KR20230139436A - 이중대역 및 이중편파를 수행하기 위한 능동위상배열 안테나 - Google Patents

이중대역 및 이중편파를 수행하기 위한 능동위상배열 안테나 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중대역 이중편파 구현이 가능한 능동위상배열 안테나에 관한 것으로서, 사각 형상을 가지며 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자가 활성화되는 송수신 영역, 및 사각 형상을 가지며 송수신 영역의 외측에 배치되어 송신용 안테나 소자는 비활성화되고 수신용 안테나 소자는 활성화되는 수신 영역으로 구분되어 하나의 기판이 송수신 기능을 동시에 수행할 수 있어 안테나의 사이즈를 줄일 수 있고 이와 동시에 광대역에서 편파 특성 및 틸트 특성이 향상될 수 있다.

Description

이중대역 및 이중편파를 수행하기 위한 능동위상배열 안테나{Active phased array antenna for performing dual-band and dual-polarization}
본 문서는 주로 위성통신을 위해 사용되는 능동위상배열 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 송신용 안테나 소자와 복수개의 수신용 안테나 소자를 하나의 기판에 집적 실장하고, 이중대역 및 이중편파를 수행할 수 있도록 다수의 안테나 소자를 배열하고 동작시키는 기술에 관련된다.
최근에 복수개의 안테나 소자를 이용하여 능동적으로 위상을 제어하여 천이(Shift)하는 안테나 기술이 개발되고 있고, 또한 전자통신기기가 소형화되는 추세에 따라 이에 탑재된 안테나도 소형화의 필요성이 커지고 있다. 특히 항공기, 무인기, 차량, 선박 등에 사용되는 위성통신용 안테나는 일반적으로 송신용 주파수 대역과 수신용 주파수 대역이 다르므로 송신용 안테나와 수신용 안테나가 개별적으로 구성되어야 하는데, 이로 인해 송신용 안테나 및 수신용 안테나가 개별적인 기판(예, PCB)으로 구성되어 전체 안테나 부피 내지 사이즈가 커지는 문제를 가지고 있다. 설령 하나의 기판 내지 하나의 복사면에 송신 안테나 및 수신 안테나를 배치한다고 할 지라도 적절한 간격 유지를 통한 편파(Polarization) 특성 및 광범위한 전기적 빔 틸트(Beam Tilt)특성을 개선해야 하는 과제가 여전히 존재하게 된다.
한국특허공보(등록공보번호: 10-1489577, “CRPA 배열을 위한 듀얼밴드 GPS 안테나”)는 급전패치로부터 전자기장을 통해 전력을 공급받는 제1 방사패치 및 제1 방사패치가 있는 측의 반대측에 상기 급전패치와 이격되어 위치하며, 급전패치로부터 전력을 공급받는 제2 방사패치를 포함하여 구성된 복수개의 단일 안테나 소자를 동일한 기판상에 원형 배열하여 방사 이득을 높이고 패턴 왜곡을 최소화하는 기술이 개시되어 있으나, 안테나 소자 간에 간섭을 최소화하면서 광범위한 틸트 동작을 수행하는데 한계가 있다.
본 발명은 이중대역 이중편파 능동위상배열 안테나에 관한 것으로서, 배열 안테나의 사이즈를 최소화하고 이와 동시에 편파 특성 및 빔 틸트 특성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 일 양상에 따라, 이중대역 및 이중편파를 수행하기 위한 능동위상배열 안테나는,
기판,
기판상에 복수개의 송신용 안테나 소자와 복수개의 수신용 안테나 소자가 교번하여 행열로 배치된 안테나 어레이 및
송신 회로부와 수신 회로부로 구성되고, 급전에 의해 적어도 어느 하나의 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자를 활성화(Enable)하는 송수신 회로부를 포함하고,
안테나 어레이는,
사각 형상을 가지며 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자가 활성화되는(Enabled) 송수신 영역, 및 사각 형상을 가지며 송수신 영역의 외측에 배치되어 송신용 안테나 소자는 비활성화(Disabled)되고 수신용 안테나 소자는 활성화되는 수신 영역으로 구분되도록 하여 배열 안테나의 사이즈를 최소화하고 이와 동시에 편파 특성 및 빔 틸트 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 배열 안테나의 사이즈를 최소화하고 이와 동시에 이중대역 및 이중편파 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 방위각(Azimuth degree) ±70° ,고각(Elevation degree) ±70°의 광범위한 빔 틸트 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따라 안테나 어레이를 포함하는 능동위상배열 안테나의 배열 구조를 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따라 송수신 회로를 포함하는 능동위상배열 안테나를 설명하는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따라 송수신 8 X 8 배열된 능동위상배열 안테나의 송신 및 수신 동작 영역 및 배열 구조를 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따라 송수신 8 X 8 배열된 능동위상배열 안테나의 송신 및 수신 동작 기능을 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한 전술한, 그리고 추가적인 발명의 양상들은 후술하는 실시예들을 통해 명백해질 것이다. 본 명세서에서 선택적으로 기재된 양상이나 선택적으로 기재된 실시예의 구성들은 비록 도면에서 단일의 통합된 구성으로 도시되었다 하더라도 달리 기재가 없는 한 당업자에게 기술적으로 모순인 것이 명백하지 않다면 상호간에 자유롭게 조합될 수 있는 것으로 이해된다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 일 실시예에 따라 안테나 어레이(100)를 포함하는 능동위상배열 안테나(1000)의 배열 구조를 설명하는 도면이다. 안테나 어레이(100)는 능동위상배열 안테나의 일부 구성일 수 있다. 도시된 바와 같이, 안테나 어레이(100)는 복수개의 송신용 안테나 소자(10, Tx antenna element), 복수개의 수신용 안테나 소자(11, Rx antenna element), 기판(20)을 포함할 수 있다. 송신용 안테나 소자(10) 및 수신용 안테나 소자(11)는 기판(20)에 실장된다.
송신용 안테나 소자(10)는 개구면 결합 패치 안테나(Aperture coupled patch antenna)로 구성되고, 수신용 안테나 소자(11)는 개구면 결합 슬롯 안테나(Aperture coupled patch antenna)로 구성될 수 있다.
송신용 안테나 소자(10) 및 수신용 안테나 소자(11) 각각의 외각 실선은 복사 소자의 캐비티(Cavity)를 형성하는 비아(Via)홀들을 나타내며, 비아홀들은 λ/8 이하의 간격으로 배치될 수 있다. 안테나 어레이(100)는 다층 PCB(Printed Circuit Board) 구조로 제작될 수 있다.
송신용 안테나 소자(10) 및 수신용 안테나 소자(11)는 동일층의 PCB에 배치될 수 있고, 높이가 다른 층의 PCB에 각각 배치될 수도 있다.
즉, 송신용 안테나 소자의 복사 그라운드 면과 수신용 안테나 소자 슬롯 면은 동일 평면 동박 패턴으로 형성되거나, 비아홀을 통해 접지된 다른 높이의 평면에 동박 패턴으로 형성될 수 있고, 송신용 안테나 소자의 복사패치는 또 다른 높이에 배치될 수 있다.
기판(20)은 사각 형상(Rectangular shape)을 가지고, 송신용 안테나 소자(10) 및 수신용 안테나 소자(11)가 기판(20)상에 사각 형상으로 행과 열을 이루며 n X n으로 배열되어 있을 수 있다. 도 1은 15 X 15 배열을 나타낸다. 안테나 어레이(100)는 전체적으로 사각형상으로 배열되어 있을 수 있다. 도 1은 8 X 8로 배열된 수신용 안테나 소자(11)가 동작하는 경우를 예로 하여 나타낸 이중대역 배열 구조를 나타낸다.
송신용 안테나 소자(10) 및 수신용 안테나 소자(11)는 각각 복사 패치(Radiation patch), 복사 슬롯(Radiation slot)이 구비되어 전자파를 복사할 수 있다. 송신용 안테나 소자(10) 및 수신용 안테나 소자(11)는 유전체 필름 내지 PCB에 동박으로 패턴화되어 있어 급전(Power feeding)에 의한 공진 현상에 의해 여기(Excitation)되어 복사 기능을 수행할 수 있다. 송신용 안테나 소자(10) 및 그 복사 패치는 사각 형상을 가지고, 수신용 안테나 소자(11) 및 그 복사 슬롯은 십자 형상을 가질 수 있으며, 각각 사각 기판에 대하여 45°각도로 틀어지게(Slanted) 배치될 수 있다.
Ka-대역의 송신용 안테나 소자(10) 및 K-대역의 수신용 안테나 소자(11)는 대략 5mm X 5mm의 사이즈를 가질 수 있고 약 5mm의 피치 간격으로 배열될 수 있으나, 적절히 설계 변경될 수 있다.
송신용 안테나 소자는 송신 신호 파장(λTX)의 0.5배 간격으로 배치되어 있고, 수신용 안테나 소자는 수신 신호 파장(λRX)의 0.5배 간격으로 배치되어 있을 수 있다.
안테나 어레이(100)에 있어서, 기판(20)상에 복수개의 송신용 안테나 소자(10)와 복수개의 수신용 안테나 소자(11)가 교번(Alternation)하여 행열로 배치된다.
상기 교번의 의미는 송신용 안테나 소자(10)가 일정한 피치 간격을 두고 행열로 배열된 수신용 안테나 소자(11) 사이에 삽입되어(Interleaved)나, 수신용 안테나 소자(11)가 일정한 피치 간격을 두고 행열로 배열된 송신용 안테나 소자(10) 사이에 삽입되도록(Interleaved) 배열된 것을 의미한다.
송신용 안테나 소자(10) 및 수신용 안테나 소자(11)는 각각 형상과 사이즈가 모두 동일한 것이 바람직하다. 이로 인해, 송신 복사 소자 및 수식 복사 소자의 각 복사 특성이 모두 균일할 수 있으며, 능동위상배열 안테나가 우수한 편파 특성 또는 틸트 특성이 유지될 수 있다.
송신용 안테나 소자(10)의 외부 그라운드면과 수신용 안테나 소자(11)의 실자형 슬롯면은 PCB 기판의 동일 평면(동일층)에 동박 패턴으로 형성될 수 있으며, 송신용 안테나 소자(10)의 내부 사각형 복사 패치는 높이가 다른 층의 PCB에 동박 패턴으로 형성될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따라 송수신 회로를 포함하는 능동위상배열 안테나를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 능동위상배열 안테나(1000)는 안테나 어레이(100) 및 송수신 회로부(200)를 포함할 수 있다.
송수신 회로부(200)는 PCB로 구성되며 안테나 어레이(100)의 하부에 적층되어 구비될 수 있다.
송수신 회로부(200)는 송신 회로부(200-1)와 수신 회로부(200-2)로 구성되고, 급전에 의해 적어도 어느 하나의 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자를 활성화(Enable)할 수 있다. 활성화(Enable)란, 복사 기능이 수행되어 송신 또는 수신될 수 있는 상태를 의미할 수 있다. 송수신 회로부(200)는 도시된 바와 같이 아날로그 회로로 구성될 수 있고 디지털 회로로 구성될 수도 있다.
송신 회로부(200-1, Tx Circuit)는 송신 대역 전력분배기(201, Tx-band Power Divider)가 송신 신호를 입력 받아 신호를 분기하여 복수개의 송신 위상 천이기(202-1, Phase Shifter) 및 송신 증폭기(202-2)로 이루어진 송신 위상 천이부(202, Phase Shifting unit)로 전송하고, 위상 천이된 신호가 송신 대역통과필터(203, Tx BPF)를 거쳐 송신 감도가 향상될 수 있다. 송신 대역통과필터(203)의 출력 신호는 송신용 안테나 소자(10)에 전송되어 복사 패치 안테나를 여기(Excitation)하고 송신될 수 있다. 송신할 수 있는 상태는 활성화 상태를 의미할 수 있다.
수신 회로부(200-2, Rx Circuit)는 수신용 안테나 소자(11)로부터 신호를 수신하여 수신 감도를 향상시키는 복수개의 수신 대역통과필터(204, Rx BPF), 복수개의 수신 위상 천이기(205-1, Phase Shifter) 및 수신 증폭기(205-2)로 이루어진 수신 위상 천이부(205, Phase Shifting unit), 및 수신 대역 전력분배기(206, Rx-band Power Divider)를 포함할 수 있다. 수신 전력분배기(206)는 수신 신호를 분배하고 수신 신호를 출력(Rx) 할 수 있다. 수신할 수 있는 상태는 활성화 상태를 의미할 수 있다.
능동위상배열 안테나(1000)는 위상 천이부(202, 205)에 위상 천이 제어 신호, 크기 제어 신호 및 전원을 제공하는 빔 제어 인터페이스 모듈(2000, Beam Control Interface Module), 빔 제어 인터페이스 모듈(2000)에 제어 신호를 제공하는 제어부(3000, Controller)가 전기적으로 연결되어 있을 수 있고 더 나아가 직류 전원 공급부(4000, DC Power Supply), 모니터(5000, Monitor)가 더 연결되어 있을 수 있다. 직류 전원 공급부(4000)는 위상 천이부(202, 205)에 직류 전원을 공급(점선 화살표)할 수 있다.
능동위상배열 안테나(1000)와 빔 제어 인터페이스 모듈(2000)이 하나의 기판에 구비되어 어레이 안테나 어셈블리(Array antenna assembly)를 구성한다.
빔 제어 인터페이스 모듈(2000)과 제어부(3000)가 위상 천이기(202-1, 205-1)의 위상 천이를 제어함에 의해 능동적으로 빔 틸트 동작을 구현할 수 있고, 수평 편파와 수직 편파 간, 원형 편파와 선형 편파 간에 선택적 스위칭될 수 있으며, 원형 편파도 LHCP(Light Hand Circular Polarization)와 RHCP(Right Hand Circular Polarization)간에 선택적 스위칭 될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따라 송수신 8 X 8 배열된 능동위상배열 안테나의 송신 및 수신 동작 영역 및 배열 구조를 설명하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 능동위상배열 안테나(1000)는 안테나 어레이(100)를 포함하고, 안테나 어레이(100)는 사각 형상을 가지며 송신용 안테나 소자(Tx antenna element, 10) 및 수신용 안테나 소자(Rx antenna element, 11)가 활성화되는(Enabled) 송수신 영역(TRx domain, 실선 영역), 및 사각 형상을 가지며 송수신 영역의 외측에 배치되어 송신용 안테나 소자는 비활성화(Disabled)되고 수신용 안테나 소자는 활성화되는 수신 영역(Rx domain, 점선 영역)으로 구분될 수 있다. 편의상 도 1의 기판(20)은 생략되어 있다.
송수신 영역은 수신 영역의 내측에 배치될 수 있다. 따라서 수신 영역의 사각 사이즈가 송수신 영역의 사각 사이즈 보다 더 클 수 있다. 송수신 영역(TRx domain)은 수신 영역 내측에 배치될 수 있다. 상기 '내측'의 의미는 완전한 내측을 의미하는 것은 아니며, 통상적으로 내측에 배치된 것으로 볼 수 있는 정도를 포함하는 개념이다.
송신용 안테나 소자(10)는 형상과 사이즈가 모두 동일하고, 수신용 안테나 소자(11)도 형상과 사이즈가 모두 동일한 것이 바람직하다. 이로 인해 양호한 이중대역 및 이중편파 특성이 달성될 수 있다.
일 실시예에 따라, 송신용 안테나 소자(10)는 고주파 RF 신호를 송신하고, 수신용 안테나 소자(11)는 저주파 RF 신호를 수신할 수 있다. 송신용 안테나 소자(10)의 복사 패치(Radiation patch)가 고주파 RF 신호를 송신하는 기능을 하고 수신용 안테나 소자(11)의 복사 슬롯(Radiation slot)이 저주파 RF 신호를 수신하는 기능을 할 수 있다.
고주파는 26.5 ~ 40 GHz 대역(Ka 대역)의 주파수 범위를 의미하며, 저주파는 17 ~ 26.5 GHz 대역(K 대역)의 주파수 범위를 의미할 수 있다. 고주파는 저주파의 √2배일 수 있다.
송신용 안테나 소자는 고주파 RF 신호 파장(λTX)의 0.5배 간격으로 배치되어 있고, 수신용 안테나 소자는 저주파 RF 신호 파장(λRX)의 0.5배 간격으로 배치되어 있을 수 있다.
일 실시예에 따라, 수신 영역 및 송수신 영역은 서로에 대하여 45°각도로 틀어지게(Slanted) 배치될 수 있다. 이로 인해, 신호 간 간섭이 최소화 되고, 편파 특성 및 틸트 특성이 개선될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따라 송수신 8 X 8 배열된 능동위상배열 안테나의 송신 및 수신 동작 기능을 설명하는 도면이다.
도시된 바와 같이, 능동위상배열 안테나(1000)에 있어서, 송수신 영역 내부의 8 X 8 배열 송신용 안테나 소자(10)가 활성화(Enabled)되며, 송수신 영역 외부의 송신용 안테나 소자(10)는 비활성화(Disabled)될 수 있다.
반면에, 수신용 안테나 소자(11)은 송수신 영역 및 수신 영역을 포함한 전체 수신용 안테나 소자 중 홀수열(O)에 위치한 8 X 8 배열 수신용 안테나 소자(11)가 활성화(Enabled)되며, 짝수열(E)에 위치한 7 X 7 배열 수신용 안테나 소자(11)는 비활성화(Disabled)될 수 있다.
이와 같이, 짝수열(E)에 7 X 7 배열 수신용 안테나 소자(11)를 위치시키는 이유는, 활성화 되는 모든 복사 소자들이 동일한 주변 환경을 갖도록 하여 동일한 성능이 나오도록 하기 위함이다.
수신 영역에 있어서, 송신용 안테나 소자와 수신용 안테나 소자는 일부만이 활성화 될 수 있다.
이러한 활성화 동작은 도 2의 송수신 회로(200)에 의해 실현될 수 있다. 수신 영역 내의 송신용 안테나 소자는 비활성화(Disabled)될 수 있다. 수신 영역 내의 수신용 안테나 소자는 부분적으로 활성화되고(Enabled) 부분적으로 비활성화(Disabled)될 수 있는데, 구체적으로는 활성화된 수신용 안테나 소자 간에 서로 인접하지 않도록 배열될 수 있다.
도 4에서 활성화된(Enabled) 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자는 짙은 색으로 표시되고, 비활성화(Disabled)된 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자는 상대적으로 옅은 색으로 표시된다. 비활성화(Disabled)된 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자는 더미 안테나 소자(Dummy antenna element)로서 도 2의 송수신 회로(200)에 전기적으로 연결되어 있지 않을 수 있다.
일 실시예에 따라, 송수신 영역 내의 송신용 안테나 소자는 8 x 8의 사각 배열로 구성되고, 수신 영역의 수신용 안테나 소자는 45°각도로 틀어지게(Slanted) 배치된 8 x 8의 사각 배열로 구성될 수 있다.
10 : 송신용 안테나 소자
11 : 수신용 안테나 소자
12 : 제2의 복사 패치
20 : 기판
100 : 안테나 어레이
200 : 송수신 회로부
200-1 : 송신 회로부
200-2 : 수신 회로부
202 : 송신 위상 천이부
205 : 수신 위상 천이부
1000 : 능동위상배열 안테나
2000 : 빔 제어 인터페이스 모듈
3000 : 제어부
4000 : 전원 공급부
5000 : 모니터

Claims (7)

  1. 이중대역 및 이중편파를 수행하기 위한 능동위상배열 안테나에 있어서,
    기판;
    기판상에 복수개의 송신용 안테나 소자와 복수개의 수신용 안테나 소자가 교번하여 행열로 배치된 안테나 어레이; 및
    송신 회로부와 수신 회로부로 구성되고, 급전에 의해 적어도 어느 하나의 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자를 활성화(Enable)하는 송수신 회로부;를 포함하고,
    안테나 어레이는,
    사각 형상을 가지며 송신용 안테나 소자 및 수신용 안테나 소자가 활성화되는(Enabled) 송수신 영역, 및 사각 형상을 가지며 송수신 영역의 외측에 배치되어 송신용 안테나 소자는 비활성화(Disabled)되고 수신용 안테나 소자는 활성화되는 수신 영역으로 구분되는 능동위상배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    송신용 안테나 소자는 형상과 사이즈가 모두 동일하고, 수신용 안테나 소자는 형상과 사이즈가 모두 동일한 능동위상배열 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    송신용 안테나 소자는 고주파 RF 신호를 송신하고, 수신용 안테나 소자는 저주파 RF 신호를 수신하는 능동위상배열 안테나.
  4. 제1항에 있어서,
    송수신 영역은 수신 영역의 내측에 배치된 능동위상배열 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    수신 영역 및 송수신 영역은 서로에 대하여 45°각도로 틀어지게(Slanted) 배치된 능동위상배열 안테나.
  6. 제3항에 있어서,
    송신용 안테나 소자는 고주파 RF 신호 파장(λTX)의 0.5배 간격으로 배치되어 있고, 수신용 안테나 소자는 저주파 RF 신호 파장(λRX)의 0.5배 간격으로 배치된 능동위상배열 안테나.
  7. 제1항의 수신 영역에 있어서,
    송신용 안테나 소자와 수신용 안테나 소자는 일부만이 활성화되는 능동위상배열 안테나.
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