KR100676178B1 - 동축 다이폴 안테나 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동축선로(Coaxial line)로 구성한 동축 다이폴 안테나 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반파장보다 짧은 소자길이에서도 급전용 케이블과 정합이 얻어지며 방사패턴은 일반적인 다이폴 안테나와 동일한 특성을 갖도록 하는 동축 다이폴 안테나의 구조를 제공하는데 그 목적이 있으며, 상기의 목적을 달성하기 위하여 반파장 보다 작은 소자길이로 정합이 얻어지는 기본 원리는 안테나 소자로 사용한 동축선이 리액턴스의 역할을 하도록 하여 안테나의 입력 임피던스가 효과적으로 제어되도록 하는 것이며, 또한 동축선으로 구성된 동축 다이폴 안테나의 입력 임피던스 Z_in은 안테나의 길이 2L, 안테나의 반경 a 및 동축선의 리액턴스 값 X의 함수이면서 Z_in = f{L,a,X(L-d)}의 식으로 구성됨과 아울러 상기 L-d의 값이 변하면 안테나의 입력 임피던스 값 Z_in이 제어되면서 반파장 보다 짧은 안테나 길이에서도 급전 선로에 정합이 취해지는, 즉 정재파비가 양호한 안테나가 실현될 수 있으면 낮은 주파수 대역인 30MHz-80MHz에서 사용하는 EMI관련 측정용 안테나로서 뿐만 아니라, 야외 시험장 평가용 안테나 이동 통신용 기기에 사용되는 통신용 안테나로서도 사용 가치가 매우 높은 특징이 있다.

동축 다이폴 안테나, 정재파비, 안테나 소자, 동축선 받침부

Description

동축 다이폴 안테나 구조{Coaxial Dipole Antenna Structure with Coaxial Line}

도 1은 종래의 도선으로 구성된 길이가 2L, 반경이 a인 일반적인 다이폴 안테나의 모양을 나타낸 정면도

도 2는 본 발명의 동축선으로 구성한 길이가 2L, 반경이 a인 동축 다이폴안테나의 구조를 나타낸 정면도

도 3은 본 발명을 실시하기 전의 일반적인 다이폴 안테나에 대한 정재파비(VSWR)의 주파수 특성의 일예를 보인 그래프

도 4는 본 발명의 실시 예에서 동축선으로 구성한 동축 다이폴 안테나에 대한 정재파비(VSWR)의 주파수 특성의 일예를 보인 그래프

도 5의 (a)(b)는 본 발명의 실시 예에서 안테나 소자의 길이 조건에 따라 동축선 받침부의 길이 변화에 따른 정재파비(VSWR)의 특성을 나타낸 그래프

도 6은 본 발명의 실시 예에서 안테나 소자의 길이가 12Cm인 경우, 동축선으로 구성한 동축 다이폴 안테나에 대한 방사패턴의 일예를 보인 그래프

도 7는 본 발명을 실시하기 전의 다이폴 안테나 사용 상황을 나타낸 참고도

도 8은 본 발명의 동축 다이폴 안테나의 사용 상황을 나타낸 참고도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10, 11. 도선 안테나 소자 12. 동축 케이블

13, 14. 동축선 받침부 15, 16. 안테나 소자부

17, 18. 동축선 중심 도체부 19, 20. 단락 끝단부

21, 22. 개방 끝단부

본 발명은 동축선로(Coaxial line)로 구성한 동축 다이폴 안테나 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반파장보다 짧은 소자길이에서도 급전용 케이블과 임피던스 정합이 얻어지며 방사패턴은 일반적인 다이폴 안테나와 동일한 특성을 갖도록 하는 동축 다이폴 안테나의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 기존의 안테나(도 1)는 동작 주파수에서 안테나를 효율적으로 동작시키기 위해 안테나의 길이를 반파장이 되도록 설계하여 밸런(BALUN)으로 정합시켜 사용하는 것이 일반적이다.

이와 같은 반파장 다이폴 안테나의 경우에는 안테나의 입력 저항이 약 72Ω이 되고 입력 리액턴스가 존재하게 되어 50Ω의 동축 급전선로에는 정합이 취해지지 않는다.

또한, EMI 관련 측정용 안테나에서는 낮은 주파수 대역에서 반파장의 안테나 길이가 길어지게 되어 양 끝단이 쳐지게 되므로 인하여 측정오차의 원인이 되는 문제점이 있다.

그리고, 이동 통신용 안테나에서는 휴대폰, PDA 등과 같이 정보통신기기의 소형화 추세로 인하여 내장되는 안테나도 가능한 반파장 보다 짧은 길이를 갖는 소형의 안테나가 필요하게 된다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 수단으로 안테나를 소형화하기 위한 노력을 하고 있으나, 상기 안테나를 소형화하기 위해서는 안테나의 길이를 반파장 보다 짧게 하여야 하는데, 이때 안테나의 길이를 반파장 보다 짧게 하면 안테나의 입력 저항은 작아지고 입력 리액턴스는 큰 용량성이 된다.

그러므로, 안테나의 길이를 반파장 보다 짧게 하여 안테나를 소형화 하면 급전선로와는 임피던스 정합을 취할 수 없게 되고 안테나로서의 기능은 현저히 저하되는 문제점이 있다.

한편, 그 일예로서 다이폴 안테나의 길이를 반파장 보다 짧게 하여 안테나의 입력단 특성을 나타내는 정재파비를 계산해 보면 도 3과 같으며, 상기 도 3은 사용 주파수 1GHz에서 안테나의 길이가 12cm, 안테나의 반경이 1.5mm인 다이폴 안테나에 대한 정재파비(VSWR)의 주파수 특성을 나타낸 것이며, 길이 12cm의 안테나는 사용 주파수 1GHz에서 반파장(15cm)보다 짧으며(20%의 소형화율) 이때의 정재파비는 3.2로서 이 상태로서는 안테나로 사용할 수 없다.

그러므로, 반파장 보다 짧은 안테나 길이에서도 급전 선로에 정합이 취해지는, 즉 정재파비가 양호한 안테나가 실현될 수 있으면 EMI 관련 측정용 안테나로서 뿐만 아니라 이동 통신용 기기에 사용하는 통신용 안테나로서도 매우 가치가 있다.

또한, 상기의 계산 예에서는 주파수를 1GHz로 선택하였으므로 반파장 안테나의 길이가 15cm로서 물리적인 길이가 짧다. 그러나 EMI 관련 측정용 안테나와 야외시험장의 시험장 감쇠량 측정용 안테나인 경우에는 사용 주파수 대역이 30MHz ~ 1GHz이므로 낮은 주파수 대역인 30MHz ~ 80MHz 대역에서는 안테나의 반파장 길이가 5m ~ 2m 사이이므로 안테나의 물리적 길이가 매우 길며 도 7에서 보인 바와 같이 다이폴 안테나의 양 끝단이 쳐지는 문제점과 함께 측정오차의 원인이므로 개선해야 할 문제점으로 지적되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 반파장 보다 짧은 소자길이에서도 급전용 케이블과 임피던스 정합이 얻어지며 방사 패턴을 일반적인 다이폴 안테나와 동일한 특성을 갖도록 하는 동축 다이폴 안테나 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 반파장 보다 작은 소자길이로 정합이 얻어지는 기본 원리는 안테나 소자로 사용한 동축선이 리액턴스의 역할을 하도록하여 안테나의 입력 임피던스가 효과적으로 제어되도록 하는 것이며, 또한 동축선으로 구성된 동축 다이폴 안테나의 입력 임피던스 Z_in은 안테나의 길이 2L, 안테나의 반경 a 및 동축선의 리액턴스 값 X의 함수이면서 Z_in = f{L,a,X(L-d)}의 식으로 구성됨과 아울러 상기 L-d의 값이 변하면 안테나의 입력 임피던스 값 Z_in이 제어될 수 있는 동축 다이폴 안테나 구조에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 도선으로 구성된 길이가 2L, 반경이 a인 일반적인 다이폴 안테나의 모양을 나타낸 정면도이며, 도 2는 본 발명의 동축선으로 구성한 길이가 2L, 반경이 a인 동축 안테나의 구조를 나타낸 정면도이고, 도 3은 본 발명을 실시하기 전의 일반적인 다이폴 안테나에 대한 정재파비(VSWR)의 주파수 특성의 실시예를 보인 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예에서 동축선으로 구성한 동축 다이폴 안테나에 대한 정재파비(VSWR)의 주파수 특성의 실시예를 보인 그래프이고, 도 5의 (a)(b)는 본 발명의 실시 예에서 안테나 소자의 길이 조건에 따라 동축선 받침부의 길이 변화에 따른 정재파비(VSWR)의 특성을 각각으로 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에서 안테나 소자의 길이가 12cm인 경우, 동축선으로 구성한 동축 다이폴 안테나에 대한 방사패턴의 일예를 보인 그래프이고, 도 7은 본 발명을 실시하기 전의 다이폴 안테나 사용 상황을 나타낸 참고도이고, 도 8은 본 발명의 동축 다이폴 안테나의 사용 상황을 나타낸 참고도이다.

먼저, 도 2와 같이 본 발명은 동축선로(15,16)에 의해 구성된 동축 다이폴 안테나 구조에 관한 것으로, 특히 반파장보다 짧은 소자길이에서도 급전용 케이블과 임피던스 정합이 얻어지며 방사패턴은 일반적인 다이폴 안테나와 동일한 특성을 갖도록 하는 동축 다이폴 안테나의 구조에 관한 것이다.

한편, 반파장보다 작은 소자길이로 임피던스 정합이 얻어지는 기본 원리는 안테나 소자로 사용한 동축선(15,16)이 리액턴스의 역할을 하도록 하여 안테나 소자 자체로서 안테나의 입력 임피던스가 효과적으로 제어되도록 구성하는 것이다.

그리고, 본 발명의 동축선(15,16)으로 구성한 동축 다이폴 안테나의 입력 임피던스 Z_in은

안테나 길이 2L,

안테나 반경 a,

동축선의 리액턴스 값 X의 함수이다.

이는 아래의 식과 같다.

Z_in = f{L,a,X(L - d)}이다.

상기의 상황에서 L - d 의 값이 변하면 안테나의 입력 임피던스 값 Z_in이 제어 되는 구성이다.

단, X = Zc tan{ß(L - d)}이며, Zc는 동축선(15,16)의 특성 임피던스, ß는 동축선의 전파정수, d는 동축선 받침부(13,14)의 길이를 나타낸다. 동축선 받침부(13.14)의 길이방향 양끝단은 전기적으로 단락되어 있으며 동축선(15.16)와 같은 것으로 구성하여 양끝단을 단락하면 안테나에 흐르는 전류의 균일성을 유지할 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명을 실시하기 전의 일반적인 다이폴 안테나(도 1)에 대한 정재파비(VSWR)의 주파수 특성의 실시예를 보인 그래프이다.

상기 그래프는 안테나의 길이가 12cm인 다이폴 안테나에 대한 정재파비의 주파수 특성을 나타낸 것으로서, 12cm의 안테나 길이는 주파수 1GHz에서는 반파장보다 짧으며 이 때의 정재파비는 3.2로서 안테나로 사용하기에는 부적합하다.

도 4는 본 발명의 실시 예에서 동축선(15,16)으로 구성된 동축 다이폴 안테나(도 2)에 대한 정재파비의 주파수 특성의 일예를 보인 그래프이며, 상기 그래프 는 안테나의 길이가 12cm인 동축 다이폴 안테나에 대한 정재파비의 주파수 특성을 나타낸 것으로서, 12cm의 안테나 길이는 주파수 1GHz에서는 반파장보다 짧으며 이때의 정재파비는 1.16으로서 안테나로 사용하기에 바람직하다.

도 5의 (a)(b)는 본 발명의 실시 예에서 동축선(15,16)의 특성 임피던스 Zc를 파라미터로 하였을 때, 동축선 받침부(13,14)의 길이 d의 변화에 따른 정재파비 특성의 실시 예를 보인 그래프이며, Zc의 값을 작게하면 짧은 동축선 받침부(13,14)로서도 양호한 정재파비의 특성을 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에서 동축선(15,16)으로 구성된 동축 다이폴 안테나에 대한 방사패턴의 일예를 보인 그래프이며, 일반적인 다이폴 안테나의 방사패턴과 동일한 특성을 갖게 구성하였다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명을 별도의 실시예를 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예로서 도 2의 안테나를 반파장 보다 짧은 안테나 길이로 구성하면 기존의 다이폴 안테나와 비교하여 정재파비 특성이 현저히 좋은 다이폴 안테나를 만들 수 있게 된다.

이러한, 동축 다이폴 안테나는 측정 표준을 위한 표준 다이폴 안테나,

야외시험장의 시험장 감쇠량을 측정하기 위한 시험장 평가용 다이폴 안테나,

EMI 측정을 위한 측정용 안테나,

이동 통신용 기기에 내장하는 통신용 안테나로 사용할 수 있다.

또한, 제 4도는 본 발명의 실시예로서 동축선(15,16)으로 구성된 동축 다이 폴 안테나(도 2)에 대한 정재파비의 주파수 특성의 일예를 보인 그래프이며, 상기 그래프는 기존의 안테나와 비교하기 위해 기존의 안테나에 대한 일예를 계산한 것과 같은 안테나의 크기를 선택하여 계산한 것이다.

즉, 안테나의 길이가 12cm, 안테나의 반경이 1.5mm인 동축 다이폴 안테나를 선택하고, 상기 안테나의 정재파비의 주파수 특성을 계산한 것이 도 4에 표시되어 있다.

그리고, 12cm의 안테나 길이는 주파수 1GHz에서는 반파장(15cm)보다 짧으며(20%의 소형화율) 이때의 정재파비는 1.16으로서 도 3에서 보인 기존의 안테나에 대한 결과와 비교하여 현저히 좋은 정재파비 특성을 보이고 있다.

한편, 안테나의 길이를 12cm 보다 더욱 짧게 할 수도 있는데 예로서 9cm로 하면 소형화율은 40%이며, 이 때의 정재파비 특성은 1.3이고 안테나로서 매우 좋은 특성을 유지하는 것으로 나타난다.

즉, 안테나가 소형이므로 도 7에 나타낸 바와 같이 양 끝단이 쳐지지 않아 EMI 관련 측정용 안테나로 사용하시에도 적합하며 이동 통신용 기기에 내장하는 안테나로 사용하기에 바람직한 것으로 확인되었다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

이상과 같이 본 발명은 반파장 보다 짧은 안테나 길이에서도 급전 선로에 정합이 취해지는, 즉 정재파비가 양호한 안테나가 실현될 수 있으며 낮은 주파수 대역인 30MHz ~ 80MHz에서 사용하는 EMI 관련 측정용 안테나로서 뿐만 아니라, 야외 시험장 평가용 안테나, 이동 통신용 기기에 사용하는 통신용 안테나로서도 사용 가치가 매우 높은 특징이 있다.

Claims (3)

1. 동축선로의 중심도체와 전기적으로 결합된 동축선 받침부를 안테나 소자로 사용하여 동축선 받침부에 1개의 급전케이블이 연결되어 급전부가 1개로 이루어져 있으며, 반파장 보다 짧은 소자길이에서도 안테나의 입력 임피던스가 급전선로의 특성 임피던스에 정합이 취해지도록 상기 안테나 소자 자체에 임피던스 정합특성을 갖게 구성함을 특징으로 하는 동축 다이폴 안테나 구조
2. 제 1항에 있어서,

   상기 안테나 소자는 낮은 주파수 대역인 30MHz ~ 80MHz 대역의 EMI 관련 측정용 안테나에 사용될 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 동축 다이폴 안테나 구조
3. 제 1항에 있어서,

   상기 안테나 소자는 이동 통신용 기기의 통신용 안테나로 사용될 수 있도록 구성함을 특징으로 하는 동축 다이폴 안테나 구조

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