KR20060050111A - 고출력 광역대 제품을 위한 ＰｘＭ 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 및 자기 다이폴 방사기를 모두 포함한다. 본 발명에 따르는 광대역 안테나는 "PxM 안테나"라고도 하며, 한쌍의 자기 루프 소자를 폼하여, 각각의 다중 피드 포인트가 루프 소자 주위에 공간을 갖도록 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르는 광대역 안테나는 또한 상기 한쌍의 자기 루프 소자 사이에 배열된 전기 다이폴 소자를 포함한다. 일반적으로, 상기 전기 다이폴 소자 및 상기 자기 루프 소자는 단일 방사 소자에 결합되는 것과는 반대로 전송선 네트워크를 통해 결합된다.

Description

고출력 광역대 제품을 위한 ＰｘＭ 안테나{PxM Antenna for High-Power, Broadband Applications}

도 1은 실시예의 심장 (cardioid)-모양의 방사 패턴의 폴라 플롯 (polar plot).

도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 전기 및 자기 안테나 부품으로 구성된 예시적인 PxM 안테나의 측면도.

도 3은 도 2에 도시된 자기 안테나 부품 중의 하나를 예시한 정면도.

도 4는 도 2의 전기 및 자기 안테나 부품의 예시적 전송 기능을 분리 및 도 2의 PxM 안테나 안에 포함시켜 도시한 그래프.

도 5는 도 2의 PxM 안테나에 대한 예시적인 E-평면 방사 패턴을 도시한 그래프.

도 6은 도 2의 PxM 안테나에 대한 예시적인 H-평면 방사 패턴을 도시한 그래프.

본 발명은 안테나에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전자적 그리고 자기적 방사 부품을 결합시킨 저손실, 광역대 안테나의 실질적인 구현에 관한 것이다.

하기 발명에 대한 상세한 설명 및 실시예는 그 내용에 있어서 선행기술임을 인정하는 것은 아니다.

소형 전기 (electrically-small) 안테나 소자는 많은 저주파수 (예, 이동 통신) 및 고주파수 (예, EMC 테스팅) 제품에 사용되어 왔다. 예를 들어, 소형 전기 안테나는 공간, 내구성 및 다른 측면을 만족시키는 저주파수 제품이나, 특정 주파수 레벨, EMC 테스팅 목적으로 요구될 수 있는 주파수 레벨을 달성하기 위한 고주파수 제품에 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "전자적으로 소형"이라는 용어는 방출되는 전자기장의파장에 비하여 상대적으로 기하학적으로 작은 크기를 갖는 안테나 또는 안테나 소자를 말한다. 정량적으로 말하면 소형 전기 안테나는 일반적으로 소위 방사구 (radiansphere), 또는 반지름이 r=λ/2π 이고, λ 는 방사된 전자기 에너지의 파장인 구 내부에 맞는안테나로 정의된다.

불행히도, 소형 전기 아테나는 상대적으로 큰 방사능 인자, Q를 갖는 경향이 있으며, 이는 방사하는 에너지 보다 (시간 평균) 훨씬 많은 에너지를 저장하는 경향이 있음을 말한다. 이는 훨씬 반응성이 있는 임피던스를 입력하게 하고, 불가능한 것은 아니지만 소형 전기 안테나를 넓은 영역의 대역폭을 넘어서 입력을 하도록 임피던스를 맞추기 어렵게 할 수 있다. 또한, 큰 방사능 인자로 인하여 소형 저항 손실이 생겨 소형 전기 안테나에서는 매우 낮은 방사 효율 (예, 약 1-50% 효율)을 나타낸다.

소형 전기 안테나의 방사 Q의 한계에 대한 공지된 정량적 예측치에 의하면, 특정 선형 방향화된, 반경 크기에 안에 맞는 전방향성 안테나 (omnidirectional antenna)가 최소의 도달 방사 Q 는 아래와 같다:

(식 1)

이때에 k=1/λ, 파장수는 전자기 방사와 연관된다. 따라서, 소형 전기 안테나의 방사 Q는 대략 전기적 용적 (a)에 반비례하거나 안테나 대역폭에 반비례할 수 있다. 주어진 크기의 단일 소자 소형 전기 안테나로 상대적으로 광대역 및 고효율을 얻기 위해서는 (안테나가 차지하는) 용적을 가능한 한 많이 이용하는 것이 바람직하다. 이것은 어떤 경우에는 전기적으로 소형인 상태를 유지하면서 안테나 소자의 크기를 증가시킴으로써 달성할 수 있다.

상기 식 1의 방사 Q의 기본적 한계를 달성하기 위해서 안테나는 둘러싸인 구면 밖에서 TM 모드 (TM₀₁) 또는 TE 모드 (TE₁₁)로만 여기(excite)되고 구면 안에서는 전기적 또는 자기적 에너지가 저장되지 않아야 한다. 그래서 단축 선형 (전기) 다이폴이 구 외부에서 TM₀₁ 모드로 여기되지만 구 내부에서는 에너지를 저장하지 않는 한계를 만족시키지 않으므로 식 1에서 예측되는 것 보다 더 높은 방사 Q (및 더 협대역)을 나타낸다.

일반적으로, 전기 및 자기 다이폴과 같이 쌍극자장을 방사하는 모든 안테나는 식 1에 주어진 제약 (constraint)에 의 제한받는다. 몇몇 광역 다이폴 설계를 통해 식 1에 주어진 한계를 성공적으로 구현하여 접근하였으나 현재로서는 식 1에서 예상되는 것 보다 적은 방사 Q를 나타내는 선형으로 극성화된 전방향 안테나를 구축하는 것이 불가능하다. 그러나, 식 1이 선형으로 극성화된 전방향 안테나에 대한 방사 Q에 대한 기본적 한계를 나타내는 반면, 방사 Q의 전체적인 더 낮은 한계를 나타내는 것은 아니다. 예를 들어, TM₀₁ 및 TE TE₁₁ 모드로 실질적으로 동일한 출력을 방사하는 복합 안테나는 (원리에 있어서는) 대략 하기식 2 또는 TM₀₁ 및 TE TE₁₁ 모드를 방사하는 분리형 전기 또는 자기 다이폴의 대략 반의 방사 Q를 달성할 수 있다.

(식 2)

다시말해서 복합 안테나의 임피던스 대역폭은 분리형 전기 또는 자기 다이폴의 거의 두배가 될 수 있다.

한쌍의 소형 전기 및 전자 다이폴이 직각 다이폴 모멘트를 제공하도록 공동배치 및 배향된 이상적인 복합 안테나는 이론상 및 숫자상으로는 유용한 제품을 제공하는 것으로 관측될 수 있다. 이러한 안테나를 전기 (p) 및 자기 (m) 다이폴 벡터의 수직 조합 때문에, 종종 "PxM 안테나" 라고 부른다. PxM 안테나의 바람직한 특성은 한정되는 것은 아니지만 유용한 방사 패턴 (예, 저-이득 (low gain), 단방향성 방사 패턴)과 주어진 전기적 크기에서 상대적으로 넓은 임피던스 대역폭을 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 소형 전기 PxM 안테나의 방사 Q는 대략 분리형 전기 또는자기 다이폴을 절반이다. 감소된 Q가 광대역 임피던스 매칭을 (적어도 원 리상으로는) 개선시키지만, PxM 안테나의 실질적은 구현제품은 문제점이 있고 충분히 연구되지 않았다.

광역 PxM을 작동시키기 위해서는, 전기 및 자기 방사기의 다이폴 모멘트가 공간 방향으로 직각이고, 크기가 실질적으로 같으며, 원하는 구동 주파수 범위에서 위상직교(phase-quadrature) 하여야 한다. 대수적 또는 분석적 모델로서 두개의 분리된 방사기 간의 상관관계를 특정하는 것은 어렵지 않다. 그러나, 실제로는 이러한 안테나는 통상 단일 방사 주파수 (RF) 원에서 구동되며, 유한 출력 임피던스 (finite output impedance)는 복합형 전기 및 자기 방사기에 맞추어져야 한다. 이는 복합형 전기 및 자기 다이폴 방사기의 공명성으로 인해 특히 어려운 문제점이 될 수 있다.

어떤 경우는, 저손실, 수동적 피드 (passive feed) 또는 매칭 네트워크를 전기 또는 자기 방사기를 결합시키는 데에 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 매칭 네트워크는 종종 두개의 방사기의 입력 임피던스의 주파수-의존적 변동으로 인하여 구현하기가 어렵다. 예를 들어, 입력 임피던스의 변동은 전기 및 자기 방사기에 공급되는 입렵 전류의 적절한 크기 및 위상을 유지하기 어렵게 할 수 있다. 또한, 매칭 네트워크가 방사기를 결합시키는 데에 사용하는 경우에 조차도 잔류 임피던스 불일치 (mismatch)가 안테나/매칭 네트워크의 효율 및 출력 전달, 따라서 시스템의 전체 효율을 제한할 수 있다. 가능한 매칭 네트워크들이 제안되었지만, 현재는 아무것도 광역 주파수에서 복합 방사기를 효율적으로 동작시킬 수 있는설계가 알려진 바가 없다. 그러므로, 이러한 설계를 사용하는 것으로 인해 종종 PxM 방사기의 더 낮은 방사 Q를 제공할 수 있는 대역폭에서의 개량이 부정되곤 하였다.

원리상으로는 원하는 대역 구동성을 제공하기 위해서는 상보적 입력 임피던스를 갖는 전기 및 자기 다이폴을 사용할 수 있어야 한다. 이러한 점을 보장한 접근중의 하나가 모노폴-슬롯 복합이다. 이러한 구성은 이론상으로는 진정한 PxM 방사기를 제공한다. 예를 들어, 모노폴-슬롯 안테나가 두 시리즈의 암에서는 슬롯 안테나의 방사 임피던스를 및 분류 암 (shunt arm)에서모노폴 안테나의 방사 임피던스를 갖도록 구성된 두개-포트 T- 네트워크를 고려할 수 있다. 두개-포트 T 네트워크는 통상 수치가 T-네트워크의 이미지 임피던스와 같은 저항 부하 (resistive load)로 종료된다. 그러나, 저항 부하는 안테나에 손실, 저통과 특성을 유발한다. 이러한 이유로, 입력 임피던스가 다소 일정하고 일치하더라도 모노폴-슬롯 복합은 전형적으로 비교적 낮은 효율성을 갖는다. 모노폴-슬롯 안테나는 유용한 패턴 태양을 나타내는 것으로 알려져 있으나, 접지판 (ground plane) 요건으로 인하여 설계에 부담이 되어왔다.

그래서, 실제 PxM 안테나를 성공적으로 구현하는 데에는 두가지 문제점이 해결되어야 한다. 첫째, 실제적 전기 및 자기 방사기가 연구 설계되어야 하며, 둘째, 두개의 방사기를 결합시키는 저손실 수동 네트워크가 PxM 구동이 합리적인 대역폭 상에서 유지될 수 있도록 구현되어야 한다. 저항 손실이 최소가 되려면, 매칭 네트워크 안에서의 반응성 출력 의 순환도 최소화되어야 한다.

상술한 바와 같이 "PxM 구동 (operation)"은 전기 및 자기 다이폴 모멘트가 공간 방향으로 실질적으로 수직이고, 크기가 실질적으로 같으며, 원하는 주파수 범 위에서 위상직교하여야 한다. 즉, 각 방사기에 의해 생성된 파필드 (far field) 성분의 크기와 위상이 원하는 성능을 제공하도록 두개가 중첩하는 적당한 크기와 위상이 되도록 전기 및 자기 다이폴처럼 부품 방사기 자체가 정확하게 작동하여야 한다. 이는 전기 및 자기 방사기의 파필드 성분의 위상이 추가되게 한다.

분리된 소형 전기 또는 자기 다이폴에서 상기 요건은 안테나에 의해 저장된 것에 대한 반대 형태의 에너지로 저장하는 매칭 네트워크를 제공하기 위해 완화될 수 있다. 반대로, 효율을 최대로 하고 용량성 및 유도성 소자가 동일한 방사 Q를 가질수 있도록 하기위해서는 단축 전기 다이폴을 모든 유도성 매칭 네트워크와 일치시켜야 한다. 불행히도 PxM 안테나의 경우는 전기 및 자기 에너지 모두를 저장하기 때문에 더 복잡해진다. 게다가, 각각의 소자 자체가 소형 전기 소자가 아닌 경우에는 각 소자가 하나의 형태의 에너지를 우월하게 저장하지 않는다. 예를 들어, 중간정도 전기 크기의 선형 또는 테이퍼드 (tapered) 전기 다이폴은 전기 에너지를 우월하게 저장하지 않으며, 이보다는전기 및 자기 에너지 모두를 공진에서 달성되는 에너지를 등분배시켜 저장한다.

따라서, 고출력 제품에 적합한 저손실, 광역대를 구현할 수 있는 전기 및 자기 다이폴 방사기를 결합시킨 실제적인 안테나 설계가 필요하다.

이하 안테나 설계 및 방법의 다양한 구현예는 첨부된 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다.

상기 문제점들은 두 개의 공간을 분리시키는 평행하는 평면에 배치된 한쌍의 자기 루프를 포함하는 안테나에서 대부분 언급되었다. 자기 루프는 각 자기루푸의 중심점을 통해 연장된 축을 따라 배열되며 축 주위에서 대칭으로 공간을 갖는 다중 피드 포인트를 포함할 수 있다. 이러한 이유로 자기 루프는 다르게는 "다중-페드(multiple-fed)" 루프라고도 부른다. 원하는 작동 주파수 범위에 따라서 각 다중 페드 루프상에는 실질적으로 어떤 수의 피드 포인트도 포함될 수 있다. 어떤 실시예에서는 피드 포인트의 수는 약 2 내지 16 피드 포인트일 수 있다. 하나의 실시예서 4개의 피드 포인트는 각 루프 주위에 대칭으로 배열된다. 그러나, 더 많거나 적은 피드 포인트들이 안테나의 사용가능한 대역폭을 증가시키거나 감소시키는 데에 사용될 수 있다. 사용되는 피드 포인트의 수와는 상관없이 자기 루프를 쌓는 것은 방사 Q를 감소시키고 안테나의 대역폭을 확장하는 유리한 기능을 한다.

어떤 구현예에서는 전기 다이폴이 자기 루프 쌍 사이의 또 다른 평형 면 안에 배열되어 자기 루프가 전기 다이폴의 중심점을 통해 확장되도록 할 수 있다. 이러한 방식으로 전기 및 자기 방사기가 나란히 놓인 위상 중심을 갖는 PxM 안테나를 형성하도록 결합시킬 수 있다. 많은 형태의 전기 다이폴을 사용할 수 있으나, 본 발명의 몇몇 구현예에서는 바람직한 구동 주파수 범위에 대해서 쌍원뿔 안테나가 바람직하다. 그러나, 선형 다이폴, 말단-부하 (end-load) 다이폴 및 테이퍼드 다이폴과 같은 다른 전기 다이폴은 본 발명 또 다른 구현예에서 적합할 수 있다.

그러므로, 본 발명에서는 전기 및 자기 다이폴 방사기를 모두 포함하는 광대역 안테나가 제공된다. 광대역 안테나는 "PxM 안테나"라고 부를 수 있으며, 각 자 기 루프 소자가 루프 소자의 주변부에 대칭으로 놓인 다중 피드 포인트 사이에 배열된 한쌍의 자기 다이폴 소자를 포함할 수 있다. 광대역 안테나는 또한 한쌍의 자기 루프 소자 사이에 배열된 전기 다이폴 소자를 포함할 수 있다. 대부분 전기 다이폴 소자 및 자기 루프 소자는 단일 방사 소자에 결합되는 것과는 대조적으로 전송선의 네트워크를 통해 함께 간접적으로 결합될 수 있다.

특정 구현예에서는 각 루프의 다중 피드 포인트가 각 피드 포인트에서의 고 구동 임피던스로 인하여 분류기에 연결될 수 있다. 그러나, 이들은 또한 적절한 수의 포트와 하이드리드 네트워크를 통해 구동될 수도 있다. 한가지 구조에서는 각 루프의 4개의 피드 포인트가 동일한 길이의 400 오옴, 2-와이어 전송선을 통해 각 루프의 중심에 공통 접점 (junction)에 연결될 수 있다. 2 공통 접점은 차례로 두개의 100 오옴 선을 통해 제3의 공통 접점에 연결될 수 있으며, 그 다음은 PxM 안테나의 중심에 있는 50-오옴 입력 전송선에 연결될 수 있다. 몇몇 경우에는 예를 들어 90도 하이브리드 네트워크로 구성된 피드 (feed) 네트워크를 자기 루프 안테나와 전기 루프 안테나 사이에 실질적으로 동량의 입력 전력을 분리하기 위해 사용할 수 있다. 전기 다이폴 안테나는 한정되지는 않으나 전압 밸런 (balun), 전류 밸런, 180도 하이브리드 네트워크, 및 등가-지연 밸런 (equal-delay balun)을 포함하는 수많은 유형의 밸런싱 네트워크를 통해 구동될 수 있다.

본 발명은 안테나를 제조하는 방법도 제공한다. 일반적으로, 본 발명에 따르는 방법은 제1 평면 안에 제1 다중-페드(multiply-fed) 루프를 배열시키고, 제1 평면 안에 제2 다중-페드 루프를 배열시켜 제1 평면에 평행으로 떨어진 공간에 배치 된다. 제 1 및 제2 다중-페드 루프는 루프의 축이 제1 및 제2 다중-페드 루프의 중앙점을 통해 연장되도록 배치될 수 있다. 루프의 축은 제1 및 제2 평행 평면에 실질적으로 수직일 수 있다. 어떤 구현예에서는 전기 다이폴이 제1 및 제2 평면 사이에서 이들에 수평하게 위치하는 제3 평면 안에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로 PxM 안테나가 전기 다이폴을 제1 및 제2 다중-페드 루프의 축이 전기 다이폴의 축에 직각이 되고 전기 다이폴의 중심점을 통해 연장되도록 배치함으로써 나란히 배열된 위상 중심을 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은 하기 발명의 구성 및 도면을 통해 상세히 설명한다.

본 발명은 이하 도면에서 예시한 방식으로 설명할 수 있으나, 다양한 변형된 형태로도 가능하다. 그러나 하기 도면 및 발명의 구성은 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 정의된 개념 및 범위에 속하는 모든 변형, 균등물 및 대체물을 모두 포함한다.

PxM 안테나는 전기 및 자기 방사기의 직각 결합에서 유도되기 때문에 이렇게 불리는데, 이들은 한정되지는 않지만 주어진 전기 크기에서 유용한 방사 패턴 및 상대적으로 넓은 임피던스 대역폭을 포함하는 여러 바람직한 특성을 갖는다. PxM 안테나중 한가지 형태는 가상의 휴겐 (Hyugens) 원의 방사 패턴을 나타낸다. Ludwig-3 패턴이라고도 부르는 이 방사 패턴은 최대 방사 강도의 축 주위에서 심장 형 회전 (revolution)을 포함하는 선형-극성화된 단방향 패턴이고 소위 최대 방향성 패턴의 분류에 포함된다. 본 명세서에서는 "심장형(cardioid)"은 고정된 반경 (r)의 또 다른 원의 주위를 완벽하게 회전하는 원주 상의 지점에 의해 추적된 심장-모양의 커브를 나타내며, 일반식은 극좌표에서 다음과 같다.

ρ = r*(1 + cos θ) (식 3)

심장-모양의 방사 패턴 100의 폴라 플롯은 도 1에 나타냈다. 상술한 바와 같이, 심장-모양의 방사 패턴은 다르게는 "PxM 방사 패턴"으로 부를 수 있다.

원리상으로 광대역 PxM 작동은 전기 및 자기 방사기를 상보적 입력 임피던스와 결합시킴으로써 가능해야 한다. 예를 들어, 슬롯 안테나는 슬롯 안테나와 유사한 크기를 갖는 전기 모노폴 (또는 다이폴) 안테나의 상보 (complement)일 수 있다. 바비넷의 원리 (Babinet's principle)에 의하면 무한히 큰 도전층 (conducting sheet)에서 슬롯 안테나의 방사 패턴은 전기 및 자기장이 상호교체되는 것을 제외하고는 상보적 모노폴 (또는 다이폴) 안테나와 동일하다. 또한, 슬롯 안테나 및 그 상보적 모노폴의 입력 임피던스는 부커 (Booker)의 식과 연관된다.

(식 4)

상기식에서, Z_slot 및 Z_monopole 은 각각 슬롯 및 모노폴 안테나의 입력 임피던스이고, η 는 주변 미디엄의 내재적 임피던스 (예, 자유공간에서 η = 120π) 이다. 다시 말해서, 상보적 안테나 소자의 입력 임피던스는 대략 서로 반비례한다. 그러므로, 상보적 안테나 소자를 단일 방사 구조를 형성하기 위해 결합시키는 경우에는, 광범위한 주파수에서의 입력 임피던스를 상대적으로 일치시키기 위해 상보적 입력 리액턴스 (즉, 임피던스의 허수부분)를 취소시키거나 감소시킬 수 있다.

접지면 (ground plane)이 있는 경우에는 슬롯 안테나는 모노폴 안테나와 유사한 기능을 수행한다 (예, 각 방사기가 대략 2 옥타브의 임피던스 대역폭을 제공한다). 그러므로, 상보적 모노폴과 슬롯 안테나를 결합시키면 상대적으로 광대역 PxM 구동을 하게 해야 한다. 그러나, 접지면이 없는 경우에는, 자기 다이폴이 슬롯 안테나를 구비할 수 없으며, 대신에 루프 안테나들과 결합시켜야 한다.

자기 루프 및 전기 다이폴의 단순한 결합에 대해서는 과거에도 연구되었다. 예를 들어, 그 구조에 대해서는 미국 특허 제6,329,955호 (발명의 명칭: "Broadband Antenna Incorporating Both Electric and Magnetic Dipole Radiators")에 기재되어 있다. 이 특허에서는 본 발명자가 또 다른 PxM 구조를 제공하며, 이는 기본적으로 자기 루프 및 테이퍼드 전기 다이폴 사이에 다이폴의 베이스 (base)로부터 치환된 두 지점에서 분류기를 연결한 것이다. 이러한 구조는 대략 3:1 임피던스 대역폭을 제공하지만, 바람직한 PxM 방사 패턴은 상대적으로 소형 범위의 구동 주파수 (예, 약 20%의 일부 대역폭)를 달성한다.

종래에 연구된 또 다른 결합방식은 단일 선형 다이폴 및 단일-회전, 단일-페드(single-fed) 자기 루프를 포함한다. 이 결합은 본 발명자의 논문에 기재되어 있다. (제목: "The Applications of the Method of Moments to Electrically-small 'Compound' Antennas, published in IEEE Int. Symp. Electromagn. Compat. Symp. Rec., Aug. 1995, pp. 119-124). 불행히도, 이 결합은 특정 주파수 영역에서 유의적인 소자상호 커플링과 대면하게 된다. 예를 들어, 부품 안테나는 TE₁₁ 및 TM₀₁ 모드에 균등한 파 필드 (far field)를 만들 수 있으며, 이들의 직각성으로 인하여 실질적으로 어떤 반경에서도 영의 내부곱 (inner product)를 보인다. 그러나, 부품 안테나의 니어 필드 (near field)는 직각이 아니기 때문에, 안테나 사이에 커플링 들이 일어날 수 있다. 즉, 단일 페드에 의해 제공되는 대칭성이 없기 때문에, 단일 선형 다이폴과 단일-회전, 단일-페드 자기 루프의 결합은 현저한 소자상호 커플링을 나타낸다.

또한, 상기 설계를 갖는 자기 루프는 단순 단일-회전 루프의 임피던스가 단축 전기 다이폴과 정확히 상보적이지 않다는 점에서 문제가 있는 경향이 있다. 즉, 소형 전기, 단일-회전 자기 루프는 전기 단축 다이폴에 다소 상보적인 것으로 보일 수 있으며, 이러한 점에서 이 루프는 일차적으로 유도성이며 단축 선형 다이폴은 일차적으로 용량성이다. 그러나, 두 안테나의 방사 임피던스는 한묶음의 소자로서 작동하지 않고 주파수에 따라 다르게 작동한다. 복잡하게 하는 것은, 주파수에 따른 임피던스 변화가 안테나의 각각의 유형에 따라서도 다르다는 것이다. 이러한 이 유로, 선형 (또는 테이퍼드) 다이폴과 단일-회전, 단일-페드 자기 루프의 상보적 결합을 갖는 저손실, 광대역 PxM 안테나를 만드는 것이 일반적으로 불가능하다. 또한, 단일-회전 자기 루프의 방사 Q는 선형 다이폴 보다 높고, 말단-부하 다이폴 보다 훨씬 높으며, 물론 방사 Q의 기본적 물리적 한계 보다 훨씬 높다. 그런 만큼, 광대역 임피던스 매칭은 불가능하지는 않더라도 단일-회전, 단일-페드 자기 루프를 선형 (또는 테이퍼드) 다이폴과 매치시키려는 시도를 할 경우 종종 어려워진다.

이제 도 2 및 3을 살펴보면, 이들 도면은 본 발명의 하나의 구현예에 따르는 전기 및 자기 방사기를 결합시킨 예시적인 안테나(200) 이다. 하기에 상술하는 바와 같이 PxM 안테나 (200)는 실제적으로 저손실, 광대역 PxM 안테나 설계를 구현할 수 있는 하나의 방식을 보여준다. 다른 구현예나 변형이 가능하며 이들 역시 본 발명의 범위에 포함된다. 이하에서는 예시적인 광대역 전기 및 자기 다이폴에 대해서 설명한 다음, PxM 구조에서 두 다이폴 소자를 결합하는 예시적인 수단에 대하여 설명한다.

도 2 및 3은 실질적인 저손실, 광대역 PxM 안테나 설계의 하나의 구현예를 도시한 것이다. 특히 도 2에서는 PxM 안테나 (200)의 측면도를 보여주며, 도 3은 PxM 안테나 (200) 내부에 포함되어 있는 자기 루프중의 하나의 정면도를 나타낸다. 도 2에 도시한 바와 같이 PxM 안테나 (200)은 두 공간적으로 분리된 평행면 안에 배열된 한쌍의 자기 루프 (210, 220)을 포함한다. 자기 루프는 각각의 자기 루프의 중심점을 통해 연장된 축 (230)을 따라서 정렬되며, 그런 만큼 "스택된 (stacked)" 루프라고 부른다. 어떤 실시예에서는 자기 루프가 단일 피드 포인트 (feed point) 에 페드(fed)될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는 자기 루프 (210, 220)가 각각 다중 피드 포인트 (240)를 포함할 수 있으며, 이들은 루프 주위를 대칭으로 공간배열된다. 다중 피드 포인트를 포함하는 실시예에서는 자기 루프도 "다중-페드 (multiply-fed)" 루프라고도 부를 수 있다.

PxM 방사 패턴 (도 1에 도시한 것과 같은)을 만들기 위해서는 자기 루프 (210, 220)를 상보적 전기 방사기와 결합시켜야 한다. 도 2의 실시예에서는 전기 다이폴 (250)이 평면 안의 자기 루프 쌍 사이에 배열되며, 이 평면은 자기 루프의 평행면에 평행하며 이들 사이에서 실질적으로 등거리에 놓인다. 자기 루프에서와 같이 전기 다이폴 (250)도 축 (230)이 전기 방사기의 중심점을 통해 연장되도록 배열될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이와같이하여 전기 및 자기 방사기가 나란히 놓여진 위상 중심을 갖는 PxM 안테나를 형성하도록 결합될 수 있다.

I. 광대역 전기 방사기의 실시예

광대역 전기 다이폴 성능을 갖도록 하는 여러 방법이 있다. 도 2의 실시예에서는 PxM 안테나의 전기 다이폴 부분을 구현하기 위해서 쌍뿔 안테나 (250)의 와이어-케이지 (wire-cage) 구성을 사용하였다. 본 발명에 따르는 다른 실시예에서는 쌍뿔 안테나 대신에 탑 (즉, 말단-부하), 플랫 또는 테이퍼드 다이폴을 포함하는 다른 전기 다이폴을 사용할 수 있지만, 쌍뿔 안테나 (250)가 바람직한 임피던스 대역폭을 갖기 때문에 바람직할 수 있다. 하나의실시예에서 쌍뿔 안테나 (250)은 60ㅀ 뿔각을 갖고 약 1.3 미터 폭을 갖는다. 이렇나 뿔 각을 선택한 한가지 이유는 60도의 뿔은 대략 200 오옴 원에 비교적 잘 맞고 유용한 패턴을 제공하는 구동 대역폭의 약 2 옥타브를 제공하기 때문이다. 그러나, 다른 각도 및 폭이 분명히 가능하며 본 발명의 범위에 포함된다.

또한, 쌍뿔 안테나 (250)를 형성할 수 있는 많은 방법이 있다. 예를 들어, 쌍뿔 안테나 (250)를 한쌍의 뿔-모양의 소자를 이면-대-이면으로 서로 배열하고 축을 따라 뿔-모양의 소자를 배열하여 소자의 길이를 따라 소자의 중심정을 통해 축이 연장되도록 함으로써 만들 수 있다.

어떤 경우에는, 쌍뿔 안테나 (250)의 뿔-모양의 소자를 실질적으로 고형, 전기-유도성 재료로부터 만들 수 있다. 예를 들어, 각각의 뿔-모양이 소자를 금속 (예, 구리, 알루미늄 등)의 고체 조각으로부터 구멍이 있는 중심을 있거나 없도록 절단하거나 만들 수 있다. 다른 경우에는 뿔-모양의 소자는 실질적으로 평평한 망사를 삼차원, 뿔-모양의 구조로 구부려 만들 수 있다. 도 2의 실시예에서는 뿔-모양의 구조를 만들기 위해 복수의 금속 선 또는 막대를 함께 결합시켜 뿔-모양의 소자를 각각 만든다. 이러한 구현예는 "와이어-케이지" 구현이라고 부를 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예이다. 예를 들어, 와이어-케이지 구현은 강력한 안테나 설계를 제공할 뿐만 아니라 제조 공정을 단순화시킬 수 있다.

쌍뿔 안테나 (250)의 제조 방식에는 상관 없이, 안테나의 크기는 결합된 PxM 안테나의 소정의 구동 주파수 범위에 기초하여 선택할 수 있다. 예를 들어, 쌍뿔 안테나 (250)는 60°뿔각을 갖도록 만들 수 있으며 본 발명의 몇몇 실시예에서는 약 1.3 미터의 길이를 가질 수 있다. 이러한 안테나는 대략 4:1 대역폭 (즉, 2 옥 타브)를 제공할 수 있으며 면역성 실험과 같은 EMC 시험 장비에 사용하는 데에 적합할 수 있다. 그러나, 쌍뿔 안테나 (250)의 크기는 상기한 것들에만 한정되는 것은 아니다. 몇가지 경우에는, 예를 들어 휴대용 또는 손에 들고다니는 장비 (랩탑, 휴대폰, PDA 등)안에 PxM 안테나 (200)를 내장시키는 경우에는 훨씬 작은 규모의 쌍뿔 안테나 (250)를 사용할 수 있다. 이 경우, 쌍뿔 안테나 (250)의 길이는 상술한 크기의 약 1/10 내지 약 1/100 (또는 그 이상)의 범위로 축소시킬 수 있다. 일반적인 구현예에서 쌍뿔 안테나 (250)의 전자적 길이는 약 2/3 파장의 중심 주파수로 구동 주파수 범위에서 약 1/3 파장에서 약 4/3 파장 사이의 범위 일 수 있다. 그러나, 그 설계는 동일한 부분 구동 주파수 범위 (예, 약 2 옥타부)를 유지하면서 실질적으로 어떠한 중심 주파수라도 갖도록 크기 조절을 할 수 있어야 한다.

몇가지 경우에는 쌍뿔 안테나 (250)를 2:1 전압비를 갖는 밸런싱 네트워크로 구동시킬 수 있다. 즉, 밸런싱 네트워크는 50오옴 동축 입력 포트 및 200 오옴의 밸런스드 포트를 갖는 전압 밸런 (balun) (도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 또 다른 밸런 구성이 가능할 수 있다. 예를 들어, 대칭이 유지되는 한 전압 밸런, 전류 밸런, 또는 하이브리드 밸런을 다른 실시예에서 사용할 수 있다. 이들 기본 형에 대해서는 여러가지 구현예 들이 있다. 실제로, 동일-지연 또는 구아넨라 (Guanella) 형태가 일반적으로 세 개의 밸런 형태 모두를 구현하는데 사용된다. 그러나, 격자 (lattice), 이중-y, 패라데이 변압기 (transformer), 또는 쉬프만 (Schiffmann)형 90-도 위상 시프터를 갖는 90-도 결합된 라인 하이브리드로부터 구현시킨 180-도 하이브리드 (이것이 전형적인 상업적 UHF/마이크로웨이브 설계이다)와 같은 다른 형태를 사용할 수도 있다.

쌍뿔 안테나 (250)를 사용하는 주요 이유는 그 모든 측면이 필수적으로 충분히 연구되었기 때문이다. 쌍뿔 안테나 설계는 안테나가 합리적으로 잘 매치되고 방사 패턴이 충분히 좋은 거동을 보이는 구동 대역폭의 대략 2 옥타브를 제공하기 때문이다. 구동 대역폭의 하단 말단은 일반적으로 임피던수 불일치에 의해 제한되는 반면, 상단 말단은 패턴 파괴에 의해 제한된다. 또한, 5kW을 연속으로 얻을 수 있는 고출력 설계는 이미 상업적으로 입수할 수 있다. 도 2의 쌍뿔 안테나 설계의 유일한 단점은 밸룬의 크기가 비교적 크다는 것이다. 불행히도 고출력 밸런은 모두 다소 커야 한다. 전기 다이폴 필드의 교란 (disturbance) 뿐 아니라 자기 다이폴에 불필요한 결합을 최소화하기 위해서는 밸룬은 쌍뿔 안테나 구조의 중앙으로부터 제거하고 200 오옴 밸런스드 라인이 다이폴 소자의 베이스와 밸런 사이에 삽입될 수 있다.

TM₀₁ 모드에서 방사되는 총 전력의 백분율은 쌍뿔 안테나 (250)의 분리 상태에서의 성능 용량의 지표를 제공할 수 있다. 그러나 거동에 있어서의 다소의 변화가 쌍뿔 안테나를 자기 루프 (후술하는 바와 같이)와 결합시켰을 때에 있을 수 있다.

안테나의 방사 필드의 공간파 기능 팽창에 있어서 TM₀₁ 모드 계수를 측정하는 것은, TM₀₁ 모드에서 얼마나 큰 출력이 방사되며 총 방사 출력이 TM₀₁ 모드에서 얼마나 운반되는지를 측정할 수 있게 한다. 모멘트법에 기초하는 여러 분석방법에 서 쌍뿔 안테나 (250)은 안테나가 길에 있어서 약 1/3인 파장인 임피던스 대역폭의 더 낮은 한계에서 반드시 순수한 TM₀₁ 모드를 얻는다는 것을 보여준다. 이 주파수 위의 옥타브 (안테나가 약 2/3 파장 길이인 경우)에서는 TM₀₁ 모드에서 방사되는 출력 부분은 약 91 퍼센트 떨어진다. 최종적으로, 주파수 범위 (안테나가 약 4/3 의 파장 길이인 경우)의 상부 말단에서는 TM₀₁ 모드에서 방사되는 출력 부분은 약 70 퍼센트로 떨어진다. 도 2에 도시한 특정 형태에서, 대략 330 MHz에서 H-면에 유사-영 (quasi-null)을 만드는 방사 패턴이 현저한 것으로 나타난다. 즉, 전기 다이폴 안테나가 더 이상 TM₀₁ 모드를 우선적으로 만들지 않는 대신 TM_{03 를} 만드는 경우에는, 전기 다이폴 부품이 더 이상 없기 때문에 PxM 구동이 중단된다.

II. 광대역 자기 방사기의 실시예

일반적으로 PxM 안테나의자기 다이폴 부분은 전기 다이폴 보다 광대역에서 구현하기 더 어렵다. 이론적으로는 도 2에 도시된 테이퍼드 전기 다이폴 (예, 쌍뿔 안테나 250)에 정확히 상보적인 자기 방사기를 구현할 수 있다면 유용할 것이다. 예를 들어, 어떤 경우에는 한 쌍의 자기 루프 (210, 220)를 테이퍼드 전기 다이폴에 대한 상보적 방사기로 사용할 수 있다. 일반적으로, 전기 도전성 재료 (예, 구리, 알루미늄, 또는 도전성-충전 플라스틱과 같은 것도 포함하는 모든 도전성 재료)로부터 자기 루프 각각을 만들 수 있다. 하나의 실시예에서 자기 루프를 도전성 재료의 연속 시트로부터 만들어 크기에 맞추어 잘라 실질적으로 환형으로 구부린 다. 그러나, 또 다른 실시예에서는 자기 루프를 비도전 형태 (예, 플라스틱 링)에 하나 또는 그 이상의 도전성 물질 부분에 부착시킴으로써 제조할 수 있다.

어떻게 만들었건 간에 자기 루프 (210, 220)는 그것에 제공되는 저항원 임피던스 뿐만 아니라 PxM 안테나 내부에 포함된 전기 다이폴과 일치하도록 제조되어야 한다. 어떤 경우는 루프 (210, 220)가 그 축을 따라 배열되고 약 0.75 미터 공간을 두고있는 단일-회전 루프 (예, 대략 1 미터 직경, 또는 일반적으로 직경이 1 파장에 대하여 약 1/4 파장)일 수 있다. 다른 공간 배치를 사용할 수 있지만, 상기 공간 배치는 축 방향으로 자기 방사기에 대한 어느 정도의 길이를 제공하여, 방사 Q를 어느 정도 감소시킨다. 상대적으로 큰 크기로 인하여 자기 루프의 도전성 부분은 특정 실시예에서 전기적으로 비도전성 지지 부재 (270)에 의해 강화될 수 있다. 그러나, 지지 부재 (270)는 실질적으로 소형 자기 루프 (예, 대략 본래 크기가 1/10 내지 1/100인)를 사용하는 실시예에서는 필수적인 것은 아니다.

어떤 경우 루프 안테나가 넓은 주파수 범위에 걸쳐 저항원 임피던스에 매치되기에 충분히 크게 만들어진 경우에는 더 이상 자기 다이폴 방사 패턴을 나타낼 수 없다. 부품 안테나, 전기 또는 자기 다이폴 중 하나의 방사 패턴이 이상적 특성 (모양, 극성 등)에서 벗어나는 경우에는, 복합 PxM 안테나의 패턴 역시 이상적인 특성에서 벗어난다. 그러므로, 일반적으로 부픔 안테나는 가능하다면 전기 및 자기 다이폴로 거동하는 것이 바람직하다.

자기 다이폴로부터 방사 패턴의 이탈의 한가지 이유는 자기 루프 주위로 전류가 지연되기 때문이다. 이러한 문제를 극복하기 위한 방안으로 안테나에 총괄된 용량 부하를 배치하고 하나 이상의 위치에서 안테나 입력을 하는 것을 포함한다. 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 자기 루프 (210, 220) 각각은 네 개의 피드 포인트(240)와 네 개의 시리즈의 용량 (capacitance) (280)를 루프 주위에 대칭으로 배열하고 있다. 그러나, 용량은 대표적으로 피드 포인트와 동일한 위치에 놓이지는 않는다. 한가지 예에서, 단일 시리즈의 용량을 도 3에 도시한 바와 같이 각각의 피드 포인트 사이 정확히 중간에 배치시킬 수 있다. 본 발명의 다른 실시예로서 다른 배열 또는 구현예가 적절할 수 있다.

어떤 경우에는 자기 루프 (210 및 220)를 다중 피드 포인트가 각 루프에 포함되어 있기 때문에 "다중-페드 (multiply-fed)" 루프라고 부를 수 있다. 도 3에서 특정 수의 피드 포인트 및 용량으로 나타낸 바와 같이, 자기 루프 (210 및 220)는 소정의 구동 주파수 범위 및 일치 상태에 따라서 실질적으로 어떤 수의 피드 포인트 및 용량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 자기 루프는 약 2 내지 약 16의 범위에서 선택된 다수의 피드 포인트를 포함할 수 있다. 현재의 실시예에서는 400 오옴의 전송선에 네 개의 피드 포인트에 상대적으로 잘 매치된 임피던스 때문에 네 개의 피드 포인트 및 네 개의 캐퍼시터를 선택하였다.

어떤 경우에는, 각 자기 루프의 피드 포인트는 "사다리선 (ladder line)"이로 보통 부르는 전송선을 통해 중앙 접합점 (도 3의 300)에 연결될 수 있다. 한 실시예에서는 사다리선 (도 3의 290)을 대략 0.73 인치 떨어진 공간을 갖도록 두 개의 18 AWG 고형 컨덕터를 포함할 수 있다. 사다리선은 각 자기 루프에서 각각의 피드 포인트 (예를 들어, 4 개의 피드 포인트)에 대해 포함될 수 있다.모든 사다리선 은 실질적으로 서로 동일하게 형성되며 실질적으로 길이가 동일하다. 각 사다리선은 450 오옴 특성의 임피던스를 나타낸다고 보통 광고하지만 실제 특성 임피던스는 종종 약 400 오옴에 근접한다. 따라서 네 개의 400 오옴 밸런스드 전송선을 루프의 중앙의 중시미 접합점 (300) 주위에 연결시킬 수 있다. 그리고 나서 각 루프 안의 중앙 접합점들을 두 개의 100 오옴 동축 전송선 (도 2의 260)으로 연결시킬 수 있다. 몇가지 경우에서 아철산염 초크 슬리브 (ferrite choke sleeves, 도시하지 않음)를 중앙 접합점 외측에 사용하여 필요한 경우에 공통 모드 전류에 저항이 생기도록 할 수 있다.

그리고 나서 자기 루프를 전기 다이폴에 결합시킬 수 있다. 하나의 실시예에서는 자기 루프 (210 및 220)으로부터의 두 개의 100 오옴 동축선 (260)을 제 3의 공통 접합점 (예, 일치하지 않는 T-접합점)에 연결하여 전기 다이폴 안테나의 중심에서 50-오옴 입력/출력 포트 전송선에 연결시킬 수 있다. 각 입력 포트의 입력 임피던스가 동일하기 때문에 션트 (shunt) 연결이 허용된다는 점이 주목된다. 이하에서는 루프와 다이폴 안테나를 결합시키는 것에 관하여 더 설명한다.

전기 다이폴과 유사하게 TE₁₁ 모드에서 방사되는 전체 출력의 백분율은 분리된 자기 루프 방사기의 성능의 지표를 제공할 수 있다. 그러나, (이하 상술하는 바와 같이 ) 자기 루프가 다이폴 안테나와 결합되는 경우에는 동태에 있어서 몇가지 변화가 기대된다. 분리된 자기 루프가 대략 100 Mhz에서 매우 순수한 TE₁₁ 모드를 만드는 (루프가 직경이 대략 1/3 파장) 반면, TE₁₁ 모드에서 방사되는 출력 부분은 대략 240 Mhz에서 모노토닉하게 (monotonically) 85 퍼센트로 떨어진다. 이러한 이유로 루프 안테나는 쌍뿔 다이폴이 순수한 TE₀₁ 모드를 방사하는 만큼 순수한 TE₁₁ 모드를 잘 만들지는 못한다. 루프 안테나는 또한 쌍 뿔 다이폴 만큼 RF 원에 잘 맞지도 않는다. 그러나, 상당한 광역대 (1 옥타브 이상)를 나타낸다.

몇몇 경우는 루프 안테나 (210 및 220)의 성능을 실질적으로 더 낮은 주파수에까지 확장시키기 위해 (즉, 적절한 매칭을 갖는 루프 안테나로부터 2 옥타브의 대역폭을 갖도록 할 수 있다) 하이패스 매칭 부품 (예, 하이패스 사디리 네트워크의 시리즈 캐퍼시턴스 및 션트 인덕턴스)을 사용할 수 있다. 그러나, 고 임피던스 수준의 루프 안테나 (210 및 220)가 임피던스 매칭을 다소 어렵게 한다는 것에 주목하여야 한다. 피코패럿 단위의 피드 영역 근처의 기생 션트 캐퍼시턴스가 중요하다. 매칭을 위해서는 작은 값을 캐퍼시턴스 (약 5 pF)을 일련의 캐퍼시터 (280)에 끼워넣기 위해 사용할 수 있다. 몇가지 경우에서는 쉽게 조절할 수 있도록 "와이어 기믹 (wire gimmick)"이라고 부르는 캐퍼시터를 사용하는 것이 바람직하다.

III. 전기 및 자기 방사기의 PxM 구조로의 결합

PxM 안테나 (100)에서 사용하기 위한 예시적인 전기 및 자기 방사기는 하나의 바람직한 실시예에 도시된 바와 같다. 먼저, 이하 제시된 PxM 안테나 설계의 중요한 특징을 먼저 주목할 필요가 있다. 첫 번째로, 소형 전기 자기 루프 (예, 약 ??/2?? 의 반경)의 비이상적 방사 Q 로 인하여 적당한 전기적 크기의 전기 및 자기 부품 안테나 (예, 직경에 있어서 약 1/4-1/3 파장 내지 약 4/3-1 파장)를 이 PxM 안테나 용으로 선택하였다. ??가지 실시예에서는 적당한 전기적 크기의 다중-페드 루프가 본 발명자에게 양도된 미국 특허 제 6,515, 632호에 개시되어 있는 것과 동일하다. 적당한 전기적 크기의 부품 안테나는 임피던스 매칭을 크게 촉진시키는 반면, 소정의 저-단위(low-order) 소자 방사 패턴을 달성하기는 좀 더 어려워질 수 있다. 두 번째로, 이하에 설명하는 바와 같이, 부품을 단일 방사 소자에 부품을 결합시키는 것과 반대로 하이브리드 복합 네트워크를 사용하여 PxM 구조에 결합시킬 수 있다.

상기한 바와 같이, PxM 방사 패턴은 최대 방사 강도의 축 주위를 심장모양으로 회전하도록 이루어진 선형-극성화된 단일 방향성 패턴이다. 예시적인 PxM 방사 패턴을 도 1에 도시하였다. 광대역의 주파수상에서 PxM 방사 패턴을 유지하기 위해 전기 및 자기 방사기의 다이폴 모멘트는 실질적으로 공간 방향으로 수직이며, 크기에 있어서 실질적으로 동일하고, 광대역 상에서 위상-직교 (phase-quadrature) 이어야 한다. 부품 방사기 자체가 전기 및 자기 다이폴과 같이 정확하게 거동하는 경우에는 각 방사기의 크기 및 위상은 파필드 (far field)에서 소정의 성능을 제공할 수 있도록 적절한 방향으로 놓일 것이다. 즉, 소자 전기 다이폴 패턴은 단독으로 소정의 위상 중심을 나타내며; 즉, 주어진 주파수에서 방사 패턴의 위상은 실질적으로 방향과 일치한다. 소자 자기 다이폴에서도 동일하다.

그러나, 이들 두 패턴의 결합으로 구성된 방사 패턴은 소자들의 파필드 패턴도 위상에서 결합되는 경우에만 일정한 위상 패턴을 나타낸다. 이러한 이유로, 전 기 및 자기 방사기는 그 위상 중심이 "나란히 놓이도록 (collocated)" 결합시켜야 한다. 한 실시예에서 자기 루프 (210, 220) 및 전기 다이폴 (250)의 중심점들은 모두 도 2에 도시된 바와 같이 동일한 축 (230)을 따라서 정렬될 수 있다. 즉, 자기 루프 (210, 220) 및 전기 다이폴 (250)의 중심점은 "나란히 놓일"수 있다.

나란히 놓이는 조건으로 인하여 전기 및 자기 방사기를 기능적 PxM 구조로 결합시키는 단순하지 않다. 전기 및 자기 부품간의 바람직하지 않은 결합을 최소화시키고 안테나의 PxM 특성을 유지하기 위해 루프 안테나 (210 및 220)의 피드 포인트는 전기 다이폴 (250)의 수평축 (235)에 대해 대칭으로 배열한다. 즉, 자기 루프 안테나 및 전기 다이폴의 축은 서로 수직이지만 각 다이폴의 중심에 교차된다. 각 루프의 피드 포인트는 전기 다이폴 축 (235)에 대해 대칭이 되도록 루프 주위에 배치된다.

루프 주위에 다중 피드 포인트 (240)을 대칭으로 배열함으로써 자기 루프 (210, 220) 또는 전기 다이폴 (250)의 입력/출력 포트의 여기는 다른 포트에서 어떤 반응도 일으키지 않는다. 즉, PxM 안테나 (200)의 두-포트 네트워크 매트릭스에서 대각선을 벗어난 값이 실질적으로 영이다. 그러나, 어느 포트에서나 입력 임피던스의 증거로서 구동 포트 상의 반응은 여전히 있다. 입력/출력 포트에서 입력 임피던스는 다른 포트에서의 종료와는 독립적이며 다른 포트의 여기에도 독립적이다. 따라서, "활성" 입력 임피던스를 다른 설계에서 그렇듯이 정의할 이유가 없다. 그러나, 이 분리는 시스템의 대칭에 의존하기 때문에, 안테나의 기계적 크기 및지지 구조 뿐만 아니라 부품 전송선의 길이도 종종 상대적으로 심한 내성에 구속될 수 있다.

방사 Q를 감소시키고 PxM 안테나의 유용한 대역을 확장하기 위해서 자가 루프 소자를 도 2에 도시된 것과 같이 "쌓아"놓을 수 있다. 도시된 실시예에서 자기 루프는 대략 0.75 미터 공간을 두고 떨어진 평행면 안에 배열된된다. 이것은 평형 면에 수직이고 각 루프의 중심점을 통해 확장되고 축방향으로 (230)으로 방사하도록 자기 루프에 대한 충분한 거리를 제공할 수 있다. 루프 안테나를 구현하기 위한 특정 직경에 따라서 적절하게 더 크거나 더 작은 공간을 갖도록 할 수 있다. 일반적으로, 루프를 쌓는 것은 축 방향으로 길이를 증가시켜 방사 Q 를 감소시키고 PxM 안테나의 유용한 대역폭을 확장시키기위해 루프 다이폴 모멘트를 증가시킨다.

소정의 PxM 방사 패턴을 제공하기 위해서 두 부품 구형 모드의 크기 및 위상을 구동 주파수 범위 상에서 유지시켜야 한다. 그러기 위해 실시예의 네트워크는 PxM 구조에 부품 안테나를 결합시키기 위해 제공된다. 이러한 네트워크는 두 부품 안테나의 전송기능 면에서 설명될 수 있으며, 몇가지 실시예에서는 부품을 단일 방사 소자에 결합시키는 대신에 (즉, 하나의 방사 구조를 만들기 위해 부품에 물리적으로 연결시키는 대신에) 사용될 수 있다.

예를 들어, 전기 다이폴의 TM₀₁ 모드에 대한 전송 기능은 전기 다이폴의 입력 포트에서의 인시던트(incident) 전압에 대한 방사된 TM₀₁ 모드와 연관하여 최대 전기장 (x-y 면)의 비율로 정의할 수 있다. 그 이유는 전기 및 자기 부품 방사기를 구동시키기 위해 하이브리드 네트워크를 사용하는 경우에 인시던트 전압을 특정하 기가 훨씬 간단해지기 때문이다. 한편, 전송선의 간섭 길이가 존재하여 안테나와 전원산의 임피던스 불일치를 무시할 수 없는 경우에는 포트 전압 또는 전류를 특정하기가 종종 어렵게된다. 자기 루프의 전송 기능은 TM₀₁ 모드가 90ㅀ 회전된 것을 제외하고는 유사하게 정의할 수 있다. 이것은 TM₀₁ 모드를 특정하는 것과 동등하다. 두개의 전송 기능은 전기 및 자기 부품 안테나에 대한 위상 이퀄라이저 (equalizer)를 구현하는데 필요한 정보를 제공한다. 이때에 "위상 이퀄라이저"는 적절한 위상으로 다이폴 모멘트를 가져가는데 필요한 전송 기능을 제공하는 올-패스 (all-pass) 네트워크로 표현할 수 있다.

도 4의 그래프는 PxM 안테나 (200)의 전기 및 자기 부품에 대한 전송 기능을 두가지 경우, 1) 부품이 분리되어 제공되는 경우와 2) 부품이 PxM 안테나 안에 포함되어 있는 경우에 대하여 나타낸 것이다. 도 4의 전송 기능은 90°하이브리드 네트워크가 이상적인 경우(즉, 전체 구동 주파수 범위에 걸쳐 실질적으로 동일 위상)에 충분히 근접하도록 위상 보상을 한 것을 예시한다. 예를 들어, 도 4는 나란히 배열된 (즉, "Loop in PxM: phase" 및 "Bicon in PxM: phase" 그래프가 대략 240 MHz에서 90°떨어진) 경우에 각 방사기에 의해 생성되는 전기장은 거의 90°떨어져 있음을 보여준다. 하나의 실시예에서, 두개의 분리된 출력 포트 (각각 50 오옴 임피던스를 갖는)를 갖는 4-포트 하이브리드 입력 네트워크를 전기 및 자기 방사기 사이의 입력 전력을 분리하여, 전기 및 자기 성분 방사기를 적절한 위상 보상을 하여 구동시키도록 할 수 있다. 하이브리드 네트워크는 그 출력 포트가 분리되어 위 상이 90°떨어져 있기 때문에 90도 하이브리드라고 부른다. 몇몇 경우에, 부품 방사 패턴의 위상을 이상적인 관계에 훨씬 더 접근시킬 수 있도록 약간의 시간 지연을 부가할 수 있다. 예를 들어, 단순 전송 지연선을 선형 위상 시프트를 제공하기 위해 부가할 수 있다.

PxM 안테나 (200)의 생성된 E-면 및 H-면 방사 패턴을 도 5 및 6에 각각 나타냈다. 도 5 및 6에 나타난 이득 (gain)은 90°위상 시프트 및 미스매치 손실을 포함하므로, 안테나의 실제 전송 용량 또는 실제화된 이득을 나타낸다. 각도 θ 및 φ 는 전통적인 우측의 공간 좌표계로 측정한다.

PxM 안테나 방사 패턴의 한가지 특징은 초광대역 (UWB) 펄스 전송과 관련하여 더 고려할 만하다. 기본적인 전기 다이폴 패턴은 단독으로 소정의 위상 중심을 나타내며, 즉, 소정의 주파수에서 방사 패턴의 위상은 방향이 일치한다. 기본적 자기 다이폴의 경우도 동일하다. 그러나, 이들 두 패턴의 결합으로 형성된 방사 패턴은 소자의 파필드 패턴도 위상이 결합되는 경우에만 일정한 위상 패턴을 나타낸다. 예를 들어, 거의 구형 전력 패턴은 종종 턴스틸 (turnstile) 안테나"로 부르는 두개의 교차된 전기 또는 자기 다이폴의 결합을 사용하여 얻을 수 있다. 그러나, 부품 방사기의 파필드 패턴은 위상 직교로 결합되므로 생성된 패턴은 방향이 위상변동을 나타낸다. 시간 도메인에서, 하나의 다이폴 축 방향으로 전송되는 신호는 다른 축의 방향으로 전송되는 것과 완벽한 디코릴레이션을 갖는다. 이것은 위상 직교 주파수 도메인 관계의 힐버트 (Hilbert) 변형 효과로 인한 것이다. 한편, PxM 안테나 방사 패턴은 일정한 위상을 나타내며, 따라서 전체 에너지 이득 패턴과 동일한 상호관련된 에너지 게인 패턴을 나타낸다. 따라서, 진정한 PxM 안테나에 의한 시간-변역 펄스의 왜곡 (또는 그것의 결여)은 펄스 스펙트럼이 PxM 구동이 유지되는 주파수 범위에 있는 한은 각도에 독립적이다. 안테나가 모든 방향에 대하여 유사한 방식으로 시간 변역 펄스를 왜곡시키는 경우에는 이 왜곡은 안테나의 입력/출력에 연결된 단일 고정 이퀄라이저로 교정할 수 있다.

낮은 손실, 광대역 PxM 안테나의 실질적은 구현에 대하여 설명한다. 상기 설명한 PxM 안테나 설계는 약 2 옥타브의 구동 대역폭을 제공한다. PxM 안테나의 한가지 뚜렷한 장점은 부품 안ㅌ테나의 위상 중심에 진정 함께 배열된다는 것이다. 부품의 위상 중심이 함께 배열되지 않는 경우에는 PxM 안테나의 소정의 방사 패턴을 달성할 수 없다. 이것은 PxM 안테나가 전기적으로 소형이 경우에는 다소 달라진다. 그러나, 안테나가 적당한 전기적 크기인 경우 (매우 광대역이기 때문에), 부품 안테나의 위상 중심의 공동 배열로 인하여 성능이 매우 달라진다. 또한, 자기 루프를 쌓는 것은 방사 Q를 감소시키고 안테나의 대역폭을 넓혀준다. 또한, 도 4-6에 도시된 숫자에 의한 시뮬레이션 결과는 자기 루프에 대한 다중 페드 시스템은 이 부품의 유용한 대역폭을 크게 확장시키며, 전기 및 자기 부품 안테나의 상호-포트 결합은 대칭 피드 포인트 설계에 의해 최소화시킬 수 있다는 것을 명확하게 보여준다.

광대역 자기 다이폴의 현실화는 아직은 이하 설명하는 PxM 안테나의 한계 요소이지만, 다중-페드 루프의 피드 시스템이 훨씬 더 큰 수의 피드 포인트를 사용하도록 확장시킬 수 있다. 이는 상호 연결 전송선의 요구되는 특성 임피던스를 감소 시킬 뿐 아니라 작동주파수의 상한치를 높여줄 수 있다. 따라서 피드 포인트 수의 증가로 인하여 평면상 매체에서의 루프의 실현을 크게 촉진시킬 수 있다. 다중-페드 루프는 실질적으로 어떤 수의 피드 포인트를 포함할 수 있으나, 피드 포인트의 수 증가의 실질적인 한계는 루프 중심에 있는 션트 연결의 복잡성에 따른다. 최종적으로, 하이-패스 매칭 소자 (예, 일련의 캐퍼시턴스 및 션트 인덕턴스의 하이패스 사다리 네트워크)를 피드 포인트에 삽입하여 추가로 루프 안테나의 임피던스 대역폭을 개선시킬 수 있다.

당업자는 본 발명이 저-손실, 광대역 PxM 안테나의 실제 구현을 제공하는 본 명세서 개시 내용을 이해할 수 있다. 또한 본 발명의 다양한 측면의 변형된 실시예에 대한 것이 당업자에게는 본 명세서 내용에 의해 분명해진다. 하기 특허청구범위는 이러한 모든 변형예를 포함하는 것으로 해석되며 발명의 상세한 설명 및 도면은 제한적이 아닌 예시적인 것으로 이해된다.

Claims (30)

1. 두 개의 공간적으로 떨어진 평행면 안에 배열되고 각 자기 루프의 중심점을 통해 연장되는 축을 따라 정렬된 한 쌍의 자기 루프를 포함하며, 상기 자기 루프는 각각 축 주위에 대칭으로 공간 배열된 다중 피드 포인트(feed point)를 포함하는 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 자기 루프 사이의 또 다른 평행면 내에 배열되는 전기 다이폴을 더 포함하며, 상기 자기 루프의 축이 상기 전기 다이폴의 중심점을 통해 연장되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나.
3. 제2항에 있어서, 상기 전기 다이폴은 선형 다이폴, 말단-부하된 다이폴 및 테이퍼드(tapered) 다이폴을 포함하는 안테나 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 제3항에 있어서, 상기 전기 다이폴은 쌍뿔 안테나인 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 제4항에 있어서, 상기 쌍뿔 안테나는 60도의 꼭지각을 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
6. 제4항에 있어서, 상기 쌍뿔 안테나는 안테나의 구동 주파수에서 길이가 약 1/3 파장 내지 약 4/3 파장의 범위인 것을 특징으로 하는 안테나.
7. 제6항에 있어서, 상기 자기 루프는 각각 구동 주파수 범위에서 직경이 약 1/4 파장 내지 약 1 파장의 범위인 것을 특징으로 하는 안테나.
8. 제2항에 있어서, 상기 자기 루프는 각각 약 2 내지 약 16의 값의 범위에서 선택된 다수의 피드 포인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
9. 제8항에 있어서, 상기 자기 루프는 각각 루프의 주변부 주위에 대칭으로 공간 배열된 4 개의 피드 포인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
10. 제2항에 있어서, 상기 각 자기 루프에 개별적으로 결합하고 그 주변부 주위에 대칭으로 공간 배열된 복수의 캐퍼시터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
11. 제10항에 있어서, 상기 자기 루프는 각각 약 2 내지 약 16의 범위에서 선택된 다수의 캐퍼시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
12. 제11항에 있어서, 상기 자기 루프 각각은 다중 피드 포인트와는 다른 위치에서 루프의 주변부 주위에 대칭으로 공간 배열된 4 개의 캐퍼시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
13. 다중 피드 포인트를 루프 소자 주변에 대칭으로 공간 배열시킨 한 쌍의 자기 루프 소자; 및

    상기 한 쌍의 자기 루프 소자 사이에 배열된 전기 다이폴 소자로 이루어지며, 상기 전기 다이폴 소자 및 상기 자기 루프 소자는 네트워크 전송선을 통해 함 께 결합되는 전기 및 자기 다이폴 방사기 모두를 포함하는 광대역 안테나.
14. 제13항에 있어서, 상기 한 쌍의 자기 루프 소자는 공간적으로 떨어진 두개의 평행면 안에 배열되고, 상기 전기 다이폴 소자는 상기 공간적으로 떨어진 평행면 사이 또는 평행하는 제3 면 안에 배열하며, 상기 한 쌍의 자기 루프 및 전기 다이폴은 각각 공동 축을 따라서 정렬하고, 3개의 평행면 모두에 수직이고 상기 한 쌍의 자기 루프 및 전기 다이폴의 중심점을 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
15. 제14항에 있어서, 소정 자기 루프 소자의 상기 다중 피드 포인트는 동일한 길이의 전송선을 통해 자기 루프 소자의 중심점에서 공통의 접점 (junction)에 결합되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
16. 제15항에 있어서, 상기 한 쌍의 자기 루프 소자의 공통 접점은 동일한 길이의 전송선을 통해 한 쌍의 자기 루프 사이에 배열된 또 다른 공통 접점에 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
17. 제16항에 있어서, 상기 전송선의 네트워크에 결합되고 상기 한쌍의 자기 루프 소자와 전기 다이폴 소자 사이에 실질적으올 동량의 입력 전력을 분배 (splitting)시키기 위해 구성된 입력 네트워크를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
18. 제17항에 있어서, 상기 피드 네트워크는 90도 하이브리드 네트워크를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
19. 제17항에 있어서, 상기 전기 다이폴 소자는 전압 밸런 (baluns), 전류 밸런, 180도 하이브리드 네트워크, 및 동일-지연 밸런으로 구성된 그룹에서 선택된 밸런싱 네트워크에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
20. 제17항에 있어서, 상기 다중 피드 포인트 각각에 결합된 하이-패스 매칭 소자를 추가로 포함하며, 상기 하이-패스 매칭 소자는 하나 또는 그 이상의 캐퍼시터 또는 인덕터의 일련의 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역 안테나.
21. 제1 다중-페드 루프를 그 중심점을 통해 연장된 축이 제1 면에 수직이 되도록 상기 제1면에 배열시키는 단계; 및

    제1 다중-페드 루프를 그 중심점을 통해 연장된 축이 상기 제1 다중-페드 루프의 축에 공통선형 (collinear)이 되도록 상기 제1 면에 평행 및 공간을 갖고 떨어지도록 제1 면 안에 배열시키는 단계로 이루어진 안테나 제조 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 제1 및 제2 다중-페드 루프가 전기 다이폴의 중심점을 통해 연장되도록 상기 제1 및 제2면 사이에 평행으로 배치된 제 3면안에 상기 전기 다이폴을 배열하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 제1 및 제2 다중-페드 루프 각각은 전기적으로 도전성 재료의 연속 스트립으로 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제22항에 있어서, 상기 제1 및 제2 다중-페드 루프는 비도전 환형지지 구조의 표면에 하나 또는 그 이상의 전기적으로 도전성 재료의 스트립상 부분을 부착시켜 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제22항에 있어서, 상기 전기 다이폴은 한쌍의 뿔-모양의 소자를 배면-대-배면으로 서로 배열하고 다른 축을 따라 뿔-모양의 소자를 정렬하여, 제1 및 제2 다중-페드 루프와 전기 다이폴의 중심점을 통해 연장된 축에 실질적으로 수직인 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제25항에 있어서, 상기 뿔-모양의 소자는 각각 실질적으로 고체 전기-도전성 재료로 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제25항에 있어서, 상기 뿔-모앙의 소자는 각각 전선망, 전기-도전성 재료로 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제25항에 있어서, 상기 뿔-모양의 소자는 각각 복수의 금속 선 또는 막대를 함께 결합시켜 뿔-모양의 구조를 만드는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제22항에 있어서, 상기 전기 다이폴을 상기 제1 및 제2 다중-페드 루프에 전송선 네트워크를 통해 간접적으로 결합시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제29항에 있어서, 입력 피드 네트워크를 상기 전송선 네트워크에 결합시키는 단계를 추가로 포함하며, 상기 입력 피드 네트워크는 상기 전기 다이폴과 상기 다중-페드 루프에 실질적으로 동량의 피드 전력을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.

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