KR100453030B1 - 광대역인쇄네트워크안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실질적으로 선대칭 주 로브를 방사하는 광대역 어레이 안테나에 관한 것이다.

이 안테나는 평면 중 하나에서 주기성을 방해하도록 배열되며 에너지원의 중앙지점 (A) 으로부터 트리형 급전 라인(40) 에 의해서 코너 급전되는 패치 (10, 11) 를 구비한다. 대향하는 각 패치는 대역을 넓게 하기 위한 기생 소자이다.

본 발명은 특히, 측정 레이더에 적용된다.

Description

광대역 인쇄 네트워크 안테나{WIDE BAND PRINTED NETWORK ANTENNA}

본 발명은 중앙을 통과하는 축에 대하여 실직적으로 축대칭인 주 로브(lobe) 를 방사하는 광대역 인쇄 어레이 안테나에 관한 것이다.

현재 공지되어 있듯이, 소형의 안테나를 생산하기 위하여는, 인쇄 어레이 안테나를 사용하는 것이 특별히 유용한 해결책이다. 다양한 가능 형태중에서, 패치 안테나는, 인쇄회로를 제조하기 위해 공지된 기술을 사용하여 생성하는 것이 용이하다는, 그들의 장점에도 불구하고 거의 사용되지 않고 있다.

예를 들어, 밀폐 공간 측정 레이더와 같은 임의의 응용에 있어서, 방사패턴이 실질적으로 축대칭인 광대역 마이크로파 안테나를 갖는 것은 특히 중요하다.

비록 이것이 혼(horn) 등의 종래 형태의 방사 소자를 가지고 얻을 수 있다고는 하나, 소형화되어 있지 않다는 문제점에 부딪히게 된다.

그러므로, 본 발명의 대상은 패치를 사용함으로서 매우 작게 되어 있으며, 광대역 상에서 실질적으로 축대칭인 패턴을 나타내는 인쇄 어레이 안테나이다.

본 발명에 따라서, 안테나의 중앙 (A) 을 통과하는 축에 대하여 실질적으로 축대칭인 주 로브를 방사하기 위한 광대역 인쇄 어레이 안테나를 제공하며, 상기 안테나는 마이크로스트립 라인(microstrip line) 에 의해서 급전된 다수의 실질적 사각형인 방사 패치를 구비하며, 안테나의 중앙 (A) 으로부터 상기 라인에 의한 급전은 트리형이며, 각 패치는 코너를 부분적으로 오버랩하는 라인중 하나에 의해서,코너를 통하여 급전되는 것을 특징으로 한다.

방사 패턴을 가능한한 깨끗하게 얻기 위하여, 본 발명의 또다른 태양에 따르면, 하나 이상의 안테나 평면 (E,H,D) 의 방향에서, 패치의 분포는 안테나의 방사 패턴 내의 부 로브를 제한하고 어레이 로브와 별도로 이동하도록 비주기적이며, 이 방향에 있는 안테나 주변의 패치는 안테나 중앙을 향하는 패치보다 더 큰 공간을 나타낸다.

본 발명은 첨부된 도면과 다음의 설명을 가지고 더 잘 이해될 수 있을 것이며, 다른 특성과 장점 역시 나타날 것이다.

도 1 은 본 발명에 따르는 안테나의 평면도이다.

도 2 는 부분 단면도이다.

도 3 은 패치와 그의 급전 라인을 나타낸다.

도 4 및 도 5 는 패치의 비 주기성에 의하여 성능의 개선을 나타내는 다이어그램이다.

도 6 은 안테나의 종래의 중앙 교차 급전을 나타낸다.

도 7 은 본 발명에 따르는 중앙 급전을 설명한다.

도 8 및 도 9 는 도 6 및 도 7 의 각각의 경우에, 최고주파수에서 평면 H 내에서의 방사 패턴을 보여준다.

도 10 및 도 11 은 본 발명에 따르는 안테나에 대하여 최고주파수에서 평면 E 및 평면 D 내의 패턴이다.

도 12 내지 도 14 는 최저주파수에 대하여 평면 H, E 및 D 에서의 본 발명에따르는 안테나의 방사 패턴을 나타낸다.

도 1 은 본 발명에 따르는 안테나의 평면도이다. 비록 제한은 없지만, 여기서, 안테나 (1) 는 8 각형으로 경계되어 있는 표면 상에 분포된 패치 (10, 11) 의 어레이를 사용한다. 이들 패치는 예를 들어, 동축에 의해서 신호가 인가되는 중앙지점 (A) 으로부터 급전 라인 (40) 의 어레이에 의해서 급전된다.

안테나의 구조는 도 2 및 도 3 의 도움으로 잘 이해될 것이다. 도 2 는 안테나 (1) 를 통하는 부분 단면이다. 안테나는 인쇄 회로의 기술에 의해 형성되며, 예를 들어 폴리프로필렌으로 만들어진, 제 1 유전층 (12) 을 구비하는데, 이것의 한 면은 접지평면으로서 작용하는 금속화 (13) 를 가지며, 다른 면은 패치 (10) 들(그들 중에 하나가 표시됨) 을 구비한다. 패치를 갖는 면에는 좀 더 두꺼운 유전 포옴층 (3) 과, 그 위에, 예를 들어 에폭시 글래스로 제조된 제 2 유전층 (2) 이 도포되며, 그들 중, 포옴(foam)과 접촉하고 있는 면은 각 패치 (10) 와 대향하고 있는 기생 소자 (20) 를 갖는다. 이들 기생 소자는 바람직하게는 패치와 동일한 형태이나 그 보다는 작은 크기의 소자를 가지고 있으며 안테나의 통과대역폭을 넓게 할 수 있다.

유전 포옴층 (3) 의 두께 (h2) 는 제 1 유전층 (12) 의 두께 (h3) 의 3 배 내지 4 배가 바람직하다. 이 구조에 의하여, 기생 소자를 갖는 제 2 유전층 (2) 은 안테나를 위한 레이돔으로서 작용한다.

기생 소자는 도면에서의 명확함을 위하여 도 1 에 나타내지 않았다.

도 3 은 평면도에서, 패치 (10) 및 그의 급전을 보여준다. 이 패치는 변a를 갖는 정사각형으로,a보다 작은 변b를 갖는 대응하는 기생 소자 (20) 와 마주한다. 이 패치는 패치의 대각선에 대하여 90°에 있는 라인 (40) 과 연결되어 있는 코너 (100) 를 통하여 코너 급전된다. 라인과 패치 사이의 오버랩의 크기는 특히 어셈블리의 임피던스에 적합화 시킬 수 있다. 도 1 에 도시된 것과 같이 트리형 급전을 갖는 코너 급전의 장점은, 이 방법에서는 라인 내의 엘보(elbow) 가 각 패치에 대하여 제거된다는 것인데, 그렇지 않으면, 이것은 코너에서 패치 종단의 대각선의 방향으로 코너 (100) 로부터 라인 (40) 이 시작될 필요가 있다. 그러므로 엘보에 의한 손실의 이유가 전체 어레이로부터 제거된다.

도 1 에 대하여, 안테나 상의 패치의 분포는, 어레이 안테나에서 통상적인 것처럼 주기적일 수 있다. 그러나, (예로서 여기서 고려된 대역의 최고주파수에 대한) 평면 H 내의 도 4 의 방사패턴에서 도시된 것처럼, 부 로브 내의 업턴 (upturn) 이 약 ±90°근처에서 관찰되며, 이것은 매우 좋지 않다.

안테나의 전체 방사 패턴에서, 전기장을 포함하는 평면 (E 평면)과, 자기장을 포함하는 평면(H 평면)과, 상기 E 및 H 평면에 대하여 45°인 대각선 평면 (D 평면) 을 통하여 섹션을 정의할 수 있다.

본 발명의 특성에 따라서, 부 로브에서의 상기 업턴을 방지하고 어레이 로브와 별도로 이동하는 것을 방지하기 위하여, 하나 이상의 안테나의 평면 방향에서 패치 (10, 11) 의 비주기성 분포가 사용된다. 도 1 의 도움으로 설명된 예제에서, E 평면에서의 주기성이 파괴된다. 그러므로, 안테나의 중앙에 있는 패치 (10) 가 0.8λ의 주기성으로 주기적으로 분포되어 있으며, 여기서 λ는 안테나의통과대역의 중앙파장이며, E 필드의 방향의 주변에서의 패치 (11) 는 예를 들어 0.9λ의 더 큰 공간을 갖는다. 물론 패치 사이의 공간에서의 계단식 성장이 또한 관찰될 수 있다.

이 비주기성의 도입에 의해서, 도 5 의 패턴은 해로운 업턴이 제거된 상태를 얻는다.

방사패턴에서 외란의 또다른 원인은 안테나의 중앙 급전에 있다. 라인 (40) 에 의해서 트리형 급전을 가지고, 신호를 전송하기 위한 동축 라인(도시되지 않음) 으로부터 지점 A 로 가기 위한 직접적인 해결책은 안테나의 중앙 A' 에서 교차하는 두 개의 주 라인 41, 42 및 43, 44 를 갖는 도 6 의 다이어그램을 사용하는 것이다. 각 스트레치(stretch) (41, 44, 42, 43) 는 중앙 A' 에 대하여 안테나의 연속적인 섹터를 급전한다. 그러나, 도 8 의 H 평면에서 최고주파수에서의 패턴에서 볼 수 있었던 것처럼, ±40°의 부 로브에서 퇴화가 나타난다(약 -13 dB 까지 업턴 증가). 이것은 교차점의 기생 방사에 의한 것일 수 있다.

그러므로, 이것을 해결하기 위하여, 도 7 의 기하학이 적용된다. 두 개의 연속적인 섹터의 주 급전 라인을, 라인 41 및 44 에 대하여는 45 의 중앙 라인과, 42 및 43 을 위한 46 의 중앙 라인에 의해서 함께 결합시켜서, 두 그룹의 두 개의 연속적인 섹터를 형성한다. 배치라인 (47) 은 라인 45, 46 을 중앙지점 A 에 연결시킨다. 급전 라인의 이러한 형태는 도 7 의 구조에 대응하는 도 9 의 패턴에서 볼 수 있는 것처럼, 부 로브를 상당히 감소시킨다.

상술된 것처럼, 임의의 적용에 대하여, 이것은 축대칭 패턴을 얻는 것이 중요한데, 즉, 이것은 3 dB 에서 개구를 갖는 패턴으로서, 다양한 평면 H, E 및 D 내에서 주 로브와 실질적으로 동일하다.

본 발명에 따르는 안테나에서, 이것은 급전 라인 (40) 에 의해서 다양한 패치로 인가된 적절한 가중량 (weighting) 으로 패치의 비주기성을 결합함으로서 얻어진다.

이것에 의해서, 실질적으로 축대칭인 패턴은 안테나의 통과대역 전체를 통하여 얻어진다. 이것은 예를 들어, 평면 H, E 및 D 각각에서 도 9, 도 10 및 도 11 의 패턴에서 최고주파수에 대하여 명백하다. 동일한 특성이 평면 H, E, 및 D 각각에서 도 12, 도 13 및 도 14 의 패턴으로 최저주파수(여기서는 9.2 GHz) 에 대하여 나타난다.

설명된 모든 경우에, 부 로브의 레벨은 항상 -16 dB 이하이다.

그러므로, 본 발명에 따른 특성에 의해서, 레이돔 보호와, 초광 통과대역(SWR < 1.5 에 대하여 10% 보다 큼) 과, 축대칭 방사패턴과, 부 로브의 낮은 레벨을 갖는, 낮은 가중치의 소형 어레이 안테나를 얻는다. 또한, 본 발명에 따르는 안테나는 통과대역을 넓게하는 기생 소자의 배치에 거의 민감하지 않다. 마지막으로, 코너를 통한 패치의 트리형 급전은 손실을 감소시킨다.

물론, 기재되어 예시된 상기 실시예가 본 발명을 제한하지는 않는다.

Claims (12)

1. 안테나의 중앙 (A) 을 통과하는 축에 대하여 실질적으로 축대칭인 주 로브를 방사하기 위한 광대역 인쇄 어레이 안테나로서, 상기 안테나는 마이크로스트립 라인 (40) 에 의해서 급전되는 다수의 실질적 정사각형 방사 패치 (10, 11) 를 구비하며, 안테나의 중앙(A)으로부터 상기 라인 (40) 에 의한 급전은 트리형이며, 각각의 패치 (10,11) 는 상기 라인(40) 중 하나에 의해서 코너를 통하여 급전되는 광대역 인쇄 어레이 안테나에 있어서, 코너에서의 패치에 급전하는 라인은 상기 코너 (100) 와 부분적으로 오버랩되며, 하나 이상의 안테나의 평면(E, H, D) 방향에서, 패치의 배치는 안테나의 방사 패턴에서 부 로브를 제한하며 어레이 로브와 별도로 이동하도록 비주기적이며, 상기 방향에서 안테나의 주변에 있는 패치 (11) 는 안테나의 중앙을 향하는 패치 (10) 의 공간보다 더 큰 공간이 존재하는 것을 특징으로 하는 광대역 인쇄 어레이 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 방향은 안테나의 E 평면 방향인 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 급전 라인은, 상기 광대역에서 실질적으로 축대칭인 주 빔을 방사하도록 하는 방법으로, 각 패치 (10, 11) 에 의해서 방사된 에너지에 가중치를 가하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 안테나는 두 개의 연속적인 섹터의 두 그룹으로 분리되며, 각 섹터는 주 라인 (41 내지 44) 으로부터 트리형 방법으로 급전 받으며, 한 그룹의 섹터중 주 라인 (41, 44; 42, 43) 은 중앙 라인 (45;46) 에 의해서 연결되며, 안테나의 중앙 (A) 으로부터의 급전은 상기 두 그룹의 중앙 라인을 상기 중앙 (A) 에 연결하는 배전 라인 (47) 에 의해서 실행되는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 일 면이 접지평면 (13) 에 의해서 커버되며 다른 면이 상기 패치 (10, 11) 와 상기 급전 라인 (40) 을 구비하는 제 1 유전층 (12), 상기 다른 면 상의 유전 포옴층 (3), 및 상기 유전 포옴층을 향하는 면이 상기 패치와 대향하며 상기 패치와 동일한 형상을 갖는 기생소자 (20) 를 형성하여 안테나의 통과대역을 증가시키는 제 2 유전층 (2) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 기생 소자 (20) 는 상기 대응하는 패치 (10,11) 보다 작은 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 유전층 (2) 은 에폭시 글래스로 형성되어서 안테나를 위한 레이돔으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 유전층 (12) 은 폴리프로필렌으로 형성되며, 상기 제 1 유전층 (12) 의 두께 (h1) 가 상기 유전 포옴층 (3) 의 두께보다 3 내지 4 배 작은 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
9. 제 3 항에 있어서, 상기 안테나는 두 개의 연속적인 섹터의 두 그룹으로 분리되며, 각 섹터는 주 라인 (41 내지 44) 으로부터 트리형 방법으로 급전 받으며, 한 그룹의 섹터중 주 라인 (41, 44; 42, 43) 은 중앙 라인 (45;46) 에 의해서 연결되며, 안테나의 중앙 (A) 으로부터의 급전은 상기 두 그룹의 중앙 라인을 상기 중앙 (A) 에 연결하는 배전 라인 (47) 에 의해서 실행되는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
10. 제 3 항에 있어서, 일 면이 접지평면 (13) 에 의해서 커버되며 다른 면이 상기 패치 (10, 11) 와 상기 급전 라인 (40) 을 구비하는 제 1 유전층 (12), 상기 다른 면 상의 유전 포옴층 (3), 및 상기 유전 포옴층을 향하는 면이 상기 패치와 대향하며 상기 패치와 동일한 형상을 갖는 기생소자 (20) 를 형성하여 안테나의 통과대역을 증가시키는 제 2 유전층 (2) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
11. 제 4 항에 있어서, 일 면이 접지평면 (13) 에 의해서 커버되며 다른 면이 상기 패치 (10, 11) 와 상기 급전 라인 (40) 을 구비하는 제 1 유전층 (12), 상기 다른 면 상의 유전 포옴층 (3), 및 상기 유전 포옴층을 향하는 면이 상기 패치와 대향하며 상기 패치와 동일한 형상을 갖는 기생소자 (20) 를 형성하여 안테나의 통과대역을 증가시키는 제 2 유전층 (2) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.
12. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 유전층 (2) 은 에폭시 글래스로 형성되어서 안테나를 위한 레이돔으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나.