(57)【要約】  複数の放射素子と、複数の放射素子を連結する給電線とを含む少なくとも一つの放射部、および、少なくとも一つの放射部に給電部から提供された電力を第１比率で分配する電力分配部を含むアレイアンテナ。【選択図】図１ａ
2019505106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の放射素子と、前記複数の放射素子を連結する給電線とを含む少なくとも一つの放射部、および
前記少なくとも一つの放射部に、給電部から提供された電力を第１比率で分配する電力分配部
を含むアレイアンテナ。
【請求項２】
前記第１比率は、前記複数の放射素子が配列された方向に対して直角方向である第１方向のサイドローブレベルと関連した配列関数に基づいて決定される、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項３】
前記複数の放射素子のうち前記放射部の中央に位置した第１放射素子のコンダクタンスが前記複数の放射素子のうち前記放射部の端に位置した少なくとも一つの第２放射素子のコンダクタンスよりも大きい、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項４】
前記複数の放射素子のコンダクタンスは、前記第１放射素子から前記少なくとも一つの第２放射素子に向かう第２方向に第２比率で減少する、請求項３に記載のアレイアンテナ。
【請求項５】
前記第２比率は、前記第２方向のサイドローブレベルと関連した配列関数に基づいて決定された比率である、請求項４に記載のアレイアンテナ。
【請求項６】
前記配列関数は、チェビシェフ（ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ）配列関数である、請求項２に記載のアレイアンテナ。
【請求項７】
前記複数の放射素子の大きさは、前記第１放射素子から前記少なくとも一つの第２放射素子に向かう第２方向に第２比率で減少する、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項８】
前記第２比率は、前記アレイアンテナのアレイファクター関数および前記第２方向のサイドローブレベルと関連した配列関数に基づいて決定された給電係数の比率である、請求項７に記載のアレイアンテナ。
【請求項９】
前記給電係数は、前記アレイファクター関数および前記配列関数の係数比較を通じて決定された係数である、請求項８に記載のアレイアンテナ。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの放射部がパッチ形態に印刷された誘電体基板
をさらに含む、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項１１】
前記給電線は、前記複数の放射素子に入力される電流の位相を制御する、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項１２】
前記給電線は、前記複数の放射素子を直列に連結する、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項１３】
前記電力分配部は、前記給電部に対して前記少なくとも一つの放射部のインピーダンスを整合させる、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項１４】
前記電力分配部は、
前記少なくとも一つの放射部に、前記第１比率で分配された電力を提供する少なくとも一つの第１電力分配部、および
前記少なくとも一つの第１電力分配部に、前記給電部から提供された電力を同じ大きさで提供する第２電力分配部
を含む、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項１５】
前記第１電力分配部のインピーダンスは、前記第１比率および予め決定されたインピーダンス定数により決定される、請求項１に記載のアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射素子が直列に配列されたアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
印刷型（ｐｒｉｎｔｅｄ）マイクロストリップ（ｍｉｃｒｏ  ｓｔｒｉｐ）形態のパッチアレイアンテナ（ｐａｔｃｈ  ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａ）は、２４ＧＨｚ  ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  ａｎｄ  Ｍｅｄｉｃａｌ）帯域用レーダー感知器に主に用いられている。この時、アンテナの利得（ｇａｉｎ）を高めなければならないか、またはサイドローブレベル（ｓｉｄｅ  ｌｏｂｅ  ｌｅｖｅｌ、ＳＬＬ）を低める必要があるなど、アンテナの特別な特性のために、チェビシェフ（ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ）、バイノミアル（ｂｉｎｏｍｉａｌ）、テイラー（ｔａｙｌｏｒ）など複雑な構造がアレイアンテナに適用される必要があるが、この時、各放射素子に対する給電のために複雑な給電回路が必要である。複雑な給電回路を有するアレイアンテナの設計および性能最適化には長い時間が掛かるという短所がある。
【０００３】
２４ＧＨｚ帯域用パッチアレイアンテナは、設計の複雑性による前記のような問題点を解決するために、電流の大きさおよび位相が各パッチに均一に入力されるように設計されている。しかし、パッチに入力される電流の大きさおよび位相が均一なアレイアンテナは、高いサイドローブレベル特性を示しており、これによって感知領域が非常に不均一である。また、レーダー感知器の感知領域が非常に狭い場合、アレイアンテナで生成されるビームのサイドローブレベルが高いため、レーダーアルゴリズムだけで狭くかつ均一な幅のビームを生成し難い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高利得および低いサイドローブレベル特性を有するアレイアンテナが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施例によると、複数の放射素子と、複数の放射素子を連結する給電線とを含む少なくとも一つの放射部、および、少なくとも一つの放射部に、給電部から提供された電力を第１比率で分配する電力分配部を含むアレイアンテナが提供される。
【０００６】
前記アレイアンテナにおいて、第１比率は、複数の放射素子が配列された方向に対して直角方向である第１方向のサイドローブレベルと関連した配列関数に基づいて決定されてもよい。
【０００７】
前記アレイアンテナにおいて、複数の放射素子のうち放射部の中央に位置した第１放射素子のコンダクタンスは、複数の放射素子のうち放射部の端に位置した少なくとも一つの第２放射素子のコンダクタンスよりも大きく形成されてもよい。
【０００８】
前記アレイアンテナにおいて、複数の放射素子のコンダクタンスは、第１放射素子から少なくとも一つの第２放射素子に向かう第２方向に第２比率で減少してもよい。
【０００９】
前記アレイアンテナにおいて、第２比率は、第２方向のサイドローブレベルと関連した配列関数に基づいて決定された比率であってもよい。
【００１０】
前記アレイアンテナにおいて、配列関数は、チェビシェフ（ｃｈｅｂｙｓｈｅｖ）配列関数であってもよい。
【００１１】
前記アレイアンテナにおいて、複数の放射素子の大きさは、第１放射素子から少なくとも一つの第２放射素子に向かう第２方向に第２比率で減少してもよい。
【００１２】
前記アレイアンテナにおいて、第２比率は、アレイアンテナのアレイファクター関数および第２方向のサイドローブレベルと関連した配列関数に基づいて決定された給電係数の比率であってもよい。
【００１３】
前記アレイアンテナにおいて、給電係数は、アレイファクター関数および配列関数の係数比較を通じて決定された係数であってもよい。
【００１４】
前記アレイアンテナにおいて、少なくとも一つの放射部がパッチ形態に印刷された誘電体基板をさらに含んでもよい。
【００１５】
前記アレイアンテナにおいて、給電線は、複数の放射素子に入力される電流の位相を制御してもよい。
【００１６】
前記アレイアンテナにおいて、給電線は、複数の放射素子を直列に連結してもよい。
【００１７】
前記アレイアンテナにおいて、電力分配部は、給電部に対して少なくとも一つの放射部のインピーダンスを整合させてもよい。
【００１８】
前記アレイアンテナにおいて、電力分配部は、少なくとも一つの放射部に、第１比率で分配された電力を提供する少なくとも一つの第１電力分配部、および、少なくとも一つの第１電力分配部に、給電部から提供された電力を同じ大きさで提供する第２電力分配部を含んでもよい。
【００１９】
前記アレイアンテナにおいて、第１電力分配部のインピーダンスは、第１比率および予め決定されたインピーダンス定数により決定されてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
一実施例によると、高い利得と狭い３ｄＢ放射角特性（ＨＰＢＷ３ｄＢ＝４．０゜）を通じてビームを鋭く形成して特定の感知領域に対する集中監視を行うことができる。また、チェビシェフ配列関数に基づいて水平方向および垂直方向において低いサイドローブレベル（−２０ｄＢ）以下の性能を実現することによって水平および垂直方向に対して均一な感知性能が確保され得る。一実施例によるアレイアンテナ１００において各放射素子に入力される電流の位相が調節されることによってボアサイト方向（ｂｏｒｅｓｉｇｈｔ）に多様な傾きを有するビームが形成されることができ、放射素子の個数を調節することによってビームの幅も制御することができる。また、多様な関数に基づいて各放射素子に対する給電を容易にすることができ、印刷型構造であるため大量生産にも利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１ａ】一実施例によるアレイアンテナの平面図を示した図面である。
【図１ｂ】一実施例によるアレイアンテナの斜視図を示した図面である。
【図２】一実施例によるアレイアンテナに含まれている放射部を示した図面である。
【図３】一実施例による電力分配部を示した図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付した図面を参照して実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。そして、図面において本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体にわたって類似する部分については類似する図面符号を付した。
【００２３】
図１ａは、一実施例によるアレイアンテナの平面図を示した図面であり、図１ｂは、斜視図を示した図面である。
【００２４】
図１ａおよび図１ｂを参照すると、一実施例によるアレイアンテナ１００は、放射部１１０、電力分配部１２０、および給電部１３０を含む。そして、アレイアンテナ１００の放射部１１０、電力分配部１２０、および給電部１３０は、誘電体基板２００および接地面３００の上に配列されてもよい。
【００２５】
放射部１１０は、複数の放射素子１１１および複数の放射素子を直列に連結する給電線１１２を含み、一実施例によるアレイアンテナ１００は、放射部１１０を複数個含んでもよい。放射部１１０は、マイクロストリップ形態に印刷されてもよく、利得およびサイドローブレベル特性などアンテナ設計に関する多様な要求事項に合わせて各放射素子１１１の放射コンダクタンス（ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ、ＧＲ）が調節されてもよい。放射部１１０の給電線１１２は、各放射素子１１１に入力される電流の位相を調節して放射されるビームの傾きを制御することができる。給電線１１２は、予め決定された大きさのインピーダンスを有する線路になってもよく、一実施例による線路のインピーダンスは１００オーム（ｏｈｍ）になってもよい。
【００２６】
電力分配部１２０は、第１電力分配部１２１、第２電力分配部１２２および第３電力分配部１２３を含む。電力分配部１２０は、給電部１３０から提供された電力を放射部１１０に伝達することができる。この時、第１電力分配部１２１は、一定の出力電力比（例えば、−３ｄＢ）を有する均等電力分配器として動作し、第２電力分配部１２２および第３電力分配部１２３は、各放射部１１０に互いに異なる大きさの電力を分配する不均等電力分配器として動作することができる。また、第２電力分配部１２２および第３電力分配部１２３は、給電部１３０に対して放射部１１０のインピーダンスを整合（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｍａｔｃｈｉｎｇ）させてもよい。一実施例によると、第１電力分配部１２１として均等ウィルキンソン（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ）電力分配器が用いられてもよく、第２電力分配部１２２および第３電力分配部１２３として不均等ウィルキンソン電力分配器が用いられてもよい。
【００２７】
給電部１３０は、電力分配部１２０に放射部に提供する電力を伝達することができる。一実施例において給電部１３０は、トランジション（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）構造を利用して同軸線路またはコプレーナ伝送線（ｃｏｐｌａｎａｒ  ｗａｖｅｑｕｉｄｅ、ＣＰＷ）のように多様な給電形態に変更されてもよい。
【００２８】
図２は、一実施例によるアレイアンテナに含まれている放射部を示した図面である。
【００２９】
一実施例による放射部１１０に含まれている複数の放射素子１１１は、ｙ方向に直列に配列されており、複数の放射素子１１１のうち中央に位置した放射素子の大きさが最も大きく、中央から両端に向かうほど放射素子の大きさが小さくなる。この時、各放射素子１１１の大きさは放射コンダクタンスによって決定されてもよい。つまり、大きさが大きい放射素子は大きさが小さい放射素子に比べて大きい放射コンダクタンスを有してもよい。一実施例によるアレイアンテナは、誘電体基板にプリントされる形で製作されてもよいため、各放射素子はｘ方向の長さ（幅）およびｙ方向の長さ（長さ）を有する面として大きさが定義されてもよい。図２を参照すると、一実施例による放射部１１０は、９個の放射素子（Ｅ１ないしＥ９）を含んでおり、放射素子の個数は一実施例によるアレイアンテナの使用目的により決定されてもよい。
【００３０】
一実施例による放射部１１０に含まれている複数の放射素子１１１の放射コンダクタンスは、低いサイドローブレベル特性を有する配列関数により決定されてもよい。一実施例では放射コンダクタンスを決定するためにｙ方向（垂直方向）サイドローブレベルが−２０ｄＢであるチェビシェフ配列関数が用いられた。この時、アレイアンテナ１００の前方（＋ｚ方向）指向特性のためにビームが傾いた角度はｚ軸に対して０度に設計されてもよい。
【００３１】
数式１は、一実施例によるアレイアンテナ１００のアレイファクター（ａｒｒａｙ  ｆａｃｔｏｒ、ＡＦ）であり、数式１およびチェビシェフ配列関数を通じて各放射素子１１１に印加される電流の大きさが計算されてもよい。
【００３２】
【数１】
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【数２】
2019505106.tif 000004
数式１で、ｉは各放射素子１１１に印加される電流であり、ＡＦはΨの関数である。数式２は、Ψを示す。数式１を展開すると下記数式３のように１５個項が計算されてもよい。
【００３３】
【数３】
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数式２で、ｋはビームの波数（ｋ＝２π／λ）であり、ｄは放射素子１１１間の間隔であって、ビームの波長の１／２に定義されてもよい（ｄ＝λ／２）。したがって、各放射素子を連結する給電線（マイクロストリップ線路）１１２の長さは、ビームの半波長（λ／２）に設計されてもよい。この時、各放射素子に入力される電流の位相は０゜であるが、使用環境により要求されるビームの放射角度により各放射素子における電流の位相が調節されてもよい。また、放射素子の個数、利得またはビーム幅も適切に調節されてもよい。下記数式４は、数式１の展開式が整理された式であり、数式５は、８次チェビシェフ配列関数である。
【数４】
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【００３４】
【数５】
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数式４および５で、ｃｏｓ項の係数を比較すると、数式６を得ることができる。
【００３５】
【数６】
2019505106.tif 000008
この時、数式５でｘ０は、放射素子の個数Ｍ（Ｍ＝２Ｎ＋１、一実施例でＮ＝４）とサイドローブレベルにより決定され得る係数Ｒ（Ｒ＝１０−ＳＬＬ／２０、一実施例で垂直方向に適用されたサイドローブレベルは−２０ｄＢであるため、Ｒ＝１０−（−２０）／２０＝１０）により下記数式７により決定されてもよい。
【００３６】
【数７】
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数式６を参照すると、一実施例でＭ＝９、Ｒ＝１０であるため、ｘ０は１．０７０８である。最後にｘ０を数式５に代入すると、各放射素子１１１に印加される電流の大きさが数式８のとおり計算されてもよい。
【００３７】
【数８】
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数式８でｉ０ｎ、ｉ１ｎ、ｉ２ｎ、ｉ３ｎおよびｉ４ｎは、ｉ０の電流大きさを基準に正規化された電流大きさを示している。この時、一実施例で、各放射素子１１１に対して正規化された電流大きさは、垂直方向給電係数である。
【００３８】
下記表１は、数式１に定義されたアレイファクター関数に基づいて計算された一実施例による各放射素子１１１の給電係数と各放射素子１１１のコンダクタンスを示す。一実施例で各放射素子の給電係数は、数式１のアレイファクター関数のｃｏｓ項に対する係数とチェビシェフ配列関数の係数間の係数比較を通じて計算されてもよく、コンダクタンスは給電係数ａ−ｎに基づいて計算されてもよい。数式９は、放射部１１０に含まれているすべての放射素子のコンダクタンス合計を示す。
【００３９】
【数９】
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数式９で、総放射コンダクタンス（Ｇｔ）は、各放射素子１１１の比例定数（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｏｆ  ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｔｙ、Ｋ）および給電係数ａｎに基づいて計算されてもよく、一実施例で、各放射素子１１１の比例定数および給電係数の合計は１である。数式１を通じて計算された各給電係数（ａｎ）に基づいて比例定数を求めると、下記数式１０のとおりである。
【００４０】
【数１０】
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そして、比例定数Ｋ（０．１７８４）を利用すると、各放射素子１１１の正規化された（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）放射コンダクタンスは下記数式１１のとおり定義されてもよい。
【００４１】
【数１１】
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一実施例で、各給電線１１２の特性インピーダンスは、１００［Ω］に決定され、したがって給電線１１２の正規インピーダンス（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  ｉｍｐｅｄｅｎｃｅ）も１００［Ω］に設定される。
【００４２】
【表１】
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表１を参照すると、一実施例による放射素子は、アレイアンテナの利得を高めるために、幅と長さが最適化された。
【００４３】
図３は、一実施例による電力分配部を示した図面である。
【００４４】
一実施例による電力分配部１２０は、各放射部１１０にそれぞれ異なる大きさの電力を分配することができる。電力分配部１２０の第２電力分配部１２２および第３電力分配部１２３で放射部１１０に分配する電力の大きさは、水平方向に−３０ｄＢのサイドローブレベルを有するチェビシェフ配列関数に基づいて計算されてもよい。この時、水平方向のサイドローブレベルは、水平方向の感知性能を向上させることができる大きさに決定されてもよい。
【００４５】
図３を参照すると、電力分配部１２０は、第１電力分配部１２１、第２電力分配部１２２および第３電力分配部１２３−１、１２３−２、１２３−３、１２３−４を含む。電力分配部１２０は、給電部１３０から提供された電力を分配してアレイアンテナ１００の各放射部１１０に電流（ｉｘ１ないしｉｘ８）を印加することができる。
【００４６】
第１電力分配部１２１の抵抗（Ｒ０）を利用して一定の電力を出力する均等電力分配器として動作することができる。
【００４７】
第２電力分配部１２２は、各第３電力分配部１２３−１、１２３−２、１２３−３、１２３−４に互いに異なる電力を出力することができる。
【００４８】
第３電力分配部１２３−１、１２３−２、１２３−３、１２３−４は、各放射部１１０に互いに異なる大きさの電力を分配する不均等電力分配器として動作することができる。この時、第３電力分配部１２３−１、１２３−２、１２３−３、１２３−４は、抵抗（Ｒ１ないしＲ４）および対称的に配置されたインピーダンス（Ｚ１Ｒ、Ｚ'１Ｒ、Ｚ１Ｌ、Ｚ'１Ｌ、Ｚ２Ｒ、Ｚ'２Ｒ、Ｚ２Ｌ、Ｚ'２Ｌ、Ｚ３Ｒ、Ｚ'３Ｒ、Ｚ３Ｌ、Ｚ'３Ｌ、Ｚ４Ｒ、Ｚ'４Ｒ、Ｚ４Ｌ、Ｚ'４Ｌ）を含む。つまり、第３電力分配部のｎ番目ユニット（１２３−ｎ）は、抵抗Ｒ−ｎとインピーダンスＺｎＲ、Ｚ'ｎＲ、ＺｎＬおよびＺ'ｎＬを利用してｎ番目ユニット（１２３−ｎ）に連結された放射部１１０に電力を提供することができる。
【００４９】
垂直方向に配列された各放射素子１１１に印加される電流の大きさを計算した方法と同様な方法で水平方向の各放射部１１０に印加される電流の大きさ（つまり、水平方向給電係数）を数式１２を利用して計算すると、数式１３のとおり水平方向給電係数を得ることができる。
【００５０】
【数１２】
2019505106.tif 000015
【００５１】
【数１３】
2019505106.tif 000016
そして、数式８の垂直方向給電係数と数式１３の水平方向給電係数を利用して計算された、一実施例によるアレイアンテナ１００に含まれている各放射素子に対する給電係数は下記表２のとおりである。
【００５２】
【表２】
2019505106.tif 000017
表２を参照すると、各放射素子１１１の給電係数が示されており、垂直方向に対しては数式８の正規化された垂直方向給電係数が適用され、水平方向に対しては数式１３の水平方向給電係数が適用された。例えば、３列のＥ１に該当する放射素子の給電係数０．５１９４は、３列のＥ５に該当する放射素子の給電係数０．８６３７の０．６０１４倍であり、各列のＥ５に該当する放射素子のうち８列の放射素子の給電係数０．２９１０は１列の放射素子の給電係数の０．１７５０／０．６０１４倍である。
【００５３】
そして、第３電力分配部１２３は、数式１３により水平方向に互いに異なる大きさの電力を分配するが、第３電力分配部１２３に含まれている素子のインピーダンス（ＺｉＲ、ＺｉＬ、Ｚ'ｉＲ、Ｚ'ｉＬおよびＲ）は下記数式１４に基づいて計算されてもよい。
【００５４】
【数１４】
2019505106.tif 000018
数式１４を参照すると、Ｚ０は予め決定されたインピーダンス定数であり、ｋは不均等電力の比率（ｒａｔｉｏ）を示す。一実施例でＺ０は５０オームに設定された。一実施例による第３電力分配部１２３のｋおよびインピーダンスは、下記表３（第１の第３電力分配部１２３−１のｋおよびインピーダンス）、表４（第２の第３電力分配部１２３−２のｋおよびインピーダンス）、表５（第３の第３電力分配部１２３−３のｋおよびインピーダンス）そして、表６（第４の第３電力分配部１２３−４のｋおよびインピーダンス）に示されている。
【００５５】
【表３】
2019505106.tif 000019
【００５６】
【表４】
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【００５７】
【表５】
2019505106.tif 000021
【００５８】
【表６】
2019505106.tif 000022
一実施例によるアレイアンテナ１００は、高い利得と狭い３ｄＢ放射角特性（ＨＰＢＷ３ｄＢ＝４．０゜）を通じてビームを鋭く形成することによって特定の感知領域に対する集中監視を行うことができる。また、一実施例によるアレイアンテナは、チェビシェフ配列関数に基づいて水平方向および垂直方向に対して低いサイドローブレベル（それぞれ−３０ｄＢおよび−２０ｄＢ）を達成することによって水平および垂直方向に対して均一な感知性能を確保することができる。一実施例によるアレイアンテナ１００において各放射素子に入力される電流の位相が調節されることによってボアサイト方向（ｂｏｒｅｓｉｇｈｔ）に多様な傾きを有するビームが形成されることができ、放射素子の個数を調節することによってビームの幅も制御することができる。また、多様な関数に基づいて各放射素子に対する給電を容易にすることができ、印刷型構造であるため大量生産にも利点がある。
【００５９】
以上で本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の多様な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。
【図１ａ】
2019505106.tif 000023
【図１ｂ】
2019505106.tif 000024
【図２】
2019505106.tif 000025
【図３】
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【国際調査報告】
2019505106.tif 000027
2019505106.tif 000028
2019505106.tif 000029
2019505106.tif 000030