KR101596258B1 - 혼 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼 안테나에 관한 것으로, 상기 혼 안테나는 제1 루프를 구성하고, 방사 방향을 향해 벌어지는 형태를 갖는 제1 방사부와, 제2 루프를 구성하고, 상기 제1 방사부의 일측에 배치되고, 방사 방향을 향해 벌어지는 형태를 갖는 제2 방사부, 및 상기 제1 및 제2 루프가 결합되도록, 상기 제1 및 제2 방사부를 지지하는 지지판을 포함하고, 상기 제1 방사부는 저주파에서 이득을 높일 수 있도록 형성된 타원부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 방사부는 저주파에서 안테나의 주파수 동작대역을 넓힐 수 있도록 비대칭 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

혼 안테나{HORN ANTENNA}

본 발명은 단방향성의 방사패턴을 갖는 혼 안테나에 관한 것이며, 보다 상세하게는 변형된 형태의 초광대역 횡방향 전자계 혼 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 횡방향 전자계(TEM; Transverse Electro Magnetic field)는 전자기파가 진행파의 성질을 가지고 전파하는 형태의 하나로, 진행방향으로는 성분이 없이 전기장과 자기장 모두 진행방향에 수직인 성분만을 갖는 형태를 의미한다.

안테나의 성능을 평가하는 요소는 여러 가지 방식으로 기술될 수 있다.

일 예로, 안테나의 방사 효율(또는 '안테나 효율')은 안테나로 수용된 전력량에 대해 안테나로부터 방사되는 전력량의 비율로 정의될 수 있다. 다른 안테나 성능을 평가하는 특성들은 작동 주파수 대역폭(operating bandwidth), 안테나 이득(gain), 안테나 패턴(pattern) 및 지향성(directivity)을 포함한다. 안테나가 쓰이는 시스템은 광범위하며, 사용하는 분야에 따라 안테나의 성능을 평가하는 요소의 중요성이 바뀌게 된다.

이 중에서 초광대역 시스템은 시간 축에서 매우 짧은 신호가 주파수 축에서 확산되는 특성을 이용하는 기술로, 변조된 정현파 대신 시간 축에서 매우 짧은 주기를 갖는 펄스를 송신할 경우 그 신호는 주파수 축에서 스펙트럼이 넓게 퍼지는 원리를 이용한 기술이다. 이러한 시스템에 쓰이는 초광대역 안테나는 지반탐사 레이다 및 전자파 장해 측정 등 초광대역 펄스를 사용하는 분야에 있어 핵심적인 역할을 하고 있다. 그러나, 초광대역 안테나의 물리적인 크기는 안테나의 동작특성 중 하나인 주파수에 의존하는 특성이 있기 때문에 안테나를 소형화하면서 초광대역 특성을 얻는 데에는 어려움이 존재한다.

또한, 기존 횡방향 전자계 방사 혼 안테나는 동작대역의 저주파에서 다이폴 안테나와 같이 동작하기 때문에 낮은 이득을 갖는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 루프구조가 포함되어 있는 혼 안테나에서 비대칭의 형태를 갖는 횡방향 전자계 방사부분과 루프구조에 타원 형태를 결합하여 초광대역 조건을 만족하는 동시에 안테나의 소형화와 저주파에서의 이득을 높인 초광대역 안테나를 제공하고자 하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 제1 루프를 구성하고, 방사 방향을 향해 벌어지는 형태를 갖는 제1 방사부와, 제2 루프를 구성하고, 상기 제1 방사부의 일측에 배치되고, 방사 방향을 향해 벌어지는 형태를 갖는 제2 방사부, 및 상기 제1 및 제2 루프가 결합되도록, 상기 제1 및 제2 방사부를 지지하는 지지판을 포함하고, 상기 제1 방사부는 저주파에서 이득을 높일 수 있도록 형성된 타원부를 포함하고, 상기 제1 및 제2 방사부는 저주파에서 안테나의 주파수 동작대역을 넓힐 수 있도록 비대칭 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 혼 안테나가 제공될 수 있다.

상기 타원부는 상기 안테나 동작대역 내 저주파에서 방사되는 방사패턴의 전자계면(E/H-plane)에서 주빔(main beam)의 폭을 좁게 하여 이득을 높일 수 있다.

상기 제1 및 제2 방사부는 높이가 비대칭으로 설계되어 안테나의 동작내역 내 저주파에서 대역폭을 확장할 수 있다.

상기 타원부는 상기 제1 루프의 윗부분 중앙으로부터 대칭으로 형성될 수 있으며, 상기 타원부의 축 방향과 혼 안테나의 축 방향이 직각을 이루도록 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2 방사부의 급전부는 상기 커넥터와 연결될 수 있고, 상기 제1 및 제2 방사부는 서로 멀어지는 방향으로 포물선 형상을 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전압 정재파비를 낮추어 초광대역 통신이 가능한 혼 안테나를 제공할 수 있다.

또한, 타원부를 제1 루프의 위쪽 중심방향에 배치하여 동작대역 내에서의 저주파 이득을 개선할 수 있다.

나아가, 방사부를 위아래로 비대칭 구조를 갖도록 함으로써 전기적 크기가 줄어들어 안테나의 소형화에 기여할 수 있다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 측면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 정면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 전압 정재파비(VSWR; Voltage Standing Wave Ratio) 특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 타원부를 갖지 않은 안테나와 타원부를 갖는 안테나의 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 위치에 따른 전류세기 분포도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 타원부 유무에 따른 이득을 나타내는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 횡방향 전자계 혼 안테나를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 분해 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나는 초광대역 횡방향 전자계 혼 안테나(Ultra wideband Transverse Electro Magnetic field horn antenna)로 제1 루프(105), 제2 루프(106), 상기 제1 및 제2 루프(105,106)를 지지하는 지지판(103) 그리고 상기 제1 및 제2 루프(105,106)에 급전하는 광대역용 SMA 커넥터(104)를 포함하여 이루어진다.

보다 구체적으로는, 상기 제1 루프(105)에서 저주파 이득향상을 위한 타원부(100)가 제1 루프(105)의 윗부분 중앙으로부터 대칭 형태를 갖도록 배치되며, 상기 타원부(100)의 축 방향과 장치의 축 방향이 직각을 갖도록 위치한다. 상기 타원부(100)는 반타원형의 홈 형상이다.

이때, 상기 제1 루프(105)는 제1 방사부(101)를 포함하는데, 상기 제1 방사부(101)는 안테나의 방사방향을 향해 벌어져 있는 형태로 제1 루프(105)의 전면에 배치된다. 또한, 상기 제2 루프(106)는 상기 제1 방사부(101) 보다 작도록 형성되고, 안테나의 방사방향을 향해 벌어져 있는 형태로 제2 루프(106)의 전면에 배치된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 방사부(101,102)는 정면에서 바라볼 때 포물선 형상이며, 제1 방사부(101)의 높이가 제2 방사부(102)의 높이보다 높게 형성된다.

또한, 상기 제1 및 제2 방사부(101,102)의 급전부분이 상기 커넥터(104)와 연결점을 형성하게 되는데, 이에 의해 저주파에서 안테나의 동작 대역폭을 넓힐 수 있다.

상기 제1 및 제2 방사부(101,102)는 도 1에 도시된 바와 같이, 커넥터(104)의 연결점을 향하여 포물선 형태로 수렴하게 된다. 즉, 상기 제1 및 제2 방사부(101,102)는 서로 인접 형성되며, 서로 멀어지는 방향으로 포물선을 이루도록 형성된다.

상기 지지판(103)은 상기 제1 루프(105)와 제2 루프(106)의 후면과 결속하도록 상기 커넥터(104)에는 홀(107)이 형성되어 있으며, 이와 같은 구조에 의해 혼 안테나의 안정성을 높일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 효과에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나의 전압 정재파비(VSWR; Voltage Standing Wave Ratio) 특성을 나타낸 그래프이다. 전압 정재파비 값이 2 미만이면 입력 전력의 90% 이상을 전자기파로 방사할 수 있게 되므로 안테나의 동작대역으로 기준 삼을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 횡방향 전자계 혼 안테나의 전압 정재파비 특성이 2 미만을 만족하는 주파수 대역이 2.15 GHz ~ 30 GHz 이상으로 10:1 이상의 초광대역 특성을 만족할 수 있어, 초광대역 통신이 가능함을 알 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼 안테나는, 수평방향 기준으로 위아래의 형태가 비대칭 구조를 가지므로 인해서 혼 안테나의 크기가 안테나의 동작대역 최저주파수를 기준으로 0.45λ(높이)×0.42λ(폭)×0.44λ(길이)의 전기적 길이를 갖게 된다. 이는 대칭 형태를 갖는 지향성 횡방향 전자계 방사체에 루프 구조만 있는 장치에 비해 전기적 크기가 줄어들게 되므로 안테나의 소형화에 기여할 수 있고 이로 인해 휴대성이 증대될 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 타원부(100)를 제1 루프(105)의 위쪽 중심방향에 배치하여 장치의 동작대역 내에서 저주파 이득이 개선되게 하였다. 이는 안테나의 형태가 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 타원부(100)가 없는 경우와 있는 경우에서 전류 분포의 차이로 설명될 수 있다.

즉, 도 5 및 도 6에서와 같이 타원형태가 존재할 경우, 전류분포의 최고점이 'c' 까지 연장되는 효과가 발생한다. 따라서 안테나의 동작대역 중 저주파에 한정하여 횡방향 전자계 방사부분에서 전류분포의 테이퍼(taper) 현상이 덜하게 되고 이로 인해 방사방향에서 폭이 좁은 방사패턴을 갖는 효과를 나타냄과 동시에 안테나의 이득이 증가하게 된다. 즉, 상기 안테나 동작대역 내 저주파에서 방사되는 방사패턴의 전자계면(E/H-plane)에서 주빔(main beam)의 폭을 좁게 하여 이득을 높일 수 있게 된다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 타원이 포함된 장치(①)의 이득이 타원이 포함되지 않은 장치(②)보다 ③의 영역에서 최대 1.46 dB, 평균 0.75 dB의 이득이 증가하게 된 것을 알 수 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (7)

1. 제1 루프를 구성하고, 방사 방향을 향해 벌어지는 형태를 갖는 제1 방사부;
   제2 루프를 구성하고, 상기 제1 방사부의 일측에 배치되고, 방사 방향을 향해 벌어지는 형태를 갖는 제2 방사부; 및
   상기 제1 및 제2 루프가 결합되도록, 상기 제1 및 제2 방사부를 지지하는 지지판을 포함하고,
   상기 제1 방사부는,
   저주파에서 이득을 높일 수 있도록 형성된 타원부를 포함하고,
   상기 제1 및 제2 방사부는 저주파에서 안테나의 주파수 동작대역을 넓힐 수 있도록 비대칭 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 혼 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 타원부는,
   상기 안테나 동작대역 내 저주파에서 방사되는 방사패턴의 전자계면(E/H-plane)에서 주빔(main beam)의 폭을 좁게 하여 이득을 높일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 혼 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 방사부는 높이가 비대칭으로 설계되어 안테나의 동작내역 내 저주파에서 대역폭을 확장할 수 있는 것을 특징으로 하는 혼 안테나.
4. 제1항에 있어서,
   상기 타원부는,
   상기 제1 루프의 윗부분 중앙으로부터 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 혼 안테나.
5. 제4항에 있어서,
   상기 타원부는,
   상기 타원부의 축 방향과 혼 안테나의 축 방향이 직각을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 혼 안테나.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 방사부의 급전부는 커넥터와 연결되는 것을 특징으로 하는 혼 안테나.
7. 제3항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 방사부는 서로 멀어지는 방향으로 포물선 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 혼 안테나.

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