KR200463283Y1 - 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나 - Google Patents

간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나 Download PDF

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Abstract

본 고안은 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나, 더욱 상세하게는, 헬리컬 형상 또는 모노폴 형상을 갖는 안테나 본체1과 상기 안테나 본체1의 상단부에 연결되며 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부1로 형성되고, 상기 안테나 본체1의 하단부는 급전부와 연결된 제1안테나와; 헬리컬 형상 또는 모노폴 형상을 갖는 안테나 본체2과 상기 안테나 본체2의 상단부에 연결되며 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부2로 형성되고, 상기 안테나 본체2의 하단부는 접지면과 연결된 제2안테나를 포함하여 구성되고, 상기 캐패시티브 톱 로딩부1와 캐패시티브 톱 로딩부2는 일정간격 이격되어 서로 중첩되도록 설치되는 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나에 관한 것으로,
본 고안에 따르면 종래의 안테나의 길이를 축소하면서도 안테나의 대역폭과 방사효율은 길이가 축소되기 전의 종래의 안테나와 유사한 수준을 갖는 안테나가 제공될 수 있다는 효과가 있다.

Description

간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나{Antenna provided with indirect coupling power feed and capacitive top loading structure}
본 고안은 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나, 더욱 상세하게는, 헬리컬 형상 또는 모노폴 형상을 갖는 안테나 본체1과 상기 안테나 본체1의 상단부에 연결되며 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부1로 형성되고, 상기 안테나 본체1의 하단부는 급전부와 연결된 제1안테나와; 헬리컬 형상 또는 모노폴 형상을 갖는 안테나 본체2과 상기 안테나 본체2의 상단부에 연결되며 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부2로 형성되고, 상기 안테나 본체2의 하단부는 접지면과 연결된 제2안테나를 포함하여 구성되고, 상기 캐패시티브 톱 로딩부1와 캐패시티브 톱 로딩부2는 일정간격 이격되어 서로 중첩되도록 설치되는 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나에 관한 것이다.
자동차용 라디오(FM/AM) 안테나는 일반적으로 종래에는 약 λ(파장)/16의 길이를 (약 180㎜) 갖는 도 1에 나타낸 것과 같은 헬리컬 안테나(10)가 주로 사용되었다. 그러나 자동차용 안테나는 주로 차량의 외관에 설치되기 때문에 안테나의 길이가 길어지면 자동차 외관으로부터 많이 돌출되어 자동차 외관미를 손상시키고, 안테나에 의해서 공기의 흐름이 교란되어 발생되는 풍절음이 커지고, 공기저항으로 인한 연비가 악화되기 때문에 안테나 길이를 축소해야 하나, 안테나 길이를 λ(파장)/16 이하로 축소하면 안테나의 대역폭과 방사효율이 안테나 길이가 축소됨에 따라서 급속히 저하된다는 문제점이 있었다.
상기와 같이 안테나의 길이가 축소됨에 따라서 안테나의 대역폭과 방사효율이 저하된다는 문제점을 해결하기 위해서 종래의 방법으로서 도 2에 나타낸 것과 같이 헬리컬 안테나(21)의 상단부에 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩(capacitive top loading)부(22)를 설치한 안테나(20) 또는 도 3에 나타낸 것과 같이 헬리컬 안테나(31)의 상단부에 나선형상의 인덕티브 톱 로딩(inductive top loading)부(32)를 설치한 안테나(30)의 구조를 이용하는 방법이 사용되었으나, 이 방법을 사용하여도 여전히 대역폭과 방사효율면에서 문제점을 해결하는 데 한계가 있었다.(도 1, 도 2, 도 3에서 미설명부호 40은 접지면을 나타낸다.)
본 고안은 종래의 안테나의 길이를 축소하면서도 안테나의 대역폭과 방사효율은 길이가 축소되기 전의 안테나와 유사한 수준을 갖는 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 고안은 헬리컬 형상 또는 모노폴 형상을 갖는 안테나 본체1과 상기 안테나 본체1의 상단부에 연결되며 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부1로 형성되고, 상기 안테나 본체1의 하단부는 급전부와 연결된 제1안테나와; 헬리컬 형상 또는 모노폴 형상을 갖는 안테나 본체2와 상기 안테나 본체2의 상단부에 연결되며 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부2로 형성되고, 상기 안테나 본체2의 하단부는 접지면과 연결된 제2안테나를 포함하여 구성되고, 상기 캐패시티브 톱 로딩부1와 캐패시티브 톱 로딩부2는 일정간격 이격되어 서로 중첩되도록 설치되는 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나를 제공한다.
본 고안의 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나 따르면 종래의 안테나의 길이를 축소하면서도 안테나의 대역폭과 방사효율은 길이가 축소되기 전의 종래의 안테나와 유사한 수준을 갖는 안테나가 제공될 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 헬리컬 안테나를 나타낸 개략도.
도 2는 종래의 캐패시티브 톱 로딩이 설치된 헬리컬 안테나를 나타낸 개략도.
도 3은 종래의 인덕티브 톱 로딩이 설치된 헬리컬 안테나를 나타낸 개략도.
도 4는 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나의 일실시예를 나타낸 사시도.
도 5는 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나의 일실시예를 나타낸 단면도.
도 6은 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나의 일실시예의 등가회로 및 작동 모드를 나타낸 모식도.
도 7은 개방형 공진안테나 및 단락형 공진안테나의 임피던스를 나타낸 도면.
도 8은 종래의 안테나와 본 고안에 따른 일실시예 안테나의 방사효율 성능을 나타낸 그래프.
도 9는 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나의 다른 실시예를 나타낸 사시도.
도 10은 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 고안자는 그 자신의 고안을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 고안의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 고안의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나의 일실시예를 나타낸 사시도 이다.
그리고 도 5는 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나의 일실시예를 나타낸 단면도이며, 이 도면들을 참조하면 본 고안의 일실시예에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나(100)는 헬리컬 형상을 갖는 안테나 본체1(111)과 상기 안테나 본체1(111)의 상단부에 연결되며 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부1(112)로 형성되고, 상기 안테나 본체1(111)의 하단부는 급전부(140)와 연결된 제1안테나(110)와; 헬리컬 형상을 갖는 안테나 본체2(121)과 상기 안테나 본체2(121)의 상단부에 연결되며 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부2(122)로 형성되고, 상기 안테나 본체2(121)의 하단부는 접지면(130)과 연결된 제2안테나(120)를 포함하여 구성되되, 상기 캐패시티브 톱 로딩부1(112)와 캐패시티브 톱 로딩부2(122)는 일정간격 이격되어 서로 중첩되도록 설치되는 것으로 구성된다.
상기 안테나 본체1, 안테나 본체2(111,121)는 종래의 노멀 모드 헬리컬 안테나의 형상을 가지나 그 길이는 종래의 노멀 모드 헬리컬 안테나 길이 보다 각각 적게 형성될 수 있으며, 본 일실시예에서는 각각 60㎜로 제작되었다.
그리고 상기 안테나 본체1, 안테나 본체2(111,121)는 종래의 모노폴 안테나의 폴 형상으로도 형성될 수 있다.
일반적인 노멀 모드 헬리컬 안테나에서는 나선 스프링 구조로 인하여 자기장이 서로 더해져 전기장에 비해서 상대적으로 높은 밀도의 자기장이 형성되고 이로 인해서 방사효율이 저하되기 때문에 전기장의 세기를 증가시켜 이를 개선하기 위해서 본 고안에서는 상기 안테나 본체1, 안테나 본체2(111,121)의 상단부에 각각 금속판으로 형성된 캐패시티브 톱 로딩부1(112)와 캐패시티브 톱 로딩부2(122)를 각각 설치한다.
또한, 일반적인 노멀 모드 헬리컬 안테나의 문제점인 안테나 길이가 짧아짐에 따른 대역폭의 급격한 감소를 보완하기 위하여 간접 커플링 급전구조를 사용하였다. 즉, 제1안테나(110)의 안테나 본체1(111)의 하단부는 급전부(140)와 연결되어 상기 급전부(140)로부터 상기 제1안테나(110)가 직접 급전되고, 안테나 본체2(121)의 하단부가 접지면(130)와 연결된 제2안테나(120)는 상기 제1안테나(110)와 상기 제2안테나(120)의 커플링에 의해서 간접 급전된다. 커플링에 대해서는 이하 상술한다.
도 6은 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나의 일 실시예의 등가회로 및 작동 모드를 나타낸 모식도로 이를 참조하면서 설명하면 본 고안에 따른 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나(100)에서는 여려 개의 공진 모드가 형성되며 각각의 공진 모드(도 6에는 제1차 모드, 제2차 모드 및 제3차 모드 만 표시되어 있다.)에서 전계의 세기가 가장 센 지점이 각각 다른 위치에서 형성된다. 그 중 2의 배수차 공진 모드(제2차, 제4차, 제6차..... 단 도 6에는 제2차 공진 모드만 나타나 있음)에서는 전계의 세기가 가장 센 지점이 캐패시티브 톱 로딩부1(112)와 캐패시티브 톱 로딩부2(122)의 사이에 형성되고, 이러한 방사패턴은 일반적인 노멀 모드 헬리컬 안테나의 방사패턴과 유사한 패턴이다.
도 7은 좌측에 개방형 공진안테나의 임피던스와 우측에는 단락형 공진안테나의 임피던스를 각각 나타낸 것으로, 이를 참조하면 개방형 공진안테나와 단락형 공진안테나를 전계 및/또는 자계의 커플링에 의해서 서로 연결할 경우 커플링의 양에 의해서 와이드 밴드 또는 듀얼 밴드를 갖는 하나의 안테나로 동작시킬 수 있다.
또한, 개방형 공진안테나와 단락형 공진안테나의 Q값을 조절하여서도 와이드 밴드 또는 듀얼 밴드를 갖는 하나의 안테나로 동작시킬 수 있다.
예를 들면 f2(개방형)주파수에서 임피던스 Z2(개방형)= R+jX이면 f2(단락형)주파수에서 임피던스 Z2(단락형)= R-jX이고, 개방형 공진안테나와 단락형 공진안테나를 커플링에 의해서 결합할 경우 임피던스의 허수 성분이 상쇄되어 전체 임피던스 Z2(개방형+단락형)= R이 되어 하나의 안테나로 작동하게 된다. 이때 f2와 f4 사이의 주파수를 상쇄시킬 경우 와이드 밴드를 갖는 안테나가 되고, f1 이나 f5 주파수를 상쇄시킬 경우 듀얼 밴드 안테나로 작동하게 된다.
본 고안의 일 실시예에서는 제1안테나(110)와 제2안테나(120)는 동일한 구조이므로 Q값이 같다고 가정하고, 이 두 개의 안테나(110, 120) 간의 커플링 양을 조절하였다. 여기서 두 개의 안테나(110, 120) 간의 커플링 양은 캐패시티브 톱 로딩부1(112)와 캐패시티브 톱 로딩부2(122)의 금속판의 면적과 간격(D)에 의해서 정해질 수 있으며, 캐패시티브 톱 로딩부1(112)와 캐패시티브 톱 로딩부2(122)의 금속판의 면적이 넓을수록 간격(D)이 좁을수록 커플링 양이 많아지고, 그 반대의 경우는 커플링 양이 적어진다.
또한, 자계의 커플링 양은 안테나 본체1, 안테나 본체2(111,121)의 헬리컬의 감긴 방향이 같고, 그 간격(d)이 좁으면 커플링 양이 많고, 안테나 본체1, 안테나 본체2(111,121)의 헬리컬의 감긴 방향이 반대이고 그 간격(d)이 크면 커플링 양이 적어지게 된다.
본 고안의 일 실시예에서는 제1안테나(110)와 제2안테나(120)의 커플링 양을 조절하여 듀얼 밴드 안테나를 구성하였으며, 두 개의 주파수 중 높은 주파수를 FM 밴드에서 동작하는 주파수로 한 안테나를 제작하였다. 즉, 제1안테나(110)와 제2안테나(120) 각각의 안테나의 크기는 f3 주파수에서 동작하는 크기이지만, 두 개의 안테나(110, 120)를 커플링에 의해서 결합한 안테나(100)는 f3주파수보다 높은 주파수인 f5에서 동작하는 안테나가 된다. 따라서, 상기 제1안테나(110)와 상기 제2안테나(120) 각각의 구조체는 FM주파수대역에서 동작하는 단일 안테나 구조체에 비해 상대적으로 사이즈가 더 크게 형성되면서도 상기 제1안테나(110)와 상기 제2안테나(120) 사이의 전계 및 자계 커플링 결합에 의하여 발생하는 고조파 신호인 f5가 FM주파수대역의 안테나특성을 만족하도록 형성된다.
일반적으로 주파수가 높아질수록 안테나의 크기는 작아진다. 그러나 본 고안에서 설명하는 방법을 사용하게 될 경우 높은 주파수(f5)에서도 낮은 주파수(f3)의 구조체를 사용해서 동작시킨다. 안테나의 구조체는 f5주파수에서 동작하는 단일 안테나보다는 큰 구조체가 사용되어 진다.
이러한 결과로 높은 효율을 가진 하나의 안테나가 만들어질 수 있다.
도 8은 종래의 안테나와 본 고안에 따른 일실시예 안테나의 방사효율을 나타낸 그래프이며, 여기서 측정에 사용된 비교 안테나로서 노멀 모드 헬리컬 안테나(10)는 180㎜ 길이로 제작되었으며, 종래의 캐패시티브 톱 로딩(capacitive top loading)부를 설치한 안테나(20)와 나선형상의 인덕티브 톱 로딩(inductive top loading)부를 설치한 안테나(30)와 본 고안에 따른 일실시예 안테나(100)는 각각 60㎜ 길이로 제작된 것이 사용되었으며, 무반사실에서 방사효율이 측정되었다.
이 그래프에의 범례에서 "제안된 구조"는 본 고안에 따른 일실시예 안테나(100)의 측정치를 나타낸다.
이 측정결과에 의하면 본 고안에 따른 일실시예 안테나(100)는 종래의 노멀 모드 헬리컬 안테나(10)의 길이의 1/3 길이로 노멀 모드 헬리컬 안테나(10)의 방사효율에 비해 약 2.5㏈ 낮은 방사효율을 달성할 수 있다.
도 9 , 도 10은 본 고안에 따른 다른 실시예를 나타낸 사시도 및 단면도이며, 이를 참조하면 본 고안의 일실시예에서는 안테나 본체1, 안테나 본체2(111,121)가 금속 로드 자체가 코일형태로 감겨서 형성되나, 다른 실시예에서는 제조공정을 간단히 하기 위하여 안테나 본체1, 안테나 본체2(211,221)가 PCB 형태로 형성되어 있다. 그러나 다른 구성은 일실시예와 다른 실시예에서 동등하고, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
미설명 부호 210, 220은 각각 제1 안테나와 제2 안테나를 각각 나타내며, 212과 222은 각각 캐패시티브 톱 로딩부1과 캐패시티브 톱 로딩부2를 각각 나타낸다.
그리고 일반적으로 AM 안테나는 파장이 길기 때문에 차량용 안테나에는 특별히 주파수를 튜닝하기 어렵다. 따라서 FM 안테나에서 동시에 AM 주파수도 동시에 수신하게 되며, 이때 AM 안테나로서 성능은 기생용량(Parasitic capacitance)에 의해 좌우된다. 이러한 기생용량을 줄이기 위해 제1안테나(110, 210)에 FM 신호는통과하나 AM 신호는 통과하지 못하는 필터(150)를 추가하여 AM 안테나로서 성능을 향상시킬 수 있다.
100 ,200; 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나 111, 121, 211, 221 ; 안테나 본체
112, 122, 212, 222 ; 캐패시티브 톱 로딩부
110, 210 ; 제1안테나
120, 220 ; 제2안테나
130 ; 접지면
140 ; 급전부
150 ; 필터

Claims (3)

  1. 급전부(140)와 접지면(130)이 구비된 자동차용 FM 및 AM 라디오 안테나에 있어서,
    상기 접지면(130)의 상부수직방향으로 헬리컬 안테나가 PCB 형태로 형성되는 안테나 본체1(211) 및 상기 안테나 본체1(211)의 상단부에 연결되며 상기 접지면(130)과 수평방향으로 평행을 이루며 금속판으로 형성되는 캐패시티브 톱 로딩부1(212)를 구비하고, 상기 안테나 본체1(211)의 하단부는 급전부(140)와 연결된 제1안테나(210)와;
    상기 접지면(130)의 상부수직방향으로 헬리컬 안테나가 PCB 형태로 형성되는 안테나 본체2(221) 및 상기 안테나 본체2(221)의 상단부에 연결되며 상기 접지면(130)과 수평방향으로 평행을 이루며 금속판으로 형성되는 캐패시티브 톱 로딩부2(222)를 구비하고, 상기 안테나 본체2(221)의 하단부는 접지면(130)과 연결된 제2안테나(220);를 포함하여 구성되며,
    상기 제1안테나(210)의 캐패시티브 톱 로딩부1(212)과 상기 제2안테나(220)의 캐패시티브 톱 로딩부2(222)는 일정간격 이격된 채 서로 중첩되도록 설치되어 상호간에 전계적으로 커플링 결합되고,
    상기 제1안테나(210)의 안테나 본체1(211)과 상기 제2안테나(220)의 안테나 본체2(221)는 서로 동일형상의 구조로 일정간격 이격된 채 형성되어 상호간에 자계적으로 커플링 결합되며,
    상기 제1안테나(210)와 상기 제2안테나(220) 각각의 구조체는 FM주파수대역에서 동작하는 단일 안테나 구조체에 비해 상대적으로 사이즈가 더 크게 형성되면서도 상기 제1안테나(210)와 상기 제2안테나(220) 사이의 전계 및 자계 커플링 결합에 의하여 발생하는 고조파 신호 중 어느 하나가 FM주파수대역의 안테나특성을 만족하도록 형성되며,
    상기 제1안테나(210)에는 FM 신호는 통과하나 AM 신호는 통과하지 못하는 필터(150)가 더 형성된 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나.
  2. 급전부(140)와 접지면(130)이 구비된 자동차용 FM 및 AM 라디오 안테나에 있어서,
    상기 접지면(130)의 상부수직방향으로 형성되며 코일구조의 헬리컬 형상을 갖는 안테나 본체1(111) 및 상기 안테나 본체1(111)의 상단부에 연결되며 상기 접지면(130)과 수평방향으로 평행을 이루며 금속판으로 형성되는 캐패시티브 톱 로딩부1(112)를 구비하고, 상기 안테나 본체1(111)의 하단부는 급전부(140)와 연결된 제1안테나(110)와;
    상기 접지면(130)의 상부수직방향으로 형성되며 코일구조의 헬리컬 형상을 갖는 안테나 본체2(121) 및 상기 안테나 본체2(121)의 상단부에 연결되며 상기 접지면(130)과 수평방향으로 평행을 이루며 금속판으로 형성되는 캐패시티브 톱 로딩부2(122)를 구비하고, 상기 안테나 본체2(121)의 하단부는 접지면(130)과 연결된 제2안테나(120);를 포함하여 구성되며,
    상기 제1안테나(110)의 캐패시티브 톱 로딩부1(112)과 상기 제2안테나(120)의 캐패시티브 톱 로딩부2(122)는 일정간격 이격된 채 서로 중첩되도록 설치되어 상호간에 전계적으로 커플링 결합되고,
    상기 제1안테나(110)의 안테나 본체1(111)과 상기 제2안테나(120)의 안테나 본체2(121)는 서로 동일형상의 구조로 일정간격 이격된 채 형성되어 상호간에 자계적으로 커플링 결합되며,
    상기 제1안테나(110)와 상기 제2안테나(120) 각각의 구조체는 FM주파수대역에서 동작하는 단일 안테나 구조체에 비해 상대적으로 사이즈가 더 크게 형성되면서도 상기 제1안테나(110)와 상기 제2안테나(120) 사이의 전계 및 자계 커플링 결합에 의하여 발생하는 고조파 신호 중 어느 하나가 FM주파수대역의 안테나특성을 만족하도록 형성되며,
    상기 제1안테나(110)에는 FM 신호는 통과하나 AM 신호는 통과하지 못하는 필터(150)가 더 형성된 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 간접 커플링 급전구조 및 캐패시티브 톱 로딩 구조를 갖는 안테나.
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