KR101167105B1 - 레이더 디텍터 용 패치 어레이 안테나 - Google Patents

레이더 디텍터 용 패치 어레이 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나는 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판, 상기 기판의 상면에 구비되며, 인셋이 형성된 복수 개의 방사 패치 및 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 포함하며, 상기 복수 개의 방사 패치가 서로 다른 임피던스를 갖도록, 상기 인셋은 상기 복수 개의 방사 패치마다 서로 다른 크기로 형성된다.
또는 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판, 상기 기판의 상면에 구비되는 복수 개의 방사 패치 및 상기 복수 개의 방사패치 각각과 직접 연결되는 제1 스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립을 구비하여 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 포함하며, 상기 제1 스트립은 상기 복수 개의 방사 패치마다 서로 다른 폭으로 형성된어, 넓은 대역폭와 높은 이득을 제공하는 효과가 있다. 또한 대역폭이 넓은 안테나를 용이하게 설계할 수 있는 효과가 있다.

Description

레이더 디텍터 용 패치 어레이 안테나{Patch array antenna for Radar detector}
본 발명은 패치 안테나에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 패치 안테나를 다수 개 배열한 레이더 디텍터 용 패치 어레이 안테나에 관한 것이다.
최근 정보통신 시스템의 소형, 경량, 고성능화 추세에 따라, 안테나 소형화에 대한 요구가 끊임없이 요구되고 있는 현실에서, 안테나의 소형화 및 박형화(薄形化)는 마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna)를 통해 실현되고 있다.
가장 간단한 형태의 마이크로스트립 패치 안테나는 유전체 기판을 사이에 두고 한쪽 면에는 안테나 역할을 하는 방사전극이 형성되고, 반대 면에는 접지전극이 형성된 형태로 구성된다.
일반적으로 안테나를 소형화시키면 안테나 복사패턴은 무지향에 가까운 특성을 갖게 되고, 안테나의 이득도 낮아진다. 또한 안테나의 입력저항은 작아지고 리액턴스(reactance)는 커져 안테나의 대역폭(Band Width)이 좁아지게 된다.
따라서 마이크로스트립 패치 안테나는 소형, 박형으로 제작이 가능한 이점을 갖는 대신에 이득이 낮고 대역폭이 좁은 단점이 존재한다. 이득을 향상시키기 위해 패치 안테나를 다수 개 배열한 패치 어레이 안테나가 사용되나 여전히 대역폭이 좁다는 문제가 있다.
특히 K-밴드(24.15GHz), Ka-밴드(33.4GHz~36GHz) 등의 고주파에서 사용되는 레이더 디텍터(Radar Detector)의 경우 높은 이득과 넓은 대역폭이 요구되므로 패치 안테나 대신 혼 안테나를 사용하고 있다. 하지만, 혼 안테나는 구조적 한계 때문에 레이더 디텍터를 소형화시키는데 한계가 있는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 보다 넓은 대역폭과 높은 이득을 갖는 패치 어레이 안테나를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나는, 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판, 상기 기판의 상면에 구비되며, 인셋이 형성된 복수 개의 방사 패치 및, 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 포함하며, 상기 복수 개의 방사 패치가 서로 다른 임피던스를 갖도록, 상기 인셋이 상기 복수 개의 방사 패치마다 서로 다른 크기로 형성된다.
상기 인셋은 상기 복수 개의 방사 패치마다 서로 다른 길이로 형성될 수 있다.
상기 급전라인은 상기 복수 개의 방사패치 각각과 직접 연결되는 제1 스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립을 포함할 수 있다.
상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배일 수 있다.
상기 제2 스트립은 상기 복수 개의 방사패치에 동일한 전류가 인가되도록 정합단을 구비할 수 있다.
상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(λg)과 동일하고, 상기 정합단의 길이는 상기 관내파장(λg)의 1/4일 수 있다.
상기 복수 개의 방사 패치는 대략 사각형 형상이고 서로 동일한 가로길이 및 동일한 세로길이를 갖고, 상기 급전라인에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나는, 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판, 상기 기판의 상면에 구비되고, 서로 다른 길이의 인셋이 형성된 상기 복수 개의 방사패치 및 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 구비하는 방사모듈을 포함하며, 상기 방사모듈은 상기 기판 상에 복수 개가 구비되며, 상기 급전라인과 연결되어 상기 방사모듈에 전류를 공급하는 급전회로를 구비한다.
상기 급전라인은 상기 복수 개의 방사패치 각각과 직접 연결되는 제1 스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립을 포함할 수 있다.
상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배일 수 있다.
상기 제2 스트립은 상기 복수 개의 방사패치에 동일한 전류가 인가되도록 정합단을 구비할 수 있다.
상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(λg)과 동일하고, 상기 정합단의 길이는 상기 관내파장(λg)의 1/4일 수 있다.
상기 복수 개의 방사모듈은 좌우 대칭이 되도록 배열되고, 상기 급전회로는 상기 복수 개의 방사모듈을 병렬로 연결할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나는, 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판, 상기 기판의 상면에 구비되는 복수 개의 방사 패치 및, 상기 복수 개의 방사패치 각각과 직접 연결되는 제1 스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립을 구비하여 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 포함하며, 상기 제1 스트립은 상기 복수 개의 방사 패치마다 서로 다른 폭으로 형성된다.
상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배일 수 있다.
상기 제2 스트립은 상기 복수 개의 방사패치에 동일한 전류가 인가되도록 정합단을 구비할 수 있다.
상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(λg)과 동일하고, 상기 정합단의 길이는 상기 관내파장(λg)의 1/4일 수 있다.
상기 복수 개의 방사패치는 동일한 임피던스를 갖도록 형성되고, 상기 급전라인에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나는, 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판, 상기 기판의 상면에 구비되는 복수 개의 방사 패치와, 상기 복수 개의 방사패치 각각과 직접 연결되며 상기 복수 개의 방사패치마다 서로 다른 폭으로 형성된 제1 스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립을 구비하여 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 구비한 방사모듈을 포함하며, 상기 방사모듈은 상기 기판 상에 복수 개가 구비되고, 상기 급전라인과 연결되어 상기 방사모듈에 전류를 공급하는 급전회로를 구비한다.
상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배일 수 있다.
상기 제2 스트립은 상기 복수 개의 방사패치에 동일한 전류가 인가되도록 정합단을 구비할 수 있다.
상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(λg)과 동일하고, 상기 정합단의 길이는 상기 관내파장(λg)의 1/4일 수 있다.
상기 복수 개의 방사모듈은 좌우 대칭이 되도록 배열되고, 상기 급전회로는 상기 복수 개의 방사모듈을 병렬로 연결할 수 있다.
본 발명에 따른 패치 어레이 안테나는 넓은 대역폭와 높은 이득을 제공하는 효과가 있고, 대역폭이 넓은 안테나를 용이하게 설계할 수 있는 효과가 있다.
이상과 같은 본 발명의 기술적 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 인셋 급전을 이용한 패치 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패치 어레이 안테나를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 반사손실을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 E-Plane 방사패턴을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 H-Plane 방사패턴을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나와 균일 임피던스 패치 어레이 안테나의 대역폭을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 패치 어레이 안테나를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 패치 어레이 안테나를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다.
도 1은 종래 인셋 급전을 이용한 패치 안테나(10)를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 패치 안테나(patch antenna)(10)는 일정한 두께(h)를 갖고 유전율이 εr인 기판(1) 상에 구비될 수 있다.
유전체로는 공기층을 이용하는 것도 가능하며, 테프론, 세라믹, 유리, 에폭시, 합성수지 등과 같은 다양한 재질의 유전체를 적용하는 것이 가능하다.
방사 패치(2)는 W의 너비와 L의 길이를 갖는 장방형으로 형성될 수 있다. 방사 패치(2)는 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 등의 금속박판을 사용하는 것도 가능하고, 전기전도도가 우수하고 성형성과 가공성이 좋은 은(Ag), 금(Au) 등의 금속박판을 사용하는 것도 가능하다.
방사 패치(2)의 일측에는 y0의 길이를 갖는 한 쌍의 인셋(inset)(3)이 형성되고 이를 이용한 급전(給電)이 이루어질 수 있다. 인셋 급전을 이용한 방사 패치(2)는 인셋(3)의 길이(y0)에 따라 임피던스(impedance)를 조절할 수 있다. 이하에서는 인셋(3)의 길이(y0)와 방사 패치(2)의 임피던스의 관계에 대해 설명한다.
먼저, 인셋(3)이 형성되지 않은 방사 패치의 임피던스(Rpatch)는 다음 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112010075564372-pat00001
G1은 단일 슬롯의 컨덕턴스(conductance)를 의미하고, G12는 슬롯 간 상호 컨덕턴스를 의미한다. G1과 G12는 다음 [수학식 2]와 [수학식 3]과 같다.
[수학식 2]
Figure 112010075564372-pat00002
[수학식 3]
Figure 112010075564372-pat00003
그리고 y0의 길이를 갖는 인셋(3)이 형성된 인셋 급전을 이용하는 방사 패치(2)의 임피던스는 다음 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112010075564372-pat00004
[수학식 4]에 의해 알 수 있듯이, 방사 패치(2)는 동일한 너비(W)와 길이(L)를 갖더라도, 패치 안테나(10)에 형성되는 인셋(3)의 길이(y0)에 따라 임피던스(Rin)가 달라진다.
본 발명은 이러한 점을 이용하여, 인셋(3)의 길이(y0)가 서로 다른 복수 개의 방사 패치(2)를 배열하여, 종래의 패치 안테나(10)에 비해 대역폭이 넓은 비균일 배열 안테나를 제공하고자 한다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(100)에 대해 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패치 어레이 안테나를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(100)는 1 X 3 배열을 갖는 방사 패치가 배열된 비균일 임피던스 패치 어레이 안테나 일 수 있다.
본 실시예는 K밴드 안테나로서, 3개의 방사 패치(111, 112, 113)는 너비가 4.4mm, 길이가 3.6mm이고, 인셋 길이(y1, y2, y3)는 각각 0.6mm, 1.1mm, 1.4mm로 설계하였다. 그리고 인셋의 폭은 0.1mm로 설계하였다.
이하에서는 인셋 길이(y1)가 1.4mm인 방사 패치를 제1 방사패치(111)라 하고, 인셋 길이(y2)가 1.1mm인 방사 패치를 제2 방사패치(112), 인셋 길이(y3)가 0.6mm인 방사 패치를 제3 방사패치(113)라 한다.
상기 설계에 의해, 제1 방사패치(111)의 임피던스는 100Ω, 제2 방사패치(112)의 임피던스는 150Ω, 제3 방사패치(113)의 임피던스는 200Ω으로 설계될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 3개의 방사 패치(111, 112, 113)는 각 방사 패치(111, 112, 113)에 전기를 공급하는 급전라인(120)에 병렬로 연결될 수 있다. 급전라인(120)은 방사패치(111, 112, 113) 각각과 직접 연결되는 제1 스트립(121, 122, 123)과 이웃하는 제1 스트립 상호 간을 연결하는 제2 스트립(131, 132, 133)으로 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 스트립(121, 122, 123)의 일단은 각 방사 패치(111, 112, 113)의 일측에 한 쌍으로 형성된 인셋의 사이로 연결될 수 있다. 제2 스트립(131, 132, 133)은 방사 패치(111, 112, 113)가 배열되는 방향과 대략 평행하게 구비될 수 있고, 제1 스트립(121, 122, 123)의 타단은 제2 스트립(131, 132, 133)과 연결되어, 제1 스트립(121, 122, 123)과 제2 스트립(131, 132, 133)은 대략 수직으로 연결될 수 있다.
이 경우, 각 방사 패치(111, 112, 113)의 위상차를 0으로 하기 위해, 제2 스트립(131, 132, 133) 각각의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배일 수 있다. 본 실시예에서는 제2 스트립(131, 132, 133) 각각의 길이를 관내파장(λg)으로 설계하였다.
또한, 각 방사 패치(111, 112, 113)에 동일한 전류가 인가될 수 있도록 제2 스트립(131, 132, 133)은 정합단(131a, 132a, 133a)을 포함할 수 있다. 정합단(131a, 132a, 133a)은 제2 스트립(131, 132, 133)과 제1 스트립(121, 122, 123)이 연결되는 부분에 구비될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제2 스트립(131, 132, 133)의 길이가 관내파장(λg)과 동일하게 설계된 경우, 정합단(131a, 132a, 133a)의 길이는 관내파장(λg)의 1/4이 되도록 구비될 수 있다.
제2 스트립(131, 132, 133)에서의 입력 임피던스(Zin)는 다음 [수학식 5]에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112010075564372-pat00005
β는 전파정수로서 β=
Figure 112010075564372-pat00006
이고, ℓ는 급전라인(120)의 길이이며, Z0는 급전라인(120)의 특성 임피던스이고, ZL은 급전 소자의 입력 임피던스이다.
Zin1 의 경우, 급전라인(120)의 길이(ℓ)는 정합단의 길이(131a, 132a, 133a)로서
Figure 112010075564372-pat00007
이므로, 이를 [수학식 5]에 대입하면,
Figure 112010075564372-pat00008
Zin2 의 경우, 급전라인(120)의 길이(ℓ)는
Figure 112010075564372-pat00009
이므로, 이를 [수학식 5]에 대입하면,
Figure 112010075564372-pat00010
이다.
따라서, 제1 방사패치(111)와 연결된 제2 스트립(131)의 단부에서의 입력 임피던스(Zin2)와 제2 방사패치(112)의 임피던스는 150Ω으로 동일하게 되어, 제1 방사패치(111)와 제2 방사패치(112)에는 동일한 전류가 인가된다.
상술한 바와 같은 방식으로,
Figure 112010075564372-pat00011
,
Figure 112010075564372-pat00012
이 된다.
제2 방사패치(112)와 연결된 제2 스트립(132)의 단부에서의 입력 임피던스(Zin4)와 제3 방사패치(113)의 임피던스의 비가 1:2가 되므로, 제2 방사패치(112)와 연결된 제2 스트립(132)에 흐르는 전류와 제3 방사패치(113)에 흐르는 전류의 비는 2:1이 된다.
그리고 제1 방사패치(111)와 제2 방사패치(112)에 흐르는 전류의 크기가 동일하므로, 결국 제1 방사패치(111), 제2방사패치(112) 및 제3 방사패치(113)에 동일한 전류가 인가된다.
또한,
Figure 112010075564372-pat00013
,
Figure 112010075564372-pat00014
이 된다.
상기와 같은 설계를 통해 임피던스가 각기 다른 방사패치를 사용하더라도, 전류를 동일하게 제공할 수 있다. 이는 패치 어레이 안테나의 설계를 함에 있어 예상치 못한 결과를 방지할 수 있어, 안테나의 설계의 용이성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예와 달리. 제2 스트립(131, 132, 133)의 길이가 관내파장(λg)의 정수배인 경우에도, 정합단(131a, 132a, 133a)의 길이 및 제2 스트립(131, 132, 133)에서 정합단(131a, 132a, 133a)을 제외한 부분의 길이를, [수학식 5]에서
Figure 112010075564372-pat00015
의 값이
Figure 112010075564372-pat00016
이 되도록
Figure 112010075564372-pat00017
;(n은 홀수)가 되는 길이(ℓ)로 설계하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(100)는 결국 제1 방사패치(111), 제2방사패치(112) 및 제3 방사패치(113)의 전체적인 크기는 동일하지만, 각 방사 패치(111, 112, 113)에 형성된 인셋의 길이(y1, y2, y3)가 서로 달라 각 방사 패치(111, 112, 113)의 공진 주파수는 서로 다르게 된다. 그 결과 본 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(100)는 삼중 공진의 효과로 인해 대역폭이 더 넓어지게 된다.
도시되진 않았으나, 본 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(100)는 일정한 두께를 갖고 유전체를 포함하는 기판 상에 구비될 수 있다.(도 1 참조) 또는 유전체와 자성체가 함께 포함된 기판 상에 구비될 수도 있다.
제3 방사패치(113)의 제1 스트립(123)의 일단과 연결된 제2 스트립(133)의 타단은 전류를 공급하는 급전부(미도시)에 연결될 수 있다. 급전부는 마이크로스트립 급전(microstrip line feed)방식으로 구성될 수 있다.(도 1 참조) 또는 동축 급전(coaxial prove feed) 방식으로 구성되거나, 개구면 결합(aperture couple feed) 방식으로 구성될 수도 있다.
본 실시예는 K밴드 안테나를 설계하기 위한 한 예에 해당되며, 본 발명이 이에 한정되지 않고, 설계자가 의도하는 다른 주파수 영역에 대한 안테나로 설계하기 위해, 크기 및 형상을 달리 할 수 있다. 특히 너비(W)와 인셋 길이(y0)는 임피던스를 결정하고, 길이(L)는 안테나의 공진 주파수를 결정하는 인자로 알려져 있으므로, 상기 인자들을 조정하여 K밴드 이외에도, X 밴드, Ku밴드, Ka 밴드 등에 대한 안테나를 제작할 수 있으며, 상기 구성에 의한 패치 어레이 안테나는 레이더 디텍터(Radar Detector)에 사용될 수 있고, 패치 안테나가 사용되는 다른 응용 예에도 적용될 수 있다. 또한 방사 패치의 개수와 배열 구조는 다양하게 변경 가능하다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)에 대해 설명한다. 도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나를 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위하여 제1실시예와 유사한 부분은 동일한 도면번호를 사용하고, 제1실시예와 공통되는 부분은 설명을 생략한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(100)는 서로 다른 길이의 인셋이 형성된 복수 개의 방사 패치(111, 112, 113)로 이루어진 패치 어레이 안테나(100)임에 반해, 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패치 어레이(100)를 복수 개 구비한 것으로 이는 안테나의 이득(gain)을 향상하기 위함이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)는, 제1 실시예에 대한 설명에서 설명한 1 X 3 배열의 복수 개의 방사패치(111, 112, 113)와 복수 개의 방사 패치(111, 112, 113)를 전기적으로 연결하는 급전라인(120)을 포함하는 방사모듈(210) 및 각 방사모듈(210)의 급전라인(120)과 연결되어 전류를 공급하는 급전회로(230)를 구비할 수 있다.
방사모듈(210)은 기판(201)의 중심을 기준으로 좌우가 대칭되는 3 X 6 배열로 배열될 수 있다. 보다 구체적으로, 각 방사모듈(210)은 200Ω의 임피던스를 갖는 제3 방사패치(113)가 기판(201)의 중심축에 가깝게 배치되며 중심축에서 멀어지는 방향으로 150Ω의 임피던스를 갖는 제2 방사패치(112), 100Ω의 임피던스를 갖는 제1 방사패치(111) 순으로 좌우에 각각 3개의 방사모듈(210)이 배치될 수 있다. 제 1실시예에서 설명한 바와 같이 각 방사모듈(210)의 입력 임피던스(Ztotal)는 300Ω으로 설계 될 수 있다.
3 X 6 배열 중 제1행에 위치하는 2개의 방사 모듈(210a, 210b)은 급전라인(120)이 서로 연결될 수 있으며, 제3행에 위치하는 2개의 방사모듈(210c, 210d) 역시 급전라인(120)이 서로 연결될 수 있다.
급전회로(230)는 동축 급전(coaxial prove feed) 방식으로 구성되어, 기판(201) 중앙부를 관통하는 급전홀(231)과, 급전홀(231)과 각 방사모듈(210)의 급전라인(120)을 연결하는 제3 스트립(232)을 구비할 수 있다.
급전홀(231)은 내측벽이 도체로 형성된 원통형상일 수 있다. 기판(201) 상면에 위치하는 급전홀(231)의 일단은 기판(201)의 상면에 구비되는 제3 스트립(232)과 연결될 수 있다.
제3 스트립(232)은 제1행의 방사모듈(210a, 210b)이 서로 연결된 연결부위(241), 제3행의 방사모듈(210c, 210d)이 서로 연결된 연결부위(242) 및 급전홀(231)의 좌우에 위치하는 제2행에 위치하는 방사모듈(210e, 210f)의 급전라인(120)과, 급전홀(231)을 네 방향으로 연결할 수 있다.
네 방향의 제3 스트립(232)은 각각의 길이가 동일한 경우, 동일한 두께로 형성됨이 바람직하다. 그러나 안테나의 소형화를 고려할 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1행의 방사모듈(210a, 210b)와 제3행의 방사모듈(210c, 210d)을 급전홀(231)과 연결하는 제3 스트립(232a, 232b)은 서로 길이가 대략 같을 수 있으나, 급전홀(231) 좌우에 위치하는 제2행의 방사모듈(210e, 210f)과 연결되는 제3 스트립(232c, 232d)과는 그 길이가 다를 수 있다.
이러한 경우, 제3 스트립(232)의 길이를 고려하여 그 길이에 따라 폭을 적절히 조정하여, 제3 스트립(232)의 급전홀(231)에서의 각각의 방사모듈(210)의 입력 임피던스가 동일하게 함이 바람직하다. 이는 모든 방사패치(111, 112, 113)에 동일한 전류가 인가되도록 하기 위함이다.
기판(201)의 하면에는 접지면(미도시)이 형성될 수 있다. 접지면은 기판(201)의 하면에 형성된 급전홀(미도시)과 이격되도록 형성된다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)와 3 X 6 균일 임피던스 어레이 안테나(미도시)를 비교 실험한 결과에 대해 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 반사손실을 나타낸 그래프이고, 도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 E-Plane 방사패턴을 나타낸 그래프이며, 도 5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 H-Plane 방사패턴을 나타낸 그래프이다. 그리고 도 6는 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나와 균일 임피던스 패치 어레이 안테나의 대역폭을 비교한 그래프이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)는 유전율(εr)이 2.2인 TLY-5 기판(201)을 사용하였다.
비교 대상인 3 X 6 균일 임피던스 어레이 안테나는 동일한 TLY-5 기판을 사용하고, 급전 방식도 동일한 동축 선로 방식을 이용하였다.
다만, 3 X 6 균일 임피던스 어레이 안테나는 방사 패치로서 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)의 제3 방사패치(113)와 동일한 200Ω의 임피던스를 갖는 방사패치 만을 사용하였고, 상기 방사패치를 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)와 동일한 방식으로 배열하였다.
실험 결과, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)는 3 X 6 균일 임피던스 어레이 안테나의 10dB대역폭은 각각 1.2GHz(24.03GHz~25.03GHz, 4.93%)와 830MHz(23.84GH~24.67GHz, 3.43%)로 측정되었다.
위 실험 결과를 통해 본 발명의 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)의 10dB대역폭이 3 X 6 균일 임피던스 어레이 안테나에 비해 약 1.5배 넓음을 확인할 수 있다.
이는 제1 방사패치(111), 제2방사패치 및 제3 방사패치(113)의 전체적인 크기는 동일하지만, 각 방사 패치(111, 112, 113)에 형성된 인셋의 길이(y1, y2, y3)가 서로 달라 각 방사 패치(111, 112, 113)의 공진 주파수는 서로 다르게 되고, 그 결과 본 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(200)는 삼중 공진의 효과로 인해 대역폭이 더 넓어지기 때문이다.
본 발명에 따른 패치 어레이 안테나(200)의 급전 방식은 동축 급전 방식 이외에도, 제3 스트립 급전이나 개구면 결합 방식 등 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
또한 방사패치의 길이, 너비 그리고 인셋 길이 등을 달리 설계하여 K밴드 이외에도, X 밴드, Ku밴드, Ka 밴드 등에 대한 안테나를 제작할 수 있으며, 상기 구성에 의한 패치 어레이 안테나는 레이더 디텍터(Radar Detector)에 사용될 수도 있고, 패치 안테나가 사용되는 다른 응용 예에도 적용될 수 있다.
또한 방사 패치의 개수와 배열 구조는 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(300)에 대해 설명한다. 도 7는 본 발명의 제3 실시예에 따른 패치 어레이 안테나를 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위하여 제1실시예와 유사한 부분은 동일한 도면번호를 사용하고, 제1실시예와 공통되는 부분은 설명을 생략한다.
본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(100, 200)는 복수 개의 방사 패치(111, 112, 113)에 각각 서로 다른 길이의 인셋을 형성하여 비균일 패치 어레이 안테나를 구현하였음에 반해, 본 발명의 제3 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(300)는 각 방사패치(311, 312, 313)에 직접 연결되는 제1 스트립(321, 322, 323)의 폭을 달리하여 비균일 패치 어레이 안테나를 구현한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(300)는 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판(미도시)과 기판의 상면에 구비되는 복수 개의 방사 패치(311, 312, 313), 복수 개의 방사패치(311, 312, 313) 각각과 직접 연결되며 각기 서로 다른 폭을 갖는 제1 스트립(321, 322, 323)과, 서로 이웃하는 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립(331, 332, 333)을 구비하는 급전라인(320)을 포함한다.
본 실시예의 패치 어레이 안테나(300)는 제1 방사패치(311), 제2 방사패치(312) 및 제3 방사패치(313)가 모두 동일한 형상이다. 구체적으로는 동일한 가로, 세로 길이를 갖는 장방형으로 형성될 수 있다. 따라서 복수 개의 방사패치(311, 312, 313)는 각각 동일한 임피던스를 갖게 된다.
그러나 각 방사패치(311, 312, 313)와 직접 연결되어 각 방사패치(311, 312, 313)에 전류를 공급하는 제1 스트립(321, 322, 323)은 각 방사패치(311, 312, 313) 별로 서로 다른 폭을 갖도록 형성된다. 이는 제1 스트립(321, 322, 323)이 제2 스트립(331, 332, 333)의 정합단(331a 332a, 333a)과 연결되는 단부에서 각 방사패치(311, 312, 313)를 바라본 입력 임피던스가 비균일하도록 설계하기 위함이다.
다만, 본 실시예에서도 제1 실시예의 경우와 동일하게 각 방사패치(311, 312, 313)로 동일한 전류가 제공되도록, 제1 방사패치(311)측 제2 스트립(331)의 단부에서의 입력 임피던스(ZinA)와, 제2 방사패치(312)측 제1 스트립(322)과 제2 방사패치(312)의 결합 임피던스가 동일하게 구성될 수 있다. 또한 제3 방사패치(313)측 제1 스트립(323)과 제3 방사패치(313)의 결합 임피던스는, 제2 방사패치(312)측 제2 스트립(332)의 단부에서의 입력 임피던스(ZinB)의 2배가 되도록 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서도 제1 실시예와 마찬가지로 각 방사 패치(311, 312, 313)의 위상차를 0으로 하기 위해, 제2 스트립(331, 332, 333) 각각의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배일 수 있다.
또한, 각 방사 패치(311, 312, 313)에 동일한 전류가 인가될 수 있도록 제2 스트립(331, 332, 333)은 정합단(331a, 332a, 333a)을 더 포함할 수 있다. 정합단(331a, 332a, 333a)은 제2 스트립(331, 332, 333)과 제1 스트립(321, 322, 323)이 연결되는 부분에 구비될 수 있다.
그리고 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 스트립(331, 332, 333)의 길이가 관내파장(λg)과 동일하게 설계된 경우, 정합단(331a, 332a, 333a)의 길이는 관내파장(λg)의 1/4이 되도록 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(300)는 제1 방사패치(311), 제2방사패치(312) 및 제3 방사패치(313)의 임피던스는 서로 동일하지만, 각 방사 패치(311, 312, 313)에 연결된 제1 스트립(321, 322, 323)의 폭이 서로 달라 각 방사 패치(311, 312, 313)에서의 공진 주파수는 서로 다르게 된다. 그 결과 본 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(300)는 삼중 공진의 효과로 인해 대역폭이 더 넓어지게 된다.
본 실시예는 설계자가 의도하는 다른 주파수 영역에 대한 안테나로 설계하기 위해, 방사패치의 크기 및 형상을 달리 할 수 있다. 특히 너비(W)는 임피던스를 결정하고, 길이(L)는 안테나의 공진 주파수를 결정하는 인자로 알려져 있으므로, 상기 인자들을 조정하여 K밴드, X 밴드, Ku밴드, Ka 밴드 등에 대한 안테나를 제작할 수 있으며, 상기 구성에 의한 패치 어레이 안테나는 레이더 디텍터(Radar Detector)에 사용될 수도 있고, 패치 안테나가 사용되는 다른 응용 예에도 적용될 수 있다. 또한 방사 패치의 개수와 배열 구조는 다양하게 변경 가능하다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(400)에 대해 설명한다. 도 8는 본 발명의 제4 실시예에 따른 패치 어레이 안테나를 도시한 도면이다.
설명의 편의를 위하여 제1실시예, 제2실시예 및 제3실시예와 유사한 부분은 동일한 도면번호를 사용하고, 제1실시예, 제2실시예 및 제3실시예와 공통되는 부분은 설명을 생략한다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(400)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 패치 어레이(300)를 복수 개 구비한 것으로 이는 안테나의 이득(gain)을 향상하기 위함이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 패치 어레이 안테나(400)는, 제3 실시예에 대한 설명에서 설명한 1 X 3 배열의 복수 개의 방사패치(311, 312, 313)와 복수 개의 방사 패치(311, 312, 313)를 전기적으로 연결하는 급전라인(320)을 포함하는 방사모듈(410) 및 각 방사모듈(410)의 급전라인(320)과 연결되어 전류를 공급하는 급전회로(430)를 구비할 수 있다.
방사모듈(410)은 기판(401)의 중심을 기준으로 좌우가 대칭되는 3 X 6 배열로 배열될 수 있다. 보다 구체적으로, 각 방사모듈(410)은 제3 방사패치(313)가 기판(201)의 중심축에 가깝게 배치되며 중심축에서 멀어지는 방향으로 제2 방사패치(312), 제1 방사패치(311) 순으로 좌우에 각각 3개의 방사모듈(410)이 배치될 수 있다.
그리고 급전회로(430)가 각 방사모듈(410)과 연결되는 방식 및 급전회로(430)의 구성은 제2 실시예와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
본 실시예는 설계자가 의도하는 다른 주파수 영역에 대한 안테나로 설계하기 위해, 크기 및 형상을 달리 할 수 있다. 특히 방사패치(311, 312, 313)의 너비와 길이는 안테나의 공진 주파수를 결정하는 인자로 알려져 있으므로, 상기 인자들을 조정하여 K밴드, X 밴드, Ku밴드, Ka 밴드 등에 대한 안테나를 제작할 수 있으며, 상기 구성에 의한 패치 어레이 안테나는 레이더 디텍터(Radar Detector)에 사용될 수도 있고, 패치 안테나가 사용되는 다른 응용 예에도 적용될 수 있다.
또한 방사 패치의 개수와 배열 구조는 다양하게 변경 가능하다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100, 200, 300, 400: 패치 어레이 안테나
111, 112, 113, 311, 312, 313: 방사 패치
120, 320: 급전라인
121, 122, 123, 321, 322, 323: 제1 스트립
131, 132, 133, 331, 332, 333: 제2 스트립
131a, 132a, 133a, 331a, 332a, 333a : 정합단
210, 410: 방사모듈
230, 430: 급전회로

Claims (23)

  1. 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판;
    상기 기판의 상면에 구비되며, 인셋이 형성된 복수 개의 방사 패치 및;
    상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 포함하며,
    상기 복수 개의 방사 패치가 서로 다른 임피던스를 갖도록, 상기 인셋이 상기 복수 개의 방사 패치마다 서로 다른 크기로 형성된 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인셋은 상기 복수 개의 방사 패치마다 서로 다른 길이로 형성된 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 급전라인은 상기 복수 개의 방사패치 각각과 직접 연결되는 제1 스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배인 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 스트립은 상기 복수 개의 방사패치에 동일한 전류가 인가되도록 정합단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(λg)과 동일하고, 상기 정합단의 길이는 상기 관내파장(λg)의 1/4인 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 방사 패치는 대략 사각형 형상이고 서로 동일한 가로길이 및 동일한 세로길이를 갖고, 상기 급전라인에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  8. 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판;
    상기 기판의 상면에 구비되고, 서로 다른 길이의 인셋이 형성된 복수 개의 방사패치 및 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 구비하는 방사모듈을 포함하며,
    상기 방사모듈은 상기 기판 상에 복수 개가 구비되며,
    상기 급전라인과 연결되어 상기 방사모듈에 전류를 공급하는 급전회로를 구비하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 급전라인은 상기 복수 개의 방사패치 각각과 직접 연결되는 제1 스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배인 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 스트립은 상기 복수 개의 방사패치에 동일한 전류가 인가되도록 정합단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(λg)과 동일하고, 상기 정합단의 길이는 상기 관내파장(λg)의 1/4인 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  13. 제8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 방사모듈은 좌우 대칭이 되도록 배열되고, 상기 급전회로는 상기 복수 개의 방사모듈을 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터용 패치 어레이 안테나.
  14. 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판; 및
    상기 기판의 상면에 구비되고, 서로 다른 크기의 인셋이 형성된 복수 개의 방사 패치 및 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 구비하는 방사모듈을 적어도 하나 이상 포함하는 패치 어레이 안테나를 구비하는 레이더 디텍터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 인셋은 상기 복수 개의 방사 패치마다 서로 다른 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 급전라인은 상기 복수 개의 방사 패치 각각과 직접 연결되는 제1 스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1 스트립을 연결하는 제2 스트립을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 스트립의 길이는 관내파장(guided wavelength, λg)의 양의 정수배인 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 스트립은 상기 복수 개의 방사 패치에 동일한 전류가 인가되도록 정합단을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 정합단은 상기 제2 스트립의 일측에 위치하여, 상기 제1 스트립 중 어느 하나와 연결되는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 스트립의 길이는 상기 관내파장(λg)과 동일하고, 상기 정합단의 길이는 상기 관내파장(λg)의 1/4인 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 복수 개의 방사 패치는 사각형 형상이고 서로 동일한 가로 길이 및 동일한 세로 길이를 갖도록 형성되고, 상기 급전라인에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 패치 어레이 안테나는 X 밴드(8GHz~12GHz), Ku 밴드(10.95GHz~14.5GHz), K 밴드(18GHz~27GHz), Ka 밴드(26.5GHz~40GHz) 중 어느 하나의 밴드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 레이더 디텍터.
  23. 유전체 또는 유전체 및 자성체를 구비하는 기판;
    상기 기판의 상면에 구비되고, 서로 다른 길이의 인셋이 형성되어 서로 다른 임피던스를 갖는 복수 개의 방사 패치;
    상기 복수 개의 방사 패치 각각과 직접 연결되는 복수 개의 제1스트립과, 서로 이웃하는 상기 제1스트립을 연결하는 제2스트립을 구비하여 상기 복수 개의 방사 패치를 전기적으로 연결하는 급전라인을 포함하며,
    상기 제2스트립에는 상기 복수 개의 방사 패치에 동일한 전류가 인가되도록 정합단을 구비하는 패치 어레이 안테나.
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