KR102626156B1 - 전자기적 결합 급전과 u형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 결합 급전부와 UHF 광대역 안테나 내부에 U형 슬롯을 내장한 UHF대역 저자세(Low Profile) 광대역 안테나에 관한 것이다. UHF 광대역 안테나의 구성은 안테나의 접지기능을 수행하는 접지면, 안테나의 광대역 정합을 위해 수직급전부 및 방사체와 전자기적 결합을 위해 부착된 수평급전부로 이루어진 급전부와 공진 주파수 대비 방사체의 크기를 최소화하기 위한 방사체 내부에 구비된 U형 슬롯으로 이루어진 방사체로 구성되어 있다.
상기와 같은 발명의 구성에 의하여 본 출원 발명은 광대역 특성을 구비하면서, 안테나의 수직 방향의 크기를
이하로 제공하는 효과가 있는 기술로 기존의 UHF 대역에 사용되고 있는 
모노폴 안테나의 협대역 입력 임피던스 정합 특성과 수직 방향의 크기 제한을 해결한 기술이다.
상기와 같은 발명의 구성에 의하여 본 출원 발명은 광대역 특성을 구비하면서, 안테나의 수직 방향의 크기를
Description
본 발명은 UHF대역에 사용되는 마이크로스트립 형태의 저자세 평면 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 안테나의 공진주파수 특성을 임의로 쉽게 조정 가능하게 함과 아울러 간단한 안테나의 입력임피던스 정합회로를 통해 광대역특성과 안테나의 전체적인 수직 길이를 최소화라는 안테나의 저자세 기술에 관한 것이다.
최근에 고층화된 건물이 늘어남에 따라서 수직운반 수송설비인 엘리베이터 설비의 중요성이 나날이 증가하고 있다. 이러한 추세와 관련해서 엘리베이터의 안전사고도 해마다 늘어나고 있다. 엘리베이터의 안전사고를 미연에 방지하고, 안전하고 쾌적한 구동을 위해서는 엘리베이터의 성능을 주기적으로 점검할 필요가 있다. 엘리베이터 유지보수업체에서 수행하는 엘리베이터 설비의 안전이나 성능을 평가하는 자체점검과 완성검사, 정기검사, 수시검사, 정밀안전검사 등은 엘리베이터 안전 운행을 위한 중요 검사로써 엘리베이터의 성능 및 안정성을 평가하는 기초자료로 활용될 수 있다. 현재 국내에 종사하는 승강기 유지보수산업의 현황을 살펴보면 몇몇 대기업과 협력업체 그리고 독립적인 중소기업으로 구성되어 있으며, 이들 중 중소기업은 여러 가지 여건상 영세성을 벗어나지 못하고 있다. 중소기업에서 주로 행해지고 있는 승강기의 자체점검업무도 점검자가 점검양식에 의해서 수작업으로 점검결과를 기록하는 방법을 사용하고 있다. 엘리베이터 안전관리 점검의 품질향상은 자체점검자들이 측정하는 데이터를 엘리베이터 관리주체가 유지보수에 참고할 수 있도록 다양한 정보를 제공할 수 있어야 하지만 여러 가지 여건상 그렇지 못한 경우가 많다. 엘리베이터의 점검항목은 설비의 종류에 따라 다르지만 그 중에서 진동과 소음과 같은 중요 데이터를 실시간으로 측정하여 분석하면 엘리베이터의 안전관리에 큰 도움이 되겠지만 현재 엘리베이터 시스템으로는 실시간 데이터를 제공하기 힘든 실정이다.
따라서 본 발명에서는 엘리베이터의 점검용 데이터를 실시간으로 무선통신을 이용하여 시스템을 개발하고자 한다. 그리고 사용 주파수를 허가없이 사용할 수 있는 UHF대역 중에 ISM 주파수 대역(424~447MHz)을 이용한 엘리베이터 점검용 데이터 무선 시스템을 사용하면 엘리베이터 설비의 주요 부품 상태를 쉽게 파악할 수 있다는 장점이 있다.
일반적으로 UHF 대역을 사용하면서 하나의 단말로 다수의 데이터와 서비스를 제공하는 무선 단말장치에 부착하는 안테나는 단위 소자로서 가장 큰 부피를 차지하게 되는데, 이러한 안테나가 단말장치의 소형, 경량, 박형의 구조와 기능 및 성능을 좌우하는 결정적인 역할을 하게 된다.
그러나, 안테나를 소형화시키면 기구적으로 크기가 작아서 사용상 편리한 여러 가지 장점이 있지만, 전기적 성능 면에서는 많은 제약으로 작용한다. 일반적으로 안테나의 효율은 물리적 크기에 의존하기 때문이다. 안테나 복사 패턴은 무지향성에 가까운 특성을 갖게 되고 안테나 이득은 낮아진다. 이뿐만 아니라 안테나의 입력 저항이 매우 작아지고 리액턴스가 매우 커져서 안테나 효율이 급격히 저하되고 대역폭이 좁아지게 된다. 이러한 문제점을 극복하면서 크기가 소형인 안테나를 개발하는 것은 매우 어려운 일이다.
특히 이러한 문제는 주파수가 낮을수록 자체 구조 및 방사 메커니즘으로 인하여 대역폭이 좁아지고, 낮은 주파수로 인한 전기적 길이 증가하기 때문에 소형의 안테나를 개발하는 것은 더욱 어려운 일이다. 특히, 1GHz 이하의 주파수에서의 안테나 크기는 철저하게 주파수에 의존하기 때문에 안테나의 크기가 커질 수 밖에 없다. 따라서, 1GHz 이하의 주파수 대역에서 안테나의 크기를 소형화하면서 사용 대역폭을 넓히는 것은 그동안에는 불가능 하였다.
현재 UHF대역 통신에 보편적으로 사용되고 있는 안테나는 선형 안테나 형태로 모노폴 안테나가 있다. 모노폴 안테나의 일반적인 길이는 사용 주파수로부터 계산된 파장의 1/4이다. 이러한 구조적인 한계와 한정된 공간에서 사용되는 엘리베이터 점검용 무선 시스템에서는 모노폴 안테나를 사용하기가 매우 어렵다.
이런 모노폴 선형 안테나의 단점을 개선하고자 역 L형 안테나, 역 F안테나, 탑 로딩 안테나 구조와 같이 선형 방사소자의 구조를 구부리거나, 헬리컬 안테나 구조와 같이 같은 패턴으로 감는 형식을 취하여 소형화하는 기법들이 연구되어 졌다.
그러나 모노폴 안테나의 소형화로 가장 많이 응용되고 실제로도 사용되고 있는 역 F형 구조는 모노폴 안테나와 비교하여 길이를 짧게 할 수 있고 집중회로 소자(lumped elements) 등 추가적인 정합 소자를 사용하지 않고 임피던스 정합이 용이하다는 몇 가지 장점이 있다. 그러나 실제로 UHF안테나를 설계하면 안테나의 길이가 수평으로 누워져 있는 구조이기 때문에 수직 길이는 작게 할 수 있으나 그 길이 만큼 수평 길이가 매우 길어지는 단점을 가지며, 방사패턴도 무지향성 특성이 아니라 지향성을 띠는 특성을 갖는다. (참고문헌1)
또 다른 UHF 안테나를 소형화하는 방법은 회로적으로 방사체의 한 쪽을 단락시키고 다른 쪽은 개방시킨 후 급전부 방향으로 적당한 길이를 형성하여 리액턴스를 최소화시키는 구조를 이용하는 것이며, 방사체에 인덕턴스와 커패시턴스를 발생시키는 여러 가지 슬릿과 단락 핀, 보조 방사체를 삽입하여 소형화된 안테나를 구현하는 것이다.(참고문헌2)
이처럼 상술한 바와 같은 방법들은 구조가 복잡하고 제작 공정이 어려워 실제 서비스에 적용하기에는 무리가 따르며, 임피던스 정합 문제로 추가적인 수동 소자들의 설계가 필요해 설계 및 제작 시 매우 비효율적이다. 또한, 동작 주파수에 적절한 안테나 전체 구조나 방사부 최적화된 설계 파라미터가 많고 각 설계 파라미터 간의 상호 의존도로 인하여 설계ㆍ제작해야 하는 어려움이 있다.
1. J. Buckley, D. Gaetano, K.G. McCarthy, L. Loizou, B. O’Flynn and C. O’Mathuna, "Compact 433 MHz antenna for wireless smart system applications", ELECTRONICS LETTERS 10th April 2014 Vol. 50 No. 8 pp. 572-574
2. Lee Y. H., Cho S. Y. and Chung J. Y.,"SNR Enhancement of an Electrically Small Antenna Using a Non-Foster Matching Circuit",Appl. Sci. 2020, 10, 4464
일반 UHF(Ultra High Frequency, 주파수가 300~3000MHz에 속하는 전자기파)대역에 사용되는 다이폴 안테나는 구조적 문제로 저자세 구조로는 적합하지 않다. 이유는 다이폴 안테나를 지지하기 위해 반드시 접지면과 연결이 되어야 하는 데 이를 위해 
이의 지지대가 필요하기 때문이다. 예로써, 400MHz 주파수에서 
는 18.8 cm의 길이이므로 최소 20 cm이상의 안테나 높이를 갖는다. 이는 기지국 안테나의 크기(높이)를 더 이상 낮게 하지 못하는 원인이다. 그리고 저자세의 대표적인 평면 안테나 구조는 패치 안테나로 저자세인 구조를 갖고 있지만 일반적으로 대역폭(BW)이 5%이하로 작다. 이러한 작은 대역폭 특성 제한은 안테나에 에너지를 공급하는 급전 구조에 기인한다. (참고문헌1)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하고, 엘리베이터 점검을 위한 데이터통신용 무선 안테나를 제공하고자 한다.
본 출원 발명에서 제공하는 저자세 안테나는 수직적 길이를 최소화한 저자세 구조이면서, UHF 대역에서 광대역 특성을 갖는 안테나를 제공함으로써 엘리베이터 등의 점검을 위한 무선데이터 통신 안테나 시스템을 제공하고자 한다.
특히, 엘리베이터와 같이 좁은 공간에 설치가 가능하도록 안테나의 전체 높이를 저자세 및 소형화한 기술을 제공한다.
본 출원 발명의 안테나 구조는 기본적으로 평판 안테나 구조이지만 급전부를 전자기적 결합 방식을 사용하여 구성함으로써 UHF 주파수 대역에서 광대역 사용이 가능하도록 함으로써 안테나의 대역폭 문제점을 해결하였다. 이는 코넥터의 수직부 구성과 코넥터의 끝에 위치한 수평급이부에 의한 전자기적 결합 구성으로 안테나의 광대역 특성을 부여한 것이 본 출원 발명의 특징부 이다.
또한, 안테나의 높이를 줄여 제한된 공간에도 설치가 용이하도록 수직 길이를 최소화한 구조로 방사부의 평면 구조를 설계하였다. 이러한 구조에 의하여 기존의 안테나에서는 구현할 수 없는 안테나의 수직 방향의 높이를 
(공진주파수의 십분의 1)이하로 제작할 수 있게 하였다.
또한, 방사부의 양쪽 끝은 꺽이게 구성함으로써 전체적인 수평 길이도 줄여 였다.
또한, 제작 후 공정상의 오차로 인하여 발생하는 공진 주파수 변이를 쉽게 구현하기 위해 방사부에 U형 슬롯을 배치하고 이 U형의 가로 및 세로 슬롯 길이를 조정함으로써 공진 주파수를 조절할 수 있도록 하였다.
본 출원 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 다음의 과제해결 수단을 제공한다.
정사각형 형태의 금속판으로 구비된 접지부; 및
상기 접지부에 구비된 코넥터에 구멍에 연결되는 상기 코넥터에 일측이 연결되고 타측에 수평급전부가 연결되는 수직급전부로 구성되는 급전부; 및
상기 접지부에 부도체로 구성된 방사체 고정부의 일측이 고정되고, 방사체 고정부의 타측은 상기 급전부 상단에 디귿자 모양으로 씌워지는 방사체의 하단부가 고정되는 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
또한, 상기 방사체의 상기 수평급전부와 인접한 위치에는 U형 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
또한, 상기 U형 슬롯은 크기가 다른 U형 슬롯을 고정할 수 있도록 함으로써 공진주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
또한, 상기 수평급전부의 크기를 조절함으로써 급전부와 방사체 사이의 전자기적 결합을 변화시켜 공진주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
또한, 상기 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 높이는 공진파장의 1/10 인 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
본 출원 발명은 상기와 같은 발명의 구성에 의하여 방사체 내부 U형 슬롯의 길이와 디귿자 형상으로 구비된 방사체 전체 길이를 조절하여 UHF 광대역 안테나의 공진 주파수를 사용자가 원하는 공진주파수로 조절 가능한 효과를 제공한다.
또한, 본 출원 발명은 UHF 광대역 안테나의 정합을 공진주파수에 영향이 거의 없는 독립된 설계인자인 수평급전부의 길이(반지, feed_d)를 조절함으로써 임피던스 매칭이 가능한 구조이다.
상기와 같은 설계인자 간의 독립된 구조를 가지는 UHF 광대역 안테나는 사용자의 사용하고자하는 용도에 맞추어 안테나를 쉽게 설계하여 사용할 수 있는 수단을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 좌측 상단에서 본 사시도 이다.
도 2는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 좌측 하단에서 본 사시도 이다.
도 3은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 구조를 확인할 수 있는 분해 사시도 이다.
도 4는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 U형 슬롯의 기능과 급전부의 수평급전부와 방사체의 결합에 의한 인덕턴스 성분 및 커패시턴스 성분의 생성 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 저자세가 가능한 원리를 식으로 설명하고 있다.
도 6은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 Fy 값을 변화시켰을 때의 공진주파수 및 임피던스 매칭 결과를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 Lf 값을 변화시켰을 때의 공진주파수 및 임피던스 매칭 결과를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 U형 슬롯의 크기를 조절할 수 있는 구조를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 치수 변화에 따른 공진주파수 변화를 표로써 설명하고 있다.
도 2는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 좌측 하단에서 본 사시도 이다.
도 3은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 구조를 확인할 수 있는 분해 사시도 이다.
도 4는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 U형 슬롯의 기능과 급전부의 수평급전부와 방사체의 결합에 의한 인덕턴스 성분 및 커패시턴스 성분의 생성 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 저자세가 가능한 원리를 식으로 설명하고 있다.
도 6은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 Fy 값을 변화시켰을 때의 공진주파수 및 임피던스 매칭 결과를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 Lf 값을 변화시켰을 때의 공진주파수 및 임피던스 매칭 결과를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 U형 슬롯의 크기를 조절할 수 있는 구조를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 치수 변화에 따른 공진주파수 변화를 표로써 설명하고 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 출원 발명의 작용효과를 도면을 활용하여 설명하면 다음과 같다. 설명에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이며, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 좌측 상단에서 본 사시도 이다. 접지부위에 부도체로 구성된 방사체 고정부를 이용하여 방사체를 접지부에 고정하고 있다. 상기 접지부와 방사체 사이에 급전부의 코넥터가 상기 접지부의 코넥터 고정 홀에 고정되어 있다. 상기 접지부에 구성된 수평급전부의 구성을 도면에서 확인되지 않으나, 후에 설명할 도 2에서 확인할 수 있듯이 수직급전부의 상단에 구비되며, 상기 방사체와 상기 수평급전부는 도체로 구성되며 서로 전자기적으로 결합하고 있을 뿐 직접적으로 접촉하지 않음에 유의해야할 것이다.
또한, 방사체를 긴변과 짧은 변으로 구성되며, 긴변쪽은 양쪽 끝단이 아래쪽으로 절곡되어 있다. 상기 절곡된 부분을 포함하는 전체 길이로 공진주파수가 선택되기 때문에 상기 긴변쪽을 아래쪽으로 절곡하여 디귿자 형상을 만들어 줌으로써 안테나의 길이가 짧아지는 효과가 있음은 물론이다.
본 출원 발명은 높이가 제한된 공간에 장착하기 위하여 저자세 UHF 광대역 안테나를 제공하는 것이다. 이는 안테나의 총 수직 길이를 낮추면서도 동일한 공진주파수의 안테나를 제공하는 것 이다. 본 출원 발명에서도 안테나의 총 수직 길이는 방사체가 접지부터 떨어진 거리로 단순하게 정해진다.
본 출원 발명의 접지는 접지 모서리 부분을 꺽은 구조를 사용하였으며, 접지면은 방사체보다는 주변 전자파 환경에 대응하여 접지기능을 수행하기 위해 크게 하면 좋으나 설치 환경에 따라 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 좌측 하단에서 본 사시도 이다. 상기 도1에서 확인할 수 없었던 수평급전부와 코넥터의 구성을 확인할 수 있다. 접지는 테두리가 모두 위쪽으로 접혀진 형태를 취하고 있으나, 접지 기능을 수행할 수 있는 형태라면 평면 또는 다양한 형상이 가능하다.
도 3은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 구조를 확인할 수 있는 분해 사시도 이다. 도면에서 방사체 고정부의 구성은 생략되어 있다. 위에서부터 방사체, 급전부, 접지부로 구성된다. 본 출원 발명의 방사체는 U형 슬롯을 가지고 있어, 이 부분이 안테나의 추가 인덕터의 기능을 수행하고 상기 방사체 아래 안쪽에 구비되는 급전부의 수평급전부와 상기 방사체가 추가의 커패시터 역할을 함으로써 본 출원 발명의 UHF 광대역 안테나의 저자세를 구현하게 된다.
본 출원 발명의 디귿자 형상의 도체 방사체 내에 있는 U형 슬롯의 길이 변화에 따른 반사손실의 주파수 특성변화는 다음과 같다. 상기 U형 슬롯의 길이가 증가하면 인덕턴스 값이 증가하여 안테나의 입력임피던스의 허수부가 증가하며, 저항 값이 감소하여 실수가 감소한다. 이러한 U형 슬롯 길이의 미세한 변화에 따라 UHF 광대역안테나의 특성이 매우 민감하게 변화하기 때문에 제작 시 주의를 요한다.
한편, U형 슬롯의 폭의 변화는 U형 슬롯의 길이 변화와는 반대로 실수부보다는 허수부 변화량이 많다. U형 슬롯의 폭이 넓어지면 허수부(인턱턴스 성분)가 점차 커진다. 따라서 슬롯길이와 슬롯 폭을 적절히 조절하면 부가적인 정합회로를 사용하지 않고도 임피던스 정합을 이룰 수 있다. 이는 도 8에서 상기 슬롯의 길이와 형상을 변화시킬 수 있는 사각형의 도체를 상기 U형 슬롯에 탈부착하게 구비함으로써 이를 조절할 수 있는 수단을 추가로 제공한다.
또한, 급전부의 수평급전부의 구성으로 상기 방사체와 상기 수평급전부가 전자기적으로 결합되어 커패시턴스의 역할을 함으로써 추가적인 입력임피던스의 허수부의 변화를 줄 수 있다.
도 4는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 U형 슬롯의 기능과 급전부의 수평급전부와 방사체의 결합에 의한 인덕턴스 성분 및 커패시턴스 성분의 생성 원리를 설명하는 도면이다. 도 3에서 일부 설명한 것과 같이 U형 슬롯의 길이와 폭 및 수평급전부의 구성으로 본 출원 발명의 UHF 광대역안테나 구조는 추가의 인덕더와 커패시터의 기능을 수행할 수 있다.
이는 본 출원 발명의 U형 슬롯 및 수평급전부에 의하여 기존의 안테나 로딩 기술에 의하지 아니하고, 안테나 방사체 내부에 급전부를 구비함으로써 인덕터 및/ 또는 커패시터를 안테나에 더 구비하는 효과를 가지는 안테나 로딩기술을 제공하는 것이다.
도 5는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 저자세가 가능한 원리를 식으로 설명하고 있다. 상기한 U형 슬롯 및 수평급전부의 추가로 인한 추가의 설계인자들이 기존에 사용하는 모노폴 안테나 또는 소형화기법이 사용된 역F형 안테나에는 없는 추가적인 설계인자로 사용되어 안테나 자체 길이를 변화시키지 않아도 사용자가 원하는 공진 주파수를 가지는 안테나를 설계할 수 있다.
이는 도 5에 도시한 것과 같이 상기 방사체의 U형 슬롯과 수평급전부와 상기 방사체간의 전자기적 결합으로 식(1)에 기재한 것과 같이 리액턴스 성분이 증가하는 효과가 있다. 이러한 리액턴스 성분의 증가는 식(1)의 분모 값을 크게 증가시켜 안테나 길이의 증가 없이 공진 주파수는 낮추는 효과가 있다.
부언하면, 안테나 고유의 커패시터()나 인덕터()성분에 이 위의 두 파라미터 변화로 인해 리액턴스 성분 증가 즉, 커패시터()나 인덕터()성분이 증가함에 따라서 안테나의 공진 주파수(fo)는 식(1)에 의해 공진 주파수가 낮아지고, 상기 리액턴스의 증가로 안테나의 전체 크기 역시 작아지는 효과가 있다.
부가적으로 상기 식(1)을 이용하여 기존의 모노폴 안테나 또는 소형화기법이 사용된 역F형 안테나에서는 연장 코일(인덕터)과 단축 커페시터의 역할을 할 수 있는 집중정수 소자를 안테나에 부착하여 안테나 정합에 사용하고 있다. 그러나 이런 경우 집중소자의 정확한 값은 물론이고 제작상의 오차로 인하여 정확하게 원하는 값을 구현하기 어렵기 때문에 안테나의 정합이 항상 문제가 되어 왔다. 이러한 정합의 문제는 안테나를 광대역으로 사용하기 어렵게 하는 경우가 빈번하다.
도 6은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 Fy 값을 변화시켰을 때의 공진주파수 및 임피던스 매칭 결과를 도시하고 있다. 상기 도 6의 그래프는 광대역 특성을 얻기 위한 안테나 설계 파라미터 중에 중요한 파라미터인 급전부의 상단부에 구비된 수평급전부의 위치 변화에 따라 입력임피던스의 변화를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 Lf 값을 변화시켰을 때의 공진주파수 및 임피던스 매칭 결과를 도시하고 있다. 상기 방사체의 수직으로 꺽인 길이 변화(Lf)에 따른 반사손실의 주파수 특성변화를 나타낸 그래프이다. 이는 기존의 모노폴 안테나 또는 소형화기법이 사용된 역F형 안테나에는 없는 설계 파라미터로, 도 7로부터 상기 방사체의 수직으로 꺽인 길이(Lf)를 미세 조절하여 쉽게 안테나를 정합할 수 있다.
상기 도 6 및 도 7로부터 안테나의 주요 파라미터인 슬롯의 크기 변화와 급전부의 위치는 입력임피던스의 허수부뿐만 아니라 실수부에 많은 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 U형 슬롯의 크기를 조절할 수 있는 구조를 도시하고 있다. 도면에 기재된 바와 같이 U형 슬롯의 안쪽 금속판에 크기가 다른 슬롯을 부착할 수 있도록 함으로써 안테나 정합을 위한 적절한 크기의 U형 슬롯을 쉽게 만들 수 있도록 하였다.
도 9는 본 발명의 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 치수 변화에 따른 공진주파수 변화를 표로써 설명하고 있다. 표에서 공진 주파수를 크게 변화시키는 파라미터는, 수직으로 꺽인 길이를 포함한 방사체 전체 길이 이다(Wa+Lf) 또한, 급전부의 설치 거리 F_y와 수직급전부 길이 feed_z를 조절함으로써 넓은 대역폭에서 공진주파수 매칭을 구현할 수 있다. 상기 도 9의 표로부터 알 수 있듯이, 본 출원 발명의 UHF 광대역 안테나의 설계 인자들은 공진 주파수를 변화시키는 파라미터들과 임피던스를 변화시키는 설계 인자로 구분할 수 있고, 구분된 설계인자들 간의 상호 의존성 또는 상호 연결성이 매우 낮아 공진 주파수 설계인자 설정과 임피던스 정합을 위한 설계인자 설정을 독립적으로 수행할 수 있어 많은 시간과 비용을 아낄 수 있으며, 필요한 경우 다른 공진주파수로의 변경도 해당 설계 인자인 (Wa+Lf), F_y 또는 feed_z를 변경함으로써 쉽게 가능하다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정 과정들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
요약하면, 본 발명은 결합 급전부와 UHF 광대역 안테나 내부에 U형 슬롯을 내장한 UHF대역 저자세(Low Profile) 광대역 안테나에 관한 것이다. UHF 광대역 안테나의 구성은 안테나의 접지기능을 수행하는 접지면, 안테나의 광대역 정합을 위해 수직급전부 및 방사체와 전자기적 결합을 위해 부착된 수평급전부로 이루어진 급전부와 공진 주파수 대비 방사체의 크기를 최소화하기 위한 방사체 내부에 구비된 U형 슬롯으로 이루어진 방사체로 구성되어 있다.
상기와 같은 발명의 구성에 의하여 본 출원 발명은 광대역 특성을 구비하면서, 안테나의 수직 방향의 크기를 
이하로 제공하는 효과가 있는 기술로 기존의 UHF 대역에 사용되고 있는 
모노폴 안테나의 협대역 입력 임피던스 정합 특성과 수직 방향의 크기 제한을 해결한 기술이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 방사체를 광대역 특성을 갖도록 급전하기 위해 사용된 비접촉 전자기 결합 급전부는 수직급전부과 수직급전부 끝에 방사체와 전자기 결합을 효과적으로 이루도록 수평급전부로 이루어진다. 상기 수평급전부와 방사체가 이격된 구조는 커패시터 성분을 만들고, 상단부의 방사체에는 U형 슬롯이 내부에 구비함으로써 안테나의 내부 전류의 흐름을 변형시킴으로써 인덕터 성분 역할을 한다. 이러한 커패시터 성분과 인덕터 성분이 방사체 전체 공진주파수를 낮춰 줌으로써 저자세 UHF 광대역 안테나가 효율적으로 동작한다.
본 출원 발명의 상기와 같은 작용효과를 나타내기 위한 발명의 구성은 다음과 같다.
정사각형 형태의 금속판으로 구비된 접지부; 및
상기 접지부에 구비된 코넥터에 구멍에 연결되는 상기 코넥터에 일측이 연결되고 타측에 수평급전부가 연결되는 수직급전부로 구성되는 급전부; 및
상기 접지부에 부도체로 구성된 방사체 고정부의 일측이 고정되고, 방사체 고정부의 타측은 상기 급전부 상단에 디귿자 모양으로 씌워지는 방사체의 하단부가 고정되는 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
또한, 상기 방사체의 상기 수평급전부와 인접한 위치에는 U형 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
또한, 상기 U형 슬롯은 크기가 다른 U형 슬롯을 고정할 수 있도록 함으로써 공진주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
또한, 상기 수평급전부의 크기를 조절함으로써 급전부와 방사체 사이의 전자기적 결합을 변화시켜 공진주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나를 제공한다.
100 : 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나
200 : 방사체
210 : U형 슬롯
220 : 방사체 고정부(부도체)
300 : 급전부
310 : 수평급전부(평면 급전부)
320 : 수직급전부(선형급전부)
330 : 코넥터
400 : 접지부
200 : 방사체
210 : U형 슬롯
220 : 방사체 고정부(부도체)
300 : 급전부
310 : 수평급전부(평면 급전부)
320 : 수직급전부(선형급전부)
330 : 코넥터
400 : 접지부
Claims (4)
- 정사각형 형태의 금속판으로 구비된 접지부; 및
상기 접지부에 구비된 코넥터에 구멍에 연결되는 상기 코넥터에 일측이 연결되고 타측에 수평급전부가 연결되는 수직급전부로 구성되는 급전부; 및
상기 접지부에 부도체로 구성된 방사체 고정부의 일측이 고정되고, 방사체 고정부의 타측은 상기 급전부 상단에 디귿자 모양으로 씌워지는 방사체의 하단부가 고정되고,
상기 방사체의 상기 수평급전부와 인접한 위치에는 U형 슬롯에 의한 인덕터(Le)의 형성과,
상기 수평급전부의 크기를 조절에 의한 수평급전부와 방사체 사이의 커패시터(Ce) 변화로 하기의 식(1)에 따라 공진주파수를 조절할 수 있는 승강기 점검을 위한 데이터통신용 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나에 있어서,
상기 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나의 높이는 공진파장의 1/10 이고,
상기 U형 슬롯의 길이가 증가하면 인덕턴스 값이 증가하여 안테나의 입력임피던스의 허수부가 증가하며, 저항 값이 감소하여 실수가 감소하는 변화가 있기 때문에 상기 U형 슬롯에는 크기가 다른 U형 슬롯을 고정할 수 있도록 함으로써 공진주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 승강기 점검을 위한 데이터통신용 전자기적 결합 급전과 U형 슬롯을 이용한 저자세 평면 안테나.
----------------- 식 (1)
식(1)에서
안테나 고유 커패시터(Ca)
안테나 고유 인덕터(La)
방사체의 U형 슬롯에 의한 인덕터(Le)
방사체와 수평급전부에 의한 커패시터(Ce) - 삭제
- 삭제
- 삭제
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20000019672A (ko) * | 1998-09-14 | 2000-04-15 | 구관영 | 엘-모양과 유-모양 접지면을 갖는 광대역 패치 안테나 |
| KR20020040591A (ko) * | 2000-11-22 | 2002-05-30 | 모리시타 요이찌 | 안테나와 이를 이용한 무선장치 |
| JP2007228197A (ja) * | 2006-02-23 | 2007-09-06 | Nec Corp | パッチアンテナ及びその製造方法 |
-
2023
- 2023-03-09 KR KR1020230031138A patent/KR102626156B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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