KR102007876B1 - 마이크로스트립 배열 안테나 - Google Patents

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KR102007876B1
KR102007876B1 KR1020180074157A KR20180074157A KR102007876B1 KR 102007876 B1 KR102007876 B1 KR 102007876B1 KR 1020180074157 A KR1020180074157 A KR 1020180074157A KR 20180074157 A KR20180074157 A KR 20180074157A KR 102007876 B1 KR102007876 B1 KR 102007876B1
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황금철
이종민
송찬미
이성우
윤주호
임홍준
박원빈
권오헌
장소현
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것으로 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스트립 배열 안테나는, 기판, 상기 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 급전 라인, 상기 기판의 상면에 형성되며, 각 급전 라인으로부터 갭(gap)을 두고 제1방향으로 배열되는 복수의 방사소자로 구성된 방사소자 열을 포함하는 방사부, 상기 기판의 하면에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 복수의 방사소자는 커플링을 통해 상기 급전라인으로부터 급전받는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

마이크로스트립 배열 안테나{MICROSTRIP ARRAY ANTENNA}
본 발명은 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수에 따른 복사 패턴 및 이득 특성이 일정한 광대역 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것이다.
최근의 무선통신 기술은 다양한 응용에 활용되고 있는데, 그 응용 분야로 레이더 디텍션(radar detection)을 들 수 있다. 레이더 디텍션은 특정 지역에서 발사된 미사일을 추적하거나 이동 중인 차량의 속도를 측정하는 것 등과 같이 주로 금속성 물체를 탐지하는 기술분야를 말하고, 차량용 레이더 센서 등에 이용될 수 있다. 차량용 레이더 센서는 운행 중 발생할 수 있는 충돌 방지 및 회피를 위해 요구되고, 안테나를 이용하여 전자파를 송신하고 목표물로부터 반사된 전자파를 수신하여 목표물과의 거리, 방향, 속도 정보 등을 검출하는 무선 감지 장치이다. 차량용 레이더 센서에 사용되는 주파수는 주로 밀리미터파 대역이 이용되고, 전자파를 송수신하는데 사용되는 안테나는 경량의 소형, 박형 구조가 요구된다.
마이크로스트립 안테나는 경량의 소형, 박형 구조로 제작이 용이하고 제작 단가가 저렴하며 집적회로와 함께 집적될 수 있는 장점을 가지고 있어 차량용 레이더 안테나로 사용될 수 있다. 차량용 레이더를 위한 마이크로스트립 안테나는 마주 오는 차량에서 송신한 전자파와 구별하기 위해 지평면과 45도 각도를 이루는 선형 편파를 이용할 수 있다.
또한, 차량용 레이더를 위한 마이크로스트립 안테나는 그 응용에 따라 높은 이득과 작은 빔 폭, 낮은 부엽 레벨을 갖도록 설계될 수 있으며 이러한 특성을 만족시키기 위해 배열 안테나의 형태로 구성될 수 있다. 한편, 마이크로스트립 배열 안테나에 전력을 인가하는 방법은 일반적으로 직렬 또는 병렬 형태의 급전 선로가 이용될 수 있으나 소형화를 위해 직렬 급전 방법을 사용할 수 있다.
그러나, 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나는 빔 틸팅(tilting) 현상으로 인해 배열 안테나의 주파수에 따른 동일 평면 복사 패턴 및 브로드사이드(broadside) 이득이 일정하지 않을 뿐만 아니라, 좁은 반사계수 대역폭 특성으로 인해 UWB 차량용 레이다와 같은 광대역 어플리케이션으로는 적합하지 않은 문제가 있다.
이에, 광대역 반사계수 특성을 구현하고, 주파수에 따른 위상 변화를 최소화하여 빔 틸팅 특성을 억제할 수 있는 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나가 필요한 실정이다.
이와 관련 선행기술로는 대한민국공개특허 제10-2015-0137554호(발명의 명칭: 패치 배열 안테나 및 이를 구비하는 레이더 신호 송수신 장치)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광대역 반사계수 특성을 구현하고, 주파수에 따른 위상 변화를 최소화하여 빔 틸팅 특성을 억제할 수 있는 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
발명의 일 실시예에 따른 마이크로스크립 배열 안테나는, 기판, 상기 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 급전 라인, 상기 기판의 상면에 형성되며, 각 급전 라인으로부터 갭(gap)을 두고 제1방향으로 배열되는 복수의 방사소자로 구성된 방사소자 열을 포함하는 방사부, 상기 기판의 하면에 형성되는 접지면을 포함하되, 상기 복수의 방사소자는 커플링을 통해 상기 급전라인으로부터 급전받는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1방향은 급전 라인의 길이 방향(Y축)이고, 상기 방사부는 복수의 방사소자가 상기 급전 라인의 길이 방향으로 일렬로 배열된 방사소자 열이 상기 급전 라인을 중심으로 양측에 각각 배열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 급전 라인의 좌측에 배열된 제1 방사소자 열과 급전 라인의 우측에 배열된 제2 방사소자 열에 포함된 방사소자의 개수는 동일하고, 상기 제1 방사소자 열에 포함된 복수의 방사소자와 상기 제2 방사소자 열에 포람된 복수의 방사소자는 상기 급전 라인을 기준으로 지그재그 형태로 배열된 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 방사소자는 마이크로스트립 패치이고, 상기 마이크로스트립 패치는 직사각형, 사다리꼴, L자형 중 적어도 하나의 형태일 수 있다.
바람직하게는, 상기 방사부에 포함된 복수의 방사소자는 갭(gap), 방사소자의 크기(Lp), 방사소자의 급전라인 길이(Dp)에 대해 균일 분포를 가지고, 동일한 복사 전력을 발생시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 방사부에 포함된 복수의 방사소자 각각은 갭(gap), 방사소자의 크기(Lp), 방사소자의 급전라인 길이(Dp)에 대해 가중치 분포를 가지고, 서로 다른 복사전력을 발생시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 가중치 분포는, Taylor 분포, Chebyshev 분포, Bayliss 분포 중 적어도 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 급전 라인에 전력을 급전하는 급전부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 급전부는 각 급전라인의 끝단 또는 중앙에 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 급전 라인의 끝단에 결합되며 임피던스 매칭을 조절하기 위한 임피던스 변환기를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 급전 라인이 복수 개인 경우, 복수 개의 급전 라인은 상기 제1방향과 직각 방향(x축)으로 일정 간격 이격되어 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로스크립 배열 안테나는, 제1 기판, 상기 제1 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 급전 라인, 상기 제1 기판의 상면에 형성되며, 각 급전 라인으로부터 갭(gap)을 두고 제1방향으로 배열되는 복수의 방사소자로 구성된 방사소자 열을 포함하는 방사부, 상기 제1 기판의 하면에 형성되는 제1 접지면, 상면에는 복수의 슬롯이 형성되고, 하면에는 제2 접지면이 형성되는 제2 기판 및 상기 제1 기판과 제2 기판이 연결되도록, 상기 제2 기판을 상하로 관통하여 평행한 비어홀이 배열된 기판 집적형 도파관 구조를 갖는 급전부를 포함하되, 상기 복수의 방사소자는 커플링을 통해 상기 급전라인으로부터 급전받을 수 있다.
바람직하게는, 상기 급전부는 상기 급전라인의 중앙에 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 급전 라인의 끝단에 결합되며 임피던스 매칭을 조절하기 위한 임피던스 변환기를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 급전 라인이 복수 개인 경우, 복수 개의 급전 라인은 상기 제1방향과 직각 방향(x축)으로 일정 간격 이격되어 배열될 수 있다.
본 발명에 따르면, 갭 커플링 급전 패치 안테나를 이용하여 직렬 급전 배열 안테나를 구성함으로써, 광대역 반사계수 특성을 구현할 수 있고, 주파수에 따른 위상 변화를 최소화하여 빔 틸팅 특성을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 갭 커플링 급전 패치 안테나를 이용하여 직렬 급전 배열 안테나를 구성함으로써, 주파수에 따른 위상 변화를 획기적으로 줄일 수 있고, 이로 인해 배열 안테나의 빔 틸팅 특성을 억제하여 배열 안테나의 주파수에 따른 복사 패턴 및 브로드사이드 방향 이득을 일정하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 갭 커플링 패치 안테나를 이용함으로써, 배열 안테나의 반사 계수 대역폭을 넓힐 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나는 UWB 차량용 레이다와 같은 광대역 어플리케이션으로 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭 커플링 급전 방식의 패치 안테나 단일 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 패치 안테나 단일 소자의 시뮬레이션 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 단일 소자의 산란 계수 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 단일 소자의 복사 전력에 따른 설계 변수 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 갭 커플링 직렬 급전 방식의 마이크로 스트립 배열 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 마이크로스트립 배열 안테나의 균일 분포를 위한 설계변수를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7과 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 79 GHz에서 도 7과 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 복사패턴 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 77-81 GHz 내에서 도 7과 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 7과 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 6에 도시된 마이크로스트립 배열 안테나의 가중치 분포를 위한 설계변수를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 12와 같은 설계된 가중치 분포 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 79 GHz에서 도 12와 같은 설계된 가중치 분포 배열 안테나의 복사패턴 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 77-81 GHz 내에서 도 12과 같은 설계된 가중치 분포 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 16은 도 12와 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사소자의 형상을 설명하기 위한 예시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 갭 커플링 직렬 급전의 마이크로스트립 배열 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 도 18에 도시된 Center-feeding 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 20는 도 18에 도시된 Center-feeding 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(79 GHz)를 나타낸 도면이다.
도 21은 도 18에 도시된 Center-feeding 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(77-81 GHz)를 나타낸 도면이다.
도 22는 도 18에 도시된 Center-feeding 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 도 23에 도시된 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 25는 도 23에 도시된 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(79 GHz)를 나타낸 도면이다.
도 26은 도 23에 도시된 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(77-81 GHz)를 나타낸 도면이다.
도 27은 도 23에 도시된 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 29는 도 28에 도시된 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 30은 도 28에 도시된 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(79 GHz)를 나타낸 도면이다.
도 31은 도 28에 도시된 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(77-81 GHz)를 나타낸 도면이다.
도 32는 도 28에 도시된 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 33은 도 1의 종래 마이크로스트립 배열 안테나와 도 6에 도시된 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 반사계수 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프이다.
도 34는 도 1의 종래 마이크로스트립 배열 안테나와 도 6에 도시된 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(yz-plane)를 비교한 그래프이다.
도 35는 도 1의 종래 마이크로스트립 배열 안테나와 도 6에 도시된 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(xz-plane)를 비교한 그래프이다.
도 36은 도 1의 종래 마이크로스트립 배열 안테나와 도 6에 도시된 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수개의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수개의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나(10)는 복수의 방사 소자(11) 및 복수의 방사 소자(11)를 직렬로 연결하는 급전라인(12)을 포함한다.
이러한 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나(10)는 빔 틸팅(tilting) 현상으로 인해 배열 안테나의 주파수에 따른 동일 평면 복사 패턴 및 브로드사이드(broadside) 이득이 일정하지 않을 뿐만 아니라, 좁은 반사계수 대역폭 특성으로 인해 UWB 차량용 레이다와 같은 광대역 어플리케이션으로 적합하지 않다.
이에, 본 발명은 복사 패턴 및 이득 특성이 일정한 광대역 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 제공하고자 한다.
이러한 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 제공하기 위해, 주파수에 따른 위상 특성 변화가 적은 갭 커플링 급전 방식의 패치 안테나 단일 소자를 설계하고, 설계된 단일 소자를 바탕으로 각 단일 소자의 복사 전력을 계산 및 복사 전력에 따른 단일 소자의 설계 변수를 추정하며, 이를 바탕으로 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 설계한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 갭 커플링 급전 방식의 패치 안테나 단일 소자를 설명하기 위한 도면, 도 3은 도 2에 도시된 패치 안테나 단일 소자의 시뮬레이션 모델을 설명하기 위한 도면, 도 4는 단일 소자의 산란 계수 시뮬레이션 결과를 설명하기 위한 도면, 도 5는 단일 소자의 복사 전력에 따른 설계 변수 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 갭 커플링 급전 방식의 패치 안테나 단일 소자는 기판(110), 기판 상면에 형성된 급전 라인(120), 급전 라인(120)을 중심으로 일정 간격의 갭(gap)을 두고 형성된 방사소자(130)를 포함한다.
기판(110)은 하면에 접지면(미도시)이 형성될 수 있다. 이때, 기판(110)은 Isola 사의 AstraMT77 제품으로 구성될 수 있고, AstraMT77 기판 이외에도 다른 유전체 기판을 사용할 수도 있다. 또한, 기판(110)의 유전상수(εr)는 3, 손실 탄젠트(tanδ는 0.0017, 두께(h)는 0.127 mm로 구성될 수 있다.
급전 라인(120)은 갭 커플링으로 방사소자(130)를 급전한다. 이때, 급전 라인(120)은 직렬 급전선로로, 예컨대, 50 옴(ohm) 특성 임피던스를 갖는 선로일 수 있다. 또한, 마이크로스트립 급전선로(120)의 임피던스는 50Ω이 아닌 임의의 임피던스의 마이크로스트립 라인일 수 있다.
방사 소자(130)는 기판(110)의 상면에 형성되며, 급전 라인(120)으로부터 일정 갭(gap)을 두고 존재하는 직사각형의 패치의 형상일 수 있다. 또한, 방사소자(130)는 45° 기울어진 사다리꼴 형상, L-형상 등 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
한편, 도 3의 시뮬레이션 모델과 같이 단일 소자 시뮬레이션을 위해서는 y-축 방향의 두 마이크로스트립 끝단에 waveguide port 설정을 하여 2-port 시뮬레이션을 수행한다. 최적 설계된 단일 소자의 산란 계수 시뮬레이션 결과는 도 4와 같다. 단일 소자가 중심 주파수에서 동작하기 위해서는 중심 주파수에서의 복사 전력이 최대이어야 하며, 마이크로스트립 선로를 통해 반사되는 전계의 크기가 매우 작아야 한다. 이를 위해서는 도 4의 (a)와 같이 중심 주파수에서의 반사 계수 크기가 -10 dB 이하, 투과 계수가 전 주파수 대역 내에서 가장 작은 값을 가져야 한다. 또한, 단일 소자 시뮬레이션 모델의 전기적 길이는 도 4 (b)의 투과 계수의 위상 시뮬레이션 결과와 같이 1 파장(360°의 위상) 이어야 한다. 이는 직렬 급전 배열 안테나 구성 시 각 소자간의 간격을 1 파장으로 유지하기 위함이다. 이러한 시뮬레이션 결과와 같이 단일 소자를 최적 설계하기 위해, 단일 소자를 구성하는 설계 변수를 변경 및 최적의 값을 시뮬레이션을 통해 찾는다. 단일 소자의 복사 전력(RP)은 아래 수학식 1을 통해 계산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018063243191-pat00001
여기서, S11은 반사 계수의 크기, S21은 투과 계수의 크기를 의미한다.
단일 소자의 복사 전력은 갭의 크기에 비례하며, 단일 소자의 복사 전력에 따른 설계 변수는 도 5와 같다. 도 5를 기반으로 특정 분포를 갖는 직렬 급전 배열 안테나를 구성하는 배열 소자의 설계 변수를 도출할 수 있다.
이렇게 도출된 배열 소자의 설계 변수를 바탕으로 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 설계할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 갭 커플링 직렬 급전 방식의 마이크로스트립 배열 안테나의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 갭 커플링 직렬 급전 방식의 마이크로 스트립 배열 안테나를 설명하기 위한 도면, 도 7은 도 6에 도시된 마이크로스트립 배열 안테나의 균일 분포를 위한 설계변수를 설명하기 위한 도면, 도 8은 도 7과 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과, 도 9는 79 GHz에서 도 7과 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 복사패턴 시뮬레이션 결과, 도 10은 77-81 GHz 내에서 도 7과 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과, 도 11은 도 7과 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면, 도 12는 도 6에 도시된 마이크로스트립 배열 안테나의 가중치 분포를 위한 설계변수를 설명하기 위한 도면, 도 13은 도 12와 같은 설계된 가중치 분포 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과, 도 14는 79 GHz에서 도 12와 같은 설계된 가중치 분포 배열 안테나의 복사패턴 시뮬레이션 결과, 도 15는 77-81 GHz 내에서 도 12과 같은 설계된 가중치 분포 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과, 도 16은 도 12와 같은 설계된 균일 분포 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면, 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방사소자의 형상을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 갭 커플링 직렬 급전 방식의 마이크로 스트립 배열 안테나(100)는 기판(110), 급전부(140), 급전 라인(feeding line)(120), 방사부(130), 접지면(150)을 포함한다.
기판(110)은 하면에 접지면(150)이 형성될 수 있다. 이때, 기판(110)은 Isola 사의 AstraMT77 제품으로 구성될 수 있고, AstraMT77 기판 이외에도 다른 유전체 기판을 사용할 수도 있다. 또한, 기판(110)의 유전상수(εr)는 3, 손실 탄젠트(tan δ는 0.0017, 두께(h)는 0.127 mm로 구성될 수 있다.
급전부(140)는 급전 라인(120)에 전력을 제공하는 구성으로, 급전 라인(120)의 끝단에 위치할 수 있다. 이때, 급전부(140)는 트랜지션(transition) 구조를 이용하여 동축 선로 또는 코플라나 전송선(coplanar wavequide, CPW)과 같이 다양한 급전 형태로 변경될 수 있다.
급전 라인(120)은 기판(110)의 상면에 형성되고, 갭 커플링으로 방사소자(130)를 급전한다. 이러한 급전 라인(120)은 직렬 급전선로로, 예컨대, 50 옴(ohm) 특성 임피던스를 갖는 선로일 수 있다. 이때, 마이크로스트립 급전선로(120)의 임피던스는 50-Ω이 아닌 임의의 임피던스의 마이크로스트립 라인일 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 마이크로스트립 배열 안테나(100)는 급전 라인(120)의 끝단에 결합되며 임피던스 매칭을 조절하기 위한 임피던스 변환기(Transformer)(160)를 더 포함할 수 있다. 이때, 임피던스 변환기(160)는 배열 안테나(100)의 임피던스 정합을 위해, 안테나의 동작 주파수 파장(λ)의 λ/4 임피던스 변환기(λ/4)일 수 있다. 현재 입력단 마이크로스트립 선로의 특성 임피던스가 50-Ω 배열 안테나(100)의 입력 임피던스가 정확히 50-Ω 이 아니기 때문에 두 임피던스를 매칭하기 위해 임피던스 변환기(transformer)(160)가 필요하다. 임피던스 변환기(160)가 없는 경우 임피던스 정합이 이루어지지 않아 반사 계수가 -10dB 이하로 형성되지 않는다.
방사부(130)는 기판(110)의 상면에 형성되며, 급전 라인(120)으로부터 갭(gap)을 두고 제1방향으로 배열되는 복수의 방사소자(135)로 구성된 방사소자 열(135a, 135b)을 포함한다. 즉, 방사부(130)는 급전 라인 길이 방향으로 복수의 방사소자(135)가 일렬로 배열된 방사소자 열(135a, 135b)이 급전 라인(120)을 중심으로 양측에 각각 배열된다. 따라서, 방사부(130)는 급전 라인(120)의 좌측 방향으로 복수의 방사 소자(135)가 직렬로 배열된 제1 방사소자 열(135a), 급전 라인(120)의 우측 방향으로 복수의 방사소자(135)가 직렬로 배열된 제2 방사소자 열(135b)이 배열된다. 이때, 제1 방사소자 열(135a)과 제2 방사소자 열(135b)에 포함된 방사소자의 개수는 동일할 수 있고, 제1 방사소자 열(135a)에 포함된 복수의 방사소자(135)와 제2 방사소자 열(135b)에 포람된 복수의 방사소자(135)는 급전 라인(120)을 기준으로 지그재그 형태로 배열될 수 있다. 이러한 지그재그 형태를 가진 두 개의 방사 소자열(135a, 135b)로 인해 방사소자들(135)은 두개의 열로 배열된 것처럼 보이게 된다.
방사소자 열(135a, 135b)은 급전 라인(120)을 중심으로 양측에 갭(gap)을 두고 복수의 방사소자(135)가 일렬로 배치되는 패치로 이루어질 수 있다. 여기서는 방사소자가 직사각형 형상으로 구성된 것으로 도시하였으나, 방사소자는 도 17에 도시된 바와 같이 45° 기울어진 사다리꼴 형상, L-형상 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 급전 라인(120)과 갭(gap)을 두고 존재하는 각 방사소자(135)는 커플링을 통해 급전 라인(120)으로부터 급전받는다. 즉, 방사부(130)의 각 방사소자(135)는 커플링(또는 갭 커플링) 방식으로 급전받는다. 일반적으로 안테나는 특정 전송선로에 연결되어(예컨대 전선과 같은) 급전되는 형태이지만 실제 전송선로와 접촉이 없이도 전송선로와 안테나 사이에 형성되는 전계에 의해 급전되는 경우가 있다. 이러한 급전 방식을 커플링 급전이라고 한다. 즉, 커플링 급전은 급전 라인(120)과 방사소자(135) 사이에 형성되는 갭에서 생성되는 전계에 의한 급전을 의미한다.
따라서, 본 발명의 안테나(100)는 급전을 위한 마이크로스트립 급전 라인(120)과 방사소자(135) 사이에 갭이 존재하므로, 방사소자(135)와 마이크로스트립 급전 라인(120) 사이의 갭에 형성되는 전계에 의해 방사소자(135)가 급전된다. 이때, 급전 라인(120)과 방사 소자(135) 사이의 갭(gap) 크기가 작으면 방사소자(135)와 마이크로스트립 급전 라인(120) 간 간격이 가까워지고, 이는 곧 커플링되는 전계의 크기가 커짐을 의미하며, 커플링되는 전계의 크기는 복사 전력과 비례한다. 따라서 갭 크기가 작을수록 복사 전력이 커진다.
한편, 방사부(130)에 포함된 복수의 방사 소자(135)는 y방향으로 직렬로 배열되어 있고, 복수의 방사 소자(135)는 동일한 복사전력을 발생하거나 또는, 서로 다른 복사전력을 발생할 수 있다. 이때, 방사부(130)에 포함된 방사 소자(135)의 개수는 배열 안테나의 사용 목적에 따라 결정될 수 있다.
먼저, 방사소자(135)의 설계변수를 동일하게 하면, 복수의 방사소자(135)가 동일한 복사전력을 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로스트립 배열 안테나(100)는 유전체 기판에 프린트되는 형식으로 제작될 수 있기 때문에, 각 방사 소자(135)는 x방향 길이(폭) 및 y방향 길이(길이)를 갖는 면으로 크기가 정의될 수 있다. 따라서, 갭(gap), 방사소자(135)의 크기(Lp), 각 방사소자(135)의 마이크로스트립 급전라인(120)의 길이(Dp)를 모두 동일하게 설정하면, 방사부(130)에 포함된 모든 방사소자는 동일한 복사전력을 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 1개의 급전라인과 18개의 방사 소자를 포함하는 1×18 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 경우, 18개 방사 소자의 설계 변수는 도 7에 도시된 바와 같이 동일하게 설계할 수 있다.
도 7과 같이 설계된 균일 분포 배열 안테나의 시뮬레이션 결과는 도 8 내지 도 11과 같다. 도 8은 균일 분포 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과이며 설계된 배열 안테나는 7.3%(75.6-81.35 GHz)의 넓은 -10 dB 반사계수 대역폭 특성을 나타낸다. 이는 UWB 차량용 레이다 주파수 대역인 77-81 GHz를 포함한다. 도 9는 79 GHz에서 xz-, yz-plane의 복사 패턴을 나타낸다. 브로드사이드 방향에서의 이득은 17.8 dBi 이고, xz-, yz-plane에서의 반치각(HPBW)은 각각 48.8°와 8.6°임을 확인할 수 있다. 도 10으로부터 77-81 GHz 내에서 설계된 배열 안테나의 복사 패턴이 일정함을 확인할 수 있다. 주파수에 따른 빔 틸팅 특성이 거의 없으며, 각 평면에서의 반치각의 변화도 매우 적다는 것을 확인할 수 있다. 도 11은 설계된 배열 안테나의 주파수에 따른 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과이다. 77-81 GHz내에서 이득의 차이가 1 dB 이내인 것을 확인할 수 있다. 설계된 균일 분포 배열 안테나는 4 GHz에 이르는 대역(77-81 GHz) 내에서 -10 dB 이하의 반사계수 특성, 동일한 복사 패턴 특성, 동일한 브로드사이드 이득 특성을 보여준다. 따라서 UWB 대역 차량용 레이다와 같은 광대역 어플리케이션으로 적합하다.
다음으로, 방사소자(135)의 설계변수를 다르게 하면, 복수의 방사소자가 서로 다른 복사전력을 발생할 수 있다. 즉, 갭(gap), 방사소자(135)의 크기(Lp), 각 방사소자(135)의 마이크로스트립 급전라인(120)의 길이(Dp)를 다르게 설정하면, 방사부(130)에 포함된 복수의 방사소자(135)는 서로 다른 복사전력을 발생할 수 있다. 이처럼 서로 다른 복사 전력을 발생시키는 방사 소자(135)를 이용하여 특정 가중치 분포를 갖는 배열 안테나를 설계할 수 있다.
예를 들어, 1개의 급전라인과 18개의 방사 소자를 포함하는 1×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나에 -20 dB Taylor 가중치 분포를 적용한 1×18 가중치 분포 직렬 급전 배열 안테나의 경우, 18개 방사 소자의 설계 변수는 도 12에 도시된 바와 같이 갭(gap), 방사소자의 크기(Lp), 각 방사소자의 마이크로스트립 급전라인의 길이(Dp)를 다르게 설계할 수 있다. 이 때, 가중치 분포 배열 안테나에 적용하는 특정 가중치 분포는 Taylor 분포뿐만 아니라, Chebyshev 분포, Bayliss 분포와 같은 다양한 분포를 적용 가능하다.
도 12와 같이 -20 dB Taylor 가중치 분포를 적용한 1×18 배열 안테나의 시뮬레이션 결과는 도 13 내지 도 16과 같다. 도 13은 가중치 분포 배열 안테나의 반사계수 시뮬레이션 결과이며, -10 dB 반사계수 대역폭은 5.9%(76.51-81.23 GHz)로 나타났다. 도 14 및 도 15는 가중치 분포 배열 안테나의 복사 패턴 특성을 나타내며, 79 GHz에서의 브로드사이드 방향 이득은 17.7 dBi, 반치각은 xz-,yz-plane에서 각각 49°와 9.7°임을 확인할 수 있다. 또한, 가중치 분포를 적용함으로써 yz-plane에서 최대 부엽 준위가 -21.6 dB로, -20 dB Taylor 가중치 분포가 잘 적용되었음을 확인할 수 있다. 도 15로부터 77-81 GHz 내에서 가중치 분포 배열 안테나의 최대 부엽 준위를 포함한 복사 패턴이 일정함을 확인할 수 있다. 또한 도 16으로부터 가중치 분포 배열 안테나의 브로드사이드 이득 변화가 77-81 GHz 내에서 1 dB 내외로 일정한 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 6에서는 마이크로스트립 급전라인(120)의 끝단에서 급전하는 End-feeding 방식을 이용하는 것으로 설명하였으나, SIW의 slot을 이용한 Center-feeding 방식을 사용할 수도 있다.
이하, 도면을 참조하여, SIW의 slot을 이용한 Center-feeding 방식을 이용하는 마이크로스트립 배열 안테나에 대해 설명하기로 한다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 갭 커플링 직렬 급전의 마이크로스트립 배열 안테나를 설명하기 위한 도면, 도 19는 도 18에 도시된 Center-feeding 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프, 도 20는 도 18에 도시된 Center-feeding 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(79 GHz), 도 21은 도 18에 도시된 Center-feeding 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(77-81 GHz), 도 22는 도 18에 도시된 Center-feeding 균일 분포 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 갭 커플링 직렬 급전의 마이크로스트립 배열 안테나(200)는 제1 기판(210), 제1 기판(210)의 상면에 형성된 급전라인(feeding line)(220) 및 방사부(230), 제1 기판(210)의 하면에 형성된 제1 접지면(250), 제2 접지면(280)이 하면에 형성된 제2 기판(270), 급전부(240)를 포함한다.
제1 기판(210)은 제1 접지면(250)과 전기적으로 연결되며, 방사부(230)가 상면에 형성된다.
제1 기판(210), 방사부(230), 급전 라인(220)은 도 6과 동일하므로 그 설명은 생략하기로 한다.
제2 기판(270)의 상면에는 복수의 슬롯(290)이 형성되고, 하면에는 제2 접지면(280)이 형성된다.
급전부(240)는 제1 기판(210)과 제2 기판(270)을 연결하도록 제2 기판(270)을 상하로 관통하여 평행한 두 개의 비어홀(245)이 배열된 기판 집적형 도파관(SIW) 구조로 이루어져 있다. 이때, 급전부(240)는 슬롯이 배치되어, 급전 라인(220)으로 전기 신호를 주입시킨다.
또한, 기판 집적형 도파관(SIW)에 마이크로스트립 급전라인(220)을 결합한 변환구조로서, 도 18에 도시된 마이크로스트립 급전라인(220)과 기판 집적형 도파관(SIW)을 연결하는 연결부의 테이퍼(taper) 길이의 거리를 조절하여 기판 집적형 도파관 구조의 급전부 임피던스를 50Ω으로 변환할 수 있다.
급전 라인(220)은 기판 집적형 도파관(SIW) 구조의 급전부(240)를 통해 전력을 공급받는다.
상술한 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나(200)는 SIW의 slot을 이용한 Center-feeding 방식을 사용할 수도 있다.
이러한, Center-feeding 방식을 활용한 균일 분포 배열 안테나의 시뮬레이션 결과는 도 19 내지 도 22와 같다. 반사계수 특성은 도 19와 같으며, 5.8%(76.82-81.41 GHz)의 -10 dB 반사계수 대역폭 특성을 나타낸다. 복사 패턴 특성은 도 20 및 도 21과 같고, 79 GHz에서의 브로드사이드 방향 이득은 17.4 dBi, 반치각은 xz-,yz-plane에서 각각 52.3°와 8.7°임을 확인할 수 있다. 도 21에서 확인할 수 있듯, 77-81 GHz 내에서 복사 패턴이 일정하며, center-feeding 방식을 사용함에 따라 빔 틸팅 현상이 전혀 발생하지 않는다. 따라서 도 22에서와 같이 주파수에 따른 브로드 사이드 이득의 변화가 1 dB 이하로 매우 적다는 것을 확인할 수 있다.
상술한 갭 커플링 직렬 급전의 마이크로스트립 배열 안테나들은 하나의 직렬 급전 배열 안테나인 것으로 설명하였으나, 갭 커플링 직렬 급전의 마이크로스트립 배열 안테나는 둘 이상의 직렬 급전 배열 안테나를 결합하는 2 차원 배열 안테나로 설계할 수도 있다.
이하, 둘 이상의 직렬 급전 배열 안테나를 결합한 2 차원 배열 안테나에 대해 설명하기로 한다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나를 설명하기 위한 도면, 도 24는 도 23에 도시된 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면, 도 25는 도 23에 도시된 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(79 GHz)를 나타낸 도면, 도 26은 도 23에 도시된 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(77-81 GHz)를 나타낸 도면, 도 27은 도 23에 도시된 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 23을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나는 두개의 직렬 급전 배열 안테나가 결합된 2 차원 배열 안테나일 수 있다. 2차원 배열 안테나는 기판 상면에 도 6에 도시된 급전부, 급전라인(feeding line), 방사부(125) 각각이 두 개 결합된 안테나로, 각 구성은 도 6에 도시된 구성과 동일하므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
도 23의 2×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 시뮬레이션 결과는 도 24 내지 도 27과 같다. 반사계수 특성은 도 24와 같으며, 5.75% (76.45-80.98 GHz)의 -10 dB 반사계수 대역폭 특성을 나타낸다. 복사 패턴 특성은 도 25 및 도 26과 같고, 79 GHz에서의 브로드사이드 방향 이득은 19 dBi, 반치각은 xz-,yz-plane에서 각각 42.7°와 9.5°임을 확인할 수 있다. 배열 안테나의 방사소자 개수를 증가시켰기 때문에 설계한 배열 안테나의 이득이 증가하였다. 또한 도 26에서 확인할 수 있듯, 77-81 GHz 내에서 복사 패턴이 일정하며 도 27에서와 같이 주파수에 따른 브로드 사이드 이득의 변화가 1 dB 내외로 매우 적다는 것을 확인할 수 있다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나를 설명하기 위한 도면, 도 29는 도 28에 도시된 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 반사 계수 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면, 도30은 도 28에 도시된 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(79 GHz)를 나타낸 도면, 도 31은 도 28에 도시된 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(77-81 GHz)를 나타낸 도면, 도 32는 도 28에 도시된 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 28을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나는 4개의 직렬 급전 배열 안테나가 결합된 2 차원 배열 안테나일 수 있다. 2차원 배열 안테나는 기판 상면에 도 6에 도시된 급전부, 급전라인(feeding line), 방사부(125) 각각이 4개 결합된 안테나로, 각 구성은 도 6에 도시된 구성과 동일하므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
도 28의 4×18 갭 커플링 직렬 급전 배열 안테나의 시뮬레이션 결과는 도 29 내지 도 32와 같다. 반사계수 특성은 도 29와 같으며, 각 소자별로 5.45% (76.36-80.67 GHz), 5.8% (76.46-81.03 GHz)의 -10 dB 반사계수 대역폭 특성을 나타낸다. 복사 패턴 특성은 도 30 및 도 31과 같고, 79 GHz에서의 브로드사이드 방향 이득은 21.5 dBi, 반치각은 xz-plane, yz-plane에서 각각 22.4°와 9.3°임을 확인할 수 있다. 배열 안테나의 방사소자 개수를 증가시켰기 때문에 설계한 배열 안테나의 이득이 증가하였다. 또한 도 31에서 확인할 수 있듯, 77-81 GHz 내에서 복사 패턴이 일정하며 도 32에서와 같이 주파수에 따른 브로드 사이드 이득의 변화가 1.5 dB 내외로 매우 적다는 것을 확인할 수 있다.
도 33은 도 1의 종래 마이크로스트립 배열 안테나와 도 6에 도시된 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 반사계수 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프, 도 34는 도 1의 종래 마이크로스트립 배열 안테나와 도 6에 도시된 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(yz-plane)를 비교한 그래프, 도 35는 도 1의 종래 마이크로스트립 배열 안테나와 도 6에 도시된 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 복사 패턴 시뮬레이션 결과(xz-plane)를 비교한 그래프, 도 36은 도 1의 종래 마이크로스트립 배열 안테나와 도 6에 도시된 본 발명의 마이크로스트립 배열 안테나의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과를 비교한 그래프이다.
도면에서 'Coupled patch array'는 본 발명의 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나, ‘Direct feeding patch array’는 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 의미한다.
도 33은 두 직렬 급전 배열 안테나의 반사계수 시뮬레이션 결과이며, 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나의 반사계수 대역폭이 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나에 비해 1.5 GHz 이상 넓어진 것을 확인할 수 있다.
도 34 및 도 35는 두 직렬 급전 배열 안테나의 xz-plane, yz-plane에서의 복사 패턴 시뮬레이션 결과이며, 각 도에서의 좌측 그래프는 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나, 우측 그래프는 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나의 시뮬레이션 결과이다. 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나의 복사 패턴은 77-81 GHz 내에서 일정한 특성을 보여주는 반면 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나의 복사 패턴은 빔 틸팅 현상으로 인하여 주파수에 따른 복사 패턴이 일정하지 않음을 확인할 수 있다. 특히 yz-plane에서는 주파수에 따라 주빔의 방향이 달라지는 빔 틸팅 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있으며, xz-plane에서는 빔 틸팅 현상으로 인한 이득 저하를 확인할 수 있다. 이는 도 36의 브로드사이드 이득 시뮬레이션 결과에서도 확인할 수 있는데, 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나는 77-81 GHz 내에서 이득 변화가 1 dB 내외로 일정한 반면 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나의 경우 77-81 GHz 내에서의 이득 변화가 6 dB 이상으로 매우 큼을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 갭 커플링 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나는 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나에 비해 배열 안테나의 주파수에 따른 복사 패턴 및 브로드사이드 방향 이득이 일정하며, 반사 계수 대역폭이 넓다. 따라서, UWB 차량용 레이다와 같은 광대역 어플리케이션으로 사용하기에 적합하다는 것을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 마이크로스트립 배열 안테나
110 : 기판
120 : 급전 라인(feeding line)
130 : 방사부
135 : 방사소자
140 : 급전부
150 : 접지면

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 급전 라인(feed line);
    상기 기판의 상면에 형성되며, 각 급전 라인으로부터 갭(gap)을 두고 제1방향으로 배열되는 복수의 방사소자로 구성된 방사소자 열을 포함하는 방사부; 및
    상기 기판의 하면에 형성되는 접지면을 포함하고,
    상기 복수의 방사소자는 커플링을 통해 상기 급전 라인으로부터 급전받으며,
    상기 급전 라인의 좌측에 배열된 제1 방사소자 열과 급전 라인의 우측에 배열된 제2 방사소자 열에 포함된 방사소자의 개수는 동일하고,
    상기 제1 방사소자 열에 포함된 복수의 방사소자와 상기 제2 방사소자 열에 포함된 복수의 방사소자는 상기 급전 라인을 기준으로 지그재그 형태로 배열되되,
    상기 급전 라인이 복수 개인 경우, 복수 개의 급전 라인은 상기 제1방향과 직각 방향(x축)으로 일정 간격 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1방향은 급전 라인의 길이 방향(Y축)이고,
    상기 방사부는 복수의 방사소자가 상기 급전 라인의 길이 방향으로 일렬로 배열된 방사소자 열이 상기 급전 라인을 중심으로 양측에 각각 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사소자는 마이크로스트립 패치이고,
    상기 마이크로스트립 패치는 직사각형, 사다리꼴, L자형 중 적어도 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방사부에 포함된 복수의 방사소자는, 갭(gap), 방사소자의 크기(Lp), 방사소자의 급전라인 길이(Dp)에 대해 균일 분포를 가지고, 동일한 복사 전력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방사부에 포함된 복수의 방사소자 각각은 갭(gap), 방사소자의 크기(Lp), 방사소자의 급전라인 길이(Dp)에 대해 가중치 분포를 가지고, 서로 다른 복사전력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가중치 분포는 Taylor 분포, Chebyshev 분포, Bayliss 분포 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 급전 라인에 전력을 급전하는 급전부를 더 포함하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 급전부는 각 급전라인의 끝단 또는 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 급전 라인의 끝단에 결합되며 임피던스 매칭을 조절하기 위한 임피던스 변환기를 더 포함하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  11. 삭제
  12. 제1 기판;
    상기 제1 기판의 상면에 형성되는 적어도 하나의 급전 라인;
    상기 제1 기판의 상면에 형성되며, 각 급전 라인으로부터 갭(gap)을 두고 제1방향으로 배열되는 복수의 방사소자로 구성된 방사소자 열을 포함하는 방사부;
    상기 제1 기판의 하면에 형성되는 제1 접지면;
    상면에는 복수의 슬롯이 형성되고, 하면에는 제2 접지면이 형성되는 제2 기판; 및
    상기 제1 기판과 제2 기판이 연결되도록, 상기 제2 기판을 상하로 관통하여 평행한 비어홀이 배열된 기판 집적형 도파관 구조를 갖는 급전부를 포함하고,
    상기 복수의 방사소자는 커플링을 통해 상기 급전라인으로부터 급전받으며,
    상기 급전 라인의 좌측에 배열된 제1 방사소자 열과 급전 라인의 우측에 배열된 제2 방사소자 열에 포함된 방사소자의 개수는 동일하고,
    상기 제1 방사소자 열에 포함된 복수의 방사소자와 상기 제2 방사소자 열에 포함된 복수의 방사소자는 상기 급전 라인을 기준으로 지그재그 형태로 배열되되,
    상기 급전 라인이 복수 개인 경우, 복수 개의 급전 라인은 상기 제1방향과 직각 방향(x축)으로 일정 간격 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 급전부는 상기 급전 라인의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 급전 라인의 끝단에 결합되며 임피던스 매칭을 조절하기 위한 임피던스 변환기를 더 포함하는 마이크로스트립 배열 안테나.
  15. 삭제
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