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KR20220100367A - 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 및 그 제조방법 - Google Patents

커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20220100367A
KR20220100367A KR1020210002717A KR20210002717A KR20220100367A KR 20220100367 A KR20220100367 A KR 20220100367A KR 1020210002717 A KR1020210002717 A KR 1020210002717A KR 20210002717 A KR20210002717 A KR 20210002717A KR 20220100367 A KR20220100367 A KR 20220100367A
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KR
South Korea
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microstrip
line
array antenna
gap
comb
Prior art date
Application number
KR1020210002717A
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English (en)
Inventor
이재호
Original Assignee
한국전자통신연구원
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Publication date
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Abstract

급전선로와 마이크로스트립 패치들이 간극(갭)을 갖고 전자기적 커패시티브(유전) 결합을 시켜 이 갭으로써 방사소자의 방사 컨덕턴스를 조절함으로써, 종래의 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 단점을 해결하고, 수평면(E-면)에서 넓은 빔폭을 갖는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 발명이다. 본 발명의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성되며, 입력포트에 연결된 급전선로로부터 평행 분기된 제1, 제2 급전선로; 및 상기 평행 분기된 제1, 제2 급전선로가 대향하여 형성되는 영역 내에 상호 일부분 중첩되어 교차 배열되는 마이크로스트립 패치를 포함한다. 여기서, 상기 마이크로스트립 패치는, 상기 제1급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 형성되는 제1군의 마이크로스트립 패치와, 상기 제2급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 형성되는 제2군의 마이크로스트립 패치를 포함한다.

Description

커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 및 그 제조방법 {Capacitive coupled comb-line microstrip array antenna and manufacturing method thereof}
본 발명은 마이크로스트립 배열 안테나(a.k.a., 마이크로스트립 패치 배열 안테나)에 관한 것으로, 구체적으로, 직사각형의 마이크로스트립 패치(microstrip patch)들을 빗살 형상으로 배열하여 방사소자(radiating element)로 사용하는 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나에 관한 것이다.
마이크로스트립 배열 안테나 또는 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 두께가 얇은(low profile) 평면형의 표면뿐만 아니라 평면형이 아닌 표면에도 부착이 용이하며, 설계가 간단하고, 인쇄회로 기술(printed circuit technology)을 이용하여 저가로 제작할 수 있다. 또한, 단일칩 초고주파 집적회로(monolithic microwave integrated circuit)와 함께 설계할 수도 있고 기계적 강도도 우수하여 다양한 분야에 응용된다.
일반적인 마이크로스트립 패치 안테나는 직사각형, 정사각형, 원형, 환형(링) 등이며, 안테나 이득을 높이거나 방사패턴을 제어하기 위하여 배열된 형태로 많이 사용되지만, 단일의 방사소자(radiating element)로도 사용된다. 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 급전방식으로는 직렬 급전(series-fed)이나 공동 급전(corporate-fed) 방식이 주로 사용되며, 각 급전 방식별로 장단점이 있다. 직렬 급전 패치 안테나의 가장 일반적인 형태는 다수의 방사소자인 패치들이 선형으로 배치되며, 이들 방사소자들을 마이크로스트립 선로로 연결하여 배열을 구성한다.
마이크로스트립 패치 배열 안테나의 일반적인 예로, 도 1과 같이 유전체 기판(10)의 일면에 길게 형성된 마이크로스트립 급전선로(11)와, 그 일측 또는 양측에 급전선로(11)와 전기적으로 연결되어 배열된 마이크로스트립 패치(12)들이 포함된 방사소자 배열(13)을 포함하는 콤라인(comb-line) 마이크로스트립 패치 배열 안테나가 있다. 유전체 기판(10)의 타면에는 접지면(14)이 형성된다. 이러한 형태의 안테나는 마이크로스트립 급전선로(11)와 방사소자인 마이크로스트립 패치(12)들이 전기적으로 연결되고 마이크로스트립 패치(12)의 폭을 조절하여서 방사소자의 방사 컨덕턴스를 조절한다(도 1에서 각 마이크로스트립 패치(12)의 폭이 서로 상이함을 볼 수 있음).
그러나 이러한 선형 배열 구조의 안테나에서는, 낮은 부엽준위(side lobe level)의 방사패턴을 갖는 배열 안테나를 설계하기 위해서 안테나 급전부의 입력단쪽과 끝단쪽에 위치한 가장자리 방사소자는 낮은 값의 방사컨덕턴스를 갖고 가운데로 갈수록 상대적으로 큰 값의 방사컨덕턴스를 가져야 하므로 가운데의 마이크로스트립 패치의 폭은 넓고 가장자리로 갈수록 마이크로스트립 패치의 폭은 좁아진다. 이렇게 마이크로스트립 패치의 폭이 넓으면 패치 상의 전류는 패치의 길이 방향뿐만 아니라 폭방향 성분도 갖게 되므로 방사컨덕턴스는 패치의 길이방향과 폭방향의 편파 성분으로 나뉘어진다. 따라서 원하는 전압 또는 전력의 가중치 분포를 갖는 방사컨덕턴스의 설계가 어려워지며 폭이 넓은 패치에 의하여 교차편파(cross polarization) 성분이 증가한다. 또한, 넓은 폭의 마이크로스트립 패치에서는 유효 방사점(effective radiating point)이 변하여 방사소자의 위치를 조절하여 위상 조절을 해야 한다. 따라서 이러한 종래의 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나에서 부엽준위를 낮추는 것에 한계가 있으며 또한 설계의 난이도가 증가한다.
본 발명의 목적은, 상술한 종래의 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나에서 방사소자의 방사 컨덕턴스를 개량된 방식으로 용이하게 조절함으로써 안테나에 발생하는 교차편파 및 낮은 부엽준위 설계의 어려움을 해결할 수 있는 개량된 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 및 그 제조방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 최근의 밀리미터파 대역의 무선통신이나 차량용 레이다 등에서 넓은 통신 및 탐지영역 커버리지가 요구되고 이를 위하여 고이득이면서 넓은 방위각 빔폭과 넓은 대역폭의 특성을 갖는 안테나가 요구되는 추세에 부응하여, 수평면(E-면)에서 넓은 빔폭을 갖는 개량된 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 및 그 제조방법을 제안하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 급전선로와 마이크로스트립 패치들이 간극(갭)을 갖고 전자기적 커패시티브(유전) 결합으로 방사소자인 마이크로스트립 패치로 급전하여 공진하도록 한다. 이때 갭을 조정하여 방사소자의 방사 컨덕턴스를 조절함으로써, 종래의 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 단점, 즉, 교차편파 및 낮은 부엽준위 설계의 어려움을 해결하고 넓은 방사패턴과 넓은 대역폭 특성 및 고이득의 안테나, 그리고 나아가 수평면(E-면)에서 넓은 빔폭을 갖는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상에 길이 방향으로 형성되는 급전선로; 및 상기 급전선로로부터 일정 간격의 갭을 두고 직교 방향으로 형성되는 마이크로스트립 패치를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판 상에 길이 방향으로 형성되는 급전선로; 상기 급전선로 일측에, 상기 급전선로와 갭(G)를 두고 직교 방향으로 형성된 마이크로스트립 패치가 일정 간격으로 배열되어 형성된 방사 소자 배열 모듈; 및 상기 유전체 기판의 하면에 형성된 접지면을 포함한다.
상기 실시예들에서, 상기 급전선로와 마이크로스트립 패치간 갭(G)은 공진 상태를 갖는 마이크로스트립 패치의 길이에 의해 결정될 수 있다.
상기 마이크로스트립 패치는 직사각형의 동일한 폭을 가지는 것이 바람직하다.
상기 방사 소자 배열 모듈에 형성된 상기 마이크로스트립 패치들의 간격은, 상기 급전선로의 파장(λg) 간격으로 형성된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나는, 상기 급전선로 타측에 상기 급전선로와 일정 거리를 두고 수직 방향으로 형성된 마이크로스트립 패치가 일정 간격으로 배열되어 형성된 방사 소자 배열 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 급전선로 일측에 형성되는 상기 방사 소자 배열 모듈과 타측에 형성되는 상기 방사 소자 배열 모듈에 형성되는 마이크로스트립 패치는, 상기 급전선로를 두고 각각 오픈 스터브를 갖도록 형성된다.
상기 방사 소자 배열 모듈에 형성된 상기 마이크로스트립 패치들의 간격은, 상기 급전선로의 반파장(λg/2) 간격으로 형성된다.
상기 마이크로스트립 패치의 길이는, 상기 급전선로와 상기 마이크로스트립 패치 간 갭(G)을 기준으로 공진 상태를 갖는 길이에 의해 결정된다.
상기 방사 소자 배열 모듈이 복수개 병렬 형성될 수 있다.
상기 급전선로와의 승기 마이크로스트립 패치간 갭(G)은 가중치분포에 대응되도록 형성될 수 있다.
그리고, 각 방사 소자인 마이크로스트립 패치에 여기되는 위상(excited phase) 조절을 통해 빔의 방향을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나는, 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성되며, 입력포트에 연결된 급전선로로부터 평행 분기된 제1, 제2 급전선로; 및 상기 평행 분기된 제1, 제2 급전선로가 대향하여 형성되는 영역 내에 상호 일부분 중첩되어 교차 배열되는 마이크로스트립 패치를 포함한다. 여기서, 상기 마이크로스트립 패치는, 상기 제1급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 형성되는 제1군의 마이크로스트립 패치와, 상기 제2급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 형성되는 제2군의 마이크로스트립 패치를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 유전체 기판의 일면에, 입력포트에 연결된 급전선로로부터 평행 분기된 제1, 제2 급전선로를 형성하고; 상기 형성된 제1, 제2 급전선로가 대향하여 형성되는 영역 내에 상호 일부분 중첩되어 교차 배열되는 마이크로스트립 패치를 형성하는 것을 포함하되, 상기 마이크로스트립 패치를 형성하는 것은 상기 제1급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 제1군의 마이크로스트립 패치를 형성하는 것과, 상기 제2급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 제2군의 마이크로스트립 패치를 형성하는 것을 포함하는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 제조방법이 제공된다.
본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명에 따르면, 커패시티브 결합에 의해 여기(excitation)되는 마이크로스트립 패치의 콤라인 배열에 의해, 동일한 폭의 마이크로스트립 패치들의 배열 구조를 유지하면서도 급전선과의 커패시티브 결합을 위한 갭을 조절하여 방사컨덕턴스를 결정함으로써, 종래의 직렬 급전 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 비해 소자들의 배열 간격이 1/2가량이 되어 소형의 배열 설계가 가능하다.
또한 마이크로스트립 급전선과 전기적으로 연결되는 종래의 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 경우 방사컨덕턴스를 방사소자인 마이크로스트립 패치의 폭으로 조절하며, 이때 낮은 부엽준위를 얻기 위하여 가운데의 방사소자가 가장자리 방사소자의 방사컨덕턴스보다 커야 하므로 폭이 두꺼워져 원하는 부엽준위의 빔 설계가 어렵고 교차편파가 발생하는 문제점을 해결할 수 있게 된다.
본 발명의 안테나는 밀리미터파대역에서 넓은 커버리지를 요구하는 무선통신과 레이다 등에 활용될 수 있다.
도 1은 종래의 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 개요도
도 2는 본 발명에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 원리를 설명하기 위한 단일의 마이크로스트립 패치를 나타내는 도면
도 3은 도 2의 등가회로도
도 4는 도 2의 단일 커패시티브 결합 마이크로스트립 패치를 급전선로의 일면에 배열한 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 구성도
도 5는 도 2의 단일 커패시티브 결합 마이크로스트립 패치를 도 4와 다른 형태로 급전선로의 양면에 배열한 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 구성도
도 6은 도 5의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 등가회로
도 7은 도 6의 등가회로에서 실수부인 컨덕턴스 성분만 남는 공진상태가 될 때의 등가회로
도 8은 도 5의 실시예의 경우의 1×18 방사소자 구조의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나
도 9는 도 5의 실시예의 경우의 4×18 방사소자 구조의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나
도 10은 상기 1×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사계수를 나타낸 그래프
도 11은 상기 4×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사계수를 나타낸 그래프
도 12는 1×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 79GHz 대역에서의 수직면(y-z면)에 대한 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 그래프
도 13은 1×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 79GHz 대역에서의 수평면(x-z면)에 대한 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 그래프
도 14는 4×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 79GHz 대역에서의 수직면(y-z면)에 대한 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 그래프
도 15는 4×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 79GHz 대역에서의 수평면(x-z면)에 대한 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 그래프
도 16은 상기 도 5의 실시예를 변형한 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 구성도
도 17은 도 16의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 반사계수 측정그래프
도 18은 도 16의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 수직면(H-면)에서의 방사패턴(79GHz)
도 19는 도 16의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 수평면(E-면)에서의 방사패턴(79GHz)
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 기술된 바람직한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예는 단지 본 발명을 완전하게 개시하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 기재 내용에 의해 정의되는 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 안테나의 원리를 설명하기 위하여 단일의 커패시티브 결합 마이크로스트립 패치 안테나를 나타낸 도면이다. 도 2는 단일의 커패시티브 결합 마이크로스트립 패치를 나타내고 있는 것으로, 도 2의 단일의 마이크로스트립 패치를 다수 배열하여서 본 발명에 따른 커패시티브 결합 콤라인형 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 구성할 수 있다. 그리고 도 3은 도 2에 나타낸 단일 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 안테나의 등가회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 안테나는 유전체 기판(110), 급전선로(120), 및 방사소자(130)를 포함한다.
유전체 기판(110)은 소정의 유전율(εr)을 갖는 판 형상으로 이루어진다. 그리고 급전선로(120)는 유전체 기판(110)의 일면에 길게 형성된다. 방사소자, 즉, 마이크로스트립 패치(130)는 급전선로(120)의 길이 방향으로 일측에 급전선로와 직교하도록 소정 갭(G)을 두고 형성된다(커패시티브 결합). 즉, 마이크로스트립 패치(130)는 급전선로(120)와 전기적으로 연결되지 않고 간극(gap)을 두고 배치됨으로써 급전선로(120)로부터 전자기적으로 커패시티브 결합을 통하여 여기되어 공진하도록 한다. 여기서 방사소자인 마이크로스트립 패치(130)와 급전선로(120)와의 간극을 통해 그 방사 컨덕턴스(radiation conductance)를 조절하여 원하는 안테나 빔을 설계할 수 있다.
본 발명에서 방사소자(130)의 방사 컨덕턴스(Gr)는 급전선로(120)와 방사소자(130)간 갭(G)을 기준으로 공진 상태를 갖는 방사소자(130)의 길이(L)에 의해 산출된다. 즉, 도 3에 도시된 등가회로에서, 본 발명에 따른 커패시티브 결합 마이크로스트립 안테나의 방사 컨덕턴스 Gr은 도 2에서의 S-parameter로부터 다음의 관계식을 사용하여 구할 수 있다.
Figure pat00001
이 식에서 Gr은 방사 컨덕턴스, G0는 급전선로의 특성 임피던스이며, S21은 입력 포트(Port 1)에서 출력 포트(Port 2)로 전달되는 전력이다. 이 식으로부터 급전선로로부터 마이크로스트립 패치간의 간극(G)에 따른 방사 컨덕턴스를 구하고 설계하고자 하는 안테나 빔패턴 합성을 위해 요구되는 컨덕턴스를 갖도록 각 방사소자(130)들을 배치하여 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 설계할 수 있다.
도 4는 도 2의 단일 커패시티브 결합 마이크로스트립 패치를 배열한 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나는, 유전체 기판(210), 급전선로(microstrip feeding line)(220), 방사소자 배열 모듈(radiating element array module)(230), 및 접지면(ground plane)(240)을 포함한다.
접지면(240)은 유전체 기판(210)의 하면, 즉, 급전선로(220)와 방사소자 배열 모듈(230)이 형성된 면의 반대 면에 형성될 수 있다.
유전체 기판(210)과 급전선로(220)는 도 2에 나타낸 것과 동일하다.
방사소자 배열 모듈(230)은 급전선로(220)의 일측에 급전선로(220)와 갭을 두고 직교 방향으로 형성된 마이크로스트립 패치(231)가 일정 간격(d)으로 배열되어 형성된다. 여기서 마이크로스트립 패치(231)는 급전선로(220)와 직접 연결되지 않고, 갭을 두고 배치되며 급전선로(220)와 전자기적으로 커패시티브 결합을 통해 공진되며, 각 패치들은 사각형의 동일한 폭을 갖는 것이 바람직하다. 얻고자 하는 방사 컨덕턴스(Gr)에 대응되도록 마이크로스트립 패치(231)들과 급전선로(220)의 사이에 갭을 형성하여 원하는 성능의 커패시티브 결합 콤라인 배열 안테나를 설계할 수 있다.
또한 상기 방사소자 배열 모듈(230)에 형성된 마이크로스트립 패치(231)들의 배열 간격 d는 안테나 정면으로 빔을 형성하기 위하여 급전선로(220)의 파장(λg)에 상응하는 간격으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 마이크로스트립 패치(231)는 갭(G) 길이를 기준으로 공진 상태를 갖는 마이크로스트립 패치(231)의 길이로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한, 본 발명의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나는 마이크로스트립 패치(231)와 급전선로(220) 간의 간극으로 방사소자의 방사 컨덕턴스(radiation conductance)를 조절하여 설계함으로써, 원하는 빔을 형성할 수 있다. 또한 이 안테나는, 급전선로(220)와 방사소자인 마이크로스트립 패치(231)가 전기적으로 연결된 종래의 콤라인 안테나와 달리, 커패시티브 결합부를 통하여 마이크로스트립 패치(231)에 급전을 하는 방식이므로 그 명칭을 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나라고 명명한 것이다.
도 5는 도 2의 단일 커패시티브 결합 마이크로스트립 패치를 도 4와 다른 형태로 배열한 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나를 나타낸다.
도 5에 도시된 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나는, 급전선로(220)의 양측에 급전선로(220)와 일정 거리를 두고 직교 방향으로 마이크로스트립 패치(231)가 일정 간격으로 배열되어 형성된 두 그룹의 대향하는 방사소자 배열 모듈(230)을 포함한다.
여기서, 상기 급전선로(220)의 일측에 형성되는 제1 방사소자 배열 모듈(230)과 타측에 형성되는 제2 방사소자 배열 모듈(230)에 포함된 방사소자(130)들 간의 간격은 오픈 스터브를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 방사소자 배열 모듈(230)에 형성된 방사소자(130)들의 간격은 급전선로(220)의 반파장(λg/2) 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도 5의 실시예에서는 각 방사소자인 마이크로스트립 패치(231)에 여기되는 위상(excited phase) 조절을 통해 빔의 방향을 조절할 수 있다. 즉, 안테나가 원하는 방향으로 빔을 형성하도록 할 필요가 있을 때에는 각 방사소자인 마이크로스트립 패치(231)에 여기되는 위상(excited phase)을 조절하여야 하므로 마이크로스트립 패치 간 간격을 조절하여 빔의 방향도 조절할 수 있다.
이와 같이, 도 5의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 경우, 안테나의 입력부분의 급전선로(220)는 칩이나 전송선에 체결하여 안테나에 전력을 인가하기 위해서 칩에 직접 연결하거나 다양한 형태의 전이부(transition)로 변경이 가능하다. 또한 필요에 따라 임피던스 정합을 위하여 λ/4 파장 트랜스포머(quarter wavelength transformer)와 같은 정합회로가 추가될 수도 있다.
한편, 급전선로(220)는 마이크로스트립 선로 형태로 구성되고, 유전체 기판(210)의 유전율(εr)에 따라 설계 및 제작의 용이를 위하여 다양한 특성 임피던스(G0)를 가지도록 급전선로(220)의 마이크로스트립선의 폭을 변경하여 구성할 수 있다.
그리고, 마이크로스트립 패치(231) 방사소자가 동위상으로 급전되기 위해서 급전선로(220)의 양쪽으로 오픈 스터브간 간격을 마이크로스트립 급전선로(220)의 반파장(λg/2) 간격으로 위치시킨다.
한편, 도 5의 실시예에서는 종래 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나와 동일한 성능의 안테나를 설계하기 전에, 배열되는 각 마이크로스트립 패치(231)의 갭(G)을 결정한 후 상기 갭(G)을 기준으로 공진 상태가 되는 마이크로스트립 패치(231)의 길이를 각각 검출한다.
도 6은 도 5의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 등가회로이고, 도 7은 도 5의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나에서 마이크로스트립 패치(231)의 길이를 조절하여 어디미턴스의 허수부인 서셉턴스(susceptance) 성분이 상쇄되고, 실수부인 컨덕턴스 성분만 남는 공진상태가 될 때의 등가회로이다.
도 6에서, 도 5의 실시예에 따른 커패시티브 겹합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나에서 각각의 마이크로스트립 패치(231)의 어드미턴스(admittance)는 마이크로스트립 급전선로(220)와 마이크로스트립 패치(231) 간의 갭(G)에 의한 기생 커패시턴스(Cg)와 마이크로스트립 패치(231)에 의한 컨덕턴스와 기생 인덕턴스(Lp), 접지면과의 기생 커패시턴스(Cp), 그리고 컨덕턴스(Gp)로 표현될 수 있다.
여기서 마이크로스트립 패치(231)의 길이를 조절하여 어드미턴스의 허수부인 서셉턴스(susceptance) 성분이 상쇄되고, 실수부인 컨덕턴스 성분만 남는 공진상태가 되고 이 경우 도 7과 같이 등가회로를 나타낼 수 있다.
따라서, 갭(G)의 길이를 조정해 가면서 각 갭(G)을 기준으로 공진 상태가 발생하는 마이크로스트립 패치(231)의 길이를 검출함으로써, 본 실시예에서는 [표 1]에서와 같이 갭(G)에 따른 마이크로스트립 패치(231)의 길이(도 2의 L)를 검출한다.
[표 1]
Figure pat00002
도 8은 도 5의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나에서 1쌍의 방사소자 배열 모듈(230) 내에 각각 방사소자(231)를 18개 배열한 1×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 나타내고, 도 9는 18개 방사소자(231)가 포함된 4쌍의 방사소자 배열 모듈(230)을 병렬로 결합한 4×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 나타낸다.
이들 1×18 배열 안테나와 4×18 배열 안테나는 79GHz에서 동작하도록 설계되었는데, 안테나 배열 방향이 수직방향 빔의 부엽준위가 -20dB 테일러 분포가 되도록 각 마이크로스트립 패치(231)의 방사 컨덕턴스가 가중치 분포(weighting distribution)를 갖도록 설계되었다.
각 소자간의 간격은 마이크로스트립 급전선로(220)의 반파장(λg/2)이며, 급전선로(220)와의 간극은 가중치분포에 따라 다르다.
한편, 테일러 분포는 배열의 가운데 부분에서 높은 방사 컨덕턴스를 가지고 양쪽으로 갈수록 방사 컨덕턴스 값이 줄어들기 때문에 급전선로(220)와의 갭(G)도 커지도록 설계한다.
도 10은 상기 1×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사계수를 나타낸 그래프이고, 도 11은 상기 4×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사계수를 나타낸 그래프이다. 도 10 및 도 11에서와 같이, 각각의 경우에, 본 발명에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 반사계수의 해석값(simulated)과 측정값(measured)이 유사함을 확인할 수 있다.
도 12는 1×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 것으로, 79GHz 대역에서의 수직면(y-z면)에 대한 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 그래프이다. 도 13은 1×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 것으로, 79GHz 대역에서 수평면(x-z면)에 대한 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 14는 4×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 것으로, 79GHz 대역에서 수직면(y-z면)에 대한 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 그래프이다. 도 15는 4×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 것으로, 79GHz 대역에서 수평면(x-z면)에 대한 방사패턴의 해석값과 측정값을 나타낸 그래프이다.
1×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나와 4×18 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나 모두, 수직면(y-z면)에서 부엽준위가 -20dB 이하이며, 79GHz에서 모두 안테나 빔이 안테나의 정면을 향함을 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 79GHz 대역에 대한 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나를 예를 들어 설명하고 있으나, 78GHz와 80GHz에서도 동일한 성능을 발휘할 수 있다.
도 16은 상기 도 5의 실시예에서 변형된 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 구성도로, 도 5에 나타낸 실시예의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나가 E-면(x-z면)에서 더 넓은 빔폭을 갖도록 설계한 것이다.
유전체 기판(210)의 하면에 접지면(240)이 형성되고 상면에는 입력포트에 연결된 급전선로(220)가 T-결합기(T-junction)로 평행 분기된 두 개의 마이크로스트립 급전선로(220a, 220b)가 형성된다. 그리고 각 평행 급전선로(220a, 220b)가 대향하여 형성되는 영역 내에 두 개의 방사소자 배열 모듈, 즉, 제1 방사소자 배열 모듈(230a)과 제2 방사소자 배열 모듈(230b)이 배치된다. 각 방사소자 배열 모듈(230a, 230b)에는, 각 급전선로(220a, 220b)와 전기적으로 연결되지 않고 갭을 갖고 전자기적으로 커패시티브 결합되는 마이크로스트립 패치(231a, 231b)가 배열된다. 그리고 제1 방사소자 배열 모듈(230a)과 제2 방사소자 배열 모듈(230b)의 내부에 배열된 각 마이크로스트립 패치(231a, 231b)는 서로 일부분 중첩되어 교차된다.
이와 같이 평형 급전선로(220a, 220b)의 사이 영역에 마이크로스트립 패치(231a, 231b)들이 일부분 중첩되도록 교차 배열되므로써 도 5의 실시예에 비해 방사소자 모듈의 x축 방향 사이즈(도 16의 Wr)를 줄일 수 있게 되어, 도 5 실시예의 커패시티브 결합 안테나에 비해 E-면(x-z면)에서의 빔폭이 더 넓어진다. 이에, 최근 밀리미터파 대역 무선통신이나 차량용 레이다 등에서 요구되는 넓은 통신 및 탐지영역 커버리지에 부응하기 위하여 요구되는 고이득이면서 넓은 방사패턴과 넓은 대역폭의 특성을 가지는 안테나를 구현할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 두 개의 평행한 마이크로스트립 급전선로(220a, 220b)로부터 한 쪽으로만(두 급전선로의 대향 영역 내), 전기적으로 연결되지 않고 갭을 갖도록 배치한(커패시티브 결합) 마이크로스트립 패치(231a, 231b) 배열을 T-결합기 형태로 구성하여 하나의 급전선로(220)를 통해 입력포트(미도시)에 연결한다. 이 때 안테나 입력부분의 급전선로(220)는 칩이나 전송선에 체결하여 안테나에 전력을 인가하기 위해서 칩에 직접 연결하거나 다양한 형태의 전이부(transition)로 변경이 가능하다. 또한 필요에 의해서 임피던스 정합을 위하여 1/4 파장 트랜스포머(quarter wavelength transformer)와 같은 정합회로가 추가될 수도 있다.
전술한 실시예들과 동일하게, 급전선로(220a, 220b)는 마이크로스트립 선로 형태로 구성되며, 유전체 기판(210)의 유전율(εr)에 따라 설계 및 제작의 용이를 위하여 다양한 특성 임피던스(G0)를 갖도록 마이크로스트립 패치의 폭(도 2의 W)을 변경하여 구성할 수 있다. 안테나의 빔 방향이 정면으로 향하는 보어사이트(boresight) 패턴을 형성할 경우, 마이크로스트립 패치 방사소자(231a, 231b)가 동위상으로 급전되기 위해서 각각의 마이크로스트립 패치(231a, 231b) 사이의 간격(d')은 마이크로스트립 급전선로(220a, 220b)의 반파장(λg/2)이 되도록 위치시킨다. 한편, 안테나가 원하는 방향으로 빔을 형성하도록 할 필요가 있을 때에는 각 방사소자인 마이크로스트립 패치에 여기되는 위상(excited phase)을 조절하여야 하므로 상기 마이크토스트립 패치(231a, 231b) 간 간격(d')을 조절하여 빔의 방향을 조절할 수 있다.
도 16의 실시예에 따라 18개의 패치를 갖는 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나를 제작하여 그 성능을 확인하였다. 안테나 배열 방향의 수직방향 빔이 낮은 부엽준위를 갖도록 방사컨덕턴스가 가중치분포(weighting distribution)를 갖게 설계하였다. 위에서 말한 것처럼 각 소자간의 간격 d'은 마이크로스트립 급전선로의 반파장(λg/2)이며, 급전선로와 마이크로스트립 패치의 갭은 가중치분포에 따라 다르다. 가중치분포는 배열의 가운데 부분에서 높은 방사 컨덕턴스를 갖고 양쪽으로 갈수록 낮은 방사 컨덕턴스를 가지므로 급전선로로부터 패치와의 간극도 커진다.
도 17은 도 16의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 반사계수이다. -10dB 기준 대역폭은 시뮬레이션 및 측정에서 각각 4.3GHz(76.9GHz ~ 81.2GHz)와 4.9GHz(81.1GHz ~ 76.2GHz)이다. 본 실시예(도 16의 실시예)에 의해 빔폭이 확장된 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나는 도 5의 실시예의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나에 비해 수직면(E-면)에서 －5dB 빔폭 기준으로 약 33%(시뮬레이션)와 36%(측정치)의 넓은 빔폭을 갖게 되었다.
도 18과 도 19는 각각, 도 16의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 79GHz에서의 수직면(H-면)과 수평면(E-면)에서의 정규화된 방사패턴을 나타낸다. 수평면(E-면)에서의 －5dB 빔폭은 시뮬레이션 및 측정상 각각 115°(-52 ° ~ 63°)와 105°(-48° ~ 57°) 이다. 한편 도 12와 도 13에 나타낸 동일한 방사소자를 갖는 도 5의 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나의 경우에는 수평면(E-면)에서 －5dB 빔폭이 시뮬레이션과 측정상으로 각각 86°(-43° ~ 43°)와 77°(-39° ~ 38°)이었다. 따라서, 도 16의 실시예에 따른 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 도 5의 실시예에 따른 커패시티브 배열 안테나 대비, 수평면(E-면)에서 -5dB 빔폭 기준으로 시뮬레이션 및 측정에서 각각 약 33%와 36%의 넓은 빔폭을 가짐을 확인할 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다. 또한 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 유전체 기판;
    상기 유전체 기판의 일면에 형성되며, 입력포트에 연결된 급전선로로부터 평행 분기된 제1, 제2 급전선로; 및
    상기 평행 분기된 제1, 제2 급전선로가 대향하여 형성되는 영역 내에 상호 일부분 중첩되어 교차 배열되는 마이크로스트립 패치를 포함하되,
    상기 마이크로스트립 패치는, 상기 제1급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 형성되는 제1군의 마이크로스트립 패치와, 상기 제2급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 형성되는 제2군의 마이크로스트립 패치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2 급전선로와 상기 제1군 및 제2군의 마이크로스트립 패치간의 간극은
    각 마이크로스트립 패치의 길이에 따른 공진상태에 의해 결정되는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유전체 기판에 형성된 접지면을 추가로 포함하는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배열된 마이크로스트립 패치는 모두 동일한 폭을 갖는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1군 및 상기 제2군의 마이크로스트립 패치는 상기 급전선로의 반파장(λg/2)이 되는 간격으로 배열되는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나.
  6. 유전체 기판의 일면에, 입력포트에 연결된 급전선로로부터 평행 분기된 제1, 제2 급전선로를 형성하고;
    상기 형성된 제1, 제2 급전선로가 대향하여 형성되는 영역 내에 상호 일부분 중첩되어 교차 배열되는 마이크로스트립 패치를 형성하는 것을 포함하되,
    상기 마이크로스트립 패치를 형성하는 것은,
    상기 제1급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 제1군의 마이크로스트립 패치를 형성하는 것과, 상기 제2급전선로와 간극(갭)을 두고 직교 방향으로 제2군의 마이크로스트립 패치를 형성하는 것을 포함하는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1, 제2 급전선로와 상기 제1군 및 제2군의 마이크로스트립 패치간의 간극은
    각 마이크로스트립 패치의 길이에 따른 공진상태에 의해 결정되는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 유전체 기판에 접지면을 추가로 형성하는 것을 포함하는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 마이크로스트립 패치를 모두 동일한 폭을 갖도록 형성하는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 제조방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 제1군 및 상기 제2군의 마이크로스트립 패치는 상기 급전선로의 반파장(λg/2)이 되는 간격으로 형성되는, 커패시티브 결합 콤라인 마이크로스트립 배열 안테나 제조방법.
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