WO2011031074A2

WO2011031074A2 - 밀리미터파의 안테나

Info

Publication number: WO2011031074A2
Application number: PCT/KR2010/006140
Authority: WO
Inventors: 이진구; 임현준; 채연식; 김미라
Original assignee: 동국대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2011-03-17
Also published as: WO2011031074A3; KR100953923B1

Abstract

본 발명은 밀리미터파의 안테나에 관한 것으로, 특히 밀리미터파를 이용한 영상 구현 시스템에 적용되는 밀리미터파 수신용 안테나를 하나의 패키지 형태로 구현한 것이다. 본 발명에 의한 밀리미터파 안테나는 안테나-도파관-저잡음 증폭기의 물리적 연결 구조를 개선하는 것으로써 밀리미터파 영상의 화질 열화의 원인을 제거한다. 따라서 이들 사이의 개선된 물리적 연결 구조를 제공할 수 있는 밀리미터파 안테나를 구현하는 것이 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제의 해결 방안의 개요이다.

Description

【명세서】

【발명의 명칭】

밀리미터파의 안테나

【기술분야】

<1> 본 발명은 밀리미터파의 안테나에 관한 것으로， 특히 밀리미터파를 이용한 영상 구현 시스템에 적용되는 밀리미터파 수신용 안테나를 하나의 패키지 형태로 구현한 것이다.

【배경기술】

<2> 밀리미터파는 전자기파의 일종으로 그 파장이 밀리미테 mm] 단위인 신호를 말한다. 밀리미터파를 이용하여 은닉된 물체를 감지하는 장치가 있는데， 대표적인 예로 밀리미터파 영상 시스템을 들 수 있다.

<3> 모든 물체는 그 절대은도에 비례해서 넓은 대역의 열잡음을 방사하는데， 밀 리미터파 영상 시스템은 이 열잡음 중에서 밀리미터파 대역의 스펙트럼 강도를 수 신해서 영상을 형성한다. 밀리미터파는 의복 등을 투과할 수가 있기 때문에, 밀리 미터파 영상 시스템을 이용하여 의복 내부의 인체 및 소지품 (은닉된 물체)이 방사 하고 있는 절대은도에 비례하는 열잡음 중 밀리미터파를 수신하여 영상으로 구성할 수 있다.

<4> 밀리미터파 영상의 구현에 있어서， 렌즈를 통해 집속된 밀리미터파의 수신을 위한 안테나는 어레이 (array) 형태를 이루고 있다. 즉， 동일 구조를 가진 개별 안 테나 여러 개를 mXn 어레이 형태로 구현하여 밀리미터파를 수신하게 된다. 안테나 어레이를 통해 수신된 밀리미터파는 상기 개별 안테나에 각각 연결된 도파관 (waveguide)을 통해 밀리마터파 영상 구현 모듈로 전달되어 밀리미터파 영상으로 구현 (재현)된다.

<5> 최근의 밀리미터파 영상의 재현에 있어서는 영상 품질 (화질)의 제고가 화두 가 되고 있는데， 화질의 제고를 꾀하기 위한 별개의 방안올 구현하여 이미 구축된 영상 시스템에 부가할 수도 있고， 아니면 이미 구축된 영상 시스템을 그대로 유지 하면서 화질의 열화 (degradation)를 가져을 수 있는 근원을 제거하는 방안을 고려 할 수도 있으나， 별개의 방안의 구현은 밀리미터파 영상 시스템의 하드웨어적 내지 는 다른 측면에서 대폭적 변경을 초래할 수 있으므로 시간 및 비용 측면에서 현재 의 밀리미터파 영상 시스템을 그대로 두고 화질의 열화를 가져을 수 있는 근원을 제거하는 방안을 꾀하는 것이 보다 바람직하며 따라서 이에 대한 기술을 개발할 필 요가 있다. 【발명의 상세한 설명】

【기술적 과제】

<6> 본 발명은 상기와 같은 배경으로 창안된 것으로, 본 발명의 기술적 과제는 밀리미터파 영상 품질의 열화를 가져올 수 있는 근원을 제거할 수 있는 밀리미터파 의 안테나를 제공하는 것이다.

【기술적 해결방법】

<7> 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명에 의한 밀리미터파의 안 테나는

<8> 어레이 (array)로 형성된 복수의 개별 안테나를 하나의 몸체 (housing)로 패키 징 (packaging)시킨 안테나 패키지; 및 상기 안테나 패키지에 결합되며， 상기 복수 의 개별 안테나를 통해 각각 수신되는 밀리미터파의 도파관 (waveguide)이 탈착되는 복수의 커넥터를 포함한다.

<9> 상기 복수의 커넥터는， 같은 수의 커넥터를 상기 안테나 패키지의 일 측면과 상기 일 측면의 대향 측면에 대칭적으로 배치하여， 상기 안테나 패키지에 결합시키 는 것이 본 발명에 의한 밀리미터파의 안테나가 해결하고자 하는 기술적 과제의 해 결에 바람직하다 .

<ιο> 상기 커넥터는 W-band 도파관 규격인 WR-10 규격에 맞추는 것이 본 발명에 의한 밀리미터파의 안테나가 해결하고자 하는 기술적 과제의 해결에 바람직하다.

<π> 상기 개별 안테나는 흔 (horn) 안테나로 구현하는 것이 본 발명에 의한 밀리 미터파의 안테나가 해결하고자 하는 기술적 과제의 해결에 바람직하다.

【유리한 효과】

<12> 본 발명에 의한 안테나는 하나의 패키지로서 독립 모들로 구현되고， 도파관 과 연결시키기 위한 다수의 커넥터가 패키지 표면의 일 측면과 대향 측면에 대칭적 으로 배치되어 도파관의 기계적인 탈 /부착만으로 안테나와 도파관의 결합을 매우 용이하게 할 수 있으며 , 밀리미터파 이미지 센서의 배열을 공간 효율적으로 구현할 수 있다.

【도면의 간단한 설명】

<13> 도 1은 기존의 밀리미터파 영상 시스템의 안테나 어레이를 나타낸 도면이다.

<14> 도 2는 도 1에 제시된 안테나 어레이의 개별 어레이의 구조를 나타낸 도면이 다.

<15> 도 3은 본 발명에 의한 안테나의 정면의 단면도이다.

<16> 도 4는 본 발명에 의한 안테나 어레이의 측면도이다. <17> 도 5는 본 발명에 의한 안테나의 평면도이다.

<18> 도 6은 본 발명에 의한 안테나의 저면도이다.

<19> 도 7은 본 발명에 의한 안테나의 사시도를 나타낸 것으로 사진으로 제시된 것이다.

<20> 도 8은 본 발명에 의한 안테나의 평면도를 나타낸 것으로 사진으로 제시된 것이다.

<21> 도 9는 본 발명에 의한 안테나의 개별 안테나의 일례로 채용할 수 있는 흔

(horn) 안테나를 실제로 설계하였을 때의 안테나의 구조와 실제로 제작된 안테나의 사진을 나타낸 것이다.

<22> 도 10은 도 9에 제시된 혼 안테나의 반사계수 특성에 대한 시뮬레이션 결과 를 제시한 그래프이다.

<23> 도 n은 본 발명에 의한 안테나가 도파관을 향해 수신한 밀리미터파를 방사 하는 방사 패턴의 특성 (이득 특성 )을 3차원 그래프로 제시한 도면이다.

【발명의 실시를 위한 최선의 형태】

<24> 본 발명에 의한 밀리미터파의 안테나는 어레이 (array)로 형성된 복수의 개별 안테나를 하나의 몸체 (housing)로 패키징 (packaging)하여 독립 모들로 구현하고， 복수의 개별 안테나를 통해 각각 수신되는 밀리미터파의 도파관 (waveguide)이 탈착 되는 복수의 커넥터를 패키징된 몸체에 결합시킨다.

<25> 이때 복수의 커넥터는, 같은 수의 커넥터를 패키징된 몸체의 일 측면과 일 측면의 대향 측면에 대칭적으로 배치하여 제한된 공간에서 효율적으로 밀리미터파 이미지 센서를 배열할 수 있도록 한다.

【발명의 실시를 위한 형태】

<26> 본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제의 해결 방안의 개요를 우선 제시한다.

<27> 본 발명에 의한 밀리미터파 안테나는 안테나-도파관-저잡음 증폭기의 물리적 연결 구조의 개선을 통해 밀리미터파 영상의 화질 열화의 원인을 제거하는 것이다. 기존의 밀리미터파 영상 시스템에서의 화질 열화는 안테나-도파관-저잡음 증폭기의 물리적 연결 구조에서 가장 크게 기인하는 것으로 알려져 있다. 따라서 이들 사이 의 개선된 물리적 연결 구조를 제공할 수 있는 밀리미터파의 안테나를 구현하는 것 이 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제의 해결 방안의 개요이다.

<28> 이하, 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세 히 설명하되， 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명이 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔 다. 아을러 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 블필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경 우， 그상세한 설명을 생략한다.

<29> 기존의 밀리미터파 영상 시스템의 안테나 어레이 (110)의 물리적 구조는 안테 나와 도파관이 일체로 형성되고 (안테나-도파관 모들 (111))， 안테나-도파관 모들 (111)에 저잡음 증폭기 (Low Noise Amplifier: LNA) 모듈 (112)이 결합된 구조이다( 도 1 내지 도 2 참조). LNA모들 (112)은 밀리미터 신호 증폭부 (113)와 증폭부 (113) 를 통해 증폭된 신호를 직류 전압으로 변환하여 출력하는 검출기 (115)로 이루어진 다.

<30> 이때 LNA 모들 (112)이 안테나-도파관 모들 (111)에 결합되는 것은 소위 FIN 라인 전이 (FIN line transition) 구조 (113)를 통해 이루어지는데, 이러한 전이 구 조를 통한 결합에 있어서의 가장 큰 문제는 두 모들 (111과 112)의 결합으로 인해 수신된 밀리미터파의 손실 (소위 '결합 손실')이 크다는 것이다. 즉 , 안테나—도파관 모듈 (111)을 통해 수신 ¾ 밀리미터파는 LNA 모듈 (1Ϊ2)로 최대 전력으로 전달되어야 하는데， 이를 위해서는 두 모들 (111과 112)간의 임피던스 정합 (impedance matching)이 요구된다.

<3i> 그런데 FIN 라인 전이 (FIN line transition) 구조를 통해서는 두 모들 (111과

112)간 임피던스 정합이 매우 힘들다. FIN 라인 전이 구조는 도파관과 PCB(Printed Circuit Board) 형태로 구현되는 LNA모들 (112)을 실버 에폭시 (silver epoxy)를 도 포해서 결합하는 구조인데, 서로 다른 물성 (성질)을 갖는 매질 (도파관은 일반적으 로 알루미늄이고， 상기 PCB는 Duroid 유전체)간의 결합이기 때문에 이로 인한 손실 이 발생하여 임피던스 정합을 보기 매우 힘들다.

<32> 그리고 안테나-도파관 모들 (111)에 LNA모듈 (112)을 결합시키는 것은 실제로 두 모들 (111과 112)을 결합시키기 위한 본딩 (bonding) 과정 , 솔더링 (solder ing) 과 정 등 매뉴얼 (manual)적인 작업을 거쳐야 하므로, 결합을 위한 작업 자체에 소요되 는 시간도 많고 아울러 이러한 결합 방식으로 인해 트러블 -슈팅 (trouble-shoot ing) 상의 난점 즉, 트러블-슈팅을 위해서는 이미 결합된 모들을 해체시켜야 한다.

<33> 본 발명에 의한 안테나는 이러한 문제 내지는 난점들을 인식하여 창안한 것 으로， 본 발명에 의한 안테나의 구현 시발점 (착안점)은 안테나 어레이만을 하나의 몸체 (housing)로 패키징 (packaging)하여 독립 모들로 구현시키는 것이다. 즉， 기존 의 경우처럼 안테나-도파관 모들 (111)과 LNA 모들 (112)을 일체로 고정 결합시키는 것이 아니라 안테나 어레이만을 하나의 패키지 (package)로 구현하고， 이렇게 구현 된 안테나 패키지에 도파관 (저잡음 증폭기 모들)을 연결시키기 위한 커넥터를 패키 지의 측면에 대칭적으로 구현하여 제한된 공간에서 효율적으로 밀리미터파 이미지 센서를 배열할 수 있도록 하는 것이다.

<34> 도 3 내지 도 8은 본 발명에 의한 안테나의 상세도의 일례를 나타낸 것이다.

<35> 도 3은 본 발명에 의한 안테나의 정면의 단면도로서， 본 발명에 의한 안테나

(20)는 복수의 개별 안테나 (21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f)가 어레이 (array) 형태 로 하나의 패키지 형태로 구현된다. 본 명세서에는 6X1 형태의 안테나 어레이가 제시되어 있으나 (도 3, 도 5， 도 7, 도 8 참조), 밀리미터파 영상 시스템이 구축되 는 환경 등에 따라 안테나 어레이를 다양한 크기로 할 수 있음 (예를 들어 8X2)은 당업자의 입장에서 자명하다 .

<36> 개별 안테나 (21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f)로서는 흔 (horn) 안테나를 이용 할 수 있다. 혼 안테나에 관한 상세는 도 9를 참조하여 추후에 설명한다. 개별 안 테나 (21a, 21b, 21c, 21d, 21e, 21f)는 패키지 (20)의 상단에 좌우 방향으로 동일 간격으로 배치되어 있다. 도파관이 연결되는 각 커넥터 (22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)는 패키지 (20) 외부에서 도파관을 자유롭게 탈착시킬 수 있는 구조로서 안테나 패키지 (20)의 일 측면과 대향 측면 (도 3의 경우 좌우 측면)에 대칭적으로 배치되어 안테나 패키지 (20)에 결합된다. 탈착 구조의 커넥터를 채용하기 때문에 기존에 비 해 도파관과 안테나의 연결이 매우 용이해지고 도파관과 안테나간의 임피던스 정합 올 용이하게 한다.

<37> 복수 커넥터를 안테나 패키지 (20)에 대칭적으로 배치하는 것은 각 커넥터

(22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f)에 개별적으로 도파관을 연결 시에 개별 도파관의 배치상의 편리성 및 동일 개수의 커넥터를 기준으로 안테나 패키지 (20) 자체의 볼 륨 (volume)을 최소로 할 수 있다. 안테나 패키지 (20)의 어느 일면에만 커넥터 모두 를 배치하게 되면， 개별 도파관끼리의 공간적 거리 (이격)가 좁아지게 되어 개별 도 파관을 안테나에 탈착시키는 것이 곤란해지며 개별 안테나의 수가 증가할수록 더욱 곤란해진다. 또한 개별 안테나의 개수가 증가하면 (어레이가 커지면) 패키지 자체의 볼륨이 획기적으로 증가하는 문제도 발생한다.

<38> 커넥터를 안테나 패키지 (20)에 대칭적으로 배치하는 것은 동일 개수의 도파 관을 커넥터에 연결하는 경우 개별 도파관끼리의 공간적 거리를 보다 더 확보할 수 있게끔 하여 개별 도파관의 탈착을 매우 용이하게 하고， 개별 안테나 수가 증가하 더라도 안테나 패키지 (20) 자체의 볼륨 증가가 없거나 증가가 있더라도 최소화 (패 키지 (20)의 단면적 및 두께의 증가를 최소화)시킬 수 있다. 공간적 거리를 보다 더 확보할 수 있으므로， 특히 서로 이웃하는 도파관을 통해 전달되는 밀리미터파 사이 에 발생할 수 있는 상호 간섭을 방지할 수 있고 따라서 상호 간섭에 의한 밀리미터 파의 왜곡 현상을 방지할 수도 있다.

<39> 커넥터의 상세도는 도 4에 본 발명의 실시예에 의한 안테나 어레이의 측면도 로서 제시되어 있다. 도 4에 제시된 커넥터는 94[GHz]에서의 도파관 규격인 WR-10 규격에 따른 커넥터로서， 이는 밀리미터파 영상의 구현이 94[GHz]를 중심 대역으로 하는 W-band에서 이루어지기 때문이다.

<40> 한편 커넥터가 상기 W -10 규격과 같은 어떠한 규격을 준수하여 설계되었는 지는 각 커넥터 (22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 220의 중간 부분에 위치한 직사각형 부 분의 크기가 어느 값을 갖는 지로부터 알 수 있는데， 이와 같은 사실은 본 발명의 실시예에 의한 안테나는 상기 중간 부분에 위치한 직사각형 부분의 크기를 조절하 여 WR-10 규격이 아닌 다른 규격의 도파관에 대해서도 이용할 수 있다는 사실을 의 미한다.

<41> 도 5는 본 발명에 의한 안테나의 평면도이고, 도 6은 본 발명에 의한 안테나 의 저면도이다. 도 7은 본 발명에 의한 안테나의 사시도를 나타낸 것으로 사진으로 제시된 것이며， 도 8은 본 발명에 의한 안테나의 평면도를 나타낸 것으로 사진으로 제시된 것이다. 즉， 도 8은 도 5의 외관에 대한 사진 형태이다.

<42> 한편 도 9는 본 발명에 의한 안테나의 개별 안테나의 일례로 채용할 수 있는 흔 (horn) 안테나를 실제로 설계하였을 때의 안테나의 구조와 실제로 제작된 안테나 의 사진을 나타낸다. 도 9에 제시된 구조를 갖는 흔 안테나는 개구면 크기가 6 [隱] X9[mm]이고 17.5[dB] 정도의 최대 이득을 갖고 반사계수가 -25[dB] 이하를 갖는 우수한 특성을 갖는다. 도 10은 이러한 혼 안테나의 반사계수 특성에 대한 시뮬레 이션 결과를 제시한 그래프이다. 도 10에 제시된 그래프를 참조하면, 본 발명에 의 한 안테나에 적용되는 흔 안테나는 94[GHz]에서 -26.5[dB]의 우수한 반사계수를 가 지며 광대역 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

<43> 흔 안테나의 이득은 안테나의 개구면 크기에 의해 가장 많이 좌우되는데， 개 구면의 크기가 커질수록 이득은 증가한다. 통상적으로 흔 안테나의 이득이 15[dB] 이상이고 반사계수가 —L5[dB] 이하이면 이득 및 반사계수 특성이 우수한 안테나로 취급된다. 따라서 본 발명의 실시예에 적용되는 흔 안테나는 6 [隱] X9[mm]의 작은 개구면 크기로 17.5[dB] 정도의 최대 이득을 가지므로 특성이 매우 우수하다고 볼 수 있다.

아래의 표는 현재 대표적으로 사용되고 있는 혼 안테나 (A, 현재 이용되는 혼 안테나 중 특성이 가장 좋은 것으로 알려져 있다)와 본 발명의 실시예에 적용되는 흔 안테나 (B)의 제반 사항을 비교한 표이다.

아래의 표에 제시된 바와 같이, 본 발명에 의한 안테나에 적용되는 흔 안테 나의 개구면의 크기 (Aperture size)는 현재 대표적으로 사용되고 있는 흔 안테나에 비해 대폭 작은 것을 알 수 있다. 그리고 본 발명에 의한 안테나에 적용되는 혼 안 테나의 개구면의 크기를 8 [隱] X9[mm]로 약간 늘렸을 때 안테나 이득은 3[dB] 정도 가 증가하여 20.5[dB]가 된다.

결국 본 발명에 의한 안테나에 적용되는 흔 안테나는 매우 작은 디멘션 (Dimension)으로도 고 이득 /저 반사계수 특성을 보이므로， 안테나 패키지의 소형화 에도 기여할 수 있고 이는 궁극적으로 밀리미터파 영상 시스템의 소형화에까지 기 여할 수 있어 밀리미터파 영상 시스템의 활용을 더 용이하게 할 수 있다.

<48> 도 11은 본 발명의 실시예에 의한 안테나가 도파관을 향해 수신한 밀리미터 파를 방사하는 방사 패턴의 특성 (이득 특성 )을 3차원 그래프로 제시한 도면으로 최 대 이득이 17.47[dB]가 나오는 것을 확인할 수 있다.

<49> 이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 증심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적 인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

<50> 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고 려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있 으며， 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되 어야 할 것이다.

【산업상 이용가능성】

<51> 본 발명은 밀리미터파 영상 획득 시스템의 안테나로 활용될 수 있다.

Claims

【청구의 범위】

【청구항 1]

어레이 (array)로 형성된 복수의 개별 안테나를 하나의 몸체 (housing)로 패키 징 (packaging)시킨 안테나 패키지; 및

상기 안테나 패키지에 결합되며, 상기 복수의 개별 안테나를 통해 각각 수신 되는 밀리미터파의 도파관 (waveguide)이 탈착되는 복수의 커넥터를 포함하는 밀리 미터파의 안테나.

【청구항 2】

제 1 항에 있어서，

상기 복수의 커넥터는， 같은 수의 커넥터를 상기 안테나 패키지의 일 측면과 상기 일 측면의 대향 측면에 대칭적으로 배치하여， 상기 안테나 패키지에 결합되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파의 안테나.

【청구항 3】

제 1 항에 있어서，

상기 복수의 커넥터는 W-band 도파관 규격인 WR-10 규격에 의하는 것을 특징 으로 하는 밀리미터파의 안테나.

【청구항 4】

제 2 항에 있어서，

상기 복수의 커넥터는 W-band도파관 규격인 WR-10 규격에 의하는 것을 특징 으로 하는 밀리미터파의 안테나.

【청구항 5]

제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서，

상기 개별 안테나는 흔 (horn) 안테나인 것을 특징으로 하는 밀리미터파의 안 테나.