KR20050075619A - 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립배열 안테나 구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 병렬급전방식과 직렬급전방식을 이용되도록 안테나 배열을 구성함은 물론, 그 안테나 배열에서의 안테나 빔을 기울이기 위하여 수직 요소의 위상차를 각각 상이하게 제공함으로써, 이득대역 및 정재파비의 효율을 향상시키도록 하는 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 병렬급전방식과 직렬급전방식이 사용되는 마이크로스트립 배열 안테나에 있어서, 하나의 입력단으로부터 급전라인을 매개하여 구비되는 출력단에는 마이크로스트립 라인이 구비되는 서브스트레이트 기판과 그 서브스트레이트 기판 하부에 캐비티가 소정 간격 이격 설치되는 방사소자로서의 복수개의 마이크로스트립 패치요소가 각각 장착되며, 상기 서브스트레이트 기판과 캐비티 상호간에 형성된 공기층은 εr이 1, 높이가 1mm로 형성되며, 상기 서브스트레이트 기판은 εr이 3.38, 높이는 0.2mm로 형성되고, 상기 마이크로스트립 패치 요소의 대역폭을 증가시키기 위하여 그 마이크로스트립 패치는 3mm의 높이를 가지며, 마이크로스트립 라인의 방사 누설을 감쇄시키기 위하여 마이크로스트립 라인은 1mm의 높이로 구성되며, 상기 마이크로스트립 패치요소에서 안테나 빔을 기울이기 위해서 수직 요소의 위상차가 각각 상이하게 제공된다.
Description
본 발명은 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적절한 병렬급전방식과 직렬급전방식이 제공되도록 안테나 배열을 구성하고, 다수층의 마이크로스트립 라인과 편향빔, 캐비티 마이크로스트립 패치를 사용함으로써, 고이득의 안테나 효율을 제공하기 위한 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 대략 5˚×15˚로 수직 편파된 팬 빔(fan beam)을 갖는 저자세(low profile)된 안테나는 11.7 - 12.7 GHz 주파수 대역을 사용하는 KU-Band에 이용되며, 안테나 주빔은 측면(broadside) 방향에서 약 15˚정도 편향각이 요구된다. 그러한 안테나의 물리적인 크기는 250*82mm 이다.
상기한 저자세 안테나로의 마이크로스트립 배열 안테나는 고주파수 대역에서 사용될 때 급전전송라인에서 손실이 발생되기 때문에, 상기 마이크로스트립 배열 안테나는 급전전송라인의 절연면 손실을 최소화할 뿐 아니라 상기 급전전송라인으로부터의 방사손실을 감소시킬수 있도록 직렬급전방식이 사용된다.
그러나, 상기한 직렬급전방식은 주파수 변경과 같이 안테나 주빔이 편향되는 문제가 있다. 이것은 입력 단에서 가까운 배열요소와 입력단에서 멀리 있는 배열요소의 주파수 변화에 다른 위상 변화의 기울기가 다르므로 중심주파수 이외의 주파수에서는 동위상이 되기 힘들어 좁은 대역폭 특성을 나타낸다.
즉, 완벽한 직렬급전방식은 안테나의 입력전원이 배열요소의 마지막부분에 그대로 나타나는 것이다. 배열의 마지막부분에서의 급전은 상기 주빔의 각이 직렬 급전 요소의 점진적인 위상 변화때문에 주파수가 변화된다.
또한, 상기 직렬급전방식에서 나타나는 좁은 대역폭 특성을 해결하기 위하여 병렬급전방식이 사용된다. 그 병렬급전방식은 입력단에서 모든 패치 요소로 도달하는 라인의 길이가 같기 때문에 주파수 변화에 대한 위상의 변화가 같으므로 넓은 대역폭 특성을 제공한다. 그러나 라인 길이가 길어지고 라인상의 전력분배기가 많아지는 단점이 있다.
따라서, 상기와 같이 주파수 변화와 마찬가지로 주 빔의 편향을 피하기 위해서는 병렬급전 방식과 직렬급전 방식이 조합된 안테나가 사용된다.
그러한 병렬급전방식과 직렬급전방식이 하나의 안테나 배열내에서 사용된다면 전술한 바와 같이 주파수 변경과 관련하여 안테나의 측면부분에서 발생되는 편향현상을 억제할 수 있게 되고, 전체 안테나 배열에 따라 조합된 빔은 그 측면방향에서 존재한다.
이에, 본 발명은 병렬급전방식과 직렬급전방식이 적절하게 제공되도록 안테나 배열 구성과, 다수층의 마이크로스트립 라인 및 편향빔과, 캐비티 마이크로스트립 패치를 사용하여 안테나 이득 대역폭을 향상시키도록 하는 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조는, 병렬급전방식과 직렬급전방식이 사용되는 마이크로스트립 배열 안테나에 있어서, 하나의 입력단으로부터 급전라인을 매개하여 구비되는 출력단에는 마이크로스트립 라인이 구비되는 서브스트레이트 기판과 그 서브스트레이트 기판 하부에 캐비티가 소정 간격 이격 설치되는 방사소자로서의 복수개의 마이크로스트립 패치요소가 각각 장착되며, 상기 서브스트레이트 기판과 캐비티 상호간에 형성된 공기층은 εr이 1, 높이가 1mm로 형성되며, 상기 서브스트레이트 기판은 εr이 3.38, 높이는 0.2mm로 형성되고, 상기 마이크로스트립 패치 요소의 대역폭을 증가시키기 위하여 그 마이크로스트립 패치는 3mm의 높이를 가지며, 마이크로스트립 라인의 방사 누설을 감쇄시키기 위하여 마이크로스트립 라인은 1mm의 높이로 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 마이크로스트립 패치요소에서 안테나 빔을 기울이기 위해서 수직 요소의 위상차가 각각 상이하게 제공되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나를 보인 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고이득 마이크로스트립 배열 안테나(100)는 7단계의 병렬 급전이 이루어지도록 구성되며, 하나의 입력단으로부터 마이크로스트립 라인(124)을 매개하여 모두 48개의 이상적인 정사각형상의 캐비티 마이크로스트립 패치요소(110)가 출력단에 장착된다.
상기 마이크로스트립 배열 안테나(100)의 구성은 12개의 캐비티 마이크로스트립 패치가 구비되어 각각 분할되어 4개의 서브배열(110)을 가지도록 한다.
즉, 하나의 서브배열(110)에는 12개의 캐비티 마이크로스트립 패치가 제공되며, 세 개의 병렬급전과 두 개의 직렬급전 방식이 구비되게 된다. 그러한 구성에 의하여 마이크로스트립 라인이 짧은 부분에서 이용되는 직렬급전방식에 따르면 좁은 대역폭 특성을 해결할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같은 구성의 고이득 마이크로스트립 배열 안테나는 12.35㎓ 대역에서 공진된다.
도 2는 도 1에 도시된 하나의 마이크로스트립 패치 요소를 보이고 있는 측면도이다.
도시된 바와 같이, 상기 마이크로스트립 패치 요소(120)는 상기 마이크로스트립 라인(124)이 형성되는 서브스트레이트 기판(122)과 그 하부에 형성되는 캐비티(126) 상호간의 공기층(128)은 εr=1, 높이는 1mm를 가지며, 상기 서브스트레이트 기판(122)은 εr= 3.38이고 높이는 0.2mm를 갖는다.
또한, 상기 마이크로스트립 패치 요소(120)들의 상호 간격에는 0.8 자유공간 파장이 제공되며, 그러한 마이크로스트립 패치 요소(120)가 방사소자로 사용된다.
그러한 방사요소로서 제공되는 마이크로스트립 패치 요소(120)의 대역폭을 증가시키기 위하여 그 마이크로스트립 패치(120)의 높이는 3mm로 하고, 마이크로스트립 라인)124)의 방사 누설을 감쇄시키기 위하여 마이크로스트립 라인(124)의 높이는 1mm로 정해진다.
도 3은 도 1의 1/2 서브배열에서 발생되는 임피던스 변환상태를 보인 도면이다.
이는 본 발명의 안테나 배열 구성중 6개의 마이크로스트립 패치 요소(120)가 구비되어 있는 1/2 서브배열을 나타내고 있으며, 고이득을 제공하기 위하여 일정한 전원 분배가 이루어진다.
상기 전원 분배는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 마이크로스트립 라인(124)의 각각에서 고유한 임피던스가 제공된다.
또한, 상기와 같은 배열구성에서 마이크로스트립 라인(124)의 정합부분에서는 임피던스 매칭이 이루어져야 한다. 안테나 빔(15˚)을 기울이기 위해서 수직 요소의 위상은 각각 0, 77.4, 154. 8, 232.2가 제공된다. 그와 같이 위상이 각각 다르면 즉 차이가 발생되면 후술하는 전압정재파비(VSWR)가 좋게 나타난다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라 E-Plane 과 H-Plane 에서 측정된 방사패턴을 보인 그래프이다.
도시된 바와 같이, 폭이좁은 곳에서의 빔폭은 5˚이고, 넓은 곳에서의 빔폭은 15˚이고 수직 빔의 경사앵글은 15˚이다.
그리고, 통상 병렬 급전방식을 사용하기 때문에 병렬급전부분의 정합부분에서는 전압정재파비(VSWR)가 증가되기 때문에 반향파가 생긴다. 그러나 상기 위상차가 제공되기 때문에 전압정재파비(VSWR)가 감소된다.
도 5는 본 발명에 따른 안테나 배열의 입력포트에서 측정된 입력 반사손실 대비 주파수 특성을 보인 그래프이다.
한편, 다음 [표 1]은 주파수 변화에 따른 이득, 빔폭, 편향각을 보이고 있다.
[표 1]
상기 [표 1]를 참조하면 중심 주파수에서는 안테나 피크 이득이 23.8dBi, 지향성은 24.44dBi, 입력포트의 반사손실은 20dB, 마이크로스트립 배열에서의 손실은 0.59dB로서 안테나 효율은 89.4%로 나타나며, 안테나 빔이 편향된 상태에서의 효율은 83.3%로 나타난다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조에 따르면, 병렬급전방식과 직렬급전방식이 적절하게 제공되도록 안테나 배열 구성과, 다수층의 마이크로스트립 라인 및 편향빔과, 캐비티 마이크로스트립 패치를 사용하며, 안테나 빔을 편향되도록 하기 위해 서로 다른 위상차가 제공됨으로써, 정재파비의 특성이나 이득 대역폭이 증대되어 안테나 효율이 향상되는 효과가 있다.
한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나를 보인 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 하나의 마이크로스트립 패치 요소를 보이고 있는 측면도,
도 3은 도 1의 1/2 서브배열에서 발생되는 임피던스 변환상태를 보인 도면,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라 E-Plane 과 H-Plane 에서 측정된 방사패턴을 보인 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 안테나 배열의 입력포트에서 측정된 입력 반사손실 대비 주파수 특성을 보인 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
120 : 마이크로스트립 패치 요소, 122 : 서브 스트레이트 기판,
124 : 마이크로스트립 라인, 126 : 캐비티,
128 : 공기층.
Claims (4)
- 병렬급전방식과 직렬급전방식이 사용되는 마이크로스트립 배열 안테나에 있어서,하나의 입력단으로부터 급전라인을 매개하여 구비되는 출력단에는 마이크로스트립 라인이 구비되는 서브스트레이트 기판과 그 서브스트레이트 기판 하부에 캐비티가 소정 간격 이격 설치되는 방사소자로서의 복수개의 마이크로스트립 패치요소가 각각 장착되며,상기 서브스트레이트 기판과 캐비티 상호간에 형성된 공기층은 εr이 1, 높이가 1mm로 형성되며, 상기 서브스트레이트 기판은 εr이 3.38, 높이는 0.2mm로 형성되고,상기 마이크로스트립 패치 요소의 대역폭을 증가시키기 위하여 그 마이크로스트립 패치는 3mm의 높이를 가지며, 마이크로스트립 라인의 방사 누설을 감쇄시키기 위하여 마이크로스트립 라인은 1mm의 높이로 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조.
- 제 1항에 있어서,상기 마이크로스트립 패치요소는 각 12개의 패치요소가 구비되는 4개의 서브배열로 이루어지며, 세 개의 병렬급전과 두 개의 직렬급전 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조.
- 제 1항에 있어서,상기 하나의 입력단으로부터 출력단에 구비되는 마이크로스트립 패치 요소를 연결하는 마이크로스트립 라인은 고유 임피던스가 제공되고, 그 마이크로스트립 라인의 정합부분에서는 임피던스 매칭이 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조.
- 제 1항에 있어서,상기 마이크로스트립 패치요소에서 안테나 빔을 기울이기 위해서 수직 요소의 위상차가 각각 상이하게 제공되는 것을 특징으로 하는 병렬 및 직렬 급전 방식을 이용한 고이득 마이크로스트립 배열 안테나 구조.
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