KR100574228B1

KR100574228B1 - 플랫-탑 엘리먼트 패턴을 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조

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Publication number: KR100574228B1
Application number: KR1020030098389A
Authority: KR
Inventors: 김양수; 강병수; 구본준; 박종민; 안도섭
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2003-12-27
Filing date: 2003-12-27
Publication date: 2006-04-26
Also published as: KR20050066904A; US20050140559A1; US7167139B2

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 플랫-탑 엘리먼트 패턴(Flat-Topped Element Pattern)을 형성하기 위한 유전체봉(dielectric rod)의 육각 배열 구조에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 유전체봉을 중심에 두고 주위에 일정한 크기의 유전체봉을 정육각형의 꼭지점에 평면적으로 배열하여 중심 급전 소자와 주변 인접 소자들의 자연 발생적인 강한 전자파 상호결합(Mutual coupling)에 의해 넓은 빔 스캐닝 범위와 균일한 전기적 성능을 가지는, FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조를 제공하고자 함.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 플랫-탑 엘리먼트 패턴(FTEP)를 형성하는 유전체봉의 배열 구조에 있어서, 기본 모드의 편파 신호를 급전하여, 제1 유전체봉을 통해 진행파를 형성하여 방사함으로써, 유전체봉간에 상호 전자파 결합을 통하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 중심 소자; 상기 중심 소자를 중심점으로 하는 정육각형의 꼭지점 상에 배치되어, 제2 유전체봉을 통해 상기 중심 소자의 제1 유전체봉과 전자파 상호결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 6(N-1)(N은 2이상의 자연수임)개의 링 소자; 및 상기 중심 소자, 상기 6(N-1)개의 링 소자를 지지하기 위한 원형 도파관 배열 지지 수단을 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 위상 배열 안테나의 제작 등에 이용됨.

유전체봉, FTEP, 육각 배열, 링 소자, 중심 소자, 그레이팅 로브, 위상 배열

Description

플랫-탑 엘리먼트 패턴을 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조{Hexagonal Array Structure Of Dielectric Rod To Shape Flat-Topped Element Pattern}

도 1a 내지 1h 는 종래의 수동 다단자망을 갖는 배열 구조도.

도 2a 는 종래의 전계(E)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도.

도 2b 는 종래의 자계(H)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도.

도 3 은 종래의 이차원 다층 원형 방사 배열 구조도.

도 4a 내지 4c 는 종래의 주름진 도파관 배열 구조도.

도 5a 및 5b 는 종래의 유사 광학망을 이용한 배열 구조도.

도 5c는 종래의 방향성 결합기와 그 유사 광학적 등가를 나타낸 예시도.

도 6a 는 본 발명에 의한 FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조의 일실시예 상측면도.

도 6b 는 본 발명에 의한 FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조의 일실시예 단면도.

도 6c 는 본 발명의 일실시예에 따른 원형 도파관에 의해 여기되는 FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조의 상측면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

610 : 중심 소자 620 : 제 1 링 소자

630 : 제2 링 소자 640 : 원형 도파관 배열 지지물

본 발명은 플랫-탑 엘리먼트 패턴(Flat-Topped Element Pattern ; 이하 'FTEP'라고 함)을 형성하기 위한 유전체봉(dielectric rod)의 배열 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전체봉을 중심에 두고 주위에 일정한 크기의 유전체봉을 정육각형의 꼭지점에 평면적으로 배열하여 중심 급전 소자와 주변 인접 소자들의 자연 발생적인 강한 전자파 상호결합(Mutual coupling)에 의해 넓은 빔 스캐닝 범위와 균일한 전기적 성능을 가지는, FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조에 관한 것이다.

한국공개특허 제2003-0071996호(FTEP를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조)에 의하면, 일반적으로 위상 제어 소자는 위상 배열 안테나(Phased array antenna)의 개발에 있어서 가장 핵심적이고 고가인 부품으로써, 안테나 배열 이득, 사이드 로브 레벨(Side lobe level), 섹터 빔 스캔 요구 규격에 따라 장착되어야 하는 개수가 결정된다. 여기서 안테나 배열 이득, 사이드 로브 레벨 규격은 배열 개구면 모양이나 크기를 결정하는데 사용되고, 섹터 빔 스캔 요구 규격은 배열 소자 간격의 크기를 결정하는데 사용된다.

또한, 종래의 일반적인 방법에 있어서, 위상 제어 소자의 배열을 설계할 시, 광범위한 빔 스캐닝을 위하여 배열 인자에 의한 그레이팅 로브(Grating lobe)가 실 공간(real space)에 존재하지 않도록 위상 제어 소자의 최대 배열 간격을 결정하였다.

반면에, FTEP 기술은 상대적으로 작은 빔 스캐닝 범위(±(5˚내지 25˚))를 갖기 때문에, 배열 인자에 의한 그레이팅 로브(Grating lobe)가 실 공간(real space)에 존재하지 않도록 최대 배열 간격을 결정할 수 있고, FTEP의 사이드 로브 특성에 의해 그레이팅 로브를 억압하는 특징이 있다. 이에 따라 종래의 일반적인 방법에 비해, 위상 제어 소자의 소자간 간격이 상대적으로 증가하여 위상 제어 소자 수를 최소로 할 수 있다. 예를 들어, 20˚의 원추형 빔 스캐닝을 요구하는 위상 배열 설계에서 상술한 FTEP의 기술을 사용할 경우, 일반적인 방법에 비해 위상 제어 소자 수를 1/11로 감소시킬 수 있다. 여기서, 요구되는 스캐닝 범위 내에서 FTEP를 형성하기 위해서는, 배열 개구면 진폭 분포 특성이, 겹쳐진 서브 배열(Overlapped subarray) 특성을 가짐과 동시에 1차원 배열의 경우

, 2차원 배열의 경우

및 3차원 배열의 경우

의 식에 의한 배열 특성을 만족하여야 한다.

종래에는 상술한 배열 특성을 얻기 위하여 아래와 같이 크게 다섯 가지의 구조가 사용되었다.

도 1a 내지 도 1h 는 종래기술에 따른 수동 다단자망을 갖는 배열구조도이다. 도 1a 에 도시된 바와 같이, 수동 다단자망을 갖는 배열 구조는, 위상 배열 안테나 시스템의 빔성형 및 빔조향 블록에서 입출력 신호간에 요구되는 위상차를 제공하는 위상 천이기(110), 안테나 배열 소자(120), 상기 위상 천이기(110)와 배열 소자(120) 사이에 삽입되어 FTEP를 위한 요구 진폭 및 위상 분포를 형성하는 다단자망(Multiport network, 130)을 포함하고 있다. 그 밖에 다양한 다단자 망의 실시예가 도 1b 내지 1h 에 도시되어 있다. 그러나, 이와 같은 배열 구조는 이차원 빔 스캐닝 시 급전망이 복잡하여 효율이 떨어지고, 부피가 큰 것과 동시에 무게도 무거우며, 시스템 가격이 높다는 등의 문제점이 있다.

도 2a 는 종래의 전계(E)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도이고, 도 2b 는 종래의 자계(H)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도이다. 이중 모드 도파관은 공통된 벽을 가지기 때문에 도파관 벽에서의 슬롯들을 통해 필요한 모드들을 여기할 수 있도록 하여 안테나 배열 설계를 간소화시킬 수 있는 장점이 있다. 도 2a 는 전계(E)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도이고, 도 2b는 자계(H)-평면에서의 선형 배열 스캐닝을 나타낸 구조도로서, 소정의 직경(a₀)을 가지고 마이크로파를 필터링하여 통과시키는 단일 모드 도파관(210, 211), 소정의 직경(a_t) 및 길이(h_t)를 가지고 단일 모드 도파관(210, 211)과 후술하는 이중 모드 도파관(230, 231) 사이의 임피던스 정합을 제공하는 임피던스 정합 도파관(220, 221), 및 이중 슬롯을 통해 전력을 상호결합하는 이중 모드 도파관(230, 231)을 포함한다. 그러나, 이러한 구조에서는 상대적으로 작은 대역폭 및 작은 빔 스캐닝 범위를 가지며, 일차원의 응용에 한정되는 문제점이 있다.

도 3 은 앞서 언급했던 한국공개특허 제2003-0071996호(FTEP를 형성하기 위한 이차원 다층 원형 방사 배열 구조)에서 제안된 것으로 이차원 다층 원형 방사 배열 구조이다. 이차원 다층 원형 방사 배열 구조는, 도 3에 도시된 바와 같이, 일정한 크기의 원형 도체 디스크들을 정삼각형 격자를 반복 단위로 하여 평면적으로 배열하고, 또한 전파 진행 방향으로 일정한 간격의 다층으로 적층함으로써, 중심 급전 소자와 주변 인접 소자들의 자연 발생적인 상호 전자파 결합을 이용하는 것이다. 이 구조는 디스크를 적층형으로 구현해야 하므로 상대적으로 제작이 복잡하고, 디스크의 배열 및 적층시 성공적인 동기가 요구된다.

도 4a 내지 4c 는 종래의 주름진 도파관 배열 구조도이다. 주름진 도파관 배열 구조는, 도 4a 및 4b 에 도시된 바와 같이, 외부에서 입력되는 신호를 수신하는 배열 소자(410, 411), 리액티브 임피던스(reactive impedance)를 갖고 상기 배열 소자(410, 411)에 반사 터미네이션(reflective termination)의 기능을 하는 리액티브 부하(420, 421)를 포함한다. 여기서, 단지 몇 개의 배열 소자만 위상 제어 소자에 직접 연결되고, 나머지 대부분의 방사 소자는 리액티브 부하에 연결된다. 이러한 리액티브 부하가 부착된 수동 방사 소자에서의 방사는 위상 제어 소자에 직접 연결된 능동 방사 소자와의 상호결합 및 리액티브 부하의 반사에 의해 이루어지며, 도 4a 및 4b 에 하나의 반복단위(b)에서 이루어지는 반사 과정이 도시되어 있다. 한편, 도 4c 에는 리액티브 부하를 위해 다양한 도파관 길이를 갖는 주름진 배열 구조가 도시되어 있다. FTEP 형성을 위해서는 필요에 따라 더욱 충분한 결합이 요구되는데, 이를 위해 개구면 위에 추가 수동 산란체를 설치할 수 있다. 그러나 이러한 반사적 부하 배열 구조, 즉 주름진 도파관 구조를 이용한 배열 구조는, 안테나 소자 배열 간격이 0.7 내지 0.85λ 이므로 위상 천이기가 다수개 필요하고, 3% 이상의 배열 안테나 설계가 불가능하며, 부피가 큰 것과 동시에 무게도 무거우며, 시스템 가격이 높은 문제점이 있다.

도 5a 및 5b 는 종래의 유사 광학망을 이용한 배열 구조도이고, 도 5c 는 종래의 방향성 결합기와 그 유사 광학적 등가를 나타낸 예시도이다. 공간 물체 추적을 위해서는 주로 광범위의 기계적 빔조향 장치와 협대역의 전자 빔조향 장치가 혼합되어 사용되는데, 이와 같이 전자적으로 빔 스캐닝 범위가 아주 좁은 FTEP 형성을 위해서 상기 도 1a 내지 1h 에 도시된 바와 같은 다단자 망을 사용할 수 있다. 그러나, 이를 위해서는 상호 방사 소자 간의 간격이 멀어, 다단자망 전송선로 길이를 증가시키게 되고, 이로 인해 상당히 큰 저항성 손실을 초래하는 문제점이 있었다.

유사 광학망을 이용한 배열 구조는 이러한 단점을 극복하기 위한 것으로, 도 5a 및 5b 에 도시된 바와 같이 두 종류의 유사 광학망을 사용할 수 있다. 도 5c 는 유전체 플레이트, 와이어 격자와 같은 반투명 스크린을 이용하여 방향성 결합기(directional coupler)와 유사한 특성을 얻을 수 있음을 나타내고 있다. 그러나, 이러한 유사 광학망을 이용한 배열 구조는 대규모 배열 안테나의 아주 좁은 빔 스캐닝에만 제한적으로 적용할 수 있다는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은, 유전체봉을 중심에 두고 주위에 일정한 크기의 유전체봉을 정육각형의 꼭지점에 평면적으로 배열하여 중심 급전 소자와 주변 인접 소자들의 자연 발생적인 강한 전자파 상호결합(Mutual coupling)에 의해 넓은 빔 스캐닝 범위와 균일한 전기적 성능을 가지는, FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 플랫-탑 엘리먼트 패턴(FTEP)를 형성하는 유전체봉의 배열 구조에 있어서, 기본 모드의 편파 신호를 급전하여, 제1 유전체봉을 통해 진행파를 형성하여 방사함으로써, 유전체봉간에 상호 전자파 결합을 통하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 중심 소자; 상기 중심 소자를 중심점으로 하는 정육각형의 꼭지점 상에 배치되어, 제2 유전체봉을 통해 상기 중심 소자의 제1 유전체봉과 전자파 상호결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 6(N-1)(N은 2이상의 자연수임)개의 링 소자; 및 상기 중심 소자, 상기 6(N-1)개의 링 소자를 지지하기 위한 원형 도파관 배열 지지 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 플랫-탑 엘리먼트 패턴(FTEP)를 형성하는 유전체봉의 배열 구조에 있어서, 기본 모드의 편파 신호를 급전하여, 제1 유전체봉을 통해 진행파를 형성하여 방사함으로써, 유전체봉간에 상호 전자파 결합을 통하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 중심 소자; 상기 중심 소자를 중심점으로 하는 제1 정육각형의 꼭지점 상에 배치되어, 제2 유전체봉을 통해 상기 중심 소자의 제1 유전체봉과 전자파 상호결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 6(N-1)(N은 2이상의 자연수임)개의 링 소자; 상기 중심 소자를 중심점으로 하여 상기 제1 정육각형을 포함하는 제2 정육각형의 꼭지점 상에 배치되며, 상기 N개의 링 소자 중 하나 혹은 두 개를 꼭지점으로 하는 정삼각형 격자의 나머지 꼭지점에 동일한 간격으로 배치되어, 제3 유전체봉을 통해 인접한 링 소자의 유전체봉과 전자파 상호결합하여 방사 패턴을 형성하기 위한 6N개의 링 소자; 및 상기 중심 소자, 상기 6(N-1)개의 링 소자, 상기 6N개의 링 소자를 지지하기 위한 원형 도파관 배열 지지 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

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상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 6a 는 본 발명에 의한 FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조의 일실시예 상측면도이고, 도 6b 는 본 발명에 의한 FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조의 일실시예 단면도이며, 도 6c 는 본 발명의 일실시예에 따른 원형 도파관에 의해 여기되는 FTEP를 형성하기 위한 유전체봉의 육각 배열 구조의 상측면도이다.

본 발명의 FTEP를 형성하기 위한 유전체봉 육각 배열 구조는 중심 소자(610), 6개의 제 1 링 소자(620), 12개의 제 2 링 소자(630), 원형 도파관 배열 지지물(640)을 포함한다.

상기 중심 소자(610) 및 6개의 제 1 링 소자(620)에 기본 모드의 신호를 편 파기(612)를 통하여 급전하면, 12개의 제 2 링 소자(630)와 전자파 상호결합을 통하여 안테나 개구면에 요구사항에 적합한 전류 분포를 형성하게 되며, 원역장에서 FTEP 방사 패턴을 형성한다. 여기서 중심 소자(610)는, 입력 원형 동축케이블(611), 편파기(612), 방사소자인 유전체봉(613)을 포함하고 있다.

상기 중심 소자(610) 내에 장착된 입력 원형 동축케이블(611)은 입력 신호를 급전하는 역할을 하며, 또한 상기 중심 소자(610) 내에 장착된 편파기(612)는 원형 도파관(즉, 입력 원형 동축케이블(611)) 내에 위치한 얇은 유전체 판으로 요구하는 편파를 형성하며, 유전체봉(613)은 진행파를 형성하여 방사하는 역할을 하며, 전자파 상호결합을 통해 FTEP를 이루는 단위 방사 패턴을 만드는 역할을 한다.

중심소자(610) 및 각각의 제 1 링 소자(620)는, 제 2 링 소자(630)와 전자파 상호결합하여 FTEP 단위 방사 패턴을 만드는 역할을 하며, 제 1 링 소자(620)는 상기 중심 소자(610)를 하나의 중심점으로 하여 주위에 정육각형의 모양으로 6개가 장착되는데, 그 간격은 d_x , d_y 이고, 이에 따라 각각의 xy좌표 상에서의 위치는 (d_x, d_y), (d_x, -d_y), (-d_x, d_y), (-d_x, -d_y) (0, 2d_y), (0, -2d_y)이며, 제 2 링 소자(630)는 제 1 링 소자 하나 또는 두 개를 꼭지점으로 하는 정삼각형 격자의 나머지 꼭지점 상에 장착되어 중심소자(610)로부터 2번째 정육각형의 모양을 형성하며, 각각의 xy 좌표상에서의 위치는 (2d_x, 0), (-2d_x, 0), (2d_x, 2d_y), (2d_x, -2d_y), (d_x, 3d_y), (d_x, -3d_y), (0, 4d_y), (0, -4d_y) (0, 2d_y), (0, -2d_y), (-d_x, 3d_y), (-d_x, -3d_y)이다(도 6c에 도시됨).

급전되는 소자인 상기 중심소자(610)와 상기 6개의 제 1 링 소자(620)에는 편파의 발생을 위해 편파기(612)가 포함되며, 12개의 제 2 링 소자(630)에는 편파기가 포함되어지지 않는다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

상기한 바와 같은 본 발명은, FTEP를 형성하기 위한 유전체봉 육각 배열 구조를 통해 그레이팅 로브를 억압하여 방사 소자의 수를 줄임으로써, 소자수 증가에 따른 비용을 줄이는 동시에 급전 손실을 감소시켜, 상대적으로 넓은 빔 스캐닝에 적용될 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 웨이브가이드에 일정한 크기의 유전체봉을 고정시키는 것으로 밀리미터파 대역(약 10GHz 이상)에서 상대적으로 제작이 용이하고 가벼운 등의 다양한 효과가 있다.

Claims

플랫-탑 엘리먼트 패턴(FTEP)를 형성하는 유전체봉의 배열 구조에 있어서,

기본 모드의 편파 신호를 급전하여, 제1 유전체봉을 통해 진행파를 형성하여 방사함으로써, 유전체봉간에 상호 전자파 결합을 통하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 중심 소자;

상기 중심 소자를 중심점으로 하는 정육각형의 꼭지점 상에 배치되어, 제2 유전체봉을 통해 상기 중심 소자의 제1 유전체봉과 전자파 상호결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 6(N-1)(N은 2이상의 자연수임)개의 링 소자; 및

상기 중심 소자, 상기 6(N-1)개의 링 소자를 지지하기 위한 원형 도파관 배열 지지 수단

을 포함하는 FTEP를 형성하는 유전체봉의 육각 배열 구조.
플랫-탑 엘리먼트 패턴(FTEP)를 형성하는 유전체봉의 배열 구조에 있어서,

기본 모드의 편파 신호를 급전하여, 제1 유전체봉을 통해 진행파를 형성하여 방사함으로써, 유전체봉간에 상호 전자파 결합을 통하여 FTEP의 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 중심 소자;

상기 중심 소자를 중심점으로 하는 제1 정육각형의 꼭지점 상에 배치되어, 제2 유전체봉을 통해 상기 중심 소자의 제1 유전체봉과 전자파 상호결합하여 상기 단위 방사 패턴을 형성하기 위한 6(N-1)(N은 2이상의 자연수임)개의 링 소자;

상기 중심 소자를 중심점으로 하여 상기 제1 정육각형을 포함하는 제2 정육각형의 꼭지점 상에 배치되며, 상기 N개의 링 소자 중 하나 혹은 두 개를 꼭지점으로 하는 정삼각형 격자의 나머지 꼭지점에 동일한 간격으로 배치되어, 제3 유전체봉을 통해 인접한 링 소자의 유전체봉과 전자파 상호결합하여 방사 패턴을 형성하기 위한 6N개의 링 소자; 및

상기 중심 소자, 상기 6(N-1)개의 링 소자, 상기 6N개의 링 소자를 지지하기 위한 원형 도파관 배열 지지 수단

을 포함하는 FTEP를 형성하는 유전체봉의 육각 배열 구조.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 링 소자는 각각,

유전체봉을 육각 배열하여 유전체봉 사이의 자연 발생적인 강한 전자기적 상호결합을 통해 넓은 빔 스캐닝 범위와 균일한 전기적 성능을 가지는 FTEP를 형성하는 것을 특징으로 하는 FTEP를 형성하는 유전체봉의 육각 배열 구조.
제 3 항에 있어서,

상기 중심 소자는,

입력신호를 급전하여 편파를 발생시키기 위한 편파기를 포함하는 원형 도파관부; 및

상기 원형 도파관부를 통과한 신호를 방사하는 상기 제1 유전체봉

을 포함하는 FTEP를 형성하는 유전체봉의 육각 배열 구조.
제 3 항에 있어서,

상기 중심 소자는, 하나의 제1 유전체봉 및 편파기를 구비하며,

상기 6(N-1)개의 링 소자는, 6개의 제2 유전체봉 및 편파기를 구비하며,

상기 6N개의 링 소자는, 12개의 제3 유전체봉을 구비하는 것을 특징으로 하는 FTEP를 형성하는 유전체봉의 육각 배열 구조.
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