KR20000017328A - 유전체 공진 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대칭 평면에 전기 전도층을 구비하는 유전체 공진 안테나(DRA)(4)에 관한 것이다. 유전체 공진 안테나(4)를 위한 송신 선로(9,10,11)로의 더 나은 연결을 제공하기 위해, 대칭 평면의 전기 전도층으로부터 절연되어있는 하나 이상의 전기접점을 제공하는 것이 제안되고, 상기 전기층과 전기접점은 신호가 송신 및 수신되도록 하나 이상의 송신 선로(9,10,11)로의 유전체 공진 안테나(4) 연결을 위해 제공된다. 이러한 방법으로, 안테나(4)가 공지된 SMD 기술(인쇄회로기판의 표면에 납땜하는 것)로 인쇄회로기판(PCB)에 장착되는 접점을 통해 유전체 공진 안테나(4)에 고정되게 부착되는 두 개의 전기접점이 존재한다. 이것은 상기 안테나(4)로의 파워커플링을 더욱 확실하게 수행한다.
게다가, 본 발명은 대칭 평면에 전기 전도층을 갖는 유전체 공진기를 구비하는 송신기 및 수신기에 관한 것이고, 또한 이러한 안테나(4)를 구비하는 이동 무선전화기에 관한 것이다.

Description

유전체 공진 안테나{DIELECTRIC RESONATOR ANTENNA}
본 발명은 대칭 평면상에 전기 전도층을 구비하는 유전체 공진 안테나(DRA)에 관한 것이다.
게다가, 본 발명은 대칭 평면상에 전기 전도층을 갖는 유전체 공진 안테나를 구비하는 송신기 및 수신기에 관한 것이고, 또한 이러한 안테나를 구비하는 이동 무선전화기에 관한 것이다.
유전체 공진 안테나(DRA)는 마이크로파 주파수용의 세라믹 또는 다른 유전체 매질로 만들어진 소형 안테나로써 공지되어 있다. 유전체 매질(εr〉〉1)이 공기로 둘러 싸여있는 유전체 공진기에 있어서, 이러한 유전체 매질은 자기-주파수 및 자기-모드의 이산 스펙트럼을 구비한다. 방사손실이 없을 때 매우 높은 성능을 갖는 공진기에 반하여, 공진 안테나의 최전부에서 전력 방사가 생긴다. 어떠한 전도성 구조도 방사를 위한 요소로 사용되지 않기 때문에, 표피층 효과는 어떠한 손실 결과도 갖지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 안테나는 고주파에서는 저-오믹 손실(low-ohmic losses)을 갖는다. 높은 유전상수를 갖는 물질이 사용될 때는 더욱 간결하고 소형화된 구조가 이루어질 수 있다. 도 1은, 일예로써 간주된 기본적인 형태로 이러한 DRA(1)를 나타내고 있다. 평행육면체의 형태 외에도, 일예로 원통형 또는 구형의 기하학적인 다른 형태가 또한 가능하다. 유전체 공진 안테나는 안테나의 공진 주파수 중 하나의 주파수 주위의 협대역에서만 단지 동작하는 공진 소자이다. 안테나의 소형화에 있어서의 문제점은 주어진 안테나 크기를 이용하여 동작 주파수를 더 낮추는 것이다. 결과적으로, 최저의 공진(TEZ 111-모드)이 사용된다. 이러한 모드는 이른바 대칭 평면(2)인 면을 구비하고, 여기서는 전계의 접선성분(tangential component)이 존재하지 않는다. 안테나가 대칭평면(2)에 의해 둘로 나누어지고 전기적인 전도평면(3)(일예로 금속판)이 배치되었을 때, 공진 주파수는 본래의 크기를 갖는 안테나의 공진 주파수와 계속해서 동일해진다. 이러한 것이 도 2에 도시되어있다. 이러한 안테나를 이용한 다른 소형화는 높은 유전상수(εr)를 갖는 유전체 매질을 통해 이루어질 수 있다. 이러한 목적을 위해, 보다 작은 유전체 손실을 갖는 재료가 바람직하게 선택된다.
이러한 유전체 공진 안테나는 1994년에 교육 실습생인 라제스 K. 몬지아 및 프라카스 바르시아에 의해 마이크로파 및 밀리미터파 컴퓨터 보조 공학에 관한 간행물(vol.4, no.3, 230-247쪽)에 기재된 "유전체 공진 안테나-공진 주파수 및 대역폭에 대한 평론 및 일반적인 설계 관계"라는 기사에 기술되어있다. 상기 기사는 원통, 구형 및 직사각형과 같은 다양한 형태의 DRAs에 대한 모드 및 방사 특성의 개요를 기술한다. 다른 형태에 대해, 가능한 모드와 대칭 평면이(도 4,5,6과 240쪽 좌측단의 1-21줄)도시되어있다. 특히 평행육면체 형태의 DRA가 도 9 및 관련 설명서에 기술되어있다. y=0을 갖는 x-z 평면에서의 금속면이나 또는 x=0을 갖는 y-z평면에서의 금속면을 통해, 본래의 구조는 필드(field) 분배나 TeZ 111-모드에 대한 다른 공진 특성을 변경할 필요없이 둘로 나누어질 수 있다(244쪽 우측단의 1-7줄). 상기 DRA는 마이크로파 선로(일예로, 마이크로스트립 선로 또는 동축 선로의 종단) 근처의 스트레이 필드(stray field)로 삽입되는 마이크로파 전송 선로를 통해 여기(excited)된다.
이러한 형태의 파워커플링을 이용한, 양호한 효율을 필요로 하는 유전체 공진 안테나와 송신선로의 임피던스 매칭은 어려운데, 그 이유는 상기 매칭은 송신 선로에 관련 안테나의 위치에 크게 좌우되기 때문이다. 그러나, 송신 선로의 관련된 위치의 편차는 특히 자동 생산의 경우에 심하게 변한다.
본 발명의 목적은 송신 선로와 유전체 공진 안테나의 더 양호한 연결을 제공하는데 있다.
상기 목적은 전기 전도 층으로부터 절연된 하나 이상의 전기접점이 대칭 평면에 제공되고, 전기층과 전기접점이 신호가 송신 및 수신되도록 DRA를 하나 이상의 송신 선로에 연결하기 위해 사용됨으로써 달성된다. 이러한 방법으로, 두 전기접점은 송신 선로가 DRA에 고정되게 연결되는 것을 의미하고, 상기 접점은 파워커플링을 위해 DRA에 연결될 수도 있다. 본 발명에 따른 안테나는 공지된 SMD 기술(인쇄회로기판의 표면에서의 납땜)로 인쇄회로기판(PCB)에서 다른 구성성분들과 함께 장착될 수도 있다. SMD 기술이 가능한 이러한 DRA는 PCB 상에서 송신 선로와 함께 고정되도록 납땜되고, 따라서 송신 선로가 누설필드(leakage field)로 삽입될 때 보다 확실히 더 양호한 커플링이 확실하게 이루어진다. 상기 임피던스 매칭은 누설필드로 삽입될 때보다, PCB 상의 안테나의 정확한 위치 선택에 대해 매우 적게 좌우되고, 이 경우에 매칭은 안테나로부터 송신 선로까지의 거리에 상당히 의존한다.
효과적인 실시예에 있어서, 대칭 평면에 전기 전도층을 형성하고, 전기접점을 형성하기 위해 금속층이 제공된다. 금속층의 양호한 제조 특성과 전기 전도도에 기초하면, 금속층은 송신 선로로의 연결을 구현하기에 매우 적합하게 된다.
다른 실시예에 있어서, 금속층은 대칭 평면에서 전기 접점으로의 연결을 위해 DRA 인접 대칭 평면의 측면에 제공된다. 이러한 방법으로, 금속층에 의한 확장이 DRA의 매우 양호한 여기(excitation)를 이룬다. 일예로, 평행육면체 형태의 안테나와 베이스로써 대칭 평면을 사용하여, 상기 전기 접점이 인접한 헤드-단부(head-end)상에 배치될 수도 있다. 그런 후에 상기 금속층은 에지(edge)를 넘어 베이스로 연장되고, 결국 납땜 점은 대칭 평면에 존재하는데, 상기 납땜 점은 표면 장착을 위해 사용된다. 이러한 납땜 점은 전기 전도층으로부터 자연적으로 절연되고, 이것은 대칭 평면이 금속으로 이루어졌을 때 작은 영역을 스키핑(skipping)함으로써 바람직하게 이루어진다. 은페이스트(silver paste)가 DRA의 재료를 가열시켜 금속층을 형성하기 위해 바람직하게 사용된다.
바람직한 다른 실시예에 있어서, (Ba,Nd,Gd)TiO3으로 된 세라믹이 DRA를 위한 재료로써 제공된다. 이러한 세라믹 물질은 높은 유전상수, 낮은 유전체 손실 및 낮은 유전체 온도 계수와 같은 DRA를 위한 모든 중요한 특성을 구비한다.
다른 효과적인 실시예는 다른 청구범위 내에 포함되어있다.
이외에도, 본 발명의 목적은 전기 전도층과 전기층으로부터 절연된 하나 이상의 전기접점이 안테나의 대칭 평면에 제공되는 송신기와 수신기 및 이동 무선전화기에 의해 또한 달성되는데, 상기 전기접점은 신호가 송신 또는 수신되도록 DRA를 하나 이상의 송신 선로에 연결하기 위해 제공된다.
본 발명의 이러한, 그리고 다른 양상은 이후 기술된 실시예를 참조하여 명확해지고 설명될 것이다.
도 1은 유전체 공진 안테나를 보여주는 도면.
도 2는 대칭 평면에 전기적인 전도층을 갖는 2등분된 유전체 공진 안테나를 보여주는 도면.
도 3은 표면 장착에 대한 본 발명에 따른 전기적인 결합을 갖는 유전체 공진 안테나를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 PCB 방식으로 장착된 안테나를 보여주는 도면.
〈도면 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
4 : 유전체 공진 안테나(DRA) 5 : 금속층
6 : 제 2금속층 7 : 납땜 점
8 : 인쇄회로기판(PCB)
도 3은 대칭 평면에 금속층(5)을 구비하는 유전체 공진 안테나(DRA)(4)를 도시하고 있다. 또한 세라믹 평행육면체로 된 DRA(4)는 헤드-단부에 제 2 금속층(6)을 구비한다. 제 2 금속층(6)은 대칭 평면에 위치하고, 특히 금속층(5)으로부터 전기적으로 절연되어 있는 납땜 점(7)을 구비한다. 납땜 점(7)은 대칭 평면에서 추가적인 전기접점을 형성한다. 이런 목적을 위해, 요구되는 자기-모드(TEZ 111-모드에서 가장 낮은 공진-모드) 전계의 접선 성분이 사라지는 대칭 평면은 유전체 매질에 고정되도록 부착된 금속층으로 덮혀진다. 이것은 은페이스트를 사용하여 세라믹을 가열함으로써 바람직하게 수행된다. 헤드 단부의 제 2 금속층(6)도 동일한 방식으로 장착된다. 이러한 금속층(5,6,7)은 납땜 용액(bath)이나 역류(reflow)처리를 통해 PCB상에 표면장착부품(SMD), 즉 전기 부품의 평면 납땜을 가능하게 한다.
도 4는 금속층(5와6)을 구비하는 DRA(4)를 나타내고, 상기 DRA(4)는 공면(coplanar) 스트립선로(9,10,11)를 이용하여 표면 장착 기술로 PCB(8)상에 납땜된다. 그런 후에 헤드 단부의 금속층(6)은 납땜 점(7)에서 송신 선로(9)와 전기적으로 연결되고, 장착된 이후로는 더 이상 보이지 않는다. 대칭 평면(5)의 금속층은 두 납땜 점에서 공면(9,10,11)의 접지 평면(10,11)에 연결된다. 이러한 방식으로 장착된 안테나(4)는 매우 양호한 효율을 제공하는 매우 양호한 임피던스 매칭(-35B의 반사 감쇠량)을 갖는 송신 선로(9,10,11)로의 양호한 연결을 제공한다. 임피던스 매칭에 대한 상기 양호한 값은 금속층의 정확한 형태 및 크기와 PCB(8)의 안테나 위치의 변화에 대해 확고하다.
이것은 다음과 같은 장점을 이룬다. 상기 안테나는 전원 PCB(8)의 전도 선로(9,10,11)에 고정되도록 납땜된다. 상기 납땜은 PCB 평면, 즉 전자 산업에서 제조 기술로서 공지된 SMD 기술로 평면에 효과적이다. 이것은 안테나(4)가 다른 부품들과 결합되어 장착될 수 있도록 한다. 게다가, 상기 장착된 DRA(4)는 송신 선로(9,10,11)와 매우 양호한 임피던스 매치를 구비하고, 이것은 DRA(4)의 위치 지정에 있어서의 부정확함이 확고하다. 기술된 DRA(4)는 (Ba,Nd,Gd)TiO3으로 된 세라믹의 15×5×6 mm3크기를 갖는 평행 육면체를 통해 바람직하게 구현될 수도 있다. 이러한 물질은 고주파에 적합하고, er= 85의 유전 상수를 가지며,의 유전체 손실 및(NPO 특성)의 낮은 유전체 온도 계수를 갖는다. 상기 금속층(5와6)은 은페이스트를 통해 제조될 수 있고, 700℃의 온도에서 가열되어 클로즈된(closed) 고성능 금속층이 형성된다. 마이크로스트립 선로(9,10,11)는 50옴의 파동 레지스턴스를 갖는 표준 PCB에 배치될 수 있다. 이러한 DRA(4)의 동작 주파수는 2.1GHz에 위치하므로 이동 무선전화기 분야에서의 응용에 특히 적합하다.

Claims (11)

  1. 대칭 평면(2)에 전기 전도층(5)을 구비하는 유전체 공진 안테나(DRA)(4)에 있어서,
    상기 전기 전도층(5)으로부터 절연된 하나 이상의 전기접점(7)이 대칭 평면(2)에 제공되고,
    상기 전기층(5)과 상기 전기 접점(7)은 신호가 송신 및 수신되도록 하나 이상의 송신 선로(9,10,11)에 연결하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  2. 제 1항에 있어서, 금속층이 상기 대칭 평면(2)에 상기 전기 전도층(5)을 형성하고, 상기 전기접점(7)을 형성하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  3. 제 1항에 있어서, 금속층(6)이 상기 대칭 평면(2)에서 전기접점(7)과 연결되게 DRA(4) 인접 대칭 평면(2)의 측면에 제공되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  4. 제 2항에 있어서, 은페이스트는 상기 DRA(4) 물질을 가열시켜 금속층(5,7)을 형성하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  5. 제 1항에 있어서, 상기 DRA(4)의 재료는 (Ba,Nd,Gd)TiO3으로 된 세라믹인 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  6. 제 1항에 있어서, 상기 전기층(5)과 상기 전기접점(7)은 하나 이상의 동일 평면 스트립 선로(9,10,11)로의 상기 DRA(4) 연결을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  7. 제 1항에 있어서, DRA(4)는 두 헤드 단극, 두 측면, 접지면과 상단면을 구비하는 직각의 평행육면체의 기하학적인 형태를 구비하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  8. 제 7항에 있어서, 상기 대칭 평면(2)이 접지면을 형성하기 위해 제공되고, 상기 전기접점(7)은 헤드 단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  9. 대칭 평면(2)에 전기 전도층(5)을 구비하는 DRA(4)를 포함하는 송신기에 있어서,
    상기 전기 전도층(5)으로부터 절연된 하나 이상의 전기접점(7)이 대칭 평면(2)에 위치하고,
    상기 전기 층(5)과 상기 전기접점(7)은 신호가 송신되도록 하나 이상의 송신 선로(9,10,11)로의 상기 DRA(4) 연결을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  10. 대칭 평면(2)에 전기 전도층(5)을 구비하는 DRA(4)를 포함하는 수신기에 있어서,
    상기 전기 전도층(5)으로부터 절연된 하나 이상의 전기접점(7)이 상기 대칭 평면(2)에 제공되고,
    상기 전기 층(5)과 상기 전기접점(7)은 신호가 수신되도록 하나 이상의 송신 선로(9,10,11)로의 상기 DRA(4) 연결을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
  11. 대칭 평면(2)에 전기 전도층(5)을 구비하는 DRA(4)를 포함하는 이동 무선전화기에 있어서,
    상기 전기 전도층(5)으로부터 절연된 하나 이상의 전기접점(7)이 대칭 평면(2)에 제공되고,
    상기 전기 층(5)과 상기 전기접점(7)은 신호가 송신 또는 수신되도록 하나 이상의 송신 선로(9,10,11)로의 상기 DRA(4) 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 유전체 공진 안테나(DRA).
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