KR102666994B1 - 낮은 측엽 레벨을 가지는 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 실시예에 의한 배열 안테나는: 적어도 두 개 이상의 단위 안테나들; 및 상기 단위 안테나들에 동일한 전력으로 신호를 제공하는 급전 회로(feeding circuit)를 포함하고, 상기 두 개 이상의 단위 안테나들은 물리적 형태를 달리하는 안테나들이다.

Description

낮은 측엽 레벨을 가지는 배열 안테나{ARRAY ANTENNA WITH LOW SIDE LOBE LEVEL}

본 발명은 배열 안테나와 관련된다.

배열 안테나는 여러 개의 단위 안테나들을 연결하여 하나의 안테나처럼 작동하는 안테나로, 배열 안테나를 이용하면 단일 안테나보다 더 높은 이득과 지향성을 얻을 수 있다.

안테나는 특정한 방향으로 신호를 강하게 송수신하기 위한 빔(beam)을 형성하며, 빔은 주엽(main lobe)과 측엽(side lobe)을 가지며, 목적하는 방향으로 주엽을 형성하고, 측엽 레벨이 작도록 형성한다.

종래의 측엽 레벨 저감기술은 배열안테나 소자에 급전되는 신호의 진폭을 달리하여 달성하며, 진폭을 달리하기 위하여 파워 디바이더(RF Power Divider)와 같은 수동 소자를 활용하거나, 가변 이득 증폭기(Variable Gain Amplifier) 또는 감쇠기(Attenuator) 등의 능동소자를 사용하는 방식을 이용하여 측엽 레벨을 감소시켰다.

상기한 종래 기술은 각각의 제한점이 있다. 단위 안테나에 제공되는 전력을 달리하는 방안은 시스템 설계에 큰 부담이 되어 용이한 구현이 어렵다. 파워 디바이더(RF Power Divider)를 사용한 급전 회로의 경우 급전 손실이 발생하고 밀리미터파(mmWave) 등의 고주파 영역에서는 더 높은 공정 정확도가 요구되므로 5G 및 6G 등 차세대 기술에 적합하지 않다. 능동소자를 이용한 낮은 측엽레벨 달성의 경우 높은 성능을 보이나 전력소모가 심하고 시스템 복잡도가 높다. 나아가, 능동소자가 출력할 수 있는 최대 RF 파워의 세기는 제한되어 있으며, 진폭 테이퍼링 적용을 위해서는 배열 안테나의 방사소자 각각에 급전되는 RF 파워의 세기를 줄여야 한다. 이로 인해 배열 안테나 시스템의 최대 EIRP가 제한된다. 즉 능동소자를 이용한 기술은 시스템의 성능 열화를 야기한다.

본 실시예로 해결하고자 하는 과제 중 하나는 상술한 종래 기술의 난점을 해소한 측엽 레벨 저감 기술을 제공하기 위한 것이다.

본 실시예에 의한 배열 안테나는: 두 개 이상의 단위 안테나들; 및 상기 단위 안테나들에 동일한 전력으로 신호를 제공하는 급전 회로(feeding circuit)를 포함하고, 상기 두 개 이상의 단위 안테나들은 물리적 형태를 달리하는 안테나들이다.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 단위 안테나들은, 와이어(wire) 안테나, 다이폴(dipole) 안테나, 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나, 루프(loop) 안테나, 헬릭스(helix) 안테나, 어퍼처(aperture) 안테나, 비발디(Vivaldi) 안테나, 혼(horn) 안테나, 마이크로 스트립(microstirp) 안테나, 패치(patch) 안테나, 슬롯(slot) 안테나, 리플렉터(reflector) 안테나, 렌즈(lens) 안테나, DRA(Dielectric Resonator Antenna) 안테나 중 어느 하나 이상이다.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 물리적 형태는, 상기 안테나의 길이, 표면적 및 체적, 급전 방식 중 어느 하나 이상이다.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 물리적 형태를 달리하는 안테나들은 전기적 방사 특성을 달리하며, 상기 전기적 방사 특성은, 상기 안테나의 물리적 형태로 인하여 안테나에 인가되는 전류 분포, 자기장 분포, 전기장 분포 및 방사되는 전자기장의 세기 중 어느 하나 이상이다.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 적어도 두 개 이상의 단위 안테나들은, 서로 등간격으로 배치된다.

본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 적어도 두 개 이상의 단위 안테나들은, 서로 다른 간격으로 배치된다.

본 실시예에 의하면, 물리적 형태가 다른 복수의 안테나들을 이용하여 복잡한 급전 구조 없이 측엽 레벨을 감소시킬 수 있어 시스템 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 나아가, 간단하게 형성할 수 있어 제조 비용이 감소한다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 실시예에 따른 배열 안테나(10)의 개요를 도시한 개요도이다.
도 2는 급전 회로(200)의 개요를 도시한 회로도이다.
도 3A는 구현예의 배열 안테나(10)를 위에서 바라본 평면도이고, 도 3B는 배열 안테나(10)를 측면에서 바라본 측면도이다.
도 4는 본 실시예와 종래 기술에 의한 배열 안테나와의 비교 실험 결과를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 따른 배열 안테나(10)의 개요를 도시한 개요도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 배열 안테나(10)는 적어도 두 개 이상의 단위 안테나들(100a, 100b, 100c) 및 상기 단위 안테나들(100a, 100b, 100c)에 동일한 전력으로 신호를 제공하는 급전 회로(feeding circuit, 200)를 포함하고, 상기 두 개 이상의 단위 안테나들 단위 안테나들(100a, 100b, 100c)은 물리적 형태를 달리하는 안테나들로, 다른 물리적 형태로 인하여 다른 전기적 방사 특성을 가진다.

도 2는 급전 회로(200)의 개요를 도시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 급전 회로(200)는 복수의 단위 급전 회로들(200a, 200b, ..., 200n)을 포함한다. 단위 급전 회로들(200a, 200b, ..., 200n)은 각각 신호를 안테나 방향으로 제공하거나 안테나로부터 수신하여 처리하는 방향으로 연결하는 스위치부(210a, 210b)를 포함하며, 도시된 실시예에서, 스위치부(210a, 210b)가 안테나에서 수신한 신호들을 처리하는 방향으로 연결된 상태를 예시한다.

스위치부(210a)를 통해 제공된 신호는 전력 증폭기(220a, 220b)로 증폭된다. 안테나를 통하여 수신한 신호는 소신호로 신호 크기가 작아 그 자체로 하향 변환이 곤란하다. 따라서, 전력 증폭기(220b)를 이용하여 신호 크기를 증폭시켜 후속 처리를 가능하게 한다. 또한, 믹서(230)에서 제공된 신호는 소신호로 신호 크기가 작아 안테나를 통하여 전송하는 것이 부적절하다. 따라서, 전력 증폭기(220a)는 믹서에서 상향 변환된 신호를 안테나를 통하여 전송하기에 적합한 신호 레벨로 증가시킨다.

믹서(230)는 스위치부(210b)를 통해 제공된 신호의 대역을 변환한다. 믹서(230)에는 미리 정해진 신호가 제공되고, 스위치부(210b)를 통해 제공된 신호와 믹싱되어 하향 변환(down conversion)된다. 또는 믹서(230)에는 미리 정해진 신호가 제공되고, 위상 천이기(240, phase shifter)에서 출력된 신호와 믹싱되어 상향 변환(up conversion)된다.

위상 천이기(240)는 파워 디바이더(250)에서 분배된 신호를 제공받고, 안테나가 목적하는 조향각을 가지도록 신호의 위상을 천이하여 믹서(230)에 출력한다.

파워 디바이더(power divider, 250)는 안테나를 통하여 전송될 신호를 분배하는 파워 디바이더의 기능을 수행하고, 안테나에서 수신된 신호를 병합(combine)하는 파워 컴바이너(power combiner)로 기능한다.

도 2로 예시된 급전 회로(200)에서 전력 증폭기(220a, 220b)는 각각 연결된 단위 안테나에 동일한 전력 레벨을 가지는 신호를 제공하는 고정 이득 전력 증폭기(fixed gain power amplifier)이다.

종래 기술에서는 가변 이득 증폭기(VGA, variable gain amplifier)를 사용하여 각 단위 안테나 별로 서로 다른 전력 레벨을 가지는 신호를 제공하여 안테나를 통하여 형성되는 빔의 주엽(main lobe) 레벨과 측엽(side lobe) 레벨을 제어하였다. 그러나, 이러한 경우에는 빔의 주엽(main lobe) 레벨과 측엽(side lobe) 레벨을 제어하기 위한 시스템의 복잡도가 커 설계의 부담이 컸다.

그러나, 본 실시예에서는 고정 이득 전력 증폭기를 사용하여 빔의 주엽(main lobe) 레벨과 측엽(side lobe) 레벨을 제어할 수 있어 시스템의 복잡도 및 설계의 부담을 줄일 수 있다는 장점이 제공된다.

다시 도 1을 참조하면, 급전 회로(200)에는 배열 안테나(100)에 포함된 각각의 단위 안테나들(100a, 100b, 100c)이 연결된다. 단위 안테나(100a, 100b, 100c)들은 서로 다른 물리적 형태를 가진다.

일 실시예로, 단위 안테나(100a)는 와이어(wire) 안테나, 다이폴(dipole) 안테나, 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나, 루프(loop) 안테나, 헬릭스(helix) 안테나, 어퍼처(aperture) 안테나, 비발디(Vivaldi) 안테나, 혼(horn) 안테나, 마이크로 스트립(microstrip) 안테나, 패치(patch) 안테나, 슬롯(slot) 안테나, 리플렉터(reflector) 안테나, 렌즈(lens) 안테나, DRA(Dielectric Resonator Antenna) 안테나 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 단위 안테나(100b, 100c)는 와이어(wire) 안테나, 다이폴(dipole) 안테나, 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나, 루프(loop) 안테나, 헬릭스(helix) 안테나, 어퍼처(aperture) 안테나, 비발디(Vivaldi) 안테나, 혼(horn) 안테나, 마이크로 스트립(microstrip) 안테나, 패치(patch) 안테나, 슬롯(slot) 안테나, 리플렉터(reflector) 안테나, 렌즈(lens) 안테나, DRA(Dielectric Resonator Antenna) 안테나 중 어느 하나 이상일 수 있다.

나아가, 서로 다른 유형의 안테나 및/또는 동일한 유형의 안테나라고 하더라도 물리적 형태가 상이하다. 단위 안테나의 물리적 형태는 안테나의 길이, 직경, 표면적, 체적 및 급전 방식 중 어느 하나일 수 있다.

따라서, 서로 다른 물리적 형태로부터 단위 안테나에 인가되는 전류 분포, 자기장 분포, 전기장 분포 및 방사되는 전자기장의 세기 중 어느 하나 이상이 서로 상이할 수 있으며, 물리적 형태가 다른 각 단위 안테나들은 서로 다른 전기적 방사 특성을 가진다.

일 실시예에서 복수의 단위 안테나들(100a, 100b, 100c)은 서로 등간격으로 배열될 수 있으나, 또 다른 실시예에서 복수의 단위 안테나들(100a, 100b, 100c)은 서로 다른 간격으로 배열될 수 있다.

단위 안테나(100b)는 제1 반지름(혹은 제1 체적, 제1 표면적)을 가지는 구형의 DRA 안테나일 수 있으며, 단위 안테나(100c)는 제2 반지름(제2 체적, 제2 표면적)을 가지는 구형의 DRA 안테나일 수 있다. 다른 예로, 단위 안테나(100b)는 제1 개구 면적(open area)을 가지는 슬롯 안테나(slot antenna)일 수 있으며, 단위 안테나(100c)는 제2 개구 면적을 가지는 슬롯 안테나일 수 있다.

이와 같이 서로 다른 물리적 형태를 가지는 복수의 단위 안테나들(100a, 100b, 100c)을 등간격으로 배치함으로써 후술할 바와 같이 빔의 주엽(main lobe) 레벨과 측엽(side lobe) 레벨을 제어할 수 있어 시스템의 복잡도 및 설계의 부담을 줄일 수 있다는 장점을 제공한다.

실험예

이하에서는 도 3 내지 도 4를 참조하여 본 실시예를 구현한 예와 실험예를 설명한다. 도 3A는 구현예의 배열 안테나(10)를 위에서 바라본 평면도이고, 도 3B는 배열 안테나(10)를 측면에서 바라본 측면도이다. 도 3A와 도 3B를 참조하면, 단위 안테나(100a)는 6dBi의 이득을 가지는 패치 안테나이고, 단위 안테나(100b)는 9dBi의 이득을 가지는 DRA 안테나이며, 단위 안테나(100c)는 12dBi의 이득을 가지는 DRA 안테나이다.

도 3A 및 도 3B로 예시된 예에서, 두 종류의 다른 고이득 유전체 공진기 안테나 (Dielectric Resonator Antenna, DRA) 안테나들(100c, 100b)와 패치 안테나(100a)를 포함하는 물리적 형태가 서로 다른 세 단위 안테나들을 사용하여 실험을 수행하였으며, 도 4는 실험 결과를 도시한다.

적색 파선으로 도시된 동일한 단일 소자를 사용하고 동일 진폭이 급전되는 패치 어레이 안테나의 경우 -12.8 dB의 높은 첫번째 측엽레벨을 가지며, -5.7 dB의 측엽레벨을 지닌다. 이때 안테나의 이득은 15 dBi이다. 그러나, 검정색 선도로 예시된 제안된 본 실시예의 배열 안테나는 18.8 dBi로 높은 이득을 지니며 -16.3 dB의 낮은 측엽레벨을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 본 실시예에 의한 배열 안테나는 적색 파선으로 예시된 종래 기술에 비하여 -3.5 dB 의 측엽레벨 감소 효과를 보인다. 이로써 다른 안테나 형태나 다른 디자인을 적용할 경우, 성능향상 및 응용방안에 맞는 성능 도달이 가능하다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 배열 안테나
100a, 100b, 100c: 단위 안테나 200: 급전 회로
200a, 200b, 200n: 단위 급전 회로 210a, 210b: 스위치부
220a, 220b: 전력 증폭기 230: 믹서
240: 위상 천이기 250: 파워 디바이더

Claims (6)

1. 배열 안테나로, 상기 배열 안테나는:
   세 개 이상의 단위 안테나들; 및
   상기 단위 안테나들에 동일한 전력으로 신호를 제공하는 급전 회로(feeding circuit)를 포함하고,
   상기 세 개 이상의 단위 안테나들은 물리적 형태를 달리하는 안테나들이고,
   상기 급전 회로는,
   상기 단위 안테나의 신호 수신 경로 및 상기 단위 안테나의 신호 방사 경로를 설정하는 스위치부와,
   상기 신호 수신 경로에 위치하여 상기 단위 안테나가 수신한 수신 신호를 증폭하는 제1 전력 증폭기 및 상기 신호 방사 경로에 위치하여 상기 단위 안테나가 방사할 전송 신호를 증폭하는 제2 전력 증폭기를 포함하되,
   상기 제2 전력 증폭기의 증폭 이득은 각각의 단위 안테나에 대하여 서로 동일하고,
   상기 단위 안테나들은 동일한 대역의 신호들을 송수신하는 것이며,
   상기 배열 안테나의 주변에 위치하는 상기 단위 안테나의 이득은 상기 배열 안테나의 중앙에 위치하는 상기 단위 안테나의 이득에 비하여 더 낮은 것인 배열 안테나.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단위 안테나들은,
   와이어(wire) 안테나, 다이폴(dipole) 안테나, 야기-우다(Yagi-Uda) 안테나, 루프(loop) 안테나, 헬릭스(helix) 안테나, 어퍼처(aperture) 안테나, 비발디(Vivaldi) 안테나, 혼(horn) 안테나, 마이크로 스트립(microstirp) 안테나, 패치(patch) 안테나, 슬롯(slot) 안테나, 리플렉터(reflector) 안테나, 렌즈(lens) 안테나, DRA(Dielectric Resonator Antenna) 안테나인 배열 안테나.
3. 제1항에 있어서,
   상기 물리적 형태는,
   상기 안테나의 길이, 표면적 및 체적, 급전 방식 중 어느 하나 이상인 배열 안테나.
4. 제1항에 있어서,
   상기 물리적 형태를 달리하는 안테나들은 전기적 방사 특성을 달리하며,
   상기 전기적 방사 특성은,
   상기 안테나의 물리적 형태로 인하여 안테나에 인가되는 전류 분포, 자기장 분포, 전기장 분포 및 방사되는 전자기장의 세기 중 어느 하나 이상인 배열 안테나.
5. 제1항에 있어서,
   상기 세 개 이상의 단위 안테나들은,
   서로 등간격으로 배치된 배열 안테나.
6. 제1항에 있어서,
   상기 세 개 이상의 단위 안테나들은,
   서로 다른 간격으로 배치된 배열 안테나.