KR100294612B1 - 안테나장치및이를사용한송수신장치 - Google Patents

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후미노리 나카무라
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무라타 야스타카
가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 이 안테나 장치에서는 유전체 스트립과 유전체 공진기를 설치하여 수직 1차 방사기를 구성하고, 유전체 스트립에 결합하는 다른 유전체 스트립을 설치하여 방향성 결합기를 구성하며, 이 방향성 결합기에서 수직 1차 방사기를 변위시킴으로써 유전체 렌즈에 대한 1차 방사기의 상대 위치를 변화시켜 방사 빔을 틸트(tilt)시킨다.

Description

안테나 장치 및 이를 사용한 송수신 장치{Antenna apparatus and transmission and receiving apparatus using same}
본 발명은 안테나 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 밀리미터파 대역의 전자파를 송수신하기 위한 레이더(radar) 등에 사용되는 안테나 장치 및 이를 사용한 송수신 장치에 관한 것이다.
차량에 장착되는 밀리미터파 레이더(millimetric-wave radar)는 자동차의 안전 주행을 위한 시스템에 사용된다. 밀리미터파 레이더는 주행중인 자동차와 다른 자동차와의 거리, 또는 자동차 주위의 장애물과 자동차와의 거리를 측정하는데에 사용된다. 측정 데이터에 기초하여 자동차의 속도 제어 및 제동이 이루어지며, 이로써 다른 자동차 또는 장애물과의 충돌이 방지된다.
일반적으로, 밀리미터파 레이더를 사용하는 송수신 모듈은 밀리미터파 발진기, 서큘레이터(circulator), 방향성 결합기(directional coupler), 믹서(mixer), 안테나 등을 포함한다.
도 21에서 우측의 차량은 좌측의 자동차에 FM-CW(주파수 변조-지속파(Frequency Modulation - Continuous Wave)) 방식으로 레이더로부터 밀리미터파를 방사하고, 좌측의 자동차에 의해 반사되는 밀리미터파를 수신한다. 공지의 계산법에 의해 우측과 좌측의 자동차들 사이의 거리와 상대속도를 계산한다.
계산은 도 22의 신호처리부에 의해 수행된다. 계산의 결과는 제어부에 전송된다. 제어부는, 예를 들어 우측의 자동차의 주행 속도가 소정의 수치와 동일하거나 큰 경우, 및 우측과 좌측의 자동차들 사이의 거리가 소정의 수치와 동일하거나 작은 경우에 경보장치를 작동시킨다. 또는, 제어부는 소정의 조건에서 우측의 자동차의 제동 장치를 작동시킬 수도 있다.
그러나, 종래의 밀리미터파 레이더에 사용된 안테나의 지향방향(directivity)이 고정되어 있기 때문에 다음과 같은 문제점들이 발생한다.
도 18에서 보는 바와 같이, 자동차들이 두 개의 평행한 차선상을 주행하고 있는 경우, 자동차 Cm의 레이더로부터 송신된 밀리미터파는 전방에 있는 자동차 Ca와 자동차 Cb에 도달할 수 있다. 이것은, 안테나의 지향방향이 밀리미터파가 자동차 Cm이 주행중인 차선에 있는 자동차에만 방사되도록 변화시키는 조정이 이루어지지 않기 때문이다.
각 자동차에 도달되는 밀리미터파는 반사되어 자동차 Cm에 의해 수신된다. 자동차 Cb 및 Cm이 별도의 차선에서 주행하고 있기 때문에, 자동차 Cb 및 Cm이 서로 너무 근접하는 경우에도, 자동차 Cm은 특별히 안전 제어를 행할 필요가 없다.
그러나, 자동차 Cm에 있어서, 수신된 전파가 자동차 Ca와 Cb 어떤 것으로부터 반사된 것인지를 확인할 수가 없다. 따라서, 자동차 Cb와 Cm 사이의 차량-대-차량 거리가 허용되는 거리보다 작은 경우에는, 자동차 Cm에 의해 안전을 위한 제어가 수행된다.
또, 안테나의 지향방향이 고정되는 경우 다음과 같은 문제점들이 발생한다.
도 19에서 커브의 진입로 근방을 주행하고 있는 자동차 Cm은 밀리미터파 B1을 방사한다; 그러나, 밀리미터파는 커브의 출구 근방을 주행하고 있는 자동차 Ca에 도달하지 않는다.
또한, 도 20에서 보는 바와 같이 도로가 경사져 있는 경우에는, 경사로에 못미쳐 주행하고 있는 자동차 Cm에서 밀리미터파 B1을 방사하여도, 경사로를 주행하고 있는 자동차 Ca는 탐지되지 않는다.
따라서, 상술한 문제점들을 해소하기 위하여 방사 빔의 방향을 변화시키는 다음의 방법이 이용될 수 있다.
예를 들어, 도 18에서, 방사 빔 B1, B2 및 B3를 각각 방사하여 각 방향을 측정할 수 있도록 한다. 이들 결과들을 비교함으로써, 자동차 Ca와 Cb를 개별적으로 탐지할 수 있다.
도 19에 나타낸 예에서는, 자동차 Cm의 전방에 커브가 존재함은 핸들링 조작에 기초하여 인식되고, 밀리미터파 B1은 밀리미터파 B2로 전환된다. 또, 카메라로부터 입력된 이미지를 분석함으로써 커브를 탐지해내는 방법도 있다. 도 20에 나타낸 예에서는, 경사로는 카메라로부터 입력된 이미지를 분석함으로써 탐지되며, 밀리미터파 B1은 밀리미터파 B2로 전환된다.
종래의 레이더 시스템에 있어서, 전자파의 방사 빔의 방사 방향은 안테나를 포함하고 있는 송수신 장치의 하우징을 모터 등에 의해 회전시킴으로써 변화된다. 하우징은 안테나 이외의 다른 부품들도 포함하고 있기 때문에, 하우징을 회전시키기 위한 기구의 크기를 감소시키는 것이 어렵다. 따라서, 하우징을 고속으로 회전시키기가 어렵고, 방사 빔을 고속으로 스캐닝하기가 어렵다.
따라서, 본 발명의 목적은 전체적으로 용이하게 소형화될 수 있고, 안테나의 지향방향을 고속으로 전환할 수 있는 안테나 장치 및 이를 사용한 송수신 장치를 제공하는 것이다.
도 1의 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 안테나 장치의 유전체 렌즈와 1차 방사기와의 관계, 및 방사 빔의 틸트각(tilt angle)에 대한 관계를 보여준다.
도 2의 (a), (b) 및 (c)는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 안테나 장치의 유전체 렌즈와 1차 방사기와의 다른 관계, 및 방사 빔의 틸트각(tilt angle)에 대한 다른 관계를 보여준다.
도 3a 및 도 3b는 유전체 렌즈로부터의 1차 방사기의 오프셋(offset)에 대한 방사 빔의 틸트각을 측정한 결과를 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 1차 방사기에 대하여 유전체 렌즈가 이루는 각도의 변화에 따른 방사 빔의 틸트각을 측정한 결과를 보여준다.
도 5는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 송수신 장치의 구성예를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 송수신 장치의 다른 구성예를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 송수신 장치의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 송수신 장치의 개략도이다.
도 9의 (a), (b), (c) 및 (d)는 송수신 장치에 사용되는 유전체 선로의 구조를 보여준다.
도 10a 및 도 10b는 각각 수직 1차 방사기의 구조를 보여주는 평면도 및 단면도이다.
도 11은 수직 1차 방사기와 유전체 선로 장치와의 관계를 보여준다.
도 12는 방향성 결합기의 부분 사시도이다.
도 13a 및 도 13b는 방향성 결합기의 구조와, 이의 특성에 대한 관계를 보여준다.
도 14는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 송수신 장치의 송수신부를 포함하는 전체 구성도이다.
도 15는 본 발명의 제 3 구현예에 따른 송수신 장치의 구성예를 보여주는 평면도이다.
도 16a, 도 16b 및 도 16c는 본 발명의 제 4 구현예에 따른 안테나 장치의 가동부(可動部, movable section)에서의 방향성 결합기의 3개의 예를 보여준다.
도 17은 본 발명의 제 5 구현예에 따른 안테나 장치의 가동부에서의 방향성 결합기의 예를 보여준다.
도 18은 차재용 레이더(radar)에 있어서, 방사 빔이 수평방향으로 틸트되어 있는 상태를 보여준다.
도 19는 차재용 레이더에 있어서, 방사 빔이 수평방향으로 틸트되어 있는 상태를 보여준다.
도 20은 차재용 레이더에 있어서, 방사 빔이 수직방향으로 틸트되어 있는 상태를 보여준다.
도 21은 차재용 레이더의 사용형태를 보여준다.
도 22는 차재용 레이더의 구성을 보여주는 블록도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 ... 1차 방사기 2 ... 유전체 렌즈
3 ... 하우징(housing) 4 ... 구동부(driving section)
11 ... 유전체 공진기 12~17 ... 유전체 스트립
21~24 ... 종단기 40 ... 수직 1차 방사기
41, 42 ... 도전체판 43 ... 개구부
44 ... 슬릿판(slit plate) 50 ... 유전체 선로 장치
51, 52 ... 도전체판 53 ... 서큘레이터(circulator)
54 ... 믹서(mixer) 55 ... 발진기(oscillator)
60 ... 유전체 선로 장치 100, 100a, 100b ... 유전체 스트립
101, 102 ... 도전체판 103 ... 기판
본 발명의 첫 번째 측면에 따른 안테나 장치는 레이더 전파를 방사하기 위한 1차 방사 소자와, 레이더 전파를 집속시키기 위한 유전체 렌즈를 포함하며, 1차 방사 소자는 렌즈의 초점면내에서 이동가능하다.
1차 방사 소자의 렌즈에 대한 위치의 변화는 1차 안테나 장치로부터 방사되는 레이더 빔의 지향방향을 변화시킨다. 1차 방사 소자를 비교적 경량으로 함으로써 소자를 구동하는 장치를 소형화시킬 수 있다. 또한, 1차 방사 소자의 관성을 작게 함으로써, 1차 방사 소자를 고속으로 이동시킬 수 있고, 이 때문에 레이더 빔의 고속 스캐닝이 가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 안테나 장치에 있어서, 1차 방사 소자의 방사면에 대한 유전체 렌즈의 중심축의 방향이 변화가능하다.
본 발명의 또다른 측면에 따른 안테나 장치에 있어서, 유전체 렌즈의 초점면내에서의 1차 방사기의 위치를 변화시키기 위하여, 1차 방사기는 입/출력부로서 작용하는 제 1 유전체 선로; 제 1 유전체 선로에 결합되는 유전체 공진기; 및 축방향으로 전자파가 방사 또는 입사되는 개구부를 포함하며, 제 1 유전체 선로에 근접하여 제 2 유전체 선로를 설치하여 방향성 결합기를 구성하고, 제 1 유전체 선로와 제 2 유전체 선로와의 결합부에서 유전체 렌즈와 1차 방사기와의 상대 위치 관계를 변화시킨다. 1차 방사기에 및 1차 방사기로부터 신호를 입출력하는 가동부(movable section)를 1차 방사기측의 유전체 선로와 다른 유전체 선로로 구성된 방향성 결합기로 구성함으로써, 결합 관계를 유지하면서 1차 방사기와 유전체 렌즈와의 상대 위치를 변화시킬 수 있다.
상기한 방향성 결합기에 있어서, 결합량이 대략 0㏈인 경우, 방향성 결합기에서의 전송손실이 최대한 억제되며, 안테나의 효율이 저하되지 않는다.
또, 본 발명의 안테나 장치에 있어서, 제 2 유전체 선로에, 송신부, 수신부 및 송신신호와 수신신호를 분리하는 서큘레이터가 접속되어, 안테나 장치를 송수신에 공용할 수 있도록 한다. 그 결과, 제 1 유전체 선로와 제 1 유전체 선로에 결합된 유전체 공진기로 구성된 1차 방사기와, 제 1 유전체 선로에 결합된 제 2 유전체 선로를 송수신에 공용할 수 있고, 이렇게 하여 방향성 결합기를 사용하여 가동부를 구성할 수 있기 때문에 대형화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 전술한 안테나 장치에, 유전체 렌즈와 1차 방사기와의 상대 위치 관계를 변화시키기 위한 구동부를 설치하여 송수신 장치를 구성한다. 이로써, 안테나의 지향방향을 스캐닝할 수 있는 소형의 송수신 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 상기한 및 다른 목적들, 측면들 및 새로운 특장점들은 첨부한 도면을 참조하여 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 제 1 구현예에 따른 안테나 장치 및 송수신 장치의 구성을 도 1의 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f) 내지 도 7을 참조하여 설명한다.
도 1의 (a) 내지 (f)는 유전체 렌즈와 1차 방사기와의 위치 관계 및 방사 빔의 지향성과의 관계를 보여준다. 도 1의 (a) 내지 (f)에서, 참조번호 1은 1차 방사기를 나타낸 것이며, 그의 방사 방향을 중심축으로 하는 유전체 렌즈 2를 배설한다. 도 1의 (a), (b) 및 (c)는 유전체 렌즈 2를 고정하고, 1차 방사기 1을 가동한 경우의 예를 보여준다. 도 1의 (a)에서 보는 바와 같이, 유전체 렌즈 2의 중심축이1차 방사기 1의 방사 방향과 일치하는 경우, 방사 빔 B는 유전체 렌즈 2의 정면방향으로 지향한다. 그러나, 1차 방사기가 도 1의 (b)와 (c)에서 보는 바와 같이 유전체 렌즈 2의 초점면내에서 변위하는 경우, 방사 빔 B는 변위 방향과는 반대 방향으로 지향한다. 도 1의 (d), (e) 및 (f)는 1차 방사기 1을 고정하고, 유전체 렌즈 2를 가동한 경우의 예를 보여준다. 유전체 렌즈 2의 중심축이 1차 방사기 1의 방사 방향과 일치하는 경우, 방사 빔 B는 유전체 렌즈 2의 정면방향으로 지향한다. 그러나, 유전체 렌즈 2가 도 1의 (e)와 (f)에서 보는 바와 같이 그의 중심축에 수직인 방향으로 변위하는 경우, 방사 빔 B는 변위 방향으로 지향한다.
도 2의 (a), (b) 및 (c)는 유전체 렌즈와 1차 방사기 사이의 각도가 변하여 방사 빔의 지향방향을 변화시키는 경우를 보여준다. 도 2의 (a)에서 보는 바와 같이, 1차 방사기 1의 방사 방향이 유전체 렌즈 2의 중심축의 방향으로 향하는 경우에는, 방사 빔 B가 유전체 렌즈 2의 정면방향으로 지향한다. 그러나, 도 2의 (b)와 (c)에서 보는 바와 같이, 1차 방사기 1에 대하여 유전체 렌즈의 축방향을 변화시킴으로써 그 방향으로 방사 빔 B가 지향하게 된다.
도 3a 및 도 3b는 유전체 렌즈 2에 대하여 1차 방사기 1의 초점면내에서의 변위(오프셋(offset))량을 변화시킬 때의 방사 빔의 지향각(틸트각)을 측정한 결과를 보여준다. 이때, 유전체 렌즈 2로서는, 비유전율 εr=2.3의 PE(폴리에틸렌)를 사용하였고, 그의 개구경(open aperture) ø을 75㎜로, 그의 초점거리 d를 22.5㎜로 설정하였으며, 1차 방사기 1로서는, 혼 안테나(horn antenna)를 사용하였다. 상술한 바와 같이 1차 방사기 1의 오프셋 양을 0~5㎜의 범위내에서 변화시킴으로써방사 빔의 틸트각을 0~7°의 범위로 변화시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 1차 방사기에 대한 유전체 렌즈 2의 축방향을 변화시킬 때의 방사 빔의 지향각(틸트각)을 측정한 결과를 보여준다. 이때, 유전체 렌즈 2로서는, 비유전율 εr=2.3의 PE를 사용하였고, 그의 개구경 ø을 75㎜로, 그의 초점거리 d를 21.0㎜로 설정하였으며, 1차 방사기 1로서는, 비방사성 유전체 선로(NRD가이드)에 의해 여진되는 유전체 공진기로 구성된 수직 1차 방사기를 사용하였다. 상술한 바와 같이 유전체 렌즈 2의 각도를 0~5°의 범위내에서 변화시킴으로써 방사 빔의 틸트각을 0~9°의 범위로 변화시킬 수 있다.
도 5는 송수신 장치의 구성예를 보여주는 단면도이다. 도 5에서, 참조번호 3은 1차 방사기 1을 포함하여 송수신부를 수용하고 있는 하우징(housing)을 나타내고, 그의 개구부(도 5에서 상부)에 유전체 렌즈 2가 장착된다. 하우징 3의 내부에는, 1차 방사기 1이 구동부 4를 경유하여 장착되어 있고, 구동부 4는 1차 방사기 1을 방사 방향에 수직인 면방향으로 변위시킨다. 구동부 4는 예를 들면 선형 모터(linear motor)나 솔레노이드(solenoid)로 구성된다. 이러한 구성에 의해, 도 1의 (a)~(c)에서 보는 바와 같이, 유전체 렌즈 2와 1차 방사기 1과의 상대 위치 관계를 변화시켜 방사 빔을 틸트시킨다.
도 6은 송수신 장치의 다른 구성예를 보여주는 단면도이다. 도 6에서, 하우징 3의 내부에는, 1차 방사기 1을 포함하여 송수신부 전체가 고정되어 있고, 유전체 렌즈 2는 구동부 4를 경유하여 하우징 3의 개구부에 장착되어 있다. 구동부 4는 선형 모터, 솔레노이드 등으로 구성되며, 유전체 렌즈 2를 그의 중심축에 수직인면방향으로 변위시킨다. 이렇게 하여, 도 1의 (d)~(f)에서 보는 바와 같이, 1차 방사기에 대하여 유전체 렌즈를 변위시켜 방사 빔을 틸트시킨다.
또, 도 2에서 보는 바와 같이 1차 방사기에 대한 유전체 렌즈의 각도를 변화시키는 경우에도, 기본적으로 도 6에 나타낸 구조를 채택할 수 있다. 즉, 도 6에서, 좌우 2개의 구동부 4를 각각 변위시켜 유전체 렌즈의 축방향을 변화시킬 수 있다. 또, 유전체 렌즈에 대한 1차 방사기의 각도를 변화시키는 경우에도, 기본적으로 도 5에 나타낸 구조를 채택할 수 있다. 즉, 도 5에서 좌우 2개의 구동부 4를 각각 변위시켜 1차 방사기의 축방향을 변화시킬 수 있다. 상술한 예들에서는, 설명상 지면의 면내에서의 방향으로 1차 방사기 또는 유전체 렌즈를 변위시켰지만, 도 18내지 도 20에서 보는 바와 같이, 정면방향의 차량을 탐지하는 밀리미터파 레이더에서와 같이, 좌우방향 뿐만 아니라 상하방향으로도 방사 빔을 틸트시키는 경우에는, 1차 방사기 또는 유전체 렌즈를 2차원 방향으로 변위시킬 수도 있다. 도 7은 유전체 렌즈의 축방향에서 본 송수신 장치의 평면도이다. 이 경우에, 유전체 렌즈에 대하여 1차 방사기 1을 x-축 및 y-축 방향으로 상대적으로 변위시킴으로써 방사 빔을 x-축 및 y-축 방향으로 틸트시킨다.
이하, 본 발명의 제 2 구현예에 따른 안테나 장치 및 송수신 장치의 구성을 도 8 내지 도 14를 참조하여 설명한다.
도 8은 송수신 장치 전체의 구성을 보여주는 개략도이다. 제 2 구현예에서는, 하우징 3 내부에서, 1차 방사기 1을 도면에서 좌우 방향으로 변위시킴으로써 방사 빔을 도면에서 좌우 방향으로 틸트시킨다.
도 9의 (a), (b), (c) 및 (d)는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 송수신 장치에 사용되는 유전체 선로의 구조를 보여주는 부분 사시도이다. 도 9의 (a), (b), (c) 및 (d)에서, 참조번호 101, 102는 각각 도전체판을 나타낸다. 도 9의 (b)와 (d)에 나타낸 예에서는, 이들 2개의 도전체판의 사이에 유전체 스트립 100이 삽입된 형태로 유전체 선로가 구성된다. 도 9의 (a)와 (c)에 나타낸 예에서는, 도전체판 101과 102와의 사이에 유전체 스트립 100a, 100b와 기판 103이 삽입되어 설치되고, 유전체 스트립의 전송방향에 평행한 면을 갖는 기판이 동시에 형성된다. 도 9의 (a), (b) 및 (c), (d) 사이의 차이점은 도전체판 101, 102의 홈(groove)의 유무이다. 도 9의 (a), (b)에서와 같이 홈이 형성된 경우에는, 유전체 스트립으로 형성되는 전파역(propagation area)과 유전체 스트립을 갖지 않는 비전파역(non-propagation area)에서의 도전체판들 사이의 간격, 및 유전체 스트립의 유전율을 설정하고, LSM01 모드의 차단 주파수를 LSE01 모드의 차단 주파수보다 낮게 설정하면, 유전체 스트립의 굴곡부(bend section)의 곡율반경 등에 관계없이 항상 LSM01 모드의 단일 모드로 전송을 행하는 것이 가능하다. 이렇게 하여 전체적으로 소형화시킬 수 있고, 저손실화를 도모할 수 있다. 도 9의 (a), (b), (c) 및 (d)에 나타낸 구조의 유전체 선로는 필요에 따라 사용할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 수직 1차 방사기의 구조를 보여준다. 도 10a는 방사 방향에서 본 평면도이고, 도 10b는 그의 주요부의 단면도이다. 도전체판 41과 42와의 사이에는 유전체 스트립 12와 원주상의 유전체 공진기 11이 설치되어 있고, 도전체판 41에는 유전체 공진기 11과 동축관계에 있는 홀 43이 형성되어 있다. 또, 유전체 공진기 11과 홀 43과의 사이에는, 도전체판에 슬릿을 형성시킨 슬릿판(slit plate) 44가 삽입되어 있다. 이렇게 하여 유전체 스트립 12의 길이방향(도면에서 x-축 방향)에 직각이고 도전체판 41, 42에 평행(도면에서 y-축 방향)인 성분을 갖는 전계와, 도전체판 41, 42에 수직(도면에서 z-축 방향)인 성분을 갖는 자계를 발생시키는 LSM 모드로, 유전체 스트립 12 내에서 전자파가 전파된다. 또, 유전체 스트립 12와 유전체 공진기 11은 서로 전자결합하며, 유전체 공진기 11 내에서 유전체 스트립 12의 전계와 동일 방향의 전계 성분을 갖는 HE111 모드가 발생한다. 그런다음, 직선편파(linearly polarized)의 전자파가 홀 43을 경유하여 도전체판 41에 수직인 방향(z-축 방향)으로 방사된다. 반대로, 홀 43으로부터 전자파가 입사되는 경우, 유전체 공진기 11은 HE111 모드로 여진되고, 유전체 공진기 11에 결합되어 있는 유전체 스트립 12에 LSM 모드로 전자파가 전파된다.
도 11은 수직 1차 방사기와, 1차 방사기에 결합된 유전체 선로를 구비한 유전체 선로 장치와의 관계를 보여준다. 도 11의 상반부는 1차 방사기 40과 유전체 선로 장치 50과의 결합부의 평면도이다. 단, 도 11에서는 상부 도전체판을 제거한 상태를 도시하였다. 도 11의 하반부는 1차 방사기 40과 유전체 렌즈 2와의 관계를 보여주는 단면도이다. 유전체 선로 장치 50에는 도면의 상반부에서 보는 바와 같이 유전체 스트립 13을 설치하고, 1차 방사기 40의 유전체 스트립 12를 유전체 스트립 13에 근접시켜 도면에서 파선으로 둘어싼 부분에 유전체 선로로 형성되는 방향성 결합기를 구성한다. 유전체 스트립 12, 13을 사용하는 방향성 결합기는 포트(port) #1로부터 전파된 전자파를 포트 #4에 약 0㏈로 전파시킨다. 즉, 0-㏈의 방향성 결합기가 형성된다. 이 상태에서 수직 1차 방사기 40이 도면에서의 좌우 방향으로 이동하여도 방향성 결합기의 결합관계는 변하지 않으며, 포트 #1로부터 전파된 전자파는 항상 약 0㏈로 포트 #4로 출력된다. 반대로, 유전체 공진기의 여진에 의해 포트 #4로부터 입사된 전자파는 약 0㏈로 포트 #1에 전파된다. 도면에 나타낸 상태에서는, a, b부분에 유전체 스트립 12의 o, o'로 나타낸 부분이 대응한다. 수직 1차 방사기 40이 도면에서의 우측으로 최대한 변위하는 경우, a, b 부분에 점 n, n'가 일치한다. 반대로, 수직 1차 방사기 40이 도면에서의 좌측으로 최대한 변위하는 경우에는, a, b 부분에 점 p, p'가 일치한다. 이와 같이 수직 1차 방사기 40이 변위하여도, 유전체 스트립 13에 결합된 유전체 스트립 12의 부분이 직선부분이기 때문에 항상 일정한 결합량으로 유지될 수 있다.
도 12는 수직 1차 방사기와 유전체 선로 장치와의 사이에 형성된 방향성 결합기의 부분 사시도이다. 도 12에서, 참조번호 51, 52 각각은 도전체판을 나타낸다. 이들 2개의 도전체판 51, 52는 수직 1차 방사기측의 도전체판 41, 42에 근접해 있기 때문에, 유전체 스트립이 삽입된 상하의 도전체 평면의 연속성이 유지된다. 이것에 의해 방향성 결합기는 2개의 도전체판 사이에 2개의 유전체 스트립이 병설된 방향성 결합기와 유사하게 작용한다.
도 13a 및 도 13b는 각각 방향성 결합기와 그의 전력 분배비의 관계를 보여준다. 유전체 스트립 12, 13으로 구성된 결합 선로(coupling line)의 짝수 모드의 위상 상수를 βe로, 홀수 모드의 위상 상수를 βo로 나타내고, Δβ＝｜βe－βo｜로 설정하면, 포트 #1로부터 입사된 전자파에 대한 포트 #2에 출력된 전자파의 전력비는 P2/P1 ＝ 1 － sin2(Δβz/2)로 표현되고, 포트 #1로부터 입사된 전자파에 대한 포트 #4에 출력된 전자파의 전력비는 P4/P1 ＝ 1 － sin2(Δβz/2)로 표현된다. 따라서, (Δβz/2) ＝ nπ ＋ π/2 (n : 0, 1, 2, …)의 관계가 만족되는 경우에는 포트 #1로부터의 입력은 모두 포트 #4로 출력되고, 이렇게 하여 0-㏈의 방향성 결합기가 형성된다.
도 14는 송수신부를 포함하는 송수신 장치 및 수직 1차 방사기 전체의 구성을, 상부 도전체판을 제거한 상태에서 보여준다. 도 14에서, 참조번호 53은 서큘레이터를 나타내며, 포트 #1로부터의 입력신호는 포트 #2에 출력되고, 포트 #2로부터의 입력신호는 포트 #3에 출력된다. 포트 #1에는 유전체 스트립 14로 구성된 유전체 선로가 접속되고, 포트 #3에는 유전체 스트립 15로 구성된 유전체 선로가 접속된다. 발진기 55와 믹서 54는 유전체 스트립 14, 15로 구성된 유전체 선로들에 각각 접속된다. 또, 유전체 스트립 14와 15 사이에는, 각각의 유전체 선로에 결합되어 각각 방향성 결합기를 구성하는 유전체 스트립 16이 배치된다. 유전체 스트립 16의 양단부에는 종단기(terminater) 21, 22가 설치된다. 믹서 54 및 발진기 55에는 버랙터 다이오드(varactor diode)와 건 다이오드(Gun diode)가 설치되고, 버랙터 다이오드 및 건 다이오드에 바이어스 전압을 인가하기 위한 회로를 제공하기 위하여 도 9의 (a) 또는 (c)에 나타낸 기판을 갖는 유전체 선로를 구성한다.
이러한 구성에 의해, 발진기 55의 발진신호는 유전체 스트립 14 → 서큘레이터 53 → 유전체 스트립 13 → 유전체 스트립 12 → 유전체 공진기 11의 경로로 전파되고, 전자파는 유전체 공진기 11의 축방향으로 방사된다. 반대로, 유전체 공진기 11에 입사된 전자파는 유전체 스트립 12 → 유전체 스트립 13 → 서큘레이터 53 → 유전체 스트립 15의 경로로 믹서 54에 입력된다. 또, 유전체 스트립 15, 16, 14로 구성되는 2개의 방향성 결합기를 경유하여 발진신호의 일부가 국부신호(local signal)로서 수신신호와 함께 믹서 54에 제공된다. 이것에 의해 믹서 54는 송신신호와 수신신호와의 차이 주파수 성분을 중간 주파수 신호로서 생성한다.
이하, 본 발명의 제 3 구현예에 따른 안테나 장치 및 송수신 장치의 구성을 도 15를 참조하여 설명한다. 제 3 구현예에서, 수직 1차 방사기는 2차원 방향으로 이동할 수 있다. 도 15의 평면도에서 보는 바와 같이, 유전체 선로 장치 60에 유전체 스트립 13으로 구성된 유전체 선로가 설치되고, 유전체 선로 장치 50에는 유전체 스트립 17로 구성된 유전체 선로와 서큘레이터 53 등이 형성된다. 수직 1차 방사기 40에 설치된 유전체 스트립 12와 유전체 선로 장치 60측의 유전체 스트립 13에 의해 1개의 0-㏈의 방향성 결합기가 구성되고, 유전체 스트립 13과 17에 의해 다른 1개의 0-㏈의 방향성 결합기가 구성된다. 1차 방사기 40은 유전체 선로 장치 60에 대하여 도면에서 좌우 방향으로 가동상태가 되도록 설치되고, 유전체 선로 장치 60은 유전체 선로 50에 대하여 도면에서 수직방향으로 가동상태가 되도록 설치된다. 이 경우에, 유전체 선로 장치 50은 고정된다. 이것에 의해 결합기에서의 손실이 거의 없는 상태에서 유전체 공진기 11의 위치를 2차원 방향으로 이동시킬 수 있다.
도 16a, 도 16b 및 도 16c는 본 발명의 제 4 구현예에 따른 안테나 장치의 가동부에서의 방향성 결합기의 다른 구성예를, 상하의 도전체판을 제거한 상태에서보여주는 평면도이다. 도 16a의 예에서는, 유전체 공진기 11에 결합하는 측의 유전체 스트립 12는 직선상으로 형성된다. 도 16b의 예에서는, 유전체 공진기 12에 결합하는 측의 유전체 스트립 13은 직선상으로 형성된다. 도 16c의 예에서, 유전체 공진기 11에 한쪽 단부에서 결합하는 유전체 스트립 12의 다른쪽 단부는 그의 단부에까지 짝을 이루는 유전체 스트립 13에 평행하게 일정 거리를 유지하고 있다.
도 17은 본 발명의 제 5 구현예에 따른 안테나 장치의 가동부에서의 방향성 결합기의 구성예를 보여준다. 상술한 예들에서는 가동부의 방향성 결합기로서 0-㏈의 방향성 결합기를 구성하였지만, 도 17에서 보는 바와 같이 유전체 스트립 12, 13의 한쪽 단부를 개방단으로 하지 않고, 유전체 스트립 12, 13의 한쪽 단부 각각에 종단기 23, 24를 설치할 수도 있다.
상술한 구현예들에서는 1차 방사기의 예로서 유전체 공진기와 유전체 선로를 사용한 수직 1차 방사기 또는 혼 안테나(horn antenna)를 설명하였지만, 그외 다른 패치 안테나(patch antenna) 등의 마이크로스트립 안테나(microstrip antenna)를 사용할 수도 있다.
본 발명의 많은 다양한 구현예들을 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 한도내에서 구성할 수 있다. 본 발명은 본 명세서에서 설명한 특정의 구현예들에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 이에 반하여, 본 발명은 청구된 본 발명의 기술적 요지 범위내에 포함되는 다양한 변형예들 및 균등한 구성예들을 포함한다. 첨부된 특허청구범위의 범위는 이러한 변형예들, 균등한 구조들 및 기능들을 모두 포함하도록 가장 넓게 해석되어야 한다.
본 발명에 의하면, 유전체 렌즈와 1차 방사기의 상대 위치 관계를 변화시킴으로써 방사 빔의 지향방향을 변화시킬 수 있고, 또 1차 방사기에 대한 유전체 렌즈의 각도를 변화시킴으로써 방사 빔의 지향방향을 변화시킬 수 있기 때문에, 어떤 경우에도 안테나 장치 전체를 구동시키지 않고 1차 방사기 또는 유전체 렌즈를 변위시킴으로써 전체적으로 대형화되지 않는다. 또 가동부 자체를 경량으로 하고, 그의 관성을 작게함으로써 고속으로 방사 빔을 스캐닝할 수 있다.
또, 1차 방사기와의 사이에서 신호의 입출력을 수행하는 가동부를, 제 1 및 제 2 유전체 선로로 된 방향성 결합기로 구성함으로써, 결합 관계를 유지하면서 1차 방사기와 유전체 렌즈와의 상대 위치를 변화시킬 수 있고, 특히 1차 방사기를 구동측으로 하면 방사 빔을 용이하게 고속 스캐닝할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 방향성 결합기에 있어서의 전송손실을 최대한 억제할 수 있고, 안테나의 효율이 저하시키지 않는다.
또, 본 발명에 의하면, 제 1 유전체 선로와 제 1 유전체 선로에 결합된 유전체 공진기로 구성된 1차 방사기와, 제 1 유전체 선로에 결합된 제 2 유전체 선로를 송수신에 공용할 수 있어, 방향성 결합기를 사용하여 가동부를 구성함으로써 대형화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 유전체 렌즈와 1차 방사기와의 상대 위치 관계를 변화시키기 위한 구동부를 안테나 장치에 내장함으로써 안테나의 지향방향을 고속으로 스캐닝할 수 있는 소형의 송수신 장치를 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. 초점면을 구비한 유전체 렌즈와 1차 방사기를 포함하는 안테나 장치로서,
    상기 유전체 렌즈의 상기 초점면이 상기 유전체 렌즈의 외부측에 있고,
    상기 유전체 렌즈와 상기 1차 방사기가 상대적인 위치 관계를 포함하며,
    상기 유전체 렌즈와 1차 방사기가, 상기 유전체 렌즈의 초점면내에서 1차 방사기의 상대적인 위치 관계가 변화될 수 있도록, 배치됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 중심축과 초점면을 구비한 유전체 렌즈와 1차 방사기를 포함하는 안테나 장치로서,
    상기 유전체 렌즈의 상기 초점면이 상기 유전체 렌즈의 외부측에 있고,
    상기 유전체 렌즈의 중심축과 상기 1차 방사기가 상대적인 각도 관계를 포함하며,
    상기 유전체 렌즈가, 상기 1차 방사기에 대하여 상기 유전체 렌즈의 중심축의 상대적인 각도 관계가 변화될 수 있도록, 배치됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기한 1차 방사기는 입/출력부로서 작용하는 제 1 유전체 선로; 상기한 제 1 유전체 선로에 결합되는 유전체 공진기; 및 축방향으로 전자파가 방사 또는 입사되는 개구부를 포함하며,
    상기한 제 1 유전체 선로에 근접하여 제 2 유전체 선로가 설치되어 방향성 결합기를 구성하며,
    상기한 제 1 유전체 선로와 제 2 유전체 선로와의 결합부에서 상기한 유전체 렌즈와 1차 방사기와의 상대 위치 관계가 변화됨을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기한 방향성 결합기의 결합량은 약 0㏈임을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기한 제 2 유전체 선로에, 송신부, 수신부 및 송신신호와 수신신호를 분리하는 서큘레이터가 접속되어, 송수신에 공용되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기한 제 2 유전체 선로에, 송신부, 수신부 및 송신신호와 수신신호를 분리하는 서큘레이터가 접속되어, 송수신에 공용되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  7. 제 1항에 따른 안테나 장치를 포함하는 송수신 장치로서, 상기 안테나 장치내에 유전체 렌즈와 1차 방사기와의 상대 위치 관계를 변화시키기 위한 구동부가 제공됨을 특징으로 하는 송수신 장치.
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