KR20070072629A

KR20070072629A - 무선 애플리케이션용 고이득 안테나

Info

Publication number: KR20070072629A
Application number: KR1020077013116A
Authority: KR
Inventors: 빙 치앙; 마이클 제임스 린츠; 더글러스 해롤드 우드
Original assignee: 아이피알 라이센싱, 인코포레이티드
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2004-05-18
Publication date: 2007-07-04
Also published as: DE602004015102D1; CN1792006B; JP2007501587A; KR100767249B1; WO2004107497A3; EP1629570B1; NO20055912L; TW200505099A; WO2004107497A2; EP1629570A4; US20040027304A1; EP1629570A2; CN1792006A; CA2526683A1; KR20060016092A; US20050212714A1; KR101164699B1; ATE401676T1; TWI249266B; US6864852B2

Abstract

중앙의 능동 소자와 상기 능동 소자를 둘러싸는 복수의 수동 다이폴을 갖는 안테나가 개시된다. 수동 다이폴은 방위각 방향에서 복사된 에너지를 증가시킴으로써 안테나 이득을 증가시킨다. 다른 실시예에서, 복수의 기생 도파 소자는 수동 다이폴로부터 복사상으로 외부에 연장한다.

능동 소자, 수동 소자, 수동 다이폴, 기생 도파 소자, 안테나 이득

Description

무선 애플리케이션용 고이득 안테나{HIGH GAIN ANTENNA FOR WIRELESS APPLICATIONS}

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점들은 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 양호한 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 이들 도면들에서 동일한 부분에는 유사한 참조 번호가 매겨져 있다. 이들 도면들은 반드시 실물 크기대로 그려진 것은 아니며, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 강조된 부분도 있다.

도 1은 CDMA 셀룰러 통신 시스템의 셀을 나타내는 도면.

도 2 및 도 3은 본 발명의 교시가 적용될 수 있는, 안테나 이득을 향상시키는 안테나 구조를 나타내는 도면.

도 4는 각각의 안테나가 가변 리액티브 부하를 갖는 안테나 어레이를 나타내는 도면.

도 5 및 도 6은 본 발명에 있어서 유전체 링의 사용을 나타내는 도면.

도 7 및 도 8은 본 발명의 교시에 따라 보다 많은 지향성 안테나 빔을 생성하는 물결모양의 접지면을 나타내는 도면.

도 9 내지 도 13은 수직 격자를 포함하는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 도면.

도 15는 본 발명의 교시에 따라 구성된 다른 안테나를 나타내는 도면.

도 16은 도 15의 안테나를 나타내는 정면도.

도 17은 도 15의 안테나의 일 요소를 나타내는 측면도.

도 18은 도 15의 안테나에서 사용되는 스위치를 나타내는 도면.

도 19는 도 17의 소자의 다른 실시예를 나타내는 측면도.

도 20은 본 발명의 교시에 따라 구성된 또다른 안테나를 나타내는 사시도.

도 21a 내지 도 21d는 본 발명의 교시에 따라 구성된 안테나에서 사용하기 위한 다양한 안테나 소자 형상을 나타내는 도면.

도 22는 본 발명의 교시에 따라 구성된 다른 안테나를 나타내는 도면.

도 23 및 도 24는 도 22의 안테나의 소자를 나타내는 도면.

본 발명은 모바일 또는 휴대용 셀룰러 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히, 이와 같은 시스템에서 사용하기 위한 안테나 장치로서, 방위각 방향(azimuth direction)에서 안테나 이득을 증가시킴으로써 개선된 빔 형성 성능을 제공하는 안테나 장치에 관한 것이다.

코드 분할 다중 접속(CDMA) 통신 시스템은 기지국과 하나 이상의 모바일 또는 휴대용 가입자 유닛 간의 무선 통신을 제공한다. 기지국은 전형적으로 지상-기반의 공중 전화 교환망(PSTN)에 상호 접속되어 있는 컴퓨터 제어된 한 세트의 송수 신기가다. 기지국은 또한 순방향 링크 무선 주파수 신호를 모바일 가입자 유닛에 전송하고 각각의 모바일 유닛으로부터 전송된 역방향 링크 무선 주파수 신호를 수신하는 안테나 장치를 포함한다. 또한, 각각의 모바일 가입자 유닛은 순방향 링크 신호의 수신과 역방향 링크 신호의 전송을 위한 안테나 장치를 포함한다. 통상의 모바일 가입자 유닛은 셀룰러 모뎀에 결합된 디지털 셀룰러 전화기 핸드셋 또는 개인용 컴퓨터이다. 이러한 시스템에서, 다수의 모바일 가입자 유닛은 동일한 중심 주파수에서 신호를 송수신할 수 있지만, 개별 가입자 유닛으로/로부터 송수신되는 신호를 구별하기 위해 상이한 변조 방식이 사용된다.

CDMA외에도, 기지국과 하나 이상의 휴대용 또는 모바일 유닛 간의 통신을 위해 사용되는 다른 무선 접속 기술로서, 시분할 다중 접속(TDMA), 이동 통신을 위한 글로벌 시스템(GSM), 전기전자공학협회(IEEE)에 의해 기술된 여러 802.11 표준 및 이른바 "블루투스" 산업 개발 표준이 있다. 이러한 모든 무선 통신 기술은 수신 및 송신단에서 모두 안테나의 사용을 요구한다. 이들 무선 통신 기술 중 임의의 것뿐만 아니라 공지된 기타의 것은 본 발명의 교시에 따라 구성된 하나 이상의 안테나를 사용할 수 있다. 본 발명에 의해 교시된 바와 같이, 증가된 안테나 이득은 모든 무선 시스템에 대하여 개선된 성능을 제공할 수 있다.

모바일 가입자 유닛에서 신호를 송수신하는 안테나의 가장 흔한 형태는 모노폴(monopole) 또는 무지향성(omnidirectional) 안테나이다. 이 안테나는 가입자 유닛 내의 송수신기에 결합된 단선 또는 안테나 소자로 구성된다. 송수신기는 가입자 유닛으로부터의 전송을 위해 역방향 무선 오디오 또는 데이터를 수신하고, 이 가입자 유닛에 할당된 특정 주파수와 변조 코드(즉, CDMA 시스템)에서 반송파 신호 상으로 신호들을 변조한다. 변조된 반송파 신호는 안테나에 의해 전송된다. 특정 주파수에서 안테나 성분에 의해 수신된 순방향 링크 신호는 송수신기에 의해 변조되고 가입자 유닛 내의 처리 회로에 공급된다.

모노폴 안테나로부터 전송된 신호는 본질적으로 무지향성이다. 즉, 신호는 대체적으로 수평면의 모든 방향에서 거의 동일한 신호 세기로 전송된다. 모노폴 안테나 소자를 이용한 신호의 수신은 무지향성과 유사하다. 모노폴 안테나 단독으로는, 하나의 방위각 방향에서 수신된 신호를 다른 방위각 방향으로부터 오는 동일 신호 또는 상이한 신호와 구별할 수 없다. 또한, 모노폴 안테나는 천정 방향(zenith direction)에서 의미있는 복사를 생성하지 않는다. 안테나 패턴은 대개 도넛(donut) 형상이라 불리고, 이 도넛 홀(hole)의 중심에 안테나 소자가 위치해 있는 형상이다.

모바일 가입자 유닛에 의해 사용될 수 있는 안테나의 제2 유형은 미국특허번호 제5,617,102호에 기재되어 있다. 여기에 기재된 시스템은 예를 들면 랩탑 컴퓨터의 외장 케이스 상에 탑재된 두 개의 안테나 소자를 포함한 지향성 안테나 시스템을 제공한다. 이 시스템은 각 소자에 부착된 위상 시프터(phase shifter)를 포함한다. 위상 시프터는, 자신에게 입력된 신호에 위상 각 지연(phase angle delay)을 제공함으로써, (송수신 모드 양자 모두에 적용되는) 안테나 패턴을 변형하여 집중된 신호 또는 빔을 선택된 방향으로 제공한다. 빔의 집중은 안테나 이득 또는 지향성의 증가를 일컫는다. 이렇게 하여, 인용된 특허의 듀얼 소자 안테나는 전송된 신호를 소정 섹터 또는 방향으로 향하게 하여 기지국에 대한 가입자 유닛의 방향 변화를 보상함으로써, 방향 변화에 의한 신호 손실을 최소화한다. 안테나 수신 특성은 위상 시프터의 사용에 의해 유사하게 영향받는다.

CDMA 셀룰러 시스템은 간섭 제한된 시스템(interference limited system)으로서 인식된다. 즉, 한 셀과 그 인접한 셀에서, 더 많은 모바일 또는 휴대용 가입자 유닛이 활성화됨에 따라, 주파수 간섭이 증가하고 이에 따라 비트 에러 레이트도 역시 증가한다. 에러 레이트의 증가에도 불구하고 신호와 시스템의 무결성(integrity)을 유지하기 위해서, 시스템 운영자는 한 명 이상의 사용자에 대하여 허용가능한 최대 데이터 레이트를 감소시키거나, 액티브 가입자 유닛의 개수를 감소시킴으로써, 잠재적 간섭의 공기 파동을 제거한다. 예를 들면, 최대 이용가능 데이터 레이트를 2배(factor of two) 증가시키기 위해서, 액티브 모바일 가입자 유닛의 개수는 절반으로 감소할 수 있다. 그러나, 이 기술은 통상 개별 시스템 사용자에 대한 우선 순위 할당(priority assignment)이 부족하기 때문에 인해 데이터 레이트를 증가하는데 사용되지는 않는다. 마지막으로, 기지국과 휴대용 유닛 모두(또는 하나)에서 지향성 안테나를 사용함으로써 과도한 간섭을 방지할 수도 있다.

통상, 지향성 안테나 빔 패턴은 위상 어레이 안테나(phased array antenna)의 사용을 통해 달성될 수 있다. 위상 어레이는 위상 어레이 안테나 소자 각각에 대한 입력 신호의 위상을 제어함으로써 원하는 방향에 전자적으로 스캔 또는 조정할 수 있다. 그러나, 이들 기술에 따라 구성된 안테나는, 전송된 신호 또는 수신 된 신호의 파장에 비해 소자 간격이 전기적으로 적게 됨에 따라 효율과 이득이 감소하게 된다. 이러한 안테나가 휴대용 또는 모바일 가입자 유닛과 함께 사용되는 경우, 안테나 어레이 간격은 비교적 적어지고, 따라서 안테나 성능은 그에 대응적으로 타협된다.

무선 통신 시스템에서 모바일 가입자 유닛에 사용되는 종래 안테나에는 여러 단점이 내재되어 있다. 이러한 문제 중 하나는 다중 경로 페이딩(multipath fading)이라 불린다. 다중 경로 페이딩에서, 전송자(기지국 또는 모바일 가입자 유닛)로부터 전송된 무선 주파수 신호는 의도한 수신기로의 경로에서 간섭을 겪을 수 있다. 이 신호는, 예를 들면 건물과 같은 물체로부터 반사됨으로써, 원래 신호의 반사 버전을 수신기에 지시한다. 이러한 경우, 수신기는 동일한 무선 신호의 두 개의 버전, 즉, 원래 버전과 반사 버전을 수신한다. 각각의 수신 신호는 동일 주파수에 있지만, 반사 신호는, 반사와 그에 따른 수신기까지의 전송 경로 길이차로 인해 원래 신호에서 위상이 어긋나게 된다. 그 결과, 원래 신호 및 반사 신호는 부분적으로 또는 완전하게 서로 상쇄되기 때문에(소멸 간섭), 결과적으로 수신 신호가 페이딩 또는 드롭아웃된다. 그 때문에, 다중 경로 페이딩이라 지칭된다.

단일 소자 안테나는 다중 경로 페이딩에 매우 취약하다. 단일 소자 안테나는 전송된 신호가 어디로부터 전송되고 있는지를 알 방법이 없으며, 이에 따라 임의의 특정 방향에서 보다 정확하게 신호를 검출 및 수신할 수 없다. 그 지향성 패턴은 안테나의 물리적 구조에 의해 고정된다. 안테나의 물리적 위치 또는 방향(예를 들면, 수평 또는 수직)은 다중 경로 페이딩 효과를 회피하려는 시도로서만 변경 될 수 있다.

상술한 참조 문헌에서 기재된 이중 소자 안테나도 역시, 위상 시프터가 활성화된 경우 안테나 패턴에 의해 형성된 반원 로브(hemispherical lobe)의 대칭성 및 대향적 속성으로 인해 다중 경로 페이딩에 취약하다. 안테나 패턴에서 생성된 로브는 다소간 서로 대칭적이며 마주보고 있기 때문에, 안테나의 후면을 향해 반사된 신호는 (전면에서 발생한 신호에 대비하여) 직접 수신된 원래의 신호만큼 많은 전력으로 수신될 수 있다. 즉, 의도한 수신기 뒤쪽의 물체로부터 원래의 신호가 반사되고 직접 수신된 신호와는 반대 방향으로부터 상기 의도한 수신기에서 되반사되는 경우, 두 신호의 위상차는 다중 경로 페이딩으로 인해 소멸 간섭을 생성한다.

셀룰러 통신 시스템에 존재하는 다른 문제점은 셀간 신호(inter-cell signal)이다. 대부분의 셀룰러 시스템은 개별 셀로 나뉘어지고, 각 셀은 그 중심에 위치한 기지국을 갖는다. 각 기지국의 위치는 주변 기지국이 서로 대략 60도의 간격으로 위치하도록 배치된다. 각 셀은 그 중심에 기지국이 위치해 있는 6변형 다각형으로서 간주될 수 있다. 각각의 셀의 가장자리는 서로 인접하며, 한 그룹의 셀은, 그 가장자리들을 직선으로 도시한 다음, 위에서 모든 셀들을 바라보면, 벌집 모양의 이미지를 형성한다. 셀의 가장자리로부터 그 기지국까지의 거리는, 통상 셀 가장자리 부근에 위치한 모바일 가입자 유닛으로부터 그 셀의 지국까지의 허용가능한 신호를 전송하는데 필요한 최소 전력(즉, 하나의 셀의 반경과 동일한 거리만큼 허용가능한 신호를 전송하는데 필요한 전력)에 의해 유도된다.

셀간 간섭(intercell interference)은, 한 셀의 가장자리 부근의 모바일 가 입자 유닛이 그 가장자리를 넘어서 인접한 셀로 침투하는 신호를 전송하여, 그 인접한 셀 내에서 일어나고 있는 통신을 간섭하는 경우에 발생한다. 통상, 동일한 주파수 또는 매우 근접한 주파수를 갖는 인접 셀들간의 신호는 셀간 간섭을 야기한다. 셀 가장자리 부근의 가입자 유닛들은 대체로, 그들이 전송한 신호들이 셀 중심에 위치해 있는 의도한 기지국에 의해 효과적으로 수신될 수 있도록 보다 높은 전송 전력을 사용한다는 사실 때문에 셀간 간섭 문제가 복잡하게 된다. 또한, 의도한 수신기의 후방에 위치한 다른 모바일 가입자 유닛으로부터의 신호가 동일한 전력 레벨로 기지국에 도달하여, 추가의 간섭을 야기할 수도 있다.

셀간 간섭 문제는 CDMA 시스템에서 더 악화되는데, 이는 인접한 셀들 내의 가입자 유닛들이 통상 동일한 반송파 또는 중심 주파수 상에서 전송하기 때문이다. 예를 들면, 통상, 동일한 반송파 주파수에서 동작하지만 서로 상이한 기지국에 전송하는 인접한 셀들 내의 두 개의 가입자 유닛은, 어느 한 기지국에서 상기 2개의 신호 모두가 수신되는 경우에 서로 간섭하게 된다. 하나의 신호는 다른 신호에 대하여 잡음으로 나타난다. 또한, 간섭의 정도와 의도한 신호를 검출하고 복조하는 수신기의 성능은, 가입자 유닛들의 동작 전력 레벨에 의해 영향을 받는다. 가입자 유닛들 중 하나가 셀의 가장자리에 위치해 있고, 의도한 기지국에 도달하기 위해 그 셀 및 인접한 셀들 내의 다른 유닛들에 비하여 더 높은 전력 레벨로 전송하고 있다면, 이 신호는 의도하지 않은 기지국, 즉, 인접 셀 내의 기지국에 의해서도 역시 수신된다. 의도하지 않은 기지국에서 수신되는 두 개의 동일한 반송파 주파수 신호들의 상대 전력 레벨에 따라, 그 셀 내로부터 전송된 신호와 인접 셀로부터 전 송된 신호를 적절하게 구별하기 어려울 것이다. 가입자 유닛 안테나의 피상적 시야를 감소시키기 위한 메커니즘이 요구된다. 이 메커니즘은, 기지국에서 수신되는 간섭 전송의 개수를 감소하여 순방향 링크(기지국으로부터 가입자로의 링크)의 동작에 현저한 영향을 미칠 수 있다. 역방향 링크 안테나 패턴에서 이와 유사한 개선을 통해, 원하는 전송 신호 전력을 감소시켜 수신 신호 품질을 달성할 수 있다.

본 발명에 따른 안테나는, 능동 소자와, 상기 능동 소자로부터 이격되고 그 주변을 둘러싸는 복수의 수동 다이폴을 포함한다. 제어기는 수동 다이폴이 반사형 모드 또는 지향성 모드에서 동작하도록 선택적으로 제어한다.

도 1은 통상의 CDMA 셀룰러 통신 시스템의 하나의 셀(50)을 나타낸다. 이 셀(50)은 모바일 가입자 유닛(60-1 내지 60-3)이, 중심에 위치한 기지국(65)과 통신하는 지형 영역을 나타낸다. 각 가입자 유닛(60)은 본 발명에 따라 구성된 안테나(70)를 구비한다. 가입자 유닛(60)은 시스템 운영자에 의해 무선 데이터 및/또는 음성 서비스를 제공받고, 예를 들면 랩탑 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 개인용 디지털 단말(PDA) 등과 같은 장치를 기지국(65; 안테나(68)를 포함)을 통해 공중 교환 전화망(PSTN), 인터넷과 같은 패킷 교환 컴퓨터 네트워크, 공중 데이터 네트워크 또는 사설 인트라넷을 포함하는 네트워크(75)에 접속할 수 있다. 기지국(65)은 1차 레이트 ISDN과 같은 임의 개수의 상이한 가용 통신 프로토콜, 또는 IS-634 또는 V5.2와 같이 다른 LAPD 기반 프로토콜, 또는 네트워크(75)가 인터넷과 같은 패킷 기반 이더넷 네트워크인 경우 심지어 TCP/IP 상에서 네트워크(75)와 통신한다. 가입자 유닛(60)은 속성상 이동가능하며 기지국(65)과 통신하면서 하나의 장소에서 다른 장소로 움직일 수 있다. 가입자 유닛이 하나의 셀을 떠나 다른 셀에 진입함에 따라, 통신 링크는 기존 셀의 기지국으로부터 진입하는 셀의 기지국으로 핸드 오프(handed off)된다.

도 1은 단지 예시로서 본 발명의 설명의 용이함을 위해서 셀(50) 내의 하나의 기지국(65)과 3개의 모바일 가입자 유닛(60)을 나타낸다. 본 발명은 셀(50)과 같이 개별 셀에서 하나 이상의 기지국과 통신하는 통상 보다 많은 가입자 유닛이 있는 시스템에 적용가능하다.

또한, 도 1은 CDMA, TDMA, GSM 또는 기타와 같은 시그널링 방식을 사용하는 표준 셀룰러형 통신 시스템을 나타내며, 기지국(65)과 가입자 유닛(60) 간에 데이터 및/또는 음성을 반송하기 위해 무선 채널이 할당된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 일 실시예에서, 도 1은 무선 인터페이스에 대한 IS-95B 표준에서 한정된 바와 같이 코드 분할 다중 원리를 사용하는, CDMA 형태의 시스템이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예는 IEEE 802.11 표준 및 블루투스 표준을 포함하는, 다양한 통신 프로토콜 하에서 동작하는 다른 무선 통신 시스템에서 사용될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.

셀 기반 시스템의 일 실시예에서, 모바일 가입자 유닛(60)은 기지국(65)으로부터 전송되는 순방향 링크 무선 신호의 지향성 수신뿐만 아니라 모바일 가입자 유닛(60)으로부터 기지국(65)으로의 (빔 형성으로 불리는 프로세스를 통한) 역방향 링크 신호의 지향성 전송을 사용한다. 이러한 개념은 각각의 모바일 가입자 유닛(60)으로부터 다소 기지국(65)을 향한 최선의 전파를 위한 방향으로 외부 연장하는 예시적인 빔 패턴(71 내지 73)에 의해 도 1에 도시되어 있다. 전송을 다소 기지국(65)쪽으로 향하게 하고, 어느 정도 기지국(65)의 위치로부터 발생하는 신호를 직접 수신함으로써, 안테나 장치(70)는 모바일 가입자 유닛(60)에 대한 셀간 간섭 및 다중 경로 페이딩의 효과를 감소시킨다. 더욱이, 안테나 빔 패턴(71, 72 및 73)은 기지국(65) 방향으로 바깥쪽으로 연장하지만 대부분의 다른 방향에서는 감쇠하기 때문에, 모바일 가입자 유닛(60-1, 60-2 및 60-3)으로부터 기지국(65)으로의 유효한 통신 신호의 전송을 위해서는 보다 적은 전력이 요구된다. 따라서, 안테나(70)는, 등방성 복사기와 비교하여, 증가한 이득을 제공한다.

지향성 빔 패턴을 제공하면서 본 발명의 교시가 적용될 수 있는 하나의 안테나 어레이 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 도 2의 안테나 어레이(100)는 4개의 안테나 소자(103)가 제공된 4 소자 원형 어레이를 포함한다. 단일 경로 네트워크는 안테나 소자(103) 각각에 연결된다. 이 네트워크는 25오옴의 전송선(107)으로 접합(106)에서 만나는 4개의 50오옴 전송선(105)을 포함한다. 각각의 안테나 피드선(105)은 피드선을 따라 삽입된 스위치(108)를 갖는다. 도 1에서, 각각의 스위치(108)는 다이오드로 나타내지만, 당업자는 단일-폴 더블-스로우(single-pole-double-throw; SPDT) 스위치의 사용을 포함하는, 다른 스위칭 소자가 다이오드를 대신하여 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 어느 경우이든, 각각의 안테나 소자(103)는 각각의 스위치(108)에 의해 독립적으로 제어된다. 35오옴의 1/4 파장 변환기(110)는 25오옴의 전송선(107)을 50오옴의 전송선(105)에 정합(match)시킨다.

동작시에, 통상 두 개의 인접한 안테나 소자(103)는 연관된 스위치들(108)의 닫힘에 의해 전송선(105)에 접속된다. 이들 소자(103)는 능동 소자로서 동작하지만, 나머지 두 개의 소자(103)는 스위치(108)가 개방되는 경우 반사기로서 동작한다. 따라서, 임의의 인접한 스위치 쌍(108)이 폐쇄됨으로써, 희망하는 안테나 빔 패턴을 생성할 수 있다. 안테나 어레이(100)는 또한 인접한 스위치 쌍(108)을 연속적으로 개폐하고, 안테나 어레이(100)의 능동 소자를 변경시켜서 빔 패턴 움직임에 영향을 미침으로써 스캐닝될 수 있다. 안테나 어레이(100)의 다른 실시예에서, 단지 하나의 소자만을 활성화시킬 수도 있으며, 이 경우, 전이선(transition line; 107)은 50오옴 특성의 임피던스를 갖고 1/4 파장 변환기(110)는 불필요하다.

비싸지 않고, 소형이며, 전기적으로 손실이 적고, 비용이 낮고, 매체 지향성, 전자적으로 스캐닝가능한 안테나 어레이를 제공하는 다른 안테나 설계가 도 3에 도시되어 있다. 이 안테나 어레이(130)는 원하는 경우 도파기 또는 반사기로서 동작하는 전자적으로 조정가능한 수동 소자에 의해 둘러싸인 단일 여기 안테나 소자(single excited antenna element)를 포함한다. 예시적인 안테나 어레이(130)는 5개의 수동 반사기-도파기(134 내지 138)에 의해 둘러싸인 단일 중심 능동 소자(132)를 포함한다. 반사기-도파기(134 내지 138)는 또한 수동 소자로 불린다. 일 실시예에서, 능동 소자(132) 및 수동 소자(134 내지 138)는 다이폴 안테나이다. 도시한 바와 같이, 능동 소자(132)는 50오옴의 전송선(140)에 전기 접속된다. 각 각의 수동 소자(134 내지 138)는 단일 폴 더블 스로우(SPDT) 스위치에 부착된다. 스위치(160)의 위치는 도파 또는 반사 상태로 수동 소자(134 내지 138) 각각을 배치한다. 도파 상태인 경우, 안테나 소자는 무선 주파수 신호에 거의 비가시적이며 이에 따라 무선 주파수 에너지를 순방향으로 지시한다. 반사 상태에서, 무선 주파수 에너지는 소스 방향으로 리턴된다.

전자 스캐닝은 SPDT 스위치(160)의 사용을 통해 구현된다. 각 스위치(160)는 두 개의 개별 개방 또는 단락 회로 전송선 스터브(stub) 중 하나에 각각의 수동 소자를 결합시킨다. 각 전송선 스터브의 길이는 도파 또는 반사 상태가 달성되기 위해서 수동 소자(134 내지 138)에 대하여 필요한 리액티브 임피던스를 생성되도록 미리 결정된다. 리액티브 임피던스는 또한 주문형-집적 회로 또는 럼프형(lumped) 리액티브 부하의 사용을 통해 실현될 수 있다.

사용시, 안테나 어레이(130)는 수동 소자(135 및 136)가 도파 상태로 스위칭되는 동안 반사 상태에 수동 소자(134, 137 및 138)를 배치함으로써 화살표(164)에 의해 식별되는 방향으로 고정 빔 지향 패턴을 제공한다. 빔의 스캐닝은 수동 소자(134 내지 138)에 의해 형성된 원 내의 인접 스위치(160)를 점진적으로 개폐함으로써 달성된다. 무지향성 모드는 모든 수동 소자(134 내지 138)가 도파 상태에 있는 경우에 달성된다.

당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 안테나 어레이(130)는 N개의 동작 도파 모드를 갖으며, 여기서 N은 수동 소자의 개수이다. 기본 어레이 모드는 N개의 수동 소자 모두를 도파 상태로 스위칭하여 무지향성 파 필드(far-field) 패턴을 달성 한다. 점진적으로 증가하는 지향성은 수동 소자 하나에서 대략 절반의 개수까지 반사 상태로 스위칭하지만 나머지 소자는 도파 상태가 되게 함으로써 달성될 수 있다.

도 4는 중심 소자(202)로부터 대략 동일한 반경으로(대략 동일한 각 간격으로) 배치되는 6개의 수직 모노폴(200)을 포함하는 안테나 어레이(198)를 나타낸다. 중심 소자는 도면 번호(206)에 나타낸 교류 입력 신호로 표시한 바와 같이, 전송 모드에서 능동 소자이다. 안테나 상반 정리(antenna reciprocity theorem)에 의하면, 능동 소자(202)는 안테나 어레이(198)에 전송된 신호에 대한 상반 방식으로 동작한다. 수동 소자(200)는 이들 각 위치에서 반사 또는 도파 속성을 선택적으로 제공함으로써 능동 소자(202)로/로부터 복사 패턴을 형성한다. 반사/도파 속성 또는 이 둘의 조합은 각 수동 소자(200)에 관련된 가변 리액턴스 소자(204)의 설정에 의해 결정된다. 수동 소자(200)가 도파기로서 동작하도록 구성되는 경우, 능동 소자(202)에 의해 전송되는(수신 모드에서 능동 소자(202)에 의해 수신되는) 복사는 수동 소자(200)의 링을 통과하여 무지향성 빔 패턴을 형성한다. 수동 소자(200)가 반사 모드로 구성되는 경우, 능동 소자(202)로부터 전송된 무선 주파수 에너지는 안테나 링의 중심을 향해 다시 반사된다. 통상, 공진 길이의 변경은 안테나 소자가 공진 길이보다 긴 경우에는 안테나 소자를 반사형이 되게 하고(접지면이 안테나 소자 아래에 존재하는 경우 공진 길이는 λ/2 또는 λ/4로 규정됨), 공진 길이보다 짧은 경우에는 안테나 소자를 도파형/투과형(transparent)이 되게 한다. 수동 소자(200) 중에서 반사기의 연속 분포는 도파기로서 구성되는 이들 소자의 방향에서 복사 패턴을 시준(collimate)한다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 각각의 수동 소자(200)와 능동 소자(202)는 전송 또는 수신된 신호의 수직 편파를 위해 방향이 정해진다. 당업자는 안테나 소자의 수평 패치가 수평 신호 편파를 야기함을 인식하고 있다. 수평 편파에 있어서, 능동 소자(202)는 루프 또는 환형 링 안테나로 대체되고 수동 소자(202)는 수평 다이폴 안테나로 대체된다.

본 발명의 교시에 따르면, 도파 구성 수동 소자(200)를 통과하는 에너지는 보다 많은 지향성 안테나 빔으로 더욱 형상화될 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 이 빔은 안테나 어레이(198) 주변에서 환형 유전체 기판(210)의 배치에 의해 형성된다. 유전체 기판은 수동 소자(200)와 능동 소자(202)가 내부 구경 내에 배치되어 내부 구경을 한정하는 외부 밴드를 구비한 링의 형상이다. 유전체 기판(210)은 공기보다 낮은 전파 상수를 갖는 서파 구조체(slow wave structure)이다. 그 결과, 유전체 기판(210)과 접촉하는 전송된 파동의 일부(또는 수신 모드에서 수신된 파동)는 유도되어 파동의 자유 공간 부분에 비해 지연된다. 그 결과, 상승 방향에서의 복사 패턴은 좁혀지고(상승 에너지가 감쇠되고) 복사는 방위각 방향으로 집중된다. 따라서, 안테나 빔 패턴 이득이 향상된다. 서파 구조체는 기본적으로 유전판을 따라 전력 또는 복사된 에너지를 유도하여 보다 많은 지향성 빔을 형성한다. 일 실시예에서, 유전체 기판(210)의 반경은 적어도 파장의 절반이다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 서파 구조체는 유전판, 물결모양 도전 표면, 도전 격자 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다수의 형태를 취할 수 있다.

통상, 가변 리액턴스 소자(204)는 유전체 기판(210)을 사용하여 수동 소자(200)의 동작을 최적화하도록 조정된다. 주어진 동작 주파수에서, 수동 소자(200)와 유전체 기판(210)의 내부 구경의 원주 간의 최적 거리가 일단 설정되었으면, 이 거리는 해당 주파수에서 동작 동안 변경되지 않게 된다.

도 6은 도 5의 단면 6-6에 따른 유전체 기판(210)을 나타낸다. 유전체 기판(210)은 두 개의 테이퍼된(tapered) 가장자리(218 및 220)를 포함한다. 유전체 기판(210) 하부의 접지면(222)은 이러한 보기에서 관측될 수 있다. 이들 테이퍼된 가장자리(218 및 220) 모두 공기에서 기판으로 또는 그 역으로의 전환을 용이하게 한다. 급격환 전환은 입사파의 반사를 야기하며, 이러한 상황은 서파 구조체의 영향을 감소시킨다.

테이퍼(218 및 220)(taper)는 동일하지 않은 길이로 나타내지만, 당업자는 보다 긴 테이퍼가 자유 공간 전파 상수와 유전체 전파 상수 사이의 보다 유리한 전환을 제공함을 인식할 것이다. 또한, 테이퍼 길이는 유전판(210)에 이용가능한 공간에 의존한다. 이상적으로는, 충분한 공간이 유전체 기판(210)에 이용가능한 경우 테이퍼는 길어야 한다.

일 실시예에서, 유전체 기판(210)의 높이는 수신 또는 전송된 신호의 파장을 4로 나준 것이다(즉, λ/4). 접지면(222)이 존재하지 않는 실시예에서, 유전판(210)의 높이는 λ/2이다. 파장 λ은 유전체 기판(210)과 함께 간주되는 경우 유전체에서의 파장이되, 이는 자유 공간의 파장보다 항상 적다. 안테나 지향성은 유전체 기판 반경의 단조 함수이다. 보다 긴 유전체 기판(210)이 유전체 기 판(210)으로부터 자유 공간으로(그리고 수신파에 있어서 그 역으로) 무선 주파수 신호가 통과하는 점진적 전환을 제공한다. 이는 파동이 시준을 유지할 수 있게 하여, 이 파동이 유전체 기판(210)에 존재하는 경우에 안테나 어레이 지향성을 향상시킨다. 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 통상, 안테나 지향성은 파면이 실질적으로 평면인 파 필드(far field)에서 계산된다.

일 실시예에서, 수동 소자(200), 능동 소자(202) 및 유전체 기판(210)은 작업 표면 상의 배치에 있어서 플랫폼 상에 또는 하우징 내에서 탑재된다. 이러한 구성은 예를 들면 랩탑 컴퓨터와 함께 사용되어 CDMA 무선 시스템을 통해 인터넷을 액세스하거나 랩탑에서 무선 통신 장치에 의해 공급(fed)되고 제어되는 수동 소자(200)와 능동 소자(202)를 이용하여 무선 액세스 포인트를 액세스할 수 있다. 안테나 소자(200 및 202) 및 유전체 기판(210)을 개별 패키지로 배치하는 것에 대신하여, 이들은 또한 수동 소자(200)와 능동 소자(202)가 표면 상부에 수직으로 연장할 수 있도록 랩탑 컴퓨터의 표면에 집적될 수도 있다. 유전체 기판(210)은 랩탑 표면 내에 집적될 수 있거나 수동 소자(200)를 둘러싸는 방식으로 표면에 대한 설정으로 개별 컴포넌트로서 형성될 수 있다. 표면에 집적되는 경우, 수동 소자(200)와 능동 소자(202)는 접혀진 상태에 있는 경우 표면을 향해 접혀질 수 있도록 배치되고 동작에 있어서는 수직 상태로 전개될 수 있다. 수동 소자(200)와 능동 소자(202)가 수직 방향인 경우, 개별 유전판(210)은 수동 소자(200) 둘레에 적합하게 될 수 있다.

유전체 기판(210)은 폴리스티렌, 알루미늄, 폴리에틸렌 또는 인공 유전체를 포함하는 임의의 저손실 유전체를 사용하여 제작될 수 있다. 당업자에 공지된 바와 같이, 인공 유전체는 서로 격리된 공동의 금속 구로 채워진 체적이다.

도 7은 수동 안테나 소자(200)를 둘러싼 물결모양의 금속 디스크(250)을 포함하는 안테나 어레이(230)를 나타낸다. 물결모양의 금속 디스크(250)는 도 5의 유전체 기판(210)과 유사한 이득 개선 기능을 제공하되, 홈(groove)(254)을 한정하는 복수의 원주 메사(252; circumferential mesa)를 포함한다. 도 8은 도 7의 단락 8-8에 걸친 도면이다. 가장 내부의 메사(252A)는 테이퍼된 표면(256)을 포함한다. 또한, 가장 외곽의 메사(252B 및 252C)는 각각 테이퍼된 표면(258 및 260)을 포함한다. 또 5의 실시예에서 나타낸 바와 같이, 테이퍼(256 및 258)는 물결모양의 금속 디스크(250)에 의해 제공된 전파 상수와 자유 공간 사이의 전환 영역을 제공한다. 유전체 기판(210)과 같이, 물결모양의 금속 디스크(250)는 홈(254)이 대략 1/4파장 깊이이고 이에 따라 대략 개방인, 즉, 자유 공간에서 1/4 파장인 진행하는 무선 주파수 신호에 임피던스를 제공하기 때문에 서파 구조체로서 동작한다. 그러나, 노치(notch)는 정확하게 개방 회로를 정확하게 제시하지는 않기 때문에, 임피던스는 도 5의 유전체 기판(210)에 의해 야기되는 굽힘과 유사한 방식으로 진행파의 굽힘을 야기한다. 홈(254)이 완벽하게 개방을 제공한 경우, 어떤 무선 주파수 에너지도 홈에 의해 트랩되지 않고 파동의 굽힘이 없을 수 있다. 도 7 실시예의 성공적인 사용에 대한 핵심은 무선 주파수 파동의 트래핑이다. 홈(254)이 얕은 경우, 이들은 파동을 해제하고 이에 따라 그 윤곽(즉, 메사와 홈의 위치)은 파동이 시준된 파면을 형성하도록 복사할 수 있는 위치와 각도를 제어한다. 예를 들 면, 홈이 복사 방향인 경우, 파동은 홈을 따라 단순 진행하여 제어될 수 없다. 도 7 및 도 8의 실시예는 단지 3개의 홈 또는 노치를 나타내지만, 당업자는 추가적인 홈 또는 노치가 제공되어 진행 무선 주파수 파동을 제어하고 방위각 방향에서 안테나의 지향성을 개선시킬 수 있음을 인식할 것이다.

도 9는 접지면(260), 상술한 능동 소자(202) 및 수동 소자(200)를 포함하는, 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 안테나 어레이(258)를 나타낸다. 또한, 도 9는 복수의 기생 도전 격자(parasitic conductive grating; 262)를 나타낸다. 도 9의 실시예에서, 기생 도전 격자(262)는 수동 소자(200)와 동일한 반경의 선을 따라 그리고 이로부터 이격되어 도시되어 있다. 어떤 의미에서, 도 9의 안테나 어레이(258)는 도 7의 안테나 어레이(230)의 특별한 경우이다. 원주 메사(252)의 높이는 기생 도전 격자(262)의 위치로 나타낸다. 도 8의 외부 메사(252B 및 252C)의 테이퍼는 중심 소자(202)로부터 멀어지는 방향으로 기생 도전 격자를 테이퍼함으로써 반복된다.

도 10은 선 10-10에 따른 단면으로 안테나 어레이(258)를 나타낸다. 또한, 수동 소자(200)와 능동 소자(202)에 대한 예시적인 길이는 도 10에 도시된다. 또한, 1.9㎓에서 기생 도전 격자(262) 사이의 예시적인 높이와 격자가 기재된다. 통상, 그 간격은 약 0.9λ 내지 0.28λ이다. 능동 소자(202), 수동 소자(200), 및 복수의 기생 도전 격자(262) 간의 간격은 통상 각각의 소자의 높이에 연결된다. 수동 소자(200) 및 복수의 기생 도전 격자(262)가 공진 길이인 경우, 이 소자는 단순히 공진하여 이에 의해 수신된 에너지를 유지한다. 몇몇 에너지는 주변 소자에 퍼질 수 있다. 이 소자가 공진 길이보다 짧은 경우, 이 소자의 임피던스는 구분된 위상 진행으로 인해 순방향 분산기(forward scatterer)로서 동작하게 한다. 분산은 복사 파동이 장애물이 부딪힌 후 모든 방향에서 다시 복사하는 프로세스이다. 분산이 진행파의 순방향에서 지배적인 경우, 이 분산은 순방향 분산으로 가리킨다. 이 소자가 공진 길이보다 긴 경우, 결과적인 위상 지연은 원래의 진행파와 상호 동작함으로써, 순방향 진행 복사를 감소 또는 심지어 소거시킬 수 있다. 그 결과, 에너지는 후방 분산된다. 즉, 이 소자는 반사기로서 동작한다. 도 9의 실시예에서, 복수의 기생 도전 격자(262)는 접지면(260)에 단락되거나 조정가능하게 그리고 리액티브하게 로딩될 수 있되, 이 부하는 복수의 기생 도전 격자 중 임의의 하나의 실효 길이를 조정하여 상술한 결과적인 도파 또는 반사 효과로서 공진 길이와 동일하거나, 적거나, 큰 길이를 기생 도전 격자(262)가 갖게 한다. 이러한 제어가능한 리액티브 특성의 제공은 원하는 바와 같이 지향성 각도 또는 빔 패턴 폭을 가변시키는 능력을 제공한다.

도 9의 실시예에서, 접지면(260)은 5각형 형상임이 인식되어야 한다. 다른 실시예에서, 접지면은 원형일 수 있다. 일 실시예에서, 접지면(260)에서 면의 개수는 수동 소자의 개수와 동일하다. 도 5 및 도 7의 실시예에서와 같이, 복수의 격자 또는 기생 도전 소자(262)는 무선 주파수 파동을 느리게 하고 방위각 방향으로 지향성을 개선시키는 역할을 한다. 보다 많은 격자의 추가는 상승 방향에서 RF 에너지의 추가 감소를 야기한다. 안테나 어레이(258)에 의해 생성되는 빔 패턴은 수동 소자(200) 각각이 도파 상태에 있는 경우 5개의 개별적이고 매우 지향성인 로 브(lobe)를 포함한다. 두 개의 인접한 수동 소자(200)가 도파 상태에 있는 경우, 각 로브의 에너지의 추가로 인해 매우 지향성인 로브가 두 개의 지향성 소자 사이의 방향으로 형성된다. 모든 수동 소자(200)가 지향성 상태에 동시에 배치되는 경우, (즉, 접지면(260)의 평면에 비교적 근접한)무지향성의 팬케이크 패턴이 생성된다.

도 7의 홈(254)과 비교하는 경우, 도 9의 기생 도전 격자(262)는 보다 날카로운 공진 피크를 갖고 이에 따라 진행하는 RF파를 느리게 하는데 매우 효율적이다. 그러나, 도 7에 관련하여 설명한 바와 같이, 기생 도전 격자(262)는 정확하게 공진 주파수에서 이격되지 않는다. 그 대신, 무선 주파수 신호에서 지연 효과를 야기하는 잔류 공진이 생성된다.

도 11의 안테나 어레이(270)는 기생 도전 격자(262) 사이의 복수의 침입형(interstitial) 기생 소자(272)와 함께 도 9의 소자를 포함하여 복사 패턴을 더욱 유도하여 형상화한다. 침입형 기생 소자(272)는 접지면(260)에 단락되고 빔 패턴의 추가 보정을 제공한다. 침입형 기생 소자(272)는 하나 이상의 다음 목적을 제공하도록 실험적으로 배치된다: 무지향성 패턴으로 물결을 감소시키고, 어레이가 기생 소자(200)의 공진 특성을 통해 조정되는 경우 중간의 고이득 빔 위치를 추가하며, 원하지 않은 사이드 로브를 감소시키고 전면 대 후면 전력비를 개선한다.

일 실시예에서, 도 11의 교시에 따라 구성된 안테나는 약 30퍼센트의 대역폭으로 8.5 내지 9.5dBi의 피크 지향성을 갖는다. 각 수동 소자(200)의 리액턴스를 전자적으로 제어함으로써, 이러한 고이득 안테나 빔이 또한 조정될 수 있다. 모든 수동 소자(200)가 도파 모드에 있는 경우, 거의 방위면에서 무지향성 빔이 형성된다. 무지향성 모드에서, 피크 지향성은 도파 모드와 동일한 주파수 밴드 상으로 5.6 내지 7.1(dBi)에서 측정된다. 따라서, 도 11의 실시예는 고이득 무지향성 패턴과 고이득 조정가능 빔 패턴을 모두 제공한다. 일 실시예에서, 1.92㎓에서 동작하는 안테나에 있어서, 침입형 기생 소자(272)의 대략적인 높이는 1.5인치이고 능동 소자(202)로부터 침입형 기생 소자(272)로의 거리는 대략 7.6인치이다.

*도 12의 안테나 어레이는 도 9로부터 유도되고, 기생 도전 격자(262)의 축의 행(axial row)과 하나의 수동 소자(200)는 유전체 기판 또는 인쇄 회로 기판(280) 상에 집적되거나 배치된다. 도 9의 실시예에서, 수동 소자(200)와 기생 도전 격자(262)는 개별적으로 제작된다. 수동 소자(200)는 유전체에 의해 접지면(260)으로부터 분리되고 상술한 리액턴스 제어 소자에 도전 접속된다. 기생 도전 격자(262)는 접지면(260)에 직접 단락되거나 상술한 바와 같이 제어가능하게 그리고 리액티브하게 로딩된다. 따라서, 도 9의 실시예의 제작 프로세스는 시간 집약형이다. 따라서, 도 12의 실시예는 기생 도전 격자(262)와 수동 소자(200)가 유전체 기판 또는 인쇄 회로 기판 재료로 인쇄되거나 에칭되기 때문에 특히 바람직하다. 도시한 바와 같이 다양한 안테나 소자를 집적하고 그룹화하는 이러한 프로세스는, 소자의 높이 및 간격에 비하여 추가적인 기계적 강도 및 개선된 제작 정확성을 제공한다. 다양한 안테나 소자 사이에 유전체의 사용으로 인해, 도 12의 실시예는 도 5의 유전체 기판 실시예와 도 9의 도전 격자 실시예 사이의 혼합으로서 간 주될 수 있다. 특히, 유전체 기판(280)은 기생 도전 격자(262)의 개별 공진 특성을 완화시킴으로써, 동작 대역폭의 주파수 스펙트럼에서 이득 스파이크의 형성을 감소시킨다.

도 13은 도 9의 안테나 어레이(258)와 도 11의 안테나 어레이(270)를 제작하는 다른 프로세스를 나타낸다. 도 13의 실시예에서, 기생 도전 격자(262; 도 11의 침입형 기생 소자(272)는 접지면(260)으로부터 스탬핑되고 그 후 윗방향으로 굽혀서 기생 도전 격자(262; 그리고 도 11에서 침입형 기생 소자(272)를 형성한다. 이러한 프로세스는 도 14의 확대도에서 보다 상세하게 나타낸다. 일 실시예에서, 기생 도전 격자(262)와 침입형 기생 소자(272)는 변형가능한 접합이 U-형상의 개구의 가장자리에 따라 형성되도록 접지면(260)으로부터 재료의 U형상의 영역을 제거함으로써 형성되되, 여기서 접지면의 재료는 제거되지 않는다. 그 후, 기생 도전 격자(262)와 침입형 기생 소자(272)는 접지면(260)의 평면 밖으로 접합을 따라 접지면 재료를 굽힘으로써 형성된다. 접지면(260)의 U-형상의 영역을 제거한 후에 공동의 잔류는 참조 번호(274)로 가리킨다. 공동(274)은 안테나 어레이(258; 도 9) 및 (270; 도 11)의 성능에 상당히 영향을 미치지 않는다. 도 13의 실시예에서, 능동 소자(202)와 수동 소자(200)가 개별 금속 디스크(280) 상에서 형성되고, 이러한 개별 금속 디스크(280)는 나사 또는 다른 패스너(282)를 사용하여 접지면(260)에 부착된다.

도 15는 좌표 시스템(301)을 참조하여 도시된, 본 발명의 다른 실시예의 교시에 따라 구성되는 안테나(300)의 사시 개략도이다. 안테나(300)는 XY 평면에서 전송 에너지의 실질적 비율을 복사하되, 이 평면은 능동 소자(202)에 수직이고 수평으로 불린다. 수신 모드에서, 안테나(300)는 동일한 XY 평면에서 수신 에너지의 실질적 비율을 수신한다. 통상, 안테나(300)는 상술한 실시예보다 수평에 따라 보다 지향성이다. 바람직하게는, 안테나(300)의 접지면은 상술한 실시예의 접지면보다 적어짐으로써, 보다 적은 공간 포락선을 요구한다. 이들 특성은 보다 상세히 후술한다.

도 16의 정면도에서, 안테나(300)는 서브(304)에 위치한 능동 소자(202)로부터 방출한 신호를 반사 또는 도파하도록 제어가능한 안테나 소자로부터 형성된 복수의 세그먼트(302)를 포함한다. 수신 모드에서, 안테나 소자는 수신된 신호를 반사 또는 도파시킨다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 반사형 또는 도파형 속성은 동작 주파수에 관련된 바와 같이 안테나 소자 실효 길이의 기능이다. 따라서, 예를 들면, 소자의 물리적 길이의 변경함으로써 또는 임피던스의 소자로의 스위칭가능한 접속에 의해 실효 소자 길이의 제어는 반사 또는 도파 상태를 달성한다.

당업자는 다소의 세그먼트(302) 및 이에 따른 다소의 안테나 소자가 도 16의 6개의 세그먼트(302)로 달성가능한 것보다 지향성 안테나 패턴을 포함하는 다른 바람직한 복사 패턴을 생성하도록 사용될 수 있다. 도 16의 세그먼트는 60도 간격에서 이격된 것으로 도시되지만, 이 간격은 또한 바람직한 복사 패턴에 기초하여 선택가능하다.

두 개의 대향 배치된 세그먼트(302)가 도 17에 도시되어 있다. 각 세그먼트(302)는 상부 세그먼트(308A) 및 하부 세그먼트(308B)를 더 포함하는 수동 다이 폴(308)을 포함한다. 나머지 세그먼트(302)는 도 17에는 도시되지 않지만 유사하게 구성된다. 하부 세그먼트(308B)는 접지면(312)에 연속이고 접지면(312)의 형상 영역으로부터 형성된다. 일 실시예에서, 접지면(312)은 인쇄 회로 기판 재료, 예를 들면, 도전 층(layer)를 상부에 배치한 유전체 기판으로부터 형성된다.

수동 다이폴(308) 각각을 반사 또는 도파 상태로 배치함으로써, 안테나 빔은 능동 소자(202)에 비해 특정한 방위각 방향으로 형성될 수 있다. 빔 스캐닝은 수동 다이폴(308) 각각을 도파/반사 상태로 점진적으로 배치함으로써 달성된다. 무지향성 복사 패턴은 모든 수동 다이폴이 도파 상태로 동작하는 경우에 달성된다.

상부 세그먼트(308A)는, 개략적으로 도시한 스위치(310)와 하부 세그먼트(308B)와 함께 로딩되는, 상술한 수동 소자(200)와 유사하게 스위칭된 기생 소자로서 동작하고, 도파기(순방향 분산기 소자)로서 동작하는 다이폴을 형성하거나 스위치(310)를 통해 인가되는 임피던스 부하에 응답하여 반사기로서 다이폴을 형성한다. 개별 제어기(미도시)는 사용자 공급된 입력에 응답하여 또는 안테나 매개변수를 제어하여 최고 품질의 수신 또는 전송 신호를 제공하는 공지된 신호 검출 및 분석 기술에 응답하여 수동 다이폴의 상태(예를 들면, 반사 또는 도파)를 결정하도록 동작한다. 이러한 기술은 종래 전송 또는 수신된 신호의 하나 이상의 신호 메트릭을 결정하는 단계, 이에 응답하여, 하나 이상의 안테나 특성을 변형하여 전송 또는 수신된 신호 메트릭을 향상시키는 단계를 포함한다.

상부 세그먼트(308A)는 모노폴 소자로서 공급되고, 하부 세그먼트(308B)는 상부 세그먼트(308A)를 반영하는 접지 구조의 일부이다. 그러나, 하부 세그먼 트(308B)는 접지되기 때문에, 수동 다이폴(308)과 등가인 회로는 접지면 상에서 모노폴이다. 수동 다이폴(308)의 복사 특성은 하부 세그먼트(308B)가 상부 세그먼트(308A)와 함께 공진하기 때문에 다이폴과 유사하다. 따라서, 수동 다이폴은 상부 및 하부 세그먼트(308A 및 308B)가 무선 주파수 파동을 가로채서 이를 수동 다이폴과 같이 다시 복사하도록 공간 공급(feed) 소자로서 공급된다. 하부 세그먼트(308B)는 접지면(312)의 일부이기 때문에, 다이폴 소자(308)의 밸런싱된 부하는 불필요하고 밸런(balun)이 요구되지 않는다.

스위칭가능한 부하는 단순 임피던스일 수 있지만, 수동 다이폴(308)은 종래 다이폴과 같이 대칭으로 복사한다. 바람직하게는, 수동 다이폴(308)을 사용하여, 보다 높은 이득의 다이폴을 제공하며, 또한, 이 대칭은 수평으로부터 멀어지게 기울어지는 대신 수평을 향한 복사를 생성한다. 임피던스 부하는 상부 세그먼트(308A)의 확장으로서 처리될 수 있다. 부하가 유도성인 경우, 308A의 실효 길이는 점점 길어지고, 이와 반대로 용량성 부하의 경우에는, 점점 짧아진다. 유도성 부하는 상부 및 하부 세그먼트(308A 및 308B)의 조합이 반사기로서 동작하게 한다. 반대로, 용량성 부하의 경우에는 이 조합은 도파기로서 동작한다.

도 18은 스위치(310)와 관련 컴포넌트를 보다 상세하게 나타낸다. 기계적 스위치로서 나타내지만, 당업자는 스위치(310)가 반도체 장치(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터) 또는 MEMS(마이크로전자기계 시스템) 스위치에 의해 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 도 18에서 나타낸 바와 같이, 스위치(310)는 임피던스(Z1 및 Z2)를 상부 세그먼트(308A)에 접속한다. 임피던스(Z1 및 Z2) 모두 이들 의 각각의 스위칭되지 않은 단말에서 접지된다. 임피던스(Z1 및 Z2)에 대한 특정 값이 하나 이상의 바람직한 동작 매개변수(예를 들면, 이득, 동작 주파수, 대역폭, 반사 패턴 형상)에 기초하여 선택되지만, 통상 하나의 임피던스 값(예를 들면, Z1)은 거의 용량성 임피던스이고, 다른 임피던스, Z2는 거의 유도성 임피던스이다. 이 임피던스들은 집중 또는 분산 회로(예를 들면, 지연선) 소자에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, Z1과 Z2에 대한 값은 하나의 값이 바람직한 성능 매개변수를 달성하기에 보다 용량성(또는 유도성)인 채로 모두 용량성(또는 모두 유도성)일 수 있다. 다른 실시예에서, 둘 이상의 임피던스는 상부 세그먼트(308A)에 스위칭가능하게 도입되어 다른 바람직한 성능 특성을 제공할 수 있다.

Z1이 거의 용량성인 일 실시예에서, 관련 수동 다이폴(308)은 Z1을 통해 상부 세그먼트(308A)를 지면에 접속하는 위치에 있다. 거의 유도성 Z2에 접속되는 경우, 수동 다이폴(308)은 반사기로서 동작한다. 어느 경우이든, 수신 또는 전송된 무선 주파수 신호에 의해 상부 세그먼트(308A)와 하부 세그먼트(308B)에 유도되는 전류 흐름은 대칭적인 다이폴 효과를 생성하여, 에너지를 거의 XY 평면에서 근접하게 지향되도록 한다. 수동 다이폴(308)은 유한한 접지면 상부의 모노폴 소자(즉, 상술한 실시예)보다 많은 지향성 수평 빔을 형성하기 때문에, 안테나(300)는 상술한 이들 안테나 실시예보다 수평을 따라 보다 높은 이득을 나타낸다.

본 발명에 따라, 최적의 안테나 이득은 도 17에서의 길이 H가 동작 주파수에서 약 0.25λ 내지 0.5λ보다 약간 적은 것 사이에 있는 경우에 달성될 수 있음이 판명되었다. 안테나 이득은 이 범위 밖에서 H의 다른 값에 대하여 감소될 수 있 다.

도 17을 계속 참조하면, 일 실시예에서, 하나의 영역(314)은 능동 소자(202)로부터 전송될 무선 주파수 신호를 제공하는 소스 및/또는 능동 소자(202)가 수신 신호를 공급하는 수신기에 능동 소자(202)를 접속하는 정합 소자(미도시)를 포함한다.

상술한 실시예에서 나타낸 바와 같이 수동 소자(200)와 기생 도전 격자(262)를 대신하여 수동 다이폴(308)의 사용은 안테나(300)에 대한 개선된 수평 지향성을 제공하여, 안테나 빔을 거의 수평을 따라 지시한다. 일 예에서, 이 개선은 약 4㏈이다. 수동 다이폴(308)은 물리적으로 고유한 상부 및 하부 세그먼트(308A 및 308B)를 포함하기 때문에, 이들은 접지면 하부의 이미지 소자와 함께 다이폴 모드에서 동작하는 모노폴 소자(즉, 수동 소자(200) 및 기생 도전 격자(262))보다 양호한 지향성 특성을 제공한다. 이론적으로, 무한 접지면은 완벽한 이미지 소자를 생성한다. 실제, 접지면(260; 예를 들면, 도 9 참조)은 유한하고 이에 따라 이미지 소자는 이상적이지 않으며, 그 결과, 수평 방향의 지향성이 감소된다. 수동 다이폴(308)의 사용은 안테나(300)의 지향성을 개선한다.

도 15를 다시 참조하면, 기생 도파 소자(320; 단락 회로 다이폴이라고도 함)가 각각의 다이폴 소자(308)와 거의 동일한 수직면에 배치되고 도전 암(322)을 통해 접지면(312)에 접속된다. 기생 도파 소자(320)는 안테나(300)의 동작 주파수에서 1/2 파장보다 통상 짧되, 순방향 분산 소자로서 동작하여 수평을 향하여 전송 신호를 지시한다. 암(322)은 능동 소자(202)로부터 전송되는 신호의 편파에 수직 이기 때문에, 암(322)은 신호에 결합되지 않으며 이에 따라 안테나 동작에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 다른 실시예에서, 암 재료는 유전체를 포함한다. 기생 도파 소자(320)는 안테나(300)의 동작에 반드시 필요한 것은 아니지만, 바람직하게는, 수평에 근접한 신호의 전파에 있어서 추가적인 지향성 효과를 제공한다.

다른 실시예에서, 본 발명의 교시에 따라 구성된 안테나는 원하는 복사 패턴에 의해 결정되는 바와 같이 다소의 수동 다이폴(308)과 기생 도파 소자(320)를 포함한다. 또다른 실시예에서, 수동 다이폴(308)의 개수는 기생 도파 소자(320)의 개수와 반드시 동일하지는 않다.

바람직하게는, 하나의 세그먼트(302) 상에서 하부 세그먼트(308b), 접지면(312) 및 기생 도파 소자(320)는 단일 구조 또는 단일 형상 접지면을 포함한다. 다른 실시예에서, 이 소자는 도전 와이어 또는 땜납(solder joints)에 의해 개별적으로 형성 및 접속될 수 있다.

도 15를 참조하면, 접지면(330)은 능동 소자(202)를 둘러싸고 접지면(312)에 접속된다. 나타낸 실시예에서, 접지면(330)은 상술한 실시예에서 나타낸 접지면보다 적은 것이 바람직하다. 그러나, 안테나(300)는 도 9의 안테나(258)에서와 같이 이미지 소자에 의존하는 대신, 다이폴 소자(308)의 사용으로 인해 XY 평면(수평) 주변에 개선된 지향성을 제공한다. 다른 실시예에서, 접지면(330)이 요구되지 않는다. 또다른 실시예에서, 접지면(330)은 접지면(312)의 기능을 포함하도록 형상화될 수 있다.

접지면(312 및 330)은 모두 안테나(300)의 동작 주파수에 관련하여 스케일될 수 있다. 접지면(312 및/또는 330)이 유전체 기판과 그 상부의 유전층을 포함하는 실시예에서, 전자 회로 소자는 기판 상에 탑재되어 안테나 소자의 동작을 제어하고 능동 소자(202)로/로부터 무선 주파수 신호를 공급 또는 수신하도록 동작할 수 있다. 전자 회로 소자를 기판 상에 탑재하기 위해서, 기판 영역은 지면 도체로부터 격리되고 도전 상호접속이 패터닝(patterning) 및 에칭 기술에 의해 격리된 영역 상에서 형성된다. 이러한 탑재 기술은 당업계에 공지되어 있다. 특히, 스위치(310)는 접지면(312 및/또는 330) 상에 배치된다. 전자 회로 소자는 안테나(300)의 동작 주파수에 스케일되지 않기 때문에, 동작 주파수에 필요한 것보다 큰 표면적이 회로 소자를 탑재하는데 필요할 수 있다.

도 19는 본 발명의 교시에 따른 다른 실시예를 나타내되, 외향 복사상으로 배치되고 암(342)을 통해 도파 기생 소자(320)에 전기 접속되는 기생 도파 소자(340; 또한 단락 회로 다이폴 소자라고도 함)를 포함한다. 이 실시예는 수평을 따라 추가 이득을 제공한다. 도 19는 단지 두 개의 이러한 도파 기생 소자(340)를 나타내지만, 바람직한 실시예에서 각각의 세그먼트(302)는 도파 기생 소자(340)를 수반한다.

도 20은 도 15에 나타낸 암(322)을 대신하여 기생 도파 소자(320)을 지지하고 이에 물리적으로 연결된 링(346)을 포함하는 안테나(345)의 다른 실시예를 나타낸다. 링(346)의 재료는 도체 또는 유전체를 포함한다. 또한, 링(346)의 사용은 인접한 기생 도파 소자(320) 사이에 침입형 기생 소자(도 20에서는 미도시)의 배치를 위한 지지 메커니즘을 제공한다.

다른 실시예에서, 안테나는 링(346)에 의해 지지되는 기생 도파 소자(320)를 포함하는 제거가능한 외부 세그먼트 및 내부 코어 세그먼트(능동 소자(202) 및 수동 다이폴(308)를 포함한다. 따라서, 내부 코어 세그먼트에 의해 제공되는 이득이 충분한 경우, 외부 세그먼트는 필요하지 않으며 안테나 공간 요건이 최소화된다. 추가적인 지향성이 요구되는 경우, 외부 세그먼트는 용이하게 그리고 편리하게 내부 코어 세그먼트 주변에 배치된다.

상기 실시예에서, 능동 소자(202), 다이폴 소자(308) 및 기생 도파 소자(320 및 340)는 단순 선형 소자로서 나타낸다. 당업자에게 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 소자 형상은 선형 소자를 대신하여 사용되어 보다 넓은 대역폭 상에서 또는 둘 이상의 공진 주파수에서 소자 공진 및 반사 특성을 제공할 수 있다. 여러 예시적인 소자 형상이 도 21a 내지 도 21d에 도시되어 있다. 도 21a의 소자(360)는 두 개의 높이 차원, h1과 h2에 의해 결정되는 바와 같이 두 개의 상이한 주파수에서 공진하되, 여기서 h1은 보다 긴 차원이고 이에 따라 영역(361)은 영역(362)보다 낮은 주파수에서 공진한다. 추가적인 공진 주파수는 소자(360) 내에서 추가적인 공진 세그먼트를 제공함으로써 획득될 수 있다. 도 21b의 삼각 성분(364)은 정점(367)과 기지국(368) 사이의 다수의 길이 경로(365 및 366; 단지 두 개의 예시적인 경로만이 예시됨)에서 설정될 수 있는 다수의 공진 전류로 인해 광대역 공진을 제공한다. 다른 실시예에서, 정점 각도와 측면 길이는 로그 주기적 성능을 제공하도록 조정될 수 있다. 도 21c의 성분 369와 같은 패트 소자(fat element)는 상술한 상대적으로 보다 좁은 소자보다 넓은 대역폭 성능을 제공한다. 도 21d의 실린 더 소자(372)는 예를 들면 도 20의 2차원 구조와 비교하여 3차원 구조로서, 나타낸 바와 같이 예시적인 경로(373 및 374) 중 하나를 포함하는 반사 경로를 신호가 횡단함에 따라 다수의 공진 경로를 제공할 수 있다. 나타낸 소자 및 임의의 다른 공지의 모노폴 유형의 소자 각각은 상부 세그먼트(308A) 및/또는 하부 세그먼트(308B) 및/또는 기생 도파 소자(320 및 340)에 대체될 수 있다.

신호 주파수들 간의 공지된 조화 관계를 이용함으로써, 도 15의 안테나는 다수의 공진 주파수 동작을 제공할 수 있다. 모든 안테나와 안테나 어레이는 다수의 공진을 나타낸다. 특히, 다이폴 성분은 그 길이가 동작 주파수의 1/2 파장, 및 이의 정수배 근처인 경우에 공진한다. 최적의 어레이 소자 간격은 유사하게 조화적으로 관련된다. 따라서, 능동 소자(202)와 수동 다이폴(308) 간의 간격 및 수동 다이폴(308)의 길이는 안테나(300)가 IEEE 802.11a 표준에 의해 나타낸 바와 같은 5.25㎓ 및 IEEE 802.11b 표준에 의해 나타낸 바와 같은 2.45㎓와 같은 두 개의 근접하게 조화적으로 관련된 주파수에서 공진한다. 예를 들면, 2002년 11월 8일에 출원되고 발명의 명칭이 "A Dual Band Phased Array Antenna Employing Spatial Second Harmonics "인 공유 소유된 특허 출원인 미국 출원번호 10/292,384를 참조.

도 22는 거의 동일한 섹션(402A 내지 402D) 및 중심 이중 섹션(406)을 포함하는, 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 안테나(400)를 나타낸다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 중심 이중 섹션(406)은 하부 세그먼트(308B)에 전기 접속된 접지면(312)을 포함한다. 스위치(310)는 상부 세그먼트(308A)의 동작을 스위치(310)를 통해 제어한다. 상부 세그먼트(308A)와 같이, 능동 소자(202)는 중심 소자(202)에 물리적으로 접속되지만 접지면 도체로부터는 절연된다. 전자 컴포넌트(미도시)는 능동 소자(202)로부터 무선 주파수 신호를 제공하고 이로부터 무선 주파수 신호를 수신하며, 스위치(310)의 동작을 제어하는 중심 이중 섹션(406) 상에 탑재된다. 중심 이중 섹션(406)과 섹션(402A 및 402D)은 지지 부재(407)에 의해 연결된다. 다른 실시예에서(미도시), 안테나는 접지면(312)의 상부 표면(405)에 근접 배치된 상부 지지 부재와 하부 표면(407)에 근접 배치된 하부 지지 부재를 포함하는 두 개의 지지 부재를 포함한다. 상부 및 하부 지지 부재는 중심 이중 섹션(406) 및 섹션(402A 내지 402D)을 연결한다. 지지 부재(407)의 재료는 도체, 유전체 또는 복합 재료(예를 들면, 유전체 기판 상에 배치된 도전 재료)를 포함한다.

도 24는 섹션(402A 내지 402D)과 중심 이중 섹션(406)이 조립되어 안테나(400)를 형성하는 경우 접지면(312)에 전기 접속되는 접지면(410)을 포함한 섹션(402A)을 나타낸다. 접지면(410)은 하부 세그먼트(308B)에 전기 접속된다.

알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따라 구성된 안테나는 수평을 따라 유효 복사 및/또는 수신 에너지를 최대화한다. 이 안테나는 수동 다이폴의 링의 사용에 의해 이득 개선을 달성한다. 또한, 수동 다이폴의 특정 특성을 제어함으로써, 안테나는 방위각 면에서 스캔가능하게 된다. 무선 네트워크에 있어서 보다 높은 안테나 이득을 제공함으로써, 다양한 간섭 문제가 최소화되고, 통신 범위가 증가되며, 보다 높은 데이터 레이트와 넓은 대역폭 신호가 조정될 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업자는 다양한 변화가 행해질 수 있으며 균등한 성분이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 대한 특정 재료에 특정 상황을 적합하게 할 수 있는 변형이 행해질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하는데 고찰되는 최선의 방식에서 개시되는 특정 실시예에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 첨부한 청구항의 범위 내에 해당하는 모든 실시예를 포함하려는 것이다.

본 발명의 다양한 실시예에 따라 구성된 안테나는 수평을 따라 유효 복사 및/또는 수신 에너지를 최대화한다. 이 안테나는 수동 다이폴의 링의 사용에 의해 이득 개선을 달성한다. 또한, 수동 다이폴의 특정 특성을 제어함으로써, 안테나는 방위각 면에서 스캔가능하게 된다. 무선 네트워크에 있어서 보다 높은 안테나 이득을 제공함으로써, 다양한 간섭 문제가 최소화되고, 통신 범위가 증가되며, 보다 높은 데이터 레이트와 넓은 대역폭 신호가 조정될 수 있다.

Claims

안테나에 있어서,

능동 소자;

상기 능동 소자로부터 이격된 채 상기 능동 소자를 둘러싸는 복수의 수동 다이폴로서, 상기 수동 다이폴 각각은 상부 세그먼트 및 하부 세그먼트를 포함하는 것인, 수동 다이폴; 및

상기 복수의 수동 다이폴이 반사 모드 또는 도파 모드에서 동작하도록 선택적으로 제어하는 제어기로서, 상기 제어기는 각각의 수동 다이폴에 대해서 유도성 부하, 용량성 부하 및 스위치를 포함하며, 상기 스위치는 상기 유도성 부하를 상기 상부 세그먼트에 접속하여 상기 수동 다이폴이 반사 모드에서 동작하도록 하고, 용량성 부하를 상부 세그먼트에 접속하여 상기 수동 다이폴이 도파 모드에서 동작하도록 하는 것인, 상기 제어기

를 포함하는 안테나.
제1항에 있어서, 안테나 지향성은 상기 능동 소자를 통과하는 길이 방향 평면(longitudinal plane)을 따라 증가하는 것인, 안테나.
제1항에 있어서, 안테나 복사는 상기 능동 소자를 통과하는 길이 방향 평면에 수직인 방향에서 감쇠하는 것인, 안테나.