KR102030696B1 - 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나 - Google Patents

재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나 Download PDF

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KR102030696B1 KR1020190005908A KR20190005908A KR102030696B1 KR 102030696 B1 KR102030696 B1 KR 102030696B1 KR 1020190005908 A KR1020190005908 A KR 1020190005908A KR 20190005908 A KR20190005908 A KR 20190005908A KR 102030696 B1 KR102030696 B1 KR 102030696B1
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최재훈
김성필
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윤성준
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명에 따른 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나가 제공된다. 상기 빔 조향 안테나는, 모노폴 안테나; 및 상기 모노폴 안테나의 중심으로부터 일정 거리만큼 이격되어 위치하고, PIN 다이오드가 부착된 재구성 기생 소자를 포함하고, 상기 재구성 기생 소자의 온/오프의 조합에 따라, 방위각 방향에서 빔 조향 각도(beam steering angle)가 변경되어, 별도의 전력분배구조나 위상 천이기 없이 재구성 가능한 기생 소자의 On/Off 상태 제어를 통하여 간단히 방위면 방향으로의 빔 조향 특성을 구현할 수 있다.

Description

재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나{Beam steering antenna with reconfigurable parasitic elements}
본 발명은 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나에 관한 것이다.
통신 시스템이나 레이더 시스템 또는 방향 탐지 시스템 등에 있어서, 전파 도달 거리를 증가시키기 위해서는 일정한 지향성을 갖는 빔 패턴이 요구된다. 또한, 탐색하고자 하는 타겟(target)에 대한 방향 탐지를 위하여 빔 조향 안테나가 요구된다.
이를 위하여, 복수의 안테나 소자를 이용하는 기존의 빔 조향 안테나는 전력분배구조와 위상 천이기 등이 필요함에 따라 안테나 구조가 복잡해지고 크기가 크다는 단점이 있다. 또한, 위상 변환기들이 신호 라인에 배치되기 때문에, 높은 무선 주파수(RF) 손실들이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 이러한 RF 손실들은 사용되는 무선 통신 디바이스들의 데이터 속도 및 전송 거리를 줄일 수 있다. 더욱이, 다수의 위상 변환기들을 사용하는 2차원 배열들은 방위각과 고도 평면들의 모두에서 각도 범위를 제한할 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 별도의 전력분배구조 및 위상 천이기 없이, 단일 안테나 소자를 통해 빔 조향 안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 별도의 전력분배구조 및 위상 천이기 없이, 기판 중앙에 위치한 모노폴 안테나와 방위각 0°, 120°, 240°방향에 위치한 재구성 가능한 기생 소자를 사용하여 방위면 방향으로 360°빔 조향이 가능한 안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나가 제공된다. 상기 빔 조향 안테나는, 모노폴 안테나; 및
상기 모노폴 안테나의 중심으로부터 일정 거리만큼 이격되어 위치하고, PIN 다이오드가 부착된 재구성 기생 소자를 포함하고, 상기 재구성 기생 소자의 온/오프의 조합에 따라, 방위각 방향에서 빔 조향 각도(beam steering angle)가 변경되어, 별도의 전력분배구조나 위상 천이기 없이 재구성 가능한 기생 소자의 On/Off 상태 제어를 통하여 간단히 방위면 방향으로의 빔 조향 특성을 구현할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 재구성 기생 소자는, 상기 모노폴 안테나의 중심으로부터 d만큼 이격되고, 방위각 0°, 120°, 240°지점에 위치하는 제1 내지 제3 PIN 다이오드를 포함할 수 있다. 한편, 상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드의 온/오프의 6가지 조합에 따라, 상기 방위각 방향에서 빔 피크의 각도가 60°만큼 변경될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드로 공급 전압을 변경하여 상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드의 온/오프 상태를 변경시키는 제어부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제어부는, 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)에 대한 온/오프 상태를 제어함에 있어, 다음 단계에서 하나의 기생 소자에 대해서만 온/오프 상태를 변경하여 빔 피크의 각도가 60°만큼 순차적으로 변경되도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)는, 접지면(ground plane)상에 수직하고, 상호 간에 삼각형 형태로 배치된 기판 상에 프린트된 제1 금속패턴과 제2 금속 패턴 사이에 상기 PIN 다이오드가 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 제2 금속 패턴은 상기 제1 금속 패턴보다 상부에 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)의 높이 hp는 상기 모노폴 안테나의 높이 h보다 낮게 설정될 수 있다. 이때, 상기 PIN 다이오드가 오프 되는 경우, 상기 제2 금속 패턴은 상기 접지면과 연결되지 않고, 상기 PIN 다이오드가 온 되는 경우, 상기 제2 금속 패턴은 상기 접지면과 연결되어, 해당 재구성 기생 소자는 상기 모노폴 안테나로부터 방사되는 전파에 대하여 빔 피크를 변경시킬 수 있는 기생 소자(parasitic element)로 동작할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)는, 상기 제2 금속 패턴 상부에 제3 금속 패턴이 배치되고, 상기 제2 금속 패턴과 상기 제3 금속 패턴 사이에 배치되는 제2 PIN 다이오드를 포함할 수 있다. 이때, 상기 PIN 다이오드 및 제2 PIN 다이오드가 모두 온 됨에 따라 고각(elevation) 방향으로 빔 피크가 변경되거나 또는 방향으로 빔 폭이 변경될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)와 상기 모노폴 안테나와의 간격 d가 제1 임계치 이하가 되도록 배치될 수 있다. 이때, 상기 제2 PIN 다이오드가 온 됨에 따라 오프 되는 경우보다 방향으로 빔 폭이 감소할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)와 상기 모노폴 안테나와의 간격 d가 제2 임계치 이상이 되도록 배치될 수 있다. 이때, 상기 제2 PIN 다이오드가 온 됨에 따라 오프 되는 경우보다 빔 피크가 방향으로 큰 각도로 변경되고, 상기 제1 내지 제3 금속 패턴에 의한 높이 hp2는 상기 모노폴의 높이 h보다 높게 설정될 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 기존의 빔 조향 안테나 설계에 요구되는 전력분배구조나 위상 천이기 없이 재구성 가능한 기생 소자의 On/Off 상태 제어를 통하여 간단히 방위면 방향으로의 빔 조향 특성을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 배열 안테나가 아닌 단일 안테나 소자에 의해 빔 피크가 변경되는 재구성 안테나를 제공할 수 있어, 안테나 크기 감소 등의 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 3D 프린터를 이용하여 제작한 안테나 레이돔을 부착하여 빔 피크 특성이 변경시키지 않으면서도 외부요인으로부터 안테나를 보호할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 입체도를 도시한 도면 (h = 9.4 mm, h P = 7.8 mm, d = 14 mm)이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나의 정면도를 도시한 도면 (H = 17 mm, r = 60 mm)이다.
도 3-(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 재구성 기생 소자 구조도를 도시한 도면 (h P = 7.8 mm, w P = 2.9 mm)이다.
도 3-(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 On 상태에서의 재구성 기생 소자 등가회로도를 도시한 도면 (R on= 1.5 Ω)이다.
도 3-(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Off 상태에서의 재구성 기생 소자 등가회로도를 도시한 도면 (R off = 5 MΩ, C off = 0.15 pF)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 PIN diode 상태에 따른 제안된 안테나의 모의실험된 최대 이득 비교표이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Case 1 상황에서
Figure 112019005582059-pat00001
= 180°방향에서 바라본 제안된 안테나의 5.8 GHz에서의 모의실험된 전계 세기 분포를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 Case 1 상황에서
Figure 112019005582059-pat00002
= 60°방향에서 바라본 제안된 안테나의 5.8 GHz에서의 모의실험된 전계 세기 분포를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 PIN diode 상태에 따른 제안된 안테나의 모의실험된 반사계수 특성을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 PIN diode 상태에 따른 제안된 안테나의 5.8 GHz에서의 모의실험된 θ= 60°평면 방사패턴을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 PIN diode 상태에 따른 제안된 안테나의 5.8 GHz에서의 모의실험된 E-평면 방사패턴을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 재구성 기생 소자의 형태를 나타낸다.
전술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 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 사용한다.
제1, 제2등의 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 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 의미가 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 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 모듈, 블록 및 부는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나에 대해 살펴보기로 한다. 이와 관련하여, 본 발명의 목적은 별도의 전력분배구조 및 위상 천이기 없이, 단일 안테나 소자를 통해 빔 조향 안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명의 목적은 별도의 전력분배구조 및 위상 천이기 없이, 기판 중앙에 위치한 모노폴 안테나와 방위각 0°, 120°, 240°방향에 위치한 재구성 가능한 기생 소자를 사용하여 방위면 방향으로 360°빔 조향이 가능한 안테나를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나는, 유전체 기판; 모노폴 안테나; 상기 모노폴 안테나로부터 방위각 0°, 120°, 240°방향으로 거리 d만큼 떨어진 지점에 유전체 기판 상부 접지면과 수직으로 연결된 3개의 기판; 및 상기 기판에 위치한 3개의 재구성 기생 소자 도체면; 도체면 중앙에 PIN 다이오드(diode)가 위치하는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 상기 모노폴 안테나는 상기 유전체 기판 하부 접지면과 커넥터 외부 도체가 연결되고 커넥터 내부 도체와 연결된 상기 유전체 상부에 위치할 수 있다.
하지만, 이와 같이 PIN 다이오드의 개수와 배치 형태 등은 이에 한정되는 것은 아니고, 응용에 따라 변경 가능하다. 따라서, PIN 다이오드의 배치 형태는 삼각형 형태에 한정되는 것이 아니고, 응용에 따라 사각형, 육각형, 팔각형 등 임의의 다각형 형태 또는 곡면 형태로 구성된 기판 상에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 재구성 기생 소자에 위치한 PIN diode의 On/Off 상태에 따라서 모노폴 안테나로부터 입사된 전파가 기생 소자가 위치한 방향으로 통과하거나 통과하지 못하게 됨으로써 방사패턴을 재구성할 수 있는 안테나가 제공될 수 있다.
이러한, 본 발명에 따른 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나와 관련하여, [도 1]과 [도 2]는 본 발명에서 제안한 빔 조향 안테나의 입체도와 정면도를 나타낸다.
[도 1]과 [도 2]를 참조하면, 본 발명에 따른 빔 조향 안테나는 모노폴 안테나(100) 및 재구성 기생 소자 (Reconfigurable Parasitic Elements, A, B, C)를 포함한다.
구체적으로, 제안된 안테나는 기판 하면부에 위치한 50 Ω SMA 커넥터를 이용해 급전되며 SMA 커넥터 내심은 via-hole을 통해 기판 중앙에 위치한 모노폴 안테나와 연결된다. 모노폴 안테나로부터 d만큼 떨어진 지점에 방위각 0°, 120°, 240°방향으로 FR4 단면기판을 수직으로 세웠으며, 모노폴 안테나를 향하는 면에 접지면과 수직으로 연결된 높이 h P , 폭 2.9 mm의 기생 소자 A, B, C가 위치한다. 외부영향으로부터 안테나를 보호하기 위해 3D 프린터를 이용하여 제작한 레이돔을 씌웠으며, Polycarbonate (PC) 볼트와 너트로 고정시킬 수 있다.
한편, [도 3]은 본 발명에 따른 재구성 기생 소자의 구체적인 형태와 PIN 다이오드의 온/오프 상태에 따른 등가 회로를 나타낸다.
[도 3-(a)]를 보면 각각의 기생 소자 중앙에는 PIN diode가 위치하며, 직류 전압 인가를 통한 diode On/Off 동작으로 방사패턴을 재구성할 수 있다. [도 3-(b)]와 같이 diode가 On일 때, 기생 소자는 전기적으로 연속적이 되며 모노폴 안테나와의 전자기적 상호결합으로 인해 모노폴 안테나와 동일한 전기적 길이를 갖는 전류가 기생 소자에 유도되고, 이로부터 방사된 전파가 모노폴 안테나로부터 입사된 전파를 상쇄하여 통과하지 못하게 한다. [도 3-(c)]와 같이 diode가 Off되면 기생 소자는 전기적으로 불연속적이 되어 기존의 기생소자 길이의 절반에 해당하는 길이에만 전류가 유도되어 동작 주파수에서 방사하지 않게 되어 모노폴 안테나로부터 입사된 전파가 통과하게 된다. 빔 조향 안테나의 임피던스 정합 특성은 모노폴 안테나와 기생 소자의 길이를 조절함으로써 구현할 수 있다.
한편, [도 1] 내지 [도 3]을 참조하면, 재구성 기생 소자 (A, B, C)는 모노폴 안테나(100)의 중심으로부터 일정 거리만큼 이격되어 위치하고, PIN 다이오드가 부착되도록 구성된다. 이때, 재구성 기생 소자(A, B, C)의 온/오프의 조합에 따라, 방위각 방향에서 빔 조향 각도(beam steering angle)가 변경될 수 있다는 장점이 있다.
한편, 재구성 기생 소자(A, B, C)는 모노폴 안테나의 중심으로부터 d만큼 이격되고, 방위각 0°, 120°, 240°지점에 위치하는 제1 내지 제3 PIN 다이오드를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드의 온/오프의 6가지 조합에 따라, 상기 방위각 방향에서 빔 피크의 각도가 60°만큼 변경될 수 있다.
이와 관련하여, [도 4]는 각각의 기생 소자의 On/Off 상태 제어를 통해 구현 가능한 6가지 경우의 빔 조향 특성을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드의 온/오프의 6가지 조합에 따라, 상기 방위각 방향에서 빔 피크의 각도가 60°만큼 변경됨을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 빔 조향 안테나의 빔 피크를 변경하도록 제어하는 제어부(미도시)가 제공될 수 있다. 상기 제어부는 상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드로 공급 전압을 변경하여 상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드의 온/오프 상태를 변경시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부는 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)에 대한 온/오프 상태를 제어함에 있어, 다음 단계에서 하나의 기생 소자에 대해서만 온/오프 상태를 변경하여 빔 피크의 각도가 60°만큼 순차적으로 변경되도록 제어할 수 있다.]
한편, [도 1] 및 [도 2]를 참조하면, 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)는, 접지면(ground plane)상에 수직하고, 상호 간에 삼각형 형태로 배치된 기판 상에 프린트되도록 구성 가능하다. 또한, [도 3]을 참조하면, 제1 금속패턴(210)과 제2 금속 패턴 사이(220)에 상기 PIN 다이오드가 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 제2 금속 패턴(220)은 상기 제1 금속 패턴(210)보다 상부에 배치될 수 있다.
한편, 상기 재구성 기생 소자(A, B, C)의 높이 hp는 상기 모노폴 안테나의 높이 h보다 낮게 설정될 수 있다. 이와 관련하여, 높이 hp가 높이 h보다 높게 설정되면 (elevation) 방향으로 빔 피크가 크게 변경될 수 있기 때문이다. 이와 같이 방향으로의 빔 피크 변경에 따라 방위각 방향으로 빔 조향 효과가 감소할 수 있기 때문이다.
한편, 상기 PIN 다이오드가 오프 되는 경우, 상기 제2 금속 패턴(220)은 상기 접지면과 연결되지 않는다. 따라서, 모노폴 안테나(100)로부터 방사되는 전파는 접지면과 연결되지 않는 제2 금속 패턴으로부터의 영향을 적게 받게 된다. 이에 따라, 모노폴 안테나(100)로부터 방사되는 전파에 따른 빔 조향 효과는 발생하지 않는다.
반면에, 상기 PIN 다이오드가 온 되는 경우, 상기 제2 금속 패턴(220)은 상기 접지면과 연결된다. 따라서, 해당 재구성 기생 소자는 상기 모노폴 안테나(100)로부터 방사되는 전파에 대하여 빔 피크를 변경시킬 수 있는 기생 소자(parasitic element)로 동작할 수 있다.
[도 5]와 [도 6]은 Case 1 상황에서 모의실험을 통해 측정된 동작 주파수에서의 전계 세기 분포를 보여준다. 기생 소자 A만 Off 상태이기 때문에 A가 위치한 방향으로만 모노폴 안테나로부터 방사된 전파가 통과할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
[도 7]은 빔 조향 안테나의 모의실험된 반사계수이다. 빔 조향 안테나의 -10 dB 반사계수 대역폭이 목표대역인 5.8 GHz ISM 대역 (5.725 ~ 5.85 GHz) 대역을 만족한다.
[도 8]은 동작 주파수에서 모의실험된 θ= 60°평면 방사패턴이다. 모든 경우에서 θ= 60°방향으로 평균 6.07 dBi의 최대이득을 가지며, 방사패턴 재구성을 통해 HPBW 포함 방위면 방향으로 360°빔 조향 특성 구현이 가능하다.
[도 9]는 동작 주파수에서 모의실험된 E-평면 방사패턴이다. θ-방향으로의 평균 HPBW는 48.71°이다. 모든 경우에서 θ = 60°방향으로 최대이득을 갖는 이유는 동작 주파수 파장 대비 상대적으로 큰 크기의 접지면에 의해 모노폴 안테나에서 방사되는 빔이 약간 반사되어 기울어지기 때문이다.
한편, [도 10]은 본 발명의 다른 실시예에 따른 재구성 기생 소자의 형태를 나타낸다. 도 1, 도 2 및 도 10을 참조하면, 재구성 기생 소자(A, B, C)는 제2 금속 패턴(220) 상부에 제3 금속 패턴(230)이 배치되고, 상기 제2 금속 패턴(220)과 상기 제3 금속 패턴(230) 사이에 배치되는 제2 PIN 다이오드를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 PIN 다이오드 및 제2 PIN 다이오드가 모두 온 됨에 따라 고각 방향으로 빔 피크가 변경되거나 또는 고각 방향으로 빔 폭이 변경될 수 있다.
이와 관련하여, 도 1, 도 2 및 도 10을 참조하면, 재구성 기생 소자(A, B, C)와 모노폴 안테나(100)와의 간격 d가 제1 임계치 이하가 되도록 배치될 수 있다.
이와 같이 상호 간 간격 d가 제1 임계치 이하가 되면, 모노폴 안테나(100)와 재구성 기생 소자(A, B, C) 사이에 상호 결합은 증가할 수 있다. 따라서, 모노폴 안테나(100)와 재구성 기생 소자(A, B, C) 간의 전력 결합비는 거의 배열 안테나의 전력 결합비와 유사할 정도로 큰 값을 갖게 된다. 이에 따라, 제2 PIN 다이오드가 온 됨에 따라 오프 되는 경우보다, 배열 안테나의 빔 패턴과 같이 고각 방향으로 빔 폭이 감소할 수 있다.
반면에, 상호 간 간격 d가 제2 임계치 이상이 되면, 모노폴 안테나(100)와 재구성 기생 소자(A, B, C) 사이에 상호 결합은 감소하게 된다. 따라서, 모노폴 안테나(100)와 재구성 기생 소자(A, B, C) 간의 전력 결합비는 배열 안테나의 전력 결합비와 달리 작은 값을 갖게 된다.
이에 따라, 상기 제2 PIN 다이오드가 온 됨에 따라 오프 되는 경우보다 빔 피크가 고각 방향으로 큰 각도로 변경될 수 있다. 이를 위해, 제2 PIN 다이오드가 온 됨에 따라, 제1 내지 제3 금속 패턴(201 내지 203)에 의한 재구성 기생 소자(A, B, C)의 높이 hp2는 모노폴의 높이 h보다 큰 값이 되도록 설정될 수 있다. 반면에, 제1 및 제2 금속 패턴(201 및 202)에 의한 재구성 기생 소자(A, B, C)의 높이 hp는 모노폴의 높이 h보다 작은 값이 되도록 설정될 수 있다.
따라서, 제2 PIN 다이오드의 온/오프에 따라 모노폴 안테나(100)와 커플링되는 기생 소자의 높이가 동적으로 변경하게 된다. 이에 따라, 상호 간 간격 d가 제2 임계치 이상인 경우, 상기 제2 PIN 다이오드가 온 됨에 따라 오프 되는 경우보다 빔 피크가 고각 방향으로 큰 각도로 변경될 수 있다.
이상에서는, 본 발명에 따른 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나에 대해 살펴보았다. 한편, 발명에 따른 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나의 기술적 효과와 장점은 다음과 같다.
본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 기존의 빔 조향 안테나 설계에 요구되는 전력분배구조나 위상 천이기 없이 재구성 가능한 기생 소자의 On/Off 상태 제어를 통하여 간단히 방위면 방향으로의 빔 조향 특성을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 배열 안테나가 아닌 단일 안테나 소자에 의해 빔 피크가 변경되는 재구성 안테나를 제공할 수 있어, 안테나 크기 감소 등의 장점이 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 3D 프린터를 이용하여 제작한 안테나 레이돔을 부착하여 빔 피크 특성이 변경시키지 않으면서도 외부요인으로부터 안테나를 보호할 수 있다는 장점이 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 안테나의 동작 뿐만 아니라 각각의 구성 요소들에 대한 설계 및 파라미터 최적화는 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.

Claims (8)

  1. 재구성 가능한 기생 소자를 이용한 빔 조향 안테나에 있어서,
    모노폴 안테나; 및
    상기 모노폴 안테나의 중심으로부터 일정 거리만큼 이격되어 위치하고, PIN 다이오드가 부착된 재구성 기생 소자(A, B, C)를 포함하고,
    상기 재구성 기생 소자의 온/오프의 조합에 따라, 방위각 방향에서 빔 조향 각도(beam steering angle)가 변경되고,
    상기 재구성 기생 소자(A, B, C)는,
    접지면(ground plane)상에 수직하고, 상호 간에 삼각형 형태로 배치된 기판 상에 프린트된 제1 금속 패턴과 제2 금속 패턴 사이에 상기 PIN 다이오드가 연결되도록 구성되고,
    상기 제2 금속 패턴은 상기 제1 금속 패턴보다 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 빔 조향 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 재구성 기생 소자는,
    상기 모노폴 안테나의 중심으로부터 d만큼 이격되고, 방위각 0°, 120°, 240°지점에 위치하는 제1 내지 제3 PIN 다이오드를 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드의 온/오프의 6가지 조합에 따라, 상기 방위각 방향에서 빔 피크의 각도가 60°만큼 변경되는 것을 특징으로 하는, 빔 조향 안테나.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드로 공급 전압을 변경하여 상기 제1 내지 제3 PIN 다이오드의 온/오프 상태를 변경시키는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 재구성 기생 소자(A, B, C)에 대한 온/오프 상태를 제어함에 있어, 다음 단계에서 하나의 기생 소자에 대해서만 온/오프 상태를 변경하여 빔 피크의 각도가 60°만큼 순차적으로 변경되도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 빔 조향 안테나.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 재구성 기생 소자(A, B, C)의 높이 hp는 상기 모노폴 안테나의 높이 h보다 낮게 설정되고,
    상기 PIN 다이오드가 오프 되는 경우, 상기 제2 금속 패턴은 상기 접지면과 연결되지 않고,
    상기 PIN 다이오드가 온 되는 경우, 상기 제2 금속 패턴은 상기 접지면과 연결되어, 해당 재구성 기생 소자는 상기 모노폴 안테나로부터 방사되는 전파에 대하여 빔 피크를 변경시킬 수 있는 기생 소자(parasitic element)로 동작하는 것을 특징으로 하는, 빔 조향 안테나.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 재구성 기생 소자(A, B, C)는,
    상기 제2 금속 패턴 상부에 제3 금속 패턴이 배치되고, 상기 제2 금속 패턴과 상기 제3 금속 패턴 사이에 배치되는 제2 PIN 다이오드를 포함하고,
    상기 PIN 다이오드 및 제2 PIN 다이오드가 모두 온 됨에 따라 고각(elevation) 방향으로 빔 피크가 변경되거나 또는 고각 방향으로 빔 폭이 변경되는 것을 특징으로 하는, 빔 조향 안테나.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 재구성 기생 소자(A, B, C)와 상기 모노폴 안테나의 간격 d가 제1 임계치 이하가 되도록 배치되어,
    상기 제2 PIN 다이오드가 온 됨에 따라 오프 되는 경우보다 고각 방향으로 빔 폭이 감소하는 것을 특징으로 하는, 빔 조향 안테나.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 재구성 기생 소자(A, B, C)와 상기 모노폴 안테나의 간격 d가 제2 임계치 이상이 되도록 배치되어,
    상기 제2 PIN 다이오드가 온 됨에 따라 오프 되는 경우보다 빔 피크가 고각 방향으로 큰 각도로 변경되고,
    상기 제1 금속 패턴 내지 상기 제3 금속 패턴에 의한 높이 hp2는 상기 모노폴의 높이 h보다 높게 설정되는 것을 특징으로 하는, 빔 조향 안테나.
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