KR102279931B1 - 빔 스캐닝이 개선되는 평면 선형 위상 어레이 안테나 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안테나 기술에 관한 것으로, 예를 들어 ± 75도 이상의 최대 각도의 빔 스캐닝을 제공하는 매우 컴팩트한 위상 안테나 어레이를 획득 가능하게 한다. 빔 포밍 및 광각 빔 스캐닝 기능을 갖는 평면 위상 어레이 안테나는 상부 및 하위 그라운드들과 그들 사이의 유전체 층에 의해 형성되는 평면 도파로; 평면 도파로 안에서 전자기 파두(wave front)를 형성하기 위한 방사기들을 포함하는 위상 어레이; 위상 어레이 뒤에 위치하는 후방 측 반사 구조; 평면 도파로 내에서 전자기 파두를 편향시키도록 유전체 층 내부에 구현되는 편향 구조를 포함하고, 편향 구조의 유전율 값은 도파로의 유전체 층의 유전율 값과 다르게 형성한다. 상부 그라운드는 하위 그라운드보다 그 층의 길이가 짧을 수 있다. 평면 위상 어레이 안테나는 평면 도파로 내 수직 편파 전파를 평면 도파로의 바깥 경계를 따라 형성되는 수평 편파 공간 전파로 변환하기 위한 변환기를 더 포함할 수 있다.

Description

빔 스캐닝이 개선되는 평면 선형 위상 어레이 안테나{PLANAR LINEAR PHASE ARRAY ANTENNA WITH ENHANCED BEAM SCANNING}
본 발명은 안테나 기술에 관한 것으로, 특히 빔 스캐닝이 개선되는 평면 선형 위상 어레이 안테나에 관한 것이다.
스캐닝 안테나들의 기술분야에서, 시스템의 효율성을 향상시키기 위해 스캐닝 각도를 증가시키는 것은 매우 현실적인 문제이다. 종래의 안테나 어레이의 스캐닝 각도는 통상 이득 손실을 고려하지 않고 ± 45도로 제한된다. 그러나, 특히 모바일 장치들에 있어서, 최적의 트래픽이 광범위하게 설정된 한계 내에서 변화하기 때문에, 70도까지 개선되는 스캐닝 각도를 현실화하기 위해서는 특별한 설비들이 요구된다.
최근 들어 등각(conformal) 안테나 어레이(실린더형), 루네부르크 렌즈(Luneburg lens) 안테나들, 스위칭 가능한 선대칭(axisymmetric) 안테나들이 스캐닝 각도를 증가시키는데 적용되고 있다. 이러한 종류의 안테나들은 ± 90도 이상의 스캐닝 각도 획득을 가능하게 한다. 그러나, 이러한 안테나 타입에는 아래와 같이, 몇 가지 단점들이 내재되어 존재한다.
첫째. 추가적인 손실을 삽입하는 복잡한 스위치의 존재.
둘째. 큰 공간 사이즈.
셋째. 스위칭된 안테나들의 경우 안테나 구경(aperture)의 적은 효율.
종래의 안테나 어레이들은 어레이 앞에 설치되는 특별한 구조들에 의해 확장된 빔 스캐닝을 획득하기에도 적합하다. 그러한 구조들은 추가적 전면 파형 편향(front wave deflection)을 야기한다. 그러나, 이 구조들은 보통 넓은 사이드를 가진 대형 어레이들에 사용된다.
따라서 상술한 모든 기술들은, 예를 들어, 휴대용 장치에 적용되기에 적합한 아주 소형인 안테나 장치들을 설계하는 데에는 적합하지 않다.
가능한 넓은 영역에서의 빔 스캐닝을 제공하는 매우 컴팩트한 위상 안테나 어레이를 만드는 것과 관련한 기존의 몇몇 방안들이 존재한다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같은 미국 특허 제6,496,155('End-fire antenna or array on surface with tunable impedance')는 엔드 파이어(end-fire) 선형 어레이를 개시한다. 어레이의 소자들은 PCB의 표면 상에 위치한다. 소자들 간 위상 관계에 따라 방위 스캐닝이 실현된다. 이 어레이의 단점은 기본 방사기(radiator)의 충분히 넓지 않은 빔으로 인한 스캐닝 각도의 제한이다(40도 미만).
도 8에 도시된 바와 같은, 비특허 문서인 “Beamforming Lens Antenna on a High Resistivity Silicon Wafer for 60 GHz WPAN(60GHz WPAN을 위한 고저항성 실리콘 웨이퍼 상의 빔포밍 렌즈 안테나)”(2010년 3월자 IEEE 안테나 및 전파 회보 제58권 3호)에서 제안한 안테나는 평면 일차원 스캐닝 렌즈 안테나이다 그 안테나는 PCB 기술에 의해 생산된다. 이러한 안테나 구조의 단점은 제한된 스캐닝 각도(± 40도) 및 빔 스티어링(steering) 동작을 위한 복잡한 스위치를 필요로 한다는 것이다.
도 9에 도시된 바와 같은 미국 특허 제6,987,493('Electrically steering passive array antenna')는 능동 방사 소자 및 한 개 이상의 기생(parasitic) 소자들을 포함하는 안테나 어레이를 개시한다. 각각의 기생 안테나 소자는 방사 안테나 소자 주변 원 상에 위치한다. 수동 소자의 임피던스는 각각의 기생 소자에 연결된 튜너블(tunable) 커패시터에 의해 가변된다. 임피던스의 가변으로 인해, 재방사되는 파형의 위상이 바뀌고 결과적으로 메인 빔 방향이 교체된다. 이러한 안테나는 평면 구조를 가지며 원형의 일평면 스캐닝을 제공한다. 이러한 안테나 구조의 단점은 낮은 전후방비(front/back ratio), 낮은 지향성, 단일 능동 채널이며, 능동 튜너블 소자들과 DC 제어기를 필요로 한다는 것이다.
도 10에 도시된 바와 같은, 본 발명의 프로토타입으로 고려해 볼 수도 있는 미국 특허 제8,493,281('Lens for scanning angle enhancement of phased array antennas')는 평면 안테나 어레이 및 그 안테나 어레이를 커버하는 버키볼(buckyball) 모양의 렌즈 구조인, 두 기본 부분으로 구성되는 안테나 구조를 개시한다. 렌즈의 설계는 네거티브 인덱스 메타물질(metamaterial) 렌즈에 대해 생성된다. 평면 안테나 어레이가 고지향성 빔포밍 및 제한된 빔 스캐닝을 위해 사용된다. 버키볼 형태의 렌즈는 위상 어레이 안테나에 의해 생성된 빔을 약 90도로 구부릴 수 있다. 이러한 방안 역시 단점이 있는데, 안테나 어레이가 매우 큰 공간 사이즈를 가진다는 것이다. 경사진(declining) 렌즈의 구 형태(spherical form)는, 핸드폰 및 태블릿 PC와 같은 휴대형 장치에 이러한 방안을 적용하기는 것을 거의 불가능하게 한다.
더 나아가, 빔 스캐닝을 제공하는 앞서 알려진 안테나들은 생산 및 조립에 있어서의 높은 복잡도, 복잡한 스위칭과 급전(feeding) 회로의 존재, 및 방사 소자들의 부분적 사용과 같은 단점들을 가진다.
본 발명은 예를 들어, ± 75도 이상의 빔 스캐닝을 제공하는 극도로 컴팩트한 위상 안테나 어레이를 생성하기 위해 상기 문제들 중 적어도 일부를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예들의 특징에 따르면, 본 발명은 평면 위상 어레이 안테나에 있어서, 상부 및 하위 그라운드들과 그들 사이의 유전체 층에 의해 형성되는 평면 도파로; 상기 평면 도파로 내부에서 전자기 파두(wave front)를 형성하기 위한 방사기들을 포함하는 위상 어레이; 상기 위상 어레이 뒤에 위치하는 후방 측 반사 구조; 및 상기 평면 도파로 안에서 상기 전자기 파두를 편향시키도록 상기 유전체 층 내부에 구현되는 편향 구조를 포함하고, 상기 편향 구조의 유전율 값은 상기 평면 도파로의 상기 유전체 층의 유전율 값과 다르게 설정됨을 특징으로 한다.
상기에서, 상부 그라운드는 하위 그라운드보다 그 층의 길이가 짧을 수 있다.
또한, 평면 위상 어레이 안테나는 평면 도파로 내 수직 편파 전파를 평면 도파로의 바깥 경계를 따라 형성되는 수평 편파 공간 전파로 변환하기 위한 변환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 전체적 안테나가 평면 모양을 가지며, PCB 기술에 기반하여 생산될 수 있으나, 이에 국한되지 않는다. 이러한 특징들은 핸드폰, 태블릿 PC 및 기타와 같은 모바일 상황의 컴팩트 장치들 내부의 안테나 구현에 있어 매우 흥미로운 것들이다.
유사기술들과 비교하면, 본 발명의 실시예들에 따른 안테나는 빔 스캐닝을 위한 어떠한 가변 액티브 집중 소자들(lumped elements)을 가지지 않는다. 이러한 안테나의 주요 특성은 개선된 빔 스캐닝을 얻기 위한 메타 물질 매체에 의해 구현되는 특별한 편향(deflecting) 구조의 적용에 있다. 이 매체는 PCB 구조 내부의 특별한 형태의 영역을 나타낸다. 이 메타 물질 영역은 안테나 어레이 주변에서 파두(wave front)의 추가 지연을 구현하기 위해 형성된다. 그러한 위상 지연은 파두의 추가 편향을 일으킨다. 지연을 일으키는 메타 물질로서, PCB 내부에 금속 비아(via)가 사용된다. 패딩 영역(padding area)(즉, 상부 그라운드와 하위 그라운드 사이의 층)으로의 비아의 높이 차이로 인해, 불규칙한 파두 지연을 얻게 된다. 그 결과, 단일 위상 어레이의 빔 스캐닝이 ± 55도에서 ± 75도로 개선된다.
본 발명에서 상기 미국 특허 제8,493,281와의 주요한 차이는 예를 들어 PCB 구조와 같은, 매우 얇은 평면 구조 내부에서의 편향 영역의 구현에 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 장치는 휴대 상황을 위한 기기들(핸드폰, 태블릿 PC 등)의 소자로서 설계될 수 있다. 상기 미국 특허 제8,493,281의 편향 시스템은 구형이며, 컴팩트하지 않은 형태를 나타낸다.
실시예들 중 하나에 따르면, 본 발명에 따른 안테나는 선형 위상 어레이를 나타낸다. 그러나, 단일 차원(single dimensional) 위상 어레이를 비롯하여, 다른 가능한 위상 어레이 구조들도 사용될 수 있다.
모든 적절한 유형의 방사기들이 어레이의 소자들로서 사용될 수 있다. 모노폴(monopole)들이 선호될 수 있는데, 이는 그들이 최선의 정합(matching) 및 PCB 구현 가능성을 제공하기 때문이다. 루프 방사기들(loop radiators) 역시 유리하게 사용될 수 있다.
방사기들의 개수는 다양하게 구현될 수 있으며, 설계 요건들에 따라 적절히 선택된다.
어레이의 소자들은 한 쌍의 수평적으로 평행한 그라운드 평면들 사이에 형성되는 고형(solid) 유전체 층(PCB 기판)의 매체 속에 위치한다. 그라운드 평면들과 고형 유전체의 조합이 평면 도파로를 형성한다. 최선의 정합 및 최적 빔포밍을 위해 공통 반사기(반사 구조)가 고형 유전체 내에서 방사기 열(line)에서 뒤로 약 처리 주파수의 1/4 파장 거리에 배치된다. 반사기와 결합된 방사기들의 어레이는 평면 도파로 내부에서 전파되는 단방향(unidirectional) 평면 파형(plane wave)을 형성한다. 상기 도파로는 한 쌍의 나란한 그라운드 평면들, 및 상기 그라운드 평면들 사이의 유전체 기판에 의해 형성된다. 평면 도파로의 외관 경계의 적절한 형태는 반원형일 수 있으나, 이 외에도, 모든 대칭적 곡선들(타원, 포물선 및 기타 모양)의 형태 역시 가능하며, 방사 소자들은 대응되는 형태의 지름(직경)을 따라 위치한다. 방사기들(수직 모노폴들)에서 위상 제어에 의해 비교적 법선 위치(normal position)에서 파두 방향 조정이 가능하다. 편향 구조의 영역은 방사 어레이와 평면 도파로의 외관 경계 사이에 배치된다. 편향 구조는 하나 이상의 서브 편향기들로 구성된다. 제1서브 편향기가 메인으로, 평면 도파로의 외관 경계에 가깝게 위치된다. 또한, 제2서브 편향기는 보조적으로 사용될 수 있고, 위상 어레이 및 제1서브 편향기 사이에 위치한다.
본 발명의 실시예들 중 하나에 따르면, 고형 유전체 안으로 제공되는 제1서브 편향기의 평면적 윤곽은 안테나 둘레로 볼록한 말발굽 모양을 가진다. 제1서브 편향기 영역의 면적은 말발굽 형태의 중앙에서 최소가 되고 양편을 향해 완만하게 증가한다. 편향 구조 자체는 다양한 유전율 값을 가진 인공 편향을 나타낼 수 있다. 제1서브 편향기 유전율은 고형 유전체의 유전율 보다 높고, 제2서브 편향기 유전율은 고형 유전체의 것 보다 낮다. 제1서브 편향기의 인공 편향은 파두의 보완적 지연을 일으키며, 또한 그 지연은 파두의 서로 다른 부분들에서 일정치 않은데, 이는 제1서브 편향기의 면적 역시 가변하기 때문이다. 따라서 파두가 편향될 때, 어레이에 가깝게 위치된 파두의 일측은 인공 편향의 보다 두꺼운 면적으로 인해 보다 긴 지연을 경험할 것이다. 그 결과 스캐닝 각도가 확장된다.
편향 효율성의 촉진을 위해, 제2서브 편향기는 유전체 층의 유전율보다 낮은 유전율을 가진 인공 유전체를 나타낼 수 있다. 이 영역은 제1서브 편향기의 내측과 인접하고 초승달 형태의 윤곽을 가진다. 제2서브 편향기 영역의 면적은 중앙 부위에서 최대가 되고 양편을 향해 완만하게 감소한다. 제2서브 편향기에서 파두에 대한 영향을 주는 과정은 상술한 제1서브 편향기에 의한 것과 반대가 된다. 방사기들의 어레이에서 보다 멀리 있는 파두의 부분은 반대되는 부분보다 더 넓은 제2서브 편향기 영역의 구간을 통과한다. 제2서브 편향기 영역의 낮은 유전율로 인해, 파두의 대응되는 부분은 추가 가속을 얻으며, 이러한 효과는 전체 파두의 상보적인 편향을 일으킨다. 제1서브 편향기의 영역은 도파로의 유전체 층(PCB 유전체 매체) 내부에 수 십 개의 금속피막된 홀(비아)들을 포함하는 인공 유전체이다. 모든 금속 비아는 평면 도파로 내부에서 불연속성이며, 소정 임피던스로 구별되는데, 그로 인해 여분의 위상 지연이 얻어진다. 즉, 도파로 내부의 모든 방해물은 그 자체의 임피던스 특성을 가지며, 따라서, 산란된 파는 자유 도파로 영역과 비교하여 추가적으로 지연된다. 유전율의 값과 위상 지연은 비아의 높이에 좌우된다. 편향 구조의 최대 투과도(transparency)을 구현하기 위해 비아 사이의 거리는 기판 안으로의 약 1/4 파장에 해당한다.
제2서브 편향기의 영역은 수 십 개의 비금속 관통 홀(비아)를 포함하는, 기판의 유전율보다 낮은 유전율을 가진 인공 유전체이다. 이 경우의 관통 홀들은 공기로 채워지므로, 이 영역의 유효 유전율은 고형 유전체의 것보다 낮을 것이다. 유전율의 값은 홀들의 밀도와 직경으로 결정된다. 이 매체를 통과하면서 전파는 고형 유전체와 관련해 보완적 가속을 경험한다. 따라서, 여기서 파두의 추가 편향에 대한 이중 효과, 구체적으로 전방 일측의 감속 및 타측의 가속이 존재한다. 무편향 지향 모드(스캐닝 없이)가 생성될 때, 파두의 양측은 편향 구조의 대청적 형태로 인해 유사한 지연을 얻는다. 그러나, 파두는 안테나의 중간 부분에서 높은 전파 속도로 인해 왜곡되고, 이러한 왜곡은 방사기들에서 대응하는 위상 보정에 의해 보상될 수 있다. 또한, 편향 구조를 통과한 TEM(Transversal Electromagnetic) 파는 안테나의 엣지로 진행하여 공간으로 방사된다.
PCB 두께에 의해 제한되는 극도로 낮은 평면 도파로의 높이로 인해, 방사 효율성은 매우 낮다. 그러할 경우, 본 발명의 실시예들 중 하나에 따르면, 높은 방사 효율을 구현하게 할 수 있는 수직 편파에서 수평 편파로의 변환 사용이 제안된다. 평면 도파로의 엣지에 도달한 수평 편파 전파는 평면 도파로의 엣지에 할당된 지수적 변이 형태의 테이퍼들에 의해 채널 그룹들로 분배된다. 이러한 테이퍼들은 평면 도파로의 확장을 나타낸다. 지수적 변이 형태의 테이퍼를 통과한 모든 분할된 전파는 수평 지향 다이폴로 입력된다. 다이폴의 모든 암(arm)은 평면 도파로의 상부 또는 하위 그라운드의 연속이다. 다이폴들의 유효 길이는 충분하게 설계하여(약 1/2 파장), 공간 정합 및 방사는 매우 양호하다. 전체 지향성 증가의 관점에서, 모든 다이폴 앞에 디렉터가 배치된다.
또 다른 실시예에서, 도파로의 두께를 늘려서 편파 변환의 필요성을 제거할 경우에, 안테나 구조를 보다 용이하게 구현할 수 있다. 실시예들 중 일례에 따라, 그러한 경우 안테나는 평면 도파로의 평활한 엣지에서 끝나고, 방사의 편파는 수직이 된다. 상부 그라운드는 하위 그라운드보다 보다 그 층의 형성 거리가 짧다. 하위 그라운드와 결합된 유전체 층의 돌출부가 평면 도파로와 공간 사이에서 정합 변환기로서의 역할을 한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 기재될 것이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 빔 스캐닝이 개선되는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면 위상 어레이 안테나의 전체적인 형태를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 편향 구조 성분들의 패턴을 보여준다.
도 3은 빔 편향 과정을 도시한다.
도 4는 다이폴(dipole)에 의해 종단된 평면 도파로의 엣지를 보여준다.
도 5는 수직 편파 방사를 구현하는 안테나의 다른 실시예를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 E-평면과 H-평면 모두에 대한 방사 패턴들의 차트를 나타낸다.
도 7은 미국 특허 제6,496,155에 기재된 유사기술에 대한 도면을 나타낸다.
도 8은 "Beamforming Lens Antenna on a High Resistivity Silicon Wafer for 60 GHz WPAN(60 GHz WPAN을 위한 고저항성 실리콘 웨이퍼 상의 빔포밍 렌즈 안테나)”(IEEE Transaction of Antennas and Propagation vol.58, No3, March 2010) 문서에 기재된 유사기술의 도면을 나타낸다.
도 9는 미국 특허 제6,987,493에 기재된 유사기술에 대한 도면을 나타낸다.
도 10은 미국 특허 제8,493,281에 기재된 유사기술에 대한 도면을 나타낸다.
도 1a 내지 도 1c는 스캐닝 각도가 개선되는 평면 선형 위상 어레이 안테나에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 모양을 도시하며, 도 1a는 평면도, 도 1b는 측면도 도 1c는 사시도를 나타낸다. 도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 방사 어레이는 상부 그라운드(3)와 하위 그라운드(4) 사이의 유전체 층(2) 안에 배치된 수직 모노폴들(1)의 열로 나타난다. 본 발명의 주제는 모노폴들(monopoles)의 개수를 제한하지 않는다. 방사기들(모노폴들)의 개수는 설계 요건들에 따라 적절히 선택된다. 상기 상부 그라운드(3)와 하위 그라운드(4)는 동박 등과 같은 얇은 금속 층의 구조로 구현되며, 상기 유전체 층(2)과 조합하여 전체적으로 PCB 구조와 유사한 구조를 형성한다. 유전체 층(2), 상부 그라운드(3) 및 하위 그라운드(4)의 조합이 평면 도파로(planar waveguide)를 형성한다. 평면 도파로의 저 임피던스를 통한 우수한 정합을 얻기 위해, 모든 모노폴(1)의 상위 부분의 반경은 하위 부분의 반경보다 크다. 어레이는 평면 도파로의 공간 안으로 수직 편파의 TEM 파를 조사한다. 일방향 전파(propagation)를 제공하기 위해, 후방 측에 공통 반사기(reflector)(5)가 유전체 층(2) 안에서 약 처리 주파수의 1/4 파장의 거리만큼 떨어져 모노폴들(1)의 뒤에 위치한다. 여기(exciting) 위상이 모든 모노폴에 있어 동일할 때, 파두는 어레이에 대해 법선 방향으로 전파된다. 전파 방향은 모노폴들(1) 사이의 위상 차에 의해 유발되는 다소의 편향을 가진다. 모노폴들(1)로부터 평면 도파로 엣지(6)로 파두의 전파 과정에서, 평면 파(planar wave)는 제1 및 제2서브 편향기들(7a 및 7b)로 구성된 편향 구조의 영역을 통과한다. 편향 구조의 평면적 형태는 실린더의 일부분에 해당하는 모양이며, 실린더의 모선(generator)은 상부 및 하위 그라운드들(3, 4)에 대해 수직이다.
도 2a 및 도 2b는 상부 및 하위 서브 편향기들(7a, 7b)의 구성요소들의 패턴을 보여준다. 제1서브 편향기(7a)의 실린더의 밑면은 법선 방향으로부터(즉, 중앙 지점에서) 측면을 향하여 증가되는 면적을 가진 말발굽 모양을 가진다. 제1서브 편향기(7a)의 영역은 홀(비아)(8)들로 채워진다. 상기 홀(8)들은 예를 들어, 비관통형 홀 형상이다. 금속피막된 홀(8)들은 편향기의 최대 투과도를 얻기 위해 서로 약 1/4 파장 간격으로 떨어져 있다. 수 십 개의 금속피막된 홀(8)들은 전파된 전파의 보완적 위상 지연으로 인해 인공 유전체의 특성을 가진다. 이러한 지연은 평면 도파로의 안에서의 소정 불연속성에 따른 금속 비아(홀)의 소정 리액턴스에 의해 유발된다. 이러한 인공 유전체의 유전율은 유전체 층(2)의 유전율보다 높다.
추가적 편향의 효과를 의도적으로 개선하기 위해, 제2서브 편향기(7b)가 구현된다. 제2서브 편향기(7b)의 위치는 제1편향기(7a)와 모노폴들(1) 사이에 있다. 여기서는 제1서브 편향기(7b)와는 달리, 제2서브 편향기(7b) 영역은 예를 들어, 비금속성 관통 형태인, 빈(hollow) 홀(9)들로 채워진다. 이러한 빈 홀(9들에 의해 관통된 유전체 층(2)의 유전율은 고형 유전체의 유전율보다 낮다. 제2서브 편향기(7b) 영역은 제1서브 편향기(7a)에 인접하며, 이 영역의 평면적 윤곽(profile)은 제1서브 편향기(7a)의 반대이다. 특히, 제2서브 편향기(7b) 영역의 평면적 형태로 볼 경우에 그 면적은 방사기들의 열에 대해 법선 방향으로 최대이고 양편으로 갈수록 완만하게 좁아진다. 이러한 제2서브 편향기(7b)의 구조는 실제로, 상기 평면 도파로를 형성하는 유전체 층에 다수의 구멍들이 뚫린 영역으로 간주할 수 있다.
파두 전파 과정이 도 3에 도시된다. 파두(10)가 모노폴들(1)을 여기시키는 신호들 간 위상 쉬프트로 인해 Θ1만큼 편향될 때, 어레이에 가깝게 놓여진 파두의 일측은 제1서브 편향기(7a) 내부에서 지연되는 전파 경로들의 길이 차이로 인해 반대측보다 더 지연될 수 있다. 반대로 파두의 다른 일측(즉, 상기 반대측)은 인공 유전체의 보다 낮은 유전율을 가진 제2편향기(7b) 내부의 보다 긴 경로로 인해 가속된다. 따라서, 파두의 일측의 감속 및 다른(반대) 측의 가속이라는, 파두(10) 편향의 이중 효과가 있게 된다. 이에 따라, 초기 스캐닝 각도는 보완 값 Ψ를 획득한다. 따라서, 예를 들어 스캐닝 각도 ± 60도가 약 ± 75-80도로 확장된다. 일반적인 전파(빔 편향이 없는)의 경우, 파두의 양측은 동일한 지연을 가지는데, 이는 경로들이 대칭적이고 보완적 편향이 존재하지 않기 때문이다.
편향 구조 다음에, 산란된 TEM 전파는 평면 도파로 엣지(6)에 도달한다. 그러나 극히 낮은 도파로 높이(두께)로 인해 수직 편파된 전파의 방사는 미미할 수 있다. 도파로의 최대 높이는 PCB의 두께에 의해 제한된다. 전파에 대한 공간(space)과의 충분한 정합은 수직 편파의 수평 편파로의 변환에 의해 구현될 수 있다.
편파 변환의 상세 구조가 도 4에 묘사된다. 평면 도파로의 엣지에서의 전파는 지수적 변이 형태의 테이퍼(taper)들(11)에 의해 분배 및 분할된다. 테이퍼(11)들은 평면 도파로의 확장부분이 된다. 또한, 상기 산란된 분할 전파들은 예를 들어, 열 두어개의 수평 다이폴들(12)을 통해 방사된다. 수평 지향 다이폴들의 길이는 전체 안테나를 공간과 효율적인 정합이 되게 하기에 충분하게 설계된다. 지향성 개선의 관점에서, 추가적으로 디렉터(director)(13)가 모든 다이폴(12)들의 방사 방향의 전단에 설치되어, 방사 빔의 방사 방향을 유도하도록 구성할 수 있다.
상기 지수적 변이 형태의 테이퍼들(11)은 상부 그라운드(3) 및 하위 그라운드(4) 각각에서 금속 층에 연장되는 금속 패턴의 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 수평 다이폴들(12)은 각각 2개의 암 조합으로 구성될 수 있는데, 하나의 암은 상부 그라운드 상부 그라운드(3)에 형성된 테이퍼와 연결되는 금속 패턴의 형태로 형성되며, 다른 하나의 암은 하위 그라운드(4)에 형성된 테이퍼와 연결되는 금속 패턴의 형태로 형성될 수 있다. 또한 상기 디렉터(13)는 예를 들어. 하위 그라운드(4)에 형성되는 다이폴 암의 전단에서 적절한 형태(예를 들어, 사각 막대 형태)의 금속 패턴의 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 하나에 따른 안테나의 방사 영역이 도 5에 도시된다.
도 6a 및 도 6b는 E-평면과 H-평면 각각에 대한 방사 패턴들의 차트를 나타낸다.
사실상 안테나 구조는 보다 간단할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 특정 응용예에서 보다 두꺼운 유전체 층(2)을 취하는 것이 가능한 경우, 편파 변환의 필요성이 사라질 수 있는데, 이는 높은(두꺼운) 평면 도파로의 공간과의 정합이 우수하기 때문이다. 이 경우, 안테나는 평면 도파로의 평활한 엣지에서 끝나고, 방사의 편파는 수직이 된다. 상부 그라운드(3)는 하위 그라운드(4) 보다 그 금속 층의 형성 거리가 짧다. 유전체 층(3)은 하위 그라운드(4)에 대응되게 형성되며, 이에 따라 유체 층(2)의 가장자리 부위에는 상부 그라운드(3)에 의해 커버되지 않은 돌출부(14)가 형성된다. 유전체 층(2)의 돌출부(14)는 하위 그라운드(4)와 조합하여 평면 도파로와 공간 사이에서 정합 변환기로서의 역할을 한다. 그러나, 이러한 안테나 버전의 구현을 위해서는 유전체 층(2)의 두께에 대한 강한 제한이 있어야 한다. 구체적으로, 안테나를 형성하는 유전체 층의 높이(두께)는 약 0.4 내지 0.5 λsp 이상이어야 한다. 이때 λsp는 유전체 층(2) 내에서 파장이다.
한편, 본 발명의 일부 실시예에서와 같이, 편파 변환구조를 가지도록 제안된 안테나에서, 안테나를 형성하는 유전체 층의 높이(두께)는 약 0.08 λ0 이상일 수 있고, 이때 λ0는 공간 내에서 파장이다.
1-수직 모노폴
2-유전체 층
3-상부 그라운드
4-하위 그라운드
5-공통 반사기
6-도파로 엣지
7a, 7b-제1 및 제2서브 편향기
8-금속피막된 홀(비아)
9-빈 홀
10- 파두
11-지수적 변이 형태 테이퍼
12-수평 다이폴
13-디렉터
14-돌출부
15-무편향일 경우(즉, 메인 방사방향) 빔 패턴
16-최대 편향된 메인 빔

Claims (20)

  1. 평면 위상 어레이 안테나에 있어서,
    상부 및 하위 그라운드들과 그들 사이의 유전체 층에 의해 형성되는 평면 도파로;
    상기 평면 도파로 내부에서 전자기 파두(wave front)를 형성하기 위한 방사기들을 포함하는 위상 어레이;
    상기 위상 어레이 뒤에 위치하는 후방 측 반사 구조; 및
    상기 평면 도파로 안에서 상기 전자기 파두를 편향시키도록 상기 유전체 층 내부에 구현되는 편향 구조를 포함하고, 상기 편향 구조의 유전율 값은 상기 평면 도파로의 상기 유전체 층의 유전율 값과 다르게 설정됨을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 편향 구조는 상기 평면 도파로의 상기 유전체 층의 유전율보다 높은 유전율을 가지고, 상기 편향 구조의 평면상 넓이는 상기 방사기들의 열에 대한 중앙 법선에서 최소가 되고 양측에서 최대가 됨을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 편향 구조는 서로 인접한 제1 및 제2서브 편향기들로 구성되고, 상기 제2서브 편향기는 상기 위상 어레이 및 상기 제1서브 편향기 사이에 배치되고, 상기 제1서브 편향기의 유전율은 상기 평면 도파로의 유전체 층의 유전율보다 높고, 상기 제1서브 편향기의 평면상 넓이는 상기 방사기들의 열에 대한 중앙 법선에서 최소가 되고 양측에서 최대가 되며, 상기 제2서브 편향기의 유전율은 상기 평면 도파로의 유전체 층의 유전율보다 낮고, 상기 제2서브 편향기의 평면상 넓이는 상기 방사기들의 열에 대한 중앙 법선에서 최대가 되고 양측에서 최소가 됨을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 위상 어레이는 선형 위상 어레이임을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 방사기들은 수직 모노폴들 또는 루프 방사기들임을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  6. 제1항에 있어서, 상기 평면 위상 어레이 안테나는 전체적으로 PCB 유전체 기판 구조로 구현됨을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1서브 편향기의 영역은 금속피막된 홀들로 채워지게 형성되어 인공 유전체의 특성을 가짐을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속피막된 홀들은 서로 처리 주파수의 1/4 파장 간격으로 떨어지게 형성됨을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  9. 제3항에 있어서, 상기 제1서브 편향기는 평면 형태가 말발굽 모양을 가짐을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  10. 제3항에 있어서, 상기 제2서브 편향기의 영역은 빈 홀들로 채워진 유전체임을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  11. 제3항에 있어서, 상기 제2서브 편향기는 상기 제1서브 편향기의 내측에 인접하여 위치하고 평면 형태가 초승달 모양을 가짐을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  12. 제1항에 있어서, 상기 평면 도파로는 반원 모양의 외관 경계를 가짐을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  13. 제1항에 있어서, 상기 평면 도파로의 외관 경계 모양은 타원, 포물선을 포함하는 대칭적 곡선들의 형태에서 선택됨을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 방사기들은 상기 평면 도파로의 지름 또는 직경 상에 위치함을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 상부 그라운드는 상기 하위 그라운드보다 거리가 짧게 형성됨을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 평면 도파로 내 수직 편파 전파를 상기 평면 도파로의 외관 경계를 따라 형성되는 수평 편파 공간 전파로 변환하기 위한 변환기를 더 포함함을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  17. 제16항에 있어서, 상기 평면 도파로 내 수직 편파 전파의 수평 편파 공간 전파로의 변환을 제공하는 상기 변환기는 지수적 변이 형태의 테이퍼들과 결합된 수평 방향 다이폴들을 포함하는 평면 위상 어레이 안테나.
  18. 제17항에 있어서, 상기 지수적 변이 형태의 테이퍼들은 상기 평면 도파로의 엣지에서 상기 평면 도파로의 확장 구조로 제공되어 전파의 분할 및 분배를 수행함을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
  19. 제18항에 있어서, 상기 수평 방향 다이폴들은 상기 분할 및 분배되는 전파들을 방사하는 평면 위상 어레이 안테나.
  20. 제17항에 있어서, 상기 수평 방향 다이폴들의 방사 방향 전단에는 방사 빔의 방향을 유도하는 디렉터가 형성됨을 특징으로 하는 평면 위상 어레이 안테나.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016117424A1 (de) * 2016-09-15 2018-03-15 Technische Universität Darmstadt Antenneneinrichtung und Verfahren zum Abstrahlen von elektromagnetischen Wellen mit der Antenneneinrichtung
RU199128U1 (ru) * 2019-12-24 2020-08-17 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) Отражательная антенная решетка
US11855347B2 (en) 2019-12-30 2023-12-26 Kymeta Corporation Radial feed segmentation using wedge plates radial waveguide

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6496155B1 (en) * 2000-03-29 2002-12-17 Hrl Laboratories, Llc. End-fire antenna or array on surface with tunable impedance
US6987493B2 (en) * 2002-04-15 2006-01-17 Paratek Microwave, Inc. Electronically steerable passive array antenna
RU2273926C1 (ru) * 2004-07-16 2006-04-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" Двухдиапазонная фазированная антенная система с электронным управлением лучом
RU2352033C1 (ru) * 2007-07-20 2009-04-10 Открытое акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" Гибридная зеркальная антенна с расширенными углами секторного сканирования

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