KR100233837B1 - 삼중 사각 루프 슬롯 형태를 갖는 주파수 선택 반사기 - Google Patents

삼중 사각 루프 슬롯 형태를 갖는 주파수 선택 반사기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주파수 선택 반사기에 관한 것으로, 특히 편파에 독립적이고 넓은 입사 각도를 갖는 삼중 사각 루프 슬롯이 주기적으로 배열된 다중대역의 주파수 선택 반사기에 관한 것이다.
통신에 사용되는 안테나중 일반적으로 사용되는 카세그레인 안테나 및 옵셋 파라볼라 안테나는 한 개의 주 반사기를 가지고 있기 때문에 여러 주파수 대역을 사용할 수 없다. 그러나 일종의 여파기 역할을 하는 주파수 선택 반사기(이하 FSS라 함)를 종래의 안테나에 적용함으로써 여러 주파수 대역의 공유가 가능하게 되었다.
본 발명에서는 두 개의 주파수 대는 통과시키고 세 개의 주파수 대는 반사시킴으로써 다중대역을 수용할 수 있도록 하고, 편파에 독립적, 즉 원형 편파의 사용이 가능하도록 삼중 사각 루프 슬롯 형태의 셀을 주기적으로 배열시킨 FSS 구조를 제시한다.

Description

삼중 사각 루프 슬롯 형태를 갖는 주파수 선택 반사기
본 발명은 주파수 선택 반사기에 관한 것으로, 특히 편파에 독립적이고 넓은 입사 각도를 갖는 삼중 사각 루프 슬롯이 주기적으로 배열된 다중대역의 주파수 선택 반사기에 관한 것이다.
FSS는 일종의 여파기로 다중대역 안테나에 사용된다. 통신 분야에서 일반적으로 사용되는 카세그레인 안테나 및 옵션 파라볼라 안테나는 한 개의 주 반사기를 사용하는데 주 반사기는 초점을 하나만 가지고 있으므로 여러 주파수 대역을 사용할 수 없다. 그러므로 FSS를 적용함으로써 여러 주파수 대역의 공유가 가능하도록 할 수 있다.
도 1(a)는 FSS를 적용시킨 카세그레인 안데나의 구성도이고, 도 1(b)는 FSS를 적용시킨 옵셋 파라볼라 안테나의 구성도이다.
제 1 피드 혼(11 및 13)에서 송신된 주파수 f1및 f2는 FSS(15A 및 15B)에서 반사되어 주 반사기에 방사되거나 반대로 수신되고, 제 2 피드 혼(12 및 14)에서 송신된 주파수 f3및 f4는 FSS(15A 및 15B)를 완전히 통과하여 주 반사기에 방사되거나 수신된다. 이로써 안테나 주 반사기는 한 개이지만 4개의 주파수대를 수용할 수 있다. 그러므로 FSS를 사용할 경우에는 하나의 안테나로 여러 주파수 대역을 사용할 수 있는 장점이 있다.
그러나 종래에는 하나의 특정 주파수에 대하여 공진 특성을 이용하였고, 여러 주파수 대를 이용하는 경우 이중 FSS를 이용하였다. 따라서 입사 각도가 비스듬한 경우에는 모든 주파수대에 대하여 원형 편파를 사용할 수 없었다.
그러므로 본 발명은 위와 같은 구성으로 초고주파 지상 안테나 및 위성에 탑재되는 위성용 안테나에 적용되는 다중 대역의 주파수 사용 및 원형 편파의 사용이 가능한 FSS를 제시한다.
본 발명은 다중대역을 수용하며 편파에 독립적, 즉 원형 편파의 사용이 가능하고 반사 및 투과 손실이 적은 저 경량 FSS를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주파수 선택 반사기는, 유전체 슬랩상의 FSS 쉬트 유전체 상부에 삼중 사각 슬롯 루프 형태의 단위 셀이 각 방향에 대하여 주기적으로 배열된 것을 특징으로 한다.
도 1(a)는 FSS를 적용시킨 카세그레인 안데나의 구성도.
도 1(b)는 FSS를 적용시킨 옵셋 파라볼라 안테나의 구성도.
도 2는 FSS 구조의 단면도.
도 3(a)는 본 발명의 FSS 쉬트 구성도(윗면).
도 3(b)는 도 3(a)의 단위 셀을 도시한 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
10A 및 10B : 주 반사기 11 및 13 : 제 1 피드 혼
12 및 14 : 제 2 피드 혼 15A 및 15B : FSS
21 : 유전체 슬랩 22 : FSS 쉬트 유전체
23 : FSS 쉬트 31 : 슬롯
32 : 도체
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 일반적인 FSS의 구성도이다.
일반적인 FSS 구조는 전기적 손실이 없는 유전체 슬랩(21) 및 FSS 쉬트 유전체(22) 상부에 도체 및 슬롯 형태의 FSS 쉬트(23)가 주기적으로 배열되어 있다. FSS 쉬트(23)가 배열되어있는 한 주기를 셀이라 부르며, 셀의 모양은 그 기능에 따라 사각형, 십자형 다이폴 및 원형 등으로 구성되는데, 셀의 모양에 따라 FSS 특성이 좌우된다.
본 발명에서 제시한 FSS의 구조는, 저 경량이면서 기계적 강도를 유지하고 전파의 손실이 없는 유전체면 위에 도 3(a)와 같이 삼중 사각 루프 슬롯이 각 방향으로 주기적으로 배열된 FSS 쉬트가 부착된 구조이다.
도 3(a)는 본 발명의 FSS 쉬트 구성도이고, 도 3(b)는 도 3(a)의 단위 셀을 도시한 구성도이다.
전파가 FSS로 입사될 때 전파의 파장, 주기 및 입사 방향에 따라 FSS 쉬트(23)에 의해 고차 모드 산란파가 발생될 수 있는데, 이 고차 모드 산란파는 원하지 않는 방향으로 방사되어 FSS의 역할을 제대로 수행하지 못하게 한다. 따라서 이러한 고차 모드 산란파를 발생하지 않게 하기 위해서 파장 대 주기의 비율을 2 이상 두면, 파의 방향에 상관 없이 고차 모드 산란파가 발생되지 않는다.
도 2에서 FSS 쉬트(23)를 지지하기 위한 유전체 슬랩(21) 및 FSS 쉬트 유전체(22)는 유전율에 의해 공진 주파수를 변화시키는 역할을 하는데, 도 3(b)와 같이 각 슬롯(31)의 둘레와 각 슬롯(31)간의 상호 결합에 의해 반사되거나 투과되는 공진 주파수가 결정된다. 슬롯(31)의 폭은 각 공진 주파수 대의 대역 폭을 결정하고 슬롯(31)의 둘레는 투과되는 주파수를 결정하는데 관계된다. 따라서 W1과 같이 슬롯(31)의 폭이 좁고 둘레가 작을수록 높은 주파수를 투과 시키며 주파수 대역은 좁아지게 된다. 그러므로 FSS 셀의 슬롯(31)은 실제 통신에서 사용될 주파수와 그 주파수 대역에 따라 그 크기가 결정된다.
본 발명에 의한 FSS 슬롯은(31) 실제 통신에서 사용되는 주파수인 위성 통신용 L, S, Ku, Ka 대역에 대하여 제조된다. 현재 국내 위성통신용 주파수는 Ku 대역과 앞으로 수년내에 사용될 예정인 Ka 대역이 있다. 국내 위성 통신용에 대한 상세 주파수 할당을 보면, Ku 대역인 14/12 ㎓ 대는 상향 주파수가 14.25 ㎓, 하향 주파수가 12.5 ㎓, 대역폭은 500 ㎒, 편파는 선형이다. 또한 사용이 예정된 30/20 ㎓ 대의 Ka 대역은 상향 주파수가 30.485 ㎓, 하향 주파수가 20.755 ㎓, 대역폭은 800 ㎒, 편파는 원형으로 되어 있다. 이러한 위성 통신에 대해서는 다중 대역 및 편파에 독립 즉 원형 편파의 사용 가능 및 넓은 입사 각도를 갖는 FSS가 요구된다.
이와 같은 요구를 만족 시키기위한 FSS는 삼중 사각 루프 슬롯(31)을 이용하여 제조되는데 그 크기 및 제원은 위와 같이 국내 통신용에 사용될 주파수에 의하여 다음과 같이 정해진다. 도 3(b)와 같이 단위 셀의 주기(Tx및 Ty)는 각각 5 ㎜이고 슬롯(31)의 폭(W1, W2 및 W3)은 각각 0.1 ㎜, 0.1 ㎜ 및 0.2 ㎜, 그리고 단위셀의 중심에서 각 슬롯까지의 거리(A1, A2및 A3)는 각각 0.9 ㎜, 1.3 ㎜, 2.1 ㎜가 되도록 제조함으로써, Ku 및 Ka 대역의 주파수가 선택적으로 반사 및 투과 될 수 있다.
또한 도 2에 도시된 유전체 슬랩(21)은 두께가 6 ㎜이고 유전율이 1.05인 유전체를 사용하고, FSS 쉬트 유전체(22)는 두께가 0.06 ㎜이고 유전율이 3.45인 유전체를 사용한다.
이렇게 제조된 FSS를 도 1(a) 및 도 1(b)와 같이 실제의 안테나에 적용시키면, 제 1 피드 혼(11)을 30/20 ㎓ 대용으로 사용하고, 제 2 피드 혼(12)을 14/12 ㎓ 대용으로 사용하여 한 개의 주 반사기로 Ku 및 Ka 대역을 동시에 사용할 수 있다. 이와 같이 반사되는 주파수 대와 투과되는 주파수 대를 피드 혼에 적절히 배치하면 하나의 주 반사기로 여러 대역을 적절히 사용할 수 있게 된다.
한편 원형 편파가 사용될 수 있는지 조사하기 위해 입사파를 전계 성분(TE)과 자계 성분(TM)으로 구분하고, 입사 각도(θ,φ)는 φ = 0 °로 둔 상태에서 θ의 각도에 따라 반사 및 투과 손실을 측정하였다.
하기 표 1은 각도별 TE 및 TM 파의 반사 손실이다.
(단위 : dB)
각 도 12.5 ㎓ 14.25 ㎓ 24.5 ㎓
TE TM TE TM TE TM
0 도 0.41 0.41 0.04 0.04 0.01 0.01
10 도 0.43 0.41 0.04 0.04 0.01 0.01
20 도 0.46 0.42 0.03 0.03 0.01 0.02
30 도 0.47 0.42 0.02 0.02 0.04 0.04
40 도 0.50 0.42 0.02 0.02 0.10 0.10
하기 표 2는 각도별 TE 및 TM 파의 투과 손실이다.
(단위 : dB)
각 도 3.0 ㎓ 20.755 ㎓ 30.485 ㎓
TE TM TE TM TE TM
0 도 0.14 0.14 0.01 0.01 0.01 0.01
10 도 0.13 0.14 0.01 0.01 0.01 0.01
20 도 0.12 0.14 0.01 0.01 0.03 0.01
30 도 0.10 0.15 0.01 0.01 0.13 0.01
40 도 0.08 0.17 0.01 0.01 0.20 0.01
표 1 및 표 2의 결과와 같이 TE 및 TM파에 대해 반사 및 투과 손실은 거의 비슷하며, 입사 각도에 따른 손실도 매우 적게 변화됨을 알 수 있다. 즉, 원형 편파를 사용할 수 있으며 유효 입사 각도가 큼을 의미하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 반사되는 주파수 대와 투과되는 주파수 대를 피드 혼에 적절히 배치하면 하나의 주 반사기로 여러 대역을 동시에 사용할 수 있게 된다. 또한 편파에 독립적 즉 원형 편파를 사용할 수 있고 입사 각도가 넓기 때문에 국내 위성 통신용으로 바로 사용될 수 있어 안테나 시스템의 비용 및 설치 면에서 기대 효과가 매우 크다.

Claims (4)

  1. 유전체 슬랩상의 주파수 선택 반사기 쉬트 유전체 상부에 삼중 사각 슬롯 루프 형태의 단위셀이 각 방향에 대하여 주기적으로 배열된 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 슬랩의 두께는 6 ㎜, 유전율은 1.05 이고, 상기 주파수 선택 반사기 쉬트 유전체의 두께는 0.06 ㎜, 유전율은 3.45 인 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위 셀은 가로 세로의 길이가 각각 5 ㎜인 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼중 사각 슬롯 루프의 슬롯 폭은 각각 0.1 ㎜, 0.1 ㎜ 및 0.2 ㎜ 이고, 단위셀의 중심에서 각 슬롯 까지의 거리는 각각 0.9 ㎜, 1.3 ㎜, 2.1 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 주파수 선택 반사기.
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