KR20000068463A - 동축 이중 대역 안테나 - Google Patents

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KR20000068463A
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로스 워런 람페
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도날드 디. 먼둘
에릭슨 인크.
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Abstract

소형이고 제조하기에 용이한 전자기 안테나(20, 30)는 제1 선정된 전기 길이를 갖는 동축 케이블(24)의 일부, 전자기 단극(28)을 형성하기 위해서 상기 일부로부터 제거된 상기 케이블의 외부 도체(22), 상기 일부의 유전체 물질(26) 주변에 나선형으로 권선된 도체를 포함하는 기생 소자(30) - 상기 기생 소자는 제2 선정된 전기 길이를 가짐 -, 및 상기 일부 및 상기 기생 소자와 전자기적인 협동 관계로 배치된 전기 접지면(22)을 포함한다. 상기 기생 소자는 접착제를 사용하여 상기 일부의 상기 유전체 물질에 고정될 수 있고, 상기 제1 선정된 길이는 실질적으로 제1 선정된 파장의 1/4이고 상기 제2 선정된 길이는 실질적으로 제2 선정된 파장의 1/2일 수 있다. 특히, 상기 제1 선정된 길이는 9.4cm일 수 있고, 상기 제2 선정된 길이는 7.9cm일 수 있다. 또한, 상기 전기 접지면은 상기 일부 및 상기 기생 소자에 실질적으로 수직하게 배치될 수 있고, 상기 기생 소자 권선의 피치각은 전자계 강도 및 전력 밀도의 선택된 공간 패턴을 생성하기 위해서 변화될 수 있다. 동축 케이블로부터 전자기 안테나를 제조하는 방법이 개시되어 있다.

Description

동축 이중 대역 안테나{COAXIAL DUAL-BAND ANTENNA}
본 발명은 종래 장치의 문제점을 해결하고, 소형일 뿐만 아니라 제조하기도 용이한 전자기 안테나를 제공하는 것이다. 본 발명의 한 특징으로, 외부 도체, 유전체 물질, 및 유전체 물질 내에 배치되는 내부 도체를 갖는 동축 케이블로부터 전자기 안테나를 만드는 방법은, 동축 케이블의 일부로부터 외부 도체를 스트립하여 유전체 물질을 노출하는 단계; 노출된 유전체 물질 상의 기생 도체를 나선형으로 권선하는 단계; 및 전기 접지면과 전자기적 협동 관계에 있는 일부 및 기생 도체를 배치하는 단계를 포함한다. 상기 일부는 제1 선정된 전기 길이를 갖고 기생 도체는 제2 선정된 전기 길이를 갖는다.
본 발명의 다른 특징으로, 이 방법은 기생 도체를 접착제를 사용하여 유전체 물질에 고정시키는 단계를 더 포함한다. 또한, 제1 선정된 길이는 실질적으로 제1 선정된 파장의 1/4일 수 있고 제2 선정된 길이는 실질적으로 제2 선정된 파장의 1/2일 수 있다. 특히, 제1 선정된 길이는 9.4cm일 수 있고 제2 선정된 길이는 7.9cm일 수 있다. 더욱이, 상기 일부 및 기생 도체는 전기 접지면에 실질적으로 수직하게 배치될 수 있고, 이 방법은 권선(winding)의 피치각(pitch angle)을 변화시킴으로써 기생 도체의 권선 간의 커플링 양을 선택적으로 제어하여, 전자계 강도 및 전력 밀도의 공간 패턴을 선택하는 기생 도체를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징으로, 전자기 안테나는 제1 선정된 전기 길이를 갖는 동축 케이블의 일부를 포함하고, 상기 동축 케이블은 외부 도체, 유전체 물질, 유전체 물질 내에 배치된 내부 도체를 갖는다. 외부 도체는 전자기 단극(monopole)을 형성하기 위해서 일부로부터 제거된다. 안테나는 일부의 유전체 물질 주변에 나선형으로 권선된 도체를 포함하는 기생 소자를 더 포함하고, 상기 기생 소자는 제2 선정된 전기 길이를 갖는다. 안테나는 또한 일부 및 기생 소자와 전자기적 협동 관계로 배치된 전기 접지면을 포함한다.
본 발명의 다른 특징으로, 기생 소자는 접착제를 사용하여 일부의 유전체 물질에 고정될 수 있고, 제1 선정된 길이는 실질적으로 제1 선정된 파장의 1/4일 수 있고, 제2 선정된 길이는 실질적으로 제2 선정된 파장의 1/2일 수 있다. 특히, 제1 선정된 길이는 9.4cm일 수 있고 제2 선정된 길이는 7.9cm일 수 있다. 또한 전기 접지면은 일부 및 기생 소자에 실질적으로 수직하게 배치될 수 있고, 기생 소자의 권선의 피치각은 전자계 강도 및 전력 밀도의 선택된 공간 패턴을 생성하기 위해서 변화될 수 있다.
본 발명은 전자기 신호용 안테나에 관한 것으로, 특히 동축 소자를 갖는 안테나에 관한 것이다.
약 800㎒의 주파수를 갖는 반송파 신호(carrier signal)를 사용하는 Advanced Mobile Phone Service(AMPS) 및 약 1900㎒의 주파수를 갖는 반송파 신호를 사용하는 Personal Communication Service(PCS)와 같이, 다른 주파수 범위에서 동시에 동작하는 다중 무선 통신 시스템의 출현으로, 양 시스템에서 기능할 수 있는 송수신기(transceiver)가 필요하게 되었다.
이 문제점에 대한 접근은, 주파수 대역의 각각에서 신호를 위해 각각 최적화된 두 개의 분리 안테나를 송수신기에 제공하는 것이다. 이러한 두 개의 안테나 접근법은 받아들이기 힘들게 부피가 크고 미적으로 만족스럽지 않은 송수신기를 만든다. 따라서, 두 개의 주파수 대역에서 동작하는 소형의 단일 안테나를 갖는 이러한 송수신기가 바람직하다.
이중 대역 안테나를 구성하는 한 방법은 전기 길이 λ0/2를 갖는 선형 안테나에 아주 근접하여 전기 길이 λ1/2를 갖는 기생 소자를 위치시키는 것이다. 이와 같은 이중 대역 안테나(10)가 도 1에 도시되어 있다. 송수신기(도시 안됨)에 물리적으로 접속되지 않는 기생 소자(12)는 주파수 f1= cλ1에서 공진하고, 쌍극자로서 도시되고 송수신기에 물리적으로 연결된 선형 안테나(14)는 주파수 f0= cλ0에서 공진하며, 여기서 c는 광속이다.
이들 각각의 공진 조건에서, 기생 소자(12) 및 선형 안테나(14)는 에너지를 주변 매체, 즉 자유 공간으로 및 밖으로 효과적으로 연결한다. 기생 소자는, 주파수 f0에서 공진하지 않기 때문에, 선형 안테나의 동작에 실질적으로 투명하고, 선형 안테나는, 주파수 f1에서 공진하지 않기 때문에, 기생 소자의 동작에 실질적으로 투명하다. 기생 소자는 고주파수 f1으로 공진하고 선형 안테나에 적당히 인접하기 때문에, f1에서의 에너지는 선형 안테나 및 주변 매체에 및 이로부터 효과적으로 연결된다. 그러므로, 이중 대역 응답, 즉, f0및 f1모두에서의 동시에 일어나는 임의의 에너지 커플링이 얻어진다.
안테나의 에너지 커플링 효과는 주파수에 대한 전압 정상파비(VSWR)의 플롯에 의해 설명될 수 있다. 도 2는 도 1에서 도시된 바와 같이 이중 대역 안테나의 전형적인 응답을 나타낸다. 낮은 VSWR의 두 영역은 주파수 f0및 f1에서의 공진 조건에 대응한다.
도 1에 도시된 이중 대역 안테나 종류가 갖는 문제점중 하나는 제조하기가 어렵다는 점이다. 특히, 선형 안테나 및 기생 소자간의 분리는 일반적으로 25㎛의 차수, 또는 1/1000인치로 정밀하게 유지되어야만 한다. 이와 같은 정밀도는 달성하기 어렵고 비용이 많이 든다.
도 1은 종래의 이중 대역 안테나의 도면.
도 2는 도 1에 도시된 이중 대역 안테나에 대해서 주파수에 대한 전압 정상파비의 플롯.
도 3A는 출원인의 발명에 따른 동축 단극 안테나의 도면.
도 3B는 출원인의 발명에 따른 이중 대역 안테나의 도면.
도 4는 도 3B에 도시된 이중 대역 안테나에 대해서 주파수에 대한 전압 정상파비의 플롯.
도 5는 큰 피치각을 갖는 구획에 의해 분리된 작은 피치각을 갖는 다수의 구획을 포함하는 기생 소자를 갖는 이중 대역 안테나의 도면.
출원인의 발명은 도면과 함께 상세한 설명을 읽음으로써 이해될 것이다.
출원인의 발명은 동축 전송선이 상업적으로 제조되는 정밀도을 이용하여 이전 이중 대역 안테나의 제조 능력의 문제를 해결한다. RG-59, RG-62, RG-116 등과 같은 동축 케이블의 치수는 적당한 정밀도를 갖는다. 이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 동축 케이블의 내부 도체는 제1 주파수 f0로 공진하는 전자기 길이를 갖는 선형 방사 구조를 형성한다.
도 3A 및 3B는 본 발명의 바람직한 실시예인, 접지면(22) 위의 단극 안테나(20)를 나타낸다. 도 3A를 참조하면, 동축 케이블(24)의 절연 외장(sheath) 및 외부 도체는 선의 내부 도체(28)를 내부에 배치한 케이블의 원통형 유전체 코어(26)를 노출하기 위해서 제거된다. 동축선(24)의 외부 도체는 접지면(22)에 전기적으로 접속될 수 있고, 이 접지면은 손바닥 크기의 무선 전화기와 같은 무선 송수신기의 전기적 도전 케이스일 것이다. 그러나, 접지면은 또한 여기에 참조로 일체된 Cassel에 의해 1994년 7월 13일 출원된 미국 특허 제08/274,450호 및 Cassel에 의해 1993년 2월 24일 공포된 유럽 특허 공보 제 EP 0 528 775호에 기술된 바와 같이 송수신기의 케이스로부터 전기적으로 절연될 수 있다는 것을 알 것이다.
노출된 유전체 물질(26) 및 내장된 내부 도체(28)는, 도3A에 도시되는 바와 같이, 소정의 길이가 상기 접지면(22) 위로 돌출하도록 정돈된다. 도 3A에 도시된 배열은 동축 단극 안테나임을 알 것이다. 상기 접지면(22) 상에 돌출하는 물리적 길이는 전자기 길이가 의도된 주파수 f0에서 1/4 파장 λ0/4의 정수가 되도록 일반적으로 선택된다. 전자기 길이가 1/4 파장일 때, 단극은 접지면(22)에 형성된 돌출 길이의 전기 영상 때문에 1/2 파장처럼 행동할 수 있다. 예를 들어, 접지면(22) 위에 돌출하는 전자기 길이는 접지면 및 돌출 길이가 서로 실질적으로 수직하게 배치된다는 가정 하에서, 주파수 f0=800㎒에 대해서 대략 9.4cm일 것이다.
출원인의 발명에 따르면, 도체와 같은 기생 소자(30)는 도 3B에 도시된 바와 같이 유전체 원통 주변을 나선형으로 감싼다. 대안으로 이와 같은 기생 소자(30)가 유전체 원통의 표면 내의 그루부 내에 이를 감싸므로써 또는 적당한 접착 물질을 도포함으로써 유지될 수 있지만, 기생 소자는 마찰이 유전체 물질 상의 위치에 이를 유지시키기에 충분하게 단단히 감싸진 배선일 수 있다. 배선 대신에, 기생 소자는 유전체 원통 주변에 권선된 도전성 테이프일 수 있고 또는 유전체 원통 상의 소정의 패턴으로 인쇄된 도전성 잉크일 수 있다. 기생 소자(30)는 소정의 주파수에서 도전성 소자 공명만을 필요로 한다.
피치각 Ψ 및 나선형으로 권선된 기생 소자(30)의 물리적 길이에 근거하여, 기생 소자는 내부 도체(28)의 공진 주파수 f0와 다른 주파수 f1으로 공진하도록 전자기 길이를 갖게 될 수 있다. 도 3B에 도시된 안테나는 그러므로 이중 대역 응답(f0및 f1에서) 및 도 4에 도시된 바와 같이 예상된 VSWR 응답을 가질 것이다.
내부 도체(28)와 반대로, 기생 소자(30)의 전자기 길이는 공진 주파수 f1에서 λ1/2의 정수로 일반적으로 선택된다. 전자기 길이는 주변 공간, 즉, 자유 공간과 비교하여 유전체 물질(26)을 통한 전자계의 감소된 전파 속도를 보상하기 위해서 물리적 길이보다 작은 것이 일반적이다. 예를 들어, 기생 소자(28)의 전자기 길이는 감소된 전파 속도에 대한 보상 없이 주파수 f1=1900㎒에 대해 대략 7.9cm일 것이다. 기생 소자(30)의 전자기 길이는 유전체 원통(26)의 물리적 길이 및 유전율에 의해 결정된다.
안테나 응답을 최적화하기 위해서 다소 작은 조정이 필요할지라도, 내부 도체(28)의 길이 뿐만 아니라 기생 소자(30)의 정확한 길이는 안테나 이론의 원리로부터 결정될 수 있다는 것을 알 것이다. 일반적으로, 이들 원리는 기생 소자(30)의 두 단부(적어도 하나의 내부 도체(28)의 말단부)에서 전류의 값이 제로라는 경계 조건이 적용될 것이다. 예를 들어, 접지면과 돌출 케이블부 및 기생 소자간의 각도가 전자계 강도 및 전력 밀도의 공간 분포에 영향을 미친다는 것을 알 것이다. 동축선의 유전체 코어(26)의 치수가 제조 중에 매우 근접한 허용 오차로 특징지어지고 유지되기 때문에, 출원인의 이중 대역 안테나가 일관되고 비싸지 않게 제조될 수 있다.
나선형으로 권선된 기생 소자의 전자기 길이에 영향을 주는 한 요소는 나선형 권선간의 전자기 커플링의 양이다. 이 커플링 양은 피치각 Ψ에 의해 효과적으로 결정되고, 권선간의 거리를 결정한다. 이 커플링의 최소화는 어떤 경우에 바람직할 것이므로 큰 피치각이 사용될 것이라는 것이 현재 예상된다. 대략 1900㎒의 주파수에 대해서 적어도 약 45도의 피치각과는 거의 연결되지 않는다는 것이 확신된다.
반면에, 커플링이 어떤 경우에 바람직할 것이라는 것이 또한 현재 예상된다. 나선형 권선을 서로 가까이 가져감에 따라, 고주파수용 주 용량성인 증가된 커플링이 기생 소자의 전자기 길이를 증가시키는 경향이 있다. 더욱이, 피치각 및 원통(26)의 유전율과 같은 변수를 선택적으로 제어함으로써 커플링의 양을 선택적으로 제어하는 것은 기생 소자를 따르는 전류 분포 및 대략 f1주파수에서 안테나의 방향 패턴의 선택을 허여한다. 접지면 위에 돌출한 길이를 따라서 피치각을 변화시킴으로써, 단극보다 복잡한 전계 강도 및 전력 밀도의 공간 패턴을 갖는 기생 소자를 만드는 것이 가능해야만 한다. 도 5에 도시된 바를 예로 들어, 피치각은 기생 소자가 거의 또는 전혀 커플링(큰 피치각 Ψ1)을 가지지 않는 구획에 의해서 분리된 고커플링(작은 피치각 Ψ2)을 갖는 다수의 구획을 포함하도록 변화될 것이고, 이에 의해 소자의 선형 배열에 적절한 안테나 패턴을 생산한다.
상대적으로 복잡한 임피던스 매칭 및 동축 케이블로부터 제조상의 어려움으로 인해 이와 같은 배열이 현재 바람직하지 않다는 것이 확신되지만, 출원인의 발명은 또한 나선형 소자(30)가 여기되고 선형 소자(28)가 기생인 이중 대역 안테나를 포함한다. 이와 같은 안테나에서, 나선형 소자(30)는 권선된 쌍극자처럼 동작하고 내부 도체(28)의 길이는 조심스런 조정이 요구될 것을 알 것이다.
본 발명이 그 본질로부터 벗어나지 않고 다른 형태로 실시될 수 있다는 것은 당업자들이 알 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 도시된 모든 점에서 제한적이지 않게 고려될 것이다. 본 발명의 범주는 다음의 청구항에 의해 한정된다.

Claims (13)

  1. 외부 도체, 유전체 물질 및 상기 유전체 물질 내에 배치된 내부 도체를 갖는 동축 케이블로부터 전자기 안테나의 제조 방법에 있어서,
    상기 동축 케이블의 일부로부터 상기 외부 도체를 스트립하여 상기 유전체 물질을 노출하는 단계,
    상기 노출된 유전체 물질 상에 기생 도체를 나선형으로 권선하는 단계, 및
    상기 일부와 상기 기생 도체를 전기 접지면과 전자기적인 협동 관계로 배치하는 단계
    를 포함하되, 상기 일부는 제1 선정된 전기 길이를 가지며 상기 기생 도체는 제2 선정된 전기 길이를 갖는 전자기 안테나의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기생 도체를 접착제를 사용하여 상기 유전체 물질에 고정시키는 단계를 더 포함하는 전자기 안테나의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 선정된 길이는 실질적으로 제1 선정된 파장의 1/4이고 상기 제2 선정된 길이는 실질적으로 제2 선정된 파장의 1/2인 전자기 안테나의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 선정된 길이는 9.4cm이고 상기 제2 선정된 길이는 7.9cm인 전자기 안테나의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 일부 및 상기 기생 도체가 실질적으로 상기 전기 접지면에 수직하게 배치되는 전자기 안테나의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 권선의 피치각(pitch angle)을 변화시킴으로써 상기 기생 도체의 권선간의 커플링 양을 선택적으로 제어하여, 전자계 강도 및 전력 밀도의 공간 패턴을 선택하는 기생 소자를 생성하는 단계를 더 포함하는 전자기 안테나의 제조 방법.
  7. 전자기 안테나에 있어서,
    제1 선정된 전기 길이를 갖는 동축 케이블의 일부 - 상기 동축 케이블은 외부 도체, 유전체 물질, 및 상기 유전체 물질 내에 배치된 내부 도체를 가지며, 상기 외부 도체는 상기 일부로부터 제거되어 이 일부는 전자기 단극임 -,
    상기 일부의 상기 유전체 물질 주변에 나선형으로 권선된 도체를 포함하는 기생 소자 - 상기 기생 소자는 제2 선정된 전기 길이를 가짐 -, 및
    상기 일부 및 상기 기생 소자와 전자기적인 협동 관계로 배치된 전기 접지면
    을 포함하는 전자기 안테나.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기생 소자가 상기 일부의 상기 유전체 물질에 접착제를 사용하여 고정되는 전자기 안테나.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 선정된 길이는 실질적으로 제1 선정된 파장의 1/4이고 상기 제2 선정된 길이는 실질적으로 제2 선정된 파장의 1/2인 안테나.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 선정된 길이는 9.4cm이고 상기 제2 선정된 길이는 7.9cm인 전자기 안테나.
  11. 제7항에 있어서, 상기 전기 접지면이 상기 일부 및 상기 기생 소자에 실질적으로 수직하게 배치된 전자기 안테나.
  12. 제7항에 있어서, 상기 기생 소자의 권선의 피치각이 전자계 강도 및 전력 밀도의 선택된 공간 패턴을 생성하기 위해서 변화하는 전자기 안테나.
  13. 제7항에 있어서, 상기 기생 소자가 전기 신호에 의해 여기되는 전자기 안테나.
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