KR100587507B1 - 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나(leaky-wave dual polarized slot type antenna)에 관한 것으로서, 이와 같은 본 발명에 따른 제 1 및 제 2 급전회로부는 제 1 유전층 상에 X축을 따라 제 1 주기(P1)마다 루프를 가지며 Y축을 따라 제 2 주기(P2)를 갖고 평행하며 서로 교호하게 형성되며 각각의 제 1 주기(P1)에 대한 각각의 길이(Ls1)(Ls2)가
Figure 112005501616693-pat00025
의 식에 의해 결정되는 각각 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로와, 상기 제 1 유전층 상의 일측 및 타측에 각각 N개의 상기 제 1 및 제 2 스트립선로가 병렬로 연결되게 형성된 제 1 및 제 2 다채널분할기와, 상기 제 1 및 제 2 다채널분할기와 연결되어 상기 개구와 대응되게 형성된 제 1 및 제 2 중앙포트로 이루어지며, 제 1 및 제 2 슬롯부는 제 2 차폐층이 패터닝되어 형성되며 X축을 따라 M개의 제 1 및 제 2 슬롯이 배열되어 각각의 제 1 및 제 2 슬롯이 상기 제 1 및 제 2 스트립선로와 교차되는 제 1 및 제 2 슬롯어레이가 각각 N개의 열을 이루며 상기 제 1 슬롯과 제 2 슬롯이 각각 직교되게 형성된다.
누설파, 이중 편파 슬롯, 안테나, 급전부, 스트립선로

Description

누설파 이중 편파 슬롯형 안테나{leaky-wave dual polarized slot type antenna}
도 1은 본 발명의 첫 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 평면도.
도 2는 도 1에 보인 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나를 a1-a2선으로 자른 단면도.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 보인 제 1 및 제 2 스트립선로에 서로 반대 방향으로 급전되는 파동에 따른 메인 빔의 방사 방향을 도시하는 개략도.
도 4는 도 1에 보인 제 1 슬롯어레이와 제 1 스트립선로 사이의 불균일 결합을 도시하는 개략도.
도 5는 본 발명의 첫 번째 실시 예에 따른 방사 각도(θ)와 주파수(f)의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 첫 번째 실시 예에 따른 이득(G)과 주파수(f)의 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명의 첫 번째 실시 예에 따른 전자기파에 의해 제 1 슬롯과 제 2 슬롯이 교차 편파되는 것을 도시하는 상태도.
도 8은 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 평면도.
도 9는 본 발명의 세 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 평면도.
본 발명은 마이크로 스트립 라인 급전 슬롯 형상의 평판안테나에 관한 것으로서, 특히, 직교 편파(orthogonal polarization)를 방사 또는 수신할 수 있는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나(leaky-wave dual polarized slot type antenna)에 관한 것이다.
극초단파대와 마이크로웨이브 대역에서 운용되는 탐지레이더, 기지국 안테나 위성통신 및 위성 방송 등에 사용되는 안테나는 높은 이득을 가져야 한다. 안테나가 높은 이득을 갖기 위해서는 방향성을 가져야 하는 데, 방향성을 갖는 안테나로 파라볼라 안테나 등이 사용되었다.
그러나, 파라볼라 안테나가 높은 이득을 갖기 위해서는 넓은 표면적이 필요하므로 기지국의 통신 장비의 크기가 증가되어야하며 또한 녹을 방지하기 위해 표면에 환경 호르몬 성분을 함유하고 있는 물질로 코팅해야하므로 안테나의 사용시와 폐기시 환경을 오염시킨다.
그러므로, 기지국 등의 통신 장비를 소형 및 경량화하기 위한 무선 접속 방식, 전력 제어 및 간섭 제어기, 단말기, 그리고 네트워크 시스템 기술 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 마이크로 스트립라인 안테나 등과 같은 평판형 안테나는 소형, 경량 및 박형으로 이동이 편리하고 가격이 저렴하다.
이와 같은 마이크로 스트립라인 안테나 등의 평판 안테나는 이동성 및 기동성이 요구되는 군 통신 등에 이용되며, 또한, 차세대 이동 통신 시스템 등의 첨단 기기에 효율적으로 응용될 수 있다.
그러나, 현재까지 사용화된 마이크로 스트립라인 안테나는 주파수 대역폭(frequency bandwidth)이 좁고 이득이 낮은 단점이 있었으며 안테나 메인빔(Main Beam)의 경사(tilting)시 과도한 안테나 이득감소가 발생할 뿐 아니라 주파수별 경사각도가 다르게 형성되어 차량용 안테나의 Low profile용으로 사용되기 어렵고, 또한 하나의 안테나가 단일 편파만을 송수신할 수 있으므로 이중 편파를 송수신하기 위해서는 수직 편파 안테나와 수평 편파 안테나를 동시에 사용하여야 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 넓은 주파수 대역폭을 갖는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 주파수 이득을 향상시킬 수 있는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하나의 안테나의 동일 평면 상에서 수직 편파와 수평 편파를 동시에 송수신할 수 있는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 안테나의 메인 빔(Main Beam)을 최저의 이득감소로 경사(Tilting)시켜 Low profile의 차량용 안테나에 이용할 수 있는 누설파 이중편파 슬롯형 안테나를 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는, XY 평면을 갖는 제 1 차폐층과; 상기 제 1 차폐층 상부의 제 1 유전층과; 상기 제1 유전층 상부 또는 하부에 형성되며, 입력되는 전자기파를 각각 급전하기 위하여, 상기 제1 유전층의 일 측에서부터 미리 설정된 제1 주기로 소정 형상의 제1 루프가 상기 X축을 따라 형성된 다수개의 제1 스트립 선로들과, 상기 제1 유전층의 타측에서부터 상기 제1 주기로 소정 형상의 제2 루프가 상기 X축을 따라 형성된 다수개의 제2 스트립 선로들로 구성된 제 1 및 제 2 급전회로부와; 상기 제 1 및 제 2 급전회로부 상부 또는 제1 유전층 상부에 형성된 제 2 유전층과; 상기 제 2 유전층 상부 또는 하부에 형성되며, 상기 제1 및/또는 제2 급전회로부에 급전되는 전자기파를 수직 편파 및/또는 수평 편파로 방사하는 차폐층으로 구성된다.
여기서, 제1 루프는 싸인파형이며, 상기 제2 루프는 구형파형인 것이 바람직하다.
또한, 상기 Y축을 따라 형성된 임의의 인접한 제1 스트립 선로들의 거리는 동일하며, 상기 Y축을 따라 형성된 임의의 인접한 두 개의 제2 스트립 선로들의 거리도 동일한 것이 바람직하다.
또한, 상기 X축을 따라 형성된 임의의 인접한 두개의 제1 루프들의 거리는 동일하며, 상기 X축을 따라 형성된 임의의 인접한 두 개의 제2 루프들의 거리도 동일한 것이 바람직하다.
또한, 상기 X축을 따라 형성된 각각의 상기 제1 스트립 선로에 형성된 상기 제1 루프의 형성 주기는 각각의 상기 제2 스트립선로가 형성된 상기 제2 루프의 형성 주기와 동일한 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 및 제2 급전회로부는 상기 Y 축의 중앙부분에 위치한 하나 이상의 소정 형상 및 소정 길이를 갖는 포트에 의해 양분되며, 상기 제1 스트립 선로들과 상기 제2 스트립 선로들이 상기 포트를 기준으로 서로 대칭 또는 비대칭 형태로 구성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 구성과 동작을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 평면도이고, 도 2는 도 1에 보인 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나를 a1-a2선으로 자른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 각각 참조하면, 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는 제 1 차폐층(11)과, 제 1 차폐층(11) 상에 형성된 제 1 이격부(13)와, 제 1 이격부(13) 상에 형성된 제 1 유전층(15)과, 제 1 유전층(15) 상부(또는 하부)에 형성된 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18)와, 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18) 상에 형성된 제 2 이격부(31), 제 2 이격부(31) 상에 형성된 제2 유전층(47)과, 제2 유전층(47) 하부(또는 상부)에 형성된 제 2 차폐층(33)으로 구성되며, 제 2 차폐층(33)은 도 1에 도시되 바와 같이 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)가 각각 형성된 구조를 갖는다.
여기서, 도 2의 제 1 차폐층(11)은 구리, 알루미늄 또는 은 등의 도전성 금속이 XY 평면을 갖는 판 형상으로 형성되며, 통상 접지되는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 차폐층(11)은 안테나의 구성 요소들을 기계적으로 지지할 뿐만 아니라, 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18)를 따라 급전되는 전자기파가 수직하는 방향을 따라, 즉, -Z축을 따라 외부로 방사되는 것을 방지한다. 그리고, 제 1 차폐층(11)의 중앙 부분에 원형 또는 사각형의 개구(49)가 1개 또는 2개가 형성된다. 여기서, 도 2에 보인 개구(49)는 제 1 차폐층(11)의 하부에 설치될 여진기(도시되지 않음)의 도파관과 대응되게 설치되며 전자기파를 도파하는 통로가 된다.
또한, 제 2 차폐층(33)은 제 2 유전층(47)의 하부(또는 상부)에 구리, 알루미늄 또는 은 등의 도전성 금속이 증착 또는 접착되어 XY 평면을 갖는 판 형상으로 형성된 것으로서, 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18)를 따라 급전되는 전자기파를 수직편파 및 수평편파로 방사할 뿐만 아니라 +Z축을 따라 외부로 방사되는 것을 방지한다. 즉, 제 1 및 제 2 차폐층(11)(33)은 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18)를 따라 전송되는 전자기파가 Z축을 따라 투과되는 것을 방지하여 전자기파가 안테나 평면과 수직하는 방향의 외부로 방사되는 것을 방지한다.
제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)는 제 2 유전층(47) 하부(또는 상부)의 제 2 차폐층(33)을 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝하는 것에 의해 형성된다. 상기에서 제 1 슬롯부(35)는 X축에 수직하는 M×N(M과 N은 자연수)개의 제 1 슬롯(39)이 매트릭스(matrix) 형상으로 형성되며, 제 2 슬롯부(41)는 M×N개의 제 1 슬롯(39)과 직교되며 X축에 평행한 M×N개의 제 2 슬롯(45)이 매트릭스(matrix) 형상으로 형성된다. 즉, 제 1 슬롯부(35)는 X축을 따라 배열된 M개의 제 1 슬롯(39)으로 이루어진 제 1 슬롯어레이(37)가 N개의 열(row)로 이루어지며, 제 2 슬롯부(41)는 M개의 제 1 슬롯(39)과 직교되며 X축을 따라 평행하게 배열된 M개의 제 2 슬롯(45)으로 이루어진 제 2 슬롯어레이(43)가 N개의 열(row)로 이루어진다.
여기서, 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)는 도 1에 도시된 바와 같이 X축을 따라 제 1 주기(P1)를 가지며 Y축을 따라 제 2 주기(P2)를 갖는다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 X 축을 따라 형성된 각각의 제 1 슬롯 어레이간에는 서로 동일한 제1 주기를 갖으며, 상기 Y축을 따라 형성된 각각의 제 2 슬롯어레이간에는 서로 동일한 제 2 주기를 갖는다.
상기에서 각각의 제 1 슬롯(39) 및 제 2 슬롯(45)은 수직 및 수평 편파된 전자기파를 수신 또는 송신하는 것으로 폭(W)과 길이(L)를 갖는 데, 이 폭(W)과 길이(L)는 W《 L의 조건을 만족하여야 한다. 또한, 각각의 제 1 슬롯(39) 및 제 2 슬롯(45)의 폭(W)은 자유공간파동의 파장(λ) 보다 매우 작아야 한다. 즉, W《 λ의 조건을 만족하여야 한다.
제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18)는 입력되는 전자기파의 급전하기 위한 것으로, 제 1 유전층(15)의 상부표면에 구리, 은 또는 알루미늄 등의 도전 특성이 양호한 금속을 증착 또는 접착한 후 포토리쏘그래피 방법으로 패터닝하는 것에 의해 형성된다. 상기에서 제 1 급전회로부(17)는 X축을 따라 평행하게 형성된 N개의 제 1 스트립선로(19), 제 1 다채널분할기(23) 및 제 1 중앙포트(27)로 이루어지고, 제 2 급전회로부(18)는 제 1 스트립선로(19)와 평행하게 형성된 N개의 제 2 스트립선로(21), 제 2 다채널분할기(25) 및 제 2 중앙포트(29)로 이루어진다.
N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)는 서로 교호(交互)되게 형성되어 제 1 유전층(15) 상의 일측과 타측에 각각 형성된 제 1 및 제 2 다채널분할기(23)(25)와 병렬로 연결되며, 각각의 제 1 및 제 2 다채널분할기(23)(25)는 안테나의 중앙에 형성된 각각 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)에 병렬로 연결된다. 상기에서 제 1 및 제 2 다채널분할기(23)(25)와 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)는 스트립선로 형상으로 형성된다.
상기에서 각각의 제 2 스트립선로(21)는 제 2 슬롯어레이(43)와 교차하기 위해 X축을 따라 제1주기(P1) 마다 구형파 형상의 제2루프(21a)가 다수개 형성된다. 그러므로, 제 2 스트립선로(21)의 X축을 따라 인접하는 2개의 제 2 슬롯(45) 사이 길이(Ls2)는 루프에 의해 제 1 주기(P1) 보다 크다.
또한, 각각의 제 1 스트립선로(19)도 제 1 슬롯어레이(37)와 교차되도록 X축을 따라 제1주기(P1) 마다 반원 형상 또는 사인파 형상의 제1루프(19a)가 다수개 형성된다. 또한, 제 1 스트립선로(19)의 X축을 따라 인접하는 2개의 제 1 슬롯(39) 사이 길이(Ls1)도 제 1 주기(P1) 보다 크다.
여기서, X축을 따라 형성된 임의의 인접한 두개의 제1 루프들의 거리는 동일하며, X축을 따라 형성된 임의의 인접한 두 개의 제2 루프들의 거리도 역시 동일함을 도 1을 통하여 알 수 있으며, X축을 따라 형성된 각각의 제1 스트립 선로(19)에 형성된 제1 루프의 형성 주기는 각각의 제2 스트립선로(21)가 형성된 제2 루프의 형성 주기와 동일함을 도 1을 통하여 알 수 있다.
또한, 제 1 스트립선로(19)와 제 2 스트립선로(21)는 Y축을 따라 각각 제 2주기(P2)를 갖으며, Y축을 따라 형성된 임의의 두 개의 제1 스트립 선로들의 거리는 동일하며, Y축을 따라 형성된 임의의 인접한 두 개의 제2 스트립 선로들의 거리도 역시 동일함을 도 1을 통하여 알 수 있다.
도 1에 보인 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)는 제 1 차폐층(11)의 개구(49) 내에 위치되어 여진기의 도파관과 대응되게 형성된다. 그러므로, 주파수를 송신하는 경우, 전자기파가 도파관을 통해 도파되어 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)로 급전된다.
또한, 도 2에 보인 제 1 및 제 2 유전층(15)(47)은 폴리에틸렌, 압축 폴리스티렌(polystyrene), 폴리프로필린 또는 테프론 등의 유전 상수가 2∼3 정도인 물질로 필름 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 도 2에 보인 제 1 및 제 2 이격부(13)(31)는 제 1 차폐층(11)과 제 1 유전층(15) 사이와 제 2 차폐층(33)과 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18)를 각각 이격시킨다. 상기에서 제 1 및 제 2 이격부(13)(31)는 유전 상수가 거의 1 정도인 발포 폴리스티렌(foam polystyrene) 등의 물질로 형성되어 자유 공간과 유사한 상태가 되도록 한다. 따라서, 제 1 및 제 2 이격부(13)(31)에 의한 유전 손실이 거의 0에 가깝게 된다.
이하에서 본 발명의 첫 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 동작을 설명한다.
본 발명의 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는 여진기에서 전자기파를 발생하면 도파관을 통해 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)에 도파되며, 이 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)에 도파된 전자기파는 각각 제 1 및 제 2 다채널분할기(23)(25)에 의해 분할되어 각각 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)로 급전된다. 이 때, N개의 제 1 스트립선로(19)와 N개의 제 2 스트립선로(21)는 급전된 전자기파가 서로 반대 방향으로 전달된다.
그리고, 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)를 구성하는 M×N개의 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)은 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에 급전되는 전자기파를 각각 수직 및 수평편파로 방사한다. 즉, N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에 전자기파가 급전되면 교차하는 M×N개의 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)과의 사이에 전자기 결합(electromagnetic coupling)이 유도되는 데, M×N개의 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)은 전자기 결합에 의해 여기되어 전자기파를 수직 및 수평 편파하여 방사한다.
제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)에서 수직 및 수평 편파로 방사되며, 상기의 방사패턴이 오직 하나의 메인 빔만을 갖도록 주기(P1)(P2)가 결정되어야 하는데, 주기(P1)(P2)는 아래 수학식 1 및 수학식 2의 조건을 만족하여야 한다.
[수학식 1]
Figure 112002509692434-pat00003
[수학식 2]
P2〈λ
상기 수학식 2에서 각도(θ)는 방사되는 전자기파의 메인 빔과 Z축의 사이 각이다. 즉, 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)에서 방사되는 수직 및 수평 편파는 XY 평면에 대하여 수직되지 않고 Z축에 대해 각도(θ) 만큼 경사져 방사된다. 상기에서 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에서 전자기파가 X축을 따라 급전되므로 각도(θ)은 X축과 Z축 사이의 각이다. 그러므로, 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)에서 방사되는 수직 및 수평 편파의 메인 빔은 XZ 평면에 위치한다.
상기에서 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에 급전된 전자기파가 서로 반대 방향으로 전달된다. 그리고, 방사되는 메인 빔의 방사 각도(θ)는 급전되는 임의의 스트립선로에서 전자기파의 진행 방향 보다 상대적으로 역의 경사를 가질 때 양(+)이고 상대적으로 앞으로 경사를 가질 때 음(-)이다. 그러므로, 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)에서 방사되어 수직 및 수평 편파는 동일한 방향으로 방사되어 하나의 메인 빔을 형성한다.
도 3a 및 도 3b는 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에 서로 반대 방향으로 급전되는 전자기파에 따른 메인 빔의 방사 방향을 도시하는 개략도이다. 상기에서 도 3a는 제 1 스트립선로(19)에 전자기파가 좌측에서 우측으로 전달되고 수직 편파의 메인 빔이 좌측 방향, 즉, 진행 방향 보다 상대적으로 역의 경사 방향으로 경사질 때 수직 편파의 메인 빔의 방사 각도(θ)가 양(+), 즉, θ〉0인 경우를 도시한다. 또한, 도 3b는 제 2 스트립선로(21)에 전자기파가 우측에서 좌측으로 전달되고 수평 편파의 메인 빔이 좌측 방향, 즉, 전자기파의 진행 방향으로 경사질 때 수평 편파의 메인 빔의 방사 각도(θ)가 음(-), 즉, θ〈0인 경우를 도시한다. 상기에서 각(θ)은 수학식 3으로 표현될 수 있다
[수학식 3]
Figure 112002509692434-pat00004
상기에서 k는 자유 공간 파동 수로 k=2π/λ이고, ε은 제 1 및 제 2 이격부(13)(31)의 유전상수이다. 또한, Ls는 인접하는 슬롯들 사이의 스트립선로 길이로 Ls1과 Ls2로 대체된다. 상기에서 메인 빔은 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)의 평면에 수직하지 않으며 방사 각도(θ)는 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에 급전된 전자기파의 주파수에 의해 한정될 수 있다.
또한, 수평 편파의 메인 빔과 Z축 사이의 방사 각도(θ)를 양(+)의 각도라 정의하면 수학식 3에 의해 인접하는 2개의 제 1 슬롯(39) 사이 길이(Ls1)와 2개의 제 2 슬롯(45) 사이 길이(Ls2)를 수학식 4 및 5와 같이 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112002509692434-pat00005
[수학식 5]
Figure 112002509692434-pat00006
상기에서 수직 및 수평 편파의 메인 빔이 동일한 방향으로 경사지므로 방사 각도(θ)는 양(+)의 각도와 음(-)의 각도로 구별되는 것을 제외하고는 동일하다. 수학식 4 및 수학식 5에 의해 길이(Ls1)(Ls2)와 방사 각도(θ)가 관련되어 전자기파는 각각 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18)로 집약되며, 이에 의해 수학식 6을 구할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112002509692434-pat00007
상기에서 c는 자유 공간 파동의 속도이고, fo는 안테나의 동작 주파수 범위의 중간 주파수이다. 수직 및 수평 편파의 메인 빔이 같은 방향을 향하도록 길이(Ls1)(Ls2)가 선택되어야 한다.
상기식에 의하면, X축을 따라 인접하는 2개의 상기 제1슬롯(39) 사이의 스트립선로의 길이를 Ls1 이라 정하고. X축을 따라 인접하는 2개의 상기 제2슬롯(45) 사이의 스트립선로 길이를 Ls2 라 정하며, c = λfo를 적용할 경우,
Figure 112005501616693-pat00026
이 된다. 이때, 공기중의 유전상수인 1 을 적용할 경우, 결과적으로 Ls1 + Ls2 는 2λ가 된다. 이는, Ls1 + Ls2 가 스트립선로에서의 두 파장의 길이와 동일함을 의미한다.
또한, 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)에서 방사되는 수직 및 수평 편파는 인접하는 2개의 제 1 슬롯(39) 사이 및 2개의 제 2 슬롯(45) 사이에서 각각의 위상 쉬프트(Φ)를 갖는다. 위상 쉬프트(Φ)는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있는 데,
[수학식 7]
Figure 112002509692434-pat00008
이다. 상기에서 제 1 슬롯부(35)의 각각의 제 1 슬롯(39)에서 방사되는 수직 편파가 동일한 위상을 가져 동일한 신호 특성을 갖도록 하여야 하며, 제 2 슬롯부(41)의 각각의 제 2 슬롯(45)에서 방사되는 수평 편파가 동일한 위상을 가져 동일한 신호 특성을 갖도록 하여야 한다. 그러므로, 위상 쉬프트(Φ)는 수직 및 수평 편파의 위상 주기와 일치되는 것이 바람직하다.
상기에서 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 직교 편파가 방사되는 것을 보였으나 수신은 방사와 반대로 진행된다. 상기에서 자유 공간 평면 전자기파는 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)의 M×N개의 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)에 의해 수직 및 수평 편파되어 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18)의 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에 급전된다. 상기에서 제 1 및 제 2 슬롯어레이(37)(43)와 교차되는 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)는 급전되는 전자기파의 직렬형 합산기(serial summator) 역할을 한다. 그리고, 제 1 및 제 2 다채널분할기(23)(25)는 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에 급전된 전자기파를 병렬로 합산하는 병렬형 합산기(parallel summator) 역할을 한다. 상기에서 제 1 및 제 2 다채널분할기(23)(25)가 병렬형 합산기(parallel summator) 역할을 하므로 넓은 동작 주파수 대역 폭을 갖는다.
상기에서 제 1 및 제 2 다채널분할기(23)(25)에 의해 합산된 수직 및 수평 편파는 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)를 통해 여진기로 도파된다
일반적으로 안테나의 이득(gain)은 안테나 면적(square)과 안테나 내의 위상-진폭 분포(phase-amplitude distribution)에 좌우된다. 상기 안테나는 송신 상태에서 다채널분할기들에 의하여 Y축을 따라 위상 진폭 분포가 균일하다. 그리고, X축에 따른 위상 진폭 분포는 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)과 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21) 사이의 결합에 좌우된다. 결합 레벨이 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)를 따라 일정하다면 진폭은 지수 함수와 같이 X에 좌우된다. 상기에서 최적의 결합은 일정결합(constant coupling)을 갖는 누설파 안테나가 최대 이득을 갖도록 한다. 누설파 안테나의 최적을 위한 이득 손실은 약 1dB 정도이다.
도 4는 제 1 슬롯어레이(37)와 제 1 스트립선로(19) 사이의 불균일 결합을 도시하는 개략도이다.
제 1 슬롯어레이(37)와 제 1 스트립선로(19) 사이의 결합 레벨은 급전된 전자기파의 전달 방향으로 증가된다. 이 때, 제 1 스트립선로(19)를 따라 진폭은 거의 균일하게 분포되며, 이에 따라 이득 손실이 감소된다. 상기에서 제 1 슬롯(39)과 제 1 스트립선로(19) 사이의 결합 레벨은 교차점의 위치에 의해 좌우된다. 상기에서 교차점이 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)의 중앙으로 접근할 수록 결합은 더 강해진다. 그러므로, 도 4에서 전자기파가 왼쪽에서 오른쪽으로 전달된다면 제 1 슬롯어레이(37)의 각각의 제 1 슬롯(39)이 제 1 스트립선로(19)에 대해 다른 교차점을 가질 때 가변 결합은 얻어진다.
안테나 이득은 아래 수학식 8과 같이 나타낼 수 있는 데,
[수학식 8]
Figure 112002509692434-pat00009
여기서, S는 안테나의 면적, δ는 X축을 따라 불균일한 증폭 분산으로 인한 이득 손실이다. 수학식 8에서 소멸 손실(dissipative loss)는 감안하지 않았다. 슬롯들과 스트립선로 사이의 결합이 변하지 않는 안테나는 약 1dB 정도의 손실(δ)을 가지며, 가변 결합을 갖는 최적화된 안테나는 약 0.5∼0.3dB 정도의 손실(δ)을 갖는다.
상술한 구성에서 위성 TV 시스템 등에 사용하기 위해 동작 주파수 대역 폭을 증가시키는 데 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)의 공명 특성(resonance property)이 이 용된다. 안테나의 동작 주파수 범위를 제한하는 주요한 요인은 방사각이 주파수에 좌우되기 때문이다. 하지만 공명 슬롯의 경우에는 달라질 수 있다.
제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)의 길이가 파장의 1/2에 근접되거나 약간 작을 때 이러한 공명이 발생된다. 슬롯 방사기들은 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)의 공명 주파수에 근접된 주파수에서 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21) 내의 전자기파를 강하게 교란한다. 그러므로, 전자기파의 전달 상수는 공명 주파수 범위 내의 주파수에 대하여 이례적인 의존성을 갖게된다. 이러한 것이 방사 각도의 주파수에 대한 통상적인 의존성을 상쇄시킨다. 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)의 공명 주파수 범위 내의 방사 각도는 안정화될 수 있는 데, 방사 각도(θ)와 주파수(f) 관계가 도 5에 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이 12.2 ∼ 12.75 GHz의 주파수 범위 내에서 방사 각도(θ)는 ±1°보다 작은 변화를 갖는다. 방사 각도(θ)의 변화 폭이 작으므로 동일한 주파수 범위 내에서는 안정된 이득을 얻을 수 있다. 이득(G)과 주파수(f)의 이론상의 관계를 도 6에 도시하였다. 상기에서 상대적인 대역은 약 5% 정도가 되는 데, 이것은 통상적인 종래의 어레이 보다 2배 이상 크다.
도 7은 전자기파에 의해 제 1 슬롯(39)과 제 2 슬롯(45)이 교차 편파(cross-polarization)되는 것을 도시하는 상태도이다.
제 1 및 제 2 급전부(17)(18) 상에는 다른 형태의 전자기파들, 즉, 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)와 연결되어 이동되는 스트립선로 전자기파라고도 하는 유효 전자기파와 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)와 연결되지 않고 이동되는 T-전자기파라고도 하는 원하지 않는 기생 전자기파가 전달된다. 상기에서 T-전자기파는 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)에 의해 여기되어 제 1 및 제 2 급전부(17)(18)와 제 2 차폐층(33) 사이에 의해 발생되며 좌측 및 우측으로 전달된다. T-전자기파는 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)이 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)에 의해 연결되지 않아도 인접하는 슬롯들을 통해 전자기 에너지를 전송한다. 그러므로, T-전자기파는 직교하는 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45) 사이를 결합시켜 교차 편파를 증가시킨다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이 제 1 스트립선로(19) 내에서 전달되는 전자기파의 전계가 발생되면, 이 전자기파의 전계에 수직하는 제 1 슬롯(39)만 여기시킨다. 그러나, 제 1 슬롯(39)은 연결되는 제 1 스트립선로(19) 내의 유효 전자기파 뿐만 아니라 제 1 및 제 2 급전부(17)(18)와 제 2 차폐층(33) 사이에 있는 T-전자기파도 여기시킨다. T-전자기파는 동일한 진폭을 가지며 직교하는 제 2 슬롯(45)을 여기시켜 교차 편파를 증가시킨다.
상기에서 교차 편파를 방지하기 위해 직교하는 제 2 슬롯(45)을 상대적으로 활성적인 제 1 슬롯(39)에 대칭적으로 위치되도록 하고, 전자기파의 전계가 비교적 제 1 슬롯(39)의 중앙에 대칭적인 분포를 갖도록 한다. 이 때, 좌측에서 전달되는 T-전자기파가 우측에서 전달되는 T-전자기파와 동일한 진폭을 가지며 180°의 위상 차이를 가져 직교하는 제 2 슬롯(45)을 여기시키지 않는다.
도 8은 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 평면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는 도 1에 도시된 본 발명의 첫 번째 실시 예에 보인 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)와 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)의 형상이 각각 다른 것이 특징이다. 즉, 도 1에 도시된 본 발명의 첫 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는 각각 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)가 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)를 중심으로 비대칭적으로 형성된다. 그러나, 도 8에 도시된 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21) 및 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)가 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)를 중심으로 각각 N/2개씩으로 나뉘어져 형성되기 때문에 각각의 제1 및 제 2 루프들(19a,21a)이 서로 대칭되도록 형성된다.
이와 같은 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나에서는 제 1 및 제 2 슬롯(39)(45)이 직교하는 제 2 및 제 1 슬롯(45)(39)에 의해 여기된다. 그러나, 각각 N개의 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)가 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)를 중심으로 각각 N/2개씩으로 나뉘어져 서로 대칭된 구조를 갖으므로, 서로 대칭되는 제 1 및 제 2 스트립선로(19)(21)의 전자기파는 180°위상 쉬프트된다. 그러므로, 180°위상 쉬프트된 전자기파들은 서로 상쇄되어 제 1 및 제 2 중앙포트(27)(29)로 전달되지 않아 교차 편파 레벨이 감소되는 특징을 제공한다.
도 8에 도시된 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는 이상에서 기술한 세부적인 특징으로 제외한 다른 동작은 첫 번째 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나와 동일하므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
도 9는 본 발명의 세 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 평면도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 세 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는 도 1에 도시된 본 발명의 첫 번째 실시 예에 보인 제 1 스트립선로(19)와 제 1 및 제 2 슬롯부(35)(41)의 구성이 다르다. 즉, 제 1 스트립선로(19)는 제 1 서브선로(51)와 제 2 서브선로(53)로 구성된다. 제 1 및 제 2 서브선로(51)(53)는 서로 대칭된 구조를 갖으며, 제 1 슬롯(39)의 양측 끝단과 교차되게 형성되며 제 2 스트립선로(21)가 한방향을 향하고 있다
이와 같은 본 발명의 세 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나에서는 제 1 슬롯(39)이 대칭하는 제 1 서브선로(51)와 제 2 서브선로(53)에 연결되므로 항상 대칭하는 전계 분포를 갖는다. 이에 따라, 제 2 슬롯(45)이 제 1 슬롯(39)에 비교적 대칭되게 형성되어도 제 1 슬롯(39)은 제 2 슬롯(45)에 여기되지 않게 된다. 따라서, 교차 편파 레벨의 감소가 넓은 방위의 각도에서 크게 이루어진다.
도 9에 도시된 본 발명의 세 번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나는 이상에서 기술한 세부적인 특징을 제외한 다른 동작은 첫 번째 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나와 동일하므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
또한, 도 9에 보인 본 발명의 세번째 실시 예에 따른 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나에서 제 1 스트립선로(19)가 서로 대칭되는 제 1 및 제 2 서브선로(51,53)로 이루어지며, 제 2 스트립선로(21)가 도 8에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 중앙포트(27,29)를 중심으로 각각 N/2개씩으로 나뉘어져 대칭되게 형성될 수도 있다는 것은 본 발명에 속한 분야에 속한 사람이라면, 쉽게 창안할 수 있음은 명백한 사실이다.
그리고, 본 발명을 제 1 및 제 2 급전회로부가 하나의 유전층 상에, 그리고, 제 1 및 제 2 슬롯부가 다른 하나의 유전층 상에 형성된 것으로 설명하였다. 그러나, 본 발명은 제 1 및 제 2 급전회로부가 각각 다른 유전층에, 제 1 및 제 2 슬롯부가 각각 다른 유전층 상에 형성될 수도 있다. 또한, 제 1 및 제 2 급전회로부는 각각의 유전층 상에 형성되고, 제 1 및 제 2 슬롯부가 하나의 유전층 상에 형성하거나, 또는, 제 1 및 제 2 급전회로부가 하나의 유전층 상에 형성되고, 제 1 및 제 2 슬롯부를 각각의 유전층 상에 형성될 수도 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나에 따르면, 종래 보다 넓은 주파수 대역폭을 갖을 수 있으며, 주파수 이득을 향상시킬 수 있다. 따라서, 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나의 송수신 특성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 하나의 안테나의 동일 평면 상에서 멀티 경로로 송수신되는 수직 편파와 수평 편파를 동시에 송신 및 수신할 수 있기 때문에 안테나의 기본적인 특성을 크게 향상시킨다.

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. XY 평면상에 형성된 제1차폐층(11);
    상기 제1차폐층(11) 상에 형성되는 제1유전층(15);
    상기 제1유전층(15) 상에 형성되는 것으로서, 입력되는 전자기파를 각각 급전하기 위하여, XY 평면상의 일 측으로부터 미리 설정된 제1주기로 다수개의 소정 형상의 제1루프(19a)가 상기 X축을 따라 형성된 복수개의 제1스트립선로(19)들과, 상기 XY 평면상의 타측으로부터 상기 제1주기로 다수개의 소정 형상의 제2루프(21a)가 상기 X축을 따라 형성된 복수개의 제2스트립선로(21)들로 구성된 제 1 및 제 2 급전회로부(17)(18);
    상기 제1 및 제2급전회로부(17)(18) 상에 형성된 이격부(31);
    상기 이격부(31) 상부에 형성되는 것으로서, 상기 제1 및/또는 제2급전회로부(17)(18)에 급전되는 전자기파를 수직 편파 및/또는 수평 편파로 방사할 수 있도록 제1 및 제2슬롯부(35)(41)가 형성된 제2차폐층(33)으로 구성되고, 제1슬롯부(35)는, X축을 따라 배열된 M개의 제1슬롯(39)으로 이루어진 제1슬롯어레이가 N개의 열(row)로 이루어지고, 상기 제2슬롯부(41)는, M개의 상기 제1슬롯과 직교되며 X축을 따라 배열된 M개의 제2슬롯(45)으로 이루어진 제2슬롯어레이가 N개의 열(row)로 이루어지고,
    상기 각각의 제1 스트립 선로와 상기 각각의 제2 스트립 선로는 서로 교호하게 형성되는 것을 특징으로 하는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나.
  9. 제8항에 있어서, 상기 Y축을 따라 형성된 임의의 제1 스트립 선로들의 거리는 동일하며, 상기 Y축을 따라 형성된 임의의 인접한 두 개의 제2 스트립 선로들의 거리도 동일한 것을 특징으로 하는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제 1 스트립선로는 상기 제 1 슬롯의 양측 끝단과 교차되는 한 쌍의 제 1 및 제 2 서브선로로 구성되는 것을 특징으로 하는 누설파 이 중 편파 슬롯형 안테나.
  11. 제8항에 있어서, 상기 X축을 따라 형성된 임의의 인접한 두개의 제1 루프들의 거리는 동일하며, 상기 X축을 따라 형성된 임의의 인접한 두 개의 제2 루프들의 거리도 동일한 것을 특징으로 하는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나.
  12. 제11항에 있어서, 상기 X축을 따라 형성된 각각의 상기 제1 스트립 선로에 형성된 상기 제1 루프의 형성 주기는 각각의 상기 제2 스트립선로가 형성된 상기 제2 루프의 형성 주기와 동일한 것을 특징으로 하는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 급전회로부는 상기 Y 축의 중앙부분에 위치한 하나 이상의 소정 형상 및 소정 길이를 갖는 포트에 의해 양분되며, 상기 제1 스트립 선로들과 상기 제2 스트립 선로들이 상기 포트를 기준으로 서로 대칭 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나.
  14. 삭제
  15. 제8항에 있어서, 상기 X 축을 따라 형성된 각각의 제 1 슬롯 어레이간에는 서로 동일한 제1 주기를 갖으며, 상기 Y축을 따라 형성된 각각의 제 2 슬롯어레이간에는 서로 동일한 제 2 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제8항에 있어서, 상기 제1스트립선로(19)는 제1다채널분할기(23)에 의하여 병렬로 연결되고, 상기 제2스트립선로(21)는 제2다채널분할기(25)에 의하여 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나.
  20. 제8항에 있어서, X축을 따라 인접하는 2개의 상기 제1슬롯(39) 사이의 스트립선로의 길이를 Ls1 이라 정하고, X축을 따라 인접하는 2개의 상기 제2슬롯(45) 사이의 스트립선로 길이를 Ls2라 정할 경우, Ls1+Ls2 는 스트립선로에서의 두 파장의 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 누설파 이중 편파 슬롯형 안테나.
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