KR20100117460A - 배열안테나 급전장치 및 이에 연결된 원추형 빔형성을 위한 배열안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각 입력포트와 출력포트를 갖는 복수의 90°지연선; 상기 각각의 90°지연선과 바로 인접한 각각의 90°지연선 사이에 상호 연결되는 복수의 90°하이브리드; 및 상기 복수의 90°지연선 중, 양단에 위치한 90°지연선들을 제외하고, 상호 인접한 2개의 90°지연선 사이를 상호 교차 연결되도록 하는 복수의 교차선을 포함하는 배열안테나 급전 장치를 제공하며, 상기 90°지연선의 출력포트에 연결되는 n×n 배열 안테나 (여기서 n은 출력포트수의 제곱근)를 포함하는 배열안테나를 제공한다. 본 발명의 배열안테나 급전장치 및 이에 연결된 원추형 빔형성을 위한 배열안테나는 원추형(conical) 빔을 4등분하여 각 방향에 지향성을 가지도록 빔을 형성하는 구조이기 때문에 지평선과 약 45°위치에 존재하는 위성의 신호를 수신하기에 적합한 구조이다. 그리고 평면형 구조이기 때문에 고속이동 물체 (자동차, 기차 등등)의 지붕에 집적하여 사용할 수 있는 구조이다.

급전장치, 배열안테나

Description

배열안테나 급전장치 및 이에 연결된 원추형 빔형성을 위한 배열안테나{Power supply for array antenna and array antenna forming conical beams connected to power supply}

본 발명은 배열안테나 급전장치 및 이에 연결된 원추형 빔형성을 위한 배열안테나에 관한 것으로, 상세하게는 배열안테나 급전장치 및 방사 패턴으로서 분할된 지역으로 지향성을 가지는 원추형 빔을 형성하기 위한 배열안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 평면상에서 일정 고도 방향에 대해서(안테나의 구조에 따라서 고도가 달라질 수도 있으나, 바람직하게는 45°) 방위각을 등분하여 나누어진 각 영역에서 지향성이 높은 안테나의 빔을 형성하는 급전장치 및 그에 연결된 배열안테나에 관한 것이다.

자동차, 기차와 같이 고속 이동하는 고속이동물체에서 위성신호를 수신하기 위해서는 빔 형성 장치가 필요하다. 빔 형성 장치는 다수의 입력포트와 다수의 출력포트로 구성되며, 신호의 위상을 조절하기 위하여 커플러(coupler), 위상변위기(phase shifter), 교차선(cross line)등을 이용한다. 이에 따라서, 위성신호를 수신하기 위한 안테나는 위성의 위치를 찾아 빔을 형성할 수 있는 기능이 필요하 다.

안테나의 빔 형성을 위해서는 배열안테나를 사용하고, 각 안테나에 신호를 여기시키는 빔 형성장치가 필요하다. 안테나의 배열간격과 각 안테나에 여기되는 신호의 크기 및 위상이 안테나의 빔의 모양을 결정한다.

안테나의 위상을 조절하기 위한 방법으로는 배열안테나의 각 급전선로에 위상변위기를 사용하거나 스위치를 이용하여 이미 만들어진 빔을 선택하는 방법이 있다.

위상변위기를 사용하면 장비의 가격이 비싸지고 손실이 있는 단점이 있기 때문에, 스위칭 소자를 사용하여 정해진 방향으로 고정된 빔을 형성하는 방법을 선택하기도 한다.

상술한 바, 배열안테나의 각 안테나에 여기되는 위상을 조절하여 원하는 방향으로 빔을 형성할 수 있는 빔 형성장치는 이미 예전부터 많은 연구가 되어 왔으나, 위상을 조절하기 위하여 위상변위기를 사용하여야 하기 때문에 비용이 많이 드는 단점이 있었다. 위상변위기를 사용하지 않는 장치의 경우, 스위치를 이용하여 고정된 빔을 선택하는 방법을 취하고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배열안테나 급전장치 및 이에 연결되어 고정된 빔을 선택하는 방법을 사용하나, 기존에 제시되지 않은 원추형 빔 형성을 위한 배열안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 배열안테나 급전장치, 및 스위칭 빔 형성 장치를 구현하기 위한 빔 형성 회로인 버틀러 메트릭스(Butler matrix)를 변형하고, 상기 배열안테나 급전장치에 연결되어 빔 모양이 기존의 구조와 전혀 다르게 형성되는 배열안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 각각 입력포트와 출력포트를 갖는 복수의 90°지연선;

상기 각각의 90°지연선과 바로 인접한 각각의 90°지연선 사이에 상호 연결되는 복수의 90°하이브리드; 및

상기 복수의 90°지연선 중, 양단에 위치한 90°지연선들을 제외하고, 상호 인접한 2개의 90°지연선 사이를 상호 교차 연결되도록 하는 복수의 교차선을 포함하는 배열안테나 급전 장치를 제공한다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 각각 입력포트와 출력포트를 갖는 복수의 90°지연선;

상기 각각의 90°지연선과 바로 인접한 각각의 90°지연선 사이에 상호 연결 되는 복수의 90°하이브리드; 및

상기 복수의 90°지연선 중, 양단에 위치한 90°지연선들을 제외하고, 상호 인접한 2개의 90°지연선 사이를 상호 교차 연결되도록 하는 복수의 교차선;

상기 90°지연선의 출력포트에 연결되는 n×n 배열 안테나 (여기서 n은 출력포트수의 제곱근)를 포함하는 배열안테나를 제공한다.

보다 바람직하기로는, 4개의 입력포트와 4개의 출력포트를 갖도록 4개의 90°지연선을 포함하는 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하기로는, 상기 지연선으로 고정된 위상변위기를 사용하거나, 위상지연을 발생시키는 선로로 구성하는 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하기로는, 상기 지연선은 90°혹은 -270°의 위상지연을 특징으로 한다.

보다 바람직하기로는, 상기 90°하이브리드는 출력되는 두 포트의 신호가 서로 90°의 위상차를 가지는 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하기로는, 평면형으로 구현하기 위하여 90°하이브리드를 브랜치라인 커플러(branch line coupler)를 사용한다.

보다 바람직하기로는, 상기 교차선은 사다리 모양으로 구성하거나 혹은 두 선간 서로 겹치지 않게 구성을 하여 교차선 없이 구성을 한다.

보다 바람직하기로는, 포트 1에 신호를 인가하게 되면 급전장치를 통하여 출력 1과 출력 2는 서로 180°의 위상차를 가지게 되고, 출력 3과 4는 서로 같은 위상을 가지며 출력 2와 90°의 위상차를 가지고, 포트 2에 신호를 여기하면 포트 1 에 신호를 여기했을 경우와 동일하며, 차이점은 출력 3과 4의 위상이 출력 1과 비교하였을 때 90°의 위상차를 가진다는 점이며, 포트 3과 4는 포트 1과 2의 정확히 대칭되는 구조이고, 180°위상차가 나는 안테나는 서로 대각선에 위치하므로 급전장치의 출력은 Out 1 = Ant 1, Out 2 = Ant 4, Out 3 = Ant 2, Out 4 = Ant 3 에 연결이 됨을 특징으로 한다.

보다 바람직하기로는, 급전장치 및 배열안테나는 평면에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 배열안테나 급전장치 및 이에 연결된 원추형 빔형성을 위한 배열안테나는 원추형(conical) 빔을 4등분하여 각 방향에 지향성을 가지도록 빔을 형성하는 구조이기 때문에 지평선과 약 45°위치에 존재하는 위성의 신호를 수신하기에 적합한 구조이다. 그리고 평면형 구조이기 때문에 고속이동 물체 (자동차, 기차 등등)의 지붕에 집적하여 사용할 수 있는 구조이다.

평면형 배열안테나 구조에서 안테나를 직사각형 격자 모양으로 배치를 한다면 배열 팩터(array factor; AF)는 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서 M 은 x 방향으로 배열된 안테나의 개수, N은 y 방향으로 배열된 안테나의 개수,

,

는 각 x 방향 및 y 방향으로 안테나가 떨어진 간격,

,

는 각 방향으로 여기 되는 신호의 크기에 해당한다.

와

는 x와 y 방향으로의 증가되는 위상 값(progressive phase)을 의미한다.

수학식 1에 의해 만약 동일한 크기를 가지며, x 방향과 y방향으로 다른 위상 값을 가지는 신호를 여기하게 되면 원하는 방향으로 최대 지향성을 가지는 방사패턴을 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 배열안테나 급전 장치 및 이에 연결된 원추형 빔형성을 위한 배열안테나는 입력포트의 선택에 따라서 원하는 지역에서 원추형 빔이 지향성을 가지도록 하는 것으로, 기존의 버틀러 매트릭스 급전장치는 한 평면에 대해서 안테나의 빔이 직교하는 특성을 가지나 본 발명에서 제안하는 구조는 하나의 실시예로서 3차원 구조에 대해서 지표면과 특정 고도의 지점을 4등분 하여 각 지역에 지향성을 가지는 빔을 형성하는 것을 특징으로 하며, 각각 형성되는 4개의 빔을 합하면 원추형 빔이 된다. 도 1에 형성될 수 있는 4개의 빔을 간략하게 도시하였다. 도 1에는 본 발명의 하나의 실시예에 의해 고도 45°에 위치한 위성의 신호를 수신하기 위한 4개의 지역을 나눈 빔 모양을 개략적으로 도시되어 있다.

본 발명을 이루기 위하여 기존의 버틀러 매트릭스 구조에서 지연선의 위상을 기존의 구조와 달리하여 구현을 하였으며 이를 도 2에 도시한 바와 같이 2×2 배열안테나 구조에 적용을 하여 원추형 빔을 형성하도록 하였다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 의한 2×2 배열안테나의 구조와 각 안테나 명칭을 도식적으로 표시한 도면이다.

도 2에서, 2×2 배열안테나의 방사패턴은 각 안테나 단에 여기되는 신호의 크기와 위상에 의존한다.

도 2와 같이 x방향 y방향으로 각각 반 파장씩 떨어진 2×2 배열안테나 구조에서 안테나 1(Ant. 1)에는 위상이 0°, 안테나 2와 3에는 위상이 90°, 안테나 4에는 위상이 180°인 신호를 여기하게 되면, 도 3과 같이 최대지향성을 가지는 지점은 x 축을 기준으로 하였을 때 x-y평면에서는 φ= 225°(case 1)이고, x-y 평면의 수직방향을 z축으로 하였을 때 z 축으로부터 θ=45°기울어진 지점이 된다. 만약 안테나에 위상을 순차적으로 90°씩 돌아가면서 여기를 한다면 (표 1의 각 case에 해당) 최대지향성을 가지는 각도 φ= 135°(case2), 45°(case3), 325°(case4) 가 되어 θ=45°인 모든 영역을 커버하게 된다.

2×2 배열안테나를 여기할 수 있는 급전장치를 도 4에 제시하였다. 제안하는 급전장치는 4개의 90°하이브리드(hybrid)와 하나의 교차선(crossover), 그리고 4개의 90°지연선(delay line)으로 구성이 된다. 교차선은 입력된 신호가 교차하여 반대 출력으로 나오게 하는 역할을 한다. 각 포트(Port)에 신호가 여기되면 인근주변의 포트는 고립된 포트이기 때문에 신호가 전달되지 않고, 출력(Out)으로 균등하게 분배되어 각기 다른 위상을 가지며 나오게 된다. 각 입력포트에 따른 출력 위상은 표 1에 나타내었다. 표 1은 본 발명의 급전장치의 입력포트에 따른 출력포트의 상대적인 위상을 나타낸다.

상대적인 위상	Out 1 (Ant. 1)	Out 2 (Ant. 4)	Out 3 (Ant. 2)	Out 4 (Ant. 3)
Port 1 (case 3)	180°	0°	90°	90°
Port 2 (case 1)	0°	180°	90°	90°
Port 3 (case 2)	-90°	-90°	180°	0°
Port 4 (case 4)	90°	90°	0°	180°

표 1에 도시한 바와 같이, 포트 1에 신호를 인가하게 되면 급전장치를 통하여 출력 1과 출력 2는 서로 180°의 위상차를 가지게 되고, 출력 3과 4는 서로 같은 위상을 가지며 출력 2와 90°의 위상차를 가진다. 포트 2에 신호를 여기하면 포트 1에 신호를 여기했을 경우와 동일하며, 차이점은 출력 3과 4의 위상이 출력 1과 비교하였을 때 90°의 위상차를 가진다는 점이다. 포트 3과 4는 포트 1과 2의 정확히 대칭되는 구조이다. 도 2에서 180°위상차가 나는 안테나는 서로 대각선에 위치하므로 급전장치의 출력은 Out 1 = Ant 1, Out 2 = Ant 4, Out 3 = Ant 2, Out 4 = Ant 3 에 연결이 되어야 한다.

본 발명의 하나의 특정 실시예를 위하여 2×2 배열안테나를 제작하고, 급전장치를 설계 및 제작하였다. 각 안테나 사이에 간격은 x방향과 y 방향 각각 60 mm로 하였다. 이는 2.6 GHz에서 약 반 파장에 해당하는 거리이다. 급전장치의 경우 마이크로스트립을 이용하여 설계하고 제작하였다. 설계에 사용한 기판은 유전율 6.5, 두께 25 mil을 갖는 기판이다. 설계 주파수는 2.6 GHz로 하였다. 90°하이브리드는 입력포트 방향으로는 고립되며, 2개의 출력포트로는 동일한 크기를 가지며 위상이 90°차이가 나는 브랜치라인 커플러(branch-line coupler)를 사용하였다. 교차선은 50옴 선로를 이용하여 사다리 모양으로 파장/4의 간격으로 배열한 구조를 사용하였다. 90°지연선은 급전선로 선로의 길이를 다르게 하여 위상지연의 효과를 얻었다. 급전선로 설계 시 위상특성이나 급전선로에서 반사특성을 좋게 하기 위하여 각 포트에서 여기되는 신호가 출력포트로 갈 때 선로에서 꺾이는 횟수를 모두 동일하게 하였다. 급전장치와 안테나 사이의 연결은 길이가 모두 동일한 동축선로를 이용하여 각 출력포트에서 안테나 입력단으로 연결을 하였다.

제작된 배열안테나와 급전장치를 도 5에 도시하였다. 제작된 안테나를 기반으로 입력포트 1과 2에 신호를 여기 하였을 때 방사패턴을 도 6a 및 도 6b에 도시하였다. 중심주파수 2.57 GHz에서 시뮬레이션 및 측정하였다. 방사패턴은 φ = 45°축과 z축을 포함하는 평면으로 자른 패턴이다. 도 6a는 포트 1에 신호를 여기하였을 때의 방사패턴이다. 세로축은 φ = 225°를 가리키는 축이 된다. 따라서 그림에서 최대지향성은 x축과 y축의 중심이 되는 φ = 45°와 z축을 기준으로 하였을 때 θ = 45°에서 발생한다. 포트 2에 신호를 여기하게 되면 도 6b와 같이 φ = 225°와 θ = 45°에서 최대지향성을 가지게 된다. 포트 3과 4에 신호를 여기하였을 때의 방사패턴 급전장치의 대칭성에 의해 φ = 135°와 z축을 포함하는 평면에 대해서 자르면 도 5와 동일한 방사패턴을 가지게 된다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 의해 고도 45°에 위치한 위성의 신호를 수신하기 위한 4개의 지역을 나눈 빔 모양을 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 의한 2×2 배열안테나의 구조와 각 안테나 명칭을 도식적으로 표시한 도면이다.

도 3은 도 2의 안테나 구조에 안테나 간의 위상을 Ant. 1=0°, Ant. 2=90°, Ant. 3=90°, Ant. 4=180°로 인가하였을 때 위치에 따른 상대적인 방사크기 (방사가 크기 일어나는 부분 A, 방사가 약하게 일어나는 부분 B)를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명에서 제안하는 원추형 빔 형성을 위한 배열안테나 급전장치의 하나의 실시예를 도시한 평면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 배열안테나가 연결된 급전장치의 모습을 보여주는 사진이다.

도 6a는 본 발명에서 2.57 GHz에서 본 발명에서 제안하는 급전장치를 포함한 2×2 배열안테나의 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴으로, 포트 1에 신호를 여기한 경우를 도시하고, 도 6b는 포트 2에 신호를 여기한 경우를 도시한 도면이다.

Claims (18)

1. 각각 입력포트와 출력포트를 갖는 복수의 90°지연선;

   상기 각각의 90°지연선과 바로 인접한 각각의 90°지연선 사이에 상호 연결되는 복수의 90°하이브리드; 및

   상기 복수의 90°지연선 중, 양단에 위치한 90°지연선들을 제외하고, 상호 인접한 2개의 90°지연선 사이를 상호 교차 연결되도록 하는 복수의 교차선을 포함하는 배열안테나 급전 장치.
2. 제1항에 있어서, 4개의 입력포트와 4개의 출력포트를 갖도록 4개의 90°지연선을 포함하는 것을 특징으로 하는 배열안테나 급전 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 지연선으로 고정된 위상변위기를 사용하거나, 위상지연을 발생시키는 선로로 구성하는 것을 특징으로 하는 배열안테나 급전장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 지연선은 90°혹은 -270° 의 위상지연을 특징으로 하는 배열안테나 급전장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 90°하이브리드는 출력되는 두 포트의 신호가 서로 90°의 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 배열안테나 급전장치.
6. 제1항에 있어서, 평면형으로 구현하기 위하여 90° 하이브리드를 브랜치라인 커플러(branch line coupler)를 사용하는 배열안테나 급전장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 교차선은 사다리 모양으로 구성하거나 혹은 두 선간 서로 겹치지 않게 구성을 하여 교차선 없이 구성을 하는 배열안테나 급전장치.
8. 제2항에 있어서, 포트 1에 신호를 인가하게 되면 급전장치를 통하여 출력 1과 출력 2는 서로 180°의 위상차를 가지게 되고, 출력 3과 4는 서로 같은 위상을 가지며 출력 2와 90°의 위상차를 가지고, 포트 2에 신호를 여기하면 포트 1에 신호를 여기했을 경우와 동일하며, 차이점은 출력 3과 4의 위상이 출력 1과 비교하였을 때 90°의 위상차를 가진다는 점이며, 포트 3과 4는 포트 1과 2의 정확히 대칭되는 구조이고, 180°위상차가 나는 안테나는 서로 대각선에 위치하므로 급전장치의 출력은 Out 1 = Ant 1, Out 2 = Ant 4, Out 3 = Ant 2, Out 4 = Ant 3 에 연결이 됨을 특징으로 하는 배열안테나 급전장치.
9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서 급전장치는 평면에 형성되는 것을 특징으로 하는 배열안테나 급전장치.
10. 각각 입력포트와 출력포트를 갖는 복수의 90°지연선;

    상기 각각의 90°지연선과 바로 인접한 각각의 90°지연선 사이에 상호 연결되는 복수의 90°하이브리드; 및

    상기 복수의 90°지연선 중, 양단에 위치한 90°지연선들을 제외하고, 상호 인접한 2개의 90°지연선 사이를 상호 교차 연결되도록 하는 복수의 교차선;

    상기 90°지연선의 출력포트에 연결되는 n×n 배열 안테나 (여기서 n은 출력포트수의 제곱근)를 포함하는 배열안테나.
11. 제10항에 있어서, 4개의 입력포트와 4개의 출력포트를 갖도록 4개의 90°지연선을 포함하는 것을 특징으로 하는 배열안테나.
12. 제10항에 있어서, 상기 지연선으로 고정된 위상변위기를 사용하거나, 위상지연을 발생시키는 선로로 구성하는 것을 특징으로 하는 배열안테나.
13. 제10항에 있어서, 상기 지연선은 90°혹은 -270°의 위상지연을 특징으로 하는 배열안테나.
14. 제10항에 있어서, 상기 90°하이브리드는 출력되는 두 포트의 신호가 서로 90°의 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 배열안테나.
15. 제10항에 있어서, 평면형으로 구현하기 위하여 90°하이브리드를 브랜치라인 커플러(branch line coupler)를 사용하는 배열안테나.
16. 제10항에 있어서, 상기 교차선은 사다리 모양으로 구성하거나 혹은 두 선간 서로 겹치지 않게 구성을 하여 교차선 없이 구성을 하는 배열안테나.
17. 제11항에 있어서, 포트 1에 신호를 인가하게 되면 출력 1과 출력 2는 서로 180°의 위상차를 가지게 되고, 출력 3과 4는 서로 같은 위상을 가지며 출력 2와 90°의 위상차를 가지고, 포트 2에 신호를 여기하면 포트 1에 신호를 여기했을 경우와 동일하며, 차이점은 출력 3과 4의 위상이 출력 1과 비교하였을 때 90°의 위상차를 가진다는 점이며, 포트 3과 4는 포트 1과 2의 정확히 대칭되는 구조이고, 180°위상차가 나는 안테나는 서로 대각선에 위치하므로 출력은 Out 1 = Ant 1, Out 2 = Ant 4, Out 3 = Ant 2, Out 4 = Ant 3 에 연결이 됨을 특징으로 하는 배열안테나.
18. 제9항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서 배열안테나는 평면에 형성되는 것을 특징으로 하는 배열안테나.

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