KR200205639Y1 - 무선통신기기의 안테나 연결부재 - Google Patents

Abstract

본 고안은 무선통신기기의 안테나 연결부재에 관한 것으로서, 기존의 안테나의 특성은 전혀 변형시키지 않고 안테나가 연결되는 급전부인 임피던스 변성기에 절취면부를 형성하여 안테나의 일반적인 특성인 병렬공진을 직렬공진으로 전환되어 협대한 안테나의 밴드폭을 넓힘과 아울러 임피던스 변성기의 크기, 높이 및 절취면부 넓이, 임피던스 변성기에 권선되는 안테나의 횟수에 의하여 밴드폭을 확장 및 조절하며 여러 주파수를 만족할 수 있으므로 안테나의 여러가지 환경으로 인한 중심주파수의 이동에 즉시 대처할 수 있는 특징이 있다.

Description

무선통신기기의 안테나 연결부재{MEMBER FOR CONNECTING ANTENNA TO WIRELESS COMMUNICATION APPARATUS}

본 고안은 무선통신기기의 안테나 연결부재에 관한 것으로 보다 상세하게는 헬리컬안테나가 설치되는 원통형상의 단자를 그 수직축과 평행하게 절취면부가 하나 이상 형성되도록하여 헬리컬안테나가와 철취면부 사이에 공간을 형성시켜 반날린 공진을 일으키도록 하여 안테나의 밴드폭을 넓히도록함과 아울러 상승된 밴드폭을 용이하게 조절하도록 한 무선통신기기의 안테나 연결부재에 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.

첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이 미국특허 제4,772,895호가 제안된바, 이는 주파수 응답을 넓혀주는 안테나에 관한 것으로 구조는 신호 피드부와 접지부를 포함하는 피드포트를 구비하고 대향하는 양 단부를 가지며 제1피치와 제1전기적길이를 나타내는 나선형의 제1도전성소자(200)를 구비하고, 상기 제1소자의 일단부는 피드포트(500)의 신호 피드부에 결합되고, 대향하는 양 단부를 가지며 제2피치와 제2전기적 길이를 나타내는 제2나선형상 도전성소자(400)를 구비하고 상기 제2소자는 제1소자의 일부분 둘레에 동축방향으로 감겨지고 제2소자(400)의 일단부는 상기 피드포트의 접지부에 결합되며, 상기 제2피치는 제1피치의 대략 1/2이고 제2전기적 길이는 제1전기적 길이의 대략 1/3이며, 상기 제1소자(200) 및 제2소자(400)를 전기적으로 절연하기 위하여 제1소자와 제2소자 사이에 동축방향으로 놓여지는 원통형 스페이서수단(300)을 구비하고 상기 스페이서수단은 제1소자와 제2소자에 견고하게 결합되기에 충분할 정도로 얇아서 제1소자에 의해 나타내지는 주파수 응답을 높이는 것을 특징으로 하는 안테나이다.

상기 종래 안테나구조에 있어서 스페이서는 내측에 설치된 제1나선형상 소자외측에 설치된 제2나선형상 소자 사이에 설치되어 양자를 접지 시키는 접속수단으로 사용되는 구조로 실제적으로 일반적인 안테나에서 문제시되는 불평형조건이 개선되지 않아 안테나의 효율이 떨어지는 문제점과 소형화 하는데 문제점이 있었다. 상기 불평형조건이란 일반적으로 헬리컬안테나 지체는 Axial 모드와 Normal모드로 크게 두가지로 나누어진다. 그러나 헬리컬안테나를 위에서 들여다본 원모양의 겉 테두리가 사용되는 주파수에 대응되는 파장보다 훨씬 작은 경우를 Normal 모드라 하며 일반적으로 무선통신기기에 쓰이는 헬리컬은 대부분 Normal 모드에 해당된다. 상기 Nomal 모드 헬리컬안테나의 특징은 특성임피던스가 굉장히 크게 되며 실제 복사전력에 해당하는 복사저항 값은 작다는 것이다. 따라서 전체적으로 입력 임피던스 값은 상당히 크므로 실제 무선통신기기 종단의 출력임피던스인 50Ω과는 상당한 임피던스차이로 반사손실 값이 커지게 되며, 이 부분이 일반적인 무선 통신용 수신안테나로 쓰이는 헬리컬안테나의 고유 불평형조건이라 한다.

본 고안은 상기 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 기존의 안테나의 특성은 전혀 변형시키지 않고 안테나가 설치되는 급전부인 임피던스 변성기에 절취면부를 형성하도록 하여 안테나의 일반적인 특성인 병렬공진을 직렬공진으로 전환되어 협대한 안테나의 밴드폭을 넓히도록함과 상기 임피던스 변성기의 크기, 높이 및 절취면부의 넓이, 임피던스 변성기에 권선되는 권선횟수에 의하여 밴드폭을 용이하게 확장 및 조절하도록 한 안테나의 밴드폭을 넓히는 연결부재를 제공하는데 있다.

다른 목적으로는 여러 주파수를 만족할 수 있으므로 안테나의 여러가지 환경으로 인한 중심주파수의 이동에 즉시 대처할 수 있는 연결부재를 제공하는데 있다. 이러한 본 고안의 목적은 무선통신기기의 커넥터에 체결되는 체결부(13)는 소정의 길이로 구비되면서 외주연에 나사가 형성되고 상부에는 안테나를 설치시 안테나가 하부로 빠지는 것을 방지하면서 안테나를 고정하는 걸림테(12)가 형성되며 이의 상부에는 일단부가 안테나와 접속되어 임피던스 변성기를 이루고 타단부가 무선통신기기와 접속되는 원기둥상 연결부재에 있어서, 상기 임피던스 변성기가 하나 이상이고, 적어도 그 하나는 그 수직축과 평행하며 개방된 절취면부가 하나 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재의하여 달성된다. 또한 본 고안의 바람직한 실시예로는 상기 임피던스 변성기의 개방된 절취면부가 변성기의 일부 또는 전장에 걸쳐 하나 이상 형성된 것을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재에 의하여 달성된다. 또한 본 고안의 바람직한 실시예로는 상기 절취면부에 변성기의 수직축과 평행한 요홈이 형성된 것을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재에 의하여 달성된다. 또한 본 고안의 바람직한 실시예로는 상기 임피던스 변성기의 개방된 절취면부가 변성기의 수직축 방향으로 일정간격져 적어도 두 개 이상 형성된 것을 더 포함하여 이루어진 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재에 의하여 달성된다. 또한 본 고안의 바람직한 실시예로는 상기 임피던스 변성기는 걸림턱과 단락되며 이 사이에는 코일상의 도선으로 연결된 것을 더 포함하여 이루어진 특징으로 하는 안테나의 밴드폭을 넓히는 연결부재에 의하여 달성된다.

또한 본 고안의 바람직한 실시예로는 상기 임피던스 변성기의 개방된 절취면부가 변성기의 일부 또는 전장에 걸쳐 두 개 형성되고, 이들 절취면부가 하나의 모서리를 공유하는 것을 더 포함하여 이루어진 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재에 의하여 달성된다.

도 1은 본 고안인 연결부재의 구조를 보여주는 사시도.

도 2a 내지 도 2b는 본 고안인 연결부재의 실시예를 보여주는 사시도.

도 3a는 리턴로스값으로 측정한 본 고안의 연결부재를 사용한 안테나의 중심주파수가 315MKz인 특성도이며, 도 3b는 본 고안의 연결부재를 사용한 안테나의 중심주파수가 850MKz일 때 VSWR값으로 나타낸 그래프이다.

도 4는 종래의 안테나 구조를 보여주는 정면도.

도 5a는 리턴로스값으로 측정한 종래 연결부재를 사용한 안테나의 특성도이며, 도 5b는 종래 연결부재를 사용한 안테나가 VSWR값으로 나타낸 그래프이다. 도 6a는 본 고안의 연결단자에 헬리컬안테나를 설치후 전기적인 특성을 VSWR측정하여 보여주는 그래프이고, 도 6b는 본 고안의 연결단자에 헬리컬안테나를 설치후 임피던스 측정데이터를 보여주는 스미스차트이다. 도 6c는 종래 원통형 연결단자에 헬리컬안테나를 설치후 전기적인 특성을 VSWR 측정하여 보여주는 그래프이고, 도 6d는 종래 원통형 연결단자에 헬리컬안테나를 설치후 임피던스 측정데이터를 보여주는 스미스차트이다. 도 7a는 일반적인 원통형 구조물에 연결된 헬리컬안테나의 등가회로이며, 도7b는 본고안에 의해 제시된 반날린 연결 구조물에 헬리컬안테나를 연결하였을 때의 등가회로이다.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

10 : 연결부재 11 : 임피던스 변성기

11a : 절취면부 11b : 요홈

12 : 걸림턱 13 : 체결부

14 : 요홈

이하 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 첨부도면 도 2는 본 고안의 연결부재를 보여주는 사시도로써, 이에 따르면 송수신주파수 대역의 중심주파수에서 공진하는 안테나를 지지하는 걸림테(12)와 도시생략의 무선통신기기의 커넥터에 체결되는 체결부(13)와 급전하는 원기둥상의 임피던스 변성기(11)로 이루어진 구조이며, 상기 원기둥상의 임피던스 변성기(11)는 그 수직중심선상에 평행한 절취면부(11a)를 형성한 구조이다. 이를 구체적으로 설명하면 상기 무선통신기기의 커넥터에 체결되는 체결부(13)는 원통형상으로 소정의 길이로 구비되면서 외주연에 나사가 형성되어 있으며, 이의 상부에는 안테나를 설치시 안테나가 하부로 빠지는 것과 아울러 안테나의 끝단이 용접에 의한 고정방법 등으로 상기의 안테나를 고정하도록 하는 걸림테(12)가 형성되어 있다. 상기 걸림테(12)의 상부면으로는 수직되게 소정의 길이를 갖으며 원통형상에서 그 수직축에 평행하도록 수직 절단하여 평면 즉, 절취면부(11a)를 구비하는 임피던스 변성기(11)로 이루어져 구성되며, 상기 임피던스 변성기(11)와 안테나(헬리컬안테나)는 직렬로 연결 구성된다.

또한, 첨부도면 도 2a는 본 고안의 다른 실시예를 보여주는 사시도로서 급전부인 임피던스 변성기(11)의 절취면부(11a)의 길이 방향으로 요홈(11b)을 형성하되, 그 요홈(11b)이 걸림테(12)와 체결부(13)를 연통하는 중심 구멍과 일치하도록 구성된 구조이다.

또한, 첨부도면 도 2b는 본 고안의 또다른 실시예를 보여주는 사시도로서 상기 안테나에 접촉되어 급전하는 연결부재(10)의 원기둥상 임피던스 변성기(11)에 개방된 절취면부(11a)가 일정간격져 형성된 것으로 그 형상은 반원형의 요홈(14)을 형성한 구조이다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 고안인 안테나의 밴드폭을 넓히는 연결부재(10)의 작용효과를 설명하면 임피던스 변성기(11) 외주에 송수신대역의 중심주파수에서 공진하는 안테나가 권선되어 접지되면, 이 급전부인 임피던스 변성기(11)에 의하여 일반적 특성인 병렬공진이 직렬공진으로 변조되므로서 실제 중심주파수에서 그 밴드폭이 넓어진다. 한편 임피던스 변성기와 이에 권선되는 안테나와의 사이에 형성되는 공간에 의하여 공진이 일어나는 것은 일반적인 원통형 연결단자와 본원고안 구조에 있어서, 안테나에 사용되는 연결단자의 구조가 길이 2mm, 지름 5mm, 헬리컬안테나 길이 20mm이며, 주파수 대역은 800MHz-900MHz범위에서 원통형구조물에 접점되는 헬리컬안테나의 특성과 본원고안에 설치된 헬리컬안테나의 특성을 측정하였다. 첨부도면 도 6에서 보여지듯이 본원고안 안테나는 절취면부를 갖는 구조 부분이 직렬 인덕턱스 효과가 두드러지며, 바로 이 부분이 임피던스 변성기라고 불리우며 헬리컬안테나의 길이에 따른 임피던스 변화는 있으나 일반적으로 대역폭은 연결구조물에 의하여 결정지어지므로 헬리컬의 용분성량(커패시턴스 성분)은 급전부분의 변형에 의해 초기 임피던스 매칭단계에서 광대역 특성을 지니게 된다는 점입니다. 실제로 직렬 인덕턴스 효과의 증가는 일반적으로 헬리컬안테나에서 나타나는 임피던스 변성기(11)(연결구조물)와 헬리컬안테나 사이에 나타나는 직렬 커패시턴스 효과가 줄어든 것과 같은 의미가 된다.

따라서 본원고안에서 반날린부분과 헬리컬안테나의 사이에 형성된 공간에서 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 밴드폭은 상당히 작아지게 된다.

그러나, 이러한 본 고안의 연결부재 구조를 분포정수형 회로로 환산하여 급전점에서 들여다 본 입력임피던스가 직렬공진을 일으키게 한다면 넓은 주파수 대역에서 원하는 밴드폭을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 한편, 임피던스 변성기(11)에 의하여 일반적인 특성인 병렬공진을 직렬공진으로 변조시키는 것은 헬리컬안테나의 고유 커패시턴스 값을 연결 구조물을 사용하여 직렬 인턱터스로 상쇄시켜 순수 저항 값만을 갖는 안테나로 유도하기 때문이다. 이를 첨부도면 도 7에 의거하여 상세히 설명하면 도 7a는 일반적인 원통형 구조물에 연결된 헬리컬안테나의 등가회로이며, R_L은 실제 안테나의 손실 전력에 해당하는 손실저항, R_r은 실제 안테나의 복사전력에 해당하는 복사저항, X_c는 헬리컬안테나의 고유 커패시턴스에 해당하는 리액턴스이다. 한편 첨부도면 도7b는 본고안에 의해 제시된 반날린 연결 구조물에 헬리컬안테나를 연결하였을 때의 등가회로이며, R_L은 실제 안테나의 손실 전력에 해당하는 손실저항, R_r은 실제 안테나의 복사전력에 해당하는 복사저항, X_c는 헬리컬안테나의 고유 커패시턴스에 해당하는 리액턴스, X_L은 반날린 임피던스 변성기에 의한 고유 인덕턴스에 해당하는 리액턴스이다. 따라서 본 고안의 무선통신기기의 안테나 연결부재를 사용할 경우 직렬공진 효과를 얻을 수 있는 것이다.

첨부도면 도 5a는 리턴로스값으로 측정한 종래 안테나 특성도로서, 급전구조물을 I자 형태의 체결구조를 사용하며, 이때 크기(지름)가 3mm이고 높이가 10mm인 원기둥상의 접점을 사용한 결과로 이 경우 -20dB 밴드폭은 약 8MHz가 나타남을 알수 있다.

또한. 첨부도면 도 3a는 리턴로스값으로 측정한 본 고안의 연결부재(10)를 사용한 안테나의 중심주파수가 315MKz인 특성도로써 밴드폭을 확장하기 위하여 크기(지름)가 3mm이고 높이가 10mm인 원기둥상의 임피던스 변성기의 중앙을 절단하여 평면을 형성시킨 것으로 그 결과 -20dB 밴드폭은 약 20MHz정도가 나타남을 알수 있다.

상기 도 5a와 도 3a를 비교하면, 여기서 사용된 주파수는 315MKz로 반사손실이 -20dB지점에서 안테나의 밴드폭은 중심주파수에 대하여 약2.5배 정도 증가함을 보이고 있으며, 이러한 밴드폭의 확장은 비단 헤리컬 안테나 뿐만 아니라 여러가지 선형 안테나와 마이크로 스트립 안테나에도 적용될 수 있음을 알 수 있다.

한편, 첨부도면 도 3b는 본 고안인 연결부재(10)의 크기(지름)가 5mm이고 높이가 2mm인 원기둥상의 임피던스 변성기(11)의 중앙을 절단하여 절취면부(11a)를 형성시킨 것을 리턴로스(Retracted)된 경우 VSWR(Voltage Standing Wave RATIO) 및 임피던스 데이터를 그래프로 나타낸 것으로서 이를 살펴보면 주파수 폭은 750-950MKz사이고 중심주파수는 850MKz이며 밴드폭은 첨부도면 도 5b의 종래 안테나보다 넓게 나타남을 알 수 있다.

또한, 상기 임피던스 변성기(11)와 이에 고정 설치되는 안테나의 조건을 각각 다르게 했을 때 밴드폭의 변화모습을 살펴보면,

먼저 안테나의 크기(길이)와 임피던스 변성기(11)의 크기(지름)은 같고 임피던스 변성기의 높이가 변할 때 밴드폭의 변화는 밴드폭이 좁아지며 공진주파수가 낮은 주파수로 이동한다.

또한, 안테나의 크기(길이)와 임피던스 변성기(11)의 높이는 같고 임피던스 변성기의 크기(지름)이 변할 때 즉, 지름이 커지면 밴드폭은 유지되나 공진주파수가 낮은 주파수로 이동하며 안테나 지향빔이 상향며, 지름이 작아지면 밴드폭은 유지되나 공진주파수는 높은 주파수대로 이동되며 안테나 지향빔의 폭이 점점 넓어진다. 다시말하여 임피던스 변성기(11)와 이에 관선되는 안테나와의 사이에 형성된 공간면적이 넓어지면서 상기와 같은 효과가 발생된다.

상기 임피던스 변성기(11)의 크기(지름)와 높이가 동일한 구조의 연결부재에서 수직중심선에 평형하게 절단하되, 이 절단면적을 다르게 했을 때 밴드폭의 변화는 절단면적이 커질수록 VSWR의 밴드폭은 줄어들며 공진주파수는 일정하게 되며, 절단면적이 작아질수록 VSWR의 밴드폭은 늘어나지만 공진주파수가 높은 주파수 대역으로 옮겨간다.

한편, 크기(지름)와 높이가 같은 임피던스 변성기(11)에 고정하려고 감는 권선횟수가 변할 때 실제적으로는 안테나 길이가 짧아지는 효과가 나타나므로 공진주파수가 높은 주파수로 이동하고 밴드폭 또한 줄어든다.

한편, 첨부도면 도 2a와 같이 본 고안의 다른 실시예의 구조에 있어서는 일반적인 안테나의 공진 특성을 바꿀 수 없는 긴 요홈(11b)이 형성된 임피던스 변성기(11)의 외주에 송수신주파수 대역의 중심주파수에서 공진하는 안테나가 접촉되며 상기 임피던스 변성기를 통하여 안테나에 급전하는 연결부재의 구조에 의한 공진특성의 변화로 그 밴드폭이 넓어진다.

한편, 첨부도면 도 2b와 같이 본 고안의 또 다른 실시예의 구조에 있어서는 급전부인 임피던스 변성기(11)의 외주에 다수의 요홈(14)이 형성된 임피던스 변성기에 안테나가 접촉되어 급전하는 연결부재(10)의 구조가 공진특성에 변화를 주게 되므로 원하는 밴드폭을 얻을 수 있다.

한편, 본 고안의 연결부재는 임스던스 변성기(11)가 일체로 형성된 구조의 연결부재(10)와 소정간격 이격되게 임피던스 변성기만을 별도로 안테나의 수직중심선상에 설치하되 그 사이에는 코일상의 도선이 설치되어 연결되어 있는 구조로 사용가능하며, 상기 임피던스 변성기(11)의 개방된 절취평면이 변성기의 일부 또는 전장에 걸쳐 두 개 형성되고, 이들 평면을 하나의 모서리를 공유하도록 하는 구조의 연결부재를 사용할 수 있다,

따라서 본 고안은 연결부재에 형성된 임피던스 변성기의 모양을 변형시킴에 따라 안테나의 공진회로를 병렬공진에서 직렬공진으로 변환되므로서 일반적으로 중심주파수에서 병렬공진을 일으키는 임의의 안테나를 기존보다 2-3배 이상의 밴드폭을 얻을 수 있으며 필요에 따라서는 밴드폭의 조절이 가능하다.

이상과 같은 본 고안은 기존 안테나 원래의 모양을 전혀 변경시키지 않으면서 안테나의 일반적인 특성인 병렬공진을 직렬공진으로 보상하여 그 밴드폭을 조절하여 필요로 하는 밴드폭이 형성되게 확장하는 것으로서, 이는 안테나의 종류에 관계없이 체결구조에 따라 밴드폭 확장을 꾀할 수 있는 것이다.

또한, 임피던스 변성기의 크기 및 높이 다시말하여 구조물의 변형과 이에 고정되는 안테나의 권선횟수에 의하여 안테나의 밴드폭은 넓어지게 되므로 소형 안테나지만 여러 주파수를 만족할 수 있으므로 안테나의 여러가지 환경으로 인한 중심주파수의 이동에 즉시 대처할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 무선통신기기의 커넥터에 체결되는 체결부는 소정의 길이로 구비되면서 외주연에 나사가 형성되고 상부에는 안테나를 설치시 안테나가 하부로 빠지는 것을 방지하면서 안테나를 고정하는 걸림테가 형성되며 이의 상부에는 일단부가 안테나와 접속되어 임피던스 변성기를 이루고 타단부가 무선통신기기와 접속되는 원기둥상 연결부재에 있어서,

   상기 임피던스 변성기가 하나 이상이고, 적어도 그 하나는 그 수직축과 평행하며 개방된 절취면부가 하나 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 임피던스 변성기의 개방된 절취면부가 변성기의 일부 또는 전장에 걸쳐 하나 이상 형성된 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 절취면부에 변성기의 수직축과 평행한 요홈이 형성된 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 임피던스 변성기의 개방된 절취면부가 변성기의 수직축 방향으로 일정간격져 적어도 두 개 이상 형성된 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재.
5. 제 1 항에 에 있어서, 상기 임피던스 변성기는 걸림턱과 단락되며 그 사이에 코일상의 도선이 설치되어 연결된 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재.
6. 제 1항에 있어서, 상기 임피던스 변성기의 개방된 절취면부가 변성기의 일부 또는 전장에 걸쳐 두 개 형성되고, 이들 평면부가 하나의 모서리를 공유하는 것을 특징으로 하는 무선통신기기의 안테나 연결부재.