KR101269711B1 - 오픈 스터브를 이용한 레이더 배열 안테나 - Google Patents

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Abstract

오픈 스터브를 이용한 레이더 배열 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상부에 형성되고 라인 형태를 가지며 RF 신호 급전을 위한 급전 라인; 상기 급전 라인으로부터 소정의 각도를 가지고 연장되며 소정의 폭을 가지는 라인 형태로 형성되는 다수의 오픈 스터브; 상기 급전 라인의 끝단에 결합되며 임피던스 매칭을 조절하기 위한 매칭 엘리먼트; 및 상기 유전체 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 다수의 오픈 스터브들은 방사체로 동작하며, 상기 다수의 오픈 스터브들 중 적어도 일부는 오픈 스터브별 방사 신호 세기 조절을 위해 다른 길이를 가진다. 개시된 안테나는 그 구조가 단순하면서 소형화된 구조로 제작될 수 있다.

Description

오픈 스터브를 이용한 레이더 배열 안테나{Radar Array Antenna Using Open Stub}
본 발명의 실시예들은 레이더 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오픈 스터브를 이용한 레이더 배열 안테나에 관한 것이다.
레이더는 전자파를 원거리에 있는 물체나 목표물에 보내 그 반사파를 수신 및 분석함으로써 목표물까지의 거리, 방향 목표물 주변의 정보를 검출하는 장치이다.
레이더는 전자파의 직진성과 반사 특성을 이용한 것으로서 어둠, 비, 눈 등에 의하여 시계가 가려져도 그 영향을 받지 않고 탐지가 가능하며, 근래에는 차량에서 다양한 정보를 수집할 때도 레이더가 사용되고 있다.
레이더용 안테나로는 다양한 종류의 안테나가 사용되나, 대표적으로 사용되는 안테나 종류 중 하나는 마이크로스트립 패치 안테나이다.
도 1은 종래의 일반적인 마이크로스트립 패치를 이용한 레이더용 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 일반적인 레이더용 안테나는 기판(100), 접지면(102), 트랜지션(Transition) 도전체(104), 급전 라인(106), 다수의 패치 방사체(108) 및 매칭(Matching) 엘리먼트(110)를 포함한다.
트랜지션 도전체(104)는 도파관과 급전 라인(106)을 전자기적으로 결합시키는 기능을 한다. 도 1에는 도시되어 있지 않으나 트랜지션 도전체(104)는 도파관과 결합되며, 도파관으로부터 제공되는 급전 신호를 급전 라인(106)에 제공한다.
급전 라인(106)의 양 측에는 다수의 패치 방사체(108)가 결합된다. 각 패치 방사체는 직사각형 형태를 가진다. 각 패치 방사체(108)는 45도 편파 제공을 위해 45도의 각도를 가지고 결합된다.
도 2는 도 1에 도시된 레이더용 안테나의 방사 패치 부분을 확대한 확대도이다.
도 2를 참조하면, 레이더용 안테나에 사용되는 마이크로스트립 패치는 소정의 폭(W) 및 길이(L)를 가지며, 패치의 길이는 사용 주파수에 상응하는 파장의 약 1/2 길이를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 종래의 마이크로스트립 패치를 사용하는 레이더 안테나에서 각 마이크로스프립 패치는 독립적으로 신호를 방사하며, 각 방사체별로 방사되는 전력의 조절이 필요하다. 일례로, 중앙부에 패치에서 가장 높은 전력을 가지는 신호를 방사하고 중앙부에서 멀어질수록 낮은 전력을 가지는 신호가 방사되도록 신호 세기의 조절이 필요할 수 있다.
이와 같은 각 방사체별 신호 세기의 조절은 각 방사체의 폭(W)을 조절함으로써 이루어진다.
급전 라인(106)을 통해 제공되는 급전 신호의 일부는 방사체로 제공되어 방사하고 일부는 계속 급전 라인을 통해 트래블링(traveling)되며, 다음 방사체를 만날 때 동일한 방식으로 일부는 방사체로 제공되어 방사되고 또 일부는 계속 트래블링되는 방식으로 각 방사체에서 방사가 이루어지게 된다.
급전 라인(106)의 끝단에는 매칭 엘리먼트(110)가 결합되며, 매칭 엘리먼트는 레이더용 안테나의 임피던스 매칭을 통해 급전 라인에서 신호의 반사가 발생하는 것을 방지한다.
이와 같은 종래의 레이더용 안테나는 직사각형 패치가 소정의 폭을 유지하면서 급전 라인에 기울어진 형태로 결합하여 그 구조가 복잡하며, 신호 세기의 분배를 위해 급전 라인의 후단부로 갈수록 마이크로스트립 패치의 폭이 커져 매칭 엘리먼트(110)가 형성된 위치에서는 그 사이즈가 증가하여 소형 구조를 유지하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명에서는 단순한 구조를 가지는 레이더용 안테나를 제안한다.
또한, 본 발명은 소형화된 구조로 제작 가능한 레이더용 안테나를 제안한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상부에 형성되고 라인 형태를 가지며 RF 신호 급전을 위한 급전 라인; 상기 급전 라인으로부터 소정의 각도를 가지고 연장되며 소정의 폭을 가지는 라인 형태로 형성되는 다수의 오픈 스터브; 상기 급전 라인의 끝단에 결합되며 임피던스 매칭을 조절하기 위한 매칭 엘리먼트; 및 상기 유전체 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 다수의 오픈 스터브들은 방사체로 동작하며, 상기 다수의 오픈 스터브들 중 적어도 일부는 오픈 스터브별 방사 신호 세기 조절을 위해 다른 길이를 가지는 레이더 안테나가 제공된다.
상기 오픈 스터브들은 파장의 1/4 미만이거나 파장의 1/4을 초과하여 1/2 이하로 설정된다.
상기 오픈 스터브들은 급전 라인의 양 사이드로부터 연장되며, 오픈 스터브들과 상기 급전 라인의 각도는 동일하다.
상기 다수의 오픈 스터브들의 적어도 일부는 그 폭이 다르게 설정된다.
본 발명에 의하면, 그 구조가 단순하면서 소형화된 레이터 안테나를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 마이크로스트립 패치를 이용한 레이더용 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 2는 도 1에 도시된 레이더용 안테나의 방사 패치 부분을 확대한 확대도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 스터브를 이용한 레이더 안테나의 구조를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 라인으로부터 연장되는 오픈 스터브의 구조를 도시한 도면.
도 5는 도 4에 도시된 단일 오픈 스터브에 대해 급전 라인의 포트 1 및 제 포트 2에서의 S12 파라미터 및 도 4에 도시된 단일 오픈 스터브에 대해 오픈 스터브의 길이 변화에 따른 오픈 스터브의 방사 게인을 도시한 그래프.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 스터브를 이용한 레이더 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오픈 스터브를 이용한 레이더 안테나는 트랜지션 도전체(300), 급전 라인(302), 다수의 오픈 스터브(304a, 304b, 304c, 304d, 304e, 304f, 304g, 304h), 매칭 엘리먼트(306), 기판(308) 및 접지면(310)을 포함할 수 있다.
트랜지션 도전체(300), 급전 라인(302), 다수의 오픈 스터브 및 매칭 엘리먼트(306)는 기판(308)상부에 형성되며 접지면(310)은 기판 상부와 대향하는 기판 하부에 형성된다.
트랜지션 도전체(300)는 도파관과 급전 라인(302)을 전자기적으로 결합시켜 급전 라인에 급전 신호를 제공한다. 트랜지션 도전체(300)와 급전 라인(302)은 전기적으로 직접 결합될 수도 있으며, 전자기적인 커플링이 가능하도록 배치될 수도 있다.
급전 라인(302)은 직선 형태를 가지며 급전 신호를 다수의 오픈 스터브들에 제공한다. 본 발명에서는 다수의 오픈 스터브들이 레이더 신호를 방사 및 수신하는 방사체로 동작한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 급전 라인으로부터 연장되는 단일 오픈 스터브의 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 오프 스터브는 급전 라인(302)으로부터 연장되어 돌출되는 구조를 가지며 도 2에 도시된 마이크로스트립 패치와 같이 독립적인 직사각형 형상을 가지는 것은 아니다.
오픈 스터브는 소정의 폭(W) 및 길이(L)를 가지며, 소정의 폭을 가진 라인이 소정의 각도를 가지고 돌출되는 형태이고 오픈 스터브의 돌출 각도는 레이더 안테나의 편파(Polarization)에 상응하여 설정될 수 있다.
도 3에는 8개의 오픈 스터브(304a, 304b, 304c, 304d, 304e, 304f, 304g, 304h)가 급전 라인으로부터 연장되는 구조가 도시되어 있으나 오픈 스터브의 개수는 필요에 따라 적절하게 조절될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 안테나에서 원하는 레이더 패턴을 위한 오픈 스터브별 방사 신호 세기의 조절이 필요하다. 일례로, 급전 라인의 센터부로부터 연장되는 오픈 스터브에서 가장 큰 신호 세기를 가진 방사 신호가 방사되고 급전 라인의 단부로부터 연장되는 오픈 스터브에서 약한 신호 세기를 가진 방사 신호가 방사되도록 오픈 스터브별 방사 신호의 세기가 조절될 수 있다.
본 발명에 의하면, 각 오픈 스터브(방사체)별 방사 신호의 세기 조절은 오픈 스터브의 길이에 의해 조절된다. 오픈 스터브의 폭에 의해서도 방사 신호의 세기가 조절될 수 있으나, 신호 세기를 조절하는 메인 파라미터는 오픈 스터브의 길이이고 서브 파라미터로 오픈 스터브의 폭에 의해 보조적으로 신호 세기가 조절될 수 있다.
도 3에는 급전 라인을 중심으로 양 측에 오픈 스터브들이 연장되는 구조가 도시되어 있으나 오픈 스터브들은 급전 라인의 한 측으로부터만 연장되는 구조를 가질 수도 있다.
본 발명과 같이, 오픈 스터브에 의해 방사체를 형성하는 구조는 직사각형 형태의 패치로 방사체를 형성하는 경우에 비해 단순한 구조로 레이더의 제작이 가능하다.
또한, 라인의 길이만 조절하면 되므로 각 방사체별 신호 세기의 조절이 종래의 마이크로스트립 패치를 이용하는 안테나에 비해 용이하게 이루어질 수 있다.
각 오픈 스터브의 길이에 의해 각 방사체의 방사 신호 세기가 조절될 수 있으나, 본 발명과 같이 오픈 스터브가 방사체로 이용될 때 오픈 스터브는 사용 주파수에 상응하는 파장의 1/2 이하의 길이를 가지는 것이 바람직하며, 이때 파장의 1/4길이를 가지지 않도록 오픈 스터브의 길이를 설정하는 것이 중요하다.
도 5는 도 4에 도시된 단일 오픈 스터브에 대해 급전 라인의 포트 1 및 제 포트 2에서의 S12 파라미터 및 도 4에 도시된 단일 오픈 스터브에 대해 오픈 스터브의 길이 변화에 따른 오픈 스터브의 방사 게인을 도시한 그래프이다.
도 5에서 상부 그래프가 S12 파라미터를 도시한 그래프이고 하부 그래프가 방사 게인을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 오픈 스터브의 길이가 파장의 약 1/4 길이(약 1mm)일 때 S12 파라미터의 값이 최소가 됨을 알 수 있다. 이는 오픈 스터브의 길이가 파장의 1/4일 경우 대부분의 신호가 오픈 스터브에 의해 방사되고 포트 1의 신호 중 포트 2로 제공되는 신호가 최소가 된다는 것을 의미한다.
또한, 오픈 스터브의 길이가 파장의 약 1/4 길이(약 1mm)일 때 오픈 스터브의 방사 게인이 최대로 됨을 확인할 수 있다.
도 5는 단일 오픈 스터브에 대한 시뮬레이션 결과이며, 본 발명과 같이 다수의 오픈 스터브가 사용될 경우 하나의 오픈 스터브에 대해 신호가 집중되면 RF 안테나에서 필요한 신호 세기의 적절한 분배가 이루어지기 어렵다. 따라서, 오프 스터브는 파장의 1/2 길이 이하로 설정하되 그 길이가 파장의 1/4이거나 이에 근접한 길이를 피하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 유전체 기판,
    상기 유전체 기판 상부에 형성되고 라인 형태를 가지며 RF 신호 급전을 위한 급전 라인;
    상기 급전 라인으로부터 소정의 각도를 가지고 연장되며 소정의 폭을 가지는 라인 형태로 형성되는 다수의 오픈 스터브;
    상기 급전 라인의 끝단에 결합되며 임피던스 매칭을 조절하기 위한 매칭 엘리먼트; 및
    상기 유전체 기판 하부에 형성되는 접지면을 포함하되,
    상기 다수의 오픈 스터브들은 방사체로 동작하며, 상기 다수의 오픈 스터브들 중 적어도 일부는 오픈 스터브별 방사 신호 세기 조절을 위해 다른 길이를 가지며, 상기 오픈 스터브들은 파장의 1/4 미만이거나 파장의 1/4을 초과하여 1/2 이하로 설정되어 파장의 1/4 길이를 가지지 않는 것을 특징으로 하는 레이더 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오픈 스터브들은 급전 라인의 양 사이드로부터 연장되며, 오픈 스터브들과 상기 급전 라인의 각도는 동일한 것을 특징으로 하는 레이더 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 오픈 스터브들의 적어도 일부는 그 폭이 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 레이더 안테나.
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