KR100562778B1 - 수직 소자를 갖는 타원추 모노폴 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쌍원추 안테나에서 한쪽 원추를 접지면으로 대치하고 수직 소자를 중심으로 타원 원추 모양의 원추대를 이용한 수직 소자를 갖는 타원추 안테나에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 안테나는 다수개의 원추도선 소자들에 의해 타원형으로 이루어진 원추대와, 원추대의 정점에 위치하여 반사판 기능을 수행하는 접지판과, 원추도선 소자들을 지지하기 위한 원추대 지지파이프, 그리고 원추대 중심에 연결된 수직 소자로 이루어진다. 또한 수직 소자를 갖는 타원추 안테나는 안테나의 도선의 개수, 도선의 각도에 의해서 정재파 특성을 개선시키고, 타원형 원추대는 장경과 단경의 비가 2:1 내지 3:1이다.

따라서 본 발명에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나는 일반적인 원추 모노폴보다 광대역성, 지향성, 고이득의 특성을 갖는다.

광대역, 모노폴, 안테나, 지향성, 고이득, 수직 소자

Description

수직 소자를 갖는 타원추 모노폴 안테나{Elliptical Cone Monopole Antenna}

도 1은 일반적인 쌍원추 안테나를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 파라미터를 도시한 도면,

도 4a 내지 도 4i는 본 발명에 따른 수직 소자 길이에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 VSWR,

도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 장·반경의 비가 1이고 원형 접지판의 반지름과 수직소자 길이에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 복사패턴,

도 6a 내지 도 6o는 본 발명에 따른 장·반경의 비가 2이고 원형 접지판의 반지름과 수직소자 길이에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 복사패턴,

도 7a 내지 도 7u는 본 발명에 따른 장·반경의 비가 3이고 원형 접지판의 반지름과 수직소자 길이에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 복사패턴.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31: 수직 소자 32: 타원형 원추대

33: 유한원형 접지판 34: 급전 커넥터

35: 원추대 지지 파이프

본 발명은 무선통신에 사용되는 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 쌍원추 안테나에서 한쪽 원추를 접지면으로 대치하고 수직 소자를 중심으로 타원 원추 모양의 원추대를 이용한 수직 소자를 갖는 타원추 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 광대역 특성을 얻기 위해 사용되는 쌍원추형 안테나는 무한한 두개의 원뿔로 된 것이나 너무 무거워 비실용적인 문제점이 있다. 쌍원추형 안테나는 다른 단일 소자 안테나에 비해서 방사특성이 우수하기 때문에 가능한 바람직한 전기적 특성을 유지하면서 기계적 구조를 개선한 실제적인 쌍원추형 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이, 회전 보우 타이형으로 이루어진다. 도 1을 참조하면, 쌍원추 안테나는 중앙의 정점(14)을 급전점으로 하여 상,하로 대칭형의 쌍원추(16a,16b)로 이루어진 것을 알 수 있다. 도 1에서 미설명부호 12는 급전선로이다.

한편, 광대역 특성을 얻기 위하여 원추(콘)와 다이폴의 기하학적 구조는 여러가지로 할 수 있는 데, 원추 모노폴 안테나는 쌍원추형 안테나에서 한쪽 원추(콘)를 접지면으로 대치한 것이다.

이러한 원추 모노폴 안테나는 20MHz에서 12GHz까지 폭넓게 제작되고 있으며, 주로 VHF 대의 이동체용 안테나로서 사용된다. 이러한 안테나 제품은 대부분 5:1 이상의 대역폭을 가지며, VSWR은 2:1에서 3.5:1 정도이다. 원추 모노폴 안테나도 쌍원추 안테나처럼 도체판 또는 도선을 사용하여 제작한다.

그런데 종래의 원추 모노폴 안테나는 안테나 설치공간을 많이 차지하고, 광대역 특성이 다소 열악한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 원추 모노폴 안테나의 원추를 수직 소자를 중심으로 하는 타원추로 함으로써 안테나의 설치공간이 줄어 들게 되고, 각 소자의 경사길이가 달라지며, 이에 따라 광대역 특성을 개선할 수 있는 수직 소자를 갖는 타원추 안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 안테나는, 다수개의 원추도선 소자들에 의해 타원형으로 이루어진 원추대; 상기 원추대의 정점에 위치하여 반사판 기능을 수행하는 접지판; 및 상기 원추도선 소자들을 지지하기 위한 원추대 지지파이프; 상기 지지파이프에 연장된 수직 소자로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한 수직 소자를 갖는 타원추 안테나는 안테나의 도선의 개수, 도선의 각도에 의해서 정재파 특성을 개선시키고, 상기 타원형 원추대는 장경과 단경의 비가 2:1 내지 3:1인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에서 제시한 안테나의 타당성을 입증하기 위하여 안테나를 수치해석하고 그 복사특성을 측정하였다. 해석방법은 모멘트법을 이용하였으며, 유한한 접지판에 설치된 도선형 원추 모노폴 안테나에 대하여 구조 파라미터를 변화시킴으로 복사 특성을 해석하고 안테나를 설계하였다. 또한 수직 소자를 갖는 타원추 모노폴 안테나의 복사특성에 대한 해석결과의 타당성을 검증하기 위하여 수직 소자를 갖는 타원추 안테나를 실제 제작하고, 그 복사특성을 측정하였다.

도 2는 본 발명에 따라 접지판에 세워진 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 안테나는 다수의 원추도선으로 이루어진 수직 소자(31)와 유한원형 접지판(33), 타원형 원추대(32), 급전 커넥터(34), 원추대 지지 파이프(35)로 구성된다. 즉, 수직 소자를 갖는 타원형 원추 모노폴 안테나는 12개의 도선소자가 원추대 지지파이프(35)에 의해 지지되어 타원형 원추를 이루고 있고, 정점에는 원형의 접지판(33)이 부착되어 있다. 접지판은 반사판으로서 기능하다.

도 3은 본 발명의 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 구조 파라미터를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 타원의 장경은 R_a, 단경은 R_b, 장경과 단경의 비를 B, h를 수직소자의 높이, 타원의 장축 방향의 길이를 L_h, 타원추의 반각을 θ_c, 유한 접지판의 반지름을 D, 접지판과 원추 사이의 간격을 s, 급전 디스크의 직경을 d로 정의한다.

도 4a 내지 도 4i는 본 발명에 따른 타원체의 장경(R_a)과 단경(R_b)의 비와 수직 소자 길이에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 VSWR을 도시한 도면이다. 이때, 모든 경우에 대하여 VSWR은 경사길이가 0.2λ 부근에서 급격히 나빠지고 있음을 알 수 있다. 따라서 타원추 모노폴 안테나를 설계할 때 경사길이는 원추반각에 따라 다소 차이가 있으나 최저 사용주파수를 고려하여 적절하게 선정되어야 한다. 짧은 경사길이에서의 VSWR 특성은 수직소자가 길어질수록 θ_c 가 작을수록 개선됨을 보이고 있다.

도 4a는 h = 0.05λ, B = 1인 경우이고, 도 4b는 h = 0.05λ, B = 2인 경우이며, 도 4c는 h = 0.05λ, B = 3인 경우이다. 또한 도 4d는 h = 0.1λ, B = 1인 경우이고, 도 4e는 h = 0.1λ, B = 2인 경우이며, 도 4f는 h = 0.1λ, B = 3인 경우이다. 도 4g는 h = 0.15λ, B = 1인 경우이고, 도 4h는 h = 0.15λ, B = 2인 경우이며, 도 4i는 h = 0.15λ, B = 3인 경우이다.

도 5a 내지 도 5f는 접지판의 직경이 각각 0.5λ, 1.0λ일 때의 수직소자를 갖는 원추 모노폴 안테나의 복사패턴이다. θ_c를 30°로 고정하고, h를 0.05λ, 0.1λ, 0.15λ, 경사길이 L_h를 0.25λ, 0.5λ, 0.75λ, 1λ로 변화시키면서 계산한 복사패턴이다.

도 5a 내지 도 5f를 참조하면, 동일한 D, h에서 경사길이 L_h 를 변화시킬 때 L_h 가 0.5λ 이하에서는 다이폴 안테나의 복사패턴과 유사한 패턴을 갖지만, L_h가 증가하면 고각도 복사가 증가하고 로브가 증가된다. 또한 동일한 D, L_h에서 h를 증가시킬 경우 경사길이 0.5λ 이하에서는 복사패턴의 변화가 거의 없으나, 0.5λ 이상에서는 h에 따라 약간의 차이를 보인다.

또한, 접지판의 크기에 따른 복사패턴을 살펴보면, D = 0.5λ일 때의 복사패턴과 D = 1λ일 때의 복사패턴이 유사하지만 D = 1λ일 때가 0.5λ일 때보다 수평방향의 복사가 줄어들고 고각도 복사가 증가하는 것으로 나타났다.

도 6a 내지 도 6o는 h = 0.05λ, B = 2인 수직소자를 갖는 타원추 안테나의 복사패턴이다.

도 6a 내지 도 6o를 참조하면, 접지판의 직경이 0.5λ일 때보다 1.0λ일 때가 수평방향의 복사가 줄어들고 고각도 복사가 증가됨을 보이고 있다. 또한 장축방향의 복사패턴과 단축방향의 복사패턴은 경사길이가 0.5λ 이하에서는 유사하게 나타나지만 0.5λ 이상에서는 다소 차이를 보이고 있다. 그리고 h에 따른 복사패 턴의 변화는 거의 없음을 알 수 있다.

도 7a 내지 도7u는 B = 3인 수직소자를 갖는 타원추 모노폴 안테나의 복사패턴이다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 수직 소자를 갖는 타원추 안테나를 설명한 하나의 실시 예에 불과한 것으로써, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다고 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 두개의 수직 소자를 갖는 타원추 안테나의 특성을 해석하였다. 안테나의 특성 결과 중 VSWR을 비교하면 타원추의 경우가 높은 주파수쪽에서 기존의 원추형보다 더 넓은 대역폭을 가지는 것으로 나타났다. 또한 복사 패턴의 경우, 원추 모노폴의 수평 패턴이 무 지향성인 것에 반하여 타원추 모노폴의 경우 수평패턴이 타원추 반각 θ_c가 작을 수록 또 높은 주파수 쪽에서 지향성을 띄었다. 이런 패턴의 변화는 타원추 모노폴의 이득이 경사길이가 짧은 쪽 즉, 낮은 주파수 쪽에서 원추 모노폴보다 더 높은 이득을 가지는 것으로 나타난다.

그리고 본 발명의 수직 소자를 갖는 타원추 안테나는 원하는 주파수 대역에 서 사용하고자 할 경우 기존의 안테나보다 소형화될 수 있고, 더 넓은 주파수 대역을 활용할 수 있으므로, 반사판 혹은 위상 어레이 등을 이용하여 패턴에 대한 보완을 한다면 광대역성을 필요로 하는 시스템에 용이하게 활용될 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 다수개의 원추도선 소자들에 의해 타원형으로 이루어진 원추대;

   상기 원추대의 정점에 위치하여 반사판 기능을 수행하는 접지판;

   상기 원추도선 소자들을 지지하기 위한 원추대 지지파이프; 및

   상기 원추대 지지파이프의 연장된 수직소자로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직 소자를 갖는 타원추 안테나.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 타원형 원추대는 장경과 단경의 비가 2:1 내지 3:1인 것을 특징으로 하는 수직 소자를 갖는 타원추 안테나.

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