KR20030007717A - 협대역, 대칭적, 교차, 원편파된 굽은 선 부하 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 향상된 교차-요소 굽은 선 부하 안테나(120)를 특징으로 한다. 두쌍의 삼각형 형상 요소들(122)은 나비넥타이 형상 요소들을 형성하기 위해 각각 그것들의 정점(128)에서 연결된다. 나비넥타이 형상 요소들(122)은 그라운드 플레인 부근에 직교하게 배열되고, 섀도잉(shadowing)과 교차-연결을 줄이고, 효율적이고 밀집한(compact) 굽은 선 안테나를 제공한다. 직각 위상으로 입력될 때, 안테나는 우수한 축비(axial ratio)를 갖는 원편파된 무선 필들(RF field)를 방사한다.

Description

협대역, 대칭적, 교차, 원편파된 굽은 선 부하 안테나{NARROW-BAND, SYMMETRIC, CROSSED, CIRCULARLY POLARIZED MEANDER LINE LOADED ANTENNA}

종래에, 효율적인 안테나는 전형적으로 방사(radiating) 주파수의 1/4 파장에 속하는 최소한 크기를 갖는 구조가 요구되어 졌다. 이러한 크기는 안테나가 쉽게 전류가 발생되고 공진가까이에서 동작되고 저항적 손실로 방사되는 에너지를 제한하고 전송 에너지를 최대화한다. 그러나, 이러한 안테나가 공진 파장에서 크기가 커지는 경향이 있다.

더욱이, 주파수가 감소함에 따라 안테나 크기는 비례해서 증가된다. 전통적인 안테나 디자인과 기능성의 결점을 처리하기 위해 굽은 선 부하 안테나(MLA)가 개발되었다. 여기서 참고로 구체화되는 굽은 선 부하 안테나에 대해, 미국 특허5,790,080에 한 MLA가 개시된다. MLA의 한 예는 때때로 변화된 임피던스 전송선 안테나라고 또한 알려지고, 도1 도시된다. 안테나는 두개의 수직적 도체들(102) 및 한개의 수평적 도체(104)로 구성되고, 수평적 도체들은 수직적 도체들로부터 틈새(106)에 의해 분리된다.

도 2에 도시된 굽은 선은 틈새에서 수직적 도체들과 수평적 도체들 사이에 연결되어 진다. 굽은 선은 안테나의 전기 길이(electrical length)를 조정하기 위해 고안되었다. 부가적으로, 굽은 느린파 구조의 고안은 안테나의 효율적인 전기 길이를 변화시키기 위해서 무시할 수 있는 손실로 굽은 선의 길이가 빠르게 회로의 안 또는 밖으로 변화된다. 이 스위칭은 동작 스위칭 장치가 항상 굽은 선의 높은 임피던스에 위치되기 때문에 가능하다. 이것은 스위칭 장치를 통한 전류가 낮게 유지되도록 하고 스위치에서 매우 낮은 방산 손실의 결과로, 높은 안테나 효율을 유지한다.

도 1의 기본적인 안테나는 "도(figure) 8" 범위 유형을 제공하는 루프 모드에서 동작될 수 있다. 도 3C에 도시된 바와 같이, 루프 모드, 수평 편파(polarization)는 안테나가 굽은 선을 포함하는 전체선의 전기 길이가 최대한 파장의 배수가 되는 주파수에서 동작될 때 얻어진다. 도 3B 및 도3D에 도시된 바와 같이, 안테나는 또한 모노폴(monopole) 모드, 수직적으로 편파될 때 전기 길이를 동작시 반파장의 홀수배수로 조정함으로써 동작된다. 굽은 선은 주어진 모드를 사용하는 주어진 주파수에서 동작 모드를 변화시키기 위해 전기적 또는 기계적 스위치를 사용하여 조정될 수 있다.

굽은 선 부하 안테나는 전기 길이가 동작 주파수의 1/4 파장의 배수로 유지되는 동안 물리적인 안테나의 크기를 상당히 작게한다. 안테나 및 이러한 유형의 방사 구조는 기초적인 수행의 한계가 츄-헤링턴(Chu-Harrington) 관계로 제어되는 영역에서 작동한다.

효율 = FV₂Q

Q = 양호도(Quality Factor)

V₂= 3차의 파장에서 구조의 부피(Volume of the structure in cubic wavelengths)

F = 기하학적 형태 요소(Geometric Form Factor)(F = 정육면체 또는 구에 대해 64)

안테나 크기가 동작 주파수에 1/4 보다 훨씬 작게 되는 것을 허용하는 동안 굽은 선 부하 안테나는 츄-헤링턴(Chu-Harrington) 관계의 효과적인 한계를 달성한다. 유사한 이득을 얻을 동안 10에서 1로의 높이 감소는 1/4 파장 모노폴 안테나를 넘어 성취되어 질 수 있다.

관련 기술의 설명

상기한 미국 특허 5,790,080는 안테나 요소를 방사하는 것으로 작동하는 한개 또는 그 이상의 도전성 요소와 도전성 요소들 사이에 전기적 신호들을 연결하는데 적용되는 느린파 굽은 선을 포함한다. 이 굽은 선은 전기 길이와 안테나의 동작 특성에 영향을 미치는 효율적인 전기 길이를 갖는다. 전기 길이 및 안테나의 동작모드는 이미 제어된다.

이중 공진 광대역 패치 안테나 및 그것을 형성하는 방법에 대한 미국 특허 6,034,637는 광대역을 제공하기 위해 평행하지 않은 테두리를 갖는 실질적으로 사다리꼴 모양을 형성하는 평면 공진기를 포함하는 이중 공진 광대역 패치 안테나를 설명한다. 방사(radiation) 효율을 증가시키기 위해 그라운드 플레인이 평면 공진기 바로 밑에서 확장하는 동안 연결하기 위해 공급 선은 평행하지 않은 가장자리로 평행하게 확장한다.

접힌(folded) 1/4 파장 패치(patch) 안테나에 대한 미국 특허 6,008,762는 공간적으로 분리된 제1 팔부(arms) 및 제2 팔부를 갖는 도체판을 포함하는 폴디드 1/4 파장 패치 안테나를 설명한다. 그라운드 플레인은 유전체 기판에 의해 도체판으로부터 분리되고 거의 도체판에 평행하다. 그라운드 플레인은 전기적으로 한끝에서 제1 팔부에 연결되고 신호 장치(unit)는 전기적으로 제1 팔부에 연결된다. 신호 장치(unit)는 선택된 주파수 대역을 갖는 신호를 전송 및/또는 수신한다. 접힌 1/4 파장 패치 안테나는 또한 이중 주파수 대역 안테나로서 동작할 수 있다. 이중 주파수 대역 동작에서, 신호 장치(unit)는 제1 주파수 대역의 제1 신호 및 제2 주파수 대역의 제2 신호를 갖는 안테나를 제공한다.

종래의 교차된 요소 굽은 선 안테나는 어느 정도의 섀도잉과 교차-연결을 갖고, 특히 다른 방사 표면과 교차하는 안테나는 그러하다. 필요로 되는 것은 여기서 언급된 문제와 한계를 처리하는 효율적인 안테나 디자인이다. 이 향상된 안테나는 대칭적인 방사 유형을 갖어야 하고 원편파에서 작동되어 질 수 있어야 한다.

관련 출원에 대한 설명

본 출원은 2000년 5월 31일 출원된 미국가특허출원번호 60/208,190으로부터 우선권을 주장한다.

발명의 배경

본 발명은 굽은 선 부하 안테나에 관계되는 것이고, 특히 나비넥타이 형상 굽은 선 부하 요소를 사용하는 교차된 요소 안테나에 관계되는 것이다.

본 발명의 완전한 이해는 다음의 상세한 설명과 함께 첨부된 도면을 참조해서 얻어진다.

도 1은 종래 기술의 굽은 선 부하 안테나의 개략, 사시도이다.

도 2는 도 1의 굽은 선 루프 안테나에서 요소 연결자로 사용된 굽은 선의 개략, 사시도이다.

도 3은 3A에서 3D까지 일련의 다이어그램으로 구성되고, 안테나의 네개의 동작 모드를 도시한다.

도 4는 종래 기술의 이중-대역, 교차된 MLA 안테나의 개략, 사시도이다.

도 5는 본 발명의 교차된 요소, 나비넥타이 형상, 원편파된 안테나의 개략, 사시도이다.

도 6은 용량성 플랩들을 포함하는 교차된 요소, 나비넥타이 형상, 원편파된 안테나의 개략, 사시도이다.

본 발명에 따르면 교차, 원편파된 굽은 선 부하 안테나(MLA)가 제공되어 지고, 종래 기술 안테나에서 교차된 MLA 요소들에 의해 발생된 형태 왜곡을 감소하기 위해 나비넥타이 형상 MLA 요소들의 쌍을 사용한다.

그러므로 본 발명의 목적은 대칭적 방사 형태를 갖는 교차된 MLA를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 원편파 모드에서 작동할 수 있는 교차된 MLA를 제공하는 것이다.

본 발명의 부가적인 목적은 향상된 축비(axial ratio) 성능을 갖는 교차된 MLA를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 그라운드 플레인, 네개의 삼각형 부분들을 갖는 이중 나비넥타이 형상을 포함하는 교차된 요소, 굽은 선 부하 안테나이다. 삼각형 부분들 각각은 실질적으로 그라운드 플레인으로부터 수직적인 측면 부재 및 바닦 끝과 천정 끝으로 삼각형 형상의 상부 부재를 갖는다. 상부 부재는 실질적으로 측면 부재에 인접한 바닦 끝을 갖는 그라운드 플레인에 평행하게 위치되고, 면 틈새에 의해 분리되어 진다. 각 천정 끝은 천정 틈새에 의해 분리된 각각이 매우 인접하게 배열되고, 제1 쌍의 삼각형 부분 각 천정 끝에 작동하게 연결되는 제1 연결자가 있다. 제2 쌍의 삼각형 부분 각 천정 끝에 작동하게 연결되는 제2 연결자가 있고, 제1 쌍 및 제2 쌍은 서로 직교한다.

부가적인 목적은 부가적으로 면 틈새들에 위치된 두개 또는 그 이상의 용량성 플랩들을 포함하는 교차된-요소, 굽은 선 부하 안테나이다. 그리고, 교차된-요소, 굽은 선 부하 안테나는 부가적으로 면 틈새들에 위치된 두개 또는 그 이상의 굽은 선 요소들을 포함한다.

부가적인 목적은 상부 부재는 유전체 물질로 고착되어 지는(secured) 교차된-요소, 굽은 선 부하 안테나이다. 게다가, 측면 부재는 유전체 물질로 고착되어 지는 교차된-요소, 굽은 선 부하 안테나이다.

다른 목적은 제1 연결자 및 제2 연결자가 굽은 선 요소들인 교차된-요소, 굽은 선 부하 안테나이다.

본 발명의 목적은 그라운드 플레인, 네개의 삼각형 부분들을 갖는 이중 나비넥타이 형상을 포함하는 교차된 요소, 원편파된 굽은 선 부하 안테나이다. 삼각형 부분들 각각은 실질적으로 그라운드 플레인으로부터 수직적인 측면 부재 및 바닦 끝과 천정 끝으로 삼각형 형상의 상부 부재를 갖는다. 상부 부재는 실질적으로 측면 부재에 인접한 바닦 끝을 갖는 그라운드 플레인에 평행하게 위치되고, 면 틈새에 의해 분리되어 진다. 각 천정 끝은 천정 틈새에 의해 분리된 각각이 매우 인접하게 배열된다. 대향하는 제1 쌍의 삼각형 부분 각 천정 끝에 작동하게 연결되는 제1 연결자가 있고, 대향하는 제2 쌍의 삼각형 부분 각 천정 끝에 작동하게 연결되는 제2 연결자가 있다. 그리고, 제1 쌍에 연결되는 제1 신호 입력이 있고 제2 쌍에 연결되는 제2 신호 입력이 있고, 제2 신호 입력은 90도 위상 차가 있다.

본 발명은 요소들 사이에 상당한 격리 만큼 상당한 축의 성능(axial performance)을 구비한 원편파에 대해 제공하는 교차된-요소 MLA 구조를 제공한다.

도 1은 미국 특허 번호 5,790,080에서 더 상세하게 설명된 종래 기술의 굽은 선 부하 구조(100)를 도시한다. 한쌍의 대향된 측면 장치들은(102) 그라운드 플레인(105)에 연결되고 실질적으로 그라운들 플레인(105)으로부터 직교하게 확장된다. 수평적 상부 덮개(104)는 측면 조각들(102) 사이에 확장되지만, 측면 장치들(102)과 직접 접촉되어 만나는 것은 아니다. 그대신, 상부 덮개(104)로부터 측면 조각들(102)을 분리하는 틈새들(106)이 있다. 도 2에 도시된 것과 같은 굽은 선 부하 요소(108)는 구조(100)의 안쪽 코너에 위치되고 그래서 굽은 선(108)은 수평적 덮개(104) 또는 측면 조각들(102)에 틈새 가까이에 위치된다.

굽은 선 부하 구조(108)는 선의 전기 길이 및 그것에 의한 구조(100)의 효과 특성을 바꾸기 위한 스위칭 수단을 제공한다. 종래 기술에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 스위칭은 구조가 전기 길이를 바꿈으로 해서 그래서 파장들이 도 3A-D에 도시되는 것과 같이 해서 루프 모드 또는 모노폴 모드에서 동작되게 한다.

본 발명의 특징의 하나는 나비넥타이 형상으로 배열된 삼각형-형상의 MLA 요소들의 쌍들의 사용이다. 우선 도 4를 참조하면, 일반적으로 도면 부호 100으로 표시된 종래의 MLA 교차된-요소 안테나의 개략, 사시도를 도시한다. 각각의 MLA 요소는(102, 104) 틈새들(110)에 의해 수평적 표면(108)으로부터 분리된 두개의 수직적 방사 표면들(106)로 구성된 전통적인 루프 구조를 갖는다.

안테나로부터 방사하는 전기장(E) 및 자기장(H)을 포함하는 평면은 편파면(plane of polarization)이라고 한다. 이 평면은 전파(propagation) 방향에 직교한다. 전형적으로, 전기장 벡터의 끝은 편파면에서 타원의 길을 따라 움직인다. 따라서, 편파는 적어도 부분적으로 형상으로 한정되고 이 타원의 형상이다. 타원의 형상은 그것의 축비(그것의 최대 축선 대 그것의 최소 축선의 비)에 의해 특징된다. 안테나 성능의 질적인 측정에서, 일반적으로 작은 축비가 바람직하다.

적당히 입력되었을 때, 도 5의 전통적인 MLA 형상은 원편파 신호를 만들 수 있다. 그러나, 하부 MLA 요소(102)의 상당 부분이 완전히 하부 MLA 요소(104)에 의해 가려지기 때문에, 안테나(100)의 축비(axial ratio)는 상대적으로 나쁘다. 나쁜축비 응답에 더해서, 안테나는(100) MLA 요소들(102, 104) 사이에 간섭(interaction)으로부터 나쁜 영향을 받는다.

이제 도 5를 참조하면, 일반적으로 도면 부호 120으로 나타내는 향상된, 교차된-요소 MLA의 개략, 사시도가 도시된다. MLA 루프 요소들의(102, 104) 쌍은(도 4) 삼각형 요소들(122a, 122b, 122c, 122d)의 쌍에 의해 대체된다. 요소들은(122a, 122c)은 전기적으로 도면 부호 124 지점에서 연결되어 지고 그것들의 안쪽 정점들은(vertices) 제1 나비넥타이 형상 요소(126)를 형성한다. 유사하게, 제2 나비넥타이 요소(130)를 형성하기 위해 도면 부호 128 지점에서 요소들(122b, 122d)이 연결되고, 제1 나비넥타이 요소(126)에 직교한다. 나비넥타이 요소들은(126, 130) 각각 굽은 선 부하 요소들이다. 종래 기술의 교차된 안테나(100)(도 4)의 섀도잉(shadowing) 문제를 제거함으로써, 나비넥타이 요소들(126, 130) 사이에 교차 연결은 감소된다. 게다가, 발명의 배열로부터 축 응답은 향상된다. 원편파를 얻기 위해, 나비넥타이 형상 요소들(126, 130)은 안테나 디자인 분야에서 당업자에게 잘 알려진 바와 같이 직각 위상(quadrature)으로(전압 입력은 90°위상 차이다) 입력된다.

삼각형 요소들은(122a-d) 생산 효율을 위해 끝에 위치된 '화살 머리' 라기 보다는 서로 맞닿은 정점을 갖는다. 한 실시예에서 삼각형 요소들은 유전체 판에 고정되고 요소들에 적응되고 그것들을 장소에서 안전하게 유지하고 여기서 그것들은 유전체에 고정된다.

도 6에 도시된 다른 실시예에서, 나비넥타이 형상 배열은 용량성 플랩들을포함한다. 용량성 플랩들은(140, 142, 144, 146) 충분한 동조를 위해 네개의 삼각형 형상(122a, 122b, 122c, 122d) 모두 위에 설치될 수 있다. 용량성 플랩들의 부가적인 설명은 2001년 5월 31일에 출원된 같은 발명자에 의한 협대역, 교차 요소, 오프셋-동조된 이중 대역, 이중 모드 굽은 선 부하 안테나의 명칭을 갖는 계류중인 특허출원에서 설명된다. 요약하면, 용량성 플랩들은 구조의 용량성 동조를 허락한다. 인용된 특허 출원에서 설명된 것과 같은 그런 동조에 대한 발명은 이중 대역 이중 모드 장치에서 안테나를 작동하는데 관계있고 높은 주파수 루프 모드 신호는 자연적으로 낮은 주파수 모노폴 공진 주파수를 일으킨다. 용량성 플랩들은 사용자가 이중 대역 작동을 할 수 있게 하기 위해 더 유용한 주파수 신호 또는 대역폭으로 모노폴 공진 주파수의 주파수를 바꾸게 할 수 있다. 그리고, 플랩들은 나비넥타이 형상 구조의 하나의 오프셋 동조가 수직 편파된 같은 위상의 주파수를 갖는 모노폴 안테나들의 한쌍을 만드는 것을 허락한다. 이 모노폴 작동은 루프 모드 작동에 영향이 없고 이중 대역 작동을 허락한다.

나비넥타이 형상 굽은 선 안테나의 크기에 있어서, 츄-헤링턴은 효율 공식에 역으로 비례하는 효율 공식을 제공한다.

특별한 작동 조건 및 환경 또는 디자인에 다른 변형 및 변화는 당업자에게 명백하므로, 발명은 설명의 목적으로 선택된 예에 제한되지 않고 본 발명의 범위에서 벗어나는 구성을 하지 않는 모든 변화 또는 변형을 포함한다.

발명을 설명했고, 특허증에 의해 보호받고자 하는 것은 연속해서 첨부되는 청구항에 있다.

Claims (12)

1. a)그라운드 플레인;

   b)베이스 끝 및 정점(vertex) 끝을 갖는 삼각형-형상의 상부 부재 및 상기 그라운드 플레인으로부터 실질적으로 수직적인 측면 부재를 갖는 각각 네개의 삼각형 부분을 갖고, 상기 상부 부재는 실질적으로 상기 그라운드 플레인에 평행하게 위치되고 상기 베이스 끝은 면 틈새에 의해 분리된 상기 측면 부재에 인접하고, 여기서 각 상기 정점 끝은 정점 틈새에 의해 분리된 서로에 가깝게 인접해서 배열되는 이중 나비넥타이 형상;

   c)상기 정점 끝에서 상기 삼각형 부분 각각의 제1 쌍을 작동하게 연결하는 제1 연결자;

   d)상기 정점 끝에서 상기 삼각형 부분 각각의 제2 쌍을 작동하게 연결하는 제2 연결자를 포함하고, 여기서 상기 제1 쌍 및 제2 쌍이 서로에 대해 직교하게 위치된 교차된-요소, 굽은 선 부하 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   부가적으로 상기 면 틈새들에 위치된 두개 또는 그 이상의 용량성 플랩들을 포함하는 굽은 선 부하 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   부가적으로 상기 면 틈새들에 위치된 두개 또는 그 이상의 굽은 선 요소들을 포함하는 굽은 선 부하 안테나.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 상부 부재는 유전체 물질에 고착된 굽은 선 부하 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   각각의 상기 측면 부재는 유전체 물질에 고착된 굽은 선 부하 안테나.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 연결자 및 제2 연결자는 굽은 선 요소들인 굽은 선 부하 안테나.
7. a)그라운드 플레인;

   b)각 부분이 실질적으로 상기 그라운드 플레인으로부터 수직인 측면 부재 및 베이스 끝과 정점 끝을 갖는 삼각형-형상 상부 부재를 갖는 네개의 삼각형 부분들과 상기 상부 부재는 실질적으로 상기 그라운드 플레인에 평행하게 위치되고 상기 베이스 끝은 면 틈새에 의해 분리된 상기 측면 부재에 인접하고, 여기서 각각의 상기 정점 끝은 정점 틈새에 의해 분리된 서로에 대해 가깝게 인접해서 배열되는 이중 나비넥타이 형상;

   c)상기 정점 끝에서 상기 삼각형 부분들 각각의 대향하는 제1 쌍을 작동하게연결하는 제1 연결자;

   d)상기 정점 끝에서 상기 삼각형 부분들 각각의 대향하는 제2 쌍을 작동하게 연결하는 제2 연결자;

   e)상기 제1 쌍에 연결하는 제1 신호 입력; 및

   f)상기 제2 쌍에 연결하는 제2 신호 입력을 포함하고, 여기서 상기 제2 신호 입력은 상기 제1 신호 입력에 대해 거의 90도 위상차가 있는 교차된-요소, 원편파된 굽은 선 부하 안테나.
8. 제 7항에 있어서,

   부가적으로 상기 면 틈새들에 위치된 두개 또는 그 이상의 용량성 플랩들을 포함하는 굽은 선 부하 안테나.
9. 제 7항에 있어서,

   부가적으로 상기 면 틈새들에 위치된 두개 또는 그 이상의 굽은 선 요소들을 포함하는 굽은 선 부하 안테나.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 상부 부재는 유전체 물질에 고착된 굽은 선 부하 안테나.
11. 제 7항에 있어서,

    상기 측면 부재는 유전체 물질에 고착된 굽은 선 부하 안테나.
12. 제 7항에 있어서,

    상기 제1 연결자 및 제2 연결자는 굽은 선 요소들인 굽은 선 부하 안테나.