KR100216245B1 - 다주파수용 단일 슬리브 안테나 - Google Patents

Abstract

[목적] 다주파수대용 단일 슬리브 안테나의 제공.

[구성] 동축 전송선로(50)의 임피던스 Z₁과 슬리브(51)의 특성 임피던스 Z₂를 다르게 설계함으로서 금속 부분과 슬리브의 바깥쪽 표면이 전자파를 복사하는 안테나로 동작하게 하고 슬리브의 안쪽 부분과 슬리브 내의 금속 도체는 임피던스 정합 회로로 동작하도록 안테나 복사체 내부에 연장 코일 또는 단축 콘덴서를 넣도록하고, 급전선의 임피던스 Z₁와 안테나 저항 R_a를 동일한 값으로 하여 최대 전력 전달 조건에 만족한 특정한 주파수들을 얻을 수가 있다.

Description

다주파수대용 단일 슬리브안테나

제1도(a) (b) (c)는 단일 주파수대에 사용되는 슬리브 안테나 설명도.

제2도는 2주파수대에 사용되는 슬리브 안테나의 구조도로 (a)는 VHF/UHF용 2주파수 슬리브 안테나이며, (b)는 트렁크 리드형 2주파수 안테나 설명도.

제3도는 본 발명에 의한 슬리브 안테나의 구조도.

제4도는 제3도에 대한 집중정수 등가회로도.

제5도는 슬리브 부분의 특성 임피던스 조정 설명도.

제6도(a) (b) (c)는 다주파수대용 슬리브안테의 변형 예도

제7도 및 제8도는 슬리브안테나의 주파수에 대한 리턴로스 측정도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 50 : 동축 전송선로 11, 51 : 슬리브

20 : 수평도체 21, 22, 51 : 슬리브

23, 53 : 그라운드 플렌 40 : 비 여진 소자

41 : 슬리브 안테나 42, 43 : 쵸크

44 : 고정메탈 45 : 동축 피드를 의미한다.

[발명의 산업상 이용분야]

본 발명은 다주파수대용(多周波數帶用) 단일 슬리브 안테나(Sleeve Antena)에 관한 것이다.

[종래의 기술]

슬리브 안테나는 동축선의 내부 도체를 1/4파장의 길이만큼 수직방향의 안테나 소자로하고, 안테나 소자와는 역방향으로 외부 도체를 1/4파장만큼 되접어 꺽거서 원통상으로한 수직편파(垂直偏波) 무지향성의 안테나를 지칭하는 것으로 단일 주파수대에 사용되는 것과 2주파수대에 사용되는 것으로 구분되고 있다.

단일 주파수대에 사용되는 슬리브 안테나의 구조는 제1도와 같은 것이 있으며, 일반적으로 사용되는 것은 동축 전송선로(coaxial transmission line) (10)와 안테나의 임피던스 정합을 위하여 이중 슬리브(11) 구조로 제작되는 제1도(c)와 같은 슬리브이다.

또 2주파수대에 사용되는 슬리브 안테나의 구조는 제2도와 같은 것이 알려져 있다. 즉 제2도가(a)는 1975년 버베리(W. T. Burberry)에 의해 제안된 것으로 VHF/UHF대 항공기 통신용 안테나로 사용되고 있는 것이며, 이 안테나는 2주파수대 동작과 임피던스 정합을 위하여 한 쌍의 슬리브 즉 sleeve A(22)와 sleeve B(21)와 수평 도체(top element) (20)로 구성되어 있다. 제2도(a)의 부호 23은 그라운드 프랜(ground plane)을 의미한다.

제2도(b)는 1988년 에비네(Y. Ebine)가 개발한 것으로 트렁크 리드형 2주파수대 안테나(trunk-lid-type dual frequency antena)라고도 하며, 육상 이동 통신에 있어서 이동체용 안테나로 사용되고 있으며, 이 안테나는 2주파수대 동작을 위한 비 여진 소자(parasitic element) (40)와 임피던스 정합을 위한 쵸크(chock) (42, 43)으로 구성되고 고정 메탈(fixing metal) (44)로 구성된다. 제2도(b)의 부호 45는 동축 피드(coaxial feed)를 의미한다.

[발명이 해결하고자 하는 과제]

본 발명은 종래의 기술에 의해 제작되는 슬리브 안테나는 그 구조가 복잡하기 때문에 설계하기 어려운 문제점과 제작에 드는 비용이 과도할 뿐 아니라 설치시에도 문제점이 많다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제1도(a)와 같은 단순한 구조이면서도 2주 파수대 이상의 다주파수대에 사용할 수 있는 안테나를 제안하고자 하는 것이다.

[발명이 해결하기 위한 수단]

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제1도(a)와 같은 구조를 제3도와 같이 변형함으로서 해결한 것이다.

즉 제3도에서 도시와 같이 동축 전송선로(50)의 특성 임피던스와 슬리브(51)의 특성 임피던스를 다르게하여 설계하는 것으로 전송선로 임피던스를 Z₁, 슬리브 임피던스를 Z₂라할 때, Z₁≠Z₂로 하는 것이다. 이때 전류 극성은 제3도의 화살표와 같기 때문에 길이 h₁의 금속 부분과 길이 ℓ인 슬리브(51)의 바깥쪽 표면은 전자파를 복사하는 안테나로 동작하도록 하고 슬리브(51)의 안쪽 부분과 길이 ℓ인 슬리브(51)내의 금속 도체는 임피던스 정합회로로 동작하도록 하는 것이다.

따라서, 급전점 AA′에서 슬리브와 금속도체 쪽을 들여다 보면 집중정수 등가회로는 제4도와 같이 되는 것이다.

전송선로 이론에 의하면 제3도의 임피던스 정합회로로 동작하는 슬리브는 선단이 개방된 슬리브로 해석되기 때문에 제4도에서 등가 임피던스 Zs는 다음의 식으로 표현된다.

Zs = -jZ₂cot K ℓ

여기서 Zs는 슬리브 임피던스, ℓ는 슬리브의 길이으로 주어지는 파수(wave number)이다.

또한 안테나 이론에 의하면 제3도와 같은 안테나는 길이가 h₁+ℓ=h에 해당되는 수직 접지 안테나이기 때문에 등가 임피던스 Z₃은 다음의 식으로 표현된다.

여기서 Ra는 안테나 저항으로서 복사 저항과 손실 저항의 합이며, X_a는 안테나 리액턴스로서 유도성 리액턴스ωLa(ω는 각 주파수이며, L_a는 안테나의 인덕턴스이다)와 용량성 리액턴스는 각 주파수이며, C_a는 안테나의 정전 용량을 표시한다)의 합으로 주어진다.

접지된 직선 도체 안테나의 특성에 의하면 사용 파장 λ와 안테나의 길이 h의 관계가 다음의 관계를 만족하는 경우, 안테나의 임피던스는 최소로 되어 직렬 공진 회로로 동작하게 된다.

식(3)의 조건을 만족하는 경우라면, 식(2)의 안테나 임피던스는

Z₃= R_a………………………………………………………… (4)

로 된다. 이 때 공진 주파수 f₀는 식(4)의 관계식에서 다음과 같이 된다.

식(5)에서 안테나의 인덕턴스 L_a또는 정전 용량 C_a를 변화시키면, 공진 주파수는 변화됨을 알 수가 있다.

일반적인 안테나에 있어서는 안테나 로딩 이론에 의하여 연장 코일과 단축 콘덴서의 역할을 하도록 집중 정수 소자를 안테나에 넣거나 안테나 도체를 원형으로 1회 이상 감아서 사용하고 있다.

본 발명은 위와 같은 종래의 안테나 로딩 기술에 의하지 아니하고 제3도와 같은 슬리브 안테나 구조를 이용하여 안테나 복사체 내부에 연장 코일 또는 단축 콘덴서를 넣는 안테나 로딩기술을 해결한 것이다.

이와 같은 본 발명의 안테나 리액턴스 X_a'는 제4도에 다음과 같은 식으로 되는 것이다.

식(6)에서 Z_s는 식(1)로 주어지기 때문에 슬리브의 길이가 고정되는 경우 주파수의 변화에 따라 슬리브의 리액턴스는 인덕턴스 또는 커퍼시턴스로 변화되기 때문에 공진 주파수를 다양하게 변화시킬 수가 있는 것이다.

또한 급전선의 임피던스 Z₁(일반적으로 순 저항 성분이다)과 안테나 저항 R_s를 동일한 값으로 하면, 최대 전력 전달 조건을 만족한 특정한 주파수들을 얻을 수 있기 때문에 다주파수대 안테나로 동작할 수가 있게 되는 것이다.

이하 본 발명은 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

첫 번째 사용 주파수에 대하여 λ1/4(λ : 첫 번째 사용 주파수에 대한 파장)수직접지 안테나의 제작에 있어서 도선의 굵기를 선정하고 선정된 도선에 대한 특성 임피던스 분포 인덕턴스, 분포 용량 등 제 특성을 파악하고,

두 번째 사용 주파수에 대하여 식(6)이 0이 되는 조건의 Zs를 구한다. 여기서 Zs는 식(1)로 주어지는 슬리브의 리액턴스이므로 식(1)을 이용하여 슬리브의 특성 임피던스 Z₂와 슬리브의 길이 ℓ(0＜ℓ＜λ₁/4)를 구한다. 이때 슬리브 부분은 동축 케이블 형태로 구성되기 때문에 특성 임피턴스 Z₂는 제5도와 내도체와 외도체의 직경 및 내외 도체 사이의 유전체를 변화시킴으로서 적절한 특성 임피턴스 Z₂를 구할 수가 있어서 슬리브의 굵기를 선정할 수가 있었다.

두 번째 사용 주파수에 대하여 설계한 슬리브는 첫 번째 사용 주파수에 대하여 단축 콘덴서의 역할을 하기 때문에 첫 번째 사용 주파수에 대하여 식(6)이 0이되는 조건을 만족 하도록 제3도의 금속 도체 부분을 λ/4 수직 접지 안테나의 설계 방법을 이용하여 약간 증가시키면, 첫 번째와 공진하는 듀얼 밴드 안테나로 되었다.

상기 실시예에서 첫 번째 사용 주파수와 두 번째 사용 주파수 및 세 번째 사용 주파수를 동시에 만족하는 안테나로 동작하기 위해서는 위에 설명한 방법과 아울러 슬리브의 길이 ℓ을 조정 함으로서 얻어질 수가 있었다. 즉 ℓ를 조정하게 되면, 각 주파수의 간격을 조정할 수 있었다.

[발명의 효과]

상기와 같은 방법에 의해 제작되는 슬리브 안테나의 주파수에 대한 리턴로스(return losses)에 대한 시험표가 제7도에 도시 했다. 즉 제7도 및 제8도에서 볼 수 있는 바와 같이 ℓ=0.150m이며 h=0.462m일 때 마크1에서 주파수 173.45㎒ 일 때 리턴로스율은 -12.99㏈, 마크2의 주파수 795.74㎒일때의 리턴 로스율은 -19.22㏈, 마크3의 주파수 1133.12㎒일 때 리턴로스율은 -30.66㏈, 마크4의 주파수 1740.13㎒일 때 리턴 로스율은 -21.20㏈였고 제8도에서 볼 수 있는 바와 같이 마크1의 주파수 113.46㎒일 때 리턴 로스율 -7.99㏈이고 주파수 285.90㎒일 때 리턴 로스율이 -13.13㏈, 주파수 667.99㎒일 때 리턴 로스율이 -11.05㏈, 주파수 833.17㎒일 때 리턴 로스율은 -10.45㏈였다.

상기와 같은 본 발명 방법으로 제조되는 안테나는 사용 목적과 용도에 따라 제6도과 같은 임의의 형태인 정관 부하 안테나를 설계 및 제작할 수가 있음로서 구조가 간단하고 경제적이며, 설치시의 문제점을 해결할 수 있는 유용한 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 다주파주대용 단일 슬리브 안테나를 구성함에 있어서, 동축 전송선로의 특성 임피던스 Z₁과 슬리브의 특성 임피던스 Z₂를 식 Z₁≠Z₂가 되도록 하고, 길이 h₁의 금속 부분과 길이 ℓ인 슬리브의 바깥쪽 표면은 전자파를 복사하는 안테나로 동작케하고, 슬리브의 안쪽 부분과 길이 ℓ인 슬리브 내의 금속 도체는 임피던스 정합회로로 동작하도록 하는 것을 특징으로하는 다주파수대용 단일 슬리브 안테나의 제조방법.
2. 청구의 범위 제1항에 있어서, 첫 번째 사용 주파수에 대하여( λ1/4(λ: 첫 번째 사용 주파수에 대한 파장)에 대한 도선의 굵기르 선정하고 선정된 도선에 대한 특성 임피던스와 분포 인덕턴스 및 분포 용량등을 파악한 후, 두 번째 사용 주파수에 대하여 아래 식(6)이 0이되는 조건의 Zs를 구하고, 여기서 Zs는 아래 식(1)로 표시되는 슬리브의 리액턴스이므로 슬리브의 특성 임피던스 Z₂와 슬리브의 길이 ℓ(0＜ℓ＜λ1/4)를 구하고 내도체와 외도체의 직경 및 내외도체 사이의 유전체를 변화시켜 특성 임피던스 Z₂를 구하여 슬리브의 굵기를 선정하도록 하는 것을 특징으로 하는 다주파수대응 단일 슬리브 안테나의 제조방법.

   Zs = -jZ₂cot K ℓ………………………………………… (1)

   위 식에서 Zs는 슬리브특성 임피던스, ℓ는 슬리브이 길이, 으로 주어지는 파수(波數)를 의미한다.

   위 식에서 Z_a′는 안테나의리액턴스이며, Zs는 상기와 같고, ω는 각 주파수, C_a는 안테나의 정전 용량, L_a는 안테나의 인덕턴스를 의미한다.
3. 청구의 범위 제1항에 있어서, 두 번째 사용 주파수에 대하여 설계된 슬리브는 첫 번째 사용 주파수에 대하여 단축 콘덴서의 역할을 하도록 되고, 첫 번재 사용 주파수가 상기 식(6)이 0이 되는 조건하에 금속 도체부분을 λ/4 수직안테나의 설계 방법을 이용하여 약간 증가시켜 첫 번째와 두 번째 주파수에 공진하는 듀얼 밴드 안테나로 되도록 하는 것을 특징으로 하는 다주파수대용 단일 슬리브 안테나의 제조방법.
4. 청구의 범위 제3항에 있어서,

   첫 번째 사용 주파수, 두 번째 사용 주파수, 세 번째 사용 주파수를 동시에 만족하도록 슬리브의 길이 ℓ를 조절하도록 하여 각 주파수의 간격을 조정하는 것을 특징으로 하는 다주파수대용 단일 슬리브 안테나.