KR102633315B1 - 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 및 그 설계 방법 - Google Patents

마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 및 그 설계 방법 Download PDF

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경북대학교 산학협력단
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Abstract

본 발명은 동위상 방사를 보장하면서 위상 오프셋을 보상하고, 패치(patch) 및 콤라인(comb-line) 유형에 모두 적용할 수 있는 안테나 소자들 간의 거리를 결정하는 설계 방법 및 그 설계 방법에 의해 설계되는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나를 제공하기 위한 기술에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면 전송 선로들로 상호 연결되는 제1 안테나 소자(element), 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자를 포함하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법은 상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 고려하여 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정하는 단계, 상기 결정된 거리(dn)에 따른 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실(Ploss,n)을 고려하여 결합 효율을 결정하는 단계 및 상기 결정된 결합 효율에 기반하여 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자를 배열하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 및 그 설계 방법{MICROSTRIP TRAVELING-WAVE SERIES-FED ARRAY ANTENNAS AND DESIGN METHOD THEREOF}
본 발명은 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 및 그 설계 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동위상 방사를 보장하면서 위상 오프셋을 보상하고, 패치(patch) 및 콤라인(comb-line) 유형에 모두 적용할 수 있는 안테나 소자들 간의 거리를 결정하는 설계 방법 및 그 설계 방법에 의해 설계되는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나를 제공하기 위한 기술이다.
마이크로스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 밀리미터파 대역의 레이더 시스템을 위해 개발되어 왔다.
마이크로스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 기상 레이더, 자동차 레이더, 무선 통신 시스템에 대해 많은 관심을 받아왔다.
마이크로스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 직렬 연결은 손실이 적고 효율이 높은 소형 급전선으로 활용된다.
마이크로스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 진행파 안테나의 비공진형 기능에 기반하여 공진형 안테나 보다 더 넓은 대역너비를 제공할 수 있다.
그러나, 마이크로스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 낮은 SLL(sidelobe level)에 대한 테일러(Taylor) 또는 돌프체비세브(Dolph-Chebyshev) 분포와 같이 부드럽고 테이퍼드 진너비(tapered amplitude) 프로파일을 위해 안테나 소자의 결합 효율, 즉 입력 전력 대 방사 전력의 비율이 넓은 범위를 커버해야 한다.
마이크로스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 신호가 이동함에 따라 각 요소의 위상이 서로 영향을 미칠 수 있다.
직렬 급전 어레이 안테나에서 위상을 제어하는 일반적인 방법은 안테나 소자 사이의 거리를 조정하는 것인데, 종래 기술에 따른 콤라인 어레이 안테나에서 요소의 거리는 입력에서 출력 라인으로의 위상 지연을 뺀 안테나 장치의 전송 계수 위상(∠S21)을 보상하도록 조정되었다.
그러나 이 방법은 안테나의 방사 위상이 아닌 신호 위상 지연만을 고려하므로 브로드사이드 빔에 대한 동위상 원거리장을 보장할 수 없는 단점이 존재한다.
마이크로스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 어레이 토폴로지(array topology)에서 직렬로 연결되고 공급된다.
따라서, 마이크로스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 SLL이 낮은 브로드사이드(broadside) 빔(beam)에 대해 적절하게 테이퍼드 진너비와 동위상을 갖는 안테나 소자의 여기(excitation)가 어렵다.
종래 기술에 따라 어레이 안테나 소자 간의 거리가 설정된 직렬 급전 패치 및 콤라인 어레이 안테나에서는 동위상 방사를 보장하지 않음에 따라 어레이 안테나의 소자들 간의 거리 최적화가 필요하다.
한국공개특허 제10-2021-0062574호, "커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나" 한국공개특허 제10-2020-0110069호, "마이크로스트립 배열 안테나" 한국등록특허 제10-2007876호, "마이크로스트립 배열 안테나"
본 발명은 동위상 방사를 보장하면서 위상 오프셋을 보상하고, 패치(patch) 및 콤라인(comb-line) 유형에 모두 적용할 수 있는 안테나 소자들 간의 거리를 결정하는 설계 방법 및 그 설계 방법에 의해 설계되는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계에서 반복적인 최적화 과정 없이 기준방향에서 동위상 복사 필드에 대한 최적 거리를 결정하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 패치 어레이 안테나와 콤라인 어레이 안테나의 설계에서 반복적인 최적화 과정 없이 기준방향에서 동위상 복사 필드에 대한 최적 거리를 결정하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 전송 선로들로 상호 연결되는 제1 안테나 소자(element), 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자를 포함하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법은 상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 고려하여 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정하는 단계, 상기 결정된 거리(dn)에 따른 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실(Ploss,n)을 고려하여 결합 효율을 결정하는 단계 및 상기 결정된 결합 효율에 기반하여 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자를 배열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 고려하여 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정하는 단계는, 상기 제N 안테나 소자의 출력 전송 선로의 길이(Lout,n), 상기 제N+1 안테나 소자의 입력 전송 선로의 길이(Lin,n+1), 상기 전송 선로들의 유도파장(λg), 상기 제N+1 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n+1), 상기 제N 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n), 상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 이용하여 상기 거리(dn)를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법은 전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절하는 단계, 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 적용되는 정사각형 컷(square-shaped cut)의 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절하는 단계 및 상기 전송 선로들 중 어느 하나의 전송 선로와 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 중심 간의 사이 간격을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절하는 단계는, 상기 조절되는 슬릿의 크기에 따라 슬릿의 길이(Lslit), 너비(Wslit) 및 안테나 소자 모서리에서 슬릿까지의 거리(Dslit)을 조절하여 상기 전송 선로 중 입력 포트에서 반사를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 적용되는 정사각형 컷의 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절하는 단계는, 상기 전송 선로들 중 입력 측에서 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(W)에 따른 반사 손실을 조절하기 위해 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전송 선로들 중 어느 하나의 전송 선로와 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 중심 간의 사이 간격을 조절하는 단계는, 상기 조절된 사이 간격에 기반하여 복사 전력에 대한 결합 유도를 조절하고, 상기 조절된 결합 유도에 기반하여 상기 결합 효율을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법은 전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절하는 단계, 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(We)를 조절하는 단계 및 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각에서 스터브를 추가하고, 상기 추가된 스터브의 길이(Ls) 및 너비(Ws), 상기 추가된 스터브와의 사이 간격(g) 및 끝단에서 연결되는 거리(D)를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(We)를 조절하는 단계는, 상기 조절된 너비(We)에 따라 신호 및 방사 경로를 조절하여 "0"에 가까운 전송 계수 위상(∠S21)에 대해 입력 전송 선로의 길이(Lin)와 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er)이 조절되어 상기 결합 효율을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각에서 스터브를 추가하고, 상기 추가된 스터브의 길이(Ls) 및 너비(Ws), 상기 추가된 스터브와의 사이 간격(g) 및 끝단에서 연결되는 거리(D)를 조절하는 단계는, 상기 너비(Ws)의 크기를 조절하여 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er)을 조절하여 상기 결합 효율을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자는 패치 직렬 급전 어레이 안테나 소자 및 콤라인 직렬 급전 어레이 안테나 소자 중 어느 하나의 안테나 소자일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 는 전송 선로들로 상호 연결되는 제1 안테나 소자(element), 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자를 포함하고, 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자는 상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)에 기반하여 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)가 결정되고, 상기 결정된 거리(dn)에 따른 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실(Ploss,n)을 고려하여 결합 효율을 결정되며, 상기 결정된 결합 효율에 기반하여 상기 제1 안테나 소자와 함께 배열될 수 있다.
상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)는 상기 제N 안테나 소자의 출력 전송 선로의 길이(Lout,n), 상기 제N+1 안테나 소자의 입력 전송 선로의 길이(Lin,n+1), 상기 전송 선로들의 유도파장(λg), 상기 제N+1 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n+1), 상기 제N 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n), 상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 이용하여 결정될 수 있다.
상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자는 패치 직렬 급전 어레이 안테나 소자 및 콤라인 직렬 급전 어레이 안테나 소자 중 어느 하나의 안테나 소자일 수 있다.
본 발명은 동위상 방사를 보장하면서 위상 오프셋을 보상하고, 패치(patch) 및 콤라인(comb-line) 유형에 모두 적용할 수 있는 안테나 소자들 간의 거리를 결정하는 설계 방법 및 그 설계 방법에 의해 설계되는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나를 제공할 수 있다.
본 발명은 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계에서 반복적인 최적화 과정 없이 기준방향에서 동위상 복사 필드에 대한 최적 거리를 결정하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 패치 어레이 안테나와 콤라인 어레이 안테나의 설계에서 반복적인 최적화 과정 없이 기준방향에서 동위상 복사 필드에 대한 최적 거리를 결정하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 제공할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 범용 설계 방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 전력 흐름에 따른 안테나 소자간 결합 효율을 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 중 패치 어레이 안테나의 설계 방법을 설명하는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 특성을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 중 콤라인 어레이 안테나의 설계 방법을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 콤라인 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 특성을 설명하는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나를 설명하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나의 특성을 설명하는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 시뮬레이션 결과를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 설명하는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 스테이지, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 스테이지, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 범용 설계 방법을 설명하는 도면이다.
도 1a는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나와 관련하여 입력 및 출력 포트가 있는 방사 소자 구성을 예시하고, 도 1b는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나로서 패치 안테나 소자를 예시하며, 도 1c는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나로서 콤라인 안테나 소자를 예시한다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 범용 설계 방법은 각 도면에서 표시된 정의를 이용하여 안테나 소자들 간의 최적 거리를 결정하기 위한 범용 설계 방정식을 예시한다.
도 1a를 참고하면, 방사 소자(100)는 입력 포트(101)와 출력 포트(102)가 있고, 입력 포트(101)와 출력 포트(102)는 전송선로와 연결된다.
입력 포트(101)와 연결된 전송 선로는 입력 전송 선로이고, 출력 포트(102)와 연결된 전송 선로는 출력 전송 선로일 수 있다.
본 발명의 일실시예 따르면 방사 소자(100)는 안테나 단위 모델일 수 있고, 안테나 구조를 포함하는 입력 포트(101)에서 출력 포트(102)까지의 전송 계수 위상(transmission coefficient phase, ∠S21) 및 기준방향에서 복사장의 위상(the phase of the radiated field at boresight, ∠Er)을 나타낸다.
도 1b를 참고하면, 패치 어레이 안테나는 제N 패치 안테나 소자(110) 및 제N+1 패치 안테나 소자(111)를 포함한다.
도 1c를 참고하면, 콤라인 어레이 안테나는 제N 패치 안테나 소자(120) 및 제N+1 패치 안테나 소자(121)를 포함한다.
제N 패치 안테나 소자(110), 제N+1 패치 안테나 소자(111), 제N 패치 안테나 소자(120) 및 제N+1 패치 안테나 소자(121)와 관련하여 입력 및 출력 라인에 대하여 별도의 매개 변수를 정의한다.
패치 안테나 소자와 관련하여, 입력 라인과 관련된 입력 전송 선로의 길이(Lin)는 입력 포트에서 방사 소자의 시작 부분까지의 물리적 길이를 나타내고, 출력 라인과 관련된 출력 전송 선로의 길이(Lout)는 방사 소자의 끝부분에서 출력 포트까지의 물리적 길이를 나타낼 수 있다. 여기서, 방사 소자는 패치 안테나 소자로 지칭될 수 있다.
콤라인 안테나 소자와 관련하여, 점선으로 표시된 방사 소자의 모서리는 방사 소자의 시작과 끝을 동시에 나타낸다. 여기서, 방사 소자는 콤라인 안테나 소자로 지칭될 수 있다.
제N 패치 안테나 소자(110) 및 제N+1 패치 안테나 소자(111) 사이의 거리(dn)는 제N 패치 안테나 소자(110)의 출력 전송 선로의 길이(Lout,n)와 제N+1 패치 안테나 소자(111)의 입력 전송 선로의 길이(Lin,n+1)의 합으로 정의될 수 있다.
제N 패치 안테나 소자(120) 및 제N+1 패치 안테나 소자(121) 사이의 거리(dn)는 제N 패치 안테나 소자(120)의 출력 전송 선로의 길이(Lout,n)와 제N+1 패치 안테나 소자(121)의 입력 전송 선로의 길이(Lin,n+1)의 합으로 정의될 수 있다.
종래 기술에 따르면, 마이크로 스트립 진행파 급전 어레이 안테나는 안테나 소자 간에서 전송 계수 위상과 관련하여 위상 지연을 수용하게 되면 동위상 방사를 보장하기 어려운 측면이 존재한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 이를 구성하는 안테나 소자 간의 거리를 하기 수학식 1에 기반하여 조절하면 동위상 방사를 보장하면서 위상 오프셋을 보상할 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1에서, dn은 제N 안테나 소자와 제N+1 안테나 소자 간의 사이 거리를 나타낼 수 있고, Lout,n 은 제N 안테나 소자의 출력 전송 선로의 길이를 나타낼 수 있으며, Lin,n+1은 제N+1 안테나 소자의 입력 전송 선로의 길이를 나타낼 수 있고, λg는 전송 선로들의 유도파장을 나타낼 수 있으며, ∠Er,n+1는 제N+1 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상을 나타낼 수 있고, ∠Er,n는 제N 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상을 나타낼 수 있으며, ∠S21,1는 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상을 나타낼 수 있고, ∠S21,n+1는 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상을 나타낼 수 있으며, ∠S21,1 ~ ∠S21,n+1는 최초 안테나 소자부터 N+1번째 안테나 소자 까지 결합된 안테나 소자의 전송 계수 위상을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 제1 안테나 소자는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나를 구성하는 최초의 안테나 소자를 지칭할 수 잇다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 수학식 1을 이용하여 n에 적용되는 수를 변경하면서 순차적으로 거리(dn)를 산출하면서 배열되는 안테나 소자 간의 거리를 적용하여 반복적인 최적화 없이 기준방향에서 동위상 복사장에 대한 최적의 거리를 산출하여 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나를 패치 직렬 급전 어레이 안테나 또는 콤라인 직렬 급전 어레이 안테나로 설계할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 수학식 1을 이용하여 제N 안테나 소자의 출력 전송 선로의 길이(Lout,n), 제N+1 안테나 소자의 입력 전송 선로의 길이(Lin,n+1), 전송 선로들의 유도파장(λg), 제N+1 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n+1), 제N 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n), 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)에 기반한 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 전력 흐름에 따른 안테나 소자간 결합 효율을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 전력 흐름을 예시한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나는 콤라인 어레이 안테나로서, 제N 안테나 소자(200) 및 제N+1 안테나 소자(201)를 포함한다.
제N 안테나 소자(200) 및 제N+1 안테나 소자(201)와 관련하여 Pin, Pout 및 Prad는 n또는 n+1번째 안테나 소자의 입력, 출력 및 방사 전력으로 정의되며 제N 안테나 소자(200)에 기반한 간단한 관계는 하기 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
결합 효율(Cn)은 n번째 안테나 소자의 입력 전력에 대한 복사전력의 비율로 결정될 수 있으며, 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
결합 효율을 달성하기 위해 제N+1 안테나 소자(201)의 입력 전력(Pin,n+1)을 수학식 2 및 3을 기반으로 제N 안테나 소자(200)와 제N+1 안테나 소자(201) 사이의 전력 손실(Ploss,n)과 제N 안테나 소자(200)의 출력 전력(Pin,n)을 고려하여 하기 수학식 4와 같이 산출될 수 있다.
[수학식 4]
본 발명의 일실시예에 따르면 콤라인 어레이 안테나의 각 소자인 제N 안테나 소자(200) 및 제N+1 안테나 소자(201)의 상대 여기 진폭(an)으로 하기 수학식 5와 같이 변환할 수 있다.
[수학식 5]
본 발명의 일실시예에 따르면 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 수학식 1에 기반하여 결정된 거리(dn)에 따른 제N 안테나 소자와 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실(Ploss,n)을 고려하여 결합 효율을 결정할 수 있다.
따라서, 본 발명은 패치 어레이 안테나와 콤라인 어레이 안테나의 설계에서 반복적인 최적화 과정 없이 기준방향에서 동위상 복사 필드에 대한 최적 거리를 결정하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 제공할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 중 패치 어레이 안테나의 설계 방법을 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 중 패치 어레이 안테나의 설계 방법에 따라 낮은 반사 계수로 광범위한 결합 효율을 달성하기 위한 제1 타입 내지 제3 타입의 패치 안테나 소자를 예시한다.
도 3a를 참고하면, 제1 타입의 안테나 소자(300)는 제1 포트(301) 및 제2 포트(302)가 있고, 일반적인 패치 안테나 소자이며, 패치의 길이(Lp)와 너비(Wp)는 76.5GHz에서 입력 반사를 최소화하도록 고정되었다.
또한, 제1 타입의 안테나 소자(300)는 입력 전송 선로의 길이(Lin)와 출력 전송 선로의 길이(Lout)을 전송 계수 위상(∠S21)가 "0"이 되도록 조절된다.
도 3b를 참고하면, 제2 타입의 안테나 소자(310)는 제1 포트(311) 및 제2 포트(312)가 있고, 슬릿(slit)이 삽입되어 결합 효율이 증가된 패치 안테나 소자이며, 패치의 길이(Lp)와 너비(Wp)는 1.3mm 내지 1.6mm 이고, 76.5GHz에서 입력 반사를 최소화하도록 고정되었으며, 길이(Ls)와 너비(Ws)로 출력 측에 정사각형 모양의 컷이 삽입되었고, 입력 측에는 입력 반사를 줄이기 위해 길이(Lslit)와 너비(Wslit)를 갖는 슬릿이 추가되었으며 그 위치는 슬릿과 패치 사이의 거리인 Dslit에 따라 결정된다.
길이(Ls)와 너비(Ws)가 0.3mm 이상인 경우에만 입력 전송 라인에 슬릿을 추가한다.
도 3b를 참고하면, 제2 타입의 안테나 소자(310)는 제1 포트(311) 및 제2 포트(312)가 있고, 슬릿(slit)이 삽입되어 결합 효율이 증가된 패치 안테나 소자이며, 패치의 길이(Lp)와 너비(Wp)는 1.3mm 내지 1.6mm 이고, 76.5GHz에서 입력 반사를 최소화하도록 고정되었으며, 길이(Ls)와 너비(Ws)로 출력 측에 정사각형 모양의 컷이 삽입되었고, 입력 측에는 입력 반사를 줄이기 위해 길이(Lslit)와 너비(Wslit)를 갖는 슬릿이 추가되었으며 그 위치는 슬릿과 패치 사이의 거리인 Dslit에 따라 결정된다.
길이(Ls)와 너비(Ws)가 0.3mm 이상인 경우에만 입력 전송 라인에 슬릿을 추가한다.
도 3c를 참고하면, 제3 타입의 안테나 소자(320)는 제1 포트(321) 및 제2 포트(322)가 있고, 슬릿(slit)이 삽입되어 결합 효율이 증가되면서, 패치와 출력 라인 사이에 간격(g)이 삽입되는 패치 안테나 소자이며, 패치의 길이(Lp)와 너비(Wp)는 1.3mm 내지 1.6mm 이고, 76.5GHz에서 입력 반사를 최소화하도록 고정되었으며, 패치와 출력 라인 사이에 간격(g)이 0.1mm 내지 0.15mm로 조절되고, 출력 라인과 패치 사이의 거리(Dp)는 고정된다.
또한, 입력 라인상에 너비(Wp)에 따른 낮은 반사 손실을 위해 길이(Ls)와 너비(Ws)로 출력 측에 정사각형 모양의 컷이 삽입되었다.
본 발명의 일실시예에 따르면 제2 타입의 안테나 소자(310) 및 제3 타입의 안테나 소자(320)는 조절되는 슬릿의 크기에 따라 슬릿의 길이(Lslit), 너비(Wslit) 및 안테나 소자 모서리에서 슬릿까지의 거리(Dslit)을 조절하여 상기 전송 선로 중 입력 포트에서 반사를 감소시킬 수 있다.
또한, 제2 타입의 안테나 소자(310) 및 제3 타입의 안테나 소자(320)는 각각의 너비(W)에 따른 반사 손실을 조절하기 위해 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절되어 정사각형 컷의 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절된다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 특성을 설명하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나가 제1 타입의 패치 어레이 안테나인 경우에 안테나 특성을 예시한다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나가 제2 타입의 패치 어레이 안테나인 경우에 안테나 특성을 예시한다.
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나가 제3 타입의 패치 어레이 안테나인 경우에 안테나 특성을 예시한다.
도 4d는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 제1 타입 내지 제3 타입 패치 안테나 소자가 복합적으로 이용된 경우에 안테나의 특성을 예시한다.
그래프(400)는 0.4mm에서 1.3mm까지 안테나 소자의 너비(WP)의 변화가 있는 76.5GHz에서 제1 타입의 안테나 소자의 Lin 및 ∠Er을 나타낸다.
더 넓은 너비(WP)는 0에 가까운 ∠S21을 유지하기 위해 더 낮은 Lin을 필요로 하고 조준에서 더 높은 ∠Er로 이어진다.
이것은 더 넓은 너비(WP)가 더 많은 신호 전파와 더 적은 복사 지연으로 이어진다는 것을 나타낸다.
그래프(410)는 너비(Ws)와 너비(Wp)가 클수록 Lin이 낮아지고 ∠Er이 높아지는 것을 나타낸다.
또한 출력 전송선로에서의 컷 크기(Ws)가 패치 안테나의 너비(Wp)에 비해 Lin 및 ∠Er에 더 큰 영향을 미친다는 것을 나타낸다.
그래프(420)는 출력단면에서 방사에 대한 전류 경로가 증가하기 때문에 제3 타입의 안테나 소자의 ∠Er이 다른 유형에 비해 더 낮다는 것을 보여준다.
간격(g)이 ∠Er에 미미한 영향을 미친다는 사실이 이러한 추론을 확인시켜준다.
대신, 간격(g)과 너비(Wp)는 주로 안테나 내부의 신호 전파 경로에 의해 결정되는 Lin에 영향을 미칠 수 있다.
그래프(430)는 제1 타입(431), 제2 타입(432) 및 제3 타입(433)의 특성을 나타낸다.
제1 타입(431)의 결합 효율을 검은색 실선으로 표시한 것으로, 너비(Wp)가 클수록 효율이 0.6% 내지 7.3%의 제한된 범위로 증가한다.
제2 타입(432)의 결합 효율은 8.4%에서 66.6%까지 제1 타입(431)에 대비하여 증가된다.
제3 타입(433)의 결합 효율은 간격(g)가 클수록 복사 전력에 더 많은 결합을 유도하고 제2 타입(432)의 동일한 너비(WP) 범위를 갖는 제3 타입(433)이 53.4%에서 75.7%까지 가장 높은 결합 효율을 포함함을 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 중 콤라인 어레이 안테나의 설계 방법을 설명하는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 중 콤라인 어레이 안테나의 설계 방법에 따라 낮은 반사 계수로 광범위한 결합 효율을 달성하기 위한 제1 타입 및 제2 타입의 콤라인 안테나 소자를 예시한다.
일례로, 제1 타입 및 제2 타입의 콤라인 안테나 소자는 안테나 소자의 모서리를 둥글게(round) 처리하여 제조 오류로 인한 메인 빔 틸팅과 높은 SLL를 방지한다.
슬릿 너비(Wslit)¸ 길이(Lslit) 및 거리(Dslit)는 입력 포트에서 반사를 줄이기 위해 적절하게 수정될 수 있다.
도 5a를 참고하면, 제1 타입의 콤라인 안테나 소자(500)는 전형적인 콤라인 안테나 소자이고, 모서리로부터의 방사소자의 길이 Le와 안테나 소자의 너비를 입력포트에 맞게 조절될 수 있다. 그런 다음 ∠S21을 "0"으로 유지하기 위해 같은 수로 Lin과 Lout이 조절될 수 있다.
도 6b를 참고하면, 제2 타입의 콤라인 안테나 소자(510)는 원형 스터브 일체형 안테나 소자를 사용하는 제2 타입이고, 여기서 서브 급전선이 있는 방사 소자의 입력에 스터브가 추가된다.
스터브의 길이(Ls)와 폭(Ws), 스터브와 방사체 사이의 간격(g), 소자 끝단에서 연결되는 거리(D)를 추가로 조절되고, L과 Le는 제1 타입의 콤라인 안테나 소자(500)와 동일할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 콤라인 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 특성을 설명하는 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 콤라인 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나가 제1 타입의 콤라인 어레이 안테나인 경우에 안테나 특성을 예시한다.
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 콤라인 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나가 제2 타입의 콤라인 어레이 안테나인 경우에 안테나 특성을 예시한다.
도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 콤라인 어레이 안테나의 설계 방법에 따른 제1 타입 및 제2 타입 패치 안테나 소자가 복합적으로 이용된 경우에 안테나의 특성을 예시한다.
그래프(600)에서는 76.5GHz에서 제1 타입 콤라인 안테나 소자의 Lin 및 ∠Er를 보여주며 We의 변화는 0.1mm에서 1.0mm이다.
We가 넓을수록 신호 및 방사 경로가 단축되어 거의 0에 가까운 ∠S21에 대해 더 긴 Lin과 더 큰 ∠Er이 생성된다.
그래프(610)에서는 Ws가 넓을수록 ∠Er이 커지고 We가 넓을수록 Lin은 길어지고 ∠Er은 낮아진다.
스터브 결합 소자(Stub-integrated element)는 Ws가 증가함에 따라 더 많은 위상 지연을 가지지만 우리는 그 지연을 상쇄할 수 잇다.
그래프(620)는 제1 타입(621) 및 제2 타입(622)의 결합 효율을 나타내는데, 제1 타입(621) 콤라인 안테나 소자는 여기가 점진적으로 증가함에 따라 결합 효율도 증가하여 2.3%에서 26.8%의 범위를 차지한다.
한편, 제2 타입(622) 콤라인 안테나 소자는 Ws는 We보다 커플링 효율에 더 큰 영향을 미치고, 결합 효율은 32.4%에서 91.1%까지 가장 높은 결합 효율을 광범위하게 다룬다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나를 설명하는 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법을 통해 설계된 패치 어레이 안테나를 예시하고, 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법을 통해 설계된 콤라인 어레이 안테나를 예시한다.
도 7a를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나(700)는 10개의 패치 안테나 소자(a1 내지 a10)로 구성되어 있다.
여기서, 10개의 패치 안테나 소자(a1 내지 a10)는 도 3a에서 설명된 제1 타입(701)의 패치 안테나 소자, 도 3b에서 설명된 제2 타입(702)의 패치 안테나 소자 및 도 3c에서 설명된 제3 타입(703)의 패치 안테나 소자 및 마지막 패치 안테나 소자(704)로 구성된다.
예를 들어, 제1 안테나 소자가 제1 패치 안테나 소자(a1)이고, 제N 안테나 소자가 제2 패치 안테나 소자(a2)이며, 제N+1 안테나 소자가 제3 패치 안테나 소자(a3)이면, 본 발명의 일실시예 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법은 제2 패치 안테나 소자(a2)와 제3 패치 안테나 소자(a3) 간의 사이 거리(d2)를 결정할 수 있다.
동상 여기에 대한 패치 안테나의 각 안테나 소자의 매개변수(parameter)는 하기 표 1을 통해 정리할 수 있다.
n 타입
mm		 Lin,n
deg.		 ∠Er,n
deg.		 ∠S21,n
deg.		 ∠S21,1~n+1
deg.
1 1 0.64 172.13 0.18 0
2 1 0.62 176.87 0.63 14.4
3 2 0.54 192.15 0.46 14.9
4 2 0.51 192.85 0.43 15.0
5 2 0.38 190.24 0.12 14.7
6 2 0.37 191.31 -0.03 16.6
7 2 0.36 191.96 -0.86 15.4
8 3 0.53 143.07 -0.71 18.1
9 3 0.49 142.96 -0.17 21.5
10 마지막(last) 0.72 965.59 0 0
도 7b를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 콤라인 어레이 안테나(710)는 10개의 콤라인 안테나 소자(a1 내지 a10)로 구성되어 있다.
여기서, 10개의 콤라인 안테나 소자(a1 내지 a10)는 도 5a에서 설명된 제1 타입(711)의 콤라인 안테나 소자, 도 5b에서 설명된 제2 타입(712)의 콤라인 안테나 소자 및 마지막 콤라인 안테나 소자(713)로 구성된다.
예를 들어, 제1 안테나 소자가 제1 콤라인 안테나 소자(a1)이고, 제N 안테나 소자가 제2 콤라인 안테나 소자(a2)이며, 제N+1 안테나 소자가 제3 콤라인 안테나 소자(a3)이면, 본 발명의 일실시예 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법은 제2 콤라인 안테나 소자(a2)와 제3 콤라인 안테나 소자(a3) 간의 사이 거리(d2)를 결정할 수 있다.
따라서, 본 발명은 동위상 방사를 보장하면서 위상 오프셋을 보상하고, 패치(patch) 및 콤라인(comb-line) 유형에 모두 적용할 수 있는 안테나 소자들 간의 거리를 결정하는 설계 방법 및 그 설계 방법에 의해 설계되는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나를 제공할 수 있다.
동상 여기에 대한 콤라인 안테나의 각 안테나 소자의 매개변수(parameter)는 하기 표 2를 통해 정리할 수 있다.
n 타입
mm		 Lin,n
deg.		 ∠Er,n
deg.		 ∠S21,n
deg.		 ∠S21,1~n+1
deg.
1 1 1.37 82.06 0.11 0
2 1 1.39 95.58 0.09 14.05
3 1 1.42 114.67 -0.22 15.64
4 1 1.43 127.01 0.05 16.01
5 2 1.4 78.4 0.11 12.74
6 2 1.41 72.84 -0.11 16.08
7 2 1.44 78.95 0.06 14.55
8 2 1.4 91.87 -0.14 16.62
9 2 1.47 77.58 -0.15 15.60
10 마지막(last) 1.44 -9.92 0 0
본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나(700) 및 콤라인 어레이 안테나(710)의 특성은 도 8a 내지 도 8c에서 설명한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일실시예에 따른 패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나의 특성을 설명하는 도면이다.
도 8a의 그래프(800)는 패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나와 관련하여 -20dB의 SLL(sidelobe level)에 대한 상대 진폭 및 결합 효율을 예시한다.
그래프(800)에서 그래프선(801)은 패치 어레이 안테나를 나타낼 수 있고, 그래프선(802)은 콤라인 어레이 안테나를 나타낼 수 있다.
그래프(800)의 가로축은 안테나 소자(element)의 수를 나타내고, 좌세로축은 상대 진폭(relative amplitude)를 나타내며, 우세로축은 결합 효율(coupling efficiency)를 나타내고 있다.
도 8a의 그래프(800)를 참고하면, 제1 번째 안테나 소자부터 9번째 안테나 소까지 직렬 공급 패치 및 콤라인 어레이 안테나는 결합 효율의 범위가 각각 0.8% 내지 59.2% 및 2.3% 내지 79.8%여야함을 확인할 수 있다.
그래프(800)에 따르면, 패치 및 콤라인 어레이 안테나의 진폭 분포는 돌프체비세브(Dolph-Chebyshev) 어레이 인자의 진폭 분포와 비교하여 대칭적이지 않다.
이것은 안테나 소자가 돌프체비세브 어레이 계수 계산의 경우가 아닌 진행파 직렬 급전 어레이 안테나에서 이상적인 포인트 소스가 아니기 ‹š문일 수 있고, 진행파 모드에서 마지막 안테나 소자는 남은 모든 전력을 방출하는 것이 바람직하다.
도 8b의 그래프(810)는 패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나의 마지막 안테나 소자의 반사 계수를 예시한다.
도 8b의 그래프(810)를 참고하면, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 반사 계수(reflection coefficient)를 나타내며, 그래프선(811)은 패치 어레이 안테나의 마지막 안테나 소자를 나타내고, 그래프선(812)은 콤라인 어레이 안테나의 마지막 안테나 소자를 나타낼 수 있다.
패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나의 마지막 안테나 소자와 관련하여 Ls10은 0.4 mm이고, Ws10은 0.24 mm이며, L은 1.31 mm이고, W는 1.32 mm일 수 있다.
패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나의 마지막 안테나 소자는 각 편광 방향으로 향하고 입력 포트와 일치하여 잔류 전력을 효율적으로 방출할 수 있다.
그래프(810)의 시뮬레이션 결과는 직렬 공급 패치 및 콤라인 배열의 마지막 요소의 반사 계수가 76.5GHz에서 각각 -22dB 및 -25dB임을 보여줍니다.
예를 들어, 패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나의 마지막 안테나에서 방사 전기장의 위상은 각각 97º 및 -10º일 수 있다.
도 8c의 그래프(820)는 패치 어레이 안테나 및 콤라인 어레이 안테나에서 동상 여기(in phase excitation)를 위한 안테나 소자 간의 거리를 나타낸다.
그래프(820)에 따른 거리는 수학식1에 기반하여 계산된 거리일 수 있다.
동상 여기에 대한 각 안테나 소자의 매개변수(parameter)는 상기 표 1 및 표 2를 통해 정리할 수 있다.
입력 전송 선로의 길이(Lin)는 전송 계수 위상(∠S21)을 거의 "0"으로 만들기 위해 결정될 수 있다.
따라서, 전송 계수 위상(∠S21)은 동상 여기를 위한 거리를 결정하는데 무시할 수 있다.
그러나, 안테나 소자를 연결하면 두 안테나 소자의 상호 결합으로 인해 원치 않는 위상 오프셋이 발생하므로 최초 안테나 소자부터 제N+1 안테나 소자까지의 전송 계수 위상(∠S21,1~n+1)을 사용하여 오프셋을 식별할 수 있다.
예를 들어, 안테나 소자의 타입이 변하면 안테나 소자 사이의 거리가 변경되는데, 패치 배열 안테나에서 제7 거리(d7)에서 가장 짧은 거리가 제2 타입에서 제3 타입으로 전환하여 해당되는 것을 확인할 수 있다.
그 이유는 전송 선로의 출력 포트에서 결합 구조를 이용한 제8 안테나 소자는 낮은 복사장의 위상(∠Er)을 가진다.
제8 거리(d8)의 급증은 제8 안테나 소자와 제9 안테나 소자 사이의 유사한 복사장의 위상(∠Er)때문이다.
유사하게 콤라인 어레이 안테나에서 제4 거리(d4)의 감소는 주로 제1 유형에서 제2 유형으로의 상당한 복사장의 위상(∠Er)의 하락 때문이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 시뮬레이션 결과를 설명하는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 모의 방사 패턴을 예시한다.
도 9a의 그래프(900)를 참고하면, 설계 주파수에서 기존 방법과 본 발명을 사용하여 시뮬레이션된 공편광 방사 패턴을 예시한다.
그래프(900)의 가로축은 각도를 나타내고, 세로축은 정규화된 이득(normalized gain)을 나타내며, 그래프선(901)은 종래 기술에 따른 패치 어레이 안테나를 나타내고, 그래프선(902)은 본 발명에 따른 패치 어레이 안테나를 나타내며, 그래프선(903)은 종래 기술에 따른 콤라인 어레이 안테나를 나타내고, 그래프선(904)은 본 발명에 따른 콤라인 어레이 안테나를 나타낸다.
그래프선(901) 및 그래프선(903)을 보면, 종래 기술은 상호 결합 효과를 보상하지 못했고, 그 결과 직렬 공급 패치 및 콤라인 선 어레이는 각각 -4º 및 -3º의 메인 빔 방향을 가졌다.
또한 각각 -18.3dB 및 -18.5dB의 SLL이 있고, 종래 기술에 따른 패치 배열 안테나 및 콤라인 안테나 모두에서 보상되지 않은 위상 지연은 메인 로브(main lobe)를 기울이고 SLL을 증가시킴을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명은 상호 결합 효과에 의한 위상 지연을 제거하기 위해 ∠S21,1~n+1을 고려함에 따라 어레이에서 최적의 거리를 찾기 위한 반복 과정 없이 제안된 방정식인 수학식 1은 직렬 급전 패치 어레이 안테나와 콤라인 어레이 안테나의 메인 빔 방향을 각각 0º 및 SLL -21.7 dB 및 -20.1 dB로 만들었다.
따라서 이러한 결과는 안테나 소자들 사이의 최적 거리에 대해 제안된 방정식인 수학식 1이 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 위상 지연을 성공적으로 보상할 수 있음을 입증한다.
도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 반사 계수를 예시한다.
도 9b의 그래프(910)를 참고하면, 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 반사 계수를 나타내며, 그래프선(911)은 패치 어레이 안테나의 측정 값을 나타내고, 그래프선(912)은 콤라인 어레이 안테나의 측정 값을 나타내며, 그래프선(913)은 패치 어레이 안테나의 시뮬레이션 값을 나타내고, 그래프선(914)은 콤라인 어레이 안테나의 시뮬레이션 값을 나타낸다.
반사 계수는 벡터 네트워크 분석기인 Agilent E8364B를 사용하여 측정되었고, 직렬 급전 패치와 콤라인 어레이 안테나의 측정된 반사 계수는 76.5GHz의 설계 주파수에서 -21.8dB 및 -15.4dB이다.
측정된 결과는 시뮬레이션된 결과와 비교하여 약간의 저하와 함께 더 낮은 주파수에서 최소 반사를 나타내고, 공진 이동의 주요 원인은 기판의 유전 상수 오프셋과 백쇼트(back-short)의 제조 오류에서 비롯될 것으로 예상된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 예시한다.
도 10을 참고하면, 단계(1001)에서 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상 내지 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상을 고려하여 제N 안테나 소자와 제N+1 안테나 소자 간의 거리를 결정할 수 있다.
즉, 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 제N 안테나 소자의 출력 전송 선로의 길이(Lout,n), 제N+1 안테나 소자의 입력 전송 선로의 길이(Lin,n+1), 전송 선로들의 유도파장(λg), 제N+1 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n+1), 제N 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n), 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 이용하여 제N 안테나 소자와 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정할 수 있다.
한편, 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 상술한 수학식 1을 이용하여 제N 안테나 소자와 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정할 수 있다.
단계(1002)에서 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 거리에 따른 제N 안테나 소자와 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실을 고려하여 결합 효율을 결정할 수 있다.
즉, 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 단계(1001)에서 결정된 거리(dn)에 기반한 제N 안테나 소자와 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실(Ploss,n)을 고려하여 결합 효율을 결정할 수 있다.
예를 들어, 패치 배열 안테나의 경우에 거리(dn)는 전송 계수 위상 및 기준방향에서 복사장의 위상과 관련하여 위상은 전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절하거나, 제1 안테나 소자, 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 적용되는 정사각형 컷(square-shaped cut)의 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절하거나, 전송 선로들 중 어느 하나의 전송 선로와 제1 안테나 소자, 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자 각각의 중심 간의 사이 간격을 조절하여 조절될 수 있다.
또한, 콤라인 배열 안테나의 경우에 거리(dn)는 전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절하거나, 제1 안테나 소자, 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(We)를 조절하거나, 제1 안테나 소자, 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자 각각에서 스터브를 추가하고, 추가된 스터브의 길이(Ls) 및 너비(Ws), 추가된 스터브와의 사이 간격(g) 및 끝단에서 연결되는 거리(D)를 조절하여 조절될 수 있다.
단계(1003)에서 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 결합 효율에 기반하여 안테나 소자들을 배열할 수 있다.
즉, 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 단계(1002)에서 결정된 결합 효율에 기반하여 제1 안테나 소자, 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자를 배열할 수 있다.
예를 들어, 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법은 N이 3인 경우에 제3 안테나 소자와 제4 안테나 소자의 최적 거리에 기반하여 제4 안테나 소자를 배열하고, N이 4인 경우에 대하여 순차적으로 안테나 소자를 배열할 수 있다.
따라서, 본 발명은 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계에서 반복적인 최적화 과정 없이 기준방향에서 동위상 복사 필드에 대한 최적 거리를 결정하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나의 설계 방법을 제공할 수 있다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 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 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 전송 선로들로 상호 연결되는 제1 안테나 소자(element), 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자를 포함하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 고려하여 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정하는 단계;
    전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절하는 단계;
    상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 적용되는 정사각형 컷(square-shaped cut)의 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절하는 단계;
    상기 전송 선로들 중 어느 하나의 전송 선로와 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 중심 간의 사이 간격을 조절하는 단계;
    상기 결정된 거리(dn)에 따른 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실(Ploss,n)을 고려하여 결합 효율을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 결합 효율에 기반하여 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자를 배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 고려하여 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정하는 단계는,
    상기 제N 안테나 소자의 출력 전송 선로의 길이(Lout,n), 상기 제N+1 안테나 소자의 입력 전송 선로의 길이(Lin,n+1), 상기 전송 선로들의 유도파장(λg), 상기 제N+1 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n+1), 상기 제N 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n), 상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 이용하여 상기 거리(dn)를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절하는 단계는,
    상기 조절되는 슬릿의 크기에 따라 슬릿의 길이(Lslit), 너비(Wslit) 및 안테나 소자 모서리에서 슬릿까지의 거리(Dslit)을 조절하여 상기 전송 선로 중 입력 포트에서 반사를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 적용되는 정사각형 컷의 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절하는 단계는,
    상기 전송 선로들 중 입력 측에서 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(W)에 따른 반사 손실을 조절하기 위해 너비(Ws)와 길이(Ls)를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전송 선로들 중 어느 하나의 전송 선로와 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 중심 간의 사이 간격을 조절하는 단계는,
    상기 조절된 사이 간격에 기반하여 복사 전력에 대한 결합 유도를 조절하고, 상기 조절된 결합 유도에 기반하여 상기 결합 효율을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  7. 전송 선로들로 상호 연결되는 제1 안테나 소자(element), 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자를 포함하는 마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 고려하여 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)를 결정하는 단계;
    전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절하는 단계;
    상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(We)를 조절하는 단계;
    상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각에서 스터브를 추가하고, 상기 추가된 스터브의 길이(Ls) 및 너비(Ws), 상기 추가된 스터브와의 사이 간격(g) 및 끝단에서 연결되는 거리(D)를 조절하는 단계;
    상기 결정된 거리(dn)에 따른 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실(Ploss,n)을 고려하여 결합 효율을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 결합 효율에 기반하여 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자를 배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(We)를 조절하는 단계는,
    상기 조절된 너비(We)에 따라 신호 및 방사 경로를 조절하여 "0"에 가까운 전송 계수 위상(∠S21)에 대해 입력 전송 선로의 길이(Lin)와 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er)이 조절되어 상기 결합 효율을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각에서 스터브를 추가하고, 상기 추가된 스터브의 길이(Ls) 및 너비(Ws), 상기 추가된 스터브와의 사이 간격(g) 및 끝단에서 연결되는 거리(D)를 조절하는 단계는,
    상기 너비(Ws)의 크기를 조절하여 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er)을 조절하여 상기 결합 효율을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자는 패치 직렬 급전 어레이 안테나 소자인 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나 설계 방법.
  11. 전송 선로들로 상호 연결되는 제1 안테나 소자(element), 제N 안테나 소자 및 제N+1 안테나 소자를 포함하고,
    상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자는 상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)에 기반하여 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)가 결정되고, 상기 결정된 거리(dn)에 따른 상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 전력 손실(Ploss,n)을 고려하여 결합 효율을 결정되며, 상기 결정된 결합 효율에 기반하여 상기 제1 안테나 소자와 함께 배되고, 전송 선로들의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 삽입되는 슬릿(slit)의 크기를 조절되며, 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 너비(W) 및 길이(L)에 대하여 적용되는 정사각형 컷(square-shaped cut)의 너비(Ws)와 길이(Ls)가 조절되고, 상기 전송 선로들 중 어느 하나의 전송 선로와 상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자 각각의 중심 간의 사이 간격이 조절되는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제N 안테나 소자와 상기 제N+1 안테나 소자 간의 거리(dn)는 상기 제N 안테나 소자의 출력 전송 선로의 길이(Lout,n), 상기 제N+1 안테나 소자의 입력 전송 선로의 길이(Lin,n+1), 상기 전송 선로들의 유도파장(λg), 상기 제N+1 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n+1), 상기 제N 안테나 소자의 기준방향에서 복사장의 위상(∠Er,n), 상기 제1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,1) 내지 상기 제N+1 안테나 소자의 전송 계수 위상(∠S21,n+1)을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 안테나 소자, 상기 제N 안테나 소자 및 상기 제N+1 안테나 소자는 패치 직렬 급전 어레이 안테나 소자인 것을 특징으로 하는
    마이크로 스트립 진행파 직렬 급전 어레이 안테나.
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