KR101092846B1

KR101092846B1 - 직렬 슬롯 배열 안테나

Info

Publication number: KR101092846B1
Application number: KR1020100095624A
Authority: KR
Inventors: 김동연; 남상욱; 박창현; 이상주; 정우성; 정채현
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 엘아이지넥스원 주식회사
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2030-09-30

Abstract

본 발명은 슬롯 배열 안테나에 관한 것으로써, 공진 길이보다 짧은 길이의 유도성(inductive load) 비공진 슬롯과, 공진 길이보다 긴 길이의 용량성(capacitive load) 비공진 슬롯 쌍이 적어도 하나 이상 포함된 방사체를 포함하는 상판; 상기 상판에 대응되는 구조를 가지며 치구 결합 에칭 패턴을 더 포함하는 하판; 및 상기 상판과 하판 사이에 삽입되어 전기적으로 연결하는 유전체 기판;을 포함함으로써, 환영현상을 억제할 수 있고, 임의의 각도의 선형 편파 발생이 가능하며, 일렬 배열 안테나를 교대로 위치시켜 이중 편파 발생이 가능하며 하이브리드급전부를 이용하여 원형 편파를 생성할 수 있다.

Description

직렬 슬롯 배열 안테나{A SERIES SLOT ARRAY ANTENNA}

본 발명은 직렬 슬롯 배열 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 집적 도파관 기술(substrate integrated waveguide; SIW)을 이용한 직렬 슬롯 배열 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 단일 슬롯(slot) 안테나는, 넓은 금속판(도파관)의 전계면과 평행한 측면에 가늘고 긴 공간 즉, 구멍(slot, slit)을 뚫고 이것을 여진시켜 그 부분에서 전파가 복사되도록 한 안테나로서, 슬롯 또는 슬릿 안테나라고 한다.

이러한 단일 슬롯 안테나는, 평행 2선식이나 동축 급전선을 사용할 수 있고, 도파관의 관벽 전류를 방해하도록 가로지르면 슬롯에서 전파가 복사된다. 동축 급전선으로 급전할 때는 정합시키기 위하여 중심부에서 조금 끝쪽으로 움직인 점에서 급전한다. 자기 다이폴이며 수평 슬롯에서는 수직 편파가, 수직 슬롯에서는 수평 편파가 복사된다. 지향 특성은 상보 다이폴과 같은데 도체관과 직각인 방향에서 최대가 되며, 후방에 차폐용 공동을 설치하면 단향성이 된다.

이에 반해, 슬롯 배열(slot array) 안테나는, 도파관의 전계면과 평행한 측면으로 비스듬하게 반파장 공진 슬롯을 뚫고, 이것을 슬롯 안테나 열로서 배열하고, 필요한 지향성과 이득을 얻는 안테나이다. 급전은 안테나의 중앙부 또는 한쪽 끝에서 한다. 방수, 방지, 염해의 방지, 강도의 보강을 위해 유전체의 레이돔(radome)으로 덮는다.

이러한 슬롯 배열 안테나는, 도파관 속을 전자파가 TE10 모드로 전파하고 있는 경우 슬롯에 의해 도파관의 관벽 전류가 절단되므로 슬롯에 전계가 발생하여 전파가 복사된다. 또한, 전계의 세기는 경사각에 비례한다.

슬롯 배열 안테나는, 소형 경량이며, 풍압이 적고, 회전 중심에 대하여 평형 유지가 용이하며, 전기적 특성이 좋다. 또한, 슬롯 배열 안테나는 부엽이 적고, 효율이 높아 고이득으로 하기 쉽다.

다만, 종래 슬롯 배열 안테나의 경우에는, 임의의 각도를 가지는 선형 편파를 발생시키지 못하며, 상호 극성/교차 극성(Co-polarization/cross-polarization) 비율이 떨어져 선형 편파의 순도(purity)가 낮아 문제가 된다.

또한, 방사 슬롯 간의 간격이 공기 중의 반 파장(half wavelength) 보다 넓어 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생할 수 있으며, 이로 인해 환영 현상(ghost effect)이 심화되어 획득된 영상 신호의 겹침(overlapping) 현상이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 브로드사이드(broadside) 방사 빔 형성이 힘들며 배열 안테나 끝단에 추가적인 종단 임피던스가 필요한 문제점이 있으며, 상호 커플링 임피던스를 고려한 슬롯 쌍 배열 안테나의 설계가 까다롭다. 슬롯 전장 세기 및 위상의 조절이 어려워 주빔(main beam) 및 부엽(side lobe)을 제어하기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 임의의 각도로 순도 높은 선형 편파를 발생시키고, 그레이팅 로브(grating lobe)를 피하여 안테나의 지향성 및 이득을 향상시키는데 그 목적으로 한다.

본 발명은 기존의 슬롯 배열 안테나가 무거운 금속 도파관으로 제작되어 시스템 집적에 많은 공간을 필요로 하는 단점을 개선하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명은 밀리미터파 동작 주파수 대역에 적용 가능한 기판 집적 도파관(SIW) 기술을 이용하여 경량화 및 소형화된 안테나를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명은 목표물 추적을 위한 모노펄스(monopulse) 레이더 및 합성 개구 레이더 (Synthetic Aperture Radar, SAR)에 사용될 안테나를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 직렬 슬롯 배열 안테나의 일 예는, 공진 길이보다 짧은 길이의 유도성(inductive load) 비공진 슬롯과, 공진 길이보다 긴 길이의 용량성(capacitive load) 비공진 슬롯 쌍이 적어도 하나 이상 포함된 방사체를 포함하는 상판; 상기 상판에 대응되는 구조를 가지며 치구 결합 에칭 패턴을 더 포함하는 하판; 및 상기 상판과 하판 사이에 삽입되어 전기적으로 연결하는 유전체 기판;을 포함한다.

이때, 상기 상판의 유도성 비공진 슬롯과 용량성 비공진 슬롯은, 주기적으로 배치되며 각 슬롯 사이의 간격이 일정할 수 있다.

그리고 상기 유전체 기판은, 상기 상판과 하판을 전기적으로 연결하는 다수 개의 단락 배열 비아와 다수 개의 측면 배열 비아를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단락 배열 비아와 측면 배열 비아는, 결합되는 상기 상판의 방사체를 내포하도록 배치될 수 있다.

그리고 상기 단락 배열 비아와 측면 배열 비아는, 진행하는 내부 전자장 성분이 새지 않고 유전체 손실 및 도체 손실이 최소화되도록 비아의 지름 및 간격을 조절할 수 있다.

또한, 상기 유전체 기판의 차단 주파수(cut-off frequency)는, 상기 유전체 기판의 폭을 결정하는 측면 배열 비아 간의 간격에 의해 결정될 수 있다.

그리고 상기 측면 배열 비아의 간격은, 안테나가 차단 주파수와 TE20 모드 사이의 TE10 모드로 동작하도록 폭을 조정할 수 있다.

또한, 상기 단락 배열 비아는, 상기 상판의 마지막 방사 슬롯과 관내 파장의 반파장(λg/2) 이격 거리에 위치할 수 있다.

그리고 상기 단락 배열 비아는, 정재파 배열 안테나 메커니즘에 의해 동작할 수 있다.

또한, 상기 각 방사 슬롯은, 상기 유전체 기판 내부의 관내 파장의 반파장 간격(λg/2)으로 위치하여 정재파(standing-wave) 배열 안테나 메커니즘에 의해 동작할 수 있다.

그리고 상기 방사체는, 상기 유도성(inductive load) 비공진 슬롯과 상기 용량성(capacitive load) 비공진 슬롯이 서로 교차하도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 상판은, 상기 하판과의 결합에 이용되는 신호 처리부 에칭 패턴을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면,

첫째, 이중 편파 발생을 위한 레이더 안테나 설계가 가능한 효과가 있다.

둘째, 순도 높은 임의의 각도의 선형 편파를 발생시킬 수 있으며 그레이팅 로브를 피할 수 있어 환영 현상을 억제할 수 있으며, 안테나의 지향성 및 이득 향상에 용이한 효과가 있다.

셋째, 기존의 금속 도파관 구조로 되어 있는 슬롯 배열 안테나보다 소형화 및 경량화, 저비용화에 유리한 효과가 있다.

넷째, 정재파 형태의 슬롯 배열 안테나로써 추가적인 종단 임피던스가 필요 없는 효과가 있다.

다섯째, 유도 미사일에 장착되는 탐색기에 사용되는 안테나 및 무인항공기(UAV)에 장착되는 합성 개구 레이더(SAR) 레이더 안테나, 차량용 충돌 방지 시스템에 사용되는 45°편파 발생 밀리미터파 안테나 등에 응용이 가능한 효과가 있다.

여섯째, 본 발명의 안테나를 이용한 이중편파 안테나와 추가적인 위상 변이 급전부의 결합으로 원형 편파(좌선회 및 우선회) 발생 안테나의 설계가 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명과 관련하여, 병렬 슬롯 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 2는 본 발명과 관련하여, 교차 회전 각도를 가지는 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 3은 본 발명과 관련하여, 동일한 회전 각도를 가진 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 4는 본 발명과 관련하여, 진행파(traveling-wave) 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 5는 본 발명과 관련하여, 슬롯 쌍(slot pair) 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 교차 직렬 슬롯 배열 안테나의 일 예를 설명하기 하기 위해 도시한 3차원 분해 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 교차 직렬 슬롯 배열 안테나의 방사부의 일 예를 설명하기 위해 도시한 평면도,
도 8은 도 6 내지 7에 도시된 교차 직렬 슬롯 배열 안테나의 등가 회로의 일 예를 설명하기 위해 도시한 도면,
도 9는 도 6 내지 7에 도시된 방사 슬롯의 반사 손실 특성을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 10은 도 6 내지 7에 도시된 방사 슬롯의 방사 패턴 특성을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 11은 도 6 내지 7에 도시된 방사 슬롯에 유도된 전장 크기의 분포 특성을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 12는 도 6 내지 7에 도시된 방사 슬롯에 유도된 전장 위상 분포 특성을 설명하기 위해 도시한 도면, 그리고
도 13a 내지 13b는 본 발명에 따른 직렬 슬롯 배열 안테나 구조의 다른 실시 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 직렬 배열 슬롯 안테에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판 집적 도파관(Substrate Integrated Waveguide: SIW) 기술을 이용한 직렬 배열 슬롯 안테에 관한 것이다.

여기서, 이하 본 명세서에서는 본 발명의 이해를 돕고 출원인의 설명의 편의를 위하여, 본 발명에 따른 레이더 안테나는 밀리미터파용을 예로 한다. 또한, 본 발명에 따른 밀리미터파용 레이더 안테나는, 직렬 슬롯 배열 안테나를 예로 하여 설명한다. 다만, 본 발명의 권리범위는 예시되는 직렬 슬롯 배열 안테나에만 한정되는 것은 아니며, 동일 또는 유사한 방법으로 다양한 형태의 레이더 안테나 예를 들어, 병렬 슬롯 배열 안테나 또는 직/병렬 배열 안테나 등을 구현할 수 있으며, 그 경우에도 본 발명의 권리 범위에 속함을 미리 밝혀둔다.

도 1은 본 발명과 관련하여, 병렬 슬롯 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 1은, 전형적이며 대중적으로 사용되고 있는 도파관 배열 안테나 구조로써 병렬 연결로 등가화되는 슬롯 배열 안테나가 예시되었다.

여기서, 모든 방사 슬롯(101 내지 104)은, 공진(Resonance)에 해당되는 길이 및 오프셋(offset)을 가지며, 도파관의 중심에서 떨어진 오프셋 거리에 따라 다양한 병렬 서셉턴스(susceptance)를 가진다.

그 밖에 각 방사 슬롯은, 도파관 관내 파장(guide wavelength)의 반파장(λ_g/2) 거리만큼 떨어져 배치되어, 상기 각 방사 슬롯에 유도되는 전장 벡터의 위상은 동일하며, 높은 순도의 선형 편파를 방사할 수 있다.

다만, 도 1의 병렬 슬롯 안테나 구조에 의할 경우, 임의의 각도를 가지는 선형 편파를 발생시키지 못하는 한계가 있다.

도 2는 본 발명과 관련하여, 교차 회전 각도를 가지는 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 2의 단일 방사 슬롯은, 공진에 해당되는 길이를 가지며 회전 각도에 따라 다양한 직렬 레지스턴스(resistance)를 가진다.

여기서, 각 방사 슬롯(201 내지 204)은, 도파관 관내 파장(guide wavelength)의 반파장 거리만큼 떨어져 배치된다.

다만, 도 2의 교차 회전 각도를 가지는 직렬 슬롯 배열 안테나의 경우에는, 각 방사 슬롯에 유도되는 전장 벡터 방향이 균일하지 못할 뿐만 아니라, 그로 인해 Co-polarization/cross-polarization 비율이 떨어져 상대적으로 낮은 순도의 선형 편파를 방사한다.

도 3은 본 발명과 관련하여, 동일한 회전 각도를 가진 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 3의 단일 방사 슬롯은, 공진에 해당되는 길이를 가지며 회전 각도에 따라 다양한 직렬 레지스턴스를 가진다.

여기서, 각 방사 슬롯(301 내지 302)은, 도파관 관내 파장의 한 파장 거리만큼 떨어져 배치되며, 모든 방사 슬롯은 동일한 전장 위상(phase) 정보를 가진다.

따라서, 각 방사 슬롯(301 내지 302)에 유도되는 전장 벡터 방향은 동일하여 순도 높은 선형 편파를 발생시킬 수 있다.

다만, 도 3의 단일 방사 슬롯은, 각 방사 슬롯 간의 간격이 공기 중의 반파장보다 넓어 즉, 각 방사 슬롯 간의 거리 증가에 따라 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생하고, 그로 인한 레이더 안테나의 지향성(directivity) 및 이득(gain)이 감소할 수 있다.

도 4는 본 발명과 관련하여, 진행파(traveling-wave) 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 4의 진행파 직렬 슬롯 배열 안테나는, 방사 슬롯 간의 간격은 일정하지 않고 서로 다른 간격을 가진 구조이다.

또한, 도 4의 진행파 배열 안테나(401 내지 404)는, 마지막 슬롯(404) 즉, 슬롯 배열 끝에는, 도파관의 특성 임피던스 로드(load)로 종단(termination)된다.

다만, 도 4의 진행파 슬롯 배열 안테나의 경우, 각 슬롯의 전장에 유도되는 위상이 동일하지 않으며 임의의 각도로 빔 조향(beam scanning)에 사용된다. 따라서, 브로드사이드(broadside) 방사 빔 형성이 힘들며, 도 4에 도시된 바와 같이, 배열 안테나의 끝단에 추가적인 종단 임피던스가 필요하다.

도 5는 본 발명과 관련하여, 슬롯 쌍(slot pair) 직렬 슬롯 배열 안테나 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 5의 레이더 안테나는, 두 개의 방사 슬롯이 하나의 쌍을 형성하며 직렬로 배열된 안테나 구조이다.

여기서, 도 5와 같은 레이더 안테나는, 방사 슬롯(501 내지 502, 503 내지 504) 간의 간격이 매우 좁아 상호 커플링 임피던스(mutual coupling impedance)를 반드시 고려해야 하며, 반복적인 계산을 통한 설계만이 가능하여 그 설계가 매우 까다롭다.

또한, 도 5의 레이더 안테나의 경우, 슬롯 전장 세기 및 위상의 조절이 어려워 주빔(main beam) 및 부엽(side lobe)을 제어하기 어렵다.

관련하여, 이하에서는 본 발명에 따라 임의의 각도로 순도 높은 선형 편파를 발생시키고 그레이팅 로브를 피하여 안테나의 지향성 및 이득을 향상시킬 수 있는 레이더 안테나에 대해 설명한다.

또한, 이하에서는 기존의 슬롯 배열 안테나가, 무거운 금속 도파관으로 제작되어 시스템 집적에 많은 공간이 필요한바, 본 명세서에서는 밀리미터파 동작 주파수 대역에 적용 가능한 기판 집적 도파관(SIW) 기술을 이용하여 경량화 및 소형화된 레이더 안테나에 대해 설명한다.

따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 목표물 추적을 위한 모노펄스(monopulse) 레이더 및 합성 개구 레이더 (Synthetic Aperture Radar, SAR)에 사용될 안테나의 제조에 이용될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 교차 직렬 슬롯 배열 안테나의 일 예를 설명하기 하기 위해 도시한 3차원 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 교차 직렬 슬롯 배열 안테나의 방사부의 일 예를 설명하기 위해 도시한 평면도이다.

본 발명에 따른 슬롯 배열 안테나의 일 예는, 공진 길이보다 짧은 길이의 유도성(inductive load) 비공진 슬롯과, 공진 길이보다 긴 길이의 용량성(capacitive load) 비공진 슬롯 쌍이 적어도 하나 이상 포함된 방사체를 포함하는 상판; 상기 상판에 대응되는 구조를 가지며 치구 결합 에칭 패턴을 더 포함하는 하판; 및 상기 상판과 하판 사이에 삽입되어 전기적으로 연결하는 유전체 기판;을 포함한다. 이때, 상기 상판의 유도성 비공진 슬롯과 용량성 비공진 슬롯은, 주기적으로 배치되며 각 슬롯 사이의 간격이 일정할 수 있다. 그리고 상기 유전체 기판은, 상기 상판과 하판을 전기적으로 연결하는 다수 개의 단락 배열 비아와 다수 개의 측면 배열 비아를 포함할 수 있다. 그리고 상기 단락 배열 비아와 측면 배열 비아는, 진행하는 내부 전자장 성분이 새지 않고 유전체 손실 및 도체 손실이 최소화되도록 비아의 지름 및 간격을 조절할 수 있다. 또한, 상기 유전체 기판의 차단 주파수(cut-off frequency)는, 상기 유전체 기판의 폭을 결정하는 측면 배열 비아 간의 간격에 의해 결정될 수 있다. 그리고 상기 측면 배열 비아의 간격은, 안테나가 차단 주파수와 TE20 모드 사이의 TE10 모드로 동작하도록 폭을 조정할 수 있다. 또한, 상기 단락 배열 비아는, 상기 상판의 마지막 방사 슬롯과 관내 파장의 반파장(λg/2) 이격 거리에 위치할 수 있다. 그리고 상기 단락 배열 비아 및 상기 각 방사 슬롯은, 정재파 배열 안테나 메커니즘에 의해 동작할 수 있다. 상기 유전체 기판 내부의 관내 파장의 반파장 간격(λg/2)으로 위치하여 정재파(standing-wave) 배열 안테나 메커니즘에 의해 동작할 수 있다.

도 6과 7을 참조하면, 본 발명에 따른 교차 직렬 슬롯 배열 안테나는, 상판(601), 유전체 기판(606) 및 하판(609)이 결합되는 형태로, 전체적으로 유전체 기판이 삽입된 도파관 전송 선로 구조이다.

여기서, 상판(601)에는, 다수 개의 방사 슬롯(602,603,608)이 포함된 방사체와 신호 처리부 에칭 패턴(604)이 포함된다.

상판에 형성된 다수 개의 방사 슬롯은, 공진 길이보다 짧은 길이의 유도성(inductive load) 비공진 슬롯(603)과, 공진 길이보다 긴 길이의 용량성(capacitive load) 비공진 슬롯(602)이 포함된다.

또한, 유도성 비공진 슬롯(603)과 용량성 비공진 슬롯(602)은, 서로 번갈아 가면서 배치되어 쌍(pair)(8)을 형성할 수도 있다. 기본적으로, 본 발명은 짝수 개의 방사 슬롯으로 이루어진 모든 직렬 슬롯 배열 안테나 구조에 적용된다. 이 경우 유도성 비공진 슬롯(603)과 용량성 비공진 슬롯(602)은, 도 6 내지 7에 도시된 바와 같이, 서로 번갈아 가면서 주기적으로 배치되고 그 간격이 일정하다.

예를 들어, 본 발명에 따르면, 비공진 교차 슬롯(602,603)은 유전체 도파관 내부의 관내 파장의 반파장 간격(λ_g/2)으로 위치하여 정재파(standing-wave) 배열 안테나 메커니즘에 의해 동작한다.

그러나, 반드시 주기적이거나 간격이 일정할 필요는 없으며, 그 구성 및 간격은 각 방사 슬롯의 길이에 따라 다양하게 구성될 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 교차 직렬 슬롯 배열 안테나의 경우에는, 상판에 적어도 유도성 비공진 슬롯(603) 하나와 용량성 비공진 슬롯(602)을 구비한다. 관련하여, 도 6 및 7에서는 유도성 비공진 슬롯(603) 4개와 용량성 비공진 슬롯(602) 4개가 서로 번갈아 가면서 배치된 예를 도시하였다. 다만, 상기 슬롯들의 개수에 한정되는 것은 아니다.

상기에서, 신호 처리부 에칭 패턴(604)는 하판(609)의 커넥터 결합부(611)와 대응되는 것으로, 양자를 통해 상판(601)과 하판(609)이 결합될 수도 있다.

도 6을 참조하면, 하판(609)의 구조는 상판(601)과 정확하게 대응되는 형상을 가지지는 않는다. 예를 들어, 도 6에서 상판(601)은 다수 개의 방사 슬롯들이 배치된 직사각형의 구조를 가지나, 하판(609)은 상기 상판(601)과 대응되는 부분에 더하여 치구 결합 에칭 패턴이 배치되는 부분을 더 포함하여 전체적으로 T자형 구조를 가진다. 다만, 도 7에서는 상기 치구 결합 에칭 패턴(601) 부분을 배제하고, 단지 상판과 하판이 결합된 부분에 대한 평면도만을 도시하였다.

다음으로, 상술한 상판(601)과 하판(609)의 사이에 결합되는 유전체 기판(606)은, 다수 개의 단락 배열 비아(605)와 다수 개의 측면 배열 비아(607)을 포함한다.

도 7을 참조하면, 전체적으로 단락 배열 비아(605)와 측면 배열 비아(607)는, 그 내부에 상판(601)에 형성된 다수 개의 방사 슬롯을 내포하도록 외곽 테두리와 같이 배치될 수 있다.

여기서, 상판(1)과 하판(9)은, 단락 배열 비아(5)와 측면 배열 비아(7)에 의하여 서로 전기적으로 연결된다.

이때, 단락 배열 비아(5)와 측면 배열 비아(7)는, 진행하는 내부 전자장 성분이 새지 않고 유전체 손실 및 도체 손실이 최소화되도록 비아의 지름 및 간격을 조절한다.

또한, 유전체 도파관 전송 선로의 차단 주파수(cut-off frequency)는, 유전체 도파관의 폭을 결정하는 측면 배열 비아(7) 간의 간격에 의해 결정된다. 또한, 상기 측면 배열 비아(7)의 간격에 조정함으로써 유전체 도파관의 폭을 결정하는바, 결국 이를 통해 레이더 안테나가 차단 주파수와 TE20 모드 사이의 TE10 모드로 동작할 수 있도록 폭을 조정할 수도 있다.

그리고 단락 배열 비아(605)는, 마지막 방사 슬롯과 관내 파장의 반파장(λ_g/2) 이격 거리에 위치하여, 비공진 교차 슬롯(602,603)과 동일하게 정재파 배열 안테나 메커니즘에 의해 동작한다.

도 8에서는 전술한 본 발명에 따른 도 6 내지 7에 도시된 교차 직렬 슬롯 배열 안테나의 등가 회로가 도시되었다.

도 8을 참조하면, 좌측에서 우측으로 전체 입력 임피던스(Z_in)은, 각 방사 슬롯(#1 내지 #n, n: 짝수(even integer)의 임피던스(impedance)를 합한 것이 된다. 왜냐하면, 도 6 내지 7에 도시된 각 방사 슬롯은 직렬로 연결되어 있기 때문이다. Z_in

각 방사 슬롯(602,603)에 유도되는 TE10 모드 전압 및 전류를 각각 Vns, In으로 정의하며, 이는 배열 안테나의 빔폭(beam-width) 및 전장 분포(field distribution)를 설계하는 중요한 설계 파라미터(parameter)이다.

방사 슬롯(602,603)의 모드 전압의 분포 설계를 통해 부엽 레벨(sidelobe level)을 조절할 수 있다.

방사 슬롯(602,603)의 임피던스는, 배열 슬롯 간의 상호 커플링 임피던스(mutual coupling impedance)를 보상한 능동 임피던스(active impedance, Zna)특성을 가질 수 있다.

방사 슬롯(602,603)의 능동 임피던스 합은, 유전체 도파관(606)의 특성 임피던스(characteristic impedance)가 되도록 하여 정합할 수 있다.

도 9에서는 본 발명의 일 실시 예에 따라 도 6 내지 7과 같이, 총 8개의 비 공진 방사 슬롯의 배열로 이루어진 안테나의 반사 손실 특성을 도시하였다.

도 9를 참조하면, 중심 주파수인 35 GHz에서 정합되어 반사 손실이 최소화되는 것을 알 수 있다.

도 10에서는 본 발명의 일 실시 예에 따라 도 6 내지 7과 같이, 총 8개의 비 공진 방사 슬롯의 배열로 이루어진 안테나의 방사 패턴 특성을 도시하였다.

도 10을 참조하면, 예를 들어, 45°의 선형 편파를 가지는 방사 패턴(도 10의 실선)은, 브로드사이드(broadside) 방향으로 주빔(main beam)이 형성되며 대략 13 dBi 이상의 순이득 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

또한, 방사 패턴의 부엽 레벨은 -12.4 dB이며, co-polariztion/cross-polarization의 비는 18.2 dB로써, 순도 높은 45°의 선형 편파 특성을 보인다.

도 11에서는 본 발명의 일 실시 예에 따라 도 6 내지 7과 같이, 총 8개의 비 공진 방사 슬롯의 배열로 이루어진 안테나의 슬롯에 유도된 전장 크기의 분포 특성을 도시하였다.

도 11을 참조하면, 유전체 도파관(606)에서 파가 진행하는 길이(longitudinal) 방향(도 11의 실선), 파가 진행하는 방향의 수직(transverse) 방향(도 11의 점선)에 대한 전장 벡터 성분의 크기 특성을 나타내며, 각 지점에서의 첨두치(peak)는 방사 슬롯에서 유도되는 전장의 방사 세기를 나타낸다.

도 11에 도시된 실혐 결과를 참조하면, 최대 첨두치는 정규화된 값(1(V/m))을 가지며, 최소 첨두치는 0.82(V/m)의 값을 나타내 균등한 전장 세기 분포를 나타내는 특성을 보이는 것을 알 수 있다.

도 12에서는 본 발명의 일 실시 예에 따라 도 6 내지 7과 같이, 총 8개의 비 공진 방사 슬롯의 배열로 이루어진 안테나의 방사 슬롯에 유도된 전장 위상 분포 특성을 도시하였다.

도 12를 참조하면, 방사 슬롯에 유도된 전장의 위상 분포는, 최대 (0°)에서 최소(-24°) 사이에 존재하며 균등한 전장 위상 분포 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

도 13a 내지 13b는 본 발명에 따른 직렬 슬롯 배열 안테나 구조의 다른 실시 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 여기서, 전술한 내용과 동일 또는 유사한 부분의 경우에도 전술한 설명을 원용 또는 준용하고 여기서 상세하게 설명하지 않는다. 이하에서는 상이한 부분만을 설명하면, 다음과 같다.

도 13은 유전체가 채워진 금속 도파관에 적용된 중앙 급전 방식의 직렬 슬롯 배열 안테나 구조로써, 기본적으로 방사 도파관(1310)과 급전 도파관(1320)이 서로 교차되도록 구성된 것을 알 수 있다.

여기서, 도 13a의 경우에는 급전 도파관(1320)을 기준으로 수직으로 배치된 방사 도파관(1310)이 좌우 대칭이 되도록 구성됨에 반해, 도 13b의 경우에는 비대칭 구조를 가짐을 알 수 있다.

또한, 방사 도파관(1310)은 전술한 바와 같이, 유도성 방사 슬롯과 용량성 방사 슬롯 쌍이 두 개(도 13a) 내지 세 개(도 13b) 포함되어 있다.

따라서, 본 발명에 따른 직렬 슬롯 배열 안테나는, 비단 유전체 도파관 전송선로 기술뿐만 아니라 도 13에 도시된 바와 같이 유전체로 채워진 금속 도파관 슬롯 배열 안테나에도 적용할 수 있다.

이는 급전 도파관(1320)과 방사 도파관(1310)은 커플링 슬롯(coupling slot)으로 신호가 인가되는 구조임을 알 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 명세서에서는 본 발명에 따라 기판 집적 도파관(SIW) 기술을 이용하여 밀리미터파 대역에서 사용 가능한 레이더 안테나 및 그 제조 방법에 대해 기술하였다.

본 발명에서는, 상술한 바와 같이, 직렬 슬롯 정재파 배열 안테나의 설계가 가능하여, 그레이팅 로브와 그에 따른 환영 현상을 억제할 수 있다. 그리고 임의의 각도의 선형 편파를 발생시킬 수 있다. 또한, 임의의 각도(양(+) 또는 음(-))로 배열된 일렬 배열 안테나를 교대로 위치시킴으로써 이중 편파의 발생이 가능해지고, 하이브리드(hybrid) 급전부를 이용함으로써 원형 편파(RHCP or LHCP)도 생성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 임의의 선형 편파 방사 패턴 형성을 위해 직렬 연결된 비공진(off-resonant) 슬롯의 조합으로 배열되며, 이중 편파 발생을 위한 레이더 안테나를 설계할 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 레이더 안테나를 통하면, 순도 높은 선형 편파를 발생시킬 수 있으며 그레이팅 로브(grating lobe)를 피할 수 있어 안테나의 지향성 및 이득을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 금속 도파관 구조로 되어 있는 슬롯 배열 안테나에 비해 소형화 또는 경량화할 수 있으며, 그에 따라 레이더 안테나 제조 비용을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 레이더 안테나는, 스탠딩-웨이브(standing-wave) 형태의 슬롯 배열 안테나로써 추가적인 종단 임피던스가 필요 없고 단락 회로만 요구된다.

그러므로, 본 발명은, 유도 미사일(tracking missile)에 장착되는 탐색기에서 사용되는 안테나 및 무인 항공기(UAV)에 장착되는 합성개구레이더(SAR), 차량용 충돌 방지 시스템에 사용되는 45°편파 발생 밀리미터파 안테나의 밀리미터파 안테나에 응용할 수 있으며, 그 밖에 이중 편파 안테나, 추가적인 위상 변이 급전부의 결합으로 원형 편파(좌선회 및 우선회) 발생 안테나의 설계 등에 쉽게 응용 가능하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

601 : 상판 602 : 용량성 방사 슬롯
603 : 유도성 방사 슬롯 604 : 신호 처리부 에칭 패턴
605 : 단락 배열 비아 606 : 유전체 기판
607 : 측면 배열 비아 608 : 교차 길이의 슬롯 쌍
609 : 하판 610 : 치구 결합 에칭 패턴
611 : 커넥터 결합부

Claims

공진 길이보다 짧은 길이의 유도성(inductive load) 비공진 슬롯과, 공진 길이보다 긴 길이의 용량성(capacitive load) 비공진 슬롯으로 이루어진 슬롯 쌍이 적어도 하나 이상 포함된 방사체를 포함하는 상판;
상기 상판과 마주보도록 형성되고, 치구 결합 에칭 패턴을 더 포함하는 하판;및
상기 상판과 하판 사이에 삽입되고, 다수 개의 비아를 구비하여 상기 상판과 하판을 전기적으로 연결하는 유전체 기판;을 포함한 직렬 슬롯 배열 안테나.
제1항에 있어서,
상기 유도성 비공진 슬롯과 상기 용량성 비공진 슬롯으로 이루어진 슬롯 쌍은 상기 상판에 주기적으로 배치되며, 상기 유도성 비공진 슬롯과 상기 용량성 비공진 슬롯 사이의 간격이 일정한 직렬 슬롯 배열 안테나.
제2항에 있어서,
상기 유전체 기판은,
상기 상판과 하판을 전기적으로 연결하는 다수 개의 단락 배열 비아와 다수 개의 측면 배열 비아를 포함하는 직렬 슬롯 배열 안테나.
삭제
제3항에 있어서,
상기 단락 배열 비아와 측면 배열 비아는,
유전체 도파관 내부를 진행하는 내부 전자장 성분이 새지 않고 유전체 손실 및 도체 손실이 최소화되도록 비아의 지름 및 간격을 조절하는 직렬 슬롯 배열 안테나.
제5항에 있어서,
상기 유전체 도파관의 차단 주파수(cut-off frequency)는,
상기 유전체 기판의 폭을 결정하는 측면 배열 비아 간의 간격에 의해 결정되는 직렬 슬롯 배열 안테나.
제6항에 있어서,
상기 측면 배열 비아의 간격은,
안테나가 차단 주파수와 TE20 모드 사이의 TE10 모드로 동작하도록 폭을 조정하는 직렬 슬롯 배열 안테나.
제7항에 있어서,
상기 단락 배열 비아는,
상기 상판에서 가장 근접하게 형성된 방사 슬롯과 관내 파장의 반파장(λg/2) 이격 거리에 위치하는 직렬 슬롯 배열 안테나.
제8항에 있어서,
상기 단락 배열 비아는,
정재파 배열 안테나 메커니즘에 의해 동작하는 직렬 슬롯 배열 안테나.
제9항에 있어서,
상기 유도성 비공진 슬롯과 용량성 비공진 슬롯의 각각은,
상기 유전체 기판 내부의 관내 파장의 반파장 간격(λg/2)으로 위치하여 정재파(standing-wave) 배열 안테나 메커니즘에 의해 동작하는 직렬 슬롯 배열 안테나.
제10항에 있어서,
상기 방사체는,
상기 유도성(inductive load) 비공진 슬롯과 상기 용량성(capacitive load) 비공진 슬롯이 서로 교차하도록 배치되는 직렬 슬롯 배열 안테나.
제11항에 있어서,
상기 상판은,
상기 하판과의 결합에 이용되는 신호 처리부 에칭 패턴을 더 포함하는 직렬 슬롯 배열 안테나.