KR101739889B1

KR101739889B1 - 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치

Info

Publication number: KR101739889B1
Application number: KR1020160013213A
Authority: KR
Inventors: 하재권
Original assignee: 블루웨이브텔(주)
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2017-05-25

Abstract

본 발명은 경사 지향으로 인한 배열 소자에 전파 그늘이 발생되지 않고 지향성을 증대시킬 수 있는 낮은 외형의 배열 안테나 장치에 관한 것이다.
더 구체적으로 본 발명은, 소파구조로 형성되되 상층 외부 도체 및 하층 외부 도체가 급전 선로가 구현되는 얇은 유전체 필름을 유지하면서 결합되고 상기 상층 외부 도체 일면에 지향성을 증대시킬 수 있는 유전체가 결합되는 것을 특징으로 하는 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치에 관한 것이다.

Description

경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치{HIGH EFFICIENT PLANAR ARRAY ANTENNA WITH PROTRUSION DIELECTRIC LOADING STRUCTURE FOR TILTED BEAM DIRECTION}

본 발명은 경사 지향으로 인한 배열 소자에 전파 그늘이 발생되지 않고 지향성을 증대시킬 수 있는 안테나 장치에 관한 것이다.

더 구체적으로 본 발명은, 소파구조로 형성하되 상층 외부 도체 및 하층 외부 도체가 유전체 필름을 유지하면서 결합되고 상기 상층 외부 도체 일면에 지향성을 증대시킬 수 있는 돌출 유전체가 결합되는 것을 특징으로 하는 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치에 관한 것이다.

일반적으로 배열 안테나(Array Antenna)는 전자적 빔 조향이 가능한 능동형 위상 배열 안테나 형태로 이동통신, 위성통신 그리고 레이더 분야 등에 널리 응용되고 있다.

그러나 종래의 배열 안테나에서는 단위소자의 배열 간격에 의해 그레이팅 로브(greating lobe) 등의 불필요한 부엽이 발생할 수 있는데 이 때, 높은 수준의 부엽 레벨은 원하지 않는 방향으로 전파를 송신하거나 수신하게 되어 안테나 성능을 열화시키는 문제점을 야기할 수 있다.

종래의 배열 안테나의 경우 일반적으로 사각형의 등간격 배열 구조를 가지고 있다. 이러한 등간격 배열 구조에서는 그레이팅 로브 억압을 위해 배열 소자간의 간격을 다음의 [수학식 1]과 같은 조건으로 결정한다.

여기서 D는 배열 소자간의 간격이고, λ는 파장이다. 그리고 θ₀는 전자적 빔 최대 조향각이다.

상기한 바와 같이, 종래의 배열 안테나에서는 부엽을 억압하기 위해 배열 소자간의 간격을 상기 [수학식 1]을 만족하도록 설계해야 하지만, 현실적으로 안테나를 제작함에 있어 여러 구조적 이유로 이 조건을 만족하기 어렵다.

특히, 소파 구조에 있어서는 뒤쪽 배열 소자에서 앞쪽 배열 소자에 의한 전파 그늘(shadowing)이 발생하는 문제가 있다. 또한 상기 소파 구조는 낮은 외형이나 다수개의 서브 급전 회로들을 결합하여야 하므로 시스템 구조상 복잡하다는 단점이 있다.

이하, 본 발명과 관련된 선행기술에 대하여 간략하게 살펴본다. 등록특허 제10-1085814호에는 지향성 다이폴 안테나에 대해 기재되어 있다.

상기 기술의 청구항 1을 살펴보면 "+45°및 -45°선형 편파를 갖는 전자파를 송·수신하는 안테나에 있어서, 요소 트레이 평면상에 45°경사로 설치되고, 3dB 빔폭 및 다음과 같이 정의되는 섹터 출력비(SPR)를 가지는 제1빔을 발생시키기 위해 구비되는 적어도 하나의 다이폴 방사요소(14)

(위 식에서 P_Undesired는 상기 안테나에 의하여 제공된 섹터 내로 전달된 바람직한 출력을 나타낸다); 및 등가 3dB 빔폭을 유지하면서 상기 빔의 SPR을 개선하기 위해 구비된 상기 다이폴 방사요소에 근접 배치되는 적어도 하나의 지향기(40,82,92);를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나." 라고 기재되어 있다.

그러나 상기 기술은 경사 지향을 위해 안테나를 45°경사로 설치하여 뒤쪽 배열 소자에서 앞쪽 배열 소자에 의한 전파 그늘(shadowing)이 발생할 수 있고 이로 인해 지향성이 감소될 수 있다.

따라서, 낮은 외형의 경사 지향 구조를 갖되, 경사 지향으로 인한 배열 소자에 전파 그늘이 발생되지 않고 지향성을 증대시킬 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

등록특허공보 제10-1085814호(2011.11.22.)

본 발명의 목적은, 임의의 경사 방향으로 지향성을 갖는 낮은 외형의 고효율 평판 배열 안테나 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은, 안테나의 배열 구조에 있어서 앞쪽 배열 소자로 인해 뒤쪽 배열 소자에 전파 그늘이 발생하지 않도록 하는 데 있다.

본 발명의 목적은, 안테나의 지향성을 증대시키는 데 있다.

위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 안테나 장치는 소파구조로 형성하되 상층 외부 도체 및 하층 외부 도체가 급전 선로가 구현된 얇은 유전체 필름(또는 기판)을 유지하면서 결합되고 상기 상층 외부 도체 일면에 지향성을 증대시킬 수 있는 돌출 유전체가 결합되는 것을 특징으로 하는 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치를 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.

본 발명은 테이퍼링 형상의 돌출 유전체를 통해 앞쪽 배열 소자로 인해 뒤쪽 배열 소자에 전파 그늘이 발생하지 않도록 하는 효과를 보유하고 있다.

본 발명은 안테나의 지향성이 증대되는 효과를 보유하고 있다.

본 발명은 경사진 방향에 위치한 위성과의 통신 및 방송 수신, 그리고 레이더 등에 응용되는 낮은 외형(Low-profile)의 배열 안테나 등에 적용이 용이한 효과를 보유하고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 일예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 일예로서 1x1 배열 안테나의 각 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 지향성 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 일예로서 2x2 배열 안테나의 각 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 일예로서 4x4 배열 안테나 및 4x16 배열 안테나를 도시한 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에서 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

설명에 앞서, 본 출원인은 특허 제10-2015-0026290호(고효율 알에프 전송선로 구조 및 상기 구조를 이용한 응용부품)를 통해 종래의 전송선로 구조의 문제점인 높은 삽입 손실, 높은 가격 및 무겁고 큰 부피 등을 극복할 수 있는 최적의 전송 선로 구조와 상기 선로 구조를 이용한 응용부품을 구현한바 있다.

설계조건에 따라서, 본 발명은 상기 출원된 기술에서 사용된 에어스트립 급전 구조가 적용될 수 있으며 그 외에도 상기 기술의 기술적 사항이 적용될 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 통해 아래에서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 일예를 도시한 도면이다.

도 1에 따른 1x1 배열 안테나 장치(100)는 하층 외부 도체(110), 급전 선로가 구현된 얇은 유전체 필름(120), 상층 외부 도체(130) 및 상기 상층 외부 도체(130)에 정합되는 돌출 유전체(140)로 이루어질 수 있다.

얇은 유전체 필름(120)을 외부 도체 내부에 일정하게 유지하기 위하여 외부 도체를 하층 외부 도체(110)와 상층 외부 도체(130)로 분리하고 그 사이에 얇은 유전체 필름(120)을 삽입한 후 하층 외부 도체(110)와 상층 외부 도체(130)로 지지한다. 또한, 상기 상층 외부 도체(130)의 일면에는 지향성을 증대시킬 수 있도록 돌출 유전체(140)가 결합될 수 있다.

상기 1x1 배열 안테나 장치(100)의 자세한 구성은 도 2에서 후술한다.

도 2는 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 일예로서 1x1 배열 안테나의 각 구성을 도시한 도면이다.

도 2의 (a)는 안테나 장치의 앞면을 나타낸 것이고, 도 2의 (b)는 안테나 장치의 뒷면을 나타낸 것이며 도 2의 (c)는 안테나 장치의 단면을 나타낸 것이다.

도 1에서 설명하였듯 1x1 배열 안테나 장치(100)는 하층 외부 도체(110), 얇은 유전체 필름(120), 상층 외부 도체(130) 및 상기 상층 외부 도체(130)에 정합되는 돌출 유전체(140)로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 하층 외부 도체(110) 및 상층 외부 도체(130)는 직사각형 형상의 단면을 형성하는 구조가 예시되어 있지만, 상기 외부 도체(110, 130)가 형성하는 단면의 형상은 교차 형태로 구성되되, 방사 개구면의 형상은 직사각형, 원형, 보우 타이형 및 도그본형 등으로 구성될 수 있고 상층 외부 도체(130)가 형성하는 단면의 형상은 급전방향과 수직인 일자형 형태로 구성하되, 방사 개구면의 형상은 직사각형, 원형, 보우 타이형 및 도그본형 등의 다양한 단면 형상을 갖도록 구조물을 변경함으로써 입력 정합 특성 및 방사 특성을 조절할 수 있다.

또한 외부 도체(110, 130)의 내부는 동작 주파수 대역과 밀접한 관계를 갖는 정사각형 형태의 공동 구조(Cavity structure, 111, 131)를 가질 수 있다.

상층 외부 도체(130)는 원하는 경사각만큼 전방향으로 돌출된 구조로 형성될 수 있다. 기본 슬롯 개구면 구조와 다르게 경사 방향으로 돌출된 모형으로 구성되는 이유는 방사 및 입력 임피던스 정합을 위함이다. 또한, 상기 상층 외부 도체(130)에는 테이퍼링(폭이 점점 가늘어짐) 형상의 돌출 유전체(140)가 결합될 수 있다.

여기에서 상기 외부 도체(110, 130)의 결합 방법은 본 출원인이 앞서 출원한 특허 제10-2015-0026290호(고효율 알에프 전송선로 구조 및 상기 구조를 이용한 응용부품)에서 주장하는 도체 단락 방식(직접 접촉 방식) 및 도체에 암수 구조물을 구성하여 체결하는 방식이 채용될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 지향성 특성을 도시한 도면이다.

도 3의 (a)는 기본 슬롯 개구면 구조의 안테나 장치의 지향성 특성을 나타낸 것이고, 도 3의 (b)는 경사 방향으로 개구면이 돌출된 안테나 장치의 지향성 특성을 나타낸 것이며, 도 3의 (c)는 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 안테나 장치의 지향성 특성을 나타낸 것이다.

기본 슬롯 개구면 구조를 가진 단위 안테나 소자의 경우 안테나 지향성이 7.3 dBi 이며, 경사 방향으로 방사 개구면이 돌출된 구조를 가진 단위 안테나 소자의 안테나 지향성은 9.0 dBi를 보여준다.

그러나 본 발명에서 주장하고 있는 경사 지향의 돌출 유전체를 포함하는 1x1 배열 안테나 장치(100)의 경우 안테나 이득이 11.7dBi로 높은 안테나 지향성 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치의 일예로서 2x2 배열 안테나의 각 구성을 도시한 도면이다.

본 발명에서 2x2 배열 안테나 장치(200)는 2x2 배열 급전을 위해, 급전 회로망이 사용될 수 있고 얇은 유전체 필름(220) 상에 급전 회로망(221, 내부 도체의 PCB 레이아웃 패턴)이 구현될 수 있으며, 하층 외부 도체(210) 및 상층 외부 도체(230)의 내부에는 배열 소자를 위한 4개의 정사각형 공동 구조(211, 231)외에 급전 회로망의 전송 선로를 위한 통로 또는 채널 구조(212, 232)가 제공될 수 있다.

여기에서 상기 급전 회로의 급전 배열 회로 설계시 앞 뒤 배열들 간의 공간 위상차를 보상해줄 수 있고 평면 배열 소자들간의 배열 간격 Dx, Dy는 서로 다르게 최적화될 수 있다.

또한, 방사 특성 개선을 위해 각 방사 소자 배열 뒷면에 얇은 흡수체를 부착하여 구성할 수 있다.

상층 외부 도체(230)의 일면에는 돌출 유전체(240)를 결합할 수 있는데, 상기 돌출 유전체(240)를 상층 외부 도체(230)에 결합함으로써 낮은 외형의 경사 지향 구조에서도 경사 지향으로 인한 배열 소자에 전파 그늘이 발생하지 않도록 할 수 있고 테이퍼링 형상의 돌출 유전체(240)를 사용함으로써 기존의 안테나 구조보다 안테나의 지향성 특성을 증대시킬 수 있다.

설계조건에 따라 상기 돌출 유전체(240)는 2x2 배열 구조로 결합된 채로 구성되거나 1x1 배열 구조로 분리 구성될 수 있다.

도 2 및 도 4에 도시된 1x1 배열 안테나 및 2x2 배열 안테나 외에도 설계조건에 따라 4x4 배열 및 4x16 배열 등의 다양한 배열이 가능하도록 설계될 수 있으며, 이는 도 5에서 도시한다.

도 5의 (a)는 4x4 배열 안테나를 도시한 것이고 도 5의 (b)는 4x16 배열 안테나를 도시한 도면이다.

한편, 상기에서 도 1 내지 도 5를 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도 1 내지 도 5의 구성 및 기능에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

100 : 1x1 배열 안테나 장치 110 : 하층 외부 도체
111 : 공동 구조 120 : 유전체 필름
130 : 상층 외부 도체 131 : 공동 구조
140 : 돌출 유전체 200 : 2x2 배열 안테나 장치
210 : 하층 외부 도체 211 : 공동 구조
212 : 채널 구조 220 : 유전체 필름
221 : 급전 회로망 230 : 상층 외부 도체
240 : 돌출 유전체

Claims

경사 지향으로 인한 배열 소자에 전파 그늘이 발생되지 않고 지향성을 증대시킬 수 있는 안테나 장치에 있어서,
상기 안테나 장치는,
소파구조로 형성되되 상층 외부 도체 및 하층 외부 도체가 급전 선로가 구현되는 얇은 유전체 필름을 유지하면서 결합되고 상기 상층 외부 도체 일면에 지향성을 증대시킬 수 있는 돌출 유전체가 결합되는 것을 특징으로 하는 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치
청구항 1에 있어서,
상기 상층 외부 도체는,
전방향으로 돌출된 구조로써, 경사 방향으로 돌출된 모형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 돌출 유전체는,
테이퍼링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치.
청구항 1에 있어서,
상층 외부 도체에 결합되는 돌출 유전체는,
n×n(n≥2)배열 구조의 안테나 장치에서 돌출 유전체가 서로 부착된 상태 또는 분리된 상태로 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 경사 지향을 위한 돌출 유전체 로딩 구조를 갖는 고효율 배열 안테나 장치.