KR100797044B1 - 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통 형상을 가지면서, 중심축 상에 길이방향으로 소정의 통로가 형성된 유전체 코어와, 이 유전체 코어의 통로를 관통하여 수용된 급전선을 포함하는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나로서, 유전체 코어의 상부면에는 그 중심축을 중심으로 수평선상에서 4개의 방향으로 연장하는 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)가 형성되고, 유전체 코어의 외면에는 방사상 안테나 소자(115A 내지 115D)와 각각 연결되어 길이방향으로 소정 길이만큼 직선 연장되는 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S))가 형성되며, 유전체 코어의 중심축 상의 통로에는 급전도체, 이 급전도체를 둘러싸는 절연외피, 이 절연외피를 둘러쌓아 급전을 차폐하는 급전 차폐물이 관통하여 수용되어 있되, 급전 차폐물에는 2개의 슬릿이 길이방향으로 양측면 상에 대칭으로 형성되어 있으며, 방사상 안테나 소자(115A 및 115B)는 유전체 코어의 상부면에 관통되어 있는 급전도체와 접속부재 및 급전 차폐물을 통해 연결되고, 나머지 방사상 안테나 소자(115C 및 115D)는 급전 차폐물과만 직접 연결된다.
안테나, 유전체 코어, 슬릿, 급전도체, 급전선

Description

1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나{ANTENNA HAVING FEEDER OF QUARTER WAVELENGTH}
도 1a는 종래의 안테나의 사시도.
도 1b는 종래의 안테나의 상면도.
도 2a는 본 발명에 따른 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나의 사시도.
도 2b는 본 발명에 따른 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나의 상면도.
도 3은 본 발명에 따른 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나의 특성을 측정한 스미스차트.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100 : 안테나 110 : 유전체 코어
115A, 115B, 115C 및 115D : 방사상 안테나 소자
115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S) : 안테나 소자 연장부
118 : 땜납 120 : 급전 차폐물
121a, 121b : 슬릿 123 : 절연외피
125 : 급전도체
본 발명은 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속으로 이루어지며 방사상 안테나 소자와 연결된 안테나 소자 연결부를 하부 방향으로 직선 형상을 갖게 연장시키며, 급전 차폐물의 측면 상에 길이방향으로 2개의 슬릿을 형성함으로써, 안테나의 부피를 소형화함과 동시에 안테나의 재료 및 제작비용을 감소시킬 수 있는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 무선통신을 수행하기 위한 무선기기들은 기기 내에서 출력되는 고주파 신호를 안테나에 인가하여 공중으로 송신하고, 또한 공중을 통해 전송되는 소정의 전파를 안테나를 통해 수신하고 있으며, 이러한 안테나의 송신 특성 및 수신 특성을 향상시키기 위해서는 송신 및 수신할 주파수에 따라 안테나의 임피던스와 송수신기의 임피던스를 상호 간에 매칭시키고, 불필요한 방사를 방지하여 손실이 적도록 해야된다.
이러한 안테나는, 최근에 PDA(Personal Digital Assistants) 등의 휴대용 단말기 또는 이동체를 대상으로 그 위치를 정확히 파악할 수 있는 GPS(Global Positioning System(위치확인 위성 시스템))에 실용화되어 있고, 지피에스 안테나를 휴대용 단말기에 내장함으로써, 휴대형 네비게이션 시스템을 구성하거나 휴대전화로의 긴급 통신에 있어서의 위치정보 취득 등에 이용하는 경향이 활발해지고 있으며, 그에 따라 소형의 안테나가 요구되고 있는 실정이다.
종래, 이러한 안테나에 대해서는 대한민국 공개특허 제2001-051453호 이외에 다수 출원된 상태이다.
즉, 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 종래의 안테나는 세라믹 코어(12)의 원통형 외면상에 금속 도전체의 트랙부로서 나선형으로 형성된 4개의 종방향 연장 안테나 소자(10A, 10B, 10C, 10D)를 구비한 안테나 요소 구조물을 가지며, 세라믹 코어(12)는 외부 스크린(16)과 내부 도전체(18)를 구비한 동축 급전부를 둘러싸는 축방향 통로(14)를 갖는다. 또한, 내부 도전체(18)와 외부 스크린(16)은 공급선을 안테나 소자(10A 내지 10D)에 연결하는 급전 구조물을 형성하며, 안테나 요소 구조물은 세라믹 코어(12)의 말단부의 표면상에 금속 트랙부로서 형성되어 각각의 종방향 안테나 소자(10A 내지 10D)의 단부를 급전 구조물에 연결하는 대응의 방사상 안테나 소자(10AR, 10BR, 10CR, 10DR)를 포함한다. 또, 안테나 소자(10A 내지 10D)의 다른 단부는 세라믹 코어(12)의 근접 단부를 둘러싸는 도금 슬리브의 형상인 공통 접지 도전체(20, balun(공진통))에 연결되며, 이 공통 접지 도전체(20)는 세라믹 코어(12)의 근접 단부의 표면(12P) 상에 도금함으로써 급전 구조물의 외부 스크린(16)에 다시 연결되는 구성이다.
이와 동시에, 4개의 종방향 안테나 소자(10A 내지 10D) 중 2개의 요소(10B, 10D)는 세라믹 코어(12)의 근접 단부에 더 가깝게 연장되므로 나머지 2개의 요소(10A, 10C)보다 길게 형성되어 있으며, 각 쌍의 안테나 소자(10A, 10C; 10B, 10D)는 코어 축의 대향면 상에 서로에 대하여 정반대로 대향되어 있으므로, 발룬(20)의 상부 연결에지(20U)는 코어(12)의 주위에 짧은 요소(10A, 10C)와 긴 요소(10B, 10D)가 각각 접촉하는 2개의 정점과 2개의 홈을 가지는 지그재그 형태의 경로를 따른 구성으로 되어있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 안테나는, 4개의 종방향으로 연장된 안테나 소자가 세라믹 코어의 원통형 외면상에 나선형으로 둘러싸여 길게 형성될 뿐만 아니라, 발룬(공진통)이 상대적으로 높은 유전상수를 갖는 코어 물질인 경우에 안테나의 작동 주파수의 λ/2의 영역에서 평균 전기장을 갖도록 함과 동시에 반사파를 방지하기 위한 소정 크기를 가져야 하기 때문에, 안테나의 부피가 증대됨과 동시에 안테나의 재료 및 제작비용이 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 금속으로 이루어지며 방사상 안테나 소자와 연결된 안테나 소자 연결부를 하부 방향으로 직선 형상을 갖게 연장시키며, 급전 차폐물의 측면 상에 길이방향으로 2개의 슬릿을 형성함으로써, 안테나의 부피를 소형화함과 동시에 안테나의 재료 및 제작비용을 감소시키는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 안테나는, 원통 형상을 가지면서, 중심축 상에 길이방향으로 소정의 통로가 형성된 유전체 코어(110)와, 상기 유전체 코어의 통로를 관통하여 수용된 급전선을 포함하는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나로서, 상기 유전체 코어(110)의 상부면(110a)에는, 상기 상부면의 중심축을 중심으로 수평선상에서 4개의 방향으로 연장하는 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)가 형성되고, 상기 유전체 코어(110)의 외면에는 상기 방사상 안테나 소자(115A 내지 115D)와 각각 연결되어 길이방향으로 소정 길이만큼 직선 연장되는 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S))가 형성되며, 상기 유전체 코어(110)의 중심축 상의 통로에는 급전도체(125), 상기 급전도체(125)를 둘러싸는 절연외피(123), 상기 절연외피(123)를 둘러쌓아 급전을 차폐하는 급전 차폐물(120)이 관통하여 수용되어 있되, 상기 급전 차폐물(120)에는 2개의 슬릿(121a 및 121b)이 길이방향으로 양측면상에 대칭으로 형성되어 있으며, 상기 방사상 안테나 소자(115A 및 115B)는 상기 유전체 코어(110)의 상부면(110a)에 관통되어 있는 급전도체(125)와 접속부재(118) 및 급전 차폐물(120)을 통해 연결되고, 나머지 방사상 안테나 소자(115C 및 115D)는 급전 차폐물(120)에만 직접 연결된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명에 따른 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나의 사시도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나의 상면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나의 특성을 측정한 스미스차트이다.
도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나(100)는, 원통 형상을 갖는 유전체 코어(110)의 상부면(110a)에 금속 띠로 이루어져 상기 상부면의 중심축(후술하는 급전도체(125))을 중심으로 4개의 방향, 즉 수평선상에서 90°의 간격을 두고 연장하는 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)가 형성되고, 유전체 코어(110)의 외면상에 상기 방사상 안테나 소자(115A 내지 115D)와 각각 연결되어 수직(길이)방향으로 소정 길이만큼 직선 연장되는 4개의 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S))가 형성된다. 즉, 상기 4개의 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)는 유전체 코어(110)의 중심축을 중심으로 서로 직경 방향으로 대칭되어 있다.
이때, 상기 수직(길이)방향으로 직선 연장되는 4개의 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S))는 원편파 특성을 갖도록 그 연장 길이가 서로 다르다. 즉, 4개의 안테나 소자 연장부 중 2개의 안테나 소자 연장부(115A(L) 및 115C(L))는 유전체 코어(110)의 하부면(110b)까지 수평방향으로 소정길이 만큼 만곡된 연장부를 가지므로 더 길고, 다른 2개의 안테나 소자 연장부(115B(S) 및 115D(S))는 유전체 코어(110)의 하부면(110b)까지 연장되지 않으므로 더 짧다.
여기서, 상기 유전체 코어(110)의 하부면(110b)에 걸쳐 수평방향으로 소정길이 만큼 만곡된 연장부를 갖는 2개의 안테나 소자 연장부(115A(L) 및 115C(L))의 말단은 후술하는 급전 차폐물(120)과는 비접속인 서로 연결되는 않을 만큼만 수평방향으로 연장된다.
구체적으로, 상기 4개의 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)와 각각 연결된 4개의 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S))가 유전체 코어(110) 상에 형성된 구조를 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
구체적으로, 4개의 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)와 각각 연결된 4개의 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S)) 중, 더 길게 형성된 2개의 방사상 안테나 소자와 안테나 소자 연장부(115A:115A(L) 및 115C:115C(L))는 각각 원통형의 유전체 코어(110)의 상부면(110a)의 중심축, 외면 및 하부면(110b)을 통해 'ㄷ'자 형상을 가지며, 더 짧게 형성된 방사상 안테나 소자와 안테나 소자 연장부(115B:115B(S) 및 115D:115D(S))는 각각 원통형의 유전체 코어(110)의 상부면(110a)의 중심축 및 외면을 통해 'ㄱ'자 형상을 갖는다.
이때, 본 명세서에서는 상기 2개의 방사상 안테나 소자와 안테나 소자 연장부(115A:115A(L) 및 115C:115C(L))가 각각 원통형의 유전체 코어(110)의 상부면(110a)의 중심축, 외면 및 하부면(110b)을 통해 'ㄷ'자 형상을 갖는 것으로 설명하고 있지만, 원편파 특성을 갖도록 상기 방사상 안테나 소자와 안테나 소자 연장부(115B:115B(S) 및 115D:115D(S))보다 더 길게 형성되어 'ㄱ’자 형상으로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 유전체 코어(110)의 재료는 유전상수가 5 이상이고, 온도변화에 따른 치수 및 전기적 안정도가 높은 고주파용 세라믹 유전체인 것이 바람직하다.
또한, 상기 유전체 코어(110)는 축상에 길이방향으로 소정의 통로를 가지며, 이 통로를 통해 급전도체(125), 이 급전도체(125)를 둘러싸는 절연외피(123), 이 절연외피(123)를 둘러쌓아 급전을 차폐하며 대칭으로 2개의 슬릿(121a 및 121b)이 길이방향으로 양측면에 형성된 급전 차폐물(120)이 관통하여 수용되어 있으며, 상기 요소(125, 123, 121a, 121b 및 120)들이 급전선을 이루고 있다.
즉, 상기 급전도체(125), 이 급전도체를 둘러싸는 절연외피(123)는 동축전송선로를 구성하며, 절연외피(123)는 상기 유전체 코어(110)의 상대유전상수에 비해 매우 낮은 상대유전상수를 가지는 절연물질로 구성되며, 상기 급전선은 제작의 편의상 141 케이블 또는 085 케이블인 것이 바람직하다.
한편, 유전체 코어(110)의 외면상에 수직(길이)방향으로 직선 연장되는 4개의 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S))와 각각 연결되어 유전체 코어(110)의 상부면(110a)에 형성된 4개의 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)중, 2개의 방사상 안테나 소자(115A 및 115B)는 상기 유전체 코어(110)의 상부면(110a)에 관통되어 있는 급전도체(125)와 땜납(118) 등의 접속부재및 급전 차폐물(120)을 통해 연결되어 있고, 나머지 2개의 방사상 안테나 소자(115C 및 115D)는 슬릿(121a 및 121b)이 형성되어 있는 급전 차폐물(120)에만 직접 연결된다.
즉, 2개의 방사상 안테나 소자(115A 및 115B)는 급전 차폐물(120), 땜납(118)을 통해 급전도체(125)와 연결되어 있고, 나머지 2개의 방사상 안테나 소자(115C 및 115D)는 절연외피(123)를 통해 급전도체(125)와는 단절되어 있는 것으로서, 2개의 방사상 안테나 소자(115A 및 115B)는 동축전송선로의 절연외피(123)와는 절연되어 있으며, 급전 차폐물(120)에 형성된 슬릿(121a 및 121b)을 통해 대칭되므로, 실제적으로 나머지 2개의 방사상 안테나 소자(115C 및 115D)와 절연되어 있다.
이때, 본 발명의 일실시예에 따른 안테나에서는, 급전도체(125)가 급전 종단부, 즉 유전체 코어의 상부면(110a)에서 절연외피(123)와 절연되어 있으며, 유전체 코어의 하부면(110b)의 아래부분에 1/4 파장의 길이를 갖는 슬릿(121a 및 121b)을 형성하여 급전도체(125)를 개방(open)시키고, 전류가 급전도체(125)로 흐르지 못하고 슬릿(121a 및 121b)의 양쪽으로 전류를 흐르게 함으로써, 발룬의 역할을 수행하도록 하기 때문에, 상술한 종래기술의 안테나에서 발룬(공진통)에 해당되는 부피만큼을 줄일 수 있다. 예컨대, 슬릿((121a 및 121b))이 형성된 급전 차폐물(120)은 절연 트랩으로서 동작하여 안테나(100)의 불평형 전류의 위상 및 왜곡의 영향을 감소시켜서 대역폭을 넓힐 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 안테나의 특성을 측정한 스미스차트를 나타내는 도 3을 참조하면, 사용하고자 하는 GPS 안테나의 중심주파수인 1575MHz에 잘 정합된 것을 알 수 있으며, 전압정재파비(VSWR) 2:1을 기준으로 하면, 1560MHz ~ 1590MHz 까지 대략 30MHz의 대역폭을 가지고 있다.
즉, 본 발명에 따른 안테나는 일반적인 패치 안테나 등의 소형 GPS 안테나의 대역폭이 10MHz 이하임을 고려할 때, 매우 넓은 동작 대역폭을 갖고 있으며, 이러한 광대역 특성은 발룬(공진통)의 역할을 하고 있는 급전 차폐물(120)에 형성된 2개의 슬릿(121a 및 121b)이 1/4 파장 임피던스 변환 기능의 역할도 수행함을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 적용되는 안테나는 수직 분극 신호 또는 수평 분극 신호를 수신할 수 있기 때문에, PDA 등의 휴대용 전화나 GPS와 같은 무선통신 장치에 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 안테나는 종래의 안테나와는 달리, 급전도체(125)가 유전체 코어(110)의 상부면(110a)을 초과하여 돌출되지 않아도 되므로 안테나의 대량생산시 그 안정성을 향상시킬 수 있다.
또, 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S))의 말단이 슬릿(121a 및 121b)이 형성된 급전 차폐물(120)과 접지되지 않으므로, 안테나 한 변의 길이가 대략 1/4 파장으로 되기 때문에, 종래 안테나의 1/2 파장과는 달리 그 길이가 매우 짧아짐과 동시에 제작상 간편하게 된다.
이상에서는 본 발명의 일실시예에 따라 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 변경 및 변형한 것도 본 발명에 속함은 당연하다.
즉, 상술한 본 발명의 일실시예에서는 안테나의 구조를 원통 형상인 것으로 설명하고 있지만, 안테나의 구조를 사각, 육각 및 팔각 등의 일반적인 봉 형상으로 설계할 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나에 따르면, 금속으로 이루어지며 방사상 안테나 소자와 연결된 안테나 소자 연결부를 하부 방향으로 직선 형상을 갖게 연장시키며, 종래 안테나의 공진통(발룬)의 기능을 할 수 있도록 급전 차폐물의 측면 상에 길이방향으로 2개의 슬릿을 형성하여 공진통을 제거함으로써, 안테나의 부피를 소형화함과 동시에 안테나의 재료 및 제작비용을 감소시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 원통 형상을 가지면서, 중심축 상에 길이방향으로 소정의 통로가 형성된 유전체 코어(110)와, 상기 유전체 코어의 통로를 관통하여 수용된 급전선을 포함하는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나로서,
    상기 유전체 코어(110)의 상부면(110a)에는, 상기 상부면의 중심축을 중심으로 수평선상에서 4개의 방향으로 연장하는 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)가 형성되고,
    상기 유전체 코어(110)의 외면에는 상기 방사상 안테나 소자(115A 내지 115D)와 각각 연결되어 길이방향으로 소정 길이만큼 직선 연장되는 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S))가 형성되며,
    상기 유전체 코어(110)의 중심축 상의 통로에는 급전도체(125), 상기 급전도체(125)를 둘러싸는 절연외피(123), 상기 절연외피(123)를 둘러쌓아 급전을 차폐하는 급전 차폐물(120)이 관통하여 수용되어 있되,
    상기 급전 차폐물(120)에는 2개의 슬릿(121a 및 121b)이 길이방향으로 양측면상에 대칭으로 형성되어 있으며,
    상기 방사상 안테나 소자(115A 및 115B)는 상기 유전체 코어(110)의 상부면(110a)에 관통되어 있는 급전도체(125)와 접속부재(118) 및 급전 차폐물(120)을 통해 연결되고, 나머지 방사상 안테나 소자(115C 및 115D)는 급전 차폐물(120)에만 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 안테나 소자 연장부(115A(L), 115B(S), 115C(L) 및 115D(S)) 중 2개의 안테나 소자 연장부(115A(L) 및 115C(L))는 유전체 코어(110)의 하부면(110b)에 걸쳐 수평방향으로 소정길이 만큼 만곡된 연장부를 가지며, 다른 2개의 안테나 소자 연장부(115B(S) 및 115D(S))는 유전체 코어(110)의 하부면(110b)까지 연장되지 않는 것을 특징으로 하는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 유전체 코어(110)의 하부면(110b)에 걸쳐 수평방향으로 소정길이 만큼 만곡된 안테나 소자 연장부(115A(L) 및 115C(L))의 말단은 상기 급전 차폐물(120)과 비접속인 것을 특징으로 하는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 방사상 안테나 소자(115A, 115B, 115C 및 115D)는 유전체 코어(110)의 중심축을 중심으로 서로 직경 방향으로 대칭되어 있는 것을 특징으로 하는 1/4 파장의 급전선을 갖는 안테나.
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