KR20100113347A - The series-fed array antenna for ultra high frequency band radar - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초고주파수 대역 레이더 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대형 감시용 초고주파수 대역 레이더의 안테나 설계에 있어 안테나 방사 이득, 저 부엽 레벨, 편파 특성을 향상시킨 중앙 직렬 급전 구조를 갖는 박형, 경량화, 저가의 직렬 급전 배열 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra high frequency band radar antenna, and more particularly, to the antenna design of a portable super high frequency band radar, a thin, light weight having a central series feed structure with improved antenna radiation gain, low side lobe level, and polarization characteristics. The present invention relates to a low cost series feed array antenna.
예컨대, 본 발명은 마이크로 스트립 라인 기반의 중앙 직렬 급전을 이용하고, 금속성 물체와 비금속성 물체를 구별하기 위한 편파 기법을 이용하고, 배열 안테나의 불연속 구간 최소화 및 안테나 정합을 위한 정합 스터브를 이용해 구현한, 초고주파수 대역 레이더를 위한 직렬 급전 배열 안테나에 관한 것이다.For example, the present invention uses a microstrip line-based central series feed, a polarization technique for distinguishing metallic and non-metallic objects, and a matching stub for minimizing discontinuity of array antennas and antenna matching. The present invention relates to a series feed array antenna for an ultra high frequency radar.
본 발명은 교육과학기술부 및 한국산업기술재단의 지역혁신 인력양성 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: N02086351, 과제명: 휴대형 다기능 감시용 x-band 레이더 개발].The present invention is derived from a study conducted as part of the regional innovation workforce training project of the Ministry of Education, Science and Technology and the Korea Industrial Technology Foundation. [Task management number: N02086351, Task name: Development of portable multi-function monitoring x-band radar].
최근의 무선통신 기술은 다양한 응용에 활용되고 있는데, 그 응용 분야로 레이더 디텍션(radar detection)을 들 수 있다.Recent wireless communication technologies are being used for various applications, and the application field is radar detection.
레이더 디텍션은 특정 지역에서 발사된 미사일을 추적하거나 이동 중인 차량의 속도를 측정하는 것 등과 같이 주로 금속성 물체를 탐지하는 기술분야를 말한다.Radar detection is a technology that primarily detects metallic objects, such as tracking missiles launched from a specific area or measuring the speed of a moving vehicle.
레이더 디텍션에서는 X-밴드[10.525±0.05 GHz], K-밴드[24.150±0.125 GHz], KA-밴드[34.7 GHZ±0.3 GHz] 등과 같은 초고주파수 대역의 신호가 일반적으로 사용된다.In radar detection, signals in the ultra high frequency band such as X-band [10.525 ± 0.05 GHz], K-band [24.150 ± 0.125 GHz], and KA-band [34.7 GHZ ± 0.3 GHz] are generally used.
한편, 금속성 물체 탐지 기능이 우수한 레이더 디텍션 장치[초고주파수 대역 레이더]를 구현하는데 있어 그 배열 안테나(array antenna)의 설계가 무엇보다도 중요하다. 즉, 레이더의 배열 안테나 설계 시 중요시 되는 사항은 안테나 방사 이득과 부엽 레벨(side lobe level) 등이 고려되어야 한다.On the other hand, the design of the array antenna (array antenna) is important to implement a radar detection device (ultra high frequency band radar) excellent in the detection of metallic objects. In other words, antenna radiation gain and side lobe level should be considered when designing array antenna of radar.
일반적으로, 도파관, 마이크로 스트립 라인(microstrip line) 또는 혼합 구조를 사용하여 레이더의 배열 안테나를 구현한다. 여기서, 안테나 급전(feeding) 방식으로는 직렬 급전(series-fed)이 주로 이용되며, 그 이점으로는 안테나 설계가 쉽고, 저 부엽 레벌(low side lobe level)의 특성을 얻을 수 있다.Generally, waveguides, microstrip lines or mixed structures are used to implement radar array antennas. Here, a series-fed is mainly used as an antenna feeding method, and as an advantage thereof, antenna design is easy and low side lobe level characteristics can be obtained.
미국등록특허 제7,091,921호(발명의 명칭: "Travelling wave combining array antenna apparatus")[이하 '종래기술1'이라 함]와, 미국등록특허 제4,180,817호((발명의 명칭: "Serially Connected Microstrip Antenna Array")[이하 '종래기술2'라 함]에는 배열 안테나를 제시하고 있다.US Patent No. 7,091,921 (name of invention: "Travelling wave combining array antenna apparatus") (hereinafter referred to as "
종래기술1에서는 중심에서부터 안테나 방사 소자로 급전시켜 안테나 배열의 양 종단으로 전파가 진행되어 방사가 일어나도록 한다. 이때, 중심으로부터 양 종단으로 전류 분포가 형성되는데, 중심 부분에서 제일 큰 전류의 크기를 보이고 양 종단에서 제일 작은 전류의 크기를 보이는 분포를 갖게 되며, 이를 통해 저 부엽 레벨 특성을 개선시킨 것이다.In the
그런데, 종래기술1에서 제시한 배열 안테나 구조는 1차원 배열 안테나에만 국한되고, 2차원 배열 안테나의 구조에 대해서는 전혀 제시하지 못하고 있으며, 특히 편파(polarization) 특성을 향상시키지 못한 문제점이 있다.By the way, the array antenna structure proposed in the
한편, 종래기술2에서는 직렬 급전을 사용한 2차원 배열 안테나의 구조를 제시하고 있다.On the other hand, the
그런데, 종래기술2에서 제시한 배열 안테나 구조는 직렬 급전에서 근본적으로 발생되는 빔 편이(beam squint) 현상을 제거하지 못하고 있으며, 종래기술1과 마찬가지로 편파 특성을 향상시키지 못한 문제점이 있다.However, the array antenna structure proposed in the
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 휴대형 감시용 초고주파수 대역 레이더의 안테나 설계에 있어 안테나 방사 이득, 저 부엽 레벨, 편파 특성을 향상시킨 중앙 직렬 급전 구조를 갖는 박형, 경량화, 저가의 직렬 급전 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있 다.Therefore, the present invention has been proposed to solve the above problems and to meet the above requirements, the center of the antenna radiation gain, low side lobe level, polarization characteristics in the antenna design of the ultra-high frequency band radar for portable monitoring An object of the present invention is to provide a thin, light weight, low cost series feed array antenna having a series feed structure.
예컨대, 본 발명은 마이크로 스트립 라인 기반의 중앙 직렬 급전을 이용하고, 금속성 물체와 비금속성 물체를 구별하기 위한 편파 기법을 이용하고, 배열 안테나의 불연속 구간 최소화 및 안테나 정합을 위한 정합 스터브를 이용해 구현한, 초고주파수 대역 레이더를 위한 직렬 급전 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.For example, the present invention uses a microstrip line-based central series feed, a polarization technique for distinguishing metallic and non-metallic objects, and a matching stub for minimizing discontinuity of array antennas and antenna matching. The aim is to provide a series feed array antenna for an ultra high frequency radar.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention which are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. Also, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 초고주파수 대역 레이더 안테나에 있어서, 마이크로 스트립 라인 상의 중앙에 형성된 중앙 급전 지점; 상기 중앙 급전 지점으로부터의 전류를 각 안테나 방사 소자로 전달하기 위한 전송 선로; 및 상기 중앙 급전 지점을 중심으로 좌/우/상/하에 대칭적으로 2차원 배열로서 형성된 상기 다수의 안테나 방사 소자를 포함하며, 좌/우로 직렬 급전되는 안테나 방사 소자의 동일 위상을 보장하기 위해, 우측 안테나 방사 소자를 연결하는 전송 선로와 좌측 안테나 방사 소자를 연결하는 전송 선로간의 길이를, 상기 중앙 급전 지점에 서 반 파장의 거리차를 갖도록 하며, 상/하로 직렬 급전되는 안테나 방사 소자의 동일 위상을 보장하기 위해, 상측 안테나 방사 소자를 연결하는 전송 선로와 하측 안테나 방사 소자를 연결하는 전송 선로간의 길이를, 상기 중앙 급전 지점에서 한 파장의 거리차를 갖도록 하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an ultra-high frequency radar antenna, comprising: a center feeding point formed at a center on a micro strip line; A transmission line for transferring current from the central feed point to each antenna radiating element; And the plurality of antenna radiating elements formed in a two-dimensional array symmetrically left / right / up / down about the center feeding point, and to ensure the same phase of the antenna radiating elements serially fed left / right, The length of the transmission line connecting the right antenna radiating element and the transmission line connecting the left antenna radiating element has a distance difference of half wavelength from the center feeding point, and the same phase of the antenna radiating element fed in series up and down. In order to ensure, the length of the transmission line connecting the upper antenna radiating element and the transmission line connecting the lower antenna radiating element is characterized by having a distance difference of one wavelength from the central feeding point.
또한, 본 발명은, 안테나 정합을 위해, 상기 중앙 급전 지점의 일단에 형성된 정합 스터브를 더 포함한다.The present invention further includes a matching stub formed at one end of the center feed point for antenna matching.
상기와 같은 본 발명은 안테나 방사 이득 특성, 원하지 않는 방향에서의 신호를 억제할 수 있는 저 부엽 레벨 특성, 금속성 물체와 비금속성 물체를 구별할 수 있는 성능, 배열 안테나의 불연속 구간 최소화 및 안테나 정합 효율적 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention provides an antenna radiation gain characteristic, a low side lobe level characteristic capable of suppressing a signal in an undesired direction, a performance capable of distinguishing a metallic object from a nonmetallic object, minimizing discontinuity intervals of an array antenna, and efficient antenna matching. This has the effect of improving performance.
또한, 본 발명은 박형, 경량화, 저가의 직렬 급전 배열 안테나를 제작할 수 있으며, 이를 통해 휴대형 감시용 초고주파수 대역 레이더를 구현할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, the present invention can manufacture a thin, light weight, low-cost serial feed array antenna, through which there is an effect to implement a super high frequency band radar for portable monitoring.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above objects, features, and advantages will become more apparent from the detailed description given hereinafter with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those skilled in the art to which the present invention pertains may share the technical idea of the present invention. It will be easy to implement. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 초고주파수 대역 레이더를 위한 직렬 급전 배열 안테나에 대한 일실시예 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따라 구현한 휴대형 감시용 초고주파수 대역 레이더의 송수신 안테나 시스템을 보여주기 위한 일실시예 설명도이다.1 is a configuration diagram of an embodiment of a series feed array antenna for an ultra-high frequency band radar according to the present invention, Figure 2 is a transmission / reception antenna system of a portable super-high frequency band radar implemented in accordance with the present invention An illustration of one embodiment.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 안테나는 편파 선택적 안테나(polarization selective antenna)로서, 송신 안테나 및 수신 안테나로 이루어지며, 금속성 물체와 비금속성 물체를 구별하기 위한 편파 발생 기법을 이용한다.As shown in FIG. 2, the antenna of the present invention is a polarization selective antenna, which includes a transmitting antenna and a receiving antenna, and uses a polarization generating technique for distinguishing a metallic object from a nonmetallic object.
도 1에는 도 2의 송수신 안테나의 일부분을 도시화, 즉 도 2의 송신 안테나 또는 수신 안테나에서의 중앙 급전 지점(central feeding point)을 중심으로 좌/우/상/하에 대칭적으로 배치된 안테나 방사 소자의 일부를 도시화하였다. 이하, 본 발명의 설명 이해를 도모하고자 도 1을 주로 참조해 설명하기로 한다.FIG. 1 illustrates a part of the transmit / receive antenna of FIG. 2, that is, an antenna radiating element symmetrically disposed left / right / upper / down about a central feeding point in the transmitting or receiving antenna of FIG. 2. Some of the are illustrated. Hereinafter, the present invention will be mainly described with reference to FIG. 1 to facilitate understanding of the present invention.
덧붙여, 본 발명에서 제시하는 안테나는 X-밴드, K-밴드, KA-밴드 등과 같은 초고주파수 대역을 이용하는 것이 바람직하나, 그렇다고 특정 주파수 대역에 한정되지는 않음을 밝혀둔다.In addition, the antenna proposed in the present invention preferably uses an ultra-high frequency band such as an X-band, a K-band, a KA-band, etc., but it is clear that the antenna is not limited to a specific frequency band.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초고주파수 대역 레이더를 위한 직렬 급전 배열 안테나는, 마이크로 스트립 라인(Microstrip line) 상의 (정)중앙에 형성된 중앙 급전 지점(4), 중앙 급전 지점(4)의 일단에 형성된[중앙 급전 지점에서의 정합을 위한] 정합 스터브(matching stub)(2), 중앙 급전 지점(4)으로부터의 전류를 각 안테나 방사 소자(1)로 전달하기 위한[중앙 급전 지점과 안테나 방사 소자간 연결, 안테나 방사 소자간 연결을 위한] 전송 선로(3), 중앙 급전 지점(4)을 중심으로 좌/우/상/하에 대칭적으로 2차원 배열로서 형성된 다수의 안테나 방사 소자(radiating element)[일명 패치 안테나(patch antenna)](1) 등을 포함한다.As shown in FIG. 1, a series feed array antenna for an ultra high frequency band radar according to the present invention includes a
먼저, 본 발명의 기술적 특징들 중에서 주요한 몇 가지를 언급하기로 한다.First, some of the technical features of the present invention will be mentioned.
본 발명에서는 안테나 방사 이득과 저 부엽 레벨 특성을 개선하기 위해 직렬 급전을 이용하고, 직렬 급전 시 발생되는 빔 편이 현상 문제를 해결하기 위해 마이크로 스트립 라인 상의 배열 안테나 중앙의 중앙 급전 지점(4)에서 시작하여 전송 선로(3)를 통해 상/하/좌/우로 급전되는 구조를 갖는다. 덧붙여, 부엽 레벨(SLL; Side Lobe Level)은 주엽(main lobe)과 부엽(side lobe)간의 상대적인 차이를 의미한다.In the present invention, the series feed is used to improve the antenna radiation gain and low side lobe level characteristics, and starts at the
또한, 본 발명에서는 금속성 물체와 비금속성 물체를 구별하기 위해 각각의 안테나 방사체 소자(1)의 대각선 방향의 모서리를 절단하여 편파 기법을 이용한다. 예컨대, 본 발명에서는 편파 기법을 이용하여 비금속성 물체의 반사신호를 감쇄[원하지 않는 잡음신호를 제거]시킨다.In addition, the present invention uses a polarization technique by cutting the diagonal edges of each
또한, 본 발명에서는 배열 안테나의 불연속 구간 최소화 및 안테나 정합을 위해 중앙 급전 지점(4)에 정합 스터브(2)를 구비해 정합을 용이하게 한다.In addition, in the present invention, a
즉, 본 발명에서는 초고주파수 대역 레이더용(예; X-밴드 레이더용) 배열 안테나가 박형(low-profile), 경량화, 저가로 제작될 수 있도록 마이크로 스트립 라인으로 설계하되[휴대형 감시용 초고주파수 대역 레이더 안테나 구현], 안테나의 배열 구조, 정합 기법, 급전 구조, 편파 기법을 제시해 금속성 물체 탐지 성능 뿐만 아니라 안테나 방사 이득, 저 부엽 레벨, 편파 특성을 향상시킨 것이다.That is, in the present invention, an antenna for an ultra high frequency band radar (for example, an X-band radar) is designed as a micro strip line so that the antenna can be manufactured in a low profile, light weight, and low cost. Implementation of Radar Antenna], Antenna's Array Structure, Matching Technique, Feeding Structure, and Polarization Technique to improve antenna radiation gain, low side lobe level, and polarization characteristics as well as metallic object detection performance.
본 발명에서 제시하는 안테나 배열 구조, 편파를 발생시키는 구조, 안테나 정합 구조에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.The antenna array structure, polarization generating structure, and antenna matching structure proposed by the present invention will be described in detail as follows.
(1) 안테나 배열 구조(1) antenna array structure
일반적인 안테나의 배열 구조는 안테나 방사 소자 배열의 개수가 2의 배수로 증가되는 구조를 갖는데, 비교적 제한된 크기에서는 그 배열 안테나 방사 소자의 개수가 최대로 활용되지 못할 수 있다. 직렬 급전 구조의 배열 안테나는 안테나 방사 소자의 개수를 융통성 있게 조정할 수 있어 안테나 설계 시 할당된 면적을 최대로 활용할 수 있고 전류 분포 조절을 통해 부엽 레벨을 조정할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 종래기술들[직렬 급전 구조로 마이크로 스트립 라인으로 배열 안테나를 구현한 경우]에서는 빔 편이 현상을 제거하지 못하였다.A typical antenna array structure has a structure in which the number of arrays of antenna radiating elements is increased by a multiple of 2. However, the number of array antenna radiating elements may not be maximized in a relatively limited size. The array antenna of the series feed structure can flexibly adjust the number of antenna radiating elements to maximize the area allocated to the antenna design, and the side lobe level can be adjusted by adjusting the current distribution. However, as described above, in the conventional technologies (when the array antenna is implemented by the micro strip line with the serial feeding structure), the beam shifting phenomenon cannot be eliminated.
이에, 본 발명에서는 마이크로 스트립 라인 상의 배열 안테나의 중앙에 급전 지점을 형성해 안테나 설계 면적을 최대로 활용하면서, 빔 편이 현상을 제거하는 2차원 안테나 방사 소자 배열 구조를 갖도록 한다.Accordingly, in the present invention, a feed point is formed at the center of the array antenna on the micro strip line to maximize the antenna design area, and have a two-dimensional antenna radiating element array structure that eliminates the beam shift phenomenon.
즉, 중앙 급전 지점(4)을 중심으로 좌/우/상/하에 대칭적으로 2차원 배열로서 형성된 다수의 안테나 방사 소자(1)로 직렬 급전되는 구조, 예컨대 좌/우 대칭 적으로 급전되는 구조와 상/하로 급전되는 구조가 대칭성을 갖기에 빔 편이 현상이 제거되고, 전송 선로(3)로부터 발생되는 방사 효과가 최대한 줄기에 부엽 레벨을 낮출 수 있는 구조를 갖는다.That is, a structure in which a plurality of antenna
(2) 편파를 발생시키는 구조(2) a structure that generates polarization
레이더 안테나로 수신되는 신호에는 원하는 탐지 물체의 신호와 함께 여러 잡음신호(noise)도 함께 수신될 수 있다. 이러한 잡음신호는 신호 처리 과정을 통해 제거할 수 있으나 신호 처리 과정으로 인해 레이더의 복잡성이 증가될 수 있다.The signal received by the radar antenna may also receive various noises in addition to the signal of the desired detection object. Such noise signals may be removed through signal processing, but the complexity of the radar may be increased due to the signal processing.
이에, 본 발명에서는 안테나 후단에서 이루어지는 신호 처리 과정과는 별개로, 안테나에서 수신되는 잡음신호를 제거할 수 있는 편파 기법을 이용한다.Therefore, the present invention uses a polarization technique that can remove a noise signal received from the antenna, independently of the signal processing performed at the rear end of the antenna.
즉, 레이더 안테나에서 송신신호를 우원 편파(RHCP)로 하고 수신신호를 좌원 편파(LHCP)로 하는 경우[또는 그 반대의 경우]의 이점으로는, 금속성 물체만을 탐지하는데 있어 효과적으로 잡음신호를 제거할 수 있다. In other words, in the case where the radar antenna transmits a right circularly polarized wave (RHCP) and receives a left circularly polarized wave (LHCP) (or vice versa), it is possible to effectively remove a noise signal in detecting only a metallic object. Can be.
잡음신호 제거 원리는, 진행하는 원형 편파(circular polarization)가 금속성 물체를 맞고 반사될 때 원형 편파는 유지되되 좌원 편파가 우원 편파로, 우원 편파가 좌원 편파로 변환되며, 진행하는 원형 편파가 비금속성 물체[고유전율 물체]를 맞고 반사될 때 반사파(reflected wave)의 축비(Axial ratio)도 함께 변환되므로 레이더 안테나에서 신호 감도 감소로 잡음신호 제거 효과를 얻을 수 있다. 덧붙여, 원형 편파는 진행하는 전기장의 방향 성분이 2개로서, 그 두 편파 (horizontal and vertical)의 위상이 90° 차이를 보이면서 그 크기가 같은 경우이다. 여기서, 그 위상 차이가 +90°이면 좌원 편파, -90°이면 우원 편파로 구분된 다. 한편, 그 두 편파의 상대적인 크기 비율을 축비라고 하는데, 원형 편파의 경우에는 두 편파의 크기가 같으므로 그 축비가 1이 된다.The principle of noise reduction is that, when a progressive circular polarization hits and reflects a metallic object, the circular polarization is maintained but the left circular polarization is converted to the right polarization, the right circular polarization is converted to the left circular polarization, and the ongoing circular polarization is nonmetallic. When hitting and reflecting an object (high dielectric constant object), the axial ratio of the reflected wave is also converted, thereby reducing noise sensitivity by reducing signal sensitivity at the radar antenna. In addition, circular polarization is a case where two directional components of a traveling electric field have the same magnitude while the phases of the two polarizations (horizontal and vertical) differ by 90 °. Here, if the phase difference is + 90 °, it is divided into left circle polarization and -90 °. On the other hand, the relative magnitude ratio of the two polarizations is called the axial ratio. In the case of the circular polarization, the axial ratio is 1 since the two polarizations have the same magnitude.
(3) 안테나 정합 구조(3) antenna matching structure
일반적으로 안테나 정합을 위해 각각의 급전되는 마디(junction)에서 50[ohm]을 맞추며, 이러한 각 마디에서 불연속 지점(discontinuity)이 발생하게 된다. 이와 같은 불연속 지점에서도 약하게 방사가 일어나 부엽 레벨을 높이는 작용을 한다.Typically, 50 [ohm] is fitted at each fed junction for antenna matching, and discontinuity occurs at each of these nodes. Even at such discontinuities, weak radiation occurs, acting to increase the levels of the side lobes.
이에, 본 발명에서는 이러한 불연속 지점을 제거하면서 효과적으로 정합을 할 수 있도록 전송 선로에 불연속한 부분을 만들어 정합을 하는 대신에, 전송 선로를 연속적[주기적]으로 동일한 구조로 하여 불연속 지점을 최소화 하며, 중앙 급전 지점에 정합 스터브를 구비해 전체적인 배열 안테나의 불연속 지점을 최소화 하면서 정합을 효율적으로 할 수 있는 구조를 갖는다.Therefore, in the present invention, instead of making a discontinuous portion on the transmission line so as to effectively match while removing such discontinuity points, the transmission line has the same structure continuously [periodically] to minimize the discontinuity point, and The matching stub is provided at the feed point to minimize the discontinuity point of the entire array antenna, and has a structure that can efficiently match.
그럼, 이하 도 3 내지 도 7을 참조해 본 발명에서 제시하는 안테나 배열 구조, 편파를 발생시키는 구조, 안테나 정합 구조 등에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Next, an antenna array structure, a polarization generating structure, an antenna matching structure, and the like described in the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 7.
도 3은 본 발명에서 제시하는 편파 발생 기법을 설명하기 위한 일실시예 개념도이고, 도 4는 본 발명에서 제시하는 편파 발생을 위한 안테나 방사 소자에 대한 일실시예 상세 구성도이고, 도 5는 본 발명에서 제시하는 안테나 정합을 위한 정합 스터브에 대한 일실시예 상세 구성도이고, 도 6은 본 발명에서 제시하는 마이크로 스트립 라인 기반 직렬 급전 배열 안테나의 급전 지점에 대한 일실시예 단면 도이고, 도 7은 본 발명에서 제시하는 동일 입력 임피던스를 위한 좌우 급전 구조에 대한 일실시예 설명도이다.FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining a polarization generation technique proposed by the present invention. FIG. 4 is a detailed configuration diagram of an antenna radiating element for polarization generation according to the present invention. FIG. 1 is a detailed configuration diagram of a matching stub for antenna matching according to the present invention. FIG. 6 is a cross-sectional view of an embodiment of a feeding point of a microstrip line-based series feeding array antenna according to the present invention. Is a diagram illustrating an embodiment of a left and right feeding structure for the same input impedance proposed in the present invention.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 각각의 안테나 방사체 소자(1)의 대각선 방향의 양 모서리를 절단, 예컨대 송신 안테나에 대해서는 그 안테나 방사체 소자의 우상 부분의 모서리와 좌하 부분의 모서리를 절단하고, 수신 안테나에 대해서는 그 안테나 방사체 소자의 좌상 부분의 모서리와 우하 부분의 모서리를 절단한다[주; 그 반대도 가능함].As shown in Fig. 3 and Fig. 4, in the present invention, the diagonal edges of each
상기와 같이 각 안테나 방사체 소자(1)의 대각선 방향의 모서리를 절단하게 되면 안테나에서 2가지 모드가 발생하게 되는데, 각 모드에서 발생하는 주파수 f1과 f2는 일정한 크기와 위상을 나타내며, 두 모드 크기가 동일하면서 위상이 90° 차이를 보일 때 안테나에서 원형 편파를 발생시킬 수 있다. 한편, 두 모드의 크기가 동일하지 않을 때에는 안테나에서 타원형 편파(elliptical polarization)를 발생시킬 수 있다. 덧붙여, 타원형 편파는 진행하는 전기장의 방향 성분이 2개이지만, 그 두 편파(horizontal and vertical)의 위상이 90° 차이를 보이면서 그 크기가 다른 경우이다. 타원형 편파의 경우에는 두 편파의 크기가 다르므로 그 축비가 1 이상의 값이 된다.When the diagonal corners of the
덧붙여, 도 4에 있어 도면부호 (10)은 안테나 방사 소자[안테나 배열]간을 연결하는 전송 선로를 나타낸다.In addition, in Fig. 4,
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 중앙 급전 지점(4)의 일단에 정합 스터브(2)가 구비되어 있으며, 도 5에 있어 도면부호 (7)은 상단으로 급전되는 전송 선로를, 도면부호 (8)은 하단으로 급전되는 전송 선로를 각각 나타낸다.Meanwhile, as shown in FIG. 5, a matching
한편, 도 6은 본 발명의 안테나를 잘라서 측면에서 바라본 중앙 급전 지점(4) 부분을 도시화한 것으로서, 마이크로 스트립 라인 상에서, 배열 안테나 패턴 지지를 위한 PCB 기판(PCB substrate)(14)의 상층에 배열 안테나 패턴(12)이 형성되고, PCB 기판(14)의 하층에 배열 안테나 지지를 위한 금속 패널(15)이 형성되고, 배열 안테나 중앙으로의 급전을 위한 커넥터 내심(13)과 급전을 위한 SMA 포트 또는 동축 케이블 포트(16)가 형성된다.6 shows a portion of the
한편, 도 7은 도 1에 도시된 좌/우 대칭적으로 형성된 안테나 방사 소자(1)의 배열을 도시화한 것으로서, 본 발명의 설명 편의를 위해 도 7의 상단에 우측 안테나 방사 소자(1)의 배열을, 도 7의 하단에 좌측 안테나 방사 소자(1)의 배열을 도시화하였다.Meanwhile, FIG. 7 illustrates an arrangement of the left / right symmetrically formed
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 좌/우로 직렬 급전되는 안테나 방사 소자 연결을 위한 전송 선로[도면부호 (17)은 우측 안테나 방사 소자 연결 전송 선로를, 도면부호 (18)은 좌측 안테나 방사 소자 연결 전송 선로를 각각 나타냄]의 길이를 정하는데 있어, 좌/우로 급전되는 안테나 방사 소자의 동일 위상을 보장하기 위해 중앙 급전 지점에서 반 파장[]의 거리차를 갖도록 구현, 즉 좌측 안테나 방사 소자 연결 전송 선로의 길이가 우측 안테나 방사 소자 연결 전송 선로의 길이보다 반 파장 더 길게 구현한다.As shown in FIG. 7, in the present invention, a transmission line for connecting antenna radiating elements fed in series in left and right (17 is a right antenna radiating element connecting transmission line, and 18 is a left antenna radiating). In terms of the length of each component-connected transmission line], in order to ensure the in-phase of the antenna radiating element fed left / right. ], That is, the length of the left antenna radiating element connection transmission line is half wavelength longer than the length of the right antenna radiating element connection transmission line.
그리고, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 상/하로 직렬 급전되는 안 테나 방사 소자 연결을 위한 전송 선로의 길이를 정하는데 있어서도, 상/하로 급전되는 안테나 방사 소자의 동일 위상을 보장하기 위해 중앙 급전 지점에서 한 파장[]]의 거리차를 갖도록 구현, 즉 상측 안테나 방사 소자 연결 전송 선로의 길이가 하측 안테나 방사 소자 연결 전송 선로의 길이보다 한 파장 더 길게 구현한다.In addition, in the present invention as shown in Figure 1 in order to determine the length of the transmission line for connecting the antenna radiating element fed in series up and down, in order to ensure the same phase of the antenna radiating element fed up and down One wavelength at feed point [ ]] Such that the length of the upper antenna radiating element connecting transmission line is one wavelength longer than the length of the lower antenna radiating element connecting transmission line.
위와 같이 좌/우로 급전되는 안테나 방사 소자가 반 파장의 거리차를 갖고 상/하로 급전되는 안테나 방사 소자가 한 파장의 거리차를 갖더라도, 동일한 입력 임피던스를 나타내면서 각 안테나 방사 소자에 분포하는 전류의 위상을 동일하게 할 수 있는 구조인 것이다. 즉, 마이크로 웨이브 대역에서 입력 임피던스가 반 파장 주기 또는 한 파장 주기로 동일해 진다. 이는 도 7에 도시된 바와 같이 입력 임피던스 Za와 Zb가 동일하다는 것을 의미한다[Za = Zb].Although the antenna radiating element fed left and right has a distance difference of half wavelength and the antenna radiating element fed up and down has a distance difference of one wavelength as described above, the current distribution in each antenna radiating element exhibits the same input impedance. It is the structure which can make phase same. That is, in the microwave band, the input impedance is equalized by half wavelength period or one wavelength period. This means that the input impedances Z a and Z b are the same as shown in FIG. 7 [Z a = Z b ].
다음으로, 도 1 내지 도 7에 도시된 본 발명의 안테나 설계에 필요한 수치는 다음의 [표 1]과 같으며, 그 단위는 밀리미터[mm]이다. 덧붙여, 얻고자 하는 안테나 방사 이득, 저 부엽 레벨, 편파 특성 등을 고려해 안테나 설계에 필요한 수치는 하기의 [표 1]에 한정되지 않고서 가변적으로 설정하는 것이 바람직하다.Next, the numerical values required for the antenna design of the present invention shown in FIGS. 1 to 7 are shown in the following [Table 1], and the unit is millimeter [mm]. In addition, in consideration of the antenna radiation gain, low side lobe level, polarization characteristics, and the like, it is preferable that the numerical values necessary for the antenna design are variably set without being limited to the following Table 1.
마지막으로, 전술한 바와 같은 본 발명의 안테나 성능 평가 결과를 도 8a, 도 8b, 도 9 및 하기의 [표 2]를 참조해 설명하기로 한다.Finally, the antenna performance evaluation results of the present invention as described above will be described with reference to FIGS. 8A, 8B, 9 and Table 2 below.
안테나 성능 평가 대상은 도 2와 같이 구현한 휴대형 감시용 초고주파수 대역 레이더의 송수신 안테나 시스템으로서, 그 크기가 230×360[mm2], 마이크로 스트립 라인 기판 상에서 유전율 2.2[loss tangent = 0.004], 두께 0.508[mm]로 제작되었으며, 안테나 방사 소자의 총 개수는 160개, 각 안테나 방사 소자는 동일한 크기의 사각형으로서 제작되었으며, 전송 선로의 폭은 1.5[mm]로 제작되었다.Antenna performance evaluation target is a transmission and reception antenna system of a portable super-high frequency band radar implemented as shown in Figure 2, the size is 230 × 360 [mm 2 ], the dielectric constant 2.2 [loss tangent = 0.004], thickness on the microstrip line substrate 0.508 [mm], the total number of antenna radiating elements were 160, each antenna radiating element was made as a square of the same size, and the width of the transmission line was 1.5 [mm].
도 8a 및 도 8b는 본 발명에서 제시한 직렬 급전 배열 안테나의 방사 패턴 성능 평가 결과를 보여주기 위한 일실시예 그래프이고, 도 9는 본 발명에서 제시한 직렬 급전 배열 안테나의 반사 손실 성능 평가 결과를 보여주기 위한 일실시예 그래프이다.8A and 8B are graphs illustrating an example of evaluating the radiation pattern performance of the serially fed array antenna according to the present invention, and FIG. 9 is a reflection loss performance of the serially fed array antenna according to the present invention. An example graph is shown.
도 8a에서는 본 발명의 안테나의 zx 평면 방사 패턴을, 도 8b에서는 본 발명의 안테나의 xy 평면 방사 패턴을 각각 나타내고 있으며, 도 9에서는 본 발명의 안테나의 반사 손실 특성을 나타내고 있으며, [표 2]에서는 안테나 방사 이득, 부엽 레벨 특성, 대역폭의 결과값을 나타내고 있다.8A shows the zx plane radiation pattern of the antenna of the present invention, and FIG. 8B shows the xy plane radiation pattern of the antenna of the present invention, and FIG. 9 shows the reflection loss characteristics of the antenna of the present invention. Shows the result of antenna emission gain, side-level characteristics, and bandwidth.
도 8a, 도 8b, 도 9 및 [표 2]의 시뮬레이션과 비교 측정치를 통해 확인할 수 있듯이, 측정된 안테나 방사 이득은 25.2[dBi], 부엽 레벨은 zx 평면[]에서 -16.1[dB] 및 zy 평면[]에서 -19.0[dB], 축비는 6[dB], 대역폭은 10[GHz]에서 2% 이상을 나타내었다. 덧붙여, 대역폭은 중앙 급전 지점에서의 정합 스터브의 튜닝을 통해 확장될 수 있다.As can be seen from the simulation and comparative measurements of FIGS. 8A, 8B, 9 and Table 2, the measured antenna radiation gain is 25.2 [dBi], and the side lobe level is the zx plane [ ] At -16.1 [dB] and zy plane [ ] Was -19.0 [dB], the axis ratio was 6 [dB], and the bandwidth was more than 2% at 10 [GHz]. In addition, the bandwidth can be extended through tuning of the matching stub at the center feed point.
한편, zx 평면 및 yz 평면에 나타난 부엽이 서로 다른 비율 r에 기인해 다소 다른게 흥미로우며, zx 평면에서는 부엽 크기가 거의 동일하고 시뮬레이션과 비교 측정치간에 다소 불일치하더라도 평탄한 응답을 나타내며, zy 평면에서는 부엽이 점차적으로 감소되는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, the side lobes shown in the zx plane and the yz plane are somewhat different due to different ratios r.The zx plane shows a flat response even though the side lobes are nearly identical in size and somewhat inconsistent between simulation and comparative measurements. It can be seen that this gradually decreases.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is capable of various substitutions, modifications, and changes without departing from the technical spirit of the present invention for those skilled in the art to which the present invention pertains. It is not limited by the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 초고주파수 대역 레이더를 위한 직렬 급전 배열 안테나에 대한 일실시예 구성도.1 is a diagram illustrating an embodiment of a series feed array antenna for an ultra high frequency band radar according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따라 구현한 휴대형 감시용 초고주파수 대역 레이더의 송수신 안테나 시스템을 보여주기 위한 일실시예 설명도.Figure 2 is an embodiment explanatory diagram for illustrating a transmission and reception antenna system of a portable super-high frequency band radar implemented in accordance with the present invention.
도 3은 본 발명에서 제시하는 편파 발생 기법을 설명하기 위한 일실시예 개념도.3 is a conceptual diagram illustrating an embodiment of a polarization generation technique proposed by the present invention.
도 4는 본 발명에서 제시하는 편파 발생을 위한 안테나 방사 소자에 대한 일실시예 상세 구성도.Figure 4 is a detailed configuration diagram of an embodiment of the antenna radiating element for polarization generation proposed in the present invention.
도 5는 본 발명에서 제시하는 안테나 정합을 위한 정합 스터브에 대한 일실시예 상세 구성도.Figure 5 is a detailed configuration diagram of an embodiment of a matching stub for antenna matching proposed in the present invention.
도 6은 본 발명에서 제시하는 마이크로 스트립 라인 기반 직렬 급전 배열 안테나의 급전 지점에 대한 일실시예 단면도.6 is a cross-sectional view of an embodiment of a feed point of a micro strip line based series feed array antenna according to the present invention.
도 7은 본 발명에서 제시하는 동일 입력 임피던스를 위한 좌우 급전 구조에 대한 일실시예 설명도.7 is a diagram illustrating an embodiment of a left and right feeding structure for the same input impedance proposed in the present invention.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에서 제시한 직렬 급전 배열 안테나의 방사 패턴 성능 평가 결과를 보여주기 위한 일실시예 그래프.8a and 8b is an embodiment graph for showing the radiation pattern performance evaluation results of the series feed array antenna presented in the present invention.
도 9는 본 발명에서 제시한 직렬 급전 배열 안테나의 반사 손실 성능 평가 결과를 보여주기 위한 일실시예 그래프.Figure 9 is an embodiment graph for showing the return loss performance evaluation results of the series feed array antenna proposed in the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명* Explanation of symbols on the main parts of the drawing
1 : 안테나 방사 소자1: antenna radiating element
2 : 정합 스터브2: matching stub
3 : 전송 선로3: transmission line
4 : 중앙 급전 지점4: center feed point
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