KR20150138960A - 동작주파수 미세조정이 가능한 이중대역 헬리컬 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동작주파수 미세조정이 가능한 이중대역 헬리컬 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 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.

Description

동작주파수 미세조정이 가능한 이중대역 헬리컬 안테나{Dual band Helical Antenna with fine tuning capability for operating frequencies}

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..

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.

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.

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.

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.

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.

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.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 헬리컬 안테나의 대역 주파수 미세조정 및 동작주파수 조정을 용이하게 할 수 있도록 하는데 있다.

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.

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.

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.

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 상태도

이하 첨부되는 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 적용되는 헬리컬 안테나 구성도 및 분해도이다.

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.

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.

여기에서 C = 원주 = πD , D = 권선 직경, = 피치각, A = 안테나 높이(축방향) = N s, d = 나선 도체의 직경을 각각 나타낸다.

나선의 크기가 파장에 비해 적을 경우 최대 방사는 나선 축과 수직한 방향으로 이루어진다. 먼 지점(far field)에서 소형 다이폴로부터의 전계는 E_θ 성분만 존재하며, 소형 루프 안테나로부터의 전계는 Eφ 성분만을 갖는다. 즉,

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 .

원형편파로 동작하기 위해서는 다음 식처럼 축비가 1 이어야한다.

원편파를 형성하기 위해 피치 길이(권선간격) s 와 직경 사이의 관계식은 다음 식과 같다.

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.

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.

헬리컬 안테나의 고유 인덕턴스는

로 주어지며, 여기에서 K는 권선 밀도에 의존하는 장강계수이다.

권선 사이에는 미소 선소 사이에 발생하는 용량성분이 존재하며 이는 다음과 같다.

식 (12)와 식 (13)으로부터 헬리컬 안테나의 동작주파수는 다음과 같이 주어진다.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

1; 이중 대역 헬리컬 안테나 3; 증감용 스크류
4; 고정용스크류

Claims (1)

1. 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 하는 동작주파수 미세조정이 가능한 이중대역 헬리컬 안테나.

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