KR100357283B1

KR100357283B1 - Non-Radiative Dielectric Waveguide Horn Antenna

Info

Publication number: KR100357283B1
Application number: KR1020010008336A
Authority: KR
Inventors: 신천우
Original assignee: 엔알디테크 주식회사; 신천우
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-10-18
Also published as: WO2002067378A1; KR20010044425A; CN1528031A

Abstract

본 발명에서는 안테나의 NRD 가이드용 혼 안테나를 제시하고자 한다. NRD 가이드의 상하도체판의 간격이 λ/2 이하로 되어 기존의 혼 안테나를 부착할 경우에 NRD 가이드에서 혼 안테나 개구면의 λ/2 까지 거리에 전파가 통과하지 못하는 불연속 영역이 존재함으로 인해 손실이 발생하여 혼 안테나의 이득을 저하시키게 된다. 여기에서는 λ/2 이하의 부분을 최소화하는 각을 주어 혼 안테나의 개구각을 정하여 혼 안테나를 제작함으로써 전파의 불연속 영역을 최소화함으로써 안테나의 효율을 높이고 방사패턴이 우수한 NRD 전용 혼 안테나를 구현한다. 또한, 기계적 강도 및 외부 환경에 있어서의 문제점을 개선하고, 기밀성을 유지할 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention proposes a horn antenna for an NRD guide of an antenna. When the existing horn antenna is attached because the gap between the upper and lower conductor plates of the NRD guide is less than or equal to λ / 2, there is a discontinuous area where radio waves cannot pass through the distance from the NRD guide to λ / 2 of the horn antenna opening. This occurs to lower the gain of the horn antenna. In this case, the horn antenna is manufactured by defining the opening angle of the horn antenna by giving an angle to minimize the λ / 2 or less portion, thereby minimizing the discontinuous area of radio waves, thereby improving the efficiency of the antenna and implementing the NRD dedicated horn antenna having excellent radiation pattern. In addition, it is possible to improve the problems in mechanical strength and the external environment and to maintain airtightness.

Description

Horn antenna for NRD guide {Non-Radiative Dielectric Waveguide Horn Antenna}

밀리미터파 집적회로로서 NRD 가이드(Non-Radiative Dielectric wave-Guide; 비방사성유전체도파관)가 저손실성과 비방사성 등의 이유로 주목받고 있다.As millimeter wave integrated circuits, non-radial dielectric waveguides (NRD guides) have attracted attention for reasons such as low loss and non-radiation.

NRD 가이드 회로는 상. 하도체판을 사용하고자 하는 주파수에 대한 파장의 절반 이하의 간격으로 유지하고, 상. 하도체판 사이에 상. 하도체판의 간격과 동일한 높이와 일정한 폭을 가지는 유전체 선로를 배치하여 NRD 가이드를 구성한다.NRD guide circuit is phase. Maintain the conductor plate at intervals of less than half the wavelength for the frequency to be used, and phase. Phase between platelets. An NRD guide is constructed by arranging dielectric lines having the same height and a constant width as the gap between the conductor plates.

NRD 가이드를 이용한 밀리미터파 집적회로의 안테나는 일반적으로 선로와 정합성의 면에서 유리한 로드 안테나가 사용되어졌다. 로드 안테나의 이득이 약 17dB의 값을 가지고 있다.In general, an antenna of a millimeter wave integrated circuit using an NRD guide has a rod antenna which is advantageous in terms of line and match. The gain of the load antenna is about 17dB.

하지만, 로드 안테나는 NRD 가이드의 폭이 줄어들면서 상하도체판(1, 2)에서 외부로 노출되어 있는 형태이므로 외부환경에 의해 특성이 나빠지거나, 물리적 힘에 의해 쉽게 파손될 우려가 있다. 또한 기밀성의 유지가 어렵다.However, the rod antenna is exposed to the outside from the upper and lower conductor plates (1, 2) as the width of the NRD guide is reduced, there is a possibility that the characteristics deteriorate due to the external environment, or easily damaged by physical force. It is also difficult to maintain confidentiality.

본 발명에서는 기존에 사용되어지는 밀리미터파 대역의 NRD 가이드의 로드 안테나의 이득, 지향성을 유지하면서 외부환경에 강하고 기계적인 강도를 가진 NRD 가이드용 혼 안테나(6)를 구성하였다.In the present invention, while maintaining the gain and directivity of the conventional NRD guide of the millimeter wave band NRD guide horn antenna 6 having a strong mechanical strength to the external environment.

NRD 가이드용 혼 안테나(6)에 전파의 도파기는 NRD 가이드 테이퍼(4)를 이용하여 구성하였다.The waveguide of the radio wave in the horn antenna 6 for NRD guides was comprised using the NRD guide taper 4. As shown in FIG.

NRD 가이드용 혼 안테나(6)는 개구면은 세로가 가로보다 큰 형태로 구성하였다.The horn antenna 6 for the NRD guide was configured in such a manner that the opening face was larger in length than in width.

도 1 : 본 발명의 실시 예인 NRD 가이드용 혼 안테나의 구성에 대한 사시 도.1 is a perspective view of the configuration of a horn antenna for an NRD guide that is an embodiment of the present invention.

도 2 : NRD 가이드용 혼 안테나를 정면에서 바라본 평면도.2 is a plan view of the horn antenna for the NRD guide from the front.

도 3 : NRD 가이드용 혼 안테나의 측면도.3: Side view of the horn antenna for NRD guides.

도 4 : NRD 가이드용 혼 안테나를 위에서 바라본 평면도.4 is a plan view from above of the horn antenna for the NRD guide.

도 5 : 테이퍼(4)의 길이(L)에 따른 이득과 정재파비를 측정하기 위한 평면 도.5 is a plan view for measuring the gain and standing wave ratio along the length L of the taper 4. FIG.

도 6 : 테이퍼(4)의 길이(L)에 따른 이득과 정재파비의 결과 그래프.6 is a result graph of gain and standing wave ratio according to length L of taper 4. FIG.

도 7 : 테이퍼(4)의 길이(L)을 최적의 값이 5.5mm로 하였을 때, xz 평면에 서의 이득 및 지향성 그래프7: Gain and directivity graph in the xz plane when the length L of the taper 4 is set to an optimum value of 5.5 mm.

도 8 : 테이퍼(4)의 길이(L)을 최적의 값이 5.5mm로 하였을 때, xy 평면에 서의 이득 및 지향성 그래프도 9 : 주파수에 따른 지향성 과 개구면 효율 특성도 10 : E면과 H면에 대한 위상오차 변수에 따른 개구면 효율과 위상효율Fig. 8: Gain and directivity graph in the xy plane when the length L of the taper 4 is set to 5.5 mm. Fig. 9: Characteristic of directivity and aperture efficiency according to frequency. Opening Plane Efficiency and Phase Efficiency According to Phase Error Parameters for H Plane

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)

1 : 상부도체판1: upper conductor plate

2 : 하부도체판2: lower conductor plate

3 : 유전체선로(NRD 가이드 선로)3: dielectric line (NRD guide line)

4 : NRD 가이드용 혼 안테나의 도파기로 사용되는 테이퍼4: taper used as waveguide of horn antenna for NRD guide

5 : NRD 가이드용 혼 안테나를 상.하도체판에 고정하기 위한 고정용 도체판5: Fixing conductor plate for fixing NRD guide horn antenna to upper and lower conductor plates

6 : NRD 가이드용 혼 안테나(Horn Antenna)6: Horn Antenna for NRD Guide

본 발명에서는 도 1에서 도시한 구조의 혼 안테나를 제작하여 측정하였다. NRD 가이드는 상하도체판(1, 2)의 사이에 유전체선로(3)을 배치시키는 것으로 구성되어 있고, NRD 가이드용 혼 안테나(6)은 고정용 도체판(5)에 의해 상.하도체판(1, 2)에 고정되며, 테이퍼(4)에 의하여 NRD 가이드로 전송되는 밀리미터파가 NRD 가이드용 혼 안테나(6)로 여기(도파)되어 질 수 있다.In the present invention, a horn antenna having the structure shown in FIG. 1 was manufactured and measured. The NRD guide consists of arranging the dielectric lines 3 between the upper and lower conductor plates 1 and 2, and the horn antenna 6 for the NRD guide is fixed by the fixing plate 5 to the upper and lower conductor plates. Fixed in 1, 2, the millimeter wave transmitted by the taper 4 to the NRD guide can be excited (guided) to the horn antenna 6 for the NRD guide.

상.하도체판(1, 2)의 간격은 60GHz 대역에서 사용주파수의 반파장 이하의 값을 갖는 2.25mm의 길이로 설계한다. 유전체선로(3)의 폭은 사용주파수의 반파장의 값인 2.5mm이다.The upper and lower conductor plates 1 and 2 are designed to have a length of 2.25mm with a value less than half of the frequency used in the 60 GHz band. The width of the dielectric line 3 is 2.5 mm, which is the value of the half wavelength of the use frequency.

도 2는 NRD 가이드용 혼 안테나를 전파가 진행하는 방향에서 바라본 사시도이다. 좁은 부분이 도파기가 삽입되는 부분으로서 높이(a)가 상하도체판(1, 2)의 간격과 같은 2.25mm이고, 가로(b)는 선로로부터 각각 /4 이상 떨어져야 전파의 진행에 영향을 주지 않기 때문에 이를 위해 6.25mm로 하였다. 그리고, 전파의 불연속 영역을 최소화하기 위해 전파(Propagation)방향의 수직면으로 벌어지는 각을 48.35도로 하여 NRD 가이드용 혼 안테나(6)의 개구면의 세로(A)는 27mm 으로 하고, 수평면으로 14.5도로하여 가로(B)를 13mm으로 하였다. 그리고, 개구면으로부터 NRD 가이드(3)과 테이퍼(4)의 접합점까지의 거리는 27.25mm이다.도 2는 NRD 가이드용 혼 안테나를 전파가 진행하는 방향에서 바라본 사시도이다. 좁은 부분이 도파기가 삽입되는부분으로서 높이(a)가 상하도체판(1, 2)의 간격과 같은 2.25mm이고, 가로(b)는 선로로부터 각각 /4 이상 떨어져야 전파의 진행에 영향을 주지 않기 때문에 이를 위해 6.25mm로 하였다. 그리고, 전파의 불연속 영역을 최소화하기 위해 전파(Propagation)방향의 수직면으로 벌어지는 각을 48.35도로 하여 NRD 가이드용 혼 안테나(6)의 개구면의 세로(A)는 27mm으로 하고, 수평면으로 14.5도로하여 가로(B)를 13mm으로 하였다. 그리고, 개구면으로부터 NRD 가이드(3)과 테이퍼(4)의접합점까지의 거리는 27.25mm이다.또한, 혼 안테나는 효율의 측면에서 위상오차에 대한 영향을 생각해 볼 수 있다. 이것은 일반적인 개구면 안테나의 경우 주파수가 높아질수록 이득이 증가한다. 그러나 도 9에서와 같이 높은 주파수에서는 포화상태(saturation)가 되어버린다. 이것은 위상오차가 증가함에 따라 개구면 효율이 감소하는 형태로 나타난다. 개구면 효율은 아래의 식과 같이 표현된다. 그리고, 위상오차가 π/8 = 22.5°이하가 되어야 한다. 본 발명의 혼 안테나는 그러한 위상오차의 범위를 만족한다.도 10에서와 같이 원하는 효율을 얻기 위해 아래의 식을 통해 개구면의 크기를 A, B를 결정할 수 있다. 본 발명에서는 E면과 H면의 개구면 효율을 적절하게 선택하여 위상오차의 범위를 고려하여 설계하였다. 여기서, R₀는 E면과 H면에 대해 각 중심으로부터 개구면의 중심까지의 거리이다.실제로 개구면 각이 H면에서 14°~ 35°이고, E면에서 45°~ 56°이어야 위상오차와 효율, 지향성, 이득의 특성이 NRD 가이드용 혼 안테나의 사양을 만족한다.2 is a perspective view of the horn antenna for the NRD guide as seen from the direction in which radio waves travel. The narrow part is a part where the waveguide is inserted, and the height a is 2.25 mm equal to the gap between the upper and lower conductor plates 1 and 2, and the width b is separated from the track by at least 4/4 so as not to affect the propagation of the wave. For this reason, it was 6.25 mm. In order to minimize the discontinuous region of the radio wave, the angle spreading in the vertical plane in the propagation direction is 48.35 degrees, and the length A of the opening surface of the horn antenna 6 for the NRD guide is 27 mm, and 14.5 degrees in the horizontal plane. The width B was 13 mm. The distance from the opening face to the junction point of the NRD guide 3 and the taper 4 is 27.25 mm. The narrow part is the part where the waveguide is inserted, and the height a is 2.25 mm equal to the gap between the upper and lower conductor plates 1 and 2, and the horizontal part b must be separated from the track by / 4 or more, so as not to affect the propagation of the wave. For this reason, it was 6.25 mm. In order to minimize the discontinuous area of the radio wave, the angle spreading in the vertical plane in the propagation direction is 48.35 degrees, and the length A of the opening surface of the horn antenna 6 for the NRD guide is 27 mm, and 14.5 degrees in the horizontal plane. The width B was 13 mm. The distance from the aperture to the junction of the NRD guide 3 and the taper 4 is 27.25 mm. In addition, the horn antenna may consider the influence on the phase error in terms of efficiency. This increases the gain with higher frequencies for a typical aperture antenna. However, as shown in FIG. 9, saturation occurs at high frequencies. This is manifested in decreasing aperture surface efficiency with increasing phase error. The aperture efficiency is expressed by the following equation. The phase error should be π / 8 = 22.5 ° or less. The horn antenna of the present invention satisfies such a range of phase errors. As shown in FIG. 10, A and B can be determined by the following equation to obtain a desired efficiency. In the present invention, the opening surface efficiency of the E surface and the H surface is appropriately selected and designed in consideration of the range of phase error. Where R ₀ is the distance from the center of each opening to the center of the opening plane with respect to the E plane and the H plane. The efficiency, directivity, and gain characteristics meet the specifications of the horn antenna for the NRD guide.

혼의 개구면에 0.1㎜테프론 막을 부착하여 기밀성을 갖도록 하였다.A 0.1 mm Teflon membrane was attached to the opening face of the horn to ensure airtightness.

도 3과 도 4는 NRD 가이드용 혼 안테나(6)의 단면도와 평면도이다.3 and 4 are sectional views and a plan view of the horn antenna 6 for the NRD guide.

도 5는 테이퍼(4)가 NRD 가이드용 혼 안테나(6) 내로 삽입되어 있는 형태를 나타내고 있다. 이때, 테이퍼(4)의 길이에 따라 이득과 정재파비의 특성이 다르게 나타난다. 도 6은 테이프(4)의 길이에 따른 이득과 정재파비의 그래프이다. 테이퍼(4)의 길이(L)가 5mm와 6mm 사이에서 이득이 높고 정재파비가 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.Fig. 5 shows a form in which the taper 4 is inserted into the horn antenna 6 for the NRD guide. At this time, the characteristics of the gain and the standing wave ratio are different depending on the length of the taper (4). 6 is a graph of gain and standing wave ratio according to the length of the tape 4. It can be seen that the length L of the taper 4 has a high gain and a low standing wave ratio between 5 mm and 6 mm.

따라서, 최적의 결과를 얻기 위해 테이퍼(4)의 길이(L)를 5.5mm로 하였다. 그 결과 도 7과 도 8의 이득의 특성을 얻을 수 있었는데, 도 7은 XZ 평면상에서 Z축을 기준으로 180도 까지의 이득 패턴이고, 도 8은 XY 평면상에서 X축을 기준으로 -90도에서 90도 사이의 이득 패턴을 나타내고 있다.Therefore, the length L of the taper 4 was made 5.5 mm in order to obtain the optimal result. As a result, the gain characteristics of FIGS. 7 and 8 were obtained. FIG. 7 is a gain pattern of up to 180 degrees with respect to the Z axis on the XZ plane, and FIG. 8 is -90 degrees to 90 degrees with respect to the X axis on the XY plane. The gain pattern in between is shown.

본 발명의 실시 예에서의 NRD 가이드용 혼 안테나(6)의 이득은 약 16.5dB로 나타났다.The gain of the NRD guide horn antenna 6 in the embodiment of the present invention was about 16.5 dB.

본 발명에서는 밀리미터파 대역에서 외부환경에 강하고 기계적인 강도를 지닌 NRD 가이드용 혼 안테나를 구성하였다.In the present invention, in the millimeter wave band, a horn antenna for NRD guide having strong mechanical strength and external environment is constructed.

NRD 가이드용 혼 안테나에 전파의 도파기는 NRD 가이드(3)와 연결된 테이퍼(4)를 이용하여 구성하여 테이퍼(4)의 길이(L)에 따라 안테나의 이득을 로드 안테나의 이득과 거의 일정하게 유지하였다.The waveguide of the radio wave to the horn antenna for the NRD guide is constructed by using a taper 4 connected to the NRD guide 3 to keep the gain of the antenna almost constant with the gain of the load antenna according to the length L of the taper 4. It was.

Claims

In the antenna for NRD guides used in the millimeter wave band,

The opening angle of the vertical surface of the horn antenna in the structure where the waveguide and the horn are combined is not less than 48.35 degrees;

Horn antenna for NRD guides, improving gain with an opening angle of 14.5 degrees in the horizontal plane

The method of claim 1,

A horn antenna for an NRD guide, wherein a 0.1 mm Teflon membrane is attached to the horn opening to have an airtightness of the antenna.

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