KR20010105522A - 빔 틸팅 평판 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 또는 다층 기판 구조를 갖는 빔 틸팅 평판 배열 안테나에 관한 것이다. 사용 대역과 빔 틸팅 각도에 따라 급전 패치와 기생 패치의 크기와 위치 및 그들간의 간격을 조정하며 급전 방법으로는 기능 및 성능 요구 사항과 방사부 및 급전부 기판 재질에 따라서 제일 하부에 급전선이 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치하며 그 위에 슬롯을 포함한 접지판이 위치하고 다시 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치한 후 최 상부에 방사부가 위치하여 급전 패치에 급전하는 방법과 제일 하부에 접지부가 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치하며 그 위에 급전선이 위치하고 다시 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치한 후 최 상부에 방사부가 위치하여 급전 패치에 급전하는 방법 그리고 제일 하부에 접지판이 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치한 후 최 상부에 방사부와 급전선이 같이 위치하여 급전 패치에 급전하는 방법을 사용하고 있다.

본 발명은 원하는 각도의 빔 틸팅과 대역폭을 얻기 위해 소정의 유전율을 가지는 기판으로 구성된다. 본 발명이 적용되는 안테나에서 일반적으로 각각의 기판은 방사부, 접지부, 그리고 급전부로 구성되고 방사부는 급전 패치와 주변에 배치되는 기생 패치들로 구성되고 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판의 특성과 제작 구조에 따라 급전부와 접지부가 구성된다. 이때 급전부는 급전 방법에 따라 방사부와 같은 면에 위치할 수도 있고 독립적으로 다른 기판에 위치할 수도 있다. 이러한 구조의 빔 틸팅 안테나를 제작할 경우 기판의 유전율과 두께에 따라서 단일 기판 상에서는 제작할 수 없는 구조가 나오기도 한다. 그러므로 다층의 기판을 사용하여 급전 패치와 기생 패치를 적절하게 각각의 기판 층에 배열하여 빔 틸팅 안테나를 구성한다. 상기 구조의 본 발명은 안테나의 방사 패턴이 방사 요소에 수직인 방향(Bore sight)과 End-Fire 방향 사이로 눕혀지게 됨으로서 특정 방향으로 지향성 이득을 얻고자 하는 안테나에 적용된다.

Description

빔 틸팅 평판 배열 안테나{Planar Array Antenna with Tilted Beam}

본 발명은 평판 안테나에 관한 것으로서, 상세하게는 단일 또는 다층 구조를 갖는 빔 틸팅 평판 안테나 구조에 관한 것이다. 급전 방식으로 제일 하부에 급전선(8)이 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판(4)이 위치하며 그 위에 슬롯(9)을 포함한 접지판(5)이 위치하고 다시 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체기판(4)이 위치한 후 최 상부에 방사부가 위치하여 급전 패치(2)에 급전하는 방법과 제일 하부에 접지부(5)가 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판(4)이 위치하며 그 위에 급전선(8)이 위치하고 다시 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체기판(4)이 위치한 후 최 상부에 방사부가 위치하여 급전 패치(2)에 급전하는 방법 그리고 제일 하부에 접지판(5)이 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판(4)이 위치한 후 최 상부에 방사부와 급전선(8)이 같이 위치하여 급전 패치(2)에 급전하는 방법을 사용하여 대역폭의 증가와 방사 소자간의 전자파 결합에 따라 원하는 이득과 빔 패턴을 얻는다.

일반적인 평판 배열 안테나에서 방사 소자들간의 상호 결합(Mutual Coupling)은 안테나 이득의 감소와 원하지 않는 부엽(Sidelobe)으로의 전력 분산 때문에 바람직하지 않는 것으로 간주되고 있다. 그러나 몇몇의 구조에서는 상호 결합들이 급전 패치(2)와 기생 패치(1, 3)들 간에 특별한 효과를 위해 사용되고 있다. 특히 빔 패턴을 바꾸기 위해 급전 패치(2)의 주변에 기생 패치(1, 3)를 두어 그들간의 상호 결합으로 빔 틸팅효과를 얻는다.

도 1에 나타낸 것처럼 종래의 빔 틸팅 효과를 갖는 안테나는 최 상부의 급전패치 2와 제일 하부의 접지판(5)을 동축(9)에 의하여 연결하여 급전하는 방식을 사용하여 급전 패치(2)와 기생 패치(1, 3)간에 상호 결합성을 높이기 위하여 두꺼운 유전체 기판(4)이 필요하고 이에 따른 제작비 상승과 전파 모드의 다양성으로 패턴 대역폭이 줄어드는 단점을 가지고 있었다. 그리고 유전체 기판(4)의 유전율에 따라서 단일 층에서는 제작이 불가능한 구조의 안테나가 나오기도 하며 동축 급전(9)를 사용하면 안테나의 이득을 높이기 위하여 배열 안테나를 제작할 때도 제작상의 어려움을 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 빔 틸팅 평판 안테나의 급전 방법을 위에서 언급한 여러 가지로 하여 기능 및 성능 요구사항에 따라 각각의 급전 방법을 효율적으로 사용할 수 있도록 하였다. 또한 적절한 급전 방법으로 급전 패치(2)와 기생 패치(1, 3)간의 상호 결합성을 높일 수 있도록 하였고, 급전을 마이크로스트립 선로(8) 또는 선로와 급전 패치(2)간의 커플링으로 하여 방사부와 급전부를 단일면 또는 다른면에 위치 할 수 있고, 상기 안테나로 효율적인 대역폭과 빔 틸팅효과 그리고 원하는 이득을 얻고자 할 때 배열의 용이함을 실현하는데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 빔 틸팅 안테나에 있어서 일반적으로 사용되고 있는 테프론 재질의 유전체 기판(4)이 아닌 비닐론 재질의 유전체 기판(4)을 사용하여 제작된 안테나의 무게를 현저히 감소할 수 있고, 비닐론 재질의 유전체 기판(4)이 테프론 재질의 유전체 기판(4)보다 가격이 저렴하므로 보다 저렴한 가격의 빔 틸팅 안테나를 제작할 수 있다. 또한 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판(4)을 사용하여 제작이 가능하도록 급전 패치(2)와 기생 패치(1, 3)를 같은 층이나 다른 층에 두어 각각의 소자가 겹쳐질 수 있는 다층 기판 구조를 사용하여 각 소자간의 전자기적 결합 효과를 높이고, 전체적인 크기 또한 감소할 수 있는 빔 틸팅 평판 안테나를 제작할 수 있다.

도 1 은 종래 평판 빔 틸팅 안테나의 구성도이다.

도 2 는 본 발명에 적용되는 각각의 급전 구조이다.

도 3 은 본 발명에서 원 편파를 사용하기 위한 급전 패치의 모양을 나타낸다.

도 4 는 본 발명이 적용되는 단일 기판 빔 틸팅 평판 안테나에 각각의 급전 구조가 적용된 빔 틸팅 평판 안테나이다.

도 5 는 본 발명이 적용되는 다층 기판 빔 틸팅 평판 안테나에 각각의 급전 구조가 적용된 빔 틸팅 평판 안테나이다.

도 6 은 빔 틸팅 평판 안테나의 주 빔 틸팅 방향이다.

도 7 은 본 발명이 적용되는 빔 틸팅 안테나 다수개가 배열된 빔 틸팅 평판 배열 안테나이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 기생 패치(Reflector) 2 : 급전 패치(Driver)

3 : 기생 패치(Director) 4 : 유전체판(Dielectric Substrate)

5 : 접지판(Ground Plane) 6 : 급전점(Feed Point)

7 : 커넥터(Connector) 8 : 급전선(Feed Line)

9 : 개구(Aperture) 10 : 빔 틸팅 방향

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 종래의 빔 틸팅 안테나이다. 최 상부에 급전 패치(2)와 기생 패치(1, 3)가 위치하고 그 아래 유전체 기판(4)이 위치하며 최 하부에 접지판(5)이 위치하는 구조를 가지며 동축(9)을 이용하여 접지판(5)과 급전 패치(2)를 연결하여 급전하는 방법을 사용하였다. 여기에서 급전 패치(2)는 동축(9)을 통해 급전이 된다. 급전된 급전 패치(2)의 주변에 있는 기생 패치(1, 3)는 급전 패치(2)와 전자기적 결합이 이루어지고 기생 패치(1, 3)는 급전 패치(2)와 다른 위상을 가진다. 급전 패치(2)보다 높은 주파수에서 공진 되도록 설계된 기생 패치(3)는 Broadside에서 Endfire(10) 방향으로 빔이 틸팅 되도록 하고, 급전 패치(2)보다 낮은 주파수에서 공진 되도록 설계된 기생 패치(1)는 기생 패치(3)과 정 반대의 역할로 빔을 Endfire(10) 방향으로 틸팅 시키는 것을 돕는다. 이렇게 급전 패치(2)와 기생패치(1, 3)가 결합하여 생긴 효과로 빔 은 틸팅 효과를 갖는다.

도 2는 본 발명에 적용되는 급전 방법들이다. 도 2의 (a)는 급전 패치(2)의 아래 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판(4)이 위치하고 그 아래 접지판(5)에 직접 마이크로스트립 급전 라인(8)으로 급전하는 방법이고, (b)는 급전 패치(2)와 마이크로스트립 급전 라인(8) 사이의 접지판(5)에 슬롯(9)을 내고 급전 패치(2)와 접지판(5)사이, 그리고 접지판(5)과 마이크로스트립 급전 라인(8) 사이에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판(4)을 넣어 마이크로스트립 급전 라인(8)에서 접지판(5)에 있는 슬롯(9)을 통하여 급전 패치(2)에 전자기적 결합으로 급전하는 방법이며, 마지막으로 (c)는 급전 패치(2)와 마이크로스트립 급전 라인(8), 그리고 마이크로스트립 급전 라인(8)과 접지판(5) 사이에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판(4)을 넣어 급전 패치(2)에 마이크로스트립 급전 라인(8)을 통해 전자기적으로 급전하는 방법이다.

도 3은 단일 패치 안테나에서 단일 급전으로 원 편파를 만들기 위한 방법이다. (a)처럼 단일 패치의 대각선 끝 쪽을 적당하게 잘라 내거나, (b)처럼 단일 패치의 안쪽에 대각선으로 슬롯을 내면 패치 내부의 전파 전달 거리가 달라져 단일 급전으로도 원 편파를 얻을 수 있다.

도 4와 도 5는 본 발명이 적용되는 빔 틸팅 평판 안테나로서 도 4는 단일 기판 빔 틸팅 평판 안테나이고, 도 5는 다층 기판 빔 틸팅 평판 안테나이다.

빔 틸팅 평판 안테나에서 급전 패치(2)는 일반적인 패치 안테나의 설계에 따라 λ/2정도로 설계되고, 기생 패치(1, 3)들 중 빔을 반사하는 역할을 하는 기생패치(1)는 급전 패치(2)보다 좀 더 낮은 주파수에서 동작할 수 있도록 급전 패치(2)보다 좀더 크게 설계하며, 기생 패치(1, 3)들 중 빔을 유도하는 역할을 하는 기생 패치(3)는 급전 패치(2)보다 좀 더 높은 주파수에서 동작할 수 있도록 급전 패치(2)보다 좀더 작게 설계한다. 또한 원 편파 특성을 가지는 빔 틸팅 평판 안테나는 급전 패치(2)에 단일 급전을 통하여 원 편파를 얻을 수 있도록 설계한다. 이는 도 3에서 나타낸 바와 같이 급전 패치(2)의 대각선 방향의 양쪽 끝은 잘라내는 방법과, 급전 패치(2)의 중간에 대각선으로 슬롯을 내는 방법을 사용하여 설계한다. 도 4의 (a)는 단일기판을 이용한 빔 틸팅 안테나에 도 3의 (a)에 해당하는 급전 방법을 사용하였고, (b)와 (c)는 각각 도 3의 (b)와 (c)에 해당하는 급전 방법을 사용하였다. 도 5의 (a)는 다층 기판을 이용한 빔 틸팅 평판 안테나에 도 3의 (a)에 해당하는 급전 방법을 사용하였고, (b)와 (c)는 각각 도 3의 (b)와 (c)에 해당하는 급전 방법을 사용하였다. 빔 틸팅 평판 안테나의 동작은 전자계 에너지의 결합과 방사로 설명된다. 통상의 평판 안테나는 공간파에 의한 방사가 주 빔을 형성하지만, 빔 틸팅 평판 안테나는 표면파에 의한 특성이 추가되어 급전 패치(2)로부터 기생 패치(1, 3)로 전자기적인 결합이 발생한다. 즉 전자계 에너지는 공간파 보다는 표면파로 인하여 구동 패치(2)에서 기생 패치(1, 3)로 결합된다. 표면파는 일반적으로 안테나와 다른 회로소자 간의 결합을 방해하고, 안테나 패턴에서 사이드 로브(Side Lobe)와 교차 편파(Cross Polarization)를 증가시켜 안테나의 효율을 떨어뜨린다. 따라서 대부분 회로소자와 안테나에서는 이와 같은 표면파를 억제하고 있지만, 본 발명에서는 표면파의 효과를 이용하여 빔 틸팅 특성을 얻는다. 이때 급전 패치(2)로부터 전자기적으로 결합된 기생 패치(1, 3)는 급전 패치(2)과 위상의 차이가 생겨 이들의 위상차 조합으로 빔은 Boresite 방향에서 Endfire(1O) 방향으로 틸팅 되는 효과를 얻는다.

빔 틸팅 평판 안테나는 유전체 기판(4)의 두께와 유전율에 따라서 급전 패치(2)와 기생 패치(1)의 크기 비는 대략 1.1 ∼ 1.5 사이에서 결정하고, 급전 패치(2)와 기생 패치(3)의 비는 0.8 ∼ 1.1 정도에서 결정된다. 급전 패치(2)와 기생 패치(1)의 중심 간격은 대략 0.25λ₀∼ 0.35λ₀정도로 하고 급전 패치(2)와 기생 패치(3)의 중심 간격은 대략 0.2λ₀∼ 0.3λ₀정도로 한다. 이때 각 패치간의 간격(gap)은 유전체 기판(4)의 두께와 같거나 작은 값을 가지도록 하여 많은 양의 전자파 에너지가 결합될 수 있도록 한다. 기판 물질의 유전체 상수는 너무 낮으면 패치들의 크기가 커지게 되어 단일평면상에서는 각각의 패치들이 겹쳐질 수 있으므로 경우에 따라서는 제작될 수 없는 구조가 나오게된다. 또한 높은 유전율을 가지는 기판을 사용하게 되면 각 패치들의 크기가 작아지게 되고 패치간 간격이 커지게 되어 커플링이 거의 없어지게 되므로 일반적으로 기판의 유전율은 1.1< ε_r< 5 정도를 사용한다. 이 때 유전체 기판(4)의 유전율이 너무 낮아 단일 평면상에 설계가 불가능할 경우 도 5와 같이 다층 기판을 사용하여 급전 패치(2)와 기생 패치(1, 3)을 다층 기판 방사부의 임의의 층에 두어 설계한다. 방사부의 유전체 기판(4)을 두 개로 할 경우 윗면에 급전 패치(2)를 위치시키면 아랫면에 기생 패치(1, 3)를 위치시키고, 방사부의 유전체 기판(4)을 세 개로 할 경우는 각각의 패치들을 세 장의유전체 기판 중 서로 다른 층에 임의로 배열한다. 빔 틸팅 평판 안테나에서 빔 패턴과 빔 방향을 결정하는 중요 요소는 급전 패치(2)와 기생 패치(1, 3)의 크기, 간격, 유전체 두께와 유전 상수에 따른다.

도 6은 위에서 설명한 단일 또는 다층 기판에 세 가지 급전 방식을 이용한 빔 틸팅 평판 안테나의 빔이 틸팅 되는 방향과 모양이다.

도 7은 빔 틸팅 평판 안테나를 배열한 빔 틸팅 평판 배열 안테나이다. 위에서 설명한 빔 틸팅 평판 안테나를 기능 및 성능 그리고 설계 조건에 따라 원하는 이득을 얻을 수 있도록 N×M(N, M : 2ⁿ)으로 배열된 빔 틸팅 평판 배열 안테나를 설계한 것이다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 빔 틸팅 평판 안테나를 보다 가볍고 저가인 재질의 비닐론을 사용하여 제작하고 단일 층 또는 다층의 구조를 이용하여 각각의 패치를 같은 층이나 다른 층에 두어 서로의 커플링이나 중심간의 거리를 조절할 때 각각의 패치가 서로 겹쳐질 수 있도록 하여 제작상의 편의를 도모할 수 있게 하였다. 그리고 기능 및 성능 요구 사항에 맞는 급전 방법을 사용하여 원하는 이득을 위한 배열 구조로의 확장을 용이하게 하였으며, 45도의 빔 틸팅을 위하여 종래의 것보다 유도기가 하나 적어도 되므로 크기 또한 줄일 수 있는 마이크로스트립 야기 안테나를 제작할 수 있는 것이다

Claims (10)

1. 단일층 기판 구조로 형성된 급전 패치와 기생 패치를 포함하는 방사부와, 마이크로스트립 선로로 구성된 급전부와,

   슬롯을 포함하기도 하는 접지부와,

   소정의 유전율을 갖는 유전체 기판으로

   구성되는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
2. 다층 기판 구조로 형성된 급전 패치와 기생 패치를 포함하는 방사부와, 마이크로스트립 선로로 구성된 급전부와,

   슬롯을 포함하기도 하는 접지부와,

   소정의 유전율을 갖는 유전체 기판으로

   구성되는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 급전부는 제일 하부에 급전선이 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치하며, 그 위에 급전 패치에 급전을 위한 슬롯을 포함한 접지판이 위치한 후, 다시 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치하도록 구성되고, 최 상부에 급전 패치와 기생 패치를 포함하는 방사부가 위치하는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 급전부는 제일 하부에 접지부가 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치하며, 그 위에 급전 패치를 전자기적으로 급전 시켜주는 급전선이 위치한 후, 다시 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치하도록 구성되고, 최 상부에 급전 패치와 기생 패치를 포함하는 방사부가 위치하는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 급전부는 제일 하부에 접지판이 위치하고 그 위에 소정의 유전율을 갖는 유전체 기판이 위치한 후 최 상부에 급전 패치와 기생 패치를 포함하는 방사부에 급전선이 직접 붙는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 급전 패치의 대각선 끝 부분을 삼각형으로 잘라내어 원 편파를 만드는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 급전 패치의 안쪽에 대각선으로 슬롯을 내어 원 편파를 만드는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
8. 청구항 2에 있어서, 다층 기판 방사부의 급전 패치와 기생 패치가 상층과 하층에서 중첩되도록 설계하는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
9. 청구항 8에 있어서, 급전 패치와 기생 패치 각각이 다층 기판 방사부중 임의의 층에 놓이는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 안테나
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 빔 틸팅 평판 안테나 다수개가 N×M(N, M : 2ⁿ) 배열 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 빔 틸팅 평판 배열 안테나