KR102377589B1 - 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치 - Google Patents

광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102377589B1
KR102377589B1 KR1020180038112A KR20180038112A KR102377589B1 KR 102377589 B1 KR102377589 B1 KR 102377589B1 KR 1020180038112 A KR1020180038112 A KR 1020180038112A KR 20180038112 A KR20180038112 A KR 20180038112A KR 102377589 B1 KR102377589 B1 KR 102377589B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
antenna device
groove
transmission line
feed signal
radiating element
Prior art date
Application number
KR1020180038112A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190115277A (ko
Inventor
엄순영
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to KR1020180038112A priority Critical patent/KR102377589B1/ko
Priority to US16/025,804 priority patent/US10622714B2/en
Publication of KR20190115277A publication Critical patent/KR20190115277A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102377589B1 publication Critical patent/KR102377589B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • H01Q3/38—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters the phase-shifters being digital
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced with unbalanced lines or devices
    • H01P5/107—Hollow-waveguide/strip-line transitions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/184—Strip line phase-shifters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/08—Microstrips; Strip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/44—Details of, or arrangements associated with, antennas using equipment having another main function to serve additionally as an antenna, e.g. means for giving an antenna an aesthetic aspect
    • H01Q1/46—Electric supply lines or communication lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0025—Modular arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
    • H01Q21/0043—Slotted waveguides
    • H01Q21/005—Slotted waveguides arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H01Q21/26—Turnstile or like antennas comprising arrangements of three or more elongated elements disposed radially and symmetrically in a horizontal plane about a common centre
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/22—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the orientation in accordance with variation of frequency of radiated wave

Abstract

주파수 스캐닝을 수행하는 안테나 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 안테나 장치는 제1 급전 신호를 분배하기 위한 T-접합부(T-junction)와, 제2 급전 신호에 기초하여 전파를 방사하기 위한 제1 방사 소자(radiating element)와, 상기 제1 급전 신호에서 상기 제2 급전 신호를 뺀 제3 급전 신호를 다음 소자로 전달하는 결합 전송 선로(coupled transmission line)를 포함하고, 상기 결합 전송 선로는 길이가 중심 주파수에서의 파장의 정수배가 되도록 결합되고, 상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로는 직렬로 연결되어 직렬 급전 회로망을 구성한다.

Description

광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치{LINEAR SLOT ARRAY ANTENNA FOR BROADLY SCANNING FREQUENCY}
아래 실시예들은 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치에 관한 것이다.
종래의 무선 통신 및 레이다용 배열 안테나에서는 고속 전자 빔을 형성하기 위해, 단위 능동 채널 블록(active channel block(ACB))내의 아날로그 또는 디지털 위상 천이기(phase shifter) 소자에 외부 제어를 사용하여 고속 전자 빔을 형성했다. 이는 위상 천이기 소자 비용이 비싸고 추가적인 위상 제어 회로 장치가 필요하여 안테나 시스템 가격이 증가하는 단점이 있다. 또한, 광범위 전자 빔을 형성하기 위해서는 단위 부-배열(위상 제어가 가능한 단위 배열) 크기가 작아야 하므로 시스템에 사용되는 전체 부-배열의 수는 증가하게 되므로 위상 천이기 수도 증가하게 되어 전체 안테나 시스템 가격이 증가하는 단점이 있다.
이러한 안테나 시스템 비용이 증가하는 단점들을 보완하여 주파수 스캔 방식의 전자 빔 형성 배열 안테나 장치가 제안되었다. 주파수 스캔 방식의 전자 빔 형성 원리는 직렬 연결된 부-배열 안테나의 입력 단자에 인가되는 서로 다른 주파수 값에 의하여 서로 다른 방향의 전자 빔이 형성되는 원리로서, 안테나 입력 단자에 인가되는 주파수 동작 대역 범위가 전체 전자 빔 형성 범위를 결정한다. 그러므로, 주파수 스캔 방식의 광범위 전자 빔 형성을 위해서는 사용되어야 하는 주파수 대역 범위가 넓어야 하는 문제점이 있다.
일 실시예에 따른 안테나 장치는 제1 급전 신호를 분배하기 위한 T-접합부(T-junction)와, 제2 급전 신호에 기초하여 전파를 방사하기 위한 제1 방사 소자(radiating element)와, 상기 제1 급전 신호에서 상기 제2 급전 신호를 뺀 제3 급전 신호를 다음 소자로 전달하는 결합 전송 선로(coupled transmission line)를 포함하고, 상기 결합 전송 선로는 길이가 중심 주파수에서의 파장의 정수배가 되도록 결합되고, 상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로는 직렬로 연결되어 직렬 급전 회로망을 구성한다.
상기 T-접합부는 N개로 구현되고, 상기 제1 방사 소자는 N+1개로 구현되고, 상기 결합 전송 선로는 N개로 구현될 수 있다.
상기 안테나 장치는, 평행하게 배치된 복수 개의 주파수-스캔 배열 안테나들을 포함하고, 상기 복수 개의 주파수-스캔 배열 안테나들 중에서 적어도 하나의 주파수-스캔 배열 안테나는, 상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로를 포함할 수 있다.
상기 안테나 장치는 상기 제1 급전 신호를 입력하는 도파관 입력 단자를 더 포함할 수 있다.
상기 결합 전송 선로는, LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 또는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 기술로 구현될 수 있다.
상기 결합 전송 선로는, 전송 선로 및 스터브 선로들을 포함하는 위상 기울기 제어 회로를 포함할 수 있다.
상기 스터브 선로들은, 제1 특성 임피던스 및 제1 전기적 길이를 갖는 제1 스터브 선로와, 제2 특성 임피던스 및 제2 전기적 길이를 갖는 제2 스터브 선로를 포함하고, 상기 전송 선로는, 상기 제1 스터브 선로 및 상기 제2 스터브 선로 사이에 위치할 수 있다.
상기 제1 스터브 선로 및 상기 제2 스터브 선로는, 병렬로 연결된 개방 스터브 및 단락 스터브를 포함할 수 있다.
상기 제1 특성 임피던스 및 상기 제2 특성 임피던스는 동일할 수 있다.
상기 제1 전기적 길이 및 상기 제2 전기적 길이는 45도일 수 있다.
상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로는, 유전체 필름층 상에 구현될 수 있다.
상기 안테나 장치는 상기 유전체 필름층의 상부에 위치하고, 상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로에 대응하는 홈을 포함하는 상부 기구물과, 상기 유전체 필름층의 하부에 위치하고, 상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로에 대응하는 홈을 포함하는 하부 기구물을 더 포함할 수 있다.
상기 상부 기구물은, 상기 유전체 필름층의 도파관 입력 단자가 상기 제1 급전 신호를 입력받기 위한 제1 홈과, 상기 제1 방사 소자가 상기 전파를 방사하기 위한 슬롯과, 상기 결합 전송 선로가 TEM(transverse electromagnetic mode) 모드로 상기 제3 급전 신호를 전달하기 위한 제2 홈을 포함할 수 있다.
상기 상부 기구물은, 상기 T-접합부가 급전 신호를 균등하게 분배하기 위한 제3 홈을 더 포함하고, 상기 제3 홈은, 상기 제1 홈에 가까운 홈일수록 홈의 깊이가 얕아질 수 있다.
상기 상부 기구물은, 유전율을 높이기 위하여 상기 제2 홈에 배치되는 제1 유전체를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 기구물은, 상기 전파에 대한 지향성을 향상시키기 위한 웨지(wedge) 구조물을 포함할 수 있다.
상기 하부 기구물은, 상기 제1 급전 신호를 상기 유전체 필름층의 도파관 입력 단자로 입력하기 위한 도파관 개구면과, 상기 제1 방사 소자가 상기 전파를 방사하기 위한 제4 홈과, 상기 결합 전송 선로가 TEM(transverse electromagnetic mode) 모드로 상기 제3 급전 신호를 전달하기 위한 제5 홈을 포함할 수 있다.
상기 하부 기구물은, 상기 T-접합부가 급전 신호를 균등하게 분배하기 위한 제6 홈을 더 포함하고, 상기 제6 홈은, 상기 도파관 개구면에 가까운 홈일수록 홈의 깊이가 얕아질 수 있다.
상기 도파관 개구면은 상기 도파관 입력 단자에 대하여 90도 회전되어 배치될 수 있다.
상기 하부 기구물은, 유전율을 높이기 위하여 상기 제5 홈에 배치되는 제2 유전체를 더 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 블록도를 나타낸다,
도 2a는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 2b는 도 2a에 도시된 제1 배열 안테나의 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 2c는 안테나 장치에 포함된 마지막 배열 안테나의 연결 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2d는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 구조도를 나타낸다.
도 3은 주파수 스캐닝을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 블록도를 나타낸다.
도 4b는 도 4a에 도시된 제1 주파수-스캔 배열 안테나의 블록도의 일 예를 나타낸다.
도 5a는 도 4a에 도시된 안테나 장치의 앞면을 나타낸다.
도 5b는 도 4a에 도시된 안테나 장치의 뒷면을 나타낸다.
도 5c는 도 4a에 도시된 안테나 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 상부 기구물의 앞면을 나타낸다.
도 6b는 상부 기구물의 뒷면을 나타낸다.
도 7은 상부 기구물의 웨지 구조물을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 상부 기구물의 홈을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 유전체 필름층을 나타낸다.
도 9b는 도 9a에 도시된 유전체 필름층 상의 T-접합부, 방사 소자, 및 결합 전송 선로를 나타낸다.
도 10a는 하부 기구물의 앞면을 나타낸다.
도 10b는 하부 기구물의 뒷면을 나타낸다.
도 11a는 에어스트립 전송 선로 구조를 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 11b는 에어 스트립 전송 선로 구조를 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 12는 에어스트립 전송 선로의 폭과 특성 임피던스의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 안테나 장치에서 위상 분산 특성을 개선하는 방법을 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 14는 안테나 장치에서 위상 분산 특성을 개선하는 방법을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 15a는 안테나 장치에서 위상 분산 특성을 개선하는 방법을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 15b는 도 15a에 도시된 위상 기울기 제어 회로의 일 예를 나타낸다.
도 16은 주파수 대역폭과 전자 빔 스캐닝 범위의 관계를 나타낸다.
도 17은 안테나 장치의 전기적 특성을 나타내는 그래프의 일 예이다.
도 18은 안테나 장치의 전기적 특성을 나타내는 그래프의 다른 예이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 실시예에 따른 통신 시스템의 블록도를 나타내고, 도 2a는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 블록도의 일 예를 나타내고, 도 2b는 도 2a에 도시된 제1 배열 안테나의 블록도의 일 예를 나타내고, 도 2c는 안테나 장치에 포함된 마지막 배열 안테나의 연결 관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 2d는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 구조도를 나타내고, 도 3은 주파수 스캐닝을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 통신 시스템(10)은 통신 장치(100 및 200)를 포함한다. 통신 장치(100)와 통신 장치(200)는 안테나 장치를 사용하여 서로 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신 장치(100)는 안테나 장치(50)를 포함할 수 있다. 안테나 장치(50)는 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치를 의미한다.
안테나 장치(50)는 복수 개의 배열 안테나들을 포함한다. 복수 개의 배열 안테나들은 제1 배열 안테나(110), 제2 배열 안테나(120), ... , 제N 배열 안테나(130)를 포함한다. 제1 배열 안테나(110), 제2 배열 안테나(120), ... , 제N 배열 안테나(130)는 직렬로 연결된다. 즉, 안테나 장치(50)는 직렬 급전 회로망 구조를 포함한다. 제1 배열 안테나(110), 제2 배열 안테나(120), ... , 제N 배열 안테나(130)는 급전 신호에 기초하여 전파를 방사한다.
예를 들어, 제1 배열 안테나(110)는 제1 급전 신호를 수신하여 전파를 방사한다. 제1 급전 신호는 제2 급전 신호와 제3 급전 신호를 포함하는 급전 신호를 의미한다. 즉, 제1 배열 안테나(110)는 제2 급전 신호에 기초하여 전파를 방사하고, 제3 급전 신호를 제2 배열 안테나(120)로 전달한다.
안테나 장치(50)는 복수 개의 배열 안테나들을 사용하여 주파수 스캐닝을 수행한다. 즉, 안테나 장치(50)는 일정한 주파수 대역폭에서 전자 빔 스캐닝을 수행할 수 있다.
이하에서는 도 2b를 참조하여 제1 배열 안테나(110)의 구조에 대하여 설명한다. 또한, 제2 배열 안테나(120), ... , 제N 배열 안테나(130)의 구조에 대해서도 제1 배열 안테나(110)의 구조가 동일하게 적용될 수 있다.
제1 배열 안테나(110)는 T-접합부(T-junction; 111), 방사 소자(radiating element; 112), 및 결합 전송 선로(coupled transmission line; 113)를 포함한다.
T-접합부(111)는 제1 급전 신호를 방사 소자(112)와 결합 전송 선로(113)로 분배한다. T-접합부(111)는 급전 신호가 복수 개의 배열 안테나들의 방사 소자로 균일하게 분배되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 배열 안테나들의 개수가 N개인 경우, T-접합부(111)는 제2 급전 신호가 제1 급전 신호의 1/N이 되도록 설계될 수 있다. 즉, T-접합부(111)는 제3 급전 신호가 제1 급전 신호의 (N-1)/N이 되도록 설계될 수 있다. 이에, 복수 개의 배열 안테나들의 방사 소자는 동일한 크기의 급전 신호를 수신하여 전파를 방사할 수 있다.
방사 소자(112)는 수평 편파 특성을 갖는 광대역 특성의 안테나 소자로 구현된다. 방사 소자(112)는 T-접합부(111)로부터 수신한 제2 급전 신호에 기초하여 전파를 방사한다. 방사 소자(112)는 제2 급전 신호의 주파수에 따라 전파를 방사함으로써 전자 빔 스캐닝을 수행한다. 방사 소자(112)가 제2 급전 신호의 주파수에 따라 수직(앙각) 방향으로 전파를 방사하는 동작은 도 3에 도시된 바와 같다.
방사 소자(112)는 제2 급전 신호의 주파수가 중간 주파수(fmiddle)인 경우, 안테나 장치(50)와 수직한 방향으로 전파를 방사한다. 중간 주파수(fmiddle)는 중심 주파수에 해당한다.
방사 소자(112)는 제2 급전 신호의 주파수가 저주파수(flow)로 중간 주파수(fmiddle)보다 낮은 경우, 안테나 장치(50)쪽으로 기운 방향으로 전파를 방사한다. 예를 들어, 안테나 장치(50)의 앙각 방향(수직 방향)에서 안테나 장치(50)와 수직한 방향을 기준축으로 정의할 때, 방사 소자(112)는 제2 급전 신호의 주파수가 낮을수록 기준축에서 음의 각도로 기운 방향으로 전파를 방사할 수 있다.
방사 소자(112)는 제2 급전 신호의 주파수가 고주파수(fhigh)로 중간 주파수(fmiddle)보다 높은 경우, 안테나 장치(50)쪽으로 기운 방향으로 전파를 방사한다. 예를 들어, 방사 소자(112)는 제2 급전 신호의 주파수가 높을수록 기준축에서 양의 각도로 기운 방향으로 전파를 방사할 수 있다.
방사 소자(112)의 전자 빔 스캐닝의 범위를 ±θ1이라고 할 때, 결합 전송 선로(113)에서 요구되는 파장 변화량은 수학식 1과 같다.
Figure 112018032570101-pat00001
여기서,
Figure 112018032570101-pat00002
는 요구되는 파장 변화량이고,
Figure 112018032570101-pat00003
는 중심 주파수에서의 파장이고,
Figure 112018032570101-pat00004
는 제1 배열 안테나(110)의 방사 소자(112)와 제2 배열 안테나(120)의 방사 소자 간의 거리이고,
Figure 112018032570101-pat00005
는 결합 전송 선로(113)의 길이이고,
Figure 112018032570101-pat00006
은 전자 빔 스캐닝의 범위이다. 예를 들어, ±θ1=±6.5도(°), d=16 mm, s=73.2 mm(4.0λ0)인 경우, 요구되는 주파수 비대역폭(fractional bandwidth)은 4.9 % (fL=15.99 GHz, fo=16.40 GHz, fH=16.80 GHz)일 수 있다.
도 3에서는 방사 소자(112)가 수직(앙각) 방향으로 전파를 방사하는 동작에 대하여 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 방사 소자(112)가 위상 천이기(phase shifter)를 사용하여 수평(방위각) 방향으로 전파를 방사할 수 있다.
결합 전송 선로(113)는 제3 급전 신호를 제2 배열 안테나(120)로 전달한다. 이때, 제1 배열 안테나(110)의 방사 소자(112)와 제2 배열 안테나(120)의 방사 소자 간의 거리(d)가 제한적일 수 있고, 결합 전송 선로(113)의 길이는 중심 주파수에서의 파장(λ0)의 정수배(nλ0, n은 정수)가 되도록 결합할 수 있다. 이때, n의 값이 클수록 방사 소자(112)가 전자 빔 스캐닝을 수행하는 범위가 크게 된다. 예를 들어, 제1 배열 안테나(110)의 방사 소자(112)와 제2 배열 안테나(120)의 방사 소자 간의 거리는 16mm(0.87λ0)이고, 결합 전송 선로(113)의 길이는 73.2mm(4λ0)일 수 있다.
결합 전송 선로(113)는 TEM(transverse electromagnetic mode) 모드로 제3 급전 신호를 제2 배열 안테나(120)로 전달한다. 즉, 안테나 장치(50)는 결합 전송 선로(113)의 선로 폭을 제외한 부분을 공기로 채우기 위하여 상부 기구물 및 하부 기구물을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상부 기구물 및 하부 기구물은 결합 전송 선로(113)를 공기 중에 배치하기 위한 홈을 포함할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 안테나 장치(50)의 마지막 배열 안테나(즉, 제N 배열 안테나(130))는 방사 소자(140)와 연결된다. 즉, 안테나 장치(50)는 N개의 T-접합부와, (N+1)개의 방사 소자와, N개의 결합 전송 선로를 포함한다.
도 2d를 참조하면, 일 실시예에 따른 안테나 장치(50)의 구조도를 확인할 수 있다. 안테나 장치(50)는 제1 급전 신호를 입력받아 제1 배열 안테나(110)로 전달하는 전송 선로(transmission line; 101)를 더 포함할 수 있다. 복수 개의 배열 안테나들의 방사 소자(110, 120, ... , 130)와 방사 소자(140)는 제1 급전 신호에 기초하여 전파를 방사한다.
도 4a는 일 실시예에 따른 안테나 장치의 블록도를 나타내고, 도 4b는 도 4a에 도시된 제1 주파수-스캔 배열 안테나의 블록도의 일 예를 나타내고, 도 5a는 도 4a에 도시된 안테나 장치의 앞면을 나타내고, 도 5b는 도 4a에 도시된 안테나 장치의 뒷면을 나타내고, 도 5c는 도 4a에 도시된 안테나 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 5c를 참조하면, 안테나 장치(600)는 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치를 의미한다. 안테나 장치(600)는 평행하게 배치된 복수 개의 주파수-스캔 배열 안테나들을 포함한다. 복수 개의 주파수-스캔 배열 안테나들은 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300), 제2 주파수-스캔 배열 안테나(400), ... , 및 제M 주파수-스캔 배열 안테나(500)를 포함한다. 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300), 제2 주파수-스캔 배열 안테나(400), ... , 및 제M 주파수-스캔 배열 안테나(500)는 급전 신호에 기초하여 전파를 방사한다. 이때, 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300), 제2 주파수-스캔 배열 안테나(400), ... , 및 제M 주파수-스캔 배열 안테나(500)로 각각 입력되는 급전 신호는 주파수가 동일하거나 또는 서로 상이할 수 있다.
이하에서는 도 4b를 참조하여 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300)의 구조에 대하여 설명한다. 또한, 제2 주파수-스캔 배열 안테나(400), ... , 제M 주파수-스캔 배열 안테나(500)의 구조에 대해서도 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300)의 구조가 동일하게 적용될 수 있다.
제1 주파수-스캔 배열 안테나(300)는 낮은 사이드로브 레벨(side-lobe level) 특성을 얻기 위하여, 25 dB 체비셰프 분포(chebyshev distribution) 특성을 갖도록 설계될 수 있다.
제1 주파수-스캔 배열 안테나(300)는 제1 급전 신호에 기초하여 전파를 방사한다. 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300)는 제1 배열 안테나(310), 제2 배열 안테나(320), ... , 및 제N 배열 안테나(330)를 포함한다. 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300)의 제1 배열 안테나(310), 제2 배열 안테나(320), ... , 및 제N 배열 안테나(330)는 도 2b에 도시된 제1 배열 안테나(110), 제2 배열 안테나(120), ... , 및 제N 배열 안테나(130)와 구성 및 동작이 실질적으로 동일하다. 이에, 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300)의 제1 배열 안테나(310), 제2 배열 안테나(320), ... , 및 제N 배열 안테나(330)에 대한 설명은 생략한다.
안테나 장치(600)를 실제로 구현한 예는 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같다. 안테나 장치(600)는 수평(방위각) 방향 및 수직(앙각) 방향으로 주파수 스캐닝을 수행할 수 있다.
안테나 장치(600)는 8개의 주파수-스캔 배열 안테나를 포함할 수 있다. 즉, 안테나 장치(600)에서 M은 8일 수 있다. 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300), 제2 주파수-스캔 배열 안테나(400), ... , 및 제M 주파수-스캔 배열 안테나(500)는 수평(방위각) 방향으로 평행하게 배열된다.
또한, 제1 주파수-스캔 배열 안테나(300)는 14개의 배열 안테나를 포함할 수 있다. 즉, 안테나 장치(600)에서 N은 14일 수 있다. 각각의 주파수-스캔 배열 안테나에서 제1 배열 안테나, 제2 배열 안테나, ... , 및 제14 배열 안테나는 수직(앙각) 방향으로 직렬로 배열된다. 안테나 장치(600)는 뒷면의 도파관 입력 단자를 통해 급전 신호를 입력 받는다.
안테나 장치(600)는 상부 기구물(610), 유전체 필름층(620), 및 하부 기구물(630)을 포함한다.
상부 기구물(610) 및 하부 기구물(630)은 복수 개의 홈을 포함하여 유전체 필름층(620)에서 선로 폭을 제외한 부분을 공기로 채울 수 있다. 이에, 유전체 필름층(620)의 결합 전송 선로는 TEM 모드로 급전 신호를 전달할 수 있다.
상부 기구물(610)은 유전체 필름층(620)의 상부에 위치하고, 유전체 필름층(620)의 배열 안테나에 대응하는 홈을 포함한다.
유전체 필름층(620)은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 배열 안테나들을 포함한다. 즉, 유전체 필름층(620)은 T-접합부, 방사 소자, 및 결합 전송 선로를 포함한다.
하부 기구물(610)은 유전체 필름층(620)의 하부에 위치하고, 유전체 필름층(620)의 배열 안테나에 대응하는 홈을 포함한다.
이하에서는 상부 기구물(610), 유전체 필름층(620), 및 하부 기구물(630)에 대하여 나누어서 설명하도록 한다.
도 6a는 상부 기구물의 앞면을 나타내고, 도 6b는 상부 기구물의 뒷면을 나타내고, 도 7은 상부 기구물의 웨지 구조물을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 상부 기구물의 홈을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 상부 기구물(610)은 앞면에 웨지 구조물(601) 및 슬롯(602)을 포함한다.
웨지 구조물(601)은 사다리꼴의 형상일 수 있다. 즉, 웨지 구조물(601)은 슬롯(602)을 기준으로 V자로 형성될 수 있다. 상부 기구물(610)은 M개의 주파수-스캔 배열 안테나에 대하여, (M+1)개의 웨지 구조물(601)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주파수-스캔 배열 안테나가 8개인 경우, 웨지 구조물(601)은 9개일 수 있다.
상부 기구물(610)은 M*N개의 슬롯(602)을 포함한다. M은 주파수-스캔 배열 안테나의 총 개수이고, N은 주파수-스캔 배열 안테나에 포함된 배열 안테나의 총 개수를 의미한다.
슬롯(602)은 유전체 필름층의 방사 소자가 전파를 방사하기 위하여 상부 기구물(610)의 앞면과 뒷면을 관통하는 부분이다. 슬롯(602)를 통하여 방사 소자로부터 전파가 방사되기 때문에, 안테나 장치(600)는 지향성이 좋고, 손실이 줄어들어 상호 결합 특성이 개선될 수 있다.
도 7을 참조하면, 웨지 구조물(710, 720, 730, 및 740)의 사이에는 슬롯(750, 760, 및 770)이 위치한다. 예를 들어, 웨지 구조물(710)과 웨지 구조물(720)의 사이에는 슬롯(750)이 위치할 수 있다. 웨지 구조물(720)과 웨지 구조물(730)의 사이에는 슬롯(760)이 위치할 수 있다. 웨지 구조물(730)과 웨지 구조물(740)의 사이에는 슬롯(770)이 위치할 수 있다. 웨지 구조물(710, 720, 730, 및 740)은 슬롯(750, 760, 및 770)을 기준으로 V자로 형성될 수 있다.
슬롯(750, 760, 및 770)은 유전체 필름층의 방사 소자(712, 722, 및 732)가 전파를 방사하는 부분이다. 즉, 방사 소자(712)는 슬롯(750)을 통해 전파를 방사하고, 방사 소자(722)는 슬롯(760)을 통해 전파를 방사하고, 방사 소자(732)는 슬롯(770)을 통해 전파를 방사할 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상부 기구물(610)은 뒷면에 슬롯(602), 제1 홈(603), 제2 홈(604), 및 제3 홈(605, 606, 607, 608, 및 609)을 포함한다.
제1 홈(603)은 유전체 필름층의 도파관 입력 단자가 급전 신호를 입력받기 위한 부분이다. 즉, 제1 홈(603)은 도파관 상부 커버 부분을 의미할 수 있다. 상부 기구물(610)에서 수평(방위각) 방향으로의 배열 간격은 제한적일 수 있고, 이에 제1 홈(603)은 90도(°) 회전하여 배치될 수 있다. 도파관의 장축의 길이가 상부 기구물(610)에서 수평(방위각) 방향으로의 배열 간격보다 길 수 있기 때문이다.
제2 홈(604)은 유전체 필름층의 결합 전송 선로가 TEM 모드로 급전 신호를 전달하기 위한 부분이다. 예를 들어, 제2 홈(604)은 유전체 필름층의 결합 전송 선로를 제외한 부분을 공기로 채울 수 있다.
제3 홈(605, 606, 607, 608, 및 609)은 유전체 필름층의 T-접합부가 급전 신호를 균등하게 분배하기 위한 부분이다. 이때, 유전체 필름층의 T-접합부가 각각의 방사 소자로 급전 신호를 균등하게 분배하기 위해서는, 수직(앙각) 방향의 사이드로브 특성 및 이에 따른 선형 배열 분포 특성이 고려하여, 수직(앙각) 방향에서 제1 홈(603)에 가까울수록 낮은 특성 임피던스의 결합 전송 선로가 요구된다. 즉, 제3 홈(605, 606, 607, 608, 및 609) 중에서 수직(앙각) 방향에서 제1 홈(603)에 가까운 홈일수록 홈의 깊이가 얕을 수 있다.
도 8을 참조하면, 상부 기구물(610)은 홈 구조물(805)을 더 포함한다. 상부 기구물(610)은 홈 구조물(805)을 사용하여 제3 홈의 깊이를 조절할 수 있다. 예를 들어, 수직(앙각) 방향에서 제1 홈에 가까울수록 홈 구조물(805)의 높이가 높아질 수 있다. 즉, 수직(앙각) 방향에서 제1 홈에 가까운 제3 홈일수록 깊이가 얕아질 수 있다. 이에, 수직(앙각) 방향에서 제1 홈에 가까울수록 결합 전송 선로의 특성 임피던스가 낮아질 수 있다.
홈 구조물(805)과 접촉하지 않고, 일정한 간격을 유지한 상태로 유전체 필름층의 T-접합부(811)가 급전 신호를 분배할 수 있다.
도 9a는 유전체 필름층을 나타내고, 도 9b는 도 9a에 도시된 유전체 필름층 상의 T-접합부, 방사 소자, 및 결합 전송 선로를 나타낸다.
도 9a를 참조하면, 유전체 필름층은 주파수-스캔 배열 안테나(910)를 포함하는 복수 개의 주파수-스캔 배열 안테나들을 포함한다. 주파수-스캔 배열 안테나(910)는 도파관 입력 단자 및 직렬로 연결된 복수 개의 배열 안테나들을 포함한다.
유전체 필름층은 도파관 입력 단자를 포함함으로써 추가적인 SMA 커넥터(SubMiniature version A connector)가 필요없고, 이에 편리한 유지 보수 및 시스템 비용 절감, 무게 절감 등의 효과를 가질 수 있다.
배열 안테나는 T-접합부, 제1 방사 소자, 및 결합 전송 선로를 포함할 수 있다. 복수 개의 배열 안테나들 중에서 마지막 배열 안테나는 제2 방사 소자와 연결될 수 있다. 제1 방사 소자와 제2 방사 소자는 구성 및 동작이 실질적으로 동일할 수 있다.
도 9b를 참조하면, 주파수-스캔 배열 안테나(910)의 T-접합부(911 및 914), 방사 소자(912 및 915), 및 결합 전송 선로(913)를 확인할 수 있다.
도 10a는 하부 기구물의 앞면을 나타내고, 도 10b는 하부 기구물의 뒷면을 나타낸다.
도 10a를 참조하면, 하부 기구물(630)은 앞면에 도파관 개구면(1010)을 포함한다. 도파관 개구면(1010)은 유전체 필름층의 도파관 입력 단자로 급전 신호를 입력하기 위하여 하부 기구물(630)의 앞면과 뒷면을 관통하는 부분이다. 하부 기구물(630)에서 수평(방위각) 방향으로의 배열 간격은 제한적일 수 있고, 이에 도파관 개구면(1010)은 90도(°) 회전하여 배치될 수 있다. 도파관의 장축의 길이가 하부 기구물(630)에서 수평(방위각) 방향으로의 배열 간격보다 길 수 있기 때문이다. 즉, 도파관 개구면(1010)은 도 6b의 상부 기구물(610)에서 제1 홈(603)에 대응하는 부분이다.
도 10b를 참조하면, 하부 기구물(630)은 뒷면에 도파관 개구면(1010), 제4 홈(1020), 제5 홈(1030), 및 제6 홈(1041, 1042, 1043, 1044, 및 1045)을 포함한다.
제4 홈(1020)은 유전체 필름층의 방사 소자가 전파를 방사하기 위한 부분이다. 즉, 제4 홈(1020)은 도 6b의 상부 기구물(610)에서 슬롯(602)에 대응하는 부분이다.
제5 홈(1030)은 유전체 필름층의 결합 전송 선로가 TEM 모드로 급전 신호를 전달하기 위한 부분이다. 즉, 제5 홈(1030)은 도 6b의 상부 기구물(610)에서 제2 홈(604)에 대응하는 부분이다. 상부 기구물(610)의 제2 홈(604)과 하부 기구물(630)의 제5 홈(1030)은 유전체 필름층의 결합 전송 선로를 제외한 부분을 공기로 채울 수 있다.
제6 홈(1041, 1042, 1043, 1044, 및 1045)은 유전체 필름층의 T-접합부가 급전 신호를 균등하게 분배하기 위한 부분이다. 이때, 유전체 필름층의 T-접합부가 각각의 방사 소자로 급전 신호를 균등하게 분배하기 위해서는, 수직(앙각) 방향의 사이드로브 특성 및 이에 따른 선형 배열 분포 특성이 고려하여, 수직(앙각) 방향에서 도파관 개구면(1010)에 가까울수록 낮은 특성 임피던스의 결합 전송 선로가 요구된다. 즉, 제6 홈(1041, 1042, 1043, 1044, 및 1045) 중에서 수직(앙각) 방향에서 도파관 개구면(1010)에 가까운 홈일수록 홈의 깊이가 얕을 수 있다. 이는 도 8을 참조하여 설명한 부분이 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 하부 기구물(630)은 제6 홈(1041, 1042, 1043, 1044, 및 1045)의 깊이를 조절하는 홈 구조물을 포함할 수 있다.
도 11a는 에어스트립 전송 선로 구조를 설명하기 위한 도면의 일 예이고, 도 11b는 에어 스트립 전송 선로 구조를 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 12는 에어스트립 전송 선로의 폭과 특성 임피던스의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 일 실시예에 따른 안테나 장치가 에어스트립 전송 선로 구조로 구현되는 것을 확인할 수 있다.
안테나 장치는 상부 기구물(1110), 유전체 필름층(1120), 및 하부 기구물(1130)을 포함한다. 상부 기구물(1110), 유전체 필름층(1120), 및 하부 기구물(1130)은 도 6a 내지 도 10b를 참조하여 설명한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
유전체 필름층(1120)은 폭이 w인 에어스트립 전송 선로(1113)를 포함한다. 에어스트립 전송 선로(1113)는 결합 전송 선로이다.
상부 기구물(1110)은 에어스트립 전송 선로(1113)가 TEM 모드로 급전 신호를 전달하도록 제2 홈을 포함한다. 즉, 상부 기구물(1110)은 유전체 필름층(1120)의 에어스트립 전송 선로(1113)를 제외한 부분을 공기로 채울 수 있다. 공기의 비유전율(relative permittivity(εr))은 1이다.
하부 기구물(1130)은 에어스트립 전송 선로(1113)가 TEM 모드로 급전 신호를 전달하도록 제5 홈을 포함한다. 즉, 상부 기구물(1110)은 유전체 필름층(1120)의 에어스트립 전송 선로(1113)를 제외한 부분을 공기로 채울 수 있다.
상부 기구물(1110)과 하부 기구물(1130)은 제2 홈 및 제5 홈을 사용하여 단면적이 폭(FGW)*높이(FGT)인 공기층을 유전체 필름층(1120)에 제공한다. 예를 들어, 제2 홈은 FGW의 폭과 (FGT/2)의 깊이를 갖고, 제5 홈은 FGW의 폭과 (FGT/2)의 깊이를 가질 수 있다.
이에, 유전체 필름층(1120)의 손실 탄젠트(loss tangent) 특성에 의한 유전체 손실이 개선되고, 급전 손실을 최소화할 수 있다.
도 12를 참조하면, 공기층의 폭(FGW)을 4.0mm로, 높이(FGT)를 2.0mm로 설정하였을 경우, 에어스트립 전송 선로(1113)의 폭(w)에 따른 특성 임피던스의 변화를 확인할 수 있다. 에어스트립 전송 선로(1113)의 폭(w)이 커질수록 에어스트립 전송 선로(1113)의 특성 임피던스는 비선형적으로 감소한다.
에어스트립 전송 선로(1113)의 특성 임피던스는 폭(FGW)의 변화보다는 높이(FGT)의 변화에 더욱 민감하다. 이에, 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 홈 구조물을 사용하여 제2 홈과 제5 홈의 깊이를 조절함으로써 배열 안테나마다 특성 임피던스를 조절할 수 있다.
도 13 내지 도 16에서는 안테나 장치에서 방사 소자간의 직렬 급전 길이를 증가시켜 위상 분산 특성을 개선하는 방법을 설명한다.
도 13은 안테나 장치에서 위상 분산 특성을 개선하는 방법을 설명하기 위한 도면의 일 예이다.
도 13을 참조하면, 안테나 장치는 상부 기구물(1310), 유전체 필름층(1320), 및 하부 기구물(1330)을 포함한다. 이때, 상부 기구물(1310)은 유전율을 높이기 위하여 제2 홈에 제1 유전체(1340)를 포함한다. 하부 기구물(1330)은 유전율을 높이기 위하여 제5 홈에 제2 유전체(1350)를 포함한다.
제1 유전체(1340) 및 제2 유전체(1350)는 고유전율의 유전체로 구현된다. 이에, 안테나 장치는 방사 소자간의 직렬 급전 길이가 증가해 위상 분산 특성이 개선될 수 있다.
도 14는 안테나 장치에서 위상 분산 특성을 개선하는 방법을 설명하기 위한 도면의 다른 예이다.
도 14를 참조하면, 안테나 장치는 상부 기구물(1410), 유전체 필름층(1420), 및 하부 기구물(1430)을 포함한다. 이때, 유전체 필름층(1420)은 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 또는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 기술로 구현되는 결합 전송 선로를 포함한다. LTCC 또는 MMIC 기술로 구현된 결합 전송 선로를 구현하기 위해서는 유전체 필름층(1420)이 얇거나, 또는 얇은 RF PCB(Printed Circuit Board)에 조립해야 하는 추가 공정이 필요하다. 이에, 안테나 장치는 방사 소자간의 직렬 급전 길이가 증가해 위상 분산 특성이 개선될 수 있다.
도 15a는 안테나 장치에서 위상 분산 특성을 개선하는 방법을 설명하기 위한 도면의 다른 예이고, 도 15b는 도 15a에 도시된 위상 기울기 제어 회로의 일 예를 나타내고, 도 16은 주파수 대역폭과 전자 빔 스캐닝 범위의 관계를 나타낸다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 안테나 장치는 상부 기구물(1510), 유전체 필름층(1520), 및 하부 기구물(1530)을 포함한다. 이때, 유전체 필름층(1520)은 위상 기울기 제어 회로(Phase Slope Control Circuit(PSCC); 1540)를 포함한다.
위상 기울기 제어 회로(1540)는 전송 선로 및 스터브 선로들을 포함한다. 스터브 선로들은 병렬로 연결된 단락 스터브 및 개방 스터브를 포함한다.
위상 기울기 제어 회로(1540)는 제1 특성 임피던스 및 제1 전기적 길이를 갖는 제1 스터브 선로(1541)와, 제2 특성 임피던스 및 제2 전기적 길이를 갖는 제2 스터브 선로(1542)와, 제3 특성 임피던스 및 제3 전기적 길이를 갖는 제3 스터브 선로(1543)를 포함한다. 제1 특성 임피던스, 제2 특성 임피던스, 및 제3 특성 임피던스는 Zs이다. 제1 전기적 길이, 제2 전기적 길이, 및 제3 전기적 길이는 θs이다. 예를 들어, θs는 λ/4, 즉, 45도(°)일 수 있다.
전송 선로는 스터브 선로들 사이에 위치한다. 예를 들어, 제4 특성 임피던스 및 제4 전기적 길이를 갖는 제1 전송 선로(1544)는 제1 스터브 선로(1541)과 제2 스터브 선로(1542) 사이에 위치한다. 또한, 제5 특성 임피던스 및 제5 전기적 길이를 갖는 제2 전송 선로(1545)는 제2 스터브 선로(1542)과 제3 스터브 선로(1543) 사이에 위치한다. 제4 특성 임피던스 및 제5 특성 임피던스는 Zm이다. 제4 전기적 길이 및 제5 전기적 길이는 θm이다. 에를 들어, θm은 λ, 즉, 180도(°)일 수 있다.
도 16을 참조하면, 위상 기울기 제어 회로(PSCC #2; 602)가 위상 기울기 제어 회로(PSCC #1; 601)보다 동일한 전자 빔 스캐닝 범위에 대하여 요구되는 주파수 대역폭이 줄어듦을 확인할 수 있다. 예를 들어, 위상 기울기 제어 회로(601)는 전자 빔 스캐닝 범위(θlow~θhigh)에서 요구되는 주파수 대역폭이 flow~fhigh일 수 있다. 위상 기울기 제어 회로(602)는 전자 빔 스캐닝 범위(θlow~θhigh)에서 요구되는 주파수 대역폭이 f'low~f'high일 수 있다. f'low~f'high의 주파수 대역폭은 flow~fhigh의 주파수 대역폭보다 작다. 위상 기울기 제어 회로(602)는 위상 기울기 제어 회로(601)보다 직렬로 연결된 전송 선로 및 스터브 선로들을 더 많이 포함한다. 이에, 위상 기울기 제어 회로(602)를 포함하는 안테나 장치는 방사 소자간의 직렬 급전 길이가 증가해 위상 분산 특성이 개선될 수 있다.
도 17은 안테나 장치의 전기적 특성을 나타내는 그래프의 일 예이고, 도 18은 안테나 장치의 전기적 특성을 나타내는 그래프의 다른 예이다.
도 17을 참조하면, 안테나 장치의 입력 반사 손실 및 단자간 격리 특성을 확인할 수 있다. S1,1은 입력 반사 손실을 나타내고, S2,1 및 S3,1은 단자간 격리 특성을 나타낸다.
안테나 장치의 입력 반사 손실 및 단자간 격리 특성은 설계 동작 대역(16.0~16.8 GHz) 내에서 각각 13.3 dB 이상, 20.5 dB 이상으로 양호한 특성들을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 18을 참조하면, 안테나 장치의 주파수 스캐닝 방사 특성을 확인할 수 있다.
안테나 장치의 안테나 이득은 약 18 dBi 이상이며, 수직(앙각) 방향의 3dB 빔 폭은 평균 5.0도(°)일 수 있다. 또한, 16.0~16.8 GHz의 주파수-스캔 범위에서 -6.0 ~ +6.4도(°)의 전자 빔 스캐닝 방사 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이는 상술한 수학식 1의 내용과 동일할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 제1 급전 신호를 분배하기 위한 T-접합부(T-junction);
    제2 급전 신호에 기초하여 전파를 방사하기 위한 제1 방사 소자(radiating element); 및
    상기 제1 급전 신호에서 상기 제2 급전 신호를 뺀 제3 급전 신호를 다음 소자로 전달하는 결합 전송 선로(coupled transmission line)
    를 포함하고,
    상기 결합 전송 선로는 길이가 중심 주파수에서의 파장의 정수배가 되도록 결합되고,
    상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로는 직렬로 연결되어 직렬 급전 회로망을 구성하는
    안테나 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 T-접합부는 N개로 구현되고,
    상기 제1 방사 소자는 N+1개로 구현되고,
    상기 결합 전송 선로는 N개로 구현되는
    안테나 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 장치는,
    평행하게 배치된 복수 개의 주파수-스캔 배열 안테나들
    을 포함하고,
    상기 복수 개의 주파수-스캔 배열 안테나들 중에서 적어도 하나의 주파수-스캔 배열 안테나는,
    상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로를 포함하는
    안테나 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 급전 신호를 입력하는 도파관 입력 단자
    를 더 포함하는 안테나 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결합 전송 선로는,
    LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 또는 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 기술로 구현되는
    안테나 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결합 전송 선로는,
    전송 선로 및 스터브 선로들을 포함하는 위상 기울기 제어 회로
    를 포함하는 안테나 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스터브 선로들은,
    제1 특성 임피던스 및 제1 전기적 길이를 갖는 제1 스터브 선로; 및
    제2 특성 임피던스 및 제2 전기적 길이를 갖는 제2 스터브 선로
    를 포함하고,
    상기 전송 선로는,
    상기 제1 스터브 선로 및 상기 제2 스터브 선로 사이에 위치하는
    안테나 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 스터브 선로 및 상기 제2 스터브 선로는,
    병렬로 연결된 개방 스터브 및 단락 스터브를 포함하는
    안테나 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 특성 임피던스 및 상기 제2 특성 임피던스는 동일한
    안테나 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전기적 길이 및 상기 제2 전기적 길이는 45도인
    안테나 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로는,
    유전체 필름층 상에 구현되는
    안테나 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유전체 필름층의 상부에 위치하고, 상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로에 대응하는 홈을 포함하는 상부 기구물; 및
    상기 유전체 필름층의 하부에 위치하고, 상기 T-접합부, 상기 제1 방사 소자, 및 상기 결합 전송 선로에 대응하는 홈을 포함하는 하부 기구물
    을 더 포함하는 안테나 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 상부 기구물은,
    상기 유전체 필름층의 도파관 입력 단자가 상기 제1 급전 신호를 입력받기 위한 제1 홈;
    상기 제1 방사 소자가 상기 전파를 방사하기 위한 슬롯; 및
    상기 결합 전송 선로가 TEM(transverse electromagnetic mode) 모드로 상기 제3 급전 신호를 전달하기 위한 제2 홈
    을 포함하는 안테나 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 상부 기구물은,
    상기 T-접합부가 급전 신호를 균등하게 분배하기 위한 제3 홈
    을 더 포함하고,
    상기 제3 홈은,
    상기 제1 홈에 가까운 홈일수록 홈의 깊이가 얕아지는
    안테나 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 상부 기구물은,
    유전율을 높이기 위하여 상기 제2 홈에 배치되는 제1 유전체
    를 더 포함하는 안테나 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 상부 기구물은,
    상기 전파에 대한 지향성을 향상시키기 위한 웨지(wedge) 구조물을 포함하는
    안테나 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 하부 기구물은,
    상기 제1 급전 신호를 상기 유전체 필름층의 도파관 입력 단자로 입력하기 위한 도파관 개구면;
    상기 제1 방사 소자가 상기 전파를 방사하기 위한 제4 홈; 및
    상기 결합 전송 선로가 TEM(transverse electromagnetic mode) 모드로 상기 제3 급전 신호를 전달하기 위한 제5 홈
    을 포함하는 안테나 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 하부 기구물은,
    상기 T-접합부가 급전 신호를 균등하게 분배하기 위한 제6 홈
    을 더 포함하고,
    상기 제6 홈은,
    상기 도파관 개구면에 가까운 홈일수록 홈의 깊이가 얕아지는,
    안테나 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 도파관 개구면은 상기 도파관 입력 단자에 대하여 90도 회전되어 배치되는
    안테나 장치.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 하부 기구물은,
    유전율을 높이기 위하여 상기 제5 홈에 배치되는 제2 유전체
    를 더 포함하는 안테나 장치.
KR1020180038112A 2018-04-02 2018-04-02 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치 KR102377589B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180038112A KR102377589B1 (ko) 2018-04-02 2018-04-02 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치
US16/025,804 US10622714B2 (en) 2018-04-02 2018-07-02 Linear slot array antenna for broadly scanning frequency

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180038112A KR102377589B1 (ko) 2018-04-02 2018-04-02 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190115277A KR20190115277A (ko) 2019-10-11
KR102377589B1 true KR102377589B1 (ko) 2022-03-24

Family

ID=68057268

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180038112A KR102377589B1 (ko) 2018-04-02 2018-04-02 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10622714B2 (ko)
KR (1) KR102377589B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11495877B2 (en) * 2018-08-17 2022-11-08 Metawave Corporation Multi-layer, multi-steering antenna system for autonomous vehicles
KR102522107B1 (ko) 2019-12-24 2023-04-17 한국전자통신연구원 높은 격리도를 가지는 t자형 접합부 및 이의 제작 방법

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3039097A (en) * 1953-08-17 1962-06-12 Hughes Aircraft Co Frequency-sensitive rapid-scanning antenna
US2836822A (en) * 1955-08-10 1958-05-27 Hughes Aircraft Co Method of feeding and scanning a circularly disposed antenna array
US3213454A (en) * 1960-03-21 1965-10-19 Litton Ind Of Maryland Frequency scanned antenna array
US3286260A (en) * 1964-02-07 1966-11-15 Howard Shirly La Var Electronic scanning radar system
US3419870A (en) 1965-05-24 1968-12-31 North American Rockwell Dual-plane frequency-scanned antenna array
US3434139A (en) 1965-07-15 1969-03-18 North American Rockwell Frequency-controlled scanning monopulse antenna
GB1566772A (en) * 1977-09-15 1980-05-08 Standard Telephones Cables Ltd Microstrip antenna radiators
KR100485354B1 (ko) * 2002-11-29 2005-04-28 한국전자통신연구원 유전체 덮개를 이용한 마이크로스트립 패치 안테나 및이를 배열한 배열 안테나
US8830133B2 (en) * 2008-02-04 2014-09-09 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Circularly polarised array antenna
US9287614B2 (en) * 2011-08-31 2016-03-15 The Regents Of The University Of Michigan Micromachined millimeter-wave frequency scanning array
KR101830133B1 (ko) * 2012-03-19 2018-03-29 한화시스템 주식회사 차량용 레이더를 위한 전자기 결합 마이크로스트립 다이폴 배열 안테나
KR101668460B1 (ko) 2012-05-31 2016-10-21 한국전자통신연구원 다중 송수신 레이더 시스템
KR102033311B1 (ko) * 2013-11-22 2019-10-17 현대모비스 주식회사 스트립라인 급전 슬롯 배열 안테나 및 이의 제조 방법
KR102202600B1 (ko) 2014-11-10 2021-01-13 한국전자통신연구원 레이더 신호 처리를 위한 빔 형성 장치 및 그 방법
KR101663139B1 (ko) * 2015-02-25 2016-10-10 블루웨이브텔(주) 고주파 평면 배열 안테나
US10020594B2 (en) * 2015-10-21 2018-07-10 Gwangji Institute of Science and Technology Array antenna

Also Published As

Publication number Publication date
US20190305421A1 (en) 2019-10-03
KR20190115277A (ko) 2019-10-11
US10622714B2 (en) 2020-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10615513B2 (en) Efficient planar phased array antenna assembly
US8098189B1 (en) Weather radar system and method using dual polarization antenna
CN1823446B (zh) 宽带相控阵辐射体
CN107949954B (zh) 无源串馈式电子引导电介质行波阵列
US7012572B1 (en) Integrated ultra wideband element card for array antennas
KR102033311B1 (ko) 스트립라인 급전 슬롯 배열 안테나 및 이의 제조 방법
US7283102B2 (en) Radial constrained lens
US7498989B1 (en) Stacked-disk antenna element with wings, and array thereof
WO2018145300A1 (zh) 一种天线阵列及通信设备
CN111052507B (zh) 一种天线及无线设备
KR102377589B1 (ko) 광범위 주파수-스캔 방식의 선형 슬롯 배열 안테나 장치
Kavitha et al. A wide-scan phased array antenna for a small active electronically scanned array: a review
Filgueiras et al. Wideband omnidirectional slotted-waveguide antenna array based on trapezoidal slots
Chu et al. Frequency beam-steering antenna with large scanning angle and low sidelobe in brick configuration aiming for 2-D expansion
KR101937820B1 (ko) 다중 빔 배열 안테나 장치
Kim et al. A new coplanar waveguide continuous transverse stub (CPW-CTS) antenna for wireless communications
Gil-Martínez et al. An array of leaky wave antennas for indoor smart wireless access point applications
Oueslati et al. Wideband low-profile aperture antenna for 5G-applications comprising of a slotted waveguide array and an integrated corporate feed
Hehenberger et al. A 77-GHz FMCW MIMO radar employing a non-uniform 2D antenna array and substrate integrated waveguides
Djerafi et al. Innovative multilayered millimetre-wave antennas for multi-dimensional scanning and very small footprint applications
Ghate et al. Quasi-optical beamforming approach using vertically oriented dielectric wedges
Amjadi et al. A compact, broadband, two-port slot antenna system for full-duplex applications
CN113690636A (zh) 基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线
Schaubert Endfire tapered slot antenna characteristics
US5877729A (en) Wide-beam high gain base station communications antenna

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right