KR20170128676A - 원편파 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원편파 패치 안테나에 관한 것으로, 특히 광대역이며 우수한 축비특성을 갖는 원편파 패치 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상부 인쇄회로 기판, 상부 인쇄회로 기판으로부터 일정한 간격으로 이격되고, 급전 회로망이 형성되며 접지면으로 동작하는 하부 인쇄회로 기판, 상부 인쇄회로 기판과 하부 인쇄회로 기판의 급전 회로망을 전기적으로 연결하는 2개의 급전 금속핀, 상부 인쇄회로 기판과 하부 인쇄회로 기판을 단락시키는 2개의 단락 금속핀 및 급전 회로망에 전류를 여기시키는 동축선을 포함하는 원편파 패치 안테나가 제공된다.

Description

원편파 패치 안테나{A Circularly-Polarized Patch Antenna}

본 발명은 원편파 패치 안테나에 관한 것으로, 특히 광대역이며 우수한 축비특성을 갖는 원편파 패치 안테나에 관한 것이다.

최근 자동차, 기차 등의 안전관리 및 중요 부품 상태의 확인을 위해 ZigBee 통신을 이용한 스마트 센서 네트워크의 활용이 증대되고 있다. 특히 전세계적으로 고속철도의 보급이 증대됨에 따라 ICT 기술을 활용한 안전관리 기술이 활발히 연구되고 있다. 고속철도 하부에 자가 발전형 ZigBee 모듈을 설치하고 필요한 데이터를 수집하여 객실 내의 통신모듈에 데이터를 전송하고자 할 때 안정적인 통신링크 형성이 요구된다. 또한, 열차가 평지 통과 시, 교량 통과 시, 플랫폼 정차 시, 터널 통과 시, 개활지 통과 시, 시가지 통과 시 등의 운행환경의 변화에 의해 약간의 차폐만 있어도 전파 손실이 생기는 문제점이 있다. 위와 같은 문제점을 보완하기 위해 고속철도 환경에 적합한 안테나 기술이 사용된다.

안테나가 ZigBee 통신 송신모듈로부터 양질의 정보를 수신하거나, 객차 내부에 설치된 base station 간의 안정적인 통신링크 형성을 위해서는 원편파 특성, 넓은 빔폭, 높은 F/B비(front-back ratio), ZigBee 통신 송신모듈의 위치 및 주변환경에 따른 전파 산란으로 인한 성능 변화의 최소화 등 많은 요구조건을 만족해야 한다. 이를 만족시키기 위해 광대역이며 축비특성이 우수한 원편파 패치 안테나가 요구된다.

패치 안테나의 원편파 구현을 위한 종래 방법으로 패치를 1점에서 급전하는 방법, 패치를 2점 내지 4점에서 급전하는 방법 등이 있다. 이와 같은 구조는 통상적으로 매우 많은 응용범위를 갖고 있으며 접지면과의 높이를 제어함에 따라 다양한 크기의 안테나를 구현할 수 있다. 1점 급전 패치의 경우 축비 대역폭이 매우 작은 단점이 있이서 이를 극복하기 위해 2점 내지 4점 급전 패치를 사용한다. 또한, 안테나의 원편파 구현을 위해선 급전 회로망이 필요하며 이에 따라 추가적인 공간이 요구됨으로써 안테나의 전체 구조가 커지게 된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 패치 급전점 간 동일한 전력과 90°위상차를 공급하는 급전 회로망을 접지면과 일체형으로 구성하기 위한 기술이 요구된다.

본 발명은 소형 및 경량이며 ZigBee 통신모듈에 적용 가능한 원편파 패치 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명은 일정한 길이를 갖고 서로 직교하게 설치된 4개의 슬릿이 구성된 상부 인쇄회로 기판과, 상기 상부 인쇄회로 기판과 일정한 간격을 갖고 대응되도록 설치되며 급전 회로망이 일체형으로 구성된 접지면과, 상기 접지면과 상부 인쇄회로 기판을 전기적으로 연결하는 2점급전과, 축비특성 향상을 위해 2점단락을 이용한 원편파 패치 안테나를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상부 인쇄회로 기판, 상부 인쇄회로 기판으로부터 일정한 간격으로 이격되고, 급전 회로망이 형성되며 접지면으로 동작하는 하부 인쇄회로 기판, 상부 인쇄회로 기판과 하부 인쇄회로 기판의 급전 회로망을 전기적으로 연결하는 2개의 급전 금속핀, 상부 인쇄회로 기판과 하부 인쇄회로 기판을 단락시키는 2개의 단락 금속핀 및 급전 회로망에 전류를 여기시키는 동축선을 포함하는 원편파 패치 안테나가 제공된다.

여기서, 상부 인쇄회로 기판은 사각형의 유전체 기판, 상기 유전체 기판에 배치되며, 4개 모서리가 45° 절단된 사각형의 패치, 상기 패치의 4개 변 각각으로부터 상기 패치의 중심을 향해 일정한 길이를 갖도록 형성된 4개의 슬릿-여기서, 4개의 슬릿은 서로 직교함, 및 절단된 모서리 각각에 평행하게 인접 배치된 2개의 급전용 패드 및 2개의 단락용 패드가 형성된다.

여기서, 상부 인쇄회로 기판의 패치의 절단된 모서리에 평행하게 인접 배치되고 적절한 크기로 배치된 2개의 급전용 패드 및 2개의 단락용 패드 사이 간격을 조정함으로써 우수한 임피던스 정합을 구현할 수 있다.

여기서, 원편파 패치 안테나에는, 상부 인쇄회로 기판의 2개의 단락용 패드와 하부 인쇄회로 기판을 단락시키는 2개의 단락 금속핀이 설치되어 우수한 축비특성을 구현할 수 있다.

여기서, 상부 인쇄회로 기판의 패치 각 변의 중앙에 일정한 길이를 갖고 서로 직교하게 형성된 4개의 슬릿은 두 급전점 사이의 분리도를 증가시킴으로써 축비특성이 향상되도록 할 수 있다.

여기서, 상부 인쇄회로 기판의 패치가 유전체 기판 하면에 인쇄되어 안테나가 함체 내부에 내장 시, 상부 인쇄 회로 기판의 상면은 레이돔 역할을 할 수 있다.

여기서, 급전 회로망은 하부 인쇄회로 기판의 하면에 인쇄되어 급전된 방사에 의한 축비특성 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 원편파 패치 안테나는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 상부 인쇄회로 기판 패치와 상기 패치의 45° 절단된 모서리에 평행하게 인접 배치된 4개의 패드 사이의 간격을 조정함으로써 우수한 임피던스 정합을 갖는다.

둘째, 상부 인쇄회로 기판의 패드와 접지면으로 동작하는 하부 인쇄회로 기판 사이를 단락시키는 2개의 단락 금속핀이 설치됨으로써 우수한 축비특성을 갖는다.

셋째, 상부 인쇄회로 기판의 패치의 테두리 중앙에 일정한 길이를 갖고 서로 직교하게 설치된 4개의 슬릿이 구성되어 두 급전점 사이의 분리도를 증가시킴으로써 축비특성을 향상시킨다.

넷째, 상부 인쇄회로 기판의 패치가 유전체 기판 하면에 인쇄되어 안테나가 금속함체 내부에 내장 시, 상부 인쇄회로 기판이 레이돔 역할을 하는 구조를 가질 수 있다.

이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시 예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시 예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 형상을 예시적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 상부 인쇄회로 기판 하면을 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 하부 인쇄회로 기판 하면을 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 하부 인쇄회로 기판 상면을 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 반사계수 특성을 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 이득패턴을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 축비패턴을 도시한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 형상을 예시적으로 나타낸 분해 사시도이다.

도 1을 참조하면, 원편파 패치 안테나는 상부 인쇄회로 기판(100), 하부 인쇄회로 기판(200), 2개의 단락 금속핀(300a, 300b), 급전 금속핀(310a, 310b), 및 금속함체(400)를 포함한다.

상부 인쇄회로 기판(100)은 사각형의 유전체 기판으로 형성된다. 상부 인쇄회로 기판(100)의 하면에는 모서리가 45° 절단된 사각형으로 배치되는 사각형 패치(110)가 결합된다. 사각형 패치(110)의 4개 변의 중앙에는 사각형 패치(110)의 중심을 향해 일정한 길이로 형성된 4개의 슬릿(130a, 130b, 130c, 130d)이 형성된다. 여기서, 4개의 슬릿(130a, 130b, 130c, 130d) 중 인접하는 두 개의 슬릿은 서로 직교한다. 한편, 4개의 패드(120a, 120b, 120c, 120d)는 사각형 패치(110)의 절단된 모서리에 형성된 변에 평행하게 인접 배치된다.

하부 인쇄회로 기판(200)은 사각형 패치(110)의 접지면으로 동작하며, 상부 인쇄회로 기판(100)으로부터 일정 거리만큼 이격되어 금속함체(400) 내부에 배치된다. 하부 인쇄회로 기판(200)에는 급전 회로망(210)이 형성된다.

2개의 급전 금속핀(310a, 310b)은 상부 인쇄회로 기판(100)의 패드(120a, 120b, 120c, 120d)와 하부 인쇄회로 기판(200)의 급전 회로망(210)을 전기적으로 연결하며, 2개의 단락 금속핀(300a, 300b)은 상부 인쇄회로 기판(100)과 하부 인쇄회로 기판(200)을 전기적으로 단락시킨다.

동축선(220)은 급전 회로망(210)에 전류를 여기시킨다.

금속함체(400)는 안테나 보호를 위해 안테나를 내장할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 상부 인쇄회로 기판 하면을 예시적으로 나타낸 평면도이다.

도 2를 참조하면, 상부 인쇄회로 기판(100)의 하면에는 모서리가 45° 절단된 사각형으로 배치되는 사각형 패치(110)가 결합된다. 4개의 패드(120a, 120b, 120c, 120d)는 사각형 패치(110)의 절단된 모서리에 형성된 변에 평행하게 인접 배치된다. 4개의 패드(120a, 120b, 120c, 120d) 중 2개의 급전용 패드(120a, 120b)에는 급전을 위한 급전용 비아홀(141a, 141b)이 각각 형성되며, 2개의 단락용 패드(120c, 120d)에는 단락을 위한 단락용 비아홀(140a, 140b)이 각각 형성된다. 도 2에서, 급전용 비아홀(141a, 141b) 및 단락용 비아홀(140a, 140b)이 4개의 패드(120a, 120b, 120c, 120d)의 중앙에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

일 실시예로서, 상부 인쇄회로 기판(100)은, 안테나가 금속함체(400) 내부에 내장 시, 상부 인쇄회로 기판(100)의 상면이 레이돔 역할을 하기 위해 사각형 패치(110)가 기판 하면에 인쇄된다.

일 실시예로서, 사각형 패치(110)를 구현함에 있어서, 사각형 패치(110)의 4개의 변 중앙에 일정한 길이와 간격으로 서로 직교하게 설치된 4개의 슬릿(130a, 130b, 130c, 130d)을 배치함으로써, 각 급전점 간의 분리도가 증가될 수 있다. 이로 인해서, 원편파 패치 안테나의 축비특성이 향상될 수 있다.

일 실시예로서, 2개의 급전용 패드(120a, 120b)와 2개의 단락용 패드(120c, 120d)를 구현함에 있어서, 사각형 패치(110)의 절단된 모서리에 형성된 변과의 간격을 조정함으로써 우수한 임피던스 정합을 달성할 수 있다.

일 실시예로서, 사각형 패치(110)의 4개의 변 중앙에 위치한 4개의 슬릿(130a, 130b, 130c, 130d)의 형태는 동일할 수 있다. 또한, 45° 절단된 모서리에 인접하게 위치한 4개의 패드(120a, 120b, 120c, 120d)의 형태 역시 동일할 수 있다. 한편, 도 2에서는 4개의 패드(120a, 120b, 120c, 120d)가 사각형상으로 형성된 것을 도시하고 있지만, 이에 한정되지 않으며, 다각형 또는 원형상으로도 형성될 수 있다. 4개의 패드(120a, 120b, 120c, 120d)는 형상에 상관 없이 45° 절단된 모서리로부터 일정한 간격으로 이격되도록 배치될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 하부 인쇄회로 기판 하면을 예시적으로 나타낸 평면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 하부 인쇄회로 기판 상면을 예시적으로 나타낸 평면도이다.

도 3 및 4를 참조하면, 하부 인쇄회로 기판(200)은 원편파 패치 안테나의 접지면으로 동작한다.

하부 인쇄회로 기판(200)에는 동일 전력과 90°의 위상차를 갖는 신호를 공급하기 위해 구성된 급전 회로망(210)이 배치되며, 2개의 급전 금속핀 연결용 비아홀(213a, 213b), 2개의 단락 금속핀 연결용 비아홀(214a, 214b), 사각 슬롯(217), 및 복수 개의 비아홀(212)이 형성된다. 일 실시예로서, 하부 인쇄회로 기판(200)을 구현함에 있어서, 급전 회로망(210)을 하부 인쇄회로 기판(200)의 하면에 배치하면 급전점 방사에 의한 축비특성 저하를 방지할 수 있다.

2개의 단락 금속핀 연결용 비아홀(214a, 214b)에는 상부 인쇄회로 기판(100)의 2개의 단락용 비아홀(140a, 140b)과 연결되는 2개의 단락 금속핀(300a, 300b)이 각각 삽입된다. 2개의 급전 금속핀 연결용 비아홀(213a, 213b)에는 상부 인쇄회로 기판(100)의 2개의 급전용 비아홀(141a, 141b)과 연결되는 2개의 급전 금속핀(310a, 310b)이 각각 삽입된다.

2개 급전 금속핀(310a, 310b)은 상부 인쇄회로 기판(100)에 위치하는 2개의 급전용 비아홀(141a, 141b)과 하부 인쇄회로 기판(200)의 2개의 급전 금속핀 연결용 비아홀(213a, 213b)을 전기적으로 연결하는 역할과 기구적으로 결합하는 역할을 동시에 수행한다. 또한 2개 단락 금속핀(300a, 300b)은 상부 인쇄회로 기판(100)에 위치하는 2개의 단락용 비아홀(140a, 140b)과 하부 인쇄회로 기판(200)의 2개의 단락 금속핀 연결용 비아홀(214a, 214b)을 전기적으로 연결하여 2개 단락용 비아홀(140a, 140b)과 접지면으로 동작하는 하부 인쇄회로 기판(200)을 2점 단락시킴으로써 축비특성을 향상시킬 수 있다.

2개의 급전 금속핀(310a, 310b) 및 2개의 단락 금속핀(300a, 300b)은 도 1에 도시한 바와 같이 상부 인쇄회로 기판(100)과 하부 인쇄회로 기판(200) 사이에 결합된다. 상부 인쇄회로 기판(100)의 상면에서, 2개의 급전 금속핀(310a, 310b) 및 2개의 단락 금속핀(310a, 310b)은 각 급전용 패드(120a, 120b) 및 단락용 패드(120c, 120d)와 마주보는 점과 납땜에 의해 결합된다. 또한, 하부 인쇄회로 기판(200)의 하면에서, 2개 급전 금속핀(310a, 310b)은 각 급전 금속핀 연결용 비아홀(213a, 213b)과, 나머지 2개 단락 금속핀(300a, 300b)은 각 단락 금속핀 연결용 비아홀(214a, 214b)과 납땜에 의해 연결된다.

급전 회로망(210)은 2개의 급전 금속핀 연결용 비아홀(213a, 213b)에 전력은 동일하지만 90°의 위상차를 갖는 신호를 공급한다. 급전 회로망(210)은, 하부 인쇄회로 기판(200)의 접지면을 격리시키기 위해 구비된 사각 슬롯(217)에 배치되며, 사각 슬롯(217) 주변에는 급전 회로망(210)에서의 전력 손실을 막기 위해 구성된 복수 개의 비아홀(212)이 형성된다. 급전 회로망(210)은 전류를 여기시키는 동축선(220)에 전기적으로 연결된다.

일 실시예로서, 급전 회로망(210)은 상기 하부 인쇄회로 기판(200)의 일측에 인접하게 배치되며, 복수 개의 비아홀(212)과 사각 슬롯(217)으로 주변이 둘러싸인 coplanar waveguide 선로가 적용되어 있다. 복수 개의 비아홀(212)은 coplanar waveguide 선로 상에서 평행 도체판 모드가 여기되어 발생하는 손실을 방지한다.

동축선 연결용 비아홀(211)에서의 임피던스는 50Ω이다. 급전 회로망(210)은 병렬 급전 방식에 의해 구성되는 전송선로(215, 216)를 갖는데, 각 전송선로(215, 216)는 동일하게 100Ω의 특성 임피던스를 갖는다.

일 실시예로서, 각 전송선로(215, 216)의 길이는 급전 금속핀 연결용 비아홀(213a, 213b)에서 90°의 위상차를 갖도록 하기 위해 λ/4 파장 차이가 나도록 한다. 이를 통해 상부 인쇄회로 기판(100)에 형성된 급전용 비아홀(141a, 141b)이 위치한 2개 급전용 패드(120a, 120b)에 각각 동일한 전력을 갖고 90°의 위상차를 가지는 신호가 공급될 수 있다.

일 실시예로서, 동축선(220)과 급전 회로망(210)을 구현함에 있어서, 동축선(220)의 내심은 동축선 연결용 비아홀(211)과 직접 연결되며, 동축선(220)의 외심은 하부 인쇄회로 기판(200)의 접지면과 전기적으로 연결되어 동축선(220)을 통하여 급전 회로망(210)에 전류를 여기시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 반사계수 특성을 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 이득패턴을 도시한 그래프이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 축비패턴을 도시한 그래프이다.

도 5 내지 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 원편파 패치 안테나의 반사계수(320), 2.45GHz에서의 고각 방향 이득패턴(330), 2.45GHz에서의 방위각 방향 이득패턴(340) 및 2.4/2.45/2.5GHz에서의 고각 방향 축비패턴(350)이 도시되어 있다. 예시로 제작된 원편파 패치 안테나의 크기는 가로x세로x높이가 80x80x11mm 이며, 최대 7.5dBic 이득, 2dB 이내의 축비 및 140MHz의 대역폭 특성을 갖는다.

일 실시예로서, 상술한 크기로 제작된 원편파 패치 안테나보다 크기가 증가될 경우 안테나의 최대 이득과 대역폭이 증가하며 축비 특성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 원편파 패치 안테나는 ZigBee 통신 모듈에 설치 시 효과가 뛰어난 소형 및 경량 안테나의 특성을 갖는다.

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 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 상부 인쇄회로 기판
110 : 사각형 패치
120a, 120b : 급전용 패드
120c, 120d : 단락용 패드
130a, 130b, 130c, 130d : 4개의 슬릿
140a, 140b : 단락용 비아홀
141a, 141b : 급전용 비아홀
200 : 하부 인쇄회로 기판
210 : 급전 회로망
215, 216 : 전송선로
310 : 급전 금속핀
300 : 단락 금속핀

Claims (1)

1. 사각형의 유전체 기판,
   상기 유전체 기판에 배치되며, 4개 모서리가 45° 절단된 사각형의 패치,
   상기 패치의 4개 변 각각으로부터 상기 패치의 중심을 향해 일정한 길이를 갖도록 형성된 4개의 슬릿-여기서, 4개의 슬릿은 서로 직교함, 및
   절단된 모서리 각각에 평행하게 인접 배치된 2개의 급전용 패드 및 2개의 단락용 패드가 형성된 상부 인쇄회로 기판;
   상기 상부 인쇄회로 기판으로부터 일정한 간격으로 이격되고, 급전 회로망이 형성되며 접지면으로 동작하는 하부 인쇄회로 기판;
   상기 2개의 급전용 패드와 상기 하부 인쇄회로 기판의 급전 회로망을 전기적으로 연결하는 2개의 급전 금속핀;
   상기 2개의 단락용 패드와 상기 하부 인쇄회로 기판을 단락시키는 2개의 단락 금속핀; 및
   상기 급전 회로망에 전류를 여기시키는 동축선을 포함하는 원편파 패치 안테나.

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