KR20200029756A - 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템 - Google Patents

Abstract

이 발명은 각 단위 안테나 소자에 유전체 오목형 렌즈를 배열하여 빔 폭을 광폭화하는 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템에 관한 것이다.
이 발명에 따른 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템은, 안테나 기판과, 상기 안테나 기판 상에 균일 분포로 배열되어 구성된 다수의 단위 안테나 소자들과, 상기 다수의 단위 안테나 소자들 각각에 대응하여 배치된 다수의 유전체 오목형 렌즈들을 포함하고, 각 유전체 오목형 렌즈는 대응 단위 안테나 소자의 전면에 배치되고, 각 유전체 오목형 렌즈의 내구면 초점은 대응 단위 안테나 소자의 중심점에 위치한다.

Description

광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템 {Phased Array Antenna System with Wide Beamwidth}

이 발명은 위상 배열 안테나 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각 단위 안테나 소자에 유전체 오목형 렌즈를 배열하여 빔 조정 범위를 광폭화하는 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템에 관한 것이다.

무선통신시스템에서 신호를 전송하기 위해 안테나가 사용되며, 이 안테나에서 방사되는 빔 패턴에 의해 무선통신 서비스 영역이 결정된다. 안테나의 서비스 거리를 늘리려면 안테나 이득을 높여야 하는데, 안테나 이득이 높아지면 빔 폭이 좁아지기 때문에 통신 범위가 좁아진다.

안테나의 빔 폭이 넓은 형태로 모노폴 안테나나 다이폴 안테나 또는 안테나 지면(ground)에서 일정 거리를 둔 다이폴 형상을 가질 수 있지만 시스템의 집적화(integrated circuits)를 위해서는 사용하기에 적합하지 않다.

또한, 서비스 거리를 보다 멀리까지 하려면 안테나의 이득을 높이게 되는데 안테나 이득을 높일 경우 빔 폭을 좁히면서 거리를 멀게 할 수 있지만 통신 영역이 제한되게 되어 안테나의 조정이 필요하게 된다. 이에 따라 기계적인 추적 안테나는 반사경 안테나와 같은 대형 안테나 시스템에서 사용하고 있다.

위상 배열 안테나 시스템은 다수의 단위 안테나 소자를 일차원 또는 이차원 평면으로 배열한 다소자 안테나로서, 단위 안테나 소자들의 방향이 고정된 상태에서 각 단위 안테나 소자들에서 방사되는 전파 간에 위상차를 조절하여 방사 패턴 상의 주엽(main lobe)을 원하는 방향으로 지향시킬 수 있다.

그러나, 서비스를 위한 빔 조정 범위는 위상 배열 안테나 시스템을 구성하는 단위 안테나 소자의 빔 기본 패턴에 의하여 한계가 있게 된다.

도 1은 일반적인 위상 배열 안테나 시스템과 그 서비스 범위를 도시한 도면이다.

위상 배열 안테나 시스템은, 안테나 기판 상에 행렬로 일정 분포로 배열된 다수의 단위 안테나 소자들로 이루어진다. 이 위상 배열 안테나 시스템은 배열 안테나의 정면 방향으로는 이득이 높지만 양측 방향으로는 이득이 급감하여 서비스 품질이 감소한다.

보다 상세하게 설명하면, 일반적으로 단위 안테나 소자의 3dB 빔 폭은 60°~80°로 제한된다. 위상 배열 안테나 시스템의 방사 패턴은 각 단위 안테나 소자의 위상값 차이에 따라 그 빔 방향이 결정되고, 단위 안테나 소자의 개수에 따라 주엽의 진폭 크기가 결정된다.

또한, 위상 배열 안테나 시스템의 빔 조정 범위(서비스 범위)는 단위 안테나 소자의 빔 폭에 의해 결정된다. 따라서, 위상 배열 안테나 시스템의 서비스 범위는 단위 안테나 소자의 3dB 빔 폭인 60°~80°(정면 방향을 중심으로 양측으로 30°~40°)로 제한된다.

이와 같이 위상 배열 안테나 시스템의 서비스 범위를 광역화하기 위한 기술들로서, 소자 재구성 기술과 기계적 조정 기술 및 소자의 표면파를 이용하는 기술이 제안되고 있다. 그러나, 이러한 기술들은 구조가 복잡하고 제작 비용이 고가이기 때문에 위상 배열 안테나 시스템에 적용하기는 곤란하다.

선행기술로서, 위상 배열 안테나 시스템에 볼록형 유전체 렌즈를 적용하여 이득을 향상시키는 기술이나, 위상 배열 안테나 전체에 단일 볼록형 유전체 렌즈를 적용하여 위상 배열 안테나 시스템의 이득을 증대시키는 기술이 제안된 바 있다.

일본 등록특허 제6337171호 대한민국 공개특허 제2017-0019932호

이 발명은 구조가 간단하고 제작이 용이한 오목형 유전체 렌즈를 이용하여 빔 조정 범위를 광역화되는 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템은, 안테나 기판과, 상기 안테나 기판 상에 일정 분포로 배열되어 구성된 다수의 단위 안테나 소자들과, 상기 다수의 단위 안테나 소자들 각각에 대응하여 배치된 다수의 유전체 오목형 렌즈들을 포함하고, 각 오목형 렌즈는 대응 단위 안테나 소자의 전면에 배치되고, 각 유전체 오목형 렌즈의 내구면 초점은 대응 단위 안테나 소자의 중심점에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 유전체 오목형 렌즈는 외부면과 내부면의 모서리를 단일 곡면 또는 다중 곡면으로 이루어지게 하여 복사 특성을 개선하는 것이 바람직하다.

이 발명에 따르면 다수의 단위 안테나 소자들이 일정 분포로 배열되어 구성된 위상 배열 안테나 시스템에서, 다수의 단위 안테나 소자들 각각에 대응하여 유전체 오목형 렌즈를 배치하여 개별 단위 안테나 소자들의 빔 폭을 광역화 함으로써, 위상 배열 안테나 시스템의 서비스 범위를 확장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 단일 소자 안테나 빔 패턴 및 위상 배열 안테나 시스템의 서비스 범위를 도시한 도면이다.
도 2는 이 발명에 따른 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템과 그의 서비스 범위를 도시한 도면이다.
도 3은 이 발명의 제1실시예에 따른 대표적인 유전체 오목형 렌즈의 구조도이다.
도 4는 이 발명의 제2실시예에 따른 유전체 오목형 렌즈의 구조도이다.
도 5는 이 발명의 제3실시예에 따른 유전체 오목형 렌즈의 구조도이다.
도 6은 이 발명의 제4실시예에 따른 유전체 오목형 렌즈의 구조도이다.

이하, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 이 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 그 정의는 이 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 이 발명에 따른 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템과 그의 서비스 범위를 도시한 도면이다. 즉, 도 2에는 이 발명에 제시한 단일 소자 안테나 빔 패턴 및 이에 따른 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템의 서비스 범위가 도시된다.

광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템은, 안테나 기판(11)과, 상기 안테나 기판(11) 상에 일정 분포로 배열되어 구성된 다수의 단위 안테나 소자(12)들과, 상기 다수의 단위 안테나 소자(12)들 각각에 대응하여 배치된 다수의 유전체 오목형 렌즈(13)들을 포함한다. 각 단위 안테나 소자에서 방사되는 빔은 각 대응하는 유전체 오목형 렌즈를 통과한 후 외부로 방사된다.

도 3은 이 발명의 제1실시예에 따른 대표적인 유전체 오목형 렌즈의 상세 구조도이다.

각 유전체 오목형 렌즈(13)는 대응되는 단위 안테나 소자(12)의 전면에 배치되고, 각 유전체 오목형 렌즈(13)의 내구면 초점은 대응 단위 안테나 소자(12)의 중심점에 위치하도록 배치된다. 유전체 오목형 렌즈는 저손실 유전체(유전상수 : ε_r)로 이루어진다. 또한, 상기 유전체 오목형 렌즈의 내곡면과 대응 단위 안테나 소자간의 임피던스 정합이 최적화되어, 단위 안테나 소자와 유전체 오목형 렌즈 간의 결합에 의한 손실을 최소화하는 것이 바람직하다.

단위 안테나 소자(12)에서 방사된 빔은 유전체 오목형 렌즈(13)의 내구 곡면의 접선과 직각인 방향으로 직진하여, 외부면의 입사각(θ_i)에 따라 굴절률(

)에 비례하여 증가된 각도(θ_r)로 굴절되어 방사된다. 이로 인해, 단위 안테나 소자(12)의 방사 빔은 굴절률에 비례하여 광폭화된다.

외부면 입사각(θ_i)과 굴절률(

) 및 굴절각(θ_r)의 관계식은 아래 수학식 1과 같다.

이 발명은 단위 안테나 소자(12) 각각에 유전체 오목형 렌즈(13)를 배치하여 단위 안테나 소자의 측방향으로 방사되는 빔을 바깥으로 굴절시켜 방사한다. 이로 인해 유전체 오목형 렌즈가 적용된 단위 안테나 소자의 3dB 빔 폭은 유전체 오목형 렌즈가 적용되지 않은 단위 안테나 소자의 3dB 빔 폭보다 확대되어, 서비스 영역이 확장되는 잇점이 있다.

이렇게 단위 안테나 소자의 빔 폭이 유전체 오목형 렌즈에 의해 확대되면, 인접 단위 안테나 소자의 측방향으로 방사되는 빔과 간섭이 발생하여 간섭 손실이 발생할 수 있기 때문에 상기 구조를 개선하도록 하기 위한 구조도 같이 제안한다. 즉, 빔 가장자리 방사의 손실을 최소화하기 위한 다양한 유전체 오목형 렌즈 구조를 제안한다. 도 4 내지 도 6 각각은 이 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 오목형 렌즈의 구조도이다.

도 4는 외부면의 모서리가 볼록하게 라운딩된 유전체 오목형 렌즈(23)의 구조도이다. 이러한 구조의 유전체 오목형 렌즈(23)에 따르면 도 3과 비교하여, 단위 안테나 소자의 가장자리 빔이 유전체 오목형 렌즈 외부면에 입사되는 각도가 감소하고, 이로 인해 외부면으로의 입사각과 굴절률에 의해 결정되는 유전체 오목형 렌즈 외부면에서 방사되는 빔 각도가 감소한다.

도 5는 내부 곡면이 다중 곡면으로 이루어진 유전체 오목형 렌즈(33)의 구조도이다. 단위 안테나 소자의 방사 빔은 유전체 오목형 렌즈의 내구 곡면의 접선과 직각인 방향으로 유전체 오목형 렌즈로 입사된다. 그러나, 도 5와 같이 유전체 오목형 렌즈의 내구 곡면을 다중 곡면으로 설계할 경우 단위 안테나 소자의 가장자리 빔은 유전체 오목형 렌즈의 내부로 입사되기 어렵다. 즉, 내부 곡면이 다중 곡면으로 구성된 유전체 오목형 렌즈(33)는, 단위 안테나 소자의 가장자리 빔이 유전체 오목형 렌즈에 입사되는 양을 감소시키고, 이로 인해 가장자리 빔의 외부면 방사 양을 최소화한다.

도 6은 내부 곡면이 다중 곡면으로 이루어지고, 외부면의 모서리가 볼록하게 라운딩된 유전체 오목형 렌즈(43)의 구조도로서, 도 4와 도 5의 기능이 동시에 구현된다.

아울러 유전체 소자 및 안테나는 송수신의 가역적 특성이 있기 때문에 도 3, 4, 5, 6의 유전체 오목형 렌즈의 오목면 방향은 안테나 소자 방향과 반대 방향으로 구현될 수도 있다.

11 : 안테나 기판 12 : 단위 안테나 소자
13, 23, 33, 43 : 유전체 오목형 렌즈

Claims (3)

1. 안테나 기판과,
   상기 안테나 기판 상에 일정 분포로 배열되어 구성된 다수의 단위 안테나 소자들과,
   상기 다수의 단위 안테나 소자들 각각에 대응하여 배치된 다수의 유전체 오목형 렌즈들을 포함하고,
   각 유전체 오목형 렌즈는 대응 단위 안테나 소자의 전면에 배치되고, 각 유전체 오목형 렌즈의 내구면 초점은 대응 단위 안테나 소자의 중심점에 위치하는 것을 특징으로 하는 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 오목형 렌즈는 외부면의 모서리가 곡면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체 오목형 렌즈는 내부 곡면이 다중 곡면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광역 빔 조정 위상 배열 안테나 시스템.
   

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