KR20220079250A - 근거리장 측정을 위한 도파관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근거리장 측정을 위한 도파관에 관한 것으로, 소정의 길이를 가지며 일단이 개구된 제1 유전체부 및 일단이 상기 제1 유전체부의 일단과 결합되며, 타단에 다수의 직육면체 막대 구조를 가진 유전체 로드가 형성되는 제2 유전체부를 포함한다.

Description

근거리장 측정을 위한 도파관{WAVEGUIDE FOR NEAR FIELD MEASUREMENT}

본 발명은 근거리장 측정을 위한 도파관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낮은 산란 특성을 구현하기 위한 근거리장 프로브에 관한 것이다.

일반적인 원거리장 측정에서는 프로브와 피측정안테나 사이의 거리가 멀기 때문에 높은 이득 특성을 갖는 혼 안테나 같은 프로브를 사용한다.

이와 달리, 근거리장 측정에서는 높은 이득 프로브는 피측정 안테나와의 다중반사 문제를 심화시킬 가능성이 존재할 뿐만 아니라 근거리장 프로브의 시야각 측면에서도 불리하기 때문에 주로 OEWG(open-ended waveguide) 프로브를 사용하였다.

하지만, OEWG 프로브도 주파수 대비 큰 개구면 및 금속 가공 한계로 인해 산란 문제에서 자유로울 수 없다. 또한 OEWG 프로브의 큰 개구면은 산란 문제뿐 아니라, 근거리장 측정 시 높은 해상도를 얻을 수 없다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0016901호(2016.02.15)

본 발명은 상술한 문제점과 필요에 따라 직육면체 막대 구조를 가진 유전체 로드(rod)를 적용하여 도파관의 개구면을 소형화함으로써 산란 특성을 최소화시키는 근거리장 측정을 위한 도파관을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관은 소정의 길이를 가지며 일단이 개구된 제1 유전체부 및 일단이 상기 제1 유전체의 일단과 결합되며, 타단에 다수의 직육면체 막대 구조를 가진 유전체 로드가 형성되는 제2 유전체부를 포함한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상기 제1 유전체는 은 코팅될 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상기 제1 유전체부는 알루미늄 재질로 구현될 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상기 제1 유전체의 타단에는 계단 형상의 도파관-동축선 변환부가 형성될 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상기 유전체 로드는 다수의 직육면체 막대가 상기 제2 유전체의 타단을 향해 서로 다른 높이를 가질 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상기 유전체 로드는 다수의 직육면체 막대가 8X8의 격자구조를 가질 수 있다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 상기 유전체 로드는 다수의 직육면체 막대가 동일한 평면상의 사분면에서 대칭되는 구조를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 산란 특성을 감소시키며 5G sub-6 GHz 대역에서의 근거리장 측정의 정확성을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 근거리장 측정 시 높은 해상도를 획득할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 도파관-동축선 변환부를 설명하기 위해 도시한 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 유전체의 격자구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관의 성능을 분석하기 위한 비교대상의 도파관을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관에 대한 반사계수 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관의 산란파 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관에 은 코팅이 적용된 경우의 반사계수 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관의 복사패턴 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명 및 종래의 근거리장 도파관에 대하여 가상의 평면 근거리장 스캔을 수행하기 위한 환경을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8a 내지 도 8c의 가상 환경에 따른 VSWR 특성을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 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.

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.

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 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 도파관-동축선 변환부를 설명하기 위해 도시한 평면도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 유전체의 격자구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관(100)은 유전체가 채워진 제1 유전체부(110)와 제2 유전체부(120)가 결합된 형태로 구성될 수 있다.

제1 유전체부(110)는 소정의 길이를 가지며 내부에 전극 프로브(probe)가 마련될 수 있다. 이때, 프로브를 보호하기 위하여 제1 유전체부(110)의 내부에는 소정의 유전율을 가지는 유전체가 포함될 수 있다.

일 실시예로, 근거리장 측정에서 발생하는 산란 특성을 완화시키기 위해 얇은 두께의 금속을 가공하여 도파관을 제작하는 것이 바람직하다. 즉, 금속 가공을 이용한 도파관 제작에 있어서 금속의 두께가 최소 1~2mm가 되어야 하는데, 이는 프로브의 산란 특성을 강화시키는 문제를 야기하게 된다. 이러한 금속의 두께로 인한 산란 특성을 최소화시키기 위해 본 발명에서는 제1 유전체부(110)는 은 코팅될 수 있다.

다른 실시예로, 근거리장 측정에서 발생하는 산란 특성을 완화시키기 위해 높은 유전율을 가지는 재질을 사용하여 도파관을 제작하는 것이 바람직하다. 예컨대, 본 발명에서는 제1 유전체부(110)가 알루미늄 재질로 구현될 수 있으며, 상세하게는 제1 유전체부(110)의 내부에 알루미늄 재질이 적용될 수 있다.

제1 유전체부(110)는 일단이 개구되되 타단이 폐쇄된 형태로 구현될 수 있다.

제1 유전체부(110)는 폐쇄된 타단으로부터 전기 에너지를 공급받아 개구된 일단으로 공급받은 전기 에너지를 방사시킴으로써 안테나의 근거리장 측정을 수행할 수 있다.

이때, 제1 유전체부(110)의 타단에는 전력 공급원으로부터 전기 에너지를 공급받아 도파관으로 전달하기 위한 도파관-동축선 변환부(115)가 형성될 수 있다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 도파관-동축선 변환부(115)는 계단 형상으로 구현됨에 따라 급전에 용이할 수 있다. 참고로, 도파관-동축선 변환부(115)의 하부에는 동축 커넥터가 연결될 수 있다.

한편, 근거리장 측정 시 발생하는 다중 반사 문제를 최소화하고자 제1 유전체부(110)의 일단의 개구면을 소형화시킬 필요가 있다. 이를 위해, 제1 유전체부(110)의 일단에는 제2 유전체부(120)가 결합될 수 있다.

제2 유전체부(120)는 내부에 제1 유전체부(110)와 동일한 유전율을 가지는 유전체가 포함될 수 있다.

제2 유전체부(120)는 일단이 제1 유전체부(110)의 일단과 결합되며, 타단에 다수의 직육면체 막대 구조를 가진 유전체 로드(125)(rod)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 유전체부(120)는 제1 유전체부(110)의 개방된 부분에 결합되어 유전체 로드(125)를 통해 외부로 전기 에너지를 방사시킬 수 있다.

여기서, 유전체 로드(125)가 다수의 직육면체 막대 구조를 가짐으로써 도파관의 개구면 감소를 유도할 수 있고 산란 특성을 최소화시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다.

일 실시예로, 유전체 로드(125)는 다수의 직육면체 막대가 제2 유전체부(120)의 타단을 향해 서로 다른 높이를 가질 수 있다. 즉, 유전체 로드(125)는 다수의 직육면체 막대를 통해 돌출된 부분 또는 오목한 부분이 혼합된 형태로 구현될 수 있다. 이에, 안테나의 측정 주파수 대역에 따라 다수의 직육면체 막대의 높이가 상이하게 구현될 수 있다.

일 실시예로, 유전체 로드(125)는 다수의 직육면체 막대가 8X8의 격자구조를 가질 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 다수의 직육면체 막대가 8X8의 격자구조 내에서 단위 픽셀 형태로 구현됨에 따라 유전체 로드(125)를 형성할 수 있다. 참고로, 본 발명에서는 8X8의 격자구조로 한정하였으나, 이에 제한되지 않고 4X4 또는 6X6 등 다양한 형태의 격자구조로 구현될 수 있다.

일 실시예로, 유전체 로드(125)는 다수의 직육면체 막대가 동일한 평면상의 사분면에서 대칭되는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 다수의 직육면체 막대는 도 1의 x축을 기준으로 제1 사분면(Ⅰ)과 제4 사분면(Ⅳ), 제2 사분면(Ⅱ)과 제3 사분면(Ⅲ)이 대칭될 수 있고, 도 1의 y축을 기준으로 제1 사분면(Ⅰ)과 제2 사분면(Ⅱ), 제3 사분면(Ⅲ)과 제4 사분면(Ⅳ)이 대칭될 수 있고, 도 1의 대각축을 기준으로 제1 사분면(Ⅰ)과 제3 사분면(Ⅲ), 제2 사분면(Ⅱ)과 제4 사분면(Ⅳ)이 대칭될 수 있다.

이에 따라, 안테나의 근거리장 측정에서 발생 가능한 다중반사 문제를 효과적으로 저감시킬 수 있다.

참고로, 하기 [표 1]은 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관 제작 시 적용되는 최적화된 파라미터(단위: mm)를 나타난다.

도 3a 내지 3c는 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관의 성능을 분석하기 위한 비교대상의 도파관을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관의 반사계수 그래프이다.

본 발명에서는 도파관의 성능을 분석하기 위한 시뮬레이션을 진행하였으며, 시뮬레이션을 위한 도파관의 설계변수는 상기 [표 1]의 파라미터에 기반하였다. 본 발명의 성능을 분석하기 위해 3가지의 비교대상 도파관과 비교하였으며, 이는 각각 제2 유전체부가 제외된 OEWG 도파관(도 3a 참조), 원 형상의 제2 유전체부가 적용된 도파관(도 3b 참조) 및 피라미드 형상의 제2 유전체부가 적용된 도파관(도 3c 참조)에 해당한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 도파관 및 비교대상 도파관에 대해 시뮬레이션 된 반사계수 그래프로서 4자기 종류의 도파관 모두 sub-6 GHz 목표 대역인 3.4 ~ 3.7 GHz에서 -10 dB 이하의 반사계수 특성을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관의 산란파 특성을 나타낸 그래프이다.

본 발명에서는 도파관의 산란파 특성을 분석하기 위한 시뮬레이션을 진행하였으며, 시뮬레이션을 위한 도파관의 설계변수는 상기 [표 1]의 파라미터에 기반하였다. 본 발명의 산란파 특성을 분석하기 위한 비교대상 도파관은 도 3a 내지 도 3c의 도파관에 해당한다.

정면 방향(θi=0°)의 입사 평면파에 대한 프로브의 Bi-scattering RCS 특성을 비교하였으며, 구체적으로, 프로브에 반사되어 발생하는 산란파가 AUT 전면에 미치는 영향을 확인하기 위하여 다양한 평면에서의 Bi-scattering RCS 특성을 비교하였다. 참고로, 도 5a는 φ=0°평면에서의 산란파 특성을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 φ=45°평면에서의 산란파 특성을 나타낸 그래프이고, 도 5c는 φ=90°평면에서의 산란파 특성을 나타낸 그래프이다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 도파관의 정면방향에서 평면파가 입사할 경우 비교대상 도파관들에 비해 본 발명에서 제안하는 도파관의 RCS 수치가 명확하게 낮음을 확인할 수 있고, 낮은 RCS 수치는 해당 프로브의 산란파 특성이 매우 작음을 의미한다.

도 6은 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관에 은 코팅이 적용된 경우의 반사계수 그래프이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 도파관 중 제1 유전체부에 은 코팅이 적용된 경우의 반사계수는 3.4 ~ 3.7 GHz의 동작대역폭 내에서 -10 dB 이하의 반사계수 특성을 만족하며, 시뮬레이션 된 반사계수 특성과 거의 유사한 것을 확인할 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 근거리장 측정을 위한 도파관의 복사패턴 그래프이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 정면 방향의 이득 특성은 모든 주파수 대역에서 약 3.9 ~ 5.5 dBi의 특성을 보이며, co-pol 과 cross-pol의 차이는 -25 dB 이상으로 선형 편파 특성이 적절히 구현된 것을 확인할 수 있다. 또한, -90°<θ<90°복사패턴에서, null이 보이지 않음으로 근거리장 도파관의 역할을 수행한다고 할 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명 및 종래의 근거리장 도파관에 대하여 가상의 평면 근거리장 스캔을 수행하기 위한 환경을 도시한 도면이고, 도 9는 도 8a 내지 도 8c의 가상 환경에 따른 VSWR 특성을 나타낸 그래프이다.

본 발명의 도파관에 따른 산란 특성을 검증하기 위하여 가상의 평면 근거리장 스캔 시나리오를 수행하였다.

이를 위해, 도 8a에 도시된 바와 같이, 2.60 ~ 3.95 GHz에서 약 10 dBi의 이득을 갖는 표준 혼 안테나(narda 652-10)의 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 특성 변화를 살펴보고, 도 8b 및 도 8c에 도시된 바와 같이, OEWG WR-229 도파관과 본 발명의 도파관을 동일 거리(253.5mm(λ3.55 Ghz))에 두고 표준 혼 안테나의 VSWR 변화량을 살펴보았다. 참고로, WR-229는 5G sub-6 GHz 대역에서 사용될 수 있는 가장 작은 개구면을 갖는 OEWG이다.

도 9를 참조하면, 목표 주파수 대역인 3.4 ~ 3.7 GHz에서 표준 혼 안테나의 VSWR 대비 OEWG 도파관 보다 본 발명의 도파관에서의 VSWR 변동이 훨씬 적은 것을 확인할 수 있다. VSWR의 변화량을 평균적인 간섭레벨로 정의하였을 때, OEWG 도파관의 경우 약 -36.6 dB, 본 발명의 도파관의 경우 약 -43.9 dB의 값을 보인다고 할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 근거리장 측정을 위한 도파관
110 : 제1 유전체부
115 : 도파관-동축선 변환부
120 : 제2 유전체부
125 : 유전체 로드

Claims (7)

1. 소정의 길이를 가지며 일단이 개구된 제1 유전체부; 및
   일단이 상기 제1 유전체의 일단과 결합되며, 타단에 다수의 직육면체 막대 구조를 가진 유전체 로드가 형성되는 제2 유전체부
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 근거리장 측정을 위한 도파관.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 유전체부는 은 코팅되는 것을 특징으로 하는 근거리장 측정을 위한 도파관.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 유전체부는 알루미늄 재질로 구현되는 것을 특징으로 하는 근거리장 측정을 위한 도파관.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 유전체부의 타단에는 계단 형상의 도파관-동축선 변환부가 형성되는 것을 특징으로 하는 근거리장 측정을 위한 도파관.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 유전체 로드는 다수의 직육면체 막대가 상기 제2 유전체부의 타단을 향해 서로 다른 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 근거리장 측정을 위한 도파관.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 유전체 로드는 다수의 직육면체 막대가 8X8의 격자구조를 가지는 것을 특징으로 하는 근거리장 측정을 위한 도파관.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 유전체 로드는 다수의 직육면체 막대가 동일한 평면상의 사분면에서 대칭되는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 근거리장 측정을 위한 도파관.

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