KR100588765B1 - 원형 편파 유전체 공진기 안테나 - Google Patents

원형 편파 유전체 공진기 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명의 유전체 공진기 안테나(100)는 접지면(108)에 장착된 유전체 재료로 형성된 공진기(104)를 포함한다. 접지면(108)은 도전성 재료로 형성된다. 제 1 및 제 2 프로브(112,116)는 공진기(104)로부터 제 1 및 제 2 신호를 수신하거나 또는 제 1 및 제 2 신호를 각각 공진기(104)에 제공하기 위하여 공진기(104)에 전기적으로 결합된다. 제 1 및 제 2 프로브(112,116)는 공진기(104)의 주변에 전기적으로 접속되며 접지면(108)에 대해 실질적으로 직각인 도전성 스트립으로 형성된다. 제 1 및 제 2 신호는 원형 편파 방사 패턴을 생성하기 위해 동일한 크기를 가지지만, 서로에 대해 90도 위상차를 가진다. 듀얼 밴드 안테나(200,220)는 두개의 유전체 공진기 안테나(204,208;224,228)를 서로 위치 설정하여 접속시킴으로써 구성될 수 있다. 듀얼 밴드 구성(200,220)에서의 각각의 공진기(204,208;224,228)는 특정 주파수에서 공진하며, 따라서 듀얼 밴드 동작을 제공한다. 공진기(204,208;224,228)는 서로에 대해 측대측 또는 수직으로 위치할 수 있다.

Description

원형 편파 유전체 공진기 안테나 {CIRCULARLY POLARIZED DIELECTRIC RESONATOR ANTENNA}
본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 특히 원형 편파 유전체 공진기 안테나에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 위성 또는 셀룰러 전화기 통신 시스템에 사용하기 위한 낮은 프로파일 공진기 안테나에 관한 것이다.
예를 들어 위성 또는 셀룰러 통신 시스템에 사용하기 위한 이동 또는 고정 무선 전화기의 최근의 진보는 상기 시스템에 적당한 안테나 분야에서 새로운 흥미를 불러일으켰다. 일반적으로 여러 요소들이 무선 전화기용의 안테나 선택시 고려된다. 상기 요소들중에서 중요한 요소는 안테나의 크기, 밴드폭 및 방사 패턴이다.
안테나의 방사 패턴은 무선 전화기용의 안테나를 선택할 때 중요한 요소로 고려된다. 전형적인 애플리케이션에서, 무선 전화기의 사용자는 사용자로부터 임의의 방향에 위치할 수 있는 위성 또는 지상국과 통신할 수 있다. 그러므로 사용자의 무선 전화기에 접속된 안테나는 바람직하게 모든 방향으로부터의 신호를 송신 및/또는 수신할 수 있다. 즉, 안테나는 바람직하게 방위각에서 무지향성 방사를 고도에서는 넓은 빔폭(바람직하게 반구형)을 가져야 한다.
무선 전화기용의 안테나를 선택하는데 고려되어야 하는 다른 요소는 안테나의 밴드폭이다. 일반적으로 무선 전화기는 여러 주파수에서 신호를 송신 및 수신한다. 예를 들어, PCS 전화기는 1.85-1.99GHz의 주파수 밴드에서 동작하며, 따라서 7.29%의 밴드폭을 필요로 한다. 셀룰러 전화기는 8.14% 밴드폭을 요구하는 824-894MHz의 주파수 밴드에서 동작한다. 따라서 무선 전화기의 안테나는 요구되는 밴드폭에 합당하도록 설계되어야 한다.
현재 단극 안테나, 패치 안테나 및 나선형 안테나는 위성 전화기 및 다른 무선형 전화기에 사용되는 여러 타입의 안테나이다. 그러나 상기 안테나들은 제한된 밴드폭 및 큰 크기와 같은 여러 단점들을 가진다. 또한 상기 안테나는 위성 전화기에서 바람직하지 않은 낮은 고도각(예를 들면 10도)에서 상당한 이득 감소를 나타낸다.
무선 전화기에서 흥미있게 보여지는 안테나는 유전체 공진기 안테나이다. 현재까지 유전체 공진기 안테나는 필터 및 오실레이터와 같은 마이크로파 회로에서 널리 사용되었다. 일반적으로 유전체 공진기는 높은 유전율을 가지는 저손실 재료로 제작되었다.
유전체 공진기 안테나는 작은 크기, 높은 방사 효율 및 여러 전송 라인에 대한 단순한 커플링 방식과 같은 여러 이점을 제공한다. 이 안테나의 밴드폭은 공진기의 기하학적 파라미터 및 유전 상수(ετ)의 선택에 의해 넓은 범위에서 제어될 수 있다. 또한 표준 휩 또는 직립 안테나보다 미적으로 만족스럽게 하기 위해 낮은 프로파일 구성으로 이루어질 수 있다. 낮은 프로파일 안테나는 또한 직립 휩 스타일 안테나보다 덜 손상된다. 그러므로 유전체 공진기 안테나는 위성 또는 셀룰러 통신 시스템용의 이동 또는 고정 무선 전화기에 사용하기 위한 주요한 잠재 능력을 가지고 있다.
본 발명은 도전성 재료로 이루어진 접지면을 가지는 유전체 공진기 안테나에 관한 것이다. 유전체 재료로 이루어진 공진기는 접지면에 장착된다. 제 1 및 제 2 프로브는 각각 떨어져 있으며, 공진기에 제 1 및 제 2 신호를 개별적으로 공급하기 위해 공진기에 전기적으로 결합되고, 안테나에서 환상으로 극성화된 방사를 생성한다. 바람직하게, 공진기는 실질적으로 원형이며 이를 통하여 중심 축상에 개구부를 가진다. 또한 바람직하게, 제 1 및 제 2 프로브는 공진기의 주변에서 대략 90도 떨어져 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은 유전체 재료로 형성된 제 1 공진기를 가지는 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나에 관한 것이다. 제 1 공진기는 도전성 재료로 형성된 제 1 접지면에 장착된다. 제 2 공진기는 유전체 재료로 형성되고 도전성 재료로 형성된 제 2 접지면에 장착된다. 제 1 및 제 2 접지면은 미리 결정된 거리에 의해 서로 분리된다. 제 1 및 제 2 프로브는 각각의 공진기에 전기적으로 결합되며, 각각의 공진기에 개별적으로 제 1 및 제 2 신호를 제공하기 위해 각각의 공진기 주변에 대략 90도로 떨어져 있다. 각각의 공진기는 공진기들 사이에서 미리 결정된 서로 다른 주파수 밴드에서 공진한다. 지지 멤버는 공진기의 중심축이 실 질적으로 서로 정렬되도록 미리 결정된 거리로 제 1 및 제 2 접지면에 장착된다.
다른 바람직한 실시예에서, 본 발명은 다중밴드 안테나에 관한 것이다. 제 1 안테나부는 미리 결정된 제 1 주파수 밴드에서 공진하기 위해 튜닝된다. 제 1 안테나부는 도전성 재료로 형성된 접지면, 접지면에 장착된 유전체 재료로 형성된 유전체 공진기, 이를 통하여 중심에서 세로축에 개구부가 형성된 공진기, 및 공진기에 개별적으로 제 1 및 제 2 신호를 공급히기 위해 그리고 안테나에 환상으로 극성된 방사를 생성하기 위해 서로 떨어져서 공진기에 전기적으로 결합된 제 1 및 제 2 프로브를 포함한다. 제 2 안테나부는 제 1 주파수 밴드와는 다른 미리 결정된 제 2 주파수 밴드에 공진하기 위해 튜닝된다. 제 2 안테나부는 유전체 공진기에서 축방향 개구부를 통하여 연장된 안테나 멤버를 포함하며 안테나 멤버와는 전기적으로 절연된다. 연장된 안테나 멤버의 세로방향 축은 유전체 공진기의 축과 일치한다.
일 실시예에서, 본 발명은 제 1 및 제 2 주파수 밴드와는 다른 제 3의 미리 결정된 주파수 밴드에 공진하기 위해 튜닝되는 제 3 안테나부를 포함할 수 있다. 제 3 안테나부는 유전체 공진기의 축상 개구부를 통하여 연장되며 제 1 및 제 2 안테나부와 전기적으로 절연된다. 제 3 안테나부는 제 1 및 제 2 안테나부의 세로방향 축과 일치하는 세로방향 축을 가진다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 본 발명의 일 실시예의 구조 및 동작과 더불어 첨부된 도면을 참조로 이하에서 상세하게 기술된다.
도 1A는 본 발명의 일 실시예를 따르는 유전체 공진기 안테나의 상부도를 도시한다.
도 2A는 나란히 접속된 두개의 유전체 공진기 안테나를 포함하는 안테나 어셈블리를 도시한다.
도 2B는 수직으로 접속된 두개의 유전체 공진기 안테나를 포함하는 안테나 어셈블리를 도시한다.
도 2C는 도 2B의 스택형 안테나 어셈블리의 피드 프로브 장치를 도시한다.
도 3은 유전체 공진기의 아래에 위치하도록 치수된 원형판을 도시한다.
도 4A는 유전체 공진기와 교차된 쌍극 안테나를 통합한 다른 실시예를 도시한다.
도 4B는 유전체 공진기 안테나와 쿼드필러(quadfilar) 나선형 및 단극 휩 안테나를 통합한 다른 실시예를 도시한다.
도 5는 1.62GHz에서 동작하는 본 발명을 따르는 유전체 공진기 안테나의 컴퓨터 시뮬레이션된 안테나 지향성 대 고도각 좌표를 도시한다.
도 6은 1.62GHz에서 동작하는 동일 안테나의 컴퓨터 시뮬레이션된 안테나 지향성 대 방위각 좌표를 도시한다.
Ⅰ. 유전체 공진기
유전체 공진기는 안테나 엘리멘트로서 흥미있는 특성을 제공한다. 상기의 특성들은 작은 크기, 기계적인 단순함, 높은 방사 효율을 포함하며, 이는 고유의 컨덕터 손실이 없고, 상대적으로 큰 밴드폭, 전송 라인에 통상적으로 사용되는 단순한 결합 방식, 및 공진기의 서로 다른 모드를 사용하여 서로 다른 방사 특성을 획득하는 장점이 존재하기 때문이다.
유전체 공진기의 크기는 ετ의 제곱근에 역비례하며, ετ는 공진기의 유전상수이다. 결과적으로, 유전 상수 ετ가 증가함에 따라 유전체 공진기의 크기는 감소하며, ετ는 증가한다. 결과적으로, 높은 ετ값을 선택함에 따라, 유전체 공진기 안테나의 크기(특히 높이)는 매우 작을 수 있다.
유전체 공진기 안테나의 밴드폭은 (ετ)-p에 역비례하며, P값(P 〉1)값은 모드에 따른다. 결과적으로, 유전체 공진기 안테나의 밴드폭은 유전 상수가 증가함에 따라 감소한다. 그러나 유전 상수는 유전체 공진기 안테나의 밴드폭을 결정하는 유일한 요소가 아니다. 유전체 공진기의 밴드폭에 영향을 미치는 다른 요소는 그 형태 및 치수(높이, 길이, 직경등)이다.
유전체 공진기 안테나에는 고유의 컨덕터 손실이 존재하지 않는다. 이는 안테나에서 높은 방사 효율을 초래한다.
유전체 공진기 안테나의 공진 주파수는 정규화된 파수(wavenumber;k0a)의 값을 계산함으로써 결정될 수 있다. 파수(k0a)는 식 k0a = 2πf0/c으로 주어지며, f0는 공진 주파수이고, a는 실린더의 반경이며, c는 자유 공간에서의 빛의 속도이다. 그러나 만일 ετ값이 매우 크다면(ετ 〉100), 정규화된 파수의 값은 ετ에 따라 변경되며, 이는 유전체 공진기의 주어진 종횡비에 대해 다음과 같다.
Figure 112001005172112-pct00001
(1)
높은 ετ값에 대해, 종횡비(H/2a)의 함수로서 정규화된 파수의 값은 단일ετ값에 대해 결정될 수 있다. 그러나 만일 사용된 재료의 ετ값이 매우 크다면, 방정식(1)의 공식은 정확하지 않다. 만일 ετ값이 매우 높지 않다면, 서로 다른 ετ값에 대하여 계산이 요구된다. 서로 다른 ετ값에 대하여 이용될 수 있는 수치방법의 결과를 비교함으로써, 다음의 경험적인 관계식이 ετ의 함수로서 정규화된 파수의 종속성을 설명하기 위해 효율적인 근사화로서 사용될 수 있다.
Figure 112001005172112-pct00002
(2)
여기에서 X값은 수치방법의 결과로부터 경험적으로 도출된다.
유전체 공진기 안테나의 임피던스 밴드폭은 안테나의 전압 정재파비(VSWR)가 특정값 S보다 작은 주파수 밴드폭으로서 정의된다. VSWR은 전송 라인의 입사파 및 반사파의 함수이며, 기술상 공지되어 있다. 공진 주파수에서 전송 라인에 합당한 안테나의 임피던스 밴드폭(BWi)은 다음의 관계식에 의해 유전체 공진기의 로드되지 않은 총 Q-인자(QU)와 연관된다.
Figure 112001005172112-pct00003
(3)
Q는 열 또는 방사시에 손실된 에너지에 대한 저장된 에너지의 비에 비례하며, 기술상 공지되어 있다. 방사된 전력과 비교하여 무시할 수 있는 컨덕터 손실을 가지는 유전체 공진기의 경우, 로드되지 않은 총 Q-인자(QU)는 다음 관계식에 의해 방사 Q 인자(Qrad)와 연관된다.
QU = Qrad (4)
수치방법은 유전체 공진기의 방사 Q 인자의 값을 계산하는데 필요하다. 주어진 모드의 경우, 방사 Q 인자의 값은 공진기의 종횡비 및 유전상수에 달려있다. 매우 높은 유전율을 가진 공진기에 대하여, Qrad는 다음과 같이 ετ에 따라 변경된다.
Figure 112001005172112-pct00004
(5)
여기에서 유전율 (p) = 1.5는 자성 양극성과 유사한 모드이며, p = 2.5는 전기 양극성과 유사한 모드이고, p = 2.5는 자성 사중극성과 유사한 모드이다.
Ⅱ. 본 발명
본 발명에 따라, 유전체 공진기 안테나는 유전체 재료로 형성된 공진기를 포함한다. 유전체 공진기는 도전성 재료로 형성된 접지면에 위치한다. 제 1 및 제 2 프로브 또는 도전성 리드는 유전체 공진기에 전기적으로 접속된다. 프로브들은 서로 90도 만큼 이격되어 있다. 제 1 및 제 2 프로브는 각각 제 1 및 제 2 신호를 유전체 공진기에 공급한다. 제 1 및 제 2 신호는 동일한 진폭을 가지지만, 서로에 대해 90도의 위상차를 보인다.
도 1A 및 도 1B는 본 발명의 일 실시예를 따르는 유전체 공진기 안테나(100)의 상부도를 도시한다. 유전체 공진기 안테나(100)는 접지면(108)에 장착된 공진기(104)를 포함한다.
공진기(104)는 유전체 재료로 형성되며 원통형이다. 공진기(104)는 직사각형, 팔각형, 정방형과 같은 다른 형태일 수 있다. 공진기(104)는 접지면(108)에 단단하게 장착된다. 일 실시예에서, 공진기(104)는 접착성, 바람직하게는 도전성을 가지는 접착성 수단에 의해 접지면(108)에 부착된다. 대안적으로, 공진기(104)는 자성 쌍극성으로 방사되며 접지면(108)으로 방사되는 모드에서 공진기(104)의 중심축에 있는 개구부(110)를 통하여 연장되는 나사, 볼트 또는 다른 공지된 패스너(도 2B에 도시됨)에 의해 접지면(108)에 부착된다. 공진기(104)의 중심축에 널이 존재하기 때문에, 패스너는 안테나(100)의 방사패턴을 방해하지 않는다.
밴드폭과 방사 패턴을 포함하는 유전체 공진기 안테나의 성능 저하를 방지하기 위하여 공진기(104) 및 접지면(108) 사이에서 임의의 갭을 최소로 할 필요가 있다. 이는 바람직하게 접지면(108)에서 단단하게 공진기(104)를 장착함으로써 달성된다. 대안적으로, 공진기(104) 및 접지면(108) 사이의 임의의 갭은 휠수 있거나 전성을 가지는 도전성 재료에 의해 충진될 수 있다. 만일 공진기(104)가 접지면(108)에 느슨하게 장착된다면, 공진기와 접지면 사이의 용인될 수 없는 갭이 존재할 것이며, 이는 VSWR, 공진 주파수 및 방사 패턴을 왜곡시킴으로써 안테나의 성능을 저하시킬 것이다.
두개의 공급 프로브(112,116)는 접지면(108)의 통로를 통하여 공진기(104)에 전기적으로 접속된다. 바람직한 실시예에서, 공급 프로브(112,116;도 2A에 도시됨)는 공진기(104)의 주변에 접속되며 축상으로 정렬된 금속 스트립으로 형성된다. 공급 프로브(112,116)는 동축 케이블(120,124)의 내부 컨덕터의 연장선을 포함할 수 있으며, 외부 컨덕터는 접지면(108)에 전기적으로 접속될 수 있다. 동축 케이블(120,124)은 공지된 방식으로 무선 송신 및 수신 회로(도시되지 않음)에 접속될 수 있다.
공급 프로브(112,116)는 대략 90도로 서로 떨어져 있으며 실질적으로 접지면(108)에 직각이다. 공급 프로브(112,116)는 공진기(104)에 각각 제 1 및 제 2 신호를 공급한다. 제1 및 제2 신호들은 동일한 진폭을 가지지만, 서로에 대해 90도만큼의 위상차이를 갖는다.
공진기(104)에게 동일한 진폭 및 서로에 대해 90도 이격된 위상을 갖는 2개의 신호들이 제공되면, 서로 실질적으로 직교하는 2개의 자성 쌍극자가 상기 접지면 위에서 발생된다. 직교 자성 쌍극자는 원형 편파 방사 패턴을 생성한다.
일 실시예에서, 공진기(104)는 바륨 티탄산염과 같은 세라믹 재료로 형성된다. 바륨 티탄산염은 높은 유전상수(ετ)를 가진다. 상술한 바와 같이, 공진기의 크기는
Figure 112001005172112-pct00005
에 반비례한다. 그러므로 높은 (ετ)값을 선택함으로써 공진기(104)는 상대적으로 작아질 수 있다. 그러나 다른 유사한 특성을 가지는 유전체 재료가 사용될 수 있으며, 기타의 크기가 특정 애플리케이션에 따라 사용될 수 있다.
안테나(100)는 동일한 주파수 밴드에서 동작하는 쿼드러필라 나선형 안테나보다 상당히 낮은 높이를 가진다. 예를 들어, S-밴드 주파수에서 동작하는 유전체 공진기 안테나는 S-밴드 주파수에서 동작하는 쿼드러필라 나선형 안테나보다 상당히 낮은 높이를 가진다. 낮은 높이는 무선 전화기에서 보다 바람직한 유전체 공진기 안테나를 가능하게 한다.
아래의 표 Ⅰ과 Ⅱ는 L-밴드 주파수(1-2GHz 범위) 및 S-밴드 주파수(2-4GHz 범위)에서 동작하는 전형적인 쿼드러필라 안테나와 유전체 공진기의 치수(높이 및 직경)을 비교한 것이다.
표 Ⅰ
안테나 타입 높이 직경
유전체 공진기 안테나 (S-밴드) 0.28 인치 2.26 인치
쿼드러필라 나선형 안테나(S-밴드) 2.0 인치 0.5 인치
표 Ⅱ
안테나 타입 높이 직경
유전체 공진기 안테나 (S-밴드) 0.42 인치 3.38 인치
쿼드러필라 나선형 안테나(L-밴드) 3.0 인치 0.5 인치
표 Ⅰ과 Ⅱ에는 유전체 공진기 안테나가 동일 주파수 밴드에서 동작하는 쿼드러필라 나선형 안테나보다 작은 높이를 가지지만, 쿼드러필라 나선형 안테나보다 큰 직경을 가지는 유전체 공진기 안테나가 도시되어 있다. 즉, 유전체 공진기 안테나의 높이 감소로 인해 획득된 장점은 어떤 애플리케이션의 큰 직경에 의해 상쇄된다. 실제로, 큰 직경은 주요 관심사가 아니며, 이는 상기 안테나 설계의 주요 목적이 낮은 프로파일을 얻기위한 것이기 때문이다. 본 발명의 유전체 공진기 안테나는 루프 라인을 변경하지 않으면서 자동차 루프 내에서 구축될 수 있다. 유사하게, 상기 타입의 안테나는 무선 위성 전화기 통신 시스템의 원거리에 위치한 고정 전화 부스에 장착될 수 있다.
게다가, 안테나(100)는 쿼드러필라 나선형보다 상당히 낮은 손실을 제공한다. 이는 유전체 공진기에 컨덕터 손실이 없기 때문이며, 따라서 높은 방사 효율을 유도한다. 결과적으로, 안테나(100)는 동등한 쿼드러필라 나선형 안테나에 필요한 것보다 낮은 전력 전송 증폭기 및 저 잡음 지수 수신기를 요구한다.
접지면(108)의 반사 신호는 공진기(104)의 방사 신호에 유해하다. 이는 종종 유해 간섭으로서 언급되며, 안테나(100)의 방사 패턴을 왜곡하는 바람직하지 않은 효과를 일으킨다. 일 실시예에서, 유해 간섭은 접지면(108)에 다수의 슬롯을 형성함으로써 감소된다. 상기의 슬롯은 반사된 파의 위상을 변경시킴으로써, 반사된 파가 안테나(100)의 방사 패턴의 상쇄 간섭 및 왜곡시키는 것을 방지한다.
접지면(108)의 에지 주변 영역은 또한 안테나(100)의 방사 패턴을 간섭한다. 상기의 간섭은 접지면(108)의 에지를 세라팅(serating)함으로써 감소될 수 있다. 접지면(108)의 에지를 세라팅하는 것은 접지면(108) 에지 주변 필드들의 코히런시를 감소시키며, 주변 영역에 덜 민감한 안테나(100)를 만들어서 방사 패턴의 왜곡을 감소시킬 수 있다.
실제 동작시, 두개의 분리된 안테나들이 종종 송신 및 수신 능력을 위해 요구된다. 예를 들어, 위성 통신 시스템에서, 송신기는 L 밴드 주파수에서 동작하도록 구성될 수 있으며, 수신기는 S 밴드 주파수에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이 경우, L 밴드 안테나는 송신 안테나로서 단독으로 동작할 수 있으며, S 밴드 안테나는 수신 안테나로 단독으로 동작할 수 있다.
도 2A는 두개의 안테나(204,208)를 포함하는 안테나 어셈블리(200)를 도시한다. 안테나(204)는 송신 안테나로서 단독으로 동작하는 L 밴드 안테나이며, 안테나(208)는 수신 안테나로서 단독으로 동작하는 S 밴드 안테나이다. 대안적으로 L 밴드 안테나는 수신 안테나로서 단독으로 동작할 수 있으며, S 밴드 안테나는 송신 안테나로서 단독으로 동작할 수 있다. 안테나(204,208)는 개별 유전체 상수(ετ)에 따라 서로 다른 지름을 가질 수 있다.
안테나(204,208)는 접지면(212,216)을 따라 서로 접속되어 있다. 안테나(204)가 송신 안테나로서 동작하기 때문에, 안테나(204)의 방사 신호는 안테나(208)의 접지면(216)을 여기시킨다. 이는 안테나(204) 및 안테나(208) 사이에서 결합된 바람직하지 않은 전자기 결합을 일으킨다. 전자기 결합은 접지면(212) 및 접지면(216) 사이에서 최적의 갭(218)을 선택함으로써 최소화될 수 있다. 갭(218)의 최적폭은 실험적으로 결정될 수 있다. 실험 결과는 안테나(204) 및 안테나(208) 사이의 전자기 결합은 만일 갭(218)이 최적 갭간격보다 크거나 또는 작다면 증가되는 것을 보여준다. 최적 갭간격은 안테나(204,208)의 동작 주파수 및 접면(212,216)의 크기의 함수이다. 예를 들어, S-밴드 안테나 및 L-밴드 안테나의 경우 도 2A에 도시된 바와 같이 나란히 구성되며, 최적 갭간격은 1인치이다. 즉, 접지면(212,216)은 충분한 성능을 위해 1인치만큼 분리되어야 한다.
대안적으로 S-밴드 안테나 및 L-밴드 안테나는 수직으로 적층될 수 있다. 도 2B는 공통 축을 따라 수직으로 적층된 S-밴드 안테나(224) 및 L-밴드 안테나(228)를 포함하는 안테나 어셈블리(220)를 도시한다. 대안적으로 안테나(224,228)는 수직으로 적층될 수 있지만, 공통축을 따르지는 않는다. 즉, 서로 오프셋되는 중심축을 가질 수 있다. 안테나(224)는 유전체 공진기(232) 및 접지면(236)을 포함하며 안테나(228)은 유전체 공진기(240) 및 접지면(244)을 포함한다. 안테나(224)의 접지면(236)은 안테나(228)의 유전체 공진기(240) 상부에 위치한다. 비도전성 지지 멤버(248)는 접지면(236)과 공진기(240) 사이의 갭만큼 안테나(228)와 떨어져서 안테나(224)를 고정한다.
도 2C는 도 2B의 적층된 안테나 어셈블리의 공급 프로브 장치를 상세하게 도시한다. 상부 공진기(232)는 공급 프로브(256,258)에 의해 공급된다. 컨덕터(260,262)는 송/수신 회로(도시되지 않음)에 공급 프로브를 접속시키며, 하부 공진기(240)의 중심 개구부(241)을 통하여 연장된다. 하부 공진기(240)는 공급 프로브(264,266)에 의해 공급되며 컨덕터(268,270)에 의해 송/수신 회로에 접속된다. 도시된 바람직한 실시예에서, 상부 공진기(232)는 S-밴드에서 동작하며, 하부 공진기(240)는 L-밴드에서 동작한다. 상기의 밴드 설계는 일 예일 뿐이다. 공진기는 다른 밴드에서 동작할 수 있다. 또한, S-밴드 및 L-밴드 공진기는 반대가 될 수 있다.
최적 갭간격은 안테나 사이의 결합을 감소시키기 위하여 안테나(224,228) 사이에서 유지되어야 한다. 상술한 실시예와 마찬가지로, 최적 갭간격은 경험적으로 결정된다. 예를 들어, 도 2B 및 2C에 도시된 바와 같은 수직으로 구성된 S-밴드 및 L-밴드 안테나의 경우, 최적 갭(226)이 1인치로 결정된다. 즉, 접지면(236)은 1인치만큼 유전체 공진기(240)과 떨어져야 한다.
유전체 공진기 안테나는 위성 전화기(고정 또는 이동)에서 사용하기에 적당하며, 상부 루프(예를 들면, 자동차의 루브에 장착된 안테나) 또는 다른 큰 평평한 표면에 장착된 안테나를 가지는 전화기를 포함한다. 상기 애플리케이션은 낮은 고도각에서 높은 이득으로 동작하는 것을 필요로 한다. 불행히도, 패치 안테나 및 쿼드러필라 나선형 안테나와 같은 현재 이용되는 안테나는 낮은 고도각에서 높은 이득을 보여주지 않는다. 예를 들어, 패치 안테나는 약 10도의 고도각에서 -5dB의 이득을 보여준다. 반대로, 본 발명의 유전체 공진기 안테나는 약 10도의 고도각에서 -1.5dB 이득을 보여주며, 따라서 위성 전화기 시스템에서 낮은 프로파일 안테나로서 사용하기 적절하다.
유전체 공진기 안테나의 현저한 장점은 제작이 용이하다는 것이다. 유전체 공진기 안테나는 쿼드러필라 나선형 안테나 또는 마이크로스트림 패치 안테나보다 제작이 용이하다.
표 Ⅲ은 전형적인 L 밴드 유전체 공진기 안테나의 파라미터 및 치수를 나타낸다.
표 Ⅲ
동작 주파수 1.62 GHz
유전 상수 36
접지면 치수 3인치 × 3인치
도 3은 공진기(104)와 접지면(108) 사이에 위치하도록 치수된 도전성 원형판(300)을 도시한다. 원형판(300)은 접지면에 유전체 공진기(104)를 전기적으로 접속시킨다. 원형판(300)은 유전체 공진기(304)와 접지면(108) 사이의 에어 갭의 치수를 감소시키며, 따라서 안테나의 방사 패턴의 저하를 방지할 수 있다. 원형판(300)은 그 주변에 두개의 반원형 슬롯(308,312)를 포함한다. 그러나 슬롯(308,312)은 다른 형태를 가질 수 있다. 슬롯(308,312)은 90도 만큼 원주를 따라 서로 떨어져 있으며 적당한 형태의 공급 프로브를 넣을 수 있게 치수된다. 유전체 공진기(104)는 그 주변에 두개의 노치(316,320)를 가진다. 각각의 노치는 공급 프로브를 넣을 수 있도록 치수되며 원형판(300)의 슬롯과 일치한다. 슬롯(316,320)은 또한 공급 프로브에 부착하기 위해 도전성 재료로 도금될 수 있다.
도 4A는 유전체 공진기 안테나 및 교차된 쌍극자 안테나를 통합한 실시예를 도시한다. 상기의 실시예는 위성 전화기 통신 시스템 다운링크 주파수(S-밴드)에서 동작하는 구부러진 교차-쌍극자 안테나(402)와 위상 전화기 통신 시스템 업링크 주파수(L-밴드)에서 동작하는 유전체 공진기 안테나(104')를 통합한다. 유전체 공진기 안테나(104')는 접지면(108')에 장착된다. 도전성 재료로 덮힌 인쇄 회로 가판(PCB;404)는 유전체 공진기 안테나(104')가 부착된 접지면(108')의 상부를 형성한다. PCB(404)의 다른면에는 출력이 유전체 공진기 안테나의 측면에서 직각으로 위치한 도전성 스트림 또는 공급 프로브(112',116')에 공급되는 인쇄된 직교 마이크로파 회로(도시되지 않음)가 존재한다. 공급 출력부로부터 상부 접지면(404)에 이르는 우측 앵글 도전성 비아홀(via hole)들은 균일한 진폭이지만 도전성 스트립에 직각 위상 신호인 진폭을 운반한다. 스트립(도시되지 않음)은 주변을 감싸며, 안테나(104')의 하부와는 연속적으로 떨어져 있으며, 따라서 일반적인 파솔더링(wave soldering) 기술을 사용함으로써 비아홀 섬에 퍽을 부착하여 경비를 절감할 수 있다. 낮은 프로파일 레이돔(406)은 두 안테나를 모두 덮는다. 케이블(408)은 하우징에 액티브 전자장치를 위한 DC 바이어스 및 업링크/다운링크 RF 신호를 운반하기 위해 도전성 스트립(112',116)에 접속된다.
전체 안테나 유니트는 베이스멤버(410)에 장착된다. 베이스(410)는 유리하게 자성체로 이루어질 수 있거나 안테나 유니트를 자동차 또는 트럭의 지붕에 장착하기 위한 자성 표면을 가질 수 있다.
유전체 공진기 안테나(104')는 높은 유전체(hi-K) 세라믹 재료(즉, ετ〉45)로 이루어진 "퍽(puck)"으로 불리는 원형 조각으로 형성된다. hi-K 재료는 L-밴드 주파수에서 공진을 위해 필요한 크기의 감소를 허용한다. 퍽은 직각으로 위치한 도전성 스트립(112',116')에 의해 (HEM11 Δ) 모드에서 여기된다. 상기 모드는 반구형의 원형-편파 방사를 가능하게 한다. 접지면(108')의 직경 및 형태는 수평각에 근접하여 안테나의 범위를 개선하기 위해 조절될 수 있다.
퍽내의 그리고 퍽 주변의 (HEM11 Δ) 모드 필드는 퍽의 축을 따라 위치한 구조물에 결합되지 않는다. 그러므로, 쌍극성 쌍을 제공하는 단일 전송 라인(동축 또는 프린트 스트립라인)은 유전체 공진기 안테나의 방사 패턴에 영향을 미치지 않으면서 유전체 공진기 안테나의 중심을 통하여 돌출될 수 있다. 또한, 쌍극자 암은 L에서 S밴드 커플링이 최소가 되도록 L-밴드 주파수에서 공진되지 않는다. 교차-쌍극자는 접지면(108')위에서 약 1/3 파장(위성 다운링크 주파수에서 1.7인치)의 거리에 위치한다. 이 방식으로 여기된 쌍극자는 위성 통신 애플리케이션에 이상적인 반구형으로 극성화된 방사 패턴을 생성한다. 접지면상의 높이와 쌍극자 암이 구부러진 각도는 정점 대신 낮은 방위각에서의 수신을 강조하는 서로 다른 방사 패턴 형태를 가지도록 조절될 수 있다. 쌍극자 아래의 퍽의 효과는 또한 이 방식으로 수용될 수 있다.
도 4의 일 실시예에서, 교차 쌍극자 안테나는 쿼드러필라 나선형 안테나(QFHA)로 교환될 수 있다. QFHA는 원형으로 주변을 둘러싼 프린트 안테나이다. 해당 직경은 작을 수 있다(〈 0.5"). 이 안테나는 유전체 공진기 안테나 축과 일치하는 스토크(stalk) 및 QFHA 축을 가지는 플라스틱 스토크를 사용하여 유전체 공진기 안테나 위에 위치할 수 있다. QFHA의 방사 패턴은 유전체 공진기 안테나에 대한 커플링 효과가 최소가 되도록 접지면으로 널(null)을 가진다. 유전체 공진기 안테나의 축을 따라 정렬된 QFHA는 작은 지름을 가지기 때문에, L-밴드 유전체 공진기 안테나 패턴은 QFHA에 의해 왜곡되지 않는다.
도 4B의 실시예에서, 쿼드러필라 나선형 안테나(414)는 유전체 공진기 안테나(104')의 중심축과 일치하는 중심축에 장착된다. 1/4 파장 휩 안테나(416)는 QFHA(414) 및 유전체 공진기 안테나(104')의 공통 축을 따라 장착된다. 유전체 공진기 안테나(104') 및 QFHA(414)가 축을 따라 널 필드를 가지기 때문에, 휩(416)에커플링하는 것은 최소가 된다. 상기의 휩은 800Mhz 셀룰러 밴드에서 통신을 위해 사용될 수 있다.
다음은 본 발명의 유전체 공진기 안테나의 특성이다.
- Hi-K 유전체 공진기 안테나는 L-밴드 위성 통신 애플리케이션을 위해 낮은 프로파일, 작은 크기의 안테나를 제공한다.
- 유전체 공진기 안테나 퍽의 하부 및 측면에 있는 플레이팅 스트립은 PCB 피드에 신규하고 저비용의 부착 방법을 제공한다.
- 유전체 공진기 안테나를 공급하기 위해 집적 PCB를 사용하는 것은 안테나부에서 전송 전력 증폭기의 장착을 가능하게 하며, 전송 라인 손실을 최소로 하고 효율을 개선시킨다.
- 하이브리드 유전체 공진기 안테나의 원형 편파 모드를 사용하는 것은 유전체 공진기 안테나 축을 따라 다른 안테나 타입을 통합할 수 있게 하며, 단일의 낮은 프로파일 어셈블리에서 다중 기능, 다중 밴드 성능을 가능하게 한다.
- L-밴드에서 공진하지 않는 S-밴드 쌍극성을 사용하는 것은 또한 S-밴드 안테나로부터 L-밴드를 디커플링한다.
- S 밴드 쌍극자는 상당히 저비용이며 S-밴드 패턴 형태를 변화시키는데 이용될 수 있는 많은 조절부를 가진다.
도 5는 본 발명을 따르며 1.62GHz에서 동작하는 유전체 공진기 안테나의 컴퓨터 시뮬레이션된 안테나 지향성 대 고도각 좌표를 도시한다. 공진기의 유전 상수ετ값은 45로 선택되며, 접지면은 3.4인치의 직경을 갖는다. 본 시뮬레이션에서, 비록 접지면은 원형을 가지도록 선택되지만, 다른 형태가 가능하다. 시뮬레이션 결과는 10도 이상의 고도각에서 최대 이득이 5.55dB이며, 평균 이득이 2.75dB이고 최소 이득이 -1.27dB인 것을 보여준다.
도 6은 10도의 고도각에서 1.62GHz에서 동작하는 동일한 안테나의 컴퓨터 시뮬레이션된 안테나 지향성 대 방위각을 도시한다. 시뮬레이션 결과는 10도의 고도각에서 최대 이득이 -0.92dB, 평균 이득이 -1.14dB, 최대 이득이 -1.50dB를 나타낸 다. 교차 극성(RHCP; 또는 오른손 원형 편파)은 매우 낮다(-20dB 이하). 이는 유전체 공진기 안테나가 수평 가까이에서 충분한 축비를 가지는 것을 나타낸다.
본 발명의 여러 실시예가 설명되었지만, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 그러므로 본 발명의 영역은 상술한 실시예로 제한되지 않으며, 이하의 청구항에 의해서만 제한받는다.

Claims (18)

  1. 유전체 물질로 형성되는 제1 공진기;
    도전성 물질로 형성되며, 상기 제1 공진기가 장착되는 제1 접지면;
    유전체 물질로 형성되는 제2 공진기;
    도전성 물질로 형성되며, 상기 제2 공진기가 장착되는 제2 접지면으로서, 상기 제1 및 제2 접지면들은 미리 결정된 거리만큼 서로 이격되는 제2 접지면; 및
    상기 공진기들 각각의 주위에 대략 90도 만큼 서로 이격되어 상기 공진기들 각각에 전기적으로 커플링되며, 각 공진기에 제1 및 제2 신호를 각각 제공하는 제1 및 제2 프로브를 포함하며,
    상기 공진기들 각각은 상기 공진기들 사이에서 상이한 미리 결정된 주파수 대역에서 공진하는 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 신호들은 실질적으로 동일한 진폭 및 서로에 대해 90도의 위상차를 가지는 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공진기들 각각은 실질적으로 원통형이며 이를 관통하는 중앙축 개구부를 가지는 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 프로브는 상기 공진기의 주위에 대략 90도 만큼 이격되어 위치하는 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 프로브들은 상기 접지면들에 대해 실질적으로 직교하는 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공진기들 각각은 세라믹 물질로 형성되는 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 물질의 유전 상수(ετ)는 10 보다 큰 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 물질의 유전 상수(ετ)는 45 보다 큰 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 물질의 유전 상수(ετ)는 100 보다 큰 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 공진기가 서로 실질적으로 서로에 대해 정렬되도록 소정의 분리 거리만큼 떨어져서 상기 제1 및 제2 접지면을 장착하기 위한 지지 멤버를 더 포함하는 듀얼 밴드 유전체 공진기 안테나.
  11. 제1 소정 주파수 밴드에서 공진하도록 튜닝되는 제1 안테나부; 및
    상기 제1 주파수 밴드와는 상이한 제2 소정 주파수 밴드에서 공진하도록 튜닝되는 제2 안테나부를 포함하며,
    상기 제1 안테나부는
    도전성 물질로 형성되는 접지면, 상기 접지면에 장착되며 유전체 물질로 형성되며 중심 세로축 개구부를 갖는 유전체 공진기, 및 상기 공진기 각각에 제1 및 제2 신호들을 제공하고 상기 안테나에서 원형 편파 방사를 발생시키기 위해 상기 공진기에 전기적으로 접속되고 서로에 대해 이격된 제1 및 제2 프로브들을 포함하며,
    상기 제2 안테나부는
    상기 유전체 공진기의 상기 축 개구부를 통해 연장되면서 개구부와는 전기적으로 절연되는 안테나 멤버를 포함하며, 상기 연장된 안테나 멤버의 세로축은 상기 유전체 공진기의 축과 일치하는 멀티 밴드 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연장된 안테나 멤버는 쿼드러필라 나선형 안테나를 포함하는 멀티 밴드 안테나.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 주파수 밴드와는 다른 미리 결정된 제 3 주파수 밴드에서 공진하도록 튜닝되는 제 3 안테나부를 더 포함하며, 상기 제 3 안테나부는 상기 유전체 공진기의 상기 축상 개구부를 통하여 연장되고, 상기 제 1 및 제 2 안테나부와는 전기적으로 절연되며, 상기 제 1 및 제 2 안테나부의 세로방향 축과 일치하는 세로축을 가지는 것을 특징으로 하는 멀티 밴드 안테나.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제 2 안테나부는 쿼드러필라 나선형 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 밴드 안테나.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 실질적으로 원통형의 형태를 갖는 멀티 밴드 안테나.
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