KR20030001240A

KR20030001240A - 안테나 장치

Info

Publication number: KR20030001240A
Application number: KR1020020025177A
Authority: KR
Inventors: 모로카다스크; 이와사키히사오; 하가도시유키; 이이드카야스시
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-01-06
Also published as: KR100519880B1; US6784850B2; US20030016185A1; JP2003008335A

Abstract

본 발명에 따른 안테나 장치는 서로 90°씩 이격된 안테나 소자를 구비하는 헬리컬 안테나부의 각 안테나 소자에 각각 90°의 위상차로 급전한다. 그리고, 수신 파장을 λ로 했을 때, 헬리컬 안테나부의 높이를 0.6 λ∼ 0.75 λ로 하고, 안테나 소자의 권선수(T)를 대략 1회전으로 하고, 피치각(α)을 50°∼ 60°로 한다. 또한, 안테나 높이의 1/4 길이의 직선 소자를, 안테나부 높이의 1/2∼3/4에 해당하는 위치에 삽입하고, 안테나부의 높이를 0.3 λ∼0.35 λ, 권선수(T)를 대략 1회전, 피치각(α)을 대략 22°로 한다. 또한, 헬리컬 안테나가 부착되는 유전체 기판(1)의 한쪽 면에 설치한 지도체판(地導體板)(2)의 직경을 0.5 λ∼ 1.0 λ로 한다.

Description

안테나 장치{ANTENNA APPARATUS}

이 출원은 2001년 6월 27일에 출원된 일본 특허 출원 제2001-195051호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 전체 내용을 본원 명세서에 참조로 통합한다.

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이동 위성 방송(MSB; Mobile Satellite Broadcast) 시스템에 적합한 안테나 장치에 관한 것이다.

최근에는 통신 수요가 증대함에 따라 통신, 방송 분야가 현저하게 발전하고 있다. 최근에는 방송 위성(broadcasting satellites)이나 통신 위성(communication satellites) 등의 인공 위성(artificial satellites)[이하, 위성(satellites)이라 칭함]을 이용하는 이동체용 방송 시스템(an mobile broadcasting system)이 실용화되고 있다.

이러한 종류의 시스템에서는 위성으로부터의 전파를 이동체(mobile stations) 쪽에서 항상 양호하게 수신할 수 있는 것이 중요하다. 그런데, 대도시권 등에서는 빽빽하게 들어선 고층 빌딩 등이 장해가 되기 때문에, 대다수의 경우 이동체는 위성으로부터의 전파를 직접적으로 수신할 수 없다. 그래서, 위성을 향해 개활(開豁)된 양호한 지점에 재송국을 설치하여, 위성으로부터의 전파를 이 재송국에 의해 지상 영역으로 재방송함으로써, 이동체에서의 수신 상태를 항상 일정하게 할 수 있도록 하는 시스템이 고려되고 있다.

그런데, 이러한 시스템에서는 위성으로부터의 전파와, 재송국으로부터의 전파를 원하는 이득으로 수신할 필요가 있다. 위성으로부터의 전파는 어느 정도의 앙각(仰角)을 갖고서 도래한다. 재송국으로부터의 전파는 거의 수평 방향에서 도래한다. 이 때문에, 특히 수신 안테나를 설계하는 경우에는 상기 앙각에 대한 배려가 필요하다.

예컨대 일본에서는, 위성은 천정(天頂)을 0°로 하여 35°∼ 60°의 범위에 위치한다. 따라서 수신 안테나는 이 방향으로부터의 전파를 대략 2.5 dBi 이상의 이득으로 수신할 수 있는 성능을 유지할 필요가 있다. 또한, 수신 안테나는 재송국으로부터 거의 수평 방향에서 도래하는 전파를 대략 0 dBi 정도의 이득으로 수신할 수 있는 성능을 유지할 필요가 있다.

그런데, 종래부터 상기 시스템으로 사용되고 있던 안테나는 예컨대, GPS(Global Positioning System)에서 사용되는 패치 안테나를 유용하는 경우가 많다. 즉, 종래의 시스템에서 사용되는 안테나 장치는 상공으로부터 도래하는 전파의 수신에 특화되어 있다. 이 때문에 종래의 안테나 장치는 수평 방향의 수신 이득이 낮다고 하는 문제점을 갖는다.

이에 대하여, 수평 방향으로부터의 전파를 수신하기 위한 안테나를 별도로 설치하는 해결책이 있다. 그러나, 이러한 해결책에 따르면, 비용의 상승을 초래하거나, 안테나 장치 자체의 체적이 커지거나, 또한 중량이나 미관상의 문제점이 새롭게 생기게 된다. 특히, 차량 등에 탑재되는 안테나 장치에서는 이러한 문제점은 반드시 해결되어야 한다.

이상 설명한 바와 같이 종래의 안테나 장치는 위성으로부터의 전파 수신에특화된 것이기 때문에, 수평 방향의 수신 이득이 낮아서 차세대 이동 통신 시스템에 대응할 수 없다고 하는 문제점을 갖는다. 또한, 종래의 안테나 장치는 수평 방향의 수신 이득을 얻기 위해서 전용의 안테나를 필요로 하기 때문에, 체적, 중량 및 비용이 증대된다고 하는 문제점을 갖는다.

본 발명의 목적은 소망하는 앙각 범위에 걸쳐 수신 이득을 얻을 수 있는 안테나 장치를 체적이나 중량을 증대시키지 않고서 낮은 비용으로 제공하는 데에 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치가 사용되는 MSB 시스템의 구성을 도시하는 시스템도.

도 2는 본 발명에 따른 안테나 장치의 제1 실시예에 있어서의 구성을 도시한 도면.

도 3은 차량(30)으로부터의 반사파의 영향을 설명하기 위한 도면.

도 4는 MSB 시스템에 있어서 사용되는 안테나 장치에 요구되는 특성을 도시하는 그래프.

도 5는 도 2에 도시한 4선 권선 헬리컬 안테나의 특성을 도시한 도면.

도 6은 T=1, D=20 mm인 경우에, 안테나의 높이(H)를 변화시켰을 때의 각도(θ)에 대한 이득 특성을 도시하는 그래프.

도 7은 안테나 직경(D)과 지향성의 관계를 도시하는 그래프.

도 8은 안테나 소자의 권선수(T)와 방사 지향성의 관계를 도시하는 그래프.

도 9는 위성의 커버 영역에 해당하는 θ=35°∼ 60°에 있어서의 안테나 소자의 권선수(T)와 축비의 관계를 도시하는 그래프.

도 10은 안테나 소자의 피치각(α)과 방사 지향성의 관계를 도시하는 그래프.

도 11은 본 발명에 따른 안테나 장치의 제2 실시예의 구성을 도시한 도면.

도 12는 본 발명에 따른 안테나 장치의 제3 실시예의 구성을 도시한 도면.

도 13은 종래의 헬리컬 안테나에 있어서의 전류 분포와, 모노폴 안테나의 그 길이에 대한 전류 분포를 비교하여 도시한 그래프.

도 14는 헬리컬 안테나의 피치각(α)을 파라미터로 하여 그려지는 전류 분포를 도시한 그래프.

도 15는 안테나의 높이(H)가 H=40 mm인 경우의 직선 소자의 위치와 이득의 관계를 도시한 그래프.

도 16은 안테나의 높이(H)가 H=40 mm인 경우의 직선 소자의 위치와 축비의 관계를 도시한 그래프.

도 17은 도 12에 도시한 안테나의 높이(H)에 대한 지향 특성을 도시한 그래프.

도 18은 제1 및 제2 실시예의 4선 권선 헬리컬 안테나(6)를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면.

도 19는 제3 실시예의 4선 권선 헬리컬 안테나(6)를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면.

도 20은 도 12에 도시한 헬리컬 안테나(6)의 축비 패턴의 측정예를 도시한 그래프.

도 21은 도 12에 도시한 헬리컬 안테나(6)의 입력 임피던스의 측정예를 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 유전체 기판

2 : 지도체판(地導體板)

3 : 급전 회로

4 : LNA부

5 : 수신 회로

6, 14 : 헬리컬 안테나

7 : 접속핀

9 : 레이돔(radome)

9a : 캡

9b : 커버

10 : 자석

11 : 케이블

12a : 상부 지지 기구

12b : 하부 지지 기구

15 : 직선 소자

21∼2n : 재송국(再送局)

100 : 방송 위성

본 발명에 따르면,

한쪽 면에 지도체가 형성된 기판과,

이 기판에 부착되고, 서로 (360/n)°씩 이격되어 나선형으로 형성되는 n 개의 안테나 소자를 구비한 헬리컬 안테나부와,

상기 기판의 다른쪽 면에 설치되어 상기 n 개의 안테나 소자를 각각 서로 (360/n)°씩 상이한 위상차로 급전하는 급전부를 포함하는 안테나 장치가 제공된다.

보다 구체적으로는 본 발명에 따르면,

서로 90°씩 이격되어 설치되는 4 개의 안테나 소자를 구비한 4선 권선 헬리컬 안테나를 구비하는 헬리컬 안테나부와,

상기 헬리컬 안테나부에 있어서의 4 개의 안테나 소자를 서로 90°상이한 위상차로 각각 급전하는 급전부를 구비하는 안테나 장치가 제공된다.

특히, 수신 파장을 λ라 하면, 상기 헬리컬 안테나부의 높이를 대략 0.6 λ∼ 0.75 λ로 하면 된다. 또한, 상기 각 안테나 소자의 권선수는 특히 대략 1회전으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 각 안테나 소자의 피치각을 대략 50°∼ 60°로 하면 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 헬리컬 안테나부를 형성하는 각 안테나 소자에 각각 상기 헬리컬 안테나의 축 방향에 대하여 평행하게 형성되는 직선 부분을 구비하는 안테나 장치가 제공된다.

특히, 상기 직선 부분을 상기 지도체로부터 상기 헬리컬 안테나부의 높이의 1/2∼3/4에 해당하는 위치에 상기 헬리컬 안테나부 높이의 대략 1/4에 해당하는 길이로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 수신 파장을 λ라고 할 때, 상기 헬리컬 안테나부의 높이를 대략 0.34 λ로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 각 안테나 소자의 권선수를 대략 1회전으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 헬리컬 안테나부에 있어서의 각 안테나 소자의 피치각을 대략 22°로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 기판에 있어서의 상기 급전부가 설치되는 면에 설치되는 헬리컬 안테나부를 구비하는 안테나 장치가 제공된다.

본 발명의 부가적인 목적 및 장점들은 이하의 설명 내에서 설명할 것이며, 일부분은 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명확히 이해될 수 있거나 또는 본 발명을 실행함으로써 이해될 수 있을 것이다. 본 발명의 상기 목적 및 장점들은 특히 이하에 기술되는 수단들 및 이들의 조합에 의해 실현 및 획득될 수 있다.

명세서의 일부로 통합되고 또한 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본발명의 실시예를 예시하며, 이와 더불어 전술한 설명 및 후술하는 실시예의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공한다.

(실시예)

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1에, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치가 사용되는 MSB 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에서, 방송 위성(100)으로부터 송출되는 전파는 지상에 존재하는 차량(vehicles)(30) 및 복수 개의 재송국(21∼2n)에 의해 수신된다. 각 재송국(21∼2n)은 수신된 전파를 증폭하여 그 파형을 정형한 다음에 소정의 영역으로 재방사한다. 이에 따라, 소정 넓이의 서비스 지역이 지상에 전개된다.

차량(30)은 방송 위성(100)을 향해 개활된 양호한 장소에서는 방송 위성(100)으로부터의 전파를 수신할 수 있다. 이에 대하여, 그늘진 장소, 즉 방송 위성(100)을 향해 개활되지 않은 장소에 있는 차량(30)은 예컨대, 재송국(2n)에 의해 재송신된 전파를 수신한다. 기술적으로는 방송 위성(100)으로부터의 전파의 수신 이득으로서 2.5 dBi 이상, 또한 해당 재송국으로부터의 전파의 수신 이득으로서 0 dBi 이상을 필요로 한다. 차량(30)에는 본 발명에 따른 안테나 장치(40)가 예컨대 차체 상면에 부착되어 있다.

또한, MSB 시스템에서 사용되는 통신 대역의 중심 주파수는 2.6425 [GHz]이다. 이 주파수는 파장(λ)으로 환산하여 λ=115 [mm]에 해당한다.

이어서, 본 발명의 실시예로서 이하의 제1 실시예∼제3 실시예에 대해 설명한다.

(제1 실시예)

도 2는 본 발명에 따른 안테나 장치의 제1 실시예의 구성을 도시한 도면이다. 이 안테나 장치는 유전체 기판(1)과, 헬리컬 안테나(6)와, 레이돔(radome)(9)을 구비한다. 유전체 기판(1)은 상부 지지 기구(12a)에 적재된다. 헬리컬 안테나(6)는 유전체 기판(1)에 부착된다.

하부 지지 기구(12b)에는 도 2에 도시한 안테나 장치를 차량(30)에 고정하기 위한 자석(10)이 부착되어 있다. 자석(10)은 차량(30)의 주행시의 풍압에 견디고 안테나 장치(40)를 고정할 수 있는 것이면, 그 갯수와, 크기 등은 어떠한 것이라도 좋다.

지도체판(2)이, 유전체 기판(1)의 한쪽 면에 형성된다. 지도체판(2)의 형상은 대략 원형이다. 상기 지도체판(2)과 동일한 쪽의 면에 헬리컬 안테나(6)가 부착된다. 급전 회로(3), 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier: 이하 LNA라 칭함)(4) 및 수신 회로(5)가 유전체 기판(1)의 다른 쪽 면에 설치된다. 또한, 급전 회로(3), LNA(4) 및 수신 회로(5)를 전기적으로 차폐하는 실드가 지지 기구(12)에 의해 형성된다.

헬리컬 안테나(6)는 접속 핀(7)을 통해 급전 회로(3)에 접속된다. 헬리컬 안테나(6)에 도래한 무선 전파는 LNA(4)에서 증폭된 후, 수신 회로(5)에서 수신된다. 수신된 신호는 수신 회로(5)로부터 케이블(11)을 통해서 튜너(도시 생략됨) 등으로 송출된다.

헬리컬 안테나(6)는 원통 위에 서로 90°씩 이격되어 설치되는 4 개의 안테나 소자를 구비한 소위 4선 권선 헬리컬 안테나이다. 급전 회로(3)는 헬리컬 안테나(6)의 각 안테나 소자를 각각 서로 90°상이한 위상차로 급전한다.

레이돔(9)은 헬리컬 안테나(6) 및 유전체 기판(1)을 덮는다. 레이돔(9)은 캡(9a)과 커버(9b)를 구비한다. 커버(9b)에 의해 헬리컬 안테나(6)가 고정되고, 이에 따라 차량 특유의 진동 등에 의한 악영향이 배제된다. 커버(9b)의 형상은 풍압에 의한 영향을 저감할 수 있는 형상이라면, 어떠한 형상이라도 좋다.

유전체 기판(1)이 상부 지지 기구(12a)에 부착되면, 급전 회로(3), LNA(4) 및 수신 회로(5)가 상부 지지 기구(12a)에 의해 덮인다. 전자 부품을 비 등으로부터 보호하기 위해서, 상부 지지 기구(12a) 및 하부 지지 기구(12b)에 방수 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

그런데, 본 실시예에서는 지도체판(2)의 직경(D)을 수신 파장(λ)의 0.7∼0.9배 정도로 한다. MSB에서는 λ=115 [mm]이기 때문에 직경(D)은 80∼100 mm 정도가 된다. 이러한 크기의 설정은 안테나 장치(40)가 차량(30)의 지붕에 부착된 경우에 지붕으로부터의 반사파에 의한 영향을 최소한으로 억제하기 위해서 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 안테나 장치(40)에 도래하는 전파는 방송 위성(100)으로부터 직접 도래하는 성분[이하, 소망파라 칭함]과, 차량(30)의 지붕에서 반사하는 성분을 포함한다. 이 중 반사파 성분의 편파는 소망파의 편파의 반대가 된다. 또한 반사파 성분의 위상은 소망파의 위상과 상이하다. 따라서, 반사파는 소망파를 간섭한다. 이 현상은 안테나 장치(40)의 방사 지향성이 차량(30)의 지붕 쪽으로 많이 나오는 경우에 특히 문제가 된다. 즉, MSB에서 사용되는 안테나 장치(40)에 있어서는 수평 방향의 방사 레벨을 올리면서 차량 쪽의 방사를 최대한 억압하는 것이 중요하게 된다.

일반적으로, 안테나 장치의 방사 지향성은 유전체 기판(1) 상에 형성되는 지도체판(2)의 크기에 크게 의존한다. 지도체판(2)의 크기를 무한하다고 가정하면, 전파의 방사 방향은 안테나 쪽으로만 되어 지도체판(2) 쪽으로 방사되지 않게 된다. 이 때문에 수평 방향의 안테나 이득은 낮아진다. 한편, 지도체판(2)의 크기를 작게 하면 할수록 지도체판(2) 면으로 방사되는 레벨이 커지는 동시에 안테나 정면쪽의 레벨이 저하된다. 이로부터, 지도체판(2)의 크기에 최적의 값이 있음을 알 수 있다.

즉, 발명자들이 실시한 실험에 따르면, 지도체판(2)의 직경이 0.5 λ∼ 1.0 λ 정도인 경우에 양호한 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

이어서, 도 4 내지 도 10을 참조하여 본 실시예에 있어서의 안테나 장치(40)의 제반 특성에 관하여 설명한다. 도 4는 MSB 시스템에 있어서 사용되는 안테나 장치에 요구되는 특성을 도시하는 그래프이다. 도 4는 천정을 0°로 하여 35°∼ 60°의 범위로 대략 2.5 dBi 이상의 수신 이득, 또한 수평 방향으로 대략 0 dBi 정도의 수신 이득이 각각 요구됨을 나타낸다.

도 5는 4선 권선 헬리컬 안테나(6)의 구조 및 파라미터를 도시한 도면이다. 본 실시예에서는 도 6 이후에 도시하는 그래프에서도 도 5에 도시한 각 파라미터를 이용한다. 도 5에서는 헬리컬 안테나의 높이를 H, 헬리컬 안테나의 직경을 D, 안테나 소자의 권선수를 T, 안테나 소자의 피치각을 α로 한다. 또한, 지도체판(2)의 직경을 80 mm으로 한다. 또한, 수신파의 주파수를 중심 주파수인 2.6425 GHz로 한다. 이 주파수를 파장(λ)으로 환산하면 λ=115 [mm]에 상당한다.

도 6은 T=1, D=20 mm인 경우에, 안테나의 높이(H)를 변화시켰을 때의 각도(θ)에 대한 이득 특성을 도시하는 그래프이다. 이 도면에 따르면, 각도(θ)가 35°, 60°, 또는 90°인 경우에 요구되는 특성을 만족시키기 위해서는 70 mm∼85 mm 정도의 안테나 높이(H)가 필요함을 알 수 있다. 이 안테나 높이(H)는 0.6 λ∼ 0.75 λ에 상당한다.

도 7은 안테나 직경(D)과 지향성의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 7에서는 직경(D)을 크게 할수록 180°방향, 즉 차량(30)의 지붕으로의 방사가 커짐을 도시한다. 즉, 안테나 직경(D)을 크게 할수록 지붕의 영향이 커진다. 따라서, 안테나 직경(D)은 작게 하는 것이 바람직하다.

도 8은 안테나 소자의 권선수(T)와 방사 지향성의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 8에서는 권선수(T)를 크게 할수록 정면 방향으로의 방사가 증가하는 것을 나타낸다. 이로부터, 권선수(T)를 대략 1 정도로 하면 요구치가 만족됨을 알 수 있다.

도 9는 위성의 커버 영역에 해당하는 θ=35°∼ 60°에 있어서의 안테나 소자의 권선수(T)와 축비의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 9에서도, 권선수(T)를 대략 1회전으로 함으로써 양호한 축비를 얻을 수 있음이 도시되어 있다.

도 10은 안테나 소자의 피치각(α)과 방사 지향성의 관계를 도시하는 그래프이다. 이 도면으로부터 피치각(α)을 크게 할수록 정면 방향의 이득이 저하되고, 90°방향의 이득이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 피치각(α)을 50°∼ 60°정도로 함으로써 요구치가 만족됨을 알 수 있다.

이상으로부터, 본 실시예의 안테나 장치(40)에 있어서는 각 파라미터를 아래의 값으로 설정하면 된다는 것을 알았다. 즉, 본 실시예의 안테나 장치(40)에서는 수신 파장을 λ로 했을 때, 상기 헬리컬 안테나부의 높이(H)를 0.6 λ∼ 0.75 λ로 한다. 또한, 안테나 소자의 권선수(T)를 대략 1 회전, 피치각(α)을 50°∼ 60°로 한다.

이와 같이 각 파라미터를 설정함으로써, 일본국 내에서의 MSB 시스템에 있어서 전파를 가장 효율적으로 수신할 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.

(제2 실시예)

이어서, 본 발명의 제2 실시예에 관해서 설명한다. 도 11은 본 실시예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 11에 도시하는 안테나 장치(40)는 도 2에 도시한 안테나 장치(40)와 동일한 안테나 파라미터를 갖는다. 또한 도 11에서, 도 2와 동일한 부분에는 동일한 참조 부호를 사용하여 도시하였다.

도 11에서 헬리컬 안테나(6)는 유전체 기판(1)에 있어서, 급전 회로(3), LNA(4) 및 수신 회로(5)와 동일한 면에 설치된다. 즉, 헬리컬 안테나(6)는 지도체판(2)과 반대측의 면에 부착된다.

상기 구성에 따르면, 급전 회로(3), LNA(4) 및 수신 회로(5)가 레이돔(9a)에 의해 덮이는 모습이 되기 때문에, 도 2에 도시한 상부 지지 기구(12a)를 생략하는것이 가능하게 된다. 이에 따라, 본 실시예에서는 도 2에 도시한 구성에 비하여 안테나 장치 전체의 높이를 낮게 하는 것이 가능하게 된다. 즉, 도 2의 구성에서는 급전 회로(3), LNA(4) 및 수신 회로(5)를 포함하는 부분이 차량(30)의 지붕 쪽으로 나오는 모습이 되기 때문에 그 만큼 장치 전체의 두께가 증가된다. 이에 대하여 본 실시예에 따르면, 장치 전체의 높이를 낮게 할 수 있기 때문에, 크기를 줄이는 데에 기여할 수 있게 된다.

(제3 실시예)

다음에, 본 발명의 제3 실시예에 관하여 설명한다. 도 12는 본 실시예에 따른 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다. 한편, 도 12에서, 도 2와 동일한 부분에는 동일한 참조 부호를 사용하였다. 도 12에 도시하는 안테나 장치(40)는 헬리컬 안테나(6)의 구성에 있어서, 도 2의 안테나 장치와 상이하다. 도 12에서는 도 2와 구별하기 위해 헬리컬 안테나에 14라는 참조 부호를 사용하였다.

도 12의 헬리컬 안테나(14)는 안테나 소자의 일부분에 직선 소자(15)를 구비한다. 직선 소자(15)는 헬리컬 안테나(14)의 축 방향에 대하여 평행하게 형성된다. 즉, 통상의 헬리컬 안테나의 안테나 소자가 원통형의 나선형으로 감기고 있는 데에 대하여, 직선 소자(15)는 원통에 대하여 수직 방향으로 연장되는 모습이 된다.

본 실시예에서는 직선 소자(15)의 길이는 안테나 높이(H)의 대략 1/4 정도로 설정된다. 또한, 직선 소자(15)는 지도체판(2)에 대하여 안테나 높이(H)의 1/2∼3/4의 위치에 설치된다.

다음에, 상기 구성의 안테나 장치에 의해 얻어지는 효과를 설명한다.

도 13은 상기와 같은 파라미터를 이용한 종래의 헬리컬 안테나(이하 현행 모델이라 함)에 있어서의 전류 분포와, 모노폴 안테나의 그 길이에 대한 전류 분포를 비교하여 도시한 그래프이다. 이 도면에서는 #5로 도시한 모노폴 안테나의 전류 분포가 소자 길이가 대략 3/4 λ인 현행 모델의 전류 분포와 거의 일치하는 것을 도시하고 있다.

이로부터, 소망하는 지향성을 얻기 위해서는 헬리컬 안테나에 있어서의 안테나 소자의 길이를 3/4 λ정도로 하면 좋다는 것을 알 수 있다. 그래서, 안테나 소자의 길이를 3/4 λ로 하고, 또한 안테나 소자의 권선수를 1 회전으로 한 경우의 안테나 직경(D)과 안테나 높이(H)의 관계를 표 1에 도시한다.

도 14는 헬리컬 안테나에 있어서의 피치각(α)을 파라미터로 하여 그려지는 전류 분포를 도시한 그래프이다. 도 14에서는 #2 또는 #3으로 도시되는 α= 50°∼ 60°정도의 전류 분포 및 지향성이 현행 모델의 안테나의 전류 분포(#8)와 거의 일치한다.

그런데, 안테나 소자의 길이와 권선수(T)가 정해져 있는 경우, 피치각(α)이 되도록 작은 쪽이 안테나의 높이를 낮게 할 수 있기 때문에 안테나 장치의 크기를 줄이는 데에 있어서 유효하다. 그러나, 도 9에 도시된 바와 같이 피치각(α)이 지나치게 작으면, 소망하는 지향성을 얻을 수 없게 된다. 그래서, 본 실시예에서는 도 12에 도시된 바와 같이 헬리컬 안테나 소자에 안테나 높이(H)의 1/4 정도 길이의 직선 소자를 삽입하는 것을 제안한다.

도 15는 안테나의 높이(H)를 H=40 mm로 했을 때의 직선 소자의 위치와 이득과의 관계를 도시하는 그래프이다. 또한, 도 16은 안테나의 높이(H)를 H=40 mm로 했을 때의 직선 소자의 위치와 축비와의 관계를 도시하는 그래프이다. 양 도면의 횡축은 직선 소자의 위치에 해당한다. 또한, 양 도면에서, 직선 소자의 위치를 안테나의 아래에서부터 1/8씩 이동시킨 것을 각각 #1, #2,ㆍㆍㆍ, #7(ANT#)로서 나타낸다. 표 2는 ANT#과, 직선 소자의 안테나의 아래에서부터의 위치의 관계를 도시하는 표이다.

도 15에서, θ=35°, 60°, 90°인 경우, #5, #6에 있어서 소망하는 이득을 얻을 수 있음이 도시되어 있다. 또한, #6에 있어서는 후방(즉, θ=180°)으로의 방사 이득이 크다. 도 16에서는 위성 커버 영역에 있어서 #4, #5인 경우에, 양호한 축비를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이들 결과로부터, #5의 위치, 즉 직선 소자가 안테나의 아래에서부터 대략 1/2∼3/4의 위치에 삽입되는 경우에, 요구치를 만족하는 것을 알 수 있다.

도 17은 본 실시예에 있어서 안테나의 높이(H)에 대한 지향 특성을 도시하는 그래프이다. 표 3에, 안테나의 높이(H)에 대한 안테나 직경(D) 및 피치각(α)의 값이 도시된다.

도 17에, 안테나의 높이(H)를 16 mm로 하면 정면 이득이 높아지고, 또한 후방으로의 방사가 커짐을 도시하고 있다. 안테나의 높이(H)를 40 mm로 하면, 후방으로의 방사 레벨을 저하시킬 수 있다.

이상을 정리하면 본 실시예에서는 헬리컬 안테나(14)를 형성하는 안테나 소자의 일부분에 직선 소자(15)를 형성하도록 하고 있다. 이에 따라, 안테나의 높이(H)를 40 mm 정도로 할 수 있어, 한층 더 크기를 줄일 수 있게 된다. 구체적으로는 헬리컬 안테나(14)의 높이(H)를 대략 0.3 λ∼ 0.35 λ 정도, 피치각(α)을 대략 22°로 한다.

이상과 같이 함으로써, MSB 시스템에 있어서, 방송 위성(100) 및 재송국(21∼2n)으로부터의 전파를 함께 효율적으로 수신하는 안테나를 제공할 수 있다. 나아가서는, 헬리컬 안테나의 높이(H)를 40 mm 정도로 할 수 있기 때문에 자세가 낮고 양호한 미관을 지니며, 간단히 부착하여 실외에서의 풍압 등의 환경에 견딜 수 있는 차량용 안테나를 제공할 수 있다.

도 18을 참조하여, 제1 및 제2 실시예의 4선 권선 헬리컬 안테나(6)를 제조하는 방법을 설명한다. 예컨대, 도 18에 도시된 바와 같이, 얇은 가요성 기판(41)의 한쪽 면에 적당한 폭을 갖는 동박을 안테나 직경(D) ×π의 길이를 4 등분한 위치에 피치각(α)으로 형성한다. 동박이 안테나 소자가 된다.

도 19를 참조하여, 제3 실시예의 4선 권선 헬리컬 안테나(14)를 제조하는 방법을 설명한다. 도 19에서는 도 18의 제조 과정에서 동박의 도중에 직선 소자가 설치된다. 도 18 또는 도 19에 도시하는 가요성 기판(41)을 원통형으로 감음으로써 4선 권선 헬리컬 안테나가 형성된다. 이러한 방법을 취함으로써 4선 권선 헬리컬 안테나의 제조 비용을 저렴하게 할 수 있다.

이러한 방법으로 헬리컬 안테나(14)를 제조한 경우, 안테나 소자에 따른 전파 파장은 가요성 기판(41)의 베이스가 되는 유전체의 재질에 따라서 수신 파장(λ)보다도 짧아진다. 예컨대, 100 ㎛ 두께의 PET 판의 한쪽 면에 35 ㎛ 두께의 동박이 형성되는 가요성 기판을 이용하면 전파 파장은 수신 파장(λ)의 대략 90%의 길이가 되는 것이 실험에 의해 확인되었다. 즉, 가요성 기판(41)의 베이스가 되는 유전체의 재질을 적절히 선택함으로써 안테나부의 크기를 더욱 작게 할 수 있다.

또한, 본 실시예의 4선 권선 헬리컬 안테나(14)에 있어서는 권선수(T)를 대략 1 회전으로 함으로써 양호한 축비 특성을 얻을 수 있음이 실험으로 확인되었다. 도 20은 축비 패턴의 측정예를 도시하는 그래프이다. 도 20에 따르면, 소망하는 지향성과 축비를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 서로 90°씩 이격된 안테나 소자를 구비한 헬리컬 안테나의 각 안테나 소자에 각각 90°의 위상차로 급전한다. 그리고, 수신 파장을 λ로 했을 때, 상기 헬리컬 안테나부의 높이(H)를 0.6 λ∼ 0.75 λ로 하고, 안테나 소자의 권선수(T)를 대략 1 회전으로 하며, 피치각(α)을 50°∼ 60°로 한다. 또한, 헬리컬 안테나가 부착되는 유전체 기판(1)의 한쪽 면에 설치한 지도체판(2)의 직경을 0.5 λ∼1.0 λ로 한다. 또한, 헬리컬 안테나를 유전체 기판(1)의 지도체판(2)과 동일한 쪽, 또는 반대쪽에 부착하도록 한다.

또한, 본 실시예에서는 4선 권선 헬리컬 안테나의 각 소자에 안테나 높이(H)의 대략 1/4에 해당하는 길이의 직선 소자를 지도체로부터 1/2∼3/4의 위치에 신규로 삽입하도록 한다. 이 경우, 안테나의 높이(H)를 0.3 λ∼ 0.35 λ정도, 피치각(α)을 대략 22°, 권선수(T)를 대략 1 회전으로 한다.

이상과 같이 함으로써, 면적 및 체적을 증대시키지 않고도 위성 방향으로부터 도래하는 전파와 거의 수평 방향으로부터 도래하는 전파를 모두 수신하는 것이 가능하게 된다. 또한, 차량쪽으로의 방사 지향성 레벨이 억제되고 있기 때문에, 양호한 수신 감도를 얻을 수 있다.

도 21은 본 실시예에 따른 헬리컬 안테나(6)의 입력 임피던스의 측정예를 도시하는 그래프이다. 도 21에 도시한 바와 같이, 중심 주파수 2642.5 [MHz]에 있어서, 41.7+j0.7 Ω의 임피던스값을 얻고 있다. 이 값은 안테나 장치로의 급전 선로로서 일반적인 50 Ω에 가깝다.

즉, 본 실시예에서는 수신 파장을 λ로 했을 때, 각 안테나 소자의 길이를 대략 3/4 λ로 하도록 하고 있다. 이와 같이 안테나 소자의 길이를 대략 3/4 λ로 함으로써, 안테나 장치로의 급전 선로로서 일반적인 50 Ω정도의 임피던스를 얻을수 있게 된다. 이에 따라, 특별한 정합 회로를 필요로 하지 않고도 급전 선로와 양호한 정합을 취할 수 있게 된다.

또한, 제2 및 제3 실시예의 구성에 따르면, 안테나의 높이를 낮게 하는 동시에 체적을 줄일 수 있기 때문에, 소형화와 비용 절감을 도모할 수 있다고 하는 효과가 있다. 또한, 양호한 미관을 얻을 수 있고, 나아가, 실외에서 풍압 등의 환경에 견딜 수 있는 안테나 장치를 제공할 수 있다.

이 기술 분야에 통상의 지식을 지닌 당업자라면 부가적인 장점 및 변경을 명확히 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명의 광범위한 특징을 본원 명세서에 기술되고 도시된 특정의 상세한 설명 및 대표적인 실시예로 한정되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구 범위 등에 의해 규정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다.

이상 기술한 바와 같이 본 발명에 따르면 체적이나 중량, 비용을 증대시키지 않고도 소망하는 앙각 범위에 걸쳐서 수신 이득을 얻는 것이 가능한 안테나 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.

Claims

한쪽 면에 지도체(地導體)가 형성된 기판과;

상기 기판에 부착되고, 서로 (360/n)°씩 이격되어 나선형으로 형성되는 n 개의 안테나 소자를 구비한 헬리컬 안테나부와;

상기 기판의 다른쪽 면에 설치되어 상기 헬리컬 안테나부에 있어서의 n 개의 안테나 소자를 각각 서로 (360/n)°씩 상이한 위상차로 급전하는 급전부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항에 있어서, 상기 헬리컬 안테나부는 서로 90°씩 이격되어 설치되는 4 개의 안테나 소자를 구비한 4선 권선 헬리컬 안테나이고,

상기 급전부는 상기 헬리컬 안테나부에 있어서의 4 개의 안테나 소자를 각각 서로 90° 상이한 위상차로 급전하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제2항에 있어서, 수신 파장이 λ인 경우에, 상기 헬리컬 안테나부의 높이는 대략 0.6 λ∼ 0.75 λ인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제2항에 있어서, 상기 각 안테나 소자의 권선수는 대략 1 회전인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제2항에 있어서, 상기 헬리컬 안테나부에 있어서의 각 안테나 소자의 피치각은 대략 50°∼ 60°인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항에 있어서, 상기 헬리컬 안테나부는 서로 90°씩 이격되어 설치되는 4 개의 안테나 소자를 구비한 4선 권선 헬리컬 안테나이고,

이들 안테나 소자는 상기 헬리컬 안테나의 축 방향에 대하여 평행하게 형성되는 직선 부분을 각각 구비하고,

상기 급전부는 상기 헬리컬 안테나부에 있어서의 4 개의 안테나 소자를 각각 서로 90° 상이한 위상차로 급전하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제6항에 있어서, 상기 직선 부분은 상기 지도체로부터 상기 헬리컬 안테나부의 높이의 1/2∼3/4에 해당하는 위치에 상기 헬리컬 안테나부의 높이의 대략 1/4에 해당하는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제7항에 있어서, 수신 파장이 λ인 경우에, 상기 헬리컬 안테나부의 높이(H)는 대략 0.3 λ∼ 0.35 λ인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제7항에 있어서, 상기 각 안테나 소자의 권선수는 대략 1 회전인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제7항에 있어서, 상기 헬리컬 안테나부에 있어서의 각 안테나 소자의 피치각은 대략 22°인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 수신 파장이 λ인 경우에, 상기 각 안테나 소자의 길이는 3/4 λ인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헬리컬 안테나부는 상기 기판에 있어서의 상기 급전부가 설치되는 면에 부착되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 수신 파장을 λ로 했을 때, 상기 지도체의 형상은 직경을 0.5 λ∼1.0 λ로 하는 대략 원형인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급전부를 통해 상기 헬리컬 안테나부로부터 송출되는 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기를 상기 기판에 있어서의 상기 급전부와 동일한 면에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 헬리컬 안테나부를덮는 레이돔(radome)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 장치 자체를 피탑재 이동체에 고정하는 고정 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.