KR20160091847A

KR20160091847A - 다이폴 안테나

Info

Publication number: KR20160091847A
Application number: KR1020160075654A
Authority: KR
Inventors: 안병철; 조상우; 박철수
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2016-08-03

Abstract

본 발명은 동축선에 의해 급전되는 다이폴 안테나에 관한 것으로서 급전용 동축선 및 이와 동일한 형상과 크기의 벌룬용 동축선, 0.25파장 간격으로 구비된 다수의 벌룬용 단락판으로 구성된 일체형 벌룬에 의해 다이폴 도선에 대칭적 전류가 흐르고 이와 동시에 동축선 외부도체 외부표면으로 역류하는 전류가 억제되어 불필요한 전파방사가 방지되며, 다이폴 도선 간의 각도, 다이폴 급전용 동축선 내부도체의 위치 또는 형상을 이용하여 다이폴의 임피던스 정합이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

다이폴 안테나{A Dipole Antenna}

본 발명은 동축선에 의해 급전되는 다이폴 안테나에 관한 것으로, 특히 전기장 세기 측정용으로 단순한 일체형 벌룬 구조를 적용하여 급전 동축선으로부터의 방사를 억제하고 다이폴 도선에 동일한 크기의 전류가 흐르게 한 고성능 다이폴 안테나에 관한 것이다.

다이폴은 기본적인 안테나의 하나로서 단일 방사소자 형태 또는 배열 안테나의 방사소자 형태로 수 MHz 대역에서부터 수십 GHz 대역까지 사용되고 있다. 길이가 동작 주파수에서의 파장의 약 1/2인 금속도선의 중심을 절단하여 생긴 간극을 적절한 방법으로 급전한 것이 다이폴 안테나의 기본구조이다. 다이폴 도선으로 낮은 주파수의 경우 금속봉 또는 도선이 사용되나 파장이 작은 마이크로파 대역에서는 인쇄회로가 사용된다. 직선도선 다이폴 형태에서 변형된 보우타이 다이폴, 폴디드 다이폴, C형/V형 다이폴, 역C형/역V형 다이폴, 바이코니컬 다이폴, 평판 다이폴 등 다양한 형태의 다이폴이 사용된다. 기본구조인 직선도선 다이폴은 표준이득 안테나, EMC/EMI 인증시 전계강도 측정 안테나로 사용되고 있다. 이 경우 다이폴은 보통 동축선에 의해 급전되는 데 동축선과 다이폴을 직접 연결할 경우 다이폴의 구조는 기하학적으로 대칭적이나 동축선은 그렇지 않으므로 다이폴 두 도선의 전류가 동일하지 않은 불평형 상태가 되며 동축선 외부도체 외부표면으로 전류가 역류하여 동축선에서도 전파방사가 일어나 순수한 다이폴 안테나의 특성을 얻을 수 없다.

이 문제를 해결하기 위해 통상적으로 다이폴과 동축선 사이에 벌룬(balun)을 연결한다. 그러나 기존의 벌룬을 적용할 경우 구조가 복잡하고 다이폴의 임피던스 정합이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 동축선에 의해 급전되는 다이폴에 있어서 다이폴 전류의 불평형화와 동축선에 의한 전파방사를 방지하기 위한 단순한 방법을 제공하며 이와 동시에 다이폴의 임피던스를 용이하게 정합하는 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서 제시한 다이폴 안테나는 급전 동축선(동축선 1)의 내부도체를 다이폴 도선(도선 1) 중 하나에 연결하고 급전 동축선의 외부도체를 다이폴의 나머지 도선(도선 2)에 연결하며, 도선 1에 급전 동축선 1과 동일한 동축선(동축선 2)을 연결하여 구조적 대칭성을 얻고, 동축선 1과 동축선 2의 종단으로부터 0.25 파장 간격으로 다수의 위치에서 동축선 1과 동축선 2를 도체로 연결함으로써 도선 1과 도선 2의 전류를 동일하게 해(평형화 해) 동축선으로부터의 방사를 억제하고, 다이폴 도선 1과 도선 2가 이루는 각도하고 다이폴 급전 동축선 내부도체의 수평부의 위치 또는 형상을 조정하는 간단한 방법으로 다이폴의 임피던스를 정합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 다이폴 안테나는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 종래의 구조에 비해 동축선으로 급전되는 평형전류 다이폴 구조가 단순화된다.

둘째, 벌룬 연결시 다이폴의 임피던스 정합이 용이하다.

셋째, EMC/EMI 시험에서의 전기장 세기 측정용, 안테나 근접전계 측정용으로 적합한 다이폴 구조를 제공한다.

도 1은 본 발명에 의한 다이폴 안테나의 형상을 나타낸 단면도
도 2는 상기 도 1의 A-A'지점에서의 단면도
도 3은 상기 도 1의 B-B'지점에서의 단면도
도 4는 본 발명에 의한 다이폴 안테나의 각도 θ에 따른 반사계수를 나타낸 그래프
도 5는 본 발명에 의한 다이폴 안테나의 이득 패턴 특성을 나타낸 그래프
도 6은 본 발명에 의한 다이폴 안테나의 벌룬 유무에 따른 이득 패턴 특성을 나타낸 그래프

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다이폴 안테나에 대해 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성품의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 다이폴 안테나(100)의 단면도이다. 본 발명에 의한 다이폴 안테나의 주요 구성품은 도 1에서 보인 것과 같이 다이폴 오른쪽 도선(110a)과 왼쪽 도선(110b), 급전 동축선(120a), 벌룬용 동축선(120b), 벌룬용 단락판(160, 170), 동축선 커넥터(180) 등이다. 다이폴의 오른쪽 도선(110a)은 급전 동축선(120a)의 외부도체(121a)와 도 2에 도시된 것처럼 땜납(141a)에 의해 연결되며, 다이폴의 왼쪽 도선(110b)은 벌룬용 동축선(120b)의 외부도체(121b) 땜납(141b)에 의해 연결된다. 급전 동축선(120a)의 내부도체(130a) 수평부(131)는 급전 동축선(120a)의 상부종단(151a)과 벌룬용 동축선(120b)의 상부종단(151b)을 일정한 간격을 두고 수평방향으로 향한 다음 내부도체 납땜부(132)에서 다이폴의 왼쪽 도선(110b)에 납땜으로 연결된다. 동축선(120a)의 내부도체 수평부(131)와 동축선 상부종단(151a, 151b)의 간격 또는 수평부(131)의 형상은 다이폴의 임피던스 정합을 위해 적절한 값으로 조정된다. 다이폴 도선(110a, 110b)은 동축선 상부종단(151a, 151b)과 일치하는 지점(111a, 111b)에서 적절한 각도 θ로 휘어지며 각도 θ는 다이폴의 임피던스 정합을 위해 적절한 값으로 조정된다. 동축선(120a, 120b)의 상부종단(151a, 151b)과 하부종단(152a, 152b) 간의 거리는 본 발명에 의한 벌룬 일체형 다이폴(100)을 회로망분석기, 스펙트럼분석기, 프로브스테이션 등과 같은 계측기에 연결하여 사용하기 편리한 값으로 한다. 중심 주파수에서의 파장의 0.25배 간격으로 동축선(120a, 120b)의 상부종단(151a, 151b)과 하부종단(152a, 152b) 사이에 추가적인 단락판(170)을 다수 설치함으로써 급전 동축선(120a)의 외부도체(121a)의 외부표면으로 급전 동축선(120a)의 전류가 역류하는 것을 추가적으로 억제한다. 추가적인 단락판(170)은 땜납(162a, 162b)에 의해 동축선(120a, 120b)의 외부도체(121a, 121b)와 연결된다. 급전 동축선(120a)의 하부종단(152a)에는 동축선 커넥터(180)를 구비하여 본 발명에 의한 다이폴 안테나(100)가 계측기 또는 장비의 케이블에 연결될 수 있게 한다.

도 2는 상기 도 1의 A-A' 지점에서의 단면도이다. 다이폴의 오른쪽 도선(110a)의 전류는 급전 동축선(120a)의 외부도체(121a)를 통해 공급되며, 다이폴의 왼쪽 도선(110b) 전류는 급전 동축선의 내부도체(130a)를 통해 공급된다. 벌룬용 동축선(120b)은 상기 급전용 동축선(120a)과 크기와 모양이 동일한 것을 사용한다. 상기 벌룬용 동축선(120b)의 내부도체(130b)는 구조적 대칭성을 위해 사용되었으며 벌룬용 동축선 상부종단(151b)과 하부종단(152b) 지점에서는 아무 것과 연결되지 않고 개방상태로 둔다.

도 3은 상기 도 1의 B-B' 지점에서의 단면도이다. 급전 동축선(120a)의 외부도체(121a)의 외부표면으로 급전 동축선(120a)의 전류가 역류하는 것을 억제하기 위해 상기 동축선의 상부종단(151a, 151b)으로부터 간격 L을 두고 도 1에 도시된 것과 같이 벌룬용 단락판(160)을 동축선(120a, 120b)의 외부도체(161a, 161b)와 납땜으로 연결한다. 간격 L은 동작 중심 주파수에서의 파장의 0.25배 값으로 한다. 상기 벌룬용 단락판(160)으로서 금속판에 구멍이 뚫린 기본적 구조를 사용하거나 한 개 또는 두 개의 금속봉이 두 동축선(120a, 120b)에 납땜되는 구조를 사용할 수 있다.

위와 같은 구조의 본 발명에 의한 다이폴 안테나는 구조가 매우 단순하며 동시에 우수한 성능을 제공한다. 도 4는 본 발명에 의한 벌룬 일체형 다이폴 안테나의 각도 θ에 따른 반사계수를 나타낸 그래프이다. 상기 그래프에서 확인할 수 있듯이 다이폴 도선의 각도 변경만으로 손쉽게 임피던스 정합이 가능하다. 상기 그래프의 경우 2.2GHz 대역의 안테나를 예시로 든것 뿐이며, 다른 주파수 대역에서도 같은 방법을 통해 임피던스 정합이 가능하다. 상기 예시의 안테나의 경우 θ=140도에서 우수한 임피던스 정합 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.

도 5와 도 6은 본 발명에 의한 다이폴 안테나의 이득 패턴 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5는 벌룬이 적용되어 급전용 동축선으로부터의 방사가 억제된 순수한 형태의 다이폴 안테나 이득 패턴으로, 대칭적 형태를 보이고 있다. 도 6은 벌룬이 적용된 형태와 적용되지 않은 형태의 다이폴 이득 패턴을 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 6의 Elevation Plane 그래프(310)를 보면 벌룬이 적용되지 않은 경우 급전용 동축선으로부터 의도하지 않는 방사가 이루어져 이득 패턴이 변형된 것을 확일 할 수있다. 본 발명에서는 벌룬을 다이폴 안테나에 일체화 시킨 간단한 구조만으로 이와같은 문제를 해결하였다.

100 : 다이폴 안테나
110a, 110b : 다이폴 도선
120a : 급전용 동축선
120b : 벌룬용 동축선
130a : 급전용 동축선 내부도체
160, 170 : 벌룬용 단락판
180 : 동축선 커넥터

Claims

방사가 이루어지는 다이폴 도선, 상기 다이폴 도선 급전용 동축선, 상기 급전용 동축선과 대칭으로 배치되어 전파방사를 방지하기 위한 벌룬용 동축선, 상기 두 동축선의 외부도체에 납땜으로 고정되는 다수의 벌룬용 단락판, 상기 급전용 동축선의 하부종단에 연결하여 안테나를 급전시키는 동축선 커넥터로 구성되는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나
제 1 항에 있어서, 급전용 동축선, 상기 급전용 동축선과 평행하게 배치되어 양 도선에 동일한 전류를 보내기 위한 벌룬용 동축선, 상기 급전용 동축선과 벌룬용 동축선의 외부도체를 연결해 주는 다수의 벌룬용 단락판으로 구성된 일체형 벌룬이 구비된 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나
제 1 항에 있어서, 다이폴의 두 도선 사이의 각도, 상기 다이폴 도선에 납땜으로 연결되는 급전용 동축선 내부도체 수평부의 위치 또는 형상을 조정하여 다이폴의 임피던스를 정합시키는 것을 특징으로 하는 다이폴 안테나