KR100416631B1 - 환형안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명에는 환형 상의 세그먼트 내에 역으로 감겨지며 선택된 세그먼트 상에서 상반된 전류를 가지는 권선을 가진 안테나에 관한 것이다. 환형 표면부와 같은 다중 연결된 표면부 주위 및 그 표면부 상에 역으로 감겨진 권선을 가진 하나 이상의 절연 도선 회로를 구비한 안테나가 개시되어 있다. 상기 절연 도선 회로는 상기 다중 연결된 표면부 주위 및 그 표면부 상에 하나 이상의 순환 도전 경로를 형성할 수 있다. 상기 권선은 나선형 패턴, 폴로이달 주변 패턴을 가지거나 상기 환형 상에 슬롯이 형성된 도선으로부터 형성될 수 있다. 루프에 용량성 급전을 제공하는 두개의 플레이트를 가진 환형 상에 환형 허브를 구비한 폴로이달 루프 권선이 개시되어 있으며, 이들은 상기 플레이트 중 하나에 선택적으로 접속된다. 또한, 관련 방법도 개시되어 있다.

Description

환형 안테나{Toroidal antenna}
본 발명은 발명의 명칭이 "환형 안테나"이며 1992년 12월 15일에 출원된 미국 출원번호 07/992,970의 계속출원(continuation-in-part:CIP)이다.
여기 주파수에서 안테나 효율성 정도는 자유 공간에서의 빛(C)의 속도, 파장 (λ) 및 주파수(f)를 이용하여 다음의 익히 공지된 식에 의한 신호 전파 속도와 관련된 효율적인 전기 길이와 직접 관련이 있다:
알려졌듯이, 안테나 전기 길이는 그라운드 플레인에 대하여 1 파장, 1/2 파장(다이폴), 1/4 파장이 되어서 실제 안테나 임피던스를 최소화해야만 한다. 이러한 특징을 만족하지 못했을 경우에, 안테나 임피던스는 안테나상의 정재파(standing waves) 및 안테나 급전(전송 선로)을 변화시키며, 그러한 정재파 비율의 증가는 모든 발생 에너지를 손실시키며 더욱 낮은 복사 에너지를 가져다주게 된다.
전형적인 수직형 휩 안테나(모노폴)는 전방향성의 수직으로 분극화된 패턴을가지며, 그러한 안테나는 UHF와 같은 높은 주파수에서도 비교적 작게 구성될 수가 있다. 그러나, 낮은 주파수에서는 그러한 크기는 LF 및 MF 대역에서 사용되는 매우 긴 라인 및 타워를 필요로 하는 문제가 생기게 된다. 낮은 주파수 대역에서의 장거리영역의 전송 상태는 이점이 될 수 있으나, 안테나, 특히 방향성 어레이는 너무 큰 크기가 되어서 소형의 휴대용 송신기 역할을 할 수가 없게 된다. 높은 주파수에서도, 종래의 모노폴 또는 다이폴 안테나와 동일한 효율성 및 실행능력을 가진 실제로 소형의 안테나를 구비하는 것이 이점이 된다.
수년에 걸쳐서, 수평적으로 분극화된 안테나는 더 많은 지상파 손실을 가져온다는 이유로 그라운드 수평 분극보다는 더욱 효율적(더욱 장거리 영역)이라고 알려진 방향성 특징, 특히 수직 분극을 가진 소형의 안테나를 제작하기 위하여 여러 가지 기술이 시도되었다.
방향성 특징의 측면에서, 소정의 안테나 구성에서 특정 분극에서 그 안테나 내에서 발생된 자계를 무효로 하며 동시에 그 자계에 대해 정상 상태에 있는 전계를 증가시키는 것이 가능하다고 인식되어진다. 유사하게, 상기 전계를 무효로 하며 동시에 그 자계를 증가시키는 것도 가능하다.
그러한 상응한 원리는 소정 영역내의 동일한 전계를 발생하는 두 개의 소스는 서로 동등하며, 그러한 동등함은 전류 소스 및 해당 자기 전류 소스 사이에서 보여질 수가 있다고 언급하는 전자계 분야에서는 잘 알려진 개념이다. 이 원리는 알 에프 해링톤(R.F. Harrington)의 1961년 참조 "시간 조화 전자계(Time Harmonic Electromagnetic Fields)"의 섹션 3 내지 5에 설명되어 있다. 선형 전류를 이송하는 선형 다이폴 안테나 구성요소의 경우에 있어서, 그 동등한 자기 소스는 자기 전류의 원형의 방위각 링에 의해 얻어진다. 전류의 솔레노이드는 선형 자기 전류를 발생하기 위한 분명한 하나의 방법이 된다. 환형의 표면상에 위치한 전류 솔레노이드는 자기 전류의 그 필요한 원형의 방위각 링을 형성하는 일 방법이 된다.
환형의 나선형 안테나는 환형 상에 권선되며, 그 환형 형태의 플레인에 대해 직각이며 그 환형의 중심과 동심원인 축을 가진 전기 다이폴 안테나의 패턴과 유사한 패턴에서 전자 에너지를 방출하는 특징을 제공하는 나선형 도선으로 이루어진다. 이러한 나선형 안테나의 효율적인 전송 선로 임피던스는 자유 공간 전파 속도에 대해서 그러한 나선형 구조주위의 상기 도선의 급전 포인트로부터 웨이브의 전파를 방해한다. 그 구조에서의 감소된 속도 및 원형의 전류는 해당 공명 다이폴(선형 안테나)의 크기와 같은 또는 더욱 작은 환형 안테나를 구축하는 것을 가능하게 한다. 그러한 환형 형태의 설계는, 그 환형의 나선형 구조가 유사한 전기적 복사 특성을 가지나, 단순한 공명 다이폴 구조보다도 실제로 더욱 작게 이루어지기 때문에, 낮은 종횡비를 가지게 된다. 단순한 단일 위상 피드 구조는 매우 작은 패키지에서 1/2 파장의 다이폴에 견줄 만한 복사 패턴을 제공할 것이다.
이에 관련해서, 미국 특허 제4,622,558호 및 제4,751,515호는 종래의 선형 안테나를 지상에서 전파될 때 더 낮은 손실에서 전파되는 수직적으로 분극화된 복사를 발생하는 자기 공명 구조로 대체함으로써 소형의 안테나를 구성할 수 있는 기술로써 소정의 특징을 가진 환형의 안테나를 개시한다. 낮은 주파수에 대해서, 자기 공명 수직 선형 안테나는 이미 인식된 바와 같이 도움이 되지 못하며, 이러한특허에서 설명된 자기 공명 구조는 낮은 주파수에서 물리적으로 다루기 힘들며 전기적으로 비효율적인 수직 구성부 문제를 다소 해결한다.
상기 언급된 특허는 더욱 복잡한 방향성 안테나에 대한 빌딩 블록으로써 모노필라(monofilar) 환형 나선을 초기에 설명한다. 이러한 안테나는 외부 통과 회로에 의해 또는 특정 자기 공명 특성으로 인해 제어되는 신호의 상대 위상을 가지고 궤환되는 다중 도전 경로를 포함한다. 일반적인 의미에서, 이들 특허는 수직 분극을 제공하는 소위 콘트라와운드(contrawound) 환형 권선의 사용을 설명한다. 이들 특허에서 언급된 상기 콘트라와운드 환형 권선은 버드스올, 시 케이(Birdsall, C.K.) 및 에버하트 티 이(Everhart, T.E.)에 의해 발표된, 1956년 10월 전자 장치 상의 IRE 트랜스액션 제190 페이지상의 "고전력 웨이브 튜브용의 변경된 콘트라-와운드 나선형 회로(Modified Contra-Wound Helix Circuits for High-Power Traveling Wave Tubes)"에 개시된 바와 같이, 단지 두 개의 단말을 가진 특이한 설계를 가지고 만들어진다. 이 특허는 자계 및 전계/자기 전류 및 전류간의 차이점을 지적하며 환형의 수직적으로 분극화된 안테나 상에서 서로에 대해 물리적으로 중첩된 두 개의 모노필라 회로가 두 개의 포트 신호 입력을 이용하여 창조될 수가 있다고 추정한다. 이러한 설계의 기본은 선형 나선이며, 이에 대한 설계 방정식이 1953년 칸도니안 및 시샥(Kandoian ＆ Sichak)(상기 미국특허 제4,622,558호)에 의해 최초로 설명되어진다.
상기 언급된 특허와 같은 선행기술은 콘트라와운드 구조의 모의 시험지향의 두 개의 환형 구조와 같은 더욱 복잡한 구조에 대한 기본 빌딩 블록으로써 기본적인 환형 실시예들을 보여준다. 예를 들어, 상기 언급한 특허는 토러스의 단축에 의해 경계가 정해지는 원주 근처에서 정수의 관내 파장을 가질 수 있는 (복잡 또는 단순한) 토러스를 설명한다.
모노필라 디자인을 가지는 단순한 환형 안테나는 입력된(수신된) 또는 출력된(송신된) 신호의 전계 및 자계 성분 모두에 대해 응답을 한다. 한편, 멀티필라(멀티와인딩)는 안테나 방향성 및 분극의 제어기능을 제공하는 가운데, 별도의 환형 상에서 별개의 권선 내에서 동일한 피치 감지부 또는 다른 피치 감지부를 가질 것이다. 나선의 한 형태는 링 및 브리지 설계의 형태이며, 이는 약간의 기본 콘트라와운드 와인딩 구조 특성을 보여준다.
잘 알려져 있듯이, 선형 솔레노이드 코일은 자신의 중심 축을 따라서 선형의 자계를 발생한다. 이러한 자계의 방향은 "오른손 법칙"에 따른 것으로써, 이에 의해 만약 오른손의 손가락이 손바닥을 향하여 내측으로 감겨져서 그 솔레노이드 내의 원형의 전류 흐름 방향을 가리키게 된다면, 이러한 자계의 방향은 상기 감아진 손가락에 대한 축 방향에 평행하게 연장될 때 엄지손가락의 방향과 동일하게 된다(예를 들어 아래의 도 47을 참조). 이러한 법칙이 오른손 나사 산에서처럼, 오른손 감지부로 감겨진 솔레노이드 코일에 대해 적용됐을 때, 전류 및 그 결과의 자계 모두는 동일한 방향을 가리키나 왼손 감지부의 코일은 상반된 방향을 가리키는 전류 및 그 결과의 자계를 가지게 된다. 상기 솔레노이드 코일에 의해 발생된 자계는 때때로 자기 전류라고 불린다. 동일한 축상의 오른 손 및 왼손 코일을 결합하여서 콘트라-와운드 코일을 발생하여서 서로 상반된 방향의 전류를 가진 개개의 코일 구성요소를 공급함으로써, 네트 자계가 단일 코일 자계의 두배가 되는 반면에, 네트 전류는 "0"까지 효율적으로 감소되게 된다.
또한 잘 알려져 있듯이, 정현파 교류 소스에 의해 공급되며 로드 임피던스를 가지고 종단되는 평형 전기적 전송 선로는 상기 소스로부터 상기 로드까지의 전류 웨이브를 전파시킨다. 이러한 웨이브는 상기 로드에서 반사되어 상기 소스를 향하여 다시 전파되며, 상기 전송 선로상의 네트 전류 분배는 입사 및 반사파 구성성분 모두에서 찾아 볼 수 있으며 상기 전송 선로상의 정재파로 특징지워질 수가 있다(예를 들어 아래의 도 13을 참조). 평형 전송 선로를 가지고, 상기 전송 선로를 따른 소정 지점에서의 각 도선 내의 전류 구성성분들은 크기에 있어서 동일하나 극성에 있어서는 서로 상반되며, 이는 별개의 도선을 따라 동일한 크기의 웨이브에 의해 상반되게 분극화된 동시적인 전파와 같은 의미가 된다. 소정의 도선을 따라, 단일 방향의 포지티브 전류의 전파는 상반된 방향의 네가티브 전류의 전파와 동일하다. 상기 입사 및 반사파의 상대 위상은 로드 소자 ZL의 임피던스에 달려 있다. 아래의 도 13을 참조하여 I0은 입사 전류 신호를 I1은 반사 전류 신호를 나타낼 때, 반사 계수 ρi는 다음과 같이 정의될 수 있다:
상기 입사 및 반사 전류는 서로 상반된 방향으로 흐르기 때문에, 그 상응 반사 전류인 I1'= -I1은 상기 입사 전류 I0의 방향에 대한 상기 반사 전류의 크기를제공한다.
본 발명은 송수신 안테나에 관한 것으로서, 특히, 나선형으로 감겨진 안테나에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 4개의 세그먼트 나선형 안테나를 도시한 개략도.
도 2는 도 1에 도시한 권선의 확대도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에서의 권선의 확대도.
도 4는 본 발명을 구현한 두 개의 세그먼트(두개의 부분) 나선형 안테나를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에서 권선 역 지점에서의 다양한 임피던스를 가진 2-포트 나선형 안테나 및 본 발명에 따른 안테나 튜닝에 대한 개략도.
도 6은 도 1에 도시한 안테나에 대한 전계 패턴을 도시한 전계 플롯도.
도 7, 8 및 9는 도 1에 도시한 안테나의 노드사이의 환형 위치에 대한 전류 및 자계 플롯도.
도 10, 11 및 12는 도 4에 도시한 안테나의 노드사이의 환형 위치에 대한 전류 및 자계 플롯도.
도 13은 종단 전송 선로에 대한 등가 회로도.
도 14는 전계 소거 향상 및 단순화된 구성을 가진 튜닝 능력을 가진 본 발명에 따른 환형상의 폴로이달 권선의 확대도.
도 15는 임피던스 및 위상 정합 소자를 구비한 본 발명을 구현한 안테나의 4개면 버전의 단순화된 블록도.
도 16은 권선을 연결하는 제1 및 제2 임피던스 정합 코일을 가진 본 발명을 구현한 안테나의 권선을 도시한 확대도.
도 17은 튜닝 수단을 도시한 본 발명을 구현한 안테나에 대한 등가 회로도.
도 18 및 19는 도 17의 튜닝 용도를 위해 환형 주위에 위치한 페쇄된 금속 포일 튜닝 소자를 이용한 환형 안테나의 일부를 도시한 개략도.
도 20은 상반된 노드사이에 튜닝 커패시터를 이용한 본 발명을 구현한 안테나를 도시한 개략도.
도 21은 본 발명을 구현한 사분면의 안테나에 대한 튜닝 방법을 도시한 등가 회로도.
도 22는 도 21의 튜닝 용도를 위한 환형상의 도선 포일 랩퍼(wrapper)를 구비한 본 발명에 따른 안테나의 예시도.
도 23은 도 24의 라인 23-23을 절개한 단면도.
도 24는 본 발명에 따른 포일 커버형의 안테나를 도시한 사시도.
도 25는 본 발명을 구현한 회전 대칭성을 가진 안테나의 다른 실시예를 도시한 예시도.
도 26은 안테나상의 모듈레이터 제어된 파라메트릭 튜닝 장치를 이용하는 주파수 변조 송신기를 도시한 기능 블록도.
도 27은 전방향성의 폴로이달 루프 안테나를 도시한 예시도.
도 28은 도 27에 도시한 안테나내의 한 루프를 도시한 측면도.
도 29는 상기 루프 안테나에 대한 등가 회로도.
도 30은 사각 루프 안테나의 측면도.
도 31은 본 발명에 따른 원통형 루프 안테나를 도시한 부분 절단도.
도 32는 도 31의 라인 32-32를 절개한 단면도 및 그 권선 내의 전류에 대한 다이어그램.
도 33은 본 발명에 따른 폴로이달 루프 구조의 튜닝 및 에뮬레이션을 위한 환형 슬롯을 가진 환형을 도시한 부분도.
도 34는 환형 코어 튜닝 회로를 구비한 환형 안테나를 도시한 예시도.
도 35는 도 34에 도시한 안테나에 대한 등가 회로도.
도 36은 본 발명에 따른 중앙 정전용량 튜닝 배열을 가진 환형 안테나의 절개도.
도 37은 폴로이달 권선을 가진 도 36에 도시한 안테나의 다른 실시예를 도시한 절개도.
도 38은 가변형의 정전용량 튜닝을 가진 다른 실시예를 도시한 도면.
도 39는 안테나 대역폭을 증가시키면 폴로이달 루프 구조에서 튜닝 또는 에뮬레이션용 슬롯을 가진 본 발명에 따른 사각 환형 안테나를 도시한 평면도.
도 40은 도 39의 라인 40-40에 따른 단면도.
도 41은 폴로이달 구조에서 튜닝 또는 에뮬레이션용 슬롯을 가진 6개의 측면을 가진 도 39에 도시한 안테나의 다른 실시예를 도시한 평면도.
도 42는 도 41의 라인 42-42에 따른 단면도.
도 43은 종래의 선형 나선을 도시한 예시도.
도 44는 대략적인 선형 나선을 도시한 예시도.
도 45는 자계가 나선 길이에 대해 균일하거나 준균일하다는 가정 하에 도 45에 도시된 그 구조의 합성 등가도.
도 46은 외부 루프 및 위상 변이 및 전파제어를 가진 역으로 감겨진 환형 나선형 안테나를 도시한 예시도.
도 47은 오른손 감지부 및 왼손 감지부의 등가 회로도 및 관련된 전계 및 자계에 대한 설명도.
도 48은 본 발명의 한 실시예에 따른 직렬 급전 안테나의 개략도.
도 49, 50 및 51은 도 48에 도시된 안테나용 원형 노드 배치에 대한 전류 및 자장 선도.
도 52는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 직렬 급전 안테나의 개략도.
도 53, 54 및 55는 도 52에 도시된 안테나용 원형 노드 배치에 대한 전류 및 자장 선도.
도 56은 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 병렬 급전 안테나의 개략도.
도 57, 58 및 59는 도 56에 도시된 안테나용 원형 노드 배치에 대한 전류 및 자장 선도.
도 60은 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 병렬 급전 안테나의 개략도.
도 61은 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 임피던스 및 위상 정합 요소를 가진 도 60의 안테나에 대한 인터페이스의 블록 다이어그램.
도 62는 도 48, 52 또는 56의 안테나에 대한 대표적인 평면 방사 패턴.
본 발명의 목적은 저주파수 장거리 웨이브 분야에 특히 적절하면서도 물리적으로 낮은 프로파일 또는 안테나 패키지가 바람직한 어떤 주파수에서도 유용한 소형의 수직적으로 분극화된 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 공지된 선행기술의 안테나에 대하여 비교적 적은 물리적 프로파일을 지니는 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공지된 선행기술의 안테나에 대하여 연장된 통신 범위를 지니는 물리적으로 적은 프로파일 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 선형 분극되고 분극 방향에 따라 물리적으로 적은 프로파일을 지니는 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분극 방향에 수직인 방향에서 대체로 전방향성인 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분극 방향에 수직인 방향에서 최대 방사 이득을 지니며 분극 방향에서는 최소 방사 이득을 지니는 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 무선주파수(RF) 전원에 용이하게 정합되는 단순화된 급전 구조를 지니는 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공칭 동작 주파수에 대하여 가능한 한 넓은 대역 폭에 걸쳐 동작하는 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 환형 안테나는 환형 표면부 및 세그먼트화된 나선형 패턴의 상기 표면 주변에 단일 폐회로로서 각각 연장된 절연 도선으로 이루어진 제1 및 제2 권선을 구비한다. 상기 환형은 두 개의 세그먼트보다는 일반적으로 크거나 또는 동일한 짝수의 세그먼트, 예를 들어 4개의 세그먼트를 가진다. 소정 세그먼트내의 연속적인 도선 중 한 도선의 각 부분은 근접한 세그먼트내의 동일한 도선의 그 부분에 대해 역으로 감겨지게 된다. 그 동일한 도선의 근접한 세그먼트는 노드 또는 접합 부분(권선 역 포인트)에서 만나게 된다. 상기 두 개의 연속 도선의 각각은 상기 환형의 모든 세그먼트 내에서 서로에 대해 역으로 감겨지게 된다. 한 쌍의 노드(포트)는 각각의 근접한 세그먼트 쌍 사이의 경계부분에 위치하게 된다. 세그먼트로부터 세그먼트까지에서, 단극성 신호원으로부터의 전류 흐름의 분극이 포트의 노드가 서로 연결된 상기 도선에 대하여 상기 포트에서의 접속을 통해 역으로 바뀌어진다.
본 발명에 따르면, 매 다른 포트에 위치한 상기 접합 부분에서의 상기 도선은 절단되며 그 절단된 단부는 각각의 반사 전류 신호에 대해 약 90°의 위상 시프트를 제공하는 정합된 반응 임피던스를 가지고 종단이 된다. 이는 수직적으로 분극화된 전자 복사를 발생하는 구조 내에서 네트 전류의 동시적 소거 및 준균일 방위각 자기전류의 발생을 제공하게 해준다.
본 발명에 따르면, 일련의 도체 루프는 회전 표면상에 그리고 그 회전 표면에 대해 동일하게 이격된 상태에서 "폴로이달(poloid)" 형태로 형성되어서 각 루프의 장축이 그 회전 표면의 단축에 대한 탄젠트를 형성하게 된다. 상기 회전 표면의 장축에 대해, 모든 루프의 가장 중심 단부들은 하나의 단자 상에서 서로 연결되며,그리고 나머지 단부들은 제2 단자 상에서 서로 연결된다. 단극성 신호원은 상기 두개의 단자를 지나서 인가되며, 그러한 루프들이 평행하게 전기적으로 연결되기 때문에, 모든 루프에 의해 발생된 자계는 위상이 같게 되어서 수직적으로 분극화된 전방향의 복사를 발생하면서 준균일 방위각 자계를 발생하게 된다.
본 발명에 따르면, 루프 수는 증가하며 도선 소자는 회전 도선 표면부가 되어서 연속적으로 형성되거나 방사상으로 슬롯이 형성될 수가 있게 된다. 동작 주파수는 복합 안테나 단자에 대해 직렬 임피던스 또는 병렬 정전용량 중 하나를 증가함으로써 낮아지게 된다.
본 발명에 따르면, 전자 안테나는, 장반경 및 단반경을 지니며 상기 장반경이 최소한 상기 단반경만큼 큰 다중 연결된 표면부; 제1 노드로부터 제2 노드까지 제1 나선형 피치 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제1 나선형 도전 경로 내에 연장된 절연 도선 수단으로서, 제1 및 제2 나선형 도전 경로가 서로에 대해 역으로 감겨져서 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부 상에서 단일의 순환(endless) 도전 경로를 형성하도록 상기 제2 노드로부터 상기 제1 노드까지 상기 제 1 나선형 피치 감지부와 상반되는 제2 나선형, 피치 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 및 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제2 나선형 도전 경로 내에 또한 연장된 절연 도선 수단; 및 상기 제 1 및 제 2 노드에 각각 전기적으로 연결된 제 1 및 제 2 신호단자를 지닌다.
본 발명에 따르면, 전자 안테나는 장반경 및 단방경을 지니고 상기 장반경이최소한 상기 단반경만큼 큰 다중 연결된 표면부 ; 제1 노드로부터 제2 노드까지 제 1 권선 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부 상에 위치한 제1 폴로이달 주변 권선 패턴 내에 연장된 절연 도선 수단으로서, 제1 및 제2 폴로이달 주변 권선 패턴이 서로에 대해 역으로 감겨져서 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에서 단일의 순환 도전 경로를 형성하도록 상기 제2 노드로부터 상기 제1 노드까지 상기 제 1 권선 감지부와 상반되는 제2 권선 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제2 폴로이달 주변 권선 패턴 내에 또한 연장된 절연 도선 수단; 및 상기 제1 및 제2 노드에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 신호 단자를 지닌다.
본 발명에 따르면, 전자 안테나는, 장반경 및 단반경을 지니며 상기 장반경이 최소한 상기 단반경만큼 큰 다중 연결된 표면부; 제1 노드로부터 제2 노드까지 그리고 상기 제 2 노드로부터 제3 노드까지 제1 나선형 피치 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제1의 대체로 나선형인 도전 경로 내에 연장된 절연 도선 수단으로서, 제1 및 제2의 대체로 나선형인 도전 경로가 서로에 대하여 역으로 감겨져서 단일의 순환 도전 경로를 형성하도록 상기 제3 노드로부터 제4 나선형 피치 감지부와 상반되는 제 2 나선형 피치 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제2의 대체로 나선형인 도전 경로 내에 또한 연장된 절연 도선 수단; 및 상기 제2 및 제4 노드에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 신호 단자를 지닌다.
본 발명에 따르면, 전자 안테나는, 장반경 및 단반경을 지니며 상기 장반경이 최소한 상기 단반경만큼 큰 다중 연결된 표면부; 제1 노드로부터 제2 노드까지 제1 나선형 피치 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제1의 대체로 나선형인 도전 경로 내에 연장된 제1 절연 도선 수단으로서, 제1 및 제2의 대체로 나선형인 도전 경로가 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제 1 순환 도전 경로를 형성하도록, 상기 제2 노드로부터 상기 제1 노드까지, 상기 제 1 나선형 피치 감지부와 상반되는 제2 나선형 피치 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제2의 대체로 나선형인 도전 경로 내에 또한 연장된 제1 절연 도선 수단; 제3 노드로부터 제4 노드까지 상기 제2 나선형 피치 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제3의 대체로 나선형인 도전 경로 내에 연장된 제2 절연도선 수단으로서, 제3 및 제4의 대체로 나선형인 도전 경로가 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 실질적으로 상기 다중 연결된 표면부상에서 제2 순환 도전 경로를 형성하도록 상기 제4 노드로부터 상기 제3 노드까지 상기 제1 나선형 피치 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부 주변 및 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제4의 대체로 나선형인 도전 경로 내에 또한 연장되고, 상기 제1 및 제3의 대체로 나선형인 도전 경로는 상기 제2 및 제4의 대체로 나선형인 도전 경로에 대해 각각 역으로 감겨져 있는 제2 절연 도선 수단; 상기 제1 및 제4 노드 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 제1 신호 단자 수단; 및 상기 제2 및 제3 노드 중 적어도 하나에 전기적으로 연결된 제2 신호 단자 수단을 지니며, 상기 제1 및 제2 신호단자 수단은 상기 전자 안테나의 신호를 도전시킨다.
본 발명에 따르면, 환형 안테나로 RF신호를 전송하는 방법은, RF신호의 전류를 유도시키도록 제1 및 제2 신호 단자에 RF신호를 인가하는 단계; 장반경 및 단반경을 지니는 다중 연결된 표면부 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제1 도선 내에 제1 전류를 도전시키는 단계로서, 상기 장반경은 최소한 단반경만큼 크고, 상기 제1 도선이 상기 제1 신호 단자로부터 제2 신호 단자까지 제1 나선형 피치 감지부를 지니는 단계 ; 상기 다중 연결된 표면 주변 및 상기 다중 연결된 표면부상에 위치한 제2 도선 내에 제2 전류를 도전시키는 단계로서, 상기 제2 도선이 상기 제2 신호 단자로부터 상기 제1 신호 단자까지 상기 제1 나선형 피치 감지부와 상반되는 제2 나선형 피치 감지부를 지니는 단계; 및 서로에 대해 역으로 감겨진 관계로 상기 제1 및 제2 도선을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명은 브리지 및 링 구조와 비교해 볼 때 더 넓은 주파수 스펙트럼에 대해 보다 큰 이득을 가진 수직으로 분극화된 소형 안테나를 제공한다. 본 발명의 다른 목적, 이점 및 특징은 당업자에게 자명해질 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적은 첨부된 예시 도면을 참고한 이하 본 발명의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
도 1을 참조하면, 안테나(10)는 4개(n=4)의 등각 세그먼트(12)를 통해 환형(TF)주변에 연장되는 두 개의 전기적으로 절연된 폐회로 도선(권선)(W1,W2)을 포함한다. 이러한 권선은 두 개의 핀(S1,S2)으로부터 무선주파수 전기 신호를 공급받는다. 각 세그먼트 내에, "콘트라와운드"형의 권선, 즉 권선(W1)에 대한 소스는 굵은 실선에 의해 도시된 바와 같이 오른손(RH)이 될 것이며, 다른 권선(W2)에 대한 소스는 파선에 의해 도시된 바와 같이 왼손(LH)이 될 것이다. 각 도선은 하기에 개시될 방정식으로부터 알 수 있듯이, 그 형태 주변의 동일한 나선 회전수를 가지도록 설계된다. 접합점 또는 노드(14)에서 각각의 권선은 감지부를 역으로 만든다(각각의 절단부에 도시된 바와 같이). 상기 신호 단자(S1,S2)는 상기 두 개의 노드에 연결되며 그러한 각 쌍의 노드는 "포트"라고 불린다. 본 설명에서, 4개의 포트의 각각에 위치한 각각의 노드 쌍은 a1 및 a2, b1 및 b2, c1 및 c2 그리고 d1 및 d2로 지정된다. 예를 들어, 도 1에서, 4개의 포트인 a, b, c 및 d가 있다. TF의 단축에 대해 소정 포트에서의 노드는 서로에 대해 각 관계에 있게 되나 그 구조상의 모든 포트는 만약 각 세그먼트내의 회전수가 정수가 된다면 동일한 각 관계를 가지게 될 것이다. 예를 들어, 도 2는 정반대의 노드를 보여주는 반면에 도3은 중첩되는 노드를 도시한다. 이들 노드는 서로 중첩되나, 포트로부터 포트까지 단자 또는 핀(S1 및 S2)을 가진 해당 노드들의 연결은 도시된 바와 같이 역으로 이루어지며 정반대의 세그먼트가 각각의 권선이 동일한 감지부를 가지는 가운데 평행하게 동일한 연결을 가지는 구조를 가지게 된다. 그 결과 각 세그먼트 내에서 상기 권선 내의 전류는 상반되나 그 방향은 세그먼트로부터 세그먼트까지 그 권선 감지부와 같이 역으로 바뀌게 된다. 짝수 개의 세그먼트가 존재하는 한 세그먼트의 수를 증가하거나 감소시키는 것은 가능하나 상기 노드가 환형에 대한 효율적인 전송 선로 길이에 대한 관계를 유지해야 한다는 사실은 이해되어야만 한다(나선형의 권선 및 동작 주파수로 인해 전파 속도에 변화를 고려하여서). 상기 노드 위치를 변경함으로써 상기 안테나의 분극 및 방향성이 특히 도 5에 도시된 외부 임피던스(16)에 의해제어될 수 있다. 본 발명에 도시된 4개의 세그먼트 구조는 상기 안테나의 축으로부터 상승 각 θ을 가지며 도 6에 도시된 바와 같이 상기 안테나로부터 방사되는 다수 개의 전자파(E1,E2)를 가지는 수직으로 분극화된 전방향 전계 패턴을 발생시킴을 알 수 있다.
도 1이 4개의 세그먼트를 가진 실시예를 도시하고 도 4가 두 개의 세그먼트를 가진 실시예를 도시하나, 본 발명에서는 소정의 짝수의 세그먼트, 예를 들어, 6개의 세그먼트를 가지고 실행될 수 있다고 할 수 있다. 세그먼트의 수를 증가시킴으로써 생기는 이점은 복사 전력을 증가하며 안테나 급전 포트의 합성 임피던스를 감소시켜서 상기 안테나상의 신호 포트의 합성 임피던스와 신호 단자에서의 임피던스를 정합하는 작업을 단순화시킬 수 있다는 것이다. 상기 세그먼트의 수를 감소시킴으로써 생기는 이점은 안테나의 전체 크기를 감소시킬 수 있다는 데 있다.
1차적인 설계 목표가 도 6에 도시된 바와 같은 수직적으로 분극화된 전방향 복사 패턴을 형성하는 반면에, 전자 시스템의 등가 원리 및 기본적인 전자 다이폴 안테나의 이해를 통해서 이것이 자기 전류 또는 플럭스의 방위각 링의 형성을 통해 성취될 수가 있음을 인지하게 된다. 그러므로, 안테나는 그러한 자기 전류 분포를 발생하는 능력과 관련하여 설명될 것이다. 도 1을 참조하면, 평형 신호가 신호 단자(S1,S2)에 인가된다. 그런 다음, 이 신호는 평형 전송 선로를 경유하여 나선 급전 포트 d를 통해 a로 전달된다. 평형 전송 선로의 이론으로부터 알 수 있듯이, 그러한 전송 선로를 따른 어느 소정 지점에서, 그러한 두 개의 도선 내의 전류는 위상으로부터 180°에 있게 된다. 전송 선로가 접속되는 그 노드에 이르렀을 때, 상기 전류 신호는 각 노드로부터 떨어진 양방향으로 진행파로써 계속하여 전파된다. 이러한 방향으로 전류 분포는 4개의 세그먼트에 대해 도 7 내지 9에 2개의 세그먼트 안테나에 대해 도 10 내지 12에 도시되며 이러한 플롯에서 포트 또는 노드에 대해 설명이 되며, 여기서 J는 전류를 의미하며 M은 자기 전류를 의미한다. 이러한 분석은 신호 주파수가 안테나 구조와 튜닝되어서 그 구조의 전기적 원주가 1파장이 되며 그 구조상의 전류 분포가 정현파 크기가 된다고 가정할 수가 있다. 안테나 구조의 콘트라와운드 환형 나선형 권선은 전송 선로로써 취급되나 이들은 복사 전력으로 인해 누출되는 전송 선로를 형성하게 된다. 도 7 및 10의 구성도는 신호가 방출되는 노드로부터 떨어진 전파 방향의 분극을 가진 전류 분포를 도시한다. 도 8 및 11의 구성도는 일반적인 시계 반대방향으로 볼 때 상기 전류의 분극이 그 시계반대방향에 대하여 변화됨을 인식하면서 동일한 전류 분포를 도시한다. 도 9 및 12는 도 1에 도시된 원리를 이용하여 해당 자기 전류 분포를 도시한다. 도 8 및 11은 환형 나선형 구조상의 네트 전류분포가 소거되는 상태를 보여준다. 그러나, 도 9 및 12는 향상된 네트 자기 전류 분포를 보여준다. 그 결과, 사분면에 있는 그러한 신호들이 준균일 방위각 전류 분포형태를 이루게 된다.
다음의 5개의 주요 구성부는 본 발명을 실행하기 위해 만족되어야만 한다:
1) 안테나는 신호 주파수와, 즉, 신호 주파수에서 튜닝되어야만 한다. 환형 나선형 구조의 각 세그먼트의 전기적 원주 길이는 1/4 파장이 되어야만 한다; 2) 각 노드 상에서의 신호는 균일한 증폭을 가져야만 한다; 3) 각 포트 상에서의 신호는 동일한 위상으로 이루어져야만 한다; 4) 신호단자(S1,S2)에 인가되는 신호는 평형이 되어야만 한다; 그리고 5) 상기 환형 나선형 구조상의 신호 단자(S1,S2)와 신호 포트를 연결하는 상기 전송 선로 세그먼트의 임피던스는 신호 반사를 제거하기 위해서 상기 전송 선로 세그먼트의 각 단말상의 각각의 로드와 정합되어야만 한다.
안테나에 대한 크기를 계산할 때, 다음의 파라미터가 이하에 사용된 수학식에서 적용된다.
a = 환형의 장축
b = 환형의 단축
D = 2 x b = 환형의 단 직경
N = 환형 주위에 랩핑된 나선형 도선의 회전수
n = 단위 길이당 회전수
Vg= 안테나의 속도 계수
a(정규화) = a/λ = a
b(정규화) = b/λ = b
Lw= 정규화 도선 길이
λg= 자유 공간에 대한 속도 계수 및 λ에 기준한 파장
m = 안테나 세그먼트 수
상기 환형 나선형 안테나는 다음의 세 개의 물리적 변수에 의해 결정된 "공명" 주파수에 있게 된다.
a = 환형의 장반경
b = 환형의 단반경
N = 환형 주위에 랩핑된 나선형 도선의 회전수
V = 유도 전파 속도
독립 변수의 수는 자유공간 파장 λ에 대해 변수를 정규화하여서 함수 a(Vg) 및 b(Vg,N)를 형성하기 위해 재배열됨으로써 두 개, 즉 Vg 및 N으로 더 감소될 수가 있다. 즉, 이러한 구조는 λ의 자유공간 파장을 가지고 해당 공명 주파수를 가질 수 있게 된다. 4개의 세그먼트 안테나에 있어서, 공명은 그 환형의 장축의 원주가 1파장의 길이를 가지는 주파수로써 한정될 수가 있다. 일반적으로, 공명 동작 주파수는 안테나의 각 세그먼트가 1/4의 유도된 파장 길이(즉, 도 1의 각 노드(12)는 1/4 유도 파장에 있게 됨)에 있게 되는 안테나 구조상에서 정재파가 발생되는 주파수를 말한다. 이러한 분석에서, 그 구조는 1 파장의 장 원주 길이를 가지며 그 급전 및 권선은 대응하게 구성된다는 것이 가정되어진다.
안테나의 속도 계수는 다음과 같이 주어진다:
[수학식 1]
환형의 물리적 크기는 다음과 같은 자유공간 파장에 대해서 정규화될 수 있게 된다:
[수학식 2]
아이 알 이의 컨베션 레코드, 1953 국내 컨베션 파트 2 - 안테나와 커뮤니케이션 제42 내지 47페이지에 에이 지 칸도니안(A.G. Kandoian) 및 더블유 시샥(W. Sichak)에 의해 발표된 참조문헌 "광주파수 영역 조정 나선형 안테나 및 회로(Wide-Frequency-Range Tuned Helical Antennas and Circuits)"에서는 모노필라 선형 나선형 내부 도선을 가진 동축 라인에 대한 속도 계수를 예측하는 공식을 제시한다. 기하학적 변수의 대입을 통해, 이 공식은 미국 특허 제4,622,558호 및 제 4,751,515호의 환형 나선 기하형태로 변형되어 다음의 수학식을 얻게 된다:
[수학식 3]
이러한 공식이 이하에 개시된 본 발명과는 다른 물리적 실시예에 근거되나, 소정의 공명 주파수를 얻기 위한 구조 설계를 위한 본 발명의 적절한 개시로써 소수의 실험적인 변경에는 유용하다.
수학식 1 및 2를 수학식 3에 대입하여 간단하게 하면, 다음의 수학식이 주어진다:
[수학식 4]
수학식 1 및 2로부터, 속도 계수 및 정규화 장반경이 서로에 대해 직접 비례 관계에 있게 된다:
[수학식 5]
그 결과, 수학식 4 및 5는 Vg 및 N에 관하여 정규화된 장 및 단 환형 반경을 얻기 위해 재배열될 것이다.
[수학식 6]
[수학식 7]
다음의 토로스 기본 특성을 가정한다.
[수학식 8]
수학식 2, 6, 7 및 8은 기본적인 주파수 독립 설계 관계를 보여준다. 이들 수학식은 소정 동작 주파수에 대한 안테나의 물리적 크기, 속도 계수 및 회전수를 측정하거나 소정의 나선 회전수를 가진 특정 크기의 안테나에 주어진 동작 주파수를 결정하는 역순의 문제를 해결하기 위해 적용될 수가 있다.
칸도니안 및 시샥에 의해 발표된 인용문헌에 근거된 제약 조건이 다음의 정규화 변수와 관련하여 표현될 수 있다:
[수학식 9]
이를 재배열하여 b로 풀어서 수학식 7을 대입하면 다음의 수학식이 주어진다:
[수학식 10]
수학식 10을 재배열하여 변수를 다음과 같이 분리한다:
[수학식 11]
그 결과 2차 방정식이 다음과 같이 주어지게 된다:
[수학식 12]
또한, 수학식 6 및 8로부터 다음의 2차 방정식이 얻어진다:
[수학식 13]
상기 수학식 8로부터 도출된 수학식 13은 상기 수학식 12보다 더욱 엄격한 것 같다.
상기 나선형 도선의 정규화 길이는 다음과 같이 주어진다.
[수학식 14]
이 와이어 길이는 a=b 및 최소 권선 수가 N일 때 최소화될 것이다. a=b일때, 수학식 6으로부터 다음의 수학식이 구해진다:
[수학식 15]
그 결과,
[수학식 16]
4개의 세그먼트 안테나에 대해서, m = 4 이며,
[수학식 17]
수학식 15를 수학식 10에 대입하면 다음의 수학식이 얻어진다:
[수학식 18]
최소 와이어 길이에 대해, N= 최소 =4, 그 결과 4개의 세그먼트 안테나에 대해서는,
[수학식 19]
일반적으로, 와이어 길이는 작은 속도 계수에 대해 가장 최소화가 되어서, 수학식 18이 다음과 같이 계산되어지게 된다:
[수학식 20]
이는 수학식 16에 대입됐을 때 다음과 같이 얻어진다:
[수학식 21]
그 결과 2개의 세그먼트 안테나에 대해서는, 칸도니안 및 시샥의 방정식은 도선당 전체 와이어 길이가 자유공간 파장보다 더욱 크다는 것을 예측하게 된다.
이러한 방정식으로부터, 1/2 웨이브 안테나 선형 안테나의 효과적인 전송 특성을 가진 토로이드를 구성할 수가 있다. 본 발명에 따라 구성된 다수 개의 콘트라와운드 환형 나선형 안테나에 대한 경험은 소정 구조의 공명 주파수가 수학식 2, 6 및 7에 의해 예측된 것과 다르며 특히 실제의 공명 주파수는 본 계산에서 적용된 회전수(N)가 두 개의 도선 중 하나에 대한 실제 회전수보다 2 내지 3개의 변수에 의해 커지게 될 때 수학식 2, 6 및 7에 의해 예측된 공명 주파수에 상응하다는 사실을 보여준다. 몇몇 경우에, 실제 동작 주파수는 와이어의 길이와 가장 상관 관계가 있는 것 같다. 소정 길이의 환형 나선형 도선 LW(a,b,N)에 대해서, 이러한 길이는 다음과 같이 주어지는 전자파 주파수의 자유공간 파장과 동일하게 될 것이다:
[수학식 22]
몇몇 경우에 있어서, 측정된 공명 주파수는 0.75*fw(a,b,N) 또는 fw(a,b,2N)에 의해 가장 잘 예측되어진다. 예를 들어, 106,MHz 주파수에서 선형의 1/2 웨이브 안테나가 1.0의 속도 계수를 가정하며 1.415M(55.7in.) 길이를 가지는 반면에, 본발명의 토로이드 설계는 다음의 크기를 가진다.
a = 6.955cm(2.738in.)
b = 1.430cm(0.563in.)
N = 16 회전 # 16 와이어
m = 4개의 세그먼트
환형 설계의 이러한 실시예에 대해, 수학식 2, 6 및 7은 N=16에 대해 311.5MHz의 공명 주파수 및 Vg=0.454를 예측하며 N=32에 대해 166.7MHz의 공명 주파수를 예측한다. 이렇게 측정된 동작 주파수에서, Vg=0.154이며 수학식 4에 대해, N의 효과적인 수치는 51 회전수가 되어서 이 수치가 각 도선에 대한 실제 수치보다 3.2 계수 정도 더 크게 된다. 이 경우에, fw(a,b,2N)=103.2MHz가 된다.
도 5에 도시된 본 발명의 변형예에서, 해당 노드에서의 도선처럼, 입력 신호에 대한 두 개의 포트(a,b)에서의 연결은 끊어지게 된다. 나머지 4개의 개방된 포트(a11-a21,a12-a22,c11-c21,c21-c22)는 임피던스가 콘트라와운드 환형 나선형 도선쌍에 의해 형성된 전송 선로 세그먼트의 고유 임피던스와 정합되는 리액턴스(reactance)(Z)로 종단이 된다. 이러한 단자 리액턴스(도 13 참조)로부터 신호 반사는 입사 신호에 대한 위상 사분면에 있는 신호를 반사하여서 상기 환형 나선형 도선 상의 전류 분포가 도 1의 실시예의 전류 분포와 유사하게 되어서 신호 단자 및 신호 포트사이의 소수의 급전 연결관계를 가지면서 안테나 구조의 조정 및 튜닝을 간단하게 할 수 있는 동일한 복사 패턴을 제공하게 된다.
환형 콘트라와운드 도선은 나선형태 이상으로 배열가능하며 본 발명의 범위를 만족할 것이다. 도 14는 그러한 다른 배열상태 ("폴로이달-주변(poloidal-peripheral) 권선 패턴")를 도시하여서 두 개의 절연 도선(W1,W2) 각각에 의해 형성된 나선이 일련의 상호 접속된 폴로이달 루프(14.1)내로 분리된다. 이러한 상호 접속은 장축에 대해 원형의 호 형태를 형성한다. 상기 두개의 분리된 도선은 어느 곳에서도 평행하여서 이러한 배열이 환형 전류 성분의 보다 정확한 소거를 가능하게 하며 상기 폴로이달 루프에 의해 형성된 자기 전류 성분을 보다 정확하게 제어하도록 한다. 이러한 실시예는 실험적으로 입증된 구조의 공명 주파수를 낮게 하도록 하는 큰 상호 도선 정전용량에 의해 특징지워질 수가 있다. 본 실시예의 공명 주파수는 상기 평행 도선(W1,W2)사이의 공간을 조정함으로써, 서로에 대해서 그리고 상기 토로스의 장축 또는 단축 중 어느 하나에 대한 상기 두 개의 콘트라와운드 도선의 상대 각을 조정함으로써 조정될 수가 있다.
상기 신호 포트(S1,S2) 각각의 신호는 서로에 크기 및 위상(즉, 균일한 180° 위상 차와 동일한 크기)에 대해 평형이 유지되어야만 본 발명의 바람직한 실시예를 성취할 수가 있다. 또한 신호 급전 전송 선로 세그먼트는 양 단부, 즉, 신호 단자 공통 접합 부분 및 콘트라와운드 환형 나선형 구조상의 개별 신호 포트의 각각에서 정합되어야만 한다. 콘트라와운드 권선이 감겨진 형태 또는 다른 인자에서 그러한 콘트라와운드 권선의 결함은 신호 포트의 임피던스에 변화를 가져다 준다. 그러한 변화는 도 15에 도시된 형태에서처럼 보상을 요구하여서 안테나 구조에 흐르는 전류가 평형이 유지된 크기 및 위상을 가져서 후술되는 바와 같이 환형 전류 성분의 가장 완전한 소거를 가능하도록 해 준다. 가장 간단한 형태에서, 만약 신호단자에서의 임피던스가 Z0이며, 전형적으로 500hms이며 신호 포트상의 신호 임피던스가 Z1-m *Z0의 값을 가지면, 본 발명은 동일한 길이를 가지며 임피던스 Z1을 가진 m개의 급전 라인을 통해 실행되어서, 그 결과 상기 신호 단자의 이러한 임피던스의 평행 결합이 Z0의 값을 갖게 된다. 만약 상기 신호단자에서의 임피던스가 상기와 다른 저항 값 Z1을 가지게 된다면, 본 발명은 1/4 웨이브 트랜스포머 급전 라인을 통해 실행되는 데, 각각의 라인은 1/4 파장 길이 및 Zf = Z0Z1의 고유 임피던스를 가지게 된다. 일반적으로, 어떠한 임피던스도 전송 선로소자로부터 구성된 이중의 스터브 튜너와 정합될 수가 있다. 상기 신호 단자로부터의 급전 라인은 도 16에 도시된 신호 포트와 유도적으로 결합될 수가 있다. 상기 신호 포트의 임피던스를 상기 급전 라인과 정합하도록 하는 것 외에, 이러한 기술은 급전 단자의 불균형 신호를 콘트라와운드 환형 나선형 구조상의 신호 포트상의 균형 신호로 변환하기 위한 발룬(balun)으로써 기능을 한다. 이러한 유도적인 결합 접근을 통해, 상기 신호 급전 및 안테나 구조사이의 결합 계수가 조정되어서 상기 안테나 구조가 자유로이 공명하게 하도록 한다. 당해 기술 분야에 숙련된 자에게 있어서는 임피던스, 위상 및 증폭 정합 및 평형에 대한 다른 수단들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 가능하다.
상기 안테나 구조는 다양한 방식으로 튜닝될 수가 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 그러한 튜닝 수단은 그 구조 주위에 균일하게 분배되어서 균일한 방위각 자기 링 전류를 유지하도록 해야만 한다. 도 17은 두 개의 나선형 도체사이에 용량적 결합을 변경하는 역할을 하는 두 개의 절연 도체를 둘러싸는 폴로이달 포일 구조(18.1,19.1)(도 18 및 19 참조)의 사용을 도시한다. 폴로이달 튜닝 소자는 개방되거나 폐쇄된 루프가 되며, 후자는 별도의 유도 결합 구성성분을 제공하게 된다. 도 20은 다른 노드 특히 동일한 도선 상에 서로 상반된 노드를 용량적으로 결합하여서 상기 안테나 구조상의 신호를 평형하게 하는 수단을 도시한다. 가변성 커패시터(C1)를 이용한 용량적 결합은 환형 형태 및 환형 범위의 표면부와 평행한 원형의 도전 포일 또는 메쉬의 이용에 의해 방위적으로 연속되게 이루어진다. 도 23 및 25의 실시예는 도 17 내지 21의 실시예로부터 기인하며, 이 실시예에서 전체 환형 나선형 구조(HS)는 어느 곳에서도 동심원 형태인 실드(shield)(22.1)에 의해 둘러싸이게 된다. 이상적으로, 상기 환형의 나선형 구조(HS)는 그러한 실드와 평행하는 환형 자계를 발생하여서, 소정의 도전성 및 동작 주파수에 대한 상당히 얇은 포일에 대해서, 전자 경계 조건이 만족되어서 상기 구조 외부의 전자계 전파가 가능하도록 한다. 슬롯(폴로이달)(25.1)은 이하에서 설명되는 바와 같이 튜닝을 위해 부가되어진다.
상기 콘트라와운드 환형 나선형 안테나 구조는 안테나(10)로부터 전압을 수신하기 위한 발진기 증폭기(26.2)를 구비한 도 26에 도시된 FM 송신기에 대한 결합형의 튜닝 소자 및 복사기로써 역할을 하는 비교적 높은 Q 공명기가 된다. 모듈레이터(26.4)에 의해 제어되는 파라메트릭 튜닝 소자(26.3)를 통해, 변조가 이루어지게 된다. 전송 주파수(F1)는 리액턴스의 직접 변경에 의하거나 일련의 고정된 반응 소자(상기에 언급됨)를 절환함으로써 상기 안테나 구조에 부착된 용량적 또는 유도성의 튜닝 소자의 전자 조정에 의해 제어되어서 상기 구조에 결합된 리액턴스를 제어하여서, 그 결과, 상기 콘트라와운드 환형 나선형 구조의 본래의 주파수를 조정하게 된다.
도 27에 도시된 본 발명의 다른 변형예에서, 이전 실시예에서의 환형 나선형 도선은 환형의 형태에서 균일하게 방위적으로 이격된 일련의 N개의 폴로이달 루프(27.1)에 의해 대체되어진다. 상기 환형의 장반경에 대한 각 루프의 최중심부는 신호 단자(S1)에서 서로 연결되어지며 반면에 각 루프의 나머지 최외각부는 신호 단자(S2)에서 서로 연결된다. 서로에 대해 동일한 개개의 루프는 임의의 형태를 가지는 데, 도 28은 원형의 형태를 도시하며, 도 30은 직사각형 형태를 도시한다. 이러한 구조에 대한 전기적 등가 회로가 도 29에 도시된다. 개개의 루프 세그먼트는 각각 종래의 루프 안테나로서 기능한다. 이러한 복합적인 구조에서, 개개의 루프는 평행하게 궤환되어서 그 결과 각 루프에서 생기는 자계 성분이 위상이 동일하게 되며 환형의 형태에 대해 방위적으로 향하게 되어서 방위적으로 균일한 자기 전류 링을 형성하게 된다. 비교하면, 상기 콘트라와운드 환형 나선형 안테나에서, 상기 콘트라와운드 나선형 도선의 환형 구성성분으로부터의 전계는 마치 이러한 구성성분이 존재하지 않았듯이 소거되어서 각 도선의 폴로이달 구성성분으로부터 그 컨트리뷰션(contributions)만을 남기게 한다. 그 결과, 도 27의 실시예에서는 상응하게 발생된 전자계의 소거보다는 그 물리적 구조로부터 환형 구성성분을 제거하게 된다. 도 27의 실시예에서 폴로이달 루프의 수를 증가시키는 것은 각각 직사각형 그리고 원형의 프로파일 루프에 대한 도 31 및 33의 실시예를 가져오게 한다. 개개의 루프는 연속적인 도전 표면부가 되어서, 방사상의 평면 슬롯을 가지거나 가지지않게 되어서 멀티루프 실시예를 에뮬레이션하게 한다. 이러한 구조는 도전성의 환형 표면부에 대해 어느 곳에서도 평행하는 방위각 자기 링 전류를 형성하며 이러한 자기 전류의 대응 전계는 상기 도전성의 환형 표면부에 대해 어느 곳에서도 수직하게 된다. 그 결과, 상기 구조에 의해 발생되는 전자파는 연속적인 도체의 경우에 있어서 상기 표면부가 상당히 얇다는 가정 하에 상기 도전성의 표면부를 통해 전파될 수가 있다. 이러한 장치는 상기 구조의 상측면 및 하측면사이의 전하를 이동시, 즉, 상기 환형 형태의 장축의 방향과 평행하는 전기 다이폴 링을 가져오게 한다.
도 27 및 31의 실시예는 공명 동작에 대해 1/2 파장에 있게 되는 루프 원주에 대한 필요성으로 인해 비교적 큰 크기의 단점을 가지게 된다. 그러나, 루프 크기는 직렬 임피던스 또는 병렬 리액턴스를 도 27 및 31의 구조상에 첨가시킴으로써 줄어질 수가 있다. 도 36은 도 31의 실시예에 병렬 커패시턴스(36.1)의 첨가를 도시한다. 상기 병렬 커패시터는 환형의 형태 및 단자(S1,S2)의 신호를 안테나 구조로 궤환하는 전기 커넥터(36.3) 둘 다에 대한 구조적인 지지를 하는 환형 구조(TS)에 대한 중앙 허브(36.2)의 형태를 취한다. 상기 병렬 커패시터 및 구조적 허브는 두 개의 도전 플레이트(P1,P2)로부터 형성되며 구리, 알루미늄 또는 다른 비철 도체로 만들어지며 공기, 테프론(Teflon), 폴리에틸렌 또는 다른 저손실 절연 물질(36.4)과 같은 매체에 의해 분리된다. 단자(S1,S2)를 가진 커넥터(36.3)는 병렬 플레이트(P1,P2) 각각의 중심에 도전적으로 부착되며, 이들 병렬 플레이트는 도전 환형 표면부(TS)의 내부상의 환형 슬롯의 각각의 측면에 도전적으로 번갈아 부착된다. 신호 전류는 상기 커넥터(36.3)로부터 상기 병렬 플레이트(Pl,P2)를 통해상기 도전 환형 표면부(TS) 근처로 방사상으로 흐르게 된다. 상기 전도성 플레이트(P1, P2)에 의해 제공되는 정전용량의 추가는 상기 환형 표면부(TS)의 폴로이달 원주가 동일한 주파수에서 동작하는 루프 안테나에 의해 유사한 공명 상태에 요구되는 것 보다 상당히 작게 하도록 한다.
도 36의 용량성 튜닝 소자는 도 27의 유도 루프와 결합하여 도 37의 실시예를 만들게 되며, 이러한 설계가 도 38의 등가회로에 대해서 모든 정전용량이 병렬 플레이트 커패시터에 의해 제공되며 모든 인덕턴스가 와이어 루프에 의해 제공된다는 가정 하에 도시될 수가 있다. 병렬 플레이트 커패시터의 정전용량 및 와이어 인덕터에 대한 공식이 다음과 같이 이 시 요르단(E.C. Jordan)에 의해 하워드 더블유 샘즈(Howard W. Sams), 제 6 내지 13페이지의 참조문헌 "무선 엔지니어에 대한 참조 데이터(Reference Data for Radio Engineers)"에서 찾아 볼 수 있다:
[수학식 23]
[수학식 24]
여기서, C = 정전용량(pfd)
Lwire= 인덕턴스(μH)
A = 플레이트 영역 제곱인치
t = 플레이트 분리 인치
N = 플레이트 수
a = 와이어 루프 인치의 평균 반경
d = 와이어 직경 인치
εr= 비유전율
전체 N개의 와이어를 가정하여서, 등가 병렬 회로의 공명 주파수는 다음과 같이 얻어진다.
[수학식 25]
[수학식 26]
7.00cm(2.755in.)의 단직경 및 10.28cm(4.046in.)의 내부 장직경(커패시터 플레이트의 직경)을 가진 환형의 형태에 대해 그리고 N=24개의 루프의 t=0.358 cm(0.141in.)의 플레이트 분리를 가진 16 게이지 와이어(d=0.16cm(0.063in.))에 대해 156.5MHz의 공명 주파수를 가져다 준다.
도 38의 실시예에서, 단일 회전의 환형 루프의 인덕턴스가 다음과 같이 얻어질 수 있다:
[수학식 27]
여기서, μ0은 400π nH/m의 자유 공간 투자율이며, a 및 b는 각각 환형 형태의 장반경 및 단반경이다. 토러스의 허브로써 형성된 상기 병렬 플레이트 커패시터의 정전용량은 다음과 같이 주어진다:
[수학식 28]
여기서, ε0는 8.854 pfd./m의 자유 공간 투자율이다.
수학식 27 및 28을 수학식 25 및 26으로 대입하면 다음과 같은 결과를 얻게 된다:
[수학식 29]
수학식 29는 만약 플레이트 분리가 1.01 cm(0.397 in.)로 증가된다면 연속적인 도전성 표면부를 제외한 상기에 도시된 환형 구조가 156.6 MHz의 동일한 공명 주파수를 가지게 될 것을 예측한다.
도 36, 37 및 38의 실시예는 전체 플레이트 분리 또는 도 38에 도시된 플레이트로부터 비교적 좁은 환형 슬롯의 분리를 조정함으로써 동조될 수가 있으며, 이실시예에서 이러한 동조 수단은 방위적으로 대칭되어서 그 구조의 중심으로부터 외부로 방사상으로 전파되는 신호 내에서 대칭을 유지하도록 한다.
도 39 및 41은 안테나 구조의 대역폭을 증가하는 수단을 도시한다. 이들 신호가 방사상의 방향으로 외부로 전파되기 때문에, 상기 대역폭은 다른 반경 방향으로 다른 차동 공명 회로를 제공함으로써 증가되어진다. 배열형태에서의 변화가 방위적으로 대칭되도록 만들어져서 방위각 자계에 대한 기하학적인 동요를 최소화하게 한다. 도 39 및 41은 상업적으로 이용가능한 튜닝 조립으로부터 용이하게 형성되는 기하 형태를 도시하는 반면에, 도 25(또는 도 24)는 자계에 대한 기하학적인 동요를 감소하는 정현파 곡선 형태로 변화가능한 반경을 가진 기하 형태를 도시한다.
나선형 안테나에 대한 선행 기술은 지질기술 특징의 리모트 센싱에서 이들의 응용 및 그로부터의 항행에 대한 응용을 보여 준다. 이러한 응용을 위해, 비교적 낮은 주파수가 이용되어서 양호한 실행력을 위해 큰 구조를 필요로 하게 만든다. 선형 나선형 구조가 도 43에 도시된다. 이는 도 44에 의해 얻어지게 되며 도 44에서는 실제의 나선이 선형 상호접속에 의해 분리된 일련의 단일 회전 루프 내로 분리된다. 만약 자계가 이러한 구조의 길이에 대해 균일하거나 준균일하게 된다면, 루프 소자는 복합 선형 소자로부터 분리되어서 도 45의 구조를 형성하게 된다. 이 구조는, 도 46에 도시된 바와 같이, 상기 환형 나선형 또는 환형 폴로이달 안테나 구조를 상기 선형 소자로 대체함으로써 크기에 있어서 더욱 압축될 수가 있다. 이러한 구조의 1차적인 이점은 전체 구조가 대기 중, 지상 또는 해양 수단과 같은 휴대가능한 응용 분야에서 또는 기타 응용 분야에서의 이점이 되게 하는 해당 선형 나선보다 더욱 소형화될 수가 있다는 데 있다. 이러한 구조 및 도 45의 구조에 대한 2차적인 이점은 자계 및 전계 신호 성분이 분해되어서 이들이 결국 처리되어서 선형 나선에 내재된 신호성분과는 다른 방식으로 재결합되도록 하나 이들은 별도의 정보를 제공할 수 있다.
도 48을 참조하면, 전자 안테나(48)의 개략도가 도시된다. 상기 안테나(48)는 도 1의 환형의 형태(TF)와 같은 다중 연결된 표면부; 절연 도체 회로(50); 및 두 개의 신호 단자(52,54)를 포함한다.
본 발명에 언급된 바와 같이, 용어 "다중 접속 표면부"는 다음의 것을 포함하나 이에 한정되지는 않는다: (a) 단반경보다 크거나 또는 동일한 장반경을 가진 바람직한 도 1의 환형 형태(TF)와 같은 환형 표면부; (b) 플레인 상에 놓인 축에 대해 다수 개의 다른 반경을 가진 플레인 폐쇄된 커브 또는 다각형을 회전하여서 형성되며, 장반경이 최대 단반경보다 크거나 동일한 다른 표면부; 및 (c) 플레인 폐쇄된 커브 및/또는 다각형이 되는 외부 및 내부 원주에 있어서, 플레인에 대해서 "0"보다 큰 내부 원주 및 상기 내부 원주보다 큰 외부 원주를 정의하기 위해 대체적으로 평면형의 재료로부터 형성된 육각형 너트와 같은 와셔 또는 너트의 표면부와 같은 또 다른 표면부.
상기 절연 도체 회로(50)는 노드(60)(+)로부터 다른 노드(62)(-)까지 도 1의 환형의 형태 TF 주변 및 상기 환형의 형태 TF 상에 위치한 도전 경로(56)내에 연장된다. 상기 환형의 형태 TF 주변 및 상기 환형의 형태 TF상에 위치한 다른 도전경로(58)내에 연장되어서 상기 환형의 형태 TF 주변 및 상기 환형의 형태 TF상에서 단일의 순환 도전 경로를 형성한다.
도 1과 관련하여 상기에 언급된 바와 같이, 상기 도전 경로(56,58)는 동일한 회전수를 가지는 콘트라와운드 나선형의 도전 경로가 되며, 상기 도전 경로(56)에 대한 나선형 피치 감지부가 실선에 도시된 바와 같이 오른손(RH)이 되며, 다른 도전 경로(58)에 대한 나선형 피치 감지부는 상기 RH 피치 감지부와 상반되는, 파선에 의해 도시된 바와 같이, 왼손(LH)이 된다.
상기 도전 경로(56,58)는 대체적인 나선형 형태, 또는 스파이럴 형태와 같은 나선형 형태로 배열될 수 있으며, 여전히 본 발명의 사상을 만족시킨다. 상기 도전 경로(56,58)는 도 14와 관련하여 상기에서 언급한 바와 같이 상반되는 권선 감지부를 가진 콘트라와운드 "폴로이달-주변 권선 패턴"이 되어서 그 두 개의 절연 도선(W1, W2)의 각각에 의해 형성된 나선이 일련의 상호 연결된 폴로이달 루프(14.1)내로 분해될 수 있다.
계속하여 도 48을 참조하면, 상기 도전 경로(56,58)는 상기 노드(60,62)에서 역감지된다. 상기 신호 단자(52,54)는 각각 상기 노드(60 및 62)에 각각 전기적으로 접속된다. 상기 신호 단자(52,54)는 상기 절연 도체 회로(50)로부터 또는 그 회로에 출력되는(전송되는) 또는 입력되는(수신되는) RF 전기적 신호(64)를 공급하거나 수신한다. 예를 들어, 송신된 신호의 경우, 상기 절연 도체 회로(50)의 상기 단일 무종단 도전 경로가 상기 신호 단자(52,54)로부터 직렬로 궤환된다.
상기 도전로(56,58)가 상기 노드(60)로부터 상기 노드(62)까지의 상기 도전경로(56) 및 상기 노드(62)로부터 다시 상기 노드(60)까지의 상기 도전 경로(58)를 포함하는 상기 단일 무종단 도전 경로를 형성하는, 예를 들어, 와이어 또는 인쇄 회로 도체와 같은 단일 절연 도체에 의해 형성된다는 사실은 당해 기술 분야에 숙련된 자에게는 잘 알려진 내용이다. 또한, 상기 도전 경로(56,58)가 상기 노드(60)로부터 상기 노드(62)까지의 상기 도전 경로(56)를 형성하는 한 절연 도체 및 상기 노드(62)로부터 다시 상기 노드(60)까지의 상기 도전 경로(58)를 형성하는 다른 절연 도체와 같은 복수 개의 절연 도체에 의해 형성된다는 사실은 당해 기술 분야에 숙련된 자에게는 잘 알려진 내용이다.
또한 도 49-51을 참조하면, 안테나(48)의 노드(60,62)에 대한 전류 및 자장선도가 예시되어 있다. 도 7-12와 관련하여 상기에 유사하게 기술된 바와 같이, 도 48의 도전 경로(56,58)에 흐르는 전류는 180도 이상(out of phase)이다. 전류 분포는 이들 선도에서 상기 노드(60,62)에 참조되는 데, 이 경우 J는 전류를 나타내고, M은 자기 전류를 나타내며, CW는 시계 방향을 나타내고, CCW는 반시계 방향을 나타낸다. 이러한 분석은 신호(64)의 공칭 동작 주파수가 안테나(48)의 구조에 동조되어 그의 전기적 간섭이 절반 파장의 길이이게 하며 그러한 구조상의 전류 분포가 근사치인 정현파의 크기이게 한다. 각각이 공칭 동작 주파수의 도파 파장이 거의 절반인 길이를 지니는 콘트라와운드 도전 경로(56,58)는 균형된 급전을 지닌 불균일한 전송 라인의 요소로 보여질 수 있다. 상기 경로(56,58)는 "도 8"을 형성하도록 자체적으로 포개어진 폐쇄 루프를 형성한다.
도 48-51의 실시예의 이해를 높이기 위하여, 한 실시예가 제공된다.
실시예
30.75MHz의 공칭 동작 주파수에서, 예를 들면, 선형 반파 안테나(도시되지 않음)는 속도 인자가 1.0이라고 하면 대략 4.877M(192.0in.)의 길이이다. 대조적으로, 30.75의 실시태양의 공칭 동작 주파수에서, 도 1의 환형의 형태 TF를 사용하는 경우, 전자 안테나(48)는,
a = 28.50cm(11.22in.) 장반경
b = 1.32cm(0.52in) 단반경
N = 도전 경로(56, 58) 각각에서의 36권수# 16와이어
m = 2개의 도전 경로(56, 58)
와 같은 특징을 지닌다.]
도 49의 선도는 극성이 신호가 방출되는 노드(60,62)로부터의 전파 방향으로 기준이 되는 전류 분포를 도시한 것이다. 도 50의 선도는 통상의 반시계 방향으로 기준이 될 때의 동일한 전류 분포를 도시한 것이며, 이는 전류의 극성이 기준이 되는 방향에 대해 변화한다는 것을 인식할 것이다. 도 51은 도 1과 관련하여 상기에 예시된 원리를 사용한 해당하는 자기 전류 분포를 예시한 것이다. 도 50은 도 1의 환형의 형태를 TF상의 정미 전류 분포가 제거되어 있다는 것을 도시한 것이며, 도 51은 정미 자기 전류 분포가 향상된다는 것을 도시한 것이다.
이러한 방식으로, 상기 도전 경로(56)는 내부에 전류(CCW1J,CW1J)를 도전시키며 상기 도전 경로(58)는 내부에 전류(CCW2J,CW2J)를 도전시킨다. 이들 도전경로(56,58) 및 관련 전류는 각각의 도전 경로(56,58) 및 그 내부에 흐르는 각각의 전류(CCW1J,CCW2J)에 의해 발생되는 자기 전류(CCW1M,CCW2M)와 같은 해당하는 시계 및 반시계 방향의 자기 전류를 발생시킨다. 전류 분포가 CCW 방향으로 기준이 되는 도 50은 상기 전류(CCW1J,CCW2J)의 파괴 간섭을 예시한 것이다. 마찬가지로, 전류 분포가 CCW 방향으로 기준이 되는 도 51은 상기 자기 전류(CCW1M,CCW2M)의 구조 간섭을 예시한 것이다.
신호(64)와 같은 RF신호를 전송하는 방법은 도 48의 실시 태양(48)의 경우, RF신호(64)의 전류(CCW1J,CW1J,CCW2J,CW2J)를 유도하도록 신호 단자(52,54)에 RF신호(64)를 인가하는 단계; 상기 전류(CCW1J,CW1J)를 노드(60')(+)까지 환형의 형태 TF주변 및 상기 환형의 형태 TF상에 위치한 다른 도전 경로(58')내에 또한 연장되어 상기 환형의 형태 TF 주변 및 상기 환형의 형태상에서 단일의 순환(endless) 도전 경로를 형성한다.
도 14 및 48과 관련하여 상기에 기술한 바와 같이, 상기 도전 경로(56',58')는 동일한 권수를 지닌 콘트라와운드 나선형 도전 경로일 수 있거나 상반되는 권선 감지부를 지니는 콘트라와운드 "폴로이달 주변 권선 패턴" 과 같은 순수한 나선형 방식과는 다른 방식으로 배치될 수 있다.
상기 신호 단자(52',54')는 발신(전송)또는 착신(수신) RF신호(64)를, 상기 절연 도선 회로(50')로부터 수신한다. 각각이 신호(64)의 공칭 동작 주파수의 도파파장의 거의 절반인 길이를 지니는 도전 경로(56',58')는 노드(60',62')에서 역감지된다. 상기 신호 단자(52',54')는 각각 상기 중간 노드(A,B)에 전기적으로 연결된다. 바람직하게는, 상기 노드(60',62')는 각각의 노드(60',62')로부터 각각의 중간 노드(A,B)까지의 도전 경로(56',58')의 길이가 각각의 중간 노드(A,B)로부터 각각의 노드(62',60')까지의 도전 경로(56',58')의 길이와 동일하도록 중간 노드(A,B)와 정반대로 된다.
당업자라면, 도전경로(56',58')가 노드(60')로부터 중간 노드(A)까지, 그리고 나서 노드(62')까지의 도전 경로(56'), 및 노드(62')로부터 중간 노드(B)까지, 그리고 나서 노드(60')까지의 도전경로(58')를 포함하는 단일의 순환 도전 경로를 형성하는 단일의 절연 도선에 의해 형성될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 더욱이, 당업자라면, 상기 도전 경로(56',58')가 예를 들면 노드(60')로부터 중간 노드(A)까지 그리고 중간 노드(A)로 부터 노드(62')까지의 하나의 절연 도선; 또는 노드(60')로부터 중간 노드(A)까지의 한 절연 도선, 및 중간 노드(A)로부터 노드(62')까지의 다른 한 절연 도선과 같은 하나 이상의 절연 도선에 의해 형성될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
도 53-55를 참조하면, 도 52의 안테나(48')의 노드(60',A,B,62')에 대한, 도 49-51의 각각의 선도와 유사한, 전류 및 자장 선도가 예시되어 있다.
도 56을 참조하면, 다른 전자 안테나(66)의 개략도가 예시되어 있다. 상기 안테나(66)는 도 1의 환형의 형태 TF와 같은 다중 연결된 표면부, 제1 절연 도선 회로(68), 제2 절연 도선 회로(70), 및 2개의 신호 단자(72,74)를 포함한다.
상기 절연 도선 회로(68)는 한쌍의 대체로 나선형인 도전 경로(76,78)를 포함하며, 상기 절연 도선 회로(70)는 마찬가지로 한쌍의 대체로 나선형인 도전 경로(80,82)를 포함한다. 상기 절연 도선 회로(68)는 노드(84)로부터 노드(86)까지 도 1의 환형의 형태 TF 주변 및 부분적으로 상기 환형의 형태 TF상에 위치한 상기 도전 경로(76)내에 연장되며, 상기 도전 경로(76,78)가 상기 환형의 형태 TF주변 및 실질적으로 상기 환형의 형태 TF상에서 순환 도전 경로를 형성하도록 상기 노드(86)로부터 상기 노드(84)까지 상기 환형의 형태 TF 주변 및 부분적으로 상기 환형의 형태 TF상에 위치한 상기 도전 경로(78)내에 또한 연장된다. 상기 절연 도선 회로(70)는 노드(88)로부터 노드(90)까지 상기 환형의 형태 TF 주변 및 부분적으로 상기 환형의 형태 TF상에 위치한 상기 도전 경로(80)내에 연장되며, 상기 도전 경로(80,82)가 상기 환형의 형태 TF 주변 및 실질적으로 상기 환형의 형태 TF상에서 다른 한 순환 도전 경로를 상기 환형의 형태 TF주변 및 부분적으로 상기 환형의 형태 TF상에 위치한 상기 도전 경로(82)내에 또한 연장된다.
도 14 및 48과 관련하여 상기에 기술한 바와 같이, 상기 도전 경로(76,78; 80,82)는 동일한 권수를 지니는 콘트라와운드 나선형 도전 경로일 수 있거나 상반되는 권선 감지부를 지니는 콘트라와운드 "폴로이달 주변 권선 패턴"과 같은 순수한 나선형 방식과는 다른 방식으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 상기 도전 경로(76)의 피치 감지부는 실선으로 도시된 바와 같이 우측(RH)일 수 있으며, 상기 도전 경로(78)의 피치 감지부는 파선으로 도시된 바와 같이, RH 피치 감지부와는 상반되는 좌측(LH)일 수 있고, 상기 도전 경로(80,82)에 대한 피치 감지부는 각각LH 및 RH이다. 상기 도전 경로(76,78)는 노드(84,86)에서 역감지된다. 상기 도전 경로(80,82)는 노드(88,90)에서 역감지된다.
신호 단자(72,74)는 발신(전송)또는 착신(수신) RF 전기 신호(92)를, 상기 절연 도선 회로(68,70)로부터 수신하거나 상기 절연 도선 회로(68,70)로 공급한다. 예를 들면, 전송 신호의 경우, 상기 절연 도선 수단(68,70)의 순환 도전 경로의 쌍은 신호 단자(72,74)로부터 병렬로 급전된다. 상기 도전 경로(76,78,80,82) 각각은 신호(92)의 공칭 동작 주파수의 도파 파장의 거의 1/4인 길이를 지닌다. 도 56에 도시된 바와 같이, 상기 신호 단자(72)는 상기 노드(84)에 전기적으로 연결되며 상기 신호 단자(74)는 상기 노드(88)에 전기적으로 연결된다.
당업자라면, 상기 절연 도선 회로(68,70)는 각각 하나이상의 절연 도선에 의해 형성될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 예를 들면, 상기 절연 도선 회로(68)는, 상기 도전 경로(76,78)모두에 대해 단일의 도선을 지닐 수 있고, 상기 도전 경로(76,78)각각에 대해 단일의 도선을 지닐 수 있거나 상기 도전 경로(76,78) 각각에 대해 다중의 전기적으로 상호 연결된 도선일 수 있다.
도 57-59를 참조하면, 도 56의 안테나(66)의 노드(84,86,88,90)에 대한, 도 49-51 각각의 선도에 유사한, 전류 및 자장 선도가 예시되어 있다. 도 58의 선도는 통상의 시계-반시계 방향으로 기준이 될 때 동일한 전류 분포를 도시한 것이며 도 59의 선도는 해당하는 자기 전류 분포를 예시한 것이다.
도 60을 참조하면, 다른 전자 안테나(66')의 개략도가 예시되어 있다. 여기서 기술한 것 외에는, 상기 전자 안테나(66')는 도 56의 전자 안테나(66)와 대체로동일하다. 상기 전자 안테나(66')는 도 56의 각각의 신호 단자(72,74)와 유사한 신호 단자(94,96), 및 신호 단자(98,100)를 포함한다. 상기 신호 단자(98)는 노드(90)에 전기적으로 연결되며 상기 신호 단자(100)는 노드(86)에 전기적으로 연결된다.
도 60에 도시된 바와 같이, 신호 단자(94,96,98,100)의 쌍(94,96;98,100)은, 신호 단자 쌍(94,96;98,100)에 병렬로 전기 연결된 발신(전송)또는 착신(수신) RF신호(94)를, 절연 도선 회로(68,70)로부터 수신하거나 절연 도선 회로(68,70)로 공급한다.
변형적으로, 도 61에 도시된 바와 같이, 임피던스 및 위상 시프트 네트웍(102)은 도 60의 쌍(94,96;98,100) 중 하나 또는 모두 및 신호(94)사이에 사용될 수 있다. 당업자에게 공지된 다른 임피던스, 위상, 및 진폭 정합 및 균형 수단은 또한 본 발명의 사상으로부터 이탈하지 않고서도 가능하다.
도 62를 참조하면, 도 48, 52, 56의 전자 안테나(48,48',66) 각각에 대한 대표적인 평면 방사 패턴이 예시되어 있다. 이들 안테나는 선형(예컨대, 수직) 분극되며 분극 방향에 따라, 도 1의 환형의 형태 TF의 단직경과 관련된, 물리적으로 작은 프로파일을 지닌다. 더군다나, 그러한 안테나는 분극 방향에 수직인 방향에서 대체로 전방향성이며, 최대 방사 이득이 분극 방향과 수직인 방향에서 이루어지고, 최소 방사 이득이 분극 방향에서 이루어진다.
도 48, 52, 56의 전자 안테나(48,48',66') 각각은 공지된 선행 기술의 안테나에 대해 공진으로 환형 표면부의 장직경을 감소시킨다. 환형 단축의 전기적 경계의 길이는 1/2λ이며, 이는 λ인 최소 전기적 경계 길이를 지니는 공지된 선행기술의 안테나보다 1/2만큼 작다. 콘트라와운드 도선 회로(50,50',68,70)를 따른 전파 속도는 kandoian 및 Sichak의 설계 방정식보다 대략 2 또는 3배 느리다. 따라서, 환형 표면부의 장직경은 대략 4 내지 6분의 1만큼 작다. 더군다나, 신호 단자(52,54;52',54';72,74)의 단지 하나의 급전 포트는 각각의 전자 안테나(48;48';66)로 사용됨으로써, 그러한 안테나의 입력 임피던스를 각각의 신호(64;64:92)에 대한 전송 라인의 입력 임피던스와 정합시키는 작업이 더 용이해진다. 더욱이, 상기 전자 안테나(48,48') 각각의 기본 공진은 의도된 공칭 동작 주파수에서 가장 넓은 대역폭을 제공하도록 해당하는 제1의 조파 공진과 비교해서 비교적 넓은 대역폭(예컨대, 기본 공진의 대략 10-20 퍼센트)을 제공한다. 또한, 실시 태양의 전자 안테나(48)의 성능은 수직형 반파 다이폴 안테나의 성능과 필적할만하고 필적할만한 1/4파 접지형 모노폴 또는 휩 안테나의 범위(예컨대, 대략 12 법정 마일)보다 해수 상에서 큰 특정 통신 범위(예컨대, 대략 38 법정 마일보다 큼)를 제공한다.
상기에 설명되거나 제시된 변형예 및 변경에 더하여, 당해 기술 분야에 숙련된 자에게는 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않는 한 다른 변형예 및 변경이 가능하다는 것은 명백하다.

Claims (15)

  1. 장반경 및 단반경을 지니며, 상기 장반경이 최소한 상기 단반경만큼 큰 다중 연결된 표면부(TF);
    제1 노드(60;60';84)로부터 제2 노드(62;62';86)까지 제1의 나선형으로 감긴 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 최소한 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제1의 대체로 나선형인 도전 경로 내에 연장된 절연 도선 수단(50;50';68,70)으로서, 상기 제2 노드(62;62';86)로부터 상기 제1 노드(60;60';84)까지, 상기 제1 노드(60;60';84)로부터 상기 제2 노드(62;62';86)까지의 상기 제1의 나선형으로 감긴 감지부와 상반되는 제2의 나선형으로 감긴 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 최소한 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제2의 대체로 나선형인 도전 경로 내에 또한 연장되어, 제1 및 제2의 대체로 나선형인 도전 경로가 서로에 대해 역으로 감겨져서 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 단일의 순환도전 경로를 형성하는 절연 도선 수단(50;50';68,70);
    (a) 상기 제1 노드(60;84), 또는 (b) 상기 제1 및 제2 노드(60',62') 사이의 노드(A)에 전기적으로 연결된 제1 신호 단자(52;52';72); 및
    (a) 상기 제1 신호 단자(52;72)가 상기 제1 노드(60;84)에 전기적으로 연결된 경우, 상기 제2 노드, 또는 (b) 상기 제1 신호 단자(52')가 상기 제1 및 제2 노드(60',62') 사이의 노드(A)에 전기적으로 연결된 경우, 상기 제2 및 제1노드(62',60') 사이의 노드(B)에 전기적으로 연결된 제2 신호 단자(54,54';74)를 포함하는 전자 안테나(48;48':66;66').
  2. 제1항에 있어서, 상기 다중 연결된 표면부(TF)는 환형 표면부(TF)인 전자 안테나(48).
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연 도선 수단(50)은 제1 노드(60)에서 제2 노드(62)까지 연장된 제1 절연 도선(56), 및 제2 노드(62)에서 제1 노드(60)까지 연장된 제 2 절연 도선(58)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 신호 단자(52,54)는 각각 상기 제1 및 제2 노드(60,62)에 전기적으로 연결되는 전자 안테나(48).
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1의 대체로 나선형인 도전 경로는 제1의 폴로이달 주변 권선 패턴(W1)을 사용하고, 상기 제2의 대체로 나선형인 도전 경로는 제2의 폴로이달 주변 권선 패턴(W2)을 사용하는 전자 안테나(48).
  5. 제4항에 있어서, 상기 절연 도선 수단(50)은 제1 노드(60)로부터 제2 노드(62)까지 연장된 제1 절연 도선(56), 및 제2 노드(62)로부터 제1 노드(60)까지 연장된 제2 절연 도선(58)을 포함하는 전자 안테나(48).
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 대체로 나선형인 도전 경로 각각은 나선형 도전 경로이며, 상기 절연 도선 수단(50')은 상기 제1 노드(60')로부터 제3 노드(A)까지 그리고 상기 제3 노드(A)로부터 상기 제2 노드(62')까지 제1의 나선형으로 감긴 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제1 나선형 도전 경로 내에 연장되고, 상기 절연 도선 수단(50')은 상기 제2 노드(62')로부터 제4 노드(B)까지 그리고 상기 제4 노드(B)로부터 상기 제1 노드(60')까지 제2의 나선형으로 감긴 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제2 나선형 도전 경로 내에 또한 연장되며, 상기 제1 및 제2 신호 단자(52',54')는 각각 상기 제3 및 제4 노드(A,B)에 전기적으로 연결되는 전자 안테나(48').
  7. 제6항에 있어서, 상기 절연 도선 수단(50')은 제1 노드(60')로부터 제3 노드(A)까지 그리고 제3 노드(A)로부터 제2 노드(62')까지 연장된 제1 절연 도선(56'), 및 제2 노드(62')로부터 제4 노드(B)까지 그리고 제4 노드(B)로부터 제1 노드(60')까지 연장된 제2 절연 도선(58')을 포함하는 전자 안테나(48').
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 노드(60',62')는 상기 제3 및 제4 노드(A,B)에 각각 대체로 정반대되는 전자 안테나(48').
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 대체로 나선형인 도전 경로 각각이 나선형 도전 경로이며, 상기 절연 도선 수단(68,70)은 제1 절연 도선 수단(68) 및 제2절연 도선 수단(70)을 포함하고, 상기 제1 절연 도선 수단(68)은 상기 제1 노드(84)로부터 상기 제2 노드(86)까지 제1의 나선형으로 감긴 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제1 나선형 도전 경로(76) 내에 연장되며, 상기 제2 노드(86)로부터 상기 제1 노드(84)까지 제2의 나선형으로 감긴 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제2 나선형 도전 경로(78) 내에 또한 연장되어, 제1 및 제2 나선형 도전 경로(76,78)가 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 실질적으로 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 제1의 순환 도전 경로를 형성하고, 상기 제2 절연 도선 수단(70)은 제3 노드(88)로부터 제4 노드(90)까지 상기 제2의 나선형으로 감긴 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제3 나선형 도전 경로(80) 내에 연장되며, 상기 제4 노드(90)로부터 상기 제3 노드(88)까지 상기 제1의 나선형으로 감긴 감지부를 가진 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 부분적으로 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제4 나선형 도전 경로(82) 내에 또한 연장되어, 제3 및 제4 나선형 도전 경로(80,82)가 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 실질적으로 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 제2의 순환 도전 경로를 형성하고, 상기 제1 신호 단자(72,94)는 (a) 상기 제1 노드(84), 또는 (b) 상기 제1 및 제4 노드(84,90)에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 신호 단자(74,96)는 (a) 상기 제1 신호 단자(72)가 상기 제1 노드(84)에 전기적으로 연결된 경우 상기 제3 노드(88), 또는 상기 제1 신호 단자(94)가 상기 제1 및 제4노드(84,90)에 전기적으로 연결된 경우 상기 제2 및 제3 노드(86,88)에 전기적으로 연결되는 전자 안테나(66,66').
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제1 절연 도선 수단(68,70)은 제1 노드(84)로부터 제 2 노드(86)까지 연장된 제1 절연 도선(76), 및 제2 노드(86)로부터 제1 노드(84)까지 연장된 제2 절연 도선(78)을 포함하고, 상기 제2 절연 도선 수단(70)은 제3 노드(88)로부터 제4 노드(90)까지 연장된 제3 절연 도선(80), 및 제4 노드(90)로부터 제3 노드(88)까지 연장된 제4 절연 도선(82)을 포함하는 전자 안테나(66,66').
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 신호 단자(72)는 상기 제1 노드(84)에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 신호 단자(74)는 상기 제3 노드(88)에 전기적으로 연결되는 전자 안테나(66,66').
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 신호 단자(94)는 상기 제1 노드(84) 및 상기 제4 노드에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 신호 단자(96)는 상기 제2 노드(86) 및 상 기 제3 노드(88)에 전기적으로 연결되는 전자 안테나(66').
  13. RF 신호의 전류를 유도하도록 상기 RF 신호를 제1 및 제2 신호 단자(52, 54)에 인가하는 단계;
    장반경 및 단반경을 지니는 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 상기 다중 연결된 표면부 상에 위치한 제1 도선(56) 내에 제1 전류(CCW1J, CW1J)를 도전시키는 단계로서, 상기 장반경이 최소한 상기 단반경만큼 크고, 상기 제1 도선(56)이 상기 제1 신호 단자(52)로부터 상기 제2 신호 단자(54)까지 제1의 나선형으로 감긴 감지부를 지니는 제1 전류의 도전 단계;
    상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 상기 다중 연결된 표면부 상에 위치한 제2 도선(58) 내에 제2 전류(CCW2J, CW2J)를 도전시키는 단계로서, 상기 제2 도선(58)에 상기 제2 신호 단자(54)로부터 상기 제1 신호 단자(52)까지, 상기 제1의 나선형으로 감긴 감지부와 상반되는 제2의 나선형으로 감긴 감지부를 지니는 제2 전류의 도전 단계; 및
    서로에 대해 역으로 감겨진 관계로 상기 제1 및 제2 도선(56, 58)을 사용하는 단계
    를 포함하는 환형 안테나로의 RF 신호의 전송 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 다중 연결된 표면부(TF) 주변 및 상기 다중 연결된 표면부(TF) 상에 위치한 제1 및 제2 도선(56,58)으로 단일의 순환 도전 경로를 형성하는 단계를 포함하는 환형 안테나로의 RF 신호의 전송 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 환형 안테나(10) 상의 폴로이달 주변 권선(W1,W2)에 RF 신호를 인가하는 단계;
    상기 권선(W1,W2)에 다른 신호를 인가하도록 발진기(26.1)를 사용하는 단계; 및
    발진기 동조 및 증폭(26.2)을 위해 상기 환형 안테나(10)로부터의 피드백(전압 피드백)을 사용하는 단계
    를 포함하는 환형 안테나로의 RF 신호의 전송 방법.
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