KR100713159B1 - 초 광 대역 평면안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동조시키고자 하는 주파수를 기본적으로 1/2 파장과 1/4 파장을 한 변의 길이로 하는 정사각형태의 모양을 동시에 한 평면 안테나본체에 배열함으로써, 광 대역 주파수에 정합 시킬 수 있도록 한 초 광 대역 평면안테나로, 외부에 넓은 평면을 가지는 정사각형상의 안테나본체(100)와, 이 안테나본체 내측에 작은 자유공간 정사각형의 구멍(111)을 가지는 제1패턴(110)과, 상기 제1패턴의 한 모서리부분에 동일한 형상으로 일체로 연결 형성되는 제2패턴(120)으로 구성된다.

Description

초 광 대역 평면안테나{ultra wideband planar antenna}

도 1은 본 발명 초 광 대역 평면안테나의 형상을 설명하기 위해 간략하게 나타낸 도이다.

도 2a 및 도2b는 본 발명에 따른 초 광 대역 평면안테나의 설치 상태를 나타낸 도면으로, 도2a는 수직편파 안테나로 사용한 상태를 나타낸 도이며, 도2b는 수직선상으로 배치하여 수평편파 안테나로 사용한 상태를 나타낸 도이다.

도3은 본 발명 초 광 대역 평면안테나를 도2b와 같이 설치하였을 때의 수신가능 폭을 나타낸 도면이다.

도4는 본 발명 초 광 대역 평면안테나와 종래 야기 안테나의 전차 수신 능력을 비교한 도면으로, (a)는 본 발명 초 광 대역 평면안테나의 설치위치(방향)와 방송국 송신소의 위치를 평면상에 나타낸 도이고, (b)는 종래 야기 안테나의 설치 위치(방향)와 방송국 송신소의 위치를 평면상에 나타낸 도면이다.

도5는 본 발명에 따른 초 광 대역 평면안테나를 수평편파 상태로 하여 지주에 수직선상으로 여러 개 배치시켜 정합시킨 상태를 나타낸 도면이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

100 : 안테나본체 101,102,103 : 자유공간

110 : 제1패턴 111,121 : 정사각형상의 구멍

120 : 제2패턴

발명의 분야

본 발명은 넓은 주파수 대역을 동시에 정합시킬 수 있는 초 광대역 안테나에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 동조시키고자 하는 주파수를 기본적으로 1/2 파장과 1/4 파장을 한 변의 길이로 하는 정사각형 형태의 모양을 동시에 한 평면 안테나본체(도체로 이루어짐)에 배열함으로써, 광 대역 주파수에 정합 시킬 수 있도록 한 초 광 대역 평면안테나에 관한 것이다.

발명의 배경

일반적으로 안테나는 사용하는 주파수에 따라, 송신하고자 하는 전자기파의 형태에 따라 다양한 종류가 있다. 방송신호 수신용 안테나로는 야기(Yagi)안테나와 포물면안테나 등이 있다. 포물면(aprabolic) 안테나는 야기안테나에 비해 안테나 모양이 크고 지향성이 강하므로 높은 주파수에서 위성방송의 수신에 널리 이용된다. 그러나 포물면 안테나는 이득(gain) 및 지향성(front back ratio; FB)이 매우 강하므로, 방향조절이 조금이라도 잘못되면 방송신호의 수신 상태가 아주 나빠지기 때문에 안테나의 방향이 정확히 방송위성을 향하도록 안테나를 조절할 수 있는 안테나 위치조절장치가 요구된다. 따라서 통상의 TV 방송국은 일반적인 수평편파 야기안테나를 수신용으로 쓰고 있다.

상기 야기안테나는 그 소자(element)수에 따라서 방향(지향성)의 예민함과 둔함이 다르다. 예를 들면 10소자의 경우 지향성 좀더 높아 일반적인 빔 폭(Beam Width) 각도가 좌우 수평으로 합쳐서 30도 이내 이고, 높은 지향성과 높은 이득을 특징으로 하고 있다. 특히 국내의 경우 정부의 통제로 남산이나 높은 산에 기본적인 송신소가 있고, 송신소 철탑을 공용으로 사용하여 송신을 하고 있다. 그래서 야기 안테나 하나로 방송 채널을 모두 수신 할 수가 있는 것이다.

그러나 외국의 경우 섬이나 육지의 대부분이 산이 아닌 평지로 되어 있고 송신소 높이도 산꼭대기 보다 평지에 시설이 되어 있다. 보통 방송용으로 큰 송신소의 높이가 100 m～150 m 정도 철탑을 사용하며, 방송사도 여기저기 떨어져 있어서 철탑(송신소) 위치도 각기 다르게 설치된다. 특히 지역 주민들은 일반적인 야기 안테나로 TV방송을 수신할 때 3개의 안테나를 각기 다른 방향으로 설치하고 그 3개 안테나를 한 개의 동축 케이블에 연결해서 TV 수신을 하고 있다. 이렇게 한 개의 안테나로 수신 할 수 있는 방송국의 숫자가 전체 숫자에 40%정도를 차지하고 있다.

따라서 상기와 같이 안테나를 여러 개 연결해서 사용하게 되면, 결국 여러 개의 신호(방송국으로부터 이동 경로가 달라서)의 위상이 서로 다른 동일 주파수가 혼신 되어 수신 신호가 불안정하고, 수신 화면이 더욱 안 좋아 보이게 된다. 결국 수신 안테나를 많이 설치할수록 안테나 정합이 안 된 여러 개의 안테나 설치는 상호 신호의 위상 차이로 간섭이 있어 수신이 더욱 어렵게 만들 뿐 이였다.

따라서 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 개선하고자 기존의 야기 안테나 보다 수신 가능 폭이 현저히 넓고, 안테나 이득이 높은 초 광 대역 평면안테나를 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 안테나 전후, 좌우 방향을 넓게 함으로써, 하나의 안테나로 90％ 이상의 방송을 수신할 수 있도록 한 초 광 대역 평면안테나를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 안테나를 통해 수신되는 신호 자체가 깨끗하고 우수하며 콘덴서의 결합용량을 최소화하여 동조되는 코일 정합의 결합도를 높이기 위해 부가적으로 콘덴서나 임피던스 정합장치가 필요 없도록 하는 데에 있다.

본 발명에 따른 또 다른 목적은 도체로 이루어진 안테나본체를 하나의 평판으로 형성함으로써, 구조가 단순하고 부품의 수가 적어 조립ㆍ설치가 간편하고, 안테나의 단순한 형상에 반해 안테나의 이득이 높고 생산성이 우수하며, 제품의 제조 단가를 저렴하게 제공하는 데에 있다.

본 발명의 상기 목적 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

발명의 요약

본 발명 초 광 대역 평면안테나는 도체로 이루어지며 외부에 넓은 평면을 가지는 (3), (4), (5), (6), (7)을 거쳐 형성되는 정사각형상의 안테나본체(100)와, 이 안테나본체 내측에 (13b), (14), (15), (16), (13a)을 거쳐 형성되는 작은 정사각형의 자유공간(101)을 형성하는 구멍(111)을 가지는 제1패턴(110);

상기 제1패턴의 한 모서리부분 (3), (7)로 이루는 선을 중심으로 대칭되는 (1), (2), (3), (7), (8)을 거쳐 형성되는 정사각형상의 안테나본체(100)와, 이 안테나본체 내측에 (9), (10), (11b), (11a), (12)을 거쳐 형성되는 작은 정사각형의 자유공간(102)을 형성하는 구멍(121)을 가지는 제2패턴(120);

으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 제1 및 제2 패턴 내에 형성되는 정사각형의 자유공간을 이루는 구멍의 한 변의 꼭지 점 (9), (10), (11b), (11a), (12)을 거쳐 형성되는 사각형과 (13b), (14), (15), (16), (13a)을 거쳐 형성되는 사각형의 한 변의 길이는 1/4 파장을 가 지며, 안테나본체(100)의 한 변의 꼭지 점 (1), (2), (3), (7), (8)을 거쳐 형성되는 사각형과 (3), (7)로 이루는 선을 중심으로 대칭되는 (3), (4), (5), (6), (7)을 거쳐 형성되는 사각형의 한 변의 길이는 1/2 파장이고, 도체의 한 변의 중심과 정사각형의 구멍의 내측 한 변의 중심(21) (30), (22) (31), (23) (32), (28) (29), (24) (33), (25) (34), (26) (35), (27) (36)의 거리가 1/8파장인 것을 특징으로 한다.

상기 안테나본체(100)는 전도성을 가진 모든 도체 특히, 알루미늄으로 하고, 상기 도체를 대신 부도체로 제작하여, 그 상에 도전성 도료를 도포한 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 도체로 이루어진 사각 링 형상의 평판을 8자 형상으로 형성하여 동조시키고자 하는 주파수 대역인 1/2 파장과 1/4 파장을 동시에 한 평면 패턴에 배열시켜 정합시킨 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 내용을 첨부된 도면을 참조로 하여 아래에서 상세히 설명한다.

도1은 본 발명 초 광 대역 평면안테나를 나타낸 도이고, 도2는 본 발명 초 광 대역 평면안테나의 설치 상태를 나타낸 도이다.

하기에 언급되는 안테나를 알루미늄으로 제작할 경우 급전 점의 커넥터 및 동축 선로의 분포용량과 결합하였을 경우, 파장(m)의 계산은 전파속도(㎧) 1초당 진행거리 약300,000,000 ㎧를 주파수 1,000,000 ㎐(1MHz)로 나눈 수치에 결합용량이 더 있을 경우 단축 율 0.98을 적용하였다.

본 발명 초 광 대역 평면안테나는 도1에 도시된 바와 같이, 외부에 넓은 평면을 가지는 정사각형상의 안테나본체(100)와, 이 안테나본체 내측에 작은 정사각형의 구멍(111)을 가지는 제1패턴(110)과, 상기 제1패턴의 한 모서리부분에 동일한 형상으로 일체로 연결 형성되는 제2패턴(120)으로 구성된다.

더 상세하게는 제1 및 제2패턴(110,120)은 도1에 도시된 바와 같이, (1)과 (2), (2)와 (3), (3)과 (4), (4)와 (5), (5)와 (6), (6)과 (7), (7)과 (8), (8)과 (1) 사이의 간격(폭)은 1/2 파장을 가지며, (9)와 (10), (10)과 (11b), (11a)와 (12), (12)와 (9), (13b)와 (14), (14)와 (15), (15)와 (16), (16)과 (13a)의 간격(폭)은 1/4 파장을 갖는다.

또한 (21)과 (30), (22)와 (31), (23)과 (32), (24)와 (33), (25)와 (34), (26)과 (35), (27)과 (36), (28)과 (29)의 도체의 거리는 1/8 파장을 갖는다.

또한, 부호 (6)과 (27), (7), (11b), (10)번과, 부호 (16), (36), (13a), (3), (23), (2)와, 부호 (8), (28), (7), (13b), (33), (14)와, 부호 (12), (29), (11a), (3), (24), (4)는 동일 직선상에 위치한다.

도면에서 부호 (20)과 (20a)은 동축 선로의 급전선이 붙는 지점으로 상호간의 결합되는 커넥터의 크기를 고려해 이격거리는 대략 5～6 ㎜를 유지한다.

상기 제1 및 제2패턴(110,120)은 전도성을 가진 모든 도체로 하되, 특히 알루미늄으로 하고, 제1 및 제2도체 대신에 부도체로 하였을 경우 그 상면에 전기를 통할 수 있는 금, 은, 동 등의 도전성 도료를 사용할 수도 있다.

또한, 상기 제1 및 제2패턴(110,120)은 외곽은 1/2 파장 길이로, 부호 (9), (10), (11b), (11a), (12)의 내부 선로는 1/4 파장 길이(이론 상 11b와 11a는 한 개의 점으로 계산해서, 한 개로 구성되는 정사각형상의 안테나본체의 임피던스는 100 Ω)를 갖는다.

예를 들면, 부호 (3), (4), (5), (6), (7) 로 이루어지는 도체의 외곽은 1/2 파장 길이로 하고, 부호 (13b), (14), (15), (16), (13a)의 내부 선로는 1/4 파장 길이(이론 상 13a와 13b는 한 개의 점으로 계산해서, 한 개로 구성되는 정사각형상의 안테나본체의 임피던스는 대략 100 Ω이며, 두개로 구성되는 정사각형 안테나본체를 전기적으로 배치했을 경우, 두개의 정사각형을 결합한 부호 (20)와 (20a)의 고주파 교류 임피던스는 도체의 분포 용량과 관련해서 대략 50 Ω)에 쉽게 정합된다.

이때, 부호 1부터 8의 안테나본체 외부면과 부호 9부터 16번의 안테나본체 내부는 전기적으로 부도체 또는 빈 공간(자유공간)(101,102,103)을 이룬다.

상기와 같이 구성되는 초 광 대역 평면안테나의 제1 및 제2 패턴(110,120)을 도2b에 도시된 바와 같이, 부호 1과 5를 자유공간에서 수직선상으로 배치한 상태에서 U볼트 및 너트로 이루어진 체결수단(140)을 이용하여 지주(130)에 고정하여 수직으로 세운 지주와 수평편파 안테나로 사용할 수가 있으며 이때 수직으로 세운 지주는 안테나의 결합용량의 변화는 있을 수 있어도 수평편파 특성에 큰 영향을 주지 못한다. 도2a에 도시된 바와 같이, 부호 1과 5를 자유공간에서 수평선상으로 배치하여 수직편파 안테나로 사용할 수가 있다.

도3은 본 발명 초 광 대역 평면안테나를 도2b와 같이 설치하였을 때의 수신 가능 폭을 나타낸 도면으로, 원하는 주파수의 길이를 계산하여 제작된 초 광 대역 평면안테나를 도2b와 같이, 부호1과 5를 수직선상으로 배치하여 수평편파로 TV방송수신 안테나로 사용하였을 경우 수신 가능 폭이 넓은 8자형 패턴을 이루는 것을 알 수가 있다. 이때, 도2b에 도시된 도면에서 안테나와 TV를 연결하는 동축케이블의 도시는 생략한다.

도4는 본 발명 초 광 대역 평면안테나와 종래 야기 안테나의 전차 수신 능력을 비교한 도면으로, (a)는 본 발명 초 광 대역 평면안테나의 설치위치를 나타낸 도이고, (b)는 종래 야기 안테나의 설치 위치를 나타낸 도면이다.

◎점은 TV방송국 위치를 나타내며, ●는 본 발명 초 광 대역 평면안테나의 설치 위치를 나타낸 도이고, □는 종래 야기 안테나의 설치 위치를 나타낸 도이다.

도면 (a)에 나타낸 바와 같이, 수평편파로 설치하였을 경우 본 발명 초 광 대역 평면안테나를 중심으로 8자형으로 방사 패턴을 그리고, 전방과 후방으로 동일한 방사패턴을 나타내었다. 방사패턴의 크기는 안테나의 이득과 관계가 있어 방사 패턴의 모양이 커질수록 안테나의 이득이 좋음을 알 수가 있다.

또한 도면 (b)에 도시된 바와 같이, 종래의 야기안테나는 타원형 형태의 방사패턴을 나타내고 있다. 즉 전방으로만 길게 강한 패턴을 그리고 있어 종래 야기안테나는 전방으로 지향성이 좋음을 알 수가 있다.

도면 (a)에서 알 수 있듯이 본 발명 초 광 대역 평면안테나는 8자형 방사 패턴이 전후방으로 동일한 전파의 수신 능력을 가지며, 또한 빔 폭의 각도가 크기 때문에 8자형 패턴 안에 있는 TV 방송은 고품질로 잘 보이고 그 외는 잡음이 섞인 화 면을 시청 할 수가 있다.

그러나 도면 (b)와 같이 종래 야기 안테나는 타원형 패턴을 이루기 때문에 빔 폭의 각도가 좁아지고 결과 적으로 타원형 패턴 안의 TV 방송은 아주 잘 보이고 그 외는 잡음이 섞인 화면을 시청 할 수밖에 없었다.

여기서 종래의 야기 안테나의 성능이 좋을수록 타원형의 패턴을 길게 그려지기 때문에 빔 폭의 각도는 더욱 작아지기 때문에 TV시청의 폭이 좁아짐을 알 수가 있다.

도5는 본 발명에 따른 초 광 대역 평면안테나를 수평편파 상태로 하여 지주에 수직선상으로 여러 개 배치시켜 정합시킨 상태를 나타낸 도면으로, 도2에 도시된 바와 같이 부호 1과 5를 자유공간에서 수평선상으로 배치하여 수직편파 안테나로 한 상태에서 지주에 수직으로 여러 개 배열시켜 사용 할 수도 있다.

이상과 같이, 본 발명 초 광 대역 평면안테나는 안테나 전후, 좌우 방향을 넓게 함으로써, 하나의 안테나로 90％ 이상의 방송을 수신할 수가 있으며, 상기 안테나를 통해 수신되는 신호 자체가 깨끗하고 우수하여 부가적으로 콘덴서나 임피던스 정합장치가 필요 없고, 안테나를 하나의 평판으로 형성하기 때문에, 부품의 수가 적어 조립ㆍ설치가 간편하고, 안테나의 단순한 형상에 반해 안테나의 이득이 높고 생산성이 좋은 등의 발명 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (7)

1. 외부에 넓은 평면을 가지는 정사각형상의 안테나본체와, 상기 안테나본체 내측에 작은 정사각형의 구멍을 가지는 제1패턴;

   상기 제1패턴의 한 모서리부분에 동일한 형상으로 일체로 연결 형성되는

   제2패턴;

   으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초 광 대역 평면안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 패턴 내에 형성되는 정사각형의 구멍의 한 변의 꼭지 점의 간격은 1/4 파장을 가지며, 안테나본체의 한 변의 꼭지 점의 거리가 1/2 파장이고, 안테나본체의 한 변의 중심과 정사각형의 구멍의 내측 한 변의 중심과의 거리가 1/8인 것을 특징으로 하는 초 광 대역 평면안테나.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2패턴을 이루는 안테나본체의 외주 면에 대해 정사각형 구멍의 내측 면이 1/8 파장을 이루는 것을 특징으로 하는 초 광 대역 평면안테나.
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