KR101212219B1 - 테이퍼드 슬롯 안테나 장치 및 이를 구비한 레이더 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 제1 면과 제2 면을 구비하는 유전체 기판과, 상기 제1 면에 배치되는 제1 방사체와, 상기 제2 면에 배치되는 제2 방사체 및 상기 제1 방사체와 상기 제2 방사체를 서로 연결하는 제1 및 제2 도전 멤버를 포함하고, 상기 도전 멤버들은 상기 유전체 기판을 관통하도록 형성됨으로써, 그 크기를 더욱 소형화시킬 수 있다.

Description

테이퍼드 슬롯 안테나 장치 및 이를 구비한 레이더{Tapered slot antenna apparatus and Radar having the same}

본 발명의 실시예들은 레이더에 사용될 수 있는 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered slot antenna:TSA)에 관한 것이다.

1970년 후반부터 마이크로스트립과 기판에 인쇄된 안테나에 관한 개발이 이루어져 비행기, 미사일, 로겟 등과 같은 군사적 용도뿐만 아니라 위성방송, GPS(Global Positioning System) 등의 상업적 목적에 응용되어 왔다.

이러한 안테나에는 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered slot antenna:TSA)가 있는 바, TSA는 크기 및 무게가 작고 제작 및 설치가 용이하며 이득이 높고 대칭적인 빔 패턴을 가지는 등의 많은 장점이 있다.

그리고, TSA는 기본적으로 급전부, 정합부, 방사부로 나뉘며 유전체 위에 다양한 형태의 금속면을 형성시킬 수 있다.

TSA의 설계 과정에는 방사부의 설계뿐만이 아니라 균형적인 급전을 위한 발룬(Balun)의 설계가 포함된다. 하지만 발룬의 사용은 TSA의 크기를 증가시킨다는 단점이 있으므로, 발룬을 대체할 수 있는 구조가 고려될 수 있다.

본 발명의 일실시예들은, 보다 향상된 구조를 갖는 테이퍼드 슬롯 안테나를 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 제1 면과 제2 면을 구비하는 유전체 기판과, 상기 제1 면에 배치되는 제1 방사체와, 상기 제2 면에 배치되는 제2 방사체 및 상기 제1 방사체와 상기 제2 방사체를 서로 연결하는 제1 및 제2 도전 멤버를 포함하고, 상기 도전 멤버들은 상기 유전체 기판을 관통하도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 방사체는 상기 제1 면 또는 제2 면을 향하여 투영된 형상이 테이퍼드 슬롯의 형상을 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 방사체는 그 단면이 제1 직선과 제2 직선, 그리고 제1 곡선을 포함하고, 상기 제1 직선은 상기 유전체 기판의 측단에 근접하여 형성되고, 상기 제2 직선은 그 양단에 근접하여 각각 상기 제1 도전 멤버와 제2 도전 멤버가 형성되고, 상기 제1 곡선은 제2 방사체의 제2 곡선과 함께 테이퍼드 슬롯을 형성할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제2 방사체는 상기 제2 직선에 평행하는 제3 직선을 포함하고, 상기 제1 도전 멤버와 제2 도전 멤버가 상기 제2 방사체에 연결되는 지점은 각각 상기 제3 직선의 양단에 근접하여 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 도전 멤버는 상기 제1 곡선과 제2 곡선이 근접하는 지점에서, 제1 방사체와 제2 방사체를 연결하도록 배치될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 도전 멤버는 그 길이의 조절이 가능하도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 유전체 기판은 상기 제2 도전 멤버가 관통하도록 적어도 하나의 비어 홀을 구비할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제1 면에 방사이득을 높일 수 있도록 형성되는 디렉터를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 디렉터는 상기 제1 곡선과 제2 곡선 사이에 배치될 수 있다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 무선 신호를 송수신하도록 형성되는 안테나와, 상기 안테나로부터 송수신되는 신호를 분리하도록 형성되는 송수신 스위치 및 상기 송수신 스위치와 연결되는 송신기와 수신기를 포함하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치를 구비하는 레이다를 개시한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 테이퍼드 슬롯 안테나는 그 크기를 더욱 소형화시킬 수 있으므로, 다목적으로 사용될 수 있다. 또한, 디렉터를 포함하여 방사 이득(효율)을 높일 수 있다..

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered slot antenna:TSA)의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered slot antenna:TSA)의 사시도.
도 3은 도 2의 부분 확대도.
도 4는 도 2의 평면도.
도 5는 도 2의 배면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered slot antenna:TSA)의 사시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따르는 레이더 시스템의 구성도.

이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치 및 이를 구비한 레이더에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

일반적으로 TSA(Tapered Slot Antenna)는 비발디 안테나라 불린다. TSA는 트레블링 웨이브 안테나로서 비교적 높은 방사이득과 넓은 빔폭을 가지며 이론적으로 무한대의 대역폭을 갖는다. 이러한 좋은 특성을 가지고 있기 때문에 주로 레이더용 안테나로서 많이 쓰인다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered slot antenna:TSA)의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 테이퍼드 슬롯 안테나(1)는 상면과 하면을 구비한다. 상면의 가운데를 기준으로 해서 위아래로 두 개의 방사체(10, 20)가 대칭 형태를 이루며 위치해 있다. 테이퍼드 슬롯 안테나에서 전파가 방사되는 방향의 뒷부분에는 테이퍼드 슬롯 안테나에 급전을 위한 발룬(31)을 포함한 급전부가 위치한다.

방사체(10, 20)가 대칭 구조를 이루고 있기 때문에 테이퍼드 슬롯 안테나의 동작을 위해서는 위아래 두 방사체(10, 20)에 위상차가 180°인 균형적인 급전(balanced feeding)이 이루어져야 한다.

이때 불균형적 급전(unbalanced feeding)을 균형적인 급전으로 바꾸기 위한 장치가 바로 발룬(31)이다. 이러한 이유들로 인해서 테이퍼드 슬롯 안테나의 설계 과정에는 방사부의 설계뿐만이 아니라 균형적인 급전을 위한 발룬(Balun, 31)의 설계가 포함된다.

하지만 발룬(31)의 사용은 테이퍼드 슬롯 안테나의 크기를 증가시킨다는 단점이 있다. 도 1에서 보는 바와 같이 발룬(31)의 크기는 테이퍼드 슬롯 안테나의 면적에서 적지 않은 부분을 차지한다. 도 1의 그림과 앞에서의 설명과 같이 일반적인 테이퍼드 슬롯 안테나에 쓰이는 발룬(31)의 크기가 방사체(10, 20)에 비해서 매우 크므로 테이퍼드 슬롯 안테나의 크기를 증가시킨다는 단점이 있다. 이러한 구조적인 이유로 인해서 테이퍼드 슬롯 안테나는 많은 분야에 걸친 폭넓은 응용이 힘들다는 문제점이 있다.

본 발명은 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered Slot Antenna)에 관한 것으로서, 소형화가 가능하고, 방사이득을 증가시킬 수 있는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치를 제공함에 그 목적이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 테이퍼드 슬롯 안테나의 급전에 일반적으로 쓰이는 발룬을 대체할 수 있는 방법으로 테이퍼드 슬롯 안테나의 방사체와 접지면을 도체를 이용하여 연결하고, 테이퍼드 슬롯 안테나의 방사이득을 높일 수 있는 방법으로 테이퍼드 슬롯 안테나에 디렉터를 부착하는 것을 포함한다.

본 발명의 실시예들은, 테이퍼드 슬롯 안테나의 방사체와 접지면을 연결하는 매우 간단한 구조의 도체로 발룬을 대체하고 있다. 테이퍼드 슬롯 안테나 방사체의 급전을 위해 테이퍼드 슬롯 안테나에 사용되는 발룬의 면적은 테이퍼드 슬롯 안테나 전체 면적에 비교하여 매우 크다. 본 발명에 따른 매우 간단한 구조를 갖는 도체를 통한 방사체와 접지면의 연결로서 발룬을 대체할 수 있으므로 테이퍼드 슬롯 안테나가 소형화된다. 또한 본 발명에 따르면, 테이퍼드 슬롯 안테나의 전파 진행 방향에 디렉터를 부착하여 방사이득을 높일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따르는 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered slot antenna:TSA)의 사시도이고, 도 3은 도 2의 부분 확대도이며, 도 4는 도 2의 평면도이고, 도 5는 도 2의 배면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 테이퍼드 슬롯 안테나(100)는 유전체 기판(130)의 상면 또는 하면에 방사체(110, 120)가 결합되어 형성될 수 있다. 그리고, 유전체 기판(130)의 제2 면에는 접지면이 위치할 수 있다.

접지면은 유전체 기판(130)의 제2 면(하면)에 위치하는 제2 방사체(120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 유전체 기판(130)의 제1 면(상면)에는 제1 방사체(110)가 부착되어 있다. 일반적인 테이퍼드 슬롯 안테나(100)는 위에서 바라보았을 때 두 방사체가 서로 분리되어 있는 형태이다. 하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 테이퍼드 슬롯 안테나(100)의 두 방사체 구조는 위에서 투영하여 바라보았을 때 방사체의 끝부분이 서로 겹치는 구조이다.

제1 방사체(110)는 그 단면이 제1 직선(112)과 제2 직선(111), 그리고 제1 곡선(113)을 포함한다. 상기 제1 직선(112)은 상기 유전체 기판(130)의 측단에 근접하여 형성되고, 상기 제2 직선(111)은 그 양단에 근접하여 각각 상기 제1 도전 멤버(140)와 제2 도전 멤버(150)가 형성되고, 상기 제1 곡선(113)은 제2 방사체(120)의 제2 곡선(121)과 함께 테이퍼드 슬롯을 형성한다.

제2 방사체(120)는 상기 제2 직선(111)에 평행하는 제3 직선(122)을 포함하고, 상기 제1 도전 멤버(140)와 제2 도전 멤버(150)가 상기 제2 방사체(120)에 연결되는 지점은 각각 상기 제3 직선(122)의 양단에 근접하여 형성된다.

제1 면에 위치한 제1 방사체(110) 옆에 접지면과 제1 방사체(110)를 연결하기 위한 직사각형 형태의 제1 도전 멤버(140)가 있고 이 제1 도전 멤버(140)는 제1 방사체(110)와 제2 방사체(120)에 전기적으로 연결되어 있다. 제1 도전 멤버(140)는 상기 제1 곡선과 제2 곡선이 근접하는 지점에서, 제1 방사체(110)와 제2 방사체(120)를 연결하도록 배치된다.

제1 도전 멤버(140)는 그 길이의 조절이 가능하도록 형성될 수 있다.

제1 면의 제2 도전 멤버(150)는 도 3와 같이 3개의 비아 홀을 통하여 유전체 기판(130) 제2 면의 접지면과 전기적으로 연결이 된다. 유전체 기판(130)은 상기 제2 도전 멤버(150)가 관통하도록 적어도 하나의 비아 홀(131)을 구비할 수 있다.

도 4는 상기 테이퍼드 슬롯 안테나(100) 제1 면의 모습이고 도 5는 상기 테이퍼드 슬롯 안테나(100) 제2 면의 모습이다.

비발디 혼의 다른 한쪽이 접지면을 성형하여 만들어지고 상기 안테나의 제2 면에 접지면과 연결되어 부착된다. 도 4은 상기 비발디 안테나의 제1 면에 부착된 비발디 혼과 제2 면의 접지면을 연결하기 위한 연결부의 구조이다. 제1 면에 부착된 사각형태의 작은 도체 판과 접지면이 유전체 기판(130)에 뚫린 비아 홀 내부의 도체를 통하여 연결된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따르는 테이퍼드 슬롯 안테나(Tapered slot antenna:TSA)의 사시도이다. 도 2에 도시된 테이퍼드 슬롯 안테나와 디렉터 부분을 제외하고 동일한 구조이다. 도 6과 같이 직사각형 형태의 디렉터가 두 방사체 사이에 위치하고 유전체 기판(130)의 제1 면에 부착된다.

디렉터는 유전체 기판(130)의 제1 면에 방사이득을 높일 수 있도록 형성된다. 디렉터는 상부에서 투영했을 때, 상기 제1 곡선과 제2 곡선 사이에 배치될 수 있다.

각 방사체로부터 출력되는 전파를 강화시키고, 전파의 지향성을 향상시킨다. 이로 인해, 방사체의 방사 이득을 높일 수 있다.

유전체 기판의 양면에 방사체가 존재하고 마이크로스트립으로 급전하여 반경 R2인 곡면에 의해 언밸런스가 밸런스로 바뀐 후 다시 반경 R1인 곡면에 의해 마이크로스트립이 금속면으로 점차 변하여 각 방사체 사이의 개구된 부분에서에서 공간으로 방사가 이루어지게 된다. 여기서 반경 R1 또는 R2 인 곡면은 앞서 살펴본 제1 곡선 또는 제2 곡선일 수 있다.

이러한 테이퍼드 슬롯 안테나는 임피던스정합이 제대로 이루어지고 안테나 내부에 특정 주파수에 의존하는 소자가 없는 한 10 ~ 35GHz의 광대역특성을 가질 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따르는 레이더 시스템의 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 레이다 시스템은 송신기, 송수신 스위치(transmit/receive switch; TR switch), 안테나(antenna; ANT), 수신기, 자료 분석 및 표시 장치(data analysis and display unit; DAD)을 포함할 수 있다.

송신기는 송신기(transmitter; TX), 변조기(modulator; MOD), 그리고 국부 발진기(oscillator; OSC)로 구성되어 있다. 대기 중으로 발사되는 무선 주파수(radio frequency; RF)의 전파는 클라이스트론 송신관(klystron transmitter tube) 또는 마그네트론 송신관(magnetron transmitter tube)과 같은 송신기에 의해 생성된다. 송신기에 의해 생성된 전파는 펄스의 지속 시간과 반복 주기(pulse repetition frequency; PRF)를 조절하는 변조기(modulator; MOD)에 의해서 일정한 시간 간격을 두고 유한한 길이를 가진 펄스로 안테나에 보내진다. 도플러 레이더의 송신 신호는 일정한 진폭과 위상을 가진 전파로서 송수신 신호의 위상 차이를 이용하여 도플러 속도를 측정한다. 따라서 송신 신호의 위상은 일관성 있게 유지되어야 하며, 국부 발진기가 송신 신호의 위상을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

현대의 레이더는 경제적인 이유로 대부분 하나의 안테나를 이용하여 신호를 송신하고 수신한다. 송수신 스위치는 송신기에서 전파가 대기 중으로 발사되는 경우에 안테나를 송신기와 연결하고 대기 중으로부터 신호를 수신하는 경우에는 안테나를 수신기와 연결하는 역할을 한다.

송신기로부터 보내온 펄스 신호는 안테나를 통하여 대기 중으로 방사되며, 대기 중으로부터 산란되어 오는 신호는 다시 안테나를 통하여 수신된다.

수신기는 무선 주파수 증폭기(radio frequency amplifier; RF AMP), 혼합기(mixer; MIX), 중간 주파수 증폭기(intermediate frequency amplifier; IF AMP), 위상 검출기(phase detecter; PHS DTR), 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC)로 구성되어 있다. 대기 중으로부터 안테나로 수신된 신호는 무선 주파수 증폭기에 의해 증폭되며, 원활하게 증폭하기 위하여 국부 발진기로부터 공급되는 연속파와 합성하여 중간 주파수로 전환된다. 변환된 중간 주파수의 신호는 증폭되어 위상 검출기로 보내진다. 위상 검출기에서 증폭된 신호로부터 정 위상(in-phase; I) 채널과 직교 위상(quadrature; Q) 채널로부터 진폭과 정과 부의 위상 정보가 얻어진다. 이와 같이 얻어진 각 성분은 아날로그-디지털 변환기에 의해 복소수의 신호로 변환된다.

연속해서 송신되는 펄스의 신호는 자료 분석 및 표시 장치에 의해 각 레인지 게이트에서 복소수 디지털 자료가 얻어지고, 이 자료를 신호 처리하여 무선 송수신과 관련된 정보를 얻을 수 있다.

상기와 같이 설명된 테이퍼드 슬롯 안테나 장치 및 이를 구비한 레이더는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (10)

1. 제1 면과 제2 면을 구비하는 유전체 기판;
   상기 제1 면에 배치되는 제1 방사체;
   상기 제2 면에 배치되는 제2 방사체; 및
   상기 제1 방사체와 상기 제2 방사체를 서로 연결하는 제1 및 제2 도전 멤버를 포함하고,
   상기 도전 멤버들은 상기 유전체 기판을 관통하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 방사체는 상기 제1 면 또는 제2 면을 향하여 투영된 형상이 테이퍼드 슬롯의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 방사체는 그 단면이 제1 직선과 제2 직선, 그리고 제1 곡선을 포함하고,
   상기 제1 직선은 상기 유전체 기판의 측단에 근접하여 형성되고,
   상기 제2 직선은 그 양단에 근접하여 각각 상기 제1 도전 멤버와 제2 도전 멤버가 형성되고,
   상기 제1 곡선은 제2 방사체의 제2 곡선과 함께 테이퍼드 슬롯을 형성하는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2 방사체는 상기 제2 직선에 평행하는 제3 직선을 포함하고,
   상기 제1 도전 멤버와 제2 도전 멤버가 상기 제2 방사체에 연결되는 지점은 각각 상기 제3 직선의 양단에 근접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1 도전 멤버는 상기 제1 곡선과 제2 곡선이 근접하는 지점에서, 제1 방사체와 제2 방사체를 연결하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 도전 멤버는 그 길이의 조절이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 유전체 기판은 상기 제2 도전 멤버가 관통하도록 적어도 하나의 비어 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
8. 제3항에 있어서,
   상기 제1 면에 방사이득을 높일 수 있도록 형성되는 디렉터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 디렉터는 상기 제1 곡선과 제2 곡선 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치.
10. 무선 신호를 송수신하도록 형성되는 안테나;
    상기 안테나로부터 송수신되는 신호를 분리하도록 형성되는 송수신 스위치; 및
    상기 송수신 스위치와 연결되는 송신기와 수신기를 포함하고,
    상기 안테나는
    상기 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항을 따르는 테이퍼드 슬롯 안테나 장치인 것을 특징으로 하는 레이다.

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