KR20230141113A - 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리 - Google Patents

마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일측면에 따르면, 복수 개의 패치가 직렬 또는 병렬로 구성되는 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 형성하는 레이더 센서의 전파 경로 상에 설치되어 송수신되는 전파의 가이드를 구성하여 신호를 증폭하는 혼 안테나 어셈블리로서, 상기 혼 안테나 어셈블리는, 상기 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대하여 배열 전체를 동시 수용하는 단일 전파경로를 형성하는 통합 도파관부; 상기 통합 도파관부의 일측으로 연장되는 깔때기 형상의 전파경로를 형성하는 혼부; 및 상기 혼부의 확산 단부에 결합되어 전파 파장의 직진성을 향상시켜 측정 대상에 신호가 집중되도록 하는 렌즈부;를 포함하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리가 제공될 수 있다.

Description

마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리{Horn antenna assembly for microstrip array antenna}
본 발명은 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극저온 액체 저장탱크 내부 액면의 수위를 정밀하게 측정하기 위해 밀리미터 파장 대역의 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 3D 프린팅 방식으로 제작된 혼 안테나 어셈블리가 적용되도록 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리에 관한 것이다.
최근 액체수소를 저장 또는 운반하기 위해 극저온 액체 저장 용기에 대한 개발이 활발히 진행중이다. 극저온 액체를 보관하는 저장 용기의 경우, 용기 내부의 극저온과 외부와의 극심한 온도 차 때문에 수소의 증발이 일어난다. 지속적인 기화에 의해 극저온 액체의 양이 변하기 때문에, 저장된 유체의 수위 또한 변하게 된다. 따라서, 이러한 용기 내부 유체의 변화를 평가하기 위해서 수위를 정밀하게 측정할 수 있는 방안이 필요하다. 하지만 일반적인 극저온 액체의 경우, 유전 상수가 매우 낮기 때문에 정밀하게 수위를 측정하는데 어려움이 있다. 물의 경우 80의 유전상수를 갖는데 비해 액체질소와 액체수소는 각각 1.4, 1.2로 매우 낮은 유전상수를 가진다. 이러한 낮은 유전상수를 가지는 극저온 액체를 측정하는 방법으로 밀리미터웨이브(MMwave) 파장 대역의 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)방식 Radar 센서를 사용하여 측정할 수 있지만, 유체의 낮은 유전 상수로 인해 신호 감도가 약하여 정밀한 수위 측정이 어려운 문제가 있었다.
한편, 이러한 문제를 해결하기 위해 80 GHz 대역의 FMCW Radar 센서를 이용하여 액체질소의 수위를 측정하는 방법이 제안된 바 있는데, 이는 여러 신호들을 분석하여 액체질소 계면의 신호를 수집하는 데는 성공하였지만, 다른 거리의 신호들과 감도 차이가 크지 않아 구별이 어려웠으며, 산란되는 전파들에 의해 신호의 중첩이 발생하는 문제가 있었다.
다시 말해서, 측정 신호의 강도가 약하다는 것은 측정 유체 계면에서의 반사되는 신호가 작다는 의미이며, 신호가 산란되는 것은 전파의 방향이 맞지 않는다는 의미이기 때문에, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전파의 가이드를 구성해줌으로써 신호의 이득을 높여주는 한편, 파장의 각도를 조절하여 직진성이 향상되도록 하는 기술의 개발이 요구된다.
또한, 일반적인 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 송수신되는 전파의 이득 증가를 위해 직렬 또는 병렬 안테나에 대하여 각각의 안테나의 규격에 맞는 도파관을 구성하지만 주파수 대역이 높아질수록 도파관의 크기는 작아지며, 도파관 크기가 작아질수록 제작이 어렵게 된다. 또한, 마이크로스트립 패치 안테나는 안테나 사이의 거리가 정해져 있어 다수의 작은 도파관을 구성하기에 구조적 문제가 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0093074호
본 발명의 목적은 밀리미터 파장 대역의 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 혼 안테나 어셈블리를 탈부착 가능하게 결합함으로써, 레이더 센서의 신호 이득을 향상시키는 한편, 형상에 대한 자유도를 높이고, 안테나의 특성에 따라 원하는 형상으로 제작이 가능하도록 3D 프린팅 방식으로 제작된 혼 안테나 어셈블리를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다양한 형태의 안테나를 구현할 수 있어 호환성이 우수하고, 불량부품에 대한 간편한 교체가 가능하기 때문에 유지보수가 편리하며, 형상적인 제약없이 레이더 센서에 탈부착 결합하는 혼 안테나 어셈블리를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 혼부를 통해서 송수신되는 전파의 가이드를 구성하여 신호 이득을 전반적으로 증폭시키고, 렌즈부를 통해서는 파장의 직진성을 향상시켜 측정 대상에 신호를 집중시키도록 함으로써, 유전 상수가 낮은 극저온 액체의 수위를 정밀하게 측정할 수 있어 레이더 센서 제품의 정밀도가 향상되도록 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 배열된 안테나에 대하여 개별적으로 도파관을 구성하지 않고 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대하여 안테나 배열 전체를 감당하는 통합 도파관을 구성하여 고주파 대역의 도파관 제작 및 구성의 한계를 개선함으로써, 구조적으로 공간이 협소하여 발생하는 제조상의 어려움을 해소하게 되어 제품설계 및 제조공정이 간소화되도록 하는데 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 복수 개의 패치가 직렬 또는 병렬로 구성되는 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 형성하는 레이더 센서의 전파 경로 상에 설치되어 송수신되는 전파의 가이드를 구성하여 신호를 증폭하는 혼 안테나 어셈블리로서, 상기 혼 안테나 어셈블리는, 상기 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대하여 배열 전체를 동시 수용하는 단일 전파경로를 형성하는 통합 도파관부; 상기 통합 도파관부의 일측으로 연장되는 깔때기 형상의 전파경로를 형성하는 혼부; 및 상기 혼부의 확산 단부에 결합되어 전파 파장의 직진성을 향상시켜 측정 대상에 신호가 집중되도록 하는 렌즈부;를 포함하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리가 제공될 수 있다.
이때, 상기 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 송신부 역할을 하는 Tx배열 안테나 및 수신부 역할을 하는 Rx배열 안테나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 통합 도파관부에는 레이더 센서에 착탈 가능하게 결합하는 제1결합부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 혼부의 확산 단부에는 렌즈부를 착탈 가능하게 결합하는 제2결합부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 통합 도파관부의 피드 포인트(feed point)를 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 배열 전체의 중심으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 통합 도파관부의 피드 포인트(feed point)를 표시하기 위한 센터마크로 제1결합부를 이용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 통합 도파관부 및 혼부는 3d프린팅방식으로 제작하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 통합 도파관부 및 혼부는 전기 전도성을 부여해주기 위해 카본(Carbon)이 포함된 3d 프린팅 소재로 제작하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 3d 프린팅 소재는 Nylon 80% 및 carbon chop 20%로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 렌즈부는 3d프린팅방식으로 제작하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 렌즈부는 투과율을 높이기 위해 전도성이 없는 유전체 재질의 3d 프린팅 소재로 제작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 밀리미터 파장 대역의 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 3D 프린팅 방식으로 제작된 혼 안테나 어셈블리가 탈부착 가능하게 제공됨으로써, 형상에 대한 자유도를 높이고, 안테나의 특성에 따라 원하는 형상으로 제작이 가능한 가공성이 뛰어난 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 혼 안테나 어셈블리를 레이더 센서에 형상적인 제약없이 탈부착 가능하게 결합함으로써, 다양한 형태의 안테나를 구현할 수 있어 호환성이 우수하고, 불량부품에 대한 간편한 교체가 가능하기 때문에 유지보수가 편리한 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 또한, 본 발명은 혼부를 통해서 송수신되는 전파의 가이드를 구성하여 신호 이득을 전반적으로 증폭시키고, 렌즈부를 통해서는 파장의 직진성을 향상시켜 측정 대상에 신호를 집중시키도록 함으로써, 유전 상수가 낮은 극저온 액체의 수위를 정밀하게 측정할 수 있어 레이더 센서 제품의 정밀도가 향상되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 배열된 안테나에 대하여 개별적으로 도파관을 구성하지 않고 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대하여 안테나 배열 전체를 감당하는 통합 도파관을 구성하여 고주파 대역의 도파관 제작 및 구성의 한계를 개선함으로써, 구조적으로 공간이 협소하여 발생하는 제조상의 어려움을 해소하게 되어 제품설계 및 제조공정이 간소화되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 혼 안테나 어셈블리의 레이더 센서의 장착구조를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 혼 안테나 어셈블리의 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 레이더 센서의 마이크로스트립 패치 배열 안테나구조를 도시한 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 레이더 센서의 액체질소 수위측정실험 예시도.
도 5는 기존의 레이더 센서의 수위측정 실험결과를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 혼이 결합된 레이더 센서의 수위측정 실험결과를 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 혼 및 렌즈가 결합된 레이더 센서의 수위측정 실험결과를 도시한 그래프.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 혼 안테나 어셈블리의 레이더 센서의 장착구조를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 혼 안테나 어셈블리의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 레이더 센서의 마이크로스트립 패치 배열 안테나구조를 도시한 평면도이다.
도 1내지 도 3을 참조하면, 복수 개의 패치가 직렬 또는 병렬로 구성되는 마이크로스트립 패치 배열 안테나(111)를 형성하는 레이더 센서(110)의 전파 경로 상에 설치되어 송수신되는 전파의 가이드를 구성하여 신호를 증폭하는 혼 안테나 어셈블리(120)가 개시된다.
먼저, 마이크로스트립 패치 배열 안테나(111)에 대해 설명하면, 마이크로스트립 패치 배열 안테나(111)는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 방식의 80GHz 마이크로스트립 패치 안테나로서, 크기가 작고 저렴하다는 장점이 있어 소형 어플리케이션에 다양하게 쓰인다.
또한 용도에 따라 여러 개의 패치를 직렬 또는 병렬로 구성함으로써 대역폭을 늘릴 수 있는 이점을 갖는다.
또한, 마이크로스트립 패치 배열 안테나(111)는 극저온 액체의 계면에서 반사되어 돌아오는 신호를 측정하기 위해 단일 패치 안테나를 사용할 경우, 대역폭이 좁아 상대적으로 유전율이 높은 금속 또는 다른 유체에서 반사되어 돌아오는 신호의 감도가 높기 때문에, 극저온 액체의 계면의 신호를 구분하기가 어려워지는 단점이 있지만, 직렬 또는 병렬 구조의 배열 안테나를 사용하면, 수신감도가 낮은 수위에 대해서도 신호를 측정함으로써 불필요한 신호는 제거하고 극저온 액체 계면의 수위를 확보할 수 있게 된다.
본 발명에서 사용된 레이더 센서(110)는 도 3에서 보는 바와 같이 송신부 역할인 2개의 Tx배열 안테나(111a)와 수신부인 4개의 Rx배열 안테나(111b)로 구성될 수 있다.
이때, FMCW는 주파수 변조 연속파 측정 방식으로, 서로 다른 신호를 보낸 후 돌아오는 신호들의 시간차와 도플러 주파수 변화량을 이용하여 상대속도를 통해 거리를 산출한다. FMCW방식을 사용함으로써 온도가 매우 낮은 극저온 유체에 접촉하지 않고 액체 계면을 측정할 수 있다. 또한, 유전율이 낮은 극저온 액체를 측정하기 위해 고주파 대역의 레이더센서를 사용함으로써 낮은 유전율에 대해 정확한 신호 측정이 가능한 이점을 갖는다.
상기 혼 안테나 어셈블리(120)는, 상기 마이크로스트립 패치 배열 안테나(111)에 대하여 배열 전체를 동시 수용하는 단일 전파경로를 형성하는 통합 도파관부(121)와, 상기 통합 도파관부(121)의 일측으로 연장되는 깔때기 형상의 전파경로를 형성하는 혼부(123), 및 상기 혼부(123)의 확산 단부에 결합되어 전파 파장의 직진성을 향상시켜 측정 대상에 신호가 집중되도록 하는 렌즈부(125)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
본 발명에 따른 혼 안테나 어셈블리(120)는 전파의 길을 내주는 역할로 통합 도파관부(121)와 일정한 각도를 가지고 꺾여지는 혼부(123)로 구성된다.
이때, 상기 통합 도파관부(121)의 경우, 일반적으로 주파수 별로 크기와 형상이 규격화 되어있으며, 80GHz 대역의 경우 WR-10의 도파관 규격을 사용하게 된다. 하지만, 기존의 마이크로스트립 패치 안테나의 경우, 직렬 또는 병렬의 여러 개의 패치 안테나가 존재하며, 고주파 일수록 각각의 패치 안테나 사이의 거리가 매우 협소하기 때문에 실제 도파관을 각각의 안테나에 대해 구성하는 것은 구조상, 제작상 매우 어렵기 때문에, 본 발명에서는 Tx부와 Rx부 배열 안테나 전체 크기에 대하여 이들을 동시에 포함하는 전파경로를 제공하는 통합 도파관부(121)를 제공한다.
이때, 상기 통합 도파관부(121)의 크기 및 형상을 결정함에 있어서, 신호의 피드 포인트는 Tx배열 안테나(111a)와 Rx배열 안테나(111b)의 중심부분이 되도록 한다.
먼저, 상기 통합 도파관부(121)는 배열 안테나 전체를 포함하는 원형 또는 사각형의 단일 관체를 형성한다. 이러한 통합 도파관부(121)는 마이크로파 이상의 높은 주파수(1GHz 이상)의 전기 에너지나 신호를 전송하기 위한 전송로의 일종으로 구리 등의 전기도체로 된 관(管) 내부를 전자기파가 지나가도록 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 마이크로스트립 패치 배열 안테나(111)는 송신부 역할을 하는 Tx배열 안테나(111a) 및 수신부 역할을 하는 Rx배열 안테나(111b)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 통합 도파관부(121)에는 레이더 센서(110)에 착탈 가능하게 결합하는 제1결합부(121a)를 형성할 수 있다.
상기 제1결합부(121a)는 통합 도파관부(121)의 테두리에 수평방향으로 확장되는 플랜지를 형성하고, 상기 플랜지에는 체결홀이 형성되어 볼트 및 체결나사를 이용해 레이더 센서 본체에 착탈 가능하게 결합되도록 할 수 있다.
이때, 상기 제1결합부(121a)에 대응하는 체결구조가 레이더 센서(110) 본체에 형성될 수 있다.
이때, 본 발명에서는 상기 통합 도파관부(121)의 피드 포인트(feed point)를 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 배열 전체의 중심으로 형성하는 것인데, 상기 통합 도파관부(121)의 피드 포인트(feed point)를 표시하기 위한 센터마크로 제1결합부(121a)를 이용할 수 있다.
예컨대, 제1결합부(121a)의 체결홀들을 통합 도파관부(121)의 테두리 4분할 정위치에 형성되도록 함으로써, 센터마크로 활용할 수 있다. 작업자는 열십자 형태 배치를 갖는 센터마크를 기준으로 레이더 센서와의 피드 포인트 즉, 결합 정위치를 확인할 수 있다.
이와 같은 센터마크는 홀이나 기준선 등의 형태로 다양하게 표현될 수 있다.
그리고, 상기 혼부(123)의 확산 단부에는 렌즈부(125)를 착탈 가능하게 결합하는 제2결합부(123a)를 형성할 수 있다.
이때, 상기 제2결합부(123a)는 혼부(123)의 테두리에 수평방향으로 확장되는 플랜지를 형성하고, 상기 플랜지에는 체결홀이 형성되어 볼트 및 체결나사를 이용해 렌즈부(125)와 착탈 가능하게 결합되도록 할 수 있다.
상기한 바와 같은 통합 도파관부(121) 및 혼부(123)는 3d프린팅방식으로 제작될 수 있는데, 특히 상기 통합 도파관부(121) 및 혼부(123)는 전기 전도성을 부여해주기 위해 카본(Carbon)이 포함된 3d 프린팅 소재로 제작할 수 있다.
이때, 상기 3d 프린팅 소재는 Nylon 80% 및 carbon chop 20%로 형성되는 것이 바람직하다.
이처럼 전도성을 가지는 3D 프린팅 재료를 이용하여 혼을 제작할 때, 탄소 기반 복합재를 이용하는 경우, 전기전도도가 보장되어 기존 금속과 성능이 비슷하게 나타날 수 있다.
또한, 상기 렌즈부(125)를 3d프린팅방식으로 제작할 수 있다.
이때, 상기 렌즈부(125)는 투과율을 높이기 위해 전도성이 없는 유전체 재질의 3d 프린팅 소재로 제작할 수 있다.
이때, 렌즈부(125)의 설계에 있어서 중요 설계 포인트는 렌즈의 재질이다. 혼부(123)와는 반대로 전도성이 있을 경우, 전기적 특성에 의해 전파가 통과하지 못하고 반사되기 때문에 렌즈의 투과율을 높이기 위해서 일반적으로 유전체 물질을 사용한다. 렌즈 재질의 굴절률에 따라 전파가 꺾이는 정도가 다르며, 기존의 구면파에 직진성을 부여하여 평면파로 전환시킬 수 있다. 직진성이 향상된 레이더센서는 신호의 이득 증가와 유전율이 낮은 매체에 대해서도 정확한 신호 측정이 가능하게 된다. 렌즈의 형상은 그 용도와 특성에 따라 여러가지 타입으로 구분되나, 본 발명에서는 하이퍼볼릭(Hyperbolic) 형상의 렌즈부(125)가 개시된다.
렌즈부(125)의 제작은 혼부(123)와 같이 3D 프린터로 제작할 수 있는데, 파장의 방향을 꺾는 렌즈의 특성상 표면조도 및 해상도가 중요하기 때문에 소재는 스탠다드 화이트 레진(Standard white resin)을 사용해 제작할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 레이더 센서의 액체질소 수위측정실험 예시도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 혼 안테나 어셈블리의 성능평가를 위해서 레이더 센서에 혼 안테나 어셈블리의 장착 유무에 따른 극저온 액체 수위 측정 특성을 분석하기 위한 실제 액체질소에 대해 수위 측정 실험을 진행하였다.
실험은 도 4에서와 같이 액체질소가 담겨져있는 용기로부터 일정 높이 이상에 레이더 센서를 위치시킨 후 수위를 측정하였다. 혼 및 렌즈의 정확한 영향을 평가하기 위하여 실험 순서는 다음과 같이 3가지 단계로 설정하였다.
먼저, 1단계는 기존의 레이더 센서의 수위측정 테스트이고, 2단계는 본 발명에 따른 혼이 결합된 레이더 센서의 수위측정 테스트이며, 3단계는 본 발명에 따른 혼 및 렌즈가 결합된 레이더 센서의 수위측정 테스트를 나타낸다.
도 5는 기존의 레이더 센서의 수위측정 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 기존의 레이더 센서만을 이용해 수위측정 테스트를 진행하였다. 실험결과를 보면, 장착 전에는 액체질소의 레벨에 대한 신호 강도가 매우 낮고 다른 금속(용기의 플랜지면, 바닥면)에 대한 신호감도가 강한 것을 볼 수 있다. 또한, 특정 거리에 대한 신호들이 중첩되면서 실제 최대 높이인 1.3m 이상의 거리에 대한 신호가 크게 나타났다.
도 6은 본 발명에 따른 혼이 결합된 레이더 센서의 수위측정 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 혼 안테나 어셈블리에서 렌즈부는 제외하고 혼부만을 장착하여 액체질소 수위 측정 테스트를 진행하였다. 실험결과를 보면, 금속 용기의 플랜지, 용기 바닥, 액체질소 계면의 신호는 이전과 같이 동일하게 측정되었으며, 용기 바닥 높이인 1.3m 이상에서의 중첩신호 또한 여전히 존재하였다. 하지만 신호 감도를 보면 기존의 레이더센서에 비해 감도의 강도가 상당히 향상된 것을 볼 수 있다. 이는 혼에 의해 전파의 손실이 줄어들고 그로 인해 신호 이득이 증가한 것임을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 혼 및 렌즈가 결합된 레이더 센서의 수위측정 실험결과를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 혼부 및 렌즈부가 포함된 혼 안테나 어셈블리가 결합된 레이더 센서의 수위측정 테스트를 진행하였다. 실험결과를 보면, 혼부 및 렌즈부를 장착하고 실험을 진행했을 때에는 피크점이 2포인트 정도로 구분된다. 약 200mm 정도에 나타나는 피크점의 경우 렌즈 표면에서 일부 반사되어 돌아오는 신호로, 렌즈는 고정되어 있기 때문에 항상 일정한 값을 나타낸다. 이는, 향후 신호 필터링 및 보정을 통해 충분히 제거가 가능하다. 또한, 기존의 레이더센서만 이용하여 측정을 진행하였을 때와 비교하면, 금속 용기 플렌지의 신호가 제거되는 결과를 나타냈다. 이와 같은 결과는 렌즈를 통해 전파의 각도가 꺾이면서 직진성이 향상되어 기존에 측정되던 외각 부분의 플랜지면이 사라졌기 때문이다.
또한, 2번째 피크의 경우, 실제 액체질소의 수위로 앞선 경우와 비교하여 y축 데이터인 피크 밸류 값이 1M정도 수준에서 8M정도 수준까지 향상되었으며, 기존의 신호 이득이 가장 컸던 금속 용기 바닥부분의 신호 크기가 줄어들었다. 또한 1.3m 이상의 거리에 대한 신호의 노이즈가 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 혼부의 역할로 인해, 신호 이득이 증가하고, 렌즈부에 의해 전파의 직진성이 향상되어 다른 거리에 대한 신호 노이즈들이 줄어들었기 때문이다.
본 발명에서는 극저온 액체 저장탱크의 수위를 예측하기 위한 방안으로 FMCW 방식의 80 GHz마이크로스트립 패치 안테나 레이더센서를 이용하여 극저온 액체의 수위를 측정하였으며, 유전상수가 낮은 극저온 액체의 신호 이득을 키우기 위해 통합 도파관부(121), 혼부(123), 렌즈부(125)를 3D 프린팅을 이용하여 설계 및 제작하였다.
또한, 마이크로스트립 패치 안테나의 특성상 직렬/병렬로 구성되는 안테나에 각각 도파관 및 혼을 구성하기에는 어려움이 있기 때문에, 전체 안테나 부분에 대해 피드 포인트를 가정하고 이를 포함하는 통합 도파관부(121)를 형성하였다.
또한, 통합 도파관부(121) 및 혼부(123)의 소재로써 전도성이 있는 카본이 함유된 복합소재를 사용하여 금속의 역할을 대신하였으며, 신호 이득 향상을 확인하였다.
한편, 일반적으로 유전물질로 제작되는 렌즈부(125)의 경우, 레진을 사용하여 해상도가 높은 SLA방식 3D 프린터로 출력하였으며, 출력 후 폴리싱을 통해 표면조도를 향상시켰다.
특히, 렌즈부(125)는 하이퍼볼릭(Hyperbolic)형상으로 설계를 진행하였으며, 실험 결과 전파의 직진성 향상과 중첩되는 신호의 노이즈를 제거하는데 효과가 있음을 확인하였다.
이와 같은 본 발명은 밀리미터 파장 대역의 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 3D 프린팅 방식으로 제작된 혼 안테나 어셈블리가 탈부착 가능하게 제공됨으로써, 형상에 대한 자유도를 높이고, 안테나의 특성에 따라 원하는 형상으로 제작이 가능한 뛰어난 가공성을 갖는 것은 물론이고, 혼 안테나 어셈블리를 레이더 센서에 형상적인 제약없이 탈부착 가능하게 결합함으로써, 다양한 형태의 안테나를 구현할 수 있어 호환성이 우수하고, 불량부품에 대한 간편한 교체가 가능하기 때문에 유지보수가 편리한 이점을 갖게 된다.
또한, 본 발명은 혼부를 통해서 송수신되는 전파의 가이드를 구성하여 신호 이득을 전반적으로 증폭시키고, 렌즈부를 통해서는 파장의 직진성을 향상시켜 측정 대상에 신호를 집중시키도록 함으로써, 유전 상수가 낮은 극저온 액체의 수위를 정밀하게 측정할 수 있어 레이더 센서 제품의 정밀도가 향상되고, 배열된 안테나에 대하여 개별적으로 도파관을 구성하지 않고 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대하여 안테나 배열 전체를 감당하는 통합 도파관부(121)를 구성하여 고주파 대역의 도파관 제작 및 구성의 한계를 개선함으로써, 구조적으로 공간이 협소하여 발생하는 제조상의 어려움을 해소하게 되어 제품설계 및 제조공정이 간소화되는 이점을 갖게 된다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 레이더 센서 111: 패치 배열 안테나
111a: Tx배열 안테나 111b: Rx배열 안테나
120: 혼 안테나 어셈블리 121: 통합 토파관부
121a: 제1결합부 123: 혼부
123a: 제2결합부 125: 렌즈부

Claims (11)

  1. 복수 개의 패치가 직렬 또는 병렬로 구성되는 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 형성하는 레이더 센서의 전파 경로 상에 설치되어 송수신되는 전파의 가이드를 구성하여 신호를 증폭하는 혼 안테나 어셈블리로서,
    상기 혼 안테나 어셈블리는,
    상기 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 대하여 배열 전체를 동시 수용하는 단일 전파경로를 형성하는 통합 도파관부;
    상기 통합 도파관부의 일측으로 연장되는 깔때기 형상의 전파경로를 형성하는 혼부;
    상기 혼부의 확산 단부에 결합되어 전파 파장의 직진성을 향상시켜 측정 대상에 신호가 집중되도록 하는 렌즈부;
    를 포함하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 송신부 역할을 하는 Tx배열 안테나 및 수신부 역할을 하는 Rx배열 안테나를 포함하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 통합 도파관부에는 레이더 센서에 착탈 가능하게 결합하는 제1결합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼부의 확산 단부에는 렌즈부를 착탈 가능하게 결합하는 제2결합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 통합 도파관부의 피드 포인트(feed point)를 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 배열 전체의 중심으로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 통합 도파관부의 피드 포인트(feed point)를 표시하기 위한 센터마크로 제1결합부를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 통합 도파관부 및 혼부는 3d프린팅방식으로 제작하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 통합 도파관부 및 혼부는 전기 전도성을 부여해주기 위해 카본(Carbon)이 포함된 3d 프린팅 소재로 제작하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 3d 프린팅 소재는 Nylon 80% 및 carbon chop 20%로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈부는 3d프린팅방식으로 제작하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 렌즈부는 투과율을 높이기 위해 전도성이 없는 유전체 재질의 3d 프린팅 소재로 제작하는 것을 특징으로 하는 마이크로스트립 어레이 안테나용 혼 안테나 어셈블리.
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