KR101677984B1 - 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나에 관한 것으로, 비행체의 날개에 형성되는 슬롯(slot)과, 상기 비행체의 내부로부터 상기 슬롯에 연결되어 상기 슬롯을 급전시키는 급전부를 포함하고, 상기 날개는 금속으로 이루어져 상기 슬롯이 안테나로 작동하는 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나가 제공된다.

Description

비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나{SLOT ANTENNA USING WING OF FLIGHT VEHICLE}

본 발명은 비행체의 날개에 특정한 모양의 슬롯을 형성하여 안테나로 활용하는 기술에 관한 것이다.

도 1은 일반적으로 비행체에 사용되는 패치 안테나 형상의 개략도이고, 도 2는 일반적으로 비행체에 사용되는 PIFA 형상의 개략도이다.

일반적으로 비행체(10)에 장착되는 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이, 외곽에 레이돔(50)으로 덮여져 있고, 내부에는 그라운드(20)가 형성되며, 상기 그라운드(20)에는 유전체(30) 및 패치(40)가 형성된다.

또는, 도 2에 도시된 바와 같이, 비행체(10)의 외부에 레이돔(50)이 형성되고, 상기 레이돔(50)의 내부에 PIFA 안테나(60)가 형성된다.

상기 패치 안테나의 경우 두께가 필요하므로 비행체 내부 공간이 필요하다.

그러나, 최근 비행체는 경량화 및 소형화 추세로 내부 공간이 매우 협소하여 안테나 배치 및 설계가 매우 어려운 상황이다. 협소한 공간에 안테나를 설계하려다보니 안테나 성능은 저하될 수밖에 없다. 또한, 패치 안테나의 경우 다이폴이나 슬롯 안테나에 비해 대역폭이 좁아 비행체의 비행시 주변 조건 변화로 인해 성능이 저하될 수 있는 위험이 있다. 패치 안테나를 덮고 있는 레이돔은 비행체의 공력을 저해하지 않고, 외부 환경으로부터 패치 안테나를 보호하는 역할을 한다. 이러한 레이돔은 매우 고가인 단점이 있다.

비행체 외부로 돌출되는 PIFA의 경우 안테나 성능은 패치 안테나보다 우수하지만 비행체의 항력 저하을 야기시킨다. PIFA 또한 보호를 위해 고가의 레이돔을 사용해야 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일 목적은 비행체의 날개에 슬롯을 형성하여 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나를 제공하는 것이다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 비행체의 날개에 형성되는 슬롯(slot)과, 상기 비행체의 내부로부터 상기 슬롯에 연결되어 상기 슬롯을 급전시키는 급전부를 포함하고, 상기 날개는 금속으로 이루어져 상기 슬롯이 안테나로 작동하는 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 급전부는 동축 케이블 또는 도파관일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 급전부가 상기 동축 케이블인 경우 상기 동축 케이블은 스크류에 의해 상기 슬롯에 면접촉되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 슬롯의 형상은 사각형, 원형, 'ㄱ' 자, 나비넥타이(bow tie) 및 미앤더(meander) 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 급전 구조가 분리되지 않도록 상기 슬롯에 유전체가 삽입될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 슬롯은 비행체의 주익(main wing)이나 미익(fin stabilizer)에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 슬롯은 다수 개가 형성되고, 상기 다수 개의 슬롯에 의해 다수의 대역에서 동작하는 안테나를 구현할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다수의 대역은 GPS(Global Positioning System), X-band, S-band, UHF(Ultra High Frequency) 대역을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 슬롯 안테나는 비행동체 내부에 안테나 공간이 필요 없게 되어 비행체 경량화에 기여할 수 있고, 기존 안테나 공간에 다른 부품을 넣을 수 있어 비행체의 소형화에 기여할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들 중 적어도 하나에 의하면, 비행체 날개에 단순히 슬롯을 내어 안테나를 설계하므로 재료비가 들지 않는 장점이 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 일반적으로 비행체에 사용되는 패치 안테나 형상의 개략도이다.
도 2는 일반적으로 비행체에 사용되는 PIFA 형상의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 비행체의 날개에 설계된 슬롯 안테나의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 슬롯 사이에 유전체를 삽입한 구조를 도시한 것이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 일 실시예에 관련된 다양한 모양의 슬롯을 도시한 것이다.
도 6은 비행동체에 설계된 기존 안테나와 본 발명의 일 실시예에 관련된 비행체의 날개에 설계된 두 개의 슬롯 안테나의 시뮬레이션 구조이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 S-밴드에서 동작하는 두 안테나의 방사패턴이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 비행체의 날개에 설계된 다양한 대역에서 동작하는 안테나를 도시한 것이다.

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.

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 실시예에 따른 안테나는 비행체의 날개(70)인 주익(main wing)이나 미익(fin stabilizer)에 특정 모양의 슬롯(85)을 내어 안테나로 활용되는 것을 제안한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비행체의 날개(70)에 설계된 슬롯 안테나의 개략도인데, 도 3을 참조하면, 비행체의 주익(70)에 슬롯(85)을 내어 제안하는 안테나를 도시하였다.

상기 슬롯 안테나(slot antenna)는 금속으로 이루어진 날개(70)에 직사각형 슬롯(85)을 두어 안테나로 동작하며 비행체 내부로부터 상기 슬롯(85)에 연결되어 상기 슬롯(85)을 급전시키는 급전부를 포함하여 이루어진다. 이와 같이, 상기 슬롯(85)이 안테나로 작동되므로 상기 비행체의 날개(70)는 금속으로 이루어져 있어야 한다.

상기 급전부는 RF 동축 케이블 또는 도파관을 포함할 수 있으며, 이하에서는 동축 케이블(81)에 의해 급전되는 것을 위주로 설명한다. 비행체가 비행 중에 생길 수 있는 진동이나 고온 환경으로 급전 부분이 약할 수 있기 때문에 기존의 솔더링(soldering)으로 RF 동축 케이블(81)을 연결하지 않고, 스크류(83)를 이용한 면 접촉으로 연결한다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 스크류(83)를 이용함으로써 급전부가 비행동체(10)의 날개(70)으로부터 쉽게 이탈되지 않도록 한다. 이는 도파관의 경우에도 동일하게 적용될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 구체적인 도면은 도시하지 않았다.

상기 동축 케이블(81)은 동체(10) 내부에 구비되는 메인 회로기판(미도시)과 안테나를 연결한다. 일 예로, 상기 동축 케이블(81)은 안테나를 급전시키는 급전 장치에 연결될 수 있다. 상기 급전 장치들은 발룬, 이상기, 분배기, 감쇠기, 증폭기 등이 조합되어 구성될 수 있다.

도 3에서는 상기 슬롯 안테나를 급전하기 위하여 RF 동축 케이블(81)을 사용한 것을 예시하였는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 도파관과 같이 전원을 공급할 수 있는 수단이면 특별히 한정되지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 슬롯(85) 사이에 유전체(30)를 삽입한 구조를 도시한 것인데, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 슬롯(85) 내부에 유전체(30) 구조물을 삽입하여 진동이 발생하더라도 급전 구조가 분리되지 않도록 한다.

상기 유전체(30)로 이루어진 구조물은 슬롯(85)에 의해 발생하는 공력 저하를 방지하는 역할도 한다. 상기 유전체(30)는 상기 슬롯(85)의 내부에 빈 공간 없이 충진될 수도 있으나, 급전 구조가 분리되지 않을 정도로만 충진되어도 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서의 슬롯(85)의 형상은 도 5에 도시된 바와 같이, 직사각형(85a), 나비 넥타이(85b,Bow-Tie), 'ㄱ'자 또는 'L'자(85c), 미앤더(85d,Meander) 등의 다양한 모양이 될 수 있다. 상기 슬롯(85)의 형상은 구현하고자 하는 주파수 대역에 따라 달라질 수 있으며, 특별히 한정되지는 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비행체에 구비되는 슬롯 안테나와 기존 안테나(패치 안테나, PIFA)의 성능을 비교하기 위해 비행체 위에 각 안테나를 설계하고 시뮬레이션 하였다.

도 6은 비행동체(10)에 설계된 기존 안테나와 본 발명의 일 실시예에 관련된 비행체의 날개(70)에 설계된 두 개 슬롯 안테나(80a,80b)의 시뮬레이션 구조인데, 도 6에 도시된 바와 같이, 동일한 날개(70)에 S-band 대역용 슬롯 안테나(80b)와 UHF 대역용 슬롯 안테나(80a)를 설계했고, 비행체 동체(10)에 S-band 대역용 패치 안테나(11)와 UHF 대역용 PIFA 안테나(13)를 설계했다.

이때의 UHF 대역용 슬롯 안테나(80a)의 크기는 350×30mm이고, S-band 대역용 슬롯 안테나(80b)의 크기는 110×5mm로 형성하였으며, 유전체(30)의 유전율은 4인 물질을 사용하였다.

		가로×세로×높이(mm)	효율	-6dB 대역폭
S-band 대역	패치 안테나	120×120×18	71%	0.2MHz
	슬롯 안테나	110×5(×0)	97%	930MHz
UHF 대역	PIFA	170×50×20	82%	10MHz
	슬롯 안테나	350×30(×0)	92%	67MHz

안테나의 성능 비교

상기 [표 1]에 각 안테나의 성능을 나타냈다. S-band 대역에서 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯 안테나(80b)와 기존 안테나인 패치 안테나(11)를 비교하면 슬롯 안테나(80b)가 패치 안테나(11) 대비 효율은 26% 높고, 대역폭은 무려 4000배 이상 넓음을 알 수 있다. 패치 안테나(11)의 고유 특성인 좁은 대역폭으로 인해 대력폭 차이가 매우 크다. 크기 측면에서도 정사각형인 패치 안테나(11)에 비해 한 쪽 방향으로 긴 슬롯 안테나(80b)가 작아 비행체에 안테나 설치가 공간적으로 유리함을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 UHF 대역용 슬롯 안테나(80a)가 종래의 PIFA 안테나(13)에 비하여 효율은 11% 높고 대역폭은 6배 이상 넓음을 알 수 있다. PIFA 안테나(13)의 높이로 인해 비행체 외부로 돌출되는데, 이로 인해 비행체의 항력이 증가된다. 슬롯 안테나(80a)의 경우 날개(70)에 설계되므로 이러한 항력 증가가 원천적으로 없다.

도 7a 및 도 7b는 도 6의 S-band 동작하는 두 안테나(80b,11)의 방사패턴으로, S-band 대역의 패치 안테나(11)와 슬롯 안테나(80b)의 방사 패턴을 나타낸 것이다. 즉, 도 7a는 패치 안테나(11)의 경우를 나타낸 것으로, 한 쪽 방향으로 방사하는 것을 알 수 있고, 도 7b는 슬롯 안테나(80b)의 방사 패턴을 나타낸 것으로, 슬롯 안테나(80b)는 날개(70)를 기준으로 양 방향으로 방사가 된다. 따라서 슬롯 안테나(80b)는 비행체의 움직임을 고려할 때 보다 안정적인 통신을 제공하고, 특히 비행체 편대비행에서 비행체간 통신에 유리하다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 슬롯 안테나(80a,80b)는 비행동체(10) 내부에 안테나 공간이 필요 없게 되어 비행체 경량화에 기여할 수 있고, 기존 안테나 공간에 다른 부품을 넣을 수 있어 비행체의 소형화에 기여할 수 있다. 또한 비행체 날개(70)에 단순히 슬롯(85)을 내어 안테나를 설계하므로 재료비가 들지 않는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 비행체에 사용되고 있는 다양한 다른 대역 안테나 (GPS 안테나, 계측용 안테나)를 하나의 날개(70)에 설계할 수도 있다. 즉, 도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 비행체의 날개(70)에 설계된 다양한 대역에서 동작하는 안테나를 도시한 것인데, 도 8에서와 같이 다수의 슬롯(85)을 비행체 날개(70)에 형성하여 다양한 안테나를 하나의 비행체의 날개(70)에 설계한다면 다수의 대역에서 작동하는 다수의 안테나를 구현할 수 있으며, 안테나 개수 증가에 따른 공간 제약에서 자유로운 이점이 있다. 즉, 상기 비행체의 날개(70)에 GPS(Global Positioning System) 안테나(80c), X-band 안테나(80d), S-band 안테나(80b), UHF(Ultra High Frequency) 안테나(80a)를 슬롯 안테나로 형성할 수 있다.

상기 X-band는 대략 6.2~10.9GHz의 주파수대역을 의미하고, 상기 S-band는 대략 3GHz에서 4GHz 사이의 주파수대역을 의미하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에게 자명한 정도의 대역이면 충분하다.

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 (8)

1. 비행체의 날개에 형성되는 슬롯(slot) - 상기 날개의 하단부는 상기 비행체와 연결됨 -; 및
   상기 비행체의 내부로부터 상기 슬롯에 연결되어 상기 슬롯을 급전시키는 급전부를 포함하고,
   상기 슬롯은 상기 하단부에 인접하여 좌측과 우측에 각각 형성되는 S-band 슬롯 안테나와 UHF 슬롯 안테나를 포함하고,
   상기 슬롯은 상기 날개의 상단부에 인접하여 좌측과 우측에 각각 형성되는 X-band 슬롯 안테나와 GPS 슬롯 안테나를 더 포함하고,
   상기 X-band 슬롯 안테나의 일단과 타단은 상기 S-band 슬롯 안테나와 UHF 슬롯 안테나의 슬롯의 양 단부와 길이 방향으로 중첩되지 않는 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 슬롯의 형상은 사각형, 원형, 'ㄱ' 자, 나비넥타이(bow tie) 및 미앤더(meander) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 슬롯은 비행체의 주익(main wing)이나 미익(fin stabilizer)에 형성되는 것을 특징으로 하는 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나.
7. 제1항에 있어서,
   상기 슬롯은 다수 개가 형성되고, 상기 다수 개의 슬롯에 의해 다수의 대역에서 동작하는 안테나를 구현하는 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나.
8. 제7항에 있어서,
   상기 다수의 대역은 GPS(Global Positioning System), X-band, S-band, UHF(Ultra High Frequency) 대역을 포함하는 것을 특징으로 하는 비행체 날개를 이용한 슬롯 안테나.

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