KR102577272B1 - 기계적 빔 조향이 가능한 피스톤 형태의 도파관 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 복수개의 도파관 안테나를 포함하는 도파관 배열 안테나에 있어서, 상기 도파관 안테나는, 개구면이 형성된 전단부; 상기 전단부와 다단구조로 구분되는 후단부; 및 상기 개구면의 윗 끝단과 아래 끝단 중심에서 바깥 방향으로 일정 길이만큼 돌출되는 릿지;를 포함일 특징으로 한다.

Description

기계적 빔 조향이 가능한 피스톤 형태의 도파관 배열 안테나{A PISTON-TYPE WAVEGUIDE ARRAY ANTENNA CAPABLE OF BEAM STEERING BY MECHANICAL MANIPULATION}

본 발명은 도파관 배열 안테나에 관한 것으로서, 특히 기계적인 조작을 통해 도파관의 길이 조절이 가능하게 설계된 도파관 안테나의 배열로 구성된 도파관 배열 안테나에 관한 것이다.

일반적으로 레이더는 4면 배열 구조일 경우, 수평면 상에서 한 면당 의 각도로 탐지하여 총 의 방향을 탐지한다. 이러한 레이더들의 단점은 한 면에 기능 장애가 발생할 경우 90° 범위를 탐지 불가능하게 되어 레이더의 안정성과 신뢰성이 떨어진다는 것이다.

기존의 군 함정 탐재 3차원 레이더는 수평면 내에 안테나를 90° 간격으로 4개면에 배치하여 방위각 방향으로 360° 전 방향을 탐지할 수 있도록 운용하고 있다. 그러나 4면 중 1면이라도 공격으로부터 파괴되어 동작 불능 상태가 되면 해당 90° 영역은 목표물 탐지가 불가능해진다. 동작 불능을 발생시키는 원인으로는 자체 기능 불량, 고출력 재밍(jamming) 피폭에 의한 기구적 파손, 적의 물리적 공격에 의한 파손 등을 예로 들 수 있다. 재밍(jamming)이란 신호의 내용을 알지 못하게 하려고 전파를 발사하여 수신을 고의로 방해하는 일을 의미한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 배열 안테나의 각 개별 안테나는 각 이웃 측면의 부분 각도로 빔 조정으로부터 불능면을 보상하기 위해 광각 빔 스캐닝 폭을 가져야만 했다.

한편, 레이더에서 표적 물체의 표면에서 반사된 전자파의 반향과 수집된 표적 정보는 중요하다. 최근 몇 년 동안 RF 장치와 디지털 기술의 발전으로 레이더는 높은 정밀도, 높은 이동성 및 다기능 임무 성능을 제공해왔다. 따라서, 빔 운용 방식도 위상 배열 안테나를 사용하는 기계적 회전에서 전자적 빔 조종으로 대체되고 있다.

군사 위협에 대응 및 전략 표적 타격을 위한 비살상 무기체계인 EMP(Electromagnetic Pulse) 공격은 인명 피해를 줄이면서 전력 송신 체계를 무력화해 전쟁 지속 능력을 떨어뜨리는 효과가 있다. 이는 레이더 및 통신 교란, 군의 지휘 시스템 파괴로 군 작전에 치명적인 결과를 초래할 수 있다.

따라서, 기존의 전자식 빔조향 시스템의 경우, EMP 공격을 통해 회로가 손상되면 전자적으로 위상 조절이 불가하므로 사용 불가 상태가 되어 피해 규모가 증가하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 1개 면 안테나의 기능 불능 시 기능 대체 방법 및 EMP 등의 전자적 공격에도 대응 가능한 배열 안테나가 요구되고 있는 실정이다.

홍지훈, 박종환, 우종명, “광각용 도파관 안테나”, 2018 국제군사과학경진대회, 2018. 07.

본 발명은 EMP 공격에 대응 가능한 도파관 배열 안테나를 제공하는 것을 일 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 일부 안테나의 기능 불능이 발생한 경우에도 빔 조향을 보완할 수 있는 도파관 배열 안테나를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 복수개의 도파관 안테나를 포함하는 도파관 배열 안테나에 있어서, 상기 도파관 안테나는, 개구면이 형성된 전단부; 상기 전단부와 다단구조로 구분되는 후단부; 및 상기 개구면의 윗 끝단과 아래 끝단 중심에서 바깥 방향으로 일정 길이만큼 돌출되는 릿지;를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 도파관 안테나는, 상기 전단부와 상기 후단부가 피스톤 형태로 구성되어 길이 조절을 가능하게 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수개의 도파관 안테나는, 도파관 길이 조절에 의한 각 배열 안테나의 위상 조절로 빔 스캐닝을 할 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수개의 도파관 안테나는, 상기 릿지가 일렬로 배열되도록 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수개의 도파관 안테나는, 2개의 더미 안테나가 양 끝에 배치되고, 상기 더미 안테나 사이에 복수의 도파관 안테나가 일정 간격을 두고 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수개의 도파관 안테나는, 일정한 개수의 도파관 안테나를 포함하는 복수개의 배열군으로 구성되고, 상기 배열에 있어서 6면으로 배치된 예를 보여주었다.

바람직하게는, 상기 복수개의 도파관 안테나는, 1개면의 배열 안테나의 기능 불능 시, 양 측면의 배열 안테나로부터의 빔 스캐닝에 의해 기능 불능 면의 빔 조향 특성을 커버할 수 있다.

본 발명에 따르면, 도파관 안테나의 릿지 구조에 의해 임피던스 매칭 특성을 확보할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명은, 피스톤 형태의 도파관 안테나의 기계적 조작으로 위상 조절이 가능하여 EMP 등의 전기적 공격에 대응할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명은, 도파관 배열 안테나를 예로, 6면으로 구성하여 빔의 사각 영역을 보완할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 안테나의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 안테나의 매칭 특성을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 배열 안테나의 구조와 안테나 특성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 형태의 도파관 배열 안테나의 구조를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 형태의 도파관 배열 안테나의 방사 패턴 시뮬레이션 값을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 형태의 도파관 배열 안테나의 실제 제작형태와 방사 패턴 실측값을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 6면 도파관 배열 안테나의 구조를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 6면 도파관 배열 안테나의 시뮬레이션 값으로, 도 9의 (a)는 방사 패턴을 나타내고, 도 9의 (b)는 보상 특성을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 6면 도파관 배열 안테나 운용 방식의 개념도를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 안테나(100)의 구성도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 도파관 안테나(100)는 전단부(110), 후단부(130), 및 릿지(150)을 포함할 수 있다.

도파관 안테나(100)는 기계적인 조작을 통해 도파관의 길이 조절이 가능하도록 설계될 수 있다. 도파관 안테나(100)는 피스톤 형태로 도파관의 길이를 기계적으로 조절할 수 있다. 도파관 안테나(100)는 기계적인 조작을 통해 안테나의 위상을 변화시킬 수 있다. 도파관 안테나(100)는 기계적인 조작을 통해 빔 조향이 가능할 수 있다. 이를 통해, 도파관 안테나(100)는 기존 전자식 빔 조향 레이더의 위상 변위기 또는 전자장치가 파괴되는 경우 위상 조절이 불가하다는 문제점을 해결할 수 있다. 도파관 안테나(100)는 기계적인 조작으로 위상 조절을 하므로 EMP 공격에 대응 가능한 수단이 될 수 있다.

제시된 예의 도파관 안테나(100)는 설계 중심주파수가 9.375GHz이고 λ= 3.2 cm인 표준 도파관 WR-90일 수 있다. 전단부(110)는 개구면(111)이 형성될 수 있다. 개구면(111)은 폭은 22.86mm이고, 높이는 10.16mm일 수 있다.

후단부(130)는 전단부(110)와 다단구조로 구분될 수 있다. 후단부(130)는 전단부(110)보다 작은 체적을 갖을 수 있다. 후단부(130)는 전단부(110)에 인입될 수 있는 구조로 형성될 수 있다.

릿지(150)는 개구면(111)의 윗 끝단과 아래 끝단 중심에서 바깥 방향으로 일정 길이만큼 돌출될 수 있다. 여기서, 윗 끝단과 아래 끝단은 개구면(111)의 넓은 면을 의미한다. 릿지(150)는 개구면(111)의 윗 끝단과 아래 끝단에 대칭되도록 형성될 수 있다. 릿지(150)는 일정 곡률을 갖는 구조일 수 있다.

릿지(150)는 도파관 안테나(100)에 적용되어 낮은 반사손실 특성과 넓은 대역폭 특성을 발생시킬 수 있다. 릿지(150)는 도파관 안테나(100)의 길이를 물리적으로 늘리거나 줄였을 때 설계 주파수에서 안정된 반사손실 특성을 얻게 할 수 있다. 릿지(150)는 도파관 내부 임피던스와 공기 중 임피던스를 매칭시켜주는 역할을 할 수 있다. 릿지(150)는 임피던스 매칭을 통해 도파관 길이 변화에 따라 안정된 반사손실 특성을 확보하게 할 수 있다.

릿지(150)는 전계 에너지가 강한 도파관 안테나(100)의 개구면(111)에 위치하여 공진 주파수가 낮아질수록 도파관 안테나(100)의 폭을 감소시킬 수 있다. 릿지(150)는 릿지(150) 사이의 간격이 좁을수록 도파관 안테나(100)의 폭을 더 줄일 수 있다. 이러한 방식으로, 릿지(150)는 도파관 안테나(100)의 높이와 너비를 크게 줄이는데 기여할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 안테나(100)의 매칭특성을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 도파관 안테나(100)는 중심주파수 9.375GHz에서 은 -16.8dB, -10dB이고 대역폭은 1670MHz(17.8%)의 특성을 나타냄을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 안테나(100)의 방사 패턴을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 도파관 안테나(100)는 E-plane의 반전력빔폭은 58°, H-plane의 반전력빔폭은 74°의 특성을 나타냄을 알 수 있다. 릿지(150)는 도파관 안테나(100)의 개구면의 넓은 면(E-plane)이 넓어지는 효과를 발생시키므로 E-plane의 빔폭이 좁아지는 특성을 나타낸다.

도파관 안테나(100)는 전단부(110)와 후단부(130)가 피스톤 형태로 구성되어 길이 조절을 가능하게 할 수 있다. 도파관 안테나(100)는 후단부(130)가 전단부(110) 내부로 삽탈할 수 있게 제작되어 길이 조절이 가능할 수 있다. 도파관 안테나(100)는 길이 조절을 통해 위상 조절을 가능하게 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 배열 안테나(10)의 구조와 안테나 특성을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 도파관 배열 안테나(10)는 복수개의 도파관 안테나(100)를 포함할 수 있다. 복수개의 도파관 안테나(100)는 릿지(150)가 일렬로 배열되도록 일정 간격을 두고 배치될 수 있다. 복수개의 도파관 안테나(100)는 2개의 더미 안테나가 양 끝에 배치되고, 상기 더미 안테나 사이에 복수개의 도파관 안테나가 일정 간격을 두고 배치될 수 있다. 바람직하게는, 복수개의 도파관 안테나(100)는 더미 안테나 사이에 8개의 도파관 안테나가 25.6mm 간격을 두고 배치될 수 있다. 도파관 배열 안테나(10)는 모든 개별 도파관 안테나(100)의 반사손실이 중심 주파수 9.375 GHz에서 매칭된 특성을 얻음을 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다. 도파관 배열 안테나(10)는 배열된 E-plane 방사패턴의 경우 0˚에서 최대이득이 17.2dBi, 반전력빔폭은 8˚의 특성을 얻음을 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다.

복수개의 도파관 안테나(100)는 도파관 길이 조절에 의한 각 배열 안테나의 위상 조절로 빔 스캐닝을 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 형태의 도파관 배열 안테나(10)의 구조를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 도파관 배열 안테나(10)는 개별 도파관 안테나(100)의 도파관 길이 조절을 통해 위상을 조절할 수 있다. 도파관 배열 안테나(10)는 기계적으로 위상 조절이 가능한 개별 도파관 안테나(100)의 위상차를 구하여 기계적 빔 스캐닝을 가능하게 할 수 있다.

도파관 배열 안테나(10)의 개별 도파관 안테나(100) 간 위상차는 안테나의 배열 간격을 로 설정하고, (여기에서, 는 파수, 는 안테나 간격, 는 안테나 배열 축과 빔 조향각이 이루는 각, 는 초기 위상각을 의미한다)에 의해 계산될 수 있다. 도파관 배열 안테나(10)는 개별 도파관 안테나(100)의 길이를 조절하여 위상차 값을 변경할 수 있다.

일 실시예로, 도파관 배열 안테나(10)의 9개 배열 소자의 간격을 0.8 λ, 빔 폭을 10°, 최대 빔 조향각을 30°로 정하였을 때, 개별 안테나의 각 위상차 를 도출할 수 있다. 도파관 배열 안테나(10)는 30° 방향에서 최대 지향 특성을 얻기 위해 안테나 간 상대적 위상차를 계산하면 144°를 얻을 수 있고, 이를 통해 각 개별 도파관 안테나(100)의 위상차를 [표 1]과 같이 나타낼 수 있다. 즉, 도파관 배열 안테나(10)는 도파관 안테나(100)의 길이를 조절하는 물리적인 조작을 통해 위상차를 도출하여 원하는 빔 조향각을 얻게 할 수 있다.

[표 1]

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 형태의 도파관 배열 안테나(10)의 방사 패턴 시뮬레이션 값을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 도파관 배열 안테나(10)는 8°, 16°, 24°, 32°, 40°, 48°, 56°의 빔 조향각을 나타내는 방사패턴 특성을 나타낼 수 있다. 도파관 배열 안테나(10)는 빔이 광각으로 조향 될수록 이득이 감소하고, 빔 폭이 커질 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 형태의 도파관 배열 안테나(10)의 실제 제작형태와 방사 패턴 실측값을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 도파관 배열 안테나(10)는 실제 제작하여 측정한 방사 패턴 또한 시뮬레이션 값과 거의 일치한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 6면 도파관 배열 안테나(1)의 구조를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 복수개의 도파관 안테나(100)는 일정한 개수의 도파관 안테나(100)를 포함하는 복수개의 배열로 구성되고, 배열은 복수면으로 배치될 수 있다. 바람직하게는, 복수개의 도파관 안테나(100)는 6개의 배열로 구성되고, 배열은 6면으로 배치될 수 있다. 이하에서는 이러한 도파관 배열 안테나를 6면 도파관 배열 안테나(1)라고 칭한다.

복수개의 도파관 안테나(100)는 1개면의 배열 안테나의 기능 불능 시, 양 측면의 배열 안테나로부터의 빔 스캐닝에 의해 기능 불능 면의 빔 조향 특성을 커버할 수 있다.

6면 도파관 배열 안테나(1)는 6각으로 배치한 형태로 중첩 빔을 사용한 레이더의 향상된 새로운 운용 개념이다. 6면 도파관 배열 안테나(1)는 4면 배열 안테나의 일부 면의 기능 불능으로 인한 90° 영역의 탐지 불능의 문제를 보완할 수 있다. 4면 배열 안테나의 경우 일 면이 기능 불능의 문제를 해결하기 위해 광각 빔을 사용해야 하는데, 이 경우 빔이 광각으로 조향 될수록 이득이 감소하는 현상이 발생할 수 있다. 6면 도파관 배열 안테나(1)는 일 면이 기능 불능이 되어도 양 측면에서 각각 일부 각도만큼의 빔 조향 이득을 보완할 수 있으므로 이득 감소 없이 문제를 해결할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 6면 도파관 배열 안테나의 시뮬레이션 값으로, 도 9의 (a)는 방사 패턴을 나타내고, 도 9의 (b)는 보상 특성을 나타낸다.

도 9의 (a)와 (b)를 참조하면, 6면 도파관 배열 안테나(1)는 조향각 0°, 30°, 60°에서 일정한 이득을 얻을 수 있다. 즉, 6면 도파관 배열 안테나(1)는 총 6개 면 중 교번적으로 최대 3개 면이 동작 불능 시에도 양쪽 이웃면 배열 안테나의 빔 조향으로 빔 보상이 가능하다. 또한, 6면 도파관 배열 안테나(1)는 6면 모두 가동 시 6개의 중첩 빔을 형성(중첨 빔 360°)하여 어떤 한 방향으로의 이득을 극대화할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 6면 도파관 배열 안테나 운용 방식의 개념도를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 6면 도파관 배열 안테나(1)는 각 1면당 120°의 조향 영역을 가질 수 있다. 6면 도파관 배열 안테나(1)는 6면 중 1면이 기능 불량이 생긴 경우, 양쪽에 있는 옆면의 안테나 배열로부터 60°씩 좌우로 각각 조향된 빔을 지원받아 기능 불량 상태인 면을 보완할 수 있다. 6면 도파관 배열 안테나(1)는 최대 3면이 기능 불량이 생긴 경우에도 다른 이웃 안테나로 빔을 지원받아 빔 보상 운용이 가능할 수 있다. 이를 통해, 6면 도파관 배열 안테나(1)는 기존의 수평면상의 4개 면으로 방위각을 커버하는 함정 탑재 빔 조향 안테나의 문제점인 1개 면의 파손으로 90°의 사각 영역이 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

6면 도파관 배열 안테나(1)는 6면이 모두 가동되는 경우에는 중첩 빔을 형성하여 어떤 한 방향으로의 이득을 극대화할 수 있다. 6면 도파관 배열 안테나(1)는 위와 같이 중복 및 보상 운용 방식을 채택하여 어느 한 면의 동작 불능에 의한 사각지대를 커버할 수 있어 운용의 신뢰성을 높일 수 있다. 6면 도파관 배열 안테나(1)는 이득의 극대화를 통하여 고출력 전자파 출력이 가능하므로 적의 기기 또는 시스템을 무력화시킬 수 있다. 6면 도파관 배열 안테나(1)는 적의 재밍 설비에 대한 고출력 공격을 가능하게 할 수 있다. 6면 도파관 배열 안테나(1)는 군 함정 또는 비행체에 탑재되는 빔 조향용 안테나로 활용될 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

1 : 6면 도파관 배열 안테나
10 : 도파관 배열 안테나
100 : 도파관 안테나
110 : 전단부
111 : 개구면
130 : 후단부
150 : 릿지

Claims (7)

1. 복수개의 도파관 안테나를 포함하는 도파관 배열 안테나에 있어서,
   상기 도파관 안테나는,
   개구면이 형성된 전단부;
   상기 전단부와 다단구조의 피스톤 형태로 구성되어 상기 전단부의 내부에 삽입되어 상기 도파관 안테나의 길이 조절을 가능한 후단부; 및
   상기 전단부의 외주면에 위치하고, 상기 개구면의 윗 끝단과 아래 끝단 중심에 대칭 배치되며, 상기 개구면의 바깥 방향으로 일정 길이만큼 돌출되도록 구비됨에 따라 상기 도파관 안테나의 길이 변화 시 설계 주파수에서 획득된 반사손실 특성을 안정화시키는 릿지;를
   포함하는 것을 특징으로 하는 도파관 배열 안테나.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수개의 도파관 안테나는,
   도파관 길이 조절에 의한 각 배열 안테나의 위상 조절로 빔 스캐닝을 하는 것을 특징으로 하는 도파관 배열 안테나.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수개의 도파관 안테나는,
   상기 릿지가 일렬로 배열되도록 일정 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 도파관 배열 안테나.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수개의 도파관 안테나는,
   2개의 더미 안테나가 양 끝에 배치되고, 상기 더미 안테나 사이에 복수개의 도파관 안테나가 일정 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 도파관 배열 안테나.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수개의 도파관 안테나는,
   일정한 개수의 도파관 안테나를 포함하는 복수개의 배열로 구성되고, 상기 배열은 복수면으로 배치되는 것을 특징으로 하는 도파관 배열 안테나.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 복수개의 도파관 안테나는,
   1개면의 배열 안테나의 기능 불능 시, 양 측면의 배열 안테나로부터의 빔 스캐닝에 의해 기능 불능 면의 빔 조향 특성을 커버하는 것을 특징으로 하는 도파관 배열 안테나.