KR102462315B1 - 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부분배열의 자유도를 높여 빔조향시 부엽준위 성능을 개선할 수 있고, 부분배열 설계의 자유도를 확보하여 전체배열 안테나의 부분배열 기반 빔조향 기능에서 부엽 상승요인을 최소화할 수 있는 도파관 슬롯 배열 빔 조향 안테나를 제공한다.
본 발명의 도파관 슬롯 배열 빔 조향 안테나은, 제1 도파관층과, 제1 도파관층과 일체로 형성된 제2 도파관층과, 제1 도파관층과 제2 도파관층 사이에 형성되어 제1 도파관층에서 제2 도파관층으로 전계를 전달하는 1개의 급전커플링 슬롯과, 제2 도파관층과 일체로 형성된 제3 도파관층과, 제2 도파관층과 제3 도파관층 사이에 형성되어 제2 도파관층의 전계를 분할하여 제3 도파관층에 전달하는 복수개의 복사소자커플링 슬롯과, 복사소자커플링 슬롯의 반대쪽면 복사소자커플링 슬롯의 갯수와 동일한 갯수로 제3 도파관층에 형성된 복수개의 복사슬롯을 포함하여 이루어진 것이다.

Description

도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나{Waveguide Slot Array Beamsteering Antenna}

본 발명은 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도파관의 부분배열 형상 자유도를 높여 빔조향시 부엽준위 성능을 개선하고 빔조향 범위를 확장할 수 있는 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 빔조향 안테나에 있어서 전파는 도파관내에서 에너지를 전달하기 가장 용이한 기본모드로 전달된다.

이에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이 금속 도파관(10) 표면으로 전류가 흐르게 되며, 도파관(10) 표면을 따라 흐르는 표면전류가 0.5 관내파장 길이마다 주기적으로 형성된다. 여기서, 도파관(10)에 축방향(Z축)과 평행하게 복사슬롯(11,12)를 형성하면, 복사슬롯(11,12)의 개구면에서 표면전류 방향으로 슬롯전계(11a,12a)가 각각 형성된다.

통상적인 도파관 슬롯 배열 안테나는 도 1에서와 같이 인접한 복사슬롯(11,12)간의 슬롯전계 방향이 같으면 전계간 보강간섭을 일으키는 현상을 기반으로 구현하게 된다.

즉, 도파관(10) 표면에 형성되는 표면전류 중에서 도파관(10)의 Z축에 직교하는 표면전류 위치에 복사슬롯(11,12)을 지그재그로 배치하여 인접한 복사슬롯 간에 슬롯전계 방향이 같도록 구현하여 Y축으로 방사하게 되고, 이 경우 복사슬롯(11,12)의 모양을 보면, 복사슬롯(11,12)의 장축 방향은 도파관(10)의 Z축과 평행하게 배치된다.

여기서, 도 2에 도시한 바와 같이 도파관(20) 표면에 형성되는 표면전류 중에서 Z축 방향에 평행한 표면전류 위치에 복사슬롯(21,22)을 0.5관내파장 단위로 배치하면, 슬롯전계(21a)과 슬롯전계(22a)의 방향이 서로 상충되도록 전계가 형성된다. 이러한 경우, 인접한 복사슬롯(21,22)간의 전계가 상쇄됨에 따라 특정각도에서 널(Null)이 형성되어 전파가 방사되지 않는 경우가 나타나게 되며, 이 경우 복사슬롯(21,22)의 모양을 보면, 복사슬롯(21,22)의 장축 방향은 도파관(20)의 Z축과 직교하게 배치된다.

도 3의 (a) 및 (b)는 횡방향으로 구현한 도파관 슬롯배열 사례(4×1)이다. 제1 도파관층(31)과 제2 도파관층(32) 사이에 급전커플링 슬롯(31a)이 형성되고, 상기 급전커플링 슬롯(31a)의 대향측 제2 도파관층(32)에 복사슬롯(32a,32b,32c,32d)을 0.5관내 파장단위로 배치하되, 지그재그 형태로 배치함으로써 슬롯배열 평면의 수직방향으로 복사패턴을 형성할 수 있다(도 4 참조). 이 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 2×1, 3×1, 4×1 사례 모두 복사슬롯에 형성되는 복사패턴의 전계방향이 같은 방향을 지향하도록 구현된다.

도 5의 (a) 및 (b)는 종방향으로 구현한 도파관 슬롯배열 사례(3×1)이다. 복사슬롯(42a,42b,42c)을 제2 도파관층(42)에 종방향으로 배치할 경우, 도 5의 (b)에서와 같이 첫번째 복사슬롯(42a)의 전계방향이 두번째 복사슬롯(42b), 세번째 복사슬롯(42c)의 전계 방향에 서로 상충되는 방향이며, 이런 경우 복사패턴을 확인하면, 도 5의 (c)에서와 같이 슬롯평면의 수직방향의 이득이 저하된다. 이러한 경우, 도 4의 복사패턴과 같이 복사패턴이 슬롯배열의 수직방향으로 복사패턴의 최대 이득을 구현할 수 없게 된다.

따라서, 최근에는 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나 설계시, 부분배열 단위로 빔조향 모듈(변위기, TR모듈 등)을 적용하여 저가화와 빔조향 기능을 동시에 충족하는 형태로 발전하는 추세이다. 이러한 방식은 부분배열 간에 최대한 유사성을 최소화(비주기성)하여 구현해야 빔조향시 그레이팅 로브 형성이 최소화된다.

그런데, 이러한 부분배열 도파관 슬롯 배열 안테나 구조로 구현할 경우, 도 2와 같이 1열에 2개이상의 복사슬롯 배열을 배치해야 하고, 1열 도파관 복사소자 구현이 제한될 경우 부분배열 간의 주기성이 나타나면서, 부분배열의 그레이팅 로브가 전체 안테나 빔조향시에 나타나게 된다.

즉, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 부분배열을 구현할 경우, 가로 방향으로 1×2 배열이 규칙적으로 나타나게 되면서 빔조향시 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 부엽이 상승하게 된다. 구현된 부분배열은 복사슬롯 간의 간격을 약 0.7파장 정도로 구현하여 최대 빔조향 범위를 약 15°로 설계된 배열이며, 이 경우 부엽을 약 -10 dB이하로 설계하게 된다. 그러나, 이와 같이 설계된 배열은 부분배열간 규칙성으로 인해 부엽이 -5dB까지 상승하면서 빔조향 범위가 20~30%정도 좁아지게 되는 한계가 있다.

따라서, 종래의 횡방향 슬롯배열은 설계시 비교적 구현이 용이한 측면이 있지만, 종방향으로 규칙성을 부여하는 한계를 가지는 단점이 있고, 이에 따라 수평방향의 빔조향 범위에 비해, 수직 방향 빔조향 범위가 좁아지는 현상을 초래하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 부분배열의 자유도를 높여 빔조향시 부엽준위 성능을 개선할 수 있고, 부분배열 설계의 자유도를 확보하여 전체배열 안테나의 부분배열 기반 빔조향 기능에서 부엽 상승요인을 최소화할 수 있는 도파관 슬롯 배열 빔 조향 안테나를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 제1 도파관층; 상기 제1 도파관층과 일체로 형성된 제2 도파관층; 상기 제1 도파관층과 제2 도파관층 사이에 형성되어 제1 도파관층에서 제2 도파관층으로 전계를 전달하는 1개의 급전커플링 슬롯; 상기 제2 도파관층과 일체로 형성된 제3 도파관층; 상기 제2 도파관층과 제3 도파관층 사이에 형성되어 제2 도파관층의 전계를 분할하여 제3 도파관층에 전달하는 복수개의 복사소자커플링 슬롯; 및 상기 복사소자커플링 슬롯의 반대쪽면 복사소자커플링 슬롯의 갯수와 동일한 갯수로 제3 도파관층에 형성된 복수개의 복사슬롯을 포함하는 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나에 특징이 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 제3 도파관층에는 각각의 복사소자커플링 슬롯 및 복사슬롯의 사이사이를 차단하는 격벽에 의해 복수개의 캐버티가 형성되고, 각각의 캐버티 내에서 각각의 복사소자커플링 슬롯을 통해 대응하는 각각의 복사슬롯으로 전계를 전달하도록 된 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나에 특징이 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 격벽은 도파관의 폭(a)과 동일한 간격(b)으로 형성된 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나에 특징이 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 급전커플링 슬롯과 복사소자커플링 슬롯의 기울기 각도와 상기 복사슬롯의 위치는 복사슬롯간의 전계 방향이 일치되도록 설정된 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나에 특징이 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 복사소자커플링 슬롯과 복사슬롯은 동일위상 또는 역위상으로 배치된 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나에 특징이 있다.

상기의 특징적 구성을 가지는 본 발명의 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나에 의하면, N×1 종방향 슬롯배열을 구현할 방안 제시를 통해 부분배열 구조의 규칙성을 해제하기 용이함에 따라, 부분배열 기반 빔조향 슬롯배열 안테나의 빔조향범위를 ±14~15도로 개선할 수 있어 부분배열 기반 빔조향 안테나의 빔조향 범위를 확장할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 급전커플링 슬롯의 기울임 각도를 전계 방향을 같은 방향으로 배치하기 위해(동일 위상) 복사소자커플링 슬롯의 기울임각도를 직교하게 배치함에 따라, 부분배열의 자유도를 높여 빔조향시 부엽준위 성능을 개선할 수 있고, 부분배열 설계의 자유도를 확보하여 전체배열 안테나의 부분배열 기반 빔조향 기능에서 부엽 상승요인을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 도파관 슬롯배열 안테나로서, 축방향(Z축)과 평행한 슬롯배열 구조를 나타낸 사시도.
도 2는 종래의 도파관 슬롯배열 안테나로서, 축방향(Z축)과 직교하는 슬롯배열 구조를 나타낸 사시도.
도 3의 (a) 및 (b)는 종래의 도파관 슬롯배열 안테나로서, 4×1 횡방향 슬롯배열 구조를 나타낸 사시도.
도 4는 종래의 도파관 슬롯배열 안테나와, N×1 횡방향 슬롯배열 구조에 따른 전계 분포를 나타낸 도면.
도 5의 (a) 내지 (c)는 종래의 도파관 슬롯배열 안테나와 3×1 종방향 슬롯배열 구조에 따른 전계 분포를 나타낸 도면.
도 6의 (a) 및 (b)는 종래의 도파관 슬롯배열 안테나에서 부분배열로 구현할 경우 전체배열의 빔조향 복사패턴을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 3×1 슬롯배열 안테나를 나타낸 사시도.
도 8은 도 7에서 제1 도파관층(급전도파관)의 슬롯배열 구조를 나타낸 제1 도파관층의 종단면 사시도.
도 9는 도 7에서 제2 도파관층(분배도파관)의 슬롯배열 구조를 나타낸 제2 도파관층의 종단면 사시도.
도 10은 도 7에서 제3 도파관층(캐버티백 슬롯복사소자)의 슬롯배열 구조를 나타낸 제3 도파관층의 종단면 사시도.
도 11은 도 7의 도파관의 슬롯배열 구조를 나타낸 정면도.
도 12는 본 발명의 도파관 슬롯배열 안테나에서 N×1 슬롯배열 구조에 따른 전계 분포를 나타낸 도면.
도 13의 (a) 및 (b)는 본 발명의 도파관 슬롯배열 안테나에서 부분배열로 구현할 경우 전체배열의 빔조향 복사패턴을 나타낸 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 7 내지 도 11은 본 발명에 따른 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나의 일실시예를 나타낸 것으로, 3×1 슬롯 배열 구조를 나타낸 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 도파관 슬롯 배열 안테나는 슬롯 편파에 직교하는 슬롯배열 안테나 구조 구현을 위해 3개의 제1 내지 제3 도파관층(110,120,130)으로 구성된다.

제1 도파관층(110)은 제2 도파관층(120)과 일체로 형성되고, 제1 도파관층(110)과 제2 도파관층(120)은 도 8에 도시된 바와 같이 소정의 기울기각으로 형성된 1개의 급전커플링 슬롯(111)으로 연결된다.

제2 도파관층(120)은 제3 도파관층(130)과 일체로 형성되고, 제2 도파관층(120)과 제3 도파관층(130)은 도 9에 도시된 바와 같이 소정의 기울기각으로 형성된 복사소자커플링 슬롯(121)으로 연결되고, 도 10에서와 같이 제3 도파관층(130)에는 복사슬롯(131)이 형성된다.

상기 복사소자커플링 슬롯(121)은 제3 도파관층(130)의 복사슬롯(131)과 동일한 갯수로 형성된다. 예를 들어 N×1 슬롯배열의 경우, N개의 복사슬롯(131)과 N개의 복사소자커플링 슬롯(121) 배치되는 것으로, 본 실시예에서는 3×1 슬롯배열을 예시하고 있다.

제3 도파관층(130)은 도 10에 도시된 바와 같이 격벽(133)에 의해 도파관 폭(a)과 동일한 간격(b)으로 캐버티(132)가 종방향으로 형성된다.

제3 도파관층(130)은 상기 복사소자커플링 슬롯(121) 반대쪽면에 수평방향의 복사슬롯(131)을 각 캐버티(132) 내에 위치시켜 형성한다. 이로 인해 종방향의 제3 도파관층(130)의 캐버티(132)에 형성되는 각 복사슬롯(131)은 격벽(133)에 의해 분리된다.

제1 내지 제3 도파관층(110,120,130) 사이를 연결하는 급전커플링 슬롯(111)과 복사소자커플링 슬롯(121)의 기울기 각도를 설정하고, 또한 제3 도파관층(130)의 복사슬롯(131) 위치를 설정하여 1열 부분배열내 모든 복사슬롯(131)에서 전계 방향이 같도록 구현한다.

복사슬롯(131)을 가진 캐버티(132) 설계시, 제1 내지 제3 도파관층(110,120,130)의 가로 폭(a)과 캐버티(132)의 가로/세로 폭(a,b)을 동일하게 구현하여 슬롯배열 안테나에 적용이 가능하도록 구현한다.

홀수의 복사슬롯(131) 적용시, 모든 복사슬롯(131)에서 전계가 같은 방향(동일 위상)으로 형성되기 위해 제2 및 제3 도파관층(120,130)을 연결하는 복사소자커플링 슬롯(121)의 각도는 도 9에서와 같이 최하단에 위치한 복사소자커플링 슬롯(121)은 그 위의 다른 복사소자커플링 슬롯(121)들과 대략 직교하도록 배치한다.

이러한 구성을 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다. 제1 도파관층(110)의 급전커플링 슬롯(111)을 통해 제2 도파관층(120)에 전계를 전달하고, 제2 도파관층(120)은 각각의 복사소자커플링 슬롯(121)을 통해 제3 도파관층(130)의 복사슬롯(131) 갯수 만큼의 캐버티(132)로 전계를 전달한다.

N×1 배열에서 전체 복사슬롯(131)의 전계 방향이 일치하도록 제1 도파관층(110)과 제3 도파관층(130) 사이의 급전커플링 슬롯(11)과 복사소자커플링 슬롯(121)에 대한 기울기 각도를 설정하고, 또한 제3 도파관층(130)의 복사슬롯(131) 위치를 설정하는 것에 의해, 부배열 자체의 지향성 복사패턴을 구현하고, 전체 배열에 적용할 경우 도 13에 나타낸 바와 같이 빔조향시 부엽성능을 개선하는 결과를 얻을 수 있다.

이때, 도파관 구조 단면에서 X-Y, X-Z 평면의 전계 방향을 MnS를 통해 확인하여 보면, 복사슬롯(131) 간의 방향이 반대(역위상)이면 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 최대이득 방향이 2개 이상 나오게 된다.

본 발명과 같이 복사슬롯(131) 간의 전계 방향을 같게(동일위상) 설정하면 도 12에 도시된 바와 같이 최대이득 방향이 배열의 수직방향으로 형성되고, 부배열 기반 빔조향 안테나에서 부배열간의 형상구현시 자유도를 확장하여 빔조향시 부엽준위 성능을 개선할 수 있다.

또한 복사소자커플링 슬롯(121)의 각도와 복사슬롯(131)의 상대적 위치를 조정하면, 부분배열 구현시 지향성 복사패턴에 구현할 수 있어 빔조향 범위내에서 부엽성능을 개선할 수 있다.

또한 홀수의 복사슬롯(131) 적용시, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 도파관층(110)과 제2 도파관층(120) 사이의 급전커플링 슬롯(111)은 제2 도파관층(120)과 제3 도파관층(130) 사이의 복사소자커플링 슬롯(121)과 비대칭으로 배치된다.

이 경우 커플링 슬롯 수가 작은 급전커플링 슬롯(111)을 복사소자커플링 슬롯(121)의 기울기 각도와 대략 직교하도록 배치하여 슬롯간의 전계 방향을 일치(동일위상)시킴으로써 부배열 자체의 지향성 복사패턴을 형성할 수 있다. 이렇게 1열 배열 구조를 배열안테나에 적용할 경우, 부배열간의 반복성을 최소화할 수 있게 되고, 부배열간의 규칙성에 따라 발생할 수 있는 부엽의 발현을 억제하게 되어 빔조향시 부엽준위 성능을 개선할 수 있다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110 : 제1 도파관층 111 : 급전커플링 슬롯
120 : 제2 도파관층 121 : 복사소자커플링 슬롯
130 : 제3 도파관층 131 : 복사슬롯
132 : 캐버티 133 : 격벽

Claims (5)

1. 제1 도파관층;
   상기 제1 도파관층과 일체로 형성된 제2 도파관층;
   상기 제1 도파관층과 제2 도파관층 사이에 형성되어 제1 도파관층에서 제2 도파관층으로 전계를 전달하는 1개의 급전커플링 슬롯;
   상기 제2 도파관층과 일체로 형성된 제3 도파관층;
   상기 제2 도파관층과 제3 도파관층 사이에 형성되어 제2 도파관층의 전계를 분할하여 제3 도파관층에 전달하는 복수개의 복사소자커플링 슬롯; 및
   상기 복사소자커플링 슬롯의 반대쪽면 복사소자커플링 슬롯의 갯수와 동일한 갯수로 제3 도파관층에 형성된 복수개의 복사슬롯을 포함하며,
   상기 제3 도파관층에는 각각의 복사소자커플링 슬롯 및 복사슬롯의 사이사이를 차단하는 격벽에 의해 복수개의 캐버티가 형성되고, 상기 격벽은 도파관의 폭(a)과 동일한 간격(b)으로 형성되며, 상기 각각의 캐버티 내에서 각각의 복사소자커플링 슬롯을 통해 대응하는 각각의 복사슬롯으로 전계를 전달하도록 된 것을 특징으로 하는 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 급전커플링 슬롯 및 복사소자커플링 슬롯의 기울기 각도와 상기 복사슬롯의 위치는, 상기 복사슬롯간의 전계 방향이 일치되도록 설정된 것을 특징으로 하는 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 복사소자커플링 슬롯과 복사슬롯은 동일위상 또는 역위상으로 배치된 것을 특징으로 하는 도파관 슬롯 배열 빔조향 안테나.
   

Images