KR101119304B1 - 평면 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안테나 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 기술적 성과는 평면 금속 유전체 도파관을 기반으로 하여 제작된 2편파 안테나의 동작을 넓은 범위의 주파수들로 제공한다는데 있다. 그러한 기술적 성과는 일 측면 이상에서 금속 도금된 평면 유전체 도파관을 포함하고, 그 평면 유전체 도파관의 측벽들에 2개의 금속 도파관들이 접하며, 그 2개의 금속 도파관들이 슬롯들의 주기 어레이를 경유하여 평면 도파관과 연결되되, 어레이 주기가 서로 편이되거나 경사진 2개의 슬롯들로 이뤄지고, 2개의 대칭 평면들을 갖는 방사 소자들이 평면 도파관의 표면 상에 있는 마름모꼴 메시의 노드들에 놓이는 것에 의해 달성되게 된다.

평면 안테나, 금속 도금된 평면 유전체 도파관, 금속 도파관

Description

평면 안테나{PLANAR ANTENNA}

본 발명은 안테나 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통신 시스템들, 무선 측위(radiolocation), 및 위성 TV에서 적용될 수 있는 안테나 시스템에 관한 것이다.

평면 안테나는 소형으로 구현되며, 여러 파장 대역에서 광범위하게 사용된다. 그런데 평면 안테나는 센티미터 대역과 밀리미터 대역에서 큰 손실을 있기 때문에, 누설파(leaky wave) 금속 도파관의 어레이로서 사용되는 일이 더 빈번하다. 평면 안테나는 저손실 및 2편파 동작을 제공할 수 있게끔 한다[1]. 하지만 평면 안테나는 제조 기술이 복잡하며, 중량이 높다는 단점을 가진다.

2편파 활동을 제공하고 상기한 단점들이 없는, 중심 급전선(central feeder)과 통상의 방사부를 갖는 평면 금속 유전체 안테나 도파관을 기반으로 한 안테나가 공지되어 있다[2]. 그러한 안테나의 단점은 공진 반사로 인한 입력 부정합(mismatch)에 기인하여 동작 주파수들의 대역 통과가 상대적으로 작아 통상적으로 수 퍼센트를 넘지 않는다는데 있다. 유사한 이유로, 좀더 복잡한 이층 구조로 된 안테나[3]도 역시 비슷한 단점을 갖는다.

본 발명과 가장 가까운 선행 기술은 유전체 방사기(radiator)들과 직교하게 위치된 2개의 선형 익사이터(exciter)들의 2차원 어레이를 구비하는 유전체 도파관으로 이뤄진 누설파 안테나로서, 상기 누설파 안테나는 2편파 동작을 제공할 수 있다. 하지만 누설파 안테나는 주파수 주사로 인해 직교 편파들에 의한 전자파 방사의 방향들이 발산하기 때문에 주파수 대역이 좁다는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 넓은 주파수 대역에서 동작하는 금속 유전체 도파관을 기반으로 한 2편파 평면 안테나를 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 일 측면 이상에서 금속 도금된 평면 유전체 도파관과, 상기 평면 유전체 도파관의 측벽들에 접하는 2개의 금속 도파관들을 포함하며, 상기 2개의 금속 도파관들은 슬롯들의 주기 어레이를 경유하여 상기 평면 유전체 도파관과 연결되며, 어레이 주기가 서로 편이되거나 경사진 2개의 슬롯들로 이뤄지고, 2개의 대칭 평면들을 갖는 방사 소자들이 상기 평면 유전체 도파관의 표면상에 있는 마름모꼴 메시의 노드들에 위치한다.

상기 평면 안테나는 그것이 마름모꼴의 형태를 갖는 것을 그 특징으로 할 수 있다.

상기 평면 안테나는 금속 도파관들이 장방형 횡단면을 갖는 것을 그 특징으로 할 수 있다.

상기 평면 안테나는 금속 도파관들이 그 광폭 측면들로써 평면 도파관과 접촉하는 것을 그 특징으로 할 수 있다.

상기 평면 안테나는 금속 도파관들이 그 협폭 측면들로써 평면 도파관과 접촉하는 것을 그 특징으로 할 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 평면 안테나를 나타낸 도면,

도2a와 도b는 평면 안테나 노드들의 방사 소자들의 위치에 따른 메시를 나타낸 도면,

도3은 통신 슬롯들을 구비한 급전 도파관을 나타낸 도면,

도4는 구면 좌표계를 나타낸 도면,

도5는 방사 소자를 나타낸 도면,

도6은 전자파 빔의 입사각의 주파수 의존성을 나타낸 도면,

도7은 고도 평면(elevation plane)에서의 입사각의 주파수 의존성을 나타낸 도면,

도8은 방위 평면(azimuth plane)에서의 입사각의 주파수 의존성을 나타낸 도면,

도9는 상이한 채널들에 대한 패턴의 최대치들 사이의 각도의 주파수 의존성을 나타낸 도면,

도10은 개구면에서 지수 함수적 분포로 있는 고도 평면에서의 정규화 패턴을 나타낸 도면,

도11은 개구면에서 지수 함수적 분포로 있는 방위 평면에서의 정규화 패턴을 나타낸 도면,

도12는 교차 편파 레벨의 주파수 의존성을 나타낸 도면,

도13은 안테나 개구면에서의 2개의 상이한 분포들에 대한 개구면 효율의 주파수 의존성을 나타낸 도면.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 안테나의 구성을 설명한다. 그러한 안테나는 다음의 요소들로 이뤄진다. 도1은 본 발명의 실시예에 따른 평면 안테나를 나타낸 도면이다. 도1을 참조하여, 평면 안테나는 제1급전 도파관(1)과, 제2급전 도파관(2)과, 1개의 표면 또는 2개의 표면들이 금속 도금된 유전체 플레이트에 의해 형성되는 평면 도파관과, 상기 평면 도파관의 유전체(금속 또는 유전체)의 표면상의 또는 금속 상의 이형(물결 모양, 슬롯들의 형태의)들에 의해 형성되는 방사 소자들의 어레이(3)를 포함한다.

본 발명으 일 실시예에서는 평면 도파관(Plane Waveguide)(PW)은 마름모꼴의 형태를 갖는 것으로 예를 들었으나, 다른 형태를 취할 수도 있다.

도2a는 노드들에 방사 소자들이 놓여진 마름모꼴 메시를 나타낸 것이다. 도2a를 참조하여, 일반적으로 직교 축들에 대한 도파관들의 입사각 및 메시 라인들의 경사각들이 0이 아니고 서로 같지도 않음을 알 수 있다.

제1,2급전 도파관들(1, 2)은 평면 도파관 및 그 베이스 상의 어레이의 여기를 제공하는데, 상기 어레이는 2차원 전자파 빔을 자유 공간의 방사파들로 변환한다. 급전 도파관이 평면 도파관과 통신하는 것은 급전 도파관의 광폭 및 협폭 측면들에 제공되고, 제1,2급전 도파관들(1, 2)과 평면 도파관의 접합 구역에 위치하는 홀(hole) 및 슬롯들의 시스템에 의해 제공되게 된다. 도3에는 슬롯들의 선형 어레이를 구비한 도파관이 도시되어 있다.

일반적으로, 슬롯들의 크기 및 도파관 축선으로부터의 편이는 도파관을 따라 변할 수 있다. 도파관은 일 측면 상에 외부 장치들과의 접속을 위한 플랜지를 구비하고, 타 측면 상에 정합 부하를 구비한다.

송신 모드에 있는 안테나를 살펴보기로 한다. 슬롯들의 어레이를 따라 진행하는 도파관의 고유파는 슬롯들을 여기시키고, 슬롯들은 다시 PW의 기본파(fundamental wave)를 여기시키는데, 그 기본파는

와 같은 전파 상수를 갖는 T파로서, 여기서 k는 자유 공간의 파수(wave number)이고, ε는 PW의 상대 유전율이다. 평면 도파관의 두께가 다음의 수학식 1을 따라 선택된다면, 평면 도파관에는 1개의 진행파가 있게 된다:

수학시 1에서, h는 PW의 두께이고, λ는 자유 공간에서의 파장이다.

장방형 금속 도파관의 전파 상수 γ_w는 다음의 수학식 2에 의해 정의된다:

수학식 2에서, a는 도파관이 광폭 측면의 크기이다. 선형 어레이는 상이한 플로큇(Floquet) 공간 고조파들을 방사할 수 있음이 알려져 있다. 급전 도파관에서의 웨이브는 고속파이고, 평면 도파관은 유전체 매립 도파관이기 때문에, 평면 도파관은 영상분 고조파(zero harmonic)를 방사할 수 있다. 안테나를 적절하게 동작시키기 위해서는, 제(-1) 고조파("마이너스 1"의 수를 갖는 고조파)로 방사를 행해야 한다. 플로큇 영상분 고조파의 방사를 없애기 위해, 슬롯들은 바둑판 무늬의 형식으로 위치한다. 그와 같이 슬롯들을 위치시킴으로써, π와 같은 슬롯들의 부가의 위상 편이가 생기고, 그러한 위상 편이는

에서 도파관의 파장 지연을 증가시키는 것에 상당하는데, 여기서 P_w는 슬롯들 사이의 간격이다(도 3을 참조). 결과적으로, 그 간격의 선택에 의해, 원하지 않은 영상분 고조파가 없어지고, 원하는 제(-1) 고조파가 남게 된다. 직렬 급전을 수반하는 어레이에서는, 어레이 주기가 도파관에서의 반 파장의 배수일 때에 나타나는 공진 반사의 효과가 알려져 있다. 다른 한편으로는, 도파관에 의해 충분히 긴 주기들로 제(-1) 고조파를 방사하는 것이 가능하다. 따라서 슬롯들 사이의 간격은 다음의 수학식 3으로부터 선택되어야 한다.

상이한 슬롯들에 의해 여기된 전자계들은 XOY 평면에서 전파하는 2차원 전자파 빔을 생성한다. 빔 전파 방향과 Ox 축선(수직 도파관이 여기된) 사이의 각도는 다음의 수학시 4와 같이 정의된다:

수학식 4에서, φ는 도파관과 Oy 축선 사이의 각도이다.

빔 전파 방향과 직교하는 방향에서의 전자계의 분포는 주로 슬롯 어레이의 파라미터들에 의해 결정된다. 예컨대, 어레이의 모든 슬롯들이 동일한 크기로 되면, 진폭 전파(amplitude propagation)는 지수 함수적 특성을 띤다. 슬롯들을 상이한 크기들로 함으로써 진폭 전파를 변경하여 그것을 동형에 가깝게 만드는 것이 가능하다. 빔 전파 방향을 따른 전자계 분포는 주행파(running wave)의 특성을 띤다.

빔은 어레이 소자들을 따라 진행할 때에 그 어레이 소자들을 여기시켜 자유 공간으로의 방사를 생성한다. 일반적으로, 전자파 빔은 그 노드들에 어레이 방사기들이 위치하는 메시 라인들에 대해 특정의 각도로 전파된다(도 2를 참조). 자유 공간으로의 평면 도파관의 방사를 공간 고조파에 의해 기술하는 것이 가능하다. 그러한 안테나에 대한 동작 모드는 제(-1) 고조파를 방사하는 것이다. 그러한 안테나에 대해서는 도파관 어레이에 대한 제한과 유사한 제한이 있는바, 그 제한은 다음의 수학식 5와 같다:

도 4에 도시된 바와 같이, 방사 특성들을 구면 좌표계에 나타내는 것이 편리하다. θ 각도는 고도 각이고, φ 각도는 방위각이다. 안테나 패턴의 최대치와 일치하는, 어레이로부터의 방사 방향은 θ_m과 φ_m 각도들로 지정된다. 적절한 안테나 동작을 위해서는, θ_m 각도가 45도에 근접해야 한다. 그 경우, 2개의 입력들에서 여기시키는 방사의 방위 각들이 안테나 대칭성에 의해 서로 근접하게 된다. 동일한 대칭성으로 인해, 2개의 채널들의 최대 방사의 고도 각들이 일치하게 된다.

φ_m을 45도에 근접시키는 것은 평면 도파관을 기반으로 한 도파관 파라미터들, 슬롯 어레이, 및 방사 어레이를 특정하게 선택하는 것에 의해 제공된다.

개략적으로, 도파관의 광폭 측면의 크기 a와 방사 어레이의 주기 P_pw를 다음의 수학식 6으로부터 얻을 수 있다:

,

,

그와 동시에, 일정 주파수 범위에서 일 방향으로의 양자의 채널들의 방사가 제공되게 된다.

그와 동시에, θ_m 각도는 주파수에 의존한다. 하지만, 그 각도가 양자의 채널들에 대해 동일하다는 사실로 인해, 그러한 의존성이 공간 중에서의 빔의 발산을 초래하지는 않는다.

매우 중요한 안테나 특성은 방사 편파이다. 본 발명에 따른 장치의 통상의 동작 모드는 안테나의 상이한 입력들에서 안테나를 여기시키는 직교 편파의 의한 전자파 방사 모드이다. 방사 소자는 금속 스크린에 있는 홀이므로, 그 결정 인자는 홀에서의 전기장과 그에 대응하는 자기류(magnetic current)들이다. 도 5에 의거하여, 방사 소자에서의 전자계 생성에 관해 설명하기로 한다. 홀이 정방형 형태를 취하면, 그 홀은 상대적으로 작은 크기에서 스칼라 방사기의 특성들에 가까운 특성들을 갖는다. 그러한 방사기의 특유한 특징은 그 방사의 편파가 여기 전자파의 입사각에 의해 전적으로 결정된다는 것이다.

도 5는 전자파들(E_i1, E_i2)에 의해 홀들을 여기시키는 2가지 경우들을 나타낸 것이다. 화살표들은 그 전자파들의 전파 방향들을 지시하고 있다. 그들은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1,2안테나 도파관들(1, 2)에 의해 여기된 전자파 빔들의 전 파 방향에 해당한다. 홀에서의 전자계는 서로 직교하는 전기장의 벡터들의 배향을 제외하고는 전적으로 동일한 2개의 모드들(E₁, E₂)의 벡터 합으로서 나타내질 수 있다. 홀에서의 전체의 전자계는 다음의 수학식 7과 같이 2개의 모드들의 전자계들의 벡터 합이 된다:

수학식 7에서, a₁, a₂는 모드들의 여기 계수들이다. 그러한 여기 계수들은 여기 전자파의 전류의 벡터(전자파 전파 방향으로 배향됨)와 E₁, E₂ 벡터들의 벡터적들에 비례한다. 그 경우, 홀에서의 전기장이 합 벡터가 평면 도파관의 입사 전자파의 전파 방향을 따라 확실하게 배향되는 것은 어렵다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상이한 도파관들에 의해 여기된 빔들의 전파 방향들이 직교하기 않는다는 사실로 인해, 홀에서의 벡터들이 직교하지 않는다. 그러나 자유 공간의 전자파들도 역시 직교 편파화되지 않는다는 것이 그에 따르지는 않는다. 실상은, 안테나가 그 평면에 대해 일정 각도로 방사를 하고, 그 경우에 자유 공간에서 직교 편파를 생성하기 위해, 그 평면상에 직교하지 않게 배향된 방사기들을 구비하는 것이 필요하다. 아래의 결과들은 전자파 편파의 그러한 구조에서는 방사가 거의 직교한다는 것을 입증하고 있다.

본 발명에 따른 안테나에서는 파라미터 선택에 대한 제한이 있다. 그 가운데 하나는 2차원 어레이에서의 평면 도파관 전자파의 단일파 전파의 조건과 관련된 것 이다. 평면 도파관 그 자체가 단일 모드 도파관이라는 사실에 불구하고, 구조의 주기성으로 인해, 가장 높은 타입의 진행파들의 모습이 나올 수 있다. 그러한 진행파들이 존재하지 않을 조건은 다음의 수학식 8과 같다:

φ_i 각도는 도 2b에 도시되어 있다. 수학식 6과 함께 수학식 8을 충족시킴으로써, 안테나 패턴에 측면 회절(side diffraction) 최대치들이 없는 것이 자동으로 제공됨을 유의해야 할 것이다.

본 발명에 따른 안테나를 구축하는데 선행되어야 하는 것은 특정의 요건에 입각하여 파라미터를 선택하는 것이다. 동작 주파수 대역 및 안테나 이득 계수를 지정한다. 이어서, 어떤 평면 도파관이 제작되는지의 여부 및 방사기의 종류에 의거하여 유전체를 선택하고 난 다음에, 다음의 것들을 선택해야 한다. 금속 도파관에서의 슬롯들의 위치 주기; 도파관의 광폭 측면의 크기, 2개의 채널들에서 일 방향으로의 방사를 제공하는 수학식 4의 조건으로부터 나오는 방사 어레이의 주기; 및 전기 역학적 태스크 및 적절한 소프트웨어의 해법들을 사용하여 도파관 및 평면 도파관에 있는 어레이로부터 공진 방사를 배제시키는 부등식들을 선택하고, 평면 도파관에서 필요한 진폭 분포를 제공하는 홀들의 크기를 선택한다.

이하에서는, 살펴본 안테나의 특정의 실시예를 고찰하기로 한다. 기하 파라미터들 및 전기 파라미터들이 아래에 지정되어 있다.

도파관의 광폭 측면의 크기 a = 14.3

도파관의 협폭 측면의 크기 b = 8

도파관에 있는 슬롯들의 위치 주기 P_v = 11

도파관에 있는 슬롯의 폭 W_v = 1

도파관에 있는 슬롯의 길이 L_v = 6.9

광폭 측면의 중심에 대한, 도파관에 있는 슬롯들의 편이 x₀ = 2

평면 도파관의 두께 h = 5.5

평면 도파관에서의 어레이 주기 P_pw = 11.7

정방형 슬롯 방사기의 측면들의 크기 W= 6.2

좌표 축에 대한 도파관의 경사각 φ = 6도

좌표 축에 대한 어레이 라인들의 경사각 a= 6도.

모든 크기들은 밀리미터 단위로 주어진다. 수치 시뮬레이션의 결과로서, 아래의 도표들이 얻어진다. 그러한 안테나는 도파관과 평면 도파관의 영자에서 모두 슬롯들의 엄격한 주기 어레이를 구비한다. 그것은 안테나 개구면에서의 진폭 전자계 분포가 도파관과 평행한 라인들을 따른 방향과 직교 방향으로 모두 지수함수적으로 감쇠하는 특성을 띤다는 것을 의미한다. 진폭 분포의 불규칙성으로 인해, 안 테나의 개구면 효율(aperture efficiency)의 하락이 발생한다. 2개의 좌표들에 대한 지수 함수적 분포에서의 개구면 효율 손실의 최대치는 2㏈이다. 즉, 그러한 인자는 수학식 8의 부등식과 함께 안테나의 동작 주파수 대역을 제한한다. 본 예에서는, 그것이 10%이다. 그러한 사실로 인해, 모든 계산들을 그 주파수 대역에서 실행하였다.

도 6은 전자파 빔의 입사각의 주파수 의존성을 나타낸 것이다.

고정 주파수에서는, 빔이 평면 도파관의 경계를 따라 전파하도록 평면 도파관의 윤곽을 선택하는 것이 가능하다. 그와 동시에, 평면 도파관의 윤곽은 마름모꼴의 형태를 취하여 개구면 효율이 최대로 되게 된다. 주파수 변동 시에는, 빔의 편향 동안 안테나 구역이 완전히 사용되지 않기 때문에, 전자파 빔의 각도가 변하는 결과로서 안테나 효율이 감소하게 된다. 하지만, 동작 주파수 대역에서는, 입사각이 6도 이하로 변한다는 사실로 인해, 그러한 효과가 약하게 나타난다.

도 7 및 도 8은 고도 평면 및 방위 평면에서의 방사 각의 주파수 의존성을 나타낸 것이다.

도 9는 주파수에 의존하는 여러 채널들에 대한 패턴들의 최대치들 사이의 주파수 의존성을 나타낸 것이다.

도 10 및 도 11은 2개의 직교 평면들, 즉 개구면에서 지수 함수적 분포로 있는 고도 평면 및 방위 평면에서의 정규화 안테나 패턴들을 나타낸 것이다.

도 12는 교차 편파 레벨의 주파수 의존성을 나타낸 것으로, 그러한 의존성은 상이한 입력들로부터 안테나를 여기시키는 원방(far field) 전기장의 벡터들 사이 의 각도에 의해 결정된다.

도 13은 안테나 개구면에서의 2개의 상이한 분포들에 대한 개구면 효율의 의존성의 주파수 특성들을 나타낸 것이다. 곡선 2는 2개의 좌표들을 따른 지수 함수적 분포에 해당한다. 곡선 1은 도파관에서의 균일한 분포 및 직교 방향으로의 지수 함수적 분포에 해당한다.

얻어진 결과들은 본 발명에서 청구하고 있는 안테나가 넓은 범위의 동작 주파수들(약 10%)을 제공할 수 있게끔 한다는 것을 보이고 있다. 그와 동시에, 도파관에 있는 슬롯들은 종래의 기술(기계 가공 처리)을 사용하여 제작될 수 있고, 평면 도파관에 있는 방사기들은 방사기들이 슬롯 또는 스트립의 형태로 형성될 경우에는 인쇄 회로들의 제작에 의해, 또한 유전체 방사기들의 압착에 의해 제작될 수 있다.

Claims (7)

1. 평면 안테나에 있어서,

   일 측면 이상에 금속 도금된 평면 유전체 도파관과,

   상기 평면 유전체 도파관의 측벽들에 접하는 2개의 금속 도파관들을 포함하며,

   상기 2개의 금속 도파관들은 슬롯들의 주기 어레이를 경유하여 상기 평면 유전체 도파관과 연결되며, 상기 슬롯들의 상기 주기 어레이의 어레이 주기가 서로 편이되거나 경사진 2개의 슬롯들로 이뤄지고, 2개의 대칭 평면들을 갖는 방사 소자들은 상기 평면 유전체 도파관의 표면상에 서로 직교하지 않게 배열되어 마름모꼴 메시의 노드들에 위치함을 특징으로 하는 평면 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 평면 안테나는 마름모꼴의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 평면 안테나.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 도파관들은 장방형 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 평면 안테나.
4. 제3항에 있어서, 상기 금속 도파관들은 광폭 측면들로써 상기 평면 유전체 도파관과 접촉하는 것을 특징으로 하는 평면 안테나.
5. 제3항에 있어서, 상기 금속 도파관들은 협폭 측면들로써 상기 평면 유전체 도파관과 접촉하는 것을 특징으로 하는 평면 안테나.
6. 제1항에 있어서, 상기 평면 유전체 도파관은 양 측면들 상에서 금속 도금되고, 상기 방사 소자들은 상기 금속 도금된 양 측면 중의 어느 한 측면에 정방형 또는 원형 홀의 형태 중 어느 한 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 평면 안테나.
7. 제1항에 있어서, 상기 평면 유전체 도파관은 1개의 측면 상에서 금속 도금되고, 상기 방사 소자들은 정방형 또는 원형 중 어느 한 형태로 구현됨을 특징으로 하는 평면 안테나.

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