KR101910455B1 - λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광대역 매칭이 가능하면서 장거리 통신이 가능하도록 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법에 관한 것으로, 안테나 역할을 수행하는 본체의 안테나 신호 입출력 지점인 급전점에 직렬 또는 병렬로 λ/4-전송선로 스터브를 결합하고, 안테나에 범용적으로 적용할 수 있다.

Description

λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법{Method for improving bandwidth antenna utilizing λ/4-transmission line stub}

본 발명은 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법에 관한 것으로서, 특히 λ/4-전송선로 스터브를 이용하여 품질계수(quality factor, Q)가 높은 소형 공진 안테나의 대역폭을 개선할 수 있는 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 안테나는 공진특성을 가지며, 이에 따라 유한한 임피던스 대역폭(impedance bandwidth)을 가진다. 안테나의 임피던스 대역폭은 전송하고자 하는 신호의 대역폭보다 충분히 커야 한다. 따라서 안테나의 임피던스 대역폭을 증가시키기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다.

특히, 안테나는 고유의 공진특성으로 인하여 유한한 임피던스 대역폭을 가진다. 안테나의 임피던스 대역폭은 주파수에 따른 안테나의 임피던스와 안테나에 접속된 전원(source) 또는 부하(load)의 임피던스의 차이로부터 발생하며, 아래의 수학식 1과 같이 주어진다.

여기서, Q는 안테나 임피던스의 품질계수(quality factor)이며, S는 안테나 임피던스와 전원/부하 임피던스의 차이에 따른 전압정재파비(voltage standing wave ratio, VSWR) 이다.

안테나의 임피던스 대역폭을 증가시키기 위해서는 안테나 임피던스의 품질계수(quality factor)를 작게 하여야 한다. 일반적으로 동작 파장에 비하여 안테나의 크기가 작을수록 안테나 임피던스의 품질계수가 커진다. 따라서, 작은 크기의 안테나로 넓은 대역의 신호를 전송하기 위해서는 안테나 임피던스의 품질계수를 감소시키기 위한 노력이 필요하다.

종래 기술에 따른 관련 기술을 살펴보면, 특허문헌 1에서 지칭하는 스터브는 본 발명에서 이야기하는 전송선로 스터브가 아니다. 특허문헌 1의 도 2를 보면 주방사체(Za)와 병렬로 연결된 부방사체(Zb)를 스터브라고 부르는데, 이는 전송선로 스터브가 아니며 주방사체에서 튀어나온 돌기를 스터브라고 부르는 것이다. 이는 특허문헌 4의 도 2의 방사체와 병렬로 연결된 방사체(여기서도 단순히 스터브(stub)라고만 지칭함)와 같은 것이다.

특허문헌 2에서 지칭하는 스터브는 안테나의 급전부에 삽입된 돌기 형태의 구조물로서 본 발명에서 이야기하는 전송선로 스터브와 전혀 다르다. 이는 특허문헌 2의 도 4 및 도 5와 같이 급전부의 모양을 다양하게 변경함으로써 안테나의 임피던스를 조정할 수 있다는 것인데, 그 변화된 급전부의 모양을 스터브라고 지칭할 뿐이다.

특허문헌 3에서 지칭하는 스터브도 다층 구조의 루프 안테나에 부가한 돌기 형태의 구조물(도 2의 도면부호 22)로서 본 발명에서 이야기하는 전송선로 스터브와 전혀 다르다. 따라서, 특허문헌 1 내지 4에서 언급된 스터브는 모두 본 발명의 λ/4-전송선로 스터브와 무관할 수 있다.

따라서, 품질계수(quality factor, Q)가 높은 소형 공진 안테나의 대역폭을 개선할 수 있는 방안에 대한 개발이 시급한 상황이다.

대한민국 공개특허 제10-2006-0076575호 대한민국 공개특허 제10-2015-0030009호 미국 등록특허 US7,782,257호 미국 공개특허 제2009-0174608호

본 발명의 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 본체의 급전점에 직렬 또는 병렬로 λ/4-전송선로 스터브를 결합시킴으로써, λ/4-전송선로 스터브를 구비한 본체가 전방향성 특성을 나타낼 수 있고, 안테나 임피던스의 품질계수(quality factor)를 감소시킬 수 있음에 따라서, 상대적으로 작은 크기의 본체로 넓은 대역의 신호를 효율적으로 전송할 수 있고, 전방향성 특성을 나타낼 수 있고, 광대역 매칭이 가능하면서 장거리 통신이 가능할 수 있는 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법은, 안테나 역할을 수행하는 본체의 대역폭 개선 방법으로서, 상기 본체의 안테나 신호 입출력 지점인 급전점에 직렬 또는 병렬로 λ/4-전송선로 스터브를 결합하고, 안테나에 범용적으로 적용할 수 있다.

상기 λ/4-전송선로 스터브는, 상기 본체를 포함한 안테나의 임피던스 대역폭을 증가시키고, 상기 본체에 대한 안테나 임피던스 또는 안테나 어디미턴스의 품질계수(quality factor)를 작게 하도록, 서로 다른 길이에 대응한 특성 임피던스를 가지고 있는 복수개의 전송선을 직렬 연결로 상호 접속시킨다.

상기 λ/4-전송선로 스터브는, 상기 안테나 임피던스 또는 안테나 어디미턴스의 품질계수를 작게 하도록, 상기 직렬 연결된 전송선의 개수를 증가시킨다.

상기 λ/4-전송선로 스터브는, 상기 안테나 임피던스 또는 안테나 어디미턴스의 품질계수를 작게 하도록, 상기 직렬 연결된 전송선의 길이를 크게 또는 작게 조절하여 특성 임피던스를 연속적으로 변화시킨다.

상기 λ/4-전송선로 스터브는, 상기 급전점에 직렬로 결합된 직렬 λ/4-전송선로 스터브로서, 상기 직렬 λ/4-전송선로 스터브의 양단 사이의 중간에 위치한 스터브가 양단에 위치한 다른 스터브에 비하여 상대적으로 넓은 스트립 폭을 가지고 있다.

상기 스터브는, 상기 급전점에 병렬로 결합된 개방 λ/4-전송선로 스터브로서, 상기 급전점을 기준으로 각각 서로 대향 배치되도록 상기 본체의 직경 방향을 따라 연장된 직선 구조의 제 1 전송선과, 상기 제 1 전송선의 각각의 끝단에서 상기 본체의 원주 방향을 따라 연장된 호형 구조의 제 2 전송선, 및 상기 제 2 전송선의 끝단에서 상기 원주 방향을 따라 형성된 미앤더 스트립 구조(meander strip structure)의 제 3 전송선을 포함하여 구성한다.

상기 λ/4-전송선로 스터브는, 일단이 개방된 직렬 스터브로서 λ/4의 홀수배의 길이를 가지거나, 또는 일단이 단락된 직렬 스터브로서 λ/4의 짝수배의 길이를 가진다.

상기 λ/4-전송선로 스터브는, 일단이 개방된 병렬 스터브로서 λ/4의 짝수배의 길이를 가지거나, 또는 일단이 단락된 병렬 스터브로서 λ/4의 홀수배의 길이를 가진다.

본 발명에 의한 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법은, 안테나의 급전점에 직렬 또는 병렬로 λ/4-전송선로 스터브를 결합하여서, 본체 및 λ/4-전송선로 스터브 전체에 대한 안테나 임피던스의 품질계수(quality factor)를 감소시킬 수 있는 새로운 방법 또는 직렬 및 병렬 λ/4-전송선로 스터브의 설계 방법을 제공할 수 있고, 대역폭 개선 사례를 들어 본 발명에 의한 방법의 유효성을 입증할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의한 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법은, 안테나 임피던스의 품질계수를 감소시킴에 따라서, 안테나인 본체의 대역폭을 상대적으로 크게 증가시키듯이 개선시킬 수 있고, 상대적으로 작은 크기의 본체로 넓은 대역의 신호를 효율적으로 전송할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의한 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법은, 다이폴 안테나와 패치안테나를 포함한 다양한 구조의 안테나에 널리 적용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의한 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법은, 안테나인 본체의 급전점에 결합되어 대역폭을 개선할 수 있는 직렬 및 병렬 λ/4-전송선로 스터브의 설계 방법 및 이를 이용한 대역폭 개선 사례를 들어 제안한 방법의 유효성을 입증할 수 있다.

본 발명에 의한 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법은, 금속 폴 및 단락 스트립을 사이에 두고, 서로 평행을 이루는 상부 판과 하부 판을 구비한 평면형 다중 판 구조물로서 맨홀 커버에 적용됨에 따라서, 맨홀로부터 장거리의 지상 위치까지 무선 통신이 가능하고, 이때 장거리에서 맨홀 내부의 다수의 센서에 의해 수집된 센싱 정보에 관한 무선 센서 네트워크 또는 광역 무선통신 네트워크를 형성하여 수집, 관리 할 수 있게 도움을 줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 λ/4-전송선로 스터브를 이용한 안테나의 임피던스 대역폭 개선 방법을 나타낸 회로도.
도 2는 도 1에 도시된 회로도에 적용 가능한 서로 다른 길이와 특성 임피던스를 가지고 있고, 3가지 전송선의 직렬 연결로 구성되어 있는 개방 λ/4-전송선로 스터브의 회로도.
도 3a은 본 발명의 비교예로서 λ/4-전송선로 스터브를 적용하기 전 상태로서, 디스크-로디드 모노폴(disk-loaded monopole) 안테나인 본체의 사시도.
도 3b는 도 3a에 도시된 본체의 임피던스 정합 특성을 도시한 그래프.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법으로 제작된 상부 판에 양의 정수(n)=2인 개방 λ/4-전송선로 스터브를 직렬로 장착한 사시도.
도 4b는 도 4a에 도시된 본체의 임피던스 정합 특성을 도시한 그래프.
도 4c는 도 4a에 도시된 본체와 맨홀 커버의 홈의 결합관계를 도시한 분리 사시도.
도 5는 본 발명의 응용예에 따른 병렬 λ/4-전송선로 스터브를 이용한 안테나의 임피던스 대역폭 개선 방법을 나타낸 회로도.
도 6은 도 5에 도시된 회로도에 적용 가능한 서로 다른 길이와 특성 어드미턴스를 가지고 있고, 2가지 전송선의 직렬 연결로 구성되어 있는 개방 λ/4-전송선로 스터브의 회로도.
도 7a는 본 발명의 응용예에 따른 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법으로 제작된 하부 판(예: 안테나의 급전점 또는 급전부분)에 양의 정수(n)=2인 개방 λ/4-전송선로 스터브를 병렬로 장착한 사시도.
도 7b는 도 7a에 도시된 본체의 임피던스 정합 특성을 도시한 그래프.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 일 실시예 또는 응용예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

하기에서 설명할 안테나인 본체는 일반적이고도 다양한 형태의 안테나 중 어느 하나일 수 있고, 예컨대, 본체의 안테나 신호 입출력 지점인 급전점에 직렬 또는 병렬로 λ/4-전송선로 스터브를 결합함으로써, 본체의 대역폭 개선이 필요한 어떠한 안테나에도 λ/4-전송선로 스터브를 범용적으로 적용시킬 수 있는 특징을 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직렬 λ/4-전송선로 스터브를 이용한 안테나의 임피던스 대역폭 개선 방법을 나타낸 회로도이고, 도 2는 도 1에 도시된 회로도에 적용 가능한 서로 다른 길이와 특성 임피던스를 가지고 있고, 3가지 전송선의 직렬 연결로 구성되어 있는 개방 λ/4-전송선로 스터브의 회로도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 설명에서 본체(201)로 호칭되는 안테나(예: 병렬 공진 안테나)의 등가 임피던스(Za)는 공진주파수(f0) 주변에서 아래의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.

여기서 Ra,0는 공진하는 안테나 임피던스의 저항 성분이고, Q는 안테나 인피던스의 품질계수(quality factor)이다. Q가 높을수록 안테나의 대역폭은 작아진다.

도 1의 병렬 공진 안테나인 본체(201)에 직렬로 연결된 직렬 λ/4-전송선로 스터브(900)는 단락(short) 스터브 또는 개방(open) 스터브일 수 있다.

예컨대, λ/4-전송선로 스터브(900)는 일단이 개방된 직렬 스터브로서 λ/4의 홀수배의 길이를 가지거나, 또는 일단이 단락된 직렬 스터브로서 λ/4의 짝수배의 길이를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 지칭하는 λ/4-전송선로 스터브는 마이크로스트립라인 또는 스트립라인과 같이 고주파신호를 전송하기 위한 전송선로의 일단을 개방 또는 단락 시킨 후, 다른 단을 안테나의 급전단에 직렬 및 병렬로 연결한 구조를 가진다. 통상적으로 이들 각각을 직렬 λ/4-전송선로 스터브 및 병렬 λ/4-전송선로 스터브라고 부른다.

단락 스터브 또는 개방 스터브의 임피던스는 그 길이(L)가 각각 0.25(2n-1)λ0 또는 0.5nλ0일때, 공진주파수(f0) 주변에서 아래의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

여기 수학식 또는 이하의 설명에서, n은 양의 정수이고, λ0는 공진파장이며, n이 커질수록 λ/4-전송선로 스터브(900)의 길이(L)는 길어진다.

상기 수학식 3을 살펴보면 f=f0에서 Zs=0이 되며, k1은 f=f0에서 v의 변화에 대한 Zs 변화의 기울기이다.

예를 들어 L=0.25(2n-1)λ0의 길이를 가진 개방 λ/4-전송선로 스터브의 경우 그 입력 임피던스(

)는 아래의 수학식 4와 같다.

여기서 Zs0은 λ/4-전송선로 스터브를 구성하는 전송선(transmission line)의 특성 임피던스(characteristic impedance)이고,

로서 양의 기울기 값을 가진다.

한편, L=0.5nλ0의 길이를 가진 단락 스터브의 경우 그 입력 임피던스(

)는 아래의 수학식 5와 같다.

여기서,

로서 양의 기울기 값을 가진다.

병렬공진 안테나와 직렬 λ/4-전송선로 스터브의 전체 합성임피던스(Zt)는 아래의 수학식 6과 같다.

여기서,

로서 전체 안테나 임피던스의 품질계수(Q')이다.

앞서 기술한 바와 같이 k1은 양의 값을 가지므로 Q'<Q이다. 따라서 전체 안테나 임피던스 대역폭은 증가한다. 대역폭의 증가율(bandwidth enlargement factor)을 F라고 할 때, F는 아래의 수학식 7과 같이 주어진다.

상기 수학식 7을 살펴보면, k1이 클수록 대역폭의 증가율이 커진다. 상기 수학식 4와 수학식 5를 살펴보면, λ/4-전송선로 스터브의 특성 임피던스 Zs0가 클수록, n이 큰 값을 가질수록(즉, λ/4-전송선로 스터브의 길이가 길수록) k1이 증가하고, 이에 따라 대역폭 증가율은 커진다.

한편, Zs0는 λ/4-전송선로 스터브를 구성하는 전송선의 특성 임피던스이다. 그런데 λ/4-전송선로 스터브의 전체 길이(L)에 대하여 반드시 균일한 특성 임피던스를 가질 필요는 없다.

예를 들어서, 도 2는 n=2 개방 λ/4-전송선로 스터브의 일례를 보여준다. 여기서

이며, 도 2의 개방 λ/4-전송선로 스터브(900a)는 서로 다른 길이(L1, L2, L3)와 특성 임피던스(

,

,

)를 가지는 3가지 전송선(911, 912, 913)을 직렬 연결로 상호 접속시키고 있다.

이때 상기 수학식 4와 상기 수학식 5의 Zs0는 상기 서로 다른 길이(L1, L2, L3)와 상기 특성 임피던스(

,

,

)의 함수로서 등가적으로 계산될 수 있으며, 제한된 설계 공간에서 Zs0를 크게 하기 위한 다양한 형태의 최적화된 조합이 도출될 수 있다. 아울러 직렬 λ/4-전송선로 스터브(900a)의 직렬 연결된 전송선(911, 912, 913)의 개수를 증가시키거나 전송선(911, 912, 913)의 길이(L1, L2, L3)를 크게 또는 작게 조절하여 특성 임피던스(

,

,

)를 연속적으로 변화시키는 등과 같이, 이 분야의 기술자들이 생각할 수 있는 다양한 방법으로 직렬 λ/4-전송선로 스터브(900a)는 설계될 수도 있다.

도 3a은 본 발명의 비교예로서 λ/4-전송선로 스터브를 적용하기 전 상태로서, 디스크-로디드 모노폴(disk-loaded monopole) 안테나인 본체의 사시도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 본체의 임피던스 정합 특성을 도시한 그래프이다. 참고적으로 상기 디스크는 도 3a 또는 도 4a에 도시된 상부 판(230) 또는 하부 판(210)에 해당할 수 있고, 상기 모노폴은 금속 폴(220)에 해당할 수 있다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예에 의한 λ/4-전송선로 스터브를 적용하기 전 상태의 안테나인 본체(200)는 하부 판(210), 금속 폴(220), 상부 판(230), 단락 스트립(240)을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본체(200) 또는 본 설명에서 언급된 모든 본체들은 지표면에 설치된 맨홀 커버에 장착되어 안테나로서의 역할을 수행할 수 있고, 무선 센서 네트워크 또는 광역 무선통신 네트워크를 구성할 수 있다.

본체(200)의 구성 요소로서, 하부 판(210), 금속 폴(220), 상부 판(230), 단락 스트립(240)은 표면 전류가 흐르는 금속부분에 해당될 수 있다.

하부 판(210) 또는 상부 판(230)은 원형으로 형성될 수 있으나, 설계에 따라 사각형, 육각형, 다각형 등과 같이 다양한 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있고, 특별한 형상으로 한정되지 않을 수 있다.

단락 스트립(240)은 도면과 같이 한 쌍으로 구성될 수도 있고, 설계에 따라 다수개로 구성될 수도 있다.

단락 스트립(240)의 높이, 또는 하부 판(210)과 상부판(230)의 이격 간격은 임피던스 정합에 대응하게 정해질 수 있다.

상부 판(230)은 방사체로서 한 쌍 또는 1개 이상의 슬롯(231)이 대칭 또는 비 대칭으로 위치하고 상부 판(230)에 급전점(221)(feeding point)이 위치하고 있다. 여기서, 슬롯(231)은 도 3a에는 미도시 하였지만, 설계에 따라 형태, 형상 및 개수가 달라질 수 있고, 도 3에서는 예를 들어 한 쌍의 형태를 취하고 있지만, 다수개, 다수 위치, 비 대칭 배치 구조로 이루어질 수도 있다.

급전점(221)은 안테나 신호 입출력 지점으로서 개방 λ/4-전송선로 스터브(920)가 접속됨에 따라서, 본 발명에서 실현하고자 하는 광대역 매칭을 실현할 수 있다.

방사체인 상부 판(230)과 하부 판(210)의 사이에서 단락 스트립(240)도 대칭 또는 비 대칭적으로 배치된다. 상부 판(230)에 대한 급전은 커넥터(400)의 코어인 금속 폴(220)을 통해 이루어질 수 있다. 커넥터(400)는 미 도시된 케이블을 통해서 맨홀 내부에 기 설치되어 있는 센서 접속용 무선전송장치(transceiver)에 접속되어 있을 수 있다. 여기서, 무선전송장치는 맨홀의 내부 또는 지하공간에 배치된 다수의 센서와 접속될 수 있다. 무선전송장치는 센서로부터 입력된 센싱 정보에 대응한 전기적 신호를 케이블 및 커넥터(400)를 통해 본 설명에서 언급된 해당 본체(200, 201, 202, 200a, 200b)에 각각 제공할 수 있다. 여기서, 커넥터(400)는 맨홀 커버(100)의 케이블 홀(120)에 삽입되고, 접착제 또는 몰딩제 등에 의해 고정될 수 있다. 또한, 미 도시된 상기 센서는 다수의 센서노드를 의미하고, 맨홀 또는 지하공간에 기 설치된 센싱 대상물(미 도시)에 각각 구비될 수 있다. 각 센서는 유선 또는 무선으로 무선전송장치에 접속되고, 해당 센싱 대상물에 대한 센싱 정보를 수집하여 무선전송장치에 전송할 수 있다.

하부 판(210)은 하기의 도 4c에 도시된 맨홀 커버(100)의 케이블 홀(120)을 기준으로 맨홀 커버(100)의 홈(110)의 바닥면에 배치되며 접지면으로서의 역할을 수행할 수 있다.

금속 폴(220)은 앞서 언급한 바와 같이 커넥터(400)의 코어로서, 급전 프로브(feeding probe)일 수 있다. 금속 폴(220)의 하부 끝단은 커넥터(400)로부터 연장된다.

금속 폴(220)의 위치는 설계에 따라 하부 판(210)과 상부 판(230)을 서로 연결 시킬 수 있는 위치라면, 반드시 하부 판(210)과 상부 판(230)의 중심 위치가 아니라도 금속 폴(220)의 급전 역할을 수행할 수 있다.

금속 폴(220)은 하부 판(210)을 관통하여 판 사이 간격에 대응하는 높이의 상부 끝단까지 수직 방향으로 연장되어 있다.

상부 판(230)은 금속 폴(220)의 상부 끝단과 연결되며, 하부 판(210)과 평행을 유지하고, 방사체로서의 역할을 한다.

상부 판(230)과 금속 폴(220)의 상부 끝단이 서로 연결되는 지점은 급전점(221)으로 사용된다.

이러한 본체(200)는 일반적인 제수변용 맨홀의 직경을 고려하여 맨홀의 직경보다 작은 직경을 가질 수 있다. 또한, 본체(200)는 주파수 대비 입력반사 계수(return loss), 즉 입력반사 계수 -10dB를 기준으로 임피던스 대역폭은 약 18 ~ 19 MHz일 수 있다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법으로 제작된 상부 판에 양의 정수(n)=2인 개방 λ/4-전송선로 스터브를 직렬로 장착한 사시도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 본체의 임피던스 정합 특성을 도시한 그래프이고, 도 4c는 도 4a에 도시된 본체와 맨홀 커버의 홈의 결합관계를 도시한 분리 사시도이다.

도 4a 또는 도 4c를 참조하면, 본체(200a)도 앞서 설명한 바와 같은 안테나로서 하부 판(210), 금속 폴(220), 상부 판(230), 단락 스트립(240)을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 각 단락 스트립(240)의 상단부는 상부 판(230)의 상부 연결구멍(232)에 끼워지거나 연결된다. 각 단락 스트립(240)의 하단부는 하부 판(210)의 하부 연결구멍(212)에 끼워지거나 연결된다. 여기서, 연결은, 용접 또는 기타 전기적 통전을 유지하면서 물리적으로 연결될 수 있는 접속 방법에 의해 고정이 사용될 수 있고, 그 결과 전기적으로 통전 가능한 상태가 될 수 있다.

상부 연결구멍(232) 및 하부 연결구멍(212)의 배치 방향은 슬롯(231)의 배치 방향과 서로 직교될 수 있다.

상부 판(230)은 하부 판(210)에 대하여 단락 스트립(240)을 통해 단락되어 있는 것이다.

또한, 슬롯(231)은 단락 스트립(240)이 배치된 방향에 수직한 방향을 따라서, 또는 단락 스트립(240)과 겹치지 않는 곳을 기준으로 금속 폴(220)로부터 이격되도록, 상부 판(230)에 형성되어 있다.

도 4a 또는 도 4c의 본체(200a)에서는 n=2인 개방 λ/4-전송선로 스터브(920)가 상부 판(230)에 직렬로 장착되어 있다. 이러한 본체(200a)에 따르면, 모노폴인 금속 폴(220)과 디스크인 상부 판(230)의 연결부위(급전점(221))에 직렬 λ/4-전송선로 스터브(920)를 장착, 즉 결합하여 대역폭을 개선하였다. 직렬 λ/4-전송선로 스터브(920)는 3가지의 서로 다른 특성 임피던스를 가진 스터브(921, 922, 923)를 직렬 연결로 상호 접속시키고 있다.

특히, 직렬 λ/4-전송선로 스터브(920)의 양단 사이의 중간에 위치한 스터브(922)는 양단에 위치한 다른 스터브(921, 923)에 비하여 상대적으로 넓은 스트립 폭을 가지고 있을 수 있다.

특히, 도 4b는 도 4a의 본체(200a)의 임피던스 정합 특성을 보여 준다.

예컨대, -10dB 입력반사 계수를 기준으로 임피던스 대역폭은 약 37 MHz로서, 비교예인 도 3b의 경우보다 2배 가까이 증가한 대역폭을 가진다. 또한, 본체(200a)는 상대적으로 넓은 대역폭을 가지면서도, 전방향성(omni directional) 특성을 나타낼 수 있다.

또한, 도 3a와 도 4a를 비교하여 보았을 때, 사용자는 다양한 구조의 안테나 제품 중 어느 하나인 도 3a에 직렬 λ/4-전송선로 스터브(920)를 결합하여서 도 4a의 본체(200a)가 될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 사용자는 도 3b와 도 4b를 비교하여 보았을 때, 각 안테나 제품의 성능에 있어서 광대역 네트워크에 사용할 수 있을 정도로 대여폭이 상대적으로 증가되거나, 또는 광대역 네트워크의 대여폭에 매칭시킬 수 있음을 알 수 있게 된다. 즉, 본 명세서의 설명에 따른 방식 또는 방법으로 직렬 λ/4-전송선로 스터브(920)는 제작되고, 그 직렬 λ/4-전송선로 스터브(920)가 다양한 형태 중 어느 하나의 형태를 갖는 안테나 제품에 매우 용이하게 적용 또는 탑재될 수 있다.

도 3a 및 도 4a 각각의 본체(200, 200a)의 전체 크기는 68φ×13.4

로서 동일하며, 상부 판(230) 또는 하부 판(210)의 크기도 거의 동일하다. 도 3a 및 도 4a에 도시된 본체(200, 200a)는 도 4c와 같이 맨홀 커버(100)의 홈(110)에 장착되어 사용된다.

도 4c를 참조하면, 본 실시예는 맨홀 커버(100), 본체(200a), 레이돔(300)을 포함한다.

맨홀 커버(100)는 지표면의 맨홀에 설치되며, 맨홀의 상부 개방 구멍을 덮거나, 개방 가능하도록, 맨홀의 상부 개방 구멍 테두리의 단턱에 배치될 수 있다.

또한 앞서 설명한 본체(200a)는 짧은 모노폴 형태로서　지표면과 주방사 방향이 작은 안테나 성능을 발휘한다.

본체(200a)는 맨홀 커버(100)의 상면의 홈(110)에 장착 또는 설치되고, 맨홀 커버(100)로부터 떨어져 있는 미 도시된 게이트웨이와 무선 통신하도록, 전기적 신호를 전자기파로 변환시키는 역할을 담당한다.

레이돔(300)은 일종의 플라스틱 덮개일 수 있다. 레이돔(300)은 본체(200)를 덮도록 상기 홈(110)에 끼워지거나, 또는 채워지거나, 별도의 미 도시된 링형상의 고정구에 의해서 홈(110)에 고정될 수 있고, 이때 맨홀 커버(100)의 상면과 동일한 레벨 또는 매우 유사한 레벨을 유지할 수 있다. 즉, 안테나의 역할을 하는 본체(200a)는 레이돔(300)으로 덮여 있다.

레이돔(300)은 비금속 물질의 견고한 유전체로 이루어질 수 있다. 여기서 유전체는 공기의 유전율보다 높은 유전율을 갖는 부도체로서, 유전율이 높을수록 RF(Radio Frequency) 신호에 대한 분극이 잘 일어나는 특성이 있으며, 이와 같은 유전체의 재질로는 폴리카보네이트, 아크릴, 세라믹, PWB(Printed Writing Board) 또는 테프론이 사용될 수 있다.

본 실시예에 따른 본체(200a)의 개방 λ/4-전송선로 스터브(920)는 맨홀 커버(100)에만 적용되는 것이 아니라, 일반적이고도 다양한 형태의 안테나에 적용될 수 있으므로, 반드시 맨홀 커버(100)에 내장되는 것으로 한정되지 않을 수 있다.

이하에서는 응용예에 따른 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법을 설명하고자 한다.

도 5는 본 발명의 응용예에 따른 병렬 λ/4-전송선로 스터브를 이용한 안테나의 임피던스 대역폭 개선 방법을 나타낸 회로도이고, 도 6은 도 5에 도시된 회로도에 적용 가능한 서로 다른 길이와 특성 어드미턴스를 가지고 있고, 2가지 전송선의 직렬 연결로 구성되어 있는 개방 λ/4-전송선로 스터브의 회로도이고, 도 7a는 본 발명의 응용예에 따른 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법으로 제작된 하부 판(예: 안테나의 급전부분)에 양의 정수(n)=2인 개방 λ/4-전송선로 스터브를 병렬로 장착한 사시도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 본체의 임피던스 정합 특성을 도시한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 안테나인 본체(202)의 등가 어드미턴스(Ya)는 공진 주파수(f0) 주변에서 아래의 수학식 8과 같이 표현할 수 있다.

여기서 Ra,0는 공진하는 안테나 임피던스의 저항 성분이고, Q는 안테나의 품질계수(quality factor)이다. Q가 높을수록 안테나의 대역폭은 작아진다.

도 5에서 안테나인 본체(202)에 병렬로 연결된 병렬 λ/4-전송선로 스터브(930)는 단락(short) 스터브 또는 개방(open) 스터브일 수 있다.

여기서, λ/4-전송선로 스터브(930)는 일단이 개방된 병렬 스터브로서 λ/4의 짝수배의 길이를 가지거나, 또는 일단이 단락된 병렬 스터브로서 λ/4의 홀수배의 길이를 가지는 것을 특징으로 한다.

즉, 병렬 λ/4-전송선로 스터브(930)의 어드미턴스는 그 길이(L)가 0.25(2n-1)λ0 또는 0.5nλ0일 때, 공진주파수(f0) 주변에서 아래의 수학식 9와 같이 표현할 수 있다. 여기서 n은 양의 정수이고, λ0는 공진파장이다. n이 커질수록 스터브의 길이는 길어진다.

상기 수학식 9를 살펴보면 f=f0에서 Ys=0이 되며, k1은 f=f0에서 v의 변화에 대한 Ys변화의 기울기이다.

예를 들어, L=0.25(2n-1)λ0의 길이를 가진 단락 스터브의 경우 그 입력 어드미턴스(

)는 아래의 수학식 10과 같다.

여기서 Ys0는 λ/4-전송선로 스터브를 구성하는 전송선(transmission line)의 특성 어드미턴스(characteristic admitance)이고,

로서 양의 기울기 값을 가진다.

한편 L=0.5nλ0의 길이를 가진 개방 λ/4-전송선로 스터브의 경우 그 입력 어드미턴스(

)는 아래의 수학식 11과 같다.

여기서

로서 양의 기울기 값을 가진다.

직렬 공진 안테나인 응용예에 따른 본체(202)와 병렬 λ/4-전송선로 스터브의 합성 어드미턴스(Yt)는 아래의 수학식 12와 같다.

여기서,

로서 전체 안테나 어드미턴스의 품질계수이다.

앞서 기술한 바와 같이 k2는 양의 값을 가지므로 Q'<Q이다. 따라서 전체 안테나의 임피던스 대역폭은 증가한다. 대역폭의 증가율(bandwidth enlargement factor)을 F라고 할 때, F는 아래의 수학식 13과 같이 주어진다.

상기 수학식 13을 살펴보면, k2가 클수록 대역폭의 증가율이 커진다. 상기 수학식 10과 11를 살펴보면, λ/4-전송선로 스터브의 특성 어드미턴스 Ys0가 클수록, n이 큰 값을 가질수록(즉, 스터브의 길이가 길수록) k2가 증가하고, 이에 따라 대역폭 증가율은 커진다.

한편, Ys0는 λ/4-전송선로 스터브를 구성하는 전송선의 특성 어드미턴스이다. 그런데 λ/4-전송선로 스터브의 전체 길이(L)에 대하여 반드시 균일한 특성 어드미턴스를 가질 필요는 없다. 예를 들어 도 6은 n-2인 개방 λ/4-전송선로 스터브(930a)의 일례를 보여준다. 여기서,

이며, 서로 다른 길이(L1, L2)와 특성 어드미턴스(

,

)를 가지는 2가지 전송선(931, 932)의 직렬 연결로 구성되어 있다. 이때 상기 수학식 10과 11의 Ys0는 서로 다른 길이(L1, L2)와 특성 어드미턴스(

,

)의 함수로서 등가적으로 계산될 수 있으며, 제한된 설계 공간에서 Ys0를 크게 하기 위한 다양한 형태의 최적화된 조합이 도출될 수 있다. 아울러 직렬 연결된 전송선(931, 932)의 개수를 증가시키거나 전송선(931, 932)의 특성 어드미턴스(

,

)를 연속적으로 변화시키는 등과 같이, 이 분야의 기술자들이 생각할 수 있는 다양한 방법으로 병렬 λ/4-전송선로 스터브(930a)를 설계할 수 있다.

만일, 도 7a는 본 발명의 응용예에 따른 본체(200b)를 개시하고 있다.

도 7a의 본체(200b)도 앞서 도 4c를 통해 설명한 유전체 재질의 레이돔(300)과 함께 맨홀 커버(100)의 내부에 탑재될 수 있다.

또한, 본체(200b)도 920 MHz에서 공진하는 디스크-로디드 모노폴(disk-loaded monopole) 안테나일 수 있다. 만일 하기에 설명할 병렬 구조의 개방 λ/4-전송선로 스터브(940, 941)를 장착하지 않은 경우, 임피던스 정합 특성상, 입력반사 계수 -10dB를 기준으로 일반적인 임피던스 대역폭은 약 18 ~ 19 MHz일 수 있다.

이러한 일반적인 임피던스 대여폭에 비교될 수 있는 도 7a의 본체(200b)는 급전부분인 하부 판(210)의 급전점(221a)에 n=2인 개방 λ/4-전송선로 스터브(940, 941)를 병렬로 장착한 예이다.

즉, 본체(200b)에서는 동일한 구조를 가진 2개의 개방 λ/4-전송선로 스터브(940, 941)를 병렬로 장착하여

가 되도록 함으로써 대역폭을 더욱 개선하였다.

여기서, 개방 λ/4-전송선로 스터브(940, 941)는 급전점(221a)을 기준으로 각각 서로 대향 배치되도록 본체(200b)의 직경 방향을 따라 연장된 직선 구조의 제 1 전송선(942)과, 상기 제 1 전송선(942)의 각각의 끝단에서 본체(200b)의 원주 방향을 따라 연장된 호형 구조의 제 2 전송선(943)과, 제 2 전송선(943)의 끝단에서 상기 원주 방향을 따라 형성된 미앤더 스트립 구조(meander strip structure)의 제 3 전송선(944)을 포함할 수 있다.

즉, 응용예에 다른 개방 λ/4-전송선로 스터브(940, 941)는 병렬 스터브로서 2가지의 서로 다른 특성 어드미턴스를 가진 스터브용 전송선들의 직렬 연결로 구성되어 있다.

도 7b는 도 7a의 본체(200b)의 임피던스 정합 특성을 보여 준다.

예컨대, -10dB 입력반사 계수를 기준으로 임피던스 대역폭은 약 46 MHz로서, 본 응용예에 따른 병렬 구조의 개방 λ/4-전송선로 스터브를 장착하지 않은 경우에 비하여, 2배 가까이 증가한 대역폭을 가진다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 앞서 언급한 급전점 등과 같은 급전부분에 직렬 또는 병렬로 λ/4-전송선로 스터브를 결합하여 안테나 임피던스의 품질계수(quality factor)를 감소시키고 대역폭을 개선시킬 수 있고, 다이폴안테나와 패치안테나를 포함한 다양한 구조의 안테나에 널리 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 λ/4-전송선로 스터브는 공진주파수에서의 안테나 임피던스에는 거의 영향을 주지 않으며, 공진주파수 주변에서 주파수의 변화에 따른 안테나 임피던스 변화의 기울기, 즉 안테나 임피던스의 품질계수(Q)를 완만하게 함으로써, 광대역 효과를 얻는다. 따라서, 기존의 RF회로에서 임피던스 정합을 위해 사용되는 임의의 길이를 가지는 일반적인 스터브와는 그 역할이 다르다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 맨홀 커버 110 : 홈
120 : 케이블 홀 200a, 200b : 본체
210 : 하부 판 220 : 금속 폴
221, 221a : 급전점 230 : 상부 판
240 : 단락 스트립 300 : 레이돔
400 : 커넥터 920, 930, 930a, 940, 941 : λ/4-전송선로 스터브

Claims (8)

1. 안테나 역할을 수행하는 본체의 대역폭 개선 방법에 있어서,
   상기 본체의 안테나 신호 입출력 지점인 급전점에 직렬 또는 병렬로 λ/4-전송선로 스터브를 결합하고, 안테나에 범용적으로 적용할 수 있는 것으로,
   상기 λ/4-전송선로 스터브는,
   λ/4-전송선로 길이의 홀수배의 길이를 갖는 개방 스터부로써 상기 급전점에 연결되거나, λ/4-전송선로 길이의 짝수배의 길이를 갖는 단락 스터브로써 상기 급전점에 연결되는 것인 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 λ/4-전송선로 스터브는,
   상기 본체를 포함한 안테나의 임피던스 대역폭을 증가시키고, 상기 본체에 대한 안테나 임피던스 또는 안테나 어디미턴스의 품질계수(quality factor)를 작게 하도록, 서로 다른 길이에 대응한 특성 임피던스를 가지고 있는 복수개의 전송선을 직렬 연결로 상호 접속시키는 것
   인 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 λ/4-전송선로 스터브는,
   상기 안테나 임피던스 또는 안테나 어디미턴스의 품질계수를 작게 하도록, 상기 직렬 연결된 전송선의 개수를 증가시키는 것
   인 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 λ/4-전송선로 스터브는,
   상기 안테나 임피던스 또는 안테나 어디미턴스의 품질계수를 작게 하도록, 상기 직렬 연결된 전송선의 길이를 크게 또는 작게 조절하여 특성 임피던스를 연속적으로 변화시키는 것
   인 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 λ/4-전송선로 스터브는,
   상기 급전점에 직렬로 결합된 직렬 λ/4-전송선로 스터브로서, 상기 직렬 λ/4-전송선로 스터브의 양단 사이의 중간에 위치한 스터브가 양단에 위치한 다른 스터브에 비하여 상대적으로 넓은 스트립 폭을 가지고 있는 것
   인 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 λ/4-전송선로 스터브는,
   상기 급전점에 병렬로 결합된 개방 λ/4-전송선로 스터브로서,
   상기 급전점을 기준으로 각각 서로 대향 배치되도록 상기 본체의 직경 방향을 따라 연장된 직선 구조의 제 1 전송선과,
   상기 제 1 전송선의 각각의 끝단에서 상기 본체의 원주 방향을 따라 연장된 호형 구조의 제 2 전송선, 및
   상기 제 2 전송선의 끝단에서 상기 원주 방향을 따라 형성된 미앤더 스트립 구조(meander strip structure)의 제 3 전송선을 포함하여 구성하는 것
   인 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 λ/4-전송선로 스터브는,
   일단이 개방된 직렬 스터브로서 λ/4의 홀수배의 길이를 가지거나, 또는 일단이 단락된 직렬 스터브로서 λ/4의 짝수배의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 것
   인 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 λ/4-전송선로 스터브는,
   일단이 개방된 병렬 스터브로서 λ/4의 짝수배의 길이를 가지거나, 또는 일단이 단락된 병렬 스터브로서 λ/4의 홀수배의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 것
   인 λ/4-전송선로 스터브를 활용한 안테나의 대역폭 개선 방법.
   

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