KR20040065292A - 원형 분극 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬롯 안테나(12)로 이루어지는 전자기 신호들을 수신 및/또는 송신하기 위한 적어도 하나의 수단과, 전자기 신호들을 수신 및/또는 송신을 위한 수단을 신호들에 동작하는 수단에 연결시키기 위해 안테나의 슬롯과 전자기적으로 결합된 전력 공급 라인(13)을 포함하는 전자기 신호들의 송신 및/또는 수신을 위한 디바이스에 관한 것으로, 전력 공급 라인은 전자기파가 원형 분극을 가지도록 선택된 2개의 점들(A1, A2)에서 슬롯과 전자기적으로 결합된다.

Description

원형 분극 안테나{CIRCULAR POLARIZATION ANTENNA}

특히, 무선 가정용 네트워크에서, 수신기에 도달하기 전에 신호에 의해 받게 되는 다중 반사로 인해, 방출된 파의 분극이 보존되지 않는다는 점이 당업자들에게 알려져 있다. 그러므로, 안테나는 높은 순수한 분극을 나타낼 필요가 없다. 하지만, 요구된 주파수 대역폭은 클 수 있다. 특히, 5㎓에서의 무선 가정용 네트워크에 있어서, 2개의 분산된 주파수 대역이 유럽에서는 BRAN/HIPERLAN2 표준에 따라 그리고, 미국에서는 IEEE-802.11A 표준에 따라 할당되었다. 그러므로, 이들 주파수 대역들을 완전히 커버하기 위해서, 안테나는 유럽의 경우에는 적어도 575㎒, 그리고 미국의 경우에는 적어도 675㎒의 대역폭에 걸쳐 동작해야 한다. 따라서, 주파수 대역은 각각 동작 주파수의 약 11%와 약 12.3%에 있어야 한다.

또한, 누군가가 저비용 및 대량으로 이들 안테나들을 사용하는 장비를 생산하기를 원한다면, 기판의 파라미터에 대한 변동 사항의 영향과 안테나의 중심 주파수에 대한 제조 오차 허용도를 고려하도록 추가 마진이 요구된다. 그러므로, 추구하는 상대적인 대역폭은 약 15 내지 20%정도이다.

또한, 저비용의 소형 안테나를 제작하기 위해서는 프린트된 안테나 타입의 안테나들을 사용하는 것이 알려져 있다. 하지만, 프린트된 안테나들은 좁은 주파수 대역에서 동작한다. 특히 대역폭, 즉 안테나의 여기점(point of excitation))에서 반사 계수(S11)가 -10㏈보다 적은 주파수 대역 측면에서의 성능은 주로 상대적인 유전율, 두께 등과 같은 사용된 기판의 파라미터들과, 패치(patch), 슬롯 등일 수 있는 방사 소자의 선택에 의해 고정된다.

하지만, 프린트된 안테나들 중에서, 슬롯 타입의 안테나들이 다른 프린트된 구조들보다 저 비용으로 상대적으로 큰 대역폭들을 나타내는 단순한 안테나 구조들을 얻게 할 수 있다는 점이 알려져 있다.

또한, 슬롯 타입의 안테나들, 특히 고리 모양이나 다각형 슬롯에 의해 구성된 안테나들이 원형 분극에 따라 방사할 수 있다는 점이 알려져 있다. 이 경우, 원형 분극은 다음 2가지 방식으로 얻어질 수 있다:

1/ 예를 들어, 톰슨 멀티미디어의 이름으로 특허 WO94/19842호에 설명된 바와 같이, 동일한 진폭의 직교하는 선형 분극을 가지고 90°의 위상 시프트를 나타내는 2개의 파들을 2개 점에서 여기시키는 방식과,

2/ 한 점에서 여기시키는 방식으로서, 노치나 상기 여기점으로부터 45°에 위치한 평면에 노치나 돌기와 같은 교란점을 도입하는 것에 의해 얻어지는 원형 분극을 발생시키는 방식.

이러한 타입의 안테나는, 원형 분극을 얻기 위해 노치들을 갖춘, 마이크로스트립 라인에 의해 급전된, 고리 모양의 슬롯 타입의 안테나를 위에서 본 평면도와 단면도를 각각 나타내는 도 1a와 도 1b에 도시되어 있다.

좀더 정확하게, 한 면 위에 고리 모양의 슬롯 타입의 방사 소자(2)가 만들어진 금속 층(3)이 증착되어 있는 기판(1)에 의해 안테나가 형성된다. 이 고리 모양의 슬롯은 기판(1)의 다른 면 위에 있는 증착 금속에 의해 만들어진 급전선(3)을 통해 공급된다. 이 급전선은 라인(3)과 슬롯(2) 사이의 점(A)에서 전자기 결합에 의해 방사 소자(2)에 전력을 공급한다. 점(A)과 라인의 끝 사이의 라인의 크기는 약 λm/4이고, 여기서 λm은 라인에 관한 도파 파장이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 슬롯(2)은 여기점(A)으로부터 거의 45°의 각도로 위치한 평면에 놓여있는 2개의 직경 방향으로 대향하는 노치(4)를 나타낸다. 그러므로, 이러한 교란점은 주파수 영역에서 2개의 처음에 축퇴 직교 모드들을 분리할 수 있게 한다.

원형 분극을 얻을 수 있게 하는 전술한 2가지 방법들을 비교하면, 2개 점에서 여기에 의해 원형 분극이 얻어질 때, 고리 모양의 슬롯에서 교란점에 의해 원형 분극이 발생할 때보다 더 넓은 주파수 대역에 걸쳐 더 양호한 품질의 원형 분극을 얻는다는 점이 인식된다.

2개 점에서의 여기를 사용하는 방법은 양호한 타원율이나 넓혀진 적응 대역을 갖춘 ARBW(Axial Ratio Bandwidth)(축비 대역폭을 나타내는)를 얻을 수 있게 한다.

본 발명은 전자기 신호들의 수신 및/또는 송신을 위한 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가정용 네트워크에서 무선 송신 분야에 사용될 수 있지만 넓은 주파수 대역을 나타내는 원형 분극 안테나의 기본 소자로 사용될 수 있는, 슬롯 타입의 안테나로 이루어지는 수신 및/또는 송신 수단을 포함하는 디바이스에 관한 것이다.

도 1a와 도 1b는 각각 종래 기술에 따른 디바이스를 위에서 본 평면도와 단면도.

도 2a와 도 2b는 각각 본 발명에 따른 디바이스의 제 1 실시예의 위에서 본 평면도와 단면도.

도 3은 도 2의 디바이스의 주파수 함수로서 ㏈로 표현된 반사 계수(S11)의율(modulus)을 나타내는 곡선.

도 4는 도 1과 도 2의 디바이스들에 관한 타원율 비를 나타내는 곡선.

도 5와 도 6은 본 발명의 2가지 다른 실시예들의 위에서 본 평면도.

그러므로, 본 발명의 목적은 전자기 신호들을 수신 및/또는 송신하기 위한 새로운 디바이스를 제안하는 것으로, 이 디바이스는 종래 기술의 디바이스들로 얻어진 대역폭들보다 훨씬 더 큰 정합 대역폭들에 걸쳐 원형 분극을 얻을 수 있게 하는 고리 모양의 슬롯 안테나로 이루어지는 방사 소자와 급전선을 포함한다.

따라서, 본 발명의 주제는 전자기 신호들의 송신 및/또는 수신을 위한 디바이스로서, 이 디바이스는 슬롯 안테나로 이루어진 전자기 신호들을 수신 및/또는 송신하는 적어도 하나의 수단과, 전자기 신호들을 수신 및/또는 송신하는 상기 수단을 상기 신호를 이용하는 수단에 연결시키도록, 슬롯과 전자기적으로 결합된 급전선을 포함하며, 상기 급전선은 전자기파가 원형 분극을 나타내도록 선택된 2개의 점에서 슬롯 타입의 안테나와 전자기적으로 결합되는 것을 특징으로 한다.

우선적인 실시예에 따르면,

- 2개의 결합 점들 사이의 슬롯의 길이는, 둘레 길이가 λs인 슬롯의 경우, 슬롯에서의 유도된 파장 λs에 대해 약 λs/4, 즉 슬롯 둘레 길이의 1/4이고,

- 2개의 결합 점들 사이의 라인의 길이는, 급전선 하에서 유도된 파장 λm과 홀수인 k'에 대해 약 k'λm/4이며,

- 급전선의 끝과 제 1 결합 점 사이의 길이는 개방 회로에서 끝나는 급전선 하의 유도된 파장 λm에 대해 λm/8 모듈로(modulo) λm/2의 크기이다.

그러므로, 전술한 구조로는 개방 회로에서 끝나는 급전선을 따라 있는 전자기 필드의 분포와 급전선을 구비한 슬롯의 교차점에서의 동일한 기하학적인 구성으로 인해, 슬롯은 동일한 진폭과 90°의 위상 시프트를 가지는 신호들에 의해 A1점과 A2점에서 여기된다. 이들 조건들은 전자기 신호들의 수신 및/또는 송신 수단에 관한 원형 분극을 얻는 것을 허용한다.

본 발명의 또다른 특성에 따르면, 이 디바이스는 내부에서 서로 포개어 넣어지는 슬롯 타입의 안테나로 이루어지는 전자기 신호들의 수신 및/또는 송신하는 여러 개의 수단과, 각 수단에 의해 방출된 전자기 파들은 원형 분극을 나타내도록 선택된 2개의 점에서 각 수단의 슬롯과 전자기적으로 결합된 급전선을 포함한다.

또한, 급전선은 마이크로스트립 라인이거나 동일 평면상의 라인이고, 슬롯 타입의 안테나로 이루어지는 전자기 신호들의 수신 및/또는 송신 수단은 고리 모양의 슬롯이나 정사각형, 직사각형, 다이아몬드 모양 등과 같은 다각형 모양을 포함한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 다양한 실시예들의 설명을 읽음으로써 명백하게 될 것이고, 이러한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 이루어진다.

본 발명의 제 1 실시예가 도 2와 도 4를 참조하여 먼저 설명된다.

도 2a와 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원형 분극된 전자기 신호들의 수신 및/또는 송신용 디바이스는 고리 모양의 슬롯 타입의 안테나(12)로 이루어지고, 이 안테나는 당업자에게 공지된 신호들의 이용 수단에, 포트(1)의 레벨로 링크된 급전선(13)을 통해 전자기 결합시킴으로써 급전된다.

보다 구체적으로, 17.5×10^-3㎜의 두께(t)를 나타내는 금속 물질(11)이, 예를 들어 높이 H=0.81㎜이고, 유전율 Er=3.38이며, TanD=0.0027을 나타내는 Rogers 4003 기판으로 이루어지는 기판(10) 위에 증착되었다.

도 2b에 도시된 바와 같이, 고리 모양 슬롯(12)은 이러한 금속 물질로 만들어진 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 고리 모양 슬롯(12)은 둘레 길이의 크기가 약 λs의 크기를 나타낸다. 그러므로, 고리 모양 슬롯은 그 기본 모드 상에서 동작한다. 제시된 실시예에서, λs는 그 중심 동작 주파수가 약 5.8㎓에 있도록 선택된다.

도면에 도시된 바와 같이, 급전선은 금속 물질(11)을 포함하는 면에 대향하는 기판(10)의 면에 금속을 증착시킴으로써 만들어졌다. 이 급전선(13)은, 서로 90°각도로 놓여 있는 2개의 점(A1, A2)에서 슬롯(12)과 전자기적으로 결합되게 하는 방식으로 위치한다. 따라서, 2개의 점(A1, A2) 사이의 슬롯의 길이는, 둘레 길이가 λs인 슬롯의 경우, 슬롯에서의 유도 파장이 λs에 대해 약, λs /4의 크기, 즉 슬롯 둘레 길이의 1/4이다.

또한, 본 발명에 따르면 2개의 결합점(A1, A2) 사이의 여기 라인(excitation line)(13)의 길이는 약 k'λm/4이며, 여기서 λm은 급전선(13)의 유도된 파장이고, k'은 홀수이다. 급전선(13)은 제시된 실시예에서, 마이크로스트립 라인으로 이루어진다. 이 값을 얻기 위해, 마이크로스트립 라인의 폭이 최적화된다.

이후, 본 발명에 따라, 급전선(13)의 끝과 결합 점(A1) 사이의 파장은 급전선(13)의 유도된 파장인 λm에 대해 약 λm/8 모듈로 λm/2의 크기를 가진다. 이 급전선(13)은 개방 회로에서 끝난다. 또한, 점(A2)을 넘는 라인의 오버런(overrun)은 고리 모양의 슬롯을 사용된 측정 장치에 정합시키는 것을 가능하게 한다.

전술한 타입의 구조는 시뮬레이션을 위해 제작되었다. 그것은 전술한 Rogers 4003 기판 위에 다음과 같은 특징을 지니도록 제작되었다: 즉, 고리 모양의 슬롯은 내부 직경 φin = 12.6이고, 외부 직경 φex = 13이며, 임피던스 Zs = 108.5Ω이다. 마이크로스트립 기술에 의해 제작된 급전선(13)은 특성 임피던스 Zm = 134.5Ω이고, 폭이 0.2㎜이고, 1.895㎜의 라인에 평행한 접점으로부터 일정한 거리에서 고리 모양의 슬롯을 절단한다. 이 경우, 시뮬레이션 결과는 도 3에 주어진 곡선에 의해 반사 계수(S11)에 관해 주어진다. 동작 주파수의 19.8%에 대응하는 -10㏈ 주파수 대역이 얻어지는데, 즉 이는 종래의 시스템들에 의한 것보다 주파수 대역이 크고 유럽 및 미국 표준의 규정을 따르도록 할 수 있다는 점이 인식된다.

또한, 도 4는 도 1에 제시된 바와 같이 노치를 구비한 슬롯으로 이루어지는 종래의 디바이스 및 도 2에 제시된 바와 같이, 특정 방식으로 놓여진 급전선에 결합된 슬롯으로 이루어진 본 발명에 따른 디바이스에 대한, 타원율, 즉 AR-BW가 제시되어 있다. 도 4에서 얻어진 결과들은, 2개의 안테나들의 AR-BW들은 동작 주파수를 약간 이동시킨 것과 같은 것이다.

그러므로, 본 발명에 다른 구조를 가지고, 전체적으로 만족스러운 원형 분극을 유지하면서 광대역 동작이 얻어진다.

이제, 도 5와 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예들을 설명한다.

도 5에 제시된 것은 원형 분극을 가진 전자기파를 수신 및/또는 송신하는 2개의 서로 포개어 넣어지는 수단을 포함하는 다른 실시예를 위에서 본 평면도이다.

더 구체적으로, 제시된 것은 제 1 고리 모양 슬롯(20)과 제 2 고리 모양 슬롯(21)으로, 2개의 슬롯은 마이크로스트립 기술로 제작된 공통 급전선(22)에 의해 급전된다. 이 급전선(22)은 원형으로 분극된 파들을 얻을 수 있게 하는 기준에 따라 슬롯(20, 21)과 전자기적으로 결합된다.

더 구체적으로, 라인(22)은 점 P1과 P2 사이의 길이가 λm이 라인의 유도된 길이인 때, 약 k'λm/4의 크기인 방식으로 점 P1과 점 P2에서 고리 모양의 슬롯(20)과 결합된다. P2와 P1 사이의 슬롯(20)의 길이는 약 λs/4의 크기가 되도록 선택되고, 여기서 λs는 안테나(20)의 기본 모드에서 안테나(20) 동작 주파수(f1)에 의존하는 것이며, P2와 개방 회로에서의 라인(22)의 끝 사이의 급전선(22)은 약 λm/8 모듈로 λm/2의 크기이고, 여기서 λm은 라인(22) 아래의 유도된 파장이다.

또한, 라인(22)은 두 점 P3와 P4에서 슬롯(21)과 전자기적으로 결합되는데, 두 점 P3와 P4는 P4와 P3 사이의 라인의 거리가 k"λm/4의 크기이고, λ's는 안테나의 기본 모드에서 안테나(21)의 동작 주파수(f2)에 의존하는 값인 경우, P4와 P3 사이의 슬롯의 길이가 λ's/4이며, P4와 라인(22)의 끝 사이의 라인 길이는 λm/8 모듈로 λm/2의 크기가 되도록 선택된다. 이 경우, 2개의 슬롯(20, 21)의 주변 길이는 2개의 안테나들에 2개의 동작 주파수들을 주고, 2개의 슬롯들과의 급전선(22)의 특정 결합은 f1과 f2와 같은 2개의 다른 주파수들에서의 원형 분극을 가진 동작을 얻을 수 있게 한다.

전술한 실시예에서, 2개 슬롯(20, 21)은 개방 회로와, 슬롯(20)과 교차하는 2개의 점(P2-P1)의 가운데 점 사이에 있는 주파수(f1)에서의 마이크로스트립 라인의 길이(L1)가, 개방 회로와, 슬롯(21)과 교차하는 2개의 점(P3-P4)의 가운데 점 사이에 있는 주파수(f2)에서의 마이크로스트립 라인의 길이(L2)와 같도록 포개어 넣어진다.

또한, L1은 kλm1/4(k는 홀수)의 크기이고, L2는 kλm2/4(k는 홀수)의 크기이다. 그러므로, L1 대 L2의 비 및 k'과 k"의 값의 선택에 따라, 예를 들어 한 점에 접하거나 들쭉날쭉한 급전선 구조를 보여줄 수 있는 포개어 넣어진 슬롯에 대한 다양한 구성들을 예상할 수 있다.

이제, 본 발명의 또다른 실시예를 도 6을 참조하여 설명할 것이다. 이 경우,슬롯(30)은 본 발명에 따른 구조상 표준에 부합하도록 다이아몬드를 절단하는 급전선(31)에 의해 급전되는, 다이아몬드와 같은 다각형으로 구성된다.

본 발명은 특정 실시예들을 참조하면서 설명되었다. 하지만, 슬롯 타입 안테나의 모양은 다양한 방식으로 수정될 수 있으며, 특히 슬롯은 정사각형, 직사각형 또는 임의의 다른 유사한 다각형으로 구성될 수 있고, 급전선 또한 동일 평면상 기술과 같은 다른 기술에 의해서도 제작될 수 있다는 점은 당업자에게는 명백한 사실이다.

본 발명은 무선 송신 분야, 특히 가정용 네트워크에서 사용될 수 있지만 넓은 주파수 대역을 나타내는 원형 분극 안테나의 기본 소자이기도 한, 슬롯 타입의 안테나로 이루어지는 수신 및/또는 송신 수단을 포함하는 디바이스에 적용 가능하다.

Claims (5)

1. 전자기 신호들의 송신 및/또는 수신을 위한 디바이스로서, 전자기 신호들을 수신 및/또는 송신하는 고리 모양의 슬롯 타입의 안테나로 이루어진 적어도 하나의 수단과, 전자기 신호들을 수신 및/또는 송신하는 상기 수단을 상기 신호를 이용하는 수단에 연결시키도록, 상기 안테나의 슬롯과 전자기적으로 결합된 급전선(13, 22, 31, 12; 20, 21, 30)을 포함하는 디바이스에 있어서,

   상기 급전선은 전자기파가 원형 분극을 나타내도록 선택된 2개의 점(A1, A2; P1, P2, P3, P4)에서 슬롯과 전자기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
2. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯 타입의 안테나의 슬롯과 상기 급전선 사이의 전자기 결합의 2개의 점(A1, A2; P1, P2, P3, P4)은,

   - 2개 결합 점들 사이의 슬롯의 길이가, 슬롯 주변 길이가 λs인 경우, λs가 상기 슬롯에서의 유도 파장에 대해 λs/4의 크기를 가지고,

   - 상기 2개의 결합 점들 사이의 급전선의 길이는, λm이 상기 급전선 아래의 유도된 파장이고, k'이 홀수인, k'λm/4 정도의 크기를 가지며,

   - 상기 급전선의 끝과 제 1 결합 점 사이의 길이는, λm이 개방 회로에서 끝나는 상기 급전선의 유도된 파장인 λm/8 모듈로(modulo) λm/2의 크기를 가지도록, 선택되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
3. 제 1항 내지 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 내부에서 서로 포개 넣어진 슬롯 타입의 안테나로 이루어지는 전자기 신호를 수신 및/또는 송신하는 여러개의 수단과, 각 수단에 의해 방출된 전자기파들이 원형 분극을 나타내도록 선택된 2개의 점(P1, P2; P3, P4)에서 각 수단의 상기 슬롯과 전자기적으로 결합된 급전선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 급전선은 마이크로스트립 라인 또는 동일 평면상의 라인인 것을 특징으로 하는, 디바이스.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬롯 타입의 안테나로 이루어지는 전자기 신호들의 수신 및/또는 송신 수단은 고리 모양 또는 다각형 모양의 슬롯들로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 디바이스.