KR102388480B1

KR102388480B1 - 와이어와 인쇄회로기판이 조합되어 조립성을 향상시킨 lpda 안테나

Info

Publication number: KR102388480B1
Application number: KR1020210185523A
Authority: KR
Inventors: 성준기
Original assignee: 성준기
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-04-20

Abstract

본 발명은 와이어와 인쇄회로기판이 조합되어 조립성을 향상시킨 LPDA 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 주파수대역에 대해서는 와이어 폴을 사용하고, 낮은 주파수대역에서는 인쇄회로기판을 사용하도록 LPDA 안테나(Log-Periodic Dipole Array Antenna)를 구현함으로써 안테나 게인 손실은 줄이면서 소형화가 가능하여 조립 설치에 따른 비용과 인력낭비를 막고, 완제품 상태로 포장 판매가능하도록 개선된 와이어와 인쇄회로기판이 조합되어 조립성을 향상시킨 LPDA 안테나에 관한 것이다.

Description

와이어와 인쇄회로기판이 조합되어 조립성을 향상시킨 LPDA 안테나{LPDA antenna with improved assembly by combining wire and printed circuit board}

LPDA 안테나(Log-Periodic Dipole Array Antenna)는 주기적으로 다이폴 안테나를 배열한 안테나로 광대역 및 지향성 방사 특성을 가지고 있다

이러한 특성 때문에 LPDA 안테나는 주로 방송 수신 안테나, 이동 통신 중계기 안테나, 불법 전파 사용 탐지 안테나, EMC, EMI 측정용 안테나 등으로 광대역 지향성 특성이 필요한 응용에 다양하게 사용되고 있다.

하지만, VHF 및 UHF 대역에서 LPDA 안테나는 낮은 주파수 대역에서의 다이폴 방사소자 길이가 길어 안테나 크기가 커지는 단점이 있다.

예컨대, LPDA 안테나는 도 1의 예시와 같이, 양쪽으로 수평한 폴 형태가 특정 간격과 크기로 작아지면서 구현되는 구조로서 양쪽으로 수평한 폴이 +선로와 -선로로 나뉘어 조립되게 되는데, 통상 2개의 극성을 갖는 폴은 최소 20개 이상 조립된다.

이로 인해 폴을 선로에 결합하기 위해서는 많은 부품과 조립 과정을 거쳐야 하므로 시간과 비용이 상승되는 단점이 있다.

더구나, 앞서 설명하였듯이 주파수가 낮아질수록 안테나의 크기가 상당히 커져야 하므로 조립완료된 완제품 상태로의 납품은 거의 불가능하다. 때문에, 이러한 경우에는 부품별로 납품되고 현장에서 조립되어야 하므로 상술한 문제가 반복되게 되는 것이다.

이를 개선하기 위해, 전류세기가 제일 약한 방사 소자 끝 부분을 구부린 형태가 개시되었으며, 이는 기본형 LPDA 안테나에 비해 약 20% 정보의 소형화율을 확보한 것으로 알려져 있다.

다른 예로, 반복적인 구조인 프랙탈 구조를 LPDA 안테나의 방사소자에 적용하여 소형화화시킨 예도 개시된 바 있다.

하지만, 이들의 소형화에 비례하여 안테나 게인 손실이 커지는 현상으로 인해 아직도 소형화에 대한 연구가 지속되고 있는 실정이다.

국내 등록특허 제10-1151892호(20120524) 빔틸트 지향성을 갖는 수평 편파 평면 구조 안테나 및 이를 이용한 수평 편파 평면 구조 배열 안테나

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 높은 주파수대역에 대해서는 와이어 폴을 사용하고, 낮은 주파수대역에서는 인쇄회로기판을 사용하도록 LPDA 안테나(Log-Periodic Dipole Array Antenna)를 구현함으로써 안테나 게인 손실은 줄이면서 소형화가 가능하여 조립 설치에 따른 비용과 인력낭비를 막고, 완제품 상태로 포장 판매가능하도록 개선된 와이어와 인쇄회로기판이 조합되어 조립성을 향상시킨 LPDA 안테나를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 안테나빔(100)과, 상기 안테나빔(100)의 일단에 고정된 인쇄회로기판(200)을 포함하는 LPDA 안테나에 있어서; 상기 안테나빔(100)은 +선로가 연결된 상부빔(110)과 -선로가 연결된 하부빔(120)으로 구성되고; 상기 상부빔(110)과 하부빔(120)에는 다수의 와이어폴(130)이 상하 및 길이방향으로 엇갈려 배치되며; 상기 인쇄회로기판(200)에는 낮은 주파수대역의 전파신호를 수신하도록 'ㅡ'형, 'ㄴ'형 또는 'ㄷ'형의 라인패턴(230)이 앞뒷면 모두에 형성되고, 상기 라인패턴(230)은 상기 안테나빔(100)의 +선로 및 -선로와 연결된 것을 특징으로 하는 와이어와 인쇄회로기판이 조합되어 조립성을 향상시킨 LPDA 안테나를 제공한다.

이때, 상기 인쇄회로기판(200)의 자유단 양모서리부는 라운드가공되고, 중앙부는 오목하게 오목부(210)가 요입되게 가공되며; 상기 오목부(210)와 간격을 두고 일측면에 50Ω의 종단스터브(Stub)(220)가 설치되고; 상기 라인패턴(230)의 종단에는 +,-선로와 배선연결되어 낮은 주파수대역의 공진을 유도하는 제1,2마그넷코일(242,244)이 설치되며; 상기 제1,2마그넷코일(242,244)은 영구자석에 코일이 감긴 형태인 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 높은 주파수대역에 대해서는 와이어 폴을 사용하고, 낮은 주파수대역에서는 인쇄회로기판을 사용하도록 LPDA 안테나(Log-Periodic Dipole Array Antenna)를 구현함으로써 안테나 게인 손실은 줄이면서 소형화가 가능하여 조립 설치에 따른 비용과 인력낭비를 막고, 완제품 상태로 포장 판매가능하도록 개선된 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 LPDA 안테나의 예시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 LPDA 안테나의 예시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 LPDA 안테나의 성능을 테스트한 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 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 LPDA 안테나는 안테나빔(100)과 인쇄회로기판(200)을 포함한다.

그리고, 상기 안테나빔(100)과 인쇄회로기판(200)을 연결한 전체 길이가 기존 일반적인 LPDA 안테나 길이의 60%가 되도록 설계되어 기존 일반적인 LPDA 안테나 보다 40% 작은 길이를 갖도록 구성된다.

이렇게 본 발명에 따라 40% 작게 소형화시켜도 안테나 게인은 기존과 동등이상을 유지할 수 있도록 설계된다.

보다 구체적으로, 상기 안테나빔(100)은 상부빔(110)과 하부빔(120)으로 구분되고, 상부빔(110)에는 +선로가 연결되며, 하부빔(120)에는 -선로가 연결된다.

또한, 상기 상부빔(110)과 하부빔(120)에는 안테나빔(100)의 길이방향으로 갈수록 점점 짧아지는 와이어폴(130)이 상하 뿐만 아니라, 안테나빔(100)의 길이방향으로도 엇갈려 배치된다.

이 경우, 상기 와이어폴(130)은 리지드(Rigid)한 바(bar) 형상의 폴(Pole)이다.

이와 같은 와이어폴(130)과 안테나빔(100)의 구조는 여느 LPDA 안테나와 다르지 않다.

다만, 본 발명에서는 LPDA 안테나가 전체 길이를 기준으로 절반은 와이어폴(130) 형태로 구성되고, 나머지 절반은 인쇄회로기판(200) 형태로 구성된다는데 큰 특징이 있다.

이때, 상기 와이어폴(130)은 높은 주파수대역의 안테나 게인을 높이고, 상기 인쇄회로기판(200)은 낮은 주파수대역의 안테나 게인을 높이도록 설계된다.

이를 위해, 상기 인쇄회로기판(200)은 FR-4 PCB(Printed CirCuit Board)를 사용한다.

여기에서, 분류기호 FR-4는 유리섬유와 에폭시수지를 적층하여 만든 PCB를 말한다.

또한, 본 발명에서 인쇄회로기판(200)을 사용하는 이유는 낮은 주파수대역에서 유전체 손실이 적기 때문이다.

그리고, 상기 인쇄회로기판(200)은 안테나빔(100)의 일단에 고정되며, 형상은 도시와 같이 자유단의 양모서리부는 라운드가공되고, 중앙부는 오목하게 오목부(210)가 요입되게 가공되는데 이것은 전송선로를 따라 흐르는 전류의 반사파(Reflection current)를 상쇄해 주는 일종의 터미네이션 역할을 하기 위함이다.

이를 극대화시키기 위해, 상기 오목부(210)와 간격을 두고 일측면에 50Ω의 종단스터브(Stub)(220)가 설치된다.

뿐만 아니라, 상기 인쇄회로기판(200)에는 'ㅡ'형, 'ㄴ'형, 'ㄷ'형의 라인패턴(230)이 앞뒷면 모두에 형성되는데, 상기 라인패턴(230)은 상기 안테나빔(100)의 +선로 및 -선로와 연결되며, 라인패턴(230)의 말단은 종단스터브(220)에 접속된다.

예컨대, 상기 라인패턴(230)은 인쇄회로기판(200)에 형성되는 것이므로 상면에 +선로가 배선되고, 하면에 -선로가 배선되는 구조일 수 있고, 그 반대일 수도 있다.

또한, 라인패턴(230)은 인쇄회로기판(200)의 유전율에 따라 다양한 형상과 크기, 길이로 형성될 수 있기 때문에 특별히 한정하지는 않는다.

다만, 라인패턴(230)의 종단에는 +,-선로와 배선연결된 제1,2마그넷코일(242,244)이 설치된다.

이 경우, 상기 제1,2마그넷코일(242,244)은 각각 상면 및 하면에 하나씩 설치된다.

이러한 제1,2마그넷코일(242,244)은 인덕턴스를 갖기 때문에 낮은 주파수대역에 공진을 유도하여 유전체 손실을 줄이고, 큰 저항체로 작용하기 때문에 임피던스매칭을 유도할 수 있게 된다.

이를 통해, 안테나의 전체 크기를 줄일 수 있고, 유전체 손실이 적기 때문에 인쇄회로기판(200)을 통해 낮은 주파수대역의 수신효율을 높일 수 있게 된다.

여기에서, 도 3의 경우 인쇄회로기판(200)이 투명하기 때문에 하면의 라인패턴이 투영되어 보이는 것을 표현한 것이므로 색상이 다르게 도시되어 있다.

정리하자면, 통상 50MHz 신호를 수신하기 위해서는 2m 이상의 안테나 크기가 요구되는데, 이것은 볼륨, 크기, 무게가 너무 커 조립성도 떨어지기 때문에 현실적으로 매우 불합리적이다.

이러한 단점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 높은 주파수대역은 사이즈가 작아도 수신율이 좋기 때문에 기존 와이어폴 구조로 가고, 낮은 주파수대역은 유전율을 조절하여 크기를 얼마든지 조절할 수 있는 인쇄회로기판을 이용하여 저손실 고 안테나 게인 획득을 구현하도록 하며, 임피던스 매칭은 라인패턴과 마그넷코일을 이용하여 조절하도록 한 것이 특징이다.

이때, 마그넷코일은 영구자석에 코일을 감은 형태이다.

덧붙여, 본 발명에서는 안테나빔(100)과 와이어폴(130)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.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 LPDA 안테나는 도 4의 예시와 같이, 크기를 기존 대비 40%나 줄여 소형화하였음에도 안테나 이득은 기존 6.4809dBi 대비, 본 발명 6.4211dBi로 방사패턴상 안테나 이득 저하가 거의 없는 것으로 확인되었다.

즉, 크기는 줄었는데 안테나 이득은 기존과 동등했으므로 LPDA 안테나로서 기능은 충분히 유지하면서 크기를 현저히 줄일 수 있음을 확인한 결과이다.

아울러, 도 5의 예시와 같이, 마그넷코일을 적용하여 튜닝한 결과, 0.13GHz 대역에서 기존 -5dB임에 반해, 본 발명 -10dB로서 손실이 현저히 작아졌음을 확인할 수 있다.

100: 안테나빔
200: 인쇄회로기판

Claims

안테나빔(100)과, 상기 안테나빔(100)의 일단에 고정된 인쇄회로기판(200)을 포함하는 LPDA 안테나에 있어서;
상기 안테나빔(100)은 +선로가 연결된 상부빔(110)과 -선로가 연결된 하부빔(120)으로 구성되고;
상기 상부빔(110)과 하부빔(120)에는 다수의 와이어폴(130)이 상하 및 길이방향으로 엇갈려 배치되며;
상기 인쇄회로기판(200)에는 낮은 주파수대역의 전파신호를 수신하도록 'ㅡ'형, 'ㄴ'형 또는 'ㄷ'형의 라인패턴(230)이 앞뒷면 모두에 형성되고, 상기 라인패턴(230)은 상기 안테나빔(100)의 +선로 및 -선로와 연결된 것을 특징으로 하는 와이어와 인쇄회로기판이 조합되어 조립성을 향상시킨 LPDA 안테나.
제1항에 있어서,
상기 인쇄회로기판(200)의 자유단 양모서리부는 라운드가공되고, 중앙부는 오목하게 오목부(210)가 요입되게 가공되며;
상기 오목부(210)와 간격을 두고 일측면에 50Ω의 종단스터브(Stub)(220)가 설치되고;
상기 라인패턴(230)의 종단에는 +,-선로와 배선연결되어 낮은 주파수대역의 공진을 유도하는 제1,2마그넷코일(242,244)이 설치되며;
상기 제1,2마그넷코일(242,244)은 영구자석에 코일이 감긴 형태인 것을 특징으로 하는 와이어와 인쇄회로기판이 조합되어 조립성을 향상시킨 LPDA 안테나.