KR20020020659A - 방향성 결합기, 안테나 장치 및 레이더 시스템 - Google Patents

Abstract

실질적으로 상호 평행하게 위치한 평평한 도체면들 사이의 유전체 조각에 의해 형성되고, 2개의 비 복사성 유전체 선로들을 포함하는 방향성 결합기는, 그러한 2개의 비 복사성 유전체 선로들은 서로 근접해 있다. 사용 주파수에서 전자기파의 주 송신 방식은 LSE방식이고, 전자기파들은 비 복사성 유전체 선로들안에서 전파된다. 그래서, 방향성 결합기를 형성하는 결합부의 제 1선로와 제 2선로에서 모드 스위칭(mode switching)에 의한 삽입손실을 줄일 수 있고, 방향성 결합기의 제 1선로와 제 2선로가 서로 분리될 때, 방향성 결합기의 제 1선로와 제 2선로 사이의 틈새로부터 전자기파의 누출을 억제할 수 있다.

Description

방향성 결합기, 안테나 장치 및 레이더 시스템{Directional coupler, antenna device, and radar system}

본 발명은 송신로로써 유전체 선로들을 이용한 방향성 결합기, 방향성 결합기를 포함하는 안테나 장치 및 안테나 장치를 포함하는 레이더 시스템에 관련된 것이다.

송신로로써 유전체 선로를 사용하는 방향성 결합기는 일본 특허공개공보 제 8-8621호와 제 10-200331호에 개시되어 있다.

일본 특허공개공보 제 8-8621호는 비 복사성 유전체 도파관(이하,"NRD guide"라 한다)을 사용하는 방향성 결합기에 관련된 것이다. 싱글 NRD guide에서 이것의 낮은 전송손실 때문에, LSM 방식은 방향성 결합기의 결합부에서 송신방식으로 사용된다. 휜 부는 낮은 손실을 제공하기 위해 여러개의 이산값들 중 하나의 곡률의 반지름을 갖는다. 방향성 결합기는 LSM방식과 LSE방식 모두에서 전자기파를 전파하는데 적합하다. 따라서, 모드 스위칭이 방향성 결합 부분에서 발생되기 쉽다는 문제가 발생되고, 주파수특성에 대해 삽입손실에서 리플이 발생한다.

일본 특허공개공보 제 10-200331호는 2차선로가 빔 스캐닝(beam scanning)을 얻기 위해 1차선로에 평행하게 이동하는 전송선로로써 유전체 선로들을 사용하는 방향성 결합기를 포함하는 안테나 장치를 안내한다. 방향성 결합기의 두개의 선로들 사이의 틈새는 초크(choke)를 형성하고, 그것에 의해 새기 쉬운 전파손실을 막아준다. 그러나, 방향성 결합기가 LSM방식과 LSE방식에서 전자기파를 전파하는데 적합할 때, 일본 특허공개공보 제 8-8621호에 개시된 방향성 결합기와 같이, 손실은 모드 스위칭으로부터 발생한다. 만약 전자기파가 제 1방식으로서 단지 LSM01방식으로만 전파된다면, 1차선로와 2차선로 사이의 틈새로부터 전자기파가 새기 쉽다는 점과, 삽입손실의 증가도 가능하다는 점의 문제들이 있다.

따라서, 본 발명은 방향성 결합기를 형성하는 1차 선로와 2차 선로의 결합부의 모드 스위칭에 의한 삽입손실이 증가하는 문제점을 해결하고, 휜 부에서 디자인 유연성(design flexibility)을 향상시키고, 1차 선로와 2차 선로가 상호 분리될 때, 방향성 결합기의 1차 선로와 2차 선로 사이의 틈새로부터 전자기파의 누출을 억제하는 소형화 된 방향성 결합기를 제공한다.

본 발명은 낮은 손실을 갖고 높은 비율의 빔 스캐닝을 얻는 소형화 된 방향성 결합기를 포함하는 소형화 된 안테나 장치를 더 제공하고, 안테나 장치를 사용하고 높은 탐지 능력을 갖는 소형화 된 레이더 시스템을 더 제공한다.

도 1은 방향성 결합기의 상위 도체판을 제거한, 본 발명의 제 1실시형태에 따른 방향성 결합기의 투시도;

도 2a와 도 2b는 각각 도 1에서 나타낸 방향성 결합기의 결합된 2개 선로 모델의 윗면과 단면을 나타낸 투시도;

도 3a와 도 3b는 2개 선로 모델의 특성의 실시예를 보여주는 그래프;

도 4a와 도 4b는 각각 본 발명의 제 2실시형태에 따른 방향성 결합기의 투시도와 단면도;

도 5는 도 4에서 나타낸 방향성 결합기의 메인부에서 자계장 분포의 실시예를 나타낸 개요도;

도 6은 비교 실시예로써 방향성 결합기의 메인부에서 전기장 분포의 실시예를 나타낸 개요도;

도 7은 비교 실시예로써 방향성 결합기의 메인부에서 자계장 분포의 실시예를 나타낸 개요도;

도 8은 본 발명의 제 3실시형태에 따른 안테나 장치의 윗면을 나타낸 투시도; 및

도 9는 본 발명의 제 4실시형태에 따른 레이더 시스템의 블럭 선도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 2, 11, 12: 도체판

3, 4: 유전체 조각

5, 6: 금속판

7: 초크 홈

8: 제 1에미터

9: 유전체 렌즈

이러한 목적을 위해, 방향성 결합기는 2개의 비 복사성 유전체 선로들을 포함하고, 각각의 선로는 실질적으로 상호 평평하게 위치한 도체면들을 갖고, 각각의 선로사이에 유전체 조각이 배열되고, 유전체 조각들의 최소한 부들이 근접하고 상호 평행하게 펼쳐지는 것을 위해 2개의 비 복사성 유전체 선로는 상호 결합을 한다. 사용 주파수에서 전자기파의 주 송신방식은 LSE방식이고, 전자기파는 비 복사성 유전 선로들에서 전파된다. LSE방식은 주요 송신방식으로 사용되고, 그것에 의해 낮은 손실을 유지하고 소형화 된 방향성 결합기를 구현한다.

바람직하게는, 유전체 조각들의 절단면 방향과 평평한 도체판 사이의 공간은 사용 주파수에서 전자기파가 LSE방식의 비 복사성 유전체 선로들에서만 전파될 수 있도록 정의된다. 그래서, 휜 부에서 LSE방식과 LSM방식 사이의 모드 스위칭에 의한 손실이 억제될 수 있다.

방향성 결합기를 형성하는 2개의 비 복사성 유전 선로들은 2개의 유전체 조각의 종축 방향을 따라 펼쳐진 분리면에 의해 분리 가능하고, 각각에 대해 상대적으로 이동하기 위해 유전체 조각의 종축방향에 배열될 것이다. 그래서, 2개의 비 복사성 유전 선로는 상호 결합을 이루는 동안 각각 상대적으로 이동이 가능하고, 그에 따라 분리면 들로부터 전자기파의 누출됨에 의한 손실을 억제할 수 있다.

2개의 비 복사성 유전 선로들의 각각은 유전체 조각을 고정시키는 도체판들을 포함하고, 비 복사성 유전체 도체판들의 분리면들에 일치하는 도체판의 반대면들은 그 안에 형성된 초크 홈들을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 LSE방식에서 전자기파의 누출을 도체판들의 반대면 사이의 틈새로부터 확실히 억제한다.

본 발명의 다른 관점에서, 안테나 장치는 상호 분리된 방향성 결합기의 2개의 비 복사성 유전체 선로들의 하나와 연결된 제 1에미터와, 실질적으로 제 1에미터에 초점을 맞춘 유전체 렌즈를 포함한다. 그래서, 제 1에미터는 2개의 비 복사성 유전체 선로들이 방향성 결합부에서 각각 이동될 때, 유전체 렌즈를 고려하여 상대적 이동이 가능하고, 그것에 의해 높은 비율의 빔 스캐닝을 얻는다.

본 발명의 또 다른 관점에서, 레이더 시스템은 전자기파를 송/수신하는 기계를 포함하고, 기계는 전술한 안테나 장치를 포함한다. 따라서, 전체 레이더 시스템은 작고 가벼운 방향성 결합기를 포함하는 안테나 장치를 포함하기 때문에 소형화 되고, 높은 비율의 빔 스캐닝을 만들 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 결부된 본 발명의 바람직한 실시형태의 상세한 설명으로부터 명확해 질 수 있다.

( 본 발명의 바람직한 실시형태 )

본 발명의 제 1실시형태에 따른 방향성 결합기는 도 1∼ 도 3b를 참조하여 서술된다.

도 1은 방향성 결합기의 상위 도체면을 제거한, 방향성 결합기의 사시도이다. 도 1에서, 방향성 결합기는 하위 도체성 평판(1), PTFE (polytetrafluoroethylene)와 같은 재료를 절단하여 만든 유전체 조각들(3,4)을 포함한다. 방향성 결합기는 상/하위 도체판들(1,2)사이에 유전체 조각들(3,4)를 끼울수 있게 하위 도체판(1)에 평행하게 배열된 상위 도체판(2; 도 2b 참조)을 또한 포함한다.

도 1에서, 유전체 조각(3)은 결합 틈새 G의 근접한 공간이 있는 동안, 평행한 방향으로 가로질러 유전체 조각(4)의 곧은 부로부터 길이 L로 평행하게 펼쳐지기 위해, 곧은 부와 휜 부를 갖는다.

도 2a와 도 2b는, 도 1에서 보여진 방향성 결합기의 방향성 결합부와 실질적으로 일치하는 전형적인 결합된 2개의 선로 모델을 나타낸다. 도 2a는 유전체 조각들(3, 4)의 평면도이고, 도 2b는 유전체 조각들(3, 4)의 축에 수직인 면에 따른 유전체 조각들(3, 4)의 단면도이다. 도 2a와 도 2b에서, 2개의 결합된 선로의 결합 길이는 L로, 상위와 하위 도체판들(1,2)사이의 공간은 h로, 유전체 조각들(3,4)의 너비는 a로, 그리고 결합 틈새는 G로 표시된다. 이 도면에서 G= 0.4mm이고 h= 1.8mm이다.

도 3a와 도 3b는, 도 2a와 도 2b에서 보여진 모델의 송신 방식으로써, LSM방식과 LSE방식의 특징을 나타낸다. 도 3a는 유전체 조각들(3,4)의 폭 a가 변할때, 0dB의 결합량에 대한 결합 길이 L의 특성을 나타낸다. 도 3b는 너비 a가 변하는 동안 송신 손실의 특성을 나타낸다.

도 3b에서 처럼, LSM방식에서 전기장 결합을 사용하는 방향성 결합기가 형성되었을때, 최소 전송 손실값을 제공하는 최적 선로 너비 a는 2.0mm이고, LSE방식에서 자계장 결합을 사용하는 방향성 결합기가 형성되었을때, 최소 전송 손실값을 제공하는 최적 선로 너비 a는 1.5mm이다. 도 3a에서 처럼, LSM방식에서 전기장 결합을 사용하는 방향성 결합기의 최소 삽입 손실을 제공하는 결합길이는 9.2mm이고, LSE방식에서 자계장 결합을 사용하는 방향성 결합기의 최소 삽입 손실을 제공하는 결합길이는 6.5mm이다.

전형적으로, 싱글 NRD guide에서, LSM방식에서의 송신손실보다 LSE방식에서의 송신손실이 더 낮기 때문에, LSE방식이 부적당한 방식일 동안 사용하는 송신방식은 LSM방식이다. 그러나, 도 3b에서 처럼, 방향성 결합기는 LSM방식과 LSE방식의 전송손실에서 실질적으로 차이점이 없다. 또한, 방향성 결합기의 결합길이는 LSM방식이 사용될 때 보다 LSE방식이 사용될 때가 더 짧게 될 수 있다. 게다가, LSE방식의 자계장 결합을 사용하는 방향성 결합기는 최적 결합 길이 (a= 1.5mm)를 제공하고, 도 3b에서와 같이 송신이 LSE방식에서만 실질적으로 구현될 때, 실질적으로 LSM방식은 차단된다. 도 3b에서와 같이, 범위 A(a가 대략 1.25∼1.5mm인 범위)는 LSE방식 전용 송신범위를 나타낸다. 반대로, LSM방식이 부적당한 방식이고, 그러한 부적당한 방식에서의 결합은 방지된다.

본 발명의 제 2실시형태에 따른 방향성 결합기는 도 4a∼도 7을 참조하여 서술된다.

도 4a는 방향성 결합기의 결합된 2개의 선로 부의 사시도이고, 도 4b는 유전체 조각들(3,4)의 축에 수직으로 면을 따라 결합된 2개의 선로 부의 단면도이다. 도 4a와 도 4b에서, 금속으로 만들어진 블럭 모양의 도체판들(5,6)은 상호 평행하게 위치한 평평한 도체면을 제공하기 위해 각각 그 안에 메인 홈을 갖고, 유전체 조각들(3,4)는 각각 메인 홈에서 수신된다. 블럭 모양의 금속판(5)과 유전체조각(3)은 NRD guide를 형성하고, 블럭 모양의 금속판(6)과 유전체 조각(4)은 다른 NRD guide를 형성한다. 본 발명대로, 블럭 모양의 금속판들(5,6)의 반대면은 "비 복사성 유전체 선로의 분리면"에 부합한다. 블럭 모양의 금속판(5)의 분리면은 분리면에 수직인 깊이 방향으로 연장하기 위해서, 그 안에 형성된 초크 홈들(7)을 갖는다. 그 위치와 초크 홈들(7)의 깊이는, 단락회로가 실질적으로 유전체 조각(3)의 상/하위면들에 접촉하게 하는 평평한 도체면들과 떨어진 송신파의 반파장(half wavelength)의 정수 배수(intergral multiple)에 위치하는 곳에 발생하기 위해 정의된다. 설명에서, 사용 주파수는 76.5GHz이고 방향성 결합기는 LSE방식에서 자계결합을 사용하는 경우 도 4b의 구성요소의 치수는 mm이다.

도 6과 도 7은 LSM방식에서 전기장 결합을 사용하는 종래의 방향성 결합기의 분리면들에서 전자기파가 어떻게 누출되는지를 나타낸다. 도 6은 전기장의 분포를 나타내고 도 7은 자계장의 분포를 나타낸다. 도 6과 도 7에서 이해될 수 있듯이, LSM방식에서 전기장 결합을 사용하는 방향성 결합기의 도체는 전류가 흐르는 방향에 수직으로 분리면들에 의해 나누어 지고, 전류가 분리면들에 의해 차단되며 그것에 의해 전자기파의 많은 양이 누출된다. 종래에는, 홈들(7)이 도체의 분리면으로부터 전자기파의 누출을 억제하기 위해 초크로써 사용되었다. 그러나, 약 0.2∼0.3dB의 손실은 피할수 없다.

도 5는 방향성 결합기가 LSE방식에서 자계장 결합을 사용할 때의 자계장 분포를 나타낸다. LSE방식에서 자계장 결합을 사용하는 방향성 결합기의 도체는 전류가 흐르는 방향에 평행하게 분리된다. 도체의 분리에 의해 덜 영향을 받고, 그것에의해 전자기파의 누출이 상당하게 줄어드는 것을 야기한다. 그래서, 비록 초크가 없더라도, 방향성 결합기를 형성하는 분리된 2개의 NRD guides에 의한 손실은 실질적으로 줄어든다. 초크는 누출 손실을 더욱 줄인다.

이론적으로, 2개의 NRD guides의 분리면들 사이로 틈새가 발생되면, NRD guides는 비대칭이 되고, 부적당한 방식(LSM 방식)에서 발생하는 결합의 결과를 야기한다. 그러나, 제 2실시형태에 따른 NRD guides는 LSE방식 전용 송신을 이용하고, 부적당한 방식에서의 적은 결합과 모드 스위칭에 기인한 적은 손실을 이끈다.

본 발명의 제 3실시형태에 따른 안테나 장치는 도 8을 참조하여 설명된다.

도 8은 안테나 장치로부터 상위 도체판을 제거한 안테나 장치의 평면도이다. 안테나 장치는 하위 도체판들(11,12)을 포함하고, 유전체 조각들(3,4)은 각각 하위 도체판들(11,12)위에 형성되며, 상위 도체판들(도시하지 않음)은 각각 2개의 NRD guides을 형성하기 위해 유전체 조각들(3,4)위에 위치한다. 2개의 선로들은 유전체 조각들(3,4)이 서로 평행하고 근접하게 뻗는 부분에서 결합되어 방향성 결합기를 제공한다.

유전체 공진기를 포함하는 제 1에미터(8)는 유전체 조각(4)의 한쪽 끝에 배열되고, 상위 도체판은 그 안에 형성된 구멍을 통해 거기에 수직방향으로 전자기파가 방출되고 투사되는 개구부를 갖는 유전체 조각(4)위에 놓인다. 실질적으로 제 1에미터(8)에 초점이 맞춰진 유전체 렌즈(9)가 더 제공된다.

도 8에서, 하위 도체판(12), 그와 결합된 상위 도체판 및 그 사이에 형성된 유전체 조각(4)으로 구성되는 NRD guide 및 제 1에미터(8)는 가동 장치 안에 위치하고, 반면에 하위 도체판(11), 그와 결합된 상위 도체판 및 그 사이에 형성되는 유전체 조각(3)으로 구성되는 다른 NRD guide가 고정 장치 안에 위치한다. 유전체 렌즈(9) 또한 고정된다. 도 8에서 화살표로 가리킨 방향으로 가동 장치가 움직임에 따라, 유전체 렌즈(9)에 관해 제 1에미터(8)의 상대 부는 이동되어 빔 스캐닝이 수행된다. 구체적으로, 전송되는 동안, 무선주파수(RF)회로로부터 전송되는 LSE방식의 전자기파는 방향성 결합기를 거쳐 제 1에미터(8)로 유도되고, 전자기파는 유전체 렌즈들(9)을 거쳐 도면의 평면에 직각방향으로 방출된다. 전자기파가 반대방향으로 투사될때, 수신신호는 제 1에미터(8)를 거쳐 가동 장치에서 NRD guide의 LSE방식으로 전자기파들이 전파되는 것을 허용하고, 방향성 결합부를 거쳐 고정 장치에서 NRD guide의 LSE방식으로 전자기파들이 전파되는 것을 허용한다. 그래서 수신신호는 RF회로로 송신된다.

본 발명의 제 4실시형태에 따른 레이더 시스템은 도 9를 참조하여 설명된다.

도 9에서, 레이더 시스템은 건 다이오드, 버렉터 다이오드 및 그와 같은 것을 포함하는 전압 제어 발진기(VCO; 20), VCO(20)로부터 다시 보내지는 반사신호를 막아주는 절연체(21), 자국신호로써 송신신호의 부분을 추출하는 NRD guides를 갖는 방향성 결합기(22), 안테나(24)의 제 1에미터(8)에 송신신호를 공급하고 수신신호를 믹서(25)에 송신하는 써큘레이터(23)를 포함한다. 믹서(25)는 수신신호와 자국신호를 결합하여 중간 주파수 신호를 출력한다. IF증폭기(26)는 중간 주파수 신호를 증폭하고, 결과신호를 신호처리회로(27)로 IF신호로써 출력한다. 신호처리신호(27)는 목표까지의 거리 및 수신신호와 VCO(20)의 변조신호사이의 관계에 기반을둔 목표를 고려한 상대속도를 결정한다.

도 8의 안테나 장치는 써큘레이터(23)와 제 1에미터(8) 사이에서 이용된다. 비록, 본 발명의 특별한 실시형태에 대해서 전술하였지만, 다른 다양한 변형과 수정 및 사용은 관련 분야의 관련 기술에서 나타날 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상기의 특정 설명에 의해서 제한두지 않는다.

전술한 것과 같이, 안테나 장치의 방향성 결합부의 결합길이 L은 종래의 구조를 가진 방향성 결합기의 경우보다 더 짧아질 수 있고, 그것에 의해 가동 장치를 작고 가볍게 만든다. 이것은 가동 장치를 구동하기 위한 선형 구동기에 부과된 부하를 줄여서 신뢰도를 향상시킨다. 부하인 가동 장치가 더 가벼울수록 선형 구동기는 더욱 소형화되고, 그것에 의해 소형화 된 안테나 장치를 만들고, 따라서 전체 레이더 시스템이 소형화 된다. 같은 이유에서, 가능한 빔 스캐닝 비율이 높아질수록, 목표값의 인식과 목표값까지의 거리탐지 및 목표값을 고려한 상대속도는 더 넓은 빔 스캐닝 범위에서 좁은 기간에 걸쳐 수행이 가능하다.

Claims (11)

1. 실질적으로, 서로 평행하게 위치한 한쌍의 평평한 도체면들을 각각 포함하는 2개의 비 복사성 유전체 선로들, 그 사이에 배열된 유전체 조각; 을 포함하고,

   상기 2개의 비 복사성 선로들은, 서로 가깝게 위치한 유전체 조각들의 최소한 부들에 의해 각각 쌍을 이루고, 상호 평행하게 펼쳐지고, 상기 사용 주파수에서 비 복사성 유전체 선로에서 전파되는 전자기파들의 주 송신 방식이 LSE방식인 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 사용 주파수에서 전자기파는 LSE방식의 비 복사성 유전체 선로들에서만 전파되는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 2개의 비 복사성 유전체 선로들은 상호 유전체 조각의 종축 방향을 고려하여, 상대적으로 이동되는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 한 쌍의 평평한 도체면들은 분리면을 형성하기 위해 상기 2개의 비 복사성 유전체 선로들사이의 위치에서 나눠지고, 상기 분리면은 2개의 유전체 조각의 종축 방향을 따라 펼쳐진 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
5. 제 4항에 있어서, 상기 상호 평행하게 위치한 평평한 도체면들은 유전체 조각들을 갖는 도체판들을 포함하고, 도체판들의 반대면은 상기 2개의 비 복사성 유전체 선로들의 분리면과 일치하고, 반대면은 그 안에 초크 홈들을 갖는 것을 특징으로 하는 방향성 결합기.
6. 제 3항에서의 방향성 결합기;

   상기 방향성 결합기에서 비 복사성 유전체 선로들의 하나와 연결된 제 1에미터(emitter); 및

   상기 제 1에미터에 실질적으로 초점이 맞춰진 유전체 렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
7. 전자기파를 송/수신하는 기계를 포함하고, 상기 전자기파를 송/수신하는 기계와 연결되는 제 6항에서의 안테나 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
8. 제 4항에서의 방향성 결합기;

   상기 방향성 결합기에서 비 복사성 유전체 선로들의 하나와 연결된 제 1에미터(emitter); 및

   상기 제 1에미터에 실질적으로 초점이 맞춰진 유전체 렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
9. 전자기파를 송/수신하는 기계를 포함하고, 상기 전자기파를 송/수신하는 기계와 연결되는 제 8항에서의 안테나 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.
10. 제 5항에서의 방향성 결합기;

    상기 방향성 결합기에서 비 복사성 유전체 선로들의 하나와 연결된 제 1에미터(emitter); 및

    상기 제 1에미터에 실질적으로 초점이 맞춰진 유전체 렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
11. 전자기파를 송/수신하는 기계를 포함하고, 상기 전자기파를 송/수신하는 기계와 연결되는 제 10항에서의 안테나 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 시스템.