KR20230113426A - 근거리 해양 레이더용 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 근거리 해양 레이더용 안테나에 관한 것으로서, 그 근거리 해양 레이더용 안테나는 근거리 해양 레이더용 안테나는 해양에서 충돌방지 대상인 외부 물체로 전파를 송출하는 복수의 송신용 안테나; 상기 외부 물체에 반사되어 입사되는 전파를 수신하는 복수의 수신용 안테나; 및 각각 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 하나씩 설치되며, 서로 다른 방향을 향하도록 서로 인접하여 직립 형태로 설치되는 복수의 금속판을 포함할 수 있고, 상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나는 상기 각 금속판에서 수직방향으로 상하 배치되고, 상기 송신용 안테나와 수신용 안테나의 격리도(isolation) 특성을 확보하기 위한 배플(baffle)들이 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나 상하에 설치되어 상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나를 전파 간섭과 잡음으로부터 분리시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 선박 충돌 방지에 필요한 기능만 탑재됨으로써 소형화로 제작될 수 있으며, 설치 및 운용이 용이하며, 소형 선박에 장착할 수 있는 레이더의 핵심 부품으로 사용될 수 있다.

Description

근거리 해양 레이더용 안테나 {Antenna for short-range marine radar}

본 발명은 안테나에 관한 것으로서, 특히 소형선박, 해상기상부이(Ocean data buoy), 자율항해선박 등에 적용 가능한, 근거리 해양 레이더용 안테나에 관한 것이다.

국내 운항 중인 대략 6만8천 척의 선박 중 95% 에 해당하는 약 6만5천 척은 소형 선박이다. 그리고 2019년을 기준으로 해양사고는 세월호 사고가 발생했던 2014년 대비 두 배로 폭증했고 (2014년 1,330건, 2018년 2,671건), 인명피해와 직결되는 배가 침몰하는 사고도 2014년 대비 2018년은 두 배로 크게 늘어났다. (2104년 19건, 2018년 38건)

해양관광레저 활동 인구가 증가하고 어선과 여객선의 연근해 선박 이용객이 증가하는 상황에서 선박 안전관리 강화에 대한 제도 정비가 지속적으로 권고되고 있으며, 특히 연안수역에서 발생된 사고의 비중이 해양선박사고의 90% 이고, 선박안전 관리강화에도 불구하고 대부분 연안에서 조업 또는 레저를 즐기는 소형 어선과 레저 보트의 해상 안전은 여전히 사각지대로 방치되고 있는 실정이다.

이에, 항해 시 주야간 또는 기상상태와 무관하게 주변에 운항중인 타선 또는 장애물을 탐지해서 충돌을 방지하기 위한 다양한 정보를 제공하는 장치가 필요하다.

선박용 레이더는 전파의 발산으로 인하여 물체에서 반사되는 반사파의 수신 신호를 관찰하여 항해자가 선박의 위치로부터 주변의 상황을 알 수 있도록 하는 선박항해 보조장비이다. 특히, 전파를 송신하여 물체에 의해 반사되는 신호를 받아 선박으로부터의 물체의 방향과 거리를 화면에 표시함으로써 안개 등으로 시계가 불량하거나 제한된 상황에서도 다른 선박과의 거리와 방위를 알 수 있어 충돌을 방지할 수 있다.

기존 선박용 레이더는 원거리 탐지 목적의 고출력 펄스 레이더가 대부분으로 구매 가격이 높고 유지비용 및 제품의 부피 등으로 대부분 중대형 선박에 설치되어 운용되고 있다. 특히 소형 선박의 주요 해상사고 원인 중 하나로 지목 받고 있는 충돌사고를 사전에 예방하기 위한 제품이 거의 없는 실정이다. 더욱이 종래 레이다는 영세한 어민들이 사용하기엔 불필요한 옵션(option)과 높은 가격으로 실제 해상 안전 확보의 주요 걸림돌로 작용하고 있다.

또한, 기존 선박 레이더의 주류는 마그네트론(magnetron) 방식의 수 KW 고출력 제품이 대부분으로 소형 선박에 사용하기가 쉽지 않다. 즉, 전파의 송신 및 수신을 위해 필요한 레이더 안테나는 선박의 선교나 그 주변에 형성된 수직형 지지대의 상부 설치되어 운용된다. 기존의 선박용 레이더에 적용되는 펄스 레이더의 핵심 부품인 마그네트론은 주기적인 점검 및 교환이 필요하여 이에 따른 유지 보수 비용이 발생하고, 높은 전력의 펄스 신호를 발생하기 때문에 소형 선박에서 사용할 경우 선박 내의 사람들에게 전파 피폭에 대한 문제가 야기될 수 있다. 따라서 종래의 선박용 레이더의 문제를 해소하면서 필요 기능만 탑재된 소형 선박에 장착할 수 있는 보급형 장비 개발에 대한 필요성이 절실하다.

등록특허공보 제10-1702114호, 2017.01.25)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 선박 충돌 방지에 필요한 기능만 탑재되고, 설치 및 운용이 용이하며 소형 선박에 장착할 수 있는 보급형 장비로서 근거리 선박충돌 감지 센서의 핵심 부품으로 사용될 수 있는, 근거리 해양 레이더용 안테나를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 의한 근거리 해양 레이더용 안테나는 해양에서 충돌방지 대상인 외부 물체로 전파를 송출하는 복수의 송신용 안테나; 상기 외부 물체에 반사되어 입사되는 전파를 수신하는 복수의 수신용 안테나; 및 각각 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 하나씩 설치되며, 서로 다른 방향을 향하도록 서로 인접하여 직립 형태로 설치되는 복수의 금속판을 포함할 수 있고, 상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나는 상기 각 금속판에서 수직방향으로 상하 배치되고, 상기 송신용 안테나와 수신용 안테나의 격리도(isolation) 특성을 확보하기 위한 배플(baffle)들이 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나 상하에 설치되어 상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나를 전파 간섭과 잡음으로부터 분리시킬 수 있다.

상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나 각각은 전송선로; 상기 전송선로의 일단에 배치되고, 에너지를 공급하여 상기 전송선로로 전달하는 급전부; 상기 전송선로의 타단에 배치되고, 접지(Ground)와 연결되는 접지부; 상기 전송선로와 연결되어 좌우 두 방향으로 분기되는 T형분기부; 상기 T형분기부의 좌쪽에 설치되며, 전파를 송수신하는 복수의 좌측 패치(Patch) 안테나; 상기 T형분기부의 우쪽에 설치되며, 전파를 송수신하는 복수의 우측 패치(Patch) 안테나; 일단은 상기 T형분기부 좌측 분기부와 연결되고, 타단은 상기 복수의 좌측 패치안테나와 연결되며, 안테나의 임피던스 매칭을 위해 구성된 좌측 임피던스 변환부; 및 일단은 상기 T형분기부 우측 분기부와 연결되고, 타단은 상기 복수의 우측 패치안테나와 연결되며, 안테나의 임피던스 매칭을 위해 구성된 우측 임피던스 변환부를 포함할 수 있다.

상기 좌측 임피던스변환부 및 우측 임피던스 변환부 각각은 일단이 상기 T형분기부의 좌측분기부 또는 우측분기부와 연결되는 직렬 임피던스 변환부; 및 상기 직렬 임피던스 변환부와 병렬 연결되는 복수의 병렬 임피던스 변환부를 포함할 수 있고, 상기 복수의 병렬 임피던스변환부는 병렬 임피던스변환부 각각이 상기 좌측 패치안테나 또는 우측 패치안테나와 일대일로 연결될 수 있다.

상기 병렬 임피던스 변환부는 일단이 상기 직렬 임피던스 변환부와 수직으로 연결되는 수직라인과 일단이 상기 좌측 패치안테나 또는 우측 패치안테나와 수평으로 연결되는 수평라인으로 이루어지는 기역('ㄱ')자 형태를 가지며, 상기 수직αα라인의 선폭으로 임피던스를 조절할 수 있다.

상기 복수의 금속판은 4개의 금속판으로 이루어지고, 상기 4개의 금속판은 직립하여 직육면체의 정면, 배면, 좌측면, 우측면에 각각 배치되고, 상기 송신용 안테나와 수신용 안테나 각각은 각각 4개의 패치 어레이 안테나 구조의 PCB기판 형태로 이루어질 수 있다.

상기 송신용 안테나와 수신용 안테나는 인쇄회로 기판(PCB)의 패턴 형태로 이루어지며, 상기 PCB의 배면은 그라운드(Ground)로 이루어지고, 상기 금속판에 접착될 수 있다.

본 발명에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나에 의하면, 기존의 기계식 회전을 사용하는 마그네트론 선박 레이다 제품과 달리 전자식 회전을 사용하며 Solid State Power Amplifier(SSPA) 형태의 시스템 구조에 최적화되어 소형 선박에 부합되는 소형화된 안테나이다. 즉, 선박 충돌 방지에 필요한 기능만 탑재됨으로써 소형화로 제작될 수 있으며, 설치 및 운용이 용이하며, 소형 선박에 장착할 수 있는 레이더의 핵심 부품으로 사용될 수 있다.

그리고 일반적으로 해양레이더는 수면 클러터 감소를 위해 수직 편파를 사용하지만, 본 발명에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나는 신호처리에서 자체 보정알고리즘을 통한 신호처리에서 주변의 타선 접근 또는 이동 물체를 명확하게 탐지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 선박레이더의 주류인 고출력 방식의 운용을 탈피하고 소형화 됨으로써 고출력 전자파로 인한 인체 피해를 최소화하고, 제작 및 설치 비용을 낮추는데 크게 기여할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 소형 선박에 사용이 용이한 근거리 선박충돌 감지센서의 주요 부품으로서, 멀티 어레이(Multi-array) 형상의 10dBi 이상의 고이득 특성을 갖고 복잡한 빔(Beam) 포밍 방식을 배제한 보급형의 방위각 탐지기술에 사용될 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 향후 자율운항선박에서도 근거리 선박충돌 감지 센서에 이용될 수 있고, 소형 선박 뿐만 아니라 레저보트, 해상기상부이(Ocean data buoy)에도 설치되어 고정된 부이(Buoy)와 선박 간의 충돌사고시 사고 전후를 본 발명에 의한 안테나가 장착된 충돌감지 장비와 영상기록장치 조합을 통해 확장성을 제공할 수도 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 레이더용 안테나가 충돌감지 센서로 적용될 수 있는 소형선박에서의 운용 환경을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나의 주요 부품인 마이크로스트립 안테나 형태의 송신용 안테나 및 수신용 안테나를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나의 송신용 안테나 및 수신용 안테나의 PCB 패턴을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나에서 송신용 안테나와 수신용 안테나의 격리도 특성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나가 사용될 수 있는 레이더 시스템의 구성을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양 레이더용 안테나가 충돌감지 센서로 기능할 수 있는 소형 선박에서의 운용 환경을 나타낸 것으로서, 도 1a는 충돌감지 센서로 기능하는 해양 레이더(110)가 소형선박에 설치되고, 중형선박과 대형선박이 충돌 가능할 정도로 가까이 있는 것을 나타내는 측면도(side view)이고, 도 1b는 소형선박에 설치된 해양 레이더(110)가 근처에 있는 중형선박과 대형선박을 탐지하는 것을 평면도(top view)로 나타내고 있다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형선박에 적용가능한 해양 레이더용 안테나는 해상에서 근거리 선박 충돌 감지용 센서 기능을 할 수 있는 소형 선박용 레이더에 사용될 수 있으며, 소형 선박용 레이더는 소형 선박에서 ECS(Electronic chart system)에 이용될 수 있고 단독 운용도 가능하다.

본 발명에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나는 복수의 송신용 안테나, 복수의 수신용 안테나 및 복수의 금속판을 포함하여 이루어진다.

복수의 송신용 안테나는 해양에서 충돌방지 대상인 외부 물체로 전파를 송출하며, 복수의 수신용 안테나는 상기 외부 물체에 반사되어 입사되는 전파를 수신한다.

그리고 복수의 금속판 서로 다른 방향을 향하도록 서로 인접하여 직립 형태로 설치되며, 금속판 각각은 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 하나씩 설치된다. 금속판의 개수는 4개, 5개, 6개 등으로 확장될 수 있다.

상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나는 상기 각 금속판에서 수직방향으로 상하 배치되고, 상기 송신용 안테나와 수신용 안테나의 격리도(isolation) 특성을 확보하기 위한 배플(baffle)들이 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나 상하에 설치되어 상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나를 전파 간섭과 잡음으로부터 분리시킨다.

상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나 각각은 전송선로, 급전부, 접지부, T형분기부, 복수의 좌측 패치 안테나, 복수의 우측 패치 안테나, 좌측 임피던스 변환부 및 우측 임피던스 변환부를 포함하여 이루어진다.

급전부는 상기 전송선로의 일단에 배치되고, 에너지를 공급하여 상기 전송선로로 전달한다. 접지부는 상기 전송선로의 타단에 배치되고, 접지(Ground)와 연결된다. 상기 T형분기부는 상기 전송선로와 연결되어 좌우 두 방향으로 분기된다.

복수의 좌측 패치(Patch) 안테나는 상기 T형분기부의 좌쪽에 설치되며, 전파를 송수신하고, 복수의 우측 패치(Patch) 안테나는 상기 T형분기부의 우쪽에 설치되며, 전파를 송수신한다.

상기 좌측 임피던스 변환부는 일단이 상기 T형분기부 좌측 분기부와 연결되고, 타단이 상기 복수의 좌측 패치안테나와 연결되며, 안테나의 임피던스 매칭을 위해 구성된다. 상기 우측 임피던스 변환부는 일단이 상기 T형분기부 우측 분기부와 연결되고, 타단은 상기 복수의 우측 패치안테나와 연결되며, 안테나의 임피던스 매칭을 위해 구성되어 있다.

상기 좌측 임피던스변환부 및 우측 임피던스 변환부 각각은 직렬 임피던스 변환부 및 복수의 병렬 임피던스 변환부를 구비한다. 상기 직렬 임피던스 변환부는 일단이 상기 T형분기부의 좌측분기부 또는 우측분기부와 연결되며, 상기 복수의 병렬 임피던스 변환부는 상기 제1임피던스 변환부와 병렬 연결된다. 그리고 상기 복수의 병렬 임피던스변환부는 병렬 임피던스변환부 각각이 상기 좌측 패치안테나 또는 우측 패치안테나와 일대일로 연결된다. 본 발명에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나는 T형 분기부의 좌우측 암(arm)을 통해 패치 안테나를 필요에 따라 추가할 수 있다. 이 때, 직렬 임피던스 변환부에 병렬로 연결되는 병렬 임피던스 변환부도 추가되는 패치안테나와 일대일로 추가되어 연결됨으로써 임피던스 매칭을 한다.

상기 병렬 임피던스 변환부는 일단이 상기 직렬 임피던스 변환부와 수직으로 연결되는 수직라인과 일단이 상기 좌측 패치안테나 또는 우측 패치안테나와 수평으로 연결되는 수평라인으로 이루어지는 기역('ㄱ')자 형태를 가지며, 상기 수직αα라인의 선폭으로 임피던스를 조절할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나의 사시도로서, 4개의 송신용 안테나, 4개의 수신용 안테나 및 4개의 금속판으로 이루어진다.

4개의 사각형 형태의 금속판(230, 232, 234, 236)은 직립하여 직육면체의 정면에 위치한 금속판(230), 배면에 위치한 금속판(234), 우측면에 위치한 금속판(232), 좌측면에 위치한 금속판(236)을 이루어진다.

4개의 금속판(230, 232, 234, 236)은 서로 다른 방향, 즉 직육면체의 정면, 배면, 좌측면, 우측면을 이루도록 서로 인접하여 직립 형태로 설치되며, 금속판 각각에는 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 하나씩 설치된다. 즉, 정면에 배치된 금속판(230)에는 송신용 안테나(210) 및 수신용 안테나(220)이 설치되고, 우측면에 배치된 금속판(232)에는 송신용 안테나(212) 및 수신용 안테나(222)이 설치된다. 마찬가지로, 도시되어 있지는 않으나 배면에 배치된 금속판(234)에는 송신용 안테나(214) 및 수신용 안테나(224)이 설치되고, 좌측면에 배치된 금속판(236)에는 송신용 안테나(216) 및 수신용 안테나(226)이 설치된다.

4개의 송신용 안테나(210, 212, 214, 216)는 해양에서 충돌방지 대상인 외부 물체로 전파를 송출하며, 정면에 위치한 송신용안테나(210), 우측면에 위치한 송신용 안테나(212), 배면에 위치한 송신용 안테나(214) 및 좌측면에 위치한 송신용 안테나(216)로 이루어진다.

4개의 수신용 안테나(220, 222, 224, 226)는 상기 외부 물체에 반사되어 입사되는 전파를 수신하며, 우측면에 위치한 수신용 안테나(222), 배면에 위치한 수신용 안테나(224) 및 좌측면에 위치한 수신용 안테나(226)로 이루어진다.

상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나는 상기 각 금속판에서 수직방향으로 상하 배치된다. 구체적으로, 정면에 위치한 금속판(230)에서 금속판(230)의 상부에는 송신용 안테나(210)이 위치하고, 금속판의 하부에는 수신용 안테나(220)이 위치한다. 우측면에 위치한 금속판(232)에서 상부에는 송신용 안테나(212)이 위치하고, 하부에는 수신용 안테나(222)이 위치한다. 배면에 위치한 금속판(234)에서 상부에는 송신용 안테나(214)이 위치하고, 하부에는 수신용 안테나(224)이 위치하고, 좌측면에 위치한 금속판(236)에서 상부에는 송신용 안테나(216)이 위치하고, 하부에는 수신용 안테나(226)이 위치한다. 여기서, 송신용 안테나와 수신용 안테나의 상하 위치가 바뀔 수도 있다.

그리고, 상기 송신용 안테나(212, 214, 216, 218)와 수신용 안테나(220, 222, 224, 226)의 격리도(isolation) 특성을 확보하기 위한 배플(baffle)들이 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나 상하에 설치될 수 있다. 상기 배플들은 금속판에 상하로 설치된 송신용 안테나와 수신용 안테나가 서로 전파 간섭을 일으키는 것을 방지하고 잡음으로부터 분리시킨다. 구체적으로, 정면 금속판(230)의 상부에는 송신용 안테나(210)가 설치되고, 하부에는 수신용 안테나(220)이 설치된다. 이 때, 송신용 안테나(210) 상부에는 송신용 상부배플(240)이 설치되고, 송신용 안테나(210) 하부에는 송신용 하부배플(250)이 설치되고, 수신용 안테나(220)의 상부에는 수신용 상부배플(260)이 설치되고, 수신용 안테나(220)의 하부에는 수신용 하부배플(270)이 설치된다.

우측면 금속판(232)의 상부에는 송신용 안테나(212)가 설치되고, 하부에는 수신용 안테나(222)이 설치된다. 이 때, 송신용 안테나(212) 상부에는 송신용 상부배플(242)이 설치되고, 송신용 안테나(212) 하부에는 송신용 하부배플(252)이 설치되고, 수신용 안테나(222)의 상부에는 수신용 상부배플(262)이 설치되고, 수신용 안테나(222)의 하부에는 수신용 하부배플(272)이 설치된다.

또한, 배면 금속판(234)의 상부에는 송신용 안테나(214)가 설치되고, 하부에는 수신용 안테나(224)이 설치된다. 이 때, 송신용 안테나(214) 상부에는 송신용 상부배플(244)이 설치되고, 송신용 안테나(214) 하부에는 송신용 하부배플(254)이 설치되고, 수신용 안테나(224)의 상부에는 수신용 상부배플(264)이 설치되고, 수신용 안테나(224)의 하부에는 수신용 하부배플(274)이 설치된다.

좌측면 금속판(236)의 상부에는 송신용 안테나(216)가 설치되고, 하부에는 수신용 안테나(226)이 설치된다. 이 때, 송신용 안테나(216) 상부에는 송신용 상부배플(246)이 설치되고, 송신용 안테나(216) 하부에는 송신용 하부배플(256)이 설치되고, 수신용 안테나(226)의 상부에는 수신용 상부배플(266)이 설치되고, 수신용 안테나(226)의 하부에는 수신용 하부배플(276)이 설치된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나의 주요 부품인 마이크로스트립 안테나 형태의 송신용 안테나 및 수신용 안테나를 나타낸 것이다. 상기 송신용 안테나와 수신용 안테나 각각은 각각 4개의 패치 안테나(310, 312, 314, 316)로 이루어진 패치 어레이 (Patch array) 구조의 PCB기판(300) 형태로 이루어진다. 이 때, 본 발명에 따른 해양 레이더용 안테나는 전송선로, 임피던스 변환부 등 안테나 구성요소들을 구비하는데, 상기 해양 레이더용 안테나의 구성요소들은 인쇄회로 기판(PCB)에서 패턴 형태로 이루어진다. 그리고 PCB(300)의 배면은 그라운드(Ground, 접지)로 이루어지고, PCB(300)의 배면은 상기 금속판에 접착된다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나는 직사각형 구조로 4개 Array된 안테나 중앙에서 급전되며, X-Band에서 대역폭 XX MHz 구조로 정재파비 1.5 : 1 정합 성능을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나는 2개의 암(ARM)으로 구분되어 배열되어 있고 각 암에는 2개의 패치(Patch) 안테나로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나의 송신용 안테나 및 수신용 안테나의 PCB 패턴을 나타낸 것으로서, 4개의 패치안테나가 패치 어레이 형태 구조로 형성되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나의 송신용 안테나 및 수신용 안테나는 동일한 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나의 송신용 안테나 및 수신용 안테나 각각은 전송선로(410), 급전부(420), 접지부(430), T형분기부(440), 2개의 좌측 패치 안테나(450a, 450b), 2개의 우측 패치 안테나(450c, 450d), 좌측 임피던스 변환부(460a) 및 우측 임피던스 변환부(460b)를 포함한다.

급전부(420)는 전송선로(410)의 일단에 배치되고, 에너지를 공급하여 전송선로(410)로 전달한다. 접지부(430)는 전송선로(410)의 타단에 배치되고, 접지(Ground)와 연결된다. T형분기부(440)는 전송선로(410)와 연결되어 좌우 두 방향으로 분기된다.

2개의 좌측 패치(Patch) 안테나(450a, 450b)는 T형분기부(440)의 좌쪽에 설치되며, 전파를 송수신한다. 2개의 우측 패치(Patch) 안테나(450c, 450d)는 T형분기부(440)의 우쪽에 설치되며, 전파를 송수신한다.

좌측 임피던스 변환부(460a)는 일단은 T형분기부(440)의 좌측 분기부와 연결되고, 타단은 2개의 좌측 패치안테나(450c, 450d)와 연결되며, 안테나의 임피던스 매칭을 위해 구성되며, 직렬 임피던스 변환부(470a) 및 2개의 병렬 임피던스 변환부(480a, 480b)를 포함한다. 직렬 임피던스 변환부(470a)는 일단이 T형분기부(440)의 좌측분기부와 연결되고, 2개의 병렬 임피던스 변환부(480a, 480b)는 직렬 임피던스 변환부(470a)와 병렬 연결된다. 병렬 임피던스 변환부(480a)는 우측 패치 안테나(450a)와 일대일 연결되고, 병렬 임피던스 변환부(480b)는 우측 패치 안테나(450b)와 일대일 연결된다.

우측 임피던스 변환부(460b)는 일단은 T형분기부(440)의 우측 분기부와 연결되고, 타단은 2개의 우측 패치안테나(450c, 450d)와 연결되며, 안테나의 임피던스 매칭을 위해 구성되며, 직렬 임피던스 변환부(470b) 및 2개의 병렬 임피던스 변환부(480c, 480d)를 포함한다. 직렬 임피던스 변환부(470b)는 일단이 T형분기부(440)의 우측분기부와 연결되고, 2개의 병렬 임피던스 변환부(480c, 480d)는 직렬 임피던스 변환부(470b)와 병렬 연결된다. 병렬 임피던스 변환부(480c)는 우측 패치 안테나(450c)와 일대일 연결되고, 병렬 임피던스 변환부(480d)는 우측 패치 안테나(450d)와 일대일 연결된다.

병렬 임피던스 변환부(480a, 480b)는 일단이 직렬 임피던스 변환부(470a)와 수직으로 연결되는 수직라인과 일단이 좌측 패치안테나(450a, 450b)와 수평으로 연결되는 수평라인으로 이루어지는 기역('ㄱ')자 형태를 가지며, 상기 수직라인의 선폭으로 임피던스를 조절할 수 있다.

병렬 임피던스 변환부(480c, 480d)는 일단이 직렬 임피던스 변환부(470b)와 수직으로 연결되는 수직라인과 일단이 우측 패치안테나(450c, 450d)와 수평으로 연결되는 수평라인으로 이루어지는 기역('ㄱ')자 형태를 가지며, 상기 수직라인의 선폭으로 임피던스를 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나에서 송신용 안테나와 수신용 안테나의 격리도 특성을 나타낸 것이다. 레이더는 기본적으로 송신기(Transmitter)와 수신기(Receiver) 및 안테나로 구성되어 있다. 송신된 신호는 공간을 통해 방사되고 Object(물체)를 맞고 반사된 일부 에너지가 레이더로 되돌아오는 도플러 신호의 분석을 통해서 목표물거리와 위치를 계산하는 구조를 갖고 있다.

FMICW 구조의 레이더는 송수신기 장치에서 격리도 특성을 충분히 확보한 이후 사용되어야 하며, FMCW 구조의 레이더는 안테나에서 송수신 안테나의 Isolation(격리도) 특성을 확보해야하는 구조를 가져야 한다. 이를 유지하지 못하면 송신된 신호가 Object(물체)를 맞고 돌아오는 신호를 감지 못하고 인접에서 송신된 신호에 묻혀 버리는 치명적인 문제가 발생하게 되고 레이더로서 기능을 수행하는데 심각한 문제가 발생하게 된다.

본 발명에 의한 근거리 해양 레이더용 안테나를 사용하는 레이더는 FMICW 및 FMCW 방식에서 병행 사용이 가능하며, 도 2에 도시된 바와 같이 배플들을 사용함으로써 FMCW 모드에서 운용시 In-Band VSWR 1.2 : 1의 조건에서 격리도가 60dB 이상의 유지할 수 있다.

구체적으로, 도 5를 참조하면, 대역폭에서 송신용 안테나의 반사손실이 -20dB 이하이고, 수신용 안테나의 반사손실이 -20dB 이하이고, 송신용 안테나와 수신용 안테나의 격리도 특성이 60dB 이하임을 볼 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나가 사용될 수 있는 레이더 시스템의 구성을 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 안테나(ANT #1~#4, 610)는 정면, 배면, 좌측면 및 우측면에 설치되는 4개의 안테나로서, PCB Printed 형상의 Multi-array 구조 및 비 회전식 안테나의 형상을 가질 수 있으며, 해상에서 클러터(Clutter) 반사도(Reflectivity) 감소를 위해 Horizontal Polarization으로 최적화 될 수 있다.

RF Path Control (620)는 탐지 모호성 극복과 고속의 경로(Path) 전환 스위칭 모듈이다. Transmitter(630)는 GaN기반 저전압(12Vdc)동작과 MTBF 해소가 가능하며, RF증폭기, RF 필터 및 파형 발생기를 구비할 수 있다. Receiver(640)는 시스템 잡음 지수를 일정 수준 이하로 줄이며, 넓은 Input Dynamic Range 가지며, 저잡음 증폭기, RF 필터, IF 다운 컨버터를 구비할 수 있다. 표출장치(650)는 ECS IO 규격를 확보하고 장비 상호간 호환성을 가질 수 있다.

이상에서, 본 발명에 따른 근거리 해양 레이더용 안테나는 마이크로스트립(Microstrip) 구조를 가지며, 상기 마이크로스트립 구조에서의 패치(Patch) 안테나 조합의 장점은 고이득과 낮은 제작단가 및 가볍고 소형화 성능으로 소형선박에 최적화 가능한 솔루션이다. 또한 근거리 해양 레이더용 안테나에서의 송/수신 안테나 격리도 특성은 도 5에 도시된 바와 같이, 각 안테나의 경계선에 Baffles을 통한 물리적 격리도 특성에 더해져서 안테나 빔폭 최적화를 통해 격리도 특성이 60dB 이상을 가질 수 있다.

그리고 본 발명의 일실시예에 따른 해양 레이더용 안테나는 해양 레이더 주파수로 흔히 사용되는 S밴드 및 X 밴드를 포함한 Ku밴드까지 설계를 확장할 수 있다.

해양에서 사용하는 특수 목적용으로 사용될 수 있는 본 발명에 따른 해양 레이더용 안테나는 해수면에서 발생하는 클러터에 의한 신호처리 과정에서 다양한 신호 왜곡 감소를 위해 이미 많은 학술적으로 통용되는 안테나의 편파구조에서 Horizontal Polarization 특성을 얻기 위해 지면과 수직으로 놓여있는 어레이 안테나를 특징으로 하고, X-Band 대역에서 동작하는 4개 Patch Array 안테나 구조의 PCB 기판은 시스템 고유 특성 임피던스 50 [ohm]을 위해 중앙 급전 및 급전부 반대편에 Ground 회로점 발생을 통해 T형 분기 망과 최적의 임피던스 매칭을 제공할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, T형분기부(440) 이후에는 2개의 암(Arm)으로 양분되는 구조를 가지며, 각각 암(Arm)은 Serial Feeding 구조로 임피던스 변환부(460a, 460b)를 통해서 Patch Array가 설계자와 시스템의 사용목적에 맞게 확장이 가능한 구조를 가지며, 본 발명의 실시예에서는 사용목적에 맞게 2개의 패치 안테나가 Parallel(병렬) 구조로 연동되는 특징을 갖고, 각 암과 Parallel 연동되는 Patch 안테나는 시스템 목적에 맞게 사용 대역인 9.35GHz 대역에서 최적의 Half Power Beam Width 및 Gain을 얻을 수 있는 구조를 갖고 있고, 각 Patch 안테나와 암(Arm)을 접속하는 병렬 임피던스 변환기(480a, 480b, 480c, 480d)를 통해서 Patch 안테나와 암(Arm)의 최적의 Matching 효율을 유도하기 위해 Line width가 가변적이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110 : 물체 탐지 센서(레이더)
210, 212, 214, 216 : 송신용 안테나
220, 222, 224, 226 : 수신용 안테나
230, 232, 234, 236 : 금속판
240, 242, 244, 246 : 송신용 상부 배플(Baffle)
250, 252, 254, 256 : 송신용 하부 배플
260, 262, 264, 266 : 수신용 상부 배플
270, 272, 274, 276 : 수신용 하부 배플
300 : PCB 기판
310, 312, 314, 316 : 패치 안테나
410 : 전송선로
420 : 급전부
430 : 접지부
440 : T형 분기부
450a, 450b : 좌측 패치 안테나
450c, 450d : 우측 패치 안테나
460a : 좌측 임피던스 변환부
460b : 우측 임피던스 변환부
470a, 470b : 직렬 임피던스 변환부
480a, 480b, 480c, 480d : 병렬 임피던스 변환부

Claims (6)

1. 해양에서 충돌방지 대상인 외부 물체로 전파를 송출하는 복수의 송신용 안테나;
   상기 외부 물체에 반사되어 입사되는 전파를 수신하는 복수의 수신용 안테나; 및
   각각 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 하나씩 설치되며, 서로 다른 방향을 향하도록 서로 인접하여 직립 형태로 설치되는 복수의 금속판을 포함하고,
   상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나는 상기 각 금속판에서 수직방향으로 상하 배치되고, 상기 송신용 안테나와 수신용 안테나의 격리도(isolation) 특성을 확보하기 위한 배플(baffle)들이 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나 상하에 설치되어 상기 송신용 안테나와 상기 수신용 안테나를 전파 간섭과 잡음으로부터 분리시키는, 근거리 해양 레이더용 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 송신용 안테나 및 수신용 안테나 각각은
   전송선로;
   상기 전송선로의 일단에 배치되고, 에너지를 공급하여 상기 전송선로로 전달하는 급전부;
   상기 전송선로의 타단에 배치되고, 접지(Ground)와 연결되는 접지부;
   상기 전송선로와 연결되어 좌우 두 방향으로 분기되는 T형분기부;
   상기 T형분기부의 좌쪽에 설치되며, 전파를 송수신하는 복수의 좌측 패치(Patch) 안테나;
   상기 T형분기부의 우쪽에 설치되며, 전파를 송수신하는 복수의 우측 패치(Patch) 안테나;
   일단은 상기 T형분기부 좌측 분기부와 연결되고, 타단은 상기 복수의 좌측 패치안테나와 연결되며, 안테나의 임피던스 매칭을 위해 구성된 좌측 임피던스 변환부;
   일단은 상기 T형분기부 우측 분기부와 연결되고, 타단은 상기 복수의 우측 패치안테나와 연결되며, 안테나의 임피던스 매칭을 위해 구성된 우측 임피던스 변환부를 포함하는, 근거리 해양 레이더용 안테나.
3. 제2항에 있어서, 상기 좌측 임피던스변환부 및 우측 임피던스 변환부 각각은
   일단이 상기 T형분기부의 좌측분기부 또는 우측분기부와 연결되는 직렬 임피던스 변환부; 및
   상기 직렬 임피던스 변환부와 병렬 연결되는 복수의 병렬 임피던스 변환부를 포함하고,
   상기 복수의 병렬 임피던스변환부는 병렬 임피던스변환부 각각이 상기 좌측 패치안테나 또는 우측 패치안테나와 일대일로 연결되는, 근거리 해양 레이더용 안테나.
4. 제3항에 있어서, 상기 병렬 임피던스 변환부는
   일단이 상기 직렬 임피던스 변환부와 수직으로 연결되는 수직라인과 일단이 상기 좌측 패치안테나 또는 우측 패치안테나와 수평으로 연결되는 수평라인으로 이루어지는 기역('ㄱ')자 형태를 가지며, 상기 수직αα라인의 선폭으로 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는, 근거리 해양 레이더용 안테나.
5. 제2항에 있어서, 상기 복수의 금속판은
   4개의 금속판으로 이루어지고, 상기 4개의 금속판은 직립하여 직육면체의 정면, 배면, 좌측면, 우측면에 각각 배치되고,
   상기 송신용 안테나와 수신용 안테나 각각은
   각각 4개의 패치 어레이 안테나 구조의 PCB기판 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 근거리 해양 레이더용 안테나.
6. 제1항에 있어서, 상기 송신용 안테나와 수신용 안테나는
   인쇄회로 기판(PCB)의 패턴 형태로 이루어지며,
   상기 PCB의 배면은 그라운드(Ground)로 이루어지고, 상기 금속판에 접착되는 것을 특징으로 하는, 근거리 해양 레이더용 안테나.