KR20020093840A - 다 세그먼트형 유전체 공진기 안테나 - Google Patents

다 세그먼트형 유전체 공진기 안테나 Download PDF

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KR20020093840A
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Abstract

원형 배열로 배치된 복수의 유전체 공진기 세그먼트를 이용하여 방사하거나 수신할 수 있는 방사 안테나를 기술한다. 단일 안테나 시스템 내에 복수의 유전체 공진기 세그먼트를 사용하는 목적은 각각 "조준(boresight)"(즉 수신시 최대 방사 방향 또는 수신시 최대 감도 방향)를 가지는 수 개의 빔을 생성하기 위해서이다. 수 개의 이러한 빔은 임의의 방향으로 새로운 빔을 형성하기 위하여 동시에 여기될 수 있다. 새로운 빔은 점증적으로 또는 연속적으로 조종할 수 있으며, 완전한 원인 360도까지 조종될 수 있다. 두 세그먼트가 동시에 여기되는 경우, 단일 세그먼트가 홀로 여기되는 경우보다 더 좁은 주 로브(main lobe) 및/또는 더 작은 백 로브(backlobe)를 가질 수 있다. 무선 신호를 수신하는 경우, 그러한 복수 빔의 전자적인 처리는 그 신호들의 방향을 탐색하는데 사용될 수 있으므로 무선 방향 탐색 장치의 기초를 형성한다. 또한 들어오는 무선 신호의 방향으로의 송신 빔을 형성하거나 수신 빔을 분해함으로써 "스마트(smart)" 또는 "지능형(intelligent)" 안테나를 구성할 수 있다. 빔 조종 및 스마트 안테나 기술은 또한 그곳으로 전송을 피하거나 그 방향으로부터의 방해 신호 수신을 피하기 위하여 특정 방향에서의 샤프 널(sharp null)을 조종하는 데 사용될 수 있다. 유전체 공진기 세그먼트들은 접지 평면 상에 장착되고, 형상은 실질적으로 원통 또는 사다리꼴 세그먼트이며 내부 프로브들 또는 외부 접지 평면 개구들(apertures)에 의해 공급된다.

Description

다 세그먼트형 유전체 공진기 안테나 {MULTI-SEGMENTED DIELECTRIC RESONATOR ANTENNA}
1983년에 최초의 유전체 공진기 안테나(DRA)에 대한 조직적인 연구[LONG, S.A., McALLISTER. M.W., and SHEN, L.C.: "The Resonant Cylindrical Dielectric Cavity Antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, AP-31, 1983, pp406-412] 이래로, 높은 방사 효율, 대부분의 일반적으로 사용되는 전송 선로에 대한 우수한 정합, 그리고 물리적인 크기가 작기 때문에 그것들의 방사 패턴(radiation pattern)에 대한 관심은 증대되어왔다[MONGIA, R.K. and BHARTIA, P.: "Dielectric Resonator Antennas - A Review and General Design Relations for Resonant Frequency and Bandwidth", International Journal of Microwave and Millimetre-Wave Computer-Aided Engineering, 1994, 4, (3), pp 230-247].
현재까지 보고된 대부분의 구성은 접지 평면(ground plane)에 설치된 개구(aperture)[ITTIPIBOON, A., MONGIA, R.K., ANTAR, Y. M. M., BHARTIA, P. andCUHACI, M: "Aperture Fed Rectangular and Triangular Dielectric Resonator for use as Magnetic Dipole Antenna", Electronics Letters, 1993, 29, (23), pp 2001-2002] 또는 유전체 재료에 삽입된 프로브(probe)[McALLISTER, M.W., LONG, S. A. and CONWAY G.L.: "Rectangular Dielectric Resonator Antenna", Electronics Letters, 1983, 19, (6), pp 218-219]에 의해 여기된(exited) 접지 평면에 장착된 유전체 재료의 슬랩(slab)을 사용하였다. 전송 선로에 의한 직접적인 여기(direct excitation) 역시 몇몇 학자에 의해 보고되었다[KRANENBURG, R.A. and LONG, S.A.: "Microstrip Transmission Line Excitation of Dielectric Resonator Antennas", Electronics Letters, 1994, 24, (18), pp 1156-1157].
조종 가능한 빔(steerable-beam) DRA에 대한 추가적인 분석은 본 출원인이 공동 출원한 미국 특허출원 제09/431,548호에서 찾을 수 있으며, 본 출원은 그것의 우선권을 주장하며 그 공개된 내용은 본 출원에 참조로 통합된다.
가장 일반적으로 기술되는 두 개의 기하학적 구조는 원통 및 직사각형 유전체 슬랩이다. 몇몇 출판물은 전도성 시트(conducting sheet)로 하나의 이미지 평면(image plane)에 의해 어떻게 이들이 양분될 수 있는지 기술한다[TAM, M.T.K. and MURCH, R.D.: "Half volume dielectic resonator antenna designs", Electron. Lett., 1997, 33, (23), pp 1914-1916; MONGIA, R.K.: "Half-split dielectric resonator placed on metallic plane for antenna applications", Electron. Lett., 1989, 25, (7), pp 462-464]. 출원인이 알고 있는 바로는, 오직 하나의 출판물만이 체적의 반(half volume)보다 작은 세그먼트들로 만들어진 안테나에 대해기술하고 있다[TAM, M.T.K. and Murch, R.D.: "Compact Circular Sector and Annular Sector Dielectric Resonator Antennas", IEEE Transactions on antennas and Propagation, AP-47, 1999, pp 837-842].
본 발명은 조종 가능한 송수신 빔 및 매우 낮은 백 로브들(backlobes)을 제공하기 위하여 동시에 여기될 수 있는 몇 개의 인접한 세그먼트로 이루어지는 유전체 공진기 안테나(Dielectric Resonator Antenna, DRA)에 관한 것이다.
도 1은 원통의 60도 섹션 6개로 구성된 DRA를 포함하는 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 60도 사다리꼴 소자 3개로 구성된 DRA를 포함하는 본 발명의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 DRA의 공진 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 DRA가 생성하는 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5는 원통의 45도 4분면(quadrant) 두 개로 구성된 DRA를 포함하는 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 DRA가 생성하는 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 확장부 유무의 도전 벽이 구비된 반 원통(semi-cylindrical) DRA을 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10은 도 7의 DRA가 생성하는 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12는 도 8의 DRA가 생성하는 방사 패턴을 나타내는 도면이다.
본 발명의 제1 특징에 따르면, 접지된 기판, 측면을 가지며 상기 접지된 기판과 결합된 유전체 공진기 소자(dielectric resonator element), 및 상기 유전체 공진기 소자의 안팎으로 에너지를 전달하는 공급 장치(feeding mechanism)를 각각 포함하는 복수의 개별 유전체 공진기 안테나를 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나로서, 상기 유전체 공진기 소자들은 각 유전체 공진기 소자의 적어도 한 측면이 이웃하는 유전체 공진기 소자의 적어도 한 측면과 인접하도록 배치되고, 상기 안테나는 점증적으로 또는 연속적으로 미리 결정된 각도까지 조종 가능한 적어도 하나의 빔을 생성하기 위하여 유전체 공진기 소자들을 개별적으로 또는 조합하여 활성화시키도록 제공된 전자 회로를 더 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나가 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 측면을 가지는 유전체 공진기 소자, 및 적어도 하나의 다이폴 피드(dipole feed)를 통하여 상기 유전체 공진기 소자의 안팎으로 에너지를 전달하는 공급 장치를 각각 포함하는 복수의 개별 유전체 공진기 안테나를 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나로서, 상기 유전체 공진기 소자들은 각 유전체 공진기 소자의 적어도 한 측면이 이웃하는 유전체 공진기 소자의 적어도 한 측면과 인접하도록 배치되고, 상기 안테나는 점증적으로 또는 연속적으로 미리 결정된 각도가지 조종 가능한 적어도 하나의 빔을 생성하기 위하여 유전체 공진기 소자들을 개별적으로 또는 조합하여 활성화시키도록 제공된 전자 회로를 더 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나가 제공된다.
상기 인접하는 측면들은 서로 맞닿으므로 실질적으로 접촉하는 것이 바람직하다. 이와는 달리, 상기 이웃하는 측면들 사이에는 작은 갭(gap)이 존재할 수 있으며, 이들 갭들은 공기 또는 다른 유전체 재료로 채워진다.
유리하게는, 이웃하는 유전체 공진기 소자들 중 적어도 한 쌍의 상기 인접하는 측면은 인접한 측면들을 모두 접촉시키는 도전성 벽(electrically conductive wall)으로 분리된다. 바람직하게는, 인접한 측벽들 모두가 도전성 벽으로 분리된다.
상기 유전체 공진기 소자들은 접지된 기판의 직접 위에, 옆에 또는 아래에 배치될 수 있거나, 또는 상기 소자들과 상기 접지된 기판 사이에 작은 갭을 둘 수도 있다. 이 갭은 에어 갭(air gap)으로 이루어지거나 고체, 액체 또는 기체 상(phase)의 다른 유전체 재료로 채워질 수 있다.
본 발명은 각각이 세그먼트형(segmented) DRA인 몇 개의 소자를 가지는 안테나를 제공하고자 한다. 이들 소자는 조종 가능한 송수신 빔, 무선 방향 탐색 특성들(radio direction finding capabilities), 지능형(intelligent)[또는 스마트(smart)] 안테나 특성들, 낮은 방사 백로브들 및 협역(narrower) 방사 주 로브들(main lobes)을 제공하기 위하여 동시에 여기될 수 있다. 본 발명은 또한 DRA 소자들의 측면 또는 에지를 규정짓는 전도성 벽(conducting wall)에확장부(extension)를 사용하여 백로브들에서의 상당한 추가적인 감소를 제공하고자 한다. 낮은 백로브들은 이들 안테나를 이동 전화에 응용하는 데 특히 중요하다. 또한 소자들에 대한 원래의 기하학적 구조가 제안된다.
일부 실시예에서, 원통 또는 환형의 90도 섹터(sector) 하나로 이루어지는 DRA는 기본 HEM21δ모드에서 공진하지만, 이 기하학적 구조 및 다른 기하학적 구조들과 같이 사용될 수 있는 몇 개의 다른 공진 모드가 존재한다. 다른 조합의 일례는 하나의 60도 섹터이고 이것은 기본 HEM31δ모드와 관련된다.
바람직한 HEM11δ, HEM21δ, 및 HEM31δ모드는 수평 자기 다이폴(dipole)처럼 방사하는 하이브리드 전자기 공진 모드들인데, 코사인(cosine) 형태 또는 8자(figure-of-eight)형 패턴을 가지는 수직으로 분극된 방사 패턴을 발생시킨다.
전술한 참조 문헌에 기술된 결과들을 임의의 폭넓은 범위의 주파수, 예를 들어 1MHz 내지 100, 000MHz 및 광학 DRA들에 대해 더 높은 주파수에서 동작하는 DRA에 똑같이 적용하는 것이 본 출원인에 의해 주목되어 왔다. 문제는 더 높은 주파수, 더 작은 크기의 DRA이지만, 프로브/개구 및 후술하는 세그먼트 조합 기하학적 구조에 의해 이루어지는 일반적인 빔 패턴들은 일반적으로 임의의 주어진 주파수 범위 전체에 걸쳐 동일하게 유지된다. 높은 유전 상수를 가지는 유전체 재료를 사용하여 실질적으로 1MHz 아래의 주파수에서의 동작 또한 가능하다.
유리하게는, 본 발명의 안테나 및 안테나 시스템은 점증적으로 또는 연속적으로 조종 가능한 적어도 하나의 빔을 생성하는 데 적합하며, 이것은 완전한원(circle)인 360도까지 조종될 수 있다.
유리하게는, 추가적으로 또는 대체적으로 최대 360도의 무선 방향 탐색 특성을 허용하도록 합(sum) 및 차(difference) 패턴을 형성하기 위한 피드들(feeds)을 결합하는 전자 회로가 제공된다.
이 전자 회로는 추가적으로 또는 대체적으로 최대 360도의 진폭 및/또는 위상 비교 무선 방향 탐색 특성을 형성하도록 피드들을 결합하는 데 적합하다.
제1의 바람직한 실시예에서, 각 소자가 두 개의 이웃한 소자에 의해 측면에 위치되는 동시에 개별 DRA 소자들이 길이 방향 축에 대해 대개 원형 구성으로 배치되기 때문에, 무선 방향 탐색 및 빔 형성 특성은 완전한 360도 원이다. 소자들은 원의 섹터들(sectors of a circle)을 형성하는 단면 형상이 아니어도 된다는 것을 이해하여야 한다. 대신에, 소자들은 대체로 삼각형 또는 사다리꼴 단면을 가질 수 있으며, 주된 고려 사항은 소자들이 두 이웃하는 소자들에 의해 측면에 배치되는 각 소자와 길이 방향 축에 대해 서로 맞출 수 있는 형상이 되도록 하는 것이다.
제2의 바람직한 실시예에서, 두 이웃하는 소자에 의해 측면에 배치되는 첫 번째 및 마지막 소자를 제외한 모든 소자 때문에, 무선 방향 탐색 및 빔 형성 특성은 그 자체가 원보다 작은 길이 방향 축에 대해 배치된 소자들의 배열을 사용하는 완전한 원보다 작다.
제1 및 제2 실시예에서, DRA를 구성하는 모든 소자들의 단면은 동일한 것이 바람직하다. 이것은 소자들의 상대적인 방위에 기인하는 지향성 효과(directional effect)에도 불구하고, 여기되는 경우 각 소자가 다른 소자에 대해 비슷한 방식으로 작용할 것이라는 것을 의미한다.
안테나 패턴을 전자적으로 조종하는 방법 중 하나는 다수의 현존하는 빔들을 갖도록 하여 그들 사이를 스위칭하는 것이다. 다른 방법은 원하는 빔 방향을 달성하도록 그들을 결합하는 것이다. DRA에서, 안테나 패턴은 본래 코사인 형태이고, 동시에 제3의 코사인 패턴에 둘 사이의 반을 준 각도로 약간 비켜서 위치된 두 개의 코사인이 추가된다. 이 방식으로 빔 조종 및 방향 탐색은 고정된 안테나 패턴들을 결합함으로써 실현될 수 있다.
방향 탐색의 이점은 예를 들어 이동 전화로 기지국(base station)의 방향을 찾을 수 있는 것이고, 빔 조종의 이점은 그 후에 그 기지국 방향으로 빔을 형성할 수 있다는 것이다. 이 이점들은 이동 전화와 기지국 사이의 전력 전송을 향상시키기 위해 결합되어 통신 품질을 향상시키고 배터리 수명을 유지하며, 그럼에도 불구하고 동시에 전화를 사용하는 사람의 신체로의 전력 전송을 감소시킨다. 본 출원인이 발견한 중요한 것은 홀로 구동되는 단일 소자는 동시에 구동되는 두 개의 소자만큼 작은 백로브를 대개 갖지 않는다는 것이다. 적어도 두 개의 소자를 동시에 사용하는 것은 이런 점에서 상당한 이점이 있다.
소자들이 완전한 원으로 배치되지 않는 전술한 제2의 바람직한 실시예의 기하학적 구조 및 유사한 기학학적 구조들의 이점은 이동 전화를 사용하는 경우에 사람의 머리와 같은 근처 물체들에 조사하는 안테나에 의해 생성된 백 로브가, 특정 기하학적인 배치를 가짐으로써, 매우 낮게 유지될 수 있어 조사가 훨씬 감소하고 그 결과 안정성이 향상된다는 것이다.
제2의 바람직한 실시예의 기하학적 구조 및 유사한 기학학적 구조들의 추가적인 이점은 안테나에 의해 생성되는 주 로브는 어느 한쪽 소자가 개별적으로 여기되는 경우보다 두 개의 소자가 동시에 여기되는 경우에 더욱 좁힐 수 있다는 것이다.
세그먼트형 DRA의 백 로브의 추가적인 감소는 각 소자의 에지를 규정짓는 전도성 벽들에 확장부를 제공함으로써 얻을 수 있다. 이러한 장치는 단순히 전도성 벽의 평면 확장부일 수 있지만, 벽의 에지 주위에 뻗어 퍼지려는 전자파를 방해하여 안테나의 백 로브를 생성하도록 컬형(curled) 또는 다른 방식의 변형일 수도 있다. 이것은 본 출원인에 의해 58MHz에서 공진하는 반 원통(half-cylinder) DRA를 사용하여 논증되었다.
본 발명의 다른 실시예에서, 적어도 하나의 내부 또는 외부 모노폴 안테나 또는 길이 방향 축에 대해 원형으로 대칭 패턴을 가지는 임의의 안테나가 추가적으로 설치될 수 있는데, 이것은 백 로브 필드들(fields)을 제거하기 위하여, 또는 코사인형태나 8자형 방사 패턴을 가지는 유전체 공진기 안테나 때문에 발생할 수 있는 모든 전대후(front-to-back) 모호성(ambiguity)을 해결하기 위하여 적어도 하나의 유전체 공진기 안테나 소자와 결합된다. 모노폴 또는 원형으로 대칭적인 안테나는 유전체 공진기 소자 내에 중심적으로 배치되거나 그 위에 또는 그 아래에 장착될 수 있으며, 전자 회로에 의해 활성화될 수 있다. 중공 중심(hallow centre)을 가지는 환형 공진기를 포함하는 실시예에서, 모노폴 또는 다른 원형으로 대칭적인 안테나는 중공 중심 내에 위치될 수 있다. "가상(virtual)" 모노폴 또는 다른원형으로 대칭적인 안테나는 또한 모든 실제상의 피드들, 바람직하게는 대칭적인 피드들의 집합(set)의 전기적인 또는 연산적인(algorithmic) 조합에 의해 형성될 수 있다.
전술한 모든 세그먼트 기하학적 구조에 있어, 피드들은 유전체 공진 소자 내에 수용되는 방식, 또는 유전체 공진기 소자에 접하는 방식, 또는 이 2가지를 조합한 방식의 전도성 프로브 형태를 가지거나, 접지된 기판에 제공된 개구 피드들(aperture feeds)을 포함할 수 있다. 개구 피드들은 유전체 재료 아래의 접지된 기판에서 불연속(일반적으로 직사각형 형상)이고 그들 바로 밑에 마이크로스트립 전송 선로가 통과함으로써 일반적으로 여기(勵起)된다. 마이크로스트립 전송 선로는 대개 기판의 밑면에 인쇄된다. 피드들이 프로브 형태를 가지는 경우, 일반적으로 길게 늘어나는 형태일 수 있다. 유용한 프로브들의 예는 대체로 유전체 공진기의 길이 방향 축에 평행한 얇은 원통 와이어(wire)를 포함한다. 사용될 수 있는(그리고 시험된) 다른 프로브 형상으로는 굵은(fat) 원통들, 비원형(non-circular) 단면, 얇은 대체로 수직인 판(plate) 및 상부에 (버섯과 같은) 전도성 "모자(hat)를 가지는 더욱 얇은 대체로 수직인 와이어를 포함한다. 프로브들은 또한 유전체 내에 또는 유전체에 바싹 붙여서, 또는 이들을 조합한 곳에 놓인 금속화(metallised) 스트립을 포함할 수 있다. 보통, 유전체 공진기 내에 수용되는 방식, 유전체 공진기에 접하는 방식, 또는 이 2가지를 조합한 방식의 임의의 전도성 소자는 정확하게 위치, 크기 및 피드된다면 여기 공진할 것이다. 다른 프로브 구조들은 상이한 공진 대역폭들(bandwidths of resonance)을 초래할 것이고,특정한 환경에 적합하도록 하기 위하여 유전체 공진기 내에 수용하는 방식, 또는 유전체 공진기에 접하는 방식, 또는 이 2가지를 조합한 방식으로 다양한 위치 및 방향 (앞서 개관한 바와 같이, 중심으로부터 반지름을 따라서 상이한 거리로, 그리고 중심으로부터 다른 각도로)으로 배치될 것이다. 또한, 유전체 공진기 내에 수용되는 방식, 또는 유전체 공진기에 접하는 방식, 또는 이 2가지 방식을 조합한 방식으로 프로브들이 설치될 수 있는데, 이것은 전자 회로에 접속되지는 않지만, 대신에 다이나믹(dynamic) 공진기 안테나의 송수신 특성의 영향으로 수동적인 역할을 한다.
일반적으로, 피드가 모노폴 피드를 포함하는 경우에는 적절한 유전체 공진기 소자가 접지된 기판과 예를 들어, 그 위에, 작은 에어갭(air gap) 만큼 그것으로부터 떨어져서, 또는 다른 유전체 재료 층에 배치됨으로써 결합되어야 한다. 이와는 달리, 피드가 다이폴 피드를 포함하는 경우에는 접지되지 않는 기판이 필요하다. 본 발명의 실시예는 모노폴 피드들을 접지된 기판과 결합되는 유전체 소자로, 및/또는 접지된 기판과 결합되지 않는 유전체 소자로 다이폴 피드를 사용할 수 있다. 두 가지 형태의 피드는 동일한 복합 안테나에 사용될 수 있다.
유전체 공진기 소자는 실질적으로 방사상의 전도 벽을 가지며 유리하게는 길이 방향 축에 대체로 병렬로 배치되는 원통의 세그먼트일 수 있다.
이와 달리, 유전체 공진기 소자는 전도성 벽들을 가지며, 유리하게는 길이 방향 축에 대체로 평행하게 배치되는 대체로 사다리꼴 단면일 수 있다.
소자 배열은 중공 중심을 갖거나 갖지 않도록 배열될 수 있다.
유전체 공진기 소자들은 원 또는 대체로 사다리꼴의 세그먼트와 다른 단면 을 가질 수 있다. 최대의 백 로브 감소를 실현하기 위하여 중요한 것은 소자들의 배열이 길이 방향 축에 대하여 완전히 또는 적어도 부분적으로 원형 대칭이 되도록 하는 것이다.
본 발명의 유전체 공진기 안테나는 복수의 송신기 또는 수신기와 동시에 동작될 수 있으며, 본 명세서에서 사용된 이 용어들은 안테나를 경유한 송신을 위한 전자 신호원으로 작용하는 장치 또는 전자계 방사로써 안테나와 통신되는 전자 신호를 수신하여 처리하는 작용을 하는 장치를 각각 나타낸다. 송신기 및/또는 수신기의 수는 여기되는 소자의 수와 같거나 같지 않을 수 있다. 예를 들어, 개별 송신기 및/또는 수신기는 각 소자에 접속에 접속되거나(즉, 소자당 하나), 단일 송신기 및/또는 수신기가 단일 소자에 접속(될 수 있다즉, 단일 송신기 및/또는 수신기가 소자들 사이에서 스위칭된다). 소자들 사이에 피드 전력을 계속적으로 변화시킴으로써 안테나의 빔 및/또는 방향 감도(sensitivity)를 계속적으로 조종할 수 있다. 단일 송신기 및/또는 수신기는 몇 개의 이웃하지 않는 소자들과 교대로 접속될 수 있다. 다른 예에서, 단일 송신기 및/또는 수신기는 생성되거나 검출된 방사 패턴에서의 향상을 위하여, 또는 안테나가 수 개의 방향에서 동시에 방사하거나 수신하도록 몇 개의 이웃한 또는 이웃하지 않은 소자들과 접속될 수 있다.
유전체 공진기 소자들은 임의의 적당한 유전체 재료 또는 전체로서 양의 유전 상수 k를 가지는 상이한 유전체 재료들의 조합으로 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에서, k는 최소한 10이고, 최소한 50 또는 최소한 100일 수 있다. 사용 가능한 유전체 재료가 저 주파수에서의 사용과 같이 제한하려는 경향이 있지만, k는 매우 클 수, 예를 들어 1000보다 클 수도 있다. 유전체 재료는 액체, 고체 또는 기체 상태, 또는 중간 상태(intermediate state)의 재료들을 포함할 수 있다. 유전체 재료는 이것이 삽입되는(imbedded) 주위 재료(surrounding material)보다 낮은 유전 상수를 갖는 것일 수 있다.
개별적으로 선택되거나 동시에 형성되고, 뜻대로 상이한 방식으로 결합될 수 있고 복수의 빔을 생성할 수 있는 유전체 공진기 안테나를 제공하기 위하여, 본 발명의 실시예는 다음의 이점을 제공할 수 있다.
i) 다 소자(multi-element) DRA 중에서 구동할 상이한 소자들을 선택함으로써, 다수의 미리 선택된 방향[예를 들어, 방위(azimuth)로] 중 한 방향으로 송신 또는 수신을 수행할 수 있다. 소자들 주위를 순차적으로 스위칭함으로써, 빔 패턴을 각도를 점증시키면서 회전시킬 수 있다. 이러한 빔 조종은 무선 통신, 레이터 및 항법 시스템의 응용에서 명백하다.
ii) 두 개 이상의 빔을 함께 결합함으로써 즉, 두 개 이상의 소자를 동시에 여기시킴으로써, 빔을 임의 방위 방향(azimuth direction)으로 형성할 수 있어 빔형성 과정을 통하여 더욱 정확한 제어를 할 수 있다.
iii) 두 빔 사이의 전력 분배/결합(division/combination)을 전자적으로 연속하여 변화시킴으로써, 그 결과 결합 빔 방향을 연속적으로 조종할 수 있다.
iv) 수신 전용의 경우, 두 개 이상의 빔에 대하여 신호의 진폭을 비교하거나 수신된 두 빔에 대하여 모노 펄스 처리(monopulse processing)를 하여 들어오는 무선 신호의 도착 방향을 찾을 수 있다. "모노 펄스 처리"는 장거리 무선 신호원으로부터의 신호 도착 방향을 결정하기 위하여 두 빔으로부터 합 및 차 패턴을 형성하는 처리를 가리킨다.
v) 이동 전화 시스템과 같은 일반적인 양 방향 통신 시스템의 신호는 기지국과 같은 지점 무선 신호원(point radio source)으로부터 핸드 셋(hand set)에 의해 수신되고 그 신호원으로 다시 송신된다. 본 발명의 실시예는 전술한 iii) 또는 iv)를 이용하여 신호원의 방향을 탐색하는데 사용될 수 있으며, ii)를 이용하여 그 방향으로 최적의 빔을 형성할 수 있다. 이러한 유형의 동작을 수행할 수 있는 안테나는 "스마트" 또는 "지능형" 특성을 가진다고 한다. 스마트 안테나가 제공하는 향상된 안테나 이득의 이점은 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 향상되고, 통화 품질이 개선되며, 더 적은 송신 전력을 소비하고(이것은 예를 들어, 근처 사람의 신체에 대한 조사를 감소시키는데 도움된다), 배터리 수명을 보존한다.
vi) 빔 조종 및 스마트 안테나 기술은 또한 그곳으로 전송을 피하거나 그 방향으로부터 방해 신호의 수신을 피하기 위하여 특정 방향에서의 샤프 널(sharp null)을 조종하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 더 나은 이해를 위하여, 그리고 본 발명이 어떻게 실시되는지를 보여주기 위하여 첨부 도면을 예로서 설명한다.
도 1은 원통의 60도 섹터 형상을 가지며 접지된 베이스 평면(base plane)(3) 상에 원형 대칭으로 배치된 6개의 유전체 공진기 소자(2)로 이루어지는 다 세그먼트형(multi-segmented) DRA(1)의 평면도이다. 소자(2)의 측면(4)은 금속으로 만들어진 전도성 벽(conducting wall)(5)에 의해 분리된다. 연장 프로브(elongate probe)(6)는 소자 각각에 위치하고, 이 연장 프로브(6)는 전도성 벽(5)이 그런 것처럼 DRA(1)의 길이 방향 축에 대체로 평행하다. 방향 탐색(수신 전용 기능), 빔 조종(수신시 및/또는 송신시), 및 "스마트" 안테나 특성을 구현하기 위하여 하나 또는 수 개의 프로브(6)가 동시에 구동될 수 있다.
도 2는 60도 사다리꼴 단면을 가지는 소자와 같은 형상이며 접지된 베이스 평면(13)에 부분적으로 원형 대칭으로 배치된 3개의 유전체 공진기 소자(12a, 12b, 12c)로 이루어지는 다 세그먼트형 DRA(11)의 평면도이다. 소자(12a, 12b, 12c)의 측면(14)은 금속으로 만들어진 전도성 벽(15)에 의해 분리된다. 연장 프로브(16)는 소자 각각에 위치하고, 이 연장 프로브(16)는 전도성 벽(15)이 그런 것처럼 DRA(11)의 길이 방향 축에 대체로 평행하다. 방향 탐색(수신 전용 기능), 빔 조종(수신시 및/또는 송신시), 및 "스마트" 안테나 특성을 구현하기 위하여 하나 또는 수 개의 프로브(16)가 동시에 구동될 수 있다.
도 2의 DRA(11)을 형성하는 소자(12a, 12b, 12c) 배열이 완전한 원보다 작기 때문에 무선 방향 탐색 및 빔 형성 특성은 그에 상응하여 완전한 원보다 적다.
도 3은 소자(12a, 12b, 12c)가 여기된 경우에 도 2의 DRA(11)에 대한 반사된 신호 측정 S11에 대비한 주파수 그래프이다. 세 소자(12a, 12b, 12c) 모두 대략 1950MHz에서 공진한다는 것을 알 수 있다.
도 4는 전력 분배기/결합기(splitter/combiner)(도시하지 않음)에 의해 같이 구동되는 DRA 소자(12a, 12b, 12c)가 생성하는 방위 안테나(azimuth antenna) 방사 패턴을 나타낸다. 두드러진 원형은 5dB 눈금을 나타낸다. 첫째로 12a + 12b 빔이 12a 패턴과 12b 패턴 사이에서 대략 반으로 조종되고, 따라서 전자 빔 조종을 증명하였음을 알 수 있다. 둘째로, 향상, 즉 결합형 12a + 12b 안테나의 백 로브가 감소되었음을 알 수 있다. 셋째로, 12a + 12b 패턴의 주 로브가 12a 및 12b 패턴 하나만인 경우에 비해 -3dB 점에서 상당히 좁아졌음을 알 수 있다.
도 5는 원통의 45도 섹터와 같은 형상을 가지며 접지된 베이스 평면(3) 상에 부분적으로 원형 대칭으로 배치된 2개의 유전체 공진기 소자(22a, 22b)로 이루어지는 다 세그먼트형(multi-segmented) DRA(21)의 평면도이다. 소자(22a, 22b)의 측면(24)은 금속으로 만들어진 전도성 벽(25)에 의해 분리된다. 연장 프로브(26)는 소자 각각에 위치하고, 이 연장 프로브(26)는 전도성 벽(25)이 그런 것처럼 DRA(21)의 길이 방향 축에 대체로 평행하다.
도 6은 전력 분배기/결합기(도시하지 않음)에 의해 동시에 구동되는 DRA 소자(22a, 22a + 22b)가 생성하는 방위 안테나 방사 패턴을 나타낸다. 두드러진 원형 선은 5dB 눈금을 나타낸다. 도 2 및 도 4의 DRA에서와 같이, 전자 빔 조종 및 결합형 22a + 22b 안테나의 백 로브에서 감소가 실현되었음을 알 수 있었다.
도 7은 반 원통 형상을 가지며 접지된 베이스 평면(33) 상에 장착되는 유전체 공진기 소자(32)로 이루어지는 DRA(31)의 평면도이다. 소자(32)의 측면(34)은 도시된 바와 같이 전도성 벽(35)을 구비한다. 내부 및 외부 연장 프로브(36a, 36b)가 소자(32)에 설치된다
도 8은 반 원통형 유전체 공진기 소자(32'), 접지된 베이스 평면(33') 및 소자(32')의 표면(34') 상에 장착된 도전성 벽(35')를 구비하는 도 7과 유사한 DRA(31')를 나타낸다. 내부 및 외부 연장 프로브(36a', 36b')가 구비되고, 전도성 벽(35')은 소자(32)의 길이를 따라서 확장부(37')를 구비하고, 확장부(37')는 표면(34)으로부터 뒤쪽으로 컬 형태(curled)이다. 확장부(37')는 그렇지 않으면벽(35')의 에지 주위에 뻗어 퍼지는 전자파를 방해하는 데 조력하여, 백 로브를 생성하거나 백 로브 생성에 기여한다.
이것은 각각 여기된 내부 프로브(36a)를 가지는 도 7의 DRA, 여기된 외부 프로브(36b)를 가지는 도 7의 DRA, 여기된 내부 프로브(36a')를 가지는 도 8의 DRA, 및 여기된 외부 프로브(36b')를 가지는 도 8의 DRA에 대한 방사 패턴을 나타내는 도 9 내지 도 12에서 명백히 알 수 있다. 도 9 및 도 10의 백 로브(38a, 38b)는 도 11 및 도 12의 백 로브(38a', 38b')보다 상당히 더 크고, 백 로브의 감소에 있어 확장부(37')의 효과가 명백하게 논증되었다. 비록 두 프로브(36a, 36b 및 36a', 36b')가 소자(32, 32') 각각에 구비되지만, 이 예에서는 한 번에 오직 하나의 프로브만이 여기된다는 것에 유의하여야 한다.

Claims (37)

  1. 접지된 기판, 측면을 가지고 상기 접지된 기판과 결합된 유전체 공진기 소자, 및 상기 유전체 공진기 소자의 안팎으로 에너지를 전달하는 공급 장치(feeding mechanism)를 각각 포함하는 복수의 개별 유전체 공진기 안테나를 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나로서,
    상기 유전체 공진기 소자들은 각 유전체 공진기 소자의 적어도 한 측면이 이웃하는 유전체 공진기 소자의 적어도 한 측면과 인접하도록 배치되고,
    상기 안테나는 점증적으로 또는 연속적으로 미리 결정된 각도까지 조종 가능한 적어도 하나의 빔을 생성하기 위하여 상기 유전체 공진기 소자들을 개별적으로 또는 조합하여 활성화시키도록 제공된 전자 회로를 더 포함하는
    복합 유전체 공진기 안테나.
  2. 측면을 가지는 유전체 공진기 소자, 및 상기 유전체 공진기 소자의 안팎으로 에너지를 전달하는 공급 장치를 각각 포함하는 복수의 개별 유전체 공진기 안테나를 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나로서,
    상기 유전체 공진기 소자들은 각 유전체 공진기 소자의 적어도 한 측면이 이웃하는 유전체 공진기 소자의 적어도 한 측면과 인접하도록 배치되고,
    상기 안테나는 점증적으로 또는 연속적으로 미리 결정된 각도까지 조종 가능한 적어도 하나의 빔을 생성하기 위하여 유전체 공진기 소자들을 개별적으로 또는조합하여 활성화시키도록 제공된 전자 회로를 더 포함하는
    복합 유전체 공진기 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    적어도 두 개의 상기 인접한 측면들 사이에 갭(gap)이 마련되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    이웃하는 소자들 중 적어도 한 쌍의 상기 인접하는 측면이 양 측면을 접촉시키는 도전성 벽(electrically conductive wall)으로 분리되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  5. 제4항에서,
    상기 측면 모두가 도전성 벽을 가지는 복합 유전체 공진기 안테나.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,
    상기 소자들은 각 소자가 이웃한 두 소자에 의해 측면에 위치되도록 중심 길이 방향 축에 대해 대체로 원형 구성으로 배치되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에서,
    상기 소자들은 길이 방향 축에 대해 부분적인 대체로 원형 구성으로 배치되고, 첫 번째 및 마지막 소자를 제외한 모든 소자는 이웃한 두 소자에 의해 측면에 위치되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 소자들이 원의 섹터들(sectors of a circle)의 단면 형상을 가지는 복합 유전체 공진기 안테나.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 소자들이 삼각형 단면을 가지는 복합 유전체 공진기 안테나.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 소자들이 대체로 사다리꼴 단면을 가지는 복합 유전체 공진기 안테나.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,
    상기 소자들이 모두 동일한 단면을 가지는 복합 유전체 공진기 안테나.
  12. 제4항, 및 제4항에 종속되는 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에서,
    적어도 하나의 도전성 벽이 상기 길이 방향 축으로부터 대체로 방사 방향으로 상기 소자들의 측면을 넘어 확장되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  13. 제3항, 및 제3항에 종속되는 제4항 내지 제12항 중 어느 한 항에서,
    상기 조종 가능한 빔은 완전한 원(circle)인 360도까지 조종될 수 있는 복합 유전체 공진기 안테나.
  14. 제3항, 및 제3항에 종속되는 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에서,
    최대 360도까지 무선 방향 탐색 특성(radio direction finding capability)을 허용하는 합(sum) 및 차(difference) 패턴을 형성하도록 복수 소자의 상기 공급 장치를 결합하는 전자 회로를 더 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나.
  15. 제3항, 및 제3항에 종속되는 제4항 내지 제14항 중 어느 한 항에서,
    최대 360도까지 진폭 및/또는 위상 비교 무선 방향 탐색 특성을 형성하도록 복수 소자의 상기 공급 장치를 결합하는 전자 회로를 더 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,
    상기 공급 장치는 상기 유전체 공진기 소자들의 내부에 수용되는 방식, 또는 상기 유전체 공진기 소자들에 접하는 방식, 또는 이들 2가지를 조합한 방식인 도전성 프로브 형태인 복합 유전체 공진기 안테나.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에서,
    상기 공급 장치는 상기 접지된 기판에 마련된 개구(apertures) 형태인 복합 유전체 공진기 안테나.
  18. 제17항에서,
    상기 개구는 상기 유전체 공진기 소자들의 하부의 접지된 기판에서 불연속적으로 형성되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  19. 제18항에서,
    상기 개구는 대체로 직사각형 형상인 복합 유전체 공진기 안테나.
  20. 제17항에서,
    마이크로스트립 전송 선로가 여기(勵起)되는 각 개구 바로 밑에 위치되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  21. 제20항에서,
    상기 마이크로스트립 전송 선로가 상기 유전체 공진기 소자들로부터 떨어져 상기 기판의 측면 상에 인쇄되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  22. 제16항에서,
    상기 유전체 공진기 소자들의 내부에 수용하는 방식, 또는 상기 유전체 공진기 소자들에 접하는 방식, 또는 이들 2가지를 조합한 방식의 미리 결정된 수의 상기 프로브는 전자 회로와 접속되지 않는 복합 유전체 공진기 안테나.
  23. 제22항에서,
    상기 프로브들은 종단되지 않는(unterminated) 개방 회로인 복합 유전체 공진기 안테나.
  24. 제22항에서,
    상기 프로브들은 단락 회로를 포함하는 임의의 임피던스로 이루어지는 부하에 의해 종단되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에서,
    상기 유전체 공진기 소자들은 유전 상수 k 값이 k ≥10인 유전체 재료로 형성되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  26. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에서,
    상기 유전체 공진기 소자들은 유전 상수 k 값이 k ≥50인 유전체 재료로 형성되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  27. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에서,
    상기 유전체 공진기 소자들은 유전 상수 k 값이 k ≥100인 유전체 재료로 형성되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에서,
    상기 유전체 공진기 소자들은 액체 또는 겔 재료로 형성되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  29. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에서,
    상기 유전체 공진기 소자들은 고체 재료로 형성되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  30. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에서,
    상기 유전체 공진기 소자들은 기체 상태의 재료로 형성되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  31. 제3항, 및 제3항에 종속되는 제4항 내지 제30항 중 어느 한 항에서,
    단일 송신기 또는 수신기가 복수의 소자와 접속되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  32. 제3항, 및 제3항에 종속되는 제4항 내지 제30항 중 어느 한 항에서,
    복수의 송신기 또는 수신기가 대응하는 복수의 소자와 개별적으로 접속되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  33. 제3항, 및 제3항에 종속되는 제4항 내지 제30항 중 어느 한 항에서,
    단일 송신기 또는 수신기가 복수의 비(非)인접 소자들과 접속되는 복합 유전체 공진기 안테나.
  34. 제1항, 및 제1항에 종속되는 항 중 어느 한 항에서,
    상기 공급 장치는 적어도 하나의 모노폴 피드(monopole feed)를 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나.
  35. 제2항 내지 제33항 중 어느 한 어느 한 항에서,
    상기 공급 장치는 적어도 하나의 다이폴 피드(diepole feed)를 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나.
  36. 제2항 내지 제33항 중 어느 한 어느 한 항에서,
    상기 공급 장치는 적어도 하나의 모노폴 피드를 포함하는 복합 유전체 공진기 안테나.
  37. 제2항 내지 제33항 중 어느 한 어느 한 항에서,
    상기 유전체 공진기 소자들 중 적어도 하나는 접지된 기판과 결합되고, 적어도 하나의 모노폴 피드를 포함하는 공급 장치를 가지며,
    상기 유전체 공진기 소자들 중 적어도 다른 하나는 적어도 하나의 다이폴 피드를 포함하는 공급 장치를 가지는 복합 유전체 공진기 안테나.
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