KR101017690B1

KR101017690B1 - 편전효과(偏電效果)와 그 응용

Info

Publication number: KR101017690B1
Application number: KR1020080031846A
Authority: KR
Inventors: 박정숙; 신천우
Original assignee: 박정숙
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2011-02-25
Also published as: KR20080035555A

Abstract

본 발명은 도체에 흐르는 전류의 방향을 제어하는 방법인 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)와 그 응용으로 금속판에서 고주파 신호의 전류가 흐르는 방향을 일정한 방향으로 제어를 하여 원하는 방향으로만 흐르게 하는 방법과 이를 응용한 안테나에 관한 것이다. 고주파 신호를 극성에 따라 +, - 신호로 분리하고 두 신호를 금속판에 인입시킬 때 일정간격을 유지하고 연결시켜 인입된 전류의 방향은 인입 축을 따라 인입 방향으로만 일정하게 흐르게 하는 결과를 얻는다. 이러한 효과를 이용하면 여러 개의 입력신호를 하나의 신호로 합치는 컴바이너 등에 사용하여, 각 입력신호를 서로 다른 입력포트로는 전달되지 않게 하고, 단지 출력포트로만 보내게 되어 입력포트 간의 아이솔레이션 효과가 우수하고 결합 손실이 없는 결합회로로 사용할 수가 있다.

편전효과, 전류방향제어, 위상분리회로, 안테나

Description

편전효과(偏電效果)와 그 응용{Electro-polarization and it's application}

본 발명은 여러 개의 입력신호를 결합하여 하나의 출력으로 내보내는 결합회로에서 필터 등의 수동소자를 사용하지 않고도 각 입력신호가 서로 다른 입력포트로 분기 되어 전달되지 않으며, 각 입력포트 간에 강한 아이솔레이션 특성을 가지면서 결합손실이 발생하지 않고, 단지 입력신호의 전류를 원하는 특정한 방향으로 전달시켜 출력포트로만 전달하게 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)에 관한 것이다.

통신회로에서는 복수개의 고주파 신호를 하나로 합치거나 하나로 묶어 다른 회로와 연결하는 과정이 빈번히 발생한다. 여러 개의 주파수를 사용하는 통신기의 경우에는 각 주파수에 해당하는 여러 통신회로를 최종단에서 하나로 합쳐서 안테나로 연결하는 경우가 있다. 멀티밴드를 통신할 수 있는 휴대폰 같은 경우가 한 예라고 할 수가 있다.

여러 개의 신호를 하나의 선로에 연결할 경우 각 입력되는 신호가 출력으로 전달되지 않고 같이 연결된 다른 입력신호로 분기 되어 연결한 분기선로의 숫자대로 손실이 발생하게 된다.

이러한 여러 개의 신호를 하나로 합치는 경우에 발생하는 분기손실을 줄이기 위하여, 각 입력신호의 주파수를 달리하고 각 입력신호에 그 신호의 주파수에 해당하는 필터를 연결하여 서로 다른 주파수의 신호가 인입되는 것을 방지하는 방법이 있으나, 필터에서 신호의 손실이 발생하고 회로가 커지며 비용이 많아지는 등의 문제점이 있다.

그리고 각 입력신호들의 주파수가 서로 동일한 경우에는 필터로 분기손실을 줄일 수가 없어, 스위치로 시간을 일정한 간격으로 전환하는 방법을 사용하여 출력으로 내보내는 방법을 사용하며, 이 경우에는 동시에 여러 신호를 결합할 수가 없다는 문제점이 발생한다.

동일한 주파수를 가지는 여러 입력신호를 결합하여 하나의 출력으로 보낼 필요가 있는 경우에는 서큘레이터 등의 부품을 사용할 수가 있으나, 이 경우에는 회로의 손실이 많이 발생하고 통과대역이 좁으며 서큘레이터의 주요부품이 영구자석인 관계로 회로가 크고 무거우며 특히 입력되는 신호의 숫자가 많으면 결합 시 매우 어려운 현상이 발생한다.

이상의 여러 개의 고주파 신호를 결합하여 하나의 선로로 연결할 때 발생하는 문제점을 해결하기 위하여, 각 입력신호 상호 간의 간섭을 발생하지 않고, 각 입력신호가 서로 다른 입력신호로 분기 되지 않으며, 손실 없이 오직 출력단자로만 전류를 흐르게 하는 효과를 얻는 방법을 개발할 필요가 있다.

여러 개의 입력신호를 받아 하나의 출력단자로 내보내는 결합회로의 경우에는 각 입력포트에서 들어오는 신호가 결합되어 출력으로 전달되면서도 일부 신호는 다른 입력포트로 분기되어 전달되는 현상이 발생한다. 이 경우 전체 입력신호의 일부만 출력으로 전달되고 상당수의 입력신호는 다른 입력포트로 전달되어 에너지 손실이 크게 발생하며, 다른 통신 회로에 악영향을 주어 발진주파수가 변화하거나 증폭기를 손상시키는 문제점을 가져온다.

이러한 현상을 제거하기 위하여 증폭기의 출력단에 필터나 듀플렉스, 아이솔레이터 등의 수동소자를 연결하여 다른 신호가 유입되는 것을 차단하려 한다. 그러나 이러한 부품을 사용하는 경우에도 손실이 발생하며, 또한 출력이 큰 증폭기를 사용하는 중계기나 기지국, 장거리 통신기 등의 경우에는 최종단의 필터나 아이솔레이터, 듀플렉스의 크기가 매우 크며 무겁고, 또한 상기 필터 등의 부품을 연결하는 케이블의 굵기가 매우 굵어서 조립이 힘들고 전체 통신기에서 이러한 부품이 차지하는 부피가 수십 %에 달한다.

본 발명에서는 여러 개의 입력신호를 결합하여 하나의 출력으로 내보내는 결합회로에서 필터 등의 상기 수동소자를 사용하지 않고도 각 입력신호가 서로 다른 입력포트로 분기 되어 전달되지 않으며, 각 입력포트 간에 강한 아이솔레이션 특성을 가지면서 결합손실이 발생하지 않고, 단지 입력신호의 전류를 원하는 특정한 방향으로 전달시켜 출력포트로만 전달하게 하는 편전효과(偏電效果, Electro- polarization)를 얻어 상기 필터나 듀플렉스, 아이솔레이터 등의 수동소자 없이 통신기를 구현하는 것을 목적으로 하고 있다.

일정한 크기의 금속판(11)에 고주파 신호를 인입하는데, 입력신호(29, 30)를 위상에 따라 “+” 신호(27a, 28a)와 “-” 신호(27b, 28b)로 위상을 분리하여 “+”와 “-” 두 신호를 일정한 간격을 가지고 금속판(11)에 접속하게 되면 금속판에 흐르는 전류는 도 2와 같이 “+” 와 “-” 두 신호가 접속되는 연결축을 따라서 평행하게 흐르게 된다.

도 1 및 도 4, 도 5에서 고주파 신호를 포트 1(29)에 입력하면 포트 1용 T분배기(23)를 통하여 2분배 되고, “+”신호는 선로(24-1)를 통하여 연결점(27a)과 금속판(11)의 연결점(13a)에 연결용 핀(32)으로 연결되고, “-” 신호는 180도 위상변환용선로(24-2)를 통하여 위상이 180도 반전되어 연결점(27b)과 상기 금속판(11)의 연결점(13b)에 연결용 핀(32)으로 연결된다. 또한 포트 2(30)를 통하여 들어오는 고주파 신호도 상술한대로 포트 2용 T분배기(25)를 통하여 2분배되고, “+” 신호는 선로(26-1)를 통하여 연결점(28a)과 금속판(11)의 연결점(14a)이 연결용 핀(32)으로 연결되고 “-” 신호는 180도 위상변환용선로(26-2)를 통하여 위상이 180도 반전되어 연결점(28b)과 상기 금속판(11)의 연결점(14b)에 연결용 핀(32)으로 연결된다. 상술한대로 연결된 신호에서 흐르는 전류는 연결된 방향으로만 흐르게 되는데, 포트 1을 통하여 연결된 X 축 방향의 신호는 금속판(11)에 연결된 방향이 연결점 27a, 27b와 같이 수평 X 축으로 연결되어 흐르는 전류도 도 2와 같이 수평으로만 흐르게 된다. 포트 2를 통하여 연결된 Y 축 방향의 신호는 금속판(11)에 연결된 방향이 연결점 28a, 28b와 같이 수직 Y 축으로 연결되어 흐르는 전류도 도 2와 같이 수직으로만 흐르게 된다. 이러한 현상을 당업자는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)라고 칭한다. 상기와 같은 효과를 이용하여 여러 개의 입력신호를 연결하는 결합회로를 구현함에 있어, 입력되는 신호의 전류의 방향을 제어함으로 인해 입력포트 간의 간섭효과를 없애고 아이솔레이션 효과를 높여 출력으로만 전류를 보내는 효과를 얻는다.

이 경우 금속판의 길이 L 은 고주파 신호의 λ/4 < L < λ에서 이러한 현상이 나타나는데, 하나의 금속판에 여러 개의 신호를 서로 “+”와 “-”로 위상분리하고 각 방향을 다르게 하여 동일한 금속판에 접속하게 되면 각 신호들에서 나오는 신호의 전류는 서로 다른 신호의 포트에는 전달되지 않고 각각 위상분리된 “+” 와 “-” 두 신호가 접속되는 연결축을 따라서만 평행하게 전달이 된다.

입력신호의 위상을 분리하는 회로는 도 1과 같이 입력포트(29, 30)를 통하여 들어오는 입력신호를 2분배 하는 T분배기(23, 25)와 180도 위상변환기(24-2, 26-2)로 구성되는데, T분배기(23, 25)를 통하여 분리된 2개의 신호에서 그중 하나의 신호는 “+” 신호(24-1, 26-1)로 정하여 금속판(11)에 인입하기 위하여 선로로 연결하고, 다른 나머지 하나(24-2, 26-2)는 사용하는 주파수에 해당하는 파장의 λ/2 길이만큼 연장시켜 신호의 위상을 180도 바꾸어 “-” 신호로 정하여 금속판(11)에 인입한다. T분배기(23, 25)에서 나눠진 “+” 신호는 정위상이 되고 λ/2 길이만큼 지연된 신호는 “-” 신호로 되어 반대의 위상이 되므로 이 두 신호를 선로를 따라 금속판(11)의 연결점(27a, 27b, 28a, 28b)으로 가져간다.

삭제

상기 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)를 이용하여 안테나로 작용할 수가 있는데, 일정크기의 라디에이터용 제1 유전체기판(10) 위에 인쇄 혹은 에칭 기법으로 금속판(11)을 형성하고, 라디에이터용 제1 유전체기판(10) 아래에 선로용 제2 유전체기판(20)을 배치하고 선로용 제2 유전체기판(20) 아랫면에 복수개의 입력신호를 포트 1, 2(29, 30)로 받아 각 입력신호들을 “+” 와 “-” 두 신호로 위상을 분리하는 위상분리 스트립선로를 형성하여 두 유전체기판(10, 20) 사이를 스루홀이나 연결용 핀(32)으로 연결하면, 금속판(11) 위의 여러 개의 입력신호들은 서로 전류의 방향이 달라 아이솔레이션 효과가 발생하여 입력신호 간의 간섭현상이 없고 금속판(11)에서 모두 전파로 방사되는 패치 안테나와 같은 효과가 발생한다. 상기 방식을 이용하여 여러 개의 통신회로를 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)를 이용한 안테나에 연결하게 되면, 각 통신회로에서 나오는 신호는 모두 안테나를 통하여 방사되고, 각 통신회로에서 나오는 신호들은 라디에이터용 제1 유전체기판(10)의 금속판(11)에서 모두 방사되며 각 입력 포트간의 아이솔레이션 효과가 발생하여 서로 다른 입력 포트로는 신호가 전달되지 않고, 라디에이터용 제1 유전체기판(10) 위의 금속판(11)을 따라 패치안테나와 같이 전파로 변환이 되어 발산되는 현상이 발생한다.

이러한 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)를 통신회로에 이용하게 되면 통신회로 및 통신기 구성 시에 반드시 필요한 출력부의 필터 듀플렉스, 아이솔레이터 등의 수동소자를 사용하지 않아도 되는 장점이 있어, 이러한 수동소자에서 발생하는 손실을 줄여 통신기의 성능을 높일 수가 있으며, 상기 수동소자를 제거하여 비용의 절감 및 경량화 된 통신기를 구현 할 수가 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다.

도 1, 도 4 및 도 5는 본 발명에 관한 실시 예를 나타낸 도면이다. 도 4에서 라디에이터용 제1 유전체기판(10) 위에 도체로 형성하는 금속판(11)을 에칭 기법으로 구현하고, 그 밑에는 다시 선로용 제2 유전체기판(20)을 배치하고 선로용 제2 유전체기판(20)에 각 입력포트(29, 30)에서 들어오는 신호를 위상 분리하여 “+”신호(24-1, 26-1)와 “-” 신호(24-2, 26-2)로 만들고, 각 입력포트(29, 30)의 신호에서 만들어진 “+” 신호와 “-” 를 각 포트별로 서로 방향을 달리하여 라디에이터용 제1 유전체기판(10)의 금속판(11)으로 스루홀 혹은 연결용 핀(32)으로 연결시킨다. 위상 분리된 두 “+” 신호(24-1, 26-1)와 “-” 신호(24-2, 26-2)는 하나의 축으로 배치를 하게 되는데, 이렇게 배치하는 축을 중심으로 흐르는 전류는 평행을 이루며 흐르게 된다. 이러한 현상을 당업자는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)라고 명명하였는데, 상기 특정한 한 입력포트(29, 30)의 신호를 위상분리하고 그 신호를 특정한 한 축을 중심으로 라디에이터용 제1 유전체기판(10) 위 금속판(11)의 연결점(13a, 13b, 14a, 14b)으로 연결하게 되면 그 포트에서의 신호는 그 축을 중심으로 평행으로 전류가 흐르게 되는데, 다시 다른 입력포트의 신호를 위상 분리하여 그 신호를 상기 축과 다른 각도의 축으로 동일한 금속판(11)으로 연결하게 되면 동일한 금속판(11)에서 두 포트에서의 신호가 서로 다른 전류의 방향으로 동시에 흐르게 되고, 서로 흐르는 전류에 영향을 끼치지 않게 된다.

상기 현상을 구체적으로 살펴보면 도 1과 같이 라디에이터용 제1 유전체기판(10) 위의 금속판(11)에 X 축으로 인입되는 포트 1(29)의 신호와, Y 축으로 위상분리되어 인입되는 포트 2(30)의 신호를 동시에 입력하게 되면, 그때 흐르는 전류의 방향은 도 2와 같이 포트 1(29)에서 들어오는 입력신호가 위상분리된 후 X 축을 중심으로 배열되어 금속판(11)의 연결점(13a, 13b)으로 인입되어 X 축으로 평행하게 흐르게 된다. 이와 동시에 포트 2(30)로부터 입력되는 신호는 위상분리된 후 Y 축으로 금속판(11)의 연결점(14a, 14b)에 인입되는데, 이때 흐르는 전류의 방향은 도 2와 같이 Y 축으로 평행하게 흐르는 것을 관찰할 수가 있다. 이렇게 동시에 동일한 금속판(11)에 연결된 두 포트에서의 신호는 서로 전류의 방향이 극단적으로 다른 관계로 인해 서로 영향을 주지 않게 되고, 그때 두 포트 간의 아이솔레이션(S21, S12) 특성은 도 3과 같이 나타난다. 포트 1(29)의 신호와 포트 2(30)의 신호는 주파수 1.98GHz 와 2.17GHz에서 잘 방출되는 것을 확인할 수 있으며, 이때의 두 포트 간의 아이솔레이션 특성은 -20dB 를 기준으로 보면 1.35GHz에서부터 연속으로 나타나며, -40dB 를 기준으로 보면 1.47GHz에서 2.4GHz 까지 넓게 나타나는 것을 확인할 수가 있어 금속판(11)의 공진주파수와는 크게 상관이 없다는 것을 알 수가 있다. 두 입력포트(29, 30) 간의 아이솔레이션 특성은 금속판(11)의 길이에 비례하는데, 금속판(11)의 길이 L 은 두 신호의 주파수가 가지는 파장의 λ/4 < L < λ 에서 이러한 현상이 나타나고, 상기 효과가 일어나는 주파수 대역은 길이 L 의 파장에 비해 상당히 넓은 특성을 가지는 것을 알 수가 있다.

상술한 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)를 발생시켜 동일한 금속판(11)에서 흐르는 전류의 방향을 임의의 방향으로 제어한 후, 그 특정방향의 전류가 방향이 다른 포트로 잘 전달되지 않는 아이솔레이션 결과를 확인함으로써 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 현상을 확인할 수가 있다. 도 4와 같이 포트 1(29)의 신호를 위상분리하고 금속판(11)의 X축 방향으로 연결점(13a, 13b)에 인입하게 되면 흐르는 전류는 X 축을 중심으로 평행으로 흐르게 되는데, 이때 Y 축 방향으로 포트 2(30)의 신호를 위상 분리하여 연결점(14a, 14b)에 인입하게 되면 포트 2(30)의 신호는 Y 축 방향으로 평행하게 전류가 흐르게 된다. 동일한 금속판(11)에 X 축으로는 포트 1(29)의 전류가 흐르게 되고, Y 축으로는 포트 2(30)의 전류가 흐르는 상황에서, X 축 방향으로 포트 3(31)을 금속판(11)의 인입점인 연결점(15)과 연결하게 되면 이때 포트 3(31)을 통하여 연결되어 흐르는 신호 S31은 포트 1(29)의 신호만이 결합되어 흐르게 되고, 포트 2(30)의 신호는 흐르는 전류의 방향이 다른 관계로 도 4와 같이 -40dB 정도의 아이솔레이션 특성을 가져 거의 흐르지 않는 것을 확인할 수가 있다. 이때 포트 1(29)의 신호가 포트 3(31)으로 전달되는 특성은 도 2와 같이 전달손실(S31)이 -2dB 이내로 되어 거의 대부분이 전달됨을 확인할 수가 있다.

상술한 편전효과(偏電效果, Electro-polarization)는 금속판(11)에 인입되는 신호의 위치에도 크게 영향이 없는데, 위상분리된 두 “+” 와 “-” 신호의 인입 위치를 변경하여도 상기 효과를 얻을 수가 있다. 즉, 포트 1(29)의 신호를 중앙에서 X 축으로 배치하고 포트 2(30)의 신호를 중심에서 떨어진 +X 방향이나 -X 방향, +Y방향, -Y 방향 어느 방향으로 가져가서 인입시켜도 상기 현상을 얻을 수가 있다.

이 현상은 도 5와 같이 금속판(11)에 인입되고 있는 포트 1(29)의 신호 및 포트 2(30)의 신호 중에서 포트 1(29)의 신호를 위상 분리(24-1, 24-2)하여 인입하고 있는 위치를 -X 축 끝으로 이동시켜 금속판(11)의 연결점(13a, 13b)에 인입하게 되어도 포트 1(29)의 신호는 금속판(11)으로 입력되어 흐르는 전류가 X 축으로 평행으로 흐르는 것을 확인할 수가 있으며, 이때에도 포트 2(30)로 흐르는 전류신호(S21)는 -30dB에서 -40dB 정도 아이솔레이션 효과가 얻어지는 것을 확인할 수가 있으며, 역으로 포트 2(30)에서 포트 1(29)로 흐르는 전류신호(S12)도 거의 동일한 -30dB에서 -40dB정도로 아이솔레이션 효과가 얻어지는 것을 확인할 수가 있다.

삭제

상기 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 현상을 이용하여 안테나로도 적용이 가능한데, 2개의 포트(29, 30)에서 들어오는 신호를 각 위상분리하고 포트 1(29)의 신호를 X 축으로 금속판(11)에 인입하고 포트 2(30)의 신호를 Y 축으로 금속판(11)에 인입하게 되면, 상기 두 입력포트(29, 30)의 신호가 인입된 금속판(11)은 안테나의 라디에이터로 작용을 하게 되고, 고효율의 안테나로서 동작이 된다. 상기 라디에이터로 작용을 하는 금속판(11)에 연결된 두 입력포트(29, 30)의 신호는 아이솔레이션이 확보가 되어 두 포트 간의 간섭이 없으므로 필터를 연결할 필요가 없으며 듀플렉스나 서큘레이터를 사용할 필요가 없어 고효율의 통신기로 사용이 가능하다.

상기 효과를 이용한 안테나를 2개 제작하여 2개의 안테나를 일정한 거리로 띄우고 하나의 안테나에 포트 1, 포트 3을 연결하고 또 다른 상대 측 안테나에 포트 2, 포트 4를 연결하여 얻은 전달특성 결과가 도 6 에 나타나 있다. 포트 1의 삽입손실 특성인 S11 을 보면 공진주파수 1.97GHz과 2.16GHz에서 신호가 전송이 되는 것을 알 수가 있고, 상대 측 안테나의 포트 2에서 전달특성인 S21 특성을 보면 방사된 전파인 1.97GHz과 2.16GHz에서 신호가 들어오는 것을 확인할 수가 있다. 이때 같은 안테나에서의 포트 1과 다른 축 방향으로 인입된 포트 3의 신호에 들어오는 포트 1의 신호(S31)는 도 6에서 나타난 것과 같이 -40dB에서 -50dB 정도 감소되어 들어와, 동일한 금속판(11)에 연결된 두 신호의 전류방향이 서로 달라 아이솔레이션 특성이 우수한 것을 알 수가 있다.

이러한 조건에서 안테나로서의 특성을 살펴보면, 각 포트에서의 안테나 특성은 표 1과 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이 안테나의 게인이 9dB 이상 얻어졌으며, 방사효율 또한 85% 이상 얻어져 안테나로서의 역할을 효율적으로 하는 것을 확인할 수가 있다.

편전효과(偏電效果, Electro-polarization)를 이용한 안테나의 시뮬레이션 결과

	Gain(dB)	방사효율	S11	B.W(-10dB)	3dB Beam Width	F-B Ratio
Port 1	9dBi	88%	-28dB	40MHz	74deg.	-23dB
Port 2	9.2dBi	86%	-24dB	38MHz	60deg.	-20dB

상술한 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 현상을 이용하여 안테나를 구현할 경우, 안테나에 입력되는 포트의 숫자에 상관이 없이 여러 개의 포트를 서로 다른 각도로 배치하여 위상분리된 두 “+” 와 “-” 신호를 인입하여도 상기 효과를 얻을 수가 있다. 도 8과 같이 제1 유전체기판(10) 위에 형성된 금속판(11)에 입력포트의 수 4개를 각 위상분리하여 “+” 신호와 “-” 신호 8개의 신호로 만들어 금속판(11)의 중심을 기준으로 45도 간격으로 배치하여 8개의 연결점(13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a 16b)으로 인입하게 되면, 이때 발생되는 전류는 인입한 방향대로 서로 45도의 각도를 가지고 흐르며, 이 금속판(11)을 통하여 4개의 포트 신호 모두 전자파로 방사된다. 각 포트의 주파수가 서로 다를 때에는 도 9와 같이 원형의 금속판(11-1)이 효율적이다. 또한 각 주파수의 발산효과를 높이기 위하여 도 10과 같이 정팔각형의 형태로 금속판(11-2)을 만들어 연결점(13a, 13b, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a 16b)에 인입하게 되면 각 포트의 주파수의 전파 발산효과를 극대화 할 수가 있게 된다. 각 포트의 주파수가 서로 크게 차이가 날 때에는 도 11과 같이 다각형의 금속판(11-3)을 사용할 수가 있는데, 이때에도 이 다각형의 모양이 각 포트의 주파수의 λ/2 로 하게 되면 최대의 전파 발산효과를 얻을 수가 있다.

상술한 편전효과를 이용하여 전파발산을 위한 안테나로 사용을 할 경우, 금속판(11)의 크기를 소형화 할 수가 있는데, 기존의 패치안테나에서 패치의 사이즈를 접어서 줄이는 작업시 발생하는 급전의 불안전성을 크게 개선을 할 수가 있다. 도 12의 (a)와 같이 패치안테나의 라디에이터의 폭 W 를 줄이고 길이 L 을 접어 소형화를 하는 과정에서 원활한 급전점을 찾기가 어려운 문제점이 발생한다. 이러한 상황에서도 도 12의 (a)의 패치 폭(W)을 급격히 줄일 경우 금속판(11-4)과 같이 편전효과를 이용한 급전을 하게 되면 폭이 좁은 패치에서도 원활하게 전파의 방사가 일어난다. 또한 도 12의 (b)와 같이 폭이 좁은 패치를 2개를 연결하여 2개의 주파수를 방사하는 안테나를 구현할 경우에도 상기 방식은 매우 효과적으로 사용된다. 상술한 폭이 좁은 패치의 길이를 접어 도 12의 (c)와 같은 형태로 만들어 전계의 발산 효과를 높일 수 있으며, 도 12의 (d)와 같이 극단적으로 패치를 접을 경우에도 원활한 방사가 일어나는 것을 확인하였다. 물론 도 12의 (e)와 같이 여러 개의 폭이 좁은 패치를 배열을 통하여 원하는 주파수의 전파 발산을 하는 것도 가능하다. 도 12의 (f)와 같은 타원형의 금속판(11-9)을 통하여서는 다양한 주파수의 신호를 원활하게 발산하는 경우에 사용된다.

모든 통신기, 예를 들면 휴대폰의 기지국, 중계기, 무전기, 위성통신기 등의 출력부에 사용되는 필터, 듀플렉스, 아이솔레이터 등을 대신하여 적용이 가능하여 통신기의 성능을 높이며 경량화, 저가격화를 구현할 수가 있게 된다.

도 1: 편전효과를 얻는 구조

도 2: 편전효과 발생시 각 포토에서 들어오는 신호의 전류방향

도 3: 편전효과 발생시 연결된 입력 포토간의 아이솔레이션 특성

도 4: 편전효과를 이용한 특정한 방향(X축)의 전류만을 얻는 방법

도 5: 금속판(11)의 외곽측 신호 인입에 의한 편전효과 특성

도 6: 편전효과를 이용한 안테나 구현 시 입력포트의 반사손실, 전달특성, 아이솔레이션 특성

도 7: 편전효과를 이용한 안테나의 3차원 방사특성, 2차원 방사특성

도 8 ~ 도 12: 금속판의 모양을 다양한 형태의 도형으로 변형시킨 예

<세부명칭에 대한 상세한 설명>

10: 라디에이터용 제1 유전체기판, 20: 선로용 제2 유전체기판

11: 금속판(라디에이터), 21: 그라운드 22: 선로용 그라운드

13a, 13b: 포트 1의 신호 연결점, 14a, 14b: 포트 2의 신호 연결점

15: 포트 3의 신호 연결점

23: 포트 1용 T 분배기, 25: 포트 2용 T 분배기

24-1: 포트 1용 “+” 신호 선로, 24-2: 포트 1용 “-” 신호 선로(180도 위상변환기)

26-1: 포트 2용 “+” 신호 선로, 26-2: 포트 2 용 “-” 신호 선로(180도 위상변환기)

27a, 27b: 편전효과 발생 금속판 포트 1용 연결점

28a, 28b: 편전효과 발생 금속판 포트 2용 연결점

29: 포트 1, 30: 포트 2, 31: 포트 3

32: 연결용 핀, 33: 지지용 연결핀

Claims

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편전효과(偏電效果, Electro-polarization)를 이용한 안테나에 있어서,

포트 및 신호전송용 선로를 형성하는 선로용 제2 유전체기판(20); 및

상기 금속판(11) 상에 일측 신호의 연결점(13a, 13b) 및 타측 신호의 연결점(14a, 14b)를 만들고,

상기 선로용 제2 유전체기판(20) 상에 입력포트(29, 30)에서 들어오는 신호를 T분배기(23, 25)를 통하여 2배분하고,

상기 2배분된 신호중 일측 신호는 바로 연결하고, 타측 신호는 180도 위상변환기(24-2, 26-2)를 통하여 연결하고,

상기 선로용 제2 유전체기판(20) 상의 연결점(27a, 28a, 27b, 28b)을 상기 라디에이터용 제1 유전체기판(10) 상의 연결점(13a, 14a, 13b, 14b)로 연결하여 금속판(11)에 흐르는 전류의 방향을 특정한 축 방향으로만 흐르게 제어하는 상기의 금속판(11)을 패치 안테나의 라디에이터로 적용하여 안테나를 구현하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항에 있어서,

상기 입력포트의 숫자를 2개 이상 복수개로 하고,

각 입력포트(29, 30)의 신호를 배분하는 T분배기(23, 25)로 구성되고,

상기 T분배기(23, 25)에서 분배된 신호중 일측은 “+”연결점(27a, 28a)으로 연결하는 선로(24-1, 26-1)로 연결하고, 타측은 180도 위상변환기(24-2, 26-2)를 통하여 “-”연결점(27b. 28b)으로 연결되고,

상기 선로용 제2 유전체기판(20) 상의 “+”연결점(27a, 28a)과 “-”연결점(27b, 28b)을 금속판(11) 상의 연결점(13a, 14a) 및 연결점(13b, 14b) 사이를 연결하여 금속판(11)에 흐르는 전류의 방향을 각 포트별로 다르게 하여 각 포트 간의 아이솔레이션을 높이는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

상기의 금속판(11)의 길이 L 을 사용주파수에 해당하는 파장의 λ/4 < L < λ 이내로 하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

상기 금속판(11)의 모양이 다각형의 형태를 가지는 하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

각 입력포트(29, 30)의 신호를 배분하는 T분배기(23, 25)로 2분배하고,

상기 T분배기(23, 25)에서 분배된 신호를 바로 “+” 신호 연결점(27a, 28a)에 인입하는 선로(24-1, 26-1)와 180도 위상변환기(24-2, 26-2)를 통하여 “-” 신호 연결점(27b, 28b)으로 인입되는 신호를 180도 위상반전시켜 일정간격을 가지고 특정 축을 따라 금속판(11)에 인입하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

선로용 그라운드(22) 위에 입력포트(29, 30)에서 라디에이터용 금속판(11)의 각 양 연결점(13a, 13b, 14a, 14b)으로 신호를 인입하기 위하여 그라운드코플레이너선로(24-1, 24-2, 26-1, 26-2) 혹은 마이크로스트립선로로 구현하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

라디에이터용 제1 유전체기판(10) 위에 인쇄 혹은 에칭 기법으로 라디에이터용 금속판(11)을 1개 혹은 2개, 4개 이상의 복수개로 형성하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

선로용 제2 유전체기판(20)의 윗면인 그라운드(21)와 아랫면인 선로용 그라운드(22)의 그라운드코플레이너선로(24-1, 24-2, 26-1, 26-2) 주위를 일정간격의 스루홀을 가공하여 연결하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

라디에이터용 제1 유전체기판(10)과 선로용 제2 유전체기판(20) 사이를 일정간격 d 를 유지하면서 지지용 연결핀(33)으로 고정하여 지지하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 10항에 있어서,

선로용 그라운드(22)의 입력포트(29, 30)에서 인입되는 신호를 1/2 분배 혹은 1/4 분배하기 위하여 T분배기(23, 25) 혹은 윌킨스디바이드를 형성하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

라디에이터용 제1 유전체기판(10) 위에 형성하는 금속판(11)의 모양을 원형(○, 11-1), 정팔각형(
, 11-2), 다각형(
, 11-3)으로 하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.
제 4항 혹은 제 5항에 있어서,

라디에이터용 제1 유전체기판(10) 위에 형성하는 금속판(11)의 모양을 직사각형(, 11-4), 십자형(+, 11-5), 만자 모양(卍, 11-6), 만자변형 모양(
, 11-7), 별(*, 11-8)모양, 타원형(O, 11-9)의 모양으로 하는 것을 특징으로 하는 편전효과(偏電效果, Electro-polarization) 안테나.