KR20040090122A - 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벤트 다이폴을 이용하여 소형화한 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 안테나는 다이폴 소자들이 동일 수평 중심선상에 수직으로 배열되어 있고, 선단의 급전점으로부터 각 다이폴 소자로 평행 전송선로를 통해 급전되도록 되어 있으며, 어드미턴스 소자(Y_T)에 의해 종단된 대수주기 다이폴 안테나(Log-Periodic Dipole Antennas)에 있어서, 다이폴 소자의 양단이 소정 굽은 각(β)으로 굽혀진 것을 특징으로 한다. 이때, 굽은 각(β)의 각도는 대략 1°~360°이고, 상기 굽은 다이폴 소자의 전체 길이 대 수직부분의 길이비(δ)는 대략 0.1~0.8이다.

따라서 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나(LPBDA)는 특성의 변화나 대역폭의 제한없이 벤트 다이폴을 사용하여 대수주기 다이폴 안테나(LPDA)의 길이를 감소시킬 수 있다.

Description

벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나{Log-Periodic Antennas having bent dioples}

본 발명은 대수주기 다이폴 안테나(Log-Periodic Dipole Antennas: LPDA)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 벤트 다이폴을 이용하여 소형화한 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 대수주기 안테나(Log-Periodic antennas)는 임피던스와 복사특성이 주파수에 대해 대수, 주기적으로 반복하는 구조적 형태를 가지는 안테나로서, 주파수 대역에 걸친 특성 변화가 크지 않기 때문에 주파수 독립 안테나로 간주된다. 대수주기 안테나는 톱니형 평면, 톱니형 쐐기, 톱니형 사다리꼴, 톱니형 사다리꼴 쐐기형, 사다리꼴 도선, 사다리꼴 쐐기 도선, 지그재그형 도선 등으로 그 형태가 꾸준히 연구 개발되었다. 1961년 Carrel에 의하여 대수주기 다이폴 배열 안테나(Log-Periodic Dipole Antennas: 이하 'LPDA'라 한다)가 해석 검토되었고, 이 후 LPDA 특성 개선을 위한 안테나 형태나 복사 소자의 변화도 꾸준히 연구되면서 구조에 따른 이득과 빔폭 특성, 그리고 설계 방법 등이 널리 알려지게 되었다.

이러한 LPDA는 정점의 급전점에서 바깥으로 길이를 연속 증가시키는 평행도선 다이폴들의 직렬 급전 배열 안테나이고, 통상의 LPDA는 설계 파라미터인 대수주기 비 τ와 간격정수 σ 및 대역폭에 따라 배열되는 다이폴 소자의 길이와 간격에 의해서 안테나의 전체 길이 및 크기가 결정된다. 그리고 LPDA의 가장 큰 장점은 광대역 특성을 갖는다는 것인 데, 이러한 광대역 특성을 충분히 만족하면서도 안테나의 크기를 줄여서 설치가 용이하도록 함과 아울러 외관을 좋게 하는 것이 최근의 동향이라 할 수 있다.

그런데 단일 대수주기 안테나를 사용할 경우에는 사용되지 않는 불요대역의 다이폴 소자를 포함하므로 안테나의 길이가 필요 이상으로 커지게 되어 공간을 많이 차지하게 되고, 소형화가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 동일 대역폭을 갖고 설계된 대수주기 다이폴 안테나(LPDA)의 복사특성 및 입력특성과 비교하여 변화가 거의 없으면서도 대수주기 다이폴 안테나(LPDA)의 다이폴 소자를 벤트 다이폴 소자로 대치하여 공간효율을 높인 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 대수주기 안테나를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 벤트 다이폴의 굽은 각β과 소자 전체길이 대 수직소자의 길이 비δ의 몇가지 경우에 따른 정재파비 특성을 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 안테나와 일반적인 대수주기 안테나의 정재파 특성을 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 벤트 다이폴의 굽은 각β에 따른 안테나의 이득패턴을 도시한 도면,

도 6은 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나의 이득 패턴을 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21: 급전부 22: 벤트 다이폴

22a: 수직부분 22b: 굽은 부분

23: 평행 전송선로

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 안테나는 다이폴 소자들이 동일 수평 중심선상에 수직으로 배열되어 있고, 선단의 급전점으로부터 각 다이폴 소자로 평행 전송선로를 통해 급전되도록 되어 있으며, 어드미턴스 소자(Y_T)에 의해 종단된 대수주기 다이폴 안테나(Log-Periodic Dipole Antennas)에 있어서, 상기 다이폴 소자의 양단이 소정 굽은 각(β)으로 굽혀진 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 굽은 각(β)의 각도는 대략 1°~360°이고, 상기 굽은 다이폴 소자의 전체 길이 대 수직부분의 길이비(δ)는 대략 0.1~0.8이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 단일 대수주기 다이폴 안테나(Single Log-Periodic Dipole Antennas)의 구조와 설계 파라미터를 도시한 도면으로서, 8개의 다이폴 소자(3-1~3-8)가 일정 간격으로 수직 배열되어 있고, 다이폴 소자(3-1~3-8)는 좌측에서 우측으로 가면서 길이가 점차 길어지도록 배열되어 있다. 정점의 급전점(1)으로부터 각 다이폴 소자(3-1~3-8)로 급전이 이루어지고, 급전신호는 평행 전송 선로(Boom: 5)를 통해 전달된다.

도 1을 참조하면, a_k는 다이폴 소자(3-1~3-8)의 반경을 나타내고, L_k는 다이폴 소자(3-1~3-8)의 길이, d_k는 다이폴 소자(3-1~3-8)의 간격, Y_T는 종단 어드미턴스를 나타낸다. 대수주기 특성을 갖도록 하는 구조정수에는 다이폴 소자(3-1~3-8)의 길이를 결정하는 길이정수(Scaling constant) τ와 간격을 결정하는 간격정수(Spacing constant)σ가 있으며, 이는 다음 수학식 1 및 수학식 2와 같이 정의된다.

여기서, R_k는 대수주기 다이폴 안테나(LPDA)의 정점으로부터 k번째 소자까지의 거리이고, α는 LPDA의 반개각(Half-flare angle)이다.

도 2는 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나의 기하학적 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 대수주기 다이폴 안테나는 8개의 다이폴이 동일 수평 중심선상에 수직으로 배열되어 있고, 선단의 급전점(21)으로부터 각 다이폴 소자(22)로 평행 전송선로(23)를 통해 급전되도록 되어 있으며, 어드미턴스 소자(Y_T)에 의해 종단되어 있다. 이때 본 발명에 따른 다이폴 소자들(22)의 양단은 정점을 향해 소정 각도(이를 굽은 각β라 한다)로 굽어 수직부분(22a)과 굽은 부분(22b)으로 구분되고, 이와 같이 양단이 굽어 있기 때문에 수직방향에서의 다이폴 소자의 길이를 줄일 수 있다.

도 2에서 a_k는 각 다이폴 소자(22)의 반경을 나타내고, d_k는 다이폴 소자(22)의 간격을 나타내며, Y_T는 종단 어드미턴스를 나타낸다. R_k는 대수주기 다이폴 안테나(LPDA)의 정점으로부터 k번째 소자까지의 거리이고, α는 LPDA의 반개각(Half-flare angle)이다. 그리고 L_k는 다이폴 소자(22)의 수직부분(22a) 길이이고, H_K는 다이폴 소자의 굽은 부분(22b)의 길이이다. 이때 벤트 다이폴 소자의총 길이(L_k+H_K)는 일반 대수주기 다이폴 안테나에서 대응하는 다이폴 소자의 총길이와 같고, 따라서 다이폴 소자의 굽은 각 β가 0°일 경우에는 일반적인 LPDA와 동일하다.

도 3은 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나에서 벤트 다이폴 소자의 굽은 각β와 소자 전체 길이 대 수직소자의 길이비(즉,)δ에 따라 계산된 VSWR 특성을 도시한 그래프로서, (a)는 길이비 δ가 0.6인 경우를 도시한 그래프이고, (b)는 길이비 δ가 0.8인 경우를 도시한 그래프이다. 도시된 그래프에서 횡축은 주파수(단위 MHz: 1000~3000)를 나타내고, 종축은 정재파비(VSWR)를 나타낸다.

도 3을 참조하면, g1은 굽은 각 β가 90°인 경우이고, g2는 굽은 각 β가 45°인 경우이며, g3은 굽은 각 β가 0°인 경우이다.

도시된 그래프를 살펴보면, β와 δ에 따라 변화되어지는 정재파비 부분은 고주파쪽으로 갈수록 조금 더 많은 특성의 변화를 보여주지만 안테나 전체 특성에 미치는 정도가 미약함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따라 굽은 다이폴을 사용할 경우에는 안테나 특성은 열화시키지 않으면서도 공간효율을 높일 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나에서 계산에 의해 얻은 정재파비(VSWR)와 실제로 제작된 안테나를 측정하여 구한 정재파비(VSWR)를 도시한 그래프이다. 도시된 그래프에서 횡축은 주파수(단위 MHz: 1000~3000)를 나타내고, 종축은 정재파비(VSWR)를 나타내며, g1은 계산에 의해 구한정재파비(VSWR)를 나타내고, g2는 실제로 제작하여 측정된 정재파비(VSWR)를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 제작된 안테나의 정재파비(VSWR)가 계산값보다 특성의 변화가 커짐을 알 수 있다. 또한, VSWR 값이 전체적으로 좋은 특성을 보여주며, 계산된 값과 오차로 인한 특성변화가 크지 않을 것임을 보여주고 있다.

도 5는 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나에서 각 주파수(1GHz~3GHz)에서 벤트 다이폴의 굽은 각β에 따른 패턴의 이득 특성을 도시한 도면이다.

도 5에서 (a)는 기본 LPDA(β=0°)의 이득 패턴을 보여주고 있고, (b)는 벤트 다이폴의 굽은 각(β)을 45°로 적용했을 경우의 이득 패턴을 보여주고 있으며, (c)는 벤트 다이폴의 굽은 각(β)이 90°인 경우의 이득 패턴을 각각 보여주고 있다.

각각의 동일 주파수에서의 이득 패턴을 비교하여 보면, 백로브에서 차이가 조금씩 있을 뿐 빔폭이나 이득 등에서는 거의 동일한 특성을 보여주고 있다. 차이를 보이는 백로브는 그 차이가 안테나의 특성에 영향을 미치지 않을 정도로 매우 작은 수신레벨에서의 차이이므로 무시해도 될만하다.

도 6은 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나에서 계산한 LPBDA의 이득(Gain) 패턴과 실험 제작하여 측정한 대수주기 안테나(LPBDA)의 이득 패턴을 주파수별로 함께 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 1GHz와 2GHz에서의 이득 특성은 거의 유사하나 3GHz에서는약간의 빔폭의 감소가 나타나고 있다. 이는 도 3과 도 4에서 보여진 VSWR 특성에서 예상할 수 있었으나 그 차이는 미미하여 안테나의 특성변화는 거의 없는 것으로 간주할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나를 설명한 하나의 실시 예에 불과한 것으로써, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다고 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나(LPBDA)는 특성의 변화나 대역폭의 제한없이 벤트 다이폴을 사용하여 대수주기 다이폴 안테나(LPDA)의 길이를 감소시킬 수 있다. 본 발명에 따르면 다이폴 소자의 길이가 약 20% 정도 짧아 졌음에도 불구하고, 대역폭의 감소없이 통상의 대수주기 다이폴안테나(LPDA)와 유사한 입력 및 복사특성을 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 다이폴 소자들이 동일 수평 중심선상에 수직으로 배열되어 있고, 선단의 급전점으로부터 각 다이폴 소자로 평행 전송선로를 통해 급전되도록 되어 있으며, 어드미턴스 소자(Y_T)에 의해 종단된 대수주기 다이폴 안테나(Log-Periodic Dipole Antennas)에 있어서,

   상기 다이폴 소자의 양단이 소정 굽은 각(β)으로 굽혀진 것을 특징으로 하는 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 굽은 각(β)의 각도는 대략 1°~360°인 것을 특징으로 하는 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나.
3. 제1항에 있어서, 상기 굽은 다이폴 소자의 전체 길이 대 수직부분의 길이비(δ)는 대략 0.1~0.8인 것을 특징으로 하는 벤트 다이폴을 갖는 대수주기 안테나.