KR101288237B1 - 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나 - Google Patents

Abstract

원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 유전체 기판; 상기 유전체 기판상에 형성되는 방사 패치; 및 상기 방사 패치와 커플링 가능한 거리로 이격되어 설치되며 상기 유전체 기판에 비해 높은 높이를 가지고 접지와 전기적으로 결합되는 다수의 수직 기둥을 포함한다. 개시된 안테나는 원형 편파 및 선형 편파 신호를 모두 원활하게 수신할 수 있으며, 위성 신호용 안테나에서 지상파 신호의 수신 성능을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나{Patch Antenna for Receiving Circular Polarization and Linear Polarization}

본 발명의 실시예들은 신호를 송수신하는 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원형 편파 및 선형 편파 신호를 수신하기 위한 패치 안테나에 관한 것이다.

패치 안테나는 얇은 접지 도체판 위에 소정의 두께를 가지는 유전체를 적층하고 유전체상에 소정의 크기를 가지는 패치 방사체를 적층한 구조를 가지는 안테나이다.

패치 안테나는 패치 방사체, 유전체 기판, 접지판, 급전부분으로 이루어지며, 제작의 용이성, 경량성 및 소형화 등의 장점으로 인해 널리 사용되고 있다.

방사 패치는 사각형, 원형, 삼각형 등 다양한 형태로 구현되며, 일반적인 패치 안테나는 단일 유전체 위에 방사 패치가 구비되고 급전을 위해 마이크로스트립 급전 선로 또는 동축 선로가 이용된다.

패치 안테나는 GPS 신호, XM 대역 신호와 같은 위성 신호의 수신에도 이용되며, 특히 샤크 안테나와 같은 차량용 외장형 안테나에서 널리 사용되고 있다.

XM 대역의 신호와 같은 특정 대역의 신호는 원형 편파 신호인 위성 신호와 선형 편파 신호인 지상파 신호가 함께 제공되며 위성 신호의 수신이 어려운 지역에서는 지상의 중계기 등으로부터 제공되는 지상파 신호를 수신한다.

기존의 원형 편파 및 선형 편파 신호를 수신하는 패치 안테나는 선형 편파를 가지는 지상파 신호의 게인이 원형 편파에 비해 매우 낮은 특성을 가져 터널 등의 음영 지역에서 적절한 성능을 제공하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명에서는 원형 편파 및 선형 편파 신호를 모두 원활하게 수신할 수 있는 패치 안테나를 제공한다.

또한, 본 발명은 위성 신호용 안테나에서 지상파 신호의 수신 성능을 개선시킬 수 있는 패치 안테나를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 유전체 기판; 상기 유전체 기판상에 형성되는 방사 패치; 및 상기 방사 패치와 커플링 가능한 거리로 이격되어 설치되며 상기 유전체 기판에 비해 높은 높이를 가지고 접지와 전기적으로 결합되는 다수의 수직 기둥을 포함하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나가 제공된다.

상기 다수의 수직 기둥은 상기 방사 패치를 둘러싼다.

상기 다수의 수직 기둥은 길이가 폭보다 큰 구조를 가진다.

상기 수직 기둥의 높이는 원형 편파 신호의 수신에 간섭을 주지 않도록 설정된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 유전체 기판; 상기 유전체 기판상에 형성되는 방사 패치; 및 상기 방사 패치와 커플링 가능한 거리에 위치하며 접지와 전기적으로 연결되며 상기 방사 패치를 둘러싸도록 형성되는 다수의 수직 기둥을 포함하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나가 제공된다.

본 발명에 의하면, 원형 편파 및 선형 편파 신호를 모두 원활하게 수신할 수 있으며, 위성 신호용 안테나에서 지상파 신호의 수신 성능을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에서 원형 편파인 위성 신호의 수신 각도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에서 선형 편파인 지상파 신호의 수신 각도를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나와 종래의 패치 안테나의 수신 각도별 안테나 게인을 비교한 표.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나는 접지면(100), 유전체 기판(102), 방사 패치(104), 다수의 수직 기둥(106) 및 유전체 구조물(108)을 포함할 수 있다.

접지면(100)은 접지와 전기적으로 연결되며 금속 재질로 이루어진다. 접지면은 유전체 기판(102)에 비해 큰 사이즈를 가지는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.

접지면(100) 상부에는 유전체 기판(102)이 위치하며, 일례로 유전체 기판(102)은 세라믹 재질로 이루어질 수 있으나, 유전체 재질은 필요한 유전율에 따라 달라질 수 있을 것이다.

유전체 기판(102)의 상부에는 방사 패치(104)가 결합된다. 방사 패치(104)의 사이즈 및 형태는 사용 주파수에 의해 결정되며 일례로 XM 대역을 수신할 수 있도록 사이즈 및 형태가 설정될 수 있다. 방사 패치(104)는 위성 신호인 원형 편파 신호와 지상파 신호인 선형 편파 신호를 수신할 수 있도록 디자인된 방사 패치이다.

방사 패치(104)에는 급전 신호가 제공되며, 방사 패치(104)로의 급전은 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 일례로, 동축 케이블에 의한 동축 급전이 이루어질 수도 있으며 마이크로 스트립 라인에 의한 급전이 이루어질 수도 있다. 도 1에는 별도의 급전 구조가 도시되어 있지 않으며 공지된 다양한 급전 방식이 적용될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 다수의 수직 기둥(106)을 포함하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다수의 수직 기둥(106)은 유전체 기판과는 소정 거리 이격되어 유전체 기판(102) 및 이에 결합된 방사 패치(104)를 둘러싸도록 형성된다. 방사 패치(104)와 수직 기둥들과의 이격 거리는 전자기적 커플링이 가능한 거리 내인 것이 바람직하다.

도 1을 참조하면, 다수의 수직 기둥(106)은 방사 패치(104)의 4면을 둘러싸고 있다. 다수의 수직 기둥(106) 각각은 도전성 재질로 이루어지며 길이가 폭보다 긴 봉 형태를 가지는 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 수직 기둥(106)은 유전체 구조물(108)에 결합될 수 있으며, 다수의 수직 기둥(106) 각각은 접지와 전기적으로 연결된다. 일례로, 유전체 구조물(108)의 수직 기둥들(106)과의 결합면들에는 접지 패턴이 형성되어 수직 기둥들(106)이 접지와 전기적으로 연결될 수 있으나, 이는 일 실시예에 불과하고 다양한 방식으로 수직 기둥들(106)이 접지와 연결될 수 있다는 점은 당업자에게 있어 자명할 것이다.

유전체 기판(102)과 소정 거리 이격되는 다수의 수직 기둥들(106)은 방사체가 수신하는 신호 중 선형 편파의 지상파 신호에 대한 안테나 게인을 증가시키는 기능을 한다.

원형 편파 및 선형 편파 신호를 수신하는 본 발명의 안테나는 원형 편파 신호 및 선형 편파 신호를 각각 다른 각도로 수신한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에서 원형 편파인 위성 신호의 수신 각도를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에서 선형 편파인 지상파 신호의 수신 각도를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 원형 편파를 가지는 위성 신호는 0도에서 60도 사이의 각도에서 주로 수신되며, 도 3을 참조하면, 선형 편파를 가지는 지상파 신호는 60도 내지 90도 사이의 각도에서 주로 수신된다.

본 발명의 수직 기둥들(106)은 60 내지 90도 사이의 각도로 수신되는 지상파 신호의 방사 특성을 양호하게 한다.

패치 안테나는 방사 패치(104)의 에지 부분에서 발생하는 프린징 필드(Fringing Field)에 의해 주요한 방사가 이루어지며, 에지에 근접한 금속 재질의 수직 기둥들은 프린징 필드에 의한 방사 신호 중 일부가 수직 기등으로 커플링 되도록 하여 그 자체로 모노폴 방사체로 동작한다.

즉, 방사 패치(104)에서 방사되는 신호 중 수직 기둥(106)으로 커플링되는 신호는 수직 기둥을 통해 다시 방사가 되어 수평 방향(60도 내지 90도)으로 수신되는 지상파 신호의 게인을 증가시킬 수 있게 된다.

수직 기둥(106)의 높이는 유전체 기판 보다는 높아야 하며, 원형 편파 신호의 수신에 영향을 주지 않는 높이를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 수직 기둥의 높이는 60도보다 작은 각도의 신호인 위성 신호에는 영향을 미치지 않도록 설정되는 것이 바람직하다.

수직 기둥의 개수가 많아질수록 방사 패치와의 캐패시턴스 성분 증가로 인해 수평 신호의 게인 자체는 증가할 수 있으나 방사 패치의 공진 주파수에 영향을 줄 수 있으므로 수직 기둥의 개수는 원하는 공진 주파수와 안테나 게인에 의해 결정된다.

다수의 수직 기둥들 사이의 간격은 수직 기둥의 폭보다 넓은 것이 바람직하며 수직 기둥의 개수와 수직 기둥 사이의 간격은 사용 환경에 따라 조절 가능하다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치 안테나는 다수의 수직 기둥(106)이 방사 패치(104)의 4면을 둘러싸도록 형성되지 않고 2면만을 둘러싸도록 형성되어 있다.

방사 패치 주변에 설치되는 다수의 수직 기둥(106)은 방사 패치를 둘러싸도록 설치될 때 수평 신호의 게인을 효과적으로 증가시킬 수 있으나 본 발명의 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 4면 중 어느 한 면에만 다수의 수직 기둥이 배열되어도 수평 신호의 게인을 증가시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 구조를 가지는 본 발명의 패치 안테나는 샤크 안테나와 같은 차량용 안테나에 내장될 수 있으며, 샤크 안테나의 바닥부에 설치되어 신호의 송수신을 수행할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 안테나와 종래의 패치 안테나의 수신 각도별 안테나 게인을 비교한 표이다.

도 5를 참조하면, 수신 각도가 75도일 때 다수의 수직 기둥이 설치되지 않은 종래의 안테나는 -0.72dB의 게인을 가지는데 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 0.23dB의 게인을 가지는 것을 확인할 수 있다.

또한, 수신 각도가 90도일 때 다수의 수직 기둥이 설치되지 않은 종래의 안테나는 -3.51dB의 게인을 가지는데 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 -2.23dB의 게인을 가지고 있어 본 발명의 수직 기둥이 설치된 패치 안테나는 60도 내지 90도를 가지고 수신되는 수평 신호의 게인을 현저히 증가시킨다는 점을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

1. 유전체 기판;
   상기 유전체 기판상에 형성되는 방사 패치; 및
   상기 방사 패치와 커플링 가능한 거리로 이격되어 설치되며 상기 유전체 기판 및 방사 패치에 비해 높은 높이를 가지고 접지와 전기적으로 결합되는 다수의 수직 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 수직 기둥은 상기 방사 패치를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 수직 기둥은 길이가 폭보다 큰 구조인 것을 특징으로 하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나.
4. 제1항에 있어서,
   상기 수직 기둥의 높이는 원형 편파 신호의 수신에 간섭을 주지 않도록 설정되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나.
5. 유전체 기판;
   상기 유전체 기판상에 형성되는 방사 패치; 및
   상기 방사 패치와 커플링 가능한 거리에 위치하며 접지와 전기적으로 연결되며 상기 방사 패치를 둘러싸도록 형성되는 다수의 수직 기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 수직 기둥은 길이가 폭보다 큰 구조인 것을 특징으로 하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나.
7. 제5항에 있어서,
   상기 수직 기둥의 높이는 원형 편파 신호의 수신에 간섭을 주지 않도록 설정되는 것을 특징으로 하는 원형 편파 및 선형 편파 수신을 위한 패치 안테나.

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