KR100588024B1

KR100588024B1 - 광대역 이중 디스콘 안테나

Info

Publication number: KR100588024B1
Application number: KR1020040001399A
Authority: KR
Inventors: 김진우; 박성욱
Original assignee: 학교법인 한국정보통신학원
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2006-06-08
Also published as: KR20050073170A

Abstract

본 발명은 광대역 이중 디스콘 안테나에 관한 것으로, 원추 형상의 제1원뿔과 제1원뿔의 꼭지점에 형성된 평면절단면에서 소정 간격 이격되어 결합되는 원판 형상의 제1디스크로 구성되는 제1 디스콘 안테나; 및 제1원뿔과 제1디스크 사이에 삽입되며, 꼭지점이 평면절단면으로 향하며, 평면절단면을 제2디스크로 이용하는 원추 형상의 제2원뿔로 구성되는 제2 디스콘 안테나를 포함하여 구성된다.

Description

광대역 이중 디스콘 안테나{A Broadband Double Discone Antenna}

도1은 디스콘 안테나의 일반적인 구조를 도시하고,

도2는 본 발명에 따른 이중 디스콘 안테나의 구조를 보여주는 정단면도,

도3은 도2의 A 부분을 확대한 일부 정단면도,

도4a는 제2원뿔을 제1원뿔의 절단면에 고정시키는 고정부재를 도시하는 분리사시도,

도4b는 제1 및 제2고정부재가 결합된 상태의 정단면도,

도4c는 제1 및 제2고정부재가 결합된 상태의 평면도, 그리고

도5는 본 발명의 이중 디스콘 안테나의 주파수 대 정재파비를 도시하고 있다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

21: 제1원뿔 22: 제1디스크

23: 커넥터 24: 동축케이블

25: 지지대 26: 절단면(제2디스크)

27: 제2원뿔 31: 삽입홈

32: 삽입뿔 33: 너트

34: 돌출부 41: 제1고정부재

42: 제1결합홈 43: 제1고정홈

44: 제1단턱부 45: 제2너트홈

51: 절결홈

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 상세하게는 광대역폭을 갖는 디스콘 안테나에 관한 것이다.

디스콘 안테나(discone antenna)는 원판과 원추로 구성된 초단파용 안테나로서, 유한 쌍원추 안테나의 원리를 기본으로 하여 쌍원추 중 하나의 원추가 원반 모양의 접지면으로 대치된 것이다. 디스크 콘(disk-cone) 안테나라고도 한다. 디스콘 안테나는 1945년 Kankoian이 개발하였으며, 넓은 주파수(수 옥타브)에 걸쳐서 적절한 패턴과 임피던스 특성을 유지하는 광대역 안테나로서, VHF와 UHF대의 일반 통신용, 항공원조용, 전파 감시용에 주로 사용된다.

도 1은 디스콘 안테나의 일반적인 구조를 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와같이, 디스콘 안테나에서는 급전선인 동축케이블(14)의 외부 도체가 원뿔(11)에 연결되고, 내부 도체는 디스크(12) 접지면에 부착된다. 원뿔(11)과 디스크(12)는 커넥터(13)로 연결된다. 디스콘 안테나는 주파수와 함께 적절한 패턴 특성을 유지하면서 광대역 임피던스 특성(일반적으로 50Ω)을 갖도록 구성된다. 일반적인 디 스콘 안테나의 크기는 원뿔의 사변 H=0.7λ, 원뿔의 직경 B₁=0.6λ, 디스크의 지름 D=0.4λ, 원뿔 사변의 경사진 정도 θ_h=30°, 디스크와 원뿔 사이의 간격 t ≪ D 을 가지며, 사용 가능한 최저주파수와 최고주파수의 비가 약 1 : 8 정도가 된다.

이러한 디스콘 안테나의 임피던스 정합은 주로 디스크와 원뿔 사이의 간격(t)에 의해 결정되는 데, 동축케이블 급전구조에서 동축케이블의 외심을 고정시키기 위해서 원뿔의 상단면을 절단하여 커넥터 또는 연결잭의 고정면으로 사용한다. 그런데, 고정면의 반경(B₂/2)은 주파수 대역폭과 반비례 관계에 있다. 종래의 기술들은 대역을 확장하거나 두 가지 이상의 대역을 사용하기 위하여 두 종류 이상의 디스콘 안테나를 사용하는 방법 등을 사용하였다. 예를들어, 출원번호 10-2001-0085701호는 두 개의 다른 크기의 디스콘 안테나를 역으로 결합하여 각각의 주파수 대역에서 통신하도록 구성하였다. 그러나, 이 기술은 두 개의 디스콘 안테나를 직렬로 연결한 것이어서 크기가 두 배가 된다. 결국, 이 방법은 안테나의 크기 및 광대역화를 동시에 만족시키는 측면에서 바람직하지 않다.

한편, 이동통신의 급격한 발달로 전화 또는 데이터 통신을 위하여 각 무선통신 업체들이 각각의 주파수 대역에 맞도록 도처에 안테나를 설치하고 있다. 그런데, 설치되는 안테나들은 무지향성의 단일 안테나가 아닌 지향성 안테나를 원형으로 배열시킨 다수의 안테나가 사용되고 있다. 건물 외부에 설치되는 이들 안테나들은 도시미관을 훼손할 뿐 아니라, 단일 안테나 설치보다 몇 배의 비용을 필요로 한다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 종래의 디스콘 안테나의 크기를 변형시키지 않은 상태로 대역폭을 증가시키고, 각 서비스 업체들의 모든 주파수 대역을 포함하는 단일 무지향성 안테나의 개발요구에 부응하여, 도시 내에 난립한 안테나의 통합과 UWB(ultra wide band) 시스템용 안테나의 특성을 동시에 만족시키는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 위하여 본 발명은 크기가 다른 두 개의 디스콘 안테나를 이용하여, 큰 디스콘 안테나의 원뿔 절단면을 디스크로 이용하는 작은 디스콘 안테나를 큰 디스콘 안테나의 원뿔과 디스크 사이에 큰 디스콘 안테나에 대향하도록 삽입설치하여, 작은 디스콘 안테나의 급전구조를 큰 디스콘 안테나의 급전구조와 반대가 되는 광대역 특성을 갖는 이중 디스콘 안테나를 제공한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 이중 디스콘 안테나의 구조를 보여주는 정단면도이다. 도2에 도시된 바와같이, 이중 디스콘 안테나는 크기가 상대적으로 큰 제1디스콘 안테나(21,22), 크기가 상대적으로 작은 제2디스콘 안테나(27,26), 동축케이블(24), 급전용 커넥터(23), 너트(33), 지지대(25) 등으로 구성된다.

제1디스콘 안테나는 제1원뿔(21)과 제1디스크(22)로 구성된다. 예를들어, 300MHz 를 최저주파수로 하는 제1원뿔(21)과 제1디스크(22)를 설계한다. 제1디스 콘 안테나의 높이는 무한 원뿔과 무한 접지면을 가질 수 없으므로 컷오프 주파수의 약 1/4 정도의 파장을 갖도록 설계된다. 제1원뿔(21)의 사변 경사각은 30°를 갖도록 한다. 급전선인 동축케이블(24)의 외부 도체가 원뿔(21)에 연결되고, 내부 도체는 커넥터(23) 및 제2디스콘 안테나의 제2원뿔(27)에 의하여 디스크(22)에 연결된다. 입력 임피던스는 주파수와 함께 적절한 패턴 특성을 유지하면서 광대역 임피던스 특성(50Ω)을 유지하도록 구성된다. 일반적으로, 원뿔의 사변 길이는 0.7λ, 원뿔의 직경은 0.6λ, 디스크의 지름은 0.4λ, 디스크와 원뿔 사이의 간격은 디스크 지름보다 충분히 작도록 한다. 본 발명에서, 제1디스콘 안테나를 300MHz 에서 3GHz까지 커버하도록 구성시킬 때, 높이는 230mm, 디스크 반경은 145mm, 디스크와 원뿔 사이의 간격은 25mm이다. 이 경우, 정재파비(VSWR) 2.0 에서 약 1:10 의 주파수 대역비를 가질 수 있지만, 실 제품에서는 약 1:8 정도의 주파수 대역비를 갖는다.

한편, 실제적으로 완전한 형태의 원뿔을 만들 수는 없다. 즉, 동축케이블(24)의 급전구조에서 동축케이블(24)의 외심을 원뿔(21)에 연결시키는 커넥터(23)를 고정하기 위한 부분이 원뿔의 상부, 즉 꼭지점에 형성되어야 한다. 이와같이, 원뿔(21)의 상부에 형성된 절단면(26)은 주파수 대역폭을 감소시킨다. 이로인해, 제1디스콘 안테나의 주파수 대역비가 1:6 까지 떨어진다.

제2디스콘 안테나는 제2원뿔(27)과 제2디스크(26)로 구성되는 고주파용 디스콘 안테나이다. 제2디스콘 안테나의 제2디스크(26)는 제1디스콘 안테나의 절단면(26)을 이용한다. 제2디스콘 안테나는 제1디스콘 안테나에 대항하면서 제1 디스콘 안테나의 제1디스크(22)와 절단면(26) 사이에 결합된다. 제2원뿔(27)의 경사각과 높이에 따라 안테나의 성능에 차이가 발생시킨다. 높이는 제1디스콘 안테나(21)의 급전높이(즉, 절단면(26)과 제1디스크(22) 사이의 간격)에 부합시키는 것이 바람직하므로 너무 높지 않도록 구성한다. 경사각은 제1원뿔(21)의 경사각에 따라 최적 각도가 결정된다. 본 발명의 제2원뿔(27)은 사변의 경사각이 50°, 높이가 25mm이고, 그리고 제2디스크(26)의 반경은 35mm 이다.

커넥터(23)는 일측에 홀이 형성된 M형을 사용한다. 커넥터(23)는 동축케이블(24)의 내심을 제2원뿔(27) 및 제1디스크(22)에 연결시키고, 동축케이블(24)의 외심을 제1디스콘 안테나의 절단면(26)에 분리연결시킨다. 커넥터(23)의 홀에는 제2원뿔(27)의 꼭지점 부분이 삽입되어 고정된다.

지지대(25)는 제2디스콘 안테나를 지지 고정하며, 동축케이블(24)을 내장 및 안내하면서 동축케이블(24)을 제1디스콘 안테나와 전기적으로 분리시킨다.

도3은 도2의 A 부분을 확대한 일부 정단면도이다. 도3에 도시된 바와같이, 커넥터(23)에는 삽입홈(31)이 형성되어 있고, 삽입홈(31)에는 제2원뿔(27)의 꼭지점 부분에 구비되는 삽입뿔(32)이 삽입되어 고정된다. 삽입뿔(32)은 삽입홈(31)의 형태에 따라 원형, 다각형 등의 다양한 형태로 구성될 수 있지만, 회전을 허용하는 경우에는 원형으로, 회전을 허용하지 않는 경우에는 삼각형, 사각형 등의 다각형으로 형성시킨다.

커넥터(23)의 일측에는 동축케이블(24)이 결합되고, 타측에는 제2원뿔(27)의 삽입뿔(32) 및 절단면(26)이 결합된다. 즉, 커넥터(23)는 제1디스콘 안테나와 제2디스콘 안테나의 급전이 반대가 되도록 한다.

제2원뿔(27)은 내부에 지지대를 포함하며, 지지대의 일측, 즉 삽입뿔(32)의 반대편에 돌출부(34)가 형성되며, 돌출부(34)의 외주연에는 나사산이 형성된다. 돌출부(34)는 제1디스크(22)를 관통하며, 관통된 돌출부(34)의 나사산에 너트(33)가 결합되어, 제1디스크(22)와 제2원뿔(27)이 결합된다.

도4a는 제2원뿔을 제1원뿔의 절단면에 고정시키는 고정부재를 도시하는 분리사시도이다.

도4a에 도시된 바와같이, 제2원뿔(27)에는 하단부 일측의 외주연을 따라 절결홈(51)이 형성되어 있다.

고정부재는 부도체로 형성되는 분리된 제1고정부재(41)와 제2고정부재(46)로 구성된다. 제1고정부재(41)와 제2고정부재(46)는 각각 절결홈(51)에 삽입되어, 일단이 서로 접촉되면서 결합된다.

제1고정부재(41)는 제2원뿔의 절결홈(51)에 삽입되는 제1고정홈(43), 절결홈(51)의 하부에 위치하는 제2원뿔(27)의 일부를 내장하는 제1단턱부(44)가 형성되어 있다. 도4a에는 제1단턱부(44)가 하방 직각으로 형성되어 있으나, 제1단턱부(44)에 삽입되는 제2원뿔의 일부가 테이퍼 형상으로 되어 있으므로, 삽입되는 제2원뿔의 일부의 형상에 부합하도록 제1단턱부(44)를 경사지게 형성시킬 수 있다. 제1고정부재(41)의 외측에는 볼트가 삽입되는 제1결합홈(42)이 형성되며, 제1결합 홈(42)에 대응되는 위치의 제1원뿔(21) 절단면(26)에 제1너트홈(45)이 형성되어 있다. 제1고정부재(41)는 제1결합홈(42) 및 제1너트홈(45)에 볼트가 삽입결합되어, 제1원뿔에 결합고정된다.

제2고정부재(46)는 제1고정부재(41)에 대응되는 구조로서, 제2고정홈(48), 제2결합홈(47), 제2단턱부(49), 제2너트홈(50) 등이 형성되어 있다.

도4b 및 도4c는 제1 및 제2고정부재가 결합된 상태의 정단면도 및 평면도이다. 도시된 바와같이, 볼트가 삽입되는 제1 및 제2결합홈(42,47)은 계단식으로 형성되어, 볼트의 머리부가 걸리도록 형성된다.

도5는 본 발명의 이중 디스콘 안테나의 주파수 대 정재파비를 도시하고 있다. 도5는 본 발명의 이중 디스콘 안테나의 성능을 도시한 것으로, 정재파비(VSWR)를 2.5 이하로 설정할 때, 주파수 대역폭이 265MHz ∼ 8.9GHz 가 됨을 보여주고 있다. 제2원뿔이 없이 구성된 디스콘 안테나에서, 절단면을 최소로 할 때 얻을 수 있는 주파수 대역폭은 300 MHz ∼ 2.4GHz 임에 반하여, 제2원뿔의 삽입시킨 본 발명의 이중 디스콘 안테나 구조는 주파수 대역을 9GHz 까지 확장시키고 있다. 주파수 대역비 측면에서 보면, 종래의 1:8 에서 1:30 으로 확장된다.

이상의 구조를 갖는 본 발명에 의하면, 기존 디스콘 안테나의 크기를 변형시키지 않은 상태로 대역폭을 크게 증가시킬 수 있어서 기존 UHF 대역, 각종 상용 주 파수 대역 및 UWB 통신 대역을 포함하는 공용 통합 안테나를 구현할 수 있다. 이는 모든 주파수 대역을 포함하는 단일 무지향성 안테나의 구현을 가능케 함으로써, 도시 내에 난립한 안테나를 단순화시킬 수 있다.

Claims

원추 형상의 제1원뿔과 상기 제1원뿔의 꼭지점에 형성된 평면절단면에서 소정 간격 이격되어 결합되는 원판 형상의 제1디스크로 구성되는 제1 디스콘 안테나; 및

상기 제1원뿔과 상기 제1디스크 사이에 삽입되며, 꼭지점이 상기 평면절단면으로 향하며, 상기 평면절단면을 제2디스크로 이용하는 원추 형상의 제2원뿔로 구성되는 제2 디스콘 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 이중 디스콘 안테나.
제1항에 있어서,

급전선인 동축케이블의 외심은 상기 평면절단면에 연결되고, 상기 동축케이블의 내심은 상기 제2원뿔 및 상기 제1디스크에 연결하여 역방향 급전구조를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 광대역 이중 디스콘 안테나.
제2항에 있어서, 상기 역방향 급전구조는

일측은 동축케이블에 연결되고, 타측은 평면절단면 및 제2원뿔의 꼭지점에 연결되는 M형 커넥터를 이용하는 것을 특징으로 하는 광대역 이중 디스콘 안테나.
제3항에 있어서,

상기 M형 커넥터의 타측에는 삽입홈이 형성되고, 상기 제2원뿔의 꼭지점에 삽입뿔이 형성되어, 상기 삽입뿔이 상기 삽입홈에 삽입됨으로써 상기 제2원뿔과 상기 커넥터가 결합되고,

상기 제2원뿔은 내부에 제2원뿔 지지대를 더 포함하며, 상기 제2원뿔의 꼭지점 반대편에는 제2원뿔 지지대에 연장되는 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부는 상기 제1디스크를 관통하며, 상기 돌출부의 외주연에 나사산이 형성되어, 상기 돌출부의 나사산에 너트가 결합됨으로써 상기 제1디스크와 상기 제2원뿔이 결합되는 것을 특징으로 하는 광대역 이중 디스콘 안테나.
제4항에 있어서, 상기 제1원뿔은

상기 동축케이블을 내장 안내하며, 상기 제1원뿔을 지지하는 제1원뿔 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 이중 디스콘 안테나.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

일측은 상기 제2원뿔의 외주연에 밀착되고, 타측은 상기 평면절단면에 고정되어, 상기 제2원뿔을 상기 제1원뿔의 평면절단면에 결합고정시키는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 이중 디스콘 안테나.
제6항에 있어서,

상기 제2원뿔은 외주연에 절결홈이 형성되고, 상기 고정부재의 일측이 상기 절결홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 광대역 이중 디스콘 안테나.
제7항에 있어서, 상기 고정부재는

상기 제2원뿔의 외주연 절결홈에 삽입되도록 형성된 만곡부 형상의 고정홈이 형성되고, 상기 절결홈의 상기 제2원뿔 아래부분이 내장되도록 절결된 단턱부가 형성되며, 그리고 상기 고정부재를 상기 평면절단면에 고정시키는 볼트가 삽입되는 결합홈이 일측에 형성되어 상기 볼트가 상기 평면절단면에 형성된 너트홈에 삽입됨으로써, 상기 제2원뿔을 상기 평면절단면에 고정시키는 것을 특징으로 광대역 이중 디스콘 안테나.
제8항에 있어서, 상기 고정부재는

상기 제2원뿔의 절결홈의 외주연을 따라 서로 대향하며 접촉하는 동일한 형상을 가진 제1고정부재 및 제2고정부재로 구성되는 것을 특징으로 광대역 이중 디스콘 안테나.