KR102387729B1

KR102387729B1 - 광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나

Info

Publication number: KR102387729B1
Application number: KR1020220011880A
Authority: KR
Inventors: 강서
Original assignee: 주식회사 이노링크
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2022-04-19

Abstract

본 발명은 광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전파교란이 심한 곳에서는 안테나 게인을 증대시키도록 변형되어 높은 감도 특성을 유지하도록 하고, 전파수신이 어려운 환경의 도심속이나 지하 혹은 나무가 밀집된 환경 등에서는 감도는 낮지만 넓은 빔폭을 갖도록 변형되어 전방향 신호 수신이 가능하도록 함으로써 GPS 안테나의 사용 효율을 증대시키도록 개선된 광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나에 관한 것이다.

Description

광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나{Tunable GPS antenna with variable wide beam or high sensitivity effect}

GPS는 공간 기반 위성 네비게이션 시스템으로서 사용자가 위치한 곳의 위치정보 및 시간정보를 사용자에게 제공하는 시스템이다.

이러한 GPS는 원형 편파 복사(circularly polarized radiation)를 사용한다.

원형 편파 복사는 GPS 수신기와 위성 간에 신호들이 전리층을 통과할 때 덜 민감한 성질을 갖는다.

GPS 위성은 일반적으로 2개의 주파수 대역, 즉 L1 대역(15754GHz) 및 L2 대역(12276GHz)을 사용하며, 최근 L3 대역(138105GHz), L4 대역(1379913 GHz) 및 L5 대역(117645 GHz)이 특수한 응용, 예를 들어 핵 폭발 검출(nuclear detonation detection) 등을 위해서 추가된 바 있다.

아울러, GPS 및 위성통신에서의 사용을 위해 다양한 종류의 원형 편파 안테나들, 즉 광대역(broad band), 이중 대역(dual band), 삼중 대역(tri-band)에서 동작되는 GPS 안테나들이 개시되어 있다.

이와 같은 넓은 활용성 때문에 민간 및 군용 등 위치추적이 필요한 곳에서 GPS 안테나가 많이 사용되고 있다.

그런데, 위성신호는 복잡한 지형환경에서 수신이 불가능한 상황이 발생하기도 하고, 또는 의도적인 전자파교란에 의해 GPS 신호 수신이 불가능하게 되는 경우도 발생하게 된다.

이러한 현상이 발생되면, 위치추적이 불가능하게 되어 목적하는 바를 달성할 수 없게 된다.

예컨대, 특수목적으로 사용되는 군용 무전기나 군용 차량에 탑재되어 임무 수행시 GPS 신호를 수신하지 못하게 되면 임무 수행이 어렵게 되는 문제가 생기게 된다.

국내 등록특허 제10-1357365호(2014.01.23.) 튜닝가능한 루프 안테나 국내 등록특허 제10-1475295호(2014.12.16.) 다중모드 안테나 구조

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 전파교란이 심한 곳에서는 안테나 게인을 증대시키도록 변형되어 높은 감도 특성을 유지하도록 하고, 전파수신이 어려운 환경의 도심속이나 지하 혹은 나무가 밀집된 환경 등에서는 감도는 낮지만 넓은 빔폭을 갖도록 변형되어 전방향 신호 수신이 가능하도록 함으로써 GPS 안테나의 사용 효율을 증대시키도록 개선된 광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 제1하우징(100); 상기 제1하우징(100) 속으로 출몰가능한 제2하우징(200); 상기 제1하우징(100)의 하단면에 고정된 커넥터(300); 상기 커넥터(300)에 고정되고 상기 제1하우징(100) 내부에 배치되며, 제1하이브리드커플러(120)를 구비한 제1피씨비(110); 상기 제1하우징(100) 내부에 고정되고, 상기 제1피씨비(110) 상부에 배치되며, 제2하이브리드커플러(220)를 구비한 제2피씨비(210); 및, 위성신호를 수신하는 4개의 헬릭스형 와이어(W)를 포함하되, 상기 제2하우징(200)의 출몰 상태에 따라 제1,2피씨비(110,210)가 접촉 또는 비접촉되면서 헬릭스형 와이어(W)가 제1,2피씨비(110,210)로 입력되는 단자수가 변하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나를 제공한다.

이때, 상기 헬릭스형 와이어(W)의 상단은 제2하우징(200)의 상부에 고정되고, 하단은 상기 제2피씨비(210)에 접속되며, 그 중 2개는 제2피씨비(210)를 관통하여 제1피씨비(110)에도 접속되되, 제1,2하이브리드커플러(120,220)의 스위칭 동작에 따라 제2하우징(200)이 제1하우징(100)으로부터 풀링되었을 때는 제2피씨비(210)에서만 4개의 접점을 통해 4개의 신호 입력이 이루어지고, 푸싱되었을 때는 제1피씨비(110)에서만 2개의 접점을 통해 2개의 신호 입력이 이루어지도록 동작하는 4개의 헬릭스형 와이어(W)를 포함하는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 전파교란이 심한 곳에서는 안테나 게인을 증대시키도록 변형되어 높은 감도 특성을 유지한다.

둘째, 전파수신이 어려운 환경의 도심속이나 지하 혹은 나무가 밀집된 환경 등에서는 감도는 낮지만 넓은 빔폭을 갖도록 변형되어 전방향 신호 수신이 가능하다.

셋째, 위성신호 수신 지역에 따라 감도 혹은 빔폭을 가변적으로 수신할 수 있으므로 GPS 안테나의 사용 효율을 증대시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 GPS 안테나의 구조를 보인 예시적인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 GPS 안테나의 사용예를 보인 예시도이다.
도 3의 (a)는 본 발명에 따른 GPS 안테나의 제2피씨비 구조를 보인 것이고, (b)는 제1피씨비의 구조를 보인 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 GPS 안테나의 반사손실과, 방사패턴을 보인 그래프이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다 본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 예시된 것일 뿐 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나는 제1하우징(100)과, 상기 제1하우징(100)에 삽입된 상태에서 출몰가능하게 조립되는 제2하우징(200)을 포함한다.

이때, 상기 제1하우징(100)과 제2하우징(200)은 원통형상이 바람직하지만, 반드시 원통형상으로 한정될 필요는 없다.

특히, 제1하우징(100)은 하단이 막혀 있고 상단은 개방된 형상이며, 제2하우징(200)은 하단이 개방되어 있고 상단은 막혀있는 형상이다.

이 경우, 상기 제2하우징(200)의 상단은 별도의 커버부재를 통해 밀폐될 수 있다.

그리고, 상기 제1하우징(100)의 하단면 중심에는 이를 관통하여 커넥터(300)가 구비되는데, 상기 커넥터(300)는 안테나가 설치되는 대상체(예. 무전기, 차량 등)에 안테나를 연결하는 수단이며, 약간의 유격내에서 유동가능하게 설치될 수 있다.

아울러, 상기 커넥터(300)에는 위성신호를 대상체로 전달할 수 있는 도전선로가 구성된다.

또한, 상기 제1하우징(100)에는 제1피씨비(110)가 구비되며, 상기 제1피씨비(110)의 하단 중심은 상기 커넥터(300)의 상단에 고정된다.

뿐만 아니라, 상기 제1피씨비(110)의 하면 일측에는 제1하이브리드커플러(120)가 탑재된다.

이때, 하이브리드커플러는 원형의 위성신호, 즉 원형 궤적을 갖는 위성신호를 수신하고, 스위칭하는 커플러이다.

그리고, 상기 제1하이브리드커플러(120)에는 2개의 제1접점(130)이 연결되며, 상기 제1접점(130)에는 각각 연결핀(140)의 하단이 수직하게 세워 고정된다.

한편, 제1피씨비(110)의 상부에는 제2피씨비(210)가 구비되고, 상기 제2피씨비(210)에는 원주방향으로 일정간격을 두고 4개의 접점이 형성되며, 상기 4개의 접점은 중심에 설치된 제2하이브리드커플러(220)와 신호처리 가능하게 연결된다.

여기에서, 상기 4개의 제2접점(230)중 2개의 제2접점에는 2개의 헬릭스(Helix)형 와이어(W)가 접속되고, 나머지 2개의 제2접점에는 나머지 2개의 헬리그형 와이어(W) 하단이 접촉되면서 이를 관통하여 노출된 연결핀(140)의 상단과 일체를 이룬다.

때문에, 상기 제2피씨비(210)에 형성된 4개의 제2접점(230)에는 4개의 헬리스형 와이어(W)가 신호를 전달할 수 있도록 접속되고, 나아가 이중 2개는 제1피씨비(110)에 형성된 2개의 제1접점(130)에도 연결되어 있으므로 제1피씨비(110)에서는 2개의 헬리스형 와이어(W)가 신호를 전달할 수 있게 된다.

그런데, 상기 제2피씨비(210)는 상기 제1하우징(100)의 내주면에 완전히 고정된 형태이므로 유동가능한 것은 제1피씨비(110)이다.

그리고, 상기 제1,2피씨비(110,210)는 서로 상하로 접촉되었을 때 제1하이브리드커플러(120)의 스위칭 동작에 따라 제2하이브리드커플러(220)만 신호처리하도록 동작하여 4개의 헬릭스형 와이어(W)가 수집한 위성신호를 수신하게 된다. 즉, 4개의 입력단자를 통해 위성신호를 입력받게 된다.

따라서, 안테나 게인이 커져 고감도수신이 가능하게 된다.

반면, 상기 제1,2피씨비(110,210)가 서로 상하로 떨어졌을 때는 제2하이브리드커플러(220)의 스위칭 동작에 따라 제1하이브리드커플러만(120)만 신호처리하도록 동작하여 2개의 헬릭스형 와이어(W)가 수집한 위성신호를 수신하게 된다. 즉, 2개의 입력단자를 통해 위성신호를 입력받게 된다.

따라서, 안테나 게인은 작아지지만 구석 구석 사방, 즉 360°에서 신호를 받을 수 있기 때문에 와이드 빔 수신폭을 갖게 된다.

여기에서, 상기 헬릭스형 와이어(W)는 가변형 전기적 특성을 갖도록 반파장의 전기적 길이를 가지며, 헬릭스형태로 꼬여 있기 때문에 높은 탄성을 가져 스프링특성을 갖는다.

또한, 상기 제2하우징(200)은 출몰가능한 것으로 한 번 눌리면 눌린 상태로 고정되고, 다시 한번 눌리면 눌림상태가 해제되는 일종의 원터치 구조로 제1하우징(100)에 조립된다.

다만, 원터치 구조는 너무나도 자명하게 공지된 구조이므로 여기서는 구체적으로 설명하지 않고 생략하기로 한다.

아울러, 미설명 부호 '310'은 신호처리선이다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 풀링(Pulling)과 푸싱(Pushing) 2가지 타입으로 동작하게 된다.

먼저, 도 1의 (a), 도 2의 (a)와 같이, 전파교란이 심한 곳에서는 높은 감도특성이 요구되기 때문에 풀링상태로 수신하도록 제2하우징(200)을 제1하우징(100)에 대해 인출되게 하여 안테나의 길이를 길게 하도록 한다.

통상, 안테나의 성능은 볼륨사이즈가 클수록 게인이 높아 고감도이므로 제1하우징(100)을 높게 뽑아 올려 4개의 헬릭스형 와이어(W)의 길이가 길어짐으로써 높은 안테나 이득을 얻어 고감도 특성을 갖도록 한다.

이 경우는 4개의 헬릭스형 와이어(W)를 통해 수신된 위성신호가 4개의 신호선, 즉 4개의 제2접점(230)을 통해 제2하이브리드커플러(220)로 전송된다.

이는 4개의 와이어로 동작하는 안테나로서 안테나의 이득이 높고 고감도 특성을 갖는다.

그리고, 감도는 낮지만 넓은 빔폭을 가져야할 경우로서 예컨대, 도심속, 지하, 건물 내부나 나무가 밀집한 산속과 같은 곳에서는 신호를 넓게 받아야 하므로 이때는 도 1의 (b), 도 2의 (b)와 같이, 제2하우징(200)을 눌러 제1하우징(100)으로부터 돌출되는 높이가 낮게 유지시킬 수 있다.

이렇게 되면, 2개의 헬릭스형 와이어(W)를 통해 위성신호가 수신된 후 제1하이브리드커플러(120)로 전송된다.

이는 2개의 와이어로 동작하는 안테나로서 안테나 이득은 낮지만 넓은 빔폭을 갖는 안테나가 된다.

덧붙여, 본 발명에서는 제1,2하우징(100,200)의 표면 보호를 위해 기능성 코팅물질로 외표면을 코팅하는 것이 바람직하다.

이 경우, 안테나의 수신율을 저하시켜서는 안되기 때문에 단순 코팅물질을 사용해서는 아니되며, 이를 위해 본 발명에서는 아크릴에멀젼 100중량부에 대해, 디메틸폴리실록산 25중량부, 실리콘디옥사이드 15중량부, 칼슘메틸실란트리오레이트 10중량부, 리튬실리케이트 10중량부를 혼합한 코팅물질을 사용한다.

이때, 아크릴에멀젼은 부착고정력을 유지하면서 비전도성 유전체를 구현하여 안테나 이득 손실을 저해하지 않도록 하기 위한 베이스수지이고, 디메틸폴리실록산은 미세구조 내에서 일어나는 전자기파의 상호 작용에 의해 안테나 효율을 상승시키기 위해 첨가된다.

그리고, 실리콘디옥사이드는 전파간섭을 줄여 안테나 게인을 높이기 위해 첨가되며, 칼슘메틸실란트리오레이트는 방수특성을 강화시켜 내수성을 높이기 위해 첨가되고, 리튬실리케이트(Lithium silicate)는 방오성과 내열성을 높이기 위해 첨가된다.

상술한 안테나의 반사손실에 관한 특성과, 방사패턴에 대한 특성은 각각 도 4와 도 5에 나타내었다.

도 4에 따르면, GPS는 1.575GHz이며, 풀링 및 푸싱 상태일 때 GPS주파수 대역을 만족한다(S11은 주파수 특성을 볼 때 사용되는 지표 파라메타임).

또한, 도 5는 GPS 안테나의 이득특성을 나타내는 방사패턴으로서, 방사패턴의 각도는 GPS의 전파가 방사 되는 각도를 나타낸다.

이때, 보라색 방사패턴(Pulling 상태)은 하늘색 방사패턴(Pushing)과 비교시 하늘색 방사패턴이 넓은 풍선모양을 갖고 있다. 즉, 넓은 빔폭을 갖고 있다.

그리고, 보라색 방사패턴은 하늘색 방사패턴 보다 빔폭은 좁으나 풍선모양이 더 뽀족한 모양으로 높은 이득을 갖고 있다.

즉, 보라색 방사패턴은 풀링타입이고, 하늘색 방사패턴은 푸싱타입이다.

100: 제1하우징
200: 제2하우징
300: 커넥터

Claims

제1하우징(100);
상기 제1하우징(100) 속으로 출몰가능한 제2하우징(200);
상기 제1하우징(100)의 하단면에 고정된 커넥터(300);
상기 커넥터(300)에 고정되고 상기 제1하우징(100) 내부에 배치되며, 제1하이브리드커플러(120)를 구비한 제1피씨비(110);
상기 제1하우징(100) 내부에 고정되고, 상기 제1피씨비(110) 상부에 배치되며, 제2하이브리드커플러(220)를 구비한 제2피씨비(210); 및, 위성신호를 수신하는 4개의 헬릭스형 와이어(W)를 포함하되,
상기 제2하우징(200)의 출몰 상태에 따라 제1,2피씨비(110,210)가 접촉 또는 비접촉되면서 헬릭스형 와이어(W)가 제1,2피씨비(110,210)로 입력되는 단자수가 변하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나.
제1항에 있어서,
상기 헬릭스형 와이어(W)의 상단은 제2하우징(200)의 상부에 고정되고, 하단은 상기 제2피씨비(210)에 접속되며, 그 중 2개는 제2피씨비(210)를 관통하여 제1피씨비(110)에도 접속되되, 제1,2하이브리드커플러(120,220)의 스위칭 동작에 따라 제2하우징(200)이 제1하우징(100)으로부터 풀링되었을 때는 제2피씨비(210)에서만 4개의 접점을 통해 4개의 신호 입력이 이루어지고, 푸싱되었을 때는 제1피씨비(110)에서만 2개의 접점을 통해 2개의 신호 입력이 이루어지도록 동작하는 4개의 헬릭스형 와이어(W)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광폭빔 또는 고감도 효과를 가변하는 튜너블 지피에스 안테나.