KR100756810B1 - 슬롯이 형성된 실린더형 안테나 - Google Patents

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Abstract

RF 통신용 안테나(100)가 개시된다. 이 안테나는 내부에 공동(104)을 형성하도록 실질적으로 관 형태인 방사부재(102)를 구비한다. 이 방사부재(102)는 방사부재(102)의 제 1부(108)로부터 제 2 부(110)로 연장하는 비도전성 슬롯(106)을 가지는 도전성 소재로 제조된다. 방사부재(102)의 임피던스를 신호 소스의 임피던스 및 부하의 임피던스와 정합시키기 위하여 컨덕터(134)를 통하여 임피던스 정합기구(120)가 방사부재(102)에 전기적으로 연결된다. 이 임피던스 정합기구(120), 컨덕터(134), 및 물질을 방사하는 방사부재(102)의 적어도 일부는 단일 도전성 시트로부터 형성되거나 단일의 도전성 구조물로 성형 혹은 압출될 수 있다.
안테나, 슬롯, 전기장, 자기장, 인체, 방사부재, 임피던스, 정합기구

Description

슬롯이 형성된 실린더형 안테나{SLOTTED CYLINDER ANTENNA}
본 발명은 RF 통신용 안테나에 관한 것이다.
셀룰라폰과 같은 모바일폰의 사용은 전세계적으로 광범위하게 확산되었다. 작동시 대부분의 현대 셀룰러폰들은 사용자의 귀 혹은 사용자의 혁대와 같이 인체에 아주 인접하게 유지된다. 셀룰러폰들은 통상 양극 안테나를 통하여 저전압 RF 신호들을 송수신함으로써 통신 네트워크에 인터페이스한다. 그러나, 이러한 신호들은 때로 안테나가 인체에 근접함으로써 간섭된다. 특히, 종래기술의 안테나 전류 상태는 인체 조직의 극성 물분자와 결합하는 근접 전기장을 형성하여 신호 강도를 저하시킨다. 예컨대, 인체 조직은 종래의 양극 안테나를 통하여 인치당 6dB의 비율로 전송되는 960MHz RF 신호를 감쇄시킬 수 있다.
또한, 많은 전문가들은 RF 신호의 인체 조직과의 상호 작용은 위험한 건강상 위험을 초래할 수 있다고 믿는다. 일부는 RF 신호들이 인체 고유의 전기 시스템을 간섭할 수 있다고 생각한다. 이러한 반응은 사람에 따라 변하나, RF 신호들이 인간의 면역 시스템을 해칠 수 있으며 암의 진행을 촉진할 수 있다는 의견이 존재한다. 또한 셀룰러폰으로부터의 RF 신호들이 두뇌 활동에 간섭하여 기억 손실의 증상, 혈압의 변화, 집중력의 결핍과 근심을 설명할 수 있다고 주장되어 왔다. 따라서, RF 신호의 전파를 향상시키며 RF 신호들과 인체의 상호 작용을 저하시킬 수 있도록 이동통신 시스템에 사용될 수 있는 안테나의 필요성이 존재한다. 더우기, 물이나 습기있는 흙 주변에서 안테나가 작동시 저 VSWR, 안정되게 동조된 주파수, 및 높은 효율로서 작동하는 안테나의 필요성이 존재한다.
본 발명은 RF 통신용 안테나에 관한 것이다. 안테나는 내부에 공동을 형성하도록 실질적으로 관 형상인 방사부재를 포함한다. 방사부재는 방사부재의 제 1 부로부터 제 2 부로 연장하는 비도전성 슬롯을 가지는 도전성 재료로 제조된다. 예컨대, 비도전성 슬롯은 관형 구조의 길이 방향을 따라 연장할 수 있다.
방사부재의 임피던스를 신호 소스의 임피던스와 부하 임피던스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 임피던스에 정합시키기 위하여 임피던스 정합기구가 방사부재에 전기적으로 연결된다. 임피던스 정합기구는 방사부재의 제 2 부에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 임피던스 정합기구는 가로방향의 전자기적인(TEM) 피드 커플러를 구비할 수 있다.
컨덕터가 방사부재를 임피던스 정합기구에 작동적으로 연결한다. 임피던스 정합기구, 컨덕터, 및 방사부재의 적어도 일부분은 단일 도전성 시트로부터 형성되거나, 단일의 도전성 구조물로서 성형 혹은 압출될 수 있다. 또한 임피던스 정합기구와 방사부재는 공통의 단면 형상을 가질 수 있다.
안테나는 또한 적어도 제 1 도전성 리드 및 제 2 도전성 리드를 적어도 포함하는 적어도 하나의 캐패시터를 구비할 수 있다. 제 1 도전성 리드는 비도전성 슬롯의 제 1 측면에 근접하여 방사부재에 연결될 수 있으며, 제 2 도전성 리드는 비도전성 슬롯의 제 2 측면에 근접한 방사부재에 연결될 수 있다. 일 구조에서, 캐패시터는 가변 캐패시터일 수 있다. 안테나의 전기장 임피던스는 0±2j 보다 작을 수 있다. 또한 안테나의 전기장 임피던스의 절대값은 2 옴(ohms), 5 옴, 10 옴, 25 옴, 혹은 50 옴 보다 작을 수 있다.
안테나는 (1-cos2θ)의 일반형을 가지는 방사 패턴을 구비한 카디오이드(cardioid) 방사 패턴을 형성하도록 배치될 수 있다. 카디오이드 방사 패턴과 관련된 제로(null)는 인체를 향하도록 배향될 수 있다.
안테나는 또한 전자기적인 실드부재를 구비할 수 있다. 전자기적인 실드부재는 전자기적인 실드부재의 제 1 단부로부터 전자기적인 실드부재의 제 2 단부로 연장하는 축방향 슬롯을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명을 이해하기에 유용한 슬롯을 가진 실린더 안테나의 사시도이다.
도 2A는 도 1의 안테나의 슬롯 부재의 상면도이다.
도 2B는 도 1의 안테나 슬롯 부재의 저면도이다.
도 3은 도 1의 안테나의 분해도이다.
도 4는 도 1의 안테나용 예시적인 안테나 하우징의 사시도이다.
도 5A는 슬롯을 가진 실린더 안테나에 부착될 수 있는 예시적인 전자기적인 실드의 사시도이다.
도 5B는 슬롯을 가진 실린더 안테나에 전작적인 실드가 부착된 도 5A의 전자기적인 실드의 사시도이다.
본 발명은 전방위 방사 패턴, 카디오이드 방사 패턴, 혹은 그 양자의 조합을 가지도록 구성될 수 있는 소형의 슬롯을 가진 실린더 안테나에 관한 것이다. 안테나의 근접 전기장 임피던스는 인체 조직의 임피던스 보다 상당히 낮다. 따라서, 안테나는 안테나와 인체 사이의 중대한 연결없이 인체에 근접하여 작동될 수 있다. 따라서, 안테나에 의하여 전파되는 무선 주파수(RF) 에너지에 기인하는 몸에의 유해한 측면의 영향을 미칠 위험은 최소화된다.
인체에 의하여 유발된 방사 패턴 제로(null)는 다른 형태의 안테나들에 비해 실질적으로 감소된다. 특히, 슬롯형 실린더 안테나에 의하여 생성된 원 전기장의 E-전기장 성분은 인체에 실질적으로 수직으로 배향된다. 따라서, 슬롯형 실린더 안테나로부터의 원 전기장 부분은 투사점으로부터 반대인 인체 측에 이르기까지 인체 표면을 따라 안내된다. 따라서, 인체의 그림자에 의해 유발된 방사 패턴 제로의 깊이는 감소된다. 각각 대략 1.0 ohm/면적 및 50인 인체의 전도성(G)과 상대 투자율(μr)은 인체를 따른 표면파 전달을 유발한다. 표면파 전달은 이 기술 분야의 전문가들에게는 잘 알려진 바 있다.
도 1에 있어서, 안테나(100)의 사시도가 도시된다. 안테나(100)는 방사부재(102)를 구비할 수 있다. 방사부재(102)는 예컨대, 구리, 청동, 알루미늄, 강, 도 전성 포일, 도전성 도금, 및/또는 다른 적절한 소재와 같은 전기 전도성 소재로 제조될 수 있다. 또한, 방사부재(102)는 도전성 소재에 의하여 적어도 부분적으로 한정되는 공동(104)을 형성하도록 실질적으로 관 형태일 수 있다. 여기 설명된 바와 같이, 관 형태(tubular)라는 용어는 소정 단면 형상을 가진 공동 구조의 형상을 의미한다. 본 예에서, 방사부재(102)는 직사각형 단면 형상을 가지나 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 중요한 것은 방사부재(102)가 내부에 공동(104)을 형성할 수 있는 소정 형상을 가질 수 있는 것이다. 예컨대, 방사부재(102)는 둥글고, 사각이거나, 삼각형이거나 혹은 다른 적절한 형상인 단면 형상을 가질 수 있다. 더우기, 방사부재(102)는 아주 작거나(evanescent) 공진성일 수 있는 것이다.
방사부재(102)는 비도전성 슬롯(106)을 구비할 수 있다. 슬롯(106)은 방사부재(102)의 제 1 부에서 방사부재(102)의 제 2 부로 연장할 수 있다. 예컨대, 슬롯(106)은 방사부재(102)의 제 1 단부(108)로부터 방사부재(102)의 제 2 단부(110)로 연장할 수 있다. 방사부재(102)의 공진 주파수를 저하시킬 수 있는 슬롯(106)의 캐패시턴스를 증가시키기 위하여 적어도 하나의 캐패시터(112)가 슬롯(106)의 대향 측면들(114, 116) 사이에 배치될 수 있다. 바람직한 구조에서, 캐패시터(112)는 이하에서 설명하는 바와 같이 안테나(100)의 공진 주파수를 동조시키는 능력을 제공하도록 조정가능할 수 있다.
또한 다른 방법은 안테나의 공진 주파수를 동조시키도록 사용될 수 있다. 예컨대, 방사부재(102)에 구멍이 형성될 수 있다. 다른 대체적인 구조에서 금속 디스크가 방사부재(102)의 중심에 배치될 수 있다. 안테나의 공진 주파수를 동조시키기 위하여 디스크의 면이 방사부재(102)의 구멍을 가리거나 부분적으로 가리도록 회전될 수 있다. 방사부재(102) 및/또는 슬롯(106)은 RF 신호들을 방사하도록 형성된다. 방사부재(102)에 의하여 전파되는 신호의 강도는 방사부재(102)의 축에 수직인 방향에서 공동(104)의 단면적을 최대화함으로써 증가될 수 있다. 또한, 슬롯(106)에 의하여 전파되는 신호들의 강도는 슬롯(106)의 길이를 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 따라서, 공동 단면적과 슬롯의 길이는 소정의 방사 패턴을 달성하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 슬롯(106)과 방사부재(102)의 둘레는 단일 로브의 카디오이드(Dθ= 1-cos2θ) 패턴, 원형 (Dθ = 일정) 전방위 패턴, 혹은 양자의 조합으로 방사할 수 있는 크기일 수 있다. 이러한 방사 패턴은 방사부재(102)의 축 둘레로 배향될 수 있다. 일 예시적인 구조에서, 카디오이드 방사 패턴은 방사부재(102)의 폭(a)을 대략 1/2 λ, 깊이(b)를 대략 1/20 λ, 길이(c)를 대략 1/2 λ에 해당하게 제공함으로써 생성될 수 있다(여기서 λ는 방사부재(102)의 작동 주파수에서의 신호 파장이다).
(Dθ= 1-cos2θ) 카디오이드 방사 패턴은 특히 RF 신호들의 결합을 최소화할 수 있다. 이러한 방사 패턴은 각도(θ)가 대략 0일 경우, 제로(null)를 발생한다. 방사 패턴 영점은 인체에 대한 RF 신호들의 커플링을 최소화하기 위하여 인체, 예컨대 무선통신 기기의 조작자를 향해질 수 있다. 또한 카디오이드 패턴은 인체로부터 RF 신호들이 멀어지도록 지향시킴으로써 안테나 효율을 증대시킬 수 있다. 이러한 RF 신호들의 일부는 그렇지 않으면 인체의 조직에서 소비되었을 것이다.
안테나(100)는 또한 방사부재(102)의 임피던스를 신호 소스의 임피던스 및/또는 부하(도시 없음)의 임피던스와 정합시키도록 배치된 임피던스 정합기구(120)를 구비할 수 있다. 예컨대, 임피던스 정합기구는 트랜시버에 방사부재(102)의 임피던스를 정합시킬 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따라, 임피던스 정합기구(120)는 가로형 전자기적인(TEM) 피드 커플러일 수 있다. 효과적이게, TEM 피드 커플러는 작동 주파수의 변동에 기인한 저항 변화를 보충할 수 있으며 작동 주파수에 무관하게 일정한 구동점 임피던스를 제공할 수 있다. 예컨대, 구동점 임피던스는 트랜시버의 임피던스와 정합하도록 예컨대 50 옴과 같이 적절한 임피던스로 유지될 수 있다. 신호 제어 동조 효과가 이와 같이 실현되며, 광대역 동조가 낮은 VSWR로서 캐패시터(202)만을 변화시켜 이루어질 수 있다. 그러나, 방사부재(102)의 평행한 임피던스를 소스 및/또는 부하에 정합시키도록 다른 적절한 임피던스 정합기구가 사용될 수 있으며. 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 유도 루프, 감마 정합 구조물, 혹은 방사부재(102)의 임피던스를 트랜시버에 정합시킬 수 있는 다른 기구가 사용될 수 있다.
임피던스 정합기구(120)가 TEM 피드 커플러인 경우, TEM 커플러의 임피던스 정합 실행은 TEM 커플러와 방사부재(102) 사이의 전기(E)장 및 자기(H)장의 커플링에 의하여 결정된다. 전기장(E) 및 자기장(H) 커플링은 TEM 커플러와 방사부재(102)의 각각의 크기 및 두 구조물들 사이의 상대 간격의 함수이다.
임피던스 정합기구(120)는 제 1 컨덕터(130)를 통하여 소스 및/또는 부하에 작동적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제 1 컨덕터(130)는 적절한 케이블의 컨덕터, 예컨대 동축 케이블(136)의 중앙 컨덕터일 수 있다. 임피던스 정합기구(120)가 TEM 커플러이면, 제 1 컨덕터(130)는 TEM 커플러를 방사부재(102)에 동작 가능하게 연결하는 제 2 컨덕터(134)로부터 말단의 TEM 커플러의 측면(138)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제 3 컨덕터(132)는 방사부재(102)를 소스 및/혹은 부하에 작동적으로 연결시킬 수 있다. 예컨대, 제 3 컨덕터(132)는 동축 케이블(136)의 외측 컨덕터일 수 있다. 제 3 컨덕터(132)는 방사부재(102)와 임피던스 정합기구(120) 사이의 갭(140)에 근접한 방사부재(102)에 전기적으로 연결될 수 있다.
일 구조에서 제 3 컨덕터(132)는 도시와 같이 방사부재(102)에 전기적으로 연결될 수 있다. 대신, 컨덕터(132)는 방사부재(102)의 일부를 형성할 수 있는 슬롯 부재(118)에 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 방사부재에 전기적으로 연결되는 제 3 컨덕터(132) 및 제 1 컨덕터(130)의 위치들은 안테나의 소정의 부하/소스를 달성하기 위하여 선택될 수 있다.
제 1 컨덕터(130)와 제 3 컨덕터(132) 사이에 흐르는 전류는 임피던스 정합기구(120)와 방사부재(102)를 연결시키는 자기장(H)을 발생할 수 있다. 또한, 임피던스 정합 기구(120)와 방사부재(102) 사이의 전기적인 전위차는 전기장(E) 커플링을 생성할 수 있다. 임피던스 정합기구(120)와 방사부재(102) 사이의 간격이 증가함에 따라 전기장(E과 자기장(H) 커플링의 양은 감소한다. 따라서, 적절한 레벨의 전기장(E) 및자기장(H) 커플링을 달성하도록 갭(140)이 조정될 수 있다. 갭(140)의 크기는 실험적으로 결정되거나 전자기적인 변수들을 유한 요소 분석을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 사용하여 결정될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 임피던스 정합기구(120), 제 2 컨덕터(134), 적어도 방사부재(102)의 일부는 단일 도전성 시트로 형성되거나, 단일 도전성 구조로서 성형되거나 단일 도전성 구조로서 압출될 수 있다. 더욱이, 임피던스 정합기구(120)는 방사부재(102)의 단면 형상과 동일 혹은 유사한 단면 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 임피던스 정합기구(120)와 방사부재(102)는 적어도 하나의 공통 크기를 가질 수 있다. 일 구조에서, 임피던스 정합기구(120)와 방사부재(102)는 예컨대 폭(a)과 깊이(b)와 같은 두 공통 크기를 가질 수 있다. 이러한 구조는 안테나(100)를 제조하기 위하여 필요한 제조단계들이 최소화될 수 있으므로 비용절약적일 수 있다.
동축 케이블(136)은 방사부재(102)의 공동(104)을 관통하여 연장하도록 배치될 수 있다. 따라서, 방사부재(102)는 동축 케이블(136)을 변위 전류로부터 차단하고 동축 케이블(136) 위의 공통 모드 전류를 저하시키는 동축 케이블용 슬리브 발룬(balun)으로 작동할 수 있다. 또한, 동축 케이블은 방사부재(102)의 제 1 단부(108) 근처에서 공동(104)에 진입할 수 있으며 임피던스 정합기구(120)는 방사부재(102)의 제 2 단부(110) 근처에서 배치된다. 이러한 구조에 의하면 제 3 컨덕터(132)와 임피던스 정합기구(120) 사이의 공전(stray) 캐패시턴스를 최소화할 수 있으며 이로써 동축 케이블의 공통 모드 전류를 감소시킬 수 있다. 따라서, 무선 주파수 간섭을 제어하기 위하여 부가적인 발룬(baloon)을 사용하는 것이 피해질 수 있다.
다른 실시예에서, 임피던스 정합기구(120) 대신에, 방사부재(102)가 직접 방사부재(102) 내부에 부가적인 슬롯(도시 생략)에 걸쳐 공급 라인(도시 생략)을 제 공하는 것에 의하여 형성된 임피던스 정합기구에 의하여 여자될 수 있다. 예컨대, 부가적인 슬롯이 슬롯(106) 반대 방향의 방사부재(102)의 제 2 측면(152) 상에 위치될 수 있다. 공급 라인이 불연속 공급을 형성하도록 부가적인 슬롯을 가로질러 연결될 수 있다. 명확하게, 하나 이상의 캐패시터들이 불연속 공급과 평행하게 작동적으로 연결되어 정합 네트워크를 형성할 수 있다. 따라서, 캐패시터들의 값은 안테나(100)에 대한 소정의 구동점 임피던스를 달성하도록 선택될 수 있다. 예컨대, 캐패시터들이 불연속 공급과 같이 50 옴의 구동점 임피던스를 제공하도록 선택될 수 있다.
슬롯 부재(118)가 슬롯(106)을 구비할 수 있는 것이 도 2A, 2B에 도시된다. 도 2A는 슬롯 부재(118)의 상면도이다. 표시된 바와 같이, 캐패시터(112)는 슬롯(106)에 걸쳐 가변 캐패시턴스를 제공하도록 가변 캐패시터일 수 있다. 따라서, 캐패시터(112)는 조정 나사(200)가 제공될 수 있다.
도 2B에 있어서, 슬롯 부재(118)의 저면도가 도시된다. 캐패시터(112)는 슬롯 부재(118)의 대향하는 도전성 면들에 캐패시터(112)를 연결시키기 위하여 제 1 및 제 2 도전 리드들(202, 204)을 구비할 수 있다. 예컨대, 리드들(202, 204)은 각각의 대향 측면들(114, 116)에 납땜될 수 있다. 또한 리드들(212, 214)을 가지는 부가적인 캐패시터(210)가 슬롯(106)에 걸리는 캐패시턴스를 증가시키기 위하여 제공될 수 있다. 재차, 리드들(212, 214)이 대향 측면들(114, 116)에 납땜될 수 있다.
슬롯 부재(118)는 제조 중에 압출 혹은 주조 공정을 통해 방사부재(102)의 일체화된 부분으로서 제조될 수 있다. 그러나, 안테나 제조를 단순화하기 위하여 슬롯 부재(118)가 캐패시터들(112, 210)이 연결된 후에 방사부재(102)의 잔여 부분에 고정되는 별개의 안테나부로서 제공될 수 있다. 따라서, 캐패시터들(112, 210)은 안테나(100) 조립 중에 용이하게 접근할 수 있다. 캐패시터들(112, 210)이 일단 조립되면, 슬롯 부재(118)가 방사부재에 고정될 수 있다. 슬롯 부재(118)는 무수한 기술의 하나를 사용하여 설치될 수 있다. 예컨대, 슬롯 부재(118)는 납땜되거나, 나사결합되거나 혹은 도전성 에폭시와 같은 도전성 접착제를 사용하여 접착될 수 있다.
제조 비용을 더욱 절감하기 위하여 슬롯 부재(118)는 도전성 금속을 그 위에 가지는 유전성 기판(220)을 구비할 수 있다. 예컨대, 도 2A, 도 2B에 있어서, 슬롯 부재의 상면(222)과 저면(224)이 금속화될 수 있다. 또한, 상면과 저면(222, 224) 사이의 전기적인 연속성을 부여하기 위하여 가장자리들(226, 228)이 금속화될 수 있다. 슬롯(106)은 상면과 저면(222, 224) 양측에서 금속화하지 않고 남겨지거나 금속화 공정 후에 식각된 유전성 기판(220)의 일부일 수 있다.
도 3에는 안테나 조립체(300)의 분해 사시도가 도시된다. 안테나 조립체는 방사부재(102), 임피던스 정합기구(120), 컨덕터(134), 케이블(136) 및 슬롯 부재(118) 외에 안테나 케이싱(302)과 커버(304)를 더 구비한다. 바람직한 실시예에서, 안테나 케이싱(302)과 커버(304)는 유전성 소재로 제조될 수 있다. 또한, 안테나 케이싱(302)은 장착탭(306)과 케이블(136)이 관통 배치되는 구멍(308)을 구비할 수 있다. 안테나 케이싱(302) 및 커버(304)의 상대 유전율 및 투자율이 적절한 안테나 전파 특성을 보장하기 위해서는 안테나 설계시 고려되어야 한다. 안테나가 케이싱(302)에 조립된 상자형 안테나가 도 4에 도시된다.
도 5A에 있어서, 안테나(400)는 또한 정전형 실드부재(502)를 구비한다. 정전형 실드부재(502)는 예컨대, 구리, 청동, 알루미늄, 강, 도전성 포일, 도전성 도금, 및/혹은 다른 적절한 소재와 같은 전기적으로 도전성인 소재로부터 제조될 수 있다. 또한, 정전형 실드부재(502)는 적어도 부분적으로 도전성 소재에 의하여 한정되는 공동(504)을 제공하도록 실질적으로 관 형상일 수 있다. 다른 구조에서, 정전형 실드부재(502)는 도전성 코팅, 도전성 도금, 혹은 도전성 포일을 안테나 케이싱(302) 위에 제공함으로써 실현된다. 정전형 실드부재(502)는 정전형 실드부재(502)의 제 1 단부(508)로부터 제 2 단부(510)로 연장하는 축방향 슬롯(506)을 구비할 수 있다. 이 슬롯(506)은 정전형 실드부재(502)가 안테나(400) 둘레에 연속 회로를 형성하는 것을 방지한다. 이러한 둘레의 연속 회로는 안테나(400)의 성능을 손상시킬 수 있다. 바람직한 구조에서, 슬롯(506)은 방사부재의 슬롯에 제공된 슬롯에 근접하게 배치된다.
정전형 실드부재(502)는 안테나의 공진 주파수를 변화시킬 수 있는 기생 캐패시턴스가 슬롯에 부하를 가하는 것을 방지함으로써 안테나(400)의 동조 안정성을 향상시키도록 선택적으로 사용될 수 있다. 기생 캐패시턴스는 높은 전기 전도성을 가진 금속이나 다른 소재에 안테나(400)가 근접함으로써 유발될 수 있다. 바람직한 구조에서, 도 5B 도시와 같이, 실드부재(502)의 슬롯(506)은 방사부재(516)의 슬롯(514)이 배치된 측면으로부터 안테나(400)의 반대측 위에 위치되도록 배치된다.
안테나 작동
다시 도 1, 2A, 2B에 있어서, 안테나(100)의 작동이 설명될 것이다. 최적의 안테나 성능은 안테나(100)가 공진하는 주파수에서 얻어진다. 공진 주파수는 슬롯(106)의 유도성 및 용량성 부하의 함수이다. 공동(104)은 아주 작을 수 있으며 슬롯(106)에 유도적으로 부하를 가할 수 있으나 슬롯(106)은 대향 측면들(114, 116) 사이에서 캐패시턴스에 의하여 용량적으로 부하 부여된다. 슬롯(106)에 걸치는 유도 부하(L)의 값은 방사부재(102)의 크기를 이용하여 산출될 수 있다. 예컨대, 방사부재(102)가 사각 단면을 가지면, 유도성 부하는 다음 수학식(1)에 의하여 결정될 수 있다:
L = 0.02339[(S1 + S2) log10(2S1S2/b + c) - S1log10 (S1 +g) -(S2log10(S2 +g) + 0.01010[2g -(S1+S2)/2 +0.447(b + c)]
여기에서, L은 μH(microhenries)로 주어지며, S1는 방사부재(102)의 제 1 측면(150)의 폭, S2는 방사부재(102)의 제 2 측면(152)의 폭이며, c는 방사부재의 제 1 단부(108)에서 제 2 단부(110) 까지 측정된 방사부재(102)의 길이, b는 방사부재(102)의 벽 두께이며, g는 공동(104)의 단면에 걸친 대각선 길이이다. 대신에, 유도 부하(L)는 주기적 모멘트 방법을 사용하거나 혹은 실험적으로 결정된 정전장 및 파동 분석을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 사용하여 결정될 수 있다. 예컨대, 슬 롯(106)에 걸쳐 공지의 캐패시턴스(Ck)가 연결되고 안테나(100)의 공진 주파수가 측정될 수 있다. 이어서 유도 부하(L)는 수학식 (2)을 사용하여 산출될 수 있다.
Figure 112006001717613-pct00001
따라서, 안테나(100)의 공진 주파수(f)는 다음 수학식(3)에 의하여 산출될 수 있는 데, 여기서 L은 공동(104)에 의하여 제공된 유도 부하이며, C는 슬롯(106)에 걸린 캐패시턴스이다.
Figure 112006001717613-pct00002
이로부터 알 수 있는 바와 같이, 캐패시터(112 및/또는 210)는 소정 공진 주파수를 얻기 위하여 슬롯(106)에 걸리는 캐패시턴스를 증대시키기 위하여 제공될 수 있다. 예컨대, 캐패시턴스는 공진 주파수를 감소시키기 위하여 증가될 수 있거나 증가시키기 위하여 감소될 수 있다. 바람직한 구조에서, 캐패시터(112)는 수 옥타브 이상 안테나(100)의 공진 주파수를 변화시키도록 충분한 조정을 제공할 수 있다. 명확하게, 캐패시터(112) 및/또는 캐패시터(210)는 슬롯(106)에 이러한 캐패시터들을 가지지 않은 안테나 보다 상당히 낮은 주파수에서 효율적으로 작동시킬 수 있다. 예컨대, 캐패시터 없이, 안테나는 큰 1/4 혹은 1/2 파동의 자체 공진 공동을 필요로 할 것이다. 일정한 경우에, 이러한 공동은 안테나 전파 패턴에 간섭을 초래하고 소정 전파 방향으로 제로(null) 현상을 유발할 것이다. 그러나, 캐패시터들(112 및/또는 210)에 의하여 공동(104)은 1/4 혹은 1/2 파동 자체 공진 공동 보다 상당히 작게 될 수 있다. 따라서, 공동(104)의 크기는 RF 신호의 파장에 비하여 작으므로 어떤 전파 방향에서 중대한 제로 현상을 유발하지 않는다. 또한, 안테나(100)는 셀룰러폰, 비퍼(beepers), PDA 혹은 안테나 특히 크기가 작은 안테나가 필요한 장치들과 같은 휴대 통신 장치에 사용하기에 적합하도록 충분히 작게 제조될 수 있다.
방사부재(102)는 공동(104) 내에 강자성, 상자성 혹은 유전성 소재를 포함시킴으로써 크기가 감소될 수 있다. 특히, 전자기적인 신호의 전파 속도는
Figure 112006001717613-pct00003
에 반비례하는 데, 여기에서 μ는 투자율이며, ε는 신호가 전파하는 매체의 유전율이다. 따라서, 투자율이나 유전율이 증가하면 신호의 전파 속도는 감소하며, 이로써 일정 주파수의 신호 파장이 감소한다. 이와 같이, 공동(104) 내의 투자율 및/또는 유전율을 증가시키면 공동의 전기적인 크기가 증가되어 공동의 공진 주파수를 감소시킨다.
공동(106)에 의하여 규정된 영역의 투자율 및/또는 유전율을 증가시키는 데 사용될 수 있는 상업적으로 사용가능한 수많은 소재들이 있다. 예컨대, 페라이트, 철 분말, 혹은 다른 철계 소재가 공동 내에 배치되어 공동 내의 투자율을 증가시킬 수 있다. 또한, 1 보다 큰 유전 상수를 가지는 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리 카보네이트, 폴리스티렌, 알루미나, 세라믹, 유전성 유체, 혹은 다른 유전 소재가 공동(106) 내에 배치되어 투자율을 증가시킬 수 있다.
일정한 경우, 공동(106) 내에서 소정 특성의 임피던스를 달성하는 것이 바람직할 수 있다. 매체의 특성 임피던스는 다음 식에 의하여 정해질 수 있다: . 따라서, 유전성 공동이 하나 이상의 소재들로 채워지면, 소정 특성의 임피던스를 달성하기 위한 적절한 투자율 및/또는 유전율을 제공하는 소재가 선택될 수 있다. 일 구조에서, 다양한 소재들이 소정의 투자율 및 유전율을 달성하기 위하여 혼합될 수 있다. 예컨대, 강자성 입자들이 유전성 입자들에 혼합될 수 있다. 이러한 소재의 예로서 상대 투자율과 같은 상대 유전율을 가지는 아이소-임피던스 소재이다.
바람직한 구조에서, 슬롯(106)의 대향 측면들(114, 116) 사이의 임피던스는 낮다. 예컨대, 대향 측면들(114, 116) 사이의 임피던스는 30 미리옴 이하일 수 있는 데, 이는 전기 도전성 방사부재(102)를 제공함으로써 달성될 수 있다. 이러한 경우, 슬롯(106)을 가로질러 캐패시터들이 제공되더라도 대향 측면들(114, 116) 사이를 흐르는 대부분의 전류가 방사부재(102)의 도전성 구조를 통해 전파된다.
슬롯(106)의 대향 측면들(114, 116) 사이의 낮은 임피던스를 가지면, 안테나(100)에 신호가 인가된 경우 슬롯(106)에 낮은 전압 전위를 형성하며, 이는 상응하게 전파되는 신호의 작은 전기(E)장 성분을 유발한다. 대향 측면들(114, 116) 사이의 낮은 임피던스는 또한 방사부재(102)의 구조 사이에 적절한 양의 전류가 흐르게 하여 상당한 자기(H)장 성분을 유발한다. 따라서, 식: ZNF = E/H 으로 주어지는 안 테나의 장 인접(near field) 임피던스(ZNF)는 작다. 예컨대, 장 인접 임피던스는 0 ±2j 옴 이하일 수 있으며, 이로써 50에 가까운 상대 유전율 및 1 보다 다소 작은 상대 투자율을 가지는 인체 조직의 임피던스 보다 상당히 작게 된다. 장 인접 임피던스는 또한 2 옴, 5 옴, 10 옴, 25 옴, 혹은 50 옴 보다 작은 절대값을 가질 수 있다.
인체 조직의 상대 유전율이 상대 투자율 보다 상당히 크므로 인체 조직은 자기장에 함유된 에너지 보다 전기장에 함유된 에너지에 더욱 영향을 받기 쉽다. 따라서, 낮은 근접 장 임피던스(작은 전기장 성분 및 큰 자기장 성분)를 가진 RF 신호는 동일한 에너지양을 가지는 높은 임피던스의 RF 신호(큰 전기장 성분과 작은 자기장 성분) 보다 상호 작용이 작을 것이다. 따라서, 안테나(100)는 종래의 이극 안테나에 비해 안테나(100)와 인체 사이에 상당히 감소된 커플링을 가지고 인체에 근접하여 작동될 수 있다. 따라서, 안테나에 의하여 전파되는 무선 주파수(RF) 에너지에 기인한 인체에 해로운 영향을 미치는 위험이 최소화된다. 또한, 인체에 의해 야기되는 RF 전파 패턴의 제로는 실질적으로 감소된다.
개인 통신 적용예 외에, 본 발명의 슬롯이 형성된 실린더 안테나는 예컨대 극저 주파수(VLF) 대역에서 초고주파수(SHF) 대역에서 작동하는 광범한 적용예들에 사용될 수 있다. 물론, 안테나 크기는 소정 주파수에서 적절하게 작동하도록 선택될 수 있다. 명확하게, VLF 대역으로부터 높은 주파수(HF) 대역에 이르는 주파수들에서 사용하는 안테나는 외형적으로 크고 들어올리기 어렵다. 따라서, 이러한 안테 나들은 통상 흙 속이나 수중에 설치 작동된다. 본 발명의 슬롯이 형성된 실린더 안테나가 낮은 근접 장 임피던스로서 작동하므로, 안테나는 굴착 시스템이나 금속 평형추 없이 높은 방사 효율과 동조 안정성을 가지고 흙이나 물 근처에서 작동될 수 있다.
낮은 근접 장 설계의 다른 이점은 안테나의 전압정재파비(VSWR: voltage standing wave ratio)가 아이싱의 존재하에서 더욱 안정적으로 만드는 점이다. 특히, 얼음은 비교적 높은 투자율과 낮은 유전율을 가지는 유전체이다. 예컨대, 얼음의 상대 유전율은 3 보다 클 수 있으나, 얼음의 투자율은 대략 1일 수 있다. 이와 같이, 얼음은 더 많은 전기(E)장 에너지를 저장하나, 자기(H)장과는 약간 상호작용한다. 따라서, 얼음이 높은 근접장 임피던스를 가지는 안테나의 성능을 크게 손상시킬 수 있지만, 얼음은 낮은 근접장 임피던스를 가지도록 조정될 수 있으므로 안테나(100)의 성능에 큰 영향을 미치지 않는다. 이러한 특징은 추운 기후에서 사용함에 있어서 아주 유익하며, 특히 낮은 VSWR이 기본인 텔레비젼 전송 안테나에 사용하기에 효과적이다. 특히, 안테나(100)에 인접하여 얼음이 생성되는 것을 보충하기 위하여 본 발명에서 해빙 덮개(radome)가 필요치 않다.

Claims (7)

  1. 무선 주파수(RF) 통신용 안테나로서:
    전기적으로 도전성 소재를 포함하고 제 1 단부로부터 제 2 단부로 연장하는 슬롯을 가지며, 내부에 공동을 형성하고 실질적으로 관 형상인 방사부재;
    상기 방사부재에 전기적으로 연결되고, 신호 소스 임피던스 및 부하의 임피던스로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 임피던스에 상기 방사부재의 임피던스를 정합시키도록 배치되는 임피던스 정합기구; 및
    상기 방사부재를 상기 임피던스 정합기구에 작동적으로 연결시키는 컨덕터를 구비하여 이루어지며;
    상기 임피던스 정합기구, 상기 컨덕터, 및 상기 방사부재의 적어도 일부는 단일의 도전성 시트로부터 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방사부재의 길이를 따라 비도전성 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 방사부재와 상기 임피던스 정합기구는 공통의 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서, 적어도 제 1 도전성 리드와 제 2 도전성 리드를 구비하는 적어도 하나의 캐패시터를 더 구비하며, 상기 제 1 도전성 리드는 상기 비도전성 슬롯의 제 1 측면에 근접한 상기 방사부재에 연결되며, 상기 제 2 도전성 리드는 상기 비도전성 슬롯의 제 2 측면에 인접한 상기 방사부재에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 캐패시터는 가변 캐패시터인 것을 특징으로 하는 무선 통신용 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 임피던스 정합기구는 상기 방사부재의 제 2 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 임피던스 정합기구는 가로의 전자기적인 피드 커플러를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 통신용 안테나.
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