KR101381863B1 - 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나 - Google Patents

다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나 Download PDF

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박대성
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Abstract

다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나가 개시된다. 아랫면에 접지가 구비되는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 적층되는 제2 기판; 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 구비되는 급전 라인(feed line); 상기 제2 기판의 윗면에 형성되는 2 x 2 또는 4 X 4의 S 밴드 마이크로스트립 패치(S band microstrip patch)를 구성하며, 상기 S 밴드 마이크로스트립 패치는, 정사각형 형상이며, 중앙에 십자 형상 슬롯이 구비되고 상기 정사각형 형상에 내접하는 원형 슬롯이 구비되며, 상기 구비된 원형 슬롯 중 상기 정사각형 형상의 각 꼭지점에 가장 근접하는 지점에 각각 PIN 다이오드가 구비되고, DC 바이어스는 비아홀을 통해 인가된다. 상기 구성에 따르면, 정사각형 마이크로스트립 패치에 십자 형상 슬롯 및 원형 슬롯을 형성하고 4개의 PIN 다이오드를 배치하여 온/오프 동작함으로써, 다중 편파 특성을 얻는 효과가 있다. 좀 더 구체적으로는 편파 간(선형 편파 간, 원형 편파 간)의 전기적인 길이를 동일하게 하여 동일 주파수 대역에서 동작하도록 하고, 십자형 슬롯에 의해 임피던스 매칭 및 동작 주파수 대역을 만족시키는 효과가 있다. 특히, 4 X 4 배열에 의해 하나의 안테나로 다양한 기능의 구현과 함께 지향성(directivity)을 높일 수 있다.

Description

다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나{MULTI-POLARIZED MICROSTRIP PATCH ARRAY ANTENNA}
본 발명은 배열 안테나에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것이다.
레이더 기술은 복잡하고 다양한 전장 환경 및 운용 환경에서 우수한 탐지/추적 성능과 표적 식별 등 다양한 임무 수행을 위한 다기능을 요구하고 있다.
이러한 다양한 기능 및 성능 개선을 위해 광대역/다중빔/다중편파 위상 레이더 기술이 연구되고 있다.
다중 편파 기술은 다양한 표적의 형상이 전파의 편파 특성에 따라 레이더 단면적(RCS) 특성을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
기존 함정에는 기능이나 용도에 따라 수많은 다양한 레이더 장비가 장착되었으나, 최근에는 레이더, 전자전, 통신, 항법 등의 다양한 기능의 레이더가 기능별로 통합된 평면형 안테나로 바뀌어 상부 구조물에 탑재되는 경향으로 바뀌고 있다.
이러한 통합된 평면형 안테나는 선체의 레이더 반사 면적이 크게 감소되고 안테나 배치나 중량, 유지 정비 비용, 전자 간섭 등의 문제가 해결되는 이점이 있다. 또한, 위상 배열 안테나의 경우에는 전자적 제어에 의하여 임의의 순간에 임의의 위치로 레이더 빔을 지향시킬 수 있다.
이처럼 다기능 레이더 특성을 모두 만족하는 하나의 다중 편파 안테나로 재구성되는 안테나의 요구가 높아지고 있다.
본 발명의 목적은 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나는, 아랫면에 접지가 구비되는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 적층되는 제2 기판; 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 구비되는 급전 라인(feed line); 상기 제2 기판의 윗면에 형성되는 4 X 4의 S 밴드 마이크로스트립 패치(S band microstrip patch)를 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 S 밴드 마이크로스트립 패치는, 정사각형 형상이며, 중앙에 십자 형상 슬롯이 구비되고 상기 정사각형 형상에 내접하는 원형 슬롯이 구비되며, 상기 구비된 원형 슬롯 중 상기 정사각형 형상의 각 꼭지점에 가장 근접하는 지점에 각각 PIN 다이오드가 구비되고, DC 바이어스는 비아홀을 통해 인가되도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 제1 기판 및 제2 기판의 크기는 237mm X 227mm, 두께는 2mm, 유전율은 2.2이고, 상기 S 밴드 마이크로 스트립패치의 크기는 30mm X 30mm이고, 상기 십자 형상 슬롯의 크기는 14mm X 14mm이고, 상기 원형 슬롯의 반지름은 14.5mm인 것이 바람직하다.
그리고 상기 S 밴드 마이크로스트립 패치 간의 간격은 55 mm인 것이 바람직하다.
상기와 같은 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 따르면, 정사각형 마이크로스트립 패치에 십자 형상 슬롯 및 원형 슬롯을 형성하고 4개의 PIN 다이오드를 배치하여 온/오프 동작함으로써, 다중 편파 특성을 얻는 효과가 있다. 좀 더 구체적으로는 편파 간(선형 편파 간, 원형 편파 간)의 전기적인 길이를 동일하게 하여 동일 주파수 대역에서 동작하도록 하고, 십자형 슬롯에 의해 임피던스 매칭 및 동작 주파수 대역을 만족시키는 효과가 있다. 특히, 4 X 4 배열에 의해 하나의 안테나로 다양한 기능의 구현과 함께 지향성(directivity)을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 평면도/측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 VSWR 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 축비 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 선형 편파 및 원형 편파의 VSWR 및 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 HFSS 시뮬레이션 툴의 서로 다른 배열 안테나 해석 방식을 이용한 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 VSWR 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 어레이 셋업 방식을 이용한 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 HFSS 시뮬레이션 툴의 서로 다른 배열 안테나 해석 방식을 이용한 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 마스터/슬레이브 방식을 이용한 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 선형 편파와 원형 편파의 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 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.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 평면도/측면도이다.
좀 더 구체적으로는, 도 1의 (a)는 상위의 제2 기판(120)의 평면도이고, 도 1의 (b)는 하위의 제1 기판(110)의 평면도이며, 도 1의 (c)는 측면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 제1 기판(110), 제2 기판(120), 급전 라인(130), S 밴드 마이크로스트립 패치(140), 십자 형상 슬롯(150), 원형 슬롯(160) 및 4 개의 PIN 다이오드(170)를 포함하도록 구성될 수 있다.
다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 적은 공간을 차지하는 소형으로 구현이 가능하면서 다중 편파를 구현할 수 있는 안테나이다. 본 발명에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 S 밴드 마이크로스트립 패치(140)에 구비되는 4 개의 PIN 다이오드(170)를 각각 온/오프 동작시켜 다중 편파 특성을 구현하고, 십자형 슬롯(150)에 의해 임피던스 매칭 및 동작 주파수 대역을 구현한다. 구체적으로는 편파 간(선형 또는 원형) 전기적 길이를 동일하게 하여 동일 주파수 대역 동작이 가능하도록 한다. 이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
제1 기판(110)은 아랫면에 접지(111)가 구비되도록 구성될 수 있다. 제1 기판(110)은 72mm X 62mm의 넓이와 1mm의 두께로 구비되는 것이 바람직하다. 그리고 유전율은 2.2인 것이 바람직하다.
제2 기판(120)은 제1 기판에 적층되어 상위에 구비될 수 있다. 제2 기판(120) 역시 72mm X 62mm의 넓이와 1mm의 두께로 구비되는 것이 바람직하다. 그리고 유전율은 2.2인 것이 바람직하다.
급전 라인(130)은 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 사이에 구비될 수 있다. 본 발명에서는 개구면 결합 급전 방식이 이용된다.
S 밴드 마이크로스트립 패치(140)는 제2 기판의 윗면에 형성되도록 구성될 수 있다. S 밴드 마이크로스트립 패치(140)는 30mm X 30mm의 크기를 정사각형 형상으로 구성될 수 있다.
S 밴드 마이크로스트립 패치(140)의 중앙에는 십자 형상 슬롯(150)이 구비될 수 있다. 십자 형상 슬롯(150)의 크기는 14mm X 14mm인 것이 바람직하다. 십자 형상 슬롯(150)은 임피던스 매칭에 이용된다.
또한, 정사각형의 S 밴드 마이크로스트립 패치(140)에는 내접하는 원형 슬롯(160)이 더 구비될 수 있다. 원형 슬롯(160)의 반지름은 14.5mm인 것이 바람직하다. 그리고 원형 슬롯(160) 중 정사각형 형상의 각 꼭지점에 가장 근접하는 지점에는 각각 4개의 PIN 다이오드(170) D1, D2, D3, D4가 구비될 수 있다. PIN 다이오드(170)가 각각 온/오프됨에 따라 편파의 종류가 변경된다.
PIN 다이오드(170)의 동작에 따른 편파는 다음의 표 1과 같다.
편파 특성 D1 D2 D3 D4
VP(vertical) ON OFF ON OFF
HP(horizontal) OFF ON OFF ON
RHCP OFF OFF ON OFF
LHCP OFF OFF OFF ON
표 1에서 보듯이, 수직 편파를 얻기 위해서는 D1과 D3의 PIN 다이오드(170)가 ON 상태가 되며, 수평 편파를 얻기 위해서는 D2와 D4의 PIN 다이오드(170)가 ON 상태가 되어야 한다.
각각의 경우에서 수직/수평 편파는 안테나의 대각선 방향(±45°)의 선형편파를 얻게 된다. 커플링 급전에 의해서 여기된 전류가 방사체와 PIN 다이오드(170)를 통해 흐르게 되고, TM11 모드로 동작함으로써 선형 편파를 형성하게 된다.
한편, LHCP 특성은 D4의 PIN 다이오드(170)가 ON이 되었을 때 얻을 수 있고, RHCP 특성은 D3의 PIN 다이오드(170)가 ON이 되었을 때 얻을 수 있다. PIN 다이오드(170)를 경유하여 나오는 파와 급전 라인(130)을 통해 주 방사체로 흐르는 직진파가 위상차를 보이게 되는데, 즉 방향이 서로 수직이고 위상차가 90°인 두 개의 TM11모드에 의해 원형 편파가 형성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 평면도이다.
도 2를 참조하면, S 밴드 마이크로 스트립 패치(140)를 4 X 4의 형태로 배열함으로써, 배열 안테나를 구성함을 알 수 있다.
이때, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)의 크기는 237mm X 227mm, 두께는 2mm, 유전율은 2.2로 구성될 수 있다.
그리고 S 밴드 마이크로스트립 패치(140) 간의 간격은 55 mm로 구성될 수 있다.
여기에서, DC 바이어스는 비아홀(미도시)을 통해 인가되도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 VSWR 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 선형 편파(수직편파(LP_1), 수평편파(LP_2)) 특성의 경우, VSWR 2:1 기준으로 수직 편파에서는 62 MHz(3.120 ~ 3.182 GHz), 수평편파에서는 63MHz(3.117 ~ 3.180 GHz)의 대역폭을 가지며, 원형 편파(LHCP, RHCP)의 특성에서는 LHCP에서 127 MHz (3.040 ~ 3.167 GHz), RHCP 에서 127 MHz (3.043 ~ 3.170 GHz)의 대역폭을 나타냄을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 축비 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, LHCP에서 28.1 MHz(3.0849 ~ 3.1130 GHz), RHCP에서 28.4 MHz(3.0916 ~ 3.120 GHz)를 나타냄을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 선형 편파 및 원형 편파의 VSWR 및 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 원형 편파는 RHCP와 LHCP 모두 16 dBic 이상의 이득을 가짐을 알 수 있다.
도 6은 HFSS 시뮬레이션 툴의 서로 다른 배열 안테나 해석 방식을 이용한 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, HFSS 시뮬레이션 툴에서 배열 안테나를 해석하는 방식 중 Array Setup 기능과 Master / Slave 기능을 이용하여 VSWR 특성을 나타낸 결과이다. 두 해석 방식에서 선형 편파와 원형 편파 모두 유사한 결과가 나타남을 확인 할 수 있다.
도 7은 어레이 셋업 기능과 마스터/슬레이브 기능을 이용한 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 축비 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 어레이 셋업(array setup) 기능과 마스터/슬레이브(master/slave) 기능을 이용하여 원형 편파의 축비 특성을 나타낸 결과이다. 어레이 셋업(array setup) 방식을 사용했을 경우 축비 대역폭은 LHCP 에서 25 MHz(3.070 ~ 3.095 GHz), RHCP에서 26 MHz(3.082 ~ 3.108 GHz)를 나타내며, 마스터/슬레이브(master/slave) 방식을 사용했을 경우 LHCP에서 11 MHz(3.081 ~ 3.092 GHz), RHCP에서 17MHz(3.088 ~ 3.105)의 축비 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 8은 어레이 셋업 방식을 이용한 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 선형 편파와 원형 편파의 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 어레이 셋업 방식을 이용하여 선형 편파와 원형 편파의 방사 패턴 특성을 알 수 있다. 수직 편파 및 수평 편파 모두 E-면, H-면에서 30 dB 이상의 교차 편파 특성과 18 dBi 이상의 이득을 가지며, 원형 편파에서는 LHCP와 RHCP 모두 16.9 dBic 이상의 이득을 갖는다.
도 9는 마스터/슬레이브 방식을 이용한 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 선형 편파와 원형 편파의 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 마스터/슬레이브(master/slave) 방식을 사용하여 선형 편파와 원형 편파의 방사 패턴 특성을 나타낸 결과가 나타나 있다. 수직 편파 및 수평 편파 모두 E-면, H-면에서 27 dB 이상의 교차 편파 특성과 17 dBi 이상의 이득을 가지며, 원형 편파에서는 LHCP와 RHCP 모두 16 dBic 이상의 이득을 갖는다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 제1 기판
120: 제2 기판
130: 급전 라인
140: S 밴드 마이크로스트림 패치
150: 십자 형상 슬롯
160: 원형 슬롯
170: PIN 다이오드

Claims (3)

  1. 아랫면에 접지가 구비되는 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 적층되는 제2 기판;
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 구비되는 급전 라인(feed line);
    상기 제2 기판의 윗면에 형성되는 4 X 4의 S 밴드 마이크로스트립 패치(S band microstrip patch)를 포함하고,
    상기 S 밴드 마이크로스트립 패치는,
    정사각형 형상이며, 중앙에 십자 형상 슬롯이 구비되고 상기 정사각형 형상에 내접하는 원형 슬롯이 구비되며, 상기 구비된 원형 슬롯 중 상기 정사각형 형상의 각 꼭지점에 가장 근접하는 지점에 각각 PIN 다이오드가 구비되고, DC 바이어스는 비아홀을 통해 인가되는 것을 특징으로 하는 다중 편파 마이크로스트립 패치 배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판의 크기는 237mm X 227mm, 두께는 2mm, 유전율은 2.2이고,
    상기 S 밴드 마이크로 스트립패치의 크기는 30mm X 30mm이고,
    상기 십자 형상 슬롯의 크기는 14mm X 14mm이고,
    상기 원형 슬롯의 반지름은 14.5mm인 것을 특징으로 하는 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 S 밴드 마이크로스트립 패치 간의 간격은 55 mm인 것을 특징으로 하는 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
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