KR101187336B1 - 향상된 안테나 패턴 특성을 갖는 2중 및 4중 리지 혼안테나 - Google Patents

Abstract

여기서 제공되는 바와 같이, 2중 리지 또는 4중 리지 광대역 혼 안테나는 혼 안테나를 통하여 길이 방향으로 전자기파를 가이드하기 위한 서로 반대로 배열된 한 쌍의 전도성 안테나 요소를 포함할 수 있다. 어떤 경우에는, 이 한 쌍의 전도성 안테나 요소는 대체로 볼록한 내부면과 적당한 형태를 갖춘 외부면을 포함할 수 있다. 볼록한 내부면은 일반적으로 의도된 방사 패턴을 방해함 없이 방사 에너지를 유도하고 가이드하는 역할을 할 수 있다. 의도된 방사 패턴을 유지하기 위하여, 광대역 혼 안테나는 또한 그 단부에서 안테나 요소 중 다른 하나의 외부면에 연결된 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소를 포함할 수 있다. 어떤 경우에는, 자성 물질은 표면 전류가 내부면만을 따라 이동하도록 제한하기 위하여 안테나 요소의 적어도 일부분에만 배열될 수 있다. 어떤 경우에는, 길이방향 그루브는 표면 전류가 세로축을 가로 지르는 방향으로 흐르는 것을 제한하기 위하여 내부면 내에 형성될 수 있다.

Description

향상된 안테나 패턴 특성을 갖는 2중 및 4중 리지 혼 안테나{DUAL-AND QUAD-RIDGED HORN ANTENNA WITH IMPROVED ANTENNA PATTERN CHARACTERISTICS}

도 1은 종래의 두 개의 리지(ridge)를 가지는 혼(horn) 안테나의 측면도;

도 2는 종래의 두 개의 리지를 가지는 혼 안테나의 평면도;

도 3은 종래의 두 개의 리지를 가지는 혼 안테나의 2차원 방사 패턴 플롯;

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 두 개의 리지 또는 4개의 리지를 가지는 혼 안테나의 횡단면도;

도 5는 안테나의 적어도 일부분에 자성 물질이 배열된 도 4의 혼 안테나의 횡단면도;

도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 4개의 리지를 가지는 혼 안테나의 회전 3차원 측면도;

도 7은 도 6에 도시된 4개의 리지를 가지는 혼 안테나의 다른 회전 3차원 측면도;

도 8은 도 6에 도시된 4개의 리지를 가지는 혼 안테나의 정면도;

도 9는 안테나의 적어도 일부분의 길이를 따라 형성된 길이방향 그루브를 포함하는 도 4의 혼 안테나의 횡단면도;

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 2개의 리지를 가지는 혼 안테나 내에 형성된 길이방향 그루브의 평면도; 및

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른, 4개의 리지를 가지는 혼 안테나 내에 형성된 길이방향 그루브의 평면도이다.

본 발명은 안테나 구성에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2중-리지(dual-ridged) 및 4중-리지(quad-ridged) 광대역 혼 안테나(broadband horn antenna)에 관한 것이다.

다음의 설명과 예시들은 이 부분에 포함되었다고 해서 선행기술로 받아 들여서는 안된다.

안테나는 전자기(EM) 에너지를 방사하거나 수신할 수 있는 장치이다. 이상적인 송신용 안테나는 공급원(예컨대, 전력 증폭기 등)에서 전력을 받아 공간으로 방사한다. 즉, 전자기 에너지는 안테나에서 방사되어, 반사되거나 분산되지 않는 한 돌아 오지 않는다. 그러나, 실제 안테나는 방사 및 비방사 전자기장 요소를 모두 생성한다. 비방사 전자기장 요소의 일례는 공급원으로 돌아오거나, 그렇지 않으면 저항성 부하에서 분산되는 수용 전력의 일부분 일 것이다.

안테나의 성능은 여러가지 방식으로 기술될 수 있다. 첫째, 안테나의 방사 효율(또는 "안테나 효율")은 안테나에 의해 수용되는 전력량(전력 공급원으로부터)에 대한 안테나에 의해 방사되는 전력량의 비율로 정의될 수 있다. 안테나에 수용되었느나 방사되지 않은 전력의 일부는 열의 형태로 분산될 수 있다. 다른 안테나 성능 특성들은 작동 주파수 대역폭, 이득(gain), 지향성(directivity) 및 안테나 패턴을 포함한다.

여기에서 사용되는 것처럼, "안테나 방사 패턴"은 일반적으로 안테나에 의해 생성되는 전자기장을 특성화하는 양(quantity)의 공간적 분포로 정의될 수 있다. 이 안테나 패턴은 대개 다음의 수량 중 하나의 각(角) 분포(안테나에서 고정된 지점,R,에서 구형 좌표 θ와 φ)의 표현으로서 주어진다: 전력선속밀도(power flux density), 방사강도, 지향성, 이득, 위상(phase), 편극(polarization) 및 전기장 또는 자기장의 세기. 예를 들면, 안테나의 "방사 패턴"은 원거리장(즉, 각에 따른 장의 분포가 안테나 영역의 특정 지점으로부터의 거리에 본질적으로 무관한 안테나의 장의 영역)에서 방사된 전력선속밀도의 각 분배로 표현될 수 있다. 사인곡선의 정상상태 장에서, 방사패턴은 포인팅벡터(POYNTING VECTOR)의 방사상 요소의 실제 부분을 플로팅함으로써 형성될 수 있다:

여기서,

와

는 각각 전기장과 자기장의 벡터 위상 표기이다. 달리, 방사 패턴은 원거리 장 영역에서 방향의 함수로서 전자기 에너지(전기장과 자기장 요소를 포함하는)를 방사하는 안테나의 경향으로써 기술될 수 있다.

안테나의 방사 패턴은 모든 구형 각도에 대하여 3-D 플롯으로 표현될 수 있지만, 정량적 정보를 조사하는 경우에는 방사 패턴의 2-D "컷(cuts)"을 제공하는 것이 유리하다. 이러한 "컷"은 일반적으로 원거리장 영역에서 전자기장의 소위 E- 및 H-평면을 따라 형성된다. 선형 편극 안테나에서, E-평면은 전기장벡터(

)와 최대 방사의 방향을 포함하는 평면이다. H-평면은 E-평면에 수직이지만 유사하다. 특정 유형의 안테나의 예시적 방사 패턴이 아래에서 더 상세히 기술 될 것이다.

안테나의 지향성, 이득 및 편극은 안테나의 방사 패턴에 관한 정보로 계산될 수 있다. 안테나의 "지향성"은 일반적으로 최대 방사 방향으로 정의될 수 있다. 예를 들어, 대부부의 방향성 있는 안테나의 방사 패턴은 하나의 주요 로브(lobe)(최대 방사 방향을 지시하는)를 포함할 수 있지만, 여러 개의 더 작은 사이드 로브(예컨대, 안테나 내에서 반사 또는 교차 편극 때문에)도 포함할 수 있다. 이러한 사이드 로브들은 일반적으로 의도된 방향으로 방사된 전자기 에너지의 양을 줄임으로써 안테나의 전체적인 성능을 감소시킨다. 지향성 안테나의 "이득"은 안테나의 방사 효율로 곱해진 지향성으로 정의될 수 있다. 그러므로 안테나 이득은 방사 효율이 100%보다 낮은 안테나 구성(즉, 실제 안테나)의 방향성보다는 적을 것이다.

상기된 바와 같이, 전자기장은 벡터양으로서 안테나에서 방사된다. 전자기장의 벡터 특성의 작용은 종종 안테나의 "편극" 또는 "편극 상태"로 언급된다. 전자파 양립성(Electomagnetic Compatibility, EMC) 시험을 위해 사용되는 대부분의 안테나 구성은 선형적으로 편극화되며, 이는 전기장(또는 자기장) 요소가 한면에 제 한되는 것을 의미한다. 반면, 몇몇 안테나 구성은 타원형 편극, 또는 주요 요소를 가진 위상에서 벗어난, 약간 교차 편극 요소를 가진 한면에 지배적으로 편극되는 방사를 나타낸다. 타원형 편극에서, 전기장 벡터의 끝은 전파 방향에 수직인 교차하는 어떤 고정 평면에서 타원형 패턴을 따라 갈 수 있다. 타원형으로 편극된 파장은 직각의 위상을 가지는 2개의 선형적으로 편극된 파장으로 분해될 수 있고, 그 결과 그 편극 평면은 서로 직각을 이룬다.

2중 리지 혼 안테나, 혹은 2중 리지 도파관은, 선형 편극 안테나의 일 예이다. 강한 부하를 받을 때, 2중 리지 도파관은 광 대역폭(예컨대, 약 1㎓에서 약 18㎓까지)을 제공할 수 있다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 2중 리지 혼(100)은 사각형 혼 안테나 내에 서로 반대 방향으로 배치된 한 쌍의 안테나 요소(110)("리지(ridges)" 또는 "핀(fins)"이라고도 함)를 포함할 수 있다. 각 안테나 요소(110)는 대체로 볼록한 내부면(112)과 대체로 직선적인 외부면(114)을 가질 수 있다. 대부분의 경우, 각 외부면(114)은 혼 안테나(100)를 형성하는 측벽들(120) 중 하나에 고정적으로 부착될 수 있다. 결합될 때, 측벽(120)들은 기부(140)보다 상당히 넓은 개구면(130)을 가진 사각형의 콘 구조를 형성할 수 있다. 어떤 경우에는, 사각형 박스(혹은 "공동 구조")(150)는 비슷한 형태의 기부(140)에 결합될 수 있다. 이 공동 구조는 전력원(도시되지 않음)으로부터 동축 전송선(도시되지 않음)을 통하여 한 쌍의 안테나 요소로 전류를 공급하기 위한 전력 연결기(160)을 포함 할 수 있다. 전도성 급전선(170)은 또한 동축 전송선에서 혼 안테나의 한 쌍의 안테나 요소(110)로 전류를 전송하기 위하여 제공될 수 있다. 전송선에서 전도성 급 전선(170)으로의 이송은 혼 안테나의 급전 지역(즉, 안테나 요소에 전력이 공급되는 지점) 부분을 포함한다는 점에서 혼 안테나의 중요한 부분이다. 전력이 공급될 때, 안테나 요소의 내부면(112)은 기부(140)로부터 혼 안테나의 "목"을 통하여 그리고 안테나의 "입" 또는 개구면(130)을 통하여 이동하는 방사 에너지를 가이드하기 위하여 테이퍼진 도파관으로 기능한다.

EMC 테스트 시스템에서 사용되는 종래 광대역 혼 안테나는 일반적으로 약 1 ㎓에서 18 ㎓ 범위의 작동 주파수 범위를 이용한다. 그러나, 더 높은 주파수 범위에서는 종종 방사 패턴에 변형이 일어난다. 주파수가 증가함에 따라, 이러한 소위 변형들은 사이드 로브의 증가(180, 도3), 백 로브의 증가(185) 혹은 심지어 주 로브의 분열이나 변형(190)이 표면에 발생한다. 주파수 대역의 최고위에서, 방사 패턴은 주로 혼의 급전 지역의 특징에 의하여 조절된다. 예를 들면, 주파수가 증가함에 따라, 전자기 에너지는 안테나 요소의 내부면(112)에서 더 멀리 이탈하는 경향이 있다. 이러한 이탈은 안테나의 "입"에서 시작하고 에너지가 급전 지역으로부터 가능한한 짧은 거리에서 이탈하기 시작할 때까지 점차 증가한다. 이는 안테나 요소의 내부면을 가로지르는 전류의 양과 급전 지역에서 발생하는 고차전파모드(higher-order modes)를 증가시키는 경향이 있다. 어떤 경우에는, 이러한 고차전파모드는 상당한 양의 에너지를 사이드 로브 및/또는 백 로브로 방향을 변화시킴으로써 의도된 방사 패턴을 감소시킬 수 있다.

급전 지역의 고차전파모드를 억제하기 위한 장치가 통합된 적어도 하나의 혼 안테나 구성이 제안되었다. 이 장치는 본질적으로 혼 안테나의 2개의 리지들(즉, 안테나 요소들(110)) 사이에 위치된 스트립(Strip) 형태의 가이드에 해당한다. 이 장치는 고차전파모드를 억제하는데 다소 효과적이고 이런 모드를 모두 억제하는데 실패했던 이전의 구성에 비하여 개선된 것이다. 그러나, 허용오차(tolerance)의 제약 때문에, 스트립 형태의 가이드는 항상 방사 패턴의 변형에 실행가능한 해결책을 제공하지 못한다. 예를 들어, 스트립 형태의 가이드는 예외적인 엄격한 허용오차(tolerance)를 갖는 리지 사이에 대칭적으로 배열되어야 한다. 이는 2중 리지 안테나 형태에서 실행하기 어려울 뿐 아니라, 급전 지역내에 부과된 더 밀집된 공간 제약 때문에 4중 리지 안테나 형태에서도 또한 매우 실행하기 어렵다.

4중 리지 혼 안테나는 기본적으로 2중 리지 혼 안테나의 2중 편극 버전이고, 이상적인 경우 4중 리지 도파관에서 두 모드들의 직각을 이용하여 기능한다. 달리 말하면, 4중 리지 혼 안테나는 타원형으로 편극된 도파관을 생성하기 위하여 2개의 선형으로 편극된 파형을 결합한다. 상기에서 언급한 것처럼, 타원형으로 편극된 파형은 주요 요소를 가진 위상에는 없는 약간 교차된 편극 요소를 가진 일 평면에서 지배적으로 편극된다. 아주 잘 된 구성은 교차 편극 요소를 최소화 할 수 있지만, 이를 완전히 제거할 수는 없다. 실제 상황에서, 특히 급전 지역에서는, 두 모드 사이의 결합을 피할 수 없고 혼 안테나의 성능을 감소시킨다. 급전 지역을 채우는데 있어서 여러가지 어려움(예를 들어, 공간 제약) 때문에, 4중 리지 혼은 2중 리지, 단일 편극 혼과 동일한 대역폭을 제공할 수 없었다. 최상의 경우에도, 종래 4중 리지 혼 안테나는 약 1 ㎓에서 약 10 ㎓ 정도의 작동 주파수 범위를 제공할 수 있다.

작동 주파수 범위 감소에 더하여, 종래의 2중 및 4중 리지 혼 안테나는 종종 더 낮은 주파수 범위에서 변형이 발생한다. 작동 주파수 범위의 낮은 쪽 끝에서, "입"의 특성은 2중 및 4중 혼 안테나의 방사 패턴을 조절하는 경향이 있다. 또한 "입"에서의 반사는 "목" 임피던스의 큰 요동과 상당한 펄스 왜곡을 초래할 수 있다. 주파수 범위의 가장 낮은 끝에서, 전류는 "입"의 모서리리 둘레를 흘러 방사 패턴에서 사이드 로브와 백 로브의 수를 증가시킬 수 있다. 이는 궁극적으로 혼의 단일 방향 특성을 파괴할 수 있다.

그러므로, 최대화된 작동 주파수 범위에서 의도된 방사 패턴의 제어를 강화할 수 있는 개선된 2중 및 4중 리지 혼 안테나 구성의 필요성이 존재한다.

상기 약술된 문제점들은 혼 안테나를 통해 전자기파를 상기 혼 안테나의 기부에서 상기 혼 안테나의 개구부로 가이드하기 위한 서로 반대로 배열된 적어도 한 쌍의 전도성 안테나 요소를 포함하는 2중 또는 4중 리지 광대역 혼 안테나에 의해 대부분 해결될 수 있다. 어떤 경우에는, 한 쌍의 전도성 안테나 요소는 대체로 볼록한 내부면과 대체로 직선적인 외부면을 포함하도록 형성될 수 있다. 그러나 필요하다면 다른 형태나 형상을 가질 수 있다. 어떤 경우에는, 볼록한 내부면은 안테나 요소를 통하여 방사된 전자기 에너지가 의도된 방사 패턴에서 심각하게 벗어나는 일이 없도록 방향을 잡아 주거나 가이드할 수 있다. 광대역 혼 안테나는 일반적으로 안테나 요소의 외부면에 결합되는 측벽 구조체를 포함 할 수도 또는 그렇지 않을 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 광대역 혼 안테나는 상기 광대역 혼 안테나의 상기 개구면 측의 상기 전도성 안테나 요소의 단부에서 상기 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 각각의 외부면에 연결되는 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소를 포함할 수 있다. 어떤 경우에는, 상기 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소는 상기 안테나 요소를 분리하는 세로축에 수직인 축을 따라 상기 각 외부면에서 서로 반대 방향으로 확장될 수 있다. 따라서, 테이퍼진 확장 요소는 전도성 안테나 요소의 외부면을 따른 전류 흐름을 억제하기 위하여 광대역 혼 안테나 구성 내에 통합될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 광대역 혼 안테나는 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 적어도 일부분에 배열된 자성 물질을 포함할 수 있다. 이 자성 물질은 표면 전류가 안테나 요소의 내부면을 따라서만 이동하게 제한하도록 선택되고 배열된다. 즉, 자성 물질은 표면 전류가 가로 방향보다는 주로 세로 방향으로 흐르도록 유지하는 것을 도울 수 있다. 어떤 경우에는, 자성 물질은 비투자율이 1.0 보다 큰 어떤 자성 물질을 포함할 수도 있다. 어떤 실시형태에서는, 그 자성 물질은 엘라스토머 내에 고 임피던스 자성 입자를 박아 형성된 자석 코팅을 포함 할 수 있다. 여기에서 자성 물질에 대한 다른 가능성도 고려될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 광대역 혼 안테나는 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 내부면에 형성된 길이방향 그루브를 포함할 수 있다. 예컨대, 그 길이방향 그루브는 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 기부에서 상부로 확장될 수 있고, 표면 전류가 한 쌍의 전도성 안테나 요소를 따라 가로 방향으로 흐르는 것을 제한하는 기능을 한다. 어떤 경우에는, 그 길이방향 그루브는 내부 표면의 일부분까지만 확장될 수 있고 전도성 안테나 요소의 기부에서 점점 멀어짐에 따라 점차 깊이가 감소될 수 있다. 그 러나, 다른 경우에는, 길이방향 그루브는 내부 표면의 전체 길이를 따라 확장될 수 있다. 어떤 경우에는, 복수의 길이방향 그루브들은 각 안테나 요소의 내부면에 형성될 수 있다. 복수의 길이방향 그루브는 일정한 공간을 차지하고 서로 거의 평행하게 형성될 수 있다. 여기에서 대안적인 공간 형성이 또한 고려될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 광대역 혼 안테나는 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 기부에 통합되거나, 혹은 결합된 공동 구조를 포함할 수 있다. 이러한 공동 구조는 한 쌍의 전도성 안테나 요소에 전류를 공급하기 위한 적어도 하나의 입력 연결기를 포함할 수 있다. 어떤 경우에는, 균형 입력부가 한 쌍의 전도성 안테나 요소에 동일하고 반대 수준인 전류를 공급하기 위하여 적어도 하나의 입력 연결기에 연결될 수 있다. 이러한 균형 입력부는 한 쌍의 전도성 안테나 요소 사이의 대칭과 임피던스를 개선함으로써 방사 특징을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 광대역 혼 안테나의 의도된 방사 패턴에서의 공동 공명(즉, 급전 지역에서 발생하는 고차 전파 모드)을 억제하고 그 방사 패턴 혼동 또는 변형(즉, 사이드 로브, 백 로브 또는 주 로브의 분열)를 억제하기 위하여, 자성 물질의 층이 공동 구조 내에 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 목적들과 장점들은 첨부된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명을 통하여 명확해질 것이다.

본 발명은 다양한 수정 및 대체형태가 가능하지만, 그 구체적인 실시예가 도면에 예시적으로 도시되어 있으며 여기서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 이 도면과 상세한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태에 한정하고자 하는 것은 아니며, 본 발명은 첨부된 청구항에 의해 한정되는 본 발명의 개념과 범위 내에서 모든 변경형, 균등형 및 대체형을 포함한다.

도면에서, 2중 리지 및 4중 리지 혼 안테나의 실시예들이 도 4-11에 도시되어 있다. 하기에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 여기서 제공되는 안테나 디자인은, (i) 안테나의 "입" 또는 개구면에서 테이퍼진 확장 요소를 포함하도록 안테나 요소의 외형를 변경한 점, (ⅱ) 혼 안테나에서의 방사에 바람직한 방향으로 표면 전류를 조절하고, 방향을 변경하고, 전달하거나 달리 가이드하기 위하여 안테나 요소에 상대적으로 높은 임피던스 자성 물질을 사용하는 점, (ⅲ) 급전 지역에서 고차 전파 모드를 억제하기 위하여 안테나 요소 내에 형성된 길이방향 그루브를 사용하는 점, (ⅳ) 급전 지역에서 고차 전파 모드를 억제하기 위하여 높은 임피던스 및/또는 손실이 큰 자성 물질을 사용하는 점, 및 (v) 안테나 요소에 동등하면서 반대 양의 전류를 공급하여 전도성 측벽을 가지거나 그렇지 않은 2중 또는 4중 혼 안테나에서 교차-편극(대칭을 향상시킴으로써)을 줄이기 위한 상보적이고 균형 잡힌 급전(給電)을 사용하는 점에서 종래 구성을 개선한 것이다.

본 발명의 모든 실시예에 상기된 개선사항들이 모두 포함될 필요는 없다. 본 발명의 몇몇 실시예들은 상기 개선점 중 단지 한 개, 또는 여러 개를 포함 할 수 있다. 비록 실시예가 도 4-11에 도시되어 있지만, 관련 분야의 숙련된 기술자는 도면과 여기의 상세한 설명에 명쾌하게 도시되어 있지는 않지만 본 발명의 여러 측면들이 어떻게 결합되어 다른 실시예를 형성할 수 있는지 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 그러한 가능한 모든 조합들을 포함하기 위한 것이다.

도 4는 혼 안테나로부터 방사된 전자기 에너지를 가이드하기 위해 서로 마주보게 배치된 한 쌍의 전도성 안테나 요소(210)를 포함하는 2중 리지 혼 안테나(200)의 횡단면도이다. 여기서 사용되는 것처럼, 안테나 요소(210)는 달리 혼 안테나의 "리지(ridge)" 또는 "핀(fin)"으로 언급될 수 있으며, 대체로 어떤 전도성 물질로 구성될 수 있다. 도 6-8에서 도시된 것처럼, 4중 리지 혼 안테나는 다른 한 쌍의 안테나 요소가 추가되어 인접한 안테나 요소는 거의 90°간격으로 배치된다.

2중 리지 혼이든 4중 리지 혼이든, 안테나 요소(210)는 안테나의 기부(240)에 가까이 연결될 수 있고, 바깥으로 좀 더 큰 개구면(230)을 형성하기 위하여 서로 멀어지도록 굽어질 수 있다. 4각형 박스(혹은 "공동 구조")(250)는 유사하게 생긴 기부(240)에 일체로 형성되거나 달리 연결될 수 있다. 공동 박스는 동축 전송선(도시되지 않음)을 통하여 전원(도시되지 않음)에서 안테나 요소의 쌍(210)에 전류를 공급하기 위하여 적어도 하나의 전력 연결기(260)를 포함할 수 있다. 급전 지역에는 동축 전송선에서 안테나 요소의 쌍(210)에 전류를 전송하기 위하여 한 쌍의 전도성 급전 라인(270 a,b)이 제공될 수 있다. 따라서, 도 1-2에 도시된 종래의 혼 안테나(100)와 달리, 혼 안테나(200)는 대칭을 향상시키기 위한 균형잡힌 급전이 제공될 수 있다.

일 실시예에서, 상대적으로 높은 임피던스 자성 물질(255)이 급전 지역에서 고차 전파 모드를 억제하기 위하여 공동 구조(250) 내에 형성될 수 있다. 달리 말해서, 공동 구조 내에 자성 물질의 존재는 종래 광대역 혼 안테나의 더 높은 주파수에서 발생하곤 하던 공동 공명과 방사 패턴 혼동(즉, 측면 로브, 백 로브 및/또는 주 로브의 분열)을 억제할 수 있다. 그 이유는 아래에서 더욱 자세히 기술되겠지만, 공동을 위해 선택된 자성물질은 1.0 보다 더 큰 비투자율을 가진 어떤 자성 물질을 포함할 수 있다.

종래 디자인과 유사하게, 안테나 요소(210)는 대체로 볼록한 내부면(212)과 대체로 직선의 외부면(214)을 포함할 수 있다. 외부면의 형상이 덜 중요하긴 하지만(형상을 단순화 하기 위하여 직선 형태가 될 수 있다), 내부면의 윤곽은 바람직하게는 혼 안테나에서 방사된 전자기 에너지를 가이드하거나 방향을 잡는 기능을 한다. 이상적 상태에서, 대체로 모든 입사 에너지(즉, 급전 지역에 공급된 에너지)는 혼 안테나에서 출발하여 방사될 것이다. 방사 패턴을 개선하기 위하여, 혼 안테나에서 전류 분배는 혼의 세로축(290)에 수직인 선(280)까지 리지 윤곽을 확장함으로써 더 잘 조절될 수 있다. 이것은 특히 개구면(230) 또는 안테나의 "입구"가 방사 패턴에 더 큰 영향을 끼치는 경향이 있는 혼 안테나의 작동 주파수 영역의 낮은 단부에서 유용하다.

도 4에 도시된 것처럼, 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소(300)는 안테나 요소(210)와 일체로 형성되거나, 달리 연결될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 각 확장 요소(300)는 상기 혼 안테나의 개구면(230) 측에 있는 한 쌍의 안테나 요소(210)의 단부에서 상기 한 쌍의 안테나 요소(210)의 각각의 외부면(214)과 연결될 수 있다. 테이퍼진 확장 요소 쌍은 안테나 요소의 각 외부면에서 거의 반대 방향으로 확장될 수 있다. 도 4에 도시된 것처럼, 확장의 방향은 안테나 요소 쌍(210)을 분리하는 세로축(290)에 수직인 선(280)을 따른다. 테이퍼진 한 쌍의 확장 요소(300)를 부가함으로써, 리지 윤곽은 독특하고 주파수 의존성 등가의 개구면(235)을 제공하도록 확장될 수 있다. 이러한 개구면은 최소의 사이드 로브(side lobe)와 백 로브(back lobe)를 가진 상당히 조절된 방사 패턴을 유지하도록 도와 줌으로써 낮은 주파수 대역에서 혼 안테나(200)의 성능을 상당히 개선할 수 있다. 달리 말해서, 테이퍼진 확장 요소(300)는 전류가 안테나의 외부면(214)으로 흘러가는 것을 막을 수 있다; 사이드 로브 및/또는 백 로브로 방향을 바꾸는 에너지의 양을 증가시킴으로써 원하는 방향으로 방사된 에너지의 양을 줄인다.

몇몇 실시예에서, 테이퍼진 확장 요소(300)는 안테나 요소 쌍(210)의 외부면(214)과 분리되어 형성되고 고정적으로 부착될 수 있다. 단순화를 위하여, 일반적으로 안테나 요소와 확장 요소는 같은 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 안테나 요소의 외부면에 확장 요소를 부착하기 위하여 거의 어떤 기계적 수단이라도 사용될 수 있다. 비록 기계적 결합을 위한 다른 수단들이 사용될 수 있지만(예를 들어, 납땜, 접착제 등등); 일 예로 테이퍼진 확장 요소(300)가 하나 이상의 나사에 의하여 외부면(214)에 연결될 수 있다. 어떤 경우에는, 안테나 요소의 접촉면과 거기에 부착된 확장 요소 사이에는 물리적 불연속이 존재할 수 있다. 이러한 물리적 불연속은 (작은) 전기적 불연속을 초래하고, 이는 접촉면에서의 전류 흐름을 방해할 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명의 보다 바람직한 실시예에서는 테이퍼진 확장 요소(300)가 안테나 요소(210)의 외부면(214)과 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 안테나 요소는 테이퍼진 확장 요소를 포함하도록 제작(즉, 전도성 물질의 판에서 에칭되거나 커팅되어)될 수 있다.

어떤 경우에는, 테이퍼진 확장 요소의 형태는 도 4-9에 도시된 형태에서 변형될 수 있다. 예를 들어, 테이퍼 정도 또는 확장 요소의 길이는 안테나 요소의 외부면을 따라 흐르는 전류 흐름을 더 방해하기 위하여 변경될 수 있다. 또한, 뾰족 한 끝은 여기서 일어나는 경향이 있는 전기적 불연속성(즉, 회절)을 줄이거나 제거하기 위하여 다른 형태에서는 제거될 수 있다. 다른 형태에 부가하여, 물질 조성 및/또는 테이퍼진 확장 요소의 두께는 바람직한 결과를 낳기 위하여 변화될 수 있다.

어떤 경우에는, 안테나 요소의 두께(즉, 확장 요소의 두께)는 특정 작동 주파수 범위내에서 방사 특성을 개선하기 위하여 감소될 수 있다. 예를 들어, 안테나 요소는 의도된 작동 주파수 영역이 약 1 ㎓에서 약 20 ㎓ 사이에 놓일 경우, 약 3/8 인치 두께 전도판으로 형성될 수 있다. 그러나, 안테나 요소의 두께 감소(즉, 약 1/4 인치 두께)는 사실상 급전 지역에서 임피던스를 증가시킴으로써 방사 특성(특히 더 높은 작동 주파수 영역에서)을 개선할 수 있다.

혼에 전력이 공급될 때, 안테나 요소의 내부면(212)은 방사 에너지가 기부(240)에서 혼 안테나의 "입구" 또는 개구면으로 이동하는 동안 이 에너지를 가이드한다. 더 높은 주파수에서 방사 패턴을 개선하기 위하여, 혼 안테나(200)의 안테나 요소는 단조롭게(monotonically) 증가하는 표면 임피던스를 제공하기 위하여 저항적으로 및/또는 자기적으로 로딩될 수 있고, 이는 전자기파가 안테나 요소(210)의 길이를 이동함에 따라 방향이 변화된 에너지의 양을 감소시킨다. 자성 물질을 안테나 요소에 로딩함으로써, 여기서 기술된 안테나 형상은 비교적 작은 상자(즉, 혼 안테나의 크기를 증가시킴없이)에서 펄스 재생산을 상당히 개선한다.

예를 들어 도 5에 도시된 것처럼, 리지에서의 표면 전류 흐름은 비교적 높은 임피던스 자성 물질(220)을 안테나 요소(210)의 적어도 일부분에 통합함으로써 제 어될 수 있다. 일반적으로, 표면 전류가 주로 안테나 요소의 내부면(212)을 따라 흐르도록 제한하기 위하여 자성 물질이 포함될 수 있다. 이와 같이, 자성 물질(220)은 외부면(214)에서 내부면(212)에 거의 못미치는 지점까지 확장될 수 있다. 대부분의 안테나 요소의 표면 저항을 부분적으로 증가시킴으로써, 전류는 "흐름이 막히어(choked off)", 저항이 최소인 길- 즉, 자성물질(220)이 덮혀지지 않은 리지 부분을 택하도록 강제된다. 이러한 방식으로, 자성물질은 의도된 방향(세로방향)을 제외한 가로방향으로의 손실 뿐 아니라 다른 어떤 방향으로 전류가 흐르는 것을 방지하거나 제한할 수 있다. 양 메커니즘은 전류 흐름에 바람직한 내부 가장자리에서 떨어져 있는 리지 부분에 존재하는 표면 전류를 감소시키는 기능을 한다. 결과적으로, 자성 물질(220)의 통합은 더 잘 조절된 방사 패턴을 유지하는데 더 도움을 줄 수 있다.

리지(210) 및/또는 공동 구조(250)를 위한 자성물질은, 선택된 물질의 내부 임피던스가 자유 공간의 임피던스보다 더 크도록 선택될 수 있다. 이를 위하여 사실상, 자성 물질의 비투자율은 1.0 보다는 더 커야만 하고, 또한 비유전율(즉, 유전상수) 보다 더 커야 한다. 그 결과 그 물질은 "전기적으로 얇은(electrically)" 경우에 유도 코팅으로서 작용한다. 마이크로 웨이브 범위에서, 약 1.5-2.0의 비투자율을 가진 자성물질은 리지를 자기적으로 로딩(loading)하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 자성물질이 내부면에서 떨어진 영역에서 자기 손실을 나타내도록 할 수 있고, 반면 표면 전류를 리지의 내부면을 따라 방향을 잡거나 이동시킬 수 있게 한다. 내부 임피던스의 크기는 상당히 중요한 것으로 생각되기 때문에, 물질의 자기 투자율은 복잡할 수 있다(즉, 손실이 큰 물질).

어떤 경우에는, 리지(210) 및/또는 공동 구조(250)를 위한 자성 물질은 비투자율이 1.0보다 큰 거의 어떤 자성 물질이라도 선택될 수 있다. 그러나, 자성 물질은 전류를 리지 내부면을 따라 가이드하거나 이동시키기 위하여 등방성이거나 균질일 필요는 없다. 사실상, 본 발명의 몇몇 실시예에서는 오히려 비균질 층 된 자성물질을 이용하는 것이 유리하다. 예를 들어, 자성 물질은 실제로 유연한 자기 코팅이나 자성물질 판을 포함할 수 있고, 이는 엘라스토머(실리콘 등) 내에 상대적으로 높은 임피던스 자성 입자(육방정계 페라이트 등)을 박아 생성될 수 있다. 이러한 소위 비등방성의 자성 물질은 더 높은 작동 주파수에서 뛰어난 성능(입방 페라이트와 같은 등방 물질보다 우수한)을 제공하는데 사용될 수 있다.

도 9-11은 안테나 요소의 내부 표면(212)에 형성될 수 있는 길이방향 그루브 구조(310)의 일 실시예를 보여준다. 일반적으로, 그루브 구조(310)은 한 쌍의 안테나 요소(210) 기부에서 상부로 연장될 수 있고, 따라서 고 주파수 영역에서 발생하는 경향이 있는 가로 방향의 표면 전류를 억제하는 기능을 할 수 있다. 어떤 경우에는, 길이방향 그루브(310)은 도 9에 도시된 것처럼 단지 내부 표면(212)의 일부분을 따라 확장될 수 있다. 예를 들어, 이 그루브는 고차 전파 모드가 안테나의 기부에 발생하는 것을 막기 위하여 안테나 요소의 기부 근처(즉, 급전 지역 근처)에 형성될 수 있다. 이 그루브는 안테나 요소의 기부에서 점점 멀리 확장됨에 따라 깊이면에서 점점 감소할 수도 그렇지 않을 수도 있다. 다른 경우(도시되지 않음)에는, 길이방향 그루브(310)는 내부 표면(212)의 전체 길이를 따라 확장될 수 있다. 비록 그것이 단지 급전 지역 근처의 가로방향의 전류를 억제하기 위하여(즉, 고차 전파 모드가 발생하는 것을 막기 위하여) 필요한 것이긴 하지만, 전체 길이를 따라 그루브를 확장시키면 제작 공정을 단순화할 수 있다(최소한으로). 만약 그루브가 전체 길이를 따라 확장된다면, 그것은 일정한 깊이로 형성될 수 있고, 원한다면 점차 깊이가 줄어들도록 형성될 수도 있다.

도 10 및 11은 각각 2중 리지 및 4중 리지 혼 안테나 내에 포함될 수 있는 길이방향 그루브(310)의 실시예들을 보여준다. 예를 들어, 도 10은 2중 리지 혼 안테나의 내부면(210)에 형성될 수 있는 길이방향 그루브(310)의 일 예의 평면도(즉, 가상의 박스(320)를 내려다보는)이다. 어떤 경우에, 이 그루브(310)는 특정 작동 주파수의 1/4 파장과 거의 동등한 깊이(d)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 그루브의 깊이는 가로방향의 표면 전류가 가장 강하게 되는 작동 주파수의 1/4 파장과 거의 같을 수 있다. 직선 측면과 코너를 가진 것으로 도시되어 있으나, 길이방향 그루브(310)는 제조 공정을 단순화 하기 위하여 코너가 없이 비교적 둥근 윤곽을 포함하도록 형상이 될 수 있다. 어떤 경우에는, 그루브의 깊이는 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이 점차 감소할 수 있다. 그러나, 그루브의 깊이는 본 발명의 다른 실시예(도시되지 않음)에서는 다소 일정할 수 있다.

도 11은 4중 리지 혼의 내부면(212) 내에 형성될 수 있는 예시적인 길이방향 그루브(310)를 도시한 점에서 도 10과는 다르다. 도 11의 길이방향 그루브는 형상의 특징에 따라 유사한 깊이 또는 다른 깊이(d)로 형성될 수 있고, 내부면의 전체 또는 일부분을 따라 확장될 수 있다. 도 10에서와는 다르게, 도 11에 도시된 안테나 요소(210)의 내부면은 급전 지역의 좁은 공간에 4개의 모든 안테나 요소를 수용하기 위하여, 테이퍼질 수 있다. 어떤 경우에는, 2중 리지 혼 실시예(도 10)의 상대적으로 끝이 뭉툭한 내부면에서도 급전 지역의 크기를 줄이기 위하여(즉, 안테나 요소 사이의 공간을 줄임으로써) 테이퍼질 수 있으며, 이는 더 높은 작동 주파수가 가능하게 한다.

일반적으로, 길이방향 그루브(310)은 안테나 요소의 표면을 따라 발생되는 경향이 있는 가로 방향 전류를 식별하기 위하여 2중 리지 또는 4중 리지 혼 구성에 통합될 수 있다. 예를 들어, 표면 전류는 주로 저 주파수 작동 중 리지나 핀의 내부면에 집중 될 수 있다. 표면 전류는 리지를 따라 길이방향으로 유도되고 기부에서 부터 "목"을 통하여 이동하여 혼 안테나의 "입구"에서 외부로 방사된다. 그러나, 급전 지역(즉, 전류가 안테나 요소에 제공되는 기부 근처 지역)이 복잡하기 때문에, 얼마간의 전류는 길이방향(즉, 최대 방사의 의도된 방향)을 가로지르는 방향으로 여기될 수 있다. 이러한 현상은 더 낮은 작동 주파수에서는 크게 중요하지 않다. 그러나, 더 높은 주파수에서는, 가로 방향 표면 전류는 혼의 길이를 퍼져나갈 수 잇는 가이드된 파장을 여기시킬 수 있다. 이러한 가이드된 파장은 (1) 주요 요소를 가진 위상에 존재하지 않는 교차 편극 요소를 도입함으로써, 및/또는 (2) 상당 양의 에너지를 사이드 로브 및/또는 백 로브로 방향을 변화시킴으로써 궁극적으로 방사 패턴을 파괴할 수 있다. 어떤 경우에는, 길이방향 그루브는 가로 방향 전류를 억제하고 사이드 로브와 백 로브 형성을 최소화하기 위하여 단독으로 혹은 핀 위의 자성 코팅과 결합하여 사용될 수 있다.

길이방향 그루브는 가로 방향 전류가 가장 강한 경향이 있는 주파수에서 가장 효율적이 될 수 있다. 예를 들어, 가로 방향의 전류는 혼 작동 주파수 대역이 1-18 ㎓에 놓일때, 약 15-16 ㎓에서 최고일 수 있다. 극단적인 경우에는, 가로 방향 전류는 사이드 로브, 백 로브를 증가시키고 심지어는 주 로브를 분해하는 결과를 초래 할 수 있다. 그러나, 가로방향 전류는 핀 내부에 길이방향 그루브를 형성함으로써 상당히 감소되거나 제거될 수 있다. 비록 본 발명의 다른 실시예에서는 다른 깊이가 더 좋을 수도 있지만; 바람직한 실시예에서, 길이방향 그루브의 깊이는 가로 방향의 전류가 최대일 때 파장의 1/4과 거의 동일할 수 있다. 더 일반적인 실시예에서는, 길이방향 그루브의 깊이는 안테나 요소 두께의 약 1/2과 동일할 수 있다.

도 4-9에 도시된 바와 같이, 여기서 제공되는 안테나 구성은 종래 혼 안테나(도 1-2)에서 전형적으로 포함되는 측면 벽(120)을 제거할 수 있다. 표면 전류는 주로 리지의 가장자리(즉, 안테나 요소)에 집중되기 때문에, 측면벽의 효과는 최소화된다. 어떤 경우에는, 전도 측면벽은 의도된 편극을 손상하는 교차 편극 요소를 도입함으로써 사실상 2중 리지 또는 4중 리지 혼의 의도된 방사 패턴을 손상할 수 있다. 예를 들어, 측벽은 혼의 단면 내에 발생된 기초 모드의 진정한 교차 전자기 특성(TEM)을 손상시킬 수 있다. 그러므로, 어떤 경우에는 도 4-9에 도시된 것처럼, 단지 리지만 있고 측벽이 없는 혼 안테나를 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 사실상, 그러한 혼은 진정한 TEM 구조(즉, E-장 및 H-장이 전개 방향에으로 가로지르는 구조)이다. 그러나, 여기서 제공된 안테나 구성은 필요하다면 측벽을 포함하도록 형성될 수 있다.

본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 최대화된 작동 주파수 대역에서 의도된 방사 패턴의 조절을 향상시킨 2중 리지 및 4중 리지 혼 안테나를 제공하는 본 발명으로부터 큰 이점을 발견할 수 있을 것이다. 또한, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 다양한 측면의 수정 및 대체가 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 혼 안테나의 각 요소들(즉, 공동, 급전 영역, 리지, 테이퍼진 확장 요소 등)은 많은 변형이 가능하고, 이는 다른 결과를 산출하도록 변경될 수 있는 있다. 그러므로, 다음의 청구항들은 그러한 모든 수정 및 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이며, 따라서 명세서와 도면은 제한적이라기 보다는 예시적인 것으로 인식되어야 할 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 안테나는 최대화된 작동 주파수 범위에서 방사 패턴을 의도하는 대로 제어할 수 있는 장점이 있다.

Claims (24)

1. 서로 마주보게 배치되는 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소로서, 상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소는 각각 광대역 혼 안테나의 기부에서 상기 광대역 혼 안테나의 개구면으로 전자기파를 가이드하기 위한 내부면과 상기 내부면의 맞은편에 배치되는 외부면을 포함하는, 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소; 및

   상기 광대역 혼 안테나의 상기 개구면 측의 상기 전도성 안테나 요소의 단부에서 상기 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 각각의 외부면에 연결되는 첫번째 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소로서, 상기 광대역 혼 안테나의 세로축에 수직인 축을 따라 상기 각 외부면에서 서로 반대 방향으로 확장되는 첫번째 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소;를 포함하는 광대역 혼 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 첫번째 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소는 상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 외부면에 고정적으로 결합되는 광대역 혼 안테나.
3. 제1항에 있어서,

   상기 첫번째 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소는 상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 외부면과 일체로 통합 형성되는 광대역 혼 안테나.
4. 제1항에 있어서,

   상기 테이퍼진 확장 요소 외에는 어떤 부가 구조물도 상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 외부면에 결합되지 않는 광대역 혼 안테나.
5. 제1항에 있어서,

   상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 내부면은 볼록한 형태이고, 그 외부면은 직선 형태인 광대역 혼 안테나.
6. 제5항에 있어서,

   표면 전류가 상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 내부면을 따라서만 이동하도록 제한하기 위하여, 상기 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 적어도 일부분에 배열되는 자성 물질을 더 포함하는 광대역 혼 안테나.
7. 제5항에 있어서,

   상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 내부면에 형성된 길이방향 그루브를 더 포함하며, 상기 길이방향 그루브는 상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요 소의 기부로부터 상부로 연장되고, 표면 전류가 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소를 따라 가로 방향으로 흐르는 것을 방지하는 기능을 하는 광대역 혼 안테나.
8. 제5항에 있어서,

   상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 기부와 통합 또는 결합된 공동 구조를 더 포함하며, 상기 공동 구조는 상기 첫번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소에 전류를 공급하기 위한 적어도 하나의 입력 연결기를 포함하는 광대역 혼 안테나.
9. 제8항에 있어서,

   상기 공동 구조 내에는 공동 공명을 억제하고 상기 광대역 혼 안테나의 의도된 방사 패턴의 혼동 또는 변형을 억제하기 위하여 형성된 자성 물질을 더 포함하는 광대역 혼 안테나.
10. 제8항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 입력 연결기에 연결되고, 상기 한 쌍의 전도성 안테나 요소에 전류량은 동일하고 극성이 반대인 전류를 공급하도록 형성된 균형 입력 급전(給電)부를 더 포함하는 광대역 혼 안테나.
11. 제10항에 있어서,

    서로 맞은편에 배치되고, 볼록한 내부면과 직선적인 외부면을 포함하는 두번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소를 더 포함하며, 상기 두번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소는 두번째 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소를 포함하고, 상기 두번째 한 쌍의 테이퍼진 확장 요소는 상기 광대역 혼 안테나의 상기 개구면 측의 두번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 단부에서 상기 두번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소의 각각의 외부면에 연결되고, 상기 첫번째 및 두번째 한 쌍의 전도성 안테나 요소는 이중 편극 전자기파를 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 광대역 혼 안테나.
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