KR101304854B1 - 에피사이클릭 구조 및 등방성 방사를 갖는 평면 통신 안테나 및 연관 방법 - Google Patents

에피사이클릭 구조 및 등방성 방사를 갖는 평면 통신 안테나 및 연관 방법 Download PDF

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Abstract

안테나 디바이스는 기판 상에서 뻗고 내부에 적어도 하나의 갭을 갖는 도전체를 포함하고, 그 도전체는 방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부 및 외측 고리부와 직렬로 접속되고 외측 고리부 내에 뻗어 있고 피드 커플러를 규정하는 적어도 하나의 내측 고리부를 갖는다. 커플링 피드 엘리먼트는 적어도 하나의 내측 고리부에 인접하고, 급전 구조는 외측 고리부에 급전하도록 커플링 피드 엘리먼트에 접속되어 있다. 복수의 내측 고리부에는 복수의 내측 고리부 중 선택된 하나에 인접하는 커플링 피드 엘리먼트가 제공될 수 있다. 복수의 내측 고리부는 공통 크기를 갖고 외측 고리부 내에서 대칭적으로 이격되어 있을 수 있다. 방사 패턴은 안테나 조준 필요성을 없애도록 충분하게 등방성일 수 있다. 에피사이클릭 기하구조 방사 엘리먼트는 컴파운드 안테나 설계를 제공한다.

Description

에피사이클릭 구조 및 등방성 방사를 갖는 평면 통신 안테나 및 연관 방법{PLANAR COMMUNICATIONS ANTENNA HAVING AN EPICYCLIC STRUCTURE AND ISOTROPIC RADIATION, AND ASSOCIATED METHODS}
본원발명은 무선 통신 분야, 더 구체적으로는, 안테나 및 관련 방법에 관한 것이다.
최근 디자인 및 제조 기술은 전자 부품이 소형화되게 하고 많은 통신 디바이스 및 시스템을 소형화시켜 왔다. 불행하게도, 안테나는 필적하는 수준으로 크기가 줄어들지 않았고 소형 통신 디바이스에서 사용되는 큰 부품 중 하나이기도 하다. 통신 애플리케이션에 있어서는, 안테나 크기를 줄이는 것 뿐만 아니라 충분한 이득을 갖고 크기의 스케일링이 가능한 안테나를 설계 및 제조하는 것의 중요성이 더 증가하게 되었다.
오늘날 일상의 통신 디바이스에 있어서는, 많은 여러 형태의 패치 안테나, 로디드 휩, 구리 스프링(코일 및 팬케이크) 및 다이폴이 다양한 여러 방법으로 사용되고 있다. 그렇지만, 이들 안테나는 흔히 크고 특정 애플리케이션에 비실용적이다. 다이버징 전류를 갖는 안테나는 소위 다이폴이라 할 수 있고, 컬링 전류를 갖는 안테나는 루프라 할 수 있고, 다이폴-루프 하이브리드는 헬릭스 및 스파이럴을 포함할 수 있다. 다이폴 안테나는 박형 선형 또는 "1차원" 형상이고, 루프 안테나는 적어도 2차원이다. 루프 안테나는 평면 요건에 잘 맞을 수 있다.
물론 안테나는 많은 기하학적 형상을 취할 수 있다. 유클리드 기하학적 구조는 대대로 알려진 최적화를 전해오고 있어서 안테나 대해 종종 우선적이다. 예컨대, 선형 다이폴은 2점간 최단 거리를 가질 수 있고, 원형 루프 안테나는 최소 둘레로 최대 폐면적을 가질 수 있다. 그래서, 선형 및 원형 둘다 안테나 도체 길이를 최소화할 수 있다. 단순 유클리드 안테나는 파장에 비해 작은 물리적 크기에서의 동작과 같은 모든 요구를 아직 충족시킬 수 있는 것은 아니고 셀프 로딩 안테나 구조가 필요할 수 있다. 사이클릭 곡선이 안테나 및 안테나 어레이에 유리할 수 있지만, 사이클릭 안테나는 아직 종래기술에 있어서 흔해 보이진 않는다.
단순 플랫 또는 패치 안테나는 저비용으로 제조될 수 있고 모바일 통신 분야에 대한 안테나로서 개발되어 왔다. 플랫 안테나 또는 박형 안테나는, 예컨대, 유전체 물질을 통해 접지된 도전성 플레이트 위에 소정 크기로 절단된 패치 도체를 배치함으로써 구성된다. 이러한 구조는 비교적 단순 구조로 준평면 다이폴 안테나가 제조될 수 있게 한다. 그러한 안테나는 인쇄회로기판(PCB)과 같은 기기에 쉽게 장착될 수 있다.
랜드 모바일과 같은 많은 애플리케이션은 수평면에 장착될 때 수직 편파를 갖는 박형 평면 안테나를 필요로 할 수 있다. 그러한 안테나는 평면 모노폴일 수 있고, 마이크로스트립 "패치" 안테나라고도 알려져 있다. 인쇄회로 제조를 포함하고 낮은 프로파일로 장착될 수 있고 높은 이득 및 효율을 갖는다는 이들 안테나의 이점은 그들이 많은 애플리케이션에 있어서 선택받는 안테나가 되게 하였다. 그렇지만, 마이크로스트립 패치 안테나는 전형적으로 좁은 주파수 대역에서만 효율적이다. 그들은 파 팽창에 열악한 형상이어서, 마이크로스트립 안테나 대역폭은 안테나 두께에 비례한다. 대역폭은 두께가 소실될수록 영에 다가갈 수도 있다(예컨대, Munson, page 7-8 "Antenna Engineering Handbook", 2nd ed., H. Jasik ed. 참조). 박형 평면 형상으로는, 마이크로스트립 패치보다 루프 안테나가 면적에 대해 더 많은 대역폭을 줄 수 있다.
많은 소형 안테나의 방사 패턴 형상은 반파 다이폴과 마찬가지로 토로이달 또는 cos2θ 로즈이다. 등방성 방사 패턴은 구형상인 것인데, 그것은 안테나가 조준 또는 지향되지 않을 때 이로울 수 있다. 충분한 등방성 방사를 갖는 평면 구조의 소형 안테나는 상당히 유용할 수 있다.
착용 안테나는 바닷물의 속성과 다소 유사하게 대략 50 패럿/미터의 비유전율 및 1 모/미터의 도전율을 갖는 사람의 살 가까이에서 동작할 수 있다. 살은 절연되지않은 안테나가 피부에 접촉하면 전류(I) 손실이 있고, 유전 가열에 의해 근거리 전계(E) 손실이 있고, 와전류의 유도에 의해 근거리 자계(H) 손실이 있다. 착용 안테나의 설계에 있어서는, 예컨대 유전 가열은 고주파수일수록 더 확연하고, 와전류의 유도는 저주파수일수록 더 중요하고, 절연은 도전 전류 손실을 회피할 수 있다 등 이들 영향을 고려하는 것이 중요할 수 있다.
안테나 주파수 안정도는 드리프팅된 동조가 이득 축소를 야기시킬 수 있으므로 또다른 관심사이다. 사람의 육체에 아주 근접함에 의해 영향받지 않는 소형 안테나는 거의 없다. 근거리계(E 또는 H) 중 일형태만을 트랜스듀싱하는 안테나가 이로울 수 있지만, 그것은 알려져 있지 않은 것 같다.
차폐된 착용 안테나는 손실을 줄이도록 안테나와 신체 사이에 금속층을 사용할 수 있다. 차폐는 신체 영향을 줄이긴 하지만, 차폐 그 자체가 영향을 미친다. 도전성 차폐는 충분한 크기일 것이고 효율 및 대역폭을 축소시킬 수 있다: 차폐 반사는 예컨대 신호 상쇄를 야기하는 180도 위상차와 같은 미러의 역상에 유사할 수 있다. 가능하면 착용 안테나에 있어서는 차폐 및 접지면을 회피하는 것이 우선적일 수 있다.
Lilly 등의 미국특허 제6,501,427호 "Tunable Patch Antenna"는 기판 상에 MEMS 스위치처럼 세그먼트 패치 및 리드를 포함하는 패치 안테나에 관한 것이다. 구조물의 세그먼트는 안테나를 재구성하도록 스위칭되어, 넓은 동조가능한 대역폭을 제공할 수 있다. 순시 대역폭은 어쨋든 영향받지 않을 수 있다.
Sampo의 미국특허 제7,126,538호 "Microstrip antenna"는 접지된 도전성 플레이트 상에 배치된 유전체 부재를 갖는 마이크로스트립 안테나에 관한 것이다. 패치 안테나 엘리먼트는 유전체 부재 상에 배치되어 있다.
Parsche의 미국특허 제7,495,627호 "Broadband Planar Dipole Antenna Structure and Associated Methods"는 다항 동조에 의해 증가된 순시 이득 대역폭을 갖는 평면 다이폴-원형 마이크로스트립 패치 안테나를 기술하고 있다. 그렇지만, 예컨대, 수직 보다는 수평 편파, 또는 무지향성보다는 등방성 방사 등 다른 요구에는 다른 안테나 형태가 필요할 수 있다.
주파수에 관하여 유연하고 그리고/또는 스케일링이 가능하고 충분한 이득을 제공할 수 있는 평면 안테나에 대한 필요성이 있다. 그러한 안테나는 예컨대 의료 및 생체 정보의 원격 계측을 제공하도록 환자가 착용가능한 모니터링 디바이스에서의 사용에 소망될 수 있다. 또한, 제품 지향성에 대한 필요성을 회피하도록, 예컨대, 무선 측위 태그 또는 텀블링 위성에 유용할 수 있는 바와 같이 안테나 조준에 대한 필요성을 회피하도록 충분하게 등방성의 방사 패턴을 갖는 안테나가 필요하다.
따라서, 상기 배경을 볼 때, 본원발명의 목적은 신체에 인접하여 착용될 수 있고 안정된 주파수 및 충분한 이득을 갖는 평면 안테나 디바이스를 제공하는 것이다. 또다른 목적은 비지향식 통신 디바이스에 충분한 등방성의 안테나를 제공하는 것이다.
본원발명에 따른 이들 및 다른 목적, 특징 및 이점은 기판 상에서 뻗고 내부에 적어도 하나의 갭을 갖는 도전체를 포함하는 안테나 디바이스에 의해 제공된다. 도전체는 방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부, 및 외측 고리부와 직렬로 접속되고 외측 고리부 내에 뻗고 피드 커플러를 규정하는 적어도 하나의 내측 고리부를 갖는다. 커플링 피드 엘리먼트(유도 결합 급전 고리)는 적어도 하나의 내측 고리부에 인접해 있고, 급전 구조는 외측 고리부에 급전하도록 커플링 피드 엘리먼트에 접속되어 있다.
외측 고리부는 제1 직경을 갖는 원형 형상이고, 적어도 하나의 내측 고리부는 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 원형 형상일 수 있다. 제2 직경은 제1 직경의 3분의 1보다 작을 수 있다. 또한, 제1 직경은 상기 안테나 디바이스의 동작 파장의 3분의 1보다 작을 수 있다.
적어도 하나의 갭 및 피드 커플러는 대척적(diametrically opposed)인 것이 바람직하다. 복수의 내측 고리부에는 복수의 내측 고리부 중 선택된 하나에 인접하는 커플링 피드 엘리먼트가 제공될 수 있다. 복수의 내측 고리부는 공통 크기를 갖고 외측 고리부 내에서 대칭적으로 이격되어 있을 수 있다. 기판은 유전체 물질일 수 있고 도전체와는 반대측상에 접착층을 더 포함할 수 있다. 커플링 피드 엘리먼트는 자기 커플러 고리일 수 있다. 급전 구조는 인쇄 급전선, 트위스티드 페어 급전선 또는 동축 급전선일 수 있다.
본원발명의 일태양은 가요성 기판, 가요성 기판 상의 센서 회로, 센서 회로에 결합된 배터리 및 센서 회로에 결합된 안테나를 포함하는 전자 센서에 관한 것이다. 안테나 디바이스는 기판 상에서 뻗고 내부에 적어도 하나의 갭을 갖는 도전체를 포함한다. 도전체는 방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부, 및 외측 고리부와 직렬로 접속하고 외측 고리부 내에 뻗고 피드 커플러를 규정하는 적어도 하나의 내측 고리부를 포함한다. 커플링 피드 엘리먼트는 적어도 하나의 내측 고리부에 인접해 있고, 급전 구조는 외측 고리부에 급전하도록 센서 회로와 커플링 피드 엘리먼트의 사이에 결합되어 있다.
본원의 일태양의 방법은, 기판 상에서 뻗고 내부에 적어도 하나의 갭을 갖는 도전체로서, 방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부 및 외측 고리부와 직렬로 접속되고 외측 고리부 내에 뻗고 피드 커플러를 규정하는 적어도 하나의 내측 고리부를 갖는 도전체를 제공하는 단계를 포함하는 무선 전송 디바이스 제조 방법에 관한 것이다. 그 방법은 적어도 하나의 내측 고리부에 인접해서 커플링 피드 엘리먼트를 위치시키는 단계, 및 외측 고리부에 급전하도록 급전 구조를 커플링 피드 엘리먼트에 접속시키는 단계를 포함한다.
외측 고리부는 제1 직경을 갖는 원형 형상으로 형성되고, 적어도 하나의 내측 고리부는 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 원형 형상으로 형성될 수 있다. 적어도 하나의 갭 및 피드 커플러는 대척적으로 형성될 수 있다. 또한, 도전체의 형성은 복수의 내측 고리부의 형성을 포함할 수 있고, 커플링 피드 엘리먼트는 복수의 내측 고리부 중 선택된 하나에 인접하여 위치되어 있다.
본원 실시예의 안테나 디바이스는 임의의 크기 및 주파수로 스케일링이 가능하다. 그 안테나는 예컨대 신체에 착용가능한 환자 모니터링 디바이스에서 등 저비용 가요성 평면 안테나를 필요로 하는 것과 같은 많은 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 그 안테나 디바이스는 사용될 때 사람의 신체로부터 떨어진 안테나 조준 또는 지향 필요성을 회피하기에 충분한 등방성일 수 있다.
도 1은 본원발명의 일실시예에 따른 안테나 디바이스의 개략선도,
도 2는 본원발명의 다른 실시예에 따라 다수의 내측 고리를 포함하는 안테나 디바이스의 개략선도,
도 3은 본원발명의 또다른 실시예에 따른 안테나 디바이스를 포함하는 전자 센서의 개략선도,
도 4a 내지 도 4d는, 도 1의 안테나 디바이스에 대한 그래프로서, 자유공간 방사 패턴 좌표 시스템 및 총 필드 실현 이득(dBi)에 대해 XY, YZ 및 XZ 평면에서의 각자의 패턴 단면을 예시하는 그래프,
도 5는 본원발명의 도 1의 실시예의 측정된 VSWR 응답의 그래프, 및
도 6은 다양한 도체 크기에 대해 도 1의 실시예의 실현 이득의 그래프.
이제 본원발명은 바람직한 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여 이하 더 충분하게 기술될 것이다. 그렇지만, 본원발명은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있고, 여기에서 설명된 실시예에 국한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그보다는, 이들 실시예는 당업자에게 본원의 개시가 철저하고 완전하게 되고 본원의 범위를 충분하게 전하도록 제공되는 것이다. 유사한 숫자는 내내 유사한 구성요소를 가리킨다.
먼저 도 1을 참조하여, 안정된 주파수 및 충분한 이득을 갖는 평면 안테나 디바이스(10)가 설명될 것이다. 그러한 안테나 디바이스는 예컨대 사람의 신체에 인접해 착용되는 전자 디바이스 또는 센서와 연관하여 사용될 수 있다. 필수적인 것은 아니지만, 평면 안테나 디바이스(10)는 가요성일 수 있다. 안테나 디바이스(10)는 기판(14) 상에 거주하고 내부에 적어도 하나의 갭(16)을 갖는 도전체(12)를 포함한다. 기판(14)은 유전체 물질인 것이 바람직하고 가요성이다. 갭(16)은 안테나 디바이스(10)의 동조 특징으로 동작할 수 있다. 그러한 갭(16)은 정합 강화를 위해 도전체 내 전류 분포를 회전시킬 수 있다. 옵션으로서, (도시하지 않은) 가변 커패시터가 동조를 위해 갭(16)을 가로질러 접속될 수 있다.
도전체(12)는 방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부(18), 및 외측 고리부(18)와 직렬로 접속되어 외측 고리부 내로 뻗어있는 피드 커플러를 규정하는 적어도 하나의 내측 고리부(20)를 포함한다. 내측 고리부(20)는 외측 고리부(18)와 직렬인 루프로 생각될 수 있지만, 바람직하게는, 도전체(12)의 교차점(32) 어디에서도 전기적 접속은 없음을 유념해야 한다. 커플링 피드 엘리먼트(22; 유도 결합 급전 고리)는 내측 고리부(20)에 인접해 있고, 송전선(24)은 내측 고리부(20)를 통한 유도성 또는 자기 결합을 통하여 외측 고리부(18)에 급전하도록 커플링 피드 엘리먼트(22)에 접속되어 있다. 그처럼, 커플링 피드 엘리먼트(22)는 자기 커플러 고리일 수 있다. 커플링 피드 엘리먼트(22)는 도체 교차점(32) 어디에서도 내측 고리부(20) 또는 외측 고리부(18)로의 도전성 접속을 만들지 않는다.
평면 안테나 디바이스(10)는 예컨대 박형 절연 와이어로 또는 인쇄배선기판(PWB)으로 등 여러 방식으로 실현될 수 있다. 도체(12)가 절연된 와이어일 때, 내측 고리부는 루프, 만곡부 또는 느슨하게 휘갑친 매듭(도시하지 않음)으로 형성될 수 있다. PWB 실시예에 있어서는, 당업자에게 익숙한 바와 같이, 비아는 외측 고리부(18)와 내측 고리부(20)의 도체를 교차시킬 수 있다.
예시된 바와 같이, 외측 고리부(18)는 예컨대 대략 0.124λ 또는 안테나 디바이스(10)의 동작 파장(λ)의 3분의 1 미만의 제1 직경(A)을 갖는 원형 형상을 가질 수 있다. 갭(16)은 대략 0.0044λ의 길이(B)를 가질 수 있고, 내측 고리부(20)는 예컨대 제1 직경(A)보다 작은 0.022λ의 제2 직경(C)을 갖는 원형 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 제2 직경(C)은 제1 직경(A)의 3분의 1 미만일 수 있다. 또한, 갭(16) 및 피드 커플러 내측 고리부(20)는 대척적인 것이 바람직하다. 커플링 피드 엘리먼트(22)는 예컨대 대략 0.022λ의 직경(D)을 가질 수 있다. 그러므로, 커플링 피드 엘리먼트(22)는 내측 고리부(20)와 동일하거나 조금 작은 직경일 수 있다.
기판(14) 또는 유전체 물질은 도전체(12)와 반대측 상에 접착층(26)을 더 포함할 수 있다. 급전 구조(24)는 인쇄 급전선, 트위스티드 페어 급전선 또는 동축 급전선, 또는 당업자가 알아보는 임의의 다른 적합한 급전 구조일 수 있다.
도 1에 예시된 단일 내측 고리부 실시예의 물리적 프로토타입에 대한 성능 개요는 아래의 표 1에 포함되어 있다.
본원발명의 도 1 실시예의 물리적 프로토타입의 성능 개료
파라미터 사양 기반
안테나 유형 유도성 결합 루프,
에피사이클로이드 기하구조		 컬링 전류
내측 고리(20)의 수
(사이클릭 페탈의 수)		 1개 특정됨
프로토타입 안테나 구성 박형 절연 와이어
(PWB 적합가능)		 특정됨
공진 주파수 371.19MHz 측정됨
직경 A(전체 크기) 0.124 파장(0.100 미터) 측정됨
갭 B 폭 0.0044 파장(0.0036 미터) 측정됨
직경 C 0.022 파장(0.0177 미터) 측정됨
직경 D 0.022 파장(0.0177 미터) 측정됨
도전체(12) 박형 절연 구리 와이어, #22
AWG, (0.8x10-3 파장 직경)		 측정됨
안테나 두께 실질적 평면 특정됨
방향성 +1.7 dBi 계산됨, 자유공간
실현 이득 +1 dBi 측정됨, 자유공간
실현 이득 -15.9 dBi 계산됨, 사람의 신체상
편파 모든 룩 앵글에서
실질적 선형		 측정됨
편파 센스 안테나 디바이스(10)가
수평으로 지향될 때 수평		 측정됨
구동점 임피던스 55 + j0.2 옴 측정됨
VSWR 50 옴 시스템에서 1.1 대 1 측정됨, 자유공간
주파수 응답 형상 쿼드라틱 측정됨
2:1 VSWR 대역폭 3.3% (12.1 MHz) 측정됨, 자유공간
3 dB 이득 대역폭 5.17% (19.2 MHz) 계산됨, 자유공간
방사 패턴 형상 +- 3.0 dB 내 구 시뮬레이팅됨, 자유공간
방사 패턴 형상 대략 카도이드 시뮬레이팅됨,사람의 신체상
근거리계 방사상 성분은 자기 커플러로 검증됨
동조가능 예 검증된 가변 커패시터
배경으로서, 단일의 동조된 3dB 이득 대역폭(1/kr3)에 대한 Chu의 한계는 0.124 파장 직경의 구에 에워싸인 안테나에 대해 11.7%이다. 그러므로, 본원발명(10)은 Chu의 단일의 동조된 이득 대역폭 한계("Physical Limitations of Omnidirectional Antennas", L.J.Chu, Journal of Applied Physics, Volume 19, December 1948, pp 1163-1175)의 40% 가까이서 동작할 수 있다. Chu의 한계에 따른 안테나는 물론 알려져 있지 않을 수 있고 본원발명은 충분한 등방성 방사, 제조의 용이함, 인테그랄 발룬, 단일 제어 동조 등의 이점을 제공할 수 있다. 박형 스트레이트 1/2파 다이폴은 Chu의 단일의 동조된 대역폭 한계의 5% 가까이서 동작할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 자유공간 방사 패턴 좌표 시스템(도 4a) 및 XY 평면(도 4b), YZ 평면(도 4c) 및 ZX 평면(도 4d)에서의 각자의 주평면 방사 패턴 단면에 있어서 본원발명을 예시하는 그래프이다. 도시된 양은 여기에 참조로 편입되어 있는 IEEE standard 145-1993에 기술된 바와 같이 등방성 방사기에 관하여 dBi 또는 데시벨 단위의 총 필드 실현 이득이다. 여기서의 실현 이득은 부정합 손실 및 재료성 손실을 포함한다. 이롭게도, 방사 패턴은 +- 3.0 dBi 내에 대해 등방성(구 형상)이다. 편파는 실질적으로 선형이고 안테나 구조가 수평면에 있을 때 수평적이다. 도 4b 내지 도 4d 방사 패턴은 도체 저항 및 정합 조건을 고려하여 모멘트 분석 코드의 방법으로 획득되었다.
본원발명이 (통신 링크의 타단에서) 원형 편파 안테나와 결합하여 사용되면, 본원발명은 무작위로 지향될 때 얕은 페이드만을 일으킬 것이다. 이것은, 편파 부정합 손실이 거의 일정한 3 dB(선형에 대한 원형)이고 상기한 바와 같이 본원발명의 방사 패턴이 +/- 3dB 내에 대해 등방성이기 때문이다. 그러므로, 본원발명은 안테나가 페이저, 무선 측위 디바이스 또는 텀블링 위성에 대해서처럼 조준 또는 지향될 수 없을 때 유용할 수 있다. 본원발명과 결합하여 원형 편파 안테나를 사용하는 것은 여기에서의 방법으로 구체적으로 식별된다.
도 5는 본원발명의 도 1 실시예의 표 1의 프로토타입의 측정된 전압정재파비(VSWR) 응답을 묘사하고 있다. 측정된 2 대 1 VSWR 대역폭은 3.3% 이었고, 송신 목적에 유용할 수 있다. 6 대 1 VSWR 동작은 6 대 1 VSWR 주파수가 소형 안테나에서 안테나 3dB 이득 대역폭 주파수와 대응할 수 있으므로 수신에 관련될 수 있다.
이제 도 1의 안테나(10)에 대한 동작 이론이 설명될 것이다. 그에 국한되는 것은 아니지만, 우선적으로, 평면 안테나 디바이스(12) 실시예의 기하구조는 r = 0.5 + cosθ를 갖는 파스칼의 리마송(Limacon of Pascal)으로 알려져 있는 사이클릭 수학 곡선이다. 파스칼의 리마송은 "CRC Standard Mathmatical Tables, 25th edition, copyright 1978, page 308, case(1) a＞b"로부터 그 방정식을 얻을 수 있는 에피트로코이드 곡선의 특별한 경우이다. 이 문서는 Chemical Rubber Company에 의해 발행되고 여기에 참조로 편입되어 있다.
동작 이론을 계속하여 도 1을 참조하면, 외측 고리부(18)는 무선 주파수(RF) 전류를 컬링하는 원형 방사 엘리먼트, 예컨대, 루프 안테나이다. 와이어를 따른 전류 분포는 실질적으로 정현파형이고, 갭(16)에서 최소이고, 내측 고리부(20)에서 최대이다. 원거리계 방사 패턴은 외측 고리부(18)에서만의 전류 분포의 푸리에 변환과 관련될 수 있고, 내측 고리부(20)의 방사 저항(Rr)은 대략 2 내지 4 밀리옴이고 (더 큰) 외측 고리부(18)의 방사 저항은 3 내지 6 옴일 수 있다. 방사 저항 값은 근사적이고 도체 직경 및 갭 폭에 종속적이지만, 일반적으로, (외측 고리 Rr) ＞＞ (내측 고리 Rr)이다. 도 1의 실시예에 있어서는 주로 커플링 목적으로 구성되어 있지만, 내측 고리부(20)는 30 퍼센트의 주파수 감축에 대하여 371MHz 프로토타입에서 약간의 대략 15 나노헨리의 유도성 로딩을 제공하고, 그래서, 외측 고리부(18)의 자연 공진은 직렬 내측 고리부(20) 없이는 대략 30% 더 높을 것이다. 내측 고리부(20) 및 외측 고리부(18)의 도체 저항 더하기 조합된 방사 저항은 동축 피드 관행에서 빈번하게 구해지는 바와 같이 50옴보다 실질적으로 작을 수 있고, 그래서 불연속을 갖는 구동은 충분하지 않을 수 있음을 유념하라.
동작 이론을 계속하여 도 1을 참조하면, 커플링 피드 엘리먼트(22)는 송전선(24)으로부터 안테나 구조의 방사부를 구동시키도록 사용되고, 커플링 피드 엘리먼트(22)는 안테나 방사 저항 더하기 손실 저항을 50 옴 또는 소망의 다른 저항 값으로 리퍼링한다. 내측 고리부(20) 및 커플링 피드 엘리먼트(22)는 각각의 단 하나의 턴의 트랜스포머 와인딩에 유사하고 링크 커플러의 반을 포함할 수도 있다. 따라서, 임피던스 변환비는 소결합 또는 밀결합에 의해 설정되고 도 1/표 1의 프로토타입에 있어서는 대략 10 대 1의 임피던스 변환비가 스텝다운으로 실현되었다(5옴 안테나 대 50옴 동축).
유도성 동조되고 링크 커플링된 회로에 대한 설계 방정식은 "Radio Engineers Handbook", Fredrick E. Terman, McGraw-Hill Book Company, 1943, pp153-162에 기술되어 있고 이 문서는 여기에서 참조로 인용되어 있다. 배경으로서, 익숙한 트랜스포머 설계 관행은 밀결합된 다중 턴 와인딩간 같지 않은 턴 비 (N1/N2)≠1에 의해 임피던스 변환을 달성하는 것일 수 있다. 그렇지만, 본원발명에 있어서, 임피던스 변환비는 같지 않은 와인딩 턴을 사용하는 것보다는 와인딩 크기를 다르게 하는 것에 의해 설정된다. 내측 고리부(20)와 커플링 피드 엘리먼트(22)간 증가된 스페이싱은 안테나 구동 저항을 줄인다. 역으로, 감소된 스페이싱은 안테나 구동 저항을 증가시킨다. 커플링 피드 엘리먼트(22)의 크기를 줄이는 것은 획득되는 안테나 구동 저항을 줄인다. 커플링 엘리먼트(22)가 안테나 디바이스(10)로부터 멀리 위치해 있을 때, 그것은 단순 인덕터가 되고 하나의 프로토타입에 있어서 그것은 그 자체로 Z = 2 + j80 옴의 복소 임피던스를 가졌고, 후에 내측 고리부(20) 위에 위치할 때 안테나 임피던스는 Z = 55 + j0.2 옴으로 되었다. 표 1의 프로토타입은 3dB 이득 대역폭에 기초하여 대략 37의 회로 Q를 갖는 임계 결합에서 동작하였다.
동작 이론을 계속하면, 본원발명 안테나(10)의 공진 주파수는, 커플링된 회로에 공통이듯이, 커플링이 증가하면 대체로 조금 위로 시프팅한다. 이러한 시프트는 대략 설계 주파수의 1/2 내지 2 퍼센트일 수 있고 동조에 있어서 보상될 수 있다. 제조에 있어서, 갭(16)은 초기에 작게 만들어지고 안테나(10)는 초기에 주파수가 낮을 수 있다. 그후 안테나(10)는 예컨대 동조 또는 제조 트리밍 등 갭(16)에서의 애블레이션에 의해 정밀하게 그리고 상향으로 조절될 수 있다. 물론 본원발명은 수동 주파수 조절을 필요로 하도록 국한되는 것은 아니지만, 마이크로스트립 패치 안테나와 달리, 본원발명은 인쇄된 송전선이 내부적으로 요구되지 않으므로 PWB 유전체 변화에 비교적 덜 민감하다.
도 1 실시예의 동작 이론을 계속하면, 내측 고리부(20) 및 커플링 피드 엘리먼트(22)는, 내측 고리부(20)와 커플링 피드 엘리먼트(22)간 부유 커패시턴스가 중요하지 않거나 거의 그러하므로, 커플러에 더하여 발룬의 격리 트랜스포머 형태를 함께 형성한다. 발룬 디바이스는, 순차적으로 동축 케이블의 비의도적 방사를 야기시킬 수 있는 동축 피드 케이블 외측상의 공통 전류를 줄이거나 제거할 수 있다. 발룬 효과에 기인하여, 본원발명은 도전 전자기 간섭 제거(conducted EMI rejection)의 유익한 속성도 가질 수 있다.
도 2에 예시된 실시예를 보면, 안테나 디바이스(100)는 외측 고리부(118) 및 내부의 연관된 갭(106)을 갖는 도전체(112)를 포함한다. 안테나 디바이스(100)는 복수의 내측 고리부(120)를 포함한다. 커플링 피드 엘리먼트(122)는 피드 커플러 내측 고리부(121)에 인접해 있고, 급전 구조(124)에 접속되어 있다. 복수의 내측 고리부(120)는 공통 크기를 가질 수 있고 외측 고리부(118)내에 대칭적으로 이격되어 있을 수 있다. 예시된 바와 같이, 그 실시예는 8개의 내측 고리부(120/121)를 포함하고 있지만, 그 수는 주파수 및 안테나 크기를 독립적으로 조절할 수 있다.
내측 고리부(120/121)는 사이클로이드 더 정확하게는 하이포트로코이드의 페탈로 고려될 수 있다. 페탈은 방사 루프 안테나 엘리먼트의 직렬 급전 어레이 및/또는 로딩 인덕터를 규정한다. 피드 커플러 내측 고리부(121)는 커플링 피드 엘리먼트(122)와 함께 발룬 초크를 규정할 수 있다.
도 2(다중 내측 고리부)의 안테나(100)는 주로 전기적 소형 크기 요구를 지향하는 것이고 직경(E)의 선호되는 범위는, 안테나(100)가 더 작게 만들어질 수도 있지만, 대략 0.125λ 내지 0.0625λ일 수 있다. 본원발명의 사이클로이드 기하구조는, 내측 고리 페탈(120)을 형성할 때, 도전체(132)의 크로스오버를 닿지 않게 트레이싱하는데, 이롭게도, 내측 고리(120)의 필드와 외측 고리(118)의 필드간 반대 페이징보다는 보강 페이징을 보장함을 주목하라.
도 2의 실시예는 최소 크기에서의 이득 트레이드로 주파수 및 크기의 최대 조합으로 실현될 수 있다. 당업자는 알아볼 수 있듯이, 전기적 소형 안테나에서의 안테나 이득은, 충분히 소형의 크기를 갖고 실온에서 금속 도체를 사용하는 모든 오늘날의 안테나에 대한 근본적 제한을 포함하는 도체 손실 저항에 의해 영향받을 수 있다. 크기 감소로 상승하는 방사 저항을 가질 수 있는 슬롯 안테나라도 도체 근접 효과의 개시에 기인하여 손실 저항 제약을 받는다. 본원발명에 있어서, 슬롯 효과는 도체(12) 폭을 대략 0.20C 미만으로 유지함으로써 회피될 수 있는데, 최선의 이득에 대해 도체 직경(12)은 내측 커플링 고리(120)의 직경(C)의 대략 10분의 2보다 크지 않아야 한다는 것을 의미한다. 도체 근접 효과가 단일 턴을 가로질러 일어날 수 있기 때문에 박형 도체가 우선시된다.
도 2 실시예는 부가된 로딩 효과를 위해 내측 고리부(120)의 내부에 부가적인 내측 고리부(128)를 포함할 수 있다, 예컨대, 본원발명은 많은 반복의 주기적 또는 프랙탈 구조를 형성할 수 있다. 일반적으로, 외측 고리부(118)의 점점 더 작은 직경(E)에 대하여 점점 더 많은 내측 고리부(120, 128)가 구성될 수 있다. 다중 공진 또는 고조파 시리즈 응답을 조절하도록 내측 고리부(120, 128)의 직경을 다르게 하는 것 또는 점진적으로 변경하는 것이 예측되고 사용될 수 있다. 프로토타입에 있어서, 기수 고조파에서 공진이 있었다.
도 2 실시예의 물리적 프로토타입은 직경 F = 0.01λair의 8개의 내측 고리부(120)를 사용하여 E = 0.033λair에서 공진하였다. 내측 고리부(120)는 서로 겹치지 않았고, 각각 대략 25 나노헨리의 로딩 인덕턴스를 제공하였고, 그 조합된 전체 로딩 효과는 대략 4.8 내지 1 주파수 축소였다, 예컨대, 어떠한 내측 로딩 고리(120)도 없으면 안테나(100) 공진 주파수는 583MHz 이었을 것이다. 도 2의 프로토타입은 121.5 MHz에서 동작하였고 3.2 인치의 외측 직경 및 대략 -10 dBi 실현 이득을 갖는다. 퀄리티 팩터(Q)는 22에서 측정되었는데, 대역폭 및 다른 고려사항과 관련된다.
도 3을 참조하여, 본원발명의 특징에 따른 안테나 디바이스(202)를 포함하는 전자 센서(200)가 이제 설명될 것이다. 센서(200)는 가요성 기판(214), 가요성 기판 상의 센서 회로(230), 센서 회로에 결합된 배터리(232) 및 센서 회로에 결합된 안테나 디바이스(202)를 포함한다. 전자 센서(200)는 예컨대 사람의 생체 징후 등의 의료 원격 계측을 위해 신체 착용가능한 환자 모니터링 디바이스를 규정할 수 있다.
안테나 디바이스(202)는 기판(214) 상에서 뻗고 내부에 적어도 하나의 갭(216)을 갖는 도전체(212)를 포함한다. 도전체(212)는 방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부(218), 및 피드 커플러를 규정하고 외측 고리부(218)와 직렬로 접속되고 외측 고리부 내에 뻗어있는 적어도 하나의 내측 고리부(220)를 포함한다. 커플링 피드 엘리먼트(222)는 적어도 하나의 내측 고리부(220)에 인접해 있고, 급전 구조(224)는 외측 고리부(218)에 급전하도록 센서 회로(230)와 커플링 피드 엘리먼트(222)의 사이에 결합되어 있다.
기판(214)은 예컨대 이면상에 접착제(226)를 갖는 의료 등급 직물 또는 가요성 붕대일 수 있다. 그처럼, 전자 센서(200)는 생체 징후 등과 같은 환자 의료 정보의 무선 원격 계측을 제공하도록 환자의 신체에 착용될 수 있다. 센서 회로(230)는 컨트롤러/프로세서로 처리되고 무선 송신기를 통해 송신되는 심장 박동률, ECG, 호흡, 체온, 혈압 등과 같은 생체 정보를 모니터링하기 위한 다양한 센서를 포함할 수 있다. 당업자는 알 수 있는 바와 같이, 무선 네트워크 및 데이터 관리 시스템이 그러한 전자 센서(200)의 사용과 연관될 것이다.
신체 착용 애플리케이션에 있어서, 본원발명 안테나 디바이스(202)의 방사상 근자계는 신체의 유전 가열이 최소화될 수 있으므로 안테나 효율에 이로울 수 있는데, UHF(300-3000MHz) 및 더 높은 주파수에서 중요할 수 있다. 안테나(202)는, 전형적인 마이크로스트립 패치 안테나 관행과 달리, 안테나(202)와 환자의 신체 사이에 차폐 또는 접지면 없이 동작가능하다. 예컨대 붕대에 있어서, 안테나 디바이스(202)는 이롭게도 환자 편의성 박형 와이어 및 통기성 가요성 기판(214)으로 되어 있을 수 있다. 예컨대, 2441 MHz에서 안테나 디바이스(202)는 직경이 대략 0.6 인치이고 묶기, 매듭 또는 짜집기에 의해 #50 AWG 구리 자석 와이어로 제조될 수 있다.
도 6은 다양한 구리 와이어 크기 및 주파수에 대해 본원발명의 (하나의 내부 고리부(20)만을 사용하는) 도 1의 실시예의 자유공간 실현 이득을 나타내고 있다. 도 6의 예에 있어서, 외측 고리부(18) 및 내측 고리부(20)는 동일한 와이어 게이지로 되어 있다. 도 6으로부터 알아볼 수 있듯이, 본원발명은 가는 도체로 만들어질 때 유용한 방사 효율을 제공할 수 있다. 배경으로서, #50 AWG(American Wire Gauge) 와이어는 직경이 25 미크론이고 사람의 머리카락 한가닥은 직경이 대략 100 미크론일 수 있다. 물론 본원발명은 와이어 구성으로 국한되는 것은 아니고, 인쇄배선기판, 스탬핑된 금속, 도전성 잉크, 튜빙 또는 다른 구성이 사용된다.
5 대 1 이상의 넓은 동조가능한 대역폭은 갭(16)을 가로질러 (도시하지 않은) 가변 커패시터의 포함에 의해 본원발명의 도 1의 실시예에서 낮은 VSWR로 실현되었다. 커플링 피드 엘리먼트(22)에 대한 내측 고리부(20)의 트랜스포머 행동은 사실상 광대역이고 따라서 가변 커패시터는 유일한 동조 조절만이 요구되고, 예컨대, 단일 제어 동조가 실현된다. 갭(16)에서 증가하는 커패시턴스는 주파수를 줄이고 동조 시프트는, 공진식 F = 1/2π√LC로부터 나오듯이, 대략 커패시턴스 변화의 제곱근이다. 여기서, L은 안테나(10)의 인덕턴스이다. 버랙터 다이오드는 전자 동조를 제공할 수 있고 트위스티드 와이어 커패시터도 갭(16)에 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 방법의 일태양은 기판(14) 상에 뻗고 적어도 하나의 갭(16)을 갖는 도전체(12)를 형성하는 단계를 포함하는 안테나 디바이스(10) 제조 방법에 관한 것이다. 도전체(12)는 방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부(18), 및 외측 고리부(18)와 직렬로 접속되어 외측 고리부 내에 뻗고 피드 커플러를 규정하는 적어도 하나의 내측 고리부(20)를 포함한다. 그 방법은 적어도 하나의 내측 고리부(20)에 인접하여 커플링 피드 엘리먼트(22)를 위치결정하고, 외측 고리부에 급전하도록 급전 구조(24)를 커플링 피드 엘리먼트에 접속하는 것을 포함한다.
외측 고리부(118)는 제1 직경(A)을 갖는 원형의 형상을 갖도록 형성될 수 있고, 적어도 하나의 내측 고리부는 제1 직경보다 작은 제2 직경(C)을 갖는 원형의 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 갭(16) 및 피드 커플러(20)는 대척적이도록 형성될 수 있다. 도 2를 더 참조하면, 도전체(112)를 형성하는 것은 복수의 내측 고리부(120/121)를 형성하는 것을 포함할 수 있는데, 커플링 피드 엘리먼트(122)는 피드 커플러로 동작하도록 복수의 내측 고리부 중 선택된 하나(121)에 인접하여 위치결정된다.
와이어 구성에 의해 본원발명은 경량 안테나, 은폐 안테나 또는 군사 통신 안테나로서 특히 유용하게 된다. 배경으로서, 많은 트위스티드 와이어 송전선은 충분한 트위스트로 50 옴 특성 임피던스를 제공한다.
본원발명은 88-108MHz에서 미국에서의 FM 브로드캐스트 수신에 적합한데, 그것이 소형이고, 수평 편파이고, 무지향성 패턴 커버리지를 갖고 있기 때문이다.
테스트에 의해 본원발명 안테나 디바이스(10)는 탁월한 GPS 수신을 제공함이 밝혀졌다. 즉, 그것이 무작위 지향식 무선 측위 디바이스를 포함하는 트래킹 태그에서 사용되었을 때 GPS(Global Positioning System) 네비게이션 위성의 이용가능성이 높았다. 종래기술의 원형 편파 마이크로스트립 패치 안테나와 달리, 본원발명은 기계적으로 반전될 때 크로스 센스(LHCP에 대한 RHCP) 편파 부정합 손실에 기인하는 딥 페이드를 일으키지 않는다. 배경으로서, GPS 위성은 실제로 그라운드 스테이션 바로 위에서 거의 시간을 소비하지 않는 저궤도(LEO) 유형이고, 오히려 그들의 가시 시간은 수평선 가까이서 최대이다. 그러므로, 본원발명의 충분한 등방성 방사 패턴은 종래의 마이크로스트립 패치 또는 야기-우다 턴스타일 안테나처럼 더 높은 이득을 갖는 비조준 안테나에 비해 유리할 수 있다.
본원 실시예의 안테나 디바이스는 임피던스 정합 커플러, 발룬 및 로딩 인덕터를 포함하는 에피사이클릭 기하학적 곡선으로부터 컴파운드 안테나 설계를 제공한다. 안테나 크기 및 주파수는 독립적으로 스케일링될 수 있고, 상기한 바와 같이 신체 착용가능한 환자 모니터링 디바이스에서처럼 저비용 가요성 평면 안테나를 필요로 하는 임의의 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 다른 애플리케이션은 RFID, GPS, 셀 폰 및/또는 임의의 다른 무선 퍼스널 통신 디바이스를 포함하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에서 뻗고 내부에 적어도 하나의 갭을 갖는 도전체로서,
    방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부, 및
    상기 외측 고리부와 직렬로 접속되고 상기 외측 고리부 내에 뻗고 피드 커플러를 규정하는 적어도 하나의 내측 고리부를 포함하는 상기 도전체;
    상기 적어도 하나의 내측 고리부에 인접하는 유도 결합 급전 고리; 및
    상기 외측 고리부에 급전하도록 상기 유도 결합 급전 고리에 접속된 급전 구조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 외측 고리부는 제1 직경을 갖는 원형 형상이고, 상기 적어도 하나의 내측 고리부는 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 원형 형상인 것을 특징으로 하는 안테나 디바이스.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 직경은 상기 안테나 디바이스의 동작 파장의 3분의 1보다 작은 것을 특징으로 하는 안테나 디바이스.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 갭 및 상기 피드 커플러는 대척적인 것을 특징으로 하는 안테나 디바이스.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 내측 고리부는 복수의 내측 고리부를 포함하고, 상기 유도 결합 급전 고리는 상기 복수의 내측 고리부 중 선택된 하나에 인접하는 것을 특징으로 하는 안테나 디바이스.
  6. 기판 상에서 뻗고 내부에 적어도 하나의 갭을 갖는 도전체로서, 방사 안테나 엘리먼트를 규정하는 외측 고리부 및 상기 외측 고리부와 직렬로 접속되고 상기 외측 고리부 내에 뻗고 피드 커플러를 규정하는 적어도 하나의 내측 고리부를 포함하는 상기 도전체를 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 내측 고리부에 인접해서 유도 결합 급전 고리를 위치시키는 단계; 및
    상기 외측 고리부에 급전하도록 급전 구조를 상기 유도 결합 급전 고리에 접속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전송 디바이스 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 외측 고리부는 제1 직경을 갖는 원형 형상으로 형성되고, 상기 적어도 하나의 내측 고리부는 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 원형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전송 디바이스 제조 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 갭 및 상기 피드 커플러는 대척적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전송 디바이스 제조 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 도전체의 형성은 복수의 내측 고리부의 형성을 포함하고, 상기 유도 결합 급전 고리는 상기 복수의 내측 고리부 중 선택된 하나에 인접해서 위치되는 것을 특징으로 하는 무선 전송 디바이스 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 내측 고리부는 공통 크기를 갖고 상기 외측 고리부 내에서 대칭적으로 이격되어 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 무선 전송 디바이스 제조 방법.
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