KR101662109B1 - Em 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나 - Google Patents

Em 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나 Download PDF

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KR101662109B1
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김지훈
남승현
추호성
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 도파관 개구면 배열 안테나에 관한 것으로, 양면이 개방된 중공체의 도파관과, 상기 도파관의 일 단부에 구비되고, 상기 개방된 개구면과 대응되는 크기의 개구면을 구비하는 유한접지판, 및 상기 도파관을 급전시키는 급전부를 포함하고, 상기 급전부에 소정의 진폭(amplitude) 및 위상(phaser)을 갖는 로드(load)가 장착되는 것을 특징으로 하는 도파관 개구면 배열 안테나가 제공된다.

Description

EM 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나{ARRAY ANTENNA HAVING APERTURE IN WAVEGUIDE FOR USING ELECTROMAGNETIC SIMULATION}
본 발명은 다양한 EM 시뮬레이션 해석에 활용될 수 있는 유한접지판의 도파관 개구면 배열 안테나에 관한 것이다.
최근 차량, 항공기, 선박, 위성 등 이동형 대형 구조물에 X-band 이상의 높은 주파수를 사용하는 고이득 배열안테나의 수요가 급격히 증가하고 있다. 도 1은 일반적인 지향성 안테나의 시스템을 나타낸 개략도인데, 다수의 지향성 배열 안테나(11)를 구비하는 송신기(20)와 수신 안테나(10) 사이에서 송수신하는 것을 도시한 것이다.
항공기, 선박 등의 구조체에 장착되는 배열안테나(11)의 성능은 복잡한 외부 돌출 구조물에 의하여 전파 특성이 왜곡되며, 따라서 안테나 설계 단계에서 장착 성능에 대한 예측이 반드시 사전에 수행되어야 한다. 이를 위해 안테나 및 구조체를 EM 모델링하여 해석 성능을 예측하는 방법이 일반적으로 사용되고 있으나, 배열안테나(11)의 구조가 복잡하거나 다수의 공진소자가 유전체 위에 인쇄되는 경우 full EM 해석의 해석시간 및 자원이 기하급수적으로 증가하는 어려움이 있다.
또한, 차량 및 항공기와 같이 대형 구조물에 X-band 안테나가 장착되는 경우 조밀한 메쉬 분포를 갖도록 모델링하여야 하므로 시뮬레이션 해석 로드와 시간이 더욱 증가되는 문제가 있었다.
본 발명의 일 목적은 EM 시뮬레이션 해석 리소스 절감을 위하여 유한접지판을 구비하는 도파관 개구면 배열 안테나를 제공하는 것이다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 양면이 개방된 중공체의 도파관과, 상기 도파관의 일 단부에 구비되고, 상기 개방된 개구면과 대응되는 크기의 개구면을 구비하는 유한접지판, 및 상기 도파관을 급전시키는 급전부를 포함하고, 상기 급전부에 소정의 진폭(amplitude) 및 위상(phaser)을 갖는 로드(load)가 장착되는 것을 특징으로 하는 도파관 개구면 배열 안테나가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 도파관 및 유한접지판은 개별소자를 형성하고, 상기 개별소자를 다수 포함하여 이루어지며, 상기 유한접지판은 인접한 유한접지판끼리 서로 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 유한접지판의 크기를 조절하여 상기 배열 안테나의 전후비(F/B ratio)를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 개방된 면적의 크기를 조절하여 상기 배열 안테나의 반전력빔폭을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 도파관의 길이를 조절하여 상기 배열 안테나의 전면방향 최대이득을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 개구면에 인가된 포트 임피던스를 조절하여 정합특성을 보정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 개별소자의 간격을 조절하여 상기 배열 안테나의 SLL(Side Lobe Level)을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 도파관 개구면 배열 안테나의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명에서 제시하는 유한접지판의 도파관 개구면 배열 안테나를 이용하여 등가해석을 할 경우, 실제 형상의 안테나 정합 및 방사특성의 모사에 용이하고, EM 시뮬레이션을 위한 컴퓨터 리소스를 최소화함으로써 시뮬레이션 시간을 대폭 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 개별소자의 도파관의 길이, 급전부에 로드(load) 장착, 도파관 개구면의 넓이, 유한접지판의 넓이를 조절하여 원하는 개별 소자 안테나 방사패턴을 도출할 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일반적인 지향성 안테나의 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예와 관련된 등가해석을 위한 배열 안테나를 나타낸 모식도 및 급전방식 모식도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예와 관련된 배열 안테나의 개별소자를 나타낸 모식도이다.
도 4는 도파관 깊이에 따라 급전에 장착한 로드(load) 수치 정리 및 개별소자 이득의 변화량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 개별소자의 반사계수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 개구면 넓이에 따른 개별소자 빔폭(Beam width)을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유한접지판에 따른 개별소자 F/B ratio를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 등가 해석을 위한 배열 안테나의 형상이고, 도 8b는 종래의 마이크로스트립 안테나와 배열 안테나이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8a 및 도 8b에 나타나 있는 안테나들의 방사패턴을 비교한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 도 8a 및 도 8b에 나타나 있는 안테나들의 항공기 탑재 방사패턴을 비교한 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 타입이 다른 슬롯 배열 안테나와 등가 해석을 위한 배열 안테나의 형상이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 및 도 11b에 나타나 있는 안테나들의 방사패턴을 비교한 그래프이다.
도 13a 및 도 13b는 도 11a 및 도 11b에 나타나 있는 안테나들의 탑재 방사패턴을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
본 발명의 일 실시예에서는 컴퓨터 리소스 부족 및 시뮬레이션 해석 시간을 보다 효율적으로 해결하기 위하여, 복잡한 구조를 가진 안테나 혹은 유전체를 가진 안테나 해석에 용이하도록 등가적인 도파관 개구면 배열 안테나(200)를 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 개구면 배열 안테나(200)는 양면이 개방된 중공체의 도파관(110)과, 상기 도파관(110)의 일 단부에 구비되고 개방된 면적과 대응되는 크기의 개구면(121)을 구비하는 유한접지판(120)을 포함하고, 상기 도파관(110)의 내부에는 급전부가 형성되며, 상기 급전부에는 로드(115,load)가 장착된다.
상기 도파관(110) 및 유한접지판(120)은 개별소자(100)를 형성하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관 개구면 배열 안테나(200)는 상기 개별소자(100)를 다수 포함하여 이루어지며, 상기 유한접지판(120)은 인접한 유한접지판(120)끼리 서로 접촉하도록 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서 제시된 등가 구조는 유한접지판(120)과 깊이 조절이 가능한 사각 캐버티(cavity) 구조로 구성되며, 개구면 깊이, 개구면 크기, 유한접지판 크기를 조절하여 최대이득, 빔폭(Beam width), 전후비(F/B ratio)를 조절하도록 하는 설계기법을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예와 관련된 등가해석을 위한 배열 안테나(200)를 나타낸 모식도 및 급전방식 모식도인데, 도 2a는 개별소자(100)를 이용하여 배열 안테나(200)를 모델링한 형상이며, 도 2b는 배열 안테나(200)의 급전 방식을 나타내며, 각각의 개별소자(X1,X2,XN)에 전압을 인가하여 개별소자들의 이득 및 페이져(Phasor)의 합성을 통해 배열 안테나(200)의 방사패턴을 도출하는 것을 나타낸 것이다.
이때, 상기 개별소자(100)의 간격을 조절하여 상기 배열 안테나(200)의 SLL(Side Lobe Level)을 조절할 수 있다.
또한, 도 3a 및 도 3b는 도 2a에서 사용한 배열 안테나(200)의 개별소자 형상으로, 상기 개별소자(100)의 도파관(110)의 길이(λ,lambda), 급전부에 장착되는 로드(115,load), 도파관(110) 개구면(121)의 넓이(a·b), 유한접지판 넓이(W1·W2)를 조절하여 원하는 개별소자(100)의 방사패턴을 도출할 수 있도록 한다. 이때의 도파관(110)의 길이는 도파관(110) 내부에 구비되는 로드(115)의 위치에 의해 조절될 수 있다. 예를 들면, 도파관(110)의 길이는 유한접지판(120)으로부터 상기 로드(115)까지의 길이로 정의될 수 있으며, 상기 로드(115)의 위치를 가변시킴에 따라서 도파관(110)의 길이가 가변된다.
도 2a 및 도 3b에서는 상기 개구면(121)을 사각 형상으로 예시하였는데, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다각형 또는 원형과 같은 다양한 형상으로 형성될 수 있음은 당연하다. 이때, 상기 도파관(110)은 상기 개구면(121)의 형상과 대응되는 형상을 갖는다.
또한, 상기 개구면(121)에 인가된 임피던스를 조절하여 정합특성을 보정할 수도 있다.
아래의 [표 1]은 도파관 길이 및 길이에 따른 적정 로드(115)의 수치를 나타내었으며, 도파관(110) 길이 및 적정 로드(115)에 따른 안테나의 전면방향에서의 최대 이득을 나타내었다.
도 4는 도파관 깊이에 따라 급전에 장착한 로드(115) 수치 정리 및 개별소자 이득의 변화량을 나타낸 그래프로, [표 1]에서 변경된 변수에 따른 안테나 방사패턴이 변하는 것을 보여준다. 이때, 급전부에 장착되는 로드(115)는 진폭(amplitude)과 위상(phase)을 갖는다.
하기 [표 1]에서 도파관(110)의 길이는 도파관(110)의 전체 길이를 λ(lambda)로 하였을 때를 기준으로 나타낸 것이다.
도파관 길이 급전에 장착한 Load
amplitude phase 안테나 최대 이득(dBi)
1/8 lambda 9.9 -362.51 3.14
2/8 lambda -15 -543.61 8.50
3/8 lambda -48.4 -697 11.46
4/8 lambda -84.62 -823.45 13.34
5/8 lambda -119.85 -925.11 14.55
6/8 lambda -153.7 -1011.5 15.48
7/8 lambda -183 -1079.3 16.19
도파관 길이 및 길이에 따른 적정 로드(load)의 수치
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나(200)의 개별소자(100)의 반사계수를 나타낸 그래프로, 급전부에 적정한 로드(115)가 장착되었을 때의 안테나 반사계수를 나타낸 것이다. 도 5를 참조하면, 특정 주파수(14.8GHz)에서의 반사계수가 최소가 됨을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 개구면(121) 넓이에 따른 개별소자 빔폭(Beam width)을 나타낸 그래프로, 배열 안테나(200)의 개별소자의 개구면(121) 넓이에 따른 안테나 방사패턴 변화를 보여준다. 도 6을 참조하면, 개구면(121)의 넓이가 커질수록 안테나의 빔폭(beam width)이 감소하는 것을 보여준다. 따라서 개구면(121)의 넓이를 조절하여 원하는 개별소자(100) 방사패턴을 도출한다. 상기 개구면(121)은 도 3b에서의 a, b의 크기에 의해 조절될 수 있으며, 도 6에서는 b를 고정시킨 상태에서 a의 크기를 각각 10,15,20,25로 변경해가면서 측정한 것을 도시한 것이다. 이때의 빔폭(Beam width)은 반전력빔폭(Half Power Beam Width)을 의미한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유한접지판(120)에 따른 개별소자(100) F/B ratio를 나타낸 그래프로, 배열 안테나(200)의 개별소자(100)의 유한접지판(120) 넓이(W=W1·W2)에 따른 안테나 방사패턴 변화를 보여준다. 도 7을 참조하면, 개구면(121)의 유한접지판(120)이 커질수록 안테나 F/B ratio가 증가하는 것을 보여준다. 따라서, 개구면(121)의 유한접지판(120)을 조절하여 원하는 개별소자(100) 방사패턴을 도출할 수 있다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나(200)에 의한 등가 해석 모델의 형상이고, 도 8b는 기존의 마이크로스트립(microstrip) 안테나(300)의 형상을 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서는 도 8a에서와 같이 기존의 패치 배열(patch array) 안테나의 등가 해석이 가능한 배열 안테나(200)를 제안한다.
이때, 종래의 패치 배열 안테나(300)는 비도전성 물질로 이루어진 캐리어(315,carrier)에 다수의 금속 스트립(310)이 일정한 간격으로 이격 형성된 것일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9a 및 도 9b는 도 8a 및 도 8b에 나타나 있는 안테나들의 방사패턴을 비교한 그래프로, 도 9a는 xz-plane의 방사패턴을 나타낸 것이고, 도 9b는 yz-plane의 방사패턴을 나타낸 것이다. 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 주빔(main beam)과 첫 번째 사이드 로브(side-lobe)의 방사패턴이 매우 유사함을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명을 통하여 원하는 안테나 이득 형상을 도출할 수 있는 간단한 모델링을 제작할 수 있음을 확인할 수 있다.
즉, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 등가해석을 위한 배열 안테나에서의 안테나 이득과 기존 안테나에서의 이득은 유사한 형태를 가짐을 알 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 도 8a 및 도 8b에 나타나 있는 안테나들의 항공기 탑재 방사패턴을 비교한 그래프로, 도 10a는 xz-plane의 방사패턴을 나타낸 것이고, 도 10b는 yz-plane의 방사패턴을 나타낸 것이다. 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 주빔(main beam)과 첫 번째 사이드 로브(side-lobe)의 방사패턴이 매우 유사함을 확인하였다. 따라서 본 발명을 통하여 원하는 안테나 이득 형상을 도출할 수 있는 간단한 배열 안테나(200)를 제작할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 배열 안테나(200)에 대한 것이고, 도 11b는 슬롯(410)이 형성된 종래의 슬롯 배열(slot array) 안테나(400)의 형상이다. 즉, 도 11a는 도 11b의 기존의 슬롯 배열 안테나(200)의 등가해석을 위한 배열 안테나(200)의 형상을 나타낸 것이다.
도 12a 및 도 12b는 도 11a 및 도 11b에 나타나 있는 안테나들의 방사패턴을 비교한 그래프로, 도 12a는 xz-plane의 방사패턴을 나타낸 것이고, 도 12b는 yz-plane의 방사패턴을 나타낸 것이다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 주빔(main beam)과 첫 번째 사이드 로브(side-lobe)의 방사패턴이 매우 유사함을 확인하였다. 따라서 본 발명을 통하여 원하는 안테나 이득 형상을 도출할 수 있는 간단한 모델링을 제작할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 도 11a 및 도 11b에 나타나 있는 안테나들의 탑재 방사패턴을 비교한 그래프로, 도 13a는 xz-plane의 방사패턴을 나타낸 것이고, 도 13b는 yz-plane의 방사패턴을 나타낸 것이다. 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 주빔(main beam)과 첫 번째 사이드 로브(side-lobe)의 방사패턴이 매우 유사함을 확인하였다. 따라서 본 발명을 통하여 원하는 안테나 이득 형상을 도출할 수 있는 간단한 모델링을 제작할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 양면이 개방되어 개구면을 갖는 중공체의 도파관;
    상기 도파관의 일 단부에 구비되고, 상기 개방된 개구면과 대응되는 크기의 개구면을 구비하는 유한접지판; 및
    상기 도파관을 급전시키는 급전부를 포함하고,
    상기 급전부에 소정의 진폭(amplitude) 및 위상(phaser)을 갖는 로드(load)가 장착되고,
    상기 도파관의 길이를 조절하여 배열 안테나의 전면방향 최대이득을 조절하고, 상기 도파관의 길이는 상기 유한접지판으로부터 상기 로드까지의 길이인 것을 특징으로 하는 EM 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 및 유한접지판은 개별소자를 형성하고, 상기 개별소자를 다수 포함하여 이루어지며, 상기 유한접지판은 인접한 유한접지판끼리 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 EM 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유한접지판의 크기를 조절하여 상기 배열 안테나의 전후비(F/B ratio)를 조절하는 것을 특징으로 하는 EM 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 개구면의 크기를 조절하여 상기 배열 안테나의 반전력빔폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 EM 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 개구면에 인가된 임피던스를 조절하여 정합특성을 보정하는 것을 특징으로 하는 EM 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 개별소자의 간격을 조절하여 상기 배열 안테나의 SLL(Side Lobe Level)을 조절하는 것을 특징으로 하는 EM 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나.
KR1020150056626A 2015-04-22 2015-04-22 Em 시뮬레이션에 사용되는 도파관 개구면 배열 안테나 KR101662109B1 (ko)

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