KR20240020379A - 글라스 안테나 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 글라스 안테나 구조에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예로서 글라스 안테나 구조는 차량에 위치하는 글라스, 상기 글라스 일면에 위치하는 모노폴 안테나 유닛, 상기 글라스 타면에 위치하여 상기 모노폴 안테나 유닛과 대응되는 위치에 구성되는 다수의 사각패치평면 및 상기 모노폴 안테나의 일단과 접하는 CPW 급전선로를 포함한다.

Description

글라스 안테나 구조{Antenna Structure for Glass}

본 발명은 글라스 안테나 구조에 관한 것으로, 더 바람직하게, 차량에 심미성을 유지한 상태에서 반사계수, 효율, 이득을 고려한 인쇄형 안테나를 포함하는 단일 글라스에 관한 것이다.

최근 우리나라는 2인 1 자동차 시대라고 할 만큼 자동차 수요가 폭발적으로 늘어나는 추세이다. 이렇게 자동차 수요가 늘어나고 실제 자동차 보유 대수가 증가함에 따라 교통사고도 비례하여 증가하고 있다.

그런데 이러한 교통 사고의 주요 원인으로 운전자의 부주의가 꼽히고 있으며, 운전자의 부주의로 인한 교통 사고를 줄일 수 있는 방안으로 WAVE(Wireless Access In Vehicular Environments) 통신이 대두되고 있다. WAVE는 차세대 차량용 통신 환경으로써 차량 간 고속통신(V2V)와 차량-인프라간의 통신(V2I)의 매우 중요한 요소이다.

더욱이, 최근 차량에서 다른 차량의 주행정보, 주변의 교통정보, 보행자 정보 등의 많은 양의 데이터를 수집하여 주행환경을 향상시키는 용도로 5G 통신 기술이 각광받고 있다. 이때, 통신을 위한 안테나를 차량에 장착하는 경우 탑재를 위한 추가적인 공간을 최소화하고 심미성을 유지하기 위해 차량 유리에 안테나 패턴을 인쇄하는 글라스 안테나 기술이 사용되고 있다. 하지만 현재 글라스 안테나는 AM 및 FM 수신용으로 설계되어 5G 대역을 위한 새로운 안테나 설계 기술이 필요하다.

이러한 WAVE 통신 기술을 차량에 적용하기 위한 실험이나, 고속도로 환경에서 버스 등의 대형차에 구현하기 위한 실험 등이 활발하게 이루어지고 있다. 또한 이러한 WAVE는 일반적인 승용차에 설치되어 있는 샤크 안테나에 의해서도 구현이 가능하나, 차량 외부에 설치되므로 설치 작업이 어렵고 설치 구조 가 복잡한 문제점이 있다.

특허문헌1: 대한민국등록특허 제 10-2065722호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 글라스 일면에 위치하는 모노폴 안테나 유닛을 제공하는 글라스 안테나 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 모노폴 안테나 유닛의 최적화된 사이즈를 포함하는 단일 글라스 안테나 구조를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 도파면 또는 반사면으로 활용되어 전면 방향 이득 특성을 향상시키기 위한 사각패치평면을 포함하는 글라스 안테나 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다. 또한 본 발명의 목적들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 글라스 안테나 구조는 다음과 같은 구성을 포함한다.

본 발명의 일 실시예로서, 차량에 위치하는 글라스; 상기 글라스 일면에 위치하는 모노폴 안테나 유닛; 상기 글라스 타면에 위치하여 상기 모노폴 안테나 유닛과 대응되는 위치에 구성되는 다수의 사각패치평면; 및 상기 모노폴 안테나의 일단과 접하는 CPW 급전선로;를 포함하는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 모노폴 안테나 유닛의 끝단에 위치하는 디스크 소자;를 더 포함하는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 디스크 소자의 일변의 길이는 해당 주파수의 1/5 파장의 길이를 갖도록 구성되는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 모노폴 안테나 유닛과 동일한 일면에 위치하고, 상기 모노폴 안테나 유닛의 측면에 인접하여 위치하는 적어도 하나 이상의 기생 소자;를 더 포함하는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 기생 소자는, 상기 모노폴 안테나 유닛의 폭 방향을 따라 양측에 각각 2개씩 위치하도록 구성되고, 상기 기생 소자는 서로 인접한 기생 소자 또는 CPW 급전선로로부터 길이방향을 따라 0.15 ± 0.05 mm 이격되고, 상기 모노폴 안테나 유닛의 폭 방향으로 0.15 ± 0.05 mm 이격되도록 구성되는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 사각패치평면은 상기 글라스의 길이방향을 따라 동일한 간격을 갖도록 이격되는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 사각패치평면은 상기 글라스의 폭방향을 따라 동일한 간격을 갖도록 이격되는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 CPW 급전선로의 폭은 0.5 ± 0.1 mm를 갖도록 구성되는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 모노폴 안테나 유닛의 길이방향의 길이는 CPW 급전선로로부터 1.23 ± 0.1 mm를 갖도록 구성되는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

또한, 상기 글라스의 두께는 해당 주파수의 1/3파장 내지 1/2파장의 두께를 갖도록 구성되는 글라스 안테나 구조를 제공한다.

본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 글라스 일면에 위치하는 단일 모노폴 안테나 유닛을 이어주는 전송라인를 포함할 수 있는바, 글라스 사이의 소정의 위치에만 구성되는 안전성이 높은 안테나 구성을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 최적화된 모노폴 소자를 제공하여 모노폴 안테나 유닛을 통해 공진하는 전류의 위상값이 일치될 수 있는 안테나를 제공하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 모노폴 안테나 유닛과 대응되는 글라트 타면에 위치하고, 도파면 또는 반사면으로 활용되는 사각패치평면을 포함하여 해당 주파수의 이득 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 모노폴 안테나 유닛을 포함하는 글라스의 일면도를 도시하고 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예로서, 기생 소자를 포함하는 모노폴 안테나 유닛의 일면도를 도시하고 있다.
도 2b은 본 발명의 일 실시예로서, 기생 소자를 포함하는 글라스의 측단면도를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 디스크 소자를 포함하는 모노폴 안테나 유닛을 포함하는 글라스의 일면도를 도시하고 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면를 포함하는 글라스의 타 일면을 도시하고 있다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예로서, 모노폴 안테나 유닛을 포함하는 글라스의 측단면도를 도시하고 있다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면이 도파면으로 작용하는 글라스의 측단면도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 접합 글라스에 위치하는 모노폴 안테나 유닛의 구조를 측단면도로 도시하고 있다.
도 6a은 본 발명의 일 실시예로서, 기생 소자를 포함하는 모노폴 안테나 유닛의 반사계수 데이터를 도시하고 있다.
도 6b은 본 발명의 일 실시예로서, 디스크 소자를 포함하는 모노폴 안테나 유닛의 반사계수 데이터를 도시하고 있다.
도 7a은 본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면이 반사면으로 작용하는 모노폴 안테나 유닛을 포함하는 글라스의 반사계수와 효율 데이터를 도시하고 있다.
도 7b은 본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면이 도판면으로 작용하는 모노폴 안테나 유닛을 포함하는 글라스의 반사계수와 효율 데이터를 도시하고 있다.
도 8a은 본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면이 반사면으로 작용하는 모노폴 안테나 유닛을 포함하는 안테나 유닛의 3차원 방사패턴을 도시하고 있다.
도 8b는 본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면이 도파면으로 작용하는 모노폴 안테나 유닛을 포함하는 안테나 유닛의 3차원 방사패턴을 도시하고 있다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

또한, 명세서에 기재된 "...소자", "...패치", "...유닛", "...글라스" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 본 명세서에서 구성의 명칭을 X 방향, Y 방향 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, X 방향과 Y 방향은 한 평면상에 상대적으로 90도의 각도를 갖는 방향을 의미하는 것이다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예로서, X 방향은 글라스 평면을 기준으로 상하 방향으로서 길이 방향과 동일한 의미를 가지며, Y 방향은 글라스 단면의 좌우 방향으로서 폭 방향과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있다.

또한, 본 명세서에서 구성의 방향을 제 1방향, 제 2방향 등으로 구분한 것은 글라스 일 평면을 기준으로 서로 반대되는 방향을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

이하, 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 모노폴 안테나 유닛(100)을 포함하는 글라스(10) 안테나 구조를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 차량의 외부와 마주하도록 위치되는 글라스(10), 글라스(10) 일면에 적어도 일부에 위치하는 모노폴 안테나 유닛(100)을 포함한다. 더욱이, 본 발명의 일 실시예에서 글라스(10)는 소다 석회 유리로 제조될 수 있으며, 글라스(10)의 일면은 기판의 베이스로서 모노폴 안테나 유닛(100)이 인쇄될 수 있도록 구성된다. 글라스(10)는 유전율의 비가 대략 7.0을 갖도록 구성될 수 있다. 더 바람직하게, 본 발명의 글라스(10) 유전율의 비는 6.8 내지 7.1을 갖도록 구성될 수 있다.

또다른 실시예로, 모노폴 안테나 유닛(100)은 글라스(10) 일면에 위치되도록 구성된다. 더 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서 윈드실드 글라스(10)의 상단 또는 하단에 위치하도록 구성될 수 있다. 또한, 모노폴 안테나 유닛(100)은 차량과 급전되도록 커넥터를 포함한다. 커넥터는 CPW(Co-planar waveguide) 급전선로로 구성되고 글라스(10) 일단에서 차량과 급전되도록 구성된다. 즉, 전기 신호를 차량으로 송수신할 수 있도록 글라스(10) 일단과 모노폴 안테나 유닛(100)의 끝단이 일치하도록 구성된다.

본 발명의 일 실시예에서, 모노폴 안테나 유닛(100)은, 글라스(10)의 일면에 위치하고, X 방향으로 연장되어 위치되는 모노폴 안테나 패치를 포함한다. 모노폴 안테나 유닛(100)의 모노폴 안테나 패치는 가로(높이 또는 X 방향), 세로(폭 또는 Y 방향) 길이와 글라스(10)의 유전율이 설계 변수로 작용한다. 이때 해당 안테나의 모노폴 안테나 패치의 사이즈는 28 GHz에서 공진하면서 최대의 전면 방향이득을 가질 수 있다.

또한, 모노폴 안테나 유닛(100)은 CPW 급전선로(300)의 끝단으로부터 높이 방향으로 1.23 ± 0.1 mm의 길이를 갖도록 구성되고, 폭은 0.5 ± 0.1 mm의 폭을 갖도록 구성될 수 있다. 더 바람직하게, 모노폴 안테나 유닛(100)의 폭은 CPW 급전소자의 폭과 동일한 폭을 갖도록 구성될 수 있다.

모노폴 안테나 유닛(100)은 글라스(10) 일면에 레이저 가공 또는 실크스크린 기법으로 인쇄되어 구성될 수 있으며, 모노폴 안테나 유닛(100)의 재질은 전기적으로 도체 성질을 포함하는 구리, 은 또는 은 재질을 포함하는 물질을 혼합하여 사용될 수 있다.

모노폴 안테나 유닛(100)이 인쇄된 글라스(10)의 일면 상단을 감싸도록 구성되는 코팅층을 포함하는바, 코팅층은 글라스(10) 일면에 인쇄된 모노폴 안테나 유닛(100)의 물리적 손상을 방지할 수 있는 물성으로 증착될 수 있다. 더 바람직하게, 코팅층은 불소계 코팅제, 에폭시계 코팅제, 또는 실리콘 코팅제를 이용하여 구성될 수 있으며, 예를 들면, OS-210HF 또는 DS-530Z가 될 수 있다.

모노폴 안테나 유닛(100)은 글라스(10) 일단에 일부가 개방된 상태로 위치될 수 있는바, 개방된 모노폴 안테나 유닛(100)의 일단에는 커넥터를 포함하여 차체와 케이블 연결되도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서 커넥터와 케이블은 전기 신호의 급전을 수행하기 위해 CPW 급전선로(300)를 포함할 수 있다. CPW 급전선로(300)는 모노폴 안테나 유닛(100)과, 모노폴 안테나 유닛(100)의 양 옆으로 평행하게 위치하는 그라운드와 체결되도록 구성된다.

더욱이, 그라운드와 모노폴 안테나 유닛(100) 사이의 이격 공간을 포함한다. 이때, 모노폴 안테나 패치의 크기를 고려하여 연장선로의 폭은 모노폴 안테나 패치의 폭보다 작도록 구성된다. 그라운드는 모노폴 안테나 패치가 위치하는 글라스(10) 양측면에 이격되어 위치될 수 있다.

또한, 본 발명에서 CPW 급전선로(300)는 5G 주파수 대역(28 mmWave 대역)에서 급전이 가능하도록 구성된다. 본 발명의 CPW 급전선로(300)는 차량에 장착된 전력공급원으로부터 연결된 케이블과 연결된다. 전력케이블은 통상의 동축케이블 이용될 수 있지만 전송특성이 양호하고 내심(+)과 외피(-)가 명확히 구분된 구성이라면 케이블의 형태에 대해 제한받지 않는다. CPW 급전선로(300)에서 선로부분은 케이블의 내심에 연결되고 그라운드는 케이블의 외피에 연결된다. 연결되는 수단은 납땜 혹은 그와 동일 역할을 하는 다른 전기적 연결 수단일 수 있다.

모노폴 안테나 유닛(100)이 위치하는 글라스(10)의 일면과 대응되는 타면에는 다수의 사각패치평면(200)가 위치되도록 구성될 수 있다. 다수의 사각패치평면(200)는 안테나의 주 방사방향을 결정하도록 구성되는바, 도파면 또는 반사면으로 작용하도록 구성된다. 더 바람직하게, 사각패치평면(200)은 다양한 형태를 갖도록 구성될 수 있으며, 일면에 위치하는 모노폴 안테나 유닛(100)과 대응되는 글라스(10) 타면에 다수의 열 및 다수의 행으로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면(200)은 글라스(10) 일면을 따라 방사되도록 구성될 수 있는바, 반사면의 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 일예로, 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 방사되는 전파와 180°차이의 위상을 갖도록 사각패치평면(200)의 반사파가 형성되는 경우 사각패치평면(200)에 반사되는 반사파에 의해 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 인가되는 직접파는 상쇄되어 전파의 세기가 감소한다.

또한, 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 방사되는 파형의 0°(또는 360°)차이의 위상을 갖도록 구성될 수 있으며, 이를 통해 사각패치평면(200)에 반사되는 반사파에 의해 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 인가되는 직접파는 보강되어 전파의 세기가 증가한다.

이처럼, 사각패치평면(200)과 글라스(10) 사이의 거리 및 사각패치평면(200)의 형상에 따라 사각패치평면(200)은 모노폴 안테나 유닛(100)이 위치하는 일면으로 전파를 방사하도록 구성되는 반사면으로 작용하도록 구성된다.

이와 반대로, 사각패치평면(200)이 위치하는 타면으로 전파를 방사하도록 구성되는 경우로서, 사각패치평면(200)이 도파면으로 작용하는 경우에는 사각패치평면(200)이 위치하는 글라스(10)의 면을 따라 전파가 방사되도록 구성될 수 있다.

도 2a 내지 도 2b에서는 본 발명의 일 실시예로서, 모노폴 안테나 유닛(100)을 기준으로 폭 방향을 따라 위치하는 기생 소자(500)를 도시하고 있다.

기생 소자(500)는 모노폴 안테나 유닛(100)과 실질적으로 동일한 형태의 길이 방향으로 장변을 갖도록 구성되는 사각형상으로 구성될 수 있다. 더욱이, 모노폴 안테나 유닛(100)의 양측면을 따라 길이 방향으로 각각 2개로 구분된 기생 소자(500)로 구성될 수 있다.

기생 소자(500)를 추가할 경우, 기존 모노폴 안테나 유닛(100)만 위치하는 안테나 구조 대비 최대이득과 Gain-bandwidth가 증가한다. 여기서 Gain-bandwidth는 최대 이득을 가지는 주파수를 의미하는바, 최대 이득의 1/2이득 이상 (최대 이득의 -3dB 이상)을 나타내는 주파수 대역을 의미한다.

본 발명의 일 실시예로서, 기생 소자(500)를 포함하는 안테나 구조에서 기생 소자(500)는 X 방향 길이는 약 1/7 파장(1.4 ± 0.1 mm)을 갖도록 구성되고, Y 방향 너비는 약 1/9파장(0.8 ± 0.1 mm)의 폭을 갖도록 구성될 수 있다.

더욱이, 기생 소자(500)는 길이 방향으로 두개의 기생 소자(500)가 서로 이격되어 위치될 수 있는바, CPW 급전소자와 인접하여 위치하는 첫번째 기생 소자(500)는 CPW 급전소자의 끝단으로부터 길이 방향으로 약 1/100파장(0.15 ± 0.05 mm)의 간극을 포함하도록 위치될 수 있다.

또한, 길이 방향으로 CPW 급전소자와 멀리 이격된 기생 소자(500)는 하단에 길이 방향으로 인접하여 위치하는 기생 소자(500)의 상단으로부터 약 1/100파장(0.15 ± 0.05 mm)의 이격되도록 위치될 수 있다.

더욱이, 기생 소자(500)는 모노폴 안테나 유닛(100)의 폭 방향을 기준으로 약 1/100파장(0.15 ± 0.05 mm)의 간극을 두고 위치될 수 있다. 더 바람지하게, 모노폴 안테나 유닛(100)을 기준 기생 소자(500)는 좌우 대칭되는 형태로 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 상기 디스크 소자(400)가 모노폴 안테나 유닛(100)의 끝단에 위치하는 실시예를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 모노폴 안테나 유닛(100)은 글라스(10)의 일단과 가까이 위치하는 CPW 급전소자와 체결되도록 구성되고, 글라스(10)의 길이 방향을 따라 구성된다. 더욱이, 모노폴 안테나 소자의 끝단에는 디스크 소자(400)가 위치하도록 구성될 수 있다.

모노폴 안테나 소자의 길이 방향 끝단에 위치하는 디스크 소자(400)는 사각형 단면 구조를 포함하도록 구성되고, 모노폴 안테나 소자와 접하여 주파수 대역 특성을 비교적 넓게 유지하는 기능을 수행한다. 더욱이, 디스크 소자(400)는 정사각형 단면을 갖도록 구성될 수 있으며, 한변의 길이는 해당 주파수의 1/5 파장의 길이를 갖도록 구성된다.

즉, 디스크 소자(400)가 연결되는 모노폴 안테나 유닛(100)으로 인가되는 전류가 추가적인 경로를 형성하여 다양한 주파수의 전류 공진을 수행하도록 구성된다. 더욱이, 사각형 형상의 단면을 포함하는 디스크 소자(400)의 구성에 기인하여 해당 주파수인 28GHz 뿐만 아니라 안테나의 안정적인 동작을 위한 보다 넓은 대역폭을 갖는다.

이처럼, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 모노폴 안테나 유닛(100)의 길이 방향 끝단에 위치하는 디스크 소자(400)를 제공할 수 있는바, 다양한 주파수에 따른 전류 공진이 가능하도록 구성된다.

도 4a에서는 본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면(200)을 포함하는 글라스(10)의 타면을 도시하고 있으며, 도 4b에서는 사각패치평면(200)이 반사면으로 구성되는 글라스(10)의 측면을 도시하고 있다. 또한, 도 4c에서는 사각패치평면(200)이 도파면으로 구성되는 글라스(10)의 측면을 도시하고 있다.

본 발명의 사각패치평면(200)은 안테나의 주 방사방향을 모노폴 안테나 유닛(100)이 인쇄된 글라스(10)의 일면으로의 방향(제 1방향) 또는 모노폴 안테나 유닛(100)이 인쇄된 글라스(10)의 후면 방향(제 2방향)으로 방사할 수 있도록 조절이 가능하다. 사각패치평면(200)은 균일한 형태의 사각형 소자가 균일한 간격으로 배열되어 있는 형태이지만 그 목적에 따라 설계는 달라질 수 있다.

제 1방향으로 방사하는 안테나 유닛(100)의 경우 글라스(10) 타면에 주기구조의 사각패치평면(200)을 배치한다. 글라스(10) 타면에 주기구조의 사각패치평면(200)을 배치하는 경우 주기구조의 사각패치평면(200)은 전파를 반사하는 역할을 한다. 즉 설정된 주기구조의 사각패치평면(200)은 '반사면'으로 기능을 수행하도록 구성된다.

즉, 사각 패치표면은 도 4b와 같은 형태로 구성되며 제 1방향으로 방사하는 안테나의 구성에서, 모노폴 안테나 유닛(100)에서 방사된 직접파는 반사면으로 구성되는 사각패치평면(200)을 향해 전파되고, 사각패치평면(200)으로 전사된 전파는 반사면에서 반사되어 다시 모노폴을 향해 전파된다. 이때 사각패치평면(200)으로부터 전사된 반사파가 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 전사된 직접파와 위상이 같으면 두 전자기파가 중첩되어 모노폴 안테나 유닛(100)의 일면으로 방사되는 전파의 세기가 증가한다.

이와 대조적으로 사각패치평면(200)으로부터 전사되는 반사파의 위상이 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 인가되는 직접파의 위상과 180°차이가 나면 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 인가되는 직접파와 사각패치평면(200)으로부터 전사되는 반사파가 상쇄되어 글라스(10)로부터 인가되는 전파의 세기가 감소한다.

더욱이, 반사면으로 작용하는 사각패치평면(200)은 정사각형 형태이며, 한 변의 길이는 약 1/5파장(2 ± 0.2 mm)으로 설정한다. 반사면의 일단은 유리의 일단으로부터 약 1/20파장(0.5 ± 0.1 mm)으로 떨어진 지점에 위치하고, 반사면의 개수는 X 방향으로 6개, Y 방향으로 4개이며, 반사면 간에 1/50파장(0.2 ± 0.05 mm)의 간격을 두고 위치했을 때 전방 이득이 5.22 dBi을 갖도록 구성된다. 여기서 dBi는 안테나의 이득 단위로 이는 이상적인 등방성 안테나 대비 특정 방향으로 전력을 어느정도 배율의 세기로 전달함을 의미하며 3dBi는 대략 2배정도이다

상기 구성과 비교하여, 제 2방향으로 방사하는 안테나의 경우 도 4c에 개시된 바와 같이, 글라스(10) 전면에 주기구조의 사각패치평면(200)을 배치한다. 글라스(10) 전면에 주기구조의 사각패치평면(200)을 배치하는 경우 주기구조의 사각패치평면(200)은 전파의 방향을 이끌어주는 기능을 수행한다. 즉, 사각패치평면(200)은 '도파면'의 기능을 수행할 수 있다.

제 2방향으로 방사하는 모노폴 안테나 유닛(100)의 구성의 경우, 해당 도파면은 도 4c에 도시된 실시예와 같이 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 방사되는 전파의 방향과 위상의 값을 일치시켜 안테나 방사패턴이 전면 방향으로 향할 수 있도록 해주는 구조이다.

사각패치평면(200)은 안테나 유닛(100)과의 거리에 영향을 받으며, 모노폴 안테나 유닛(100)로부터 소정의 거리만큼 이격되어 설정된 크기와 배열 간격이 결정된다. 도 4c와 같이 모노폴 안테나 유닛(100)에서 방사되는 빔패턴은 사각패치평면(200)의 방향과 같이 여러 방면으로 방사된다. 이때, 방사소자로서 모노폴 안테나 유닛(100)의 빔패턴이 높은 지향성을 갖도록 하기위해서 사각패치평면(200) 배열을 사용한다. 일반적으로 사각패치평면(200) 배열은 방사소자로부터 설정된 간격만큼 이격된 높이에 위치하며, 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 방사된 전파의 파면이 모두 제 2방향을 향하도록 구성된다.

또한, 모든 사각패치평면(200) 배열의 위치에서 전파의 위상이 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 방사되는 전파와 동위상을 가지도록 설계된다. 전파의 위상을 모두 동위상으로 동기화를 시켜주게 되면 같은 거리에서 방사되는 모든 파형에 대응하여 전파가 증폭되는 효과를 지닌다. 따라서 본 발명의 안테나 유닛(100)은 사각패치평면(200) 배열을 통해서 안테나 유닛(100)으로부터 인가되는 전파의 방사 방향을 전면 방향으로 보상해줄 뿐만 아니라 전면 방향으로의 안테나 방사 이득 또한 최대 값을 갖게 해주는 구조이다.

따라서 사각패치평면(200)는 안테나의 방사면으로부터 거리에 따라 다르게 설계되며 일반적으로는 모노폴 안테나 유닛(100)으로부터 1/2 파장(5 ± 0.5 mm) 거리에 위치하여 설계된다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 5에 도시된 접합 글라스(10)에 위치하는 안테나 유닛(100) 및 사각패치평면(200)의 측면도를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 접합 글라스(10)의 최외각 일면에 위치하는 모노폴 안테나 유닛(100)을 포함한다. 더욱이, 접합 글라스(10)의 최외각 타면에는 사각패치평면(200)이 위치하도록 구성된다. 접합 글라스(10)는 두 장의 글라스(10)와 PVB 필름이 포함된 두꺼운 차량용 다층 글라스(10)의 유전체를 기판으로 사용하여 고려하였을 때, 약 1/2 파장(5 ± 0.5 mm) 내의 두께를 갖도록 구성된다.

또한, 각 사각패치평면(200)의 위치에서 파면이 동위상을 가져 가장 높은 전면 방향이득을 갖는 사각패치평면(200)의 크기와 사각패치평면(200) 배열 간격이 결정되는바, 본 발명의 일 실시예에 따르면 정사각형 형상의 사각패치평면(200)은 약 1/5 파장(2 ± 0.2 mm)의 길이와 너비를 가지며, 사각패치평면(200)의 배열 간격은 약 1/20(0.5 ± 0.05 mm)의 길이를 갖도록 구성된다. 사각패치평면(200)은 6X6의 배열로 총 36 소자로 이루어질 수 있다. 상기와 같이, 사각패치평면(200)이 설정되는 경우, 해당 주파수에서 모노폴 안테나 유닛(100)의 전면 방향 이득을 최대화될 수 있다.

도 6a은 본 발명의 일 실시예로서, 기생 소자(500)를 포함하는 경우, 제 1방향 이득 데이터를 도시하고 있다.

데이터는 단일 글라스(10) 일면에 위치하는 모노폴 안테나 유닛(100)을 통한 이득 그래프로서, 글라스(10)는 유전율의 비가 대략 7.0을 갖도록 구성되고, 상기 모노폴 안테나 유닛(100)의 길이방향의 길이는 CPW 급전선로(300)로부터 1.23 mm를 갖도록 구성되는 안테나 구조를 대상으로 전방 이득을 도시하고 있다.

더욱이, 기생 소자(500)는 도 2a 내지 2b에 개시된 바와 같이, 상하 방향 길이는 약 1/7파장, 폭 방향 너비는 약 1/9파장외로 구성될 수 있다. 더욱이, 기생 소자(500)는 길이 방향으로 두개의 기생 소자(500)가 모노폴 안테나 유닛(100)을 기준으로 양측에 서로 이격되어 위치될 수 있는바, CPW 급전소자와 인접하여 위치하는 첫번째 기생 소자(500)는 CPW 급전소자의 끝단으로부터 길이 방향으로 약 1/100파장의 간극을 갖도록 구성된다.

또한, 길이 방향으로 CPW 급전소자와 멀리 이격된 기생 소자(500)는 하단에 길이 방향으로 인접하여 위치하는 기생 소자(500)의 상단으로부터 1/100파장의 이격되도록 위치된다. 더욱이, 기생 소자(500)는 모노폴 안테나 유닛(100)의 폭 방향을 기준으로 1/100파장의 간극을 두고 위치된다.

이경우, 기생 소자(500)가 위치하지 않는 안테나 구조와 비교하여, 해당 주파수로서 28 GHz에서 최대 이득이 약 0.68dBi 증가했고 gain-bandwidth는 약 0.2 GHz 넓은 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 6b에서는 모노폴 안테나 유닛(100)의 끝단에 디스크 소자(400)를 위치한 경우 반사계수를 도시하고 있다.

반사계수를 측정하기 위해 모노폴 안테나 유닛(100)의 끝단에 위치하는 디스크 소자(400)는 정사각형 단면을 갖도록 구성될 수 있으며, 한변의 길이는 해당 주파수의 1/5 파장의 길이를 갖도록 구성된다.

도시된 바와 같이 모노폴 안테나 유닛(100)의 끝단에 디스크 소자(400)를 포함하는 경우, 반사계수 대역폭이 증가되는 효과를 도시하고 있는바 해당 주파수에서 반사계수의 대역폭은 디스크 소자(400)가 없는 경우 22.3%에서 디스크 소자(400)를 포함하는 안테나 유닛(100)의 경우, 31.5%로 증가되는 효과를 도시한다. 여기서 비율(%)는 안테나가 동작하는 대역폭에 관한 비율을 의미한다. 즉, 안테나가 동작하는 중심 주파수를 기준으로 최소, 최대 주파수가 얼만큼 넓게 나타나는지를 보여주는 지표이다. 따라서, 도시된 대역폭은 (최대주파수-최소주파수)/(중심주파수)*100 (%)을 통해 산출된 값을 의미한다.

도 7a에서는 본 발명의 일 실시예로서, 사각패치평면(200)이 제 1방향으로 방사하는 구성으로서, 기생 소자(500) 및 사각패치평면(200)이 반사면이 적용된 구성의 신호를 도시하고 있으며, 도 7b는 디스크 소자(400) 및 사각패치평면(200)이 도파면으로 작용되는 구성의 신호를 도시하고 있다.

반사계수는 급전 선로를 포함하는 시스템으로부터 모노폴 안테나 유닛(100)으로 신호를 인가 할 때, 인가된 신호가 안테나에 전달되지 못하고 반사되어 되돌아오는 계수를 의미한다.

반사계수는 통상적으로 dB 스케일로 살펴보며, -10 dB 이하의 반사계수는 시스템에서 전달한 전력의 90% 이상을 안테나에 전달함을 의미한다. 따라서 -10 dB 이하의 반사계수는 해당 주파수 대역에서 안테나의 성능이 우수함을 확인할 수 있는 주요 지표이다.

반사효율(Reflection coefficient)은 글라스(10) 기판이 갖는 재질적 특성, 혹은 안테나의 구조적 특성에 의해 안테나로 전달된 신호가 열 또는 기타에너지로 전환되지 않고 전자기파의 형태로 대기중으로 방사되는 비율을 의미한다. 효율이 0 (0%) 인 것은 대기중으로 방사되는 전자기파가 전혀 없음을 의미하고 효율이 1 (100%) 인 것은 안테나에 인가된 전력이 모두 전자기파의 형태로 대기중으로 방사됨을 의미한다.

도 7a는 모노폴 안테나 유닛(100)을 통해 제 1방향으로 전파를 방사하는 구성으로서, 본 발명의 일 실시예로서, 기생 소자(500)를 포함하는 모노폴 안테나 유닛(100)의 경우, 해당 주파수로서 28 GHz 주파수에서 -18.7 dB의 반사계수와 53.1 %의 효율을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 사각패치평면(200)이 반사면으로서 적용된 모노폴 안테나 유닛(100)이 우수하게 동작하는 것을 확인할 수 있다.

이와 반대로 디스크 소자(400)를 포함하는 안테나 유닛(100)의 사각패치평면(200)으로서, 상기 사각패치평면(200)이 도파면으로 적용되는 경우를 도 7b에 도시하고 있다. 더욱이, 도시된 데이터는 안테나 유닛(100)으로부터 제 2방향으로 전파를 방사하는 구성을 개시하고 있다. 모노폴 안테나 유닛(100)의 해당 주파수인 28 GHz 주파수에서 -11.8 dB의 반사계수를 가지며 디스크 구조를 통해서 24 GHz에서 29.1 GHz의 넓은 동작 대역을 갖는다. 또한, 본 발명의 안테나 유닛(100)은 28 GHz 동작 주파수에서 34.8 %의 효율을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 도파면이 적용된 모노폴 안테나가 우수하게 동작하는 것을 확인할 수 있다.

도 8a 내지 도 8b에서는 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나의 zx, zy 방향에 따른 방사패턴을 도시한 도면이다.

본 발명에서 설명된 바와 같이, 안테나 유닛(100)의 방사 방향을 미리 정해진 방향으로 조향 함으로서 통신에 효율적인 위치로 방사패턴을 집중시킬 수 있다. 안테나의 이득은 dBi 단위로 표현되며 이는 이상적인 등방성 안테나 대비 특정 방향으로 전력을 어느정도 배율의 세기로 전달함을 의미한다.

도 8a에서 도시된 바와 같이, 제 1방향으로 방사하는 구성의 경우, 28 GHz 주파수에서 전면 방향에 대해 3.9 dBi의 이득을 갖는다. 이는 안테나의 평판에 수직한 방향으로 등방성 안테나 대비 최대 2.45배 정도 높은 전력을 전달함을 의미한다.

제2방향으로 방사하는 구성의 경우, 28 GHz 주파수에서 전면 방향에 대해 3.2 dBi의 이득을 갖는다. 이는 안테나의 평판에 수직한 방향으로 등방성 안테나 대비 최대 2배 정도 높은 전력을 전달함을 의미한다.

여기서, 기준이 되는 이득은 등방성 안테나의 이득인 1 dBi를 의미하는바, 이를 선형 수치로 치환해서 나타내면 2.45 배로 전환된다.

여기서 도 8a 내지 도 8b에 관하여 모노폴 안테나 유닛만 존재하는 경우와 비교하여 모노폴 안테나 유닛에 추가적인 영향을 확인하기 위해 기생 소자와 디스크 소자를 적용하여 별도의 시뮬레이션을 진행한 결과를 도시하고 있다. 따라서 각각 모노폴 안테나 유닛만 존재한 경우, 모노폴 안테나 유닛과 기생 소자 및 디스크 소자가 존재하는 경우에 대해서 시뮬레이션한 결과를 각각 비교하였다.

이상 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 기술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 기술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10: 글라스
100: 모노폴 안테나 유닛
200: 사각패치평면
300: CPW 급전선로
400: 디스크 소자
500: 기생 소자

Claims (10)

1. 차량에 위치하는 글라스;
   상기 글라스 일면에 위치하는 모노폴 안테나 유닛;
   상기 글라스 타면에 위치하여 상기 모노폴 안테나 유닛과 대응되는 위치에 구성되는 다수의 사각패치평면; 및
   상기 모노폴 안테나의 일단과 접하는 CPW 급전선로;를 포함하는 글라스 안테나 구조.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 모노폴 안테나 유닛의 끝단에 위치하는 디스크 소자;를 더 포함하는 글라스 안테나 구조.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 디스크 소자의 일변의 길이는 해당 주파수의 1/5 파장의 길이를 갖도록 구성되는 글라스 안테나 구조.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 모노폴 안테나 유닛과 동일한 일면에 위치하고, 상기 모노폴 안테나 유닛의 측면에 인접하여 위치하는 적어도 하나 이상의 기생 소자;를 더 포함하는 글라스 안테나 구조.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 기생 소자는,
   상기 모노폴 안테나 유닛의 폭 방향을 따라 양측에 각각 2개씩 위치하도록 구성되고,
   상기 기생 소자는 서로 인접한 기생 소자 또는 CPW 급전선로로부터 길이방향을 따라 0.15 ± 0.05 mm 이격되고, 상기 모노폴 안테나 유닛의 폭 방향으로 0.15 ± 0.05 mm 이격되도록 구성되는 글라스 안테나 구조.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 사각패치평면은 상기 글라스의 길이방향을 따라 동일한 간격을 갖도록 이격되는 글라스 안테나 구조.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 사각패치평면은 상기 글라스의 폭방향을 따라 동일한 간격을 갖도록 이격되는 글라스 안테나 구조.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 CPW 급전선로의 폭은 0.5 ± 0.1 mm를 갖도록 구성되는 글라스 안테나 구조.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 모노폴 안테나 유닛의 길이방향의 길이는 CPW 급전선로로부터 1.23 ± 0.1 mm를 갖도록 구성되는 글라스 안테나 구조.
   
10. 제 1항에 있어서,
    상기 글라스의 두께는 해당 주파수의 1/3파장 내지 1/2파장의 두께를 갖도록 구성되는 글라스 안테나 구조.
    
    

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