KR100343893B1 - 원편파 다이폴 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PCS(1.810㎓) 기지국용 원편파 안테나를 구현하기 위하여, 두 개의 다이폴 안테나를 이용하여 원편파 출력을 얻을 수 있는 원편파 다이폴 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 안테나는 반사판상의 기본 방사소자로써 상호 직각인 1/2파장 수직 다이폴 방사소자와 수평 다이폴 방사소자 중 1/4파장 방사소자의 위치를 변경하고 각 방사소자의 길이를 조정함으로써, 임피던스 차에 의한 상호 위상차 90°를 도출시켜 원편파 출력을 얻었다. 원편파 다이폴 안테나의 제특성을 측정한 결과, 반사손실 15.5dB, 빔폭 78°, 축비 1dB, 축비 2dB이하 빔폭 46°로서 양호한 원편파 안테나의 특성을 나타내었다.

따라서 본 발명은 두 개의 다이폴 안테나를 직각배열, 1/2파장 방사소자 중 1/4 파장 방사소자(4)의 위치변경 및 소자길이 조정으로 인한 원편파 다이폴 안테나로 PCS 기지국용 안테나의 성능을 충분히 유지할 수 있음을 확인한 새로운 형태의 원편파 다이폴 안테나에 관한 것이다.

Description

원편파 다이폴 안테나{Circular-Polarized Dipole Antenna}

기존의 PCS 기지국용 수직 편파 다이폴 안테나를 반사판 부착 원편파 다이폴 안테나로 대치시킴으로써, 기지국과 이동 단말기간의 편파방향에 구애됨 없이 안정된 수신레벨을 유지할 수 있도록 하고, 반사판 부착으로 인해 후엽방사를 억제시킴으로써 인접 안테나간의 상호 간섭 효과를 억제시킬 수 있도록 하기 위한 반사판 부착 원편파 다이폴 안테나에 있어서, 상호 직각인 다이폴 안테나에 원편파 발생에 요구되는 90°위상차를 다이폴 방사소자길이 조정과 1/4 파장 다이폴 방사소자 위치 변경으로부터 임피던스 변화에 의한 위상차를 여기시켜 원편파 출력이 가능한 원편파 다이폴 안테나의 발명을 목적으로 한다.

본 발명이 속하는 기술분야는 무선통신의 안테나 기술분야 중 원편파 안테나에 관한 것이다.

원편파 발생조건은 방사소자가 상호 직각으로 동일전류크기를 가져야 하며 90°위상차를 가져야 한다. 2개의 다이폴 안테나로 원편파를 발생시키려면 [도 3]에 나타낸 바와 같이 2개의 다이폴 안테나가 상호 직각으로 위치되고 전력이 균등하게 2분배되어 각 소자간 간격이 90°위상차가 생기도록 소자간 간격을 이격([도 3-1])시키거나 급전 경로차가 90°([도 3-2])가 되도록 하여야 한다.그러나 이와 같은 방법들은 소자간 간격 이격으로 안테나 설치공간을 크게 요하거나 급전 경로차로 인한 90°위상차 발생은 급전 회로가 크게 되는 단점이 있다.따라서 본 발명의 안테나에서는 90°위상차를 위한 소자 간격을 줄이거나 90°위상차를 위한 급전 회로의 단순화를 위해, 방사소자 길이 변화 및 1/4 파장 방사소자 위치 변경으로 인한 임피던스 조정으로 원편파 발생 조건을 충족시키고자 하였다.다이폴 안테나는 정재파 안테나로 끝단이 개방된 것으로 보아 반파장의 공진 길이를 중심으로 짧아지면 캐패시터 성분이, 길어지면 인덕턴스 성분이 강해지는 특성이 있다. 따라서 수평 소자(1),(2)에 의해 설계 주파수의 반파장 공진 길이보다 작게, 수직 소자(3),(4)에서 특히 (4)소자를 하단에 위치 변경시킴으로써 공진길이가 반파장보다 긴 효과를 이용하여 두 개의 공진 효과를 얻었으며 이들 두 공진 주파수 중간에 설계 주파수가 위치토록 방사소자 길이를 조정함으로써 임피던스 차에 의한 상호 위상차가 90°되도록 하였다. 또한 방사소자(1),(3),(4)를 지지체 상에 동시에 위치시키고 수직소자(4)를 하단에 위치시킴으로써 동축케이블(5)로 급전된 전류가 상한 공진 주파수에서는 수평소자(1),(2)에 최대 정재파를 형성시키며 하한 공진 주파수에서는 수직소자(3),(4)에 최대 정재파를 형성시키게 하였다. 이 때 수직소자(4)와 반사판과의 거리가 가까워짐으로 인한 위상차로 인해 합성 전력은 약하게 되므로 이들까지 고려하여 각 소자의 크기를 조정함으로써 수직, 수평 소자에 의한 합성 전력 크기가 같아지도록 하였다.따라서 본 발명의 안테나는 안테나 방사소자 길이 및 위치 변경에 의한 임피던스 조절 및 전력 균등 분배를 이루어 원편파가 발생하도록 고안되었다.

기존의 상호 직각인 2개의 다이폴 안테나로 원편파를 발생시키고자 할 때는 [도 3]에 나타낸 바와 같이 90°위상차를 위한 공간 이격이나 급전선 길이 변화등이 요구된다. 그러나 본 발명의 안테나에서는 이와 같은 번거로움을 피하기 위해 방사소자길이 및 위치 변경으로 인한 임피던스 차로 수직 소자와 수평 소자간의 상호 위상차가 90°되도록 함으로써 원편파 다이폴 안테나의 단순화를 이루었다. 또한 반사판을 1/4파장 스터브 역할 및 발룬효과까지 이용한 구조를 채택하였음이 본 발명 안테나의 특징이라 할 수 있다.

[도 1] 은 원편파 다이폴 안테나의 구조

[도 2] 는 반사판 부착 원편파 다이폴 안테나의 구조

[도 3] 은 기존의 원편파 다이폴 안테나[도 4] 은 반사판 부착 원편파 다이폴 안테나의 반사손실 및 임피던스 특성[도 5] 는 반사판 부착 원편파 다이폴 안테나의 원편파 방사패턴 및 축비 특성[도면 부호 설명]

(1),(2) : 1/4파장 수평 다이폴 방사소자(3),(4) : 1/4파장 수직 다이폴 방사소자(5) : 급전동축케이블(6) : 1/4파장 지지체

(7) : 1/4파장 단락 스터브(8) : 반사판

본 발명의 안테나는 [도 1], [도 2]에 나타낸 바와 같이 1/4 파장 수평 다이폴 방사소자(1),(2), 1/4 파장 수직 다이폴 방사소자(3),(4), 급전 동축케이블(5), 1/4파장 지지체(6), 1/4파장 단락 스터브(7) 또는 반사판(8)으로 구성되어 있으며, 급전동축케이블 외피에 1/4파장 수평 다이폴 방사소자(2)가 부착되어 있고 지지체상에 급전동축 케이블 외피에 부착된 1/4파장 방사소자(2)와 평행하게 1/4파장 수평 다이폴 방사소자(1)이 부착되어 있다. 또한 지지체(6)상의 수직 다이폴 방사소자(1)과 직각으로 1/4파장 수직 다이폴 방사소자(3)이 부착되어 있으며 이와 평행하게 반대방향으로 1/4파장 수평 다이폴 방사소자(4)가 스터브(7)로부터 거리 1/4파장만큼 떨어진 지점에 부착되어 있다. 급전 동축케이블의 내부 도체는 1/4파장 지지체(6) 상단에 연결되어 있다.

이때 급전 동축케이블 내부도체에 의해 급전된 전류는 1/4파장 다이폴 방사소자(1),(3),(4)에 분배되며 분배 비율은 설계 주파수를 중심으로 수평 다이폴 방사소자(1),(2)의 길이차 및 수직 다이폴 방사소자(3),(4)의 길이차에 의한 임피던스차에 의해 상호 위상차가 90°되도록 하였다. 이로써 수평 다이폴 방사소자(1),(2)와 수직 다이폴 방사소자(3),(4)의 전류 분해를 균등히 유지시키면서 다이폴 소자들의 길이 조정으로 인한 임피던스차로 상호 위상차가 90°되도록 설계하므로써 원편파가 발생하도록 하였다.

발명된 원편파 다이폴 안테나 중 "반사판 부착 원편파 다이폴 안테나"의 반사손실 특성 [도 4-1] 및 임피던스 특성 [도 4-2]을 나타내었다. 설계 주파수는 PCS 기지국용(1.810GHz)을 사용하였다. 그 결과 15.5dB의 반사손실과 36.06 +j3.63Ω의 임피던스 특성을 나타내었으며, 빔폭 78°, -10dB 대역폭 19.3%(350MHz)로, 두 주파수 공진에 의해 광대역 특성을 나타내고 있다.방사패턴 및 축비 측정결과를 [도 5]에 나타내었다. 방사패턴([도 5-1])은 안테나 자체를 방위각 방향으로 10°씩 회전시키면서 18회 측정하였다. 측정결과 2dB이하의 축비를 유지하는 빔폭은 약 46°이며 후엽 패턴은 안테나 회전각도에 따라 차이가 있으나 최대 -23dB까지 나타내었다. 축비는 1dB 이하로 양호한 원편파 출력이 얻어졌다.새로운 형태의 반사판 부착 원편파 다이폴 안테나를 발명함으로써, 기존의 단일소자 다이폴 안테나만으로는 불가능했던 원편파의 발생을 가능케 했다.

본 발명의 안테나는 기존의 PCS 기지국용 수직 편파 다이폴 안테나를 반사판 부착 원편파 다이폴 안테나로 대치시킴으로써 이동단말기의 위치형태에 따른 편파 특성에 관계없이 안정한 송수신 레벨을 유지시킬수 있고, 반사판에 의한 후엽레벨 억제로부터 인접안테나간 상호 간섭효과를 줄일 수 있다. 또한 본 발명의 안테나는 기존의 원편파 다이폴 안테나들에 비해 원편파 발생조건을 충족시키기 위한 90°상호위상차 발생 방법을 다이폴 방사소자들의 길이 조정 및 위치 변경에 의한 임피던스 변화를 이용하였기 때문에 구조가 단순하며 제작 비용이 저렴하게 원편파 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 반사판(8)에 급전 동축케이블(5)와 1/4 파장 지지체(6)을 수직으로 세우고, 1/4 파장 수평 다이폴 방사소자(1),(2)와 1/4파장 수직 다이폴 방사소자(3),(4)를 상호 직각으로 급전 동축케이블(5)와 1/4 파장 지지체(6) 상에 위치시킨 반사판 부착 다이폴 안테나에 있어서,

   상기 1/4파장 수직 다이폴 방사소자(4)를 지지체상의 위치 변경과 수직, 수평 다이폴 방사소자 길이 조정으로 인한 임피던스 변화로부터 상호 위상차가 90° 되도록 함으로써 원편파가 발생되도록 함을 특징으로 한 원편파 다이폴안테나
2. 제 1항에 있어서 반사판(8)을 1/4 파장 단락 스터브(7)로 대치하여 구성된 원편파 다이폴 안테나
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