KR19990072602A - 무선송수신기를위한이중대역안테나 - Google Patents

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Abstract

무선 송수신기가 헤리컬 안테나와 휩 안테나를 함께 가지도록 구성하며, 휩안테나는 필요시 수납이 가능하고, 각 안테나는 서로 독립적인 두 곳의 주파수에서 동작할 수 있도록 한다. 헤리컬 안테나는 제1피치를 갖는 제1헤리컬부분과 제2피치를 갖는 제2헤리컬부분으로 이루어지고, 서로 독립적인 두 곳의 주파수 대역에서 동작한다. 휩 안테나는 쵸크 구조를 이용하는 경우에는 도전성 내부도체, 상기 내부도체의 일부분(아랫부분 혹은 제1부분)만을 둘러싸며 쵸크기능을 하는 외부도체 및 상기 내부도체와 상기 외부도체 사이를 채우는 동시에 상기 내부도체의 끝으로부터 일정 길이만큼 연장된 절연물로 이루어져, 제1주파수밴드에서는 상기 제1부분만 동작하고 제2주파수밴드에서는 상기 내부도체 전체가 동작하는 구조를 가진다. 쵸크 구조를 전혀 사용하지 않고 휩 안테나를 구현하는 경우에는 도전성 도체와 상기 도체를 둘러싸며 도전성 도체의 끝으로부터 일정 길이 만큼 연장된 절연물로 구성한다. 상기 헤리컬 안테나부 및 휩 안테나부는 금속 고정부에 의해서 상기 단말기 본체에서 지지되는데, 상기 금속 고정부는 나선형으로 감긴 헤리컬의 한쪽 끝단에 연결되며, 벽의 안쪽으로 위 및 아래가 개방된 통로를 형성하여 상기 휩 안테나가 이 통로를 지나 상기 단말기의 내부에 수납될 수 있도록 하고, 급전점에 접속된다.

Description

무선 송수신기를 위한 이중 대역 안테나 {DUAL BAND ANTENNA FOR RADIO TRANSCEIVER}
본 발명은 2개의 서로 다른 주파수 대역에서 사용할 수 있는 무선 송수신기 안테나에 관한 것으로, 특히 하나의 무선 송수신기에 함께 구비된 수납 가능한(retractable) 형태의 휩(whip) 안테나와 서로 다른 피치(pitch)를 갖는 헤리컬(helical) 안테나에 관한 것이다.
통상적으로 하나의 안테나를 가지고 이중 대역(dual band) 안테나를 구현하기 위해서는 각각의 주파수에 맞게 안테나의 각 부분이 독립적으로 동작할 수 있도록 하는 초크(choke)와 같은 부가적인 회로 구성이 요구되어 왔다. 미합중국 특허번호 제3,139,620호와 제4,509,056호 등은 2개 이상의 주파수에서 동작하는 안테나를 구현하기 위해서 초크를 사용한 기술의 대표적인 예이다.
상기 미합중국 특허번호 제4,509,056호에는 동조 슬리브 쵸크를 이용하는 다중 주파수 안테나부(Multi-Frequency Antenna Employing Tuned Sleeve Chokes)가 개시되어 있다.
도 1은 동조 슬리브 쵸크를 이용하는 다중 주파수 안테나의 실시 예로서, 이중 주파수에서 동작하는 모노폴(monopole) 안테나의 단면도이다.
이 안테나는 주파수가 하모닉(harmonic)으로 분리되지 않고 주파수비가 1.25 이상으로 분리되어 동작하는 시스템에서 효과적으로 동작한다. 도시한 바에 따르면, 일반적인 모노폴 안테나와 한쪽 끝은 개방되고 한쪽 끝은 단락된 동축 전송선 그리고 접지면 등으로 구성된다.
도 1에서 안테나의 중간 부분에 상기 동축 전송선 형태의 초크가 구성되어 있는데 이것의 길이는 듀얼대역 주파수중 높은 주파수에서 약가 된다. 이초크(12i)는 높은 주파수 대역에서 초크의 개방 끝(open end) 부분과 동축 급전선 중심 도체의 연장부(100) 사이에 매우 높은 임피던스를 형성함으로써 이 주파수에서 두 부분 사이의 커플링을 막아주는 기능을 한다. 그러므로 높은 주파수 대역의 경우 그림 2에서 ''로 표시된 부분만 안테나로 동작을 하게 된다.
반면에, 낮은 주파수 대역에서는 상기 슬리브 초크(12i)가 절연 요소(isolation element)로 동작하지 않으므로 'P'로 표시된 부분 전체가 모노폴(monopole) 안테나로 동작한다.
이상 설명한 바와 같이, 이중 대역 특성을 구현하기 위해서는 대부분 초크의 부가적인 회로 구성이 필요하게 되는 바, 안테나의 구조 자체가 복잡해지고 제조도 어려워질 뿐만 아니라 안테나 자체의 크기도 초크가 추가됨으로써 기존의 싱글-대역(single-band) 안테나에 비해 커지게 된다. 또한 안테나의 크기가 커지면서 단말기의 크기에 비해 안테나가 상대적으로 많이 돌출되게 되어 외관 디자인도 좋지 않을 뿐 아니라 충격시 쉽게 부러질 수 있어 안전성에도 문제가 있게 된다. 또한 고정형 안테나는 단말기를 휴대하는 경우 안테나가 크게 돌출되기 때문에 휴대가 불편한 문제도 있다.
따라서 본 발명의 목적은 수납이 가능한 형태의 이중 대역 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상호 독립적으로 동작하는 두 개의 이중대역 안테나를 모두 구비하며, 그중 하나는 수납 가능하도록 한 무선 송수신기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 무선 송수신기가 헤리컬 안테나와 휩 안테나를 함께 가지도록 구성하며, 휩 안테나는 필요시 수납이 가능하고, 각 안테나는 서로 독립적인 두 곳의 주파수에서 동작할 수 있도록 한다. 헤리컬 안테나는 제1피치를 갖는 제1헤리컬부분과 제2피치를 갖는 제2헤리컬부분으로 이루어지고, 서로 독립적인 두 곳의 주파수 대역에서 동작한다. 휩 안테나는 쵸크 구조를 이용하는 경우에는 도전성 내부도체, 상기 내부도체의 일부분(아랫부분 혹은 제1부분)만을 둘러싸며 쵸크기능을 하는 외부도체 및 상기 내부도체와 상기 외부도체 사이를 채우는 동시에 상기 내부도체의 끝으로부터 일정 길이만큼 연장된 절연물로 이루어져, 제1주파수밴드에서는 상기 제1부분만 동작하고 제2주파수밴드에서는 상기 내부도체 전체가 동작하는 구조를 가진다. 쵸크 구조를 전혀 사용하지 않고 휩 안테나를 구현하는 경우에는 도전성 도체와 상기 도체를 둘러싸며 도전성 도체의 끝으로부터 일정 길이 만큼 연장된 절연물로 구성한다. 상기 헤리컬 안테나부 및 휩 안테나부는 금속 고정부에 의해서 상기 단말기 본체에서 지지되는데, 상기 금속 고정부는 나선형으로 감긴 헤리컬의 한쪽 끝단에 연결되며, 벽의 안쪽으로 위 및 아래가 개방된 통로를 형성하여 상기 휩 안테나가 이 통로를 지나 상기 단말기의 내부에 수납될 수 있도록 하고, 급전점에 접속된다.
도 1은 이중 주파수에서 동작하는 모노폴 안테나의 단면도
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 두 개의 이중 대역 안테나가 하나의 무선 송수신기에 조립된 모습중, 움직임이 가능한 안테나가 신장 상태에 있을 때의 모습을 나타낸 단면도
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 두 개의 이중 대역 안테나가 하나의 무선 송수신기에 조립된 모습중, 움직임이 가능한 안테나가 수납 상태에 있을 때의 모습을 나타낸 단면도
도 4a는 공진주파수의 주기적 특성을 설명할 수 있는 가장 간단한 형태의 휩 안테나를 나타낸 도면
도 4b는 도 4a에 도시된 휩 안테나의 임피던스 특성을 주파수 축에서 나타낸 도면
도 5a는 통상적인 헤리컬 안테나에서 동일한 피치를 갖는 코일의 형태를 나타낸 도면
도 5b는 도 5a와 같은 헬리컬 안테나부의 두 개의 공진주파수를 포함하는 주파수 대역에서 나타나는 임피던스를 표시한 스미스 챠트
도 6a는 본 발명의 실시 예에 따른 헤리컬 안테나부에서 서로 다른 피치를 갖는 코일의 형태를 나타낸 도면
도 6b는 도 6a와 같은 헬리컬 안테나부의 두 공진주파수 대역에서 나타나는 임피던스를 표시한 스미스 챠트
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 서로 다른 피치를 갖는 헤리컬 안테나부에서 제1피치를 갖는 부분의 코일 회전 수 변화에 따른 입력 임피던스 변화를 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 서로 다른 피치를 갖는 헤리컬 안테나부에서 제2피치를 갖는 부분의 코일 회전 수 변화에 따른 입력 임피던스 변화를 나타낸 도면
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 헤리컬 안테나부와 휩안테나부를 도 2 및 도 3과 같이 실제 단말기에 장착했을 때 각각 나타나는 입력 임피던스 특성으로, 신장상태와 수축상태 각각의 특성을 동시에 표시한 도면
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나를 도 2와 같이 실제 단말기에 장착한 상태에서 AMPS 대역의 방사 특성을 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나를 도 2와 같이 실제 단말기에 장착한 상태에서 US-PCS 대역의 방사 특성을 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 두 개의 안테나가 하나의 무선 송수신기에 조립된 모습중, 움직임이 가능한 안테나가 신장 상태에 있을 때의 모습을 나타낸 단면도
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 대역 안테나가 도 12와 같이 신장된 상태에서 매칭을 하지 않은 경우 휩의 VSWR을 나타낸 도면
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 대역 안테나가 도 12와 같이 신장된 상태에서 매칭을 하지 않은 경우 휩의 반사계수를 스미스챠트에서 나타낸 도면
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 대역 안테나가 도 12와 같이 신장된 상태에서 매칭을 한 후 휩의 VSWR을 나타낸 도면
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 대역 안테나가 도 12와 같이 신장된 상태에서 매칭을 한 후 휩의 반사계수를 스미스챠트에서 나타낸 도면
도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 두 개의 안테나가 하나의 무선 송수신기에 조립된 모습중, 움직임이 가능한 안테나가 수납 상태에 있을 때의 모습을 나타낸 단면도
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 하기 설명에서는 구체적인 회로의 구성 소자 등과 같은 많은 특정(特定) 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 구조적으로 볼 때 크게 헤리컬 안테나 부분과 휩 안테나 부분으로 나눌 수 있으며, 동작 상태에 따라 수납 상태와 신장 상태로 구분한다.
수납 상태(후술하는 도 3 및 도 17을 참조할 수 있다.)는 휩 안테나 부분이 전화기 안쪽으로 완전히 삽입되고 상대적으로 크기가 작은 헤리컬 안테나 부분만이 송수신기 본체 밖으로 나와 있는 경우로써, 이때는 헤리컬 안테나 부분만이 안테나로 동작하게 된다. 이 경우에는 단말기의 전체적인 길이가 작아져서 외관 디자인이 좋아지고 충격시 안정성도 좋아지게 된다. 반면 휩 안테나 부분을 전화기 바깥쪽으로 길게 빼서 안테나의 유효 길이를 길게 해주는 신장 상태(후술하는 도 2 및 도 12를 참조할 수 있다.)는 통화를 할 때 안테나와 머리 사이의 거리를 가능한 한 멀어지게 함으로써 안테나의 방사 특성 저하를 작게 해주는 특징이 있다. 본 발명에서 사용할 수 있는 휩의 구조는 두 가지 이다.
첫째, 이중 대역 안테나를 구현할 때 대부분 사용하는 쵸크(choke) 구조를 채택하는 경우 이다. 단순히 쵸크 구조만을 생각한다면 이미 공지된 것이지만, 본 실시 예에서와 같이 휩 안테나부의 도전성 내부도체에 쵸크 기능을 하는 외부도체를 페인팅하는 기법을 사용한 적은 이제까지 없었다(후술하는 도 2에 나타난 구조가 이 경우에 해당한다.). 둘째, 쵸크 구조를 사용하지 않고 간단한 매칭회로만을 사용해 이중 대역 안테나를 구현함으로써 구조가 무척 간단하게 하는 것이다.
본 발명의 또다른 특징은 수납 상태에서 유효 안테나로 동작하는 헤리컬 안테나의 구조 이다. 이 헤리컬 안테나는 수납시 단독으로 이중대역 안테나로 동작을 하는데, 기존의 이중대역 안테나와는 달리 부가적인 주파수 분리 소자를 전혀 사용하지 않고 단지 헤리컬 자체의 피치만을 조정해서 하나의 안테나가 2개의 독립적인 주파수 대역에서 동작할 수 있도록 한 것이다. 이로써 구조가 간단하고 크기가 작은 이중대역 안테나의 구현을 가능하게 했다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 두 개의 이중 대역 안테나가 하나의 무선 송수신기에 조립된 모습중, 움직임이 가능한 안테나가 신장 상태에 있을 때의 모습을 나타낸 단면도 이다.
휩 안테나부(10)는 도전성 내부도체(12), 상기 내부도체(12)의 제1부분만을 둘러싸며 쵸크기능을 하는 외부도체(13) 및 상기 내부도체(12)와 상기 외부도체(13) 사이를 채우는 동시에 상기 내부도체(12)의 끝으로부터 일정 길이 만큼 연장된 절연물(11)로 구성된다. 이 구성에 따르면, 한 주파수대역에서는 상기 내부도체(12)의 제1부분만 동작하고 다른 주파수대역에서는 상기 내부도체(12) 전체가 동작한다.
헤리컬 안테나부(30)는 서로 다른 피치를 갖도록 코일(35)을 감은 제1 및 제2헤리컬부분과 상기 제1 및 제2헤리컬부분을 전체적으로 감싸는 절연성 튜브(20)로 구성된다.
금속 고정부(40)는 상기 헤리컬 안테나부(30) 및 휩 안테나부(10)가 무선 송수신기 본체(chassis, 60)에서 지지되도록 하는 역할을 한다. 상기 헤리컬 안테나부(30)를 이루는 나선형 코일의 한쪽 끝단은 이 금속 고정부(40)에 접속된다. 상기 고정부(40)는 상기 헤리컬 안테나부(30)를 향하는 위쪽과 상기 송수신기 본체(60) 내부를 향하는 아래쪽이 개방된 통로를 형성하여 상기 휩 안테나부(10)가 송수신기의 내부에 수납될 수 있도록 한다. 또한 상기 고정부(40)는 프린트회로기판(Print Circuit Board: 이하 PCB라 함.)(70)에 연결된 급전점(feed point)(80)에 접속된다. 상기 급전점(80)은 안테나와 신호원을 연결해준다. 또한 상기 고정부(40)의 외벽은 무선 송수신기 본체(60)와 결합하기 위한 나사산(screwed teeth)을 가진다.
참조부호은 전체 절연물(11)중에 내부도체(12)가 없는 절연물 부분만의 길이를 나타낸다.는 휩 안테나부(10)의 내부도체(12)의 길이를 나타낸다.은 고정부(40)를 포함한 헤리컬 안테나부(30)의 물리적 길이를 나타낸다.는 서로 다른 피치를 갖는 헤리컬 안테나부(30)중 피치 간격이 넓은 부분(제1헤리컬부분)의 물리적인 길이를 나타내고,는 피치 간격이 좁은 부분(제2헤리컬부분)의 물리적인 길이를 나타낸다.은 휩 안테나부(10)의 내부도체(12)중 외부도체(13)로 둘러싸이지 않은 부분의 길이를 나타낸다.은 이중 대역중 높은 주파수에서 동작하는 휩 안테나부(10)의 길이를 나타낸다.은 휩 안테나부(10)에 초크가 형성되도록 이중 대역의 높은 주파수에서 λ/4의 길이를 갖는 부분의 길이를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 두 개의 이중 대역 안테나가 하나의 무선 송수신기에 조립된 모습중, 움직임이 가능한 안테나가 수납 상태에 있을 때의 모습을 나타낸 단면도이다.
도시된 바에 따르면, 휩 안테나부(10)가 송수신기 본체(60)의 내부에 완전히 삽입되고 헤리컬 안테나부(30)만이 송수신기 본체(60) 밖으로 나와 있도록 한 수납 상태이다. 상기 헤리컬 안테나부(30)는 상기 휩 안테나부(10)와 달리 움직일 수가 없어 높이가 고정되어 있지만, 신장 상태의 휩 안테나부(10)의 높이와 비교해볼 때 매우 낮은 높이(짧은 길이)를 갖는다. 이와 같은 수납 상태에서는 헤리컬 안테나부(30)만이 유효 안테나로 동작한다.
도 4a는 공진주파수의 주기적 특성을 설명할 수 있는 가장 간단한 형태의 휩 안테나를 나타낸 도면이고, 도 4b는 상기 도 4a에 도시된 휩 안테나의 임피던스 특성을 주파수 축에서 나타낸 도면이다.
상기 도 4b에는 안테나가 기본적으로 가지고 있는 임피던스의 주기적인 변화 특성이 나타나 있는데, 여기에 나타나는 수많은 공진주파수중 공진점이 가장 낮은 A와 B 두 지점의 주파수 비(fA/ fB)는 3:1 이다. 만일 3:1의 정확한 주파수 비로 동작하는 시스템이 있다면 상기 도시된 특성을 이용해 쉽게 이중 대역 안테나를 구현할 수 있다. 그러나 통상적인 이중 대역 안테나의 경우 두 대역의 주파수 비가 정확하게 3:1의 관계에 있는 경우는 거의 없다. 그래서 이러한 특성을 임의의 주파수 비 특성을 가지는 이중 대역 안테나를 설계하는 데 실질적으로 응용한다는 것은 거의 불가능하다고 할 수 있다. 그러므로 원하는 임의의 주파수 비를 갖는 공진 특성을 나타내는 안테나를 구현하기 위해 초크를 안테나의 특정한 위치에 장치시키게 되었다. 즉, 전술한 도 1과 같이 안테나 중간 부분에 초크를 사용하여 2개의 공진주파수 비를 임의로 조정하고 방사 효율의 저하를 초래하지 않는 이중 대역 안테나를 설계하였다. 이 경우에는 초크와 같은 부가회로를 사용하지만, 본 발명의 실시 예에 따른 헤리컬 안테나부(30)는 그와 같은 부가회로를 사용하지 않고 단지 헤리컬의 피치와 회전 수를 조정함으로써 원하는 임의의 주파수 비를 얻는다.
상기 도 2 및 도 3 도시된 본 발명의 실시 예에 따르면, 헤리컬 안테나와 휩 안테나를 결합하되, 휩 안테나는 수납이 가능하게 하여 각 안테나가 상호 독립적으로 이중 대역 안테나로서 동작하게 한 새로운 형태의 이중 대역 안테나이다. 이하 휩 안테나부(10)만 동작하는 신장 상태와 헤리컬 안테나부(30)만 동작하는 수납 상태)로 구분하여 구체적으로 설명한다.
1. 신장 상태
도 2를 참조하면, 휩 안테나부(10)가 무선 송수신기 본체(60) 밖으로 완전히 나와 있다. 이 경우 고정부(40)에는 상기 휩 안테나부(10)와 헤리컬 안테나부(30)가 모두 연결된다. 그러나 상기 헤리컬 안테나부(30)의 물리적인 길이가 상기 휩 안테나부(10)의 물리적인 길이 보다 상대적으로 짧고, 상기 헤리컬 안테나부(30)가 상기 휩 안테나부(10)에 밀착되어 있기 때문에 근사적으로 상기 헤리컬 안테나부(30)는 무시한 채 상기 휩 안테나부(10)만 존재한다고 해석할 수 있다. 이 점에 관해서는 본원 출원인에 의해 미합중국에 출원되어 1995년 12월 26일자로 특허 허여된 미합중국특허번호 제5,479,178호에 상세히 설명되어 있다.
헤리컬 안테나부(30)를 무시하면 신장 상태에서 고려해야 될 안테나의 구조는 크게 휩 안테나부(10)와 안테나를 고정하기 위한 고정부(40)로 나눌 수 있다. 그리고 상기 휩 안테나부(10)를 다시 세부적으로 구분하면 방사체로 작용하는 내부도체(12)와 초크 기능을 하는 외부도체(13) 및 안테나 위부분의 절연물(11)로 나눌 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는 λ/4 슬리브(sleeve)를 이용하여 높은 주파수 대역의 초크를 구현한다. 본 발명의 초크는 도 2에서 외부도체(13)가 내부도체(12)를 둘러싸고 있는부분으로 위의 초크 기능에 의해서 높은 주파수에서는 전체 휩 중부분은 동작하지 않고부분만이 안테나로 동작하게 된다. 도 2의부분과부분의 접점(14)에서 안테나 급전점(80)를 향해서 본 임피던스는 다음 수학식 1과 같다. 다음 수학식 1에서 알 수 있듯이 초크 임피던스는이 이중 대역중 높은 주파수 대역에서 내부의 절연물(11)을 고려한 유효 길이가 λ/4 정도가 되면 임피던스는 높은 주파수에서 거의 무한대가 된다. 이 경우부분이부분의 외부도체(13)로부터 디커플링(decoupling)됨으로써 높은 주파수 대역에서는부분만이 안테나로 동작한다. 반면 낮은 주파수 대역에서는 초크 임피던스가 아이솔레이션 요소(isolation element)로 동작할 만큼 크지 않기 때문에 전체 휩 안테나부(10)중부분만 안테나로 동작한다.
여기서는 초크 임피던스,는 이중 대역중 높은 주파수대역에 해당하는 파장,는 동축선로의 특성 임피던스,부분은 초크 기능을 하기 위한 외부도체(13)의 길이,은 동축선에 사용된 유전체의 유전율, a는 내부도체(12)의 직경(diameter)이고 b는 외부도체(13)의 직경을 나타낸다.
2.수납 상태
도 3을 참조하면, 수납 상태의 경우 휩 안테나부(10)가 무선 송수신기 본체(60) 내부로 완전히 삽입되면 상기 휩 안테나부(10)의 상부 절연물(11)이 헤리컬 안테나부(30)의 내부(20)에 위치하게 되고 내부 도체의 끝단이 고정부 밑단에 위치하게 되어 안테나 고정부(40)와 내부도체(12) 사이가 디커플링(decoupling) 된다. 결국 헤리컬 안테나부(30)만이 단독으로 유효 안테나로 동작하게 된다. 이 경우 무선 송수신기의 안테나는 헤리컬 안테나부(30)와 상기 헤리컬 안테나부(30)를 고정하기 위한 고정부(40)로 구성된다고 볼 수 있다.
도 5a는 통상적인 헤리컬 안테나에서 동일한 피치를 갖는 코일의 형태를 나타낸 것이고, 도 5b는 도 5a와 같은 헬리컬 안테나부의 두 개의 공진주파수를 포함하는 주파수 대역에서 나타나는 임피던스를 표시한 스미스 챠트(Smith chart) 이다. 이때 나타나는 공진주파수의 비가 약 3:1이 되고 임피던스가 2개의 공진주파수에서 서로 다른 값을 갖는다.
도 6a는 본 발명의 실시 예에 따른 헤리컬 안테나부(30)에서 서로 다른 피치를 갖는 코일의 형태를 나타낸 것이고, 도 6b는 상기 도 6a와 같은 헬리컬 안테나의 두 공진주파수 대역에서 나타나는 임피던스 사이클을 표시한 스미스 챠트이다.
코일은 인덕턴스 성분을 갖는데, 이 값은 코일의 피치에 반비례한다. 즉 피치가 작을수록 코일이 가지는 인덕턴스값은 커진다. 상기 도 6a에 도시된 바와 같이 아래부분()이 위부분()에 비해 다소 큰 피치를 갖도록 하면, 위부분의 인덕턴스가 아래 부분의 인덕턴스 보다 더 크게 된다. 이때 인덕턴스가 가지는 임피던스는이다. 그러므로 주파수 f와 L이 큰 경우 인덕터의 임피던스가 커져서 이 인덕터로 흐르는 전류는 감소하게 된다.
도시된 바에 따르면, 안테나의 공진주파수는 각각 1,972MHz와 904MHz이다. 그러므로 공진주파수 비는 약 2.2:1이 된다. 안테나 자체가 가지는 공진주파수의 비는 위부분()과 아래부분() 피치의 적절한 조정으로 변화시킬 수 있다. 다음 표 1은 위부분()의 피치를 증가시키면서 이로 인해 변화하는 두 공진주파수( FH, FL)와 그들 사이의 비()를 나타낸다. 이때 아래쪽 피치는 4.7 mm, 내경은 3.8 mm, 선경은 0.4 mm라고 가정한다.
위부분의 피치(mm) 0.6 1.45 1.9 2.5
공진주파수 FH(MHz) 2575 2810 2918 2936
FL(MHz) 1237 1211 1169 1124
2.08 2.32 2.50 2.61
도 7은 상기와 같이 서로 다른 피치를 갖는 헤리컬 안테나부(30)에서 제1피치를 갖는 부분(위부분)의 코일 회전 수 변화에 따른 입력 임피던스 변화를 나타낸 것이다.
다음 표 2는 아래부분()의 피치를 증가시키면서 이로 인해 변화하는 두 공진주파수(FH, FL)와 그들 사이의 비()를 나타낸다. 이때 위쪽 피치는 0.6mm, 내경은 3.8 mm, 선경은 0.4 mm라고 가정한다.
아래부분의 피치(mm) 4.7 5.7 7.6
공진주파수 FH(MHz) 2575 2522 2436
FL(MHz) 1237 1233 1201
2.08 2.045 2.028
도 8은 상기와 같이 서로 다른 피치를 갖는 헤리컬 안테나부(30)에서 제2피치를 갖는 부분(아래부분)의 코일 회전 수 변화에 따른 입력 임피던스 변화를 나타낸 것이다.
그런데 안테나가 가지는 공진주파수는 위·아래 부분별로 해당 피치는 고정시킨 상태에서 코일을 회전(turn)시키는, 즉 감는 수를 조정해줌으로써 변화시킬 수도 있다.
다음 표 3은 아래부분()의 코일 회전 수를 증가시키면서 이로 인해 변화하는 두 공진주파수(FH, FL)와 그들 사이의 비()를 나타낸다. 이때 위쪽 피치는 1.3mm, 아래쪽 피치는 5.5mm, 내경은 3.8 mm, 선경은 0.4 mm라고 가정한다.
아래부분의 회전 수 2 2.5 3 5
공진주파수 FH(MHz) 2624 2382 2190 1755
FL(MHz) 1183 1134 1086 899
2.21 2.10 2.02 1.95
다음 표 4는 위부분()의 코일 회전 수를 증가시키면서 이로 인해 변화하는 두 공진주파수(FH, FL)와 그들 사이의 비()를 나타낸다. 이때 위쪽 피치는 1.3mm, 아래쪽 피치는 5.5mm, 내경은 4.6mm, 선경은 0.4 mm라고 가정한다.
위부분의 회전 수 4.5 5.5 6.5 9.5
공진주파수 FH(MHz) 2624 2418 2233 1790
FL(MHz) 1183 1046 939 729
2.21 2.31 2.38 2.46
상기한 표 3 및 4에 따르면, 아래부분의 코일 회전 수를 늘릴수록 두 공진주파수의 비는 1에 가까워지고 위부분의 코일 회전 수를 늘릴수록 두 공진주파수의 비가 증가한다.
상기 도 6b에 따르면, 두 공진주파수 대역에서 나타나는 임피던스 사이클이 거의 일치하고 있다. 그러므로 본 발명의 실시 예에 따른 헤리컬 안테나부(30)는 두 개의 사용 주파수 대역이 3:1 비율이 아닐지라도 두 사용 주파수 대역의 임피던스를 거의 동일하게 맞출 수 있기 때문에 특별한 매칭(matching)회로 없이 동일한 임피던스를 가지도록 동작시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 본 헤리컬 안테나부(30)의 피치의 비 혹은 회전 수의 비를 적절하게 조정하면 공진점에서 임피던스 또한 비교적 자유롭게 변화시킬 수 있다. 이처럼 임의의 임피던스로 공진할 수 있게 하면 휩과 함께 수납 가능한 안테나를 구현하는 것을 무척 용이하게 해준다.
본 발명의 실시 예와 같은 수납 가능형 안테나를 구성하는데 있어 사용한 헤리컬 안테나의 구조는 헤리컬의 임피던스가 휩의 임피던스와 동일한 특성을 가지는 상태이다. 즉, 사용한 휩의 임피던스 특성이 도 7과 같다면 헤리컬의 임피던스 특성 또한 피치의 비나 회전 수의 조정에 의해 상기 도 7과 같은 특성을 갖도록 한다. 이 경우 휩의 매칭을 위해 사용한 매칭회로에 헤리컬 안테나도 매칭된다.
한편, 단일 피치를 갖는 헤리컬의 경우에는 비록 주기적인 공진 특성을 나타내기는 하지만 각 공진 주파수에서의 임피던스가 서로 다르기 때문에 휩과 동일한 상태를 구현하기가 거의 불가능하다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 안테나를 실제 단말기에 장착했을 때 나타나는 입력 임피던스 특성으로 수납 상태와 수축 상태의 특성을 동시에 나타낸다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 안테나는 AMPS(824∼894MHz)와 US-PCS(1850∼1990MHz) 두 대역에서 각각 좋은 매칭을 특성을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나를 도 2와 같이 실제 단말기에 장착한 상태에서 AMPS 대역의 방사 특성을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 안테나를 도 2와 같이 실제 단말기에 장착한 상태에서 US-PCS 대역의 방사 특성을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 두 개의 안테나가 하나의 무선 송수신기에 조립된 모습중, 움직임이 가능한 안테나가 신장 상태에 있을 때의 모습을 나타낸 단면도 이다.
도시된 바와 같이, 상기 휩 안테나부(10)의 구조는 단순한 직선 와이어(wire)의 형태를 갖는다. 본 실시 예에서는 쵸크를 사용하지 않고 휩 자체가 가지는 주기적인 공진 특성을 이용해서 이중 대역 안테나를 구현한다. 전술한 도 2의 경우와 달리, 쵸크가 없는 휩 안테나부는 2개의 주파수 대역 각각에 대해서 동작하는 부분이 나누어지지 않고 전체가 항상 동작한다.
휩 안테나부(10)는 도전성 내부도체(12)와 상기 내부도체(12)를 감싸는 동시에 상기 내부도체(12)의 끝으로부터 일정 길이만큼 연장된 절연물(11)로 구성된다. 헤리컬 안테나부(30)의 구성은 전술한 도 2의 경우와 동일하다.
참조부호은 전체 절연물(11)중에 내부도체(12)가 없는 절연물 부분만의 길이를 나타낸다.는 휩 안테나부(10)의 내부도체(12)의 길이를 나타낸다.은 고정부(40)를 포함한 헤리컬 안테나부(30)의 물리적 길이를 나타낸다.는 서로 다른 피치를 갖는 헤리컬 안테나부(30)중 피치 간격이 넓은 부분(제1헤리컬부분)의 물리적인 길이를 나타내고,는 피치 간격이 좁은 부분(제2헤리컬부분)의 물리적인 길이를 나타낸다.
상기한 구조와 같이 쵸크가 없는 이중대역 휩 안테나를 구현하기 위해서는 공진점과 휩의 길이를 고려해야 한다. 전술한 도 4a를 참조하면, 휩은 약 3:1의 비율로 공진주파수가 주기적인 특성을 나타내므로 공진점들중 한 점이 이중 대역 주파수중 한 주파수에서 공진하도록 휩의 길이를 적절하게 선택한다. 이렇게 되면 안테나는 그 선택한 공진 주파수의 3배 큰 혹은 3배 작은 주파수에서도 역시 공진하는 특성을 나타낸다. 이 경우 안테나 앞단에 적절한 매칭 회로를 구현하면 이 주기적 공진 주파수의 위치를 임의의 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 물론 이때 처음에 선택한 공진 주파수의 VSWR은 거의 영향을 받지 않는다. 이처럼 원하는 이중 대역 주파수의 비율이 3배가 아닌 임의의 비율을 갖더라도 매칭회로를 이용해 휩 안테나를 이중 대역 안테나로 사용할 수 있다.
쵸크가 없는 휩 안테나를 원하는 주파수에서 공진시킬 때 특정한 매칭회로를 부가함으로써 효율을 높이게 되는데, 본 발명의 실시 예에 따른 헤리컬 안테나의 특징[헤리컬이 피치의 비 혹은 코일 회전 수의 조정에 의해 휩과 동일한 임피던스 특성을 갖는다는 것]은 휩 안테나의 이중 대역 안테나 구현을 위해 마련한 매칭회로를 자유롭게 이용하여 헤리컬 이중대역 안테나의 특성을 쉽게 구현할 수 있도록 해준다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 대역 안테나가 도 12와 같이 신장된 상태에서 매칭을 하지 않은 경우 휩의 VSWR을 나타낸 도면 이다. 예를 들어 휩의 길이를 AMPS, US PCS, 이중대역의 PCS 주파수의 약 3/4λ에 맞춘 상태에서 실제 핸드셋(handset)에 실장한 상태에서의 안테나의 VSWR 패턴(pattern)을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 대역 안테나가 도 12와 같이 신장된 상태에서 매칭을 하지 않은 경우 휩의 반사계수(reflection coefficient)를 스미스챠트에서 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 대역 안테나가 도 12와 같이 신장된 상태에서 매칭을 한 후 휩의 VSWR을 나타낸 도면 이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 대역 안테나가 도 12와 같이 신장된 상태에서 매칭을 한 후 휩의 반사계수를 스미스챠트에서 나타낸 도면 이다.
상기 도 13과 도 14에 도시된 휩 안테나의 길이는 PCS 대역에서 공진하는 길이이기 때문에 아무런 매칭 소자 없이도 PCS 주파수에서 원하는 공진 특성을 나타냄을 알 수 있다. 반면 낮은(lower) 공진은 AMPS 대역보다 낮은 주파수에서 발생하고 있다. 여기에 본 실시 예에서는 하이 패스(high pass) 형태의 매칭 회로를 구성해 줌으로써 상기 도 15 및 도 16에서와 같이 PCS 대역에서는 안테나 임피던스에 거의 영향을 주지않고 낮은 공진점만을 AMPS 대역으로 이동시키는 효과를 얻게 된다. 상기 도 13과 도 15에서 마커(marker) 1과 2는 AMPS 대역을 나타내고, 마커 3과 4는 PCS 대역을 나타낸다. 또한 본 실시 예에서는 헤리컬 안테나가 장착된 상태에서 휩 안테나를 신장시킨 상태에서의 안테나 임피던스를 나타내기 때문에 헤리컬 안테나의 기생 성분과 본체의 기생 성분이 나타나고 있으나 이것은 본 발명의 핵심과는 무관하다.
도 17은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 두 개의 안테나가 하나의 무선 송수신기에 조립된 모습중, 움직임이 가능한 안테나가 수납 상태에 있을 때의 모습을 나타낸 단면도 이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같은 본 발명은 독립적으로 동작하는 두 개의 이중 대역 안테나를 하나의 무선 송수신기에 구비함으로써 필요에 맞게 선택적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 두 안테나중 휩 안테나는, 사용하지 않을 때, 송수신기 내부에 수납할 수 있도록 함으로써 휴대가 용이하게 하고 충격시 안테나가 부러지지 않도록 보호하는 장점도 있다. 또한 두 안테나중 헤리컬 안테나는 단순히 나선형 감김의 피치만을 조정해줌으로써 복잡한 매칭회로나 초크 등의 부가회로를 쓰지 않고도 간단히 이중 대역 안테나를 구현할 수 있는 장점이 있다.

Claims (23)

  1. 무선 송수신기를 위한 이중 대역 안테나에 있어서,
    제1피치를 갖는 제1헤리컬부분과 제2피치를 갖는 제2헤리컬부분으로 이루어지고, 서로 독립적인 두 곳의 주파수 대역에서 동작하는 헤리컬 안테나부와, 도전성 내부도체, 상기 내부도체의 제1부분만을 둘러싸며 쵸크기능을 하는 외부도체 및 상기 내부도체와 상기 외부도체 사이를 채우는 동시에 상기 내부도체의 끝으로부터 일정 길이만큼 연장된 절연물로 이루어져, 제1주파수대역에서는 상기 제1부분만 동작하고 제2주파수대역에서는 상기 내부도체 전체가 동작하는 휩 안테나부와,
    상기 나선형 감김의 한쪽 끝단에 연결되며, 상기 헤리컬 안테나부 및 휩 안테나부가 상기 단말기 본체에서 지지되도록 하고, 외벽의 안쪽으로 위 및 아래가 개방된 통로를 형성하여 상기 휩 안테나가 이 통로를 지나 상기 무선 송수신기의 내부에 수납될 수 있도록 하며, 급전점에 접속되는 금속 고정부로 구성됨을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 휩 안테나가 무선 송수신기 내부에 수납된 상태에서는 상기 헤리컬 안테나부만 동작함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2헤리컬부분은 상기 제1헤리컬부분 보다 간격이 넓음을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 휩 안테나부의 절연물 상부 끝단은 상기 휩 안테나가 상기 고정부의 통로를 관통하여 무선 송수신기 내부에 수납된 상태에서 상기 통로에 위치하도록 구성함으로써 휩을 헤리컬과 고정부 급전점으로부터 분리시킴을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2헤리컬부분은 해당 부분의 피치가 고정된 상태에서 코일의 감는 수를 조정하거나 상기 제1 및 제2헤리컬부분의 피치를 조정하거나 감는 수와 피치 간격을 동시에 조정해 줌으로써 제1 및 제2주파수대역의 공진주파수 비를 조정하거나 공진주파수의 임피던스를 특정한 값으로 구함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정부의 외벽은 무선 송수신기 본체와 결합하기 위한 나사산을 가짐을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  7. 무선 송수신기의 이중 대역 안테나에 있어서,
    도전성 내부도체, 상기 내부도체의 제1부분만을 둘러싸며 쵸크기능을 하는 외부도체 및 상기 내부도체와 상기 외부도체 사이를 채우는 동시에 상기 내부도체의 끝으로부터 일정 길이만큼 연장된 절연물로 이루어져, 제1주파수대역에서는 상기 제1부분만 동작하고 제2주파수대역에서는 상기 내부도체 전체가 동작하는 휩 안테나부와,
    상기 휩 안테나부가 무선 송수신기 본체에서 지지되도록 하고, 외벽 안쪽으로 위 및 아래가 개방된 통로를 형성하여 상기 휩 안테나가 이 통로를 지나 상기 무선 송수신기의 내부에 수납될 수 있도록 하며, 급전점에 접속되는 금속 고정부로 구성됨을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 휩 안테나부의 절연물 상부 끝단()은 상기 휩 안테나가 상기 고정부의 통로를 지나 무선 송수신기 내부에 수납된 상태에서 상기 통로에 위치하도록 구성함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 외부도체가 상기 내부도체의 제1부분만을 둘러싸는 길이는 두 대역중 높은 주파수 대역에서 4분의 1 파장 만큼의 길이임을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 고정부의 외벽은 무선 송수신기 본체와 결합하기 위한 나사산을 가짐을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  11. 무선 송수신기의 이중 대역 안테나에 있어서,
    제1피치를 갖는 제1헤리컬부분과 제2피치를 갖는 제2헤리컬부분으로 이루어지고, 서로 독립적인 두 곳의 주파수 대역에서 동작하는 헤리컬 안테나부와, 상기 헤리컬 안테나부가 상기 무선 송수신기 본체에서 지지되도록 하며, 급전점에 접속되는 금속 고정부로 구성됨을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2헤리컬부분은 상기 제1헤리컬부분 보다 간격이 넓음을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2헤리컬부분은 해당 부분의 피치가 고정된 상태에서 코일의 감는 수를 조정하거나 상기 제1 및 제2헤리컬부분의 피치를 조정하거나 감는 수와 피치 간격을 동시에 조정해 줌으로써 제1 및 제2주파수대역의 공진주파수 비를 조정하거나 공진주파수의 임피던스를 특정한 값으로 구함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2헤리컬부분의 코일을 둘러싸기 위한 절연성 튜브를 더 구비함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 고정부의 외벽은 무선 송수신기 본체와 결합하기 위한 나사산을 가짐을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  16. 무선 송수신기를 위한 이중 대역 안테나에 있어서,
    제1피치를 갖는 제1헤리컬부분과 제2피치를 갖는 제2헤리컬부분으로 이루어지고, 서로 독립적인 두 곳의 주파수 대역에서 동작하는 헤리컬 안테나부와,
    도전성 내부도체, 상기 내부도체를 둘러싸는 동시에 상기 내부도체의 끝으로부터 일정 길이만큼 연장된 절연물로 이루어져, 휩 자체가 가지는 주기적 공진 특성을 이용하여 서로 독립적인 임의의 두 주파수대역에서 동작하는 휩 안테나부와,
    상기 헤리컬 안테나부를 이루는 나선형 코일의 한쪽 끝단에 연결되며, 상기 헤리컬 안테나부 및 휩 안테나부가 상기 무선 송수신기 본체에서 지지되도록 하고, 외벽 안쪽으로 위 및 아래가 개방된 통로를 형성하여 상기 휩 안테나가 이 통로를 지나 상기 무선 송수신기의 내부에 수납될 수 있도록 하며, 급전점에 접속되는 금속 고정부로 구성됨을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  17. 제16항에 있어서, 상기 휩 안테나부는,
    상기 휩 자체가 가지는 주기적 공진 특성에 의해 검출되는 공진점들중 어느 하나의 공진점에서 이중 대역 주파수중 어느 한 주파수의 공진이 일어나도록 하는 정도의 길이를 가짐을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  18. 제17항에 있어서,
    매칭회로를 더 구비하며,
    상기 매칭회로에 의해 상기 휩 안테나부의 공진 주파수가 조정되도록 구성함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 휩 안테나부가 무선 송수신기 내부에 수납된 상태에서는 상기 헤리컬 안테나부만 동작함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제2헤리컬부분은 상기 제1헤리컬부분 보다 간격이 넓음을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 휩 안테나부의 절연물 상부 끝단은 상기 휩 안테나가 상기 고정부의 통로를 관통하여 무선 송수신기 내부에 수납된 상태에서 상기 통로에 위치하도록 구성함으로써 휩을 헤리컬과 고정부 급전점으로부터 분리시킴을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 제1 및 제2헤리컬부분은 해당 부분의 피치가 고정된 상태에서 코일의 감는 수를 조정하거나 상기 제1 및 제2헤리컬부분의 피치를 조정하거나 감는 수와 피치 간격을 동시에 조정해 줌으로써 제1 및 제2주파수대역의 공진주파수 비를 조정하거나 공진주파수의 임피던스를 특정한 값으로 구함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 제1 및 제2헤리컬부분의 피치 설정 혹은 해당 부분의 피치가 고정된 상태에서 코일을 감은 수에 따라 결정되는 헤리컬안테나부의 임피던스 특성을 상기 휩 안테나부의 임피던스 특성과 동일하게 하여 상기 매칭회로를 공용하도록 구성함을 특징으로 하는 이중 대역 안테나.
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