KR20010039531A - 빔 조종이 가능한 다중 피드 유전체 공진기 안테나 - Google Patents

빔 조종이 가능한 다중 피드 유전체 공진기 안테나 Download PDF

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KR20010039531A
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킹슬리사이몬피.
오'키페스티븐지.
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피. 엠 핀더, 지. 테리
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Abstract

복수의 피드(feed) 및 유전체 공진기(dielectric resonator)를 사용하여 방사(radiation)를 생성하거나 수신할 수 있는 방사 안테나가 개시된다. 단일 유전체 공진기 안테나에서 다중 피드를 사용하는 목적은 각각 상이한 방향에서 '보어사이트(boresight)'(즉, 송신시 최대 방사 방향, 또는 수신시 최대 감도 방향)를 가지는 여러 가지 빔을 생성하는 것이다. 이러한 여러 가지 빔은 임의의 방향에서 새로운 빔을 형성하도록 동시에 여기될 수 있다. 새로운 빔은 점증(漸增)적으로 또는 연속적으로 조종될 수 있고, 360°원 전체를 통해 조종될 수 있다. 본 발명은 이러한 형태의 유전체 공진기 안테나에서 일어날 수 있는 안테나 백로브를 제거하거나 또는 그렇지 않으면 전/후 모호성을 해결하도록 내부 또는 외부 모노폴(monopole) 안테나와 함께 결합될 수 있다. 무선 신호를 수신하는 경우, 이러한 다중 빔의 전자적인 처리는 이들 신호의 방향을 탐지하는데 사용될 수 있으므로, 무선 방향 탐지 장치의 기초를 형성한다. 또한, 송신 빔을 형성하거나 또는 인입 무선 신호의 방향에서 수신되는 빔을 분석함으로써 '스마트' 또는 '지능형' 안테나가 구성될 수 있다. 어떤 결합으로 여러 빔을 함께 여기함으로써 단일 프로브 또는 애퍼처(aperture)를 여기시켜서 형성되는 빔보다 매우 큰 대역폭을 가지는 시스템이 생성될 수 있다. 유전체 공진기는, 바람직하게는 대체로 원형인 접지판에 탑재되고, 예를 들면 다수의 내부 프로브 또는 외부 접지판 애퍼처에 의해 피딩된다. 내부 또는 외부 모노폴 안테나는 성능을 개선하기 위해 추가될 수 있다.

Description

빔 조종이 가능한 다중 피드 유전체 공진기 안테나 {STEERABLE-BEAM MULTIPLE-FEED DIELECTRIC RESONATOR ANTENNA}
본 발명은 조종 가능한 수신 및 송신 빔(beam)을 구비하는 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antennas; DRAs)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 분리된 몇 개의 빔이 동시에 생성되고 요구되는 대로 결합될 수 있도록 분리된 몇 개의 피드(feed)를 가지는 안테나에 관한 것이다.
1983년에 유전체 공진기 안테나(DRAs)에 대한 조직적인 연구(LONG, S.A., McALLISTER, M.W., 및 SHEN, L.C.:'The resonant cylindrical dielectric cavity antenna', IEEE Trans. Antennas Propagat., AP-31, 1983, pp 406-412)가 시작된 이래, 가장 통상적으로 사용되는 전송로(transmission line)와 이들의 물리적인 크기에 있어서의 소형화 사이의 양호한 부합(MONGIA, R.K. 및 BHARTIA, P.:'Dielectric resonator antennas - A review and general design relations for resonant frequency and bandwidth', Int.J.Microwave ＆ Millimetre Wave Computer-Aided Engineering, 1994, 4, (3), pp 230-247)으로 인해 유전체 공진기 안테나의 방사(radiation) 효율이 높아지는 이유로 이들의 방사 패턴에 대한 관심이 증가되었다. 보고된 대부분의 구성은 접지판(ground plane) 내의 애퍼처(aperture) 피드 또는 유전 재료 내에 삽입된 프로브(probe) 중 어느 하나에 의해 여기되는 접지판 위에 탑재된 유전 재료의 슬래브(slab)를 사용하고 있다. 원형 유전체 슬래브에 동시에 공급된 2개의 프로브를 사용하는 실험에 대해 보고하는 몇가지 간행물이 있다. 이들 프로브는 서로 90°가 되도록 방사상으로 탑재되고 원형 분극(MONGIA, T.K., ITTIPIBOON, A., CUHACI, M. 및 ROSCOE D.:'Circular polarised dielectric resonator antenna', Electron. Lett., 1994, 30, (17), pp 1361-1362; 및 DROSSOS, G., WU, Z. 및 DAVIS, L.E.:'Circular polarised cylindrical dielectric resonator antenna', Electron. Lett., 1996, 32, (4), pp 281-283.3, 4)을 생성하도록 서로 상이한 위상 신호가 공급되며, 한가지 간행물에는 프로브들의 온/오프 스위칭에 대한 사상(DROSSOS, G., WU, Z. 및 DAVIS, L.E.:'Switchable cylindrical dielectric resonator antenna', Electron. Lett., 1996, 32, (10), pp 862-864)이 포함된다.
본 명에서에서 인용되는 참조 문헌들은 모두 본 명세서에서 통합되어 본 발명의 일부를 이룬다.
본 발명은 안테나 패턴이 조종될 수 있고, 모노펄스(monopulse)의 합 및 차 패턴을 생성하도록 두 개의 프로브가 동시에 위상 구동되지만 위상의 차이가 180°가 되도록 하는 방식으로 접속되는 몇몇의 프로브 또는 애퍼처 피드를 구비하는 DRA를 제공한다.
전자적 조종이 가능한 안테나 패턴을 형성하기 위한 한가지 방법은 다수의 빔을 구비하고, 요구되는 빔 방향을 달성하기 위해 이들 빔 사이의 전환이 가능하도록 하거나 또는 이들 빔을 결합하도록 하는 것이다. 원형 DRA는 유전체 내에 또는 유전체 밑에 위치하는 단일 프로브 또는 애퍼처에 의해 공급될 수 있고, 특정 공진 모드를 여기시키도록 동조될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 기본적인 HEM11δ모드가 사용되지만, 본 발명 실시예의 장치를 사용하여 매우 동일하게 조종될 수 있는 빔을 생성하는 다른 공진 모드가 많이 있다. 바람직한 HEM11δ모드는 수평 자기 다이폴(horizontal magnetic dipole)과 같이 방사하고, 수직 분극화 코사인(vertically polarized cosine) 또는 8자형(figure-of-eight shaped) 방사 패턴을 발생시키는 혼성 전자기 공진 모드(hybrid electromagnetic resonance mode)이다(LONG, S.A., McALLISTER, M.W., 및 SHEN, L.C.:'The resonant cylindrical dielectric cavity antenna', IEEE Trans. Antennas Propagat., AP-31, 1983, pp 406-412). 유한 차분 시간 영역(Finite Difference Time Domain; FDTD)에 의한 원형 DRA의 모형화 및 실제 실험을 통해, 이들 여러 가지 프로브가 유전체 내에 삽입되고 하나의 프로브가 구동되는 반면 다른 프로브들이 모두 개방 회로 상태에 있는 경우, 빔 방향은 상이한 프로브들을 인(in) 및 아웃(out)으로 스위칭함으로써 이동될 수 있다. 또한, 상이한 방식으로 피드들을 결합함으로써 합 및 차 패턴이 연속적인 빔 조정 및 진폭 비교, 모노펄스 또는 유사한 기술에 의한 방향 탐지가 가능하도록 생성될 수 있다.
이러한 결과는 KINGSLEY, S.P. 및 O'KEEFE, S.G.의 논문인 "Beam steering and monopulse processing of probe-fed dielectric resonator antennas"(IEEE proceedings - Radar Sonar and Navigation, 146, 3, 121 - 125, 1999)에 대부분 기술되어 있고, 이러한 개시는 본 명세서에서 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다.
상기 참조문헌에 기술된 결과들은 넓은 주파수 범위, 예를 들면 1 MHz로부터 100,000 MHz 및 광학 DRA에 있어서는 보다 높은 주파수까지의 주파수 범위 중 임의의 주파수에서 동작하는 DRA에 동일하게 적용된다는 점에 유의하여야 한다. 해당 주파수가 높으면 높을수록 DRA의 크기는 작아지지만, 본 명세서에서 기술되는 프로브/애퍼처의 기하학적 형태에 의해 달성되는 일반적인 빔 패턴은 통상적으로 임의로 주어진 주파수 범위에 걸쳐 동일하게 유지된다. 높은 유전 상수를 가지는 유전 재료를 사용하면 실질적으로 1 MHz 이하의 주파수에서도 동작될 수 있다.
도 1a는 프로브 피드(probe feed)를 사용하는 본 발명의 다중 피드 유전체 공진기 안테나의 평면도.
도 1b는 도 1a의 다중 피드 유전체 공진기 안테나의 측면도.
도 2a는 애퍼처 피드(aperture feed)를 사용하는 본 발명의 다중 피드 유전체 공진기 안테나의 평면도.
도 2b는 도 2a의 다중 피드 유전체 공진기 안테나의 측면도.
도 3a는 중앙 모노폴이 추가된 다중 프로브 유전체 공진기 안테나의 평면도.
도 3b는 도 3a의 다중 프로브 유전체 공진기의 측면도.
도 4 내지 도 7은 프로브의 여러 가지 결합이 구동되는 경우 도 1 및 도 1b의 안테나에 대해 측정되는 방위각 방사 패턴(azimuth radiation pattern)을 도시하는 도면.
도 8은 모노폴 안테나를 사용하여 동시에 구동되는 경우 도 3a 및 도 3b의 안테나에 대해 측정되는 방위각 방사 패턴을 도시하는 도면.
본 발명의 제1 특징에 따르면, 접지된 기판, 접지된 기판 위에 배치되는 유전체 공진기, 및 유전체 공진기의 상이한 영역들 내부로 에너지를 전달하고 상기 상이한 영역들로부터 출력되는 에너지를 외부로 전달하는 복수의 피드－여기서 복수의 피드는 소정의 각도를 통해 조종될 수 있고 점증적으로 또는 연속적으로 조종 가능한 적어도 하나의 빔을 생성하도록 개별적으로 또는 결합하여 동작될 수 있음－를 포함하는 유전체 공진기 안테나가 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 접지된 기판, 접지된 기판 위에 배치되는 유전체 공진기, 유전체 공진기의 상이한 영역들 내부로 에너지를 전달하고 상기 상이한 영역들로부터 출력되는 에너지를 외부로 전달하는 복수의 피드, 및 소정의 각도를 통해 조종될 수 있고 점증적으로 또는 연속적으로 조종 가능한 적어도 하나의 빔을 생성하도록 상기 피드를 개별적으로 또는 결합하여 동작시키는데 적합한 전자 회로를 포함하는 유전체 공진기 안테나 시스템이 제공된다.
본 발명의 안테나 및 안테나 시스템은 360°원 전체를 통해 조종될 수 있고 점증적으로 또는 연속적으로 조종 가능한 적어도 하나의 빔을 생성하는데 적합하다는 장점이 있다.
360°까지의 무선 방향 탐지 능력(radio direction finding capability)을 허용하도록 합 및 차 패턴을 형성하기 위해 피드를 결합시키는 전자 회로가 추가적으로 또는 대안적으로 제공되는 것이 바람직하다.
이 전자 회로는 추가적으로 또는 대안적으로 360°까지의 진폭 또는 위상 비교 무선 방향 탐지 능력을 형성하도록 상기 피드를 결합시키는데 적합하다.
무선 방향 탐지 능력은 360°원 전체인 것이 바람직하다.
피드는 유전체 공진기 내에 포함되거나 유전체 공진기에 접하도록 배치되는 전도성 프로브의 형태를 취하거나, 또는 접지된 기판 내에 제공되는 애퍼처 피드를 포함할 수 있다. 애퍼처 피드는 유전 재료의 하부에 있는 접지된 기판 내의 불연속(discontinuities)(일반적으로 직사각의 형태임)이고, 일반적으로 자신들 아래에 있는 마이크로스트립(microstrip) 전송로를 통과시킴으로써 여기된다. 마이크로스트립 전송로는 통상적으로 기판의 밑면에 인쇄된다. 피드가 프로브의 형태를 취하는 경우, 이들 피드는 일반적으로 동일 형태로 연장될 수 있다. 프로브의 사용 예에는 통상적으로 유전체 공진기의 길이 방향 축에 평행한 얇은 원형 배선이 포함된다. 사용될 수 있는 기타 다른 프로브의 형태로는 불룩한 실린더(fat cylinder), 단면이 원형이 아닌 형태, 얇고 일반적으로 수직인 판, 및 심지어는 (버섯 모양과 같이) 정상부 상에 전도성 '모자(hats)'가 구비된 얇고 일반적으로 수직인 배선 등이 포함된다. 프로브는 또한 유전체 내부에 또는 유전체에 접하도록 배치되는 금속화된 스트립을 포함할 수 있다. 일반적으로, 유전체 공진기 내부에 또는 접하도록 위치하는 임의의 전도성 부재는 그 배치, 크기, 및 공급이 정확한 경우 공진을 여기할 것이다. 상이한 프로브 형상은 상이한 공진 밴드폭을 발생시키고, 특정 환경에 적합하도록 유전체 공진기 내부에 또는 접하도록 여러 가지 위치 및 방향(상기에서 관찰된 바와 같이, 중심으로부터 반경을 따라 상이한 거리 및 중심으로부터 상이한 각도를 가짐)으로 배치될 수 있다. 또한, 전자 회로에는 접속되지 않지만, 대신에 예를 들면 유도(induction)를 통해 동적 공진기 안테나의 특성 송신/수신 영향에 수동적인 역할을 하는 유전체 공진기 내부에 또는 유전체 공진기에 접하도록 배치되는 프로브가 제공될 수 있다.
본 발명의 한가지 실시예에서, 유전체 공진기는, 예를 들면 TAM, M.T.K. 및 MURCH, R.D.의 'Compact circular sector and annular sector dielectric resonator antennas'(IEEE Trans. Antennas Propagat., AP-47, 1999, pp 837-842)에 기술된 바와 같이, 자신 내에 제공되는 전도성 벽(conducting wall)에 의해 세그먼트(segment)로 분할될 수 있다.
유전체 공진기가 대체로 수직인 길이 방향 축을 기지는 일반적으로 원형인 형태로 구성되는 경우, 예를 들면 전도성 벽은 대체로 수직인 방향으로 배치되는 것이 바람직하다.
유전체 공진기는 원형일 필요는 없고, 그 단면이 원형 이외의 형태일 수 있다. 예를 들면, 공진기는 타원형의 단면을 가질 수 있거나 또는 중심이 오목한 환형(annular)일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 코사인이나 "8자형" 방사 패턴을 가지는 유전체 공진기 안테나에서 발생될 수 있는 백로브 필드(backlobe field)를 제거하거나 또는 임의의 전/후 모호성(front/back ambiguity)을 해결하도록 유전체 공진기 안테나와 결합되는 내부 또는 외부 모노폴(monopole) 안테나가 추가적으로 제공된다. 모노폴 안테나는 상기 유전체 공진기의 내부 중심에 배치되거나 또는 유전체 공진기 위나 아래에 탑재될 수 있고, 전자 회로에 의해 가동될 수 있다. 중심이 오목한 환형 공진기를 포함하는 실시예에서, 모노폴은 오목한 중심 내부에 위치될 수 있다. "가상(virtual)"의 모노폴은 또한 임의의 프로브 또는 애퍼처의 전기적 또는 알고리즘 결합에 의해 형성되며, 바람직하게는 프로브 또는 애퍼처의 대칭 집합으로 형성된다.
본 발명의 유전체 공진기 안테나 및 안테나 시스템은 복수의 송신기 또는 수신기와 함께 동작될 수 있고, 이들 송신기 또는 수신기는 본 명세서에서 각각 안테나를 통한 전자 신호 전송용 소스로서 동작하는 장치 또는 전자기 방사를 통해 안테나로 전달되는 전자 신호를 수신하여 처리하도록 동작하는 장치를 나타내는데 사용된다. 송신기 및/또는 수신기의 수는 유전체 공진기에서의 피드의 수와 동일하거나 또는 동일하지 않을 수 있다. 예를 들면, 개별 송신기 및/또는 수신기는 각 피드에 접속될 수 있고(즉, 피드 당 하나), 또는 단일 송신기 및/또는 수신기가 단일 피드에 접속될 수 있다(즉, 단일 송신기 및/또는 수신기가 피드들 사이에서 스위칭된다). 다른 예에서, 단일 송신기 및/또는 수신기는 복수의 피드－여기서 피드들 사이에서 피드 전력을 연속적으로 변화시킴으로써 안테나의 빔 및/또는 방향 감도가 연속적으로 조종될 수 있음－에 (동시에) 접속될 수 있다. 단일 송신기 및/또는 수신기는 대안적으로 유전체 공진기에서 인접하지 않은 몇몇의 피드에 접속될 수 있으므로, 단일 피드와 비교하여 얻어지는 밴드폭이 매우 증가될 수 있다(DRA는 일반적으로 밴드폭이 좁기 때문에 이점이 본 발명의 장점이다). 또 다른 예에서, 단일 송신기 및/또는 수신기는 일반화되거나 검출된 방사 패턴에서의 증가를 생성하거나 또는 안테나가 여러 방향에서 동시에 방사하거나 수신할 수 있도록 하기 위해 인접하거나 또는 인접하지 않은 몇몇의 피드에 접속될 수 있다.
유전체 공진기는 임의의 적절한 유전 재료, 또는 전체적으로 양의 유전 상수 k를 가지는 상이한 유전 재료의 결합으로 이루어질 수 있고; 바람직한 실시예에서 k는 적어도 10이고, 적어도 50 또는 심지어 적어도 100일 수 있으며; k는 낮은 주파수에서의 사용이 제한되는 경향이 있는 유전 재료가 사용될 수 있더라도, 예를 들면 1000 이상으로 매우 클 수도 있다. 유전 재료는 액체, 고체 또는 가스 상태, 또는 임의의 중간 상태인 재료를 포함할 수 있다. 유전 재료는 내부를 둘러싸는 재료의 유전 상수보다 낮은 유전 상수를 가질 수 있다.
개별적으로 선택될 수 있거나 동시에 형성될 수 있고, 요구대로 상이한 방식으로 결합될 수 있는 다중 빔을 생성하는 유전체 공진기 안테나를 제공함으로써, 본 발명의 실시예는 다음과 같은 장점을 제공할 수 있다.
i) 상이한 프로브 또는 애퍼처를 구동하도록 선택함으로써, 안테나는 사전에 선택된(preselected) 다수의 방향(예를 들면, 방위각(azimuth)) 중 하나의 방향에서 송신하거나 수신할 수 있다. 상기 프로브 또는 애퍼처 주위를 돌며 연속적으로 스위칭함으로써 빔 패턴은 각도가 증가되는 형태로 회전될 수 있다. 이러한 빔 조종은 무선 통신, 레이더 및 내비게이션 시스템에서 특히 두드러지게 응용된다.
ii) 둘 이상의 빔을 서로 함께 결합함으로써, 즉 둘 이상의 프로브 또는 애퍼처를 여기시킴으로써, 빔이 임의의 방위각 방향으로 형성될 수 있으므로, 빔형성 프로세스에 대한 보다 정확한 제어가 가능하다.
iii) 두 개의 빔 사이의 전력 분할/결합을 전자적으로 연속 변경함으로써, 결과적인 결합 빔의 방향이 연속적으로 조종될 수 있다.
iv) 수신만을 행하는 중에, 인입 무선 신호(incoming radio signal)의 도달 방향은 둘 이상의 빔 상의 신호 진폭을 비교함으로써, 또는 두 개의 빔 상에서 수신되는 신호의 모노펄스 처리를 수행함으로써 탐지될 수 있다. '모노펄스 처리'는 원거리 무선 소스로부터의 신호 도달 방향을 결정하도록 두 개의 빔으로부터 합 및 차 패턴을 형성하는 프로세스를 말한다.
v) (이동 전화 시스템과 같은) 종래의 송수신 통신 시스템에서, 신호는 (기지국과 같은) 무선 점 소스로부터 (핸드셋(handset)에 의해) 수신되고 다시 그 무선 점 소스로 전송된다. 본 발명의 실시예는 상기 단계 iii)을 사용하여 소스의 방향을 탐지하는데 사용되고, 그 후 상기 단계 ii)를 사용하여 그 방향에서의 최적의 빔을 형성할 수 있다. 이러한 형태의 동작을 수행할 수 있는 안테나는 '스마트(smart)' 또는 '지능형(intelligent)' 안테나로 알려져 있다. 스마트 안테나에 의해 제공되는 최대 안테나 이득으로 인해 신호 대 잡음비가 개선되고, 통신 품질이 개선되며, (예를 들면, 근처에 있는 사람의 신체에 대한 방사 감소에 도움이 될 수 있는) 전송기 전력의 사용량이 감소되고, 배터리 수명이 연장된다는 장점을 가진다.
vi) 내부 또는 외부 모노폴 안테나 추가로 인해 안테나의 백로브가 제거되므로 장치 가까이에 있는 사람에 대한 방사가 감소되거나 또는 무선 방향 탐지에서의 전/후 모호성이 해결된다.
본 발명의 특징, 목적, 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 기술됨으로써 보다 명확하게 이해될 것이며, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
이하 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 케이블 및 커넥터에 의해 복수의 내부 프로브(3a 내지 3h)를 액세스할 수 있도록 복수의 홀을 구비하고, 접지된 기판(grounded substrate; 2) 위에 배치되는 유전 재료(1)로 구성된 대체로 원형인 슬래브가 도시된다. 이들 프로브(3a 내지 3h)는 반경을 따라 각각 내각이 상이하도록 배치된다.
도 2a 및 도 2b는 반경을 따라 각각 내각이 상이하도록 배치되는 복수의 애퍼처 피드(3a 내지 3h)를 구비하고 접지된 기판(2) 위에 배치되는 유전 재료(1)로 구성된 대체로 원형인 슬래브를 도시한다. 이들 애퍼처 피드는 마이크로스트립 전송로(4)에 의해 피딩된다.
도 3a 및 도 3b는 도 1a 및 도 1b에 대한 본 발명 각각의 평면도 및 측면도를 도시하는 것으로, 코사인이나 '8자형 방사' 패턴을 가지는 동적 공진기 안테나에서 발생되는 백로브를 제거하거나 또는 전/후 모호성을 해결하는데 사용되는, 유전체 슬래브(1) 위에 중앙 모노폴 안테나(4(i))를 추가로 구비한다. 도 3b에서, 모노폴(4(i))은 유전체 슬래브 위에 외부 소자로 도시되지만, 유전체 슬래브(1) 내부의 중앙 프로브(4(ii))는 또한 슬래브(1) 아래의 중앙 프로브(4(iii))와 마찬가지로 적절한 모노폴 참조 안테나로서 동작할 것이다.
복수의 피드를 사용하는 다중 빔 유전체 공진기 안테나에 대한 기본 사상은 본 발명의 발명자인 KINGSLEY, S.P. 및 O'KEEFE, S.G.의 논문인 "Beam steering and monopulse processing of probe-fed dielectric resonator antennas"(IEEE proceedings - Radar Sonar and Navigation, 146, 3, 121 - 125, 1999)에서 주어진다. 이 논문에 의해, 다중 피드 동작이 가능하고, 여러 가지 빔을 동시에 형성하는 것을 보호하는 임의의 중요한 방식으로 피드가 전기적으로 상호 작용하지 않는다는 본 발명의 발명자의 FDTD 모의실험 결과가 실제 실험에 의해 확인되었다.
이러한 논문의 발표 이래로 도 1a 및 도 1b에 도시된 형태를 가지는 8-프로브 원형 유전체 공진기 안테나가 구성되고 실험되었다. 보다 발전된 형태로, 도 3a 및 도 3b에 도시된 형태를 가지는, 외부 모노폴 안테나를 구비하는 8-프로브 원형 유전체 공진기 안테나가 또한 구성되고 실험되었다.
도 4 내지 도 8에서, 원형 라인은 5 dB(데시벨)의 전력 간격을 나타내고, 화살표는 빔의 주 방향 또는 '보어사이트(boresight)'를 도시한다. 방사상 라인은 빔의 각도를 나타내고, 이것은 안테나가 수평면 상에 놓여질 때의 방위각 방향이다.
본 발명의 실시예의 결과는 원 내에 배치된 8개의 내부 프로브(3a 내지 3h)가 고정 구비된 원형 유전체 공진기 안테나를 사용하는 경우 본 도면에서 주어진다. 프로브(3a)가 (송신 모드 또는 수신 모드 중 어느 하나의 모드로) 구동되고 나머지 프로브(3b 내지 3h)는 개방 회로 상태가 되거나 그렇지 않은 경우 터미네이션(termination) 상태가 되지만 피드에는 접속되지 않는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 측정되는 방위각 방사 패턴이 얻어진다.
프로브(3b)가 프로브(3a) 대신에 접속되는 경우, 측정되는 방위각 방사 패턴은 도 5에 도시된 바와 같다. 빔은 프로브가 내부적으로 배치되는 것과 대략 동일한 각도(이 경우에는 45°)만큼 증가되는 형태로 조종된다는 것이 이해될 수 있다.
프로브(3a, 3b)가 전력 분할기(splitter)/분배기(divider) 또는 유사한 전력 할당 장치(power sharing device)를 사용하여 단일 소스로부터 동일한 전력으로 동시에 구동되고 나머지 6개의 프로브들은 개방 회로 상태가 되는 경우, 결과적으로 측정되는 방위각 방사 패턴은 도 6에 도시된 바와 같다. 빔은 프로브가 내부적으로 배치되는 각도 사이의 각도(이 경우에서는 22.5°)로 대략적으로 조종될 수 있다는 점이 이해될 수 있다. 이러한 방법은 프로브들 사이에 할당되는 피드 전력을 연속적으로 변화시킴으로써 빔을 연속적으로 조종하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 전력 분할기가 프로브(3a)로부터 프로브(3b)로 전력을 점증적으로 전달하는 방식으로 동작되는 장치인 경우, 송신되거나 수신되는 빔의 방향은 전력 전달에 비례하여 대응적으로 조종될 것이다. 방위각 방사 패턴 전체가 빔과 함께 회전하기 때문에 임의의 널(null) 방향은 또한 대응되는 방식으로 변경된다. 많은 응용(예를 들면, 미사일 추적)에서, 특히 이러한 형태의 안테나가 디프 널(deep nulls)을 가질 수 있기 때문에 빔 또는 빔들 보다 오히려 널 또는 널들이 사용된다.
프로브(3b, 3h)가 동시에 구동되고, 나머지 6개의 프로브들은 개방 회로 상태가 되는 경우, 프로브(3a)와 동일한 방향(프로브(3b) 및 프로브(3h)가 프로브(3a)의 양측에 동일 각도로 배치됨)의 보어사이트(즉, 송신시 최대 방사 방향, 또는 수신시 최대 감도 방향)를 가지는 방위각 방사 패턴이 생성되어야 한다. 도 7은 이것을 확인시켜주는 실험 결과이다. 이와 같이 두 개의 프로브를 피딩하는 장점으로는 단일 프로브를 사용하여 얻어지는 것에 비해 대역폭 증가가 매우 크다는 점이다.
도 4 내지 도 7의 패턴은 그 형상이 대체로 코사인(8자형)으로 상당한 백로브를 가진다는 점이 이해될 수 있다. 주어진 방향으로 송신하는 경우에 이것은 전력 손실을 암시하고, 수신하는 경우에는 감도의 손실을 암시하며, 또한 방향을 탐지하는 경우에는 전-후 모호성이 발생한다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 내부 또는 외부의 중앙 모노폴(4)을 추가함으로써 모호성이 해결될 수 있거나, 또는 모노폴(4) 및 하나 이상의 유전체 공진기 조종 프로브(3)를 동시에 구동함으로써 백로브가 매우 감소될 수 있다. 이것은 프로브(3e), 프로브(3f) 및 모노폴(4)이 구동되는 경우, 도 8에서 측정에 의해 실험적으로 도시된다. 프로브(3)와 함께 모노폴을 위상 또는 진폭을 변화시켜 구동함으로써 백로브 또는 대응 프론트 로브(front lobe) 중 어느 하나를 제거하거나 감소시킬지의 여부를 선택할 수 있다.
본 명세서에 개시되는 모든 측정은 달리 표시되지 않는 한 해수면에서 표준 온도 및 압력에서 행해진다. 인간에게 사용되거나 또는 사용되고자 하는 모든 재료는 달리 표시되지 않는 한 생체적합성이 있다.
전술한 실시예는 예로써만 나타낸 것이다; 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정될 것이다.
본 발명의 다중 빔 유전체 공진기 안테나는 개별적으로 선택될 수 있거나 동시에 형성될 수 있고, 요구대로 상이한 방식으로 결합될 수 있는 다중 빔을 생성함으로써, 사전에 선택된 다수의 방향 중 하나의 방향에서 송신하거나 수신할 수 있고, 빔형성 프로세스에 대한 보다 정확한 제어가 가능하며, 빔의 방향이 연속적으로 조종될 수 있고, 또한 내부 또는 외부 모노폴 안테나 추가로 인해 안테나의 백로브가 제거되므로 장치 가까이에 있는 사람에 대한 방사가 감소되거나 또는 무선 방향 탐지에서의 전/후 모호성이 해결된다.

Claims (30)

  1. 유전체 공진기 안테나(dielectric resonator antenna)에 있어서,
    a) 접지된 기판;
    b) 상기 접지된 기판 위에 배치되는 유전체 공진기; 및
    c) 상기 유전체 공진기의 상이한 영역들 내부로 에너지를 전달하고, 상기 유전체 공진기의 상이한 영역들로부터 출력되는 에너지를 외부로 전달하는 복수의 피드(feed)－여기서 복수의 피드는 소정의 각도를 통해 조종될 수 있고, 점증(漸增)적으로 또는 연속적으로 조종 가능한 적어도 하나의 빔(beam)을 생성하도록 개별적으로 또는 결합하여 동작 가능함－
    를 포함하는 유전체 공진기 안테나.
  2. 유전체 공진기 안테나 시스템에 있어서,
    a) 접지된 기판;
    b) 상기 접지된 기판 위에 배치되는 유전체 공진기;
    c) 상기 유전체 공진기의 상이한 영역들 내부로 에너지를 전달하고, 상기 유전체 공진기의 상이한 영역들로부터 출력되는 에너지를 외부로 전달하는 복수의 피드; 및
    d) 소정의 각도를 통해 조종될 수 있고, 점증적으로 또는 연속적으로 조종 가능한 적어도 하나의 빔(beam)을 생성하도록 상기 피드를 개별적으로 또는 결합하여 동작시키는데 적합한 전자 회로
    를 포함하는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조종 가능한 빔이 360°원 전체를 통해 조종될 수 있는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    360°까지의 무선 방향 탐지 능력(radio direction finding capability)을 허용하기 위해 합(sum) 및 차(difference) 패턴을 형성하도록 상기 피드를 결합시키는 전자 회로를 포함하는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    360°까지의 진폭 또는 위상 비교 무선 방향 탐지 능력을 형성하도록 상기 피드를 결합시키는 전자 회로를 포함하는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 피드가 상기 유전체 공진기 내에 포함되거나 또는 상기 유전체 공진기에 접하도록 배치되는 전도성 프로브(probe)의 형태를 취하는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 피드가 상기 접지된 기판 내에 제공되는 애퍼처(aperture)의 형태를 취하는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 애퍼처가 상기 유전체 공진기 하부의 상기 접지된 기판에서 불연속(discontinuities)으로 형성되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 애퍼처의 형태가 대체로 직사각형인 유전체 공진기 안테나 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    여기(excite)될 각 애퍼처의 하부에 마이크로스트립 전송로(microstrip transmission line)가 위치되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 전송로가 상기 유전체 공진기로부터 멀리 떨어진 상기 기판의 측면에 인쇄되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 유전체 공진기의 내의 프로브 또는 상기 유전체 공진기에 접하는 프로브 중 소정 개수의 프로브가 상기 전자 회로에 접속되지 않는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프로브가 터미네이션(termination)되지 않은 상태(개방 회로 상태)인 유전체 공진기 안테나 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 프로브가 단락 회로를 포함하는 임의의 임피던스(impedance)를 갖는 부하(load)에 의해 터미네이션되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기가 자신 내부에 제공되는 전도성 벽(wall)에 의해 세그먼트(segment)로 분할되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  16. 제2항에 있어서,
    코사인(cosine)이나 "8자형(figure of eight)" 방사 패턴을 가지는 유전체 공진기 안테나에서 발생될 수 있는 백로브 필드를 제거하거나 또는 임의의 전/후 모호성(front/back ambiguity)을 해결하도록 유전체 공진기 안테나와 결합되는 내부 또는 외부 모노폴(monopole) 안테나가 제공되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나가 상기 유전체 공진기 내 중심에 배치되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나가 상기 유전체 공진기 위에 탑재되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나가 상기 유전체 공진기 아래에 탑재되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나가 상기 피드의 전기적 결합으로 형성되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 모노폴 안테나가 상기 피드의 알고리즘 결합(algorithmic combination)으로 형성되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  22. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기가 유전 상수 k ≥10인 유전 재료로 형성되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  23. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기가 유전 상수 k ≥50인 유전 재료로 형성되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  24. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기가 유전 상수 k ≥100인 유전 재료로 형성되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  25. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기가 액체 상태의 유전 재료로 이루어지는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  26. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기가 고체 상태의 유전 재료로 이루어지는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  27. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기가 가스 상태의 유전 재료로 이루어지는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  28. 제2항에 있어서,
    단일 송신기 또는 수신기가 상기 복수의 피드에 접속되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  29. 제2항에 있어서,
    복수의 송신기 또는 수신기가 복수의 대응 피드에 개별적으로 접속되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
  30. 제2항에 있어서,
    단일 송신기 또는 수신기가 인접하지 않은 복수의 피드에 접속되는 유전체 공진기 안테나 시스템.
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