KR200436743Y1 - 원격제어신호 수신기의 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 원격제어신호 수신기의 안테나장치에 관한 것으로, 자동차에 장착된 상태에서 외부의 송신기로 부터 발신된 RF신호를 수신하고, 이를 콘트롤러에 인가하여 도어록의 잠금 및 해제동작이나 엔진의 시동 또는 윈도우승강조작 같은 특정한 부위의 작동이 원격제어되도록 하는 원격제어신호 수신기에서 헬리컬형태의 안테나를 수신기 내부의 PCB상에 장착하므로써 조립공수를 줄이고, 수신기의 동작성능저하를 방지할 수 있도록 함과 동시에 복사저항을 높여 수신감도를 향상시킬 수 있도록 하여 동작의 신뢰도를 한층 높일 수 있도록 한 것이다.

본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치는 소정의 직경으로 이루어지고, 일정한 간격으로 필요한 횟수만큼 감겨진 소정 길이의 스프링코어와, 상기 스프링코어의 양단으로부터 아랫쪽으로 절곡된 리드선으로 이루어지는 헬리컬안테나를 구성하고, 상기 헬리컬안테나의 양쪽 리드선을 수신기 내부의 PCB상에 형성된 관통공에 끼워 장착한 상태에서 솔더링(Soldering)하여 PCB상의 수신회로와 전기적으로 연결되도록 설치된다.

원격제어수신기, 헬리컬안테나, PCB

Description

원격제어신호 수신기의 안테나 장치{ANTENNA APPARATUS OF RECEIVING SET FOR RECEVING REMOTE CONTROL SIGNAL}

도 1은 외장형 안테나가 장착된 일반적인 원격제어신호 수신기를 나타내는 사시도,

도 2는 종래 원격제어신호 수신기에 패턴형 안테나가 적용된 상태를 나타내는 내부 사시도,

도 3은 종래 원격제어신호 수신기의 내부에 모노폴안테나가 적용된 상태를 나타내는 내부 사시도,

도 4는 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치를 나타내는 내부 사시도,

도 5는 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나 장치에 적용된 헬리컬안테나의 설치상태를 나타내는 확대도,

도 6은 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치에 적용된 헬리컬안테나의 기하구조를 나타내는 부분 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

52 : 수신기 54 : PCB

56 : 헬리컬안테나 58 : 스프링코어

60 : 리드선 62 : 관통공.

본 고안은 원격제어신호 수신기의 안테나장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차에 장착된 상태에서 외부의 송신기로 부터 발신된 RF신호를 수신하고, 이를 콘트롤러에 인가하여 도어록의 잠금 및 해제동작이나 엔진의 시동 또는 윈도우승강조작 같은 특정한 부위의 작동이 원격제어되도록 하는 원격제어신호 수신기에서 헬리컬형태의 안테나를 수신기 내부의 PCB상에 장착하므로써 조립공수를 줄이고, 수신기의 동작성능저하를 방지할 수 있도록 함과 동시에 복사저항을 높여 수신감도를 향상시킬 수 있도록 하여 동작의 신뢰도를 한층 높일 수 있도록 한 원격제어신호 수신기의 안테나장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차에는 도어록의 잠금 및 해제동작이나 엔진의 시동 또는 윈도우승강조작 같은 특정 부위의 조작을 원격으로 제어할 수 있도록 하기 위한 무선방식의 원격제어신호 수신기가 설치된다.

도 1은 종래 외장형 안테나를 장착한 원격제어신호 수신기를 나타내는 사시도이고, 도 2는 종래 원격제어신호 수신기에 패턴형 안테나가 적용된 상태를 나타내는 사시도이다.

또, 도 3은 종래 원격제어신호 수신기의 내부에 모노폴안테나가 적용된 상태를 나타내는 사시도이다.

통상적으로, 자동차에 장착되어 무선 방식으로 작동되는 원격제어시스템은 도어의 잠금과 열림, 엔진의 시동, 윈도우승강조작 등 특정 부위의 조작이 원격조정방식에 의해 수행될 수 있도록 위한 제어명령을 RF신호로 발신하는 송신기와, 콘트롤러와 전기적으로 연결된 상태에서 상기 송신기로부터 발신된 RF신호를 수신하고 이를 콘트롤러에 인가하여 수신된 신호에 따라 해당 제어동작이 이루어지도록 하는 수신기로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 원격제어시스템에서 송신기는 통상 그 내부에 PCB상에서 발생된 송신신호를 공중으로 전파시키는 루프안테나가 설치되어 있는 형태로 이루어진다.

한편, 상기 원격제어시스템에서 수신기(10)는 안테나가 외부에 설치된 외장형 안테나방식과 안테나가 수신기의 내부에 설치되어 있는 내장형 안테나방식으로 분류될 수 있는데, 도 1에 도시된 바와 같은 외장형 안테나방식의 수신기에서 안테나(12)는 수신기(10)상에 마련된 잭(Jack:14)을 통하여 결합되도록 구성되고, 수신기는 커넥터(16)를 매개로 차량의 배선에 접속되어 콘트롤러와 전기적으로 연결되도록 구성된다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 원격제어신호 수신기(10)에 외장형 안테나(12)가 적용되는 경우에는 생산공정에서 안테나를 연결하여 설치하기 위한 별도의 잭을 수신기에 조립해야 하고, 조립된 잭(14)에 안테나(12)를 연결해야 함에 따라 조립공수가 증가한다는 문제가 있다.

또한, 이와 같이 안테나(12)가 잭(14)을 매개로 연결·설치되는 경우 안테나 가 잭의 상태에 따라 느슨하게 접속될 수 있고, 이와 같이 안테나가 잭에 느슨하게 접속되는 경우에 RF신호의 전달이 제대로 이루어지지 않게 되어 수신기 동작성능을 저하시키는 주요 원인이 된다는 문제가 있다.

또, 안테나(12)와 잭(14)의 접속상태가 느슨한 경우 차량의 주행과정에서 지속적으로 전달되는 진동이나 외부로부터 인가되는 작은 충격력에도 안테나(12)가 수신기(14)로부터 이탈될 우려가 높다는 문제가 있다.

한편, 원격제어신호 수신기에 와이어형태의 안테나를 적용하는 경우에는 차량 조립시 안테를 고정시키기 위한 별도의 조립공정이 추가되기 때문에 생산성이 저하된다는 문제가 있다.

이와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여, 최근에는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 원격제어신호 수신기(10) 내부의 PCB(18)상에 패턴안테나(20) 또는 모노폴안테나(22)를 실장처리하고 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 패턴안테나(20) 또는 모노폴안테나(22)를 수신기(10)내의 PCB(18)상에 설치하는 경우 외장형에 비하여 접속상의 문제점 등은 개선되었으나, 낮은 복사저항으로 인해 복사전력이 낮고 복사효율 또한 낮아 수신감도가 떨어진다는 문제가 있다.

또, 모노폴안테나(22)를 설치하고자 하는 경우 별도로 마련된 다수의 서포터(24)를 이용하여 받쳐주어야 하기 때문에 조립작업이 까다롭다는 문제가 있다.

본 고안은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 자동차에 장착된 상태에서 외부의 송신기로 부터 발신된 RF신호를 수신하고, 이를 콘트롤러에 인가하여 도어록의 잠금 및 해제동작이나 엔진의 시동 또는 윈도우승강조작 같은 특정한 부위의 작동이 원격제어되도록 하는 원격제어신호 수신기에서 헬리컬형태의 안테나를 수신기 내부의 PCB상에 장착하므로써 조립공수를 줄이고 수신기의 동작성능저하를 방지할 수 있도록 함과 동시에 복사저항을 높여 수신감도를 향상시킬 수 있도록 하여 동작의 신뢰도를 한층 높일 수 있도록 한 새로운 원격제어신호 수신기의 안테나장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치는 소정의 직경으로 이루어지고, 일정한 간격으로 필요한 횟수만큼 감겨진 소정 길이의 스프링코어와, 상기 스프링코어의 양단으로부터 아랫쪽으로 절곡된 리드선으로 이루어지는 헬리컬안테나를 구성하고, 상기 헬리컬안테나의 양쪽 리드선을 수신기 내부의 PCB상에 형성된 관통공에 끼워 장착한 상태에서 솔더링(Soldering)하여 PCB상의 수신회로와 전기적으로 연결되도록 설치된 특징을 갖는다.

본 고안에서 상기 헬리컬안테나를 구성하는 스프링코어의 직경은 5∼12mm이고, 스프링코어의 감김횟수는 13.5∼17.5회이며, 스프링코어에서 각 감김부분의 간격(권선간격)은 4.5∼6.0mm, 헬리컬안테나의 높이가 80∼95mm로 이루어진 것을 특징을 갖는다. 바람직하게는 헬리컬안테나의 높이는 87mm이다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 고안의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치가 설치된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치에 적용된 헬리컬안테나를 나타내는 확대 측면도이다.

이를 참조하면, 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치(50)는 생산과정에서 조립공수를 줄이고, 수신기의 동작성능저하를 방지할 수 있도록 함과 동시에 복사저항을 높여 수신감도를 향상시킬 수 있도록 구성된다.

이를 위하여, 본 고안에서는 동일한 주파수에서 다이폴(Dipole) 안테나에 비해 안테나의 길이와 크기를 줄일 수 있어 수신기(52) 내부의 PCB(54)에 용이하게 장착할 수 있으며, 수신대역을 만족할 수 있는 헬리컬안테나(56)가 적용된다.

상기 헬리컬안테나(56)는 소정의 직경으로 이루어지고, 일정한 간격으로 필요한 횟수만큼 감겨진 소정 길이의 스프링코어(58)와, 상기 스프링코어(58)의 양단으로부터 아랫쪽으로 절곡된 리드선(60)으로 이루어진다.

본 고안에서 상기 헬리컬안테나(56)를 구성하는 스프링코어(58)의 직경은 5∼12mm이고, 스프링코어(58)의 감김횟수는 13.5∼17.5회이며, 스프링코어(58)에서 각 감김부분의 간격(권선간격)은 4.5∼6.0mm로 이루어지고, 헬리컬안테나의 높이는 80∼95mm이다. 바람직하게는 헬리컬안테나의 높이는 87mm로 이루어진다.

본 고안에서는 원격제어신호 수신기(52)의 내부에 설치되는 PCB(54)상의 마주하는 위치에 각각 동일한 크기의 관통공(62)을 형성하고, 상기 각 관통공(62)에 는 헬리컬안테나(56)의 양단에서 아랫쪽으로 절곡된 리드선(60)을 끼워·결합시키고, 상기 리드선(60)이 PCB(54)상의 수신회로와 전기적으로 연결될 수 있도록 솔더링처리하는 방식으로 헬리컬안테나(56)를 설치한다.

도 6은 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치에 적용된 헬리컬안테나의 기하구조를 나타내는 부분 사시도이다.

이를 참조하면, 본 고안에 적용된 헬리컬안테나(56)의 이론적 기하구조와 설계 파라미터는 다음과 같다.

D = 나선의 직경

C = 나선의 원주의 길이 = πD

S = 권선간격 = C tanα(α= 피치각 = tan^-1S/C

L_e = 한 권선의 길이 = √C²+S²

N = 권선수

N_w = 나선코일의 길이 = NL_e

L = 높이 = 축의 길이 = NS

d = 나선도체의 지름

본 고안에 적용되는 헬리컬안테나(56)의 기본 구조는 상기 도 6에 도시된 바와 같이 동축케이블의 내부 도체를 헬리컬구조로 형성하고, 외부도체인 접지를 접지평면에 연결한 형태로 구성한다.

파장 λ＞＞D인 경우 헬리컬안테나(56)는 정상모드(Normal mode)로 동작하고, λ= D일 때, 축모드(Axial mode)로 동작한다.

정상모드 헬리컬안테나의 복사패턴은 다음의 그림 1과 같다.

그림 1. 정상모드 헬리컬안테나의 복사패턴

상기 그림 1에서 왼쪽의 그림은 헬리컬안테나(56)의 앙각패턴(Elevation pattern)을 나타내는 것이고, 오른쪽의 그림은 헬리컬안테나(56)의 방위패턴(Azimuth)을 나타내는 것이다.

본 고안에 따른 원격제어신호 수신기(52)에 적용한 헬리컬안테나(56)의 복사패턴은 무지향(Omni-directional)패턴을 가지며, 이것은 일반적으로 알려져 있는 모노폴안테나의 복사패턴과 동일하다.

D＜＜λ(λ:파장)에서 정상모드 헬리컬안테나는 다이폴안테나와 같은 무지향 복사패턴을 보이는데, 이는 도너츠 모양으로 안테나 축으로는 에너지가 방사되지 않으나, 축을 중심으로 수평면에는 전 방향으로 에너지가 복사되는 형태이다.

이러한 에너지의 복사전력은 안테나의 전기적 성능에 좌우되며, 안테나에 더 많은 에너지가 유입되도록 하기 위해서는 송수신기의 임피던스(Impedance)정합이 중요하며, 유입된 에너지가 공간으로 더 많이 복사되도록 하기 위해서는 복사저항이 송수신기의 임피던스와 정합될 때 최적화되도록 한다.

헬리컬안테나의 복사저항은 다음 식(1)과 같다

R_r = 640(h/λ)² [Ω] (1)

{R_r: 복사저항(Radiation Resistance), h: 높이(Height of helix)}

본 고안에 적용되는 헬리컬안테나(56)의 복사저항은 헬리컬의 높이에 의존하는데, 헬리컬의 높이가 커지면 복사저항이 증가하고, 복사저항이 증가하면 더 많은 에너지가 복사되거나 안테나에 의해 더 많은 에너지가 유입된다.

다음 식(2)는 안테나 복사전력을 나타낸다.

P_rad = I²R_r [W] (2)

(여기서, I는 안테나에 흐르는 전류이다.)

상기 식에서 알 수 있는 바와 같이, 안테나에 유입된 전류가 일정할 때 안테나 복사전력은 복사저항에 비례하며, 이는 복사저항이 높아지면 안테나에 유입된 에너지의 복사전력은 높아지는 것을 의미한다.

안테나의 복사전력과 안테나 손실저항에 의해 복사전력과 손실전력이 나타나며, 복사전력과 손실전력의 관계를 다음 식(3)과 같이 안테나 효율로 나타낼 수 있다.

eff =P_rad/(P_rad +P_loss) = R_r/(R_r + R_loss) (3)

(여기서, P_loss은 손실전력이고, R_loss은 손실저항이다.)

안테나 효율을 높이기 위해서는 복사저항을 높이고, 안테나 자체 손실저항에 의한 전력손실을 줄여야 한다. 손실저항은 안테나 재질에 따라 달라지며 재질의 전도성은 이와 밀접한 관계를 가진다.

효율이 높은 안테나는 도전성이 우수한 재질을 사용할 때 얻을 수 있으며, 다음 식(4)는 모노폴 안테나의 복사저항을 구하는 식이다.

R_r =20π²(L/λ)² [Ω] {0＜L＜(λ/4)} (4)

본 고안에 적용되는 동일한 높이의 헬리컬안테나(56)와 기존의 모노폴안테나에 대하여 동일 조건에서 복사저항을 비교하면, 본 고안에 적용되는 헬리컬안테나의 복사저항이 더 높고, 따라서 복사전력 또한 헬리컬안테나에서 높게 나타난다.

본 고안에 적용되는 헬리컬안테나(56)를 설계함에 있어서, 먼저 수신기(52)내의 실장공간을 고려하여야 하는데, 무선방식의 자동차용 원격제어시스템에 적용되는 내장 안테나의 경우 수신기의 내부에 장착하는 것을 목적으로 하지만, 설계가능 공간을 확보하는데 큰 제약이 따르며, 따라서 이론적인 설계를 벗어난 실험적 설계가 이루어져야 한다.

이는 전기적 소형 안테나에 해당하는 설계기법으로 이론적 검증보다는 실험적 검증을 우선하는 경우에 해당한다.

따라서, 본 고안에 따른 원격제어신호 수신기의 안테나장치(50)에 헬리컬안테나(56)를 적용하기 위하여, 먼저 수신기(52) 내부의 높이와 길이 등 실장영역을 조사하고, 수신기(52) 내에서 설계가능한 영역을 다음 표 1에 나타내었다.

표 1. 수신기 내 설계영역

항목	치수(mm)
높이	20
넓이	95

상기 표 1에 주어진 총 길이와 높이를 기준으로 주요 성능파라미터를 결정한 후 헬리컬안테나(56)를 제작하였으며, 제작된 헬리컬안테나의 주파수와 반사손실을 측정하였다.

상기 헬리컬안테나(56)의 제작시 스프링코어(58)의 직경을 각각 다르게 선택하고, 감김횟수를 다르게 하는 등 파라미터를 가변시키면서 각 경우의 헬리컬안테나를 제작하였다.

그런 다음, 제작된 헬리컬안테나에서 감김횟수에 따른 최대 공진주파수의 변화를 측정하고, 그 결과를 다음 그림 2로 나타내었다.

이 때, 헬리컬안테나(56)의 높이는 92.5mm로 실장가능한 영역내에서 선택하였으며, 외경은 5.2mm로 고정하고 측정하였다.

그림 2. 감김횟수에 따른 최대 공진주파수의 변화

상기 그림 2에서 알 수 있는 바와 같이, 감김횟수는 최대 공진주파수와 반비례관계를 가지고 있었다. 즉 감김회수를 증가시킬 수록 안테나의 공진주파수는 낮아졌다.

한편, 외경에 따른 최대 공진주파수의 변화를 측정하고, 그 결과를 그림 3에 나타내었다.

그림 3. 외경에 따른 최대 공진주파수의 변화

상기 그림 3에서 알 수 있는 바와 같이, 헬리컬안테나의 공진주파수의 증가는 스프링코어의 직경과 반비례 관계에 있다.

또한, 감김횟수와 직경을 동시에 변화시키며 제작한 헬리컬안테나의 주파수변화에 따른 반사손실의 변화를 측정하고, 그 결과를 그림 4에 나타내었다.

그림 4. 주파수변화에 따른 반사손실의 변화(감김횟수와 직경을 동시에 가변시키는 경우)

상기 그림 2와 그림 3에 나타난 결과에 따라 감김횟수와 외경의 증가는 공진주파수를 감소시키는데, 이러한 변화는 감김횟수와 외경이 증가함에 따라 헬리컬안테나의 전기적 길이가 길어지고, 동시에 헬리컬안테나의 공진가능 파장 λ가 증가하여 나타난 결과이다.

*그림 4에서 알 수 있는 바와 같이, 제작된 헬리컬안테나 중 감김횟수 15.5회, 직경 6.4mm의 샘플에서 원하는 315MHz에 근접하는 318.6MHz의 공진특성을 보였 다.

한편, 감김횟수 15.5회, 직경 6.4mm 안테나에서의 주파수변화에 따른 반사손실의 변화를 다음 그림 5에 나타내었다.

그림 5. 감김횟수 15.5회, 직경 6.4mm 안테나에서의 주파수변화에 따른 반사손실의 변화

이와 같이 제작된 안테나의 최대 공진주파수는 318.6MHz이며, 이 때의 반사손실은 -11.5dB로 나타났다.

이와 같이 제작된 헬리컬안테나(56)의 정재파비를 측정하고, 그 결과를 다음 그림 6에 나타내었다.

그림 6.정재파비(VSWR)

그림 6에서 알 수 있는 바와 같이, 정재파비 2 이하 대역폭은 14.8MHz이며, 315MHz를 중심으로 사용가능한 대역폭 나타내었다.

상기 그림 2와 그림 3에 나타난 결과를 근거로 헬리컬안테나(56)를 설계하고, 제작한 헬리컬안테나의 최종 파라미터 값은 다음 표 2와 같다.

표 2. 설계된 최종 파라미터와 값

파라미터	단위(mm)	표시
N	15.5	권선수
D(외경)	6.4(5.7)	나선지름
C	17.9	나선원주
S	5.6	권선간격
LW	≒290.7	나선코일의 길이
d	0.8	도체지름
L	87	높이

이와 같이 이루어지는 본 고안의 작용은 다음과 같다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 고안에 따른 자동차용 원격제어신호 수신기의 안테나장치(50)는 무선 원격제어에 사용되는데, 예로서 송신기로부터 송 신된 RF신호는 헬리컬안테나(56)를 구성하는 스프링코어(58)에 수신되고, 수신된 RF신호는 리드선(60)과 PCB(54)상의 수신회로를 통하여 콘트롤러로 인가되어 엔진의 시동, 도어의 잠금 및 해제, 윈도우승강조작, 트렁크열림 같은 특정한 부분의 동작제어가 이루어지도록 한다.

이와 같은 본 고안을 적용하면, 헬리컬안테나가 원격제어신호 수신기의 내부에서 PCB상에 솔더링방식으로 설치되기 때문에 잭에 끼워지는 외장형 안테나에 비하여 결합불량이 발생하지 않으며, 차량의 주행시 인가되는 진동이나 충격력에 의해 쉽게 떨어지지 않음에 따라 수신기의 성능저하가 방지된다.

또, 본 고안의 경우 공진이 일어나는 스프링 형태의 공진 소자만을 가공하여 수신기에 적용함에 따라 외장안테나를 구성하는 기타 부품들이 제거되어 원가가 절감되며, 조립공수가 단축되므로 생산성이 향상되고 불량률이 낮춰진다.

또한, 안테나가 원격제어신호 수신기의 바깥쪽으로 노출되지 않기 때문에 차량조립과정에서 다른 장비에 걸리지 않으며, 따라서 안테나의 비틀어짐 등의 위험성이 존재하지 않게되고, 수신기 외부에는 커넥터이외에 노출되는 없어 수신기 조립 과정에서 발생할 수 있는 조립불량 및 이탈의 불량이 거의 없다.

Claims (1)

1. 안테나장치가 케이스 내부에 내장되는 내장형 원격제어신호 수신기에 있어서,

   상기 안테나장치는, 스프링코어와 상기 스프링코어의 양단으로부터 아랫쪽으로 절곡된 리드선으로 구성된 헬리컬안테나이고;

   상기 헬리컬안테나의 리드선은, 상기 수신기 내부의 PCB상에 형성된 관통공에 끼워 장착한 상태에서 솔더링하여 PCB상의 수신회로와 전기적으로 접속되며;

   상기 스프링코어의 직경은, 5∼12mm이고, 스프링코어의 감김횟수는 13.5∼17.5회이며, 스프링코어에서 각 감김부분의 간격(권선간격)은 4.5∼6.0mm이고;

   상기 헬리컬안테나는, 상기 PCB의 상면으로부터 80∼95mm 이격되어 수평하게 설치되어 상기 케이스 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 원격제어신호 수신기의 안테나장치.

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