KR101683679B1 - 컨포멀 패치형 어레이 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 패치형 안테나에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 패치형 안테나는 레이돔의 일면에 위치하는 패치부, 상기 패치부의 일면에 위치하는 제1 기판, 상기 제1 기판의 일면에 위치하는 피드라인, 상기 피드라인의 일면에 위치하는 다층기판, 상기 다층기판의 일면에 위치하는 그라운드, 상기 그라운드의 일면에 위치하는 RF 커넥터 및 상기 다층기판을 관통하고 상기 RF커넥터와 연결되는 비아홀을 포함한다.

Description

컨포멀 패치형 어레이 안테나{Conformal Patch Type of Array Antenna}

본발명은 패치형 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 컨포멀(conformal) 안테나 시스템에 관한 것이다.

현대 무인기(UAV)는 다양한 주파수 범위 및 통신 모드에 걸쳐 무선 통신(radio communication)을 제공할 필요성을 갖는다. 효과적으로 무선 통신하기 위해, 무인기는 동체상의 여러 위치에 배치된 복수의 안테나를 구비하여야 한다. 통상적으로, 대부분의 무인기 는 통신을 위해 꼬리 날개상단에 설치되는 폴(pole) 형태 안테나 또는 무인기 의 꼬리 날개와 같은 형상으로 이루어지고, 무인기의 배면에 부착되는 블레이드(blade) 안테나를 사용하고 있다.

외부에 돌출되는 안테나의 경우 공력특성이 약해지거나 감소되는 경우 비행안전 및 전투력에 위험을 초래할 수 있게 되는 바, 따라서 폴 이나 블레이드 형태의 안테나는 안테나가 무인기 외부로 돌출되어 있어 공력 특성에 많은 영향을 주게 됨으로써 상기한 바와 같은 문제점으로부터 자유스러울 수 없으며, 내구성 또한 약한 문제점을 가지고 있다.

안테나의 무게 또한 수 kg에 해당하여 무인기 전체 무게를 증가시키는 문제점을 갖는다.

또한 다중-입력 및 다중-출력(multiple-input and multiple-output; MIMO) 기술들과 같은 공간 처리는 무선 시스템들의 성능을 개선하기 위해 중요하다. 일반적으로, 이용자의 특정 빔틸트는 상이한 이용자들에 대한 신호들을 멀티 플렉싱하도록 이용될 수 있다. 그러나, 문제는 효율적이고 시각적으로 눈에 거슬리지 않는 안테나 구조를 갖는 고차수 섹터화 또는 빔틸팅을 하는 것 이다. 종래의 해법들은 선형 어레이로 정렬된 안테나 요소들을 이용한다. 섹터화를 위해, 각각의 섹터는 섹터 사이즈가 어레이의 폭에 반비례하는 단일 선형 안테나 어레이를 이용하여 생성된다

한국 등록 특허 제 10-1586204호 (등록)

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 두께가 얇은 유전체를 포함하는 패치형 안테나를 적층해 가요성을 갖는 컨포멀(conformal) 안테나를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 패치형 안테나는 제1기판, 상기 제1 기판의 일면에 위치하고, 외부로 전자기파를 방사하는 패치부, 상기 제1 기판의 다른 일면에 위치하고, 상기 패치부에 전기적 신호를 전달하는 피드라인, 상기 피드라인의 일면에 형성된 복수개의 기판들이 적층된 다층기판, 상기 다층기판의 일면에 위치하는 그라운드 및 상기 피드라인에 제공되는 RF신호를 입력 받는 RF 커넥터를 포함할 수 있다.

상기 패치부는 공진주파수 대역을 조절하기 위하여 내측방향으로 형성된 적어도 2개 이상의 슬롯을 포함하고, 상기 피드라인과 상기 패치부는 상기 제 1기판을 통해 분리되어 있으며, 상기 피드라인은 상기 패치부와의 전자기적인 커플링을 통해 상기 전기적 신호를 상기 패치부에 전달할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 패치형 안테나는 제 1기판 및 다층기판의 복수개의 기판들은 가요성을 갖도록 적층될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 패치형 어레이 안테나의 상기 다층기판은 상기 복수개의 기판들을 관통하는 비아홀(Via Hole)을 포함하며, 상기 비아홀(Via Hole)은 상기 피드라인과 상기 RF 커넥터를 연결할 수 있다.

또한, 상기 제1 기판은 상기 다층기판의 두께보다 얇으며, 상기 다층기판에 포함된 상기 기판 각각의 두께는 10mm ~ 50mm 일 수 있다.

또한, 제1기판; 각각 상기 제1 기판의 일면에 위치하고, 외부로 전자기파를 방사하는 복수개의 패치부; 상기 제1 기판의 다른 일면에 위치하고, 상기 복수개의 패치부에 전기적 신호를 전달하는 피드라인; 상기 피드라인의 일면에 형성된 복수개의 기판들이 적층된 다층기판; 상기 다층기판의 일면에 위치하는 그라운드, 및 상기 피드라인에 제공되는 상기 RF신호를 입력 받는 RF 커넥터를 포함할 수 있다.

상기 피드라인은, 상기 제 1기판과 접촉하는 패치 매칭부; 상기 복수개의 패치부에 상기 전기적 신호의 전달 속도를 조절하는 지연라인; 및 복수개의 상기 패치 매칭부와 지연라인을 연결하는 공통라인을 더 포함할 수 있다.

상기 패치부 일면에 위치하고, 외부의 풍압으로부터 보호하기 위한 것을 특징으로 하는 레이돔(Radome)을 더 포함할 수 있다.

복수개의 패치 어레이 안테나; 상기 복수개의 패치 어레이 안테나가 비행 동체 부분의 표면에 특정각도의 간격으로 배치되는 것을 포함하고, 상기 복수개의 패치 어레이 안테나는 제1기판, 각각 상기 제1 기판의 일면에 위치하고, 외부로 전자기파를 방사하는 복수개의 패치부, 상기 제1 기판의 다른 일면에 위치하고, 상기 복수개의 패치부에 전기적 신호를 전달하는 피드라인, 상기 피드라인의 일면에 형성된 복수개의 기판들이 적층된 다층기판, 상기 다층기판의 일면에 위치하는 그라운드 및 상기 피드라인에 제공되는 상기 RF신호를 입력 받는 RF 커넥터를 포함할 수 있다.

상기 복수개의 패치 어레이 안테나는 가요성을 띄는 것을 특징으로 하고, 곡면 구조에 장착이 가능한 컨포멀(Conformal) 안테나일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 얇은 두께를 갖는 안테나 구현이 가능하기 때문에 쉽게 휘어질 수 있어, 원통형과 같은 곡면 구조에 용이 하게 장착이 가능하여 향후 무인기(UAV)와 같은 시스템에 컨포멀(conformal) 안테나로 적용이 가능하다.

또한, 원하는 방향으로 지향각 조정이 가능하며, 광대역 동작 시 동작주파수마다 지향각이 틀려지는 빔스퀸트(beam squint)현상을 지연라인을 통해 개선할 수 있는 안테나를 제공한다.

도 1은 본 발명에서 제안하는 패치형 안테나의 적층 구조이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 패치형 어레이 안테나의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 빔틸트 특성을 갖는 1 X 4 패치형 어레이 안테나의 피드라인 구조이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 패치형 어레이 안테나의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 패치형 어레이 안테나의 커버와 상기 패치형 어레이 안테나를 원통형 기구물에 부착한 3차원 구조이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 패치형 어레이 안테나를 원통형 기구물에 부착한 컨포멀 안테나의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 패치형 어레이 안테나의 주파수에 따른 입력 반사손실 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 패치형 어레이 안테나의 안테나 방사패턴 설계 및 측정 결과 그래프이다.

첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 패치형 안테나를 이용한 안테나 시스템에 관하여 상세히 설명한다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 해당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라 질 수 있다. 또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다.

나아가, 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

따라서 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 일 실시예에 따른 무선통신 시스템에 사용되는 패치형 안테나에 관한 것으로, 더 상세하게는 패치형 어레이 안테나를 원통형 동체에 탑재하여 사용하는 안테나 시스템에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 패치형 안테나의 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 패치형 안테나는 레이돔(100), 패치부(200), 제1 기판(300), 피드라인(400), 다층기판(500), 그라운드(600) 및 RF 커넥터(700)를 포함한다.

상기 패치형 안테나는 레이돔(100)의 일면에 위치하는 패치부(200), 상기 패치부(200)의 일면에 위치하는 제1 기판(300), 상기 제 1 기판(300)의 일면에 위치하는 피드라인(400), 상기 피드라인(400)의 일면에 위치하는 다층기판(500), 상기 다층기판(500)의 일면에 위치하는 그라운드(600), 상기 그라운드(600)의 일면에 위치하는 RF 커넥터(700) 및 상기 다층기판(500)을 관통하고 상기 RF 커넥터(700)와 연결되는 비아홀(800)을 포함한다.

패치부(200)는 제1기판(300)의 일면에 형성되고, 초광대역 전파를 송신 및 수신한다. 패치부(200)는 일 예로, 하부에 매칭 스텝을 갖는 사각형의 마이크로스트립 패치일 수 있다. 여기서, 상기 패치부(200)의 형상은 방사특성에 따라 변형이 가능하다. 상기 매칭 스텝은 패치부(200)와 피드라인(400)의 임피던스 매칭을 위해 구비된다.

여기서, 패치부(200)는 피드라인(400)이 향하고 있는 방향의 내측으로 2개의 수평한 슬롯(202)을 형성하고 있으며, 상기 패치부(200)는 2개 이상의 슬롯(202)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 슬롯(202)들은 다중 공진을 점을 갖게 하여 안테나의 대역폭을 확장하고, 공진주파수 대역을 조절한다.

제1기판(300)은 패치부(200)와 맞닿아 위치하고, 피드라인(400)과 연결되는 기판 양면에 패터닝(patterning)을 하여 다수의 얇은 기판간의 어라이먼트(alignment)에 의한 안테나 성능 열화를 최소화하는 구조로 제작할 수 있다.

도1 에서는 도시되지 않았지만, 다층기판(500)은 피드라인(400)의 하부면에 적어도 네 개의 기판이 각각 소정간격으로 이격된 채 적층 배치되어 형성할 수 있고, 상기 소정의 간격은 패치형 어레이 안테나가 장착되는 동체의 구조와 활용도에 따라 변형 가능하다.

상기 네 개의 기판의 소정위치에 비아홀(800)이 형성되어 상기 피드라인(400)과 RF 커넥터(700)를 상호 전기적으로 연결한다. 도 1에 도시된 다층 기판의 경우, 4개의 기판이 적층된 예가 도시되어 있으나, 적층 되는 기판의 수는 패치형 안테나가 적용되는 대상에 따라, 그 곡률에 따라 다를 수 있으므로, 이에 한정되는 것은 아니다.

보다 상세하게는, 도1에 도시된 바와 같이, 상기 다층기판(500)은 제2기판(510), 제3기판(520), 제4기판(530) 및 제5기판(540)으로 이루어진다. 여기서, 상기 네 개의 기판을 적층하는 이유는 무인기(UAV)와 같은 비행운동체의 안테나 시스템에 탑재할 때, 외부로부터의 충격을 최소화하기 위함이다.

일 예로, 제1기판(300) 및 다층기판(500)은 일정한 유전율을 갖는 유전체 기판이다.

본 실시예에서 기판의 두께는 패치형 안테나가 적용되는 대상에 따라, 그리고 곡률에 따라 다를 수 있으므로 기판의 두께에 특별한 제한은 없다. 다만, 유도 비행체에 적용될 경우를 고려할 때 적층되는 단일 기판의 두께는 10~50mm가 바람직하다. 기판의 두께가 10mm 미만인 경우에 가요성은 증가하지만 고속으로 이동 시 기판이 부서질 위험이 커지는 단점이 있고, 50mm 보다 두꺼운 경우에는 강도는 증가하지만 가요성이 떨어져서 패치형 안테나를 곡선형 구조에 적용하기 어려운 한계가 있다.

피드라인(400)은 RF 커넥터(700)로부터 RF신호를 제공받아 비아홀(800)을 통해 다층기판(500)을 지나 제1기판(300)의 하면에서 상기 제1기판(300)의 상면에 위치하는 패치부(200)와의 전자기적인 커플링을 통해 전기적 신호를 상기 패치부(200)에 전달한다.

그라운드(600)는 전압의 기준을 위한 것으로서 0V가 인가된다.

상기 RF 커넥터(700)는 피드라인(400)에 RF신호를 제공하고, 패치형 어레이 안테나를 동체에 장착하기 위하여 고정장치를 이용한다.

도2는 본 발 명의 일 예로 설계된 패치 어레이 안테나의 사시도이다.

제1기판(300)의 상면에는 복수개의 패치부(200)(220)가 위치하고 있고, 보다 상세하게는, 각 상기 패치부(200)는 소정의 간격만큼 이격되어 있다. 제1기판(300) 하부에 위치한 피드라인(400)은 다층기판(500) 중 첫번째 기판인 제2기판(510)에서 시작하여 하부로 제3기판(520), 제4기판(530), 제5기판(540)까지 형성되어 있는 비아홀(800)을 통하여 최하단에 위치하는 RF 커넥터(700)와 연결된다. 이 때, 상기 비아홀(800)은 구리 소재로 제작되어 상기 다층기판(500)은 발열성능이 향상된 배선기판으로 설계한다.

도3은 피드라인(400) 구조를 설명하기 위한 실시예이다.

상기 피드라인(400)은 제1기판(300)과 접촉하여 전기적 신호를 전달하는 패치 매칭부(402), 상기 전기적 신호의 전달 속도를 조절하는 지연라인(404) 및 상기 패치 매칭부(402)와 상기 지연라인(404)를 연결하고, 이와 동일한 구조로 형성되어 있는 복수개의 상기 패치 매칭부(402)와 상기 지연라인(404)을 연결하는 공통라인(410)을 포함한다.

본 발명의 일 예로, 도3을 참조하면, 각 패치 매칭부(402)는 100Ω의 저항을 구비하고 있고, 지연라인(404)은 바람직하게는 35~50ps의 속도로 전기신호를 조절한다. 상기 지연라인(404)의 속도가 35ps 미만이거나 50ps를 초과할 경우, 주파수 별로 안테나 빔조향의 방향이 틀려지는 빔스퀸트(beam squint) 현상을 최소화하기 힘들다.

도4는 패치형 어레이 안테나의 평면도를 나타낸 도면이다.

복수개의 패치부(200)가 제1기판(300)의 일면에 기 설정된 간격으로 배치하고, 피드라인(400)은 상기 제1기판(300)의 다른 일면에 배치해 있음을 가정하고 명확한 상기 피드라인(400)의 구조를 보여주기 위해 나타낸 일 실시예이다.

상기 피드라인(400)에서 각각의 패치부(200)의 위상 값을 조정하여 원하는 방향으로 안테나가 소정의 틸팅각으로 틸팅되도록 구성된다. 이 때, 주파수에 따라서 안테나의 빔 조향이 방향이 틀려지는 빔스퀸트(beam squint) 현상이 발생하는데, 지연라인(404)를 이용해 원하는 빔 조향각에서 상기 빔스퀸트(beam squint) 현상을 최소화 할 수 있다. 여기서, 패치형 어레이 안테나는 복수개의

도5는 복수개의 패치형 어레이 안테나가 특정간격으로 원통형 탑제체에 적용되어 구현한 3차원 구조예이다.

상기 원통형 탑제체의 표면에는 4개의 상기 패치형 어레이 안테나가 배치되어 있고, 4개의 상기 패치부(200)가 포함하는 슬롯(202)의 위치는 기 설정된 방향으로 도면을 통해 예시한다.

여기서, 상기 복수개의 패치형 어레이 안테나는 컨포멀(conformal) 안테나 구현이 용이하도록 가요성을 가지는 얇은 기판을 다수 적층한 것을 포함한다. 따라서, 상기 원통형 탑제체가 비행 운동을 할 때, 외부로부터 받을 수 있는 압력이나 충격에 견뎌낼 수 있는 내구성을 특징으로한다.

도 5에서 도시한 바와 같이, 구현되는 본체의 구조에 따라 상기 원통형 탑제체의 두께(160)은 변경되어 설정될 수 있다.

또한 도5를 참조하면, 패치형 어레이 안테나를 덮는 커버(140)를 도시한다.

상기 커버(140)는 외부의 풍압으로부터 상기 패치형 어레이 안테나를 보호하기 위한 레이돔(100) 및 상기 레이돔(100)을 상기 커버(140)에 고정시키기 위한 이음부(120)를 포함한다.

도 6은 원통형 탑제체의 측면도이다.

일 실시예에 따른 도 6을 참조하면, 동체는 곡면형태로 형성될 수 있다.

보다 상세하게는, 패치형 어레이 안테나가 실시예와 같은 곡면구조에 탑재 가능한 컨포멀 안테나로 구현 가능함을 확인할 수 있다.

도7은 도1의 패치형 안테나를 3차원 EM 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 참고도이다.

도7은 주파수에 따른 반사손실을 나타내는 실험결과이며, 점선은 시뮬레이션 결과를 나타내고, 실선은 실제 패치형 안테나를 이용하여 주파수에 따른 반사손실을 나타낸다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 패치형 어레이 안테나의 안테나 방사패턴 설계 및 측정 결과 그래프이다.

도 8은 도시된 바와 같이, 주파수가 전방으로 20도의 지향 각을 가지면서 12dBi의 고이득 특성을 얻음을 확인 할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 복수개의 패치 어레이 안테나;
    상기 복수개의 패치 어레이 안테나가 비행 동체 부분의 표면에 특정각도의 간격으로 배치되는 것을 포함하고,
    상기 복수개의 패치 어레이 안테나는 제1기판;
    각각 상기 제1 기판의 일면에 위치하고, 공진주파수 대역을 조절하기 위하여 내측방향으로 형성된 적어도 2개 이상의 슬롯을 포함하며, 외부로 전자기파를 방사하는 복수개의 패치부;
    상기 제1 기판의 다른 일면에 위치하고, 상기 복수개의 패치부에 전기적 신호를 전달하는 피드라인;
    상기 피드라인의 일면에 형성된 복수개의 기판들이 적층된 다층기판;
    상기 다층기판의 일면에 위치하는 그라운드; 및
    상기 피드라인에 제공되는 RF신호를 입력 받는 RF 커넥터를 포함하며,
    상기 피드라인은,
    적어도 일부가 디귿자 형태로 마련되어, 상기 전기적 신호의 전달 속도를 조절하는 지연라인;
    상기 제1 기판의 다른 일면에 위치하고, 일단부가 상기 패치부에 소정의 간격으로 이격되어 형성된 상기 2개의 슬롯 사이의 지점에서부터 형성되며, 또 다른 일단부는 상기 지연라인과 연결되는 패치 매칭부; 및
    복수개의 상기 패치 매칭부와 지연라인을 연결하는 공통라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템
11. 제 10항에 있어서,
    상기 복수개의 패치 어레이 안테나는 가요성을 띄는 것을 특징으로 하고,
    곡면 구조에 장착이 가능한 컨포멀(Conformal) 안테나의 특징을 포함한 안테나 시스템

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