KR20160089661A

KR20160089661A - 제어식 수신 패턴 안테나

Info

Publication number: KR20160089661A
Application number: KR1020150009137A
Authority: KR
Inventors: 이대헌; 김웅희; 신동훈; 왕진천; 황인호; 박상우
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2016-07-28
Also published as: US20160211583A1; US9985348B2; KR101688628B1

Abstract

저 고각에서의 안테나 이득을 증가시켜 소형의 배열 안테나에서도 안티 재밍(anti-jamming) 성능이 열화되지 않도록 하는 제어식 수신 패턴 안테나를 제시한다. 제시된 안테나는 위성 신호를 수신하는 방사체, 방사체가 배치된 그라운드 플랫폼, 및 그라운드 플랫폼에 형성된 방사 슬롯을 포함한다. 그라운드 플랫폼에 간단하게 방사 슬롯을 구성함으로써 저 고각에서의 안테나 이득을 증가시켜 안티 재밍(anti-jamming) 성능을 유지하면서 배열 안테나의 소형화를 구현할 수 있다.

Description

제어식 수신 패턴 안테나{Controlled reception pattern antenna}

본 발명은 제어식 수신 패턴 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간섭신호 제거를 위한 GNSS(Global Navigation Satellite System) 제어식 수신 패턴 안테나에 관한 것이다.

GPS(Global Positioning System)로 대표되는 GNSS(Global Navigation Satellite System)는 위성으로부터 위성의 위치, 시간 및 기타 오차 보정 요소에 관한 정보를 제공받아 사용자의 정확한 시각정보 및 위치를 측정하기 위한 위성항법시스템이다.

현재 GNSS 시스템은 군 및 민간 영역의 육상, 해상, 항공 시스템에서 다양하게 이용되고 있다.

GNSS 시스템은 위성신호에 대한 수신 구조가 공개되어 있고, 대략 20,000km 이상의 장거리에서 위성신호가 전송되기 때문에 미약한 수신 신호를 갖는 통신 시스템이다.

따라서, GNSS 시스템은 다중 경로와 같은 비의도적인 전자파 간섭이나 의도적인 전자파 재밍(jamming)에 매우 취약하다.

특히, 이동통신, 금융, DMB(Digital Multimedia Broadcasting), 스마트그리드(Smart Grid)와 같은 국가 기반 시설에 정확한 시각 정보를 제공하는 GNSS 시스템이 재밍된다면 심각한 문제가 초래될 것이다.

이와 같이, GNSS에 심각한 위협이 되는 재밍 또는 전파간섭에 대응하기 위한 대표적인 종래기술로서 배열 안테나를 이용하여 재밍 신호를 제거하는 방법이 있다. 이는 다수의 안테나를 공간적으로 배치하여 각각의 출력에 복소수 가중치를 두어 원하는 방향으로의 신호를 증대시키고 원치 않는 재밍 신호를 감소시키는 기술이다. 특히, 대한민국 공개특허 제2011-0118385호 발명에서는 각 안테나 소자에 연결된 하나 이상의 위상제어기의 위상조절 값을 결정하여 안테나 빔 방향의 이득을 제어하고 있다.

그러나, 이러한 기술들은 배열 안테나 운용 시나리오 및 디지털 신호 처리 방법만을 고려하고 있을 뿐, 배열 안테나 자체에 대한 설계 방법은 제시하고 있지 않다.

또한, 배열 안테나를 이동체(자동차, 기차, 선박, 항공기 등)에 탑재하기 위해서는 배열 안테나의 소형화가 필수적이다. 그런데, 배열 안테나의 크기가 감소하면, 각 안테나 소자 사이의 거리가 줄어들어 상호 결합(mutual coupling)이 증가하고 유한 그라운드 효과(finite ground effect)에 의해 안테나 패턴에 왜곡이 발생하여 결국에는 저 고각(low elevation angle)에서의 안테나 이득이 감소하게 되는 문제점이 발생한다.

한편, 관련 선행기술로는, 손실이 적은 테프론 기판 다수를 방사 소자와 그라운드면 사이에 배치함으로써 안테나 대역폭을 확장하는 내용이, 미국 공개특허 제2014-0247194호에 개시되었다.

그리고, 다른 관련 선행기술로는, 하이브리드 급전 구조를 가지는 이중 대역 GPS 패치 안테나가 한국전자파학회 논문지(제24권, 7호, 678-685 페이지, "이중 대역 GPS 배열 안테나 설계", 2013년 07월, 김희영 외)에 개시되었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 저 고각에서의 안테나 이득을 증가시켜 소형의 배열 안테나에서도 안티 재밍(anti-jamming) 성능이 열화되지 않도록 하는 제어식 수신 패턴 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 저 비용(low cost)의 세라믹 패치(ceramic patch)를 이용하고 구조가 간단한 장점을 갖는 제어식 수신 패턴 안테나를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 제어식 수신 패턴 안테나는, 위성 신호를 수신하는 방사체; 상기 방사체가 배치된 그라운드 플랫폼; 및 상기 그라운드 플랫폼에 형성된 방사 슬롯;을 포함한다.

상기 방사체 및 상기 방사 슬롯은 각각 N(N은 양의 정수)개일 수 있고, 상기 N개의 방사체는 상기 그라운드 플랫폼에 상호 이격되게 형성될 수 있고, 상기 N개의 방사 슬롯은 상기 그라운드 플랫폼에 상호 이격되게 형성될 수 있다.

상기 N개의 방사 슬롯의 각각은 인접한 방사체 사이에 형성될 수 있다.

상기 N개의 방사 슬롯의 각각은 동작 대역의 중심 파장에 대한 1/4의 길이를 가질 수 있다.

상기 방사체는 세라믹 패치형 방사체로 구성될 수 있다.

상기 그라운드 플랫폼은 원형 형태로 구성될 수 있다.

이러한 구성의 본 발명에 따르면, 그라운드 플랫폼에 간단하게 방사 슬롯을 구성함으로써, 저 고각에서의 안테나 이득을 증가시켜 안티 재밍(anti-jamming) 성능을 유지하면서 배열 안테나의 소형화를 구현할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 배열 안테나의 그라운드 플랫폼에 방사 슬롯을 형성함으로써, 저 고각에서 안테나 이득이 증가하여 상반구 전 영역에서 GNSS 위성 수신을 가능하게 한다. 또한, 구조가 간단하고 소형화가 가능하며, 저 비용의 상용 세라믹 패치 안테나로 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 안테나의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나의 반사손실 및 상호 결합도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나에 대한 제 1 안테나 소자로의 급전시의 표면 전류를 나타낸 분포도이다.
도 5는 도 4의 A의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서의 방사 슬롯을 갖춘 제어식 수신 패턴 안테나의 상반구 우편파 안테나 이득을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서의 방사 슬롯이 없는 제어식 수신 패턴 안테나의 상반구 우편파 안테나 이득을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나의 zx 평면 안테나 이득을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나(CRPA)의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 안테나의 평면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나(10)는 그라운드 플랫폼(20), 및 방사체(30)를 포함한다.

그라운드 플랫폼(20)에는 하나 이상의 방사 슬롯(22)이 형성된다. 그라운드 플랫폼(20)은 예를 들어 원형 형태로 구성될 수 있다.

방사체(30)는 세라믹 패치형 방사체로서, 위성 신호(즉, GNSS 신호)를 수신할 수 있다. 방사체(30)는 그라운드 플랫폼(20)에 배열된다. 상용의 저비용 GPS 안테나를 이용하여 방사체(30)를 구현할 수 있다.

도 1 및 도 2에서는 그라운드 플랫폼(20)에 3개의 방사체(30)를 배치시킨 구조를 보여주고 있다. 보다 상세하게는, 3개의 방사 슬롯(22)은 그라운드 플랫폼(20)에 상호 이격되게 형성되고, 3개의 방사체(30)도 그라운드 플랫폼(20)에 상호 이격되게 형성된다. 즉, 하나의 방사체(30)는 방사 슬롯(22)과 인접한 방사 슬롯(22) 사이에 배치되었다고 볼 수 있다. 다르게 표현하면, 방사체(30) 사이에 방사 슬롯(22)이 형성되었다고 할 수도 있다. 그라운드 플래폼(20)에는 각각 N(N은 양의 정수)개의 방사체(30) 및 방사 슬롯(22)이 형성된다고 할 수 있다.

그에 따라, 도 1 및 도 2에 예시된 제어식 수신 패턴 안테나(10)는 3소자 배열 안테나를 그라운드 플랫폼(20)에 배치시킨 구조라고 할 수 있다.

한편, 도 2에서와 같이, 방사체(30)의 위치(R₁)와 방향(α)은 각 안테나 소자의 패턴 일치도를 높이기 위해 최적화한다. 특히, 본 발명에서는 저 고각에서의 안테나 이득을 증가시키기 위하여 안테나 소자 사이에 방사 슬롯(22)을 배치시킨다. 여기서, 방사 슬롯(22)의 길이(L_S)는 인접 안테나 소자의 기생 소자(parasitic element)로 동작하도록 정할 수 있다(L_S = λ/4). 여기에서, λ는 동작 대역의 중심 파장이다. 즉, 방사 슬롯(22)은 동작 대역의 중심 파장(λ)에 대한 1/4의 길이를 갖는다고 할 수 있다. λ/4 길이를 갖는 슬롯은 해당 주파수에서 공진하게 되고 방사 슬롯(22)(안테나와 같은 역할)으로 동작한다.

결국, 방사 슬롯(22)은 방사체(30)의 기생 소자로서 저 고각에서의 안테나 이득을 증가시켜 안테나 패턴 왜곡을 최소화할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나(CRPA)의 반사손실(Return loss) 및 상호 결합도(Mutual coupling)를 나타낸 그래프이다.

도 3에 도시한 바와 같이, GPS L1 대역(예컨대, 1575.42MHz)에서 반사손실 -17.8 dB 이하를 만족하고 있다. 또한, 상호 결합도(격리도) -13.7 dB 이하를 만족하고 있어 배열 안테나의 기본 성능을 확보하고 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나에 대한 제 1 안테나 소자로의 급전시의 표면 전류를 나타낸 분포도이고, 도 5는 도 4의 A의 확대도이다.

즉, 도 4 및 도 5에서는 안테나 1 소자(30a)에 대한 급전시(안테나 2 소자(30b), 안테나 3 소자(30c)는 50Ω으로 정합), 배열 안테나의 GPS L1 대역에서의 표면 전류 분포를 보여주고 있다.

도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 안테나 1 소자(30a)와 인접한 방사 슬롯(22a, 22b)은 공진하게 되어 표면 전류 값이 방사 슬롯(22c)에 비해 증가하게 된다. 따라서, 방사 슬롯(22a, 22b)은 안테나 1 소자(30a)의 기생 소자로 동작하여 안테나 역할을 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에서의 방사 슬롯을 갖춘 제어식 수신 패턴 안테나의 상반구 우편파 안테나 이득을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에서의 방사 슬롯이 없는 제어식 수신 패턴 안테나의 상반구 우편파 안테나 이득을 나타낸 그래프이다.

방사 슬롯(22)의 효과를 분석하기 위해, 방사 슬롯이 있는 경우(도 6)와 방사 슬롯이 없는 경우(도 7)에 대한 제어식 수신 패턴 안테나(CRPA)의 상반구(upper hemisphere) 우편파(RHCP: Right Handed Circular Polarization) 안테나 이득을 비교하였다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 방사 슬롯(22)이 있는 제어식 수신 패턴 안테나(CRPA)는 저 고각을 포함한 수평면(Theta = 90°)에서 -5.3 dBic 이상의 이득을 나타내고 있다. 반면, 도 7에 도시된 바와 같이 방사 슬롯(22)이 없는 제어식 수식 패턴 안테나(CRPA)는 저 고각에서 이득 값이 -7.8 dBic 정도를 나타내고 있다.

따라서, 간단하게 방사 슬롯(22)을 추가함으로 인해, 수평면을 포함한 저 고각 영역에서 2.5 dB 이상의 이득 증가 효과가 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제어식 수신 패턴 안테나의 zx 평면 안테나 이득을 나타낸 그래프이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 동일 편파(Co-porization, 우편파) 이득은 GPS 위성 수신 방향(0° ~ 90°, 0° ~ 270°)에서 편향되지 않고 -5 dBic 이상이다.

그리고, 원하지 않는 교차 편파(Cross-porization, 좌편파) 이득은 GPS 위성 수신 방향에서 동일 편파보다 작게 유지됨을 확인할 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 제어식 수신 패턴 안테나 20 : 그라운드 플랫폼
22 : 방사 슬롯 30 : 방사체

Claims

위성 신호를 수신하는 방사체;
상기 방사체가 배치된 그라운드 플랫폼; 및
상기 그라운드 플랫폼에 형성된 방사 슬롯;을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어식 수신 패턴 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 방사체 및 상기 방사 슬롯은 각각 N(N은 양의 정수)개이고,
상기 N개의 방사체는 상기 그라운드 플랫폼에 상호 이격되게 형성되고, 상기 N개의 방사 슬롯은 상기 그라운드 플랫폼에 상호 이격되게 형성된 것을 특징으로 하는 제어식 수신 패턴 안테나.
청구항 2에 있어서,
상기 N개의 방사 슬롯의 각각은 인접한 방사체 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 제어식 수신 패턴 안테나.
청구항 3에 있어서,
상기 N개의 방사 슬롯의 각각은 동작 대역의 중심 파장에 대한 1/4의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 제어식 수신 패턴 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 방사체는 세라믹 패치형 방사체로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어식 수신 패턴 안테나.
청구항 1에 있어서,
상기 그라운드 플랫폼은 원형 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어식 수신 패턴 안테나.