KR101667969B1 - 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나 - Google Patents

저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나에 관한 것이다. 본 발명은, 직각좌표에서 셀의 각폭
Figure 112015118811730-pat00043
사이에서 셀의 반경이 지수 함수로 변화시키는 대신에 선형적으로 변화하는 시누어스 곡선의 x 및 y 좌표를,
Figure 112015118811730-pat00044
; 및
Figure 112015118811730-pat00045
; 으로 연산하여 설계하며, r,
Figure 112015118811730-pat00046
는 p번째 셀의 반경과 각도, α는 시작 셀의 반경인 R1에서부터 마지막 셀의 반경인 Rp 사이를 증가시키는 증가율을 나타낸 것이고, β는 균등간격으로 각도를 증가시키는 각도 증가율을 나타내는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 슬롯 안테나를 안테나의 크기인 반경을 선형적으로 증가시키되, 시누어스 안테나의 입력 임피던스에 영향을 고려하여 출력 임피던스를 최소화하도록 하기 위한 비자기(non-self) 상보형 슬롯 시누어스 안테나를 제공한다.

Description

저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나{2-arm slot sinuous antenna for low input impedance}
본 발명은 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 슬롯 안테나를 안테나의 크기인 반경을 선형적으로 증가시키되, 시누어스 안테나의 입력 임피던스에 영향을 고려하여 출력 임피던스를 최소화하도록 하기 위한 비자기(non-self) 상보형 슬롯 시누어스 안테나를 제공하도록 하는 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나에 관한 것이다.
안테나의 입력 임피던스, 복사패턴과 같은 특성은 주어진 동작 주파수의 파장 단위로 계산된 안테나 크기, 형태에 의해서 결정된다. 만약에 안테나의 물리적 구조를 임의의 배율로 크기를 작게 또는 크게 변경해도, 원래의 안테나 구조 형태를 유지하면, 파장단위의 안테나 크기는 모든 주파수에서 동일하므로 안테나의 특성이 주파수에 따라서 변하지 않는 주파수 독립 안테나(Frequency Independent Antenna)가 된다.
즉, 안테나의 모든 물리적 제원을 1/2배로 줄이고, 동작 주파수를 2배로 증가시켜도, 안테나의 특성이 변화가 없다는 것이다.
또한, 평면구조의 도체 스트립과 유전체 표면을 상호 변경하였을 때 원래 구조의 회전된 형태로 되는 것을 자기 상보 구조(Self-Complementary Structure)라 하며, Babinet의 원리에 의하면, 자기 상보 구조는 주파수 독립 입력 임피던스를 유지하는데, 이것은 원래 형태와 상보 형태의 입력 임피던스가 같다면, 두 곱은 항상 주파수에 관계없이 일정하기 때문이다.
오늘날의 초광대역(Ultra Wideband : UWB) 안테나는 이러한 주파수 독립이면서 자기 상보 구조의 안테나에 요구하는데, 이것은 모든 주파수에서 안테나의 입력 임피던스가 같다면, RF 에너지를 안테나에 결합시키는데 별도의 주파수에 따른 임피던스 변환 없이 효율적으로 결합시킬 수 있기 때문이다.
이러한 특성을 가진 안테나의 한 종류로서 원형편파를 발생하는 다양한 형태의 스파이럴 안테나인데, 오늘날 무선통신, 방향탐지, 레이더 등 다양한 응용분야에서 사용되고 있다.
무한대의 2-암 스파이럴과 같은 평면 자기 상보 안테나의 입력 임피던스는 평균적으로 자유공간의 고유 임피던스의 절반인 188.5[Ω]이 되지만 실제적으로는 유한한 크기의 암을 가지므로, 이값은 안테나의 특성 예측의 기준이 된다.
가장 최근에 개발된 또 다른 주파수 독립이면서 자기 상보형 UWB 평면 안테나로서 시누어스 안테나가 있는데, 성능면에서 스파이럴 안테나의 모든 장점을 유지하면서, 스파이럴 안테나가 가지지 못한 특성인 서로 직교인 편파를 발생시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
즉, 2-암 형태의 시누어스 안테나는 선형 편파를 발생시키지만, 4-암 시누어스 안테나는 서로 직교인 이중 직선편파 또는 이중 원형 편파를 발생시킬 수 있어서 통신의 송수신에 있어서 편파 다이버시티, 감시 시스템, 방향탐지 시스템 등 많은 분야에 활용되고 있다.
그러나 주파수 독립이면서 자기 상보형 안테나는 평균 188.5[Ω]의 입력 임피던스를 가지고, 평형 형 급전을 요구하지만, 급전으로 사용되는 50[Ω] SMA 동축 커넥터인 경우 불평형 급전선이므로, 안테나의 급전을 위해서는 평형-불평형 및 188.5[Ω]에서 50[Ω]으로의 임피던스 변환이 되는 바룬이 요구된다. 이와 같이 높은 입력 임피던스 188.5[Ω]에서 50[Ω]으로의 임피던스 변환을 요구하는 것이 스파이럴 또는 시누어스 안테나의 단점이다.
이에 따라 해당 기술분야에 있어서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 2-암 시누어스 안테나의 급전으로 미리 설정된 오옴[Ω] 이하의 출력 임피던스를 가지는 바룬이 사용이 가능한 비자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나를 제시하고자 하는 기술개발이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 특허공개공보 공개번호 제10-2011-0116834호 "슬롯을 가지는 선형 테이퍼드 슬롯 안테나와 그 배열 안테나" 대한민국 실용신안등록공보 등록번호 제20-0467798호 "기판 집적형 도파관 급전 대척 선형 테이퍼 슬롯 안테나 및 그 배열 안테나"
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 미리 설정된 주파수 범위에서 동작하는 선형 편파 2-암 시누어스 슬롯 안테나를 안테나의 크기인 반경을 기존의 지수 함수적으로 증가시키는 대신에, 선형적으로 증가시키는 방법을 제안하며, 자기 상보형 지수형 시누어스 안테나 경우보다, 안정된 입력 임피던스를 얻을 수 있도록 하기 위한 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 시누어스 안테나의 단점인 높은 임피던스를 낮은 임피던스로 변환시키기 위하여 비자기 상보형 기반의 선형 슬롯 시누어스 안테나를 제시하도록 하기 위한 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 바룬의 설계시 큰 입력 임피던스 변환의 부담을 줄일 수 있고, 실제 안테나를 제작시 바룬의 길이를 짧게 하여 안테나의 높이를 줄일 수 있는 소형의 시누어스 안테나 제작이 가능하도록 하기 위한 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는, 직각좌표에서 셀의 각폭
Figure 112015118811730-pat00001
사이에서 셀의 반경이 지수 함수로 변화시키는 대신에 선형적으로 변화하는 시누어스 곡선의 x 및 y 좌표를,
Figure 112015118811730-pat00002
;및
Figure 112015118811730-pat00003
; 으로 연산하여 설계하며, r,
Figure 112015118811730-pat00004
는 p번째 셀의 반경과 각도, α는 시작 셀의 반경인 R1에서부터 마지막 셀의 반경인 Rp 사이를 증가시키는 증가율을 나타낸 것이고, β는 균등간격으로 각도를 증가시키는 각도 증가율을 나타낸다.
이때, 셀의 한 주기 동안 반경이 증가하는 비율이 선형적인 함수로 증가하도록 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는, "비자기 상보형 시누어스 안테나"인 것이 바람직하다.
또한, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는, 평면구조의 상보형 안테나의 입력 임피던스 사이에 관계는
Figure 112015118811730-pat00005
(Z는 안테나의 입력 임피던스, Zc는 상보형 안테나의 입력 임피던스)이므로, 스트립 시누어스 안테나의 상보형 안테나인 "슬롯 시누어스 안테나"로 설계하여 입력 임피던스를 낮추는 것이 바람직하다.
또한, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는, 스트립 시누어스 안테나를 설계 후 상보형으로 변형되어 설계되며, 자기(self) 상보형이 아닌 비자기(non-self) 상보형 스트립 시누어스 안테나인 것이 바람직하다.
또한, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는, 시누어스 곡선으로 설계된 하나의 시누어스 암과, 시누어스 곡선을 180°회전시킨 다른 하나의 시누어스 암에 의해 2-암 시누어스 안테나를 설계하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는, 2 에서 18[GHz] 주파수 범위에서 동작하는 선형 편파 2-암 시누어스 슬롯 안테나를 안테나의 크기인 반경을 기존의 지수 함수적으로 증가시키는 방식이 아닌 선형적으로 증가시키는 방법을 제시함으로써, 안정된 입력 임피던스를 얻을 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는, 비자기 상보형 기반의 선형 슬롯 시누어스 안테나를 제시함으로써, 시누어스 안테나의 단점인 높은 임피던스를 낮은 임피던스로 변환시키는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는, 바룬의 설계시 큰 입력 임피던스 변환의 부담을 줄일 수 있고, 실제 안테나를 제작시 바룬의 길이를 짧게 하여 안테나의 높이를 줄일 수 있는 소형의 시누어스 안테나 제작이 가능한 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나에서 사용되는 시누어스 안테나 대한 설계를 위한 셀 수에 따른 시누어스 곡선을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나에서 사용되는 시누어스 안테나 대한 설계를 위한 셀 수에 따른 시누어스 암을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나에서 사용되는 시누어스 안테나 대한 설계에 따른 2-암 및 4-암 시누어스 안테나를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 위한 지수형 스트립 시누어스 안테나 및 자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나의 설계를 나타내는 도면.
도 5는 도 4의 지수형 스트립 및 자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나의 입력 임피던스를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 위한 선형 스트립 시누어스 안테나 및 자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나를 나타내는 도면.
도 7은 도 6의 선형 스트립 시누어스 안테나 및 자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나의 입력 임피던스를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를설명하기 위한 선형 스트립 및 비자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나의 입력 임피던스를 나타내는 그래프.
도 9는 도 8의 스트립 및 슬롯 시누어스 안테나 입력 임피던스의 실수부 및 허수부를 나타내는 그래프.
도 10은 도 8의 스트립 및 슬롯 시누어스 안테나에 대해서 80[Ω] 급전선 사용시, 스트립 및 슬롯 시누어스 안테나의 반사손실을 나타내는 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 설명하기 위한 스트립과 슬롯 시누어스 안테나의 2[GHz]와 15[GHz] 성분의 전류 분포를 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 설명하기 위한 스트립과 슬롯 시누어스 안테나의 주파수에 따른 이득을 나타내는 그래프.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 설명하기 위한 R1에 따른 슬롯 시누어스 안테나의 이득을 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 설명하기 위한 R1에 따른 슬롯 시누어스 안테나의 입력 임피던스를 나타내는 그래프.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 설명하기 위한 R1에 따른 슬롯 시누어스 안테나의 S11 파라미터를 나타내는 그래프.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 설명하기 위한 R1에 따른 슬롯 시누어스 안테나의 축비를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 설계하기 위해 사용되는 '시누어스 곡선'은 Duhamel이 제시한 바와 같이 극 좌표에서 n개(n은 2 이상의 자연수)의 셀(cell)로 구성되는데, 하기의 [수학식 1]은 p번째 셀(1≤p≤n)을 나타낸 것이다.
Figure 112015118811730-pat00006
여기서 r,
Figure 112015118811730-pat00007
는 p번째 셀의 극 좌표에서 반경과 각도인데,
Figure 112015118811730-pat00008
사이 값을 가진다. '
Figure 112015118811730-pat00009
'는 p번째 셀의 각폭(angle width), 'τp'는 p번째 셀의 축소율로서 1 보다 작고, 다음의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112015118811730-pat00010
여기서, Rp와 Rp + 1는 각각 p번째, p+1번째 셀의 바깥쪽 반지름이다. [수학식 1]에서 모든 셀에서의 축소율 및 각폭을 동일하게 하고(
Figure 112015118811730-pat00011
,
Figure 112015118811730-pat00012
) 시누어스 곡선을 그리기 위해서는 [수학식 1]의 극 좌표를 이용해야한다.
그러나 본 발명에서는 모든 시뮬레이션을 직각좌표를 이용하는 CST(Computer Simulation Technology) MWS(MicroWave Studio)를 이용하므로, [수학식 1]의 표현을 직각 좌표로 변환해야한다.
즉, 본 발명에서는 직각좌표에서 셀의 각폭
Figure 112015118811730-pat00013
사이에서 셀의 반경이 지수 함수로 변화하는 시누어스 곡선을 위하여 [수학식 1]을 다음의 수식들인 [수학식 3] 내지 [수학식 7]로 변경한다.
Figure 112015118811730-pat00014
Figure 112015118811730-pat00015
여기서 α,β,
Figure 112015118811730-pat00016
는 다음의 [수학식 5] 내지 [수학식 7]와 같다.
Figure 112015118811730-pat00017
(R1, Rp는 시누어스 곡선을 구성하는 가장 안쪽 및 최외각의 반경)
Figure 112015118811730-pat00018
(n는 전체 셀의 수)
Figure 112015118811730-pat00019
즉, α는 시작 셀의 반경인 R1에서부터 마지막 셀의 반경인 Rp 사이를 지수 함수적으로 증가시키는 증가율을 나타낸 것이고, β는 균등간격으로 각도를 증가시키는 각도 증가율을 나타낸 것이다.
도 1은 이러한 방법을 이용하여 각폭
Figure 112015118811730-pat00020
=45°로 하고, Rp=31.83mm, R1=1.77mm인 경우 전체 셀 수인 n=6, 8, 10개인 경우의 시누어스 곡선을 나타낸다.
이때, 원하는 각 폭 및 셀 수를 가지는 시누어스 곡선이 얻어지면 시누어스 안테나를 구성하는 시누어스 암을 생성해야 하는데, 이것은 시누어스 곡선을 좌우로 ±δ만큼 회전시켜서 얻어진다. 이때, 도 2는 도 1의 곡선을 δ=22.5인 경우 하나의 시누어스 암을 나타낸 것이다.
이러한 시누어스 암을 180°회전시켜 복사하면 2-암 시누어스 안테나가 되고, 90°, 270°회전시켜 복사하여 추가하면 4-암 시누어스 안테나가 된다.
도 3은 셀 수 n=10인 경우의 최종적으로 설계된 2-암 및 4-암 시누어스 안테나를 나타내는 도면이다.
한편, 시누어스 안테나의 대역폭은 시누어스 곡선의 반경에 좌우된다. 시누어스 구조에서 활성 공진 주파수 파장은 다음의 [수학식 8] 및 [수학식 9]와 같이 근사적으로 주어진다.
Figure 112015118811730-pat00021
(여기서 αp, δ는 라디안 단위)
따라서 R1, Rp는 [수학식 7]을 이용하면 다음과 같다.
Figure 112015118811730-pat00022
여기서 λL, λH는 원하는 대역폭의 하한과 상한 주파수의 파장을 의미하는데, 급전점 설계시 λH가 제한되므로 Rp=(λH/8)/(αp+δ)로 하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서 본 발명에서는 주파수 대역 2 내지 18[GHz]의 2-암 시누어스 안테나를 설계하기 위하여 R1=31.83mm, Rp=1.77mm으로 선택한다.
다음으로, 시누어스 안테나는 주파수 독립 안테나의 하나로서 높이가 낮은(low-profile) 평면 구조이면서, 광대역으로 이중 선형 편파 혹은 이중 원형 편파를 제공하므로, 군용 및 민수용으로 여러 분야에서 다양한 목적으로 사용되는 매우 유용한 안테나이다.
이러한 안테나의 문제점은 입력 임피던스가 높고, 평형 형 급전을 요구하기 때문에 바룬 설계시 약 270[Ω]에서 50[Ω]의 임피던스 변환이 요구되는데, 마이크로스트립 선로로 바룬 구성시 이러한 높은 임피던스를 가지는 변환기 제작이 어렵다.
한편, Babinet의 원리를 이용하면 평면구조의 상보형 안테나의 입력 임피던스 사이에 관계는 다음의 [수학식 10] 같다.
Figure 112015118811730-pat00023
여기서 Z는 안테나의 입력 임피던스, Zc는 상보형 안테나의 입력 임피던스를 의미한다.
이때, 스트립 안테나와 슬롯 안테나가 자기 상보형(self-complementary)인 경우, Zc=Z=188.5[Ω]이 되어 높은 입력 임피던스 값을 가진다. 또한, N-암 시누어스 안테나의 자기 상보 조건은 다음의 [수학식 11] 및 [수학식 12]로 정의된다.
Figure 112015118811730-pat00024
Figure 112015118811730-pat00025
즉, 2-암 자기 상보형 시누어스 안테나가 되기 위해서는, N=2이므로 δ=45°이고, 셀의 각폭을
Figure 112015118811730-pat00026
=90°로 하면 된다. 이때 Z=188.5[Ω]이 된다.
도 4는 R1=31.83mm, Rp=1.77mm, δ=45°,
Figure 112015118811730-pat00027
=90, 9개의 셀인 경우 스트립 시누어스 안테나와 그의 자기 상보형인 슬롯 안테나를 직각 좌표에서의 표현식인 [수학식 3], [수학식 4]를 CST MWS를 이용하여 설계한 것이다.
즉, 도 4a는 지수형 스트립(exponential strip) 시누어스 안테나를, 도 4b는 자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나(self-complementary slot sinuous antenna)를 나타내는 도면이다.
다음으로, 도 5는 도 4의 지수형 스트립 및 자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나의 입력 임피던스(Input impedance of the exponential strip and self-complementary slot sinuous antenna)를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도 4의 두 안테나의 입력 임피던스의 실수부와 허수부를 보인 것인데, 자기 상보 특성에 의해서 두 임피던스가 안테나의 종단에서의 반사 영향에 의한 낮은 주파수영역을 제외하고는 거의 같음을 알 수 있다.
한편, 안테나의 크기는 사용되는 가장 낮은 주파수, 공진기의 깊이, 바룬의 길이에 의해서 결정된다. 광대역 ETMB(Exponentially Tapered Microstrip Balun)이 스파이럴, 시누어스 안테나의 급전으로 가장 효율적으로 사용되고 있는데, ETMB의 길이는 사용되는 대역폭의 가장 낮은 주파수의 반 파장과 같아야 전 주파수 대역에서 효율적으로 작용한다. 그러나 테이퍼 선로의 임피던스 변환의 이론에 의하면, 불평형 포트의 임피던스와 평형 형 포트의 임피던스가 비슷하면, ETMB의 길이는 매우 작게 할 수 있다.
결과적으로 시누어스 안테나의 입력 임피던스를 50[Ω]에 근접시키면, 길이가 매우 짧은 ETMB으로 급전을 시킬 수 있어 높이가 매우 낮은 시누어스 안테나를 얻을 수 있다.
즉, ZL/Zo와 반사계수 크기
Figure 112015118811730-pat00028
가 주어지면, ETMB(Exponentially Tapered Microstrip Balun)의 가장 짧은 길이 lmin은 다음의 [수학식 13]과 같다.
Figure 112015118811730-pat00029
ETBM이 비유전율
Figure 112015118811730-pat00030
의 기판에 설계되면 전파상수
Figure 112015118811730-pat00031
로 되어 [수학식 13]은 다음의 [수학식 14]와 같다.
Figure 112015118811730-pat00032
(여기서, λ0는 안테나의 동작 주파수중 가장 낮은 주파수의 자유공간에서의 파장,
Figure 112015118811730-pat00033
는 기판의 매질에서의 전파상수)
즉, ZL/Z0가 1에 근접할수록 ETMB의 길이를 짧아져서 안테나의 높이를 낮게 할 수 있다.
그러나 무한대의 도체 구조의 2-암 자기 상보형 시누어스 안테나인 경우, 평형 형 급전을 요구하며, 입력 임피던스가 188.5[Ω]이므로, 50[Ω]의 불평형 SMA 커넥터를 바룬의 입력 포트에 연결하고, 출력 포트를 평형 형 안테나의 입력 포트에 연결하므로, ZL/Z0를 1로 근접시키기 위해서는 시누어스 안테나의 입력 임피던스를 최소한으로 감소시키는 것이 요구된다.
한편, 도 6은 직각좌표에서 셀의 각폭 ±
Figure 112015118811730-pat00034
사이에서 셀의 반경이 지수 함수로 변화시키는 대신에 선형적으로 변화하는 시누어스 곡선을 위하여 [수학식 1]을 다음과 같이 변경하였다.
Figure 112015118811730-pat00035
Figure 112015118811730-pat00036
[수학식 15], [수학식 16]은 [수학식 3], [수학식 4]와 비교하면, 셀의 한 주기 동안 반경이 증가하는 비율이 선형적인 함수로 증가하는 것과 지수 함수적으로 증가하는 것 이외는 모든 정의가 같다.
도 6은 도 4의 제원과 동일하지만, 셀의 한 주기 동안 반경이 증가하는 비율이 선형적인 함수로 증가하는 [수학식 15], [수학식 16]을 이용하여 선형 스트립(도 6a) 및 자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나(도 6b)를 나타낸 것이고, 도 7은 안테나의 입력 임피던스(Input impedance of the linear strip and self-complementary slot sinuous antenna)를 나타낸 것이다.
즉, 도 7a는 도 6a의 선형 스트립 시누어스 안테나의 입력 임피던스, 도 7b는 도 6b의 자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나의 입력 임피던스를 나타내는 그래프이다.
도 5와 도 7을 비교하면, 한 셀의 주기 동안에 반경이 증가하는 비율을 지수 함수적인 경우보다 선형적인 함수로 증가하는 경우가 임피던스의 변화가 작고, 고주파에서 리액턴스 성분이 0에 가깝고, 안테나의 크기가 유한함에도 불구하고 완전한 상보 특성을 보인다는 것을 알 수 있다.
이러한 관점에서 본 발명에서는 시누어스 곡선에 따른 반경이 선형적으로 변하는 [수학식 15], [수학식 16]을 이용하여 시누어스 안테나의 입력 임피던스에 영향을 주는 셀 폭, 셀의 회전각, 셀 수 등을 고려하여 임피던스가 최소화되는 조건을 제시하고, 50[Ω]에서 80[Ω]의 임피던스 변환 바룬을 이용할 경우의 슬롯 시누어스 안테나의 성능을 해석하고자 한다.
다음으로, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나를 위한 "비자기 상보형 시누어스 안테나"를 제시하고자 한다.
주파수 독립형 평면형 스트립 시누어스 안테나의 상보형은 슬롯 시누어스 안테나이므로, [수학식 10]에 의하면, 입력 임피던스가 매우 큰 스트립 시누어스 안테나의 상보형 안테나인 "슬롯 시누어스 안테나"는 매우 작은 입력 임피던스를 가진다.
즉, 80[Ω]의 입력 임피던스를 가지는 슬롯 시누어스 안테나가 되기 위해서는 [수학식 10]에 의해서 약 444[Ω]의 입력 임피던스를 가지는 스트립 시누어스 안테나를 설계 후 상보형인 슬롯 시누어스 안테나로 변형하면 된다는 것이다.
즉, 매우 큰 입력 임피던스를 얻기 위해서는 자기(self) 상보형이 아닌 비자기(non-self) 상보형 스트립 시누어스 안테나가 되어야 하고, 이것의 상보형인 슬롯 시누어스 안테나는 [수학식 10]에 의해서 상대적으로 작은 입력 임피던스를 가진다.
또한, 시누어스 안테나의 입력 임피던스에 영향을 주는 요소는 최저, 최고 주파수 2[GHz] 및 18[GHz]에 대응하는 안테나 반경 R1, Rp, 셀 폭, 셀의 회전각, 셀 수인데, 도 8은 R1=31.83mm, Rp=1.77mm, δ=10°,
Figure 112015118811730-pat00037
=45°, 셀 수 = 6개인 경우 CST를 이용하여 스트립인 경우와 슬롯인 경우의 입력 임피던스를 보인 것이다.
즉 도 8은 선형 스트립 및 비자기 상보형 슬롯 시누어스 안테나의 입력 임피던스(Input impedance of the linear strip and non-self complementary slot antenna)를 나타내는 그래프로, 시누어스 안테나의 동일한 제원에서 "슬롯 안테나"의 입력 임피던스가 스트립 보다 매우 작음을 알 수 있다.
도 9는 도 8의 스트립 및 슬롯 시누어스 안테나 입력 임피던스의 실수부 및 허수부(Real part and imaginary part of the input impedance of strip and slot sinuous antenna)를 나타내는 그래프이다.
도 9의 임피던스의 실수부와 허수부를 참조하면, 슬롯의 허수부가 전 주파수 범위에 거쳐서 0에 근접함을 알 수 있으며, 실수부도 스트립에 비하여 매우 작음을 알 수 있다.
도 10은 도 8의 스트립 및 슬롯 시누어스 안테나에 대해서 80[Ω] 급전선 사용시, 스트립 및 슬롯 시누어스 안테나의 반사손실(Return loss of the strip and slot sinuous antenna when using 80ohm feeder line)을 나타내는 그래프이다.
즉, 도 10을 참조하면, 두 안테나의 급전점의 임피던스를 80[Ω]으로 한 경우의 반사손실을 보인 것인데, 스트립 시누어스 안테나는 임피던스 부정합이 매우 커서 전 주파수 범위에서 -5dB 이상이 되지만, 슬롯 시누어스 안테나의 경우 약 4[GHz] 이하에서 -10dB 이상이고, 그 이상의 주파수에서는 -10dB 이하로서 임피던스 정합이 잘 된다는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명에서 설계한 가장 낮은 주파수는 2[GHz]이지만, 실제로 안정된 입력 임피던스는 4[GHz] 이상에서 얻어진다는 것을 알 수 있다.
이것은 안테나를 구성하는 반경이 제한되어 낮은 주파수의 성분인 경우 도 11과 같이 스트립 혹은 슬롯의 끝부분에서 전류의 반사가 발생하기 때문이고, 높은 주파수인 경우 반사파 없이 진행파의 자유공간으로 전류의 복사가 발생하기 때문이기 때문이다.
여기서, 도 11은 스트립과 슬롯 시누어스 안테나의 2[GHz]와 15[GHz] 성분의 전류 분포(Current Distribution of the 2[GHz] and 15[GHz] component at strip and slot sinuous antenna)를 나타내는 도면이다.
다음으로, 도 12는 스트립과 슬롯 시누어스 안테나의 주파수에 따른 이득(Gain according to frequency of the strip type and slot type sinuous antenna)을 나타내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 두 안테나의 이득을 나타내는데, 역시 4[GHz] 이하에서 스트립 또는 슬롯 종단에서의 반사파에 의한 영향으로 이득이 감소함을 보이고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 안테나의 종단에서의 반사파의 영향을 최소화하는 것이 바람직하다.
도 13은 R1에 따른 슬롯 시누어스 안테나의 이득(Gain of the slot type sinuous antenna according to R1)을 나타내는 그래프이다. 도 13을 참조하면, R1를 1.0, 1.2, 1.4배로 증가시킨 경우의 슬롯 안테나의 이득을 보인 것인데, R1 값이 클수록 낮은 주파수영역에서 이득이 커짐을 알 수 있다.
한편, 도 14는 R1에 따른 슬롯 시누어스 안테나의 입력 임피던스(Input impedance of the slot type sinuous antenna according to R1)를 나타내는 그래프이다. 도 14를 참조하면, R1에 따른 입력 임피던스를 보인 것인데, R1값이 클수록 낮은 주파수에서 안정된 입력 임피던스를 보임을 알 수 있다.
또한, 도 15는 R1에 따른 슬롯 시누어스 안테나의 S11 파라미터(S11 parameter of the slot type sinuous antenna according to R1)를 나타내는 그래프이다. 도 15를 참조하면, 안테나의 급전점에서의 임피던스를 80[Ω]으로 한 경우 R1에 따른 S-파라미터를 보인 것인데, -10dB 이하의 주파수 폭이 넓어짐을 알 수 있다.
마지막으로, 도 16은 R1에 따른 슬롯 시누어스 안테나의 축비(Axial ratio of the slot type sinuous antenna according to R1)를 나타내는 도면이다. 도 16을 참조하면, 선형 편파의 정도를 나타내는 축비를 나타낸 것이다. 일반적으로 원형파와 선형 편파의 기준은 3dB 축비로 하는데, 전 주파수 범위에 거쳐서 5dB 이상으로서, 2-암 선형 편파 슬롯 시누어스 안테나가 선형편파를 유지한다고 고려되며, R1이 증가함에 따라서 선형성도 증가하는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (6)

  1. 직각좌표에서 셀의 각폭
    Figure 112015118811730-pat00038
    사이에서 셀의 반경이 지수 함수로 변화시키는 대신에 선형적으로 변화하는 시누어스 곡선의 x 및 y 좌표를,
    Figure 112015118811730-pat00039
    ; 및
    Figure 112015118811730-pat00040
    ; 으로 연산하여 설계하며, r,
    Figure 112015118811730-pat00041
    는 p번째 셀의 반경과 각도, α는 시작 셀의 반경인 R1에서부터 마지막 셀의 반경인 Rp 사이를 증가시키는 증가율을 나타낸 것이고, β는 균등간격으로 각도를 증가시키는 각도 증가율을 나타내는 것을 특징으로 하는 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    셀의 한 주기 동안 반경이 증가하는 비율이 선형적인 함수로 증가하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나.
  3. 청구항 1에 있어서, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는,
    "비자기 상보형 시누어스 안테나"인 것을 특징으로 하는 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는,
    평면구조의 상보형 안테나의 입력 임피던스 사이에 관계는
    Figure 112015118811730-pat00042
    (Z는 안테나의 입력 임피던스, Zc는 상보형 안테나의 입력 임피던스)이므로, 스트립 시누어스 안테나의 상보형 안테나인 "슬롯 시누어스 안테나"로 설계하여 입력 임피던스를 낮추는 것을 특징으로 하는 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는,
    스트립 시누어스 안테나를 설계 후 상보형으로 변형되어 설계되며,
    자기(self) 상보형이 아닌 비자기(non-self) 상보형 스트립 시누어스 안테나인 것을 특징으로 하는 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나.
  6. 청구항 1에 있어서, 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는,
    시누어스 곡선으로 설계된 하나의 시누어스 암과, 시누어스 곡선을 180°회전시킨 다른 하나의 시누어스 암에 의해 2-암 시누어스 안테나를 설계하는 것을 특징으로 하는 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101873758B1 (ko) * 2017-05-15 2018-07-03 경남정보대학교 산학협력단 ２단 ２―암 시누어스 안테나

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005050775A2 (en) * 2003-11-17 2005-06-02 Winegard Company Low profile television antenna
KR20110116834A (ko) 2010-04-20 2011-10-26 한국전자통신연구원 슬롯을 가지는 선형 테이퍼드 슬롯 안테나와 그 배열 안테나
US20120068912A1 (en) * 2010-09-20 2012-03-22 Associated Universities, Inc. Inverted conical sinuous antenna above a ground plane
KR200467798Y1 (ko) 2013-04-11 2013-07-04 박철승 기판 집적형 도파관 급전 대척 선형 테이퍼 슬롯 안테나 및 그 배열 안테나
US20130207864A1 (en) * 2010-04-13 2013-08-15 Thales Wideband, Directional, Linearly Polarized Antenna Having High Polarization Purity

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005050775A2 (en) * 2003-11-17 2005-06-02 Winegard Company Low profile television antenna
US20130207864A1 (en) * 2010-04-13 2013-08-15 Thales Wideband, Directional, Linearly Polarized Antenna Having High Polarization Purity
KR20110116834A (ko) 2010-04-20 2011-10-26 한국전자통신연구원 슬롯을 가지는 선형 테이퍼드 슬롯 안테나와 그 배열 안테나
US20120068912A1 (en) * 2010-09-20 2012-03-22 Associated Universities, Inc. Inverted conical sinuous antenna above a ground plane
KR200467798Y1 (ko) 2013-04-11 2013-07-04 박철승 기판 집적형 도파관 급전 대척 선형 테이퍼 슬롯 안테나 및 그 배열 안테나

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101873758B1 (ko) * 2017-05-15 2018-07-03 경남정보대학교 산학협력단 ２단 ２―암 시누어스 안테나

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