KR101528442B1 - 광대역 안테나 - Google Patents

Abstract

광대역 안테나, 광대역 안테나 조립체 및 방법이 기술된다. 하나의 광대역 안테나는 접지 평면(80)에 의해 수용되고 다이폴 암 피드(40)에 의해 피딩되는 적어도 하나의 다이폴 암(20)을 지지하는 적어도 하나의 다이폴 암 베이스(90A)를 포함하고, 상기 다이폴 암 베이스는 상기 접지 평면과 상기 다이폴 암 사이의 1/4 파장 분리보다 작은 분리를 제공하도록 치수가 정해지고, 상기 다이폴 암 베이스는 상기 접지 평면과 상기 다이폴 암 피드 사이에 1/4 파장 실효 전기적 길이를 제공하기 위한 개구들(100)을 갖는다. 이 접근법을 통하여, 안테나의 높이가 실효 전기적 길이를 증가시키기 위한 슬롯들을 제공함으로써 그것의 정확한 동작을 여전히 유지하면서 감소될 수 있다는 것을 알 수 있다.

Description

광대역 안테나{WIDEBAND ANTENNA}

본 발명은 광대역 안테나들, 광대역 안테나 조립체 및 방법과 관련된다.

광대역 안테나들이 알려져 있다. 전형적으로, 그와 같은 안테나들은 셀룰러 기지국 안테나 패널들에 사용되고 바라는 대역폭과 이득을 제공하기 위해 최적화된다. 이러한 안테나들이 적절한 성능과 특징들을 제공할 수 있지만, 이들은 여전히 단점들을 갖는다.

따라서, 향상된 광대역 안테나를 제공하는 것이 바람직하다.

제1 양태에 따라, 접지 평면에 의해 수용되고 또한 다이폴 암 피드(dipole arm feed)에 의해 피딩되는 적어도 하나의 다이폴 암을 지지하는 적어도 하나의 다이폴 암 베이스(dipole arm base) - 다이폴 암 베이스는 접지 평면과 다이폴 암 사이에 1/4 파장 분리보다 작은 분리를 제공하도록 치수가 정해지고, 다이폴 암 베이스는 접지 평면과 다이폴 암 피드 사이에 1/4 파장 실효 전기적 길이를 제공하기 위한 개구들을 가짐- 를 포함하는 광대역 안테나가 제공된다.

제1 양태는 광대역 안테나들에 대해 부여되는 물리적 제약 조건들이 증가하고 있다는 것을 인식한다. 특히, 광대역 안테나들에 의해 차지되는 공간이 중량, 구조적 하중 및 광학적 최소화(optical minimisation)를 위해 안테나 어레이들의 전체적인 크기를 줄이도록 감소되는 것이 바람직하다. 그러나, 제1 양태는 안테나의 높이(또는 프로필)가 안테나 다이폴들과 그것의 접지 평면 사이에 실효 전기적 길이를 제공하기 위한 필요에 의해 전형적으로 좌우된다는 점을 인식한다. 이것은 요구되는 실효 전기적 길이를 달성하기 위해 접지 평면과 다이폴들 간에 제공되는 다이폴 베이스의 높이가 미리 정해진 길이에 고정될 필요가 있도록 이끌고, 이는 다이폴 베이스의 높이가 감소되는 것을 막는다. 특히, 안테나의 1/4 파장 높이는 최적화된 안테나 이득 및 안테나 매칭 성능을 제공하기 위해 일반적으로 요구된다. 또한, 언급되는 1/4 파장은 일반적으로 동작 주파수 대역의 중앙에서의 파장 값의 1/4에 해당한다. 따라서, 접지 평면과 다이폴 암 사이의 1/4 파장보다 작은 분리를 제공하도록 치수가 정해지는 다이폴 암 베이스가 제공된다. 다이폴 암 베이스의 축소된 높이를 보상하기 위해, 실효 전기적 길이를 1/4 파장으로 되돌리도록 변경하는 개구들이 제공된다. 이 접근법을 통하여, 안테나의 높이가, 실효 전기적 길이를 증가시키는 슬롯들을 제공함으로써 그것의 정확한 동작을 여전히 유지하면서 감소될 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 실효 1/4 파장 전기적 길이를 확립하기 위해 다이폴 암 베이스에 슬릿들을 사용하는 것은 매칭 성능을 최적화하지만 안테나 이득 문제를 완전히 복구하지는 못하고, 따라서 안테나는 완전한 높이의 안테나보다 약간 작은 이득을 나타낼 것이지만 훨씬 더 작은 프로필을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 개구들이 접지 평면과 다이폴 암 피드 사이에 제공된다. 따라서, 개구들은 접지 평면과 다이폴 암 피드 사이에 이러한 두 지점 사이의 실효 전기적 길이를 증가시키기 위해 위치될 수 있다.

일 실시예에서, 개구들은 다이폴 암 베이스 내로 연장하는 슬롯들에 의해 정의된다. 슬롯들은 제조 동안 쉽게 다이폴 암 베이스 내에 통합될 수 있는 매우 편리한 모양을 제공한다.

일 실시예에서, 광대역 안테나는 각각이 조립체(assembly)의 내부상에서 인접하여 위치된 개구들을 갖는 복수의 인접 다이폴 암 베이스의 조립체를 포함한다. 따라서, 완전한 안테나를 이루는 다이폴 베이스는 개별 다이폴 암 베이스들로부터 조립될 수 있고, 개별 다이폴 암 베이스들 각각은 그 가운데에 제공된 개구들을 갖는다. 이런 방식으로 다이폴 베이스를 조립함으로써, 내부 개구들을 가진 다이폴 베이스의 제조가 현저하게 단순화된다.

제2 양태에 따라, 다이폴 핑거(dipole finger)와 결합된 다이폴 암을 갖는 다이폴 -다이폴 핑거는 다이폴 암과 직교하는 방향으로 배향되고, 다이폴 암 및 다이폴 핑거는 함께 1/4 파장 실효 전기적 길이를 제공함- 을 포함하는 광대역 안테나가 제공된다.

제2 양태는 기존 안테나들의 문제가 광대역 안테나들에 대해 부여되는 물리적 제약 조건들이 증가하고 있다는 것임을 인식한다. 특히, 광대역 안테나들에 의해 차지된 공간이 중량, 구조적 하중 및 광학적 최소화를 위해 안테나 어레이들의 전체적인 크기를 줄이기 위해 감소되는 것이 바람직하다. 그러나, 제2 양태는 안테나의 풋프린트(footprint)가 다이폴들의 실효 전기적 길이를 제공하기 위한 필요에 의해 전형적으로 좌우된다는 점을 인식한다. 특히, 제2 양태는 미리 정해진 실효 전기적 길이를 가진 다이폴들을 제공하기 위한 필요가 안테나가 차지할 수 있는 최소 사이즈 풋프린트를 제한한다는 점을 인식한다. 따라서, 다이폴 핑거를 가질 수 있는 다이폴 암이 제공된다. 다이폴 핑거는 다이폴 암에 대하여 직교하도록 배향될 수 있다. 조합된 다이폴 암 및 다이폴 핑거의 실효 전기적 길이는 1/4 파장일 수 있다. 다이폴 암의 평면을 벗어나 연장하는 다이폴 핑거를 제공함으로써, 광대역 안테나에 의해 차지되는 풋프린트는 감소될 수 있다. 풋프린트의 사이즈의 축소에도 불구하고, 다이폴의 공진 특성들은, 다이폴 암 및 다이폴 핑거가 요구되는 실효 전기적 길이를 여전히 제공하기 때문에 유지될 수 있다.

일 실시예에서, 다이폴 암은 접지 평면에 평행하게 연장하고 다이폴 핑거는 접지 평면을 향하여 연장하도록 배향된다. 그러므로, 다이폴 핑거는 다이폴 암 또는 접지 평면과 평행한 방향 이외의 방향으로 배향될 수도 있다. 직교성이 더 클수록, 풋프린트 축소 정도가 더 크게 달성될 수 있다는 것을 알 것이다.

일 실시예에서, 다이폴 암은 도전성 평판 플레이트를 포함하고 다이폴 핑거는 도전성 평판 플레이트의 에지를 향하여 결합된 늘어진 도전 봉(elongate conductive rod)을 포함한다. 따라서, 다이폴 핑거는 플레이트일 필요는 없고 다이폴 암의 한 단부를 향하여 위치될 수 있다. 풋프린트의 축소가 다이폴 암의 외측 말단에 다이폴 핑거를 위치시킴으로써 최대화된다는 것을 알 것이다.

실시예들은 상기에 언급된 배치들의 문제가 광대역 안테나들의 복사 저항(radiation resistance)에 영향을 미칠 수 있다는 것임을 인식한다.

일 실시예에서, 광대역 안테나는 각각의 다이폴 암에게 평행하게 및 각각의 다이폴 암에 의해 생성되는 근접장(near-field)에 위치되는 도전성 플레이트를 갖는 인접한 복수의 다이폴 암 베이스의 조립체를 포함한다. 따라서, 각각의 다이폴 암에 의해 생성되는 근접장에 위치될 수 있는 도전성 플레이트가 제공될 수 있다. 그러한 도전성 플레이트는 안테나의 복사 저항을 만족스러운 레벨들로 복구하는데 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 도전성 플레이트는 대칭적이다. 대칭적 플레이트를 제공하는 것은 복사 저항에서의 균일한 변화가 각각의 다이폴에 대해 발생하는 것을 보장하고 또한 임의의 아티팩트들의 도입을 최소화하는 것을 돕는다.

일 실시예에서, 도전성 플레이트는 중앙 개구를 정의한다. 중앙 개구를 제공하는 것은 안테나의 중량을 감소시키는 것을 돕는다.

제3 양태에 따라, 그 사이에 위치되는 도전성 벽에 의해 공간적으로 분리된 적어도 광대역 안테나들의 인접 쌍 - 도전성 벽은 접지 평면으로부터 바로 서 있는(upstanding) 제1 구성요소 및 제1 구성요소로부터 직교하며 연장하는 제2 구성요소를 포함함- 을 포함하는 광대역 안테나 조립체가 제공된다.

제3 양태는 기존 안테나들의 문제가 광대역 안테나들에 대해 부여되는 물리적 제약 조건들이 증가하고 있다는 것임을 인식한다. 특히, 광대역 안테나들에 의해 차지되는 공간이 중량, 구조적 하중 및 광학적 최소화를 위해 안테나 어레이들의 전체적인 크기를 줄이도록 감소되는 것이 바람직하다. 그러나, 제3 양태는 안테나들이 안테나 어레이 내로 매우 근접하여 통합됨에 따라, 인접하는 안테나들 사이의 커플링이 발생할 수 있다는 것을 인식한다.

따라서, 도전성 벽은 안테나들의 인접 쌍들 사이에 제공된다. 즉, 도전성 벽은 어느 한 안테나와 또 다른 인접 안테나 사이에 제공된다. 도전성 벽은 제1 구성요소 및 제2 구성요소를 가질 수 있다. 제1 구성요소는 접지 평면으로부터 바로 설 수 있고, 제2 구성요소는 제1 구성요소로부터 직교하며 연장할 수 있다. 제2 구성요소의 제공은 최소화된 도전성 벽 구조에 의한 가깝게 위치된 안테나들 사이의 효과적 디커플링(decoupling)을 제공한다. 이것은 그렇지 않았더라면 최소 중량 구조로 일어났을 커플링을 감소시키는 것을 돕는다.

일 실시예에서, 제2 구성요소는 연관된 다이폴 암에 대하여 평행하게 배향되고, 제1 구성요소는 연관된 다이폴 암을 향하여 연장하고 그에 대하여 직교하며 배향된다.

일 실시예에서, 도전성 벽은 각각의 광대역 안테나 주위로 연장하고, 각각의 광대역 안테나의 인접 다이폴 암들 사이의 개구들을 정의한다. 벽에 개구들 또는 갭들을 제공하는 것은 안테나 내의 인접 다이폴들 사이의 어떠한 커플링도 최소화하는 것을 돕는다.

제1, 제2 및 제3 양태들의 특징들이 서로 조합될 수 있다는 것을 알 것이다. 특히, 다이폴 암 베이스의 특징들, 도전성 플레이트의 특징들, 다이폴 암들의 특징들 및/또는 도전성 벽의 특징들이 광대역 안테나를 제공하기 위해 단독으로 또는 서로 조합되어 제공될 수 있다는 것을 알 것이다.

제4 양태에 따라, 인쇄회로기판상에 제1, 제2 또는 제3 양태들의 광대역 안테나를 조립하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 인쇄회로기판상에 광대역 안테나를 조립하는 것은 임의의 관련된 전자 장치도 인쇄회로기판상에 위치될 수 있기 때문에 특히 조밀한 배치를 제공한다. 또한, 인쇄회로기판은 안테나 구조가 쉽게 회로 기판상으로 위치될 수 있기 때문에 조립을 단순화하는데 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 조립은, 각각이 조립체의 내부상에 인접 배치되는 개구들을 갖는 인접하는 복수의 다이폴 베이스의 조립체를 조립하는 것을 포함한다.

추가적 특정 사항 및 양호한 양태들은 수반되는 독립 및 종속 청구항들에서 제시된다. 종속 청구항들의 특징들은 독립 청구항들의 특징들과 절절히 조합될 수 있고, 청구항들에 명시적으로 제시된 것들 이외의 조합들로 조합될 수 있다.

장치 특징이 기능을 제공하도록 동작 가능하는 것으로 기술된 경우, 이것은 해당 기능을 제공하거나 해당 기능을 제공하도록 적응되거나 구성된 장치 특징을 포함한다는 것을 알 것이다.

본 발명의 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여, 이제 추가로 설명될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 안테나를 관통하는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 안테나를 관통하는 단면도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 도전성 패드의 배치를 더 상세히 도해한다.
도 4는 또 다른 도전성 패드를 보여준다.
도 5a 내지 도 5c는 도 2의 안테나의 모델의 여러 뷰들을 보여준다.
도 6은 도 5a 내지 도 5c에 도시된 안테나의 시뮬레이팅된 S-파라미터들을 보여준다.
도 7 및 도 8은 도 5a 내지 도 5c의 안테나의 제조된 시제품을 보여준다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 주위 벽 구조의 제공을 도해한다.
도 11은 AWS-1 대역에서의 동작에 대해 최적화된 조밀 2-요소 어레이를 보여준다.
도 12는 도 11의 어레이 구성의 시뮬레이팅된 S-파라미터들을 보여준다.

개관

실시예들을 더 자세하게 논의하기 전에, 먼저 개관이 제공될 것이다. 실시예들은 감소된 사이즈로 바라는 대역폭 및 빔 폭을 달성하는 조밀하고 광대역의 지향성 안테나와 관련된다. 종래 셀를러 기지국 안테나 패널들에서, 안테나 어레이를 형성하는 개별 복사기들(또는 안테나들)에 의해 차지되는 부피 또는 사이즈는, 전형적으로 전체적 패널 부피가 주로 각각의 안테나 패널에 사용되는 복사기들의 개수 및 임의의 인접하는 복사기들 사이의 분리(어레이 주기)에 의해 결정된다는 사실 때문에, 안테나 패널의 전체 부피 또는 사이즈에 대해 지금까지는 중요한 것으로 여겨지지 않았다. 안테나 패널들이 보통은 대역폭의 관점에서 최적화된 성능을 나타내도록 설계되는 것을 고려하면, 개별 공진기들은 전통적으로 요구되는 대역폭을 보여주는 데에 충분한 크기가 되도록 설계되고 또한 큰 어레이 인자 이득을 달성하기 위해 서로 충분히 멀리 떨어져 배치된다.

이러한 복사기들은, 직교 이중-선형 편파 복사기(orthogonally dual-linear polarized radiator)를 형성하기 위해, 서로에 대하여 직교하도록 배치된 두 개의 다이폴로 전형적으로 구성된다. 이러한 다이폴들은 지향성 패턴을 복사하기 위해 접지 평면을 상대로 피딩된다. 전형적으로, 복사기는 그 모양이 정방형이고, 대칭적 2x2 어레이를 형성하기 위해 서로에 대하여 정렬된 네 개의 도전성(금속성) 소형 정방형 패치들로 구성된다. 그 안에 하나의 구멍을 갖는 암, 다수의 구멍을 갖는 암, 또는 임의 모양의 구멍을 갖는 암들을 제공하는 것과 같이, 결함(defect)들이 다이폴 암들에 삽입되는 것이 가능하다. 각각의 이러한 정방형 패치들은 각각의 다이폴들의 두 개의 암 중 하나(다이폴당 2개의 암, 복사기당 2 개의 다이폴)를 포함하는 한편, 대각으로 배치된 정방형 패치들의 각각의 쌍은 전체 다이폴을 포함한다. 특히, 두 개의 직경 방향으로 마주보는 패치들은 -45°축과 정렬된 제1 다이폴을 포함하는 한편, 다른 2개의 패치는 +45°축과 정렬된 제2 다이폴을 포함한다.

모든 4개의 다이폴 암은, 동일 구조상에서 함께 조립된 모든 다이폴 암들을 유지하고 또한 다이폴들이 그를 상대로 피딩되는 접지 평면과 다이폴 암들 사이의 분리를 고정하기 위해 활용되는 도전성 원형 베이스에 부착된다. 다이폴 암들이 모양상 일반적으로 정방형이고 복사기 베이스는 일반적으로 원형이지만, 다이폴 암들 및 다이폴 베이스 모두는 임의의 모양(정방형, 원형, 삼각형, 기타 등등)을 가질 수 있다.

4개의 패치에 의해 형성되는 다이폴들을 피딩하기 위해, 차동(differential) 무선 주파수(RF) 신호가 각각의 다이폴 암이 RF 신호의 2개의 극성(polarity) 중 하나에 연결되는 그러한 방식으로 다이폴 암들의 각각의 쌍들에게 피딩된다. 전형적으로, 동축 전송 선로가 복사기의 다이폴 베이스에 내장되어, 다이폴 베이스의 기저부로부터 다이폴 암들의 상부까지 연장한다. 그 아래로는 전송 선로가 내장되는 다이폴 암의 상부에, 동축 케이블의 실드(접지)가 이 다이폴 암과 전기적으로 연결되는 한편, 동축 전송 선로의 코어(신호)는 동일 다이폴의 제1 암으로부터 대각으로 위치되는 동일 다이폴의 제2 암에 전기적으로 연결된다. 비슷한 메커니즘이 복사기의 제2 다이폴에 대해 사용된다. 이런 방식으로, 동일 다이폴의 2개의 암이 다르게(differentially) 피딩된다. 다이폴 암들상에 적절히 납땜된 시중의 반유연성 또는 반강체 동축 케이블들이 이용될 수 있다. 대안적으로, 구멍들은 복사기의 베이스를 관통하여 뚫릴 수 있고, 도전성 다이폴 베이스 자체는 동축 전송 선로에 대한 실드로서 이용될 수 있다. 벤트 와이어(bent wire)가 동축 케이블의 코어로서 이용될 수 있는 한편, 원통형 유전 재료가 동축 코어와 동축 실드 사이의 고정된 분리를 유지하는 동축 케이블 유전체로서 이용될 수 있다.

다이폴 암들의 치수들은 결과적 복사기의 작동 주파수를 결정한다. 각각의 다이폴들의 자기 공진은 각각의 다이폴 암의 대각선 길이(diagonal length)와 관계된 주파수에서 발생한다. 특히, 공진은 다이폴 암의 대각선 길이가 공진 주파수의 대략 1/4 파장에 해당하는 주파수에서 발생한다. 그러한 복사기의 전형적 높이는 또한 동작 주파수(전형적으로 작동 대역의 중앙으로 설정됨)의 파장의 1/4 정도의 크기를 가져야 한다. 이 높이는 전형적으로, 다이폴 암들에 대한 복사 저항의 수용가능 레벨을 유지하기 위해 및 다이폴 베이스의 하부 표면(이는 다이폴 베이스를 수용하는 접지 평면에게 단락됨)이 다이폴 암들에 대한 피딩 지점에서의 다이폴 리액턴스에 영향을 미치지 않는 것을 확실하게 하기 위해 요구된다. 이 배치를 통하여, 접지 평면과의 접촉에서 단락된 1/4 파장 길이의 다이폴 베이스는 다이폴 암들이 피딩되는 피딩 지점에서 완전 개 회로로 보일 것이다.

그와 같은 복사기들은 동시에 매우 많은 주파수 대역들에 걸쳐서 이용될 수 있는 브로드밴드 또는 광대역 복사기들로서 전형적으로 이용된다. 이 성능은 다이폴 암들의 모양 및 이들의 대역폭 매칭 성능에 대한 복사기들의 베이스의 영향 모두에 기인한다.

기존 복사기들이 합리적 성능을 달성할 수 있지만, 이들은 매우 크고 또한 이들의 성능은 약 1/2 파장의 어레이 주기를 갖는 조밀 어레이들을 형성하는 데에 사용될 때 현저하게 감소된다.

따라서, 더 조밀한 안테나를 산출하는 배치가 제공된다. 특히, 안테나의 성능을 유지하면서 안테나 풋프린트(다이폴 암들의 길이) 및 안테나 프로필(다이폴 베이스이 높이)인 다이폴의 두 개의 치수가 감소된다. 이것은 임의의 특정 평면에서 도전체의 길이보다 더 긴 실효 전기적 길이를 제공하는 비평면 도전체를 제공함으로써 달성된다. 특히, 다이폴 암들의 길이는, 조합되어 지정된 동작 주파수에서 요구되는 실효 전기적 길이를 제공하는, 다이폴 암들과 상이한 평면에서 연장하는 다이폴 암들과 결합된 다이폴 핑거들의 제공을 통하여 감소된다. 다이폴 베이스의 높이는 다이폴 베이스에서의 개구들의 제공을 통하여 감소되는데, 개구들은 높이 축소를 보상하고 또한 다이폴 베이스의 2개 지점 사이의 요구되는 실효 전기적 길이를 복구한다. 게다가, 안테나의 복사 저항은 다이폴 암들에 의해 생성되는 근접장과 결합된 도전성 패드의 제공을 통하여 향상될 수 있다. 그러한 패드는 안테나의 사이즈의 축소에 의해 초래된 복사 저항의 어떠한 축소도 개선시킨다. 게다가, 각각의 안테나는 조밀한 안테나들의 어레이가 임의의 교차 커플링을 최소화하면서 제공되는 것을 가능하게 하는 도전성 주위 벽을 제공받을 수 있다.

감소된 길이의 다이폴 암들

도 1은 일 실시예에 따라 안테나를 관통하는 단면, 일반적으로 10A를 도시한다. 이 실시예는 안테나 풋프린트 면적(그 면적은 평면에서 볼 때의 것임)을 감소시키는 감소된 길이의 다이폴 암들을 수용한다. 특히, 각각의 다이폴 암(20)은 이것의 제각기의 다이폴 피드(30, 40)로부터 멀어지면서 모서리에 위치된 다이폴 핑거(50)를 갖는다. 다이폴 핑거들(50)은 수직으로 늘어지는 것으로 이 실시예에서 도시된다. 다이폴 핑거들은 길이 d_f 를 갖는다. 다이폴 암들은 다이폴 피드(30, 40)와 다이폴 핑거(50) 사이의 길이 d_a(또한 도 4에 도시됨)를 갖는다. 다이폴 암(20)과 다이폴 핑거(50)의 사이즈는 d_a + d_f ≒ λ/4이 되도록(여기서 λ는 중앙 대역 파장) 선택된다. 즉, 다이폴들의 제1 공진은 다이폴 핑거(50)(이 경우에 수직 핀)의 길이와 함께 각각의 다이폴 암(20)의 대각선 길이가 합해서 1/4 파장일 때 대략 달성된다.

이 접근법을 이용하면, 요구되는 소형화의 정도에 따라 다이폴 핑거들(50)의 정확한 길이가 선택될 수 있다. 그러나, 수직 다이폴 핑거들(50)의 길이 d_f 를 연장함으로써 수평 다이폴 암들(20)의 대각선 길이 d_a를 축소하는 것은 주로 수평 다이폴 암들(20)에 의해 제공되는 다이폴의 복사 저항에서의 복사의 감소를 야기한다. 이하 더욱 상세히 기술되는 것처럼, 복사 저항에서의 임의의 축소는 선택 사항인 도전성 패드(60)의 제공에 의해 보상될 수 있다.

20-30% 풋프린트 축소가 현저하게 안테나(10A)의 복사 저항을 감소시키지 않고서 달성될 수 있다는 것이 발견되었다. 그러나, 복사 저항이 증가될 필요가 있다면, 상세하게 이하 기술된 것처럼, 다이폴 암들(20)로부터 공간적으로 떨어져 있고 또한 스페이서들(70)에 의해 거리 g에서 근접장 내에 위치된 선택 사항인 도전성 패드(60)가 제공될 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 것처럼, 다이폴 암들(20)은 접지 평면(80)에 의해 수용되는 다이폴 베이스(90)에 의해서 지지된다. 다이폴 베이스(90)는 차 RF 신호가 그 상에서 전송되는 동축 케이블을 수용한다. 동축 케이블은 연관된 다이폴들의 공진을 야기하는 다이폴 피드들(30, 40)과 결합(couple)한다. 안테나(10A)는 이하 더 자세하게 기술된 바와 같이 다중 구성 요소로부터 조립되고 인쇄회로기판(PCB)상에 장착될 수 있다.

상기 언급한 대로, 다이폴 암들(20)의 모양이 정방형 패드와는 다른 것일 수 있다는 것을 알 것이다. 또한, 다이폴 피드(30, 40)로부터 가장 먼 지점에서 다이폴 암들(20)상에 다이폴 핑거들(50)을 배치시키는 것은 최대 풋프린트 축소를 제공하기는 하지만, 다이폴 핑거들(50)이 임의의 다른 곳에도 위치될 수 있다는 것을 알 것이다. 게다가, 다이폴 암들(20)에 대하여 90°각도로 다이폴 핑거들(50)을 배치하는 것은 최대 풋프린트 축소를 제공하기는 하지만, 다이폴 핑거들(50)은 기타 각도들로 연장할 수 있다. 게다가, 본 예에서 다이폴 핑거들(50)이 늘어진 정방형 핀들이지만, 다이폴 핑거들(50)이 상이한 모양을 가질 수 있다는 것을 알 것이다. 게다가, 어느 한 배향의 다이폴의 다이폴 암들(20)과 다이폴 핑거들(50)의 조합된 길이가 상이한 배향의 다이폴의 것들과 다를 수 있다는 것을 알 것이다. 안테나(10A)가 이하 언급된 벽 구조와 조합하여 활용될 수 있다는 것을 또한 알 것이다.

수정된 다이폴 베이스

도 2는 일 실시예에 따른 안테나, 일반적으로 10B를 도해한다. 이 안테나(10B)는 안테나(10B)의 높이 h가 감소될 수 있게 하는 수정된 다이폴 베이스(90A)를 포함한다. 특히, 수정된 다이폴 베이스(90A)는 안테나(10A)의 높이 h가 1/4 파장 미만으로 감소될 수 있게 한다.

높이에서의 그러한 축소는 다이폴 암들(20)과 접지 평면(80) 사이의 분리를 감소시키는데, 이는 추가로 복사 저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 다이폴 베이스(90A)의 높이 h를 감소시키는 것은 다이폴들에 대한 피딩 지점들(30, 40)이 전기적으로 접지 평면(80)에 더 가깝게 된다는 것을 의미한다. 그 결과, 다이폴 피딩 지점들(30, 40)에 의해 보이는 리액턴스가 변경된다. 이하 더욱 상세히 기술된 것처럼, 복사 저항에서의 임의의 축소는 선택 사항인 도전성 패드(60)의 제공에 의해 보상될 수 있다.

접지 평면(80)과 다이폴 피딩 지점들(30, 40) 사이의 실효 전기적 길이를 1/4 파장으로 되돌려 복구하기 위해, 피딩 지점들(30, 40)에서 개 회로를 유지하도록 다이폴 베이스(90A)의 피딩 지점(110)과 피딩 지점들(30, 40) 사이의 전체적 전류 경로를 효과적으로 길게 하는 일련의 개구들(100)이 제공된다. 다시 말하면, 개구들(100)의 제공은 피딩 지점(110)과 피딩 지점들(30 또는 40) 사이의 실효 전기적 길이를 1/4 파장으로 복구한다.

이 실시예에서 개구들(100)이 수평 슬롯들이지만, 개구들(100)은 바라는 전기적 길이를 제공하기 위해 임의의 적절한 개수, 모양 또는 구성을 가질 수 있다는 것을 알 것이다. 그러나, 더 상세하게 하기에서 설명되는 것처럼, 수평 슬롯들의 제공은 개별 다이폴들을 제조하는 것을 매우 쉽게 달성하게 한다. 안테나(10B)는 이하 더 자세하게 기술된 바와 같이 다중 구성 요소로부터 조립되고 또한 인쇄회로기판(PCB)상에 장착될 수 있다.

안테나(10B)가 다이폴 핑거들(50)을 포함하기는 하지만, 이것들은 생략될 수 있고 안테나(10B)가 이하 언급된 벽 구조와 조합되어 활용될 수 있다는 것을 알 것이다.

도전성 패드

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 도전성 패드(60)의 배치를 더 상세히 도해한다. 상기 언급한 대로, 안테나의 복사 저항에서의 어떠한 축소도 도전성 패드(60)의 제공을 통하여 보상될 수 있다. 특히, 수평 금속성 도전성 패드(60)는 다이폴 암들(20)에 매우 가깝게 그러나 그들과의 전기적 접촉은 하지 않으면서 제공된다. 도전성 패드(60)(이는 전형적으로 파장한계(Sub-wavelength) 치수들을 가지고 있어야 함)는 전체 복사 저항을 제어하는 효과적 수단을 제공한다. 그와 같은 제어는 그것의 정확한 치수 X 및 다이폴 암들(20)로부터의 그것의 거리 g를 설정함으로써 달성된다. 특히, 치수 g가 다이폴 암들(20)의 근접장에 대한 용량성 결합을 보장하기 위해 1/4 파장보다 훨씬 작도록 도전성 플레이트(60)는 다이폴 암들에게 매우 근접하여야 한다. 이 예에서, 유전체(예를 들어, 나일론) 스페이서들(70)이 도전성 패드(60)와 다이폴 암들(20) 사이에 요구되는 분리를 유지하고 또한 기계적으로 도전성 패드(60)를 지지하기 위해 사용된다.

이 예에서 도전성 패드가 정방형이기는 하지만, 그것의 모양은, 다이폴들 모두를 동등하게 결합시키고 또한 이들 사이의 교차 편파(커플링) 성능을 악화시키지 않도록 다이폴들의 두 개의 주 축에 대하여 대칭적이라면, 변할 수 있다.

도 4는 도전성(부하) 패드(60A)의 또 다른 가능 모양을 보여준다. 이 배치에서, 도전성 패드(60A)는 그 중앙에 개구(62)를 갖는다. 이것은 도전성 패드(60A)에 흐르는 전류의 대부분이 그 중심에서는 거의 흐르지 않고 그 최외곽 주변부(65)에서 발생하기 때문에 가능하다. 이런 유형의 도전성 패드(60A)는 복사 저항을 조정하는 데에 잘 작동하고, 이것이 더 적은 재료로 구성되기 때문에 더 가볍고, 또한 다이폴들(그 임피던스들이 자신들의 주위 환경에 매우 민감한 경향이 있음)의 피딩 와이어들과의 임의의 커플링을 감소시킨다.

안테나 조립체

도 5a 내지 도 5c는 구성 요소 부분들의 조립체인 AWS-1 대역에서의 동작에 대해 설계된 도 2의 안테나 모델의 여러 뷰들을 보여준다. 알 수 있는 것처럼, 각각의 다이폴 베이스, 다이폴 암 및 다이폴 핑거는 사출 성형 또는 다이 캐스팅 공정을 이용하여 단일 구조(120)로서 성형된다. 구조(120)는 이후 필요할 경우에 도전층으로 피복될 수 있다. 그러면 수평 슬롯들(100)은 성형 동안 형성될 수 있는데, 이는 현저하게 제조 공정을 단순화한다.

도시된 실시예가 4개 부분으로부터 조립되는 것이긴 하지만, 동일 공정이 2-부분 디바이스를 제공하는데 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 2-부분 디바이스의 경우에, 각각의 부분은 두 개의 인접하는 다이폴 암 및 이들의 다이폴 핑거들(이러한 암들은 2개의 상이한, 직교-편파 다이폴들에 속할 것이다) 및 다이폴 베이스의 절반을 포함한다. 4-부분 디바이스의 경우에, 각각의 구조(120)는 단일 다이폴 암, 그것의 다이폴 핑거 및 다이폴 베이스의 1/4로 구성된다.

양쪽 경우들에서, 부분들이 전체 안테나를 형성하기 위해 함께 정확하게 조립되는 것을 보장하는 것이 중요하다. 이것을 용이하게 하기 위해, 부분들은 접지 평면(80)을 제공하는 인쇄회로기판(PCB)상에 장착될 수 있다. 부분들의 장착은 다이폴 베이스의 기저부상에 위치된 핀들 및 인쇄회로기판상의 대응 개구들을 이용하여 달성될 수 있다. 이런 방식으로, 구조들(120)은 부분들의 수평 슬롯들이 정렬되도록 인쇄회로기판상에 배향되고 또한 다이폴 베이스의 내부에 제공된다.

더 작은 부분들에 의한 안테나의 제조 및 인쇄회로기판상에서의 이들의 조립은 이후에 잠재적으로 고가의 공정이 된다는 점을 감안하면, 수평 슬롯들의 사용은 높이 축소가 큰 중요성을 갖는 그러한 응용들에 대해서만 준비될 수 있다는 것을 알 것이다.

도 6은 도 5a 내지 도5c에 도시된 안테나의 시뮬레이팅된 S-파라미터들을 보여준다.

도 7 및 도 8은 도 5a 내지 도5c의 안테나의 제조된 시제품을 보여준다.

주위 벽

도 9 및 도 10은 일 실시예에 따른 주위 벽 구조의 제공을 도해한다.

도 9는 조밀한 안테나 어레이들을 형성하는데 사용될 때 인접 안테나들 사이의 커플링을 감소시키기 위해 사용되는 수직 및 수평 부분들로 구성되는 주위 벽과 함께, 도 2의 안테나의 측면도를 보여준다.

도 10은 도 9의 안테나의 평면도이다. 주위 벽은 안테나의 교차 편파 성능에 크게 영향을 미치지 않도록 하기 위해 4개의 분리 부분(이들 각각은 단일 다이폴 암을 둘러쌈)으로 구성된다.

주위 벽 구조는 상기에 언급된 안테나들 주위에 배치될 수 있다. 이미 기술된 것처럼, 이런 안테나들은 이전에 제공된 것보다 더 작은 풋프린트 및 더 작은 프로필을 소유한다. 안테나들은 기존 안테나들보다 작지만, 여전히 다중 대역을 지원할 수 있다. 이들의 조밀한 사이즈는, 조밀한 안테나 어레이(그것의 어레이 주기가 약 절반 파장에 설정됨)에 사용될 때 대역폭, 인접 소자들 사이의 교차-편파 커플링 및 동일-편파 커플링 관점에서 이러한 안테나들의 성능이 현저하게 열화되지 않는다는 것을 의미한다.

그러나, 안테나의 성능은 조밀한 안테나 어레이들을 형성할 때 추가로 향상될 수 있다. 이 향상은, 현저하게 동작 대역폭 또는 교차 커플링 성능에 영향을 미치지 않고서, 임의의 인접하는 안테나들 사이의 커플링을 추가로 억제하는 주위 벽의 제공에 의해 제공된다. 주위 벽은 도전성이다.

이 실시예에서, 주위 벽의 수직 부분(130)은 상기에 언급된 접지 평면(80)을 제공하는 동일 PCB상에 장착된다. 벽의 수평 부분(140)은 수직 부분(130)의 상부 표면상에 위치된다. 주위 벽의 높이는 주로 수평 다이폴 암들(20)에 의해 제공되는 안테나의 복사 특성들에 영향을 미치지 않기 위해 낮게 유지되어야 한다. 따라서, 주위 벽의 수평 부분(140)과 수평 다이폴 암들(20) 사이의 적절한 분리가 유지되어야 한다. 주위 벽의 높이는 전형적으로 접지 평면(90)과 다이폴 암들(20) 사이의 거리의 절반 미만에 설정된다.

주위 벽은, 그와 같은 구성들에서 인접하는 어레이 소자들 사이의 커플링이 이웃하는 다이폴 암들 사이에 지원되는 수평 전계를 통해 발생하기 때문에, 조밀한 안테나 어레이들의 인접하는 다이폴들 사이의 디커플링 메커니즘을 제공한다. 벽의 수평 부분(140)의 존재는 몇몇 전기력선들이 다이폴 암들(20)로부터 수평 벽으로 결합되는 것을 야기하는데, 이는 직접적으로 인접 복사기에 결합하는 전계의 강도를 감소시킨다.

그러한 주위 벽 제공이 일으키는 주요 문제점은 각각의 다이폴의 교차-편파 성능의 열화이다. 이 문제를 제거하기 위해, 주위 벽은 (4개 모서리로서 배치된) 4개 부분에 의해 형성되고, 안테나의 다이폴 암들 주위에 대칭적으로 위치된다. 이 배치는 교차-편파 성능의 열화를 방지하는 주위 벽의 섹션들 사이의 갭(150)을 제공한다.

도 11은 AWS-1 대역에서의 동작에 대해 최적화된 조밀한 2-요소 어레이를 보여준다. 요소간 간격은 90㎜ 이다(1.7 GHz에서 이 간격은 대략 절반 파장에 해당된다).

도 12는 도 11의 어레이 구성의 시뮬레이팅된 S-파라미터들을 보여준다. 1.7 GHz에서, 요소들 사이의 동일-편파 커플링은 -20 dB 미만이다. 디커플링 주위 벽이 없을 경우에, 커플링은 4-5 dB 더 높을 것이다.

실시예들이 4G 셀룰러 시스템들에서 요구된 것들과 같은, 큰 입체각들 상에서의 빔 스캐닝 요구들을 충족시키기 위해 설계된 조밀한 안테나 어레이들에 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 실시예들은 조밀한 어레이들 및 더 큰 패칭 대역폭에 사용될 때 다중 주파수 대역에 걸쳐서 동시 사용을 가능하게 하는, 조밀한 풋프린트, 축소된 커플링을 갖는 안테나를 제공한다.

상기 언급된 실시예들은 저가이고, 3D 형태들이 금속성 플라스틱으로 만들어지고 인쇄회로기판들상에 장착될 수 있는 완전히 자동화된 공정들을 이용하여 제조될 수 있다. 실시예들은 조밀한 안테나 어레이들을 형성하는 데에 요구될 수 있는 풋프린트 소형화 인자들의 더 큰 범위를 달성할 수 있는 안테나를 제공한다. 소형화를 달성하기 위해 사용된 메커니즘들은 조밀 어레이들의 요소들 사이의 커플링 축소를 또한 가능하게 한다. 실시예들은 (40% 상대적 대역폭과 같은) 큰 대역폭들에 걸쳐서 매칭될 수 있는 안테나를 제공한다. 그러므로, 실시예들은 광대역이고, 조밀한 사이즈이고, 가볍고, 높은 복사 효율 값들을 제공할 수 있고, 저렴한 재료들을 이용하여 제조될 수 있는 안테나를 제공한다.

당업자는 전술한 여러 방법들의 단계들이 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 수행될 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 본 명세서에서, 일부 실시예는 또한 기계 또는 컴퓨터 판독가능하고 기계 실행가능하거나 컴퓨터 실행가능한 명령어 프로그램을 인코딩하는 프로그램 저장 디바이스, 예를 들어, 디지털 데이터 저장 매체를 포괄하는 것으로 의도되며, 여기서 상기 명령어는 상술한 방법들의 단계들 중 일부 또는 전부를 수행한다. 프로그램 저장 디바이스는, 예를 들어, 디지털 메모리, 자기 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 저장 매체, 하드 드라이브, 또는 광학적으로 판독가능한 디지털 데이터 저장 매체일 수 있다. 실시예들은 또한 상술한 방법들의 단계들을 수행하도록 프로그래밍된 컴퓨터들을 포괄하도록 의도된다.

"프로세서" 또는 "로직"으로 표시된 모든 기능 블록을 포함하여, 도면에 도시된 여러 구성 요소들의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절하는 소프트웨어와 연계하여 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어를 이용하여 제공될 수 있다. 이러한 기능은 프로세서에 의해 제공될 때, 단일의 전용 프로세서에 의해, 단일의 공유 프로세서에 의해, 또는 그 중 몇몇은 공유될 수 있는 복수의 개별 프로세서에 의해 제공될 수 있다. 더욱이, "프로세서" 또는 "제어기" 또는 "로직"이라는 용어의 명시적인 사용은 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어만을 말하는 것으로 해석되어서는 안 되고, 암시적으로 디지털 신호 처리기(DSP) 하드웨어, 네트워크 프로세서, ASIC(application specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array), 소프트웨어를 저장하는 ROM(read only memory), RAM(random access memory), 및 비휘발성 저장 장치(이들로 제한되지 않음)를 포함할 수 있다. 통상적인 및/또는 관습적인 다른 하드웨어 또한 포함될 수 있다. 마찬가지로, 도면들에 도시된 임의의 스위치들은 개념상의 것에 지나지 않는다. 이들의 기능은 프로그램 로직의 동작을 통해, 전용 로직을 통해, 프로그램 제어와 전용 로직의 상호작용을 통해, 또는 심지어 수동으로도 수행될 수 있으며, 문맥으로부터 더 구체적으로 이해되듯이 구현자에 의해 특정 기술이 선택가능하다.

당업자들은 여기서의 임의의 블록도가 본 발명의 원리를 구현하는 예시적인 회로망의 개념도를 나타냄을 알 것이다. 마찬가지로, 임의의 플로우차트, 흐름도, 상태 천이도, 의사 코드 등은 컴퓨터 판독가능한 매체 내에 실질적으로 표현되어 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 실행될 수 있는(그러한 컴퓨터 또는 프로세서가 명시적으로 도시되어 있는지의 여부에는 상관없음) 여러 프로세스를 나타낸다는 것을 알 것이다.

설명 및 도면들은 본 발명의 원리를 예시하는 것에 지나지 않는다. 따라서, 당업자들은 여기에 명시적으로 설명되거나 도시되지 않았더라도 본 발명의 원리를 구현하고 그것의 취지 및 범위 내에 표현될 수 있는 여러 구성을 생각해 낼 수 있음을 알 것이다. 또한, 여기에 기재된 모든 예시들은 주로 명백히, 독자가 본 발명의 원리 및 본 기술분야를 발전시키는 데에 본 발명자가 기여하는 개념을 이해하는 데에 도움을 주기 위하는 교시의 목적으로만 의도되었으며, 그러한 구체적으로 기재된 예시들 및 조건들로 한정하는 것이 아님을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 원리, 양태 및 실시예들을 기재하는 모든 진술과 그들의 구체적인 예들은 그들의 등가물을 포괄하도록 의도된다.

Claims (15)

1. 광대역 안테나로서,
   접지 평면에 의해 수용되는 적어도 하나의 다이폴 암 베이스 - 상기 적어도 하나의 다이폴 암 베이스는 다이폴 암 피드에 의해 각각 피딩되는 제1 및 제2 다이폴 암을 지지하고, 상기 다이폴 암 베이스는 상기 접지 평면과 상기 다이폴 암 사이에 1/4 파장보다 작은 분리를 제공하도록 치수가 정해지고, 상기 다이폴 암 베이스는 상기 접지 평면과 상기 다이폴 암 피드 사이의 1/4 파장 실효 전기적 길이를 제공하기 위한 개구들을 가짐-
   를 포함하는 광대역 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 개구들은 상기 접지 평면과 상기 다이폴 암 피드 사이에 제공되는 광대역 안테나.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 개구들은 상기 다이폴 암 베이스 내로 연장하는 슬롯들에 의해 정의되는 광대역 안테나.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 복수의 인접 다이폴 암 베이스의 조립체를 포함하고, 상기 다이폴 암 베이스들의 각각은 상기 조립체의 내부에 근접하여 위치되는 상기 개구들을 갖는 광대역 안테나.
5. 제1항에 있어서,
   다이폴 핑거와 각각 연결된 상기 제1 및 제2 다이폴 암을 갖는 다이폴 - 각각의 다이폴 핑거는 상기 다이폴 암과 직교하는 방향으로 배향되고, 각각의 다이폴 암 및 다이폴 핑거는 함께 1/4 파장 실효 전기적 길이를 제공함-
   을 포함하는 광대역 안테나.
6. 제5항에 있어서, 각각의 다이폴 암은 상기 접지 평면과 평행하게 연장하고 상기 다이폴 핑거는 상기 접지 평면을 향하여 연장하도록 배향되는 광대역 안테나.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 각각의 다이폴 암은 도전성 평판 플레이트를 포함하고 상기 다이폴 핑거는 상기 도전성 평판 플레이트의 에지를 향하여 결합된 늘어진 도전 봉을 포함하는 광대역 안테나.
8. 제1항, 제2항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 다이폴 암에 평행하게 및 그에 의해 생성되는 근접장에 위치되는 도전성 플레이트를 갖는 인접하는 복수의 상기 다이폴 암 베이스의 조립체를 포함하는 광대역 안테나.
9. 제8항에 있어서, 상기 도전성 플레이트는 대칭적인 광대역 안테나.
10. 제9항에 있어서, 상기 도전성 플레이트는 중앙 개구를 정의하는 광대역 안테나.
11. 제1항에 있어서,
    그 사이에 위치되는 도전성 벽에 의해 공간 분리된 적어도 인접한 상기 광대역 안테나의 쌍 -상기 도전성 벽은 상기 접지 평면으로부터 바로 서 있는(upstanding) 제1 구성요소 및 상기 제1 구성요소로부터 직교하며 연장하는 제2 구성요소를 포함함-
    을 포함하는 광대역 안테나.
12. 제11항에 있어서, 상기 제2 구성요소는 상기 제1 및 제2 다이폴 암에 대하여 평행하게 배향되고, 상기 제1 구성요소는 상기 제1 및 제2 다이폴 암을 향하여 연장하고 그에 대하여 직교하며 배향되는 광대역 안테나.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 도전성 벽은 각각의 광대역 안테나 주위로 연장하고 또한 각각의 광대역 안테나의 인접하는 다이폴 암들 사이의 개구들을 정의하는 광대역 안테나.
14. 방법으로서,
    인쇄회로기판상에 제1항, 제2항, 제5항, 제6항, 제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 따른 광대역 안테나를 조립하는 단계
    를 포함하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 조립하는 단계는 인접하는 복수의 상기 다이폴 암 베이스들의 조립체를 조립하는 단계를 포함하고, 상기 다이폴 암 베이스들의 각각은 상기 조립체의 내부에 인접하여 위치되는 상기 개구들을 갖는 방법.

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