KR20210126520A - 광대역 커플링 급전 배열 안테나 - Google Patents

광대역 커플링 급전 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예는 광대역 커플링 급전 배열 안테나에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 광대역(77~81GHz)에서 동작하며, 주파수별 빔 틸트가 적은 광대역 커플링 급전 배열 안테나를 제공하는데 있다. 이를 위해, 본 발명은 폭에 비해 길이가 더 긴 직사각판 형태의 유전층; 유전층의 길이 방향을 따라 일렬로 배열된 다수의 패치 안테나; 일렬로 배열된 다수의 패치 안테나의 양측에 이격되어 형성된 한쌍의 급전 라인; 및 급전 라인의 일단에 전기적으로 연결된 매칭단을 포함하는, 광대역 커플링 급전 배열 안테나를 제공한다.

Description

광대역 커플링 급전 배열 안테나{Coupling feeding UWB array antenna}
본 발명의 실시예는 광대역 커플링 급전 배열 안테나에 관한 것이다.
자동차 분야에서 레이더가 쓰이는 곳은 크게 코너 레이더와 프론트 레이더로 나눌 수 있다. 자동차의 후방 코너와 전방 코너를 책임지는 코너 레이더는 보통 단거리용 레이더(SRR) 센서로, 사각지대 감지(BSD), 차선 변경 지원(LCA), 전후방 접근 차량 경고(F/RCTA)에 필요한 요건들을 처리한다. 반면 프론트 레이더는 중장거리 레이더로, 자동 긴급 제동(AEB)과 어댑티브 크루즈 컨트롤(ACC)을 담당한다.
종래 차량용 코너 레이더에 적용되는 안테나의 경우, 대역폭이 약 2GHz(24GHz의 주파수) 정도였으나, 현재는 높은 물체 분해능을 위해 약 4~5GHz(77GHz의 주파수)의 넓은 대역폭이 요구되고 있고, 이로 인해 광대역에서 동작하는 안테나 개발이 필요한 실정이다.
이러한 발명의 배경이 되는 기술에 개시된 상술한 정보는 본 발명의 배경에 대한 이해도를 향상시키기 위한 것뿐이며, 따라서 종래 기술을 구성하지 않는 정보를 포함할 수도 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 종래의 문제점을 해결할 수 있는 광대역 커플링 급전 배열 안테나를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 폭에 비해 길이가 더 긴 직사각판 형태의 유전층; 유전층의 길이 방향을 따라 일렬로 배열된 다수의 패치 안테나; 일렬로 배열된 다수의 패치 안테나의 양측에 이격되어 형성된 한쌍의 급전 라인; 및 급전 라인의 일단에 전기적으로 연결된 매칭단을 포함할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 광대역(대략 77GHz~81GHz)에서 동작하며, 주파수별 빔 틸트(El Peak Tilt)가 적은 안테나 구조를 제공하고, 이에 따라 차량용 레이더에 적용 가능한 안테나 구조를 제공한다.
각각의 패치 안테나는 폭과 길이를 가지며, 패치 안테나의 폭은 사용 주파수의 반파장 길이보다 작고, 패치 안테나의 길이는 사용 주파수의 반파장 길이와 같을 수 있다. 또한, 각각의 패치 안테나 사이의 이격 거리는 사용 주파수의 한파장 길이와 같을 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 상대적으로 작은 폼 팩터를 제공한다. 즉, 높아진 RF 주파수의 주된 장점 중 하나는 센서 크기를 줄일 수 있다는 것인데, 바람직한 안테나 시야 및 게인의 경우, 안테나 어레이의 크기는 77GHz와 24GHz를 비교했을 때 X 차원과 Y 차원에서 각각 대략 3배 더 작아질 수 있다. 이 크기 감소는 센서를 범퍼 뒤 좁은 공간에 탑재해야 하는 경우 자동차 애플리케이션에서, 그리고 도어와 트렁크 등 근접 애플리케이션을 위한 차량 주변의 장소들에서, 실내 애플리케이션을 위한 차량 내부에서 작은 폼 팩터로 인해 특히 유용하다.
각각의 급전 라인의 폭은 0.1mm 내지 0.2mm일 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 급전 라인의 폭이 넓을수록 광대역 특성이 우수해지나, SLL 특성이 나빠지므로, 패턴 폭을 대략 0.1mm ~ 대략 0.2mm 사이로 제어하여 최적의 SLL 특성을 얻을 수 있다.
급전 라인과 패치 안테나 사이의 간격은 0.3mm 내지 0.4mm일 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 급전 라인과 패치 안테나 사이의 간격을 대략 0.3mm ~ 대략 0.4mm 범위로 설계함으로써, 광대역 특성이 나빠지며 주파수별 안테나 이득 차이가 심해지는 현상을 방지한다.
매칭단의 넓이는 패치 안테나의 넓이보다 작을 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 최종 입력단에서 임피던스를 대략 50옴으로 쉽게 맞출 수 있다.
급전 라인의 끝단 위치는 패치 안테나의 끝단 위치와 동일할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 급전 라인의 끝단이 패치 안테나의 끝단과 같음으로써, 안테나의 방사 패턴에 왜곡이 발생되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 패치 안테나, 급전 라인 및 매칭부를 포함하고, 광대역(대략 77GHz~81GHz)에서 동작하며, 주파수별 빔 틸트가 적은 광대역 커플링 급전 배열 안테나를 제공한다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나는 대역폭(대략 4GHz~5GHz)이 넓음으로써, 레인지 해상도와 정밀성을 개선시켜준다. 일례로, 레이더 센서의 레인지 해상도는 가까이 위치한 두 개의 물체를 구분할 수 있는 능력을 의미하는데, 레인지 정밀성은 한 개 물체의 거리를 측정할 때의 정밀성을 의미한다. 레인지 해상도 및 정밀성은 스윕 대역폭에 반비례하기 때문에, 대략 77GHz 레이더 센서는 기존의 대략 24GHz 레이더에 비해 레인지 해상도 및 정밀도가 대략 20배 더 높아진다. 즉, 달성 가능한 레인지 해상도가 대략 4cm가 된다(종래 24GHz 레이더에서는 대략 75cm).
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나의 구조도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광대역 커플링 급전 배열 안테나의 시뮬레이션 조건을 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 광대역 커플링 급전 배열 안테나의 대역폭을 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 광대역 커플링 급전 배열 안테나의 방사패턴을 시뮬레이션한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 광대역 커플링 급전 배열 안테나의 방사패턴을 시뮬레이션한 표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise, include)" 및/또는 "포함하는(comprising, including)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
"하부(beneath)", "아래(below)", "낮은(lower)", "상부(above)", "위(upper)"와 같은 공간에 관련된 용어가 도면에 도시된 한 요소 또는 특징과 다른 요소 또는 특징의 용이한 이해를 위해 이용될 수 있다. 이러한 공간에 관련된 용어는 본 발명의 다양한 공정 상태 또는 사용 상태에 따라 본 발명의 용이한 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 도면의 요소 또는 특징이 뒤집어지면, "하부" 또는 "아래"로 설명된 요소 또는 특징은 "상부" 또는 "위에"로 된다. 따라서, "아래"는 "상부" 또는 "아래"를 포괄하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)의 구조도이다. 도 1에 도시된 바와같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대력 커플링 급전 배열 안테나(100)는 유전층(110), 다수의 패치 안테나(120), 한쌍의 급전 라인(130) 및 매칭단(140)을 포함할 수 있다.
유전층(110)은 폭과 길이를 가지며, 폭에 비해 길이가 상대적으로 더 긴 직사각판 형태를 포함할 수 있다.
일부 예들에서, 유전층(110)은, 고유전율을 가지며, 알루미나, 지르코니아, 사이알론, 탄화규소, 질화규소와 같은 세라믹, PI(polyimide), PC(polycarbonate), ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene), PBT(polybutylene terephthalate), ASA(acrylonitrile-styrene-acrylate), PE(polyethylene), PET(polyethylene terephthalate), PP(polypropylene), BT(Bismaleimide Triazine), 테프론, 페놀 또는 페놀 페이퍼, 에폭시 또는 에폭시 페이퍼, 글래스 에폭시 라미네이트와 같은 플라스틱 수지, 또는 그 혼합물로 형성될 수 있다.
일부 예들에서, 유전층(110)은 RO3003TM 라미네이트를 포함할 수 있다. RO3003TM 라미네이트는 다양한 온도 및 주파수에서 유전 상수(Dk)의 우수한 안정성을 제공할 수 있다. 이러한 안정성에는 일반적으로 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 유리 재료로 실온 근처에서 발생하는 Dk의 단계 변화 제거도 포함될 수 있다. 이는 자동차 레이더(77GHz), 고급 운전자 지원 시스템(ADAS) 및 5G 무선 인프라(mm wave)를 포함한 애플리케이션에 이상적이다. 일부 예들에서, 유전층(110)은 유전율: 3.08 @76.5GHz, 손실 탄젠트: 0.008 @76.5GHz일 수 있다.
다수의 패치 안테나(120)는 유전층(110)의 길이 방향을 따라 대략 일렬로 배열될 수 있다. 일부 예들에서, 다수의 패치 안테나(120)는 유전층(110)의 대략 중앙에 일렬로 배열될 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 패치 안테나(120)는 폭과 길이를 가지며, 패치 안테나(120)의 폭은 사용 주파수의 반파장 길이보다 작을 수 있고, 패치 안테나(120)의 길이는 사용 주파수의 반파장 길이와 같을 수 있다.
일부 예들에서, 각각의 패치 안테나(120)의 길이(세로 길이)는 일반적인 패치 안테나(120)의 설계 방법과 유사하게 유전층(110)의 유전율을 고려하여 반파장 길이로 설계될 수 있다. 즉, 패치 안테나(120)의 길이는 일례로 아래 수학식과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00001
일부 예들에서, 패치 안테나(120)의 폭(가로 폭)도 위와 동일하게 일반적으로 유전층(110)의 유전율을 고려하여 대략 78.5GHz에서의 반파장 길이로 설계할 수 있으나, 이 경우 패치 안테나(120)의 자체 좌우 폭이 커지게 되므로, 본 발명에서는 패치 안테나(120)의 좌우 폭을 좁히기 위해 반파장 이하로 설계하였다.
일반적으로, 패치 안테나(120)의 폭을 좁히는 경우 패치 안테나(120)의 길이가 짧아지는 효과가 있어 폭을 좁힐 경우에는 패치 안테나(120)의 길이를 더 길게 하여야 한다. 일부 예들에서, 패치 안테나(120)의 길이는 대략 1.03mm, 패치 안테나(120)의 폭은 대략 0.5mm일 수 있다.
일부 예들에서, 각각의 패치 안테나(120) 사이의 이격 거리는 유전층(110)의 유전율을 고려하여 사용 주파수의 한파장 길이와 같을 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 패치 안테나(120) 사이의 이격 거리는 대략 2.48mm 일 수 있다.
한쌍의 급전 라인(130)은 일렬로 배열된 다수의 패치 안테나(120)의 양측에 이격되어 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 급전 라인(130)의 폭은 대략 0.15mm 일 수 있으며, 대략 0.1mm 미만의 패턴 폭은 제작이 어려울 수 있다. 급전 라인(130)의 폭이 넓을수록 광대역 특성을 가지나, SLL(Side Lobe Lebel) 특성이 나빠져 패턴 폭은 대략 0.1mm 내지 대략 0.2mm 사이의 폭이 적당하다.
한편, 급전 라인(130)과 패치 안테나(120) 사이의 간격은 대략 0.33mm 로 설계하였으며, 간격이 대략 0.33mm보다 좁아지는 경우 공진 주파수가 뒤쪽(81GHz 대역)으로 이동하여 76GHz 에서의 안테나(100) 이득이 감소하며, 간격이 대략 0.33mm보다 넓어지는 경우 공진주파수가 앞쪽(76GHz 대역)으로 이동하여 81GHz 에서의 안테나(100) 이득이 줄어들었다.
따라서, 급전 라인(130)과 패치 안테나(120) 사이의 간격은 대략 0.3mm 내지 대략 0.4mm 범위의 값을 가지는 것이 적당하며, 이 이상 벗어나게 되는 경우 광대역 특성이 나빠지며 주파수별 안테나(100) 이득 차이가 심해진다.
매칭단(140)은 급전 라인(130)의 일단에 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 예들에서, 매칭단(140)의 넓이는 패치 안테나(120)의 넓이보다 작을 수 있다. 일부 예들에서, 매칭단(140)의 경우 안테나(100)의 최종 입력단에서의 임피던스를 50옴으로 맞추기 위한 것으로 안테나(100)의 임피던스에 따라 다양한 폭과 길이를 가질 수 있다. 다만, 본 발명에서는 매칭단(140)이 대략 0.45mm 의 길이, 대략 0.45mm 의 폭을 가질 수 있다.
한편, 급전 라인(130)의 끝단은 항상 패치 안테나(120)의 끝단과 동일한 위치에 놓여 있어야 한다. 일례로, 급전 라인(130)의 끝단이 패치 안테나(120)의 끝단보다 작거나 긴 위치에 놓여 있을 경우 안테나(100)의 방사 패턴에 왜곡이 발생될 수 있다.
비록, 도면에서 8배열 커플링 급전 구조를 갖는 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)가 도시되어 있으나, 패치 안테나(120)는 8배열보다 작거나 많을 수 있다.
일부 예들에서, 패치 안테나(120), 급전 라인(130) 및 매칭단(140)(즉, 도체 패턴)은 금, 백금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 팔라듐, 크롬, 그 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 더불어, 일부 예들에서, 도체 패턴은 무전해 도금, 전해 도금, 스퍼터링, 증발, CVD(Chemical Vapor Deposition), MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhanced CVD), ALD(Atomic Layer Deposition), PVD(Physical vapor Deposition), PLD (Pulsed Laser Deposition), L-MBE (Laser Molecular Beam Epitaxy) 및 등가 방법 중에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 더불어, 일부 예들에서, 도체 패턴은 전도성 잉크의 인쇄 및 소결 공정, 플라즈마 용사 공정, 또는 상온 진공 분사 공정, 에어로졸 디포지션 공정 등으로 형성될 수도 있다. 더욱이, 일부 예들에서, 도체 패턴은 금속 포일을 단조, 펀치, 드로잉, 컷팅. 절곡 등과 같은 전통적인 가공 방식을 이용하여 형성한 후, 유전층(110) 상에 접착층으로 접착시켜 형성할 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)의 시뮬레이션 조건을 나타낸 예시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 시뮬레이션 조건은 상술한 바와 같은 패치 안테나(120), 급전 라인(130) 및 매칭단(140)을 포함하고, 유전층(110)은 RO3003, 0.127T 인쇄회로기판을 채용하였다. 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)는 유전율: 3.08 @76.5GHz, 손실 탄젠트: 0.008 @76.5GHz이고, 8배열 커플링 급전 구조를 갖는다.
도 3은 도 1에 도시된 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)의 대역폭을 나타낸 그래프이다. 도 3에서 X축은 주파수 이고, Y축은 dB의 크기이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)는 대역폭(-10dB)이 대략 76GHz 내지 대략 81.74GHz(5.74GHz)임을 볼 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)의 방사패턴을 시뮬레이션한 그래프이고, 도 5는 도 1에 도시된 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)의 방사패턴을 시뮬레이션한 표이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)는 대략 76GHz 내지 대략 81GHz 대역에서, 피크 게인의 편차는 대략 2.3이고, EI 피크 틸트의 편차는 대략 3.2이며, EI SLL의 편차는 대략 2.87이며, EL 3db BW의 편차는 대략 1.35이며, AZ 10db BW의 편차는 대략 3.08임을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)는 광대역(77GHz~81GHz)에서 동작하며, 주파수별 빔 틸트(El Peak Tilt)가 적은 안테나 구조를 제공한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나(100)는 차량용 레이더에 적용 가능하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 광대역 커플링 급전 배열 안테나를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 광대역 커플링 급전 배열 안테나
110; 유전층
120; 패치 안테나
130; 급전 라인
140; 매칭단

Claims (7)

  1. 폭에 비해 길이가 더 긴 직사각판 형태의 유전층;
    유전층의 길이 방향을 따라 일렬로 배열된 다수의 패치 안테나;
    일렬로 배열된 다수의 패치 안테나의 양측에 이격되어 형성된 한쌍의 급전 라인; 및
    급전 라인의 일단에 전기적으로 연결된 매칭단을 포함하는, 광대역 커플링 급전 배열 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 패치 안테나는 폭과 길이를 가지며, 패치 안테나의 폭은 사용 주파수의 반파장 길이보다 작고, 패치 안테나의 길이는 사용 주파수의 반파장 길이와 같은, 광대역 커플링 급전 배열 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 패치 안테나 사이의 이격 거리는 사용 주파수의 한파장 길이와 같은, 광대역 커플링 급전 배열 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 급전 라인의 폭은 0.1mm 내지 0.2mm인, 광대역 커플링 급전 배열 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    급전 라인과 패치 안테나 사이의 간격은 0.3mm 내지 0.4mm인, 광대역 커플링 급전 배열 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서,
    매칭단의 넓이는 패치 안테나의 넓이보다 작은, 광대역 커플링 급전 배열 안테나.
  7. 제 1 항에 있어서,
    급전 라인의 끝단 위치는 패치 안테나의 끝단 위치와 동일한, 광대역 커플링 급전 배열 안테나.
KR1020210046698A 2020-04-10 2021-04-09 광대역 커플링 급전 배열 안테나 KR102395789B1 (ko)

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