KR102611108B1 - 표면파 패치 안테나 및 이를 이용한 무선통신 장치 - Google Patents
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Abstract
통신에 요구되는 전송효율, 유지보수 등에 대하여 우수한 물성을 가진 표면파를 활용하는 표면파 패치 안테나 및 이를 이용한 무선통신 장치를 제시한다. 그 안테나 및 장치는 방사패턴층, 방사패치 및 임피던스 정합층은 금속도체로부터 순차적으로 배치되고, 방사패턴층은 유전층 및 유전층 사이에 위치하고 용량적 성분을 방사하며, 방사패치는 유전층 및 유전층 사이에 위치하고 유도적 성분을 방사하고, 임피던스 정합층은 방사배치를 이루는 유전층의 상부에 위치하고 임피던스 정합을 이룬다.
Description
본 발명은 안테나 및 무선통신 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 통신에 요구되는 전송효율, 유지보수 등에 대하여 우수한 물성을 가진 표면파를 활용한 안테나 및 무선통신 장치에 관한 것이다.
현재, 신호를 전달하는 기존의 유선방식의 경우, 전송효율은 우수하지만, 전송거리가 길어지게 되면 케이블 또한 길어지고 장치의 설치개소가 늘어날 때마다 전송효율이 떨어지게 된다. 만일, 케이블이 벽체 내부의 배관에 시공되거나 지중배관에 매설되면 고장이나 장치 증설 시 큰 공사가 요구된다. 기존 무선방식의 경우, 유선방식에 비하여 전송효율이 떨어지고 전송손실이 크지만, 상대적으로 유지보수를 쉽게 할 수 있다. 또한, 전송거리 중간에 장애물이 있거나 공기가 아닌 다른 매질이 있으면, 신호가 반사, 굴절, 흡수 등의 왜곡현상이 발생하여 전송손실이 급격하게 증가한다. 일반적인 무선통신 방식은 환경이 열악하면 전송손실이 증가하여 현실적으로 적용하기 어렵다.
한편, 상술한 유선방식 및 무선방식의 문제점을 해결하기 위하여, 국내등록특허 제10-1015055호, 제10-2109373호 등에서 금속매질의 표면을 따라 도파되는 표면파를 이용하여 무선으로 통신하는 표면파 통신이 대두되고 있다. 그런데, 동일한 금속매질이라고 하더라도 자기적 특성인 투자율이 각각 다르다. 표면파 통신 안테나를 사용할 경우, 무선통신을 위한 매질에 따라 임피던스 부정합(impedance mismatching)에 의한 전송손실을 고려할 필요가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 통신에 요구되는 전송효율, 유지보수 등에 대하여 우수한 물성을 가진 표면파를 활용하는 표면파 패치 안테나 및 이를 이용한 무선통신 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제를 해결하기 위한 표면파 패치 안테나는 방사패턴층, 방사패치 및 임피던스 정합층은 금속도체로부터 순차적으로 배치되고, 상기 방사패턴층은 유전층 및 유전층 사이에 위치하고 용량적 성분을 방사하며, 상기 방사패치는 유전층 및 유전층 사이에 위치하고 유도적 성분을 방사하고, 상기 임피던스 정합층은 상기 방사배치를 이루는 유전층의 상부에 위치하고 임피던스 정합을 이룬다.
본 발명의 안테나에 있어서, 상기 방사패치 및 상기 임피던스 정합층 사이에 위치하는 유전층 및 유전층 사이에 배치되며, 유도적 성분을 방사하는 방사패턴층을 포함하고, 상기 임피던스 정합층에 가까운 방사패턴층은 상기 금속도체와 가까운 방사패턴층의 상기 유도적 성분에 증분된다. 상기 임피던스 정합층은 임피던스 정합부 및 개구부인 임피던스 슬롯을 포함할 수 있다. 상기 임피던스 정합층에 가까운 방사패턴층 또는 상기 금속도체에 가까운 방사패턴층 또는 양 방사패턴층 중의 적어도 어느 하나는 변조주파수와 공진주파수를 방사하는 제1 방사체 및 제2 방사체 및 정현파 형상의 방사패턴을 포함할 수 있다. 상기 방사패치는 RF 연결부로부터 인가된 RF 신호에 의하여 전기장을 방출한다. 상기 금속도체는 자기장이 지배적인 강자성체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 과제를 해결하기 위한 표면파 패치 안테나를 이용한 무선통신 장치는 통신부, 임피던스 정합층 및 전자기장 생성부를 포함하고, 상기 전자기장 생성부는 용량적 성분을 방사하는 방사패치와, 유도적 성분을 방사하는 방사패턴층을 포함하며, 상기 임피던스 정합층은 임피던스 정합부 및 개구부인 임피던스 슬롯을 포함한다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 임피던스 정합부는 CV 변환기의 전압레벨에서 항복전압으로 작동하여 커패시터의 온/오프를 제어하는 제너다이오드를 포함할 수 있다. 상기 임피던스 정합부는 플랜지와 같은 연결부, 표면 형상의 변화 또는 표면거칠기에 대응하여 임피던스를 정합할 수 있다. 상기 임피던스 정합부는 주파수를 변조하는 주파수 변환부와 접속될 수 있다.
본 발명의 표면파 패치 안테나 및 이를 이용한 무선통신 장치에 의하면, 통신에 요구되는 전송효율, 유지보수 등에 대한 물성이 우수하여 임피던스 부정합 환경에도 효율적인 표면파 전송 성능을 유지할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 의한 안테나 및 무선통신 장치에 적용된 표면파 발생원리를 개념적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 3은 본 발명에 의한 평면 금속매질에서의 표면파가 전달되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 제1 및 제2 안테나의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4의 표면파 안테나에서 전자기파를 제어하는 층을 선별하여 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 굴곡진 금속매질에 설치된 표면파 무선통신의 송수신 개념을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 표면파 무선통신부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명에 의한 표면파 전달 장애 사례를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 7의 임피던스 정합부 사례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 평면 금속매질에서의 표면파가 전달되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 제1 및 제2 안테나의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 4의 표면파 안테나에서 전자기파를 제어하는 층을 선별하여 보여주는 평면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 굴곡진 금속매질에 설치된 표면파 무선통신의 송수신 개념을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 표면파 무선통신부를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명에 의한 표면파 전달 장애 사례를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 7의 임피던스 정합부 사례를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 과장되게 표현하였다. 한편, 상부, 하부, 정면 등과 같이 위치를 지적하는 용어들은 도면에 나타낸 것과 관련될 뿐이다. 실제로, 안테나 및 장치는 임의의 선택적인 방향으로 사용될 수 있으며, 실제 사용할 때 공간적인 방향은 안테나 및 장치의 방향 및 회전에 따라 변한다.
본 발명의 실시예는 표면파를 활용함으로써, 통신에 요구되는 전송효율, 유지보수 등에 대하여 우수한 물성을 가진 표면파를 활용하는 표면파 패치 안테나 및 이를 이용한 무선통신 장치를 제시한다. 이를 위해, 표면파를 활용하는 표면파 패치 안테나 및 무선통신 장치에 대하여 자세하게 알아보고, 상기 안테나 및 장치를 활용하여 수행되는 통신의 특징에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에 의한 표면파 통신은 금속매질의 표면을 따라 도파되는 표면파를 이용하여 무선으로 통신하는 것이다.
[표면파, Surface waves]
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 안테나 및 무선통신 장치에 적용된 표면파 발생원리를 개념적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 1에 의하면, 표면파 발생원리에 따르면, 맥스웰 관계식 
에 따라 
평면에 
방향의 전류에 대하여, 수직인 
면에서 회전하는 자기장(MF)이 생성된다. 표면파는 전파의 진행방향(x)에 수직으로 전기장(EF)이 형성되는 횡전계 모드(transverse electric mode) 및 전파의 진행방향(x)에 수직으로 자기장(MF)이 형성되는 횡자계 모드(transverse magnetic mode) 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 전파의 진행방향(x)에 수직으로 동작하는 전기장(EF)을 인가하면, 수평으로 자기장(MF)이 형성되어 전파가 전달되므로, 대기 중 무선통신을 대체할 수 있다.
도 2에 의하면, 자기장(MF)이 포집(trapped)된 금속도체(metal conducting material; MC) 표면으로 전송되며, 금속도체(MC) 위에 송신측에 제1 안테나(100)와 같은 표면파 발생기(surface wave generator)를 설치하여 전속밀도(electric flux density; EFD)를 인가하면, 상기 맥스웰 관계식에 따라 용량적(capacitive) 특성의 횡전계 모드와 유도적(inductive) 특성의 횡자계 모드를 형성한다. 이때, 횡전계 모드는 전기장(electric field; EF)에 연관되고, 횡자계 모드는 자기장(magnetic field; MF)과 연관된다. 금속도체(MC) 표면을 따라 진행하기 위해서는, 횡자계 모드로 전달할 수 있는 유도적 임피던스 표면(inductive impedance surface)을 활용한 표면파(surface wave; SW)를 발생할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 평면 금속매질에서의 표면파(SW)가 전달되는 모습을 나타내는 도면이다. 이때, 표면파 발생원리는 도 1 및 도 2를 참조하기로 한다.
도 3에 의하면, 표면파(SW)는 금속도체(MC) 표면과 표면 전자기파층(electromagnetic wave layer; EWL)의 상호작용으로 금속도체(MC) 표면을 타고 전파된다. 도면에서는, 각각 금속도체(MC) 표면에 소멸적(evanescent) 표면 전자기파층(EWL)을 형성하는 유전체(dielectric material; DM), 표면파(SW) 및 표면파가 전반사(total reflection; TR)되는 지점을 표현하였다. 송신부의 제1 안테나(100)로부터 금속도체(MC) 표면을 향해 전속밀도(electric flux density; EFD)가 인가되면, 전속밀도(EFD)로 인하여 금속도체(MC) 표면 주변에는 소멸적 표면 전자기파층(EWL)이 유전체(DM)로 인하여 형성되고, 소멸적 표면 전자기파층(EWL)과 금속도체(MC) 표면 사이에서 전반사(TR)가 일어나, 금속도체(MC) 표면을 타고 흐르는 표면파(SW)가 형성된다.
상기와 같은 발생원리로 금속도체(MC) 표면에 유전체(DM)가 얇게 코팅되면, 상기 유전체(DM)들에 입사된 전속밀도(EFD)는 상대 유전율이 높은 유전체(DM)를 따라 표면파(SW)가 도파된다. 특히, 유전체(DM)가 공기일 경우, 표면파(SW)는 공기 중으로 에너지가 방사되지 않고, 금속도체(MC) 표면에만 에너지가 존재하면서 금속도체(MC)의 표면을 따라 도파된다. 이와 같은 표면파(SW)를 표면 전자기파라고 한다.
이후에 상세하게 서술하겠지만, 금속도체(MC) 표면에 일정한 형상의 개구부가 주기를 가지고 존재하는 임피던스 정합층(도 4의 40)이 있으면, 금속도체(MC) 표면과 소멸적 표면 전자기파층(EWL) 사이에서의 전반사가 보다 쉽게 이루어질 수 있다. 송신부의 제1 안테나(100)가 금속도체(MC) 표면을 향해 전자기파를 방출하면, 전속밀도(EFD)는 소멸적 표면 전자기파층(EWL)과 함께 표면파(SW)를 형성한다. 표면파(SW)는 금속도체(MC) 표면과 표면 전자기파층(EWL) 사이에서 전반사(TR)가 일어나 금속도체(MC) 표면을 타고 도파되어, 추후에 설명되는 수신부의 표면파 안테나(도 6의 200)가 수신한다.
[표면파 패치 안테나, Surface wave parch antenna]
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 제1 안테나(100) 및 제2 안테나(200)를 나타내는 단면도이다. 다만, 엄밀한 의미의 도면을 표현한 것이 아니며, 설명의 편의를 위하여 도면에 나타나지 않은 구성요소가 있을 수 있다. 이때, 표면파(SW) 발생원리는 앞에서 설명한 바와 같다.
도 4에 의하면, 송신하는 경우의 제1 안테나(100)는 패치(patch) 안테나로 유연한(flexible) 물성을 가지는 것이 바람직하고, 금속도체(MC)에 접촉된다. 구체적으로, 제1 안테나(100)는 금속도체(MC)로부터 제4 유전층(14), 제2 방사패턴층(20), 제3 유전층(12), 방사패치(30), 제2 유전층(11), 제1 방사패턴층(60), 제1 유전층(10), 임피던스 정합층(40) 및 절연층(13)이 순차적으로 적층된다.
제1 안테나(100)에서, 제2 및 제3 유전층(11, 12)의 사이에 위치하는 방사패치(30)는 용량적(capacitive) 성분을 방사하고, 제1 및 제2 유전층(10, 11) 사이에 위치하는 표면파 제1 방사패턴층(60)의 유도적(inductive) 성분과 제3 및 제4 유전층(12, 14) 사이에 위치하는 표면파 제2 방사패턴층(20)의 유도적(inductive) 성분이 증분(increment) 되어 더 강한 전파를 방사한다. 제2 안테나(200)는 제1 안테나(100)와 마찬가지로, 실질적으로 동일한 구조 및 발생원리를 가진다. 제1 방사패턴층(60) 및 제2 방사패턴층(20)은 각각 임피던스 정합층(40) 및 금속도체(MC)에 유연한 물성을 가지는 특징이 있다.
도 5는 도 4의 표면파 안테나에서 표면파의 도파를 원활하게 하는 임피던스 정합층(40, a)을 보여주는 평면도이고, 표면파를 발생하는 제1 및 제2 방사패턴층(60, 20, b, c)과 표면파의 도파를 원활하게 하는 임피던스 정합층(40, a)을 보여주는 평면도이다. 이때, 제1 안테나(100)는 도 4를 참조하기로 한다.
도 5의 (a)에 의하면, 표면파의 도파를 효율적으로 이루어지도록 하는 임피던스 정합층(40)을 설명하기 위한 평면도이다. 이때, 제1 안테나(100)는 도 4를 참조하기로 한다. 표면파(SW)는 다양한 환경에서 작동해야 하므로 임피던스 정합(matching)을 하는 임피던스 정합부(41)가 필요하다. 이를 위해, 다층의 표면파(SW)가 발생하는 제1 및 제2 방사패턴층(60, 20)의 선택적인 사용조건을 제공해야 한다. 임피던스 정합층(40)은 일반적으로 60Ω의 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합층(40)의 개구부인 임피던스 정합슬롯(42)의 수와 형태를 예시하였다.
임피던스 정합층(40)에 임피던스 정합부(41)를 두면, 마이크로프로세서(MCU)가 관여하지 않고 자동으로 임피던스 정합을 하는 간단한 회로부를 구성할 수 있다. 상기 마이크로프로세서(MCU)를 이용하여 제어부에서 임피던스 정합을 하면, 저전력으로 구현해야 하는 센서 모듈 또는 열악한 환경에서 장기간 사용하기에는 상기 제어부의 구현 방법은 고장에 취약하다. 또한, 상기 마이크로프로세서(MCU)는 전류감지로 임피던스 정합을 수행하는 데, 상기 전류감지로는 전송손실을 완전하게 보상하기 어렵다.
(b) 및 (c)는 표면파를 발생하는 층이며, 각각 방사 플레이트(24)가 셀 단위로 제1 방사체(21), 제2 방사체(22) 및 방사패턴(23)이 구현되어 있다. 방사 플레이트(24) 내에 구현된 정현파 형상의 방사패턴(23)과 제1 및 제2 방사체(21, 22)는 주기에 따라 전파되는 표면파의 변조주파수와 공진주파수가 결정되어, 공기 중으로 방사되지 않고 포집되어 표면파로 전달할 수 있다. 더 상세하게는, 제1 안테나(100)는 (b) 및 (c)와 같이 금속으로 증착된 셀 단위의 방사 플레이트(24) 내에 만들어진 방사패턴(23)을 통하여, 금속도체(MC)를 도파할 수 있는 전파에너지를 포집한다. (a)에서 점선으로 표현된 방사패치(30)는 단일 급전방식으로 제1 및 제2 방사체(21, 22)에 전력을 공급한다. 방사 플레이트(24) 내의 방사패턴(23)은 표면파(SW)를 발생하는 패턴으로, 패턴이 배치된 방향에 따라 표면파(SW)의 강도를 제어할 수 있다.
표면파(SW)는 장치에서 RF 신호를 방사패치(30)에 인가하면, 방사패치(30)는 상기 RF 신호를 받아서 전자기장을 형성한다. 방사패치(30)에 의해 발생된 전자기장은 표면파(SW)를 발생하는 제1 및 제2 방사패턴층(60, 20)으로 전달되어 횡자계 모드를 생성한다. 횡자계 모드는 금속도체(MC) 표면을 향하여 자기장(MF)을 방출한다. 상기 RF 신호는 제1 안테나(100)의 중앙에 존재하는 RF 연결부(50)를 이용하여 인가된다. 이를 위해, 제1 방사패턴층(60)에는 관통홀(61)이 존재한다. 상기 RF 신호의 인가는 RF 연결부(50)와 방사패치(30)와 연결됨으로써 이루어진다. 또한, RF 연결부(50) 이외의 접지선은 임피던스 정합층(40)에 접속될 수 있다. 절연층(13)은 제1 안테나(100)를 외부로부터 보호하는 역할을 한다.
이렇게, 인공적으로 만들어진 안테나 표면에 공진회로의 손실을 나타내는 척도인 높은 Q값(quality factor, 
)으로 전파에너지를 포집한다. Q값이 크면, 통과대역(band width)이 좁다. 이에 따라, 횡자계 모드와 외부 여기(excitation)를 기반으로 자기쌍극자 전이를 향상시키는 설계의 포집 모드(trapped mode)가 만족되는 주파수에서, 제1 안테나(100)와 금속도체(MC) 표면이 공진하여 표면파(SW)가 발생하고, 전달효율을 향상시킬 수 있다.
[표면파 무선통신, Surface wave wireless communication]
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 굴곡진 금속매질에 설치된 표면파 무선통신의 송수신 개념을 개략적으로 보여주는 도면이다. 여기서는, 제1 안테나(100)를 중심으로 설명하겠지만, 제2 안테나(200)도 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 송신부의 제1 안테나(100) 및 수신부의 제2 안테나(200)는 금속 도체(MC)인 배관의 각각 양측에 부착된다. 수신부의 제2 안테나(200)는 외부의 RF 신호가 입력되는 송신부의 제1 안테나(100)와는 달리, 금속도체(MC)인 배관을 통하여 전송된 자기장(MF)이 입력되는 것을 제외하고 동일한 구조를 가진다. 금속도체(MC)인 배관에 부착되기 위하여, 제1 안테나(100)의 기판은 폴리이미드와 같은 유연한 물성을 가지는 재질이 채용될 수 있다. 플렉시블한 제1 안테나(100)는 금속도체(MC) 배관에 부착되는 사례로 들었으나, 배관뿐 아니라 플레이트, 프레임 구조에도 적용될 수 있다. 상기와 같이 플렉시블한 제1 안테나(100)와 제2 안테나(200)를 구비한 표면파 무선통신 장치 사례에서, 금속도체(MC)인 자성체(magnetic material)가 자기장 내에서 자화되는 성질에 따라 표면파 송수신 방법이 달라질 수 있다.
구체적으로, 금속도체(MC) 표면이 강자성체인 경우, 송신부의 제1 안테나(100)는 외부전원으로부터 공급받은 전압을 통해 방사패치(30)로 전기장(EF)을 생성한다. 방사패치(30)가 제1 및 제2 방사패턴층(60, 20)에 전자기파 에너지를 인가하면 제1 내지 제4 유전층(10, 11, 12, 14)에 의하여 표면 전자기파층(EWL)을 형성시켜 금속도체(MC) 표면의 수직으로 자기장(MF)이 지배적인(dominant) 표면파(SW)가 생성되어 표면 전자기파층(EWL)과 금속도체(MC) 사이에서 전자기장을 도파시킬 수 있다.
수신부의 제2 안테나(200)는 금속도체(MC) 표면에 형성된 자기장(MF)으로부터 에너지를 받아들인다. 구체적으로, 금속도체(MC) 표면 내의 자기장(MF)의 변화에 따라, 전기장(EF)이 제1 안테나(100)의 제4 유전층(14)으로 전달된다. 전기장(EF)에 의해, 지배적인 자기장(MF)은 제1 안테나(100)에 포함되는 제2 방사패턴층(20)을 통해 제3 유전층(12)으로 전달된다. 이어서 제1 방사패턴층(60)을 통해 제1 유전층(10)으로 전달되어 방사패치(30)로 전자기파가 RF 연결부(50)로 전달된다.
금속도체(MC)가 강자성체를 이용한 표면파 송수신에서는 자기장(MF)이 지배적이다. 이에 따라, 강자성체의 특성과 같이 임피던스의 변화가 작은 금속도체(MC) 배관의 경우, 금속도체(MC) 표면의 투자율이 공기(air)보다 크기 때문에, 표면파 전달효율이 공기 중으로 전파되는 경우보다 효율적이다. 예를 들면, 강철은 투자율이 약 2,000, 순철은 약 4,000 ~ 5,000인데, 이는 공기의 투자율보다 각각 약 2,000배, 약 4,000 ~ 5,000배 크다. 이에 따라, 강자성체에서의 자기장(MF)의 전파는 공기보다 큰 세기로 더 멀리 전파될 수 있다.
금속도체(MC) 표면이 투자율이 높은 경우, 전파효율이 증가하면서 작동주파수의 파장 크기에 따라 전달거리를 제어할 수 있다. 자기장(MF)이 지배적인 전자기장을 형성시키기 위해서는, 일정 크기의 전기장(EF)이 금속도체(MC) 내부에 형성되도록 제1 및 제2 방사패턴층(60, 20)과 같은 공진부 및 임피던스 정합층(40)과 같은 회로부를 적절하게 설계할 필요가 있다. 금속도체(MC) 표면에 형성된 전자기장을 이용하여 금속도체(MC)로부터 일정 거리만큼 떨어진 공진부로도 에너지를 전달할 수 있다.
금속도체(MC) 표면에 형성된 전자기장은 자기장(MF)이 지배적이므로, 금속도체(MC) 표면으로부터 전기장(EF)이 방사될 수 있고, 작동주파수에 공진되는 안테나가 금속도체(MC) 표면의 일정 거리 이내에 있을 때, 에너지 수신이 가능하다. 강자성체 표면을 가지는 금속도체(MC)에서의 송신부 및 수신부의 제1 안테나(100)와 제2 안테나(200)에서의 유전층(10, 11, 12, 14)의 유전체는 유연한 물성을 가지는 안테나에서의 공진부의 두께 및 크기를 소형화시킬 수 있으며, 금속도체(MC) 표면 내에 자기장(MF)이 지배적인 전자기장을 형성시켜 충분한 에너지가 전달되도록 할 수 있다.
금속도체(MC) 표면이 상자성체 또는 반자성체인 경우, 방사패치(30)로부터 전파되는 전기장(EF)은 금속도체(MC) 표면 내에 자기장(MF)이 지배적인 전자기장을 형성시키지 못한다. 구체적으로, 금속도체(MC) 표면이 상자성체 또는 반자성체이면, 금속도체(MC) 표면의 투자율은 공기와 비슷하다. 이에 따라, 상자성체 또는 반자성체에 의한 금속도체(MC) 표면은 강자성체와는 다르게, 공기 중에서와 비슷하게 자기장(MF)이 전파된다. 즉, 공기 중이나 금속 도체(MC) 표면 내부 모두 전파되는 거리가 비슷하다.
강자성체인 순철(Fe)의 투자율은 4,000 이상 ~ 5,000의 범위이나, 상자성체인 알루미늄(Al) 또는 반자성체인 은(Ag)의 투자율이 약 1.0에 해당된다. 따라서 순철(Fe), 알루미늄(Al) 및 은(Ag) 각각이 금속도체(MC) 표면의 재질로 구현되면, 배관에 포함되는 금속도 체(MC) 표면 내부에서의 자기장(MF)의 전파강도는 각각 다르게 형성된다.
이렇듯이, 송신부의 제1 안테나(100)는 전달되는 전력을 강력하게 인가하여 제1 및 제2 방사패턴층(60, 20) 및 방사패치(30)에 전류가 흐르도록 제어할 필요가 있다. 또한, 제1 및 제2 방사패턴층(60, 20) 및 방사패치(30)에 흐르는 전류는 금속도체(MC) 표면 내에서 자기장(MF)이 더욱 지배적인 전자기장을 형성하는 설계가 필요하다. 이러한 방법 중의 하나는 최대한 임피던스 정합을 이루어 동일한 통신방법을 유지하여 현장에 설치하는 것이 경제적으로 합리적이다.
[임피던스 정합(impedance matching)]
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 표면파 무선통신부를 설명하기 위한 블록도이다. 이때, 표면파 무선통신 개념은 앞에서 설명한 바와 같다. 제1 안테나(100)를 중심으로 설명하겠지만, 제2 안테나(200)도 적용될 수 있다.
도 7에 의하면, 송신부 무선통신부는 통신부(A), 주파수 변환부(B), 임피던스 정합부(C) 및 전자기장 생성부(D)를 포함할 수 있다. 송신부 무선통신부는 예컨대 유체가 흐르는 금속도체(MC) 배관 표면의 일정한 위치에 부착될 수 있다. 또한, 통신부(A)는 송신부의 제1 안테나(100)를 포함하며, 금속도체(MC) 표면의 다른 위치에 부착된 다른 무선통신부로 전송되는 전송신호를 수신할 수 있다. 수신측 무선통신부는 송신부측에 의해 유도되는 전자기장으로부터 전송신호를 수신한다. 수신부측 무선통신부는 통신부(A), 주파수 변환부(B), 임피던스 정합부(C) 및 전자기장 생성부(D)를 포함한다. 통신부(A)는 수신부의 제2 안테나(200)를 포함하며, 금속도체(MC) 표면의 다른 위치에 부착된 무선통신 장치로 전송하기 위한 전송신호를 수신한다.
통신부(A)는, 본 발명의 범주 내에서 다른 통신방식을 수행하는 외부 통신모듈을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 수신부 무선통신부는 외부통신이 가능한 구역 내에서는 통신부의 외부 통신모듈을 통해 통신을 수행하고, 매설된 금속도체(MC) 배관과 같이 금속 차폐 환경 내에서는 전자기장 생성부(D)를 통해 통신을 수행할 수 있다. 외부통신이 가능한 구역 내에서는 통신부(A)의 외부 통신모듈은 일 실시예에 있어서, RFID(Radio Frequency Identification), 지그비(ZigBee), 블루투스(BlueTooth) 또는 와이파이(Wi-Fi)를 이용하여 데이터를 송수신 할 수 있다.
전자기장 생성부(D)는, 제1 및 제2 안테나(100, 200)에 해당하는 블록으로써, 전원장치(power supply)에 전기적으로 연결되고, 상기 전원장치를 이용하여 금속도체(MC) 표면에 전자기장을 생성한다. 전자기장 생성부(D)는 금속도체(MC)인 배관의 전체 또는 일부를 감싸는 구조로 이루어질 수 있다. 전자기장 생성부(D)는 전도성 물질이 포함되어 구성되며 적어도 하나의 임피던스 정합슬롯(42)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 임피던스 정합슬롯(42)을 통해 금속도체(MC) 표면의 수직방향으로 전기장(EF)을 전파시킨다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 임피던스 정합부(C)를 설명하기 위한 도면으로써, 표면파 무선통신을 금속도체(MC) 배관에 적용된 사례를 나타내는 사시도 및 단면도이다, 설명의 편의를 위하여, (a) 및 (b)는 각각 단면 절단선(CT)을 따라 절단한 단면도를 표현하였다. 도 9는 도 8의 임피던스 정합부(C) 사례를 나타내는 도면이다. 이때, 임피던스 정합부(C)는 도 4(a)의 임피던스 정합부(41)를 사례로 참고하기로 한다. 또한, 표면 무선통신부는 도 7에서 제시된 바와 같다. 여기서는, 제1 안테나(100)를 중심으로 설명하겠지만, 제2 안테나(200)도 적용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 송신부의 제1 안테나(100) 및 수신부의 제2 안테나(200)는 금속 도체(MC)로써 제공되는 데, (a)와 같이 송신부의 제1 안테나(100) 및 수신부의 제2 안테나(200)가 부착되는 공간(space)이 상이하여 표면파 무선통신의 장애요인이 있을 수 있다. 또한, (b)와 같이 금속도체(MC)의 표면이 거칠면 표면파 무선통신의 장애요인이 역시 있을 수 있다. 이렇게 표면파 통신을 위한 표면의 형상 변화, 표면의 거칠기 상태 및 재질의 변화 등은 다양한 임피던스 부정합의 요인이 될 수 있다.
이하에서는 주파수 변환부(B) 및 임피던스 정합부(C)를 도 9에 도시된 바와 같이 사례를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 이때, 임피던스 정합부(C)는 자동으로 임피던스를 정합한다. 도시된 임피던스 정합부(C)의 등가회로는 임피던스 정합에 대한 예시이다. 예컨대, (a)와 같이 이종의 재질로 플랜지(F)를 사용하여 배관을 연결하거나, 굵기가 다른 배관은 플랜지(F)를 이용하여 연결하면 표면의 형상이 극단적으로 변화할 때 자동으로 임피던스를 정합시킨다. 또한, (b)와 같이 강자성체의 배관을 사용하지만, 오랫동안 표면이 부식되어 배관의 표면의 거칠기가 심하면 이에 따른 임피던스를 정합을 자동으로 실시한다. 상기 배관을 플랜지(F)로 연결하는 경우, 형상의 변화는 임피던스 변화가 커서 고주파수의 전자기파를 전송할 때 영향을 많이 받는 요소이므로, 자동으로 임피던스의 정합이 필수적이다.
임피던스 정합부(41) 내의 복수의 커패시터는 RF 연결부(50)와 제1 안테나(100)의 임피던스 정합층(40) 사이에 구현된다. 복수의 제너다이오드(ZDn)는 각각의 커패시터(Cn)와 RF 연결부(50) 사이에 소스(source)가 연결된다. 제너다이오드(ZDn)의 한 핀은 접지(ground)되어 있고, 나머지 핀은 CV 변환기에 연결된다. 복수의 제너다이오드(ZDn)는 상기 CV 변환기의 전압레벨에서 해당 전압 이상이 들어오면, 항복전압으로 작동하여 커패시터(Cn)의 온/오프를 제어하는 스위치 역할을 한다. 상기 CV 변환기는 상기 복수의 제너다이오드(ZDn)의 단자전압을 조절할 수 있도록, 임피던스에 의한 전류를 입력받아 전압으로 커패시터(Cn)의 온/오프를 수행한다.
예컨대, 측정되는 전류의 변화량이 10mA인 경우에 전류변환기 전압을 10mV로 정한다. 상기 전압레벨에 따라 온/오프할 제너다이오드(ZDn)의 항복기준에 따라, 마이크로프로세서(MCU) 없이 자동으로 선택(selection)된다. 상기 선택에 따라 제너다이오드(ZDn)의 항복전압에 따른 커패시터(Cn)를 온/오프하여 임피던스(impedance)를 조절할 수 있다. 이와 같이 임피던스 정합부(C)는 마이크로프로세서(MCU)가 없이 임피던스 정합을 한다. 이를 위해, 복수의 커패시터(Cn) 및 제너다이오드(ZDn)가 이용된다. 물론, 여기서는 예시적으로 커패시터(Cn) 및 제너다이오드(ZDn)를 이용하였으나, 본 발명의 범주 내에서 트랜지스터 등 다른 전자소자를 이용하여 구성될 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 상기 임피던스 정합부(41)를 이용하여 임피던스를 정합해도 전송효율이 떨어지면 주파수를 변경하여 전송효율을 보상할 필요가 있다. 이에 대하여, 주파수 변환부(B)는 고주파수의 전파전송이 어려운 경우, 주파수를 낮춰주는 주파수 변환기가 있다. 주파수 변환부(B)는 임피던스 부정합 구간이 있으면, 주파수를 변경하여 원활한 전송효율을 유지하게 한다.
(b)는 본 발명의 실시예에 의한 표면파 전달 장애 사례 중의 하나를 설명하기 위한 것으로, 표면파는 앞에서 설명한 바와 같다. 구체적으로, 표면파(SW)에 의해 전달되는 신호의 주파수가 높아질수록, 금속도체(MC) 표면으로 전류가 집중되는 표피효과(skin effect)가 발생하고, 그때 전류가 흐르는 깊이를 표면깊이(skin depth)라고 한다. 저주파에서는 금속도체(MC) 내부를 전하가 이동하면서 신호가 왕복하지만, 고주파에서는 금속도체(MC) 표면을 따라 전하가 왕복한다. 따라서, 상기 고주파는 제1 및 제2 안테나(100, 200)가 설치된 구간에 상기와 같이 표면의 거칠기가 크거나, (a)와 같이 급격한 형상의 변화로 인한 임피던스 정합은 인위적으로 구현하기 어렵다. 상기 정합을 위하여, 해당하는 부위에 도전율이 좋은 강자성체를 전체에 사용할 필요가 없이, 기존 금속도체(MC) 외부에 코팅(coating)함으로써 고주파의 전파가 전도되도록 도전율을 높일 수 있다.
[표피효과, skin effect]
상기 표피효과()는 식 
으로 표현된다. 여기서, α는 감쇠정수, ω=2πf, f는 주파수, μ는 투자율, σ는 도전율이다. 구체적으로, 상기의 식은 주파수와 금속 도체(MC) 성분의 관계에 따라, 전류가 어느 정도 깊이까지 침투하느냐를 나타낸 것이다. 상기의 식을 통하여, 고주파 전도에 적절한 금속도체(MC)의 두께를 확인할 수 있다. 고주파에서는 금속도체(MC) 내부에 전자기장이 존재하지 않기 때문에, 매우 얇은 두께의 표면에만 전류가 흐른다. 즉, 금속도체(MC)의 표면거칠기가 심하거나 불균일하면, 표면파(SW) 신호전달에 영향을 줄 수 있다.
상기 표피효과는 마이크로파대 이상의 주파수뿐만 아니라 VHF 등 의외로 낮은 주파수에서도 큰 영향이 있을 수 있다. 또한, 표면의 불균일뿐만 아니라, 금속도체(MC) 재질의 급격한 변화, 예를 들어 철과 알루미늄의 재질이 병합될 수 있다. 선박이나 레일의 경우, 도색을 하면 어디서 재질 변화가 있는지 알아내기 어렵다. 한편, 어느 부분부터 재질 변화가 있는지를 정확하게 판단하여, 그 부분에 임피던스 정합 대응, 예컨대, 철 성분의 재질을 덧붙이는 등의 행위가 요구된다.
이는 투자율 
(B; 자기력선속 밀도, H; 자계, 자력이 작용하는 공간) 단위는 N/A2로 H/m와 같다. 투자율이 높을수록 물질에 큰 자기력선 밀도(자속, 자기유도선의 수)가 생성된다. 철의 투자율(μ)는 6.3×10-3H/m이고, 나무의 투자율(μ)는 1.25663760-6H/m. 진공의 투자율(μo)은 4π×10-7H/m이다. 상대 투자율 또는 비투자율은 어떤 물질의 투자율 μ과 진공의 투자율 μo의 비(μ/μo)이다. 반자성체인 금은 0.99996, 구리는 0.99999이고 상자성체인 알루미늄은 1.00002이고 강자성체인 철은 5,000인 만큼 투자율에 따라 많은 차이를 보인다.
구체적으로, 철과 알루미늄을 연결한 배관에서 표면파 통신을 하게 되면, 재질의 차이로 인한 임피던스 정합을 철분이 포함된 도료를 사용하여 매끈한 면을 만드는 것이 바람직하다. 또한, 철과 철이 맞닿은 부분의 틈새(gap)가 많을 경우와 표면이 불균일하면, 철 재료를 도포하여 매끄럽게 해준다, 이와 같은 연결의 불안정과 불균일한 부분으로 인한 임피던스를 파악하기 위하여, 임피던스 정합용 시험파를 송신하여 돌아오는 시간을 측정하여 문제가 되는 부분을 검지하여 확인할 수 있다. 이는 물의 파동에 있어서 고요한 물에 돌을 던지면 깔끔한 파동이 발생하지만, 요동치는 물에 돌을 던지면 파동의 형태가 많이 왜곡되는 현상과 유사하다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100, 200; 제1 및 제2 안테나
10, 11, 12, 14; 제1 내지 제4 유전층
13; 절연층
60, 20; 제1 및 제2 방사패턴층
21, 22; 제1 및 제2 방사체
23; 방사패턴 24; 방사 플레이트
30; 방사패치 40; 임피던스 정합층
41, C; 임피던스 정합부 42; 임피던스 정합슬롯
50; RF 연결부
10, 11, 12, 14; 제1 내지 제4 유전층
13; 절연층
60, 20; 제1 및 제2 방사패턴층
21, 22; 제1 및 제2 방사체
23; 방사패턴 24; 방사 플레이트
30; 방사패치 40; 임피던스 정합층
41, C; 임피던스 정합부 42; 임피던스 정합슬롯
50; RF 연결부
Claims (12)
- 방사패턴층, 방사패치 및 임피던스 정합층은 금속도체로부터 순차적으로 배치되고,
상기 방사패턴층은 유전층 및 유전층 사이에 위치하고 용량적 성분을 방사하며,
상기 방사패치는 유전층 및 유전층 사이에 위치하고 유도적 성분을 방사하고,
상기 임피던스 정합층은 상기 방사패치를 이루는 유전층의 상부에 위치하고 임피던스 정합을 이루며,
상기 임피던스 정합층에 가까운 방사패턴층 또는 상기 금속도체에 가까운 방사패턴층 또는 양 방사패턴층 중의 적어도 어느 하나는 변조주파수와 공진주파수를 방사하는 제1 방사체 및 제2 방사체 및 정현파 형상의 방사패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파 패치 안테나. - 제1항에 있어서, 상기 방사패치 및 상기 임피던스 정합층 사이에 위치하는 유전층 및 유전층 사이에 배치되며, 유도적 성분을 방사하는 방사패턴층을 포함하고, 상기 임피던스 정합층에 가까운 방사패턴층은 상기 금속도체와 가까운 방사패턴층의 상기 유도적 성분에 증분되는 것을 특징으로 하는 표면파 패치 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 임피던스 정합층은 임피던스 정합부 및 개구부인 임피던스 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파 패치 안테나.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 방사패치는 RF 연결부로부터 인가된 RF 신호에 의해 전기장을 방출하는 것을 특징으로 하는 표면파 패치 안테나.
- 제1항에 있어서, 상기 금속도체는 자기장이 지배적인 강자성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면파 패치 안테나.
- 삭제
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|---|---|
| KR102611108B1 true KR102611108B1 (ko) | 2023-12-06 |
Family
ID=89163995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230126203A KR102611108B1 (ko) | 2023-09-21 | 2023-09-21 | 표면파 패치 안테나 및 이를 이용한 무선통신 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102611108B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060064473A (ko) * | 2004-12-08 | 2006-06-13 | 한국전자통신연구원 | Ｐｉｆａ 안테나, ｒｆｉｄ 태그 및 안테나 임피던스 조정방법 |
| KR20180111406A (ko) * | 2017-03-31 | 2018-10-11 | 삼성에스디에스 주식회사 | 표면파(Surface wave) 패치 안테나 및 통신 장치 |
| KR20220032895A (ko) * | 2020-09-08 | 2022-03-15 | 삼성전기주식회사 | 안테나 장치 |
-
2023
- 2023-09-21 KR KR1020230126203A patent/KR102611108B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20060064473A (ko) * | 2004-12-08 | 2006-06-13 | 한국전자통신연구원 | Ｐｉｆａ 안테나, ｒｆｉｄ 태그 및 안테나 임피던스 조정방법 |
| KR20180111406A (ko) * | 2017-03-31 | 2018-10-11 | 삼성에스디에스 주식회사 | 표면파(Surface wave) 패치 안테나 및 통신 장치 |
| KR20220032895A (ko) * | 2020-09-08 | 2022-03-15 | 삼성전기주식회사 | 안테나 장치 |
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