KR101469192B1 - 광대역 위상 배열 안테나 - Google Patents

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KR101469192B1
KR101469192B1 KR20130073615A KR20130073615A KR101469192B1 KR 101469192 B1 KR101469192 B1 KR 101469192B1 KR 20130073615 A KR20130073615 A KR 20130073615A KR 20130073615 A KR20130073615 A KR 20130073615A KR 101469192 B1 KR101469192 B1 KR 101469192B1
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김홍준
김희철
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 광대역 위상 배열 안테나에 관한 것으로, 광대역 위상 배열 안테나는 배열을 이루도록 형성된 복수 개의 안테나; 및 각 안테나로 공급될 전파의 위상을 조절하는 복수 개의 위상 변위기를 포함하며, 각 안테나는, 대응하는 각 위상 변위기로부터 위상 변위된 전파를 입력받는 급전부; 급전부에 의해 급전되어 전파를 방사하는 다이폴 유도기; 및 다이폴 유도기의 전방에 이격되어 형성되고, 전파의 방사 방향을 소정의 방향으로 지향시키는 도파기를 포함하며, 각 위상 변위기는, 인가되는 바이어스 전압에 따라 선형적으로 위상을 조절하도록, 적어도 한 쌍의 버렉터 다이오드와, 한 쌍의 버렉터 다이오드 사이에 병렬 연결되는 적어도 하나의 인덕터 소자를 포함하며, 다이폴 유도기는, 궤전점을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 형성된 한 쌍의 제1 유도부; 및 한 쌍의 제1 유도부 각각의 일 단부에 절곡되어 형성되는 제2 유도부를 포함한다.

Description

광대역 위상 배열 안테나{BROADBAND PHASED ARRAY ANTENNA}
본 발명은 광대역 위상 배열 안테나(broadband phased array antenna)에 관한 것이다.
일반적으로 위상 배열 안테나(phased array antenna)는 다수의 단위 안테나를 일정 방향으로 배열한 다소자 안테나로서, 단위 안테나들에서 방사되는 전파 간에 위상차를 주어 전파를 특정 방향으로 지향시키기 위해 활용된다. 위상 배열 안테나는 단위 안테나들의 방향이 고정된 상태에서 단위 안테나들에서 방사되는 전파 간의 위상차를 조절하여 방사 패턴 상의 주엽(main lobe)을 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 이러한 특성으로 인하여, 위상 배열 안테나는 빠른 시간 내에 빔을 회전시킬 수 있어, 차세대 군사용 레이더 등에 사용되고 있으며, 대표적인 것이 이지스함이다.
하지만, 기존의 위상 배열 안테나는 단위 안테나들에서 방사될 전파의 위상을 변이시키는 위상 변위기들의 바이어스 전압에 대한 비선형적인 특성으로 인해 신호의 왜곡이 생길 수 있으며, 위상 변위기 이외에 왜곡을 상쇄시키기 위한 별도의 회로를 필요로 하는 문제점을 갖는다. 또한, 일반적인 위상 배열 안테나의 경우, 전파의 방사를 위하여 배열된 안테나들 간의 거리가 전파의 파장 길이 이상으로 제한된다. 이는 위상 배열 안테나의 크기를 증가시키는 요인이 될 뿐 아니라, 주빔의 편향 각도를 줄이게 되어 바이어스 전압의 조절에 따라 제어 가능한 주빔의 변화 각도를 제한하고, 방사 패턴의 부엽(side lobe)을 증가시키는 문제점으로 작용한다. 뿐만 아니라, 기존의 위상 배열 안테나는 제한된 특정 주파수 대역에서만 동작하므로, 광대역의 주파수 대역 전체에서 우수한 방사 특성을 갖는 위상 배열 안테나의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 광대역 위상 배열 안테나를 소형화하고, 광대역 위상 배열 안테나의 주빔(main lobe)의 편향 각도의 변화 폭을 넓히고, 방사 패턴의 부엽(side lobe)을 줄이는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 광대역의 주파수 대역에서 바이어스 전압에 따라 선형적인 방사 특성을 갖는 광대역 위상 배열 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나는 배열을 이루도록 형성된 복수 개의 안테나; 및 각 안테나로 공급될 전파의 위상을 조절하는 복수 개의 위상 변위기를 포함하는 위상 배열 안테나로서, 상기 각 안테나는, 대응하는 각 위상 변위기로부터 위상 변위된 전파를 입력받는 급전부; 상기 급전부에 의해 급전되어 전파를 방사하는 다이폴 유도기; 및 상기 다이폴 유도기의 전방에 이격되어 형성되고, 상기 전파의 방사 방향을 소정의 방향으로 지향시키는 도파기를 포함하며, 상기 각 위상 변위기는, 인가되는 바이어스 전압에 따라 선형적으로 위상을 조절하도록, 적어도 한 쌍의 버렉터 다이오드와, 상기 한 쌍의 버렉터 다이오드 사이에 병렬 연결되는 적어도 하나의 인덕터 소자를 포함하며, 상기 다이폴 유도기는, 궤전점을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 형성된 한 쌍의 제1 유도부; 및 상기 한 쌍의 제1 유도부 각각의 일 단부에 절곡되어 형성되는 제2 유도부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 유도부는, 상기 한 쌍의 제1 유도부 각각의 일 단부로부터 상기 도파기의 반대 방향을 향하는 후방 측으로 수직으로 절곡되어 형성되는 제1 절곡부; 및 상기 제1 절곡부의 일 단부로부터 상기 궤전점을 향하여 수직으로 절곡되어 형성되는 제2 절곡부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다이폴 유도기는, 상기 제1 유도부, 상기 제2 유도부의 길이의 총합이 상기 전파의 반파장에 상응하는 길이를 갖도록 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 안테나는, 인접하는 안테나 간의 거리가 상기 전파의 파장보다 작도록 배열된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 각 위상 변위기는, 상기 한 쌍의 버렉터 다이오드와, 상기 인덕터 소자로 이루어지는 단위 위상 변위부 복수 개가 직렬로 연결된 구조를 가지며, 복수 개의 단위 위상 변위부의 위상 변위량의 합만큼 전파의 위상을 조절한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광대역 위상 배열 안테나는 대응하는 각 위상 변위기를 이루는 상기 한 쌍의 버렉터 다이오드의 양측에 상기 바이어스 전압을 인가하는 복수 개의 전압 인가부를 더 포함하며, 상기 복수 개의 위상 변위기는 상기 복수 개의 전압 인가부에 의하여 인가되는 서로 다른 바이어스 전압에 따라 상기 전파를 위상 변위하여, 서로 다른 위상을 갖는 전파를 상기 급전부로 출력한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 급전부, 상기 다이폴 유도기 및 상기 도파기는 유전체 기판의 상면에 형성되고, 상기 유전체 기판의 하면에는 상기 안테나의 반사기 기능을 수행하는 접지면이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 급전부는, 전파를 공급받기 위한 마이크로스트립 급전면; 상기 다이폴 유도기를 급전시키는 공면 스트립 라인; 및 상기 마이크로스트립 급전면을 상기 공면 스트립 라인에 접속하는 발룬을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 각 위상 변위기의 입력 단자로 전파를 공급하는 전파 공급부를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 광대역 위상 배열 안테나를 소형화할 수 있으며, 주빔(main lobe)의 편향 각도의 변화 폭을 넓히고, 방사 패턴의 부엽(side lobe)을 줄일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 광대역의 주파수 대역에서 선형으로 동작하는 위상 변위기를 이용하여 광대역의 주파수 대역 전체에서 바이어스 전압에 따라 선형적인 방사 특성을 갖는 광대역 위상 배열 안테나를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(broadband phased array antenna)를 보여주는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 복수 개의 안테나 중에서 어느 하나를 보여주는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 복수 개의 위상 변위기 중에서 어느 하나를 보여주는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 위상 변위기의 단위 위상 변위부를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 단위 위상 변위부의 DC 바이어스 전압에 따른 출력 위상을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나의 주빔 편향 특성을 설명하기 위한 참고도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나의 주파수별 반사손실(return loss)을 보여주는 그래프이다.
도 8 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 다양한 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들은 언급된 구성요소, 동작 및/또는 소자 외의 하나 이상의 다른 구성요소, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나는 적어도 한 쌍의 버렉터 다이오드와, 적어도 하나의 인덕터 소자를 구비하는 위상 변위기를 이용하여 복수 개의 안테나에서 방사되는 전파의 위상을 조절하는 것과 동시에, 양측 단부를 절곡하여 형성된 다이폴 유도기를 구비하는 안테나를 이용하여 변위된 전파를 방사한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 복수 개의 안테나에서 방사되는 전파의 위상을 광대역의 주파수 대역 전체에서 바이어스 전압에 따라 선형적으로 조절할 수 있으며, 인접하는 안테나 간의 거리를 전파의 파장 거리 미만으로 줄여 광대역 위상 배열 안테나를 소형화하고, 바이어스 전압에 따른 주빔(main lobe)의 편향 각도의 변화 폭을 확장시키고, 방사 패턴의 부엽(side lobe)을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(broadband phased array antenna)를 보여주는 평면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(100)는 복수 개의 안테나(110)들, 각 안테나로 공급될 전파의 위상을 조절하는 복수 개의 위상 변위기(120)들, 복수 개의 위상 변위기(120)들로 DC 바이어스 전압을 인가하는 복수 개의 전압 인가부(130)들을 포함한다. 복수 개의 안테나(110)와 복수 개의 위상 변위기(120)는 유전체 기판(100a) 상에 형성될 수 있다. 일 실시예로, 유전체 기판(100a)은 이의 상면과 하면에 금속면을 갖는 단일 유전체로 구현될 수 있다.
각 안테나(110)는 대응하는 위상 변위기(120)에 의하여 위상 조절된 전파를 방사한다. 광대역 위상 배열 안테나(100)의 방사 패턴 상에서 주빔(main lobe)의 편향 각도는 서로 다른 안테나(110)들에서 방사되는 전파들 간의 위상차에 따라 변화된다. 각 위상 변위기(120)는 전파 공급부(140)로부터 입력받은 전파의 위상을 대응하는 전압 인가부(130)로부터 인가되는 바이어스 전압에 따라 변위시킨다. 각 위상 변위기(120)는 전압 인가부(130)의 DC 바이어스 전압에 대해서 선형적으로 비례하는 위상 변위량만큼 전파의 위상을 변위하며, 대응하는 각 안테나(110)로 위상 변이된 전파를 출력한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 복수 개의 안테나 중에서 어느 하나를 보여주는 평면도이다. 도 2를 참조하면, 각 안테나(110)는 급전부(111), 다이폴(dipole) 유도기(112) 및 도파기(director)(113)를 포함한다. 일 실시예로, 급전부(111), 다이폴 유도기(112) 및 도파기(113)는 유전체 기판(100a)의 상면에 형성되고, 유전체 기판(100a)의 하면에는 안테나(110)들의 반사기(reflector) 기능을 수행하는 접지면(미도시)이 형성될 수 있다.
각 안테나(110)의 급전부(111)는 대응하는 각 위상 변위기(120)의 출력 단자와, 다이폴 유도기(112)의 사이에 형성되며, 위상 변위기(120)의 출력 단자를 통해 위상 변위된 전파를 입력받고, 이를 다이폴 유도기(112)로 공급하여 다이폴 유도기(112)를 급전시키는 기능을 수행한다. 일 실시예에 있어서, 급전부(111)는 위상 변위기(120)의 출력 단자를 통해 변위된 전파를 입력받기 위한 마이크로스트립 급전면(1111), 다이폴 유도기(112)를 급전시키는 공면 스트립라인(coplanar stripline)(1112) 및 마이크로스트립 급전면(1111)을 공면 스트립 라인(1112)에 접속하는 발룬(1113)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 발룬(BALUN; BALance to UNbalance transformer, 평형 불평형 변성기)(1113)은 정합용 트랜스로서, 공면 스트립라인(1112)의 평행 2선 선로와, 마이크로스트립 급전면(1111)의 불평형 선로를 접속시킬 수 있다. 발룬(1113)은 임피던스 정합된 T 접합과, 설계 주파수에 대응하는 전파의 반파장 길이(λ/2)의 마이크로스트립 라인(microstrip line)의 지연 특성을 갖도록 구현될 수 있다.
다이폴 유도기(112)는 급전부(111)에 의해 급전되고, 위상 변위된 전파를 방사한다. 다이폴 유도기(112)는 대칭되는 형태로 제공되는 한 쌍의 다이폴 소자를 이용하여 전파를 방사하며, 다이폴 유도기(112)의 중앙부에는 궤전점(112a)이 형성된다. 도파기(113)는 전파의 방사 방향을 기준으로 다이폴 유도기(112)의 전방 측에 다이폴 유도기(112)와 이격하여 다이폴 유도기(112)의 한 쌍의 다이폴 소자와 나란한 방향으로 형성된다. 도파기(113)는 전파의 방사 방향을 소정의 방향으로 지향시키도록 하고, 작동 주파수 대역을 광대역(예를 들어, 1.6~2.6GHz 대역)으로 확장시키는데 기여할 수 있다.
다이폴 유도기(112)는 양측 단부가 절곡된 형상을 갖도록 형성된다. 다이폴 유도기(112)는 궤전점(112a)을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 형성된 한 쌍의 제1 유도부(1121)와, 한 쌍의 제1 유도부(1121) 각각의 일 단부에 수직으로 절곡되어 형성되는 제2 유도부(1122)를 구비한다. 일 실시예에 있어서, 제2 유도부(1122)는 한 쌍의 제1 유도부(1121) 각각의 일 단부로부터 도파기(113)의 반대 방향을 향하는 후방 측으로 수직으로 절곡되어 형성되는 제1 절곡부(1122a)와, 제1 절곡부(1122a)의 단부로부터 궤전점(112a)을 향하도록 수직으로 절곡되어 형성되는 제2 절곡부(1122b)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 다이폴 유도기(112)는 전파의 반파장에 상응하는 길이를 가질 수 있다. 즉, 제1 유도부(1121)와 제2 유도부(1122)의 길이의 총합은 전파의 반파장의 길이를 갖도록 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(100)는 각 안테나(110)를 구성하는 다이폴 유도기(112)가 꺾인 형태로 이루어져 있으며, 이에 따라 배열 안테나를 이루는 인접하는 안테나(110)들 간의 거리를 전파의 파장보다 작도록 줄여, 안테나(110)들이 배열된 방향으로의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 안테나들(110) 간의 거리를 줄여, 제어 가능한 주빔(main lobe)의 편향 각도의 변화 폭을 넓히고, 방사 패턴상의 부엽(side lobe)을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나(100)는 정지된 상태에서 효과적으로 빔 회전 기능을 구현할 수 있으며, 또한 광대역의 주파수 대역 전체에서 우수한 방사 특성을 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 복수 개의 위상 변위기 중에서 어느 하나를 보여주는 평면도이다. 도 3에서, 위상 변위기(120)는 도 1에 도시된 위상 변위기를 오른쪽으로 90°회전한 상태로 도시되어 있다. 위상 변위기(120)는 직렬로 연결된 적어도 한 쌍의 버렉터 다이오드(121)와, 한 쌍의 버렉터 다이오드(121) 사이와 접지 사이에 병렬 연결되는 적어도 하나의 인덕터 소자(122)를 포함한다. 도 1 및 도 3에 도시된 실시예에서, 각 위상 변위기(120)는 한 쌍의 버렉터 다이오드(121)와, 인덕터 소자(122)로 이루어지는 단위 위상 변위부(120a) 복수 개가 직렬로 연결된 구조를 가지며, 복수 개의 단위 위상 변위부(120a)의 위상 변위량의 합만큼 전파의 위상을 변화시킨다. 도 3에 도시된 실시예에서, 위상 변위기(120)는 네 쌍의 버렉터 다이오드(varactor diode)(121)와, 네 개의 인덕터 소자(122)를 구비하고 있으나, 버렉터 다이오드(121)와 인덕터 소자(122)의 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 위상 변위기(120)는 인가되는 전압(Vdc)에 따라 선형적으로 위상을 조절할 수 있다.
전압 인가부(130)는 피드라인(feed line)을 통해 대응하는 위상 변위기(120)에 전압을 인가한다. 전압 인가부(130)는 대응하는 각 위상 변위기(120)를 이루는 단위 위상 변위부(120a)의 양단, 즉 한 쌍의 버렉터 다이오드(121)의 양측에 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 각 전압 인가부(130)는 각 위상 변위기(120)의 위상 변이량을 다르게 하도록, 대응하는 각 위상 변위기(120)에 서로 다른 전압을 인가할 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 위상 변위기(120)로부터 출력되는 전파들은 위상차를 갖게 되고, 서로 인접하는 안테나(110)들로부터 방사되는 전파들 간의 위상차에 따라 주빔의 편향 각도가 변화된다. 따라서, 위상 변위기(120)들에 인가되는 전압 인가부(130)의 직류 바이어스 전압을 변화시킴에 따라, 광대역 위상 배열 안테나(100)의 주빔의 편향 각도가 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 위상 변위기의 단위 위상 변위부를 보여주는 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 단위 위상 변위부(120a)는 한 쌍의 버렉터 다이오드(121)와 하나의 인덕터 소자(122)로 이루어진다. 도 5는 도 4에 도시된 단위 위상 변위부의 DC 바이어스 전압에 따른 출력 위상을 보여주는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 단위 위상 변위부(120a)는 1.6GHz, 2.4GHz, 2.4GHz 주파수 대역의 어느 전파 신호에 대해서도, 상대적 위상 변이(relative phase variation) 값이 DC 바이어스 전압(vias voltage)에 대하여 선형적인 특성을 갖는다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(100)는 위상 변위기(120)와 안테나(110)의 광대역 특성으로 인하여 여러 이동 통신사의 통신 주파수를 상당 부분 만족시킬 수 있으며, 선형적인 특성으로 인하여 DC 바이어스 전압에 따른 주빔의 편향각도를 정확하게 예측 및 조절할 수 있다.
버렉터 다이오드(121)의 DC 바이어스 전압(V)에 따른 다이오드 커패시턴스 Cd(V)는 아래의 수식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 1]
Figure 112013057215132-pat00001
상기의 수식 1에서, CJ0는 제로 바이어스(zero-bias) 다이오드 커패시턴스이고, Vbi는 다이오드 장벽전압이다. 수식 1에서, 특정 도핑 프로파일을 갖도록 하기 위하여, m이 -15로 도핑되도록 하면, 아래의 수식 2와 같이, 위상 상수 β(V)는 DC 바이어스 전압 V에 대해 선형성을 가지게 된다.
[수식 2]
Figure 112013057215132-pat00002
상기의 수식 2에서, w는 전파의 각주파수이고, L은 인덕터 소자(122)의 인덕턴스이다. 수식 2에서 알 수 있듯이, 위상 상수 β(V)는 음의 부호를 가지며, 이는 단위 위상 변위부(120a)가 메타 물질(meta material)의 한 형태임을 의미한다. 단위 위상 변위부(120a)는 다이오드 소자와 집중 소자(lumped element)만으로 이루어지므로 초소형으로 제작이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(100)에서, 각각의 단위 안테나(110) 간에 일정한 위상차를 가지는 신호를 인가하면 방사 패턴의 주엽(main lobe)이 편향된다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나의 주빔 편향 특성을 설명하기 위한 참고도이다. 도 6을 참조하면, 주엽의 편향각도는 각각의 안테나(110)에서 방사되는 전기장(E-field)의 최대값의 기하학적 관계를 이용하여 아래의 수식 3과 같이 유도될 수 있다.
[수식 3]
Figure 112013057215132-pat00003
수식 3에서, φ는 주빔의 편향 각도, θd는 단위 안테나 간의 위상차, d는 단위 안테나 간의 거리, λ는 전파의 파장을 나타낸다. d=90mm, θd=100°의 동작 환경에서 주파수에 따른 주엽의 편향 각도는 예시적으로 표 1과 같이 나타날 수 있다.
주파수(GHz) 주빔 편향각도(degree)
1.6 30
2.0 25
2.4 21
전방향에 동일한 이득을 가지는 안테나를 일정한 거리를 두고 배열하면, 특정 방향의 이득이 비약적으로 상승하여 빔의 형태를 가지게 된다. 이때, 각 안테나(110)의 입력에 위상 변위기(120)를 사용하여 전파의 위상을 지연하고, 서로 다른 안테나(110)에 의해 방사되는 전파에 위상차를 주면, 빔의 방향을 이동시킬 수 있다. 배열 안테나의 대역은 위상 변위기(120)와 각각의 안테나(110)의 대역에 의해 결정된다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(100)는 광대역하면서 제어 신호인 바이어스 전압에 선형적인 위상 지연 특성을 갖는 위상 변위기(120)를 이용하여 광대역 특성을 가지며, 회로를 단순화하고 간단한 제어를 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(100)는 선형적인 특성과 함께 1.6GHz ~ 2.4GHz의 광대역에서 우수한 방사 특성을 가지므로, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), WiBro(Wireless Broadband), PCS(Personal Communication Services) 주파수 대역을 대부분 만족시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나(100)는 무선전력 전송, 초고주파 이미징 시스템 등의 다양한 분야에서, 군사용 레이더, 비관혈식 진찰기 등으로 다양하게 응용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나의 주파수별 반사손실(return loss)(S1,1)을 보여주는 그래프이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광대역 위상 배열 안테나는 1.6GHz 주파수 대역, 2.4GHz 주파수 대역 등의 주파수 대역에서, -10dB 이하의 반사손실(return loss)을 가지며, 광대역의 주파수 대역에서 동작하는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 1.6GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 96°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 4.2dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 102°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -10.9dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 1.6GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 1.7GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 90°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 3.5dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 121.7°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -11.4dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 1.7GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 1.8GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 89°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 2.7dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 153.9°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -8.9dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 1.8GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 1.9GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 91°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 2.2dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 192.8°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -6.9dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 1.9GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 2.0GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 12를 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 91°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 2.5dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 216°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -6.0dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 2.0GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 2.1GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 13을 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 91°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 3.2dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 149.4°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -2.0dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 2.1GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 2.2GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 14를 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 91°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 3.8dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 64.4°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -2.3dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 2.2GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 2.3GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 15를 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 92°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 4.2dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 58.9°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -1.9dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 2.3GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나의 2.4GHz 주파수 대역에서의 방사 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 16을 참조하면, 위상 변위기의 위상차가 90°일 때, 단위 안테나의 주빔의 편향 각도(main lobe direction)는 90.0°, 주빔의 강도(mail lobe magnitude)는 4.1dBi, 주빔의 강도와 3dB 이하의 강도 차이를 갖는 각 너비(angular width)는 56.3°, 사이드 로브 레벨(side lobe level)은 -1.1dB로서, 본 발명의 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 2.4GHz 주파수 대역에서 배열 안테나의 고유의 지향도를 유지한다.
도 8 내지 도 16에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 위상 배열 안테나를 구성하는 단위 안테나는 1.6~2.4GHz의 광대역에서, 배열 안테나로서의 고유의 지향도를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 광대역 위상 배열 안테나 100a: 유전체 기판
110: 안테나 111: 급전부
1111: 마이크로스트립 급전면 1112: 공면 스트립 라인
1113: 발룬 112: 다이폴 유도기
112a: 궤전점 1121: 제1 유도부
1122: 제2 유도부 1122a: 제1 절곡부
1122b: 제2 절곡부 113: 도파기
120: 위상 변위기 120a: 단위 위상 변위부
121: 버렉터 다이오드 122: 인덕터 소자
130: 전압 인가부 140: 전파 공급부

Claims (9)

  1. 배열을 이루도록 형성된 복수 개의 안테나; 및
    각 안테나로 공급될 전파의 위상을 조절하는 복수 개의 위상 변위기를 포함하는 위상 배열 안테나로서,
    상기 각 안테나는,
    대응하는 각 위상 변위기로부터 위상 변위된 전파를 입력받는 급전부;
    상기 급전부에 의해 급전되어 전파를 방사하는 다이폴 유도기; 및
    상기 다이폴 유도기의 전방에 이격되어 형성되고, 상기 전파의 방사 방향을 소정의 방향으로 지향시키는 도파기를 포함하며,
    상기 각 위상 변위기는,
    인가되는 바이어스 전압에 따라 선형적으로 위상을 조절하도록, 적어도 한 쌍의 버렉터 다이오드와, 상기 한 쌍의 버렉터 다이오드 사이에 병렬 연결되는 적어도 하나의 인덕터 소자를 포함하며,
    상기 다이폴 유도기는,
    궤전점을 중심으로 좌우 대칭을 이루도록 형성된 한 쌍의 제1 유도부; 및
    상기 한 쌍의 제1 유도부 각각의 일 단부에 절곡되어 형성되는 제2 유도부를 포함하는 광대역 위상 배열 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 유도부는,
    상기 한 쌍의 제1 유도부 각각의 일 단부로부터 상기 도파기의 반대 방향을 향하는 후방 측으로 수직으로 절곡되어 형성되는 제1 절곡부; 및
    상기 제1 절곡부의 일 단부로부터 상기 궤전점을 향하여 수직으로 절곡되어 형성되는 제2 절곡부를 포함하는 광대역 위상 배열 안테나.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 다이폴 유도기는, 상기 제1 유도부, 상기 제2 유도부의 길이의 총합이 상기 전파의 반파장에 상응하는 길이를 갖도록 형성되는 광대역 위상 배열 안테나.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 안테나는, 인접하는 안테나 간의 거리가 상기 전파의 파장보다 작도록 배열되는 광대역 위상 배열 안테나.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 각 위상 변위기는, 상기 한 쌍의 버렉터 다이오드와, 상기 인덕터 소자로 이루어지는 단위 위상 변위부 복수 개가 직렬로 연결된 구조를 가지며, 복수 개의 단위 위상 변위부의 위상 변위량의 합만큼 전파의 위상을 조절하는 광대역 위상 배열 안테나.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    대응하는 각 위상 변위기를 이루는 상기 한 쌍의 버렉터 다이오드의 양측에 상기 바이어스 전압을 인가하는 복수 개의 전압 인가부를 더 포함하며,
    상기 복수 개의 위상 변위기는 상기 복수 개의 전압 인가부에 의하여 인가되는 서로 다른 바이어스 전압에 따라 상기 전파를 위상 변위하여, 서로 다른 위상을 갖는 전파를 상기 급전부로 출력하는 광대역 위상 배열 안테나.
  7. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 급전부, 상기 다이폴 유도기 및 상기 도파기는 유전체 기판의 상면에 형성되고,
    상기 유전체 기판의 하면에는 상기 안테나의 반사기 기능을 수행하는 접지면이 형성되는 광대역 위상 배열 안테나.
  8. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 급전부는,
    전파를 공급받기 위한 마이크로스트립 급전면;
    상기 다이폴 유도기를 급전시키는 공면 스트립 라인; 및
    상기 마이크로스트립 급전면을 상기 공면 스트립 라인에 접속하는 발룬을 포함하는 광대역 위상 배열 안테나.
  9. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 위상 변위기의 입력 단자로 전파를 공급하는 전파 공급부를 더 포함하는 광대역 위상 배열 안테나.
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