KR101120990B1

KR101120990B1 - 광대역 옴니 안테나

Info

Publication number: KR101120990B1
Application number: KR1020110124218A
Authority: KR
Inventors: 김용재
Original assignee: 주식회사 선우커뮤니케이션
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-03-13

Abstract

본 발명은 광대역 옴니 안테나에 관한 것이다. 이 안테나는 방사소자부와 반사판 및 급전 컨넥터로 이루어진다. 상기 방사소자부는 하나의 금속판에서 중앙 급전부를 중심으로 "+"자형으로 일체로 연장된 패치와, 상기 패치가 절곡될 때 서로 대향하게 되는 한 쌍의 패치로서 "U"자형으로 구성되는 제1 저주파 방사패치 및 제2 고주파 방사패치를 포함하는데, 상기 저주파 방사패치 또는 고주파 방사패치를 구성하는 각 패치는 상기 급전부 가장자리에서 연속된 적어도 2개의 둔각을 갖는 경사부를 갖도록 설계된다. 본 발명에 따르면 극단적으로 단순화 및 소형화된 구조를 가지면서도 초-광대역화를 구현하는 효과가 있는 것이다

Description

광대역 옴니 안테나 {Wide band omni-antenna}

본 발명은 무지향성 옴니 안테나에 관한 것으로, 특히 광대역 및 다중대역(multi-band) 특성을 갖도록 설계된 소형 옴니 안테나에 관한 것이다.

건물의 내부 또는 지하 시설의 천장이나 벽면 등에 취부할 수 있는 소형의 무지향성 옴니 안테나로서, 종래에는 역에프 구조를 이용한 안테나 또는 모노폴 구조의 안테나가 주로 사용되어 왔다.

먼저, 상기 역에프 옴니 안테나는 다이폴 소자를 역에프형으로 절곡하여 형성한 구조로써 통상의 다이폴을 이용한 것에 비하여 안테나 규모를 줄일 수 있다는 장점이 있는 것이다. 그러나 소자의 형태 자체가 급전점을 기준으로 하여 비대칭인 관계로, 모노폴 소자를 이용한 옴니 안테나에 비하여 이득 평탄도가 떨어지는 단점이 있다.

다음, 모노폴 옴니 안테나는 대칭 구조상 이득 평탄도면에서는 조금 유리할 수 있다. 그러나 모노폴 구조에서는 단일 주파수에서만 공진하기 때문에 주파수 대역이 작다는 문제가 있다. 여기에 광대역화를 구현하는 방법으로는 각 주파수에 대응하는 모노폴 소자들을 모두 구비하고, 유전체 기판에 급전라인을 설계하여 급전하는 한편, 임피던스 매칭 회로를 추가하는 등의 방법이 사용되기도 하였다. 그러나 이 경우에는 설계 및 가공이 복잡한 문제, 안테나 규모가 매우 커지는 문제, 비용이 상승되는 문제 등이 발생하였다.

이에 본 출원인은 특허공개 제2003-93146호를 통하여 그라운드판 상에 수직으로 설치되는 단일 모노폴 소자와, 상기 소자를 둘러싸는 형태로 배치되는 임피던스 정합소자를 포함하여, 광대역화를 도모한 안테나를 제안하였다. 그러나 이 경우에도 단일 모노폴 자체의 한계 때문에 실제로는 주파수 대역이 작다는 문제가 여전

히 남아 있으므로, 이를 극복하기 위한 복잡한 설계가 더 필요하게 되는 문제가 있었다.

그리하여 본 출원인은 비교적 간단한 구조로써 양호한 광대역 및 다중대역을 실현하는 안테나를 개발하였는데, 특허등록 제946623호에 개시된 옴니 안테나가 그것이다. 도 1a를 참조하면, 개시된 안테나(1)의 소자부(5)는 절연 세퍼레이터(2)를 사이에 두고 이격 배치되는 소구경 제1슬리브(3)와 대구경 제2슬리브(4)를 포함한다. 그리고 이때 각 슬리브(3,4)는 세퍼레이터(2) 상에서 각 상?하단부가 서로 인접하게 배치되는 방법으로 조립된다.

도면에서 부호 6은 상기 방사소자부(5)의 하부에 배치되는 반사판이고, 부호 7은 상기 방사소자부(5)에 전력을 공급하기 위하여 연결되는 급전 컨넥터이다. 이 구조에서, 상기 제2슬리브(4)는 제1슬리브(3)과 커플링(coupling) 연결되어 저주파수 대역에서 방사소자의 길이가 늘어난 효과를 얻는 것이다. 종래의 것에 비하면 이 안테나(1)가 복잡한 설계도 없이 비교적 간단한 구조로 양호한 광대역 및 다중대역을 실현하는 것은 사실이다.

그러나 필요적으로 세퍼레이터(2)와 소구경 제1슬리브(3) 및 대구경 제2슬리브(4) 등의 부품들을 개별적으로 구비하여야 하는 문제, 각 요소들을 정해진 규칙에 따라 조립하여야 하는 문제, 특히 상?하 슬리브(3,4)가 세퍼레이터(2) 상에서 일정 부분 서로 중첩되도록 배치해야 하는 문제들이 수반되어 있기 때문에, 구조의 단순화 측면에서 그 효과가 아주 뛰어나다고는 할 수 없다.

이에 대하여, 본 출원인은 구조를 단순화한 광대역 안테나를 개발하였는데, 특허등록 제1021478호에 개시된 옴니 안테나가 그것이다. 도 1b를 참조하면, 개시된 안테나(10)의 소자부(11)는 하나의 판을 "+"자 형을 절단하고 중앙 급전부(12)를 중심으로 각 패치를 상향으로 직각 절곡하여 이루어지며, 이때 마주보게 되는 두 "ㄷ"형 소자쌍이 각각 저주파(13) 및 고주파(14) 방사패치이다.

이와 같은 안테나 형태가 하나의 판형 소자를 가지고 절곡하여 급전부(12), 저주파(13), 고주파(14)를 포함한 소자부(11)를 형성한다는 점에서, 종래의 안테나들에 비해서 극단적으로 단순화된 구조를 갖는다고 할 수 있다. 그러나 그 이외의 구체적인 보완설계가 제대로 이루어지지 않아, 실제로는 충분한 정도의 광대역화를 발휘하기 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 이상에 설명한 종래 옴니 안테나의 문제점들을 해결하고자 제안된 것이다. 본 발명의 목적은 구조를 본 출원인의 특허등록 제1021478호에 개시된 옴니 안테나와 유사하게 단순화하되, 대역폭 특히 고주파수 대역폭이 크게 개선된 옴니 안테나를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 옴니 안테나는:

하나의 금속판에서 중앙 급전부를 중심으로 "+"자형으로 일체로 연장된 패치와, 상기 패치가 절곡될 때 서로 대향하게 되는 한 쌍의 패치로서 "U"자형으로 구성되는 저주파 방사패치 및 고주파 방사패치를 포함하되, 상기 저주파 또는 고주파 방사패치를 구성하는 각 패치는 상기 급전부 가장자리에서 연속된 적어도 2개의 둔각을 갖는 경사부를 갖도록 설계된 방사소자부;

상기 방사소자부의 하부에 배치되는 반사판과;

상기 반사판을 관통하고 상기 급전부에 연결되어 각 방사패치에 전력을 공급하는 급전 컨넥터;

를 포함하여 구성된다.

바람직하게, 상기 패치는 모두 급전부를 중심으로 상향 절곡된다. 또한 바람직하게, 상기 패치의 경사부 또는 경사부 인접부분의 측면에는 안테나의 주파수 특성 개선을 위한 하나 이상의 스터브(stub)가 상기 금속판 상에 일체로 성형되어 절곡될 수 있도록 구비되어 있다.

본 발명에 따른 옴니 안테나에 있어서, 방사소자부는 급전부와 모노폴 타입의 저주파 방사패치 및 고주파 방사패치를 포함하며, 이러한 안테나 소자들이 별도로 구비되고 조립되어 이루어지는 것이 아니라, 단지 하나의 금속 절곡판을 이용하여 간단하게 제작되는 것이다. 따라서 본 발명의 안테나가 구조를 최대한 단순화 및 소형화함으로써, 조립공정 및 원가구조를 개선하는 효과가 있다.

특히 본 발명은, 각 패치를 급전부 가장자리에서 연속된 적어도 2개의 둔각 경사부를 갖도록 설계하는 등 절곡 형태를 특징화하고 또한 적재에 스터브를 설계함으로써 특히 고주파수 대역폭이 크게 개선된 효과가 있다. 실제로 본 발명은 단순 소형화된 구조에서 5.8GHz WiFi 통신 까지를 가능케 하는 소형의 안테나를 목적으로 개발된 것이다.

도 1a,b는 종래 옴니 안테나의 구성을 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 옴니 안테나의 사시도.
도 3a,b는 도 2의 단면도.
도 4는 도 2의 방사소자부 전개도.
도 5는 본 발명에 따른 옴니 안테나의 정재파비 그래프
도 6은 본 발명에 따른 옴니 안테나의 저주파수 대역에서의 패턴도.
도 7은 본 발명에 따른 옴니 안테나의 고주파수 대역에서의 패턴도.
도 8은 본 발명에 따른 옴니 안테나의 초-고주파수 대역에서의 패턴도.
도 9는 도 1b의 종래 옴니 안테나의 고주파수 대역에서의 패턴도.

이상에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 광대역 옴니 안테나의 특징과 효과들은, 이하에서 첨부도면을 참조하여 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 도 2 이하의 도면에서, 본 발명의 광대역 옴니 안테나는 부호 20으로 표시된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 옴니 안테나(20)는 방사소자부(21)와, 반사판(22) 및 급전 컨넥터(23)를 포함하여 이루어진다. 그리고 여기에 도시하지는 않았으나, 상기 반사판(22) 상에는 방사소자부(21)를 커버하고 보호하기 위한 형태의 레이돔이 장착될 수 있다.

하나의 금속판에서 중앙 급전부(24)를 중심으로 "+"자형으로 일체로 연장된 4 개의 패치(25a,25b,26a,26b)와, 상기 패치들이 상향 또는 하향 절곡될 때 서로 대향하게 되는 한 쌍(25a-25b,26a-26b)의 패치로서 "U"자형으로 구성되는 저주파 방사패치(25) 및 고주파 방사패치(26)를 포함한다. 여기에서 "U"자형은 중앙 급전부(24)를 포함하는 개념으로 이해되어야 하며, 이러한 방사패치(25,26)의 형태는 원하는 안테나 특성을 얻기 위하여 각 방사패치(25,26)가 길어지거나 안테나 규모가 커지는 것을 방지하는데 적합한 것으로 판단된다.

또한 여기에서는 상기 저주파 방사패치(25)와 고주파 방사패치(26)를 상대적 길이에 따라 구분하여, 길이가 긴 것이 '저주파 방사패치'이며, 반대로 길이가 짧은 것이 '고주파 방사패치'이다.

도 3a,b를 참조하면, 본 발명에서 특히 상기 저주파 방사패치(25) 또는 고주파 방사패치(26)를 구성하는 각 패치(25a-25b,26a-26b), 바람직하게 도시된 모든 패치(25a,25b,26a,26b)는 상기 급전부(24) 가장자리에서 연속된 적어도 2개의 둔각(θ1,θ2)을 갖는 경사부(27)를 갖도록 설계된다.

이 구성은 전방에 전파 에너지를 가능한 손실 없이 집중시키는데 상당히 유익한 것으로 판단된다. 예컨대 복사원과 반사판으로 구성된 안테나 시스템에서 소위 코너형 반사판은 안테나 시스템의 복사 특성(패턴, 임피던스, 지향도 등)을 제어할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명에서는 "U"자형 방사패치(25,26)의 상기한 특징의 경사부(27)에 의하여 안테나 특성이 개선 및 향상됨을 확인할 수 있었다.

상기 경사부(27)의 각도 및 개수에는 제한을 두지 않는다. 이에 각 패치(25a,25b,26a,26b)의 선택, 각도 및 형태를 변환하면서 최적의 상태를 찾아 조정할 수 있다.

도 4를 참조하면 상기 금속판은 얇은 금속 플레이트로서, 중심부의 사각 급전부(24)와 상기 급전부(24)의 상?하 및 좌?우 가장자리에서 대칭적으로 연장되는 패치(25a,25b,26a,26b)를 일체로 포함하며, 전체적으로는 십(+)자 형태로 재단되어 있다.

상기 급전부(24)의 중심에는 금속판을 고정시키기 위한 장착홀(28)이 형성되어 있으며, 반사판(22)을 관통하여 설치되는 급전 컨넥터(23)가 상기 장착홀(28)에 끼워져 연결된다. 이 상태에서 각 패치(25a,25b,26a,26b)가 상향 절곡되는데, 이때 대칭된 패치(25a-25b,26a-26b) 중에서 상대적으로 길이가 긴 쌍(25a-25b)이 대향하여 저주파 방사패치(25)를 형성하게 되며, 길이가 짧은 쌍(26a-26b)이 대향하여 고주파 방사패치(26)를 형성하게 되는 것이다.

부호 29는 상기 금속판 상 저주파용 일측 패치(25a)의 측부에서 돌출하도록 설계된 브리지 구조이다. 부호 30은 상기 금속판 상 각 패치(25a,25b,26a,26b)의 경사부(27) 또는 그 인접부분의 측부에서 돌출하도록 설계된 스터브이다. 상기 브리지(29) 및 스터브(30)는 해당 배치로부터 필요한 방향으로 절곡될 수 있도록 설계된다.

이상 설명한 바와 같이 상기 방사소자부(11)는 각 요소(14,15,16)가 별도로 구비되고 조립되어 이루어지는 것이 아니라, 단지 하나의 금속판을 이용하여 간단하게 제작될 수 있는 것이다.

다시 도 2를 참조하면, 각 패치(25a,25b,26a,26b)가 상향 절곡됨에 따라 하나의 구체화된 방사소자부(21)가 형성될 수 있다. 이때 상기 브리지(29)는 절곡 및 대향하는 저주파용 패치(25a-25b) 간을 직접 연결해 줌으로써 저주파 방사패치(25)의 전장이 충분히 연장되도록 한다. 구조적으로, 상기 저주파 방사패치(25)는 일측 패치(25a)의 끝단에서 연장되어 타측 패치(25b)의 끝단으로 연결되는 브리지(29)를 포함하는 것으로 설명된다.

바람직하게 상기 방사소자부(21)는 안테나의 정재파 특성, 각 대역 특성 등 주파수 특성을 조정 및 개선하기 위한 구성을 갖는다. 이를 위하여 본 실시예에서, 상기 패치(25a,25b,26a,26b)의 경사부(27) 또는 경사부 인접부분의 측면에는 안테나의 주파수 특성 개선을 위한 스터브(30)가 상기 금속판 상에 일체로 성형되어 절곡될 수 있도록 구비되어 있다. 본 발명의 이러한 스터브(30)의 구조 및 경사부(27)와 관련한 배치는 안테나(20)의 주파수 특성에 상승적인 효과를 가져다주는 것으로 판단된다.

상기 반사판(22)은 원형 또는 각형의 플레이트로 된 통상의 반사판으로, 상기 방사소자부(21)의 하부에 평면적으로 배치되어 방사소자부(21)로부터 복사된 RF 신호를 반사한다. 다만, 이 구조는 단지 그라운드 판으로 표현될 수도 있다. 상기 급전 컨넥터(23) 또한 급전 심선을 포함하는 통상의 안테나용 컨넥터이다. 한편 본 발명에서 상기 방사소자부(21)와 반사판(22)은, 반사판(22)을 관통하는 급전 컨넥터(23)에 의하여 유기적으로 결합된다.

도 3을 참조하면, 상기 급전 컨넥터(23)는 상기 반사판(22)의 중심을 관통하여 설치되고 심선의 끝단이 방사소자부(21)의 급전부(24) 장착홀(28)에 끼워져 고정됨으로써, 방사소자부(21)와 반사판(22) 및 급전 컨넥터(23)가 유기적으로 서로 결합되어, 본 발명의 옴니 안테나(10)가 완성되는 것이다.

이 구조에서, 저주파 방사패치(25) 및 고주파 방사패치(26)를 구성하는 각 패치(25a,25b,26a,26b)는 급전방식에 있어서, 상기 반사판(22)을 관통하는 급전 컨넥터(23) 및 이와 접촉하는 중앙 급전부(24)를 통하여 직접 급전된다. 따라서 안정적이고 우수한 전력 공급이 이루어질 수 있다.

본 발명의 옴니 안테나(20)는 도 1b에 개시된 본 출원인의 종래 안테나(20)와 유사한 규모에서 고주파수 대역 및 저주파수 대역의 방사를 동시에 가능하게 한다. 즉, 상기 방사소자부(21)의 저주파 방사패치(25)에 의하여 저주파수 대역 방사가 가능하고 더불어 고주파 방사패치(26)에 의하여 고주파수 대역 방사가 가능하여, 결국 광대역 및 다중대역이 가능해지는 것이다.

실제로 본 발명의 옴니 안테나(20), 저주파수 대역(대역폭 15.25%)에서 Cellular: 824~894MHz, GSM: 880~960MHz, 고주파 대역(대역폭 44.89%)에서 PCS: 1710~1870MHz, IMT-2000(WCDMA): 1885~2170MHz, Wibro: 2300~2390MHz, ISM: 2400~2500MHz, SDMB: 2630~2655MHz, Wimax: 2500~2700MHz 뿐만 아니라, 초-고주파 대역 WiFi: (2400MHz)5800MHz 등에서 유효하게 사용 가능한 안테나를 목적으로 개발된 것으로, 도 5 내지 도 8에서 참조되는 바와 같이 각 대역에서 양호한 패턴 및 이득 특성을 나타내었다.

참고로 도 9는 본 출원인의 종래 안테나(10)의 특성을 보인 패턴도인데, 이를 도 7과 비교해 보면 본 발명의 옴니 안테나(20)는 고주파수 대역에서 대등하거나 그 이상의 전기적 특성을 보이고 있으며, 도 8을 참조하면 초-고주파 대역에서도 유효하게 동작함을 알 수 있다. 결국 본 발명의 옴니 안테나(20)는 그 특성에 있어서 종래의 안테나에 비하여, 극단적으로 단순화된 구조를 가지면서도 초-광대역화를 구현하는 월등한 효과가 있는 것이다.

20. 옴니 안테나
21. 방사소자부 22. 반사판
23. 급전 컨넥터 24. 급전부
25a,b. 패치 25. 저주파 방사패치
26a,b. 패치 26. 고주파 방사패치
27. 경사부 28. 장착홀
29. 브리지 30. 스터브

Claims

하나의 금속판에서 중앙 급전부(24)를 중심으로 "+"자형으로 일체로 연장된 패치(25a,25b,26a,26b)와, 상기 패치가 절곡될 때 서로 대향하게 되는 한 쌍(25a-25b,26a-26b)의 패치로서 "U"자형으로 구성되는 저주파 방사패치(25) 및 고주파 방사패치(26)를 포함하되, 상기 저주파 또는 고주파 방사패치를 구성하는 각 패치는 상기 급전부 가장자리에서 연속된 적어도 2개의 둔각(θ1,θ2)을 갖는 경사부(27)를 갖도록 설계된 방사소자(21)부;
상기 방사소자부(21)의 하부에 배치되는 반사판(22)과;
상기 반사판을 관통하고 상기 급전부(24)에 연결되어 각 방사패치(25,26)에 전력을 공급하는 급전 컨넥터(23);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 옴니 안테나.
제1항에 있어서,
상기 패치(25a,25b,26a,26b)는 모두 급전부(24)를 중심으로 상향 절곡된 것을 특징으로 하는 광대역 옴니 안테나.
제1항에 있어서,
상기 패치(25a,25b,26a,26b) 중 일부 또는 모든 패치의 경사부(27) 또는 경사부 인접부분의 측면에는 안테나의 주파수 특성 개선을 위한 스터브(30)가 상기 금속판 상에 일체로 성형되어 절곡될 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 광대역 옴니 안테나.
제1항에 있어서,
상기 저주파 방사패치를 구성하는 일측 패치(25a)에는 타측 패치(25b)에 연결하기 위한 브리지(29)가 상기 금속판 상에 일체로 성형되어 절곡될 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 광대역 옴니 안테나.