KR100710726B1 - 유전체 공진기 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유전 물질의 직평행육면체를 포함하는 유전체 공진기 안테나(1)에 관한 것인데, 상기 직평행육면체 내에서 유전체 공진기 안테나(1)의 특히 외부 여기 작용에 의하여 생성되는 고유모드의 전기장 분포는 적어도 두 개의 평행하지 않은 대칭면(4, 5)을 구비한다. 부피를 감소시키고 장치 내부에 설치되는 더 우수한 가능성을 제공하는 유전체 공진기 안테나(1)를 제공하기 위하여, 상기 대칭면(4, 5)의 교차 라인과 평행하게 놓이는 직평행육면체 에지가 상기 직평행육면체의 가장 짧은 에지를 형성하도록 제공하는 것이 제안된다. 이 에지의 길이는 d 로 참조되고 또한 상기 직평행육면체의 다른 두 개의 에지 길이보다 본 발명에 따른 유전체 공진기 안테나(1)에서는 분명하게 더 작다. 상기 안테나 부피를 더 우수하고 또한 매우 유연하게 감소시키기 위하여, 하나 이상의 에지 길이가 감소되어져야 한다. 놀랍게도, 길이(d)를 가지는 에지가 안테나(1) 효율의 상당한 손실이 없이도 감소될 수 있다는 것이 명확하게 나타난다. 방사 출력과 공진 주파수의 정밀도는 둘 모두 유지된다.

Description

유전체 공진기 안테나{DIELECTRIC RESONATOR ANTENNA}

도 1 은 유전체 공진기 안테나를 도시하는 도면.

도 2 는 대칭면에서 전기 전도성 코팅을 구비하는 이등분된 유전체 공진기 안테나를 도시하는 도면.

도 3 은 측부 길이(a, b, 및 d)를 구비하는 유전체 공진기 안테나의 직평행육면체의 기본 모양을 도시하는 도면.

도 4a 는 가장 짧은 측부 길이에 수직한 평면에서 직평행육면체 유전체 공진기 안테나의 고유모드(eigenmode)의 전기장의 전계 구성을 도시하는 도면.

도 4b 는 상기 전계 구성을 갖는 유전체 공진기 안테나의 대칭면을 따라 크기가 감소된 안테나를 도시하는 도면.

도 5 는 리드를 갖는 인쇄 회로 기판 상에 장착된 유전체 공진기 안테나를 도시하는 도면.

도 6 는 송신 및 수신 경로와 유전체 공진기 안테나를 갖는 이동 무선 전화기의 간략화된 블록도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 8 : 유전체 공진기 안테나 4, 5 : 비평행 대칭면

9 : 인쇄 회로 기판 10 : 리드

본 발명은, 유전 물질의 직평행육면체(cuboid)를 포함하는 유전체 공진기 안테나에 관한 것인데, 상기 직평행육면체 내에서 유전체 공진기 안테나의 고유모드(eigenmode)(특히 외부 여기 작용에 의하여 생성되는)의 전기장 구성이 적어도 두 개의 평행하지 않은 대칭면을 구비한다.

본 발명은 또한, 유전 물질의 직평행육면체를 포함하는 유전체 공진기 안테나를 포함하는 송신기, 수신기 및 이동 무선 전화기에 관한 것인데, 상기 직평행육면체 내에서 상기 직평행육면체 내에서 유전체 공진기 안테나의 고유모드(특히 외부 여기 작용에 의하여 생성되는)의 전기장 구성이 적어도 두 개의 평행하지 않은 대칭면을 구비한다.

유전체 공진기 안테나(DRA: dielectric resonator antenna)는 마이크로파 주파수에 대하여 세라믹이나 기타 유전 매체로 이루어진 소형화된 안테나로서 알려져 있다. ε_r >> 1인 상대 유전율을 갖는 유전 매체가 공기에 의하여 둘러 싸인 유전체 공진기는, 유전 매체의 경계면 상에서 전자기적 제한 조건으로 인하여 고유주파수와 고유모드의 이산 스펙트럼을 가진다. 이들 조건은 경계면 상의 주어진 제한 조건을 갖는 상기 유전 매체에 대한 전자기 방정식의 특정 해에 의하여 한정된다. 방사 손실이 회피될 때 아주 우수한 성능을 구비하는 공진기와는 반대로, 공진기 안테나에서는 출력 방사가 주 항목이 된다. 전도성 구조물이 방사용 소자로 사용되어 있지 않기 때문에, 표피 효과(skin effect)는 해로울 수 없다. 그러므로, 그러한 안테나는 높은 주파수에서 낮은 저항 손실을 가진다. 상대적으로 높은 유전율을 가지는 물질이 사용될 때, ε_r 을 증가시킴으로써 구조물의 크기가 미리 선택된 고유주파수(송신 및 수신 주파수)에 대하여 감소될 수 있기 때문에 작은, 즉 소형화된 구조가 달성될 수 있다. 소정 주파수에서 DRA의 크기는 실질적으로 √ε_r 에 반비례한다. ε_r을 α배만큼 증가시키는 것은, 공진기 주파수가 동일하게 유지되면서, 모든 크기를 √α로 나누어지는 것만큼 감소시키게 하며, 그 부피를

로 나누어지는 것만큼 감소시키게 한다. 더욱이, DRA용 물질은 높은 주파수에 사용하기에 적합하고 작은 유전 손실과 온도 안정성을 가져야만 한다. 이것은 사용될 수 있는 물질을 엄격하게 제한한다. 적절한 물질은 전형적으로 최대 120인 ε_r 값을 가진다. 소형화 가능성에 대한 이러한 제한 외에도, DRA의 방사 특성이 ε_r이 증가함에 따라 저하된다.

일례로 고려되는 기본적인 형태의 그러한 DR 안테나(1)가 도 1 에 도시되어 있다. 직평행육면체(cuboid)의 형태 뿐만 아니라 다른 형태 예를 들어 원통형이나 구형의 기하학적인 모양과 같은 형태도 가능하다. 유전체 공진기 안테나는 공진 모듈로서, 이 모듈의 공진 주파수들(고유주파수) 중 하나의 주파수 근처에 있는 협대역에서만 동작하는 공진 모듈이다. 안테나를 소형화하는 것에 대한 문제점은 소정의 안테나 크기가 작아짐에 따라 동작하는 동작 주파수가 낮아지게 된다는 사실에 있다. 그리하여, 가장 낮은 공진(

) 모드가 사용된다. 이 모드는 이 모드의 전자기장 내에 대칭면들을 가지며, 이들 중 한 대칭면이 기준 대칭면(2)이다. 안테나가 대칭면(2)으로 이등분되고 전기적으로 전도성을 갖는 면(3)이 적층(예를 들어 금속 코팅)될 때, 이 공진 주파수는 원래의 크기를 갖는 안테나의 공진 주파수와 동일하게 지속된다. 이 방식으로, 동일한 모드가 동일한 주파수를 가지고 형성된 구조가 얻어진다. 이것은 도 2에 나타나 있다. 상대적으로 높은 유전율(ε_r)을 가지는 유전 매체에 의하여 이 안테나에 대한 소형화가 추가로 달성될 수 있다. 낮은 유전 손실을 가진 물질이 선택되는 것이 바람직하다.

그러한 유전체 공진기 안테나는 논문 "유전체 공진기 안테나-공진 주파수와 대역폭에 대한 개관 및 일반적 설계 관계"(Rajesh K. Mongia 및 Prakash Barthia, 마이크로파와 밀리미터파의 컴퓨터-지원 엔지니어링의 국제저널, Vol.4, no.3, 1994년 pp 230-247)에 개시되어 있다. 이 논문은 원통형, 구형 및 직사각형과 같은 여러 가지 모양의 DRA에 대한 방사 특성과 모드에 대한 개관을 제공하고 있다. 서로 다른 모양에 대하여, 가능한 모드들과 대칭면들이 도시되어 있다(도 4, 도 5, 도 6, p 240, 좌측 컬럼, 라인 1 내지 21 참조). 특히 직평행육면체 유전체 공진기 안테나가 도 9와 그와 관련된 설명 부분에서 기술되어 있다. y = 0인 x-z 평면이나 x = 0인 y-z 평면에 있는 금속면에 의하여, 원래의 구조는

모드에 대하여 전계 구조나 기타 공진 특성이 변경되지 않으면서 이등분될 수 있다(p.244, 우측 컬럼, 라인 1 내지 7). DRA는 마이크로파 리드(lead)를 통하여 여기(excited)되는데, 거기서 리드는 마이크로파 라인(예를 들어, 마이크로스트립 라인이나 동축 라인의 끝)의 옆에서 스트레이 전계(stray field) 내로 삽입된다.

부피 감소의 가능성은 외부 면으로서 서로 직각으로 배열되는 두 개의 대칭면의 사용으로만 제한된다. 이 방식으로, DRA의 부피는 동일한 주파수에서 오직 4로 나누어지는 것만큼만 감소될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 부피를 감소시키는 더 우수한 가능성을 제공하는 유전체 공진기 안테나를 제공하는 것이다. 더욱이, 본 발명의 목적은 전반적인 부피를 감소시키고 장치 내에 소자를 설치하는데 더 우수한 가능성을 갖는 송신기, 수신기, 및 이동 무선 전화기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 본 목적은 대칭면들의 일 교차 라인과 평행하게 놓이는 직평행육면체 에지가 상기 직평행육면체의 가장 짧은 에지를 형성하는 것으로 달성된다. 임의의 고유모드의 전기장 구성의 대칭면들은 서로 직각이고 직평행육면체의 각각의 외부면과 평행하다. 그러므로, 대칭면들의 교차 라인은 상기 직평행육면체의 에지들 중 하나의 에지와 평행하게 놓인다. 이 에지의 길이는 d 로 지칭되고, 또한 본 발명에 따른 유전체 공진기 안테나에서는 상기 직평행육면체의 다른 두 개의 에지의 길이보다 명확히 더 작다. 길이(d)를 갖는 에지는 이리하여 안테나의 고유모드의 전기장에 대해 수직하다. 안테나 부피를 더 양호하게 그리고 특히 유연하게 감소시키기 위하여는, 적어도 하나의 에지의 길이가 감소되어야 한다. 놀랍게도, 길이(d)를 구비하는 에지가 안테나의 상당한 효율 손실이 없이 명확히 단축가능한 것으로 나타난다. 방사 출력과 공진 주파수의 정밀도는 둘 모두 유지된다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 직평행육면체의 기하학적인 중심에서 제 1 외부 면과 평행하게 놓이는 제 1 대칭면이 존재하고, 상기 제 1 대칭면에 수직하고 직평행육면체의 기하학적인 중심에서 제 2 외부면과 평행하게 놓이는 제 2 대칭면이 존재하며, 상기 제 1 및 제 2 대칭면은 유전체 공진기 안테나의 각각의 하나의 외부면을 형성하도록 제공되며, 또한 전기 전도성 코팅이 상기 대칭면들에 의해 형성된 상기 외부면들 상에 적층된다. 가장 낮은 고유모드가 공진 주파수로서 사용되는 때에, 상기 대칭면들은 상기 직평행육면체의 중심에서 각각의 개별적인 에지 길이의 절반 지점에서 발견된다. 심지어 소형의 안테나에 있어서 조차, 전기 전도성 코팅을 갖는 대칭면들이 외부면들을 형성하는 것을 조건으로, 교차 라인과 평행하게 놓이는 에지 길이(d)는 안테나 부피를 감소시키기 위하여 감소될 수 있다는 매우 유리한 점을 가진다. 직평행육면체 에지의 본 발명에 따른 선택은 전기 전도성이 있으며 코팅되어 있는 외부면들의 크기가 감소되는 반면, 출력이 송신되거나 수신되는 안테나의 외부면들의 크기는 유지된다. 이것은 안테나 부피의 감소에도 불구하고 일정한 높은 안테나 효율이라는 결과를 가져 온다.

본 발명의 유리한 실시예에 있어서, 금속 코팅이 두 개의 외부면 상에 적층되는데, 하나의 금속 코팅은 인쇄 회로 기판에 연결되고, 인쇄 회로 기판은 송신이나 수신 신호를 위한 라인을 포함하고, 송신이나 또한 수신 신호를 위한 상기 라인은 상기 금속 코팅과 상기 유전체 공진기 안테나 상에 설치된 접점을 통하여 상기 안테나와 연결된다.

더욱이, 본 발명의 목적은, 그러한 유전체 공진기 안테나를 구비하는 송신기, 수신기 및 이동 무선 전화기에 의하여 달성되는데, 상기 안테나에서 대칭면들의 일 교차 라인과 평행하게 놓이는 직평행육면체 에지가 직평행육면체의 가장 짧은 에지를 형성하도록 제공된다.

본 발명의 이들 측면과 기타 측면은 이하 기술되는 실시예(들)를 참조로 하여 밝혀지고 명료하게 될 것이다.

도 3 은 직교 좌표계의 방향(x, y, 및 z)에서 직사각형의 측면부와 측부 길이(a, b, 및 d)를 구비하는 기본적인 모양으로 된 유전체 공진기 안테나(DRA :dielectric resonator antenna)(1)를 도시하고 있다. DRA(1)은 고유주파수들의 이산 스펙트럼을 가지는데, 상기 고유주파수들은 기하학적인 모양과 외부의 크기에 의하여 결정되고 또한 사용되는 재료 물질의 상대적 유전율(ε_r)에 의하여 결정된다. 상기 DRA(1)를 임의의 소정 주파수에서 마이크로파 출력을 위한 안테나로서 사용하기 위해서는, 상기 DRA의 고유주파수는 이 소정 주파수의 인접 대역에 있어야 한다. 예시적인 실시예에 있어서, DRA(1)는 임의의 소정 주파수로서 GSM900 표준의 중심 주파수 942.5MHz에 대하여 설계된다. 전형적으로 ε_r = 85 의 값을 가지는 온도에 안정한 세라믹이 재료 물질로서 사용되고 있다. 이것은 직평행육면체 DRA(1)에 대하여 약 a

b

30 mm 및 d

5.5 mm 의 크기를 가지는 결과가 되게 한다. 이러한 크기는 이동 통신 장치 내에 통합하기에는 너무 큰 것이기 때문에, DRA(1)의 크기는 도 4a 및 도 4b 에 도시된 바와 같이 감소된다.

도 4a 는 가장 짧은 측부 길이(d)에 대해 수직한 평면으로 직사각형 모양의 DRA(1)를 통과하는 횡단면도를 도시한다. 이 측부 길이(a 및 b)는 각각 x 축 및 y 축 방향으로 놓여 있다. 이 목적을 위하여, DRA(1)의 가장 낮은 주파수를 갖는 고유모드에 속하는 전기장의 전계 구성이 도시되어 있다. 이 전계 구성은 서로에 수직인 두 개의 대칭면(4 및 5)이 x = a/2 및 y = b/2 에 있음을 명확하게 보여주고 있는데, 이들 대칭면들은 본 횡단면도에서 쇄선으로 나타나 있다. 이 두 개의 대칭면(4 및 5)과 교차 라인은 도면의 표면에 대하여 수직하다. 도 3은 상기 교차 라인과 평행하게 놓이는 직평행육면체 에지가 길이(d)로 지칭되는 것을 보여준다. 만일 DRA(1)이 이들 대칭면 중 하나의 대칭면을 따라 절단되고 또한 절단면이 코팅(6, 7)에 의해 금속화되면, 동일한 모드가 동일한 주파수에서 형성되는 구조가 얻어질 것이다. 만일 이 방법이 두 번 사용되면, 도 4b에 도시된 바와 같이 크기가 감소된 DRA(8)가 얻어질 수 있다. 기존 대칭면(4 및 5)에 의하여 DRA(1)의 부피는 일정한 주파수에서 4로 나누어지는 만큼 감소되어 (a/2)*(b/2)*{d(x*y*z)}로 될 수 있다. 본 실시예는 최종적으로 15*15*5.5mm³ 의 크기를 가지는 DRA(8)가 된다.

DRA(1)의 부피는 길이(d)에 직접 의존하기 때문에, DRA(1)는 d를 단축함으로써 소형화될 수 있다. 특히 부피 (a/2)*(b/2)*d 를 갖는 크기가 감소된 DRA(8)에 있어서는, 이러한 단축에 의해 오직 코팅(6, 7)으로 코팅된 외부면 만이 감소된다. (a/2)*d 또는 (b/2)*d를 초과하는 이들 면의 확장은 에지의 길이(d)에 의존하는 반면, 외부면 (a/2)*(b/2)은 일정하게 유지된다. 특히 DRA(8)의 방사 외부면의 크기가 효율에 있어 특징을 이루고 금속 처리된 외부면을 통하여는 출력이 방사되지 않기 때문에, DRA(8)의 방사 효율은 조금만 감소된다.

도 5 는 리드(10)를 통해 인쇄 회로 기판(9) 상에 장착된 유전체 공진기 안테나(8)를 나타내고 있다. 이 리드(10)는 마이크로스트립 라인(10)으로 형성되어 있다. DRA(8)는 ε_r = 81 이고 크기가 a = 9.7 mm, b = 9.7 mm 및 d = 3.55 mm를 갖는 유전 물질의 직평행육면체에 의하여 형성된다. DRA는, 인쇄 회로 기판(9)에 대해 수직한 하나의 좁은 외부면 상에서 금속 코팅으로 코팅된다. 인쇄 회로 기판(9)은 유전체 코팅 상의 전도성 면으로 구성된다. 상기 전도성 면으로부터 오목하게 들어간 부분, 즉 DRA(8)의 금속 코팅이 없는 하나의 좁은 외부면과 접하고 있는 부분에서, 마이크로스트립 라인(10)이 적층된다. 마이크로스트립 라인(10)은 송신이나 수신 신호를 전송하는데 사용된다. 이러한 목적으로, 전기 접점(11)이 DRA(8)의 마이크로스트립 라인(10)과 접하는 좁은 외부면 상에 배열되며, 이 접점은 마이크로스트립 라인(10)과 연결되어 있다. 마이크로스트립 라인(10)의 타단에는, 동축 라인을 연결하기 위한 다른 접점이 있을 수 있다. 이 실시예에서 DRA(8)는 1906.5MHz 의 중심 주파수와 2.4%의 3㏈ 대역폭을 가진다.

도 6 은, 예를 들어 GSM 표준을 만족시키는 이동 무선 전화기와 같은, DRA(8)를 포함하는 이동 무선 전화기의 송신 및 수신 경로의 기능 블록들을 블록도로서 도시하고 있다. DRA(8)는 안테나 스위치 즉 주파수 듀플렉서(12)에 연결되는데, 이 주파수 듀플렉서(12)는 수신이나 송신 모드에서 수신이나 송신 경로를 DRA(8)에 연결한다. 수신 모드에서, 아날로그 무선 신호는 수신 회로(13)를 통하여 A/D 변환기(14)에 도착한다. 생성된 디지털 신호는 복조기(15)에서 복조되고 후속적으로 디지털 신호 처리기(DSP)(16)에 가해진다. DSP(16)에서, 개별적으로 도시되지 않은, 등화 기능, 해독 기능, 채널 디코딩 기능 및 음성 디코딩 기능이 연속적으로 수행된다. 스피커(18)를 통하여 전달되는 아날로그 신호는 D/A 변환기(17)에 의하여 생성된다.

송신 모드에 있어서, 마이크로폰(19)에 의하여 포착된 아날로그 음성 신호는 A/D 변환기(20)에서 변환되고 DSP(21)에 인가된다. DSP(21)은 상기 수신 모드에 대하여 보상적인 음성 코딩 기능, 채널 코딩 기능 및 암호화 기능을 실행하는데, 이들 기능들은 모두 단일 DSP 에 의하여 실행된다. 이진 코딩된 데이터 워드는 변조기(22)에서 GMSK 변조되고 그후 D/A 변환기(23)에서 아날로그 무선 신호로 변환된다. 출력 증폭기(power amplifier)를 포함하는 송신기 엔드 스테이지(24)는, DRA(8)을 통하여 전송될 무선 신호를 생성한다.
수신 경로 또는 송신 경로(8, 13, 14, 15, 16, 17, 18 또는 8, 19, 20, 21, 22, 23, 24)에 대한 설명은 단일 수신기 또는 송신기의 경로에 해당한다. 주파수 듀플렉서(12)는 제공될 필요가 없지만, 송신 경로와 수신 경로는 안테나로서 그 경로 자신의 DRA(8)를 사용한다. 이동 무선 분야에 사용하는 것에 더하여, 무선 전송의 임의의 기타 분야에서의 사용도 생각해 볼 수 있다[예를 들어, DECT 또는 CT 표준에 따른 무선 전화기, 무선 중계 장비 즉 중계회선(trunking) 세트 또는 페이저에 대하여]. DRA(8)는 전송 주파수에 대해 항상 적응될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 부피를 감소시키는 더 우수한 가능성을 제공하는 유전체 공진기 안테나를 제공할 수 있다. 더욱이, 본 발명은 전반적인 부피를 감소시키고 장치 내에 소자를 설치하는데 더 우수한 가능성을 갖는 송신기, 수신기, 및 이동 무선 전화기를 제공할 수 있다.

Claims (6)

1. 유전 물질의 직평행육면체(cuboid)를 포함하는 유전체 공진기 안테나(1)로서, 상기 직평행육면체 내에서 상기 유전체 공진기 안테나(1)의 외부 여기 작용에 의하여 생성되는 고유모드(eigenmode)의 전기장 구성은 복수의 평행하지 않은 대칭면(4, 5)을 가지는, 유전체 공진기 안테나(1)에 있어서,

   상기 대칭면(4, 5)의 교차 라인과 평행하게 놓이는 직평행육면체 에지는 상기 직평행육면체의 가장 짧은 에지를 형성하도록 제공되며,

   제 1 대칭면(4)이 상기 직평행육면체의 기하학적인 중심에서 제 1 외부면과 평행하게 놓이고,

   제 2 대칭면(5)이 상기 제 1 대칭면에 수직하고 또한 상기 직평행육면체의 상기 기하학적인 중심에서 제 2 외부면과 평행하며,

   상기 제 1 및 제 2 대칭면(4, 5)은 유전체 공진기 안테나(8)의 각각의 외부면을 형성하도록 제공되고, 또한

   전기 전도성 코팅(6, 7)이 상기 대칭면(4, 5)에 의하여 형성된 상기 외부면 상에 적층되는

   것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 대칭면(4, 5)에 의하여 형성된 상기 두 개의 외부면은 각각이 금속 코팅(6, 7)으로 코팅되고,

   하나의 금속 코팅(7)은 인쇄 회로 기판(9)에 연결되고,

   상기 인쇄 회로 기판(9)은 송신이나 수신 신호를 위한 라인(10)을 포함하고,

   송신이나 수신 신호를 위한 상기 라인(10)은 상기 금속 코팅(7)과 상기 유전체 공진기 안테나(8) 상에 적층된 접점(11)을 통하여 상기 안테나(8)에 연결되는

   것을 특징으로 하는 유전체 공진기 안테나.
4. 제1 항에 따른 유전체 공진기 안테나(1)를 포함하는 수신기(8, 13, 14, 15, 16, 17, 18).
5. 제1 항에 따른 유전체 공진기 안테나(1)를 포함하는 송신기(8, 19, 20, 21, 22, 23, 24).
6. 제1 항에 따른 유전체 공진기 안테나(1)를 포함하는 이동 무선 전화기(8, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24).

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