As the proximity fuze has been developing to detonate at the height of burst (HOB) point accurately, and the frequency modulated continuous wave (FMCW) radar system of the proximity fuze has studied to detect the target within a blind zone of a short range in the air. For solving the problem, millimeter-wave (mmWave) antennas are required to have superior radio frequency (RF) performances regarding a low-profile design, a broad bandwidth, and wide beam-widths. In this paper, a cavity-backed patch antenna is proposed for detecting the target accurately and widely. For the low-profile and lightweight antenna design, the patch antenna and single layer substrate with 0.508 mm thickness are selected. In order to improve the bandwidth of the antenna, methodology of merging the TM01 mode with the generated 2nd zero mode from loading the shorting pin on the patch antenna is proposed. Furthermore, the cavity-backed structure based on substrate integrated waveguide (SIW) from arrayed conducting via holes connecting the parasitic loop and lower metal plates of the substrate is designed to have a half-power beam-width (HPBW). As the characteristic of the FMCW radar system, a multiple complementary split-ring resonator (MCSRR) between the transmitter (Tx) antenna and the receiver (Rx) antenna is positioned to enhance the isolation. As a leakage signal from the Tx antenna to the Rx antenna is cancelled thanks to the enhanced isolation, the FMCW radar system facilitate to improve the signal to noise ratio (SNR). However, two types of cavity-backed patch antenna for wide HPBW and high isolation are proposed because of trade-off between high isolation and wide HPBW. The proposed cavity-backed patch antenna for wide HPBW has a bandwidth covering 23.3 – 25.8 GHz and has radiation patterns over 100° at operating frequencies of the FMCW radar system in the azimuth plane and the elevation plane, respectively. The proposed cavity-backed patch antenna for high isolation has a bandwidth of 24.1 – 25.9 GHz, and isolation between the Tx antenna and the Rx antenna has a value of -47.1 dB at resonant frequency of the FMCW radar system. Due to excellent RF performances, the proposed cavity-backed patch antenna can be suitable candidate for the proximity fuze.
근접퓨즈는 폭발 높이 지점에서 정확하게 폭발하도록 개발되어 왔으며 근접퓨즈의 FMCW 레이더 시스템은 공중 단거리의 사각지대 내에서 목표물을 탐지할수 있도록 연구해왔습니다. 이 문제를 해결하기 위해 밀리미터파 안테나는 소형화, 광대역 및 넓은 빔폭과 같은 우수한 무선 주파수 성능을 가져야 합니다. 본 논문에서는 대상을 정확하고 광범위하게 탐지하기 위해 캐비티 백 패치 안테나를 제안합니다. 소형화 및 경량 안테나 설계의 경우 0.508mm 두께의 패치 안테나 및 단층 기판이 선택됩니다. 안테나의 대역폭을 개선하기 위해 패치 안테나에 단락 핀을 연결하여 생성된 두번째 영점 모드와 TM01 모드를 병합하는 방법이 제안됩니다. 또한, 기판의 기생 루프와 하부 금속판을 연결하는 구멍을 통해 배열된 전도로부터 SIW (Substrate Integrated Waveguide) 기반으로 하는 캐비티 구조는 넓은 빔폭을 갖도록 설계되었습니다. FMCW 레이더 시스템의 특성으로, 송신안테나와 수신안테나 사이에 다중 상보적 분할 링 공진기(MCSRR)가 배치되어 격리도를 높입니다. 향상된 격리도 덕분에 송신안테나에서 수신안테나로 가는 누설 신호가 감쇄되므로 FMCW 레이더 시스템은 신호 대 잡음 비를 개선할 수 있습니다. 그러나 높은 격리도와 넓은 빔폭 사이의 균형 때문에 넓은 빔폭와 높은 격리도를 위해 두 가지 유형의 캐비티백 패치 안테나가 제안됩니다. 넓은 빔폭 위해 제안 된 캐비티 백 패치 안테나는 23.3 – 25.8 GHz의 대역폭을 가지며 방위면과 고도면에서 FMCW 레이더 시스템의 작동 주파수에서 각각 100°이상의 방사패턴을 갖습니다. 높은 격리도를 위해 제안된 캐비티 백 패치 안테나의 대역폭은 24.1 – 25.9 GHz이며, Tx 안테나와 Rx 안테나 사이의 격리도는 FMCW 레이더 시스템의 공진 주파수에서 -47.1 dB의 값을 갖습니다. 우수한 RF 성능으로 인해 제안된 캐비티 백 패치 안테나는 근접 퓨즈에 적합한 후보가 될 수 있습니다.
