KR101726412B1 - 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

복수의 방사 소자와, 복수의 방사 소자를 연결하는 급전선을 포함하는 적어도 하나의 방사부, 그리고 급전부로부터 제공된 전력을 적어도 하나의 방사부로 전달하는 전력 분배부를 포함하고, 복수의 방사 소자 중 방사부의 중앙에 위치한 제1 방사 소자의 컨덕턴스가 복수의 방사 소자 중 방사부의 가장자리에 위치한 적어도 하나의 제2 방사 소자의 컨덕턴스보다 큰 배열 안테나가 제공된다.

Description

배열 안테나 {ARRAY ANTENNA}

본 발명은 방사 소자가 직렬로 배열된 배열 안테나에 관한 것이다.

인쇄형(printed) 마이크로스트립(micro strip) 형태의 패치 배열 안테나(patch array antenna)는 24GHz ISM(Industrial, Scientific and Medical) 대역용 레이더 감지기에 주로 사용되고 있다. 이때, 안테나의 이득(gain)을 높여야 하거나, 또는 부엽 레벨을 낮출 필요가 있는 등 안테나의 특별한 특성을 위해서, 체비쇼프(chebyshev), 바이노미얼(binomial), 테일러(taylor) 등 복잡한 구조가 배열 안테나에 적용될 필요가 있는데, 이때, 각 방사소자에 대한 급전을 위해 복잡한 급전 회로가 필요하다. 복잡한 급전 회로를 가진 배열 안테나의 설계 및 성능 최적화에는 긴 시간이 소요되는 단점이 있다.

24GHz 대역용 패치 배열 안테나는 설계의 복잡성으로 인한 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 전류의 크기 및 위상이 각 패치로 균일하게 입력되도록 설계되고 있다. 하지만 패치로 입력되는 전류의 크기 및 위상이 균일한 배열 안테나는 높은 부엽 레벨 특성을 보이고 있으며, 이로 인해 감지 영역이 매우 불균일하다.

본 발명이 이루고자 하는 과제는, 고이득 및 낮은 부엽 레벨 특성을 갖는 배열 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 유전체 기판, 유전체 기판의 상부에 형성되고, 복수의 방사 소자 및 복수의 방사 소자를 연결하는 급전선을 포함하는 적어도 하나의 방사부, 그리고 급전부로부터 제공된 전력을 적어도 하나의 방사부로 전달하는 전력 분배부를 포함하고, 복수의 방사 소자 중 방사부의 중앙에 위치한 제1 방사 소자의 컨덕턴스는 복수의 방사 소자 중 방사부의 가장자리에 위치한 적어도 하나의 제2 방사 소자의 컨덕턴스보다 미리 결정된 비율만큼 큰 배열 안테나가 제공된다.

상기 배열 안테나에서, 적어도 하나의 방사부는, 유전체 기판의 상부에 패치 형태로 인쇄될 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 복수의 방사 소자의 컨덕턴스는, 제1 방사 소자에서 적어도 하나의 제2 방사 소자로 향하는 방향으로 미리 결정된 비율에 따라 감소할 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 미리 결정된 비율은, 방향의 부엽 레벨과 관련된 배열 함수를 바탕으로 결정될 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 배열 함수는, 체비쇼프(chebyshev) 배열 함수일 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 복수의 방사 소자의 크기는, 제1 방사 소자에서 적어도 하나의 제2 방사 소자로 향하는 방향으로 미리 결정된 비율로 감소할 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 미리 결정된 비율은, 배열 안테나의 배열 인수 함수 및 방향의 부엽 레벨과 관련된 배열 함수를 바탕으로 결정된 급전 계수의 비율일 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 급전 계수는, 배열 인수 함수 및 배열 함수의 계수 비교를 통해 결정된 계수일 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 급전선은, 복수의 방사 소자로 입력되는 전류의 위상을 제어할 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 전력 분배부는, 전력을 적어도 하나의 방사부에 같은 크기로 전달할 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 전력 분배부는, 급전부에 대하여 적어도 하나의 방사부의 임피던스를 정합시킬 수 있다.

상기 배열 안테나에서, 급전선은 복수의 방사 소자를 직렬로 연결할 수 있다.

본 발명의 한 실시 예에 따르면, 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나는 직렬로 배치된 방사 소자의 크기가 중앙에서 양 끝으로 점차 작아지도록 배열함으로써, 고이득 특성, 낮은 수직 방향 부엽 레벨 및 높은 지향성 특성을 가질 수 있고, 좁은 갑지폭이 요구되는 레이더 감지기에 사용될 수 있으며, 기판 인쇄 형태로 인해 대량 생산에도 유리하다.

도 1a은 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나의 평면도를 나타낸 도면이고, 도 1b는 사시도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나에 포함된 방사부를 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.

도 1a은 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나의 평면도를 나타낸 도면이고, 도 1b는 사시도를 나타낸 도면이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나(100)는, 방사부(110), 전력 분배부(120), 그리고 급전부(130)를 포함한다. 이때, 방사부(110), 전력 분배부, 그리고 급전부(130)는, 유전체 기판(200) 및 접지면(300) 위에 배열될 수 있다.

방사부(110)는, 복수의 방사 소자(111) 및 복수의 방사 소자를 직렬로 연결하는 급전선(112)을 포함하고, 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나(100)는 방사부(110)를 복수 개 포함할 수 있다. 방사부(110)는 마이크로 스트립 형태로 인쇄될 수 있고, 이득 및 부엽 레벨 특성 등 안테나 설계에 관한 다양한 요구 사항에 맞추어 각 방사 소자(111)의 방사 컨덕턴스(radiation conductance, G_R)가 조절될 수 있다. 방사부(110)의 급전선(112)은, 각 방사 소자(111)로 입력되는 전류의 위상을 조절하여 방사되는 빔의 기울기를 제어할 수 있다.

전력 분배부(120)는, 제1 전력 분배부(121) 및 제2 전력 분배부(122)를 포함한다. 전력 분배부(120)는 급전부(130)로부터 제공된 전력을 방사부(110)에 전달할 수 있다. 이때, 제2 전력 분배부(122)는 일정한 출력 전력비(예를 들어, -7.78dB)를 가질 수 있다. 또한, 전력 분배부(120)는, 급전부(130)에 대하여 방사부(110)의 임피던스를 정합(impedance matching)시킬 수 있다.

급전부(130)는, 전력 분배부(120)로 방사부에 제공할 전력을 전달할 수 있다. 본 발명의 한 실시 예에서 급전부(130)는, 트랜지션(transition) 구조를 이용하여 동축 선로 또는 코플라나 전송선(coplanar wavequide, CPW)과 같이 다양한 급전 형태로 변경될 수 있다.

아래에서는 도 2를 통해 방사부(110)의 방사 소자(111)에 대해서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나에 포함된 방사부를 나타낸 도면이다.

본 발명의 한 실시 예에 따른 방사부(110)에 포함된 복수의 방사 소자(111)는, y 방향으로 직렬로 배열되어 있고, 복수의 방사 소자(111) 중 중앙에 위치한 방사 소자의 크기가 가장 크고 중앙에서 양 끝으로 갈수록 방사 소자의 크기가 작아진다. 이때, 각 방사 소자(111)의 크기는 방사 컨덕턴스에 따라서 결정될 수 있다. 즉, 크기가 큰 방사 소자는 크기가 작은 방사 소자에 비해 큰 방사 컨덕턴스를 가질 수 있다. 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나는 유전체 기판에 프린트되는 형식으로 제작될 수 있기 때문에, 각 방사 소자는 x방향 길이(폭) 및 y방향 길이(길이)를 갖는 면으로 크기가 정의될 수 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시 예에 따른 방사부(110)는 9개의 방사 소자(E1 내지 E9)를 포함하고 있고, 방사 소자의 개수는 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나의 사용 목적에 따라 결정될 수 있다.

본 발명의 한 실시 예에 따른 방사부(110)에 포함된 복수의 방사 소자(111)의 방사 컨덕턴스는, 낮은 부엽 레벨 특성을 갖는 배열 함수를 바탕으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 방사 컨덕턴스가 결정되기 위해 부엽 레벨이 -20dB인 체비쇼프 배열 함수가 사용될 수 있다. 그리고 본 발명의 한 실시 예에 따른 각 방사부(110)는 수평 방향(x방향)에 대하여 균일(uniform) 배열 특성을 가질 수 있다.

위에서 설명한 대로, 복수의 방사 소자(111)의 방사 컨덕턴스는 부엽 레벨이 -20dB인 체비쇼프 배열 함수를 바탕으로 계산될 수 있다. 이때, 배열 안테나(100)의 전방(+z 방향) 지향 특성을 위하여 빔이 기울어진 각도는 z축에 대하여 0도로 설계될 수 있다. 수학식 1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나의 배열 인수(array factor, AF)에 관한 함수이다.

[수학식 1]

수학식 1에서 i는 각 방사 소자(111)로 인가되는 전류이고, AF는 Ψ의 함수이다. 수학식 2는 Ψ를 나타낸다.

[수학식 2]

수학식 2에서 k는 빔의 파수(k=2π/λ)이고, d는 방사 소자(111) 간의 간격으로서, 빔의 파장의 1/2로 정의될 수 있다(d=λ/2). 따라서, 각 방사 소자(111)를 연결하는 급전선(마이크로스트립 선로)(112)의 길이는, 빔의 반파장(λ/2)으로 설계될 수 있다. 또한, ω는 각속도를 나타낸다.

이때, 각 방사 소자(111)로 입력되는 전류의 위상은 0˚이지만, 사용환경에 따라 요구되는 빔의 방사 각도에 따라 각 방사 소자(111)에서 전류의 위상이 조절될 수 있다. 또한, 방사 소자(111)의 개수, 이득 또는 빔 폭 또한 적절히 조절될 수 있다.

아래 표 1은 수학식 1에 정의된 배열 인수 함수를 바탕으로 계산된 본 발명의 한 실시 예에 따른 각 방사 소자(111)의 급전 계수와 각 방사 소자(111)의 컨덕턴스를 나타낸다. 본 발명의 한 실시 예에서 각 방사 소자의 급전 계수는 수학식 1의 배열 인수 함수의 cos 항에 대한 계수와 체비쇼프 배열 함수의 계수 간의 계수 비교를 통해 계산될 수 있고, 컨덕턴스는 급전 계수 a_n을 바탕으로 계산될 수 있다. 수학식 3은 방사부(110)에 포함된 모든 방사 소자의 컨덕턴스 합을 나타낸다.

[수학식 3]

수학식 3에서, 총 방사 컨덕턴스(G_t)는 각 방사 소자(111)의 비례상수(constant of proportionality, K) 및 급전계수 a_n을 바탕으로 계산될 수 있고, 본 발명의 한 실시 예에서, 각 방사 소자(111)의 비례상수 및 급전 계수의 합은 1이다. 수학식 1을 통해 계산된 각 급전계수(a_n)를 바탕으로 비례상수를 구하면 아래 수학식 4와 같다.

[수학식 4]

그리고, 비례상수 K(0.1784)를 이용하면 각 방사 소자(111)의 정규화된(normalized) 방사 컨덕턴스는 아래 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.

[수학식 5]

본 발명의 한 실시예에서, 각 급전선(112)의 특성 임피던스는 100[Ω]으로 결정되었고, 따라서 급전선(112)의 정규 임피던스(normalized impedence)도 100[Ω]으로 설정되었다.

소자	급전 계수 (an)	정규화된 컨덕턴스	계산값		최적값
			폭(mm)	길이(mm)	폭(mm)	길이(mm)
E1	0.6014	0.0645	1.123	3.182	1.523	3.182
E2	0.6153	0.0675	1.173	3.173	1.573	3.173
E3	0.8121	0.1176	1.998	3.065	2.398	3.065
E4	0.9503	0.1611	2.703	3.011	3.503	3.011
E5	1.0000	0.1784	2.982	2.994	4.582	2.994
E6	0.9503	0.1611	2.703	3.011	2.903	3.011
E7	0.8121	0.1176	1.998	3.065	1.798	3.065
E8	0.6153	0.0675	1.173	3.173	0.973	3.173
E9	0.6014	0.0645	1.123	3.182	0.923	3.182

표 1을 참조하면, 본 발명의 한 실시 예에 따른 방사 소자는 배열 안테나의 이득을 높이기 위해(23dBi 이상), 폭과 길이가 최적화 되었다.

본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나는, 높은 이득과 좁은 3dB 방사각 특성(HPBW_3dB=5.5˚)을 통해 빔을 날카롭게 형성하여 특정 감지 영역에 대한 집중 감시에 적합하다. 또한, 본 발명의 한 실시 예에 따른 배열 안테나는 체비쇼프 배열 함수를 바탕으로 수직 방향에서 낮은 부엽 레벨(-20dB) 특성을 통해 균일한 수직 방향 감지 성능을 확보할 수 있고, 전 방향(boresight)을 감시할 수 있는 레이더에 사용될 수 있다. 또한, 다양한 함수를 기반으로 각 방사 소자에 대한 급전을 용이하게 할 수 있고, 인쇄형 구조이므로 대량 생산에도 이점이 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

1. 유전체 기판,
   상기 유전체 기판의 상부에 형성되고, 복수의 방사 소자 및 상기 복수의 방사 소자를 연결하는 급전선을 포함하는 적어도 하나의 방사부, 그리고
   급전부로부터 제공된 전력을 상기 적어도 하나의 방사부에게 같은 크기로 전달하는 전력 분배부
   를 포함하고,
   상기 복수의 방사 소자 중 상기 방사부의 중앙에 위치한 제1 방사 소자의 컨덕턴스는 상기 복수의 방사 소자 중 상기 방사부의 가장자리에 위치한 적어도 하나의 제2 방사 소자의 컨덕턴스보다 크고, 상기 복수의 방사 소자의 컨덕턴스는 상기 제1 방사 소자에서 상기 적어도 하나의 제2 방사 소자로 향하는 수직 방향을 따라서 미리 결정된 비율에 따라 감소하며, 상기 미리 결정된 비율은 배열 인수 함수 및 상기 방사부에 의해 방사되는 빔의 상기 수직 방향의 부엽 레벨이 -20dB이 되도록 하는 체비쇼프(chebyshev) 배열 함수 간의 계수 비교를 통해 결정된 급전 계수의 비율인, 배열 안테나.
2. 제1항에서,
   상기 적어도 하나의 방사부는, 상기 유전체 기판의 상부에 패치 형태로 인쇄된 배열 안테나.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에서,
   상기 급전선은, 상기 복수의 방사 소자로 입력되는 전류의 위상을 제어하는 배열 안테나.
10. 삭제
11. 제1항에서,
    상기 전력 분배부는, 상기 급전부에 대하여 상기 적어도 하나의 방사부의 임피던스를 정합시키는 배열 안테나.
12. 제1항에서,
    상기 급전선은 상기 복수의 방사 소자를 직렬로 연결하는 배열 안테나.

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