KR20010015516A - 평면복사 소자와 이를 이용한 전(全)방향성 안테나 - Google Patents

Abstract

고이득으로 편파 모드를 자유롭게 선택 가능하면서도 전(全)방향성 안테나를 제공하고 널리 방송, 중계, 통신, 교통의 관제, 이동체 통신의 구성 요소로서 사용 가능하고 또한 사용 주파수대도 HF, VHF, UHF로 폭넓은 용도에 적합한 안테나를 제공하는 것이다. 그 수단으로 직사각형 틀형 안테나로 단변과 장변의 길이의 비율이 1:4 내지 8로 장변의 길이가 사용되는 전파의 중심 주파수의 1파장과 같고, 한쌍의 장변상에 장변 전체 길이의 양단면으로부터 1/4 내지 1/40 거리의 지점에 쇼트바가 배치되고 한쌍의 장변 중앙부에 중앙부로 부터 장변의 1/10 내지 1/30의 거리의 부분을 45도 각도로 각각 틀의 바깥쪽으로 대칭적으로 절곡된 급전을 위한 도전 경로를 가지고 양 장변의 중심 위치로 부터 약간 떨어진 틀 바깥쪽 위치로 부터 급전(給電)하는 형식의 1 파장형의 평면복사 소자를 제공한다.

Description

평면복사 소자와 이를 이용한 전(全)방향성 안테나 {Plane radiation element and omni-directional antenna using it}

본 발명은 중계, 방송, 통신용 등에 공용할 수 있는 전파를 투사하는 무선안테나 및 소자에 관한 것이다.

주지하는 바와같이 일정의 지역에 전파를 투사시키기 위하여 중계, 방송, 무선에 의한 지령, 교통관제에 사용되는 무선 안테나에는 수직으로 배치한 그랜드 폴 또는 수직 다이폴 등이 사용되고 있다.

그러나, 이들 안테나는 통상 수직 편파 모드로 규정되고 지향성 안테나의 이용이 적절하지 아니한 경우에의 사용에는 그 이득도 충분히 얻을 수가 없다. 또한 일정의 지역내에 예를들면 텔레비젼 방송등 무선으로 정보를 전달하는 수단으로서 무지향성(전(全)방향성)의 고이득 안테나 등의 복잡한 구성을 가지는 것이 이용되고 있다.

아마추어 무선으로 다용되고 있는 통칭 헨테나(평면 복사 안테나)는 이득도 높고 편파모드의 선택도 임의로 가능하게 하는 등 장점을 가지지만 단체(單體)로 전(全)방향성의 특성을 얻는 것이 곤란한 등의 결점이 있다.

본 발명은 이상의 점을 고려하여 이루어진 것으로서 고이득으로 편파 모드를 자유롭게 선택 가능하면서도 전(全)방향성의 안테나를 제공하고 널리 방송, 중계, 통신, 교통의 관제, 이동체 통신의 구성 요소로서 사용가능하고 또한 사용 주파수대도 HF, VHF, UHF로 폭넓은 용도에 적합한 안테나를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 실시예의 1 파장 평면복사 소자의 기본 구성을 나타내는 설명도,

도 2 는 본 발명의 실시예의 1파장형 평면복사 소자의 수평면 패턴의 실측 차트,

도 3 은 본 발명의 실시예의 1 파장형 평면복사 소자의 1900MHz대에 있는 SWR특성의 실측 변화표,

도 4 는 본 발명의 실시예의 청구항 1의 수직편파 모드 전(全)방향성 안테나의 구성을 나타내는 개념 설명도,

도 5 는 본 발명의 실시예의 청구항 1의 수직편파 모드 전(全)방향성 안테나의 구성을 나타내는 개념 설명도,

도 6 은 본 발명의 1 파장형 평면복사 소자를 다중대역 용도에 실시한 경우의 구성을 나타내는 개념 설명도,

도 7 은 본 발명의 1 파장형 평면복사 소자를 이용한 수평편파 모드 전(全)방향성 안테나에 반사판을 부가하여 지역 콘트롤 기능을 강화한 경우의 구성을 나타내는 개념 설명도,

도 8 은 본 발명의 실시예의 오각형 분할 1 파장형 평면복사 안테나의 구성을 나타내는 개념 설명도,

도 9 는 본 발명의 실시예의 단축형 평면 복사 안테나의 기본 구성을 나타내는 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 안테나 엘레멘트 장변 2 : 안테나 엘레멘트 단변

3 : 쇼트바 4 : 굴절 분리형 도전 경로

5 : 급전점 6 : 절연 지주

7 : 제1차 급전 케이블 8 : 통합 급전 회로

9 : 제2차 급전 케이블 10 : 1 파장형 평면 복사 소자

11: 절연 지주용 기초 부분 12 : A 대역용 1 파장형 평면복사 소자

13 : B 대역용 1 파장형 평면복사 소자

14 : C 대역용 1 파장형 평면복사 소자 15 : 반사판

16 : 엘레멘트 장변 17 : 퇴피형 도전 경로

18 : 급전 박스 19 : 엘레멘트 단변

20 : 간극 고정제 21 : 절연 지지주

22 : 크로스 마운트 절연재 23 : 퇴피형 급전점

24 : 쇼트바 25 : 스파이더 코일

상기 과제를 해결하기 위하여 안테나 엘레멘트의 단변과 장변 그리고 장변에 설치된 급전점(給電点)을 가지는 직사각형 틀형의 평면 복사 소자(平面輻射素子)에 있어서 단변과 장변의 길이의 비가 1 : 4 내지 8로 장변의 길이가 사용되는 전파의 중심 주파수의 1 파장과 같고 상기 한쌍의 장변의 중심점으로 부터 왼쪽 방향의 소정 거리 a점에서 바깥쪽으로 각도 45도 경사 하여 장변을 절곡 함과 함께 상기 중심점으로 부터 오른쪽 방향의 동일 거리 b점에서 상기 장변과 평행하게 각도 45도 절곡하여 왼쪽의 장변과 평행의 오른쪽의 장변을 장변의 중심점에서 점대칭 위치로 되도록 형성한 장변과 상기 한쌍의 장변의 좌우단부에 연설된 단변과 상기 한쌍의 장변의 양단부로부터 소정의 거리에 연설된 쇼트바와 장변의 중심점에 형성된 급전수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 1 파장형의 평면복사 소자를 이용한 전(全)방향성 안테나를 구성 하였다.

청구항 1은 상기의 평면 복사 소자를 사용하여 수평 또는 수직 편파 형식으로 직립하는 절연 지주의 상부에 1개를 또한 그 평면복사 소자로 부터 그 중심 위치 상호의 간격이 최저 1/2 파장 또는 1파장의 지점에 동일 소자를 또 1개 수평면상으로부터 보아 각각의 소자의 중심부위에 90도의 교차 각도로 되도록 2개 배치하고 고주파 분배기를 이용하여 각 소자에 동위상(同位相)또는 90도 위상차(位相差)로 동시 진동시키는 형식의 평면 복사 소자를 이용한 전(全)방향성 안테나를 구성하였다.

또한, 안테나 엘레멘트의 단변과 장변의 길이의 비가 1 : 4 내지 8로 장변의 길이가 사용되는 전파의 중심 주파수의 1 파장과 같은 직사각형 틀형의 평면복사 소자를 사용하고 그 장변에 홀수 각도 수의 정다각형을 형성할 때에 장변의 중심부 c점이 그 정다각형의 한변의 중심으로 되도록 절곡하고 그 결과 상대한 장변의 양단부를 상호 절연체를 매개로 하여 일정간격으로 보지(保持)하고 상기 장변의 중심부 c점을 정다각형의 안쪽에 소정거리 절곡한 지점에 급전(給電) 수단을 형성한 것을 특징으로 하는 정홀수 다각형의 평면구성을 가지는 1 파장형 평면복사 소자를 구성하였다.

또한, 안테나 엘레멘트 단변과 장변의 길이의 비가 1:4 내지 8로 장변의 길이가 사용되는 전파의 중심주파수의 1/2 파장과 같은 직사각형 틀형의 평면복사 소자를 사용하여 구조를 형성한 것을 특징으로 하는 정홀수 다각형의 평면 구성을 가지는 1/2파장형 평면복사소자를 구성하였다.

또한, 안테나 엘레멘트의 단변과 장변의 각각의 길이를 사용되는 전파의 중심 주파수의 1/12 파장과 1/4 파장과 같은 직사각형 틀형의 평면 복사 소자를 사용하여 구조를 형성하고 그 급전점의 뒤에 한쌍의 1/3 파장의 스파이더 코일의 바깥쪽의 단부를 접속하고 그 코일의 중심부로부터 급전하도록 구성한 것을 특징으로 하는 정홀수 다각형의 평면구성을 가지는 단축형 평면 복사 소자를 구성하였다.

본 발명에 있어서, 도 1에 나타내는 구성의 안테나는 거의 원형에 가까운 전(全)방향성의 수평면 지향 특성을 가지고 또한 정재파비(定在波比;이하 SWR이라고 칭함)가 충분히 감소하고 매우 유효하게 기능한다.

청구항 1에 있어서 안테나는 도 4 또는 도 5에 나타내는 구성의 것으로 수직 편파 모드 또는 수평 편파 모드로 각각 거의 완전한 전(全)방향성의 특성을 가지고 안테나로서 매우 유효하게 작용한다.

도 8에 나타내는 구성의 안테나는 고이득으로 SWR이 낮으면서도 지향 특성은 완전한 원구조로 통신의 상대방과의 상대 위치의 변경은 전혀 문제로 되지 아니하는 특성을 가진다.

도 8에 나타내는 구성의 안테나는 유사한 것으로 이득이 비교적 높으면서도 SWR가 저하하고 있는 주파수 폭도 약간 넓은 특징이 있으면서도 지향성 특성은 완전한 원구조로 통신의 상대방과의 상대 위치의 변경은 문제로 되지 아니하는 특징을 가진다.

도 9에 나타나는 구성의 안테나는 것으로 급전 경로의 앞에 스파이더 코일을 부착하고 센터 로딩(center loading)의 형식으로 함으로써 안테나 엘레멘트를 단축할 수 있는 효과 뿐만 아니라 조정도 용이하고 상대이득으로 3db이내로 축소함에 의한 손실이 억제되고 통신상으로는 그다지 안테나 엘레멘트 축소에 의한 결점이 없다고 하는 특징을 가진다.

<실시예>

이하 도면에 나타내는 실시예에 기하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예의 전(全)방향성 안테나를 구성하는 기본 소자를 나타내는 설명도이다.

도 1a는 청구항 1의 실시예의 정면도, 도 1b는 마찬가지로 평면도이다. 도 1ab에 있어서 1은 안테나 엘레멘트 장변, 2는 안테나 엘레멘트 단변, 3은 쇼트바, 4는 굴절 분리형 도전 경로, 5는 급전점이다.

도 1의 본 발명의 전(全)방향성 안테나의 기본 구성은 통칭 헨테나 2매를 접속하여 이 2매를 동시 진동시키는 것으로 안테나 엘레멘트 장변이 1/2 파장이고 안테나 엘레멘트 단변이 그 1/2 내지 1/3에서 단변에 가까운 쪽에 쇼트바(3)을 가지고 임피던스 조정을 행할 수 있도록 한 헨테나를 2매 병합한 것으로 그 장변(1)이 1 파장 이지만 급전점과 전파의 방사의 중심이 근접하는 관계로 생기는 반사파를 방지하고 SWR의 저감을 노리는 목적으로 그 중앙부의 급전부를 장변(1)과 단변(2)로 구성되는 도 1(b)에 나타내도록 틀형 평면의 바깥쪽에 각각 45도 내지 90도의 각도로 절곡하고 장변의 1/10 내지 1/30의 급전을 위한 굴절분리형 도전 경로(4)를 가지고 급전점(5)가 안테나의 기하학적 중심에 위치하고 2매의 안테나 소자가 상기 급전점으로 부터 보아 점대칭 위치로 떨어진 위치에서 진동되는 형식의 복합형 평면 복사 소자(1 파장형 평면 복사 소자)를 중심적 구성요소로서 이용하는 것이다.

도 1의 본 발명의 안테나 소자는 복합적 소자로 1/2 파장 소자를 중앙에서 결합하고 있기 때문에 각 소자의 복사(방사) 중심이 근접하는 관계로 그 복사 특성은 거의 원형에 가까운 전(全)방향성의 수평면 지향 특성을 가지고 있다.

도 2는 1 파장형 평면 복사 소자의 수평면 패턴의 실측 차트이다. 여기에서 X, Y축은 수평면의 방향성(각도)를 나타냄과 함께 그 방향마다의 이득을 나타낸 것이다.

도 3은 굴절 분리형 도전 경로의 효과를 나타낸 도면이다. X축에 주파수, Y축에 SWR를 취한 것으로 1900MHz를 투입하여 SWR이 충분히 저감하는 것을 나타내고 있다.

도 4는 청구항 1의 수직편파 모드 전(全)방향성 안테나의 경우의 실시예이다.

도 4a는 정면도, 도 4b는 마찬가지로 평면도이다. 도 4a,b에 있어서 6은 절연 지주, 7은 제1차 급전 케이블, 8은 통합 급전 회로(분배기), 9는 제2차 급전 케이블, 10은 1파장형 평면복사 소자, 11은 절연지주 6용의 기초 부분이다.

본 발명에서는 상기 1 파장형 평면복사 소자(10)을 도 4에 나타낸 바와같이 수직편파 모드와 전(全)방향성 특성으로 사용하는 경우에는 연직으로 세운 절연 지주(6)의 상부에 1개를 상기 1 파장형 평면복사 소자(10)으로부터 약 1 파장의 간격을 띄운 곳에 또하나의 상기 1 파장형 평면복사 소자(10)를 90도 교차한 각도에 배치하고 이들 2개의 소자는 각각 제1차 급전 케이블(7)을 75Ω으로 1/4 파장의 홀수배의 전기장의 길이로 통합 급전회로 (8)(분배기)에 접속되고 다시 제2차 급전 케이블(9)(50Ω으로 1/2 파장의 짝수배의 전기장의 길이로 유도한 경로) 또는 표준 케이블을 매개로 송수신기(도시 되지 않음)와 케이블로 결합되는 형식을 가지는 것이다.

도 5는 청구항 1의 수평편파 모드 전(全)방향성 안테나의 경우의 실시예이다.

도 5(a)는 정면도, 도 5(b)는 마찬가지로 평면도이다.

도 5a에 있어서, 6은 절연 지주, 7은 제1차 급전케이블, 8은 통합 급전 회로(분배기), 9는 제2차 급전 케이블, 10은 1 파장형 평면 복사 소자, 11은 절연지주 6용의 기초부분이다.

본 발명에서는 상기 1 파장형 평면복사 소자(10)을 도 5에 나타내는 바와같이 수평편파 모드와 전(全)방향성 특성으로 사용하는 경우는 연직으로 세운 절연지주(6)의 상부에 1개를 상기 1 파장형 평면복사 소자(10)으로부터 또는 일정거리의 간격을 띄운 곳에 또하나의 동일 소자(10)을 수평면상에 90도 교차한 각도로 배치하고 이들 2개의 소자는 각각 제1차 급전케이블(7)에 통합 급전회로(8)(분배기)에 접속되고 다시 제2차 급전케이블(9)를 매개로 하여 송수신기(도시 하지 않음)와 케이블로 결합되는 형식을 가지는 것이다.

높이를 달리 하는 이들 2개의 급전소자 군을 동시 진동시키므로서 원형에 가까운 수평면 패턴을 가지고 거의 완전한 무지향성 특성이 얻어질 수 있다.

이 경우의 상하의 1 파장형 평면복사 소자 상호의 설정 간격은 동일 편파, 동일 주파수, 동일 극성(위상)으로 최저 1/2 파장의 길이가 필요하다.

도 6은 이 1 파장형 평면복사 소자를 위쪽으로부터 안테나 엘레멘트 장변의 1 파장형의 간격을 두고 A대역용, B대역용, C대역용으로 순차설치하므로서 다중대역 또는 중계용도로 재발신(repeater 시설로) 하는 경우등 주파수가 다른 복수의 고주파 송신국의 설정을 하는 경우의 실시예를 나타낸 것이다. 여기에서 12, 13, 14는 A, B, C대역의 각각에 대응하는 1 파장형 평면 복사 소자이다.

또한 동일 주파수, 동일 신호전류를 복수 다단으로 방송하는 고이득화에 관하여서도 같은 방법을 채택하는 것이 가능하다.

본 안테나로부터 송출되는 전파의 편파 모드는 급전점에 있어서 고주파 전류의 투입방향에 따르는 것이지만 본 안테나 소자의 종횡비율의 변경에 의하여 약간의 편파 발산 특성을 부가하는 것이 가능하다.

각 단독 소자의 종횡비가 1:3에서는 약 20%, 1:2에서는 적당한 편파 발산 특성으로 된다.

전파를 송출하는 목적물로는 1:3 내지 4가 바람직하다.

본 발명을 실시함에 있어 도 7과 같이 수평편파 모드 상태에 있어서 반사판 15를 각 소자의 후방에 90도 또는 120도로 설치한 예를 나타낸 것이다.

본 반사판은 풍압감소를 위하여 격자상(格子狀)이 바람직하지만 적당한 거리를 두고서 설정한 경우는 반사판에 적당한 하수각을 두고 적용 지역의 정확한 컨트롤 기능을 부가하는 것이 가능하다. 또한 이 방법은 이동체의 포착에 유효하다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예이다.

도 8(a)는 정면도, 도 8(b)는 마찬가지로 평면도이다. 또한 도 8(c)는 이들을 제품화 했을 때의 사시도이다.

도 8a,b,c에 있어서, 16은 안테나 엘레멘트 장변, 17은 퇴피형 도전경로, 18은 급전박스, 19는 안테나 엘레멘트 단변, 20은 간극 고정제, 21은 절연 지지주, 22는 크로스 마운트 절연재, 23은 퇴피형 급전점, 24는 쇼트바이다.

본 발명은 청구항 1의 안테나 엘레멘트 장변을 정오각형으로 끼워 넣은 실시예이고 안테나 엘레멘트 장변의 전둘레 합계 길이는 1 파장의 길이이다. 그 한쪽의 말단부(19)는 각각 바깥쪽에 되접혀 있고 그 부분에 절연재(20)으로 상호 고정되어 있다.

급전점(23)은 안쪽으로 되접힌 또 한쪽의 말단부의 퇴피형 도전 경로 (17)의 연장부에 있고 반사파의 집중을 회피하는 구조로 되어 있고 말단 가까이의 쇼트바(24)는 가동식으로 상하로 통전하고 좌우방향으로 조정가능하고 반고정식으로 되어 있다.

본 안테나의 이득은 5.5db에 달하고 SWR은 1.1 가까이까지 조정 가능하다.

지향 특성은 완전한 원구조로 통신의 상대방과의 상대위치의 변경은 전혀 문제로 되지 아니하는 특징을 가진다.

본 발명의 또 다른 실시예로서는 도면 8과 기본적 구조는 유사하지만 본 발명은 안테나 엘레멘트 장변의 전둘레 합계의 길이를 1/2 파장으로 설정한 것으로 그 한쪽의 말단부는 그 부분에 절연재로 상호 고정되어 있다.

급전점은 안쪽으로 되접힌 또 한쪽의 말단부에 있고 반사파의 집중을 회피하는 구조로 되어 있다.

말단부로 부터 안테나 엘레멘트 장변 전둘레 길이의 약30% 부근에 설치한 쇼트바는 가동식으로 상하로 통전하고 좌우 방향으로는 조정가능하고 반고정식으로 되어있다.

본 안테나의 이득은 3.5db에 달하고 지향 특성은 완전한 원구조로 통신의 상대방과의 상대 위치의 변경은 전혀 문제로 되지 아니하는 특징을 가지고 또한 SWR이 저하하고 있는 주파수 폭이 좀 넓은 특징이 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 안테나 엘레멘트 실시예의 구성을 나타내는 설명도이다.

도 9의 1은 안테나 엘레멘트 장변, 2는 안테나 엘레멘트 단변, 3은 쇼트바, 4는 급전 경로, 25는 스파이더 코일, 5는 급전점이다.

여기에서 안테나 엘레멘트 장변(1)이 1/4 파장이고 안테나 엘레멘트 단변(2)가 1/12 파장으로 안테나 엘레멘트 단변에 가까운 쪽에 쇼트바(3)을 가지고 임피던스의 조정을 행할 수 있도록 하고 급전점(5)에 관하여서는 각각 한쌍의 급전 경로(4)의 뒤에 1/3 파장의 길이의 코일(25)를 각각 부착 센타로딩 형식으로 무선기의 측을 코일의 중심측에 접속한 단축형 평면 복사 안테나를 기본 소자로서 도 8과 기본적 구조를 동일하게 한 구성으로 한 것으로 보다 소형인 전(全)방향성 안테나를 얻는 것이 가능하다.

이상 상세하게 설명한 바와같이 본 발명은 종래의 중계, 방송, 통신용 등에 공용할 수 있는 전파를 투사하는 무선안테나가 가지는 결점을 제거하고 본 안테나는 고이득으로 지향성은 수평, 수직편파 혹은 적당한 편파 합성으로 할 것인가를 자유롭게 선택 가능하고 어떤 것도 지향특성은 거의 완전한 수평면 무지향성인 안테나를 실현할 수 있는 효과가 있다.

또 본 안테나의 말단은 개방형으로 되어있지 않기 때문에 풍압에 강하고 바람에 의한 파괴에 매우 강인하다.

본 안테나의 설치 높이는 다이폴, 그랜드 다이폴에 비하여 낮은 지상고에서 동작하고, 전파의 투사각이 그랜드 다이폴에 비하여 매우 낮은 특징을 가진다.

또한 본 안테나는 1개의 마스트내에 순차 다른 사용 주파수, 파대, 용도의 것을 수직 방향으로 연속 설치하여도 지장없이 작동하므로 복수대역 복수국의 안테나를 동일 전유 부지내에 설치할 수 있는 특징이 있다.

사용파대에 관계 없이 접지가 필요없고 접지봉을 매설할 필요가 없으므로 접지가 곤란한 수송체(선박, 우주선 등)에의 사용이 용이하다.

또한 안테나의 축소가 용이한 UHF대에 있어서 상술의 모든 장점, 특징을 활용하는 것이 가능하여 매우 효과적이다.

다시 본 안테나를 수평 편파 모드로 사용한 경우는 신호 처리의 디지털화에 따라서 정보 전송의 오류를 대폭 줄이고 완전한 적용 지역의 컨트롤이 가능하게 된다.

Claims (1)

1. 단변과 장변의 길이의 비가 1 : 4 내지 8로 장변의 길이가 사용되는 전파의 중심 주파수의 1 파장과 같고 상기 한쌍의 장변의 중심점으로 부터 왼쪽 방향의 소정 거리 a점에서 바깥쪽으로 각도 45도 경사 내지 90 도 경사지게 장변을 절곡함과 함께 상기 중심점으로부터 오른쪽 방향의 동일 거리 b점에서 상기 장변과 평행하게 각도 45도 내지 90 도로 절곡하여 왼쪽의 장변과 평행의 오른쪽의 장변을 장변의 중심점에서 점대칭 위치로 되도록 형성한 장변과 상기 한쌍의 장변의 좌우단부에 연설된 단변과 상기 한쌍의 장변의 양단부로부터 소정의 거리에 연설된 쇼트바와 장변의 중심점에 형성된 급전수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 평면복사 소자; 및

   상기 평면 복사 소자를 2개 사용하여 수평 또는 수직 편파 형식으로 직립하는 절연 지주의 상부에 1개를 또한 그 평면복사 소자로 부터 그 중심 위치 상호의 간격이 최저 1/2 파장 또는 1파장의 부위에 다른 평면복사 소자를 수평면상으로부터 보아 각각의 소자의 중심부위에 90도의 교차 각도로 되도록 배설하고 고주파 분배기를 이용하여 각 소자에 동위상 또는 90도 위상차로 동시 진동시키도록 구성된 평면 복사 소자를 이용한 전(全)방향성 안테나.