KR20070095292A - 순수 유전체 안테나 및 관련 기기 - Google Patents

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KR20070095292A
KR20070095292A KR1020077013408A KR20077013408A KR20070095292A KR 20070095292 A KR20070095292 A KR 20070095292A KR 1020077013408 A KR1020077013408 A KR 1020077013408A KR 20077013408 A KR20077013408 A KR 20077013408A KR 20070095292 A KR20070095292 A KR 20070095292A
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스티븐 그레고리 오키페
세포 사리오
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Abstract

길이방향 축을 갖는 장형의 유전체 방사 소자 및 상기 유전체 방사 소자에서 변위 전류를 발생하기 위한 피드 메커니즘을 포함하는 안테나 기기에 대해 개시한다. 상기 유전체 방사 소자는, 상기 길이방향 축에 평행한 변위 전류 공진 모드를 지원하지만, 상기 길이방향 축을 횡단하는 변위 전류 공진 모드는 억제하도록 구성되어 있다.
유전체 방사 소자, 변위 전류, 피드 메커니즘

Description

순수 유전체 안테나 및 관련 기기{PURE DIELECTRIC ANTENNAS AND RELATED DEVICES}
본 발명은 새로운 안테나에 관한 것이며, 특히 실질적으로 순수한 장형의 유전체 구성요소가 새로운 공진 모드를 지원하는 RF 애플리케이션에 관한 것이다.
본 출원인은, 실질적으로 순수한 유전체 재료에 기초하고, 유전체 공진기 안테나(DRA)나 전기적 도전성 안테나와는 다를 것으로 여겨지는, 새로운 유형의 안테나 기술을 개발하였다. 다이폴과 같은 전기적 도전성 안테나는 도전성이 충분히 좋은 경우에는 거의 무한히 얇아질 수 있는 반면, 본 발명 실시예의 실질적으로 순수한 유전체 안테나는 효과적으로 방사될 유한한 단면을 필요로 한다. DRA는 캐비티(cavity)처럼 방사하는 용적 기기(volume device)이다. 횡단 공진 모드(transverse resonant mode)가 (주목되는 주파수에서) 더 이상 가능하지 않을 정도로 DRA를 길고 얇게 제작한 경우 이 대상을 연구해 본 적이 없기 때문에 DRA가 순수 유전체 안테나로 전환될지는 확실하지 않다.
금속 도전체가 이론적으로는 순수 유전체 안테나에 필요하진 않지만, 실제로는 피드 네트워크(feed network)를 이 안테나에 결합하여 검사할 필요가 있다. 시뮬레이션과 연구실 측정치가 양호하게 일치하므로, 상기 기술은 실제이며 시뮬레이 션이나 측정 가공품이 아님을 나타낸다.
최근까지 항상 안테나는 구리와 같은 도전 재료로 만들어졌다. 유전(절연) 재료로 안테나를 설계하려는 것은 거의 반직관적인 것으로 여겨지지만, 실제로 무선 주파수에 있어서는 이러한 재료가 방사 변위 전류(radiating displacement current)를 지원할 것이다. 스탠포드 대학의 알. 디. 리치트마이어(R. D. Richtmyer)는 1939년 초에 이론 논문 [RICHTMYER R. D.: "Dielectric resonator", J. Applied Physics, 10, 391-398, 1939] 에 이것을 개시하였다. 자신의 이름을 딴 방정식에 변위 전류 항을 추가한 사람은 제이. 씨. 맥스웰(J. C. Maxwell)이었다. 분명하게도, 변위 전류는 자유 전하의 흐름이 될 수 없으며 격자 구조에서 평균 위치에 관한 전자의 변위에 의해 실제로 일어난다. 이것은 다른 유전체 기기, 즉 캐패시터가 직류(DC)를 도전시키지 않지만 무선 주파수는 통과시키는 방식과 유사하다. 유전체 안테나는 예를 들어 이동 통신(mobile telecommunication)에서 사용되는 것과 같이, 선택된 송수신 주파수로 전파(radio wave)를 방사하거나 수신하는 안테나 기기이다. 유전체 안테나의 유전체 재료는, 세라믹 유전체, 특히 로우-패스 세라믹 유전체 재료를 포함한 몇몇 후보 재료로 만들어질 수 있다.
본 출원인은 유전체 안테나 분야에서 광범위한 조사를 수행하였고, 본 출원에서는 이하에 주어진 명명법을 사용할 것이다. 본 발명 실시예의 순수 유전체 안테나는 이러한 알려진 유전체 또는 유전체에 기반한 안테나 기술에 새로운 범주를 부가한다. 본 발명 이전에 사용된 기존의 명명법은 다음과 같다:
고 유전체 안테나(High Dielectric Antenna, HDA): 고 유전체 구성요소를 공 진기로서 사용하거나 또는 도전성 라디에이터의 응답을 수정하기 위해 사용하는 안테나.
이때 HDA는 이하와 같이 분류된다:
a) 유전 로드 안테나(Dielectrically Loaded Antenna, DLA): 종래의 전기적 도전성 방사 소자가 이 도전성 방사 소자의 공진 특성을 수정하는 유전체 재료(일반적으로 고체 유전체 재료)로 싸이거나 유전체 재료에 인접하여 위치하는 안테나. 일반적으로 말하면, 도전성 방사 소자를 고체 유전체 재료로 싸는 것은, 대역폭 및 방사 저항의 대가를 치르더라도, 어떤 소정 세트의 동작 특성을 위해 짧거나 작은 방사 소자를 사용할 수 있게 하는데, 이에 대해서는 대부분의 안테나에 관한 텍스트 북을 참조하라[예를 들어, RUDGE A.W., MILNE K., OLVER A.D. 및 KNIGHT P.: "The handbook of antenna design", Peter Peregrinus Press, 1986, page 1534]. DLA에는, 유전체 재료에서 발생한 사소한 변위 전류만이 존재하며, 이것은 유전체 재료가 아닌, 라디에이터로서 동작하는 도전성 소자이다. DLA는 일반적으로 뚜렷한 협대역의 주파수 응답을 가진다.
b) 유전체 공진기 안테나(Dielectric Resonator Antenna, DRA): 도전성 접지면의 상부에 유전체 재료(일반적으로 고체이지만 액체일 수 있고 어떤 경우에는 기체일 수도 있다)가 제공되며, 프로브 피드(probe feed), 애퍼처 피드(aperture feed) 또는 다이렉트 피드(direct feed)(예를 들어, 마이크로스트립 피드라인(microstrip feedline))에 의해 에너지가 공급되는 안테나. 1983년 [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, pp 406-412]에서 처음으로 DRA에 관한 시스템 연구가 진행된 후로, 고 방사 효율, 가장 흔하게 사용되는 송신선에 대한 양호한 정합 및 작은 물리적 크기[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]로 인한 그 방사 패턴 때문에 관심이 높아져 왔다. 보다 최근의 개발에 대한 개요는 PETOSA, A., ITTIPIBOON, A., ANTAR, Y.M.M., ROSCOE, D., 및 CUHACI, M.:"Recent advances in Dielectric-Resonator Antenna Technology", IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1998, 40, (3), pp 35-48에 개시되어 있다. DRA는 DLA보다 대역폭을 더 넓게 가지는 경향이 있지만, DRA는 깊고 뚜렷한 공진 주파수로 특징지어진다. 유전체 공진기 재료와 도전성 접지면 사이에 에어 갭을 제공함으로써 주파수 응답을 어느 정도 넓히는 것이 가능하다. DRA에서는, 유전체 재료가 1차 라디에이터(primary radiator)로서 동작하는데, 이것은 피드(feed)에 의해 유전체에서 발생한 사소하지 않은 변위 전류 때문이다.
c) 광대역 유전체 안테나(Broadband Dielectric Antenna, DA): DRA와 마찬가지로, 도전성 접지면이 거의 없거나 아예 없다. BDA는 DRA보다 덜 뚜렷한 주파수 응답을 가지며, 이에 따라 더 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 동작하기 때문에 광대역 애플리케이션에 우수하다. BDA에서는 상기 방사가 유전체 재료로부터, (도전성 접지면이 없는 영역에서 프린티드 안테나(printed antenna)가 되는) 상기 유전 로드 피드 메커니즘(dielectrically loaded feed mechanism)으로부터 그리고 상기 도전성 접지면의 최가장자리로부터 일어날 수 있다. 몇몇 경우에 상기 안테나는 유전 로드 프린티드 모노폴(dielectrically loaded printed monopole)보다 훨씬 더 복잡하게 되지 않을 것이지만, 대역폭은 개별의 BDA 명명법을 만들었던 종래의 DLA 있어서보다 훨씬 더 크다. 일반적으로 말하면, BDA에서의 유전체 재료는 광범위한 형태를 취할 수 있으며, 이것은 DRA에서와 같이 제한적이지 않다. 실제로, BDA에서는 어떠한 임의의 유전체 형상이라도 방사하도록 만들어질 수 있으며, 이것은 안테나를 그 케이싱과 동일한 모양이 되도록 설계하려 할 때 유용할 수 있다.
d) 유전 자극 안테나(Dielectrically Excited Antenna, DEA): 유전 도전성 라디에이터를 자극하기 위해 DRA, BDA 또는 DLA를 사용하는, 본 출원인에 의해 개발된 새로운 유형의 안테나. DRA, BDA 또는 DLA는 하나의 대역에서 안테나로서 동작할 수 있고 도전성 라디에이터는 서로 다른 대역에서 동작할 수 있기 때문에, DEA는 다중 대역 동작에 적합하다. DEA는 1차 라디에이터가 (구리 다이폴 또는 패치(patch)와 같은) 도전성 구성요소인 점에서는 DLA와 유사하지만, 직접 접속 피드 메커니즘(directrly connected feed mechanism)을 갖는 점에서는 DLA와 다르다. DEA는 자체의 피드 메커니즘이 있는 바로 이웃의 DRA, BDA 또는 LDA에 의해 자극받는 기생 도전 안테나이다. 2003년 6월 16일에 출원된 영국특허출원 제0313890.6에 명시된 바와 같이, 이러한 장치에는 이점이 있다.
불확실성을 회피하기 위해, "전기적 도전성 안테나 구성요소"라는 표현은, 패치 안테나(patch antenna), 슬롯 안테나, 모노폴 안테나, 다이폴 안테나, 평평한 역L자형 안테나(PILA), 평평한 역F자형 안테나(PIFA)와 같은 종래의 안테나 구성요소나 또는 (몇몇 경우에는 DLA가 전기적 도전성 안테나 구성요소가 되도록 고려될 수 있을지라도) HAD가 아닌 어떠한 다른 구성요소를 정의한다.
또한, 통상의 공진 안테나와 폴리로드(polyrod)와 같은 진행파 구조(traveling wave structure)를 구별하는 것이 중요하며 또한 진행파 구조와 본 발명의 실시예를 구별하는 것도 중요하다.
진행파 안테나와 관련해서는, W L Stutzman & G A Thiele는, "Antenna theory and design", John Wiley & Sons, inc., 1988에서 다음과 같이 말하고 있다: "지금까지 우리가 논의한 유선 안테나는 공진 구조이었다. 피드 포인트(feed point)로부터 와이어(wire)의 종단으로 진행하는 파가 반사되어, 정상파형 전류 분포를 형성한다. [이것을 설명하기 위해 여기에 식을 제공한다.] 반사된 파가 안테나에 강력하게 나타나지 않을 때, 이것을 진행파 안테나라고 한다. 진행파 안테나는 파를 진행시키기 위한 안내 구조체로서 동작하는 반면, 공진 안테나는 정상파를 지원한다", W L Stutzman & G A Thiele는, "Antenna theory and design", John Wiley & Sons, inc., 1988.
폴리로드와 관련해서는, J. D. Kraus & R. J. Marthefka가, "Antennas for all applications", Third Edition, McGraw-Hill, 2002, pp 629-630에서 다음과 같이 말하고 있다: "유전체 로드 또는 와이어는 전자기파를 위한 가이드로서 동작할 수 있다. 그렇지만, 상당한 파워가 로드(rod)의 벽을 뚫고 나가 방사될 수 있기 때문에 안내 동작은 불완전하다. 이러한 방사 경향은 폴리로드 안테나에서는 이점 이 될 수 있는데 이른바 유전체 로드가 통상 폴리스티렌으로 제작되기 때문이다." 이 책은 또한 G. Wilkes "Wavelength lens", Proc. IRE, 206-212, 1948을 인용하고 있는데, 여기서는 폴리로드가 선단-발사 안테나(end-fire antenna)로서 동작할 수 있어 변형되거나 미완성된 형태의 렌즈 안테나로서 간주할 수 있음을 지적하고 있다. J D Kraus는 자신의 고전 책 "전자기학(Electromagnetics)", Fourth Edition, McGraw-Hill, 1992, pp 771-772에서 동일한 관점을 말하고 있다. 통상의 폴리로드 안테나는 GB 575,534에 개시되어 있다.
"The handbook of antenna design", Ed. A. W. Rudge, K. Milne, A.D. Olver & P. Knight, volumes 1 and 2, IEE electromagnetic wave series, Peter Peregrinus, 1996, pp 53에는 진행파원(travelling wave sources)으로부터의 방사에 대해 개시되어 있다. "많은 경우 파는 단지 한 방향으로만 진행하며.....이러한 유형의 안테나의 예로는 긴 와이어, 마름모꼴, 유전체 로드를 들 수 있다...." 를 주장하고 있다. 그러므로 폴리로드가 진행파 안테나임은 명백할 것이다.
순수 유전체 안테나는 진행파 안테나 또는 폴리로드가 아니다. 무한정 길게 제작된 모든 안테나는 자기-공진(self-resonant)을 중단할 것이고 누설파(leaky-wave) 유형의 진행파 안테나로 전환될 것이다. 이것은 파(wave)가 안테나를 떠나서 그 종단에서 반사되지 않을 것이기 때문이다(안테나가 무한정 길기 때문에). 이것은 어떠한 다른 유형으로도 될 수 있으므로 순수 유전체 안테나라 할 수 있다. 그렇지만, 본 발명에 의해 구현된 통상적인 순수 유전체 안테나, 즉 민감한 종횡비를 갖는 안테나는 자기-공진 메커니즘을 가질 것이고 통상의 전기적 도전성 금속 안테나와 동일한 방식으로 방사할 것이다. 예를 들어, 도 5는 순수 유전체 다이폴 상에 나타나는 전기장(E-field)을 나타내고, 다이폴 모드에서는 동작하지만 (종단 쪽으로 계속해서 감소하는 전기장을 갖는) 진행파 구조로서 동작하지 않는다는 것을 알 수 있다.
현재, 본 발명의 실시예를 수행할 수 있는 다섯 가지의 서로 다른 방식이 있다.
1) 순수 유전체 다이폴 및 그외 평형 안테나. 이것들은 접지면이나 기판을 필요로 하지 않으며 "공간상에서의 유영(floating in space)"을 하게 될 것이다.
2) 도전성 접지면에 대항해서 구동되는 순수 유전체 모노폴.
3) 도전성 접지면으로 부분적으로 덮인 기판상에 설치된 순수 유전체 소자. 여기서 방사 메커니즘은 보다 복잡하게 될 것으로 여기지는데 왜냐하면 상기 접지면이 안테나의 성능에서 중요한 역할을 하고 상기 방사 메커니즘의 일부이기 때문이다. 그럼에도, 구동된 소자는 순수 유전체 기기를 유지한다.
4) (일반적으로 저 임피던스 피드 엔드(low-impedance feed end)에서의) 안테나의 일부가 순수 유전체 라디에이터이고 (일반적으로 고 임피던스 오픈 엔드(high-impedance feed end)에서의) 안테나의 일부가 전기적 도전성 안테나 구성요소인 하이브리드 기기.
5) 안테나의 일부가 임의의 상기 순수 유전체 기기이고 제2 기생 기기를 사용하여 동일하거나 상이한 주파수 대역에서 방사하는 하이브리드 기기. 상기 기생 소자는 전기적 도전성 안테나 구성요소 또는 유전체 안테나의 유형 중 어느 하나가 될 수 있다.
1939년에 발표된 리치트마이어(Richtmyer)의 연구는 유전체 재료로 제작된 안정한 형태의 대상(object)이 고주파 발진용 전기 공진기로서 기능할 수 있음을 보여주었다. 리치트마이어는 이러한 기기가 유전체와 주위의 매체(공기) 사이의 인터페이스에서 경계 조건(boundary conditions)에 기반하여 방사해야만 하는 것을 증명하였다. 공진기 내부의 진동장(oscillating fields)이 출력파(outgoing waves) 및 이에 따른 방사된 에너지를 생성해야만 한다는 것은 이미 이전에 제안되었다[HANSEN W.W. 및 BERKERLY J.G., Proc. I.R.E., 24, p 1594, 1936]. 리치트마이어는 예로서 유전체 구 및 원형 유전체 링 공진기의 몇몇 공진 모드를 제공하였다. 이 연구에 기초하여, 유전체 공진기 안테나(DRA)가 전술한 바와 같이 1980년대에 개발되었다.
본 출원은 리치트마이어의 논문과는 다른 해석을 제공한다. 본 출원인은 적절하게 장형의 유전체 재료(elongate dielectric material)에서 다른 유형의 공진이 생성될 수 있다는 놀라운 발견을 하였다. 한 쌍의 길고 얇은 유전체 조각은 다이폴과 유사한 방식으로 방사할 수 있다는 것을 알게 되었다. 이것은 안테나, 유전체 공진기 또는 DRA에 관한 표준 텍스트를 포함한, 본 출원인이 알고 있는 어떠한 논문에도 서술되어 있지 않다. 리치트마이어가 서술한 DRA 공진 모드와 마찬가지로, 이들 다이폴-모드 공진 유전체 역시 방사를 해야만 하거나 마찬가지로 유전체-공기 인터페이스에 적용되는 것과 같이 맥스웰의 방정식에 어긋날 것이다. 본 출원인은 이러한 새로운 기술에 대한 순수 유전체 안테나(PDA)의 새로운 명명법을 제안하는 바이다.
이들 순수 유전체 다이폴의 컴퓨터 시뮬레이션에서, 순수 유전체 안테나의 2개의 아암 사이의 갭에 걸쳐 럼프-갭 소스(lump-gap source)(또는 다른 갭 피드 기기(gap feed device))가 설치될 수 있기 때문에, 전기적 도전성 구성요소는 전혀 필요하지 않다. 몇몇 컴퓨터 시뮬레이션에서, 럼프 갭 소스는 도전성 구성요소와 같은 전기적 특성을 갖지 않지만, 일반적으로 상기 럼프 갭 소스는 관련 주파수에서 방사하지 않을 정도로 전기적으로 작다. 실제로, 전기적 도전성 피드 구성요소는 연구실에서 안테나를 검사할 필요가 있다. 그렇지만, 순수 유전체 시뮬레이션과 전기적 도전성 피드 네트워크를 포함하는 연구실 측정치가 양호하게 일치하므로, 본 출원인은 상기 기술이 실제이며 시뮬레이션이나 측정 가공품이 아님을 확신한다.
일련의 중요한 이점이 PDA에 있어서 발견되었다:
ⅰ) 본질적으로 매우 넓은 대역폭을 갖는다.
ⅱ) 종래의 안테나보다 동조(detuning)에 대해 더욱 내성이 있다.
ⅲ) 사실상 손실 메커니즘이 없기 때문에 지극히 높은 방사 효율성을 갖는다.
ⅳ) 정합 구성요소가 전혀 또는 거의 필요하지 않다(기껏해야 2개).
단점은, 동일한 주파수에서 동작하는 순수 전기적 도전성 안테나보다 물리적으로 더 길다는 점이다.
본 발명의 제1 관점에 따르면, 안테나 기기가 제공되며, 상기 안테나 기기는, 길이방향 축을 갖는 장형의 유전체 방사 소자 및 상기 유전체 방사 소자에서 변위 전류를 발생하기 위한 피드 메커니즘을 포함하며, 상기 유전체 방사 소자는, 상기 길이방향 축에 평행한 변위 전류 공진 모드를 지원하지만, 상기 길이방향 축을 횡단하는 변위 전류 공진 모드는 억제하도록 구성되어 있다.
변위 전류 공진 모드는 정상파형 변위 전류 분포의 생성을 필요로 하지만 진행파형 전류 분포의 생성은 필요로 하지 않는다는 것은 분명하다. 그러므로 폴리로드, 유전체 파 가이드(dielectric wave guide) 및 그외 진행파 안테나 구조는 본 발명의 범주에서 명확히 배제된다.
몇몇 실시예에서, 유전체 방사 소자는 도전성 접지 기판을 구비할 수 있으며, 이 도전성 접지 기판은 유전체 방사 소자의 길이방향 축에 실질적으로 수직인 면을 갖는다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 제1 관점에 따른 적어도 하나의 안테나 쌍을 포함하는 다이폴 또는 다른 평형 안테나 기기를 더 제공하며, 각각의 안테나 쌍은 엔드투엔드(end-to-end) 방식으로 배열된다.
상기 유전체 방사 소자는 도전성 접지면에 의해 부분적으로 덮인 유전체 기판을 구비한다.
상기 안테나 기기는 상기 유전체 방사 소자에 부착된 전기적 도전성 방사 소자를 더 포함한다.
피딩 메커니즘(feeding mechanism)은 유전체 방사 소자를 여기하는 제2 안테나가 될 수 있다.
대안으로 또는 더하여, 상기 유전체 방사 소자에 의해 기생적으로 구동되고, 동일하거나 다른 주파수 대역으로 방사하는 제2 방사 소자가 제공된다. 상기 기생 소자는 전기적 도전성 안테나 구성요소 또는 유전체 안테나 및/또는 HDA의 유형 중 어느 하나가 될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는, (일반적으로 저 임피던스 피드 엔드에서의) 안테나의 제1 부분이 순수 유전체 라디에이터이고 (일반적으로 고 임피던스 오픈 엔드에서의) 안테나의 제2 부분이 전기적 도전성 라디에이터인 하이브리드 안테나 기기를 제공한다.
유전체 재료(종종 세라믹)를 금속화하는 현재의 방법은 일반적으로 일부 도전성 페인트(conductive paint)의 형태를 필요로 한다. 이러한 페인트는 통상적으로 유리 입자 및 용매와 결합한다. 세라믹에 있어서, 상기 결합은 약 900℃의 오븐에서 가열되는데, 이 프로세스 동안 유리 재료는 도전성 재료(종종 은)가 표면 쪽으로 확산하는 동안 세라믹 쪽으로 분리되어 세라믹과 함께 주입된다. 냉각 후 세라믹은 강력하게 결합된 도전성 표면을 갖게 된다. 유전체 재료에 대해 전기적 접속을 만드는 다른 방법들은 도전성 재료를 기계적으로 부착하는 단계 및 접착제를 이용하여 도전성 재료를 결합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예는 삽입물(intercalation)을 이용하여 유전체에 전기 도전체를 부착하는 새로운 방법을 적용한다. 삽입물은 게스트(guest) 이온 또는 분자(또는 그룹)을 2개의 다른 호스트(host) 이온들 또는 분자들(또는 그룹들) 사이에 포함시키기 위해 화학에서 사용되는 용어이다. 호스트 재료는 일반적으로 어느 정도 격자 또는 다른 주기적 네트워크의 형태를 갖는다. 도전성 이온들 또는 분자들(또는 그룹들)이 호스트 구조에 삽입되면, 호스트 구조는 그 포인트에서 도전성으로 될 것이므로 전기적 접속이 이루어질 수 있다. 이 새로운 기술은 어떠한 재료에도 적용될 수 있지만, 특히 순수 유전체 안테나에 있어서 유전체 재료를 가능한 한 순수하게 유지하려 할 때 특히 그러하다.
본 명세서의 상세한 설명 및 청구의 범위를 통해, 용어 "포함하다" 및 "구비하다" 및 이 말의 변형, 예를 들어 "포함하는" 및 "구비하는"은 "포함하지만 이에 제한되는 것이 아니다"라는 의미이며, 그외 일부분, 부가, 구성요소, 정수(integers) 또는 단계를 제외(또는 배척)하려는 것이 아니다.
본 명세서의 상세한 설명 및 청구의 범위를 통해, 문장(context)이 별도로 요구하는 것이 없으면 단수는 복수를 망라한다. 특히, 명확하지 않은 조항이 사용된 경우에, 문장이 별도로 요구하는 것이 없으면, 명세서는 복수뿐만 아니라 단수까지도 고려하고 있는 것으로 이해해야 한다.
본 발명의 특정한 관점, 실시예 또는 예와 결합하여 서술된 특징, 정수, 특성, 화합물, 화학적 부분 또는 그룹은, 양립할 수 없는 것이 아니라면 여기서 서술된 어떠한 다른 관점, 실시예 또는 예에도 적용 가능하다는 것으로 이해해야 한다.
본 발명을 더욱 잘 이해하기 위해 그리고 어떻게 효과적으로 수행되는지를 나타내기 위해, 첨부된 도면에는 예를 들어 도면부호를 나타낼 것이다.
도 1은 자유 공간에서 본 발명의 실시예의 세라픽 다이폴의 시뮬레이트 모델을 나타내는 도면이다.
도 2는 유전체 기판 위에 장착되고 마이크로스트립 벌룬(microstrip balun)을 구비한 도 1의 다이폴의 실제 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 실시예에 있어서 - 계산된(실선) 및 측정된 (점선) - 정합하지 않는 복귀 손실을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1 및 도 2의 실시예에 있어서 - 계산된(실선) 및 측정된 (점선) - 정합된 복귀 손실을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1 또는 도 2에 도시된 유형의 순수 유전체 다이폴에 나타나는 전기장을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 이중 원뿔형의 순수 유전체 다이폴의 시뮬레이트 모델을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 실시예(실선) 및 다이폴이 일정 반경과 동일한 용적을 갖는 대안의 실시예(점선)에서의 정합된 복귀 손실을 나타내는 도면이다.
도 8은 실질적으로 무한한 접지면 상에 장착된 모노폴 순수 유전체 안테나를 도시하는 도면이다.
도 9는 도 8의 실시예에 있어서 정합하지 않는 복귀 손실(실선)과 정합된 복귀 손실(점선)을 나타내는 도면이다.
도 10은 WLAN 애플리케이션에 적합한 본 발명의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 11은 광대역 GSM 무선 애플리케이션에 적합한 본 발명의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 10의 실시예의 제1 포트와 제2 포트에 대한 복귀 손실을 나타내는 도면이다.
도 13은 도 11의 실시예에 있어서 복귀 손실을 나타내는 도면이다.
도 14는 한 쌍의 하이브리드 소자를 포함하고, 각각의 하이브리드 소자는 순수 유전체 부분과 전기적 도전성 부분으로 형성되어 있는 다이폴을 나타내는 도면이다.
도 15는 다이폴 PDA가 기생 또는 제2 PDA를 구동하는 본 발명의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 16은 점선은 기생 PDA가 있을 때의 복귀 손실을 나타내고, 실선은 PDA가 없을 때의 복귀 손실을 나타내는, 도 15의 실시예에 있어서의 복귀 손실을 나타내는 도면이다.
1) 순수 유전체 안테나 및 다른 평형 안테나
본 발명의 실시예들 중 제1 변형예의 순수 유전체 다이폴 안테나를 예로서 사용하여 기본적인 기술에 대해 설명한다.
도 1은 자유 공간에서의 시뮬레이트 세라믹 다이폴(1)을 나타내며, 상기 다이폴은 한 쌍의 동축 방사 아암(co-linear radiating arms)(2)을 갖는다.
도 2는 마이크로-스트립 벌룬(4)을 갖는 Duroid® 기판(3)
Figure 112007043150431-PCT00001
상의 선을 따라 장착된 한 쌍의 장방형 유전체 세라믹 소자(2)를 포함하는 다이폴(1)의 형태로, 도 1에 도시된 개념의 실제 구현을 나타낸다.
도 3은 도 1 및 도 2의 실시예에 있어서 - 계산된(실선) 및 측정된 (점선) - 정합하지 않는 복귀 손실을 나타내고, 반면 도 4는 정합된 복귀 손실을 나타낸다.
이러한 안테나에 있어서, 치수를 증가시키면 공진 주파수가 정확하게 반비례로 감소한다는 것이 발견되었다. 그러므로 유전 상수(εr)가 135이고 치수가 1 x 1 x 100mm인 아암(2)을 갖는 안테나는 4320 MHz에서 공진하는 반면, 치수가 5 x 5 x 100mm인 아암을 갖는 안테나는 900 MHz에서 공진하는 것이 발견되었고, 이것은 거의 정확하게 비례한다. 이러한 동작은, 주파수 및 치수가 역으로 축적되어야 하는, 다이폴 또는 임의의 다른 방사 기기의 동작과 일치한다.
안테나의 길이를 일정하게 하고 단면을 증가시키면, 용적은 증가하지만 공진 주파수는 크게 감소하지 않는다. 예를 들어, εr=135이고 치수가 1 x 1 x 100mm인 아암(2)을 갖는 안테나는 4320 MHz에서 공진하는 반면, 치수가 5 x 5 x 20mm인 아암을 갖는 안테나는 2750 MHz에서 공진하는 것이 발견되었다. 따라서 용적은 25-폴드(fold) 증가하였지만 주파수는 4320 MHz의 약 64%만이 감소하였을 뿐이다. 이것은 DRA와는 완전하게 상반되는 데, DRA에서는 공진 주파수가 (공통으로 검사된 종횡비의 범위에 걸쳐) 용적에 선형으로 의존하고 훨씬 더 일치한다.
εr이 증가하면, 공진 주파수는 유전 상의 제곱근에 정확하지는 않지만 거의 비례하여 감소하게 된다. 그러므로 치수가 5 x 5 x 20mm이고 εr이 40인 아암을 갖는 안테나는 4320 MHz에서 공진하는 반면, 치수는 동일하면서 εr이 200인 것은 2090 MHz에서 공진하는 것으로 발견되었다.
대역폭은 검사된 범위에 걸쳐 εr의 강력한 함수가 되는 것으로는 발견되지 않았다. 그렇지만, 대역폭은 고정된 길이에 대해 아암(2)의 단면에 따라 거의 선형으로 증가한다. 예를 들어, 치수가 1 x 1 x 40mm인 아암(2)을 갖는 안테나는 15.3%의 대역폭을 가지지만, 치수가 5 x 5 x 50mm인 아암을 갖는 안테나는 39%의 대역폭을 갖는다. 대역폭은 εr의 함수이지만 강력한 함수는 아니다. 예를 들어, 치수가 4 x 4 x 20mm인 아암(2) 및 37의 εr을 갖는 안테나는 38.5%의 대역폭을 가지지만, εr이 200으로 증가하면 대역폭은 단지 24.4%, 0.63의 계수로 떨어진다. 이것은 어떠한 기존의 DRA 공진 모드의 경우보다도 훨씬 낮은데, 이와 관련해서는 [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]를 참조하라. εr에 대한 이러한 약한 대역폭 의존성은 PDA와 DRA 사이의 또 다른 중요한 차이이다.
PDA의 공진 주파수가 검사되면, 안테나는 유전체뿐만 아니라 표면상에도 전 기장이 존재할 수 있다는 것만 제외하고는 전기적 도전성 다이폴과 유사하게 동작한다. 이것은 캐비티형 공진 모드(cavity-like resonant modes)를 갖는 DRA와는 달리, 길이방향의 공진 모드(longitudinal resonant mode)를 발생시킨다. 이것은 본 발명의 PDA가 종래의 DRA와는 근본적으로 다르다는 본 출원인의 확신을 뒷받침한다.
도 5는 도 2의 실시예에서 측정된 전기장을 도시하는데, 이로부터 다이폴은 진행파 모드가 아닌 다이폴 모드에서 동작한다는 것을 알 수 있다(이 경우 전기장은 다이폴의 종단 쪽으로 서서히 감소할 것이다).
도 6은 도 1의 실시예와 유사한 실시예를 도시하는 데, 넓은 베이스가 서로 마주하는 원뿔형 또는 원뿔대형(frustoconical shape)으로 아암(2)이 구성되어 있다는 점이 다르다.
이중 원뿔형 PDA(εr=93)의 이러한 시뮬레이트 모델에서, 아암(2) 각각은 4mm의 시작 반경과 2mm의 종료 반경(즉 2:1의 반경비)을 갖는다.
도 7은 도 6의 실시예(실선) 및 다이폴이 일정 반경과 동일한 용적을 갖는 대안의 실시예(점선)에서의 정합된 복귀 손실을 나타내는 도면이다.
컴퓨터 시뮬레이션에서, 도 6의 이중 원뿔형 PDA의 대역폭은 동등한 일정 반경 다이폴보다 9.6% 높게 향상되었다(도 7 참조). 또한 공진에서의 중심 주파수도 약간 증가하였다.
2) 순수 유전체 모노폴 및 그외 비평형 안테나:
도 8은 실질적으로 무한한 접지면에 대해 일반적으로 수직으로 장착된 모노폴 순수 유전체 세라믹 소자(5)를 도시하고 있다.
본 출원인에 의해 조사된 특정한 예에서, 모노폴 소자(5)는 실질적으로 무한한 접지면 상에 4 x 4 x 40mm의 치수로 이루어져 있다.
모노폴 PDA는 대략 동일한 주파수에서 그 평형 대응물(balanced counterpart)보다 훨씬 더 넓은 대역폭을 보인다. 예를 들어, 중심 주파수가 1800 MHz이고 일치된 대역폭이 거의 440 MHz인 PDA 다이폴의 한쪽 아암은 약 2100 MHz의 주파수 및 ＞1300 MHz의 대역폭을 갖는 모노폴로서 사용되어, 정확한 정합(matching)을 제공한다.
도 9는 도 8의 실시예에 있어서 정합하지 않는 복귀 손실(실선)과 정합된 복귀 손실(점선)을 도시하고 있다.
3) 도전성 접지면으로 부분적으로 덮인 기판상에 설치된 순수 유전체 소자
도 10은 마이크로스트립 벌룬(8)에 의해 급전되는 제1 및 제2 순수 유전체 아암(7)을 갖는 제1 안테나(6) 및 마이크로스트립 벌룬(8')에 의해 급전되는 제1 및 제2 순수 유전체 아암(7')을 갖는 제2 안테나(6')를 포함하는 실시예를 도시하고 있다. 본 실시예에서, 아암(7)은, 벌룬(8)의 양쪽에 아암이 하나씩 있는, 상호 병렬 구성으로 배열되어 있고, 아암(7')은 벌룬(8')과 관련하여 동일한 관계로 배열되어 있다. 안테나(6,6')는, 아암(7,7')이 설치되어 있는 영역(11)을 제외한 그 상부 표면 위에 도전성 접지면(10)이 형성되는 유전체 기판(9) 상에 장착되어 있다. 접지면(10)은 마이크로스트립(8,8') 아래로 그리고 각각의 아암(7,7') 사이로 연장하지 않는다.
도 10의 실시예는 랩톱 컴퓨터에서 사용하기 위해 광대역 또는 다중 대역 WLAN 안테나로서 설계되었는 데, 안테나(6)는 하나의 대역에서 동작하고 안테나(6')는 (광대역용의) 다른 이웃하는 대역 또는 (다중 대역용의) 비중첩(non-overlapping) 대역에서 동작한다.
도 12는 도 10의 실시예의 안테나(6, 6') 각각의 복귀 손실을 도시하고 있고 다중 대역 동작이 어떻게 수행될 수 있는지를 보여주고 있다.
도 11은 도전성 접지면(10)이 순수 유전체 모노폴 방사 소자(12)가 설치되어 있는 영역을 제외한 그 상부 표면 위에 형성되어 있는 유전체 기판(9) 상에 상기 순수 유전체 모노폴 방사 소자(12)가 장착되어 있는 다른 실시예를 도시하고 있다. 상기 접지면(10)의 폭을 변경하여, 광대역으로부터 이중-대역 공진으로 이동시킬 수 있으며 그 반대로도 가능하다.
도 13은 도 11의 실시예에 있어서의 복귀 손실을 도시하고 있다.
4) (일반적으로 저 임피던스 피드 엔드(low-impedance feed end)에서의) 안테나의 일부가 순수 유전체 라디에이터이고 (일반적으로 고 임피던스 오픈 엔드(high-impedance feed end)에서의) 안테나의 일부가 전기적 도전성 안테나 구성요소인 하이브리드 기기.
도 14는 도 1, 도 2 또는 도 6의 실시예의 변형을 개략도로서 도시하고 있으며, 유전체 아암(여기서는 13으로 도시됨)은 피드(도시되지 않음)를 구비하지 않는 아암(13)의 종단에 도전성 연장부(14)(예를 들어 구리 와이어 등)를 구비한다. 사상(idea)은 유전체 아암(13)을 포함하는 다이폴이 고주파 대역에서 넓은 대역폭으로 공진하도록 구성되고 도전성 연장부(14)가 저 대역에서 (일반적으로 저 대역폭으로) 방사하도록 부가되어 있다는 것이다. 도전성 연장부(14)는 직선일 수도 있고, 도시된 바와 같이 구불구불할 수도 있다. 순서를 반대로 해서, 순수 유전체 소자(13)가 도전성 아암(14)을 가진 종래의 도전성 다이폴의 연장부가 되도록 할 수도 있다.
5) 안테나의 일부가 임의의 상기 순수 유전체 기기이고 제2 기생 기기를 사용하여 동일하거나 상이한 주파수 대역으로 방사하는 하이브리드 기기.
도 15는 한 쌍의 유전체 방사 아암(2)을 갖는 순수 유전체 다이폴(1)(도 1의 것과 유사함)을 도시하고 있다. 다이폴(1)에 평행하고 밀접하게 위치하는 순수 유전체 세라믹 기생 소자(15)가 추가로 제공되어 있다.
도 16은 점선은 기생 소자(15)가 있을 때의 복귀 손실을 나타내고, 실선은 기생 소자(15)가 없을 때의 복귀 손실을 나타내는, 도 15의 실시예에 있어서의 복귀 손실을 도시하고 있다. 기생 소자(15)가 있음으로써 대역폭이 더 크다는 것을 알 수 있다.
기생 PDA(15)를 사용하는 대신에, 도전성 기생 안테나 소자를 제공할 수 있 는데 이는 확실히 충분한 커플링을 있기 때문이다.
또한, 도전성 다이폴도 유사한 방식으로 기생 PDA를 구비할 수 있다.

Claims (25)

  1. 길이방향 축을 갖는 장형의 유전체 방사 소자 및 상기 유전체 방사 소자에서 변위 전류를 발생하기 위한 피드 메커니즘을 포함하며,
    상기 유전체 방사 소자는, 상기 길이방향 축에 평행한 변위 전류 공진 모드를 지원하지만, 상기 길이방향 축을 횡단하는 변위 전류 공진 모드는 억제하도록 구성되어 있는, 안테나 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    정상파형 변위 전류 분포(standing wave type displacement current distributions)에 의해 생성된 공진 모드를 지원하도록 구성되어 있는 안테나 기기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자는 도전성 접지 기판(conductive grounded substrate)을 구비하는, 안테나 기기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도전성 접지 기판은 상기 유전체 방사 소자의 길이방향 축과 실질적으로 수직인 면을 갖는, 안테나 기기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 도전성 접지 기판은 상기 유전체 방사 소자의 길이방향 축과 실질적으로 평행한 면을 갖는, 안테나 기기.
  6. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제5항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 안테나 기기의 쌍을 포함하는 다이폴 또는 다른 평형 안테나 기기에 있어서,
    각각의 안테나 기기의 쌍은 엔드투엔드(end-to-end) 방식으로 배열되는, 다이폴 또는 다른 평형 안테나 기기.
  7. 제4항에 기재된 안테나를 포함하는 모노폴 또는 다른 불평형 안테나 기기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자는 도전성 접지면에 의해 부분적으로 덮인 유전체 기판을 구비하는, 안테나 기기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자는 상기 도전성 접지면에 의해 덮이지 않은 상기 유전체 기판의 일부 위에 설치되는, 안테나 기기.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    적어도 한 쌍의 유전체 방사 소자를 포함하는 안테나 기기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 유전체 방사 소자는 실질적으로 평행한 구성으로 배열되는, 안테나 기기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 유전체 방사 소자는 실질적으로 동축 구성(co-linear configuration)으로 배열되는, 안테나 기기.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 유전체 방사 소자는 벌룬 피드(balun feed)에 의해 급전되는, 안테나 기기.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자에 부착된 전기적 도전성 방사 소자를 더 포함하는 안테나 기기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전기적 도전성 방사 소자는 상기 유전체 방사 소자의 길이방향 축과 동일한 방향으로 연장하는, 안테나 기기.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 전기적 도전성 방사 소자는 피딩 메커니즘(feeding mechanism)으로부터 먼 쪽에 있는 상기 유전체 소자의 종단부에 부착되는, 안테나 기기.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 전기적 도전성 방사 소자는 피드 메커니즘에 가까운 쪽에 있는 상기 유전체 소자의 종단부에 부착되는, 안테나 기기.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자는 장방형(elongate oblong) 구성으로 되어 있는, 안테나 기기.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자는 긴 원통형(elongate cylindrical) 구성으로 되어 있는, 안테나 기기.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자는 긴 원뿔형 또는 원뿔대(elongate conical or frustoconical) 구성으로 되어 있는, 안테나 기기.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드 메커니즘은 상기 유전체 방사 소자를 여기하는 제2 안테나인, 안테나 기기.
  22. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자에 의해 기생적으로 구동되는 제2 방사 소자를 구비하는 안테나 기기.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 방사 소자는 유전체 세라믹 재료로 이루어진, 안테나 기기.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드 메커니즘은 삽입(intercalation) 수단에 의해 유전체 공진기에 부착되어 있는, 안테나 기기.
  25. 실질적으로 첨부된 도면을 참조하여 전술한 바와 같은 또는 도면에 도시된 바와 같은 안테나 기기.
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