KR102273252B1 - 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역 F 구조의 안테나를 폴디드 구조로 변형하여 저주파수 대역의 사용이 가능하고, 주차장 바닥 블럭 내 장착이 가능하도록 저자세를 유지하면서 제한된 크기의 RF 시스템 모듈에 실장할 수 있는 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나는 PCB 기판 상에 형성되는 접지면과, 상기 PCB 기판으로부터 공급되는 무선 주파수 신호를 방사하는 방사소자를 포함할 수 있다. 또한, 상기 PCB 기판과 방사소자 간의 신호를 송수신하는 급전선로와, 안테나의 공진 주파수 임피던스 매칭(Impedance matching)을 위해 상기 접지면과 방사소자를 단락시키는 임피던스 단락 스터브를 포함할 수 있다. 이때, 상기 방사소자는 PCB 기판으로부터 소정거리 이격되어 수평 방향으로 배치되고, 'ㄷ'자 형상의 폴디드(Folded)한 구조로 형성된다. 또한, 상기 방사소자와 급전선로 및 임피던스 단락 스터브는 폴디드(Folded)한 구조의 역 F 안테나 형상으로 구성된다.

Description

주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나{Intelligent sensor mounted antenna for parking management}
본 발명은 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나에 관한 것으로서, 역 F 구조의 안테나를 폴디드 구조로 변형하여 저주파수 대역의 사용이 가능하고, 주차장 바닥 블럭 내 장착이 가능하도록 저자세를 유지하면서 제한된 크기의 RF 시스템 모듈에 실장할 수 있는 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나에 관한 것이다.
최근 들어 건물 내 주차 관리를 위해 RF 시스템이 적극적으로 활용되고 있다. 주차장 관리에 사용되는 무선 센서 네트워크(Wireless sensor network)의 경우 대부분 AMR(Anisotropic magneto-resistive) 센서(sensor)를 이용하여 차량이 들어오게 되면 지구 자기장의 변화를 감지하고 이를 신호 처리한 후 안테나를 통하여 무선으로 차량 유무에 대한 정보를 중계기 및 기지국(Base station)으로 전달하는 방법을 사용한다.
이러한 시스템은 환경의 변화에 덜 민감하다는 장점이 있으나 시스템 개발시 움직임을 감지하는 AMR 센서뿐만 아니라 신호를 중계기로 전달하기 위한 안테나도 필요하기 때문에 두 개의 안테나를 설치해야 하는 단점이 있다.
따라서, 보도 블럭에 장착되는 시스템은 AMR 센서 대신에 크기가 상대적으로 작은 광센서를 이용하여 차량 유무를 감지하고, 이 신호를 전기적 신호로 변환시켜 안테나로 전송시키는 RF 시스템이 바람직하다.
이러한 지능형 주차 검지 신호의 전송에 사용되는 안테나는 공진 주파수가 고주파수 대역일 경우에는 파장이 짧아 소형으로 제작됨으로써 중계기 및 주차장 바닥 설치에 용이하나, 짧은 파장으로 회절 특성이 좋지 못하다는 단점이 있다.
반면에, 공진 주파수가 저주파 대역일 경우에는 파장이 길어 회절 특성은 좋으나 안테나의 크기가 커지기 때문에 주차장 바닥 블럭 내 장착에 어려움이 있다. 따라서 스마트 주차관리시스템을 설계하기 위해 회절특성이 좋게 사용 주파수대를 낮추면서 주차장 바닥 블럭 내 장착이 가능하도록 안테나의 소형화가 요구된다.
이러한 낮은 주파수 대역에 사용되는 대표적인 안테나로는 헬리컬 구조의 안테나와 블레이드 안테나 등이 있다. 하지만, 상기 헬리컬 안테나의 경우 모노폴 안테나를 소형화시킨 구조로 진행파 안테나이기 때문에 넓은 대역폭으로 인해 주차 검지센서에 장착시 불필요한 전력소모가 발생한다.
또한, 상기 블레이드 구조의 안테나는 실외, 비행체 등에서 사용되는 안테나로 복잡한 구조와 제한된 모노폴 크기로 모듈에 실장하기 어려운 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1634824호(2016년 06월 29일 공고)
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 단점을 해결한 것으로서, 스마트 주차관리시스템을 설계하기 위해 회절 특성이 좋게 사용 주파수대를 낮추면서 주차장 바닥 블럭 내 장착이 용이하도록 저자세를 유지하고, 제한된 크기의 RF 시스템 모듈에 실장할 수 있도록 소형화된 안테나를 설계하는데 그 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나는 PCB 기판, 접지면, 방사소자, 급전선로 및 임피던스 단락 스터브를 포함할 수 있다.
상기 접지면은 PCB 기판 상에 형성된다. 상기 방사소자는 PCB 기판으로부터 공급되는 무선 주파수 신호를 방사하고, 안테나에 전송되는 신호를 수신할 수 있다. 또한, 상기 방사소자는 PCB 기판으로부터 소정거리 이격되어 수평 방향으로 배치되고, 'ㄷ'자 형상의 폴디드(Folded)한 구조로 형성된다.
또한, 상기 급전선로는 일단이 방사소자에 연결되고, 타단이 PCB 기판에 연결되어 PCB 기판과 방사소자 간의 신호를 송수신한다. 또한, 상기 임피던스 단락 스터브는 안테나의 공진 주파수 임피던스 매칭(Impedance matching)을 위해 상기 접지면과 방사소자를 단락시킨다.
이때, 상기 방사소자와 급전선로 및 임피던스 단락 스터브는 폴디드(Folded)한 구조의 역 F 안테나 형상으로 구성된다. 또한, 상기 임피던스 단락 스터브와 급전선로와의 간격 조절을 이용하여 설정된 주파수 대역에서 안테나 특성을 확보하고, 공진 주파수의 임피던스 정합(Impedance matching) 특성을 추출한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나는 저주파수 대역의 사용으로 회절 특성이 우수하고, 저자세를 유지하여 주차장 바닥 블럭 내 장착이 용이한 효과가 있다. 또한, 소형화된 안테나의 설계를 통해 제한된 크기의 RF 시스템 모듈에 용이하게 실장할 수 있는 효과가 있다.
또한, 임피던스 단락 스터브(무급전 소자)를 이용한 급전점과의 간격 조절을 통해 원하는 주파수 대역에서 안테나 특성을 확보하고, 임피던스 정합 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다. 또한, 안테나의 방사소자를 한판 상에 주조한 후 접어서 제작함으로써 제조가 용이한 효과가 있다. 또한, 저주파수 대역에서도 공진 주파수의 튜닝이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나의 공진 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나의 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 또는 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)를 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)의 예시도이다.
일반적으로 지능형 주차 검지센서에 장착되는 안테나는 상대적으로 저주파수 대역을 채택해야 하며, 소형 지능형 주차 검지센서의 시스템 모듈에 장착할 수 있도록 저자세의 소형화된 안테나가 요구된다.
본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)는 저주파수 대역을 이용하여 중계기와 데이터를 송수신하는 RF 시스템 모듈에 실장할 수 있도록 역 F 구조의 안테나를 폴디드(Folded) 구조로 변형하고, 기구물의 레이돔과 주차장 보도 블럭 등의 주위 사물에 따른 주파수 변화에 대하여 방사소자의 길이를 조절함으로써 주파수 튜닝이 용이하도록 한다.
도 1과 같이 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)는 PCB 기판(100), 접지면(200), 방사소자(300), 급전선로(400) 및 임피던스 단락 스터브(500)를 포함할 수 있다.
접지면(200)은 PCB 기판(100) 상에 형성된다. 방사소자(300)는 PCB 기판(100)으로부터 공급되는 무선 주파수 신호를 방사하고, 안테나(10)에 전송되는 신호를 수신할 수 있다.
또한, 방사소자(300)는 제1 방사소자(310), 제2 방사소자(320) 및 제3 방사소자(330)로 이루어지고, PCB 기판(100) 또는 접지면(200)과 소정거리 이격되어 수평 방향으로 배치된다. 또한, 제1 방사소자(310), 제2 방사소자(320) 및 제3 방사소자(330)는 "ㄷ"자 형상을 이루어 폴디드(Folded)한 구조로 구성된다.
이때, 방사소자(300)의 전체 길이는 설정된 주파수의 파장을 기반으로 0.1λ x 0.1λ x 0.08λ의 크기로 형성될 수 있다. 예를 들어, 지능형 주차 검지센서를 위한 ISM(Industrial scientific medical) 대역 또는 UHF 대역에서 중심 주파수가 447MHz인 안테나를 설계할 수 있다.
이때, 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)는 RF 시스템 모듈의 제한적 크기인 75mm x 70mm(0.11λ x 0.1λ)의 반사판 상에 위치할 수 있고, 방사소자(300)의 전체 크기는 중심 주파수인 447MHz의 파장을 기반으로 0.1λ x 0.1λ x 0.08λ의 크기로 형성될 수 있다.
즉, 제1 방사소자(310)는 447MHz의 0.08λ 길이인 54.95mm, 제2 방사소자(320)는 447MHz의 0.1λ 길이인 69.75mm, 제3 방사소자(330)는 68.85mm로 설계될 수 있다.
일반적으로 UHF 대역의 중심 주파수가 447MHz인 안테나를 설계하는 경우 주파수에 따른 파장의 길이가 길어지기 때문에 안테나의 방사소자(300)와 반사판의 크기가 커질 수 밖에 없다.
즉, 기본형 역 F 안테나를 사용하여 UHF 대역의 안테나를 설계하면 안테나의 크기로 인해 제한된 크기의 RF 시스템 모듈에 실장하는 것이 어렵게 된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)는 안테나의 크기를 소형화하고, 직교 편파 특성도 얻기 위한 방법으로 폴디드(Folded) 구조를 제시한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)에서 적용하는 폴디드(Folded) 구조는 제한된 RF 시스템 모듈의 크기에 맞추어 수평하게 'ㄷ'자형으로 폴디드한 구조를 적용할 수 있다.
즉, 도 1 및 도 2에서 도시된 바와 같이 방사소자(300)를 수평으로 2번 폴디드함으로써 'ㄷ'자형 폴디드 구조의 역 F 안테나를 구성할 수 있다.
이와 같은 구조를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)는 기본형 역 F 안테나에 비해 공진 주파수를 감소시킬 수 있고, 직교 편파 특성을 얻을 수 있다. 또한, 안테나를 소형화하여 제한적 크기를 갖는 RF 시스템 모듈 상에 실장이 가능하다.
또한, 급전선로(400)는 일단이 방사소자(300)에 연결되고, 타단이 PCB 기판(100)에 연결된다. 즉, 급전선로(400)는 PCB 기판(100)에 구비되는 급전점(410)을 통해 PCB 기판(100)에 연결되어 PCB 기판(100)과 방사소자(300) 간의 신호를 송수신할 수 있다.
또한, 임피던스 단락 스터브(500)는 안테나의 공진 주파수 임피던스 매칭(Impedance matching)을 위해 접지면(200)과 방사소자(300)를 단락시킨다. 즉, 임피던스 단락 스터브(500)는 접지면(200)과 방사소자(300) 사이에서 PCB 기판(100) 또는 접지면(200)과 수직 방향으로 형성되어 접지면(200)과 방사소자(300)를 연결할 수 있다.
여기에서, 임피던스 단락 스터브(500)의 길이는 설정된 주파수의 파장을 기반으로 0.02λ 길이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 ISM 대역 또는 UHF 대역의 중심 주파수가 447MHz인 안테나를 설계하는 경우 임피던스 단락 스터브(500)는 447MHz의 0.02λ 길이인 13.1mm로 설계될 수 있다.
또한, 급전선로(400)와 임피던스 단락 스터브(500) 및 방사소자(300)는 폴디드(Folded)한 구조의 역 F 안테나 형상을 이루어 구성된다.
또한, 임피던스 단락 스터브(500)와 급전선로(400)가 연결되는 급전점(410)과의 간격 조절을 이용하여 안테나(10)에 설정된 주파수 대역에서의 안테나 특성을 확보하고, 공진 주파수의 임피던스 정합(Impedance matching) 특성을 추출할 수 있다. 또한, 방사소자(300)의 전체 길이를 조절하여 안테나(10)의 주파수를 튜닝할 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)는 제한된 크기를 가지고 주차 정보를 송수신하는 지능형 주차 검지센서 모듈 내에 실장하는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)의 공진 주파수 특성을 나타내는 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)의 방사 패턴(Radiation pattern)을 나타내는 도면이다.
즉, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)의 S11과 방사 패턴 특성의 측정값을 나타낸다. 또한, 도 4a는 제1 방사소자(310)와 제3 방사소자(330)에 대해 측정한 E-plane 및 H-plane 방사 패턴을 나타내고, 도 4b는 제2 방사소자(320)에 대해 측정한 E-plane 및 H-plane 방사 패턴을 나타낸다.
본 발명의 실시 예에 따라 지능형 주차 검지센서를 위한 ISM(Industrial scientific medical) 대역 또는 UHF 대역에서 447MHz의 중심 주파수를 기반으로 제작된 안테나(10)는 도 3에서 도시된 바와 같이 중심 주파수 447MHz에서 공진하며, -10dB에서 대역폭 13MHz(2.9%)를 얻음으로써 적합한 특성을 나타낸다.
또한, 도 4a에서 도시된 바와 같이 제1 방사소자(310) 및 제3 방사소자(330)의 방사 패턴은 0°와 180° 방향에 대해 지향성을 나타내며, 이는 수평 방향의 지향성으로 AP와 연결에 효율적이다.
이때, 도 4b에서 나타나는 E-plane 및 H-plane의 180°에서의 레벨 불일치는 중심 주파수의 파장에 비해 협소한 측정 환경으로 인해 발생한 오차이며, 0° 방향의 경우 지면 방향이므로 실제 운용 환경에서는 원활한 방사 특성을 나타낼 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)의 방사소자(300)에 의한 H-plane 패턴은 수평 방향으로 지향성을 나타내어 AP와의 연결에 효율적이며, 임피던스 단락 스터브(500) 또한 널 포인트(Null point)가 제거된 전방향성 패턴을 나타내어 지능형 주차 검지센서용 안테나에 효과적으로 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나(10)는 주차장에서의 차량 관리용 안테나로써 적합함을 확인할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10 : 지능형 검지센서 장착용 안테나
100 : PCB 기판 200 : 접지면
300 : 방사소자 310 : 제1 방사소자
320 : 제2 방사소자 330 : 제3 방사소자
400 : 급전선로 410 : 급전점
500 : 임피던스 단락 스터브

Claims (6)

  1. 저주파수 대역을 이용하여 중계기와 데이터를 송수신하는 RF 시스템 모듈에 실장할 수 있는 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나에 있어서,
    PCB 기판;
    상기 PCB 기판상에 형성되는 접지면;
    상기 PCB 기판으로부터 공급되는 무선 주파수 신호를 방사하는 방사소자;
    상기 PCB 기판과 방사소자 간의 신호를 송수신하는 급전선로; 및
    안테나의 공진 주파수 임피던스 매칭(Impedance matching)을 위해 상기 접지면과 방사소자를 단락시키는 임피던스 단락 스터브를 포함하고,
    상기 접지면은 RF 시스템 모듈의 제한적 크기인 설정된 주파수의 파장을 기반으로 0.11λ x 0.1λ로 구성되며,
    상기 방사소자는 상기 PCB 기판으로부터 소정거리 이격되어 수평 방향으로 배치되고, 'ㄷ'자 형상의 폴디드(Folded)한 구조로 형성되어 설정된 주파수의 파장을 기반으로 0.1λ x 0.1λ x 0.08λ의 크기로 형성되며,
    상기 방사소자의 길이를 조절하여 안테나의 주파수를 튜닝하는 것을 특징으로 하는 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나.
    여기에서, λ는 안테나에 설정된 주파수 파장의 길이이다.

  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방사소자와 급전선로 및 임피던스 단락 스터브가 폴디드(Folded)한 구조의 역 F 안테나 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 단락 스터브와 급전선로와의 간격 조절을 이용하여 설정된 주파수 대역에서 안테나 특성을 확보하고, 공진 주파수의 임피던스 정합(Impedance matching) 특성을 추출하는 것을 특징으로 하는 주차 관리를 위한 지능형 검지센서 장착용 안테나.
  6. 삭제
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