KR101927708B1 - 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나 - Google Patents

마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나 Download PDF

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KR101927708B1 KR1020180002311A KR20180002311A KR101927708B1 KR 101927708 B1 KR101927708 B1 KR 101927708B1 KR 1020180002311 A KR1020180002311 A KR 1020180002311A KR 20180002311 A KR20180002311 A KR 20180002311A KR 101927708 B1 KR101927708 B1 KR 101927708B1
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Abstract

본 발명은 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나를 제공한다. 본 발명에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나는 반사손실 및 이득에 있어서 안정적인 결과를 제공할 뿐만 아니라, 잔류 전류의 영향을 최소화 할 수 있고, 복잡한 90도, 180도 하이브리드 3dB 커플러 급전 회로망을 사용하지 않고 이중 선형 편파(dual linear polarization), 우선 원형 편파(right hand circular polarization), 좌선 원형 편파(left hand circular polarization)를 발생 시킬 수 있으며, 효과적인 단일 방향 복사를 얻을 수 있도록 시누어스 암 영역과 미엔더 곡선 영역을 구분하여 설계하고, 하이브리드 3dB 커플러 급전회로를 별도로 사용하지 않고, 마이크로스트립 바룬을 통해 급전시킬 수 있고, 4-암 시누어스 곡선 종단에 전기적 길이를 연장할 수 있도록 미엔더 곡선을 연결하여 설계한 기술적 특징을 갖는다.

Description

마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나{Microstrip Balun-fed four-arm Sinuous Antenna}
본 발명은 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 하이브리드 3dB 커플러 급전회로를 사용하지 않고, 마이크로스트립 바룬으로 급전시키고, 안테나 암의 종단에는 반사파를 최소화하기 위하여 전기적 길이를 연장하기 위한 방법으로 미엔더 곡선을 추가하는 방법을 사용하며, 방향 탐지 등의 대부분의 주파수 독립 광대역 안테나에서 요구하는 단일 방향 복사를 위하여 공동 공진기 후면에 전파 흡수체인 AN-79를 사용하여 저주파 영역에서의 반사손실을 향상시키고, 제작에 있어 구조를 단순화시켜 비용을 절감할 수 있는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나에 관한 것이다.
시누어스 안테나는 초 광대역 시스템을 위하여 다양한 장점을 제공한다. 즉, 안테나 구조는 단일 개구를 가지는 평면 형태이고, 주파수에 독립적이면서도 이중 선형 편파, 우(右)선 원형 편파, 좌(左)선 원형 편파를 발생 시킬 수 있는 유일한 안테나로 기능을 수행하는 것으로 알려져 있다.
그리고 시누어스 안테나는 동시에 서로 직교인 두 편파를 주파수 제한 없이 발생 시킬 수 있어, 민수용 및 군용 응용에 많은 장점이 있지만, 급전 회로망의 설계 및 급전 회로망과 안테나의 통합에 있어 복잡성 때문에 전체 시스템의 성능의 저하를 발생시키고, 또한 그 제작에 있어 어려운 점이 있다.
안테나의 입력 임피던스, 복사 패턴, 편파와 같은 특성은 주어진 동작 주파수의 파장 단위로 계산된 안테나 크기, 형태에 의해서 결정되는데 만약 안테나의 물리적 구조를 임의의 배율로 크기를 작게 혹은 크게 변경해도, 원래의 안테나 구조와 동일하다면, 안테나의 모든 특성이 주파수에 독립인 안테나(Frequency Independent Antenna)가 된다. 다시 말해, 안테나의 모든 물리적 제원을 1/2배로 줄이고, 동작 주파수를 2배로 증가 시켜도, 안테나의 특성이 변화가 없다는 것이다.
그리고 주파수에 따른 안테나 성능의 연속적인 스케일링을 얻기 위하여, 안테나의 구조가 각(angle)에 의해서만 특징지어진다. 이상적인 주파수 독립 안테나는 저주파의 한계와 고주파의 한계를 제거하기 위하여 무한대로 큰 개구와 무한소의 급전 영역을 가지며, 하나의 능동영역(active region)에서 완전한 복사가 일어나야 한다.
그러나 실제적인 안테나의 구조에서는 안테나 중심의 급전 점에 인가한 전류는 능동 영역(active region)에서 일부의 전류가 복사하고, 잔류 전류는 두 번째 능동 영역에서 복사가 발생하지만, 이 또한 완전히 복사가 일어나지 않고, 잔류 전류는 안테나의 종단까지 진행한다.
따라서 안테나의 크기가 충분히 커야 여러 개의 능동 영역을 통과함에 따라서 잔류 전류가 거의 0이 되어 종단에서 급전 점으로 되돌아오는 반사파 전류가 제거된다.
종래의 특허등록공보 등록번호 제10-1667969호 저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나는 슬롯 안테나를 안테나의 크기인 반경을 선형적으로 증가시키되, 시누어스 안테나의 입력 임피던스에 영향을 고려하여 출력 임피던스를 최소화하도록 하기 위한 비자기(non-self) 상보형 슬롯 시누어스 안테나이다.
종래의 시누어스 안테나는 1단 2-암의 시누어스 안테나의 크기상 잔류 전류가 0이 되지 않아 종단에서 반사파 전류가 완전히 제거되지 못하는 문제점이 있다. 그리고 현실적으로 무한히 큰 안테나는 불가능하므로 가장 낮은 동작 주파수의 1차 능동 영역을 포함하는 크기로 절단한다. 이때 능동 영역에서 복사되지 않은 잔류 전류에 의해서 입력 임피던스, 복사 패턴의 성능 저하가 발생한다.
또한, 주파수 독립 안테나는 진행파의 1 파장이 원주에 해당하는 거리에서 복사영역인 능동 영역에서 복사가 일어나는데, 첫 번째 능동영역에서 완전한 복사가 발생하지 않고, 잔류전류는 계속 진행하여 안테나의 종단에서 다시 반사가 일어나는데, 이것이 저주파에서 입력 임피던스의 진동 및 복사 패턴의 성능 저하를 발생시키는 문제가 있어, 이를 해결하기 위하여 안테나의 크기를 매우 크게 해야 하는데, 표면적의 한계로 인하여 현실적으로 문제가 있다.
그리고 시누어스 안테나는 평형 급전을 요구하고 있으나, 종래의 50옴(Ω) 전선은 불평형 급전선이므로 바룬이 필요하다. 바룬은 보통 불평형 선로인 50옴(Ω) 마이크스트립 선로를 평형 선로인 188.550옴(Ω) CPS 선로로 변형 하는 기술을 이용한다. 이러한 바룬을 2-암 시누어스 안테나에 급전할 때는 급전점이 중심에서 2개의 암이 180도로 대칭이기 때문에 간단하게 연결이 가능하다. 그러나 4-암인 경우 안테나 중심으로 4개의 암이 90도로 대칭이기 때문에 급전점의 안테나 회로를 변경하거나, 외부에서 하이브리드 3dB 커플러 급전회로를 사용하기 때문에 안테나 시스템의 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.
대한민국 특허등록공보 등록번호 제10-1667969호 "저입력 임피던스 2-암 슬롯 시누어스 안테나(2-arm slot sinuous antenna for low input impedance)"
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 원형 평파를 생성하기 위하여 종래의 사용되었던 4-암 시누어스 안테나의 제작에 있어 많은 어려움을 가지는 하이브리드 3dB 커플러 급전회로를 별도로 사용하지 않고, 서로 직교로 놓여 있는 4개의 시누어스 암중에 0도 위상을 요구하는 2개의 암을 연결하고, 180도 위상을 요구하는 2개의 암을 연결하여 하나의 급전선을 사용하는 4-암 시누어스 안테나를 제공하기 위한 것이다.
그리고 저주파에서의 성능저하를 줄이기 위해서 4-암 시누어스 안테나 종단에서 안테나의 입력 임피던스에 여전히 반사파에 의한 진동이 발생함에 따라 반사되는 잔류 전류를 최소화하기 위하여 4-암 시누어스 곡선 종단에 전기적 길이를 연장할 수 있도록 미엔더 곡선을 연결하여 전기적인 길이를 길게 하여 설계한 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나를 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 입체회로로 도체로 둘러싸인 공동구조인 공동 공진기;와 상기 공동 공진기 내부에 장착되고, 중앙에 직사각형의 형태로 홈을 가지며, 전파를 흡수하는 전파흡수체;와 상기 전파흡수체의 가운데 직사각형의 홈에 장착되며, 안테나의 전기를 공급하는 마이크로스트립 바룬; 및 상기 전파흡수체의 상단에 위치하며, 상기 마이크로스트립 바룬으로부터 전기를 공급받아 신호를 발생시키는 4-암 시누어스 안테나;를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나를 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 상기 4-암 시누어스 안테나는 [수학식 1]과 같은 시누어스 곡선 방정식을 이용하여 셀 폭이
Figure 112018002159987-pat00001
인 P개의 셀로 구성된 시누어스 곡선을
Figure 112018002159987-pat00002
각도 만큼 회전시켜서 시누어스 암을 만들고, 그 시누어스 암 2 개를
Figure 112018002159987-pat00003
회전시켜 배치하면, 2 암 시누어스 안테나가 되고, 4개를
Figure 112018002159987-pat00004
각도로 배치하여 구성하면 4-암 시누어스 안테나를 구성하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112018002159987-pat00005
Figure 112018002159987-pat00006
(
Figure 112018002159987-pat00007
는 시누어스 곡선의 증가율,
Figure 112018002159987-pat00008
는 시누어스 곡선의 시작 반경,
Figure 112018002159987-pat00009
으로 시누어스 곡선의 최외각 반경, ph1는 시누어스 곡선의 총 회전 각도, lamh는 가장 높은 주파수의 파장, laml는 가장 낮은 주파수의 파장, α1은 시누어스 곡선의 셀 폭 각도(radian), δ1은 시누어스 곡선의 회전 각도(radian), n은 시누어스 곡선의 셀 수, φ는 0 에서 ph1 까지의 함수의 변수,
Figure 112018002159987-pat00010
,
Figure 112018002159987-pat00011
(
Figure 112018002159987-pat00012
은 암의 개수))
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 상기 4-암 시누어스 안테나는 α는 45도, δ는 45도, n=9인 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 상기 4-암 시누어스 안테나는 안테나의 4개의 암에 있어서, 0도 위상을 가지는 1번 암과 2번 암을 서로 연결하고, 180도의 위상을 가지는 3번 암과 4번 암을 서로 연결되어 이루어져, 마이크로스트립 바룬으로부터 급전하면 서로 직교인 2개의 선형 편파를 동시에 발생 시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 상기 4-암 시누어스 안테나는 안테나의 4개의 암에 있어서, 1번 암과 2번 암 사이의 위상차가 90도이고, 3번 암과 4번 암 사이의 위상차도 역시 90도가 발생하는데, 우선 원형 편파를 발생하도록 4개의 암에 대한 각각의 위상이 (0+45)도, (0-45)도, (180+45)도, (180-45)도의 위상을 가지도록 1번 암과 3번 암의 셀 폭은 α를 54.2도로 크게 하고, 2번 암과 4번 암의 셀 폭은 α를 37.64도로 작게 하고, 회전각 δ=22.5도로 하여 마이크로스트립 바룬으로부터 급전하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 상기 4-암 시누어스 안테나는 안테나의 4개의 암에 있어서, 1번 암과 2번 암 사이의 위상차가 90도이고, 3번 암과 4번 암 사이의 위상차도 역시 90도가 발생하는데, 좌선 원형 편파를 발생하도록 4개의 암에 대한 각각의 위상이 (0-45)도, (0+45)도, (180-45)도, (180+45)도의 위상을 가지도록 1번 암과 3번 암의 셀 폭은 α를 37.64도로 작게 하고, 2번 암과 4번 암의 셀 폭은 α를 54.2도로 크게 하고, 회전각 δ=22.5도로 하여 마이크로스트립 바룬으로부터 급전하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 상기 4-암 시누어스 안테나는 잔류 전류를 조금이라도 더 제거하기 위하여, 상기의 [수학식 1]에 의해 생성된 시누어스 곡선 및 시누어스 암에 이어서 [수학식 6]에 의한 미엔더 형태의 곡선 방정식을 이용하여 시누어스 안테나 종단에 미엔더 곡선을 추가하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 6]
Figure 112018002159987-pat00013
Figure 112018002159987-pat00014
(
Figure 112018002159987-pat00015
는 미엔더 곡선 증가 비율, r1은 시누어스 곡선의 최외각 및 미엔더 곡선의 시작 반경, r2 = 미엔더 곡선의 최외각 반경, ph2 = 미에더 곡선의 총 회전각(radian), m = 미엔더 곡선의 최대 진폭, n2 = 1 원주 당 미엔더 진폭의 개수, φ는 0 에서 ph2 까지의 함수의 변수)
본 발명의 실시예에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나는 시누어스 암 영역과 미엔더 곡선 영역을 구분하여 설계함으로서, 반사손실 및 이득에 있어서 안정적인 결과를 제공할 뿐만 아니라, 잔류 전류의 영향을 최소화 할 수 있는 효과를 제공한다.
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나는 시누어스 암의 셀 폭을 조정하여 복잡한 90도, 180도 하이브리드 3dB 커플러 급전 회로망을 사용하지 않고 이중 선형 편파(dual linear polarization), 우선 원형 편파(right hand circular polarization), 좌선 원형 편파(left hand circular polarization)를 발생 시킬 수 있는 장점을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나는 양 방향 복사가 발생하는데, 다양한 응용에서 요구되는 단일 방향 복사를 위하여 공동 공진기 후면에 전파 흡수체인 AN-79를 삽입하는 구성을 통해서 효과적인 단일 방향 복사를 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 시누어스 곡선 및 시누어스 암을 생성하는 셀 폭 및 곡선의 각도에 관한 도면;
도 2(a)는 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나에 급전하는 마이크로스트립 바룬의 윗면에 대한 도면;
도 2(b)는 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나에 급전하는 마이크로스트립 바룬의 접지면을 나타내는 도면;
도 3은 도 2의 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나에 연결한 상태를 나타내는 도면;
도 4는 종래의 마이크로스트립 바룬에서 2-암 시누어스 안테나의 구조 및 급전방법에 대한 도면
도 5는 종래의 2-암 시누어스 안테나의 E-면 에서의 Eθ, EΦ성분의 그래프에 대한 도면;
도 6은 종래의 마이크로스트립 바룬에서 4-암 시누어스 안테나로 급전하는 선형 편파 급전회로에 대한 도면;
도 7은 종래의 마이크로스트립 바룬에서 4-암 시누어스 안테나로 급전하는 급전회로에 대한 도면;
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 바룬으로 외부 회로망없는 이중 선형 편파 생성을 위한 4-암 시누어스 안테나의 급전점 구조에 대한 도면;
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 E-면에서의 Eθ, EΦ성분의 그래프에 대한 도면;
도 10은 종래의 마이크로스트립 바룬에서 4-암 시누어스 안테나로 급전하는 원평 편파 급전회로에 대한 도면;
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 원형 편파 발생을 위한 4-암 시누어스 안테나의 구조에 대한 도면;
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 우선 원형 편파(RHCP)를 발생시키는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 구조에 대한 도면;
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나의 선형 편파 및 원형 편파 급전 방식에 따른 축비 그래프에 대한 도면;
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 우선 원형 편파 급전 후 E-면에서의 우선 원형 편파 및 좌선 원형 편파의 그래프에 대한 도면;
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 좌선 원형 편파 급전 후 E-면에서의 우선 원형 편파 및 좌선 원형 편파의 그래프에 대한 도면;
도 16(a)는 본 발명의 실시예에 따른 시누어스 곡선에 미엔더 곡선를 생성하는 도면;
도 16(b)는 시누어스 곡선에 미엔더 곡선이 생성된 후 시누어스 암이 생성되는 구조에 관한 도면;
도 17(a)는 본 발명의 실시예에 따른 2-암 시누어스 곡선에 연결되는 미엔더 곡선에 대한 도면;
도 17(b)는 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 곡선에 연결되는 미엔더 곡선에 대한 도면;
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나에 생성된 4-암의 시누어스 암에 부가된 미엔더 곡선에 대한 도면;
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나와 4-암 시누어스 미엔더 안테나의 입력 임피던스값 비교한 그래프에 대한 도면;
도 20은 도 19의 그래프에서 2GHz에서 4GHz 사이의 영역에 대한 입력 임피던스 비교를 확대한 그래프에 대한 도면;
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 공동 공진기 및 바룬의 구조에 대한 도면;
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 공동 공진기 내부에 장착된 전파 흡수체 구조에 대한 도면;
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 전파 흡수체 윗면에 장착된 4-암 시누어스 안테나에 대한 도면;
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 전파 흡수체를 사용하지 않은 경우의 4-암 시누어스 안테나의 복사 패턴에 대한 도면;
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 전파 흡수체를 사용한 경우의 4-암 시누어스 안테나의 복사 패턴에 대한 도면이다.
도 1은 종래의 시누어스 곡선 및 시누어스 암을 생성하는 셀 폭 및 곡선의 각도에 관한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나는 [수학식 1]과 같은 시누어스 곡선 방정식을 이용하여 셀 폭이
Figure 112018002159987-pat00016
인 P개의 셀로 구성된 시누어스 곡선을
Figure 112018002159987-pat00017
각도 만큼 회전시켜서 시누어스 암을 만들고, 그 시누어스 암 2 개를 180도 회전시켜 배치하면, 2 암 시누어스 안테나가 되고, 4개를 90도 각도로 배치하여 구성하면 4-암 시누어스 안테나를 구성한다.
시누어스 곡선은 Duhamel이 제시한 것처럼 극좌표에서 n개(n은 1 이상의 자연수)의 셀(cell)로 구성되는데, 하기의 [수학식 1]은 p번째 셀(1≤p≤n)을 나타낸 것이다.
Figure 112018002159987-pat00018
Figure 112018002159987-pat00019
여기서,
Figure 112018002159987-pat00020
는 시누어스 곡선의 증가율,
Figure 112018002159987-pat00021
는 시누어스 곡선의 시작 반경,
Figure 112018002159987-pat00022
으로 시누어스 곡선의 최외각 반경, ph1는 시누어스 곡선의 총 회전 각도, lamh는 가장 높은 주파수의 파장, laml는 가장 낮은 주파수의 파장, α1은 시누어스 곡선의 셀 폭 각도(radian), δ1은 시누어스 곡선의 회전 각도(radian), n은 시누어스 곡선의 셀 수, φ는 0 에서 ph1 까지의 함수의 변수를 나타낸다.
여기서
Figure 112018002159987-pat00023
의 크기가 안테나의 주파수 응답, 이득, 전체적인 효율에 영향을 주게 되므로 이를 선택하는 경우 주의를 해야 하는데,
Figure 112018002159987-pat00024
를 선택해야 양호한 이득, 및 효율이 발생한다고 알려져있다.
또한, 안테나가 자기 상보형 구조가 되기 위한 조건은
Figure 112018002159987-pat00025
(
Figure 112018002159987-pat00026
은 암의 개수)가 되어야 하고, 자기 상보형이 만족하는 경우 자유공간에서 안테나의 입력 임피던스는
Figure 112018002159987-pat00027
으로 주어진다. 그러나 실질적으로는 안테나가 유전체인 기판위에 설계되므로 기판의 비 유전전율 값에 의해서 작아진다.
안테나의 대역폭은 시누어스 곡선의 반경인 물리적 크기
Figure 112018002159987-pat00028
(
Figure 112018002159987-pat00029
= 반경,
Figure 112018002159987-pat00030
=파장)에 비례하므로 원하는 하한 주파수에 상응하는 시누어스 안테나 끝 반경은
Figure 112018002159987-pat00031
, 상한 주파수에 상응하는 시누어스 안테나의 시작 반경은
Figure 112018002159987-pat00032
에 의해서 결정된다.
여기서
Figure 112018002159987-pat00033
는 원하는 대역폭의 하한 및 상한 주파수의 파장을 나타낸다. 따라서 동작 주파수 대역폭이 결정되면 시누어스 안테나의 크기가 결정된다. 그러나 실제적으로는 안테나의 종단에서 잔류 전류의 반사에 의한 저주파에서의 성능 저하를 줄이기 위하여,
Figure 112018002159987-pat00034
의 크기는 약 50% 정도 크게하고, 고주파 영역에서의 분해능 향상을 위하여
Figure 112018002159987-pat00035
의 크기는 50%정도 작게 한다. 또한, 셀의 수 n도 중요한 설계 파라메타중의 하나인데, 셀의 수 n가 증가하면, 각각의 복사영역인 능동영역 사이의 간격이 작아져서 주파수 분해능이 향상되지만, 분해능, 손실 양, 인접 암사이의 결합 양, 암의 크기, 급전점 크기 등등의 성능 및 제작 관점 사이의 어떤 타협이 이루어져야 하는데, 보통 9개의 셀로 구성한다.
본 발명의 실시예에서는 4-암 시누어스 안테나를 제작하는데 있어서는
Figure 112018002159987-pat00036
의 제원을 이용한다.
도 2(a)는 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나에 급전하는 마이크로스트립 바룬의 윗면에 대한 도면이고, 도 2(b)는 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나에 급전하는 마이크로스트립 바룬의 접지면을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2의 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나에 연결한 상태를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 4-암 시누어스 안테나는 자기 상보형 시누어스 안테나로서 안테나에 급전되는 입력 임피던스가 자유공간에서 약 188.5옴으로 높기 때문에 50옴의 급전선을 사용하기 위해서는 임피던스 변환기가 필요하다. 또한, 시누어스 안테나는 평형 급전을 요구하는데, 이에 반해 50옴 급전선은 불평형 급전선에 해당하므로 바룬이 필요하다. 바룬은 보통 불평형 선로인 50옴 마이크스트립 선로를 평형 선로인 188.5옴 CPS(Coplanar Strip)선로로 변형하는 기술을 이용한다.
도 4는 종래의 마이크로스트립 바룬에서 2-암 시누어스 안테나의 구조 및 급전방법에 대한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 바룬으로 2-암 시누어스 안테나를 급전하기 위해서는 2 암 사이를 0도, 180도의 위상차로 전압을 공급해야 하는데 2-암 시누어스 안테나는 급전점이 중심에서 2개의 암이 180도로 대칭이기 때문에 이를 위하여 마이크로스트립 바룬을 2 암 사이에 위치시켜서 간단하게 연결하여 급전하면 된다.
도 5는 종래의 2-암 시누어스 안테나의 E-면 에서의 Eθ, EΦ성분의 그래프에 대한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 2-암 시누어스 안테나의 구 좌표에서
Figure 112018002159987-pat00037
위치에서 주파수에 따른 Eθ 성분과 EΦ 성분의 지향성 이득을 보인 것인데, 주파수 따라서 차이는 있지만, 동일 교차 성분인 Eθ가 교차 성분인 EΦ 보다 약 10dB 정도로 큰 단일 선형 편파가 존재하는 문제가 있다.
도 6은 종래의 마이크로스트립 바룬에서 4-암 시누어스 안테나로 급전하는 선형 편파 급전회로에 대한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 동일 교차 성분인 Eθ 성분과 EΦ성분이 비슷할 수 있는 선형 편파를 생성하기 위하여 마이크로스트립 바룬으로부터 연결된 4개의 암에서 1번 암과 2번 암은 0도, 이에 180도 맞은 편에 3번 암과 4번 암이 배치되는 4-암 시누어스 안테나를 생성해야 한다.
도 7은 종래의 마이크로스트립 바룬에서 4-암 시누어스 안테나로 급전하는 급전회로에 대한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 2-암 시누어스 안테나와 달리 4-암 시누어스 안테나를 제작하는 경우에는 안테나 중심으로 4개의 암이 90도로 대칭이기 때문에 급전점의 안테나 회로를 변경하거나, 외부에서 하이브리드 3dB 커플러 급전회로를 사용해야 한다. 급전회로에 있어 급전점의 위치가 90도 간격으로 서로 직각으로 배치되므로, 시누어스 안테나에 있어 급전점에서 외부로 확대되는 4-암의 안테나를 형성하는데 있어 안테나들 간에 서로 겹치지 않도록 0.5mm의 얇은 기둥에 암이 겹치지 않도록 높낮이를 조정하여 Lower Arm과 Upper Arm으로 구분해야 하는 것과 같이, 3차원 공간적으로 급전점을 배치해야 한다.
그리고 안테나의 4-암의 길이를 동일하게 형성되도록 하기 위해서 기둥에서 먼 암의 길이와 가까운 암의 길이가 동일하도록 가까운 암을 기둥에 바로 연결하지 못하고 γ자 형태로 돌아가도록 해야하므로 제작에 있어 복잡성을 증가시킨다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 바룬으로 외부 회로망없는 이중 선형 편파 생성을 위한 4-암 시누어스 안테나의 급전점 구조에 대한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 4-암 시누어스 안테나는 하이브리드 3dB 커플러 급전회로를 사용하지 않고, 안테나의 4개의 암에 있어서, 0도 위상을 가지는 1번 암과 2번 암을 서로 연결하고, 180도의 위상을 가지는 3번 암과 4번 암을 서로 연결하여 급전하면 4-암 시누어스 안테나는 서로 직교인 2개의 선형 편파 즉, E- 평면, 혹은 H-평면에서 Eθ 성분과 EΦ 성분을 동시에 발생 시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 E-면에서의 Eθ, EΦ성분의 그래프에 대한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 4-암 시누어스 안테나의 구 좌표에서 Φ = 0도 위치에서 주파수에 따른 Eθ 성분과 EΦ 성분의 지향성 이득을 보인 것인데, 주파수 따라서 차이는 있지만, 동일 교차 성분인 Eθ와 교차 성분인 EΦ의 크기가 비슷하여 두 개의 선형 편파가 존재 한다는 것을 알 수 있어 본 발명의 타당성이 입증됨을 확인할 수 있다.
도 10은 종래의 마이크로스트립 바룬에서 4-암 시누어스 안테나로 급전하는 원평 편파 급전회로에 대한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 원형 편파를 발생시키기 위해서는 1번 암과 2번 암 사이의 위상차가 90도이고, 3번 암과 4번 암 사이의 위상차도 역시 90도가 발생하게 4-암의 급전점에 급전한다. 그리고 여기서 1번 암 0도, 2번암 90도, 3번암 180도, 4번암 270도의 위상으로 급전하게 되면 우선원형편파가 발생하고, 1번 암 90도, 2번암 0도, 3번암 270도, 4번암 180도 의 위상으로 급전하면, 좌선원형편파가 발생한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 원형 편파 발생을 위한 4-암 시누어스 안테나의 구조에 대한 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 종래의 급전 회로망 없이 4-암 시누어스 안테나에 원형 편파를 발생하도록 하기 위하여 한 쌍의 시누어스 암 셀 폭은, α값을 약간 증가시키고, 다른 한 쌍의 셀 폭은 α값을 약간 감소시켜서, 두 쌍의 시누어스 암이 서로 직교이면서도 위상차가 90도가 되게 하여 4개의 암의 입력신호의 위상차가 발생하도록 하여 원형 편파가 발생하게 하는 것이다.
즉,
Figure 112018002159987-pat00038
값을 적절히 선정하면, 4개의 암에 대한 각각의 위상이 (0+45)도, (0-45)도, (180+45)도, (180-45)도의 위상을 가지게 되어 우선 원형 편파를 발생하게 할 수 있다. 그리고 좌선 원형 편파를 발생하기 위해서는 4개의 암에 대한 각각의 위상을 (0-45)도, (0+45)도, (180-45)도, (180+45)도의 위상차를 발생시켜 수행할 수 있다.
그리고 원형 편파를 발생시키기 위한 급전하기 위해서는 1번 암과 3번 암의 전기적 길이를 2번 암과 4번 암의 전기적 길이보다 약간 길게 구조화한다. 각 암의 전기적 길이를 조정하는 방법은 상기 [수학식 1]에서 시누어스 곡선의 셀 폭인 α값을 변화시켜서 조정할 수 있다.
먼저, 1번 암의 셀 폭은 약간 크게 하여 위상이 (0+45)도 되게 하고, 2번 셀 폭은 약간 작도록 (0-45)도로 하여 전기적 길이의 차이에 의해서 두 암 사이의 위상차를 90도 되게 하는 것이다. 그리고 원형 편파가 발생하는 척도는 축비(Axial Ratio)인데 다음과 같이 주어진다.
우선 원형 편파의 경우 축비는 [수학식 2]와 같으며, 좌선 원형 편파의 경우 축비는 [수학식 3]과 같다.
Figure 112018002159987-pat00039
Figure 112018002159987-pat00040
축비가 0dB 이면 완전한 원형 편파이고, 40dB 이상인 경우에는 완전한 선형 편파로 간주한다. 그러나 대부분의 경우 안테나 자체에서의 반사 및 주변 환경에 의한 반사 때문에 완벽한 원형 편파 및 선형편파는 존재하지 않고, 타원 편파로 존재하게 되는데, 일반적으로 축비가 3dB 이하인 경우에는원형 편파로 간주한다.
또한, 편파의 회전 방향은 축비의 값으로부터 알 수 없고, +z 방향으로 진행 할 경우, Eθ과 EΦ의 위상차로부터 결정 할 수 있다. 우선 원형 편파의 경우에는 [수학식 4]와 같은 위상차를 가지며, 좌선 원형 편파인 경우에는 [수학식 5]와 같은 위상차를 가지게 된다.
Figure 112018002159987-pat00041
Figure 112018002159987-pat00042
즉, +z 방향(
Figure 112018002159987-pat00043
)에서는 Eθ과 EΦ의 크기가 같고, 시간 위상차가 90도인 경우에는 우선 원형 편파이고, +90도이면 좌선 원형 편파가 발생한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 우선 원형 편파(RHCP)를 발생시키는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나의 구조에 대한 도면이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 1번 암과 3번 암의 셀 폭은 α를 54.2도로 약간 크게 하고, 2번 암과 4번 암의 셀 폭은 α를 37.64도로 약간 작게 하여, 도 11에서와 같이, 1번 암과 2번 암 사이에 90도의 위상차가 발생하고, 3번 암과 4번 암간에 90도의 위상차를 발생시켰다. 다만 안테나의 자기 상보 특성을 유지하기 위하여, 회전각은 4개의 암을 모두 δ=22.5도로 유지하여 설계한 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나의 선형 편파 및 원형 편파 급전 방식에 따른 축비 그래프에 대한 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 설계한 안테나가 원형 편파를 발생한다는 것을 확인하기 위하여 선형 편파인 경우와의 축비를 비교한 것인데, 해석의 전 주파수 영역에서 급전 방법에 따라서 축비가 3dB 이하로서 원형 편파 및 선형 편파가 발생한 다는 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 우선 원형 편파 급전 후 E-면에서의 우선 원형 편파 및 좌선 원형 편파의 그래프에 대한 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 원형 편파가 설계한 대로 우선 원형 편파임을 확인하기 위하여 Φ = 0도에서 우선 원형 편파를 급전한 후 우선 원형 편파와 좌선 원형 편파를 계산한 것인데, 동일 편파인 우선 원형 편파가 교차 편파인 좌선 원형 편파보다 15dB 이상 크다는 것으로서 우선원형파가 발생한다는 것을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 좌선 원형 편파 급전 후 E-면에서의 우선 원형 편파 및 좌선 원형 편파의 그래프에 대한 도면이다.
도 15에 도시된 바와 같이, Φ = 0도에서 좌선 원형 편파의 발생을 위하여 우선 원형 편파인 경우와 반대로 1번 암과 3번 암의 셀 폭은 α를 37.64도로 약간 작게하고, 2번 암과 4번 암의 셀 폭은 α를 54.2도로 약간 크게 하며 안테나의 자기 상보 특성을 유지하기 위하여, 회전각은 4개의 암 모두 δ=22.5도로 유지하여 설계한 경우에서 좌선 원형 편파를 급전 한 상태에서 좌선 원형 편파 및 우선 원형 편파를 보인 것인데, 동일 편파인 좌선 원형 편파가 전 주파수 영역에서 약 10dB 이상 크다는 것을 알 수 있다.
도 16(a)는 본 발명의 실시예에 따른 시누어스 곡선에 미엔더 곡선를 생성하는 도면이고, 도 16(b)는 시누어스 곡선에 미엔더 곡선이 생성된 후 시누어스 암이 생성되는 구조에 관한 도면이다.
도 16에 도시된 바와 같이, 저주파에서의 성능 저하를 줄이기 위하여, 시누어스 곡선의 지름의 크기를 약 50% 정도 크게 하여도 안테나의 입력 임피던스에는 여전히 반사파에 의한 진동이 발생하게 된다. 따라서 이러한 잔류 전류를 조금이라도 더 제거하기 위하여, 상기의 [수학식 1]에 의해 생성된 시누어스 곡선 및 시누어스 암에 이어서 [수학식 6]에 의한 미엔더 형태의 곡선 방정식을 이용하여 시누어스 안테나 종단에 미엔더 곡선을 추가하게 된다. 미엔더 곡선의 추가로 인하여 전기적인 길이를 길게 하여 잔류전류를 줄여서 안테나의 크기 및 저주파에서 안테나의 성능을 향상시킨다.
Figure 112018002159987-pat00044
Figure 112018002159987-pat00045
여기서,
Figure 112018002159987-pat00046
는 미엔더 곡선 증가 비율, r1은 시누어스 곡선의 최외각 및 미엔더 곡선의 시작 반경, r2 = 미엔더 곡선의 최외각 반경, ph2 = 미에더 곡선의 총 회전각(radian), m = 미엔더 곡선의 최대 진폭, n2 = 1 원주 당 미엔더 진폭의 개수, φ는 0 에서 ph2 까지의 함수의 변수를 나타낸다.
도 17(a)는 본 발명의 실시예에 따른 2-암 시누어스 곡선에 연결되는 미엔더 곡선에 대한 도면이고, 도 17(b)는 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 곡선에 연결되는 미엔더 곡선에 대한 도면이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 2-암과 4암을 비교해보면, 각 암의 시누어스 곡선에 미엔더 곡선이 추가적으로 생성되어 4암의 경우에 미엔더 곡선의 밀도가 점점 더 증가하는 것을 알 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나에 생성된 4-암의 시누어스 암에 부가된 미엔더 곡선에 대한 도면이다.
도 18에 도시된 바와 같이, 안테나의 각 암의 종단에서 발생하는 반사파를 최소화할 수 있는 4-암 시누어스 안테나를 제작하기 위해 전기적인 길이를 연장하는 방법으로서, 각 암의 시누어스 암에 연결되는 미엔더 곡선을 생성한다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 4-암 시누어스 안테나와 4-암 시누어스 미엔더 안테나의 입력 임피던스값 비교한 그래프에 대한 도면이고, 도 20은 도 19의 그래프에서 2GHz에서 4GHz 사이의 영역에 대한 입력 임피던스 비교를 확대한 그래프에 대한 도면이다.
도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 4-암 시누어스 안테나에서 시누어스 암만으로 형성된 구조에 비해 각 시누어스 암의 종단에 미엔더 곡선이 추가되어 전기적인 길이가 길어졌다. 이러한 전기적 길이의 연장로 인하여 낮은 주파수 영역, 특히 2GHz에서 4GHz 사이의 영역에서 반사되는 반사파의 영향이 감소되어 잔류 전류의 영향을 최소화 할 수 있고, 반사손실 및 반사이득에 있어 결과가 안정적으로 제공된다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 공동 공진기 및 바룬의 구조에 대한 도면이고, 도 22는 본 발명의 실시예에 따른 공동 공진기 내부에 장착된 전파 흡수체 구조에 대한 도면이다.
도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 4-암 시누어스 안테나를 사용하기 위해서 4-암 시누어스 안테나에 급전시키는 바룬과 초고주파용의 공진기를 실현하기 위한 입체회로로 도체로 둘러싸인 공동구조인 공동 공진기의 구조를 나타낸다. 그리고 원통형의 공동 공진기의 내부에 장착되는 전파흡수체이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 전파 흡수체 윗면에 장착된 4-암 시누어스 안테나에 대한 도면이다.
도 23에 도시된 바와 같이, 4-암 시누어스 안테나는 전파흡수체의 상단에 부착된다. 여기서4-암 시누어스 안테나는 전기를 급전하는 바룬과 연결한다.
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 전파 흡수체를 사용하지 않은 경우의 4-암 시누어스 안테나의 복사 패턴에 대한 도면이고, 도 25는 본 발명의 실시예에 따른 전파 흡수체를 사용한 경우의 4-암 시누어스 안테나의 복사 패턴에 대한 도면이다.
도 24 및 도 25에 도시된 바와 같이, 전파 흡수체를 사용하지 않은 경우의 4-암 시누어스 안테나의 복사 패턴은 안테나의 위쪽고 아래쪽 양방향으로 전파의 복사가 이루어지는 패턴이 발생한다. 그러나 안테나의 경우에는 지향성을 가져야 하기 때문에 안테나의 한 방향인 위쪽으로 보다 큰 복사가 이루어질 수 있도록 전파 흡수체 윗면에 장착함으로써, 위쪽 방향으로 즉 양방향이 아닌 단방향으로 복사가 이루어져 지향성을 가지게 된다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 입체회로로 도체로 둘러싸인 공동구조인 공동 공진기;
    상기 공동 공진기 내부에 장착되고, 중앙에 직사각형의 형태로 홈을 가지며, 전파를 흡수하는 전파흡수체;
    상기 전파흡수체의 가운데 직사각형의 홈에 장착되며, 안테나의 전기를 공급하는 마이크로스트립 바룬;
    상기 전파흡수체의 상단에 위치하며, 상기 마이크로스트립 바룬으로부터 전기를 공급받아 신호를 발생시키는 4-암 시누어스 안테나;를 포함하고,
    상기 4-암 시누어스 안테나는,
    [수학식 1]과 같은 시누어스 곡선 방정식을 이용하여 셀 폭이
    Figure 112018112707742-pat00047
    인 P개의 셀로 구성된 시누어스 곡선을
    Figure 112018112707742-pat00048
    각도 만큼 회전시켜서 시누어스 암을 만들고, 그 시누어스 암 2 개를
    Figure 112018112707742-pat00049
    회전시켜 배치하면, 2 암 시누어스 안테나가 되고, 4개를
    Figure 112018112707742-pat00050
    각도로 배치하여 구성하면 4-암 시누어스 안테나를 구성하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나.
    [수학식 1]
    Figure 112018112707742-pat00051

    Figure 112018112707742-pat00052

    (
    Figure 112018112707742-pat00053
    는 시누어스 곡선의 증가율,
    Figure 112018112707742-pat00054
    는 시누어스 곡선의 시작 반경,
    Figure 112018112707742-pat00055
    으로 시누어스 곡선의 최외각 반경, ph1는 시누어스 곡선의 총 회전 각도, lamh는 가장 높은 주파수의 파장, laml는 가장 낮은 주파수의 파장, α1은 시누어스 곡선의 셀 폭 각도(radian), δ1은 시누어스 곡선의 회전 각도(radian), n은 시누어스 곡선의 셀 수, φ는 0 에서 ph1 까지의 함수의 변수,
    Figure 112018112707742-pat00056
    ,
    Figure 112018112707742-pat00057
    (
    Figure 112018112707742-pat00058
    은 암의 개수))
  3. 청구항 제 2 항에 있어서,
    상기 4-암 시누어스 안테나는,
    α는 45도, δ는 45도, n=9인 값을 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나.
  4. 삭제
  5. 청구항 제 2 항에 있어서,
    상기 4-암 시누어스 안테나는,
    안테나의 4개의 암에 있어서, 1번 암과 2번 암 사이의 위상차가 90도이고, 3번 암과 4번 암 사이의 위상차도 역시 90도가 발생하는데, 우선 원형 편파를 발생하도록 4개의 암에 대한 각각의 위상이 (0+45)도, (0-45)도, (180+45)도, (180-45)도의 위상을 가지도록 1번 암과 3번 암의 셀 폭 α를 54.2도로 크게 하고, 2번 암과 4번 암의 셀 폭 α를 37.64도로 작게 하고, 회전각 δ=22.5도로 하여 마이크로스트립 바룬으로부터 급전하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나.
  6. 청구항 제 2 항에 있어서,
    상기 4-암 시누어스 안테나는,
    안테나의 4개의 암에 있어서, 1번 암과 2번 암 사이의 위상차가 90도이고, 3번 암과 4번 암 사이의 위상차도 역시 90도가 발생하는데, 좌선 원형 편파를 발생하도록 4개의 암에 대한 각각의 위상이 (0-45)도, (0+45)도, (180-45)도, (180+45)도의 위상을 가지도록 1번 암과 3번 암의 셀 폭 α를 37.64도로 작게 하고, 2번 암과 4번 암의 셀 폭 α를 54.2도로 크게 하고, 회전각 δ=22.5도로 하여 마이크로스트립 바룬으로부터 급전하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나.
  7. 청구항 제 2 항, 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 4-암 시누어스 안테나는,
    잔류 전류를 조금이라도 더 제거하기 위하여, 상기의 [수학식 1]에 의해 생성된 시누어스 곡선 및 시누어스 암에 이어서 [수학식 6]에 의한 미엔더 형태의 곡선 방정식을 이용하여 시누어스 안테나 종단에 미엔더 곡선을 추가하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 바룬으로 급전하는 4-암 시누어스 안테나.
    [수학식 6]
    Figure 112018112707742-pat00059

    Figure 112018112707742-pat00060

    (
    Figure 112018112707742-pat00061
    는 미엔더 곡선 증가 비율, r1은 시누어스 곡선의 최외각 및 미엔더 곡선의 시작 반경, r2 = 미엔더 곡선의 최외각 반경, ph2 = 미에더 곡선의 총 회전각(radian), m = 미엔더 곡선의 최대 진폭, n2 = 1 원주 당 미엔더 진폭의 개수, φ는 0 에서 ph2 까지의 함수의 변수)
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