KR100544331B1 - 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 3:1의 넓은 동작 주파수 대역을 가지며, 주자계면의 반전력 빔폭의 변화량을 줄이고, 빔조향 각도 내에서 한 개의 주빔만을 형성하도록 한 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명에 의한 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나는 미세조정나사(tuning screw)가 없는 후면급전방식(end launched)을 갖는 SMA 동축선로-도파관 변환부 및 등가전류원의 위상분포가 동위상이 되도록 자계면으로 확장된 형상이면서 곡선개구면을 갖는 안테나부로 이루어진 단일 혼 안테나가 복수 개 선형으로 배열되어 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나{A BROADBAND ARRAY ANTENNA WITH CURVE APERTURE}

도 1은 본 발명에 의한 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나의 사시도.

도 2는 교차급전구조를 설명하기 위한 배열 안테나의 단순 사시도.

도 3은 배열 안테나에 커넥터를 연결하는 것을 나타낸 평면도.

도 4는 교차급전구조가 보이도록 도시된 배열 안테나의 사시도.

도 5는 배열 안테나의 분리 사시도.

도 6은 도 5의 일부를 은선처리하여 나타낸 사시도.

도 7은 도 5를 우측에서 본 평면도.

도 8은 배열 안테나를 구성하는 혼 안테나 블록의 사시도.

도 9는 배열 안테나의 앞쪽이 보이도록 나타낸 사시도.

도 10a는 임의의 확장각에 있어서 주파수 변화에 따른 주자계면의 반전력 빔폭의 변화를 나타낸 그래프.

도 10b는 동작주파수 범위에서 확장각의 변화에 따른 반전력 빔폭의 평균치 및 표준편차를 나타낸 그래프.

도 10c는 평면개구 및 곡선개구에서 주파수 변화에 따른 반전력 빔폭의 변화를 나타낸 그래프.

도 11은 단일 혼 안테나와 배열 안테나에서 입력 정재파비의 특성변화를 나타낸 그래프.

** 도면의 주요부분에 대한 부호설명 **

10 : 커버 11-18 : 혼 안테나 블록

23, 24 : SMA 커넥터 25 : 가이드핀

26 : 특수나사 30 : 유전체

31 : 내심 32 : 평와셔

33 : 십자나사 41 : 개구면

42, 43 : 안테나 도체 44 : 이중릿지

45 : 계단형 릿지 46 : 커넥터 삽입구

50 : SMA 동축선로-도파관 변환부 60 : 안테나부

본 발명은 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 3:1의 넓은 동작 주파수 대역을 가지며, 주자계면의 반전력 빔폭의 변화량을 줄이고, 빔조향 각도 내에서 한 개의 주빔만을 형성하도록 한 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나에 관한 것이다.

안테나는 자유공간(free space)을 매개체로 전자기파를 전파시키는 RF 소자로서, 특정한 방향으로 전자파를 집중시키는 기능이 있으며, 안테나의 특성을 나타내는 자료로서 입력 정재파비와 복사패턴이 있다.

정재파비(SWR:Standing Wave Ratio)는 임피던스 부정합에 의해 생성된 정재파의 최소, 최대의 비로 임피던스 부정합의 정도를 알 수 있다.

정재파비가 1인 경우 안테나로 인가된 신호는 반사없이 모두 자유공간으로 복사됨을 의미한다.

일반적으로 안테나의 입력 정재파비가 2보다 낮은 주파수범위와 중심주파수의 비가 10% 미만인 경우 좁은 주파수 특성을 가진 것으로 보며, 이보다 큰 경우를 넓은 주파수 특성을 가졌다고 할 수 있다.

다이폴 안테나, 마이크로스트립 안테나 등이 협대역 동작주파수를 가지는 안테나이고, 혼 안테나, 스파이럴 안테나, 대수 주기(log period) 안테나 등은 광대역 동작주파수를 가지는 안테나이다.

복사패턴은 안테나에서 자유공간으로 에너지가 전달되는 분포를 나타낸 것으로, 안테나의 종류와 안테나의 형상에 따라 복사패턴이 달라진다.

혼 안테나는 도파관(waveguid)의 개구를 서서히 증가시켜 전자파가 자연스럽게 자유공간으로 복사(radiation)되도록 한 것으로 입력 정재파비 및 안테나 이득을 개선시킬 수 있다.

종래의 표준이득 혼 안테나는 약 2:1 대역에서 주빔(main beam)의 반전력 빔폭을 불균일하게 만들어 안테나 이득을 높이는데 초점을 두고 있으며, 이러한 종래의 혼 안테나의 길이는 대략 10-30cm 정도이고, 개구의 크기는 동작파장보다 수 내지 수십 배 정도로 자계 및 전계방향으로의 확장각이 60°미만으로 설계되어 있다. 이러한 종래의 혼 안테나를 주파수 6GHz-18GHz의 3:1 광대역에서 사용하는 경우 동 작주파수 영역 내에서 반전력 빔폭이 약 20°내지 30°까지 변하게 된다.

특허 제 0348415호 "균일한 빔 폭을 갖는 광대역 주파수 혼 안테나" 의 경우, 주자계면 및 주전계면에서 균일한 빔 폭을 갖기 위해서는, kρ_H와 kρ_E가 5.6π내지 17π범위에 있고, 주자계면 확장각(θ_H)과 주전계면 확장각(θ_E)이 50°내지 210°로 설계되어야 하므로, 안테나 개구면적은 파장에 비하여 100배 내지 380배로 매우 크다.

안테나의 이득 증가 및 주빔의 방향을 변경하기 위하여 안테나를 여러개 사용하며, 이를 배열이라 한다. 이때 빔 조향 각도 범위 내에 한 개의 주빔을 발생시키기 위하여 안테나간의 거리는 다음의 수학식(1)에 의해 결정되어진다.

여기서, λ_H는 동작최대주파수의 파장이고, θ₀는 최대 빔조향 각을 나타낸다.

그러나, 종래의 표준이득 혼 안테나나 균일한 빔 폭을 갖는 광대역 주파수 혼 안테나의 경우 안테나 개구면이 최소 파장에 비하여 매우 크기 때문에 배열 조건을 만족하지 못하게 된다. 이 경우 빔 조향 각도 범위 내에 주빔 외에 다른 복사빔(그레이팅 로브)이 형성되며, 주빔에 대한 에너지 손실을 유발한다.

또한, 이동체에 탑재되는 경우 작고 가벼워야 하는데, 종래의 안테나로는 주파수 대역폭 및 기구적 특성(무게, 부피)등을 만족할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 3:1의 넓은 동작주파수 대역을 가지면서 주자계면에서의 반전력 빔폭의 변화량을 줄이고, 빔조향 각도범위내에서 한 개의 주빔만이 형성되도록 한 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명에 의한 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나는 미세조정나사(tuning screw)가 없는 후면급전방식(end launched)을 갖는 SMA 동축선로-도파관 변환부 및, 안테나 도체 쌍이 서로에 대해 주자계면 방향에서 방사형으로 확장하고 상기 안테나 도체 쌍의 연결면 단부인 안테나 개구면이 원호 형상을 이루어 상기 안테나 개구면에서 등가전류원의 위상분포가 동위상이 되도록 하는 안테나부로 이루어진 단일 혼 안테나가 복수 개 선형으로 배열되어 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나를 앞쪽 측면에서 바라본 사시도를 나타낸다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 커버(10)와 각각의 혼 안테나 블록(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)을 전계방향으로 1차원 배열하여 광대역 배열 안테나를 구성한다. 혼 안테나 블록(11, 13, 15, 17)과 혼 안테나 블록(12, 14, 16, 18)은 각각 기계적으로 동일한 특성을 가지고 있다.

도 2는 본 발명에 의한 배열 안테나에서 교차급전구조를 설명하기 위한 배열 안테나의 단순 사시도이다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 배열 안테나는 혼 안테나 블록(11, 12)의 중심축(21, 22)이 서로 어긋나게 배열된 교차급전구조로 구성되어 있다. 여기서, 어긋난 각도의 절반을 경사각(tilt angle)(τ)이라고 한다.

경사각은 SMA 커넥터의 물리적 크기와 안테나간의 거리 및 안테나의 크기에 의하여 구할 수 있다. 본 발명에 의한 배열 안테나에서 교차급전의 경사각을 4°이하로 한다.

도 3은 교차급전구조로 배열된 혼 안테나 블록에 커넥터가 연결되는 것을 나타낸 평면도이다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 커넥터(23, 24)가 혼 안테나 블록의 중심축을 관통하여 연결된다. 이와 같이 배열 안테나를 교차급전구조로 구성함으로써 안테나의 크기를 최소화할 수 있다.

도 4는 교차급전구조가 보이도록 배열 안테나를 뒤쪽 측면에서 바라본 사시도이다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 커넥터가 서로 엇갈리게 배치되어 있음을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 배열 안테나를 구성하는 과정을 설명하기 위한 분리 사시도이다.

일반적으로 기본파 모드 또는 에너지를 많이 전송하는 모드의 전자파에 약간의 교란을 주어 초고주파의 특성을 개선하기 위해 미세조정나사를 사용한다.

본 발명에 의한 배열 안테나의 경우 기본파 모드는 혼 안테나 블록이 배열된 방향의 전자파이므로 미세조정나사를 사용할 경우 배열방향으로 삽입하여야 한다. 안테나를 개별적으로 제작한 후 미세조정나사로 각 안테나의 특성을 조절한 다음 배열 안테나를 구성한다.

그러나, 이와 같이 미세조정나사를 이용하여 배열 안테나를 구성하는 경우 기계적인 가공을 단면구조로만 할 수 있고, 안테나 개구의 크기 및 수학식(1)에 의해 매우 높은 정밀도의 기계가공이 필요하게 된다. 따라서, 미세조정나사가 없는 구조로 안테나를 구성함으로써 단면구조보다 낮은 정밀도로 배열 안테나를 구성할 수 있다.

도 5에서, 혼 안테나 블록(18)은 광대역 배열 안테나의 최외각에 위치한 블록으로서 단면 기계가공으로 구성되어 있다. 혼 안테나 블록(11-17)은 광대역 배열 안테나의 내부에 위치한 블록로서 양면 기계가공으로 되어 있다. SMA 커넥터(23)는 유전체(30)와 내심(coaxial conductor)(31)으로 구성되어, 평와셔(flat washer)(32)와 십자나사(33)에 의해 안테나 블록(11)에 고정된다. 가이드핀(25)은 개별적으로 가공된 안테나 블록을 배열하기 위해 사용된다. 가이드핀(25)에 의해 안테나 블록이 정렬되면 특수나사(26)를 이용하여 안테나 블록을 고정시킨다.

도 6은 도 5의 일부를 은선처리하여 나타낸 사시도로서, 혼 안테나 블록(11-17) 중 혼 안테나 블록(11)을 은선처리하여 양면 기계가공으로 되어 있음을 나타내고 있는데, 다른 혼 안테나 블록(12-17)에 대해서도 이와 동일하게 나타낼 수 있다.

도 7은 도 5를 우측에서 바라 본 평면도이다. 도 7에서 도시된 바와 같이, 각 안테나 블록이 양면가공으로 되어 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 배열 안테나를 구성하는 하나의 혼 안테나를 나타낸 사시도이다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 혼 안테나는 SMA 동축선로-도파관 변환부(50)와 안테나부(60)가 일체형으로 되어 있다.

개구면(41)은 안테나와 자유공간이 만나는 경계면이고, 안테나 도체(42, 43)는 안테나를 구성하는 도체이다. 안테나 도체(42, 43)를 연장하여 만난 가상적인 점으로부터 개구면(41)까지의 거리를 안테나의 혼길이(ρ_H)로 정의하고, 안테나 도체(42, 43)의 연장선이 이루는 각도를 확장각(φ_H)으로 정의한다.

일반적인 안테나의 개구의 단면은 평면이지만, 본 발명에서는 주파수에 대한 주자계면의 반전력 빔폭이 U자형이 되도록 안테나의 개구 형상을 곡선으로 구성한다. 안테나 개구에서 불연속에 의한 고조파 발생으로 안테나 복사 빔 패턴의 왜곡을 방지하기 위해 광대역 주파수특성을 위한 이중릿지(44)가 선형적으로 서서히 제거된다. 또한, 계단형 릿지(45)가 전기적으로 체비셰프(Chbyscheff) 특성을 갖도록 릿지 높이 및 길이가 결정되며, 총길이는 동작 최대 파장의 1.5배 이하로 제한된다. 커넥터 삽입구(46)에는 SMA 동축선로 커넥터의 유전체가 삽입된다.

도 9는 본 발명에 의한 배열 안테나를 앞쪽에서 바라본 사시도를 나타낸다. 도 9에서 도시된 바와 같이, 혼 안테나 블록이 양면가공되어 교차급전구조로 배열되어 있음을 확연히 알 수 있다.

도 10a는 혼길이가 2π내지 6π범위에 있는 경우 확장각에 따른 주파수 대 주자계면의 반전력 빔폭의 특성을 나타낸 그래프이다.

도 10b는 3:1 대역의 주파수범위에서 확장각에 따른 주자계면 반전력 빔폭의 평균치와 표준편차를 나타낸 그래프이다. 도 10a와 함께 3:1 주파수대역에서 반전력 빔폭이 최소 30도이고, 반전력 빔폭의 변화량을 감소시키기 위해 빔폭의 형태를 U자형으로 하면서 동작주파수범위에서 10도 미만의 표준편차를 갖도록 안테나 설계변수를 구할 수 있다.

도 10c는 안테나 개구면의 형상에 따른 반전력 빔폭의 주파수별 특성을 나타낸 그래프이다. 평면개구에서는 U자형의 반전력 빔폭 특성을 보이지 못하나, 원형개구인 경우에는 U자형의 반전력 빔폭 특성을 나타내고 있다.

도 11은 단일 안테나와 배열 안테나의 입력 정재파비 특성을 나타낸 그래프이다. 일반적으로 단일 안테나의 입력 정재파비를 수동 정재파비(passive SWR)라 하고, 배열 안테나의 입력 정재파비를 구동 입력 정재파비(driving SWR)라 한다.

도 11에서 보면, 구동 입력 정재파비가 안테나 상호간에 발생하는 간섭에 의해 3:1 대역에서 2이하임을 알 수 있다. 배열 안테나는 각각의 안테나에 RF 신호가 동시에 인가되기 때문에 구동 입력 정재파비의 특성이 배열 안테나의 입력 정재파비의 특성을 나타내게 된다. m번째 안테나의 구동 입력 반사계수(Γ_m)는 각 안테나의 산란계수로부터 수학식(2)과 같이 구해진다.

여기서, θ₀는 빔조향각도, d는 배열간격, k는 동작주파수에 해당하는 위상 정수로 2π/λ, S_mn은 n번째 안테나에서 m번째 안테나에 대한 산란계수이다.

상기와 같이 본 발명에 의한 배열 안테나는 3:1의 넓은 동작주파수 영역에서 주파수에 따른 주자계면의 반전력 빔폭이 U자 형태를 갖도록 하여 반전력 빔폭의 변화량을 줄이는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 미세조정나사가 없는 구조로서 양면 기계 가공이 가능하여 낮은 정밀도로 배열 안테나를 구성할 수 있으면서, 빔 조향 범위내에 한 개의 주빔만을 형성하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 교차급전구조로 배열되어 배열 안테나의 크기를 작게 하여 작은 공간에서도 배열 안테나를 설치할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 혼 안테나의 배열에 의한 상호결합현상으로 구동 입력 정재파비를 개선시키는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 미세조정나사가 없는 후면급전방식을 갖는 SMA 동축선로-도파관 변환부 및, 안테나 도체 쌍이 서로에 대해 주자계면 방향에서 방사형으로 확장하고 상기 안테나 도체 쌍의 연결면 단부인 안테나 개구면이 원호 형상을 이루어 상기 안테나 개구면에서 등가전류원의 위상분포가 동위상이 되도록 하는 안테나부로 이루어진 단일 혼 안테나가 복수 개 선형으로 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 SMA 동축선로-도파관 변환부의 길이는 동작 최대 파장의 1.5배 이하로 결정되는 것을 특징으로 하는 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 안테나부의 혼길이는 동작주파수대역의 위상정수(k)와 혼길이(ρ_H)의 곱이 2π에서 6π범위에 있도록 결정되고, 자계방향의 확장각(Φ_H)은 60˚에서 80˚ 범위에 있도록 결정되는 것을 특징으로 하는 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 혼길이는 동작최대파장으로 결정되고 상기 자계방향의 확장각은 70˚로 결정됨으로써, 동작주파수대역에서 주파수에 따른 주자계면의 반전력 빔폭이 U자형을 가지며 최소 반전력 빔폭이 30˚이고 표준편차가 10˚이내에 있는 것을 특징으로 하는 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 단일 혼 안테나는 양면 기계 가공으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 SMA 동축선로-도파관 변환부는 상기 배열 안테나의 개구면이 동일한 위치에 있도록 교차급전구조로 구성된 것을 특징으로 하는 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 교차급전구조에서 경사각은 4˚이하로 하고 SMA 동축선로 거리는 10mm 이하로 하는 것을 특징으로 하는 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 선형으로 배열된 단일 혼 안테나간의 상호결합에 의해 입력 정재파비가 2이하로 결정되는 것을 특징으로 하는 곡선 개구를 갖는 광대역 배열 안테나.

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