KR20110083425A - 다중공진 헬리컬안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중공진 헬리컬 안테나에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따르면 헬리컬 타입인 안테나부; 안테나부에 기생공진대역이 형성되어 다중대역에서 공진이 가능하게 하도록 안테나부의 외부에 근접하게 배치되는 인덕턴스 소자; 및 안테나부의 하단부에 형성되고 외부회로와 전기적으로 연결되는 급전부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중공진 헬리컬안테나가 제공된다.

Description

다중공진 헬리컬안테나{MULTI-RESONANCE HELICAL ANTENNA}

본 발명은 다중공진 헬리컬안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 헬리컬 안테나로 라디오 및 디엠비 대역과 같은 2개 이상의 공진대역에서 공진할 수 있는 다중공진 헬리컬안테나에 관한 것이다.

최근에는 디엠비(DMB) 서비스가 가능해짐에 따라 DMB 수신용 안테나가 개발 보급되고 있는데. DMB는 신호전송의 방식에 따라 지상 DMB(T-DMB)와 위성 DMB(S-DMB)로 구분된다. 따라서 라디오방송과는 사용 주파수대역이 다른 지상 DMB 수신용 안테나나 위성 DMB 수신용 안테나 등이 더 필요하게 되었다.

대부분의 안테나의 경우에는 RLC 분포정수에 의해 임피던스 및 공진점이 형성되며, 헬리컬 안테나의 경우에는 안테나 길이를 단축하는 용도로 많이 사용되고 있다.

헬리컬 안테나의 경우에는 통상적으로 최초 공진주파수외에 고주파수에서 기생공진 주파수 대역이 발생할 수 있는데, 최초 공진주파수와 기생공진 주파수 대역을 적절히 설정하여 이중대역을 수신할 수 있는 안테나를 설계할 수 있다.

도 1b는 도 1a의 샤크핀형 안테나(A)로서, 종래의 방식인 헬리컬 안테나 내부에 인덕턴스성분을 지닌 도체를 삽입한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도인데, 이는 헬리컬 안테나(1) 중앙에 RF회로적으로 인덕턴스 성분(2)을 삽입한 것으로, 좁은 대역폭 특성으로 안테나 효율이 좋지 못한 단점이 있다.

즉, 이중공진은 쉽게 형성되지만, 헬리컬 안테나의 문제점인 좁은 대역폭이 더욱 좁아지는 문제가 있고, 헬리컬 안테나의 인덕턴스 성분과 중앙에 설치되는 인덕턴스 성분 사이에 존재하는 분포용량 성분이 인덕턴스 성분 증가보다 훨씬 크게 증가되어, 안테나 이득이 저하되는 문제가 있다.

또한 헬리컬 안테나 중앙에 별도의 몰딩금형을 제작하여야 하는 관계로 제작단가가 상승한다.

도 1c는 종래의 방식인 2개의 헬리컬 안테나를 직렬로 연결한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도인데, 안테나의 제작이 어렵고 실용화하기 곤란한 방식이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일 실시예는 헬리컬안테나의 중앙에 인덕턴스 성분을 삽입하는 것이 아니라, 헬리컬 안테나의 외부측면에 인덕턴스 소자를 근접하게 배치함으로써, 대역폭을 증가시키고 다중대역에서 공진이 가능하게 하는 다중공진 헬리컬안테나를 제공하는 것과 관련된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예는 헬리컬 타입인 안테나부; 안테나부에 기생공진대역이 형성되어 다중대역에서 공진이 가능하게 하도록 안테나부의 외부에 근접하게 배치되는 인덕턴스 소자; 및 안테나부의 하단부에 형성되고 외부회로와 전기적으로 연결되는 급전부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중공진 헬리컬안테나가 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 첫째, 기존의 헬리컬 안테나의 중앙에 인덕턴스를 삽입하는 방식보다 2차 공진주파수대역에서의 대역폭이 약 2배정도 넓어지는 효과가 있다.

둘째, 헬리컬 안테나 측면에 설치되는 인덕턴스 성분이 안테나 실효고를 상승시켜, 약간의 모노폴 안테나 성분을 제공하게 되는 효과가 있다.

셋째, 헬리컬 안테나 중앙에 인덕턴스를 삽입하기 위한 별도의 몰딩금형을 제작할 필요가 없어 제작단가가 낮아지는 효과가 있다.

넷째, 헬리컬 안테나의 측면에 설치되는 인덕턴스의 형태에 변화를 주면 1/4 파장의 정수배와 관계없이 많은 차수의 기생공진대역을 설정할 수 있는 장점이 있다.

도 1a는 자동차에 장착된 샤크핀형 안테나(A)를 도시한 사시도,
도 1b는 도 1a의 샤크핀형 안테나(A)로서, 종래의 방식인 헬리컬 안테나 내부에 인덕턴스성분을 지닌 도체를 삽입한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도,
도 1c는 종래의 방식인 2개의 헬리컬 안테나를 직렬로 연결한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 하나의 직선형상의 인덕턴스 소자를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 두 개의 직선형상의 인덕턴스 소자를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 U자형상의 인덕턴스 소자를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 두 개의 띠형상의 인덕턴스 소자를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 나선형상의 인덕턴스 소자를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나와 종래의 헬리컬 안테나 내부에 인덕턴스 소자를 삽입한 방식의 회로특성의 차이를 나타내는 그래프이다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 하나의 직선형상의 인덕턴스 소자(20)를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도를 도시한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나는 헬리컬 타입인 안테나부; 상기 안테나부에 기생공진대역이 형성되어 다중대역에서 공진이 가능하게 하도록 상기 안테나부의 외부에 근접하게 배치되는 인덕턴스 소자; 및 상기 안테나부의 하단부에 형성되고 외부회로와 전기적으로 연결되는 급전부를 포함하여 이루어지도록 형성된다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나는 급전부(30)가 형성된 헬리컬타입의 안테나부(10)의 하단부에서 안테나부(10)의 선단방향으로 소정길이만큼 연장된 인덕턴스 소자(20)가 설치되어 있고, 상기 인덕턴스 소자(20)는 안테나부(10)의 외부측면과 소정거리로 이격되어 있고, 원통형 또는 기타의 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 인덕턴스 소자(20)는 절연체을 이용하여 상기 안테나부(10)의 외부 측면의 특정 위치에 고정시키거나, 안테나의 외주면에 절연성 커버를 씌우고 도전성 페이스트를 인쇄하거나, 금속링이나 스프링 코일 또는 금속판을 안테나와 커버 사이에 접착하거나 다른 보조물을 이용하여 특정위치에 지지시킬 수 있다.

또한 헬리컬 안테나를 감싸고 있는 고무재질내에 인덕턴스 발생성분인 고무와 함께 성형사출하는 등의 방법으로 기존방식보다 제작단가를 낮출 수 있다.

기존의 헬리컬 안테나의 중앙에 인덕턴스를 삽입하여 이중공진대역을 설정하는 방식은 현실적으로는 2개 이상의 다중공진을 설계하기가 어렵고, 이중공진의 형성은 쉽게 되지만 과도한 분포용량 성분의 증가로 인해 안테나 이득이 매우 낮게 되고, 대역폭이 좁아지는 문제가 있다.

그러나 헬리컬 안테나 주위에 유전체가 근접되면, 본래 가지고 있는 헬리컬 안테나의 기본 LC분포정수 회로성분에서 추가적으로 분포 인덕턴스 및 분포용량 성분을 증대시키면서, 제2차 기생공진이 발생한다.

인덕턴스 성분 및 분포용량성분이 증가함으로 인해 공진주파수가 낮게 설정되어, 헬리컬 안테나 자체의 길이단축효과가 발생하는 것외에 헬리컬 안테나 측면의 유전체의 길이나 위치를 조정함으로써 1/4파장의 정수배 또는 기생공진대역에서 공진하게 할 수 있다.

즉 기생공진 현상을 적극적으로 이용하여, 원래의 헬리컬 안테나의 제1차 공진주파수를 약 140~150MHz 부근에 공진되도록 헬리컬 안테나를 설계하고, 측면에 인덕턴스 성분을 가지는 도전체 또는 유전체를 위치하도록 하면, 제2차 기생공진 주파수가 형성되는데, 소정의 길이 및 위치로 본래의 헬리컬 안테나와 근접시키면, 제1차 기생공진주파수는 약 100MHz, 제2차 기생공진주파수는 약 200MHz 부근에 공진시킬 수가 있게 된다. 이렇게 함으로써, 한 개의 헬리컬 안테나를 이용하여 2개이상의 주파수에 공진대역을 설정할 수 있게 되므로 하나의 안테나로서 다중공진에 공진을 할 수 있게 된다.

또한 헬리컬 안테나 측면에 설치되는 인덕턴스 형태에 변화를 주면 1/4 파장의 정수배와 관계없이 많은 차수의 기생공진대역을 설정할 수가 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나는 측면에 인덕턴스 성분을 갖는 도체를 부착하여, 헬리컬 안테나 자체의 인덕턴스 성분과 분포용량성분을 증가시켜 제1차 공진주파수는 낮은 주파수로 이동하면서 약 100MHz지점에 공진을 시키고, 2차 공진주파수는 약 200MHz 지점에 공진할 수 있도록 인덕턴스 길이를 적당히 조정하고 헬리컬 안테나 측면에 적정한 위치를 설정하여 공진주파수를 설계한다.

본 발명과 같이 헬리컬 안테나 측면에 인덕턴스를 삽입함으로 인해, 기존방식인 중앙에 인덕턴스를 삽입하는 방식보다, 제2차 공진주파수에서 대역폭이 약 2배정도 넓어져, 국내 DMB 방송주파수인 174 ~ 220MHz를 실용상 문제없을 정도의 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한 헬리컬 안테나 측면에 인덕턴스 성분을 추가함으로써 안테나의 실효면적을 증대시키는 효과가 있다. 즉, 안테나 실효이득은 공진주파수 대역을 벗어났을 경우에는 안테나 실효높이와 비례하는데, 헬리컬 안테나 측면에 설치되는 인덕턴스 성분(실제는 일직선 형태의 도선)이 안테나 실효고를 상승시켜 약간의 모노폴 안테나 성분을 제공하게 되는 효과가 있다.

본 명세서에서의 인덕턴스소자는 DC회로적으로는 도체 또는 마그네트코아 등 유전체를 의미하나, 통상 100MHz 이상에서는 인덕턴스로 작용을 하기 때문에, 편의상 인덕턴스로 표현하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나는 인덕턴스 소자(20)가 직선형상으로 이루어지도록 형성된다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나는 상기 인덕턴스 소자(20)가 직선형상으로 형성되고, 절연체을 이용하여 헬리컬 안테나의 외부 측면에 근접 고정되도록 설치된다.

상기 인덕턴스 소자(20)의 길이는 원하는 주파수대역에서 공진주파수를 설정할 수 있도록 소정길이로 조정할 수 있다.

또한 상기 인덕턴스 소자(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 헬리컬 안테나의 급전부(30)가 형성된 하단부에 고정 설치될 수도 있고, 또는 도 3에 도시된 바와 같이 헬리컬 안테나의 중앙부, 또는 도 4에 도시된 바와 같이 안테나의 선단부에 고정되도록 설치될 수도 있다. 이처럼 인덕턴스 소자(20)의 위치를 변경함으로써 원하는 주파수대역에서의 공진주파수를 설정할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 두 개의 직선형상의 인덕턴스 소자(20)를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도이다.

상기 두 개의 직선 형상의 인덕턴스 소자(20)는 도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예와 마찬가지로 원하는 주파수대역에서 공진주파수를 설정할 수 있도록 소정의 길이로 조정되고, 헬리컬 안테나의 하단부, 중앙부, 선단부에 설치하는 등 다양한 길이와 위치조정으로 설계가 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 U자형상의 인덕턴스 소자(20)를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나는 인덕턴스 소자(20)가 U자형상으로 이루어지도록 형성된다.

상기 인덕턴스 소자(20)는 도 2 내지 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나와 동일한 구조이나, 인덕턴스 소자(20)의 형상에 차이가 있다. 즉 두 개의 직선형상의 인덕턴스소자가 안테나의 선단부에서 연결되어 U자형상으로 이루어지며, 안테나부(10)의 하단부를 향하여 설치된다. 설치방법은 이미 전술한 본 발명의 다른 일 실시예와 동일하다.

따라서 U자형상의 인덕턴스 소자(20)의 길이와 폭, 위치 등을 조정하여 원하는 대역에서의 다중공진 헬리컬 안테나를 설계할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 외부측면에 두 개의 띠 형상의 인덕턴스 소자(20)를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나는 인덕턴스 소자(20)가 띠 형상으로 이루어지도록 형성된다.

상기 인덕턴스 소자(20)도 도 2 내지 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나와 동일한 구조를 가지나, 다만 형상에 있어서 띠 형상으로 이루어진다. 띠의 폭을 조정하여 링 형상이 될 수도 있고 폭이 넓은 띠 형상이 될 수도 있으며, 원형의 띠 형상에 국한되지 않고 각형의 띠 형상으로 이루어질 수도 있다.

또한 도 7에 도시된 바와 같이 두 개의 띠 형상 뿐만 아니라 한 개 또는 수 개의 띠 형상으로 이루어 질 수도 있다. 또한 원형의 띠 형상외에 원호의 띠 형상으로도 형성될 수 있다.

이와 같이 인덕턴스 소자(20)의 길이나 헬리컬 안테나로부터의 이격된 위치조정외에 띠의 형상의 변화와 띠의 폭이나 원호가 열려져 있는 방향 등의 조절을 통해서도 다양한 주파수대역에서의 공진주파수 설계가 가능하게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나의 외부측면에 나선형상의 인덕턴스 소자(20)를 설치한 다중공진 헬리컬 안테나의 사용상태도이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나는 상기 인덕턴스 소자(20)가 나선형상으로 이루어지도록 형성된다.

제3차 이상의 공진주파수 대역은 나선형상의 인덕턴스 성분을 헬리컬 안테나에 설치하여 설정할 수가 있는데, 예를 들면 제1차 100Mhz, 제2차 기생공진주파수 200Mhz, 제3차 기생공진주파수 250Mhz 등으로 공진주파수를 설정할 수 있다.

상기 나선형상의 인덕턴스 소자(20)는 상기 안테나부(10)의 선단부나 중앙부 또는 하단부에 치우쳐 고정될 수도 있고, 안테나 부 전체에 걸쳐 형성될 수도 있다.

또한 나선형상의 인덕턴스 소자(20)는 길이나 위치 조정외에 피치의 조정을 통해서도 다양한 주파수대역에서의 공진주파수 설계가 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나는 인덕턴스 소자(20)가 둘 이상으로 이루어지도록 형성된다. 도 5에 도시된 직선형상의 인덕턴스 소자(20) 뿐만 아니라, U자형상 이나 띠형상, 나선형상의 인덕턴스 소자(20)도 둘 이상 설치하여 공진주파수를 설계할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나와 종래의 헬리컬 안테나 내부에 인덕턴스 소자(20)를 삽입한 방식의 회로특성의 차이를 나타내는 그래프이다.

상기 그래프는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나와 도 1b에 도시된 헬리컬 안테나 내부에 인덕턴스가 삽입된 기존방식의 안테나의 공진주파수 및 입력반사계수(S11)를 실제로 측정하여 입력 임피던스 50Ω 을 기준으로 규준화(Normalize)한 측정데이터이다.

상기 그래프를 통하여 점선으로 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 다중공진 헬리컬 안테나가 실선으로 도시된 종래의 이중공진 헬리컬 안테나보다 2차 공진주파수대역에서 대역폭이 약 2배정도 넓은 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

즉, 제1차 공진주파수대역(100)에서는 종래의 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나가 거의 동일한 공진특성과 반사계수(S11) 및 대역폭을 나타내고 있지만, 제2차 공진주파수 대역(200,300)에서는, 공진주파수 및 입력반사계수(S11)는 거의 동일하지만 대역폭은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 안테나가 약 2배정도 넓은 것을 알 수 있다. 또한 제2차 공진주파수 대역에서의 안테나 이득을 비교하였을 때 약 2~3dBi 정도 좋게 나타나고 있다.

여기서 입력반사계수(S11)라 함은, 안테나의 특성임피던스 50Ω을 기준으로 한 정재파비를 S11파라미터로 대체 측정한 값을 의미한다.

10 : 안테나부 20 : 인덕턴스 소자
30 : 급전부

Claims (6)

1. 헬리컬 타입인 안테나부;
   상기 안테나부에 기생공진대역이 형성되어 다중대역에서 공진이 가능하게 하도록 상기 안테나부의 외부에 근접하게 배치되는 인덕턴스 소자; 및
   상기 안테나부의 하단부에 형성되고 외부회로와 전기적으로 연결되는 급전부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중공진 헬리컬안테나.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 인덕턴스 소자는 직선형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중공진 헬리컬안테나.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 인덕턴스 소자는 U자 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중공진 헬리컬안테나.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 인덕턴스 소자는 띠형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중공진 헬리컬안테나.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 인덕턴스 소자는 나선형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중공진 헬리컬안테나.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인덕턴스 소자는 둘 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중공진 헬리컬 안테나.
   

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