KR101235731B1 - 원통형 위상 배열 안테나 - Google Patents

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KR101235731B1
KR101235731B1 KR1020120014094A KR20120014094A KR101235731B1 KR 101235731 B1 KR101235731 B1 KR 101235731B1 KR 1020120014094 A KR1020120014094 A KR 1020120014094A KR 20120014094 A KR20120014094 A KR 20120014094A KR 101235731 B1 KR101235731 B1 KR 101235731B1
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최재흥
이훈
배준우
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삼성탈레스 주식회사
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Abstract

본 발명은 레이더에 사용되는 원통형 위상 배열 안테나에 관한 것으로서, 전 방향에서의 부엽 레벨 특성을 일정하게 향상시키도록 빔 조향할 수 있는 원통형 위상 배열 안테나이다. 본 발명의 실시 형태는 복수의 안테나 소자들이 길이 방향을 따라 배열되어 이루어진 단위 방사 부재와, 상기 다수의 단위 방사 부재가 360° 원주 방향을 따라 배열되어 원통 형상을 이루는 방사 부재와, 상기 단위 방사 부재에 각각 결합된 송수신 모듈부와, 상기 송수신 모듈부에 결합되어 상기 단위 방사 부재들 중에서 송수신 동작을 수행하는 단위 방사 부재를 선택하는 스위칭 모듈을 포함하며, 상기 스위칭모듈은, 360°/N의 섹터 단위로서 스캔하는 방사 부재 그룹의 개수 N을 결정하는 제1차 스위칭모듈과, 각 방사 부재 그룹을 이루는 단위 방사 부재를 선택하는 제2차 스위칭모듈을 포함한다.

Description

원통형 위상 배열 안테나{Cylindrical phased array antenna}
본 발명은 레이더에 사용되는 원통형 위상 배열 안테나에 관한 것으로서, 전 방향에서의 부엽 레벨 특성을 일정하게 향상시키도록 빔 조향할 수 있는 원통형 위상 배열 안테나이다.
레이더는 전파를 방사하여 목표물로부터 반사되는 전파의 특성을 통하여 목표물의 거리, 속도 등의 정보를 검출하게 되며 군사 목적으로 이용되거나, 항공기, 선박과 같은 운송 수단에서도 유용하게 활용되고 있다. 방위각의 전 방향 감시를 위해서는 빔 조향 및 수신을 위한 안테나를 보통 기계적으로 회전시키게 된다. 이를 위해서는 슬립링이나 로터리 조인트 등의 추가적인 기계요소들이 필요하며, 회전하는 안테나에 전기적인 접속 구조를 제공하기 위해서는 추가적인 회로 손실이 불가피하다. 또한 ,이러한 회전식 안테나를 이용한 레이더는 소음을 유발할 뿐만 아니라, 일반인에게 쉽게 노출되는 단점이 있다.
한편, 회전하지 않는 고정된 구조의 안테나를 이용하여 레이더를 구성하기도 하는데, 일반적으로 평면의 위상 배열 안테나를 사각형 형태로 배치하여 빔을 조향하지만, 이러한 사각형 형태는 소형화에 장애가 된다.
이러한 문제들을 극복하기 위하여 기존에 제시된 원통형 위상 배열 안테나(한국등록특허 10-985048)는 평면의 위상 배열 안테나보다 전체 시스템의 소형화가 가능할 수 있다. 이러한 기존의 원통형 위상 배열 안테나는 전체 탐지 영역을 3면 또는 4면으로 분할하여 각 섹터별 ±45° ~ ±60°씩을 탐지하는 평면 위상 배열 안테나의 원리를 그대로 기반으로 하고 있다. 예를 들어, 송수신 동작을 수행하는 단위 방사 부재들은 3개의 방향에서 각각 ±30도 범위를 스캔한다.
그런데, 이는 위상 배열 안테나 특성상 빔 조향이 중앙을 기준으로 가장자리를 지향할 때, 이득이 떨어지며 또한 가장자리 특성인 부엽 레벨(Side Lobe Level: SLL) 특성이 좋지 못하는 문제가 있다. 즉, 도 1에 도시한 바와 같이 30도 빔을 조향하면 중심 방향 주변의 신호 이득이 높게 나타나 잡음으로 처리되어, 결국, 안테나 이득, 부엽 레벨의 특성이 열화되어진다.
또한 한국등록특허 10-985048는 한단계 더 나아가 도 2에 도시한 바와 같이 부배열 합성부의 스위치 매트릭스를 이용하여 배열을 조합하여 시간에 따라 두 가지의 스캔 동작을 통하여 ±22.5° ~ ±30°만을 지향하게 함으로써 언급한 가장자리 특성 열화의 정도를 줄이고자 하였다. 예를 들어, 제1의 스위칭 동작에서 송수신 동작을 수행하는 단위 방사 부재들은 4개의 방향에서 각각 ±22.5도 범위를 스캔하고, 제2의 스위칭 동작에서 송수신 동작을 수행하는 단위 방사 부재들은 상기 제1 스위칭 동작에서 스캔되지 않은4개의 방향에서 각각 ±22.5도의 범위를 스캔하거나, 제1의 스위칭 동작에서 송수신 동작을 수행하는 단위 방사 부재들은 3개의 방향에서 각각 ±30도 범위를 스캔하고, 제2의 스위칭 동작에서 송수신 동작을 수행하는 단위 방사 부재들은 상기 제1 스위칭 동작에서 스캔되지 않은 3개의 방향에서 각각 ±30도 범위를 스캔하여 특성 열화의 정도를 줄이고자 하였다. 그러나, 이러한 경우에도 소형 목표물의 탐지 등에 있어서 전방향으로의 세밀한 탐지가 이루어지지 않아 여전히 안테나의 이득, 부엽 레벨 등의 특성이 시스템에서는 문제가 된다.
한국등록특허 10-985048
본 발명의 기술적 과제는 회전없이 전방향을 레이더 탐지할 수 있는 안테나를 제공하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 전방향을 탐지하면서도 신호 이득, 부엽 레벨의 특성을 동일하게 하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 신호 이득을 개선시키면서 소형화된 안테나를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 복수의 안테나 소자들이 길이 방향을 따라 배열되어 이루어진 단위 방사 부재와, 상기 다수의 단위 방사 부재가 360° 원주 방향을 따라 배열되어 원통 형상을 이루는 방사 부재와, 상기 단위 방사 부재에 각각 결합된 송수신 모듈부와, 상기 송수신 모듈부에 결합되어 상기 단위 방사 부재들 중에서 송수신 동작을 수행하는 단위 방사 부재를 선택하는 스위칭 모듈을 포함하며, 상기 스위칭모듈은, 360°/N의 섹터 단위로서 스캔하는 방사 부재 그룹의 개수 N을 결정하는 제1차 스위칭모듈과, 각 방사 부재 그룹을 이루는 단위 방사 부재를 선택하는 제2차 스위칭모듈을 포함한다.
또한 복수개의 단위 방사 부재를 묶어 하나의 기본 배열로 하는 경우, 상기 제1차 스위칭모듈은 적어도 하나 이상의 기본 배열을 가지는 방사 부재 그룹을 N개 결정하는 한다.
또한 24개의 단위 방사 부재가 원주 방향을 따라 배열되고, 24개의 송수신 모듈부가 단위 방사 부재 각각에 결합된다. 또한 상기 단위 방사 부재들이 이루는 원통 형상에서, 상기 송수신 모듈부가 내측에 위치되며, 상기 단위 방사 부재들이 원통 형상의 외주면 측에 위치된다. 또한 8개의 안테나 소자들의 배열로 이루어진 단위 방사 부재를 가진다.
또한 단위 방사 부재들이 이루는 원통 형상에서, 상기 송수신 모듈부가 내측에 위치되며, 상기 단위 방사 부재들이 원통 형상의 외주면 측에 위치된다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 빔 조향 시에 중앙 또는 중앙에서 거의 벗어나지 않는 지점을 지향하게 함으로써, 기존의 평면형 또는 원통형 위상 배열 안테나의 가장자리 빔 조향에 의한 성능 열화를 근본적으로 방지할 수 있다. 또한 360° 전방향을 지향하더라도 동일한 최적의 이득을 가지게 되어 동일한 탐지 확률 및 탐지 거리를 확보할 수 있다. 또한 부엽 레벨의 특성을 최소화시킬 수 있어서 오 경보율을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 원통형 위상 배열 안테나에서의 30도 빔 조향시의 신호 이득을 도시한 그림이다.
도 2는 종래의 원통형 위상 배열 안테나의 동작을 설명하기 위한 블록 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 위상 배열 안테나를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 위상 배열 안테나의 방사부 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 다른 원통형 위상 배열 안테나의 동작을 설명하기 위한 블록 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 섹터별 스캔 범위를 도시한 그림이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제2차 스위칭 모듈에서 순차적으로 단위 방사 부재를 그룹핑하여 스캔하는 모습을 도시한 그림이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 모듈의 동작 예를 도시한 그림이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 위상 배열 안테나에서의 30도 빔 조향시의 신호 이득을 도시한 그림이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 위상 배열 안테나를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 위상 배열 안테나의 방사부 구조를 나타내는 사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 다른 원통형 위상 배열 안테나의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 원통형 배열 안테나(100)는 거치대(102)에 장착된 레이돔(101)을 구비하며, 상기 레이돔(101) 내에 도 4에 도시한 방사부(200)가 설치되어 있다.
방사부(200)는 다수의 단위 방사 부재(211n)들이 원통 형상으로 배열되어, 회전하지 않더라도 전기적인 스위칭 동작에 의해 360도 각도 범위를 스캔할 수 있다. 상기 방사부(200)가 원통 형상으로 이루어짐에 따라 상기 레이돔(101) 또한 원통 형상으로 형성될 수 있다.
상기 방사부(200)에는 단위 방사 부재(211n), 방사 부재(211), 스위칭 모듈(217), 송수신 모듈부(215)이 원통체의 내외부에 구비되어 있다.
단위 방사 부재(211n)는 복수의 안테나 소자(213)들이 길이 방향을 따라 배열되어 이루어져 있다. 본 발명의 실시 예에서 상기 안테나 소자(213)들은 다이폴 안테나로 구성되며, 8개의 안테나 소자(213)들이 길이방향을 따라 배열되어 하나의 단위 방사 부재(211)를 구성한다.
방사 부재(211)는 다수의 단위 방사 부재(211n)들이 360° 원주 방향을 따라 배열되어 원통 형상으로 형성된다. 상기와 같이 구성된 방사부(200)는 상기 레이돔(101) 내에 수용되어 외부 환경으로부터 보호된다. 본 발명의 실시 예에서 24개의 단위 방사 부재(211n)들이 원주 방향을 따라 배열되어 원통 형상을 이루게 된다. 이하에서는 24개의 단위 방사 부재(211n)가 원통 형상으로 배열되었을 때를 예를 들어 설명하겠으나, 이에 한정되지 않고 12개, 36개, 48개 등과 같이 다양한 단위 방사 부재의 개수를 가질 수 있다.
송수신 모듈부(215)는 상기 단위 방사 부재(211n), 더 구체적으로는 상기 안테나 소자(213)에 각각 결합되어 안테나 소자(213) 각각의 위상과 진폭 제어를 수행하는 다수의 송수신 모듈들로 이루어지며, 하나의 송수신 모듈부(215)는 하나의 단위 방사 부재(211n)와 결합된다. 이때, 송수신 모듈부(215)는 스위칭 모듈(217)에 접속되어 스위칭 모듈(217)에 의해 동작 제어된다.
한편, 상기 단위 방사 부재(211n)들은 직접 전파 신호를 방사하거나 수신하게 되므로, 원통 형상의 가장 외측에 위치되며, 상기 송수신 모듈부(215)들이 그 내측에 위치된다. 상기 스위칭 모듈(217)은 상기 단위 방사 부재(211n)들이 이루는 원통 형상에서 상기 송수신 모듈부(215)보다 더 내측에 위치됨이 바람직하다.
스위칭 모듈(217)은 상기 안테나(100) 내에 설치되는 다수의 상기 단위 방사 부재(211n)들 중에서 송수신 동작을 수행할 단위 방사 부재를 선택하는데 이용된다. 본 실시 예에 따른 안테나(100)에서, 상기 스위칭 모듈(217)은 24개의 송수신 모듈부(215)에 연결되어 있으며, 스위칭 동작에 따라 섹터별로 특정 송수신 모듈부를 선택하여 단위 방사 부재를 동작시키게 된다.
스위칭 모듈(217)은 360°전방향에서 부엽 레벨 특성이 동일하게 나타나도록 도 5와 같이 제1차 스위칭모듈과 제2차 스위칭모듈을 구비한다. 제1차 스위칭모듈은 360°/N의 섹터 단위로서 스캔하는 방사 부재 그룹의 개수 N을 결정한다. 예를 들어, 24개인 단위 방사 부재(211n)를 3개의 방사 부재 그룹으로 하는 경우, 각 방사 부재 그룹은 8개의 단위 방사 부재가 할당되며, 이러한 각각의 방사 부재 그룹은 360°/3 = 120°섹터 단위로서 스캔할 수 있다. 즉, 각각의 방사 부재 그룹은 도 6에 도시한 바와 같이 ±60°의 각도 범위(120°범위)로서, 제1섹터, 제2섹터, 제3섹터를 각각 스캔하여 전체 360°스캔이 이루어지게 한다.
제2차 스위칭모듈은 각 방사 부재 그룹을 이루는 단위 방사 부재를 선택한다. 제1차 스위칭모듈이 360°를 몇 개의 섹터로 구획하여 스캔할지 방사 부재 그룹의 개수를 결정하는 것이라면, 제2차 스위칭모듈은 결정된 방사 부재 그룹의 개수에 따라서 각 방사 부재 그룹에 그룹핑될 단위 방사 부재를 선택한다.
예를 들어, 제1차 스위칭 모듈이 N을 3으로 설정하여 3개의 섹터로 스캔하기로 결정한 경우, 제2차 스위칭모듈은 도 7(b)에 도시한 바와 같이 제1방사 부재 그룹이 제1,2,3,4,5,6,7,8 단위 방사 부재를 그룹원으로 가지도록 하여 0°에서 120°의 제1섹터 범위를 스캔하며, 제2방사 부재 그룹이 제9,10,11,12,13,14,15,16 단위 방사 부재를 그룹원으로 가지도록 하여 121°에서 240°의 제2섹터 범위를 스캔하며, 제3방사 부재 그룹이 제17,18,19,20,21,22,23,24 단위 방사 부재를 그룹원으로 가지도록 하여 241°에서 360°의 제3섹터 범위를 스캔하도록 한다.
한편, 제2차 스위칭모듈은, 조향 빔 방향에 따라서 단위 방사 부재를 순차적으로 선택함으로써, 각 방사 부재 그룹의 그룹원을 결정할 수 있다. 예컨대, 제2차 스위칭모듈은 도 7(c)에 도시한 바와 같이 제1방사 부재 그룹이 제2,3,4,5,6,7,8,9 단위 방사 부재를 그룹원으로 가지도록 하여 15°에서 215°의 제1섹터 범위를 스캔하며, 제2방사 부재 그룹이 제10,11,12,13,14,15,16,17 단위 방사 부재를 그룹원으로 가지도록 하여 126°에서 255°의 제2섹터 범위를 스캔하며, 제3방사 부재 그룹이 제18,19,20,21,22,23,24,1 단위 방사 부재를 그룹원으로 가지도록 하여 256°에서 375°의 제3섹터 범위를 스캔하도록 한다.
또한, 다른 방향의 빔 조향을 위하여 제2차 스위칭모듈은 도 7(d)에 도시한 바와 같이 제1방사 부재 그룹이 제3,4,5,6,7,8,9,10 단위 방사 부재로 이루어지도록 제1섹터를 스위칭 선택할 수 있으며, 제2방사 부재 그룹이 제11,12,13,14,15,16,17,18 단위 방사 부재로 이루어지도록 제2섹터를 스위칭 선택할 수 있으며, 제3방사 부재 그룹이 제19,20,12,22,23,24,1,2 단위 방사 부재로 이루어지도록 제3섹터를 스위칭 선택할 수 있다.
참고로, 제1차 스위칭모듈과 제2차 스위칭모듈로 된 스위칭 모듈은 다양한 스위칭 방식으로 구현할 수 있는데, 예컨대, 도 8과 같이 두 개의 스위칭단으로 구현할 수 있다. 4개의 단위 방사 부재에 연결된 송수신 모듈을 하나의 기본 배열이라고 할 경우, 이러한 기본 배열은 ±30°의 각도 범위를 스캔할 수 있다. 따라서 제1차 스위칭모듈이 한 개의 섹터로서 두 개의 기본 배열을 선택하게 될 경우 ±60°의 각도 범위, 즉, 120°섹터 범위의 스캔이 가능하다. 즉, 제1차 스위칭모듈은 360°를 3개의 섹터로 구획하여 3개의 방사 부재 그룹으로 스캔하고자 하는 경우, 두 개의 기본 배열인 8개의 단위 방사 부재를 그룹으로 그룹핑한다.
제2차 스위칭모듈은 이러한 단위 방사 부재에 그룹원으로 참여할 단위 방사 부재를 선택하는 스위칭한다. 예를 들어, 제2차 스위칭모듈의 스위칭을 제어함으로써 제1송수신기 모듈 ~ 제8송수신기 모듈까지 8개의 방사 부재가 선택되어 방사 부재 그룹으로 그룹핑 될 수 있음을 알 수 있다. 또한 제2차 스위칭모듈의 스위칭을 다르게 제어함으로써, 선택되는 단위 방사 부재를 좌우로 1~2클릭씩 또는 순차적으로 선택할 수 있어, 도 7과 같이 세밀한 각도 빔 방향성의 조절이 가능하다.
참고로, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 실험 그래프를 도시한 그림으로서, 제1차 스위칭모듈과 제2차 스위칭모듈로 된 스위칭모듈에 의하여 빔 지향성이 향상되기 때문에, 도 8과 같이 30°빔 조향하더라도 0°를 지향할 때의 빔 특성과 동일하게 나타나 부엽 레벨 특성이 개선되어 안테나 이득이 향상될 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
200:방사부 211n: 단위 방사 부재
211: 방사 부재 213: 안테나 소자
215: 송수신 모듈부 217: 스위칭 모듈

Claims (6)

  1. 복수의 안테나 소자들이 길이 방향을 따라 배열되어 이루어진 단위 방사 부재;
    상기 다수의 단위 방사 부재가 360° 원주 방향을 따라 배열되어 원통 형상을 이루는 방사 부재;
    상기 단위 방사 부재에 각각 결합된 송수신 모듈부;
    상기 송수신 모듈부에 결합되어 상기 단위 방사 부재들 중에서 송수신 동작을 수행하는 단위 방사 부재를 선택하는 스위칭 모듈을 포함하며,
    상기 스위칭모듈은,
    360°/N의 섹터 단위로서 스캔하는 방사 부재 그룹의 개수 N을 결정하여, 각 방사 부재 그룹을 그룹핑하는 제1차 스위칭모듈;
    각 방사 부재 그룹을 이루는 단위 방사 부재를 선택하는 제2차 스위칭모듈;
    을 포함하는 원통형 위상 배열 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서, 복수개의 단위 방사 부재를 묶어 하나의 기본 배열로 하는 경우, 상기 제1차 스위칭모듈은 적어도 하나 이상의 기본 배열을 가지는 방사 부재 그룹을 N개 결정하는 원통형 위상 배열 안테나.
  3. 청구항 1에 있어서, 24개의 단위 방사 부재가 원주 방향을 따라 배열되고, 24개의 송수신 모듈부가 단위 방사 부재 각각에 결합된 원통형 위상 배열 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 단위 방사 부재들이 이루는 원통 형상에서, 상기 송수신 모듈부가 내측에 위치되며, 상기 단위 방사 부재들이 원통 형상의 외주면 측에 위치되는 원통형 위상 배열 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서, 8개의 안테나 소자들의 배열로 이루어진 단위 방사 부재를 가지는 원통형 위상 배열 안테나.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 단위 방사 부재들이 이루는 원통 형상에서, 상기 송수신 모듈부가 내측에 위치되며, 상기 단위 방사 부재들이 원통 형상의 외주면 측에 위치되는 원통형 위상 배열 안테나.
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