KR101863495B1

KR101863495B1 - 주파수변조 및 지상파 디지털멀티미디어방송 일체형 폴디드 다이폴 안테나

Info

Publication number: KR101863495B1
Application number: KR1020170035146A
Authority: KR
Inventors: 김도현; 김환의; 강성구; 박영일
Original assignee: 김도현; 김환의
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-06-29

Abstract

본 발명은 FM(Frequency Modulation) 및 T-DMB(Terrestrial-Digital Multimedia Broadcasting) 일체형 다이폴 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이폴 안테나가 인쇄회로기판 형태로 형성되되, 다이폴 안테나의 제1폴 안테나와 제2폴 안테나가 마주보도록 접혀 형성되어 다이폴 안테나의 크기를 줄이면서도 FM 주파수 및 T-DMB 주파수의 신호 둘 모두를 수신할 수 있는 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나에 관한 것이다.

Description

주파수변조 및 지상파 디지털멀티미디어방송 일체형 폴디드 다이폴 안테나{Frequency Modulation and Terrestrial-Digital Multimedia Broadcast combined folded-dipole antenna}

본 발명은 주파수변조(Frequency Modulation: FM) 및 지상파 디지털멀티미디어방송(Terrestrial-Digital Multimedia Broadcasting: T-DMB) 일체형 다이폴 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이폴 안테나가 인쇄회로기판 형태로 형성되되, 다이폴 안테나의 제1폴 안테나와 제2폴 안테나가 마주보도록 접혀 형성되어 다이폴 안테나의 크기를 줄이면서도 FM 주파수 및 T-DMB 주파수의 신호 둘 모두를 송수신할 수 있는 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, FM(Frequency Modulation) 및 T-DMB(Terrestrial-Digital Multimedia Broadcast) 송수신기의 안테나로는 다이폴 안테나가 많이 적용되고 있다.

통상적으로 다이폴 안테나는 두 개의 도체봉(또는 "폴 안테나"이라 함) 가운데 급전선이 연결되는 형태로 구성되는 안테나로, 그 길이는 전파 파장(λ)의 1/2 길이로 형성되며 전파가 송출되는 방향과 직각을 이루도록 설치되는 안테나이다.

FM 송수신기의 송수신 주파수가 T-DMB의 송수신 주파수보다 낮으므로 FM 송수신기의 다이폴 안테나의 길이가 더 길게 형성된다.

따라서 그리고 FM 및 T-DMB 송수신기에서 송출하는 주파수의 대역이 다르므로 FM 송수신기의 다이폴 안테나와, T-DMB 송수신기의 다이폴 안테나의 길이는 다르다.

따라서 FM 및 T-DMB 송수신기를 모두 구비하는 장치는 FM 송수신기 안테나 및 T-DMB 송수신기 안테나가 모두 적용되거나, 공용 안테나가 적용된다.

그러나 공용 안테나가 적용되는 경우 공용 다이폴 안테나는 FM 송수신기의 송수신 주파수에 대응하는 길이로 구성되어야 할 것이다.

전자의 경우 두 개의 안테나가 적용되어야 하므로 비교적 큰 설치공간이 요구되는 문제점이 있었으며, 후자의 경우 하나의 안테나만 적용해도 되므로 두 개의 안테나를 적용하는 경우보다 설치공간을 적게 요구하기는 하나, FM 주파수에 대응하여 다이폴 안테나를 구성하여야 하므로 안테나의 길이를 줄이는 데 한계가 있는 문제점이 있었다.

따라서 최근 FM 송수신기 및 T-DMB 송수신기가 일체화되고 소형화를 위한 인쇄회로기판(Printed Circuit Board: PCB) 형태의 안테나가 요구되고 있고, 이에 따라 소형화된 FM 및 T-DMB 일체형 송수신기에 PCB형태로 구성될 수 있는 소형의 안테나가 요구되어지고 있다.

등록특허 제10-1021934호(2011.03.07.)

따라서 본 발명의 목적은 다이폴 안테나가 인쇄회로기판 형태로 형성되되, 다이폴 안테나의 제1폴 안테나와 제2폴 안테나가 마주보도록 접혀 형성되어 다이폴 안테나의 크기를 줄이면서도 FM 주파수 및 T-DMB 주파수의 신호 둘 모두를 송수신할 수 있는 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나는: 인쇄회로기판; 및 상기 인쇄회로기판에 구성되는 다이폴 안테나 패턴을 포함하되, 상기 다이폴 안테나 패턴은, 제1폴 안테나 패턴; 상기 제1폴 안테나 패턴과 일정 거리 떨어지고 상기 제1폴 안테나 패턴과 마주보도록 구성되는 제2폴 안테나 패턴; 및 상기 제1폴 안테나 패턴과 제2폴 안테나 패턴과 떨어진 공간을 형성하되 수신된 FM 주파수 신호 및 T-DMB 주파수 신호를 회로측으로 출력하고, 회로측으로부터 입력되는 FM 주파수 신호 및 T-DMB 주파수 신호를 상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴으로 전송하는 급전부를 포함하되, 상기 다이폴 안테나 패턴의 급전부는, 상기 급전부가 상부에 놓였을 때를 기준으로 제1폴 안테나 패턴의 일측부가 수직으로 접혀 기억자 형상으로 형성되고, 상기 제1폴 안테나 패턴의 일측부에 대응하는 제2폴 안테나 패턴의 일측부가 상기 급전부가 상부로 놓였을 때를 기준으로 수직으로 접혀 역기억자 형상으로 형성되되 상기 제1폴 안테나 패턴의 기억자 형상 상부 및 제2폴 안테나 패턴의 역기억자 형상 상부 사이에 형성되고, 상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴의 넓이는 안테나 임피던스 매칭 및 이득의 최적화를 위해 1mm ~15mm이며, 상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴 사이의 간격은 패턴사이의 커패시턴스(Cp)의 발생으로 인한 상위 주파수의 이동을 최적화하기 위해 하위 주파수 대역을 기준으로 λ/32 ~ λ/8이며, 상기 급전부가 상부로 놓였을 때 제2폴 안테나의 하부 방향 길이가 상기 제1폴 안테나 패턴의 하부 방향 길이보다 짧게 형성되되, 제1폴 안테나 패턴 및 제2ㅍ폴 안테나 패턴이 비대칭적 구조로 형성되되, 1폴 안테나 패턴과 제2폴 안테나 패턴 사이의 거리에 따라 상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴 사이에 형성되는 패턴 커패시턴스(C_P)에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 다이폴 안테나의 제1폴 안테나 및 제2폴 안테나를 마주보도록 기판에 패턴을 형성하되, 상기 제1폴 안테나와 제2폴 안테나 사이의 거리에 따른 커패시턴스(C)에 의해 제1폴 안테나 및 제2폴 안테나 중 적어도 하나 이상의 길이를 짧게 형성할 수 있으므로 다이폴 안테나의 크기를 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나의 측면도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나의 평면도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 FM 주파수 대역에서의 대역 특성을 나타낸 그래프 및 방사 패턴도이다.
도 4는 본 발명에 따른 T-DMB 주파수 대역에서의 대역 특성을 나타낸 그래프 및 방사 패턴도이다.
도 5는 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 실측 대역 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나 설계방법을 나타낸 흐름도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나의 구성 및 동작을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나의 측면도를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나의 평면도를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 FM 주파수 대역에서의 대역 특성을 나타낸 그래프 및 방사 패턴도이고, 도 4는 본 발명에 따른 T-DMB 주파수 대역에서의 대역 특성을 나타낸 그래프 및 방사 패턴도이며, 도 5는 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 실측 대역 특성을 나타낸 그래프이다.

도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나는 기판(10)과 상기 기판(10)의 상부에 형성되는 다이폴 안테나 패턴(20)을 포함한다.

기판(10)은 터널 등의 차량 고속 이동의 경우 발생하는 와류 등에 대하여 안테나의 고유 형태를 변형시키지 않기 위해 3t의 두께로 구성될 수 있을 것이다.

또한, 기판(10)은 도 2에서는 사각형 형태로 구성되는 경우를 나타내었으나, 다이폴 안테나 패턴(20)의 구성에 따라 생성되는 빈 공간을 점선(11)과 같이 절단할 수 있을 것이다.

다이폴 안테나 패턴(20)은 제1폴 안테나 패턴(21), 제2폴 안테나 패턴(22) 및 급전부(23)를 포함한다.

본 발명에 따라 FM 주파수 신호 및 T-DMB 주파수 신호 둘 모두를 수신하기 위해서는 둘 중 사용 주파수 대역이 낮은 FM 주파수 대역(88MHz ~108MHz)을 기준으로 하여 다이폴 안테나 패턴(20)의 전체 길이(l)를 설계하여야 할 것이다.

이 경우 다이폴 안테나 패턴(20)의 전체 길이(l)는 하기 수학식 1에 의해 170cm 정도가 될 수 있을 것이다.

[수학식 1]

제1폴 안테나 패턴(21)은 막대 형상 또는 도 2와 같이 급전부(23)가 상부로 놓였을 때를 기준으로 기억자 형상으로 형성되어 기판(10)의 상부에 일정 거리(예: 1mm) 간격으로 떨어져 구성된다.

그리고 제2폴 안테나 패턴(22)은 막대 형상 또는 도 2와 같이 상기 급전부(23)가 상부로 놓였을 때를 기준으로 역기억자 형상으로 형성되어 기판(10)의 하부로부터 일정 거리 간격으로 떨어져 구성된다. 즉, 도 2에서 보이는 바와 같이 제2폴 안테나 패턴(22)은 제1폴 안테나 패턴(21)보다 짧게 형성된다.

제1폴 안테나 패턴(21)이 하부에 구성되고 제2폴 안테나 패턴(22)이 상부에 구성되는 형상은 상호 변경될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1안테나 패턴(21)과 제2폴 안테나 패턴(22)은 마주보도록 기억자 및 역기억자로 접힌 형태로 형성되므로 제1폴 안테나 패턴(21)과 제2폴 안테나 패턴(22) 사이에서 커패시턴스(C)(이하 "패턴 커패시턴스(C_P)"라 함)가 발생된다.

통상적으로 다이폴 안테나의 공진주파수는 하기 수학식 2에 의해 구해지나, 본 발명에서는 상기 패턴 커패시턴스에 의해 하기 수학식 3에 의해 구해질 것이다.

[수학식 2]

[수학식 3]

따라서 본 발명의 폴디드 다이폴 안테나의 공진주파수는 낮아질 것이다. 따라서 다이폴 안테나의 전체 길이를 줄일 수 있다.

FM 주파수 대역은 88~108MHz이고, T-DMB 주파수 대역은 174~216MHz로, 두 주파수 대역을 보면 알 수 있듯이 T-DMB 주파수 대역이 FM 주파수 대역의 약 2배와 유사하다. 따라서 안테나를 FM에 대응하여 설계할 경우, 이론상 주파수 공진 특성상(2nd 하모닉 특성) 약 2배의 주파수 대역에서 공진 대역이 발생하는데, 실제로는 2배보다 약간 높은 주파수 대역에 2nd 하모닉에 의한 공진주파수 대역이 발생한다. 이를 T-DMB 주파수 대역으로 천이(shift)시키기 위해 상기 제1폴 안테나 패턴과 상기 제2폴 안테나 패턴을 위와 같이 형성할 경우 두 패턴간에 커패시턴스 성분이 발생하고, 이를 통한 커플링 효과로 2nd 하모닉에 의한 공진 주파수 대역을 T-DMB 주파수 대역으로 천이시킬 수 있다. 보다 이론적으로 표현하면 두 패턴에 의해 발생하는 커패시턴스는 주파수를 하향 조정하는 데 사용되기 때문에 이를 응용한 것이다.

이에 따라 제1폴 안테나 패턴(21)의 길이는 일반적인 다이폴 안테나의 길이 공식에 의해 상기 170cm를 2로 나눈 값으로 설정하고, 제2폴 안테나 패턴(22)의 길이는 상기 제1폴 안테나 패턴(21)에 대해 상기 패턴 커패시턴스(C_P)가 형성되는 길이로 설정될 수 있을 것이다.

따라서 제1폴 안테나 패턴(21)의 길이는 급전부(23)를 고려하여 798mm로 설정할 수 있으며, 제2폴 안테나(22)의 길이는 상기 패턴 커패시턴스(C_P)를 발생시키는 길이가 될 수 있을 것이다. 본 발명에서는 상기 제2폴 안테나 패턴(22)의 길이를 357mm로 결정하였다. 이때의 패턴 커패시턴스는 공진주파수가 FM 주파수 대역 및 T-DMB 주파수 대역의 신호들을 정상적으로 송수신할 수 있는 범위 내에 있도록 설정되어야 할 것이다.

[수학식 4]

커패시턴스 값은 패턴의 전체 면적(A)과 비례하고, 패턴간의 간격(d)에 반비례하므로 이를 적절히 혼합하여 실험적으로 2nd 주파수대역을 조정할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 d는 제1폴 안테나 패턴(21)과 제2폴 안테나 패턴(22) 사이의 거리이다.

이와 같이 구성함으로써 본 발명의 폴디드 다이폴 안테나는 도 3 내지 도 5에서 보이는 바와 같이 FM 주파수 대역과 T-DMB 주파수 대역 둘 모두에 대해 각각의 무선신호들을 모두 수신하거나 송신할 수 있다.

다시 한 번 설명하면, FM 및 T-DMB 공진 주파수 대역을 기준으로, 안테나의 공진주파수 특성, 입력손실 특성 및 이득의 최적화를 목적으로 상기 제1폴 안테나 패턴(21)의 길이는 T-DMB의 파장(λ₁)의 λ₁/4 ~ 3λ₁/4로, 상기 제2폴 안테나 패턴(22)의 길이는 FM의 파장(λ₂)의 λ₂/4 ~ 3λ₂/4로 설정하는 것이 바람직하며, 패턴의 넓이는 안테나 임피던스 매칭 및 이득을 최적화하기 위해 1mm ~ 15mm로 설정하는 것이 바람직하며, 제1폴 안테나 패턴(21) 및 제2폴 안테나 패턴(22) 사이의 간격은 패턴 사이의 커패시턴스(C_p)의 발생으로 인한 상위 주파수의 이동을 최적화하기 위해 하위 주파수 대역(FM)을 기준으로 λ₂/32 ~ λ₂/8로 설정하는 것이 바람직하며, 급전부(23)의 간격은 λ₂/8 이하인 것이 바람직할 것이다.

예를 들면, 다이폴 안테나는 원래 양쪽 길이가 각기 λ/4로 동일하고, 수학식1의 C는 광속으로 3*10⁸이고, F는 FM 주파수 대역의 중간 주파수로 설정하면 100*10⁶이므로 λ=3m가 될 것이다. 이를 다이폴 안테나에 적용하면 3/4가 되므로 0.75, 즉 760mm가 되며, 상기 제2폴 안테나 패턴의 길이는 T-DMB의 FM 주파수 파장의 1/2이므로 750mm의 1/2인 350mm 가량될 것이다. 이는 이론적인 값이며, 실제로는 커패시턴스의 값을 적용하면 제1폴 안테나 패턴의 길이는 798mm가 되며 상기 제2폴 안테나 패턴 길이는 357mm인 것이 바람직할 것이다. 상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴의 넓이는 15mm이하로 적용할 수 있으나 9mm인 것이 바람직하며, 상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴 사이의 길이는 FM 주파수에 대한 파장((λ₂)의 1/8로 30mm인 것이 바람직하고, 상기 급전부의 간격은 FM 주파수에 대한 파장((λ₂)의 1/8로 16mm인 것이 바람직하하다. 패턴의 넓이는 공진 주파수 최적화를 위해 실험적으로 구성되었다.

도 6은 본 발명에 따른 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나 설계방법을 나타낸 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 우선, FM 주파수를 기준으로 공진주파수를 최대한 낮추면서도 FM 주파수 대역 및 T-DMB 대역의 무선신호들을 모두 수신할 수 있는 최저 공진주파수를 결정한다(S111). 상기 최저 공진주파수는 실험적으로 얻어질 수 있을 것이다.

최대 낮출 수 있는 공진주파수가 결정되면 결정된 상기 공진주파수를 반영한 폴디드 다이폴 안테나의 전체 길이를 계산한다(S113).

폴디드 다이폴 안테나의 전체 길이가 계산되면 상기 수학식 3에 결정된 공진주파수를 적용하여 패턴 커패시턴스를 계산한다(S115).

패턴 커패시턴스가 계산되면 상기 패턴 커패시턴스를 수학식 4에 적용하여 제1폴 안테나 패턴(21) 및 제2폴 안테나 패턴(22)간 거리 및 면적을 계산한다(S117).

제1폴 안테나 패턴(21) 및 제2폴 안테나 패턴(22) 간의 면적이 계산되고 패턴 커패시턴스가 계산되면 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴의 길이를 결정한다(S119).

상술한 바와 같이 제1폴 안테나 패턴(21) 및 제2폴 안테나 패턴(22)의 길이 면적, 패턴 간 거리가 결정되면 결정된 항목에 따라 본 발명의 폴디드 다이폴 안테나를 제작할 것이다(S121).

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

10: 인쇄회로기판 20: 다이폴 안테나 패턴
21: 제1폴 안테나 패턴 22: 제2폴 안테나 패턴
23: 급전부

Claims

인쇄회로기판; 및
상기 인쇄회로기판에 구성되는 다이폴 안테나 패턴을 포함하되,
상기 다이폴 안테나 패턴은,
제1폴 안테나 패턴;
상기 제1폴 안테나 패턴과 일정 거리 떨어지고 상기 제1폴 안테나 패턴과 마주보도록 구성되는 제2폴 안테나 패턴; 및
상기 제1폴 안테나 패턴과 제2폴 안테나 패턴과 떨어진 공간을 형성하되 수신된 FM 주파수 신호 및 T-DMB 주파수 신호를 회로측으로 출력하고, 회로측으로부터 입력되는 FM 주파수 신호 및 T-DMB 주파수 신호를 상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴으로 전송하는 급전부를 포함하되,
상기 다이폴 안테나 패턴의 급전부는,
상기 급전부가 상부에 놓였을 때를 기준으로 제1폴 안테나 패턴의 일측부가 수직으로 접혀 기억자 형상으로 형성되고, 상기 제1폴 안테나 패턴의 일측부에 대응하는 제2폴 안테나 패턴의 일측부가 상기 급전부가 상부로 놓였을 때를 기준으로 수직으로 접혀 역기억자 형상으로 형성되되 상기 제1폴 안테나 패턴의 기억자 형상 상부 및 제2폴 안테나 패턴의 역기억자 형상 상부 사이에 형성되고,
상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴의 넓이는 안테나 임피던스 매칭 및 이득의 최적화를 위해 1mm ~15mm이며,
상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴 사이의 간격은 패턴사이의 커패시턴스(Cp)의 발생으로 인한 상위 주파수의 이동을 최적화하기 위해 하위 주파수 대역을 기준으로 λ/32 ~ λ/8이며,
상기 급전부가 상부로 놓였을 때 제2폴 안테나의 하부 방향 길이가 상기 제1폴 안테나 패턴의 하부 방향 길이보다 짧게 형성되되, 제1폴 안테나 패턴 및 제2 폴 안테나 패턴이 비대칭적 구조로 형성되되, 1폴 안테나 패턴과 제2폴 안테나 패턴 사이의 거리에 따라 상기 제1폴 안테나 패턴 및 제2폴 안테나 패턴 사이에 형성되는 패턴 커패시턴스(C_P)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 FM 및 T-DMB 일체형 폴디드 다이폴 안테나.
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