KR101518429B1 - 초광대역 레이더 응용을 위한 안테나 배열 - Google Patents

Abstract

UWB 레이더 안테나 응용을 위한 로우 프로파일 안테나 배열이 개시된다. 이것은 중간 범위 수신 안테나 배열(RXM) 또는 중간 범위 전송 안테나 배열(TXM)로서 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서는, RXM 또는 TXM은 인쇄된 회로 보드(PCB)의 상부 층 위에 형성된 복수의 복사 패치 요소들, 패치 배열을 가지는 PCB의 중간층에 있는 분배 피딩 네트워크, 및 λ/4 커플링 슬롯으로부터 각각의 피딩 패치(feeding patch)로의 시리얼 피딩 배치(serial feeding arrangement)를 포함할 수 있다. 이 안테나는 22 GHz 내지 26.5 GHz 주파수 범위에 걸쳐서 상대적으로 평탄한 안테나 이득을 가지는 바람직한 넓은 주파수 대역폭을 가질 수 있다. 추가적으로, 고도 패턴(elevation pattern)들을 위한 사이드로브 수준(sidelobe level)들은 -20dB 미만일 수 있다. 다른 실시예들이 개시되며 청구된다.

Description

초광대역 레이더 응용을 위한 안테나 배열{Antenna array for ultra wide band radar applications}

본 발명의 실시예는 일반적으로는 레이더 시스템 안테나 분야 및 더욱 구체적으로는 초광대역 레이더 응용을 위한 패치(patch) 안테나 배열에 관련된다.

레이더는 항공기, 군사적인 표적들 및 차량들과 같은 표적 대상을 탐지하기 위하여 여러 응용분야에서 사용된다. 더욱 최근에는, 레이더 시스템은 자동차에서 구현되어 왔다. 자동차의 레이더 시스템은 운전자로 하여금 자동차를 주차하는 것을 도와주며, 안전거리를 유지하면서 교통 흐름을 따라가도록 도우며, 운전 장애물을 탐지하도록 돕는데 사용되는 것으로 알려져 있다. 그러한 응용분야에서, 레이더 시스템이 당해 차량의 전방에서 장애물을 탐지하거나 교통량이 느려지는 것을 탐지하면, 레이더 시스템은 운전자에게 삐 소리 또는 대시보드에서 경고등을 통해 경고를 보낼 수 있으며, 그리고/또는 사고를 방지하기 위해서 브레이크를 작동시키는 것과 같은 방식으로 실제로 차량을 통제할 수 있다.

예를 들어, 레이더 시스템은 레이더 신호의 전송과 표적 대상에 반사된 후 레이더로 되돌아오는 신호의 수신 사이의 왕복 지연 시간을 알아냄으로써 표적 대상까지의 범위(즉, 거리)를 탐지할 수 있다. 이러한 왕복 지연은, 반으로 나누어지고 전파속도 c가 곱하여지면 레이더 시스템과 표적 대상 사이의 거리를 알려준다(송신 안테나 및 수신 안테나가 같은 안테나이거나 서로 간에 매우 가까이 있음을 가정한다).

이해할 수 있듯이, 작은 체적으로 구현될 수 있으며 저 비용으로 제공될 수 있는 자동차 응용을 위한 레이더 안테나 구조를 제공하는 것이 바람직하다.

초광대역 레이더 응용을 위한 개선된 안테나 배열을 제공하는 것이다.

한 세트의 로우 프로파일 안테나(low profile antenna) 배열들이 UWB 레이더 안테나 응용을 위해 개시된다. 상기 안테나 배열은 특정한 성능 특성을 위해 배치되는 복수의 배열들을 포함할 수 있다. 예를 들어, UWB 레이더 안테나는 중간 범위 수신 안테나 배열(RXM), 짧은 범위(short range) 수신 안테나 배열(RXS), 그리고 한 쌍의 전송 안테나 배열(TX1 과 TX2)을 포함할 수 있다. 어떤 실시 예에서는 RXM은 인쇄된 회로 보드(PCB) 상부 층 위에 형성되는 12 x 12 복사(radiation) 패치 요소들, 6 x 6 피딩 패치 배열(feeding patch array)를 가지는 PCB의 중간층에 있는 분배 피딩 네트워크(distribution feeding network), 그리고 λ/4 커플링 슬롯으로부터 각각의 피딩 패치로의 시리얼 피딩 배치(serial feeding arrangement)로 구성된다. 모든 안테나들은 22 내지 26.5 GHz 의 주파수 범위에 걸쳐서 상대적으로 평탄한 안테나 이득을 가지는 바람직한 넓은 주파수 대역폭을 가질 수 있다. 추가적으로, 고도 패턴(elevation pattern)을 위한 측정된 사이드로브 수준은 -20 dB 미만이다.

부속하는 도면은 상기 원리의 실질적 응용을 위해 고안된 지금까지 개시된 장치의 모범적인 실시예를 보여준다.
도 1은 하나 이상의 실시예에 따른 레이더 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 4 개의 복사 패치 요소를 구비하는 안테나 서브 배열(sub-array)의 피딩 패치와 함께 사용하기 위한 모범적인 엔드 피딩 구조를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 엔드 피딩 패치에 의해서 들뜨게 된 패치 안테나 서브 배열의 시뮬레이션으로 얻은 복귀 손실을 도시한다.
도 4는 패치 안테나 서브 배열을 위한 층들의 모범적 층 쌓음(stack-up)을 도시한다.
도 5는 패치 안테나 서브 배열을 피딩(feeding)하는데 사용되는 모범적인 접지 평면 커플링 슬롯(ground plane coupling slot)을 도시한다.
도 6은 인-라인 상(in-line phase) 조정 특징을 가진 안테나 피딩 네트워크를 도시한다.
도 7은 중간 범위 수신 안테나의 실시예를 위한 모범적인 시리얼 피딩 구조(serial feeding structure)를 도시한다.
도 8은 RXM 안테나 배열 요소들의 모범적인 배열을 도시한다.
도 9는 6 x 6 피딩 패치들과 함께 12 x 12 복사 패치 요소들을 가지는 안테나 배열에 대하여, 주파수에 대한 안테나 이득 곡선을 도시한다(RXM).
도 10a 및 도 10b는 24.0, 24.5, 25.0, 25.5 및 26.0 GHz에서 모범적 RXM 배열에 대하여 각각 방위각 및 고도 패턴들을 보여주는 극좌표 플롯(polar plot)이다.
도 11은 모범적인 RXM 배열에 대한 안테나 입력 복귀 손실(return loss)의 시뮬레이션 결과 및 측정 결과를 도시한다.
도 12는 보드의 회로 면을 보여주는, RF 보드(board)에서 구현되는 모범적인 안테나 배열 구조를 도시한다.
도 13은 보드의 복사 패치 면을 보여 주는 도 12의 모범적인 안테나 배열 구조를 도시한다.

자동차 응용분야에서 사용되는 초광대역(UWB) 레이더 시스템은 넓은 주파수 대역폭을 가져야하며 저 비용에서 제작하기 단순하여야 한다. 일반적인 마이크로스트립(microstrip) 패치 안테나 배열은 상대적으로 저 비용 옵션을 제시하나, 종래의 패치 안테나 배열은 상대적으로 좁은 대역폭을 가지며, 연계된 피딩 네트워크로부터 신호 누출을 겪는다. 피딩 네트워크 손실 및 피딩 네트워크로부터의 원하지 않는 복사를 최소화하는 한 방법은 네 개의 요소 서브 배열(sub-array)을 사용하는 것이다. 그러한 서브 배열을 가지고, 복수의 복사 패치들은 복사 패치들의 아래에 배치되는 공진 패치(resonant patch)에 의해서 들뜨게된다. 결과적으로 서브 배열 안테나의 대역폭은 이 공진 커플링(resonant coupling)을 통해서 증가될 수 있고, 반면 상대적으로 높은 안테나 이득은 높은 복사 효율을 가지는 복수의 패치들의 구성을 통해서 달성된다.

넓은 대역폭 및 높은 이득 특성은 상기 서브 배열 구조를 UWB 자동차 안테나 배열의 복사 요소로서 적합한 선택이 되게 한다. 규제력을 가지는 배출 요구조건을 충족하기 위해서 그리고 가드레일, 금속 교량 프레임 등과 같은 시야에서 벗어난 목표물로부터 수신을 최소화하기 위해서 자동차 안테나들은 바람직한 높은 효율을 유지하면서도 또한 매우 낮은 사이드로브 복사(sidelobe radiation)를 가져야 한다. 따라서 큰 배열이 필요할 수 있다. 추가적으로 중간 범위 및 짧은 범위 레이더 응용을 위한, 고 이득 및 저 이득 안테나들이 둘 다 필요할 수 있다. 목표 각도 탐지 모호성과 연계된 문제를 제거하기 위해서 복사 배열의 두 개의 열(column)은 서로에게 매우 근접하여(즉, 반 파장(λ/2) 보다 작거나 이와 같은 범위 내) 제공될 수 있다. 대역폭 및 높은 안테나 이득을 희생함이 없이 그러한 네 개의 요소 서브 배열로부터 큰 배열을 구축하는 것은 복사 층과 안테나 접지(antenna ground) 사이에 배치되는 피딩 패치들로부터 그리고 피딩 네트워크로부터의 장 간섭(field interference)의 존재 때문에 도전이 된다. 또 다른 도전은 서브 배열의 네 개의 상부 패치들은 그들이 점유하도록 허용되는 공간의 양에 한정 될 수 있다는 것이다.

개시되는 UWB 레이더 배열 설계는 저 비용으로 작은 영역에 제공될 수 있으며 뛰어난 성능을 가지는 피딩 패치 구조를 가지는 피딩 네트워크를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 그러한 배열은 24 ~ 26 GHz 자동차 레이더 응용에서 사용되기에 적합할 수 있다.

패치 안테나 배치는 광대역(UWB) 레이더 시스템 응용분야에서 사용되도록 개시된다. 패치 안테나들은 그것을 자동차 응용분야에 적합하게 하는 소형 배치를 이루도록 제조될 수 있기 때문에 바람직 할 수 있다. 일 실시예에서는 패치 안테나는 평탄하고 정사각형인 복사 패치, 패치로 신호를 피딩하기 위한 (또는 전송 안테나 대신 수신 안테나라면, 패치로부터 신호를 수신하기 위한) 피드 선(feed line), 그리고 패치의 아래에 배치되며 유전체(어떤 실시예에서는 공기일 수 있는)에 의해서 패치로부터 분리되는 접지 평면(ground plane)을 포함한다. 피드 선은 기판의 한쪽 면 위에 배치되는 마이크로스트립(microstrip)을 포함하거나, 또는 면 대 면으로 이어지는 두 개의 기판의 중간에 배치되는 스트립 선(strip line)(스트립 선은 기판 중의 하나 위에 형성됨)을 포함할 수 있으며, 반대 방향을 향하는 두 접지 평면은 상기 기판들 각각의 반대 방향을 향하는 바깥 쪽 표면위에 형성된다.

패치의 "길이"는 패치가 복사(또는 수신)하도록 의도된 신호의 파장(λ)의 1/2이 되도록 선택될 수 있어서, 패치는 신호의 주파수에서 공진하며 원하는 무선 신호를 전송/수신 한다. 패치 안테나의 "길이"는 일반적으로 패치의 복사 모서리들 사이의 거리를 가리킨다. 그러므로 예를 들어 정사각형 모양의 패치에서는, 이 길이는 정사각형의 한 변의 길이이다.

어떤 실시 예에서는, 패치 안테나의 피드 선은 신호를 보내기(또는 수신하기) 위해서 패치에 직접 연결될(coupled) 수 있다. 다른 실시 예에서는 패치 안테나는 근접하여 연결된 피드 선(proximity coupled feed line)으로부터 기생적으로 용량적으로(capacitively) 구동 될 수 있다.

다양한 실시 예에 따라 구성되는 레이더 시스템이 도 1에 도시되어 있다. 레이더 시스템(20)은 전송/수신(TX/RX) 스위치(30)을 통해서 적어도 하나의 전송 안테나(TX 안테나)에 연결되는 전송기(22)를 일반적으로 포함하는 펄스식 도플러 구성(pulsed Doppler configuration)의 일 실시예에서 제공된다. TX 안테나(27)는 예를 들어 패턴 스위치(23)을 포함할 수 있다. 수신기(24)는 수신 안테나(RX 안테나)(26), TX/RX 스위치(30) 및 신호 프로세서, 예를 들어 디지털 신호 프로세서(DSP)/데이터 프로세서(32)에 연결될 수 있다. RX 안테나(26)는 예를 들어 패턴 스위치(25)를 포함할 수 있다. DSP/데이터 프로세서(32)는 또한 전송기(22), 및 TX/RX 스위치(30)을 통해 TX-안테나(27)에 연결된다. TX/RX 스위치(30)는 RX 안테나(26) 및 TX-안테나(27)의 각각에 로컬 오실레이터(local oscillator)로서 연결될 수 있다.

동작 중에는, 레이더 시스템(20)은 TX안테나(27)로부터 펄스를 전송하는 펄스식 도플러 작동 모드(pulsed Doppler operation mode)에서 작동할 수 있으며, 복귀 신호는 수신기(24) 및 RX 안테나(26)를 사용하여 수신된다. 다른 작동 모드(예를 들어 주파수 변조방식의 연속 파(frequency modulated continuous wave, FMCW), 주파수 도약이 있는 코히어런트 주파수 시스템(coherent frequency system with frequency hopping) 등) 또한 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 안테나 빔 구성은 RX 패턴 스위치(25)에 의해서 제어될 수 있다. RX-패턴 스위치(25)는 예를 들어서 한 쌍의 PIN 스위치 다이오드(도시되지 않음), 또는 두 상이한 안테나 빔 구성 사이에서 전환하는 일체형 마이크로웨이브 집적 회로(monolithic microwave integrated circuit, MMIC) 스위치 칩을 포함할 수 있다. 하나의 모범적인 실시 예에서는, 레이더 시스템은 중간 범위 수신 안테나 배열(RXM), 짧은 범위 수신 안테나 배열(RXS), 한 쌍의 TX 안테나 배열(TX1 및 TX2), TX 패턴 스위치, 전송기(22), 수신기(24), 및 DSP/데이터 프로세서(32)를 포함할 수 있다.

다양한 실시 예에서, 적어도 하나의 RX 안테나 및 적어도 하나의 TX 안테나는 복수의 안테나 배열 열(column)들을 가지도록 구성될 수 있다(도 8을 볼 것). 다른 실시예에서는, 레이더 시스템은 복수의 RX 안테나 및 복수의 TX 안테나를 포함할 수 있다.

이제 도 2를 참조하면, 중간 범위 수신기(RXM) 응용분야에서 사용되는 패치 안테나 구조(28)의 모범적 실시예가 도시된다. 어떤 실시 예들에서는, 중간 범위 레이더는, 다른 범위도 고려될 수는 있으나, 약 80 미터까지 미치는 탐지 범위를 가질 수 있다. 추가적으로, 상기 구조는 RXM 응용과의 관계에서 설명됨에도 불구하고, 그러한 응용분야에만 제한되는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다. 어떤 실시예에서는, 엔드 피딩 패치 공진기(end-feeding patch resonator)(30)는 복수의 복사 패치들(32A 내지 32D)과 연계된다. 예시된 실시예에서는, 각각의 복사 패치들(32A 내지 32D)은 변의 길이가 “L"인 정사각형 구조를 가질 수 있다. 다른 패치 형태(예를 들어, 원형, 직사각형, 삼각형)도 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 직사각형 복사 패치들(32A 내지 32D)에 대해서는, 길이는 공진을 위해 선택되는 한편, 폭은 임피던스 정합(impedance matching)을 위해 선택된다. 추가적으로, 예시된 실시 예는 네 개의 복사 패치들(32A 내지 32D)을 보여 줌에도 불구하고, 더 많거나 더 적은 복사 패치들도 사용될 수 있다.

어떤 실시 예에서는, 복사 패치들(32A 내지 32D)은 공진 패치이다. 다른 실시 예에서는 복사 패치들(32A 내지 32D)은 비 공진 패치이다.

패치 공진기(patch resonator)(30)는 제1 및 제2 공진기 부분들(34A, 34B)과 엔드-피딩(end-feeding) 부분(36)을 포함하는 스플릿-피드 디자인(split-feed design)을 가질 수 있다. 공진기 부분들(34A, 34B)은 네 개의 복사 패치들(32A 내지 32D)의 각각의 적어도 일 부분 아래에 놓이도록 배치될 수 있다. 예시된 것과 같이, 제1 공진기 부분(34A)은 패치(32A 및 32B)의 일 부분의 아래에 놓이며, 반면에 제2 공진기 부분(34B)은 패치들(32C 및 32D)의 일 부분 아래에 놓인다.

제1 및 제2 공진기 부분들(34A, 34B)은 길이 "RL" 및 폭 "RW"를 가질 수 있다. 추가로 제1 및 제2 공진기 부분들(34A, 34B)은 측부 분리 거리 "RS" 만큼 떨어져 있을 수 있다. 이 측부 분리 거리 "RS"는, 길이 "EFL" 및 폭 "EFW"를 가지는, 엔드 피딩 부분(36)이 공진기 부분들(34A, 34B) 사이에 배치될 수 있도록, 그리고 부분들(34A, 34B)로부터 "EFG" 간격만큼 분리될 수 있도록 충분히 클 수 있다. 이 배치는 엔드 피딩 부분(36)이 공진기 부분들의 각각의 제1 단부(40)에 인접하는 RF 피드 소스(feed source)(38)에 연결될 수 있도록 하며, 공진기 부분들의 제2 단부(42)들에서 제1 및 제2 공진기 부분들(34A, 34B)에 연결될 수 있도록 한다. 도시되어 있듯이, 공진기 부분들의 제2 단부(42)들 근처에서 엔드 피딩 부분(36)은 제1 및 제2 노치 세그먼트(notch segment)들(44A, 44B)로 갈라진다. 예시된 실시예에서 이러한 노치 세그먼트들(44A, 44B)은 "L" 형상이어서 그것들은 제2 단부(42)들에 실질적으로 직각으로 연결될 수 있다. 그러나 세그먼트들(44A, 44B)은 제2 단부(42)들에 대하여 실질적으로 평행한 각도로 공진기 부분들(34A, 34B)에 연결되도록 대안적으로 직선형일 수 있다. 노치형의 세그먼트들(44A, 44B)은 공진기 부분들(34A, 34B)의 제2 단부(42)를 넘어서 연장거리 "NED" 만큼 연장될 수 있다.

개시된 엔드 피딩 패치 공진기 구조는 구조의 서브 층(sub-layer) 안의 피딩 선(feeding line)들로부터의 바람직하지 않은 복사 효과를 최소화 할 수 있으며, 피딩 부분(36)을 위해 사용가능한 제한된 영역의 사용을 최대화 할 수 있다. 특히, 개시된 피딩 부분(36)은 임피던스 트랜스포머(impedance transformer)로서 작용할 수 있는데, 여기에서 길이 "EFL", 폭 "EFW", 그리고 노치 세그먼트들(44A, 44B)의 기하학적 배치, 연장 거리 "NED", 그리고 요소들 사이의 간격 "EFG"를 포함하는 엔드 피딩 부분(36)의 치수들 모두는 피드(36)의 요구되는 인덕턴스(inductance) 및 캐패시턴스(capacitance)를 얻도록 조정될 수 있다. 엔드 피딩 부분(36)의 기하학적 배치를 조정하는 이러한 능력은 실질적인 임피던스 정합 유연성을 제공하며, 이는 요망되는 성능을 얻기 위해서 추가적인 임피던스 정합 요소들 또는 구조를 통합해야 할 필요를 제거 할 수 있다.

도 3a 및 도 3b 는 개시된 패치 안테나 구조(28)의 시뮬레이션에 의한 복귀 손실 결과를 보여준다. 도시된 바와 같이, 22 GHz으로부터 28 GHz까지의 주파수 대역에 걸쳐서 -10dB 미만의 복귀 손실이 얻어진다. 예시된 시뮬레이션을 위해서, 엔드 피딩 패치(30) 및 그것의 피딩 전송 선(36)은 접지 메탈라이제이션(grounding metallization)(46)으로부터 약 0.008 인치 떨어진 서브 층에 배치되는 것으로 가정되며, 약 3.52의 유전율(εr)을 가지는 유전 물질(48)에 의해 분리된다(도 4를 볼 것). 네 개의 복사 패치들(32A 내지 32D)은 약 3.00의 유전율(εr)을 가지는 0.031인치 두께의 기판(50) 위에 배치되는 것으로 가정된다. 도 4에 도시되듯이, 약 0.012 인치의 두께 및 약 3.55의 유전율(εr)을 가지는 제3 유전 층(dielectric layer)(52)은 구동 RF 회로(54)를 복사 패치들(32A, 32B)과 반대 방향인 상기 장치의 면 위에 지지하기 위해서 접지 메탈라이제이션(46)의 아래에 배치된다. 이해될 수 있듯이, RF 피드 에너지는 접지 평면(46)의 슬롯(56)을 통해서 배열 피딩 네트워크(array feeding network)(36)에 연결된다(coupled).

개시된 층 두께 및 유전율은 24 내지 26 GHz 동작 요구조건을 충족하기 위한 일 특정 설계를 위하여 본 실시예에서 일 예로서만 선택되며, 그러므로 안테나가 상이한 주파수 범위에서 또는 같은 주파수 범위에서 다른 응용을 위해 작동되도록 의도된다면, 다른 물질, 두께, 그리고 층 조합들이 채택될 수 있다.

엔드 피딩 패치(30), 복사 패치들(32A 내지 32D), 그라운드 메탈라이제이션(46), 유전 층들(48, 50, 52) 및 슬롯(56)은, 여러 알려진 기술 중의 어느 하나에 의해서 하나 이상의 층을 적층하고 메탈라이제이션(즉, 접지 평면, 엔드-피딩 패치, 그리고 복사 패치들)을 형성하기 위해서 반도체 제조 산업에서 알려진 여러 기술 중의 어느 하나에 의해서 층들을 에칭함과 같은 종래의 반도체 제조 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 피드 슬롯(56)은 RF 구동 신호에 연결될(coupled) 수 있고, 엔드 피딩 패치(30)위로 신호를 용량적으로(capacitively) 보낼 수 있다.

2차 복사를 최소화하고 레이더 시스템(20)의 안테나 쪽에 있는 도금된 접지 비아-홀(via-hole)들을 사용하기 위한 필요를 제거하기 위해서, λ/4 "좁은 십자" 모양의 슬롯 커플링 구조("narrow-cross" shaped slot coupling structure)(66)(도 5)가 안테나 피딩 네트워크(70)에 연결되는 피드 다리(feed leg)(71)와 RF 소스(source)(68) 사이에 제공될 수 있다. 도시되는 것과 같이, 슬롯 구조(66)는 "좁은 십자" 모양으로 결합되는 제1 및 제2 슬롯부분들(66A, 66B)을 포함한다. 어떤 실시예에서는, 이러한 슬롯 부분들(66A, 66B)은 접지 평면(예를 들어 도 4에 도시되어 있는 접지 평면(46)에 있는 슬롯 (56)을 볼 것)에 형성된다. 결과적인 "좁은 십자" 모양은 넓은 대역폭에 걸쳐서 정합(matching)을 위한 노치형의 대역폭을 제공한다. 주지하듯이, 이 슬롯 구조(66)는 λ/4 공진을 제공하고 λ/2 공진 슬롯들에 비해서 낮은 누출 전력의 결과에 이른다. 추가적으로, 슬롯 구조(66)는 RF 소스(68) 및 전송 선 스텁(transmission line stub)(67)으로부터 RF 피딩 네트워크(70)로의 높은 에너지 전달 효율 및 요망되는 주파수 대역폭을 유지할 수 있다.

이해하게 되는 바와 같이, 십자 모양의 슬롯(66)을 제공하는 것은 제1 및 제2 슬롯 부분들(66A, 66B)과 연계된 치수들 모두가 조정될 수 있는 설계 유연성을 제공하며 그리하여 요망되는 임피던스 정합을 제공한다. 예를 들어, 제1 슬롯 부분(66A)은 길이 "FSL" 및 폭 "FSW"을 가질 수 있고 반면 제2 슬롯 부분(66B)는 또한 길이 "SSL" 및 폭 "SSW"를 가질 수 있다. 설명된 형태적 관계들은 RF 소스(68)의 연계된 안테나 구조로의 임피던스 정합에 대한 더 정교한 제어를 가능하게 하는 시스템의 설계 유연성을 더욱 향상 시킬 수 있다.

추가적으로, 패치들의 복사 요소 장 편광(radiation element field polarization)에 직각인 슬롯의 장 편광(field polarization)을 제공하는 것은 안테나 사이드로브에 대한 슬롯 복사의 공헌을 최소화하며 그리하여 가드레일(guardrail), 교통 표지판, 및 금속 교량 프레임과 같은 표적물로부터의 다른 원하지 않는 반사로부터의 간섭을 최소화한다.

개시된 패치 배치의 밀도 때문에, 피딩 네트워크의 상 조정(phase adjustment)을 위하여 사용할 수 있는 공간이 거의 없을 수 있다. 그러므로 인-라인 상 조정(in-line phase adjustment)이 개시된 설계를 위하여 제공될 수 있다. 그러한 인-라인 상 조정은 상 조정의 부분으로서 포워딩 분배 전송 선(forwarding distribution transmission line)(70)을 사용하며, 복사 패치들(32A 내지 32D)의 균등한 상 들뜸(even phase excitation)을 위한 총괄적인 상 보상 값(overall phase compensation value)을 달성하기 위해서 복귀 트레이스(returning trace)(74)의 구역을 결합한다. 도 6에서 72로 표시된 트레이스 구역이 포워딩 분배 전송 선(70)에 도시되며 74로 표시되는 트레이스 구역은 복귀 트레이스이다. 복귀 트레이스(74)가 피드(36, 38) 및 포워딩 분배 전송 선(70)과 각각 교차하는 각도들(θ1, θ2) 및 그들 각각의 길이를 포함하는 이 구역들(72, 74)의 기하학적 배치는 요망되는 상 조정을 달성하기 위해서 조정될 수 있다. 이는 상 조정을 얻기 위하여 휘어지거나 구부러진 브랜치 전송 선(branch transmission line)(이는, 이해될 수 있듯이, 상기 공개된 배치와 비교하여 추가적인 공간을 요구한다)을 사용하는 종래의 배치를 넘어서는 향상이다.

도 7을 참조하면, 모범적인 시리얼 분배 구조(serial distribution structure)(76)가 하나 이상의 개시된 배열들을 위한 피딩 네트워크로서의 사용을 위하여 도시된다. 피딩 네트워크(76)는 접지 평면(46)(도 4)과 복사 요소 층(32A, 32B, 도 4)사이에 배치되며 복사 패치들(32A 내지 32D)에 의해서 거의 대부분 덮어지므로, 복잡한 구조는 누출 복사를 통하여 안테나 효율 및 복사 패턴에 매우 부정적인 영향을 줄 수 있다. 그러므로 개시된 시리얼 분배 구조(76)는 그러한 영향을 감소시킨다. 추가적으로, 개시된 시리얼 분배 구조(76)는 각각의 안테나 배열에 대해서 단일의 슬롯(66)을 사용함으로써 RF 회로(68)로부터 피딩 네트워크(70)로의 커플링 구조를 구현하기 쉽도록 하며. 그럼으로써 슬롯(66)으로부터 누출 및 간섭이 최소화 될 수 있다. 시리얼 분배 구조(76)는 피드 구조들(38, 78, 80)을 경유하여 RF 회로(68), 분배 전송 선(70)들, 그리고 개별의 패치 안테나 구조(28)들 사이에서 요망되는 커플링을 제공한다. 피드 구조들(38, 78, 및 80)은 각각의 복사 요소(32A 내지 32D) 그룹에 대해 설계된 피딩 상(feeding phase)들을 달성하기 위하여 상이한 복귀 길이(72 및 74) 및 각도들(θ1, θ2)을 가진다.

도 7은 중간 범위 수신기 안테나 배열(RXM)의 6 x 6 피딩 브랜치들(76A 내지 76F)의 시리얼 분배 네트워크를 도시한다. 그러나 그러한 배치는 RXM 배열에 한정되는 것이 아니며 다양한 배열 응용분야에서 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 8을 참조하면, 모범적인 안테나 배치는 중간 범위 수신기 배열(RXM)을 포함한다. RXM 배열은 시리얼 분배 네트워크(76)에 연결되는(coupled) 6 x 6 배열의 피딩 패치들에 의해서 피딩되는 12 x 12 배열의 공진 복사 요소들(32A 내지 32D)을 포함한다. 예시되는 배치는 단지 하나의 예시일 뿐이며 RXM 배열은 더 많거나 더 적은 피딩 패치들, 복사 요소들, 피딩 구조들, 분배들 및/또는 배치들을 사용할 수 있음이 이해될 것이다.

이미 언급되었듯이, 각각의 피딩 네트워크(76)는 접지 평면(46)(도 4)에서의 단일의 λ/4 좁은 십자 모양의 슬롯(66)에 의해서 들뜨게 될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 슬롯(66)은 본 장치의 RF 회로 면 위에 배치되는 마이크로스트립 피딩 선(67)(도 4의 요소(54)로서 배치됨)을 경유하여 피딩된다. 모범적인 실시예에서는, RXM 배열은 약 2.25" x 2.25"의 치수를 가지는 단일 보드(82) 위로 맞추어 질 수 있으며, 그러므로 이는 개시된 레이더 시스템의 소형의 특징을 예시하는 것이다.

도 4에 예시된 쌓아 올려진(stack-up) 구조는 도 8의 보드(82)를 위하여 사용된다. 도 9에서, 약 1.8" x 1.8" 의 복사 구멍(radiation aperture) 크기를 가지는 (즉, RXM) 12 x 12 복사 패치 배열의 측정된 안테나 이득은, 대략 22.0 내지 26.5 GHz에서 약 19 dBi 이며 3 dB 의 대역폭을 가짐을 알 수 있다.

안테나의 방위각(azimuth) 및 고도(elevation) 패턴들이 RXM 안테나 배열에 대해서 테스트되었다. RXM 안테나 배열의 방위각 및 고도 패턴들이 도 10a 및 도 10b에 예시되어 있다. 도시된 것과 같이, RXM 안테나 복사 패턴들의 측정된 사이드로브 수준은 26 GHz보다 낮은 주파수에서 방위각 및 고도 패턴 둘 다에 대해서 모두 -20dB 미만이다. 이는 피딩 네트워크(76) 및 슬롯(66)으로부터의 누출 복사가 매우 작으며 안테나 패턴에 중대한 영향을 주지 않음을 명백하게 나타낸다. 또한 측정 데이터는 방위각 및 고도 패턴들 둘 다의 전력 반값 빔폭(half-power beam width, HPBW)이 약 16 도임을 보여준다.

안테나 입력 복귀 손실의 측정된 결과 및 시뮬레이션에 의한 결과가 도 11에 도시된다. 측정된 복귀 손실 및 시뮬레이션에 의한 복귀 손실의 결과들 사이의 차이점은 보드에 납땜 되고 SMA 커넥터가 말단에 달린 동축 케이블을 가지는 고정물(fixture)에 대부분 기인한다.

도 12 및 도 13은 24 GHz 내지 26 GHz 자동차 레이더의 RF 보드(84)에 구현된 도 8의 개시된 안테나 배열을 도시한다. 구체적으로는 도 12는 보드(84)의 회로 면(86)을 도시하는 한편, 도 13은 보드의 복사 패치 면(88)을 도시한다.

실시 예들을 철저하게 이해하기 위하여 여러 구체적인 세부 내용이 여기에 제시되었다. 그러나 실시예들이 이러한 구체적 세부 사항의 설명 없이도 실시될 수 있다는 것은 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에 의해서 이해될 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 작업들, 요소들 및 회로들은 실시예들을 모호하게 하지 않기 위해서 자세하게 설명되지 않았다. 여기에 개시된 구체적인 구조적 기능적 세부 사항들은 대표적으로 제시된 것이며 필연적으로 실시예의 범위를 제한하는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다.

다양한 실시 예들이 하드웨어 요소들, 소프트웨어 요소들, 또는 이 둘의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 하드웨어 요소들의 예는 프로세서, 마이크로프로세서, 회로, 회로 요소(예를 들어, 트랜지스터, 저항, 캐패시터, 인덕터 등), 집적회로, 응용 주문형 집적 회로(application specific integrated circuits, ASIC), 프로그램 가능 논리 소자(programmable logic devices, PLD), 디지털 신호 프로세서(digital signal processors, DSP), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(field programmable gate array, FPGA), 논리 게이트(logic gates), 레지스터(registers), 반도체 소자, 칩, 마이크로칩, 칩 세트(chip sets) 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어의 예는 소프트웨어 컴포넌트, 프로그램, 어플리케이션, 컴퓨터 프로그램, 어플리케이션 프로그램, 시스템 프로그램, 기계 프로그램, 운영체제 소프트웨어, 미들웨어, 펌웨어, 소프트웨어 모듈, 루틴, 서브루틴, 함수, 메소드, 프로시저(procedures), 소프트웨어 인터페이스, 응용 프로그램 인터페이스(API), 명령어 집합(instruction sets), 컴퓨팅 코드, 컴퓨터 코드, 코드 세그먼트, 컴퓨터 코드 세그먼트, 워드(word), 밸류(value), 심볼(symbol), 또는 이들의 임의의 조합들을 포함할 수 있다. 하드웨어 요소 및/또는 소프트웨어 요소를 사용하여 실시 예가 구현될지를 결정하는 것은 요망되는 계산율(computational rate), 전력 수준, 내열 능력(heat tolerances), 프로세싱 사이클 예산(processing cycle budget), 입력 데이터율(input data rates), 출력 데이터율(output data rates), 메모리 자원(memory resources), 데이터 버스 속도 및 다른 디자인 또는 성능 제약과 같은 여러 요인들에 따라 변할 수 있다.

어떠한 실시 예는 “연결된(coupled)” 및 “연결된(connected)” 의 표현을 그것들의 파생형들과 함께 사용하여 설명될 수 있다. 이러한 용어들은 서로에 대한 동의어로 의도되지 않는다. 예를 들어 어떤 실시예들은 둘 이상의 요소들이 서로에 대해 직접 물리적 또는 전기적 접촉을 이루는 것을 나타내기 위해 “연결된(connected)” 및/또는 “연결된(coupled)” 의 용어를 사용하여 설명될 수 있다. 그러나 “연결된(coupled)”의 용어는 둘 이상의 요소들이 서로에 대해 직접 접촉을 이루지 않지만 서로 간에 협동하거나 상호작용 하는 것을 의미할 수 도 있다.

어떠한 실시 예들은, 예를 들어 기계에 의해서 실행되면, 기계로 하여금 실시 예에 따른 방법 및/또는 작업을 수행하도록 할 수 있는 하나의 지시(instruction) 또는 지시들의 집합을 저장할 수 있는 기계 판독가능 매체 또는 부재를 사용하여 구현될 수 있다. 그러한 기계는, 예를 들어 임의의 적합한 프로세싱 플랫폼, 컴퓨팅 플랫폼, 컴퓨팅 장치, 프로세싱 장치, 컴퓨팅 시스템, 프로세싱 시스템, 컴퓨터, 프로세서 등을 포함할 수 있고, 임의의 적합한 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 기계 판독 가능 매체 또는 부재는, 예를 들어 임의의 적합한 유형의 메모리 유닛, 메모리 장치, 메모리 부재, 메모리 매체, 저장 장치, 저장 부재, 저장 매체 및/또는 저장 유닛으로서, 예를 들어 메모리, 이동식 또는 비이동식 매체, 삭제가능 또는 삭제불가능 매체, 쓰기가능 또는 쓰기재가능 매체, 디지털 또는 아날로그 매체, 하드 디스크, 플로피 디스크, 읽기만 가능한 컴팩트 디스크 메모리(Compact Disk Read Only Memory, CD-ROM), 기록 가능한 컴팩트 디스크(Compact Disk Recordable, CD-R), 재기록 가능한 컴팩트 디스크(Compact Disk Rewritable, CD-RW), 광학 디스크, 자기 매체, 자기-광 매체, 이동 가능한 메모리 카드 또는 디스크, 다양한 유형의 디지털 다목적 디스크(Digital Versatile Disk, DVD), 테이프, 카세트 등을 포함할 수 있다. 지시(instructions)는 임의의 적합한 고수준, 저수준, 객체 지향, 비주얼, 컴파일된(compiled) 및/또는 번역된(interpreted) 프로그래밍 언어를 사용하여 구현된, 소스 코드, 컴파일된 코드, 번역된 코드, 실행 가능 코드, 정적 코드(static code), 동적 코드(dynamic code), 암호화된 코드 등과 같은 임의의 적합한 유형의 코드를 포함할 수 있다.

달리 명시되지 않는 한, “프로세싱(processing)", "컴퓨팅(computing)", "계산하는(calculating)", "판정하는(determining)" 등과 같은 용어는 컴퓨팅 시스템의 레지스터 및/또는 메모리 안에서 물리적 양(예를 들어 전자적)으로서 제시되는 데이터를, 컴퓨팅 시스템의 메모리, 레지스터 또는 다른 그러한 정보 저장, 전송 또는 표시 장치 안에서 물리적 양으로서 유사하게 제시되는 다른 데이터로 조작 및/또는 변환시키는, 컴퓨터 또는 컴퓨터 시스템, 또는 유사한 전자적 컴퓨팅 장치의 동작 및/또는 과정을 지칭하는 것으로 이해될 수 있다. 실시예들은 이러한 상황에만 한정되지 않는다.

본 발명은 구조적 특징 및/또는 방법론적 작용에 특유한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구범위에서 나타내어진 발명은 상기 설명된 특유의 특징들 또는 작용들에만 반드시 한정되는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다. 더 정확히 말하면, 상기 설명된 특유의 특징들 및 작용들은 청구범위를 구현하는 예시적 형태로서 개시되는 것이다.

Claims (20)

1. 안테나 구조로서, 상기 안테나 구조는:
   제1 단부 및 제2 단부를 각각 구비하는 제1 및 제2 공진기 패치 부분(resonator patch portion)들을 포함하는 패치 공진기(patch resonator)로서, 상기 제1 및 제2 공진기 패치 부분들은 제1 거리만큼 떨어져 있는, 패치 공진기; 및
   제1 및 제2 단부들 및 길이를 가지는 피드 부분(feed portion)으로서, 상기 피드 부분은 제1 공진기 패치 부분과 제2 공진기 패치 부분 사이에 배치되며, 상기 피드 부분은 상기 제1 단부에서 RF 전원에 연결되며, 상기 피드 부분은 상기 제2 단부에서 제1 및 제2 공진기 패치 부분들의 제2 단부에 연결되는, 피드 부분;을 포함하고,
   상기 피드 부분은 상기 제1 및 제2 공진기 패치 부분과 용량성 결합을 하여 임피던스 트랜스포머로 작용하는, 안테나 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 피드 부분의 제2 단부는 제1 다리 및 제2 다리를 포함하며, 상기 제1 다리는 제1 공진기 패치 부분에 연결되고, 상기 제2 다리는 제2 공진기 패치 부분에 연결되는, 안테나 구조.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 다리 및 제2 다리 각각은 제1 및 제2 다리 부분들을 구비하고, 상기 제1 다리 부분은 제1 및 제2 공진기 패치 부분들 중의 하나의 단부 표면에 평행하게 배치되며, 상기 제2 다리 부분은 제1 및 제2 공진기 패치 부분들 중의 하나의 단부 표면에 직각으로 배치되는, 안테나 구조.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 다리들의 각각의 제1 다리 부분은 제1 및 제2 공진기 패치 부분들의 제2 단부로부터 제1 거리만큼 떨어져 배치되는, 안테나 구조.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 다리들은 “L-형상”을 가지는, 안테나 구조.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 공진기 패치 부분들 각각은 길이 및 폭을 가지며 상기 길이는 상기 폭과 같지 않은, 안테나 구조.
7. 제1항에 있어서, 상기 안테나 구조는 제1 또는 제2 공진기 패치 부분의 적어도 일 부분에 겹치도록 배치되는 복수의 공진 복사 패치(resonating radiation patch)들을 포함하는, 안테나 구조.
8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 공진 복사 패치들 각각은 길이와 폭을 가지며, 상기 길이는 공진을 위해 선택되고, 상기 폭은 임피던스 정합(impedance matching)을 위해 선택되는, 안테나 구조.
9. 제1항에 있어서, 상기 안테나 구조는 제1 또는 제2 공진기 패치 부분의 적어도 일 부분에 겹치도록 배치되는 복수의 비공진(non-resonating) 복사 패치들을 포함하는, 안테나 구조.
10. 안테나 피드 구조(antenna feed structure)로서, 상기 안테나 피드 구조는:
    접지 평면(ground plane)에 형성되는 슬롯 요소로서, 상기 슬롯 요소는 RF 전원에 연결되는 제1 단부 및 안테나 피딩 네트워크(antenna feeding network)에 연결되는 제2 단부를 구비하는, 슬롯 요소;를 포함하며,
    상기 슬롯 요소는 십자 형상을 형성하는 제1 및 제2 겹침 부분들을 포함하는, 안테나 피드 구조.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2 겹침 부분들의 각각은 길이 및 폭을 가지며, 상기 길이는 상기 폭과 같지 않은, 안테나 피드 구조.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 겹침 부분은 상기 제2 겹침 부분의 길이 보다 더 큰 길이를 가지는, 안테나 피드 구조.
13. 제10항에 있어서, 상기 슬롯 요소는 1/4 파장 슬롯인, 안테나 피드 구조.
14. 삭제
15. 제10항에 있어서, 상기 제1 겹침 부분의 폭은 상기 제2 겹침 부분의 폭보다 작은, 안테나 피드 구조.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

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