KR101805319B1 - 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나 - Google Patents

다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다대역 전방향 안테나에 관한 것으로서, 더 상세하게는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 다수의 무전기 운용을 위하여 각 대역별 안테나를 운용하는 대신에 하나의 안테나로 광대역 운용이 가능하다.

Description

다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나{A Multiband omni antenna using the diplexer matching network}
본 발명은 다대역 전방향 안테나에 관한 것으로서, 더 상세하게는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나에 대한 것이다.
정보통신 기술이 발전함에 따라 전술통신 무전기도 SDR(Software Defined Radio) 기술을 적용하여 다대역 다기능 무전기로 설계함으로써 통신 운용주파수 대역(HF(High Frequency), VHF(Very HF), UHF(Ultra HF) 등)에 따라서 각각의 무전기를 운용하는 대신에 한 대의 무전기로 운용주파수 대역에 적합한 웨이브폼을 탑재 운용이 가능하게 되었다.
반면에 안테나는 운용 주파수의 파장에 따라서 공진하는 안테나 길이가 달라지는 물리적 특성으로 광대역 안테나 설계가 제한되었다. 특히, 이러한 운용 주파수 대역에 따라서 각각의 안테나를 사용하는 방식과, 하나의 안테나에 각각의 방사체와 정합기를 구현하고 인입 케이블을 선택하여 운용하는 방식이 있었다. 그런데, 이러한 방식들의 경우, 다수의 안테나를 별도로 장착하고 웨이브폼의 변경에 따라서 안테나를 변경해야 하는 운용의 불편이 있다.
또한, 통상적인 전술 통신 무전기에 사용되는 안테나들은 외부의 충격에 강하고 전방향성 방사패턴을 위하여 모노폴 또는 다이폴 구조를 갖지만, 운용 가능한 대역폭이 좁은 단점을 갖고 있다. 따라서, 광대역 특성을 구현하기 위하여 일반적으로 집중 정수 소자 정합회로망 또는 페라이트 코어 발룬을 이용하지만 집중 정수 소자 정합회로망은 정합단의 단수 증가로 인한 무게 및/또는 부피 증가의 단점이 있다.
한편, 페라이트 코어 발룬을 이용한 광대역 특성 구현은 고 전압 인가시 소모되는 열에 의해 고온이 발생하며 이로 인하여 페라이트 코어의 자성체 성질이 변한다. 이러한 페라이트 코어의 자성체 성질 변화는 안테나 입력단의 임피던스 변화를 야기시켜 안테나 정합단의 부정합(antenna mismatching)이 발생한다는 단점이 있다.
1. 한국등록특허번호 제10-0991966호(2010.11.04)(발명의 명칭: 전방향성 초광대역 안테나)
1. 손태호, "UHF대역 RFID 태그용 전방향성 안테나"한국산학기술학회논문지 제7권 제2호 (2006년 4월) pp.145-149
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 외부의 충격에 강하고 전방향성 방사패턴을 위하여 모노폴 또는 다이폴 구조를 가지면서, 운용 가능한 대역폭이 넓은 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 광대역 특성을 구현하기 위하여 일반적으로 집중 정수 소자 회로망을 사용하면서도 정합단의 단수 증가로 인한 무게 및/또는 부피 증가가 없는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 페라이트 코어 발룬을 이용한 광대역 특성을 구현하면서도 집중 정수 소자 회로망 또는 페라이트 코어를 이용한 정합단 설계에 비해 상대적으로 크기 및 무게를 감소시킬 수 있는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 외부의 충격에 강하고 전방향성 방사패턴을 위하여 모노폴 또는 다이폴 구조를 가지면서, 운용 가능한 대역폭이 넓은 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나를 제공한다.
상기 다대역 전방향 안테나는,
스프링 지지대(110);
상기 스프링 지지대(110)와 조립 체결되며, 일단의 내측에 다이플렉서 정합구조를 갖는 안테나 정합부(210)가 삽입 고정되고 상기 안테나 정합부(210)로부터 다수의 회로망이 일정 간격으로 삽입 고정되는 하단 방사체(120); 및
상기 하단 방사체(120)와 조립 체결되는 상단 방사체(130);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다이플렉서 정합 구조는 하나의 포트로 입력되는 다대역 신호를 둘 이상의 경로로 분배하는 저대역통과 필터 정합부분 및 고대역통과 필터 정합부분을 포함하고, 각각의 경로에서 임피던스 정합 후 분배된 신호 경로를 하나의 공통포트로 결합 및 임피던스 정합하는 공통포트 정합부분을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분배된 신호 경로를 하나의 공통포트로의 결합은 유도성 소자 및 용량성 소자를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 유도성 소자 및 용량성 소자는 각각 인덕터와 커패시터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다수의 회로망은 물리적인 길이는 고정되지만, 운용 주파수에 따라 안테나의 전기적 길이를 가변하기 위한 3개의 집중 정수 소자 회로망으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 다이플렉서 정합구조 및 다수의 회로망은 기판상에 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 스프링 지지대는, 일단에 돌출부(113)가 형성되고 타단에 고정판(112)이 형성되며 상기 돌출부와 고정판 사이에 충격 흡수와 휩안테나가 차량에 장착 운용시에 물리적인 유연성을 확보하기 위한 스프링(111)이 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 웨이브폼 운용을 위하여 각 웨이브폼의 대역별로 각각의 안테나를 운용하는 대신에 하나의 안테나로 광대역 운용이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 전술차량에 다수의 안테나 장착시 발생하는 안테나 상호간의 간섭 및 설치 공간의 제약을 최소화하여 효율적인 군 통신 및 전술작전이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 특히, 다이플렉서 구조를 이용하여 안테나 정합부를 설계함으로써 VHF(Very High Frequency) 대역과 UHF(Ultra High Frequency) 대역에서 입력정재파비(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)를 3.5:1 이하를 만족시켰으며 집중 정수 소자 회로망 또는 페라이트 코어를 이용한 정합단 설계에 비해 상대적으로 크기 및 무게를 감소시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 하단 방사체 사이사이에 집중 정수 소자 회로망 3개를 삽입함으로써 운용 주파수에 따라 안테나의 전기적인 길이를 조절하며 VHF의 저주파수 대역 이득을 개선하였다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 차량 장착형 다대역 안테나로서 다대역(VHF 및 UHF 대역) 웨이브폼이 탑재된 SDR(Software Defined Radio) 통신장비에 적용되며, 종래의 VHF 대역 통신장비와 UHF 대역 통신장비에도 적용 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 SDR(Software Defined Radio) 통신장비와 결합하여 한대의 통신장비로서 다수의 통신장비를 운용하는 효과를 기대할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다이플렉서 구조를 이용한 다대역 안테나(100)의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 하단 방사체(120)의 확대 측면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 안테나 정합부(210)의 설계도이다.
도 4는 도 2에 도시된 안테나 정합부(210)의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 집중 정수 소자 회로망(221,222,223)의 등가 회로도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 방사체의 전력 밀도를 보여주는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 정합부(210)의 반사손실(S11) 및 삽입손실(S21)을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 다이플렉서 구조를 이용한 다대역 안테나의 입력정재파비(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다이플렉서 구조를 이용한 다대역 안테나(100)의 분해 사시도이다. 도 1을 참조하면, 다대역 안테나(100)는, 스프링 지지대(110), 하단 방사체(120), 상단 방사체(130)로 구성된다. 스프링 지지대는 기동 시 안테나를 구부릴 수 있으며, 기동 간 장애물과 충돌 시 충격을 흡수하여 안테나가 파손되지 않도록 보호하는 역할을 한다. 이를 위해 스프링 지지대(110)는 우측단에 돌출부(113)가 형성되고 좌측단에 고정판(112)이 형성되며 상기 돌출부(113)와 고정판(112) 사이에 충격 흡수를 위한 스프링(111)이 설치된다. 특히, 고정판(112)은 단면이 모자 형상으로 형성될 수 있다. 물론, 스프링(111) 이외에도 탄성력을 가지고 있는 재질이면 사용 가능하다.
또한, 상단 방사체(130)의 좌측 말단에는 하단 방사체(120)와 조립되기 위한 조립부(131)가 형성된다. 상단 방사체(130)와 하단 방사체(120)는 암나사와 숫나사 방식으로 조립될 수 있다. 이를 위해 상단 방사체(130)의 좌측 말단에 나사상이 형성되고, 하단 방사체(120)의 우측 말단에 나사상이 형성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 하단 방사체(120)의 확대 측면도이다. 도 2를 참조하면, 안테나 정합부(210)와 하단 방사체(120)의 우측 말단 사이사이에 제 1 내지 제 3 집중 정수 소자 회로망(221,222,223)이 일정한 간격으로 삽입되어 있는 구조이다. 부연하면 제 1 집중정수소자 회로망(221)과 제 2 회로망(222)은 제 1 간격으로 배치되고, 제 2 회로망(222)과 제 3 회로망(223)은 제 1 간격과 다른 제 2 간격으로 배치된다.
또한, 하단 방사체(120)의 좌측 말단에는 스프링 지지대(110)의 돌출부(113)와 조립되기 위한 하단 방사체 조립부(211)가 구성되고, 하단 방사체(120)의 우측 말단에는 상단 방사체(130)의 상단 방사체 조립부(131)와 조립되기 위한 하단 방사체 돌출부(212)가 형성된다.
또한, 하단 방사체(120)의 케이스(202) 내에는 방사 몸체(203)가 설치되고, 이 방사 몸체(203)를 고정하기 위한 고정링(201)이 배치된다.
도 3은 도 2에 도시된 안테나 정합부(210)의 설계도이고, 도 4는 도 2에 도시된 안테나 정합부(210)의 등가 회로도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 안테나 정합부(210)는 급전부와 안테나 방사체 사이의 임피던스 정합 기능을 제공한다. 안테나 정합부(210)는 광대역 운용(VHF(Very High Frequency) ~ UHF(Ultra High Frequency) 대역) 구현 및 입력정재파비(VSWR) 3.5:1 이하를 만족시키기 위해 다이플렉서 구조를 이용하였으며 저대역 신호를 통과시키는 저대역통과 필터와 고대역 신호를 통과시키는 고역통과 필터로 분리하여 각 전송선로의 정합특성을 양호하게 하고 이를 다시 공통포트로 결합한다. 따라서 우수한 정합 특성을 갖는다.
도 3에 도시된 P1은 입력포트, P15는 출력포트를 나타내며 P2 ~ P14는 유도성 및 용량성 소자, 즉 인덕터와 커패시터로 구성된다. 먼저, P14와 P8, P7, P13(C2, L3, C4, L5)은 하나의 포트로 입력되는 신호를 둘 이상의 경로로 분배하는 임피던스 분배 기술이 적용된다.
P10과 P11, P12(L6, L2, C1)는 저대역 신호를 통과 시키는 저대역통과 필터 정합부분이고 P4, P5, P6(C3, C5, L1)은 고대역 신호를 통과시키는 고대역통과 필터 정합부분이다. 마지막으로, P2와 P3, P9(C6, L4, C7)는 두 개의 전송선로를 하나의 공통 포트로 결합시키는 공통포트 정합부분이다.
특히, 안테나 정합부 및 다수의 집중 정수 소자 회로망은 각각 하나의 기판상에 구성될 수 있다. 따라서, 휩 안테나 내부의 협소한 공간에 정합 회로망(210)을 하나의 기판으로 구현 및 집중 정수 소자 회로망(221, 222, 223)을 각각 하나의 기판으로 구현하여 안테나 방사소자 내부에 결합할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 집중 정수 소자 회로망의 등가 회로도이다. 도 5를 참조하면, 하단 방사체 사이사이에 삽입되어 있는 집중 정수 소자 회로망에 대한 등가회로를 나타내며, 저주파수 전원 인가 시 안테나로부터 입력되는 전력은 모든 방사체에 흐르게 되고 안테나의 운용 주파수가 높아지면 집중 정수 소자 회로망의 삽인손실(S21)이 증가하여 안테나의 상단 방사체(120)에 유기되는 전력이 낮아진다.
따라서, 안테나의 운용 주파수가 높아질 때 안테나 방사체에 흐르는 역방향 전류 세기를 줄일 수 있으며 이는 안테나의 물리적인 길이는 고정되어 있지만, 운용 주파수에 따라 안테나의 전기적인 길이를 가변시키는 효과를 갖게 된다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 방사체의 전력 밀도를 보여주는 사진이다. 도 6 내지 도 8을 참조하면, 집중 정수 소자 회로망의 역할에 대하여 확인하기 위하여, 운용 주파수에 따른 안테나 방사체의 전력밀도에 대하여 보여준다. fo는 안테나 운용 주파수(VHF ~ UHF)의 중심 주파수를 나타내며, 저주파수 대역의 전력신호 인가 시 안테나 방사체 전체에서 전력밀도의 세기가 고르게 분포함을 알 수 있다.
한편, 고주파수 대역의 전력신호 인가 시 상대적으로 안테나 하단 방사체에 전력밀도가 집중되는 것을 알 수 있다. 따라서, 안테나 하단 방사체에 집중 정수 소자 회로망을 삽입함으로써 안테나 운용 주파수에 따라 안테나의 전기적인 길이가 조절됨을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 정합부의 반사손실(S11) 및 삽입손실(S21)을 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하면, f는 운용 주파수를 나타내고 fo는 안테나 운용 주파수(VHF ~ UHF)의 중심 주파수를 나타낸다. 도 6을 보면 안테나 전체 운용 주파수 대역에서의 반사손실은 12 dB 이하로 정합이 잘 되어 있으며, 삽입손실은 0.5 dB 이하이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 다이플렉서 구조를 이용한 다대역 안테나의 입력정재파비(VSWR: Voltage Standing Wave Ratio)를 나타내는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 스프링 지지대, 안테나 정합단, 안테나 상단 및 하단 방사체 등을 결합한 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나의 입력정재파비(VSWR) 측정 결과로서 전체 운용 주파수 대역에서 3.5 : 1 이하임을 알 수 있다.
100: 다대역 전방향 안테나
110: 스프링 지지대
120: 하단 방사체
130: 상단 방사체
210: 안테나 정합부
221,222,223: 제 1 내지 3 집중 정수 소자 회로망

Claims (7)

  1. 스프링 지지대(110);
    상기 스프링 지지대(110)와 조립 체결되며, 일단의 내측에 다이플렉서 정합구조를 갖는 안테나 정합부(210)가 삽입 고정되고 상기 안테나 정합부(210)로부터 다수의 회로망이 일정 간격으로 삽입 고정되는 하단 방사체(120); 및
    상기 하단 방사체(120)의 타단과 조립 체결되는 상단 방사체(130);를 포함하며,
    상기 다이플렉서 정합 구조는 하나의 포트로 입력되는 광대역(VHF~UHF) 신호를 둘 이상의 경로로 정합 및 분배를 위한 저대역 통과 필터정합 부분과 고대역 통과 필터정합 부분 및 각각의 경로에서 임피던스 정합된 신호를 하나의 포트로 결합 및 정합을 위한 공통 포트를 포함하고,
    상기 하단 방사체에는 물리적인 길이는 고정되지만, 운용 주파수에 따라 안테나의 전기적 길이를 가변하기 위한 3개의 집중 정수 소자 회로망이 삽입된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배된 신호 경로를 하나의 공통포트로의 결합은 유도성 소자 및 용량성 소자를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유도성 소자 및 용량성 소자는 각각 인덕터와 커패시터인 것을 특징으로 하는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이플렉서 정합구조 및 다수의 회로망은 기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 지지대는, 일단에 돌출부(113)가 형성되고 타단에 고정판(112)이 형성되며 상기 돌출부와 고정판 사이에 충격 흡수를 위한 스프링(111)이 설치되는 것을 특징으로 하는 다이플렉서 정합구조를 이용한 다대역 전방향 안테나.
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