KR20220061834A - Individual rotating radiation device and array antenna having mechanical angular phase changes using the same - Google Patents

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KR20220061834A
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엄순영
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한국전자통신연구원
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/267—Phased-array testing or checking devices

Abstract

The present invention relates to an individual rotation-type radiating element and an array antenna having a mechanical angular phase change using the individual rotation-type radiating element obtaining an electrical phase change by mechanical rotation of a unit rotation radiating element. The individual rotation-type radiating element includes: a dielectric-based auxiliary structure; a helix element inserted into a side spiral groove of the auxiliary structure; a ground plate coupled to the lower surface of the auxiliary structure; a unit driving body having an opening portion where the ground plate is seated and rotating the auxiliary structure where the helix element is inserted together with the ground plate; and a spatial electromagnetic coupling structure where a first feed pin coupled to the lower portion of the unit driving body and connected to one end of the helix element penetrates the center of the ground plate and is inserted from the upper surface and a second feed pin electromagnetically coupled to the first feed pin during power supply is inserted through the lower surface spaced apart from the upper surface with an internal space interposed.

Description

개별 회전형 방사 소자 및 이를 이용하여 기계적 각 위상 변화를 갖는 배열 안테나{INDIVIDUAL ROTATING RADIATION DEVICE AND ARRAY ANTENNA HAVING MECHANICAL ANGULAR PHASE CHANGES USING THE SAME}INDIVIDUAL ROTATING RADIATION DEVICE AND ARRAY ANTENNA HAVING MECHANICAL ANGULAR PHASE CHANGES USING THE SAME

본 발명은 배열 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 단위 회전 방사 소자의 기계적 회전 운동에 의해 전기적 위상 변화를 얻는 개별 회전형 방사 소자 및 이를 이용하여 기계적인 각 위상 변화를 갖는 배열 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to an array antenna, and more particularly, to an individual rotating radiation element that obtains an electrical phase change by mechanical rotation of a unit rotation radiation element, and an array antenna having a mechanical angular phase change using the same .

종래의 무선 통신 및 레이다용 배열 안테나는, 도 1에 도시한 바와 같이, 고속 전자 빔을 형성하기 위해, 전력 합성기(power combiner)에 연결된 단위 능동 채널 블록(active channel block, ACB) 내에 아날로그 또는 디지털 위상 천이기(phase shifter) 소자를 사용하고, 외부 제어에 따라 방사 소자(radiating elements, RE)를 통해 고속 전자 빔을 형성한다.As shown in FIG. 1, a conventional array antenna for wireless communication and radar is analog or digital in a unit active channel block (ACB) connected to a power combiner to form a high-speed electron beam. A phase shifter element is used, and a high-speed electron beam is formed through radiating elements (RE) according to external control.

그러나, 이러한 종래의 배열 안테나는 위상 천이기 소자의 비용이 비싸고 추가적인 위상 제어 회로 장치가 필요하며, 높은 삽입 손실로 인하여 출력단이나 입력단에 종단 고출력 또는 저잡음 증폭기가 필요하고, 또한 고전력 소모에 따른 열방출 시스템 비용 등 추가적인 부대 비용으로 인하여 위상 배열 안테나 시스템의 가격이 증가하는 단점이 있다.However, in this conventional array antenna, the cost of the phase shifter element is high, an additional phase control circuit device is required, a high-output or low-noise amplifier is required at the output or input terminal due to high insertion loss, and heat dissipation due to high power consumption There is a disadvantage in that the price of the phased array antenna system increases due to additional incidental costs such as system cost.

또한, 종래의 배열 안테나에서는 광범위 전자 빔을 형성하기 위해 위상 제어가 가능한 배열 단위인 단위 부-배열의 크기가 작아야 하므로 동일 크기의 배열 안테나에 사용되는 전체 부-배열의 개수가 증가하게 되며, 따라서 위상 천이기 개수의 증가와 회로의 집적화 및 열 방출 해결 비용 등이 증가하여 전체 안테나 시스템 가격이 증가하는 단점이 있다.In addition, in the conventional array antenna, the size of the unit sub-array, which is an array unit capable of phase control, must be small in order to form a wide range of electron beams, so the total number of sub-arrays used in the array antenna of the same size increases, thus There is a disadvantage in that the total antenna system price increases due to an increase in the number of phase shifters, an increase in circuit integration, and an increase in the cost of solving heat dissipation.

또한, 종래의 전체 안테나가 움직이는 기계적인 안테나는 크고 무거우며 저속의 기계적인 빔 형성을 제공하므로 목표물 추적 성능이 우수하지 못한 단점이 있다.In addition, since the conventional mechanical antenna in which the entire antenna moves is large, heavy, and provides low-speed mechanical beam forming, there is a disadvantage in that the target tracking performance is not excellent.

본 발명은 전술한 종래 기술의 단점들을 극복하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, 공진형 방사 소자를 좌측 또는 우측 방향으로 회전하여 전기적 위상 앞섬 또는 위상 지연 현상을 발생시킬 수 있는 개별 회전 방사 소자 및 이에 의한 기계적 각 위상 변화를 갖는 배열 안테나를 제공하는데 있다.The present invention was derived to overcome the disadvantages of the prior art, and an object of the present invention is to rotate a resonant radiating element in the left or right direction to generate an electrical phase lead or phase delay phenomenon by rotating individual rotational radiation To provide an array antenna having a device and a mechanical angular phase change thereby.

본 발명의 다른 목적은, 기계적 회전체로 구성된 개별 방사 소자를 갖는 위상 배열 안테나로서 경량의 단위 방사 소자들만 고속으로 회전하도록 제어하고 이를 통해 각 위상을 제어함으로써, 종래의 기계식 배열 안테나와 비교하여 상대적으로 고속 안테나 추적 빔을 형성할 수 있는 배열 안테나와 이를 위한 개별 회전 방사 소자를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is, as a phased array antenna having individual radiating elements composed of a mechanical rotating body, by controlling only light-weight unit radiating elements to rotate at high speed and controlling each phase through this, relative to the conventional mechanical array antenna. An object of the present invention is to provide an array antenna capable of forming a high-speed antenna tracking beam and an individual rotating radiating element for the same.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 개별 회전형 방사 소자는, 유전체로 이루어진 보조 구조체; 보조 구조체의 측면 나선형 홈에 삽입되는 헬릭스 소자; 상기 보조 구조체의 하부면에 결합하는 접지판; 상기 접지판이 안착되는 개구부를 구비하고 상기 접지판과 함께 상기 헬릭스 소자가 삽입되어 있는 보조 구조체를 회전시키는 단위 구동체; 및 상기 단위 구동체의 하부에 결합하고 상기 헬릭스 소자의 일단에 연결되는 제1 급전 핀이 상기 접지판의 중심을 관통하여 상부면에서 삽입되고, 급전 시에 상기 제1 급전 핀과 전자기 결합하는 제2 급전 핀이 상기 상부면과 내부 공간을 사이에 두고 이격된 하부면을 관통하여 삽입되는 공간적 전자기 결합 구조물을 포함한다.Individual rotational radiating element according to an aspect of the present invention for solving the above technical problem, an auxiliary structure made of a dielectric; a helix element inserted into the side spiral groove of the auxiliary structure; a ground plate coupled to the lower surface of the auxiliary structure; a unit driving body having an opening in which the ground plate is seated and rotating the auxiliary structure in which the helix element is inserted together with the ground plate; and a first feeding pin coupled to a lower portion of the unit actuator and connected to one end of the helix element is inserted from the upper surface through the center of the ground plate, and is electromagnetically coupled to the first feeding pin during power feeding. The second feeding pin includes a spatial electromagnetic coupling structure inserted through the lower surface spaced apart with the upper surface and the inner space therebetween.

일실시예에서, 상기 제2 급전 핀은 상기 제1 급전 핀의 말단부를 둘러싸는 중공 원통 형태를 구비할 수 있다.In one embodiment, the second feeding pin may have a hollow cylindrical shape surrounding the distal end of the first feeding pin.

일실시예에서, 상기 제2 급전 핀은 급전 시에 상기 제1 급전 핀의 말단부와 전자기 결합하도록 일정 간격 이격되어 일측에 배치될 수 있다.In one embodiment, the second feeding pin may be disposed on one side spaced apart from each other by a predetermined distance so as to be electromagnetically coupled to the distal end of the first feeding pin during power feeding.

일실시예에서, 상기 공간적 전자기 결합 구조물은 그 상부면 상에 설치되는 하부 요철부를 구비하며, 상기 요철부는 상기 보조 구조체의 개구부 내에서 상기 접지판의 하부의 상부 요철부와 일정 간격 이격되어 맞춰지거나 삽입 결합될 수 있다.In one embodiment, the spatial electromagnetic coupling structure has a lower concavo-convex portion installed on the upper surface thereof, and the concave-convex portion is spaced apart from the upper concave-convex portion of the lower portion of the ground plate in the opening of the auxiliary structure and is spaced apart from each other. It can be insert-coupled.

일실시예에서, 상기 간격은 상하 접지 면들의 간격으로 낮은 손실의 무선주파수 신호의 전달을 위한 용량성 전자기 결합의 설계 변수로써 설계 주파수 대역에 따라 결정될 수 있다.In an embodiment, the interval may be determined according to a design frequency band as a design parameter of capacitive electromagnetic coupling for transmission of a low-loss radio frequency signal to the interval between upper and lower ground planes.

일실시예에서, 상기 헬릭스 소자의 직경은 상기 보조 구조체의 직경과 동일하고 상기 접지판의 직경보다 작다.In an embodiment, a diameter of the helix element is the same as a diameter of the auxiliary structure and is smaller than a diameter of the ground plate.

일실시예에서, 상기 헬릭스 소자의 높이는 상기 헬릭스 소자의 직경보다 크고 상기 접지판의 직경보다 작다.In an embodiment, a height of the helix element is greater than a diameter of the helix element and smaller than a diameter of the ground plate.

일실시예에서, 상기 공간적 전자기 결합 구조물의 내부 공간의 크기와 상기 제1 급전 핀과 상기 제2 급전 핀 간의 결합 길이 및 간격은, 설계 주파수 대역에 따라 결정될 수 있다.In one embodiment, the size of the inner space of the spatial electromagnetic coupling structure and the coupling length and interval between the first feeding pin and the second feeding pin may be determined according to a design frequency band.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 배열 안테나는, 서로 이격 배열되는 복수의 단위 방사 소자들; 상기 복수의 단위 방사 소자들 각각을 지지하는 구동체 배열; 및 상기 복수의 단위 방사 소자들과 공간적 전자기 결합하는 공간 급전 구조체 배열을 포함한다. 여기서 상기 복수의 단위 방사 소자들 각각은, 유전체로 이루어진 보조 구조체, 상기 보조 구조체의 측면 나선형 홈에 삽입되는 헬릭스 소자, 및 상기 보조 구조체의 하부면에 결합하는 접지판을 구비한다. 상기 구동체 배열은 상기 접지판이 안착되는 개구부를 구비하고 상기 접지판과 함께 상기 헬릭스 소자가 삽입되어 있는 상기 보조 구조체를 회전시키는 단위 구동체 복수개를 구비한다. 그리고 상기 공간 급전 구조체 배열은 상기 구동체 배열의 하부에 결합하고 상기 헬릭스 소자의 일단에 연결되는 제1 급전 핀이 상기 접지판의 중심을 관통하여 상부면에서 삽입되고, 급전 시에 상기 제1 급전 핀과 전자기 결합하는 제2 급전 핀이 상기 상부면과 내부 공간을 사이에 두고 이격된 하부면을 관통하여 삽입되는 적어도 하나 이상의 공간적 전자기 결합 구조물을 구비한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an array antenna comprising: a plurality of unit radiating elements arranged to be spaced apart from each other; an array of actuators supporting each of the plurality of unit radiating elements; and a space feeding structure arrangement for spatial electromagnetic coupling with the plurality of unit radiating elements. Here, each of the plurality of unit radiating elements includes an auxiliary structure made of a dielectric, a helix element inserted into a side spiral groove of the auxiliary structure, and a ground plate coupled to a lower surface of the auxiliary structure. The actuator arrangement includes an opening in which the ground plate is seated, and a plurality of unit actuators for rotating the auxiliary structure in which the helix element is inserted together with the ground plate. In the space feeding structure arrangement, a first feeding pin coupled to a lower portion of the driving body arrangement and connected to one end of the helix element is inserted from the upper surface through the center of the ground plate, and the first feeding pin is inserted at the time of feeding. The second feeding pin electromagnetically coupled to the pin includes at least one spatial electromagnetic coupling structure inserted through the lower surface spaced apart from the upper surface and the inner space therebetween.

일실시예에서, 배열 안테나는, 상기 공간 급전 구조체 배열에 결합하는 급전 회로망을 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 급전 회로망은 배열 안테나 개구면의 진폭 제어를 위한 개구면 테이퍼링을 구비할 수 있다.In one embodiment, the array antenna may further include a feed network coupled to the spatial feed structure array. Here, the power supply network may include an aperture taper for controlling the amplitude of the aperture of the array antenna.

일실시예에서, 배열 안테나는, 상기 구동체 배열 및 상기 급전 회로망에 연결되는 안테나 주변 유니트를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 안테나 주변 유니트는 미리 계산된 기계적 위상 제어 데이터에 기초하여 상기 구동체 배열 내 복수의 단위 구동체의 동작을 개별 제어하는 안테나 제어 유니트를 구비할 수 있다.In an embodiment, the array antenna may further include an antenna peripheral unit connected to the driving body array and the power supply network. Here, the antenna peripheral unit may include an antenna control unit that individually controls the operation of the plurality of unit actuators in the actuator array based on the previously calculated mechanical phase control data.

일실시예에서, 상기 안테나 주변 유니트는 개방 루프 제어용 센서 유니트를 더 포함하고, 상기 센서 유니트에서 검출되는 신호는 상기 안테나 제어 유닛에 전달될 수 있다.In an embodiment, the antenna peripheral unit may further include a sensor unit for open loop control, and a signal detected by the sensor unit may be transmitted to the antenna control unit.

일실시예에서, 상기 공간 급전 구조체 배열은 상기 제1 급전 핀 복수개와 상기 제2 급전 핀 하나가 전자기 결합하는 하나의 내부 공간을 구비할 수 있다.In one embodiment, the space feeding structure arrangement may include a single inner space in which the plurality of first feeding pins and one of the second feeding pins are electromagnetically coupled.

본 발명에 의하면, 외부 제어 회로를 통하여 각회전을 갖는 원형 편파의 단위 방사 소자를 사용하고, 이를 배열 소자로 사용한 선형 또는 평면 배열에서 독립적인 제어를 통하여 위상을 제어하고, 단순 저손실 급전 회로망 내에서 균일 또는 비균일 진폭 분배 또는 결합을 통하여 안테나 방사 빔을 제어하는 수동 위상 배열 안테나 장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, a circularly polarized unit radiation element having angular rotation is used through an external control circuit, and the phase is controlled through independent control in a linear or planar array using this as an array element, and within a simple low-loss power supply network. It is possible to provide a passive phased array antenna device that controls the antenna radiation beam through uniform or non-uniform amplitude distribution or combining.

또한, 본 발명에 의하면, 종래의 위상 배열 안테나에서 요구하는 별도의 위상 천이기 소자들을 사용하지 않고 배열 안테나의 전자 빔 형성 기능을 구현할 수 있으므로 종래의 송신 또는 수신 위상 배열 안테나와 비교할 때 배열 안테나의 부피, 무게, 소모 전력, 안테나 제작 비용을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the present invention, since the electron beam forming function of the array antenna can be implemented without using separate phase shifter elements required by the conventional phased array antenna, compared to the conventional transmit or receive phased array antenna, It has the advantage of significantly reducing the volume, weight, power consumption, and antenna manufacturing cost.

또한, 본 발명에 의하면, 저가, 저전력 전자 빔 스캔이 가능한 소형 혹은 휴대용 위상 배열 안테나 장치를 효과적으로 개발할 수 있으므로, 위성 통신, 이동 통신 등의 무선 통신 분야의 응용에서 고가의 능동 위상 배열 안테나 장치를 대체할 수 있고 그에 의해 배열 안테나 시장에 대한 경제적 파급 효과가 클 것으로 기대된다.In addition, according to the present invention, it is possible to effectively develop a small or portable phased array antenna device capable of low-cost, low-power electron beam scanning, thereby replacing an expensive active phased array antenna device in applications in wireless communication fields such as satellite communication and mobile communication. It is expected that the economic ripple effect on the array antenna market will be large thereby.

도 1은 위상 천이기 소자를 사용자여 전자 빔을 형성하는 비교예의 배열 안테나를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개별 회전형 방사 소자(이하 간략히 '단위 방사 소자'라고 한다)에 대한 사시도이다.
도 3은 도 2의 단위 방사 소자의 횡단면도이다.
도 4는 도 2의 단위 방사 소자의 분해 사시도 및 분해 부품의 각 단면도를 함께 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 단위 방사 소자의 주요 구성요소들 간의 결합 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 4의 단위 방사 소자에 대한 분해 사시도이다.
도 7은 도 6의 단위 방사 소자인 회전체의 설계 변수를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 2의 단위 방사 소자에서 단위 방사 소자의 접지판과 공간적 자기결합 구조물의 결합 구조를 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 단위 방사 소자의 일부 구성에 대한 횡단면도이다.
도 10은 도 9의 단위 방사 소자의 일부 구성에 대한 설계 변수를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 2의 단위 방사 소자의 위상 변환 상태를 나타낸 도면이다.
도 12a 내지 도 12d는 도 2의 단위 방사 소자의 개별 위상 변환을 이용한 방사 패턴의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 각 회전 기능을 가진 단위 방사 소자에 대한 정면도이다.
도 14는 도 13의 단위 방사 소자의 횡단면도이다.
도 15는 도 14의 단위 방사 소자의 사시도이다.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따른 배열 안테나로서 안테나 소자의 각위상 제어가 가능한 급전회로망을 구비하는 수동형 위상 배열 안테나의 개략적인 구성 블럭도이다.
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배열 안테나에 대한 사시도이다.
도 18은 도 17의 배열 안테나의 저면측 사시도이다.
도 19는 도 17의 배열 안테나의 저면도이다.
도 20은 본 발명의 제5 실시예에 따른 배열 안테나에 대한 사시도이다.
도 21은 도 20의 배열 안테나의 저면측 사시도이다.
도 22는 도 20의 배열 안테나의 횡단면도이다.
도 23은 도 20의 배열 안테나의 분해 사시도이다.
도 24는 도 20의 배열 안테나의 저면측 분해 사시도이다.
도 25는 도 20의 배열 안테나의 작동 상태에 대한 예시도이다.
도 26은 본 발명의 제6 실시예에 따른 배열 안테나에 대한 사시도이다.
도 27은 도 26의 배열 안테나의 저면측 사시도이다.
도 28은 도 26의 배열 안테나의 정면도이다.
도 29는 도 28의 배열 안테나의 횡단면도이다.
도 30은 도 26의 배열 안테나의 빔 스캐닝 작동 상태에 대한 예시도이다.1 is a diagram illustrating an array antenna of a comparative example in which an electron beam is formed by using a phase shifter element.
2 is a perspective view of an individual rotational radiating element (hereinafter, simply referred to as a 'unit radiating element') according to the first embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of the unit radiating element of FIG.
4 is an exploded perspective view of the unit radiating element of FIG. 2 and a view showing each cross-sectional view of the disassembled part.
FIG. 5 is a view for explaining a coupling relationship between main components of the unit radiating element of FIG. 2 .
6 is an exploded perspective view of the unit radiating element of FIG.
7 is a view showing the design parameters of the rotating body, which is the unit radiating element of FIG. 6 .
8 is a perspective view illustrating a coupling structure of a ground plate of a unit radiating element and a spatial magnetic coupling structure in the unit radiating element of FIG. 2 .
9 is a cross-sectional view of a partial configuration of the unit radiating element of FIG.
FIG. 10 is a view showing design parameters for some configurations of the unit radiating element of FIG. 9 .
11 is a view showing a phase transformation state of the unit radiating element of FIG.
12A to 12D are graphs for explaining characteristics of a radiation pattern using individual phase transformation of the unit radiation element of FIG. 2 .
13 is a front view of a unit radiating element having an angular rotation function according to a second embodiment of the present invention.
14 is a cross-sectional view of the unit radiating element of FIG. 13 .
15 is a perspective view of the unit radiating element of FIG. 14 .
16 is a schematic block diagram of a passive phased array antenna having a power supply network capable of angular phase control of an antenna element as an array antenna according to a third embodiment of the present invention.
17 is a perspective view of an array antenna according to a fourth embodiment of the present invention.
18 is a bottom side perspective view of the array antenna of FIG. 17 .
19 is a bottom view of the array antenna of FIG. 17 .
20 is a perspective view of an array antenna according to a fifth embodiment of the present invention.
21 is a bottom side perspective view of the array antenna of FIG. 20 .
22 is a cross-sectional view of the array antenna of FIG. 20 .
23 is an exploded perspective view of the array antenna of FIG. 20 .
24 is an exploded perspective view of the bottom surface of the array antenna of FIG. 20;
25 is an exemplary diagram of an operation state of the array antenna of FIG. 20 .
26 is a perspective view of an array antenna according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a bottom side perspective view of the array antenna of FIG. 26;
28 is a front view of the array antenna of FIG. 26 .
29 is a cross-sectional view of the array antenna of FIG. 28 .
30 is an exemplary view illustrating a beam scanning operation state of the array antenna of FIG. 26 .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 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.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

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.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템(communication system) 또는 메모리 시스템(memory system)이 설명될 것이다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템 또는 메모리 시스템은 아래 설명된 내용에 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 통신 시스템에 적용될 수 있고, 여기서 통신 시스템은 통신 네트워크(network)와 동일한 의미로 사용될 수 있다.A communication system or memory system to which embodiments according to the present invention are applied will be described. A communication system or a memory system to which embodiments according to the present invention are applied is not limited to the contents described below. Embodiments according to the present invention may be applied to various communication systems, where the communication system may be used synonymously with a communication network.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 개별 회전형 방사 소자(이하 간략히 '단위 방사 소자'라고 한다)에 대한 사시도이다. 도 3은 도 2의 단위 방사 소자의 횡단면도이다. 도 4는 도 2의 단위 방사 소자의 분해 사시도 및 각 분해 부품의 단면도를 함께 나타낸 도면이다. 그리고 도 5는 도 2의 단위 방사 소자의 주요 구성요소들 간의 결합 관계를 나타낸 도면이다.2 is a perspective view of an individual rotational radiating element (hereinafter, simply referred to as a 'unit radiating element') according to the first embodiment of the present invention. 3 is a cross-sectional view of the unit radiating element of FIG. 4 is an exploded perspective view of the unit radiating element of FIG. 2 and a cross-sectional view of each disassembled component. And FIG. 5 is a view showing a coupling relationship between the main components of the unit radiating element of FIG. 2 .

도 2 내지 도 5를 참조하면, 단위 방사 소자(10A)는, 단위 회전 방사 소자(100), 단위 회전 방사 소자(100)를 구동하기 위한 단위 구동체(200) 그리고 단위 회전 방사 소자(100)에 RF(radio frequency) 신호를 효율적으로 전달하기 위한 공간적 전자기 결합 구조물(300)을 구비한다. 단위 회전 방사 소자(100)는 회전체이고, 단위 구동체(200)와 공간적 전자기 결합 구조물(300)은 비회전체이다.2 to 5 , the unit radiating element 10A includes a unit rotation radiating element 100 , a unit driving body 200 for driving the unit rotation radiating element 100 , and a unit rotation radiating element 100 . It is provided with a spatial electromagnetic coupling structure 300 for efficiently transmitting a RF (radio frequency) signal. The unit rotation radiating element 100 is a rotating body, and the unit driving body 200 and the spatial electromagnetic coupling structure 300 are non-rotating bodies.

단위 회전 방사 소자(100)는 도 4에 도시한 바와 같이 보조 구조체(120)에 의해 지지되는 헬릭스 소자(helix unit, 110)와 보조 구조체(120)의 하부를 지지하는 접지판(130)이 결합된 형태를 구비한다.As shown in FIG. 4, the unit rotation radiation element 100 includes a helix unit 110 supported by the auxiliary structure 120 and a ground plate 130 supporting the lower portion of the auxiliary structure 120 is combined. provided in the form

헬릭스 소자(110)는 보조 구조체(120)의 측면 둘레의 나선형 홈에 삽입되고 일단이 접지판(130)의 중공홀을 통해 보조 구조체(120)의 중앙에 위치하는 개구부를 관통하도록 형성된다. 보조 구조체(120)의 재료는 유전체이고, 접지판(130)은 금속 또는 금속성 재료나 도전성 재료로 형성된다. 그리고 접지판(130)은 그 하부 중심부에 돌출 형성되는 하부 요철부를 구비할 수 있다.The helix element 110 is inserted into the spiral groove around the side surface of the auxiliary structure 120 and one end is formed to pass through an opening located in the center of the auxiliary structure 120 through the hollow hole of the ground plate 130 . The material of the auxiliary structure 120 is a dielectric material, and the ground plate 130 is formed of a metal or a metallic material or a conductive material. In addition, the ground plate 130 may include a lower concavo-convex portion protruding from the lower center thereof.

단위 구동체(200)는 도 4의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이 그 중심부에 단위 회전 방사 소자(100) 또는 단위 회전 방사 소자(100)의 접지판(200)이 안착되는 오목 개구부 또는 단차를 가진 개구부(230)를 구비할 수 있다.As shown in FIGS. 4 (a) and (b), the unit driving body 200 is a concave in which the unit rotation radiating element 100 or the ground plate 200 of the unit rotation radiating element 100 is seated at the center thereof. An opening or an opening 230 having a step difference may be provided.

또한, 단위 구동체(200)는 도 5에 도시한 바와 같이 그 내부에 스테이터(210)를 구비할 수 있다. 스테이터(210)는 서로 다른 위상을 형성하기 위한 철심과 코일 쌍을 복수개 구비할 수 있다. 이러한 스테이터(210)는 외부 제어에 의해 교번 자계를 형성할 수 있고, 주변의 로터(rotor, 210)를 회전시킬 수 있다. 로터(210)는 단위 구동체(200)에 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 후술하는 공간적 전자기 결합 구조물(300)의 상부 구조물(310)의 상부 요철부 등에 삽입 설치될 수 있다.Also, the unit driving body 200 may include a stator 210 therein as shown in FIG. 5 . The stator 210 may include a plurality of pairs of iron cores and coils for forming different phases. The stator 210 may form an alternating magnetic field by external control, and may rotate a surrounding rotor 210 . The rotor 210 may be formed in the unit driving body 200, but is not limited thereto, and may be inserted and installed in the upper concavo-convex portion of the upper structure 310 of the spatial electromagnetic coupling structure 300 to be described later.

또한 단위 구동체(200)는, 안테나 배열 확장시, 제어 및 제작 구현을 용이하기 위하여 얇은 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)에 다수의 단위 구동체들이 배열되는 구동체 어레이 형태로 제작될 수 있다.In addition, the unit driver 200 may be manufactured in the form of a driver array in which a plurality of unit actuators are arranged on a thin printed circuit board (PCB) to facilitate control and manufacturing implementation when the antenna array is expanded. there is.

공간적 전자기 결합 구조물(300)은 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 전자기 결합 급전기를 가진 하부 구조물(320)과, 하부 구조물(320) 상에 결합하는 상부 구조물(310)을 구비할 수 있다. 상부 구조물(310)은 단위 구동체(200)의 개구부(230)에 삽입되는 상부 요철부(312)를 구비할 수 있다. 이때, 단위 구동체(200)의 개구부 내에서 상부 요철부(312)의 중앙 오목부에는 접지판(130)의 하부 요철부가 삽입될 수 있다.The spatial electromagnetic coupling structure 300 may include a lower structure 320 having an electromagnetic coupling feeder and an upper structure 310 coupled to the lower structure 320 as shown in FIGS. 3 and 4 . . The upper structure 310 may include an upper concave-convex portion 312 inserted into the opening 230 of the unit driving body 200 . In this case, the lower concavo-convex portion of the ground plate 130 may be inserted into the central concave portion of the upper concave-convex portion 312 within the opening of the unit driving body 200 .

전자기 결합 급전기는 중공 원통 형태의 급전 공급부(330)를 구비하고, 급전 공급부(330)의 하부측 일단부는 하부 구조물(320) 하부 중앙부를 관통하여 연장하며, 이때 하부 구조물(320)와 급전 공급부(330)의 하부측 일단부와의 사이에는 외부 유전체가 게재될 수 있다.The electromagnetic coupling feeder is provided with a feed supply unit 330 in the form of a hollow cylinder, and one end of the lower side of the feed supply unit 330 extends through the lower central portion of the lower structure 320, at this time the lower structure 320 and the feed supply unit. An external dielectric may be disposed between one end of the lower side of the 330 .

단위 회전 방사 소자(100)는 도 5에 도시한 바와 같이 단위 구동체(200) 내의 스테이터(stator, 210)와 로터(rotor, 220)의 상호 작용에 의해 로터(210)가 회전할 때 함께 회전할 수 있다.The unit rotation radiating element 100 rotates together when the rotor 210 rotates by the interaction of the stator 210 and the rotor 220 in the unit driving body 200 as shown in FIG. 5 . can do.

전술한 구성에 의하면, 단위 구동체(200) 내부의 회전자(220)가 외부 제어에 의해 왼쪽 도는 오른쪽 방향으로 회전할 때, 회전자(220) 상부에 플로팅(floating) 형태로 놓여있는 단위 회전 방사 소자(100)가 회전자(220)의 회전에 따라 왼쪽 또는 오른쪽 방향으로 회전할 수 있다.According to the above configuration, when the rotor 220 inside the unit driving body 200 rotates in the left or right direction by external control, the unit rotation is placed on the upper part of the rotor 220 in a floating form. The radiating element 100 may rotate in the left or right direction according to the rotation of the rotor 220 .

도 6은 도 2의 단위 회전 방사 소자에 대한 분해 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 도 6의 회전체인 단위 회전 방사 소자의 설계 변수를 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a view for explaining an exploded structure of the unit rotation radiating element of FIG. 2 . 7 is a view showing the design parameters of the unit rotation radiation element of the rotating body of FIG. 6 .

도 6을 참조하면, 단위 회전 방사 소자(100)는, 원형 편파를 생성하기 위한 헬릭스 소자(110), 헬릭스 소자(110)를 일정한 형태로 유지하기 위한 보조 구조체(120) 및 헬릭스 소자(110)의 중심에 위치하는 급전 핀(112)의 전기적 통로(132)를 제공하는 접지판(130)을 구비한다.Referring to FIG. 6 , the unit rotation radiation element 100 includes a helix element 110 for generating a circularly polarized wave, an auxiliary structure 120 for maintaining the helix element 110 in a constant shape, and a helix element 110 . and a ground plate 130 providing an electrical path 132 of the feeding pin 112 positioned at the center of the .

헬릭스 소자(110)는 헬릭스 구조체로서 일정한 전기적 위상 변화를 제공하기 위하여 정중앙 혹은 그 중심부에서 급전되며, 최적의 방사 소자의 방사 성능을 제공하기 위하여 미리 설계된 헬릭스 직경, 경사각 그리고 헬릭스 회전수(높이)를 가질 수 있다. 헬릭스 소자(110)는 비회전체로부터 공간적으로 공급되는 RF 신호를 최적으로 공급받기 위하여 급전 핀(112)의 최적 길이를 구비할 수 있다.The helix element 110 is a helix structure and is fed from the center or the center in order to provide a constant electrical phase change, and the helix diameter, inclination angle, and helix rotation speed (height) designed in advance to provide the optimal radiation performance of the radiating element. can have The helix element 110 may have an optimal length of the feeding pin 112 to optimally receive the RF signal spatially supplied from the non-rotating body.

보조 구조체(120)는 헬릭스 소자(110)의 효율적인 방사를 위하여 낮은 유전율의 물질을 사용한다. 보조 구조체(120)는 그 외측면에서 나선형 홈(122)을 구비한다.The auxiliary structure 120 uses a material having a low dielectric constant for efficient radiation of the helix element 110 . The auxiliary structure 120 has a spiral groove 122 on its outer surface.

접지판(130)은 헬릭스 소자(110)의 급전 핀의 전기적 통로(132)을 제공하는 것으로써 예를 들어, 50Ω 동축 선로를 제공하기 위한 전기적 도체 성질을 갖는다.The ground plate 130 provides an electrical path 132 of the feeding pin of the helix element 110 and has, for example, an electrical conductor property for providing a 50Ω coaxial line.

헬릭스 소자(110)와 보조 구조체(120)은 서로 결합한 후 접지판(130)의 상부에 체결될 수 있다. 체결 방법에는 접착제, 나사 등이 사용될 수 있다.The helix element 110 and the auxiliary structure 120 may be coupled to each other and then coupled to the upper portion of the ground plate 130 . An adhesive, a screw, etc. may be used for the fastening method.

조립된 단위 회전 방사 소자(100)는 외부 즉, 급전 핀(112)가 연장되는 하부측의 단위 구동체 내에서 제어되는 회전체에 의해 일정한 속도로 좌회전 또는 우회전함으로써 전기적으로 위상 변화를 생성할 수 있다.The assembled unit rotation radiation element 100 can generate a phase change electrically by rotating left or right at a constant speed by a rotation body controlled from the outside, that is, within the unit driving body on the lower side where the feeding pin 112 extends. there is.

전술한 단위 회전 방사 소자(100)의 설계 변수는, 도 7의 (a)에서 헬릭스 소자(110) 및 접지판(130)에 대하여, 도 7의 (b)에서 보조 구조체(120)에 대하여 각각 나타낸 바와 같이, 헬릭스 직경(D), 피치 간격(α), 헬릭스 높이(H), 헬릭스 회전수(N), 도선 직경(d), 입력 급전 길이(L1), 접지판 직경(GD), 유전체인 보조 구조체의 직경(Dd), 보조 구조체의 높이(Hd) 등을 포함한다.The design parameters of the above-described unit rotation radiating element 100 are, respectively, with respect to the helix element 110 and the ground plate 130 in FIG. 7 (a), and the auxiliary structure 120 in FIG. As shown, helix diameter (D), pitch spacing (α), helix height (H), number of helix turns (N), wire diameter (d), input feed length (L 1 ), ground plate diameter (GD), and the diameter (D d ) of the auxiliary structure that is a dielectric, the height (H d ) of the auxiliary structure, and the like.

본 실시예에 따른 단위 회전 방사 소자(100)는 그 기능 및 전기적 성능을 검증하기 위하여 Ku 대역(11.75~12.75 GHz)에서 우현 편파를 갖도록 설계될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 단위 회전 방사 소자(100)는 다른 실시예에서 Ku 대역 외의 다른 RF 대역에서 우현 편파나 좌현 편파를 갖도록 설계될 수 있다.The unit rotation radiating element 100 according to the present embodiment may be designed to have a star polarization in the Ku band (11.75 to 12.75 GHz) in order to verify its function and electrical performance, but is not limited thereto. The unit rotation radiating element 100 may be designed to have a starboard polarization or a porticopolarization in another RF band other than the Ku band in another embodiment.

최적 설계된 단위 회전 방사 소자 즉, 헬릭스 방사 소자의 설계 변수를 나타내면 표 1과 같다.Table 1 shows the design parameters of the optimally designed unit rotation radiating element, that is, the helix radiating element.

Figure pat00001
Figure pat00001

표 1에 나타낸 바와 같이, 헬릭스 방사 소자의 설계 변수에 있어서, 헬릭스 소자(110)의 헬릭스 직경(D)은 6.0㎜, 피치 간격(α)은 2.65㎜, 헬릭스 높이(H)는 7.95㎜, 헬릭스 회전수(N)는 3턴, 도선 직경(d)은 0.7㎜, 그리고 입력 급전 길이(L1)는 0.9㎜인 것이 바람직하고, 접지판(130)의 직경(GD)은 10.3㎜인 것이 바람직하다. 또한, 원통형 유전체인 보조 구조체(120)의 직경(Dd)은 6.0㎜, 보조 구조체의 높이(Hd)는 9.9㎜, 유전율(εr)은 3.0, 그리고 손실 탄젠트(tanδ)는 0.025인 것이 바람직하다.As shown in Table 1, in the design parameters of the helix radiating element, the helix diameter (D) of the helix element 110 is 6.0 mm, the pitch interval (α) is 2.65 mm, the helix height (H) is 7.95 mm, the helix The number of revolutions (N) is 3 turns, the diameter of the wire (d) is 0.7 mm, and the input feeding length (L 1 ) is preferably 0.9 mm, and the diameter (GD) of the grounding plate 130 is preferably 10.3 mm. Do. In addition, the diameter (D d ) of the auxiliary structure 120, which is a cylindrical dielectric, is 6.0 mm, the height (H d ) of the auxiliary structure is 9.9 mm, the dielectric constant (ε r ) is 3.0, and the loss tangent (tanδ) is 0.025. desirable.

한편, 전술한 단위 회전 방사 소자(100)의 각 설계 변수의 설계값은 일정 범위 내에서 상대적인 비율을 갖는 크기로 확대되거나 감소될 수 있다.On the other hand, the design value of each design variable of the above-described unit rotation radiation element 100 may be enlarged or reduced to a size having a relative ratio within a certain range.

그리고 회전체와 비회전체 간을 연결하는 로터리 조인트 즉, 단위 구동체는 그 기능 및 전기적 성능을 검증하기 위하여 혹은 실제 사용을 위하여 Ku 대역(11.75~12.75 GHz)에서 설계될 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.And the rotary joint connecting between the rotating body and the non-rotating body, that is, the unit driving body, may be designed in the Ku band (11.75 ~ 12.75 GHz) to verify its function and electrical performance or for actual use, but is not limited thereto. No.

도 8은 도 2의 단위 방사 소자에서 단위 회전 방사 소자의 접지판과 공간적 자기결합 구조물의 결합 구조를 나타낸 사시도이다. 도 9는 도 8의 단위 방사 소자의 일부 구성에 대한 횡단면도이다. 그리고 도 10은 도 9의 단위 방사 소자의 일부 구성에 대한 설계 변수를 나타낸 도면이다.8 is a perspective view illustrating a coupling structure of a ground plate of a unit rotation radiating element and a spatial magnetic coupling structure in the unit radiating element of FIG. 2 . 9 is a cross-sectional view of a partial configuration of the unit radiating element of FIG. And FIG. 10 is a diagram showing design parameters for some configurations of the unit radiating element of FIG. 9 .

도 8 및 도 9를 참조하면, 단위 회전 방사 소자의 공간적 자기결합 구조물(300)은 헬릭스 소자(110)의 급전 핀(112)이 연장하는 방향에 대하여 축 대칭인 형태를 구비할 수 있다.8 and 9 , the spatial magnetic coupling structure 300 of the unit rotation radiating element may have an axially symmetrical shape with respect to a direction in which the feeding pin 112 of the helix element 110 extends.

즉, 본 실시예의 단위 회전 방사 소자는 축 대칭(axial symmetry) 형태의 공간적 전자기 결합 구조물(300)을 구비한다. 공간적 전자기 결합 구조물(300)은 비회전체이다.That is, the unit rotation radiation element of this embodiment is provided with a spatial electromagnetic coupling structure 300 in the form of axial symmetry. The spatial electromagnetic coupling structure 300 is a non-rotating body.

공간적 전자기 결합 구조물(300)의 상부 구조물(310)은 그 상부에 위치하는 회전체의 접지판(130)과 전기적으로 개방 혹은 비접촉된다. 한편, 회전 운동을 하는 헬릭스 방사 소자의 급전 핀(112)은 상부 구조물(310) 안으로 일직선으로 연결되어 있다. 하부 구조물(320)은 그 중심부의 정중앙에 동축 급전을 위한 급전 공급부(330)와 외부 유전체(340)를 구비하고, 회전 운동을 하는 헬릭스 방사 소자의 급전 핀(112)과의 효율적인 용량성 전자기 결합을 위해 그 내부가 공동형 구조를 갖는다.The upper structure 310 of the spatial electromagnetic coupling structure 300 is electrically open or in contact with the ground plate 130 of the rotating body positioned thereon. On the other hand, the feeding pins 112 of the helix radiating element performing rotational motion are connected in a straight line into the upper structure 310 . The lower structure 320 is provided with a power supply unit 330 and an external dielectric 340 for coaxial feeding in the center of the central portion, and efficient capacitive electromagnetic coupling with the feeding pin 112 of the helix radiating element that rotates. For this purpose, it has a hollow structure inside.

급전 공급부(330)와 외부 유전체(340)는 비회전체 구조물이고, 급전 핀(112)은 원판형 구조물인 급전 공급부(330)와 일정한 간격을 둔 용량성 전자기 결합 구조를 가질 수 있다.The power supply unit 330 and the external dielectric 340 are non-rotating structures, and the power supply pin 112 may have a capacitive electromagnetic coupling structure spaced apart from the power supply unit 330 which is a disk-shaped structure.

전술한 급전 핀(112)은 제1 급전 핀 또는 상부 급전 핀으로, 급전 공급부(330)는 제2 급전 핀 또는 하부 급전 핀으로 지칭될 수 있다.The aforementioned feed pin 112 may be referred to as a first feed pin or an upper feed pin, and the feed supply unit 330 may be referred to as a second feed pin or a lower feed pin.

비회전체와 회전체간의 최적의 RF 신호 전달을 위해, 요구되는 설계 주파수에 따라 공간적 전자기 결합 구조물(300)의 내부 공동 크기와 상하부 급전 핀들 간의 결합 길이, 간격 그리고 공동형 급전 핀의 구조 치수를 결정할 수 있다.For optimal RF signal transmission between the non-rotating body and the rotating body, the size of the internal cavity of the spatial electromagnetic coupling structure 300, the coupling length between the upper and lower feed pins, and the structural dimension of the hollow feed pin are determined according to the required design frequency. can

전술한 단위 회전 방사 소자의 공간적 전자기 결합 구조물(300)의 설계 변수 즉, 최적 설계된 로터리 조인트의 설계 변수를 나타내면 도 10과 같으며, 이 설계 변수에 대한 특정 조건에서의 최적 설계값을 나타내면 아래의 표 2와 같다.The design parameters of the spatial electromagnetic coupling structure 300 of the above-described unit rotation radiation element, that is, the design parameters of the optimally designed rotary joint are shown in FIG. 10, and the optimal design values under specific conditions for this design variable are shown below. Table 2 shows.

Figure pat00002
Figure pat00002

표 2에 나타낸 바와 같이, 공간적 전자기 결합 구조물(330)의 설계 변수에 있어서, 로터리 조인트의 내부 공동 직경(Dc)은 7.5㎜, 내부 공동 높이(Hc)는 8.0㎜, 입출력 급전 핀들간 결합길이(Lc)는 3.43㎜, 입력 급전 핀 내부 직경(dc)은 2.4㎜, 입력 급전 핀 직경(do)은 0.5㎜, 입력 급전 핀 길이 1(Lf1)은 1.0㎜, 입력 급전 핀 길이 2(Lf2)는 1.17㎜, 입력 급전 핀 외부 도체 두께(T1)는 0.3㎜, 출력 급전 핀 길이(Lf3)는 2.25㎜인 것이 바람직하고, 그리고 입출력 동축 임피던스의 입력(Zi)은 50Ω, 출력(Zo)은 50Ω인 것이 바람직하다.As shown in Table 2, in the design parameters of the spatial electromagnetic coupling structure 330, the inner cavity diameter (D c ) of the rotary joint is 7.5 mm, the inner cavity height (H c ) is 8.0 mm, the coupling between the input and output feed pins Length (L c ) is 3.43 mm, input feed pin inner diameter (d c ) is 2.4 mm, input feed pin diameter (d o ) is 0.5 mm, input feed pin length 1 (L f1 ) is 1.0 mm, input feed pin Preferably, the length 2 (L f2 ) is 1.17 mm, the input feed pin outer conductor thickness (T 1 ) is 0.3 mm, the output feed pin length (L f3 ) is 2.25 mm, and the input (Z i ) of the input and output coaxial impedance is 50Ω, and the output (Z o ) is preferably 50Ω.

로터리 조인트(300 참조)에 단위 회전 방사 소자(100) 및 단위 구동체(200)를 결합한 후, RF에서의 위상 변환 기능 및 전기적 성능을 검증하기 위하여 Ku 대역(11.75~12.75 GHz)에서 최적화 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 로터리 조인트(300)가 안테나 장치의 부품으로써 유용한 것을 확인할 수 있었다.After combining the unit rotation radiating element 100 and the unit actuator 200 to the rotary joint (refer to 300), an optimization simulation was performed in the Ku band (11.75 to 12.75 GHz) to verify the phase transformation function and electrical performance in RF. carried out. As a result of the simulation, it was confirmed that the rotary joint 300 is useful as a component of the antenna device.

도 11은 도 2의 단위 방사 소자의 위상 변환 상태를 나타낸 도면이다. 도 12a 내지 도 12d는 도 2의 단위 방사 소자의 개별 위상 변환을 이용한 방사 패턴의 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.11 is a view showing a phase transformation state of the unit radiating element of FIG. 12A to 12D are graphs for explaining characteristics of a radiation pattern using individual phase transformation of the unit radiation element of FIG. 2 .

도 11의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 0은 X-축 기준으로 반시계 방향으로 45°만큼씩 각 회전에 따른 방사 패턴의 위상 변환 상태를 각각 나타낸다. 각 회전 범위는 좌우 반바퀴 즉, ±180°이내이다.As shown in (a) and (b) of FIG. 11 , 0 represents the phase transformation state of the radiation pattern according to each rotation by 45° in the counterclockwise direction with respect to the X-axis, respectively. Each rotation range is left and right half a turn, that is, within ±180°.

도 11의 (a)에 도시한 바와 같이, 정면에서 관측 또는 안테나 방사 소자를 바라보면서 관측하는 경우를 가정할 때, 우현 편파(right hand circular polarization, RHCP)를 갖는 방사 소자(radiator)인 경우에는 반시계 방향 또는 오른쪽 방향으로 움직일 때 위상 앞섬(phase lead) 특성을 보이고, 시계 방향 또는 왼쪽 방향으로 움직일 때 위상 지연(phase lag) 특성을 보인다.As shown in (a) of FIG. 11, assuming that observation from the front or the case of observing while looking at the antenna radiation element, in the case of a radiation element having a right hand circular polarization (RHCP) When moving in a counterclockwise or right direction, it shows a phase lead characteristic, and when moving in a clockwise or left direction, it shows a phase lag characteristic.

반면에, 도 11의 (b)에 도시한 바와 같이, 좌현 편파(left hand circular polarization, LHCP)를 갖는 방사 소자(radiator)인 경우에는 반시계 방향 또는 오른쪽 방향으로 움직일 때 위상 지연(phase lag) 특성을 보이고, 시계 방향 또는 왼쪽 방향으로 움직일 때 위상 앞섬(phase lead) 특성을 보인다.On the other hand, as shown in (b) of FIG. 11, in the case of a radiator having a left hand circular polarization (LHCP), a phase lag when moving in a counterclockwise or right direction It exhibits a phase lead characteristic when moving in a clockwise or left direction.

Ku 대역(11.7~12.75 GHz)에서 각 회전을 갖는 단위 방사 소자(도 2 참조)를 최적화 설계한 안테나 소자에서 그 전기적인 특성을 시뮬레이션한 결과를 도 12a 내지 도 12d에 나타내었다. In the Ku band (11.7 to 12.75 GHz), the simulation results of the electrical characteristics of the antenna element in which the unit radiating element (refer to FIG. 2) having an angular rotation is optimally designed is shown in FIGS. 12A to 12D.

도 12a 내지 도 12d에 나타낸 바와 같이 각 회전에 따른 전기적인 특성이 매우 양호함을 알 수 있고, 특히 방사 소자의 각 회전에 따른 45o 간격의 위상 변화 특성이 우수함을 알 수 있다.As shown in FIGS. 12A to 12D , it can be seen that the electrical characteristics according to each rotation are very good, and in particular, it can be seen that the phase change characteristic of the 45 o interval according to each rotation of the radiating element is excellent.

단위 방사 소자에서 헬릭스 방사 소자의 최적화 설계 변수 및 로터리 조인트의 최적화 설계 변수는 전술한 표 1 및 표 2를 각각 참조할 수 있다. The optimization design parameters of the helix radiation element and the optimization design parameters of the rotary joint in the unit radiation element may refer to Tables 1 and 2 described above, respectively.

전술한 실시예에 의하면, 공진형 방사 소자를 좌현 또는 우현으로 회전시키면서 전기적 위상 앞섬 또는 위상 지연 현상을 발생시키는 안테나 장치로 저가, 경량의 수동형 위상 배열 안테나 장치를 제공할 수 있다. 또한, 종래의 안테나 구조 전체가 움직이는 기계적인 안테나는 크고 무거워 고속을 빔 형성을 제공할 수 없어 저속의 기계적인 빔 형성만을 제공해야 하므로 목표물 추적 성능이 우수하지 않았으나, 본 실시예에 의하면, 회전체인 개별 방사 소자를 이용하여 배열 안테나를 형성할 수 있으므로, 경량의 단일 방사 소자들만 고속으로 회전시켜 위상을 제어하여 종래의 기계식 안테나 대비 상대적으로 고속 안테나 추적 빔을 형성할 수 있는 배열 안테나를 제공할 수 있다.According to the above-described embodiment, it is possible to provide a low-cost, lightweight passive phased array antenna device as an antenna device that generates an electrical phase lead or phase delay phenomenon while rotating the resonant radiation element to port or starboard. In addition, the mechanical antenna in which the entire structure of the conventional antenna moves is large and heavy, so it cannot provide high-speed beamforming, so it has to provide only low-speed mechanical beamforming, so the target tracking performance is not excellent. Since an array antenna can be formed using individual radiating elements, which are lightweight, single radiating elements are rotated at high speed to control the phase, thereby providing an array antenna capable of forming a relatively high-speed antenna tracking beam compared to conventional mechanical antennas. can

도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 각 회전 기능을 가진 단위 방사 소자의 일부 구성에 대한 사시도이다. 도 14는 도 13의 단위 방사 소자의 횡단면도이다. 그리고 도 15는 도 14의 단위 방사 소자의 정면도이다.13 is a perspective view of a partial configuration of a unit radiating element having an angular rotation function according to a third embodiment of the present invention. 14 is a cross-sectional view of the unit radiating element of FIG. 13 . And Figure 15 is a front view of the unit radiating element of Figure 14.

도 13 및 도 14를 참조하면, 본 실시예의 단위 방사 소자(10B)의 일부 구성은 접지판(130)과 공간적 전자기 결합 구조물(300)을 포함한다. 즉, 단위 방사 소자(10B)는 축 비대칭(axial asymmetry) 형태의 공간적 전자기 결합 구조물(300)을 구비한다. 공간적 전자기 결합 구조물(300)은 비회전체이다.13 and 14 , some configurations of the unit radiating element 10B of this embodiment include a ground plate 130 and a spatial electromagnetic coupling structure 300 . That is, the unit radiation element 10B includes the spatial electromagnetic coupling structure 300 in the form of an axial asymmetry. The spatial electromagnetic coupling structure 300 is a non-rotating body.

공간적 전자기 결합 구조물(300)의 상부 구조물(310)과 그 상부에 위치하는 회전체의 접지판(130)은 전기적으로 개방 혹은 비접촉된다. 한편, 회전 운동을 하는 헬릭스 방사 소자(110)의 일단부인 급전 핀은 상부 구조물(310) 안으로 일직선으로 연결되어 있다. 하부 구조물(320)의 중심부의 정중앙에서 오프셋(off-set)되어 동축 급전되는 급전 공급부(335)과 외부 유전체(340)은 비회전체 구조물로서, 회전 운동을 하는 헬릭스 방사 소자의 급전 핀(110 참조)과의 효율적인 용량성 전자기 결합을 위해 오프셋 간격이 최적으로 결정된다. 외부 유전체(340)의 길이도 전기적 특성 설계 변수로서 조정될 수 있다. The upper structure 310 of the spatial electromagnetic coupling structure 300 and the ground plate 130 of the rotating body positioned thereon are electrically open or non-contact. On the other hand, the feeding pin, which is one end of the helix radiating element 110 that rotates, is connected in a straight line into the upper structure 310 . The feed supply unit 335 and the external dielectric 340, which are offset from the center of the central portion of the lower structure 320 and are coaxially fed, are non-rotating structures, and refer to the feeding pin 110 of the helix radiating element that rotates. For efficient capacitive electromagnetic coupling with ), the offset spacing is optimally determined. The length of the outer dielectric 340 may also be adjusted as an electrical characteristic design parameter.

비회전체와 회전체간의 최적의 RF 신호 전달을 위해, 요구되는 설계 주파수에 따라 공간적 전자기 결합 구조물의 상부 구조물(310)과 하부 구조물(320)에 의해 형성되는 내부 공동의 크기와 상하부 급전 핀들 간의 결합 길이 및 오프셋 간격은 최적화되도록 결정될 수 있다.For optimal RF signal transmission between the non-rotating body and the rotating body, the size of the inner cavity formed by the upper structure 310 and the lower structure 320 of the spatial electromagnetic coupling structure according to the required design frequency and the coupling between the upper and lower feed pins The length and offset spacing may be determined to be optimized.

회전체 및 비회전체간의 RF적 연결 구성은 도 15을 참조할 수 있다. 도 15에 도시한 바와 같이, 헬릭스 방사 소자(110)의 일단부 혹은 헬릭스 방사 소자와 연결된 상부 급전 핀은 상부 구조물(310)의 중심에서 일직선으로 연장하고 동축 급전 선로의 내부 도체에 해당된다. 또한, 회전체의 접지판(130)은 공간적 전자기 결합 구조물(300)의 상부 구조물(310)과 일정한 간격(dgap)을 두고 분리되어 있으며, 따라서 동축 급전 선로의 비접촉 외부 도체에 해당된다.The configuration of RF connection between the rotating body and the non-rotating body may refer to FIG. 15 . As shown in FIG. 15 , one end of the helix radiating element 110 or the upper feed pin connected to the helix radiating element extends in a straight line from the center of the upper structure 310 and corresponds to the inner conductor of the coaxial feed line. In addition, the ground plate 130 of the rotating body is separated from the upper structure 310 of the spatial electromagnetic coupling structure 300 at a predetermined interval (d gap ), and thus corresponds to a non-contact external conductor of the coaxial feed line.

전술한 구성에 의하면, 상하 접지 면들의 일정한 간격 및 전기적인 접촉 면적은 저손실 RF 신호 전달 즉, 용량성 전자기 결합을 위한 중요한 설계 변수로써, 본 실시예에서는 접지 면들 간의 일정한 간격을 단위 구동체(도 2의 200 참조)에 의해 유지하도록 한다.According to the configuration described above, the constant spacing between the upper and lower ground planes and the electrical contact area are important design parameters for low-loss RF signal transmission, that is, capacitive electromagnetic coupling. 2 of 200) to maintain it.

도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 배열 안테나로서 안테나 소자의 각위상 제어가 가능한 급전회로망을 구비하는 구성의 개략적인 블럭도이다.16 is a schematic block diagram of an array antenna according to a fourth embodiment of the present invention, including a power supply network capable of angular phase control of antenna elements.

도 16을 참조하면, 위상 배열 안테나는 수동형 배열 안테나로서 송신 배열 안테나 및 수신 배열 안테나로 각각 분리하여 독립적으로 동작할 수 있으며, 또한 송수신 겸용 배열 안테나로 동작할 수 있다. 송수신 겸용 배열 안테나로 동작하는 경우, 입력단 또는 출력단에 송수신 분리용 소자 예를 들어, 서큘레이터 또는 직교 모드 트랜스듀서 등이 사용될 수 있다.Referring to FIG. 16 , as a passive array antenna, the phased array antenna may be separated into a transmit array antenna and a receive array antenna, respectively, and may operate independently, and may also operate as a combined transmit/receive array antenna. When operating as an array antenna for transmission/reception, an element for separating transmission/reception, for example, a circulator or an orthogonal mode transducer, may be used at an input terminal or an output terminal.

위상 배열 안테나는 개별 회전 운동을 갖는 단위 방사 소자들(100)이 일차원적 또는 이차원적으로 배열된 다수개의 방사 배열(1000)과, 외부 제어에 의해 단위 방사 소자들(100) 각각을 개별적으로 기계적으로 좌현 또는 우현 회전 운동시키기 위한 단위 구동체들(200)이 일차원적 또는 이차원적으로 배열된 구동체 배열(2000)과, 단위 구동체들(200) 각각의 하부에 공간적 전자기 결합을 갖는 단위 공간 급전 구조체 즉, 공간적 전자기 결합 구조체들(300)이 일차원적 또는 이차원적으로 배열된 공간 급전 구조체 배열(3000)을 구비한다.The phased array antenna includes a plurality of radiation arrays 1000 in which the unit radiation elements 100 having individual rotational motion are one-dimensionally or two-dimensionally arranged, and each of the unit radiation elements 100 individually mechanically by external control. A unit space having a actuator arrangement 2000 in which unit actuators 200 are one-dimensionally or two-dimensionally arranged for port or starboard rotational motion, and a spatial electromagnetic coupling in the lower portion of each of the unit actuators 200 The power feeding structure, that is, the spatial electromagnetic coupling structures 300 has a one-dimensional or two-dimensionally arranged spatial feeding structure arrangement 3000 .

또한, 위상 배열 안테나의 각 입력 또는 출력 단자들은 공간적 전자기 결합 구조체에 결합하는 급전 회로망(4000)의 출력 또는 입력 단자에 연결되어 저손실 급전 회로망(4000)과 전력 결합 또는 전력 분배된다. 단순 저손실 급전 회로망(4000)은 사이드로브(side lobe)의 레벨 제어 등 배열 안테나의 방사 패턴 성형을 위해 배열 안테나 개구면의 진폭 제어 예를 들어, 개구면 테이퍼링(tapering)을 위한 기능을 제공할 수 있다.In addition, each input or output terminal of the phased array antenna is connected to an output or input terminal of the power supply network 4000 that couples to the spatial electromagnetic coupling structure so that power is coupled or power distributed with the low loss power supply network 4000 . The simple low-loss power supply network 4000 may provide a function for controlling the amplitude of the array antenna aperture, for example, taper the aperture, for forming the radiation pattern of the array antenna, such as level control of the side lobe. there is.

안테나 주변 유니트(5000)는 안테나 제어 유니트(antenna control unit, 400)와 능동 소자 및 프로세서에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 유니트(poswer supply unit, 500) 그리고 다양한 개방 루프 제어용 센서 유니트(sensor unit, 600)을 포함할 수 있다.The antenna peripheral unit 5000 includes an antenna control unit 400 and a power supply unit 500 for supplying power to an active element and a processor, and a sensor unit 600 for various open loop control. ) may be included.

안테나 제어 유니트(400)는 개방 및 폐루프 추적 등이 가능한 목표물 추적 알고리즘을 통해 획득한 정보를 기반으로 계산되는 기계적 위상 제어 데이터, 전원 등을 구동체 배열(200)의 각 단위 구동체(200)에 공급한다.The antenna control unit 400 transmits mechanical phase control data, power, etc. calculated based on information obtained through a target tracking algorithm capable of open and closed loop tracking, etc. supply to

전술한 안테나 주변 유니트(5000) 중 적어도 일부는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다.At least a portion of the above-described antenna peripheral unit 5000 may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, a processor, controller, arithmetic logic unit (ALU), digital signal processor, microcomputer, field programmable array (FPA), programmable logic unit (PLU), microprocessor, or instruction. It may be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as any other device capable of executing and responding.

특히 안테나 제어 유니트(400)는 운영 체제(OS) 및 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 탑재할 수 있다. 또한, 안테나 제어 유니트(400)는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수 있다. 안테나 제어 유니트(400)는 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있고, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 포함할 수 있다.In particular, the antenna control unit 400 may be loaded with an operating system (OS) and one or more software applications executed on the operating system. In addition, the antenna control unit 400 may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. The antenna control unit 400 may include a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. For example, it may include a plurality of processors or one processor and one controller, and may include other processing configurations, such as parallel processors.

본 실시예의 기계식 수동형 위상 배열 안테나는 단위 방사 소자들이 경량이므로 비교적 고속 회전 운동 기반으로 운용될 수 있으며, 따라서 저전력, 낮은 외형, 경량화, 저가의 수동 위상 배열 안테나 시스템을 효과적으로 구현할 수 있다(도 25 및 도 30의 개별 회전 방사 소자를 이용한 이차원 수동 위상 배열 안테나의 형상 및 빔 스캐닝 참조).The mechanical passive phased array antenna of this embodiment can be operated based on a relatively high-speed rotational motion because the unit radiating elements are lightweight, and thus, it is possible to effectively implement a low-power, low-profile, lightweight, and low-cost passive phased array antenna system (Figs. 25 and 25 and See Figure 30, shape and beam scanning of a two-dimensional passive phased array antenna using individual rotating radiating elements).

도 17은 본 발명의 제5 실시예에 따른 배열 안테나에 대한 사시도이다. 도 18은 도 17의 배열 안테나의 저면측 사시도이다. 그리고 도 19는 도 17의 배열 안테나의 저면도이다.17 is a perspective view of an array antenna according to a fifth embodiment of the present invention. 18 is a bottom side perspective view of the array antenna of FIG. 17 . And FIG. 19 is a bottom view of the array antenna of FIG. 17 .

도 17 내지 도 19를 참조하면, 본 실시예에 따른 그룹 방사 소자(20A)는 4개의 단위 회전 방사 소자들(100), 4개의 단위 회전 방사 소자들(100)을 개별적으로 혹은 적어도 하나 이상의 그룹으로 구동하기 위한 단위 구동체(200), 및 단위 회전 방사 소자들(100) 각각에 RF 신호를 전달하는 공간적 전자기 결합 구조물(300)을 구비한다.17 to 19 , the group radiating element 20A according to this embodiment includes four unit rotation radiating elements 100 and four unit rotation radiating elements 100 individually or at least one or more groups It includes a unit driving body 200 for driving and a spatial electromagnetic coupling structure 300 that transmits an RF signal to each of the unit rotation radiating elements 100 .

각 단위 회전 방사 소자(100)는 헬릭스 소자(110), 보조 구조체(120) 및 접지판(130)을 구비하고, 공간적 전자기 결합 구조물(300)은 상부 구조물(310) 및 하부 구조물(320)을 구비한다.Each unit rotation radiation element 100 includes a helix element 110 , an auxiliary structure 120 , and a ground plate 130 , and the spatial electromagnetic coupling structure 300 connects the upper structure 310 and the lower structure 320 . be prepared

또한, 단위 방사 소자(20A)는 단위 회전 방사 소자들(100) 각각을 소정 높이의 원형 측벽 내에 가두고 이들 사이의 이격 거리를 유지하기 위한 상부 지지프레임(150)을 더 구비할 수 있다.In addition, the unit radiating element 20A may further include an upper support frame 150 for confining each of the unit rotation radiating elements 100 within a circular sidewall of a predetermined height and maintaining a separation distance therebetween.

또한, 단위 방사 소자(20A)는 공간적 전자기 결합 구조물(300) 또는 하부 구조물(320)의 외측 바닥면에 급전을 위한 마이크로스트립라인(337)을 구비할 수 있다.In addition, the unit radiating element 20A may be provided with a microstrip line 337 for power feeding on the outer bottom surface of the spatial electromagnetic coupling structure 300 or the lower structure 320 .

마이크로스트립라인(337)은 도 19에 도시한 바와 같이 전원공급장치 측에 연결되는 일단부(338)와 급전 공급부(330)에 연결되는 4개의 타단부들을 구비할 수 있다. 각 타단부에는 급전 공급부(330)의 타단부가 점 용접 등의 형태로 각각 연결될 수 있다.The microstrip line 337 may have one end 338 connected to the power supply side and four other ends connected to the power supply supply 330 as shown in FIG. 19 . The other end of the electric power supply unit 330 may be connected to each other end in the form of spot welding or the like.

도 20은 본 발명의 제6 실시예에 따른 배열 안테나에 대한 사시도이다. 도 21은 도 20의 배열 안테나의 저면측 사시도이다. 도 22는 도 20의 배열 안테나의 횡단면도이다. 도 23은 도 20의 배열 안테나의 분해 사시도이다. 도 24는 도 20의 배열 안테나의 저면측 분해 사시도이다. 그리고 도 25는 도 20의 배열 안테나의 작동 상태에 대한 예시도이다.20 is a perspective view of an array antenna according to a sixth embodiment of the present invention. 21 is a bottom side perspective view of the array antenna of FIG. 20 . 22 is a cross-sectional view of the array antenna of FIG. 20 . 23 is an exploded perspective view of the array antenna of FIG. 20 . 24 is an exploded perspective view of the bottom surface of the array antenna of FIG. 20; And FIG. 25 is an exemplary view of an operation state of the array antenna of FIG. 20 .

도 20 내지 도 24를 참조하면, 본 실시예에 따른 배열 안테나(20B)는 16개의 단위 회전 방사 소자들(100) 또는 4개의 그룹 방사 소자들(100)을 구비하고, 또한 16개의 단위 회전 방사 소자들(100)을 개별적으로 혹은 적어도 하나 이상의 그룹으로 구동하기 위한 구동체 배열(2000), 및 단위 회전 방사 소자들(100) 각각에 RF 신호를 전달하는 공간 급전 구조체 배열(300)을 구비한다. 구동체 배열(2000)은 16개의 단위 구동체들을 구비할 수 있고, 공간 급전 구조체 배열(3000)은 16개의 공간적 전자기 결합 구조물을 구비할 수 있다.20 to 24 , the array antenna 20B according to the present embodiment includes 16 unit rotational radiating elements 100 or 4 group radiating elements 100 , and also includes 16 unit rotational radiating elements 100 . A driving body arrangement 2000 for driving the elements 100 individually or in groups of at least one or more, and a space feeding structure arrangement 300 for transmitting an RF signal to each of the unit rotation radiating elements 100 are provided. . The actuator arrangement 2000 may include 16 unit actuators, and the space feeding structure arrangement 3000 may include 16 spatial electromagnetic coupling structures.

각 단위 회전 방사 소자(100)는 헬릭스 소자(110), 보조 구조체(120) 및 접지판(130)을 구비하고, 공간적 전자기 결합 구조물(300)은 상부 구조물(310) 및 하부 구조물(320)을 구비한다.Each unit rotation radiation element 100 includes a helix element 110 , an auxiliary structure 120 , and a ground plate 130 , and the spatial electromagnetic coupling structure 300 connects the upper structure 310 and the lower structure 320 . be prepared

또한, 배열 안테나(20B)는 단위 회전 방사 소자들(100) 각각을 소정 높이의 원형 측벽 내에 가두고 이들 사이의 이격 거리를 유지하기 위한 상부 지지프레임(150)을 더 구비할 수 있다.In addition, the array antenna 20B may further include an upper support frame 150 for confining each of the unit rotation radiating elements 100 within a circular sidewall of a predetermined height and maintaining a separation distance therebetween.

또한, 배열 안테나(20B)는 도 21에 도시한 바와 같이 공간 급전 구조체 배열(3000)의 외측 바닥면에 급전을 위한 마이크로스트립라인(337)을 구비할 수 있다. 마이크로스트립라인(337)은 전원공급장치 측에 연결되는 일단부(338)와 급전 공급부(330)에 연결되는 16개의 타단부들(337a)을 구비할 수 있다. 각 타단부(337a)에는 급전 공급부(330)의 타단부가 점 용접 등의 형태로 각각 연결될 수 있다.In addition, the array antenna 20B may include a microstrip line 337 for feeding power on the outer bottom surface of the space feeding structure array 3000 as shown in FIG. 21 . The microstrip line 337 may have one end 338 connected to the power supply side and 16 other ends 337a connected to the power supply unit 330 . The other end of the power supply unit 330 may be connected to each other end portion 337a in the form of spot welding or the like.

구동체 배열(2000)은 16개의 헬릭스 소자(110)의 급전 핀(112)이 각각 관통하는 16개의 관통홀이 배열될 수 있다. 구동체 배열은 각 관통홀 주위에 배치되는 회전자와, 회전자의 주변에 전자기 결합가능하게 배치되는 스테이터를 내장할 수 있다.In the actuator arrangement 2000 , 16 through-holes through which the feeding pins 112 of the 16 helix elements 110 pass may be arranged. The actuator arrangement may contain a rotor disposed around each through-hole, and a stator disposed electromagnetically coupled around the rotor.

공간 급전 구조체 배열(3000)은 16개의 공간적 전자기 결합 구조물을 위한 상부 구조물 배열(3100)과 하부 구조물 배열(3200)을 구비할 수 있다. 상부 구조물 배열(3100)에는 16개의 헬릭스 소자(110)의 급전 핀(112)이 각각 관통하는 16개의 관통홀이 배열될 수 있다.The spatial feeding structure arrangement 3000 may have an upper structure arrangement 3100 and a lower structure arrangement 3200 for 16 spatial electromagnetic coupling structures. In the upper structure arrangement 3100 , 16 through-holes through which the feeding pins 112 of the 16 helix elements 110 pass may be arranged.

상부 구조물 배열(3100)와 하부 구조물 배열(3200) 사이에는 16개의 단위 회전 방사 소자들(100) 각각에 공간적 전자기 결합을 위해 16개의 단위 급전 공간들이 배열될 수 있다. 그리고 각 단위 급전 공간에는 하부 급전 핀에 대응하는 급전 공급부(330)가 급전 분위기에서 상부 급전 핀에 대응하는 헬릭스 소자(110)의 급전 핀(112)에 공간적으로 전자기 결합될 수 있도록 배치되어 있다.Between the upper structure arrangement 3100 and the lower structure arrangement 3200 , 16 unit feeding spaces may be arranged for spatial electromagnetic coupling to each of the 16 unit rotation radiating elements 100 . And in each unit feeding space, the feeding supply unit 330 corresponding to the lower feeding pin is disposed to be spatially electromagnetically coupled to the feeding pin 112 of the helix element 110 corresponding to the upper feeding pin in the feeding atmosphere.

본 실시예에 의하면, 도 25에 도시한 바와 같이 16개의 개별 회전 방사 소자들을 이용하는 이차원 수동 위상 배열 안테나(20B)는 임의의 방향으로 방사 패턴(B1)을 성형하면서 빔 스캐닝을 수행할 수 있다.According to this embodiment, as shown in FIG. 25 , the two-dimensional passive phased array antenna 20B using 16 individual rotating radiation elements can perform beam scanning while shaping the radiation pattern B1 in an arbitrary direction.

도 26은 본 발명의 제7 실시예에 따른 배열 안테나에 대한 사시도이다. 도 27은 도 26의 배열 안테나의 저면측 사시도이다. 도 28은 도 26의 배열 안테나의 정면도이다. 도 29는 도 28의 배열 안테나의 횡단면도이다. 그리고 도 30은 도 26의 배열 안테나의 빔 스캐닝 작동 상태에 대한 예시도이다.26 is a perspective view of an array antenna according to a seventh embodiment of the present invention. FIG. 27 is a bottom side perspective view of the array antenna of FIG. 26; 28 is a front view of the array antenna of FIG. 26 . 29 is a cross-sectional view of the array antenna of FIG. 28 . And FIG. 30 is an exemplary view of a beam scanning operation state of the array antenna of FIG. 26 .

도 26을 참조하면, 본 실시예에 따른 배열 안테나(20C)는 37개의 단위 회전 방사 소자들(100), 37개의 단위 회전 방사 소자들(100)을 개별적으로 혹은 적어도 하나 이상의 그룹으로 구동하기 위한 구동체 배열, 및 단위 회전 방사 소자들(100) 각각에 RF 신호를 전달하는 공간 급전 구조체 배열을 구비한다. 구동체 배열은 37개의 단위 구동체들을 구비할 수 있고, 공간 급전 구조체 배열은 37개의 공간적 전자기 결합 구조물이나 전자기 결합을 위한 내부 공간들을 구비할 수 있다.Referring to FIG. 26 , the array antenna 20C according to the present embodiment is configured to drive 37 unit rotation radiating elements 100 and 37 unit rotation radiating elements 100 individually or as at least one or more groups. A space feeding structure arrangement for transmitting an RF signal to each of the actuator arrangement and the unit rotation radiating elements 100 is provided. The actuator arrangement may have 37 unit actuators, and the space feeding structure arrangement may have 37 spatial electromagnetic coupling structures or internal spaces for electromagnetic coupling.

또한, 배열 안테나(20C)는 단위 회전 방사 소자들(100) 각각을 소정 높이의 원형 측벽 내에 가두고 이들 사이의 이격 거리를 유지하기 위한 지지프레임(350)을 더 구비할 수 있다.In addition, the array antenna 20C may further include a support frame 350 for confining each of the unit rotation radiating elements 100 within a circular sidewall of a predetermined height and maintaining a separation distance therebetween.

지지프레임(350)은 구동체 배열과 공간적 전자기 결합 구조물과 일체로 형성될 수 있고, 추가로 급전을 위한 마이크로스트립라인을 내장할 수 있으나, 이에 한정되지는 아니하고, 단일 급전 공급부를 통해 37개의 단위 회전 방사 소자들(100)에 급전하도록 구성될 수 있다.The support frame 350 may be formed integrally with the actuator arrangement and the spatial electromagnetic coupling structure, and may additionally include a microstrip line for feeding, but is not limited thereto, and 37 units through a single feeding unit It may be configured to feed the rotating radiating elements 100 .

또한, 지지프레임(350)은, 도 27 내지 29에 도시한 바와 같이, 그 바닥면에는 급전 공급부(330a)의 일단이 노출되고, 지지프레임(350)의 바닥에서 지지프레임(350)과 급전 공급부(330a) 사이에는 외부 유전체(340)가 배치될 수 있다. 급전 공급부(330a)는 지지프레임(350) 내부의 전자기 결합 공간에 37개의 단위 회전 방사 소자들(100)의 급전 핀들(112)과 함께 노출되어 급전 시 전자기 결합될 수 있다.In addition, the support frame 350, as shown in FIGS. 27 to 29, one end of the feed supply unit 330a is exposed on the bottom surface thereof, and the support frame 350 and the power supply supply unit at the bottom of the support frame 350 . An external dielectric 340 may be disposed between the 330a. The feed supply unit 330a is exposed together with the feed pins 112 of the 37 unit rotation radiating elements 100 in the electromagnetic coupling space inside the support frame 350 to be electromagnetically coupled during power feeding.

또한 지지프레임(350)은 구동체 배열의 기능을 겸비하며, 37개의 헬릭스 소자(110)의 급전 핀(112)이 각각 관통하는 37개의 관통홀을 구비할 수 있다. 지지프레임(350)은 각 관통홀 주위에 배치되는 회전자와, 회전자의 주변에 전자기 결합가능하게 배치되는 스테이터를 내장할 수 있다.In addition, the support frame 350 has a function of a driving body arrangement, and may include 37 through-holes through which the feeding pins 112 of the 37 helix elements 110 pass through, respectively. The support frame 350 may include a rotor disposed around each through hole, and a stator disposed to be electromagnetically coupled around the rotor.

배열 안테나(20C)에 있어서, 회전체와 비회전체 사이에는 이들 사이의 이격 또는 전기적인 분리를 위한 이격프레임(160)이 삽입 설치될 수 있다. 이격프레임(160)은 37개의 단위 회전 방사 소자들(100) 각각의 측면을 둘러싸도록 독립적으로 설치되거나, 서로 연결되어 그물 또는 망(network) 형태를 구비할 수 있다.In the array antenna 20C, a spacing frame 160 for spacing or electrical separation between the rotating body and the non-rotating body may be inserted and installed. The spacing frame 160 may be independently installed to surround each side of the 37 unit rotation radiation elements 100, or may be connected to each other to have a net or network shape.

본 실시예에 의하면, 도 30에 도시한 바와 같이 37개의 개별 회전 방사 소자들을 이용하는 이차원 수동 위상 배열 안테나(20C)는 임의의 방향으로 방사 패턴(B2)을 성형하면서 빔 스캐닝을 수행할 수 있다.According to this embodiment, as shown in FIG. 30 , the two-dimensional passive phased array antenna 20C using 37 individual rotating radiation elements can perform beam scanning while shaping the radiation pattern B2 in an arbitrary direction.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although it has been described with reference to the above embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. will be able

100 : 단위 회전 방사 소자(회전체)
110 : 헬릭스 소자
120 : 보조 구조체(유전체)
130 : 접지판(도체)
200 : 단위 구동체(비회전체)
300 : 공간적 전자기 결합 구조물(비회전체)
310 : 공간적 전자기 결합 구조물의 상부 구조물
320 : 공간적 전자기 결합 구조물의 하부 구조물
330 : 동축 급전되는 급전 핀 또는 상부 급전 핀
340 : 오프셋(off-set)되어 동축 급전되는 급전 공급부 또는 하부 급전 핀
345 : 동축 급전의 외부 유전체
400 : 안테나 제어 유니트
500 : 전원 공급 유니트
600 : 센서 유니트
1000 : 일차원적 또는 이차원적으로 배열된 다수개의 방사 배열
2000 : 단위 구동체 배열
3000 : 단위 공간 급전 구조체 배열
4000 : 단순 저손실 급전 회로망
5000 : 안테나 주변 유니트100: unit rotation radiating element (rotating body)
110: helix element
120: auxiliary structure (dielectric)
130: ground plate (conductor)
200: unit driving body (non-rotating body)
300: spatial electromagnetic coupling structure (non-rotating body)
310: superstructure of spatial electromagnetic coupling structure
320: substructure of spatial electromagnetic coupling structure
330: coaxially fed feed pin or upper feed pin
340: offset (off-set) and coaxial feed feed supply or lower feed pin
345: outer dielectric of coaxial feeding
400: antenna control unit
500: power supply unit
600: sensor unit
1000: one-dimensional or two-dimensional array of a plurality of radiation arrays
2000: unit actuator arrangement
3000: unit space feeding structure arrangement
4000: simple low-loss feed network
5000: Antenna peripheral unit

Claims (20)

유전체로 이루어진 보조 구조체;
보조 구조체의 측면 나선형 홈에 삽입되는 헬릭스 소자;
상기 보조 구조체의 하부면에 결합하는 접지판;
상기 접지판이 안착되는 개구부를 구비하고 상기 접지판과 함께 상기 헬릭스 소자가 삽입되어 있는 보조 구조체를 회전시키는 단위 구동체; 및
상기 단위 구동체의 하부에 결합하고 상기 헬릭스 소자의 일단에 연결되는 제1 급전 핀이 상기 접지판의 중심을 관통하여 상부면에서 삽입되고, 급전 시에 상기 제1 급전 핀과 전자기 결합하는 제2 급전 핀이 상기 상부면과 내부 공간을 사이에 두고 이격된 하부면을 관통하여 삽입되는 공간적 전자기 결합 구조물;
을 포함하는 개별 회전형 방사 소자.an auxiliary structure made of a dielectric;
a helix element inserted into the side spiral groove of the auxiliary structure;
a ground plate coupled to the lower surface of the auxiliary structure;
a unit driving body having an opening in which the ground plate is seated and rotating the auxiliary structure in which the helix element is inserted together with the ground plate; and
A first feed pin coupled to the lower portion of the unit driving body and connected to one end of the helix element is inserted from the upper surface through the center of the ground plate, and a second feed pin electromagnetically coupled to the first feed pin during power feeding a spatial electromagnetic coupling structure in which the feeding pin is inserted through the lower surface spaced apart from the upper surface and the inner space therebetween;
An individual rotating radiating element comprising a. 청구항 1에 있어서,
상기 제2 급전 핀은 상기 제1 급전 핀의 말단부를 둘러싸는 중공 원통 형태를 구비하는, 개별 회전형 방사 소자.The method according to claim 1,
and the second feed pin has a hollow cylindrical shape surrounding the distal end of the first feed pin. 청구항 1에 있어서,
상기 제2 급전 핀은 급전 시에 상기 제1 급전 핀의 말단부와 전자기 결합하도록 일정 간격 이격되어 일측에 배치되는, 개별 회전형 방사 소자.The method according to claim 1,
The second feeding pin is an individual rotatable radiating element, which is disposed on one side spaced apart from each other by a predetermined distance so as to be electromagnetically coupled to the distal end of the first feeding pin during power feeding. 청구항 1에 있어서,
상기 공간적 전자기 결합 구조물은 그 상부면 상에 설치되는 하부 요철부를 구비하며, 상기 요철부는 상기 보조 구조체의 개구부 내에서 상기 접지판의 하부의 상부 요철부와 일정 간격 이격되어 맞춰지거나 삽입 결합되는, 개별 회전형 방사 소자.The method according to claim 1,
The spatial electromagnetic coupling structure has a lower concave-convex portion installed on its upper surface, and the concave-convex portion is spaced apart from the upper concave-convex portion of the lower portion of the ground plate within the opening of the auxiliary structure to be spaced apart from each other or inserted and coupled. Rotating radiating element. 청구항 4에 있어서,
상기 간격은 상하 접지 면들의 간격으로 낮은 손실의 무선주파수 신호의 전달을 위한 용량성 전자기 결합의 설계 변수로써 설계 주파수 대역에 따라 결정되는, 개별 회전형 방사 소자.5. The method according to claim 4,
The spacing is determined according to the design frequency band as a design parameter of the capacitive electromagnetic coupling for the transmission of low-loss radio-frequency signals to the spacing of the upper and lower ground planes, the individual rotational radiating element. 청구항 1에 있어서,
상기 헬릭스 소자의 직경은 상기 보조 구조체의 직경과 동일하고 상기 접지판의 직경보다 작은, 개별 회전형 방사 소자.The method according to claim 1,
and a diameter of the helix element is equal to a diameter of the auxiliary structure and smaller than a diameter of the ground plate. 청구항 6에 있어서,
상기 헬릭스 소자의 높이는 상기 헬릭스 소자의 직경보다 크고 상기 접지판의 직경보다 작은, 개별 회전형 방사 소자.7. The method of claim 6,
A height of the helix element is greater than a diameter of the helix element and less than a diameter of the ground plate. 청구항 1에 있어서,
상기 공간적 전자기 결합 구조물의 내부 공간의 크기와 상기 제1 급전 핀과 상기 제2 급전 핀 간의 결합 길이 및 간격은, 설계 주파수 대역에 따라 결정되는, 개별 회전형 방사 소자.The method according to claim 1,
The size of the inner space of the spatial electromagnetic coupling structure and the coupling length and spacing between the first feeding pin and the second feeding pin are determined according to a design frequency band. 서로 이격 배열되는 복수의 단위 방사 소자들;
상기 복수의 단위 방사 소자들 각각을 지지하는 구동체 배열; 및
상기 복수의 단위 방사 소자들과 공간적 전자기 결합하는 공간 급전 구조체 배열;을 포함하며,
상기 복수의 단위 방사 소자들 각각은, 유전체로 이루어진 보조 구조체, 상기 보조 구조체의 측면 나선형 홈에 삽입되는 헬릭스 소자, 및 상기 보조 구조체의 하부면에 결합하는 접지판을 구비하고,
상기 구동체 배열은 상기 접지판이 안착되는 개구부를 구비하고 상기 접지판과 함께 상기 헬릭스 소자가 삽입되어 있는 상기 보조 구조체를 회전시키는 단위 구동체 복수개를 구비하며,
상기 공간 급전 구조체 배열은 상기 구동체 배열의 하부에 결합하고 상기 헬릭스 소자의 일단에 연결되는 제1 급전 핀이 상기 접지판의 중심을 관통하여 상부면에서 삽입되고, 급전 시에 상기 제1 급전 핀과 전자기 결합하는 제2 급전 핀이 상기 상부면과 내부 공간을 사이에 두고 이격된 하부면을 관통하여 삽입되는 적어도 하나 이상의 공간적 전자기 결합 구조물을 구비하는, 배열 안테나.a plurality of unit radiating elements arranged to be spaced apart from each other;
an array of actuators supporting each of the plurality of unit radiating elements; and
Including; a space feeding structure arrangement for spatial electromagnetic coupling with the plurality of unit radiation elements;
Each of the plurality of unit radiating elements includes an auxiliary structure made of a dielectric, a helix element inserted into a side spiral groove of the auxiliary structure, and a ground plate coupled to a lower surface of the auxiliary structure,
The actuator arrangement includes an opening in which the ground plate is seated, and a plurality of unit actuators for rotating the auxiliary structure in which the helix element is inserted together with the ground plate,
In the space feeding structure arrangement, a first feeding pin coupled to a lower portion of the driving body arrangement and connected to one end of the helix element is inserted from the upper surface through the center of the ground plate, and when power is fed, the first feeding pin An array antenna comprising at least one spatial electromagnetic coupling structure in which a second feeding pin electromagnetically coupled to the upper surface is inserted through the lower surface spaced apart from the upper surface and the inner space therebetween. 청구항 9에 있어서,
상기 제2 급전 핀은 상기 제1 급전 핀의 말단부를 둘러싸는 중공 원통 형태를 구비하는, 배열 안테나.10. The method of claim 9,
The second feeding pin has a hollow cylindrical shape surrounding the distal end of the first feeding pin, the array antenna. 청구항 9에 있어서,
상기 제2 급전 핀은 급전 시에 상기 제1 급전 핀의 말단부와 전자기 결합하도록 일정 간격 이격되어 일측에 배치되는, 배열 안테나.10. The method of claim 9,
The second feeding pin is disposed on one side spaced apart from each other by a predetermined distance so as to be electromagnetically coupled to the distal end of the first feeding pin during power feeding. 청구항 9에 있어서,
상기 공간적 전자기 결합 구조물은 그 상부면 상에 설치되는 하부 요철부를 구비하며, 상기 요철부는 상기 보조 구조체의 개구부 내에서 상기 접지판의 하부의 상부 요철부와 일정 간격 이격되어 맞춰지거나 삽입 결합되는, 배열 안테나.10. The method of claim 9,
The spatial electromagnetic coupling structure has a lower concave and convex portion installed on its upper surface, and the concave and convex portion is spaced apart from the upper concave and convex portion of the lower portion of the ground plate within the opening of the auxiliary structure to be spaced apart from each other or inserted and coupled. antenna. 청구항 12에 있어서,
상기 간격은 상하 접지 면들의 간격으로 낮은 손실의 무선주파수 신호의 전달을 위한 용량성 전자기 결합의 설계 변수로써 설계 주파수 대역에 따라 결정되는, 배열 안테나.13. The method of claim 12,
The spacing is determined according to a design frequency band as a design parameter of the capacitive electromagnetic coupling for the transmission of low-loss radio frequency signals to the spacing of the upper and lower ground planes. 청구항 9에 있어서,
상기 헬릭스 소자의 직경은 상기 보조 구조체의 직경과 동일하고 상기 접지판의 직경보다 작은, 배열 안테나.10. The method of claim 9,
A diameter of the helix element is equal to a diameter of the auxiliary structure and smaller than a diameter of the ground plate. 청구항 14에 있어서,
상기 헬릭스 소자의 높이는 상기 헬릭스 소자의 직경보다 크고 상기 접지판의 직경보다 작은, 배열 안테나.15. The method of claim 14,
A height of the helix element is greater than a diameter of the helix element and smaller than a diameter of the ground plate. 청구항 9에 있어서,
상기 공간적 전자기 결합 구조물의 내부 공간의 크기와 상기 제1 급전 핀과 상기 제2 급전 핀 간의 결합 길이 및 간격은, 설계 주파수 대역에 따라 결정되는, 배열 안테나.10. The method of claim 9,
The size of the internal space of the spatial electromagnetic coupling structure and the coupling length and spacing between the first feeding pin and the second feeding pin are determined according to a design frequency band. 청구항 9에 있어서,
상기 공간 급전 구조체 배열에 결합하는 급전 회로망을 더 포함하며, 상기 급전 회로망은 배열 안테나 개구면의 진폭 제어를 위한 개구면 테이퍼링을 구비하는, 배열 안테나.10. The method of claim 9,
and a feed network coupled to the spatial feed structure arrangement, wherein the feed network has aperture tapering for amplitude control of the array antenna aperture. 청구항 17에 있어서,
상기 구동체 배열 및 상기 급전 회로망에 연결되는 안테나 주변 유니트를 더 포함하며, 상기 안테나 주변 유니트는 미리 계산된 기계적 위상 제어 데이터에 기초하여 상기 구동체 배열 내 복수의 단위 구동체의 동작을 개별 제어하는 안테나 제어 유니트를 구비하는, 배열 안테나.18. The method of claim 17,
and an antenna peripheral unit connected to the actuator array and the power supply network, wherein the antenna peripheral unit individually controls the operation of a plurality of unit actuators in the actuator array based on pre-calculated mechanical phase control data An array antenna comprising an antenna control unit. 청구항 18에 있어서,
상기 안테나 주변 유니트는 개방 루프 제어용 센서 유니트를 더 포함하고, 상기 센서 유니트에서 검출되는 신호는 상기 안테나 제어 유닛에 전달되는, 배열 안테나.19. The method of claim 18,
The antenna peripheral unit further includes a sensor unit for open loop control, and a signal detected by the sensor unit is transmitted to the antenna control unit. 청구항 9에 있어서,
상기 공간 급전 구조체 배열은 상기 제1 급전 핀 복수개와 상기 제2 급전 핀 하나가 전자기 결합하는 하나의 내부 공간을 구비하는, 배열 안테나.10. The method of claim 9,
The space feeding structure array comprises a single inner space in which the plurality of first feeding pins and one of the second feeding pins are electromagnetically coupled.
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