(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用アンテナ装置であって、
一定の方向へ電波を放射する指向性アンテナと、
前記指向性アンテナの垂直上空に設けられ、前記指向性アンテナから上方へ放射される放射電波を側方へ反射して全方位的に拡散させる電波拡散構造体と、を含み、
前記電波拡散構造体は、底面が上方に向けて頂点が前記指向性アンテナに向ける逆円錐形状を有し、
前記電波拡散構造体の側面は、垂直断面視で一定の曲率半径Ｒを有して内側へ湾曲され、
前記曲率半径Ｒの大きさは、前記放射電波の波長の大きさがλであるとき、下記の数式１を満すことを特徴とする車両用アンテナ装置。
［数１］
πλ＜Ｒ＜２０λ
【請求項２】
前記指向性アンテナは、複数の単位アンテナ素子が上方に向けて配列されて上方指向性を有するアレイアンテナであることを特徴とする請求項１に記載の車両用アンテナ装置。
【請求項３】
前記電波拡散構造体は、垂直断面視で内側へ湾曲された側面を有することを特徴とする請求項１に記載の車両用アンテナ装置。
【請求項４】
前記電波拡散構造体の頂点と前記指向性アンテナとの垂直方向距離ｈの大きさは、前記放射電波の波長の大きさがλであるとき、下記の数式２を満たすことを特徴とする請求項１に記載の車両用アンテナ装置。
［数２］
０＜ｈ≦２λ
【請求項５】
前記装置は、
前記指向性アンテナの上部空間を覆い、内部面に前記電波拡散構造体が設けられるドーム構造体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の車両用アンテナ装置。
【請求項６】
前記装置が、前記指向性アンテナの下部面に結合して前記指向性アンテナを支持するベースプレートをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の車両用アンテナ装置。
【請求項７】
前記ベースプレートが、前記ドーム構造体の下縁部と結合して前記ドーム構造体を支持することを特徴とする請求項６に記載の車両用アンテナ装置。
【請求項８】
前記ベースプレートが、車両のルーフ外装パネルと結合する結合部を含むことを特徴とする請求項６に記載の車両用アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用アンテナ装置に関し、より詳しくは、５Ｇ移動通信に適用可能な無指向性車両用アンテナ装置に関する。
【０００２】
本出願は、２０１７年４月２８日出願の韓国特許出願第１０−２０１７−００５５４３２号及び２０１８年４月２０日出願の韓国特許出願第１０−２０１８−００４６１６８号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
通常、車両用アンテナとは、車両で使用される無線通信器機の通信のために車両の内・外部に装着される多様な種類のアンテナを指す。最近、既存の移動通信インフラのトラフィックが限界に達することによって、５Ｇ（５ｔｈ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｍｏｂｉｌｅ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）技術が提案されており、このような５Ｇ移動通信に適用できる車両用アンテナ技術に対する関心と研究が急増している。
【０００４】
しかし、韓国公開特許公報第１０−２０１２−０１０７６６４号に開示されたように、所謂ヘリカルアンテナ（ｈｅｌｉｃａｌ  ａｎｔｅｎｎａ）を使う既存の技術は、送受信面積が狭小で供給電力に対する放射電波電力の割合である放射効率が劣り、特に、２８ＧＨｚ以上の超高周波帯域信号を送受信する５Ｇ移動通信に適用しにくいという問題がある。
【０００５】
また、既存の指向性アンテナ（ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａ）は、高周波帯域信号の送受信及び所定範囲のビームトラッキング（ｂｅａｍ  ｔｒａｃｋｉｎｇ）が可能ではあるが、基本的に高指向性を有することから車両用アンテナに要求される無指向性（ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）を確保できないという問題がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、５Ｇ移動通信に適用可能であり、車両用アンテナに要求される無指向性を有しながらもアンテナ構造を小型化及び単純化する車両用アンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施例による車両用アンテナ装置は、一定の方向へ電波を放射する指向性アンテナと、前記指向性アンテナの垂直上空に設けられ、前記指向性アンテナから上方へ放射される放射電波を側方へ反射して全方位的に拡散させる電波拡散構造体と、を含む。
【０００８】
一実施例において、前記指向性アンテナは、複数の単位アンテナ素子が上方に向けて配列されて上方指向性を有するアレイアンテナであり得る。
【０００９】
一実施例において、前記電波拡散構造体は、底面が上方に向けて頂点が前記指向性アンテナに向ける逆円錐形状を有し得る。
【００１０】
一実施例において、前記電波拡散構造体は、垂直断面視で内側へ湾曲された側面を有し得る。
【００１１】
一実施例において、前記電波拡散構造体の側面は、垂直断面視で一定の曲率半径Ｒを有して内側へ湾曲され、前記曲率半径Ｒの大きさは、前記放射電波の波長の大きさがλであるとき、下記の数式１を満す。
【００１２】
［数１］
0006896883.tif 000002
一実施例において、前記電波拡散構造体の頂点と前記指向性アンテナとの垂直方向距離ｈの大きさは、前記放射電波の波長の大きさがλであるとき、下記の数式２を満たす。
【００１３】
［数２］
0006896883.tif 000003
一実施例において、前記装置は、前記指向性アンテナの上部空間を覆い、内部面に前記電波拡散構造体が設けられるドーム構造体をさらに含み得る。
【００１４】
一実施例において、前記装置は、前記指向性アンテナの下部面に結合して前記指向性アンテナを支持するベースプレートをさらに含み得る。
【００１５】
一実施例において、前記ベースプレートは、前記ドーム構造体の下縁部と結合して前記ドーム構造体を支持するように構成され得る。
【００１６】
一実施例において、前記ベースプレートは、車両のルーフ外装パネルと結合する結合部を含み得る。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、２８ＧＨｚ以上の超高周波帯域信号を送受信できる指向性アンテナを用いて無指向性の車両用アンテナを具現することで、５Ｇ移動通信技術を車両通信に適用することができ、車両通信の速度と品質を改善することができる。
【００１８】
また、ビームトラッキングのための構成を用いず、高指向性を有する指向性アンテナの垂直上空に電波拡散構造体を設け、垂直上方へ進む指向性アンテナの放射電波を全方位的に拡散させることで、車両用アンテナに要求される無指向性を確保しながらも車両用アンテナを小型化し、車両通信システムの全体構成を単純化することができる。
【００１９】
また、車両用アンテナ装置をドーム形態で構成して車両のルーフ外装パネルに設けることで、指向性アンテナの損傷を防止してアンテナ性能を保障することができる。
【００２０】
ひいては、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者であれば、本発明による実施例が、以上で言及されないさらに他の技術的課題を解決できることは、以下の説明から自明に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例による車両用アンテナ装置の斜視図である。
【図２】図１に示した車両用アンテナ装置の分解斜視図である。
【図３】図１に示した車両用アンテナ装置の垂直断面図である。
【図４】本発明に適用される電波拡散構造体の一例を示した斜視図である。
【図５】垂直断面視でフラットな側面を有した電波拡散構造体による電波反射方向を示した図である。
【図６】垂直断面視で外側へ湾曲された側面を有した電波拡散構造体による電波反射方向を示した図である。
【図７】垂直断面視で内側へ湾曲された側面を有した電波拡散構造体による電波反射方向を示した図である。
【図８】本発明による車両用アンテナ装置の動作原理を示した図である。
【図９】本発明による車両用アンテナ装置の２８ＧＨｚ周波数帯域における電界分布を示したグラフである。
【図１０】本発明による車両用アンテナ装置の放射パターンを示したグラフである。
【図１１】本発明による車両用アンテナ装置の適用例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付された図面を参照して本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者が本発明を容易に実施できるよう望ましい実施例を詳しく説明する。但し、本発明の説明にあたり、本発明に関連する公知技術ついての具体的な説明が、不要に本発明の要旨をぼやかすと判断される場合、その詳細な説明を略する。また、後述する用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であって、設計者、製造者などの意図または慣例などによって変わり得る。したがって、その定義は、本明細書全般に亘る内容に基づきなされるべきものであろう。
【００２３】
図１は、本発明の一実施例による車両用アンテナ装置１００の斜視図である。
【００２４】
図２は、図１に示した車両用アンテナ装置１００の分解斜視図である。
【００２５】
図１及び図２に示したように、本発明の一実施例による車両用アンテナ装置１００は、指向性アンテナ１１０及び電波拡散構造体１２０を含み得、実施例によってドーム構造体１３０、ベースプレート１４０などをさらに含み得る。  
前記指向性アンテナ１１０は、一定の方向へ電波を放射するアンテナである。図１に示した指向性アンテナ１１０は、垂直上方へ電波を放射する上方指向性を有するアンテナである。一実施例において、指向性アンテナ１１０は、複数の単位アンテナ素子１１２が上方に向けて配列され、上方指向性を有するアレイアンテナから構成され得る。この場合、複数の単位アンテナ素子１１２は、各々２８ＧＨｚ以上の超高周波帯域信号を送受信できるように小型のアンテナパッチから構成され、誘電体ブロックの上にマトリクス構造で配列され得る。また、複数の単位アンテナ素子１１２は、各々導電性パターンを介して給電回路などと電気的に接続し得る。このような指向性アンテナ１１０は、各々の単位アンテナ素子１１２の配列方向と励振電流の位相調節によって垂直上方の指向性を有するように設計され得る。実施例によって、指向性アンテナ１１０は、上述したアレイアンテナの外にも放射電波の指向性を有する多様な形態のアンテナから構成され得る。
【００２６】
前記電波拡散構造体１２０は、指向性アンテナ１１０の垂直上空に設けられ、前記指向性アンテナ１１０から上方へ放射される放射電波を側方へ反射して全方位的（ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）に拡散させることができる。
【００２７】
図３は、図１に示した車両用アンテナ装置１００の垂直断面図である。
【００２８】
図３に示したように、電波拡散構造体１２０は、指向性アンテナ１１０の上部空間を覆うドーム構造体１３０の内部面に結合して指向性アンテナ１１０の垂直上空に設けられ得る。また、電波拡散構造体１２０は、底面が上方に向けて頂点が指向性アンテナ１１０に向ける逆円錐（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ  ｃｏｎｅ）形状を有し得る。
【００２９】
図４は、電波拡散構造体１２０の一例を示した斜視図である。
【００３０】
図４に示されたように、前記電波拡散構造体１２０は、底面１２２が上方に向けて頂点１２６が指向性アンテナ１１０に向ける逆円錐形状を有するように構成され、指向性アンテナ１１０から垂直上方へ放射される放射電波を、側方へ反射して全方位的に拡散させることができる。
【００３１】
この場合、電波拡散構造体１２０は、垂直断面視で内側へ湾曲された側面１２４を有するように構成され得る。指向性アンテナ１１０の各アンテナ素子１１２から放射される放射電波は、粒子性を有する光線（ｒａｙ）とは異なり波動性が強く、各アンテナ素子１１２の位置や隣接するアンテナ素子１１２との距離、位相差、電波間の干渉、パッチ形状などのような多様な要因によって進行方向が決められ得る。その結果、電波拡散構造体が垂直断面視で完全な逆三角形状を有する場合よりも、電波拡散構造体１２０の側面１２４が一定な曲率または位置によって相違する曲率を有して内側へ湾曲された形状を有する場合において、車両用アンテナ装置１００に要求される無指向性をさらに容易に具現することができる。
【００３２】
図５は、垂直断面視でフラットな側面１２４ａを有する電波拡散構造体１２０ａによる電波反射方向を示している。
【００３３】
図５に示したように、垂直断面視でフラットな側面１２４ａを有する電波拡散構造体１２０ａが本発明に適用される場合、指向性アンテナ１１０から垂直上方へ放射された放射電波（入射波）は、電波拡散構造体１２０ａによって反射されるが、その反射波は全体的に地面と水平に進むことではなく地面と一定な傾斜をなして下方へ進む。その理由は、前述したように、指向性アンテナ１１０の各アンテナ素子１１２から放射される放射電波は、粒子性を有する光線とは異なり、波動性が強いことから、各アンテナ素子１１２の位置や隣接するアンテナ素子１１２との距離、位相差、電波間の干渉などのような多様な要因によって進行方向が決められるためである。即ち、垂直断面視でフラットな側面１２４ａを有する電波拡散構造体１２０ａが本発明に適用される場合、車両用アンテナに要求される放射パターンの無指向性を具現しにくい。
【００３４】
図６には、垂直断面視で外側へ湾曲された側面１２４ｂを有する電波拡散構造体１２０ｂによる電波反射方向が示されている。
【００３５】
図６に示したように、垂直断面視で外側へ膨らむように湾曲された側面１２４ｂを有する電波拡散構造体１２０ｂが本発明に適用される場合、指向性アンテナ１１０から垂直上方へ放射された放射電波（入射波）は、電波拡散構造体１２０ｂによって反射されるが、その反射波は、全体的に地面と水平に進むことではなく、図５の場合よりも地面と急激な傾斜をなして下方へ進む。即ち、垂直断面視で外側へ湾曲された側面１２４ｂを有する電波拡散構造体１２０ｂが本発明に適用される場合、車両用アンテナに要求される放射パターンの無指向性を具現することができない。
【００３６】
図７には、垂直断面視で内側へ湾曲された側面１２４ｃを有する電波拡散構造体１２０ｃによる電波反射方向が示されている。
【００３７】
図７に示されたように、垂直断面視で内側へ凹むように湾曲された側面１２４ｃを有する電波拡散構造体１２０ｂが本発明に適用される場合、指向性アンテナ１１０から垂直上方へ放射された放射電波（入射波）は、電波拡散構造体１２０ｃによって反射され、その反射波は全体的に地面と水平に進む。即ち、垂直断面視で内側へ湾曲された側面１２４ｃを有する電波拡散構造体１２０ｃが本発明に適用される場合、車両用アンテナに要求される放射パターンの無指向性を容易に具現することができる。
【００３８】
一方、電波拡散構造体１２０の製造に際し、電波拡散構造体１２０の側面角度、側面曲率などを調整すれば、所望する放射電波の反射角度を具現することができる。この場合、電波拡散構造体１２０は、少なくとも反射面となる側面１２４がメタル素材から構成され得る。
【００３９】
また、図３を参照すれば、上述したように、電波拡散構造体１２０の側面は、垂直断面視で一定な曲率半径Ｒを有して内側へ湾曲されるように構成され得る。 また、このような電波拡散構造体１２０は、指向性アンテナ１１０と一定な距離ｈを置いて指向性アンテナ１１０の中心部の垂直上方に設けられ得る。
【００４０】
この場合、前記曲率半径Ｒの大きさは、指向性アンテナ１１０から放射される放射電波の波長の大きさがλであるとき、下記の数式１を満すように構成される。
【数１】
0006896883.tif 000004
【００４１】
ここで、πは、円周率を示す。
【００４２】
電波拡散構造体１２０の側面曲率半径Ｒが、πλ以下であるか、または２０λ以上であれば、上方へ放射された指向性アンテナ１１０の放射電波が側方へ円滑に拡散しないため、車両用アンテナに要求される無指向性を確保できなくなり、アンテナ性能が急激に低下する。即ち、電波拡散構造体１２０の側面曲率半径Ｒがπλ以下になれば、電波拡散構造体１２０の側面は、実質的に膨らんでいる面となり、電波拡散構造体１２０の側面曲率半径Ｒが２０λ以上になれば、図５の場合と類似に電波拡散構造体１２０の側面は実質的にフラットな平面になってしまい、指向性アンテナ１１０の放射電波を地面と水平した側方へ反射できなくなる。その結果、車両用アンテナに要求される放射パターンの無指向性を具現することができない。
【００４３】
また、電波拡散構造体１２０と指向性アンテナ１１０との最短距離、即ち、電波拡散構造体１２０の頂点と指向性アンテナ１１０との垂直方向距離ｈの大きさは、指向性アンテナ１１０から放射される放射電波の波長の大きさがλであるとき、下記の数式２を満たすように構成される。
【数２】
0006896883.tif 000005
【００４４】
電波拡散構造体１２０の頂点と指向性アンテナ１１０との垂直方向距離ｈが２λよりも大きければ、ソースとの間隔が重要なアンテナの特性上、電波拡散構造体１２０は、リフレクタ（Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）として動作することではなく、返ってディレクタ（Ｄｉｒｅｃｔｏｒ）として動作するようになってしまい、指向性アンテナ１１０の電波が側面方向ではなく垂直方向のみへ放射される結果をもたらす。即ち、電波拡散構造体１２０は、指向性アンテナ１１０の放射電波を、図７のように地面と水平な側方へ反射できなくなり、車両用アンテナに要求される放射パターンの無指向性を具現できなくなる。
【００４５】
一方、指向性アンテナ１１０が正方形のパネル形態で構成される場合、電波拡散構造体１２０の頂点と指向性アンテナ１１０との垂直方向距離ｈは、下記の数式３のように定めることができる。
【数３】
0006896883.tif 000006
【００４６】
ここで、ｄは指向性アンテナ１１０の一辺の長さ、λは指向性アンテナ１１０から放射される放射電波の波長の大きさ、Ｒは電波拡散構造体１２０の側面曲率半径、πは円周率を示す。
【００４７】
一方、前述したように、車両用アンテナ装置１００は、ドーム構造体１３０及びベースプレート１４０をさらに含み得る。
【００４８】
前記ドーム構造体１３０は、指向性アンテナ１１０の上部空間を覆い、その内部面に電波拡散構造体１２０が設けられ得る。このようなドーム構造体１３０は、ポリカーボネート（ＰＣ：Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ポリアミド（ＰＡ：Ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ポリアセタール（ＰＯＭ：Ｐｏｌｙａｃｅｔａｌ，  ポリオキシメチレン（ＰＯＭ：Ｐｏｌｙ  Ｏｘｙ  Ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ：Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ−Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ−Ｓｔｙｒｅｎｅ）などのように特定の誘電率を示す素材または特定の誘電率を示す素材を二つ以上組み合わせた素材から構成され得る。この場合、望ましいドーム構造体１３０の誘電率は、  １〜１０［Ｆ／ｍ］である。また、ドーム構造体１３０は、構成素材の誘電率によってその大きさや厚さが変わり得る。
【００４９】
前記ベースプレート１４０は、指向性アンテナ１１０の下部面に結合して前記指向性アンテナ１１０を支持し得る。この場合、ベースプレート１４０は、ドーム構造体１３０の下縁部と結合して前記ドーム構造体１３０を支持し得る。
【００５０】
図８には、本発明による車両用アンテナ装置１００の動作原理が示されている。
【００５１】
図８に示されたように、上方への高指向性を有する指向性アンテナ１１０に給電が開始されれば、指向性アンテナ１１０は、垂直上方へ電波を放射する。放射電波は、垂直上空に設けられた電波拡散構造体１２０によって側方へ反射されて全方位的に拡散する。このように、前記車両用アンテナ装置１００の指向性アンテナ１１０は、電波を垂直上方のみへ放射すればよいので、既存の指向性アンテナとは異なり、ビームトラッキングを行わなくてもよい。その結果、本発明による車両用アンテナ装置１００は、ビームトラッキングのための位相調整器（ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔｅｒ）などの構成を備えることなく車両用アンテナに要求される無指向性を確保しながらも、車両用アンテナを小型化して車両通信システムの全体構成を単純化することができる。
【００５２】
図９は、本発明による車両用アンテナ装置１００の２８ＧＨｚ周波数帯域における電界分布を示したグラフである。
【００５３】
図９に示したように、指向性アンテナ１１０から垂直上方へ放射された放射電波は、指向性アンテナ１１０の上部に設けられた電波拡散構造体１２０によって側方へ反射され、全方位的に拡散することが分かる。
【００５４】
図１０は、本発明による車両用アンテナ装置１００の放射パターンを示したグラフである。
【００５５】
図１０に示したように、本発明による車両用アンテナ装置１００は、全方位的に均一な放射パターンを示すという点で、本発明の実際具現時、車両用アンテナに要求される無指向性を確保することができることが分かる。
【００５６】
図１１は、本発明による車両用アンテナ装置１００の適用例を示している。
【００５７】
図１１に示したように、前記車両用アンテナ装置１００は、車両１０のルーフ（ｒｏｏｆ）に設けられ得る。この場合、車両用アンテナ装置１００のベースプレート１４０は、車両１０のルーフ外装パネルに設けられて固定され得る。このために、ベースプレート１４０は、車両１０のルーフ外装パネル及び結合部（図示せず）を含み得る。この場合、ベースプレート１４０の結合部は、車両１０のルーフ外装パネルに設けられた設置溝に挿入されて固定される結合突起として構成されるか、または、接着部材を介して車両１０のルーフ外装パネルに接着される接着面として構成されるか、または、ねじなどの結合部材が挿入されて前記結合部材を介して車両１０のルーフ外装パネルに結合する結合溝などとして構成され得る。
【００５８】
このように、放射パターンの無指向性（ｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）を有する車両用アンテナ装置１００が車両１０のルーフに設けられて電波を放射して信号を送受信することで、車両１０の走行方向と関係なく車両通信を安定的に行うことができる。
【００５９】
上述したように、本発明によれば、２８ＧＨｚ以上の超高周波帯域信号を送受信できる指向性アンテナを用いて無指向性の車両用アンテナを具現することで、５Ｇ移動通信技術を車両通信に適用することができ、車両通信の速度と品質を改善することができる。
【００６０】
また、ビームトラッキングのための構成を用いることなく、高指向性を有する指向性アンテナの垂直上空に電波拡散構造体を設けて垂直上方へ進む指向性アンテナの放射電波を全方位的に拡散させることで、車両用アンテナに要求される無指向性を確保しながらも車両用アンテナを小型化し、車両通信システムの全体構成を単純化することができる。
【００６１】
また、車両用アンテナ装置をドーム形態で構成して車両のルーフ外装パネルに設けることで、指向性アンテナの損傷を防止してアンテナ性能を保障することができる。
【００６２】
ひいては、本発明による実施例は、当該技術分野は勿論、関連技術分野において本明細書に言及された内容以外の他の多様な技術的課題を解決できることは勿論である。
【００６３】
以上、本発明について具体的な実施例を挙げて説明した。しかし、当業者であれば、本発明の技術的範囲において多様な変形実施例を具現できることを明確に理解できるだろう。したがって、上述の実施例は、限定的な観点ではなく説明的な観点から考慮されるべきである。即ち、本発明の真正な技術的思想は請求範囲に示されており、その均等範囲内における全ての相違点は本発明に含まれるものと解釈されるべきである。
【図１】
0006896883.tif 000007
【図２】
0006896883.tif 000008
【図３】
0006896883.tif 000009
【図４】
0006896883.tif 000010
【図５】
0006896883.tif 000011
【図６】
0006896883.tif 000012
【図７】
0006896883.tif 000013
【図８】
0006896883.tif 000014
【図９】
0006896883.tif 000015
【図１０】
0006896883.tif 000016
【図１１】
0006896883.tif 000017