KR101494687B1

KR101494687B1 - 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나

Info

Publication number: KR101494687B1
Application number: KR20130035718A
Authority: KR
Inventors: 박대성; 이석곤; 김형주; 송태호; 최재훈
Original assignee: 삼성탈레스 주식회사
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2015-02-23
Also published as: KR20140120083A

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 S 밴드 마이크로스트립 패치(X 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 구비되도록 구성된다. 상기와 같은 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나에 따르면, 정사각형 마이크로스트립 패치에 십자 형상 슬롯 및 원형 슬롯을 형성하고 4개의 PIN 다이오드를 배치함으로써, 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.

Description

다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나{MULTI-POLARIZED MICROSTRIP PATCH ANTENNA}

본 발명은 마이크로스트립 패치 안테나에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 다중 편파 마이크로스트립 패치 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 안테나를 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 목적에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 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 S 밴드 마이크로스트립 패치를 포함하도록 구성될 수 있다.

이때, 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 구비될 수 있다.

한편, 상기 제1 기판 및 제2 기판의 크기는 72mm X 62mm, 두께는 1mm, 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.

상기와 같은 다중 편파 마이크로스트립 패치 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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 평면도/측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PIN 다이오드의 온/오프에 따른 편파 별 전기장 분포도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 S 대역 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 시뮬레이션된 S-파라미터 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 시뮬레이션된 원형편파 특성 시 축비를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 시뮬레이션된 방사패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 시뮬레이션된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 S-파라미터 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 시뮬레이션 및 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 축비 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 시뮬레이션 및 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 선형 편파의 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 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 PIN 다이오드의 온/오프에 따른 편파 별 전기장 분포도이다.

도 2에서 보듯이, 안테나에 대한 편파의 전기장 분포를 살펴보면, PIN 다이오드(170)의 ON/OFF 동작에 따라 선형 편파(VP, HP), 원형 편파(LHCP, RHCP) 특성이 나타나는 것을 확인 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 S 대역 중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 시뮬레이션된 S-파라미터 특성을 나타내는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 선형 편파(수직편파, 수평편파) 특성의 경우, VSWR 2:1 기준으로 65 MHz(3.285 ~ 3.35 GHz)대역폭을 가지며, 원형 편파(RHCP, LHCP) 특성에서는 150 MHz(3.2 ~ 3.35 GHz) 대역폭을 보임을 알 수 있다. 원형 편파일 때는 이중 공진이 형성되기 때문에 선형 편파보다 넓은 대역폭을 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 원형편파 특성 시 축비를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 시뮬레이션된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나(100)가 원형 편파 특성일 때의 축비를 알 수 있다. 좌선회 편파(LHCP)의 3 dB 축비는 29 MHz, 우선회 편파(RHCP)에서는 31 MHz를 갖는다. 축비 그래프를 살펴보면, 3 dB 축비를 만족하는 영역이 원형 편파 S-파라미터의 대역폭에서 공진 주파수 영역과 일치하는 것을 확인 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 방사패턴 특성을 나타내는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 시뮬레이션된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 방사패턴 특성을 알 수 있다. 선형 편파(수직편파, 수평편파) 방사패턴 특성은 E-면, H-면에서 27 dB 이상의 교차 편파 특성과 5 dBi 이상의 이득 특성을 보임을 알 수 있다. 또한, 원형 편파(RHCP, LHCP)의 방사패턴 특성은 각각의 E-면, H-면에서 27 dB 이상의 교차 편파 특성과 5.7 dBic 이상의 이득 특성을 얻는 것을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 시뮬레이션 및 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 S-파라미터 특성을 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 선형 편파로 동작할 때 S-파라미터 특성은 고주파로 이동하는 것을 확인할 수 있는데, 이것은 안테나의 매칭을 위해서 십자형 슬롯(150)의 길이의 변화와 커플링 급전을 위해서 두 개의 유전체 기판이 적층된 구조로 설계하였지만, 실제 제작 과정에서 SMA 커넥터를 마이크로스트립 라인에 급전을 하고 두 유전체 기판을 적층하였을 때, 완벽하게 접착이 되지 않고 공기층이 존재하기 때문이다. 또한, 원형 편파의 경우에 원형 편파가 형성되는 공진 주파수가 선형편파일 때와 유사하게 고주파로 이동하는 현상을 확인할 수 있었다. 측정된 선형 편파의 대역폭은 VSWR 2:1 기준으로 80 MHz(3.32 GHz ~ 3.4 GHz)를 만족하며, 원형 편파 대역폭은 120 MHz(3.27 GHz ~3.39 GHz)를 만족 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 시뮬레이션 및 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 축비 특성을 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나(100)의 S-파라미터 특성이 고주파로 이동한 것과 동일하게 축비의 특성도 고주파로 이동한 것을 확인 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 선형 편파의 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.

도 8을 참조하면, 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 E-면에서 21.5 dB 이상의 교차 편파 특성 및 H-면에서 19.5 dB 이상의 교차 편파 특성을 갖고, 7 dBi 이상의 이득 특성을 갖는 것을 확인 할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나의 원형 편파의 방사 패턴 특성을 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 측정된 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나(100)는 7.5 dBic 이상의 이득 특성을 갖는 것을 확인 할 수 있다.

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 마이크로스트립 패치
150: 십자 형상 슬롯
160: 원형 슬롯
170: PIN 다이오드

Claims

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 S 밴드 마이크로스트립 패치(S band microstrip patch)를 포함하고,
상기 S 밴드 마이크로스트립 패치는,
정사각형 형상이며, 중앙에 임피던스 정합 및 동작 주파수 구현을 위한 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 핀 다이오드(PIN diode) D1, D2, D3 및 D4가 구비되고,
상기 제1 기판 및 제2 기판의 크기는 72mm X 62mm, 두께는 1mm, 유전율은 2.2이고,
상기 S 밴드 마이크로 스트립패치의 크기는 30mm X 30mm이고,
상기 십자 형상 슬롯의 크기는 14mm X 14mm이고,
상기 원형 슬롯의 반지름은 14.5mm이고,
상기 핀 다이오드 D1이 턴온(turn on)되고 상기 핀 다이오드 D2가 턴오프(turn off)되고 상기 핀 다이오드 D3가 턴온되고 상기 핀 다이오드 D4가 턴오프되면 수직 편파(vertical polarization)가 형성되고, 상기 핀 다이오드 D1이 턴오프되고 상기 핀 다이오드 D2가 턴온되고 상기 핀 다이오드 D3가 턴오프되고 상기 핀 다이오드 D4가 턴온되면 수평 편파(hotizontal polarization)가 형성되고, 상기 핀 다이오드 D1이 턴오프되고 상기 핀 다이오드 D2가 턴오프되고 상기 핀 다이오드 D3가 턴온되고 상기 핀 다이오드 D4가 턴오프되면 우선회 편파(right hand circular polarization)가 형성되고, 상기 핀 다이오드 D1이 턴오프되고 상기 핀 다이오드 D2가 턴오프되고 상기 핀 다이오드 D3가 턴오프되고 상기 핀 다이오드 D4가 턴온되면 좌선회 편파(left hand circular polarization)가 형성되는 을 특징으로 하는 다중 편파 마이크로스트립 패치 안테나.
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