KR102466223B1 - 이중대역 이중편파 능동위상배열 안테나 - Google Patents

이중대역 이중편파 능동위상배열 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중대역 이중편파 구현이 가능한 능동위상배열 안테나에 관한 것으로서, 안테나 어레이가 사각 형상을 가지며 수신용 안테나 소자가 구비된 수신 영역, 사각 형상을 가지며 송수신 안테나 소자가 구비된 송수신 영역, 및 수신 영역의 외측에 배치되어 송신 및 수신의 기능을 하지 않은 더미 안테나 소자가 구비된 더미 영역으로 구분되어 하나의 기판이 송수신 기능을 수행할 수 있어 안테나의 사이즈를 줄일 수 있고 이와 동시에 광대역에서 편파 특성 및 틸트 특성이 향상될 수 있다.

Description

이중대역 이중편파 능동위상배열 안테나{Dual-band Dual-polarized active phased array antenna}
본 문서는 주로 위성통신을 위해 사용하는 능동위상배열용 이중대역 이중편파 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 송신용 안테나 소자와 수신용 안테나 소자가 일체화된 이중대역 이중편파 안테나 소자를 하나의 복사면에 배열되어 능동형 위상배열을 구현하기 위한 이중대역 및 이중편파 평면배열 안테나에 관련된다.
전자통신기기가 소형화되는 추세에 따라 이에 탑재된 안테나도 소형화의 필요성이 커지고 있다. 특히 항공기, 무인기, 차량, 선박 등에 사용되는 위성통신용 안테나는 일반적으로 송신용 주파수 대역과 수신용 주파수 대역이 다르므로 송신용 안테나와 수신용 안테나가 개별적으로 구성되어야 하는데, 이로 인해 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 개별적인 기판(예, PCB)로 구성되어 전체 안테나 부피 내지 사이즈가 크게 되는 문제를 가지고 있다. 설령 하나의 기판내지 하나의 복사면에 송신 안테나 및 수신안테나를 배열한다고 할 지라도 적절한 간격 유지를 통한 편파(Polarization) 특성 및 광범위의 전기적 빔 틸트(Tilt)특성을 개선해야 하는 과제가 여전히 존재하게 된다.
한국특허공보(등록공보번호: 10-1489577, “CRPA 배열을 위한 듀얼밴드 GPS 안테나”)는 급전패치로부터 전자기장을 통해 전력을 공급받는 제1 방사패치 및 제1 방사패치가 있는 측의 반대측에 상기 급전패치와 이격되어 위치하며, 급전패치로부터 전력을 공급받는 제2 방사패치를 포함하여 구성된 복수개의 단일 안테나 소자를 동일한 기판상에 원형 배열하여 방사 이득을 높이고 패턴 왜곡을 최소화 하는 기술이 개시되어 있으나,단일 안테나 소자간에 간섭을 최소화 하면서 광범위한 틸트를 운용하는데 한계가 있다.
본 발명은 이중대역 이중편파 능동위상배열 안테나에 관한 것으로서, 배열 안테나의 사이즈를 최소화하고 이와 동시에 편파 특성 및 광범위 틸트 특성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 일 양상에 따른 이중대역 이중편파 구현이 가능한 능동위상배열 안테나는,
기판,
복사 패치 안테나 및 복사 패치 안테나의 외측에 배치된 복사 슬롯을 가지는 슬롯 안테나로 구성된 다수의 안테나 소자가 기판상에 행열로 배열된 안테나 어레이, 및
송신 회로부와 수신 회로부로 구성되고, 급전에 의해 상기 복사 패치 안테나 또는 슬롯 안테나를 여기하는 송수신 회로부를 포함하고,
안테나 어레이는,
사각 형상을 가지며 수신용 안테나 소자가 구비된 수신 영역, 사각 형상을 가지며 송수신 안테나 소자가 구비된 송수신 영역, 및 수신 영역의 외측에 배치되어 송신 및 수신의 기능을 하지 않은 더미 안테나 소자가 구비된 더미 영역으로 구분되는 능동위상배열 안테나.
본 발명은 배열 안테나의 사이즈를 최소화하고 이와 동시에 편파 특성 및 광범위 틸트 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 능동위상배열 안테나의 안테나 어레이를 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따라 송수신 회로로 구성된 능동위상배열 안테나를 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따라 송수신 8 X 8 능동위상배열 안테나의 송수신 동작 영역을 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따라 송수신 8 X 8 능동위상배열 안테나의 안테나 소자별 송수신 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 송수신 8 X 8 능동위상배열 안테나의 틸트 특성을 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한 전술한, 그리고 추가적인 발명의 양상들은 후술하는 실시예들을 통해 명백해질 것이다. 본 명세서에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한 당업자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해된다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 능동위상배열 안테나의 안테나 어레이를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 안테나 어레이(100)는 다수의 안테나 소자(10), 기판(20)을 포함할 수 있다. 안테나 소자(10)는 복사 패치 안테나(11, Radiation patch antenna), 슬롯 안테나(12, Slot antenna)를 포함할 수 있다. 안테나 소자(10)는 대략 5mm X 5mm의 사이즈를 가질 수 있고, 약 5mm의 피치 간격으로 배열될 수 있다.
확대 부분을 살펴 보면, 안테나 어레이(100)는 복사 패치 안테나(11) 및 복사 패치 안테나의 외측에 이격 배치된 복사 슬롯(Radiation slot)을 가지는 슬롯 안테나(12)로 일체화 구성된 다수의 안테나 소자(10)가 기판(20)상에 행열로 배열되어 구성될 수 있다. 복사 패치 안테나(11)및 슬롯 안테나(12)는 사각 형상(Rectangular shape)을 가질 수 있으며, 유전체 필름 내지 PCB에 동박으로 패턴화되어 있어 급전(Power feeding)에 의한 공진 현상에 의해 여기(Excitation)되어 방사(복사, Radiation) 기능을 수행할 수 있다.
내측 그라운드 패치의 상부에는 고주파대역의 마이크로스트립 패치 안테나로 동작하는 복사 패치 안테나(11)가 구비될 수 있다. 그리고 내측 그라운드 패치와 동일평면에 외측 그라운드 패치가 배치되며 그 사이에 형성된 사각 링 형상의 복사슬롯(Radiation slot)이 구비된 저주파 대역의 슬롯 안테나(12)가 구비될 수 있다. 복사 패치 안테나(11)와 슬롯 안테나(12)가 일체화되어 안테나 소자(10)로 구성될 수 있고. 다수의 안테나 소자(10)가 행열로 배열되어 안테나 어레이(100)로 구성될 수 있다.
기판(20)은 사각 형상(Rectangular shape)을 가지고, 다수의 안테나 소자(10)가 기판(20)상에 사각 형상으로 행과 열을 이루며 배열되어 있을 수 있다. 다수의 안테나 소자(10)는 n X n으로 배열될 수 있으며, 도 1은 15 X 15 배열을 나타낸다.
다수의 안테나 소자는, 형상과 사이즈가 모두 동일한 것이 바람직하다. 즉, 모든 단일한 안테나 소자(10)가 동일한 형상 및 사이즈로 구성된 복사 패치 안테나(11) 및 슬롯 안테나(12)를 가지는 것이 바람직하고, 이로 인해 우수한 편파 특성 또는 틸트 특성이 유지될 수 있다.
일 실시예에 따라, 복사 패치 안테나(11)는 고주파 RF 신호를 송신 또는 수신하고, 슬롯 안테나(12)는 저주파 RF 신호를 수신 또는 송신할 수 있다. 예를 들어, 복사 패치 안테나(11)가 고주파 RF 신호를 송신하는 기능을 하고 슬롯 안테나(12)는 저주파 RF 신호를 수신하는 기능을 할 수 있다.
고주파는 26.5 ~ 40 GHz 대역(Ka 대역)의 주파수 범위를 의미하며, 저주파는 17 ~ 26.5 GHz 대역(K 대역)의 주파수 범위를 의미할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따라 송수신 회로로 구성된 능동위상배열 안테나를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 능동위상배열 안테나(1000)는 안테나 어레이(100) 및 송수신 회로부(200)를 포함할 수 있다.
송수신 회로부(200)는 안테나 어레이(100)의 하부에 구비될 수 있다.
송수신 회로부(200)는 송신 회로부(200-1)와 수신 회로부(200-2)로 구성되고, 급전에 의해 상기 복사 패치 안테나 또는 슬롯 안테나를 여기(Excitation)시킬 수 있다. 복사 패치 안테나 및 슬롯 안테나 중 적어도 어느 하나가 여기될 수 있다. 송신 회로부(200-1)와 수신 회로부(200-2)는 아날로그 회로로 구성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 송신 회로부(200-1)는 송신 대역 전력분배기(201, Tx-band power Divider)가 아날로그 송수신기(3000, Analog Transceiver)로부터 송신 신호를 입력(Tx_in) 받아 신호를 분기하여 위상 천이기(202, Phase Shifter)에 전송하고, 위상 천이된 신호가 송신 대역통과필터(203, Tx BPF)를 거쳐 안테나 어레이(100)를 구성하는 각 안테나 소자(10)에 전송되어 복사 패치 안테나 또는 슬롯 안테나를 여기할 수 있다. 송신 회로부(200-1)는 빔 제어 컴퓨터(2000, Beam Control Computer)와 빔 특성 제어 신호를 공유할 수 있는 제1의 빔 제어 인터페이스 모듈(204, 1ST Beam Control Interface Module)을 더 포함할 수 있다.
수신 회로부(200-2)는 각 안테나 소자(10)로부터 수신된 신호를 복수개의 수신 대역통과필터(205, Rx BPF), 리미터(206, Limiter), 위상 천이기(207, Phase Shifter)를 거쳐 수신 대역 전력분배기(208, Rx-band power Divider)에 입력되면 수신 전력분배기(208)는 수신 신호를 분배하고 수신 신호를 출력(Rx_out)하여 아날로그 송수신기(3000)에 입력(Rx_in)할 수 있다.
수신 회로부(200-2)는 빔 제어 컴퓨터(2000, Beam Control Computer)와 빔 특성 제어 신호를 공유할 수 있는 제2의 빔 제어 인터페이스 모듈(209, 2nd Beam Control Interface Module)을 더 포함할 수 있다.
위상 천이기(202, 207)의 위상제어를 통해 수평 편파/수직 편파, 원형 편파/선형 편파로 선택적 스위칭이 가능하며, 원형 편파도 LHCP(Light Hand Circular Polarization)/RHCP(Right Hand Circular Polarization)로 선택적 스위칭 할 수 있다.
능동위상배열 안테나(1000)는 DC 전원공급기(4000, DC Power Supply)로부터 직류전원을 제공받을 수 있다.
일 실시예에 따라, 송수신 회로부(200)는 디지털 회로로 구성될 수도 있다. 이를 위해, 송신 대역 전력분배기(201), 수신 대역 전력분배기(208) 및 위상 천이기(202, 207)를 각각 디지털 빔 생성기(Digital Beam Former), 메모리, DA Converter/AD Converter로 각각 대체하여 디지털 송수신 회로가 설계될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따라 송수신 8 X 8 능동위상배열 안테나의 송수신 동작 영역을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 능동위상배열 안테나의 안테나 어레이(100)는 안테나 소자의 위치에 따라 수신 영역(Rx domain), 송수신 영역(TRx domain), 더미 영역(Dummy domain)으로 구분되어 각각의 영역에서 각각의 고유 기능을 수행할 수 있다. 수신 영역(Rx domain, 점선)은 수신용 안테나 소자가 구비된 영역이고, 송수신 영역(TRx domain, 실선)은 송수신용 안테나 소자가 구비된 영역이며, 더미 영역(Dummy domain, 세미점선)은 송신 및 수신의 기능을 하지 않는 더미 안테나 소자가 구비된 비활성 영역(Inactive domain)을 의미 할 수 있다. 더미 영역을 제외한 영역을 활성 영역(Active domain)으로 설정하여 도시된 바와 같이 송수신 8 X 8 능동위상배열을 구성할 수 있다. 수신 영역(Rx domain)에는 더미 안테나 소자가 수신용 안테나 소자 사이에 구비되어 수신용 안테나 소자 간에 반파장(λ/2)간격이 유지될 수 있다. 수신용 안테나 소자, 송수신용 안테나 소자는 각각 수신 전용, 송수신 전용으로 기능을 수행할 수 있다. 따라서 송수신 회로(200)는 해당 안테나 소자의 전용 기능에 따라서 적절히 전기적 연결될 수 있도록 설계될 수 있으며(예, 수신용 안테나 소자는 수신 회로부(200-2)에만 전기적 연결), 더미 안테나 소자는 송수신 회로(200)에 전기적 연결을 하지 않음으로 인해 안테나의 제조 비용을 절감할 수 있다.
수신 영역(Rx domain) 및 송수신 영역(TRx domain)은 사각 형상(Rectangular shape)을 가질 수 있고, 더미 영역(Dummy domain)은 수신 영역의 외측에 배치될 수 있다. 도 2의 경우에는 4개의 더미 영역(Dummy domain)이 존재한다. 도시된 바와 같이 수신 영역(Rx domain) 및 송수신 영역(TRx domain)은 모두 안테나 소자가 8 X 8로 배열되어 있어 8 X 8 송수신 배열을 가질 수 있다. 이 경우 하나의 위상 천이기가 4개의 안테나 소자를 동시에 위상 천이시킬 수 있도록 회로 설계될 수 있다.
송수신 영역(TRx domain)은 수신 영역 내측에 배치될 수 있다. 상기 '내측'의 의미는 완전한 내측을 의미하는 것은 아니며, 통상적으로 내측에 배치된 것으로 볼 수 있는 정도를 포함하는 개념이다.
일 실시예에 따라, 수신 영역 및 송수신 영역은 서로에 대하여 45°각도로 틀어지게(Slanted) 배치될 수 있다. 이와 같이 45°회전 배치로 인해 편파 특성 및 틸트 특성이 개선될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따라 송수신 8 X 8 능동위상배열 안테나의 안테나 소자별 송수신 동작을 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 능동위상배열 안테나(1000)는 도 3에서 설명된 바에 따라 안테나 소자별 각 동작 기능이 표시될 수 있다. 즉, 능동위상배열 안테나는 안테나 소자의 위치에 따라 수신 영역(Rx domain), 송수신 영역(TRx domain), 더미 영역(Dummy domain)으로 구분되며, 각 영역에는 각각 수신용 안테나 소자(10-1), 송수신용 안테나 소자(10-2), 더미 안테나 소자(10-4)가 구비될 수 있다. 수신 영역 및 송수신 영역은 서로에 대하여 45°각도로 틀어지게(Slanted) 배치되어 있다.
송수신 영역은 송수신용 안테나 소자(10-2) 이외에도 송신용 안테나 소자(10-3)을 더 포함할 수 있다. 송신용 안테나 소자와 송수신용 안테나 소자가 교번하여 배치될 수 있다. 이와 같이 교번 배치로 인해 반파장(λ/2)간격이 유지될 수 있다.
도 5는 송수신 8 X 8 능동위상배열 안테나의 틸트 특성을 설명하는 도면이다. 도 5의 (a)는 능동위상배열 안테나를 29GHz 대역에서 빔 스캐닝(Beam scanning)하여 도출된 송신 틸트 패턴 특성을 나타낸 그래프이고, 도5의 (b)는 능동위상배열 안테나를 20GHz 대역에서 빔 스캐닝(Beam scanning)하여 도출된 수신 틸트 패턴 특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이 360도의 방위각에서 대칭적으로 안정된 이득(Gain) 특성을 나타내고 있다.
도5의 (a)는 29GHz에서 약 반파장(λ/2) 간격으로 8 X 8 직각배열 구조 이며, 도5의 (b)는 20GHz에서 약 반파장(λ/2) 간격으로 45도 회전된 8 X 8 직각배열 구조이므로 45도 회전된 동일한 빔 스캐닝(Beam scanning)특성을 갖는다.
10 : 안테나 소자
11 : 복사 패치 안테나
12 : 슬롯 안테나
20 : 기판
100 : 안테나 어레이
200 : 송수신 회로부
200-1 : 송신 회로부
200-2 : 수신 회로부
1000 : 능동위상배열 안테나
2000 : 빔 제어 컴퓨터
3000 : 아날로그 송수신기
4000 : DC 전원공급기

Claims (6)

  1. 이중대역 이중편파 구현이 가능한 능동위상배열 안테나에 있어서,
    기판;
    복사 패치 안테나 및 복사 패치 안테나의 외측에 배치된 복사 슬롯을 가지는 슬롯 안테나로 구성된 다수의 안테나 소자;가 기판상에 행열로 배열된 안테나 어레이; 및
    송신 회로부와 수신 회로부로 구성되고, 급전에 의해 상기 복사 패치 안테나 또는 슬롯 안테나를 여기하는 송수신 회로부;를 포함하고,
    안테나 어레이는,
    사각 형상을 가지며 수신용 안테나 소자가 구비된 수신 영역, 사각 형상을 가지며 송수신 안테나 소자가 구비된 송수신 영역, 및 수신 영역의 외측에 배치되어 송신 및 수신의 기능을 하지 않은 더미 안테나 소자가 구비된 더미 영역으로 구분되는 능동위상배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    다수의 안테나 소자는, 형상과 사이즈가 모두 동일한 능동위상배열 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    복사 패치 안테나는 고주파 RF 신호를 송신 또는 수신하고, 슬롯 안테나는 저주파 RF 신호를 수신 또는 송신하는 능동위상배열 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    송수신 영역은 수신 영역의 내측에 배치된 능동위상배열 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    수신 영역 및 송수신 영역은 서로에 대하여 45°각도로 틀어지게(Slanted) 배치된 능동위상배열 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    송수신 영역은 송신용 안테나 소자와 송수신용 안테나 소자가 교번하여 배치된 능동위상배열 안테나.
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