KR20170082838A - 배열 안테나 및 이를 포함하는 레이더 감지기 - Google Patents

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Abstract

배열 안테나가 제공된다. 상기 배열 안테나는, 제1 방향으로 배열되는 복수의 방사 소자를 각각이 포함하며, 제2 방향으로 배열되는 복수의 방사 소자 열; 및 메타 물질(metamaterial)을 가지며, 상기 복수의 방사 소자 열 사이에 위치하여 상기 복수의 방사 소자 열 간의 격리도를 높이는 아이솔레이터(isolator)를 포함한다.

Description

배열 안테나 및 이를 포함하는 레이더 감지기{ARRAY ANTENNA AND RADAR DETECTOR INCLUDING THE SAME}
본 발명은 배열 안테나 및 이를 포함하는 레이더 감지기에 관한 것이다.
기존의 24GHz ISM(industrial, scientific and medical) 대역용 펜스형(fence type) 레이더 감지기에서는 대량 생산의 용이함을 위해, 인쇄형(printed) 마이크로스트립 형태의 패치 배열 안테나가 주로 사용되고 있다. 또한, 펜스형 레이더 감지기는 매우 좁고 균일한 감지폭을 달성하기 위해서, 특별하게 요구되는 특성(예, 높은 이득(gain)과 낮은 부엽 레벨 등)을 갖는 배열 안테나를 사용한다. 이를 위해, 레이더 감지기가 사용하는 배열 안테나는, 체비세프(Chebyshev), 이항(Binomial), 테일러(Taylor) 등과 같은 다양하고 복잡한 형태의 배열 구조를 이용하여 설계되고 있다. 하지만, 이러한 구조에서는 각 방사 소자에 대한 급전을 위해, 복잡한 급전 회로가 필요하게 된다.
따라서, 기존의 많은 24GHz 대역용 패치 배열 안테나들은 이러한 설계의 복잡성 때문에, 각 패치에 입력되는 전류의 크기 및 위상(phase)이 균일(uniform)하도록 설계되고 있다. 하지만, 유니폼한 급전 배열 안테나들은 설계 용이성을 가지나 높은 부엽 레벨 특성과 같은 단점으로 인해 감지 영역이 매우 불균일한 특성을 가진다. 특히, 펜스형과 같이 매우 좁은 감지 영역을 필요로 하는 레이더 감지기에서는, 이러한 높은 부엽 특성으로 인해, 좁고 균일한 감지폭을 위한 레이더 알고리즘 구현이 매우 어렵다.
따라서, 많은 국내외 침입 감지용 레이더 개발 회사들은 이와 같은 단점들을 위한 해결책을 찾고 있는 실정이다. 이와 함께, 많은 레이더 개발 업체들이 직면하고 있는 또 다른 난제 중 하나는, 레이더 감지기가 매우 좁은 감지폭을 형성하였을 때, 레이더 감지기의 근거리 부분의 빔폭(감지폭)이 매우 좁아서 감지율이 낮아질 수 있다는 것이다. 이를 위해, 레이더 감지기는 펄스 반복 주기(PRF: pulse repetition frequency)를 높게 하여 단위 시간당 더 많은 신호를 수신하도록 설계된다. 하지만, 이와 같이 PRF를 높히는 경우에는, 부품의 가격이 올라가게 되는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상술한 문제점들을 동시에 해결하기 위한 배열 안테나 및 이를 포함하는 레이더 감지기를 제공하는 것이다.
또한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수평 및 수직 방향으로 매우 낮은 부엽 특성을 가지고, 레이더 감지기의 근거리 감지폭(빔폭)을 신호 수신이 가능할 정도로 좁고 유효하게 유지하면서, 레이더 감지기의 유효 감지 거리의 끝 단(원거리 부분)에 방사 빔의 퍼짐에 의해 형성되는 두꺼운 감지폭(빔폭)을 안테나 배열 수의 증가 없이 효율적으로 감소시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 즉, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 레이더 감지기의 근거리 부분의 좁은 감지폭을 유지하면서 레이더 감지기의 유효 감지 거리의 중간 및 끝 단의 감지폭만을 효율적으로 줄일 수 있으며, 높은 지향성을 가지는 배열 안테나를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 24GHz ISM 대역 펜스형 레이더 감지기를 위한 마이크로스트립(microstrip) 패치(patch) 직렬 급전 배열 안테나를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배열 안테나가 제공된다. 상기 배열 안테나는, 제1 방향으로 배열되는 복수의 방사 소자를 각각이 포함하며, 제2 방향으로 배열되는 복수의 방사 소자 열; 및 메타 물질(metamaterial)을 가지며, 상기 복수의 방사 소자 열 사이에 위치하여 상기 복수의 방사 소자 열 간의 격리도를 높이는 아이솔레이터(isolator)를 포함한다.
상기 아이솔레이터는 상기 제1 방향으로 배열되는 복수의 아이솔레이터 단위 요소를 포함할 수 있다.
상기 복수의 아이솔레이터 단위 요소 각각은 메타 물질의 제1 마이크로스트립(microstrip) 링과 메타 물질의 제2 마이크로스트립 링을 포함할 수 있다.
상기 제1 마이크로스트립 링은 상기 제2 마이크로스트립 링의 바깥에 형성되며, 상기 제2 마이크로스트립 링이 열려 있는 방향과 다른 방향으로 열려 있을 수 있다.
상기 배열 안테나는, 상기 복수의 방사 소자 열에 제1 전력을 급전하는 급전부; 상기 복수의 방사 소자 열 중 상기 급전부의 일측에 위치하는 제1 방사 소자 열과 상기 급전부의 타측에 위치하는 제2 방사 소자 열에 급전하기 위해, 상기 제1 전력을 제2 전력 및 제3 전력으로 나누는 제1 전력 분배기; 상기 제2 전력을 직렬로 연결된 복수의 제1 노드로 분배하는 제2 전력 분배기; 및 상기 제1 노드에 전달된 전력을, 상기 제1 방사 소자 열 중 자신과 연결된 적어도 하나로 분배하는 제3 전력 분배기를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 전력 분배기는, 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도 만큼 기울어진 제1 부분, 상기 제1 방향을 기준으로 상기 제1 부분 보다 위에 형성되는 제2 부분, 상기 제2 방향을 기준으로 상기 제1 부분과 대칭되도록 형성되는 제3 부분, 상기 제1 방향을 기준으로 상기 제3 부분 보다 위에 형성되며 상기 제2 방향을 기준으로 상기 제2 부분과 대칭되도록 형성되는 제4 부분, 및 상기 제2 부분과 상기 제4 부분 사이에 형성되는 제5 부분을 포함할 수 있다.
상기 제2 부분은 상기 제1 방사 소자 열 중 하나와 연결되고, 상기 제4 부분은 상기 제1 방사 소자 열 중 다른 하나와 연결될 수 있다.
상기 배열 안테나는, 상기 복수의 방사 소자 열과 상기 아이솔레이터가 인쇄되는 유전체 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 방사 소자 열 각각에 포함되는 복수의 방사 소자는 마이크로스트립 패치 형태를 가질 수 있다.
상기 복수의 방사 소자 열의 구조는 체비세프(Chebyshev) 배열 함수에 의해 결정될 수 있다.
상기 배열 안테나는, 상기 복수의 방사 소자 열 중 제1 방사 소자 열에 포함되는 복수의 방사 소자 각각의 입력 위상이 동 위상(in-phase)이 되도록, 상기 복수의 방사 소자 사이에 형성되는 급전 선로를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 방사 소자 열과 상기 제2 방사 소자 열은 상기 급전부를 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다.
상기 제1 방사 소자 열 각각에 포함되는 복수의 방사 소자는 상기 복수의 방사 소자 중에서 중간에 위치하는 방사 소자를 기준으로 대칭적으로 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레이더 감지기가 제공된다. 상기 레이더 감지기는, 제1 방향으로 배열되는 복수의 방사 소자 열을 포함하는 배열 안테나; 및 상기 배열 안테나를 제어하는 프로세서를 포함한다.
상기 배열 안테나는, 메타 물질(metamaterial)을 가지며 상기 복수의 방사 소자 열 사이에 위치하여 상기 복수의 방사 소자 열 간의 격리도를 높이는 아이솔레이터(isolator)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 메타물질 기반의 초지향성(super-directivity) 고이득 직렬 급전 배열 안테나는 24GHz ISM 대역 레이더 감지기를 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 주파수 스케일링을 통해 다른 주파수 대역에도 쉽게 설계 적용될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 레이더 감지기의 근거리 부분의 좁은 감지폭에는 영향을 미치지 않으면서, 레이더 감지기의 중거리 및 원거리 부분의 빔폭만을 좁게 하여, 펜스형 레이더 감지기의 감지폭을 줄일 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 메타 물질을 포함하지 않는 기존의 배열 안테나에 비하여, 감지폭(빔폭) 성능을 20% 이상 용이하게 개선할 수 있다(예, 6dB빔폭을 기준으로 한 경우에, 기존의 배열 안테나에 따르면 6°이지만, 본 발명의 실시예에 따르면 5°로 향상됨).
또한 본 발명의 실시예에 따르면, PRF 증가와 함께 더 많은 배열 소자들을 이용하여 좁은 감지폭을 구현해야 하는 고 비용의 기존 설계 방법에 비하여, 추가적인 비용 증가 없이 매우 용이하게 감지폭을 줄일 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는 펜슬 빔(pencil beam)을 요구하는 다양한 형태의 펜스형 레이더 감지기를 위해 사용될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 배열 안테나는 수평 방향(X축 방향) 및 수직 방향(Y축 방향)으로 체비세프 배열 함수에 기반하여 -30 dB(X축) 및 -20 dB(Y축) 부엽 레벨 특성을 갖고 있기 때문에, 수평 및 수직 방향 모두 매우 균일한 감지 성능을 확보할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 배열 안테나는 직렬 급전 형태이기 때문에, 기존의 24GHz 마이크로스트립 패치 배열 안테나와 비교하여, 각 방사 소자에 대하여 다양한 함수를 기반으로 하는 급전을 매우 용이하게 할 수 있다. 이를 통해, 배열 안테나의 설계 및 회로의 복잡도가 획기적으로 낮아지며, 또한 배열 안테나는 인쇄형(printed) 구조를 가지므로 대량 생산이 매우 용이하다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 배열 안테나는 24GHz ISM 대역용 외곽 감지 레이더 시스템에 매우 널리 적용될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른, 24GHz 대역의 레이더 감지기용 직렬 급전 배열 안테나를 평면적으로 나타내는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른, 배열 안테나를 입체적으로 나타내는 도면이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른, 체비세프 다항식을 기반으로 하는 급전 선로를 나타내는 도면이다.
도 1d는 본 발명의 실시예에 따른, 직렬 급전 방사 소자를 나타내는 도면이다.
도 1e는 본 발명의 실시예에 따른, 메타물질 아이솔레이터의 단위 요소를 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른, 메타물질 아이솔레이터의 단위 요소의 주파수 응답 특성을 추출하기 위한 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른, 메타물질 아이솔레이터의 단위 요소에 대응하는 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른, 메타물질 아이솔레이터의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다.
도 3a는 메타물질 아이솔레이터가 2개의 패치 안테나 사이에 삽입되지 않은 경우의, 격리도(또는 분리도(S21)) 특성을 나타내는 도면이다.
도 3b는 메타물질 아이솔레이터가 2개의 패치 안테나 사이에 삽입된 경우의, 격리도(또는 분리도(S21)) 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 레이더 감지기를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른, 24GHz 대역의 레이더 감지기용 직렬 급전 배열 안테나를 평면적으로 나타내는 도면이다.
도 1a에 예시된 직렬 급전 배열 안테나(1000)(이하 '배열 안테나(1000)')는, 에 낮은 부엽(side lobe) 특성을 가지며, 좁은 빔폭(감지폭)을 가진다.
구체적으로, 배열 안테나(1000)는, 배열 안테나 급전부(100), 전력 분배기(101, 102, 107), 직렬 급전선(103), 방사 소자(104), 메타물질 아이솔레이터(metamaterial isolator)(105), 및 접지면(106)을 포함한다.
배열 안테나 급전부(100)는, 배열 안테나(1000)를 위한 전력을 급전시킨다. 구체적으로, 배열 안테나 급전부(100)는 마이크로스트립 형태의 배열 안테나 급전부일 수 있다. 한편, 배열 안테나 급전부(100)는 전이(transition) 구조를 통해, 동축 선로나 CPW(coplanar waveguide) 등과 같은 다양한 급전 형태로 변경될 수 있다.
전력 분배기(101)는 직렬 급전 형태의 전력 분배기이다. 전력 분배기(101)는 비균등하게 전력을 분배하는 비균등(unequal) 전력 분배기일 수 있고, 또는 균등하게 전력을 분배하는 균등 전력 분배기일 수도 있다. 전력 분배기(101)는 배열 안테나 급전부(100)를 기준으로 좌우 대칭일 수 있다.
전력 분배기(102)는 직렬로 연결된 복수(예, 9개)의 방사 소자(104)를 포함하는 각 방사 소자 열(column)로의 급전을 위한 전력 분배기이다. 구체적으로, 전력 분배기(102)는 비균등하게 전력을 분배하는 비균등 윌킨슨(Wilkinson) 전력 분배기이거나, 또는 균등하게 전력을 분배하는 균등 전력 분배기일 수 있다. 도 1a에는, 배열 안테나 급전부(100)를 기준으로 좌측과 우측 각각에 4개의 전력 분배기(102)가 존재하고, 각 전력 분배기(102)는 2개의 방사 소자 열과 연결되는 경우가 예시되어 있다.
전력 분배기(101) 및 전력 분배기(102)는, 수평 방향(X축 방향)으로의 균일한 감지폭을 위해, -30dB의 부엽 레벨(SLL: side lobe level)이 적용된 체비세프 다항식(Chevyshev polynomial) 급전 계수(excitation coefficient)를, 각 방사 소자 열에 급전(또는 적용)한다. 한편, 이와 동시에, 전력 분배기(101)와 전력 분배기(102)는 방사 소자 열과 배열 안테나 급전부(100)간의 임피던스 정합을 위한 임피던스 변환 기능을 수행할 수 있다.
직렬 급전선(103)은, 방사 소자(104) 간 급전 선로이다. 예를 들어, 직렬 급전선(103)은 100 옴(ohm) 특성 임피던스를 갖는 선로일 수 있다. 한편, 직렬 급전선(103)의 위상을 조절하여 각 방사 소자(104)에 입력되는 전류의 위상을 조절함으로써, 필요에 의해 방사 빔의 기울어짐이 조절될 수 있다.
방사 소자(104)는 마이크로스트립 패치 형태의 방사 소자일 수 있다. 이득 및 부엽 레벨 특성 등 다양한 요구 성능에 따라, 방사 소자(104)의 방사 컨덕턴스 (GR: radiation conductance)는 조절되어 설계될 수 있다.
배열 안테나(1000)는 수평 방향(X축 방향)으로 배열된 복수의 방사 소자 열을 포함한다. 복수의 방사 소자 열 각각은 수직 방향(Y축 방향)으로 직렬로 연결된 복수의 방사 소자(104)를 포함한다. 도 1a에서는, 배열 안테나(1000)가 16개의 방사 소자 열을 포함하고, 각 방사 소자 열이 9개의 방사 소자(104)를 포함하는 경우가 예시되어 있다. 도 1a에서는, 배열 안테나(1000)가 전력 분배기(107)(또는 배열 안테나 급전부(100))를 기준으로 좌측에 위치하는 8개의 방사 소자 열(이하 '제1 방사 소자 열')과 전력 분배기(107)(또는 배열 안테나 급전부(100))를 기준으로 우측에 위치하는 8개의 방사 소자 열(이하 '제2 방사 소자 열')을 포함하는 경우가 예시되어 있다. 도 1a에서는, 하나의 방사 소자 열에 속하는 9개의 방사 소자(104) 중 5번째 방사 소자(104)를 기준으로 나머지 8개의 방사 소자(104)가 서로 대칭적으로(예, 위치, 크기 등) 배치되는 경우가 예시되어 있다. 도 1a에서는 방사 소자(104)의 배열 구조(예, 방사 소자(104)의 크기, 방사 소자(104) 간의 간격 등)가 체비세프 배열 함수에 의해 결정되는 경우가 예시되어 있다. 다만 이는 예시일 뿐이며, 방사 소자(104)의 배열 구조는 체비세프 배열 함수 뿐만 아니라, 유니폼(uniform), 이항(binomial), 또는 테일러(Taylor) 등과 같은 여러 형태의 배열 함수를 이용해 설계될 수도 있다.
메타물질 아이솔레이터(105)는, 메타물질을 가지며, 각 직렬 급전 방사 소자 열 사이에 위치하여 각 방사 소자 열 사이의 격리도(또는 분리도) 특성을 향상시킨다. 이를 통해, 메타 물질 아이솔레이터(105)는, 초지향성(super-directivity) 방사 빔 특성을 형성시켜 준다.
전력 분배기(107)는, 제1 방사 소자 열과 제2 방사 소자 열의 급전을 위한 전력 분배기이다. 구체적으로, 전력 분배기(107)는 제1 방사 소자 열과 제2 방사 소자 열로 균등하게 전력을 배분하는 -3dB 균등 윌킨슨 전력 분배기이거나 비균등하게 전력을 배분하는 비균등 전력 분배기일 수도 있다. 한편, 이와 동시에 전력 분배기(107)는 임피던스 변환 기능을 수행할 수 있다.
한편, 배열 안테나(1000)의 전력 급전 과정은 다음과 같다. 배열 안테나 급전부(100)가 배열 안테나(1000)를 위한 전력을 급전한다. 전력 분배기(107)는 배열 안테나 급전부(100)로부터 전달받은 전력을, 제1 방사 소자 열과 제2 방사 소자 열로 배분한다. 전력 분배기(107)의 좌측에 위치하는 좌 전력 분배기(101)는 전력 분배기(107)로부터 전달받은 전력을, 직렬로 연결된 복수의 노드(Nd1~Nd4)로 분배한다. 각 노드(Nd1~Nd4)에 연결된 전력 분배기(102)는 각 노드(Nd1~Nd4)에 전달된 전력을, 전력 분배기(102)에 연결된 적어도 하나의 제1 방사 소자 열(도 1a에서는 2개의 제1 방사 소자 열이 하나의 전력 분배기(102)에 연결됨)로 분배한다. 마찬가지로, 전력 분배기(107)의 우측에 위치하는 우 전력 분배기(101)는 전력 분배기(107)로부터 전달받은 전력을, 직렬로 연결된 복수의 노드(Nd5~Nd8)로 분배한다. 각 노드(Nd5~Nd8)에 연결된 전력 분배기(102)는 각 노드(Nd5~Nd8)에 전달된 전력을, 전력 분배기(102)에 연결된 적어도 하나의 제2 방사 소자 열(도 1a에서는 2개의 제2 방사 소자 열이 하나의 전력 분배기(102)에 연결됨)로 분배한다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른, 배열 안테나(1000)를 입체적으로 나타내는 도면이다.
배열 안테나(1000)는 유전체 기판(200)을 더 포함한다.
접지면(106)은 Z축 방향으로 유전체 기판(200)의 하단에 형성된다.
도 1a에 예시된 배열 안테나(1000)의 구성(100~105, 107)은 Z축 방향으로 유전체 기판(200)의 상단에 형성(또는 인쇄)될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나(1000)는 유전체 기판(200)에 인쇄되는 기판 인쇄형으로써, 2D 형태(평면 형태)로 제작이 가능하므로, 설계 및 공정이 매우 용이하여 대량 생산에 유리하다.
한편, 전력 분배기(101, 102)와 방사 소자(104)는, 수평 방향에 대한 SLL이 -30dB이고 수직 방향에 대한 SLL이 -20dB 인 체비세프 배열 함수를 이용하여 설계(또는 계산)될 수 있다.
방사 빔의 전방 지향을 위해, 방사 소자(104) 간의 직렬 급전선(103)은 각 방사 소자(104)의 입력 위상(phase)이 동 위상(in-phase)이 되도록, 설계될 수 있다. 배열 안테나는 수평 방향(X축 방향) 그리고 수직 방향(Y축 방향)에 대해서 모두 체비세프 배열 특성을 가질 수 있다.
아래의 수학식 1은 수직 방향(Y축 방향)에 대한 배열 함수(AF: array factor)를 나타낸다.
Figure pat00001
수학식 1에서, M은 하나의 방사 소자 열에 포함된 총 방사 소자(104)의 개수를 나타내고, 도 1a의 실시예에서 M=9이다.
하나의 방사 소자 열에 포함된 M개의 방사 소자(104)는 특정 방사 소자(104)를 기준으로 서로 대칭될 수 있는데, 수학식 1에서 i0는 이러한 대칭의 기준이 되는 특정 방사 소자(104)(이하 '기준 방사 소자(104)')의 전류를 나타낸다. 예를 들어, 도 1a의 실시예에서, 기준 방사 소자(104)는 하나의 방사 소자 열에 포함된 9개의 방사 소자(104) 중 5번째 방사 소자(104)이다.
수학식 1에서, im은 하나의 방사 소자 열에 포함된 M개의 방사 소자(104) 중 기준 방사 소자(104)의 일측에 위치하는 (M-1)/2 개의 방사 소자(104) 중에서 m번째 방사 소자의 전류를 나타낸다. 예를 들어, 도 1a의 실시예에서, im은 하나의 방사 소자 열에 포함된 9개의 방사 소자(104) 중 5번째 방사 소자(104)의 일측에 위치하는 4개의 방사 소자(104) 중에서 m번째 방사 소자의 전류를 나타낸다.
수학식 1에서,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
, d는 방사 소자(104) 간의 간격을 나타내며,
Figure pat00004
이고, ω = 각속도를 나타낸다.
수학식 1의 배열 함수를 풀어 쓰면, 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00005
그리고, 이에 해당하는 8차 체비세프 배열 함수는 아래의 수학식 3과 같다.
Figure pat00006
따라서, 수학식 2와 수학식 3 간에 계수를 비교하면, 아래의 수학식 4가 나온다.
Figure pat00007
수학식 4에서, 수직 방향에 대한 SLL을 -20dB 로 설계하기 위한 X0 는
Figure pat00008
이고, 여기서 M=9이고, R=10-SLL/20=10 이다. 수학식 4에서, i1은 기준 방사 소자(104)의 일측에 위치하는 4개의 방사 소자(104) 중에서 기준 방사 소자(104)와 가장 가까운 방사 소자(104)의 전류를 나타내고, i4는 기준 방사 소자(104)와 가장 먼 방사 소자(104)의 전류를 나타낸다.
결국 각 방사 소자(104)에 대한 전류 및 정규화된(normalized) 전류는, 아래의 수학식 5와 같이 구해질 수 있다.
Figure pat00009
수학식 5에서, i0n~i4n은 방사 소자(104)의 정규화된 전류를 나타낸다.
수직 방향(Y축 방향)에 대한 방사 소자(104)의 전류 분포를 구하는 방법과 유사한 방법을 이용해, 수평 방향(X축 방향)에 대한 방사 소자(104)의 전류 분포가 구해질 수 있다. 이 때, 레이더 감지기에 의해 요구되는 보다 균일한 수평 방향 감지 성능을 위해, 수평 방향(X축 방향)에 대한 SLL은 -30dB 로 설계될 수 있고, 수평 방향(X축 방향)의 총 방사 소자 열의 개수는 16개일 수 있다.
수평 방향(X축 방향)에 대한 전류 분포를 계산하기 위한 배열 함수(AF)는 아래의 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00010
수학식 6에서 P는 배열 안테나(1000)에 포함된 총 방사 소자 열의 개수를 나타낸다. 구체적으로, P개의 방사 소자 열 중 제1 방사 소자 열의 개수는 P/2 개이고, 제2 방사 소자 열의 개수는 P/2 개이다. 예를 들어, 도 1a의 실시예에서, P=16이다.
수학식 6에서, ixm은 P/2 개의 제1 방사 소자 열(또는 제2 방사 소자 열) 중 m번째 방사 소자 열에 포함된 방사 소자(104) 중에서 x번째 방사 소자(104)의 전류를 나타낸다. 예를 들어, 도 1a의 실시예에서, ixm은 8개의 제1 방사 소자 열 중 m번째 방사 소자 열에 포함된 9개의 방사 소자(104) 중에서 x번째 방사 소자(104)의 전류를 나타낸다.
SLL = -20dB 가 적용되는 경우에, 수직 방향(Y축 방향)의 체비세프 다항식 급전 계수는 수학식 1을 이용해 구해질 수 있다. SLL = -30dB 가 적용되는 경우에, 수평 방향(X축 방향)의 체비세프 다항식 급전 계수는 수학식 6을 이용해 구해질 수 있다.
수학식 6을 이용해 추출된 정규화된 전류 분포는 아래의 수학식 7과 같다.
Figure pat00011
한편, 수평 방향(X축 방향)의 방사 소자 열들에 SLL=-30dB 인 체비세프 배열 급전을 적용하기 위해서, 100 옴 저항을 사용하는 비균등 윌킨슨 전력 분배기(102)가 사용될 수 있다.
아래의 표 1은 수학식 1에 의해 정의된 배열 함수(AF)를 바탕으로 계산된, 각 방사 소자(104)의 방사 컨덕턴스 및 각 방사 소자(104)의 크기(폭, 길이)를 나타낸다.
각 방사 소자(104) 별 방사 컨덕턴스 및 크기
방사 소자 급전 계수(an) 정규화된 방사 컨덕턴스(gn) 방사 컨덕턴스(GR) 계산값 최적값
폭(mm) 길이(mm) 폭(mm) 길이(mm)
E1 0.6014 0.0645 0.000645 1.123 3.182 1.523 3.182
E2 0.6153 0.0675 0.000675 1.173 3.173 1.573 3.173
E3 0.8121 0.1176 0.001176 1.998 3.065 2.398 3.065
E4 0.9503 0.1611 0.001611 2.703 3.011 3.503 3.011
E5 1.0000 0.1784 0.001784 2.982 2.994 4.582 2.994
E6 0.9503 0.1611 0.001611 2.703 3.011 2.903 3.011
E7 0.8121 0.1176 0.001176 1.998 3.065 1.798 3.065
E8 0.6153 0.0675 0.000675 1.173 3.173 0.973 3.173
E9 0.6014 0.0645 0.000645 1.123 3.182 0.923 3.182
표 1에서 방사 소자(E1)는 하나의 방사 소자 열에 포함된 9개의 방사 소자(104) 중 1번째 방사 소자(104)에 대응하며, 마찬가지로, 방사 소자(E2), 방사 소자(E3), 방사 소자(E4), 방사 소자(E5), 방사 소자(E6), 방사 소자(E7), 방사 소자(E8), 및 방사 소자(E9) 각각은 9개의 방사 소자(104) 중 2번째, 3번째, 4번째, 5번째, 6번째, 7번째, 8번째, 및 9번째 방사 소자(104) 각각에 대응한다.
각 방사 소자(104)의 방사 컨덕턴스는 급전 계수(an)를 이용하여 구해질 수 있다. 계산된 각 방사 소자(104)의 방사 컨덕턴스를 이용하여, 각 방사 소자(104)의 가로 및 세로 크기가 구해질 수 있다. 이 때, 모든 방사 소자(104)의 방사 컨덕턴스 합은 1이다. 방사 컨덕턴스를 구하기 위한 계산식은 아래의 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00012
수학식 8에서, Gt는 하나의 방사 소자 열에 포함된 M개(예, 9개)의 방사 소자(104)의 방사 컨덕턴스 합을 나타낸다. 수학식 8에서 gn은 M개의 방사 소자(104) 중에서 n번째 방사 소자(104)의 방사 컨덕턴스를 나타내고, an은 n번째 방사 소자(104)의 급전 계수를 나타내고, K는 방사 소자(104)의 비례 상수(constant of proportionality)를 나타낸다. 예를 들어, a5는 9개의 방사 소자(104) 중 5번째 방사 소자인 기준 방사 소자(104)의 급전 계수를 나타내고, a4 또는 a6은 9개의 방사 소자(104) 중 기준 방사 소자(104)와 가장 가까운 4번째 또는 6번째 방사 소자(104)의 급전 계수를 나타낸다.
수학식 8에서와 같이, 총 방사 컨덕턴스(Gt)는 각 방사 소자(104)의 비례 상수(K) 및 급전 계수(an)을 바탕으로 계산될 수 있다.
비례 상수(K)는 수학식 1을 통해 계산된 각 급전 계수(an)를 바탕으로 구해질 수 있는데, 이는 아래의 수학식 9와 같다.
Figure pat00013
그리고, 비례 상수(K)=0.1784를 이용하면, 각 방사 소자(104)의 정규화된 방사 컨덕턴스(gn)는 아래의 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00014
각 방사 소자(104) 간의 직렬 급전선(103)의 특성 임피던스는 100 옴으로 결정될 수 있고, 따라서 직렬 급전선(103)의 정규 임피던스(normalized impedance)도 100 옴으로 설정될 수 있다. 결국, 정규화되지 않은 방사 컨덕턴스(GR) 및 각 방사 소자(104)의 물리적 크기(폭, 길이)는 상기 표 1과 같다.
표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방사 소자(104)는 배열 안테나(1000)의 이득을 높이기 위해, 방사 패치의 폭과 길이가 최적화되도록 설계될 수 있다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른, 체비세프 다항식을 기반으로 하는 급전 선로를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 1c에는 SLL=-30dB이 적용된 체비세프 배열을 위한 비균등 전력 분배기(101, 102)가 예시되어 있다.
도 1a에 예시된 바와 같이 배열 안테나(1000)가 대칭 구조를 가지는 경우에, 전력 분배기(107)는 -3dB 균등 전력 분배기이며, 전력 분배기(107)에 포함되는 요소(또는 부분)(Ec0)의 저항(R0)은 100 옴 이다.
ixj (단, j=1, 2, ..., 8)는 수평 방향(X축 방향)으로 -30dB의 SLL을 적용하기 위해, 각 방사 소자 열에 요구되는 전류의 크기를 나타낸다. ixj 는 상기 수학식 7과 같은 값을 가질 수 있다.
각 마이크로스트립 선로의 특성 임피던스 추출을 위한 비균등 전력 분배기(101, 102)는 아래의 수학식 11과 같이 설계될 수 있다.
Figure pat00015
수학식 11에서, i=1,2, ..., 8 이고, 기준 임피던스 Z0=50옴이고, k는 비균등 전력의 비(ratio)를 나타낸다.
수학식 11에서, ZiR, ZiL, Z'iR, Z'iL, 및 Ri (단, i=1,2, ..., 4)은 전력 분배기(107)를 기준으로 좌측에 위치하는 4개의 노드(Nd1~Nd4) 중 i번째 노드에 연결된 전력 분배기(102)를 위한 임피던스와 저항을 나타낸다. 구체적으로, 상기 i번째 노드에 연결된 전력 분배기(102)는 우측 요소(또는 우측 부분)(Erai), 우측 요소(또는 우측 부분)(Erbi), 좌측 요소(또는 좌측 부분)(Elai), 좌측 요소(또는 좌측 부분)(Elbi), 및 중앙 요소(또는 중앙 부분)(Eci)를 포함할 수 있다. 우측 요소(Erai)는 수직 방향(Y축 방향)을 기준으로 소정의 각도 만큼 기울어지게 형성될 수 있다. 우측 요소(Erbi)는 수직 방향(Y축 방향)을 기준으로 우측 요소(Erai) 보다 위에 형성될 수 있다. 좌측 요소(Elai)는 수평 방향(X축 방향)을 기준으로 우측 요소(Erai) 보다 좌측에 위치하며 우측 요소(Erai)와 대칭되도록 형성될 수 있다. 좌측 요소(Elbi)는 수직 방향(Y축 방향)을 기준으로 좌측 요소(Elai)보다 위에 위치하며, 수평 방향(X축 방향)을 기준으로 우측 요소(Erbi)와 대칭되도록 형성될 수 있다. 중앙 요소(Eci)는 우측 요소(Erbi)와 좌측 요소(Elbi) 사이에 위치하도록 형성될 수 있다. 우측 요소(Erbi)는 8개의 제1 방사 소자 열 중 하나에 연결될 수 있고, 좌측 요소(Elbi)는 8개의 제1 방사 소자 열 중 다른 하나에 연결될 수 있다.
구체적으로, ZiR은 상기 i번째 노드에 연결된 전력 분배기(102)에 속하는 우측 요소(Erai)를 위한 마이크로스트립 선로의 특성 임피던스를 나타내고, Z'iR은 우측 요소(Erbi)를 위한 특성 임피던스를 나타낸다. 그리고, ZiL은 좌측 요소(Elai)를 위한 특성 임피던스를 나타내고, Z'iL은 좌측 요소(Elbi)를 위한 특성 임피던스를 나타낸다. 그리고, Ri는 중앙 요소(Eci)의 저항을 나타낸다. 예를 들어, Z1R, Z1L, Z'1R, 및 Z'1L 각각은 1번째 노드(Nd1)에 연결된 전력 분배기(102)에 속하는 우측 요소(Era1), 좌측 요소(Ela1), 우측 요소(Erb1), 및 좌측 요소(Elb1) 각각을 위한 특성 임피던스를 나타내고, R1은 1번째 노드(Nd1)에 연결된 전력 분배기(102)에 속하는 중앙 요소(Ec1)의 저항을 나타낸다. 1번째 노드(Nd1)에 연결된 전력 분배기(102)는 8개의 제1 방사 소자 열 중 1번째 및 2번째에 연결되며, 상기 1번째 및 2번째 제1 방사 소자 열을 위한 전류 크기는 각각 ix1 = 0.6014와 ix2 = 0.5730 이다.
마찬가지로, 수학식 11에서, ZiR, ZiL, Z'iR, Z'iL, 및 Ri (단, i=5,6, ..., 8)은 전력 분배기(107)를 기준으로 우측에 위치하는 4개의 노드(Nd5~Nd8) 중 i번째 노드에 연결된 전력 분배기(102)를 위한 특성 임피던스와 저항을 나타낸다. {ZiR, ZiL, Z'iR, Z'iL, Ri}(단, i=1,2, ..., 4)은 {ZiR, ZiL, Z'iR, Z'iL, Ri}(단, i=5,6, ..., 8)과 대칭이다.
수학식 11을 이용하여 추출된 각 비균등 전력 분배기(102)의 선로 특성 임피던스와 비균등 전력 비(k)는 아래의 표 2와 같다.
비균등 전력 분배기(102)의 선로 특성 임피던스와 비균등 전력 비(k)
1st 전력 분배기(102) 2nd 전력분배기(102)
k 1.0245 k 1.0786
Z1R 69.03Ω Z2R 65.65Ω
Z'1R 49.40Ω Z'2R 48.14Ω
Z1L 72.45Ω Z2L 76.37Ω
Z'1L 50.61Ω Z'2L 51.93Ω
R1 100.03Ω R2 100.29Ω
3rd 전력분배기(102) 4th 전력분배기(102)
k 1.1491 k 1.0442
Z3R 61.84Ω Z4R 67.75Ω
Z'3R 46.64Ω Z'4R 48.93Ω
Z3L 81.64Ω Z4L 73.87Ω
Z'3L 53.60Ω Z'4L 51.09Ω
R3 100.97Ω R4 100.09Ω
표 2에서, 1st 전력 분배기(102), 2nd 전력 분배기(102), 3rd 전력 분배기(102), 및 4th 전력 분배기(102) 각각은 1번째 노드(Nd1), 2번째 노드(Nd2), 3번째 노드(Nd3), 및 4번째 노드(Nd4) 각각에 연결된 전력 분배기(102)를 나타낸다.
한편, 상술한 바와 같이 추출된 각 방사 소자들(104)에 요구되는 급전 계수(excitation coefficient)는 아래의 표 3과 같을 수 있다. 구체적으로 배열 안테나(1000)의 구조는 배열 안테나 급전부(100)를 중심으로 대칭이기 때문에, 표 3은 배열 안테나(1000)에 포함된 방사 소자(104) 중 배열 안테나 급전부(100)를 기준으로 좌측에 위치하는 방사 소자(104)를 위한 급전 계수를 나타낸다. 마찬가지로 나머지 절반은 표 3과 같은 급전 계수를 가질 수 있다.
방사 소자(104)의 급전 계수
Y축 방향
9 0.1750 0.1908 0.2741 0.3619 0.4465 0.5194 0.5730 0.6014
8 0.1791 0.1952 0.2804 0.3703 0.4568 0.5314 0.5863 0.6153
7 0.2363 0.2577 0.3701 0.4887 0.6029 0.7014 0.7738 0.8121
6 0.2765 0.3015 0.4330 0.5718 0.7055 0.8207 0.9054 0.9503
5 0.2910 0.3173 0.4557 0.6018 0.7424 0.8637 0.9528 1.0000
4 0.2765 0.3015 0.4330 0.5718 0.7055 0.8207 0.9054 0.9503
3 0.2363 0.2577 0.3701 0.4887 0.6029 0.7014 0.7738 0.8121
2 0.1791 0.1952 0.2804 0.3703 0.4568 0.5314 0.5863 0.6153
1 0.1750 0.1908 0.2741 0.3619 0.4465 0.5194 0.5730 0.6014
8 7 6 5 4 3 2 1 X축
방향
표 3은 8개의 제1 방사 소자 열 각각에 포함된 9개의 방사 소자(104)를 위한 급전 계수를 나타낸다. 표 3에 예시된 바와 같이, 수직 방향(Y축 방향)으로 5번째 방사 소자(104)를 기준으로, 1~4번째 방사 소자(104)의 급전 계수와 6~9번째 방사 소자(104)의 급전 계수는 대칭이다.
배열 안테나(1000)는 전방향(boresight)용 레이더 감지기에 사용될 수 있기 때문에, 방사 소자(104) 간 연결 마이크로스트립 선로, 즉, 직렬 급전선(103)의 길이는 거의 반파장(λg/2, 여기서 λg는 관내 파장)을 가지도록 설계될 수 있으며, 각 방사 소자(104)에 입력되는 전류의 위상은 동일할 수 있다. 하지만, 방사 소자(104) 간 연결 마이크로스트립 선로의 길이와 각 방사 소자(104)에 입력되는 전류의 위상은 빔 기울어짐 요구 사양에 따라, 설계자에 의해 적절히 조절될 수 있다. 또한, 수평 방향(X축 방향) 및 수직 방향(Y축 방향)으로의 방사 소자(104)의 개수 증감도, 요구되는 지향성 및 빔 각도(빔폭)에 의해 적절히 조절될 수 있다.
도 1d는 본 발명의 실시예에 따른, 직렬 급전 방사 소자(104)를 나타내는 도면이다. 도 1d에는 9개의 방사 소자(E1~E9)가 직렬로 연결된 경우가 예시되어 있다.
도 1d에서 방사 소자(E1)는 하나의 방사 소자 열에 포함된 9개의 방사 소자(104) 중 1번째 방사 소자(104)에 대응하며, 마찬가지로, 방사 소자(E2), 방사 소자(E3), 방사 소자(E4), 방사 소자(E5), 방사 소자(E6), 방사 소자(E7), 방사 소자(E8), 및 방사 소자(E9) 각각은 9개의 방사 소자(104) 중 2번째, 3번째, 4번째, 5번째, 6번째, 7번째, 8번째, 및 9번째 방사 소자(104) 각각에 대응한다.
도 1d에 예시된 바와 같이, 방사 소자(E5)를 기준으로, 방사 소자(E1~E4)와 방사 소자(E6~E9)는 서로 대칭(예, 방사 소자(104)의 크기, 위치, 방사 소자(104) 간의 간격 등)이다.
도 1d에서, 방사 소자(E5)의 전류는 수학식 5에서의 i0 또는 i0n 에 대응하고, 방사 소자(E4, E6)의 전류는 수학식 5에서의 i1 또는 i1n 에 대응하고, 방사 소자(E3, E7)의 전류는 수학식 5에서의 i2 또는 i2n 에 대응하고, 방사 소자(E2, E8)의 전류는 수학식 5에서의 i3 또는 i3n 에 대응하고, 방사 소자(E1, E9)의 전류는 수학식 5에서의 i4 또는 i4n 에 대응한다.
도 1e는 본 발명의 실시예에 따른, 메타물질 아이솔레이터의 단위 요소 또는 단위 셀을 나타내는 도면이다.
구체적으로 도 1e에는, 감지폭을 줄이기 위해 초지향적 특성을 유도하는 메타물질 아이솔레이터(105)의 단위 요소(105u)가 예시되어 있다. 메타물질 아이솔레이터(105)는 다수의 단위 요소(105u)를 포함한다.
아이솔레이터 단위 요소(105u)는 2개의 마이크로 스트립 링(105u1, 105u2)을 포함한다. 구체적으로 마이크로 스트립 링(105u1)은 마이크로 스트립 링(105u2)의 밖에 존재할 수 있으며, 마이크로 스트립 링(105u2)과는 다른 방향으로 뚫려 있을 수(열려 있을 수) 있다.
다수의 아이솔레이터 단위 요소(105u)를 포함하는 메타물질 아이솔레이터(105)는, 각 방사 소자 열 사이에 위치하여, 방사 소자 열 간의 격리도(또는 분리도) 특성을 향상시킨다. 이러한 격리도 특성이 방사 패턴의 지향성(directivity)를 높인다.
도 2a, 도 2b, 및 도 2c를 참고하여, 메타물질 아이솔레이터(105)의 등가 회로 및 주파수 응답 특성에 대하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른, 메타물질 아이솔레이터(105)의 단위 요소(105u)의 주파수 응답 특성(S-parameter)을 추출하기 위한 회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 2a에는, Port1 및 Port2 사이의 선은 마이크로스트립 선로를 의미하며, 상기 마이크로스트립 선로의 양단이 Port1 과 Port2 로 설정되고, 그리고 Port3 및 Port4 사이의 선은 마이크로스트립 선로를 의미하며, 상기 마이크로스트립 선로의 양단이 Port3 과 Port4 로 설정된 경우가 예시되어 있다.
도 2a에 예시된 바와 같이, 2개의 마이크로스트립 선로를 메타물질 아이솔레이터(105)의 단위 요소(105u)와 같은 공진기에 근접시킴으로써(전자기적 결합(coupling) 방식), 주파수 응답 특성(S-parameter)이 추출될 수 있다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른, 메타물질 아이솔레이터(105)의 단위 요소(105u)에 대응하는 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 2b에 예시된 바와 같이, 메타물질 아이솔레이터(105)의 단위 요소(105u)는 LC 공진 회로를 형성한다. 도 2b에서, LS는 마이크로스트립 선로에 의해 생성되는 인덕턴스(예, 마이크로스트립 링(105u1, 105u2)에 의해 생성되는 인덕턴스)를 나타내며, C0는 2개의 마이크로스트립 링(105u1, 105u2) 사이의 총 캐패시턴스를 나타낸다.
해당 메타물질 아이솔레이터(105)의 공진 주파수는 아래의 수학식 12와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00016
메타물질 아이솔레이터(105)의 공진 주파수(f0)는 24.15GHz에 맞추어 설계될 수 있으며, 해당 메타물질 아이솔레이터(105)의 격리도 특성은 도 2c에 예시된 바와 같다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른, 도 2a에 예시된 회로 구성에서 추출되는 메타물질 아이솔레이터(105)의 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다. 도 2c에서 S-파라미터 S41과 S11은 주파수 응답 특성을 나타낸다.
S41은 도 2a에 예시된 바와 같이, Port1에서 Port4로 얼마 만큼의 전자기적 에너지가 흘러갈 수 있는지를 나타낸다. Port1에서 Port4로 에너지가 이동할 때, 메타물질 아이솔레이터(105)를 통과하여(결합되어) 지나가기 때문에, 메타물질 아이솔레이터(105)의 주파수 응답 특성이 추출될 수 있다.
S11은 Port1로 들어간 에너지가 Port1으로 얼마나 반사되어 나오는지를 나타낸다.
도 2c에서 S-파라미터 S41에 예시된 바와 같이, 격리도 특성이 매우 뛰어남을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참고하여, 해당 메타물질 아이솔레이터(105)의 격리도 특성을 추가적으로 증명한다. 도 3a에는 2개의 패치 안테나(패치 안테나#1, #2) 사이에 메타물질 아이솔레이터(105)가 삽입되지 않은 경우에 대한 주파수 응답 특성(또는 격리도 특성)이 예시되어 있고, 도 3b에는 2개의 패치 안테나(패치 안테나#1, #2) 사이에 메타물질 아이솔레이터(105)가 삽입되어 있는 경우에 대한 주파수 응답 특성(또는 격리도 특성)이 예시되어 있다. 도 3a 및 도 3b에서 S-파라미터 S21과 S11은 주파수 응답 특성 또는 격리도 특성을 나타낸다.
패치 안테나(#1)에 연결되어 있는 입출력 단자는 도 2a에 예시된 Port1로 고려될 수 있고, 패치 안테나(#2)에 연결되어 있는 입출력 단자는 도 2a에 예시된 Port2로 고려될 수 있다. 이러한 경우에, S21은 도 2c에 예시된 S41에 대응할 수 있고, S11은 도 2c에 예시된 S11에 대응할 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 예시된 바와 같이, 2개의 패치 안테나(#1, #2) 사이에 메타물질 아이솔레이터(105)가 삽입되면, 2개의 패치 안테나 사이의 격리도는 -43.7dB일 수 있고, 기존(약 -29.6dB)에 비해 약 14dB 향상될 수 있다. 예를 들어, 도 3a에서 24.15GHz에 대응하는 S21의 값은 -29.6dB이며, 도 3b에서 24.15GHz에 대응하는 S21의 값은 -43.7dB이다.
이러한 격리도의 향상을 통해, 배열 안테나(1000)의 빔 폭(감지폭)이 20% 이상 개선될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 레이더 감지기(2000)를 나타내는 도면이다.
레이더 감지기(2000)는 물체의 존재 유무, 물체와의 거리 등을 감지한다. 구체적으로, 레이더 감지기(2000)는 프로세서(210), 메모리(220), 송수신기(230), 및 배열 안테나(1000)를 포함한다.
레이더 감지기(2000)의 배열 안테나(1000)는 상술한 배열 안테나(1000)와 동일/유사한 구조 및 기능을 가진다.
프로세서(210)는 감지와 관련된 기능, 절차, 및 방법들을 구현하도록, 구성될 수 있다. 구체적으로, 프로세서(210)는 배열 안테나(1000)가 본 명세서에 기술된 기능 및 동작을 수행하도록, 배열 안테나(1000)를 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(210)는 레이더 감지기(2000)의 각 구성을 제어할 수 있다.
메모리(220)는 프로세서(210)와 연결되고, 프로세서(210)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장한다.
송수신기(230)는 프로세서(210)와 연결되고, 배열 안테나(1000)를 통해 신호를 송신 또는 수신한다.
한편, 지금까지 24GHz 대역의 레이더 감지기용 배열 안테나를 예로 들어 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 이는 예시일 뿐이다. 본 발명의 실시예는 24GHz 대역뿐만 아니라 다른 대역의 레이더 감지기에도 적용될 수 있다.
한편, 레이더 감지기의 유효 감지 거리의 끝 단의 감지폭을 줄이기 위해 더 많은 수의 배열 소자들이 사용되면, 레이더 감지기의 근거리 부분의 감지폭(빔폭)이 너무 좁아져서 레이더 감지기의 감지 성능이 현저히 감소할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 배열 소자의 수의 증가 없이, 레이더 감지기의 유효 감지 거리의 끝 단의 감지폭을 줄일 수 있으므로, 레이더 감지기의 감지 성능 감소를 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 24GHz ISM 대역에서 높은 분리도(isolation) 특성을 갖는 메타물질(metamaterial)을 이용하여, 마이크로스트립 배열 안테나의 방사 소자간 분리도 특성을 높일 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는 감지폭(빔폭)을 매우 좁게 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 좁은 감지폭을 위한 메타물질 기반의 초지향성 배열 안테나이며, 24GHz 대역에서 동작하는 침입 감지용 레이더 감지기를 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는 메타물질을 포함함으로써, 용이하게 감지폭(빔폭)을 20% 이상 줄일 수 있다. 이와 같은 초지향성(super-directivity) 특성을 갖는 배열 안테나는, 수백 미터 이내의 물체 침입 감지용으로 사용되고 있는 고(high) 지향성 레이더 시스템에 사용될 수 있다. 또한 이러한 배열 안테나는, 매우 좁은 감지 영역을 필요로 하고 동시에 높은 이득을 필요로 하는 레이더 감지 시스템에 적합하다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 수평 및 수직 방향으로의 매우 낮은 부엽 레벨(SLL) 특성 및 좁은 감지폭을 위한 높은 지향성 특성을 동시에 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 수평 방향 및 수직 방향으로 감지 영역의 불균일성을 획기적으로 낮출 수 있으며, 24GHz 레이더 감지기를 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 낮은 부엽(side lobe) 특성을 가지기 위해, 수평 및 수직 방향 각각으로 -30dB 및 -20dB 부엽 특성을 갖는 체비세프 다항식(Chevyshev polynomial)을 사용하여 급전 계수를 추출하고, 추출된 급전 계수를 각 방사 소자 사이의 입력 전류 크기에 적용한다. 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 높은 지향성 특성 뿐만 아니라, 수평 방향으로는 -30dB 부엽 레벨(SLL) 그리고 수직 방향으로는 -20dB 부엽 레벨이 적용되도록 설계됨으로써, 수평 및 수직 방향 모두에 대한 감지 영역의 높은 균일성을 가진다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, 기판 인쇄(printed) 형태이므로 대량 생산에 용이하다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 배열 안테나는, PRF 증가를 위한 부품 가격의 상승 없이, 레이더 감지기의 근거리 감지 성능을 유지하면서 효율적으로 감지폭을 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 방향으로 배열되는 복수의 방사 소자를 각각이 포함하며, 제2 방향으로 배열되는 복수의 방사 소자 열; 및
    메타 물질(metamaterial)을 가지며, 상기 복수의 방사 소자 열 사이에 위치하여 상기 복수의 방사 소자 열 간의 격리도를 높이는 아이솔레이터(isolator)
    를 포함하는 배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아이솔레이터는 상기 제1 방향으로 배열되는 복수의 아이솔레이터 단위 요소를 포함하고,
    상기 복수의 아이솔레이터 단위 요소 각각은 메타 물질의 제1 마이크로스트립(microstrip) 링과 메타 물질의 제2 마이크로스트립 링을 포함하고,
    상기 제1 마이크로스트립 링은 상기 제2 마이크로스트립 링의 바깥에 형성되며, 상기 제2 마이크로스트립 링이 열려 있는 방향과 다른 방향으로 열려 있는
    배열 안테나.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 아이솔레이터를 위한 공진 주파수는 아래의 수학식 1과 같이 정의되는
    배열 안테나.
    [수학식 1]
    Figure pat00017

    (f0: 상기 아이솔레이터를 위한 공진 주파수, CS=C0/4, C0: 상기 제1 마이크로스트립 링과 상기 제2 마이크로스트립 링 사이의 총 캐패시턴스, LS: 상기 제1 마이크로스트립 링과 상기 제2 마이크로스트립 링에 의해 생성되는 인덕턴스)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사 소자 열 각각은 직렬로 연결된 M개의 방사 소자를 포함하고,
    상기 M개의 방사 소자는 제1 방사 소자, 상기 제1 방사 소자의 일측에 위치하는 (M-1)/2 개의 제2 방사 소자, 및 상기 제1 방사 소자의 타측에 위치하는 (M-1)/2 개의 제3 방사 소자를 포함하고,
    상기 복수의 방사 소자 열의 상기 제1 방향을 위한 배열 함수는 아래의 수학식 1과 같이 정의되는
    배열 안테나.
    [수학식 1]
    Figure pat00018

    (i0: 상기 제1 방사 소자의 전류, im: 상기 (M-1)/2 개의 제2 방사 소자 중 m번째 방사 소자의 전류,
    Figure pat00019
    ,
    Figure pat00020
    ,
    Figure pat00021
    , ω = 각속도)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 방사 소자와 상기 (M-1)/2 개의 제2 방사 소자의 전류는 아래의 수학식 2를 이용해 구해지는
    배열 안테나.
    [수학식 2]
    Figure pat00022

    (i0: 상기 제1 방사 소자의 전류, i1: 상기 (M-1)/2 개의 제2 방사 소자 중 1번째 방사 소자이며 상기 제1 방사 소자와 가장 가까운 방사 소자의 전류, i2, i3, 및 i4: 상기 (M-1)/2 개의 제2 방사 소자 중 2번째, 3번째, 및 4번째 방사 소자의 전류,
    Figure pat00023
    , R=10- SLL / 20 , SLL: 상기 제1 방향을 위한 부엽 레벨(side lobe level))
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사 소자 열의 상기 제2 방향을 위한 배열 함수는 아래의 수학식 1과 같이 정의되는
    배열 안테나.
    [수학식 1]
    Figure pat00024

    (P: 상기 복수의 방사 소자 열의 개수, ixm: P/2 개의 방사 소자 열 중 m번째 방사 소자 열에 속하는 상기 복수의 방사 소자 중 x번째 방사 소자의 전류,
    Figure pat00025
    ,
    Figure pat00026
    ,
    Figure pat00027
    , ω= 각속도)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 방향을 위한 배열 함수에는 -30dB의 부엽 레벨이 적용되는
    배열 안테나.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 M개의 방사 소자 각각의 방사 컨덕턴스는,
    상기 수학식 1을 이용해 추출되는 상기 M개의 방사 소자 각각의 급전 계수를 통해, 구해지는
    배열 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 M개의 방사 소자 각각의 방사 컨덕턴스는 아래의 수학식 2를 이용해 구해지는
    배열 안테나.
    [수학식 2]
    Figure pat00028

    (gn: 상기 M개의 방사 소자 중 n번째 방사 소자의 방사 컨덕턴스, K: 비례 상수, an: 상기 M개의 방사 소자 중 n번째 방사 소자에 대하여 상기 수학식 1을 이용해 구해진 급전 계수)
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비례 상수는 0.1784 인
    배열 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사 소자 열에 제1 전력을 급전하는 급전부;
    상기 복수의 방사 소자 열 중 상기 급전부의 일측에 위치하는 제1 방사 소자 열과 상기 급전부의 타측에 위치하는 제2 방사 소자 열에 급전하기 위해, 상기 제1 전력을 제2 전력 및 제3 전력으로 나누는 제1 전력 분배기;
    상기 제2 전력을 직렬로 연결된 복수의 제1 노드로 분배하는 제2 전력 분배기; 및
    상기 제1 노드에 전달된 전력을, 상기 제1 방사 소자 열 중 자신과 연결된 적어도 하나로 분배하는 제3 전력 분배기
    를 더 포함하는 배열 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3 전력 분배기는 상기 제1 방향을 기준으로 소정의 각도 만큼 기울어진 제1 부분, 상기 제1 방향을 기준으로 상기 제1 부분 보다 위에 형성되는 제2 부분, 상기 제2 방향을 기준으로 상기 제1 부분과 대칭되도록 형성되는 제3 부분, 상기 제1 방향을 기준으로 상기 제3 부분 보다 위에 형성되며 상기 제2 방향을 기준으로 상기 제2 부분과 대칭되도록 형성되는 제4 부분, 및 상기 제2 부분과 상기 제4 부분 사이에 형성되는 제5 부분을 포함하고,
    상기 제2 부분은 상기 제1 방사 소자 열 중 하나와 연결되고, 상기 제4 부분은 상기 제1 방사 소자 열 중 다른 하나와 연결되는
    배열 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 전력 분배기는 상기 제1 노드에 전달된 전력을 비균등하게 분배하고,
    상기 제1 부분, 상기 제2 부분, 상기 제3 부분, 및 상기 제4 부분을 위한 특성 임피던스와 상기 제5 부분을 위한 저항은 아래의 수학식 1을 이용해 구해지는
    배열 안테나.
    [수학식 1]
    Figure pat00029

    (ZiR: 상기 제1 부분을 위한 특성 임피던스, Z' iR: 상기 제2 부분을 위한 특성 임피던스, ZiL: 상기 제3 부분을 위한 특성 임피던스, Z' iL: 상기 제4 부분을 위한 특성 임피던스, Z0: 기준 임피던스, k: 상기 제3 전력 분배기의 비균등 전력 비율)
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사 소자 열과 상기 아이솔레이터가 인쇄되는 유전체 기판을 더 포함하고,
    상기 복수의 방사 소자 열 각각에 포함되는 복수의 방사 소자는 마이크로스트립 패치 형태를 가지고,
    상기 복수의 방사 소자 열의 구조는 체비세프(Chebyshev) 배열 함수에 의해 결정되는
    배열 안테나.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사 소자 열 중 제1 방사 소자 열에 포함되는 복수의 방사 소자 각각의 입력 위상이 동 위상(in-phase)이 되도록, 상기 복수의 방사 소자 사이에 형성되는 급전 선로
    를 더 포함하는 배열 안테나.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1 방사 소자 열과 상기 제2 방사 소자 열은 상기 급전부를 기준으로 대칭적으로 형성되고,
    상기 제1 방사 소자 열 각각에 포함되는 복수의 방사 소자는 상기 복수의 방사 소자 중에서 중간에 위치하는 방사 소자를 기준으로 대칭적으로 형성되는
    배열 안테나.
  17. 제1 방향으로 배열되는 복수의 방사 소자 열을 포함하는 배열 안테나; 및
    상기 배열 안테나를 제어하는 프로세서를 포함하고,
    상기 배열 안테나는,
    메타 물질(metamaterial)을 가지며 상기 복수의 방사 소자 열 사이에 위치하여 상기 복수의 방사 소자 열 간의 격리도를 높이는 아이솔레이터(isolator)를 더 포함하는
    레이더 감지기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 방사 소자 열 각각은 제2 방향으로 직렬로 연결된 M개의 방사 소자를 포함하고,
    상기 M개의 방사 소자는 제1 방사 소자, 상기 제1 방사 소자의 일측에 위치하는 (M-1)/2 개의 제2 방사 소자, 및 상기 제1 방사 소자의 타측에 위치하는 (M-1)/2 개의 제3 방사 소자를 포함하고,
    상기 복수의 방사 소자 열의 상기 제2 방향을 위한 배열 함수는 아래의 수학식 1과 같이 정의되는
    레이더 감지기.
    [수학식 1]
    Figure pat00030

    (i0: 상기 제1 방사 소자의 전류, im: 상기 (M-1)/2 개의 제2 방사 소자 중 m번째 방사 소자의 전류,
    Figure pat00031
    ,
    Figure pat00032
    ,
    Figure pat00033
    , ω = 각속도)
  19. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 방사 소자 열의 상기 제1 방향을 위한 배열 함수는 아래의 수학식 1과 같이 정의되는
    레이더 감지기.
    [수학식 1]
    Figure pat00034

    (P: 상기 복수의 방사 소자 열의 개수, ixm: P/2 개의 방사 소자 열 중 m번째 방사 소자 열에 속하는 복수의 방사 소자 중 x번째 방사 소자의 전류,
    Figure pat00035
    ,
    Figure pat00036
    ,
    Figure pat00037
    , ω = 각속도)
  20. 제17항에 있어서,
    상기 아이솔레이터는 제2 방향으로 배열되는 복수의 아이솔레이터 단위 요소를 포함하고,
    상기 복수의 아이솔레이터 단위 요소 각각은 메타 물질의 제1 마이크로스트립(microstrip) 링과 메타 물질의 제2 마이크로스트립 링을 포함하고,
    상기 제1 마이크로스트립 링은 상기 제2 마이크로스트립 링의 바깥에 형성되며, 상기 제2 마이크로스트립 링이 열려 있는 방향과 다른 방향으로 열려 있는
    레이더 감지기.
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