KR102120838B1 - 초광대역 안테나 - Google Patents

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Abstract

초광대역 안테나가 개시된다. 본 초광대역 안테나는, 휴대형 모바일 디바이스와의 초광대역 통신을 위한 초광대역 안테나로서, 유전체 기판, 유전체 기판상에 형성되는 적어도 하나의 피드 라인(feed line), 유전체 기판상에 형성되고 적어도 하나의 피드 라인에 결합되는 나선형 방사 요소 및 유전체 기판에 평행하고 유전체 기판 위에 배열되는 적어도 하나의 추가 유전체 기판을 포함하고, 적어도 하나의 추가 유전체 기판상에 축방향 대칭 형상의 플랫 인쇄 캐비티(flat printed cavity)가 형성되고, 인쇄 캐비티는 나선형 방사 요소와 동축으로 배열된다.

Description

초광대역 안테나{ULTRA-WIDEBAND ANTENNA}
본 발명은 초광대역(UWB) 지향성 원형-필드-편파 안테나들에 관한 것으로 UWB 초단 펄스들 및 협대역 반송-주파수-조정 신호들을 송신 및 수신하기 위한 것이다.
UWB 원형-필드-편파 안테나들은, 만약 사용자의 안테나 편파가 알려져 있지 않다는 단서를 달아 최종 사용자로의 데이터 송신이 필요하다면 고정 통신 시스템들에서 적극적으로 사용된다. 이와 같은 디바이스들의 예들은 신체(BAN 표준)의 근방에 배열되는 통신 디바이스들일 수 있다. 평평한 나선형 안테나는 자기-상보성(self-complementarity) 및 전기역학 자기-유사성(electrodynamic self-similarity)의 원리를 이용하는 알려진 유형의 UWB 방사기들이다. 슬롯 및 마이크로스트립 나선형 안테나들은 다양한 시스템들에서 널리 이용되었다. 이와 같은 안테나들의 단방향 방사(放射, radiation)를 만들기 위해, 나선의 일측 상에 배열되는 흡수체 또는 반사면이 사용되었다. 상기 기술들은 근본적으로 안테나 브로드밴드(broadbandness)의 효율을 나빠지게 하였다.
슬롯 개구에 의해 피드 라인에 결합되고 UWB 신호 방사기들로서 사용되는 스트립 "패치(patch)"(금속 플레이트) 캐비티들(다층 스트립 캐비티(multilevel strip cavities)은 문헌에서 널리 커버된다. 비임 패턴을 위한 비공진 개구들(non-resonant apertures)을 이용하여, 유사한 시스템들은 단방향성 특성을 제공할 수 있다. 그러나, 이와 같은 경우에, 원 편파 신호를 방사하는 요건에 의해 곤란한 점이 생기고, 이 곤란한 점은 나선형 안테나 구조에 기인하였다.
US 2012229363으로부터 빌딩 내에서 셀 커버리지(cell coverage)를 늘리도록 설계되고 에너지를 안테나에 전달하도록 구성되는 급전점(feed-point)을 갖는 나선형 안테나, 백 로브(back lobe)를 감소시키기 위해 에너지 흡수 백킹(energy absorbent backing), 대수-나선형 슬롯 안테나 뒤 및 에너지 흡수 백킹의 정면의 캐비티, 및 급전점에 결합되는 성형 마이크로스크립 라인(shaped microstrip line)에 결합되고 입력 임피던스를 안테나 임피던스로 변환하도록 설계된 케이블 커넥터(cable connector)를 포함하는 지향성 광대역 안테나가 알려져 있었다. 본 해결 방법의 문제점은 흡수제에 의해 야기되는 높은 손실이고, 한편 상기 손실은 안테나 구조를 복잡하게 하는 적층된 스트립 캐비티들의 사용시 감소될 수 있었다.
US 7106255 B2에는 적어도 하나의 슬롯형 부분을 그 위에 구비하는 제 1 패치(first patch), 적어도 하나의 스트립형 부분을 구비하는 제 2 패치를 포함하고, 여기서 상기 슬롯형 부분들은 서로 적어도 부분적으로 십자형이어서 결합 영역을 형성하는 안테나가 알려져 있었다. 이와 같은 안테나의 문제점은 그것의 이득율이 장거리 통신을 구현하기에는 불충분하다는 것이다. 게다가, 본 안테나는 원 편파를 가지지 않고, 이러한 부재(absence)는 수신 및 송신 디바이스들의 상호 위치의 변동시 통신 안정성의 열화를 일으킬 수 있고, 상기 부재는 고정 및 휴대형 모바일 디바이스들 간의 통신을 위한 본 안테나의 사용을 허용하지 않았다.
US 20040119642 A1에 개시된 안테나는 원형 편파된 신호들을 송신 및 수신하도록 설계되고 특수 형상의 스트립 요소들을 사용하였다. 상기 안테나의 문제점들은 그것의 이득 계수가 상기 응용들에 불충분하다는 것이었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 초광대역(UWB) 지향성 원형-필드-편파 안테나에서 UWB 초단 펄스들 및 협대역 반송-주파수-조정 신호들을 송신 및 수신할 수 있도록 하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 초광대역 안테나는, 휴대형 모바일 디바이스와의 초광대역 통신을 위한 초광대역 안테나로서, 유전체 기판(103), 상기 유전체 기판(103) 상에 형성되는 적어도 하나의 피드 라인(feed line)(101, 102), 상기 유전체 기판(103) 상에 형성되고 상기 적어도 하나의 피드 라인(101, 102)에 결합되는 나선형 방사 요소(107), 상기 유전체 기판(103)에 평행하고 상기 유전체 기판(103) 위에 배열되는 적어도 하나의 추가 유전체 기판(108, 109)을 포함하고, 축방향 대칭 형상의 플랫 인쇄 캐비티(flat printed cavity; 110, 111)는 상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판(108, 109) 상에 형성되고, 상기 인쇄 캐비티는 상기 나선형 방사 요소(107)와 동축으로 배열된다.
이 경우, 상기 피드 라인은 피딩 마이크로스트립 라인(feeding microstrip line: MSL)(101, 102)으로 구현될 수 있다.
한편, 상기 피드 라인은 코플레이너 라인(coplanar line)으로서 구현될 수 있다.
한편, 상기 유전체 기판(103) 측 상에는 전도성 재료 스크린(conductive material screen)이 상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판(108, 109)에 마주하여 형성되고, 상기 나선형 방사 요소(107)는 상기 전도성 재료 스크린(104)에 나선형 슬롯(107)으로서 형성되고, 상기 나선형 슬롯(107)은 각각의 추가 초광대역 MSL-슬롯 트랜스포머(slot transformer; 105, 106)를 통해 상기 적어도 하나의 MSL(101, 102)에 결합될 수 있다.
이 경우, 상기 나선형 슬롯은 아르키메데스 나선(Archimedes spiral) 및 대수-주기 나선(log-periodic spiral)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 형상으로 구현될 수 있다.
한편, 상기 인쇄 캐비티는 금속 인쇄 캐비티이며, 동일한 치수를 갖는 동일한 형상으로 구현될 수 있다.
이 경우, 상기 금속 인쇄 캐비티의 상기 형상은 원형, 타원형, 8각형, 6각형을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
한편, 상기 인쇄 캐비티는 금속 인쇄 캐비티이며, 축방향 대칭 컷-아웃들(axially-symmetrical cut-outs)을 가질 수 있다.
한편, 상기 유전체 기판측 상에는 흡수 재료가 상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판(108, 109)과 대향하여 배치될 수 있다.
한편, 상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판(108, 109)은 에어 갭(air gap)에 의해 상기 유전체 기판(103)으로부터 떨어져 있을 수 있다.
한편, 상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판(108, 109)은 낮은 유전체 투자율( low dielectric permeability)을 가지는 유전체로 충전되는 갭에 의해 상기 유전체 기판(103)으로부터 떨어져 있을 수 있다.
한편, 상기 적어도 하나의 추가의 유전체 기판(108, 109)은 높은 유전체 투자율을 가지는 갭에 의해 상기 유전체 기판(103)으로부터 떨어져 있을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안테나 시스템은 적어도 2개의 초광대역 안테나들을 포함하는 안테나 어레이로서 형성될 수 있다.
도 1은 2개의 와이어 구성으로 형성되는 안테나의 실시예를 도시한 도면,
도 2는 도 1에 따른 안테나 구조 소자들의 평면 구조를 상세하게 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 2개의 스레드 나선(two thread spiral) 및 2개의 결합된 캐비티들을 이용하는 경우의 본 발명의 안테나의 전체도를 나타낸다. 본 발명의 안테나는 피딩 마이크로스트립 라인(feeding microstrip lines: MSLs)(101, 102), MLS 기판(103), MLS 스크린(104), UWB MLS-슬롯 트랜스포머(105, 106), 2개의 와이어 나선형 슬롯(107), 결합 캐비티의 기판(108, 109), 결합된 인쇄 캐비티(110, 111), 흡수체(absorber)(112), 캐비티 내의 개구(113, 114)를 포함할 수 있다.
도면들을 참조하면, 본 발명에 대응하는 나선형 안테나(100)는 다음과 같은 구조를 가질 수 있다. 즉, 피딩 마이크로스트립 라인들(MSLs)(101, 102)은 유전체 기판(103) 상에 형성되고 각각의 UWB 트랜스포머(105, 106)를 통해 슬롯 라인(107)을 여기(勵起, excitation)시키도록 설계되고, 상기 라인은 MLS 스크린(104)에 형성될 수 있다. 도 1에 나타낸 것과 같이, 슬롯의 각각의 직선 길이는 나선의 슬롯으로 부드럽게 통과할 수 있다. 나선은 알려진 형상들, 즉 아르키메데스(Archimedes), 대수(logarithmic) 중 어느 하나에 해당할 수 있다. 2개의 평평한 지지 유전체 기판들(108, 109)은 슬롯 나선(107)이 형성되는 MSL들(101, 102)의 스크린(104)의 상측에 겹쳐서 배열될 수 있다. 플랫 인쇄 캐비티들(110, 111)은 기판(108, 109) 상에 형성된다. 캐비티들(110, 111)의 수 및 형상은 변할 수 있지만, 원 편파의 품질을 위해 2개의 직교 축선들(원형, 사각형, 십자형 등)은 반드시 요구될 수 있다. 슬롯 나선(107)의 잔여 후방 방사(residual back radiation)를 제거하기 위해, 흡수체(112)의 층이 나선형 안테나(100)의 다른 측 상에 배열될 수 있다. 디자인을 단순화하기 위해, 슬롯 나선은 단일-스레드(single-thread) 및 2개의 스레드 나선으로 형성될 수 있다. 2개의 스레드 나선이 사용되는 경우에, 피드 라인의 동상(in-phase) UWB 스플리터가 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 구현되는 UWB 안테나(100)(도 1)는 신체의 바로 가까이에서 통신 네트워크들에서 작동하는 소형 모바일 디바이스들로부터 UWB 무선 신호들을 송/수신하기 위해 고정 디바이스들 내에서 사용될 수 있다. 상기 네트워크들의 성능을 개선하기 위해, 송신된 신호의 편파는 원형이 되어야 한다.
UWB 안테나(100)는 FR-4, 로저스(Rogers) 등과 같은 다층 인쇄 회로 기판들에 적합한 임의의 재료로 생성될 수 있다. UWB 안테나(100)는 유전체 기판(103)의 화면 상에 형성되는 MSL들(101, 102)을 통해 급전(給電, power feed)될 수 있다. 금속 스크린(104)은 기판(103)의 상측에 있다. UWB MSL-슬롯 트랜스포머(105, 106) 및 2개의 스레드 나선 슬롯(107)은 MLS 스크린(104)에 직접 형성될 수 있다.
MSL(101, 102)에 도달하는 마이크로파 신호들은 MSL-슬롯 트랜스포머들(105, 106)로 온다. 트랜스포머(105, 106)는 신호를 나선형 슬롯(107)에 전달할 수 있다. 나선형 슬롯(107)은 신호들을 외부로 방출할 수 있다. 초기 상태에서, 슬롯(107)은 상측 및 하측 반구들로 방출할 수 있다. 캐비티들(110, 111)이 슬롯(107) 위에 배열될 때, 마이크로파 신호는 상측 반구에 재분배될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, MSL(101, 102)은 추가 마이크로파 파워 스플리터(additional microwave power splitter)를 이용하여 단일 지점으로부터 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, MSL은 다른 유형의 전도체, 예를 들어 코플레이너 라인(coplanar line)으로 대체될 수 있다. 이 경우에, 트랜스포머들(105, 106)은 또한 각각의 코플레이너 입력(coplanar input)에 의존해야 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 나선형 슬롯(7)은 나선형 마이크로스트립 라인으로 대체될 수 있다. 이 경우에, MSL(101, 102)은 나선형 라인에 직접 결합될 수 있고, 트랜스포머들(105, 106)을 사용할 필요성이 약하다. 이 경우에, 스크린(104) 또한 필요하지 않다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 나선형 슬롯(107)은 아르키메데스(Archimedes) 또는 대수-주기 나선(log-periodic spiral) 또는 임의의 다른 유형의 나선으로서 형성될 수 있다.
결합 캐비티들의 기판들(108, 109)은 그것으로부터 특정 거리에서 MLS 기판(103) 위에 있고 그와 동시에 상기 기판들(108, 109)의 상면들은 그 위에 금속 결합된 인쇄 캐비티들(110, 111)을 가질 수 있다. 금속 결합된 인쇄 캐비티들(110, 111)은 컷-오프들(113, 114)을 각각 가진다. 상기 컷-오프들은 원 편파 특성의 추가 개선을 허용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 흡수 재료(112)는 MSL 기판(103)의 하측면 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 금속 결합된 인쇄 캐비티들(110, 111)을 갖는 평행 기판들(108, 109)의 수는 적어도 2개일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기판들(108, 109) 및 MLS 기판(103)은 이들 사이에 에어 갭들(air gaps)을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 기판들(108, 109) 및 MLS 기판(103)은 그들 사이에 갭들을 가지며, 상기 갭들은 기 설정된 유전체로 충전될 수 있다. 여기서, 기 설정된 유전체는 폼 플라스틱(foam plastics), 니켈(Nickel), 코발트(Cobalt) 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 캐비티들(110, 111)은 이들의 십자형 섹션들, 예를 들어, 원형, 타원형, 8각형, 6각형 등에 걸쳐 실제로 동일한 치수들을 갖는 형상으로 될 수 있다. 송신된 신호의 원 편파 관점들로부터 최선인 형상의 변형은 원형이고 한편 사각형 스트립 캐비티들은 신호의 원 편파의 열화를 초래할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 캐비티들(110, 111)은 이들 내부에 컷-오프들을 가지며, 상기 컷-오프들은 원형, 타원형, 6각형, 8각형 등으로서 형성될 수 있다.
안테나(100)는 주로 상향으로 배향되는 비임 패턴을 가진다(도 1의 뷰에 대응한다). 이와 같은 특성은 하측면 상의 흡수체(112) 및 결합된 인쇄 캐비티들(110, 111)의 사용으로 인해 달성될 수 있다. 이것은 모바일 디바이스의 위치가 항상 안테나(100)의 정면에 있는 응용들에서 안테나를 사용하는 것을 가능하게 할 수 있다. 또한, 비임 패턴(예를 들어, E-평면에서는 넓고 H-평면에서는 좁음)에 특수 형상을 부여하기 위해, 어레이로 안테나(100)를 구성하는 것이 가능할 수 있다.
게다가, 2개의 스레드 나선 슬롯(107)은 신호 방사기로서 안테나(100)에 사용될 수 있다. 이 때문에, 무선 통신 안정성이 안테나(100)에 대한 모바일 디바이스 상의 안테나의 위치와 관계없이 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나는 유전체 재료로 형성되는 기판, 피드 안테나로 설계되는 유전체 기판의 하측면 상에 형성되는 MSL, 유전체 기판의 상측 상에 형성되는 금속 스크린, 상기 스크린에 컷-오프들로서 그리고 MSL의 단부에 원뿔형 확장부(conical expansion)로서 구현되는 UWB MSL-슬롯 트랜스포머, 상기 스크린에 형성되는 2개의 스레드 아르키메데스 나선형 슬롯, 그와 평행하게 상기 기판 위에 특정 거리에 배열되는 유전체 지지 기판들의 세트를 포함하고, 유전체 지지 기판들의 상기 세트는 모든 층들 사이에 에어 갭을 가지며, 상기 지지 기판들의 표면들 상에 배열되고 원 편파의 최선의 특징을 제공하기 위해 원형상을 가지는 결합 캐비티들의 세트, 상기 결합 캐비티들 각각에 형성되고 원형상을 가지는 컷-오프들의 세트를 포함할 수 있다.
본 발명의 안테나는 신체 근방에 배열되는 디바이스들간의 무선 통신들을 위해 사용될 수 있고, 디바이스들은 신체 밖에 있을 수 있다. 본 발명의 안테나는 수평면에서 넓은 비임 패턴을 가지며 수직면에서 좁은 비임 패턴을 가져서 그것의 비임 패턴은 고정되고 높은 이득을 가질 수 있다. 안테나의 높은 이득으로 인해, 그것은 충분히 긴 거리에서 신체의 표면 근방에서 작동하는 무선 네트워크들을 위한 IEEE 802.15.6에 따라 통신을 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 안테나를 포함하는 디바이스는 고정될 수 있다(예를 들어, TV 세트).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져서는 안 될 것이다.
101, 102 : 피딩 마이크로스트립 라인들
103 : MLS 기판
104 : MLS 스크린
105, 106 : UWB MLS-슬롯 트랜스포머들
107 : 2개의 와이어 나선형 슬롯
108, 109 : 결합 캐비티들의 기판들
110, 111 : 결합된 인쇄 캐비티들
112 : 흡수체(absorber)
113, 114 : 캐비티들 내의 개구들

Claims (13)

  1. 휴대형 모바일 디바이스와의 초광대역 통신을 위한 초광대역 안테나로서,
    유전체 기판;
    상기 유전체 기판상에 형성되는 적어도 하나의 피드 라인(feed line);
    상기 유전체 기판상에 형성되고 상기 적어도 하나의 피드 라인에 결합되는 나선형 방사 요소; 및
    상기 유전체 기판에 평행하고 상기 유전체 기판 위에 배열되는 적어도 하나의 추가 유전체 기판;을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판의 상부 표면상에 축방향 대칭 형상의 플랫 인쇄 캐비티(flat printed cavity)가 형성되고, 상기 인쇄 캐비티는 상기 나선형 방사 요소와 동축으로 배열되는 초광대역 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드 라인은 피딩 마이크로스트립 라인(feeding microstrip line: MSL)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드 라인은 코플레이너 라인(coplanar line)으로서 구현되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체 기판 측 상에는 전도성 재료 스크린(conductive material screen)이 상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판에 마주하여 형성되고,
    상기 나선형 방사 요소는 상기 전도성 재료 스크린에 나선형 슬롯으로서 형성되고,
    상기 나선형 슬롯은 각각의 추가 초광대역 MSL-슬롯 트랜스포머(slot transformer)를 통해 상기 적어도 하나의 MSL에 결합되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 나선형 슬롯은 아르키메데스 나선(Archimedes spiral) 및 대수-주기 나선(log-periodic spiral)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 형상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 캐비티는 금속 인쇄 캐비티이며, 동일한 치수를 갖는 동일한 형상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 인쇄 캐비티의 상기 형상은 원형, 타원형, 8각형, 6각형을 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 인쇄 캐비티는 금속 인쇄 캐비티이며, 축방향 대칭 컷-아웃들(axially-symmetrical cut-outs)을 가지는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 기판측 상에는 흡수 재료가 상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판과 대향하여 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판은 에어 갭(air gap)에 의해 상기 유전체 기판으로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 유전체 기판은 기 설정된 유전체로 충전되는 갭에 의해 상기 유전체 기판으로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기 설정된 유전체는 폼 플라스틱(foam plastics)인 것을 특징으로 하는 초광대역 안테나.
  13. 복수의 안테나가 안테나 어레이로서 형성되는 안테나 시스템에 있어서,
    제 1 안테나; 및
    제 2 안테나;를 포함하고,
    상기 제 1 안테나는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 초광대역 안테나이고,
    상기 제 2 안테나는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 초광대역 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
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