KR102640535B1 - 안테나가 탑재되는 드론 - Google Patents

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이정한
고성협
지대형
현종우
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 드론 탑재형 광대역 배열 안테나 장치는 드론 탑재형 지표 투과-합성 개구 레이더(Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar, GP-SAR) 시스템용 안테나로서 V-pol 안테나 또는 H-pol 안테나 배열로서 상층기판, 상기 상층기판과 나란히 배치되는 하층기판, 상층기판 방사패치에 삽입된 슬롯 및 배열 안테나 사이에 형성되는 고정형 브라켓을 포함하되, 슬롯 및 고정형 브라켓은 광대역의 특성을 갖는 고성능 초경량 배열 안테나 장치 및 고성능 초경량 배열 안테나 장치를 구비한 드론 탑재형 초소형 지표 투과 -합성 개구 레이더 시스템의 제작이 가능하도록 한다.

Description

안테나가 탑재되는 드론{Antenna-mounted drone}
본 발명은 안테나가 탑재되는 드론에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직 또는 수평 편파 송수신 배열이 형성된 지표 투과-합성 개구 레이더 시스템용 광대역 비발디 슬롯 배열 안테나가 탑재된 드론에 관한 것이다.
일반적으로 광대역 안테나(Ultra-wide band antenna)는 주파수 대역폭이 수 GHz로 넓은 대역폭으로 인해 cm 단위의 정밀한 거리 분해능을 갖는다. 지표 투과 레이더, 벽 투과 레이더 및 탐색·구조 레이더 등의 분야에 적용될 경우, 수 m 깊이의 지하에 매설된 광물이나 암반구조 뿐만 아니라, 벽과 구조물 뒤에서 이동하거나 은닉된 표적을 정밀하게 탐색 및 추적할 수 있으며, 지진 및 건물붕괴 등으로 인해 매몰된 인명을 구조하는데 활용할 수 있다. 일례로, 대한민국 등록특허 제10-2145558호(2020.08.18.)에는 고심도 지표투과레이다용 초광대역 V-급전형 안테나가 개시되어 있다.
한편, 합성 개구 레이더 (Synthetic Aperture radar, 이하 SAR)는 일반적으로 비행기 또는 인공위성에 탑재되어 이동하는 동안, 여러 차례 지표로 빔을 방사하고 반사되어 수신된 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지표의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다.
종래의 경우, 지표 탐사를 위하여 비행기 또는 인공위성을 이용하는데 시간 및 비용적 한계가 있었고, 특정 지역에 대한 집중탐사에 어려움이 있었다. 또한, 종래의 측정된 광대역 주파수 밴드의 저주파 대역이 높아 감지가 어려운 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-2145558호 (2020.08.18.)
본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 드론에 탑재될 수 있도록 안테나를 소형화함과 동시에 저주파 대역을 낮춰 감지율을 보다 더 향상시킬 수 있는 안테나가 탑재되는 드론을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론에 있어서, 드론 본체와, 상기 드론 본체의 일측에 구비되는 안테나부와, 상기 드론 본체와 안테나부가 결합될 수 있도록 하는 브라켓을 포함하고, 상기 안테나부는, 상기 안테나부의 일측에 형성되는 슬롯을 포함하며, 상기 슬롯은, 상기 안테나부의 중앙부로부터 측단부로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 안테나부는, 신호를 송신하는 한 쌍의 제1안테나와, 상기 한 쌍의 제1안테나와 이격되어 구비되며 신호를 수신하는 한 쌍의 제2안테나를 포함하고, 상기 한쌍의 제1안테나 및 제2안테나는, 각각 수직 편파 또는 수평 편파를 송수신하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 한 쌍의 제1안테나와 제2안테나는, 각각 상기 브라켓에 결합되되, 상기 한 쌍의 제1안테나 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나와 제2안테나 사이의 이격거리에 1/4 배인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 슬롯은, 복수개로, 상기 안테나부의 길이방향으로 서로 이격되어 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 복수개의 슬롯 중 적어도 하나 이상의 슬롯은, 상기 슬롯으로부터 연장되어 형성되는 중공부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 안테나가 탑재되는 드론은 광대역의 특성을 갖는 고성능 초경량 배열 안테나을 적용하여, 드론에 탑재된 상태로 지표 투과-합성 개구 레이더 시스템을 구현할 수 있도록 하는 안테나가 탑재된 드론을 제공하는데 그 효과가 있다.
또한, 본 발명의 안테나가 탑재되는 드론에 있어서, 안테나부는 드론에 탑재될 수 있도록 소형화함과 동시에 저주파 대역을 낮춰 감지율을 보다 더 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 첫째 무게 600 g 미만의 송/수신 다중편파 배열 안테나 장치 제작가능하며, 둘째 송/수신이득 15 dB 이상 확보 가능하고, 셋째 광대역 특성 600 MHz ~ 6 GHz 확보 가능하다는 이점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명의 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 수직 편파 배열 안테나 구성을 나타낸 분해도이고, 도 2의 (b)는 수평 편파 배열 안테나 구성을 나타낸 분해도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 안테나부의 구성을 나타낸 확대도이다.
도 4의 (a)는 종래의 비발디 안테나의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 안테나부의 구성을 나타낸 확대도이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 제1슬롯의 길이 변화에 따른 주파수 효과를 나타낸 도면이다.
도 5의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 제2슬롯의 길이 변화에 따른 주파수 효과를 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 제3슬롯의 길이 변화에 따른 주파수 효과를 나타낸 도면이다.
도 6의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 제4슬롯의 길이 변화에 따른 주파수 효과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 제5슬롯의 길이 변화에 따른 주파수 효과를 나타낸 도면이다.
도 8의 (a)는 종래의 비발디 안테나의 광대역 주파수 밴드 생성 결과를 나타낸 도면이고, 도 8의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론의 안테나부의 광대역 주파수 밴드 생성 결과를 나타낸 도면이다.
도 9의 (a) 내지 (d)는 종래의 비발디 안테나의 거리 방향(Elevation) 안테나 전파 성능(빔패턴) 시험 결과를 나타낸 도면이고, 도 9의 (e) 내지 (h)는 본 발명의 안테나부의 거리 방향(Elevation) 안테나 전파 성능(빔패턴) 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 10의 (a) 내지 (d)는 종래의 비발디 안테나의 방위 방향(Azimuth) 안테나 전파 성능(빔패턴) 시험 결과를 나타낸 도면이고, 도 10의 (e) 내지 (h)는 본 발명의 안테나부의 방위 방향(Azimuth) 안테나 전파 성능(빔패턴) 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 11의 (a)는 종래의 안테나의 임피던스 매칭 결과를 나타낸 도면이고, 도 11의 (b)는 본 발명의 안테나부의 임피던스 매칭 결과를 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 드론 탑재형 광대역 배열 안테나 장치는 무인 이동체에 탑재되어 지중의 이미지를 획득하는 장치이다. 지표 투과-합성 개구 레이더 (Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar, 이하 GP-SAR)는 일반적으로 무인 이동체에 탑재되어 이동하는 동안, 여러 차례 지표로 빔을 방사하고 빔이 지표 하부로 투과되어 지중에 있는 물체에 의해 빔이 반사되어 수신된 신호에서 감지되는 도플러 주파수의 상대적 변화 특성을 이용하여 지중의 고분해능 정밀 이미지를 획득할 수 있는 레이더를 의미한다. 무인 항공기는 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 이동체이다. 대표적으로 무인 항공기인 드론(Drone)은 지상 관제시스템의 원격 제어에 의한 수동 비행, 또는 위성항법장치(GPS)를 이용한 자율 비행 등으로 항공 촬영이나 공중 타격 등의 임무를 수행하는 군사용으로 사용되어 왔으며, 최근 드론 보급의 확대와 스마트폰 등과 같은 이동통신 단말기를 이용한 제어기술의 개발로 인해, 고공 영상 또는 사진 촬영과 배달, 기상정보 수집 등의 분야에서 뿐만 아니라, 제독, 전염병 확산 방지 등을 위한 방역용도, 병해충 방제용 농약 살포를 위한 농업용도, 고층 빌딩이나 깊은 산속 등의 화재 진압용도, 상공에서의 다양한 퍼포먼스를 연출하는 공연용도 등의 다양한 분야에서 활용되고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 드론 탑재형 광대역 배열 안테나 장치를 이용한 지표 투과-합성 개구 레이더 시스템은 지뢰탐지, 지하 인프라 관리 및 도로, 주택가의 싱크홀 탐지, 국방 안보, 국토 관리 분야 등에서 활용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 안테나가 탑재되는 드론에 있어서, 드론 본체(50)와, 상기 드론 본체(50)의 일측에 구비되는 안테나부(100)와, 상기 드론 본체(50)와 안테나부(100)가 결합될 수 있도록 하는 브라켓(130)을 포함하고, 상기 안테나부(100)는, 상기 안테나부(100)의 일측에 형성되는 슬롯(110)을 포함한다.
먼저, 상기 드론 본체(50)가 마련된다. 상기 드론 본체(50)는 무인 항공기의 한 종류로, 상기 안테나부(100)를 탑재한 상태로 비행할 수 있다면 어떠한 형태로든 마련될 수 있다. 본 발명의 상기 드론 본체(50)는 종래의 통상적인 드론(Drone)일 수 있다.
다음으로, 상기 안테나부(100)가 마련된다. 상기 안테나부(100)는 비발디 안테나로 지향성 방사패턴과 광대역 주파수 특성을 가진다. 이때, 상기 안테나부(100)는 상기 슬롯(110)을 포함하며, 상기 슬롯(110)은 상기 안테나부(100)의 중앙부로부터 측단부로 연장되어 형성된다. 일례로, 상기 슬롯(110)은 직사각형의 단면을 가지도록 형성되며, 상기 안테나부(100)의 중앙부를 기준으로 양측방향으로 연장되어 상기 안테나부(100)의 양측단부까지 폭방향으로 길게 형성될 수 있다.
또한, 상기 안테나부(100)는 신호를 송신하는 한 쌍의 제1안테나(100-1)와, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 이격되어 구비되며, 신호를 수신하는 한 쌍의 제2안테나(100-2)를 포함하고, 상기 한쌍의 제1안테나(100-1) 및 제2안테나(100-2)는, 각각 수직 편파 또는 수평 편파 신호를 송수신한다. 일례로, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)는 신호를 송신하는 역할을 하고, 상기 한 쌍의 제2안테나(100-2)는 신호를 수신하는 역할을 하며, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)는 수직 편파 배열 안테나이고, 상기 한 쌍의 제2안테나(100-2)는 수평 편파 배열 안테나일 수 있다.
다음으로, 상기 브라켓(130)이 마련된다. 상기 브라켓(130)은 상기 드론 본체(50)의 일측에 상기 안테나부(100)가 결합될 수 있도록 하는 역할을 한다. 일례로, 상기 브라켓(130)은 길이방향으로 길게 형성되는 막대 형상으로, 상기 드론 본체(50)의 중앙 하부에 설치되며, 상기 브라켓(130)의 하측방향으로 상기 안테나부(100)가 삽입되어 결합될 수 있는 홈이 마련된다. 여기서, 상기 브라켓(130)은 상기 안테나부(100)의 배열에 따라 상기 안테나부(100)가 삽입되는 홈의 개수 및 구비지점이 상이하다. 즉, 도 2의 (a)와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나부(100)가 VV편파 배열 안테나가 적용되는 경우, 상기 브라켓(130)은 ‘1’자 형태로 마련되고, 도 2의 (b)와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 안테나부(100)가 HH편파 배열 안테나가 적용되는 경우, 상기 브라켓(130)은 ‘H’자 형태로 마련된다. 여기서, 상기 브라켓(130)은 상기 홈이 형성되는 4개의 그립부(131)가 형성되며, 상기 4개의 그립부(131)는 상기 안테나부(100)의 배열에 대응되게 구비되는 것이다.
이때, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2)는, 각각 상기 브라켓(130)에 결합되되, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리에 1/4 배로 배열된다. 일례로, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1) 사이의 이격거리(L1)는 10cm이고, 상기 한 쌍의 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리(L2)는 10cm이며, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리(L3)는 40cm로 배열되는 것이다.
또한, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리에 1/5 배 내지 1/3로 배열된다. 이때, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리가, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리에 1/5 배 미만인 경우 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2)의 방위 방향 메인빔 폭의 간격이 멀어지기 때문에 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2) 사이의 신호 간섭은 줄어드는 반면 송수신율이 감소하는 문제점이 있다. 또한, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리가, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리에 1/3 배를 초과하는 경우 송수신율이 증가하는 반면 신호 간섭이 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1) 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2) 사이의 이격거리에 1/5 배 내지 1/3로 배열되는 것이다.
또한, 상기 브라켓(130)은 3D프린터 재질인 에폭시 레진(Epoxy Resin) 소재로 제작되어, 상기 안테나부(100)의 유전율(3.55)과 유사한 유전율(3.6)을 가지도록 한다. 즉, 상기 브라켓(130)이 에폭시 레진 소재로 제작됨에 따라 상기 안테나부(100)의 기본 전파성능에 영향이 미치는 것을 최소화할 수 있다. 일례로, 상기 브라켓(130)은 3.5 내지 3.7의 유전율을 가지도록 제작됨에 따라 상기 한 쌍의 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2) 간의 간섭 신호 즉, 크로스톡(Crosstalk)이 -20dB 이하로 설정될 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 슬롯(110)은 복수개로, 상기 안테나부(100)의 길이방향으로 서로 이격되어 배열된다. 그리고, 상기 복수개의 슬롯(110)은 서로 동일할 길이 또는 다른 길이를 가지도록 형성될 수 있으며, 일방향을 향할수록 길이가 동일하거나 더 짧아지는 형태로 배열될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 안테나부(100)는 상기 안테나부(100)의 단부로부터 상기 안테나부(100)의 길이방향으로 배열되는 제1슬롯(110-1), 제2슬롯(110-2), 제3슬롯(110-3), 제4슬롯(110-4), 제5슬롯(110-5) 및 제6슬롯(110-6)을 포함한다. 이때, 상기 제1슬롯(110-1) 내지 제6슬롯(110-6)은 서로 이격되어 형성된다. 또한, 상기 제1슬롯(110-1)의 길이(L1)는 상기 제2슬롯(110-2)의 길이(L2)에 1.01배 내지 1.05배로 형성되고, 상기 제2슬롯(110-2)의 길이(L2)는 상기 제3슬롯(110-3)의 길이(L3)에 1.05배 내지 1.15배로 형성되며, 상기 제3슬롯(110-3)의 길이(L3)는 상기 제4슬롯(110-4)의 길이(L4)에 0.9배 내지 1.1배로 형성되고, 상기 제4슬롯(110-4)의 길이(L4)는 상기 제5슬롯(110-5)의 길이(L5)에 1.3배 내지 1.4배로 형성되며, 상기 제5슬롯(110-5)의 길이(L5)는 상기 제6슬롯(110-6)의 길이(L6)에 1.5배 내지 1.8배로 형성된다.
변수명 값 (mm) 설명
L1 56.7 제1슬롯(110-1) 길이
L2 54.7 제2슬롯(110-2) 길이
L3 48.7 제3슬롯(110-3) 길이
LL3 15 제1중공부(120-1) 길이
L4 48.7 제4슬롯(110-4) 길이
LL4 15 제2중공부(120-2) 길이
L5 36.7 제5슬롯(110-5) 길이
L6 21.7 제6슬롯(110-6) 길이
w1 5 제1슬롯(110-1) 폭
w2 5 제2슬롯(110-2) 폭
w3 5 제3슬롯(110-3) 폭
ww3 20 제1중공부(120-1) 폭
w4 5 제4슬롯(110-4) 폭
ww4 20 제2중공부(120-2) 폭
w5 5 제5슬롯(110-5) 폭
w6 5 제6슬롯(110-6) 폭
s1 59 안테나부(100) 단부부터 제1슬롯(110-1) 간의 간격
s2 25 제1슬롯(110-1)과 제2슬롯(110-2) 사이의 간격
s3 25 제2슬롯(110-2)과 제3슬롯(110-3) 사이의 간격
s4 25 제3슬롯(110-3)과 제4슬롯(110-4) 사이의 간격
s5 25 제4슬롯(110-4)과 제5슬롯(110-5) 사이의 간격
s6 25 제5슬롯(110-5)과 제6슬롯(110-6) 사이의 간격
안테나 입력포트에 전파신호를 인가하였을 때, 전파가 안테나에 전달되어 공기중으로 방사되지 않고 입력포트로 되돌아오는 반사 신호를 측정하여 안테나의 전파 반사 특성(S11)을 얻을 수 있다.
대표적으로, 도 5의 (a)를 참조하면, 상기 제1슬롯(110-1)의 길이가 상기 제2슬롯(110-2)의 길이에 비해 0.18배, 0.55배, 1.04배로 각각 형성된 경우, 1.04배로 형성된 안테나가 1 GHz 내지 3 GHz 대역에서 S11이 5dB 이상 감소하여 안테나의 전파 반사 문제가 개선되어 임피던스가 정합된 효과가 있음을 알 수 있다.
이때, 상기 복수개의 슬롯(110)에는 각각 저항이 삽입되며, 삽입되는 저항값은 210 내지 230Ω이다. 여기서, 상기 슬롯(110)에 삽입되는 상기 저항의 저항값이 210Ω 미만인 경우, 상기 슬롯(110) 내 공진의 세기가 커져서 공진에 의한 반사파가 안테나의 입력부로 되돌아와 임피던스 부정합(impedance mismatch)을 발생시키는 문제점이 있다. 또한, 상기 슬롯(110)에 삽입되는 상기 저항의 저항값이 230Ω을 초과하는 경우, 상기 슬롯(110) 내 임피던스 부정합 문제가 줄어들지만, 공진의 세기가 작아져서 저주파 대역에서 개선 효과가 줄어드는 문제점이 있다. 따라서, 상기 복수개의 슬롯(110)에 각각 삽입되는 상기 복수개의 저항의 저항값은 210 내지 230Ω으로 형성되는 것이다. 일반적으로 전파공학 관점에서 슬롯은 LC 공진회로와 등가이다. 여기서, 슬롯에 삽입되는 저항은 공진의 세기에 영향을 주는 파라미터이다.
또한, 상기 복수개의 슬롯(110) 중 적어도 하나 이상의 슬롯(110)은, 상기 슬롯(110)으로부터 연장되어 형성되는 중공부(120)를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 중공부(120)는 직사각형 형상의 단면을 가지도록 형성되며, 상기 슬롯(110)의 단부로부터 연장되어 형성된다. 이때, 상기 중공부(120)의 길이는 상기 슬롯(110)의 길이보다 더 짧게 형성된다. 일례로, 상기 중공부(120)는 복수개로 상기 제4슬롯(110-4)의 단부에 15mm의 길이와 20mm의 폭으로 형성되는 제1중공부(120-1)와, 상기 제5슬롯(110-5)의 단부에 15mm의 길이와 20mm의 폭으로 형성되는 제2중공부(120-2)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 안테나부(100)는 상기 안테나부(100)의 일측에 구비되는 피딩개구부(140)를 더 포함한다. 일례로, 상기 피팅개구부(140)는 상기 안테나부(100)의 우측 중앙부에 상기 안테나부(100)를 관통하는 홀 형태로 형성된다. 또한, 상기 피팅개구부(140)는 원형의 단면에 상기 원 보다 더 긴 길이의 장축을 가지는 타원이 겹쳐지는 형태로 형성된다. 예를 들어, 상기 피팅개구부(140)는 12mm의 원에 16mm의 장축을 가지는 타원이 상하방향으로 배열되는 형태로 형성될 수 있다.
결과적으로, 도 4의 (a)와 같은 종래의 비발디 안테나와 비교하여, 도 4의 (b)와 같은 본 발명의 안테나부(100)는 아래의 [표 2]와 같이 보다 더 높은 전파 성능을 가진다.
안테나 사양 기존 비발디 안테나 개선된 비발디 안테나
1 GHz 2 GHz 4 GHz 6 GHz 1 GHz 2 GHz 4 GHz 6 GHz
전파
성능		 거리
방향
(Elevation)		 메인 빔 크기
(dB)		 3.36 7.25 11.6 13.3 7.3 8.97 10 11
평균 : 8.9 평균 : 9.3
메인 빔 방향
(°)		 77.0 89.0 90.0 91.0 90.0 90.0 102.0 90.0
평균 : 86.8 평균 : 93.0
메인 빔 폭
(°)		 107.1 68.4 39.4 29.0 68.6 61.8 57.8 37.3
평균 : 61.0 평균 : 56.4
side lobe 크기 (dB) -2.9 -7.1 -12.6 -14.5 -15.9 -14.7 -9.8 -7.5
평균 : -9.3 평균 : -12.0
방위
방향
(Azimuth)		 메인 빔 크기
(dB)		 3.49 6.88 10.4 10.9 7.1 8.9 10.1 11.4
평균 : 7.9 평균 : 9.4
메인 빔 방향
(°)		 55.0 75.0 90.0 90.0 90.0 81.0 90.0 90.0
평균 : 77.5 평균 : 87.8
메인 빔 폭
(°)		 142.5 88.4 44.2 31.0 116.4 88.4 47.8 28.2
평균 : 76.5 평균 : 70.2
side lobe 크기 (dB) -3.2 -8.9 -11.4 13.0 -12.7 -9.7 -5.9 -7.4
평균 : -2.6 평균 : -8.9
주파수 밴드
(S11 <= -10dB)		 2.5 ~ 6 GHz 0.6 ~ 6 GHz
형상 크기 249 x 123 x 0.5 mm 249 x 123 x 0.5 mm
무게 39.44g 38.32g
슬롯 존재 유무 X O
슬롯 내 저항 존재 유무 X O
또한, 도 8의 (a)와 같은 종래의 비발디 안테나의 저주파 대역은 2.5 GHz 이며, 도 8의 (b)와 같은 본 발명의 안테나부(100)의 저주파 대역은 0.6 GHz로 저주파 대역폭을 약 5GHz 가량 증가시킬 수 있어 광대역 특성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
그리고, 도 9의 (a) 내지 (d)와 같이 종래의 거리 방향(Elevation) 안테나 전파 성능(빔패턴)에 비하여 도 9의 (e) 내지 (h)와 같은 본 발명의 안테나부(100)의 거리 방향 안테나 전파 성능(빔패턴)이 향상됨을 알 수 있다. 이때, 성능 시험 조건 및 결과는 아래의 [표 3]과 같다.
구분 종래의 안테나 본 발명의 안테나
결과값 결과
도면		 결과값 결과
도면
Frequency = 1GHz Main lobe magnitude 3.13 dBi 도 9의
(a)		 Main lobe magnitude 7.1 dBi 도 9의 (e)
Main lobe direction 75 deg Main lobe direction 90 deg
Angular width(3dB) 106.8 deg Angular width(3dB) 67.8 deg
Side lobe
level		 -2.9 dB Side lobe
level		 -12.1 dB
Frequency = 2GHz Main lobe magnitude 3.83 dBi 도 9의 (b) Main lobe magnitude 8.89 dBi 도 9의 (f)
Main lobe direction 90 deg Main lobe direction 90 deg
Angular width(3dB) 68.2 deg Angular width(3dB) 59.9 deg
Side lobe
level		 -7.1 dB Side lobe
level		 -13.4 dB
Frequency = 4GHz Main lobe magnitude 10.4 dBi 도 9의 (c) Main lobe magnitude 10.3 dBi 도 9의 (g)
Main lobe direction 90 deg Main lobe direction 101 deg
Angular width(3dB) 39.3 deg Angular width(3dB) 56.4 deg
Side lobe
level		 -12.6 dB Side lobe
level		 -10.2 dB
Frequency = 6GHz Main lobe magnitude 10.9 dBi 도 9의 (d) Main lobe magnitude 11.4 dBi 도 9의 (h)
Main lobe direction 90 deg Main lobe direction 90 deg
Angular width(3dB) 28.9 deg Angular width(3dB) 35.7 deg
Side lobe
level		 -14.5 dB Side lobe
level		 -9.3 dB
결과적으로, 종래의 안테나에 비하여 본 발명의 안테나부(100)는 1GHz 내지 2GHz 주파수에서 주 로브의 크기(Main lobe magnitude)가 종래의 안테나에 비해 2배 내지 3배 증가하여 안테나의 송수신 이득이 2배 이상 증가하며, 사이드 로브 레벨(Side lobe level)이 6 dB 이상 감소하고, 분광폭(Angular beam width)이 최대 40도 감소함에 따라 메인 빔 폭이 좁아져 안테나의 지향성이 높아지는 효과가 있다.
또한, 도 10의 (a) 내지 (d)와 같이 종래의 방위 방향(Azimuth) 안테나 전파 성능(빔패턴)에 비하여 도 10의 (e) 내지 (h)와 같은 본 발명의 안테나부(100)의 방위 방향 안테나 전파 성능(빔패턴)이 향상됨을 알 수 있다. 이때, 성능 시험 조건 및 결과는 아래의 [표 4]와 같다.
구분 종래의 안테나 본 발명의 안테나
결과값 결과
도면		 결과값 결과
도면
Frequency = 1GHz Main lobe magnitude 3.49 dBi 도 10의
(a)		 Main lobe magnitude 7.1 dBi 도 10의 (e)
Main lobe direction 55 deg Main lobe direction 90 deg
Angular width(3dB) 142.5 deg Angular width(3dB) 116.4 deg
Side lobe
level		 -3.2 dB Side lobe
level		 -12.7 dB
Frequency = 2GHz Main lobe magnitude 6.88 dBi 도 10의 (b) Main lobe magnitude 8.9 dBi 도 10의 (f)
Main lobe direction 75 deg Main lobe direction 81 deg
Angular width(3dB) 88.4 deg Angular width(3dB) 88.4 deg
Side lobe
level		 -8.9 dB Side lobe
level		 -9.7 dB
Frequency = 4GHz Main lobe magnitude 10.4 dBi 도 10의 (c) Main lobe magnitude 10.1 dBi 도 10의 (g)
Main lobe direction 90 deg Main lobe direction 90 deg
Angular width(3dB) 44.2 deg Angular width(3dB) 47.8 deg
Side lobe
level		 -11.4 dB Side lobe
level		 -5.9 dB
Frequency = 6GHz Main lobe magnitude 10.9 dBi 도 10의 (d) Main lobe magnitude 11.4 dBi 도 10의 (h)
Main lobe direction 90 deg Main lobe direction 90 deg
Angular width(3dB) 31 deg Angular width(3dB) 28.2 deg
Side lobe
level		 -13 dB Side lobe
level		 -7.4 dB
마지막으로, 도 11의 (a)를 참조하면, 종래의 안테나의 임피던스 매칭과 비교하여, 도 11의 (b)와 같은 본 발명의 안테나부(100)의 임피던스 매칭에 따른 전파 성능이 향상됨을 알 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 안테나부(100)는 첫째 무게 600 g 미만의 송/수신 다중편파 배열 안테나 장치 제작가능하며, 둘째 송/수신이득 15 dB 이상 확보 가능하고, 셋째 광대역 특성 600 MHz ~ 6 GHz 확보 가능하다는 이점이 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
예를 들면, 제1안테나(100-1)는 송신(Transmitter) 수직편파(V-pol)(100-3) 또는 수평편파(H-pol)(100-4) 배열(Array) 안테나로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 대한 위의 설명은 제1안테나(100-1)는 송신(Transmitter) 수직편파(V-pol)(100-3) 배열(Array) 안테나 기준으로 하였다.
또한, 제2안테나(100-2)는 수신(Receiver) 수직편파(V-pol)(100-3) 또는 수평편파(H-pol)(100-4) 배열(Array) 안테나로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 대한 위의 설명은 제2안테나(100-2)는 수신(Receiver) 수직편파(V-pol)(100-3) 배열(Array) 안테나 기준으로 하였다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1안테나(100-1) 및 제2안테나(100-2)는 송신 또는 수신 모듈에 의해 신호를 송신 또는 수신하며, 수직 또는 수평 배열 방향에 따라 수직편파(V-pol)로 또는 수평편파(H-pol) 신호를 전송할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 지표 투과-합성 개구 레이더 (Ground Penetrating-Synthetic Aperture Radar, GP-SAR) 시스템용 배열 안테나는 V-pol 안테나 또는 H-pol 안테나로 구성된 제1안테나(100-1) 및 제2안테나(100-2)로서 슬롯(110)이 삽입된 상층기판과 나란히 배치되는 하층기판, 및 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2)를 물리적으로 연결시켜주는 고정형 브라켓(130) 장치로 형성된다.
여기서, 슬롯(110)이 삽입된 상층기판은 방사배치 역할을 하고, 하층기판은 급전부 역할을 하며, 고정형 브라켓(130)는 제1안테나 및 제2안테나 사이의 간격이 일정하게 되도록 배열 형성되는 것이 가능하다.
이때, 슬롯(110)은 방사패치 안테나의 전류 흐름을 길게 변화시키기 위해 삽입되며 35 ~ 65 mm 길이와 10 mm 의 폭으로 형성될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 브라켓(130)은 에폭시 레진 소재로 제작되어 [표 5]와 같이 브라켓(130) 설치 전후 본 발명의 안테나부(100)의 사양을 유지할 수 있다.
송신 또는 수신
배열 안테나 사양		 비발디 안테나(4개)
고정 브라켓 미설치 시		 비발디 안테나(4개)
고정 브라켓(Er=3.6)
설치 시
1 GHz 2 GHz 4 GHz 6 GHz 1 GHz 2 GHz 4 GHz 6 GHz
전파
성능		 거리
방향
(Elevation)		 메인 빔 크기
(dB)		 8.62 11.2 13.6 15.1 8.62 11.3 13.6 14.9
평균 : 12.1 평균 : 12.1
메인 빔 방향
(°)		 90.0 90.0 102.0 90.0 90.0 90.0 102.0 90.0
평균 : 93.0 평균 : 93.0
메인 빔 폭
(°)		 66.6 58.4 56.8 31.6 66.2 58.0 57.0 31.8
평균 : 53.4 평균 : 53.3
side lobe 크기 (dB) -11.6 -10.4 -10.9 -11.3 -11.7 -10.4 -11.0 -10.9
평균 : -11.1 평균 : -11.0
방위
방향
(Azimuth)		 메인 빔 크기
(dB)		 8.62 11.3 13.4 15.1 8.63 11.4 13.3 14.9
평균 : 12.1 평균 : 12.1
메인 빔 방향
(°)		 88.0 93.0 91.0 90.0 88.0 93.0 90.0 90.0
평균 : 90.5 평균 : 90.3
메인 빔 폭
(°)		 85.3 41.8 20.6 13.0 75.1 41.9 20.4 12.9
평균 : 40.2 평균 : 37.6
side lobe 크기 (dB) -16.0 -6.5 -8.8 -10.0 -15.9 -6.8 -8.5 -9.3
평균 : -10.3 평균 : -10.1
주파수 밴드
(S11 <= -10dB)
(S21 <= -20dB)
(S31 <= -30dB)
(S41 <= -30dB)		 0.6 ~ 6 GHz 0.6 ~ 6 GHz
무게 600g 미만 600g 미만
또한, 슬롯(110)은 광대역을 구현하기 위해 삽입된 것으로, 삽입 길이가 길고 폭이 좁을수록 저주파 대역에서의 주파수 대역폭이 넓을 수 있다. 슬롯(110)은 35 ~ 65 mm의 길이와 10 mm 의 폭을 유지함에 따라 600 MHz ~ 6 GHz 의 대역폭을 확보하여 유지할 수 있으며, 이에 따라 지중 투과 깊이가 더 깊어지고 분해능이 향상되는 효과가 있다.
다른 한편으로, 고정형 브라켓(130)을 통해 송신 또는 수신 안테나 배열 사이의 간격은 파장(λ)의 1/4 배 간격 이상이며, 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2)와의 간격은 크로스톡(crosstalk)을 고려하여 한 파장(λ) 간격 이상이 유지되도록 구현 할 수 있으며, 반드시 이제 한정되는 것은 아니다.
여기서, 고정형 브라켓(130)은 일반적으로 초경량 3D 프린터의 재질(레진)의 유전율 3 내지 4로 구현 될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 실시예에 따른 V-pol 편파 배열 안테나(100-3) 및 H-pol 편파 배열 안테나(100-4)를 이용하여 드론 탑재형 광대역 VV 편파 배열 안테나, HH 편파 배열 안테나 중 어느 하나를 형성하는 것이 가능하다.
이때, 상기 2종의 편파 배열 안테나는 지향성 특성을 가지는 비발디 안테나를 설계하여, 빔 폭 및 이득 규격을 만족하도록 방사패치 및 슬롯의 길이 및 폭을 조정하여 낮은 부엽을 갖도록 설계되었다.
그리고, HH편파(Horizontal - Horizontal Polarization) 배열(Array) 안테나는 수평편파 안테나 및 수평편파 안테나로 형성되고, VV편파(Vertical - Vertical Polarization) 배열 안테나는 수직편파 안테나 및 수직편파 안테나로 형성된다.
또한, HH편파(Horizontal - Horizontal Polarization) 배열 안테나는 방위방향에서 낮은 부엽을 가져야 하고, 상기 VV편파(Vertical - Vertical Polarization) 배열 안테나는 고각방향에서 낮은 부엽을 갖도록 설계되었다.
그리고, 본 발명에 따르면, 비발디 안테나 제작 시 광대역 특성 (600MHz ~ 6GHz)를 만족하기 위하여 상층기판 방사패치에 삽입된 슬롯(110)은 삽입 길이가 길고 폭이 좁을수록 저주파 대역에서 주파수 대역폭이 넓을 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시예에서는 슬롯(110) 삽입을 통해 제1안테나(100-1) 및 제2안테나 (100-2)의 광대역 성능을 만족하면서, 가벼운 3D 프린터 재질의 고정형 브라켓(130)을 사용하여 제1안테나(100-1)와 제2안테나(100-2)를 물리적으로 연결시켜주었다. 이를 통해 광대역 특성을 만족하면서, 제1안테나 및 제2안테나와 고정형 브라켓을 포함한 안테나 장치의 총 무게는 약 500 g 정도로 고성능 초경량 광대역 배열 안테나 장치 제작이 가능하였다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 안테나 장치의 규격은 설계 목표 중량 600g 이하, 운용 주파수 대역 600MHz ~ 6GHz 에서 안테나 이득 15 dBi 이상, 안테나 빔 폭 거리 방향 55도 이하, 방위 방향 40도 이상으로 설계되는 것이 바람직하며 이에 한정되는 것은 아니다.
50 : 드론 본체
100 : 안테나부
100-1 : 한 쌍의 제1안테나
100-2 : 한 쌍의 제2안테나
100-3 : V-pol 편파 배열 안테나
100-4 : H-pol 편파 배열 안테나
110 : 슬롯
120 : 중공부
130 : 브라켓
131 : 그립부
140 : 피딩개구부
10 : 종래의 비발디 안테나

Claims (5)

  1. 드론 본체;
    상기 드론 본체의 일측에 구비되는 안테나부; 및
    상기 드론 본체와 안테나부가 결합될 수 있도록 하는 브라켓;을 포함하고,
    상기 안테나부는,
    상기 안테나부의 일측에 형성되는 슬롯;을 포함하며,
    상기 슬롯은, 상기 안테나부의 중앙부로부터 측단부로 연장되어 형성되고,
    상기 안테나부는,
    신호를 송수신하는 한 쌍의 제1안테나; 및
    상기 한 쌍의 제1안테나와 이격되어 구비되며, 신호를 송수신하는 한 쌍의 제2안테나;를 포함하며,
    상기 한쌍의 제1안테나 및 제2안테나는, 각각 수직 편파 또는 수평 편파를 송수신하고,
    상기 한 쌍의 제1안테나와 제2안테나는, 각각 상기 브라켓에 결합되되,
    상기 한 쌍의 제1안테나 사이의 이격거리와 상기 한 쌍의 제2안테나 사이의 이격거리는, 상기 한 쌍의 제1안테나와 제2안테나 사이의 이격거리에 1/4 배인 것을 특징으로 하는 안테나가 탑재되는 드론.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯은, 복수개로, 상기 안테나부의 길이방향으로 서로 이격되어 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나가 탑재되는 드론.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수개의 슬롯 중 적어도 하나 이상의 슬롯은, 상기 슬롯으로부터 연장되어 형성되는 중공부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나가 탑재되는 드론.
  4. 삭제
  5. 삭제
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