KR20020058932A - 사용가능 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주파수 및 이득을 동시에 향상시키는 방법에 관한 것으로 본 발명은 매칭회로와 연결되는 컨넥터를 포함하여 이루어진 고정구조물과 이에 고정되는 나선형안테나와의 사이에 공간부를 형성시켜 안테나에서 문제시되는 불평형 조건을 개선하여 안테나 효율증대, 소형화를 이루도록함과 여러환경으로 인한 중심주파수의 이동에 즉시 대처할 수 있도록 하는 주파수 및 이득을 동시에 향상시키는 특징이 있다.

Description

사용가능 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법{Method for improuing available freguencg range and gain}

본 발명은 사용가능 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 매칭회로와 연결되는 컨넥터를 포함하여 이루어진 고정구조물과 이에 고정되는 나선형안테나와의 사이에 공간부를 형성시켜 공진이 발생하도록 함으로서 사용 가능한 주파수 및 이득을 동시에 향상되도록 한 사용가능 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법에 관한 것이다.

종래의 무선통신에서 사용되던 소형 안테나의 일반적인 급선구조는 동축선로에 바로 급전되는 형태로 모노폴(MONOPOLE)인 경우에는 동축선로에 +부분이 급전되고, 다이폴(DIPOLE)인 경우에는 동축선로의 +,-부분이 안테나에 각가 급전이 된다.

이러한 방법은 안테나의 급전선간의 불평형 상태를 유발하여 실제적으로 안테나의 임피던스 매칭이 어렵게 된다. 또한 안테나와 급전선간의 접점부위가 수시로 달라짐으로 인하여 제작된 안테나의 특성이 일정하지가 못하여 안테나의 효율이 상당히 떨어지게 된다.

한편 통상의 모노폴 나선형안테나의 등가회로는 첨부도면 도 에 도시된 바와 같이 크게 급전부와 L과 C의 병렬공진하는 등가화로써, 종래의 나선형안테나는 기존의 모노폴 안테나의 길이를 줄이지만 공진 주파수는 동일하도록 만들어 준 것이나 L,C 병렬공진으로 인한 Q값의 상승으로 주파수는 협소해짐니다.

따라서 일반적인 나선형안테나의 전기적인 특성을 VSWR 측정하여 보여주는 그래프와 이를 임피던스 측정데이터를 보여주기 위한 스미스차트로 나타내면 첨부도면 도 2에 도시된 바와 같이 VSWR 값이 클수록 스미스 챠트는 임피던스 값이 중심에서 멀어질수록 안테나 반사손실은 커지게 되며 밴드폭은 협소해 지게 된다.

일반적으로 안테나의 밴드폭은 VSWR 값이 2이하를 갖는 주파수 범위로 정위된다. 따라서 종래의 안테나는 VSWR 값이 5-18사이의 값을 갖게 되고 스미스 챠트의 임피던스 값은 스미스 챠트 중심에 있는 50값에서 상당히 떨어져 있으므로 안테나의 반사손실 값이 커짐을 알수 있으므로 협소한 주파수를 갖게 됨을 알수 있습니다.

상기 종래 안테나구조에 있어서 안테나에서 문제시되는 불평형조건이 개선되지 않아 안테나의 효율이 떨어지는 문제점과 소형화 하는데 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 이의 목적은 안테나에서 문제시되는 불평형조건을 개선하여 안테나 효율증대, 소형화를 이루도록함과 여러환경으로 인한 중심주파수의 이동에 즉시 대처할 수 있도록 하는 사용가능한 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법을 제공함에 있다.

도 1는 일반적인 원통형 구조물에 연결된 나선형안테나의 등가회.

도 2a는 일반적인 나선형안테나의 전기적인 특성을 VSWR 측정하여 보여주는 그래프이고, 도 2b는 도 2a의 임피던스 측정데이터를 보여주는 스미스차트이다.

도 3a는 본 발명의 주파수 및 이득을 동시에 넓히는 방법으로 일실시예를 보여주는 단면구성도이며, 도 3b는 주파수 및 이득을 동시에 넓히는 다른 구조를 보여주는 단면구성도이다.

도 4는 본 발명의 기술이 적용된 주파수 및 이득을 동시에 향상시키는 방법에 의해 고정구조물에 나선형안테나를 연결하였을 때의 등가회로.

도 5a는 본 발명의 기술이 적용된 주파수 및 이득을 동시에 향상시키는 방법의한 나선형안테나를 설치후 전기적인 특성을 VSWR 측정하여 보여주는 그래프이고, 도 5b는 도 5a를 임피던스 측정데이터를 보여주는 스미스차트이다.

도 6은 도 4의 등가회로를 갖는 나선형안테나구조에 선형안테나를 연결 설치했을 때의 등가회로.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

1 : 고정구조물2 : 나선형안테나

3 : 공간4 : 접점

이러한 본 발명의 목적은 매칭회로와 연결되는 컨넥터를 포함하여 이루어진 고정구조물과 이에 고정되는 나선형안테나와의 사이에 공간부를 형성시키 공진이 일어나도록 함으로서 달성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 3은 본 발명의 주파수 및 이득을 동시에 향상시키는 방법의 일실시예를 보여주는 단면구성도로써, 이에 따르면 매칭회로와 연결되는 컨넥터를 포함하여 이루어진 고정구조물(1)과 이에 고정되는 나선형안테나(2)와의 사이에 공간(3)을 형성시킨다.

이를 구체적으로 설명하면 외주연에 나사가 형성되어 하우징에 고정되면서 매칭회로와 연결되는 컨넥터 상부에는 안테나를 설치시 안테나가 하부로 빠지는 것과 아울러 끝단이 용접에 의한 고정방법 등으로 고정되도록 수직되게 소정의 길이를 갖는 고정구조물(1)에는 나선형안테나(2)가 삽설되며, 이때 나선형안테나(2)와 고정구조물(1)과의 결합조건은 상기 나선형안테나(2)와 고정구조물(1)과의 사이에는 적어도 하나이상의 접점(4)과 공간(3)을 형성하고 있어야 한다.

그리하면 첨부도면 도 4에 도시된 바와 같이 급전부와 병렬 공진 사이에 적은 R과 큰 C의 병렬 구조로 등가화 될 수 있는 변성기를 삽입하므로써 병렬공진과 변성기 내의 C와 나선형 엘리먼트 L과의 직렬공진 특성을 보임으로, 이중공진으로 인한 중심 주파수의 인접주파수가 직렬공진 주파수가 됩니다. 따라서 인접주파수의 공진으로 인하여 주파수와 이득이 모두 향상된다.

이는 L,C 병렬공진으로 인한 Q값의 상승을 직력공진으로 인하여 보상함으로 밴드폭이 넓어지게 됨을 의미하는 것이다.

고정구조물(1)과의 공간(3)크기 및 개수에 따라 등가회로에서 변성기 내의 C의 값이 조종됨으로 인하여 중심주파수와 인접한 직렬공진 주파수를 유동적으로 조정할 수가 있으며, 이는 요구되는 대역폭에 따라 정합회로와 무관하게 변성기 내의 C값에 따라 사용가능한 주파수 범위가 조종됨을 보이는 것이다.

다시말하여 급전부인 고정구조물(1) 만으로는 공진을 일으키지 못하지만 고정구조물(1)에 나선형안테나(2)를 삽설시키면 상기 고정구조물(1)과 나선형안테나(2) 사이에 공간(3)이 발생되며 실질적으로 이 공간에 의해서 실제 중심주파수가 변화를 가져온다.

또한, 상기와 같이 변화된 주파수 및 이득을 갖는 안테나 구조에 복합적으로 선형안테나를 삽설하여 나선형안테나(2)의 중심을 관통하도록 설치하면 고정구조물(1)의 하부에서 접점이 형성되어 공진특성에 변화를 주게 되므로서 원하는 주파수 및 이득을 얻을 수 있다.

상기 나선형안테나만(2)이 삽설되어 공간을 형성시키는 고정구조물에 선형안테나를 삽입하여 공진특성에 변화를 주는 이유는, 첨부도면 도 6에 도시된 바와 같이 선형안테나의 급점이 되는 동시에 나선형안테나에 동시 급점됨으로 선형안테나와 나선형안테나 간에 커플링효과로 인하여 나선형안테나의 변성기로 인한 직렬공진 특성과 나선형 엘리먼트로 인한 병렬공진특성 모두 영향을 주어 소량의 Q값의감소를 초래하게 된다.

이를 선형안테나와 나선형안테나에 연결 설치된 선형안테나의 위치에 따른 이득비교를 살펴보면,

1. 선형안테나를 나선형안테나에서 뽑았을 경우 주파수에 따른 이득 비교

주파수〔MHZ〕	종래안테나〔dBm〕	본 발명〔dBm〕	이득비교〔dB〕
822	-20.64	-19.86	+0.78
851	-21.17	-21.15	+0.02
867	-20.53	-20.37	+0.16
898	-20.87	-20.70	+0.17

2. 선형안테나를 나선형안테나에서 집어넣었을 경우 주파수에 따른 이득 비교

주파수〔MHZ〕	종래안테나〔dBm〕	본 발명〔dBm〕	이득비교〔dB〕
822	-19.31	-19.22	+0.09
851	-20.53	-20.25	+0.28
867	-19.56	-19.32	+0.24
898	-19.93	-19.93	+0.00

따라서, 본 발명은 기존의 안테나를 변형시키지 않고 고정구조물만을 변형하여 실제로 모노폴(MONOPOLE) 안테나 및 다이폴(DIPOLE) 안테나의 일반적인 특성인 병렬공진을 직렬공진으로 보상하여 그 주파수를 확장할 수 있는 것이다.

고정구조물(1)에서 절취면부를 갖는 구조 부분이 직렬 인덕턱스 효과가 두드러지며, 바로 이 부분과 인접하는 나선형안테나를 임피던스 변성기라고 불리우며 나선형안테나의 길이에 따른 임피던스 변화는 있으나 일반적으로 대역폭은 고정구조물(1)에 의하여 결정지어지므로 나선형의 용분성량(커패시턴스 성분)은 급전부분의 변형에 의해 초기 임피던스 매칭단계에서 광대역 특성을 지니게 된다.

실제로 직렬 인덕턴스 효과의 증가는 일반적으로 나선형안테나에서 나타나는 고정구조물과 나선형안테나 사이에 나타나는 직렬 커패시턴스 효과가 줄어든 것과 같은 의미가 된다.

따라서 나선형안테나(2)와 고정구조물(1)의 사이에 형성된 공간(3)에서 공진이 이러나는 것을 알 수 있으며, 실제로 상기 구조물에 의한 결과를 설명하면 다음과 같다.

안테나의 공진회로가 일반적으로 병렬공진을 일으킬 때 Q값(손실이 있는 리액턴스 소자 또는 공진회로의 양호도)이 상당히 커짐으로 주파수는 상당히 작아지게 된다.

그러나, 이러한 본 발명의 구조를 분포정수형 회로로 환산하여 급전점에서 들여다 본 입력임피던스가 직렬공진을 일으키게 한다면 넓은 주파수 대역에서 원하는 주파수 범위를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

따라서 본 고안의 무선통신기기의 안테나 고정구조물을 사용할 경우 직렬공진 효과를 얻을 수 있는 것이다.

통상적인 안테나구조에 있어서 사용주파수 범위가 넓어지면 이득은 감소하고 사용주파수 범위가 감소되면 이득은 올라가는 것인데 반하여, 본 고안은 주파수 범위(폭)가 넓어지면 이득도 올라가고 주파수 밴드폭이 감소되면 이득도 내려가다는 것이 종래 구조의 안테나와 본 고안의 큰 효과 차이라 하겠습니다

상기 고정구조물(1)과 이에 설치되는 안테나의 조건을 각각 다르게 했을 때 사용주파수 범위의 변화모습을 살펴보면, 먼저 나선형안테나(2)의 크기(길이)와 고정구조물(1)의 크기(지름)는 같고 고정구조물(1)의 높이가 변할 때 공진주파수가 낮은 주파수로 이동한다.

또한, 나선형안테나(2)의 크기(길이)와 고정구조물(1)의 높이는 같고 고정구조물의 크기(지름)가 변할 때 즉, 지름이 커지면 공진주파수가 낮은 주파수로 이동하고 안테나 지향빔이 상향며, 지름이 작아지면 밴드폭은 유지되나 공진주파수는 높은 주파수대로 이동되며 안테나 지향빔의 폭이 점점 넓어진다.

다시말하여 고정구조물과 이에 권선되는 안테나와의 사이에 형성된 공간면적이 넓어지면서 상기와 같은 효과가 발생된다.

한편, 크기(지름)와 높이가 같은 고정구조물에 고정하려고 감는 권선횟수가 변할 때 실제적으로는 안테나 길이가 짧아지는 효과가 나타나므로 공진주파수가 높은 주파수로 이동한다.

따라서 본 발명은 고정구조물의 모양을 변형시킴에 따라 안테나의 공진회로를 병렬공진에서 직렬공진으로 변환되므로서 일반적으로 중심주파수에서 병렬공진을 일으키는 임의의 안테나를 기존보다 2-3배 이상의 사용주파수 범위를 얻을 수 있으며 또한 이득도 향상된다.

이와같은 구조로 이루어져 사용되는 본 발명은 매칭회로와 연결되는 컨넥터를 포함하여 이루어진 고정구조물과 이에 고정되는 나선형안테나와의 사이에 공간부를 형성시켜 안테나에서 문제시되는 불평형조건을 개선하여 안테나 효율증대, 소형화를 이루도록함과 여러환경으로 인한 중심주파수의 이동에 즉시 대처할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 매칭회로와 연결되는 컨넥터를 포함하여 이루어진 고정구조물과 이에 고정되는 나선형안테나와의 사이에 공진이 발생되도록 공간부를 형성시킨 것을 특징으로 하는 사용가능 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정구조물에 나선형안테나를 고정 설치시 나선형안테나가 고정구조물에 적어도 하나이상의 접점 및 공간을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 사용가능 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법.
3. 제 1 항 내지 제 2 항중 어느한 항에 있어서, 상기 공간부의 넓이에 따라서 주파수와 이득이 변화되는 것을 특징으로 하는 사용가능 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 나선형안테나의 크기(길이)와 고정구조물의 높이 및 고정구조물에 고정하려고 감는 나선형안테나의 권선횟수에 의하여 공진주파수가 변화되는 것을 특징으로 하는 사용가능 주파수 범위 및 이득을 동시에 향상시키는 방법.