KR100329131B1 - 폴디드 접합을 이용한 박스혼 어레이 구조 - Google Patents

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Abstract

반전된 박스혼 안테나 어레이(10)는 단일 금속 및 전력 분배기의 후면에 고정된 금속 평탄 쉬트로부터 제조된 전력 분배기(11)를 포함한다. 전력 분배기는 실질적으로 동일한 반전된 박스혼 서브어레이(20)들 사이에 연결된 다양한 도파관 접합부들(14-16)을 이용하여 제조된다. 접합부들은 입력 포트(12a)로부터 전력 분배기로 에너지를 연결하기 위한 중앙 매직 티 접합부(14)를 포함한다. 교번하는 폴디드 분로 및 폴디드 직렬 티 접합부(15, 16)는 중앙 직렬 접합부에 의해서 연결되는 전력을 반전된 박스혼 서브어레이들로 보내는 데 사용된다. 특별하게 크기가 정해진 폴디드 분로 및 직렬 티 접합부들은 반전된 박스혼 서브어레이에서 사용된다. 도파관 매칭 부하(27)는 서브어레이들의 반전된 박스혼 방사기 각각의 사이에 있는 도파관 내에 접합된다. 완전한 기능을 가진 안테나 조립체(30)는 반전된 박스혼 안테나 어레이의 방사 소자들(13)의 정면에 배치된 레이돔 덮개(18b), 직교 교정 플레이트(18a), 및 트위스트 편파기(18c)를 포함한다.

Description

폴디드 접합을 이용한 박스혼 어레이 구조{BOXHORN ARRAY ARCHITECTURE USING FOLDED JUNCTIONS}
한 종래의 안테나 어레이는 박스혼 어레이로서 공지되었는데, 이 박스혼 어레이는 실시간 지연 도파관 통합 전력 분배기로부터 공급되는 제형배치(echelon)형 어레이 또는 직사각형 어레이로 배치된 박스혼 안테나 소자들을 특정하게 배열한 것이다. 박스혼 안테나 소자는 E-평면에서 나팔형으로 벌어질(flare) 수 있다. 박스혼 어레이의 크기를 감소시키기 위해 유전체 부하가 사용될 수 있다. 또한, 박스혼 어레이는 다수의 어레이를 사용하여 형성될 수 있다. 보통은 균일하게 여기되지만, 테이퍼(tapered) 진폭 및 위상 설계가 이용될 수 있다. 박스혼 어레이에 의해 생성된 메인 빔은 모든 주파수에서 어레이의 면에 직각이므로, 이 어레이는 어떠한 빔 스퀸트(squint)도 갖지 않는다. 박스혼 소자는 처음에 제2차 세계 대전 동안 개발되었고, 그 설계 파라미터들은 표제가 Microwave Antenna Theory and Design (McGraw-Hill이 1949년 발행) 인 S.Silver 저서의 377-380면에 보고되었다.
박스혼 어레이는 어레이의 기본 축들 중 하나를 따라 선형적으로 편파된다. 저 사이드로브(sidelobe) 가시 거리 극초단파 통신 어플리케이션에서, 상기 어레이는 전형적으로 45도 전송형 트위스트 편파기를 구비한다. 이러한 편파기는 편파 평면을 대각 평면으로 회전시킨다. 어레이가 수평 지향된 대각선으로 배치되어 있을 때, 수평 평면 사이드로브들이 크게 개선되고, 그 결과로 안테나는 수평 평면 사이드로브에 대한 국제적 표준 요구에 부합한다. 상기 박스혼 어레이의 주파수 범위는 통상 2-40 GHz이다. 대역폭이 12 퍼센트까지 수용될 수 있다.
통상적으로, 박스혼 어레이는 두 가지 금속 소자 즉, 박스혼 안테나 소자를 포함하는 한 개의 어레이 면과 한 개의 전력 분배기를 포함한다. 이 경우, 두 가지 소자는 나사로 함께 고정된다. 이것은 표준 박스혼 어레이로서 공지되었으며, 본 명세서에 표준 박스혼 어레이라고 한다. 그러나, 어떤 어플리케이션에서는, 박스혼 어레이의 크기를 더 감소시키는 것이 바람직할 것이다.
게다가, 박스혼 어레이의 핵심은 전력 분배기 (또는 결합기)이다. 35-43 dB 범위의 이득을 갖는 전형적인 박스혼 어레이에서는 512-웨이(way) 내지 4,096-웨이의 전력 분배기가 요구된다. 상기 분배기의 설계 및 제조는 종래의 박스혼 어레이의 성능, 제조 허용차, 및 생산 비용 면에서 매우 큰 단점이 있다. 여기에 사용되는 전력 분배기의 복잡도를 최소화시키는 박스혼 안테나 구조를 갖는 것이 바람직할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 박스혼 어레이가 가진 단점을 극복한 반전된 박스혼 안테나 어레이를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 표준 박스혼어레이와 비교하여 크기가 감소된 반전된 박스혼 안테나 어레이를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 전력 분배기의 복잡도를 최소화시킨 반전된 박스혼 안테나 어레이를 제공하는 것이다.
본 발명은 일반적으로 안테나 어레이에 관한 것으로, 보다 자세히는, 반전된 박스혼(boxhorn) 안테나 어레이에 관한 것이다.
본 발명의 다양한 특성들과 장점들이, 유사한 참조 번호가 유사한 소자를 가리키는 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조로 하여 보다 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리에 따른 덮개가 제거된 반전된 박스혼 안테나 어레이 일부의 배면도.
도 2는 도 1의 반전된 박스혼 안테나 어레이의 정면도.
도 3a 및 3b는 각각 반전된 박스혼 안테나 어레이에 사용되는 예시적인 8-박스혼 반전된 서브어레이의 배면도 및 측단면도.
도 4a 및 4b는 각각 반전된 박스혼 안테나 어레이에 사용되는 중앙 직렬 접합의 배면도 및 측단면도.
도 5a 및 5b는 각각 반전된 박스혼 안테나 어레이에 사용되는 제1 폴디드 직렬 접합의 배면도 및 측단면도.
도 6a 및 6b는 각각 반전된 박스혼 안테나 어레이에 사용되는 폴디드 분로 접합의 배면도 및 측단면도.
도 7a 및 7b는 각각 반전된 박스혼 안테나 어레이에 사용되는 제2 폴디드 직렬 접합의 배면도 및 측단면도.
도 8a 및 8b는 각각 반전된 박스혼 안테나 어레이에 사용되는 제1 폴디드 직렬 접합의 배면도 및 측단면도.
도 9는 본 발명에 따른 예시적인 완성된 안테나 조립체의 측면도.
상기 목적들 및 그 외의 목적들을 달성하기 위해서, 본 발명은 두 가지 소자로 구성된 반전된 박스혼 안테나 어레이를 제공한다. 제1 소자는 어레이의 방사면을 포함하고, 단일 금속 소자로 구성된 전력 분배기를 포함한다. 제2 소자는 어레이를 완성하기 위해 전력 분배기의 후면에 나사로 고정된 금속 평탄 쉬트(sheet)를 포함한다.
전력 분배기는 실질적으로 동일한 반전된 박스혼 서브어레이들 사이에 연결된 여러 가지 다른 접합들을 이용하여 제조된다. 이 접합들은 전력 분배기의 2개의 입력 경로를 따라 금속의 평탄 쉬트에서 단일 입력 포트로부터의 에너지를 연결(coupling)하기 위한 중앙 직렬 접합을 포함한다. 다수의 제1 폴디드 직렬 접합은, 전력 분배기의 2개의 상반된 횡단 경로를 따라 중앙 직렬 접합으로 연결된 전력을 이동시키는데 이용된다. 폴디드 분로 접합은 반전된 박스혼 서브어레이들 사이의 접합들에 배치된다. 다수의 제2 폴디드 직렬 접합은 반전된 박스혼 서브어레이의 반전된 박스혼 방사기로 에너지를 연결하는데 이용된다. (페라이트 또는 다른 저항성 재료를 포함하는) 도파관 매칭 부하는 반전된 박스혼 서브어레이의 반전된 박스혼 방사기들 각각의 사이에 있는 전력 분배기의 도파관 채널들 내에 본딩된다.
박스혼 소자들의 H-평면 폭은 그 소자 패턴에 중요하다. 정상적으로는, 그폭이 어플리케이션의 소정의 주파수로 고정되어, 전체 어레이의 H-평면 폭을 고정한다. 박스혼 어레이의 유전체 부하는, 박스혼 어레이에서 전파되는 유일한 모드인 TE10및 TE30모드에서 다른 전파 속도가 된다.
예를 들어 1.05 내지 1.10의 상대 유전율을 갖는 폼(foam)과 같은 저 유전체 상수 재료가, 상대 유전율의 대략 역 제곱근만큼 어레이의 폭을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 기술은 어레이가 특정 크기 및 체적 요건을 충족시키도록 치수를 정하는 것을 가능하게 한다.
본 발명은, 상업적으로 이용가능한 포물면 접시 안테나보다 크기가 상당히 더 얇고 보다 저가인 안테나를 제조하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 이러한 구조는 소형이며 콤팩트한 안테나가 이득, 빔폭, 사이드로브, 및 백로브(backlobe)의 규제 요건을 충족시키는 것을 가능하게 한다. 본 발명은 또한 심미적인 무선 설치를 요구하는 환경에 설치되는 경우 컴팩트하고 물리적으로 눈에 띄지 않는다.
본 발명은 본 발명의 양수인에 의해 개발된 무선 제품들에 사용될 수 있다. 이러한 무선 제품의 구별되는 특성들 중 하나는 무선 제품과 일체화된 소형 평탄 프로파일 안테나이다. 이러한 특성은 경쟁하고 있는 제품들에서 현재 발견되지 않는 것이다. 특정 무선 제품에 대한 고객의 제조업자 선택은 성능 및 심미적 매력에 기초한다. 본 발명은 상기 평가 기준 모두를, 무선 제품에 제공되는 안테나에 구체화하는 것을 가능하게 한다.
도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 원리에 따른 반전된 박스혼 조립체의 어레이(10) 일부의 배면도를 도시한다. 도 2는 도 1의 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)의 전면도를 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)는 전체 치수가 각각의 측면에서 13.344 인치이고, 두께는 0.849 인치이다.
반전된 박스혼 안테나 어레이(10)는 전력 분배기(11), 및 전력 분배기(11)의 후면(19a)에 나사로 고정된 입력 포트(12a)를 내부에 갖는 금속 평탄 쉬트로 구성된 덮개(12)를 포함한다. 전력 분배기(11)는 어레이(10)의 방사면을 형성하는 전면(19b) (도 2)을 가지며, 다수의 안테나 방사 소자(13), 또는 박스혼 방사기(13) (예를 들어 512개)를 포함한다. 전력 분배기(11)는 한 종류의 금속으로 구성된다. 전력 분배기(11)는, 실질적으로 동일한 8-박스혼 반전된 서브어레이(20)들 사이에 연결된 여러 가지 다른 도파관 티(tee) 접합부(14, 15, 16)를 이용하여 제조된다.
도파관 티 접합부(14-16)는 전력 분배기(11)의 2가지 입력 경로를 따라 덮개(12, 금속 평탄 쉬트)에서 단일 입력 포트(12a)로부터의 에너지를 연결하기 위한 중앙 매직 티 접합부(14)를 포함한다. 다수의 제1 폴디드 직렬 도파관 접합부(15a)는 전력 분배기(11)의 2가지 대향 횡단 경로를 따라 중앙 매직 티 접합부(14)로부터 전력을 이동시키는 데 이용된다. 도 3a 및 3b는 예시적인 8-박스혼 반전된 서브어레이(20)를 도시한다. 페라이트 또는 다른 저항성 재료를 포함하는 도파관 매칭 부하(27)는 전력 분배기(11)의 도파관 채널, 특히 8-박스혼 반전된 서브어레이(20)의 반전된 박스혼 방사기(13) 각각의 사이에 선택적으로 배치된다. 여러 가지 도파관 접합부(14, 15, 16) 및 부하(27)가 도 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 및 8에 도시되었으며, 이들을 참조하여 보다 상세히 설명할 것이다.
보다 자세히 말하자면, 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)는 512-웨이 유닛의 본 실시예에서 다음과 같이 일련의 도파관 접합부들(14-16)을 사용하여 만들어진다. 제1 접합은 분로 포트(17b)에 도파관 부하(27)를 갖는 중앙 매직 티 접합부(14)이다. 중앙 매직 티 접합부(14)는 RF 전력을 반으로 분배한다 (즉, 1:2 전력 분배기). 매직 티 접합부(14)의 한 직렬 아암(arm, 14c)에서, 90도 위상 이동 소자(18)는 직사각형 도파관부에 설치된다. 바람직하게는, 90도 위상 이동 소자(18)는 비교적 적은 비용의 유전체 플레이트형 위상 이동 소자(18)이다. 반대편 직렬 아암(14d)에서는, 도파관에 어떤 것도 배치되지 않는다.
그 다음, 전력 분배기는 1:64의 비율로 전력을 분배하도록 수행된다. 다음 전력 분배에서는, 제1 폴디드 분로 티 접합부(15a)가 (1/2)*(1/2) = 1:4로써 전력을 분배하는 데 사용된다. 이것은 2곳에서 수행된다. 다음 분배에서는, 제1 폴디드 직렬 티 접합부(16a)가 전력을 1:8로 분배한다 (4곳). 다음 분배에서는, 제2 폴디드 분로 티 접합부(15b)가 전력을 1:16로 분배한다 (8곳). 다음 분배에서는, 제2 폴디드 직렬 티 접합부(16b)가 전력을 1:32로 분배한다 (16곳). 다음 분배에서는, 제3 폴디드 분로 티 접합부(15c)가 전력을 1:64로 분배한다 (32곳).
상기 접합형들 중 임의의 접합형을 이용하여 이루어지지만 반사 감쇠량을 최적화하기 위해 약간 수정된 내부 치수를 갖는 3가지 후속 분배(subsequent divisions)가 있다. 이러한 약간의 변형은, 근접하게 간격을 둔 접합부들 간의 복잡한 전자기적 상호 작용으로 인해 필요하다. 다음 분배에서는, 제1 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16c)가 전력을 1:128로 분배한다 (64곳). 다음 분배에서는, 특수 폴디드 분로 티 접합부(15d)가 전력을 1:256으로 분배한다 (128곳). 다음 분배에서는, 제2 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16d)가 전력을 1:512로 분배한다 (256곳). 그 다음, 제2 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16d)의 측면 아암(15d-2)이 박스혼 방사기(13)의 바닥에서 개구부(13a) (도 2)에서 종결된 단일-리지(single-ridged) 도파관(19)을 여기시킨다. 접합부들(14, 15a, 15b, 15c, 15d, 16a, 16b, 16c, 16d) 각각의 치수 및 24.5-25.5 GHz의 예시적인 동작 주파수 범위에 대한 반전된 서브어레이(20)의 치수가 표 1에 나타나 있다.
이제 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도 3a 및 도 3b는 각각 도 1 및 도 2에 도시된 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)에 사용되는 예시적인 8-박스혼 반전된 서브어레이(20)의 확대된 배면도 및 측단면도를 도시한다. 각각의 8-박스혼 반전된 서브어레이(20)는 8개의 박스혼 방사기(13), 4개의 제2 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16d), 2개의 특수 폴디드 분로 티 접합부(15d), 및 하나의 제1 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16c)를 포함한다.
박스혼 어레이(20)는, 도파관의 일부에 의해 상호 연결된 폴디드 직렬 및 분로 도파관 접합부(14-16)의 래버린스(labyrinth)인 실시간 지연 도파관 통합 전력 분배기(11)(도 1)를 이용한다. 폴디드 구조는, 전체 전력 분배기(11)가 단일 금속편으로부터 가공(machining)이나 주조를 통해 제조되도록 하는데 이용될 수 있어, 저비용에 기여한다. 또한, 폴딩(folding)은 안테나의 바람직한 얇은 형태에 기여하여, 중량을 감소시킨다. 가장 바람직한 실시예에서, 각각의 도파관 접합부(14-16)는, 공통 포트 상에 발생하는 전력을 2개의 다른 포트에 동일하게 분배한다.
출력 아암들 간의 동일하지 않은 전력 분배가 이루어질 수 있지만, 본 안테나(10)의 바람직한 실시예들에 있어서 균일하게 제공된 어레이와 연관된 높은 이득이 바람직하기 때문에 수행되지 않는다. 폴디드 도파관 티 접합부(14-16) 모두는 저전압 정재파비(VSWR : voltage standing wave ratio)에 대해 신중히 최적화되었다. 각각의 도파관 접합부(14-16)는 12 퍼센트 주파수 대역폭에 걸쳐 23 dB 반사 감쇠량보다 더 나은 반사 감쇠량을 가진다.
따라서, 전형적인 512-웨이 전력 분배기(11)에서는, 9개의 연속적인 도파관 접합부(14-16)가 사용된다. 이러한 접합부는 중앙 매직 티 접합부(14), 제1 폴디드 분로 티 접합부(15a), 제1 폴디드 직렬 티 접합부(16a), 제2 폴디드 분로 티 접합부(15b), 제2 폴디드 직렬 티 접합부(16b), 제3 폴디드 분로 티 접합부(15c), 제1 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16c), 특수 폴디드 분로 티 접합부(15d), 및 제2 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16d)를 포함한다. 전력 분배기(11)의 실시간 지연 특성으로 인해, 모든 도파관 접합부(14-16)로부터 반사된 신호는 모든 다른 도파관 접합부(14-16)의 위상으로 어레이(10)의 입력 포트(12a)에 도달한다. 이러한 효과로 입력 포트(12a)에서 고전압 정재파비(VSWR)가 유발된다. 그러므로, 다른 수단이 이용되지 않으면, 저 VSWR 사양을 충족시키기 위해 극히 낮은 전압 정재파비가 각각의 도파관 접합부(14-16)에서 필요하다.
예를 들어, 1.5:1의 어레이(10)의 입력 포트(12a)에서의 최대 VSWR에 대하여, 512-웨이 전력 분배기(11)는 약 1.51/9= 1.046의 VSWR을 갖도록 각각의 도파관 접합부(14-16)를 필요로 한다. 이것은 33 dB의 반사 감쇠량과 동일하다. 4,096-웨이 전력 분배기(11)에서, 36 dB의 도파관 접합 반사 감쇠량이 요구된다. 임의의 실질적인 RF 대역폭 요건과 함께, 상기의 저 접합 전압 정재파비의 달성을 실제로 이루는 것은 사실상 불가능하게 된다.
그럼에도 불구하고, 잘 매칭된 도파관 접합부(14-16)는 어레이(10)에 양호한 효율로 제공하는 데 필요하다. 안테나(10)에 사용되는 유일한 폴디드 도파관 접합부(14-16)를 이하 상세히 설명한다. 다단(cascade) 접합부(14-16)가 서로 전기적으로 닫혀 있기 때문에, 이렇게 특별하게 설계된 접합부(14-16)가 서브어레이(20)에서 사용된다. 복잡한 경계 조건을 충족시키는 데 필요한 전자기 전계 모드는 접합부(14-16)들 간의 중요한 상호 작용을 일으키고, 오직 접합부(14-16) 기능의 치수만으로 비교할 때, 접합부들 각각의 매칭 장치들의 치수에 변화가 요구된다. 24.5-25.5 GHz의 주파수 범위에서의 특정 치수가 표 1에 나타나 있다. 도파관 접합부(14-16) 전부는 프로토타이핑(prototyping) 목적으로 컴퓨터 수치 제어(CNC) 밀링(milling) 머신을 사용하여 금속으로부터 용이하게 기계 가공되고, 피복 주조 처리를 이용하여, 전부 금속으로 주조된다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 도 4a 및 4b는 각각 도 1의 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)에 사용되는 중앙 매직 티 접합부(14)의 확대된 배면도 및 측단면도를 도시한다. 중앙 매직 티 접합부(14)는 어레이(10)의 입력 포트(12a)에서 사용된다. 중앙 매직 티 접합부(14)는 중앙 매직 티 접합부(14)의 공통 아암(14b) (또는 분로 포트(14b))과 대향하는 폭이 넓은 도파관 벽상에 위치하는 (점선의 박스로 둘러싸여 도시된) 4단 임피던스 변압기(14a)를 포함한다. 중앙 매직 티 접합부(14)의 반사 감쇠량은 설계 주파수 대역에 걸쳐 23 dB보다 양호하다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 도 5a 및 5b는 각각 도 1의 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)에 사용되는 제1, 제2, 및 제3 폴디드 분로 티 접합부(15a, 15b, 15c)의 확대된 배면도 및 측단면도를 도시한다. 폴디드 분로 티 접합부(15a, 15b, 15c) 각각은 출력 포트(15a-2)의 축에 대해 90도 회전된 공통 포트 또는 아암(15a-1)을 가져서, 그 구조를 폴딩한다. 매칭 장치는 출력 아암(15a-2) 내에서 티 접합부(15a-4)에 인접한 한 쌍의 조리개(15a-3), 및 공통 아암(15a-1) 내의 3단 임피던스 변압기(15a-5)를 포함한다. 제1, 제2, 및 제3 폴디드 분로 티 접합부(15a, 15b, 15c) 각각의 반사 감쇠량은 설계 주파수 대역에 걸쳐 23 dB보다 바람직하다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 도 6a 및 6b는 각각 도 1의 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)에 사용되는 제1 및 제2 폴디드 직렬 티 접합부(16a, 16b)의 확대된 배면도 및 측단면도를 도시한다. 폴디드 직렬 티 접합부(16a, 16b) 각각은 출력 포트(16a-2) 또는 아암(16a-2)의 축에 대해 90도 회전된 공통 또는 분로 포트(16a-1) 또는 아암(16a-1)을 포함하여, 그 구조를 폴딩한다. 매칭 장치는 각각의 출력 아암(16a-2)에 위치하는 임피던스 변압기(16a-3) 및 공통 아암(16a-1)에 배치된 용량성 조리개(16a-4)를 포함한다. 제1 및 제2 폴디드 직렬 티 접합부(16a, 16b)의 반사 감쇠량은 설계 주파수 대역에 걸쳐 23 dB보다 양호하다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 도 7a 및 7b는 각각 도 1의 반전된 박스혼 안테나어레이(10)에 사용되는 제1 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16c)의 확대된 배면도 및 측단면도를 도시한다. 반전된 서브어레이(20)에 사용되는 제1 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16c)는 출력 포트(16c-2) (출력 아암(16c-2))의 축에 대해 90도 회전된 공통 포트(16c-1) (공통 아암(16c-1))로 구성되어, 그 구조를 폴딩한다. 매칭 장치는 한 쌍의 포스트(16c-3) 및 공통 아암(16c-2)의 3단 임피던스 변압기(16c-4)를 포함한다.
도 7c 및 7d를 참조하면, 도 7c 및 7d는 각각 도 1의 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)에 사용되는 제2 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16d)의 확대된 배면도 및 측단면도를 도시한다. 반전된 서브어레이(20)에 사용되는 제2 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16d)는, 공통 포트(16d-1) (공통 아암(16a-1))가 출력 포트(16d-2) (출력 아암(16a-2))의 축에 대해 90도 회전된 직렬 티를 포함하며, 그 구조를 폴딩한다. 매칭 장치는 박스혼 방사기(13)로의 입구에 인접한 한 쌍의 포스트(16d-3) 및 공통 아암(16d-2)의 2단 임피던스 변압기(16d-4)를 포함한다. 제2 특수 폴디드 직렬 티 접합부(16d)의 치수가 도 3a 및 3b를 참조하여 표 1에 나타나 있다.
박스혼 안테나(10)의 역설계에서, (박스혼 방사기(13) 각각에 인접한) 제2 특수 폴디드 직렬 접합부(16d)의 출력 아암(16d-2)은 90도 더 회전된다. 그 다음, 이러한 아암(16d-2)은 각각의 박스혼 방사기(13)의 기저에 위치하는 개구부(13a) 또는 피드 슬롯(13a) (도 9)에 접속한다. 각각의 아암(16d-2)은 단면의 단일-리지 도파관이며, 이러한 리지는 매칭 포스트(16d-3)를 형성하기 위해 확장된다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 도 8a 및 8b는 각각 도 1의 반전된 박스혼 안테나어레이(10)에 사용되는 특수 폴디드 분로 티 접합부(15d)의 확장된 배면도 및 측단면도를 도시한다. 특수 폴디드 분로 티 접합부(15d)는 출력 포트(15d-2)의 축에 대해 90도 회전된 공통 포트 또는 아암(15d-1)을 가져서, 그 구조를 폴딩한다. 매칭 장치는 출력 아암(16a-2)의 티 접합부(16a-4)에 인접한 한 쌍의 조리개(15d-3) 및 공통 아암(15d-1)의 3단 임피던스 변압기(15d-5)를 포함한다. 제1 폴디드 직렬 티 접합부(16a)의 반사 감쇠량은 설계 주파수 대역에 걸쳐 23 dB보다 바람직하다.
박스혼 방사기(13)는 전력 분배기(11)의 방사면에서 형성되고, 도 2에 도시되어 있다. 이러한 소자가 보다 큰 어레이(10)에서 사용될 때, 표 1에 주어진 박스혼 방사기(13)의 치수는 H-평면 격자 로브가 최적으로 억제된다. 8-박스혼 반전된 서브어레이(20)에 대한 일소된(swept) 반사 감쇠량은 18 dB보다 양호하다.
모든 실시간 지연 어레이의 고유의 VSWR이 높기 때문에, 어레이(10)의 소자들은 어레이(10)의 전체 VSWR을 감소시키는 데 이용되었다. 제1 소자는 매직 티 접합부(14)이다. 매직 티 접합부(14)는 어레이(10)의 전체 VSWR을 감소시키는 4-포트 도파관 접합이다. 이것은 도 1에 도시된 바와 같이 중앙 매직 티 접합부(14)에 각각의 단부에서 분로 접합을 갖는 분로 아암(14b)에 의해 수행된다.
정상적인(nominal) 90도 위상 이동 소자(18)가 중앙 매직 티 접합부(14)의 하나의 출력 아암(14c)에 부가될 때, 중앙 매직 티 접합부(14)의 출력 아암(14c, 14d)으로부터의 2개의 반사 신호가 그 분로 아암(14b)에서의 위상으로 도달한다. 만일 분로 아암(14b)이 도파관 매칭 부하(27)를 포함한다면, 반사된 신호는 분로 아암(17b)의 분로 포트에 연결되고, 어레이(10)의 입력 포트(12a)에 나타나지 않으며, 어레이(10)의 외견상의 VSWR은 감소된다.
이러한 방법의 한 가지 효과는, 중앙 매직 티 접합부(14)의 출력 아암(14c, 14d)에 의해 공급된 2개의 어레이(10)의 절반부들은 직교 위상(90도)으로 공급된다는 것이다. 이로부터 빔 기울기가 수직선으로부터 떨어진 어레이(10)에 의해 생성된다. 빔 기울기는 전형적으로 (대부분의 어레이에서 1도보다 작은) 약 0.5 빔폭이다. 이러한 기울기는 빔을 적절히 가리킴으로서 안테나 어레이(10)의 설치에서 용이하게 보상된다. 직교 위상 이동이 중앙 매직 티 접합부(14)의 한 출력 아암에서 단순한 도파관 경로 길이 변화에 의해 이루어질 때, 주파수와 함께 빔 기울기 변화는 매우 작다. 그러므로, 실제적인 목적을 위해서, 어레이(10)는 스퀸트되지 않는다. 이러한 VSWR 완화 방법의 통신망 결과는 고 VSWR로 인한 정합되지 않은 감쇠량이 중앙 매직 티 접합부(14)의 (제4) 분로 포트(17b)에서의 매칭 부하(27)의 소비 감쇠량에 의해 대체된다는 것이다.
제2 방법은 직교 교정 플레이트 빔 기울기 보상(compensation)을 이용하는 것이다. 원한다면, (일반적으로 도 1에 도시된) 유전체 플레이트(18a)는 직교 위상 이동을 보상하기 위해 하나의 어레이(10)의 절반부에 걸쳐 배치될 수 있다. 이것은 빔 기울기를 0까지 감소시키고, 제1 사이드로브를 대칭으로 만듬으로써 방사 패턴을 향상시킨다. 무반사 반파 플레이트로 빔의 완벽한 보상을 수행하기 위해서는, 4.0의 유전 상수가 필요하다.
실제로, 예컨대 약 2.75의 유전체 상수를 가진 렉산 폴리카보네이트(Lexan polycarbonate)와 같은 다소 낮은 유전체 상수 재료가 이용될 수 있다. 이러한 재료의 반파 벽(wall)은 약 70도의 삽입 위상 지연을 가진다. 이 경우, 설계자는 2가지 선택를 할 수 있다. 제1 선택은, 90도 위상 이동 소자(18) 및 70도만큼 위상을 이동시키는 유전체 플레이트(18a)를 이용하여 0.2도의 전형적인 빔 스퀸트 및 0.1의 전형적인 빔 스퀸트/고 전력 대역폭(HPBW)을 산출함으로써 이상적으로 VSWR을 완화시키는 것이다. 제2 선택은, 70도 위상 이동 소자(18) 및 약 70도만큼 위상을 이동시키는 유전체 플레이트(18a)를 이용하여 0도의 전형적인 빔 스퀸트 및 0의 전형적인 빔 스퀸트/HPBW를 산출함으로써 VSWR 완화가 약간 감소된다. 그러므로, 선택들 중 어느 선택이든 빔 기울기 보상에 대한 실제적인 해법을 제공하며, 충족되어야 할 사양에 따라 이들 모두가 허용할 수 있다.
박스혼 어레이(10)로부터의 방사기 패턴은 안테나 이론으로부터 용이하게 결정된다. 어레이(10)에서, 전체 패턴은 박스혼 방사기(13) 및 어레이 인자의 계(field) 패턴의 산물이다. 어레이 인자는 어레이 소자로부터의 모든 신호의 복잡한 부가를 설명하는 표현(expression)이다. 전체 패턴은 박스혼 방사기(13)의 패턴에 의해 결정된다. 만일 박스혼 방사기(13)가 E-평면에서 플레어된다면, 어레이(10)의 크기는 확장될 수 있다. 그러나, 박스혼 방사기(13)의 소자 패턴에서의 제한으로 인해, 소정의 주파수 대역만큼 간격을 둔, 고정된 H-평면 소자가 있다.
그러므로, 박스혼 어레이(10)는 상대적으로 고정된 크기를 가진다. 실시간 지연 전력 분배기(11)로, 2진수의 소자를 가진 어레이들만이 이용될 수 있고, 어레이 치수는 계수 크기 내에서만 이용가능하다. 예를 들어, 512개의 소자군은 당연히 H-평면에서 16개의 소자와 E-평면에서 32개의 박스혼 방사기(13)를 가진다. E-평면 어레이 치수는 근접하게 간격을 둔 E-평면 구성의 어레이 치수로부터 약 15 퍼센트만큼 확장될 수 있다. 15 퍼센트보다 더 큰 확장은 이후의 이득 손실 및 높은 사이드로브와 함께 E-평면에서의 격자 로브들을 유발하므로, 설계 시에서는 피하게 된다.
박스혼 방사기(13)는 소자 패턴 널(null)을 H-평면 제1 격자 로브각에 위치시키도록 치수가 정해진다. 이 각을 '세타 G(ThetaG)'로 칭하며, 식
SIN(ThetaG) = 0.5 * 파장 / 박스혼 피치
으로 주어진다. 여기서, 박스혼 피치는 박스혼의 내부 폭에 H-평면 벽 두께를 합한 것이고, 파장은 동일한 치수로 나타난다.
<배경기술>에서 언급된 참고 자료인 Silver 저서는 박스혼 패턴이 파라미터들 - H-평면 폭, 피드 슬롯 폭, 박스혼 깊이 및 박스혼의 내부 코너 반경 - 로부터 계산된다는 것을 개시하였다. 이 계산은 소자 패턴 널이 이러한 파라미터들의 적절한 선택에 의해 ThetaG 격자 로브각에 위치될 수 있다는 것을 보여 준다. 이것이 수행되었을 때, 격자 로브 크기는 크게 억제될 수 있다. 계산은 이러한 격자 로브가 12 퍼센트 주파수 대역폭에 걸쳐 -18 dB보다 더 바람직하게 억제될 수 있다는 것을 보여 준다. 대역 중앙에서, 25 dB보다 더 바람직하게 격자 로브 억제가 달성될 수 있다.
이러한 격자 로브가 어레이(10)의 주 H-평면(principal H-plane)에 나타난다는 점에 주목해야만 한다. 45도 전송형 트위스트 편파기 (도시되지 않음)가 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)에 이용될 때, 이러한 격자 로브는 수평 평면에 나타나지 않는다. 전체적인 목적을 위해, 완성된 안테나 조립체(30)의 측면도가 도 10에 도시되어 있고, 예를 들어 렉산 폴리카보네이트와 같은, 진공-형성된, 또는 주입 몰딩된 플라스틱일 수 있는 (일반적으로 도 1에 도시된) 레이돔 덮개(18b), 또한 예를 들어 진공-형성된, 또는 주입 몰딩된 플라스틱일 수 있는 직교 교정 플레이트(18a), 및 (일반적으로 도 1에 도시된) 트위스트 편파기(18c)를 포함한다. 레이돔 덮개(18b)는 일련의 적층 플라스틱 쉬트들로 구성될 수 있는데, 이 쉬트들 각각은 일단의 금속 스트립이 그 위에 형성된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 트위스트 편파기(18c), 직교 교정 플레이트(18a), 및 레이돔 덮개(18b)는 도 1 및 2에 도시된 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)의 정면에 쌓이게 된다. 직교 교정 플레이트(18a)는 반전된 박스혼 안테나 어레이(10)의 절반부를 덮는다. 직교 교정 플레이트(18a) 및 레이돔 덮개(18b)가 함께 접합될 수 있다. 전형적으로, 트위스트 편파기(18c)는 작은 틈에 의해서 반전된 박스혼 안테나 어레이(10) 및 직교 교정 플레이트(18a)의 인접한 표면들로부터 분리된다.
박스혼 어레이(10)의 주요 장점들 중 하나는, 소정의 어레이 크기에 대하여, 단순한 도파관 슬롯들의 종래의 배치와 비교할 때 방사 소자 (박스혼 방사기(13))의 수의 반만 필요하다는 것이다. 이것은, 요구되는 도파관 접합부(14-16)의 수를 반감함으로써 실시간 지연 전력 분배기(11)의 설계를 크게 단순화한다. 요컨대, 1/2의 복잡도와 감소된 비용으로 동일한 성능을 얻는다.
임의의 어플리케이션은 다중 박스혼 어레이(10)가 보다 큰 고-이득 안테나를 형성하도록 결합될 것을 필요로 한다. 어레이 이론은 이러한 확장된 어레이(10)의패턴 성능을 용이하게 예측한다. 예를 들어, 2개의 정사각 어레이를 갖는 2-어레이 시스템은 하나의 에지에서 결합되고, 그 패턴의 평면으로 45도 지향한다. 이 어레이(10)는 또한 45도-평면 사이드로브를 크게 억제시켰다. 이것은, 이러한 유형의 성능을 요구하는 상용 가시 거리 극초단파 링크에서, 다른 근접한 기지와의 간섭을 감소시키는 것을 매우 유용하게 만든다. 그러한 사이드로브 성능은 FCC, 영국의 DTI, 및 다른 정부의 정부 기관에 의해 조정된다. 더욱이, 1:1의 영상비를 갖는 반전된 박스혼 어레이(10)의 어레이는, 보다 좁은 대역폭과 보다 높은 이득을 제외하고, 각각의 어레이(10)와 같이 동일한 유형의 낮은 대각 평면 사이드로브를 가진 방사 패턴을 가질 것이다.
계산은, 각각의 어레이(10)가 이들 어레이에 이웃하는 것들에 대해 돌출할 필요가 없다는 것을 보여 준다. 어레이 이론은 낮은 사이드로브들이 여전히 어레이(10) 크기의 10-20 퍼센트의 간격으로 대각 평면 내에서 생성된다고 예측한다. 이러한 효과는 안테나의 확장이 전체 대역폭을 좁게 하는 것을 허용한다.
본 발명은 디지털 통신 시스템이 설계되고 제조되어 판매되고, 현대 개인 통신 시스템이 구현되는 지역 사회(local communities)에 설치되는 것을 가능하게 한다. 미국에서는, 주요 통신사들이 고성능의 무선 전화기, 인터넷 링크, 및 광대역 데이터를 개발하고 있다. 이러한 유형의 통신 하부 구조에서 사용되는 디지털 무선 기기가 지역적으로 설치되어야 하기 때문에, 그 수는 매우 엄청나다. 상기 무선 기기가 설치된 지역 사회는 보기 좋지 않은 타워들 및 그 근처의 포물면 접시 안테나의 급격한 확산으로 인한 심미적인 우려를 갖고 있다.
본 발명은 전형적인 디지털 무선 기기의 외관을 크게 개선시켜, 지역 사회에 대한 근심을 감소시킨다. 그러므로, 이러한 무선 기기를 이용한 디지털 네트워크는 신속하고 효율적인 비용 및 기술적으로 순응하는 방식으로 구현되는 경향이 크다. 또 다른 요인은 무선 기기들이 기술적 특성에 대해 상당히 조절되는 것이다. 그것에 의하여 이용되는 안테나에 대하여, 이득, 사이드로브, 및 교차-편파는 정부의 규제 기관에 의해 확립된다. 많은 나라들이 기술적 요건들을 약간씩 다르게 가지지만, 그 통신 공무원 모두는 하부 구조를 개선하고 쉽게 폐용이 되지 않을 것이라는 것을 보장하도록, 그 나라 내에 설치하기에 가장 가능성있는 기술적 성능을 갖기를 원한다. 본 발명은, 이들 무선 기기에서 사용되기 위한 안테나를 효율적 비용으로 생산하도록 허용하면서 상기 목적들을 충족시키는 데 도움을 준다.
그러므로, 본 발명은 심미적인 주요한 문제들, 국가 통신 하부 조직의 현대화, 설비의 지역적 용인성, 규제 요건들을 충족하거나 이보다 더 나은 기술적 고성능, 저가의 생산 비용, 및 이러한 무선 기기들에 요구되는 다량의 제조 및 설치의 용이성을 해결한다.
매직 티 접합부(14), 분로 티 접합부(15a, 15b, 15c), 및 직렬 티 접합부(16a, 16b)는 독립적이고, 다른 접합부들과 상호 작용하지 않는다. 상기 예로 든 안테나 어레이(10)에서, 이러한 독립적인 접합부들은 제3 분로 티 접합부(15c)에서 정지한다. 그러나, 일반적으로, 그러한 분로 및 직렬 접합부들(15a, 15b, 15c, 16a, 16b)은 교번하는 분로 및 직렬 접합부(15, 16)를 추가하거나 제거함으로써 보다 큰, 또는 보다 작은 어레이(10)를 형성하도록 다단(cascaded)으로 될 수도 있다. 마지막 3가지 특수 폴디드 접합부(16c, 16d, 15d)는 서로 상호 작용하고, 전력 분배기(11)의 최종 8-웨이 일부를 형성한다.
따라서, 개선된 반전된 박스혼 안테나 어레이가 개시되었다. 설명된 실시예들은 본 발명의 원리에 대한 응용을 나타낸 많은 특정 실시예들 중 예시적인 일부에 불과하다는 것을 알아야 한다. 분명히, 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 수많은 다른 배치를 용이하게 고안할 수 있다.

Claims (17)

  1. 반전된 박스혼(inverted boxhorn) 안테나 어레이(10)에 있어서,
    상기 어레이의 방사면(19b)을 형성하는 정면(19b), 및 후면(19a)을 갖는 전력 분배기(11) - 상기 전력 분배기는, 중앙 매직 티 접합부(magic tee junction; 14)와, 이 중앙 매직 티 접합부로부터 박스혼 방사기(13)가 상기 어레이의 상기 방사면에 형성되어 있는 다수의 반전된 박스혼 서브어레이들(20)까지 에너지를 연결하는 다수의 교번하는 폴디드 분로(shunt) 및 폴디드 직렬 티 접합부(15, 16)를 포함함 - ; 및
    상기 전력 분배기의 상기 후면에 고정되어, 상기 전력 분배기의 상기 중앙 매직 티 접합부에 연결된 입력 포트(12a)를 갖는 덮개(12)
    를 포함하는 어레이(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 덮개(12)는 상기 전력 분배기(11)의 후면에 고정되어 상기 입력 포트(12a)를 내부에 갖는 금속 평탄 쉬트로 구성된 어레이(10).
  3. 제1항에 있어서, 상기 전력 분배기(11)는 단일 금속으로 제조된 어레이(10).
  4. 제1항에 있어서, 상기 반전된 박스혼 서브어레이(20)의 상기 반전된 각각의 박스혼 방사기들(13) 사이의 도파관 채널에 배치된 도파관 매칭 부하(27)를 더 포함하는 어레이(10).
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 분배기(11)의 상기 방사면(19b)의 정면에 배치된 트위스트 편파기(18c);
    상기 트위스트 편파기(18c)의 정면에 배치된 직교 교정 플레이트(18a); 및
    상기 직교 교정 플레이트의 정면에 배치된 레이돔(radome) 덮개(18b)
    를 더 포함하는 어레이(10).
  6. 제5항에 있어서, 상기 트위스트 편파기(18c)는 상기 반전된 박스혼 안테나 어레이 및 상기 직교 교정 플레이트(18a)의 인접 표면들로부터 작은 틈으로 분리된 어레이(10).
  7. 제5항에 있어서, 상기 직교 교정 플레이트(18a)는 플라스틱으로 구성된 어레이(10).
  8. 제5항에 있어서, 상기 레이돔 덮개(18b)는 일단의 금속 스트립이 위에 각각 형성된 일련의 적층 플라스틱 쉬트로 구성된 어레이(10).
  9. 제5항에 있어서, 상기 트위스트 편파기(18c)는 플라스틱으로 구성된 어레이(10).
  10. 안테나 조립체(30)에 있어서,
    어레이의 방사면(19b)을 형성하는 정면(19b), 및 후면(19a)을 갖는 전력 분배기(11) - 상기 전력 분배기는, 중앙 매직 티 접합부(14)와, 이 중앙 매직 티 접합부로부터 박스혼 방사기(13)가 상기 어레이의 상기 방사면에 형성되어 있는 다수의 반전된 박스혼 서브어레이들(20)까지 에너지를 연결하는 다수의 교번하는 폴디드 분로 및 폴디드 직렬 티 접합부(15, 16)를 포함함 -, 및 상기 전력 분배기의 상기 후면에 고정되어, 상기 전력 분배기의 상기 중앙 매직 티 접합부에 연결된 입력 포트(12a)를 갖는 덮개(12);
    상기 전력 분배기(11)의 상기 방사면(19b)의 정면에 배치된 트위스트 편파기(18c);
    상기 트위스트 편파기의 정면에 배치된 직교 교정 플레이트(18a); 및
    상기 직교 교정 플레이트의 정면에 배치된 레이돔 덮개(18b)
    를 포함하는 안테나 조립체(30).
  11. 제10항에 있어서, 상기 덮개(12)는 상기 전력 분배기(11)의 후면에 고정되어 상기 입력 포트(12a)를 내부에 갖는 금속 평탄 쉬트를 포함하는 안테나 조립체(30).
  12. 제10항에 있어서, 상기 전력 분배기(11)는 단일 금속으로 제조된 안테나 조립체(30).
  13. 제10항에 있어서, 상기 반전된 박스혼 서브 어레이(20)의 상기 반전된 각각의 박스혼 방사기들(13) 사이의 도파관 채널에 배치된 도파관 매칭 부하(27)를 더 포함하는 안테나 조립체(30).
  14. 제10항에 있어서, 상기 트위스트 편파기(18c)는 상기 안테나 조립체(30) 및 상기 직교 교정 플레이트(18a)의 인접 표면들로부터 작은 틈으로 분리된 안테나 조립체(30).
  15. 제10항에 있어서, 상기 직교 교정 플레이트(18a)는 플라스틱으로 구성된 안테나 조립체(30).
  16. 제10항에 있어서, 상기 레이돔 덮개(18b)는 일단의 금속 스트립이 위에 각각 형성된 일련의 적층 플라스틱 쉬트로 구성된 안테나 조립체(30).
  17. 제10항에 있어서, 상기 트위스트 편파기(18c)는 플라스틱으로 구성된 안테나 조립체(30).
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