KR101843305B1

KR101843305B1 - 광대역 캐비티 백 안테나

Info

Publication number: KR101843305B1
Application number: KR1020170023578A
Authority: KR
Inventors: 최재훈; 정구호; 이성규
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2018-05-14

Abstract

본 발명은 광대역 캐비티 백 안테나에 관한 것으로, 캐비티(20) 구조를 포함하는 도체(10)와 상기 도체(10)의 상면에 적층되는 두 개의 유전체 기판(40)과 상기 유전체 기판(40)에 위치하는 급전선(40)과 슬롯(60)이 식각된 패치(50)를 포함한다.
본 발명은 무인기 배면에 매립이 가능하여 공기역학적인 측면에서 좋은 특성을 가지며 안테나의 유효 레이다 단면적을 최소화하며 넓은 대역폭에서 동작할 수 있는 이점이 있다.

Description

광대역 캐비티 백 안테나{WIDEBAND CAVITY BACKED ANTENNA}

본 발명은 광대역 캐비티 백 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무인기 배면에 매립이 가능하여 공기역학적인 측면에서 좋은 특성을 가지며 안테나의 유효 레이다 단면적을 최소화하며 넓은 대역폭에서 동작할 수 있는 광대역 캐비티 백 안테나에 관한 것이다.

UHF 대역에서부터 Ka 대역에까지 운용되는 각종 레이더 및 통신장치의 전자정보를 광범위하게 수집하는 시스템인 ELINT(Electronics Intelligence)는 현대 전자전에서 매우 중요한 역할을 하고 있다.

ELINT 시스템은 육상, 해상, 항공에서 다양한 용도로 사용되고 있는데, 그 중에서도 항공용 ELINT 시스템은 전파 가시거리가 멀기 때문에 가장 널리 운용되어 왔으며, 최근에는 무인기에 적용되어 사용되고 있다.

현재 항공기에 적용되는 ELINT 시스템용 안테나는 주로 블레이드(Blade) 형태로 설계되어 사용되고 있다. 하지만, 이는 측면으로의 공기저항과 유효 레이다 단면적(RCS)이 크다는 단점을 갖고 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위해 항공기에 매립되는 형태의 안테나에 대한 연구가 진행되었으나, 대역폭이 충분히 넓지 않은 단점을 가지고 있다.

특허문헌 1: 한국공개공보 제2007-0084284호(2007.08.24 공개)

본 발명의 목적은 무인기 배면에 매립이 가능하여 공기역학적인 측면에서 좋은 특성을 가지며 안테나의 유효 레이다 단면적을 최소화하며 넓은 대역폭에서 동작할 수 있도록 설계한 광대역 캐비티 백 안테나를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 캐비티 구조를 포함하는 도체와 상기 도체의 상면에 적층되는 유전체 기판과 상기 유전체 기판에 위치하는 패치를 포함한다.

상기 캐비티의 너비면은 사인파(sinusoidal) 구조로 형성된다.

상기 유전체 기판은 2장이 적층된 형태이며 리지드 케이블을 통해 급전되어 동작한다.

상기 2장의 유전체 기판 중 상기 도체의 상면에 적층되는 첫 번째 유전체 기판에 급전선이 배치되고, 두 번째 유전체 기판의 상면에 상기 패치가 인쇄된다.

상기 패치는 사각 패치이고, 상기 유전체 기판에 대해 소정 각도 회전된 형상으로 인쇄된다.

상기 패치에 슬롯이 식각된다.

상기 슬롯은 U자 형상으로 된다.

상기 캐비티 구조를 포함하는 도체의 상부에 배치되는 급전선을 포함하며, 상기 급전선과 상기 패치 사이에 커플링(coupling) 에너지를 통해 급전이 되고, 상기 패치에 슬롯을 식각하여 광대역 특성을 구현한다.

본 발명의 안테나는 캐비티 구조를 포함하는 도체 위에 유전체 기판 2장이 적층된 형태로서, 리지드 케이블을 이용하여 급전한다. 또한, 리지드 케이블을 통해 광대역 특성을 가지는 캐비티 공진이 가능하도록 하고 사각 패치에 슬롯을 식각하여 넓은 주파수 응답 특성을 갖도록 한다.

상기한 본 발명은 소형 경량일 뿐 아니라 광대역 특성을 갖기 때문에 ELINT 시스템의 신호와 정보 수집에 높은 범용성을 제공하며 무인기에 매립되었을 때, 공기 역학적인 특성과 유효 레이다 단면적의 성능을 개선시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 의한 광대역 캐비티 백 안테나를 보인 분해 사시도 및 결합 사시도.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 의한 캐비티를 보인 전면도 및 측면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 패치를 보인 전면도.
도 4는 본 발명의 실시예에서 회전각도 a에 따른 안테나의 반사손실 특성을 측정한 그래프.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 의해 실제 제작된 안테나의 모의실험된 방사패턴 도면.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 광대역 캐비티 백 안테나는, 도 1에 도시된 바와 같이, 캐비티(20) 구조를 포함하는 도체(10)와 도체(10)의 상면에 적층되는 하나 이상의 유전체 기판(40)과, 유전체 기판(40)의 상면에 인쇄되는 사각 패치(50)를 포함한다.

도체(10)는 직육면체 형상으로 형성되며 상부로 개구되는 형상의 캐비티(20)를 포함한다. 도체(10)의 직육면체 형상 저면이 접지면(30)이 되며, 안테나의 방사특성은 접지면(30)의 크기에 영향을 받으므로 접지면은 요구되는 최소크기를 만족하도록 설계된다.

도체(10)에 캐비티(20) 구조를 포함하는 것은 대역폭을 향상시키기 위한 것이다. 캐비티(20)의 형상 변화에 따라 주파수 응답이 변화하므로 캐비티(20)의 길이를 조정하여 주파수를 목표 대역에 맞게 조정 가능하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 캐비티(20)의 너비면은 넓은 주파수 응답에서 임피던스 정합이 이루어지도록 하기 위해서 직선 구조가 아닌 사인파(sinusoidal) 구조로 형성하여 넓은 광대역 특성을 구현한다.

캐비티(20)의 너비면은 아래와 같은 수식에 의해 산출된 것이다.

[수식 1]

여기서, L_a는 사인파 구조의 진폭 크기, W_c는 캐비티의 폭을 의미한다.

캐비티는 길이(L_c), 폭(W_c), 높이(H_c), 사인파 구조의 진폭 크기(L_a)로 모델링이 가능하며, 적절한 동작모드의 값을 갖는 캐비티의 길이(L_c), 폭(W_c), 높이(H_c), 사인파 구조의 진폭 크기(L_a)를 결정하여 안테나의 주파수 응답을 조정함으로써 공진 주파수를 목표 대역에 맞게 조정할 수 있다.

L_c가 증가할수록 공진 주파수가 감소하고, W_c가 증가할수록 공진 주파수가 감소하는 실험 결과를 토대로 공진 주파수를 목표 대역에 맞게 조정할 수 있다.

도체(10)를 이용하여 접지면(30) 처리하고, 도체(10)의 상면에 유전체 기판(40)을 적층하고 유전체 기판에 선로 형상을 구현하여 안테나를 구현한다.

유전체 기판(40)은 2장이 적층된 형태이며, 리지드 케이블을 통해 급전되어 동작한다. 유전체 기판(40)은 FR4 기판(ε_r=4.4, tanζ=0.02)을 사용할 수 있다.

도체(10)의 상면에 적층되는 첫 번째 유전체 기판(41)에 급전선(70)이 배치되고, 두 번째 유전체 기판(43)의 상면에 사각 패치가 인쇄된다. 급전선(70)과 사각 패치(50) 사이의 커플링(coupling) 에너지를 통해 급전이 된다. 급전선(70) 및 사각 패치(50)는 도체로 된다.

사각 패치(50)는 반 파장 공진이 발생하도록 길이와 폭을 조정하여 안테나의 주파수에 응답을 변화시켜 동작주파수를 목표 대역에 맞게 조정할 수 있다.

사각 패치(50)에 추가 공진을 위한 슬롯(60)이 식각된다. 슬롯(60)의 길이를 조정하여 슬롯(60) 주변에 공진이 일어나는 전류를 조정할 수 있다.

슬롯(60)은 U자 형상으로 형성된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 사각 패치(50)는 유전체 기판(43)에 대해 소정 각도 회전된 형상으로 유전체 기판(43)에 인쇄된다. 사각 패치(50)의 회전은 급전선과 사각 패치(50) 사이의 임피던스 정합을 향상시켜 대역폭을 증가시키기 위한 것이다. 사각 패치(50)는 유전체 기판(43)에 대해 30°회전된 형상인 것이 바람직하다.

상술한 광대역 캐비티 백 안테나는 동작주파수 3.02~7.43GHz(4,410MHz)에서 동작하도록 설계된다.

이하 본 발명의 모의실험과 제작 및 측정을 통해 동작특성을 분석하고 성능 검증한 내용을 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 캐비티(20) 구조를 포함하는 55mm×40mm×10mm의 도체(10)의 상면에 FR4 기판 2장(1mm, 3mm)이 적층된 형태이며, 급전을 위해 50Ω 리지드(rigid) 케이블을 연결하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, 캐비티(20)의 너비면은 직선구조가 아닌 사인파 구조로 형성하여 광대역 특성을 구현하였으며, 사인파 구조는 전술한 [수식 1]을 통해 구현하였다.

캐피티(20)는 길이(L_c), 폭(W_c), 높이(H_c), 사인파 구조의 진폭 크기(L_a)를 결정하여 안테나의 주파수 응답을 조정함으로써 공진 주파수를 목표 대역에 맞게 설계하였다.

실험결과, 캐피티의 최적화된 설계변수는 길이(L_c) 19mm, 폭(W_c) 53mm, 높이(H_c) 8.5mm, 사인파 구조의 진폭 크기(L_a) 53mm이다.

두 장의 유전체 기판(40) 중 첫 번째 유전체 기판(41)에는 급전선(70)을 위치하고, 두 번째 유전체 기판(43)의 상면에는 슬롯(60)이 식각된 사각 패치(50)를 인쇄하였다.

도 3에 도시된 바와 같이, 슬롯(60)이 식각된 사각 패치(50)는 길이(P_L)와 폭(Pw)을 조정하여 안테나의 주파수 응답을 변화시켜 목표 대역에 맞게 조정하였고, 전체 슬롯 길이(2×S_L1+S_L2)를 조정하여 목표 대역에 맞게 최적화하였다.

사각 패치(50)는 유전체 기판(43)에 대해 소정 각도(a) 회전된 형상으로 유전체 기판(43)에 인쇄하여 임피던스 정합이 향상되도록 하였다.

실험결과, 사각 패치(50)의 최적화된 설계변수는 길이(P_L) 33mm, 폭(Pw) 12mm, a=30°이고, 슬롯(60)의 최적화된 설계변수는 S_L1 5mm, S_L2 10mm이다.

도 4에는 본 발명의 실시예에서 회전각도 a에 따른 안테나의 반사손실 특성을 측정한 그래프가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 사각 패치의 회전각도에 변화를 주었을 때 주파수에 따른 반사손실 특성을 보면, a를 조정함에 따라서 급전선과 사각 패치 사이에 임피던스 정합이 향상되어 대역폭이 증가함이 확인된다.

a=0°일 때 10dB 반사손실 대역폭은 2,030 MHz(4.92~6.95 GHz)이며 중심주파수 5.94 GHz에서 비대역폭 약 34.2%를 갖지만, a=30°일 때 10dB 반사손실 대역폭은 5,255 MHz(3.02~7.43 GHz)이며 중심주파수 5.23 GHz에서 약 84.8%의 넓은 비대역폭을 얻을 수 있었다.

도 5 내지 도 9에는 상술한 설계변수로 실제 제작된 안테나의 모의실험된 방사패턴을 나타내고 있다.

도 5 내지 도 9에서는 모의실험 및 측정을 통해 얻은 이득 값을 xz, yz면으로 각각 나누어 비교하였다.

도 5 내지 도 9에서 확인되는 바와 같이, 방사패턴은 +z 방향으로 지향성을 나타내고 있으며, 최대이득은 6.59 GHz에서 7.38 dBi이며 최소이득은 7.21 GH_Z에서 2.41 dBi 이다. 또한, 평균 전후방비(front to back ratio)는 15.05 dB의 값을 가짐을 확인할 수 있다.

상기 모의실험된 방사패턴으로부터, 캐비티 구조를 갖는 도체의 상부에 두 개의 유전체 기판을 적층하고, 첫 번째 유전체 기판에는 급전선을 위치하고 두 번째 유전체 기판에는 슬롯이 식각된 사각 패치를 배치하며, 한정된 크기에서 캐비티 너비면을 직선구조가 아닌 사인파 구조를 이용하여 광대역 특성을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.

그리고 회전된 사각 패치와 슬롯을 이용하여 각각 하위대역과 상위대역에서 추가 공진을 확보해 넓은 대역폭을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.

상술한 안테나는 기존에 연구되었던 비대역폭 40%에서 90.9%로 약 50%의 비대역폭 증가시키고 안테나의 측정된 10dB 반사손실 대역폭을 5,010 MHz(3.02~8.05 GHz)이며, 평균이득은 3.52 dBi, 평균 전후방비 15.05 dB를 가진다.

따라서 본 발명은 ELINT 시스템의 신호와 정보 수집에 높은 범용성을 제공하며, 무인기에 매립이 되었을 때, 공기 역학적인 특성과 유효 레이다 단면적 성능을 개선시킬 수 있다.

참고로 도면에 표시된 치수는 모의 실험결과 제작된 안테나의 최적화된 설계변수를 도시한 것이며 단위는 mm이다.

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 도체 20: 캐비티
30: 접지면 40: 유전체 기판
50: 패치 60: 슬롯
70: 급전선

Claims

캐비티 구조를 포함하는 도체;
상기 도체의 상면에 적층되는 유전체 기판; 및
상기 유전체 기판에 위치하는 패치;를 포함하고,
상기 캐비티의 너비면은 사인파(sinusoidal) 구조이며,
상기 유전체 기판은 2장이 적층된 형태이며 리지드 케이블을 통해 급전되어 동작하되,
상기 2장의 유전체 기판 중 상기 도체의 상면에 적층되는 첫 번째 유전체 기판에 급전선이 배치되고,
두 번째 유전체 기판의 상면에 상기 패치가 인쇄되며,
상기 패치는 사각 패치이고, 상기 유전체 기판에 대해 30°회전된 형상으로 인쇄되는 것을 특징으로 하는 캐비티 백 안테나.
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청구항 1에 있어서,
상기 패치에 슬롯이 식각된 것을 특징으로 하는 캐비티 백 안테나.
청구항 6에 있어서,
상기 슬롯은 U자 형상으로 된 것을 특징으로 하는 캐비티 백 안테나.
캐비티 구조를 포함하는 도체의 상부에 2장의 FR4 기판을 적층하고,
첫 번째 FR4 기판에 급전선을 위치하고,
두 번째 FR4 기판에 슬롯이 식각된 패치를 인쇄하며,
리지드 케이블을 이용하여 급전되며,
상기 캐비티 구조의 너비면은 사인파 구조로 형성하되,
상기 패치는 상기 두 번째 FR4 기판의 상면에 30°회전된 형상으로 인쇄한 것을 특징으로 하는 캐비티 백 안테나.
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