등록특허 10-0345440

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(51) 。Int. Cl.7
H01Q 15/00
(45) 공고일자
(11) 등록번호
(24) 등록일자
2002년07월26일
10-0345440
2002년07월09일
(21) 출원번호 10-2000-0009069 (65) 공개번호 특2001-0084205
(22) 출원일자 2000년02월24일 (43) 공개일자 2001년09월06일
(73) 특허권자 국방과학연구소
대전 유성구 유성우체국사서함 35호
(72) 발명자 박주래
대전광역시서구둔산2동샘머리아파트210동903호
이만재
대전광역시유성구원내동357신우한아름아파트102동402호
소준호
대전광역시서구만년동초원아파트102동1302호
방극생
대전광역시서구삼천동가람아파트6동1001호
(74) 대리인 박장원
심사관 : 전영상
(54) 균일 진폭 및 저 위상차 전달특성을 갖는 광대역마이크로스트립 초고주파 렌즈
요약

본 발명은 능동 위상배열 송신장치등에 사용되는 마이크로스트립 형상의 초고주파 렌즈에 관한 것으로, 크게 대칭구조
의 마이크로스트립 초고주파 렌즈부와, 렌즈부 위에 밀착되는 임피던스 정합용 전자파 흡수체, 전자파 흡수체 밀착용
FRP(Fiberglass Reinforced Plastics) 구조물, 외부 전자파 간섭 방지부 및, 외부 전자파로부터 상기 초고주파 렌즈
를 차폐하기 위한 외곽 포장 도체부로 이루어져 있다. 상기 초고주파 렌즈부의 마이크로스트립 도체패턴에는 인접 빔포
트 사이와, 인접 배열포트 사이 및 옆벽면에 다수의 더미포트(dummy port)가 형성되어 있으며, 도체패턴 위에는 전자
파 흡수체가 배치되어 있다. 따라서 평행판 영역 내에서의 경로차에 의한 손실과, 마이크로스트립 포트간의 상호결합에
의한 영향과, 옆벽면에서의 반사파에 의한 성능저하를 방지함으로써 3:1 이상의 주파수 대역에서 마이크로스트립 초고
주파 렌즈의 균일 진폭 및 저위상차 전달특성을 향상시킬 수 있다.

대표도
도 6
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명세서
도면의 간단한 설명
도 1은 종래기술에 의한 마이크로스트립 초고주파 렌즈를 이용하는 능동위상배열 송신장치의 구성도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 광대역 대칭구조 마이크로스트립 초고주파 렌즈의 도체패턴을 도시하는 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 광대역 대칭구조 마이크로스트립 초고주파 렌즈의 도체패턴 상에 배치되는 내부간섭 감소용 전
자파 흡수체의 형상을 도시한다.
도 4는 상기 전자파 흡수체 위에 밀착시킬 수 있는 FRP(Fiberglass Reinforced Plastics) 구조물의 형상을 도시한다.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로스트립 초고주파 렌즈를 도체로 포장할 때 외곽 도체에 의한 전자파 간섭을 감소시키기
위하여 상기 FRP 구조물 위에 배치되는 전자파 흡수체의 형상을 도시한다.
도 6은 본 발명에 의한 마이크로스트립 초고주파 렌즈의 적층구조를 나타낸 도면이다.
발명의 상세한 설명
발명의 목적
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 발명은 능동 위상배열 송신장치등에 사용되는 마이크로스트립 형상의 초고주파 렌즈, 상세하게는 3:1 이상의 광대역
에서 균일 진폭 및 저위상차 전달특성을 가지는 마이크로스트립 초고주파 렌즈에 관한 것이다.

초고주파 렌즈 중에서 로트만 렌즈(Rotman lens)로 잘 알려진 3중 초점 렌즈는 초기에는 두께가 얇은 평행판 구조로
설계되었으나, 최근에는 소형 및 제작의 편의성 때문에 그라운드 도체와 마이크로 스트립 형태의 도체패턴 사이에 유전
체를 배치시키는 형태로 구현되고 있다. 이러한 마이크로스트립 초고주파 렌즈를 이용한 위상배열 안테나에 대한 특허
로서, 제 5099253호 미국특허가 있다. 이 특허에서는, 복수의 소자를 가지는 안테나와, 마이크로웨이브 렌즈로 이루어
진 안테나 시스템을 개시하고 있으며, 마이크로웨이브 렌즈는 평행판 영역, 빔 포트들과 배열 포트들로 구성되어 있으
며 평행판의 한 벽에는 다수의 빔 포트들이 배치되어 있고, 이 벽의 반대편 벽에는 다수의 배열 포트들이 배치되어 있다.

종래의 마이크로 스트립 형태의 초고주파 렌즈는 도 1에 도시된 바와 같이, 로트만 (Rotman)의 구조식이나 셀튼(she
lton)의 대칭구조식에 따르는 형상의 평행판 영역(11)과, 평행판 영역의 제 1 벽(렌즈의 초점원호)을 따라 배치되는
마이크로 스트립 형태의 다수의 빔포트(12), 렌즈의 제 2 벽을 따라 배치되는 마이크로 스트립 형태의 다수의 배열포
트(13)를 가지는 도체패턴을 그라운드 도체판 상에 배치하고, 그 사이에 유전체가 삽입됨으로써 형성되어 있다.

그러나, 전술한 바와 같이 초고주파 렌즈를 마이크로스트립 형태로 구현하고자 하는 경우에는 마이크로스트립 평행판내
에서 경로차에 의한 손실과, 마이크로스트립 포트간의 상호결합 및 포트가 형성되어 있지 않은 영역인 옆벽면(side w
all)에 의한 반사 등의 내부간섭, 그리고 고출력이 방출되는 환경에 장착됨에 따른 외부 전자파 간섭등의 원인으로 인하
여 3:1 이상의 광대역에서 균일 진폭 및 저 위상차 전달특성을 갖는 마이크로스트립 초고주파 렌즈를 구현하기가 어렵
게 된다.

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본 발명은 3:1 이상의 광대역 주파수에서 마이크로스트립 초고주파 렌즈의 평행판 내에서의 임의의 빔포트에서 모든
배열포트로의 경로차에 의한 손실차가 적은 대칭구조 3중 초점 초고주파 렌즈를 마이크로스트립으로 구현하고, 전자파
흡수체를 사용하여 평행판 내에서의 내부간섭과 외부 전자파의 간섭을 감소시켜 균일 진폭 및 저 위상차 전달특성을 갖
는 광대역 대칭구조 마이크로스트립 초고주파 렌즈이다.

도 1은 전형적인 종래의 마이크로스트립 초고주파 렌즈를 이용하는 능동위상배열 송신장치의 구성도로서, 마이크로스
트립 초고주파 렌즈, 증폭기, 선형배열 안테나로 구성되어 있다. 초고주파 렌즈는 빔포트면을 따라 배치되는 다수의 빔
포트(12)들과 평행판 영역(11), 그리고 배열포트면을 따라 배치되는 다수의 배열포트(13)들로 구성되고, 상기 배열포
트들 각각은 렌즈의 설계변수인 전송선의 길이를 고려하여 마이크로스트립 전송선(microstrip line)으로 기판에 구현
되고 이 전송선은 각 채널의 증폭기(14)를 통과하여 배열안테나의 개별 안테나소자(15)에 연결된다. 초고주파 렌즈는
TEM모드(transverse electromagnetic mode) 평행판을 이용하는 시간지연소자(time delay device)이므로 초고주
파 렌즈의 임의의 한 빔포트(12)로 급전된 전자파는 렌즈의 평행판 영역(11)을 통해 분산되고, 분산된 각각의 전자파
는 각각의 전파경로에 따라 빔포트에서 정해지는 기울기를 가지는 등위상면을 선형배열안테나(15) 상에 형성하고, 그
등위상면에 수직한 방향으로 공간 합성된다.


광대역 능동위상배열(active phased array) 송신장치에서는 렌즈를 통하여 분산된 전자파를 렌즈의 배열포트와 안테
나소자 사이의 증폭기(진행파관 증폭기)를 사용하여 증폭한 다음 배열안테나를 통하여 자유공간으로 고출력의 전자파
를 방출시키는 원리를 이용하므로 배열 채널내의 증폭기를 고르게 포화구동하는 것이 필수적이다. 이와 같은 용도의 초
고주파 렌즈는 어떤 동작주파수에 있어서도, 임의의 빔포트에서 배열포트로의 전달계수가 균일 진폭 및 저 위상차 전달
특성을 가질 것이 요구된다.

3중 초점 렌즈의 설계식들 중에서 셀튼(Shelton)의 대칭구조식에 따른면 초고주파 렌즈의 빔포트와 배열포트의 좌표
점은 완전히 대칭구조이므로 입·출력을 서로 교환하여 사용할 수 있는 장점과 더불어 렌즈 평행판 영역에서 임의의 빔
포트에서 모든 배열포트로의 경로차에 의한 전달 손실 및 렌즈 고유의 이론적인 위상차가 적은 렌즈 형상을 구현할 수
있음은 잘 알려진 사실이다. 그러나 이와 같은 이론적인 형상만으로는 균일 진폭 및 저 위상차 전달특성을 구현할 수는
없다.

왜냐하면, 일반적으로 3:1 이상의 광대역 초고주파 렌즈의 포트간격은 최고 동작주파수의 반파장(λ/2)보다 크기 때문
에, 배열안테나의 상호결합에 의한 영향과 같이, 렌즈의 평행판 내에서도 배열된 포트들간의 상호결합의 영향에 의하여
스캔 블라인드니스(scan blindness) 현상이 발생하여 임의의 한 빔포트에서 급전된 전자파가 평행판내에서 고르게 배
열포트들로 분산되는 것을 방해한다. 또한 빔포트가 존재하는 빔포트면과 배열포트가 존재하는 배열포트면 이외의 옆벽
면에 의한 전자파 반사에 의하여 균일 진폭 및 저 위상차 전달특성을 구현하기가 어렵다.

또한, 전술한 바와 같이, 마이크로스트립 렌즈를 외부의 전자파로부터 차폐하기 위하여 렌즈를 포장하는 외곽도체에 의
한 전자파 반사도 마이크로스트립 렌즈의 특성을 악화시킨다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제
따라서, 본 발명의 목적은 임의의 빔포트에서 각 개별적인 배열포트로의 신호 전달에 있어서, 균일진폭 및 저위상차 특
성을 가지는 3:1 광대역 마이크로스트립 초고주파 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 균일진폭 및 저위상차 전달특성을 가지는 마이크로스트립 초고주파 렌즈를 이용하는 능동 위상
배열 안테나(active phased array antenna)를 제공하는 것이다.
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발명의 구성 및 작용
본 발명에 의한 광대역 마이크로스트립 초고주파 렌즈는 크게 대칭구조의 마이크로스트립 초고주파 렌즈부와, 상기 렌
즈부 위에 밀착되는 임피던스 정합용 전자파 흡수체, 상기 전자파 흡수체 밀착용 FRP(Fiberglass Reinforced Plasti
cs)구조물, 외부 전자파 간섭 방지부 및, 외부 전자파로부터 상기 초고주파 렌즈를 차폐하기 위한 외곽 포장 도체부로
이루어져 있다.

상기 대칭구조의 마이크로스트립 초고주파 렌즈부는 그라운드 도체판과, 상기 도체판상에 배치되는 유전체판 및 상기
유전체판 상에 배치되는 마이크로스트립 도체패턴으로 이루어지며, 마이크로스트립 도체패턴은 셀튼(Shelton)의 대칭
구조식을 따르는 평행판영역과, 상기 평행판영역의 제 1 벽을 따라 배치되는 2이상의 마이크로스트립 형상의 빔포트와,
평행판 영역의 제 2 벽을 따라 배치되는 2이상의 마이크로스트립 형상의 배열포트와, 상기 제 1 및 제 2 벽을 제외한
평행판 영역인 옆벽면으로 이루어져 있으며, 상기 인접 빔포트 사이 및 인접 배열포트 사이에는 1개 이상의 데이퍼된
더미포트가 형성되어 있고, 상기 옆벽면에도 1개 이상의 테이퍼된 더미포트가 형성되어 있다. 빔 포트 및 배열 포트의
개수는 각각 조향 (steering)할 복사 빔 (radiation beam)의 개수와 빔 폭 (beam width)에 따라 정하여진다. 또한,
빔 포트 또는 배열 포트 사이에 배치되는 더미 포트의 개수는 인접 포트 간격이 최고 동작 주파수의 반파장 (λ/2) 이
하가 되도록 하는 범위내에서 임의로 정해질 수 있으나, 더미 포트의 개수가 많아지면 인접 포트간의 배열 간격이 좁아
지고, 배열간격이 너무 좁으면 평행판과 포트간의 임피던스 정합 특성이 나빠지므로, 이 범위를 만족하는 최소의 값으
로 정하는 것이 바람직하다.

또한, 임피던스 정합용 전자파 흡수체는 상기 도체패턴 상에 배치되며, 상기 도체패턴의 빔포트 및 배열포트 이외의 모
든 영역(즉, 평행판영역 및 모든 더미포트영역)을 덮는다.
또한, 도체패턴상에 상기 전자파흡수체를 견고하게 밀착시키기 위하여 FRP (Fibreglass Reinforced Plastics) 구조
물이 사용된다. 구체적으로는 전자파 흡수체를 FRP구조물의 하면에 접착한 후 마이크로스트립 도체패턴에 밀착시킨다.
상기 외부 전자파 간섭 방지부는 제 2의 전자파 흡수체로 이루어져 있으며, 상기 FRP구조물과 외곽 포장 도체 사이에
적층되어 있다.
본 발명에 의한 마이크로스트립 초고주파 렌즈의 실시예를 첨부되는 도면을 참고로 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 초고주파렌즈에 사용되는 마이크로스트립 형태의 도체패턴(20)을 도시한다. 도시된 바와 같이,
임의의 빔포트에서 모든 배열포트로의 경로차에 의한 손실이 적은 대칭구조식을 따르는 평행판 영역(21)과, 평행판 영
역의 제 1 벽을 따라 배치되는 16개의 빔포트(22-1 내지 22-16)와, 평행판 영역(21)의 제 2 벽을 따라 배치되는 1
6개의 배열포트(23-1 내지 23-16)와, 상기 빔포트 및 배열포트 사이에 배치되는 30개(빔포트 사이에 15개; 24-1
∼15 및 배열포트 사이에 15개; 25-1∼15)의 테이퍼된 더미포트 및, 빔포트와 배열포트가 배치되지 않는 평행판 영
역인 옆벽면(26)에 배치되는 복수의 테이퍼된 더미포트(27)로 이루어져 있다. 본 실시예에서는 각각 16개씩의 빔포트
및 배열포트가 사용되었으나, 여기에 한정되는 것은 아니고, 조향할 복사 빔의 개수와 빔 폭에 따라 임의 개수의 포트들
이 사용될 수 있다.


마이크로스트립 포트 사이에 배치되는 테이퍼된 더미포트에 의하여 포트간의 배열간격이 줄어들어 스캔 블라인드니스
(scan blindness) 현상을 억제한다. 그리고, 테이퍼된 더미포트의 임피던스 정합은, 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크
로스트립 도체패턴의 평행판 영역, 옆벽면 및 더미포트를 덮을 수 있는 전자파 흡수체(30)를 상기 도체패턴위에 밀착
시킴으로써, 테이퍼된 더미포트의 도체 패턴을 따라 진향하는 표면 전자파 및 표면전류를 감쇄시켜 임피던스를 정합시
키는 효과를 줌으로써 구현된다. 도체패턴의 더미포트 및 평행판 영역 위에 배치되는 상기 전자파 흡수체는 동작주파수
와 동일한 대역을 갖는 전자파 흡수체이다. 또한 옆벽면에 형성되어 있는 더미포트와 옆벽면 상에 배치되는 전자파 흡
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수체가 옆벽면에 의한 전자파 반사를 감소시키는 효과가 있다.


전자파 흡수체에 의한 전자파 감쇄효과는 흡수체의 밀착정도에 따라 다르기 때문에, 도 3과 같은 전자파 흡수체(30)를
도 2의 도체패턴(20)상에 단단하게 밀착시키기 위하여, 도 4와 같은 FRP(fiberglass reinforced plastics)구조물(4
0)을 이용할 수 있다. 전자파 흡수체(30)를 FRP구조물(40)에 부착한 후, 이 구조물과 함께 렌즈 도체패턴(20) 위에
밀착시키는 방법을 사용한다. 따라서, FRP구조물(40)의 아랫면 형상은 도체패턴(20) 위에 두는 전자파흡수체(30)와
동일한 형상으로 만들어 접착제로 흡수체를 쉽게 부착할 수 있도록 하고 FRP 구조물(40)의 윗면 형상은 도체 포장을
위한 외곽 도체의 내부형상과 동일한 형상이다.

도 5는 FRP구조물(40) 위에 장착되는 제 2 전자파흡수체(50)의 형상을 나타낸 것으로, 이러한 제 2 전자파흡수체(5
0)는 마이크로스트립 초고주파 렌즈가 장착되는 고출력 방출 환경에 있는 외부 전자파로부터 초고주파 렌즈를 차폐하
기 위하여 도체로 포장할 때 마이크로스트립 초고주파 렌즈 위에 외곽 포장 도체가 존재함으로써 발생되는 전자파 간섭
현상을 제거하는 역할을 한다.
도 6은 본 발명에 의한 광대역 마이크로스트립 초고주파 렌즈가 포장되었을 때의 적층구조를 나타낸 것으로, 아래로부
터 마이크로스트립 초고주파 렌즈부(100)와, 전자파 흡수체(30), FRP구조물(40), 제 2 전자파흡수체(50) 및 외곽
포장도체(60)의 순서로 적층되어 있다. 또한, 마이크로스트립 초고주파 렌즈부(100)는 아래에서부터 그라운드 도체판
(110), 유전체판(120), 초고주파렌즈 도체패턴(20)으로 이루어져 있다.
발명의 효과

이와 같이 마이크로스트립 형상의 초고주파 렌즈의 도체패턴에 있어서, 각 포트들 사이에 더미포트를 형성하여 각 포트
사이의 간격을 줄이고, 마이크로스트립 전송선로용 포트를 제외한 도체패턴 영역위에 전자파 흡수체를 배치함으로써,
렌즈의 균일 진폭 및 저위상차 전달 특성을 저해하는 주요 원인인, 평행판 영역 내에서의 경로차에 의한 손실차와, 인접
배열된 포트들간의 상호결합에 의하여 발생되는 스캔 블라인드니스(scan blindness) 현상에 의한 전달차를 감소시킬
수 있다.

또한, 도체패턴의 옆벽면에 다수의 더미포트를 형성하고, 그 위에 전자파 흡수체를 배치함으로써 옆벽면에서의 반사파
에 의한 성능저하를 방지할 수 있다. 그리고, 고출력의 외부 전자파로부터 렌즈를 차폐하기 위하여 도체로 포장할 때,
외곽 포장도체의 바로 아래에도 전자파 흡수체를 배치함으로써, 외곽 도체에 의한 영향 등을 감소시킴으로써 3:1 이상
의 주파수 대역에서 마이크로스트립 초고주파 렌즈의 균일 진폭 및 저위상차 전달특성을 향상시킬 수 있다는 효과를 가
진다.
(57) 청구의 범위
청구항 1.
대칭구조 마이크로스트립 초고주파 렌즈부(100)와, 상기 렌즈부 위에 밀착되는 임피던스 정합용 전자파 흡수체(30),
상기 전자파 흡수체를 상기 렌즈부에 밀착시키기 위한 FRP구조물(40), 외부 전자파 간섭 방지부, 외곽 포장 도체부(
60)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광대역 대칭구조 마이크로스트립 초고주파 렌즈.
청구항 2.
제 1 항에 있어서,
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등록특허 10-0345440

상기 대칭구조 마이크로스트립 초고주파 렌즈부(100)는 그라운드 도체판(110)과, 상기 도체판상에 배치되는 유전체
판(120) 및 상기 유전체판 상에 배치되는 마이크로스트립 도체패턴(20)으로 이루어지며,
상기 마이크로스트립 도체패턴은 대칭구조의 평행판영역(21)과, 상기 평행판영역의 제 1 벽을 따라 배치되는 2이상의
마이크로스트립 형상의 빔포트(22)와, 평행판 영역의 제 2 벽을 따라 배치되는 2이상의 마이크로스트립 형상의 배열포
트(23)와, 상기 제 1 및 제 2 벽을 제외한 평행판 영역인 옆벽면(26)으로 이루어져 있으며,
상기 인접 빔포트 사이 및 인접 배열포트 사이에는 1개 이상의 데이퍼된 더미포트(24,25)가 형성되어 있고, 상기 옆벽
면에도 1개 이상의 테이퍼된 더미포트(27)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광대역 대칭구조 마이크로스트립 초고
주파 렌즈.
청구항 3.
제 2 항에 있어서,
상기 전자파 흡수체(30)는 상기 도체패턴(20) 상에 배치되며, 상기 도체패턴(20)의 빔포트(22) 및 배열포트(23) 이
외의 모든 도체패턴 위의 영역을 덮는 것을 특징으로 하는 광대역 대칭구조 마이크로스트립 초고주파 렌즈.
청구항 4.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자파흡수체(30)를 FRP구조물(40)의 하면에 접착하여, 전자파 흡수체를 마이크로스트립 도체패턴(20)에 밀착
시키는 것을 특징으로 하는 광대역 대칭구조 마이크로스트립 초고주파 렌즈.
청구항 5.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외부 전자파 간섭 방지부는 제 2 전자파 흡수체(50)로 이루어져 있으며, 외부 전자파로부터 상기 초고주파 렌즈
를 차폐하기 위한 외곽 포장 도체(60)에 의한 영향을 감소시키기 위하여, 상기 FRP구조물(40)과 외곽 포장 도체(60)
사이에 상기 제 2 전자파 흡수체(50)가 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 광대역 대칭구조 마이크로스트립 초고주파
렌즈.
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도면
도면 1
도면 2
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도면 3
도면 4
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도면 5
도면 6
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