KR102422163B1 - 편전효과를 이용한 옴니 안테나 - Google Patents

편전효과를 이용한 옴니 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편전효과를 이용한 패치 안테나를 개량하여 전파의 방사 방향이 360° 전방향의 정원형으로 방사되도록 함으로써 개활지 서비스를 원활하게 하고 전파 산란을 억제하여 장거리 및 장애물 극복 특성이 뛰어나도록 한 옴니 안테나를 제작함과 동시에, 이 옴니 안테나를 이용하여 통신이 이루어지는 단말기의 위치를 매우 정확하게 파악할 수 있도록 하여 단말기의 위치 및 이동 경로에 대한 빅데이터의 수집이 정확하고 용이하도록 한 편전효과를 이용한 옴니 안테나 및 이를 이용한 단말기의 위치확인과 이동 경로에 대한 빅테이터 수집시스템에 관한 것이다.

Description

편전효과를 이용한 옴니 안테나{Omni antenna using electro-polarization effect}
본 발명은 편전효과를 이용한 패치 안테나를 개량하여 전파의 방사 방향이 360° 전방향의 정원형으로 방사되도록 함으로써 개활지 서비스를 원활하게 하고 전파 산란을 억제하여 장거리 및 장애물 극복 특성이 뛰어나도록 한 옴니 안테나에 관한 것이다.
주지한 바와 같은 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)는 본 발명자에 의해 개시된 도체에 흐르는 전류의 방향을 제어하는 방법으로, 이를 패치 안테나에 적용한 한국특허 10-1017690(편전효과와 그 응용)을 도 1을 참조하여 설명한다.
상기 편전효과을 이용한 안테나는 도 1에서와 같이 일정크기의 라디에이터용 제1유전체기판(10) 위에 인쇄 혹은 에칭기법으로 금속판(11)을 형성하고, 라디에이터용 제1유전체기판(10) 아래에 선로용 제2유전체기판(20)을 배치하고 선로용 제2유전체기판(20) 아랫면에 복수개의 입력신호를 포트 1, 2(29, 30)로 받아 각 입력신호들을 "+" 와 "-" 두 신호로 위상을 분리하는 위상분리 스트립선로를 형성하여 두 유전체기판(10, 20) 사이를 스루홀이나 연결용 핀(32)으로 연결하면, 금속판(11) 위의 여러 개의 입력신호들은 서로 전류의 방향이 달라 아이솔레이션 효과가 발생하여 입력신호 간의 간섭현상이 없고 금속판(11)에서 모두 전파로 방사되는 패치 안테나와 같은 효과가 발생한다.
상기 방식을 이용하여 여러 개의 통신회로를 편전효과를 이용한 안테나에 연결하게 되면, 각 통신회로에서 나오는 신호는 모두 안테나를 통하여 방사되고, 각 통신회로에서 나오는 신호들은 라디에이터용 제1유전체기판(10)의 금속판(11)에서 모두 방사되며 각 입력 포트간의 아이솔레이션 효과가 발생하여 서로 다른 입력 포트로는 신호가 전달되지 않고, 라디에이터용 제1유전체기판(10) 위의 금속판(11)을 따라 패치안테나와 같이 전파로 변환이 되어 발산되는 현상이 발생한다.
이러한 편전효과를 통신회로에 이용하게 되면 통신회로 및 통신기 구성 시에 반드시 필요한 출력부의 필터 듀플렉스, 아이솔레이터 등의 수동소자를 사용하지 않아도 되는 장점이 있어, 이러한 수동소자에서 발생하는 손실을 줄여 통신기의 성능을 높일 수가 있으며, 상기 수동소자를 제거하여 비용의 절감 및 경량화 된 통신기를 구현 할 수가 있다.
이와 같은 종래의 편전효과를 이용한 패치 안테나는 전파의 방사 방향이 패치의 특정방향으로만 방사되었는데, 본 발명자는 연구 끝에 전파의 방사 방향이 360° 전방향으로 정원형으로 방사되게 함으로 개활지 서비스를 원활하게 하고 편전효과 특성을 얻어 전파 산란을 억제하여 장거리 및 장애물 극복 특성을 원활하게 할 수 있는 본 발명을 하기에 이른 것이다.
등록특허공보 10-1017690(등록일자 2011년02월18일) 등록특허공보 10-1547474(등록일자 2015년08월20일) 등록특허공보 10-0381549(등록일자 2003년04월10일)
본 발명은 상기한 배경 하에서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 편전효과를 이용한 패치 안테나를 개량하여 전파의 방사 방향이 360° 전방향의 정원형으로 방사되도록 함으로써 개활지 서비스를 원활하게 하고 전파 산란을 억제하여 장거리 및 장애물 극복 특성이 뛰어나도록 한 편전효과를 이용한 옴니 안테나를 제공하는 것에 있다.
삭제
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 인입선로에서 들어오는 선로 라인을 0°위상선로와 180°위상선로로 분리하고 0° 및 180°위상점에 각각 급전핀을 관통 설치하여 전면 및 후면에 라디에이터용 전면 유전체기판과 후면 유전체기판을 일정 간격을 유지하며 접점 고정하는 선로기판; 및 상기 선로기판의 급전핀에 의해 전면과 후면으로 고정되며 상기 급전핀으로부터 급전된 0° 및 180°위상신호를 전방향 전원형으로 방사하는 전면 유전체기판 및 후면 유전체기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 선로기판과 전면 유전체기판 및 후면 유전체기판 사이의 간격은 λ/2 이내인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 선로기판은 입력 인입선로와, 상기 인입선로를 2분배하는 2분배선로와, 상기 2분배선로의 일측 선로로 입력된 신호의 0°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 0°위상선로와, 상기 2분배선로의 타측 선로로 입력된 신호의 180°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 180°위상선로와, 상기 0°위상선로에서 생성되는 0°위상점에 형성되는 제1위상공과, 상기 180°위상선로에서 생성되는 180°위상점에 형성되는 제2위상공과, 상기 제1위상공 및 제2위상공에 삽입 고정되어 0° 및 180°위상신호를 전면 유전체기판 및 후면 유전체기판에 급전하는 제1급전핀 및 제2급전핀으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 전면 유전체기판 및 후면 유리기판은 기판부와, 상기 기판의 중앙부위에 형성되는 금속판부와, 상기 금속판부에 일정 간격을 유지하며 형성되는 제1핀공 및 제2핀공으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 상기 급전핀은 제1급전핀 및 제2급전핀으로 구성되며, 상기 전면 유전체기판과 후면 유전체기판을 선로기판에 물리적으로 지지하는 기둥역할과 신호를 전달하는 선로의 역할을 동시에 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면 옴니 안테나는 선로기판에 분배기를 사용하여 2분배 또는 4분배, 또는 그 이상으로 분배하고, 분배된 신호를 0°위상선로와 180°위상선로로 2개 또는 4개, 또는 그 이상으로 배치하여 각 위상점에 전면 유전체기판과 후면 유전체기판의 어레이를 2개 또는 4개로, 또는 그 이상으로 늘리면서 전계의 방사패턴을 넓게 하여 안테나 게인을 높이는 것을 특징으로 한다.
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이와 같이 본 발명 옴니 안테나는 종래의 편전효과를 이용한 패치 안테나에서 방사되는 전파 방향이 특정방향으로 방사되던 것을 360°전방향의 정원형으로 방사되도록 함으로써, 전방향에 평탄한 방사특성을 가져 완벽한 옴니특성을 유지하면서도 편전효과의 특성을 그대로 살려 공기 중에서 산란 현상을 줄여주게 된다.
따라서 본 발명 옴니 안테나는 장거리 통신이 가능하면서 비, 안개, 먼지 등에서 발생되는 산란현상을 막을 수 있으며, 도심에서의 간판이나 시설물 등의 장애물에 대한 산란현상도 막을 수 있어 안정된 무선 통신 환경을 구축할 수 있는 효과를 제공한다.
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도 1은 종래의 편전효과를 이용한 패 안테나의 구성도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 편전효과를 이용한 옴니 안테나로, (a)는 측면 구성도, (b)는 전면 및 후면 유전체기판의 정면도, (c)는 선로기판의 정면도, (d)는 정면도,
도 3은 상기 도 2의 3-D 방사패턴, 2-D 수평패턴, 3-D 수직패턴 그래프 및 게인 도표,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 편전효과를 이용한 2단 옴니 안테나로, (a)는 측면 구성도, (b)는 전면 및 후면 유전체기판의 정면도, (c)는 선로기판의 정면도, (d)는 정면도,
도 5는 상기 도 4의 3-D 방사패턴, 2-D 수평패턴, 3-D 수직패턴 그래프 및 게인 도표,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 편전효과를 이용한 4단 옴니 안테나로, (a)는 측면 구성도, (b)는 전면 및 후면 유전체기판의 정면도, (c)는 선로기판의 정면도, (d)는 정면도,
도 7은 상기 도 6의 3-D 방사패턴, 2-D 수평패턴, 3-D 수직패턴 그래프 및 게인 도표이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.
우선, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 편전효과를 이용한 옴니 안테나로, (a)는 측면 구성도, (b)는 전면 및 후면 유전체기판의 정면도, (c)는 선로기판의 정면도, (d)는 정면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명 편전효과를 이용한 옴니 안테나(100)는,
인입선로에서 들어오는 선로 라인을 0°위상선로와 180°위상선로로 분리하고 0° 및 180°위상점에 각각 급전핀을 관통 설치하여 전면 및 후면에 라디에이터용 전면 유전체기판(120)과 후면 유전체기판(130)을 일정 간격을 유지하며 접점 고정하는 선로기판(110)과, 상기 선로기판(110)의 급전핀에 의해 전면과 후면으로 고정되며 상기 급전핀으로부터 급전된 0° 및 180°위상신호를 전방향 전원형으로 방사하는 전면 유전체기판(120) 및 후면 유전체기판(130)을 포함한다.
상기 급전핀은 제1급전핀(117) 및 제2급전핀(118)으로 구성되며, 상기 전면 유전체기판(120)과 후면 유전체기판(130)을 선로기판(110)에 물리적으로 지지하는 기둥역할과 신호를 전달하는 선로의 역할을 동시에 수행하게 된다.
상기 선로기판(110)은 도 2의 (c)와 같이 입력 인입선로(111)와, 상기 인입선로(111)를 2분배하는 2분배선로(112)와, 상기 2분배선로(112)의 일측 선로로 입력된 신호의 0°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 0°위상선로(113)와, 상기 2분배선로(112)의 타측 선로로 입력된 신호의 180°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 180°위상선로(114)와, 상기 0°위상선로(113)에서 생성되는 0°위상점에 형성되는 제1위상공(115)과, 상기 180°위상선로(114)에서 생성되는 180°위상점에 형성되는 제2위상공(116)과, 상기 제1위상공(115) 및 제2위상공(116)에 삽입 고정되어 0° 및 180°위상신호를 전면 유전체기판(120) 및 후면 유전체기판(130)에 급전하는 제1급전핀(117) 및 제2급전핀(118)으로 구성된다.
상기 전면 유전체기판(120)은 기판부(121)와, 상기 기판부(121)의 중앙부위에 형성되는 금속판부(122)와, 상기 금속판부(122)에 일정 간격을 유지하며 형성되는 제1핀공(123) 및 제2핀공(124)으로 구성된다.
상기 후면 유전체기판(130)의 구성도 전면 유전체기판(120)의 구성과 동일하며, 상기 제1핀공(123)(133) 및 제2핀공(124)(134)에는 선로기판(110)의 제1급전핀(117) 및 제2급전핀(118)이 삽입된 후 냄땜 고정되도록 구성된다.
또한 상기 선로기판(110)과 전면 유전체기판(120) 및 후면 유전체기판(130) 사이의 간격은 급전핀의 높이를 조절하여 간격을 결정하며, 그 간격은 λ/2 이내로 한다.
이와 같이 구성되는 옴니 안테나(100)는, 선로기판(110)을 중심으로 전면 유전체기판(120)에서 방사되는 전계는 후면 유전체기판(130)에서 방사되는 전계와 동위상을 이루게 되어 전면 유전체기판(120)에서 발생되는 전파와 후면 유전체기판(130)에서 발생되는 전파가 동일한 폐루프 구조를 이루어 하나의 위상을 가지는 전계 루프를 형성하게 된다.
이와 같이 상기 선로기판(110)을 중심으로 전면 유전체기판(120)과 후면 유전체기판(130) 사이에서 폐루프로 형성된 전계는 정원형의 도너츠 구조의 전계가 발생되고, 이 전계를 중심으로 쇠사슬 모양으로 형성되는 자계는 정원 구조의 자계 폐루프를 만들게 되어 결국 합성되는 전파는 완벽한 동심원의 전파로 합성되어 각 방사 각도 0°에서 360° 사이의 방사되는 전파는 그 각도별 크기가 완벽하게 정원으로 만들어 지게 된다.
이와 같이 만들어진 정원형의 방사패턴으로 발생된 안테나의 방사 각도에 따른 방사패턴과 안테나 게인은 도 3의 안테나 방사패턴의 결과와 같이 0°에서 360°도 어디에서나 동일한 방사패턴과 게인을 가지게 된다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 편전효과를 이용한 2단 옴니 안테나로, (a)는 측면 구성도, (b)는 전면 및 후면 유전체기판의 정면도, (c)는 선로기판의 정면도, (d)는 정면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명 제2실시예에 따른 편전효과를 이용한 2단 옴니 안테나(200)는,
기판의 인입선로에서 들어오는 선로 라인을 0°위상선로와 180°위상선로로 분리하고 0° 및 180°위상점에 각각 급전핀을 관통 설치하여 전면 및 후면에 라디에이터용 전면 유전체기판(220)과 후면 유전체기판(230)을 일정 간격을 유지하며 접점 고정하되, 상기 인입선로에 분기선로를 더 형성하여 0°위상선로와 180°위상선로를 추가하고 급전핀을 통해 이에 대응되는 제2전면 유전체기판(220')과 제2후면 유전체기판(230')을 더 형성하는 선로기판(210)과,
상기 선로기판(210)의 급전핀에 의해 전면과 후면으로 일정 간격을 두고 고정되며 상기 급전핀으로부터 급전된 0° 및 180°위상신호를 전방향 전원형으로 방사하는 전면 유전체기판(220) 및 제2전면 유전체기판(220')과, 후면 유전체기판(130) 및 제2후면 유전체기판(230')을 포함한다.
상기 급전핀은 제1급전핀(117) 및 제2급전핀(118)과, 제3급전핀(117') 및 제4급전핀(118')으로 구성된다.
상기 선로기판(210)은 도 4의 (c)와 같이 입력 인입선로(211)와, 상기 인입선로(211)를 분할하는 분배선로(219)와, 상기 분배선로(219)의 일측선로를 2분배하는 2분배선로(212)와, 상기 2분배선로(212)의 일측 선로로 입력된 신호의 0°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 0°위상선로(213)와, 상기 2분배선로(212)의 타측 선로로 입력된 신호의 180°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 180°위상선로(214)와, 상기 0°위상선로(213)에서 생성되는 0°위상점에 형성되는 제2위상공(215)과, 상기 180°위상선로(214)에서 생성되는 180°위상점에 형성되는 제2위상공(216)과, 상기 제1위상공(215) 및 제2위상공(216)에 삽입 고정되어 0° 및 180°위상신호를 전면 유전체기판(220) 및 후면 유전체기판(230)에 급전하는 제1급전핀(217) 및 제2급전핀(218)과, 상기 분배선로(219)의 타측선로를 2분배하는 제2 2분배선로(212')와, 상기 제2 2분배선로(212')의 일측 선로로 입력된 신호의 0°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 제2 0°위상선로(213')와, 상기 제2 2분배선로(212')의 타측 선로로 입력된 신호의 180°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 제2 180°위상선로(214')와, 상기 제2 0°위상선로(213')에서 생성되는 0°위상점에 형성되는 제3위상공(215')과, 상기 제2 180°위상선로(214')에서 생성되는 180°위상점에 형성되는 제2위상공(216')과, 상기 제1위상공(215') 및 제2위상공(216')에 삽입 고정되어 0° 및 180°위상신호를 제2전면 유전체기판(220') 및 제2후면 유전체기판(230')에 급전하는 제3급전핀(217') 및 제4급전핀(218')으로 구성된다.
이와 같이 구성되는 2단 옴니 안테나(200)는 전계의 방사패턴을 넓게 하여 안테나 게인을 높이게 되며, 안테나의 방사 각도에 따른 방사패턴과 안테나 게인은 도 5에서와 같다.
본 발명은 도 6의 제3실시예서와 같이, 편전효과를 이용한 4단 옴니 안테나로 구성할 수 도 있다.
상기 4단 옴니 안테나(300)는 선로기판(310)에 분배기를 사용하여 4분배하고, 분배된 신호를 0°위상선로와 180°위상선로로 4개 배치하여 각 위상점에 전면 유전체기판(320)과 후면 유전체기판(330)의 어레이를 4개로하여 전계의 방사패턴을 넓게 하여 안테나 게인을 높이는 것을 특징으로 한다. 이의 특성은 도 7에서와 같다.
즉 본 발명 옴니 안테나는 선로기판에 분배기를 사용하여 2분배 또는 4분배, 또는 그 이상으로 분배하고, 분배된 신호를 0°위상선로와 180°위상선로로 2개 또는 4개, 또는 그 이상으로 배치하여 각 위상점에 전면 유전체기판과 후면 유전체기판의 어레이를 2개 또는 4개로, 또는 그 이상으로 늘리면서 전계의 방사패턴을 넓게 하여 안테나 게인을 높이는 것을 특징으로 하는 것이다.
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이상에서와 같이 본 발명은 옴니 안테나는 종래의 편전효과를 이용한 패치 안테나에서 방사되는 전파 방향이 특정방향으로 방사되던 것을 360°전방향의 정원형으로 방사되도록 함으로써, 전방향에 평탄한 방사특성을 가져 완벽한 옴니특성을 유지하면서도 편전효과의 특성을 그대로 살려 공기 중에서 산란 현상을 줄여주게 됨으로써, 본 발명 옴니 안테나는 장거리 통신이 가능하면서 비, 안개, 먼지 등에서 발생되는 산란현상을 막을 수 있으며, 도심에서의 간판이나 시설물 등의 장애물에 대한 산란현상도 막을 수 있어 안정된 무선 통신 환경을 구축할 수 있는 효과를 제공한다.
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이상에서는 본 발명에 대한 한정된 실시예들을 설명한 것이나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 실시예가 예상됨을 당업자는 주의해야 한다.
100: 옴니 안테나 110: 선로기판
111: 인입선로 112: 2분배선로
113: 0°위상선로 114: 180°위상선로
115: 제1위상공 116: 제2위상공
117: 제1급전핀 118: 제2급전핀
120: 전면 유전체기판 121,131: 기판부
122,132: 금속판부 123,133: 제1핀공
124,134: 제2핀공 130: 후면 유전체기판
200: 2단 옴니 안테나 300: 4단 옴니 안테나

Claims (8)

  1. 인입선로에서 들어오는 선로 라인을 0°위상선로와 180°위상선로로 분리하고 0° 및 180°위상점에 각각 급전핀을 관통 설치하여 전면 및 후면에 라디에이터용 전면 유전체기판과 후면 유전체기판을 일정 간격을 유지하며 접점 고정하는 선로기판; 및
    상기 선로기판의 급전핀에 의해 전면과 후면으로 고정되며 상기 급전핀으로부터 급전된 0° 및 180°위상신호를 전방향 전원형으로 방사하는 전면 유전체기판 및 후면 유전체기판을 포함하고,
    상기 선로기판은 입력 인입선로와, 상기 인입선로를 2분배하는 2분배선로와, 상기 2분배선로의 일측 선로로 입력된 신호의 0°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 0°위상선로와, 상기 2분배선로의 타측 선로로 입력된 신호의 180°위상신호를 생성하기 위하여 형성된 180°위상선로와, 상기 0°위상선로에서 생성되는 0°위상점에 형성되는 제1위상공과, 상기 180°위상선로에서 생성되는 180°위상점에 형성되는 제2위상공과, 상기 제1위상공 및 제2위상공에 삽입 고정되어 0° 및 180°위상신호를 전면 유전체기판 및 후면 유전체기판에 급전하는 제1급전핀 및 제2급전핀으로 구성된 것을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 옴니 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 선로기판과 전면 유전체기판 및 후면 유전체기판 사이의 간격은 λ/2 이내인 것을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 옴니 안테나.
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  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전면 유전체기판 및 후면 유전체기판은 기판부와, 상기 기판부의 중앙부위에 형성되는 금속판부와, 상기 금속판부에 일정 간격을 유지하며 형성되는 제1핀공 및 제2핀공으로 구성된 것을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 옴니 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 급전핀은 제1급전핀 및 제2급전핀으로 구성되며, 상기 전면 유전체기판과 후면 유전체기판을 선로기판에 물리적으로 지지하는 기둥역할과 신호를 전달하는 선로의 역할을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 옴니 안테나.
  6. 청구항 1에 있어서,
    옴니 안테나는 선로기판에 분배기를 사용하여 2분배 또는 4분배, 또는 그 이상으로 분배하고, 분배된 신호를 0°위상선로와 180°위상선로로 2개 또는 4개, 또는 그 이상으로 배치하여 각 위상점에 전면 유전체기판과 후면 유전체기판의 어레이를 2개 또는 4개로, 또는 그 이상으로 늘리면서 전계의 방사패턴을 넓게 하여 안테나 게인을 높이는 것을 특징으로 하는 편전효과를 이용한 옴니 안테나.
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