KR20010020569A

KR20010020569A - 안테나 시스템

Info

Publication number: KR20010020569A
Application number: KR1019997012478A
Authority: KR
Inventors: 올슨스티븐카터; 고다르드제프리앨런
Original assignee: 볼 에어로스페이스 앤드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2001-03-15
Also published as: IL133726A0; EP0992079A1; EP0992079A4; NO996536D0; CN1265234A; CA2294206A1; JP2002507363A; WO1999000867A1; NO996536L; AU8264098A; US6121929A

Abstract

본 발명은 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 무선가입자 회선을 구현하는 통신 시스템에 사용되기에 적당한 안테나 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 안테나는 접지판상에 지지되는 공기가 내재된 스텍 패치(stacked patch) 안테나 소자의 어레이(array)를 포함한다. 상기 안테나는 이중 슬랜트 45선형 편파모드로 작동하며, 공기가 내재된 마이크로스트립(microstrip) 전송 피드(feed) 라인에 의해 급전이 이루어진다. 상기 피드 라인의 폭은 설계 전반에 걸쳐 균일하며, 그것에 의해 임피던스 변압기에 대한 필요성이 없어진다. 안테나의 풋프린트(footprint)를 감소시키기 위하여 안테나를 위한 전자장치가 안테나 접지판의 하측에 위치된다. 또한, "커넥트리스(connectorless)" 결합 구조가 상기 안테나 소자와 그 하부의 전자장치 간에 신호를 전송하기 위해 제공된다. 일실시예에서, 관련 평면에서 인접한 소자의 수가 제한됨에도 불구하고 향상된 사이드로브 억압을 실현하는 안테나가 제공된다.

Description

안테나 시스템{Antenna System}

전화통신 시스템에서 가입자 회선은 고객 구내(customer premises)와 지역 교환기의 스위치간을 연결하는 것이다. 과거에는 가입자 회선이 주로 전선에 의하여 연결되었다. 무선 가입자 회선의 광대역폭과 증가된 적응성(flexibility)으로 인하여 오늘날 무선 가입자 회선은 그 인기가 증가하고 있다.

무선가입자 회선을 사용하는 통신시스템을 구현하기 위해서는, 다수의 무선 가입자 회선 기지국이 구비되어야만 한다. 각 기지국은 주어진 지역에서 소정 수의 고객에게 서비스를 한다. 예를 들어, 하나의 시스템에서 각 기지국은 2000명의 고객들에게 서비스한다. 상기 시스템을 사용하기 위해서, 특정한 가입자 회선 기지국에 의하여 서비스받는 각각의 고객 구내에는 상기 기지국과 통신하기 위해 가입자 회선 안테나 및 송신/수신회로를 설비해야 한다. 예를 들어, 가입자 회선 안테나는 고객 구내의 외벽에 장착되고, 적당한 기지국의 일반적 방향을 향하게 된다.

미래에 미국과 세계의 대다수의 전화사용자들이 무선 가입자 회선의 서비스를 받을 수 있을 것으로 생각할 수 있다. 이것은 수백만개의 가입자 회선 안테나를 필요로 하게 될 것이다. 많은 수의 안테나가 필요하기 때문에 안테나가 상대적으로 저렴하게 생산되는 것이 중요하다. 즉, 하나의 안테나 제작시 적은 비용을 절감할 수 있다면 수백만개의 안테나가 제작될 때는 매우 큰 비용을 절감할 수 있다. 그러나, 비용을 절감하는 것이 안테나의 성능특성을 손상시키거나 또는 안테나의 구조적 완전함을 크게 감소시켜서는 안된다.

일반적으로 가입자 회선 안테나들을 위한 다른 고려사항으로 사이드로브 억압(sidelobe suppression)이 있다. 사이드로브는 인접기지국 또는 지역내 다른 송수신 장치간에 간섭을 야기할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 어레이(array) 안테나에서 주어진 사이드로브 억압 레벨을 얻기 위해서 일반적으로 진폭 테이퍼링(amplitude tapering)이 사용된다. 즉, 상기 어레이의 행(row) 및/또는 열(column)내의 소자들은 특정한 행 또는 열 중심의 여기(excitation) 레벨이 행 또는 열의 끝단을 향한 여기 레벨보다 매우 큰 서로 다른 여기 레벨로 구동된다.

이론적으로, 이상적인 2항(binomial) 테이퍼가 사용된다면 완전한 사이드로브 억압이 달성될 수 있다. 이상적인 2항 테이퍼는 피크 중심 여기 레벨과 각각의 연속하는 소자에 대해 1/2만큼 저하된 기하하적으로 감소하는 측면 여기레벨을 포함하는 여기 프로파일(profile)을 갖는다. 예를 들어, 그런 여기 프로파일은 {a,2a,4a,2a,a}이다. 비이상적인 여기 프로파일은 다양한 레벨의 사이드로브 억압을 일으킨다.

일반적으로 가입자 회선 안테나의 크기가 제한되어 있기 때문에, 바람직한 사이드로브 억압 레벨에 도달하기 위해 요구되는 소자의 수를 충족시키기 위한 공간이 항상 존재하지는 않는다. 즉, 안테나는 단지 특정한 사이드로브 평면내에서 나란한 두개의 소자에 단지 끼워질 수 있지만, 반면에 사이드로브 억압의 바람직한 레벨을 달성하기 위해서 세 개 혹은 그 이상의 소자가 요구될 수도 있다. 관련 평면내에서는 소자들의 수가 제한됨에도 불구하고 사이드로브 억압의 바람직한 레벨을 달성할 수 있도록 하는 것이 유익하다. 또한, 엠플리튜드 테이퍼링은 일반적으로 요구되는 여기 레벨을 달성하기 위해 비균등한 전력 스플릿(splits)의 사용을 필요로 한다. 상기 비균등한 전력 스플릿은 구현이 어렵고 난해하며 일반적으로 손실이 많다. 비균등한 전력 스플릿을 사용하지 않고 특정한 여기 프로파일을 얻기 위한 방법을 개발하는 것이 유익하다.

본 발명은 일반적으로 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 무선통신장치에 사용하기에 적합한 안테나 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 안테나 시스템의 평면도.

도 2는 본 발명에 따른 "스택 패치(stacked patch)" 안테나 소자의 측단면도.

도 3은 하우징내에 배치된 도 1의 안테나 시스템의 측단면도.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 커넥터리스 트랜지션(connectorless transition)의 측면도 및 평면도.

도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b는 구조적 강성을 증가시키기 위한 패치 소자의 두 가지 다른 동작 방법을 나타내기 위한 도면.

도 7a 내지 도 7g는 구조적 강성을 증가시키기 위한 전송 라인 중심 컨덕터의 다양한 동작 방법을 나타내기 위한 도면.

도 8 및 도 9는 접지판의 구조적 강성을 증가시키기 위한 방법을 도시한 평면도 및 측단면도.

도 10은 본 발명에 따른 억압된 사이드로브를 갖는 안테나 시스템의 평면도.

도 11은 본 발명에 따른 도 10의 안테나 시스템내에서 어떻게 진폭 테이퍼링이 얻어지는가를 나타낸 도면.

도 12는 본 발명에 따라 수평 편파(horizontal polarization)를 이용한 안테나 시스템내에서 어떻게 진폭 테이퍼링(amplitude tapering)이 얻어지는가를 나타낸 도면.

도 13은 본 발명의 원리를 사용하여 얻어진 안테나 패턴을 도시한 그래프.

본 발명은 무선 가입자 회선을 갖는 통신 시스템 및 다른 고볼륨 안테나 응용기기에 사용하기 위한 저비용 고성능 안테나에 관한 것이다. 본 발명의 안테나는 그 제작이 용이하고 빠르며 노동비를 절감시킨다. 또한, 상기 안테나는 상대적으로 적은 부품수를 가지며 범용의 저렴한 재료를 사용한다. 상기 안테나는 작고 가벼우며, 구조적으로 튼튼하고 무선가입자 회선 통신기기에 요구되는 저손실/고이익 성능을 제공한다. 일실시예에서, 관련 평면내의 인접한 소자의 수가 제함됨에도 불구하고 향상된 사이드로브 억압을 제공하는 안테나가 구비된다

본 발명은 무선 가입자 회선을 구현하는 통신 시스템에 사용하기에 특히 적합한 안테나 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 안테나는 공기가 내재된 스택 패치(stacked patch) 안테나 소자들이 접지판상에 지지되는 어레이를 포함한다. 상기 안테나는 이중 45도 경사 선형 편파 모드로 각각 작동하고, 공기가 내재된 마이크로스트립 전송 피드(feeds) 라인에 의해 급전이 이루어진다. 상기 피드 라인의 라인폭은 대체로 균일하며 임피던스 변압기의 사용이 배제된다. 안테나를 위한 전자장치는 상기 안테나의 풋프린트(footprint)를 감소시키기 위해 안테나 접지판 아래의 회로기판에 위치된다. 또한, 상기 안테나 소자와 그 하부의 전자장치간의 신호전달을 위해 새로운 "커넥터리스(connectorless)" 결합 구조가 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 안테나 시스템(10)의 평면도를 도시한 것이다. 상기 안테나 시스템(10)은 접지판(12)과, 다수의 "스택 패치" 안테나 소자(14a-14d)와, 제1 및 제2 피드 구조체(16a,16b)와, 제1 및 제2 RF(radio frequency) 커넥터(18a,18b)를 포함한다. 상기 접지판(12)은 박판 알루미늄으로 제작되는 것이 바람직하며, 특정한 응용예에 의해 요구되는 크기와 형상을 가진다. 상기 안테나 소자(14a-14d)는 자유공간으로/으로부터 고주파 에너지를 전송 및/또는 수신하기 위하여 작동한다. 상기 피드 구조체(16a, 16b)는 상기 안테나 소자(14a-14d)와 커넥터(18a,18b)간에 RF 에너지를 전송하기 위하여 작동한다. 또한, 상기 피드 구조체(16a, 16b)는 디바이더/컴바이너로서 작동한다. 상기 커넥터(18a,18b)는 상기 피드 구조체(16a, 16b)와 상기 접지판 하측에 위치된 전자회로(도시되지 않음) 사이에 RF 에너지를 결합하기 위해 사용된다.

도 2는 소자의 구성을 나타내고 있는 "스택 패치" 안테나 소자(14b)의 측면도를 도시한 것으로, 도 1에 도시된 A-A'선을 따라 본 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 안테나 소자(14b)는 하부 전도성플레이트(24b)와 상부 전도성플레이트(26b)를 포함한다. 상기 상부 전도성플레이트(26b)를 위해 원형형상이 선택되었는데 이는 중심축 주위에서 회전하는 상기 플레이트의 정확한 위치설정의 필요성을 없애기 대문이다. 그러나, 본 발명에 의하면 직각으로 대칭된 어떤 형상(예를 들어, 8각형, 4각형 등)도 사용될 수 있다. 또한, 상기 하부플레이트(24b)의 형상은 상기 상부플레이트(26b)의 형상과 달라질 수 있다.

상기 하부플레이트(24)는 제1 스페이서(28)를 이용하여 접지판(10)위에 지지된다. 이와 유사하게, 상기 상부플레이트(26)는 제2 스페이서(30)를 사용하여 상기 하부플레이트(26)상에 지지된다. 전체적인 어셈블리는 페스너(32)를 사용하여 서로 결합되며, 도시된 본 실시예에서는 나사와 볼트를 포함하고 있다. 또한, 클립이나 PEM 스터드(studs)와 같은 다른 페스너 타입이 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 스냅투게더(snap together) 소자 구조가 채용된다. 예를 들어, 포스트(post)가 접지판내의 구멍에 물려져 있다. 상기 포스트는 상기 접지판(12)내의 구멍에 합치되며, 상기 접지판(12)에 대하여 수직인 위치내에서 상기 포스트를 유지시키는 탄력성 있는 압축부재와 지지부재를 갖고 있다. 상기 제1 스페이서가 상기 포스트 상에 미끄러져 끼워지고, 상기 하부플레이트가 상기 제1 스페이서상에 위치된다. 다음에, 상기 제2 스페이서가 상기 포스트상에 위치되며, 상기 상부플레이트가 상기 제2 스페이서상에 위치된다. 이때, 상기 어셈블리를 함께 유지시키기 위해 상기 포스트의 상단에 스냅온(snap-on) 또는 압축기구(commpression fitting)가 위치된다. 이러한 배치는 안테나 조립시간을 상당히 감소시킨다.

상기 안테나 소자(14a-14d)의 상기 하부 전도성 플레이트(24a-24d)는 직접적으로 또는 용량성으로 상기 두개의 피드 구조체(16a, 16b)와 결합될 수 있다. 각 각의 상부 전도성 플레이트(26a-26d)는 그에 대응하는 하부 플레이트(24a-24d)와 전도성 결합되거나 또는 그로부터 절연될 수 있다. 만일 상기 스택 패치 안테나 소자(14a-14d)가 전송모드로 사용되고 있으면, 상기 하부 플레이트(24a-24d)상에 전류를 발생시키는 RF신호가 상기 피드 구조체(16a, 16b)를 통하여 각 하부 플레이트(24a-24d)(즉, 피구동플레이트)에 전달된다. 상기 하부 플레이트(24a-24b)상의 전류는 상기 하부 플레이트(24a-24d) 주위에 자계를 형성하여 상기 상부 플레이트(26a-26d)(즉, 기생(parasitic)플레이트)상에 전류를 유도한다. 이때, 상기 상, 하부플레이트상의 전류에 의해 생성된 자계가 원자계(far-field)에서 결합되어 상기 플레이트의 평면에 수직방향으로 비교적 고이득(high-gain) 안테나 송신 빔을 생성하게 된다. 만일 상기 스택 패치 소자(14a-14d)가 수신모드로 사용되고 있으면, 그 작동은 대체적으로 전술한 송신모드의 작동과 반대가 된다. 일반적으로, 상기 상부 플레이트(26a-26d) 또는 하부 플레이트(24a-24d)는 피구동 플레이트로서 작동할 수 있다. 또한, 임피던스 및 주파수 대역폭에 대한 부가적인 제어를 얻기 위하여 상기 소자(14a-14d)의 원자계의 패턴은 물론 그 이상의 플레이트가 상기 패치 구조에 부가될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 네 개의 상기 하부 플레이트(24a-24d)와 제1 및 제2 피드 구조체(16a,16b)들은 모두 단일 전도성 박판으로 제작된다. 단일 "구동 회로층(22)(driver circuit layer)"은 예를 들어, 하나의 알루미늄 박판 단일편으로부터 스탬프(stamped)될 수 있다. 제조시 납땜 결합이 거의 필요없고, 제작하는 동안 단지 하나의 박판조각이 제위치에 고정되어지면 되기 때문에 상기 단일 구동 회로층(22)은 안테나 조립시간을 단축할 수 있다. "스냅 투게더" 구조가 구현된다면 전체 구동 회로층(22)은 1초 미만의 짧은 시간에 제위치에 고정될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 피드 구조체(16a, 16b)내의 전송라인의 라인폭은 설계 전반에 걸쳐 균일하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 피드 구조체(16a, 16b)의 전송라인의 특성 임피던스는 명목상으로 100옴이다. 임피던스 변압기는 일반적으로 시스템에 손실을 가져오기 때문에, 안테나에서 임피던스 변압기를 배제하기 위하여 균일한 라인폭이 사용된다. 균일한 라인폭을 얻기 위해 일련의 반파장 전송라인 구역(즉, 180도의 전기적 길이(electrical length)를 갖는 구역)이 구현된다. 반파장 구역에 있어서, 입력 임피던스는 상기 라인의 특성 임피던스와 관계없이 출력 임피던스와 대체적으로 동일하다.

도 1에 의하면, 점 D로부터 안테나소자(14a) 내측으로 보이는 임피던스는 대략 200옴이다. 이와 유사하게, 점 E로부터 소자(14b)상으로 보이는 임피던스는 대략 200옴이다. 점 F는 점 D와 점 E으로부터 반 유효파장인 점이다. 그러므로, 점 F에서 점 D 또는 점 E측으로 보이는 임피던스는 200옴이다. 이것은 F점에서 100옴의 전체 임피던스를 초래하는 병렬 결합을 생성한다. 점 F와 점G사이의 거리 또한 반유효 파장이 되기때문에 점 G에서 점 F로 뒤돌아 보는 임피던스는 개재하는 라인폭에 관계없이 100옴이다. 점 F가 소자(14a,14b)에 대한 것처럼 점 G도 소자(14c, 14d)에 대하여 동일하며, 그러므로 소자(14c) 또는 소자(14d)측을 향하여 보는 점 G의 임피던스는 200옴을 나타낸다. 점 G에서 세 방향으로 병렬결합되어 점 G에서 전체적으로 50옴의 임피던스가 나타난다. 회로를 들여다 보았을때 상기 커넥터(18a)가 50옴을 나타내는 것을 보장하도록 라인(20)의 전기적 길이 (electrical length)는 180도이다. 이와 유사한 방법이 임피던스 변압기를 필요로 하지 않는 상기 피드 구조체(16b)에 사용되었다. 상기 피드 구조체(16a, 16b)의 라인 폭은 제작허용오차의 관점과 잠재적인 라인 방사 문제 사이의 균형을 토대로 선택되었다.

도 3a는 도 1에 도시된 B-B'선을 따라 본 안테나 시스템(10)의 측면도를 도시한 것이다. 도 3a는 본 발명의 일실시예로, 상기 안테나 시스템(10)의 다양한 층들과 그들 서로간의 관계를 도시하고 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 상부 전도성 플레이트(26a, 26b)는 상기 구동회로층(22)상에 지지된다. 상기 구동회로층(22) 또한 상기 접지판(12)에 지지된다. 상기 구동회로층(22)과 0.160인치의 접지판 사이의 공칭 간격과 함께 0.225인치의 공칭 라인 폭이 사용된다. 송/수신 전자장치를 내장하는 회로기판(38)이 상기 안테나 시스템(10)의 하부에 배치된다. 전술한 바와 같이, 상기 안테나 시스템(10)으로부터 하부에 위치한 전자장치(38)로 RF 에너지를 결합하기 위하여 상기 커넥터(18a,18b)가 사용된다. 간략하게 서술되는 바와 같이, 상기 전자장치와 상기 안테나 회로 사이에 신호를 전송하기 위하여 상기 커넥터(18a,18b) 대신에 본 발명에 따른 선택적인 "커넥터리스" 결합구조가 구현될 수 있다.

도 3b에 도시된 본 발명의 일실시예에서는, 상기 회로기판(36)의 접지 표면(전자장치를 지탱하는 면의 반대면)이 상기 안테나 시스템(10)의 접지판(12)으로서 사용된다. 이것은 상기 안테나 시스템의 전체적인 크기를 감소시키고 또한 구조를 단순화시킨다. 이것이 커넥트리스 결합구조의 구현을 용이하게 한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 커넥트리스 트랜지션(46)의 측단면도와 평면도를 각각 도시하고 있다. 상기 커넥트리스 트랜지션(46)은 상부 표면상에 배치된 금속성의 접지판(50)을 갖는 유전체 회로기판(52)을 포함한다. 상기 회로기판(52) 위에는 RF 신호를 전달하기 위한 전송라인 중심 컨덕터(54)가 있다. 상기 중심 컨덕터(54)의 제1 부분(56)은 상기 접지판(50)위로 들어올려져 있으며, 안테나 시스템(10)의 피드 구조체(16a,16b)내에서 사용된 것과 같은 공기가 내재된 마이크로스트립 전송 라인의 중심 컨덕터로서 작동한다. 상기 중심 컨덕터(54)의 제2 부분(58)은 접지판(50)이 제거된 영역(60)에 상기 회로기판(52)과 접하여 배치된다. 상기 중심 컨덕터(54)는 상기 제1 및 제2 부분(56,58)을 연결하는 굴곡부(59)를 포함한다.

상기 회로기판(52)의 밑면에는 제2 전송라인 중심 컨덕터(62)가 있다. 상기 제2 전송라인 중심 컨덕터(62)는 상기 제1 전송라인 중심 컨덕터(56)의 제2 부분(58)의 바로 밑에 배치되며, 함께 결합된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 결합을 최대화시키기 위하여 두개의 중심 컨덕터의 겹쳐지는 길이는 관련 주파수에서 대략적으로 1/4파장이다. 상기 제2 중심 컨덕터(62)는 상기 회로기판(52)의 밑면상의 마이크로스트립(microstrip), 스트립라인(stripline) 또는 다른 전송 매체의 일부분이 될 수 있다.

상기 커넥트리스 트랜지션(46)은 도 3b에 도시된 시스템내에 구현될 수 있다. 상기 회로(38)는 상기 제2 중심 컨덕터(62)에 직접적으로 결합될 수 있다. 상기 회로기판(36)의 상면 및 하면상에 필요한 금속 패턴을 형성하기 위하여 화학적 에칭과 같은 공정들이 사용될 수 있다. 상기 제1 중심 컨덕터(54)는 상기 피드 구조체(16a, 16b)와 하부 전도성 플레이트(24a-24d)를 포함하는 상기 구동 회로층(22)의 일부가 된다. 전도성 박판 재료에서 상기 구동 회로층(22)을 재단하는 스템핑공정과 동일한 공정에 의해 상기 중심 컨덕터(54)의 굴곡부(59)가 형성될 수 있다.

상기 커넥터리스 트렌지션(46)을 조립하기 위하여, 상기 중심 컨덕터(54)의 제2 부분(58)은 접지판을 갖지 않는 영역(60)상에 위치된다. 상기 제2 부분(58)내의 관통홀들은 상기 회로기판(52)의 관통홀들과 정열된다. 다음에, 페스너(66)가 상기 관통홀속으로 삽입되어 결합영역에서 상기 회로기판(52)에 상기 중심 컨덕터(54)를 로크하도록 고착된다. 대안으로, 다른 방법들이 결합영역에서 상기 중심 컨덕터(54)를 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 접착제 또는 양면 테이프가 사용될 수 있다. 또한, 상기 제2 부분(58)은 상기 중심 컨덕터(54)의 고유의 스프링력에 의하여 상기 회로기판에 대향되게 유지될 수 있다. 다른 방법으로 금속층이 상기 결합영역에서 에칭될 수 있으며, 상기 중심 컨덕터(54)는 납땜되거나, 용접되거나, 전도성 접착제를 사용하여 그것에 접착되어질 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서 전도성 부재의 대부분은 박판 알루미늄으로 제작된다. 박판 알루미늄이 상대적으로 저렴하고, 높은 강도/중량비를 가지며, 작업이 용이하고, 매우 단단하기 때문에 선택되었다. 상기 박판 알루미늄은 일반적으로 파운드 당으로 판매되기 때문에 각각의 안테나에 사용되는 알루미늄의 양을 감소시킴으로써(즉, 알루미늄 플레이트의 두께를 감소시킨다) 안테나당 비용 절감이 예상된다. 그러나, 이것은 알루미늄 플레이트의 두께가 감소함에 따라 안테나의 구조적 강도가 감소하는 문제점을 야기한다. 본 발명의 관점에서, 상기 박판의 두께를 감소시키므로써 손실된 강도는 상기 박판재료를 가공함으로써 회복될 수 있다. 즉, 예를 들어 융기부(ridges)와 홈(groove)을 상기 박판에 형성시킴으로써 적은 재료로 향상된 구조적 강도를 얻을 수 있다.

도 5a, 도 5b, 도 6a, 도 6b는 본 발명에 따른 두개의 원형 마이크로스트립 패치 안테나 소자(68,69)를 도시하고 있다. 도 5a 및 도 5b의 패치(68)는 구조적 강성을 더하기 위한 단일한 동심의 융기부(70)를 포함한다. 상기 융기부는 알루미늄박판에서 상기 패치를 재단하는 스탬핑 공정과 동일한 공정으로 제작될 수 있다. 부가적인 동심의 융기부가 강성을 증가시키기 위해 구비될 수 있다. 도 6a 및 도 6b의 상기 소자(69)는 강성 증가를 위해 들어 올려진 "X" 부분을 포함한다. 상기 패치 소자에 융기부를 부가함으로써 0.030인치 이하의 두께를 가진 알루미늄박판 재료가 상기 안테나 시스템(10)에 사용될 수 있다. 상기 강화 융기부는 도 1의 패치(14a-14d)와 피드라인(16a,16b)을 위해 사용될 수 있다.

도 7a 내지 도 7g는 중심 컨덕터의 구조적 강성을 증가시키기 위해 중심 컨덕터를 가공하는 다양한 방식을 예시하는 전송라인 중심 컨덕터의 횡단면도를 도시하고 있다. 예를 들어, 도 7a 및 도 7b는 중심 컨덕터의 완만한 굴곡을 보여주고 있다. 도 7c 및 도 7d는 상기 중심 컨덕터의 엣지가 90도 꺽인것을 보여주고 있다. 도 7e, 도 7f 및 도 7g는 다양한 융기부/홈 방식을 도시하고 있다.

본 발명에 따르면, 금속성 박판 재료들이 안테나의 접지판으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 8은 높은 강성을 달성하기 위해 상기 박판재를 "가공(working)"하는 하나의 방법을 예시하는 안테나 시스템(74)의 평면도를 도시하고 있다. 도 8에서 빗금친 부분은 접지판 표면의 함몰부를 나타내고 있다. 상기 함몰부의 위치는 그들이 회로의 전기적 특성을 간섭하지 않도록 선택된다. 예를 들어 함몰된 영역의 엣지는 어떤 중심 컨덕터의 엣지에서부터 적어도 2라인 폭이어야 한다. 이와 유사하게, 함몰된 영역의 단부는 어떤 안테나 소자의 단부로부터 적어도 2라인 폭이 되어야 한다. 도 9는 도 8의 안테나의 측단면도이다. 도 8 의 C-C'에 따른 도 9의 측면도는 접지판(12)내에서 함몰된 영역을 도시하고 있다. 대안으로, 상기 함몰된 영역은 들어올려진 영역으로 대체될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 다른 안테나 시스템(80)의 평면도이다. 단지 두개의 안테나 소자들만이 하부 접지판(82) 상에서 나란히 합치될 수 있음에도 불구하고, 상기 안테나 시스템(80)은 수평면내에서 향상된 사이드로브 억압을 제공한다. 상기 접지판(82)의 크기는 시스템 제한조건에 의해 제한된다. 상기 안테나 시스템(80)은 디바이더/컴바이너 구조에 동일한 전력 스플릿을 사용하여 향상된 사이드로브 억압을 얻을 수 있다. 상기 시스템(80)은 전술한 바와 같은 세개의 "스텍 패치" 안테나소자(84a-84c)를 포함한다. 본 발명의 관점에서, 마이크로스트립 패치 방사 소자가 상기 패치의 마주보는 엣지에 위치되는 한 쌍의 슬롯 방사체로서 모델링될 수 있다. 즉, 하나의 슬롯 방출기가 피구동 엣지에 위치되고, 다른 하나의 슬롯 방사체가 상기 피구동 엣지의 반대쪽 엣지에 대향되게 위치된다. 상기 세개의 패치(84a-84c)를 적당하게 정렬시키므로써 수평면내에서 진폭 테이퍼링(그러므로, 수평평면내 사이드로브 억압)을 달성하기 위하여 상기 이중 슬롯 특성이 사용될 수 있다는 것이 발견되었다. 또한, 상기 진폭 테이퍼링은 동일한 전력 스플릿을 사용하여 얻어질 수 있다.

도 11은 도 10의 시스템(10)을 위한 진폭 테이퍼링을 도시한다. 편의상 이중 슬랜트 45편파 대신에 슬랜트 45 편파에 대하여 분석한다. 그러나, 상기 이중 슬랜트 45 편파를 이용하는 경우에도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 안테나 소자(84a-84c)는 피구동 엣지(90a-90c)와 상기 피구동 엣지(90a-90c)와 대향되는 엣지(92a-92c)를 가진다. 전술한 바와 같이, 상기 엣지들은 상기 소자가 여기(excited)될 때 각각의 슬롯 방사체로서 작동한다. 만일 모든 소자(84a-84c)가 동일한 레벨로 구동되면 모든 엣지(90a-90c),(92a-92c)에서의 신호 진폭이 동일하게 된다(즉, a).

상기 안테나 소자(84a-84c)는 상기 소자(84)의 대향하는 엣지(92a)가 수직방향내으로 상기 소자(84c)의 피구동 에지(90c)와 대체적으로 정렬되도록 배열된다. 이와 유사하게, 상기 소자(84c)의 대향하는 엣지(92c)도 수직방향으로 상기 소자(84c)의 피구동 엣지(90c)와 대체적으로 정렬된다. 이러한 구성은 수평방향으로 여기 2항 테이퍼를 가진 프로파일을 생성한다 (피크 중심 여기(excitation)가 없기 때문에, 이상적인 2항 테이퍼는 아니다). 즉, 상기 정렬된 여기는 수평면내에서 합쳐져 {a,2a,2a,a}의 여기 프로파일을 생성하게 된다. 이론적으로, 상기 여기 프로파일은 메인 로브의 피크보다 낮은 26.5dB의 사이드로브 레벨을 일으킨다. 이런 사이드로브 레벨은 균일한 여기 프로파일을 사용하여 얻어진 것보다 13dB이상 낮은 것이다. 도 13은 본 발명의 기술을 사용하여 설계된 안테나에 대한 측정된 안테나 패턴을 도시한다.

상기 정렬된 엣지들은 사이드로브 억압을 달성하기 위해 수직방향으로 완벽하게 정렬될 필요는 없지만, 대체적으로 정렬될 필요가 있음이 인식되어야 한다. 즉, 여기 레벨이 수평면의 한 위치로부터 발생하여 나타나도록, 즉 합쳐지도록 하기에 충분한 정렬 레벨이 되어야 한다.

도 12에 도시된 바와 같이, 슬렌트 45 편파에 대해 전술한 동일한 원리가 수평적 편파를 사용하는 시스템에도 적용될 수 있다. 또한, 상기한 방법들이, 예를 들면 단일 피드로 두개의 동일한 여기 레벨을 생성하는 다이폴 페어 또는 다른 소자와 같은 마이크로스트립 패치 소자 이외의 소자들에도 사용될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 기생(parasitic) 패치 소자는 안테나 소자 자체가 아닌 레이돔상에 장착된다. 상기 기생 소자는 페스너를 사용하여 레이돔의 내부 표면으로부터 지지될 수 있으며, 상기 레이돔의 내주면 혹은 외주면상에 판금되거나 상기 몰딩 공정 동안에 상기 레이돔에 내장될 수 있다. 다른 방식으로, 전체 구동 회로층 및/또는 접지판이 상기 레이돔내로 몰딩된다. 이런 방법은 적당한 공간을 얻기 위한 페스너에 대한 필요성을 없앤다. 또한, 다른 배열도 가능하다.

비록 본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 기술되었지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 변형과 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 개념은 스택 패치 안테나 소자와 함께 사용하는 것에 국한되지 않으며, 실질적으로 다른 형태의 안테나에서도 동일하게 사용된다. 이러한 변형과 변화는 본 발명과 첨부된 청구범위의 관점과 범위내에 있는 것으로 고려된다.

Claims

접지판;

상기 접지판을 통해 에너지를 결합시키는 수단; 및

상기 접지판상의 소정 거리에 지지되고, 공기를 내재하는 유전층에 의해 상기 접지판으로부터 분리되는 평면형상의 전도회로층 - 여기서, 상기 전도회로층은다수의 방사소자와, 상기 다수의 방사소자에 급전하기 위한 다수의 전송라인부를 포함하고, 상기 전송라인부중 적어도 하나는 상기 에너지 결합수단에 접속됨 -

을 포함하며,

상기 전도회로층은 대체로 균일한 구성을 갖는 단일 전도성 박판재로 형성된

안테나 시스템
제 1항에 있어서,

상기 전도회로층이 박판 알루미늄재의 단일편으로부터 스탬프(stamped)되는

안테나 시스템.
상면과 하면을 가진 접지판;

상기 접지판의 상면 위에 배열된 다수의 공기 내재 패치 안테나 소자 - 여기서 상기 각각의 안테나 소자는 제1 전송라인 구조체를 이용하여 상호연결되는 제1포트와 제2 전송라인 구조체를 이용하여 상호연결되는 제2 포트를 가지며, 상기 제1 포트는 상기 안테나 소자의 중심에 대하여 제2 포트로부터 90도를 이룸 - ; 및

상기 접지판의 상면 위의 영역에서부터 상기 접지판의 하면 아래의 영역으로 에너지를 결합시키기 위한 제1 및 제2 수단 - 여기서, 상기 제1 수단은 상기 제1 전송라인 구조체에 직접 연결되며, 상기 제2 수단은 상기 제2 전송라인 구조체에 직접 연결됨 -

을 포함하는 안테나 어레이 시스템.
카르테션 좌표계(Cartesian coordinate system)의 X-Y평면 내에 위치되며, 시스템의 제한 조건에 의해 규정되는 소정 크기를 갖는 접지판;

상기 접지판상에 장착된 한 열(row)의 제1 안테나 소자 - 여기서, 상기 제1 안테나 소자는, 상기 카스테리안 좌표계의 X축방향으로 대체적인 직선을 따라 정렬되고, 상기 열의 소자의 수는 X축방향으로 상기 접지판의 크기에 의해 제한되며, 상기 제1 열의 소자들만을 이용한 진폭 테이퍼 기술에 의해 대체적인 직선을 포함하는 평면내에서의 바람직한 사이드로브 억압 레벨을 얻기에 충분히 높지 않음 - ;

상기 제1 안테나 소자 열로부터 상기 카르테션 좌표계의 Y축방향으로 배치된 적어도 하나의 제2 안테나 소자 - 여기서, 상기 적어도 하나의 제2 안테나 소자는 X축 방향으로 상기 열의 2개의 인접한 제1 소자들의 중심 사이에 있는 중심을 포함함 - : 및

바람직한 사이드로브 억압 레벨을 실현하는 얻는 X축방향의 진폭 테이퍼를 생성하는 방식으로 상기 제1 및 제2 소자를 여기시키기 위한 피드 - 여기서, 상기 피드는 각각의 상기 제1 및 제2 소자를 동일한 구동 레벨로 구동시킴 -

를 포함하는 어레이 안테나 시스템.
제 4항에 있어서,

상기 열은 두개의 안테나 소자를 포함하는

어레이 안테나 시스템.
제 4항에 있어서,

상기 제1 및 제2 안테나 소자는 마이크로스트립 패치 안테나 소자를 포함하는

어레이 안테나 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 제1 및 제2 안테나 소자 각각은 제1 엣지부와 제2 엣지부를 포함하며, 상기 제1 엣지부는 상기 소자의 외측 엣지를 따라 상기 제2 엣지부에 직경방향으로 대향되게 위치되며, 상기 제1 엣지부는 피드 라인에 직접결합되는

어레이 안테나 시스템.
제 7항에 있어서,

상기 제1 안테나 소자중 하나의 상기 제2 엣지부는 제1 지점을 포함하며,

상기 적어도 하나의 제2 안테나 소자의 상기 제1 엣지부는 제2 지점을 포함하며,

상기 제1지점은 Y축방향으로 상기 제2 지점과 대체로 정렬되는

어레이 안테나 시스템.
제 4항에 있어서,

상기 제1 및 제2 안테나 소자는 상기 X축에 대하여 대략 45도의 편파 백터를 갖는 이중 슬랜트 45 구성으로 작동하는 마이크로스트립 패치 안테나 소자를 포함하는

어레이 안테나 시스템.
제 4항에 있어서,

상기 제1 및 제2 안테나 소자는 각각 다이폴 페어를 포함하는

어레이 안테나 시스템.
카르테션 좌표계의 X축방향으로 정렬된 제1 및 제2 안테나 소자; 및

상기 X축방향으로 상기 제1 안테나 소자와 상기 제2 안테나 소자 사이에 위치되며, 상기 제1 안테나 소자와 제2 안테나 소자로부터 상기 카르테션 좌표계의 Y축방향으로 배치된 제3 안테나 소자를 포함하며,

상기 제 1안테나 소자는 제1 지점을 포함하고, 상기 제2 안테나 소자는 제2지점을 구비하며, 상기 제3 안테나 소자는 제3 및 제4 지점을 포함하며, 상기 제1지점은 상기 제3 지점과 대체적으로 정렬되며, 상기 제2 지점은 상기 제4 지점과 Y축방향으로 대체적으로 정렬되는

안테나 시스템.
제 11항에 있어서,

상기 제1 및 제2 안테나 소자는 패치 안테나 소자를 포함하는

안테나 시스템.
제 12항에 있어서,

상기 패치 안테나 소자 각각은 그의 외측 엣지에 직경방향으로 대향되는 제1 및 제2 엣지부를 포함하며,

상기 제1 엣지부를 피드라인에 직접 결합되는

안테나 시스템.
제 13항에 있어서,

상기 제1 지점은 상기 제1 안테나 소자의 제2 엣지부상에 위치되고,

상기 제2 지점은 상기 제2 안테나 소자의 제1 엣지부상에 위치되고,

상기 제3 지점은 상기 제3 안테나 소자의 제1 엣지부상에 위치되며,

상기 제4 지점은 상기 제3 안테나 소자의 제2 엣지부상에 위치되는

안테나 시스템.