KR20230113326A - 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나 - Google Patents

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레우벤 바우어
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엘타 시스템즈 리미티드
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Abstract

엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나가 설명된다. 안테나는 내부에 리세스된 통과 개구를 갖는 전도성 접지 평면 및 통과 개구를 통과하는 이중 테이퍼드 슬롯 요소(DTSE)를 포함한다. DTSE는 기판, 기판의 반대편 측부 상에 대칭으로 배열된 제1 및 제2 쌍의 방사 날개를 포함하는 방사 부분 및 방사 부분에 전기적으로 결합되고 전도성 접지 평면의 통과 개구를 통과하는 제1 및 제2 쌍의 레그를 포함하는 기본 부분을 포함한다. 레그 내부 에지는 내부 에지 사이의 거리를 증가시키면서 테이퍼드 형상을 갖는 기판의 각 측부 상의 슬롯 라인을 획정한다. 비아 요소는 방사 날개 및 기판의 반대편 측부 상에 배열된 레그를 전기적으로 연결하는 방사 날개의 전체 둘레를 따라 배열된다. 전기 션트는 DTSE의 방사 날개를 전도성 접지 평면에 연결하기 위해 기판의 각 측부 상에 위치된다.

Description

엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나
본 발명은 일반적으로 광대역 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 위상 어레이 시스템에서 안테나 요소로서 사용하기 위한 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나에 관한 것이다.
위상 어레이 안테나 시스템은 복수의 전자기 방사 안테나 요소를 포함한다. 종종 광대역 어레이를 위한 노치 또는 비발디(Vivaldi) 요소로 불리는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나 요소의 사용은 당업계에 알려져 있다. 그들이 넓은 송신 대역폭, 비교적 작은 크기, 설계 단순화, 및 안테나 어레이에 대한 용이한 적응을 제공하기 때문에 이러한 유형의 안테나는 많은 어레이 응용에서 널리 사용된다.
그러한 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나의 다른 예는 소위 "토끼 귀 안테나"(BEA)이다. BEA는 일반적으로 이들 사이의 간극에 의해 분리된 2개의 날개 형상의 전도체 및 날개 형상의 전도체에 결합된 동축 케이블 또는 마이크로스트립 라인과 같은 균형잡힌 공급라인을 포함한다. 날개 형상의 전도체는 전형적으로 기하급수적 행동(함수)을 특징으로 하는 테이퍼드 내부 및 외부 에지를 갖는다.
BEA를 구축하는 한 가지 방법은 비발디 안테나 요소의 2개의 전도체의 외부 에지를 테이퍼링하는 것이다. 동축 케이블의 외부 차폐부는 하나의 날개 형상의 전도체에 부착될 수 있는 반면, 동축 라인의 중심 전도체는 다른 날개 형상의 전도체에 부착될 수 있다. 작동 시, 전자기 신호는 동축 케이블을 통해 전력원으로부터 입력 균형잡힌 공급라인으로 전달된다. 전자기 신호가 BEA의 2개의 날개 형상의 전도체 사이의 간극을 가로질러 통과함에 따라, 전자기파가 생성되고 대기로 전송된다.
방사 효율을 최대화하고 에너지 반사를 최소화하기 위해, 균형잡힌 공급라인의 임피던스, 2개의 전도체와 전도체 사이의 간극은, 일치되어야 한다.
미국 특허 제5,428,364호는 소스로부터 전자기 에너지를 수신하기 위한 입력 메커니즘 및 전자기 에너지를 전송 및 주파수의 범위에 걸쳐 임피던스 정합을 제공하기 위한 입력 메커니즘으로부터 연장되는 균형잡힌 공급 메커니즘을 포함하는 방사 요소를 설명한다. 방사 요소는 또한 전자기 에너지를 방사하는 균형잡힌 공급 메커니즘으로부터 연장되는 쌍극자 메커니즘을 포함한다. 방사 요소는 또한 평면 유전체 기판의 2개의 반대편 측부에 연결된 입력 장착 블록을 포함한다. 균형잡힌 좁은 전도체 슬롯 라인은 전자기 에너지를 전송하고 (0.5 내지 18)㎓의 주파수 범위에 걸쳐 임피던스 정합을 제공하기 위해 유전체 기판의 양면 상의 입력 장착 블록으로부터 연장된다. 좁은 전도체 슬롯 라인은 전자기 에너지를 방사하기 위해 활용되는 쌍극자 요소의 방사 저항과 정합되도록 테이퍼드된다. 쌍극자 요소는 주파수 범위에 걸친 다양한 분포의 표면 전류를 수용하기 위해 확장된 폭을 갖는 각 날개를 갖는 유전체 기판의 양면 상의 균형잡힌 좁은 전도체 슬롯 라인으로부터 연장된다. 쌍극자 요소는 또한 방사 반사가 최소화되도록 최적화되는 접지 평면에 대한 쌍극자 요소의 위치로 주파수 범위에 걸쳐 에너지를 방사하기 위한 내부 테이퍼를 또한 포함한다.
미국 특허 번호 제9,000,996호는 피드 네트워크에 연결을 위한 모듈식 광대역 안테나 요소를 설명한다. 안테나는 접지 평면, 및 접지 평면 위에 제1 및 제2 플레어드 핀을 갖는다. 각 핀은 접지 평면에 비교적 가까운 연결 위치를 획정하고, 접지 평면으로부터 더 멀리 위치된 자유 단부로 테이퍼링된다. 제1 핀의 연결 위치는 피드 네트워크에 전기적으로 결합되고, 제2 핀의 연결 위치는 접지 평면에 전기적으로 결합된다.
미국 특허 공개 번호 제2015/0035707호는 평면 슬롯 라인 안테나를 형성하는 2개의 안테나 요소를 갖는 안테나를 설명한다. 안테나는 또한 2개의 층 상에 안테나 요소를 둘러싸는 흡수기 요소를 포함한다. 흡수기 요소는 안테나 요소를 부분적으로 덮도록 형상화된다.
엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나의 넓은 사용에도 불구하고, 이러한 유형의 안테나의 요소는 위상 어레이에 채용될 때 몇 가지 단점을 갖는다. 이러한 단점 중 하나는 방사 빔이 넓은 스캔 각도로 조종될 때 나타나는 높은 교차 편파이다. 이는 위상 어레이 시스템에서 안테나 요소의 테이퍼드 슬롯을 따라 길이 방향으로 흐르는 광범위한 표면 전류로 인해 발생한다. 이러한 표면 전류는 또한 높은 반사 에너지, 및 "스캔 블라인드니스"를 야기하는 원하지 않는 전파 모드를 생성할 수 있으며, 따라서, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나에 기초하는 위상 어레이 시스템을 넓은 각도로 스캐닝하는 것을 비활성화함으로써, 위상 어레이 시스템의 전송 효율을 감소시킬 수 있다.
따라서, 위상 어레이에 채용될 때, 높은 교차 편파를 감소시키고 원하지 않는 전파 모드(스캔 블라인드니스를 야기함)를 억제할 수 있고, 그에 의해 위상 어레이 시스템의 높은 전송 효율을 제공하면서 넓은 각도에서 스캐닝을 가능하게 할 수 있는 안테나 요소를 갖는 것이 유용할 것이다.
본 발명은 종래 기술의 안테나 기법의 단점을 부분적으로 제거하고, 위상 어레이 시스템에서 안테나 요소로서 사용될 수 있는 새로운 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나는 전도성 접지 평면을 포함하는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나이다. 전도성 접지 평면은 내부에 리세스된 통과 개구를 포함할 수 있다. 통과 개구는 미리 결정된 치수 및 형상을 갖는다. 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나는 또한 이중 테이퍼드 슬롯 요소(DTSE)를 포함한다. DTSE는 전도성 접지 평면에 리세스된 통과 개구를 통과한다.
일 실시예에 따르면, DTSE는 기판의 반대편 측부 상에 위치된 2개의 표면을 갖는 기판을 포함한다. 기판은 비전도성 재료로 제조된다.
일 실시예에 따르면, DTSE는 방사 부분 및 기본 부분을 갖는다. 방사 부분은 기판의 하나의 측부의 표면 상에 대칭으로 배열된 제1 쌍의 방사 날개 및 기판의 다른 측부의 표면 상에 대칭으로 배열된, 제1 쌍의 방사 날개에 반대편인 제2 쌍의 방사 날개를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 기판의 양 측부 상의 방사 날개는 전도성 접지 평면에 직교하는 플레어드 내부 에지, 플레어드 하부 에지, 및 외부 에지를 갖는다.
일 실시예에 따르면, DTSE의 기본 부분은 방사 부분에 전기적으로 결합된다. 기본 부분은 전도성 접지 평면에 직교하는 대칭 축에 대해 대칭으로 기판의 하나의 측부 상에 위치된 표면 상에 배열된 제1 쌍의 레그를 포함한다. 기본 부분은 또한 제1 쌍의 레그에 반대편인 기판의 다른 측부의 표면 상에 대칭으로 배열된 제2 쌍의 레그를 포함한다.
레그의 제1 및 제2 쌍은 전도성 접지 평면의 통과 개구를 통과한다. 레그의 제1 및 제2 쌍은 기본 부분의 최하위 부분에서 공급 라인에 결합된다. 용어 "최하위"는 본 원에서 기본 부분의 가장 원위의 단부를 지칭하는 데 사용된다는 점에 유의해야 한다.
제1 쌍 및 제2 쌍의 레그의 레그는 내부 에지를 갖는다. 레그의 제1 및 제2 쌍의 내부 에지는 전도성 접지 평면에 직교하는 대칭축을 따라 기판의 각 측부의 표면 상 사이에 대응하는 슬롯 라인을 획정한다. 레그는 또한 바닥 에지 및 외부 에지를 갖는다. 레그의 외부 에지는 기하급수적 방식으로 플레어된다.
일 실시예에 따르면, 기판의 각 측부의 표면 상의 슬롯 라인은 테이퍼드 형상을 갖고, 기본 부분의 최하위 부분으로부터 방사 부분을 향해 연장된다. 기판의 각 측부 상의 슬롯 라인 내의 레그의 내부 에지 사이의 거리는 미리 결정된 관계에 따라 점진적으로 증가한다.
일 실시예에 따르면, DTSE는 복수의 비아 요소를 더 포함한다. 비아 요소는 레그의 내부 에지, 플레어드 내부 에지, 플레어드 하부 에지, 및 방사 날개의 전체 둘레를 따라 방사 날개의 외부 에지에서 이격된 관계로 배열될 수 있다. 비아 요소는 기판의 반대편 측부의 표면 상에 배열된 방사 날개 및 레그를 전기적으로 연결하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, DTSE는 기판의 각 측부의 표면 상에 배열된 적어도 하나의 쌍의 전기 션트를 더 포함한다. 전기 션트는 DTSE의 방사 날개를 전도성 접지 평면에 연결하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 기판은 2 내지 20의 범위일 수 있는 미리 결정된 유전 상수 및 0.135λ0 내지 0.3λ0의 범위일 수 있는 미리 결정된 두께일 수 있으며, λ0는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나의 자유 공간 동작 파장이다.
일 실시예에 따르면, 통과 개구의 형상은 원형일 수 있고, 0.1λ0 내지 0.2λ0의 범위일 수 있는 미리 결정된 직경을 갖지만, 통과 개구의 다른 형상이 또한 고려된다.
일 실시예에 따르면, 방사 날개의 플레어드 내부 에지 및 플레어드 하부 에지는 기하급수적 방식으로 플레어된다. 방사 날개의 플레어드 내부 에지는 기판의 각 측부 상에 방사 간극을 획정한다. 기판의 각 측부 상의 방사 간극은 방사 부분의 최하위 부분으로부터 방사 부분의 원위의 최상위 부분으로 대응하여 연장된다 용어 "최상위"는 본 원에서 방사 부분의 가장 원위의 단부를 지칭하는 데 사용된다는 점에 유의해야 한다.
일 실시예에 따르면, 기판의 각 측부 상의 방사 간극은 최하위 부분으로부터 원위의 최상위 부분을 향해 기하급수적 방식으로 점진적으로 대응하여 넓어진다. 방사 간극은 자유 공간에서 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나와 파형 임피던스 사이에 임피던스 정합을 제공하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 방사 날개의 높이는 0.35λ0 내지 0.5λ0의 범위에서 미리 결정된 길이를 가지며, λ0는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나의 자유 공간 동작 파장이다.
일 실시예에 따르면, 레그의 높이는 0.15λ0 내지 0.25λ0의 범위에서 미리 결정된 길이를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 전도성 접지 평면은 방사 부분으로부터 소정 거리 D에 배치되며, 거리 L은 0.025λ0 내지 0.05λ0의 범위에 있을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기본 부분의 최하위 부분에서 기판의 각 측부 상의 대응하는 슬롯 라인은 공급 라인의 입력 임피던스와 슬롯 라인의 임피던스를 정합하는 것에 적합한 레그의 내부 에지 사이의 거리 D 0 를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 각 레그의 내부 에지와 대칭축 사이의 거리의 점진적인 증가를 설명하는 미리 결정된 관계는 D=ax+D 0 이며, a는 대칭축을 따른 내부 에지의 테이퍼 기울기이고, x는 대칭축을 따른 좌표이며, D 0 는 제1 및 제2 쌍의 레그의 내부 에지와 기본 부분의 최하위 부분에서의 대칭축 사이의 거리이다.
테이퍼 기울기 a는 슬롯 라인의 확대율을 특징으로 한다. 테이퍼 기울기는 유전 상수ε 및 기판의 두께 s에 좌우된다. 즉, 율 a는 유전 상수ε 및 두께의 함수 a = f (ε, s)이다. 따라서, 유전 상수ε 및 미리 결정된 기판의 두께 s는 본원 하기에 도시한 바와 같이 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나의 최적의 성능을 제공하기 위해 제조자에 의해 미리 선택될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기판의 각 측부 상에 위치된 전기 션트의 각 쌍은 대칭 날개(대칭축에 대해 대칭임)의 플레어드 하부 에지 상에 선택된 임의의 2개의 지점을 접지 평면 상의 선택된 임의의 2개의 대응하는 지점에 연결할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공급 라인은 기판의 측부 중 하나 상의 DTSE의 기본 부분에 결합된다. 공급 라인은 기판의 측부 중 하나의 표면 상에 장착된 레그의 쌍에 결합된 동축 케이블을 포함한다. 구체적으로, 동축 케이블은 레그 중 하나에 연결된 차폐 전도체 및 다른 레그에 연결된 코어 전도체를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 복수의 비아 요소는 레그의 내부 에지로부터 미리 결정된 거리 d에 배열된다. 마찬가지로, 비아 요소는 방사 날개의 전체 둘레를 따라 플레어드 내부 에지, 플레어드 하부 에지, 및 방사 날개의 외부 에지에 배열된다.
일 실시예에 따르면, 거리 d는 0.01λo 내지 0.15λ o범위에 있다.
본 발명의 일반적인 일 양태에 따르면, 본 발명의 복수의 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나를 포함하는 위상 어레이 시스템이 제공된다.
따라서, 이하에서 하기의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 하기 위해 본 발명의 더 중요한 특징이 다소 광범위하게 요약되어 있다. 본 발명의 추가적인 세부 사항 및 이점이 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로는 설명으로부터 이해될 것이거나, 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다.
본원에 개시된 주제를 더 잘 이해하고 이를 실제로 실행할 수 있는 방법을 예시하기 위해, 이제 첨부 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 실시예가 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나의 개략적인 사시도를 예시한다.
도 2는 그들의 유전 상수가 상이한 기판을 활용한 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성의 예를 예시한다.
도 3은 그들의 두께가 상이한 기판을 활용한 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성의 예를 예시한다.
도 4는 슬롯 라인의 2개의 상이한 테이퍼 기울기를 갖는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성의 예를 예시한다.
도 5는 테이퍼드 슬롯 라인 및 비-테이퍼드 슬롯 라인과 같은, 2개의 유형의 슬롯 라인을 갖는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성의 예를 예시한다.
도 6은 다양한 비아 요소 배열을 갖는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성의 예를 예시한다.
엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나 요소의 원리 및 작동 및 본 발명에 따른 이러한 안테나 요소로부터 조립된 위상 어레이는 도면 및 첨부된 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있으며, 이러한 도면은 단지 예시적인 목적으로 주어지고 제한적인 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해된다. 동일한 참조 부호 및 알파벳 문자가 본 발명의 본 설명 전체에 걸쳐 도면에 도시된 그의 구성요소 및 안테나 구조에서 통상적인 그러한 구성요소를 식별하기 위해 이용될 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)의 개략적인 사시도가 예시되어 있다. 이 도면은 명확성을 위해 축척에 맞지 않고 비례하지 않음에 유의해야 한다.
일 실시예에 따르면, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)는 기판(14)의 반대편 측부 상의 2개의 표면(14A 및 14B)을 갖는 기판(14)을 포함한다(도 1에는 표면(14A)의 측부만 보여짐). 기판(14)은 미리 결정된 유전 상수ε 및 미리 결정된 두께 s를 갖는 비전도성 재료로 제조된다. 미리 결정된 두께 s는 0.01λo 내지 1.0λo의 범위일 수 있으며, λ0는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)의 자유 공간 동작 파장이다. 기판(14)에 적합한 비전도성 재료의 예는 테플론(예를 들어, 로저스 씨에에 의해 제공된 듀로이드), 에폭시(예를 들어, FR4) 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 일부 실시예에서, 비전도성 재료의 유전 상수ε는 2 내지 20의 범위일 수 있다.
도 1은 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)의 일부만을, 즉 기판(14)의 표면(14A) 상에 장착된 일부를 도시한다. 그러나, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)의 제2 부분(표면(14)의 반대편 측부의 표면(14B) 상에 위치됨)은, 하기에 설명된 바와 같이 표면(14A) 상에 장착된 부분과 동일하다.
엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)는 또한 예를 들어, 0.1λo 내지 0.2λo의 범위일 수 있는 미리 결정된 폭을 갖는 전도성 접지 평면(11)을 포함한다. 전도성 접지 평면(11)은 그 내부에 리세스된 통과 개구(12)를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 통과 개구(12)는 미리 결정된 직경을 갖는 원형 통과 개구이지만, 타원형, 다각형 등과 같은 다른 형상을 갖는 통과 개구가 또한 고려된다. 예를 들어, 전도성 접지 평면(11)의 미리 결정된 폭은 0.1λo 내지 0.2λo의 범위일 수 있으며 원형 통과 개구(12)의 미리 결정된 직경은 0.1λ0 내지 0.2 λ0의 범위일 수 있다. 전도성 접지 평면(11)은 전기 전도성 재료의 시트로부터 형성되고, 예를 들어 경량 구조를 제공하기 위해 알루미늄으로 제조될 수 있다. 대안적으로, 다른 재료, 예를 들어 아연 도금된 강이 전도성 접지 평면(11)에 사용될 수 있다.
엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)는 또한 이중 테이퍼드 슬롯 요소(DTSE)(13)를 포함한다. DTSE(13)는 접지 평면(11)에 직교하는 전도성 접지 평면(11)에서 리세스된 통과 개구(12)를 통과한다.
일 실시예에 따르면, DTSE(13)는 본원 이하에서 설명되는 바와 같이, 접지 평면(11)에 전기 션트를 통해 전기적으로 결합된다.
DTSE(13)는 방사 부분(17), 방사 부분(17)에 전기적으로 결합된 기본 부분(18) 및 기본 부분에 결합된 공급 라인(19)을 포함한다. 방사 부분(17)은 기판(14)의 하나의 측부의 표면(14A) 상에 배열된 제1 쌍의 방사 날개(20 및 21) 및 기판(14)의 다른 측부의 반대편 표면(14B) 상에 반대로 배열된 유사한 제2 쌍의 방사 날개(미도시)를 포함한다. 제1 쌍의 방사 날개(20 및 21)는 대칭축(O)에 대해 표면(14A) 상에 대칭으로 배열된다(즉, 방사 날개는 대칭축(O)에 대해 대칭임). 마찬가지로, 제2 쌍의 방사 날개는 기판(14)의 다른 반대편 표면(14B) 상에 유사하게 배열된다.
일 실시예에 따르면, 기판(14)의 반대편 측부의 표면(14A 및 14B) 상의 방사 날개는 미리 결정된 길이 H를 갖는다. 길이 H는 예를 들어, 0.35λ0 내지 0.65λ0의 범위일 수 있으며, λ0는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)의 자유 공간 동작 파장이다.
방사 날개(20 및 21)는 대응하는 외부 에지(21A 및 21B), 플레어드 하부 에지(23A 및 23B), 및 플레어드 내부 에지(24A 및 24B)를 포함한다. 외부 에지(21A 및 21B)는 전도성 접지 평면(11)에 직교한다. 플레어드 하부 에지(23A 및 23B) 및 플레어드 내부 에지(24A 및 24B)는 기하급수적 방식으로 플레어된다. 기판(14)의 다른 측부 상에 배열된 제2 쌍의 방사 날개는 제1 쌍의 방사 날개(20 및 21)의 에지와 유사한 대응하는 에지를 갖는다.
제1 쌍의 방사 날개(20 및 21)의 플레어드 내부 에지(24A 및 24B) 및 제2 쌍의 방사 날개(미도시)의 플레어드 내부 에지는 기판(14)의 각 측부 상에 대응하는 방사 간극(30)을 획정한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 특히, 표면(14A) 상에 위치한 제1 쌍의 방사 날개(20 및 21)의 플레어드 내부 에지(24A 및 24B)는 플레어드 내부 에지(24A 및 24B) 사이의 방사 간극(30)을 획정한다. 기판(14)의 반대편 측부의 표면(14B) 상에 위치한 제2 쌍의 방사 날개의 내부 테이퍼드 에지는 제1 쌍의 방사 날개에 의해 형성된 방사 간극(30)과 유사한 이러한 플레어드 내부 에지 사이에 방사 간극(미도시)를 획정한다.
기판(14)의 각 측부 상에 배열된 방사 간극(30)(즉, 표면(14A, 14B) 상의 방사 간극)은 방사 부분(17)의 최하부 부분(31)으로부터 방사 부분(17)의 원위의 최상위 부분(32)으로 연장된다. 용어 "최하위"는 본 원에서 기본 부분(18)의 가장 원위의 단부를 지칭하는 데 사용된다는 점에 유의해야 한다. 이어서, 용어 "최상위"는 본 원에서 방사 부분(17)의 가장 원위의 단부를 지칭하는 데 사용된다.
방사 간극(30)은 표면(14A) 상에 위치된 방사 날개(20 및 21)의 플레어드 내부 에지(24A 및 24B)의 플레어에 따라 최하부 부분(31)으로부터 원위의 최상위 부분(32)을 향해 점진적으로 넓어진다. 따라서, 기판(14)의 다른 측부 상(표면(14B) 상)의 방사 간극은 표면(14A) 상에 형성된 방사 간극(30)과 유사하게 점진적으로 넓어진다. 특히, 기판(14)의 다른 측부의 표면(14B) 상에 위치된 제2 쌍의 방사 날개(미도시)의 플레어드 내부 에지의 플레어에 따라 방사 부분(17)의 최하위 부분(31)으로부터 방사 부분(17)의 원위의 최상위 부분(32)을 향해 점진적으로 넓어진다. 원하는 경우, 기판(14)의 표면(14A 및 14B) 상에 위치한 하부 테이퍼드 에지 및 방사 날개의 내부 테이퍼드 에지는 상이한 형태의 플레어에 따라 플레어될 수 있음에 유의해야 한다.
기판(14)의 각 측부 상의 방사 간극(30)의 기하급수적 확대는 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)와 자유 공간의 파형 임피던스(대략 377옴) 사이에 적합한 임피던스 정합을 제공한다는 점을 유의하여야 한다. 따라서, 기판(14)의 각 측부 상의 방사 간극은 방사 부분(17)으로부터 대기 중으로 전자기파의 전파를 가능하게 하는 전송 채널로서의 역할을 한다.
일 실시예에 따르면, 전도성 접지 평면(11)은 방사 부분(17)으로부터 소정의 거리 L에 배치된다. 그러한 거리 L는, 예를 들어, 0.025λ0 내지 0.05λ0의 범위일 수 있다. 필요하면, 방사 부분(17)은 지지체에 의해 접지 평면(14) 상에 기계적으로 지지될 수 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 지지체(29A 및 29B)는 기판(14)의 우측 및 좌측 측부 상의 기판(14)의 일부에 의해 구성된다. 일 실시예에 따르면, 전도성 접지 평면(11)은 방사 부분(17)에 수직이다, 즉, 이는 대칭축(O)에 대해 수직이다.
기본 부분(18)은 방사 부분(17)에 전기적으로 결합된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 기본 부분(18)은 방사 부분(17)의 연장부이고, 즉, 기본 부분(18) 및 방사 부분(17)은 단일 유닛으로서 통합된다. 도 1에 또한 도시한 바와 같이, 기본 부분(18)은 전도성 접지 평면(11)의 통과 개구(12)를 통과한다.
기본 부분(18)은 기판(14)의 하나의 측부의 표면(14A) 상에 대칭으로 배열된 제1 쌍의 레그(22 및 23) 및 기판(14)의 반대편 측부의 표면(14B) 상에 배열된 제2 유사한 쌍의 레그(미도시)를 포함한다. 기판(14)의 평면(14A) 상에 위치된 레그(22 및 23)는 대칭축(O)에 대해 서로 대칭이다.
유사하게, 레그(22 및 23)에 대해, 기판(14)의 반대편 측부의 표면(14B) 상에 위치된 제2 쌍의 레그는 대칭축(O)에 대해 서로 대칭이다. 제1 쌍의 레그(22 및 23) 및 제2 쌍의 레그는 전도성 접지 평면(11)의 통과 개구(12)를 통과한다. 기판(14)의 두 표면(14A 및 14B) 상의 레그는, 예를 들어, 0.08λ0 내지 0.25λ0의 범위일 수 있는 미리 결정된 길이 h를 가진다.
제1 쌍의 레그(22 및 23)는 대응하는 내부 에지(25A 및 25B), 외부 에지(26A 및 26B), 및 바닥 에지(27A 및 27B)를 포함한다. 외부 에지(26A 및 26b)는 기하급수적 방식으로 플레어된다. 내부 에지(25A 및 25b)는 본원 이하에서 설명되는 바와 같이 미리 결정된 관계에 따라 플레어된다. 마찬가지로, 기판(14)의 반대편 측부의 표면(14B) 상에 위치된 제2 쌍의 레그(미도시)는 제1 쌍의 레그(22 및 23)의 에지와 유사한 대응하는 에지를 갖는다.
기판(14)의 하나의 측부 상의 레그(22 및 23)의 내부 에지(25A 및 25B) 및 기판(14)의 다른 측부 상에 위치된 레그(미도시)의 내부 에지는 기판(14)의 각 측부 상의 대응하는 슬롯 라인을 획정한다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 쌍의 레그(22 및 23)의 내부 에지(25A 및 25B)는 대칭축(O)을 따라 레그(22 및 23) 사이의 대응하는 슬롯 라인(31)을 획정한다. 기판(14)의 표면(14b) 상에 위치된 제2 쌍의 레그(미도시)의 내부 에지는 대칭축(O)을 따라 제2 쌍의 레그 사이에 대응하는, 슬롯 라인(31)과 유사한 슬롯 라인(미도시)을 획정한다. 슬롯 라인(즉, 기판(14)의 각 측부 상의 슬롯 라인)은 기본 부분(18)의 최하위 부분(28)으로부터 방사 부분(17)을 향해 연장된다. 슬롯 라인은 슬롯 라인이 미리 결정된 관계에 따라 기본 부분(18)의 최하위 부분(28)으로부터 방사 부분(17)을 향해 점진적으로 넓어지도록 테이퍼드 형상을 갖는다. 따라서, 슬롯 라인(31)에서 레그(22 및 23)의 내부 에지(25A 및 25B)와 대칭축(O)사이 거리 D는 점진적으로 증가한다. 마찬가지로, 기판(14)의 다른 측부(표면(14B)) 상의 슬롯 라인에서 제2 쌍의 레그의 내부 에지 사이의 거리 D는 또한 이러한 미리 결정된 관계에 따라 증가한다.
일 실시예에 따르면, 기판(14)의 각 측부 상의 슬롯 라인 확대의 미리 결정된 관계는, 즉, 레그의 내부 에지와 기판(14)의 각 측부 상의 대칭축(O) 사이의 거리 D는 경험식 D=ax+D 0 ,에 따라 점진적으로 증가하며, a는 대칭축(O)을 따른 레그의 내부 에지의 테이퍼 기울기이다. 이러한 테이퍼 기울기는 기판(14)의 각 측부 상의 슬롯 라인의 확대율을 특징으로 한다. 변수 x는 대칭축(O)을 따른 좌표이며 D 0 는 기본 부분(18)의 최하위 부분(28)에서의 기판(14)의 각 측부 상의 레그의 내부 에지와 대칭축(O) 사이의 거리이다. 특히, D 0 는 레그(22 및 23)의 내부 에지(25A 및 25B)와 대칭축(O) 사이의 거리이며 기판(14)의 다른 측부 상에 위치된 레그(미도시)의 내부 에지와 대칭축(O) 사이의 거리이다. 이 식에서, 변수 x는 기본 부분(18)의 최하위 부분(28)으로부터 방사 부분(17)을 향해 변화한다. 따라서, 그러한 미리 결정된 관계는 기판(14)의 각 측부 상의 슬롯 라인의, 즉, 표면(14A) 상에 위치된 슬롯 라인(31) 및 기판(14)의 반대편 표면(14B) 상의 대응하는 슬롯 라인의, 프로파일을 특징으로 한다.
본 발명에서, 용어 "확대율", "테이퍼 기울기" 및 "테이퍼링의 기울기"는 식 D = ax + D 0 의 기울기 a를 지칭하며 본 원에서 상호교환적으로 사용된다.
테이퍼 기울기 a가 유전 상수 ε 및 기판(14)의 두께 s에 좌우된다는 것이 발명자에 의해 발견되었다. 유전 상수 ε 및 기판(14)의 두께 s는 본원 이하에 도시한 바와 같이 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)의 최적의 성능을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 즉, 테이퍼 기울기 a는 유전 상수ε 및 기판의 두께 s의 함수 a = f(ε, s)이다.
예를 들어, ε = 9.2이고 s = 0.024λ0이면, 테이퍼 기울기는 a = 0.07이며 따라서, 미리 결정된 관계는 D = 0.035x + 0.003 λ0이다.
일 실시예에 따르면, 기본 부분(18)의 최하위 부분(28)에서의 기판(14)의 각 측부 상의 슬롯 라인은 기판(14)의 각 측부 상의 슬롯 라인의 임피던스를 공급 라인(19)의 입력 임피던스(대략 50 옴)와 정합하도록 한다. 기판(14)의 각 측부 상의 슬롯 라인이 기본 부분(18)의 최하위 부분(28)으로부터 방사 부분(17)을 향해 넓어짐에 따라, 임피던스는 기판(14)의 각 측부 상의 슬롯 라인을 따라 점진적으로 증가하며 자유 공간의 파형 임피던스(대략 377 옴)와 정합하기 위해 기판(14)의 각 측부 상의 방사 간극을 따라 계속 증가한다.
엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)에 적합한 이용 가능한 재료의 광범위한 선택이 있다. 제1 쌍의 레그(22 및 23), 제2 쌍의 레그, 제1 쌍의 방사 날개(20 및 21) 및 제2 쌍의 방사 날개는 예를 들어, 기판(14) 상에 에칭될 수 있으며, 또는 전도성 재료의 층으로부터 임의의 다른 공지된 기술에 의해 제조될 수 있다. 전도성 재료의 이러한 층은, 층 두께 t가 λ0 (t<< λ0)보다 훨씬 더 작도록 다소 얇도록 선택된다. 그러한 전도성 재료의 예는 구리, 금 및 이들의 합금을 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
전술한 바와 같이, 이중 테이퍼드 슬롯 요소(DTSE)(13)는 전도성 접지 평면(11)에 전기 션트를 통해 전기적으로 연결된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)는 DTSE(13)를 전도성 접지 평면(11)에 전기적으로 연결하기 위해 제1 및 제2 전기 션트(32A 및 32B)를 포함한다. 제1 및 제2 전기 션트(32A 및 32B)는 대칭축(O)에 대해 대칭으로 방사 부분(17)의 반대편 측부에서 기판(14)의 지지체(29A 및 29B)의 표면 상에 배열된다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 전기 션트(32A 및 32B)는 대응하여 날개의 플레어드 하부 에지(23A 및 23B) 상에 2개의 지점(33A 및 33B)에서 연결된다. 2개의 지점(33A 및 33b)이 도 1에서 날개의 플레어드 하부 에지(23A 및 23B)의 반대편 대칭 단부에 도시되었지만, 일반적으로, 제1 및 제2 전기 션트(32A 및 32B)는 하부 플레어드 에지(23A 및 23B) 상에 선택된 임의의 2개의 지점을 접지 평면(11)에 연결하도록 구성될 수 있다. 즉, 본 발명은 2개의 지점(33A 및 33B)의 위치에 의해 제한되지 않는다. 필요하면, 제1 전기 션트(32A)는 방사 날개(20)의 플레어드 하부 에지(23A) 상에 선택된 임의의 지점을 전도성 접지 평면(11) 상에 선택된 임의의 지점에 연결될 수 있다. 따라서, 전기 션트(32B)는 방사 날개(21)의 플레어드 하부 에지(23B) 상에 선택된 임의의 지점을 전도성 접지 평면(11) 상에 선택된 임의의 지점에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 및 제2 전기 션트(32A 및 32B)와 유사한 2개의 추가적인 전기 션트(미도시)는 기판(14)의 지지체(29A 및 29B)의 반대편 표면 상에 위치되고 날개를 전도성 접지 평면(11)에 연결한다. 이들 2개의 추가적인 전기 션트는 제1 및 제2 전기 션트(32A 및 32B)와 유사한 방식으로 지지체(29A 및 29B)의 반대편 표면 상에 배열된다 .
필요하면, 기판(14)의 각 표면 상에 하나 초과의 쌍의 전기 션트가 DTSE(13)를 전도성 접지 플레이트(11)에 결합하기 위해 사용될 수 있음을 또한 유념해야 한다. 예를 들어, 2개 이상의 전기 션트는 방사 부분(17)의 각 측부에 축(O)에 대해 방사 부분(17) 내에서 선택된 4개 이상(짝수 개수)의 지점을 전도성 접지 평면(11) 내에서 선택된 대응하는 수의 지점에 연결하기 위해 배열될 수 있다.
본 발명의 안테나는 임의의 종래의 방식을 사용하여, 그리고 안테나가 채용되는 대응하는 외부 전자 유닛(송신기 또는 수신기)과 호환가능한 방식으로 공급될 수 있다.
실시예에 따르면, 공급 라인(19)은 기판(14)의 하나의 측부 상의, 즉, 기판(14)의 표면(14A 및 14B) 중 하나 상의, 이중 테이퍼드 슬롯 요소(DTSE)(13)의 기본 부분(18)에 결합된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 공급 라인(19)은 기판(14)의 표면(14A) 상의 기본 부분(18)에 결합된다.
공급 라인(19)은 레그(22 또는 23) 중 하나에 결합된 차폐 전도체(51) 및 다른 레그에 연결된 코어 전도체(52)를 갖는 동축 케이블을 포함한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 차폐 전도체(51)는 레그(22)의 하부 에지(27A) 상의 공급 지점(53)에서 레그(22)에 결합된다. 코어 전도체(52)는 레그(23)의 내부 에지(25B) 상의 연결 지점(54)에서 레그(23)에 연결된다. 공급 지점(53) 및 연결 지점(54)은 또한 다른 위치에 있을 수 있음이 이해되야 한다.
또한, 필요한 부분만 약간 수정하여 외부 유닛이 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)에 또한 자기적으로 결합될 수 있음이 이해되야 한다.
기계적으로, 외부 유닛은 공급 라인(19)에 결합된 커넥터(미도시)를 제공 및 이 커넥터와 외부 유닛 사이에 동축 케이블 또는 임의의 다른 전송 라인을 체결함으로써 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)에 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, DTSE(13)는 또한 복수의 비아 요소(60)를 포함한다. 비아 요소(60)는 원하지 않는 전파 모드(공명)를 억제하기 위해 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 복수의 비아 요소(60)는 방사 부분(17) 상 및 기본 부분(18) 상의 이격된 관계로 배열된다. 보다 구체적으로, 방사 부분(17) 상의 비아 요소(60)는 방사 날개(20 및 21)의 전체 둘레를 따라, 방사 날개(20 및 21)의 외부 에지(21A 및 21B), 플레어드 하부 에지(23A 및 23B) 및 플레어드 내부 에지(24A 및 24B)에 근접하게 배열된다.
일 실시예에 따르면, 기본 부분(18) 상의 비아 요소(60)는 레그(22 및 23)의 내부 에지(25A 및 25B) 상에 대응하여 배열된다. 비아 요소(60)는 대응하는 에지로부터 미리 결정된 거리 d 에서 레그(22 및 23) 및 방사 날개(20 및 21) 상에 배열된다. 그러한 거리 d는, 예를 들어, 0.01λo 내지 0.15λo의 범위일 수 있다.
비아 요소(60)는 기판(14)의 하나의 측부의 표면(14A)으로부터 기판(14)의 다른 측부 상의 반대편 표면(14B)으로 기판(14)을 통과한다. 비아 요소(60)는 제1 쌍의 방사 날개(20 및 21)를 제2 쌍의 방사 날개와 전기적으로 연결하고, 대응하여 제1 쌍의 레그(22 및 23)를 기판(14)의 반대편 표면(14A 및 14B) 상에 배열된 제2 쌍의 레그와 전기적으로 연결한다.
비아 요소(60)는, 예를 들어, 핀의 형태로 제조되고 임의의 전도성 재료, 예를 들어, 구리, 금 및 이들의 합금으로 제조될 수 있다.
엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)를 제조하기 위해 다양한 제조 기법이 채용될 수 있음이 이해될 수 있다.
예를 들어, 전도성 접지 평면(11)은 전도성 재료의 고체 시트로부터 절단될 수 있다.
도 1에 도시된 이중 테이퍼드 슬롯 요소(DTSE)(13)는, 예를 들어 임의의 표준 인쇄 회로 기법을 사용함으로써 제조될 수 있다. 기판(14)의 반대편 측부의 표면(14A 및 14B) 위에 놓인 전도성 층은, 예를 들어, 제1 쌍 레그(20 및 21)의 플레어드 에지, 플레어드 에지 제2 쌍의 레그, 제1 쌍의 방사 날개(22 및 23)의 플레어드 에지, 제2 쌍의 방사 날개 및 전기 션트의 플레어드 에지를 형성하도록 에칭될 수 있다. 대안적으로, 증착 기법이 전도성 층/들을 형성하는 데 사용될 수 있다. 그러한 경우에서, 대응하여 제1 쌍 레그(20 및 21)의 플레어드 에지, 플레어드 에지 제2 쌍의 레그, 제1 쌍의 방사 날개(22 및 23)의 플레어드 에지, 제2 쌍의 방사 날개 및 전기 션트의 플레어드 에지는 기판(14)의 반대편 측부의 표면(14A 및 14B) 상에 배열된 전도성 재료의 층으로서 형성될 수 있다.
본 발명의 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나가 많은 응용을 가질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 수 있다. 응용의 목록은 약 1 ㎓ 내지 3.5 ㎓의 주파수 범위 내에서 좁고/좁거나 넓은 대역으로 동작하는 다양한 장치를 포함하지만 이로 제한되지 않는다. 본 발명의 안테나의 크기는 밀리미터 내지 수십 센티미터 정도일 수 있고, 두께는 밀리미터 내지 수 센티미터 정도일 수 있다.
도 1을 참조하여 위에서 설명된 단일 요소 안테나는 상응하는 어레이 인자의 특성을 취하는 선형 또는 평면 형태의 어레이 구조로 구현될 수 있다. 또한, 필요하면, 이러한 어레이 안테나는 다른 요소(예를 들어, 디지털 신호 처리(DSP)-구동 스위치)와 함께 하나의 칩 상에 모놀리식으로 집적될 수 있으며, 또한 조향가능한 다중 빔을 방사할 수 있고, 따라서 전체 어레이를 스마트 안테나로 제조할 수 있다.
도 2 내지 도 6은 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)의 다양한 구조적 및 재료-관련 특성에 대해 도 1에 도시된 복수의 안테나 요소로부터 구축된 선형 무한 위상 어레이 시스템의 1 ㎓ 내지 3.5 ㎓의 동작 주파수 범위에서의 성능을 도시하는 예시적인 시뮬레이션 결과를 예시한다. 이러한 특정 비제한적인 예에서, 위상 어레이 시스템은 1 ㎓ 내지 3.5 ㎓ 범위의 동작 주파수를 위해 구성된다.
전술한 바와 같이, 기판(도 1에서 14)의 각 측부 상의 슬롯 라인의 테이퍼링의 기울기 a 는 유전 상수 ε 및 기판(14)의 두께 s에 좌우된다. 즉, 테이퍼 기울기 a는 유전 상수 ε 및 두께 s의 함수 a = f(ε, s)이다. 위상 어레이 시스템의 최적의 성능을 제공하기 위해, 소정의 설계를 갖는 안테나 요소를 위해, 유전 상수 ε 및 기판(14)의 두께 s는 안테나 요소의 기판의 각 측부 상의 슬롯 라인의 프로파일과 일치하도록 선택될 수 있다. 특히, 미리 결정된 테이퍼 기울기 a를 갖는 기판의 각 측부 상의 슬롯 라인에 대해 유전 상수 ε 및 기판(14)의 두께 s는 테이퍼 기울기 a와 일치하기에 적합한 미리 결정된 값을 갖도록 선택되어야 한다. 대안적으로, 안테나 요소가 소정의 유전 상수 및 두께를 갖는 기판을 갖는 경우, 슬롯 라인의 테이퍼 기울기 a는 위상 어레이 시스템의 최적의 성능을 제공하기 위해 안테나 요소의 제조 전에 계산될 수 있다.
특히, 도 2는 유전 상수 ε가 상이한 기판을 활용하는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 입력 반사(복귀 손실 계수)의 주파수 의존성의 예를 예시한다. 곡선(101, 102, 103 및 104)은 3.2, 5.2, 7.2 및 9.2의 유전 상수를 갖는 기판을 사용하여 위상 어레이의 복귀 손실(위상 어레이 성능에 영향을 미치는)을 대응하여 나타낸다. 이 예에서, 위상 어레이 시스템 내의 안테나 요소의 슬롯 라인(도 1에서 31)은 레그의 내부 에지와 관계 D = 0.035x + 0.003λ0에 의해 설명된 대칭축(O) 사이의 거리, 및 0.024λ0의 안테나 요소의 기판(도 1에서 14)의 두께 s를 특징으로 하는 프로파일을 가진다. 알 수 있는 바와 같이, 유전 상수 ε= 9.2를 갖는 기판을 채용하는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템은 최적의(즉, 최소) 복귀 손실을 제공한다(곡선(104) 참조).
도 3은 그들의 두께s가 상이한 기판을 활용하는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성의 예를 예시한다. 곡선(105, 106, 107, 108 및 109)은 0.0225λ0, 0.024λ0, 0.026λ0, 0.017λ0, 및 0.032λ0의 두께를 갖는 기판을 채용하는 위상 어레이 시스템의 복귀 손실 계수를 대응하여 나타낸다. 이 예에서, 위상 어레이 시스템 내의 안테나 요소는 관계 D = 0.07x + 0.003λ0에 의해 설명된 레그의 내부 에지 사이의 거리를 특징으로 하는 프로파일을 갖는 슬롯 라인(도 1에서 31) 및 유전 상수 ε = 9.2를 갖는 기판을 갖는다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 두께 s = 0.024λ0를 갖는 기판을 채용하는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템은 최적(최소)의 복귀 손실을 제공한다(곡선(106) 참조).
도 2 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 유전 상수 및 기판의 두께는 위상 어레이 시스템의 성능에 영향을 미치며, 위상 어레이 시스템의 구성 및 제조에서 고려되어야 한다.
도 4는 슬롯 라인의 2개의 상이한 테이퍼 기울기를 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템의 복귀 손실 계수의 예시적인 주파수 의존성을 예시한다. 이 예에서, 위상 어레이 시스템 둘 모두에서의 기판은 두께 s = 0.024λ0 및 유전 상수 ε = 9.2를 갖는다. 특히, 곡선(110)은 관계 D = 0.035x + 0.003λ0에 의해 설명된 레그의 내부 에지 사이의 거리를 특징으로 하는 슬롯 라인의 프로파일을 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성을 설명한다. 이어서, 곡선(111)은 관계 D = 0.0385x + 0.003λ0에 의해 설명된 레그의 내부 에지 사이의 거리를 특징으로 하는 슬롯 라인의 프로파일을 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성을 설명한다. 이들 식에서 테이퍼 기울기는 10% 만큼 상이하다. 알 수 있는 바와 같이, 테이퍼링의 기울기 a = 0.035를 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템은 최적(즉, 최소)의 복귀 손실을 제공한다(곡선(110) 참조). 따라서, 두께 s = 0.024λ0 및 유전 상수 ε= 9.2를 갖는 기판을 채용하여 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템의 경우, 관계 D=0.035x + 0.003λ0에 의해 설명된 레그의 내부 에지 사이의 거리를 특징으로 하는 프로파일을 갖는 슬롯 라인은 최적의 복귀 손실을 제공한다.
도 5는, 테이퍼드 슬롯 라인 및 레그의 평행한 내부 에지에 의해 형성된 슬롯 라인, 즉, 테이퍼드되지 않은 슬롯 라인과 같은, 2개의 유형의 슬롯 라인을 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 예시적인 주파수 의존성을 예시한다. 이런 예에서, 위상 어레이 시스템 둘 모두에서의 기판은 두께 s= 0.024λ0 및 유전 상수 ε = 9.2를 갖는다. 특히, 곡선(112)은 테이퍼드되지 않은 슬롯 라인을 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성을 설명한다. 이어서, 곡선(113)은 관계 D = 0.035x + 0.003λ0에 의해 설명된 레그의 내부 에지 사이의 거리를 특징으로 하는 프로파일을 갖는 테이퍼드 슬롯 라인을 갖는 본 발명(도1에서 10)의 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성을 설명한다.
알 수 있는 바와 같이, 테이퍼드 슬롯 라인을 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템은 테이퍼드되지 않은 슬롯 라인을 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대해(곡선(113) 참조) 상당히 더 작은 복귀 손실을 제공한다(곡선(112) 참조).
도 6은 다양한 비아 요소 배열을 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템의 복귀 손실 계수의 예시적인 주파수 종속성을 예시한다. 이 예에서, 위상 어레이 시스템 내의 안테나 요소는 관계 D = 0.035x + 0.003λ0에 의해 설명된 레그의 내부 에지 사이의 거리를 특징으로 하는 슬롯 라인을 갖는다. 각 안테나 요소는 유전 상수 ε = 9.2 및 두께 s = 0.024λ0를 갖는 기판을 포함한다. 특히, 곡선(114)은 방사 날개의 전체 둘레를 따라서만 배열된 비아 요소를 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성을 설명한다. 곡선(115)은 레그의 내부 에지를 따라 배열된 비아 요소를 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성을 설명한다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 곡선(114 및 115)은 서로 매우 가깝다. 즉, 방사 날개의 전체 둘레를 따라서만 배열된 비아 요소를 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템, 및 레그의 내부 에지를 따라서만 배열된 비아 요소를 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템은 작동 주파수 범위(1 ㎓ 내지 3.5 ㎓)에 걸쳐 거의 동일한 복귀 손실을 제공한다.
한편, 곡선(116)은 도 1에 도시된 바와 같이 방사 날개의 둘레 및 레그의 내부 에지를 따라 배열된 비아 요소를 포함하는 도 1에 도시된 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템에 대한 복귀 손실 계수의 주파수 의존성을 설명한다. 곡선(116)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 방사 날개 및 레그 상에 배열된 비아 요소를 갖는 안테나 요소로부터 구축된 위상 어레이 시스템은, 도 1에 도시한 바와 같이, 최적의(즉, 최소) 복귀 손실을 제공한다.
본 발명의 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나는 통신 장치(예를 들어, 이동 전화, 개인 디지털 어시스턴트(PDA), 원격 제어 유닛, 위성을 갖는 전기통신 등), 레이다, 원격측정 스테이션, 재밍 스테이션 등에 의해 동작할 수 있다.
본 발명의 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나는 또한, 예를 들어 컴퓨터 무선 LAN(근거리 통신망), PCN(개인 휴대 통신망) 및 ISM(공업용, 과학용, 의료용 통신망) 시스템 내에서 통신하는 다양한 인터시스템에서 활용될 수 있다.
엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나는 또한 LAN 및 셀룰러 전화 네트워크 사이의 통신, GPS(글로벌 포지셔닝 시스템) 또는 GSM(이동통신 글로벌 시스템)에 활용될 수 있다.
이와 같이, 당업자는 본 발명이 바람직한 실시예의 관점에서 설명되었지만, 본 개시내용이 기초하는 개념이 본 발명의 여러 목적을 수행하기 위한 다른 구조 시스템 및 공정의 설계를 위한 기초로서 쉽게 활용될 수 있음을 이해할 수 있다.
따라서, 본원에서 채용된 어구 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것으로 이해되야 한다.
따라서, 본 발명의 범주는 본 원에 제시된 예시적인 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는다는 것이 중요하다. 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범주 내에서 다른 변형이 가능하다.
특징부, 기능, 요소 및/또는 특성의 다른 조합 및 하위조합은 본 출원 또는 관련 출원에서 본 청구범위의 수정 또는 새로운 청구범위의 제시를 통해 청구될 수 있다. 이러한 수정된 또는 새로운 청구범위는 그들이 상이한 조합에 관한 것이든 또는 동일한 조합에 관한 것이든, 원래의 청구범위의 범주에서 상이하거나, 더 넓거나, 더 좁거나 또는 동일한 것이든, 본 설명의 주제 내에 또한 포함되는 것으로 간주된다.

Claims (19)

  1. 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)에 있어서,
    미리 결정된 치수 및 형상을 갖는 내부에 리세스된 통과 개구(12)를 포함하는 전도성 접지 평면(11);
    상기 전도성 접지 평면(11)에 리세스된 상기 통과 개구(12)를 통과하는 이중 테이퍼드 슬롯 요소(DTSE)(13)를 포함하고, 상기 DTSE(13)는:
    비전도성 재료로 제조되는 기판(14)의 반대편 측부 상에 2개의 표면(14A, 14B)을 갖는 상기 기판(14);
    상기 기판(14)의 하나의 측부 상에 위치된 상기 표면(14A) 상에 대칭으로 배열된 제1 쌍의 방사 날개(20, 21) 및 상기 제1 쌍의 방사 날개(20, 21)에 반대편인, 상기 기판(14)의 다른 측부 상에 위치된 상기 표면(14B) 상에 대칭으로 배열된 제2 쌍의 방사 날개를 포함하며, 상기 방사 날개(20, 21)는 플레어드 내부 에지(24A, 24B), 플레어드 하부 에지(23A, 23B) 및 상기 전도성 접지 평면(11)에 직교하는 외부 에지(24A, 24B)를 갖는 방사 부분(17);
    상기 방사 부분(17)에 전기적으로 결합된 기본 부분(18) - 상기 기본 부분(18)은:
    상기 전도성 접지 평면(11)에 직교하는 대칭축(O)에 대해 상기 기판의 하나의 표면(14A) 상에 대칭으로 배열된 제1 쌍의 레그(22, 23) 및 상기 제1 쌍의 레그에 반대편인, 상기 기판(14)의 다른 표면(14B) 상에 대칭으로 배열된 제2 쌍의 레그를 포함하며, 상기 제1 및 제2 쌍의 레그는 상기 전도성 접지 평면(11)의 상기 통과 개구(12)를 통과하며, 상기 표면(14A, 14B) 중 하나 상의 상기 기본 부분(17)의 최하위 부분(28)의 공급 라인(19)에 결합되고, 상기 제1 및 제2 쌍의 레그는 상기 전도성 접지 평면(11)에 직교하는 상기 대칭축(O)에 따라 상기 기판(14)의 각 측부 상에 그 사이의 대응하는 슬롯 라인(31)을 획정하는 내부 에지(25A, 25B)를 가지며, 상기 기판(14)의 각 측부 상의 상기 슬롯 라인(31)은 테이퍼드 형상을 가지며 미리 결정된 관계에 따라 상기 레그(22, 23)의 상기 내부 에지(25A, 25B) 사이의 거리를 점진적으로 증가시키고 상기 기본 부분(18)의 최하위 부분(28)으로부터 상기 방사 부분(17)을 향해 연장됨 -;
    상기 방사 날개(20, 21) 및 상기 기판(14)의 상기 반대편 측부의 상기 표면(14A, 14B) 상에 배열된 상기 레그를 대응하여 전기적으로 연결하며, 상기 레그(22, 23)의 상기 내부 에지(25A, 25B), 및 상기 플레어드 내부 에지(24A, 24B), 상기 플레어드 하부 에지(23A, 23B) 및 상기 방사 날개(20, 21)의 전체 둘레를 따라 이격된 관계의 상기 방사 날개(20, 21)의 외부 에지(24A, 24B)에 배열된 복수의 비아 요소(60); 및
    상기 기판(14)의 각 표면(14A, 14B) 상에 위치되고, 상기 DTSE(13)의 방사 날개(20, 21)를 상기 전도성 접지 평면(11)에 연결하도록 구성된 적어도 하나의 쌍의 전기 션트(32A, 32B)를 포함하는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판(14)은 2 내지 20의 범위의 유전 상수 및 0.135λ0 내지 0.3λ0의 범위의 두께를 갖는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 통과 개구(12)의 형상은 0.1λ0 내지 0.2λ0의 범위의 미리 결정된 직경을 갖는 원형 형상인, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 방사 날개(20, 21)의 상기 플레어드 내부 에지(24A, 24B) 및 상기 플레어드 하부 에지(23A, 23B)는 기하급수적 방식으로 플레어되는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방사 날개(20, 21)의 상기 플레어드 내부 에지(24A, 24B)는 상기 기판의 각 측부 상에 방사 간극(30)을 획정하고, 상기 방사 간극(30)은 상기 방사 부분(17)의 최하위 부분(31)으로부터 상기 방사 부분(17)의 원위의 최상위 부분(32)으로 연장되는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  6. 제5항에 있어서, 상기 기판의 각 측부 상의 상기 방사 간극(30)은 상기 최하위 부분(31)으로부터 상기 원위의 최상위 부분(32)을 향해 기하급수적 방식으로 점진적으로 넓어지는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  7. 제5항에 있어서, 상기 기판의 각 측부 상의 상기 방사 간극(30)은 자유 공간에서 상기 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)와 파형 임피던스 사이에 임피던스 정합을 제공하도록 구성되는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방사 날개(20, 21)는 0.35λ0 내지 0.45λ0의 범위의 미리 결정된 길이를 가지며, λ0는 상기 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)의 자유 공간 작동 파장인, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  9. 제8항에 있어서, 상기 레그(22, 23)는 0.15λ0 내지 0.25λ0의 범위의 미리 결정된 길이를 갖는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전도성 접지 평면(11)은 상기 방사 부분(17)으로부터 0.025λ0 내지 0.035λ0의 범위인 미리 결정된 거리 L에 배치되는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  11. 제1항에 있어서, 상기 레그(22, 23)는 바닥 에지(27A, 27B) 및 외부 에지(26A, 26B)를 가지며, 상기 외부 에지(26A, 26B)는 기하급수적 방식으로 플레어링되는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  12. 제1항에 있어서, 상기 기본 부분(18)의 상기 최하위 부분(28)에서 상기 기판의 각 측부 상의 상기 슬롯 라인(31)은 상기 기판(31)의 각 측부 상의 상기 슬롯 라인의 임피던스를 상기 공급 라인(19)의 입력 임피던스와 정합시키기에 적합한 상기 레그(22, 23)의 상기 내부 에지(25A, 25B) 사이에 거리 D 0 를 갖는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  13. 제1항에 있어서, 상기 레그(22, 23)의 상기 내부 에지(25A, 25B)와 상기 대칭축(O) 사이의 거리의 점진적인 증가를 설명하는 상기 미리 결정된 관계는 D = ax + D 0 ,이며, a는 상기 대칭축을 따른 상기 슬롯 라인(31)의 상기 내부 에지의 테이퍼 기울기이고, x는 상기 대칭축(O)을 따른 좌표이고, D 0 는 상기 제1 및 제2 쌍의 레그(22, 23)의 상기 내부 에지(25A, 25B)와 상기 기본 부분의 상기 최하위 부분에서의 상기 대칭축(O) 사이의 거리인, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  14. 제13항에 있어서, 상기 슬롯 라인(31)의 상기 테이퍼 기울기는 상기 유전 상수 ε 및 상기 기판(14)의 상기 두께 s에 좌우되는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  15. 제1항에 있어서, 상기 기판(14)의 각 표면(14A, 14B) 상에 위치된 상기 적어도 하나의 쌍의 전기 션트(32A, 32B)는 상기 날개(20, 21)의 상기 플레어드 하부 에지(23A, 23B) 상에 선택된 임의의 2개의 지점을 상기 접지 평면(11) 상의 선택된 임의의 2개의 대응하는 지점으로 연결하는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  16. 제1항에 있어서, 상기 공급 라인(19)은 상기 표면(14A, 14B) 중 하나의 상의 상기 기본 부분(18)에 결합되고, 상기 공급 라인(19)은 상기 표면(14A, 14B) 중 하나의 상에 위치된 상기 레그(22, 23) 중 하나에 결합된 차폐 전도체(51)를 갖는 동축 케이블 및 상기 다른 레그에 연결된 코어 전도체(52)를 포함하는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  17. 제1항에 있어서, 복수의 비아 요소(60)는 상기 내부 에지(25A, 25B)를 따라 상기 레그의 상기 내부 에지 및 상기 플레어드 내부 에지(24A, 24B)로부터 미리 결정된 거리 d에 배열되며, 상기 플레어드 하부 에지(23A, 23B) 및 상기 방사 날개(20, 21)의 상기 외부 에지(21A, 21B)는 상기 방사 날개(20, 21)의 전체 둘레를 따르는, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  18. 제17항에 있어서, 상기 미리 결정된 거리 d는 0.01λo 내지 0.15λo의 범위인, 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 복수의 엔드 파이어 테이퍼드 슬롯 안테나(10)를 포함하는 위상 어레이 시스템.
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