KR20190002710A - 안테나 어레이에서의 상호 결합을 감소시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

안테나 어레이에서의 상호 결합을 감소시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

무선 주파수(RF) 및 마이크로파 어레이 안테나 성능을 개선하기 위한 기기가 제시된다. 상기 기기는 평평한 면 내의 평평한 금속 또는 다른 도체의 전기적으로 절연된 직사각형, 십자형, L형 및/또는 유사한 형상의 패치들의 패턴을 갖는 안테나 어레이의 근접장, 즉 반응 영역에 위치한다. 상기 패치들은 안테나의 공칭 동작 범위의 최단 파장의 0.3 보다 크지 않은 보다 작은 형상들로 분할되며, 그리고/또는 상기 평면의 높이는 중심 주파수의 파장의 0.25 보다 크고 그리고/또는 0.4 보다 작다. 이웃하는 소자들 간의 상호 결합 S-파라미터들이 시뮬레이션되거나 측정되며, 그리고 패치 크기들 또는 높이는 |S21 Refl| 가 |S21 Array| ± 20% of |S21 Array| 의 범위에 있고; 그리고 Phase(S21 Refl) 가 Phase(S21 Array) + 180 ± 30 도(degree)의 범위에 있도록 설계되며, 여기서 S21 Array는 상기 기기 없이 측정되거나 시뮬레이션된 두 개의 이웃하는 안테나 소자들 간의 S-파라미터이며, S21 ADS는 상기 기기 있이 측정되거나 시뮬레이션된 두 개의 이웃하는 안테나 소자들 간의 S-파라미터이며, 그리고 S21 Refl = S21 ADS - S21 Array이다.

Description

안테나 어레이에서의 상호 결합을 감소시키기 위한 장치 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 5월 26일자로 출원된 미국 가출원 제62/341,835호의 이익을 주장하며, 상기 가출원의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명은 안테나에 관한 것이며, 구체적으로 안테나 어레이, 특히 다중 입력, 다중 출력(multiple-input, multiple output; MIMO) 안테나 어레이(예를 들어, 대용량-MIMO(M-MIMO))에서의 상호 결합 감소에 관한 것이다. 유사하게, 레이더 및 기타 응용 분야의 위상 어레이 안테나와 관련이 있다.
M-MIMO(Massive-MIMO) 기술은 미래의 무선 통신 시스템, 특히 5세대(5G) 무선 시스템에서 핵심 기반 기술(key enabling technology)이 될 수 있음이 분명하다. M-MIMO는 안테나 및 신호 처리 이론 및 엔지니어링과 관련하여 사고 방식의 패러다임 전환을 나타낸다. 기본적으로, 어레이에 장착된 안테나가 많을수록, 전파 채널의 자유도가 높아질 수 있고, 그리고 용량 및 링크 안정성 측면에서 성능이 향상될 수 있다. 그러나, M-MIMO 시스템의 성능은 안테나 어레이 및 전파 환경의 특성들에 크게 의존한다. 제한된 공간에서 안테나 수가 증가하면, 설계자는 많은 문제에 직면할 수 있다. 이 중에는 M-MIMO 안테나 어레이의 성능을 제한하는 주요 요인인 상호 결합 효과가 있다. 실제로, 한정된 영역에서 안테나 어레이, 특히 M-MIMO 안테나 어레이 내의 모든 안테나 소자 쌍 사이의 상호 결합을 감소시키는 것은 도전 과제가 된다.
안테나 어레이에서 상호 결합을 감소시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 안테나 어레이의 안테나 소자들 간의 무선 주파수(RF) 및 다른 전자기 복사 상호 결합을 감소시키는 기기가 개시된다. 편평하고 고립된 금속 패치들의 패턴은 안테나 어레이 위의 근접장에서 고정되며, 각 패치는 안테나 소자 바로 위에 있거나 또는 다중 안테나 소자들 위에 그리고 사이에 있다. 패치들은 안테나 어레이의 접지면(ground plane)에 평행하다. 패치들은 금속 또는 다른 전기 전도성 물질로 만들어질 수 있다. 편의상, 이 기기는 어레이-안테나 디커플링 표면(array-antenna decoupling surface; ADS)이라고 한다.
패치들은 일반적으로 직사각형, 플러스, T, 그리고 이들의 약간 구부러진 버전들과 같이 대변들(opposite sides)이 서로 평행한 짝수 개의 변들을 갖는다. 이들은 분할된 직사각형, 플러스, 프레임, 링 및 다른 기하학적 모양을 형성하기 위해 배치된다. 정사각형은 직사각형의 한 유형이다.
패치들은 공통 평면에 있으며, 이는 낮은 유전 상수 기판 상에 쉽게 형성될 수 있다. 패치들은 안테나의 근거리장에 있으며, 어레이 안테나 접지면 위로의 패치들의 높이는 0.25 λc 인 것이 바람직하다. 이들은 0.4 λc 미만일 수 있으며, 여기서 λc는 안테나의 설계된 중심 주파수이다.
패치의 크기 및 형상은 밑에 있는 안테나 소자와 그것의 이웃 간의 상호 결합 산란 파라미터("s-파라미터")를 최소화하거나 또는 적어도 s-파라미터의 크기를 낮추고 어느 정도 파괴적으로 간섭하도록 선택된다. 두 소자들 사이의 상호 결합 s-파라미터가 측정되거나 시뮬레이션된다. ADS 없이 취해진 안테나 소자 1과 안테나 소자 2 사이의 s-파라미터는 S21 Array이며, 그리고 ADS 구조를 갖는 동일한 소자들 간의 s-파라미터는 S21 ADS이다. 차이는 S21 Refl = S21 ADS - S21 Array로 정의된다. S21 Refl 및 S21 Array의 크기 차이는 최소화될 수 있으며, 그리고/또는 반대 위상의 차이가 최소화될 수 있다.
안테나의 성능을 현저하게 저하시키지 않고 이러한 목표를 달성하려면, 패치들은 밑에 있는 안테나 소자의 너비의 50 % 미만이어야 한다. 그것들의 가장 긴 치수는 안테나의 정상 작동 범위의 가장 짧은 파장의 0.3 보다 크지 않아야 한다.
제2 패치들은 (제1) 패치들의 패턴 내에 산재될 수 있다. 제2 패치들은 제1 패치들과 동일한 크기 제한을 공유한다. 그러나, 제2 패치들은 안테나 소자 및 이웃하는 교차-편광된 안테나 소자 또는 멀리 떨어져있는 동일-편광된(co-polarized) 이웃들 간의 상호 결합 s-파라미터를 감소시키기 위한 것이다.
본 발명의 일부 양상들은 안테나 어레이 내의 안테나 소자들 간의 상호 결합을 감소시키기 위한 근거리장 장치를 포함하며, 상기 안테나 어레이는 공칭 동작 범위의 주파수 및 관련 파장들을 갖는다. 장치는 안테나 어레이 위에 지지되도록 구성된 공통 평면 내 다수의 전기 전도성 패치들, 그리고 전기 전도성 패치들의 공통 평면을 안테나 어레이에 평행하게 그리고 안테나 어레이의 접지면으로부터의 높이에서 유지하도록 구성된 스탠드오프 구조(standoff structure)를 포함하며, 이 때 각각의 전기 전도성 패치는 다른 패치들로부터 격리된다. 상기 다수의 전기 전도성 패치들 중 적어도 하나의 전기 전도성 패치는 아래에 놓인 안테나 소자로부터 이웃하는 안테나 소자로 전자기파의 일부를 회절시키는 크기로 되어 있으며, 이로써 아래에 놓인 안테나 소자와 이웃하는 안테나 소자 간의 상호 결합 s-파라미터는, 양호한 매칭 조건 하에서, i) 전기 전도성 패치들 없이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 Array), 그리고 ii) 전기 전도성 패치들 있이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 ADS), 이 때 S21 Refl = S21 ADS - S21 Array로 정의된 차이는 다음의 조건을 충족한다 : |S21 Refl| = |S21 Array| ± 20% of |S21 Array|; 및 Phase(S21 Refl) = Phase(S21 Array) + 180 ± 30 degrees. 즉, 각 방정식의 좌변은 방정식의 우변 범위 내에 있다.
각각의 전기 전도성 패치는 밑에 있는 안테나 소자의 50 % 미만의 폭, 그리고 공칭 동작 범위의 최단 파장의 0.3 이하의 가장 긴 치수를 가질 수 있다.
안테나 어레이의 접지면 위의 전기 전도성 패치들의 공통 평면의 높이는 0.25 λc 와 0.4 λc 사이일 수 있으며, 이 때, λc는 안테나 어레이의 중심 주파수에 대응하는 전자기 파장이다.
각 전기 전도성 패치의 높이 또는 치수는 |S21 Refl| 와 |S21 Array|사이의 차이를 최소화하도록 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 함께, 각각의 전기 전도성 패치의 높이 또는 치수는 Phase(S21 Refl) 및 Phase(S21 Array) + 180 degrees 간의 차이를 최소화하도록 선택될 수 있다.
장치는 다수의 전기 전도성 패치들이 형성되는 유전체 기판을 더 포함할 수 있다. 다수의 전기 전도성 패치들은 직사각형, 플러스, 십자형, T형, I형, #형, L형, U형, 그리고 만곡된 직사각형으로 구성된 그룹에서 선택된 직각 그리고 짝수 개의 평행한 변들만을 갖는 형상들을 포함할 수 있다. 다수의 직각의 전기 전도성 패치들의 서브세트는 분할된 직사각형, 분할된 플러스, 분할된 프레임 및 분할된 링으로 구성된 그룹에서 선택된 더 큰 대칭 형상을 형성할 수 있다.
각각의 전기 전도성 패치는 하부의 안테나 소자들 위에 센터링될 수 있거나 또는 2 개의 하부의 안테나 소자들 사이에 센터링될 수 있다.
상기 장치는 안테나 어레이 자체를 포함할 수 있다. 안테나 어레이의 유형은 선형 공기 패치 안테나 어레이, 이중 극성 선형 다이폴 안테나 어레이, 쿼드리필러 헬릭스 원형 편광된 원형 안테나 어레이, 또는 다른 유형을 포함할 수 있다.
“제1” 다수의 패치들로서 다수의 전기 전도성 패치들을 참조하면, 상기 장치는 공통 기하학적 평면에 제2 다수의 전기 전도성 패치들을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 다수의 전기 전도성 패치들 각각은 짝수 개의 변들, 각 에지에서의 직각들, 하부 안테나 소자의 50 % 미만의 폭, 그리고 공칭 동작 범위의 최단 파장의 0.3 보다 크지 않은 가장 긴 치수를 갖는다. 상기 제2 다수의 전기 전도성 패치들 중 적어도 하나의 전기 전도성 패치는 전자기파의 일부를 밑에 있는 안테나로부터 교차-편광된 이웃 안테나 소자로 회절시키는 크기로 되어 있다.
다수의 전기 전도성 패치들은 주기적, 비주기적, 대칭, 또는 비대칭 패턴을 형성할 수 있다.
본 개시서의 일부 양상들은 안테나 어레이 내 안테나 소자들의 상호 결합들을 감소시키는 방법을 포함하며, 상기 안테나 어레이는 공칭 동작 범위의 주파수들 및 관련 파장들을 갖는다. 상기 방법은 : 안테나 어레이 위에 지지되도록 구성된 공통 평면에 다수의 전기 전도성 패치들을 제공하는 단계로서, 각각의 전기 전도성 패치는 다른 패치들로부터 격리되는, 단계; 상기 안테나 어레이에 평행하게 그리고 상기 안테나 어레이의 접지면 위의 높이에서 상기 전기 전도성 패치들의 공통 평면을 지지하는 단계; 및 상기 다수의 전기 전도성 패치들을 사용하여, 전자파의 일부를, 밑에 있는 안테나 소자로부터 이웃하는 안테나 소자로 회절하는 단계로서, 이 단계에 의해, 밑에 있는 안테나 소자와 이웃하는 안테나 소자 사이의 상호 결합 s-파라미터는 i) 전기 전도성 패치들 없이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 Array) 그리고 ii) 전기 전도성 패치들 있이 (S21 ADS) 측정되거나 시뮬레이션되며, S21 Refl = S21 ADS - S21 Array로 정의된 차이는 다음의 조건 : |S21 Refl| = |S21 Array| ± 20% of |S21 Array|; 및 Phase(S21 Refl) = Phase(S21 Array) + 180 ± 30 degrees을 충족하는, 단계를 포함할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 공기 패치 안테나 어레이에 대한 어레이-안테나 디커플링 표면(array-antenna decoupling surface; ADS)의 등각도이다.
도 1b는 도 1a의 ADS 및 안테나 어레이의 평면도이다.
도 1c는 도 1a의 ADS 및 안테나 어레이의 측면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 교대로 이격된 ADS 및 안테나 어레이의 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 ADS 및 안테나 어레이의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이-안테나 디커플링 표면을 갖는 안테나 어레이의 개략적인 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 더 큰 분할된 직사각형 모양을 형성하는 더 작은 정사각형 패치들의 평면도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 솔리드(solid) 직사각형 패치의 평면도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 더 큰 분할된 플러스형 모양을 형성하는 더 작은 플러스형 패치 및 직사각형 패치들의 평면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 더 큰 분할된 프레임 모양을 형성하는 L 자형 패치들의 평면도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 솔리드 원형 패치의 평면도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 더 큰 분할된 링 모양을 형성하는 곡선형 직사각형 패치들의 상면도를 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 더 큰 분할된 정사각형 모양을 형성하는 플러스형 패치, 더 작은 정사각형 패치들, 그리고 직사각형 패치들의 상면도를 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 더 큰 분할된 정사각형 모양을 형성하는 더 작은 정사각형 패치 및 L형 패치들의 상면도를 도시한다.
도 12a는 상이한 높이를 갖는 도 1a의 안테나 어셈블리에 따라 획득된 시뮬레이션된 크기 차이를 도표로 보여준다.
도 12b는 상이한 높이를 갖는 도 1a의 안테나 어셈블리에 따라 획득된 시뮬레이션된 위상 차이를 도표로 보여준다.
도 12c는 상이한 높이를 갖는 도 1a의 안테나 어셈블리에 따라 획득된 시뮬레이션된 상호 결합을 도표로 보여준다.
도 13a는 상이한 크기의 금속 스트립을 갖는 도 1a의 안테나 어셈블리에 따라 획득된 시뮬레이션된 크기 차이를 도표로 보여준다.
도 13b는 상이한 크기의 금속 스트립을 갖는 도 1a의 안테나 어셈블리에 따라 획득된 시뮬레이션된 위상 차이를 도표로 보여준다.
도 13c는 상이한 크기의 금속 스트립을 갖는 도 1a의 안테나 어셈블리에 따라 획득된 시뮬레이션된 상호 결합을 도표로 보여준다.
도 14a는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 1a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 14b는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 1a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 14c는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 1a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 14d는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 1a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 15a는 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 1a의 안테나 어레이의 소자 1의 E-평면 유효 방사 패턴(E-plane active radiation pattern)들을 도표로 보여준다.
도 15b는 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 1a의 안테나 어레이의 소자 1의 H-평면 유효 방사 패턴(E-plane active radiation pattern)들을 도표로 보여준다.
도 15c는 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 1a의 안테나 어레이의 소자 3의 H-평면 유효 방사 패턴들을 도표로 보여준다.
도 15d는 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 1a의 안테나 어레이의 소자 3의 E-평면 유효 방사 패턴들을 도표로 보여준다.
도 16a는 본 발명의 일 실시예에 따른 2 x 2 듀얼 편광 8-소자 선형 다이폴 안테나 어레이에 대한 어레이-안테나 디커플링 표면(ADS)의 등각도이다.
도 16b는 도 16a의 ADS가 없는 안테나 어레이의 평면도이다.
도 16c는 도 16b의 안테나 어레이의 안테나 소자의 평면도를 확대한 것이다.
도 16d는 도 16b의 안테나 어레이의 안테나 소자의 측면도이다.
도 16e는 도 16b의 안테나 어레이의 안테나 소자의 인접 측면도이다.
도 16f는 도 16a의 ADS의 상면도이다.
도 17은 도 16a의 안테나 어레이의 8 개의 안테나 소자들에 대한 번호 할당의 개략도이다.
도 18a는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 18b는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 18c는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 18d는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 18e는 안테나 소자들 사이에 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 S-파라미터들을 도표로 보여준다.
도 19a는 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 소자 1의 H-평면 유효 방사 패턴들을 도표로 보여준다.
도 19b는 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 소자 1의 E-평면 유효 방사 패턴들을 도표로 보여준다.
도 19c는 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 소자 2의 H-평면 유효 방사 패턴들을 도표로 보여준다.
도 19d는 ADS가 있을 때와 없을 때의 도 16a의 안테나 어레이의 소자 2의 E-평면 유효 방사 패턴들을 도표로 보여준다.
도 19e는 ADS가 있을 때, ADS가 없을 때, 그리고 ADS가 없지만 어레이에 오직 소자 1 및 소자 2만이 존재할 때, 도 16a의 안테나 어레이의 소자 1의 H-평면 유효 방사 패턴을 도표로 보여준다.
도 20a는 쿼드리필러 헬릭스 원형 편광된 안테나 어레이(quadrifilar helix circularly polarized antenna array)의 상면도이다.
도 20b는 도 20a의 쿼드리필러 헬릭스 원형 편광된 안테나 어레이를 오버레이하는 ADS의 상면도이다.
도 20c는 도 20b의 ADS의 상면도를 도시한다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세스를 도시하는 흐름도이다.
이하, 본 출원은 첨부된 도면 및 실시예들을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 본 명세서에 설명된 특정 실시예들은 본 발명을 제한하기보다는 관련된 발명을 설명하고자 함을 이해해야한다. 또한, 설명의 용이함을 위해 본 발명과 관련된 부분들만이 첨부된 도면에 도시되어 있음이 유의되어야 한다.
본 발명에 따르면, 안테나 어레이 내의 안테나 소자들 간의 상호 결합을 감소시키기 위한 장치가 제공되며, 이 장치는 이하에서 어레이-안테나 디커플링 표면(array-antenna decoupling surface; ADS)이라고도 지칭된다.
편평한 전도성 패치들의 패턴은 어레이 안테나의 근접장의 반응 영역(reactive region) 내에(즉, 부분 파장(fractional wavelength) 내에) 배치된다. 패치들은 어레이 안테나와 평행하다. 각 패치는 작동 파장(operating wavelength)에 비해 상대적으로 작다. 그것들은 밑에 있는 안테나 소자의 폭의 50 % 보다 작고, 가장 짧은 작동 파장의 0.3이다. 그것들은 안테나의 접지면 위의 높이에, 바람직하게는 0.25 λc이상으로 설정되며, 여기서 λc는 안테나 어레이의 중심 주파수에 대응하는 전자기 파장이다. 일부 구성들에서는 높이가 0.4 λc 미만일 수 있다. 패치들은 원래의 안테나 특성을 크게 변경하지 않으면서 밑에 있는 안테나 소자들 간의 상호 결합 s-파라미터들을 감소시키거나 최소화할 수 있도록 크기가 조정된다.
이러한 패치들은 종래의 안테나용 패치 구조들과는 상이하다. 그 이유 중 하나는 이러한 패치들이 종래 기술에서 인식된 것보다 안테나에 있는 다른 문제에 대처하거나 또는 작동하는 동안 공진을 일으키지 않기 때문에 상이한 구조 크기 및 간격들을 갖는다는 것이다.
Legay 등의 2000년 5월 9일자로 허여된 미국 특허 제6,061,027호에서, 안테나는 여기 신호를 수신하는 여진기 패치 및 여진기 패치로부터 수신된 파들을 방사하는 다수의 제2 패치들을 포함한다. 상기 구조는 상기 여진기 패치의 부근에 여진기 패치의 접지일 수 있는 반사 표면을 포함하며, 상기 제2 패치들은 세미(semi) 반사 표면들을 구성한다. 이 조합은 제2 패치들에 의해 방사되는 파들이 실질적으로 동위상이 되게 한다. 반사 표면과 제2 패치들 사이의 거리는 전송되는 파장의 절반과 실질적으로 동일하다. 이 구조는 넓은 각도 구간에 걸쳐 원형 편광의 순도(purity)를 유지한다.
그러나, ‘027 특허는 다중 방사 소자들을 갖는 어레이 안테나에 관련되지 않는다. 따라서, 제2 세미 반사 표면들은 상호 결합을 감소시키기 위해 설계되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서, 방사 패치는 반사 표면을 구성하는 제1 평면 또는 접지면 내에(또는 그 부근에) 있고, 그리고 제2 패치들은 전송될 파장의 대략 절반과 동일한 거리에 있다. 상기 조건들 하에서, 제2 패치를 향하여 여진기 패치에 의해 방출된 파장은 1/2 파장의 거리를 이동한다. 대응하는 빔은 제2 패치에 의해 부분적으로 전송되며, 따라서 바깥쪽으로 방사되고, 그리고 부분적으로 반사된다. 반사된 빔은 반사면을 향하여 보내지며, 이 반사면으로부터, 그것이 전송되고 방사된 동일한 제2 패치로 또는 다른 제2 패치로 되돌아간다. 제2 패치에서 반사되고 다른 제2 패치로 돌아오는 빔은 하나의 파장을 이동한다. 따라서, 전송되는 두 광선은 동위상이다. 동위상 광선은 더 좁은 빔 폭을 제공하므로 패치 여진기의 지향성이 향상된다. 따라서, '027 특허의 구조는 안테나 지향성을 높이기 위한 것이다.
Ju 등의 2013년 1월 8일자로 발행된 미국 특허 제8,350,759호에는, 이득 및 빔포밍을 개선하기 위한 메타 물질 상판(metamaterial superstrate)을 갖는 안테나 구성이 개시되어 있다. 본 개시서는 안테나 어레이가 아닌 피딩 네트워크(feeding network)를 통해 하나의 포트에 의해 공급되는 다중 안테나 소자들로 구성된 안테나 또는 안테나 어레이에 관한 것이다. 상판 표면상의 패치 크기는 충분히 큰 반사를 생성하기 위해 공진 조건과 유사하며, 그리고 그라운드와 상판 표면 사이의 간격은 공진기가 공진 상태에 있도록 설계된다. 분명히, 이는 공진 상태에서 그라운드와 상판 표면 사이에 다중 반사를 유발하기 위한 것이다. 그것의 주요 기능은 안테나의 지향성을 향상시키는 것이다.
Choi 등의 2005년 9월 20일자로 허여된 미국 특허 제6,946,995호에서, 기생 소자들은 방사 패치들로 적층되어 마이크로스트립 안테나를 형성한다. 이것은 안테나 이득을 증가시킨다.
Pett 등의 1995년 1월 17일자로 허여된 미국 특허 제5,382,959호에서, 기생 패치 소자들의 서브 어레이는 구동 패치 안테나 어레이 위의 기판 층의 상부 표면 상에 배치된다. 각각의 개별 기생 패치 소자는 전자기 결합을 통해 대응하는 구동 패치 안테나 소자에 결합되어 광대역 및 고이득 안테나 소자를 형성한다.
Holden 등의 2001년 4월 3일자로 허여된 미국 특허 제6,211,824호에서, 상이한 유전 상수의 비균질 유전체 층은 안테나의 스캔 체적(scan volume)을 증가시키기 위해 표면파 효과를 감소시키기 위해 제안된다. 적층된 패치 안테나들은 패치 안테나 어레이의 주파수 대역폭을 증가시키기 위해 제1 패치 방사체 소자 각각과 연관된 제2 패치 소자들을 부가함으로써 사용된다.
‘995, '959 및 '824 특허에서, 적층 패치와 방사 안테나 사이의 간격은 0.1 파장보다 훨씬 작다. 또한, 적층된 패치들의 전기적 크기는 다른 공진 모드를 생성하기 위해 방사 안테나와 비교될 수 있다.
Sarabandi 등의 2014년 1월 21일자로 허여된 미국 특허 제8,633,866호에서, 얇은 주파수 선택성 표면(FSS)이 안테나 어레이의 상부 위에 배치된다. 레이어는 필요한 주파수 선택 필터링을 수행한다. 안테나 소자 당 하나의 필터 대신, 이 단일 레이어는 안테나 소자들의 전체 어레이에 대해 필터링을 수행할 수 있다.
Isom의 2014년 3월 25일자로 허여된 미국 특허 제8,681,064호에서, 손실을 갖는 기판(lossy substrate)의 레이어를 사용하는 다른 주파수 선택적 표면(frequency selective surface; FSS)이 제안된다. 이는 레이돔(radome)에 기대어 적층되고 그리고 송신되고 수신된 유용한 신호들을 감쇄시키는 대가로 횡 방향으로 진행하는 파들을 흡수함으로써 안테나 소자들 간의 결합을 감소시킨다.
'866 및 ‘064 특허들에서, FSS 상의 금속 패치들의 전기적 크기는 파장의 절반 정도이므로, 안테나의 동작 주파수에서 공진 조건에 있도록 설계된다.
2009년 2월자 IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, no.2, pp.383-394에서의 E.Saenz 등의 “평면 메타-표면을 사용한 다이폴 안테나 소자들 간의 결합 감소”에서, 3 개의 그리드 레이어들은 선형으로 편광된 다이폴 안테나 어레이의 소자들 간의 상호 결합을 감소시키기 위해 어레이 안테나를 샌드위치한다. 그리드 레이어들은 자기 공진 모드를 나타내는 금속 스트립들을 포함한다. 개별 쌍으로된(paired) 금속 스트립들에 유도된 전류는 서로 상쇄되어 입사파가 그리드들을 통해 전파되게 한다. 표면은 안테나에 매우 가깝게 배치되어야 하며, 그리고 금속 그리드의 크기는 어레이 안테나의 작동 주파수의 파장에 필적한다.
위에 언급된 참고 자료는 상호 결합 문제를 대처하지 않거나 이를 해결하기 위해 상이한 구조들을 사용하지 않는다. 본 명세서의 설명 및 도면은 본 발명의 실시예들의 구조들, 방정식들 및 이론들을 설명하기 위해 사용될 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 각각 8-소자 선형 공기 패치 안테나 어레이(110)에 대한 어레이-안테나 디커플링 표면(ADS)(120)의 어셈블리(100)의 사시도, 상면도 및 측면도이다. 선형 공기 패치 안테나 어레이(110)는 접지면(111)에 부착되고 포트(P1, P2, ..., P8)에 의해 공급되는 8 개의 안테나 소자들(A1, A2, ..., A8)을 포함한다. 각각의 안테나 소자는 접지면으로부터 높이가 Hp인 공기 패치 소자이다. 길이와 너비는 각각 Lp와 Wp이다. 안테나 소자(102)와 안테나 소자(103) 같은 각각의 이웃하는 안테나 소자는 서로로부터 중심 거리 D에 위치한다.
ADS(120)는 유전체 기판(121) 상에 인쇄되고 R1, R2, ..., R8로 표시된 8 세트의 전기 전도성의 분할된 패치들(129)을 포함한다. 기판은 인쇄 회로 기판(PCB), 플라스틱, 또는 다른 적절한 유전체 재료일 수 있다. 전기 전도성 및 격리 패치들은 종래의 PCB 제조 수단에 의해 형성될 수 있다. 기판(121), 그리고 그에 따른 전도성 패치들은 스탠드오프 구조(standoff structure)(112)에 의해 안테나 어레이(110)에 평행하게 그리고 안테나 어레이(110)로부터 거리(h)에서 유지된다. 이 예시적인 안테나 어레이는 2.45 GHz 산업, 과학 및 의료용 무선(ISM) 대역에서 작동한다.
“스탠드오프 구조”는 안테나 어레이의 고정된 위치에 ADS를 단단히 고정시킬 수 있는 지지 장치를 포함할 수 있다. 스탠드오프 구조는 당업자에게 적합한 것으로 간주되는 단순한 금속 스탠드오프, 유전체 스페이서, 케이지, 트러스, 캔틸레버, 쉘, 하우징, 레이돔, 또는 고정되거나 재구성 가능한 임의의 다른 구조를 포함할 수 있다.
이 실시예에서, 제1 전도성 패치들의 세트만이 제공된다. 분할된 패치들(R1, R2, ..., R8) 각각은 4 개의 더 작은 전기 전도성 패치들로 분해된다. 분할은 공진 효과를 피한다. 긴 스트립 대신 나누어진 금속 직사각형 반사기들을 사용하면 ADS에 의해 작동 주파수 부근에서 공진이 발생하는 것을 피하면서 충분한 회절량을 유도할 수 있다. 반사기 스트립의 공진 주파수가 안테나 어레이의 동작 주파수에 근접하지 않는 한, 각각의 직사각형 반사기 스트립은 다른 개수의 조각들로 나누어질 수 있다.
도 1b는 분할된 반사기의 세부사항을 도시한다. 반사기(122)는 4 개의 패치들(123, 124, 125 및 126)로 분할된다. 안테나 소자들 및 ADS 패치들의 치수는 표 1에서 주어진다. 갭(Ds)은 디커플링 성능에 매우 민감하지 않기 때문에, 1.0 mm로 설정된다.
Wp Lp Ls Ws Hp Ds h D
45 52.5 15 15 7 1 38 55
[8-소자 공기 패치 배열의 크기(단위 : mm)]
이 실시예에서, 각각의 분할된 직사각형 반사기 스트립은 대응하는 안테나 소자 바로 위에 배치되고, 그리고 편광 방향과 일렬로 맞춰져있다. 따라서, 안테나 소자들과 마찬가지로, 전도성 패치들(122 및 128)과 같이 이웃하는 분할된 반사기 스트립들의 중심들 사이의 거리는 D이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 공기 패치 어레이에 대한 교대로 이격된 ADS의 상면도 및 측면도이다. 분할된 패치(222)는 도 1에서와 같이 각각의 안테나 소자의 중심 위에 바로 위치되는 대신에 안테나 소자들(202 및 203) 사이에 배치된다. 분할된 패치(228)는 안테나 소자(203)와 다음 안테나 소자 사이에 있으며, 이로써 분할된 패치들(229)은 안테나 소자들 간의 중심에 위치된다. 분할된 패치(222)는 일반적으로 표 1에서와 동일한 치수를 가지지 않을 전기적으로 절연된 전기 전도성 패치들(223, 224, 225, 226)로 분할된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 ADS(320)를 갖는 안테나 어레이(310)를 갖는 시스템(300)의 개략적인 측면도이다. 안테나 어레이(310)는 인접 안테나들(302 및 303)과 같은, A1, A2, A3, ... AN -1 및 AN으로 지정된 N 개의 안테나 소자들을 포함한다. ADS(320)는 안테나 어레이(310)의 접지면과 평행하고 안테나 어레이(310)의 접지면으로부터 거리 h3에 있다. 안테나 소자들　 A1, A2, A3, ... AN -1 및 AN 각각은 P1, P2, P3, ... PN -1, 및 PN으로 지정된 대응 포트에 연결된다. 포트로부터 전송된 전자파들은 그것에 접속된 안테나 소자를 통해 전파된다.
ADS(320)와 안테나 어레이(310) 사이의 거리(h3)는 부분 반사파가 상기 결합된 안테나 소자의 포트에서 상기 결합된 파들과 거의 위상이 맞지 않는 것을 보장하도록 결정된다. ADS(320)는 안테나 어레이(310)의 근거리장 반응 영역에 위치한다. 반사된 전자기파들의 위상이 높이 h3에 의존하기 때문에, 일 실시예에 따르면, 높이 h3는 통상적으로 안테나로부터 송신되는 전자기파의 파장의 절반보다 작다. 높이 h3는 디커플링 성능에 민감하다는 것을 유의해야 한다. 높이 h3는 안테나 어레이(310)로부터 전송되는 전자기파의 0.25 내지 0.4 파장 범위일 수 있다. 옵션으로, 높이 h3는 안테나 어레이(310)로부터 전송되는 전자기파의 0.25 파장보다 클 수 있다. 옵션으로, 높이 h3는 안테나 어레이(310)로부터 전송되는 전자기파의 0.4 파장보다 작을 수 있다.
ADS(320)는 다수의 제1 전도성 패치들(322) 및 제2 전도성 패치들(328)로 인쇄된 기판(321)이다. 기판(321)은 저손실, 저 유전 상수 기판의 얇은 층이다. 다수의 분할된 전도성 패치들(322, 328)은 안테나 소자들로부터 전송된 전자기파들의 일부를 반사하기 위한 금속 반사 패치들이다. 결합된 안테나 소자의 포트에서 적절한 양의 반사파들을 생성하여 결합된 파들을 감소시키거나 제거하면서 원래 안테나 어레이에 대한 교란을 최소화하기 위해, 상호 결합 s-파라미터들을 기반으로 패치들의 기하학적 구조들 및 치수들이 선택된다.
다수의 전도성 패치들(322, 328)은 제1 반사기들로서 기능하는 패치들(322)의 제1 세트 및 제2 반사기들로서 기능하는 패치들(328)의 제2 세트를 포함한다. 제1 반사기들(322)은 일반적으로 결합된 파의 편광과 동일한 편광으로 주요 반사파들을 제공하기 위한 것이다. 제2 반사기들(328)은 교차 편광에서의 상호 결합과 같은 약한 상호 결합을 완화시키기 위해 작은 반사파들을 생성하기 위한 것이거나 또는 주요 반사파들의 미세 조정을 위한 것이다.
ADS가 제공되면, 안테나 소자(302)로부터 방사된 에너지, 즉 전방(311)으로 방사되는 전자기(EM) 파는 4 개의 부분으로 구성된다 : 원거리 공간 내로 외측으로 방사되는 전자기(EM) 파(312); 전송 안테나에 의해 수신되는 반사파(313); 제1 반사기 패치들로부터의 반사파들(314); 및 제2 반사기 패치들로부터의 반사파들(315). 본 발명에 따라 ADS를 제공하는 주된 목적은 걱정하기에 충분히 약한 것으로 가정되는, 인접하지 않은 안테나 소자들(217) 간의 상호 결합들을 악화시키지 않으면서 인접한 2 개의 안테나 소자들(316) 간의 상호 결합을 감소시키거나 제거하는 것이다. ADS는 안테나 어레이의 반응 영역에 위치하기 때문에, “반사파”라는 단어는 기술적으로 정확하지 않다. 본원에서, 이는 단지 안테나 소자들에 의해 수신되는 ADS의 회절된 파들을 의미하기 위해 사용된다.
주어진 안테나 어레이에 대해, 인접한 안테나 소자들 사이의 상호 결합, 즉 원하지 않는 전자기파들이 일반적으로 측정되거나 시뮬레이션된다. 본 발명의 실시예에 따른 이론에서, 전기 전도성 패치들의 기하학적 구조 및/또는 크기, 그리고 ADS와 안테나 어레이 사이의 높이는 반사된 전자기파들이 인접한 안테나 소자들 간의 원하지 않는 전자기파들, 즉 상호 결합들을 제거하도록 선택된다. 특히, 전도성 패치들의 기하학적 구조들 및/또는 크기들, 그리고 ADS와 안테나 어레이 사이의 거리는 반사된 전자기파들이 상기 원하지 않는 전자기파들과 동일한 진폭을 갖지만 상기 원하지 않는 전자기파들과 위상이 맞지 않도록 설계된다. 따라서, 반사된 전자기파들은 인접한 안테나 소자들 간의 원하지 않는 전자기파들을 상당히 감소시키거나 상쇄시킬 것이다.
자연적으로, 전도성 패치들의 기하학적 구조 및/또는 크기, 그리고 ADS와 안테나 어레이 사이의 거리의 설계는 안테나 어레이의 구조에 의존한다. 분할된 패치들 그리고 그 구성성분인 전기 전도성 패치들의 특정 기하학적 구조들은 특히 효과적이라는 것이 밝혀졌다.
도 4 내지 도 11은 효과적인 전기 전도성 솔리드 패치들 및 분할된 반사 패치들 그리고 이들의 서브컴포넌트 패치들의 일부 기하학적 구조들을 도시한다.
도 4 내지 도 5는 선형으로 편광된 안테나 소자들에 대한 금속 반사 패치들의 효과적인 기하학적 구조들을 도시한다.
도 4에서, 분할된 패치(400)는 도시된 바와 같이 치수들(401, 402, 403)을 갖는 직사각형 패치들 및 갭들을 포함한다.
도 5에서, 솔리드 패치(500)는 치수들(501, 502)을 갖는 직사각형 패치를 포함한다.
도 6 및 도 7은 이중 극성 안테나 소자들에 대한 금속 반사 패치들의 효과적인 형상들을 도시한다.
도 6에서, 분할된 십자형 패치(600)는 도시된 바와 같이 치수들(601, 602, 603, 604 및 605)을 갖는 단일 십자형 패치를 갖는 직사각형 패치들 및 갭들을 포함한다.
도 7에서, 분할된 프레임 패치(700)는 도시된 바와 같이 치수들(701, 702, 703, 704 및 705)을 갖는 엘자형("L") 패치들 및 갭들을 포함한다.
도 8 내지 도 9는 원형 편광 안테나에 대한 금속 반사 패치들의 효과적인 기하학적 구조들을 도시한다.
도 8에서, 솔리드 원형 패치(800)는 도시된 바와 같이 직경(801)을 갖는다.
도 9에서, 분할된 원형 패치(900)는 도시된 바와 같이 치수들(901, 902 및 903)을 갖는 8 개의 만곡된 직사각형 패치들 및 갭들을 포함한다.
도 10 내지 도 11은 크기 및 위상 제어 모두에서 더 많은 설계 유연성을 제공할 수 있는 일부 복합 구성들에 대한 금속 반사 패치들의 효과적인 기하학적 구조들을 도시한다.
도 10에서, 분할된 직사각형 패치(1000)는 도시된 바와 같이 치수들(1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006, 1007, 1008, 1009, 1010, 1011, 1012, 1013 및 1014)을 갖는 직사각형 패치들 및 단일 십자형 패치를 포함한다.
도 11에서, 분할된 직사각형 패치(1100)는 도시된 바와 같이 치수들(1101, 1102, 1103, 1104, 1105, 1106, 1107, 1108, 1109, 1110, 1111 및 1112)을 갖는 4 개의 L 자형 패치들 및 갭들 그리고 단일 직사각형 패치를 포함한다.
도시된 모든 모양들은 직사각형들, 플러스들, 십자형들, 티형들("T"), 그리고 엘형들("L") 같이 직각과 짝수개의 평행한 변들을 갖는다. 도시되지 않은 적합한 형상들은 I, 해시마크("#"), 그리고 U자형을 포함한다. 약간 만곡된 직사각형들은 직각으로 간주된다.
상이한 패치 기하학적 구조들은 상이한 안테나 배열들을 수용하기 위해 사용될 수 있다. 가능한 모든 기하학 구조들 중에서, 직사각형 그리고 십자형 패치들은 단일 및 이중 선형 편광된 안테나 소자들 모두에 대해 가장 단순하고 가장 효과적이다. 원래의 안테나 어레이에 대한 교란을 최소화하기 위해, 공진 효과를 피하기 위해 큰 패치 대신에 다수의 작은 금속 패치들로 구성된 분할된 패치가 바람직할 수 있다. 다수의 제1 반사기 패치들은 메인 반사파들, 그리고 메인 반사파의 누락된 컴포넌트들을 보완하기 위해 몇 개의 제2 반사기 패치 그룹을 형성한다.
본 발명에 따르면, 전도성 패치들은 공진 상태에 있도록 설계되지 않으며, 반드시 주기적 구조일 필요는 없다. 전도성 패치들은 안테나 어레이 내의 안테나 소자들의 배열에 따라 주기적 또는 비주기적일 수 있다.
전술한 바와 같이, 공간으로 향하는 메인 출사부 이외의 다른 안테나 소자들에 의해 전송되는 전자기파들의 일부는 서로 간섭할 수 있다. 특히, 인접한 안테나 소자들에 의해 전송되는 전자기파들은 바람직하지 않은 방식으로 서로 간섭하여 안테나 어레이 내의 인접한 안테나 소자들 사이에 상호 결합을 야기하는 원하지 않는 전자기파들을 초래한다. 인접하지 않은 소자들 사이의 상호 결합이 중요하지 않기 때문에, 실제 안테나 어레이들 대부분에 대해, 인접한 두 안테나 소자들 간의 상호 결합만이 관련된다.
ADS의 디커플링 조건들은 ADS가 있을 때와 없을 때의 두 개의 결합된 안테나들의 S-파라미터들을 사용하여 설명될 수 있다. 예로서 소자 1과 소자 2 사이의 상호 결합을 취하고 ADS가 있을 때와 없을 때의 두 소자들의 매칭 조건들이 충분히 양호하다고 가정하면, ADS가 있을 때와 없을 때의 소자 1로부터 전송되고 소자 2에 의해 수신된 파의 차이는 다음의 식으로 표현될 수 있다　 :
S21 Refl = S21 ADS - S21 Array (방정식 1)
여기서, S21 ADS는 ADS가 적용될 때의 S21 파라미터이며, 그리고 S21 Array는 ADS를 추가하지 않은 원래 어레이 안테나의 S21 파라미터이다. 따라서, 두 개의 안테나 포트들 간의 디커플링 조건 또는 S21 ADS = 0 에 대한 조건은 다음과 같다.
|S21 Refl| = |S21 Array| (방정식 2a)
Phase(S21 Refl) = Phase of (S21 Array) + π (방정식 2b)
이러한 방정식들은 특정 안테나 어레이에 대해 정확히 풀 수 없을 수도 있다. 그러나, 그것들은 접근될 수 있다. 예를 들어, 각각의 전기 전도성 패치의 높이, 최장 치수 또는 다른 치수는 |S21 Refl| 와 |S21 Array| 간의 차이를 최소화하도록 선택될 수 있다. 또는 이들은 Phase(S21 Refl) 와 Phase(S21 Array) + 180 degrees 간의 차이를 최소화하도록 선택될 수 있다.
달리 명시되지 않는 한, S-파라미터의 첨자에서 숫자 '1'과 '2'를 사용하는 것은 단지 편의를 위해서이며 두 개의 인접한 안테나 소자들이 내포되어 있음을 보여주는 것이며, 특정 안테나를 '1'과 '2'로 지정된 소자들로 제한하는 것이 아니다.
주어진 안테나 어레이에 대해, 인접한 안테나 소자들 사이의 상호 결합(즉, 원치 않는 전자기파들)이 알려져 있다. 즉, 파라미터 S21 Array가 알려져 있다. 직관적으로, 안테나 위의 ADS 높이가 부분 반사파의 위상을 결정하고 그리고 ADS의 반사 금속 반사기의 크기가 반사파의 강도를 제어한다. 이러한 직관은 매개변수 연구(parametric study)에 의해 정당화될 수 있다.
도 12a는 29 mm 내지 44 mm(밀리미터)의 상이한 높이 h에 대한 주파수에 따른 크기 차이
Figure pct00001
|S21 Refl| -
Figure pct00002
|S21 Array|를 도시한다. 2.45 GHz의 중심 주파수에서 크기에 대한 디커플링 조건은 크게 변하지 않는다는 것을 볼 수 있다.
그러나, 도 12b는 방정식 2(b)의 좌변(left hand side; LHS)과 우변(right hand side; RHS) 차에 의해 계산된 위상차에 대한 디커플링 조건이 60 도의 범위에서 변하는 것을 보여준다.
도 12c는 ADS의 치수들의 적절한 세트를 사용하여 넓은 범위의 높이들이 합리적인 양호한 디커플링 레벨을 달성할 수 있음을 보여준다. 크기와 위상차에 대한 디커플링 조건들이 중심 주파수 2.45 GHz에서 충족될 때 ADS의 가장 깊은 디커플링 레벨이 달성될 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 반사 패치들의 크기가 디커플링 조건들 및 그에 따른 디커플링 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 도시한다.
도 13a는 반사 패치들의 크기(Ws)가 11 mm 내지 19 mm로 변함에 따라,
Figure pct00003
|S21 Refl| - |S21 Array|의 크기 차이가 크게 변화함을 나타낸다. 크기가 15 mm 내지 17 mm 사이에서 변할 때, 크기에 대한 디커플링 조건은 중심 주파수에서 잘 충족될 수 있다. 그러나, 크기가 더 커지면 반사파가 더 강해지는 경향이 있으며, 디커플링 조건은 낮은 주파수 쪽으로 이동하거나 크기가 작을 때와 반대로 이동한다.
도 13b는 상이한 크기의 Ws에 대한 방정식 2b의 LHS와 RHS의 위상 차이를 나타낸다. 크기가 13 mm와 15 mm 사이에서 변할 때, 위상차는 넓은 주파수 범위에서 0에 가깝다. 위상 조건을 만족시키는 ADS의 두 가지 매력적인 특성들이 도면에서 관찰될 수 있다 : 1) 위상 차이는 반사기의 크기 변화에 둔감하다; 그리고 2) 위상 차이의 리플은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 매우 작다.
도 13c는 높이(h)가 38 mm로 설정될 때 상이한 크기의 Ws에 대한 전체 디커플링 레벨을 도시한다. 크기 Ws가 15 mm에 가까울 때 2.45 GHz의 중심 주파수에서 깊은 노치가 나타나서, 반사파가 원하지 않는 상호 결합을 거의 완전히 방해하는 것을 나타낸다.
ADS 상의 반사 패치들의 크기는 크기 조건을 결정하고 ADS의 높이는 위상 조건을 결정한다. 두 조건들이 동시에 잘 만족되면, 가장 깊은 디커플링 수준이 획득될 수 있다. 뿐만 아니라, 두 개의 디커플링 조건들이 대략 충족되면, 넓은 주파수 범위에서 획득되는 만족스러운 디커플링 개선이 여전히 존재한다.
ADS가 2.6의 유전 상수, 0.001의 손실 탄젠트, 그리고 1.00 mm의 두께를 갖는 도 1a 내지 도 1c의 8-소자 선형 공기 패치 안테나 어레이에 대한 테스트 결과들은 이점들을 나타낸다.
도 14a 내지 도 14d 및 도 15a 내지 도 15d는 ISO17025 공인된 실험실에서 Satimo Industries SG128 구형 근접장 스캐너를 사용하여 측정된 상기 측정된 s-파라미터들 및 활성 방사 특성들을 도시한다. 안테나 소자의 해당 S-파라미터들 및 방사 패턴들을 측정할 때, 다른 측정되지 않은 안테나 포트들은 50 Ω 부하들로 종단된다.
도 14a 내지 도 14d는 몇몇 관심 있는 안테나 포트들 사이에서 측정된 S-파라미터들을 도시한다. 어레이의 대칭성으로 인해, 포트 P1 내지 포트 P4의 S-파라미터들만이 제공된다. 임의의 두 개의 인접한 요소들 사이의 상호 결합(예를 들어 S12, S23, 또는 S34)이 약 - 15dB에서 -30 dB 미만으로 상당히 감소되는 것을 명확하게 볼 수 있다. 한편, 인접하지 않은 소자들 간의 상호 결합(예를 들어, S13)은 동일한 수준으로 유지되거나 또는 조금 개선된다. 이러한 측정의 경우, ADS를 적용한 후에 모든 안테나 포트들이 다시 매칭되지 않아, ADS를 도입해도 원래의 어레이 안테나의 매칭 조건에 큰 영향을 미치지 않음을 입증하였다. 또한, - 15 dB에서 - 24 dB 보다 좋게 감소되는 상호 결합을 위한 디커플링 대역폭은 10 dB 리턴 손실(return loss; RS)의 디커플링 대역폭보다 훨씬 넓으며, 이는 광대역 디커플링의 가능성을 보여준다. 또한, 안테나 매칭 조건(S-파라미터 |S11|, |S22|, |S33| 및 |S44|)은 원래의 안테나 소자들과 동일한 수준으로 조정될 수 있음을 보여준다.
도 15a 내지 도 15d는 ADS가 있을 때와 없을 때 안테나 소자들(A1 및 A3)의 방사 패턴들을 도시한다. 도 15a는 소자 1의 E-평면 패턴들을 차트화한다. 도 15b는 소자 1의 H-평면 패턴들을 차트화한다. 도 15c는 소자 3의 E-평면 패턴들을 차트화한다. 도 15d는 소자 3의 H-평면 패턴들을 차트화한다. 에지 안테나 소자, 즉 소자(A1)에 대해, ADS를 적용한 후에 안테나 이득이 명백하게 향상된다는 것이 도시된다. 그러나, 내부 소자(예를 들어, 소자 A3)에 대해, 이득 향상은 분명하지 않다. 그럼에도 불구하고, ADS가 있을 때와 없을 때 어레이 소자들의 E-평면과 H-평면 모두에서 빔 폭들은 동일하게 보인다. ADS가 있을 때 어레이 소자들에 대한 측정 패턴들은 Ansys HFSS(high frequency structure simulator) EM 시뮬레이션에 의해 검증된다. 측정된 것과 시뮬레이션 된 것 간의 상관관계는 매우 좋다.
도 16a 내지 도 16f는 3.3 GHz 내지 3.8 GHz의 주파수 대역에서 동작하는 8 개의 소자들을 갖는 2차원 2중 극성 2 x 2 평면 다이폴 어레이를 도시한다. 도 16a는 ADS(1620)와 함께 안테나 어레이(1610)를 도시한다. 도 16b는 어레이의 평면도로서, 구체적으로 중심 간 거리 D1만큼 떨어져 있는 이웃하는 안테나 소자 유닛들(1602 및 1603)을 도시한다. 도 16c 내지 도 16e는 하나의 안테나 유닛의 상면도 및 측면도를 도시한다. 각각의 안테나 유닛은 두 개의 수직 편광된 다이폴 안테나들로 구성되며, 그 중 하나는 수평선에 대해 45° 로, 다른 하나는 135°로 배향된다. 도 16f는 안테나 소자 유닛들(1602, 1603)을 오버레이하는, 이웃하는 분할된 패치들(1622, 1628)을 포함하는, 2 x 2 다이폴 어레이에 대한 ADS 상의 금속 반사 패치들을 도시한다. 이러한 패치들은 도시된 바와 같이 W1, W2, W3, W4, W5, L1, L2, L3, L4, L5 및 L6의 치수들을 갖는다.
도 17은 도 16a 내지 도 16f의 안테나 어레이에 대해 8 개의 안테나 소자들의 번호 할당이다.
이러한 소형 어레이 안테나는 디커플링 솔루션이 동일한 유형의 많은 수의 안테나 소자들을 갖는 균일한(uniform) M-MIMO 어레이로 확장될 수 있음에 따라 대규모 M-MIMO 어레이 안테나를 적절히 반영한 것이다. Wa 폭을 갖는 각각의 다이폴 안테나의 두 개의 다이아몬드 링 모양의 아암들은 기판 상에 프린트된다. 기판은 2.6의 유전 상수, 0.001의 손실 탄젠트, 그리고 1.0 mm의 두께를 갖는다. 각각의 다이폴은 각 평면 쌍극자에 수직으로 설치된 마이크로스트립 라인 밸룬(microstrip line balun)에 의해 공급된다.
두 안테나 유닛들 사이의 중심 간 수평 거리 및 중심 간 수직 거리는 각각 D1 및 D2이며, 각각 45 mm와 60 mm이다. 2 개의 수직 밸룬 회로들은 또한 2 개의 이중 편광된 안테나들에 대한 기계적 지지대의 역할을 수행한다. 안테나들의 포트들은 접지면의 다른 쪽에 있다. 어레이의 다른 주요 치수들은 표 2에 나열되어 있다.
La ha Wa D1 D2 Lg Wg H
36.5 12.5 2 45 60 180 165 25
[2 x 2 다이폴 어레이의 치수들(단위 : mm)]
도 16f는 2 x 2 어레이를 위해 ADS 기판 상에 인쇄된 금속 반사 패치들을 도시한다. ADS에 사용되는 기판은 인쇄된 다이폴 안테나 및 밸룬 회로들에 대해 동일한 기판이다. ADS는 8 개의 제1 반사기들과 2 개 그룹들의 2차 반사기들로 구성된다. 제1 반사기들 각각은, 안테나 소자 유닛(1602)위의 분할된 전도성 패치(1622)와 같이, 대응 다이폴과 일렬로 그리고 대응 다이폴의 상부에 배향된다. 제1 반사기는 아래의 다이폴의 전계 편광 방향을 따라 나누어지거나 분할된 금속 스트립으로 만들어지며, 다이폴 안테나의 중심에 대하여 대칭으로 배치된다. 따라서, 동일한 안테나 유닛 내의 2 개의 이중 편광 다이폴들에 대한 2 개의 제1 반사기들은 안테나 유닛의 대칭성을 유지하도록 교차 배열된다.
제1 반사기에 대해 나누어진 패치 반사기를 채택하기 위한 중요한 고려사항은 방사 패턴에 대한 교란, 그리고 밑에 있는 대응 다이폴 안테나의 매칭 조건의 저하를 최소화하는 것이다. 제1 반사기들(1622)은 2차원 어레이에서 2 개의 인접한 소자 유닛들 간의 가장 강한 상호 동일-편광된(co-polarized) 커플링을 제거하도록 설계된다. 이 예에서 D2 > D1이기 때문에, 2 개의 수평 인접 소자들(예를 들어, 소자 1 및 소자 3) 간의 상호 결합은 두 개의 수직 인접 소자들의 상호 결합 보다 강할 것이다.
2개의 그룹의 제2 반사기 패치들(1623-1 및 1623-2)이 ADS 설계에 사용된다. 그룹 1의 제2 반사기 패치들(1623-1)은 소자 1 및 소자 4 간의 결합 그리고 소자 2 및 소자 3 간의 결합과 같이, 두 개의 교차 편광된 인접 소자들 간의 상호 결합을 제거하기 위해 교차-편광된 컴포넌트들에 소량의 반사파들을 생성하기 위해 도입된다. 반사파가 두 개의 동일-편광된 컴포넌트들 간의 상호 결합보다 훨씬 작은 수준이기 때문에 그것들을 제2 반사기 패치들이라 부른다.
제2 반사기 패치들(1623-2)은 “미세 조정”의 역할을 한다. 이것들의 크기는 제1 반사기 패치들의 크기보다 작다. 그룹 2의 제2 반사기 패치들(1623-2)은 제1 반사기 패치들로부터의 반사된 파들을 동일-편광의 2 개의 수직으로 인접한 소자들 위로 조정하기 위해 도입된다. 이는 소자 1과 소자 3 사이의 상호 결합이 소자 1과 소자 5 사이의 상호 결합과 다르기 때문에 필요할 수 있다. 동일한 안테나 유닛 내의 2 개의 교차-편광된 다이폴 안테나들 간의 균형을 유지하기 위해, 제2 반사기들의 일부 보조 패치들이 안테나 유닛에 대해 대칭적으로 추가될 수 있다. ADS의 상세한 치수들은 표 3에 주어진다.
L L1 L2 L3 L4 L5 L6
170 9.5 8.5 20 14 18 18.5
W W1 W2 W3 W4 W5 W6
155 5 3 7 4 3 5
[2 x 2 다이폴 어레이에 대한 ADS의 치수들 (단위 : mm) ]
도 18a 내지 도 18e는 특정 포트들의 측정된 S-파라미터들을 나타낸다. 모든 상호 결합 S-파라미터들이 2 x 2 어레이의 대칭성으로 인해 제공되는 것은 아니다.
도 18a는 ADS가 있을 때와 없을 때의 어레이의 포트(P1) 및 포트(P2)에서의 리턴 손실(RL)을 도시한다. ADS를 적용한 후에, 3.3 GHz ~ 3.8 GHz의 전체 작동 주파수 대역에서 반사 손실이 15 dB 이상으로 유지되는 것으로 나타났다.
도 18b는 수평 및 수직 방향 모두에서 동일한 편광의 2 개의 인접한 소자들 간의 상호 결합(즉, S13 및 S15)을 도시한다. ADS가 있을 때, S13은 약 -14 dB에서 - 25 dB 이하로 감소되고, S15는 - 26 dB에서 - 28 dB 이하로 개선된다.
도 18c는 동일한 유닛에서 두 개의 교차-편광된 소자들 간의 결합(예를 들어, S12)을 도시한다. ADS가 없는 본래의 결합이 약 - 25 dB이지만, 2 개의 교차 편광된 안테나 소자들 간의 상호 결합은 - 30 dB 이하로 개선되는 것을 알 수 있다. 교차 편광을 갖는 2 개의 인접한 다이폴 소자들 간의 결합(예를 들어, S14)은 2 개의 안테나 유닛들이 서로 근접할 때 제어하기 어렵다. 이는 결합이 두 개의 관련 다이폴 소자들의 단부들의 최단 거리에 따라 크게 결정되기 때문이다.
도 18c 및 도 18d는 그룹 1 제2 반사기들을 도입함으로써, S14 및 S23 모두가 각각 - 23 dB에서 -25 dB로 그리고 - 25 dB에서 - 30 dB로 감소됨을 나타낸다. 통상적으로, 2 개의 동축 및 공선형(co-linear") 다이폴 소자들 간의 상호 결합(예를 들어, S17), 그리고 2 개의 멀리 떨어져 있는 동일-편광된 소자들 간의 상호 결합(예를 들어, S28)은 ADS를 적용하기 전에는 본질적으로 낮다. 이러한 상호 결합을 처리하기 위한 특정 고려사항은 없다. 그러나, 도 18d에 도시된 바와 같이, 감소된 다른 주요 상호 결합들에 의해, 이러한 약한 결합 또한 감소된다.
도 18e는 교차 편광 및 긴 이격 거리로 인해 소자 1 및 소자 6 간의 상호 결합이 가장 약한 것으로 도시한다. ADS를 설치하면, 결합이 - 40 dB에서 - 30 dB로 변경되며, 이는 다른 상호 결합들보다 훨씬 낮으며 문제될 것이 없다. 도 18a 내지 도 18e에서, ADS를 갖는 어레이에 대한 EM 시뮬레이션된 S-파라미터들이 또한 제공되며, 이는 보다 보수적인 추정을 나타낸다.
ADS의 매력적인 특성들 중 하나는 방사 패턴 재형성 기능(radiation pattern reshaping capability)이다. 상호 결합의 존재로 인해, 어레이 내의 각 안테나 소자의 방사 패턴들이 왜곡되는 것으로 알려져 있다. 이 문제는 ADS가 적용된 후에 완화될 수 있다.
도 19a 내지 도 19e는 안테나 소자 1 및 소자 2의 방사 패턴을 도시한다. 비교를 위해 ADS가 있을 때와 없을 때의 H-평면 및 E-평면에서 3.5 GHz에서 측정된 방사 패턴들이 제시된다. 방사 패턴들을 검사하여, 다음과 같은 관찰 결과들이 획득될 수 있다 : 1) ADS를 갖는 안테나 소자에 대해 주요 장 성분의 H-평면 및 E-평면 방사 패턴 모두의 빔 폭들은 ADS가 없는 소자의 것들과 거의 동일하지만, 인접 소자들 간의 상호 결합의 감소로 인한 왜곡이 더 적다; 2) ADS가 있을 때와 없을 때의 소자들에 대한 전방/후방 방사율은 거의 동일하다; 그리고 3) 양호한 교차-편광 비율이 유지될 수 있다. 즉, 축 방향으로 18 dB보다 양호하고, ± 60 ° 에서 10 dB 보다 양호하다.
안테나 소자의 방사 패턴을 측정할 때, 다른 안테나 포트들은 50 Ω 부하로 종단된다. ADS를 갖는 어레이 안테나의 측정된(Mea) 방사 패턴들은 또한 도 19a 내지 도 19e에 도시된 바와 같이 3.5 GHz에서 EM 시뮬레이션된(Sim) 패턴들에 의해 검증된다. 우수한 상관관계들이 관찰될 수 있다.
도 20a 내지 도 20c는 쿼드리필러 헬릭스 원형 편광된 안테나 어레이(quadrifilar helix circularly polarized antenna array)(2010)를 도시하며, ADS(2020)가 이러한 어레이를 오버레이하는 것을 도시한다. 안테나 어레이(2010)의 안테나 소자(2002)는 분할된 교차 패치(2022)에 의해 바로 오버레이된다. 만곡된 직사각형 패치들(2029)로 구성된 분할된 링 패치(2028)는 중앙 안테나 소자(2003)를 오버레이한다.
도 21은 본 개시서의 실시예에 따른 프로세스(2100)를 도시하는 흐름도이다. 동작(2101)에서, 다수의 전기 전도성 패치들이 안테나 어레이 위에 지지되도록 구성된 공통 평면에 제공되고, 각각의 전기 전도성 패치는 다른 패치들로부터 격리된다. 동작(2102)에서, 전기 전도성 패치들의 공통 평면은 안테나 어레이에 평행하게 그리고 안테나 어레이의 접지면 위의 높이에서 지지된다. 동작(2103)에서, 전자파의 일부는, 다수의 전기 전도성 패치들을 사용하여, 이웃하는 안테나 소자로 회절되며, 이로써 밑에 있는 안테나 소자와 이웃하는 안테나 소자 간의 상호 결합 s-파라미터는 i) 전기 전도성 패치들 없이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 Array), 그리고 ii) 전기 전도성 패치들 있이 측정되거나 시뮬레이션되고(S21 ADS), S21 Refl = S21 ADS - S21 Array로서 정의되는 차이는 다음의 기준을 충족한다 : |S21 Refl| = |S21 Array| ± 20% of |S21 Array|; 및 Phase(S21 Refl) = Phase(S21 Array) + 180 ± 30 degrees.
상기 설명은 본 출원의 일부 실시예들을 언급하고 적용 가능한 기술 원리들을 설명한다. 당해 기술 분야의 당업자는 본원에 개시된 바와 같은 청구된 솔루션들의 범위가 상기 설명된 특징들의 특정 조합으로 구성된 것들에 한정되지 않고, 본 발명의 개념을 벗어나지 않으면서 전술한 것 또는 그 등가물로부터의 특징들의 임의의 조합에 의해 형성된 다른 솔루션(예를 들어 상기에서 논의된 하나 이상의 피처들을, 본원에 개시되지만 이에 제한되지 않는 유사한 기능들을 갖는 하나 이상의 피처들로 대체함으로써 형성된 솔루션)들을 포함해야한다는 것을 이해할 것이다.

Claims (31)

  1. 안테나 어레이 내 안테나 소자들 간의 상호 결합들을 감소시키기 위한 근거리장 장치로서, 상기 안테나 어레이는 공칭 동작 범위의 주파수들 및 관련 파장들을 가지며,
    상기 장치는 :
    　　　　　　　　상기 안테나 어레이 위에 지지되도록 구성된 공통 평면 내의 다수의 전기 전도성 패치들로서, 각각의 전기 전도성 패치는 다른 패치들로부터 격리되며 그리고 밑에 있는 안테나 소자의 50 % 미만의 폭, 그리고 상기 공칭 동작 범위의 최단 파장의 0.3 보다 크지 않은 가장 긴 치수를 갖는, 다수의 전기 전도성 패치들; 및
    　　　　　　　　상기 안테나 어레이에 평행하게 그리고 상기 안테나 어레이의 접지면 위의 높이에서 상기 전기 전도성 패치들의 공통 평면을 지지하도록 구성되는 스탠드오프 구조(standoff structure);를 포함하며,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들 중 적어도 하나의 전기 전도성 패치는 밑에 있는 안테나 소자로부터 이웃하는 안테나 소자로 전자기파의 일부를 회절시키는 크기로 되어 있으며, 이로써 밑에 있는 안테나 소자와 이웃하는 안테나 소자 간의 상호 결합 s-파라미터는, i) 상기 전기 전도성 패치들 없이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 Array), 그리고 ii) 상기 전기 전도성 패치들 있이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 ADS), S21 Refl = S21 ADS - S21 Array 로 정의된 차이는 다음의 조건 :
    |S21 Refl| 는 |S21 Array| ± 20% of |S21 Array| 의 범위에 있음; 그리고
    Phase(S21 Refl) 는 Phase(S21 Array) + 180 ± 30 도(degree)의 범위에 있음;
    을 충족하는, 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치의 높이 또는 치수는 |S21 Refl| 및 |S21 Array| 간의 차이를 최소화하도록 선택되는, 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치의 높이 또는 치수는 Phase(S21 Refl) 및 Phase(S21 Array) + 180 도(degree)간의 차이를 최소화하도록 선택되는, 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 안테나 어레이의 접지면 위의 전기 전도성 패치들의 공통 평면의 높이는 0.25 λc 내지 0.4 λc 이며, λc 는 안테나 어레이의 중심 주파수에 대응하는 전자기 파장인, 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들이 형성되는 유전체 기판을 더 포함하는, 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들은 직사각형, 플러스형, 십자형, T형, I형, #형, L형, U형 및 만곡된 직사각형으로 구성된 그룹에서 선택되는 직각 및 짝수 개의 평행한 변들을 갖는 형상들을 포함하는, 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 직각의 전기 전도성 패치들의 서브세트는 분할된 직사각형, 분할된 플러스형, 분할된 프레임 및 분할된 링으로 구성된 그룹에서 선택되는 더 큰 대칭 형상을 형성하는, 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치는 밑에 있는 안테나 소자 위에 센터링되는, 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치는 두 개의 밑에 있는 안테나 소자들 사이에 센터링되는, 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    안테나 어레이를 더 포함하는, 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 안테나 어레이는 선형 패치 안테나 어레이, 이중 극성 선형 다이폴 안테나 어레이 및 패치 또는 쿼드리필러 헬릭스 원형 편광된 안테나 어레이(quadrifilar helix circularly polarized antenna array)로 구성된 그룹에서 선택되는, 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들은 제1 다수의 패치들이며,
    상기 장치는 상기 공통 평면 내의 제2 다수의 전기 전도성 패치들을 더 포함하며,
    상기 제2 다수의 전기 전도성 패치들 각각은 짝수 개의 변들, 각 에지에서의 직각들, 밑에 있는 안테나 소자의 50 % 미만의 폭, 그리고 공칭 동작 범위의 최단 파장의 0.3 보다 크지 않은 가장 긴 치수를 가지며,
    상기 제2 다수의 전기 전도성 패치들 중 적어도 하나의 전기 전도성 패치는 전자기파의 일부를 밑에 있는 안테나로부터 교차-편광된 이웃 안테나 소자로 회절시키는 크기로 되어 있는, 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들은 비주기적 또는 비대칭 패턴을 형성하는, 장치.
  14. 안테나 어레이 내 안테나 소자들 간의 상호 결합들을 감소시키기 위한 근거리장 장치로서, 상기 안테나 어레이는 공칭 동작 범위의 주파수들 및 관련 파장들을 가지며,
    상기 장치는 :
    　　　　　　　　상기 안테나 어레이 위에 지지되도록 구성된 공통 평면 내의 다수의 전기 전도성 패치들로서, 각각의 전기 전도성 패치는 다른 패치들로부터 격리되는, 다수의 전기 전도성 패치들; 및
    　　　　　　　　상기 안테나 어레이에 평행하게 그리고 상기 안테나 어레이의 접지면 위의 높이에서 상기 전기 전도성 패치들의 공통 평면을 지지하도록 구성되는 스탠드오프 구조(standoff structure);를 포함하며,
    상기 안테나 어레이의 접지면 위의 전기 전도성 패치들의 공통 평면의 높이는 0.25 λc 내지 0.4 λc 이며, λc 는 상기 안테나 어레이의 중심 주파수에 대응하는 전자기 파장이며,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들 중 적어도 하나의 전기 전도성 패치는 밑에 있는 안테나 소자로부터 이웃하는 안테나 소자로 전자기파의 일부를 회절시키는 크기로 되어 있으며, 이로써 밑에 있는 안테나 소자와 이웃하는 안테나 소자 간의 상호 결합 s-파라미터는, i) 전기 전도성 패치들 없이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 Array), 그리고 ii) 전기 전도성 패치들 있이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 ADS), S21 Refl = S21 ADS - S21 Array로 정의된 차이는 다음의 조건 :
    |S21 Refl| 는 |S21 Array| ± 20% of |S21 Array| 의 범위에 있음; 그리고
    Phase(S21 Refl) 는 Phase(S21 Array) + 180 ± 30 도(degree)의 범위에 있음;
    을 충족하는, 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치의 높이 또는 치수는 |S21 Refl| 및 |S21 Array| 간의 차이를 최소화하도록 선택되는, 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치의 높이 또는 치수는 Phase(S21 Refl) 및 Phase(S21 Array) + 180 도(degree)간의 차이를 최소화하도록 선택되는, 장치.
  17. 청구항 14에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치는 밑에 있는 안테나 소자의 50 % 미만의 폭, 그리고 공칭 동작 범위의 최단 파장의 0.3 보다 크지 않은 가장 긴 치수를 갖는, 장치.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들이 형성되는 유전체 기판을 더 포함하는, 장치.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들은 정사각형, 직사각형, 플러스형, 십자형, 대문자 T형, I형, #형, L형, U형 및 만곡된 직사각형으로 구성된 그룹에서 선택되는 직각 및 짝수 개의 평행한 변들을 갖는 형상들을 포함하는, 장치.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 다수의 직각의 전기 전도성 패치들의 서브세트는 분할된 정사각형, 분할된 직사각형, 분할된 플러스형, 분할된 프레임 및 분할된 링으로 구성된 그룹에서 선택되는 더 큰 대칭 형상을 형성하는, 장치.
  21. 청구항 14에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치는 밑에 있는 안테나 소자 위에 센터링되는, 장치.
  22. 청구항 14에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치는 두 개의 밑에 있는 안테나 소자들 사이에 센터링되는, 장치.
  23. 청구항 14에 있어서,
    안테나 어레이를 더 포함하는, 장치.
  24. 청구항 10에 있어서,
    상기 안테나 어레이는 선형 패치 안테나 어레이, 이중 극성 선형 다이폴 안테나 어레이 및 패치 또는 쿼드리필러 헬릭스 원형 편광된 안테나 어레이(quadrifilar helix circularly polarized antenna array)로 구성된 그룹에서 선택되는, 장치.
  25. 청구항 14에 있어서,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들은 제1 다수의 패치들이며,
    상기 장치는 상기 공통 평면 내의 제2 다수의 전기 전도성 패치들을 더 포함하며,
    상기 제2 다수의 전기 전도성 패치들 각각은 짝수 개의 변들, 각 에지에서의 직각들, 밑에 있는 안테나 소자의 50 % 미만의 폭, 그리고 공칭 동작 범위의 최단 파장의 0.3 보다 크지 않은 가장 긴 치수를 가지며,
    상기 제2 다수의 전기 전도성 패치들 중 적어도 하나의 전기 전도성 패치는 전자기파의 일부를 밑에 있는 안테나로부터 교차-편광된 이웃 안테나 소자로 회절시키는 크기로 되어 있는, 장치.
  26. 청구항 14에 있어서,
    상기 다수의 전기 전도성 패치들은 비주기적 또는 비대칭 패턴을 형성하는, 장치.
  27. 안테나 어레이 내 안테나 소자들의 상호 결합들을 감소시키기 위한 방법으로서,
    상기 안테나 어레이는 공칭 동작 범위의 주파수들 및 관련 파장들을 가지며,
    상기 방법은 :
    　　　　　　　　상기 안테나 어레이 위에 지지되도록 구성된 공통 평면 내의 다수의 전기 전도성 패치들을 제공하는 단계로서, 각각의 전기 전도성 패치는 다른 패치들로부터 격리되는, 단계;
    　　　　　　　　상기 안테나 어레이에 평행하게 그리고 상기 안테나 어레이의 접지면 위의 높이에서 상기 전기 전도성 패치들의 공통 평면을 지지하는 단계; 및
    　　　　　　　　상기 다수의 전기 전도성 패치들을 사용하여, 밑에 있는 안테나 소자로부터 이웃하는 안테나 소자로 전자기파의 일부를 회절시키는 단계로서, 이 단계에 의해, 상기 밑에 있는 안테나 소자와 이웃하는 안테나 소자 간의 상호 결합 s-파라미터는, i) 전기 전도성 패치들 없이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 Array), 그리고 ii) 전기 전도성 패치들 있이 측정되거나 시뮬레이션되며(S21 ADS), S21 Refl = S21 ADS - S21 Array로 정의된 차이는 다음의 조건 :
    |S21 Refl| 는 |S21 Array| ± 20% of |S21 Array| 의 범위에 있음; 그리고
    Phase(S21 Refl) 는 Phase(S21 Array) + 180 ± 30 도(degree)의 범위에 있음;
    을 충족하는, 단계;를 포함하는, 방법.
  28. 청구항 27에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치의 높이 또는 치수는 |S21 Refl| 및 |S21 Array| 간의 차이를 최소화하도록 선택되는, 장치.
  29. 청구항 27에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치의 높이 또는 치수는 Phase(S21 Refl) 및 Phase(S21 Array) + 180 도(degree)간의 차이를 최소화하도록 선택되는, 장치.
  30. 청구항 27에 있어서,
    각각의 전기 전도성 패치는 밑에 있는 안테나 소자의 50 % 미만의 폭, 그리고 공칭 동작 범위의 최단 파장의 0.3 보다 크지 않은 가장 긴 치수를 갖는, 방법.
  31. 청구항 27에 있어서,
    상기 안테나 어레이의 접지면 위의 전기 전도성 패치들의 공통 평면의 높이는 0.25 λc 내지 0.4 λc 이며, λc 는 안테나 어레이의 중심 주파수에 대응하는 전자기 파장인, 방법.
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