JP2011120240A - 無線通信システムにおける円偏波アンテナ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無線通信システムにおいて、スーパーストレートを用いて高利得の円偏波を発生する円偏波アンテナ及び該円偏波アンテナの製造方法を提供すること。
【解決手段】少なくとも１つ以上の接地基板上で所定地点に位置する少なくとも１つ以上の給電アンテナと、該給電アンテナの上部に前記接地基板から所定距離離隔して位置するスーパーストレートに複数の導電性構造体が所定方向に配列された単位アンテナとを備え、前記給電アンテナが線形偏波を放射すれば、前記複数の導電性構造体及び前記単位アンテナは円偏波を各々放射することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線通信システムに関し、特に、無線通信システムにおいて、スーパーストレート（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）を用いて高利得の円偏波を発生する円偏波アンテナ及び該円偏波アンテナの製造方法に関する。

無線通信システムにおいて、信号送受信のために様々な形のアンテナが提案され、このようなアンテナのうち、パッチアンテナ（ｐａｔｃｈ ａｎｔｅｎｎａ）は、コンパクトなサイズだけでなく、軽くて製作工程が簡単であり、単価が低いという長所がある。しかし、このようなパッチアンテナは、帯域幅（ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を広げるのが難しく、結合損失（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｏｓｓ）を多く生じさせるため、高周波帯域で使用するのが難しいという短所がある。

また、無線通信システムにおいて、現在、主に使用されている円偏波アンテナは、パッチアンテナを用いて実現しており、それと共に、パッチアンテナを用いた円偏波アンテナの利得をさらに向上させるために様々な方法が提案されている。特に、このようなパッチアンテナを用いた円偏波アンテナの利得を向上させるための方案として、複数のパッチアンテナまたは複数の円偏波アンテナを配列して円偏波を発生するアンテナの配列数を増加させる方案がある。

しかし、前述したアンテナの配列数を増加させる方案は、配列されたアンテナへのアンテナ給電によるエネルギー損失が、各々配列されたアンテナへの給電数に比例して増加し、そのため、アンテナの全体的な効率が低下するという問題がある。また、このような効率低下からアンテナに求められる適切な利得及び軸比（ａｘｉａｌ ｒａｔｉｏ）を得るためには、前記各々配列されたアンテナへの給電長さ、配列間隔などの細かい調整が必要であり、そのため、アンテナの複雑度が増加するだけでなく、アンテナの構造が複雑になり、アンテナの実現が難しいという問題がある。

本発明は、上記のような従来技術の問題を解決するために提案されたものであって、その目的は、無線通信システムにおいて、高利得を有する円偏波アンテナ及び該円偏波アンテナの製造方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、 無線通信システムにおいて、パッチアンテナを用いてアンテナの構造を単純化させつつ、高利得を有する円偏波アンテナ及び該円偏波アンテナの製造方法を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、無線通信システムにおいて、スーパーストレートを用いて少数の給電アンテナで高利得を有し、かつ、容易に設計できる円偏波アンテナ及び該円偏波アンテナの製造方法を提供することにある。

さらにまた、本発明の目的は、無線通信システムにおいて、スーパーストレートとパッチアンテナとを用いてアンテナの複雑度を最小化しつつ、アンテナの実現が容易な高利得の円偏波アンテナ及び該円偏波アンテナの製造方法を提供することにある。

そこで、上記の目的を達成するための本発明の装置は、円偏波アンテナであって、少なくとも１つ以上の接地基板上で所定地点に位置する少なくとも１つ以上の給電アンテナと、該給電アンテナの上部に前記接地基板から所定距離離隔して位置するスーパーストレートに複数の導電性構造体が所定方向に配列された単位アンテナとを備え、前記給電アンテナが線形偏波を放射すれば、前記複数の導電性構造体及び前記単位アンテナは円偏波を各々放射する。

また、上記の目的を達成するための本発明の方法は、円偏波アンテナの製造方法であって、接地基板から所定距離離隔して上部に位置した第１の誘電体基板上に複数の導電性構造体を所定方向に配列するステップと、前記接地基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように、前記接地基板上の所定地点に給電アンテナを形成するステップとを含み、前記接地基板が、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより長い形状を有すると、前記給電アンテナからｙ偏波が放射されて、前記誘電体基板及び前記複数の導電性構造体から右旋偏波が各々放射され、前記接地基板がＹ軸における長さがＸ軸における長さより短い形状を有すると、前記給電アンテナからｘ偏波が放射されて、前記誘電体基板及び前記複数の導電性構造体から左旋偏波が各々放射されることを特徴とする。

上記した目的を達成するための本発明の他の方法は、円偏波アンテナの製造方法であって、接地基板上に第１の誘電体基板を形成するステップと、該第１の誘電体基板上の所定地点に給電アンテナを形成するステップと、該給電アンテナの上部に前記接地基板から所定距離離隔させて第２の誘電体基板を位置させるステップと、該第２の誘電体基板上に四角パッチで向かい合う対角方向の対称角が相互平行に除去された形状を有する複数の導電性構造体を所定方向に配列するステップと、前記複数の導電性構造体が配列された複数個の第２の誘電体基板を所定の位相差を有するように順次配列するステップとを含み、前記給電アンテナからｘ偏波が放射されると、前記複数の導電性構造体と、該複数の導電性構造体が配列された第２の誘電体基板と、前記順次配列された複数の第２の誘電体基板とから左旋偏波が各々放射され、前記給電アンテナからｙ偏波が放射されると、前記複数の導電性構造体と、該複数の導電性構造体が配列された第２の誘電体基板と、前記順次配列された複数の第２の誘電体基板とから右旋偏波が各々放射され、前記順次配列するステップが、前記ｘ偏波または前記ｙ偏波を放射する給電アンテナの上部に位置した複数個の第２の誘電体基板を０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の位相差を有するように順次配列し、前記給電アンテナを形成するステップが、Ｙ軸における長さとＸ軸における長さとが互いに異なる形状を有する前記第１の誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように、前記第１の誘電体基板上の所定地点に前記ｘ偏波または前記ｙ偏波の給電アンテナを形成することを特徴とする。

本発明は、無線通信システムにおいて、スーパーストレートとパッチアンテナとを用いて少数の給電アンテナで高利得を有しつつ、アンテナの構造が単純化された円偏波アンテナ及び配列円偏波アンテナを容易に実現することができる。また、本発明は、印刷回路基板を用いて円偏波アンテナを容易に実現することができ、導電性構造体をアンテナの上部に位置させることにより、単純に１つの給電アンテナ（供給源）で円偏波アンテナを設計できるだけでなく、アンテナの効率と利得を向上させることができる。

また、本発明は、給電アンテナから放射される線形偏波特性に応じて左旋偏波アンテナと、右旋偏波アンテナと、二重円偏波アンテナとを容易に実現することができる。そして、本発明は、高利得を取得するために、従来の円偏波配列アンテナより給電構造を単純化することにより、円偏波アンテナ設計の複雑度及びアンテナ供給電力の損失を最小化するだけでなく、アンテナの効率を極大化させることができる。

さらに、本発明は、導電性構造体である複数のパッチをアンテナの上部に位置させることにより、単純に１つの給電アンテナ（供給源）で円偏波アンテナを生成することができ、アンテナの効率と利得を同時に向上させることができる。そして、本発明は、このように設計された高利得円偏波アンテナを順次配列することにより、アンテナの利得、軸比、及び３ｄＢ軸比帯域幅を改善させることができ、それにより、従来の高利得円偏波順次配列アンテナ技法を利用した場合より、給電構造を単純化してアンテナ設計の複雑度を最小化することができる。

さらにまた、本発明は、アンテナ供給電力の損失を最小化できるので、アンテナの効率を改善させることができる。そして、従来の順次配列アンテナの場合、順次配列アンテナを構成する個別パッチアンテナの利得が約６ｄＢ程度であるため、２４ｄＢの高利得特性を得るためには、６４個の個別アンテナで構成されなければならないが、本発明は、個別アンテナの利得が１７．０５ｄＢを有するので、単に４個の単位アンテナを順次配列して２２．６１ｄＢの高利得を実現することができ、軸比及び３ｄＢ軸比帯域幅を改善することができる。

本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの導電性構造体を概略的に示した図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの単位アンテナ上部構造を概略的に示した図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの単位アンテナ構造を概略的に示した図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの給電アンテナ構造を概略的に示した図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの給電アンテナ構造を概略的に示した図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、二重円偏波を放射するための円偏波アンテナの給電アンテナ構造を概略的に示した図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、二重円偏波を放射するための円偏波アンテナの給電アンテナ構造を概略的に示した図である。 本発明の実施形態に係る円偏波アンテナのＳパラメータを示したグラフである。 本発明の実施形態に係る円偏波アンテナのＳパラメータを示したグラフである。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、Ｓパラメータによる円偏波アンテナの軸比を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの左旋偏波、右旋偏波利得、及び軸比を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの左旋偏波、右旋偏波利得、及び軸比を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの二重円偏波利得及び軸比を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの二重円偏波利得及び軸比を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの製造過程を概略的に示した図である。 本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの配列アンテナ構造を概略的に示した図である。 本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの配列アンテナ配列構造を概略的に示した図である。 本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの配列アンテナ配列構造を概略的に示した図である。 本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの単位アンテナ軸比及び利得を示したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの単位アンテナ軸比及び利得を示したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの配列アンテナ軸比及び利得を示したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの配列アンテナ軸比及び利得を示したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの製造過程を概略的に示した図である。

以下、本発明に係る好ましい実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。下記の説明では、本発明に係る動作を理解するのに必要な部分のみが説明され、それ以外の部分の説明は、本発明の要旨を逸脱しないように省略するということに留意すべきである。

本発明は、無線通信システムにおいて、高利得の円偏波アンテナ及び該円偏波アンテナの製造方法を提案する。本発明の実施形態では、周期的に配列した導電性構造体である複数のパッチを接地面が含まれた給電アンテナの上部に貼り付けて円偏波アンテナを実現する。また、本発明の実施形態では、前記複数のパッチを接地面が含まれた給電アンテナの上部に貼り付けたアンテナ構造を順次配列して円偏波アンテナを実現する。ここで、前記円偏波アンテナは、前記導電性構造体である複数のパッチが円偏波を発生させ、前記導電性構造体を周期的に配列することにより、アンテナの利得を高め、周期的に配列した構造体によって円偏波アンテナが形成され、また、給電アンテナから放射される偏波によって左旋偏波（ｌｅｆｔ−ｈａｎｄｅｄ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｗａｖｅ）と、右旋偏波（ｒｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｗａｖｅ）と、二重円偏波とを実現し、前記配列された導電性構造体と給電アンテナとを順次配列してアンテナの利得、軸比、及び３ｄＢ軸比帯域幅を改善する。

そして、本発明の実施形態では、スーパーストレートを用いた高利得円偏波配列アンテナを提案する。ここで、本発明の実施形態では、円偏波を発生させる複数の導電性構造体、すなわち、複数のパッチを任意の特定の形状及び間隔で配列して、接地面が含まれた給電アンテナの上部に位置させて高利得の円偏波アンテナを実現する。また、本発明の実施形態では、前記給電アンテナのスーパーストレートに配列された任意の導電性構造体が給電アンテナから発生する線形偏波の特性に応じて左旋偏波及び右旋偏波を放射し、さらには、給電アンテナによって左旋偏波と、右旋偏波と、二重円偏波とを放射する。

ここで、本発明の実施形態では、１つの給電アンテナのみで円偏波を放射するので、アンテナ利得の向上のために、従来の配列アンテナ構造で表れる給電線路による損失を最小化する。それにより、本発明の実施形態では、円偏波アンテナの給電のための給電線路を単純化して全体的なアンテナの複雑度を最小化するだけでなく、容易に設計することができ、アンテナの効率を向上させる。そして、本発明の実施形態では、給電アンテナの線形偏波特性に応じて左旋偏波と、右旋偏波と、二重円偏波とを容易に実現し、前記給電アンテナでは、円偏波を発生させるために、単純な給電方式で線形偏波を発生させる。

また、本発明の実施形態では、円偏波を発生させる導電性構造体で配列された上部構造体を給電アンテナの上部に位置させることにより、円偏波を発生させ、給電アンテナから発生する線形偏波、すなわち、ｘ偏波及びｙ偏波の特性に応じて左旋偏波と、右旋偏波と、二重円偏波との特性を有する高利得の円偏波アンテナを提案する。ここで、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナは、印刷回路基板（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ、以下、「ＰＣＢ」と称する）を用いて容易に実現することができ、導電性構造体をアンテナの上部に位置させることにより、単純に１つの給電アンテナ（供給源）で円偏波アンテナを設計できるだけでなく、アンテナの効率と利得を向上させることができる。そして、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナは、給電アンテナから放射される線形偏波特性に応じて左旋偏波と、右旋偏波と、二重円偏波とを容易に放射することができ、高利得を取得するために、従来の円偏波配列アンテナより給電構造を単純化することにより、円偏波アンテナ設計の複雑度及びアンテナ供給電力の損失を最小化するだけでなく、アンテナの効率を極大化させることができる。

また、本発明の実施形態では、前記給電アンテナから発生する線形偏波の特性に応じて左旋偏波及び右旋偏波を実現し、前記スーパーストレートを有する高利得円偏波アンテナに位相差を与えて順次配列することにより、アンテナの利得をさらに向上させるだけでなく、軸比及び軸比の３ｄＢ帯域幅を改善させる。それにより、本発明は、一般的なパッチアンテナを用いた配列アンテナ構造の円偏波アンテナから発生する給電線路の複雑性を単純化させ、給電線路によって発生する損失を減少させてアンテナの効率を向上させ、給電アンテナの順次配列の方向によって左旋偏波及び右旋偏波を実現する。

ここで、本発明の実施形態に係るスーパーストレートを利用した高利得円偏波アンテナは、単純に任意の導電性構造体である複数のパッチで配列された構造体を接地面が含まれた給電アンテナの上部に位置させて円偏波を発生し、このとき、前記給電アンテナから発生する線形偏波、すなわち、ｘ偏波及びｙ偏波の特性に応じて、導電性構造体が左旋偏波及び右旋偏波を発生してアンテナ利得を高める。前記アンテナ利得は、スーパーストレートの面積が増加するほど増加し、各々スーパーストレートを含む４個の円偏波アンテナを９０゜の位相差で順次配列してアンテナ利得をさらに向上させ、アンテナの軸比及び３ｄＢ軸比帯域幅が改善される。このとき、スーパーストレートを含む４個の円偏波アンテナを順次配列する場合、円偏波アンテナの給電アンテナによって左旋偏波を有するアンテナは反時計方向に整列し、右旋偏波を有するアンテナは時計方向に整列する。すなわち、本発明は、４個の円偏波アンテナを反時計方向及び時計方向に９０゜の位相差で順次配列し、それにより、アンテナ利得をさらに向上させ、かつ、アンテナ軸比と３ｄＢ軸比帯域幅を改善する。

さらに、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナは、従来の一般的なパッチを用いた配列アンテナとは異なる配列によって各々の単位アンテナ利得をパッチアンテナより向上させ、それにより、少数の給電アンテナを用いて高利得の円偏波アンテナを取得する。例えば、一般的なパッチアンテナの利得は６ｄＢであるため、２４ｄＢのアンテナ利得を取得するためには、少なくとも６４個のパッチアンテナで配列しなければならない。しかし、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナは、単位アンテナの利得が１７ｄＢであるため、このような単位アンテナ４個を配列すれば、２２．６ｄＢの高いアンテナ利得を取得する。

ここで、前記円偏波アンテナは、接地面が含まれた１つの給電アンテナと、線形偏波入射時、円偏波特性を形成する導電性構造体で配列された構造体を給電アンテナの上部に位置させた単位アンテナを備える。このような円偏波アンテナは、アンテナ利得及びアンテナ効率を同時に向上させ、給電アンテナの線形偏波、すなわち、ｘ偏波及びｙ偏波に応じて左旋偏波及び右旋偏波を生成する。すなわち、前記円偏波アンテナは、導電性配列構造体をアンテナの上部に位置させることにより、単純に１つの給電アンテナ（供給源）で円偏波アンテナを製造することができ、アンテナの効率と利得を同時に向上させることができる。

そして、前記円偏波アンテナは、このように設計された高利得円偏波アンテナを順次配列することにより、アンテナ利得、軸比、及び３ｄＢ軸比帯域幅を改善させることができ、それにより、従来の高利得円偏波順次配列アンテナ技法を利用した場合より給電構造を単純化してアンテナ設計の複雑度を最小化することができる。また、前記円偏波アンテナは、アンテナ供給電力の損失を最小化することができるので、アンテナの効率を改善させるだけでなく、前述したように、従来の順次配列アンテナの場合、順次配列アンテナを構成する個別パッチアンテナの利得が約６ｄＢ程度であるため、２４ｄＢの高利得特性を得るためには、６４個の個別アンテナで構成されなければならないが、１つの給電によって円偏波を放射する個別アンテナで単位アンテナの利得が１７．０５ｄＢを有するので、単に４個の単位アンテナを順次配列して２２．６１ｄＢの高利得を実現することができ、軸比及び３ｄＢ軸比帯域幅を改善することができる。それでは、ここで、図１を参照して本発明の実施形態に係る円偏波アンテナをより具体的に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの導電性構造体を概略的に示した図である。ここで、図１は、本発明の実施形態によってアンテナ利得を向上させ、かつ、円偏波を実現する単位アンテナ構造体のスーパーストレートに形成される導電性構造体を示した図である。

図１に示すように、前記導電性構造体は、所定の誘電体媒質ε_ｒの誘電体基板１１０及び該誘電体基板１１０の上部に所定形状の導体板１２０を備える。ここで、前記導体板１２０は、円偏波アンテナの放射部になり、前記導体板１２０で向かい合う対角方向の対称角に相互平行に形成された円偏波誘発部１３０を備え、前記導電性構造体は、円偏波を放射する１つのパッチアンテナになり得る。

前記円偏波誘発部１３０は、面取り（ｃｈａｍｆｅｒｉｎｇ）によって四角パッチで向かい合う対角方向の対称角が相互平行に除去されて形成される。前記導体板１２０は、円偏波アンテナの動作周波数と、アンテナ利得と、偏波特性とに応じて様々な大きさ及び形状を有することができる。すなわち、前記導電性構造体は、線形偏波が給電される場合、前記円偏波誘発部１３０によって円偏波を放射する円偏波アンテナになる。それでは、ここで、図２を参照して本発明の実施形態に係る円偏波アンテナの単位アンテナをより具体的に説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの単位アンテナ上部構造を概略的に示した図である。ここで、図２は、本発明の実施形態によって図１に示した導電性構造体をスーパーストレートに配列して形成したスーパーストレート構造体を示した図である。

図２に示すように、前記単位アンテナは、スーパーストレート２１０に図１に示すような導電性構造体２２０、すなわち、複数個のパッチが所定方向に配列されて形成される。ここで、前記スーパーストレート２１０は、図１に示すような誘電体基板１１０となり得るし、前記複数の導電性構造体２２０、すなわち、複数のパッチは、誘電体基板１１０であるスーパーストレート２１０に所定方向に配列される。

また、前記単位アンテナは、アンテナ利得をさらに向上させるために、前記単位アンテナのスーパーストレート２１０のサイズを増加することができ、前記スーパーストレート２１０の形状は、長方形、正方形、円、楕円形、及び台形など、様々な形状になり得る。それでは、ここで、図３を参照して本発明の実施形態に係る円偏波アンテナの単位アンテナ構造をより具体的に説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの単位アンテナ構造を概略的に示した図である。

図３に示すように、前記単位アンテナは、図２に示すような複数の導電性構造体３２０、すなわち、複数のパッチが配列されたスーパーストレート３１０と、該スーパーストレート３１０の下部に所定距離ｈ離隔した接地基板３５０と、該接地基板３５０上に形成された誘電体基板３４０と、該誘電体基板３４０上に形成されて線形偏波を給電する給電アンテナ３３０とを備える。ここで、前記スーパーストレート３１０は、前述したように、図１に示した誘電体基板１１０になり得るし、前記複数の導電性構造体３２０は、誘電体基板１１０であるスーパーストレート３１０に所定方向に配列される。

前記給電アンテナ３３０は、前記スーパーストレート３１０と離隔し、それにより、前記線形偏波を間接的に前記スーパーストレート３１０に給電する。すなわち、前記単位アンテナは、前記給電アンテナ３３０と前記スーパーストレート３１０との間に所定の空間が存在し、また、前記給電アンテナ３３０が給電によって１次放射し、前記１次放射による給電によって前記スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０、すなわち、複数のパッチが２次放射する。ここで、前記給電アンテナ３３０は線形偏波を放射し、前記スーパーストレート３１０及び該スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０は円偏波を放射する。そして、前記接地基板３５０上に形成された誘電体基板３４０は、空気を含む様々な比誘電率値を有する誘電体で形成され、前記給電アンテナ３３０は、単位アンテナの構造体内で上・中・下の位置に関係なく位置することができる。

このように、前記単位アンテナは、１つの給電アンテナ３３０によって各々のパッチアンテナになる複数の導電性構造体３２０に間接給電をすることにより、給電構造を単純化してアンテナを容易に設計することができ、アンテナ供給電力の損失を最小化させてアンテナの効率を向上させることができる。すなわち、前記単位アンテナは、前記複数の導電性構造体３２０別に対応する複数の給電アンテナが不要であり、単に１つの給電アンテナ３３０で前記複数の導電性構造体３２０の全てに給電してアンテナの複雑度を顕著に減少させることができる。また、前記単位アンテナは、スーパーストレート３１０に複数の導電性構造体３２０が配列されることにより、アンテナの利得を高め、さらには、前記スーパーストレート３１０及び該スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０が円偏波を放射するので、アンテナの利得をより一層高めることができる。それでは、ここで、図４Ａ〜図６を参照して本発明の実施形態に係る円偏波アンテナの給電アンテナをより具体的に説明する。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの給電アンテナ構造を概略的に示した図である。ここで、図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施形態によって単位アンテナの左旋偏波及び右旋偏波を生成するための給電アンテナの給電点を示した図である。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、前記円偏波アンテナは、給電点の位置によって２つの形態の給電、すなわち、第１の給電４００及び第２の給電４５０を備える。前記第１の給電４００は、接地基板上に形成された誘電体基板４１０上の中心地点から所定距離離隔した地点を給電点として給電アンテナ４２０が位置する。ここで、前記第１の給電４００で誘電体基板４１０は、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより大きく、それにより、第１の給電４００は、ｙ偏波を発生させてスーパーストレートに放射する。

このように、第１の給電４００によって給電アンテナ４２０がｙ偏波を放射すると、図３に示された前記スーパーストレート３１０及び該スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０は、右旋偏波を生成して放射する。すなわち、前記単位アンテナは、給電アンテナ４２０によってｙ偏波を１次放射し、前記１次放射されたｙ偏波の給電によって右旋偏波を放射し、それにより、前記単位アンテナは、第１の給電４００によって給電アンテナ４７０がｙ偏波を発生させると、右旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。

前記第２の給電４５０は、接地基板上に形成された誘電体基板４６０上の中心地点から所定距離離隔した地点を給電点として給電アンテナ４７０が位置する。ここで、前記第２の給電４５０で誘電体基板４６０は、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短く、それにより、第２の給電４５０は、ｘ偏波を発生させてスーパーストレートに放射する。

このように、第２の給電４５０によって給電アンテナ４７０がｘ偏波を放射すると、図３に示された前記スーパーストレート３１０及び該スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０は、左旋偏波を生成して放射する。すなわち、前記単位アンテナは、給電アンテナ４７０によってｘ偏波を１次放射し、前記１次放射されたｘ偏波の給電によって左旋偏波を放射し、それにより、前記単位アンテナは、第２の給電４５０によって給電アンテナ４７０がｘ偏波を発生させると、左旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。

図５及び図６は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、二重円偏波を放射するための円偏波アンテナの給電アンテナ構造を概略的に示した図である。ここで、図５は、本発明の実施形態によって１つの単位アンテナに２つの給電アンテナが含まれて二重円偏波を放射する円偏波アンテナを示したものであり、図６は、本発明の実施形態によって２つの単位アンテナに２つの給電アンテナが含まれて二重円偏波を放射する円偏波アンテナを示したものである。

図５に示すように、前記円偏波アンテナは、給電点の位置によって２つの給電アンテナ、すなわち、第１の給電アンテナ５１０及び第２の給電アンテナ５２０を備える。前記第１の給電アンテナ５１０は、前述した第１の給電４００のように、接地基板上に形成された誘電体基板５００上の中心地点からＹ軸方向に所定距離離隔した地点が給電点となるように位置する。それにより、前記第１の給電アンテナ５１０は、ｙ偏波を発生させてスーパーストレートに放射する。

このように、第１の給電アンテナ５１０がｙ偏波を放射すると、図３に示された前記スーパーストレート３１０及び該スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０は、右旋偏波を生成して放射する。すなわち、前記単位アンテナは、第１の給電アンテナ５１０によってｙ偏波を１次放射し、前記１次放射されたｙ偏波の給電によって右旋偏波を放射し、それにより、前記単位アンテナは、第１の給電アンテナ５１０がｙ偏波を発生させると、右旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。

前記第２の給電アンテナ５２０は、接地基板上に形成された誘電体基板５００上の中心地点からＸ軸に所定距離離隔した地点が給電点となるように位置する。それにより、前記第２の給電アンテナ５２０は、ｘ偏波を発生させてスーパーストレートに放射する。

このように、第２の給電アンテナ５２０がｘ偏波を放射すると、図３に示された前記スーパーストレート３１０及び該スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０は、左旋偏波を生成して放射する。すなわち、前記単位アンテナは、第２の給電アンテナ５２０によってｘ偏波を１次放射し、前記１次放射されたｘ偏波の給電によって左旋偏波を放射し、それにより、前記単位アンテナは、第２の給電４５０によって給電アンテナ４７０がｘ偏波を発生させると、左旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。

したがって、前記円偏波アンテナは、第１の給電アンテナ５１０がｙ偏波を放射し、第２の給電アンテナ５２０がｘ偏波を放射することにより、スーパーストレート及び該スーパーストレートに配列された複数の導電性構造体を介して右旋偏波及び左旋偏波を同時に放射するようになり、その結果、二重円偏波を放射する。このように、前記円偏波アンテナは、２つの給電アンテナ５１０、５２０によって二重円偏波を放射しつつ、単純な構造で容易に実現され、また、高利得を取得することができる。

図６に示すように、前記円偏波アンテナは、互いに異なる給電点、すなわち、第１の給電アンテナ６６０と第２の給電アンテナ６７０と、前記第１の給電アンテナ６６０に対応する第１の単位アンテナと、前記第２の給電アンテナ６７０に対応する第２の単位アンテナとを備える。ここで、前記第１の給電アンテナ６６０は、前述した第１の給電４００のように、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより長い誘電体基板６５０上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように位置する。それにより、前記第１の給電アンテナ６６０は、ｙ偏波を発生させてスーパーストレートに放射する。

このように、第１の給電アンテナ６６０がｙ偏波を放射すると、図３に示された前記スーパーストレート３１０及び該スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０は、右旋偏波を生成して放射する。すなわち、前記単位アンテナは、第１の給電アンテナ６６０によってｙ偏波を１次放射し、前記１次放射されたｙ偏波の給電によって右旋偏波を放射し、それにより、前記単位アンテナは、第１の給電アンテナ６６０がｙ偏波を発生させると、右旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。

前記第２の給電アンテナ６７０は、前述した第２の給電４５０のように、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短い誘電体基板６００上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように位置する。それにより、前記第２の給電アンテナ６７０は、ｘ偏波を発生させてスーパーストレートに放射する。

このように、第２の給電アンテナ６７０がｘ偏波を放射すると、図３に示された前記スーパーストレート３１０及び該スーパーストレート３１０に配列された複数の導電性構造体３２０は、左旋偏波を生成して放射する。すなわち、前記単位アンテナは、第２の給電アンテナ６７０によってｘ偏波を１次放射し、前記１次放射されたｘ偏波の給電によって左旋偏波を放射し、それにより、前記単位アンテナは、第２の給電アンテナ６７０がｘ偏波を発生させると、左旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。

したがって、前記円偏波アンテナは、第１の給電アンテナ６６０がｙ偏波を放射し、第２の給電アンテナ６６０がｘ偏波を放射することにより、スーパーストレート及び該スーパーストレートに配列された複数の導電性構造体を介して右旋偏波及び左旋偏波を同時に放射するようになり、その結果、二重円偏波を放射する。このように、前記円偏波アンテナは、２つの単位アンテナと２つの給電アンテナ６６０、６７０によって二重円偏波を放射しつつ、単純な構造で容易に実現され、また、高利得を取得することができる。それでは、ここで、図７及び図８を参照して本発明の実施形態に係る円偏波アンテナのＳ（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）パラメータをより具体的に説明する。

図７及び図８は、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナのＳパラメータを示したグラフである。ここで、図７は、本発明の実施形態によって円偏波アンテナに含まれた導電性構造体のＳパラメータの大きさを周波数領域で示したグラフであり、図８は、前記Ｓパラメータの位相を周波数領域で示したグラフである。

図７及び図８に示すように、第１のグラフ７１０、８１０は、第１のポートでｘ偏波を印加した場合、第１のポートでｘ偏波に変換されて通過された量の大きさと位相とを示す。そして、第２のグラフ７２０、８２０は、第１のポートでｘ偏波を印加した場合、第１のポートでｙ偏波に変換されて通過された量の大きさと位相とを示す。また、第３のグラフ７３０、８３０は、第１のポートでｘ偏波を印加した場合、第２のポートでｘ偏波に変換されて通過された量の大きさと位相とを示す。さらに、第４のグラフ８４０、８４０は、第１のポートでｘ偏波を印加した場合、第２のポートでｙ偏波に変換されて通過された量の大きさと位相とを示す。

すなわち、図７及び図８に示すように、本発明の実施形態に係る円偏波アンテナの導電性構造体は、ｘ偏波またはｙ偏波のうち、１つの線形偏波のみ印加されても円偏波を放射する。また、前記円偏波アンテナは、前記導電性構造体のＳパラメータの大きさ及び位相と、図３に示すように、接地基板３５０と前記導電性構造体が配列されたスーパーストレート３１０との間の距離ｈ値とに応じて円偏波の特性、例えば、３ｄＢ軸比、帯域幅、及び軸比だけでなく、共振周波数とアンテナの利得が決定される。ここで、前記円偏波アンテナの軸比は、数式１及び数式２を用いて算出される。

数式１及び数式２において、ｌは、図３に示すように、接地基板３５０と前記導電性構造体が配列されたスーパーストレート３１０との間の距離ｈ値を意味し、λは、各ポートに印加される信号の波長を意味する。そして、Ｒ_ｘ、Ｔ_ｘ、Ｒ_ｙ、Ｔ_ｙは、前述した導電性構造体のＳパラメータの大きさと位相とを含む第１のグラフないし第４のグラフ７１０、７２０、７３０、７４０、８１０、８２０、８３０、８４０の値を意味する。すなわち、前記Ｒ_ｘ、Ｔ_ｘ、Ｒ_ｙ、Ｔ_ｙは、ｘ偏波及びｙ偏波が給電される場合、導電性構造体のＳパラメータ値を意味する。

それにより、数式１及び数式２において、＋ｊの値を有すると、円偏波アンテナは左旋偏波を放射し、−ｊの値を有すると、右旋偏波を放射する。また、ａ_０の値が存在し、ｂ_０の値が０である場合、円偏波アンテナは左旋偏波を放射し、ａ_０の値が０であり、ｂ_０の値が存在する場合には、右旋偏波を放射する。ここで、前記ａ_０及びｂ_０の値は、給電アンテナの線形偏波の特性、例えば、ｘ偏波及びｙ偏波に各々対応して決定される。

言い替えれば、前記給電アンテナがｘ偏波を放射すると、ａ_０の値が存在し、ｂ_０の値は０になり、それにより、円偏波アンテナは左旋偏波を放射する。そして、前記給電アンテナがｙ偏波を放射すると、ａ_０の値が０になり、ｂ_０の値が存在し、それにより、円偏波アンテナは右旋偏波を放射する。それでは、ここで、図９を参照して本発明の実施形態に係る円偏波アンテナのＳパラメータによる軸比についてより具体的に説明する。

図９は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、Ｓパラメータによる円偏波アンテナの軸比を示したグラフである。ここで、図９は、本発明の実施形態によって図７及び図８に示したＳパラメータ値と、図３に示すように、接地基板３５０と前記導電性構造体が配列されたスーパーストレート３１０との間の距離ｈ値（ｈ＝２９ｍｍ）とを数式１及び数式２に代入して算出した左旋偏波及び右旋偏波の理論的軸比値を周波数領域で示したものである。

図９に示すように、前記円偏波アンテナは、前述したようにな給電アンテナから放射される線形偏波、すなわち、ｘ偏波の場合には左旋偏波を放射し、ｙ偏波の場合には右旋偏波を放射し、また、前記左旋偏波の軸比９１０及び右旋偏波の軸比９２０は、給電アンテナがｘ偏波及びｙ偏波を放射するときに生成された値である。ここで、前記円偏波アンテナは、スーパーストレートに配列された導電性構造体の構造や大きさを変更してＳパラメータ値を調整することができ、このように調整されるＳパラメータ値と、図３に示すように、接地基板３５０と前記導電性構造体が配列されたスーパーストレート３１０との間の距離ｈ値とに応じて、前記円偏波アンテナの軸比及び共振周波数を調整することができる。それでは、ここで、図１０〜図１３を参照して本発明の実施形態に係る円偏波アンテナの利得及び軸比をより具体的に説明する。

図１０及び図１１は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの左旋偏波と、右旋偏波利得と、軸比とを示したグラフである。ここで、図１０は、本発明の実施形態によって前記円偏波アンテナから放射される左旋偏波及び右旋偏波の実効利得（ｒｅａｌｉｚｅｄ ｇａｉｎ）を周波数領域で示したグラフであり、図１１は、本発明の実施形態によって前記円偏波アンテナから放射される左旋偏波及び右旋偏波の軸比を周波数領域で示したグラフである。

図１０及び図１１に示すように、前記円偏波アンテナから放射される右旋偏波の実効利得１０１０及び左旋偏波の実効利得１０２０は、中心周波数になり得る５．２４ＧＨｚで１７ｄＢ以上の値を有する。そして、前記円偏波アンテナから放射される右旋偏波の軸比１１１０及び左旋偏波の軸比１１２０は、中心周波数になり得る５．２４ＧＨｚで０．５ｄＢ以下の値を有する。このように、給電アンテナのスーパーストレートに複数の導電性構造体が配列された円偏波アンテナは、放射される左旋偏波及び右旋偏波がアンテナの利得及び軸比を向上させることが分かる。

図１２及び図１３は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの二重円偏波利得及び軸比を示したグラフである。ここで、図１２は、本発明の実施形態によって前記円偏波アンテナから放射される二重円偏波の実効利得を周波数領域で示したグラフであり、図１３は、本発明の実施形態によって前記円偏波アンテナから放射される二重円偏波の軸比を周波数領域で示したグラフである。

図１２及び図１３に示すように、前記円偏波アンテナは、前述した図５及び図６において説明したように、ｙ偏波を放射する第１の給電アンテナ及びｘ偏波を放射する第２の給電アンテナを用いて右旋偏波及び左旋偏波を有する二重円偏波を放射する。そして、前記円偏波アンテナから放射される二重円偏波のうち、右旋偏波の実効利得１２１０及び左旋偏波の実効利得１２２０は、中心周波数になり得る５．３ＧＨｚで１６．５ｄＢ以上の値を有する。そして、前記円偏波アンテナから放射される二重円偏波のうち、右旋偏波の軸比１３１０及び左旋偏波の軸比１３２０は、中心周波数になり得る５．３ＧＨｚで１．５ｄＢ以下の値を有する。このように、給電アンテナのスーパーストレートに複数の導電性構造体が配列された円偏波アンテナは、放射される二重円偏波の左旋偏波及び右旋偏波がアンテナの利得及び軸比を向上させことが分かる。それでは、ここで、図１４を参照して本発明の実施形態に係る円偏波アンテナの製造過程をより具体的に説明する。

図１４は、本発明の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの製造過程を概略的に示した図である。

図１４に示すように、ステップ１４１０において、所定の誘電率を有する誘電体基板上に複数の導電性構造体、すなわち、複数のパッチを形成する。このとき、前記複数の導電性構造体は、所定方向に配列されて形成され、線形偏波が給電される場合、円偏波を発生して放射するように四角パッチで向かい合う対角方向の対称角が相互平行に除去されて形成される。ここで、前記複数の導電性構造体は、円偏波アンテナの動作周波数と、アンテナ利得と、偏波特性とに応じて様々な大きさ及び形状を有することができ、前記導電性構造体が配列される誘電体基板は、アンテナ利得をさらに向上させるために、より大きいサイズを有し、長方形、正方形、円、楕円形、及び台形など、様々な形状を有することができる。

また、前記誘電体基板の下部にｘ偏波が放射されて給電されると、前記複数の導電性構造体及び前記誘電体基板は、左旋偏波を放射する円偏波アンテナになり、前記誘電体基板の下部にｙ偏波が放射されて給電されると、前記複数の導電性構造体及び前記誘電体基板は、右旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。すなわち、前記複数の導電性構造体に各々対応する個別給電でない、少数の給電によって前記複数の導電性構造体及び誘電体基板が円偏波を放射することにより、実現される円偏波アンテナは構造が単純になり、また、給電される場合、前記誘電体基板のみならず、前記誘電体基板に配列された複数の導電性構造体が円偏波を放射してアンテナ利得が向上する。

次に、ステップ１４２０において、前記誘電体基板及び該誘電体基板に配列された複数の導電性構造体に給電する給電アンテナの位置及び個数を決定する。すなわち、前記誘電体基板及び該誘電体基板に配列された複数の導電性構造体の左旋偏波放射と、右旋偏波放射と、二重円偏波放射などを考慮して給電アンテナの位置及び個数を決定する。

ここで、前記誘電体基板及び該誘電体基板に配列された複数の導電性構造体が左旋偏波または右旋偏波を放射する場合、図４に示すように、前記複数の導電性構造体が配列された誘電体基板をスーパーストレートとし、前記誘電体基板の下部に所定距離離隔した状態で、前記誘電体基板の下部の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となる１つの給電アンテナが形成されるように決定、すなわち、１つの誘電体基板上に１つの給電アンテナを形成して、第１の給電または第２の給電によってｘ偏波を放射するか、またはｙ偏波を放射するように決定する。前記１つの給電アンテナが形成される誘電体基板は、接地基板上に形成された誘電体基板であって、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短いか、または長い。

また、前記誘電体基板及び該誘電体基板に配列された複数の導電性構造体が二重円偏波を放射する場合、図５に示すように、前記複数の導電性構造体が配列された誘電体基板をスーパーストレートとし、前記誘電体基板の下部に所定距離離隔した状態で、前記誘電体基板の下部の中心地点からＹ軸に所定距離離隔した地点が給電点となる第１の給電アンテナと、Ｘ軸に所定距離離隔した地点が給電点となる第２の給電アンテナとが形成されるように決定、すなわち、接地基板上に形成された１つの誘電体基板上に第１の給電アンテナ及び第２の給電アンテナを形成して、ｘ偏波及びｙ偏波を放射するように決定する。

ここで、前記誘電体基板及び該誘電体基板に配列された複数の導電性構造体が二重円偏波を放射する場合、図６において説明したように、接地基板上に形成された２つの誘電体基板上に各々対応する第１の給電アンテナ及び第２の給電アンテナを形成して、ｘ偏波及びｙ偏波を放射するように決定することができる。このとき、前記第１の給電アンテナは、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより長い誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように決定され、前記第２の給電アンテナは、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短い誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように決定される。

次に、ステップ１４３０において、前述したような給電アンテナの位置及び個数の決定によって、前記複数の導電性構造体が配列された誘電体基板と所定の距離ｈの分だけ下部に離隔して位置する接地基板上の誘電体基板上に給電アンテナを形成する。すなわち、前記誘電体基板及び該誘電体基板に配列された複数の導電性構造体が左旋偏波または右旋偏波を放射するように１つの給電アンテナに決定されれば、前記接地基板上に形成され、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短いか、または長い誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となる１つの給電アンテナを形成する。このとき、前記複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は、前記給電アンテナのスーパーストレートとなる。

ここで、前記誘電体基板のＹ軸における長さがＸ軸における長さより短ければ、前記給電アンテナはｘ偏波を放射し、前記放射されたｘ偏波が給電されて、前記複数の導電性構造体及び該複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は左旋偏波を放射する。そして、前記誘電体基板のＹ軸における長さがＸ軸における長さより長ければ、前記給電アンテナはｙ偏波を放射し、前記放射されたｙ偏波が給電されて、前記複数の導電性構造体及び該複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は右旋偏波を放射する。

また、前記誘電体基板及び該誘電体基板に配列された複数の導電性構造体が二重円偏波を放射するように、１つの誘電体基板上に２つの給電アンテナに決定されれば、前記接地基板上に形成された誘電体基板上の中心地点からＹ軸に所定距離離隔した地点が給電点となる第１の給電アンテナと、Ｘ軸に所定距離離隔した地点が給電点となる第２の給電アンテナとを形成する。このとき、前記複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は、前記第１の給電アンテナ及び第２の給電アンテナのスーパーストレートとなる。

ここで、前記第１の給電アンテナはｙ偏波を放射し、前記放射されたｙ偏波が給電されて、前記複数の導電性構造体及び該複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は右旋偏波を放射する。そして、前記第２の給電アンテナはｘ偏波を放射し、前記放射されたｘ偏波が給電されて、前記複数の導電性構造体及び該複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は左旋偏波を放射する。このように、前記複数の導電性構造体及び該複数の導電性構造体が配列された誘電体基板が左旋偏波及び右旋偏波を放射することにより、二重円偏波が放射される。

そして、前記誘電体基板及び該誘電体基板に配列された複数の導電性構造体が二重円偏波を放射するように、２つの誘電体基板上に各々対応する２つの給電アンテナに決定されれば、前記接地基板上に形成され、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより長い誘電体基板上に第１の給電アンテナを形成し、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短い誘電体基板上に第２の給電アンテナを形成する。このとき、前記第１の給電アンテナ及び第２の給電アンテナは、誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となる位置に各々形成される。そして、前記複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は、前記第１の給電アンテナ及び第２の給電アンテナのスーパーストレートとなる。

ここで、前記第１の給電アンテナはｙ偏波を放射し、前記放射されたｙ偏波が給電されて、前記複数の導電性構造体及び該複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は右旋偏波を放射する。そして、前記第２の給電アンテナはｘ偏波を放射し、前記放射されたｘ偏波が給電されて、前記複数の導電性構造体及び該複数の導電性構造体が配列された誘電体基板は左旋偏波を放射する。このように、前記複数の導電性構造体及び該複数の導電性構造体が配列された誘電体基板が左旋偏波及び右旋偏波を放射することにより、二重円偏波が放射される。

次に、ステップ１４４０において、前記複数の導電性構造体が形成された誘電体基板と少なくとも１つ以上の給電アンテナが形成された少なくとも１つ以上の誘電体基板とを結合して、左旋偏波または右旋偏波を放射するか、または左旋偏波及び右旋偏波の二重円偏波を放射する円偏波アンテナを形成する。それでは、ここで、図１５を参照して本発明の他の実施形態に係る円偏波アンテナの配列をより具体的に説明する。

図１５は、本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの配列アンテナ構造を概略的に示した図である。ここで、図１５は、本発明の他の実施形態によって単位アンテナのスーパーストレートを順次配列した円偏波アンテナの配列アンテナを示したものである。

図１５に示すように、前記円偏波アンテナの配列アンテナは、単位アンテナの配列方式によって２つの形の配列、すなわち、第１の配列と第２の配列とを有し、前記第１の配列については、図１６を参照してより具体的に説明し、前記第２の配列については、図１７を参照してより具体的に説明する。

前記配列アンテナは、複数の導電性構造体１５４０、すなわち、複数のパッチが配列された第１の単位アンテナのスーパーストレート１５３０を基準として、複数の単位アンテナのスーパーストレート１５１０、１５３０、１５５０、１５７０を時計方向に０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜に回転して形成するか、または反時計方向に０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜に回転して形成する。ここで、複数の単位アンテナのスーパーストレート１５１０、１５３０、１５５０、１５７０には、複数の導電性構造体１５２０、１５４０、１５６０、１５８０が各々配列されている。

このように、複数の単位アンテナのスーパーストレート１５１０、１５３０、１５５０、１５７０が時計方向または反時計方向に回転して形成された配列アンテナは、図１５に示したように同じ形状を有し、このとき、時計方向または反時計方向に回転して形成された配列アンテナは、右旋偏波または左旋偏波を放射する。すなわち、前記配列アンテナは、単位アンテナに含まれた給電アンテナの給電、言い替えれば、第１の給電または第２の給電の順次配列によって左旋偏波を放射する円偏波アンテナになるか、または右旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。それでは、ここで、図１６及び図１７を参照して本発明の他の実施形態に係る円偏波アンテナの配列アンテナをより具体的に説明する。

図１６及び図１７は、本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの配列アンテナ配列構造を概略的に示した図である。ここで、図１６は、本発明の他の実施形態によって単位アンテナの第１の配列により形成された配列アンテナを示したものであり、図１７は、本発明の他の実施形態によって単位アンテナの第２の配列により形成された配列アンテナを示したものである。

図１６に示すように、前記配列アンテナは、前記第２の給電４５０によってｘ偏波が給電され、左旋偏波を放射する４個の単位アンテナ１６１０、１６３０、１６５０、１６７０が、反時計方向または時計方向に回転して形成される。言い替えれば、前記第２の給電４５０によって左旋偏波を放射する第１の単位アンテナ１６１０を０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜に順次配列して左旋偏波を放射する第１の配列の配列アンテナを形成する。ここで、前記配列アンテナは、第１の単位アンテナ１６１０を基準として各々の単位アンテナ１６１０、１６３０、１６５０、１６７０が０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の位相差を有する。

前記配列アンテナは、左旋偏波を放射する円偏波アンテナになり、各々の単位アンテナ１６１０、１６３０、１６５０、１６７０は、ｘ偏波を放射する各々の給電アンテナ１６２０、１６４０、１６６０、１６８０の給電によって左旋偏波を放射する。それにより、配列アンテナを形成する各々の単位アンテナ１６１０、１６３０、１６５０、１６７０のスーパーストレートに配列された複数の導電性構造体が円偏波を放射し、前記各々の単位アンテナ１６１０、１６３０、１６５０、１６７０が円偏波を放射するだけでなく、配列アンテナも円偏波を放射する。その結果、前記配列アンテナは、少数の給電アンテナで高利得を有する単純な構造の円偏波アンテナになる。

図１７に示すように、前記配列アンテナは、前記第１の給電４００によってｙ偏波が給電され、右旋偏波を放射する４個の単位アンテナ１７１０、１７３０、１７５０、１７７０が、反時計方向または時計方向に回転して形成される。言い替えれば、前記第１の給電４００によって右旋偏波を放射する第１の単位アンテナ１７１０を０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜に順次配列して右旋偏波を放射する第２の配列の配列アンテナを形成する。ここで、前記配列アンテナは、第１の単位アンテナ１７１０を基準として各々の単位アンテナ１７１０、１７３０、１７５０、１７７０が０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の位相差を有する。

前記配列アンテナは、右旋偏波を放射する円偏波アンテナになり、各々の単位アンテナ１７１０、１７３０、１７５０、１７７０は、ｙ偏波を放射する各々の給電アンテナ１７２０、１７４０、１７６０、１７８０の給電によって右旋偏波を放射する。それにより、配列アンテナを形成する各々の単位アンテナ１７１０、１７３０、１７５０、１７７０のスーパーストレートに配列された複数の導電性構造体が円偏波を放射し、前記各々の単位アンテナ１７１０、１７３０、１７５０、１７７０が円偏波を放射するだけでなく、配列アンテナも円偏波を放射する。その結果、前記配列アンテナは、少数の給電アンテナで高利得を有する単純な構造の円偏波アンテナになる。それでは、ここで、図１８〜図２１を参照して本発明の実施形態によって順次配列で実現された円偏波アンテナの利得及び軸比をより具体的に説明する。

図１８及び図１９は、本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの単位アンテナ軸比及び利得を示したグラフである。ここで、図１８は、本発明の他の実施形態によって前記単位アンテナから放射される左旋偏波及び右旋偏波の軸比を周波数領域で示したグラフであり、図１９は、本発明の他の実施形態によって前記単位アンテナから放射される左旋偏波及び右旋偏波の実効利得を周波数領域で示したグラフである。

図１８及び図１９に示すように、前記単位アンテナから放射される右旋偏波のアンテナ軸比１８１０及び左旋偏波のアンテナ軸比１８２０は、５．２４ＧＨｚで０．５ｄＢであり、３ｄＢ軸比帯域幅は２．４％を有する。そして、前記単位アンテナから放射される右旋偏波の実効利得１９１０及び左旋偏波の実効利得１９２０は、中心周波数である５．２４ＧＨｚで１７．０５ｄＢであり、３ｄＢ帯域幅は６．８％を有する。

図２０及び図２１は、本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの配列アンテナ軸比及び利得を示したグラフである。ここで、図２０は、本発明の他の実施形態によって前記配列アンテナから放射される左旋偏波及び右旋偏波の軸比を周波数領域で示したグラフであり、図２１は、本発明の他の実施形態によって前記配列アンテナから放射される左旋偏波及び右旋偏波の実効利得を周波数領域で示したグラフである。

図２０及び図２１に示すように、前記配列アンテナから放射される右旋偏波のアンテナ軸比２０１０及び左旋偏波のアンテナ軸比２０２０は、５．２４ＧＨｚで０．００５ｄＢであり、３ｄＢ軸比帯域幅は、２８％以上の値を有する。そして、前記配列アンテナから放射される右旋偏波の実効利得２１１０及び左旋偏波の実効利得２１２０は、５．１ＧＨｚで２２．６１ｄＢであり、３ｄＢ帯域幅は５．７％を有する。

このように、単位アンテナが順次配列された配列アンテナにおいて、アンテナの利得、軸比、及び３ｄＢ軸比帯域幅が向上する。すなわち、本発明の他の実施形態によって順次配列した円偏波アンテナは、従来の一般的なパッチを用いた配列アンテナとは異なる配列によって各々の単位アンテナ利得をパッチアンテナより向上させ、それにより、少数の給電アンテナを用いて高利得の円偏波アンテナを取得する。言い替えれば、一般的なパッチアンテナの利得は６ｄＢであるため、２４ｄＢのアンテナ利得を取得するためには、少なくとも６４個のパッチアンテナで配列しなければならないが、本発明の他の実施形態に係る円偏波アンテナは、単位アンテナの利得が１７ｄＢであるため、このような４個の単位アンテナを配列すれば、２２．６ｄＢの高いアンテナ利得を取得する。すなわち、本発明の他の実施形態に係る円偏波アンテナは、１つの給電アンテナによる給電によって円偏波を放射する個別アンテナ、すなわち、単位アンテナの利得が１７．０５ｄＢを有するので、単に４個の単位アンテナを順次配列して２２．６１ｄＢの高利得を有する配列アンテナを容易に実現することができる。それでは、ここで、図２２を参照して本発明の他の実施形態に係る順次配列した円偏波アンテナの製造過程をより具体的に説明する。

図２２は、本発明の他の実施形態に係る無線通信システムにおいて、円偏波アンテナの製造過程を概略的に示した図である。

図２２に示すように、ステップ２２１０において、接地基板上に形成された誘電体基板に１つの給電アンテナを形成する。ここで、前記給電アンテナは、前記誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点を給電点として形成され、前記形成された地点、すなわち、給電点によって第１の給電４００または第２の給電４５０が決定されて、前記給電アンテナは、ｘ偏波を放射するか、またはｙ偏波を放射するようになる。

次に、ステップ２２２０において、上面に誘電体基板及び給電アンテナが形成された接地基板から上部に所定距離ｈ離隔して位置する誘電体基板をスーパーストレートとして、前記給電アンテナのスーパーストレートに複数の導電性構造体、すなわち、複数のパッチを形成する。このとき、前記複数の導電性構造体は、所定方向に配列されて形成され、線形偏波が給電される場合、円偏波を発生して放射するように四角パッチで向かい合う対角方向の対称角が相互平行に除去されて形成される。ここで、前記複数の導電性構造体は、円偏波アンテナの動作周波数と、アンテナ利得と、偏波特性とに応じて様々な大きさ及び形状を有することができ、前記スーパーストレートは、アンテナ利得をさらに向上させるために、より大きいサイズを有し、長方形、正方形、円、楕円形、及び台形など、様々な形状を有することができる。

また、前記給電アンテナがｘ偏波を放射して、前記スーパーストレートに給電されると、前記複数の導電性構造体及び前記スーパーストレートは、左旋偏波を放射する円偏波アンテナになり、前記給電アンテナがｙ偏波を放射して、前記スーパーストレートに給電されると、前記複数の導電性構造体及び前記スーパーストレートは、右旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。すなわち、１つの給電アンテナ及び前記複数の導電性構造体が形成された前記給電アンテナのスーパーストレートによって１つの単位アンテナが形成され、前記単位アンテナは円偏波アンテナになる。このとき、前記複数の導電性構造体は、１つの給電アンテナによって給電されることにより、アンテナの構造が単純になり、給電される場合、スーパーストレートだけでなく、前記スーパーストレートに配列された複数の導電性構造体が円偏波を放射してアンテナ利得が向上する。

次いで、ステップ２２３０において、前述したように形成された複数個の単位アンテナを所定の位相差で、例えば、４個の単位アンテナを時計方向または反時計方向に０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜に回転、すなわち、１つの単位アンテナを基準として４個の単位アンテナを０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜に順次配列する。このように、複数の単位アンテナを位相差を有するように順次配列することにより、配列アンテナが形成され、配列された各単位アンテナに含まれた給電アンテナの給電により、前記配列アンテナは左旋偏波または右旋偏波を放射する。

言い替えれば、ｘ偏波を放射する給電アンテナが各々含まれた複数の単位アンテナを順次配列して形成された配列アンテナは、左旋偏波を放射する円偏波アンテナになり、ｙ偏波を放射する給電アンテナが各々含まれた複数の単位アンテナを順次配列して形成された配列アンテナは、右旋偏波を放射する円偏波アンテナになる。ここで、ｘ偏波が給電されると、配列アンテナ及び複数の単位アンテナのみならず、前記複数の単位アンテナに含まれた複数の導電性構造体が左旋偏波を放射し、ｙ偏波が給電されると、配列アンテナ及び複数の単位アンテナのみならず、前記複数の単位アンテナに含まれた複数の導電性構造体が左旋偏波を放射する。また、少数の給電アンテナによって給電されることにより、アンテナの複雑度を最小化し、給電される場合、配列アンテナ及び該配列アンテナを形成する複数のスーパーストレートのみならず、前記複数のスーパーストレートに配列された複数の導電性構造体が円偏波を放射してアンテナ利得が向上する。

一方、本発明の詳細な説明では具体的な実施形態に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱しない限度内で様々な変形が可能であることはもちろんである。したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態に限定されて決められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なもの等によって決められなければならない。

Claims (20)

1. 無線通信システムにおける円偏波アンテナであって、
   少なくとも１つ以上の接地基板上で所定地点に位置する少なくとも１つ以上の給電アンテナと、
   該給電アンテナの上部に前記接地基板から所定距離離隔して位置するスーパーストレートに複数の導電性構造体が所定方向に配列された単位アンテナと、
   を備え、
   前記給電アンテナが線形偏波を放射すれば、前記複数の導電性構造体及び前記単位アンテナは円偏波を各々放射することを特徴とする円偏波アンテナ。
2. 前記給電アンテナがｘ偏波を放射すれば、前記複数の導電性構造体及び前記単位アンテナは左旋偏波を各々放射することを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
3. 前記ｘ偏波が、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短い形状を有する前記接地基板上の中心地点から所定距離離隔した地点を給電点とする給電アンテナから放射されることを特徴とする請求項２に記載の円偏波アンテナ。
4. 前記ｘ偏波を放射する給電アンテナを含む前記複数個の単位アンテナが０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の位相差を有するように順次配列された配列アンテナを備え、
   前記複数個の単位アンテナ及び前記配列アンテナが、前記左旋偏波を各々放射することを特徴とする請求項２に記載の円偏波アンテナ。
5. 前記給電アンテナがｙ偏波を放射すれば、前記複数の導電性構造体及び前記単位アンテナは右旋偏波を各々放射することを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
6. 前記ｙ偏波が、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより長い形状を有する前記接地基板上の中心地点から所定距離離隔した地点を給電点とする給電アンテナから放射されることを特徴とする請求項５に記載の円偏波アンテナ。
7. 前記ｙ偏波を放射する給電アンテナを含む前記複数個の単位アンテナが０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の位相差を有するように順次配列された配列アンテナを備え、
   前記複数個の単位アンテナ及び前記配列アンテナが、前記右旋偏波を各々放射することを特徴とする請求項５に記載の円偏波アンテナ。
8. 前記少なくとも１つ以上の接地基板のうち、第１の接地基板上に形成された少なくとも２つ以上の給電アンテナがｘ偏波及びｙ偏波を各々放射すれば、前記複数の導電性構造体及び前記単位アンテナが、左旋偏波及び右旋偏波を各々放射することを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
9. 前記ｙ偏波が、前記第１の接地基板上の中心地点からＹ軸方向に所定距離離隔した地点を給電点とする第１の給電アンテナから放射され、
   前記ｘ偏波が、前記第１の接地基板上の中心地点からＸ軸方向に所定距離離隔した地点を給電点とする第２の給電アンテナから放射されることを特徴とする請求項８に記載の円偏波アンテナ。
10. 前記少なくとも１つ以上の接地基板のうち、第１の接地基板上に形成された第１の給電アンテナ及び第２の接地基板上に形成された第２の給電アンテナがｘ偏波及びｙ偏波を各々放射すれば、前記複数の導電性構造体及び前記単位アンテナが、左旋偏波及び右旋偏波を各々放射することを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
11. 前記第１の接地基板が、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより長い形状を有し、前記第１の給電アンテナが、前記第１の接地基板上の中心地点から所定距離離隔した地点を給電点として前記ｙ偏波を放射することを特徴とする請求項１０に記載の円偏波アンテナ。
12. 前記第２の接地基板が、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短い形状を有し、前記第２の給電アンテナが、前記第２の接地基板上の中心地点から所定距離離隔した地点を給電点として前記ｘ偏波を放射することを特徴とする請求項１０に記載の円偏波アンテナ。
13. 前記複数の導電性構造体が、四角パッチで向かい合う対角方向の対称角が相互平行に除去された形状を有することを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
14. 前記複数の導電性構造体が、前記給電アンテナから前記線形偏波が間接給電され、前記間接給電された線形偏波に対応した互いに異なる円偏波を放射することを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
15. 前記複数の導電性構造体が、円偏波アンテナの動作周波数と、アンテナ利得と、偏波特性とに応じて大きさ及び形状が決定されることを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
16. 無線通信システムにおける円偏波アンテナの製造方法であって、
    接地基板から所定距離離隔して上部に位置した第１の誘電体基板上に複数の導電性構造体を所定方向に配列するステップと、
    前記接地基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように、前記接地基板上の所定地点に給電アンテナを形成するステップと、
    を含み、
    前記接地基板が、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより長い形状を有すると、前記給電アンテナからｙ偏波が放射されて、前記誘電体基板及び前記複数の導電性構造体から右旋偏波が各々放射され、前記接地基板が、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短い形状を有すると、前記給電アンテナからｘ偏波が放射されて、前記誘電体基板及び前記複数の導電性構造体から左旋偏波が各々放射されることを特徴とする円偏波アンテナの製造方法。
17. 前記所定方向に配列するステップが、四角パッチで向かい合う対角方向の対称角が相互平行に除去された形状で前記複数の導電性構造体を形成することを特徴とする請求項１６に記載の円偏波アンテナの製造方法。
18. 前記給電アンテナを形成するステップが、前記接地基板上の中心地点からＹ軸に所定距離離隔した地点が給電点となるように、前記接地基板上の所定地点に第１の給電アンテナを形成し、前記接地基板上の中心地点からＸ軸に所定距離離隔した地点が給電点となるように、前記接地基板上の所定地点に第２の給電アンテナを形成し、
    前記第１の給電アンテナから前記ｙ偏波が放射されて、前記誘電体基板及び前記複数の導電性構造体から前記右旋偏波が各々放射され、
    前記第２の給電アンテナから前記ｘ偏波が放射されて、前記誘電体基板及び前記複数の導電性構造体から前記左旋偏波が各々放射されることを特徴とする請求項１６に記載の円偏波アンテナの製造方法。
19. 前記給電アンテナを形成するステップが、前記接地基板上に位置し、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより長い形状を有する第２の誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように、前記第２の誘電体基板上の所定地点に第１の給電アンテナを形成し、前記接地基板上に位置し、Ｙ軸における長さがＸ軸における長さより短い形状を有する第３の誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように、前記第３の誘電体基板上の所定地点に第２の給電アンテナを形成し、
    前記第１の給電アンテナから前記ｙ偏波が放射されて、前記第１の誘電体基板及び前記複数の導電性構造体から前記右旋偏波が各々放射され、
    前記第２の給電アンテナから前記ｘ偏波が放射されて、前記第１の誘電体基板及び前記複数の導電性構造体から前記左旋偏波が各々放射されることを特徴とする請求項１６に記載の円偏波アンテナの製造方法。
20. 無線通信システムにおける円偏波アンテナの製造方法であって、
    接地基板上に第１の誘電体基板を形成するステップと、
    該第１の誘電体基板上の所定地点に給電アンテナを形成するステップと、
    該給電アンテナの上部に前記接地基板から所定距離離隔させて第２の誘電体基板を位置させるステップと、
    該第２の誘電体基板上に四角パッチで向かい合う対角方向の対称角が相互平行に除去された形状を有する複数の導電性構造体を所定方向に配列するステップと、
    前記複数の導電性構造体が配列された複数個の第２の誘電体基板を所定の位相差を有するように順次配列するステップと、
    を含み、
    前記給電アンテナからｘ偏波が放射されると、前記複数の導電性構造体と、該複数の導電性構造体が配列された第２の誘電体基板と、前記順次配列された複数の第２の誘電体基板とから左旋偏波が各々放射され、前記給電アンテナからｙ偏波が放射されると、前記複数の導電性構造体と、該複数の導電性構造体が配列された第２の誘電体基板と、前記順次配列された複数の第２の誘電体基板とから右旋偏波が各々放射され、前記順次配列するステップが、前記ｘ偏波または前記ｙ偏波を放射する給電アンテナの上部に位置した複数個の第２の誘電体基板を０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の位相差を有するように順次配列し、前記給電アンテナを形成するステップが、Ｙ軸における長さとＸ軸における長さとが互いに異なる形状を有する前記第１の誘電体基板上の中心地点から所定距離離隔した地点が給電点となるように、前記第１の誘電体基板上の所定地点に前記ｘ偏波または前記ｙ偏波の給電アンテナを形成することを特徴とする円偏波アンテナの製造方法。

Images