KR20020023740A - Ｎｒｄ 가이드 회로 일체형 혼 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나를 제시하고자 한다. NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나는 NRD 가이드 회로를 구성하는 유전체 스트립을 혼 안테나의 도파기로 사용하며, 혼 안테나의 구조를 NRD 가이드 회로를 구성하는 상하 도체판 사이에서 구현하였다. 이 구조에서 기존의 로드 안테나에서와 기존의 혼 안테나와 같이 방사 패턴 및 안테나 이득 특성을 얻을 수 있으며, 숭/수신기와 혼 안테나를 별도로 제작하여 외부에 부착하는 방식보다 제조공정이 단순하고 제작이 간편하며 제조시 생산성 향상 및 제조 원가를 낮출 수 있으며, 기계적인 강도 및 외부 환경에 있어서 더욱 우수하고, 기밀성을 유지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

ＮＲＤ 가이드 회로 일체형 혼 안테나 {NRD Guide Horn Antenna Unified NRD Guide Circuit }

밀리미터파 집적회로로서 NRD 가이드(Non-Radiative Dielectric wave- Guide; 비방사성유전체도파관)가 저손실성과 비방사성 등의 이유로 주목 받고 있다.

NRD 가이드 회로는 상하도체판의 간격을 원하는 주파수에 대한 파장의 절반 이하로 유지하고, 상하도체판 사이에 상하도체판의 간격과 동일한 높이와 일정한 폭을 가지는 유전체 선로를 배치하여 NRD 가이드를 구성한다.

밀리미터파 대역에서 NRD 가이드 안테나는 일반적으로 선로와 정합성의 면에서 유리한 로드 안테나가 사용되어 왔다.

하지만, 지향성과 이득의 저하 및 외부환경에 의해 특성이 나빠지거나, 안테나가 외부에 돌출되어 있기 때문에 물리적인 힘에 의해 쉽게 파손될 우려가 있다. 또한, 외부로 돌출되어 기밀성의 유지가 어렵고, 별도로 제작하여 부착하기 때문에 제조 원가 상승 및 미관상 좋지 않다.

본 발명에서는 기존에 사용되는 밀리미터파 대역의 NRD 가이드의 로드 안테나가 가지는 낮은 급전손실 특성을 유지하면서 전기적 특성으로는 지향성을 가지며, 물리적으로는 외부 환경에 강하고 기계적이 강도를 가지는 NRD 가이드 일체형 혼 안테나를 구성하였다.

상하도체판이 NRD 가이드 회로의 평행 도체판 역할을 하고, 혼 안테나의 개구면이 형성될 수 있도록 하고 있다. 또한, NRD 가이드 회로의 유전체 스트립(3)이 전송선로 역할을 하고, 폭의 변화를 주어 혼 안테나의 도파기(4) 역할을 할 수 있도록 한다.

도 1: NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나 상위 도체판의 일부분을 잘라낸 사시도.

도 2: NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나를 각 부분별로 분리시켜 나타낸 사시도.

도 3: NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나를 수직으로 절단하여 나타낸 측면도.

도 4: NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나를 수평으로 절단하여 나타낸 평면도.

도 5: 도파기의 길이에 따른 VSWR 특성을 나타낸 그래프.

도 6: 혼 안테나의 급전면의 폭에 따른 VSWR 특성을 나타낸 그래프.

도 7: NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나의 E-평면 방사 패턴.

도 8: NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나의 H-평면 방사 패턴.

도 9: 주파수에 따른 지향성 과 개구면 효율 특성.

도 10 : E면과 H면에 대한 위상오차 변수에 따른 개구면 효율과 위상효율.

[도면의 주요 부분에 대한 부호 설명]

1: 상위 도체판 2: 하위 도체판

3: 유전체 스트립 4: 도파기

L: 혼 안테나 E-평면 개구면의 길이

W: 혼 안테나 H-평면 개구면의 길이

a: 유전체 스트립의 높이, 상하 도체판의 간격

b: 유전체 스트립의 폭 c: 혼 안테나 급전면의 폭

d: 도파기의 길이

본 발명에서는 NRD 가이드 회로와 혼 안테나가 하나의 모듈로서 구성될 수 있도록 하는 NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나를 제시하였다.

도 1은 본 발명에서 제시하는 NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나를 나타내고 있다. 상하가 평행한 도체판(1,2)으로 되어 있고, 그 사이에 유전체 스트립(3)이 삽입되어 있는 구조의 NRD 가이드 회로부와 NRD 가이드의 회로부와 동일한 도체판(1,2)을 혼 안테나의 도체판으로 사용되어진다. 또한 혼 안테나의 도파기(4)는 NRD 가이드 회로부에서 사용되는 유전체 스트립에 폭의 변화만 주어 그대로 사용하였다.

본 발명에서 실시한 예로 20dB의 이득(지향성)을 갖는 60GHz 대역 NRD 가이드 일체형 혼 안테나를 설계하였다. 또한, 도 10에서와 같이 원하는 효율을 얻기 위해 아래의 식을 통해 개구면의 크기를 L, W를 결정할 수 있었다.

여기서, R₀는 E와 H 평면의 중심에서의 혼 안테나 길이이다.

그 결과, 도 1에 표시된 L의 길이는 22mm 이고, W는 16mm 이다.

도 2는 도 1의 NRD 가이드 일체형 혼 안테나를 상위 도체판(1), 하위 도체판(2), 유전체 스트립(3), 도파기(4)로 분리하여 각 부분의 구조를 나타내고 있다. 사실상, 이러한 각 부분을 따로 설계·제작하여 조립함으로써 쉽게 구현할 수 있다.

도 3은 NRD 가이드 일체형 혼 안테나를 수직으로 절단한 측면도이다. 여기서 a는 유전체 스트립의 높이, 상하 도체판 사이의 간격, 혼 안테나의 급전면 높이를 동시에 나타내고 있다. 본 발명에서는 60GHz 대역에 대해서 실시한 예를 들어 설명하고자 하였기 때문에, a는 2.25mm의 값을 갖는다. 또한 유전체 스트립의 폭은 2.5mm이다.

도 3에 나타낸 도파기(4)는 혼 안테나의 이득, 지향성과 특히 효율적이 측면에서 상당히 중요한 인자가 된다. 따라서, 이러한 도파기(4)의 길이(d)에 따른 특성을 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타내고 있다.

도 5의 결과는 도파기(4)의 길이(d)에 따른 VSWR 특성을 나타내고 있다. 도파기(4)의 길이(d)가 약 4mm일 경우 VSWR 특성이 가장 좋게 나타났다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 도파기의 길이를 4mm로 하였다.

도 4는 NRD 가이드 일체형 혼 안테나를 수평으로 절단한 평면도이다. 여기서 b는 유전체 스트립(3)의 폭을 나타낸다. 또한, 도파기(4)의 급전면에서의 폭(b)과 같다.

도 4의 급전면은 유전체 스트립(3)과 도파기(4)가 접하는 면으로써 유전체 스트립(3)을 통해 전달된 밀리미터파가 도파기(4)로 전달되는 면이다. 이때, 급전면의 폭(c)는 급전손실에 영향을 줄 수 있다.

도 6은 급전면의 폭(c)의 변화에 따른 VSWR 특성을 나타낸 것이다. 여기서, 횡축의 급전면 폭(c)을 3mm부터 6.5mm까지 제한을 둔 것은, 3mm보다 폭(c)이 좁을 경우에는 NRD 가이드로 전달되는 밀리미터파가 LSM 모드이므로 근접한 도체면에 의해 많은 손실이 발생할 수 있기 때문이다. 또한 6.5mm까지 제한한 것은 사실상 혼 안테나가 상당히 커지게 된다. 따라서, 급전면 폭(c)에 제한을 두었다. 이러한 결과에 따라 60GHz 대역에서의 급전면 폭(c)은 5mm로 하였다.

상기의 실시예를 통한 NRD 가이드 일체형 혼 안테나의 방사 패턴을 측정한 결과 도 7과 도 8과 같이 나타났다. 그 결과 약 20dB의 이득을 얻고 지향성에서도 원하는 사양을 얻을 수 있었다.

또한, 혼 안테나는 효율의 측면에서 위상오차에 대한 영향을 생각해 볼 수 있다. 이것은 일반적인 개구면 안테나의 경우 주파수가 높아질수록 이득이 증가한다. 그러나, 도 9에서와 같이 높은 주파수에서는 포화상태(saturation)가 되어버린다. 이것은 위상오차가 증가함에 따라 개구면 효율이 감소하는 형태로 나타난다. 그리고, 위상오차가 π/8 = 22.5°이하가 되어야 한다. 본 발명의 혼 안테나는 그러한 위상오차의 범위를 만족하는 것으로 나타났다.

본 발명에서 제시된 NRD 가이드 일체형 혼 안테나는 외부환경에 대한 적응력이 높고, 물리적인 충격에도 강할 뿐만 아니라, 원하는 이득을 충분히 얻을 수 있었다. 또한, 제작 공정을 단순화하여 생산비 절감에도 큰 기대를 가질 수 있다.

Claims (3)

1. 밀리미터파 대역에서 사용되어지는 NRD 가이드용 안테나에 있어서,

   NRD 가이드 회로를 구성하는 상하 도체판의 내부면을 혼 안테나의 피라미드형 개구 형태로 가공하고,

   NRD 가이드 회로부의 유전체 스트립의 폭을 줄여 테퍼(Taper)형태로 만들어 도파기를 구성하고,

   이들을 결합하여 일체형으로 구성함으로써, 제조공정이 단순하고 제작이 간편하며 제조시 생산성 향상 및 제조 원가를 낮출 수 있으며, 부품 숫자를 줄여 고장 발생의 빈도를 낮출 수 있으며, 장시간 사용시 트겅 변화를 적게하며, 외부환경이나 물리적 충격에 우수하고 원하는 방사 패턴 및 안테나 이득 등의 안테나가 요구하는 특성을 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나.
2. 제 1항에 있어서,

   사용하고자 하는 주파수에 대한 파장의 절반 이하로 하여 NRD 가이드 회로를 구성하고, 혼 안테나의 경계면에서 차단특성을 없애기 위하여 급전면의 개구각을 넓혀 줌으로써 원하는 방사 패턴과 안테나 이득 등의 전기적 특성을 얻는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나.
3. 제 1항에 있어서,

   혼 안테나 표면에 Gold, Silver, Nickel 등을 이용하여 도금을 함으로써,

   NRD 가이드 회로 일체형 혼 안테나의 장시간 방치나 대기 오염에 의한 표면 부식을 방지하고, 내구성 및 전송 특성을 높이는 것을 특징으로 하는 NRD 가이드. 회로 일체형 혼 안테나.