KR20230068502A - 누설 동축 케이블 - Google Patents

Abstract

내부 도체와, 내부 도체의 외주면에 위치하는 절연체와, 절연체의 외주면에 위치하며 전자기파의 방사를 위한 복수의 방사슬롯이 형성된 외부 도체와, 외부 도체로부터 이격되어 위치하는 지지선과, 외부 도체 및 지지선을 피복하는 외피를 포함하는 누설 동축 케이블은 내부 도체의 축선과 지지선의 축선은 수직방향에 대하여 기설정된 수직영역범위 이내에 배치된 상태에서 복수의 방사슬롯 중 최상측과 최하측은 내부 도체의 축선을 중심으로 수직방향에 대하여 소정 각도범위 이내의 측면에 형성된다.

Description

누설 동축 케이블 { Leaky coaxial cable}

본 발명은 누설 동축 케이블에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터널 내의 열차로 전자파를 전달하는 누설 동축 케이블에 관한 것이다.

일반적으로, 터널, 지하 철로, 건물 지하 및 밀폐 공간 등과 같이 디스크리트 안테나(Discrete Antenna)로 무선 주파수(Radio Frequency, 이하 RF라 칭함.)를 충분히 송수신할 수 없는 장소에 누설 동축 케이블(Leaky Coaxial Cable)이 사용된다. 여기서, 누설 동축 케이블은 전송 라인(Transmission Line)과 안테나의 역할을 동시에 한다.

누설 동축 케이블은 길이 방향을 따라 구비된 복수의 슬롯(Slot)을 통해 전파의 방사가 이루어지도록 한 케이블로서, 슬롯의 주기나 형태를 조절하여 사용 주파수에 따른 전파 방사 방향 및 파형을 자유롭게 설계할 수 있고, 어떠한 형태의 전파 음영지역이라도 포설이 용이하다.

이러한 누설 동축 케이블은 FM, Pager, Cellular 대역에서만 사용할 수 있었으나, 최근 이동통신 서비스가 광대 역(Broadband) 주파수로 발전함에 따라 UHF 대역까지 전송시킬 수 있는 광대역 RF용 누설 동축 케이블(예컨데, RFCX 및 RFCL)이 사용되고 있다.

광대역 RF용 누설 동축 케이블은 다양한 주파수 대역에 대응하는 방사 모드(Radiation Mode)가 형성되도록 설계되며, 중앙 제어국이나 외부의 기지국과 통신이 가능한 시스템에 적용된다. 여기서, 전술한 시스템은 업링크 (Up-Link) 및 다운링크(Down-Link) 주파수 범위를 포함하는 대역폭 즉, 순방향과 역방향의 주파수 대역폭을 이용한다.

누설 동축 케이블의 구조는 터널내에서 벽에 클램프를 설치하고 지지선을 클램프에 물려 누설 동축 케이블을 고정하는데 이에 따라 방사용 슬롯은 지지선과 일반적으로180도 방향으로 이격된다. 터널의 경우 벽의 천정에 클램프를 설치하고 지지선을 클램프에 물려 사용하면 방사용 슬롯의 형태는 땅을 향하게 된다. 따라서 정작 전자파가 전달되어야 하는 열차에는 벽에 반사되어 전자파의 손실이 커진다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 터널 내의 열차 등의 내부에서 운영되는 통신장치와 송수신하는 무선신호의 감쇠를 최소화할 수 있는 누설 동축 케이블을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내부 도체와, 상기 내부 도체의 외주면에 위치하는 절연체와, 상기 절연체의 외주면에 위치하며 전자기파의 방사를 위한 복수의 방사슬롯이 형성된 외부 도체와, 상기 외부 도체로부터 이격되어 위치하는 지지선과, 상기 외부 도체 및 지지선을 피복하는 외피를 포함하는 누설 동축 케이블은, 상기 내부 도체의 축선과 상기 지지선의 축선을 연결한 선에 대해 수직방향을 기준으로 기 설정된 수직영역범위 이내에 배치된 상태에서 상기 복수의 방사슬롯 중 최상측과 최하측은 상기 내부 도체의 축선을 중심으로 수직방향에 대하여 50도 이내의 측면에 형성된다. 방사슬롯을 측면방향으로 향하게 하여 터널 내의 열차에 전자파를 잘 전달시킬 수 있도록 하며, 방사슬롯의 촤상측과 촤하측의 각도를 조절하여 지지선과 커플링되어 감쇠량 공진이 발생되는 것을 최소화할 수 있어 열차로의 전자파 전달효율이 향상될 수 있다.

여기서, 상기 방사슬롯은 중심선을 따라 소정 길이를 갖는 꺾쇠형(Chavron Type) 홈이고, 상기 꺾쇠형 홈은 길이 방향의 중심에서 좌ㆍ우가 대칭하도록 한번 이상의 꺾임 횟수를 가지면 슬롯 구조에 따른 공진 주파수가 이동 통신 주파수의 대역과 겹치지 않도록 할 수 있어 바람직하다.

그리고 상기 외부도체는 상기 방사슬롯의 상부영역 및 하부영역으로부터 돌출되어 전자기파의 방사방향을 제한하기 위한 돌출부를 가지면 지지선과 커플링되어 감쇠량 공진이 발생되는 것을 최소화하면서 열차로의 전자파 전달효율이 더욱 향상될 수 있어 바람직하다.

여기서, 상기 돌출부는 상기 외부 도체와 일체형으로 형성되면 제조효율이 향상될 수 있어 바람직하다.

그리고 상기 돌출부의 모서리는 라운딩 진 형상이면 고주파 신호가 집중되지 않도록 할 수 있어 바람직하다.

본 발명에 따르면 방사슬롯의 촤상측과 촤하측의 각도를 조절하여 지지선과 커플링되어 감쇠량 공진이 발생되는 것을 최소화할 수 있어 열차 등의 내부에서 운영되는 통신장치와 송수신하는 무선신호의 전달효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 누설 동축 케이블의 사시도이다.
도 2는 도 1의 누설 동축 케이블의 단면도이다.
도 3은 측방 방사슬롯에 대한 감쇠량 공진을 나타내는 그래프이다.
도 4는 꺽쇠형 방사슬롯의 예시도이다.
도 5는 돌출부의 예시도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 누설 동축 케이블(1)을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 누설 동축 케이블(1)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 누설 동축 케이블(1)의 단면도이다.

누설 동축 케이블(1)은 터널, 지하 철로, 건물 지하 및 밀폐 공간에 위치한 사용자단말기의 이동 통신을 위한 광대역 송수신을 가능하게 하기 위한 것이다.

누설 동축 케이블(1)은 내부도체(10), 절연체(20), 외부도체(30), 지지선(40) 및 외피(50)를 포함한다.

내부 도체(10)는 도전성 있는 금속 소재의 도선이다. 금속 소재로는 동(Copper) 또는 동복 알루미늄(Copper clad Aluminum)이 선택적으로 채택될 수 있고 형태는 충실형이나 중공형 관일 수 있으며, 누설 동축 케이블(1)에 송수신된 전자기파 에너지의 전송라인(Transmission Line)이다.

절연체(20)는 내부 도체(10)와 외부 도체(30) 간에 개재된 절연층으로 내부 도체(10)와 외부 도체(30) 간을 절연하고, 전자기파 에너지의 손실을 방지하는 절연 물질로 이루어져 있다. 절연 물질로는 발포 플라스틱 또는 플라스틱 복합 절연물이 선택적으로 채택될 수 있다.

외부 도체(30)는 도전성 있는 금속 소재의 전자기파 차폐층으로 접지선에 의해 접지(Earth)된다. 금속 소재로는 동(Copper) 또는 알루미늄(Aluminum)이 선택적으로 채택될 수 있고 형태는 중공형 관 또는 라미네이트형 테이프 일 수 있다.

외부 도체(30)에는 방사슬롯(31 내지 n)이 형성되어 절연체(20)의 일부가 누설 동축 케이블(1)의 축방향을 따라 규칙적으로 노출될 수 있도록 하며, 노출된 방사 슬롯(31 내지 n)을 통해 전자기파 에너지가 방사 및 흡수될 수 있도록 한다.

도2와 같이 방사 슬롯(31 내지 n) 각각은 내부 도체(10)의 축선과 지지선(40)의 축선을 연결한 선에 대해 수직방향을 기준으로 기 설정된 수직영역범위 이내에 배치된 상태에서 최상측과 최하측은 내부 도체(10)의 축선을 중심으로 수직방향에 대하여 소정 각도범위(α) 이내의 측면에 형성된다.

방사슬롯(31 내지n)은 내부 도체(10)의 축선을 중심으로 수직방향에 대하여 50도 이내의 각도범위(α)를 가질 수 있다.

방사슬롯(31 내지 n)은 누설 동축 케이블(1)의 축방향을 따라 외부 도체(30)에 주기적으로 형성되고, 전파의 방사 방향과 방사량을 고려하여 '-'자형, 'V'자형, 꺾쇠형(Chevron Type) 등 적절한 형상이 적절한 각도와 간격으로 배치되어 구성될 수 있다.

외부 도체(30)는 방사슬롯의 상부영역 및 하부영역으로부터 돌출되어 전자기파의 방사방향을 제한하기 위한 돌출부(30-1 내지 n)를 가질 수 있다. 돌출부(30-1 내지n)에 대응하는 외피(50)의 위치는 홈이 형성되어 돌출부(30-1 내지n)를 수용하도록 할 수 있다.

지지선(40)은 터널 내에서 벽에 클램프를 설치하고 클램프에 물리거나 걸어 누설 동축 케이블(1)을 고정하는데 사용되고 높은 인장력을 제공하기 위해 철선(steel wire) 등 금속 재질이 주로 사용된다.

외피(50)는 외부 도체(30)의 부식을 방지하고 외부로부터의 물리적으로 보호하기 위한 플라스틱 소재의 부식 방지층으로 지지선(40)과 외부 도체(30)를 수용하여 지지할 수 있다.

터널의 경우 측벽의 상측에 클램프를 설치하고 지지선(40)을 클램프에 물리게 되면 내부 도체(10), 절연체(20), 외부 도체(30)는 하방을 향하게 되고 방사슬롯(31 내지 n)이 하방을 향하게 되는 경우 정작 전자파가 전달되어야 하는 열차에는 벽에 반사되어 전파되어 손실이 커진다. 그러므로 내부 도체(10), 절연체(20), 외부 도체(30)는 하방을 향한 상태에서 방사슬롯(31 내지 n)은 측방을 향하도록 하는 것이 효율적이다.

그러나 도 3을 참조하면, 측방으로 형성된 방사슬롯(31 내지 n)으로 인하여 특정 주파수에서 감쇠량 공진이 발생하여 그 주파수에서는 이동 통신을 위한 광대역 송수신을 하는 사용자단말기를 사용할 수 없다. 이는 측방으로 형성된 방사슬롯(31 내지 n)에서 방사되는 고주파 신호가 금속 재질의 지지선(40)과 커플링 되어 감쇠량 공진이 발생하는 것이다.

도 3 (a)는 조가선과 슬롯 중심부가 이루는 각도가 180°인 경우의 주파수 별 감쇠량을 Keysight社의 E5071C ENA Vector Network Analyzer로 측정한 결과이고, 도 3(b)는 조가선과 슬롯 중심부가 이루는 각도가 90°인 경우의 주파수 별 감쇠량을 동일 계측 장비로 측정한 결과이다. 두 결과를 비교해보면 도 3(b)는 도 3(a)에 비해 1GHz와 2GHz에서 감쇠량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. (Tr2 Marker 8, Tr1 Marker9 참고)

따라서 방사슬롯(31 내지 n)과 지지선(40)의 커플링 문제를 해결하기 위해서는 상호간 충분한 이격 거리를 확보해야 한다. 그러므로 누설 동축 케이블(1)의 외부 도체(30)의 원주방향으로 형성된 방사슬롯(31 내지 n) 형상의 폭을 특정 각도 이내로 제작하여 조가선과의 필요치 않은 공진을 방지할 수 있다. 바람직하게는 방사슬롯(31 내지 n)은 내부 도체(10)의 축선을 중심으로 수직방향에 대하여 50도 이내의 각도 범위로 제어하여 지지선(40)과 방사슬롯(31 내지n)이 커플링을 감소시켜 누설 동축 케이블(1)의 운영 주파수 영역에서 적절한 방사 특성을 만족할 수 있다.

도 3 (b)은 조가선과 슬롯 중심부가 이루는 각도가 90° 이고 누설 동축 케이블(1)의 외부 도체(30)의 원주방향으로 형성된 방사슬롯(31 내지 n)의 폭이 케이블 중심축과 이루는 각도가 51.4° 인 경우, 케이블의 감쇠량 측정 결과 지지선(40)과의 방사 슬롯을 통해 방사되는 전파 간의 공진이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

도 3 (c)는 조가선과 슬롯 중심부가 이루는 각도가 90° 이고 누설 동축 케이블(1)의 외부 도체(30)의 원주방향으로 형성된 방사슬롯(31 내지 n)의 폭이 케이블 중심축과 이루는 각도가 42.1° 인 경우이고, 이때 케이블의 감쇠량 측정 결과 지지선(40)과의 방사 슬롯을 통해 방사되는 전파 간의 공진이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 꺽쇠형 방사슬롯(31 내지n)의 예시도이다.

도 4 (a) 방사슬롯(31 내지n)은 제1 내지 제3 슬롯(31, 32, 33)을 포함하는 다수의 슬롯을 구비하고, 슬롯 각각은 절연체(20)의 일부가 노출되도록 외부 도체(30)의 중심선을 따라 동일 형상의 등 간격으로 배열된다. 즉, 제1 내지 제3 슬롯(31, 32, 33)을 포함하는 다수의 슬롯 각각은 등간격으로 이격되어 규칙적으로 누설 동축 케이블(1)의 길이 방향을 따라 배열된다.

여기서, 방사슬롯(31 내지n)을 이루는 슬롯은 소정 길이를 갖는 꺾쇠형(Chevron Type) 홈이고, 슬롯은 꺾쇠형 홈의 중심에서 대칭하도록 소정 각도로 한번 이상 꺾인다.

도 4 (b) 방사슬롯(31 내지n)은 중심선을 기준으로 하는 길이 방향의 중심에서 대칭하도록 2회의 꺾임 횟수를 갖는다. 여기서, 꺾임 횟수에 따른 슬롯의 꺾임 각도(θ1, θ2)는 누설 동축 케이블(1)의 길이 방향 축을 기준으로 각각 1°이상이고, 꺾임 각도에 따른 방사슬롯(31 내지n)의 높이는 h1이며, 방사슬롯(31 내지n)의 길이는 L1이다. 방사슬롯(31 내지n)은 길이 방향의 중심에서 대칭하도록 1회의 꺾임 횟수를 가질 수도 있다. h1의 높이를 갖는 방사슬롯(31 내지n)은 h1의 높이보다 낮은 높이를 갖는 방사슬롯(31 내지n)에 비해 결합 손실이 증가하고, h1의 높이보다 낮은 높이를 갖는 방사슬롯(31 내지n)은 h1의 높이를 갖는 방사슬롯(31 내지n)에 비해 결합 손실이 감소된다.

방사슬롯(31 내지n)에 배열되는 슬롯의 길이(L1, L2)는 공진 주파수가 이동통신 주파수의 대역과 겹치지 않도록 근사적으로 100에서 200mm 사이 인 것이 바람직하다. 예컨대, 방사슬롯(31 내지n)의 길이가 94mm 인 경우에 1.6GHz 대역에서 공진 주파수가 발생하고, 공진 주파수의 대역에서 누설 동축 케이블(1)의 감쇠량이 크게 증가하게 되어 사용할 수 없게 된다. 이때, 공진 주파수의 대역은 이동통신 주파수의 대역인 800 내지 900MHz 와, 1800 내지 2200MHz 대역과 겹치지 않게 되고, 슬롯 길이를 갖는 누설 동축 케이블(1)은 감쇠량의 증가 없이 전자기파를 방사할 수 있게 된다.

도 5는 돌출부(30-1 내지n)의 예시도이다.

내부 도체(10)의 축선을 중심으로 수직방향에 대하여 50도 이내의 각도범위(α)를 갖는 방사슬롯(31 내지 n)으로 방사되는 전자파가 지지선(40)과 커플링이 되는 것을 더욱 방지하기 위한 구성으로 방사슬롯(31 내지 n) 각각의 상부 영역 및 하부 영역의 외부 도체(30)로부터 돌출되어 형성된다.

돌출부(30-1 내지n)의 좌우폭은 방사슬롯(31 내지 n)의 좌우폭보다 적어도 길게 형성되도록 한다. 방사슬롯(31 내지 n)으로 방사되는 전자파가 지지선(40)과 커플링이 되는 것을 더욱 방지될 수 있다.

돌출부(30-1 내지n)는 외부 도체(30)에 슬롯(31 내지 n)을 형성하는 펀칭 공정에서 구비될 수 있다. 즉 외부 도체(30)로 성형 되기 이전의 금속 판재에 슬롯 형상의 개구부(opening)를 형성하는 펀칭 공정에서 일방향으로 상기 금속 판재를 밀어내면서 펀칭하여 상기 금속 판재에 형성된 개구부의 모서리가 돌출부(30-1 내지n)를 구비하도록 하고, 상기 돌출부(30-1 내지n)가 누설 동축 케이블의 방사방향으로 돌출되도록 외부 도체(30)를 성형하여 돌출부(30-1 내지n)를 형성하도록 할 수 있다.

돌출부(30-1 내지n)의 모서리 형상은 고주파 신호가 집중되지 않도록 모서리가 라운딩 되도록 형성될 수 있다.

상기의 실시 예 이외의 변형 가능한 실시 예를 설명한다.

상기에서는 지지선(40)과 외부 도체(30)를 수용하는 외피(50)에 의해 지지선(40)과 외부 도체(30)가 가까운 것으로 되어 있으나 지지선(40)과 외부 도체(30)의 거리를 길게 하면 할수록 방사슬롯(31 내지 n)의 최상측과 최하측은 내부 도체(10)의 축선을 중심으로 수직방향에 대하여 형성되는 측방 각도범위를 증가시킬 수 있다. 이에 의해 방사슬롯(31 내지 n)으로 방사되는 전자파가 지지선(40)과 커플링의 방지효율이 증가될 수 있다.

상기의 누설 동축 케이블(1)로 인하여, 방사슬롯(31 내지 n)을 측면방향으로 향하게 하여 터널 내의 열차에 전자파를 잘 전달시킬 수 있도록 하며, 방사슬롯(31 내지 n)의 촤상측과 촤하측의 각도를 조절하여 지지선(40)과 커플링되어 감쇠량 공진이 발생되는 것을 최소화할 수 있어 열차로의 전자파 전달효율이 향상될 수 있다.

1: 누설 동축 케이블
10: 내부 도체 20: 절연체
30: 외부 도체 31 내지 n: 방사슬롯
30-1 내지 n: 돌출부
40: 지지선 50: 외피

Claims (5)

1. 내부 도체와,
   상기 내부 도체의 외주면에 위치하는 절연체와,
   상기 절연체의 외주면에 위치하며 전자기파의 방사를 위한 복수의 방사슬롯이 형성된 외부 도체와,
   상기 외부 도체로부터 이격되어 위치하는 지지선과,
   상기 외부 도체 및 지지선을 피복하는 외피를 포함하는 누설 동축 케이블에 있어서,
   상기 내부 도체의 축선과 상기 지지선의 축선을 연결한 선에 대해 수직방향을 기준으로 기 설정된 수직영역범위 이내에 배치된 상태에서 상기 복수의 방사슬롯 중 최상측과 최하측은 상기 내부 도체의 축선을 중심으로 수직방향에 대하여 50도 이내의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 누설 동축 케이블.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 방사슬롯은 중심선을 따라 소정 길이를 갖는 꺾쇠형(Chevron Type) 홈이고, 상기 꺾쇠형 홈은 길이 방향의 중심에서 좌ㆍ우가 대칭하도록 한번 이상의 꺾임 횟수를 갖는 것을 특징으로 하는 누설 동축 케이블.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 외부 도체는 상기 방사슬롯의 상부 영역 및 하부 영역으로부터 돌출되어 전자기파의 방사방향을 제한하기 위한 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하는 누설 동축 케이블.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 외부 도체와 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 누설 동축 케이블.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 돌출부의 모서리는 라운딩 진 형상인 것을 특징으로 하는 누설 동축 케이블.

Images