KR200253144Y1 - 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나 - Google Patents

Abstract

슬리브 안테나의 유전체 코어 내부에 위치하는 내부도체에 로딩 코일(loading coil)을 부가하여 안테나 대역폭을 확장함으로서, 이동통신에 있어서 PCS 대역(1750∼1870[MHz])과 IMT-2000 대역(1920∼2200[MHz])을 하나의 안테나로 사용할 수 있을 뿐 아니라 안테나의 소형화, 광대역화 및 생산비용의 최소화 등의 조건들을 만족시킬 수 있는 슬리브 안테나가 개시된다.

Description

로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나{Broadband sleeve antenna using loading coil}

본 고안은 슬리브 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 슬리브의 내부도체에 로딩 코일을 전기적으로 연결하여 안테나의 광대역화 및 주파수의 변화에 따른 안테나 임피던스의 변화를 안정화시키는 슬리브 안테나에 관한 것이다.

이동통신의 경우 사용되고 있는 안테나의 유형은 평판형(patch type)과 모노폴(monopole)이 있으며, 슬리브 안테나는 이동통신용에 사용되고 있는 모노폴 안테나의 일종이다.

이러한 종래의 슬리브 안테나는 PCS 대역(1750∼1870[MHz])과 IMT-2000 대역(1920∼2200[MHz])을 하나의 안테나로 사용할 경우 22.7[%] 정도(VSWR〈 2)의 대역폭을 가져야 한다는 조건을 만족시키지 못한다.

또한, 현재의 안테나 시장에서는 제품의 소형화, 광대역화 및 생산비용의 최소화 등을 요구하고 있으나 제품의 소형화와 광대역화를 충족하려면 안테나의 구조가 복잡하여 지기 때문에 생산비용의 최소화를 충족시키기에는 문제점이 있다.

따라서, 본 고안의 목적은 PCS 대역(1750∼1870[MHz])과 IMT-2000 대역(1920∼2200[MHz])을 하나의 안테나로 사용할 경우 22.7[%] 정도(VSWR〈 2)의 대역폭을 가져야 한다는 조건을 만족시킬 수 있는 슬리브 안테나를 제공하는데 있다.

본 고안의 다른 목적은 또 다른 통신대역을 추가할 수 있는 광대역의 안테나로서 안테나 시장의 요구 조건인 소형화, 광대역화 및 생산비용의 최소화를 충족시킬 수 있는 슬리브 안테나를 제공하는데 있다.

본 고안의 또 다른 목적과 특징들은 이하에 서술되는 실시예들을 통하여 보다 명확해질 것이다.

도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 슬리브 안테나를 나타내는 사시도이다.

도 2는 정재파비 2 이하에서 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나의 주파수에 대한 반사계수(S₁₁)를 나타내는 시험표이다.

도 3은 정재파비 1.5 이하에서 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나의 주파수에 대한 반사계수(S₁₁)를 나타내는 시험표이다.

도 4는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나의 주파수에 대한 정재파비(VSWR)를 나타내는 시험표이다.

도 5는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나의 주파수에 대한 안테나 임피던스(impedance)를 나타내는 시험표이다.

도 6은 유전체의 내부 단면 프로파일을 요철형상으로 한 실시한 예를 나타내는 단면도이다.

도 7은 슬리브를 중첩하여 이중으로 적용한 슬리브 안테나를 보여준다.

도 8은 복사기에 로딩 코일을 적용한 예들을 보여준다.

도 9는 복사기의 상단부에 다양한 형상의 정관 부하를 적용한 예들을 보여준다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 복사기 20: 슬리브

30: 로딩 코일 40: 급전선

50: 접지면

본 고안의 슬리브 안테나에 따르면, 내부공간이 마련된 유전체 코어의 외표면을 외부도체가 감싸며 접지면을 통하여 급전선의 외부도체와 연결되고, 유전체 코어의 내부공간에는 급전선의 내부 중심도체와 복사기를 전기적으로 연결하는 슬리브 내부도체가 위치하며, 로딩 코일은 유전체 코어의 내부공간 내에서 슬리브 내부도체와 전기적으로 직렬로 연결된다.

일실시예로, 바람직하게 로딩 코일의 양단에 제 1 및 제 2 내부도체가 연결되며, 로딩 코일을 중심으로 적어도 어느 한쪽 단부에 내부도체가 연결될 수 있다.

유전체 코어는 내부 단면의 프로파일이 요철형상으로 형성된 원통형상이거나 단순히 원통형상일 수 있다.

다른 실시예로, 슬리브 외부도체 외측으로 다른 유전체 코어 및 외부도체가 적층되고, 또 다른 실시예로 복사기는 2부분으로 분리되어 다른 로딩 코일을 개재하여 전기적으로 연결되며, 바람직하게 다른 로딩 코일은 다른 유전체 코어와 외부도체로 이루어진 슬리브에 의해 감싸질 수 있다.

또한, 복사기의 상단부에는 다양한 형상의 정관 부하가 설치될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 일실시예에 따른 슬리브 안테나를 보여준다.

도시된 바와 같이, 복사기(radiator; 10)의 하단부는 슬리브(20)의 제1내부도체(23)의 상단부와 연결되고, 제1내부도체(23)의 하단부는 로딩 코일(loading coil; 30)의 상단부와 연결되며, 로딩 코일(30)의 하단부는 슬리브(20)의 제2내부도체(24)의 상단부와 연결된다. 또한, 제2내부도체(24)의 하단부는 급전선(40)의 내부 중심도체(41)와 연결된다.

이 실시예에서는 로딩 코일(30)을 중심으로 양단에 제1 및 제 2 내부도체(23, 24)가 연결되는 형태를 예로 들고 있으나, 적어도 어느 하나의 내부도체와 로딩 코일이 연결된 형태이면 가능하다.

또한, 슬리브(20)의 외부도체(21)는 접지면(ground plane; 50)을 통하여 급전선(40)의 외부도체(42)와 연결된다.

슬리브(20)의 내부도체와 외부도체 사이에는 유전체(22)가 개재되어 직류적으로 절연체의 역할을 하며, 교류적으로 용량성 소자의 용량을 제어할 수 있다. 유전체(22)의 형상은 도 1에 도시된 바와 같이 원통형으로 하거나 또는 도 6에 도시된 바와 같이 내부 단면의 프로파일이 요철형상으로 형성된 원통형으로 구성하여 안테나 특성을 개선할 수 있다.

이와 같이 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나에 따르면, 로딩 코일은 안테나의 고유주파수를 감소시키는 연장 코일의 역할을 함과 동시에 슬리브의 용량과 결합하여 사용 주파수 대역에서 정재파비(VSWR; Voltage Standing Wave Ratio)의 특성을 개선함으로서 안테나의 주파수 대역을 확장하고, 주파수의 변화에 따른 안테나 임피던스의 변화를 작게 하여 안테나의 동작특성을 개선하게 된다.

다시 말하여, 하나의 통신대역에서 사용하는 종래의 슬리브 안테나는 정재파비를 2 이하(VSWR〈 2)로 하는 경우에는 사용 대역폭이 좁아지기 때문에 PCS 대역과 IMT-2000 대역을 하나의 안테나로 사용할 경우의 안테나 대역폭 조건인 22.7[%] 정도(VSWR〈 2)를 충족시킬 수 없고, 2개의 통신대역에서 사용하는 다주파수용 안테나인 경우 정재파비 특성은 W자 형상으로 되기 때문에 광대역에 사용하는 경우에는 안테나 임피던스의 변동이 크게 되는 문제점이 있다.

그러나, 본 고안에 따른 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나에서는 이러한 문제점이 제거된다.

도 2 내지 도 5는 각각 본 고안에 따라 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나의 주파수에 대한 반사계수(S₁₁), 주파수에 대한 정재파비(VSWR) 및 주파수에 대한 안테나 임피던스(impedance)의 시험표를 나타낸다.

일 예로, 도 2 내지 도 4는 다음의 규격을 갖는 본 고안의 슬리브 안테나를 대상으로 측정한 결과를 보여준다.

로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나의 전체길이(급전점으로부터 복사기의 상단까지의 길이): 48mm,

슬리브의 길이: 20mm,

복사기의 직경: 5mm,

슬리브 내부도체의 직경: 3mm,

슬리브 외부도체의 직경은: 13.7mm

로딩 코일: 직경 1mm의 도선으로 외직경 5mm, 턴수 3회의 스프링 형상

유전체: 폴리에틸렌을 사용하여 원통형으로 제작

도 2에 도시된 바와 같이, 정재파비 2이하(반사계수 -10dB 이하)에서 최저주파수인 마크3은 1232MHz, 최대주파수인 마크2는 2343MHz로 대역폭은 1111MHz(62.1%의 대역폭)의 광대역 안테나로 동작하게 된다.

또한 도 3은 실용 안테나의 기준으로 사용되는 정재파비 1.5이하(반사계수 -14dB 이하)의 조건에서 대역폭을 나타낸 것으로, 최저주파수인 마크3은 1709MHz,최대주파수인 마크2는 2173MHz로 대역폭은 464MHz(23.9%의 대역폭)의 광대역 안테나로 동작하기 때문에 PCS 대역과 IMT-2000 대역을 하나의 안테나로 실용화 할 수 있게 된다.

도 5는 최저주파수 1232MHz에서 최대주파수 2343MHz 사이의 안테나 임피던스 변화를 시험한 결과로 50Ω계 또는 75Ω계 기기와 임피던스 정합에 특별한 문제가 없는 임피던스가 상당히 안정된 안테나로 동작함을 알 수 있다.

상기한 시험 결과로부터 알 수 있듯이, 본원 고안에 따른 안테나는 PCS 대역과 IMT-2000 대역을 하나의 안테나로 사용하는 경우에 대한 이론적인 조건(정재파비가 2이하에서 대역폭 22.7%)뿐만 아니라, 실용 안테나의 조건(정재파비가 1.5이하)을 적용하는 경우에도 안테나로서의 조건을 충족시킴을 알 수 있다.

더욱이, 도 2에서 마크4는 1580MHz로 GPS 통신대역을 나타낸 것으로 정재파비가 약 1.573(-13.06dB)이기 때문에 주파수 대역폭 측면(편파면의 측면을 고려하지 않음)에서는 GPS 통신대역을 수용하고도 대역폭에 있어서 약 300MHz 이상의 여유가 있음을 알 수 있다.

또한, 도 7 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 사용주파수 대역과 용도에 따라 적절하게 본 고안의 안테나를 변형함으로서, 실효길이의 증가에 의한 안테나의 소형화, 안테나와 관련된 대역폭, 정재파비(반사계수) 및 안테나 임피던스 등의 조건을 충족시키는 것이 가능하다.

예를 들어, 도 7과 같이, 슬리브를 이중으로 구성함으로서 안테나 대역폭을 증가시킬 수 있고, 주파수 대역에서 안테나 임피던스의 안정화를 기하는 것이 가능하다.

또한, 도 8과 같이, 복사기(radiator)의 일부분에 로딩 코일, 단순 슬리브 또는 로딩 코일을 적용한 슬리브를 부가할 수 있으며, 도 9와 같이, 복사기의 상단부에 사용주파수와 용도에 따라 적절한 형태의 정관 부하(top loading)를 설치함으로서 실효고를 증가시켜 고유주파수를 저하시킬 수 있으므로 안테나의 소형화와 안테나 특성의 개선이 가능하다.

이상에서는 본 고안의 바람직한 실시예들을 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 여러 가지의 변경과 변형이 가능한다. 이러한 변형과 변경은 본 고안의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 본 고안에 속함은 당연하다 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나는 광대역 송수신이 가능하여 PCS와 IMT-2000 통신대역의 통신기기에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 안테나의 대역폭 측면에서 GPS 통신대역의 수용 및 추가적인 통신대역의 수용이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 안테나의 구조가 단순하기 때문에 안테나의 설계 및 제조와 관련된 비용을 절감할 수 있다.

또한, 전자파를 복사하는 안테나의 외부 구조가 종래의 슬리브 안테나와 동일하기 때문에 접지면에 수직으로 설치하는 경우에는 종래의 슬리브 안테나와 동일한 지향특성의 안테나로 작용하게 되며, 슬리브 내부에 로딩 코일을 설치하고 슬리브 내부의 유전체의 구조를 변형함으로서 광대역성과 안테나 임피던스의 안정화를 기하였기 때문에 각 통신대역 마다 별도의 안테나를 설치하지 않고도 여러 가지 상이한 주파수 영역대의 통신기기를 사용할 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 내부공간이 마련된 유전체 코어와;

   상기 유전체 코어의 외표면을 감싸며 접지면을 통하여 급전선의 외부도체와 연결되는 슬리브 외부도체와;

   상기 내부공간에 위치하여 상기 급전선의 내부 중심도체와 복사기를 전기적으로 연결하는 슬리브 내부도체와;

   상기 내부공간 내에서 상기 슬리브 내부도체와 전기적으로 직렬로 연결되는 로딩 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 로딩 코일의 양단에 제 1 및 제 2 슬리브 내부도체가 연결되는 것을 특징으로 하는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 코어는 내부 단면의 프로파일이 요철형상으로 형성된 원통형상인 것을 특징으로 하는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 슬리브 외부도체 외측으로 다른 유전체 코어 및 외부도체가 적층되는 것을 특징으로 하는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 복사기는 2부분으로 분리되어 다른 로딩 코일을 개재하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 다른 로딩 코일은 다른 유전체 코어와 외부도체로 이루어진 슬리브에 의해 감싸지는 것을 특징으로 하는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 복사기의 상단부에는 정관 부하가 설치되는 것을 특징으로 하는 로딩 코일을 이용한 광대역 슬리브 안테나.