KR20170046592A

KR20170046592A - 배열 안테나

Info

Publication number: KR20170046592A
Application number: KR1020160136697A
Authority: KR
Inventors: 김강욱; 강윤수
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-05-02
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: KR101865135B1

Abstract

복수의 방사 부재가 배열된 배열 안테나가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 안테나는 상기 배열 안테나의 상부를 형성하는 제1 기판 및 제1 기판에 마련되는 복수의 방사 부재를 포함하는 제1 계층, 상기 배열 안테나의 하부를 형성하는 제2 기판 및 제2 기판에 마련되어 상기 복수의 방사 부재로 출력을 공급하는 급전선을 포함하는 제2 계층 및 상기 제1 계층과 제2 계층 사이에 형성되고, 접지 평면 및 접지 평면에 마련되는 개구면을 포함하는 제3 계층을 포함한다.

Description

배열 안테나{Array Antenna}

본 발명은 안테나 중 다수의 안테나를 소정의 방식으로 배열하여 사용하는 배열 안테나에 관한 것이다. 상세하게는 주파수 변화에 의해 안테나 빔을 전자식으로 조향하는 직렬급전 위상배열안테나에 관한 것이다.

일반적으로 무선 통신 시스템에서 안테나는 신호를 송신 및 수신하기 위한 수단으로 사용되며, 사용되는 주파수에 대응하여 안테나의 길이를 결정한다. 이러한 안테나들은 기술이 발전하면서 다양한 소재와 형태로 발전하고 있으며, 현재에는 다수의 안테나를 사용하는 방식들에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.

안테나 기술들 중 현재 다수의 안테나를 소정의 방식으로 배열하여 사용하는 배열(array) 안테나가 많이 사용된다. 이러한 배열 안테나는 다수 개의 방사소자를 사용하여 좁은 빔폭을 형성하여 신호를 송신하는 장치이다. 그런데, 배열 안테나를 광대역의 주파수에서 사용하는 경우 사용하는 피드네트워크에 따라 빔 방향, 효율, 단가 등에서 서로 다른 특성을 갖는다.

일반적으로 병렬급전 피드네트워크를 사용하면 송신하고자 하는 주파수가 변하여도 빔의 방향은 고정되어 있다. 그러나 피드네트워크의 전체 길이가 길어짐으로 인하여, 유전체 기판을 사용하여 전송선로를 구성한 경우에는 전송선로에 의한 손실이 커져서 효율이 떨어진다. 또한 병렬급전 피드네트워크에서 도파관을 사용하여 전송선로를 구성한 경우에는 피드네트워크가 복잡해짐으로 인하여 제작이 곤란해지며, 제작 단가가 상승하는 문제를 초래한다.

반면에 직렬급전 피드네트워크를 사용하면 위에서 언급한 효율 저하와 제작의 곤란성을 줄일 수 있으며, 단가 상승 등을 해결할 수 있다. 그러나, 직렬급전 피드네트워크를 사용하면 주파수가 변함에 따라 방사소자에 급전되는 송신 신호 즉, 전자파의 위상도 함께 변하여 주빔의 방향도 달라지게 된다. 이는 곧 주파수에 따른 이득이 큰 폭으로 변하여 송신과 수신에 영향을 준다. 특히 고이득 배열안테나의 경우에 빔폭이 매우 좁으므로 이 영향은 더욱 크며, 이에 대한 해결책이 필요하다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 위상배열안테나에서 일반적으로 사용되는 위상천이기 또는 물리적 기계장치 없이 인가되는 신호의 주파수를 변화시켜 안테나 빔을 전자식으로 조향하는 위상배열안테나를 제안한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 안테나는 상기 배열 안테나의 상부를 형성하는 제1 기판 및 제1 기판에 마련되는 복수의 방사 부재를 포함하는 제1 계층, 상기 배열 안테나의 하부를 형성하는 제2 기판 및 제2 기판에 마련되어 상기 복수의 방사 부재로 출력을 공급하는 급전선을 포함하는 제2 계층 및 상기 제1 계층과 제2 계층 사이에 형성되고, 접지 평면 및 접지 평면에 마련되는 개구면을 포함하는 제3 계층을 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 위상배열안테나는 개구면 커플링을 이용하여 급전선에서 발생하는 기생복사를 제거할 수 있으며, 넓은 대역폭 동작 및 향상된 편파특성의 순도를 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상배열안테나는 안테나 편파방향을 45도 기울여 맞은편 차량에서 오는 전자파와 간섭효과가 제거될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상배열안테나는 안테나를 직렬배열하여 주파수 변형에 따른 안태나 빔 조향이 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 위상배열안테나는 안테나 소자의 복사량을 조절하여 안테나 부엽의 크기를 낮추어 타겟과 비타겟 검출에 유리한 안테나 빔을 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나, 구체적으로 직렬급전 안테나를 위에서 바라본 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A'의 단면을 측면에서 바라본 도면이다.
도 3은 도 1의 A-A'단면을 중심으로 안테나의 구성을 3차원으로 나타내는 도면이다.
도 4는 급전선(132)의 길이 변화에 따른 주파수 변경과 빔각 진행방향간의 관계를 나타낸다.
도 5는 도 1에서 B 영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에서 설명한 방사 부재 편파방향에 따른 전자파 간섭 효과 제거의 차이를 나타낸다.
도 7는 실시예의 직렬 배열 안테나에서 델타주파수 방식의 주파수 스캐닝 어레이(Frequency scanning array)가 적용된 것을 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 9는 도 7의 직렬 배열 안테나에서 델타주파수 방식의 주파수 스캐닝 어레이(Frequency scanning array)가 적용되기 전과 후를 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10는 안테나에 구성되는 소자들의 크기를 테이퍼링(tapering)한 실시예를 나타낸다.
도 11은 안테나에서 방사되는 빔의 개략적인 형태를 나타낸다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상은 이하에 제시되는 구체적인 실시예로 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상에 포함된다고 할 것이다.

본 발명은 배열안테나에 인가하는 주파수를 변경하여, 직렬로 배열된 안테나소자 사이에서 위상 차이가 발생하도록 45도 기울어진 상태로 안테나 빔을 조향할 수 있는 직렬급전 위상배열 안테나에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나, 구체적으로 직렬급전 안테나를 위에서 바라본 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 안테나(1)는 직렬로 배열된 복수의 방사 부재, 기판, 개구면 및 급전선을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 안테나(1)는 3개의 레이어로 구별될 수 있다. 각각의 레이어에 대한 상세한 설명은 이하 도 2에서 설명한다.

도 2는 도 1의 A-A'의 단면을 측면에서 바라본 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나는 제1 레이어(110), 제2 레이어(120) 및 제3 레이어(130)로 구별될 수 있다.

제1 레이어(110)는 안테나의 상부를 형성한다. 제1 레이어(110)는 제1 기판(111) 및 방사부재(112)를 포함할 수 있다. 여기에서 제1 기판(111)은 안테나 기판(Antenna substrate)이라로 지칭될 수 있다. 또한, 방사 부재(Radiating element)(112)가 제1 기판에 마련될 수 있다. 방사 부재(112)는 안테나 빔(beam)을 방사하는 구성이다. 일 실시 예에서, 방사 부재는 제1 기판(110)의 상부에 마련될 수 있다.

상기 방사 부재(112)는 급전선(132)의 연장방향(Y축 방향)으로 복수개가 직렬 배열된다. 그리고, 각각의 방사부재(112) 크기는 서로 상이하도록 형성될 수 있고, 그 형상 또한 상이하게 형성될 수 있다.

한편, 제3 레이어는(130)는 안테나의 하부를 형성하는데, 제2 기판(131) 및 급전선(132)를 포함할 수 있다. 여기에서, 제2 기판(131)은 제1 기판(111)의 하단에 마련될 수 있다. 그리고, 제1 기판과 제2 기판 사이에 제2 레이어(120)가 존재한다. 제2 기판(131)의 하면에는 상기 방사 부재(112)의 배치 방향에 따라 연장 형성되는 급전선(Feedline)(132)이 형성될 수 있다.

제2 레이어(120)는 접지 평면(Ground plane)(121) 및 개구면(Aperture slot)(122)을 포함할 수 있다. 종래의 구조에서는 안테나에 송신기의 출력을 공급하는 급전 모드시 급전선에서의 기생복사가 발생한다. 접지 평면(121)은 급전선(132)에서 발생할 수 있는 기생 복사를 쉴딩할 수 있다. 구체적으로 접지 평면(121)에 마련된 개구면(121)을 통해 개구면 커플링이 발생하여 급전선에서 발생하는 기생복사를 방지할 수 있다. 따라서, 제2 레이어는 배열 안테나의 넓은 대역폭 동작 및 편파 특성의 순도를 향상시킬 수 있다. 한편, 개구면(122)은 도 1과 같이 상부에서 보았을 때 방사 부재 내부 영역에 포함되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나는 도 2에서와 같이 개구면을 통한 커플링(Aperture-coupling)을 이용함으로써, 복수의 서로 다른 형상으로 설계된 급전선(132)을 포함할 수 있다. 따라서 방사 부재(112) 사이를 연결하는 급전선(132)은 각각의 방사 부재(112)에 인가되는 위상 차이를 변화시키기 위해 다양한 길이로 설계될 수 있다. 예를 들면, 급전선(132)은 각각의 방사 부재(112)에 인가되는 위상 차이를 크게하여 비교적 적은 주파수 변경에도 많은 빔각을 조향하기 위해 일정 수준보다 상대적으로 길게 설계될 수 있다. 이 경우, 결과적으로 주파수의 변경값이 적어지므로 방사 부재(112)가 갖는 이득 특성의 변화를 줄일 수 있다.

도 3은 도 1의 A-A'단면을 중심으로 안테나의 구성을 3차원으로 나타내는 도면이다. 도 2에서 설명한 바와 같이, 제1 기판(111)에 복수의 방사 부재(112)가 직렬로 배열될 수 있다. 그리고, 제2 기판(131)에 급전선(132)이 마련될 수 있다. 그리고 제1 기판(111)과 제2 기판(131) 사이에 접지 평면(121)이 마련될 수 있으며, 접지 평면(121)에 방사 부재(112)를 따라 개구면(122)가 형성될 수 있다.

도 4는 급전선(132)의 길이 변화에 따른 주파수 변경과 빔각 진행방향간의 관계를 나타낸다. 여기에서 (a)는 마이크로스트립 방식의 급전 배열 안테나이다. (b)는 상대적으로 짧게 꼬인 급전선을 가지는 애퍼처 커플 배열 안테나이다. (c)는 상대적으로 길게 꼬인 급전선을 가지는 애퍼처 커플 배열 안테나이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 애퍼쳐 커플 방식이 적용된 배열 안테나(b,c)는 마이크로 스트립 방식(a)에 비해 주파수 변화에 따른 안테나 빔의 진행방향 변화율이 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 급전선이 꼬인 위치와 길이를 조절하여 주파수 변화에 따른 빔의 진행방향 변화율을 조절할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 도 1에서 B 영역을 확대하여 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나(1)의 방사 부재(112)는 급전선(132)에 대해 좌측으로 θ도 만큼 기울어지도록 배치될 수 있다. 이때, 방사 부재(112)들은 급전선(132)에 대해 좌측 또는 우측 중 어느 하나로 선택된 동일한 방향으로 기울어질 수 있다. 또한 기울어진 각도는 안테나를 차량에 탑재하였을 시, 맞은편 차량의 안테나에서 발생하는 전자파와의 간섭효과를 제거하기 위해서 안테나의 방사 부재 편파방향(θ)은 45도만큼 기울어지는 것이 바람직하다.

도 6은 도 5에서 설명한 방사 부재 편파방향에 따른 전자파 간섭 효과 제거의 차이를 나타낸다.

도 6에 도시된 바와 같이, 1 평면(A)과 2 평면(B)간의 이득차이가 방사 부재(132)가 기울어지지 않은 경우(a)와 방사 부재(132)가 기울어진 경우(b)에 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 (b)의 경우, 제1 평면(A)와 제2 평면(B)간의 이득 차이가 50dB 정도로 편파특성이 잘 나타남을 확인할 수 있다. 결과적으로 방사 부재(132)의 편파방향이 급전선(132)에 대하여 45도 기울어진 경우, 배열 안테나 맞은편에 동일하게 기울어진 배열 안테나가 존재하는 경우 배열 안테나들간에 발생되는 전자파 간섭효과가 제거됨을 확인할 수 있다.

도 7는 실시예의 직렬 배열 안테나에서 델타주파수 방식의 주파수 스캐닝 어레이(Frequency scanning array)가 적용된 것을 나타낸 도면이다. 델타주파수 방식의 주파수 스캐인 어레이란 각각의 방사 부재에 인가되는 주파수를 달리하여 방사 빔의 조향을 변경하는 것을 말한다.

급전선(132)에 인가되는 주파수를 변화시키면, 각각의 방사 부재(112)에 인가되는 위상이 일정한 차이를 가지게 되며, 일정한 위상 차에 따라 동위상면(A)(In-Phase-plane)이 조절되기 때문에 안테나 빔의 진행방향 조절이 가능하다. 다시 말해서, 복수의 방사 부재 각각에 인가되는 전류의 주파수를 서로 달리하여 인가하는 경우 각각의 방사 부재에 인가되는 위상이 일정한 차이를 가지게 된다. 결과적으로 위상이 일정한 차이를 갖게 되는바, 동위상면이 일정한 방향으로 기울어지게 된다.

??도 8 내지 도 9는 도 7의 직렬 배열 안테나에서 델타주파수 방식의 주파수 스캐닝 어레이(Frequency scanning array)가 적용되기 전과 후를 비교하여 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 8은 주파수 스캐닝 어레이가 적용되기 전/후를 비교하는 2차원 도면이고, 도 9는 주파수 스캐닝 어레이가 적용되기 전/후를 비교하는 3차원 도면이다.

도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 급전선(132)의 공진주파수(f_0)가 변화(ΔF)되면, 각각의 방사 부재(112)에 인가되는 위상이 일정한 차이를 가지게 된다. 도 8 내지 도 9에서의 적용후(applied Δf)(각 도면의 (b))를 참조하면, 방사 부재(112)들이 이루는 동위상면을 조절하여 안테나의 빔을 조향할 수 있다.

도 10는 안테나에 구성되는 소자들의 크기를 테이퍼링(tapering)한 실시예를 나타낸다. 도 10에 도시된바와 같이, 테이퍼링은 방사 부재(112)의 폭을 조절하여 복사량을 조절하는 방식(a) 또는 급전선(132)의 폭을 조절하여 임피던스 매칭으로 복사량을 조절하는 방식(b)일 수 있다.

도 10의 (a)를 참조하면, 실시예는 급전선을 따라 직렬 배치된 방사 부재(112)의 크기가 서로 상이하게 형성될 수 있다. 바람직하게는 중간에 배치된 방사 부재의 크기가 상대적으로 크고, 가장자리로 갈수록 방사부재의 크기가 상대적으로 작게 형성함으로써 복사량을 조절할 수 있다.

도 10의 (b)를 참조하면, 기판의 하면에 마련되며 Y축으로 연장된 급전선의 폭은 어느 한 방향에 대해 점차적으로 크게 형성될 수 있다. 바람직하게는 각각의 방사 부재 사이에서 그 폭이 변경되도록 설계되는 것이 바람직하다.

도 11은 안테나에서 방사되는 빔의 개략적인 형태를 나타낸다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 배열 안테나는 상술한 바와 같이 방사 부재의 크기 또는 급전선의 폭의 형상을 변경하여 안테나의 복사량을 조절함으로써, 안테나 부엽(lobe)의 크기를 조절할 수 있고 타겟과 비타겟 검출에 유리한 안테나 빔을 형성할 수 있다.

구체적으로, 안테나 빔 패턴에서, 안테나가 찾고자 하는 타겟은 주엽(main lobe)(1101)에 위치하고, 그 외의 대상인 비타겟은 부엽(side lobes)(1102)에 위치한다. 여기에서 주엽과 부엽의 안테나 이득 최대값간의 차이를 SLL(Side Low Level)이라고 하는데, SLL이 높을수록 배열안테나가 주엽과 부엽에 전자파를 복사하는 양의 차이가 커진다. 결과적으로. SLL이 높을수록 배역안테나가 위치한 주엽에는 많은 전자파를 복사하고 부엽에는 상대적으로 적은 전자파를 복사하게되어 SLL이 높을수록 안테나가 찾고자하는 타겟의 검출에 유리하게 된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 배열안테나에 대하여 테이퍼링을 적용하는 경우 SLL이 높아지게 되어 타겟 검출에 유리한 점을 갖게 된다.

실시예는 종래의 차량용 위상배열 안테나에서 일반적으로 이용되는 위상 천이기나 물리적인 기계장치를 사용하지 않고도, 인가되는 신호의 주파수를 변화시켜 안테나 빔을 전자식으로 조향할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는 구체적인 구성 요소등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

안테나 빔을 방사하는 복수의 방사 부재가 배열된 배열 안테나에 있어서,
상기 배열 안테나의 상부를 형성하는 제1 기판 및 제1 기판에 마련되는 복수의 방사 부재를 포함하는 제1 계층;
상기 배열 안테나의 하부를 형성하는 제2 기판 및 제2 기판에 마련되어 상기 복수의 방사 부재로 출력을 공급하는 급전선을 포함하는 제2 계층; 및
상기 제1 계층과 제2 계층 사이에 형성되고, 접지 평면 및 접지 평면에 마련되는 개구면을 포함하는 제3 계층을 포함하고,
상기 방사 부재는 상기 급전선에 대하여 일정 각도 기울어져 형성되며,
상기 급전선은 상기 복수의 방사 부재 각각에 대해 서로 다른 주파수를 인가하는
배열 안테나.
제1항에 있어서,
상기 복수의 방사 부재 각각에 대해 인가되는 서로 다른 주파수는 일정한 차이를 갖는
배열 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 방사 부재는 서로 다른 크기로 형성되는
배열 안테나.
제3항에 있어서,
상기 복수의 방사 부재는 중간에 배치된 방사 부재의 크기가 가장 크고 중간에 배치된 방사 부재를 기준으로 가장자리로 갈수록 크기가 상대적으로 작아지는
배열 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 급전선은 상기 복수의 방사 부재 각각에 대하여 서로 다른 폭으로 형성되는
배열 안테나.
제5항에 있어서,
상기 급전선은 상기 복수의 방사 부재가 형성된 방향을 따라 점차적으로 폭이 변경되는
배열 안테나.
제1항에 있어서,
상기 방사 부재와 상기 급전선이 이루는 각도는 45도인
배열 안테나.