KR102654877B1 - Dual-Polarization All-Metal Vivaldi Array Antenna and array antenna manufacturing method Using a Metal 3D Printing Method for High-Power Jamming Systems - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 3D 프린팅에 의하여 제조되는 배열 안테나에 있어서, 곡선의 방사면을 갖고 상기 방사면을 서로 마주하는 구조를 갖는 단위셀, 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 하단이 체결되어 상기 단위셀이 배열되는 그라운드, 및 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단에 체결되는 유전체 기판을 포함하는, 배열 안테나를 제공한다.The present invention relates to an array antenna manufactured by metal 3D printing, wherein unit cells have curved radiating surfaces and have a structure where the radiating surfaces face each other, and the lower ends of the unit cells are fastened based on the radiating direction of the unit cells. An array antenna is provided, including a ground on which the unit cells are arranged, and a dielectric substrate fastened to the top of the unit cells based on the radiation direction of the unit cells.
Description
본 발명의 실시예들은 금속 3D 프린팅 방법을 이용한 고출력 재밍시스템용 이중 편파 금속 비발디 배열 안테나 및 배열 안테나 제조 방법에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a dual-polarized metal Vivaldi array antenna and a method of manufacturing an array antenna for a high-power jamming system using a metal 3D printing method.
최근 전자전에서 적의 항공기나 소형 무인기 RF 신호를 무력화시키기 위한 고출력 재밍시스템에 대한 관심이 증대되고 있다. 전자전에 사용되는 재밍시스템은 적군의 넓은 운용 주파수 대역에 대응하기 위해 광대역 특성의 안테나와 정확한 빔조향을 위한 배열안테나 시스템을 필요로 한다. 종래의 광대역 특성을 도출하기 위한 안테나로는 혼 안테나, 스파이럴 안테나, L-shaped 간접 급전을 이용한 패치안테나 등이 연구되었지만 배열 확장하기에는 크기가 너무 크다는 단점이 있다. 이에 광대역 특성을 가지면서 안테나의 크기를 줄이기 위한 연구로는 coplanar 도파관 급전을 이용한 LPDA, 캐비티 구조를 이용한 인쇄형 비발디 안테나 등이 있지만, 이중편파를 구현하기 어려우며 고출력 내구성이 약하다는 문제점이 있다. 이에 따라, 이중편파를 구현하기 용이하고 고출력 내구성이 뛰어난 금속 비발디 배열안테나에 대한 연구가 최근 소개되고 있지만, 여전히 종래의 금속 안테나 제작 방식인 레이저 커팅 및 주조 방식을 사용할 시 제작 과정이 복잡하고 시간이 오래 소요된다는 단점이 있다.Recently, interest in high-power jamming systems to neutralize RF signals from enemy aircraft or small unmanned aerial vehicles in electronic warfare is increasing. Jamming systems used in electronic warfare require antennas with broadband characteristics and array antenna systems for accurate beam steering to respond to the enemy's wide operating frequency band. Horn antennas, spiral antennas, and patch antennas using L-shaped indirect power feeding have been studied as antennas to derive conventional broadband characteristics, but they have the disadvantage of being too large to expand the array. Accordingly, research to reduce the size of the antenna while having broadband characteristics includes LPDA using coplanar waveguide feeding and printed Vivaldi antenna using cavity structure, but there are problems in that it is difficult to implement dual polarization and low high-output durability. Accordingly, research on a metal Vivaldi array antenna that is easy to implement dual polarization and has excellent high output and durability has been recently introduced, but the manufacturing process is still complicated and time-consuming when using the laser cutting and casting method, which is a conventional metal antenna manufacturing method. The downside is that it takes a long time.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 금속 3D 프린팅 방법을 이용한 고출력 재밍시스템용 이중 편파 금속 비발디 배열 안테나 및 배열 안테나 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The purpose of the present invention is to provide a dual-polarized metal Vivaldi array antenna and a method for manufacturing an array antenna for a high-power jamming system using a metal 3D printing method. However, these tasks are illustrative and do not limit the scope of the present invention.
본 발명의 일 관점에 따르면, 금속 3D 프린팅에 의하여 제조되는 배열 안테나에 있어서, 곡선의 방사면을 갖고 상기 방사면을 서로 마주하는 구조를 갖는 단위셀, 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 하단이 체결되어 상기 단위셀이 배열되는 그라운드, 및 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단에 체결되는 유전체 기판을 포함하는, 배열 안테나가 제공된다.According to one aspect of the present invention, in an array antenna manufactured by metal 3D printing, a unit cell having a curved radiating surface and a structure where the radiating surface faces each other, the unit based on the radiating direction of the unit cell An array antenna is provided, including a ground on which the bottom of the cell is fastened and the unit cells are arranged, and a dielectric substrate fastened to the top of the unit cell based on the radiation direction of the unit cell.
상기 유전체 기판은, WAIM(wide-angle impedance matching) 기판일 수 있다.The dielectric substrate may be a wide-angle impedance matching (WAIM) substrate.
상기 단위셀은, 지수 곡선의 기울기를 갖는 상기 방사면을 포함할 수 있다.The unit cell may include the radiating surface having a slope of an exponential curve.
상기 단위셀은, 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단이 원형 처리될 수 있다.The upper end of the unit cell may be circular based on the radial direction of the unit cell.
상기 단위셀은, 상기 그라운드의 x-y 평면상에 배열되며, 상기 그라운드의 x-y 평면상에서 +45°회전된 제1 단위셀의 상기 방사면과, 상기 그라운드의 x-y 평면상에서 －45°회전된 제2 단위셀의 상기 방사면이 서로 마주하는 구조를 갖을 수 있다.The unit cell is arranged on the x-y plane of the ground, the radial surface of the first unit cell rotated by +45° on the x-y plane of the ground, and the second unit rotated by -45° on the x-y plane of the ground. The cells may have a structure in which the radiating surfaces face each other.
상기 단위셀은, 상기 그라운드의 x-y 평면상에 x방향 8개 및 y방향 8개의 8Х8의 배열로 배열될 수 있다.The unit cells may be arranged in an 8Х8 array of 8 in the x-direction and 8 in the y-direction on the x-y plane of the ground.
본 발명의 일 관점에 따르면, 금속 3D 프린팅에 의하여 배열 안테나를 제조하는 방법에 있어서, 곡선의 방사면을 갖고 상기 방사면을 서로 마주하는 구조를 갖는 단위셀을 생성하는 단계, 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 하단이 체결되어 상기 단위셀이 배열되는 그라운드를 생성하는 단계, 및 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단에 체결되는 유전체 기판을 생성하는 단계를 포함하는, 배열 안테나 제조 방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention, a method of manufacturing an array antenna by metal 3D printing includes the steps of generating unit cells having curved radiation surfaces and having a structure where the radiation surfaces face each other, radiation of the unit cells A step of creating a ground on which the unit cells are arranged by fastening the bottom of the unit cell based on the direction, and creating a dielectric substrate fastened to the top of the unit cell based on the radial direction of the unit cell. A method of manufacturing an array antenna is provided.
상기 유전체 기판을 생성하는 단계는, WAIM(wide-angle impedance matching) 기판을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.Generating the dielectric substrate may include generating a wide-angle impedance matching (WAIM) substrate.
상기 단위셀을 생성하는 단계는, 지수 곡선의 기울기를 갖는 상기 방사면을 포함하는 상기 단위셀을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.Generating the unit cell may include generating the unit cell including the radial surface having a slope of an exponential curve.
상기 단위셀을 생성하는 단계는, 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단이 원형 처리되는 상기 단위셀을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of generating the unit cell may include generating the unit cell where the top of the unit cell is circular based on the radial direction of the unit cell.
상기 단위셀을 생성하는 단계는, 상기 그라운드의 x-y 평면상에 배열되며, 상기 그라운드의 x-y 평면상에서 +45°회전된 제1 단위셀의 상기 방사면과, 상기 그라운드의 x-y 평면상에서 －45°회전된 제2 단위셀의 상기 방사면이 서로 마주하는 구조를 갖는 상기 단위셀을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of generating the unit cell includes the radial surface of the first unit cell, which is arranged on the x-y plane of the ground and rotated +45° on the x-y plane of the ground, and rotated -45° on the x-y plane of the ground. It may include generating the unit cell having a structure in which the radiating surfaces of the second unit cell face each other.
상기 단위셀을 생성하는 단계는, 상기 그라운드의 x-y 평면상에 x방향 8개 및 y방향 8개의 8Х8의 배열로 배열되는 상기 단위셀을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.The step of generating the unit cells may include generating the unit cells arranged in an 8Х8 array of 8 in the x-direction and 8 in the y-direction on the x-y plane of the ground.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features and advantages other than those described above will become apparent from the detailed description, claims and drawings for carrying out the invention below.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 비발디 배열 안테나 제작 시 금속 3D 프린팅 방법을 적용하여 제작 복잡성과 시간을 줄이는 효과가 있다. 또한, WAIM layer 유전체 기판을 적용하여 빔 조향 시 줄어드는 서셉턴스 성분을 보상하여, 빔 조향 특성을 개선하는 효과가 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention made as described above, there is an effect of reducing manufacturing complexity and time by applying a metal 3D printing method when manufacturing a metal Vivaldi array antenna. In addition, by applying the WAIM layer dielectric substrate, the susceptance component that decreases during beam steering is compensated, which has the effect of improving beam steering characteristics. Of course, the scope of the present invention is not limited by this effect.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 구성 요소와 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나를 금속 3D 프린팅을 통해 제작하기 위한 캐드 도면을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining the components and manufacturing method of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
2 to 6 are diagrams for explaining the structure of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
7 to 12 are diagrams for explaining characteristics of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 is a diagram for explaining a CAD drawing for manufacturing an array antenna through metal 3D printing according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.Since the present invention can be modified in various ways and can have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. The effects and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various forms.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. When describing with reference to the drawings, identical or corresponding components will be assigned the same reference numerals and redundant description thereof will be omitted. .
이하의 실시예에서, 제1 이나 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라, 일 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 그리고 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 배제하는 것은 아니다.In the following embodiments, terms such as first or second are used not in a limiting sense but for the purpose of distinguishing one component from another component. And singular expressions include plural expressions, unless the context clearly dictates otherwise. Additionally, terms such as include or have mean that the features or components described in the specification exist, and do not exclude the possibility of adding one or more other features or components.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.In the drawings, the sizes of components may be exaggerated or reduced for convenience of explanation. For example, the size and thickness of each component shown in the drawings are shown arbitrarily for convenience of explanation, so the present invention is not necessarily limited to what is shown.
이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소, 부, 블록 또는 모듈 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 영역, 구성 요소, 부, 블록 또는 모듈 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다. 그리고 영역, 구성 요소, 부, 블록 또는 모듈 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소, 부, 블록 또는 모듈들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소, 부, 블록 또는 모듈들 중간에 다른 영역, 구성 요소, 부, 블록 또는 모듈들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.In the following embodiments, when a part such as a region, component, unit, block, or module is said to be on or on another part, it is not only the case that it is directly on top of the other part, but also the other area, component, or module in between. , also includes cases where blocks or modules are included. And when areas, components, parts, blocks, or modules are connected, not only are the areas, components, parts, blocks, or modules directly connected, but also other areas are in between the areas, components, parts, blocks, or modules. , also includes cases where components, parts, blocks, or modules are interposed and indirectly connected.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, several embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings in order to enable those skilled in the art to easily practice the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 구성 요소와 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining the components and manufacturing method of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나는 단위셀(100) 및 그라운드(200)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나는 유전체 기판(300)을 더 포함할 수 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 배열 안테나는 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있고 일부 구성요소가 생략될 수도 있다. 배열 안테나의 일부 구성요소는 복수의 장치로 분리될 수도 있고, 복수개의 구성요소들이 하나의 장치로 병합될 수도 있다.Referring to FIG. 1, an array antenna according to an embodiment of the present invention may include a
본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 제조 방법은, 금속 3D 프린팅 기법을 적용한 금속 비발디 배열 안테나와 유전체 기판(예컨대, wide angle impedance matching(WAIM) layer)을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나는 플래어 부분과 캐비티 부분으로 이루어져 있으며, 플래어 부분은 재밍시스템에 적용하기 위해서 지향성을 향상시키도록 설계되었고, 캐비티 부분은 광대역 특성을 갖도록 설계되었다. 또한, 고출력 전자전에 적용하기 위해서 제안된 금속 안테나의 모서리 부분은 E-field 분포를 감소시켜 아크 플래시 발생을 방지하기 위해 원형 처리하여 단위셀이 설계되었다. 이를 고출력 재밍 시스템에 적용하기 위해, 단위셀은 ±45°로 회전하여 방사면을 공유한 단위셀로 설계되어, 이중편파 특성을 갖는 8Х8 배열안테나로 확장되었다. The array antenna manufacturing method according to an embodiment of the present invention may use a metal Vivaldi array antenna using a metal 3D printing technique and a dielectric substrate (eg, wide angle impedance matching (WAIM) layer). The array antenna according to an embodiment of the present invention consists of a flare part and a cavity part. The flare part is designed to improve directivity for application to a jamming system, and the cavity part is designed to have broadband characteristics. In addition, in order to apply high-power electronic warfare, the corners of the proposed metal antenna were rounded to reduce the E-field distribution and prevent arc flash, and the unit cell was designed. In order to apply this to a high-power jamming system, the unit cell was designed as a unit cell that rotated at ±45° and shared a radiation surface, and was expanded into an 8Х8 array antenna with dual polarization characteristics.
종래의 금속 안테나의 제작 방법은 레이저 커팅 및 주조 방식 등이 존재하는데, 종래의 방식을 사용하여 안테나 제작 시 배열 위치에 따른 소자의 캐비티 및 플래어 구조 각각에 대한 설계가 요구되며, 제작된 구조물 간 체결 시 공차가 발생한다. 본 발명에서는, 금속 3D 프린팅 기법을 적용함으로써 제작 복잡성과 시간을 감소시켰고, 단위셀 설계를 통한 배열 안테나 설계 및 체결 과정은 도 1의 블록 다이어그램과 같이 단위셀 생성, 그라운드 생성, 유전체 기판 생성 및 체결의 과정으로 단순화하였다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 상단에는 유전체 기판으로 설계된 WAIM layer를 적용하여 빔 조향 시 열하 된 능동반사계수를 개선하여 빔 조향 특성을 개선할 수 있다. 예컨대, 유전체 기판은 기판일 수 있다.Conventional metal antenna manufacturing methods include laser cutting and casting methods. When manufacturing an antenna using the conventional method, design of each cavity and flare structure of the element according to the array position is required, and fastening between the manufactured structures is required. Time tolerance occurs. In the present invention, manufacturing complexity and time are reduced by applying a metal 3D printing technique, and the array antenna design and fastening process through unit cell design includes unit cell creation, ground generation, and dielectric substrate creation and fastening as shown in the block diagram of FIG. 1. It was simplified through the process. In addition, by applying a WAIM layer designed as a dielectric substrate to the top of the array antenna according to an embodiment of the present invention, the beam steering characteristics can be improved by improving the active reflection coefficient degraded during beam steering. For example, the dielectric substrate is It may be a substrate.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이다.2 to 6 are diagrams for explaining the structure of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 구조를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 금속 비발디 안테나는 임피던스 정합특성에 영향을 주는 캐비티 구조와 지향성에 영향을 주는 플래어 부분으로 구성되어 있으며, 플래어 부분의 곡선 함수는 아래의 수식으로 정의될 수 있다.2 to 6, drawings are shown to explain the structure of an array antenna according to an embodiment of the present invention. The metal Vivaldi antenna consists of a cavity structure that affects the impedance matching characteristics and a flare portion that affects directivity, and the curve function of the flare portion can be defined by the formula below.
여기서, a는 지수 곡선의 계수이며, 플래어 부분의 길이에 해당하는 l1은 지향성에 큰 영향을 미치고, 안테나의 너비 w1은 동작 주파수 대역을 결정할 수 있다. 캐비티는 임피던스 정합특성에 중요한 구조로 운용 주파수 대역에서의 전류 경로를 최적화하여 캐비티 크기에 따라 임피던스 매칭 특성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 캐비티의 구조를 구성하는 l4 × w6 직사각형의 크기를 조정함으로써 대역폭을 향상시킬 수 있다. Here, a is the coefficient of the exponential curve, l 1 corresponding to the length of the flare part has a great influence on directivity, and the width w 1 of the antenna can determine the operating frequency band. The cavity is an important structure for impedance matching characteristics. By optimizing the current path in the operating frequency band, the impedance matching characteristics can be improved depending on the cavity size. For example, as shown in FIG. 3, bandwidth can be improved by adjusting the size of the l 4 × w 6 rectangle constituting the cavity structure.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 단위셀(100)의 전체 높이인 (l1 + l2)는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 방사패턴의 지향성 및 임피던스 정합특성을 모두 고려하여 120.5 mm로 설계될 수 있다.For example, as shown in FIG. 2, (l 1 + l 2 ), the total height of the
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 모서리에는 원형 처리가 적용되어 고출력으로 운용 시 E-field 분포를 감소시켜 아크 플래시를 방지할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, circular processing is applied to the corners of the array antenna according to an embodiment of the present invention, thereby reducing E-field distribution and preventing arc flash when operating at high power.
또한, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나는 이중편파를 구현하기 위해 +45°와 －45°로 회전된 안테나의 방사면을 공유하는 단위셀(100)로 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀(100)은 8×8 배열로 배열 될 수 있고, 인접 소자의 배열 간격은 x축과 y축을 따라 각각 dx1과 dy이며, dx2만큼의 간격을 이용한 x-shift 배열이 적용될 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 상단에는 TLY-5의 유전체 기판(300)으로 이루어진 WAIM layer가 구비되며, 유전체 기판(300)의 두께는 l6이며 지름의 길이가 d인 원형 구멍이 천공되어 빔 조향 특성을 개선할 수 있다.In addition, as shown in FIGS. 4 and 6, the array antenna according to an embodiment of the present invention has a unit cell ( 100) can be designed. For example, as shown in FIG. 4, the
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀(100)은 SMA 커넥터와 볼트를 이용하여 그라운드(200)에 체결될 수 있다.For example, as shown in FIG. 5, the
도 7 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 특성을 설명하기 위한 도면이다.7 to 12 are diagrams for explaining characteristics of an array antenna according to an embodiment of the present invention.
먼저, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 WAIM layer 유무에 따른 배열 안테나의 측정 및 시뮬레이션된 능동반사계수 특성을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 도 7(a) 및 도 7(b)에서 실선은 측정된 능동반사계수, 파선은 시뮬레이션된 능동반사계수를 각각 나타낸다. First, referring to FIG. 7, a diagram is shown to explain the measured and simulated active reflection coefficient characteristics of an array antenna depending on the presence or absence of a WAIM layer of the array antenna according to an embodiment of the present invention. In Figures 7(a) and 7(b), the solid line represents the measured active reflection coefficient, and the broken line represents the simulated active reflection coefficient, respectively.
예를 들어, 도 7(a)를 참조하면, WAIM layer가 적용되었을 시 중앙 소자인 (Port 36)의 능동반사계수의 측정 및 시뮬레이션 평균값은 (45°, 25°)의 조향각에서 각각 －13.2 dB 및 －18.5 dB로 나타났다.For example, referring to Figure 7(a), when the WAIM layer is applied, the average measured and simulated active reflection coefficient of the central element (Port 36) is -13.2 dB at steering angles of (45°, 25°), respectively. and -18.5 dB.
예를 들어, 도 7(b)를 참조하면, WAIM layer가 없는 경우, 측정에 의한 평균 능동반사계수는 －9.2 dB이고 시뮬레이션에 의한 평균 능동반사계수는 －17 dB이다. WAIM layer가 적용된 경우, 측정된 능동반사계수가 평균 4 dB 향상되었음을 확인할 수 있다.For example, referring to Figure 7(b), when there is no WAIM layer, the average active reflection coefficient by measurement is -9.2 dB and the average active reflection coefficient by simulation is -17 dB. When the WAIM layer was applied, it can be seen that the measured active reflection coefficient improved by an average of 4 dB.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 전면방향이득 특성을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 측정 및 시뮬레이션 결과는 서로 유사하고, 중앙주파수인 4 GHz에서의 측정 및 시뮬레이션 전면방향이득은 각각 19 dBi와 20.6 dBi로 나타났다.Referring to FIG. 8, a diagram is shown to explain the front directional gain characteristics of an array antenna according to an embodiment of the present invention. The measurement and simulation results were similar, and the measured and simulated front-directional gains at the central frequency of 4 GHz were 19 dBi and 20.6 dBi, respectively.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 zx-평면에서의 조향각 에 따른 빔 조향특성을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 중심 주파수 4 GHz에서 빔 조향 성능을 확인하기 위해 zx-평면의 측정 및 시뮬레이션 결과가 비교되었다. 조향각 = 0°에서 zx-평면의 측정 및 시뮬레이션 전면방향이득은 각각 20 dBi와 23.7 dBi로 도출되었다. 조향각 를 최대 45°로 조향했을 경우, zx-평면의 측정 및 시뮬레이션 전면방향이득은 각각 18 dBi와 21 dBi로 나타났다.Referring to FIG. 9, the steering angle in the zx -plane of the array antenna according to an embodiment of the present invention A drawing is shown to explain the beam steering characteristics according to . Measurement and simulation results in the zx-plane were compared to confirm the beam steering performance at a center frequency of 4 GHz. steering angle At = 0°, the measured and simulated frontal gains in the zx-plane were derived to be 20 dBi and 23.7 dBi, respectively. steering angle When steered to a maximum angle of 45°, the measured and simulated frontal gains in the zx-plane were found to be 18 dBi and 21 dBi, respectively.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 zy-평면에서의 조향각 에 따른 빔 조향특성을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 조향각 = 0°에서 zy-평면의 측정 및 시뮬레이션 전면방향이득은 각각 20.7 dBi와 19.3 dBi로 도출되었다. 조향각 를 최대 45°로 조향했을 경우, zy-평면의 측정 및 시뮬레이션 전면방향이득은 각각 19.3 dBi와 19.1 dBi로 나타났다. Referring to FIG. 10, the steering angle in the zy-plane of the array antenna according to an embodiment of the present invention. A drawing is shown to explain the beam steering characteristics according to . steering angle The measured and simulated frontal gains of the zy-plane at = 0° were derived to be 20.7 dBi and 19.3 dBi, respectively. steering angle When steered to a maximum of 45°, the measured and simulated frontal gains in the zy-plane were found to be 19.3 dBi and 19.1 dBi, respectively.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 상단의 원형 처리에 따른 고출력 내구성의 성능 변화를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다. 그라운드 상단 표면의 중심을 원점 (x = 0, y = 0, z = 0)으로 하면, 단위셀 상단 끝부분 좌표는 (x = 0, y = 0, z = 120 mm)로 나타난다. 도 11의 그래프는 4 GHz의 주파수에서 120.5 mm의 위치에서 E-field 분포를 나타낸다. 원형 처리의 유무에 따른 소자 위쪽의 (x = 1.2 mm, -0.48 mm < y < 0.48 mm, z = 120.5 mm)에서 y축을 따른 평균 E-field 분포 값은 각각 56.9 dBV/m 및 59.4 dBV/m로 원형 처리를 한 경우 E-field 값이 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, a diagram is shown to explain changes in high-output durability performance according to circular processing of the top of an array antenna according to an embodiment of the present invention. If the center of the ground top surface is the origin (x = 0, y = 0, z = 0), the coordinates of the top end of the unit cell appear as (x = 0, y = 0, z = 120 mm). The graph in Figure 11 shows the E-field distribution at a position of 120.5 mm at a frequency of 4 GHz. The average E-field distribution values along the y-axis at the top of the device (x = 1.2 mm, -0.48 mm < y < 0.48 mm, z = 120.5 mm) with and without circular processing are 56.9 dBV/m and 59.4 dBV/m, respectively. You can see that the E-field value appears low when circular processing is performed.
도 12를 참조하면, 도 11과 동일하게 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나의 화살표로 표시된 공간의 E-field 분포를 보여준다 (x = 4.85 mm, y = 2.25 mm, 0 < z < 1.5 mm). 이 결과를 통해 원형 처리가 적용될 때 공간의 평균 E-field 분포 값이 72.4 dBV/m에서 69.8 dBV/m로 2.6 dB 감소함을 확인할 수 있다.Referring to Figure 12, the same as Figure 11, it shows the E-field distribution in the space indicated by the arrow of the array antenna according to an embodiment of the present invention (x = 4.85 mm, y = 2.25 mm, 0 < z < 1.5 mm ). Through these results, it can be seen that when circular processing is applied, the average E-field distribution value of the space decreases by 2.6 dB from 72.4 dBV/m to 69.8 dBV/m.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나를 금속 3D 프린팅을 통해 제작하기 위한 캐드 도면을 설명하기 위한 도면이다.Figure 13 is a diagram for explaining a CAD drawing for manufacturing an array antenna through metal 3D printing according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나를 금속 3D 프린팅을 통해 제작하기 위한 캐드 도면이 도시되어 있다. 단위셀(100)의 3D CAD에는 SMA 커넥터의 내심을 위한 구멍과 그라운드(200)와 체결을 위한 나사산이 포함된다. 또한, 그라운드(200)의 3D CAD에는 단위셀(100)과 그라운드(200) 간의 체결을 위해 단위 셀 아랫면의 형상을 한 음각이 포함된다.Referring to FIG. 13, a CAD drawing for manufacturing an array antenna according to an embodiment of the present invention through metal 3D printing is shown. The 3D CAD of the
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 배열 안테나는 광대역 특성을 갖는 개별 소자를 제작성을 고려하여 방사면을 공유하는 단위셀로 설계했으며, 8Х8배열을 통한 이중편파 특성을 갖는 배열 안테나 시스템을 구현하였다. 또한, 안테나의 모서리 부분은 원형 처리를 통해 고출력 내구성을 추가로 향상시켜 전자전 고출력 시스템에 적합하도록 하였다. 이러한 금속 비발디 배열안테나는 제작 시 금속 3D 프린팅 방법을 적용하여 제작 복잡성과 시간을 줄이는 효과가 있다. 추가적으로, WAIM layer 유전체 기판을 적용하여 빔 조향 시 줄어드는 서셉턴스 성분을 보상하여, 빔 조향 특성을 개선하는 효과가 있다.According to the present invention, the array antenna according to the present invention was designed as a unit cell sharing a radiation surface in consideration of manufacturability of individual elements with broadband characteristics, and an array antenna system with dual polarization characteristics through an 8Х8 array was implemented. . In addition, the corners of the antenna were rounded to further improve high-output durability, making it suitable for high-output electronic warfare systems. This metal Vivaldi array antenna has the effect of reducing production complexity and time by applying a metal 3D printing method during production. Additionally, by applying the WAIM layer dielectric substrate, the susceptance component that decreases during beam steering is compensated, which has the effect of improving beam steering characteristics.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 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.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the claims described below.
100: 단위셀
200: 그라운드
300: 유전체 기판100: unit cell
200: Ground
300: dielectric substrate
Claims (12)
곡선의 방사면을 갖고 상기 방사면을 서로 마주하는 구조를 갖는 단위셀;
상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 하단이 체결되어 상기 단위셀이 배열되는 그라운드; 및
상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단에 체결되는 유전체 기판을 포함하고,
상기 유전체 기판은, WAIM(wide-angle impedance matching) 기판이고,
상기 단위셀은, 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단이 원형 처리되고,
상기 단위셀은, 상기 그라운드의 x-y 평면상에 배열되며, 상기 그라운드의 x-y 평면상에서 +45°회전된 제1 단위셀의 상기 방사면과, 상기 그라운드의 x-y 평면상에서 －45°회전된 제2 단위셀의 상기 방사면이 서로 마주하는 구조를 갖고,
상기 단위셀은, 상기 그라운드의 x-y 평면상에 x방향 8개 및 y방향 8개의 8Х8의 배열로 배열되는, 배열 안테나.In an array antenna manufactured by metal 3D printing,
A unit cell having a curved radiating surface and a structure where the radiating surfaces face each other;
A ground on which the lower ends of the unit cells are fastened based on the radial direction of the unit cells and the unit cells are arranged; and
It includes a dielectric substrate fastened to the top of the unit cell based on the radial direction of the unit cell,
The dielectric substrate is a WAIM (wide-angle impedance matching) substrate,
The unit cell has an upper end of the unit cell circularized based on the radial direction of the unit cell,
The unit cell is arranged on the xy plane of the ground, the radial surface of the first unit cell rotated +45° on the xy plane of the ground, and the second unit rotated by -45° on the xy plane of the ground. Having a structure in which the radiating surfaces of the cells face each other,
An array antenna wherein the unit cells are arranged in an 8Х8 array of 8 cells in the x direction and 8 cells in the y direction on the xy plane of the ground.
상기 단위셀은, 지수 곡선의 기울기를 갖는 상기 방사면을 포함하는, 배열 안테나.According to claim 1,
The unit cell is an array antenna including the radiation surface having a slope of an exponential curve.
곡선의 방사면을 갖고 상기 방사면을 서로 마주하는 구조를 갖는 단위셀을 생성하는 단계;
상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 하단이 체결되어 상기 단위셀이 배열되는 그라운드를 생성하는 단계; 및
상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단에 체결되는 유전체 기판을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 유전체 기판을 생성하는 단계는, WAIM(wide-angle impedance matching) 기판을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 단위셀을 생성하는 단계는, 상기 단위셀의 방사 방향을 기준으로 상기 단위셀의 상단이 원형 처리되는 상기 단위셀을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 단위셀을 생성하는 단계는, 상기 그라운드의 x-y 평면상에 배열되며, 상기 그라운드의 x-y 평면상에서 +45°회전된 제1 단위셀의 상기 방사면과, 상기 그라운드의 x-y 평면상에서 －45°회전된 제2 단위셀의 상기 방사면이 서로 마주하는 구조를 갖는 상기 단위셀을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 단위셀을 생성하는 단계는, 상기 그라운드의 x-y 평면상에 x방향 8개 및 y방향 8개의 8Х8의 배열로 배열되는 상기 단위셀을 생성하는 단계를 포함하는, 배열 안테나 제조 방법.In a method of manufacturing an array antenna by metal 3D printing,
Creating a unit cell having a curved radial surface and a structure where the radial surfaces face each other;
Creating a ground on which the unit cells are arranged by fastening the lower ends of the unit cells based on the radial direction of the unit cells; and
Comprising the step of creating a dielectric substrate fastened to the top of the unit cell based on the radial direction of the unit cell,
The step of generating the dielectric substrate includes generating a wide-angle impedance matching (WAIM) substrate,
The step of generating the unit cell includes generating the unit cell where the top of the unit cell is circular based on the radial direction of the unit cell,
The step of generating the unit cell includes the radial surface of the first unit cell, which is arranged on the xy plane of the ground and rotated +45° on the xy plane of the ground, and rotated -45° on the xy plane of the ground. Generating the unit cell having a structure in which the radiating surfaces of the second unit cell face each other,
The step of generating the unit cells includes generating the unit cells arranged in an array of 8 x-direction and 8 y-direction 8Х8 on the xy plane of the ground.
상기 단위셀을 생성하는 단계는, 지수 곡선의 기울기를 갖는 상기 방사면을 포함하는 상기 단위셀을 생성하는 단계를 포함하는, 배열 안테나 제조 방법.According to clause 7,
The generating the unit cell includes generating the unit cell including the radiation surface having a slope of an exponential curve.
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