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KR101803208B1 - 단일 방사체 다중 급전을 이용한 빔조향 안테나 - Google Patents

단일 방사체 다중 급전을 이용한 빔조향 안테나 Download PDF

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KR101803208B1
KR101803208B1 KR1020160135875A KR20160135875A KR101803208B1 KR 101803208 B1 KR101803208 B1 KR 101803208B1 KR 1020160135875 A KR1020160135875 A KR 1020160135875A KR 20160135875 A KR20160135875 A KR 20160135875A KR 101803208 B1 KR101803208 B1 KR 101803208B1
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KR
South Korea
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beam steering
radiating element
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antenna
steering antenna
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변강일
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홍익대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 단일 방사체 다중 급전을 이용한 빔조향 안테나에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 빔조향 안테나는 소정의 비유전율을 가지는 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상부면에 형성되며, 전자기파를 방사하는 하나의 마이크로스트립 방사 소자, 그리고 상기 마이크로스트립 방사 소자의 중심으로부터 기 설정된 거리에 형성되며, 전력원으로부터 급전받은 전력을 상기 마이크로스트립 방사 소자로 전송하는 복수의 급전 포트를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 적응적 빔조향을 위한 배열 안테나와 동일한 방사 소자를 사용하더라도 빔조향 성능이 개선시킬 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 하나의 방사 소자만을 사용함으로써 빔조향 안테나(100)의 크기를 소형화시킬 수 있으므로, 빔조향 기술을 요구하는 다양한 분야에서 활용이 가능하다.

Description

단일 방사체 다중 급전을 이용한 빔조향 안테나{BEAMFOAMING ANTTENA USING SINGLE RADIATOR MULTI PORT}
본 발명은 단일 방사체 다중 급전을 이용한 빔조향 안테나에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빔조향 안테나를 소형화함과 동시에 개선된 빔조향 성능을 제공하기 위한 단일 방사체 다중 급전을 이용한 빔조향 안테나에 관한 것이다.
최근 급속히 진화하는 무선통신은 기존의 군사 시스템 등의 용도를 넘어, 휴대 단말 시스템, 헬스 케어 시스템 등 매우 다양한 분야에서 일상 생활과 밀접해 지고 있다. 이와 같이, 무선통신을 이용하는 분야가 넓어짐에 따라 시스템 간의 전파 간섭의 문제가 발생함으로 인해 모노폴 안테와 같이 전 방향으로 전파를 송출하는 안테나보다 특정 방향으로 전파를 송수신하는 빔조향 안테나에 대한 관심이 높아지고 있다.
일반적으로, 빔조향 안테나는 원하는 방향으로 안테나 방사 패턴의 주 로브 방향을 변화시켜야 하는데, 복수개의 소재를 일정한 규칙에 따라 배열하는 배열 안테나(array antenna)가 주로 이용된다.
구체적으로 배열 안테나는 전자기파를 방사하는 다수의 방사 소자를 유전체 위에 배열하고, 각각의 방사 소자에 전력을 공급함으로써 방사 패턴을 조절하여 원하는 방향으로 전파를 송수신한다. 이러한 배열 안테나는 원하는 방향으로 전파를 송수신하는 능력, 즉 지향성(directivity)이 좋아야 한다. 배열 안테나에서 지향성을 높이기 위해 다양한 방법이 연구되고 있으나, 일반적으로 배열된 방사 소자의 수가 많을수록 지향성이 좋아지며, 적을수록 방향의 모호성이 증가한다.
그러나 최근 무선 통신 시스템들은 시스템을 구성하는 장치의 구성이 소형화됨에 따라 이에 장착하기 위한 안테나 역시 소형화 되어가고 있으며, 지향성을 높이기 위해 많은 수의 방사 소자를 이용하는 배열 안테나는 소형화에 한계가 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2015-0125897호(2015.11.10. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 빔조향 안테나를 소형화함과 동시에 개선된 빔조향 성능을 제공하기 위한 단일 방사체 다중 급전을 이용한 빔조향 안테나를 제공하기 위한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 빔조향 안테나는 소정의 비유전율을 가지는 유전체 기판, 상기 유전체 기판 상부면에 형성되며, 전자기파를 방사하는 하나의 마이크로스트립 방사 소자, 그리고 상기 마이크로스트립 방사 소자의 중심으로부터 기 설정된 거리에 형성되며, 전력원으로부터 급전받은 전력을 상기 마이크로스트립 방사 소자로 전송하는 복수의 급전 포트를 포함한다.
상기 마이크로스트립 방사 소자는, n개의 꼭지점을 포함하는 다각형의 패치 형상으로 형성되고, 상기 복수의 급전 포트는, 상기 n개로 형성될 수 있다.
상기 마이크로스트립 방사 소자는, 원형의 패치 형상으로 형성되고, 상기 급전 포트는, 복수 개로 형성될 수 있다.
상기 마이크로스트립 방사 소자는, 상기 복수의 급전 포트 각각에 대응하여 전자기파를 방사하는 복수개의 방사 개구면을 포함하고, 상기 복수개의 방사 개구면에서 방사되는 전자기파의 위상차에 따라 상기 빔조향 안테나의 어레이 팩터가 결정될 수 있다.
상기 위상차는, 상기 기 설정된 거리 또는 상기 비유전율이 증가함에 따라 커질 수 있다.
상기 위상차(βn)는, 아래의 수학식을 의해 연산될 수 있다.
Figure 112016101513620-pat00001
여기서, n은 상기 급전 포트의 인덱스 번호를 의미하고, k0는 자유공간에서 방사되는 전자기파의 파수를 의미하고, d는 상기 기 설정된 거리를 의미하고, εr은 유전체 기판의 비유전율을 의미하고, θ는 3차원 좌표계의 고각을 의미하고, φ는 상기 3차원 좌표계의 방위각을 의미하고, φn은 상기 3차원 좌표계에서 n번째 안테나 급전 포트의 방위각을 의미한다.
상기 빔조향 안테나의 어레이 팩터(AF)는, 아래의 수학식에 의해 연산될 수 있다.
Figure 112016101513620-pat00002
여기서, N은 상기 급전 포트의 개수를 의미하고, k는 매질의 특성이 반영된 전자기파의 파수를 의미하고,
Figure 112016101513620-pat00003
이고, W는 상기 마이크로스트립 방사 소자의 폭을 의미한다.
상기 복수의 급전 포트는, 각각의 급전 포트별로 서로 다른 진폭 및 위상을 가지는 전력을 급전받아 상기 마이크로스트립 방사 소자로 전송할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 적응적 빔조향을 위한 배열 안테나와 동일한 방사 소자를 사용하더라도 빔조향 성능이 개선시킬 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 하나의 방사 소자만을 사용함으로써 빔조향 안테나의 크기를 소형화시킬 수 있으므로, 빔조향 기술을 요구하는 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 형상을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 배면도 및 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위상차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비유전율을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 비유전율에 따른 방사패턴 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 방사 패턴 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 방향 탐지 성능을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 항재밍(anti-jamming) 성능을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 채널 용량 및 패턴 상관계수를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
우선, 도 1을 통해 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 형상에 대해 살펴보도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 형상을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)는 유전체 기판(110), 마이크로스트립 방사 소자(120) 및 급전 포트(130)를 포함한다.
먼저, 유전체 기판(110)은 접지면(미도시) 위에 형성되며, 소정의 비유전율을 가진다. 여기서, 비유전율은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)의 크기나 방사 패턴 방향성을 고려하여 당업자에 의해 설계변경이 가능하다. 유전체 기판(110)의 비유전율에 대해서는 하기에서 상세히 설명하도록 한다.
다음으로, 마이크로스트립 방사 소자(120)는 유전체 기판(110) 상부면에 형성되며, 전자기파를 방사한다. 이때, 종래 빔조향 안테나(100)는 복수개의 마이크로스트립 방사 소자를 복수개 배열하는 배열 안테나의 형태로 형성되나, 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)는 유전체 기판(110) 상부면에 마이크로스트립 방사 소자(120)가 하나만 형성된다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로스트립 방사 소자(120)는 사각형의 패치 형상으로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, n개의 꼭지점을 포함하는 다각형의 패치 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 마이크로스트립 방사 소자(120)는 3개의 꼭지점을 포함하는 삼각형의 패치나 5개의 꼭지점을 포함하는 오각형의 패치로도 형성될 수 있다. 또한, 마이크로스트립 방사 소자(120)는 원형의 패치 형상으로도 형성될 수 있다.
다음으로, 급전 포트(130)는 마이크로스트립 방사 소자(120)의 중심으로부터 기 설정된 거리에 형성된다. 이때, 기 설정된 거리는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)의 크기나 방사 패턴 방향성을 고려하여 당업자에 의해 설계변경이 가능하다. 기 설정된 거리에 대해서는 하기에서 상세히 설명하도록 한다.
그리고, 급전 포트(130)는 마이크로스트립 방사 소자(120) 내에 복수개로 형성된다. 구체적으로, 마이크로스트립 방사 소자(120)가 n개의 꼭지점을 포함하는 n각형의 패치 형상으로 형성되면, 급전 포트(130)는 n개 형성된다. 예를 들어, 마이크로스트립 방사 소자(120)가 사각형의 패치 형상으로 형성될 경우, 급전 포트(130)는 마이크로스트립 방사 소자(120) 내에 4개 형성된다. 한편, 마이크로스트립 방사 소자(120)가 원형의 패치 형상으로 형성된 경우, 급전 포트(130)는 복수개로 형성된다.
한편, 급전 포트(130)는 전력원으로부터 급전받은 전력을 마이크로스트립 방사 소자(120)로 전송한다. 구체적으로, 복수개의 급전 포트(130)는 각각 서로 다른 진폭 및 위상을 가지는 전력을 급전받아 마이크로스트립 방사 소자(120)로 전송할 수 있다. 이때, 각각의 포트에 급전되는 전력의 진폭 및 위상은 마이크로스트립 방사 소자(120)가 방사하는 전자기파의 크기 등을 고려하여 당업자에 의해 설계변경이 가능하다.
이하에서는 도 2 내지 도 4를 통해 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)의 각 구성에 대해 구체적으로 살펴본다. 도 2 내지 도 4는 마이크로스트립 방사 소자(120)가 사각형의 패치 형상으로 형성되었다고 가정한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 배면도 및 측면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위상차를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비유전율을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)는 특정 방향으로 전자기파를 방사하므로, 빔조향 안테나(100)의 사용 목적에 따른 어레이 팩터(array factor)를 고려하여 빔조향 안테나(100)를 구성하는 각 구성 요소(110 내지 130)의 특성(예를 들어, 비유전율 등)이 결정된다.
본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)는 도 2에 나타난 바와 같이 유전체 기판(110)위에 하나의 마이크로스트립 방사 소자(120)가 형성되고, 마이크로스트립 방사 소자(120)에 전력을 급전하는 복수개의 급전 포트(130)로 구성된다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)는 각각의 급전 포트(130)에 대응하여 마이크로스트립 방사 소자(120)가 전자기파를 방사하도록 한다.
예를 들어, 도 2에서와 같이 4개의 급전 포트(port 1 내지 4, 131 내지 134)가 형성된 경우, 제1 급전 포트(131)에 급전된 전력에 의해 마이크로스트립 방사 소자(120)가 방사하는 전자기파의 원역장 패턴과 제2 급전 포트(130)에 급전된 전력에 의해 마이크로스트립 방사 소자(120)가 방사하는 전자기파의 원역장 패턴(far-filed pattern)이 서로 다르다.
도 2에서는 4개의 급전 포트(130)가 존재하므로, 4개의 급전 포트(130)에 급전된 전력에 의해 마이크로스트립 방사 소자(120)가 방사하는 전자기파의 원역장 패턴(즉, 빔조향 안테나(100)의 전체 원역장 패턴)은 각각의 급전 포트(130)에 급전된 전력에 의해 마이크로스트립 방사 소자(120)가 방사하는 전자기파의 원역장 패턴(각각의 급전 포트(130)에 따른 빔조향 안테나(100)의 원역장 패턴)들의 합으로 나타난다.
따라서, 빔조향 안테나(100)의 원역장 패턴은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016101513620-pat00004
여기서, Et θ는 빔조향 안테나의 원역장 패턴을 의미하고, E1 θ 내지 EN θ은 각각의 급전 포트에 따른 빔조향 안테나의 원역장 패턴을 의미한다.
한편, 마이크로스트립 방사 소자(120)는 각각의 급전 포트(130)에 대응하여 전자기파를 방사하는 방사 개구면(radiating slot)과 전자기파를 방사하지 않는 비방사 개구면(non-radiating slot)을 포함한다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 사각형의 패치 형상으로 형성된 마이크로스트립 방사 소자(120)의 경우를 가정한다. 이때, 사각형의 패치 형상으로 형성된 마이크로스트립 방사 소자(120)는, 특정 급전 포트(130)의 급전으로 인해, 도 3에서와 같이, 두 개의 방사 개구면(121, 122)과 두 개의 비방사 개구면(123, 124)을 가질 수 있다. 그리고, 두 개의 방사 개구면(121, 122)에서 방사되는 전자기파에 따라 특정 급전 포트(130)의 급전에 따른 빔조향 안테나(100)의 원역장 패턴이 결정된다.
각각의 급전 포트(130)에 대응하는 빔조향 안테나(100)의 원역장 패턴(En θ)은 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016101513620-pat00005
여기서, k0는 자유공간에서 방사되는 전자기파의 파수를 의미하고, h는 유전체 기판의 두께를 의미하고, W는 마이크로스트립 방사 소자의 폭을 의미하고, E0는 신호원에서 생성되는 전계 강도를 의미하고, k는 매질의 특성이 반영된 전자기파의 파수를 의미하고, r은 신호원으로부터 원거리장까지의 거리를 의미하고, φ는 3차원 좌표계의 방위각을 의미하고, φn은 n번째 안테나 급전 포트의 방위각을 의미하고,
Figure 112016101513620-pat00006
이고,
Figure 112016101513620-pat00007
이고, AFslot은 하나의 급전 포트에 대응하는 빔조향 안테나의 어레이 팩터이다. 그리고, θ는 3차원 좌표계의 고각을 의미한다. 이때, 3차원 좌표계는 방사 소자 하부면의 중심을 원점으로 하는 3차원 좌표계일 수 있다.
그리고, 수학식 2의 방사 개구면의 어레이 팩터는 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016101513620-pat00008
여기서, βn은 방사 개구면 사이의 위상차를 의미한다.
즉, 수학식 3에서 나타난 바와 같이, 각각의 급전 포트(130)에 대응하는 빔조향 안테나(100)의 어레이 팩터는 방사 개구면 사이의 위상차에 따라 달라지게 되는데, 결국 위상차에 따라 빔조향 안테나(100)의 방사 패턴의 기울어짐, 즉 방향성이 결정되며, 위상차가 0이면 방향성이 발생하지 않는다.
한편, 위상차는 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016101513620-pat00009
여기서, n은 급전 포트의 인덱스 번호를 의미하고, k0는 자유공간에서 방사되는 전자기파의 파수를 의미하고, d는 마이크로스트립 방사 소자의 중심으로부터 급전 포트까지의 거리(기 설정된 거리)를 의미하고, εr은 유전체 기판의 비유전율을 의미하고, θ는 3차원 좌표계의 고각을 의미하고, φ는 3차원 좌표계의 방위각을 의미하고, φn은 3차원 좌표계에서 n번째 안테나 급전 포트의 방위각을 의미한다.
수학식 4에서 알 수 있듯이, 위상차는 기 설정된 거리 및 유전체 기판(110)의 비유전율에 좌우된다. 구체적으로, 빔조향 안테나(100) 방사 패턴은 기 설정된 거리가 클수록 커지고 비유전율이 클수록 작아진다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)의 성능이 동일하다고 가정하는 경우, 비유전율이 커짐에 따라 마이크로스트립 방사 소자(120)의 크기가 비유전율의 제곱근에 반비례하여 작아지므로, 당업자가 비유전율을 조절함으로써 빔조향 안테나(100)의 소형화가 가능하다.
수학식 4에 나타낸 위상차를 이용하여 복수의 급전 포트(130)에 대응하는 빔조향 안테나(100)의 어레이 팩터(AF)를 나타내면 아래의 수학식 5와 같이 나타난다.
Figure 112016101513620-pat00010
여기서, N은 급전 포트의 개수를 의미하고, k는 매질의 특성이 반영된 전자기파의 파수를 의미하고,
Figure 112016101513620-pat00011
이고, W는 마이크로스트립 방사 소자의 폭을 의미한다.
상기의 설명과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)는 사용 목적에 따라 급전 포트(130)의 위치 및 유전체 기판(110)의 유전율을 변경하여 제작이 가능하다.
이하에서는 도 5 내지 도 9를 통해 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)의 시뮬레이션 결과에 대해 살펴보도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 비유전율에 따른 방사패턴 결과를 나타낸 도면이다. 도 5의 (a)는 비유전율이 4.5인 유전체 기판(110)(FR4)에 대한 시뮬레이션 결과이고, 도 5의 (b)는 비유전율 10.3인 유전체 기판(110)(CER10)에 대한 시뮬레이션 결과이다. E-plane은 전계 벡터와 최대 방사 방향으로 구성된 평면인 전계 평면을 의미하고, H-plane은 자계 벡터와 최대 방사 방향으로 구성된 평면인 자계 평면을 의미한다. 그리고 theory는 이론값을 의미하고, MoM은 FEKO EM 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션 결과값을 의미한다.
각 그래프의 좌측 상단에 나타난 바와 같이, 비유전율이 증가할 경우, 위상차가 작아지므로 특정 방향(-40도 내지 -60도)으로의 기울어짐 현상이 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, 이론값과 시뮬레이션 결과값이 매우 유사하게 나타남을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 방사 패턴 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)는 시뮬레이션에 따른 빔조향 안테나(100)의 방사 패턴을 나타내고, 도 6의 (b)는 측정값에 따른 빔조향 안테나(100)의 방사 패턴을 나타낸다.
두 방사 패턴 모두, 0도 및 180도 근처에서 널(null)을 형성하고 있음을 확인할 수 있으며, 전체적인 방사 패턴 역시 매우 유사한 분포를 보임을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 방향 탐지 성능을 나타낸 도면이다. 도 7의 (a)는 방사 소자의 개구면 크기에 따른 방향 탐지 오차를 나타내며, (b)는 방사 소자의 개구면 크기에 따른 방향 탐지 모호성을 나타낸다. SRMP는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)를 의미하며, MRMP는 종래 배열 안테나를 이용한 빔조향 안테나(100)를 의미하며, Mea.는 측정값을 의미한다. 도 7에서 MRMP는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)의 방사 소자와 동일한 방사 소자 4개를 배열한 배열 안테나이다.
도 7의 (a)에서 알 수 있듯이, 동일한 크기의 방사 소자인 경우 종래의 배열 안테나에 비해 이론값, 시뮬레이션 결과값 및 측정값 모두 방향 탐지 오차가 낮은 것을 알 수 있다. 또한, 도 7의 (b)에 나타난 바와 같이, 이론값의 경우 개구면의 크기가 작을 때 상승하는 경향이 있으나, 시뮬레이션 결과값이나 측정값 모두 종래 배열 안테나와 유사한 성능을 보여준다.
도 7에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나(100)는 1개의 방사 소자만을 포함하므로, 비교 대상인 종래 배열 안테나에 비해 크기가 1/4로 소형화될뿐만 아니라, 성능 또는 높게 유지됨을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 항재밍(anti-jamming) 성능을 나타낸 도면이다. (a)는 방사 소자의 개구면의 크기에 따른 패턴 널의 깊이(depth)를 나타내고, (b)는 방사 소자의 개구면의 크기에 따른 패턴 널의 넓이(width)를 나타낸다.
도 8에 나타난 바와 같이, 동일한 개구면의 크기에서 종래 배열 안테나에 비해 패턴 널의 깊이 및 넓이가 개선됨을 알 수 있으며, 항재밍 성능이 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 빔조향 안테나의 채널 용량 및 패턴 상관계수를 나타낸 도면이다. 종래 배열 안테나에 비해 채널 용량 및 패턴 상관계수가 크게 개선되어 있음을 알 수 잇다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 적응적 빔조향을 위한 배열 안테나와 동일한 방사 소자를 사용하더라도 빔조향 성능이 개선시킬 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 하나의 방사 소자만을 사용함으로써 빔조향 안테나(100)의 크기를 소형화시킬 수 있으므로, 빔조향 기술을 요구하는 다양한 분야에서 활용이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 빔조향 안테나 110 : 유전체 기판
120 : 마이크로스트립 방사 소자 121, 122 : 방사 개구면
123, 124 : 비방사 개구면 130 : 급전 포트
131 : 제1 급전 포트 132 : 제2 급전 포트
133 : 제3 급전 포트 134 : 제4 급전 포트

Claims (8)

  1. 소정의 비유전율을 가지는 유전체 기판,
    상기 유전체 기판 상부면에 형성되며, 전자기파를 방사하는 하나의 마이크로스트립 방사 소자, 그리고
    상기 마이크로스트립 방사 소자의 중심으로부터 기 설정된 거리에 형성되며, 전력원으로부터 급전받은 전력을 상기 마이크로스트립 방사 소자로 전송하는 복수의 급전 포트를 포함하며,
    상기 마이크로스트립 방사 소자는,
    상기 복수의 급전 포트 각각에 대응하여 전자기파를 방사하는 복수개의 방사 개구면을 포함하고, 상기 복수개의 방사 개구면에서 방사되는 전자기파의 위상차에 따라 빔조향 안테나의 어레이 팩터가 결정되고,
    상기 위상차(βn)는,
    아래의 수학식을 의해 연산되는 빔조향 안테나:
    Figure 112017055438344-pat00024

    여기서, n은 상기 급전 포트의 인덱스 번호를 의미하고, k0는 자유공간에서 방사되는 전자기파의 파수를 의미하고, d는 상기 기 설정된 거리를 의미하고, εr은 유전체 기판의 비유전율을 의미하고, θ는 3차원 좌표계의 고각을 의미하고, φ는 상기 3차원 좌표계의 방위각을 의미하고, φn은 상기 3차원 좌표계에서 n번째 안테나 급전 포트의 방위각을 의미한다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 방사 소자는,
    n개의 꼭지점을 포함하는 다각형의 패치 형상으로 형성되고,
    상기 복수의 급전 포트는,
    상기 n개로 형성되는 빔조향 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로스트립 방사 소자는,
    원형의 패치 형상으로 형성되고,
    상기 급전 포트는,
    복수 개로 형성되는 빔조향 안테나.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상차는,
    상기 기 설정된 거리 또는 상기 비유전율이 증가함에 따라 커지는 빔조향 안테나.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빔조향 안테나의 어레이 팩터(AF)는,
    아래의 수학식에 의해 연산되는 빔조향 안테나:
    Figure 112017055438344-pat00013

    여기서, N은 상기 급전 포트의 개수를 의미하고, k는 매질의 특성이 반영된 전자기파의 파수를 의미하고,
    Figure 112017055438344-pat00014
    이고, W는 상기 마이크로스트립 방사 소자의 폭을 의미한다.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 급전 포트는,
    각각의 급전 포트별로 서로 다른 진폭 및 위상을 가지는 전력을 급전받아 상기 마이크로스트립 방사 소자로 전송하는 빔조향 안테나.
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