KR100880076B1 - 막대형 모노폴 안테나의 주파수 광대역화 장치 - Google Patents

막대형 모노폴 안테나의 주파수 광대역화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 1/4 파장 막대형 모노폴 안테나가 가지는 문제점을 개선하기 위하여 창작된 것으로서, 종래의 단순한 급전구조와는 달리 막대형 복사기와 평면형 접지면 사이에 다단 구조의 턱을 추가적으로 제공함으로써 광대역 안테나 특성을 효과적으로 구현하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복사기 도체, 접지면, 그리고 동축케이블로 이루어지는 막대형 모노폴 안테나에 있어서, 복사기 도체의 기저부에 설치된 계단형 가공부와, 접지면의 급전부에 설치된 돌출부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나를 제공한다.

Description

막대형 모노폴 안테나의 주파수 광대역화 장치{APPARATUS FOR BROADENING FREQUENCY BANDWIDTH OF ROD-TYPE MONOPOLE ANTENNA}
도 1은 종래의 설계방법에 따른 막대형 모노폴 안테나 구조를 도시한 사시도
도 2는 종래의 설계방법에 따른 막대형 모노폴 안테나 구조에 대한 단면도
도 3은 본 발명의 설계방법에 따른 막대형 안테나 구조를 도시한 사시도
도 4는 본 발명의 설계방법에 따른 막대형 안테나 구조에 대한 단면도
도 5는 종래의 설계방법에 따른 막대형 모노폴 안테나의 주파수 대역폭 측정결과(A)와 본 발명의 설계방법에 따른 막대형 모노폴 안테나의 주파수 대역폭 측정결과(B)를 비교한 모습
도 6은 본 발명에 따라서 제작된 막대형 모노폴 안테나의 이득을 주파수별로 측정한 결과를 도시한 모습
도 7a 내지 7f는 본 발명에 따라서 제작된 안테나의 복사패턴을 아래와 같이 주파수별로 측정한 결과를 도시한 모습
(a) 주파수 2.5 GHz에서 수직 평면상의 복사패턴
(b) 주파수 2.5 GHz에서 수평 평면상의 복사패턴
(c) 주파수 6.0 GHz에서 수직 평면상의 복사패턴
(d) 주파수 8.0 GHz에서 수직 평면상의 복사패턴
(e) 주파수 10.0 GHz에서 수직 평면상의 복사패턴
(f) 주파수 10.0 GHz에서 수평 평면상의 복사패턴
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 복사기 2 : 접지면
3 : 동축 케이블 4 : 복사기
5 : 접지면 6 : 동축 케이블
7 : 계단형 가공부 8 : 돌출부
A : 종래의 설계방법에 따라서 제작된 안테나의 주파수 대역폭 측정결과
B : 본 발명의 설계방법에 따라서 제작된 안테나의 주파수 대역폭 측정결과
본 발명은 1/4 파장 막대형 모노폴 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복사기의 기저부와 접지면의 급전부위를 다단의 턱 구조로 가공함으로써 종래의 막대형 모노폴 안테나에 비해서 그 사용 주파수 대역을 간단하고 효과적인 방식으로 증가시킬 수 있는 막대형 모노폴 안테나(monopole antenna)에 관한 것이다.
현재 이동통신 서비스를 위한 중계기 및 단말기용 안테나는 기지국이나 외부로부터 전파를 수신하거나 통신기기에서 발생한 전기적인 신호를 외부로 전달하는 역할을 한다. 이러한 안테나 중 대표적인 것이 모노폴 안테나(monopole antenna)이다.
도 1과 2는 이러한 종래의 설계방법에 따른 1/4 파장 막대형 모노폴 안테나 구조에 대한 사시도와 단면도를 각각 도시하고 있다. 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 설계방법에 따른 막대형 모노폴 안테나는 막대형 복사기(radiator, 1)와 접지면(2) 그리고 전기 신호를 인가하기 위한 급전선(동축케이블, coaxial cable)(3)으로 구성된다. 상기 막대형 복사기(1)는 반경
Figure 112007030139399-pat00001
, 길이 p인 작은 금속핀 상에 위치한다. 여기서, 막대형 복사기의 단면 모양은 원형, 사각형, 타원형 또는 삼각형 등이 될 수도 있으나, 일반적으로 원형 막대가 사용되는 것이 선호된다. 따라서 이하에서는 원형 단면의 막대형 복사기에 대해서 설명한다.
본 발명이 속하는 안테나 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자들에게 원통형 모노폴 안테나 도체의 반경(radius)을 증가시키면 주파수 대역이 넓어진다는 것은 널리 알려져 있다. 여기서 원통형 모노폴 안테나의 최저 공진주파수를 구하는 공식은 다음과 같다.
Figure 112007030139399-pat00002
(수식 1)
여기서, L과 R은 각각 막대형 복사기(1)의 길이(length)와 반경(radius)을 나타내며, p는 금속핀의 길이를 나타내고, 이들의 단위는 cm이다.
그러나 종래의 설계방법에 따른 막대형 모노폴 안테나는 주파수 대역폭이 고르지 못하고 좁다는 단점이 있었으며, 사용 주파수 대역을 넓히기 위하여 원통형 모노폴 안테나 도체의 반경을 증가시키는 것은 물리적 부피 및 그 유효성에 있어서 한계가 존재한다는 근본적인 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 기술이 가지는 문제점을 개선하기 위하여 근원적으로 광대역 특성을 갖는 안테나 구조를 창작된 것으로서, 종래의 단순한 급전구조와는 달리 막대형 복사기와 평면형 접지면 사이에 다단 구조의 턱을 추가적으로 제공함으로써 광대역 안테나 특성을 효과적으로 구현하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복사기 도체, 접지면, 그리고 동축케이블로 이루어지는 막대형 모노폴 안테나에 있어서, 복사기 도체의 기저부에 형성된 계단형 가공부와, 접지면의 급전부에 형성된 돌출부를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 복사기 도체의 기저부에 형성된 계단형 가공부는 1개소 이상 설치되거나, 상기 접지면의 급전부에 형성된 돌출부는 계단 적층형태로 1개소 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나를 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 복사기 도체의 단면이 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 또는 다각형 등의 도형으로 이루어지거나, 상기 접지면 돌출부의 단면이 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 또는 다각형 등의 도형으로 이루어지거나, 복사기 도체, 계단형 가공부 그리고 접지면 돌출부의 단면이 서로 다른 도형의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나를 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 선호적인 실시형태에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 선호적인 실시예에 따른 막대형 모노폴 안테나(monopole antenna)의 구조를 도시하고 있다. 도 1과 도 2에 도시된 종래의 모노폴 안테나 구조와는 달리, 본 발명의 선호적인 실시예에 따른 막대형 모노폴 안테나는 복사기 도체(4), 접지면(5), 동축케이블(6)과 함께, 복사기 도체(4)의 기저부에 형성된 계단형 가공부(7)와 접지면(5)의 급전부에 형성된 돌출부(8)를 추가적으 로 포함함으로써 종래의 기술에 비해서 안테나의 사용대역을 더욱 광대역화 할 수 있다.
상기 본 발명에 따른 특징적인 구성요소에 대해서 보다 구체적으로 설명하면, 상기 복사기 도체(4)의 기저부에 설치된 계단형 가공부(7)는 길이 Lm, 반경 Rm으로 형성되어진다. 비록 도면에서는 상기 계단형 가공부(7)가 1개소만 설치되는 것으로 도시하고 있으나, 안테나의 사용대역을 더욱 광대역화 할 수 있도록 설계자의 의도에 따라서 상기 도체(4)의 기저부에 형성된 계단형 가공부(7)는 1개소 이상 설치될 수도 있다.
상기 접지면(5)의 급전부에 계단적층 형태로 형성된 돌출부(8)는 변의 길이 S, 두께 t로 형성되어진다. 비록 도면에서는 상기 돌출부(8)가 1개소만 설치되는 것으로 도시하고 있으나, 역시 안테나의 사용대역을 더욱 광대역화 할 수 있도록 설계자의 의도에 따라서 상기 접지면(5)의 급전부에 형성된 돌출부(8)가 1개소 이상 설치될 수도 있다.
상기 막대형 복사기 도체(4)의 단면은 원형, 사각형, 타원형, 삼각형, 다각형 또는 기타의 도형이 될 수도 있으나, 선호적으로는 원형 단면으로 이루어진다. 상기 계단형 가공부(7)는 상기 막대형 복사기 도체(4)의 형상과 대응되는 형상을 가지는 것이 선호된다. 또한 상기 접지면 돌출부(8)의 단면은 첨부된 도면에서 사 각형으로 도시되고 있으나, 원형, 타원형, 사각형, 삼각형, 다각형 또는 다른 기타의 도형으로 된 단면으로 이루어질 수도 있다. 나아가 본 발명에 따른 막대형 모노폴 안테나의 복사기 도체(4), 계단형 가공부(7) 그리고 접지면 돌출부(8)의 단면은 서로 동일한 도형이나 또는 서로 다른 도형의 조합으로 이루어질 수도 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 막대형 모노폴 안테나의 최저 공진주파수는 상기 수식 1로부터 구할 수 있다. 본 발명에 따는 모노폴 안테나의 유효성 및 타당성 입증을 위한 테스트를 수행하기 위하여, 최저 공진주파수를 PCS 대역에 맞추었으며, 이 경우 L=3cm, R=0.48cm로 설정하여 공진주파수 f=2.06 GHz를 설계 초기값으로 사용하였다. 복사기 도체(4) 기저부의 길이 Lm과 반경 Rm, 급전부 도체길이 p, 작은 금속핀의 반경
Figure 112007030139399-pat00003
, 그리고 접지면의 돌출부(8)의 길이 S와 두께 t는 전기자기학적 계산 또는 안테나 설계용 소프트웨어를 사용하여 최적화되어진다.
도 5는 종래의 설계방법에 따라서 제작된 모노폴 안테나의 주파수 대역폭 측정결과(A)와 본 발명의 설계방법에 따라서 제작된 모노폴 안테나의 주파수 대역폭 측정결과(B)를 비교하여 도시하고 있다. 상기 도 5로부터 명확하게 알 수 있듯이, 동일 크기의 복사기(radiator)에 대한 -10 dB 임피던스 대역폭이 종래의 설계방법에 따른 주파수 대역폭 측정결과(A)에서는 1.72 ~ 2.9 GHz(51.1%)로 측정되었지만, 본 발명의 설계방법에 따른 주파수 대역폭 측정결과(B)에서는 1.74 ~ 3.05 GHz(54.7%) 및 5.6 ~ 10.6 GHz(61.7%)로 측정됨을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 모노폴 안테나 장치는 종래의 기술에 비해서 추가적인 주파수 대역이 사용가능하게 됨을 분명하게 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 설계방법에 따라서 제작된 모노폴 안테나 이득(antenna gain)을 주파수 별로 측정한 결과를 도시하고 있다. 상기 도 6에 명확하게 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모노폴 안테나는 2 ~ 5 dBi의 안테나 이득이 발생함을 확인할 수 있다.
도 7(a) 내지 (f)는 본 발명의 설계방법에 따라서 제작된 모노폴 안테나의 복사패턴(radiation pattern)을 주파수 2.5GHz, 6.0GHz, 8.0GHz, 10.0GHz에서 측정한 결과를 도시하고 있다. 역시 상기 도면들에서 명확하게 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모노폴 안테나의 복사패턴은, 모든 주파수에서 수평면에서는 전방향성을 나타내며 수직면에서는 심장형 복사패턴을 나타냄으로써, 휴대용 이동통신 장치에 사용하기에 더욱 적합함을 확인할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 막대형 모노폴 안테나는 복사기 도체(4)의 기저부에 형성된 계단형 가공부(7)와 접지면(5)의 급전부에 형성된 돌출부(8)를 추가적으로 포함하여 커플링 구조를 최적화함으로써, 종래의 기술에 따른 모노폴 안테나에 비해서 사용 주파수를 광대역화 하는 효과를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명에 따른 모노폴 안테나를 이용한 테스트에서 -10 dB 임피던스 대역폭이 1.74 ~ 3.06 GHz 및 5.59 ~ 10.62 GHz인 주파수 대역폭 측정결과를 나타냈으며, 이러한 주파수 대역은 PCS(1.75 ~ 1.87 GHz), IMT-2000(1.92 ~ 2.17 GHz), WiBro(2.3 ~ 2.39 GHz), WLAN(2.412 ~ 2.483 GHz, 5.725 ~ 5.825 GHz), DMB(2.63 ~ 2.655 GHz), High-band UWB(7.2 ~ 10.2 GHz)의 무선 서비스를 하나의 안테나로써 송수신할 수 있도록 하는 우수한 장점을 가진다.
상기에서 기술된 구성과 효과를 가진 본 발명은 다양한 방법으로 변형이 가능하며, 상기에서 기술된 내용은 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 또한 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형과 수정이 가능하며, 본 발명이 속한 분야의 당업자에게 자명한 변형은 다음의 특허청구범위 범위 내에 포함되어진다.

Claims (6)

  1. 복사기 도체(4), 접지면(5), 그리고 동축케이블(6)로 이루어지는 막대형 모노폴 안테나에 있어서,
    상기 막대형 모노폴 안테나는,
    복사기 도체(4)의 기저부에 형성된 계단형 가공부(7)와,
    접지면(5)의 급전부에 형성된 돌출부(8)를 추가적으로 포함하고,
    듀얼밴드의 전자파 복사를 발생시키는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복사기 도체(4)의 기저부에 형성된 계단형 가공부(7)는 1개소 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 접지면(5)의 급전부에 형성된 돌출부(8)는 계단 적층형태로 1개소 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 복사기 도체(4)의 단면은 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 접지면 돌출부(8)의 단면은 원형, 타원형, 사각형, 삼각형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 복사기 도체(4), 계단형 가공부(7) 그리고 접지면 돌출부(8)의 단면은 서로 다른 도형의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모노폴 안테나
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