KR20190055429A - 캐비티 구조물을 포함하는 배열 안테나 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배열 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배열 안테나의 각 방사 소자를 둘러싸는 사각 또는 원통형의 전도성 물질 표면의 캐비티(cavity) 구조물을 이용하여 방사 소자간 상호 간섭을 개선하는 동시에 안테나 이득 특성을 향상시킬 수 있는 배열 안테나에 관한 것이다.
본 발명에서는 유전체로 만들어진 기판; 상기 기판의 일면에 배치된 다수의 방사 소자; 및 각각의 캐비티를 형성하는 측벽이 각각의 방사 소자를 둘러싸도록 상기 기판의 일면에 배치되는 캐비티 구조물을 포함하는 배열 안테나 장치를 개시한다.

Description

캐비티 구조물을 포함하는 배열 안테나 장치{Array antenna apparatus with cavity structure}

본 발명은 배열 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배열 안테나의 각 방사 소자를 둘러싸는 사각 또는 원통형의 전도성 물질 표면의 캐비티(cavity) 구조물을 이용하여 방사 소자간 상호 간섭을 개선하는 동시에 안테나 이득 특성을 향상시킬 수 있는 배열 안테나에 관한 것이다.

배열 안테나를 구성하는 방사 소자간의 상호 결합은 안테나 임피던스 및 이득, 방사 형태를 비롯한 전반적인 안테나 방사 특성에 좋지 않은 영향을 끼치므로 최소화하는 것이 바람직하다. 또한, 배열 안테나의 주된 목적은 안테나 이득을 향상시키는데 있다. 따라서, 일반적으로 배열 안테나의 특성을 개선하기 위하여, 상호 결합을 억제하고 이득을 증가시키기 위해서 물리적인 소자 간격을 넓게 하거나 방사 목적 외의 추가적인 구조물을 배치하기도 한다.

보다 구체적으로, 배열 안테나에서 근접하게 배치되는 방사 소자간의 상호 결합(mutual coupling)을 줄이기 위한 종래 기술로는, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 배열 안테나의 각 방사 소자 사이에 수직 또는 수평하게 금속 소재의 구조물을 설치하는 방법이 있다(WO2000-051201). 또한, 최근 들어 발전된 기술로는 수평면에 위치한 안테나 방사 소자와 동일 평면 상에 특정 공진 구조물(EBG, PBG, Metamaterial structure)을 주기적으로 배치하는 방식과 각 안테나 방사 소자 사이에 인위적인 자성 도체(Artificial Magnetic Conductor) 구조물을 수직으로 위치시킨 방식을 들 수 있다.

그런데, 위의 최근 들어 발전된 기술들은 주로 MIMO(Multi-Input Multi-output) 시스템 상의 방사 소자간 격리도를 높이기 위해 사용되며, 소자간 상호 결합을 결합을 줄여주지만, 안테나 이득 향상 성능은 미비하다. 또한, 설계 과정 및 구조물 제작 공정이 복잡하며, 구조물이 위치한 유전체 기판의 유전율에 따라 크기와 배치가 정해진다. 이에 따라, 방사 소자의 수 배에 이르는 크기를 필요로 하는 경우도 있다. 또한, 방사 소자가 위치한 동일한 유전체 기판 상에 제작되어야 하므로, 기설치된 평판형 배열안테나에는 적용하기 어렵다는 문제도 따른다.

나아가, 캐비티 구조물을 이용하여 안테나 이득을 향상시키는 종래 기술은, 캐비티 구조물을 안테나의 후방에 위치시킴으로써, 후방으로의 방사를 억제하고, 반사판의 원리를 이용하여, 이득을 향상시키는 방법이다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 안테나의 전방에 위치하는 캐비티 구조물을 이용하여 안테나 이득을 향상시키는 경우와는 그 동작 원리 및 그에 따른 작용효과가 서로 상이하다.

앞서 설명한 종래 기술들은 공통적으로 방사 소자간 상호 간섭을 다소 줄여줄 수 있지만, 안테나의 이득 특성 향상은 미미한 수준에 불과하다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 평판형 배열 안테나의 방사 소자간 상화 간섭을 억제하는 동시에 각 방사 소자의 안테나 이득을 향상시켜 전체 배열 안테나의 이득 및 지향성을 향상시킬 수 있는 평판형 배열 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 장치는, 유전체로 만들어진 기판; 상기 기판의 일면에 배치된 다수의 방사 소자; 및 각각의 캐비티를 형성하는 측벽이 각각의 방사 소자를 둘러싸도록 상기 기판의 일면에 배치되는 캐비티 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 캐비티 구조물의 상기 측벽은 상기 기판의 일면에 수직하게 배치되어 상기 방사 소자를 상기 기판의 일면이 향하는 방향으로 개방된 구조를 이룰 수 있다.

또한, 상기 캐비티 구조물은 상기 측벽에 기 결정된 사이즈를 갖는 다수의 슬롯을 포함할 수 있다.

또한, 상기 슬롯은 장 방향에 해당하는 한 변의 길이가 자유 공간에서 신호의 파장 길이의 1/4일 수 있다.

이때, 상기 슬롯은 상기 측벽의 내측면 상의 둘레 길이가 자유 공간에서 신호의 파장 길이의 1/2보다 긴 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따른 사각형 또는 원통형의 캐비티 구조물은, 배열 안테나를 구성하는 방사 소자; 및 방사 소자의 유전체 기판 상부에 위치하고, 방사소자를 중심으로 수직으로 4면을 둘러싼 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 캐비티에 있어서, 전도성 표면 내부의 지지부는 밀도가 가벼운 물질로 구성되었으며, 캐비티 표면은 반드시 전도성 물질로 도금되어야 하며, 캐비티의 표면 상에 직사각형 형태의 슬롯을 포함할 수 있다.

또한, 상기 슬롯에 있어서, 한 변의 길이가 상기 방사 소자의 공진 주파수의 1/4 자유 공간 파장에 해당하는 직사각형이며, 직사각형의 둘레가 1/2 자유 공간 파장에 근접하는 형태를 가질 수 있다.

또한, 상기 방사 소자에 있어서, 동축 선로 급전, 개구면 커플링 급전 등을 통한 방식으로 구성되어, 방사 소자의 급전선이 패치와 동일한 면에 포함되어 있지 않을 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나에서는, 배열 안테나의 방사 소자간 상호 결합을 억제하는 동시에, 각 방사 소자의 안테나 이득을 향상시켜 전체 배열 안테나의 이득 및 지향성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 전력 전송용 배열 안테나에 있어서, 평판형 배열 안테나의 방사 소자간의 상호 결합을 줄이고, 동시에 안테나 이득을 향상시키기 위하여, 단순하고 견고한 구조의 전도성 물질 표면의 캐비티 구조물을 설계 및 제작하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 안테나 방사 소자와는 독립된 탈착식 구조물로써, 기설치되어 운용되고 있는 평판형 배열 안테나에 부착하여 성능 개선이 가능한 캐비티 구조물을 제공한다.

도 1은 종래 기술에 따른 전도성 구조물을 이용하여 방사 소자간의 상호 간섭을 억제하는 안테나의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 구조물을 포함하는 배열 안테나 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 구조물을 포함하는 배열 안테나의 사시도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.

이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 배열 안테나에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 본 발명에서는 배열 안테나의 각 방사 소자를 둘러싸는 사각 또는 원통형의 전도성 물질 표면의 캐비티(cavity) 구조물을 이용하여 방사 소자간 상호 간섭을 개선하는 동시에 안테나 이득 특성을 향상시킬 수 있는 배열 안테나를 개시한다.

아래에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 안테나 장치에 대한 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명은 평판형 배열 안테나 등 배열 안테나의 방사 소자간의 상호 결합(Mutual coupling)을 개선함과 동시에 안테나 이득을 향상시킬 수 있는 배열 안테나 및 구조물에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 평면형 배열 안테나의 각 방사 소자를 사방으로 둘러싼 사각 또는 원통형의 전도성 물질 표면의 캐비티(cavity) 구조물을 이용하여, 배열 안테나 방사 소자간의 상호 결합을 개선하는 동시에, 안테나 이득을 향상시키는 장치에 관한 것이다.

먼저, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에서 평판형 패치 안테나(110)와 안테나 유전체 기판 상부에 위치한 사각 캐비티 구조물(100)의 단면도이다. 제안된 캐비티 구조물(100)은 공기층으로 이루어진 내부 물질과 무게를 줄이기 위한 낮은 밀도로 구성된 전도성/비전도성 물질의 지지부(101), 전도성 물질로 도금된 표면(102), 그리고, 캐비티의 각면에 위치한 자유 공간 파장의 1/4 길이(λ/4)의 슬롯(103a, 103b)으로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안된 구조가 적용 가능한 하나의 예시로써, 평판형 패치 안테나(110)를 들어 설명한다.

평판형 패치 안테나(110)는 방사 소자(111)와 접지면(113), 유전체 기판(114), 그리고, 방사 소자(111) 송신파를 급전하는 급전선로(112)로 구성되어 있다. 상기 급전선로(112)의 예로는 동축선로를 들 수 있겠으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 개구면 커플링 등 상기 방사 소자(111)로 적절하게 급전을 할 수 있는 다양한 급전 구조들이 적용될 수 있다.

또한, 도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 구조물(100)이 적용된 평판형 배열 안테나의 사시도를 도시하고 있다.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 구조물(100)은 유전체 기판(114)의 일면에 배치되는 복수의 방사 소자(111)를 둘러싸게 된다. 보다 구체적으로 각각의 캐비티를 형성하는 측벽이 각각의 방사 소자(111)를 둘러싸도록 상기 유전체 기판(114)의 일면에 배치되어 상기 캐비티 구조물(100)을 구성하게 된다.

물론, 종래 기술에 따라 전도성 물질로 구성된 표면을 가지는 수직 형태의 격벽 구조를 이용하여 배열 안테나에서 방사 소자 간의 상호 결합을 억제할 수 있겠으나, 본 발명에서와 같이 상호 결합을 줄이는 동시에 안테나 이득을 향상시키기 위해서는 본 발명의 구조에 따라야 하며, 아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 구조물(100)을 포함하는 배열 안테나를 설계하기 위한 과정을 설명한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티 구조물(100)은 배열 안테나의 방사 소자(111)가 집적된 유전체 기판(114) 상부와 접하여 배치되기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나 장치는 동축 선로 급전 방식, 개구면 커플링 급전 방식 등의 평판형 패치 안테나(110) 혹은 다이폴 안테나 형태의 방사 소자(111) 등에 적용될 수 있다.

이때, 평판형 패치 안테나(110)의 경우, 해당 공진 주파수에서 TM10 mode의 형태를 취하며, 이는 곧 패치 안테나의 양 끝단에서 누설되는 전계 방향이 방사 소자(111)의 급전면과 수직하게 분포되는 것을 의미한다. 따라서, 누설된 전계로 인하여, 평판형 패치 안테나(110)의 유전체 기판(114) 상부에 추가된 캐비티 구조물(100)은 개구 도파관(Open-Ended Waveguide)처럼 동작하게 되며, 전체 안테나의 이득이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 이때, 평판형 패치 안테나(110)의 해당 공진 주파수 이하의 컷오프 주파수를 지닌 도파관이 되기 위해서는, 캐비티 측벽의 내부 표면과 패치 안테나 끝단간의 간격은 최소한 자유 공간 파장의 1/4 길이(λ/4)를 유지하여야 한다.

캐비티 측벽에 형성된 한 변의 길이가 자유 공간 파장의 1/4 길이(λ/4)를 지니고, 전체 둘레가 자유 공간 파장의 1/2 길이(λ/2)에 근접한 직사각형 형태의 슬롯(103)에 의해 추가적으로 형성되는 결합(coupling)은, 방사 소자(111)들 간의 직접적인 상호 결합을 상쇄(neutralize)시킨다. 따라서, 배열 안테나에서 인접한 방사 소자(111)간의 상호 결합이 억제되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 배열 안테나에서 방사 소자(111)간의 상호 결합을 줄이며, 동시에 안테나 이득이 증가하는 효과를 얻기 위해서는 캐비티 구조물(100)의 높이를 최소한 자유 공간 파장의 1/4 길이(λ/4) 이상으로 하여야 한다.

또한, 상기 캐비티 구조물(100)은 사각형 외에 원통형의 형태로 구성될 수도 있다.

또한, 한 변의 길이가 자유 공간 파장의 1/4 길이(λ/4)를 지닌 직사각형 구조의 슬롯(103)은, 이외에도 그 전체 둘레 길이가 자유 공간 파장의 1/2 길이(λ/2)인 다른 형태의 슬롯(103)으로 변형될 수도 있다.

나아가, 방사 소자(111)의 상부와 직접적으로 접한 부분을 제외한 캐비티 구조물(100)의 내부 물질은 공기가 아닌 유전체 물질로 구성될 수도 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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 캐비티 구조물
101 : 지지부
102 : 표면
103, 103a, 103b : 슬롯
110 : 평판형 패치 안테나
111 : 방사 소자
112 : 급전선로
113 : 접지면
114 : 유전체 기판

Claims (1)

1. 유전체로 만들어진 기판;
   상기 기판의 일면에 배치된 다수의 방사 소자; 및
   각각의 캐비티를 형성하는 측벽이 각각의 방사 소자를 둘러싸도록 상기 기판의 일면에 배치되는 캐비티 구조물을 포함하는 배열 안테나 장치.

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