KR20110018918A - 폴디드 원뿔형 안테나 및 연관 방법 - Google Patents

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Abstract

원뿔형 모노폴 안테나는 정점 및 베이스를 갖는 원뿔형 안테나 소자, 원뿔형 안테나 소자의 베이스를 가로질러 결합된 도전성 베이스 부재, 및 원뿔형 안테나 소자의 정점에 인접하는 접지면 안테나 소자 예컨대 디스크 안테나 소자를 포함한다. 폴드 도체는 도전성 베이스 부재와 접지면 안테나 소자의 사이에 결합된다. 폴드 도체는 저항성 소자 또는 유도성 소자와 같은 적어도 하나의 임피던스 소자를 포함할 수 있다. 안테나 급전 구조물은 접지면 및 원뿔형 안테나 소자에 결합되어 있다. 안테나는 증가된 사용가능한 대역폭을 얻도록 차단 주파수 아래에서의 낮은 VSWR을 위해 맞바꾸어지는 차단 주파수 위에서의 감소된 이득을 가질 수 있다. 폴디드 저항성 종단은 구동점 감쇠 및 에지 부하보다 우위에 있고, 원뿔형 모노폴 안테나는 대부분의 라디오 주파수에서 낮은 VSWR을 제공한다.

Description

폴디드 원뿔형 안테나 및 연관 방법{FOLDED CONICAL ANTENNA AND ASSOCIATED METHODS}
본원발명은 안테나 분야에 관한 것이고, 더 구체적으로, 본원발명은 저비용 광대역 안테나, 원뿔형 및 쌍원뿔 안테나, 폴디드 안테나, 무지향성 안테나 및 관련 방법에 관한 것이다.
현대의 통신 시스템은 대역폭이 더욱 증가하고 있으므로 광대역 안테나에 대한 필요성이 더욱 커졌다. 어떤 것은 예컨대 100-1000MHz 등 10배의 대역폭을 필요로 할 수도 있다. 다양한 필요성(예컨대 군사적 필요성)은 저감청성(LPI) 송신 또는 통신 교란을 위해 광대역 안테나를 요구할 수 있다. 교란 시스템은 높은 전력 레벨을 사용할 수 있고 안테나는 항상 낮은 전압정재파비(VSWR)를 제공해야 한다. 대역폭 요구는 순시적일 수 있고 튜닝은 충분하지 않을 수 있다.
현대 물리학에서, 순시 이득 대역폭은 Chu의 한도(L.J.Chu, "Physical Limitations of Omni-Directional Antennas", Journal of Applied Physics, Vol.19, pp1163-1175 Dec. 1948)로 알려져 있는 관계를 통하여 안테나 크기와 연계된다. Chu의 한도 하에서는, 단일의 튜닝된 안테나의 최대 순시 3dB 이득 부분 대역폭은 200 (r/λ)3을 초과할 수 없다. 여기서, r은 분석을 위하여 안테나 위에 놓이는 구형 엔벨로프의 반경이고, λ는 파장이다. 안테나 순시 이득 대역폭은 제한되는 반면, 전압정재파비(VSWR) 대역폭은 그렇지 않다. 그러므로, 어떤 시스템에 있어서는, 손실 또는 저항성 부하를 도입함으로써 증가되는 VSWR 대역폭에 대하여 안테나 이득을 맞바꾸는 것이 필요할 수 있다. 안테나가 Chu의 한도를 넘어서 즉, 작고 불충분한 크기에서 낮은 VSWR을 제공하도록 동작해야 할 때에는 손실이 요구될 수 있다. 소산성 손실 없이는 안테나의 단일의 튜닝된 순시 2 대 1 VSWR 대역폭은 70.7(r/λ)3을 초과할 수 없다.
임피던스 보상 회로와 같이 안테나 외부의 네트워크로 안테나의 순시 이득 대역폭을 늘리기 위한 접근법으로서 다중 튜닝이 제안되어 왔다. 다중 튜닝된 안테나는 다항의 응답을 갖고 체비셰프 필터(Chebyshev filter)와 같은 리플드 통과대역을 포함할 수 있다. 이롭기는 하지만, 다중 튜닝은 모든 안테나 크기-대역폭 요구에 대한 처방일 수는 없다.
Wheeler는 단일 튜닝 대비 무한 차수 다중 튜닝을 위한 3π 대역폭 향상 한도를 제시하였다("The Wideband Matching Area For A Small Antenna", Harold A. Wheeler, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-31, No.2, Mar. 1983). 1차 안테나는 본질이 2차인 "단일 튜닝된" 주파수 응답을 제공할 수 있다.
1/2 파 씬 와이어 다이폴(1/2 wave thin wire dipole)은 1차 안테나의 예이다. 그것은 13.5 퍼센트의 3 dB 이득 대역폭 및 단지 4.5 퍼센트의 2.0 대 1 VSWR 대역폭을 가질 수 있다. 이것은 Chu의 단일 튜닝된 이득 대역폭 한도의 거의 5 퍼센트이고 충분하지 않을 때가 종종 있다. 광대역 다이폴은 와이어 다이폴에 대한 대안이다. 이들은 선형 보다는 방사상 전류 흐름을 위해 씬 와이어보다는 원뿔 방사 소자를 이용하는 것이 바람직하다. 그들은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 파 팽창에 잘 맞춰져 있다. 접지면 위에 단일의 역원뿔을 포함하는 원뿔형 안테나, 및 정점들이 서로를 향하게 배향된 1쌍의 원뿔을 포함하는 쌍원뿔 안테나는 예컨대 스펙트럼 감시 등과 같은 다양한 애플리케이션을 위한 광대역 안테나로서 사용된다.
상부 역원뿔, 하부 원뿔 및 급전 구조물을 포함하는 쌍원뿔 안테나는 Carter의 미국특허 제2,175,252호 "Short Wave Antenna"에 개시되어 있다. 2개의 원뿔은 안테나를 급전하는 전기 신호를 제공하는 동축 회로에 접속되는 자려 혼(self exciting horn)을 형성한다. 그 안테나는 원뿔 축 둘레로 대칭적이고 원뿔의 각각은 360도에 걸치는 풀콘(full cone)이다. 미국특허 제2,175,252호의 도 2에 있어서, 단일의 원뿔은 원뿔형 모노폴을 형성하는 평면 부재에 대하여 여기된다. 본질적으로, 예컨대 원뿔형 플레어 각 ∏/2 라디안을 갖는 쌍원뿔 안테나는 낮은 차단 주파수로부터의 하이패스 필터 응답을 갖는다. 그러한 안테나는 넓은 대역폭을 제공하고, 10 또는 그 이상의 옥타브 응답이 성취된다. 그러나, 원뿔형 안테나라도 한계가 없는 것은 아니다: VSWR은 낮은 차단 주파수 아래에서 급격하게 상승한다. 로우패스 응답 안테나는 현 당업계에 알려져 있지 않은 것으로 보인다.
광대역 원뿔형 다이폴은 디스크와 원뿔의 조합과 같은 비유사 하프 소자들을 포함할 수 있다. 디스콘 안테나는 Kandoian의 미국특허 제2,368,663호에 개시되어 있다. 디스콘 안테나는 원뿔형 안테나 소자 및 원뿔의 정점에 인접하여 위치되어 있는 디스크 안테나 소자를 포함한다. 송신 급전은 원뿔의 내부를 통하여 뻗어있고 그 정점에 인접하여 디스크 및 원뿔에 접속되어 있다. 군사적 목적의 최신 디스콘은 플로리다 멜보른의 해리스 코포레이션에 의한 모델 RF-291-AT001 무지향성 전술적 디스콘 안테나이다. 그것은 100 내지 512 MHz의 동작을 위해 설계되었고 1000 MHz 이상에서 사용가능한 것이다. 그것은 배치의 수월함과 경량을 위한 와이어 케이지 소자를 갖는다.
Parsche의 미국특허 제7,170,462호는 다중 튜닝 및 향상된 패턴 대역폭을 위한 광대역 원뿔형 다이폴 구성의 시스템을 개시하고 있다. 디스콘 안테나 및 원뿔형 모노폴은 도치에 의해 다른 것과 관련될 수 있는데, 예컨대 하나는 단지 다른 것을 거꾸로 뒤집어 놓는 것이다. 미국특허 제4,851,859호 및 제7,286,095호는 원뿔 및 디스크에서 커넥터와 형성되는 그러한 안테나들을 각각 개시하고 있다.
다이폴 안테나에서의 폴딩은 Carter의 미국특허 제2,283,914호로부터 비롯될 수 있다. 씬 와이어 다이폴 안테나는 "폴드(fold)"를 형성하도록 병렬로 접속된 제2 와이어 다이폴 부재를 포함한다. 미국특허 제2,283,914호의 도 5에 있어서, 폴디드 다이폴 부재는 VSWR 대역폭의 향상을 위한 레지스터를 포함한다. 레지스터가 없으면, 대역폭은 (동일한 전체 엔벨로프의 폴딩되지 않은 안테나에 비하여) 향상되지 않지만, 임피던스 변환의 이점이 있다. 또는 그 반대이다. 레지스터 "종단된(terminated)" 폴디드 다이폴은 2차 세계대전에서 채용되었다. 이후에, Bush의 미국특허 제4,423,423호에는, 폴디드 다이폴 폴드 부재에서의 저항성 부하가 기술되었다. 저항성으로 종단된 폴디드 와이어 다이폴 안테나는 낮은 VSWR을 갖지만 협소한 공진으로부터 떨어진 충분한 이득이 부족하다.
종래의 원뿔형 안테나는 넓은 순시 대역폭을 갖지만 차단 주파수 아래에서 VSWR을 급격하게 상승시킨다. 낮은 주파수에서 충분하게 낮은 VSWR을 얻기 위해서는, 그들이 물리적으로 너무 커질 수 있다. 크기의 대형화는 높은 주파수에서 불충분한 패턴 빔폭을 야기시킬 수 있다. 따라서, 이러한 한계를 겪지 않고 많은 또는 모든 라디오 주파수에서, 소형 크기로 낮은 VSWR을 제공하는 광대역 안테나가 필요하다.
상기의 배경기술을 볼 때, 본원발명의 목적은 대부분의 라디오 주파수에서 넓은 전압정재파비(VSWR) 대역폭을 갖는 전기적으로 소형인 통신 안테나를 제공하는 것이다.
본원발명에 따른 이들 및 다른 목적, 특징 및 이점은, 정점(apex) 및 베이스(base)를 갖는 원뿔형 안테나 소자, 원뿔형 안테나 소자의 베이스를 가로질러 결합된(coupled) 도전성 베이스 부재 및 접지면 안테나 소자, 예컨대 원뿔형 안테나 소자의 정점에 인접하는 디스크 안테나 소자를 포함하는 원뿔형 모노폴 안테나에 의해 제공된다. 폴드 도체는 도전성 베이스 부재와 접지면 안테나 소자의 사이에 결합되어 있다. 안테나 급전 구조물(antenna feed structure)은 접지면 및 원뿔형 안테나 소자에 결합되어 있다.
안테나 급전 구조물은 원뿔형 안테나 소자에 결합된 제1 전기적 도체, 및 접지면 안테나 소자에 결합된 제2 전기적 도체를 포함할 수 있다. 폴드 도체(fold conductor)는 저항성 소자 또는 유도성 소자와 같은 적어도 하나의 임피던스 소자를 포함할 수 있다.
원뿔형 안테나 소자는 정점에서의 개구부를 포함할 수 있고, 폴드 컨덕터는 원뿔형 안테나 소자에서의 개구부를 통하여 뻗어있을 수 있다. 원뿔형 안테나 소자는 내부 공간을 한정하고, 폴드 도체는 원뿔형 안테나 소자의 정점에 인접하는 개구부를 통하여 내부 공간에서 뻗어있을 수 있다. 원뿔형 안테나 소자, 도전성 베이스 부재 및 접지면 안테나 소자는 연속적인 도전성 레이어 또는 와이어 구조로 형성될 수 있다.
이러한 접근법은 원뿔(cone)과 접지면(ground plane) 또는 디스크의 사이에 전기적 폴드에 놓인 인덕터 및/또는 레지스터와 같은 임피던스 디바이스를 포함할 수 있는 레지스터 트레이디드 안테나(resistor traded antenna), 또는 종단된 디스콘 안테나(terminated discone antenna)로 일컬어질 수 있다. 폴드 도체는 예컨대 폴디드 안테나 회로 또는 폴디드 원뿔형 모노폴 안테나를 제공하는 내부 와이어일 수 있다. 이러한 접근법은 증가된 사용가능한 대역폭을 얻도록 차단 주파수(cutoff frequency) 아래에서의 낮은 VSWR을 위해 맞바꾸어지는 차단 주파수 위에서의 감소되는 이득을 포함할 수 있다.
본원 방법의 일태양은 정점 및 베이스를 갖는 원뿔형 안테나 소자를 제공하는 단계, 원뿔형 안테나 소자의 베이스를 가로질러 도전성 베이스 부재를 결합하는 단계, 및 원뿔형 안테나 소자의 정점에 인접하는 디스크 안테나 소자와 같은 접지면 안테나 소자를 위치시키는 단계를 포함하는 원뿔형 모노폴 안테나를 제조하는 방법을 지향하고 있다. 이 방법은 도전성 베이스 부재와 접지면 안테나 소자의 사이에 폴드 도체를 결합하는 단계 및 접지면과 원뿔형 안테나 소자에 안테나 급전 구조물을 결합하는 단계를 포함한다.
안테나 급전 구조물을 결합하는 단계는 원뿔형 안테나 소자에 제1 전기적 도체를 결합하는 단계 및 접지면 안테나 소자에 제2 전기적 도체를 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 폴드 도체를 결합하는 단계는 도전성 베이스 부재와 접지면 안테나 소자의 사이에 레지스터 또는 인덕터와 같은 적어도 하나의 임피던스 소자를 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 정점에 또는 정점에 인접하여 원뿔형 안테나 소자에 개구부를 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 그후 폴드 도체를 결합하는 단계는 원뿔형 안테나 소자에서의 개구부를 통하여 폴드 도체를 뻗게하는 단계를 포함할 수 있다. 원뿔형 안테나 소자는 내부 공간을 한정하고, 폴드 도체를 뻗게 하는 단계는 내부 공간을 통하여 그리고 원뿔형 안테나 소자의 정점에 인접하는 개구부를 통하여 폴드 도체를 뻗게하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 본원발명에 따른 예시적인 원뿔형 모노폴 안테나의 개략선도,
도 2는 또다른 실시예에 따른 예시적인 원뿔형 모노폴 안테나의 일부 확대도,
도 3은 본원발명의 또다른 실시예에 따른 예시적인 원뿔형 모노폴 안테나의 개략선도,
도 4는 종래의 원뿔형 모노폴 안테나와 비교하여 도 1의 원뿔형 모노폴 안테나의 측정된 정면(elevation plane) 방사 패턴의 플롯도,
도 5는 종래의 원뿔형 모노폴 안테나 대비 도 1의 원뿔형 모노폴 안테나의 이득의 플롯도,
도 6은 종래의 원뿔형 모노폴 안테나와 비교하여 도 1의 원뿔형 모노폴의 측정된 VSWR의 플롯도, 및
도 7은 안테나에 공통적인 크기-대역폭 한계의 플롯도.
본원발명은 본원발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있는 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더 충분하게 설명될 것이다. 그러나, 본원발명은 많은 다른 형태로 구체화될 수도 있고 이하의 실시예로 국한되는 것으로 구성되어서는 아니된다. 오히려, 이들 실시예는 본원의 개시가 완전하게 되어 당업자에게 본원의 범위를 충분하게 전달하게 되도록 제공된다. 유사한 숫자는 내내 유사한 구성요소를 가리킨다.
우선 도 1을 참조하여, 본원발명의 특징에 따른 원뿔형 모노폴 안테나(10)가 설명된다. 안테나(10)는 예컨대 100과 512 MHz의 사이에서 동작하고 30 MHz 또는 그 아래에서 사용가능한 VHF/UHF 무지향성 원뿔형 모노폴 안테나(omnidirectional conical monopole antenna)로 특정될 수 있다. 안테나(10)는 넓은 VSWR 대역폭을 갖는 전기적 소형 통신 안테나로 일컬어질 수 있다. 또한, 안테나는 원뿔과 접지면 또는 디스크의 사이에 전기적 폴드에 놓여있는 레지스터 및/또는 인덕터와 같은 임피던스 디바이스를 포함할 수 있는 종단된 원뿔형 모노폴 안테나 또는 레지스터 트레이디드 안테나로 일컬어질 수 있다. 안테나(10)는 증가된 사용가능한 대역폭을 얻도록 차단 주파수 아래에서의 낮은 VSWR을 위해 맞바꾸어지는 차단 주파수 위의 감소된 이득을 가질 수 있다. 일반적으로, "VSWR 대역폭"이라는 용어는 안테나 시스템이 예컨대 2:1 또는 그 미만의 VSWR을 갖는 대역폭으로 정의된다. VSWR은 송신 라인으로의 입력(송신기의 출력)에서 또는 안테나 급전점에서 측정될 수 있다. 여기서, VSWR은 안테나 급전점에서 측정된 VSWR을 일컫는다.
원뿔형 모노폴 안테나(10)는 정점(14) 및 베이스(15)를 갖는 원뿔형 안테나 소자(12)를 포함한다. 도전성 베이스 부재(18)는 원뿔형 안테나 소자(12)의 베이스(15)를 가로질러 구성되어 있고, 예컨대 디스크 안테나 소자인 접지면 안테나 소자(16)는 원뿔형 안테나 소자(12)의 정점(14)에 인접하여 있다. 폴드 도체(20)는, 도전성 베이스 부재(18)와 접지면 안테나 소자(16)의 사이에 결합되어 있고, 원뿔형 안테나 소자(12)의 내부에 있을 수 있다. 폴드 도체(20)는 저항성 소자 및/또는 유도성 소자와 같은 적어도 하나의 임피던스 소자(21)를 포함할 수 있다. 임피던스 소자(21)는 예컨대 50옴 부하 레지스터일 수 있다. 접지면 안테나 소자(16)는 다른 실시예에서는 디스크 이외의 형상을 가질 수 있다. 또한, 당업자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 접지면 안테나 소자는 예컨대 자동차 지붕 또는 비행기 동체를 포함하는 상황으로 형성될 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 임피던스 소자(21)는 또한 레지스터, 커패시터 및 인덕터와 같은 임피던스 디바이스의 사다리꼴 네트워크, 직렬 공진 회로 및/또는 병렬 공진 회로를 포함할 수 있다. 도 3을 보면, 대안적 실시예의 안테나(10')는 접지면 소자(16')와 도전성 베이스 부재(18')의 사이에 레지스터(21')와 직렬로 접속된 인덕터(29')를 갖는 폴드 도체(20')를 포함할 수 있다. 도전성 베이스 부재(18')는 원뿔형 안테나 소자(12')의 베이스(15')를 가로질러 뻗어있고, 폴드 도체(20')는 예컨대 원뿔형 안테나 소자(12')의 정점(14')에 인접하는 개구부(17')를 통하여 뻗어있다. 또, 외부 도체(24') 및 내부 도체(26')를 포함하는 안테나 급전 구조물(22')은 원뿔형 안테나 소자(12')의 정점(14')에서 안테나(10')에 결합될 수 있다.
도 1을 다시 보면, 원뿔형 안테나 소자(12)는 정점(14)에 있는 또는 정점(14)에 인접하여 있는 개구부(17)를 포함할 수 있고, 폴드 도체(20)는 원뿔형 안테나 소자에서의 개구부를 통하여 뻗어있을 수 있다. 원뿔형 안테나 소자(12)는 내부 공간(13)을 한정하고, 폴드 도체(20)는 예컨대 원뿔형 안테나 소자(12)의 정점(14)에 또는 그에 인접하는 개구부(17)를 통하여 그리고 내부 공간에서 뻗어있다.
안테나 급전 구조물(22)은 원뿔형 및 디스크 안테나 소자(12, 16)에 결합되어 있고, 예컨대, 접지면 안테나 소자(16)에 결합된 제1 도체(24) 및 원뿔형 안테나 소자(12)에 결합된 제2 도체(26)를 포함한다. 도시하지는 않았지만, 결합을 돕도록 플랜지드 샤시 타입 동축 커넥터가 디스크 안테나 소자(16)에 부착될 수 있다. 급전 구조물(22)은 예컨대 송신기(30)에 결합되지만, 당업자가 인식하게 되듯이, 트랜시버 및/또는 다른 연관 안테나 급전 회로에 접속될 수도 있다.
제1 도체(26) 및 제2 도체(24)는 동축 송신 급전을 형성한다. 그러한 동축 송신 급전은, 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 내부 도체인 제1 도체(26), 내부 도체를 둘러싸는 유전 물질(27) 및 유전 물질을 둘러싸는 외부 도체인 제2 도체(24)를 포함한다.
당업자는 알아볼 수 있듯이, 원뿔형 안테나 소자(12), 도전성 베이스 부재(18) 및/또는 접지면 안테나 소자(16)는 도 1에 예시되는 바의 연속적인 도전성 레이어, 또는, 도 2에 도시된 확대 부분에 예시되는 바의 와이어 구조(28)를 포함할 수 있다.
본원발명의 도 1의 실시예의 원형은 표 1에 기술되는 바와 같다.
본원발명의 실시예
파라미터 값 단위
안테나 유형 폴디드 종단을 갖는
원뿔형 모노폴
원뿔형 안테나 소자(12) 베이스 직경 0.094 미터
원뿔형 안테나 소자(12) 높이 0.086 미터
원뿔형 안테나 소자(12) 플레어 각 α 56 도
접지면 안테나 소자(12) 디스크 직경 0.061 미터
원뿔형 안테나 소자(12) 재료 롤드 시트 브래스
1.5x10-4 두께		 미터
접지면 안테나 소자(16) 디스크 재료 시트 브래스
1.5x10-4 두께		 미터
도전성 베이스 부재(18) 재료 시트 브래스
1.5x10-4 두께		 미터
폴드 도체(20) 직경 6.3x10-4
(#22 AWG 구리 와이어)		 미터
소스 임피던스 50 옴
임피던스 소자(21) 값 50Ω저항성 옴
원형 및 실시예의 성능이 이제 설명된다. 도 4는 종래의 원뿔형 모노폴 안테나와 비교하여 도 1의 원뿔형 모노폴 안테나(10)의 900 MHz에서 측정된 정면 방사 패턴의 플롯도이다. 즉, 도 4의 방사 패턴은 동일한 안테나의 플롯도로서, 임피던스 소자(21)인 50옴 레지스터 및 폴드 도체(20)에 의해 제공되는 폴디드 종단(folded termination)을 갖는 것과 갖지 않는 것을 도시하였다. 단위는 등방성에 관한 데시벨(dBi)이고, 측정량은 전력이고 E 수직 편파 원거리계(far field)에 대한 것이다. 알아볼 수 있듯이, 레지스터를 갖는 것과 갖지 않는 것의 방사 패턴 형상은 유사하다. 방위각 평면 패턴 컷(도시하지 않음)은 레볼루션 안테나의 바디에 대하여 예측될 수 있듯이 원형이고 무지향성이였다.
도 5는 종래의 원뿔형 모노폴 안테나와 도 1의 원뿔형 모노폴 안테나(10)의 이득에서의 차이를 비교하는 플롯도이다. 즉, 도 5는 동일한 안테나의 진폭을 플롯팅하는 것으로서 임피던스 소자(21)인 50옴 레지스터 및 폴드 도체(20)에 의해 제공되는 폴디드 종단을 갖는 것 및 갖지 않는 것을 플롯팅하고 있다. 레지스터를 갖지 않는 종래의 원뿔형 모노폴이 참조될 때 단위는 등방성에 대한 데시벨 보다는 데시벨이다. 수평면에서 측정되었다. 도 5를 보면, 임피던스 소자(21)의 50옴 레지스터 폴디드 종단이 구현되었을 때, 800 MHz에서 0.4 dB의 이득 증가 및 2500 MHz에서 1.2 dB의 이득 손실이 있었다. 그러므로, 이득 맞바꿈이 곧 보인다.
도 6은 본원발명과 종래의 원뿔형 모노폴 안테나에 대하여 측정된 VSWR의 플롯도이다. 즉, 도 6은 동일한 안테나에 대하여 임피던스 소자(21)인 50옴 레지스터 및 폴드 도체(20)에 의해 제공되는 폴디드 종단을 갖는 것과 갖지 않는 것의 VSWR을 측정한 플롯도이다. 사용된 라디오 송신기의 소스 임피던스는 50옴이였고, 그러므로 VSWR은 50옴 시스템에서의 동작을 위한 것이다. 알 수 있듯이, 저항성 소자(21)에 의해 제공되는 저항성 종단은 정상적인 차단 주파수 아래에서 VSWR의 많은 감소를 가져왔다. 본원발명의 원뿔형 모노폴 안테나(10)는 대부분의 또는 모든 라디오 주파수에서의 송신 장비에 적합한 부하일 수 있다.
당업자는 인식할 수 있듯이, 커패시터, 인덕터 및 레지스터의 전기적 네트워크일 수도 있는 임피던스 소자(21)의 값을 다르게 함으로써 차단 아래에서의 VSWR 감소와 차단 위에서의 이득 감소와의 사이에 다른 맞바꿈이 가능하다. 임피던스 소자(21)의 폴딩된 위치는 그것이 안테나 종단을 허용하므로 우선시되고, 예컨대 시트 저항성 물질을 갖는 에지 종단 또는 안테나 급전점에서의 감쇠기보다 우위에 있다.
폴드 도체(20)는 임피던스 소자(21) 없이 접지면 안테나 소자(16)에 직접 접속될 수 있고, 또는, 임피던스 소자(21)는 영(0)옴 또는 거의 그렇게 만들어질 수 있다. 이렇게 될 때, 폴디드 원뿔형 하프 소자는 원뿔형 모노폴 및 디스콘 안테나에 제공되고, 임피던스 매칭, DC 그라운딩, 구조적 또는 다른 필요에 유용할 수 있다.
도 1을 보면, 본원발명을 위한 설계 파라미터는 임피던스 소자(21)의 값, 원뿔 플레어 각(α; cone flare angle), 원뿔 높이(h) 및 접지면 안테나 소자(16) 직경을 포함한다. 안테나(10)가 예컨대 차단 주파수보다 매우 위의 주파수에서 파장 대비 매우 큰 전기적 크기에 있을 때, 입력 임피던스는 순저항성이고 대략 다음과 같을 수 있다.
Ri = 60 ln cot α/4
여기서, Ri는 원뿔형 모노폴 안테나(10)의 입력 임피던스이고, α는 원뿔형 플레어 각이다(도 1).
그러므로 원뿔 각(α)은 매우 큰 전기적 크기에서 50옴에 대하여 94도이다. 원뿔형 안테나 소자(12; 뚱뚱한 원뿔)에서의 큰 원뿔 플레어 각(α)은 반공진(2Fc)에서의 낮은 VSWR, 더 높은 주파수에서 수평면으로부터 떨어지는 더 적은 패턴 처짐(droop off) 및 더 낮은 구동점 저항의 이점을 갖는다. 키큰 슬렌더 원뿔(tall slender cone)은 옥타브 인터발에서 공진 밖 또는 공진 내로 갈 때 이롭지 못하고, 원뿔형 모노폴 안테나의 정면 패턴 로브는 큰 전기적 크기에서 원뿔을 따라 파이어링할 수 있다. 원뿔 높이 및 디스크 직경은 낮은 차단 주파수 및 차단에 특정된 VSWR, 효율 또는 이득 레벨에 관련된다. 50퍼센트 방사 효율(-0.9 dBi 이득)에 대하여 원뿔 높이(h)는 대략 0.14λair이고 디스크 직경은 0.098λair이다.
선형보다는 방사상 구조를 따라 예컨대 와이어의 라인 보다는 원뿔의 표면을 따라 그리고 원뿔 정점에서의 불연속으로부터 전하 유도 전류 흐름의 분리가 있다는 점에서, 본원발명의 동작 이론은 다른 원뿔형 모노폴 안테나의 그것과 유사하다. 원뿔 및 디스크는 차단 주파수 위에서 방사에 의해 자유 공간으로 결합하는 균일 특성 임피던스의 방사상 송신 라인의 2개의 도체를 제공한다. 원뿔형 모노폴 안테나(10)에 있어서, 임피던스 소자(21)는 방사에 의해 제공되는 종단에 병렬인 종단을 제공하여, 방사가 불충분한 그 주파수에서 VSWR 필요를 충족시킨다. 인덕터(29')의 포함은 그것이 불필요한 높은 주파수에서 소산성 종단을 초크 오프하지만, 방사 종단이 불충분한 낮은 주파수에서는 그것을 허용한다. 그러므로, 주파수 응답 임피던스 소자(21)는 우선적으로는 방사에 의해 제공되는 그것과 가역관계(reciprocal)이다.
본원 방법의 일태양은 정점(14) 및 베이스(15)를 갖는 원뿔형 안테나 소자(12)를 제공하는 단계, 원뿔형 안테나 소자(12)의 베이스를 가로질러 도전성 베이스 부재(18)를 결합하는 단계 및 원뿔형 안테나 소자(12)의 정점(14)에 인접하여 디스크 안테나 소자와 같은 접지면 안테나 소자(16)를 위치시키는 단계를 포함하는 원뿔형 모노폴 안테나(10)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 도전성 베이스 부재(18)와 접지면 안테나 소자(16)의 사이에 폴드 도체(20)를 결합하는 단계 및 접지면 안테나 소자(16)와 원뿔형 안테나 소자(12)에 안테나 급전 구조물(22)을 결합하는 단계를 포함한다.
안테나 급전 구조물(22)을 결합하는 단계는 원뿔형 안테나 소자(12)에 제1 전기적 도체(24)를 결합하는 단계 및 접지면 안테나 소자(16)에 제2 전기적 도체(26)를 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 폴드 도체(20)를 결합하는 단계는 도전성 베이스 부재(18)와 접지면 안테나 소자(16)의 사이에 레지스터 또는 인덕터와 같은 적어도 하나의 임피던스 소자(21)를 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 정점(14)에 인접하여 원뿔형 안테나 소자(12)에 개구부(17)를 형성하는 단계를 포함할 수 있고 그후 폴드 도체(20)를 결합하는 단계는 원뿔형 안테나 소자(12)에서의 개구부(17)를 통하여 폴드 도체를 뻗게하는 단계를 포함할 수 있다. 원뿔형 안테나 소자(12)는 내부 공간(13)을 한정하고, 폴드 도체(20)를 뻗게하는 단계는 원뿔형 안테나 소자(12)의 정점(14)에 인접하는 개구부(17)를 통하여 그리고 내부 공간(13)을 통하여 폴드 도체를 뻗게하는 단계를 포함할 수 있다.
본원발명의 원뿔형 모노폴 안테나(10)는 원뿔형 소자(12)의 입이 위로 향해 있는 것으로 도 1에 도시되어 있지만, 원뿔형 모노폴 안테나(10)는 원뿔형 소자(10)의 입이 아래로 향하도록 역으로 되어 동작될 수도 있음은 물론이다. 디스콘 안테나 및 원뿔형 모노폴 안테나는 당업자에게는 명백하듯이 주로 서로의 도치이다.
도 7은 안테나에 공통적인 크기-대역폭 한계의 플롯도이고, 여기서는 2:1 VSWR에 대하여 스케일링되어 있다. 이러한 관계는 "Chu의 한도(Chu's Limit)"로서 Chu에서 비롯된 것이기도 하다(Chu, "Physical Limitations of Omni-Directional Antennas"). 본원발명은 근본적인 한계 예컨대 안테나 크기 및 구조 대비 파 팽창율에서의 한계에 기인하여 VSWR 대역폭 요구가 만족될 수 없는 그래프의 상부 영역에서의 동작에 관한 것이 대부분이다. 본원발명은 스프레드 스펙트럼 통신 또는 순시적 광대역 교란과 같은 다양한(예컨대 군사적) 안테나 요구에 대해 저항성 종단 안테나를 제공할 수 있다. 안테나는 대부분의 주파수에서 높은 송신 전력을 위해 낮은 VSWR을 제공하고 100 퍼센트 효율 순시 이득 대역폭으로 근본적인 한계를 넘어서는 소형 크기로 할 수 있도록 요구될 수 있다. 그러한 경우에서 저항성 부하는 필수적이다. 도 7에 있어서, 곡선(C)은 단일 튜닝에 대한 것이고 r/λ=1/3√[B/70.7(100%)]로 주어지고, 곡선(3πC)은 무한 차수 다중 튜닝에 대한 것이고 r/λ=1/3√[B/3π70.7(100%)]로 주어지고, 여기서 B는 비대역폭(fractional bandwidth)이고 r은 안테나를 에워싸는 분석 구의 반경이다. 양 곡선은 모두 100 퍼센트 안테나 방사 효율에 대한 것이다.
상기 특징은 대부분의 주파수에서 넓은 전압정재파비(VSWR) 대역폭을 갖는 전기적으로 소형인 통신 안테나를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 정점 및 베이스를 갖는 원뿔형 안테나 소자;
    상기 원뿔형 안테나 소자의 상기 베이스를 가로질러 결합된 도전성 베이스 부재;
    상기 원뿔형 안테나 소자의 상기 정점에 인접하는 접지면 안테나 소자;
    상기 도전성 베이스 부재와 상기 접지면 안테나 소자의 사이에 결합된 폴드 도체; 및
    상기 접지면 안테나 소자와 상기 원뿔형 안테나 소자에 결합된 안테나 급전 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 안테나 급전 구조물은
    상기 원뿔형 안테나 소자에 결합된 제1 전기적 도체; 및
    상기 접지면 안테나 소자에 결합된 제2 전기적 도체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 폴드 도체는 적어도 하나의 임피던스 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 임피던스 소자는 저항성 소자 및 유도성 소자 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 원뿔형 안테나 소자는 상기 정점에 인접하는 개구부를 포함하고, 상기 폴드 도체는 상기 개구부를 통하여 상기 원뿔형 안테나 소자내로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 원뿔형 안테나 소자는 내부 공간을 한정하고, 상기 폴드 도체는 상기 원뿔형 안테나 소자의 상기 정점에 인접하는 상기 개구부를 통하여 상기 도전성 베이스 부재의 사이에서 상기 내부 공간내로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나.
  7. 정점 및 베이스를 갖는 원뿔형 안테나 소자를 제공하는 단계;
    상기 원뿔형 안테나 소자의 상기 베이스를 가로질러 도전성 베이스 부재를 결합하는 단계;
    상기 원뿔형 안테나 소자의 상기 정점에 인접하여 접지면 안테나 소자를 위치시키는 단계;
    상기 도전성 베이스 부재와 상기 접지면 안테나 소자의 사이에 폴드 도체를 결합하는 단계; 및
    상기 접지면 안테나 소자 및 상기 원뿔형 안테나 소자에 안테나 급전 구조물을 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 안테나 급전 구조물을 결합하는 단계는
    상기 원뿔형 안테나 소자에 제1 전기적 도체를 결합하는 단계; 및
    상기 접지면 안테나 소자에 제2 전기적 도체를 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나 제조 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 폴드 도체를 결합하는 단계는 상기 도전성 베이스 부재 및 상기 접지면 안테나 소자의 사이에 적어도 하나의 임피던스 소자를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 임피던스 소자는 저항성 소자 및 유도성 소자 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 원뿔형 모노폴 안테나 제조 방법.
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