KR102026179B1 - Compact wideband substrate-integrated waveguide mimo antenna - Google Patents

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KR102026179B1
KR102026179B1 KR1020180166192A KR20180166192A KR102026179B1 KR 102026179 B1 KR102026179 B1 KR 102026179B1 KR 1020180166192 A KR1020180166192 A KR 1020180166192A KR 20180166192 A KR20180166192 A KR 20180166192A KR 102026179 B1 KR102026179 B1 KR 102026179B1
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siw
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최재훈
진유난
이호주
윤성준
김성필
고민범
오연정
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한양대학교 산학협력단
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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Abstract

The present invention relates to an SIW antenna, which can be easily manufactured at low costs and has a MIMO structure including two slots and two corrugations corresponding to the respective two slots so as to achieve high gain and high directivity characteristics in a wideband in a small size.

Description

소형 광대역 SIW MIMO 안테나{COMPACT WIDEBAND SUBSTRATE-INTEGRATED WAVEGUIDE MIMO ANTENNA}Small wideband SIW MIMO antenna {COMPACT WIDEBAND SUBSTRATE-INTEGRATED WAVEGUIDE MIMO ANTENNA}

본 발명은 SIW 안테나에 관한 것으로, 코러게이션를 이용한 고지향성 소형 광대역 SIW MIMO 안테나에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to an SIW antenna, and more particularly, to a high-directional small wideband SIW MIMO antenna using corrugation.

차량, 사람 등의 위치정보를 파악하는 분야에 널리 이용되는 레이더용 안테나는 원거리에 있는 물체와의 거리를 계측하기에 용이하도록 고지향성 특징을 가져야 한다.Radar antennas, which are widely used in the field of grasping location information of vehicles and people, should have a high directivity characteristic to facilitate the measurement of the distance from an object at a long distance.

기존에 레이더용 안테나로는 피더(feeder) 안테나, 혼(horn) 안테나 및 패치 배열(patch array) 안테나 등으로 구현되어 왔다. 그러나 피더 안테나와 혼 안테나는 고정밀도의 금속 가공이 필요하여 높은 제작 비용이 요구된다. 또한 혼 안테나와 패치 배열 안테나는 고지향성을 획득하기 위해 부피가 커질수 밖에 없다는 단점이 있어 소형화에 적합하지 않다는 한계가 있다.Conventionally, radar antennas have been implemented with a feeder antenna, a horn antenna, and a patch array antenna. However, the feeder antenna and the horn antenna require high precision metal processing, which requires a high manufacturing cost. In addition, the horn antenna and the patch array antenna has a disadvantage that it must be bulky in order to obtain high directivity, which is not suitable for miniaturization.

한국 등록 특허 제10-1429105호 (2014.08.05 등록)Korea Patent Registration No. 10-1429105 (2014.08.05 registration)

본 발명의 목적은 고지향성 광대역 SIW 안테나를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a highly directional wideband SIW antenna.

본 발명의 다른 목적은 로우 프로파일로 소형으로 제작 가능한 SIW 안테나를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a SIW antenna which can be made compact in low profile.

본 발명의 또다른 목적은 저비용으로 제작 가능한 SIW 안테나를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a SIW antenna which can be manufactured at low cost.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 SIW 안테나는 다수의 쇼팅 비아가 기지정된 패턴에 따라 삽입 배치되어 각각 직사각형 형태의 2개의 캐비티 월이 형성된 유전체의 기판; 각각 상기 2개의 캐비티 월의 내부의 중앙에 대응하는 위치에 2개의 슬롯이 형성되고, 상기 기판의 일면에 배치되는 상부 도체; 각각 2개의 슬롯에 대응하여 각각 상기 2개의 캐비티 월의 내부 일측의 대응하는 위치에 상기 2개의 포트가 형성되고, 상기 기판의 타면에 배치되는 하부 도체; 및 상기 2개의 슬롯에 대응하는 위치에 2개의 메탈 슬롯이 형성되고, 일면 상에 상기 2개의 메탈 슬롯으로부터 양측으로 기지정된 간격만큼 이격되어 상기 2개의 메탈 슬롯과 평행하게 연장된 홈의 형태로 2쌍의 코러게이션이 형성되며, 타면이 상기 상부 도체와 밀착되는 메탈 플레이트; 를 포함한다.SIW antenna according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a dielectric substrate formed by inserting a plurality of shorting vias according to a predetermined pattern formed in each of the two cavity walls of the rectangular shape; An upper conductor having two slots respectively formed at positions corresponding to the centers of the interiors of the two cavity walls and disposed on one surface of the substrate; A lower conductor having two ports formed at corresponding positions on one inner side of the two cavity walls, respectively corresponding to two slots, and disposed on the other surface of the substrate; And two metal slots formed at positions corresponding to the two slots, and spaced apart from each of the two metal slots on one surface by a predetermined distance to both sides in the form of a groove extending in parallel with the two metal slots. A pair of corrugations formed thereon, the metal plate having the other surface in close contact with the upper conductor; It includes.

상기 2개의 슬롯은 직사각형 형태의 상기 2개의 캐비티 월 중 대응하는 캐비티 월의 중앙의 위치에 짧은 변과 평행한 방향으로 실효 파장(λg)의 1/2의 길이(λg/2)로 연장되도록 형성되고, 상기 2개의 메탈 슬롯은 상기 2개의 슬롯에 대응하는 위치에 상기 2개의 슬롯과 동일한 크기로 형성될 수 있다.The two slots extend in length (λ g / 2) 1/2 of the effective wavelength (λ g ) in a direction parallel to the short side at a position in the center of the corresponding cavity wall of the two cavity walls of a rectangular shape. The two metal slots may be formed to have the same size as the two slots at positions corresponding to the two slots.

상기 2쌍의 코러게이션 각각은 상기 2개의 메탈 슬롯 중 대응하는 메탈 슬롯이 연장되는 방향과 수직 방향으로 실효 파장(λg)의 1/2(λg/2)만큼 이격되어 양측에 형성되고, 상기 2쌍의 코러게이션 각각의 깊이는 실효 파장(λg)의 1/4(λg/4)로 형성될 수 있다.Each of the two pairs of corrugations is formed on both sides of the two metal slots spaced apart by 1/2 (λ g / 2) of the effective wavelength λ g in a direction perpendicular to the direction in which the corresponding metal slot extends. The depth of each of the two pairs of corrugations may be formed as 1/4 (λ g / 4) of the effective wavelength λ g .

상기 2쌍의 코러게이션 각각은 상기 슬롯의 길이보다 긴 길이로 연장되도록 형성되되, 서로 연결되지 않고 이격되도록 형성될 수 있다.Each of the two pairs of corrugations may be formed to extend in a length longer than the length of the slot, and may be formed to be spaced apart without being connected to each other.

상기 2개의 캐비티 월은 직사각형 형태에서 긴변이 서로 접하도록 형성되고, 상기 슬롯으로부터 이격되어 형성되는 상기 2쌍의 코러게이션이 상기 직사각형 내에 포함되지 않는 크기로 형성될 수 있다.The two cavity walls may be formed to have a long side in contact with each other in a rectangular shape, and the pair of corrugations formed spaced apart from the slot may have a size not included in the rectangle.

상기 메탈 플레이트는 두께가 상기 SIW 안테나가 매칭해야하는 임피던스에 따라 결정될 수 있다.The metal plate may have a thickness determined according to an impedance to which the SIW antenna should match.

상기 2개의 포트 각각은 직사각형 형태의 상기 2개의 캐비티 월 중 대응하는 캐비티 월 내부에서 짧은 변 측에 형성될 수 있다.Each of the two ports may be formed on a short side of a corresponding cavity wall of the two cavity walls of a rectangular shape.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 SIW 안테나는 FR-4 등의 기판으로 제조되어 저비용으로 용이하게 제조될 수 있으며, 2개의 슬롯이 형성된 MIMO 구조와 2개의 슬롯 각각에 대응하는 2개의 코러게이션이 형성됨으로써 소형으로 광대역에서 고이득, 고지향성 특성을 달성할 수 있다.Accordingly, the SIW antenna according to the embodiment of the present invention can be easily manufactured at low cost by manufacturing a substrate such as FR-4, and two corrugations corresponding to each of the two slots and a MIMO structure having two slots are formed. By forming, it is possible to achieve high gain and high directivity characteristics in a small size and broadband.

도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 SIW 안테나의 사시도와 분해 사시도를 나타낸다.
도2 는 도1 의 SIW 안테나의 상면 투시도와 하면도 및 측단면도를 나타낸다.
도3 내지 도5 는 도1 의 SIW 안테나의 각 슬롯의 동작을 설명하기 위한 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도6 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 메탈 플레이트의 두께에 따른 반사 계수 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도7 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 슬롯의 길이에 따른 반사 계수 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도8 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 슬롯과 쇼팅 비아 사이의 거리에 따른 반사 계수 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도9 는 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 코러게이션 형성 여부에 따른 반사 계수 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도10 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 코러게이션 형성 여부에 따른 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도11 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 코러게이션 형성 여부에 따른 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도12 는 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서의 피크 이득을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도13 은 도1 의 SIW 안테나에서 2개의 슬롯과 측방향의 쇼팅 비아 사이의 거리에 따른 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도14 는 도1 의 SIW 안테나와 단일 슬롯 SIW 안테나의 S-파라미터 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도15 는 도1 의 SIW 안테나와 단일 슬롯 SIW 안테나 구조의 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도16 은 도1 의 SIW 안테나의 자기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도17 은 도1 의 SIW 안테나의 2개의 급전 포트에 인가되는 급전 신호의 위상 차에 다른 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도18 은 도1 의 SIW 안테나와 구성 요소의 실제 구현 예를 나타낸다.
도19 는 도18 의 SIW 안테나의 S-파라미터에 대한 측정 및 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도20 은 도18 의 SIW 안테나의 성능 측정을 위한 테스트 환경을 나타낸다.
도21 및 도22 는 도18 의 SIW 안테나의 방사 패턴에 대한 측정 및 시뮬레이션 결과를 나타낸다.1 is a perspective view and an exploded perspective view of a SIW antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a top perspective view and a bottom view and a side cross-sectional view of the SIW antenna of FIG.
3 to 5 show simulation results of electric field distribution for explaining the operation of each slot of the SIW antenna of FIG.
FIG. 6 shows simulation results of reflection coefficient characteristics according to the thickness of a metal plate in a single slot SIW antenna structure.
7 shows a result of simulating reflection coefficient characteristics according to slot length in a single slot SIW antenna structure.
FIG. 8 shows simulation results of reflection coefficient characteristics according to the distance between slots and shorting vias in a single slot SIW antenna structure.
9 shows a result of simulating reflection coefficient characteristics depending on whether or not corrugation is formed in a single slot SIW antenna structure.
FIG. 10 illustrates a simulation result of a radiation pattern according to whether or not corrugation is formed in a single slot SIW antenna structure.
FIG. 11 shows simulation results of electric field distribution depending on whether or not corrugation is formed in a single slot SIW antenna structure.
12 shows the results of simulating peak gain in a single slot SIW antenna structure.
FIG. 13 shows a simulation result of a radiation pattern according to a distance between two slots and lateral shorting vias in the SIW antenna of FIG. 1.
14 shows S-parameter simulation results of the SIW antenna and the single slot SIW antenna of FIG.
FIG. 15 shows simulation results of radiation patterns of the SIW antenna and the single slot SIW antenna structure of FIG. 1.
FIG. 16 shows the results of a simulation of the magnetic field distribution of the SIW antenna of FIG.
17 shows a result of simulating a radiation pattern different in phase difference of a feed signal applied to two feed ports of the SIW antenna of FIG.
FIG. 18 shows an actual implementation of the SIW antenna and components of FIG.
FIG. 19 shows measurement and simulation results for S-parameters of the SIW antenna of FIG.
20 illustrates a test environment for measuring the performance of the SIW antenna of FIG.
21 and 22 show measurement and simulation results for the radiation pattern of the SIW antenna of FIG.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In addition, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.

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 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it may further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated. In addition, the terms "... unit", "... unit", "module", "block", etc. described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, which is hardware or software or hardware. And software in combination.

도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 SIW 안테나의 사시도와 분해 사시도를 나타내고, 도2 는 도1 의 SIW 안테나의 상면 투시도와 하면도 및 측단면도를 나타낸다.1 is a perspective view and an exploded perspective view of a SIW antenna according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a top and bottom and side cross-sectional view of the SIW antenna of FIG.

도1 및 도2 를 참조하면, 본 실시예에 따른 SIW 안테나는 제1 레이어(Lay1) 및 제2 레이어(Lay2)의 이중 레이어 구조로 구성된다.1 and 2, the SIW antenna according to the present exemplary embodiment has a double layer structure of a first layer Lay1 and a second layer Lay2.

제1 레이어(Lay1)는 유전체인 기판(110)과 기판(110)의 일면에 배치되는 상부 도체(120), 기판(110)의 타면에 배치되는 하부 도체(130) 및 기지정된 패턴에 따라 기판(100)을 관통하여 배치되어 캐비티 월(cavity wall)(CW1, CW2)을 형성하는 다수의 쇼팅 비아(Shorting Via)(140)를 포함하여 기판 집적 도파관(Substrate-Integrated Waveguide: 이하 SIW) 구조로 구현된다.The first layer Lay1 is a substrate 110 according to a dielectric, an upper conductor 120 disposed on one surface of the substrate 110, a lower conductor 130 disposed on the other surface of the substrate 110, and a predetermined pattern. Substrate-Integrated Waveguide (SIW) structure, including a plurality of Shorting Vias (140) disposed through the (100) to form cavity walls (CW1, CW2) Is implemented.

기판(110)은 기지정된 두께(예를 들면, 1mm)와 비유전율(Relative Permittivity)(예를 들면, εr=4.4) 및 유전손실률(dielectric dissipation factor)(예를 들면, tanδ = 0.02)을 갖는 유전체로 구현될 수 있다. 일예로 본 실시예의 SIW 안테나에서 기판(110)은 제조 비용을 저감하기 위해, 저비용의 FR-4 기판으로 구현될 수 있다.Substrate 110 has a predetermined thickness (eg, 1 mm), relative permittivity (eg, ε r = 4.4) and dielectric dissipation factor (eg, tanδ = 0.02). It can be implemented with a dielectric having. For example, in the SIW antenna of the present embodiment, the substrate 110 may be implemented as a low cost FR-4 substrate in order to reduce manufacturing costs.

그리고 다수의 쇼팅 비아(140)가 기판(110)에 기지정된 패턴에 따라 형성된 다수의 비아 홀(Via Hole)(111)에 삽입된다. 기지정된 패턴으로 기판(110)에 삽입 배치되는 다수의 쇼팅 비아(140)는 상부 도체(120)와 하부 도체(130)와 전기적으로 연결되어 캐비티 월(CW1, CW2)을 형성한다.In addition, a plurality of shorting vias 140 may be inserted into a plurality of via holes 111 formed according to a predetermined pattern on the substrate 110. The plurality of shorting vias 140 inserted into the substrate 110 in a predetermined pattern are electrically connected to the upper conductor 120 and the lower conductor 130 to form cavity walls CW1 and CW2.

도1 및 도2 에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 일예로 다수의 쇼팅 비아(140)는 긴변이 서로 인접한 직사각형 형태로 2개의 캐비티 월(CW1, CW2)을 형성한다. 다수의 쇼팅 비아(140)로 형성되는 2개의 캐비티 월(CW1, CW2)은 내부의 기판(110)과 상부 도체(120) 및 하부 도체(130)와 함께 캐비티(cavity)를 형성하여, 하부 도체(130)에 연결된 2개의 급전 포트(PT1, PT2) 중 대응하는 급전 포트를 통해 공급되는 급전 신호를 공진을 이용하여 상부 도체(130)에 형성된 슬롯(SL1, SL2)로 전송하는 기능을 수행한다. 여기서 다수의 쇼팅 비아(140)가 형성하는 2개의 캐비티 월(CW1, CW2)의 크기는 급전 신호의 주파수, 기판(110)의 유전율과 두께 등에 따라 조절될 수 있다. 그리고 다수의 쇼팅 비아(140)의 지름(예를 들면 1mm) 및 쇼팅 비아간 간격(예를 들면 1mm) 또한 급전 신호의 주파수, 기판(110)의 유전율과 두께 등에 따라 조절될 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, for example, the plurality of shorting vias 140 form two cavity walls CW1 and CW2 in a rectangular shape in which long sides are adjacent to each other. The two cavity walls CW1 and CW2 formed of the plurality of shorting vias 140 form a cavity together with the substrate 110, the upper conductor 120, and the lower conductor 130 therein, thereby forming a lower conductor. The feeding signal supplied through the corresponding feeding port among the two feeding ports PT1 and PT2 connected to 130 is transmitted to the slots SL1 and SL2 formed in the upper conductor 130 by using resonance. . The sizes of the two cavity walls CW1 and CW2 formed by the plurality of shorting vias 140 may be adjusted according to the frequency of the feed signal, the dielectric constant and thickness of the substrate 110, and the like. The diameter of the plurality of shorting vias 140 (for example, 1 mm) and the distance between the shorting vias (for example, 1 mm) may also be adjusted according to the frequency of the feed signal, the dielectric constant and thickness of the substrate 110, and the like.

상부 도체(120)에는 다수의 쇼팅 비아(140)에 의해 형성되는 2개의 캐비티 월(CW1, CW2) 각각에 대응하는 위치에 2개의 슬롯(SL1, SL2)이 형성된다. 2개의 슬롯(SL1, SL2) 각각은 2개의 캐비티 월(CW1, CW2) 중 대응하는 캐비티 월로 전달된 급전 신호에 응답하여 방사 신호를 제2 레이어(Lay2)로 전달한다. 여기서 상부 도체(120)에 2개의 슬롯(SL1, SL2)이 형성되는 것은 본 실시예에 따른 SIW 안테나를 다중 입력 다중 출력(Multiple-Input Multiple-Output: MIMO) 안테나로 이용할 수 있도록 하기 위해서이다.The upper conductor 120 has two slots SL1 and SL2 formed at positions corresponding to each of the two cavity walls CW1 and CW2 formed by the plurality of shorting vias 140. Each of the two slots SL1 and SL2 transmits a radiation signal to the second layer Lay2 in response to a feed signal transmitted to a corresponding cavity wall among the two cavity walls CW1 and CW2. Here, two slots SL1 and SL2 are formed in the upper conductor 120 so that the SIW antenna according to the present embodiment can be used as a multiple-input multiple-output (MIMO) antenna.

2개의 슬롯(SL1, SL2)은 도1 및 도2 에 도시된 바와 같이, 2개의 캐비티 월(CW1, CW2) 중 대응하는 캐비티 월 내에 형성될 수 있으며, 직사각형 형태로 형성된 캐비티 월의 짧은 변과 평행 방향으로 연장되는 형태로 형성될 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the two slots SL1 and SL2 may be formed in corresponding cavity walls of the two cavity walls CW1 and CW2, and the short sides of the cavity walls formed in a rectangular shape may be formed. It may be formed in a shape extending in the parallel direction.

여기서 2개의 슬롯(SL1, SL2)의 크기와 위치에 따라 SIW 안테나의 공진 주파수(Resonance Frequency)가 가변될 수 있다. 2개의 슬롯(SL1, SL2) 각각의 길이(Lslot)는 즉 SIW 내의 공진 주파수의 파장, 즉 실효 파장(λg)의 1/2(λg/2)로 형성될 수 있으며, 대응하는 캐비티 월의 중앙에 형성될 수 있다.Here, the resonance frequency of the SIW antenna may vary according to the sizes and positions of the two slots SL1 and SL2. The length L slot of each of the two slots SL1 and SL2 may be formed as a wavelength of the resonant frequency in the SIW, that is, 1/2 (λ g / 2) of the effective wavelength λ g , and corresponding cavity Can be formed in the middle of the month.

한편, 하부 도체(130)에는 각각 커넥터(170)가 연결되는 2개의 급전 포트(PT1, PT2)가 형성된다. 2개의 급전 포트(PT1, PT2) 각각은 2개의 캐비티 월(CW1, CW2) 중 대응하는 캐비티 월의 지정된 위치에 형성되어, 대응하는 커넥터(170)와 연결되어 커넥터(170)에서 전달된 급전 신호를 캐비티 월(CW1, CW2)로 전달한다.Meanwhile, two feed ports PT1 and PT2 to which the connector 170 is connected are formed in the lower conductor 130, respectively. Each of the two feed ports PT1 and PT2 is formed at a designated position of the corresponding cavity wall among the two cavity walls CW1 and CW2, and is connected to the corresponding connector 170 to feed the feed signal transmitted from the connector 170. To the cavity walls CW1 and CW2.

도2 의 (a)를 참조하면, 2개의 급전 포트(PT1, PT2)는 대응하는 캐비티 월 내의 중앙에 형성된 슬롯(SL1, SL2)으로부터 캐비티 월의 짧은 변에 가깝게 형성될 수 있다.Referring to FIG. 2A, two feed ports PT1 and PT2 may be formed close to the short side of the cavity wall from the slots SL1 and SL2 formed at the center in the corresponding cavity wall.

한편, 제2 레이어(Lay2)는 기판(110)의 크기에 대응하는 크기를 갖는 메탈 플레이트(150)로 형성될 수 있으며, 메탈 플레이트(150)는 일예로 알루미늄으로 구현될 수 있다.Meanwhile, the second layer Lay2 may be formed of a metal plate 150 having a size corresponding to the size of the substrate 110, and the metal plate 150 may be formed of aluminum, for example.

그리고 메탈 플레이트(150)에는 도1 및 도2 에 도시된 바와 같이, 상부 도체(120)에 형성된 슬롯(SL1, SL2)과 동일한 위치 및 동일한 크기의 메탈 슬롯(MSL1, MSL2)이 형성된다. 메탈 슬롯(MSL1, MSL2)이 형성된 메탈 플레이트(150)는 슬롯(SL1, SL2)에서 전달된 방사 신호를 방사하는 방사체로서 기능한다.1 and 2, metal slots MSL1 and MSL2 having the same position and the same size as the slots SL1 and SL2 formed in the upper conductor 120 are formed in the metal plate 150. The metal plate 150 on which the metal slots MSL1 and MSL2 are formed functions as a radiator that emits radiation signals transmitted from the slots SL1 and SL2.

또한 메탈 플레이트(150)에 슬롯(SL1, SL2)에 대응하는 메탈 슬롯(MSL1, MSL2)이 형성됨에 따라, SIW 안테나의 특성이 가변된다. 특히 메탈 플레이트(150)의 두께(h)에 따라 SIW 안테나의 임피던스 매칭 특성이 가변된다. 즉 메탈 플레이트(150)의 두께(h)를 조절함으로써 SIW 안테나를 임피던스 매칭킬 수 있으며, 일예로 50Ω의 임피던스를 갖도록 두께가 조절될 수 있다.In addition, as the metal slots MSL1 and MSL2 corresponding to the slots SL1 and SL2 are formed in the metal plate 150, characteristics of the SIW antenna vary. In particular, the impedance matching characteristic of the SIW antenna varies according to the thickness h of the metal plate 150. That is, the SIW antenna may be impedance matched by adjusting the thickness h of the metal plate 150. For example, the thickness may be adjusted to have an impedance of 50Ω.

또한 메탈 플레이트(150)의 일면에는 캐비티 월(CW1, CW2)의 짧은 변의 외곽에 위치에 2개의 메탈 슬롯(MSL1, MSL2)과 각각 평행하게 연장되는 2쌍의 코러게이션(corrugation)(CR1, CR2)이 형성된다. 여기서 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2) 각각의 길이(Lcr)는 대응하는 메탈 슬롯(MSL1, MSL2)의 길이(Lslot)보다 길어야 한다. 다만, 도2 의 (a)에 도시된 바와 같이, 메탈 슬롯(MSL1, MSL2)과 평행한 방향으로 형성되는 코러게이션(CR1, CR2)들은 메탈 플레이트(150) 내에서 기지정된 거리 이상으로 서로 이격되어 형성되어야 한다.In addition, on one surface of the metal plate 150, two pairs of corrugations (CR1, CR2) extending parallel to the two metal slots MSL1 and MSL2 at positions outside the short sides of the cavity walls CW1 and CW2, respectively. ) Is formed. Here, the length L cr of each of the two pairs of corrugations CR1 and CR2 must be longer than the length L slot of the corresponding metal slots MSL1 and MSL2. However, as shown in FIG. 2A, the corrugations CR1 and CR2 formed in a direction parallel to the metal slots MSL1 and MSL2 are spaced apart from each other by more than a predetermined distance in the metal plate 150. It must be formed.

2쌍의 코러게이션(CR1, CR2)은 메탈 플레이트(150) 상에 홈의 형태로 형성되어, 메탈 플레이트(150)의 일면으로 전달되는 표면 EM(electromagnetic) 에너지를 재사용하는 2차 방사원으로서 기능하여 SIW 안테나의 지향성을 향상시키고 이득을 증대시킨다. 뿐만 아니라 메탈 슬롯(MSL1, MSL2)의 공진에 SIW 캐비티의 고차 모드 공진(higher order mode resonanc)을 결합함으로써, 광대역 특성을 갖도록 한다. SIW 안테나가 광대역 특성을 갖도록 한다. 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2) 각각은 단락 회로의 전송 선로와 유사하게 동작하며, 이에 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2) 각각의 표면파 임피던스는 수학식 1과 같이 근사화될 수 있다.The two pairs of corrugations CR1 and CR2 are formed in the form of grooves on the metal plate 150 to function as secondary radiation sources for reusing surface EM (electromagnetic) energy transferred to one surface of the metal plate 150. Improve the directivity of the SIW antenna and increase the gain. In addition, by combining the higher order mode resonanc of the SIW cavity with the resonance of the metal slots MSL1 and MSL2, the broadband characteristics are achieved. Allow the SIW antenna to have broadband characteristics. Each of the two pairs of corrugations CR1 and CR2 operates similarly to a transmission line of a short circuit, and thus the surface wave impedance of each of the two pairs of corrugations CR1 and CR2 may be approximated as shown in Equation (1).

Figure 112018128454647-pat00001
Figure 112018128454647-pat00001

여기서 Z0는 자유 공간파 임피던스(free-space wave impedance)이고, d는 코러게이션(CR1, CR2)의 깊이이며, k0는 자유 공간 파수(free-space wavenumber)로서, 수학식 2에 따라 계산된다.Where Z 0 is the free-space wave impedance, d is the depth of the corrugation (CR1, CR2), k 0 is the free-space wavenumber, and is calculated according to equation (2). .

Figure 112018128454647-pat00002
Figure 112018128454647-pat00002

여기서 λ0는 자유 공간 파장(free-space wavelength)을 나타낸다.Where λ 0 represents the free-space wavelength.

따라서 높은 임피던스를 형성하고, 표면파 전파를 효과적으로 억제하기 위해서는 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2)의 깊이(d)가 자유 공간 파장(λ0)의 1/4(λ0/4)에 근접해야 하며, 이에 본 실시예에서는 일예로 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2)의 깊이(d)를 실효 파장(λg)의 1/4(λg/4)로 설정한다.Therefore, in order to form, effectively suppressing the surface wave propagating a high impedance that the depth (d) of koreo ligated (CR1, CR2) of the two pairs must be close to 1/4 (λ 0/4) of the free-space wavelength (λ 0) and, whereby in this embodiment sets the depth (d) of koreo ligated (CR1, CR2) of the second pair as an example to 1/4 (λ g / 4) of the effective wavelength (λ g).

한편, 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2)에서 SIW 안테나의 이득을 향상 시키기 위해 중요한 또 다른 조건은 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2) 각각과 대응하는 메탈 슬롯(MSL1, MSL2) 사이의 거리(L) 이다.Meanwhile, another important condition for improving the gain of the SIW antenna in two pairs of corrugations CR1 and CR2 is the distance between each of the two pairs of corrugations CR1 and CR2 and the corresponding metal slots MSL1 and MSL2. (L)

코러게이션(CR1, CR2) 각각과 대응하는 메탈 슬롯(MSL1, MSL2) 사이의 거리(L)가 SIW에 유도된 파장, 즉 실효 파장 실효 파장(λg)의 1/2(λg/2)인 경우에 SIW 안테나의 이득이 최대가 되며, 실효 파장(λg)은 수학식 3 에 의해 계산될 수 있다.The distance L between each of the corrugations CR1 and CR2 and the corresponding metal slots MSL1 and MSL2 is 1/2 of the wavelength at which the SIW is derived, that is, the effective wavelength effective wavelength λ g (λ g / 2). In the case of the gain of the SIW antenna is the maximum, the effective wavelength (λ g ) can be calculated by the equation (3).

Figure 112018128454647-pat00003
Figure 112018128454647-pat00003

수학식 3 에 따르면, 실효 파장(λg)은 슬롯(SL1, SL2)의 길이(Lslot)에 따라 가변되며, 자유 공간 파장(λ0)보다 크다. 따라서 본 실시예에서는 일예로 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2)과 메탈 슬롯(MSL1, MSL2) 사이의 거리를 대략적으로 실효 파장(λg)의 1/4(λg/4)로 설정한다.According to Equation 3, the effective wavelength λ g varies depending on the length L slot of the slots SL1 and SL2 and is larger than the free space wavelength λ 0 . Therefore, in this embodiment, for example, the distance between two pairs of corrugations CR1 and CR2 and the metal slots MSL1 and MSL2 is set to approximately 1/4 (λ g / 4) of the effective wavelength λ g . .

다수의 볼트(161) 및 다수의 너트(162)는 결합 수단으로서, 제1 레이어(Lay1)와 제2 레이어(Lay2)를 결합 고정한다. 여기서 다수의 볼트(161)는 도1 및 도2 에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 레이어(Lay1, Lay2)에 형성된 결합 체결구를 관통하여 대응하는 너트(162)와 체결됨으로써, 제1 레이어(Lay1)와 제2 레이어(Lay2)를 결합 고정할 수 있다. 다만 다수의 볼트(161) 및 다수의 너트(162)를 이용한 체결 구조는 단순한 일예로서, 제1 및 제2 레이어(Lay1, Lay2)는 이외의 다양한 체결 수단을 이용하여 체결될 수도 있다.The plurality of bolts 161 and the plurality of nuts 162 couple and fix the first layer Lay1 and the second layer Lay2 as coupling means. Here, the plurality of bolts 161 are fastened with the corresponding nut 162 through the coupling fasteners formed in the first and second layers Lay1 and Lay2, as shown in FIGS. The layer Lay1 and the second layer Lay2 may be combined and fixed. However, a fastening structure using a plurality of bolts 161 and a plurality of nuts 162 is just one example, and the first and second layers Lay1 and Lay2 may be fastened using various fastening means.

그리고 커넥터(170)는 급전 포트(PT1, PT2)와 연결되어 급전 신호를 SIW 안테나로 전달하며, 일예로 SMA(Sub-Miniature A) 커넥터로 구현될 수 있다.The connector 170 is connected to the feed ports PT1 and PT2 to transfer the feed signal to the SIW antenna. For example, the connector 170 may be implemented as a Sub-Miniature A (SMA) connector.

이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 SIW 안테나의 각 구조에 따른 특성을 설명하며, 설명의 편의를 위해, 2개의 슬롯(SL1, SL2)와 2쌍의 코러게이션(CR1, CR2)이 형성된 도1 의 SIW 안테나와 달리 1개의 슬롯와 1쌍의 코러게이션이 형성된 절반 구조의 단일 슬롯 SIW 안테나의 특성을 우선 설명하고 이후, 도1 의 SIW 안테나의 특성을 설명한다.Hereinafter, the characteristics of each structure of the SIW antenna according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.For convenience of description, two slots SL1 and SL2 and two pairs of corrugations CR1 and CR2 are formed. Unlike the SIW antenna of FIG. 1, the characteristics of a single slot SIW antenna having a half structure in which one slot and a pair of corrugations are formed will be described first, and then the characteristics of the SIW antenna of FIG.

도3 내지 도5 는 도1 의 SIW 안테나의 각 슬롯의 동작을 설명하기 위한 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.3 to 5 show simulation results of electric field distribution for explaining the operation of each slot of the SIW antenna of FIG.

즉 도3 내지 도5 에서는 SIW에 하나의 캐비티 월이 형성된 경우를 도시하으며, 도3 에서는 캐비티 월의 전체 공진 모드를 분석하기 위해 포트에 커넥터가 접속되지 않은 경우의 전계 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 도3 을 참조하면, 공진 주파수가 9.75GHz ~ 12.15 GHz 범위에서 가변됨에 따라 TE301, TE302, TE204, TE105 및 TE302 모드를 포함하는 5가지 모드의 서로 다른 유형의 모드가 존재함을 알 수 있다. 그러나 도3 은 급전 신호가 포트를 통해 인가되지 않는 이상적인 구조에서의 공진 모드로서, 실제 안테나에서는 급전 구조가 필수적이다.3 to 5 illustrate a case in which one cavity wall is formed in the SIW, and FIG. 3 illustrates a simulation result of electric field distribution when a connector is not connected to a port to analyze the entire resonance mode of the cavity wall. Indicates. Referring to Figure 3, it can be seen that there are five different types of modes including TE301, TE302, TE204, TE105, and TE302 modes as the resonant frequency varies in the range of 9.75 GHz to 12.15 GHz. 3 is a resonance mode in an ideal structure in which a feed signal is not applied through a port, and a feed structure is essential in an actual antenna.

이에 도4 에서는 캐비티 월 내의 하부 도체에 형성된 포트에 SMA 커넥터가 연결되어 급전 신호가 포트를 통해 인가되는 경우의 전계 분포를 시뮬레이션하였다. 도3 과 비교할 때, 도4 에서는 공진 주파수가 각각 10.3, 10.4, 10.6, 11 및 11.4 GHz의 광대역에서 TE302, TE105 및 TE303 의 3가지 모드가 나타남을 알 수 있다.Thus, in FIG. 4, the SMA connector is connected to a port formed in the lower conductor in the cavity wall to simulate the electric field distribution when a feed signal is applied through the port. Compared with FIG. 3, it can be seen from FIG. 4 that three modes of TE302, TE105, and TE303 are shown in a wide band of resonance frequencies of 10.3, 10.4, 10.6, 11, and 11.4 GHz, respectively.

한편, 도5 에서는 포트를 통해 급전 신호가 인가되고, 캐비티 월의 중앙에 슬롯이 형성된 경우의 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 캐비티 월의 중앙에 슬롯이 형성됨에 따라, 캐비티 월의 절반만이 효과적으로 공진을 수행한다. 따라서 캐비티 월의 중앙에 형성된 슬롯에 의해 고차 모드가 효율적으로 억제되며, 이에 도5 에서는 10.3, 10.4, 10.6, 11 및 11.4 GHz의 공진 주파수에서 TE103 및 TE302 모드의 2가지 모드만이 우세하게 나타남을 알 수 있다.5 shows a simulation result when a feed signal is applied through a port and a slot is formed in the center of the cavity wall. As a slot is formed in the center of the cavity wall, only half of the cavity wall effectively performs resonance. Therefore, the higher order mode is effectively suppressed by the slot formed at the center of the cavity wall. Thus, in FIG. 5, only two modes of TE103 and TE302 modes prevail at the resonant frequencies of 10.3, 10.4, 10.6, 11 and 11.4 GHz. Able to know.

도6 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 메탈 플레이트의 두께에 따른 반사 계수 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.FIG. 6 shows simulation results of reflection coefficient characteristics according to the thickness of a metal plate in a single slot SIW antenna structure.

상기한 바와 같이, 본 실시예에 따른 SIW 안테나에서 메탈 플레이트의 두께(h)는 SIW 안테나의 임피던스 매칭에 영향을 미친다. 도6 을 참조하면, 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 메탈 플레이트가 결합되지 않은 경우(h=0)인 경우와 메탈 플레이트의 두께(h)가 3, 6 및 9mm 인 경우의 반사 계수가 서로 상이함을 알 수 있다.As described above, in the SIW antenna according to the present embodiment, the thickness h of the metal plate affects the impedance matching of the SIW antenna. Referring to FIG. 6, the reflection coefficients of the case where the metal plate is not coupled (h = 0) and the thickness h of the metal plate 3, 6, and 9 mm in the single slot SIW antenna structure are different from each other. Able to know.

메탈 플레이트가 결합되지 않은 경우(h=0)에 2개의 공진이 생성되며, 저주파 대역에서의 공진은 슬롯의 횡단 공진(transversal resonance)에 의해 발생되는 공진이고, 고주파 대역은 SIW 캐비티의 고차 모드에 의해 생성된 공진이다. 이러한 2개의 공진은 메탈 플레이트가 결합된 경우, 메탈 플레이트에 형성된 메탈 슬롯을 공진시키는 2차 급전원으로 기능하여, 메탈 슬롯의 길이(Lslot)와 캐비티, 즉 캐비티 월의 크기 및 형상에 따라 조절된다.When the metal plate is not coupled (h = 0), two resonances are generated, the resonance in the low frequency band is a resonance generated by the transverseal resonance of the slot, and the high frequency band is in the higher order mode of the SIW cavity. Is the resonance generated by These two resonances function as a secondary power supply that resonates the metal slots formed in the metal plate when the metal plates are combined, and is adjusted according to the length (L slot ) of the metal slot and the cavity, that is, the size and shape of the cavity wall. do.

도5 에서는 메탈 플레이트의 두께(h)가 6mm 인 경우의 반사 계수가 10.0 GHz ~ 11.5HGz 대역에서 대부분 반사 계수가 낮게 나타남을 확인할 수 있다.In FIG. 5, it can be seen that the reflection coefficient of the metal plate having a thickness h of 6 mm is mostly low in the 10.0 GHz to 11.5 HGz band.

도7 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 슬롯의 길이에 따른 반사 계수 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내고, 도8 은 슬롯과 쇼팅 비아 사이의 거리에 따른 반사 계수 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.FIG. 7 illustrates simulation results of reflection coefficients according to slot lengths in a single slot SIW antenna structure, and FIG. 8 illustrates simulation results of reflection coefficients according to distances between the slots and the shorting vias.

도7 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 슬롯의 길이(Lslot)가 24, 26, 28 및 30mm로 가변될 때, 반사 계수의 변화를 나타낸 것으로, 슬롯의 길이(Lslot)가 증가됨에 따라 저대역에서 공진 주파수가 저주파수 방향으로 시프트되며, 10.8GHz 부근에서 임피던스 매칭이 저하됨을 나타낸다. 그러나, 11.2GHz 부근에서는 다시 임피던스 매칭 성능이 향상됨을 알 수 있다.As Figure 7 shows the time the variable in a single slot SIW antenna structure 24, 26, 28 and 30mm length (L slot) of the slot, the change of the reflection coefficient, low-band in accordance with the increased length (L slot) of the slot The resonance frequency is shifted in the low frequency direction at, and the impedance matching is degraded in the vicinity of 10.8 GHz. However, it can be seen that the impedance matching performance is improved again in the vicinity of 11.2 GHz.

한편 도8 을 참조하면, 슬롯과 쇼팅 비아 사이의 거리(L0)가 17.0, 17.5, 18 및 18.5mm로 증가함에 따라 고주파 대역이 고대역으로 시프트되는 반면, 저주파 대역에서는 특별한 공진 주파수의 시프트가 발생하지 않고 임피던스 매칭 성능이 전반적으로 저하됨을 알 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 8, as the distance L 0 between the slot and the shorting via increases to 17.0, 17.5, 18, and 18.5 mm, the high frequency band is shifted to the high band, while in the low frequency band, a special resonance frequency shift is performed. It can be seen that the impedance matching performance is generally reduced without occurrence.

도9 는 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 코러게이션 형성 여부에 따른 반사 계수 특성을 시뮬레이션한 결과를 나타내고, 도10 은 코러게이션 형성 여부에 따른 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.FIG. 9 shows simulation results of reflection coefficient characteristics according to whether or not corrugation is formed in a single slot SIW antenna structure, and FIG. 10 illustrates simulation results of radiation patterns according to whether or not corrugation is formed.

도9 에서 SIW 안테나는 코러게이션이 형성된 경우 10.12 ~ 11.53 GHz의 -10 dB 반사 계수를 만족시키는 반면, 코러게이션이 형성되지 않은 경우 10.11 ~ 11.52 GHz의 -10 dB 반사 계수를 만족시킨다. 즉 메탈플레이트에 형성되는 코러게이션은 SIW 안테나의 대역폭에는 큰 영향을 미치지 않지만 임피던스 매칭 성능에는 일부 영향을 주는 것을 알 수 있다.In FIG. 9, the SIW antenna satisfies a -10 dB reflection coefficient of 10.12 to 11.53 GHz when corrugation is formed, while satisfying a -10 dB reflection coefficient of 10.11 to 11.52 GHz when no corrugation is formed. In other words, the corrugation formed in the metal plate does not significantly affect the bandwidth of the SIW antenna, but it can be seen that it partially affects the impedance matching performance.

한편 도10 은 11.0GHz의 공진 주파수에서의 SIW 안테나의 방사 패턴을 시뮬레이션 한 것으로, 도10 을 참조하면, 코러게이션이 형성된 SIW 안테나는 11.0GHz의 공진 주파수에서 9.17 dBi의 피크 이득을 실현하며, 이는 코러게이션이 형성되지 않은 SIW 안테나에 비해 4.57 dB만큼 이득을 향상 시킨 것이다. 그리고 코러게이션이 형성된 SIW 안테나 E-plane에서 29ㅀ및 H-plane에서 55.6 ㅀ의 반전력 빔폭(HPBW)을 가져 고지향성을 가짐을 알 수 있다.Meanwhile, FIG. 10 simulates a radiation pattern of a SIW antenna at a resonant frequency of 11.0 GHz. Referring to FIG. 10, a corrugated SIW antenna realizes a peak gain of 9.17 dBi at a resonant frequency of 11.0 GHz. The gain is improved by 4.57 dB over the uncorrugated SIW antenna. In addition, it has a high directivity with a half-power beam width (HPBW) of 29 kHz in the corrugated SIW antenna E-plane and 55.6 에서 in the H-plane.

도11 은 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 코러게이션 형성 여부에 따른 전기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.FIG. 11 shows simulation results of electric field distribution depending on whether or not corrugation is formed in a single slot SIW antenna structure.

단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서 1차 방사원인 슬롯과 2차 방사원인 코러게이션에서 방사된 방사 신호의 전계 동상 중첩은 메탈 플레이트의 법선 방향으로 이득을 크게 강화할 수 있으며, 이러한 현상은 1차 방사원인 슬롯과 2차 방사원인 코러게이션 사이의 위상차가 180ㅀ (λg/2)인 경우에 나타난다. 따라서 슬롯과 코러게이션 사이의 거리(L)는 λg/2로 지정되는 것이 바람직하다.In a single-slot SIW antenna structure, the superposition of electric field in the radiation signal emitted from the primary radiation source and the secondary radiation source corrugation can greatly enhance the gain in the normal direction of the metal plate. It is shown when the phase difference between the corrugation which is the secondary radiation source is 180 Hz (λg / 2). Therefore, the distance L between the slot and the corrugation is preferably designated as λg / 2.

도12 는 단일 슬롯 SIW 안테나 구조에서의 피크 이득을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.12 shows the results of simulating peak gain in a single slot SIW antenna structure.

도12 에 도시 된 바와 같이, TE103 모드는 SIW 안테나에서 요구하는 주파수 대역(10.5-11.5 GHz)에서 TE302 모드와 비교하여 방사 이득에 더 영향을 미친다. 그러나 P2 ~ P3의 주파수 범위에서는 TE302 모드가 5dBi 이상의 높은 방사 이득으로 유지됩니다. 그리고 P3에서 P4까지의 주파수 범위에서는 이득이 빠르게 감소한다(P4 지점에서 11.5 GHz에서 2.5 dBi).As shown in Fig. 12, the TE103 mode further affects the radiation gain in comparison with the TE302 mode in the frequency band required by the SIW antenna (10.5-11.5 GHz). However, in the frequency range of P2 to P3, the TE302 mode is maintained with high radiated gain of more than 5 dBi. In the frequency range P3 to P4, the gain rapidly decreases (2.5 dBi at 11.5 GHz at P4).

즉 요구하는 주파수 대역(10.5-11.5 GHz) 대부분에서, 단일 슬롯 SIW 안테나 구조로도 양호한 방사 특성을 갖는다. 그러나, 단일 슬롯 SIW 안테나 구조는 여전히 H-plane에서 50 ㅀ보다 큰 비교적 넓은 빔 폭을 갖는다는 한계가 있으며, 이에 H-plane에서의 빔 패턴을 개선할 필요가 있다.That is, in most of the required frequency band (10.5-11.5 GHz), even a single slot SIW antenna structure has good radiation characteristics. However, there is a limitation that the single slot SIW antenna structure still has a relatively wide beam width larger than 50 kHz in the H-plane, and thus there is a need to improve the beam pattern in the H-plane.

도13 은 도1 의 SIW 안테나에서 2개의 슬롯과 측방향의 쇼팅 비아 사이의 거리에 따른 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.FIG. 13 shows a simulation result of a radiation pattern according to a distance between two slots and lateral shorting vias in the SIW antenna of FIG. 1.

상기한 바와 같이, 단일 슬롯 SIW 안테나 구조는 넓은 빔 폭을 갖는다는 한계가 있으므로, 본 실시예에서는 2개의 슬롯(SL1, SL2)을 갖는 SIW 안테나를 제공한다. 2개의 슬롯(SL1, SL2) 각각의 길이는 λg/2이며, 각 슬롯은 중심에서 방사 신호를 방사한다. 따라서 2개의 슬롯(SL1, SL2)은 λg/2 거리로 이격된 2개의 점 방사원으로 볼 수 있다.As described above, since the single slot SIW antenna structure has a limitation of having a wide beam width, the present embodiment provides an SIW antenna having two slots SL1 and SL2. The length of each of the two slots SL1, SL2 is λ g / 2, with each slot emitting a radiation signal at its center. Therefore, the two slots (SL1, SL2) can be seen as a two point radiation sources spaced λ g / 2 distance.

만일 도2 의 (a)에 도시된 바와 같이, 2개의 케비티 월(CW1, CW2)이 서로 인접한 경우가 아니라, 도13 에 도시된 바와 같이, 2개의 케비티 월(CW1, CW2)이 Lpin 만큼 이격된 경우, 즉 2개의 캐비티가 이격된 경우, 도13 에 도시된 바와 같이 SIW 안테나의 방사 패턴은 변화한다.If the two cavity walls CW1 and CW2 are not adjacent to each other as shown in Fig. 2A, the two cavity walls CW1 and CW2 are L as shown in Fig. 13. When spaced apart by pins , that is, when two cavities are spaced apart, the radiation pattern of the SIW antenna changes as shown in FIG.

도13 에서는 2개의 케비티 월(CW1, CW2) 사이의 간격(Lpin)이 도2 의 (a)와 같이 인접하여 0mm 인 경우와 2mm 및 4mm로 이격된 경우의 E-plane 및 H-plane 상의 방사 패턴을 나타내었으며, 도13 으로부터 2개의 케비티 월(CW1, CW2)이 인접한 경우(Lpin=0)에 최적화된 고이득을 얻고 SIW 안테나의 크기를 소형화 할 수 있음을 확인할 수 있다.13, the two Kane Bt month (CW1, CW2) gap between (L pin) E-plane of the case where the degrees apart to 0mm the case and 2mm and 4mm adjacent as in 2 (a) and the H-plane The radiation pattern of the phase is shown, and it can be seen from FIG. 13 that the high gain is optimized in the case where two cavity walls CW1 and CW2 are adjacent (L pin = 0) and the size of the SIW antenna can be reduced.

도14 는 도1 의 SIW 안테나와 단일 슬롯 SIW 안테나의 S-파라미터 시뮬레이션 결과를 나타내고, 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.FIG. 14 shows the S-parameter simulation results of the SIW antenna and the single slot SIW antenna of FIG. 1, and shows the simulation result of the radiation pattern.

도14 에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 2 슬롯 SIW 안테나는 10.15 ~ 11.58 GHz의 -10 dB S11 (및 S22) 특성을 만족한다. 그리고 격리도(isolation)는 전체 동작 주파수 대역에서 -30dB 미만으로 나타남을 알 수 있다.As shown in Fig. 14, the two slot SIW antenna according to the present embodiment satisfies the -10 dB S11 (and S22) characteristic of 10.15 to 11.58 GHz. In addition, it can be seen that isolation is shown to be less than -30dB in the entire operating frequency band.

한편 도15 를 참조하면, 본 실시예에 따른 2 슬롯 SIW 안테나는 11.0GHz 의 동작 주파수에서 11.8dBi의 피크 이득을 나타내며, HPBW는 E-plane에서 28.7 ㅀ 및 H-plane에서 27.6 ㅀ이다. 이는 단일 슬롯 SIW 안테나에 비해, H-plane에서 HPBW를 50.4% 감소시킨 것으로 본 실시예에 따른 2 슬롯 SIW 안테나가 고이득 고지향성을 획득할 수 있음을 나타낸다.Meanwhile, referring to FIG. 15, the 2-slot SIW antenna according to the present embodiment has a peak gain of 11.8 dBi at an operating frequency of 11.0 GHz, and HPBW is 28.7 GHz in the E-plane and 27.6 GHz in the H-plane. This decreases the HPBW by 50.4% in the H-plane compared to the single slot SIW antenna, indicating that the two slot SIW antenna according to the present embodiment can obtain high gain and high directivity.

도16 은 도1 의 SIW 안테나의 자기장 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내고, 도17 은 2개의 급전 포트에 인가되는 급전 신호의 위상 차에 다른 방사 패턴을 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.FIG. 16 shows a result of simulating the magnetic field distribution of the SIW antenna of FIG. 1, and FIG. 17 shows a result of simulating a radiation pattern different from the phase difference of the feed signals applied to the two feed ports.

도16 및 도17 또한 11.0GHz 의 동작 주파수에서 시뮬레이션된 자기장(H-field) 분보를 나타내며, 도16 에서는 2개의 단일 슬롯 안테나(Ant#1, Ant#2)에서 자기장의 동위상 중첩은 보다 강한 지향성의 빔을 획득하게 함을 알 수 있다. 또한, 도17 의 방사 패턴을 살펴보면, H-plane에서 2개의 포트에 서로 다른 위상의 급전 신호가 된 경우, 시뮬레이션 된 방사 패턴은 본 실시예에 따른 2 슬롯 SIW 안테나가 메탈 플레이트의 법선 방향에서 -12 ㅀ에서 + 12 ㅀ의 범위로 빔 스캐닝할 수 있음을 알 수 있다. 즉 낮은 사이드로브 레벨(sidelobe level)를 갖고, 보다 선명하고 고지향성의 방사 패턴을 획득할 수 있다.16 and 17 also show simulated H-field distributions at an operating frequency of 11.0 GHz, and in FIG. 16 the in-phase superposition of the magnetic fields in the two single slot antennas Ant # 1 and Ant # 2 is stronger. It can be seen that the beam of directionality is obtained. In addition, referring to the radiation pattern of FIG. 17, when the feed signals of different phases are provided to two ports in the H-plane, the simulated radiation pattern indicates that the 2-slot SIW antenna according to the present embodiment is in the normal direction of the metal plate. It can be seen that beam scanning can be performed in the range of 12 Hz to +12 Hz. In other words, it has a low sidelobe level and can obtain a clearer and highly directed radiation pattern.

도18 은 도1 의 SIW 안테나와 구성 요소의 실제 구현 예를 나타내고, 도19 는 도18 의 SIW 안테나의 S-파라미터에 대한 측정 및 시뮬레이션 결과를 나타낸다.18 shows an actual implementation of the SIW antenna and components of FIG. 1, and FIG. 19 shows measurement and simulation results for the S-parameters of the SIW antenna of FIG.

도19 는 도18 에 도시된 실제 구현 예에 따른 SIW 안테나의 S-파라미터에 대한 시뮬레이션 결과와 실제 측정된 결과 및 양방향 전력 분배기가 연결된 상태에서의 측정 결과를 나타낸다. 여기서 2 슬롯 SIW 안테나의 2개의 포트와 전력 분배기는 11.0 GHz의 케이블 손실이 0.82 dB 인 2 개의 경도 케이블(hardness cable)로 연결되었다.FIG. 19 illustrates simulation results and actual measured results of the S-parameters of the SIW antenna according to the actual implementation shown in FIG. 18 and measured results in a state in which a bidirectional power divider is connected. Here, the two ports and power divider of the two slot SIW antenna are connected by two hardness cables with a cable loss of 0.82 dB at 11.0 GHz.

도19 를 참조하면, 측정된 -10 dB를 만족하는 S11 및 S22 특성 주파수 범위는 각각 10.35 ~ 11.69 GHz 및 10.35 ~ 11.81 GHz이다. 그리고 전력 분배기가 연결된 상태에서 측정된 -10dB를 만족하는 S11 특성은 요구되는 전체 동작 대역(10.5 GHz ~ 11.5 GHz)을 커버합니다. 즉 본 실시예에 따른 SIW 안테나는 광대역에서 안정적으로 동작함을 알 수 있다. 그리고 실제 제작된 안테나에서 측정된 S21 레벨은 -27.4 dB 미만이다.Referring to Fig. 19, the S11 and S22 characteristic frequency ranges satisfying the measured -10 dB are 10.35 to 11.69 GHz and 10.35 to 11.81 GHz, respectively. And the S11 characteristic, which meets the measured -10dB with the power splitter connected, covers the entire required operating band (10.5 GHz to 11.5 GHz). That is, it can be seen that the SIW antenna according to the present embodiment operates stably in a wide band. And the measured S21 level in the fabricated antenna is less than -27.4 dB.

도20 은 도18 의 SIW 안테나의 성능 측정을 위한 테스트 환경을 나타내고, 도21 및 도22 는 도18 의 SIW 안테나의 방사 패턴에 대한 측정 및 시뮬레이션 결과를 나타낸다.20 shows a test environment for measuring the performance of the SIW antenna of FIG. 18, and FIGS. 21 and 22 show measurement and simulation results for the radiation pattern of the SIW antenna of FIG.

도21 및 도22 를 참조하면, 11.0 GHz의 동작 주파수에서 261 개의 측정 피크 이득은 각각 7.56과 9.47 dBi로 나타나며, E-plane과 H-plane에서 측정 된 HPBW는 각각 31.6 ㅀ와 29.7 ㅀ이다. 전력 분배기의 삽입 손실과 안테나의 제조 허용 오차로 인해 측정된 이득은 시뮬레이션 결과와 비교하여 약 2dB만큼 감소하지만, 본 실시예에 따른 SIW 안테나의 방사 효율은 71.4 %로 매우 우수함을 알 수 있다.21 and 22, the 261 measured peak gains at an operating frequency of 11.0 GHz are shown as 7.56 and 9.47 dBi, respectively, and the HPBWs measured at the E-plane and the H-plane are 31.6 kHz and 29.7 kHz, respectively. Although the gain measured due to the insertion loss of the power divider and the manufacturing tolerance of the antenna is reduced by about 2 dB compared to the simulation result, it can be seen that the radiation efficiency of the SIW antenna according to the present embodiment is very excellent at 71.4%.

결과적으로 본 실시예에 따른 SIW 안테나는 SIW 급전 방식을 이용함으로써, 두께를 줄이고 저비용으로 제조 가능하며, 2개의 슬롯과 2쌍의 코러게이션을 이용하여 고지향성 및 광대역 특성을 갖는 소형의 안테나를 제공할 수 있다. 또한 2개의 슬롯을 이용하여 빔 스캐닝 기능을 수행할 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 SIW 안테나는 레이더 응용 기기에 매우 적합하게 이용될 수 있다.As a result, the SIW antenna according to the present embodiment can be manufactured at low cost by reducing the thickness by using the SIW feeding method, and provide a small antenna having high directivity and broadband characteristics by using two slots and two pairs of corrugations. can do. In addition, two slots may be used to perform a beam scanning function. Therefore, the SIW antenna according to the present embodiment can be suitably used for radar application devices.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Lay1: 제1 레이어 Lay2: 제2 레이어
110: 기판 120: 상부 도체
130: 하부 도체 140: 쇼팅 비아
150: 메탈 플레이트 161: 볼트
162: 너트 170: 커넥터
CW1, CW2: 캐비티 월 SL1, SL2: 슬롯
MSL1, MSL2: 메탈 슬롯 CR1, CR2: 코러게이션Lay1: first layer Lay2: second layer
110: substrate 120: upper conductor
130: lower conductor 140: shorting via
150: metal plate 161: bolt
162: nut 170: connector
CW1, CW2: Cavity Wall SL1, SL2: Slot
MSL1, MSL2: Metal Slot CR1, CR2: Corrugation

Claims (7)

다수의 쇼팅 비아가 기지정된 패턴에 따라 삽입 배치되어 각각 직사각형 형태의 2개의 캐비티 월이 형성된 유전체의 기판;
각각 상기 2개의 캐비티 월의 내부의 중앙에 대응하는 위치에 2개의 슬롯이 형성되고, 상기 기판의 일면에 배치되는 상부 도체;
각각 2개의 슬롯에 대응하여 각각 상기 2개의 캐비티 월의 내부 일측의 대응하는 위치에 2개의 포트가 형성되고, 상기 기판의 타면에 배치되는 하부 도체; 및
상기 2개의 슬롯에 대응하는 위치에 2개의 메탈 슬롯이 형성되고, 일면 상에 상기 2개의 메탈 슬롯으로부터 양측으로 기지정된 간격만큼 이격되어 상기 2개의 메탈 슬롯과 평행하게 연장된 홈의 형태로 2쌍의 코러게이션이 형성되며, 타면이 상기 상부 도체와 밀착되는 메탈 플레이트; 를 포함하는 SIW 안테나.A substrate of dielectric in which a plurality of shorting vias are inserted in a predetermined pattern to form two cavity walls each having a rectangular shape;
An upper conductor having two slots respectively formed at positions corresponding to the centers of the interiors of the two cavity walls and disposed on one surface of the substrate;
A lower conductor having two ports formed at corresponding positions on one inner side of the two cavity walls, respectively corresponding to the two slots, and disposed on the other surface of the substrate; And
Two metal slots are formed at positions corresponding to the two slots, and two pairs in the form of grooves extending in parallel with the two metal slots are spaced apart from each other from the two metal slots on one surface by predetermined intervals. A corrugation of the metal plate on which the other surface is in close contact with the upper conductor; SIW antenna comprising a. 제1 항에 있어서, 상기 2개의 슬롯은
직사각형 형태의 상기 2개의 캐비티 월 중 대응하는 캐비티 월의 중앙의 위치에 짧은 변과 평행한 방향으로 실효 파장(λg)의 1/2의 길이(λg/2)로 연장되도록 형성되고,
상기 2개의 메탈 슬롯은
상기 2개의 슬롯에 대응하는 위치에 상기 2개의 슬롯과 동일한 크기로 형성되는 SIW 안테나.The method of claim 1, wherein the two slots
It is formed to extend to a length (λ g / 2) of 1/2 of the effective wavelength (λ g ) in the direction parallel to the short side at the position of the center of the corresponding cavity wall of the two cavity walls of the rectangular shape,
The two metal slots
The SIW antenna is formed in the same position as the two slots in the position corresponding to the two slots. 제2 항에 있어서, 상기 2쌍의 코러게이션 각각은
상기 2개의 메탈 슬롯 중 대응하는 메탈 슬롯이 연장되는 방향과 수직 방향으로 실효 파장(λg)의 1/2(λg/2)만큼 이격되어 양측에 형성되고,
상기 2쌍의 코러게이션 각각의 깊이는 실효 파장(λg)의 1/4(λg/4)로 형성되는 SIW 안테나.The method of claim 2, wherein each of the two pairs of corrugations is
Is formed on both sides of the two metal slots spaced apart by 1/2 (λ g / 2) of the effective wavelength (λ g ) in the direction perpendicular to the direction in which the corresponding metal slot is extended,
The depth of each of the two pairs of corrugations is formed of 1/4 (λ g / 4) of the effective wavelength (λ g ). 제3 항에 있어서, 상기 2쌍의 코러게이션 각각은
상기 슬롯의 길이보다 긴 길이로 연장되도록 형성되되, 서로 연결되지 않고 이격되도록 형성되는 SIW 안테나.4. The method of claim 3, wherein each of the two pairs of corrugations is
The SIW antenna is formed to extend in a length longer than the length of the slot, it is formed to be spaced apart without being connected to each other. 제3 항에 있어서, 상기 2개의 캐비티 월은
직사각형 형태에서 긴변이 서로 접하도록 형성되고, 상기 슬롯으로부터 이격되어 형성되는 상기 2쌍의 코러게이션이 상기 직사각형 내에 포함되지 않는 크기로 형성되는 SIW 안테나.The method of claim 3, wherein the two cavity walls are
The long side is formed in a rectangular shape in contact with each other, the two pairs of corrugation formed to be spaced apart from the slot is formed in a size not included in the rectangle. 제1 항에 있어서, 상기 메탈 플레이트는
두께가 상기 SIW 안테나가 매칭해야하는 임피던스에 따라 결정되는 SIW 안테나.The method of claim 1, wherein the metal plate is
SIW antenna, wherein the thickness is determined in accordance with the impedance that the SIW antenna should match. 제1 항에 있어서, 상기 2개의 포트 각각은
직사각형 형태의 상기 2개의 캐비티 월 중 대응하는 캐비티 월 내부에서 짧은 변 측에 형성되는 SIW 안테나.The method of claim 1, wherein each of the two ports is
The SIW antenna of the two cavity walls of the rectangular shape formed on the short side inside the corresponding cavity wall.
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