KR101288843B1 - 소형 대수주기 다이폴 배열 안테나 - Google Patents

소형 대수주기 다이폴 배열 안테나 Download PDF

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KR101288843B1
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우종명
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Abstract

본 발명은 대수 주기 안테나에 관한 것으로, 본 발명에 따른 대수 주기 안테나는 일정 길이를 갖는 평행 전송선로; 및 상기 평행 전송선로를 중심으로 대수 주기 배열로 형성된 복수의 다이폴 소자들을 포함하며; 상기 복수의 다이폴 소자들 중 적어도 하나는 미앤더 라인으로 형성되고, 상기 미앤더 라인으로 형성된 미앤더 다이폴 소자는 상기 평행 전송선로와 접하는 상기 미앤더 다이폴 소자의 중앙부분에서 양끝단으로 갈수록 상기 미앤더 라인의 길이가 점진적으로 커지도록 형성되어, 상기 평행 전송선로를 중심으로 두 개의 삼각형의 형태를 이루는 것을 특징으로 한다.
이에 의해 안테나의 크기를 크게 줄이면서도 이득저하를 최소화할 수 있는 좋은 성능을 가진 안테나를 제공할 수 있다.

Description

소형 대수주기 다이폴 배열 안테나{Small Log-Periodic Dipole Array Antenna}
본 발명은 대수주기 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 미앤더 라인을 대수 주기 안테나에 적용한 대수 주기 다이폴 안테나에 관한 것이다.
대수 주기 안테나(Log-Periodic Dipole Array; LPDA) 안테나는 임피던스와 방사 특성이 주파수에 대해 대수 주기적으로 반복되는 형태를 가지는 안테나를 말한다.
도 1은 일반적인 직선형 대수 주기 안테나를 나타난 것으로 도 1의 (a)는 평면도, (b) 사시도이다.
일반적인 대수 주기 안테나의 기본 소자는 반파장 다이폴 안테나로 인접한 안테나 소자길이(L)의 비나 간격의 비(d)가 일정하며 안테나 사용 주파수의 대역 내에서 거의 일정한 특성이 있는 광대역 안테나이다. 대수 주기 안테나의 급전 구조는 동축 케이블을 이용하며, 안테나의 중앙 도체 중 하나의 도체 안으로 삽입하여 안테나의 끝부분에 급전이 된다.
대수 주기 안테나는 간단한 구조로 광대역 특성과 높은 이득 특성을 가지므로 여러 분야에 사용된다. 주로 전자파 장애 측정용 안테나, 전파의 불법 사용 탐지용 안테나, 지상파 디지털 TV 안테나로 사용된다.
대수 주기 안테나의 간단한 설계 방법은 원하는 이득을 설정 후 스케일 팩터와 상대 간격 팩터를 이용하여 대수 주기 안테나의 방사소자길이와 안테나 간 간격을 설정하여 설계를 할 수 있다. 스케일 팩터(τ)와 상대 간격 팩터(σ)는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112013042613239-pat00001
Figure 112013042613239-pat00002
스케일 팩터와 상대 간격 팩터가 증가할수록 안테나의 크기가 커지고 이득이 증가한다. 따라서 설계하고자 하는 대주 주기 안테나의 주파수 대역에서 목표 이득이 결정되면 안테나의 크기가 결정되므로 안테나를 소형화하기 위해 대수 주기 안테나의 방사소자 길이를 줄이는 방법으로 안테나를 소형화해야 한다.
그러나, 다이폴 방사 소자의 길이 단축 및 전체 크기의 감소에 한계가 있다. 즉, 이득을 증가시킬 목적으로 스케일 팩터(τ)와 상대 간격 팩터(σ)를 크게 하면, 이득은 증가시킬 수 있으나 대신 안테나 붐의 길이가 길어지고, 방사소자의 수가 증가하기 때문에 전체 안테나의 크기가 커지는 문제가 있다.
이러한 대수 주기 안테나의 크기를 소형화시키기 위한 노력은 주로 1∼3 GHz 대역에서 사용될 수 있는 안테나가 많이 연구되고 있다. 특히, 모바일 응용에 사용될 수 있도록 1 GHz 이상의 대역에 치중되어 있어, VHF(Very High Frequency, 30~300 MHz)/UHF 대역의 대수 주기 안테나에 대해서는 연구가 미미한 실정이다.
더욱이, 대수 주기 안테나는 기본 방사소자가 반파장 크기의 다이폴 안테나로 배열되어 있어 VHF 대역에서는 안테나의 크기가 매우 커진다. 특히 전파의 불법 사용 탐지용 안테나로 사용되는 경우 등 대수 주기 안테나를 차량이나 비행체에 탑재할 경우, 안테나를 보호하기 위해 레이돔과 같은 장비를 장착하게 되며, 이때 일정한 실린더 형태의 탑재공간 내에 수납 가능해야 하는데, 그 크기 때문에 탑재하는데 어려움이 발생한다.
한편, 대수 주기 안테나의 소형화 연구의 예로서, 지그재그 구조, 미앤더 구조, 루프 구조, 플레이트 장하, 헬리컬 구조, 다이폴 소자 간격을 인덕터와 캐패시터를 이용하여 안테나의 크기를 줄일 수 있는 구조 등이 있다.
그러나, 이러한 많은 대수 주기 안테나의 소형화 연구에도 불구하고 큰 소형화율을 달성하지 못하고 있으며, 소형화율이 클수록 이득이 감소하는 문제점이 있다.
따라서, 안테나를 소형화하면서도 이득저하를 최소화하고 대수 주기 안테나의 방사소자뿐만 아니라 안테나 간격을 줄일 수 있는 연구가 필요한 실정이다.
전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 대수 주기 안테나 크기의 소형화를 달성하면서도 이득저하를 최소화할 수 있는 대수 주기 안테나를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적은 대수 주기 안테나에 있어서, 일정 길이를 갖는 평행 전송선로; 및 상기 평행 전송선로를 중심으로 대수 주기 배열로 형성된 복수의 다이폴 소자들을 포함하며; 상기 복수의 다이폴 소자들 중 적어도 하나는 미앤더 라인으로 형성되고, 상기 미앤더 라인으로 형성된 미앤더 다이폴 소자는 상기 평행 전송선로와 접하는 상기 미앤더 다이폴 소자의 중앙부분에서 양끝단으로 갈수록 상기 미앤더 라인의 길이가 점진적으로 커지도록 형성되어, 상기 평행 전송선로를 중심으로 두 개의 삼각형의 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 미앤더 다이폴 소자는 상기 평행 전송선로와 연결된 상기 미앤더 다이폴 소자의 상기 중앙부분을 꼭지점으로 하는 이등변삼각형의 형태를 이룰 수 있다.
또한, 상기 미앤더 다이폴 소자는 상기 평행 전송선로와 평행한 라인의 길이가 상기 평행 전송선로에 연결된 상기 중앙부분에서 상기 미앤더 다이폴 소자의 양끝단으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 평행 전송선로는 서로 평행한 제1 전송선로와 제2 전송선로로 형성되고, 상기 복수의 다이폴 소자들은 상기 제1 전송선로와 상기 제2 전송선로에 연결된 복수의 방사소자들을 포함하며, 상기 복수의 방사소자들은 상기 제1 전송선로와 상기 제2 전송선로를 중심으로 서로 마주보도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 전송선로 및 상기 제2 전송선로에서 급전신호가 인가되는 한 측에 형성된 복수의 다이폴 소자들은 직선형 다이폴 소자로 형성되고, 반대편 다른 한 측에 형성된 복수의 다이폴 방사소자들은 상기 미앤더 다이폴 소자로 형성될 수 있다.
또한, 상기 직선형 다이폴 소자의 길이는 상기 제1 전송선로 및 상기 제2 전송선로에 급전신호가 인가되는 한 측으로부터 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성되고; 상기 미앤더 다이폴 소자가 이루는 삼각형의 크기는 상기 제1 전송선로 및 상기 제2 전송선로에 급전신호가 인가되는 한 측에서 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 목적은 대수 주기 안테나에 있어서, 서로 평행한 제1 전송선로와 제2 전송선로로 형성된 평행 전송선로; 및 상기 제1 전송선로와 상기 제2 전송선로에 수직으로 배열된 복수의 방사소자들을 포함하고; 상기 복수의 방사소자들은 상기 평행 전송선로를 기준으로 서로 마주보도록 형성되고, 상기 복수의 방사소자들 중 적어도 복수 개는 미앤더 라인으로 형성되고, 상기 미앤더 라인으로 형성된 미앤더 방사소자들은 상기 평행 전송선로와 만나는 부분을 꼭지점으로 하는 이등변삼각형의 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나에 의해서도 달성될 수 있다.
여기서, 상기 미앤더 방사소자들 각각이 이루는 삼각형의 크기는 상기 제1 전송선로 및 상기 제2 전송선로에 급전신호가 인가되는 한 측에서 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 대수 주기 안테나는 안테나의 크기를 크게 줄이면서도 이득저하를 최소화할 수 있는 좋은 성능을 가진 안테나를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 직선형 대수 주기 안테나의 평면도 및 사시도이다.
도 2는 기존의 기본형 다이폴 안테나와 균일 미앤더 라인 다이폴 안테나, 및 본 발명에서 채용한 삼각형 형태의 미앤더 라인 다이폴 안테나의 일 예이다.
도 3은 도 2의 세 종류의 안테나들의 임피던스 매칭 및 대역폭 특성의 확인을 위해 설계 및 시뮬레이션 된 반사손실과 스미스 챠트를 나타낸 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 세 종류의 안테나 각각의 시뮬레이션 된 3차원 방사패턴 특성을 나타낸 것이다.
도 5는 도 2에 도시된 세 종류의 안테나들의 전류 분포를 시뮬레이션한 결과이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대수 주기 안테나를 간략히 도시한 것이다.
도 7은 도 6의 안테나의 미앤더 방사소자(20a) 하나를 확대한 것이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 대수 주기 안테나를 간략히 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 대수 주기 안테나를 간략히 도시한 것이다.
도 10은 삼각형 형태의 미앤더 라인을 이용한 대수 주기 안테나의 소형화 과정에 따른 5개의 시뮬레이션 안테나를 도시한 것이다.
도 11 및 도 12는 각각 도 10에 도시된 5개 안테나의 반사손실 및 이득 특성을 나타낸 것이다.
도 13 및 도 14는 각각 도 10에 도시된 5개 안테나의 E-plane의 빔폭이 H-plane의 빔폭을 나타낸 것이다.
도 15는 도 10의 (1),(3),(5)번 안테나를 실제 제작한 사진을 도시한 것이고,
도 16은 도 10의 (1)번 안테나, 도 17은 (2)번 안테나, 도 18은 (3)번 안테나의 반사손실, 이득, 반전력 빔폭 E, H-plane을 나타낸 그래프이다.
도 19는 도 15의 (5)번 부분 미앤더 대수 주기 안테나의 시뮬레이션과 제작된 안테나의 방사패턴을 나타낸 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 대수 주기 안테나는 소형화를 위해 미앤더 라인을 이용하였다.
도 2는 기존의 기본형 다이폴 안테나와 균일 미앤더 라인 다이폴 안테나, 및 본 발명에서 채용한 삼각형 형태의 미앤더 라인 다이폴 안테나의 일 예를 도시한 것이다.
설계된 다이폴 안테나는 시뮬레이션을 간단히 하기 위해 20 mm 선로 폭의 얇은 라인을 이용하였다. 도 2의 (a)의 기본형 다이폴 안테나는 길이가 990 mm(0.46λ)로 설계되었고 도 2의 (b)의 균일 미앤더 라인을 이용하여 길이가 축소된 다이폴 안테나는 그 길이가 590 mm(0.28λ)로 400 mm (44%) 감소하였다. 균일 미앤더 라인 다이폴 안테나는 다이폴 안테나의 전류가 가장 강한 부분도 균일하게 미앤더 라인이 분포함으로 인해 미앤더 라인의 전류 상쇄효과가 커 안테나의 효율이 감소된다.
따라서 본 발명은 미앤더 라인의 전류 상쇄 효과를 줄이기 위해 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 삼각형 형태의 미앤더 라인을 다이폴 안테나에 적용하였다. 삼각형 형태의 미앤더 라인은 다이폴 안테나의 전류분포가 가장 큰 중앙 부분에는 미앤더 라인의 길이는 짧게 하고, 전류의 크기가 약한 다이폴 양끝 부분은 미앤더 라인의 길이를 길게 분포시켰다. 이때 균일 미앤더 라인과 소형화율은 44 %로 동일하게 설계를 하였다.
도 3은 도 2의 세 종류의 안테나들의 임피던스 매칭 및 대역폭 특성의 확인을 위해 설계 및 시뮬레이션 된 반사손실과 스미스 챠트를 나타낸 것이다. 시뮬레이션은 CST사의 MWS2010을 사용하였다.
도 3의 (a)에 도시된 시뮬레이션된 반사손실 특성을 보면, 세 종류의 안테나 모두 10 dB 이하로 양호한 임피던스 매칭특성을 보였다. 기본형 다이폴 안테나(a)는 반사손실이 15.3 dB, 균일 미앤더 라인(b)은 11.1 dB, 삼각형 미앤더 라인(c)은 15.0 dB의 특성을 보였다. 또한 10 dB 대역폭은 기본형 다이폴(a), 균일 미앤더 다이폴(b), 삼각형 미앤더 다이폴(c) 각각 12.8 MHz (9.1%), 6.7 MHz (4.8%), 10.1 MHz (7.2%)로 시뮬레이션 되었다. 여기에서 균일 미앤더 다이폴(b)의 대역폭이 안테나의 소형화 및 균일 미앤더 라인 때문에 가장 작게 나타났다.
도 3의 (b)에 도시된 스미스 챠트를 보면 입력 임피던스 특성을 알 수 있는데, 기본형 다이폴 안테나(a)의 경우 이론적인 값과 유사한 69.7-j6 으로 나타났으며 균일 미앤더 라인이 적용된 안테나(b)는 30.9+j8.5, 삼각형 미앤더 라인이 적용된 안테나(c)는 35.1+j1.1 으로 시뮬레이션 되었다. 이는 안테나의 소형화로 인한 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 세 종류의 안테나 각각의 시뮬레이션 된 3차원 방사패턴 특성을 나타낸 것이다.
도 4의 (a)는 기본형 다이폴 안테나의 방사패턴을 나타낸 것으로, 이득이 1.98 dBi, 효율 96.8 %로 양호한 특성을 나타내었으며 전형적인 도넛 모양의 3차원 방사패턴을 나타내었다. 도 4의 (b)는 균일 미앤더 라인 안테나의 방사패턴을 나타낸 것으로, 이득은 1.79 dBi, 효율은 92.6 %로 기본형 다이폴 안테나(a)에 비해 0.19 dB 줄어들었다. 그 이유는 미앤더 라인에 의한 전류 상쇄 효과와 임피던스 매칭이 다소 좋지 않았기 때문이다. 도 4의 (c)는 삼각형 미앤더 라인 안테나의 방사패턴을 나타낸 것으로, 안테나의 길이 축소율은 44 %로 동일하나 이득은 1.91 dBi, 효율은 96.3 %로 기본형 다이폴 안테나(a)에 비해 크게 감소하지 않았다. 그 이유는 삼각형 미앤더 라인구조가 다이폴 안테나의 전류가 큰 부분인 중앙에는 미앤더 라인의 길이가 짧아 전류 상쇄 효과가 작기 때문이다.
도 5는 도 2에 도시된 세 종류의 안테나들의 전류 분포를 시뮬레이션한 결과이다.
기본형 다이폴 안테나(a)의 전류분포는 코사인 형태의 전류 분포를 가지므로 다이폴 안테나의 중앙 부분의 전류 분포가 가장 크고, 다이폴 안테나의 양끝으로 갈수록 전류분포가 약해지는 것을 알 수 있다. 균일 미앤더 라인 다이폴(b)과 삼각형 미앤더 라인 다이폴(c)의 전류 분포를 비교하여 보면 균일 미앤더 라인 안테나의 중심에 동일한 길이로 분포함으로 전류 상쇄 효과가 큰 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 삼각형 미앤더 다이폴 안테나(c)는 안테나의 중심에 미앤더 라인의 길이가 짧으므로 전류 상쇄 효과가 작은 것을 확인할 수 있었다.
아래 표 1은 전술한 세 종류의 안테나의 시뮬레이션 결과를 정리한 표이다.
항목 기본형 다이폴 균일 미앤더 다이폴 삼각형 미앤더 다이폴
Return loss [dB] at Fc (MHz) -15.3 -11.8 -15.1
Input impedance [Ω] 69.7-j6 30.9+j8.5 35.1+j1.1
-10 dB bandwidth [MHz] 12.8 (9.1%) 6.7 (4.8%) 10.1 (7.2%)
Gain [dBi] 1.98 1.79 1.91
Efficiency [%] 96.8 92.6 96.3
본 발명은 위에서 설명한 시뮬레이션 결과에 기초하여, 전류 상쇄 효과가 적어 소형화에 유리한 삼각형 미앤더 라인 구조를 대수 주기 안테나에 적용하였다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대수 주기 안테나를 간략히 도시한 것이다.
도 6을 참고하면, 대수 주기 안테나는 평행 전송선로(10) 및 이를 중심으로 대수 주기 배열로 형성된 복수의 다이폴 소자들(20, 30)을 포함한다.
평행 전송선로(10)는 서로 평행한 제1 전송선로(10a)와 제2 전송선로(10b)를 포함하여 2선식으로 구성되며, 선단의 급전점(1)으로부터 각 다이폴 소자(20, 30)로 평행 전송선로(10)를 통해 급전되도록 되어 있다.
복수의 다이폴 소자들(20, 30)은 상기 제1 전송선로(10a)와 상기 제2 전송선로(10b)를 중심으로 서로 마주보도록 형성된다.
일반적인 직선형 대수 주기 안테나에서 다이폴 소자들은 급전점에서 멀리 떨어질수록 그 길이가 길게 형성되어 있다. 그러나, 본 발명에서는 급전점으로 멀리 떨어진 다이폴 소자들 즉, 기존에 길이가 길게 형성되는 저주파수 대역의 다이폴 소자들을 미앤더 라인으로 형성함으로써 대수 주기 안테나의 높이를 축소할 수 있다.
도 6을 참조하면, 평행 전송선로(10)에서 급전신호가 인가되는 한 측에 배열된 다이폴 소자들(30)은 직선형으로 형성하고, 반대편 다른 한 측의 다이폴 소자들을 미앤더 라인(20)으로 형성한다.
미앤더 라인으로 형성된 미앤더 다이폴 소자(20)는 평행 전송선로(10)와 접하는 중앙부분에서 양끝단으로 갈수록 미앤더 라인의 길이가 점진적으로 커지도록 형성된다. 직선형 다이폴 소자들은 급전신호가 인가되는 한 측으로부터 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성한다.
도 7은 도 6의 안테나의 미앤더 방사소자(20a) 하나를 확대한 것이다.
도 7을 보면, 미앤더 다이폴 소자(20)에서 평행 전송선로(10)와 평행한 라인의 길이가 상기 평행 전송선로(10)에 연결된 부분에서 다이폴 소자의 양끝단으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성되므로, 미앤더 다이폴 소자(20)는 평행 전송선로(10)와 연결된 부분을 꼭지점으로 하는 두 개의 이등변 삼각형의 형태를 이루게 된다.
전체적으로, 평행 전송선로(10)를 중심으로 보면 미앤더 다이폴 소자(20)는 두 개의 이등변 삼각형이 원점 대칭을 이루는 형태를 띠게 된다.
또한, 미앤더 다이폴 소자(20)가 이루는 삼각형의 크기는 제1 전송선로(10a) 및 상기 제2 전송선로(10b)에 급전신호가 인가되는 한 측에서 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성된다. 여기서, 전체적인 안테나의 소형화를 위해 미앤더 다이폴 소자(20)가 이루는 삼각형의 크기는 높이는 동일하고 빗변의 길이만 커지도록 설계할 수도 있고, 높이와 빗변이 모두 커지도록 설계할 수도 있다.
본 발명의 제1 실시예에서는 다이폴 소자가 11개가 형성되어 있고, 이 중에서 미앤더 다이폴 소자(20)를 4개, 나머지 7개를 직선형 다이폴(30)로 구성하였지만, 본 발명은 이에 국한되는 것이 아니라 미앤더 다이폴 소자(20)의 갯수는 안테나의 크기, 특성 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 대수 주기 안테나를 간략히 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 대수 주기 안테나는 모든 다이폴 소자들을 삼각형 미앤더 라인으로 구성하였다. 미앤더 라인으로 구성된 미앤더 다이폴 소자들(40)은 삼각형 형태를 가지며, 제1 전송선로(10a) 및 상기 제2 전송선로(10b)에 급전신호가 인가되는 한 측에서 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성된다.
미앤더 다이폴 소자(40)의 특징은 전술한 제1 실시예의 미앤더 다이폴 소자(20)의 설명과 동일유사하므로, 이에 관한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 대수 주기 안테나를 간략히 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 대수 주기 안테나는 저주파수 대역의 길이가 긴 다이폴 소자들(50)은 미앤더 라인으로 구성하고, 중간에 위치한 다이폴 소자들(70)은 끝이 한번 구부러진 『ㄱ』자 형태를 갖도록 형성하며, 나머지 다이폴 소자들(60)은 직선형으로 구성하였다.
도 9에서, 전체 다이폴 소자가 11개 중에 미앤더 다이폴 소자(50) 4개, 『ㄱ』자형 다이폴 소자(70) 1개, 직선형 다이폴 소자(60) 6개로 구성하였으나, 그 갯수 및 크기는 사용하고자 하는 시스템의 용도에 적합하도록 안테나 전체 크기 및 제작에 용이하도록 선택하는 것이 바람직하다.
미앤더 다이폴 소자(50)의 특징은 전술한 제1 실시예의 미앤더 다이폴 소자(20)의 설명과 동일유사하므로 이에 관한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
전술한 본 발명의 실시예들은 대수 주기 안테나에서 다이폴 소자들을 삼각형 형태의 미앤더 라인으로 부분적으로 적용하거나 전체적으로 적용함으로써 큰 소형화율을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 이득면에서도 이득저하를 최소화할 수 있는데, 이에 관한 시뮬레이션 및 실험 결과에 대해서는 후술하기로 한다.
도 10은 삼각형 형태의 미앤더 라인을 이용한 대수 주기 안테나의 소형화 과정에 따른 5개의 시뮬레이션 안테나를 도시한 것이다.
도 10의 (1)번 안테나는 기본 직선형 대수 주기 안테나로서, 기본 대수 주기 안테나는 이득이 7 dBi 되도록 스케일 팩터와 상대 간격 팩터를 각각 0.85, 0.08로 설정하여 설계를 하였고, 도 10의 (2)번 안테나는 (1)번 기본 대수 주기 안테나를 기반으로 하여 미앤더 라인을 전체 안테나 구조에 적용한 전체 미앤더 다이폴 안테나를 시뮬레이션한 것이다.
도 10의 (3)번 안테나는 (1)번 기본 대수 주기 안테나의 길이를 줄이기 위해 상대간격 팩터를 0.08에서 0.05로 줄여 길이를 줄인 직선형 대수 주기 안테나를 설계한 것이고, 도 10의 (4)번 안테나는 (3)번 직선형 대수 주기 안테나에서 방사소자의 길이를 줄이기 위해 삼각형 미앤더 라인을 전체 방사소자에 적용한 전체 미앤더 다이폴 안테나를 시뮬레이션한 것이다.
도 10의 (5)번 안테나는 주로 안테나의 크기에 영향을 미치는 저주파 대역의 방사소자 4개에만 삼각형 미앤더 라인을 적용한 부분 미앤더 안테나를 설계하였다.
즉, 도 10의 (1) 및 (3)번 안테나는 종래의 일반적인 직선형 대수 주기 안테나이고, 도 10의 (2) 및 (4)번 안테나는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전체 미앤더 다이폴 안테나이며, 도 10의 (5)번 안테나는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부분 미앤더 다이폴 안테나로 설계한 것이다.
도 11 및 도 12는 각각 도 11에 도시된 5개 안테나의 반사손실 및 이득 특성을 나타낸 것이다. 도 11의 반사손실은 5개의 모든 안테나가 설계 대역에서 10 dB 이하로 임피던스 매칭이 잘 이루어진 것으로 나타났다. 도 13의 이득 특성은 미앤더 라인 및 안테나의 길이가 줄어들수록 이득이 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 전체가 미앤더로 이루어져 소형화된 안테나인 도 12의 (4)번 안테나보다는 부분적으로 미앤더 라인이 적용된 도 12의 (5)번 안테나가 설계 대역에서 더 좋은 결과를 나타냈다.
도 13 및 도 14는 각각 도 10에 도시된 5개 안테나의 E-plane의 빔폭이 H-plane의 빔폭을 나타낸 것이다. 도 13 및 도 14를 참조하면, 반전력 빔폭은 안테나별로 큰 차이는 없는 것으로 나타났고, 공통된 특성으로 E-plane의 빔폭이 H-plane에 비해서 작은 것으로 나타났으며, 주파수가 올라갈수록 빔폭이 더 작아지는 특성을 나타냈다. 이러한 결과는 기본 방사소자가 다이폴 안테나이기 때문이며 주파수가 올라갈수록 다소 이득이 증가하여 빔폭이 줄어든 것이다.
아래 표 2는 전술한 도 11 내지 도 14에 나타난 안테나들의 특성을 정리한 것이다.
(1)번 안테나 (2)번 안테나 (3)번 안테나 (4)번 안테나 (5)번 안테나
Figure 112013042613239-pat00003
Figure 112013042613239-pat00004
Figure 112013042613239-pat00005
Figure 112013042613239-pat00006
Figure 112013042613239-pat00007
-10 dB bandwidth [MHz] 130~534
(4.10:1)		 140~610
(4.36:1)		 136~541
(3.98:1)		 143~624
(4.36:1)		 134~552
(4.12:1)
Average gain [dBi] 7.21 6.69 6.48 5.64 6.26
HPBW[°] at
E-plane		 60.8 67.6 6.48 75.5 69.3
HPBW[°] at
H-plane		 105.2 121.9 130.2 147.6 134.1
Size reduction rate [%] 기준 40.9 33.2 62 60.5
시뮬레이션 결과, 소형화된 대수 주기 안테나의 대역폭은 설계 목표 대역을 수용하며 기본형 대수 주기 안테나와 비교해볼 때 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 대수 주기 안테나의 크기와 이득을 비교하여 분석하여보면 안테나의 크기가 작아질수록 이득이 작아지는 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 하지만 저주파수 대역의 방사소자에만 부분적으로 삼각형 형태의 미앤더 라인을 적용하여 소형화된 (5)번 안테나는 기본형 안테나와 비교하여 볼 때 60.5 %의 소형화율을 갖고 있음에도 불구하고, 평균 이득의 감소는 0.95 dB로 작은 것을 알 수 있다. 이는 큰 소형화율에 비해 작은 이득 저하 특성을 갖는 부분적으로 삼각형 미앤더 라인을 대수 주기 안테나에 적용한 것이 소형화에 가장 유리하다는 것을 위 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있다.
<안테나 제작 및 측정>
도 10의 (1),(3),(5)번 안테나를 실제 제작하여 안테나 특성을 시뮬레이션 값과 실제 측정값을 확인하였다.
도 15는 도 10의 (1),(3),(5)번 안테나를 실제 제작한 사진을 도시한 것이고, 도 16은 도 10의 (1)번 안테나, 도 17은 (2)번 안테나, 도 18은 (3)번 안테나의 반사손실, 이득, 반전력 빔폭 E, H-plane을 나타낸 그래프이다.
여기서, 안테나의 크기 및 설계는 각각 도 10의 (1), (3), (5)와 모두 동일하게 제작되었다. 제작된 안테나는 사각 알루미늄 파이프와 봉을 이용하여 제작되었으며, 주파수가 낮은 방사소자는 네 개는 10 mm × 10 mm의 알루미늄 파이프를 이용하였고, 나머지 주파수가 높은 부분은 5 mm × 5 mm 두께의 알루미눔 봉을 이용하여 제작하였다. 제작된 안테나의 급전은 중앙의 12 mm × 12 mm의 알루미늄 파이프 안으로 동축 케이블을 삽입하여 안테나의 앞쪽 끝에서 급전이 이루어지도록 하였다.
(1)번 기본적인 직선형 대수 주기 안테나는 958 (L)mm 1020 (H)mm 의 크기로 제작되었으며, 도 16의 (a)를 참조하면, 반사손실은 시뮬레이션과 제작된 안테나 모두 -10 dB이하로 임피던스 매칭이 나타났고, -10 dB 대역폭은 모두 4.1:1의 광대역을 만족하였다. 도 16의 (b)를 참조하면, 주파수별 이득은 시뮬레이션은 7.35 dBi, 측정은 7.25 dBi로 나타났으며, 도 16의 (c)를 보면, HPBW 빔폭 E-plane은 시뮬레이션은 60.8,측정은 59.9, 도 16의 (d)에서 H-plane은 시뮬레이션은 105.2, 측정은 101.2로 시뮬레이션으로 설계된 안테나와 제작된 안테나의 방사패턴 모두 동일한 특성을 가진 것으로 나타났다.
(3)번의 길이가 줄어든 직선형 대수 주기 안테나는 658 (L)mm 1020 (H)mm의 크기로 제작되었으며, 도 17의 (a)를 보면, 반사손실은 시뮬레이션과 제작된 안테나 모두 -10 dB이하로 임피던스 매칭이 나타났으며, -10 dB 대역폭은 시뮬레이션 3.98:1 측정은 4.24:1의 광대역을 만족하였다. 도 17의 (b)의 주파수별 이득은 시뮬레이션은 6.87 dBi, 측정은 6.82 dBi로 나타났고, 도 17의 (c) HPBW 빔폭 E-plane의 시뮬레이션은 63.3,측정은 62.3, 도 17의 (d)의 H-plane은 시뮬레이션은 119.2, 측정은 121.3로 시뮬레이션으로 설계된 안테나와 제작된 안테나의 방사패턴은 동일한 특성을 가진 것으로 나타났다.
(5)번의 부분 미앤더 대수 주기 안테나는 (1)번 기본적인 직선형 대수 주기 안테나보다 60%나 축소되도록, 크기가 650 (L)mm 610 (H)mm로 제작되었다. 도 18의 (a)에서 안테나의 반사손실은 시뮬레이션과 제작된 안테나 모두 양호한 -10 dB이하 임피던스 매칭이 나타났으며 -10 dB 대역폭은 시뮬레이션 4.12:1 측정은 4.15:1의 광대역을 만족하였다. 도 18의 (b)에서 주파수별 이득은 시뮬레이션은 6.62 dBi, 측정은 6.69 dBi, 도 18의 (c)에서 HPBW 빔폭 E-plane의 시뮬레이션은 65.7,측정은 66.9로 나타났고,도 18의 (d)를 보면 H-plane은 시뮬레이션은 125.3, 측정은 129.4로 시뮬레이션으로 설계된 안테나와 제작된 안테나의 방사패턴은 동일한 특성을 가진 것으로 나타났다.
도 19는 도 15의 (5)번 부분 미앤더 대수 주기 안테나의 시뮬레이션과 제작된 안테나의 방사패턴을 나타낸 것이다. 비교 패턴의 왼쪽은 시뮬레이션으로 설계된 안테나의 방사패턴이며 오른쪽은 제작된 안테나의 방사패턴이다.
아래 표 3은 도 16 내지 18의 내용을 표로 정리한 것이다.
(1) 기본형 안테나 (3) 길이가 줄어든 안테나 (5) 부분 미앤더 안테나
시뮬레이션 측정 시뮬레이션 측정 시뮬레이션 측정
-10 dB bandwidth [dB] 4.1:1 4.1:1 3.98:1 4.24:1 4.12:1 4.15:1
Average gain [dBi] 7.35 7.25 6.87 6.82 6.62 6.69
HPBW[°] at
E-plane		 60.8 59.9 63.3 62.3 65.7 66.9
HPBW[°] at
H-plane		 105.2 101.2 119.2 121.3 125.3 129.4
Size reduction rate [%] 기준 33.2 60.5
(2),(3)번 안테나는 길이가 축소됨에 따라 (1)번 안테나에 비해 이득이 감소하였다. 하지만 (5)번 부분 미앤더 대수 주기 안테나도 안테나 재원에 이득이 7 dBi에 맞춰 설계되었고, 60%나 축소되었지만 이득면에서 7 dBi보다 0.31dBi 차이가 나는 것을 알 수 있지만, 이득차이가 0.31 dBi 면 거의 차이가 없다고 볼 수 있으므로 시뮬레이션이나 실제 제작된 안테나의 경우 방사패턴의 차이가 없고 동일함으로 설계가 잘 되었고, 또한 안테나의 크기가 (1)번의 기본형 대수 주기 안테나보다 크게 작아졌으므로 안테나의 소형화가 잘 된 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 미앤더 라인을 적용한 대수 주기 안테나는 큰 소형화율을 가지면서도 이득 저하를 최소화하여 우수한 방사특성을 가지므로, 소형화가 필요한 분야 특히, 비행기나 차량 탑재용으로 매우 유용하다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
1: 급전점 10: 평행 전송선로
10a: 제1 전송선로 10b: 제2 전송선로
20,40,50: 다이폴 소자 30,60: 직선형 다이폴 소자
40: 미앤더 다이폴 소자 50: 미앤더 다이폴 소자
60: ㄱ자 다이폴 소자 100: 급전점
110: 평행 전송선로 120: 직선형 다이폴 소자

Claims (8)

  1. 대수 주기 안테나에 있어서,
    일정 길이를 갖는 평행 전송선로; 및
    상기 평행 전송선로를 중심으로 대수 주기 배열로 형성된 복수의 다이폴 소자들을 포함하며;
    상기 복수의 다이폴 소자들 중 적어도 하나는 미앤더 라인으로 형성되고, 상기 미앤더 라인으로 형성된 미앤더 다이폴 소자는 상기 평행 전송선로와 접하는 상기 미앤더 다이폴 소자의 중앙부분에서 양끝단으로 갈수록 상기 미앤더 라인의 길이가 점진적으로 커지도록 형성되어, 상기 평행 전송선로를 중심으로 두 개의 삼각형의 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미앤더 다이폴 소자는 상기 평행 전송선로와 연결된 상기 미앤더 다이폴 소자의 상기 중앙부분을 꼭지점으로 하는 이등변삼각형의 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미앤더 다이폴 소자는 상기 평행 전송선로와 평행한 라인의 길이가 상기 평행 전송선로에 연결된 상기 중앙부분에서 상기 미앤더 다이폴 소자의 양끝단으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 평행 전송선로는 서로 평행한 제1 전송선로와 제2 전송선로로 형성되고,
    상기 복수의 다이폴 소자들은 상기 제1 전송선로와 상기 제2 전송선로에 연결된 복수의 방사소자들을 포함하며
    상기 복수의 방사소자들은 상기 제1 전송선로와 상기 제2 전송선로를 중심으로 서로 마주보도록 형성된 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전송선로 및 상기 제2 전송선로에서 급전신호가 인가되는 한 측에 형성된 복수의 다이폴 소자들은 직선형 다이폴 소자로 형성되고, 반대편 다른 한 측에 형성된 복수의 다이폴 방사소자들은 상기 미앤더 다이폴 소자로 형성되는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 직선형 다이폴 소자의 길이는 상기 제1 전송선로 및 상기 제2 전송선로에 급전신호가 인가되는 한 측으로부터 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성되고;
    상기 미앤더 다이폴 소자가 이루는 삼각형의 크기는 상기 제1 전송선로 및 상기 제2 전송선로에 급전신호가 인가되는 한 측에서 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나.
  7. 대수 주기 안테나에 있어서,
    서로 평행한 제1 전송선로와 제2 전송선로로 형성된 평행 전송선로; 및
    상기 제1 전송선로와 상기 제2 전송선로에 수직으로 배열된 복수의 방사소자들을 포함하고;
    상기 복수의 방사소자들은 상기 평행 전송선로를 기준으로 서로 마주보도록 형성되고,
    상기 복수의 방사소자들 중 적어도 복수 개는 미앤더 라인으로 형성되고, 상기 미앤더 라인으로 형성된 미앤더 방사소자들은 상기 평행 전송선로와 만나는 부분을 꼭지점으로 하는 이등변삼각형의 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 미앤더 방사소자들 각각이 이루는 삼각형의 크기는 상기 제1 전송선로 및 상기 제2 전송선로에 급전신호가 인가되는 한 측에서 반대편 다른 한 측 방향으로 갈수록 점진적으로 커지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 대수 주기 안테나.
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