KR101537646B1 - 유전체 로딩 안테나 - Google Patents

Abstract

이중-대역의 유전적으로 로딩된 멀티필러 안테나는 피드 접속 노드들(13K, 13L)로부터 환형 연결 도전체(20U)로 연장하는 나선형 도전 안테나 요소들(10A - 10F)의 제1 그룹 및 상기 연결 도전체의 방향에서 상기 피드 결합 노드들로부터 상기 연결 도전체로부터 실질적으로 개회로 단부들로 연장하는 도전성 나선형 안테나 요소들(11A - 11D)의 제2 그룹을 가진다. 상기 제1 그룹의 나선형 요소들은 상기 안테나의 제1 동작 주파수에서 대략 1/2 파장의 전기 길이를 가지는 1/2 회전 요소들이다. 상기 제2 그룹의 나선형 요소들은 1/4 파장 범위에서 그리고 상기 안테나의 제2 동작 주파수에서 전기 길이를 가지는 대략 1/4 회전 나선형 요소들이다. 요소들의 각 그룹은 원형으로 편광된 방사에 대한 각각의 공진 모드와 연관된다.

Description

유전체 로딩 안테나{A dielectrically loaded antenna}

본 발명은 200MHz를 초과하는 주파수들에서의 동작을 위한 유전체 로딩 안테나(dielectrically loaded antenna)에 관한 것으로, 주로 그러나 배타적이지 않게 원형으로 편광된 전자기 방사에 의한 동작을 위한 멀티-필러 나선형 안테나(multi-filar helical antenna)에 관한 것이다.

유전체 로딩 쿼드리필러 나선형 안테나들(Dielectrically-loaded quadrifilar helical antennas)은 영국 특허 출원 2292638A, 2310543A, 및 2367429A 및 국제출원 WO2006/136809에 개시되어 있다. 이와 같은 안테나들은 주로 글로벌 네비게이션 위성 시스템(global navigation satellite system; GNSS)으로부터, 예컨대 위치 고정(fixing) 및 네비게이션 목적들을 위한 글로벌 포지셔닝 시스템(Global Positioning System; GPS) 위성군(satellite constellation)의 위성들로부터 원형으로 편광된 신호들을 수신하기 위해 의도된다. L1 밴드(Ll band) 및 대응하는 갈릴레오 서비스(Galileo service)에서의 GPS는 협대역 서비스들이다. 종래의 안테나들로부터 이용 가능한 것보다 더 큰 부분 대역폭(greater fractional bandwidth)의 수신 또는 송신 장치를 요구하는 다른 위성-기반 서비스들이 있다. 증가된 대역폭을 제공하는 하나의 안테나는 영국 특허 출원 2424521A에 개시된 것이다. 이중 대역의 유전체 로딩 안테나 시스템은 영국 특허 출원 2311675A에 개시되어 있다. 원형으로 편광된 신호들을 수신하고 공진 링 도전체(resonant ring conductor)를 가질 수 있는 안테나는 유럽 특허 출원 1147571A호에 개시되어 있다.

관련된 안테나들은 영국 특허 출원 2445478A에 개시되어 있다. 이 출원은 비교 가능한 쿼드리필러 안테나(quadrifilar antenna)보다 더 큰 대역폭 및/또는 높은 이득을 제공하는 헥사필러(hexafilar) 및 옥타필러(octafilar) 안테나들을 개시한다. 하이(high) 임피던스 쿼드리필러 안테나는 영국 특허 출원 2444388A에 개시되어 있다.

상기 출원들의 전체 개시내용들은 출원된 본원의 개시내용에 참조로 포함된다.

본 발명의 목적은 제 1 및 제 2 공진 주파수들에서 원형으로 편광된 방사(radiation)를 수신할 수 있는 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 관점에 따르면, 200MHz 이상의 주파수들에서의 동작을 위한 유전체 로딩 안테나는 5보다 큰 상대 유전 상수를 가지며 코어의 외측 표면에 의해 규정되는 내부 체적(interior volume)의 전기 절연성 유전체 코어의 주된 부분을 점하는 고체 재료(solid material)의 전기 절연성 유전체 코어를 포함하고, 외측 표면은 정반대로 지향되고 횡방향으로 연장하는 표면 부분들 및 상기 횡방향으로 연장하는 부분들 사이의 측면 표면 부분을 가지며, 상기 안테나는 상기 횡방향으로 연장하는 표면 부분들 중 하나와 연결된 피드 접속 노드들, 상기 피드 접속 노드들로부터 이격된 위치에 있는 링크 도전체 및 안테나 요소 구조를 더 포함하고, 상기 안테나 요소 구조는 상기 피드 접속 노드들로부터 상기 코어 측면 표면 부분을 거쳐 상기 연결 도전체(linking conductor)로 연장하는 복수의 길다란 도전성 안테나 요소들의 제 1 그룹, 및 상기 피드 접속 노드들로부터 상기 연결 도전체의 상기 방향에서 상기 측면 표면 부분을 거쳐 상기 연결 도전체로부터 이격된 실질적인 개회로 단부들로 연장하는 길다란 도전성 안테나 요소들의 제 2 그룹을 포함한다. 원형으로 편광된 방사에 의한 동작을 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 그룹의 상기 안테나 요소들은 밸런스드 피드의 하나의 피드 접속 노드로부터 상기 다른 피드 접속 노드로 상기 연결 도전체를 통해 연장하는 도전성 루프들의 부분을 형성하고, 루프들 각각은 λ_gl 범위의 유효 전기 길이를 가지며, 여기서 λ_gl은 상기 제 1 동작 주파수에서의 상기 루프들에 따른 안내 파장이다. 각각의 루프는 각각 전기 길이 mλ_g2의 2개의 나선형 도전체들을 구비하고, 여기서 m은 정수이다. 상기 제 2 그룹의 상기 안테나 요소들은 (2n-l)λ_g2/4의 범위에서 전기 길이를 가지며, 여기서 λ_g2는 상기 제 2 동작 주파수에서의 상기 제 2 그룹의 상기 요소들에 따른 상기 안내 파장이고 n은 정수이다. 따라서, 제 1 및 제 2 동작 주파수들은 길다란 도전 안테나 요소들의 제 1 및 제 2 그룹들과 각각 연관된 제 1 및 제 2 공진 모드들의 동작 주파수들이다.

바람직한 안테나에 있어서, 상기 안테나 요소 구조는 헥사필러 나선형 안테나와 쿼드리필러 나선형 안테나의 혼합 배열, 하나는 폐회로 1/2파장 1/2 회전 요소들을 가지며 다른 하나는 코어의 공통의 원통형 측면 위에 폐회로 나선구조들이 삽입된 1/4파장 1/4 회전 개회로 나선구조들을 가진다. 상기 제 1 그룹의 나선형 요소들 및 상기 제 2 그룹의 나선형 요소들은 각각의 경우에 상기 코어 주위에 실질적으로 균일하게 분포되고, 그 결과 헥사필러와 쿼드리필러 안테나 요소 구조들의 혼합형인 10개의 나선형 요소들을 갖는 안테나의 경우에, 각 그룹의 요소들은, 각도의 면에서 보면, 축선에 대해 수직인 어떤 주어진 평면에서 엄격한 균일성의 25°내에서 각각의 그룹의 인접 요소들에 의해 상기 코어 축선에서 마주한다.

GB2445478A에 개시된 것과 같은 원형으로 편광된 방사를 위한 종래의 헥사필러 나선형 안테나의 안테나 요소들과 마찬가지로, 상기 제 1 그룹의 나선형 요소들은 이와 같은 요소들의 3쌍을 포함하고, 각각의 쌍은 약간 상이한 전기 길이를 가지며, 각각의 쌍의 요소들은 상기 코어 축에 대해 수직인 어떤 주어진 평면에서 서로 마주하여 배치된다. 본 발명에 따른 바람직한 안테나에 있어서, 전기 길이의 유사한 변동이 상기 제 2 그룹의 요소들에 적용되고, 즉 이와 같은 요소들은 나선형 요소들의 2개의 쌍들을 포함하고, 이들 쌍들 중 하나의 요소들의 전기 길이들은 다른 쌍의 요소들의 전기 길이들보다 클 수 있다는 점에 주목할 수 있다. 이러한 식으로, 각 그룹의 요소들에서 전압들과 전류들 사이의 위상 전진(phase progression)을 생성하는 것이 가능하고, 그 결과 각 그룹의 요소들은 특히 요소들의 전기 길이들에 의존하여 각각의 주파수에서 원형으로 편광된 공진 모드로 공진한다.

본 발명에 따른 바람직한 안테나는 상기 코어를 둘러싸는 발룬 슬리브 형태의 연결 도전체를 가지며, 이 슬리브는 상기 제 1 그룹의 상기 안테나 요소들에 대한 공통 상호접속 도전체로서 작용한다. 상기 제 1 그룹의 상기 안테나 요소들 및 상기 제 2 그룹의 상기 안테나 요소들과 각각 연관된 원형으로 편광된 공진 모드들 각각에서의 특별히 유리한 방사 패턴이 슬리브 림이 λ_gl의 전기 길이를 가지는 경우에 생성되고, 여기서 λ_gl은 상기 제 1 동작 주파수를 포함하는 제 1 동작 주파수 대역 내의 주파수에서의 림의 안내 파장이다.

유리하게는, 상기 제 2 그룹의 개회로 요소들에 의해 결정된 상기 제 2 동작 주파수는 주파수 스펙트럼에서의 제 1 동작 주파수보다 낮다(후자는 제 1 그룹의 폐회로 나선형 요소들에 의해 결정된다). 바람직한 안테나는 제 2 동작 주파수를 포함하는 제 2 동작 주파수 대역을 가지며, 이 제 2 동작 주파수 대역은 제 1 동작 주파수 대역보다 낮다. 전형적으로 제 1 및 제 2 동작 주파수 대역들의 중심 주파수들은 2개의 중심 주파수들의 평균의 적어도 5퍼센트만큼 분리되어 있다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 500MHz 이상의 제 1 및 제 2 주파수 대역들에서의 동작을 위한 유전체 로딩 나선형 안테나에 있어서, 주파수 대역들은 2개의 중심 주파수들의 평균의 최소 5 퍼센트만큼 이격된 중심 주파수들을 가지며, 상기 안테나는 코어의 외측 표면에 의해 규정된 상기 코어의 내부 체적의 주된 부분을 점유하는 고체 유전 재료(solid dielectric material)로 만들어진 코어를 포함하고, 안테나 요소 구조는 상기 제 1 대역에서 공진 주파수를 규정하는 복수의 폐회로의 실질적으로 1/2 회전의 나선형 도전성 요소들 및 상기 제 2 대역에서 공진 주파수를 규정하는 복수의 개회로의 실질적으로 1/4 파장의 나선형 요소들을 포함하는, 유전체 로딩 안테나가 제공된다.

본 발명은 또한 200MHz 이상의 제 1 및 제 2 동작 주파수들을 가진 유전체 로딩 안테나에 있어서, 상기 안테나는 5보다 큰 상대 유전 상수를 가지며 코어의 외측 표면에 의해 규정되는 내부 체적의 전기 절연성 유전체 코어의 주된 부분을 점하는 고체 재료의 전기 절연성 유전체 코어를 포함하고, 외측 표면은 정반대로 지향되고 횡방향으로 연장하는 부분들 및 상기 횡방향으로 연장하는 표면 부분들 사이의 측면 표면 부분을 가지며, 상기 안테나는 상기 횡방향으로 연장하는 표면 부분들 중 하나와 연결된 피드 결합 노드들 및 상기 피드 결합 노드들로부터 상기 코어의 상기 측면 표면 부분을 거쳐 상기 다른 횡방향으로 연장하는 표면 부분을 향해 연장하고 개회로 단부들(ends)에서 끝나는 도전성의 길다란 안테나 요소들의 적어도 하나의 쌍을 포함하는 안테나 요소 구조를 더 포함하고, 상기 길다란 요소들 각각은 (2n-l)λ_g/4의 범위에서 전기 길이를 가지며, 여기서 λ_g는 상기 동작 주파수들 중 하나에서의 상기 요소들에 따른 상기 안내 파장이고 n은 정수, n은 바람직하게는 1인, 유전체 로딩 안테나를 포함한다. 유리하게는, 상기 안테나는 도전성의 길다란 안테나 요소들의 2개의 이와 같은 쌍들을 가지며, 상기 쌍들 중 하나의 상기 요소들의 상기 전기 길이들은 다른 쌍의 전기 길이들보다 길고, 상기 안테나는 상기 동작 주파수에서 원형으로 편광된 방사에 의해 동작하도록 되어 있다.

길다란 도전 안테나 요소들은 원통형인 코어의 원통형 측면 표면 부분 주위에서 실질적으로 균일하게 이격되어 있고, 각각의 안테나 요소는 실질적으로 나선형이고 원통형 코어의 축 위에 중심이 있다.

본 발명에 따른 최선의 안테나는 백파이어 안테나, 즉 피드 접속 노드들이 코어의 말단 단부 표면 부분에 있고 피드 라인이 하나의 단부 표면 부분으로부터 다른 것으로 상기 코어를 통과하는 것이지만, 코어의 말단 단부 표면 부분 위의 피드 접속 노드들을 코어의 근접 표면 위에 또는 안테나의 조합을 포함하는 안테나 조립체의 부분을 형성하는 인쇄 회로 기판 및 코어에 부착된 인쇄 회로 기판 위에 직접 형성되는 발룬에 결합함으로써 본 발명에 따라 소위 엔드파이어 안테나(endfire antenna)를 구성하는 것도 가능하다.

그러나, 바람직한 안테나는 위에서 언급한 종래 기술 명세서들에 개시된 안테나들의 것과 마찬가지로, 코어의 말단 단부 표면 부분에서 코어를 통과하는 동축 피드 라인의 외측 도전체에 결합되는 슬리브 발룬을 가진다.

예컨대 위에서 언급한 WO2006/136809에 대략 개시된 것과 같이, 피드 라인과 피드 접속 노드들 사이에 리액티브 매칭 네트워크가 개재되면 최선의 결과들이 얻어진다. 매칭 네트워크는 전형적으로 적어도 하나의 션트 용량 및 바람직하게는 적어도 하나의 직렬 인덕턴스를 구비한다. 안테나의 동작 대역들 모두에서 피드 라인에 대한 안테나 요소 구조의 유리한 매칭은 피드 라인의 도전체들을 가로질러 접속되는 제 1 션트 용량, 피드 라인 도전체들 중 하나와 안테나 요소들 사이의 제 1 및 제 2 직렬 인덕턴스들, 및 2개의 인덕턴스들의 접속점에 접속된 제 2 션트 용량을 가진 2극 LC 매칭 네트워크에 의해 달성된다. 네트워크는 2개의 대역들에서 안테나 요소 구조의 임피던스를 매칭시키는 효과를 가질 뿐만 아니라 예컨대 제 2 그룹의 개회로 나선형 요소들에 의해 결정된 공진 모드에 따라 제 2 동작 주파수 대역에서 얻어지는 방사 패턴을 개선시킨다.

본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 200MHz 이상의 제 1 및 제 2 주파수 대역들에서 동작하기 위한 유전체 로딩 안테나는 5보다 큰 상대 유전 상수를 가지며 코어의 외측 표면에 의해 규정되는 내부 체적의 전기 절연성 유전체 코어의 주된 부분을 점하는 고체 재료의 전기 절연성 유전체 코어를 포함하고, 외측 표면은 정반대로 지향되고 횡방향으로 연장하는 표면 부분들 및 상기 횡방향으로 연장하는 부분들 사이의 측면 표면 부분을 가지며, 상기 안테나는 상기 횡방향으로 연장하는 표면 부분들 중 하나와 연관된 한쌍의 피드 결합 노드들 및 제 1 및 제 2 그룹들의 길다란 도전성 안테나 요소들을 포함하는 안테나 요소 구조를 더 포함하고, 각각의 그룹은 상기 피드 결합 노드들로부터 상기 코어 측면 표면 부분을 거쳐 다른 횡방향으로 연장하는 표면 부분을 향해 연장하는 적어도 4개의 이와 같은 안테나 요소들을 포함하고, 상기 제 1 그룹의 상기 요소들은 상기 제 2 그룹의 요소들보다 더 길고, 상기 제 1 및 제 2 그룹들의 상기 요소들은 상이한 공진 주파수들의 제 1 및 제 2의 원형 편광 공진들과 각각 연관되고, 안테나 요소들의 각각의 그룹은 상기 피드 결합 노드들 중 하나에 접속된 요소들 및 상기 피드 결합 노드들의 나머지에 접속된 요소들을 가지며, 상기 요소들의 배열은 각각의 피드 결합 노드에 접속된 상기 요소들에 관해, (a) 이들이 인접하는 안테나 요소들의 쌍들을 포함하고, 각각의 쌍은 상기 제 1 그룹의 하나의 요소 및 상기 제 2 그룹의 하나의 요소를 포함하고, (b) 상기 코어 주위의 주어진 방향에서, 상기 제 1 그룹의 상기 요소가 상기 제 2 그룹의 상기 요소에 선행하는 상기 쌍들의 수가 상기 방향에서 상기 제 2 그룹의 상기 요소가 상기 제 1 그룹의 상기 요소에 선행하는 상기 쌍들의 수와 동일하도록 되어 있다.

각각의 피드 결합 노드에 접속된 상기 요소들에 관해, 상기 제 1 그룹의 상기 요소들 및 상기 제 2 그룹의 요소들은 상기 코어의 상기 측면 표면 부분 주위에서 교번 순서(alternating sequence)로 배열되는 것이 바람직하다.

상기 인접하는 안테나 요소들의 쌍들은 적어도 3개의 쌍들을 구비하고, 이 쌍들 각각에서 요소들 중 하나는 다른 이와 같은 쌍의 요소이다.

본 발명은 이격된 주파수 대역들에서 위성으로부터 신호들을 수신하고 위성에 신호들을 전송하기 위한 이중-서비스 응용들에 특히 사용된다. 일단 이와 같은 이중-서비스 응용이 2개의 대역들, 예컨대 GPS 및 갈릴레오 시스템들(Galileo systems)에 의해 각각 사용되는 L1 및 L2 대역들에서의(1575.42MHz 및 1277.60MHz에서의) 글로벌 네비게이션 위성 시스템(global navigation satellite system; GNSS) 신호의 동시 수신이다. 안테나의 다른 응용들은 2.005GHz 및 2.195GHz에 중심이 있는 업링크 및 다운링크 대역들을 가진 테리스타 S-대역 서비스(TerreStar S-band service)와 같은 인접하는 업링크 및 다운링크.... 주파수 대역들을 채용하는 S- 및 L- 대역 위성 전화 서비스들을 위한 휴대형 및 모바일 송수신기들을 구비한다. 1/4파장 요소들로서 개회로 안테나 요소들을 작동시키는 것은 이들이 코어의 동일한 외측 표면 부분 위에 있음에도 불구하고 1/2 파장 폐회로 요소들보다 훨씬 낮은 주파수에서 공진하는 치수로 되도록 허용한다. 하나의 대안의 실시예에 있어서, 폐회로 요소는 폐회로 요소들의 공진 주파수의 절반 또는 훨씬 낮은 공진 주파수로 조정되는 1/4파장 개회로 요소들에 대한 여지를 남기는, 전파(full wave) 또는 1과 1/2 파장 요소들일 수 있다. 전형적으로, 제 1 공진 주파수 f₁에 중심이 있는 제 1의 동작 대역 및 제 2 공진 주파수 f₂에 중심이 있는 제 2의 동작 대역을 가진 본 발명에 따른 안테나에 있어서, 2개의 중심 주파수들의 f₂ - f₁의 주파수 간격은 평균 주파수 ½(f₁+f₂)의 25퍼센트 이하이다.

이하, 본 발명이 도면들을 참조하여 예로서 기술된다.

도 1은 본 발명에 따른 안테나의 사시도.
도 2는 도 1의 안테나의 투시 사시도.
도 3은 평면으로 변환된 도 1의 안테나의 외측 원통형 표면 부분 상의 도전체 패턴을 나타낸 도면.
도 4는 도 1의 안테나의 피드 구조(feed structure)의 축방향 단면도.
도 5는 피더 전송 라인의 말단부로부터 분리된 피드 구조의 라미네이트 보드를 나타내는, 도 4에 도시된 피드 구조의 상세도.
도 6a 및 도 6b는 피더 구조의 라미네이트 보드의 도전층들의 도전체 패턴들을 나타낸 도면들.
도 7은 등가 회로도.
도 8은 도 1의 안테나의 삽입 손실(insertion loss; S₁₁) 주파수 응답을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 제1의 대체 안테나의 투시 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 제2의 대체 안테나의 투시 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 제3의 대체 안테나의 투시 사시도.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 멀티필러 나선형 안테나(multi-filar helical antenna)는 10개의 안테나 요소들의 2개의 그룹들로 구성되는 이와 같은 요소들을 갖는 안테나 요소 구조(antenna element structure)를 가지며, 여기서 하나의 그룹은 복수의 폐회로 나선형 도전 트랙들(closed-circuit helical conductive tracks: 1OA, 1OB, 1OC, 10D, 1OE, 1OF)을 포함하고, 제 2 그룹은 복수의 개회로 나선형 도전 트랙들(open-circuit helical conductive tracks: 11A, 11B, 11C, 11D)을 포함하고, 이들 트랙들은 모두 도금되거나 그렇지 않으면 솔리드 원통형 코어(12)의 원통형 외측 표면 부분(12C) 위에 메탈라이징된다(metallised). 도 2에서, 코어는 명확성을 위해 생략된다.

코어는 세라믹 재료로 만들어진다. 이 경우에, 그것은 '21' 영역에서 상대 유전 상수(relative dielectric constant)를 가진 칼슘-마그네슘 티탄산염(calcium-magnesium titanate) 재료이다. 이러한 재료는 가변 온도 및 낮은 유전 손실(dielectric loss)을 갖는 그것의 치수 및 전기 안정성이 주목된다. GPS L2 및 L1 대역들(1227.6MHz 및 1575.42MHz)에서 동작하도록 의도되는 이 실시예에 있어서, 코어는 14mm의 직경을 가진다. 17.75mm의 코어의 길이는 직경보다 크지만 본 발명의 다른 실시예들에서 그것은 작을 수 있다. 코어는 프레싱(pressing)에 의해 제조되지만, 압출 공정(extrusion process)으로 제조될 수 있고, 이후 코어는 구워진다(fired). 본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 글라스-세라믹 재료가 코어에 대해 사용될 수 있다.

이러한 바람직한 안테나는 코어의 말단 단부면(12D)으로부터 근접 단면(12P)으로 코어를 통과하는 축방향 보어(axial bore)(도시하지 않음)에 수용된 동축 전송 라인을 가진 백파이어 나선형 안테나(backfire helical antenna)이다. 양 단면들(12D, 12P)은 평탄하고 코어의 중심축에 수직이다. 이들은 정반대를 가리키는데, 본 발명의 이 실시예에서 하나는 말단에(diatally) 배치되고 나머지는 근접하여(proximally) 배치된다. 동축 전송 라인은 보어의 벽으로부터 이격된 외측 실드 도전체(outer shied conductor)를 갖는 보어 내에서 중심에 수용된 강성의 동축 피더(rigid coaxial feeder)이고, 그 결과 유효하게 코어(12)의 실드 도전체와 재료 사이에 유전층이 있다. 도 4를 참조하면, 동축 전송 라인 피더는 도전성 관형 외측 실드(conductive tubular outer shield; 16), 제1의 튜브형 에어갭(first tubular air gap) 또는 절연층(17), 및 이 절연층(17)에 의해 실드(shield)로부터 절연되는 길다란 내측 도전체(18)를 가진다. 실드(16)는 보어의 벽들로부터 실드를 이격시키고, 외측으로 돌출하고 일체로 형성된 스프링 탱들(spring tangs; 16T) 또는 스페이서들을 가진다. 제2의 튜브형 에어갭이 보어의 벽과 실드(16) 사이에 존재한다. 대신, 보어의 벽들과 실드(16) 사이에 층이 있을 수 있기 때문에, 절연층(17)은 플라스틱 슬리브(plastics sleeve)로서 형성될 수 있다. 피더의 하측 근접 단부에서, 내측 도전체(18)는 상기한 본 출원인의 WO2006/136809에 기재된 것과 같이 절연 부쉬(insulative bush)(도시하지 않음)에 의해 실드(16) 내에서 중심에 배치된다.

실드(16), 내측 도전체(18) 및 절연층(17)의 조합은 안테나 요소들(1OA - 1OF, 11A - 11D)의 말단 단부들(distal ends)을 안테나가 접속될 장비의 무선 주파수(RF) 회로에 결합하기 위한 안테나 코어(12)를 통과하는, 여기서는 50 옴(Ω)의 미리 정해진 특성 임피던스의 전송 라인을 구성한다. 안테나 요소들(1OA - 1OF, 11A - 11D)과 피더 사이의 결합들은 나선형 트랙들(1OA - 1OF, 11A - 11D)과 연관된 도전성 접속 부분들을 통해 이루어지고, 이들 접속 부분들은 코어(12)의 말단 단부면(12D) 위에 도금된, 반경방향 트랙들(10AR, lOBR, lOCR, 10DR, 10ER, 10FR, 11AR, 11BR, 11CR, 11DR)로서 형성된다. 각각의 접속 부분은 각각의 나선형 트랙의 말단 단부로부터 보어(12B)의 단부에 인접하여 코어 말단 단부면(12D) 위에 도금되고 피드 결합 노드들을 형성하는 2개의 원호형 트랙들 또는 도전체들(13K, 13L) 중 하나로 연장한다.

이하에 기술되는 것과 같이, 2개의 원호형 도전체들(13K, 13L)은 코어 말단 단부면(12D)에 고정된 라미네이트 보드(19) 위의 도전체들에 의해 실드(shiled) 및 내부 도전체들(16, 18)에 각각 결합된다. 동축 전송 라인 피더 및 라미네이트 보드(19)는 함께 코어(12)에 조립하기 전에 단일 피드 구조를 포함하고, 이들의 연관성(interrelationship)은 도 1 및 도 4를 비교하여 알 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 전송 라인 피더의 내측 도전체(18)는 장비 회로(equipment circuitry)에 접속하기 위한 코어(12)의 근접면(proximal face; 12P)으로부터 핀으로 돌출하는 근접 부분(18P)을 가진다. 유사하게, 실드(16)의 근접 단부 위의 통합 러그들(integral lugs)은 장비 회로 접지와 접속하기 위한 코어 근접면(12P)을 넘어 돌출한다.

제1 그룹의 6개의 폐회로 안테나 요소들(1OA - 1OF)의 근접 단부들(1OAP - 1OFP)(도 3 참조)은 공통의 가상 접지 도전체(virtual ground conductor: 20)에 의해 상호접속된다. 이 실시예에 있어서, 공통 도전체는 환형(annular) 및 코어(12)의 근접 단부 부분을 둘러싸는 도금된 슬리브의 형태이다. 이 슬리브(20)는 또한 피더의 실드 도전체(16)에 접속되고, 여기서 그것은 코어(12)(도 1)의 근접 단부면(12P)의 도금된 도전성 커버링(conductive covering; 22)에 의해 코어로부터 근접하여 발생한다(emerges proximally).

제1 그룹의 6개의 폐회로 나선형 안테나 요소들(1OA - 1OF)은 상이한 길이들로 되어 있고, 3개 요소들의 각각의 세트(10A - 1OC, 1OD - 1OF)는 슬리브의 림(20U)이 코어의 근접 단면(12P)으로부터의 거리가 일반적으로 변하기 때문에 약간 상이한 길이들의 요소들을 가진다. 가장 짧은 요소들(10A, 10D)이 슬리브(20)에 접속되는 경우, 림(20U)은 가장 긴 안테나 요소들(10C, 10F)이 슬리브(20)에 접속되는 경우보다 근접면(12P)으로부터 약간 더 멀다. 폐회로 나선형 안테나 요소들(10A - 10F)을 포함하는 도전 경로들의 상이한 길이들은 안테나가 원형으로 편광된 신호들에 민감한 제1 공진 모드에서 안테나가 동작할 때 3개의 요소들의 각각의 세트(1OA - 1OC, 1OD - 1OF) 내에서 요소들의 전류들 간의 위상차를 가져온다. 이 모드에서, 전류들은 한편에서는 피드 접속 노드들(13L) 중 하나에 접속된 요소들(10D, 10E, 10F)과 한편에서는 다른 피드 접속 노드(13K)에 접속된 세트들(1OA, 1OB, 1OC)의 나머지의 요소들 사이에서 슬리브(20)의 림(20U) 주위를 흐른다.

도전 슬리브(20), 근접 단면(12P)의 플레이팅(22) 및 피드 라인(16, 18)의 다른 실드(16)는 설치시 안테나가 연결되는 장비로부터 안테나 요소 구조의 공통-모드 절연을 제공하는 1/4 파장 발룬(quarter-wave balun)을 함께 형성한다. 발룬은 피드 라인(16, 18)의 근접 단부에서의 싱글-엔디드 전류들(single-ended currents)을 말단 단부에서 균형잡힌 전류들로 변환하고, 여기서 그것은 코어(12)의 말단 단부 표면 부분(12D) 위에 나타난다.

슬리브(20)의 림(20U)은 λ_g1의 전기 길이를 가지며, λ_g1은 안테나의 제1 공진 모드의 주파수에서 림(20U) 주위를 지나는 전류에 대한 안내 파장(guide wavelength)이고, 그 결과 림은 그 주파수에서 링 공진(ring resonance)을 나타낸다. 공진 요소(resonant element)로서의 슬리브 림(20U)의 동작은 위에서 언급한 EPl147571A에 더 상세히 기술된다.

본 발명의 이 실시예의 슬리브(sleeve) 및 플레이팅(plating)은 이들이 발룬 기능(balun function) 및 링 공진(ring resonance) 모두를 제공하는 점에서 유리하지만, 본 실시예에서와 같이, 개방단 공동(open-ended cavity)을 형성하기 위해 피더 실드 도전체(16)에 접속되는 슬리브의 형태로 되는 것보다는 링 공진은 또한 코어(12)를 둘러싸고 코어의 외측 표면 부분 상에 근접 및 말단 에지 모두를 가지는 환형 도체에 나선형 요소들(10A - 10F)을 접속함으로써 독립적으로 제공될 수 있다. 이와 같은 도전체는 그것이 환형 트랙의 폭이 나선형 요소들(10A - 10F, 11A - 11D)을 형성하는 도전성 트랙들의 폭과 유사한 환형 트랙을 구성할 수 있는 한 비교적 좁을 수 있고, 그것을 제공하는 것은, 안테나의 동작 주파수에서 안내 파장에 대응하는 전기 길이를 가지며, 또한 나선형 요소들(10A - 10F) 및 이들의 상호접속에 의해 제공되는 루프들과 연관된 공진 모드, 즉 제1 공진 모드를 강화하는 링 공진을 생성한다.

슬리브(20) 및 근접 표면 플레이팅(22)은 코어의 근접 단면(12P)에서 폐회로 안테나 요소들(1OA - 1OF)로부터 공급 라인의 실드(16)로 전류들의 흐름을 방지하는 트랩(trap)으로서 작용한다. 폐회로 나선형 트랙들(1OA - 1OF)은 3개 각각의 반경방향 트랙들(10AR, lOBR, lOCR, 10DR, 10ER, 10FR) 사이에서 피드 결합 노드들을 구성하는 세트들에서 원호형 트랙들(13K, 13L)에 의해 상호접속되고 그 결과 각각의 폐회로 나선형 트랙들의 서브세트는 하나의 긴 트랙(10C; 10F), 하나의 중간 길이 트랙(10B; 10E) 및 하나의 짧은 트랙(10A; 10D)을 갖는 것이 주목될 것이다.

(a) 가장 짧은 폐회로 나선형 도전체 트랙들(1OA, 1OD)과 슬리브 림(20U), (b) 중간 길이 폐회로 나선형 도전체 트랙들(10B, 10E)과 슬리브 림(20U), 및 (c) 가장 긴 폐회로 나선형 도전체 트랙들(10C, 10F)과 슬리브 림(20U)에 의해 각각 형성되는 2개의 피드 결합 노드들(13K, 13L) 사이의 3개의 도전성 루프들(three conductive loops)은 각각 λ_gl과 대략 동일한 유효 전기 길이(effective electrical length)를 가지며, 이것은 제1 공진 모드의 주파수에서 루프들에 따른 안내 파장이다. 상기 요소들은 1/2 회전 요소들이고 코어의 원통형 표면 부분(12C) 위에서 같이 연장한다(coextensive). 폐회로 나선형 트랙들(1OA - 1OF) 및 이들의 상호접속의 구성은 이들이 단순한 유전체 로딩 헥사필러 나선형 안테나(dielectrically loaded hexafilar helical antenna)와 유사하게 동작하도록 되어 있고, 그것의 동작은 위에서 언급한 GB2445478A에 더 상세히 기술되어 있다.

폐회로 나선형 도전체 트랙들(1OA - 1OF)과 대조적으로, 도 1, 도 2, 도 3에 도시된 것과 같이, 다른 나선형 도전체 트랙들(11A - 11D)은 코어의 말단 단부 표면 부분과 슬리브 림(20U) 사이의 위치들에서 코어 원통형 표면 부분(12C) 위에 개회로 근접 단부들(11AP, 11BP, 11CP, 11DP)을 가진다. 이들 개회로 나선형 트랙들의 배열은 이들이 또한 폐회로 나선형 트랙들(10A - 10F) 사이에 개재되어 코어 주위에 균일하게 분포되도록 되어 있고, 각각 개회로 트랙(11A - 11D)은 코어의 축을 중심으로 대략 1/4 회전(quarter-turn)을 실행한다. 코어의 축 주위에 균일하게 분포됨으로써, 개회로 나선형 트랙들(11A - 11D)은 대략 직교하여 배치되는 트랙 쌍들(11A, 11C; 11B, 11D)을 포함한다. 각각의 개회로 트랙(11A - 11D)은, 코어의 말단 단부 표면 부분(12D) 위의 그것의 각각의 반경방향 접속 요소(11AR - 11DR)와 조합하여, 각각의 트랙의 전기 길이가 그 중에서도 개회로 요소들의 길이에 의해 결정된 안테나의 제2의 원형으로 편광된 공진 모드의 주파수에서 안내 파장 λ_g2의 1/4과 대략 동일하다는 견지에서 1/4 파장 모노폴(quarter-wave monopole)을 형성한다.

폐회로 나선형 도전체 트랙들(1OA - 1OF)을 갖는 경우와 같이, 개회로 트랙들(11A - 11D)은 물리 및 전기 길이에서 작은 차이를 나타낸다. 따라서, 개회로 트랙들은 정반대로 마주하는 트랙들(11B, 11D)의 제2 쌍보다 긴 정반대로 마주하는 트랙들(11A, 11C)의 제1 쌍을 구비한다. 길이의 이들 작은 변화들은 제2의 원형으로 편광된 공진 모드의 주파수에서 회전 다이폴(rotating dipole)을 합성(synthesise)하기 위해 이들 각각의 개개의 공진들을 위상-전진 및 위상-지연시킨다(phase-advance and phase-retard).

본 발명의 이 실시예에서, 제2 공진 모드의 주파수는 제1 공진 모드의 주파수보다 낮은 것에 주목해야 한다.

슬리브 림(20U)에 대한 개회로 나선형 트랙들(11A - 11D) 및 이들 각각의 반경방향 트랙들(11AR - 11DR)에 의해 형성된 모노폴 요소들(monopole elements)의 시스템의 접속은 없으므로, 제2의 원형으로 편광된 공진 모드는 슬리브 림(20U)의 링 공진과는 독립적으로 결정된다. 그럼에도 불구하고, 실드 도전체(16)의 셀프-커패시턴스(self-capacitance) 효과를 감소시키기 때문에, 코어의 근접 단부 표면 부분(12P)의 도금층(22)에 의한 슬리브(20), 피더(16, 18) 및 이들의 상호접속에 의해 형성된 발룬(balun)의 존재는 쿼드리필러 모노폴들(11A - 11D)의 매칭(matching)을 개선시켜, 제2 공진 모드에서 안정한 원형으로 편광된 방사 패턴을 생성한다. 또한, 그 결과 모노폴 길이들에 대한 허용오차들은 덜 중요하다.

본 명세서에서, 용어 "방사(radiation)" 및 "방사하는(radiating)"은 안테나의 특징들 또는 요소들에 적용될 때, 이들은 송신기와 함께 사용될 때 에너지의 방사와 관련된 또는 수신기와 함께 안테나가 사용될 때 주위로부터의 에너지의 흡수와 관련된 안테나의 특징들 또는 요소들을 가리킨다.

각각의 피드 결합 노드(13K; 13L)에 접속된 5개의 안테나 요소들(1OA, 11A, 1OB, 11B, 1OC; 10D, 11C, 1OE, 11D, 1OF)에 대해, 각각 코어의 주위의 폐회로 트랙들(1OA, 10B, 1OC; 10D, 1OE, 1OF) 및 개회로 트랙들(11A, 11B; 11C, 11D)의 순서는 중심선에 대해 대칭이 되도록 되어 있다(도 3 참조). 환언하면, 각각의 피드 결합 노드에 대해, 순서는 각각의 중심선에 대해 거울대칭(mirrored)이다. 특히, 안테나 요소들의 배열은 각각의 피드 결합 노드에 접속된 요소들에 대해, 이들이 이웃하는 안테나 요소들의 쌍들을 포함하고, 각각의 쌍은 하나의 폐회로 안테나 요소 및 하나의 개회로 안테나 요소를 포함하도록 되어 있고, 안테나 요소들의 순서는 코어 주위의 주어진 방향에서, 폐회로 요소가 개회로 요소에 선행하는 쌍들의 수가 동일한 방향에서 개회로 요소가 폐회로 요소에 선행하는 쌍들의 수와 동일하도록 되어 있다. 본 상황에서, 각각의 이와 같은 요소들의 "쌍"은 또한 다른 이와 같은 쌍의 요소인 적어도 하나의 요소를 구비할 수 있음을 기억하라. 제1 피드 결합 노드(13K)에 결합된 안테나 요소들은 4개의 쌍들(1OA, 11A; 11A, 1OB; 1OB, 11B; 11B, 1OC)을 포함한다. 이들 4개의 쌍들 중, 반시계 방향에서 안테나 위로부터(즉, 말단 코어 표면 부분(12D)의 말단에 위치된 위치로부터)의 순서를 보면, 폐회로 요소가 개회로 요소 앞에 있는 2개의 쌍들(1OA, 11A; 1OB, 11B) 및 개회로 요소가 폐회로 요소 앞에 있는 2개의 쌍들(11A, 1OB; 11B, 1OC)이 있고, 그럼으로써 위에 특정된 것과 같이, 같은 수의 쌍들의 조건을 만족시킨다. 다른 피드 결합 노드(13L)에 접속된 안테나 요소들에도 마찬가지이다. 따라서, 폐회로 요소가 개회로 요소에 선행하는 2개의 쌍들(10D, 11C; 1OE, 11D) 및 개회로 요소가 폐회로 요소에 선행하는 2개의 쌍들(HC, 1OE, 11D, 1OF)이 있다. 이러한 폐회로 및 개회로의 순서화(sequencing)는 이러한 조건을 만족시키지 않는 안테나와 비교하여 우수한 방사 패턴을 생성하는 것이 발견되었다.

아래에 기술되는 것과 같이, 4개의 폐회로 요소들 및 4개의 개회로 요소들만을 가진 안테나를 갖는 조건을 만족시키는 것이 가능하다. 그러나, 한 종류의 6개의 요소들과 다른 종류의 4개의 요소들, 즉, 이 경우에는 6개의 폐회로 요소들 및 4개의 개회로 요소들의 조합이 바람직한데 그 이유는 각 그룹(1OA - 1OF; 11A - 11D)의 요소들의 더 균일한 간격이 얻어질 수 있기 때문이다. 따라서, 안테나 요소들(1OA - 1OF, 11A - 11D)의 완전한 세트가 코어 주위에 균일하게 분포되면, 안테나 축에 수직인 어떤 주어진 평면에서, 폐회로 나선형 트랙들(1OA - 1OF)은 72°(트랙들의 4개의 쌍에 대해) 및 36°(트랙들의 2개의 쌍들에 대해)의 각도 간격들(angular spacings)을 가진다. 60°의 최적 간격으로부터의 최대 편차(maximum deviation)는 24°이다. 4개의 개회로 나선형 트랙들(11A - 11D)에 대해, 요소간 각도 간격들은 72°및 108°이고, 즉 90°의 최적치로부터 단지 18°의 편차를 가져온다.

도 1에 도시된 것과 같이, 임피던스 매칭(impedance matching)은 말단 단부 표면 부분(12D) 위에서 대면하여(face-to-face) 장착되는 라미네이트 인쇄 회로 기판(laminate printed circuit board; PCB) 조립체(19)로 구현되는 매칭 네트워크에 의해 수행된다.

도 4에 도시된 것과 같이, PCB 조립체(19)는 피드 라인(16, 18)을 통합하는 피드 구조의 부분을 형성한다.

피드 라인(16, 18)은 신호들을 안테나 요소 구조에 또는 구조로부터 전달하기 위한 50 Ω의 특성 임피던스를 가진 라인의 단순한 것 이외의 기능들을 수행한다. 먼저, 상기한 바와 같이, 실드(16)는 피드 구조의 접속점에서 안테나 요소에 대해 공통-모드 절연을 제공하기 위해 슬리브(20)와 조합하여 작용한다. (a) 코어의 근접 단면(12P) 위의 플레이팅(22)과의 그것의 접속부와, (b) PCB 조립체(19) 위의 도전체들에 대한 그것의 접속부, 사이에서의 실드 도전체의 길이는, 축방향 보어의 치수들(피더 전송 라인이 수용되는) 및 실드(16)와 보어의 벽 사이의 공간을 채우는 재료의 유전 상수와 함께, 실드의 외면 상의 실드(16)의 전기 길이가 안테나의 공진의 2개의 필요 모드들의 주파수들의 각각에서 1/4 파장이 되고, 그 결과 도전 슬리브(20), 플레이팅(22) 및 실드(16)의 조합이 안테나 요소 구조에 대해 피드 구조의 접속부에서 밸런스드 전류들(balanced currents)을 생성하도록 되어 있다.

이러한 최선의 안테나에 있어서, 피드 구조의 실드를 둘러싸는 절연층이 있다. 코어(12)의 유전 상수보다 낮은 유전 상수를 갖고 바람직한 안테나에 있어서 공기층인 이 층은 실드의 전기 길이에 대한 그러므로 실드(16)의 외부와 연결된 임의의 길이방향 공진에 대한 코어(12)의 영향을 약화시킨다. 필요한 동작 주파수들과 연관된 공진 모드들이 원통형 코어 축과 마주하여, 즉 횡방향으로 연장하는 전압 다이폴들에 의해 특징지워지므로, 필요한 공진 모드에 대한 낮은 유전 상수 슬리브의 영향은 적어도 바람직한 실시예에서 코어의 것보다 상당히 작은 슬리브 두께로 인해 상대적으로 작다. 그러므로, 실드(16)와 연관된 공진 선형 모드가 원하는 공진 모드로부터 분리(de-coupled)되게 하는 것이 가능하다.

안테나는 500MHz보다 높은 주 공진 주파수들(main resonant frequencies)을 가지며, 상기한 바와 같이, 이들 공진 주파수들은 나선형 안테나 도전체(1OA - 1OF, 11A - 11D)의 유효 전기 길이들에 의해 결정된다. 주어진 공진 주파수에 대해, 요소들의 전기 길이들은 또한 코어 재료의 상대 유전 상수에 종속하며, 안테나의 치수들은 공심(air-cored) 쿼드리필러 안테나에 대해 실질적으로 감소된다.

본 발명에 따른 안테나들은 약 1GHz 위의 이중-대역 위성 통신(dual-band satellite communication)에 특히 적합하다. 이 경우에, 제1 그룹의 나선형 안테나 요소들(1OA - 1OF)은 약 12.3mm의 평균 길이방향 길이(extent)(즉 중심축에 평행한)를 가지고, 반면 제2 그룹의 것들(11A - 11D)은 약 8.0mm의 평균 길이방향 길이를 가진다. 도전 슬리브(20)의 길이는 전형적으로 5.45mm의 범위에 있다. 이것은 2개의 동작 주파수 대역들의 중심 주파수들의 대략 평균에서 1/4파장 발룬을 낳는다. 이러한 치수는 중요하지 않다. 실제로, 슬리브 길이는 중심 주파수들 사이의 간격에 종속하여 2개의 중심 주파수들 또는 많은 경우에 중간의 임의의 주파수에서 1/4 파장 발룬을 낳도록 설정될 수 있다.

안테나 요소들(1OA - 1OF, 11A - 11D)의 정확한 치수들은 필요한 위상차들이 얻어질 때까지 경험적 최적화(empirical optimisation)를 수행함으로써 시행착오에 기초하여 설계 단계에서 결정될 수 있다. 코어의 축방향 보어에서의 동축 전송 라인의 직경은 2mm의 범위에 있다.

이하 피드 구조의 추가 상세들이 설명된다. 도 4에 도시된 것과 같이, 피드 구조는 동축 50Ω 피드 라인(16, 17, 18)과 이 라인의 말단 단부에 접속된 평면 라미네이트 보드 조립체(19)의 조합을 포함한다. PCB 조립체(19)는 대면 접촉하여 코어(12)의 말단 단부면(12D)에 대해 옆으로 놓이는(lies flat) 양면 인쇄 회로 기판이다. 도 1에 도시된 것과 같이, PCB 조립체(19)의 최대 치수는 코어(12)의 직경보다 작으므로 PCB 조립체(19)는 완전히 코어(12)의 말단 단부면(12D)의 외면 안에 있다.

이 실시예에서, PCB 조립체(19)는 코어의 말단 단부면(12D) 위의 중심에 배치되는 디스크 형태로 되어 있다. 그것의 직경은 그것이 코어 말단 단부 표면 부분(12D) 위에 도금된 원호형 요소간 커플링 도전체들(13K, 13L) 위에 놓이도록 되어 있다. 도 5의 전개도에서 알 수 있는 것과 같이, 조립체(19)는 동축 피더 전송 라인의 내측 도전체(18)를 수용하는 거의 중심에 있는 구멍(32)을 가진다. 3개의 중심에서 벗어난(off-centre) 구멍(32)을 가진다. 3개의 중심에서 벗어난 구멍들(34)은 실드(16)의 말단 러그들(16G)을 수용한다. 러그들(16G)은 동축 피더 구조에 대해 PCB 조립체(19)를 배치하는 것을 돕기 위해 굽혀지거나 "조그(jogged)"된다. 모든 4개의 구멍들(32, 34)은 전부 도금된다. 또한, 조립체(19A, 19B)의 둘레의 부분들(19P)은 도금되고, 플레이팅은 라미네이트 보드의 근접 및 말단면들 위로 연장한다.

PCB 조립체(19)는 단일 절연층 및 2개의 패터닝된 도전층을 가지는 양면 라미네이트 보드를 가진다. 추가의 절연 및 도전층이 본 발명의 대안의 실시예들에서 사용될 수 있다. 도 5에 도시된 것과 같이, 이 실시예에 있어서, 2개의 도전층들은 절연층(40)에 의해 분리되는 근접층(36) 및 말단층(38)을 포함한다. 이러한 절연층(40)은 FR-4 글라스-보강 에폭시 보드(FR-4 glass-reinforced epoxy board)로 만들어진다. 말단 및 근접 도전체 층들 각각은 도 6a 및 도 6b에 각각 도시된 것과 같이, 개개의 도전체 패턴으로 에칭된다. 도전체 패턴이 라미네이트 보드의 주변 부분(19PA, 19PB) 및 도금된 관통 구멍들(32, 34)로 연장하는 경우, 다른 층들의 각각의 도전체들은 에지(edge) 플레이팅 및 홀(hole) 플레이팅에 의해 각각 상호접속된다. 도전제층들(36, 38)의 도전체 패턴들을 나타내는 도면들로부터 알 수 있는 것과 같이, 말단 도전체층(36)은 내부 피드 라인 도전체(18)를, 그것이 라미네이트 보드의 중심 구멍(32)에 수용될 때, 보드의 제 1의 주변 도금 에지 부분(19PA)에 접속하는 길다란 도전체 트랙들(36L1, 36L2)을 가진다. 이러한 길다란 트랙은 2개의 부분들(36Ll, 36L2)로 되어 있는 데, 이들은 이들의 상대적으로 좁고 길다란 형상으로 인해, 안테나의 동작 주파수에서 인덕턴스들을 구성한다. 에지 부분(19PA)은 원호형 트랙들의 하나의 13L을 통해 코어(도 1 참조)의 말단 단부면(12D) 상의 반경방향 도전체들(10DR, 10ER, 10FR, 11CR, 11DR)에 접속되므로, 이들 인덕턴스들은 내부 피드 라인 도전체(18)와 각 그룹(1OA - 1OF; 11A - 11D)의 나선형 안테나 요소들 각각의 2개의 10D, 1OE, 1OF; l1C, 11D 사이에서 직렬로 되어 있다. 만약 라미네이트 보드 상에서 이용한 공간에서, 필요한 인덕턴스를 가져오는 충분한 길이의 단일 트랙 부분(36Ll, 36L2)이 수용될 수 있으면, 양 트랙 부분(36L1, 36L2)은 단위 길이 당 더 많은 인덕턴스를 생성하기 위해 2개의 평행한 트랙 부분들 사이에 슬릿(slit)을 갖는 2개의 평행한 트랙 부분들로 분할될 수 있다.

라미네이트 보드의 구멍들(34)에 수용될 때, 피드 라인 실드(16)는 상대적으로 큰 면적으로 인해, 낮은 인덕턴스를 가지는 팬형 도전체(36F)에 의해 모드의 대향 주변 도금 에지 부분(opposite peripheral plated edge portion; 19PB)에 직접 접속된다. 따라서, 실드는 실질적으로 다른 안테나 요소들(1OA, 1OB, 1OC, 11A, 11B)에 다른 원호형 트랙(13K) 및 각각의 반경방향 도전체들(10AR, lOBR, lOCR, 11AR, 11BR)을 통해 직접 접속된다. 팬형 도전체(36F)는 이산 션트 용량들(discrete shunt capacitances)을 제공하기 위해, 인덕티브 신장 트랙(inductive elongate track: 36L1, 36L2) 옆에서 제 1 주변 도금 에지 부분(19PA)을 향해 연장된다. 따라서, 이 실시예에 있어서, 팬형 도전체(36F)는 트랙들의 대향측들 상에서 인덕티브 트랙(inductive track: 36Ll, 36L2)에 평행하게 이어져 나가는 2개의 연장부들(36FA, 36FB)을 가진다. 각각의 연장부(36FA, 36FB)는 훨씬 넓은 그러므로 중앙 유도성 트랙에 비해 무시할 수 있는 인덕턱스의 트랙으로서 형성된다. 연장부들(36FA) 중 하나는 중심 구멍(32)에 연결된 플레이팅에 접속되는 제1 칩 커패시터(42-1) 및 2개의 유도성 트랙 부분들(36L1, 36L2) 사이에서 접속점(junction)에 접속되는 제2 칩 커패시터(42-2A)를 위한 패드들을 제공한다. 다른 연장부(36FB)는 또한 유도성 트랙 부분들(36Ll, 36L2) 사이의 접속점에 접속되는 제3 칩 커패시터(42-2B)를 위한 패드를 제공한다. 본 발명의 이 실시예에서, 커패시터들(42-1, 42-2A, 42-2B)은 0201-사이즈 칩 커패시터들(예컨대 무라타(Murata) GJM)이다.

상기 조합은 도 7에 개략적으로 도시된 2극 리액티브 매칭 네트워크(reactive matching network)를 구성한다. 네트워크는 (a) 폐회로 나선형 요소들(10A - 10F) 및 관련 부분들에 의해 구성된 소스 및 개회로 나선형 요소들(11A - 11D) 및 관련 부분들로 구성되는 소스를 각각 나타내는 부회로들(60, 61)과, (b) 50Ω 부하(load; 62) 사이에서 이중 대역 매칭을 제공한다. 이 예에서, 피드 라인(16 - 18)(도 4 및 5 참조)은 50Ω 동축 라인 섹션(64)이다. 인덕터들(L1, L2)은 위에서 참조되는 트랙 섹션들(36L1, 36L2)에 의해 형성된다. 션트 용량(shunt capacitance: C1)은 도 5에 및 도 6a에 커패시터(42-1)로서 나타낸 것이다. 다른 션트 용량(C1)은 도 6a에 대해 위에서 기술한 2개의 칩 커패시터들(42-2A, 42-2B)의 병렬 조합에 의해 형성된다. 제2 용량(C2)을 위해 2개의 커패시터들을 사용하는 것은 상대적으로 높은 용량 값이 낮은 프로파일 칩 커패시터들을 이용하여 얻어질 수 있게 허용하고 저항 손실들(resistive losses)을 감소킨다.

피드 라인(16, 18), PCB 조립체(19) 및 코어의 말단 단부면(12D) 위의 도전 트랙 사이의 접속들은 납땜 또는 도전성 접착제에 의한 본딩에 의해 만들어진다. 피드 라인(16 - 18) 및 조립체(19)는 함께 내측 도전체(18)의 말단 단부가 라미네이트 보드의 비어(via; 32)를 통해 납땜될 때 단일의 피더 구조 및 각각의 중앙에서 벗어난 비어들(34)에서 실드 러그들(16G)을 형성한다. 피드 라인(16 - 18) 및 PCB(19)는 함께 통합 매칭 네트워크(integral matching network)를 갖는 단일의 피드 구조를 형성한다.

직렬 인덕턴스들(Ll, L2) 및 션트 용량들(Cl, C2)에 의해 구성되는 네트워크는 무선 주파수 회로에 접속될 때 전송 라인의 말단의 50Ω 종단(termination)과 안테나의 방사 안테나 요소 구조 사이의 매칭 네트워크를 형성하고, 이러한 50Ω 부하 임피던스(load impedance)는 그 동작 주파수들에서 안테나 요소 구조의 임피던스에 매칭될 수 있다. 매칭 네트워크에 의해 주어지는 션트 임피던스(shunt impedance)는 또한 단극 안테나 요소들(11A - 11D)에 대해 더 넓은 허용오차들 및 개선된 각각의 방사 패턴을 허용하는 유리한 효과들을 가진다.

전술한 바와 같이, 피드 구조는 안테나 코어(12)에 삽입되기 전에 유닛(unit)으로 조립되고, 조립체(19)의 라미네이트 보드는 동축 라인(16-18)에 고정된다. 일체 부품으로서 보드(19)를 구비하는, 단일 구성요소로서 피드 구조를 형성하는 것은 피드 구조의 도입이 2개의 운동들, 즉 (i) 코어(12)의 축방향 보어 내로의 단일 피드 구조의 미끄럼 운동, (ii) 실드(16)의 노출된 말단 부분 주위에서의 도전성 페룰(ferrule) 또는 와셔의 피팅(fitting)으로 수행될 수 있다는 점에서 실질적으로 안테나의 조립 비용을 감소시킨다. 페룰은 실드 부품(16) 위에서 푸싱-결합(push-fit)될 수 있고 또는 실드 위로 크림핑(crimp)된다. 코어 내로의 피드 구조의 삽입 이전, 솔더 페이스트(solder paste)는 바람직하게는 코어(12)의 말단 단부면(12D) 및 축방향 보어의 각각의 단부들 바로 옆에 접해 있는 플레이팅(22) 위에서 안테나 요소 구조의 접속 부분들에 도포된다. 그러므로, 상기 (i), (ii) 단계 완료 후, 조립체는 솔더 리플로 오븐(solder reflow oven)을 통과할 수 있거나 레이저 납땜, 유도 납땜(inductive soldering) 또는 단일 납땜 단계로의 고온 공기 납땜과 같은 대안의 납땜 공정들을 거칠 수 있다.

(a) 보드(19)의 주변 및 근접 표면들 위의 도전체들과, (b) 코어의 말단 단부면(12D) 위의 금속화 도전체들, 사이에 형성된 솔더 브리지들 및 도전체들 자체의 형상들은 보드가 코어 위에 정확하게 배향될 때 리플로 납땜 동안 균형잡힌 회전 메니스커스(balancing rotational meniscus)를 제공하도록 구성된다.

상기 구조를 이용하면, 이중 대역 원형 편광 주파수 응답을 생성하는 것이 가능하고, 안테나의 삽입-손실 대 주파수 그래프는 도 8에 도시되어 있다. 안테나는 상측 공진 주파수 f₁을 중심으로 한 제1 대역 및 하측 공진 주파수 f₂를 중심으로 한 제2 대역을 가진다. 이 안테나에 있어서, 2개의 중심 주파수들의 주파수 간격(frequency separation) f₂ - f₁은 평균 주파수 ½(f₁+f₂)의 약 25퍼센트이다. 그것은 양 대역들에서 우측의 원형으로 편광된 파들에 대해 대부분 상향으로 지향된 방사 패턴(upwardly directed radiation pattern)을 가진다.

본 발명에 따른 안테나는 좌측의 원형으로 편광된 파들에 적응될 수 있다. 이와 같은 안테나는 도 9에 도시된다. 유전체 코어는 명확성을 위해 도 9로부터 생략된다. 실제로, 이러한 안테나의 나선형 요소들은 이전 실시예에서와 같이 코어의 원통형 표면에서 도금된다. 이러한 안테나는 TerreStar(등록 상표) 결합 위성 및 지상 서비스(terrestrial service)와 함께 2중 대역 동작을 위해 사용될 수 있고, 도 1 내지 8과 관련하여 위에 기재된 안테나의 것들과 반대 개념의 개회로 나선형 트랙들(11A - 11D) 및 폐회로 나선형 트랙들(10A - 10F)을 가진다. 코어의 길이 및 직경은 이 경우에 각각 17.75mm와 10mm이다. 앞에서와 같이, 코어 재료의 상대 유전 상수는 21이다.

이 안테나는 양 주파수 대역들에서 좌측의 원형으로 편광된 파들에 대해 대부분 상향으로 지향된 방사 패턴을 생성하며, 도 1 내지 8과 관련하여 위에 기재된 안테나에서와 같이, 각 피드 결합 노드에 각각 결합된 나선형 트랙들(1OA, 1OB, 1OC, 11A, 11B; 10D, 1OE, 1OF, 11C, 11D)은 트랙들의 대칭 순서를 가지며, 즉 이들은 각 경우에 중심 요소에 대해 경면 대칭인 패턴을 형성한다. 도 1 내지 9와 관련하여 위에 기재된 안테나에서와 같이, 각각의 개개의 피드 결합 노드에 접속된 세트 내의 요소들의 순서는 교번(alternating)하는 것, 즉 폐회로, 개회로, 폐회로, 개회로, 폐회로이다.

위에서 언급한 바와 같이, 더 적은 수의 안테나 요소들을 가진, 예컨대 4개의 폐회로 요소들 및 4개의 개회로 요소들을 갖는 본 발명에 따른 안테나를 구성하는 것이 가능하다. 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 제3 안테나에 있어서, 폐회로 및 개회로 나선형 요소들은 코어 주위에 교번 순서(alternate sequence)로 배열된다. 이 경우에, 말단 관점으로부터 보아 시계 방향에서, 좌측의 원형으로 편광된 파들에 대한 이러한 안테나의 순서는 개회로(11A), 폐회로(10A), 개회로(11B), 폐회로(10B)이다. 등가의 순서가 다른 피드 결합 노드(13L)에 접속된 안테나 요소들에 사용된다. 이러한 배열은 위에서 언급한 순서 대칭 조건을 충족하지 못한다. 그러므로, 대신에, 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 다른 안테나 또한 4개의 폐회로 요소들(10A - 10D) 및 4개의 개회로 요소들(11A - 11D)을 가진다. 이 경우에, 코어의 상부면 위의 각각의 원호형 도전체(13K, 13L)에 결합된 요소들의 패턴은, 코어의 말단면 위의 각각의 원호형 요소(13K, 13L)에 부착된 요소들(1OA, 1OB, 11A, 11B; 1OC, 10D, 11C, 1D)의 각 세트 내에서, 폐회로 및 개회로의 순서가 각각의 세트의 중심에 대해 거울대칭인 점에서 대칭이다. 따라서, 이 실시예에 있어서, 각 세트 내의 순서는 폐회로, 개회로, 개회로, 폐회로이다. 도 2, 9, 10에서와 같이, 도 11의 안테나는 명확성을 위해 그것의 유전체 코어 없이 도시된다.

다른 실시예들이 가능하고, 예를 들어 도 1 내지 9와 관련하여 위에서 기재된 안테나들은 6개의 개회로 요소들 및 4개의 폐회로 요소들을 가지도록 변형될 수 있다. 모든 최선의 실시예들에 있어서, 나선형 요소들은 전체로서 안테나 축 주위를 균일하게 어떤 각도로(angularly) 이격되어 있음을 주목한다.

Claims (27)

1. 200MHz 이상의 주파수들에서의 동작을 위한 유전체 로딩 안테나에 있어서, 상기 안테나는 5보다 큰 상대 유전 상수를 가지며 코어의 외측 표면에 의해 규정되는 내부 체적의 전기 절연성 유전체 코어의 주요부를 점유하는 고체 재질의 전기 절연성 유전체 코어를 포함하고, 상기 외측 표면은 정반대로 지향되고 횡방향으로 연장하는 표면 부분들 및 상기 횡방향으로 연장하는 부분들 사이의 측면 표면 부분을 가지며, 상기 안테나는 상기 횡방향으로 연장하는 표면 부분들 중 하나와 연결된 피드 결합 노드들, 상기 피드 결합 노드들로부터 이격된 위치에 있는 연결 도전체 및 안테나 요소 구조를 더 포함하며,
   상기 안테나 요소 구조는,
   상기 피드 결합 노드들로부터 상기 코어 측면 표면 부분을 거쳐 상기 연결 도전체로 연장하고, 제1 동작 주파수에서 작동하는 복수의 길다란 도전성 안테나 요소들의 제1 그룹, 및
   상기 피드 결합 노드들로부터 상기 연결 도전체의 상기 방향에서 상기 측면 표면 부분을 거쳐 상기 연결 도전체로부터 이격된 개회로 단부들로 연장하고, 제2 동작 주파수에서 작동하는 길다란 도전성 안테나 요소들의 제2 그룹을 포함하며,
   적어도 제1 그룹의 상기 요소들은 나선형인, 유전체 로딩 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,
   제1 및 제2 동작 주파수들을 가지며, 상기 제 1 그룹의 상기 안테나 요소들은 하나의 피드 접속 노드로부터 다른 피드 접속 노드로 상기 연결 도전체를 통해 연장하는 도전성 루프들의 부분을 형성하고, 루프들 각각은 λ_gl의 범위에서 유효 전기 길이를 가지며, 상기 λ_gl은 상기 제 1 동작 주파수에서의 상기 루프들에 따른 안내 파장이고, 상기 제2 그룹의 상기 안테나 요소들은 (2n-l)λ_g2/4의 범위의 전기 길이를 가지며, 상기 λ_g2는 상기 제2 동작 주파수에서의 상기 제2 그룹의 상기 요소들에 따른 상기 안내 파장이고 n은 정수인, 유전체 로딩 안테나.
3. 제 2 항에 있어서,
   각각의 도전성 루프는 각각 전기 길이 mλ_g2의 2개의 나선형 도전체들을 구비하고, 여기서 m은 정수인, 유전체 로딩 안테나.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 피드 결합 노드들의 각각의 노드에 각각 접속된 상기 안테나 요소들에 관해, 상기 제2 그룹의 상기 요소들 사이에는 상기 제1 그룹의 요소들이 삽입되는, 유전체 로딩 안테나.
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6. 제 1 항에 있어서,
   제1 및 제2 동작 주파수들에서 원형으로 편광된 방사에 의한 동작을 위해,
   상기 제1 그룹의 상기 안테나 요소는 이와 같은 요소들의 3개의 쌍들을 포함하고, 상기 제2 그룹의 상기 안테나 요소들은 이와 같은 요소들의 2개의 쌍들을 포함하는, 유전체 로딩 안테나.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 그룹의 상기 안테나 요소들은 1/2 회전 나선구조들(half-turn helices)이고 상기 제2 그룹의 상기 안테나 요소들은 1/4 회전 나선구조들인, 유전체 로딩 안테나.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 피드 결합 노드들은 밸런스 피드(balanced feed)의 부분을 형성하고, 상기 연결 도전체는 발룬 슬리브이고, 상기 제1 그룹의 상기 안테나 요소들은 상기 피드 결합 노드들과 상기 슬리브의 림 사이에서 연장하는, 유전체 로딩 안테나.
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21. 200MHz 이상의 주파수들에서의 동작을 위한 유전체 로딩 안테나에 있어서,
    5보다 큰 상대 유전 상수를 가지며 코어 외측 표면에 의해 규정되는 내부 체적의 주된 부분을 점유하는 고체 재질의 원통형의 전기 절연성 유전체 코어로서, 상기 외측 표면은 상기 코어의 중심축에 대해 횡방향으로 연장하는 정반대로 지향되는 말단 및 근접 외측 표면 부분들 및 상기 횡방향으로 연장하는 부분들 사이의 원통형의 측면을 갖는, 상기 전기 절연성 유전체 코어;
    상기 코어의 상기 말단 외측 표면 부분의 영역에 배치되고 밸런스 피드 종단을 형성하는 피드 노드들;
    (2n-l)λ_g/4의 범위의 전기 길이들을 가지며, 상기 λ_g는 상기 안테나의 동작 주파수에서 안테나 요소들에 따른 안내 파장이고, n은 정수이고, 상기 피드 노드들로부터 나선형 안테나 요소 부분들을 통해 상기 코어의 상기 원통형 측면 표면 부분 위의 각각의 개회로 단부들로 연장하는 개회로의 길다란 도전성 안테나 요소들의 적어도 한 쌍을 포함하는 안테나 요소 구조;
    상기 코어를 통해 연장하는 통로 내의 피드 라인; 및
    상기 피드 라인에 접속된 발룬을 포함하는, 유전체 로딩 안테나.
22. 제 21 항에 있어서,
    상기 코어의 상기 근접 외측 표면 부분의 영역에서 접속되는 싱글-엔디드 피드(single-ended feed)를 가지며, 상기 발룬은 피드 접속부에 접속되고 상기 코어 근접 외측 표면 부분 위로 연장하는 도전층 및 상기 안테나의 동작 주파수에서 1/4파장 개회로 스터브(stub)를 형성하기 위해 상기 코어 측면 표면 부분의 근접 부분(proximal part)을 포함하는, 유전체 로딩 안테나.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 발룬은 상기 안테나의 동작 주파수에서 환형 도전 경로를 따라 단일의 안내 파장과 동일한 전기 길이를 갖는 상기 코어의 측면 표면 부분 위에 상기 환형 도전 경로를 형성하기 위해 상기 코어를 둘러싸는, 유전체 로딩 안테나.
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