KR20040049305A - 상호 커플된 패치를 위해 최적화된 패치 안테나 여기를제공하는 시스템 및 방법 - Google Patents

상호 커플된 패치를 위해 최적화된 패치 안테나 여기를제공하는 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20040049305A
KR20040049305A KR10-2004-7003146A KR20047003146A KR20040049305A KR 20040049305 A KR20040049305 A KR 20040049305A KR 20047003146 A KR20047003146 A KR 20047003146A KR 20040049305 A KR20040049305 A KR 20040049305A
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patch
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antenna
differential
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KR10-2004-7003146A
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폴 다이아먼트
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더 트러스티스 오브 콜롬비아 유니버시티 인 더 시티 오브 뉴욕
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Abstract

안테나 어레이(20)(예를 들면, 마이크로스트립 패치 안테나)가 어레이(20)내에서 방사 소자(28) 사이의 상호 커플링(22)의 특정한 민감도를 이용하는 방식으로 작동한다. 다양한 차동 모드 여기 방안이, 예를 들면, 지정된 방향으로 방사 빔을 조준하고, 빔을 조종하며, 방사 빔의 형태를 만들고, 그리고/또는 특정한 방향에서 안테나의 이득을 최적화하는 것을 포함하여 어떠한 원하는 방사 특성을 구현할 수 있도록 최적의 차동 모드 전압(방사 소자(28)(예를 들면, 마이크로스트립 패치)에 인가되는 V1,V2또는 최적의 차동 모드 전류)을 결정하기 위해 제공된다.

Description

상호 커플된 패치를 위해 최적화된 패치 안테나 여기를 제공하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR PROVIDING OPTIMIZED PATCH ANTENNA EXCITATION FOR MUTUALLY COUPLED PATCHES}
마이크로스트립 안테나(또는 패치 안테나)는 작은 크기 및 무게를 요구하는 응용분야에 로우 프로파일(low-profile) 안테나 형태를 제공한다. 이와 같은 안테나는 또한 비행기의 공기역학적 프로파일과 같은 평면과 비평면 모두의 지지 구조 형태를 따를 필요가 있을 때 바람직하다. 이러한 안테나는, 금속 패치(또는 패치 방사체)가 일반적으로 유전체 기판 위에 포토 에치된다는 점에서, 프린트 회로 기술을 이용하여 제조하기 때문에 간단하고 값이 싸다.
일반적인 형태의 마이크로웨이브 패치 안테나는 패치가 가장자리로부터 방사한다는 것이다. 보다 엄밀히 말하면, 패치 안테나 어레이 소자가 공통 모드(즉, 동일 전압)에서 여기될 때, 형성되는 전기장은 소자 가장자리에서 프린지 필드(fringing field)를 제외하고, 각 표면 소자 아래의 유전체 공간으로 주로 제한된다는 것이다. 일반적으로 패치 안테나의 방사 메커니즘을 보는 관점은 공기 중으로 방사되는 가장자리에서의 프린지 필드이다. 실제로, 슬롯 방사 모델(예를 들면, 알.이.문손의 "등각 마이크로스트립 안테나와 마이크로스트립 위상 어레이", 전기전자기술자협회학회보고서 안테나 전파, 22권, 74-78페이지, 1974년 1월 참조) 또는 캐비티 모델(토로드의 "사각 패치를 위한 캐드-오리엔티트 캐비티 모델", 전기논문, 26권, 842-844페이지, 1990년 6월 참조)과 같은 다양한 모델과 이론적인 해석이 이러한 방사 메커니즘을 설명하기 위해 발전되어 왔다. 위의 슬롯과 캐비티 모델 모두 방사는 가장자리로부터만 발생한다고 가정한다. 예를 들면, 등각 맵핑, 모멘트 방법, 그리고 그린 펑션을 포함하여 이 분야에서 알려진 다른 모델들이 발전되고 있으며, 이들은 가장 자리가 아닌 전기장을 암묵적으로 포함한다. 그러나, 이러한 방법들은 방사 메커니즘에 한정적인 시각을 제공한다.
도 1은 유전체 기판(16)에 의하여 큰 평행 접지면(14)으로부터 일정 거리 떨어져 있는 작은 도전면(18)을 포함하는 대표적인 패치 안테나 어레이(10)를 도시한 것이다. 동일한 실수(real) 또는 복소수(complex)(실수와 허수 또는 진폭과 위상) RF 전압 V0가 각 표면(18)에 인가되었을 때, 실질적으로 캐패시터로 작용하지만 가장자리에서 상대적으로 약한 프린지 필드(12)(혼란을 피하기 위해, 기판으로 연속하는 전기장(12)은 도시하지 않음)을 갖는 전기장 패턴(15)이 유전체에 형성된다. 표면 아래에서 대략적으로 균일한 전기장(15)은 외부 공간으로부터 꽤 잘 보호되지만, 가장자리에서의 상기 프린지 필드는 방사 소자로서 행동할 수 있다. 가장자리 방사체의 이점을 이용하기 위해, 보다 높은 고차 모드(higher-order mode)로 캐패시터 구조를 여기시킬 필요가 있고, 다른 가장자리로부터 방사에 의한 상호 상쇄를 회피하기 위해 오프센터(off-center) 공급을 이용할 필요가 있다.
마이크로스트립 패치 안테나는 주로 저효율, 저전력, 좁은 대역폭, 그리고 나뿐 스캐닝 성능과 같은 안 좋은 작동상의 특징을 나타낸다. 더욱이, 패치 안테나는 주로 유전체 기판의 고차 모드를 발생시키기 위해 비대칭식으로 여기시키고 있고, 이것은 전기 공급 회로를 복잡하게 한다.
"상호 커플링"으로 불려지는 자연적 현상은 안테나 어레이의 패치가 차동 모드 여기(예를 들면, 다른 전압 진폭과 위상)로 되었을 때 일어난다. 특히, 두 개 또는 그 이상의 패치에 인가된 전압이 다를 경우, 전기장은 각 패치 아래에서 기판에 직접 형성될 뿐만 아니라, 한 패치로부터 다른 것의 끝단으로 방사하면서, 패치 위의 공기 중으로도 형성된다.
통상적으로, 패치 안테나 디자이너는 상호 커플링을 무시하거나 또는 그 효과를 감소시키려 한다. 그러나, 통상적인 패치 안테나 방안의 상술한 결함이나 단점을 극복하기 위해, 안테나 패치의 노출된 상면으로부터 효율적인 방사를 제공하기 위해 패치 사이의 상호 커플링을 이용한 안테나 어레이의 차동 모드 여기에 대한 구조의 개발은 매우 유익하다.
본 발명은 일반적으로 방사 소자(radiating elements)의 어레이(array)를 포함하는 안테나 및 소자 사이의 상호 커플링 효과를 이용하는 방식으로 어레이 소자를 여기(excitation)시키기 위한 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 방사가 단순히 가장자리보다는 대체로 전체 상면으로부터 발생 및 보내짐으로써, 방사율을 높이고 효율을 개선할 수 있는, 마이크로스트립 패치(microstrip patch) 안테나의 차동 모드 여기(differential-mode excitation)를 제공하는 시스템 및 방법, 그리고 모놀리식 마이크로 웨이브(monolithic microwave) 집적 회로(MMIC) 안테나 어레이에 관한 것이다.
본 발명에 따른 차동 모드 여기 방안은, 예를 들면, 전기적으로 방사빔을 나가게 하고, 방사빔을 형성하며, 지정된 방향으로 안테나 어레이의 이득을 최적화하는데 이용될 수 있다.
도 1은 공통 모드에서 작동하는 두 개의 패치에 대한 전기장 형상을 도시한 전형적인 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 차동 모드로 작동하는 두 개의 패치를 포함하는 안테나 어레이에 의해 발생하는 전기장 패턴을 도시한 전형적인 다이아그램이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 차동 모드 여기 방법을 이용한 네 패치의 정사각 어레이에 의해 발생하는 방사 원호의 사시도이다.
도 4는 주어진 차동 모드 전압 세트를 위해 방사 세기를 결정하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 5는 선택된 방향에서 방사를 최적화하기 위해 차동 모드 전압을 결정하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 6은 선택된 방향에서 안테나 이득을 최적화하기 위해 차동 모드 전압을 결정하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 7은 안테나 어레이의 차동 모드 여기를 제공하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 시스템의 개략적인 다이아그램이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 안테나 어레이에 전압을 공급하기 위한 장치와 방법의 개략적인 다이아그램이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 어레이에 전압 또는 전류를 공급하기 위한 장치 및 방법의 개략적인 다이아그램이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 어레이에 전압 또는 전류를공급하기 위한 장치 및 방법의 개략적인 다이아그램이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 어레이에 전압 또는 전류를 공급하기 위한 장치 및 방법의 개략적인 다이아그램이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 차동 모드 여기 방법을 이용하여 결정되는, 1/4 파장 떨어진 한쌍의 패치를 위해, 각각 세로 수직면과 가로 수직면을 위한 방사 패턴을 도시한 것이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 차동 모드 여기 방법을 이용하여 결정되는, 1파장 떨어진 한쌍의 패치를 위해, 각각 세로 수직면과 가로 수직면을 위한 방사 패턴을 도시한 것이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 차동 모드 여기 방법을 이용하여 결정되는, 1.3 파장 떨어진 한쌍의 패치를 위해, 각각 세로 수직면과 가로 수직면을 위한 방사 패턴을 도시한 것이다.
도 15a는 본 발명에 따른 차동 모드 여기 방법을 이용하여 결정되는, 자유 공간에서 4×4 사각 패치 안테나 어레이를 위한 수직면에서 방사 패턴을 도시한 전형적인 다이아그램이다.
도 15b는 자유 공간에서 커플링되지 않은 등방성 방사체의 4 ×4 사각 어레이를 위한 수직면에서 방사 패턴을 도시한 전형적인 다이아그램이다.
본 발명은 일반적으로 방사 소자의 어레이를 포함하는 안테나 및 소자 사이의 상호 커플링 효과를 이용하는 방식으로 어레이 소자를 여기시키기 위한 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 방사가 단순히 가장자리보다는 전체 상면으로부터 발생 및 보내짐으로써, 방사율을 높이고 효율을 개선할 수 있는 시스템, 마이크로스트립 패치 안테나의 차동 모드 여기를 제공하는 방법 및 모놀리식 마이크로 웨이브 집적 회로 안테나 어레이에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 단순히 가장자리보다는 대체로 패치의 전체 상면으로부터 방사가 발생하고 보내져 방사율이 높아지는 동시에 효율이 개선됨으로써, 다른 어레이 소자(예를 들면, 패치)에 다른 라디오 프리퀀시(RF) 전압 또는 전류를 부과하는 차동 모드 여기 방법을 안출하고 규정하는데 있다. 실제로, 본 발명에 따른 차동 모드 여기 방법은 상호 커플링 효과로 어레이 소자의 특정한 민감성을 이용하는 방식으로 안테나 어레이가 작동됨으로써, 어레이가 단순히 가장자리 대신 패치의 상면으로부터 풍부하게 방사한다.
본 발명에 따른 다양한 방법이 특정한 방사 특성을 갖도록 어레이의 소자에 인가되는 최적의 차동 모드 전압 또는 전류를 발생하도록 제공된다. 예를 들어, 차동 모드 여기 방안은 방사빔의 전기적 조종, 방사빔의 형성, 그리고 지정된 방향으로 안테나 어레이의 이득을 최적화할 수 있도록 해준다.
본 발명의 한 예로서, 안테나 시스템은 방사 소자의 어레이, 방사 소자를 여기시키도록 차동 모드 전압 또는 전류를 공급하기 위한 전압 발생 시스템(예를 들면, 컴퓨터를 기본으로 한 시스템), 그리고 차동 모드 전압 또는 전류가 방사 소자에 인가될 때, 방사빔이 어레이의 방사 소자 사이에서 상호 커플링으로부터 발생되는 방사 소자에 차동 모드 전압 또는 전류를 공급하는 장치를 포함한다.
본 발명의 다른 예로서, 차동 모드에서 안테나 어레이 작용으로부터 방사되는 방사 패턴을 결정하기 위한 효율적인 그러나 정확한 모델을 제공하는 방사 모델을 이용하여 결정되는 복소수의 흐름(여기 전압 또는 전류를 나타냄)을 발생시킬 수 있도록 컴퓨터가 채택된다. 최적의 여기 전압 또는 전류는 방사빔의 조준 또는 조종 또는 이득의 최적화와 같은 가능한 목적중의 하나를 이룰 수 있도록 결정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 예로서, 미리 결정된 복소수에 의해 규정되는 진폭과 위상으로, 개별적으로 각 방사 소자를 향하는 여기 RF 전압 또는 전류를 공급하기 위해 다양한 장치 및 방법이 제공된다. 방사된 빔의 조종은 패치의 전압 또는 전류로서 제공되는 복소수의 새로운 리스트의 반복적인 발생으로 이루어진다.
본 발명의 이러한 예와 다른 예, 목적, 특징 그리고 장점은 첨부되는 도면과 관련하여 이해되는 바람직한 실시예의 상세한 설명에서 설명되고 확실해질 것이다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
바람직한 실시예인 아래 상세한 설명은 용이한 이해를 위해 다음과 같은 섹션으로 나뉘어진다. 섹션 Ⅰ은 본 발명에 따른 차동 모드 여기 아래 작동하는 안테나 어레이의 형상 및 장점의 일반적인 개요를 제공한다. 섹션 Ⅱ는 본 발명에 따른 안테나 어레이의 차동 모드 여기를 제공하기 위한 시스템 및 방법의 바람직하고 전형적인 실시예의 상세한 검토를 제공한다. 섹션 Ⅲ는 차동 모드에서 안테나 어레이를 작동하기 위한 안테나 어레이에 전압 또는 전류를 공급하기 위한 다양한 실시예를 설명한다. 섹션 Ⅳ는 차동 모드 작동에서 패치 안테나의 어레이로부터 방사를 결정하기 위한 방법의 상세한 설명을 제공한다. 여기서, 차동 모드에서 작동할 때 패치 안테나 어레이 위의 공기 중에서 전기장 구조를 결정하기 위해 모델이 전개된다.
Ⅰ. 일반적인 개요
본 발명은 두 개 또는 그 이상의 개별적으로 여기 가능한 패치가, 다른 진폭 및 위상을 갖는 적어도 한 전압 또는 전류로, 패치의 여기가 적절한 차동 모드일 때, 단순히 가장자리로부터인 대신 외부 표면으로부터 방사하도록 패치를 허용하는 방법으로 상호 커플링 현상을 통해 기능할 수 있다는 발견을 이용한다. 더욱 상세하게, 그것은, 다른 전압 또는 전류가 안테나 어레이(즉, 차동 모드 여기)에서 두 개 또는 그 이상의 패치에 적용될 때, 전기장은 한 패치 또는 다른 종단 패치로부터 방사하면서, 직접 각 패치 아래의 기판 내측 뿐만 아니라, 패치 위의 공기 중으로도 존재하는 것으로부터 결정된다.
도 2는 본 발명에 따른 차동 모드에서 작동될 때 패치 안테나 어레이(20)에 의해 발생하는 전기장 패턴을 도시한 전형적인 다이아그램이다. 패치 안테나 어레이(20)는 두 개의 작은 도전면(28), 유전체 기판(26)에 의해 일정 거리 이격된 큰 평행 접지면(24)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 커플링 전기장 패턴(22)은 패치 위의 공기 중에서 존재한다. 공기중의 커플링 전기장(22)은 보호되지 않는다. 상기 커플링 전기장(22)은 풍부하게 방사하고, 패치의 가장자리뿐만 아니라, 각 패치(28)의 전체 영역과 부합하는 공간 영역을 차지한다. 더욱이, 전기장 패턴(25)은 각 패치(28) 아래의 기판(26) 내측에 직접 존재한다. 여기서, 약한 프린지필드(fringing field)도 패치(28)의 가장자리 및 기판(26) 내에 존재하지만, 혼란을 피하기 위해, 그와 같은 약한 전기장의 도시는 도 2에서 생략되었음을 유의하여야 한다.
상기 전기장 패턴(22,25)은, 예를 들어 두 개의 다른 RF 실수 또는 복소수 전압 V1및 V2에 의해 여기된다. 상기 커플링 전기장(22)은 패치 사이의 전위차를 필요로 하고, 본 발명에 따라, 상기 패치는 어레이가 차동 모드로 작동할 때에 방사체로서 효과적이다. 상기 패치 위의 공기 중에서 상기 커플링 전기장(22)은 적절하게 진동하고, 그러므로 공간 외부로 방사하는 변위 전류를 구성한다. 일반적으로, 상기 커플링 전기장(22)은 한 패치로부터 다른 패치로 향하며, 반듯이 시작단과 끝단에서 도전 패치면에 대하여 수직을 이룬다. 도 2에서, 공기 중에서 두 패치(28) 사이의 상호 커플링을 제공하는 전기장 라인(22)은 반원 형태로 도시되어 있다. 상기 전기장 패턴(22)의 반원 형태는 전기장 패턴의 계산 편의를 위해 이용되는 근사치임을 유의하여야 한다. 실제로, 다른 것을 따르는 실제 전기장 라인은,각 패치의 표면에서 수직을 이루면서, 하나의 패치로부터 다른 패치를 항하며 공기를 관통한다. 이해를 위하여, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 차동 모드 여기 방법을 이용한 네 패치의 사각 어레이에 의해 발생되는 여섯 개의 방사 원호를 도시한 전형적인 사시도이다.
패치의 쌍을 커플링하는 반원 형태의 전기장 라인으로부터 방사 분석은 커플되지 않은 소자 방사의 어레이 방식과 상당히 다른 방식으로 패치가 방사함을 보여준다. 실제로, 본 발명은 차동 모드로 여기되는 패치 사이의 상호 커플링을 직접적이고 계획적으로 사용할 수 있도록 하여 높이 평가된다. 그와 같은 상호 커플링은 통상의 가장자리 방사에 대한 작은 보정에 그치지 않고, 주요 방사 메커니즘을 나타낸다. 차동 모드 작동에서 패치 안테나 어레이 작동에 의해 방사되는 방사 패턴을 결정하기 위한 상세한 해석은 아래의 섹션Ⅳ에서 제공된다. 일반적으로, 해석을 위해, 방사 모델은 커플링 전기장이 반원형 원호를 포함하고, 이러한 원호를 따르는 전기장 세기는 그들의 평균값으로 대체될 수 있는 것으로 가정한다. 이와 같이 가정된 전기장의 푸리에 변환(Fourier transform)은 어떠한 방향으로도 방사 패턴을 제공한다. 본 발명에 따른 방사 모델은 방사 패턴이 간단하고, 안정적인 재현 관계의 해답으로 계산을 줄이는 것에 의해, 효과적으로 결정되도록 한다.
일반적으로, 본 발명에 따른 차동 모드 여기 방안을 이용한 패치 안테나 어레이는 공통 모드 여기를 이용한 통상적인 디자인으로는 얻을 수 없는 많은 특징과 장점을 제공한다. 예를 들어, (기판으로부터 수직으로 떨어져 있는) 현측(舷側) 방사는 패치 소자의 차동 모드 여기로 이루어질 수 있으나, 공통 모드 여기로는 이루어질 수 없다. 더욱이, 차동 모드 여기를 이용한 지정된 방향으로의 어레이 방사는, 공통 모드 여기로서, 패치에 대한 보통의 점진적 위상을 필요로 하지 않는다.
더욱이, 통상의 어레이 안테나를 디자인할 때에 적용되는 몇 가지 규칙이 본 발명에 따른 차동 모드 여기 방안에는 적용되지 않는다. 예를 들어, 커플링되지 않은 위상 어레이 안테나의 "공간 팩터(space factor)"로 잘 알려진 것에 기초하는 계산, 등방성 방사체는 일반적으로 본 발명에 적용 가능하지 않다. 통상적으로, 패치 안테나 디자이너는 빔의 원하는 이득 및 형상을 얻기 위해 "공간 팩터"(적절한 크기, 형상, 그리고 어레이 간격)를 먼저 디자인해야 한다. 그러나, 빔 형상 측면에서, 패치의 형상이 차동 모드 여기를 이용한 독창적인 디자인에서 중요한 고려 사항이 아닌 것은 높이 평가되어야 한다. 차동 모드에서 작동하는 안테나 어레이의 패치 크기에 주어진 주요 고려 사항은 빔의 형상이 아니고, 빔의 전체적인 전력이다. 더욱이, 아래에 상세히 설명된 바와 같이, 그것은 방사 특성을 제어하는 패치 사이의 간격이다.
차동 모드에서 작동하는 안테나 어레이의 다른 특성은 방사 세기가, 예를 들면, 어레이의 각 패치 영역에 기초하여 방사 세기가 변하는 통상적인 방안에 대비되어야 하는, 어레이에서 모든 패치 영역의 사각에 기초하여 변한다는 것이다. 더구나, 본 발명에 따른 차동 모드에서 작동하는 안테나 어레이는 사각일 필요가 없고, 평면일 필요도 없다. 또한, 상기 패치는 심지어 등간격일 필요도 없다.
더욱이, 본 발명에 따라 차동 모드로 여기된 상호 커플링된 패치 M의 어레이는 단순히 M으로 격리된 방사체가 아닌, M(M-1)/2의 수집물을 효과적으로 구성한다. 예를 들어, 64 패치의 어레이(예를 들면, 8×8 어레이)는 64×63/2=2,016의 패치 방사체를 효과적으로 포함한다. 유사하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 4 패치의 사각 어레이(2×2 어레이)는 4×3/2=6 패치 방사체를 포함한다. 도 3은 어레이 사각의 코너에 위치된 4 패치를 커플링하는 6개의 전기장 라인을 도시하고 있다. 이러한 여섯 개의 각 원호는 4 패치 어레이로부터의 방사에 기여한다. 본 발명의 다른 장점 및 특징은 여기서 개시되는 것에 기초하여 통상의 지식을 가진 자에게 명백해질 것이다.
Ⅱ. 안테나 어레이의 차동 모드 여기를 위한 시스템 및 방법
본 발명은 마이크로스트립 패치 안테나 어레이와 같은 안테나 어레이를 이용하고, 디자인하며, 최적화하는 신규한 시스템 및 방법을 제공한다. 안테나 어레이의 차동 모드 여기를 위해, 여기에 기술된 다양한 방법은 이득을 최적화하고, 형상을 조정하며, 그리고/또는 안테나 어레이로부터 방사되는 빔의 방사율을 조정하도록 어레이에 적용된다. 더욱이, 어레이 패치 사이의 최적 간격을 결정하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명에 따라 여기서 기술된 시스템 및 방법은 다양한 형태의 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 특정 목적 프로세서, 또는 그들의 조합으로 실시될 수 있음을 유의하여야 한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 차동 모드 여기를 제공하기 위해 여기서 기술되는 방법은 하나 또는 그 이상의 프로그램 저장 장치(예를 들면, 마그네틱 플로피 디스크, RAM, CD ROM, ROM 그리고 플래시 메모리)에 실제적으로 수록되고, 적절한 컴퓨터 아키텍처를 포함하는 어떠한 장치 또는 기계인 프로그램 명령을 포함하는 어플리케이션으로서 소프트웨어에서 바람직하게 실시된다.
첨부된 도면에 도시된 구성 시스템 모듈 및 방법 스텝은 소프트웨어에서 바람직하게 구현되기 때문에, 시스템 구성 요소(또는 프로세스 스텝의 순서) 사이의 실제적인 연결은 본 발명이 프로그램되는 방식에 따라 다를 수 있음을 유의하여야 한다. 여기서, 개시된 것에 의해 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진자는 상기한 것들, 그리고 본 발명의 유사한 실시 또는 구성을 생각할 수 있을 것이다.
도 7은 안테나 어레이의 차동 모드 여기를 제공하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 시스템의 개략적인 다이아그램이다. 상기 시스템은 도 4-6에 관련하여 아래에 설명된 프로세스를 실행하는 컴퓨터 시스템(100)을 포함한다. 일반적으로, 컴퓨터 시스템(100)은 도 4-6의 스텝을 실행하기 위해 프로세스되는 프로그램 명령어를 포함하는 한 개 또는 그 이상의 어플리케이션인 메모리(예를 들면, 로컬 하드 드라이브, RAM)에 적당할 것이다. 이러한 어플리케이션은 C++ 또는 자바와 같은 어떠한 원하는 프로그램 언어로도 쓰여질 수 있다. 게다가, 상기 어플리케이션은 상기 컴퓨터 시스템(100)에 직접 접속된 상태이거나, 통신 네트워크(예를 들면, 인터넷, LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network))를 통하여 한 개 또는 그 이상의 원격 서버에 분배될 수 있다.
상기 컴퓨터 시스템(100)은 인터페이스(130)(A/D(Analog-to-Digital) 인터페이스와 같은)를 경유하여 외부 소오스(인공위성 비컨(beacon)과 같은)로부터 입력을 받는다. 게다가, 컴퓨터 시스템(100)은 키보드, 마우스, 스캐너, 메모리 저장장치, 그리고 그 등가물(도시되지 않음)을 경유하여 입력받을 수 있다. 상기 컴퓨터 시스템(100)에 의해 생성된 출력은, 바람직하기로, 인터페이스(110)(D/A(Digital-to-Analog)인터페이스와 같은)를 경유하여 패치 안테나 어레이(120)에 전송된다. 인터페이스(110)는 각각의 전압 또는 전류를 복소수로 변환할 수 있도록 형성될 수 있다. 비록 상기 인터페이스(110)(130)는 별개의 부분으로 도시되어 있으나, 그와 같은 인터페이스 또는 관계된 기능은 호스트 컴퓨터 시스템(100)에 포함될 수 있다. 게다가, 상기 출력은 디스플레이, 프린터, 메모리 저장 장치 및 그 등가물에 출력될 수 있다. 상기와 같은 입력 및 출력 파라메터의 예는 도 4-6을 참조하여 기술될 것이다.
본 발명의 한 실시예에서, 상기 컴퓨터 시스템(100)은 차동 모드 전압이 상기 패치 안테나 어레이(120)에 적용되도록 결정되고, 어떤 원하는 방사 특성을 이루도록 상기 어레이(120)를 여기시키는데 이용되는 복소수(전압을 나타냄) 스트림(stream)을 형성한다. 여기서, 상기 원하는 방사 특성이란 예를 들면, 미리 정해진 방향에서 방사된 빔을 조준(aiming)하고, 빔을 조종(steering)하고, 그것을 형성(shaping)하며, 그리고/또는 특정한 방향에서 안테나의 이득을 최적화하는 것을 말한다. 방사된 빔의 조종은 상기 패치에 전압으로서 인가되는 복소수의 새로운 리스트를 반복적으로 내보냄으로써 이루어진다. 다른 실시예에서, 상기 컴퓨터 시스템(100)은 차동 모드 전류가 상기 패치 안테나 어레이(120)에 인가되도록 결정하고, 그와 같은 전류를 나타내도록 복소수 스트림을 형성한다.
적절한 전자 회로가, 계산된 복소수에 의해 규정된 진폭 및 위상으로, 각 패치에 개별적으로 어드레스를 지정하여 RF 전압(또는 전류)을 전달하도록 채택된다. 안테나 어레이(120)에서 각 패치에 전압 V1,V2,...Vn(또는 전류 I1,I2,...In)(이것들은 컴퓨터 시스템(100) 및/또는 인터페이스(110)에 의해 형성됨)을 공급하기 위한 본 발명에 의한 바람직한 실시예에 따른 다양한 방법이, 예를 들면, 도 8-11을 참조하여 설명된다. 물론, 상기 패치에 전압 또는 전류를 공급하기 위한 다른 적절한 방법들도 실시될 수 있음은 당연하다. 상기와 같은 공급 회로는 예를 들면, 안테나 어레이(그러나 상기 안테나 어레이는 인쇄 회로 안테나가 아닌 다른 형태가 될 수도 있다)를 통합시키는 인쇄 회로로 집적될 수 있다. 일반적으로 공통 모드 여기가 사용되지 않기 때문에, 상기 패치에 전압 또는 전류를 공급하는 전기적 공급은 오프 센터(off-center)일 필요가 없다.
일반적으로, 도4-6은 본 발명에 따른 안테나 어레이의 차동 모드 작동을 공급하기 위한 다양한 방법을 도시한 순차 다이아그램이다. 본 발명에 따른 어레이 소자 여기의 최적화는 알려지지 않은 여기 전압에서 이차 방정식 형태의 비율로 상기 방사 세기를 표현하여 이루어진다. 도4-6을 참조하여 상세하게 설명하겠지만, 선형대수학 방법이 이차 방정식 형태의 코어에서 행렬의 최적 고유값(eigenvalue) 및 이것과 관계된 고유벡터(eigenvector)를 추출하기 위해 적용된다. 유사하게, 어레이 이득의 최적화가, 이득이 소위 최적 "일반화" 고유값에 기초하여 계산된, 두개의 이차 방정식 형태의 비율로서 이득을 나타내어 이루어진다. 더욱이, 아래에서 상세하게 설명하겠지만, 소위 일반화된 고유벡터가 예를 들면 최적 전압 할당에 상호 관계한다.
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 차동 전압의 주어진 셋트에 대하여 방사 세기를 결정하는 방법인 플로우챠트가 도시되어 있다. 더욱 상세하게, 도 4는 본 발명에 따라 선택된 방향에서 선택된 또는 임의의 전압을 위해 방사 세기를 결정하기 위한 방법을 도시한 플로우챠트이다. 처음에, 다수의 파라메터가 시스템(스텝 40)에 입력된다. 이해를 위해, 3 ×2 패치 어레이 안테나의 방사 세기를 결정하고, 상기 입력 파라메터(스텝 40)는 아래와 같은 것으로 가정한다. 패치 방사의 개수 M=6(즉, 3×2), 각 패치의 이격 거리 h=0.5cm, 상향각 θ=30도, 그리고 방위각 φ=15도. 이러한 변수가, 예를 들면, 프로세싱을 위해 도 7의 컴퓨터 시스템(100)에 입력될 수 있다.
패치 안테나, 그리고 그것으로부터 방사하는 방사 빔은, x, y, z축 도면상에 도시될 수 있다. 여기서, 상기 x와 y축은 수평면 상에 있고, 상기 z축은 수평 x, y축면에 대하여 직각인 수직면이다. 평면 패치 안테나의 경우, 상기 패치는 수평 x, y축면상에 있다. 상기 방위각 φ는 수평 x축으로부터 수직 z축 주의의 각도를 나타내고, 상기 상향각 θ는 수직 z축으로부터 각도를 나타낸다. 용어은 방위각 φ와 상향각 θ에 의해 제공되는 방향에서 가리키는 단위벡터이다. 특히,은, x요소가 sinθcosφ와 같고, y요소가 sinθsinφ와 같으며, z 요소가 cosθ와 같은, x,y,z축 요소로 분해될 수 있다. 여기서, 상향각 θ는 아래 섹션 Ⅳ의 식(5)-(9)에서 반원 원호를 표시하는 각도 θ와는 다른 것임을 유의하여야 한다.
또한, 패치 kh(즉, 파장에 관련된 간격)의 간격을 입력하기 위해, 상기 상수 k(진공 파장 번호)는를 계산하여 결정된다. 여기서, λ는 자유 공간에서의 파장이다. 그러므로, λ=1.0cm라고 가정하면,이다.
입력 파라메터가 제공된 후, Q 행렬이 결정된다.(스텝 44) 여기서,은, 관측점의 방향 및 패치 어레이의 기하학적 구성에 의존하지만, 전압 여기에는 의존하지 않는 M ×2 행렬을 포함한다. 아래의 섹션 Ⅳ에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 상기 Q 행렬은 수식(3)-(23)을 이용하여 바람직하게 결정되고, 예를 들면 도 7의 컴퓨터 시스템(100)에서 실행된다. 특히, 상기 Q 행렬을 결정하기 위해, 행렬 W가 수식(3)-(23)을 이용하여 먼저 결정된다. 행렬 W가 결정되면, 상기 Q 행렬은 수식 WㆍH를 이용하여 결정된다. 여기서, W는의 영 공간(null space)을 표시하는 3×2 정규직교(orthonormal) 행렬을 포함한다. 섹션 Ⅳ에서 설명되는 바와 같이, 행렬 W와 H는 각각의 행렬 수식에 의해 표시될 수 있고, 이와 같이 하여 통상의 선형대수학 방법이 6×2 Q행렬을 계산하기 위해 이용될 수 있다. 여기서, 행렬 Q(그리고 그것의 에르미트 공액(hermitian conjugate) Q', 즉, 복소수 공액전치(transpose) Q'는 섹션 Ⅳ의 수식(1)-(2)의 전하 Q1 및 Q2와 다른 것임을 유의해야 한다. 스텝 40에서 위의 입력 파라메터를 이용한 전형적인 실시예에서, 상기 Q 행렬이 아래의 표1에 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 각 열두개의 값은 실수와 허수(i) 요소를 갖는 복소수이다. 상기 에르미트 공액 Q' 행렬은 이제 복소수의 2×6으로서 계산될 수 있다.
이제 임의의 입력 전압(선택되거나 또는 임의인 전압)이 컴퓨터 시스템(100)(스텝 42)에 입력된다고 가정하자. 여섯개의 패치가 있는 전형적인 실시예에서는, 여섯개의 전압이 있을 것이다. 예를 들어, 상기 전압은 V=1,2,-1,3,-2,2일 수 있다. 전압중 어떤 것은 (이 예와 같은) 값에서 같을 수 있다. 더욱이, 도시된 이러한 전압이 실수 값이라고 해도, 물론 복소수 값일 수 있다.
다음으로, 지정된 방향에서 방사 세기가 결정되고 컴퓨터 시스템(100)으로부터 인터페이스(110)를 경유하여 패치 안테나(120)에 출력된다.(스텝 46) 상기 방사 세기는 섹션 Ⅳ의 수식(26)인으로서 바람직하게 결정된다. 스텝 40으로부터, 변수 M과 λ는 알려져 있다. 더욱이, η 0 는 자유 또는 빈 공간(공기)의 임피던스를 나타내고, 377Ω과 같은 상수이다. 아래의 섹션 Ⅳ에 상세히 설명된 바와 같이, 상기 행렬 V는 (위의 예에서) 실수 또는 복소수 전압 여기 |V|=VㆍV'의 1×M 줄(row) 벡터를 포함하고, V'는 V의 에르미트 공액이다.
수식(26)에서 (스텝 40 및 42의) 입력 파라메터를 이용하여, 상기 방사 세기는 0.4170으로 결정된다. 또한, 상기 방사 세기는로 표시될 수 있음을 유의하여야 한다. 단위 입체각당 왓트(watts)로 방사 세기 값을 변환하기 위해, 각 패치 방사체 A의 영역은 입력(스텝 40) 파라메터일 수 있고, 그리고 수식(26)을 이용한 컴퓨터 시스템(100)에 의해 계산될 수 있다. 예로서, 상기 영역 A는 4mm2와 동일할 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 선택된 방향에서 방사를 최적화하도록 전압을 결정하기 위한 방법인 플로우챠트를 도시하고 있다. 더욱 상세하게, 도 5는 선택된 방향(주어진 상향각과 방위각)에서 최적 방사 세기을 제공하도록 전압(실수 또는 복소수)을 결정하기 위한 방법을 도시한 플로우챠트이다. 최초에, 다수의 파라메터가 상기 시스템에 입력된다.(스텝 50). 이해를 위해, 입력 파라메터는 위에서 설명한 도 4의 스텝 40에서 입력한 파라메터와 같다. 더욱이, M=6, kh=3.1, 상향각 θ=30°, 그리고 방위각 φ=15°라고 계속 가정한다. 다시 이러한 변수가 예를 들면 도 7의 컴퓨터 시스템에 입력된다.
다음으로, Q 행렬이 도 4의 각 스텝 44에서 설명된 바와 같은 유사한 방법으로 식(3)-(23)을 이용하여 바람직하게 결정된다.(스텝 52) 따라서, 같은 파라메터를 이용하기 때문에, 아래에 도시된 표2의 상기 Q 행렬은 표1과 동일하다.
다음으로, 최적 고유값 및 최적 고유벡터가 식(26)이 이용되어 결정된다.(스텝 54) 고유값과 고유벡터가 강한 방사 세기 값을 제공하도록 바람직하게 선택된다. 고유값 및 고유벡터는 모두 방사 세기를 최적화하는 QQ' 행렬로부터 고유값 및 고유벡터를 추출하도록 이미 알려진 선형대수학 방법을 이용하여 결정된다. 아래에 설명된 바와 같이, Q행렬은 6×2행렬이고, Q'행렬은 2×6 행렬이다. 따라서, 상기 QQ'행렬은 정사각 6×6행렬이다. 6×6행렬에서, 여섯 개의 고유값과 여섯개의 상응하는 고유벡터가 고유하게 나타난다. 여섯 개의 고유벡터와 각각의 고유값을 고려하여, n×2 행렬에서, 네 개(n-2, 여기서 n=6)가 0의 값이 될 것이고, 한 개는 큰 값이 될 것이며, 그리고 한 개는 작은 값이 될 것이다. 상기 큰 값은 "가장 좋은"(즉, 최적화된) 고유값으로 간주된다. 상응하는 고유벡터는 최적의 방사 세기로 공급될 전압으로 선택된다.
전형적인 실시예에서, 상기 최적 고유값은 3.9594로 간주되고, 최적 고유벡터(즉, 최적 전압)는 아래 표3에 도시되어 있다. 여기서, 상기 고유벡터는, 각각이 전압을 표시하는, 여섯 개를 포함함을 유의하여야 한다.
그러면, 최적화된 방사 세기(최적 고유값)가 컴퓨터 시스템(100)으로부터 출력된다.(스텝 56) 상술한 바와 같이, 최적화된 방사 세기는 3.9594이다. 같은 방향(상향각 및 방위각)을 위하여, 이와 같이 최적화된 방사 세기 값은, 임의의 전압을 이용하여 결정된 도 4(0.4170)의 방사 세기보다도, 거의 10배 강함을 유의하여야 한다. 따라서, 도 5의 방법은 주어진 방향(주어진 상향각 및 방위각)을 위하여 최적 방사 세기를 공급하는 여기 전압(실수 또는 복소수)을 결정하도록 바람직하게 이용된다.
도 6은 본 발명에 따른 선택된 방향(상향각 및 방위각)에서 안테나 이득을 최적화하도록 전압(실수 또는 복소수)을 결정하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 방법을 도시한 플로우챠트이다. 본질적으로, 상기 최적 이득은 가능한 "가장 날카로운(sharpest)" 방사 빔일 것이다. 초기에, 다수의 파라메터가 시스템에 입력된다.(스텝 60) 이해의 편의를 위해, 상기 입력 파라메터는 위에서 설명한바와 같이, 도 4의 스텝 40에서 입력된 동일한 파라메터이다. 더욱이, M=6, 상향각 θ=30°, 그리고 방위각 φ=15°임을 계속해서 가정한다. 그러나, 이 예에서, kh=1.8로 가정한다. 다시 한번, 이 변수가 컴퓨터 시스템(100)에 입력될 수 있다.
다음으로, Q행렬가, 위에서 언급한 도 4의 각 스텝 44과 같은 방법으로 식 (3)-(23)을 이용하여 바람직하게 결정된다.(스텝 62) kh=1.8의 값을 이용하여, 상기 Q 파라메터가 다음과 같이 결정된다.
다음으로, 이득 행렬이 결정된다.(스텝 64). 상기 전형적인 3×2 패치 어레이를 위한 이득 행렬은 6×6 사각 행렬을 포함할 것이다. Q 행렬이 보통 복소수를 포함할 때, 이득 행렬은 실수를 포함한다. 이득 행렬은 방사 세기의 총 전력 P를 처음 결정하는 것에 의해 결정된다. P를 결정하기 위해, 식(26)이 (선택된 방향만이 아닌) 모든 방향에 대하여 적분된다. 즉,이다. 더욱이, P는 또한 Vㆍ이득 행렬ㆍV'와 같다. 상기 총 전력 P가 한번 계산되면, 상기 평균 전력은 4π로 나누어지는 것에 의해 결정될 수 있다. 이득=방사 세기/평균 전력이므로, 상기 이득은 다음과 같이 표현될 수 있다.
상기 이득식은 분자로서 이차 방정식 나누기 분모로서 이차 방정식 형태임을 유의한다. 전형적인 실시예에서, 상기 이득 행렬은 아래 표 5에 도시되어 있다.
상기 이득 행렬이 한번 결정되면, 상기 Q의 고유값과 고유벡터, 그리고 방사 세기를 최적화하는 이득 행렬이 결정된다.(스텝 66) 더욱 상세하게, 바람직한 실시예에서, 표준 선형대수학 방법이 최적의 "일반화된(generalized)" 고유값과 여섯 개의 "일반화된"고유벡터를 추출하거나 결정하기 위해, 컴퓨터 시스템(100)에 의해, 이차 분자와 이차 분모상에 이용된다. 상기 "일반화된" 고유값/고유벡터는 상기 두개의 이차 방정식의 비율에 바탕을 두고 있다. 반면, 도 4와 도5의 상기 고유값/고유벡터는 단지 한 개의 이차 방정식(QQ'행렬)만을 취급한다. 상기 최적의 일반화된 고유벡터는 최적화된 여기 전압(아래의 표 6에 도시됨)이고, 상기 최적의 일반화된 고유값은 최적화된 이득이다. 전형적인 실시예에서, 상기 최적 이득(즉, 일반화된 고유값)은 2.2428로 결정된다. 그러면, 상기 최적화된 전압과 이득은 컴퓨터 시스템을 통하여 출력된다.(스텝 68)
위의 도 4-6에서 설명된 전형적인 실시예는 단지 일례일 뿐임을 유의하여야 한다. 예를 들어, 위에서 언급된 상기 일례가 되는 입력과 출력 파라메터는 본 발명의 범위에 어떠한 한정을 가하도록 구성되지 않는다. 더욱이, 위의 전형적인 방법이 차동 모드 전압을 위해 설명됨에도 불구하고, 상기 방법과 해석은 차동 모드 전류를 위해 동일하게 적용할 수 있다. 수많은 선택적 실시예가 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어남 없이 여기서 개시된 것을 바탕으로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 손쉽게 안출될 수 있다.
본 발명에 따른 차동 모드에서 안테나 어레이 작동은 현재 사용 가능한 것보다 현저하게 우수한 효율로 대량의 정보를 주고받기 위해 비행기, 이동 주택차, 자동차, 빌딩, 셀룰라 폰, 그리고 무선 모뎀(몇개만 지칭함)과 같은 응용 분야에 편리하고 효율좋게 이용된다는 것을 높이 평가하여야 한다. 예를 들어, 비행기는 본 발명에 따른 안테나 방사를 통하여 인터넷 접근 및 영화를 효율좋게 제공할 수 있을 것이다. 더욱이, 본 발명에 따른 안테나 방사는 미국 특허 출원 번호 09/503,097에 개시된 명칭 "모바일 브로드캐스트 비디오 인공위성 터미널 및 인공위성과 통신하기 위한 방법"과 같은, 모바일 비디오 터미널에 특히 유용하다.
여기에서 개시된 상호 커플링 효과를 이용하는 독창적인 시스템 및 방법은 패치 또는 안테나의 다른 형태로 한정되지 않음을 높이 평가하여야 한다. 실제로, 본 발명은 상호 커플링되는 소자의 어떠한 어레이에도 응용 가능하다. 상호 커플링 현상을 이용하는 것에 의해, 종래 그것을 금지하는 생각과는 반대로, 본 발명은 상호 커플링 효과를 나타내는 어떠한 매개물을 통해서도 정보의 효율적인 송신 및 수신을 가능하게 해준다. 게다가, 본 발명은 빛 그리고/또는 열을 방사하는 장치에 응용 가능하다. 예를 들어, 마이크로웨이브 오븐은 보다 효율적으로 열을 방사하는 독창적인 방안을 채택할 수 있다. 이와 유사하게, 조명 장치는 예를 들면, 페인트를 건조하는데 더욱 효율적으로 빛을 방사하는 독창적인 방안을 채택할 수도 있다.
Ⅲ. 전압과 전류를 공급하기 위한 시스템 및 방법
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 안테나 어레이에서 패치소자에 전압 또는 전류를 공급하기 위한 다양한 디바이스와 방법이 그림 8 내지 11을 참조하여 설명될 것이다.
도 8은 패치를 피딩하기 위한 하나의 바람직한 구조를 도시하며, 이는 상기 패치의 상부로 관통하는 짧은 프로브(short probe)(90)를 이용한다. 바람직하게는, 상기 프로브(90)는 다른 부분이 상기 패치 아래에서 끝나고, 동축선의 중심 전도체의 연장된 부분을 구비한다. 표시된 바와 같이, 상기 프로브(90)는 상기 패치의 중심에 위치하고 상기 패치의 평면에 수직으로 위치한다. 상기 프로브(90)는 반경 a0로 얇고, 길이 l0로 짧으며, 상기 패치 m에 대하여 전류 Im에 의하여 여기된다. 상기 전류는 패치의 아래로부터 상기 프로브에 들어가며, 그리고 상기 입구(entry point)는 포트 또는 서킷으로 구성된다. 상기 프로브 전류는 상기 패치의 상부에서 수직으로 오리엔트된 전기장(electric field)을 여기시킨다. 상기 전계는 하나의 패치를 다른 패치와 결합시킬 수 있다.
그림 9는 패치를 피딩하기 위한 다른 바람직한 구조를 나타내며, 이는 작은루프(91)를 사용한다. 바람직하게는, 상기 루프(91)는 동축선의 연장된 중심 전도체를 구비하며, 이는 상기 패치의 상부에 그 끝이 패치상에서 끝나는 적정한 크기의 루프를 형성한다. 상기 루프는 다른 편리한 형상을 할 수 있으며, 반드시 반원일 필요는 없다. 상기 루프 전류는 패치 상부의 공간에서 수평으로 오리엔트된 자기장(magnetic field)을 형성하며, 이 필드는 하나의 패치와 다른 패치를 결합시킬 수 있다.
도 10은 다른 바람직한 피드 기구를 나타내며, 패치는 도시된 작은 구멍 하나로 구성되며, 베쓰(bethe) 홀 커플링 이론에 따라 디자인되며, 이는 패치 아래의 여기필드가 다른 외부 표면으로 관통되도록 한다. 더 구체적으로, 상기 패치에 적정하게 선정된 형상의 하나 또는 그 이상의 홀이 웨이브가이드와 같은 상기 패치 하부의 적정한 구조내에 필드가 상기 패치의 상부의 공기중으로 관통되고, 원하는 위상관계에서, 원하는 필드를 여기하도록 하여준다. 이러한 타입의 여기 구조의 디자인은 잘 알려진 "Bethe hole or aperture coupling theory"(예를 들면, D.M.Pozar "microwave Engineering", Addison-Wealey Publ. Co., 1990;과 R.E.Collin, "Field Theory of Guided Waves", McGraw-Hill, 1960을 보라)에 의하여 가이드받을 수 있다.
도 11은 패치 안테나 어레이에 여기 전압 또는 전류를 공급하기 위하여 구축될 수 있는 다른 구조를 나타낸다. 이러한 실시예에서 동축선피드("coax")는, 도 11에서 보는 바와 같이, 각 패치에 전압 또는 전류를 공급한다. 이러한 방법에서, 각 패치는 자신의 출력포트를 갖는다. 각 패치사이에 전압을 공급하는 대신에(이는다른 실시예에서 수행될 수 있다), 연결은 요구되는 RF전압 또는 전류를 공급하기 위하여 각 패치의 아래에 coax의 적정한 중심 전도체로부터 형성될 것이다. 상기 연결점은 각 패치아래의 중심에 위치하며, 상기 coax의 외부 전도체는 접지된다. M개의 패치어레이는 상기 어레이에 입력되는 M개의 입력포트를 갖는다.
상기 패치에 거의 근접하는 coax 외부전도체에 의하여, 상기 coax의 개방단에서의 방사는 상기 패치의 상부의 외부 공간으로부터 효과적으로 쉴드(shield)된다. 상기 피드선(coax)은 상기 동축선에 의하여 쉴드된다. 상기 안테나 방사는 상기 패치의 상부로부터 거의 유일하게 나온다.
동축선의 자유단에서 상기 입력포트를 피딩하기 위한 본 발명의 하나의 관점에 따른 방법을 지금부터 설명한다. 먼저, 각 입력포트, port 1, port 2, ... port M, 에서의 입사파 진폭은 여기서 기술된 본 발명에 따른 디자인 기준에 기초하여 요구되는 전압에 따라 결정된다. 출력포트(즉, 상기 패치에 연결)에서, 상기 입사 및 반사파 진폭은 M-차원의 백터a,b에서 리스트된다. 상기 반사파 진폭은,b=Sa와 같은 스캐터링 행렬S에 의하여, 상기 입사파로 표현할 수 있다. 만약 진정한 스캐터링 행렬이 상기 출력포트 또는 입력포트에서 가능하다면, 이러한 행렬이 사용될 것이다. 그러나 이러한 행렬이 가능하지 않다면, 근사치가, 단지 두 개의 패치에 대하여, 아래 섹션에서 방정식 (1)-(2)로부터 상호 커패시턴스 행렬 C에 의하여 출력포트 스캐터링 행렬을 구축하여 만들어질 수 있다.a+b=V(상기 패치에서의 전압백터)이고,a-b는 그들에 입력되는 전류에 비례하므로,a-b=jωZ0 C(a+b) 또는(I-jωZ0 C)a=(I+jωZ0 C)b를 얻을 수 있으며, 여기서I는 m x m 단위의 행렬이며, Z0은각 동축의 특성임피던스이다.
그리하여, 근사 스캐터링 행렬은S= (I+jωZ0 C)-1(I-jωZ0 C)이다. 상기 출력포트에서 평가되는 입사파 진폭은a=(I+S)-1 V이며, 상기 출력포트에 원하는 전압 V를 전달하기 위한 입력포트에서 요구되는 상기 입사파 진폭은,A=exp(jψ)(I+S)-1 V로 주어지는 백터A에서 리스트되며, 여기서 ψ는 상기 동축선을 따른 총 위상이동이다. 물론, 만약 상기 동축선이 다른 길이라면, 상기 지수적 위상팩터는 스칼라대신에 대각 행렬이 된다. 하나의 예로서, 상기 동축선의 길이는 크기에서 근사적으로 파장의 1/2이다.
Ⅵ. 차동 모드 작동에서 패치 안테나 어레이의 방사 분석
다음 섹션은 다른 모드 작동에서 패치 안테나의 어레이로부터의 방사를 결정하는 방법에 대한 상세한 토론을 제공한다. 우리는 동일하지 않은 전압이 두 개 또는 그 이상의 패치에 가해질 때 상기 패치 안테나 어레이의 상부 공간에서의 필드 구조를 위한 모델을 개발한다.(비록 다른 전류가 사용될 때 여기서 기술된 모델이 필드 구조를 결정하기 위하여 동일하게 적용될 수 있다는 것이 이해될지라도). 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 외부로부터 차폐된 한정된 공간에서의 필드는 계산하기에 비교적 쉽지만, 우리는 여기서 일반적으로 계산하기에 더 어려운 개방된 구조에서의 필드를 다룬다. 그러므로, 우리는적용하는 가장 중요한 바운더리 조건에 따르는 진정한 필드 패턴에 근접한 것에 의지하나, 이것이 실제로 발생하는 모든 프린지에 대하여 완전하게 설명하지 않는다. 다양한 이론 때문에, 우리가 이러한 근접한 필드로부터 계산한 방사패턴은, 그럼에도 불구하고, 가정된 필드 자체보다는 더 정확하다. 정말로 이러한 계산은 다른 모드에서 작동한 패치 안테나의 어레이로부터 방사에 대한 유용한 평가를 허용한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 도 2는 기판상에서 두 개의 패치 안테나 소자로부터 가정된 필드 구조를 도시한다. 도 2는 도전성 접지판으로부터 상기 안테나 소자를 분리하는 유전체 기판위에 증착된 두 개의 패치 안테나 소자를 나타낸다. 외부 영역은 공기이다. 상기 두 개의 안테나 소자는 그들에게 인가되는 동일하지 않은 전압 V1과 V2를 갖는다. 이러한 전압은 상기 소자를 충전(charge up)하고, 전기장 패턴이 발생된다. 기판에서, 상기 소자 아래의 상기 필드는 실제로 균일하다. 상기 기판 내와 상기 소자의 가장자리 너머에도 프린지필드가 있으나 이러한 가정된 필드구조에 따라 상기 패치의 가장자리에서의 상기 프린지필드는 무시된다. 그러나 공기를 통하여 패치를 결합하는 반원 필드선은 고려되는 필드이다. 비록 도 2가 상기 프린지필드를 나타내지 않더라도, 소자 아래부터 소자 사이의 영역을 가로질러 움직일 때 수직전기장에서 어떠한 불연속성도 있을 수 없는 것처럼, 그러한 필드가 존재한다. 만약 기판이 과도하게 두껍지 않다면, 프린지필드의 영향은 소자 아래의 필드의 영향다음이다. 그러나 상기 소자의 충전(charge)은 상기 하부 표면에 한정되지 않으며, 상기 상부 표면에도 마찬가지로 분포하게 된다. 상기 전압이 동일하지 않을 때, 하나의 전도성 소자로부터 다른 소자로 공기중에서 이어지는결과적인 전계와 이러한 필드는 상기 전도성 소자에 수직하게 시작하고 끝난다.
공기 중에서의 필드선은 한 소자로부터 다른 소자로 수직하게 시작하여 수직하게 끝나는 원호 형상을 그린다. 그러나 외부 바운더리 값 문제를 풀어서, 우리는 이러한 원호의 정확한 형상을 알 수 있으며, 이는 원래 어려운 문제이다. 일반적으로, 본 발명에 따라서, 공기중에서 상기 필드선에 대한 물리적으로 합리적인 형상은 먼저 가정되고, 결과적인 필드 세기는 그러한 근접한 기초 위에 개발된다. 우리는 표면에서 상기 소자에 수직한 필드선의 가장 중요한 요건을 보유하며, 한 소자로부터 다른 소자로의 상기 원호는 반원이라고 가정한다. 더욱이, 계속적인 계산을 단순화하기 위하여, 우리는 또한 어떤 하나의 이러한 반원을 따라 상기 필드 세기는 일정하며, 상기 두 개의 소자사이의 전압차에 의하여 결정된다고 가정한다. 우리는 상기 소자의 가장자리를 넘어서는 프린지필드를 무시하며, 외부 공기 영역내에서 상기 가정된 반원 필드 선의 마지막 원호를 넘어서는 접선 방향의 전기장에서 명백한 불연속성을 다시 무시한다. 상기와 같은 근사내에서, 어떤 주어진 이송 주파수에서 진동하는 균일하지 않은 전압에 의하여 여기될 때, 우리는 상기 안테나 소자로부터의 방사의 계산을 진행할 수 있다.
상기 기판의 두께를 h라 가정하면, 상기 첫 번째 소자 아래의 기판 내에서의 전기장 세기는 E1= v1/h이며, 두 번째 소자 아래의 기판 내에서의 전기장세기는 E2= v2/h이다. 이 모델에서 공기에서 특별한 필드선을 따른 필드 세기는 E(r)=(V1-V2)/πr에 의하여 주어지며, 여기서 r은 상기 반원의 반경을 나타낸다. 상기 반경은상기 필드선의 두 끝단의 위치에 의존하며, 거의 두 개의 소자의 기형학적 거리의 반이다. 만약 인가되는 전압이 동일하다면, 외곽 지역에서는 필드 세기가 제로이다. 그러나 다른 모드의 여기전압이 적용되면 공기 중에서 필드는 제로가 아니다. 도 2는, V1>V2>0인 경우에 근사한 전기장의 방향을 나타내며, 그러나 계산은 전압의 어떤 쌍에 대하여도 유효하다.
우리는 즉시 이러한 모델에서 상기 패치 쌍의 고유 및 상호 커패시턴스에 대한 표현을 구할 수 있다. 기판이 유전율 ε를 갖고, 양 패치의 면적이 A라고 가정하면, 첫 번째 패치의 하부상에서의 충전(charge)은 AεE1=(εA/h)V1이며, 두 번째 패치의 하부상에서의 충전은 AεE2=(εA/h)V2이다. 상기 첫 번째 패치의 하부 표면상에서의 충전밀도는 (ε0/πr)(V1-V2)이며, 상기 두 번째 패치의 하부 표면상에서의 충전밀도는 단위면적당 동일하고 반대 전하를 갖는다. 나머지 계산을 간단히 하기 위하여, 우리는 각 패치의 크기는 상기 반원의 반경에 비하여 작은 것으로 가정한다. 이리하여, 우리는 상기 패치들의 1/r의 필요한 정수를 1/r의 평균과 상기 패치면적 A의 곱으로 감축할 수 있으며, r을 평균치로 대체할 수 있다. 반원의 필드선을 채택한 근사법의 관점에서, 상기 평균 반경의 사용을 더 정확한 1/r의 적분으로 다듬는 것은 유용한 과정이 될 것이다. 그러므로, 우리는 상기 패치사이의 기하학적 거리의 반을 상기 평균 반경으로 인정한다. 결과적으로, 상기 두 패치 상에서총충전은 식(1)과 식(2)로 주어진다.:
식 (1)과 (2)는 자기 및 상호 커패시턴스 계수 또는 커패시턴스 행렬을 표현한다.
상기 적용된 전압이 주파수ε에 의하여 진동할 때, 상기 반원 필드선에 따른 전계는 변위전류가 되며, 이는 방사안테나로서 작용할 수 있다. 우리는 하나의 반원 필라멘터리(filamentary) 전류로부터 방사패턴을 계산하기를 원한다. 알려진 바와 같이, 이것은 변위전류의 퓨리에 변환의 계산을 필요로 한다. 우리는 처음으로 빈 공간에서 반원 전류를 다룬다.
면적 A의 작은 패치로부터 나타나는 반원 변위전류의 미소한 세그먼트 이은 식(3)의 모멘트를 갖는 전류 소자로서 작용하며,
여기서 k=ω/c=2π/r은 진공주파수이며, λ는 자유공간 파장을 표시하며, η0은 자유공간의 고유임피던스이다. 이 전류 요소에 의하여 기여되는 원방계 방사 벡터(far-field radiation vector)는 dN=exp[jk·r]Idl이며, 여기서r은 상기 전류요소의 위치벡터이고, 상기 웨이브벡터k=k이며 단위 벡터은 원방 관측지점을 지시한다. 하나의 패치로부터 다른 패치로 반원 원호를 따라 적분(integrating)하면, 상기 변위전류의 퓨리에 변환에 따라, 우리는 상기 안테나의 이 모델에 대하여총 방사 벡터N을 얻는다. 상기 방사패턴은에 수직한 방사벡터의 부분을 제곱한 크기로부터 얻을 수 있다. 상기 관측지점에서 포인트방사밀도 또는 단위 고정각도(solid angle)에 대한 파워는 식(4)에 의하여 주어진다.
의 함수로서 상기 방사밀도의 계산은 거의 반원 전위 전류의 퓨리에 변환의 직접적인 평가로 감소된다. 만약 상기 수직 반원 원호를 따른 상기 전류요소의 위치가 각도θ에 의하여 확인된다면, 상기 위치벡터는 다음과 같이 표현된다.
여기서는 수직방향(상기 패치의 표면에서 수직방향)에서의 단위벡터이며,는 첫 번째 패치부터 다음 패치로의 방향으로 수평 단위벡터이며, 우리는 원점을 반원의 중심에 둔다. 상기 길이 요소는;
이며 상기 방사 벡터는 :
우리는 적분을 식(8)과 같이 간략화하며,
식 (9)와 같이 쓸 수 있다.
여기서
상기 적분J(a, b)는 기본적인 것은 아니며, 비록·J(a, b)가 미미할 지라도 2sinb와 같게된다. 상기 벡터J(a, b)의 다른 두 성분은 방사 밀도를 위하여 필요하다. 이론적인 목적을 위하여,J(a, b)는 퓨리에 급수를 통하여 베셀 함수(bessel function)의 무한 급수로서 또는 베타 함수의 표현으로 테일러 급수에서 인터그랜드(integrand)를 확장하여 표현될 수 있다. 그러나 실제 계산에서는 다음과 같이 이것을 차이방정식 또는 회귀관계에 의하여 다시 계산하는 것이 더 신속하다.
멱급수의 u-적분(integral)에서exp(-jν)와 v적분에서 exp(ju)를 확장하여, 우리는J(a,b)는 식 (10)과 같이 표현될 수 있다는 것을 발견하였으며,
여기서. 상기 멱급수에서 계수는 식(11)과 식(12)와 같다.
Zn(a)의 적분에서, 우리는 w=ν/jt 이며, u2- w2= a2임에 주목할 수 있고, 그래서 wdw=udu 이다. 부분(exp(ju)를 부분으로 사용하여)에 의하여 두 번 적분하고, a2+w2를 u2로 대치하면, 우리는 회귀식을 발견한다.
여기서
그리고, 상기 관계는 n이 홀수이고 4보다 큰 경우에 유효하다. 또한 우리는 n이 짝수인 경우에 Zn(a)=0임을 발견하였다. 비슷하게, Sn(b)에 대한 적분에 적용되는 동일한 과정으로, 우리는 회귀식을 발견하였다.;
여기서 n이 3보다 큰 짝수와 홀수의 경우이다. 양 회귀식은 뒤로 갈 때 안정하다. 그러나 먼저 언급된, 상기 항등함수·J(a, b)=2sinb는Z합이S합으로 표현되는 것을 허용하여, 동차방정식에 대한 회귀가 충분하므로, 둘 다 재현할 필요는 없다.J(a, b)의 충분한 계산은 양 G()=J(a, b)/kr을 통하여 수행되며,G()은 식(17)과 같으며,
S에 대한 방정식의 내림 회귀를 갖고 짝수에 대하여는 S0(b)=-2sinb와 홀수에 대하여는 S1(b)로 종료된다. ; 이 마지막은 이것의 멱급수로부터 쉽게 계산된다. 상기 벡터 J(a, b)와 G()은 복소수이며, a와 b의 진동함수이며, 그들의 동작에서는 Bessel 방정식에 유사하다.
다음으로 우리는 패치 쌍으로부터의 방사를 계산한다. 방사패턴의 계산을 위하여 직접적으로 관계되는 양(quantity)은 G()이며, 이것은 다음과 같은 방사 밀도를 위한 방정식에 들어간다.
그러므로 이것은 상기 반원 변위전류를 위한 방사패턴을 주는 상기 관측지점의방향에 수직인 복소벡터G의 부분의 제곱의 크기이다. a 와 b 양쪽에서 상기 변수 kr=πd/λ는 상기 두 패치사이의 거리 d(반원의 지름)의 파장에 대한 비와 관련된다.
도 12, 13 및 14는 두 평면에서 극선도(polar plot)의 다이아그램이며, 거리 파장비 d/λ의 다른 세 가지 값에 대하여 자유공간에서 반원 전류에 대하여 계산된 방사 패턴을 도시한다. 더 특정적으로 도 12a와 12b는 1/4파장 떨어진 패치 쌍에대하여, 각각 종수직평면과 횡수직평면에 대한 방사패턴을 도시한다. 도 13a와 13b는 1파장 떨어진 패치 쌍에 대하여, 각각 종수직평면과 횡수직평면에 대한 방사패턴을 도시한다. 도 14a와 14b는 1.3 파장 떨어진 패치 쌍에 대하여, 각각 종수직평면과 횡수직평면에 대한 방사패턴을 도시한다.
상기 종수직평면은 상기 반원의 평면이며, 상기 두 패치의 거리를 포함하며, 이것은 단위 벡터와에 의하여 형성된 평면이다. 상기 횡수직평면은 하나의 패치로부터 다른 패치로의 선을 2등분하며,를 포함하나에 수직하다. 도 12 - 14에서 그려진 각 선도(plot)는 방사 패턴의 두 개의 궤적을 나타낸다. : 내부의 궤적은 선형 선도이며 외부의 궤적은 로그선도이다. 선도를 그리는데 편의성을 위하여, 두 선도는 모두 동일한 피크치(peak value)를 갖도록 스케일 되었다. 범례는 상기 패치간 거리를 파장으로 나타내며, ｜G⊥｜2의 피크치를 dB단위로 제공하며, 상기 패턴의 최고치와 최저치의 비를 dB단위로 제공한다.
상기 기판이나 접지면의 어떤 것도 이러한 패턴의 계산에 포함되지 않음을 유의하여야 한다. 그들의 영향은 후에 다루어지며, 이러한 결과는 입력장(incident field)으로 사용될 것이다. 상기 현재 패턴은 빈 공간에서 반원의 균일한 전류로부터의 방사를 제공한다.
상기 도면들에서 그려진 경우 외에도, 추가적인 계산은, 상기 패치간의 작은 거리에 대해서는, 상기 방사 패턴이 상기 패치 쌍의 방향에서의 제로와 함께, 수평방향으로 오리엔트된 다이폴(dipole)에 대한 그것으로 복귀되며, 등방패턴에 대하여도 마찬가지로 예상된다는 것을 확인한다.
우리는 지금 동일하지 않은 여기를 갖는 하나의 패치쌍에 대한 이러한 결과를 차동- 모드의 여기를 갖는 패치의 어레이에 적용하고자 한다. 각 패치의 면적이 A인 패치 M의 어레이를 고려하자. 기판상부의 평면에서 균일하게 패치된 어레이가 현실적으로 구현될 수 있더라도, 패치가 공간상에서 규칙적으로 배열되어 있을 필요는 없다. p번째 패치가 rp에 위치하고 복소전압 Vp에 의하여 여기된다. p와 q로 식별되는 이러한 패치의 어떤 쌍은, 만약 Vp≠Vq이면, 우리의 모델에서 패치p로부터 패치q로의 반원의 변위전류로 된다. 상기 반원 원호의 중심은r pq=(r p+r q)/2에 있게되며, 이것은 상벡터 exp(jk·r pq)를 소자의 이 쌍에 대한 방사 벡터를 위한 식에 도입한다. 우리는 전체 방사벡터를 얻기 위하여 패치의 모든 쌍에 대하여 합계할 필요가 있다. 여기에는 M(M-1)/2의 개별적인 쌍이 있다. 예를 들면, 25의 소자의 5 x 5의 어레이에 대하여는 300개의 방사하는 반원 원호가 있다. 이러한 방사체의 다수를 효과적으로 다루기 위해서는 우리는 물론 행렬 기술에 의존한다.
상기 전체 어레이에 의하여 생성되는 방사 벡터에 대한 표현은
와 같이 되며 ; 여기서 이중 합은 모든 p와 q(각각은 1에서 M까지 수행되며)에 대해서이며, 단지 각 반원원호를 한번씩 카운트하기 위하여, 상기 합은 p<q에 제한되고 이중합에는 M(M-1)/2항이 있다. kr가J(a, b)에서 a와 b에 대한 표현에서p로부터 q까지의 반원의 r은 r=｜(r p-r q)/2｜로 주어진다. 우리는 또한 단위 벡터 s는, 이것은r p에서r q로 향하며, 다른 반원에 대하여는 다르며, 표시되어야 한다는 것을 안다.
방사벡터에 대한 이 표현을 균등행렬로 변환하기 위하여, 우리는
이
과 균등한 것을 유의하며,
이는
이라는 가정하에서 이다.
상기 Ypq양은 비대칭 M x M 행렬 Y(현 상태에서 각 소자는 단순한 스칼라 대신에 3차원 벡터인 것을 제외하고)의 소자가 된다는 것이 보여질 수 있다.Y의 비대칭성은 상기 패치어레이의 차동-모드 작동의 본질을 포착한다. 마지막으로, 상기 q에 대한 합은 M-요소 행 행렬W(이의 소자는 여전히 3차원 벡터이다.)에 이르는Y의 행의 합을 단순히 의미하므로, 상기 이중합은 단독합으로 감축될 수 있다. :
여기서는 단위벡터에 수직인 벡터N의 부분을 추출하는 것이 남아있다. 만약 N이 3차원 열로 쓰여진다면,N⊥은 N·H에 비례하여 구할 수 있으며, 여기서H는의 영 공간에 대한 정규직교기저(orthonormal basis)이다(H는 3 x 2 행렬이다.). 편리한 범위에서 수치값을 유지하기 위하여, 우리는 패치의 수 M을 팩터아웃(fcator out)한다. 이것을 M x 3으로 표현되는 W 행렬에 적용하는 것은 W x 2 행렬 Q를W·H로서 산출한다.X pq=exp(jk·rpq)[J(a, b)/kr]pq로부터Q를 산출하는 조작은 직접적이다. 마지막으로 우리는 식(24)와 식(25)를 얻으며,
여기서V는 복수전압 여기의 1 x M 열 벡터이며, Q=Q()는 M x 2 행렬로서 상기 관측지점의 방향과 상기 패치어레이의 형상에 의존하나 여기에는 의존하지 않는다. 만약 우리가 먼저 행렬의 에르미트 공액(hermitian conjugate)(복소 공액 전치)을 나타낸다면, 우리는 ｜V｜2=V·V'를 인식하며, 방사 패턴은 식(26)과 같이 된다.
MA가 상기 패치들의 총 기하학적 면적이고, 그들 사이의 공간을 제외한 것임을 유의하여야 할 것이다. 실수 스칼라 팩터, F=VQQ'V'/VV'는 방향의 정보를 이송하며, 상기 패턴을 여기전압 V의 일차식 표현(V의 요소에서 어떤 공통 팩터에 의하여 영향을 받지 않는)으로 줄 것이다. 어떤 주어진 여기전압에 대하여, F는 Q가 계산된 어떤 방향에 대한 방사를 줄 것이다.
V'가 상기 에르미트 행렬QQ'(고유값으로 F를 갖는)의 고유벡터일 때 고정되므로, F에 대한 상기 표현 또한 가변적이다. 그러므로 우리는 가장 큰 고유값에 상응하는QQ'의 열고유벡터를 만들도록 여기전압 V의 선택에 의하여 계산되는 Q에 대하여 어떤 방향에서의 방사를 최대로 할 수 있다.QQ'가 M x M행렬이라도, 영이 아닌 고유값은 단지 2 x 2인Q'Q의 그것들과 동일하므로 고유값을 얻는데는 어려움이 없다. M x M 행렬QQ'의 상응하는 M성분 열고유벡터V는 단지 2 x 2 행렬Q'Q의 2성분 고유벡터이며, 후에 상기 2 x M 행렬Q'가 곱해진다.
다시 상기 전형적인 분석과 방법이 차동-모드 전압에 대하여 설명되었지만, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 여기서 배운 것에 기초하여 이러한 분석과 방법을 차동-모드 전류에 쉽게 적용할 수 있는 것은 물론일 것이다.
도 15a는 자유 공간에서 4 x 4의 사각 패치 안테나 어레이에 대하여 이와 같은 방법으로 계산된 수직평면에서의 방사 패턴을 예시하는 전형적인 다이아그램이다. 상기 패치들은 x축과 y축 방향을 따라 0.6λ 떨어져 있다. 16개의 패치에 대하여, 이 모델에서는 16x15/2=120의 반원 원호가 있고QQ'행렬은 16 x 16이나, 이것의 영이 아닌 고유값은 2 x 2 행렬의 고유값과 같다. 이 예에서, 우리는 천정으로부터 15도의 상향각과 상기 x축으로부터 15도의 방위각에 의하여 주어지는 방향에서 얻을 수 있은 방사밀도를 최대화하는 것을 선택한다. 이 조건이 저절로 상기 방향에서 최대 방사밀도를 주지 않으나(피크는 실제로 대략 32도 정도이다), 이것은 상기 패치들의 16 복소 여기전압의 어떤 가능한 셋트에 대하여 상기 방향에서 얻을 수 있는 최상치를 제공한다. 도 15a에서, 내부 방사도는 직선적이며 외부 방사도는 dB로 되어 있다. 상기 도의 프레임에서 틱(tic)마크는 10 dB씩 떨어져 위치한다. 상기 패턴은 최대치의 방향을 포함하는 수직평면에 대한 것이다. 상기 기판과 접지면은 상기 모델로부터 생략되었으며, 상기 어레이는 빈 공간에 대한 것으로 가정된다.
도 15b는 자유 공간에서 결합되지않은(uncoupled) 등방성 방사체의 4 x 4의 어레이에 대하여 수직 평면에서의 방사 패턴을 예시하는 전형적인 다이아그램이다. 도 15b는 도 15a와 비교하기 위하여 제공되며, 동일한 간격과 동일한 방향에서 빔이 조준되도록 동조된 동일한 4 x 4의 어레이가 사용된다. 상기 사이드로브(sidelobe)는 바깥쪽의 dB도에서 명확하다. 이 어레이는 빈 공간에서 하나의 평면에 놓이도록 되어있기 때문에, 여기에는 두 개의 메인 빔이 있다. 상기 모드의 반원 원호는 단지 상기 평면의 한 방향으로 신장하는 것이 간주되기 때문에, 그 대칭성은 상기 패치 안테나 어레이의 경우에는 부족하다.
결론적으로, 둘 또는 그 이상의 소자의 패치 안테나 어레이로부터의 방사는, 일반적인 가정처럼, 단지 상기 패치들의 가장자리로부터가 아닌, 상기 소자에 가해지는 전압이 다른 어떤 패치의 쌍을 연결하는 결합필드로부터 방사된다. 상기 패치상부의 공간에서의 이러한 결합필드는 시간에 따라 진동하며, 따라서 공간 밖으로 방사되는 변위전류를 구성한다. 이러한 필드는 하나의 패치에서 다른 패치로, 필연적으로 전도성 패치 표면에 수직하게 시작하여 수직하게 끝난다.
편리한 근접법으로서, 우리는 상기 원호는 반원이며 이러한 원호에 따른 필드 세기는 그들의 평균값에 의하여 대치될 수 있다고 가정한다. 이러한 가정된 필드의 퓨리에 변환은 어떤 방향에서의 방사패턴을 준다. 이렇게 형성된 어레이에 대하여, 상기 계산을 단순하고 안정한 점화관계(recurrence relation)의 해답으로 변형시킴으로써, 우리는 방사패턴을 효과적으로 계산하는데 성공하였다.
우리는 다양한 거리를 갖는 패치쌍과 16 패치의 어떤 어레이를 갖는 패치쌍의 방사패턴을 제시하였다. 상기 방사세기는 상기 어레이의 일차원(linear dimension) 또는 상기 어레이의 사이드상의 소자의 수의 4제곱에 따라 변한다. 우리는 변화하는 특성을 나타내며 방향에 따른 이것의 변화로부터 상기 패치 여기전압에 대한 의존성를 분리하는 형태로 상기 방사 패턴에 대한 공식을 제시하였다. 상기 어레이는 사각이거나 규칙적으로 배열될 필요가 없다.
출원인은, 유전체 기판과 접지면에 대한 설명 없이, 빈공간에 존재하는 반원 결합필드에 대한 가장 단순한 결과를 제시한다. 상기 접지면은 이미지 반원원호를 사용함에 의하여 쉽게 포함될 수 있다. 상기 유전체 기판은 비동차 문제를 두 개의 떨어진 그러나 링크된 동차문제로 감축(reducing)하는 동등원리의 적용에 의하여 설명될 수 있다. 상기 방사패턴을 위한 방정식의 형태는 어떤 빔 형상을 얻기 위한최적의 여기전압을 결정하는데 적정하다. 우리는 상기 접지면과 상기 기판에 대하여 설명할 수 있으며, 영(null) 또는 다른 형상을 상기 방사에 부과할 수 있으며, 상기 방법은 비규칙적으로 배열된 어레이에 적용한다.
비록 예시적인 실시예가 첨부된 도면과 함께 여기에서 설명되었지만, 상기 제시된 시스템과 방법이 이러한 정확한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 다양한 다른 수정 및 변경이 이 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의하여 본 발명의 범위와 정신으로부터 벗어남이 없이 수행될 수 있음은 물론이다. 이러한 모든 수정과 변경은 첨부된 청구항에 의하여 정의된 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (3)

  1. 방사 소자의 어레이;
    상기 방사소자의 여기를 위하여 차동-모드 전압 또는 차동-모드 전류를 발생하는 제어 시스템; 및
    차동-모드 전압 또는 차동-모드 전류는 상기 어레이에서 상기 방사소자 사이의 상호 커플링으로부터 방사 빔을 발생하는 방사소자에 인가되며, 상기 차동-모드 전압 또는 차동-모드 전류를 상기 방사소자에 공급하기 위한 디바이스를 포함하는 안테나 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어시스템은 적어도 하나의 입력 변수에 기초하여, 원하는 방향에서의 상기 빔의 조정과 상기 빔의 형성과 안테나의 이득의 최적화의 하나를 위하여 최적의 차동-모드 전압 또는 차동-모드 전류를 결정하기 위한 방사모델을 포함하는 안테나 시스템.
  3. 장치에 의하여 읽을 수 있고, 안테나의 차동-모드 작동을 제공하기 위하여 방법단계를 수행하기 위한 장치에 의하여 수행되는 지시 프로그램을 유형적으로 구현하는 프로그램 저장장치에 있어서, 상기 방법단계는,
    다수의 방사소자를 포함하는 안테나 어레이와 연결된 하나 또는 그 이상의변수를 입력으로 수신하는 단계;
    적어도 하나의 입력 변수에 의하여 규정되며, 상기 어레이에서 상기 방사체사이의 상호 커플링으로부터 원하는 패턴을 갖는 방사빔을 발생시키기 위하여 결정되며, 상기 방사체를 여기시키기 위한 차동-모드 전압 또는 차동-모드 전류를 결정하기 위하여 입력변수를 조정하는 단계; 및
    상기 차동-모드 전압 또는 차동-모드 전류를 상기 안테나 어레이로 출력하는 단계를 포함하는 프로그램 저장장치.
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