KR100447680B1 - Ｆｔｅｐ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조 - Google Patents

Ｆｔｅｐ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명의 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조는, 일정한 크기의 원형 도체 디스크들을 정삼각형 격자를 반복 단위로 하여 평면적으로 배열하고, 또한 전파 진행 방향으로 일정한 간격의 다층으로 축적함으로써, 중심 급전 소자와 주변 인접 소자들의 자연 발생적인 상호 전자파 결합에 의해, 넓은 빔 스캐닝 범위 내에서 균일한 전기적 성능을 가지고, 아울러, 시스템 가격의 경제성, 시스템의 소형화, 경량화 및 시스템 제작의 용이성을 제공하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기본 모드의 원형 편파 신호를 급전하고, 상호 전자파 결합을 통하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하는 중심 소자; 상기 중심 소자를 중점으로 하는 정육각형의 꼭지점 상에 장착되어, 상기 중심 소자와 상호 전자파 결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하는 복수개의 제1 링 소자; 상기 제1 링 소자 하나 또는 두 개를 꼭지점으로 하는 정삼각형 격자의 나머지 꼭지점 상에 장착되어 정육각형의 모양을 형성하면서, 상기 중심 소자 및 상기 제1 링 소자와 상호 전자파 결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하는 복수개의 제2 링 소자; 및 상기 중심 소자, 상기 복수개의 제1 링 소자 및 상기 복수개의 제2 링 소자를 지지하는 원형 도파관 배열 지지 수단을 포함한다.

Description

ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조{TWO-DIMENSIONAL MULTILAYER DISK RADIATING STRUCTURE FOR SHAPING FLAT-TOPPED ELEMENT PATTERN}
본 발명은 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조에 관한 것으로, 특히, 플랫-탑 엘리먼트 패턴(Flat-Topped Element Pattern ; 이하 FTEP)을 형성할 때 수반되는 무거운 중량, 스캐닝 효율 저하, 소자 조립실장의 복잡성, 고비용 등의 단점을 제거한 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 위상 제어 소자는, 위상 배열 안테나(Phased array antenna)의개발에 있어서 가장 핵심적이고 고가인 부품으로서, 안테나 배열 이득, 사이드 로브 레벨(Side lobe level), 섹터 빔 스캔 요구 규격에 따라 장착되어야 하는 개수가 결정된다. 여기서, 안테나 배열 이득, 사이드 로브 레벨 규격은 배열 개구면 모양이나 크기를 결정하는데 사용되고, 섹터 빔 스캔 요구 규격은 배열 소자 간격의 크기를 결정하는 데 사용된다.
또한, 종래의 일반적인 방법에 있어서, 위상 제어 소자의 배열을 설계할 시, 광범위한 빔 스캐닝을 위하여 배열 인자에 의한 그레이팅 로브(Grating lobe)가 실 공간(real space)에 존재하지 않도록 위상 제어 소자의 최대 배열 간격을 결정하였다.
반면에, FTEP(Flat-Topped Element Pattern) 기술은 상대적으로 작은 빔 스캐닝 범위 (±(5° 내지 25°))를 갖기 때문에, 배열 인자에 의한 그레이팅 로브(Grating lobe)가 실 공간(real space)에 존재하도록 최대 배열 간격을 결정할 수 있고, FTEP의 사이드 로브 특성에 의해 그레이팅 로브를 억압하는 특징이 있다. 이에 따라, 종래의 일반적인 방법에 비해, 위상 제어 소자의 소자간 간격이 상대적으로 증가하여 위상 제어 소자 수를 최소로 할 수 있다. 예를 들어, 20°의 원추형 빔 스캐닝을 요구하는 위상 배열 설계에서 상술한 FTEP의 기술을 사용할 경우, 일반적인 방법에 비해 위상 제어 소자 수를 1/11로 감소할 수 있다. 여기서, 요구되는 스캐닝 범위 내에서 FTEP를 형성하기 위해서는, 배열 개구면 진폭 분포 특성이, 겹쳐진 서브 배열(Overlapped subarray) 특성을 가짐과 동시에 1차원 배열의 경우, 2차원 배열의 경우및 3차원 배열의 경우의 식에 의한 배열 특성을 만족하여야 한다.
종래에는, 상술한 배열 특성을 얻기 위하여 아래와 같이 크게 다섯가지의 구조가 사용되었다.
도 1a 내지 도 1h는 종래기술에 따른 수동 다단자망을 갖는 배열구조도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 수동 다단자망을 갖는 배열 구조는, 위상 배열 안테나 시스템의 빔성형 및 빔조향 블록에서 입출력 신호간에 요구되는 위상차를 제공하는 위상 천이기(110), 안테나 배열 소자(120), 위상 천이기(110)와 배열 소자(120) 사이에 삽입되어 FTEP를 위한 요구 진폭 및 위상 분포를 형성하는 다단자망(Multiport network)(130)을 포함하고 있다. 그 밖에 다양한 다단자 망의 실시예가 도 1b 내지 h에 도시되어 있다. 그러나, 이와 같은 배열 구조는 이차원 빔 스캐닝 시 급전망이 복잡하여 효율이 떨어지고, 부피가 큰 것과 동시에 무게도 무거우며, 시스템 가격이 높은 문제점이 있다.
도 2a는 종래의 전계(E)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도이고, 도 2b는 종래의 자계(H)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도이다. 이중 모드 도파관은 공통된 벽을 가지기 때문에 도파관 벽에서의 슬롯 들을 통해 필요한 모드들을 여기할 수 있도록 하여 안테나 배열 설계를 간소화시킬 수 있는 장점이 있다. 도 2a는 전계(E)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도이고, 도 2b는 자계(H)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도로서, 소정의 직경(a0)을가지고 마이크로파를 필터링하여 통과시키는 단일 모드 도파관(210, 211), 소정의 직경(at) 및 길이(ht)를 가지고 단일 모드 도파관(210, 211)과 후술하는 이중 모드 도파관(230, 231) 사이의 임피던스 정합을 제공하는 임피던스 정합 도파관(220, 221), 및 이중 슬롯을 통해 전력을 상호 결합하는 이중 모드 도파관(230, 231)을 포함한다. 그러나 이러한 구조에서는, 상대적으로 작은 대역폭 및 작은 빔 스캐닝 범위를 가지며, 일차원의 응용에 한정되는 문제점이 있다.
도 3은 종래의 돌출 유전체 방사 소자를 이용한 배열 구조도이다. 돌출 유전체 방사 소자를 이용한 배열 구조는, 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로파를 필터링하여 통과시키는 도파관(310), 및 특정한 형태를 가지고 도파관의 종단에 부착된 복수개의 유전체 막대(dielectric rod)를 포함하는데, 상술한 도 1의 수동 다단자망을 갖는 배열 구조 및 도 2의 결합 이중 모드 도파관을 이용한 배열 구조는 제한된 급전 전송 선로 간에 인위적인 상호 결합을 유도하여 겹쳐진 서브 배열을 형성하는 구조인 반면, 도 3의 돌출 유전체 방사 소자를 이용한 배열 구조는, 자유 공간 내에서의 배열간 자연적 상호 결합(natural mutual coupling)을 이용하는 것이다. 이 구조는 표면파 상호 결합에 의한 블라인드니스(blindness) 현상을 초래할 수 있으므로, 배열 소자 간 상호 결합 시 배열 소자의 성공적인 동기가 요구되며, 이 구조는 낮은 주파수에서 상대적으로 무게가 무겁고, 유전체 재질의 높은 가격에 기인하여 시스템 가격이 상승하며, 유전체 간의 온도 변화 및 유전체 제품 생산에 따른 특성이 민감하여 안테나의 성능이 균일하지 않은 문제점이 있다.
도 4a 내지 4c는 종래의 주름진 도파관 배열 구조도이다. 주름진 도파관 배열 구조는, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 외부에서 입력되는 신호를 수신하는 배열 소자(410, 411), 리액티브 임피던스(reactive impedance)를 갖고 배열 소자(410, 411)에 반사 터미네이션(reflective termination)의 기능을 하는 리액티브 부하(420, 421)를 포함한다. 여기서, 단지 몇 개의 배열 소자만 위상 제어 소자에 직접 연결되고, 나머지 대부분의 방사 소자는 리액티브 부하에 연결된다. 이러한 리액티브 부하가 부착된 수동 방사 소자에서의 방사는 위상 제어 소자에 직접 연결된 능동 방사 소자와의 상호 결합 및 리액티브 부하의 반사에 의해 이루어지며, 도 4a 및 4b에 하나의 반복단위(b)에서 이루어지는 반사 과정이 도시되어 있다. 한편, 도 4c에는 리액티브 부하를 위해 다양한 도파관 길이를 갖는 주름진 배열 구조가 도시되어 있다. FTEP 형성을 위해서는 필요에 따라 더욱 충분한 결합이 요구되는데, 이를 위해 개구면 위에 추가 수동 산란체를 설치할 수 있다. 그러나 이러한 반사적 부하 배열 구조, 즉, 주름진 도파관 구조를 이용한 배열 구조는, 안테나 소자 배열 간격이 0.7 내지 0.85λ이므로 위상 천이기가 다수개 필요하고, 3% 이상의 배열 안테나 설계가 불가능 하며, 부피가 큰 것과 동시에 무게도 무거우며, 시스템 가격이 높은 문제점이 있다.
도 5a 및 5b는 종래의 유사 광학망을 이용한 배열 구조도이고, 도 5c는 종래의 방향성 결합기와 그 유사 광학적 등가를 나타낸 예시도이다. 공간 물체 추적을 위해서는 주로 광범위의 기계적 빔조향 장치와 협대역의 전자 빔조향 장치가 혼합되어 사용되는데, 이와 같이 전자적으로 빔 스캐닝 범위가 아주 좁은 FTEP 형성을위해서 도 1a 내지 1h에 도시된 바와 같은 다단자 망을 사용할 수 있다. 그러나, 이를 위해서는 상호 방사 소자 간의 간격이 멀어, 다단자망 전송선로 길이를 증가시키게 되고, 이로 인해 상당히 큰 저항성 손실을 초래하는 문제점이 있었다. 유사 광학망을 이용한 배열 구조는 이러한 단점을 극복하기 위한 것으로, 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 두 종류의 유사 광학망을 사용할 수 있다. 도 5c는 유전체 플레이트, 와이어 격자와 같은 반투명 스크린을 이용하여 방향성 결합기(directional coupler)와 유사한 특성을 얻을 수 있음을 나타내고 있다. 그러나, 이러한 유사 광학망을 이용한 배열 구조는 대규모 배열 안테나의 아주 좁은 빔 스캐닝에만 제한적으로 적용할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 일정한 크기의 원형 도체 디스크들을 정삼각형 격자를 반복 단위로 하여 평면적으로 배열하고, 또한 전파 진행 방향으로 일정한 간격의 다층으로 축적함으로써, 중심 급전 소자와 주변 인접 소자들의 자연 발생적인 상호 전자파 결합에 의해, 넓은 빔 스캐닝 범위 내에서 균일한 전기적 성능을 가지고, 아울러, 시스템 가격의 경제성, 시스템의 소형화, 경량화 및 시스템 제작의 용이성을 제공하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 1h는 종래의 수동 다단자망을 갖는 배열 구조도,
도 2a는 종래의 전계(E)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도,
도 2b는 종래의 자계(H)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도,
도 3은 종래의 돌출 유전체 방사 소자를 이용한 배열 구조도,
도 4a 내지 4c는 종래의 주름진 도파관 배열 구조도,
도 5a 및 5b는 종래의 유사 광학망을 이용한 배열 구조도,
도 5c는 종래의 방향성 결합기와 그 유사 광학적 등가를 나타낸 예시도,
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조의 상측면도,
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조의 단면도,
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한 원형 도파관에 의해 여기되는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조의 상측면도,
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 원형 도파관에 의해 여기되는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조의 단면도,
도 8a 내지 8c는 본 발명의 일 실시예에 의한 단위 안테나 빔 패턴 실험 결과 및 컴퓨터 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
610 : 중심 소자
620 : 제1 링 소자
630 : 제2 링 소자
640 : 원형 도파관 배열 지지물
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기본 모드의 원형 편파 신호를 급전하고, 상호 전자파 결합을 통하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하는 중심 소자; 상기 중심 소자를 중점으로 하는 정육각형의 꼭지점 상에 장착되어, 상기 중심 소자와 상호 전자파 결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하는 복수개의 제1 링 소자; 상기 제1 링 소자 하나 또는 두 개를 꼭지점으로 하는 정삼각형 격자의 나머지 꼭지점 상에 장착되어 정육각형의 모양을 형성하면서, 상기 중심 소자 및 상기 제1 링 소자와 상호 전자파 결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하는 복수개의 제2 링 소자; 및 상기 중심 소자, 상기 복수개의 제1 링 소자 및 상기 복수개의 제2 링 소자를 지지하는 원형 도파관 배열 지지 수단을 포함한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조의 상측면도이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조의 단면도이며, 본 발명의 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조는 중심 소자(610), 복수개의 제1 링 소자(620), 복수개의 제2 링 소자(630) 및 원형 도파관 배열 지지물(640)을 포함하고 있다.
중심 소자(610)는, 기본 모드의 원형 편파 신호를 급전할 경우, 후술하는 복수개의 제1 링 소자(620) 및 복수개의 제2 링 소자(630)와의 상호 전자파 결합을 통하여 요구하는 안테나 개구면에서 전류 분포를 형성하고, 원역장에서 FTEP 단위 방사 패턴을 형성하는 역할을 한다. 여기서 중심 소자(610)는, 제1 입력 원형 도파관부(611), 제1 임피던스 정합 원형 도파관부(612), 제1 방사 원형 도파관부(613) 및 복수개의 제1 다층 원형 도체부(614)를 포함하고 있다.
상기 중심 소자(610) 내에 장착된 제1 입력 원형 도파관부(611)는, 소정의 반경(a0) 및 소정의 길이(h0)를 가지며(도 7b에 도시됨), 이상적으로는 완벽한 도체로서, 고유 모드에 의한 원형 편파 신호를 급전하는 역할을 한다.
또한, 상기 중심 소자(610) 내에 장착된 제1 임피던스 정합 원형 도파관부(612)는, 소정의 반경(a1) 및 소정의 길이(h1)를 가지며(도 7b에 도시됨), 이상적으로는 완벽한 도체로서, 상기 제1 입력 원형 도파관부(611)와 후술하는 제1 방사 원형 도파관부(613) 사이의 완벽한 임피던스 정합을 제공하는 역할을 한다.
한편, 상기 중심 소자(610) 내에 장착된 제1 방사 원형 도파관부(613)는, 소정의 반경(a) 및 소정의 길이(h)를 가지며(도 7b에 도시됨), 이상적으로는 완벽한 도체이고, 상대 유전율이 ε인 유전체로 채워질 수 있으며, 상기 제1 임피던스 정합 원형 도파관부(612)를 통과한 마이크로파를 방사하는 역할을 한다. 여기서 상기 제1 입력 원형 도파관부(611), 상기 제1 임피던스 정합 원형 도파관부(612) 및 상기 제1 방사 원형 도파관부(613)는 플랜지(flange)(도시되지 않음)로 연결되며, 상기 플랜지(flange) 또한, 바람직하게는 도체이다.
또한, 상기 중심 소자(610) 내에 장착된 복수개의 제1 다층 원형 도체부(614)는, 다층으로 적층된 복수개의 원형 도체를 포함하고, 상기 제1 방사 원형 도파관부(613)에 의해 여기되어, 원형 도체 간의 상호 전자파 결합을 통해 FTEP를 이루는 단위 방사 패턴을 만드는 역할을 한다. 한편, 상기 제1 다층 원형 도체부(614)는, 필름 형태로 또는 유전체 막대를 사용하여 도체 원형 도체들이 적층된 것으로서, 각각의 원형 도체에 있어서, 첫 번째 원형 도체는 z1의 위치를 가지고, 마지막(N번째) 원형 도체는 zN의 위치를 가지며, 각 원형 도체 사이의 간격은 ds이고, 초기 원형 도체의 반경은 r인데, 이는 도 7b에 도시되어 있다. 여기서, 유전체 막대를 사용하여 원형 도체들을 적층하는 방법보다는 배열 성능에 영향을 주지 않을 정도의 얇은 유전체 필름 위에 원형 도체들을 증착하는 방법이 더 바람직하다.
또한, 각각의 제1 링 소자(620)는, 상기 중심 소자(610)에 장착된 제1 다층 원형 도체부(614)와 상호 전자파 결합하는 후술하는 제2 다층 원형 도체부(625)를 사용하여 단위 방사 패턴을 만드는 역할을 하며, 상기 중심 소자(610)를 하나의 꼭지점으로 하는 정삼각형 격자의 다른 꼭지점 위치에 장착되는 방식으로, 상기 중심 소자의 주위에 정육각형의 모양으로 6개가 장착되는데, 그 간격은 dx이고, 이에 따라, 각각의 xy좌표 상에서의 위치는 (dx, 0), (dx/2, dy), (-dx/2, dy), (-dx, 0), (-dx/2, -dy), (dx/2, -dy)이다(도 7a에 도시됨). 여기서 제1 링 소자(620)는, 제1 정합 부하(621), 제2 입력 원형 도파관부(622), 제2 임피던스 정합 원형 도파관부(623), 제2 방사 원형 도파관부(624) 및 복수개의 제2 다층 원형 도체부(625)를 포함하고 있다.
상기 제1 링 소자(620) 내에 장착된 제1 정합 부하(621)는, 상기 제1 링 소자(620)의 원형 도파관으로 급전된 기본 모드의 원형 편파가 방사될 경우 주변에 인접해 있는 상기 복수개의 제1 링 소자(620) 중 상기 제1 정합 부하(621)가 속하지 않은 다른 제1 링 소자(620)의 편파 진행 방향으로 자연 발생적인 상호 전자파 결합에 의해 원역장에서 FTEP를 형성하도록 안테나 개구면에서 전류 분포를 형성하도록 하는 역할을 한다.
또한, 상기 제1 링 소자(620) 내에 장착된 제2 입력 원형 도파관부(622), 제2 임피던스 정합 원형 도파관부(623), 제2 방사 원형 도파관부(624) 및 복수개의 제2 다층 원형 도체부(625)에 관해서는 상술한 중심 소자(610)에서와 기능적으로 동일하므로 생략하도록 한다.
한편, 제2 링 소자(630)는, 상기 제1 링 소자(620)에 장착된 제2 다층 원형 도체부(625)와 상호 전자파 결합하는 후술하는 제3 다층 원형 도체부(635)를 사용하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 만드는 역할을 하며, 상기 제1 링 소자(620)를 하나 또는 두 개의 꼭지점으로 하는 정삼각형 격자의 다른 나머지 꼭지점 위치에 장착되는 방식으로, 상기 제1 링 소자(620)의 주위에 정육각형의 변의 중심과 꼭지점에12개가 장착되는데, 그 간격은 dx이고, 이에 따라, 각각의 xy좌표 상에서의 위치는 (2dx, 0), (3dx/2, dy), (dx/2, 2dy), (0, 2dy), (-dx/2, 2dy), (-3dx/2, dy), (-2dx, 0), (-3dx/2, -dy), (-dx/2, -2dy), (0, -2dy), (dx/2, -2dy), (3dx/2, -dy)이다(도 7a에 도시됨). 여기서 제2 링 소자(630)는, 정합 부하(631), 제3 입력 원형 도파관부(622), 제3 임피던스 정합 원형 도파관부(623), 제3 방사 원형 도파관부(624) 및 복수개의 제3 다층 원형 도체부(635)를 포함하고 있다.
상기 제2 링 소자(630) 내에 장착된 정합 부하(631), 제3 입력 원형 도파관부(622), 제3 임피던스 정합 원형 도파관부(623), 제3 방사 원형 도파관부(624) 및 복수개의 제3 다층 원형 도체부(635)에 관해서는 상술한 제1 링 소자(620)에서와 기능적으로 동일하므로 생략하도록 한다.
또한, 상기 원형 도파관 배열 지지물(640)은, 상기 중심 소자(610), 제1 링 소자(620) 및 제2 링 소자(630) 내에 장착된 복수개의 원형 도파관을 지지하는 역할을 하는데, 바람직하게는 원형이며, 상기 제2 링 소자(630) 내에 장착된 제3 방사 원형 도파관부(624)와 본 지지물의 외벽과의 최단 두께는 t이다(도 7b에 도시됨).
이하, 상술한 본 발명의 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조의 동작 및 이론적인 해석에 관하여 도 7a 및 7b를 참조하여 후술한다.
이론적인 해석을 위한 배열 구조는 도 7a 및 7b와 같이 직교 좌표 시스템으로 표현할 수 있다. 배열은 무한 주기 구조로서, 행렬간 간격은 dx, dy이며, 이웃하는 열은 x축을 따라 dx/2만큼 이동되어 정삼각형 격자 구조를 만든다. 배열 구조는 직경이 2a0이고 임의의 길이를 갖는 입력 원형 도파관과 직경이 2a1이고 길이가 h인 방사 원형 도파관들이 공통으로 플랜지(flange)에 의해 연결된 형태로 이루어진다. 여기서 방사 원형 도파관들은 상대 유전율이 ε인 유전체로 채워질 수 있다. 방사 도파관 배열 위에 다층으로 원형 도체들이 적층되는데, 그 설계 파라미터는 높이 zl, 반경 r1로 한다. 여기서, 모든 도파관, 플랜지 및 원형 도체들은 완벽한 도체라고 가정한다.
본 발명의 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조는, FTEP를 갖는 단위 방사 패턴을 얻기 위해서, 상기 중심 소자(610)의 원형 도파관으로만 급전되고, 나머지 모든 원형 도파관들은 원형 도파관에 상기 제1 정합 부하(621) 및 상기 제2 정합 부하(631)를 부착한다. 그러므로, 각 단위 방사 소자에 의한 단위 방사 패턴은 해당하는 방사 소자와 연결된 원형 도파관으로만 급전하고, 주변의 나머지 원형 도파관들은 부착된 정합 부하를 사용하여 상기 중심 소자(610)가 FTEP를 형성할 수 있도록 한다. 만약에 인접한 복수개의 제1 링 소자(620) 중 하나에서 급전할 경우 그것에 새로운 중심 소자가 될 것이고 그 주위에 새로운 제1 링 소자 및 제2 링 소자들이 형성될 것이다.
안테나 배열 빔의 스캐닝을 위해서, 모든 원형 도파관들이 동일 진폭의 고유 모드에 의해 급전되며, 이때, 위상은 원하는 주 배열빔 방향에 해당하는 선형적인위상 간격으로 주빔 축을 따라 변한다.
모든 도파관들은 특정한 진폭 크기를 갖는 TE 모드들에 의해 여기되며, 여기서 TM 모드 여기는 0이라고 가정한다. 여기서 상기 TE 모드는 도파관 등의 특수한 전송선을 따라 전파되는 전자파 중에서 그 진행 방향에 자계 성분 H는 있으나 전계 성분 E가 전혀 없는 전기적 횡파를 형성하는 모드를 말하며, 이와는 반대로, TM 모드는 그 진행 방향에 전계 성분 E는 있으나 전계 성분 H가 전혀 없는 자기적 횡파를 형성하는 모드를 말한다. 상기 입력 원형 도파관부(611, 622, 632)와 상기 임피던스 정합 원형 도파관부(612, 623, 633)가 만나는 부분(z=-(h+h1)=-ζ)에서의 전체 횡방향 전자장은 아래 수학식과 같이 표현된다.
여기서, W0(=120πΩ)는 자유공간에서의 임피던스이고,는 입사되는 TE 모드들의 복수개의 진폭 계수이며, Rjmv는 반사되는 TE(j=1) 및 TM(j=2) 모드의 복수개의 미정 진폭이다. 또한,는 종방향 전파 상수이며, ez는 z축 방향의 단위 벡터, k(=2π/λ)는 자유 공간에서의 파장이다.
원형 도파관의 TE, TM 모드에 대한 직교 정규화된(orthonormalized) 횡방향벡터 함수들은 하기 수학식 3 및 수학식 4의 형태로 표현된다.
여기서, Jm(...), J'm(...)는 각각 m번째 베셀 함수와 독립 변수에 대해 미분된 m번째 베셀 함수를 나타내며, eρ과 eφ는 원통 좌표계에서 각각 ρ와 φ 방향의 단위 벡터들이다. 또한,과는 임의의 정규화 계수들이고, μ1mv과 μ2mv는 각각 방정식 J'm(μ)=0과 Jm(μ)=0의 m = 0, ±1,..., v = 1, 2, ...에서의 해당 근들을 나타낸다.
수학식 1 및 수학식 2에서와 유사한 방법으로, 방사 원형 도파관 개구면, z =0에서의 횡방향 전자장은 다음의 수학식 5 및 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
여기서, Ajmn은 각각 방사 개구면으로부터 진행하는 TE(j=1)와 TM(j=2) 모드의 복수개의 진폭 계수이고, Bjmn은 각각 방사 개구면으로부터 반사되는 TE(j=1)와 TM(j=2) 모드의 복수개의 진폭 계수이다. 또한,은 복수개의 종방향 전파 상수이다.
방사 원형 도파관 개구면 위, 즉, z>0에서의 전체 횡방향 전자장은 플로켓 모드의 무한 전개에 의해 아래 수학식 7 및 수학식 8과 같이 표현된다.
여기서,는 z=zl평면으로부터 진행하는 각각 TE(j=1)와 TM(j=2) 모드의 복수의 미지 진폭 계수이고,는 복수개의 종방향 전파 상수이며,및는 각각 복수개의 횡방향 전파 상수이다. 또한, u=sinθcosφ 및 v=sinθsinφ는 각각 주빔 방향에 대한 방향 코사인이다.
상기 수학식 9 및 수학식 10에 나타난 Ψ1pq및 Ψ2pq는 각각 정규화된 횡방향 벡터 함수이고, ex및 ey는 x축과 y축 방향의 단위 벡터이다. 여기서,, p,q = 0, ±1, ±2,...이다.
상기 수학식 7 및 수학식 8에서 전기장은 모든 곳에서 연속적인 반면에 자기장은 상기 다층 원형 도체부(614, 625, 635) 상에서 불연속(점프)이 생긴다. 서로 다른 공간에서 표현된 전자장에서의 복수개의 미지 진폭 계수는 모드 정합 방법에의하여 결정될 수 있다.
첫째로, 상기 입력 원형 도파관부(611, 622, 632)와 상기 방사 원형 도파관부(613, 624, 634) 사이의 상기 임피던스 정합 원형 도파관부(612, 623, 633)의 다중 모드 산란 계수(S)는 상기 입력 원형 도파관부(611, 622, 632)의 입사파 진폭 계수와 상기 방사 원형 도파관부(613, 624, 634)에서의 진행파 및 반사파 진폭 계수들 사이의 상호 관계로 아래 수학식 11과 같이 표현된다.
여기서, j'=1, 2, m'=0, ±1, ±2,..., n'=1,2,...이며,는 m번째 방위각 하모닉에 대한 복수개의 산란 매트릭스 성분이다.
방사 원형 도파관부(613, 624, 634)에서 수학식 5 및 수학식 6의 자기장과 수학식 7 및 수학식 8의 자기장을 동일하게 놓고 직교 정규화된 벡터 함수 Φjnn(ρ, φ, a)의 직교성을 이용하면, 아래와 같은 수학식 12 및 수학식 13을 얻을 수 있다.
여기서, j'=1, 2, m'=0, ±1, ±2,..., n'=1,2,...이며,은 하기 수학식 14와 같다.
여기서, "~"는 켤레 복소수를 나타낸다.
수학식 3 및 수학식 4와 수학식 9 및 수학식 10을 수학식 14에 대입하고 정리하면 하기 수학식 15, 수학식 16 및 수학식 17과 같은 식을 얻는다.
여기서, φpq=tan-1(βpq/αp)이다.
한편, 방사 원형 도파관부(613, 624, 634)의 개구면, 즉, z=0에서의 수학식 7 및 수학식 8의 전기장은 수학식 5 및 수학식 6의 전기장과 동일해야 하고, 플랜지에서의 전기장은 0이어야 한다. 이러한 원리와 수학식 9 및 수학식 10에 나타난 직교 정규화된 횡방향 벡터 함수들의 직교성을 이용하여 하기 수학식 18 및 수학식 19를 도출한다.
여기서, p', q'=0, ±1, ±2,...이다.
상기 다층 원형 도체부(614, 625, 635)에서의 전자장에 대한 경계 조건을 고려하면, 수학식 7 및 수학식 8의 자기장은 원형 도체를 제외한 영역에서는 연속이어야 하는 반면, 원형 도체 영역에서는 표면 전류 밀도 값과 같은 불연속을 가져야만 한다. 즉, 하기 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.
상기 다층 원형 도체부(614, 625, 635)에서의 표면 전류 밀도는 하기 수학식 21과 같이 무한 전개항으로 표현된다.
여기서,는 미지의 계수이며,및는 다음 수학식 22 및 수학식 23과 같이 주어지는 복수개의 직교 정규화된 벡터 함수이다.
여기서, 상기 식은 원형 도체 가장자리에서 전류 밀도의 방사 성분이 0인 조건을 만족하기 위하여 수학식 3 및 수학식 4에 ±ez의 벡터 곱의 결과로서 얻어진다.
수학식 9 및 수학식 10의 직교성을 이용하여, 수학식 20의 복수개의 진폭 계수()는 다음 수학식 24 및 수학식 25와 같이 표현된다.
상기 수학식 22 및 수학식 23과 수학식 9 및 수학식 10을 수학식 25에 대입하고 적분하면및로 주어지는데, 이때, 수학식 15, 수학식 16 및 수학식 17의 a는 r로 대체된다.
상기 수학식 18과 수학식 24 및 수학식 25를 수학식 12 및 수학식 13과 수학식 19에 대입하여 풀면, 하기 수학식 26, 수학식 27 및 수학식 28을 얻는다.
상기 선형 대수 방정식 시스템의 수학식 28은 수학식 7 및 수학식8에 있어서, 상기 다층 원형 도체부(614, 625, 635)의 원형 도체 상에서의 전기장은 0이라는 조건으로부터 도출된 것이다.
또한, 상술한 전기장이 0이라는 조건과 수학식 18 및 수학식 24를 고려하고, 갤러르킨(Galerkin) 방법을 적용하여, 다음과 같은 수학식 29 및 수학식 30을 얻는다.
여기서, l'=1, 2,...,L, j'=1, 2, m'=0, ±1, ±2,..., n'=1, 2,...이다.
위와 같이 수학식 11, 수학식 26, 수학식 27, 수학식 28, 수학식 29 및 수학식 30은 완전한 무한 선형 대수 방정식들로 구성되었으며, 상기 복수개의 수학식의 복수개의 미지의 계수는 가우스 제거 방법(Gauss elimination method)에 의해 도출될 수 있다.
상기 선형 대수 방정식들로부터 얻어진 결과값(복수개의 계수)은 주 편파, 교차 편파 방사 패턴 등과 같은 배열 특성들을 계산하기 위해 사용된다. TE m 1모드의 반사 계수들과 배열의 단위 패턴 성분은 다음과 같은 수학식에 의해 계산된다.
여기서, 상기 다층 원형 도체부(614, 625, 635)의 원형 도체 상에서의 전체 전자장에 대한 복수개의 플로켓 모드의 진폭은 하기 수학식과 같이 표현된다.
상기 입력 원형 도파관부(611, 622, 632)에m=1(좌현 편파 또는 우현 편파)과m=-1(우현 편파 또는 좌현 편파)의 원형 편파에 의해 여기될 경우 반사 계수들은m=1 여기에 대해 R++과 R-+로 주어지고,m=-1 여기에 대해 R--과 R+-로 주어진다. 여기서, ++, -- 는 주편파를 +-, -+ 는 교차 편파를 나타낸다.
반면에, 수학식 32 및 수학식 33의 단위 방사 패턴은m=1 여기에 대해과으로 주어지고,m=-1 여기에 대해과로 주어지며, 단위 방사패턴의 주편파 및 교차 편파 성분은 다음과 같은 수학식에 의해 쉽게 계산된다.
(m=1 여기 경우)
(m=-1 여기 경우)
상술한 두 원형 편파 여기의 의해 얻어진 복수개의 데이터는 또한, 수직 및 수평의 선형 편파에 의한 여기에 따른 배열 특성들을 계산하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조의 일 실시예에 있어서, 도 7a 및 7b에 도시된 복수개의 변수의 바람직한 수치는 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 통하여 하기 표에 나타낸 바와 같이 결정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 원하는 스캔각을 얻기 위해선 다층 원형 도체 방사 소자(610, 620, 630)간 간격 및 원형 도체의 적층 개수를 조정하면 된다. 즉, 작은 스캔각이 필요하면 방사 소자간 거리가 멀어지고 원형 도체의 적층 개수가 많아지는 반면에 큰 스캔각을 위해선 방사 소자간 거리가 가까워지고 원형 도체의 적층 개수가 줄어든다. 또한, 하기 표의 수치는 FTEP를 갖는 본 발명의 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조가 Ka 대역에서 ±20°의 빔 스캐닝을 갖도록 설정된 것이다.
매개변수 수치 비고
dx 1.121λ
a 0.4917λ 최소 도파관 벽두께 고려 조건으로부터 도출
h 1.9670λ
ao 0.3540λ 표준값
h0 3.4417λ
h1 0 불필요
r 0.1475λ
N 8
z1 0.2950λ
zN 0.9833λ
ds 0.0983λ
t 8mm
εr 1 공기
Ka 대역 실험을 위해 제작된 본 발명의 일 실시예에 의한 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조를 적용하여 무반사실에서 측정한 단위 안테나 빔 패턴 실험 결과 및 컴퓨터 시뮬레이션한 결과가 도 8a 내지 8c에 비교 제시된다. 상기 실험 결과에 있어서, 주빔 로브 영역에서는 시뮬레이션 결과와 거의 일치하며, 사이드로브 영역에서는 주변 기구 구조물 효과에 의해서 약간의 차이를 보인다. 또한, 시뮬레이션 모델은 이론적으로 이상적인 무한 배열 안테나를 고려한 경우이고, 실험 모델은 제작 허용 오차를 갖는 19개의 유한 배열을 고려한 경우로서 정방향에서는 시뮬레이션에 의한 전자장(패턴) 값이 실험 값보다 약간 작은 값을 보여준다.
실험 시제품의 측정된 단위 안테나 이득은 29.0 GHz, 29.5 GHz, 30.0 GHz의 시험 주파수에서 각각 10.2dBi, 10.7 dBi, 10.5 dBi값을 갖는다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 FTEP를 형성하기 위한 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조를 통해 그레이팅 로브를 억압하여 방사 소자의 수를 줄임으로써, 소자수 증가에 따른 비용을 줄이는 동시에, 급전 손실을 감소시키고, 2차원적인 응용이 가능하여, 상대적으로 넓은 빔 스캐닝에 적용될 수 있다. 또한, 얇은 합성 필름 위에 증착된 원형 방사 소자를 적층시키는 구조를 채택하여 상대적으로 조립이 용이하고 가벼운 장점이 있다.

Claims (11)

  1. 기본 모드의 원형 편파 신호를 급전하고, 상호 전자파 결합을 통하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하는 중심 소자;
    상기 중심 소자를 중점으로 하는 정육각형의 꼭지점 상에 장착되어, 상기 중심 소자와 상호 전자파 결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하는 복수개의 제1 링 소자;
    상기 제1 링 소자 하나 또는 두 개를 꼭지점으로 하는 정삼각형 격자의 나머지 꼭지점 상에 장착되어 정육각형의 모양을 형성하면서, 상기 중심 소자 및 상기 제1 링 소자와 상호 전자파 결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하는 복수개의 제2 링 소자; 및
    상기 중심 소자, 상기 복수개의 제1 링 소자 및 상기 복수개의 제2 링 소자를 지지하는 원형 도파관 배열 지지 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중심 소자를 중점으로 하고, 상기 복수개의 제2 링 소자의 외측에 장착되어 정육각형의 패턴을 형성하며, 꼭지점 상에 6개가 장착되고, 상기 정육각형 패턴의 변을 따라 6(n+2)개가 상기 꼭지점 사이에 상기 정삼각형 격자의 길이와 동일한 간격으로 장착되어 인접한 소자와 상호 전자파 결합하여 단위 방사 패턴을 형성하는 복수개의 제n+3 링 소자
    를 하나의 반복 단위로 상기 양의 정수인 n이 증가되는 형식으로 부가하여 포함하는 것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 중심 소자는,
    고유 모드의 원형 편파 신호를 급전하는 제1 입력 원형 도파관부;
    상기 제1 입력 원형 도파관부와의 임피던스 정합을 제공하는 제1 임피던스 정합 원형 도파관부;
    상기 제1 임피던스 정합 원형 도파관부를 통과한 신호를 방사하는 제1 방사 원형 도파관부; 및
    다층으로 적층된 복수개의 원형 도체를 포함하고, 상기 제1 방사 원형 도파관부에 의해 여기되어, 상기 제1 링 소자 및 상기 제2 링 소자와의 상호 전자파 결합을 통해 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하는 제1 다층 원형 도체부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 링 소자는,
    고유 모드의 원형 편파 신호를 급전하는 제2 입력 원형 도파관부;
    상기 제2 입력 원형 도파관부와의 임피던스 정합을 제공하는 제2 임피던스 정합 원형 도파관부;
    상기 제2 임피던스 정합 원형 도파관부를 통과한 신호를 방사하는 제2 방사 원형 도파관부; 및
    다층으로 적층된 복수개의 원형 도체를 포함하고, 상기 제2 방사 원형 도파관부에 의해 여기되어 상기 복수개의 원형 도체 간의 상호 전자파 결합을 통해 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하는 동시에 상기 중심 소자 및 상기 제2 링 소자와의 상호 전자파 결합을 통해 상기 단위 방사 패턴을 형성하는 제2 다층 원형 도체부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 링 소자는, 상기 제2 입력 원형 도파관부에 제1 정합 부하를 부가하여 입력 단자에서의 임피던스 정합을 제공하는
    것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 링 소자는,
    고유 모드의 원형 편파 신호를 급전하는 제3 입력 원형 도파관부;
    상기 제3 입력 원형 도파관부와의 임피던스 정합을 제공하는 제3 임피던스 정합 원형 도파관부;
    상기 제3 임피던스 정합 원형 도파관부를 통과한 신호를 방사하는 제3 방사 원형 도파관부; 및
    다층으로 적층된 복수개의 원형 도체를 포함하고, 상기 제3 방사 원형 도파관부에 의해 여기되어 상기 복수개의 원형 도체 간의 상호 전자파 결합을 통해 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하는 동시에 상기 중심 소자 및 상기 제1 링 소자와의 상호 전자파 결합을 통해 상기 단위 방사 패턴을 형성하는 제3 다층 원형 도체부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 링 소자는, 상기 제3 입력 원형 도파관부에 제2 정합 부하를 부가하여 입력 단자에서의 임피던스 정합을 제공하는
    것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 정삼각형 격자의 한 변의 길이는 1.121×λ인 것
    을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  9. 제3항, 제4항 및 제5항에 있어서,
    상기 제1 입력 원형 도파관부, 상기 제2 입력 원형 도파관부 및 상기 제3 입력 원형 도파관부는 0.3547×λ의 반경 및 3.4417×λ의 높이를 갖는
    것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  10. 제3항, 제4항 및 제5항에 있어서,
    상기 제1 방사 원형 도파관부, 상기 제2 방사 원형 도파관부 및 상기 제3 방사 원형 도파관부는 0.4917×λ의 반경 및 1.9670×λ의 높이를 갖는
    것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
  11. 제3항, 제4항 및 제5항에 있어서,
    상기 제1 다층 원형 도체부, 상기 제2 다층 원형 도체부 및 상기 제3 다층 원형 도체부의 복수개의 원형 도체는 0.1475×λ의 반경을 가지고, 0.0983×λ의 간격으로 적층되는
    것을 특징으로 하는 ＦＴＥＰ를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조.
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