KR101089682B1 - 광대역 페르미 안테나의 설계방법, 설계 프로그램 및 설계프로그램을 기록한 기록매체 - Google Patents

광대역 페르미 안테나의 설계방법, 설계 프로그램 및 설계프로그램을 기록한 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 밀리파(wave of millimeter order)의 수신화상화(受信畵像化)에 필요한 광대역에서 원형 지향성을 가지는 코러게이트 설치 페르미 안테나(corrugated Fermi antenna)의 설계방법에 있어서, 먼저 제 1 단계로서, 페르미 안테나의 테이퍼 함수(taper function)인 페르미 디락 함수(Fermi-Dirac function)의 변곡점을 변화시키고, H면(plain H)의 빔 폭(beam width)을 목표의 지향성(target directivity)을 가지는 빔 폭으로 설정한다. 이 H면의 빔 폭이 목표치로 설정되면, 다음으로, 페르미 안테나의 개구폭을 변화시키고, E면의 빔 폭을 목표의 지향성을 가지는 빔 폭으로 설정한다. 이와 같이 H면과 E면의 빔 폭을 독립하여 조정하고, 목표치와 일치시킴으로써, 광대역 및 원형 지향성을 가지는 페르미 안테나를 단시간에 설계할 수 있다.

Description

광대역 페르미 안테나의 설계방법, 설계 프로그램 및 설계 프로그램을 기록한 기록매체{Broad-band fermi antenna design method, design program, and recording medium containing the design program}
본 발명은 테이퍼 슬롯 안테나(TSA, Tapered Slot Antenna)의 하나인 광대역 페르미 안테나의 설계방법, 그 설계 프로그램 및 설계 프로그램 및 설계 프로그램을 기록한 기록매체에 관한 것이다.
밀리파(wave of millimeter order)를 이용하여 실시간으로 영상을 수신하는 패시브 이미징(passive imaging)은, 기후에 좌우되는 것이 아니라, 건물이나 인체를 포함하는 모든 대상물의 이미지를 얻을 수 있으므로, 그 실용화가 기대되고 있다. 밀리파란 파장이 10㎜에서 1㎜ 정도의 전자파를 말하며, 주파수로는 30GHz대에서 300GHz대가 그것에 해당한다. 이 밀리파대(帶)의 전자파는 마이크로파대와 비교한 경우, a) 소형 경량의 시스템이 실현 가능하고, b) 예리한 지향성을 얻을 수 있으므로, 간섭이나 혼신이 일어나기 어렵고, c) 주파수대가 넓으므로, 대용량의 정보를 취급할 수 있고, d) 센싱(sensing)에 이용한 경우에 높은 분해능을 얻을 수 있는 등의 특징을 가지고, 또한, 가시(可視) 또는 적외(赤外) 영역과 비교한 경우, e) 안개나 강우에 의한 감쇠가 극히 적고, f) 티끌(塵), 먼지 등에 대한 투과성도 좋아, 내환경성(耐環境性)이 우수하다고 하는 특징을 들 수 있다.
밀리파를 이용한 이미징 방식에는, 크게 나누어 액티브 이미징(active imaging)과 패시브 이미징(passive imaging)의 두 가지 방식이 있다. 액티브 이미징은 발신기로부터 방사되는 가(可)간접성(coherent)의 밀리파를 물체에 조사하고, 그 반사파 또는 투과파를 수신 검파하여, 수신강도 또는 위상에 따른 화상을 얻는 것이다. 이 방식은 레이더나 플라즈마 전자밀도 계측 등에 이용되고 있다.
또한, 패시브 이미징은, 모든 물체가 그 절대온도에 비례하여 방사하고 있는 열잡음의 밀리파대의 부분을 광대역에 걸쳐 수신하고, 그것을 검파, 증폭하여 화상을 얻는 방식이다. 발신기를 필요로 하지 않는 것, 또, 비간접성(incoherent)파를 수신하기 때문에 간섭의 영향이 없고 신호처리가 용이하다는 등의 이점이 있으나, 수신신호가 열잡음이라는 매우 미약한 것인 만큼 저잡음, 고감도의 수신기가 요구된다. 이 방식은 대기중의 오존이나 일산화탄소 등을 계측하는 라디오 미터(radiometer)나 전파천문학의 분야 등에 이용되고 있다.
이 밀리파를 이용한 실시간 패시브 이미징은, 도 21에 나타낸 바와 같이, 사람이나 물건 등의 대상물(100)로부터 발생하는 서멀 노이즈(열잡음)를 원형의 지향성을 가지는 렌즈안테나(101)를 통하여 렌즈안테나(101)의 초점의 위치에 배치된 이미징용 수광소자(102)로 수신함으로써 행해진다. 이 때문에, 렌즈안테나(101)와 정합성이 맞추어진 이미징 수광소자(안테나)의 개발이 극히 중요한 것이 되어 있다. 통상은, 렌즈안테나(101)의 직경(D)은 그 초점거리(f)와 동일하게 설계되고, f／D=1 때 가장 좋은 상태의 패시브 이미징이 행해진다고 되어 있다.
실시간 이미징 방법에는 기계적인 주사(走査)를 실시해 주는 방법이 있지만, 이 방법에서는 주사를 위한 복잡한 기구가 필요하고, 또 계측에 많은 시간이 걸리기 때문에 실시간의 화상을 얻는 것이 곤란하다. 이것에 대하여, 수많은 수신소자를 2차원 배열하여 상을 얻는 이미징 어레이(imaging array) 방식은, 주사 기구가 필요 없고, 단시간에 계측할 수 있으므로 실시간의 화상화가 가능하다. 도 21에서는, 1개의 이미징 수광소자(102)가 묘사되어 있으나, 실제로는 복수의 이미징 수광소자(안테나)가 어레이 형태로 늘어서 있다.
또, 이 이미징용 수광소자(102)에 적합한 안테나로서는, 렌즈안테나(101)가 원형의 지향성을 가지는 것이므로, 이 렌즈안테나(101)와의 정합성을 위해 E면 지향성과 H면 지향성이 거의 같은 것이 요구되고 있다. 여기서 E면(xz 평면)은 전계(電界)의 공진면(共振面)이며, H면(xy 평면)은 E면에 수직인 면이다. 일반적으로는, E면에 대하여는 강하게 공진하여 대상물로부터의 영상을 수신할 수 있었다고 해도, H면의 지향성이 없는 경우가 많아, 그것에 따라 변환 효율이 떨어지고, 이득도 낮아져 버린다고 하는 문제가 있다.
또, 요구되는 특성으로서는, 광대역에서 또한 집적화나 어레이화에 적합한 것 외에, 어레이 소자의 수가 이미징의 화소를 결정하므로, 소정의 면적에 가능한 한 많은 안테나를 배열할 수 있는 것 등을 들 수 있다. 더욱이 수신한 신호를 검파기의 노이즈 레벨까지 증폭할 필요가 있으나, 안테나로서는 증폭기까지의 손실을 줄이는 의미에서도 고이득인 것이 요구되고 있다.
이러한 요구를 만족하는 유력한 안테나로서, 근래 테이퍼 슬롯 안테나(TSA, Tapered Slot Antenna)의 연구가 활발히 행해지고 있다. 이 TSA는, 광대역, 경량, 박형(搏型)이며, 또 포토리소그래피(photolithography) 기술에 의해 간단하게 제작 가능하며, 집적화도 용이하기 때문에, 마이크로파에서 밀리파의 주파수대까지 통신용, 계측용과 다양한 용도에 이용되고 있다. 이 TSA의 기본적인 동작원리는, 진행파 안테나로서 설명된다. 즉, 다이폴 안테나와 같은 반사형의 안테나와 달리, 발생한 전파가 진동하지 않고 그대로 진행방향으로 전파하는 안테나로서 해석되고 있다. 그리고, TSA의 테이퍼 형상으로서는, 선형의 LTSA(Linear TSA), 나팔형의 지수함수의 테이퍼 형상을 한 비발디(Vivaldi) TSA가 잘 이용되고 있다.
또, 몇 가지 다른 함수형이 접속된 CWSA(Constant Width Slot Antenna)나, LTSA가 굴곡되어 접속된 테이퍼 형상을 가지는 BLTSA(Broken Linearly TSA)도 제안되어 있다.
또, 최근 페르미안테나로 불리는 테이퍼 슬롯 안테나(TSA)도 제안되어 있으나, 이 페르미안테나(10)의 구조는, 도 22에 나타낸 바와 같이, 테이퍼 형상이 페르미 디락 함수(Fermi-Dirac function)(이하, 「페르미 함수」라고 한다.)로 표현되고, 또 유전체기판(11)의 외측에 빗살모양의 코러게이트(corrugated) 구조(12)를 가지고 있다. 이 페르미안테나(10)는, 기판폭(D)이 좁아도 E면 및 H면의 지향성이 거의 같고, 또 비교적 사이드 로브 레벨이 낮은 것이 실험적으로 발견되고 있으므로, 밀리파 이미징용 수신안테나로서 적합하다고 생각되고 있다.
도 22는, 페르미안테나(10)의 기본구조를 나타낸 것이며, 이 안테나의 특징은, 상기한 바와 같이 페르미 디락 함수로 표현되는 테이퍼 형상과, 유전체기판(11) 외측이 코러게이트 구조(12)를 가지는 것이다. 이 페르미안테나는, 유전체기판(11)에 포토리소그래피(photolithography) 기술을 이용하여 용이하게 제작할 수 있고, 유전체기판(11)의 한 면에만 안테나와 급전회로를 구성할 수 있는 점에서 유리하다. 페르미 함수는 양자역학에 있어서 전자의 에너지 순위를 나타내는 함수로서 알려져 있는 것이며, 도 22의 구조와 좌표계를 고려하면, 일반적으로 ［수학식 1］로 나타내지는 식으로 주어지는 함수가 된다.
Figure 112006063161119-pct00001
여기서, a, b, c는 테이퍼의 형상을 나타내는 파라미터이다. a는 x →∞에 있어서의 함수의 점근치(漸近値)를 나타내고, c는 함수의 변곡점이다. 또, f'(c)=ab／4로부터, b는 변곡점에 있어서의 접선의 기울기를 결정하는 파라미터로 되어 있다. 여기서 f(c)=a／2의 관계가 있고, 또, b(L－c)≫1의 관계가 있으면, 개구 부근은 x=L로서 f(L)=a가 되므로, 개구폭(W)은, W=2a로 주어진다. 또한, 페르미안테나의 설계 파라미터로서는, 유전체기판의 비유전율(εr), 기판의 두께(h), 안테나 길이(L), 코러게이트 구조의 폭(wc), 피치(p), 코러게이트 길이(lc), 테이퍼 형상을 결정하는 페르미 함수의 파라미터(a, b, c)로 극히 많고, 이러한 값을 어떻게 선택하면 소형으로 소망하는 빔 폭(BWdesign)의 원형 지향성을 가지는 안테나를 설계할 수 있을지가 중요한 과제로 되어 있다.
이 페르미안테나에 대하여는, 주파수 60GHz에 있어서 LTSA, 비발디(Vivaldi), CWSA, BLTSA와 페르미 함수 테이퍼를 이용한 TSA를 대비하여, 폭이 넓은 기판을 이용했을 경우에 페르미 함수 테이퍼(TSA)의 H면의 사이드 로브가 가장 저감되는 것을 나타낸 논문이 제안되어 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조). 이 비특허문헌 1에서는, 페르미안테나의 기판폭을 좁게 하면 E면과 H면의 지향성이 달라지지만, 이것에 코러게이트 구조를 설치하는 것으로 지향성을 거의 같게 할 수 있는 것이 나타나 있다.
또한, 본 발명자들은, 페르미안테나의 테이퍼 형상(즉 페르미 함수의 파라미터 a, b, c), 안테나 길이(L), 유전체 두께(h), 개구폭(W), 기판폭(D) 등을 변화시켰을 때의 방사 지향성을 FDTD(Finite Difference Time Domain)법에 따라 구하고, 페르미안테나의 구조에 관계하는 제반 파라미터와 안테나 특성의 관계를 분명히 하는 것과 동시에, 이미징용 수신소자에 적합한 페르미안테나의 최적인 구조를 제안하였다(비특허문헌 2 참조). 도 23은, 여기에 제안된 전형적인 페르미안테나의 치수의 일례를 나타낸 것이다. 이 비특허문헌 2에 따르면, 기판폭(D)=0.58λ0, 개구폭(W)=0.32λ0의 페르미안테나에 있어서, 동작이득이 13.2dBi(여기서,"i"는"isotropic"의 의미), E면과 H면의 사이드 로브 레벨이 각각 -18.4 dB,-14.3 dB로, 또한 양호한 축대상을 가지고, 실험과 잘 일치하는 결과가 얻어진 것을 보고하였다. 이 예에서는, 35GHz로 설계한 전형적인 페르미안테나의 치수를 나타내고 있고, 여기에서는, c=2λ0=17.14㎜, a=W／2=3.9㎜, b=0.28㎜-1으로 하고 있다.
그러나, 페르미안테나를 포함하는 TSA는, 테이퍼 형상을 결정하는 함수, 안테나 길이, 개구폭, 유한한 기판폭, 두께, 비유전율 등 다수의 구조 파라미터를 가지고, 이들의 변화에 따라 그 방사특성이 크게 변화한다고 하는 특성을 가지고 있다. 이 때문에, 페르미안테나를 설계하는 경우에는, 실험에 의한 경험적인 방법이나, 근사적인 계산에 의한 방법으로 내내 하고 있다. 즉, 현재 상태로서는, TSA를 제작하여 우연히 특성이 좋은 것이 되었다고 해도, 만들 때마다 특성이 변화해 버려, 확고한 설계이론은 확립되어 있지 않은 상태였다. 이와 같이, 페르미안테나에 요구되는 방사 지향성을 실현할 수 있는 설계지침을 얻는 것은 용이한 일이 아니라는 현실이 있고, 상기 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2에 기재된 제안에 있어서도, 원형 지향성을 가지는 TSA의 설계방법을 제시하는 것은 아니었다.
［비특허문헌 1］ S. Sugawara etc. "A m-m Wave tapered slot antenna with improved radiation pattern," IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp.959－962, Denver, USA, 1997
［비특허문헌 2］ 전자정보통신 학회 논문지 B. Vol.J80－B, No.9(2003.9)
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 페르미안테나를 이용한 원형 지향성을 가지는 방사 패턴의 임의의 빔 폭을 얻기 위한 설계방법 및 그것을 위한 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기 과제를 해결하고, 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 밀리파의 수신 화상화에 필요한 광대역에서 원형 지향성을 가지는 코러게이트 설치 페르미안테나의 설계방법이며, 페르미안테나의 테이퍼 함수인 페르미 디락 함수의 변곡점을 변화시키고, H면의 빔 폭을 목표의 지향성을 가지는 빔 폭으로 설정하는 동시에, 이 페르미안테나의 개구폭을 변화시키고, E면의 빔 폭을 목표의 지향성을 가지는 빔 폭으로 설정함으로써, 광대역 또한 원형 지향성을 실현하는 것을 특징으로 하고 있다.
또, 본 발명은, 광대역 주파수의 중심 주파수 또는 거기에 대응하는 파장을 부여하는 단계와, 페르미안테나의 유전체기판의 실효두께를 결정하는 단계와, 페르미안테나의 안테나 길이를 결정하는 단계와, 페르미안테나의 코러게이트의 폭, 피치 및 높이를 결정하는 단계와, 페르미안테나의 테이퍼 형상을 형성하는 페르미 디락 함수의 파라미터를 결정하는 단계와, 페르미안테나로부터 방사되는 전파의 H면과 E면의 빔 폭의 목표치를 설정하는 단계와, 페르미 함수의 변곡점을 임의로 설정한 후에, H면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 H면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 H면 빔 폭 비교단계와, 이 H면 빔 폭 비교단계 있어서, 상기 미리 설정한 H면 빔 폭의 목표치와 일치하지 않을 때는, 변곡점의 위치를 변화시킨 후, 다시 H면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 H면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계를 반복하는 H면 빔 폭 결정 사이클과, 상기 H면 빔 폭 비교 단계에 있어서, H면 빔 폭이 미리 설정한 H면 빔 폭과 일치했을 때에, 다음 단계로서 페르미안테나의 개구폭을 설정하는 단계와, 이 설정한 개구폭에 근거하여 방사되는 전파의 E면의 빔 폭과, 미리 설정한 E면의 빔 폭의 목표치를 비교하는 E면 빔 폭 비교 단계와, 이 E면 빔 폭 비교 단계에 있어서, 상기 목표치와 일치하지 않을 때는, 페르미안테나의 개구폭을 변화시키고, 다시 E면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 E면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계를 반복하는 E면 빔 폭 결정 사이클을 포함하고, 상기 H면 빔 폭과 E면 빔 폭의 양쪽 모두 거의 같은 원형 지향성을 가지도록 설계하는 설계방법이다.
또, 본 발명은, 상기 설계방법을 실현하기 위한 설계 프로그램과 그 프로그램을 기록한 기록매체도 포함하고 있다. 즉, 밀리파의 수신 화상화에 필요한 광대역에서 원형 지향성을 가지는 코러게이트 설치 페르미안테나를 설계하기 위한 프로그램에 있어서, 광대역 주파수의 중심주파수 또는 거기에 대응하는 파장을 부여하는 단계와, 페르미안테나의 유전체기판의 실효두께를 결정하는 단계와, 페르미안테나의 안테나 길이를 결정하는 단계와, 페르미안테나의 코러게이트의 폭, 피치 및 높이를 결정하는 단계와, 페르미안테나의 테이퍼 형상을 형성하는 페르미 디락 함수의 파라미터를 결정하는 단계와, 페르미안테나로부터 방사되는 전파의 H면과 E면의 빔 폭의 목표치를 설정하는 단계와, 페르미 함수의 변곡점을 임의로 설정한 후에, 상기 H면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 H면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계와, 이 H면 빔 폭이 상기 H면의 빔 폭의 목표치에 일치하지 않을 때는, 테이퍼 형상을 한 페르미 디락 함수의 변곡점의 위치를 변화시킨 후, H면의 빔 폭과 미리 설정한 H면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계를 반복하고, 상기 H면 빔 폭을 비교하는 단계에 있어서, H면 빔 폭이 미리 설정한 H면 빔 폭과 일치했을 때에, 페르미안테나의 개구폭을 설정하는 단계와, 이 설정한 개구폭에 근거하여 방사되는 전파의 E면의 빔 폭과 미리 설정한 E면의 빔 폭의 목표치를 비교하는 단계와, 이 E면 빔 폭을 비교하는 단계에 있어서, E면의 빔 폭이 상기 미리 설정한 E면 빔 폭의 목표치와 일치하지 않을 때는, 페르미안테나의 개구폭을 변화시켜 E면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 E면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계를 반복하는 것으로, H면 빔 폭과 E면 빔 폭의 양쪽 모두 거의 같은 원형 지향성을 가지도록 설계하기 위한 단계를 실행하는 광대역 페르미안테나의 설계를 위한 프로그램과 이 프로그램을 기록한 기록매체를 포함하고 있다.
본 발명의 광대역 페르미안테나의 설계방법 및 설계 프로그램에 따르면, E면과 H면의 방사 패턴을 비교적 단시간에 목표치에 일치시킬 수 있는 동시에, E면, H면이 함께 소망의 빔 폭을 가지게 하고, 또 사이드 로브도 낮게 설정할 수 있으므로, 밀리파 이미징용 수광소자에 적합한 페르미안테나가 실현될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제 1 실시형태의 페르미안테나의 설계방법 및 프로그램을 나타내는 플로차트(flow chart)이다.
도 2는, 본 발명의 페르미안테나에 이용되는 유전체기판의 실효두께와 이득의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 페르미안테나의 유전체의 유무에 대한 H면 및 E면의 동작패턴을 나타내는 도면이다. a는 유전체 없음의 경우, b는 유전체 있음의 경우이다.
도 4는, 페르미안테나의 테이퍼 내외의 전계강도를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 페르미안테나의 유전체기판으로서 유리를 이용했을 경우의 실효 코러게이트 길이에 대한 동작이득을 나타낸 그래프이다.
도 6은, 페르미안테나의 유전체기판으로서 알루미나를 이용했을 경우의 실효 코러게이트 길이에 대한 동작이득을 나타낸 그래프이다.
도 7은, 페르미안테나의 코러게이트의 폭과 피치의 관계에 대한 주파수 이득 특성을 나타낸 도면이다. a, b, c, d는 각각 p=2wc, 4wc, 8wc, 10wc일 때의 코러게이트 구조를 나타내고, e는 각 코러게이트 구조의 페르미안테나의 주파수 이득특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은, 페르미안테나의 테이퍼 형상의 변곡점이 안테나 길이의 중심에 있는 경우의 변곡점에 있어서의 접선의 기울기를 나타내는 도면이다.
도 9는, 페르미안테나의 파라미터 b를 변화시켰을 때의 테이퍼 형상(a)과 H면의 사이드 로브 레벨의 주파수 특성(b)을 나타내는 도면이다.
도 10은, 페르미안테나의 테이퍼 형상의 변곡점의 위치를 안테나 길이의 1／4 부근에 이동시켰을 경우의 변곡점에 있어서의 접선의 기울기를 나타내는 도면이다.
도 11은, 페르미안테나의 페르미 함수의 변곡점위치의 변화에 대한 H면과 E면의 10dB 빔 폭(a)과 페르미안테나의 개구폭의 변화에 대한 H면과 E면의 10dB 빔 폭(b)을 나타내는 도면이다.
도 12는, 페르미안테나의 기판폭(D)과 개구폭(W)의 차이(d)를 변화시켰을 때의 동작이득을 나타내는 도이다.
도 13은, 페르미안테나의 테이퍼 형상의 변곡점의 위치를 안테나 길이의 1／4 부근에 이동시키고, 더욱 개구폭을 좁게 했을 경우의 페르미안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 14는, 페르미안테나의 페르미 함수의 변곡점위치의 변화에 대한 이득 특성(a)과, 페르미안테나의 개구폭의 변화에 대한 이득특성(b)을 나타내는 도면이다.
도 15는, 본 발명의 설계방법에 있어서 설계한 페르미안테나의 H면의 지향성(a)과 E면의 지향성(b)의 FDTD법에 따른 해석값과 측정값 및 10dB 빔 폭의 주파수 특성(c)을 나타낸 도면이다.
도 16은, 본 발명의 설계방법에 있어서, 개구폭(W)=0.32λ0로 설계한 페르미안테나의 E면의 지향성(a)과 H면의 지향성(b)의 FDTD법에 의한 해석값과 측정값을 나타낸 도면이다.
도 17은, 본 발명의 설계방법에 있어서, 유전기판의 재질과 두께를 바꾸어 실효두께를 같게 했을 때의 페르미안테나의 E면의 지향성(a)과 H의 지향성(b)의 FDTD법에 따른 해석값과 측정값을 나타낸 도면이다.
도 18은, 본 발명의 설계방법에 있어서, 변곡점위치를 변화시켜 H면 빔 폭을 변경하고, 개구폭을 변화시켜 E면 빔 폭을 변경하는 것을 설명하기 위한 동작이득 패턴을 나타내는 도면이다.
도 19는, 본 발명의 설계방법에 의해 설계된 페르미안테나의 10dB 빔 폭의 주파수 특성과 동작이득 패턴을 나타내는 도면이다.
도 20은, 본 발명의 다른 실시형태의 페르미안테나의 설계방법 및 프로그램을 나타내는 플로차트이다.
도 21은, 종래의 밀리파 패시브 이미징의 원리를 모식적으로 나타낸 도면이 다.
도 22는, 페르미안테나의 구조와 원리를 나타내는 도면이다.
도 23은, 전형적인 페르미안테나의 치수의 예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 광대역 안테나의 대표적인 페르미안테나의 설계방법의 실시형태에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 페르미안테나의 설계 파라미터로서는, 유전체기판의 비유전율(εr), 기판의 두께(h), 안테나 길이(L), 코러게이트 구조의 폭(wc), 피치(p), 코러게이트 길이(lc), 테이퍼 형상을 결정하는 페르미 함수의 파라미터(a, b, c)로 실로 많아, 이들의 값을 어떻게 선택하면 소형으로 소망의 빔 폭(BWdesign)의 원형 지향성을 가지는 안테나를 설계할 수 있는지에 대하여, 도 1에 나타낸 설계 플로차트(flow chart)를 이용하여 주파수 35GHz에 대한 설계예와 함께 설명하는 것으로 한다.
주파수를 35GHz로 설정한 이유는, 35GHz 부근에 대기(大氣)의 창(窓)이라고 하는, 대기에 의한 전파의 감쇠가 적은 주파수대가 있는 것, 그리고, 35GHz에 대응하는 파장이 8.57㎜이며, 그 반파장이 4.28㎜가 되므로, 2 물점(物点)의 상이 분리되는 한계인 레일리(Rayleigh)의 분해능(分解能) 5㎜ 최대한의 한계까지 설계할 수 있기 때문이다.
여기서 레일리의 분해능에 대하여 설명해 둔다. 일반적으로, 광학계에 의한 점상(点像)은, 빛의 회절 현상에 의해 근축상점(近軸像点)을 중심으로 한 퍼짐 이 있는 분포를 가지므로, 근접한 두 개의 물체의 상은 부분적으로 서로 겹쳐져 있다. 이 중복이 증가해 가면, 그것에 따라 2 물점의 상인 것을 인식할 수 없게 되는 최소의 거리가 생각된다. 이러한 2 물점간의 최소거리를 광학계의 분해능이라고 하며, 이 2 물점의 상이 분리되는 한계에 레일리의 분해능이 적용된다.
이하, 도 1~도 18에 근거하여, 본 발명의 실시형태의 예를 설명한다. 우선, 고정밀의 전자계 해석인 FDTD법을 이용하여 페르미안테나의 기본 동작특성을 검토하고, 이미징용 수신소자에 이용하는 페르미안테나의 설계예를 설명한다.
FDTD법은, 전계와 자계의 시간 및 공간의 편미분으로 주어지는 맥스웰 방정식을, 시간과 공간의 차분으로 옮겨 두어 이것을 수치적으로 푸는 방법이다. 이 FDTD법은, 범용성이 높다고 하는 이점이 있는 반면, 공간을 직방체의 셀로 분할하므로, 대규모의 메모리와 긴 수치계산이 필요하게 된다고 하는 결점도 있다.
도 1은, 본 발명의 광대역 페르미안테나의 설계방법의 실시형태를 나타내는 플로차트(flow chart)이며, 이하, 이 플로차트(flow chart)에 따라서 원형 지향성을 가지는 페르미안테나의 설계예를 설명한다. 도 2~도 19는 각 파라미터를 결정하는 근거가 되는 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
우선, 페르미 함수의 설계 중심 주파수 또는 중심 파장(λ0)을 부여한다(단계(S1)). 페르미안테나는 일반적으로 수 옥타브의 광대역성을 가지고, 중심 주파수는 그 광대역의 중심의 주파수를 의미한다. 따라서, 광대역이라고 하는 것은, 중심 주파수의 주위의 비교적 넓은 대역을 사용 가능하게 하는 것을 말한다. 예를 들면, 35GHz를 중심 주파수로 선택했을 경우, 30GHz 정도부터 40GHz 정도까지 사용 가능하게 되는 설계로 하는 것을 의미하고 있다.
계속해서, 유전체기판의 실효두께를 결정한다(단계(S2)). 이 실효두께는 [수학식 2］에 나타낸 바와 같이, 유전체기판의 비유전율(εr)의 평방근에서 1을 뺀 값에, 유전체기판의 두께(h)를 곱셈한 값을, 또한 중심 주파수 대응의 파장(λ0)으로 나눈 값이다. 단계(S2)에 있어서는, 이값이 ［수학식 2］를 만족시키도록 설정된다. 도 2는, 유전기판의 두께(h)를 3 단계(0.1㎜, 0.2㎜, 0.5㎜)로 바꾸는 동시에, 비유전율(εr)을 2 단계(3.7, 9.8)로 바꾸어 실효두께를 변화시켰을 때의 동작이득을 그래프로 한 것이다. 이 그래프로부터 명확해지는 바와 같이, εr=3.7 및 εr=9.8의 어느 경우도, 실효두께가 0.01 부근에서 최고 이득이 되어 있다. 이것은, 실효두께가 0.01 부근에 있어서, 코러게이트 구조와 테이퍼 내부의 유전체가 모두 지파(遲波) 구조로서 움직이고, 이들에 따르는 전자파가 동(同)위상이 되는 두께가 되어, 실효 개구 면적이 넓어질 수 있는 것에 기인하고 있다. 즉, 페르미안테나의 슬롯축 부근에서는 최초부터 지파 구조가 되어 있으나, 코러게이트 구조로 함으로써 주변부도 지파 구조로 되고, 개구폭 전체에 걸쳐서 전자파가 동위상이 되어 발현되는 것이다.
또, 도 2는, 실효두께를 증가시키면 이득은 조금 감소하나, 감소는 그만큼 크지 않은 것, 그리고, 실효두께가 비교적 두꺼워도 동작 이득의 열화가 작은 것을 나타내고 있다. 따라서, 실효두께가［수학식 2］를 만족하면, 설계상으로는 만족할 수 있는 동작이득이 얻어진다. 또, 도 3으로부터 알 수 있듯이, 유전체를 설치한 경우와 유전체가 없는 경우를 비교하면, 유전체를 설치하는 쪽이 E면과 H면의 전방향에 걸쳐서 전력이 전방으로 집중하고, 고이득의 특성이 얻어지는 것을 이해할 수 있다. 또한, 도 2의 실효두께에 있어서의 동작이득의 해석에 있어서는, 안테나의 개구폭(W)=0.91λ0, 페르미 함수의 파라미터 a=W／2, b=2.4／λ0, c=2λ0로 하고 있다.
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다음으로, 도 1의 플로차트에 있어서, 안테나 길이(L)가 결정된다(단계(S3)). 도 4는, 안테나 길이(L)를 결정하기 위해, 페르미안테나의 테이퍼의 슬롯 선로축 부근과 주변의 코러게이트 부근의 전계강도 분포를 해석한 것이다. 이와 같이, 안테나 길이(L)는, 슬롯 선로에서 여진(勵振)된 파(波)가 안테나 선단부(先端部)에서 충분히 감쇠하는 길이를 FDTD법에 따른 전자계 해석에 의해 구함으로써 결정할 수 있다. 즉, 도 4에 따르면, 테이퍼의 중심축(슬롯축) 부근의 전계강도는, 급전점(L／λ=0)으로부터 멀어지는데 따라 감쇠하고, L=4λ부근에서 포화하고 있다. 한편, 코러게이트 부근에서 해석한 전계강도는, 급전점(L／λ=0)으로부터 멀어지는데 따라서 증가하고, 마찬가지로 L=4λ부근에서 포화한다.
이는, L=4λ부근이 되어서, 중심축 상의 전계와 코러게이트 부근의 전계의 양쪽 모두가 안정되는 것을 의미하고 있으며, 이 결과, 안테나 길이(L)로서는 4λ 정도의 길이로 하는 것이 유효하므로, 여기에서는, L=4λ로 결정하는 것으로 했다. 이 안테나 길이(L)의 값은 반드시 L=4λ0가 아니면 안 되는 것은 아니고, 도 4로부터 L=3λ0라고 해도 좋은 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 1의 플로차트에 있어서, 코러게이트 구조의 치수, 즉, 실효 코러게이트 길이(lc), 코러게이트의 피치(p), 코러게이트의 폭(wc)을 결정한다(단계(S4)).
이 코러게이트 구조는, 호른(horn) 안테나 등에 잘 이용되는 지파 선로이며, 종래의 페르미안테나에 대하여는, 빔 폭을 변화시키기 위해 이용되고 있었다. 본 발명의 코러게이트 구조의 치수는, 일단 결정되면 변화시키는 일이 없는 점에서 종래의 것과 다르다.
최초로, 코러게이트의 폭(wc)을 결정한다. 이 코러게이트의 폭(wc)은, 파장(λ0)에 대하여 충분히 좁게 취하면 좋은 것이 알려져 있고, 안테나 길이를 100 분할한 값, Wc=L／100=λ0／25 정도로 하는 것이 적당하므로, 이하의 해석에서는 wc=λ0／25로 하고 있다.
마찬가지로, 단계(S4)에 있어서, 코러게이트의 길이(lc)가 결정된다. 실 효 코러게이트 길이(lc)의 결정을 행하기 위해, 도 5, 도 6에 나타낸 바와 같이, 실효 코러게이트 길이(lc)에 대한 동작이득 특성의 해석을 행하였다. 도 5는 유리기판(비유전율 3.7), 도 6은 알루미늄 기판(비유전율 9.8)으로 코러게이트 길이를 변화시켜 동작이득을 FDTD 해석한 결과를 나타낸 것이다. 여기서, (λg)는 실행 파장이며, 진공시의 중심 파장(λ0)을 비유전율의 평방근으로 나눈 값이다. 도 5 및 도 6의 해석결과에 나타낸 바와 같이, 실효 코러게이트 길이(lc／λg)가 약 0.1 이상이면, 동작이득이 대체로 평탄한(flat) 특성을 가지고 있는 것이 확인되었다. 즉, 중심 주파수 또는 사용 최저 주파수에 대한 실효 코러게이트 길이(lc／λg)가 0.1 이상이면, 고이득 특성이 얻어지는 것이 해석되었다.
다음으로, 같은 도 1의 플로차트의 단계(S4)에 있어서, 코러게이트의 피치(p)가 결정된다. 도 7a~d는, 코러게이트의 폭(wc)과 피치(p)의 관계를 모식적으로 나타낸 것이며, 각각, p=2wc, p=4wc, p=8wc, p=10wc로 되어 있다. 또, 도 7e는, 주파수를 변화시켰을 때의 동작이득 특성을 나타낸 도면이며, p=2wc와 p=4wc의 경우는, 약 30GHz에서 50GHz까지의 광대역에 걸쳐서 고이득으로 안정된 동작이득이 얻어지는 것이 확인되었다. 이것으로부터, 코러게이트의 피치는 p=2wc로 결정하면 충분하다라고 하는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 1에 나타낸 플로차트에 있어서, 페르미 함수의 파라미터인(a, b, c)가 결정된다(단계(S5)). 이 파라미터는 페르미 함수의 테이퍼 형상을 결정하는 것이다.
이 단계(S5)에 있어서, 우선, 파라미터(a)의 초기치가 설정된다. 파라미터(a)는, 개구폭(W, W=2a)에 관계하는 파라미터이며, 초기치로서는 개구폭(W)을 1 파장 정도(W=λ0), 즉 a=λ0／2로 설정한다(도 8을 참조). 마찬가지로, 단계(S5)에 있어서, 파라미터(c)의 초기치가 설정된다. 이 파라미터(c)는, 페르미안테나의 축방향의 페르미 함수의 테이퍼 형상의 변곡점의 위치를 나타내는 파라미터이며, 이 파라미터(c)에 의해 H면의 빔 폭이 주로 결정된다. 초기치로서는, 상기한 바와 같이 안테나 길이(L)의 반, a=L／2(2λ0)로 설정된다.
계속해서, 단계(S5)에 있어서, 파라미터(b)가 결정된다. 파라미터(b)는 변곡점에 있어서의 접선의 기울기를 결정하는 값이며, 기울기 f´(c)가 정해지면 b=4f´(c)／a에 의해 구해진다. 예를 들면, 도 8에 나타낸 바와 같이, 변곡점을 안테나의 중심(c=L／2=2λ0)에 두고, f´(c)=W／2L(b=1／λ0)로 선정하면, 테이퍼 형상이 대체로 직선(LTSA)이 된다. 그리고, 더욱이 H면의 사이드 로브 레벨을 낮게 하기 위해, 파라미터(b)를 2.4／λ0로 선정하여 사이드 로브 레벨의 주파수 변화를 해석하였다. 또한, 여기서는 a=0.455λ0로 하고 있다. 도 9로부터 명확해지는 바와 같이, b=1／λ0, b=2.4／λ0, b=4.8／λ0 중에서, b=2.4／λ0일 때가 넓은 주파수 범위에 걸쳐 H면의 사이드 로브 레벨이 낮은 것을 알 수 있다. H면의 사이드 로브가 낮은 것은, 실질적으로 고이득이 된다고 생각되며, 이 사이드 로브가 광대역의 범위에서 낮은 것이 페르미안테나를 설계하는데 있어서 중요해진다. 따라서, 여기서는, 파라미터(b)로서 b=2.4／λ0로 결정하고 있다.
다음으로, 도 1의 플로차트에 있어서, H면 및 E면의 설계해야 할 빔 폭의 목표치(BWdesign)가 설정된다(단계(S6)). 여기서는, 설계 주파수를 35GHz로 하고, 방사 지향성이 10dB 빔 폭의 목표치 BWdesign=52°가 되는 구조에 목표치를 결정한다.
여기서, FDTD법의 셀 사이즈로서는, 유전체로서 유리소재를 이용한 경우(εr=3.7의 경우)는, Δx=0.1714㎜, Δy=0.1㎜, Δz=0.05㎜이며, 유전체로서 알루미나를 이용한 경우(εr=9.8의 경우)는, Δx=0.1714㎜, Δy=0.05㎜, Δz=0.05㎜로 하고 있다. 유전체가 다름에 따라 변경되는 것은 y방향의 셀 사이즈뿐이다.
다음으로, 도 1의 플로차트에 있어서, 페르미 함수의 변곡점(c)의 값이 가설정된다(단계(S7)). 여기에서는, 단계(S5)에서 초기치로서 설정된 안테나 길이(L)의 반의 값 c=L／2로서, 다음의 판단단계(S8)로 진행된다. 판단단계(S8)에서는, H면의 빔 폭이 단계(S6)에서 설정한 빔 폭의 목표치 BWdesign=52°와 동일한가 아닌가가 판단된다. H면의 빔 폭이 목표치 52°와 동일한 경우는, 다음의 E면의 빔 폭을 결정하는 단계로 진행되나, 판단단계(S6)에 있어서, H면의 빔 폭이 목표치 52°에 일치하지 않는다고 판단되었을 경우는, 페르미 함수의 변곡점(c)을 변화시킨 후(단계(S9)), 단계(S7), 단계(S8)를 반복한다.
이 변곡점(c)을 변화시켰을 경우의 예를 도 10에 나타낸다. 도 10은 변곡점(c)이 안테나 길이의 중심위치로부터, 좌측 방향으로 시프트 했을 때의 도면이며, 이 변곡점(c)의 값이 H면의 빔 폭의 변화에 크게 기여하고 있다. 도 11a는, 개구폭을 W=0.91λ0로 고정하여 변곡점의 위치를 변화했을 때의 10dB 빔 폭을 나타내는 도면이다. 변곡점(c)을 2λ0에서 λ0까지 작게 하면, H면의 10dB 빔 폭이 70.4°에서 목표치 52°까지 변화한다. 그러나, 이때의 E면의 빔 폭의 변화는 불과 7.5°로 되어 있다. 따라서, 이 도 11a로부터, E면의 빔 폭에 대하여는, 변곡점(c)의 변화의 기여율은 비교적 적다고 볼 수 있다. 또한 이 실험에서는, a=W／2, b=2.4／λ0로 하고 있다. 또한, 후술하나, 도 11b는, 변곡점(c)의 위치는 바꾸지 않고, 개구폭(W)을 변화시켰을 경우의 데이터를 나타낸 것이다.
이와 같이, 도 1의 플로차트에 있어서, 단계(S9)에서 페르미 함수의 변곡점(c)을 변화시키고, 다시, 단계(S8)의 판단을 행하여, H면의 빔 폭이 목표치 BWdesign=52°에 일치할 때까지 반복한다. 이 루프의 반복에 의해, 이윽고 H면의 빔 폭이 목표치에 일치하고, 다음의 단계(S1O)로 진행된다.
단계(S1O)에서는, 페르미안테나의 개구폭(W)이 가상으로 설정된다. 유전체기판의 기판폭(D)은, 개구폭(W)에 코러게이트의 높이(lc)를 2배 한 것을 더한 값, D=W＋2lc로 설정한다. 여기서, 우선, 기판폭(D)과 개구폭(W)의 관계에 대하여, 도 12에 근거하여 설명한다. 도 12의 a는, 기판폭 D＞W＋2lc의 경우(d＞lc)의 페 르미안테나의 테이퍼 형상을 나타낸 것이며, b는, 기판폭 D=W＋2lc(d=lc)의 경우의 페르미안테나의 테이퍼 형상을 나타낸 것이다. 또, 도 12c는, 개구폭 W=0.91λ0, a=W／2, b=2.4／λ0, c=2λ0로서, 기판폭과 개구폭의 차(D-W=2d)를 변화시켜 해석한 동작이득 특성이다. 도 12c로부터, 최고 이득이 되는 d의 값은, d=lc인 것을 알 수 있다. 따라서, 단계(S1O)에 있어서의 기판폭(D)의 결정에 즈음해서는, D=W＋2lc로 하는 것으로 한다. 또, 개구폭(W)으로서는 초기치로서 0.91λ0로 설정한다.
계속해서, E면의 빔 폭이 단계(S6)에서 설정한 목표치 BWdesign=52°에 일치하고 있는지 아닌지가 판단된다(단계(S11)). 이 판단단계(S11)에서 E면의 빔 폭이 목표치 BWdesign=52°에 일치하고 있다고 판단되었을 경우는, H면, E면 모두 빔 폭이 목표치로 된 것이 되므로, 종료한다(단계(S13)). 판단단계(S11)에서 E면의 빔 폭이 목표치 BWdesign=52°와 같지 않다고 판단되었을 경우에는, 안테나의 개구폭(W)을 변화시킨다(단계(S12)).
도 13은, 페르미 함수의 파라미터 b=2.4／λ0, c=λ0로 한 상태로, 개구폭(W)(2a)를 바꾸었을 경우의 페르미안테나의 테이퍼 형상을 나타낸 것이다. 또, 도 11b는, 이와 같이 파라미터(b와 c)를 일정치로 설정한 상태로, 개구폭(W)을 변화시켰을 때의, H면과 E면의 10dB 빔 폭을 나타낸 것이다. 개구폭(W)을 0.91 λ0에서 0.32λ0까지 작게 함으로써, E면의 빔 폭이 목표치 BWdesign=52°까지 변화하고 있다. 그러나, 이때의 H면의 빔 폭의 변화는 불과 1.2°이며, 개구폭의 변화에 의존하지 않고 대략 일정하게 유지되고 있는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 도 11a는, 변곡점(c)의 변화가 H면의 빔 폭의 변화에 크게 영향을 주고, E면의 빔 폭에 주는 영향이 적은 것을 나타내고 있고, 도 11b는, 개구폭(W)의 변화가 E면의 빔 폭에 크게 영향을 주고, H면의 빔 폭으로의 영향이 작은 것을 나타내고 있다. 이 결과로부터, H면과 E면의 빔 폭은, 변곡점(c)의 위치와 개구폭(W)의 값을 각각 독립적으로 변화시켜 조정할 수 있다고 말할 수 있다. 따라서, 본 발명의 설계방법에서는, 이 성질을 이용하여, H면과 E면의 빔 폭을 독립시켜 목표치 BWdesign=52°에 일치시키도록 하고 있다.
도 14a는, 페르미 함수의 변곡점(c)의 위치를 변화시켰을 때의 동작이득을 나타내는 그래프이며, 도 14b는, 페르미안테나의 개구폭을 변화시켰을 때의 동작이득을 나타내는 그래프이다. 이 도 14a로부터 알 수 있듯이, 개구폭을 바꾸지 않고 변곡점(c)의 위치를 좌측으로 이동하면, 즉 c를 작게 하면 고이득화 할 수 있다. 또, 도 14b로부터, 개구폭(W)을 0.91λ0에서 0.32λ0까지 작게 하여도, 저하하는 이득은 1dB 정도로 적은 것을 알 수 있다.
도 15는, 상기 방법으로 설계한 페르미안테나를 이용하여 대상물로부터 발산되는 열잡음을 측정했을 때의 측정값(O)과 FDTD법에 따라 해석한 해석값(실선)의 동작이득 패턴을 나타낸 것이다. 도 15a는 H면의 동작이득 패턴, 도 15b는 E면의 동작이득 패턴을 나타내고, 도 15c는 10dB 빔 폭의 주파수 특성을 나타내고 있다. 이 도면으로부터, H면의 빔 폭 쪽이 E면의 빔 폭보다 광각(廣角)이 되어 있는 것을 알 수 있다. 또, 도 15c로부터 알 수 있듯이, 측정값과 FDTD 해석값은 35GHz 부근을 경계로 하여, 주파수가 높아지면 일치도가 증가하고, 주파수가 낮아지면 차이가 커지고 있다고 말할 수 있다.
도 16은, 개구폭(W)을 0.32λ0로 하여 설계한 페르미안테나를 이용하여 열잡음을 측정했을 때의 측정값(O표)과 마찬가지로 FDTD법에 따라 해석한 해석값(실선)의 동작패턴을 나타낸 것이다. 이 도면으로부터 명확해지는 바와 같이, 개구폭(W)을 0.32λ0로 한 것에 의해, E면(도 16a), H면(도 16b) 모두 지향성의 패턴의 일치도가 높아지고, 원형의 지향성이 실현되고 있는 것을 알 수 있다. 또, 실험에 의한 측정값과 해석값은 극히 잘 일치하고 있는 것도 알 수 있다.
또, 도 17은, 2종류의 유전체기판을 이용하여 그들의 실효두께를 같게 하고, 석영(h=200㎛)을 이용한 경우의 측정값(실선)과 알루미나(h=100㎛)를 이용한 경우의 측정값(점선)의 동작패턴을 나타낸 것이다. E면(도 17a), H면(도 17b) 모두, 방사 지향성이 극히 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있었다. 이 실험 결과로부터 명확해지는 바와 같이, 유전기판의 재질이 바뀌어도, 실효두께를 동일하게 하는 것에 의해, 극히 가까운 동작이득 패턴이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.
도 18은, 상기한 설계순서에 의해 얻어지는 페르미안테나의 변곡점(c)의 위치와 개구폭(W)의 변화에 대한 동작이득 패턴의 변화를 나타내는 것이다. 이 도 18과 이미 설명한 도 11로부터 명확해지는 바와 같이, 35GHz대에 있어서, 변곡점(c)의 위치를 작게 함으로써, H면의 빔 폭이 축소하고, 개구폭을 작게 함으로써, E면의 빔 폭이 커지므로, H면의 빔 폭과 E면의 빔 폭이 극히 가까운 동작이득 패턴이 되는 것을 알 수 있다.
또, 도 19는, 이상과 같은 설계순서에 따라 설계한 페르미안테나의 주파수와 10dB 빔 폭의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 도면으로부터 알 수 있듯이, 32.5GHz에서 40GHz 정도까지의 넓은 주파수대에서, H면과 E면의 빔 폭은 대략 같아지고 있다. 이와 같이, 본 발명의 설계방법에 따라 설계한 페르미안테나의 10dB 빔 폭은 광대역성을 가지고 있고, 동작이득이 14.8dBi, E면과 H면의 사이드 로브 레벨이 각각 -20.1dB, -16.8dB의 축대칭인 방사 지향성이 얻어지고 있다.
다음으로, 본 발명의 페르미안테나의 설계방법의 다른 실시의 형태의 예를 도 20에 근거하여 설명한다. 도 1의 플로차트와 같은 부분은 동일한 단계 부호를 붙이고 있다. 도 1에 나타내는 실시의 형태와 다른 점은, 단계(S6)에서 H면과 E면의 빔 폭의 목표치(BWdesign)를 설정한 후에, 단계(SlO)에 있어서, 개구폭(W, D)의 설정을 행하고 있는 부분이다. 그리고, 단계(S11)에 있어서 E면의 빔 폭이 BWdesign에 동일하지 않다고 판단되었을 경우에, 안테나의 개구폭을 변화시키고(단계(S12)), 다시, 단계(S1O)에 되돌리고 있다. 이 설계 방법에서는, E면의 빔 폭의 결정 프로세스 루프 안에, H면 빔 폭의 결정 프로세스의 루프가 들어가므로, 항상 E면의 빔 폭(개구폭)에 의존하여 H면의 빔 폭이 좌우될 가능성을 가진다. 그 러나, 도 11b로부터 알 수 있듯이, 개구폭(W)이 변화해도, H면의 빔 폭은 대략 일정하게 유지되고 있으므로, 상기와 같은 방법에서도 도 1의 플로차트와 마찬가지로 E면과 H면의 방사 지향성이 동일한 페르미안테나를 설계할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 페르미안테나의 설계 및 설계 프로그램을 이용함으로써, E면과 H면의 방사 패턴을 일정한 순서에 의해, 비교적 단시간에 같은 패턴으로 하는 것이 가능하다. 또, E면, H면 모두 높은 이득의 안테나로 할 수 있는 동시에, 소망의 빔 폭을 가지도록 하고, 또 사이드 로브도 낮게 설정할 수 있으므로, 밀리파 이미징용 수광소자에 적합한 페르미안테나를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 페르미안테나의 설계방법 및 설계 프로그램은, 상술한 실시의 형태에 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위의 기재를 벗어나지 않는 범위 내에서, 적절히 변경하여 이용하는 것이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
본 발명의 광대역 페르미안테나의 설계방법 및 설계 프로그램에 따르면, E면과 H면의 방사 패턴을 비교적 단시간에 목표치에 일치시킬 수 있는 동시에, E면, H면이 함께 소망의 빔 폭을 가지게 하고, 또 사이드 로브도 낮게 설정할 수 있으므로, 밀리파 이미징용 수광소자에 적합한 페르미안테나가 실현될 수 있다.

Claims (4)

  1. 밀리파의 수신화상화에 필요한 광대역에서 원형 지향성을 가지는 코러게이트 설치 페르미 안테나의 설계방법에 있어서,
    광대역 주파수의 중심 주파수 또는 그것에 대응하는 파장을 부여하는 단계와,
    상기 페르미 안테나의 유전체기판의 실효두께를 결정하는 단계와,
    상기 페르미 안테나의 안테나 길이를 결정하는 단계와,
    상기 페르미 안테나의 상기 코러게이트의 폭, 피치 및 높이를 결정하는 단계와,
    상기 페르미 안테나의 테이퍼 형상을 형성하는 페르미 디락 함수의 파라미터를 결정하는 단계와,
    상기 페르미 안테나로부터 방사되는 전파의 H면과 E면의 빔 폭의 목표치를 설정하는 단계와,
    상기 페르미 함수의 변곡점을 임의로 설정한 후에, 상기 H면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 H면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 H면 빔 폭 비교 단계와,
    상기 H면 빔 폭 비교 단계에 있어서, H면 빔 폭이 미리 설정한 H면 빔 폭의 목표치와 일치하지 않을 때는, 변곡점의 위치를 변화시킨 후, 다시 상기 H면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 H면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계를 반복하는 H면 빔 폭 결정 사이클과,
    상기 H면 빔 폭 비교 단계에 있어서, H면 빔 폭이 미리 설정한 H면 빔 폭의 목표치와 일치했을 때, 상기 페르미 안테나의 개구폭을 설정하는 단계와,
    상기 설정한 개구폭에 근거하여 방사되는 전파의 E면의 빔 폭과, 상기 미리 설정한 E면의 빔 폭의 목표치를 비교하는 E면 빔 폭 비교 단계와,
    상기 E면 빔 폭 비교 단계에 있어서, E면 빔 폭이 미리 설정한 E면 빔 폭의 목표치와 일치하지 않을 때는, 상기 개구폭을 변화시키고, 다시 상기 E면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 E면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계를 반복하는 E면 빔 폭 결정 사이클을 포함하고,
    상기 E면 빔 폭 결정 사이클에 있어서 H면 빔 폭이 변화하지 않는 경우에 적용되며, 상기 H면 빔 폭과 상기 E면 빔 폭의 양쪽 모두 같은 원형 지향성을 가지도록 설계하는 것을 특징으로 하는 광대역 페르미 안테나의 설계방법.
  2. 밀리파의 수신화상화에 필요한 광대역에서 원형 지향성을 가지는 코러게이트 설치 페르미 안테나를 설계하기 위한 프로그램을 기록한 기록매체에 있어서,
    광대역 주파수의 중심 주파수 또는 그것에 대응하는 파장을 부여하는 단계와,
    상기 페르미 안테나의 유전체기판의 실효두께를 결정하는 단계와,
    상기 페르미 안테나의 안테나 길이를 결정하는 단계와,
    상기 페르미 안테나의 상기 코러게이트의 폭, 피치 및 높이를 결정하는 단계와,
    상기 페르미 안테나의 테이퍼 형상을 형성하는 페르미 디락 함수의 파라미터를 결정하는 단계와,
    상기 페르미 안테나로부터 방사되는 전파의 H면과 E면의 빔 폭의 목표치를 설정하는 단계와,
    상기 페르미 함수의 변곡점을 임의로 설정한 후에, 상기 H면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 H면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계와,
    상기 H면 빔 폭이 미리 설정한 H면 빔 폭의 목표치와 일치하지 않을 때는, 상기 변곡점의 위치를 변화시킨 후, 상기 H면의 빔 폭과 상기 H면의 빔 폭의 목표치를 비교하는 단계를 반복하고, 상기 H면 빔 폭을 비교하는 단계에 있어서, H면 빔 폭이 미리 설정한 H면 빔 폭의 목표치와 일치했을 때에, 상기 페르미 안테나의 개구폭을 설정하는 단계와,
    상기 설정한 개구폭에 근거하여 방사되는 전파의 E면의 빔 폭과, 상기 미리 설정한 E면의 빔 폭의 목표치를 비교하는 단계와,
    상기 E면 빔 폭을 비교하는 단계에 있어서, 상기 E면의 빔 폭이 상기 E면 빔 폭의 목표치에 일치하지 않을 때는, 상기 개구폭을 변화시켜 상기 E면의 빔 폭을 상기 미리 설정한 E면의 빔 폭의 목표치와 비교하는 단계를 반복하는 동안, H면 빔 폭이 변화하지 않는 경우에 사용되며, 상기 H면 빔 폭과 상기 E면 빔 폭의 양쪽 모두 같은 원형 지향성을 가지도록 설계하기 위한 단계를 컴퓨터에 실행시키기 위한 광대역 페르미 안테나의 설계를 위한 프로그램을 기록한 기록매체.
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