KR102411398B1 - 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 급전손실과 전송 손실이 적으며, 실시간 대용량 신호처리를 위한 대역폭 확보가 용이한 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나에 관한 것이다.
이를 위해 본발명은 캐비티구조로 이루어진 급전부가 형성되어 있고, 급전부를 양측에 도파로가 형성되어 있는 중층도체판; 급전부를 중심으로 양쪽으로 등간격으로 배열되어 있는 공진 슬롯이 형성되어 있는 상층도체판; 및 급전을 위한 커넥터와 각 도체판을 고정시키기 위한 고정핀이 배치되어 있는 하층도체판을 포함하는, 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나를 제공한다.

Description

해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나 {High gain antenna for radar system for monitoring coastline erosion environment}

본 발명은 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 급전손실과 전송 손실이 적으며, 실시간 대용량 신호처리를 위한 대역폭 확보가 용이한 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나에 관한 것이다.

삼면이 바다인 한국의 복잡한 해안선으로 인하여 간첩 침투시 인지능력 저하, 해안선 침식에 대한 감시의 어려움, 근거리 물체 인식 부정확성 등이 문제되고 있으며, 국내에서도 해상과 해수면 등을 감시하기 위해 다양한 레이더 시스템이 연구되고 있다.

이러한 해상용 근거리 인식 레이더 시스템은 일반 레이더로 탐지가 매우 어려운 소형 부유물들과 해수 표면의 미세한 움직임을 감지하기 위해 고성능, 고이득의 안테나가 요구된다.

고성능, 고이득의 안테나로 슬롯 배열 도파관 안테나가 가장 적합하며, 레이더용으로 사용되고 있고, 현재 해상용 레이더에 주로 사용되는 슬롯 배열 도파관 안테나의 주파수 대역은 X밴드 또는 S밴드이다.

하지만 X밴드나 S밴드 레이더의 경우, 정밀도가 낮아 근거리에서 소형목표물과 부유물 탐지에 대하여 실시간으로 대용량처리를 정밀하게 하지 못하는 한계를 가지고 있다.

예컨대, 실제 근거리에서 소형 선박들과 섬이 존재하지만 가상화면에서는 근거리에서 실제 존재하는 소형 선박들과 섬을 정밀하게 식별하지 못할 뿐만 아니라, 클러터가 발생하고 파고와 같은 정보는 관측이 어렵다.

따라서 기존의 레이더 시스템의 한계를 개선하기 위해 실시간 대용량 신호처리가 가능한 레이더 시스템의 개발이 매우 시급한 실정이다.

선행기술문헌 : KR등록특허공보 제10-0818161호(2008.03.31. 공고)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 급전 손실과 전송 손실이 적으며, 실시간 대용량 신호처리를 위한 대역폭 확보가 용이하고 빔 제어가 가능하며, 고주파수에서 고이득 실현이 가능하여 레이더에서 요구되는 고분해능 특성을 실현하기 용이한 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나는 캐비티구조로 이루어진 급전부가 형성되어 있고, 급전부를 양측에 도파로가 형성되어 있는 중층도체판; 급전부를 중심으로 양쪽으로 등간격으로 배열되어 있는 공진 슬롯이 형성되어 있는 상층도체판; 및 급전을 위한 커넥터와 각 도체판을 고정시키기 위한 고정핀이 배치되어 있는 하층도체판을 포함한다.

또한, 캐비티구조로 이루어진 급전부가 형성되어 있고, 급전부를 양측에 6열로 배치된 도파로가 형성되어 있는 중층도체판; 급전부를 중심으로 양쪽으로 13개의 공진 슬롯이 등간격으로 배열되어 있는 상층도체판; 및 급전을 위한 커넥터와 각 도체판을 고정시키기 위한 고정핀이 배치되어 있는 하층도체판을 포함하고, 상층도체판의 공진 슬롯은 라운드처리된 각을 가진 사각형 형상으로 형성되어 있는 것을 포함한다.

또한, 캐비티구조로 이루어진 급전부가 형성되어 있고, 급전부를 양측에 6열로 배치된 도파로가 형성되어 있는 중층도체판; 급전부를 중심으로 양쪽으로 13개의 공진 슬롯이 등간격으로 배열되어 있는 상층도체판; 및 급전을 위한 커넥터와 각 도체판을 고정시키기 위한 고정핀이 배치되어 있는 하층도체판을 포함하고, 상층도체판의 공진 슬롯은 라운드처리된 각을 가진 사각형 형상으로 형성되어 있는 것; 및 중층도체판의 급전부는 6개의 슬롯으로 구성되어 있고, 슬롯은 중층도체판의 중앙부에 소정의 각도를 가지고 형성되어 있는 것을 포함한다.

본 발명에 의하면 고주파수에서 고이득 실현이 가능하여 레이더에서 요구되는 고분해능 특성을 실현하기 용이하다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나의 정면도,
도 2는 도 1의 배면도,
도 3은 도 1 및 도 2의 평면도
도 4는 상층도체판의 공진슬롯의 배열을 도시한 도면,
도 5는 상층도체판에 형성되어 있는 공진슬롯의 1열을 도시한 도면,
도 6은 상층도체판의 하나의 공진슬롯을 도시한 도면,
도 7은 중층도체판의 정면도,
도 8은 중층도체판의 배면도,
도 9는 중층도체판의 급전부를 도시한 도면,
도 10은 중층도체판의 급전부에 형성되어 있는 슬롯을 도시한 도면,
도 11은 하층도체판의 정면도,
도 12는 하층도체판의 측면도,
도 13은 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 시뮬레이션과 측정의 반사계수 결과를 나타내는 그래프,
도 14는 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 주파수 f0에서의 시뮬레이션과 측정된 수직편파결과를 나타내는 그래프,
도 15는 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 주파수 f0에서의 시뮬레이션과 측정된 수평편파결과를 나타내는 그래프

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.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나의 정면도, 도 2는 도 1의 배면도, 도 3은 도 1 및 도 2의 평면도, 도 4는 상층도체판의 공진슬롯의 배열을 도시한 도면, 도 5는 상층도체판에 형성되어 있는 공진슬롯의 1열을 도시한 도면, 도 6은 상층도체판의 하나의 공진슬롯을 도시한 도면, 도 7은 중층도체판의 정면도, 도 8은 중층도체판의 배면도, 도 9는 중층도체판의 급전부를 도시한 도면, 도 10은 중층도체판의 급전부에 형성되어 있는 슬롯을 도시한 도면, 도 11은 하층도체판의 정면도, 도 12는 하층도체판의 측면도, 도 13은 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 시뮬레이션과 측정의 반사계수 결과를 나타내는 그래프, 도 14는 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 주파수 f0에서의 시뮬레이션과 측정된 수직편파결과를 나타내는 그래프, 도 15는 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 주파수 f0에서의 시뮬레이션과 측정된 수평편파결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나는, 도 1 내지 도 15를 참조하면, 상층도체판(200), 중층도체판(100), 하층도체판(300)을 포함하여 이루어 진다.

도 1을 참조하면, 상층도체판은 급전부 캐비티(cavity) 구조를 기준으로 양측으로 13개의 Elliott 공진 슬롯들이 등간격으로 배열되어 있으며 6열의 공진 슬롯은 모두 동일한 크기로 형성되어 있고, 슬롯의 길이는 8.00 내지 8.50mm, 슬롯의 폭은 1.00 내지 1.20mm 오프셋은 0.90 내지 1.20mm가 바람직하다.

도파관의 광벽과 협벽은 해안침식모니터링 목적에 적합한 안테나의 최적화 설계를 통하여 EIA에서 제정한 표준 도파관을 이용하여 목적에 적합한 구조의 low profile과 양각과 방위각에 대한 반치 빔폭의 안테나 특성을 유지하도록 하기위한 최적화된 도파관을 사용하였다.

도 4를 참조하면, 슬롯의 폭은 슬롯의 길이에 비해 아주 작다고 가정하여 대략적인 슬롯의 폭은 약 λg/15～λg/8로 정하였고, 슬롯의 폭을 고려한 슬롯의 길이는 λg/3～3λg/8의 범위에서 이론적인 설계를 시작하였다. 슬롯의 길이와 폭 그리고 오프셋은 0.01 mm 단위로 정밀하게 반복계산을 통해 구하였다.

반복계산으로 구해진 최적 슬롯의 길이는 8.00 내지 8.50mm, 슬롯의 폭은 1.00 내지 1.20mm 오프셋은 0.90 내지 1.20mm이며, 슬롯 간격은 λg/2 등간격으로 설계하여 서셉턴스 부분이 가능한 0으로 수렴하도록 배열 소자들의 위상이 같게 설계하였다.

도 6을 참조하면, 상층도체판(200)에 형성되어 있는 공진 슬롯(210)은 모서리가 라운드형태로 형성되어 있으며, 고주파수로 갈수록 슬롯의 제작이 어렵고 까다로워지므로 정밀한 설계가 요구되므로, 기계적으로 제조하는 과정에서 둥근 드릴을 사용하여 제작을 하는 것을 고려하여, 공진슬롯의 각 끝부분은 라운드형태로 형성되어 있다.

끝이 라운드형태로 형성되어 있는 공진 슬롯은 등간경으로 배열되어 있으며, 서셉턴스 부분이 가능한 0으로 수렴하도록 위상을 조절하였다.

급전부 부분의 캐비티를 중심으로 양측으로 13개씩 대칭적으로 놓여있고 6행으로, 전체적으로 보면 6*26 슬롯 배열 도파관 안테나의 형태를 나타내게된다.

도 7을 참조하면, 중층도체판(100)에는 급전부인 케비티구조가 있으며, 임피던스 대역폭을 개선하기 위하여 케비티에 행으로 놓여진 슬롯은 팔자로 배열되어 있고 이는 위상 조절을 통하여 커플링을 최소화하고 임피던스 대역폭을 개선하는데 그 목적이 있다.

급전부인 케비티 구조는 중층도체판의 중앙에 위치되며, 케비티구조의 세로길이는 전기적 길이이고, 케비티구조의 가로길이는 광벽 길이이다.

케비티 구조는 중앙에서 급전하여 양측 방향으로 전류가 잘 분포되도록 하기 위하여 도파관 광벽 상면에 공진 슬롯이 팔자 형태로 각도를 가지고 세로방향으로 6개가 형성되어 있다.

종래의 도파관 안테나에서 단층 구조로 급전할 경우 안테나의 이득을 높이기 위해 슬롯의 개수를 증가시키면 임피던스 대역폭은 매우 좁아지지만 본 발명에서는 그러한 문제점을 해결하기 위하여 급전부의 케비티 구조를 팔자형태로 각도를 가지고 배역시켜 슬롯간의 커플링을 최소화하여 위상조절을 통하여 임피던스 대역폭을 개선하였다.

중층도체판의 케비티구조의 슬롯은 전류를 더 크게 하기위한 최적설계로 인하여 상층도체판의 공진 슬롯에 비하여 상대적으로 크기가 크게 형성되어 있다.

중층도체판의 배면에는 케비티를 기준으로 양측으로 6열로 나열된 도파로가 있으며 신호가 잘 분배될 뿐만 아니라 수직 편파의 반치 빔폭을 개선시키는 역할을 할 수 있다.

중층도체판의 급전부는 급전부의 높이방향을 따라서 다수개의 슬롯이 소정간격 이격되어 형성되고, 각 슬롯은 기울기가 형성되어 있으며, 기울기는 상부에서 하부로 갈수록 커지고, 급전부 높이방향의 중심축을 기준으로 교번적으로 기울기의 반대방향으로 형성된다.

고주파수로 갈수록 슬롯의 파라미터와 각도는 매우 민감하기 때문에 슬롯의 각도를 미세하게 조절하여 커플링을 최소화 하였고 급전부에서 가까운 슬롯인 최상부 슬롯의 각도가 가장 작고 슬롯이 급전부에서 멀어질수록 전류가 약하게 흐르기 때문에 최하부의 슬롯의 각도를 가장 크게 함으로써 위상을 조절하여 6개의 슬롯 모두 전류가 잘 흐르도록 하였다.

이러한 최적 위상 조절을 통하여 중앙에서 급전하여 상층도체판의 양측에 형성되어 있는 6*26슬롯들의 전류를 잘 분배하도록 하였다.

도 11을 참조하면, 하층도체판(300)은 급전을 위한 커넥터(310)와 도체판을 고정시키기 위한 고정나사 및 고정 핀들을 구비하고 있고, 고정나사 및 고정 핀은 상층도체판, 중층도체판, 및 하층도체판의 결합뿐만 아니라 via hole 역할도 하여 전류를 더 잘 전달하도록 하는 효과도 있다.

도 12를 참조하면, 하층도체판은 단면이 'ㄷ'자 형으로 형성되어 있으며, 상,하부에 단이 형성되어 있는 것은 커넥터에 케이블을 연결하였을때 발생하는 손실을 최소화하기 위해서이다.

도 13을 참고하면, 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 시뮬레이션과 측정의 반사계수결과로서, 본 발명에 따른 안테나 측정은 Vector Newwork Analyzer를 사용하여 반사계수를 측정하였고, 시뮬레이션과 비교하였다.

중심주파수를 f0라 하고 중심 파장을 1λ라고 하였을때 목표로 하는 대역폭인 0.997λ에서 1.02λ까지의 시뮬레이션 결과와 매우 잘 일치함을 알 수 있다.

목표 대역폭이 종래 안테나보다 대역폭이 넓게 개선되었는데, 이는 급전부 케비티 구조 설계에서 슬롯의 위상 조절 각도의 정밀한 선정에 의한 개선이다.

또한, 도 14를 참고하면, 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 중심주파수 f0에서의 수직편파에 대한 시뮬레이션 결과와 측정결과로서, 안테나 측정은 Anechoic Chamber에서 측정하였고, 시뮬레이션과 비교하였다.

시뮬레이션과 측정 결과 모두 중심주파수에서의 피크이득은 28dBi 이상의 고이득 특성을 나타내고 있으며 반치 빔폭의 경우 약 20˚로 넓은 빔폭을 가지고 있다. 이는 협벽 도파로의 높이를 변화시켜 수직 빔폭을 제어함으로 인함이다.

해안선에서는 파고와 파장, 파향, 표층해류 등 해상상태로 인하여 넓은 수직 빔폭이 요구되므로 수평편파는 좁고 수직편파 빔폭은 넓게 설계되었다.

또한, 도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 슬롯 배열 도파관 안테나의 중심주파수 f0에서의 수평편파에 대한 시뮬레이션 결과와 측정결과로서, 안테나 측정은 Anechoic Chamber에서 측정하였고, 시뮬레이션과 비교하였다.

시뮬레이션과 측정결과 모두 중심주파수에서의 피크 이득은 약 28dBi 이상의 고이득 특성을 나타내고 있으며, 반치 빔폭의 경우에는 약 5˚정도로 수평편파 빔촉을 제어하기 위하여 광벽의 길이를 제어하여 좁은 빔폭을 구현하는 기법을 적용하였다.

레이더에 설치되어 있는 안테나가 360˚회전하므로 수평편파의 경우 빔 폭을 작게하여 이득을 증가시킴과 동시에 안테나의 크기를 출이는 효과를 얻을 수 있다.

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 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 - 중층도체판 110 - 급전부
120 - 도파로 200 - 상층도체판
210 - 공진 슬롯 300 - 하층도체판
310 - 커넥터 320 - 고정핀

Claims (3)

1. 캐비티구조로 이루어진 급전부가 형성되어 있고, 급전부의 캐비티를 기준으로 양측에 도파로가 형성되어 있는 중층도체판;
   급전부를 중심으로 양쪽으로 등간격으로 배열되어 있는 공진 슬롯이 형성되어 있는 상층도체판; 및
   급전을 위한 커넥터,
   상층도체판 및 중층도체판을 고정시키기 위한 고정핀
   이 배치되어 있는 하층도체판
   를 포함하는, 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나.
2. 캐비티구조로 이루어진 급전부가 형성되어 있고, 급전부의 캐비티를 기준으로 양측에 6열로 배치된 도파로가 형성되어 있는 중층도체판
   급전부를 중심으로 양쪽으로 13개의 공진 슬롯이 등간격으로 배열되어 있는 상층도체판; 및
   급전을 위한 커넥터,
   상층도체판 및 중층도체판을 고정시키기 위한 고정핀
   이 배치되어 있는 하층도체판
   을 포함하고,
   상층도체판의 공진 슬롯은 라운드처리된 각을 가진 사각형 형상으로 형성되어 있는 것
   를 포함하는, 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나.
3. 캐비티구조로 이루어진 급전부가 형성되어 있고, 급전부의 캐비티를 기준으로 양측에 6열로 배치된 도파로가 형성되어 있는 중층도체판
   급전부를 중심으로 양쪽으로 13개의 공진 슬롯이 등간격으로 배열되어 있는 상층도체판; 및
   급전을 위한 커넥터,
   상층도체판 및 중층도체판을 고정시키기 위한 고정핀
   이 배치되어 있는 하층도체판
   을 포함하고,
   상층도체판의 공진 슬롯은 라운드처리된 각을 가진 사각형 형상으로 형성되어 있는 것; 및
   중층도체판의 급전부는 급전부의 높이방향을 따라서 다수개의 슬롯이 소정간격 이격되어 형성되고, 각 슬롯은 기울기가 형성되어 있으며, 기울기는 상부에서 하부로 갈수록 커지고, 급전부 높이방향의 중심축을 기준으로 교번적으로 기울기의 반대방향으로 형성되는 것
   를 포함하는, 해안선 침식환경 모니터링을 위한 레이더 시스템용 고이득 안테나.
   

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