KR20030093146A

KR20030093146A - 광대역 옴니 안테나

Info

Publication number: KR20030093146A
Application number: KR1020030077130A
Authority: KR
Inventors: 김용재
Original assignee: 주식회사 선우커뮤니케이션
Priority date: 2003-11-01
Filing date: 2003-11-01
Publication date: 2003-12-06

Abstract

본 발명은 전방향성 복사 패턴을 가지면서 주파수 대역폭의 광대역을 구현하기 위해 임피던스 매칭을 위한 임피던스 정합 소자를 구현함으로써 전방향성 패턴이 균일 하면서도 주파수 특성이 광대역을 나타내도록 효율을 향상시킨 광대역 옴니 안테나에 관한 것이다

본 발명은 내부의 장치를 보호하면서 복사효율을 향상시킨 레이돔(11)과 레이돔(11)의 내측에 설치되어 전방향으로 RF신호를 복사하는 모노폴소자(12)와 모노폴소자(12)를 감싸안으며 임피던스를 변화시켜 대역을 넓히는 역할을 하는 임피던스정합소자(13)와 임피던스정합소자(13)를 지지하며 모노폴소자(12)에서 복사되는 RF신호를 반사시키는 그라운드판(14)과 그라운드판(14)에 체결되며 모노폴소자(12)에 RF신호를 급전하는 급전콘넥터(15)를 포함하는 광대역 옴니안테나를 제공한다

본 발명은 모노폴소자(12)와 임피던스정합소자(13)의 구조를 단순화하여 안테나 제조시 생산성을 크게 항상시킬 수 있다

Description

광대역 옴니 안테나{Wide band omni antenna }

본 발명은 임피던스정합소자를 이용하여 광대역 특성을 구현한 광대역 옴니 안테나에 관한 것이다

옴니안테나는 다른말로 Omnidirectional Antenna (무지향성 안테나)라고 말하기도하는데 수평방향으로 360도 전방향으로 고르게 전자파가 방사되는 안테나를 뜻한다. Omnidirectional 에서 Omni란 말은 (모든 것)을 의미하는 접두어이다. 즉 directional이란 특정 방향으로 안테나가 지향성을 가진다는 의미이고, 거기에 omni 라는 접두어가 붙어서 전방향으로 전자파가 방사된다는 의미가 된다. 즉 지향성이 없이 둥그렇게 사방으로 전자파가 방사되기 때문에 무지향성이라는 용어를 사용한다.가장 흔하게 볼 수 있는 것이라면 자동차의 라디오 수신용 안테나같은 것이다. 차란 것은 어느방향으로 갈지 모르기 때문에 Monopole 안테나를 수직으로 세워서 수평 전방향으로 전자파가 방사되게 된다. 또한 누구나 갖고 다니는 단말기 안테나의 경우 역시 언제 어느 각도로 위치할지 모르므로 최대한 Omnidirectional 하게 설계되어야 한다.이렇듯 지향성없이 아무방향으로나 전자파를 송수신할 수 있도록 된 안테나를 Omnidirectional 이라 부른다.

안테나는 크게 무지향성안테나와 지향성안테나로 구분되는데 중계기용 통신장치에는 지향성안테나로 야기안테나 패치안테나가 쓰이고 무지향성안테나로 옴니안테나가 널리 사용되고 있다.

기존의 소형 옴니 안테나는 모노폴구조나 역에프 구조를 널리 사용하여 왔다.

역에프구조를 이용하면 도1의 그림처럼 다이폴을 꺽어논 구조이기 때문에 일반 다이폴을 이용한 방법보다 크기를 줄이는데 잇점이 있었다. 그러나 역에프안테나의 구조가 중심점을 기준으로 비대칭 구조이기 때문에 이득 평탄도에서 중심점을 기준으로 대칭구조인 모노폴소자를 이용한 옴니보다 이득평탄도가 떨어지는 단점을 가지고 있었다.

모노폴소자를 이용한 옴니는 구조상 대칭 구조로 이득 평탄도는 좋을 지 몰라도 1/4람다의 모노폴 소자 한개만 이용시 단일 주파수에서 공진이 일어나기 때문에 주파수대역이 작다는 단점을 가지고 있었다.

광대역옴니를 구현하는 방법으로 기존에는 유전체 기판에 급전라인을 구현하고 마이크로스트립으로 임피던스 매칭회로를 추가하여 대역을 넓히는 방법을 썼는데 구현하기가 복잡하고 생산공정과 생산가격이 올라가는 단점이 있었다

또는 모노폴을 각각의 주파수에서 공진하도록 여러개를 합친 형태의 구조로 만들기도 했는데 필요한 주파수에서 공진을 일으키기 위해서는 많은 수의 모노폴 소자가 필요하고 이를 위한 복잡한 가공작업과 생산시 복잡한 공정작업을 거쳐야 하는 단점이 있었다.그리고 주파수가 낮을 수록 복사소자의 크기가 커지므로 안테나의 무게가 증가하고 주파수가 높을 수록 복사소자의 크기가 작아지므로 정밀 가공해야 하는 불편함이 있었다

본 발명의 목적은 필요한 다수의 주파수대역에서 주파수의 공진을 최대화시켜 성능을 향상시키고 대역폭을 넓힌 광대역옴니 안테나를 제공함에 있다. 또한 본 발명의 다른 목적은 구성이 간단하고 쉬우며 성능이 우수한 광대역 옴니 안테나를 제공함에 있다.

도1 기존 역에프구조를 이용한 옴니안테나의 단면도

도2 기존 모노폴구조를 이용한 옴니 안테나의 단면도

도3 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 분해 사시도

도4 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 단면도

도5는 도1의 기존 역에프구조를 이용한 옴니안테나의 정재파비

도6은 도2의 기존 모노폴구조를 이용한 옴니 안테나의 정재파비

도7은 도3의 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 정재파비

도8은 도1의 기존 역에프구조를 이용한 옴니안테나의 복사패턴

도9는 도2의 기존 모노폴구조를 이용한 옴니 안테나의 복사패턴

도10은 도3의 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 복사 패턴

도11은 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 모노폴소자와 임피던스정합소자 간의 높이와 폭을 도시한 도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

7:절연물 9:방사소자

10:콘넥터고정너트 11:레이돔

12:모노폴소자 13:임피던스정합소자

14:그라운드판 15: 급전콘넥터

16:고정판 17: 고정판고정너트

본 발명의 상기 목적은 전방향 특성 말 그대로 Omni directional한 특성을 갖는 옴니 안테나로 넓은 대역을 송수신 할 수 있게 설계 제작 되어야 한다.

도1은 기존의 역에프구조를 이용한 옴니 안테나의 단면도이다.

도1의 역에프구조의 옴니안테나는 그라운드판(14)위에 배치되는 방사소자(9)와 방사소자(9)에 RF신호를 급전하는 급전콘넥터(15)와 방사소자(9)의 RF신호를 반사시키는 그라운드판(14)으로 이루어지며 매칭은 주로 방사소자(9)의 길이와 높이에 의해 결정된다. 방사소자(9)의 길이가 길어지면 저주파에서 공진하고 길이가 짧아지면 고주파에서 공진한다.

역에프 구조의 옴니안테나는 기존 옴니 안테나의 크기를 줄이는 효과는 있었지만 중심점에 대해서 비대칭 구조인 관계로 이득 평탄도가 나쁘다는 단점을 갖고있다.

도2는 기존 모노폴구조를 이용한 옴니 안테나의 단면도이다.

도2의 모노폴구조를 이용한 옴니 안테나는 전형적인 1/4람다의 모노폴 구조로 전자파가 전달되는 외부의 케이블에 연결 되는 급전콘넥터(15)와 급전콘넥터(15)를 통해 입력되는 고주파 신호를 공진시키기 위한 모노폴소자(12)와 모노폴소자(12)에서 복사되는 RF신호를 반사시키는 그라운드판(14)으로 이루어진다. 모노폴구조는 단일주파수에서 공진하므로 모노폴소자(12) 한개만으로는 주파수 대역이 넓지 안다는 단점을 가지고 있다.

위의 도1과 도2의 구조가 일반적인 옴니 안테나의 구조이다.

도3은 본발명의 임피던스정합소자를 이용한 광대역 옴니안테나의 구조를 보여준다.

도3의 광대역옴니 안테나는 전자파가 전달되는 외부의 케이블에 연결 되는 급전콘넥터(15), 급전콘넥터(15)를 통해 입력되는 고주파 신호를 공진시키기 위한 모노폴소자(12), 모놀폴소자(12)를 둘러싸고 있으면서 그라운드판과 연결되는 임피던스정합소자(13), 임피던스정합소자(13)를 지지하며 상기 모노폴소자(12)에서 복사되는 RF신호를 반사시키는 그라운드판(14), 모노폴소자(12)와 임피던스정합소자(13)와 그라운드판(14)을 보호하기 위해 외부를 덮는 레이돔(11)으로 구성된다.

도3의 모노폴소자(12)는 원형 봉의 구조로 이루어지며 임피던스정합소자(13)는 원형봉인 모노폴소자(12)를 둘러싼 원통형 구조로 이루어진다. 각소자의 재질은 금속과 이와 유사한 특성을 나타내는 재질을 사용한다.

도3의 급전콘넥터(15)는 외부에 연결되는 케이블을 통해 입력되는 전자파를 모노폴소자(12)에 급전시켜주며 상기의 급전콘넥터(15)는 그라운드판(14)의 정중앙 구멍에 결합되어 임피던스정합소자(13)로 고정된다.이렇게 고정된 급전콘넥터(15)의 중심도선은 모노폴소자(12)의 하단부와 연결되어 그라운드판(14) 위에 위치하게 된다. 단 모노폴소자(12)는 그라운드판(14)에 접지되지 않은 상태가 된다.

도3의 임피던스정합소자(13)는 급전콘넥터(15)를 그라운드판(14)에 고정하면서도 급전콘넥터(15)의 중심도선에는 접지되지 않은 상태로 그라운드판(14)과 접지되어 그라운드판(14) 위에 위치하게 된다. 결론적으로 그라운드판(14)위 중앙에 모노폴소자(12)가 위치하게 되고 모노폴소자(12)를 둘러싸고 임피던스정합소자(13)가 위치하게 되고 그라운드판(14) 밑에 급전콘넥터(15)가 위치한다. 또한 모노폴소자(12)와 급전콘넥터(15)의 중심도선은 연결되어있고 그라운드판(14)과 임피던스정합소자(13)는 접지되어 있지만 모노폴소자(12)와 임피던스정합소자(13)는 접지되어 있지않다.

도3의 그라운드판(14)은 모노폴소자(12)의 표면전류를 반사시켜 이와 동일한 이미지 전류를 발생시킬수 있도록 도전성이 양호한 재질로 이루어진다

도4는 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 단면도를 보여주는데 원안의 그림은 모노폴소자(12)와 급전콘넥터(15)가 중심도선은 연결되어 있지만 절연물(7)을 사이로 접지되어 있지 않다는 것을 보여준다

도5는 도1의 기존 역에프구조를 이용한 옴니안테나의 정재파비로 PCS주파수대역 (1750MHz-1870MHz)에서 정재파비 1:1.5를 기준으로 할때 대역폭 6.63% 을 만족하는 것을 보여준다.

도6은 도2의 기존 모노폴구조를 이용한 옴니 안테나의 정재파비로 PCS주파수대역 (1750MHz-1870MHz)에서 정재파비 1:1.5를 기준으로 할때 대역폭 6.63%을 만족하지 못한다. 1/4람다 모노폴 한개로는 6%의 대역폭을 내기 어려운 것을 볼수 있다.

도7은 도3의 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 정재파비로 PCS주파수대역 1750MHz-1870MHz 대역폭(6.63%)은 물론 PCS주파수대역부터 ISM주파수대역까지 1750MHz-2500MHz 대역폭(35.3%)을 만족하는것을 보여준다. PCS주파수대역은 1750MHz-1870MHz, IMT2000주파수대역은 1920MHz-2170MHz, WLL주파수대역은 2300MHz-2400MHz. ISM주파수대역은 2400MHz-2500MHz이다.

도8은 도1의 기존 역에프구조를 이용한 옴니안테나의 복사패턴으로 안테나구조상 중심점에 대해서 비대칭 구조인 관계로 패턴이 찌그러지는 것을 볼수 있다

도9는 도2의 기존 모노폴구조를 이용한 옴니 안테나의 복사패턴으로 역에프구조의 안테나에 비해서 패턴의 찌그러짐이 덜한 것을 알 수 있다.

도10은 도3의 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 복사 패턴으로 광대역이면서도 평탄도가 양호함을 볼 수 있다.

도11은 본 발명에 따른 광대역 옴니 안테나의 모노폴소자(12)와 임피던스정합소자(13) 간의 높이와 폭을 도시한 도를 보여준다

Ｌ은 각 소자간의 높이를 나타내고,Ｗ는 각 소자간의 폭을 나타낸다.

Ｌ=Ｌ1+Ｌ2+Ｌ3

Ｌ1＞Ｌ2+Ｌ3

Ｌ2＞Ｌ3

Ｌ1=0.57Ｌ~0.6Ｌ

Ｌ2=0.28Ｌ~0.3Ｌ

Ｌ3=0.12Ｌ~0.13Ｌ

Ｗ=2Ｗ1+Ｗ2

Ｗ1＞Ｗ2

Ｗ2＜Ｗ3

Ｗ3＜Ｗ

Ｗ1=0.41Ｗ~0.42Ｗ

Ｗ2=0.16Ｗ~0.18Ｗ

Ｗ＜Ｌ

중심주파수 2000MHz에서 Ｌ＜(λ/4)~Ｌ=(λ/4)

중심주파수 2000MHz에서 Ｗ＜(λ/4)

도시한 안테나의 치수는 Ｗ=30.5mm Ｌ=38mm 중심주파수 2000MHz의 λ/4=37.5mm

도11의 임피던스정합소자(13)의 내경(Ｗ)과 높이(Ｌ1)는 주파수 대역을 넓히는 중요한 요소로 높이(Ｌ1)가 모노폴소자(12)높이(Ｌ)보다 높거나 1/2이하로 작을시 광대역특성을 만들수 없다. 모노폴소자(12)의 외경(Ｗ2)과 임피던스정합소자(13)의 내경(Ｗ)의 비율이 1:5.5~1:6 일때 광대역을 구현할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 광대역옴니안테나는 하나의 안테나로외부의 RF신호를 입력받아 PCS,IMT2000,WLL,ISM등 다수의 주파수 대역에서 사용 할 수 있게 주파수대역의 광대역을 구현하였으며 상기 광대역옴니 안테나 하나로 다수의 다른 주파수용 안테나의 구입및 설치에 소요되는 비용을 절감하는 효과가 있다.

Claims

RF신호를 전방향으로 복사하는 모노폴소자(12)와, 모노폴소자(12)을 둘러싼 임피던스 매칭을 위한 임피던스정합소자(13)와,임피던스정합소자(13)를 지지하며 상기 모노폴소자(12)에서 복사되는 RF신호를 반사시키는 그라운드판(14)및 상기 그라운드판(14)에 체결되며 상기 모노폴소자(12)에 RF신호를 급전하는 급전 컨넥터(15)를 포함하는 임피던스정합소자(12)를 가진 광대역 옴니안테나.
제1항에 있어서 그라운드판(14)에 접지되면서 그라운드판(14)위에 위치하는 임피던스정합소자(13)를 가진 광대역 옴니안테나
제1항에 있어서 그라운드판(14) 위에 위치하고 모노폴소자(12)와는 접지되지 않는 임피던스정합소자(13)를 가진 광대역 옴니안테나
제1항에 있어서 중앙의 모노폴소자(12)의 높이보다는 작은 임피던스정합소자(13)를 가진 광대역 옴니안테나
제1항에 있어서 모노폴소자(12)와 임피던스정합소자(13)은 중심점을 기준으로 대칭구조인것을 특징으로 하는 광대역 옴니안테나