KR100449428B1

KR100449428B1 - 타원 실린더형 복사체를 가지는 모노폴 안테나

Info

Publication number: KR100449428B1
Application number: KR10-2001-0084938A
Authority: KR
Inventors: 이재욱; 송명선
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2004-09-18
Also published as: KR20030055418A

Abstract

접지 평면으로부터 소정의 높이로 솟아 있는 복사 폴, 복사 폴의 종단에 로딩되어 있는 복사 판 및 복사 판의 테두리를 따라 형성되어 있는 복사 실린더로 이루어진 복사체를 가지는 모노폴 안테나를 마련한다. 이러한 모노폴 안테나는 저주파 대역에서 동작하고 다중 주파수 대역에서 동작한다. 또한 이러한 구조는 유전체를 로딩할 때 발생하는 전력 손실도 없으므로 안테나의 효율이 높다

Description

타원 실린더형 복사체를 가지는 모노폴 안테나{a monopole antenna having an elliptic cylinder-type radiating body}

본 발명은 모노폴 안테나에 관한 것으로서, 특히 고출력 송신 및 저주파 대역에서 사용하기 위한 모노폴 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 모노폴 안테나는 협대역 특성을 가지는데 이는 안테나 길이가 λ/4가 되는 주파수에서 자기 공진을 일으키는 특성 때문이다. 이러한 협대역 특성을 개선하기 위하여 많은 연구자들이 변형된 모노폴 안테나를 개발하였는데 그 예로 다음과 같은 안테나가 있다.

도 7a, 7b, 7c, 7d는 광대역화를 위하여 마련된 종래의 기술에 따른 모노폴 안테나들의 측면도이다.

먼저, 도 7a는 복사체의 끝단에 원형 디스크를 로딩한 것이고, 도 7b는 도 7a와 같이 복사체의 끝단에 원형 디스크로 로딩하는 것과 함께 복사체를 유전체로 여러 겹 둘러싸는 형태를 취한다. 도 7c는 슬리브(sleeve) 모노폴 안테나이다. 슬리브 모노폴 안테나는 동축 전송선로의 임피던스와 슬리브의 특성 임피던스를 다르게 설계함으로서 금속 부분과 슬리브의 바깥쪽 표면이 전자파를 복사하는 안테나로 동작하게 하고 슬리브의 안쪽 부분과 슬리브 내의 금속 도체는 임피던스 정합회로로 동작하도록 하는 모노폴 안테나이다. 도 7d는 슬리브 모노폴 안테나의 변형으로서 복사체 부분에 접지면을 가지는 다른 슬리브를 연결시킨 것이다. 이들 각각은 나름대로의 광대역 특성을 나타내지만 복사 특성이 각각 다르므로 응용하고자 하는 분야에 따라 선택적으로 적용하여야 한다.

또 일반적인 모노폴 안테나는 복사하려는 전파의 파장의 1/4, 즉 λ/4의 길이를 가져야 하는데 저주파 대역(100~400MHz)에서 사용하는 경우 안테나의 길이가 지나치게 길어져야 하는 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광대역에서 사용할 수 있는 모노폴 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저주파 대역에 사용할 수 있는 모노폴 안테나를 제공하는 것이다.

도 1a, 1b, 1c는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴 안테나의 측면도, 평면도, 저면도이다.

도 2는 타원형 디스크가 로딩된 모노폴 안테나의 등가 회로도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴 안테나의 등가 회로도이다.

도 4a, 4b, 4c는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 모노폴 안테나의 측면도, 평면도, 저면도이다.

도 5a, 5b, 5c는 각각 본 발명의 제3 실시예에 따른 모노폴 안테나의 측면도, 평면도, 저면도이다.

도 6a, 6b, 6c는 각각 본 발명의 제4 실시예에 따른 모노폴 안테나의 측면도, 평면도, 저면도이다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴 안테나의 타원판 상의 폴의 접촉점의 위치에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프이다.

도 9a와 도 9b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴 안테나에서 실린더의높이에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프이다.

이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 모노폴 안테나의 복사체를 폴, 폴의 종단에 형성되어 있는 타원판, 타원판의 테두리를 따라 형성되어 있는 실린더로 구성한다.

구체적으로는, 접지 평면으로부터 소정의 높이로 솟아 있는 제1 복사 폴, 상기 제1 복사 폴의 종단에 로딩되어 있는 제1 복사 판, 상기 제1 복사 판의 테두리를 따라 형성되어 있는 제1 복사 실린더를 포함하는 모노폴 안테나를 마련한다.

이 때, 상기 제1 복사 판은 타원 모양을 가지는 것이 바람직하고, 상기 제1 복사판의 타원율은 2:1일 수 있으며, 상기 제1 복사 판은 2개 이상의 타원을 그 중심은 일치시키고 회전 각도를 달리하여 결합한 모양을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 복사 실린더는 상기 제1 복사 판으로부터 상기 접지 평면을 향하여 확장되어 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1 복사 판과 연결되어 있으며 상기 제1 복사 판 위에 솟아 있는 제2 복사 폴, 상기 제2 복사 폴의 종단에 로딩되어 있는 제2 복사 판 및 상기 제2 복사 판의 테두리를 따라 형성되어 있는 제2 복사 실린더를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 복사 폴은 상기 제1 복사 폴과는 서로 다른 축을 가지는 두 개의 폴로 이루어질 수 있다.

그러면 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 모노폴 안테나에 대하여 설명한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴 안테나는 접지면(2), 급전선(5), 복사 폴(1), 복사 타원판(3) 및 복사 실린더(4)를 포함한다. 급전선(5)은 동축 케이블 등으로 이루어지며 외피 도체는 접지면(2)과 연결되고 내심 도체는 복사 폴(1)에 연결되어 있다.

복사 폴(1)은 접지면(2)으로부터 수직 방향으로 높이 h로 솟아있고, 복사 폴(1)의 종단에는 복사 타원판(3)이 로딩되어 있으며, 복사 타원판(3)의 테두리를 따라 복사 실린더(4)가 형성되어 있다. 복사 실린더(4)는 복사 타원판(3)으로부터 접지면(2)을 향하여 높이(l)가 되도록 펼쳐져 있고, 속이 비어 있다. 이 때, 복사 타원판(3)과 실린더(4)는 타원율이 2:1이다. 즉, r2:r1 = 2:1이다. 여기서 복사 타원판(3)과 실린더(4)의 타원율이나 높이(l)는 방사 전파 대역에 따라 변경될 수 있다. 방사 전파의 주파수 대역이 150~350MHz인 경우 실린더(4)의 높이(l)는 1~15mm 사이가 된다.

이상과 같이 복사 실린더(4)를 형성함으로써 복사 단면적을 종래의 모노폴 안테나보다 넓게 만듦으로써 자기 공진을 일으키는 주파수 대역을 저주파 대역으로 이동시킨다. 따라서 높이가 동일한 종래의 모노폴 안테나에 비하여 저주파 대역에서 동작하는 특성을 가지게 된다. 이처럼 저주파 대역 동작 특성을 나타내는 이유에 대하여 도 2와 도 3을 참고로 하여 설명한다.

도 2는 타원형 디스크가 로딩된 모노폴 안테나의 등가 회로도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴 안테나의 등가 회로도이다.

도 2와 도 3을 비교해 보면, 타원판만이 로딩된 경우에 비하여 본 발명의 실시예에서와 같이 타원판에 실린더가 부가된 형태일 때에는 C'으로 나타낸 축전기가 병렬로 더 연결된 상태가 된다. 따라서 공진 주파수가 더 낮아지게 된다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 모노폴 안테나는 제1 실시예와 달리 복사체가 폴(1)과 폴(1)의 종단에 로딩되어 있는 나팔꽃 모양의 판(8) 및 판(8)의 테두리를 따라 형성되어 있는 실린더(7)로 이루어진다. 나팔꽃 모양의 판(8)은 타원판 2개를 중심축을 일치시킨 상태에서 서로 회전 각도를 달리하여 결합한 형태이다. 이와 같이 나팔꽃 모양의 판(8)과 실린더(7)를 사용하면 방사 패턴의 전방향성(omni-directional)을 확보할 수 있다. 이 때, 필요에 따라서는 타원판을 3개 또는 그 이상 결합한 형태로 복사체를 형성할 수도 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 모노폴 안테나는 타원판(3, 10)과 실린더(4, 11)가 결합한 복사체를 폴(1, 9)을 이용하여 직렬로 연결한 형태이다. 즉, 제1 복사 폴(1)은 접지면(2)으로부터 수직 방향으로 솟아있고, 제1 복사 폴(1)의 종단에는 제1 복사 타원판(3)이 로딩되어 있으며, 제1 복사 타원판(3)의 테두리를 따라 제1 복사 실린더(4)가 형성되어 있다. 제1 복사 타원판(3) 위에는 제1 복사 폴(1)과 동축을 가지는 제2 복사 폴(9)이 제1 복사 타원판(3)으로부터 수직 방향으로 솟아있고, 제2 복사 폴(9)의 종단에는 제2 복사 타원판(10)이 로딩되어 있으며, 제2 복사 타원판(10) 테두리에는 제2 복사 실린더(11)가 형성되어 있다.

이와 같이 두 복사체를 직렬로 연결하면 두 개의 주파수 대역에서 안테나를 사용할 수 있다. 또한 이러한 구조는 유전체를 로딩할 때 발생하는 전력 손실도 없으므로 안테나의 효율이 높다. 한편, 복사체는 3개 또는 그 이상을 직렬로 연결할 수도 있다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 모노폴 안테나는 제3 실시예와 달리 제2 복사 폴(12, 13)을 두 개로 형성하며 그 축을 제1 복사 폴(1)과 일치시키지 않는다.

이렇게 하면 제3 실시예에서와 마찬가지로 두 개의 주파수 대역에서 안테나를 사용할 수 있게 되고, 제1 타원판(3)과 제2 타원판(14)이 두 개의 폴(12, 13)을 통하여 접촉하므로 다중 접촉점이 형성된다.

이상 제1 내지 제4 실시예에서 도시하지는 않았으나 입력 포트는 고출력을 견딜 수 있도록 하기 위하여 N-형 커넥터를 사용한다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴 안테나의 타원판 상의 폴의 접촉점의 위치(도 6c 참조)에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프이다. 이 때, r2/r1 = 2, r1 = 38.7[mm]이며, 도 8의 1, 2, 3, 4 그래프는 각각 p=38.7[mm], p=28.7[mm], p=18.7[mm], p=8.7[mm]일 때의 주파수에 따른 반사 손실을 나타낸다.

도 8을 보면, 폴의 접촉점이 타원판의 중심에서 멀어질수록 반사 손실은 낮아짐을 알 수 있다. 또, 폴의 접촉점의 위치와 관계없이 약 5.1GHz의 주파수에서 모노폴 안테나는 공진을 일으켜 최대 방사 효율을 나타낸다.

도 9a와 도 9b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴 안테나에서 실린더의 높이에 따른 반사 손실을 나타내는 그래프이다. 도 9a와 도 9b에서 C1 case는 도 1에서의 타원판(3)이 r1=r2인 경우 즉, 원판으로서 반지름이 3.11[mm]인 경우를 나타내고, C2 case는 반지름이 6.22[mm]인 원판의 경우를 나타내며, E case는 r2=6.22[mm]이고, r1=3.11[mm]인 경우를 나타낸다. 또 Simple Monopole은 폴만으로 이루어지는 단순 모노폴 안테나를 나타낸다.

도 9a와 도 9b를 보면, 실린더의 높이(l)가 커질수록 공진 주파수가 점점 더 낮아짐을 알 수 있다. 실린더를 가지는 경우에는 실린더의 크기가 아무리 작더라도 항상 단순 모노폴 안테나에 비하여 더 낮은 주파수에서 공진을 일으킨다. 또한 동일한 조건에서는 실린더의 반지름의 크기가 더 작은 경우가 큰 경우에 비하여 더 낮은 주파수에서 공진을 일으키며, 원형인 경우에 비하여 타원형인 경우가 더 낮은 주파수에서 공진을 일으킨다.

이상과 같이 본 발명의 모노폴 안테나는 저주파 대역에서 동작하고 다중 주파수 대역에서 동작한다. 또한 이러한 구조는 유전체를 로딩할 때 발생하는 전력 손실도 없으므로 안테나의 효율이 높다.

Claims

접지 평면으로부터 소정의 높이로 솟아 있는 제1 복사 폴,

상기 제1 복사 폴의 종단에 로딩되어 있는 제1 복사 판,

상기 제1 복사 판의 테두리를 따라 형성되어 있는 제1 복사 실린더

를 포함하는 모노폴 안테나.
제1항에서,

상기 제1 복사 판은 타원 모양을 가지는 모노폴 안테나.
제2항에서,

상기 제1 복사판의 타원율은 2:1인 모노폴 안테나.
제1항에서,

상기 제1 복사 판은 2개 이상의 타원을 그 중심은 일치시키고 회전 각도를 달리하여 결합한 모양을 가지는 모노폴 안테나.
제1항에서,

상기 제1 복사 실린더는 상기 제1 복사 판으로부터 상기 접지 평면을 향하여 확장되어 있는 모노폴 안테나.
제1항에서,

상기 제1 복사 판과 연결되어 있으며 상기 제1 복사 판 위에 솟아 있는 제2 복사 폴,

상기 제2 복사 폴의 종단에 로딩되어 있는 제2 복사 판, 및

상기 제2 복사 판의 테두리를 따라 형성되어 있는 제2 복사 실린더

를 더 포함하는 모노폴 안테나.
제6항에서,

상기 제2 복사 폴은 상기 제1 복사 폴과는 서로 다른 축을 가지는 두 개의 폴로 이루어지는 모노폴 안테나.