KR100701801B1 - 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나 - Google Patents
외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 쿼드리파일러 나선형 안테나(quadrifilar helical antenna)에 관한 것이다. 실린더형의 방사체, 상기 방사체 상의 상부에서 하부로 직렬 접속되고, 제 1 및 제 2 단부를 갖는 제 1 내지 제 4 주안테나 선로, 상기 주안테나 선로의 제 2 단부 위쪽에서 연장되어 상기 주안테나 선로와 평행하게 방사체 상에 배치되는, 제 1 길이를 갖는 1 쌍의 제 1 부안테나 선로 및 제 2 길이를 갖는 1 쌍의 제 2 부안테나 선로, 2 개의 선로를 갖는 X-PCB, 상기 방사체를 휴대용 단말기에 탈착이 가능하게 연결시키는 커넥터 및 홀, 패드 및 전송선로를 갖는 B-PCB를 포함하는 상이한 2 개의 주파수 대역을 동시에 지원할 수 있는 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나를 제공한다.
쿼드리파일러 나선형 안테나, 외장형 안테나, GPS & S-DMB 겸용 안테나
Description
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나를 제작하기 위한 방사체를 도시한 개략도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 X-PCB를 도시한 개략도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 X-PCB를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 B-PCB를 도시한 계략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 커넥터 11 : B-PCB(Base Printed Circuit Board)
12 : 제1 주안테나 선로 13 : 제2 주안테나 선로
14 : 제3 주안테나 선로 15 : 제4 주안테나 선로
16 및 18 : 제1 부안테나 선로 17 및 19 : 제2 부안테나 선로
20 : X-PCB 21 : 방사체
쿼드리파일러 나선형 안테나(quadrifilar helical antenna)는 나사산 형태로 감겨져 헬릭스(helix)를 형성하는 하나 이상의 신장된 도전성 소자들을 포함한다. 나선형 안테나는 직경의 실린더 주위에 피치각으로 배치된 길이의 도전성 소자들을 포함한다. 피치각은 나선형 도체와 접하는 선 및 나선형 축에 수직한 평면으로 형성된 각도로 정의된다. 안테나 동작 특성들은 헬릭스 기하학적 속성들, 도전성 소자들의 수 및 이들 간의 상호 접속들, 및 피드 배열(feed arrangement)에 의해 결정된다.
쿼드리파일러 나선형 안테나는 UHF, L 및 S 주파수 대역에서 동작하는 통신 및 항법 수신기들에 사용된다. 또한, 제한된 대역폭을 갖는 공진 쿼드리파일러 나선형 안테나는 GPS 신호들을 수신하는데 사용된다. 쿼드리파일러 나선형 안테나는 상대적으로 작은 크기, 우수한 원편파 커버리지 및 상반구 시야(upper hemisphere field of view)의 대부분에 걸쳐서 낮은 축비(Axial Ratio: AR)을 갖는다. 쿼드리파일러 나선형 안테나는 공진 안테나이기 때문에, 이의 크기들은 통상적으로 협대역 주파수에 대해 최적의 성능을 제공하도록 선택된다.
종래 기술의 쿼드리파일러 나선형 안테나는 약 1575 MHz에서 동작하기 위하여 약 30 mm의 직경을 갖는 헬릭스 상에 설치된 4개의 동일한 길이의 선로들을 포함한다. 이들 기하학적 특징들이 주어지면, 안테나는 약 50 ohms의 구동점 임피던 스를 제공하는데, 이는 통상적으로 50 ohms 특성 임피던스 동축 케이블에 정합하는데 적합하기 때문이다. 쿼드리파일러 나선형 안테나의 4개의 선로들은 위상 직교, 즉 인접 선로들 같에 90° 위상 관계로 급전된다. 또한, 전형적으로 쿼드리파일러 나선형 안테나는 접지면 또는 매설지선(counterpoise) 없이 동작하는 자력식 방사 구조(self-sufficient radiating structure)이다.
그러나, 종래의 쿼드리파일러 나선형 안테나는 휴대용 무선 단말기 등에서 GPS 및 S-DMB 주파수 대역을 동시에 송수신할 수 있는 외장형 안테나로의 구현이 어려웠고, GPS 단일 주파수 대역에서의 사용만이 가능하였다. 동작 주파수와 대역폭 등의 요구되는 성능을 얻기 위해 내장형 안테나는 충분한 공간을 필요로 하기 때문에, 무선단말기의 주어진 크기로 인하여 큰 안테나체적은 허용되지 않는다.
본 발명은 휴대용 무선단말기 등의 외부에 장착할 수 있고, GPS 및 S-DMB와 같이 서로 상이한 두 가지 대역을 동시에 지원할 수 있는 안테나에 관한 것으로서, 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나로 구현으로 인해, 휴대용 무선단말기 내부에서의 GPS 및 S-DMB 겸용 안테나 구현 시 체적의 한계점을 극복하고, 하나의 모듈에서의 주파수 대역 이원화 구조를 일체화하여 고효율 성능을 창출하기 위한 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 쿼드리파일러 나선형 안테나는 실린더형의 방사체, 상기 방사체 상에 상부에서 하부로 직렬 접속되고, 제 1 및 제 2 단부를 갖는 제 1 내지 제 4 주안테나 선로, 상기 주안테나 선로의 제 2 단부 위쪽에서 연장되어 상기 주안테나 선로와 평행하게 방사체 상에 배치되는, 제 1 길이를 갖는 1 쌍의 제 1 부안테나 선로 및 제 2 길이를 갖는 1 쌍의 제 2 부안테나 선로, 2 개의 선로를 갖는 X-PCB, 상기 방사체를 휴대용 단말기에 탈착이 가능하게 연결시키는 커넥터 및 홀, 패드 및 전송선로를 갖는 B-PCB를 포함하는 상이한 2 개의 주파수 대역을 동시에 지원할 수 있다.
또한, 상기 제 1 주안테나 선로의 제 1 단부는 상기 방사체의 상부에서 상기 X-PCB의 선로를 통해 상기 제 3 주안테나 선로의 제 1 단부에 연결되고, 또한 상기 제 2 주안테나 선로의 제 1 단부는 상기 방사체의 상부에서 상기 X-PCB의 또 다른 선로를 통해 상기 제 4 주안테나 선로의 제 1 단부에 각각 연결될 수 다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 부안테나 선로는 상기 주안테나 선로보다 짧다.
또한, 상기 부안테나 선로의 제 1 길이 및 제 2 길이는 서로 상이할 수 있다.
또한, 상기 X-PCB의 선로들은 각각 90 °의 각도로 연결될 수 있다.
또한, 상기 X-PCB의 선로들의 연결 각도는 조절할 수 있다.
또한, 상기 방사체는 유전체 필름으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 B-PCB의 패드에는 임피던스 패칭용 소자를 탑재할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시 예의 구성 및 작동 모습을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사시도이다.
본 발명에 따른 쿼드리파일러 나선형 안테나의 형태는 크게 모듈 자체의 커넥터(10), B-PCB(11), 방사체(21), 주안테나 선로(12 내지 15), 부안테나 선로(16 내지 19) 및 X-PCB(20)로 구성된다.
커넥터(10)에 의해 방사체(21)가 휴대용 단말기에 탈착 가능하게 연결될 수 있다. B-PCB(11)는 커넥터(10)와 방사체(21)를 연결할 수 있는 홀(52), 패드(51) 및 전송선로(53)를 갖는다. 방사체(21)는 통상적으로 실린더 형상이며, 방사체는 원형으로 구성될 수 있는 여러 형태의 전도성 라인을 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나를 제작하기 위한 방사체를 도시한 개략도이다. 도 2에서는 F-PCB(Flexible-Printed Circuit Board)를 이용한 경우를 하나의 실시 예로 보여준다. F-PCB에 안테나 선로를 인쇄하고 원형으로 구현함으로써 방사체(21)를 형성할 수 있다. 구현된 안테나 선로는 두 부분으로 구성되며, 각각 주안테나 선로(filar: 12 내지 15) 및 부안테나 선로(16 내지 19)로 나타난다.
주안테나 선로(12 내지 15)는 상기 방사체(21)의 상부(22)에서 하부(23)로 직렬 접속되고, 각각 제 1 단부 및 제 2 단부를 갖는 제 1 내지 제 4 주안테나 선로(12 내지 15)로 구성된다. 방사체의 상부(22) 영역 상의 단부를 주안테나 선로의 제1단부라 하고, 방사체의 하부(23) 영역 상의 단부를 주안테나 선로의 제 2 단부라 한다. 주안테나 선로(12 내지 15)는 커넥터(10)에서 나오는 전류원이 B-PCB(11) 에서 여기되고, 상단부의 X-PCB(20)와 연결되어 S-DMB 주파수 대역에서 공진이 이루어 진다. 4 개의 안테나 선로를 쌍으로 연결시켜 반파장(λ/2) 공진을 이용하도록 한다. 예를 들어, 제 1 주안테나 선로(12)의 제 1 단부는 상기 방사체의 상부(22)에서 상기 X-PCB의 선로를 통해 상기 제 3 주안테나 선로(14)의 제 1 단부에 연결되고, 또한 상기 제 2 주안테나 선로(13)의 제1 단부는 상기 방사체의 상부(22)에서 상기 X-PCB의 또 다른 선로를 통해 상기 제4 주안테나 선로(15)의 제 1 단부에 각각 연결된다.
부안테나 선로(16 내지 19)는 상기 4 개의 주안테나 선로(12 내지 15)의 제 2 단부 위쪽에서 각각 분기되고 연장되어 상기 주안테나 선로(12 내지 15)와 평행하게 방사체(21) 상에 배치된다. 또한, 제 1 길이를 갖는 1 쌍의 제1 부안테나 선로(16, 18) 및 제 2 길이를 갖는 1 쌍의 제 2 부안테나 선로(17, 19)로 구성된다. 제 1 부안테나 선로(16, 18) 및 제 2 부안테나 선로(17, 19)의 길이는 도 2에서와 같이 각각 상이할 수 있다. 부안테나 선로(16 내지 19)의 상단은 X-PCB(20)와 연결되지 않고 오픈(open)되어 GPS 주파수 대역에서 공진을 형성한다. 이는 본 발명의 중요한 부분 중 하나로써, 쿼드리파일러 나선형 안테나에서 상단의 X-PCB(20)를 사용하지 않고 원형편파를 갖는 안테나를 구현할 수 있음을 보여주고 있다. GPS 주파수 대역은 상기 S-DMB 주파수 대역과는 달리 1/4파장(λ/4) 공진을 이용하여 구성하되 안테나 선로를 쌍으로 연결시키지 않고 오픈으로 구성함으로써, 두 개의 서로 다른 대역에서 동작할 수 있는 원형편파 안테나를 구현할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 주안테나 선로에 대한 부안테나 선로의 연결 지점은 서 로 상이한 두 가지 대역을 동시에 지원할 수 있는 안테나를 제공하기 위하여 실험적으로 결정될 수 있다. 연결 지점 및 제 1 및 제 2 부안테나 선로의 길이 등에 따라 전체 안테나의 길이가 달라지므로, 이는 안테나의 주파수 대역 결정에 영향을 미치게 된다.
주안테나 선로(12 내지 15)와 부안테나 선로(16 내지 19)는 안테나의 공진 주파수를 결정하는 가장 중요한 역할을 한다. 또한 주안테나 선로(12 내지 15)와 부안테나 선로(16 내지 19)간의 간격 또한 선로끼리의 커플링을 형성함으로써 공진 주파수에 영향을 끼친다.
방사체(21)는 얇은 유전체 필름을 사용하며, 그 위에 안테나 선로를 인쇄한다. 이 때 유전체 필름의 유전율과 안테나 선로의 폭과 길이가 안테나 특성에 영향을 주며, 선로의 길이는 각각 주안테나 선로와 부안테나 선로의 공진 주파수를 결정하는데 큰 영향을 미친다. 본 발명의 실시 예에서는 GPS 대역과 S-DMB 대역을 사용하므로, 이에 상응하는 선로의 길이를 설정해야 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 GPS의 중심 주파수는 약 1575.42 MHz이고, S-DMB의 중심 주파수는 약 2642.5 MHz이다. 또한, 제안된 안테나의 구조를 이용하면 그 크기는 약 14mm×38mm 가 될 것이다.
도 3a, 도 3b는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 X-PCB를 도시한 개략도이다. X-PCB(20)는 안테나 모듈 가장 끝 단에서 주안테나 선로(12 내지 15)와 결합되어 주방사체 역할을 하게 된다. X-PCB(20)는 인쇄회로 기판의 윗면(도 3a)과 아랫면(도 3b)에 주안테나 선로(12 내지 15)쌍을 연결시켜주는 2 개의 선로(31, 32)가 일정한 두께를 사이에 두고 약 90°의 각도를 유지하고 있다.
또한, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 X-PCB(20)에 대한 또 다른 실시 예를 도시한 개략도이다. 도 3a 및 3b와는 달리 두 개의 선로(31, 32)가 이루는 각이 90°가 아니다. 이 선로(31, 32) 사이의 간격과 각도에 의해 안테나의 방사특성이 결정되므로, 이를 조정함으로써 안테나의 특성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 B-PCB를 도시한 개략도이다.
B-PCB(11)는 홀(52), 패드(51) 및 전송선로(53)로 구성된다. 홀(52)은 커넥터(10)와 방사체(21)를 연결하며, 패드(51)는 임피던스 매칭용 소자를 탑재한다. 안테나 방사체에 수신된 신호가 전송선로(53)를 통하여 동축선과 같은 전송선로로 커넥터와 연결된다. 이 때 커넥터와의 연결 사이에 임피던스 매칭용 소자를 사용하게 된다. 이는 휴대용 무선단말기와 커넥터까지의 임피던스와 안테나 방사체 모듈의 임피던스를 매칭하기 위함이다. 임피던스 매칭을 통해 전력 손실을 최소화할 수 있기 때문이다. 즉, 커넥터는 방사체 모듈과 휴대용 무선달말기를 연결하는 역할을 수행하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 S-DMB 및 GPS 겸용 외장형 안테나는 안테나의 각 부분마다 안테나의 특성을 변화시킬 수 있는 부분을 형성하여 여타의 다른 대역의 신호를 수신할 수 있는 안테나를 구현하기 용이하게 구성되었으며, 서로 다른 휴대용 무선단말기에도 적용할 수 있도록 임피던스 매칭부를 구성함으로써 여러 종류의 휴대용 무선 단말기에 적용이 가능한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었고, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다.
상기 설명에서와 같이, 본 발명은 휴대용 무선단말기 등의 외부에 장착할 수 있는 GPS 및 S-DMB와 같이 서로 상이한 두 가지 대역을 동시에 지원할 수 있는 안테나를 제공하는 효과가 있다.
또한, 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나로 구현으로 인해, 휴대용 무선단말기 내부에서의 GPS 및 S-DMB 겸용 안테나 구현 시 체적의 한계점을 극복하고, 하나의 모듈에서의 주파수 대역 이원화 구조를 일체화하여 고효율 성능을 창출할 수 있으며, GPS용 안테나 및 S-DMB용 안테나를 각각 제작하는 경우에 비해 조립 공정을 간략화하여 생산 단가를 낮추는 효과가 있다.
Claims (8)
- 쿼드리파일러 나선형 안테나(quadrifilar helical antenna)로서,실린더형의 방사체;상기 방사체 상에 상부에서 하부로 직렬 접속되고, 제 1 및 제 2 단부를 갖는 제 1 내지 제 4 주안테나 선로(filar);상기 주안테나 선로의 제 2 단부 위쪽에서 연장되어 상기 주안테나 선로와 평행하게 방사체 상에 배치되는, 제 1 길이를 갖는 1 쌍의 제 1 부안테나 선로 및 제 2 길이를 갖는 1 쌍의 제 2 부안테나 선로;2개의 선로를 갖는 X-PCB; 및상기 방사체를 휴대용 단말기에 탈착이 가능하게 연결시키는 커넥터 및 전송선로를 갖는 B-PCB를 포함하는 상이한 2 개의 주파수 대역을 동시에 지원할 수 있는 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나.
- 제1 항에 있어서,상기 제 1 주안테나 선로의 제 1 단부는 상기 방사체의 상부에서 상기 X-PCB의 선로를 통해 상기 제 3 주안테나 선로의 제 1 단부에 연결되고, 또한 상기 제 2 주안테나 선로의 제 1 단부는 상기 방사체의 상부에서 상기 X-PCB의 또 다른 선로를 통해 상기 제 4 주안테나 선로의 제 1 단부에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 부안테나 선로는 상기 주안테나 선로보다 짧은 것을 특징으로 하는 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 부안테나 선로의 제 1 길이 및 제 2 길이는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나.
- 제4항에 있어서,상기 X-PCB의 선로들은 각각 90 °의 각도로 연결되는 것을 특징으로 하는 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나.
- 제4항에 있어서,상기 X-PCB의 선로들의 연결 각도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 외장형 쿼드리파일러 나선형 안테나.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 방사체는 유전체 필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 외장형쿼드리파일러 나선형 안테나.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 B-PCB의 패드에는 임피던스 패칭용 소자를 탑재할 수 있는 것을 특징으로 하는 외장형쿼드리파일러 나선형 안테나.
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