KR100597204B1 - 광대역, 고이득의 전기적 성능과 고강도, 고강성의 구조적성능을 갖는 통신용 지능구조물 - Google Patents

광대역, 고이득의 전기적 성능과 고강도, 고강성의 구조적성능을 갖는 통신용 지능구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조체의 표면이 안테나 기능을 하는 통신용 지능구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기적으로 광대역, 고이득의 성능을 내는 동시에 구조적으로 고강성, 고강도의 성능을 내도록 하는 통신용 지능구조물과 이의 설계 및 제조기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 통신용 지능구조물은, 제1 복합재료 적층판과 제1 하니콤 부재를 포함하는 제1 샌드위치 구조층과; 제2 복합재료 적층판과 제2 하니콤 부재를 포함하는 제2 샌드위치 구조층; 및 상기 제1 샌드위치 구조층과 제2 샌드위치 구조층의 사이에 개재(介在)되는 안테나 요소층을 포함한다. 상기 안테나 요소층은 마이크로스트립 안테나의 형상을 가지며, 상기 제1 샌드위치 구조층과 제2 샌드위치 구조층은, 임의의 간격을 두고 서로 마주보는 제1 복합재료 적층판과 제2 복합재료 적층판의 사이에 상기 제1 하니콤 부재와 제2 하니콤 부재가 배치된다.
안테나, 마이크로스트립, 복합재료, 하니콤, 통신, 지능구조물

Description

광대역, 고이득의 전기적 성능과 고강도, 고강성의 구조적 성능을 갖는 통신용 지능구조물{SMART ANTENNA STRUCTURES WITH HIGH ELECTRICAL AND STRUCTURAL PERFORMANCES}
도 1은 구조재로 이용되는 복합재료 샌드위치 구조물을 도시한 부분 사시도이다.
도 2는 기본적인 단층의 직접급전 방식의 마이크로스트립 안테나를 도시한 사시도이다.
도 3은 광대역 성능의 다층구조의 개구면결합 마이크로스트립 안테나를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광대역/고이득의 통신용 지능구조물을 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신용 지능구조물을 도시한 결합 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 안테나 소자를 도시한 구조도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 반사계수 특성과 안테나만의 반사계수 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 이득 특성과 안테나만의 이득 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광대역/고이득의 통신용 지능구조물을 도시한 분해 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신용 지능구조물을 도시한 결합 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 안테나 소자를 도시한 구조도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 반사계수 특성과 안테나만의 반사계수 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 이득 특성과 안테나만의 이득 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
40,60: 통신용 지능구조물 41,61: 제1 샌드위치 구조층
42,62: 제2 샌드위치 구조층 50,70: 안테나 요소층
411,611: 제1 복합재료 적층판 412,612: 제1 하니콤 부재
422,622: 제2 하니콤 부재 501,502,701: 방사패치
511,711: 제1 유전체판 512,712: 제2 유전체판
513,713: 제3 하니콤 부재 503,704: 급전선
504,703: 접지판 702: 슬롯
본 발명은 구조체의 표면이 안테나 기능을 하는 통신용 지능구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기적으로 광대역, 고이득의 성능을 내는 동시에 구조적으로 고강성, 고강도의 성능을 내도록 하는 통신용 지능구조물과 이의 설계 및 제조기술에 관한 것이다.
이동통신의 발전은 여러 가지 역할을 담당하는 많은 수의 안테나와 우수한 성능의 안테나를 필요로 하게 되었는데, 항공기나 기차 또는 자동차 등의 기존 운송체에 사용된 안테나는 다이폴(Dipole)이나 모노폴(Monopole) 안테나, 그리고 위성방송용으로는 기계적 제어부를 갖는 능동 안테나를 사용함으로써 돌출부가 존재하여 외관상으로도 좋지 않을 뿐만 아니라 구조적, 공기역학적으로 매우 취약한 단점이 있었다.
이에 평면형 안테나로서 마이크로스트립 안테나 등이 채택되고 있는 바, 마이크로스트립 안테나는 통상 넓은 그라운드 패치 위에 유전체를 형성하고, 이 유전체의 상면에 공진길이가 λ/2인 장방형 또는 원형의 방사패치가 공진형태를 이루고 있다. 이러한 마이크로스트립 안테나는 대역폭이 좁고 효율이 낮다는 단점이 있으나 가격이 저렴하고 소형 및 경량으로 제작할 수 있어 대량생산에 적합하다는 이점이 있으며, 더불어 벤딩이 자유로와 각종 장치나 부품에 일정형상으로 감을 수 있고 고속으로 움직이는 물체에 용이하게 부착할 수 있으므로 로켓트, 미사일, 항공 기와 같은 비행물체의 송수신 안테나로도 이용되고 있다.
나아가, 평면형 안테나의 구조적인 이점을 활용하여 하중을 받는 운송체 외부표면을 통신용 안테나로 이용하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있으며, 이러한 기술은 운송체에 안테나를 설치하는 것에 대한 새로운 접근방법으로 향후 운송체 내에서 수행해야 할 수많은 통신기능을 안테나의 크기에 따른 성능의 제한 없이 모두 만족시킬 수 있으며, 구조체의 효율과 안테나의 성능을 동시에 향상시키겠다는 의도에서 그 개념이 비롯되었다.
A. J. Lockyer 등에 의해 제안된 몇 편의 논문에 따르면, 안테나 기능을 갖는 스마트스킨(smart skin) 또는 CLAS(conformal load-bearing antenna structure)에 관한 연구가 90년대 초반 미국에서 시작되어 기술의 구현을 위한 기반기술의 축적이 이루어지고 있다. 이 분야의 발전은 통신분야의 요구와 아울러 복합재료의 항공구조 응용 확산에 맞물려 시작되었으며, 현재 축소모델을 제작하여 구조실험 및 안테나 성능실험을 수행 중에 있고 향후 여러 다양한 분야에서의 본 기술을 실현시키기 위한 초석을 닦고 있다고 한다. 그러나 아직까지 구조적 성능과 안테나 성능을 어느 정도 상충시켜야 하는데 의견을 같이하고 있을 뿐, 두 가지 성능을 동시에 향상시키는 기술은 적용되고 있지 않다.
특히 차세대 항공기나 기차 또는 자동차 등의 운송체에 적용되어야 할 기술로, 구조적 안정성과 더불어 더욱 더 우수한 통신 성능까지 얻을 수 있는 지능구조물이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 하중을 받는 구조체 표면의 일부가 여러 통신기능을 수행할 수 있도록 구조물의 구조적, 전기적 성능을 동시에 향상시킴으로써, 미래의 통신환경에서 구조체의 표면에 설치되는 안테나의 숫자 및 크기에 대한 한계를 극복할 수 있는 통신용 지능구조물을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 통신용 지능구조물은, 제1 복합재료 적층판과 제1 하니콤 부재를 포함하는 제1 샌드위치 구조층과; 제2 복합재료 적층판과 제2 하니콤 부재를 포함하는 제2 샌드위치 구조층; 및 상기 제1 샌드위치 구조층과 제2 샌드위치 구조층의 사이에 개재(介在)되는 안테나 요소층을 포함한다.
상기 안테나 요소층은 마이크로스트립 안테나의 형상을 가지며, 상기 제1 샌드위치 구조층과 제2 샌드위치 구조층은, 임의의 간격을 두고 서로 마주보는 제1 복합재료 적층판과 제2 복합재료 적층판의 사이에 상기 제1 하니콤 부재와 제2 하니콤 부재가 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 요소층은, 유전체판과, 이 유전체판의 상기 제1 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되는 방사패치와, 이 방사패치의 일측 가장자리로부터 스트립 형상으로 연장되는 급전선과, 상기 유전체판의 상기 제2 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되는 접지판을 포함한다.
상기 안테나 요소층은, 더 나아가 상기 제1 샌드위치 구조층과 상기 제1 방 사패치 사이에, 상기 제1 샌드위치 구조층과 인접하도록 제2 방사패치가 적층되는 제2 유전체판이 배치되고, 상기 제1 방사패치에 인접하도록 제3 하니콤 부재가 배치된다.
상기 급전선은 상기 제1 방사패치와 같은 층에 형성되어 직접 급전하게 되며, 상기 제1 복합재료 적층판과 상기 제1 방사패치 간의 거리가 안테나 요소층의 중심 주파수의 반파장에 가깝도록 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 요소층은, 제1 유전체판과, 이 제1 유전체판의 상기 제1 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되며 슬롯이 형성되는 접지판과, 이 접지판의 위로 제3 하니콤 부재를 사이에 두고 배치되며 상기 제1 샌드위치 구조층과 인접하도록 방사패치가 적층되는 제2 유전체판과, 상기 제1 유전체의 상기 제2 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되며 스트립 형상으로 형성되는 급전선을 포함한다.
상기 급전선은 상기 슬롯과 교차하는 방향으로 배치되며, 상기 제1 복합재료 적층판과 상기 슬롯이 형성되는 접지판 간의 거리가 안테나 요소층의 중심 주파수의 반파장에 가깝도록 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 주로 구조재로 이용되는 복합재료 샌드위치 구조물을 도시한 부분 사시도이다.
복합재료 샌드위치 구조물(10)은 얇고 강한 강성을 갖는 고밀도의 두 면재(11) 사이에 저밀도의 가볍고 강성과 강도가 면재(11)보다 낮은 두꺼운 심재(12)를 넣고 접착하여 구조적 특성을 향상시킨 것이다. 이와 같이 구성되는 복합재료 샌드위치 구조물(10)은 비강성(rigidity/specific-gravity)을 높이기 위한 효과적인 구조물이며, 항공기 등의 구조재로 사용될 수 있다. 복합재료 샌드위치 구조물(10)의 심재(12)로는 노멕스 하니콤(nomex honeycomb)이 사용되며, 이 노멕스 하니콤은 전기적인 성질이 거의 공기의 그것과 비슷하고 구조적인 강도 및 강성이 우수하다.
도 2는 기본적인 단층의 직접급전 방식의 마이크로스트립 안테나를 도시한 사시도이고, 도 3은 광대역 성능의 다층구조의 개구면 결합 마이크로스트립 안테나를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 단층의 직접급전 방식의 마이크로스트립 안테나(20)는, 유전체판(23)과 그 일면에 배치되는 방사패치(21)와 다른 일면에 배치되는 접지판(24)으로 구성되며, 급전선(22)은 방사패치(21)와 같은 층에 위치하여 방사패치(21)의 일측 가장자리로부터 스트립 형상으로 연장되면서 이를 통해 직접 급전된다.
도 3을 참조하면, 다층의 개구면 결합 마이크로스트립 안테나(30)는, 유전체판(35)과 그 일면에 배치되는 슬롯(33)이 형성되어 있는 접지판(34) 및 유전체판(35)의 다른 일면에 배치되는 급전선(36)으로 이루어진다. 방사패치(31)는 상기 접지판(34)과 공기층(32)을 사이에 두고 소정 거리 이격되어 배치되어 이로부터 급전되며, 상기 급전선(36)은 송수신 장치(미도시)와 연결되어 슬롯(33)으 로 신호를 공급하게 된다.
이렇게 구성되는 개구면 결합 마이크로스트립 안테나(30)는 복사소자와 급전소자의 고립도를 높여 안테나의 성능을 향상시킨 형태로, 배열 안테나로의 확장 시 급전회로의 설계가 공간의 제약이 없어 자유로우며 이동 중에 방사빔의 제어를 위한 능동소자의 설치 및 결합에도 용이하다.
즉 복사소자는 전파를 외부로 방사하고 급전소자는 전파를 유전체 내부에 가두어야 하기 때문에 두 소자는 서로 반대되는 특성을 갖는 바, 직접급전 방식의 마이크로스트립 안테나와 비교할 때, 개구면 결합 마이크로스트립 안테나(30)는 복사소자인 방사패치(31)와 급전소자인 급전선(36)이 접지판(34)을 사이에 두고 떨어져 있어 각 소자의 효율을 높일 수 있다. 안테나의 높은 복사특성을 위해 유전율이 공기의 그것과 유사한 하니콤 위에 복사소자가 위치하며 높은 급전특성을 위해 유전율과 손실이 적당한 유전체 위에 급전소자가 설계된다. 또한 급전소자가 독립적으로 배치되기 때문에 설계공간이 넓어 다른 능동소자부품을 추가시키기에도 용이하다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광대역/고이득의 통신용 지능구조물을 도시한 분해 사시도이다. 그리고 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신용 지능구조물을 도시한 결합 단면도이며, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 안테나 소자들만을 도시한 구조도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(40)은 크게 제1 샌드위치 구조층(41)과 제2 샌드위치 구조층(42) 및 이들 샌드위치 구조층들의 사이 에 개재(介在)되는 안테나 요소층(50)으로 이루어진다.
제1 샌드위치 구조층(41)은 제1 복합재료 적층판(411)과 제1 하니콤 부재(412)를 포함하여 이루어지고, 마찬가지로 제2 샌드위치 구조층(42)은 제2 복합재로 적층판(421)과 제2 하니콤 부재(422)를 포함하여 이루어지며, 이들 샌드위치 구조층들(41, 42)은 임의의 간격을 두고 서로 마주보는 제1 복합재료 적층판(411)과 제2 복합재료 적층판(421)의 사이에 제1 하니콤 부재(412) 및 제2 하니콤 부재(422)가 배치되는 구조를 갖는다. 상기 하니콤 부재들(412, 422)은 노멕스 하니콤(nomex honeycomb)으로 이루어지며, 복합재료 적층판(411, 421)은 유리섬유강화 플라스틱(Glass-fiber reinforced thermoset plastic)으로 이루어진다.
특히 안테나 요소층(50)의 위쪽으로 상기와 같이 구성되는 제1 샌드위치 구조층(41)을 배치함으로써 안테나 요소층(50)을 환경으로부터 보호하는 레이돔(radome) 역할을 하게 된다. 즉 항공기나 자동차 같은 운송체의 경우는 외부로부터 충격을 받을 경우가 많기 때문에 안테나 위에 레이돔이라는 보호막을 형성하게 되는데, 상기 안테나 요소층(50) 위의 샌드위치 구조층(41)이 이와 같이 안테나를 보호하는 역할을 하게 된다.
안테나 요소층(50)은 제1 유전체판(513)과 그 양면으로 각각 배치되는 제1 방사패치(501) 및 접지판(504)을 포함하여 이루어진다. 이 때, 상기 제1 방사패치(501)는 제1 샌드위치 구조층(41)쪽으로 위치하고, 접지판(504)은 제2 샌드위치 구조층(42)쪽으로 위치하며, 상기 제1 방사패치(501)의 일측 가장자리로부터 연장되는 급전선(503)은 스트립 형상을 가지면서 제1 방사패치(501)와 같은 층 에 형성되어 직접 급전하게 된다. 따라서 본 실시예에서 급전선(503)은 상기 제1 유전체판(511)을 사이에 두고 접지판(504)과 이격되어 있다.
그리고 상기 제1 샌드위치 구조층(41)과 제1 방사패치(501) 사이에는 제2 방사패치(502), 제2 유전체판(512) 및 제3 하니콤 부재(513)가 차례로 적층되는 바, 상기 제2 방사패치(502)는 상기 제1 샌드위치 구조층(41)의 제1 하니콤 부재(412)와 인접하도록 제2 유전체판(512)에 적층되고, 상기 제3 하니콤 부재(513)는 제1 방사패치(501)와 인접하도록 배치된다. 이렇게 상기 제1 방사패치(501)와의 사이에 제3 하니콤 부재(513)를 사이에 두고 제2 방사패치(512)를 더 배치함으로써 대역폭을 넓힐 수 있다. 즉 안테나의 방사소자를 적당한 간격을 두고 위에 하나 더 쌓으면 최초 아래 방사소자에서 공진하여 방사한 전파가 다시 한번 두 번째 방사소자를 통해서 공진하게 된다. 따라서 이중공진이 일어나게 되는데, 두 방사소자의 크기를 약간 다르게 하거나 같게 함으로써 다른 주파수 대역에서 두 번 공진하는 이중공진을 통해 안테나의 대역폭을 넓힐 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(40)은 상기 제1 하니콤 부재(412)의 두께에 따라서 안테나의 이득값(Gain)이 변화하게 된다. 즉 제1 복합재료 적층판(411)은 유전율이 높고 손실이 있는 구조용 재료이므로 안테나에서 방사되는 전자파가 진행하는 동안 반사를 일으키거나 투과 시에는 그 크기를 감소시킨다. 이러한 이유로 안테나 요소층(50)에서 제1 복합재료 적층판(411) 사이의 거리를 변화시키면 이득이나 임피던스 특성이 변화하여 안테나의 성능을 저하시키게 된다. 그러나 제1 하니콤 부재(412)의 두께로 제1 방사패치(501)로부터 제1 복합 재료 적층판(411)까지의 거리가 안테나 설계 중심 주파수의 반파장이 되게 하면, 제1 복합재료 적층판(411)에 의해 반사되는 전파와 진행하는 전파가 동위상이 되어 만나고 이로 인하여 전파의 복사형태가 변화한다. 다시 말하면, 구조에 의한 공진이 일어나게 되므로 전파는 손실 없이 더 얇아진 복사형태를 갖게 되어 이득이 커지게 되는 것이다.
따라서 상기 제1 방사패치(501)로부터 제1 복합재료 적층판(411)까지의 거리를 상기 제1 하니콤 부재(412)의 두께를 조절하여 안테나 요소층(50)의 중심 주파수의 반파장 정도에 가깝도록 형성함으로써 최대 이득값을 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(40)의 경우, 전기적으로 단일 방사패치로 이루어진 종래의 안테나 구조에 제2 방사패치(512)를 추가함으로써 대역폭을 넓힐 수 있으며, 제1 복합재료 적층판(411)과 제1 하니콤 부재(412)를 배치함으로써 이득을 높일 수 있다. 그리고 구조적으로 안테나 요소층(50)을 제1 복합재료 적층판(411)과 제1 하니콤 부재(412)로 이루어지는 제1 샌드위치 구조층(41)과 제2 복합재료 적층판(421)과 제2 하니콤 부재(422)로 이루어지는 제2 샌드위치 구조층(42)이 외측에서 보호함으로써 전체적인 구조물의 강성 및 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 전기적 효율과 구조적 효율을 모두 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 구조를 갖는 통신용 지능구조물(40)의 각 부분의 재료물성과 치수를 아래와 같이 설계하였다.
즉, 제1 복합재료 적층판(411)의 두께(H411)는 1㎜, 제1 하니콤 부재(412)의 두께(H412)는 10㎜, 제2 복합재료 적층판(421)의 두께(H421)는 1㎜, 제2 하니콤 부재(422)의 두께(H422)는 5㎜, 제1 유전체판(511)의 두께(H511)는 0.762㎜, 제2 유전체판(512)의 두께(H512)는 0.254㎜, 그리고 제3 하니콤 부재(513)의 두께(H513)는 2.54㎜로 설계하였다.
또한, 도 6을 참조하면, 제1 방사패치(501)의 일변폭(W501)은 8㎜, 제2 방사패치(502)의 일변폭(W502)은 7.6㎜, 급전선(503)의 방사패치 인접부분 길이(L1503 )는 4.5㎜, 폭(W1503)은 1.6㎜, 급전선(503)의 단부쪽 길이(L2503)는 5㎜, 폭(W2 503)은 2.4㎜로 설계하였다.
이 때, 복합재료 적층판(411, 421)의 유전상수(εrf)와 손실 탄젠트(tanδf, loss tangent)는 각각 4와 0.03이고, 유전체판(511, 512)의 유전상수(εrd)와 손실 탄젠트((tanδd)는 각각 2.2와 0.0002이며, 하니콤 부재(412, 422, 513)의 유전상수(εrh)와 손실 탄젠트((tanδh)는 각각 1.1과 0이다.
이와 같은 설계치를 갖는 본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(40)은 특히 Ku 밴드에서의 통신 기능을 수행할 수 있도록 설계되었으며, 그 중심주파수는 위성통신대역의 중심주파수인 약 12.2 GHz가 되도록 하고, 급전부분의 임피던스는 50Ω 이다. 제1 하니콤 부재(412)의 두께(H412)가 약 10㎜일 때 가장 높은 이득을 얻을 수 있었으며, 이 때 제1 방사패치(501)로부터 제1 복합재료 적층판(411)까지의 거리는 대략 12.8㎜로 중심주파수 12.2GHz (λ0=24.6㎜)의 약 반파장이 된다.
본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(40)에 대한 임피던스 특성과 이득 특성을 각각 도 7 및 도 8에 나타내었다.
즉, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 반사계수 특성과 안테나 소자만의 반사계수 특성을 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 이득 특성과 안테나 소자만의 이득 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다. 이들 그래프에서 ■ 노드가 본 실시예의 지능구조물의 특성을 나타낸 것이고, □ 노드가 안테나 소자만의 특성을 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 지능구조물의 임피던스 특성이 안테나 소자만의 임피던스 특성과 다를 바가 없으며, 대역폭 또한 2개의 방사패치를 이용하여 정재파비(Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) 1.5(S11 = -14㏈)를 기준으로 약 1GHz 정도 됨을 알 수 있다. 일반적인 마이크로스트립 안테나의 경우 대역폭이 4∼5% 정도로 매우 협대역이나 대역폭을 넓히기 위해 방사패치를 두 개 사용함으로써 1㎓ 정도의 대역폭을 얻을 수 있다.
도 8을 참조하면, 설계 중심 주파수 약 12.2 GHz에서 지능구조물의 이득 특성이 안테나 소자만의 이득특성보다 약 2 dBi정도 높음을 알 수 있다. 즉, 본 실 시예의 지능 구조물은 기존 안테나 보다 전기적으로 성능이 뛰어남을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광대역/고이득의 통신용 지능구조물을 도시한 분해 사시도이다. 그리고 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신용 지능구조물을 도시한 결합 단면도이고, 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 안테나 소자를 도시한 구조도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(60)도, 상기 제1 실시예와 마찬가지로 크게 제1 샌드위치 구조층(61)과 제2 샌드위치 구조층(62) 및 이들 샌드위치 구조층들의 사이에 개재(介在)되는 안테나 요소층(70)으로 이루어진다.
제1 샌드위치 구조층(61)은 제1 복합재료 적층판(611)과 제1 하니콤 부재(612)를 포함하여 이루어지고, 마찬가지로 제2 샌드위치 구조층(62)은 제2 복합재료 적층판(621)과 제2 하니콤 부재(622)를 포함하여 이루어지며, 이들 샌드위치 구조층들(61, 62)은 임의의 간격을 두고 서로 마주보는 제1 복합재료 적층판(611)과 제2 복합재료 적층판(621)의 사이에 제1 하니콤 부재(612) 및 제2 하니콤 부재(622)가 배치되는 구조를 갖는다. 상기 하니콤 부재들(612, 622)은 노멕스 하니콤(nomex honeycomb)으로 이루어진다.
안테나 요소층(70)은 제1 유전체판(711)과 그 양면으로 각각 배치되는 접지판(703) 및 급전선(704)을 포함하고, 제2 유전체판(712)과 그 양면으로 각각 배치되는 방사패치(701) 및 제3 하니콤 부재(713)를 포함하여 이루어진다.
상기 접지판(703)은 상기 제1 유전체판(711)의 제1 샌드위치 구조층(61)쪽 면에 위치하며, 상기 급전선(704)은 제1 유전체판(711)의 제2 샌드위치 구조층(62)쪽 면에 위치한다. 그리고 접지판(703)에는 가늘고 긴 슬롯(702)이 형성되며 상기 급전선(704)은, 도 11에 도시된 바와 같이, 슬롯(702)과 교차하는 방향으로 배치되며 송수신 장치(미도시)와 연결되어 슬롯(702)으로 신호를 공급하도록 형성된다. 방사패치(701)는 제2 유전체판(712)의 제1 샌드위치 구조층(61)쪽 면에 상기 제1 하니콤 부재(612)와 인접하도록 위치하며, 제3 하니콤 부재(713)는 제2 유전체판(712)의 제2 샌드위치 구조층(62)쪽 면에 상기 접지판(703)과 인접하도록 위치한다. 따라서 제3 하니콤 부재(713)는 노멕스 하니콤으로 이루어지는 것으로 전기적으로 폼(foam)과 그 성질이 비슷하므로 접지판(703)과 제2 유전체판(712)의 사이에 개재되어 구조적인 강도보강의 역할 외에 폼의 역할, 즉 대역폭을 향상시키는 역할도 수행한다.
한편, 본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(60)은, 제1 실시예와 마찬가지로, 상기 제1 하니콤 부재(612)의 두께(H612)에 따라서 안테나의 이득값(Gain)이 변화하게 된다. 즉 제1 복합재료 적층판(611)은 유전율이 높고 손실이 있는 구조용 재료이므로 안테나에서 방사되는 전자파가 진행하는 동안 반사를 일으키거나 투과 시에는 그 크기를 감소시킨다. 이러한 이유로 안테나 요소층(70)에서 제1 복합재료 적층판(611) 사이의 거리를 변화시키면 이득이나 임피던스 특성이 변화하여 안테나의 성능을 저하시키게 된다. 그러나 제1 하니콤 부재(612)의 두께로 방사가 시작되는 슬롯(702)으로부터 제1 복합재료 적층판(611)까지의 거리가 안테나 설계 중심 주파수의 반파장이 되게 하면, 제1 복합재료 적층판(611)에 의해 반사되는 전파와 진행하는 전파가 동위상이 되어 만나고 이로 인하여 전파의 복사형태가 변화한다. 다시 말하면, 구조에 의한 공진이 일어나게 되므로 전파는 손실 없이 더 얇아진 복사형태를 갖게 되어 이득이 커지게 되는 것이다.
따라서 상기 접지판(703)의 슬롯(702)으로부터 제1 복합재료 적층판(611)까지의 거리를 상기 제1 하니콤 부재(612)의 두께를 조절하여 안테나 요소층(70)의 중심 주파수의 반파장 정도에 가깝도록 형성함으로써 최대 이득값을 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(60)의 경우, 전기적으로 공기층의 역할을 하는 제3 하니콤 부재(713)의 영향으로 대역폭을 넓힐 수 있으며, 제1 복합재료 적층판(611)과 제1 하니콤 부재(612)를 배치함으로써 이득을 높일 수 있다. 그리고 구조적으로 안테나 요소층(70)을 제1 복합재료 적층판(611)과 제1 하니콤 부재(612)로 이루어지는 제1 샌드위치 구조층(61)과 제2 복합재료 적층판(621)과 제2 하니콤 부재(622)로 이루어지는 제2 샌드위치 구조층(62)이 외측에서 보호함으로써 전체적인 구조물의 강성 및 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 전기적 효율과 구조적 효율을 모두 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 구조를 갖는 통신용 지능구조물(60)의 각 부분의 재료물성과 치수를 아래와 같이 설계하였다.
즉, 제1 복합재료 적층판(611)의 두께(H611)는 1㎜, 제1 하니콤 부재(612)의 두께(H612)는 10㎜, 제2 복합재료 적층판(621)의 두께(H621)는 1㎜, 제2 하니콤 부재(622)의 두께(H621)는 5㎜, 제1 유전체판(711)의 두께(H711)는 0.508㎜, 제2 유전체판(712)의 두께(H712)는 0.254㎜, 그리고 제3 하니콤 부재(713)의 두께(H713)는 2.54㎜로 설계하였다.
또한, 도 11을 참조하면, 방사패치(701)의 일변폭(W701)은 7.8㎜, 슬롯(702)의 길이(L702)는 7.5㎜, 폭(W702)은 0.4㎜, 급전선(704)의 슬롯(702) 초과길이(L 704)는 1.39㎜, 폭(W704)은 1.6㎜로 설계하였다.
이 때, 복합재료 적층판(611, 621)의 유전상수(εrf)와 손실 탄젠트(tanδf, loss tangent)는 각각 4와 0.03이고, 유전체판(711, 712)의 유전상수(εrd)와 손실 탄젠트((tanδd)는 각각 2.2와 0.0002이며, 하니콤 부재(612, 622, 713)의 유전상수(εrh)와 손실 탄젠트((tanδh)는 각각 1.1과 0이다.
이와 같은 설계치를 갖는 본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(60)은 특히 Ku 밴드에서의 통신 기능을 수행할 수 있도록 설계되었으며, 그 중심주파수는 위성통신대역의 중심주파수인 약 12.2 GHz가 되도록 하고, 급전부분의 임피던스는 50Ω이다. 제1 하니콤 부재(612)의 두께(H612)가 약 10㎜일 때 가장 높은 이득을 얻을 수 있었으며, 이 때 접지판(703)의 슬롯(702)으로부터 제1 복합재료 적층판(611)까 지의 거리는 대략 13.8㎜로 중심주파수 12.2GHz (λ0=24.6㎜)의 약 반파장보다 약간 크다.
본 실시예에 따른 통신용 지능구조물(60)에 대한 임피던스 특성과 이득 특성을 각각 도 12 및 도 13에 나타내었다.
즉, 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 반사계수 특성과 안테나 소자만의 반사계수 특성을 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 통신용 지능구조물의 이득 특성과 안테나 소자만의 이득 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다. 이들 그래프에서 ■ 노드가 본 실시예의 지능구조물의 특성을 나타낸 것이고, □ 노드가 안테나 소자만의 특성을 나타낸 것이다.
도 12를 참조하면, 지능구조물의 임피던스 특성이 안테나 소자만의 임피던스 특성에 비해 약 200㎒ 정도 주파수가 이동되었으나 대역폭에는 차이가 없으며, 대역폭은 정재파비(VSWR) 1.5(S11= -14㏈)를 기준으로 약 1.5 GHz 정도 됨을 알 수 있다.
도 13을 참조하면, 설계 중심 주파수 약 12.2 GHz에서 지능구조물의 이득 특성이 안테나 소자만의 이득특성보다 약 2 dBi정도 높음을 알 수 있다. 즉, 본 실시예의 지능 구조물은 기존 안테나 보다 전기적으로 성능이 뛰어남을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 통신용 지능구조물에 의하면, 복합재료 샌드위치 구조물과 마이크로스트립 안테나 요소들을 결합하여 설계함으로써, 방사패치의 보호와 전체 구조적 성능의 향상을 위해 배치된 하니콤 부재 및 복합재료 적층판의 전기적 손실에 의해 안테나 이득이 감소되는 것을 하니콤 부재의 두께를 조정함으로써 오히려 이득을 증가시킬 수 있으며, 대역폭 또한 기존의 직접급전의 마이크로스트립 안테나에서 방사패치를 추가시키거나 개구면 결합 급전방식을 사용하여 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 통신용 지능구조물에 의하면, 구조체의 효율과 안테나의 성능을 동시에 혁신적으로 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 제1 복합재료 적층판과 제1 하니콤 부재를 포함하는 제1 샌드위치 구조층;
    제2 복합재료 적층판과 제2 하니콤 부재를 포함하는 제2 샌드위치 구조층; 및
    상기 제1 샌드위치 구조층과 제2 샌드위치 구조층의 사이에 개재(介在)되는 안테나 요소층을 포함하고,
    상기 안테나 요소층은 제1 유전체판과 제2 유전체판의 사이에 개재되는 제3 하니콤 부재를 포함하는 통신용 지능구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 요소층은 마이크로스트립 안테나인 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 샌드위치 구조층과 제2 샌드위치 구조층은, 임의의 간격을 두고 서로 마주보는 제1 복합재료 적층판과 제2 복합재료 적층판의 사이에 상기 제1 하니콤 부재와 제2 하니콤 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 요소층은,
    상기 제1 유전체판과, 이 제1 유전체판의 상기 제1 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되는 방사패치와, 이 방사패치의 일측 가장자리로부터 스트립 형상으로 연장되는 급전선과, 상기 제1 유전체판의 상기 제2 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되는 접지판을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 요소층은,
    상기 제1 유전체판의 상기 제1 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되는 제1 방사패치와, 이 제1 방사패치의 일측 가장자리로부터 스트립(strip) 형상으로 연장되는 급전선과, 상기 제1 유전체판의 상기 제2 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되는 접지판을 포함하고,
    상기 제1 샌드위치 구조층과 상기 제1 방사패치 사이에, 상기 제1 샌드위치 구조층과 인접하도록 제2 방사패치가 적층되는 상기 제2 유전체판이 배치되고, 상기 제1 방사패치에 인접하도록 상기 제3 하니콤 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 급전선은 상기 제1 방사패치와 같은 층에 형성되어 직접 급전하게 되는 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 복합재료 적층판과 상기 제1 방사패치 간의 거리가 안테나 요소층의 중심 주파수의 반파장에 가깝도록 형성되는 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 요소층은,
    상기 제1 유전체판의 상기 제1 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되며 슬롯이 형성되는 접지판과, 이 접지판의 위로 상기 제3 하니콤 부재를 사이에 두고 배치되며 상기 제1 샌드위치 구조층과 인접하도록 방사패치가 적층되는 상기 제2 유전체판과, 상기 제1 유전체판의 상기 제2 샌드위치 구조층쪽 일면에 배치되며 스트립 형상으로 형성되는 급전선을 포함하는 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 급전선은 상기 슬롯과 교차하는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 복합재료 적층판과 상기 슬롯이 형성되는 접지판 간의 거리가 안테나 요소층의 중심 주파수의 반파장에 가깝도록 형성되는 것을 특징으로 하는 통신용 지능구조물.
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