KR20090003369A - 슬롯 커플링형 편광 방사기 - Google Patents

슬롯 커플링형 편광 방사기 Download PDF

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KR20090003369A
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안젤로 엠 푸젤라
페르난도 벨트란
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레이티언 캄파니
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Abstract

방사기는 개구와 개구에 배치된 패치 안테나를 갖는 도파관을 구비한다. 일실시예에서, 안테나는 도파관 안테나 소자들의 어레이를 포함하며, 각 소자는 공동을 가지며, 패치 안테나 소자들의 어레이는 상부 패치 소자 및 공동에 배치되는 하부 패치 소자를 구비한다.
패치 안테나, 방사기, 패치 소자, 도파관

Description

슬롯 커플링형 편광 방사기{SLOT COUPLED, POLARIZED RADIATOR}
본 발명은 일반적으로 무선주파수(RF) 안테나에 관한 것으로, 더 자세하게는 무선주파수 어레이 안테나에 관한 것이다.
당해 기술분야에 공지된 바와 같이, 레이다 또는 통신 시스템 안테나는 일반적으로 급전회로 및 통상 반사기(reflector) 또는 방사기(radiator)라고 불리는 적어도 하나의 도전성 부재를 포함한다. 또한, 공지된 바와 같이, 어레이 안테나는 복수의 안테나 소자들 각각으로부터 발산하는 RF 신호들이 원하는 방향으로 보강간섭하는 방식의, 어레이로 배치된 복수의 안테나 소자들을 포함한다.
상용에 있어서, 종종 항공기, 차량, 선박, 상용 및 거주용 구조물의 외면 및 건물 내부의 무선 LAN 어플리캐이션으로 RF 안테나 어레이를 집적시키는 것이 바람직하다. 이러한 기타 응용분야에 대하여는, 낮은 프로파일 및 광 대역폭 주파수 응답을 갖는 안테나 또는 방사기를 사용하는 것이 바람직하다.
레이다 응용분야에 있어서, 일반적으로 넓은 주파수 대역폭을 갖는 안테나를 사용하는 것이 바람직하다. 종래의 낮은 프로파일의 광대역 방사기는, 두 개의 금속성 패치를 포함하며, 다소 다른 주파수에서 공진하도록 튜닝되며, 유전 기판으로 지지되는 적층형 패치(stacked-patch) 안테나였다. 대역폭을 증가시키기 위해서는 보다 두꺼운 기판(예컨대, 발포체(foams))가 바람직하지만, 대역폭과 기판사이에 포획되는 표면파들에게 빼앗기는 전력량 사이에 트레이드-오프 관계가 있다. 이러한 트레이드-오프 관계는 위상배열(phased-array)의 전체적인 효율과 스캔 용적(scan volume)에 대하여 제한을 가하게 된다. 또한, 두꺼운 발포체는 용적과 무게를 증가시키고, 신호 손실을 증가시키는 수분을 흡수한다.
적층형 패치 방사기들에서 생성되는 표면파들은 바람직하지 않은 효과들을 준다. 패치 근처로부터 방출되는 표면파들과 공간파들로 인하여 패치상에 전류가 유도된다. 전력의 방출이 거의 또는 전혀 없도록 표면파들이 어레이 임피던스를 변화시키는 위상배열상의 각도들에서 스캔 불가지역(scan blindness)(신호손실을 의미함)이 발생할 수 있다. 표면파들로 인하여 스캔 불가지역이 발생하는 각도에 의해 종종 어레이 시야각(field-of-view)이 제한된다.
벽돌형(brick type) 위상배열 배치(즉, 급전회로 및 각 안테나 소자용 전자소자들이 안테나 방출표면과 평행한 평면상에 조립됨)에 사용되는 도파관 방사기들은 스캔 용적을 제한하는 스캔 각도들에서 내부 표면파가 여기되지는 않지만, 이러한 도파관 방사기들은 일반적으로 낮은 프로파일 또는 광대역 성능을 갖지는 않는다. 또한, 개별 도파관 방사기들은 벽돌형 구조로 제조 및 조립되어야 하므로, 비용을 증가시키고 신뢰도를 감소시킨다.
따라서, 육해공 또는 공중수송의 플랫폼 응용분야에 사용될 수 있는 타일 기반(tile-based) 또는 벽돌기반의 어레이 배치에 사용될 수 있는, 광 대역폭 및 높 은 스캔용적을 갖는 저비용과 낮은 프로파일을 갖는 방사기를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 적층형 패치 안테나에서 통상 발견되는 원치않는 표면파 효과 없이, 모든 급전 회로망들 및 능동 전자소자들이 각 안테나 소자의 단위셀 경계 내에서 수직적으로 축적되는, 저 비용, 광 대역폭의 선형 또는 원형 편광된 타일배열의 도파관 방사기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 직사각형, 정사각형, 정삼각형 또는 이등변 삼각형, 및 나선형 형상 등의 임의의 격자 배치를 취할 수 있는 방사기를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 기설정된 주파수대역에서 무선주파수(RF) 신호에 응답하는 방사기에 있어서, 상기 방사기는, 측벽들에 의해 정의되는 도파관과, 상기 도파관에 위치하는 패치 안테나와, 상기 도파관과 전기적으로 커플되며, 상기 도파관을 사이에 두고 상기 패치 안테나와 마주보도록 형성된 급전 회로와, 상기 도파관과 전기적인 신호들을 제공하기 위해 적어도 하나의 슬롯을 가지며, 상기 급전 회로과 상기 도파관 사이에 위치하는 슬롯층을 포함하며, 상기 전체 급전 회로는 상기 측벽들 및 적어도 하나의 슬롯들 각각과 상기 도파관 및 상기 패치 안테나가 대칭적으로 위치하는 경계선에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 패치 안테나는 기판 또는 패치 캐리어 상에 배치된 복수의 패치 안테나 소자들과, 상기 복수의 패치 안테나 각각은 상기 측벽들 사이에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 도파관 개구에 근접하게 배치된 패치 안테나 지지층을 더 구비하고 상기 패치 안테나는 상기 지지층에 의해 지지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패치 안테나 지지층은 유전체인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 적어도 하나의 슬롯은 비공진성인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 적어도 하나의 슬롯은 λ/2 미만인 길이를 가지며, λ는 상기 방사기에서 방사되는 자유공간 파장인을 특징으로 한다.
또한, 상기 급전회로는 스트립라인 전송선로층 및 접지면층을 구비하며, 상기 스트립라인 전송선로층은 상기 접지면층 보다 상기 적어도 하나의 슬롯에 더 가깝게 위치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 급전 회로는 복수의 평형 급전기 단위셀들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복수의 평형 급전기 단위셀들 각각은 상기 4개의 독립적 비대칭인 스트립라인 급전기들이 형성되며, 각각은 상기 스트립라인 급전기들의 사위에 위치되는 비공진 슬롯을 각각 급전시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스트립라인 급전기는 해당 전송선로 스터브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 평형급전기 단위셀 내에서 각 스트립라인 급전기에 인접하게 배치되며, 도금된 스루홀들로 형성된 모드억제 포스트들이 포함되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 평형급전기 단위셀 내에서 스트립라인 급전기 각각을 격리시키며, 각 평형급전기 단위셀은 다른 평형급전기 단위셀들로부터 격리되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 도파관은 알루미늄인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 도파관은 금속층으로 코팅된 사출성형 재료인 것을 특징으로 한다.
또한, 제2 패치 안테나를 더 구비하며, 상기 패치 안테나와 제2 패치 안테나 중 적어도 하나는 제1 주파수에서 공진하며, 상기 패치 안테나와 제2 패치 안테나 중 적어도 다른 하나는 다른 제2 주파수에서 공진하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 도파관을 기준으로 상기 패치 안테나의 반대편에 배치되며, 제2 개구를 갖는 제2 도파관; 및 상기 제2 개구에 배치된 제2 패치 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패치 안테나는 제1 주파수에 공진하며, 상기 제2 패치 안테나는 다른 제2 주파수에서 공진하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 패치 안테나는 구리인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 패치 안테나는 광학적으로 능동 재료인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도파관은 도파관 안테나 소자의 배열내의 하나의 도파관 안테나 소자에 대응하고, 상기 도파관 안테나 소자의 배열내의 각각의 도파관 안테나 소자는 공동을 가지며, 상기 패치 안테나는 패치 안테나 소자의 배열내의 하나의 패치 안테나 소자에 대응하고, 상기 패치 안테나 소자의 배열내의 각각의 패치 안테나 소자는 상기 도파관 안테나 소자의 배열내의 각각의 도파관과 연계된 상기 공동 내에 배치된 상부 및 하부 패치 소자들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 방사기는 개구를 가지는 도파관, 개구에 배치되고 도파관에 전자기적으로 결합된 패치 안테나 소자를 포함한다. 이러한 배치에 의해, 각 방사소자 및 관련 급전 회로망은 이웃하는 방사 소자로부터 전자기적으로 격리되어, 내부 표면파 여기를 방지하며, 따라서 원추형 스캔용적을 ±70°이상으로 확장시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 안테나는 각각 공동(cavity)을 가진 도파관 안테나 소자들의 어레이 및 상기 공동 내에 배치된 하부 패치 안테나 소자 및 상부 패치 안테나 소자를 가진 패치 안테나 소자들의 어레이를 포함한다. 이러한 배치는 타일 배열의 저 비용, 광 대역폭의 직선 또는 원형 편파된 도파관 안테나 소자를 제공하며, 일 실시예에서는 각 안테나 소자의 단위셀 경계 내에 수직으로 적층된 능동 전자소자들과 급전 회로망들을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 안테나는 제1 주파수를 갖는 무선주파수 신호들에 응답하는 제1 복수의 패치 안테나 소자들을 갖는 제1 유전층, 상기 제1 유전층에 인접하여 배치되는 제1 모놀리식 도전성 격자, 상기 제1 모놀리식 도전성 격자에 인접하여 배치되며, 제2의 다른 주파수를 갖는 무선주파수 신호들에 응답하는 제2 복수의 패치 안테나 소자들을 구비하는 제2 유전층을 포함한다. 제2 모놀리식 도전성 격자는 제2 유전층에 인접하여 배치되며, 제1 및 제2 격자는 복수의 도파관 안테나 소자를 형성하며, 각 도파관 안테나 소자는 각각의 대응하는 제1 및 제2 복수의 패치 안테나 소자들과 연계되어 있다. 이러한 배치는 직사각형, 정사각형, 이등변 또는 정삼각형, 및 나선형 형상과 같은 임의의 격자 배치들을 가정할 수 있는 방사기, 및 적층형 패치 안테나 소자를 가지는 방사기의 대역폭과 방사기의 큰 스캔 용적을 갖는 광 대역폭, 낮은 프로파일의 슬롯 커플링형 방사기를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10) 및 관련 급전 시스템(100)(여기서는 X-대역으로 적용됨)이 상부 에그-크레이트층(14)상에 배치된 상부 패치층(12)을 포함하도록 도시되어 있다.
상부 패치층(12)은 기판 또는 패치 캐리어(26)상에 배치된 복수의 패치 안테나 소자들(24a 내지 24n)(일반적으로 상부 패치 안테나 소자들(24)라고도 함)을 포함한다. 상부 패치 안테나 소자의 치수는 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)와 관련하여 사용되는 주파수들의 함수이다. X-대역 주파수들에 대하여 사용되는 일실시예에서는, 상부 패치 안테나 소자들(24)이 0.27λX 0.27λ의 치수를 갖는다(여기서, λ는 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)의 설계 파장). 당업자에게 자명한 바와 같이, 적층형 패치 에그크레이트 안테나의 패치 안테나 소자들은 방사 및 모 드 여기(mode excitation)를 제어하기 위해 사각형 또는 원형일 수 있으며, 또한 다양한 형태를 가질 수 있다. 공지된 기술을 사용함으로써, 특정의 응용분야, 편광 요구사항(예컨대, 선형 또는 원형 편광), 및 장착 표면 등에 적합하도록 임의의 크기와 형태의 상부 패치층(12)이 제조될 수 있다.
상부 에그-크레이트층(14)은 복수의 상부 도파관들(30a 내지 30n)(일반적으로 상부도파관(30)이라고도 함)을 정의하는 상부 측벽들(28)을 포함한다. 상부 도파관(30)의 치수는 상부 패치들(24)의 크기 및 간격과 상부 측벽들(28)의 높이(Hupper)로 결정된다. 일실시예에서는, 상부 도파관(30)은 1.27cm x 1.27cm의 개구와 0.2413cm의 높이를 갖는다.
하부 에그-크레이트층(18)에 인접하여 배치되는 하부 패치층(16)은 상부 에그-크레이트층(14)에 인접하여 배치된다. 에그-크레이트층들(14, 18)은 지지구조와 도파관 안테나 소자의 어레이를 형성한다. 하부 에그-크레이트층(18)은 급전 회로층(22)에 인접하여 배치된 슬롯층(20)을 포함하는 관련 급전 시스템(100)에 인접하여 배치된다. 이러한 배치는, 급전 회로층(22)으로부터 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)로 전자기 신호들을 전달하는 슬롯층(20)으로 물리적인 RF 배선을 필요로 하지 않고도, 단일 적층구조에서 도파관 안테나 소자의 격리와 적층형 패치 안테나 소자의 대역폭을 겸비하게 한다. 급전 회로층 아래의 RF 회로의 부가적인 층들(타일 어레이라고도 함)은 도시하지 않았다.
하부 패치층(16)은 복수의 패치 안테나 소자들(32a 내지 32n)(일반적으로, 하부 패치 캐리어(34)상에 배치된 하부 패치 안테나 소자(32)라고도 함)을 포함한다. 하부 패치 안테나 소자(32)의 치수는 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)와 관련하여 사용되는 주파수의 함수이다. X-대역 주파수들에 의하여 사용되는 일 실시예에서는, 하부 패치 안테나 소자들(32)이 0.35λx 0.35λ의 치수를 갖는다. 공지된 기술을 사용하여, 임의의 크기와 형태의 하부 패치층(16)이 특정 응용분야 및 장착 표면에 적합하도록 제작될 수 있다. 유의할 것으로서, 상부 측벽들(28)의 높이 조정은 주로 상부 및 하부 패치들(24 및 32) 사이의 커플링(coupling)에 영향을 미쳐, 전체 대역폭과 적층형 패치 에그크레이트 안테나 통과대역의 높은 공진주파수를 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상부 패치층(12) 및 하부 패치층(16)은 종래의 유전성 재료(예컨대, Rogers R/T Duroid®)로 제조되며, 이 유전성 재료는 각 면상에 용융접착되는 14.1748gram의 구리층들을 갖는다.
바람직하게는, 에그-크레이트층(14) 및 에그-크레이트층(18)은 비교적 강하고 경량인 알루미늄 원료로부터 기계가공된다. 에그-크레이트층들(14, 18)은 상부 패치층(12), 하부 패치층(16), 슬롯층(20), 및 급전 회로층(22)을 지지하는 추가적인 구조를 제공한다. 자명한 바와 같이, 에그-크레이트층들(14, 18) 또한 기본 구조를 사출성형하고 구리 또는 기타 도전재료로 그 기본구조를 금속화함으로써 제조될 수 있다.
하부 에그-크레이트층(18)은 복수의 하부 도파관들(36a 내지 36n)(일반적으로 하부 도파관(36)이라고도 함)을 정의하는 하부 측벽들(38)을 포함한다. 하부 도파관(36)의 치수는 하부 패치들(34)의 크기 및 간격과 하부 측벽들(38)의 높이(Hlower)에 의하여 결정된다. 이와 함께, 상부 및 하부 도파관들(30 및 36)은 전기적으로 단일의 도파관인 것처럼 동작하여, 내부 표면파에 의한 시스템 제약을 제거한다.
슬롯층(20)은 도파관들(36a 내지 36n)과 급전 회로층(22)을 전자기적으로 결합시켜, 비대칭 스트립라인 급전 어셈블리를 형성하는 슬롯들(66)을 포함한다. 이러한 비대칭 스트립라인 급전 어셈블리는 재료들과 급전 회로배치를 조합사용하여 전자기 신호들을 안테나층들(12 내지 18)로 전달하는 각 슬롯(66)으로 적절한 여 기 및 최대 커플링을 발생시킨다. 이와 함께, 두 개의 어셈블리(슬롯층(20)와 급전 회로층(22), 및 안테나층(12 내지 18))는 얇고(바람직하게는 X-대역 실시예에 대하여 0.42926cm), 경량이며, 기계적으로 간단하고, 저비용의 안테나를 형성한다. 하부 측벽들(38)의 높이 조절은 주로 하부 패치들(32)과 슬롯들(66) 사이의 결합에 영향을 미쳐, 전체 대역폭 및 에그크레이트 방사기 통과대역의 낮은 공진주파수를 제어할 수 있다.
급전 회로층(22)은 종래의 유전성 적층체(Rogers R/T Duroid®)을 포함하며, 드릴링, 구리 도금, 에칭 및 적층과 같은 표준적 대량생산 공정기술을 사용하여 제조된다.
대역폭을 넓히기 위한 유전성 또는 발포체 기판들로 종래의 안테나의 두께가 증가함에 따라, 최하위 차수의 표면파가 전파할 수 있는 각도는 감소하므로, 일반 전인 위상배열 스캔용적에 대하여 안테나 성능 효율을 감소시킨다. 그러나, 낮은 프로파일의 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)의 도파관 구조는 소자간에 포획되는 표면파들을 제거시켜, 다기능 위상배열의 중요 파라미터들인 대역폭과 스캔 용적 성능(±70°이상)을 증가시킬 수 있다.
적층형의 금속성 상부 에그-크레이트층(14) 및 하부 에그-크레이트층(18)에 의해 형성되는 각 공동은 다른 모든 안테나 소자들로부터 각 안테나 소자를 물리적으로 격리시킨다. 공동의 금속성 측벽들(28 및 38)은 전기적 반사의 경계조건을 나타낸다. 송신 또는 수신 모드 동작에 있어서, 주어진 적층형 패치 에그크레이트 공동 내부의 전자계는 전체 위상배열 안테나구조에서 다른 모든 적층형 패치 에그크레이트 공동들로부터 격리된다. 따라서, 내부적으로 여기되는 표면파들은 공동 높이, 격자 배치(geometry), 스캔 용적, 편광 또는 대역폭 요구사항들에 관계없이, 실질적으로 감소된다.
비교적 얇은 상부 패치 캐리어(26)는 또한 지지구조를 제공하는 상부 및 하부 에그-크레이트층(14, 18)과 함께 안테나(10)를 위한 일체형 레이돔(radome)으로 기능한다. 이로써, 두껍게 형성된 레이돔이 에그크레이트 방사기에 추가될 필요가 없게 되며, 이하 설명되는 결빙 방지 기능에 대한 전력 요구사항을 완화시킨다.
도 2를 참조하면, 안테나(10) 및 급전 서브시스템(100)의 구조가 자세히 도시되어 있고, 도1과 동일한 구성요소에는 동일한 도면번호가 부여되어 있다. 상부 패치층(12)은 상부 패치 캐리어(26)의 하부 표면상에 배치된 구리층(27)을 포함한다. 상부 패치층(12)은 접착층(44a)에 의해 상부 에그-크레이트층(14)의 측벽 들(28)의 상부표면으로 부착된다.
하부 패치층(16)은 하부 패치 캐리어(34)의 상부 표면상에 배치된 구리층(50) 및 하부 패치 캐리어(34)의 저면에 배치된 바닥 구리층(54)을 포함한다. 하부 패치층(16)은 접착층(44b)에 의해 상부 에그-크레이트층(14)의 측벽들(28)의 하부표면으로 부착된다. 하부 패치층(16)은 접착층(44c)에 의해 하부 에그-크레이트층(18)의 측벽들(38)의 상부 표면으로 부착된다.
바람직하게는, 접착층들(44a 내지 44d)은 Ni-Au 또는 Ni-솔더 도금을 사용한다. Ni-Au 또는 Ni-솔더 도금은 표준적 도금기술을 사용하여 하부 및 상부 패치층들(12 및 16) 상에 에칭된 구리 에그크레이트 패턴과 하부 및 상부 에그-크레이트층들(14 및 18)로 도포된다. 다음, 층들(12 내지 18)을 적층하고 솔더를 리플로우시킴으로써 전체적인 에그크레이트 방사기 구조가 형성된다. 대체예로서, 층들(12 내지 18)은 공지된 바와 같은 도전성 접착 프리폼(pre-foams)을 사용하여 함께 적층될 수 있다.
도파관 공동(56)은 패치들(24a 및 32a)을 포함하는 상부 및 하부 에그-크레이트층들(14, 18)로 형성된다. 상부 에그-크레이트층(14) 및 하부 에그-크레이트층(18)에 의해 형성되는 공동의 금속성 측벽들(28, 38)은 도파관 구조와 동등하게 공동 내부의 전자계에 대한 전기적 반사의 경계조건을 나타낸다. 따라서, 각 도파관 공동(56)에 전자계가 내부적으로 속박되고, 그 도파관 구조내의 다른 도파관 공동(56)으로부터 격리된다. 바람직하게는, 각 에그크레이트에 대한 공동은 X-대역 시스템에 대하여 1.27cm x 1.27cm 이다.
급전 시스템(100)은 슬롯층(20) 및 급전 회로층(22)을 포함한다. 슬롯층(20)은 금속층(64) 및 지지층(68)을 포함한다. 금속층(64)은 종래 에칭 기술에 의해 형성되는 개구인 슬롯들(66)을 포함한다. 금속층(64)은 바람직하게는 구리이다. 급전 회로층(22)은 하부 구리 접지면층(78) 아래에서 스트립라인 전송선로층들(도시생략)과 상부 구리층(72)을 연결시키는 비어(via)(74) 및 캐리어층(76)을 갖는, 스트립라인 전송선로층 및 하부 구리 접지면층(78)을 포함한다. 슬롯층(20) 및 급전 회로층(22)은 접착층(44e)을 사용하여 결합된다. 급전 서브시스템(100)은 별도로 조립되며, 접착층(44d)을 사용하여 안테나(10)로 연속적으로 적층된다. 전술한 바와 같이, 접착층(44d)은 해당 층들을 결합시키기 위해 저온 솔더 또는 저온 전기전도성 접착기술을 사용한다. 바람직하게는, 층들(72 및 78)은 종래의 유전성 재료(예컨대, Rogers R/T Duroid®)인 캐리어층(76)으로 구리용융 된다.
알루미늄 에그-크레이트층들(14 및 18)은 도파관 방사기 공동(56)을 형성하며, 안테나에 대한 지지구조를 제공한다. 급전 시스템과 조립되는 때, 두 개의 알루미늄 에그-크레이트층들(14 및 18) 및 캐리어층들(26 및 34)이 안테나(10)를 형성한다. 이러한 어셈블리는 저온 솔더 또는 동등한 저온 전기도전 접착층을 사용하여 타일배열 적층구조(tile array stack-up)(이하 도 4와 관련하여 설명됨)로 접합될 수 있다. 대체실시예로서, 에그크레이트 리브(rib)들은 안테나(10) 및 급전 서브시스템(100)이 스크류 또는 기타 유형의 고정부재들(도시 생략)을 사용하여 기계적으로 타일배열 콜드판(이하 도 4와 관련하여 설명됨)에 고정된다. 이러한 대체실시예는 능동소자들을 대체하기 위해 타일배열로부터 안테나를 분해할 수 있는 정비용이성을 제공한다. 이러한 정비 기술은 종래 발포체 기반의 방사기들에서는 실용화되지 않았다.
표 1은 X-대역 시스템용의 시제품으로 구성된 일실예에 대한 방사기 재료조성, 두께, 및 무게를 요약한다.
표 1
방사소자 적층구조
소자 재료 두께(cm) 무게(gram)
상부 패치층(26) Rogers 3006 0.0254 0.17095
접착층(44a) Ni-Cu-Sn(60%)/Pb(40%) 0.00229 0.01219
상부 에그크레이트(14) Aluminum 0.2413 0.95368
접착층(44b) Ni-Cu-Sn(60%)/Pb(40%) 0.00229 0.01219
하부 패치층(34) Rogers 3010 0.00127 0.09866
접착층(44c) Ni-Cu-Sn(60%)/Pb(40%) 0.00229 0.01219
하부 에그크레이트(18) Aluminum 0.0635 0.17293
총 0.35052 총 1.43165
유의할 것으로서, 층들(12, 44a, 14, 44b, 16, 44c, 및 18)을 포함하는 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)는 도파관(56), 상부 및 하부 패치들(24 및 32), 및 해당 지지층을 포함하는 RF 경로에서 결합 접착제를 전혀 사용하지 않는다. RF 경로상에 결합 접착제가 없기 때문에, 치명적인 프론트엔드(front-end) 손실을 줄인다. 프론트-엔드의 저항성 손실은 유효 안테나온도를 증가시킴으로써 레이다 또는 통신 성능에 직접적으로 영향을 미쳐, 안테나 감도를 떨어뜨리고, 결국 안테나 비용을 증가시킨다. 종래의 발포체 기반의 적층형 패치 방사기에서는, 기계적으로 신뢰성있는 결합접착제들이 마이크로 주파수 및 그 이상에서 중대한 저항성 손실을 유발시켰다. 신뢰도는 접착제의 두께의 문제이며, 발포체 침투성(foam penetration)의 제어는 제조상의 파라미터를 제어하는데 있어 또 다른 어려움이다. 또한, 넓은 시트의 판에 발포체 구조를 구리도금 및 에칭하기는 어려우며, 통상 발포체 시트(foam sheet)들은 주변 환경으로부터 보호코팅을 필요로 한다.
도 2를 참조하면, 동작에 있어서 RF 신호가 능동층들(도시 생략)로부터 비어(74)를 통하여 급전 회로층(22)으로 결합된다. 바람직하게는, 스트립라인 전송선로층이 접지면층(78)(0.0635cm)보다 슬롯층(20)(예컨대, 0.01778cm)의 슬롯들(66)에 더 가깝게 위치되어, 슬롯들(66)로의 결합을 강화하기 위한 비대칭 스트립라인 급전회로를 제공한다. 비대칭 스트립라인 급전 회로층(22)은 비어(74)와 스트립라인 전송선로층 사이에 무선주파수(RF) 신호를 안내한다. RF 신호는 스트립라인 전송선로로부터 비공진 슬롯(66)으로 결합된다. 하부 및 상부 금속성 에그-크레이트층들(18 및 14)은 각 단위셀에 대하여 전기적으로 차단(비전파형 기본모드)하는 도파관(56)을 형성한다. 도파관(56) 내부의 하부 패치(32) 및 상부 패치(24)는 두 개의 별개의 주파수에서 슬롯, 도파관 공동, 및 방사 개구를 공진시켜 자유 공간으로의 광대역 RF 방사를 제공한다.
전송선 측면으로 보았을 때, 각 패치(24, 32)는 패치 치수와 패치 캐리어(26, 34)의 유전상수에 의해 제어되는 크기를 갖는 등가 병렬 임피던스를 제공한다. 병렬 임피던스와 (비공진 슬롯에 대한) 패치들의 상대적인 거리는 비공진 슬롯, 도파관 공동, 및 방사 개구에 의해 제공되는 등가 직렬 임피던스를 공진시키도록 조절되어, 자유 공간의 등가 임피던스와 매칭된다. 도 3의 전송선로 스터브들(83a 내지 83d)은 회로에 병렬 임피던스를 제공하고, 이 병렬 임피던스는 스미스차트(도 5a)상의 임피던스 궤적의 중심에 위치되도록 조절된다.
슬롯, 상부 및 하부 패치들(24, 32)의 가장자리부의 전자계는 강하게 결합되고 상호작용하여, 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)에 대하여 도 5의 곡선들(124, 132)로 표현되는 임피던스 특성을 제공하며, 곡선들은 X-대역 스미스차트상의 중심에 위치되며 각각 정상 및 디임베디드 임피던스 궤적을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 패치들(24, 32)과 슬롯(66) 간의 상대적인 크기 및 간격은 결합을 최적화하여, 대역폭을 최대화하도록 조절된다. 비공진 슬롯(66)과 하부 패치(32) 간의 결합은 낮은 공진주파수를 주도적으로 결정하며, 상부 패치들(24) 및 하부 패치들(32) 간의 결합은 높은 공진주파수를 주도적으로 결정한다.
도 3을 참조하면, 슬롯층(도 1의 20)의 슬롯들(66)이 급전 회로층(22) 상에 중첩된 것을 도시하였다. 급전 회로층(22)은 복수의 평형 급전기 (balanced feed) 단위셀들(80a 내지 80n)(일반적으로 평형급전기 단위셀(80)라고도 함)을 포함한다. 복수의 평형 급전기 단위셀들(80) 각각은 4개의 독립적 비대칭(즉, 스트립라인이 접지면간에 대칭으로 위치되지 않음)인 스트립라인 급전기들(82a 내지 82d)(일반적으로 스트립라인 급전기(82)라고도 함)을 포함하며, 각각은 스트립라인 급전층들(82a 내지 82d)의 상위에 위치되는 비공진 슬롯(66a 내지 66d)을 각각 급전시킨다. 스트립라인 급전기(82a 내지 82d)는 해당 전송선로 스터브(83a 내지 83d)를 포함한다. 슬롯들(66a 내지 66d)은 별도의 슬롯층(도 1의 20)에 위치된다. 모드억제 포스트들(92a 내지 92n)은 평형급전기 단위셀(80)내에서 각 스트립라인 급전기(82a 내지 82d)에 인접하게 배치된다. 모드억제 포스트들은 바람직하게는 0.03962cm (표준적 드릴 크기) 직경의 도금된 스루홀들이다. 도 3의 4x4 어레이는 평형급전기 배치를 도시하지만, 자명한 바와 같이, 임의의 크기의 어레이, 격자 간격, 임의의 격자 형상(즉, 삼각형, 사각형, 원형, 직사각형, 등) 및 임의의 슬롯(66)의 형 및 구성이 사용될 수 있다(즉, 단일의 전장(full length) 슬롯 또는 2개의 직교 슬롯들).
모드억제 포스트들(92a 내지 92n)은 평형급전기 단위셀(80) 내에서 스트립라인 급전기(82a 내지 82d) 각각을 격리시키며, 각 평형급전기 단위셀(80)은 다른 평형급전기 단위셀들(80)로부터 격리된다. 스트립라인 급전기들(82a 내지 82d)의 배치에 따라서, 선형, 이중 선형, 또는 원형의 편광 동작모드가 성취될 수 있다. 도 3에 제공된 평형급전 구성은 이중선형 또는 원형 편광 시스템에서 동작될 수 있다. 슬롯층(20)의 얇고, 고유전상수의 폴리에트라플루오르에틸렌(PTFE)층(68)과 비공진 슬롯을 넘어 연장하는 전송선로 스터브(83a 내지 83d)의 길이와 폭의 조절에 의해 결합이 개선된다.
일실시예에서는, 급전층은 층(78)로부터 슬롯층(도 2의 20)의 접지면층(64)까지의 급전 회로층(22)을 포함한다. 급전 회로층(22)은 스트립라인 급전기들(도 3의 82)을 포함하여, 비어(74, 통상 25Ω)로부터 슬롯(66) 및 에그크레이트 방사기(10, 통상 10Ω)까지의 임피던스 변환을 제공한다. 이러한 치밀한 스트립라인 급전기 구성은 비어의 입력 임피던스를 광대역에 걸쳐 슬롯과 에그크레이트 방사기 임피던스와 매칭시키는 2개의 단편(short-section) 트랜스포머들(즉, 각 섹션의 길이는 1/4 파장 보다 작다)을 사용한다. 각 트랜스포머 섹션의 길이와 임피던스는 비어와 슬롯 간의 반사를 최소화하도록 선택된다. 스트립라인 급전기가 더 넓은 섹션(0.0889cm)을 가지면, 전송선로 스터브(83a)는 스트립라인 급전기(82)의 더 좁은 섹션(0.0762cm, 0.05334cm, 0.0381cm)에 대하여 슬롯의 중심을 넘어 연장한다. 전송선로 스터브(83a)는 비어(74), 스트립라인 급전기(82), 슬롯(66), 에그-크레이트층(14, 18)을 포함하는 전체회로로 병렬 임피던스를 제공하며, 그 길이와 폭은 스미스차트 상에서 임피던스 궤적의 중심에 위치하고, 회로의 리액턴스 임피던스 성분의 크기를 최소화하도록 조절된다.
공-선형(co-linear) 슬롯들(도 3의 66a 내지 66d)의 쌍은 공-선형 슬롯들의 직교쌍 사이의 교차점에서 상호 결합을 감소시키고, 급전 회로 설계에서의 더 많은 유동성을 허용하기 위해 제공된다. 바람직하게는, 급전 어셈블리의 상부 PTFE층(68)(여기서는 0.0127cm 두께) 및 하부 PTFE층(76)(여기서는 0.0635cm 두께)은 각각 약 10.2 및 4.5의 유전상수를 가져, 슬롯층(20)에의 결합을 강화시킨다. 또한, 유전체(68 및 76)를 선택함으로써, 바람직하게는 4개의 슬롯들을 포함하는 평형급전기 형상이 X-대역에서 비교적 작은 단위셀(1.3208cm 밑변 x 1.524cm 높이)에 맞도록 하며, 저항성 손실을 최소화하고 표준적 에칭 허용치 요구사항을 준수하는 타당한 크기의 전송선로 부분들을 허용하게 한다.
슬롯들(66a 내지 66d)은 통과대역에서 길이가 0.5λ(유전체부하 파장을 단위로 나타냄)이하의 길이이므로, 비공진성이다. 비공진 슬롯 커플링을 선택함으로써, 본 발명에서는 두가지 장점을 제공한다. 첫번째, 급전 회로망이 접지면(90)에 의해 방사 소자로부터 격리되어, 거짓(spurious) 방사를 방지한다. 두번째, 비공진 슬롯(66)은 방사기의 이득을 실질적으로 감소시킬 수 있는 강한 후엽(back- lobe) 방사(공진 슬롯의 특성)를 제거한다. 각 스트립라인 급전기(82) 및 관련 슬롯(66)은 0.03962cm 직경의 도금된 스루홀들에 의해 격리된다. 표 2는 비대칭 급전층 재료조성, 두께, 및 무게를 요약한다.
표 2 - 급전층 적층구조
소자 재료 두께(cm) 무게(gram)
상부 보드(68) Rodgers RO3010;ε=10.2, tanδ=.003 0.0127 0.09866
접착제(44e) FEP;ε=2.0, tanδ=.0005 0.00254 0.02835
하부 보드(76) Rodgers TMM4;ε=4.5, tanδ=.002 0.0635 0.32318
총 0.07874 총 0.45076
tanδ는 유전손실 탄젠트이며, ε는 유전율임
평형 슬롯 급전회로망은 작은 단위셀 영역(1.3208cm(높이)x1.524cm(밑변))에 적합할 수 있다. 높이는 얇고(0.07874cm), 무게는 경량(0.45076gram)이다. 얇고(0.0127cm) 높은 유전율(10.2)의 PTFE판층(68)을 위치시킴으로써 스트립라인 급전기(82)와 슬롯층(20) 사이의 결합이 강화되며, 두 층(82 및 20) 사이의 영역에 전계를 집중시킨다.
바람직하게는, 표준적 에칭 허용치(14.1748gram의 구리에 대하여 ±0.00127cm) 및 도금 스루홀의 낮은 종횡비(2:1)가 사용된다. 더 넓은 선폭은 저항성 손실과 에칭 허용치에 대한 감도를 감소시킨다.
대체실시예로서, 본 발명의 방사기 설계는 저온 동시소성 세라믹(LTCC) 다층 급전기에 사용될 수 있다. 슬롯 커플링은 슬롯층(20) 및 급전 회로층(22)의 재료 및 구성과는 다른 재료 및 기술로부터 에그크레이트 방사기가 제조되도록 한다.
도 4를 참조하면, X-대역 타일기반(tile-based) 어레이(200)에는 에그크레이트 안테나(10), 관련 급전 서브시스템(100), 제1 윌킨슨(Wilkinson) 분배기 층(104), 제2 윌킨슨 분배기층(106), 트랜스포머층(108), 신호 추적층(110), 도전성 접착층(112), 및 도전체판(114)이 함께 적층되어 포함된다. 층들(104 내지 106)은 일반적으로 신호 분배기/혼합기층이라 한다. X-대역 타일기반 어레이(200)는 또한 커넥터 판과 전기적으로 결합되는 동축 커넥터(116)를 포함한다.
안테나(10) 및 급전 서브시스템(100)은, 공지된 바와 같이, 고정부재에 의해 능동모듈에 기계적으로 부착될 수 있으며, 퓨즈-버튼 인터페이스 연결을 통해 전기적으로 부착될 수 있다.
윌킨슨 분배기/혼합기층들(104 및 106)은 급전 회로층(22) 아래에 위치되어, 해당 공-선형 슬롯(도 3의 66a 내지 66d) 쌍으로 동위상의 유도 전자기 신호를 제공하여, 선형 편광되고 슬롯 쌍에 직교하는 전계를 생성한다. 유사하게는, 제2 윌킨슨 분배기/혼합기층은 공-선형 슬롯들의 직교쌍으로부터의 신호들을 혼합한다. 저항성 윌킨슨 회로는 패치층들상에서 여기된 비정상 모드들을 종단시켜, 기생 공진을 제거시킨다.
원형편광 평형급전 구성(도 3)을 갖는 신호들을 생성하기 위해서, 스트립라인 직교위상 하이브리드회로(트랜스포머층(108)을 대체함)는 각 윌킨슨층으로부터의 신호들을 직교위상(즉, 90도 위상차)으로 혼합한다. 평형슬롯 급전구조는 원형편광을 구현하며, 스트립라인 급전기들간의 비평형 복소전압 여기를 최소화하며(종래의 2-프로브 또는 2-슬롯 구조와는 다르게), 따라서 스캔각도들이 안테나 개구의 주축들로부터 변화화면서 축비율 성능지수의 열화를 감소시킨다.
선형편광를 갖는 신호들을 생성하기 위해서, 공-선형 슬롯 한 쌍이 제거되 고, 하나의 슬롯이 공-선형 슬롯의 다른 쌍을 대체한다. 단일 스트립 전송선로는 단일 슬롯을 급전하므로, 선형편광를 실현할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 스미스차트(120)는 급전층상의 비어(도 2의 74)에서의 정상 임피던스 궤적과(124), 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)의 슬롯(도 2의 66)으로 디임베디드(de-embedded)되는 디임베디드 임피던스 궤적(132)을 나타내는 곡선을 포함한다.
도 5b를 참조하면, 반사손실 곡선(134)은 전체 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10) 및 관련 급전 시스템(100)에 대한 반사손실을 나타낸다. 반사손실 곡선(134)은 25Ω 부하로 종단된 비어입력(74)을 갖는 적층형 패치 에그크레이트 안테나(10)에서 급전 회로층(22)과 슬롯층(20)의 반사전력을 나타낸다. 10dB 기준선(138)(즉, 10% 반사전력) 이하의 반사손실은 비어입력(도 2의 74)에서의 최대 허용가능 반사손실을 나타낸다. 곡선(136)은 저역통과 FSS(Frequency Selective Surface, 이하 도 6과 관련하여 설명됨)의 효과를 나타낸다.
선택적으로, 상부 패치층(12) 또는 레이돔에 얼음이 형성되는 것을 방지하기 위해, 에그-크레이트층(14)에 열선(도시 생략)이 지나가도록함으로써 히터가 상부 에그-크레이트층(도 1의 14)에 포함된다. 상부 에그크레이트 구조(14)에 의해 임베디드 결빙 방지 기능이 제공된다. 종래의 사출성형, 포토리소그래피, 및 도금 공정들(예컨대, 구리 또는 알루미늄)에 의해 생성되는, 비도전성의 패턴 도금형 에그크레이트는 도전성 공동(방사기 기능)과 상부표면에 도금된 배선패턴(적절한 폭과 저항을 가짐)을 포함한다. 다른 방식으로는, 인코닐(Inconil; 니켈, 철, 및 크 로뮴 합금)로 이루어진 도전성 금속배선들이 상부 에그크레이트 표면과 상부 패치캐리어(도 1의 26) 사이에 임베디드 될 수 있다. 절연 배선들과 접지 배선이 상부 및 하부 에그크레이트 리브들의 도관들로 배치되어, 일단부에서 배선패턴으로 전력을 공급하고, 타단부에서 반사접지를 제공한다. 저항성 배선패턴은 상부 패치캐리어(26)에 대하여 열을 발생시켜, 어떤 방식으로든지, 어떤 주어진 격자 형상 및 임의의 편광에 대하여도, 도파관 공동들을 막거나 방사기 전자기 성능을 방해함이 없이, 얼음형성을 방지한다. 에그크레이트 리브의 폭들(본 실시예에서는 0.0508cm 및 0.3048cm)은 광범위한 배선 도전체 폭들과 많은 배선들을 수용하도록 하여, 트랜스포머들 없이도 용이하게 활용가능한 전압원을 사용하도록 한다.
상부 패치(24)가 상부 패치층(12)의 내부 표면상에 에칭되어, 레이돔으로 또한 기능하며, 주변환경으로부터 상부(및 하부) 패치를 보호한다. 하부 및 상부 에그크레이트는 지지구조를 제공하여 상부 패치층이 얇게 되도록(0.254cm 두께)함으로써, 제빙 격자용 전력을 더 적게 필요로 하게되고, 운영비용 및 수명비용을 감소시키고, 적외선 방사를 최소화한다(따라서, 열악한 환경에서 열센서들에 의한 검출을 최소화한다). 두꺼운 곡선형 레이돔에 비해서, 상부 패치층에 의해 제공되는 얇은 평판형 레이돔은 송신 또는 수신 신호들의 감쇠(감쇠는 전체 안테나 효율을 떨어뜨리고, 수신기의 잡음전력을 증가시킴)와 전자기 위상면의 왜곡(왜곡은 빔 포인팅 정확도와 전체 안테나 패턴 형상에 영향을 줌)을 현저하게 감소시킨다. 전체적으로, 에그크레이트 방사기 구조는 낮은 프로파일을 가지며, 경량이고, 구조적으로 튼튼하며, 단일의 제조가능한 패키지 내에 히터 소자와 레이돔의 기능들을 집적 시킨다.
도 6을 참조하면, 대체실시예는 제3 에그-크레이트층(150)을 갖는 FSS(140)를 포함하며, RCS(radar cross section)을 더욱 감소시키기 위해 얇은 저역통과 FSS 패치층(152)이 제3 에그-크레이트층(150) 상에 배치된다. 바람직하게는, FSS 패치층(152)은 복수의 셀들(154a 내지 154n)(일반적으로 셀(154)라고도 함)을 포함한다. 각 셀(154)은 본 실시예에서 곡선(도 5b의 136)에 의해 나타난 바와 같이 반사손실 신호의 변화를 가져오는 저역통과필터로 작용하는 패치들(156a 내지 156d)을 포함한다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 패치들(156)의 크기와 수는 광범위한 신호필터링 효과를 얻기 위해 변화될 수 있다.
또한, 상부 패치캐리어(26) 기판은 집적형 에지처리(예컨대, Omega-ply®층들을 적층으로 집적시킨 PTFE 시트를 사용하여)를 가능하게 하여, 에지 회절을 감소시킨다. 개조된 안테나에 사용되는 제조 기술 및 재료는 동일할 것이다. 테이퍼형 에지 처리는, 안테나 어레이의 물리적 에지들에서 산란과 회절을 일으키는 표면전류를 여기시키는, 경사각으로 입사하는 신호들에 대한 RF 부하로 작용한다. 상부 에그크레이트는 또한 히터 소자로 기능할 수 있으며, 저역통과 FSS(140)는 레이돔으로 기능할 수 있다.
또 다른 실시예에서는, 광학적 능동 재료들이 상부 및 하부 패치층(12 및 16)으로 집적된다. 에그크레이트 리브들은, 상부 및 하부 에그크레이트 양측 또는 어느 하나에에 부착되는 광학적 능동재료 시트들의 층(들)로의 광화이버 급전통로용 도관으로 기능한다(따라서 에그크레이트 방사기의 전자기적 성능에 대한 어떠한 간섭도 제거함). 광화이버 신호는 순간 튜닝(광대역 특성)을 위해 패치 치수를 변화시키고, 및/또는 전체적으로 "금속성"인 안테나 표면을 제공하여 스탤스(stealth) 기능을 향상시키고, 클러터(clutter)현상을 감소시킨다. 표준적 제조공정으로 제조(및 적절한 수준의 금속 이온으로 도핑)된 실리콘 구조들은 알맞은 광전력강도에 대하여 "구리 같은" 성능을 나타내었다. 에그크레이트 안테나(10)의 본 실시예에서, 얇은 실리콘 판(여기되었을 때 다각형 패턴을 형성하도록 도핑됨)이 상부 및/또는 하부 패치 유전층들의 최상부에 위치될 것이다. 광학적으로 활성화될 때, 다각형 패턴들은 "구리 같은" 기생 도전체가 되어, 하부 및/또는 상부 패치 유전층상의 구리 패치들을 튜닝하며, 따라서 에그크레이트 공동을 순간적으로 튜닝한다.
본 발명의 또 다른 특징은, 동일한 대역폭과 원추형 스캔용적에 대하여 수행하면서도 재료조성 또는 구성 기술을 변화시키지 않는, 에그크레이트 방사기 구조의 주파수 범위조절성(scalability)이다. 예컨대, 다음 표 3은 도 2에 도시된 바와 같은 동일한 재료 배치에 있어서, C-대역(5GHz)으로 범위조정된 에그크레이트 방사기 치수들의 변화들을 나타낸다.
표 3
소자 치수
상부 패치 0.26λx 0.26λ
상부 에그크레이트 2.54cm x 2.54cm(개구) x 0.170λ(높이)
하부 패치 0.40λx 0.40λ
하부 에그크레이트 2.54cm x 2.54cm(개구) x 0.025λ(높이)
또한, 에그크레이트 방사기로의 슬롯 커플링(프로브 커플링과 비교하여)은 에그크레이트 재료와 공정을 선택함에 있어 급전층 재료와 무관하게 설계 자유를 부여한다. 예컨대, 에그크레이트들은 사출성형 사출성형으로 만들어져 선택적으로 금속화될 수 있다. 더우기, 상부 및 하부 패치 캐리어, 층들(12 및 16) 각각은 다른 유전성 재료들을 사용할 수 있다. 슬롯 커플링된 에그크래이트 안테나(10)는 타일배열 구조 또는 벽돌배열 구조에서 사용될 수 있다.
여기 인용된 모든 참조와 출판물들은 그 전체가 참조로 여기에 명시적으로 포함된다.
본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 당업자에게 자명한 바와 같이, 본 개념을 포함하는 다른 실시예들이 가능하다. 따라서, 본 실시예들은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구항들의 개념과 범주에 의해서만 제한되어져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 적층형 패치 에그크레이트(egg-crate) 안테나의 평면도이다.
도 2는 적층형 패치 에그크레이트 안테나의 단면도이다.
도 3은 예시적인 슬롯층 및 급전회로의 저면도이다.
도 4는 적층형 패치 에그크레이트 안테나 및 관련 급전회로에 포함된 방사소자의 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 패치 에그크레이트 안테나의 정상 및 디임베디드(de-embedded) 임피던스 궤적을 나타내는 스미스차트이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 패치 에그크레이트 안테나의 반사손실을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 대체 실시예에 따른 적층형 패치 에그크레이트 안테나의 3차원 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 적층형 패치 에그크레이트 안테나 12 : 상부 패치층
14 : 상부 에그-크레이트층 16 : 하부 패치층
18 : 하부 에그-크레이트층 20 : 슬롯층
22 : 급전 회로층 100 : 급전 서브 시스템

Claims (20)

  1. 기설정된 주파수대역에서 무선주파수(RF) 신호에 응답하는 방사기에 있어서,
    상기 방사기는,
    측벽들에 의해 정의되는 도파관과;
    상기 도파관에 위치하는 패치 안테나와;
    상기 도파관과 전기적으로 커플되며, 상기 도파관을 사이에 두고 상기 패치 안테나와 마주보도록 형성된 급전 회로와;
    상기 도파관과 전기적인 신호들을 제공하기 위해 적어도 하나의 슬롯을 가지며, 상기 급전 회로과 상기 도파관 사이에 위치하는 슬롯층을 포함하며,
    상기 전체 급전 회로는 상기 측벽들 및 적어도 하나의 슬롯들 각각과 상기 도파관 및 상기 패치 안테나가 대칭적으로 위치하는 경계선에 형성되는 것을 특징으로 하는 방사기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패치 안테나는 기판 또는 패치 캐리어 상에 배치된 복수의 패치 안테나 소자들과, 상기 복수의 패치 안테나 각각은 상기 측벽들 사이에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방사기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도파관 개구에 근접하게 배치된 패치 안테나 지지층을 더 구비하고
    상기 패치 안테나는 상기 지지층에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 방사기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 패치 안테나 지지층은 유전체인 것을 특징으로 하는 방사기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 슬롯은 비공진성인 것을 특징으로 하는 방사기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 슬롯은 λ/2 미만인 길이를 가지며,
    λ는 상기 방사기에서 방사되는 자유공간 파장인을 특징으로 하는 방사기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 급전회로는;
    스트립라인 전송선로층 및
    접지면층을 구비하며,
    상기 스트립라인 전송선로층은 상기 접지면층 보다 상기 적어도 하나의 슬롯에 더 가깝게 위치되는 것을 특징으로 하는 방사기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 급전 회로는 복수의 평형 급전기 단위셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 평형 급전기 단위셀들 각각은
    상기 4개의 독립적 비대칭인 스트립라인 급전기들이 형성되며,
    각각은 상기 스트립라인 급전기들의 사위에 위치되는 비공진 슬롯을 각각 급전시키는 것을 특징으로 하는 방사기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스트립라인 급전기는 해당 전송선로 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 평형급전기 단위셀 내에서 각 스트립라인 급전기에 인접하게 배치되며, 도금된 스루홀들로 형성된 모드억제 포스트들이 포함되는 것을 특징으로 하는 방사기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 평형급전기 단위셀 내에서 스트립라인 급전기 각각을 격리시키며, 각 평형급전기 단위셀은 다른 평형급전기 단위셀들로부터 격리되는 것을 특징으로 하는 방사기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 방사기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은 금속층으로 코팅된 사출성형 재료인 것을 특징으로 하는 방사기.
  15. 제1항에 있어서,
    제2 패치 안테나를 더 구비하며,
    상기 패치 안테나와 제2 패치 안테나 중 적어도 하나는 제1 주파수에서 공진하며, 상기 패치 안테나와 제2 패치 안테나 중 적어도 다른 하나는 다른 제2 주파수에서 공진하는 것을 특징으로 하는 방사기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 도파관을 기준으로 상기 패치 안테나의 반대편에 배치되며, 제2 개구를 갖는 제2 도파관; 및
    상기 제2 개구에 배치된 제2 패치 안테나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 패치 안테나는 제1 주파수에 공진하며, 상기 제2 패치 안테나는 다른 제2 주파수에서 공진하는 것을 특징으로 하는 방사기.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 패치 안테나는 구리인 것을 특징으로 하는 방사기.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 패치 안테나는 광학적으로 능동 재료인 것을 특징으로 하는 방사기.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 도파관은 도파관 안테나 소자의 배열내의 하나의 도파관 안테나 소자에 대응하고, 상기 도파관 안테나 소자의 배열내의 각각의 도파관 안테나 소자는 공동을 가지며, 상기 패치 안테나는 패치 안테나 소자의 배열내의 하나의 패치 안테나 소자에 대응하고, 상기 패치 안테나 소자의 배열내의 각각의 패치 안테나 소자는 상기 도파관 안테나 소자의 배열내의 각각의 도파관과 연계된 상기 공동 내에 배치된 상부 및 하부 패치 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사기.
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