KR19990071638A - 복합 안테나 - Google Patents

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KR19990071638A
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아키히로 스구로
히데토 오오키타
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이토오 겐스케
교세라 가부시키가이샤
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Abstract

마이크로스트립 평면 안테나와 나선형 안테나가 함께 대체로 일렬로 배열된다. 마이크로스트립 평면 안테나의 기부 전도체는 나선형 안테나와 전기적으로 결합되고, 그에의해 공중의 궤도 통신 위성과 안정적인 통신을 가능하게 한다.

Description

복합 안테나
최근, 통신위성으로서 저궤도 또는 중궤도 위성을 사용하는 휴대전화의 구상이 다양한 회사에 의해 제안되었다. 이런 통신에 사용되는 주파수대역으로서 1.6GHz의 주파수대역이 지상 휴대전화로부터 통신위성으로의 통신에 할당되고, 2.4GHz의 주파수 대역이 통신위성으로부터 지상 휴대전화로의 통신에 할당된다. 또한, 지상 중계소와 통신 위성 사이의 양방향 통신을 위한 주파수 대역에도 1.6GHz의 주파수 대역이 할당된다. 원편파는 일반적으로 통신 회로의 품질을 확보하기 위하여 사용된다.
통신 회로의 품질을 개선하기 위한 수단으로서 안테나가 이미 제안되어 있다(일본 특개평7-183719호 공보). 보다 명확하게 말하면, 저앙각에서 안테나의 지향성을 향상시키기 위해 안테나 소자에 대향한 방향으로 평면 안테나로부터 기부 전도체가 연장된다. 도 10은 종래의 안테나의 예를 도시한다. 저앙각에서 안테나의 지향성을 향상시키기 위해, 마이크로스트립 평면 안테나(MSA; 1)는 유전체 기판(1c)과, 유전체 기판(1c)상에 제공된 패치된 방사소자(1b; patched radiating element)와, 방사소자(1b)의 저면에 부착된 기부 전도체(1d; ground conductor)와, 기부 전도체(1d)로부터 하방으로 연장된 원통형 기부 전도체로 구성된다.
종래의 안테나가 저앙각으로 지상 중계소로부터 통신위성으로 원편파를 송신하거나, 인공위성으로부터 수신되는 원편파를 수신하는 경우에 안테나의 이득(gain)과 원편파의 축방향 비율이 너무 커지게 되고, 이것이 위성의 안테나와 휴대용 통신장비의 안테나 사이의 위치관계의 변화를 책임져야할 통신 회로의 품질에 순차적으로 영향을 미친다. 따라서, 모든 공중 방향에서 안테나의 통신감도를 유지하는 것이 어려워진다.
본 발명은 저앙각(low elevation angle)으로부터 천정(zenith)방향까지의 범위에 걸쳐서 지향성을 가지고, 저궤도 또는 중궤도 위성과의 통신에 사용되기에 적합한 원편파(circularly polarized wave) 안테나에 관한 것이고, 더욱 소형이며 위성통신용 휴대 전화에 장착되거나 소형 휴대용 무전기에 장착될 수 있는 장점을 가지는 안테나에 관한 것이다.
도 1a는 정사각형 MSA와 그에 대해 대체로 동축 방식으로 배열된 4선 나선형 안테나를 구비한 본 발명의 실시예에 따른 복합 안테나를 도시하는 도면.
도 1b는 정사각형 MSA와 그에 대해 대체로 동축 방식으로 배열된 8선 나선형 안테나를 구비한 본 발명의 실시예에 따른 복합 안테나를 도시하는 도면.
도 2a는 A-A선을 따라 취한 MSA의 단면도.
도 2b는 MSA의 상면도.
도 3a는 원형 MSA와 그에 대해 대체로 동축 방식으로 배열된 4선 나선형 안테나를 구비한 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 안테나를 도시하는 도면.
도 3b는 그 위에 제공된 안테나의 지향성을 제어하기 위한 방사 소자를 구비한 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 안테나를 도시하는 도면.
도 4a는 복합 안테나의 천정이 90°로 설정되어 있는 동안 선형 편파에 대한 본 발명의 복합 안테나의 이득을 측정하는 예를 제공하는 도면으로서, 패치된 방사 소자의 긴 측면이 선형 편파 안테나(즉, 전송 안테나)의 전기장의 방향에 평행할때 얻어지는 방사 패턴 다이아그램.
도 4b는 복합 안테나의 천정이 90°로 설정되어 있는 동안 선형 편파에 대한 본 발명의 복합 안테나의 이득을 측정하는 예를 제공하는 도면으로서, 패치된 방사 소자의 긴 측면이 선형 편파 안테나(즉, 전송 안테나)의 자기장의 방향에 평행할때 얻어지는 방사 패턴 다이아그램.
도 5a는 복합 안테나의 축이 도 4a 및 도 4b에 제공된 상태로부터 90°더 회전되어 있는 동안 도 4a 및 도 4b에 도시된 경우와 동일한 방식으로 측정된 선형 편파에 대한 본 발명의 복합 안테나의 이득의 예를 제공하는 도면으로서, 패치된 방사 소자의 짧은 측면이 선형 편파 안테나의 전기장에 평행하게 되었을 때 얻어지는 방사 패턴 다이어그램.
도 5b는 복합 안테나의 축이 도 4a 및 도 4b에 제공된 상태로부터 90°더 회전되어 있는 동안 도 4a 및 도 4b에 도시된 경우와 동일한 방식으로 측정된 선형 편파에 대한 본 발명의 복합 안테나의 이득의 예를 제공하는 도면으로서, 패치된 방사 소자의 짧은 측면이 선형 편파 안테나의 자기장에 평행하게 되었을 때 얻어지는 방사 패턴 다이어그램.
도 6은 본 발명의 복합 안테나가 장착된 휴대용 무전기를 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 복합 안테나가 장착된 휴대용 무전기와 위성 사이에서 성립되는 통신을 개략적으로 나타내는 도면.
도 8은 휴대용 무전기상에 장착된 본 발명의 복합 안테나의 다른 예를 도시하는 도면.
도 9는 도 8에 제공된 휴대용 무전기의 안테나 회로의 블록 다이어그램.
도 10은 원형 MSA의 기부 전도체가 하방으로 연장된 종래의 안테나의 예를 도시하는 도면.
본 발명은 상기 기술의 상술한 결점의 관점에서 구상되었고, 본 발명의 목적은 저앙각에서 원편파 모드를 가진 안테나의 축방향 비율과 지향성을 특별히 향상시키는 것이다.
본 발명에 따라, 상술한 목적은 본 명세서의 첨부된 청구범위에 나타난 구조에 의해 달성된다. 보다 명확하게 말하면, 본 발명은 마이크로스트립 평면 안테나(MSA)와, 선형 방사소자와, 전도판에 전기적으로 연결된 선형 방사 소자를 나선형으로 감아서 나선형 안테나를 형성하는 상단부를 포함하고, 상기 마이크로스트립 평면 안테나는 원편파 모드를 가지며 공유 기부 전도체로서의 역할을 하는 전도판과 전도판상에 제공된 유전체층과 유전체층과 전도판 사이에서 평행하게 제공된 패치된 방사소자로 구성되고, 상기 선형 방사소자는 마이크로스트립 평면 안테나에 대해 대체로 동축인 관계로 나선형으로 감싸지고 전도판 아래에 제공된다. 나선형 안테나는 DC 또는 용량성 결합으로 전도판에 연결될 수 있다.
고앙각에서 방사 패턴의 지향성은 MSA의 패치된 방사소자의 평면부에 크게 의존한다. 대조적으로, 저앙각에서 방사 패턴의 지향성은 MSA의 패치된 방사 소자의 외주와 기부 전도체 사이에서 전개되는 전기장과 나선형 안테나에 크게 의존한다.
만약, MSA의 기부 전도체가 종래의 안테나의 기부 전도체와 같이 하방으로 연장된다면, 안테나는 안테나의 축방향 편파에 대해 높은 감도를 가지지만 수평 편파에 대해서는 낮은 감도를 가진다.
본 발명에 따라, 상술한 바와 같은 방식으로 MSA의 전도체에 나선형 안테나를 전기적으로 결합함에 의해 수평 편파에 대한 안테나의 감도가 향상된다. 나선형 안테나는 나선형 안테나를 통해 흐르는 고주파 전류로 형성된 수평 성분 때문에, 수평 편파에 대한 안테나의 감도의 향상에 기여한다. 선폭과, 길이와, 나선형 소자의 선회부의 수 및 나선형소자가 감겨지는 피치는 필요한 위성 통신 시스템에 따라 설계될 수 있다.
실시예로서 본 발명은 마이크로스트립 평면 안테나와, 선형 방사소자와, 전도판에 전기적으로 연결된 선형 방사 소자를 나선형으로 감아서 마이크로스트립 평면 안테나와 공급점을 분담하는 나선형 안테나를 형성하는 상단부를 포함하고, 상기 마이크로스트립 평면 안테나는 공유 기부 전도체로서의 역할을 하는 전도판과 전도판상에 제공된 유전체층과 유전체층과 전도판 사이에서 평행하게 제공된 패치된 방사소자와, 전도판내에 형성된 관통 구멍의 근방에서 공급점을 가지고 공급점으로부터 상방으로 연장된 패치된 방사 소자에 전력을 공급하기 위한 공급핀을 포함하고, 상기 선형 방사소자는 마이크로스트립 평면 안테나에 대해 대체로 동축인 관계로 나선형으로 휘어지고 전도판 아래에 제공된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 정사각 로드형 안테나의 예를 도시한다. 도 1a는 4선 나선형 안테나가 결합된 안테나의 예를 도시하고, 도 1b는 4선 나선형 안테나가 결합된 안테나의 예를 도시한다. 도면에서, 동일한 요소는 동일한 참조 부호가 할당된다. 참조부호 1은 마이크로스트립 평면 안테나(하기에는 MSA로 지칭됨)를 나타내고, 2는 나선형 안테나를 나타내고, 3은 MSA(1)와 나선형 안테나(2) 사이에서 공유되는 공급점을 나타내고, 4는 나선형 안테나(2)에 전력을 공급하기 위한 평면 기부 전도체와 MSA(1)의 기부 전도체를 나타내며, 12는 MSA(1)와 나선형 안테나(2)로 형성된 복합 안테나를 나타낸다.
보다 명확하게 말하면, 참조부호 1a는 MSA(1)의 공급핀을 나타내고, 1b는 MSA(1)의 패치된 방사 소자를 나타내며, 1c는 MSA(1)의 유전체 기판을 나타낸다. 참조 부호 2a는 나선형 안테나를 지지하는 유전체 전극을 나타내며, 2b는 나선형 안테나의 선형 방사 소자를 나타내고, 2c는 방사소자가 나선형 안테나의 하단부에 형성된 교차점에서 서로 접촉하는 것을 방지하기 위한 절연 재료를 나타며, 2d는 나선형 안테나의 하단부에 형성된 방사 소자들 사이의 교차점을 나타낸다.
먼저, MSA(1)는 일점 백 피딩 평면 안테나를 나타낸다. 도 2a는 정사각형 일점 백 피딩(one-point back feeding) MSA(1)의 단면도이고, 도 2b는 MSA(1)의 상면도이다. 기부 전도체인 전도판(4)내에 관통 구멍(4a)이 형성되고, 전력이 패치된 방사소자(1b)로 그 후부로부터 공급핀(1a)을 경유하여 공급된다. 정사각형 MSA에 부가적으로 원형, 관형, 오각형 MSA도 공지되어 있다. 정사각형 패치된 방사 소자(1b)를 구비한 본 실시예의 안테나의 경우에, 정사각형 MSA의 종방향 및 측방향 측면의 길이와 유전체 상수 및 유전체 기판(1c)의 두께를 제어함에 의해 원편파의 형태로 작동하는 원하는 주파수가 얻어진다. 안테나의 주파수는 나선형 안테나(2)의 크기와 폭에 따라 수 메가헤르쯔로부터 수십 메가헤르쯔까지 변화한다. 따라서, 이 변화를 미리 고려하는 것이 필요하다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 나선형 안테나(2)의 외부 형상(즉, 단면 형상과 그 치수)이 대체로 MSA(1)의 외형에 따라 형성되면, 저앙각으로부터 천정까지의 대체로 모든 방향에서 실질적으로 균일한 지향성이 얻어진다. 대조적으로, 만약, 나선형 안테나(2)의 외형이 MSA(1)의 외형보다 크게 제조된다면, 저앙각의 방향에서 안테나의 지향성이 감소되는 반면에 천정을 향한 지향성은 증가된다. 반대로, 만약 나선형 안테나(2)의 외형이 MSA(1)의 외형보다 작게 제조된다면, 저 앙각의 방향에서 안테나의 중분한 지향성이 얻어지지 않는다.
일반적으로, 만약, 선형 편파 안테나가 원편파를 수신한다면 약 3dB 정도 수신 전력이 강하한다는 것이 공지되어 있다. 그 이유는 만약 수직 편파 안테나가 저앙각 통신 위성의 원편파 안테나로부터 발산되는 전기파를 수신한다면 약 3dB정도의 손실이 발생하기 때문이다. 표 1로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 복합 안테나는 수평 편파 성분에 관한 안테나의 이득이 특별히 향상되기 때문에 적합한 통신을 허용한다.
비록, 상술한 실시예에서 복합 안테나가 정사각형 MSA(1)를 사용함에 의해 정사각형 로드로 형성되지만 도 3a에 도시된 바와 같이, 원형 MSA(1)를 사용함에 의해 원형 로드의 형태로 형성되거나, 삼각형 전극의 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 복합 안테나는 어떤 형상에도 제한되지 않는다. 복합 안테나의 형상은 본 발명의 복합 안테나가 장착되는 휴대용 무전기의 운용이나 설계에 따라서 선택될 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 복합 안테나의 지향성을 조절하기 위해서 나선형 4선 안테나를 형성하도록 유전체 전극 둘레(2a)에 감겨진 선형 방사 소자(2b)에 부가하여 또 다른 선형 방사소자(5)가 유전체 전극(2a) 둘레에 감싸질 수 있다. 이 경우에, 4선 나선형 안테나를 형성하는 선형 방사 소자(2b)와 선형 방사 소자(5)는 교대로 위치된다. 선형 방사 소자(5)는 선형 방사 소자(2b)와 마찬가지로 한 단부에서 기부 전도체(4)에 연결되고, 다른 단부는 개방된다.
비록, 상술한 실시예가 나선형 안테나(2)의 선형 방사 소자(2b)와 선형 방사소자(5)가 DC 결합에 의해 기부 전도체(4)의 단부에 직접 연결된 실시예를 제공하지만, 그들은 용량성 결합에 의해 그들 사이에 직접적인 접촉 없이 기부 전도체의 엣지에 결합될 수 있다.
표 1은 본 발명의 실시예의 복합 안테나와 MSA의 기부 전도체가 하방으로 연장된 종래의 안테나에 관한 측정 결과를 제공한다. 이 예에서, 본 발명의 복합 안테나와 종래의 안테나는 정사각형 MSA를 사용한다. 대체로 MSA의 외부 치수와 동일한 치수를 갖도록 두꺼운 종이로 제조된 정사각형 로드가 MSA를 지지하기 위한 유전체 재료로서 사용된다. 본 발명의 실시예에 따른 복합 안테나에서, 도 1a에 도시된 바와 같이 네 개의 나선형 방사소자는 나선형 안테나로서 구리 포일 테이프로부터 형성된다. 더욱이, 종래의 안테나에서, 그 내부로 MSA의 기부 전도체가 하방으로 연장되는 정사각형 로드형 기부 전도체는 구리 포일 테이프로부터 형성된다. 표 1에 제공된 동, 서, 북, 남 방향은 정사각형 MSA(1)의 상면도인 도 2b에 제공된 동, 서, 북, 남 방향에 대응한다.
이득 축방향 비율
방향 수평 편파 성분(dBi) 수직 편파 성분(dBi) dB
본 발명의4선 나선형 안테나(2.5mm의 선폭을 가짐) 동서남북 -2.78-3.98-6.72-5.47 -1.48-1.28+0.81-0.29 1.302.707.535.18
하방으로 연장된 기부 전도체(종래의 안테나) 동서남북 -6.17-8.17-9.77-8.27 -1.90-2.20-0.61-1.51 4.275.979.166.76
대략 10°의 앙각을 향할 때 안테나의 축방향 비율 및 이득의 측정의 예.
1.6GHz의 주파수 대역과 길이 14cm의 안테나.
도 4a 및 도 4b는 복합 안테나의 천정의 방향이 90°로 설정되었을 때 선형 편파에 대한 본 발명의 복합 안테나의 이득 측정의 예를 제공한다. 도 4a는 패치된 방사소자의 긴 측면(또는, 도 2b에 제공된 방사 소자(1b)의 긴 측면)이 선형 편파 안테나(즉, 전송 안테나)의 전기장의 방향에 평행할 때 얻어지는 방사 패턴의 다이어그램이다. 도 4b는 패치된 방사 소자의 긴 측면이 선형 편파 안테나의 자기장의 방향에 평행할 때 얻어지는 방사 패턴 다이어그램이다. 도 5a 및 도 5b는 복합 안테나의 축이 도 4a 및 도 4b에 제공된 상태로부터 90°더 회전되어 있는 동안 도 4a 및 도 4b에 도시된 경우와 동일한 방식으로 측정된 선형 편파에 대한 본 발명의 복합 안테나의 이득의 예를 제공하는 도면이다. 도 5a는 패치된 방사 소자의 짧은 측면이 선형 편파 안테나의 전기장에 평행하게 되었을 때 얻어지는 방사 패턴 다이어그램이다. 도 5b는 패치된 방사 소자의 짧은 측면이 선형 편파 안테나의 자기장에 평행하게 되었을 때 얻어지는 방사 패턴 다이어그램이다. 각각의 안테나는 1.647GHz, 1.650GHz, 1.653GHz, 1.656GHz, 1.659GHz의 주파수 대역으로 측정된다.
도 6은 본 발명의 복합 안테나가 장착된 휴대용 무전기를 도시한다. 도 7은 휴대용 무전기와 위성 사이에 성립되는 통신을 개략적으로 나타내어 도시한다. 도 6에 제공된 본 발명의 복합 안테나(12)는 실용적으로 휴대할 수 있도록 휴대용 무전기(11)상에 장착된다. 이 도면에서, 참조 부호 11a는 수화기를 나타내고, 11b는 표시부를 나타내고, 11c는 조작부를 나타내고, 11d는 송화기를 나타낸다. 사람의 머리 때문에 저앙각의 방향에서 안테나 이득의 손실이 생기는 것을 방지하도록 이 표시부(11b)는 수화기(11a) 위에 위치된다. 휴대용 무전기에 복합 안테나(12)를 부착하기 위해, 휴대용 무전기(11)와 복합 안테나(12) 사이에 유전체 지지부가 제공되고, 상기 유전체 지지부는 복합 안테나(12)를 지지하고, 동축선(5) 등의 전송선의 통로를 허용하며 그에의해 복합 안테나(12)가 인체로부터 이격되도록 상승된 위치에서 지지되도록 한다. 부가적으로, 본 발명의 복합 안테나는 저앙각에서 원편파의 축방향 비율 및 이득이 향상되고, 이것이 공중의 모든 방향에서 우월한 통신 감도를 유지하는 것을 가능하게 한다. 예로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 궤도(20)상의 위성(21)과 통신할 때, 지상의 휴대용 무전기는 천정 방향으로부터 저앙각의 방향에 걸쳐 원활하게 옮겨진다.
도 8은 휴대용 무전기에 장착된 본 발명의 복합 안테나의 다른 예를 도시한다. 도 9는 도 8에 제공된 휴대용 무전기의 안테나 회로의 블록 다이어그램이다. 도 8에 도시된 휴대용 무전기(11)는 회전축(A)에 대해 복합 안테나가 회전하는 것을 허용하도록 형성된다. 대기 모드 동안, 복합 안테나(12)는 접을 수 있는 방식으로 휴대용 무전기의 하우징에 설치되도록 배열된다. 마이크로스트립 평면 안테나(MSA; 30)는 휴대용 라디오(11)의 하우징의 상부면상에 배치되도록 수용되고, 그에의해 복합 안테나와 변화(diversity) 안테나를 구성한다. MSA(30)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 구성을 갖는다. MSA(30)는 주로 천정 방향에서 복합 안테나(12)와 동일한 우회전(또는 좌회전) 원편파 이득을 갖는다. 변형 안테나는 도 9에 도시된 복합 안테나(12)와, MSA(30)와, 무전 구획(31)과, 복합 안테나(12)와 MSA(30)의 신호 합성 수단(32; 또는 신호 선택 수단)으로 구성된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 복합 안테나(12)는 연결부(13a)의 길이에 의해 휴대용 무전기(11)의 하우징으로부터 상승된 위치에 배치되도록 안테나 보유 실린더(13)에 의해 보유된다. 이는 통신시에 저앙각의 방향에서 안테나의 이득이 인체의 머리에 의해 손실되는 것을 방지한다. 전화를 걸기 위해서, 복압 안테나는 직립 위치에서 유지되고, 사전설정된 우회전(또는 좌회전) 원편파를 사용하여 통신이 성립된다. 휴대용 무전기(11)의 대기 모드 동안, 복합 안테나(12)는 휴대용 무전기(11)의 하우징의 측면과 매운 인접하게 접촉하도록 회전된다. 보다 명확하게 말하면, 복합 안테나(12)는 도 9에 도시된 회전 연결장치(33) 둘레에서 하우징에 대해 회전한다. 도 9의 쇄선은 회전 이후 접혀진 복합 안테나의 상태를 나타낸다. 접혀진 상태에서, 복합 안테나는 사용될때의 방향에 대향한 방향을 지향하고, 그에의해 원편파의 회전 방향을 역전시킨다. 따라서, 복합 안테나(12)는 사용되지 않으며, 단지 MSA(30)만이 휴대용 무전기의 대기 모드 동안 작동된다.
비록, 휴대용 무전기의 복합 안테나가 접을 수 있도록 배열되었지만, 제거할 수 있도록 배열될 수 있다.
본 발명은 공중의 모든 방향에서 통신 감도를 유지하는 복합 안테나를 용이하게 실현하고, 저앙각에서 원편파의 축방향 비율과 안테나의 이득이 향상되는 것을 허용한다. 부가적으로, 공급점은 상승된 위치에 배치되고, 따라서, 복합 안테나가 인체에 의한 영향을 받지 않고 안정적으로 작동한다.

Claims (4)

  1. 공유 기부 전도체로서의 역할을 하는 전도판과, 전도판상에 제공된 유전체층과, 전도판과 유전체층 사이에서 평행하게 제공되는 패치된 방사소자로 구성되고, 원편파 모드를 가지는 마이크로스트립 평면 안테나와,
    마이크로 스트립 평면 안테나에 대해 실질적으로 동축인 관계로 나선형으로 감싸지고, 전도판 아래에 제공된 선형 방사 소자와,
    DC 결합 또는 용량성 결합에 의해 전도판에 연결되어 나선형 안테나를 형성하는 나선형으로 감긴 선형 방사 소자의 상단부를 포함하는 복합 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 전도판내에 형성된 관통 구멍의 근방에 공유 공급점이 제공되고,
    전원이 전도판을 통해 선형 방사 소자로부터 나선형 안테나로 공급되는 것과 마찬가지로 공급점으로부터 상방으로 연장된 공급핀을 통해 패치된 방사 소자의 후면으로부터 마이크로스트립 평면 안테나로 공급되는 복합 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서, 나선형 안테나는 복수개의 선형 방사 소자로부터 형성되고,
    선형 방사 소자는 나선형 안테나의 저면 단부에 접촉되지 않고 교차점에서 서로 교차하는 복합 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서, 안테나의 변형을 제어하기 위한 방사 소자는 DC 또는 용량성 결합에 의해 그 사이에서 직접적으로 접촉하지 않고 나선형 안테나를 형성하는 선형 방사소자에 연결되는 복합 안테나.
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