 및 양 측면으로 이루어지며, 상면, 하면 및 양측면의 경사각은 20 내지 60도일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제2도파관부는, 상기 제1도파관부에 접하는 일단과 외측의 타단까지의 길이를 조절하여, 상기 상면, 하면 및 양측면의 경사각 범위에서 상기 단면 면적의 배율을 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지지부는, 상기 제2도파관부의 측면에 접하는 부분에서의 상면과 하면이 상기 제2도파관부의 상면과 하면과 동일한 경사각으로 경사진 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 급전부의 상면과 하면은 각각 상기 제1도파관부의 상면과 하면의 높이와 동일하고, 상기 제2도파관부의 상면 외측 끝단의 높이는 상기 제1도파관부의 상면 높이보다 높고, 상기 제2도파관부의 하면 외측 끝단의 높이는 상기 제1도파관부의 하면 높이보다 낮은 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지지부는, 중실형일 수 있다.

본 발명은 안테나의 임피던스 정합부분 및 방사부분 전체를 금속으로 제작하여 신호손실을 방지함과 아울러 측엽의 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

즉, 상대적으로 저출력 에너지를 사용하면서도 원하는 방향으로의 신호 전달이 가능한 효과가 있다.

또한, 금속 도파관을 이용하여 방향성의 조절이 용이한 효과가 있다.

아울러 본 발명은 전체 구조를 금속으로 제작하여, 고출력 앰프에서 발생하는 열을 다른 방열 수단을 사용하지 않고도 안테나 자체가 방열판 역할을 하도록 함으로써, 구조를 단순화하고 비용을 절감할 수 있으며, 제품의 소형화가 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고주파 안테나의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3은 본 발명의 하면측 단면도이다.
도 4는 제2도파관부의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 방사 시뮬레이션 결과도이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고주파 안테나의 사시도이고, 도 2는 도 1에서 A-A 단면도이다.

도 1과 도 2를 각각 참조하면, 본 발명은 피더(도면 미도시)가 삽입되는 급전부(10)와, 상기 급전부(10)를 중심으로 각각 90도 각도로 배치되는 에어 브리지형 방사부(20, 30, 40, 50)와, 상기 방사부(20, 30, 40, 50) 사이의 지지부(60)를 포함하여 구성된다.

상기 방사부(20, 30, 40, 50)는 각각 동일한 구조로 구성된다.

위의 예에서는 제1방사부(20), 제2방사부(30), 제3방사부(40) 및 제4방사부(50)를 가지는 예를 도시하여, 전방향으로 방사가 이루어지는 안테나 구조에 대하여 도시하였다.

그러나 필요에 따라 본 발명은 적어도 하나의 방사부를 가지는 구조로 변형될 수 있다.

방사부가 하나인 구조는 방사부가 향하는 방향으로만 전자파를 방사할 수 있는 구조이며, 두 개의 방사부를 가지는 구조에서는 양 방향으로 전자파를 방사할 수 있는 구조로 이해될 수 있다.

양 방향의 전자파 방사에서 방사부 간의 각도를 변경하여 방사 각도를 정할 수 있다.

즉, 본 발명은 지향성 및 무지향성 안테나로 사용될 수 있다.

급전부(10)는 상기 제1 내지 제4방사부(20, 30, 40, 50)의 내부와 연통되는 공간을 제공하는 구성이며, 상면과 저면은 각각 밀폐된다. 이때 저면 또는 상면에는 피더가 급전부(10)의 내부 공간으로 삽입될 수 있는 삽입공(12)이 형성된다.

급전부(10), 제1 내지 제4방사부(20, 30, 40, 50) 및 지지부(60)는 모두 금속이며, 각각 일체로 구성될 수 있다.

상기 급전부(10)는 중공된 육면체 구조로 도시하고 설명하지만, 방사부의 수, 즉 방사 방향의 수에 따라 그에 적합한 구조로 변경할 수 있다.

예를 들어 방사 방향이 3방향이면, 각 방사 방향을 하나의 변으로 하는 상면과 저면이 삼각형인 입체 도형 형태일 수 있다.

상기 급전부(10)의 측면에서 연통되는 제1 내지 제4방사부(20, 30, 40, 50)는 각각 동일한 형상으로 한다.

도 2의 단면도는 제1방사부(20)와, 제1방사부(20)와는 180도 방향에 배치된 제3방사부(40)의 단면을 도시한 것이다.

여기서 설명의 편의를 위하여 제1방사부(20)의 구조에 대하여 상세히 설명하며, 제2 내지 제4방사부(30, 40, 50)의 형상은 제2방사부(20)의 구조로 부터 쉽게 이해될 수 있다.

상기 제1방사부(20)는 중공된 도파관 구조를 가지며, 그 형태에 따라 제1도파관부(21)와 제2도파관부(22)로 이루어진다.

제1도파관부(21)는 일측이 제1방사부(20)의 측면과 연결되어 내부 공간이 서로 연통된다. 제3방사부(40)도 제1도파관부(41)와 제2도파관부(42)로 이루어짐을 도면에서 확인할 수 있다.

제1도파관부(21)의 높이는 급전부(10)의 높이와 동일한 높이와 폭을 가지는 것으로 한다.

제1도파관부(21)와 급전부(10)가 접하는 부분의 크기는 동일하며, 내측의 중공면의 단면 크기 및 형태도 동일한 것으로 한다.

제1도파관부(21)는 상면과 저면이 상기 급전부(10)의 상면과 저면에 대하여 평행한 구조이며, 제1도파관부(21)의 상면과 저면을 연결하는 측면은 지면에 대하여 수직방향으로 형성되어 있다.

즉, 제1도파관부(21)와 급전부(10)가 접하는 부분과 제1도파관부(21)와 제2도파관부(22)가 접하는 부분의 형상과 크기는 동일하다.

제1도파관부(21)는 육면체의 에어 브릿지 공간부를 제공한다.

상기 제1도파관부(21)의 외측 끝단에는 제2도파관부(22)가 연결된다.

도 3은 본 발명의 저면측 단면 구성도이다.

도 2와 도 3을 각각 참조하면, 제2도파관부(22)는 제1도파관부(21)에 접하는 일단의 형상은 제1도파관부(21)와 동일하다.

제2도파관부(22)는 상면 및 하면과, 양측의 지지부(60)에 접하는 두 측면으로 이루어진다.

제2도파관부(22)의 상면, 하면, 및 양 측면은 각각 외측으로 갈수록 내부 공간의 단면적이 증가하도록 경사진 경사면 구조이다.

경사면의 각도(θ1)는 약 20도 내지 60도의 범위로 할 수 있다.

제1도파관부(21)의 상면의 높이는 상기 급전부(10)의 상면 높이와 동일한 것일 수 있으며, 이와 유사하게 제2도파관부(22)의 하면의 외측 끝단의 높이는 상기 급전부(10)의 하면 높이에 비하여 더 높게 위치한다.

즉, 지면에 대하여 수평면에 본 발명을 안착시켰을 때, 제2도파관부(22)의 하면 외측 끝단이 수평면에 접하게 된다.

이를 제외한 다른 부분은 수평면에 접하지 않고, 위쪽으로 이격되어 위치하게 된다.

본 발명의 상부측 구조는 제2도파관부(22)의 외측 끝단이 가장 높고, 상기 급전부(10)의 상면과 제1도파관부(21)의 상면이 동일 높이로 오목한 구조가 된다.

여기서 지지부(60)의 형상은 다양하게 할 수 있으나, 가공성을 고려하여 상기 제2도파관부(22)의 측면 부분에서는 제2도파관부(22)와 동일한 경사도의 경사면을 가지며, 제1도파관부(21)의 측면에서는 상하면이 평탄한 구조로 제공될 수 있다.

지지부(60)는 중공되지 않은 금속을 사용할 수 있다. 즉, 지지부(60)는 중실형 구조물을 사용한다.

지지부(60)는 급전부(10)와 제1 내지 제4방사부(20, 30, 40, 50)를 기계적으로 지지하여 그 형상을 유지할 수 있도록 한다.

도 3에는 앞서 설명한 삽입공(12)을 통해 피더(70)가 급전부(10) 내측의 삽입공간부(11)로 삽입된 형태를 도시하였다.

본 발명은 10 내지 70GHz의 구동주파수에서 동작하며, 고주파에서 손실이 적은 금속재를 이용하여 전자파를 지향성 또는 무지향성으로 전달할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 제1도파관부(21)와 제2도파관부(22)는 각각 급전부(10)로부터 멀어지는 방향의 길이(L1, L2)를 가지고 있으며, 이 길이를 조절하여 이득을 조절할 수 있다.

상기 제2도파관부(22)의 각면의 경사각(경사도)에 의해 외측으로 갈수록 개구의 단면적이 증가하게 되며, 이는 이득의 증가와 연관된다.

즉, 제2도파관부(22)의 내부 공간의 단면적이 증가하지 않으면 이득도 증가하지 않으며, 단면적이 증가할수록 안테나의 이득도 증가하게 된다.

그러나 L2가 상대적으로 짧고, 이득을 높이기 위하여 제2도파관부(22)의 상면, 하면 및 양 측면의 경사도를 60도 이상의 범위로 증가시킬 경우, 원하는 이득을 얻을 수 없으며, 안테나로서의 동작도 기대하기 어렵니다.

따라서 본 발명은 L2의 길이를 조절하여 이득을 조절하여야 한다.

이와 같은 이득의 조절은 아래에서 좀 더 상세히 설명한다.

도 4는 제2도파관부(22)의 정면도이다.

즉, 외측 개구면(A) 측에서 바라본 제2도파관부(22)를 나타낸다.

이때 제2도파관부(22)의 내측 개구면(B)은 실질적으로 제1도파관부(21)의 중공부 개구면과 동일하다.

여기서 외측 개구면(A)과 내측 개구면(B)은 물리적인 면이 아니며, 도파관 내의 공간의 단부 면적을 설명하기 위하여 명명한 임의의 명칭이다.

제1도파관부(21)의 개구면의 면적을 작게 함으로써, 상기 급전부(10)와 제2도파관부(22) 사이의 임피던스 정합을 이룰 수 있다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이 제2도파관부(22)는 내측 개구면(B)의 면적에 비하여 외측 개구면(A)의 면적을 크게 함으로써, 이득을 증가시킬 수 있다.

바람직하게 외측 개구면(A)의 면적은 내측 개구면(B)의 면적의 2~6배가 되도록 한다.

이는 앞서 설명한 바와 같이 제2도파관부(22)의 상면, 하면 및 양 측면의 경사각이 20도 내지 60도의 범위에서 경사지고, 외측 개구면(A)의 면적이 내측 개구면(B) 면적의 2 내지 6배가 될 수 있도록, 길이(L2)를 조절함으로써 이득을 조절할 수 있다.

또한, 상기 외측 개구면(A)과 내측 개구면(B)은 각각 폭(X)이 높이(Y)에 비하여 더 긴 직사각형의 개구면(A)을 이룬다.

도 5는 본 발명의 방사 시뮬레이션 결과도이다.

도 5에 도시한 바와 같이 본 발명은 4방향으로 제1 내지 제4방사부(20, 30, 40, 50)가 각각 90도 방향으로 배치되며, 각각에서 전자파를 방사하여 무지향성의 특성을 나타낸다.

또한 전체적으로 고른 이득 분포를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 다른 특징으로, 전체가 금속재로 형성되어 있기 때문에 회로를 구성함에 있어서 고출력 앰프 등과 결합될 때, 회로에서 발생되는 열을 본 발명을 통해 방열시킬 수 있다.

따라서 별도의 방열핀 등의 방열 수단을 사용하지 않고, 안테나를 이용하여 방열을 할 수 있기 때문에 회로 구성을 단순화하고, 소형화할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시 예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10:급전부 20:제1방사부
21:제1도파관부 22:제2도파관부
30:제2방사부 40:제3방사부
50:제4방사부 60:지지부
70:피더

Claims (10)

1. 피더가 삽입되는 공간을 제공하는 급전부; 및
   상기 급전부의 측면에 접하며, 내부가 연통되는 적어도 하나 이상의 방사부를 포함하되,
   상기 방사부는,
   일측이 상기 급전부의 측면에 접하여 내측 공간이 연통되는 제1도파관부; 및
   상기 제1도파관부의 외측 끝단에 일단이 접하고, 타단이 상기 급전부로부터 멀어지는 방향으로 연장되며, 상기 급전부로부터 멀어질수록 내부 공간의 단면적이 증가하는 제2도파관부를 포함하는 초고주파 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 방사부가 둘 이상일 때,
   상기 방사부 사이에 위치하는 지지부를 더 포함하는 초고주파 안테나.
3. 제2항에 있어서,
   상기 급전부와 상기 방사부 및 상기 지지부는,
   모두 금속재인 것을 특징으로 하는 초고주파 안테나.
4. 제3항에 있어서,
   상기 급전부와 상기 방사부 및 상기 지지부는,
   모두 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초고주파 안테나.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1도파관부와 상기 제2도파관부는,
   각각 단면이 직사각형인 내부 공간을 제공하며,
   상기 제2도파관부의 외측 내부 공간의 단면 면적은 상기 제1도파관부의 내부 공간의 단면 면적의 2 내지 6배인 것을 특징으로 하는 초고주파 안테나.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2도파관부는,
   상면, 하면 및 양 측면으로 이루어지며,
   상면, 하면 및 양측면의 경사각은 20 내지 60도인 것을 특징으로 하는 초고주파 안테나.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2도파관부는,
   상기 제1도파관부에 접하는 일단과 외측의 타단까지의 길이를 조절하여, 상기 상면, 하면 및 양측면의 경사각 범위에서 상기 단면 면적의 배율을 조절하는 것을 특징으로 하는 초고주파 안테나.
8. 제6항에 있어서,
   상기 지지부는,
   상기 제2도파관부의 측면에 접하는 부분에서의 상면과 하면이 상기 제2도파관부의 상면과 하면과 동일한 경사각으로 경사진 것을 특징으로 하는 초고주파 안테나.
9. 제2항에 있어서,
   상기 급전부의 상면과 하면은 각각 상기 제1도파관부의 상면과 하면의 높이와 동일하고, 상기 제2도파관부의 상면 외측 끝단의 높이는 상기 제1도파관부의 상면 높이보다 높고,
   상기 제2도파관부의 하면 외측 끝단의 높이는 상기 제1도파관부의 하면 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 초고주파 안테나.
10. 제2항에 있어서,
    상기 지지부는,
    중실형인 것을 특징으로 하는 초고주파 안테나.
    
    

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