KR102168788B1 - 헤리컬 패턴과 ifa패턴을 결합한 열차용 vhf 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헤리컬 안테나 구조와 IFA 구조를 결합하여 VHF 안테나 크기를 보다 소형화하면서 VHF 대역에서의 이득 특성을 만족시킬 수 있도록 해 주는 안테나 패턴에 관한 것이다.
본 발명에 따른 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나는, 기판과, 기판의 상측 전면과 후면에 공진주파수를 VHF 대역으로 이동시키기 위한 헤리컬 방사부와, 기판의 전면에 형성된 헤리컬 방사부의 하측에서 헤리컬 방사부와 연결되어 VHF 대역 주파수의 안테나 이득을 증폭시키는 IFA 방사부가 패턴 형성되는 안테나 패턴부를 포함하여 구성되고, 상기 헤리컬 방사부는 기판을 사이에 두고 형성되는 다수의 헤리컬 패턴과, 다수의 헤리컬 패턴을 전기적으로 연결시키기 위해 기판을 관통하는 복수의 비아홀로 이루어지되, 다수 헤리컬 패턴의 전체 길이는 상기 IFA 방사부 패턴에 의해 공진주파수가 하향 천이되는 것을 고려하여 VHF 주파수보다 높은 주파수에서 공진하는 길이로 설정되며, 상기 IFA 방사부는 헤리컬 방사부와 기판의 테두리측에서 기판의 중심부분까지 수평하게 연장되는 제1 연장부와, 헤리컬 방사부와 연결되는 기판의 테두리측으로부터 기판의 하단방향으로 기판의 테두리를 따라 연장되는 제2 연장부, 상기 제1 연장부의 하단에서 기판의 하측으로 일정 길이 절곡되면서 급전과 연결되는 절곡부 및, 상기 제2 연장부의 하단에서 기판의 중앙측으로 돌출되면서 그 끝단이 접지와 연결되는 일정 면적의 확장부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나 {VHF ANTENNA COMBINED HELICAL PATTERN AND IFA PATTERN}

본 발명은 헤리컬 안테나 패턴과와 IFA 패턴을 결합하여 VHF 안테나 크기를 보다 소형화하면서 VHF 대역에서의 이득 특성을 만족시킬 수 있도록 해 주는 안테나 패턴에 관한 것이다.

일반적으로 고속으로 이동하는 자동차나 열차등과 같은 차량의 외부에 장착되는 안테나 장치는 공기저항 등을 고려하여 샤크핀이나 돔형의 유선형을 가지면서 안테나 장치의 크기를 작게 형성하도록 요구된다.

특히, VHF(very high frequency) 안테나는 대략 30㎒에서 300㎒의 무선 주파수 범위의 신호를 송수신하기 위한 안테나로서, 아날로그 텔레비전, FM라디오, 지상파DMB, 무전기 전송에 이용되며, 차량용 안테나장치에는 필수적으로 장착되는 안테나 중 하나이다.

이와 같이 VHF 안테나는 저주파수대역에서 동작하는 것으로, 한 파장이 약 2m로 길기 때문에 안테나 구현시 일정 이상의 방사 길이를 요구한다.

이에, 차량의 샤크안테나나 폴안테나의 경우 낮은 주파수 대역의 안테나는 소형으로 구현이 가능한 헤리컬 안테나가 주로 사용되고 있다.

그러나, 차량 특히, 큰 접지를 갖는 열차에 사용함에 있어서는 헤리컬 안테나의 방사체 면적이 작아 이득이 낮고 VSWR 특성도 좋지 않기 때문에, 헤리컬 안테나만으로 설계하여 안테나를 구현하기에는 무리가 있다.

즉, 열차용 안테나장치와 같이 제한된 공간내에 VHF 안테나가 구비되어야 하는 경우, 헤리컬 단일 구조로 구현하게 되면 일정 크기내에서 안테나 전체 길이가 일정 길이 이상으로 길게 설계되어야 하므로 상대적으로 피치 간격이 좁아지게 되고, 이로 인해 Q(quality factor)값이 상승하여 결과적으로 해당 저주파수대역의 밴드폭이 좁아지는 문제가 발생된다.

이에, 열차용 안테나장치에도 적용할 수 있는 VHF 안테나로서, VHF 안테나의 크기를 보다 작게 설계할 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.

1. 한국공개특허 제10-2019-00055277호 (발명의 명칭 : 차량, 드론, 항공기 및 위성 탑재용 최소공기저항과 저피탐지 기능을 갖는 메타재질구조의 저자세 VHF 및UHF 광대역 안테나) 2. 한국공개특허 제10-2006-0070516호 (발명의 명칭 : 초단파 및 극초단파 대역용 프린트패턴 루프 안테나)

이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 헤리컬 안테나 패턴과 IFA 패턴을 결합하여 VHF 안테나 크기를 보다 소형화하면서 VHF 대역에서의 이득 특성을 만족시킬 수 있도록 해 주는 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나를 제공함에 그 기술적 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 기판과, 상기 기판의 상측 전면과 후면에 공진주파수를 VHF(very high frequency) 대역으로 이동시키기 위한 헤리컬 방사부와, 기판의 전면에 형성된 헤리컬 방사부의 하측에서 헤리컬 방사부와 연결되어 공진 주파수의 이동 및 안테나 이득을 증폭시키는 IFA(Inverted F Antenna) 방사부가 패턴 형성되는 안테나 패턴부를 포함하여 구성되고, 상기 헤리컬 방사부는 기판을 사이에 두고 형성되는 다수의 헤리컬 패턴과, 다수의 헤리컬 패턴을 전기적으로 연결시키기 위해 기판을 관통하는 복수의 비아홀로 이루어지되, 다수 헤리컬 패턴의 전체 길이는 상기 IFA 방사부 패턴에 의해 공진주파수가 하향 천이되는 것을 고려하여 VHF 주파수보다 높은 주파수에서 공진하는 길이로 설정됨과 더불어, 헤리컬 패턴의 두께는 1mm 이상으로 설정되고, 헤리컬 패턴간 간격은 1mm 이상으로 설정되도록 구성되며, 상기 IFA 방사부는 헤리컬 방사부와 기판의 테두리측에서 기판의 중심부분까지 수평하게 연장되는 제1 연장부와, 헤리컬 방사부와 연결되는 기판의 테두리측으로부터 기판의 하단방향으로 기판의 테두리를 따라 연장되는 제2 연장부, 상기 제1 연장부의 하단에서 기판의 하측으로 일정 길이 절곡되면서 급전과 연결되는 절곡부 및, 상기 제2 연장부의 하단에서 기판의 중앙측으로 돌출되면서 그 하단이 접지와 연결되는 일정 면적의 확장부를 포함하여 구성되고, IFA 방사부 패턴의 전체 면적은 VHF 주파수의 이득에 대응되게 설정되는 것을 특징으로 하는 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나가 제공된다.

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또한, 상기 기판의 후면에는 기판과 평행하게 배치되어 커플링 결합을 통해 캐패시터값을 형성하는 일정 면적 이상의 도체판이 추가로 배치되어 구성되고, 상기 다수 헤리컬 패턴의 전체 길이는 도체판과의 캐패시터값에 의해 공진주파수가 하향 천이되는 것을 고려하여 보다 높은 주파수에서 공진하는 길이로 설정되는 것을 특징으로 하는 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 VHF 대역용 안테나가 제공된다.

또한, 상기 도체판은 기판의 후면으로부터 VHF 중심주파수 기준 λ/16 이내 거리 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 VHF 대역용 안테나가 제공된다.

본 발명에 의하면, 헤리컬 안테나 구조와 IFA 구조를 융합하여 30MHz ~ 300MHz, 보다 상세하게는 150MHz ~154 MHz에서 공진하는 VHF 안테나 패턴을 구현하되, 헤리컬 패턴의 하단에 형성된 IFA 패턴의 면적을 통해 하향 천이되는 공진주파수를 고려하여 헤리컬 패턴을 보다 상향 천이된 주파수에서 공진하도록 설계함으로써, VHF 안테나의 크기를 보다 작게 구성하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면, 헤리컬 방사패턴간의 간격을 일정 이상 유지하는 것이 가능하여 Q값을 일정 이하로 유지되어 대역폭을 보다 넓게 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 헤리컬 방사패턴을 일정 두께 이상으로 설정할 수 있어 VHF 안테나 이득을 확보할 수 있음은 물론, 패턴 하단에 형성된 IFA 패턴의 면적을 통해 이득을 추가적으로 설정하는 것이 가능하여 VHF 안테나의 이득특성을 목적하는 레벨에 맞게 충분히 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 VHF 안테나의 후면측에 반사판을 추가로 구비하여 VHF 안테나와 반사판간의 커플링 결합을 통해 헤리컬 패턴 길이를 보다 짧게 설정하는 것이 가능하도록 설계함으로써, 저주파수대역에서 동작하는 안테나 크기를 보다 소형화할 수 있다.

이에 따라 본 발명은 열차용 안테나장치에도 적용할 수 있는 보다 작은 크기의 VHF 안테나를 제공하는 것이 가능하다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나의 구성을 설명하기 위한 도면.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나의 구성을 설명하기 위한 도면.

본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도1을 참조하면, 본 발명에 따른 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나(100)는, 30MHz ~ 300MHz, 예컨대 150MHz ~154 MHz 주파수대역 신호를 송수신하기 위한 안테나로서, 대략 반타원 형상의 기판(101)상에 VHF 대역에서 공진하는 VHF 안테나 패턴이 형성되어 구성된다.

기판(101)상에 형성되는 VHF 안테나 패턴은 헤리컬 방사부(110)와, IFA(Inverted F Antenna) 방사부(120) 기능을 수행하는 패턴으로 구성되며, 헤리컬 방사부(110)와, IFA(Inverted F Antenna) 방사부(120)를 구성하는 패턴들은 모두 전도성 물질로 이루어진다.

헤리컬 방사부(110)는 기판(101)의 상측에 배치되어 공진주파수를 이동시키는 기능을 수행하고, IFA 방사부(120)는 헤리컬 방사부(110)의 하단측에서 헤리컬 방사부(110)와 연결되어 공진주파수의 이동과 이득 및 안테나의 급전 입력손실 즉, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 특성을 향상시키는 기능을 수행한다.

즉, 본 발명에서는 헤리컬 안테나(110)를 통해서는 기본적으로 공진주파수를 VHF 대역으로 설정하는 기능을 수행하도록 하고, 그 하단에 추가로 IFA 안테나(120)를 구현하여 헤리컬 안테나(110)를 통해 설정된 VHF 대역의 공진주파수를 만족시키고 안테나의 이득 또한 극대화하는 기능을 수행하도록 한 것이다.

이러한 헤리컬 방사부(110)는 기판(101)을 사이에 두고 형성되는 전도성을 갖는 다수의 헤리컬 패턴(111)과, 다수의 헤리컬 패턴(111)을 전기적으로 연결시키기 위해 기판(101)을 관통하는 복수의 비아홀(112)로 이루어진다.

즉, 헤리컬 방사부(110)는 기판(101)의 전면과 후면에 형성되되, 헤리컬 패턴(111) 일정 간격을 가지면서 비아홀(112)에 의해 전면과 후면이 전기적으로 연결되는 형태로 구성된다.

보다 상세히 설명하면, 기판(101)의 후면에 형성되는 헤리컬 패턴(111)은 사선 형태로 형성되고, 기판(101)의 전면에 형성되는 헤리컬 패턴(111)은 수평형태로 형성됨으로써, 비아홀(112)을 통해 다수의 헤리컬 패턴(111)이 연속적으로 순차 연결되는 형태가 된다.

여기서, 다수의 헤리컬 패턴(111)으로 이루어지는 헤리컬 방사부(110)의 전체 길이는 목적하는 VHF 주파수 대역 보다 높은 공진주파수를 갖도록 설정되되, 본 발명에서는 헤리컬 패턴(111)의 두께(T) 및 헤리컬 패턴간 간격(P)이 일정 이상으로 설정하도록 구성된다.

바람직하게는 기판(101)의 높이(H)가 20cm 이하인 조건에서, 기판(10)의 일면에 형성되는 헤리컬 패턴(111)의 개수가 10개 미만이 되도록 설정하되, 헤리컬 패턴(111)의 두께(T)를 1mm 이상으로 설정하고, 헤리컬 패턴간 간격(P)은 1mm 이상으로 설정할 수 있다.

본 발명에서는 이와 같이 헤리컬 패턴(111)의 두께(T)를 일정 이상으로 넓게 형성함으로써, 안테나 이득을 보다 높이는 효과를 제공할 수 있고, 헤리컬 패턴간 간격(P)을 일정 이상으로 넓게 설정함으로써, 공진주파수의 Q값을 일정 이하로 확보할 수 있다.

또한, 상기 헤리컬 패턴(111)의 전체 길이는 IFA 방사부(120)에서의 공진주파수 이동범위를 고려하여 목적하는 VHF 대역의 중심주파수보다 높은 주파수에서 공진되도록 설정된다. 예컨대, 목적하는 VHF 대역이 150M~155MHz이고, IFA 방사부(120)에서 공진주파수의 이동범위가 "10MHz" 인 경우, 헤리컬 패턴(111)의 전체 길이는 160M~164MHz 대역의 중심주파수인 162.5 MHz에서 공진되는 길이로 설정된다.

즉, 헤리컬 패턴(111)의 전체 길이는 IAF 방사부(120)에 의해 하향 천이되는 공진주파수에 대응되도록 VHF 주파수 대역의 중심주파수보다 높은 주파수에서 공진하는 길이로 설정되는 바, 본 발명에서는 VHF 주파수 대역 설정을 위한 헤리컬 패턴(111)의 전체 길이를 보다 짧게 설정할 수 있음은 물론, 헤리컬 패턴간 간격도 보다 넓게 설정하는 것이 가능하다.

한편, 도1에서 IFA 방사부(120)는 기판(101)의 전면에만 패턴형성되는 것으로, 기판(101)의 중앙부분을 기준으로 일측면에 형성되되, 헤리컬 방사부(110)와 연결되는 기판(101)의 테두리측으로부터 기판(101)의 중심부분까지 수평하게 연장되는 제1 연장부(121)와, 헤리컬 방사부(110)와 연결되는 기판(101)의 테두리측으로부터 기판(101)의 하단방향으로 기판(101)의 테두리를 따라 연장되는 제2 연장부(122)를 포함하여 구성된다. 이때, 제1 연장부(111)는 기판(101)의 중심부에서 테두리측으로 갈수록 넓은 면적을 갖도록 구성된다.

그리고, 상기 제1 연장부(111)은 기판(101) 중심부분에서 일정 길이 절곡되는 절곡부(113)를 형성하고, 절곡부(113)는 급전(V)과 연결된다.

또한, 상기 제2 연장부(112)는 그 하단부분에 일정 면적을 갖도록 기판(011)의 중앙측으로 돌출되는 확장부(114)를 갖도록 구성되고, 확장부(114)의 하단은 접지(G)와 연결된다.

그리고, 상기 제1 및 제2 연장부(111,112), 절곡부(113) 및 확장부(114)로 이루어지는 IFA 방사부(110) 패턴의 전체 면적은 VHF 안테나(100)의 이득과 공진주파수 대역 맞춤 및 VSWR 특성 중 적어도 하나 이상에 대응되도록 적절하게 설정된다. 예컨대, IFA 방사부(110) 패턴의 전체 면적은 VHF 안테나(100)의 이득이 목적하는 이득특성을 갖도록 설정될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 도2에 도시된 바와 같이, 상기 기판(101)의 후면측에는 해당 기판(101)과 일정 거리 이격는 위치에 일정 면적을 갖는 도체판(200)을 추가로 배치하여 구성될 수 있다.

이때, 도체판(200)은 안테나 패턴이 형성되는 기판(101)의 후면에 기판(101)과 평행하게 배치되되, 기판(101)의 후면으로부터 VHF 주파수 기준 λ/16 이내 거리로 이격되는 위치에 배치되어 기판(101)과 커플링 결합을 이루면서 안테나 패턴에 의해 후방으로 방출되는 VHF 주파수를 기판(101)측으로 반사시키는 기능을 수행할 수 있다.

이와 같은 구조에서 상기 헤리컬 패턴(111)의 전체 길이는 헤리컬 방사부(110)와 도체판(200) 사이의 커플링 결합에 의해 생성되는 캐패시터(C)값에 의해 공진주파수가 추가적으로 하향 천이되는 것을 고려하여 VHF 주파수대역의 중심주파수보다 높은 주파수에서 공진되도록 설정된다.

이는 헤리컬 패턴(111)을 이용하여 공진주파수를 증가시키는 경우, 안테나 전체의 캐패시터(C)값이 보다 증가하여 입력손실 특성을 저하시키고, Q값을 증가시키는 원인으로 작용할 수 있으나, 안테나 패턴이 형성된 기판(101)과 도체판(200)을 병렬구조로 설계하여 이에 의해 발생되는 캐패시터(C)값에 의해 공진주파수를 하향 천이시킴으로써, 입력손실 특성을 저하시키거나 Q값을 증가시키지 않고서도 공진주파수의 하향 천이가 가능하다.

즉, 도2의 구조에서 상기 헤리컬 패턴(111)의 전체 길이는 IFA 방사부(120)에 의해 1차적으로 하향 천이되는 공진주파수와, 2차적으로 도체판(200) 사이에 형성된 캐패시터(C)값에 의해 2차적으로 하향 천이되는 공진주파수를 고려하여 이들 하향 천이되는 공진주파수 범위만큼 VHF 대역의 중심주파수에서 상향 천이된 공진주파수에 대응되게 설정된다.

이에 따라 본 발명에서는 VHF 주파수대역 설정을 위한 헤리컬 패턴(112a)의 전체 길이를 보다 짧게, 그리고 패턴 간격을 보다 넓게 설정하는 것이 가능하다.

100 : VHF 안테나, 101 : 기판,
110 : 헤리컬 방사부, 111 : 헤리컬 패턴,
112 : 비아홀, 120 : IFA 방사부,
121, 122 : 연장부, 123 : 절곡부,
124 : 확장부, 200 : 도체판,
V : 급전, G : 접지,
C : 캐패시터.

Claims (5)

1. 기판과,
   상기 기판의 상측 전면과 후면에 공진주파수를 VHF(very high frequency) 대역으로 이동시키기 위한 헤리컬 방사부와, 기판의 전면에 형성된 헤리컬 방사부의 하측에서 헤리컬 방사부와 연결되어 공진 주파수의 이동 및 안테나 이득을 증폭시키는 IFA(Inverted F Antenna) 방사부가 패턴 형성되는 안테나 패턴부를 포함하여 구성되고,
   상기 헤리컬 방사부는 기판을 사이에 두고 형성되는 다수의 헤리컬 패턴과, 다수의 헤리컬 패턴을 전기적으로 연결시키기 위해 기판을 관통하는 복수의 비아홀로 이루어지되, 다수 헤리컬 패턴의 전체 길이는 상기 IFA 방사부 패턴에 의해 공진주파수가 하향 천이되는 것을 고려하여 VHF 주파수보다 높은 주파수에서 공진하는 길이로 설정됨과 더불어, 헤리컬 패턴의 두께는 1mm 이상으로 설정되고, 헤리컬 패턴간 간격은 1mm 이상으로 설정되도록 구성되며,
   상기 IFA 방사부는 헤리컬 방사부와 기판의 테두리측에서 기판의 중심부분까지 수평하게 연장되는 제1 연장부와, 헤리컬 방사부와 연결되는 기판의 테두리측으로부터 기판의 하단방향으로 기판의 테두리를 따라 연장되는 제2 연장부, 상기 제1 연장부의 하단에서 기판의 하측으로 일정 길이 절곡되면서 급전과 연결되는 절곡부 및, 상기 제2 연장부의 하단에서 기판의 중앙측으로 돌출되면서 그 하단이 접지와 연결되는 일정 면적의 확장부를 포함하여 구성되고, IFA 방사부 패턴의 전체 면적은 VHF 주파수의 이득에 대응되게 설정되는 것을 특징으로 하는 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 기판의 후면에는 기판과 평행하게 배치되어 커플링 결합을 통해 캐패시터값을 형성하는 일정 면적 이상의 도체판이 추가로 배치되어 구성되고,
   상기 다수 헤리컬 패턴의 전체 길이는 도체판과의 캐패시터값에 의해 공진주파수가 하향 천이되는 것을 고려하여 보다 높은 주파수에서 공진하는 길이로 설정되는 것을 특징으로 하는 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 도체판은 기판의 후면으로부터 VHF 중심주파수 기준 λ/16 이내 거리 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 헤리컬 패턴과 IFA패턴을 결합한 열차용 VHF 안테나.

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