KR20130091912A

KR20130091912A - 다종의 반사부를 포함하는 리플렉트어레이 안테나 및 이의 설계 방법

Info

Publication number: KR20130091912A
Application number: KR1020120013250A
Authority: KR
Inventors: 윤영중; 윤지환; 김재식
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2013-08-20
Also published as: KR101306787B1

Abstract

본 발명은 평면형 리플렉트어레이 안테나에 관한 것으로 본 발명에 따른 리플렉트어레이 (reflectarray) 안테나는 안테나에서 반사된 전자기파가 갖는 위상의 범위를 정의하는 반사 위상 범위 중에서 일부의 범위에 해당하는 제1 위상 영역에 대한 상기 전자기파의 반사 위상을 구현하는 제1 반사부(patch element); 상기 반사 위상 범위 중에서 전체 또는 다른 일부의 범위에 해당하는 제2 위상 영역에 대한 상기 신호의 반사 위상을 구현하는 제2 반사부(patch element)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 급전 안테나와 반사부의 거리차이에 따른 위상보상을 전 범위에 대하여 가능하게 하며 복잡한 형태의 다중 공진 반사부 만을 이용하는 것에 비하여 설계 과정을 단순화 하며 이에 따라 제작 오차 발생 가능성이 줄어들어 반사 위상의 오차를 감소 시키고 이를 통해 안테나의 이득을 증가시킬 수 있다.

Description

다종의 반사부를 포함하는 리플렉트어레이 안테나 및 이의 설계 방법{Reflectarray antenna comprising various patch element and its method of design}

본 발명은 평면형 리플렉트어레이 안테나에 관한 것으로 상세하게는 평면형 반사판 안테나의 반사판 상에 다수의 마이크로스트립 반사부(Microstrip patch element)를 구성하여 급전 안테나와의 거리차에 따른 위상을 보상하는 리플렉트어레이 안테나 및 이의 설계 방법에 관한 것이다.

종래 곡면형 반사판(reflector)을 가지는 일반적인 파라볼라 안테나(parabola antenna)의 경우 반사판의 형상을 곡면형으로 구현함으로써 반사파(Reflected wave) 간의 위상 보상이 불필요 하나 평면형 반사판을 가지는 안테나의 경우 급전 안테나와의 거리차에 따른 반사판에서 반사되는 전자기파의 반사파에 대한 위상 보상이 필요하다.

반사위상의 보상을 위하여 종래에는 반사판에 다수 부착되는 동일한 크기의 반사부(patch element)에 위상 지연선(Delay line)을 사용하여 반사위상을 지연선의 길이에 의해 조절하였으나 지연선에서의 Spurious radiation에 의해 Cross 편파 방사가 증가하고, 이로 인해 반사 위상값에 오차가 생길 수 있었다. 또한 반사부와 지연선 사이에 임피던스 부정합이 생길 경우에도 반사위상값에 오차가 생기는 문제가 발생하였다.

이와 달리 반사부의 크기를 조절하는 기술의 경우 구현 가능한 모든 반사 위상값의 범위는 기판의 유전율과 두께에 영향을 받으며, 따라서 구현할 수 있는 반사위상값의 범위가 360°보다 작아 위상 보상의 범위가 제한되는 문제가 있었다.

그외 다층의 반사부를 적층하는 기술의 경우 제작과정에서 각 층의 반사부들 간의 정렬이 틀어질 경우, 반위상값에 오차가 생길 수 있었으며 각 층을 적층하는 과정에서 사용되는 접착제의 두께에 의해 전체 두께에 오차가 발생할 경우, 반사 위상값에 오차가 생길 수 있으며 적층과정으로 인한 높은 제작비용 및 적층과정에 의한 구조의 부피와 무게가 증가하는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 위상 지연선을 사용하지 않는 단순한 사각 반사부와 상대적으로 복잡한 형상의 다중공진 반사부를 조합한 리플렉트어레이 설계 기법을 제안하는 것을 목적으로 한다. 상세하게는 단순한 사각 반사부의 장점인 단순한 형태에 따른 단순한 설계 과정 및 상대적으로 천천히 변하는 반사위상에 따른 제작 오차에 덜 민감하다는 점과 다중공진 반사부의 장점인 전 범위의 반사위상을 구현할 수 있는 점을 조합하고 각각의 단점을 보완하는 리플렉트어레이 안테나 및 이의 설계 기법을 제안하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나(reflectarray) 안테나는, 상기 리플렉트어레이 안테나의 반사판에서 반사된 전자기파가 갖는 위상의 범위를 정의하는 반사 위상 범위 중에서 일부의 범위에 해당하는 제1 위상 영역에 대한 상기 전자기파의 반사 위상을 구현하는 제1 반사부(patch element); 및 상기 반사 위상 범위 중에서 전체 또는 다른 일부의 범위에 해당하는 제2 위상 영역에 대한 상기 전자기파의 반사 위상을 구현하는 제2 반사부(patch element)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 반사 위상 범위 중에서 전체의 범위에 해당하는 제3 위상 영역에 대한 반사 위상을 구현하는 제3 반사부(patch element)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1 반사부는 상기 전자기파가 반사되는 상기 리플렉트어레이 안테나의 유전체 기판 상의 적어도 하나의 특정 면을 정의하는 제1 구역에 위치하고, 상기 제2 반사부는 상기 유전체 기판 상의 다른 적어도 하나의 특정 면을 정의하는 제2 구역에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 제3 반사부는 상기 유전체 기판 상의 제1 및 제2 구역과 다른 적어도 하나의 특정면을 정의하는 제3 구역에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 제1, 2 및 제3 구역은 상기 유전체 기판상에서 불연속적(abrupt)으로 적어도 하나 이상 형성되는 구역인 것이 바람직하다.

상기 제1 반사부는 상기 제1 위상 영역에 따라 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조의 반사부인 것이 바람직하다.

상기 제2 반사부는 상기 제2 위상 영역에 따라 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부인 것이 바람직하다.

상기 제3 반사부는 상기 제3 위상 영역에 따라 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조에 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링 또는 고리구조를 포함(loading)하는 2차 또는 N차 구조의 반사부인 것이 바람직하다.

상기 제1 내지 제3 반사부의 폭 및/또는 두께는 상기 리플렉트어레이(reflectarray) 반사판의 직경 및 급전안테나와 상기 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 전자기파의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나(reflectarray) 안테나 설계 방법은, 급전 안테나의 전자기파를 반사하기 위한 상기 리플렉트어레이 반사판의 직경 및 급전안테나와 상기 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 전자기파의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 생성하는 단계; 미리 정해진 구조의 반사부를 이용한 상기 리플렉트어레이 반사판에 따른 반사 위상 분포를 시뮬레이션하는 단계; 및 상기 생성된 필요 위상 분포 와 상기 시뮬레이션된 반사 위상 분포 간의 반사 위상차를 이용하여 상기 반사부의 구조 및 상기 리플렉트어레이 반사판상의 위치를 결정하는 리플렉트어레이 구성 단계를 포함한다.

상기 리플렉트어레이 구성 단계는 상기 반사 위상차가 미리 결정된 제1 범위 내에 해당하는 경우 상기 반사 위상차에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치를 정의하는 제2 구역에 제2 반사부를 구성하는 것이 바람직하다.

상기 리플렉트어레이 구성 단계는 상기 반사 위상차가 미리 결정된 제2 범위 내에 해당하는 경우 상기 반사 위상차에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치 를 정의하는 제3 구역에 제3 반사부를 구성하는 것이 바람직하다.

상기 리플렉트어레이 구성 단계는 상기 반사 위상차가 없는 경우 이에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치를 정의하는 제1 구역에 제1 반사부를 구성하는 것이 바람직하다.

상기 제1 내지 제3 구역은 상기 신호가 반사되는 상기 리플렉트어레이 안테나의 유전체 기판 상의 적어도 하나의 특정 면을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제1 내지 제3 구역은 상기 유전체 기판상에서 불연속적(abrupt)으로 적어도 하나 이상 형성되는 구역인 것이 바람직하다.

상기 제1 반사부는 상기 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조의 반사부인 것이 바람직하다.

상기 제2 반사부는 상기 제1 범위에 따라 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부인 것이바람직하다.

상기 제3 반사부는 상기 제2 범위에 따라 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조에 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링 또는 고리구조를 포함(loading)하는 2차 또는 N차 구조의 반사부인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나는, 급전안테나의 전자기파를 반사하기 위한 리플렉트어레이(reflectarray) 안테나 반사판의 직경 및 급전안테나와 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 전자기파의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 생성하는 단계; 미리 정해진 구조의 반사부를 이용한 상기 리플렉트어레이 반사판에 따른 반사 위상 분포를 시뮬레이션하는 단계; 및 상기 생성된 필요 위상 분포 와 상기 시뮬레이션된 반사 위상 분포 간의 반사 위상차를 이용하여 상기 반사부의 구조 및 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치를 결정하는 리플렉트어레이 구성 단계를 통하여 제작된 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 리플렉트어레이 안테나 설계 방법이 컴퓨터상에서 수행될 수 있는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체는, 급전안테나의 전자기파를 반사하기 위한 리플렉트어레이(reflectarray) 반사판의 직경 및 급전안테나와 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 전자기파의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 생성하는 단계; 미리 정해진 구조의 반사부를 이용한 상기 리플렉트어레이 반사판에 따른 반사 위상 분포를 시뮬레이션하는 단계; 및 상기 생성된 필요 위상 분포 와 상기 시뮬레이션된 반사 위상 분포 간의 반사 위상차를 이용하여 상기 반사부의 구조 및 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치를 결정하는 리플렉트어레이 구성 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 단순한 사각 반사부와 상대적으로 복잡한 형상의 다중공진 반사부를 조합한 리플렉트어레이 안테나를 제공함으로써 급전 안테나와 반사부의 거리차이에 따른 위상보상을 전 범위에 대하여 가능하게 하며 복잡한 형태의 다중 공진 반사부 만을 이용하는 것에 비하여 설계 과정을 단순화 하며 이에 따라 제작 오차 발생 가능성이 줄어들어 반사 위상의 오차를 감소시키고 이를 통해 안테나의 이득을 증가시킬 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 반사부로 구현 가능한 반사위상 및 반사부의 구조를 나타내는 도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 반사부로 구현 가능한 반사위상 및 반사부의 구조를 나타내는 도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 제3 반사부로 구현 가능한 반사위상 및 반사부의 구조를 나타내는 도이다.
도 4a는 종래 기술에 따른 단순 사각형태의 반사부를 이용하여 리플렉트어레이 안테나를 구성한 예를 나타내는 도이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 복수의 반사부를 조합하기 위하여 리플렉트어레이 안테나를 복수의 구역으로 나눈 예를 나타내는 도이다.
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따라 분할된 구역에 복수의 반사부를 배치한 리플렉트어레이 안테나를 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나 및 급전 안테나의 구성을 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나의 제작방법을 순서화하여 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 필요 위상 분포 생성 단계에서 생성된 필요 위상 분포 그래프를 나타내는 도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 반사 위상 분포 생성 단계에서 시뮬레이션된 반사 위상 분포 그래프를 나타내는 도이다.
도 9는 도7 및 도 8의 그래프 상에서 반사 위상 분포 간의 반사 위상차 그래프를 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나에서 방사되는 빔패턴의 예를 나타내는 도이다.
도 11은 제1 반사부만을 구비하는 리플렉트어레이 안테나에서 방사되는 빔패턴의 예를 나타내는 도이다.
도 12는 제3 반사부만을 구비하는 리플렉트어레이 안테나에서 방사되는 빔패턴의 예를 나타내는 도이다.
도 13은 도 10내지 도 12의 리플렉트어레이 안테나의 방사패턴을 전, 자계면에서의 결과값으로 나타내는 도이다.

이하의 내용은 단지 발명의 원리를 예시하므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 발명의 원리를 구현하고 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서의 특허청구범위에 의해 정의되는 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 발명을 설명함에 있어서 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 반사부로 구현 가능한 반사위상 및 반사부의 구조를 나타내는 도이다.

반사판 안테나의 반사판에서 반사된 전자기파의 위상 보상은, 종래에 곡면형 반사판를 가지는 일반적인 반사판 안테나의 경우 급전 안테나와 반사판의 거리가 동일하도록 설계되어 반사되는 전자기파의 위상이 모두 동일하여 이에 따른 부가적인 위상의 보상이 불필요 하나, 평면형 반사판을 가지는 안테나의 경우 급전 안테나와의 거리차에 따라 반사판에서 반사되는 전자기파의 위상 차이가 발생함으로써 이러한 위상 차이를 상기 거리차를 고려하여 조절하는 것을 의미한다.

본 실시예에서 제1 반사부는 제1 위상 영역에 대한 반사 위상을 구현한다. 도 1a를 참조하면 제1 반사부의 구조에 따른 구현 가능한 반사 위상의 범위는 180°범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다. 반사 위상은 반사부의 폭 L_p에 따라 -180°에서 -360°로 변한다. 따라서 제1 위상 영역은 반사판에서 반사된 신호가 갖는 반사 위상의 범위가 180°이내인 영역인 것이 바람직하다.

본 실시예에서 제1 반사부는 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조의 반사부인 것이 바람직하다. 도 1b를 참조하면 본 실시예에서 미리 정해진 폭이란 반사 위상에 따라 일정한 폭 L_p를 갖는 사각형 형태의 구조로서 후술하는 제2 반사부 및 제3 반사부에 비해 그 구조가 단순하여 설계가 보다 용이하며 폭에 따른 위상의 변화도가 적어 제작 오차에 덜 민감한 장점이 있다. 따라서 제1 위상 영역 이내의 반사 위상에 대하여는 제1 반사부를 통하여 위상 보상을 하는 것이 설계와 제작 용이성 및 비용 측면에서 바람직하다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 반사부로 구현 가능한 반사위상 및 반사부의 구조를 나타내는 도이다.

본 실시예에서 제2 반사부는 제2 위상 영역에 대한 반사 위상을 구현한다. 제2 위상영역은 상술된 제1 위상영역 외의 영역을 포함하는 영역으로 전체영역을 포함할 수 있다. 보다 상세하게 제1 위상영역 외의 영역은 전체 반사 위상의 범위중 제1 위상영역 외의 영역 인 것이 바람직하다. 도 2a를 참조하면 제2 반사부의 구조에 따른 구현 가능한 반사 위상의 범위는 210°범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 반사 위상은 반사부의 폭 L_p에 따라 -210°에서 -420°로 변한다. 따라서 본 실시예에서 제2 위상 영역은 반사판에서 반사된 전자기파가 갖는 반사 위상의 범위가 210°이내인 영역인 것이 바람직하다.

본 실시예에서 제2 반사부는 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부인 것이 바람직하다. 도 2b를 참조하면 본 실시예에서 미리 정해진 폭 및 두께는 반사 위상에 따라 일정한 폭 L_p를 갖고 1.0mm의 두께를 가지는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부인 것이 바람직하다. 이는 전술한 제1 반사부에 비하여 복잡한 구조이나 후술하는 제3 반사부에 비해 그 구조가 단순하여 설계가 보다 용이하며 폭에 따른 위상의 변화도가 적어 제작 오차에 덜 민감한 장점이 있다. 따라서 제1 반사부로 구현 불가능한 영역 중 제2 위상 영역 이내의 반사 위상에 대하여는 제2 반사부를 통하여 위상 보상을 하는 것이 위상 보상의 범위적 측면, 설계와 제작 용이성 및 비용 측면에서 바람직하다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 제3 반사부로 구현 가능한 반사위상 및 반사부의 구조를 나타내는 도이다.

본 실시예에서 제3 반사부는 제3 위상 영역에 대한 반사 위상을 구현한다. 도 3a를 참조하면 제3 반사부의 구조에 따른 구현 가능한 반사 위상의 범위는 360°내에서 형성되는 것이 바람직하다. 반사 위상은 반사부의 폭 L_p에 따라 -180°에서 -540°로 변한다. 따라서 제3 위상 영역은 반사판에서 반사된 전자기파가 갖는 반사 위상의 전 범위를 포함하는 영역인 것이 바람직하다.

본 실시예에서 제3 반사부는 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조에 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링 또는 고리구조의 반사부를 포함(loading)하는 2차 또는 N차 구조의 반사부인 것이 바람직하다. 도 3b를 참조하면 본 실시예에서 미리 정해진 폭이란 반사 위상에 따라 일정한 폭 L_p를 갖는 사각형 형태의 구조에 1.0mm의 두께를 가지는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부를 포함(Loading)하는 구조인 것이 바람직하다. 본 실시예에서 제3 반사부는 2차 구조를 가지며, 이에 따라 N차 구조는 상술한 바와 같이 반사부가 N차 적층된 구조를 갖는 것을 의미한다. 제3 반사부는 전술한 제1, 2 반사부에 비하여 복잡한 구조이며 폭의 변화에 따라 그 위상의 변화가 커 제작오차에 민감한 단점 이 있으나 상술한 제1, 2 반사부에서 구현이 불가능한 위상 범위(-420°~ -540°)에 대해서도 구현이 가능하다. 따라서 제1, 2 반사부로 구현 불가능한 영역 중 제3 위상 영역 이내의 반사 위상에 대하여는 제3 반사부를 통하여 위상 보상을 하는 것이 제3 반사부 만을 이용하여 위상 보상을 구현하는 것에 비해 위상 보상의 범위적 측면, 제작 오차를 고려한 용이성 및 비용 측면에서 바람직하다.

본 실시예에 따른 어레이 안테나는 상술한 제1, 2, 3 반사부를 각각의 반사부가 보상가능한 위상 범위를 고려하여 조합함으로써 단일한 구조의 반사부를 이용할 때 발생하는 전 범위의 위상 구현이 불가능한 문제 또는 제작의 어려움 및 비용의 문제를 해결할 수 있다.

도 4a는 종래 기술에 따른 단순 사각형태의 반사부를 이용하여 리플렉트어레이 안테나를 구성한 예를 나타낸다. 도 4a를 참조하면, 급전 안테나와 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따른 위상차이를 보상하기 위하여 리플렉트 어레이 반사판상의 단순 사각형태의 반사부를 그 폭을 달리하여 구성하였다.

이러한 경우 상술한 바와 같이 단순 사각형태의 경우 다른 복잡한 형태의 반사부구조와 비교하여 제작이 용이하다는 이점이 있으나 전범위의 반사위상의 구현이 불가능하다는 단점이 있었다.

도 4b는 본 발명의 일실시예에 따라 복수의 반사부를 조합하기 위하여 리플렉트어레이 안테나를 복수의 구역으로 나눈 예를 나타내는 도이다. 도 4b를 참조하면 리플렉트어레이 안테나의 가장 내부의 영역과 최외곽영역은 제1 구역(150)에 해당하는 것이 바람직하다. 내부의 제1 구역(150)은 제3 구역(350)으로 둘러 싸인 형태이며, 제3 구역(350) 과 최외곽의 제1 구역(150)의 사이는 제2 구역(250)이 위치한다. 따라서 제1, 2 및 제3 구역은 상기 리플렉터 어레이 반사판을 분할한 구역 중 복수의 영역일 수 있다.

또한 본 실시예에서 상기 제1, 2 및 제3 구역은 상기 리플렉트어레이 반사판의 유전체 기판 상에 위치하며, 상기 유전체 기판상에서 불연속적(abrupt)으로 적어도 하나 이상 형성되는 구역인 것이 바람직하다. 유전체 기판 상에 위치한다는 것은 리플렉트어레이 반사판의 금속 접지면이 있는 유전체의 기판에 부착되는 것을 의미하며, 불연속적으로 형성되는 것은 제1, 2 및 제3 구역이 일정한 순서에 따라 형성되는 것이 아니며 각각의 구역들은 독립하여 형성되는 것을 의미한다.

도 4c를 참조하면 도4c는 본 발명의 일실시예에 따라 분할된 구역에 복수의 반사부를 배치한 리플렉트어레이 안테나를 나타내는 예시도이다. 도 4c를 참조하면 도 4b의 제1 구역(150)에는 제1 반사부가 위치하며, 제2 구역(250)에는 제2 반사부가 제3 구역(350)에는 제3 반사부가 그 폭 및/또는 두께를 달리하며 위치하도록 배열된 것을 알 수 있다. 본 실시예에 따른 복수의 반사부는 실제 구현 가능한 정밀도를 한계로 하여 그 폭 및 두께를 설계된 것이 바람직하다. 또한 동일한 구역내에서 복수의 반사부들 각각의 형태는 수학적으로 닮은 형태일 수 있으며 또한 기하학적으로 유사한 형태일 수 있다. 본 실시예에서 기하학적으로 유사한 형태라는 것은 반사부들 간의 물리적인 크기의 차이가 소프트웨어 적으로 미리 결정된 용인 가능한 오차 범위내에서 닮은 형태를 가진다는 것을 의미한다. 나아가 각 구역내에서 복수의 반사부들이 형성하는 배열의 진행방향은 일정한 방향성을 가질 수 있다. 본 실시예에서 일정한 방향성이란 동일한 구역에 포함되는 반사부들은 리플렉트어레이 반사판 상에서의 상대적 위치에 따라 반사부들의 간격 및 크기가 규칙적으로 변화되고 것을 의미한다. 본 실시예의 제1 구역에 포함된 제1 반사부들의 배열 간격은 리플렉트어레이 반사판 상에서 외곽으로 갈수록 크기가 줄어들며 간격은 넓어지는 것을 알 수 있다.

본 실시예에서 제1 내지 제3 반사부의 폭 및/또는 두께는 리플렉트어레이 반사판의 직경 및 급전안테나와 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 신호의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 고려하여 결정되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 필요 위상 분포란 리플렉트어레이 안테나에서 방사되는 방사패턴의 이득을 고려하여 이론적으로 계산된 반사 위상의 분포를 의미한다. 필요 위상 분포는 도 5를 참조하면 급전 안테나(30)와 반사부(10)간의 거리 F 및 리플렉트어레이 반사판 (20)의 폭 D 에 따라 결정된다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나의 설계방법을 순서화하여 나타낸 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 본실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나의 설계 방법은 필요 위상 분포를 생성하는 단계(S100), 반사 위상 분포를 시뮬레이션 하는 단계(S200), 리플렉트어레이 안테나를 구성하는 단계(S300)를 포함한다.

필요 위상 분포를 생성하는 단계(S100)는 안테나의 신호를 반사하기 위한 리플렉트어레이 반사판의 직경 및 급전안테나와 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 신호의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 생성한다. 도 5를 참조하면 필요 위상 분포는 급전 안테나(30)와 반사부(10)간의 거리 F 및 리플렉트어레이 반사판 (20)의 폭 D 에 따라 결정된다. 본 실시예에 따라 생성된 필요위상 분포는 도 7과 같다. 도 7은 반사부의 리플렉트어레이 반사판상에서의 상대적 위치에 따라 이론상 필요한 -180°에서 -540°의 반사위상 분포를 나타낸 그래프이다.

위상 분포를 시뮬레이션 하는 단계(S200)는 미리 정해진 구조의 반사부에 따른 반사 위상 분포를 시뮬레이션한다. 본 실시예에서 미리 정해진 구조의 반사부는 상술된 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조의 반사부인 것이 바람직하다. 이에 따른 반사위상 분포는 도 8과 같다. 도 8은 제1 반사부로 구성된 리플렉트어레이 반사판에서 반사된 전자기파들의 위상을 반사부의 상대적 위치에 따라 나타낸 그래프이다. 본 실시예에서 제1 반사부는 180° 범위 내에서 위상의 구현이 가능하므로 이를 이용하여 반사위상 분포는 -360°에서 -540°의 위상 분포를 가진다.

리플렉트어레이 구성 단계(S300)는 상기 생성된 필요 위상 분포 와 상기 시뮬레이션된 반사 위상 분포 간의 반사 위상차를 이용하여 상기 반사부의 구조 및 상기 리플렉트어레이 반사판상의 위치를 결정한다. 본 실시예에 따른 리플렉트어레이 구성 단계(S300)는 필요 위상 분포를 생성하는 단계(S100)에서 생성된 필요 위상 분포와 위상 분포를 시뮬레이션 하는 단계(S220)에서 시뮬레이션 된 위상 분포의 차이를 이용하여 리플렉트어레이 반사판의 반사부의 구조 및 위치를 결정한다. 도 9를 참조하면, 도 9는 상기 생성된 필요 위상 분포와 상기 시뮬레이션된 반사 위상 분포 간의 반사 위상차를 리플렉트어레이 반사판에서 반사부의 상대적 위치에 따라 나타낸 그래프이다. 본 실시예에서 리플렉트어레이 구성 단계(S300)는 도 9의 그래프에 따른 위상차의 정도에 따라 어떠한 구조의 반사부를 어느 위치에 배열할 것인지를 결정한다.

보다 구체적으로 리플렉트어레이 구성 단계(S300)는 상기 반사 위상차가 미리 결정된 제1 범위 내에 해당하는 경우 상기 반사 위상차에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판상의 위치를 정의하는 제2 구역에 제2 반사부를 구성한다. 본 실시예에서 제1 범위는 위상차이가 30°이내의 범위인 것이 바람직하다. 제2 반사부는 상술한 바와 같이 상기 제1 범위에 따라 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부인 것이 바라직하다. 보다 상세하게 본 실시예에서 제2 반사부는 도 2b에 따른 일정한 폭 L_p를 갖고 1.0mm의 두께를 가지는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부인 것이 바람직하다. 나아가 제2 구역은 도 9의 그래프상 위상차이가 제1 범위내의 값을 가지는 구역인 것이 바람직하다.

또한 상기 반사 위상차가 미리 결정된 제2 범위 내에 해당하는 경우 상기 반사 위상차에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판상의 위치를 정의하는 제3 구역에 제3 반사부를 구성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 제2 범위는 위상차이가 30°이상의 범위인 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 제3 반사부는 상기 제2 범위에 따라 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조에 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링 또는 고리구조를 포함(loading)하는 2차 또는 N차 구조의 반사부인 것이 바람직하다. 보다 상세하게 본 실시예에서 제3 반사부는 도 3b에 따른 반사 위상에 따라 일정한 폭 L_p를 갖는 사각형 형태의 구조에 1.0mm의 두께를 가지는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부를 포함(Loading)하는 구조인 것이 바람직하다. 나아가 제3 구역은 도 9의 그래프상 위상차이가 제2 범위내의 값을 가지는 구역인 것이 바람직하다.

또한 상술한 제2, 3구역 외의 영역 즉 반사 위상차가 없는 경우, 이에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판상의 위치를 정의하는 제1 구역에는 제1 반사부를 구성하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 제1 반사부는 상기 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조의 반사부인 것이 바람직하다. 보다 상세하게 본 실시예에서 제1 반사부는 도 1b에 따른 반사 위상에 따라 일정한 폭 L_p를 갖는 사각형 형태의 구조인 것이 바람직하다.

이상 본 실시예에서 제1, 2, 3구역은 상술한 바와 같이 리플렉트어레이 반사판의 유전체 기판 상의 적어도 하나의 특정 면을 포함하고, 또한 상기 유전체 기판상에서 불연속적(abrupt)으로 적어도 하나 이상 형성되는 구역인 것이 바람직하다.

본 실시예에 따른 리플렉트어레이 안테나 제작 방법은 제2 반사부 및 제3 반사부에 비해 그 구조가 단순하여 설계가 보다 용이하며 폭에 따른 위상의 변화도가 적어 제작 오차에 덜 민감한 제1 반사부를 제1 구역에 배치하고, 다음으로 제1 반사부에 비하여 복잡한 구조이나 제3 반사부에 비해 그 구조가 단순하여 설계가 보다 용이한 제2 반사부를 제2 구역에 배치하며, 이 외의 제3 구역에 대해서는 제3 반사부를 배치함으로써 급전 안테나와 반사부의 거리차이에 따른 위상보상을 전 범위에 대하여 가능하게 하며 복잡한 형태의 다중 공진 반사부 만을 이용하는 것에 비하여 설계 과정을 단순화 하며 이에 따라 제작 오차 발생 가능성이 줄어들어 반사 위상의 오차를 감소시킨다.

이상의 본 실시예에 따른 3가지의 반사부를 조합한 리플렉트어레이 안테나에 따른 방사패턴을 동적 주파수 15GHz 에서 시뮬레이션 한 결과는 도 10과 같이 나타나며 단순 사각, 즉 본 명세서에 따른 제1 반사부만을 포함하는 리플렉트어레이 안테나를 같은 주파수에서 시뮬레이션 한 결과는 도 11, 제3 반사부만을 포함하여 시뮬레이션 한 결과는 도12와 같이 나타난다. 이에 따른 방사패턴의 전계면(E-plane) 과 자계면(H-plane)에서의 결과값은 도 13에서 나타난 그래프와 같다. 표 1을 참조하여 도 13의 결과를 설명하면 상술된 각각의 경우에 따른 이득, 전후방사비 등의 결과는 다음과 같다.

Parameter		(a)3가지 반사부 조합	(b)제1 반사부	(c)제3 반사부
이득 [dBi]		29.8	27.4	27.8
전후방사비 [dB]		22.1	19.8	20.2
부엽레벨 [dB]	E-plane	-22.0	-14.8	-15.5
부엽레벨 [dB]	H-plane	-20.8	-14.3	-14.6
반전력빔폭 [deg.]	E-plane	4.6	5.1	5.0
반전력빔폭 [deg.]	H-plane	4.2	4.7	4.6

한편 본 발명의 리플렉트어레이 안테나 설계 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트 들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

리플렉트어레이 (reflectarray) 안테나에 있어서,
상기 리플렉트어레이 안테나의 반사판에서 반사된 전자기파가 갖는 위상의 범위를 정의하는 반사 위상 범위 중에서 일부의 범위에 해당하는 제1 위상 영역에 대한 상기 전자기파의 반사 위상을 구현하는 제1 반사부(patch element); 및
상기 반사 위상 범위 중에서 전체 또는 다른 일부의 범위에 해당하는 제2 위상 영역에 대한 상기 전자기파의 반사 위상을 구현하는 제2 반사부(patch element)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
제 1 항에 있어서,
상기 반사 위상 범위 중에서 전체의 범위에 해당하는 제3 위상 영역에 대한 반사 위상을 구현하는 제3 반사부(patch element)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
제 2 항에 있어서,
상기 제1 반사부는 상기 전자기파가 반사되는 상기 리플렉트어레이 안테나의 유전체 기판 상의 적어도 하나의 특정 면을 정의하는 제1 구역에 위치하고,
상기 제2 반사부는 상기 유전체 기판 상의 다른 적어도 하나의 특정 면을 정의하는 제2 구역에 위치하는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
제 3 항에 있어서,
상기 제3 반사부는 상기 유전체 기판 상의 제1 및 제2 구역과 다른 적어도 하나의 특정면을 정의하는 제3 구역에 위치하는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
제 4 항에 있어서,
상기 제1, 2 및 제3 구역은 상기 유전체 기판상에서 불연속적(abrupt)으로 적어도 하나 이상 형성되는 구역인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
제 5 항에 있어서,
상기 제1 반사부는 상기 제1 위상 영역에 따라 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조의 반사부인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
제 5 항에 있어서,
상기 제2 반사부는 상기 제2 위상 영역에 따라 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
제 5 항에 있어서,
상기 제3 반사부는 상기 제3 위상 영역에 따라 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조에 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링 또는 고리구조를 포함(loading)하는 2차 또는 N차 구조의 반사부인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 반사부의 폭 및/또는 두께는 상기 리플렉트어레이(reflectarray) 반사판의 직경 및 급전안테나와 상기 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 전자기파의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나
리플렉트어레이 (reflectarray) 안테나 설계 방법에 있어서,
급전 안테나의 전자기파를 반사하기 위한 상기 리플렉트어레이 반사판의 직경 및 급전안테나와 상기 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 전자기파의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 생성하는 단계;
미리 정해진 구조의 반사부를 이용한 상기 리플렉트어레이 반사판에 따른 반사 위상 분포를 시뮬레이션하는 단계; 및
상기 생성된 필요 위상 분포 와 상기 시뮬레이션된 반사 위상 분포 간의 반사 위상차를 이용하여 상기 반사부의 구조 및 상기 리플렉트어레이 반사판상의 위치를 결정하는 리플렉트어레이 구성 단계를 포함하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
제 10 항에 있어서,
상기 리플렉트어레이 구성 단계는 상기 반사 위상차가 미리 결정된 제1 범위 내에 해당하는 경우 상기 반사 위상차에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치를 정의하는 제2 구역에 제2 반사부를 구성하는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
제 11 항에 있어서,
상기 리플렉트어레이 구성 단계는 상기 반사 위상차가 미리 결정된 제2 범위 내에 해당하는 경우 상기 반사 위상차에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치 를 정의하는 제3 구역에 제3 반사부를 구성하는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
제 12 항에 있어서,
상기 리플렉트어레이 구성 단계는 상기 반사 위상차가 없는 경우 이에 대응되는 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치를 정의하는 제1 구역에 제1 반사부를 구성하는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
제 11 항 내지 제 13 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 구역은 상기 신호가 반사되는 상기 리플렉트어레이 안테나의 유전체 기판 상의 적어도 하나의 특정 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
제 14 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 구역은 상기 유전체 기판상에서 불연속적(abrupt)으로 적어도 하나 이상 형성되는 구역인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
제 15 항에 있어서,
상기 제1 반사부는 상기 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조의 반사부인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
제 15 항에 있어서,
상기 제2 반사부는 상기 제1 범위에 따라 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링(ring) 또는 고리(loop)구조의 반사부인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
제 15 항에 있어서,
상기 제3 반사부는 상기 제2 범위에 따라 미리 정해진 폭을 갖는 단일한 1차적 구조에 미리 정해진 폭 및 두께를 갖는 링 또는 고리구조를 포함(loading)하는 2차 또는 N차 구조의 반사부인 것을 특징으로 하는 리플렉트어레이 안테나 설계 방법
급전안테나의 전자기파를 반사하기 위한 리플렉트어레이(reflectarray) 안테나 반사판의 직경 및 급전안테나와 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 전자기파의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 생성하는 단계;
미리 정해진 구조의 반사부를 이용한 상기 리플렉트어레이 반사판에 따른 반사 위상 분포를 시뮬레이션하는 단계; 및
상기 생성된 필요 위상 분포 와 상기 시뮬레이션된 반사 위상 분포 간의 반사 위상차를 이용하여 상기 반사부의 구조 및 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치를 결정하는 리플렉트어레이 구성 단계를 통하여 제작된 리플렉트어레이 안테나
급전안테나의 전자기파를 반사하기 위한 리플렉트어레이(reflectarray) 반사판의 직경 및 급전안테나와 리플렉트어레이 반사판의 거리에 따라 필요한 상기 전자기파의 반사 위상 분포를 정의하는 필요 위상 분포(required element reflection phases)를 생성하는 단계;
미리 정해진 구조의 반사부를 이용한 상기 리플렉트어레이 반사판에 따른 반사 위상 분포를 시뮬레이션하는 단계; 및
상기 생성된 필요 위상 분포 와 상기 시뮬레이션된 반사 위상 분포 간의 반사 위상차를 이용하여 상기 반사부의 구조 및 상기 리플렉트어레이 반사판 상의 위치를 결정하는 리플렉트어레이 구성 단계를 컴퓨터 상에서 수행하는 프로그램이 저장된 컴퓨터가 판독 가능한 기록 매체.