KR20150138960A - Dual band Helical Antenna with fine tuning capability for operating frequencies - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 동작주파수 미세조정이 가능한 이중대역 헬리컬 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안테나에 주파수조정부를 구비하여 안테나의 공진주파수를 미세하게 조정할 수 있는 동작주파수 미세조정이 가능한 이중대역 헬리컬 안테나에 관한 것이다..BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dual-band helical antenna capable of finely adjusting an operating frequency, and more particularly, to a dual-band helical antenna capable of finely adjusting an operating frequency, will be..
일반적인 헬리컬 안테나는 나선의 구성에 따라 축형모드(axial mode) 및 수직모드(normal mode) 로 구성할 수 있다. 상기 축형모드 헬리컬 안테나는 나선의 한 번 감는 길이를 1파장 전 후, 피치의 길이를 파장의 수분의1로 할 경우 원편파의 전파가 축방향으로 방사되는 축형모드로 동작되어 주로 위성 통신 등에 사용된다. A typical helical antenna can be configured as an axial mode and a normal mode depending on the spiral configuration. The axial mode helical antenna operates in an axial mode in which the propagation of the circular polarized wave is radiated in the axial direction when the pitch length is set to one-part of the wavelength, do.
반면에 나선의 피치 길이를 반파장으로 잡아 한 번 감는 길이를 정확히 파장의 2배나 3배로 한 수직모드 나선형 안테나는 극초단파(UHF)대의 텔레비전 방송용 및 이동 무선 기지국 안테나로 많이 사용된다.On the other hand, the vertical mode helical antenna is widely used for microwave (UHF) television broadcasting and mobile wireless base station antennas, in which the length of the helical pitch is halved and the length of the helical winding is doubled or tripled.
상기 수직모드 나선형 안테나(normal mode helical antenna)는 일반적인 루프(loop) 안테나에 비해 작은 크기와 고 이득을 달성할 수 있으므로 최근에 크기가 큰 λ/4 모노폴 안테나 대신 주로 사용하고 있다.Since the normal mode helical antenna can achieve a small size and a high gain compared to a general loop antenna, the vertical mode helical antenna is mainly used instead of a large-sized? / 4 monopole antenna.
크기가 작은 수직모드 나선형 안테나는 나선에 따라 정현파 전류분포를 가지며 주파수 변화에 따라 종단임피던스는 매우 민감하고 대역폭 또한 좁다. 그럼에도 불구하고 수직모드 나선형 안테나는 안테나의 실효 길이를 효율적으로 줄일 수 있어 개인 이동 통신 및 무선 통신에 널리 쓰인다. A small vertical mode helical antenna has a sinusoidal current distribution along the spiral, and the terminal impedance is very sensitive and bandwidth is narrow according to the frequency change. Nonetheless, vertical mode helical antennas are widely used for personal mobile and wireless communications because they effectively reduce the effective length of the antenna.
길이가 짧은 수직모드 나선형 안테나는 접지면과 결합하여 사용하면 수직편파가 발생하여 방사 패턴이 모노폴 안테나와 유사하게 되고. 직렬 급전방식은 동축선 입력에 나선을 직접 연결하며 이때 임피던스 변환기 또는 임피던스 전압회로가 필요하다. A vertical mode helical antenna with a short length is used in combination with a ground plane, so that vertical polarization is generated and the radiation pattern becomes similar to a monopole antenna. The series feed method connects the spiral directly to the coaxial line input, where an impedance transducer or an impedance voltage circuit is required.
이와 같이 상기 헬리컬 안테나는 안테나 제작시 권선 특성에 따라 안테나 공진주파수가 결정되어, 사용자가 원하는 대역으로의 주파수 미세조정은 불가능한 문제점이 있고, 이에 따라 안테나 제작시 발생 된 공정상의 오차 수정이 불가능하며, 더욱이 사용자가 임의로 동작주파수 변경이 불가능하다는 문제점을 가지게 되었다.As described above, the antenna resonance frequency of the helical antenna is determined according to the winding characteristics at the time of manufacturing the antenna, and it is impossible to fine-tune the frequency to a desired band by the user. Accordingly, Furthermore, the user has a problem that the operation frequency can not be arbitrarily changed.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 헬리컬 안테나의 대역 주파수 미세조정 및 동작주파수 조정을 용이하게 할 수 있도록 하는데 있다.In order to solve the above-described problems, it is an object of the present invention to facilitate fine tuning of a band frequency and operating frequency of a helical antenna.
상기 문제점을 해결하기 위한 다른 발명은 헬리컬 안테나의 대역 주파수 조정 및 동작주파수를 조정할 수 있도록 함으로써, 이중 대역 이상의 다중 대역 안테나로 사용할 수 있도록 하는데 있다.Another aspect of the present invention is to provide a multi-band antenna having a dual band or more by adjusting the frequency band of the helical antenna and adjusting the operating frequency.
상기 과제의 해결에 따른 본 발명의 수단은 조밀하게 감긴 낮은주파수 동작대역과 느슨하게 감긴 높은주파수 동작대역의 이중 대역 특성을 갖는 헬리컬 안테나, 상기 헬리컬 안테나에 길이를 가변하여 동작 대역 및 동작 주파수를 가변 조정할 수 있는 조정부를 포함하되, 상기 조정부는 조밀하게 감긴 낮은주파수 동작대역의 끝단에 증감용스크류를 포함하고, 상기 조밀하게 감긴 낮은주파수 동작대역과 느슨하게 감긴 높은주파수 동작대역이 연결되는 부위에 고정용스크류를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a helical antenna comprising: a helical antenna having a dual-band characteristic of a tightly wound low frequency band and a loosely wound high frequency band; Wherein the adjuster comprises a tightening screw at the end of a densely wound low frequency operating band and a fastening screw at a location where the tightly wound low frequency operating band and the loosely wound high frequency operating band are connected, And a control unit.
상기 과제 해결에 따른 본 발명의 효과는 이중대역 특성을 갖는 헬리컬 안테나를 구성하고, 상기 헬리컬 안테나에 이중 대역들을 미세 조정하고 동작주파수 조정이 가능한 조정부로 구성함으로써, 상기 헬리컬 안테나의 대역 주파수 및 동작주파수를 조정부로 조절할 수 있게 함으로써, 헬리컬 안테나의 해당 대역에서의 이득특성을 향상시키고, 안테나 생산 과정에서 발생하는 동작주파수 오차를 효율적으로 보정할 수 있게 된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a helical antenna having a dual band characteristic and an adjustment unit capable of finely adjusting dual bands and adjusting an operating frequency of the helical antenna, The gain characteristic in the corresponding band of the helical antenna can be improved and the operating frequency error generated in the antenna production process can be efficiently corrected.
도 1은 본 발명에 적용되는 헬리컬 안테나 구성도 및 분해도
도 2는 본 발명 이중대역 헬리컬 안테나 구성도.
도 3은 본 발명 이중대역 헬리컬 안테나의 등가회로
도 4는 본 발명 이중대역 헬리컬 안테나의 동작 상태도1 is a configuration diagram and an exploded view of a helical antenna according to the present invention;
2 is a block diagram of a dual band helical antenna according to the present invention.
Fig. 3 is a diagram showing the equivalent circuit of the dual band helical antenna of the present invention
Fig. 4 is a diagram showing the operation state of the dual band helical antenna of the present invention
이하 첨부되는 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 적용되는 헬리컬 안테나 구성도 및 분해도이다.1 is a structural view and an exploded view of a helical antenna according to the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 헤리컬 안테나는 도체를 시계방향 또는 반 시계방향으로 감아서 구성하게 되며 직선형 모노폴 안테나에 비해 길이가 매우 짧고 나선에 따라 정현파 전류분포를 가지며, 주파수 변화에 따른 종단임피던스는 매우 민감하며 대역폭 또한 좁다. As shown in FIG. 1, a helical antenna is formed by winding a conductor in a clockwise or counterclockwise direction. The helical antenna has a very short length compared to a linear monopole antenna, has a sinusoidal current distribution along a spiral, and has a terminal impedance Are very sensitive and have a narrow bandwidth.
상기 헬리컬 안테나의 방사 조건 설계는 직경(dimeter), 피치각α, 권선수의 3 변수로 설계할 수 있다. 이 변수들 간의 관계는 도 1에 도시된 바와 같으며 식(1),(2)로 구할 수 있다. The radiation condition design of the helical antenna can be designed with three parameters: diameter, pitch angle, and winding. The relationship between these variables is as shown in Fig. 1 and can be obtained by equations (1) and (2).
여기에서 C = 원주 = πD , D = 권선 직경, = 피치각, A = 안테나 높이(축방향) = N s, d = 나선 도체의 직경을 각각 나타낸다.Here, C = circumference = πD, D = winding diameter, = pitch angle, A = antenna height (axial direction) = N s, and d = diameter of the spiral conductor.
나선의 크기가 파장에 비해 적을 경우 최대 방사는 나선 축과 수직한 방향으로 이루어진다. 먼 지점(far field)에서 소형 다이폴로부터의 전계는 Eθ 성분만 존재하며, 소형 루프 안테나로부터의 전계는 Eφ 성분만을 갖는다. 즉, If the size of the helix is less than the wavelength, the maximum emission is perpendicular to the helical axis. Electric fields from the small dipole at distant points (far field) is present only E θ component, electric fields from the small loop antenna has only Eφ component. In other words,
전계강도의 편파타원면(polarization ellipse)에 대한 장축(major axis)과 단축(minor axis)의 비를 축비(axial ratio)라 하며, 수직모드로 동작하는 나선형 안테나의 축비는 다음과 같다 . The ratio of the major axis to the minor axis with respect to the polarization ellipse of the electric field intensity is called the axial ratio and the axial ratio of the helical antenna operating in the vertical mode is as follows.
원형편파로 동작하기 위해서는 다음 식처럼 축비가 1 이어야한다. In order to operate circularly polarized wave, the axial ratio should be 1 as follows.
원편파를 형성하기 위해 피치 길이(권선간격) s 와 직경 사이의 관계식은 다음 식과 같다.The relationship between the pitch length (winding distance) s and the diameter to form the circular polarized wave is given by the following equation.
따라서 원편파가 되기 위한 나선의 원주길이는 식 (8)과 같이 주어진다. 또한 완전한 접지면이 보장될 경우, 소형 헬리컬 안테나의 방사저항은 식 (9)로 구할 수 있다. Therefore, the circumferential length of the helix to be a circular polarized wave is given by Eq. (8). Also, if a perfect ground plane is guaranteed, the radiation resistance of a small helical antenna can be obtained from Eq. (9).
따라서 헬리컬안테나의 직경은 k ≤ 0.5 범위 내에서 식 (10)과 같이 조정할 수 있으며, 안테나 전체길이(도선의 길이)는 식 (11)로 구할 수 있다. Therefore, the diameter of the helical antenna can be adjusted as shown in Equation (10) within the range of k ≤ 0.5, and the total length of the antenna (the length of the conductor) can be obtained by Equation (11).
헬리컬 안테나의 고유 인덕턴스는 The inherent inductance of a helical antenna is
로 주어지며, 여기에서 K는 권선 밀도에 의존하는 장강계수이다., Where K is the longitudinal strength factor depending on the winding density.
권선 사이에는 미소 선소 사이에 발생하는 용량성분이 존재하며 이는 다음과 같다.There is a capacitance component between the microdevices between the windings, which is as follows.
식 (12)와 식 (13)으로부터 헬리컬 안테나의 동작주파수는 다음과 같이 주어진다. From the equations (12) and (13), the operating frequency of the helical antenna is given by
도 2는 본 발명 이중대역 헬리컬 안테나 구성도이고, 도 3은 본 발명 이중대역 헬리컬 안테나의 등가회로이며, 도 4은 본 발명 이중대역 헬리컬 안테나의 동작 상태도이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a dual band helical antenna according to the present invention, FIG. 3 is an equivalent circuit of the dual band helical antenna of the present invention, and FIG. 4 is an operational diagram of the dual band helical antenna of the present invention.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 이중대역 헬리컬 안테나는 조밀하게 감긴 기본 동작주파수(낮은주파수 동작대역(F1)과 느슨하게 감긴 높은주파수 동작대역(F2)로 구성되고, 상기 조밀하게 감긴 기본 동작주파수(낮은주파수 동작대역(F1)의 끝단에 주파수조정 증감용스크류(3)를 구성하고, 상기 조밀하게 감긴 낮은주파수 동작대역(F1)과 느슨하게 감긴 높은주파수 동작대역(F2)과 연결되는 부위에 고정용스크류(4)를 구성하게 된다.As shown in Figs. 2 and 3, the dual band helical antenna is composed of a densely wound basic operating frequency (a low frequency operating band F1 and a loosely wound high frequency operating band F2) Frequency operating band F1 is formed at the end of the low frequency operating band F1 and the frequency adjusting band 3 is formed at a portion connected to the tightly wound low frequency operating band F1 and the loosely wound high frequency operating band F2 So that the
그러므로 이중대역 헬리컬 안테나(1)의 낮은 주파수 동작대역(F1)은 도선 전체길이에 의해 결정되며, 높은주파수 동작대역(F2)은 느슨하게 감긴 권선에 의해 결정되며, 이와 같이 결정되는 동작 대역(F1)(F2)은 피치 P1, 권선수 N1, 길이 L1 과 피치 P2, 권선수 N2, 길이 L2를 갖은 두 개의 대역으로 구성되며, 이들 변수들을 조정함으로써 동작주파수를 얻는다.Therefore, the low frequency operating band F1 of the dual band helical antenna 1 is determined by the entire length of the wire, the high frequency operating band F2 is determined by the loosely wound winding, and the operating band F1, (F2) consists of two bands with pitch P1, winding N1, length L1 and pitch P2, winding N2, length L2, and by adjusting these parameters, the operating frequency is obtained.
따라서 도 4에 도시한 바와 같이, 권선수 N 인 안테나의 길이 L1, 피치P 를 길이 L2 , 피치 P'으로 Δ 만큼 늘릴 경우, 공진 주파수는 Therefore, as shown in Fig. 4, when the length L1 of the antenna N and the pitch P are increased by the length L2 and the pitch P 'by?, The resonance frequency is
만큼 증가한다. .
실제 예로서 N=50, 길이 65mm, 0.8mm 직경의 안테나는 118MHz 의 공진주파수를 갖으며, 이를 길이 80mm로 늘리면 122MHz, 1000mm 로 늘리면 128MHz 의 공진주파수로 늘어난다. As an actual example, an antenna with a diameter of N = 50, a length of 65 mm, and a diameter of 0.8 mm has a resonance frequency of 118 MHz. If the length is increased to 80 mm, the resonance frequency increases to 122 MHz and 1000 mm.
여기서 이중대역 헬리컬 안테나(1)가 아닌, 단일대역 헬리컬 안테나의 주파수를 증감하고자 할 경우에는 증감용스크류(3)만으로 증감하면서 고주파 공진부의 길이를 고정하게 되고, 상기 이중대역 헬리컬 안테나(1)의 경우에는 두 개의 스크류를 이용하여 수행하게 되는데, 먼저 증감용 스크류(3)를 조정하여 필요로 하는 고주파 발진주파수가 나오도록 한 후 고정용스크류(4)를 체결하여 고주파 공진부의 길이를 고정시킨다. In this case, when the frequency of the single-band helical antenna is increased or decreased rather than the dual-band helical antenna 1, the length of the high-frequency resonator is fixed by increasing or decreasing only the increase / decrease screw 3, The adjusting screw 3 is adjusted so that a required high frequency oscillation frequency is generated, and then the
상기 고정용스크류(4)로 고주파 공진부의 길이를 고정된 상태에서 증감용 스크류(3)를 재조정하여 원하는 저주파 공진주파수가 되도록 조정하여 원하는 동작주파수를 미세조정할 수 있게 되는 것이다.The length of the high frequency resonator is fixed by the
1; 이중 대역 헬리컬 안테나 3; 증감용 스크류
4; 고정용스크류One; Dual band helical antenna 3; Increase / decrease screw
4; Fixing screw
Claims (1)
상기 헬리컬 안테나에 길이를 가변하여 동작 대역 및 동작 주파수를 가변 조정할 수 있는 조정부를 포함하되,
상기 조정부는 조밀하게 감긴 낮은주파수 동작대역의 끝단에 증감용스크류를 포함하고, 상기 조밀하게 감긴 낮은주파수 동작대역과 느슨하게 감긴 높은주파수 동작대역이 연결되는 부위에 고정용스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 동작주파수 미세조정이 가능한 이중대역 헬리컬 안테나.A helical antenna having dual band characteristics of a tightly wound low frequency operating band and a loosely wound high frequency operating band,
And an adjuster for varying a length of the helical antenna to variably adjust an operating band and an operating frequency,
Wherein the adjusting unit comprises a tightening screw at the end of a tightly wound low frequency operating band and a fastening screw at a location where the tightly wound low frequency operating band and the loosely wound high frequency operating band are connected Dual-band helical antenna with fine tuning of operating frequency.
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