KR101675975B1 - 패치 방사 소자 및 이를 이용한 직렬 급전 배열 안테나 - Google Patents

패치 방사 소자 및 이를 이용한 직렬 급전 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

패치 방사 소자는 중앙부에 공간을 형성하는 패치와 상기 공간에 삽입되며, 주파수 밴드 갭 특성을 가지는 메타물질 단위셀을 포함한다.

Description

패치 방사 소자 및 이를 이용한 직렬 급전 배열 안테나{PATCH RADIATING ELEMENT AND SERIES-FED ARRAY ANTENNA USING THE SAME}
본 발명은 패치 방사 소자 및 이를 이용한 직렬 급전 배열 안테나에 관한 것이다.
패치 방사 소자에서는 기본 공진 주파수 성분 신호 이외의 고조파 성분들이 존재한다. 이 고조파 성분들은 시스템에 노이즈로 인가되어 시스템의 낮은 신호대 잡음비를 야기시키는 주 원인이 된다. 따라서, 원하는 신호 이외의 고조파 성분들은 안테나단 이후에 삽입된 여파기를 통해 걸러지게 된다.
그러나 안테나단 이후에 여파기를 삽입하기 위해서는 추가적인 공간이 필요함으로써, 안테나 기판의 크기가 증가되는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 불필요하게 야기되는 고조파성분을 효과적으로 줄일 수 있는 패치 방사 소자 및 이를 이용한 직렬 급전 배열 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따른 패치 방사 소자는 중앙부에 홈을 형성하는 패치, 그리고 상기 홈에 삽입되어 상기 패치에 결합되며, 주파수 밴드 갭 특성을 가지는 메타물질 단위셀을 포함한다.
상기 메타물질 단위셀은 인터디지털 커패시터를 형성하는 한 쌍의 인터디지털 핑거, 그리고 일단이 상기 한 쌍의 인터디지털 핑거에 각각 연결되며 타단이 비아를 통해 접지면에 연결되는 제1 및 제2 스터브를 포함할 수 있다.
상기 메타물질 단위셀은 직렬 인덕턴스와 직렬 커패시턴스의 직렬 공진 회로, 그리고 병렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스의 병렬 공진 회로를 포함하고, 상기 직렬 공진 회로의 공진 주파수와 상기 병렬 공진 회로의 공진 주파수가 다를 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 직렬 급전 배열 안테나가 제공된다. 직렬 급전 배열 안테나는 복수의 급전 선로, 그리고 복수의 방사부를 포함한다. 상기 복수의 급전 선로는 급전점과 전기적으로 결합되며, 기판 상에 일 방향으로 배열되어 있다. 그리고 상기 복수의 방사부는 상기 복수의 급전 선로 각각에 직렬로 연결되는 복수의 패치 방사 소자를 포함한다. 이때 상기 복수의 패치 방사 소자 각각은 중앙부에 홈을 형성하는 패치, 그리고 상기 홈에 삽입되어 상기 패치에 결합되며, 주파수 밴드 갭 특성을 가지는 메타물질 단위 셀을 포함한다.
상기 직렬 급전 배열 안테나는 상기 급전점으로부터의 급전 신호를 상기 복수의 급전 선로로 전달하는 분기부를 더 포함할 수 있다.
상기 메타물질 단위셀은 인터디지털 커패시터를 형성하는 한 쌍의 인터디지털 핑거, 그리고 일단이 상기 한 쌍의 인터디지털 핑거에 각각 연결되며 타단이 비아를 통해 상기 기판의 대향면에 위치한 접지면에 연결되는 제1 및 제2 스터브를 포함할 수 있다.
상기 접지면과 상기 메타물질 단위 셀 사이에 나타나는 병렬 커패시턴스 성분과 상기 비아에 의해 나타나는 병렬 인덕턴스 성분에 의해 병렬 공진 회로가 형성되고, 상기 메타물질 단위 셀에 의해 나타나는 직렬 인덕턴스 성분과 상기 한 쌍의 인터디지털 핑거에 의해 나타나는 직렬 커패시턴스 성분에 의해 직렬 공진 회로가 형성되며, 상기 직렬 공진 회로의 공진 주파수와 상기 병렬 공진 회로의 공진 주파수가 다를 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 메타물질 단위셀이 삽입된 패치 방사 소자에 의해, 별도의 여파기를 사용하지 않고도 고조파 성분을 억제시킬 수 있으므로, 안테나 회로의 크기를 크게 줄일 수 있으며, 패치 방사 소자의 자체적인 고조파 억제 기능으로 인해 안테나 및 이를 이용한 배열 안테나를 사용하는 시스템에서 신호 대 잡음비(Signal to Noise Rate)를 크게 개선할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직렬 급전 배열 안테나를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 패치 방사 소자를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 단위 셀의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 단위 셀의 분산 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 패치 방사 소자 및 이를 이용한 직렬 급전 배열 안테나에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 직렬 급전 배열 안테나를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 직렬 급전 배열 안테나(1)는 복수의 방사부(10), 급전점(20), 복수의 급전 선로(30) 및 분기부(40)를 포함한다.
복수의 방사부(10)는 기판상에 형성될 수 있다. 복수의 방사부(10)가 형성된 기판의 대향면에는 접지면이 형성된다. 기판은 유전체 기판일 수 있다.
복수의 방사부(10)는 제1 방향으로 배열되어 있다. 각 방사부(10)는 복수의 패치 방사 소자(11)을 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 패치 방사 소자(11)는 자체적으로 고조파 성분들을 필터링하는 기능을 제공한다.
복수의 급전 선로(30)는 급전점(20)에 연결되어 있으며, 각 급전 선로(30)에 각 방사부(10)의 복수의 패치 방사 소자(11)가 소정의 간격을 가지고 직렬로 연결되어 있다. 각 방사부(10)에서 복수의 패치 방사 소자(11)의 크기 및 패치 방사 소자(11)간 간격이 다를 수 있다. 도 1에 도시된 패치 방사 소자(11)의 크기 및 패치 방사 소자(11)간 간격은 하나의 일 예로서, 여러 형태의 배열 특성에 따라서 결정될 수 있다.
패치 방사 소자(11)는 자체적으로 고조파 성분들을 필터링하는 기능을 제공한다.
복수의 급전 선로(30)는 급전점(20)을 기준으로 좌우 대칭으로 배열되어 있으며, 급전점(20)을 통해 제공되는 급전 신호는 분기부(40)에 의해 복수의 급전 선로(30)로 분기되어 각 방사부(10)의 복수의 패치 방사 소자(11)에 전달된다. 복수의 급전 선로(30)는 각각 급전 신호를 통해서 적절한 전력을 복수의 방사부(10)에 공급하며, 급전 선로(30)의 폭에 의해 해당 방사부(10)의 패치 방사 소자(11)들에 공급되는 전력이 결정될 수 있다.
급전점(20)은 복수의 방사부(10)로 전류를 공급한다.
분기부(40)는 급전점(20)의 급전 신호를 복수의 급전 선로(30)로 분기시켜 주는 기능을 수행한다. 분기부(40)는 전송 선로로 이루어져 있으며, 급전점(20)과 복수의 급전 선로(30)간 연결을 제공한다.
도 2는 도 1에 도시된 패치 방사 소자를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, 패치 방사 소자(11)는 패치(110) 및 메타물질 단위 셀(120)을 포함한다.
패치(110)는 급전 선로(30)에 결합되어 있으며, 중앙부에 소정 크기의 홈(130)이 형성되어 링 형태를 가진다. 링 형태는 사각 링 형태일 수도 있고, 원형 링 형태일 수도 있으며 이와 다른 형태일 수도 있다.
메타물질 단위 셀(120)은 패치(110)의 중앙부의 홈(130)에 삽입되어 패치(110)에 결합된다.
메타물질 단위 셀(120)은 금속 패턴에 의해 형성되며, 한 쌍의 인터디지털 핑거(121, 122) 및 스터브(123, 124)를 포함한다.
한 쌍의 인터디지털 핑거(121, 122)는 급전 선로의 방향과 동일한 방향으로 패치(110)에 결합되며, 정해진 핑거 갭을 사이에 두고 핑거 부분이 서로 엇갈려서 위치하며, 급전 선로의 방향과 동일한 방향으로 패치(110)에 결합된다. 이러한 한 쌍의 인터디지털 핑거(121, 122)는 인터디지털 커패시터를 형성하게 된다. 인터디지털 핑거(121, 122) 사이의 전계에 의해 직렬 커패시턴스 성분이 나타나며, 한 쌍의 인터디지털 핑거(121, 122)에 의해 형성되는 인터디지털 커패시터는 급전 선로(30) 상에서 패치(110)에 결합된다.
스터브(123, 124)의 일단은 인터디지털 핑거(121, 122)에 각각 연결되며, 스터브(123, 124)의 타단은 비아를 통해 접지면에 연결된다. 접지면과 메타물질 단위 셀(120) 사이에 병렬 커패시턴스 성분이 나타나고, 메타물질 단위 셀(120)에 의해 직렬 인덕턴스 성분이 나타난다. 또한 인터디지털 핑거(121, 122)에 의해 직렬 커패시턴스 성분이 나타나고, 메타물질 단위 셀(120)에서 접지면까지 연결되는 비아에 의해 병렬 인덕턴스 성분이 나타난다.
메타물질 단위 셀(120)을 등가 회로를 구현하면, 도 3과 같이 나타낼 수 있으며, 이러한 메타물질 단위 셀(120)은 대역통과 여파기의 특성을 가진다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 단위 셀의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 3을 참고하면, 메타물질 단위 셀(120)은 직렬 인덕턴스(LR), 직렬 커패시턴스(CL), 병렬 커패시턴스(CR) 및 병렬 인덕턴스(LL)를 포함한다.
임피던스 부분(Z)은 직렬 인덕턴스(LR)와 직렬 커패시턴스(CL)의 직렬 공진 회로로 구성되고, 어드미턴스 부분(Y)은 병렬 커패시턴스(CR)와 병렬 인덕턴스(LL)의 병렬 공진 회로로 구성된다. 직렬 인덕턴스(LR)와 직렬 커패시턴스(CL)에 의해 직렬 임피던스의 공진 주파수가 구해지고, 병렬 커패시턴스(CR)와 병렬 인덕턴스(LL)에 의해 병렬 어드미턴스의 공진 주파수가 구해진다.
직렬 인덕턴스(LR)와 병렬 커패시턴스(CR)가 RH(Right-handed) 특성을 나타내고, 직렬 커패시턴스(CL)와 병렬 인덕턴스(LL)가 LH(Left-handed) 특성을 나타낸다. RH 특성과 LH 특성에 의해 차단 주파수가 결정되어 통과 대역이 형성된다.
이때 직렬 임피던스의 공진 주파수와 병렬 어드미턴스의 공진 주파수가 수학식 1의 조건을 만족하면 평형 조건이 성립되며, 수학식 1의 조건을 만족하지 못하면, 불평형 조건이 성립된다.
Figure 112015077395999-pat00001
메타물질 단위 셀(120)이 불평형 조건을 만족하게 되면, 주파수 밴드 갭(band-gap) 특성이 나타난다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 메타물질 단위 셀의 분산 특성 곡선을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 메타물질 단위 셀(120)이 불평형 조건을 만족하게 되면, 임피던스의 공진주파수와 어드미턴스의 공진주파수 사이에 밴드 갭 즉, 저지 대역이 존재한다.
반면, 메타물질 단위 셀(120)이 평형 조건을 만족하게 되면, 주파수 밴드 갭 특성이 없어지고, 임피던스의 공진주파수와 어드미턴스의 공진주파수가 연속해서 이어진다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 메타물질 단위 셀(120)이 불평형 조건을 조건을 만족하도록 설계된다. 특히, 메타물질 단위 셀(120)의 밴드 갭 주파수 스펙트럼 영역을 패치 방사 소자에서 발생되는 고조파 성분의 주파수 스펙트럼 영역에 맞추어 설정하도록 함으로써, 메타물질 단위 셀(120)이 패치 방사 소자에서 발생되는 고조파 성분들을 필터링하는 여파기의 역할을 하도록 한다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 패치 방사 소자(11)는 중앙부의 홈(130)에 메타물질 단위 셀(120)을 삽입함으로써, 패치 방사 소자(11) 자체에서 고조파 성분을 필터링할 수 있게 된다.
이러한 패치 방사 소자(11)는 레이더 시스템에 적용할 수 있으며, 레이더 시스템에서 불필요하게 야기되는 고조파 성분들을 추가적인 여파기 사용 없이 획기적으로 줄일 수 있어, 레이더 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 중앙부에 홈을 형성하는 패치, 그리고
    상기 홈에 삽입되어 상기 패치에 결합되며, 주파수 밴드 갭 특성을 가지는 메타물질 단위셀
    을 포함하며,
    상기 메타물질 단위셀은
    인터디지털 커패시터를 형성하는 한 쌍의 인터디지털 핑거, 그리고
    일단이 상기 한 쌍의 인터디지털 핑거에 각각 연결되며 타단이 비아를 통해 접지면에 연결되는 제1 및 제2 스터브를 포함하는 패치 방사 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 메타물질 단위셀은
    직렬 인덕턴스와 직렬 커패시턴스의 직렬 공진 회로, 그리고
    병렬 커패시턴스와 병렬 인덕턴스의 병렬 공진 회로를 포함하고,
    상기 직렬 공진 회로의 공진 주파수와 상기 병렬 공진 회로의 공진 주파수가 다른 패치 방사 소자.
  4. 직렬 급전 배열 안테나로서,
    급전점과 전기적으로 결합되며, 기판 상에 일 방향으로 배열되어 있는 복수의 급전 선로, 그리고
    상기 복수의 급전 선로 각각에 직렬로 연결되는 복수의 패치 방사 소자를 포함하는 복수의 방사부
    를 포함하고,
    상기 복수의 패치 방사 소자 각각은
    중앙부에 홈을 형성하는 패치, 그리고
    상기 홈에 삽입되어 상기 패치에 결합되며, 주파수 밴드 갭 특성을 가지는 메타물질 단위 셀을 포함하며,
    상기 메타물질 단위셀은
    인터디지털 커패시터를 형성하는 한 쌍의 인터디지털 핑거, 그리고
    일단이 상기 한 쌍의 인터디지털 핑거에 각각 연결되며 타단이 비아를 통해 상기 기판의 대향면에 위치한 접지면에 연결되는 제1 및 제2 스터브를 포함하는 직렬 급전 배열 안테나.
  5. 제4항에서,
    상기 급전점으로부터의 급전 신호를 상기 복수의 급전 선로로 전달하는 분기부
    를 더 포함하는 직렬 급전 배열 안테나.
  6. 삭제
  7. 제4항에서,
    상기 접지면과 상기 메타물질 단위 셀 사이에 나타나는 병렬 커패시턴스 성분과 상기 비아에 의해 나타나는 병렬 인덕턴스 성분에 의해 병렬 공진 회로가 형성되고, 상기 메타물질 단위 셀에 의해 나타나는 직렬 인덕턴스 성분과 상기 한 쌍의 인터디지털 핑거에 의해 나타나는 직렬 커패시턴스 성분에 의해 직렬 공진 회로가 형성되며,
    상기 직렬 공진 회로의 공진 주파수와 상기 병렬 공진 회로의 공진 주파수가 다른 직렬 급전 배열 안테나.
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