KR20230010519A - 광대역 수직 편파 안테나 - Google Patents

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KR20230010519A
KR20230010519A KR1020210091168A KR20210091168A KR20230010519A KR 20230010519 A KR20230010519 A KR 20230010519A KR 1020210091168 A KR1020210091168 A KR 1020210091168A KR 20210091168 A KR20210091168 A KR 20210091168A KR 20230010519 A KR20230010519 A KR 20230010519A
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김성환
노승엽
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(주)지에쓰씨
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Abstract

본 개시는 광대역 수직 편파 안테나에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 광대역(예: 대략 76 GHz 내지 대략 82GHz)에서 동작하고, 주파수별 안테나 이득 편차가 적은 광대역 수직 편파 안테나를 제공하는데 있다. 이를 위해 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나는 평판 형태의 유전층; 유전층 상에 제공되되, 길이와 폭을 갖고 일렬로 이격되어 배치된 다수의 패치 안테나; 유전층 상에 제공되되, 다수의 패치 안테나를 연결하는 급전 라인; 및 유전층 상에 제공되되, 길이와 폭을 갖고 다수의 패치 안테나와 급전 라인의 사이에 배치된 기생 소자를 포함할 수 있다.

Description

광대역 수직 편파 안테나{Ultra Wide Band Vertical Polarization Antenna}
본 개시(disclosure)는 광대역 수직 편파 안테나에 관한 것이다.
미래의 차량용 코너 레이더는 작은 물체를 탐지하기 위해 높은 분해능 특성을 요구받고 있다. 이러한 특성을 만족하기 위해서는 안테나 자체에서도 광대역 특성을 만족할 수 있어야 하나 현재 상용 제품으로 시판되고 있는 차량용 레이더에 적용된 안테나는 대역폭이 대략 2 GHz 정도에 불과하다. 즉, 미래의 차량용 코너 레이더는 높은 물체 분해능을 위해 대략 4 GHz 내지 대략 5 GHz의 넓은 대역폭 특성을 요구받고 있으며, 이로 인해 높은 광대역에서 동작하는 안테나가 필요하다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 개시의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 개시에 의한 해결하고자 하는 과제는 광대역(예: 대략 76 GHz 내지 대략 82GHz)에서 동작하고, 주파수별 안테나 이득 편차가 적은 광대역 수직 편파 안테나를 제공하는데 있다.
본 개시에 따른 광대역 수직 편파 안테나는 평판 형태의 유전층; 유전층 상에 제공되되, 길이와 폭을 갖고 일렬로 이격되어 배치된 다수의 패치 안테나; 유전층 상에 제공되되, 다수의 패치 안테나를 연결하는 급전 라인; 및 유전층 상에 제공되되, 길이와 폭을 갖고 다수의 패치 안테나와 급전 라인의 사이에 배치된 기생 소자를 포함할 수 있다.
이와 같이 하여 본 개시는 광대역(예: 대략 76 GHz 내지 대략 82GHz)에서 동작하고, 주파수별 안테나 이득 편차가 적은 광대역 수직 편파 안테나를 제공할 수 있다. 특히, 본 개시는 광대역에서 주파수별 편차가 작음으로써, 광대역 레이더 동작 시 물체 탐지 성능이 우수한 광대역 수직 편파 안테나를 제공할 수 있다.
급전 라인은 일측의 패치 안테나의 중심과 타측의 패치 안테나의 중심을 연결하며, 기생 소자는 급전 라인을 중심으로 양측에 각각 배치될 수 있다.
기생 소자의 길이는 패치 안테나의 길이보다 작을 수 있다. 일부 예들에서, 기생 소자의 길이는 0.8 mm 내지 0.9 mm일 수 있다.
이와 같이 하여 본 개시는 기생 소자의 길이가 패치 안테나의 길이보다 작도록 함으로써, 기생 소자가 패치 안테나에 쇼트되는 현상을 방지할 수 있다. 더불어, 기생 소자의 길이가 길거나 짧으면 안테나의 주파수별 피크 게인 차이도 커지는데, 본 개시에서와 같이 기생 소자의 길이를 패치 안테나 사이의 길이로 조정함으로써, 기존 대비 안테나의 피크 게인 차이가 더 작아질 수 있다.
기생 소자의 폭은 0.2 mm 내지 0.5 mm일 수 있다.
이와 같이 하여 본 개시는 기생 소자의 폭이 적절히 선택됨으로써, 안테나 전체 구조물의 좌우 폭을 작게 유지하는 광대역 수직 편파 안테나를 제공할 수 있다.
기생 소자와 패치 안테나 사이의 간격은 0.1 mm보다 클 수 있다. 기생 소자와 급전 라인 사이의 간격은 0.1 mm보다 클 수 있다.
이와 같이 하여 본 개시는 최소 제조 가능한 거리를 확보할 수 있는 수직 편파 안테나를 제공할 수 있다.
광대역 수직 편파 안테나의 대역폭(-10dB)은 75 GHz 내지 82 GHz일 수 있다. 광대역 수직 편파 안테나의 피크 게인(dBi)은 0.43보다 작을 수 있다.
본 개시는 광대역(예: 대략 76 GHz 내지 대략 82GHz)에서 동작하고, 주파수별 안테나 이득 편차가 적은 광대역 수직 편파 안테나를 제공한다. 특히, 본 개시는 광대역에서 주파수별 편차가 작음으로써, 광대역 레이더 동작 시 물체 탐지 성능이 우수한 광대역 수직 편파 안테나를 제공한다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나를 설명하기 평면도이다.
도 2는 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나를 도시한 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나에 의한 안테나 대역폭 및 방사 패턴을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 개시들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 개시의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 개시을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 개시의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 개시의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 개시의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 개시을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나(100)를 설명하기 평면도이다.
도 1a에 도시된 예에서, 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나(100)는 유전층(110)과, 다수의 패치 안테나(120)와, 다수의 급전 라인(130)과, 다수의 기생 소자(140)를 포함할 수 있다.
유전층(110)은 대략 평판 형태로 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 유전층(110)은 절연층 또는 인쇄회로기판(PCB)을 포함하거나 이로 지칭될 수 있다. 일부 예들에서, 유전층(110)은, 고유전율을 가지며, 알루미나, 지르코니아, 사이알론, 탄화규소, 질화규소와 같은 세라믹, PI(polyimide), PC(polycarbonate), ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene), PBT(polybutylene terephthalate), ASA(acrylonitrile-styrene-acrylate), PE(polyethylene), PET(polyethylene terephthalate), PP(polypropylene), BT(Bismaleimide Triazine), 테프론, 페놀 또는 페놀 페이퍼, 에폭시 또는 에폭시 페이퍼, 글래스 에폭시 라미네이트와 같은 플라스틱 수지, 또는 그 혼합물로 제공될 수 있다.
일부 예들에서, 유전층(110)은 RO3003TM 라미네이트를 포함할 수 있다. RO3003TM 라미네이트는 다양한 온도 및 주파수에서 유전 상수(Dk)의 우수한 안정성을 제공할 수 있다. 이러한 안정성에는 일반적으로 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 유리 재료로 실온 근처에서 발생하는 Dk의 단계 변화 제거도 포함될 수 있다. 이는 자동차 레이더(77GHz), 고급 운전자 지원 시스템(ADAS) 및 5G 무선 인프라( mm wave)를 포함한 애플리케이션에 이상적이다. 일부 예들에서, 유전층(110)은 유전율: 3.08 @76.5GHz, 손실 탄젠트: 0.008 @76.5GHz일 수 있다.
다수의 패치 안테나(120)는 유전층(110) 상에 제공되되, 각각 길이와 폭을 갖고, 일렬로 수직 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 패치 안테나(120)는 안테나 방사체, 방사체, 패치, 도체 또는 도체 패턴을 포함하거나 이로 지칭될 수 있다. 일부 예들에서, 패치 안테나(120)는 정사각, 직사각 또는 다각의 형태로 제공될 수 있다.
다수의 급전 라인(130)은 유전층(110) 상에 제공되되, 각각 길이와 폭을 갖고, 일렬로 수직 방향으로 이격되어 배치될 수 있으며, 또한 다수의 패치 안테나(120)를 전기적으로 연결할 수 있다. 일부 예들에서, 급전 라인(130)은 커플링 라인, 도체 또는 도체 패턴을 포함하거나 이로 지칭될 수 있다. 일부 예들에서, 다수의 급전 라인(130)은 모두 동일한/유사한 길이를 가질 수 있다. 일부 예들에서, 다수의 급전 라인(130)은 모두 동일한/유사한 폭을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 다수의 급전 라인(130)은 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 하나의 급전 라인(130)도 길이를 따라 서로 다른 폭을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 상부의 패치 안테나(120)에 연결된 급전 라인(130)의 폭이 하부의 패치 안테나(120)에 연결된 급전 라인(130)의 폭보다 클 수 있다(도 1a에서 상부 패치 안테나 참조). 일부 예들에서, 하부의 패치 안테나(120)에 연결된 급전 라인(130)의 폭이 상부의 패치 안테나(120)에 연결된 급전 라인(130)의 폭보다 클 수 있다(도 1a에서 하부 패치 안테나 참조).
다수의 기생 소자(140)는 유전층(110) 상에 제공되되, 길이와 폭을 갖고 다수의 패치 안테나(120)와 급전 라인(130)의 사이에 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 기생 소자(140)는 기생 패치 또는 도체 패턴을 포함하거나 이로 지칭될 수 있다. 일부 예들에서, 기생 소자(140)는 정사각, 직사각 또는 다각의 형태로 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 다수의 기생 소자(140)는 하나의 급전 라인(130)을 중심으로 양측(좌측 및 우측)에 각각 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 다수의 기생 소자(140)는 상부의 패치 안테나(120)와 하부의 패치 안테나(120)의 사이에 배치될 수 있다.
일부 예들에서, 패치 안테나(120), 급전 라인(130) 및 기생 소자(140)(즉, 도체 패턴)는 금, 백금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐, 크롬 또는 그 합금으로 제공될 수 있다. 더불어, 일부 예들에서, 도체 패턴은 무전해 도금, 전해 도금, 스퍼터링, 증발, CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced CVD), ALD(Atomic Layer Deposition), PVD(Physical vapor Deposition), PLD (Pulsed Laser Deposition) 또는 L-MBE (Laser Molecular Beam Epitaxy)로 제공될 수 있다. 더불어, 일부 예들에서, 도체 패턴은 전도성 잉크의 인쇄 및 소결 공정, 플라즈마 용사 공정, 또는 상온 진공 분사 공정, 에어로졸 디포지션 공정 등으로 형성될 수도 있다. 더욱이, 일부 예들에서, 도체 패턴은 금속 포일을 단조, 펀치, 드로잉, 컷팅, 절곡 등과 같은 전통적인 가공 방식을 이용하여 형성한 후, 유전층(110) 상에 접착층으로 접착시켜 형성할 수도 있다.
도 1b에 도시된 예에서, 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나(100)는 급전 라인(130)이 일측(상측)의 패치 안테나(120)의 중심과 타측(하측)의 패치 안테나(120)의 중심을 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있고, 기생 소자(140)는 급전 라인(130)을 중심으로 양측(좌측 및 우측)에 각각 배치되도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 기생 소자(140)의 길이는 패치 안테나(120)의 길이보다 작을 수 있다. 일부 예들에서, 기생 소자(140)의 길이는 대략 0.8 mm 내지 대략 0.9 mm일 수 있다. 일부 예들에서, 기생 소자(140)의 폭은 대략 0.2 mm 내지 대략 0.5 mm일 수 있다. 일부 예들에서, 기생 소자(140)와 패치 안테나(120) 사이의 간격은 대략 0.1 mm보다 클 수 있다. 일부 예들에서, 기생 소자(140)와 급전 라인(130) 사이의 간격은 대략 0.1 mm보다 클 수 있다.
일례로, 기생 소자(140)에 대해 좀더 자세하게 설명한다.
일부 예들에서, 기생 소자(140)의 길이는 아래의 패치 안테나(120)의 계산식으로부터 도출된 값 보다 작을 수 있다. 이 경우 이론적인 패치 안테나(120)의 길이 값은 대략 78.5GHz 대역 기준과 유전층(110)의 유전율 3.08을 기준으로 하여 대략 1.08 mm이나, 패치 안테나(120) 사이의 간격이 대략 1.08 mm이므로, 기생 소자(140)의 길이를 1.08 mm로 하게 되면 패치 안테나(120)의 패턴과 연결될 수 있다. 따라서, 기생 소자(140)의 길이는 대략 1.08 mm 보다 작아야 하며, 패치 안테나(120)의 패턴과의 이격 거리도 최소 제조 가능 이격 거리인 대략 0.1 mm 보다 크게 설정되어야 한다.
Figure pat00001
이를 감안하여, 본 개시에 적용된 기생 소자(140)의 길이는 대략 0.84 mm 이며, 이에 따라 패치 안테나(120)와 기생 소자(140) 사이의 간격은 대략 0.12 mm일 수 있다.
기생 소자(140)의 길이가 길거나 짧아지면 패치 안테나(120)의 주파수별 피크 게인(Peak Gain) 차이가 커지기 때문에 적절한 기생 소자(140)의 길이 값을 선택하여야 하며 이 범위는 대략 0.8 mm 내지 대략 0.9 mm의 값을 가지는 경우 기존 대비 안테나 피크 게인 차이가 더 감소한다.
일부 예들에서, 기생 소자(140)의 폭은 대략 0.2 mm 내지 대략 0.5 mm가 적당하며, 이보다 커질 경우에도 주파수별 안테나 피크 게인 차이에 큰 차이는 없으나, 안테나의 전체 구조물의 좌우 폭이 넓어지는 문제가 있다. 일부 예들에서, 본 개시에서는 기생 소자(140)의 폭을 대략 0.33 mm로 적용하였다.
계속해서, 기생 소자(140)와 급전 라인(130) 간의 간격에 대해 설명한다.
기생 소자(140)와 급전 라인(130)간의 간격은 가장 넓은 급전 라인(130)의 외곽부와 기생 소자(140) 사이의 간격이 최소 대략 0.1 mm 이상이 되어야 하며 이는 앞서 언급되었듯이 최소 가능 제작 거리(대략 0.1 mm) 를 만족하여야 하기 때문이다. 또한, 급전 라인(130)과 기생 소자(140) 사이의 간격은 최소 대략 0.1 mm ~ 대략 최대 안테나의 폭 까지의 범위로 변경 가능하며, 이 간격에 따라서 피크 게인에 큰 차이가 없다.
계속해서, 기생 소자(140)의 폭에 대해 설명한다.
기생 소자(140)의 폭은 위에서 설명하였듯이 패치 안테나(120)의 좌우 폭보다 커지는 경우에도 안테나의 성능에 큰 차이는 없으나, 일반적으로 레이더에서 패치 안테나(120) 사이의 이격 거리를 그레이팅 로브(Grating Lobe)가 발생되지 않는 간격인 0.5λ 로 설정함으로 인해 폭을 크게 할 경우 인접한 패치 안테나(120)와의 겹치는 현상이 발생될 수 있어, 패치 안테나(120)의 폭에 맞추는 것이 최선의 방식이다.
도 2는 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나(100)를 도시한 평면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 패치 안테나(120)의 폭보다 기생 소자(140)의 폭이 커지면 0.5λ만큼의 거리 이격 시 인접한 기생 소자(140)가 상호간 접촉하게 됨으로써 안테나의 성능 열화가 발생된다. 일반적으로, 패치 안테나(120)의 간격은 대략 0.5λ만큼 제공되며, 이때 중심 주파수 78.5GHz 기준으로 대략 1.91 mm 이격된다. 따라서, 기생 소자(140)의 폭은 이보다 약간 작게 제공됨이 바람직하다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시에 따른 예시적 광대역 수직 편파 안테나(100)에 의한 안테나 대역폭 및 방사 패턴을 도시한 그래프이다. 도 3a에서 X축은 주파수이고, Y축은 세기(dB)이다. 도 3b에서 X축은 세타 각도이고, Y축은 세기(dB)이다.
비교예로 기생 소자(140)가 제공되지 않는 직렬 직접 급전 4배열 구조의 경우 안테나의 대역폭은 대략 5GHz 이상 구현 가능하나, 대략 76GHz 내지 대략 81GHz 대역에서의 피크 게인 편차가 대략 1.14dB로 높게 나타나 편차가 크다. 이러한 주파수별 편차는 광대역 레이더 동작 시 물체 탐지 성능에 영향을 미치기 때문에 주파수별 안테나 이득 편차를 최소화 하는 것이 필요하다.
본 개시에서는 기생 소자(140)를 추가적으로 제공함으로써, 도 3a, 도 3b 및 표 1에 도시된 바와 같이, 기존 대비 안테나의 대역폭이 대략 1GHz 정도 더 증가하였고, 주파수별 안테나의 피크 게인 편차도 대략 0.7dB 정도 감소(개선)된 것을 확인할 수 있다.
[표 1]
Figure pat00002
이와 같이 하여, 본 개시는 광대역(예: 대략 76 GHz 내지 대략 82GHz)에서 동작하고, 주파수별 안테나 이득 편차가 적은 광대역 수직 편파 안테나를 제공할 수 있다. 특히, 본 개시는 광대역에서 주파수별 편차가 작음으로써, 광대역 레이더 동작 시 물체 탐지 성능이 우수한 광대역 수직 편파 안테나를 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 개시에 따른 광대역 수직 편파 안테나를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 개시는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 개시의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 광대역 수직 편파 안테나
110; 유전층
120; 패치 안테나
130; 급전 라인
140; 기생 소자

Claims (9)

  1. 평판 형태의 유전층;
    유전층 상에 제공되되, 길이와 폭을 갖고 일렬로 이격되어 배치된 다수의 패치 안테나;
    유전층 상에 제공되되, 다수의 패치 안테나를 연결하는 급전 라인; 및
    유전층 상에 제공되되, 길이와 폭을 갖고 다수의 패치 안테나와 급전 라인의 사이에 배치된 기생 소자를 포함하는, 광대역 수직 편파 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    급전 라인은 일측의 패치 안테나의 중심과 타측의 패치 안테나의 중심을 연결하며, 기생 소자는 급전 라인을 중심으로 양측에 각각 배치된, 광대역 수직 편파 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    기생 소자의 길이는 패치 안테나의 길이보다 작은, 광대역 수직 편파 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    기생 소자의 길이는 0.8 mm 내지 0.9 mm인, 광대역 수직 편파 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    기생 소자의 폭은 0.2 mm 내지 0.5 mm인, 광대역 수직 편파 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서,
    기생 소자와 패치 안테나 사이의 간격은 0.1 mm보다 큰, 광대역 수직 편파 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    기생 소자와 급전 라인 사이의 간격은 0.1 mm보다 큰, 광대역 수직 편파 안테나.
  8. 제 1 항에 있어서,
    광대역 수직 편파 안테나의 대역폭(-10dB)은 75 GHz 내지 82 GHz인, 광대역 수직 편파 안테나.
  9. 제 1 항에 있어서,
    광대역 수직 편파 안테나의 피크 게인(dBi)은 0.43보다 작은, 광대역 수직 편파 안테나.
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