KR19990081083A - 고분해능 빔조향을 위한 초고주파 렌즈 - Google Patents

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 고분해능 빔조향을 위한 초고주파 렌즈에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 이동통신 및 무선통신 등에 사용되는 위상 배열 안테나 시스템에 적용되어 셀내의 전자파 환경 변화에 대응하여 안테나 시스템으로부터 복사되는 빔 방향을 조밀하게 바꾸어 줄 수 있도록 소형으로 구현한 초고주파 렌즈를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 초고주파 렌즈에 있어서, 마이크로스트립 기판으로 이루어지는 평행판 영역의 일측에 제1 소정 개수의 빔 포트가 구비되고 타측에 제2 소정 개수의 배열 포트가 구비되되, 상기 빔 포트와 상기 배열 포트간에 전송되는 신호의 위상이 전파 경로차에 의해 배열되고, 상기 각 포트간의 간격이 좁게 설정된 것을 특징으로 한다.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 이동통신 및 무선통신 등의 위상 배열 안테나 시스템 등에 이용됨.

Description

고분해능 빔조향을 위한 초고주파 렌즈
본 발명은 고분해능의 빔조향 성능을 갖는 초고주파 렌즈에 관한 것이다.
초고주파 렌즈는 광학 렌즈의 원리를 초고주파 대역에서 구현한 것으로, 1963년 로트만(Rotman)과 터너(Turner)에 의해 평행판 도파관으로 구현하는 방법이 소개되었다. 여기서, 광학 렌즈가 광파의 파장에 비해 충분한 두께를 갖고 있는 것처럼, 초고주파 렌즈도 전자파 파장의 수배에 해당하는 충분한 크기가 요구된다.
그러므로, 평행판 도파관을 이용하여 초고주파 렌즈를 구현하는 방법의 단점을 해결하기 위하여, 비유전율에 의한 파장 단축을 통하여 소형 경량 구현이 가능한 마이크로스트립 기판을 이용하여 초고주파 렌즈를 구현하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되었다.
도 1 은 종래의 마이크로스트립 로트만 렌즈의 일실시예 구조도이다.
도 1 에 도시된 종래의 마이크로스트립 로트만 렌즈와 같은 초고주파 렌즈는 주로 군사용으로 개발되었으며, 파장이 센티미터 단위의 초고주파 영역에서 응용되는 관계로 마이크로스트립 기판의 비유전율이 주로 3 이하인 테플론 기판을 사용하여 개발되었다. 또한, 넓은 조향 범위를 일정한 각도(넓은 범위를 일정 개수의 빔 수로 나누므로 빔 간격이 조밀하지 못함)로 분할하여 복사빔을 조향(steering)하는 목적으로 이용되어 왔다.
그런데, 최근들어 이동통신 및 무선통신 기지국 안테나 시스템 등에 다중빔 능동 위상 배열 안테나 시스템 개념을 도입하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 다중빔 능동 위상 배열 안테나 시스템의 개념을 구현하기 위하여 다중빔 급전 소자로 초고주파 렌즈를 이용하는 기술의 도입이 시도되고 있다.
이에 따라 이동통신 및 무선통신 기지국용 위상 배열 안테나 시스템 등에 이용되는 초고주파 렌즈를 구현하기 위해서는, 다음과 같은 종래의 마이크로스트립 로트만 렌즈의 문제점을 해결하기 위한 특별한 사양이 요구된다.
첫째, 디지털 셀룰러, 개인휴대통신 및 미래형 육상이동통신 등의 이동통신이나 주파수 공용통신과 무선 데이터망 등의 무선통신 등에서는 파장이 십여 센티미터에 이르는 비교적 낮은 주파수의 전자파를 이용한다. 그러므로, 파장에 비해 수배 이상의 크기를 요하는 초고주파 렌즈를 비유전율이 비교적 낮은 마이크로스트립 기판(테플론을 이용하여 제작)을 이용하여 구현하는 종래의 방법은, 초고주파 렌즈의 크기가 너무 커지는 문제점이 있었다. 따라서, 이동통신이나 무선통신용 소형 초고주파 렌즈를 경제적으로 구현할 수 없는 문제점이 있었다.
둘째, 종래의 마이크로스트립 로트만 렌즈와 같은 초고주파 렌즈는 주로 전방향을 커버하는 것이 중요하므로 ±45°또는 ±60°정도로 조향 범위가 넓게 제작되었다. 그러나, 이동통신 및 무선통신 등의 안테나 시스템에서는 셀내의 전자파 환경 변화에 대응하여 안테나 시스템의 복사 방향을 불과 10°내지 15°범위를 2°정도로 잘게 나누어 복사 방향을 바꾸는 이른바 고분해능의 빔조향 기술이 요구되므로, 종래의 초고주파 렌즈를 이동통신용이나 무선통신용으로 사용할 수 없는 문제점이 있었다. 따라서, 고분해능의 빔조향이 가능한 새로운 초고주파 렌즈의 개발이 요구되고 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 고분해능의 다중빔 조향 성능을 갖는 소형의 초고주파 렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은, 이동통신 및 무선통신 등에 사용되는 위상 배열 안테나 시스템에 적용되어 셀내의 전자파 환경 변화에 대응하여 안테나 시스템으로부터 복사되는 빔 방향을 조밀하게 바꾸어 줄 수 있도록 소형으로 구현한 초고주파 렌즈를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 종래의 마이크로스트립 로트만 렌즈의 일실시예 구조도.
도 2 는 본 발명에 따른 고분해능 빔조향을 위한 초고주파 렌즈의 일실시예 구조도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11 : 평행판 영역 12 : 빔 포트
13 : 배열 포트
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 초고주파 렌즈에 있어서, 마이크로스트립 기판으로 이루어지는 평행판 영역의 일측에 제1 소정 개수의 빔 포트가 구비되고 타측에 제2 소정 개수의 배열 포트가 구비되되, 상기 빔 포트와 상기 배열 포트간에 전송되는 신호의 위상이 전파 경로차에 의해 배열되고, 상기 각 포트간의 간격이 좁게 설정된 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 2 는 본 발명에 따른 고분해능 빔조향을 위한 초고주파 렌즈의 일실시예 구조도이다.
도 2 에 도시된 이동통신 기지국 위상 배열 안테나용 고분해능의 빔조향 특성을 갖는 다중빔 급전용 초고주파 렌즈는, 비유전율 10 정도의 고 비유전율 마이크로스트립 기판을 사용하고, 마이크로스트립 기판을 에칭하여 소형으로 구현한 일예이다.
도면에 도시된 바와 같이 마이크로스트립 기판으로 이루어지는 평행판 영역(11)의 좌우에는 각각 수개의 빔 포트(12)와 배열 포트(13)가 있고, 각각의 포트와 급전선을 연결하는 전송선이 구비되어 있다.
그리고, 14개(a1 내지 a14)의 빔 포트(12)중 가운데 8개의 빔 포트(a4 내지 a11)는 ±10°구간을 약 2.8°간격의 8개 빔으로 분할하여 조향하고, 나머지는 예비로 추후 확장 가능한 형태로 구성되어 있다.
역시, 14개(b1 내지 b14)의 배열 포트(13)중 가운데 8개(b4 내지 b11)는 각각 배열 안테나 소자에 연결되며, 초고주파 렌즈의 어느 한 빔 포트(12)로부터 배열 포트(13)까지의 전파 경로차에 의해 각 배열 안테나 소자에 급전되는 전계의 등위상면을 형성한다. 최종적인 안테나의 복사 방향은 등위상면에 수직한 방향이 된다.
상기와 같이 본 발명에서는 빔조향 각도 범위가 좁고 고분해능의 빔조향을 얻기 위하여 각 포트간의 간격을 종래의 초고주파 렌즈보다 좁게 구현하였다.
상기와 같은 초고주파 렌즈를 수신용 안테나 시스템에 이용하는 경우에는, 그 동작이 상기와 반대가 된다.
한편, 평행판 영역(11)을 들여다 보는 임피던스를 급전선에 정합시키기 위한 테이퍼 섹션이 필요하게 되며, 급전선 부위에는 동축 케이블에 연결하기 위한 콘넥터(도면에 도시되지 않음)가 필요하다.
급전선에서 들여다 보는 입력 임피던스는 테이퍼 섹션을 통하여 서서히 넓어져 평행판 영역(11)으로 들어가게 된다. 파장이 수 센티미터에 해당하는 비교적 높은 주파수의 초고주파 영역에서는 비교적 좋은 임피던스 정합 특성을 얻을 수 있어, 이러한 방법이 널리 이용된다.
그러나, 파장이 십여 센티미터에 이르는 이동통신 및 무선통신 등의 위상 배열 안테나 시스템에서는, 빔조향 각도 범위가 좁고 고분해능의 빔조향을 얻기 위해서 포트간의 간격을 불가피하게 좁게 구현하므로써, 상호 결합의 영향이 커져 급전점에서의 구동 임피던스에 큰 영향을 미치게 된다.
이러한 이유로, 상기와 같은 선형 테이퍼에 의한 임피던스 변환으로는 정재파비가 약 3:1 이상으로 악화되므로, 성능을 향상시키기 위해서는 특별한 정합 수단을 더 구비하여야 한다.
따라서, 본 발명에서는 새로운 형태의 고분해능 초고주파 렌즈를 개발하기 위하여, 도 2 의 고분해능 초고주파 렌즈의 포트간 상호 결합을 전자기적으로 해석하여 급전점 입력 임피던스에 주는 영향을 분석한 후에, 각 포트와 급전선 사이에 임피던스 트랜스포머를 삽입하여 각 포트에서의 반사 손실을 최소화하고, 급전점에서의 입력 임피던스를 정재파비 1.5:1 이하로 개선하였다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같은 본 발명은, 다음과 같은 특유의 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 비유전율 10 정도의 고 비유전율 마이크로스트립 기판을 사용하므로써 저비용으로 소형으로 구현할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 파장이 십여 센티미터에 이르는 이동통신 및 무선통신 등에 사용되는 위상 배열 안테나 시스템에 적합하다.
둘째, 포트간의 간격을 좁게 하므로써 불가피하게 수반되는 포트간의 상호 결합도에 의한 입력 임피던스 정합 특성의 열화를 막기 위하여 정합단을 설치하여 포트에서의 반사 손실을 최소화하므로써, 이동통신 및 무선통신 등에 사용되는 위상 배열 안테나 시스템에 이용되는 빔조향 각도 범위가 좁고 고분해능의 빔조향을 얻을 수 있는 초고주파 렌즈를 쉽게 구현할 수 있는 효과가 있다.
셋재, 능동 위상 배열 안테나 시스템 등의 다중빔 급전소자로 이용되어, 즉 이동통신 및 무선통신용 위상 배열 안테나 시스템 등에 적용되어 다중빔의 복사 방향을 원격지에서 전자식으로 제어할 수 있도록 하므로써 안테나 설치 및 정비 유지 비용을 현저하게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 초고주파 렌즈에 있어서,
    마이크로스트립 기판으로 이루어지는 평행판 영역의 일측에 제1 소정 개수의 빔 포트가 구비되고 타측에 제2 소정 개수의 배열 포트가 구비되되,
    상기 빔 포트와 상기 배열 포트간에 전송되는 신호의 위상이 전파 경로차에 의해 배열되고,
    상기 각 포트간의 간격이 좁게 설정된 것을 특징으로 하는 초고주파 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 포트에서의 반사 손실을 최소화하기 위하여 상기 각 포트와 급전선 사이에 정합 수단을 더 포함하는 초고주파 렌즈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100345440B1 (ko) * 2000-02-24 2002-07-26 국방과학연구소 균일 진폭 및 저 위상차 전달특성을 갖는 광대역마이크로스트립 초고주파 렌즈

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