KR100822470B1 - 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나 - Google Patents

오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나에 관한 것으로서, 적어도 일부 영역이 나선으로 꼬여 형성되며; 일단에 그라운드에 평행하게 형성된 오픈 스텁을 갖는 방사체를 포함한다. 이에 의해, 기존의 모노폴 안테나에 비해 1/4의 길이로 형성됨으로써, 안테나를 소형화할 수 있다. 뿐만 아니라, 입력 저항을 증가시키고, 입력 리액턴스를 감소시킬 수 있으므로, 안테나의 효율이 향상되고 주파수대역폭을 증가시킬 수 있다.
안테나, 헬리컬, 오픈 스텁, 저주파대역, DMB, 소형화

Description

오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나{HELICAL ANTENNA OPERATING LOW FREQUENCY BAND HAVING A OPEN STUB}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나의 사시도,
도 2는 도 1의 헬리컬 안테나의 안테나 모드에서의 등가회로도,
도 3은 도 1의 헬리컬 안테나의 트랜스미션 모드에서의 등가회로도,
도 4는 도 1의 헬리컬 안테나의 등가회로도,
도 5는 도 1의 헬리컬 안테나와 종래의 모노폴 안테나의 S21 특성을 나타낸 그래프,
도 6은 도 1의 헬리컬 안테나의 다른 실시예에 따른 사시도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 사시도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
5 : 그라운드 10, 110, 210 : 방사체
10a : 제1나선체 10b : 제2나선체
20, 120, 220 : 오픈 스텁 25, 125, 225 : 급전점
30, 130 : 매칭회로 110a : 제1방사부
110b : 제2방사부 210a : 나선부
210b : 윕부
본 발명은 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 저주파대역에서 동작하며 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 소형화에 따라 입력 저항이 낮아지고 입력 리액턴스가 커지는 것을 방지할 수 있는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나에 관한 것이다.
최근 이동통신 기술의 발달로 인해, 가정이나 회사 등 한정된 장소에서만 사용할 수 있었던 다양한 서비스들이 무선 단말기를 통해 제공되고 있다.
이러한 서비스 중, 최근 각광받고 있는 것이 VHF 대역의 방송신호를 수신하여 서비스하는 DMB(Digital Multimedia Broadcasting)나 DVB-H(Digital Video Broadcasting--Handhelds)이다.
DMB 서비스나 DVB-H 서비스는 통신과 방송이 결합된 새로운 개념의 이동식 멀티미디어 방송서비스로서, 저주파 대역의 방송을 무선단말기를 통해 시청할 수 있다.
DMB 서비스의 경우, DMB 기능을 갖는 DMB 전용 단말기, 노트북, 휴대폰용 단말기, 차량용 단말기, PDA, PMP 등 이동성을 갖는 무선 단말기를 통해 제공되며, 위성 DMB 서비스와 지상파 DMB 서비스로 분류된다. 한국의 지상파 DMB 서비스의 경우, 174 ~ 216MHz의 주파수 대역을 사용하고, 위성 DMB 서비스의 경우에는 지상파 DMB 보다 고 주파수 대역인 S-band 2.630 ~ 2.655 GHz 대역을 사용한다.
한편, 일반적으로 안테나의 길이는, 다이폴 안테나인 경우에는 λ/2, 모노폴 안테나인 경우에는 λ/4 의 길이로 형성하므로, 주파수 대역이 높을수록 안테나의 길이가 짧아지는 반면, 주파수 대역이 낮을수록 안테나의 길이가 길어진다. 즉, 지상파 DMB 서비스는 일반 방송 대역인 VHF 대역을 사용하기 때문에 위성 DMB를 사용할 때보다 안테나의 길이가 길어야 할 뿐만 아니라, 이론상 TV안테나와 동일한 크기가 필요하다. 따라서 약 30㎝ 이상의 길이를 갖는 안테나가 필요하며, 출력이 높다면 더 짧은 길이로 구성할 수도 있다.
그러나, 지상파 DMB의 경우, 그 출력이 1~2KW 정도로 매우 작으며, 이렇게 출력이 작은 이유는 터부채널인 8, 10, 12번대의 채널을 사용하기 때문이다. 8번 채널의 경우, 앞뒤로 7번 채널과 9번 채널이 있어서 출력을 높일 경우 양 채널에 혼신을 가져오기 때문에 출력을 높이기가 힘들다. 하지만 간편한 휴대와 이동을 그 특징으로 하는 무선 단말기에 설치되는 안테나인 만큼 길이가 길수록 사용이 불편해진다.
이에 따라, 최근 안테나 개발업체들은 수신감도를 유지하면서 지상파 DMB 전용 안테나의 길이를 줄이는 것을 최대의 과제로 안고 있다. 지상파 DMB용 안테나의 길이는 최근까지 15㎝ 이하로는 성능구현이 불가능한 것으로 알려져있다.
한편, DVB-H(Digital Video Broadcasting-Handhelds)는 유럽 지역에서 개발되어 주로 사용되는 디지털 TV 방송 규격인 DVB-T(Digital Video Broadcasting- Terrestrial)를 기반으로 한 서비스로서, 휴대폰이나 휴대용 영상 기기 등의 저 전력, 그리고 이동성, 휴대성 등을 고려하여 마련된 DVB의 한 종류이다. 이러한 DVB-H도 상대적으로 낮은 주파수 대역을 사용하는 만큼, 지상파 DMB용 안테나와 동일한 문제점을 가질 수 있다.
이에 따라, 지상파 DMB 서비스나 DVB-H 서비스 등에서 주로 사용되는 저주파 대역의 신호를 수신하기 위해, 소형의 안테나를 개발할 필요가 있다.
한편, 소형의 안테나는 입력 저항이 낮아 안테나 효율이 저하되고, 입력 리액턴스는 매우 커서 안테나의 대역폭이 좁다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 저주파대역에서 동작가능하며 소형화가 가능할 뿐만 아니라, 소형화에 따라 입력 저항이 낮아지고 입력 리액턴스가 커지는 것을 방지할 수 있도록 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 적어도 일부 영역이 나선으로 꼬여 형성되며; 일단에 그라운드에 평행하게 형성된 오픈 스텁을 갖는 방사체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방사체는, 상호 소정 간격을 두고 평행하게 배치된 한 쌍의 나선체로 형성될 수 있다.
일측 나선체의 일단에는 상기 오프 스텁이 형성되고, 타측 나선체의 일단에 는 급전점이 형성되며; 상기 일측 나선체와 타측 나선체의 타단이 상호 연결될 수 있다.
상기 각 나선체는 회전방향이 동일한 것이 바람직하다.
상기 방사체는, 나선형상으로 형성된 제1방사부와, 상기 제1방사부와 평행하게 형성된 바아형상의 제2방사부를 포함할 수 있다.
상기 제1방사부와 제2방사부 중 일측에는 급전점이 형성되고, 상기 제1방사부와 제2방사부 중 타측에는 상기 오픈 스텁이 형성되며; 상기 제1방사부와 제2방사부의 상기 급전점과 오픈 스텁에 대항되는 타단은 상호 연결되어 있을 수 있다.
상호 소정 간격을 두고 배치된 한 쌍의 나선부와, 상기 각 나산부의 단부로부터 연장되어 상호 평행하게 배치되는 막대상의 한 쌍의 윕부를 포함할 수 있다.
상기 각 윕부의 자유단부는 상호 연결되며, 상기 나선부 중 일측에는 상기 오픈 스텁이 형성되고, 상기 나선부 중 타측에는 급전점이 형성될 수 있다.
상기 오픈 스텁은 상기 방사체 길이방향의 가로로 소정 길이 연장된 바아 형태로 형성될 수 있다.
상기 오픈 스텁은 상기 그라운드와 소정 간격을 두고 배치된 것이 바람직하다.
상기 오픈 스텁의 외표면에는 유전물질이 도포되어 있을 수 있다.
상기 방사체의 일측에 장착되어 주파수밴드를 이동시키는 매칭회로를 더 포함할 수 있다.
상기 나선은 나선평면이 원형, 타원형, 사각형, 다각형 중 어느 하나로 형성 될 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나의 사시도이다.
본 실시예의 헬리컬 안테나는, 나선형상의 방사체(10)와, 방사체(10)의 일측에 결합된 오픈 스텁(Open Stub)(20)을 포함한다.
방사체(10)는, 상호 소정 간격을 두고 평행하게 배치된 제1 및 제2나선체(10a,10b)로 형성된다. 제1 및 제2나선체(10a,10b)는 회전방향은 동일하나, 제1 및 제2나선체(10a,10b)의 시작점이 180도 차이가 남에 따라, 제1나선체(10a)와 제2나선체(10b)는 나선의 지름만큼 간격을 두고 이격되어 있다. 이러한 제1나선체(10a)와 제2나선체(10b)의 외부를 향한 상측 단부는 상호 연결되어 있다.
제2나선체(10b)의 단부에는 급전점(25)이 형성되어 제1 및 제2나선체(10a,10b)로 전류를 제공한다.
오픈 스텁(20)은 한 쌍의 나선체 중 제1나선체(10a)에 결합되며, 제1나선체(10a) 길이방향의 가로로 소정 길이 연장된 바아 형태로 형성된다. 오픈 스텁(20)은, 그라운드(5)와 소정 간격만큼 이격되어 평행하게 형성되며, 오픈 스텁(20)의 외표면에는 유전물질이 도포되어 있다.
한편, 종래에는 동일한 길이의 모노폴 안테나를 나선으로 꼬아서 헬리컬 안테나로 제작할 경우, 나선 간의 커플링 등에 의해 입력 리액턴스가 증가되고, 입력 저항이 감소됨에 따라, 동일한 길이의 모노폴 안테나보다 헬리컬 안테나의 효율이 작았다. 따라서, 헬리컬 안테나로 제작할 경우, 모노폴 안테나보다 헬리컬 안테나의 길이를 길게 설계해야 했다. 그러나, 본 헬리컬 안테나의 경우, 오픈 스텁(20)의 길이에 따라, 그리고 오픈 스텁(20)과 그라운드(5)와의 거리에 따라 입력 리액턴스가 변화하기 때문에 입력 리액턴스를 감소시키도록 설계할 수 있다. 그리고 오픈 스텁(20)에 도포된 유전물질은 입력 저항을 증가시킨다. 따라서, 헬리컬 안테나의 제작시 모노폴 안테나의 길이보다 길게 설계할 필요가 없으며, 종래보다 헬리컬 안테나의 높이가 작아지므로, 안테나를 소형화할 수 있게 된다.
이러한 헬리컬 안테나는, 한 쌍의 나선체(10a,10b)와, 오픈 스텁(20)에 의해 그 길이가 줄어들어 약 8cm의 크기로 제작할 수 있다.
한편, 도 1에서는 제1 및 제2나선체(10a,10b)의 단면이 원형인 경우를 도시하였으나, 나선체의 단면을 사각형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상으로 형성할 수도 있음은 물론이다.
이러한 헬리컬 안테나는, 방사가 일어나는 안테나 모드(Unbalanced Mode)와, 방사가 일어나지 아니하는 트랜스미션 모드(Balanced Mode)의 합으로 해석할 수 있다.
안테나 모드인 경우, 도 1에 IU와 VIU로 표시된 것과 같이, 각 나선체를 따라 동일한 방향으로 전류가 흘러 전자파가 방사된다. 이 때, IU는 안테나 모드에서 급전점(25)에 연결된 제2나선체(10b)를 따라 흐르는 전류로서, IU는 급전점(25)으로부터 공급되어 흐르게 된다. 반면, VIU는 오픈 스텁(20)에 연결된 제1나선체(10a) 를 따라 흐르는 전류로서, IU에 의해 유도된 전류이다. 여기서, V는 전류 진폭율을 나타낸다.
이러한 안테나 모드에서는, 오픈 스텁(20)에 흐르는 전류에 대해 반대방향으로 흐르는 그라운드(5)의 영상전류에 의해 오픈 스텁(20)에 흐르는 전류는 방사되지 못한다. 즉, 안테나 모드에서는 오픈 스텁(20)의 역할을 무시할 수 있다. 이에 따라, 안테나 모드에서는, 도 2에 도시된 바와 같은 등가회로를 형성하게 되며, 이 때, 안테나 모드에서의 로드 임피던스(Zin_u)는 Zin_u = n2Zu 이 된다. 여기서, n은 나선횟수를 나타내며, 안테나의 로드 임피던스(Zin_u)는 나선체가 꼬여있는 횟수의 제곱만큼 증가된다.
트랜스미션 모드인 경우, 도 1에 표시된 바와 같이, 양 나선체에 역방향으로 동일한 전류 Ib가 흐르고, Ib는 급전점(25)으로부터 공급되어 양 나선체를 따라 흘러 오픈 스텁(20)까지 도달한다. 이 때, 오픈 스텁(20)에서는 그라운드(5)와의 사이에서 커패시턴스가 발생한다. 즉, 오픈 스텁(20)이 커패시터로 동작하게 된다.
이에 따라, 도 3에 도시된 트랜스미션 모드에서의 등가회로에는 커패시터(C)와 저항(R)이 직렬 연결되어 있다. 여기서, 저항(R)은 오픈 스텁(20)의 표면에 도포한 유전 물질에 의해 발생되는 손실을 나타낸다. 이러한 트랜스미션 모드에서의 임피던스(Zin_b)은
Figure 112006062489795-pat00001
이 된다.
도 4는 안테나 모드와 트랜스미션 모드를 합하여 나타낸 안테나의 전체 등가회로이다.
도시된 바와 같이, 안테나 모드의 입력 임피던스(Zin_u)와, 트랜스미션 모드의 입력 임피던스(Zin_b)의 병렬 합이 본 헬리컬 안테나의 입력 임피던스(Zin)가 된다. 따라서, 헬리컬 안테나의 입력 임피던스(Zin)는, 오픈 스텁(20)에 의해 발생되는 커패시턴스를 이용하여 조절할 수 있다.
도 5는 도 1의 헬리컬 안테나와 종래의 모노폴 안테나의 S21 특성을 나타낸 그래프이다. 여기서, 본 헬리컬 안테나와, 종래의 모노폴 안테나는 모두 8cm로 형성된다.
본 S21 특성 그래프는, 방사체(10)의 길이가 40cm인 모노폴 안테나를 180cm 이격된 거리에 두고, 본 헬리컬 안테나 및 종래의 모노폴 안테나와의 전달계수를 측정한 결과이다.
도시된 바와 같이, 본 헬리컬 안테나는, DMB 대역인 170 ~ 240MHz 대역에서 종래의 모노폴 안테나에 비해 10dB 이상 높은 S21 특성을 보이고 있다. 따라서, 본 헬리컬 안테나는 종래의 모노폴 안테나에 비해 안테나로서 더 잘 동작하고 있음을 알 수 있다.
도 6은 도 1의 헬리컬 안테나의 다른 실시예에 따른 사시도이다
본 실시예의 헬리컬 안테나는, 도 1의 헬리컬 안테나와 거의 동일한 구조로 형성되어 있다. 다만, 헬리컬 안테나의 동작 주파수밴드를 이동시키기 위한 매칭 회로(30)가 더 구비되어 있다. 일반적으로 DMB 방송의 각 채널은 6MHz로 형성되고, 총 7개의 채널을 사용하고 있다. 이에 따라, 각 채널의 주파수 폭에 헬리컬 안테나의 동작주파수를 매칭시키고, 채널의 이동에 따라 동작주파수를 이동시키기 위해 매칭회로(30)를 사용할 수 있다. 도 6에서는 매칭회로(30)를 오픈 스텁(20)의 단부에 장착하고 있으나, 방사체(10)의 어느 곳에 연결하여도 무방하다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 사시도이다.
본 실시예의 헬리컬 안테나는, 방사체(110)가 나선형상의 제1방사부(110a)와, 바아형상의 제2방사부(110b)로 형성된다.
제1방사부(110a)는, 도 1의 헬리컬 안테나와 마찬가지로 일측 방향으로 꼬인 나선형상으로 형성되며, 그 단부에는 급전점(125)이 형성되어 있다. 제2방사부(110b)는, 제1방사부(110a)와 평행하게 배치되며, 그 단부에는 오픈 스텁(120)이 형성되어 있다. 그리고, 제1방사부(110a)와 제2방사부(110b)의 급전점(125)과 오픈 스텁(120)에 대항되는 타측 단부는 상호 연결되어 있다.
물론, 본 실시예에서 제1방사부(110a)의 단부에 오픈 스텁(120)을 형성하고, 제2방사부(110b)의 단부에 급전점(125)을 형성할 수도 있음은 물론이다.
이러한 헬리컬 안테나의 일측에는, 상술한 실시예에서와 마찬가지로, 매칭회로(130)가 장착되어 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 헬리컬 안테나의 사시도이다.
본 실시예의 헬리컬 안테나의 방사체(210)는, 나선부(210a)와 윕부(210b)를 갖는다.
나선부(210a)는, 도 1의 헬리컬 안테나와 마찬가지로, 상호 소정 간격을 두고 평행하게 배치된 한 쌍으로 형성되며, 동일한 방향으로 꼬여 있다. 여기서, 한 쌍의 나선부(210a) 중 일측에는 오픈 스텁(220)이 형성되고, 타측에는 급전점(225)이 형성된다.
윕부(210b)는, 한 쌍으로 형성되며, 각 윕부(210b)는 각 나산부(210a)의 단부로부터 수직으로 연장된 바아형상으로 형성된다. 각 윕부(210b)는 상호 평행하게 배치되며, 그 자유단부가 상호 연결되어 있다.
한편, 도 8에는 매칭회로가 장착되어 있지 아니하나, 필요에 따라 매칭회로를 장착할 수도 있음은 물론이다.
본 실시예의 헬리컬 안테나는, 헬리컬 안테나와 모노폴 안테나를 결합시킨 형상으로서, 그 길이는 도 1의 실시예에 비해 길기는 하나, 보다 안정된 안테나 특성을 발휘할 수 있다.
이와 같이, 본 헬리컬 안테나는, 오픈 스텁(20,120,220)을 구비함으로써, 입력 임피던스와 입력 리액턴스를 줄일 수 있고, 오픈 스텁(20,120,220)에 유전 물질을 도포하여 입력 저항을 더 증가시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 기존의 모노폴 안테나에 비해 1/4의 길이로 형성됨으로써, 안테나를 소형화할 수 있다. 또한, 오픈 스텁(20,120,220)의 길이와, 오픈 스텁(20,120,220)과 그라운드(5) 간의 간격을 조절하여 입력 임피던스를 조절할 수 있으므로, 입력 임피던스의 조절도 간편해진다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 기존의 모노폴 안테나에 비해 1/4의 길이로 형성됨으로써, 안테나를 소형화할 수 있다. 뿐만 아니라, 입력 저항을 증가시키고, 입력 리액턴스를 감소시킬 수 있으므로, 안테나의 효율이 향상되고 주파수대역폭을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시형태에 관해 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로 받아들여져야 하며, 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 형태에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (13)

  1. 적어도 일부 영역이 나선으로 꼬여 형성되며; 일단에 그라운드에 평행하게 형성된 오픈 스텁을 갖는 방사체를 포함하며,
    상기 오픈 스텁은 상기 그라운드와 소정 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사체는, 상호 소정 간격을 두고 평행하게 배치된 한 쌍의 나선체로 형성되는 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    일측 나선체의 일단에는 상기 오프 스텁이 형성되고, 타측 나선체의 일단에는 급전점이 형성되며; 상기 일측 나선체와 타측 나선체의 타단이 상호 연결된 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 나선체는 회전방향이 동일한 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사체는, 나선형상으로 형성된 제1방사부와, 상기 제1방사부와 평행하게 형성된 바아형상의 제2방사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1방사부와 제2방사부 중 일측에는 급전점이 형성되고, 상기 제1방사부와 제2방사부 중 타측에는 상기 오픈 스텁이 형성되며;
    상기 제1방사부와 제2방사부의 상기 급전점과 오픈 스텁에 대항되는 타단은 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상호 소정 간격을 두고 배치된 한 쌍의 나선부와, 상기 각 나선부의 단부로부터 연장되어 상호 평행하게 배치되는 막대상의 한 쌍의 윕부를 포함하며,
    상기 나선부 및 상기 윕부는 각각 상기 방사체의 일부분을 이루는 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 각 윕부의 자유단부는 상호 연결되며, 상기 나선부 중 일측에는 상기 오픈 스텁이 형성되고, 상기 나선부 중 타측에는 급전점이 형성된 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 오픈 스텁은 상기 방사체 길이방향의 가로로 소정 길이 연장된 바아 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 오픈 스텁의 외표면에는 유전물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사체의 일측에 장착되어 주파수밴드를 이동시키는 매칭회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 나선은 나선평면이 원형, 타원형, 사각형, 다각형 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 오픈 스텁을 갖는 저주파대역 헬리컬 안테나.
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