KR100366070B1 - 안테나 - Google Patents

Abstract

축을 따라 전자기 복사선을 전송하거나 수신하는 안테나는 축에 대하여 수직인 방향으로 서로 간격을 두고 떨어진 유전체 물질로 구성된 적어도 3 개의 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)으로 구성된다. 최외곽 층(20a, 20e)은 전자기 복사선 파장의 적어도 1/2 정도 서로 간격을 두고 떨어져 있다. 층은 일반적으로 층의 후단부에서 전단부까지 축의 방향으로 연장된다. 전이부(22)는 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)을 도파관(21)에 전자기적으로 직접 결합한다. 전이부(22)의 전단부는 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)의 후단부에 연결되고, 그 크기는 축에 대하여 수직인 방향으로 층의 후단부에서의 최외곽 층(20a, 20e) 사이에 간격과 사실상 동일하다.

Description

안테나

제 1 도는 통상적인 "브로드사이드 파이어(broadside fire)" 혼(horn)을 사용하는 종래의 선형 어레이 안테나의 단면도.

제 2 도는 통상적인 "단부 파이어(end fire)" 폴리로드(polyrod) 안나의 부분 절단면도.

제 3 도는 구멍이 형성된 도파관(slotted waveguide) 및 중공 "폴리로드"를 사용하는 종래기술의 선형 어레이 안테나의 단면도.

제 4 도는 통상적인 혼과 이중외판 유전체구조의 조합을 사용하는 종래기술의 선형 어레이 안테나의 단면도.

제 5a 도와 제 5b 도는 유전체 물질의 박판 아래로 지나가는 전자기 복사선의 전파를 예시한 도면.

제 6 도는 유전체 물질로 구성된 2 개의 층으로 형성된 안테로 부터 구해진 빔의 패턴을 예시한 도면.

제 7 도는 본 발명의 일실시예에 따른 5개의 평면형 층을 사용하는 선형 어레이 안테나의 단면도.

제 8 도는 2 개의 층사이에 간섭에 대한 빔 패턴에서 나타나는 쇼울더를 위한 광선의 배열형태를 예시한 도면.

제 9a 도, 제 9b 도 및, 제 9c 도는 4 개, 5 개 및 6 개 층의 안테나 각각의 층 사이에서 복사선의 자유간격 파장의 단편에 주어진 간격의 범위를 예시한 도면.

제 10a 도, 제 10b 도 및, 제 10c 도는 쇼울더가 각 층의 간격(A, B, C, D, E)로 부터의 영향에 대한 복사선의 자유간격 파장의 단편으로 주어진 최외곽 층의 간격에 대비하여 빔 패턴에서 나타나게되는 이론상으로 측정되는 각을 예시한 도면.

제 11 도는 본 발명의 일실시예에 따른 유전체 물질로 구성된 5 개의 평행 평면형 층으로 형성된 실제 선형 어레이 안테나를 예시한 도면.

제 12 도는 제 11 도의 안테나에 의해 발생되는 상승 빔 패턴을 예시한 도면.

제 13a 도, 제 13b 도, 제 13c 도 및, 제 13d 도는 본 발명의 실시예에 따른 변형된 선형 어레이 안테나를 예시한 도면.

제 14a 도, 제 14b 도, 제 14c 도 및 제 14d 도는 본 발명의 실시예에 따른 다른 변형된 선형 어레이 안테나를 예시한 도면.

제 15 도는 본 발명의 일실시예에 따른 2 - 차원의 빔 패턴을 발생하는 6 층의 "단부 파이어" 안테나의 종방향 단면도.

제 16a 도는 서로 다른 상승과 방위 패턴을 가지는 빔 패턴을 제공하는, 제 15 도의 X-X 선을 따라 취한 횡단면도.

제 16b 도는 방위와 상승에서 공일한 2 - 차원의 빔 패턴을 가지는 안테나에 대하여 제 15 도의 X-X 선을 따라 취한 단면도.

제 17a 도는 상승과 방위사이에서 축(X)에 대한 회전을 계속해서 변화시키는 2 - 차원의 빔 패턴을 제공할 수 있는 안테나에 대하여 제 15 도의 X-X 선을 따라 취한 단면도.

제 17b 도는 상승에서 방위까지 축(Y)에 대한 회전이 일정한 빔 패턴을 제공하는 안테나에 대하여 제 15 도의 X-X 선을 따라 취한 단면도.

제 18a 도는 서로 다른 상승과 방위패턴을 가지는 빔 패턴을 제공하는 안테나의 단면도.

제 18b 도는 방위와 상승이 동일한 2 - 차원 빔 패턴을 제공하는 안테나의 단면도.

제 19a 도는 상승과 방위사이에서 축에 대한 회전을 계속해서 변화시키는 2 - 차원의 빔 패턴을 제공하는 안테나의 단면도.

제 19b 도는 상승에서 방위까지 축에 대한 회전이 일정한 2 - 차원의 빔 패턴을 제공하는 안테나의 단면도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

1,4,7,10,21 : 도파관 1a,7a : 슬롯

2, 11 : 혼형 이송부 5,8,12,22,41 : 전이부

9 : 중공로드 20a,20b,20c,20d,20e : 층

50 : 쇼울더

본 발명은 전자기 복사선의 전송용 또는 수신용 안테나에 관한 것이다.

통상적인 항해 레이더 안테나는 복사선 개구부가 수직면에 놓여있기 때문에 바람을 받는 면적이 크다. 위와 같은 레이더 안테나는 제 1 도에 도시한 단면도에서와 같이 혼형 배열로 구성된다. 위와 같은 배열에 있어서, 선형 어레이 안테나는 혼형 이송부(feedhorn)(2)에 결합된 측벽에 제공된 슬롯(1a)을 구비한 구멍이 형성된 도파관(1)으로 구성된다. 이러한 구성은 주요 빔의 축이 통상 도면부호(3)로 표시된 개구부의 평면에 대하여 직교하기 때문에 "브로드사이드 파이어"라 불리운다.

위와 같은 통상적인 레이더 안테나가 가지는 문제점은 위와 같은 "브로드사이드 파이어" 배열을 사용하는 빔의 필요한 빔 넓이를 제공하기 위하여, 수직방향으로 놓여있는 개구부의 크기가 커서, 높은 바람에 대한 저항을 제공한다는 것이다.

공기역학적으로 매우 불리한 구조이기 때문에, 안테나는 레이더 안테나의 정확한 회전을 제공하도록 크고 강력한 모터로 구동되는 마운팅에 강력하게 고정되어야만 한다. 이로써, 그 회전은 바람의 속도와 방향의 영향을 최소로 받는다.

따라서, 레이더 안테나의 수직 차원을 감소하는 것이 절실히 요구되고 있다. "브로드사이드 파이어"를 사용하는 다른 변형예로서, "단부 파이어" 구성이 연구되고 있다. 이와 같은 "단부 파이어" 안테나의 간단한 일 형태로는 제 2 도에 도시한 바와 같이, 폴리에틸렌 로드 즉, "폴리로드"가 있다.

"폴리로드" "단부 파이어" 구성에 있어서, 복사선 개구부는 로드의 축방향 길이를 따라 있으므로, 개구부의 길이 즉, 제 2 도에 도시한 폴리에틸렌 로드(6)의 길이를 증가시킴으로써 방향성 또한 증가된다. 폴리에틸렌 로드(6)는전이부재(transition element)(5)에 의해 도파관(4)으로 부터 제공된 복사선에 대하여 전자기적으로 결합된다. "폴리로드" 구성에 있어서, 폴리에틸렌은 "누수가 쉬운"(leaky) 안테나 구조를 형성한다. 여기서, 로드의 표면에서 누수하는 에너지는 구조적으로 로드 지점의 방향으로 결합하여, 빔을 형성한다.

위와 같은 레이더 안테나의 배열을 사용하는데 있어서의 문제점은 폴리에틸렌 로드의 중량이다. 강한 고정과 강력한 구동모터를 필요로 하는 위의 배열을 사용하기 위하여, 중량에 대한 문제점을 극복하는 것은 물론, "폴리로드"가 필요한 정도의 빔 넓이를 제공하기 위하여 상당히 길 필요가 있으며, 따라서, 아래로 드래프트되고 위로 드래프트하기 쉽다는 점을 극복한다.

제 2 도의 "폴리로드" 배열의 중량에 대한 단점을 극복하기 위하여, 일본국 특허 제 56-31205호는 전이부재(8)를 통해 중공의 유전체 로드(9)에 결합된 슬롯(7a)을 구비한 구멍이 형성된 도파관(7)으로 이루어진 제 3 도에 도시한 중공의 "폴리로드"를 사용하는 것을 제안하고 있다. 그러나, 이러한 배열은 "폴리로드" 배열이 가지는 중량에 대한 단점을 극복하지만, 충분한 빔 넓이를 제공하기 위하여 긴 축방향 길이를 필요로 하는 단점을 여전히 가지고 있다.

이러한 문제점에 대해서는, 제 4 도에 도시한 배열의 일본국 특허 제 62-171301호에서 또한 개시하고 있다. 이러한 배열에 있어서, 구멍이 형성된 도파관(10)은 전이부재(12)를 통해 혼형 이송부(11)에 결합된다. 혼형 이송부(11)의 개구부에 제공된 것은 이중 외관의 유전체구조(13)이다. 이중 외관의 유전체구조(13)는 혼형 이송부(11)의 개구부에 제공되어, 혼형 이송부(11)의 수직 개구부크기를 증가하는 것을 피한다. 그러나, 이러한 배열이 필요한 빔 넓이를 제공하는데 요구되는 유전체 구조의 길이를 감소시키기는 하지만, 공기역학적으로 볼때 단면이 여전히 단점을 가지게 되는 배열이다.

본 발명의 일목적은 필요한 빔 넓이를 제공하면서도 감소된 길이의, 공기역학적으로 유리하게 감소된 단면을 가지는 안테나를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일양상에 있어서, 본 발명은 축을 따라 전자기 복사선의 수신용이나 또는 전송용의 적어도 하나의 안테나를 제공한다. 상기 안테나는 상기 축에 수직인 방향으로 서로 간격을 두고 떨어진 유전체 물질로 형성된 적어도 3 개의 층 및, 도파관에 상기 층을 전자기적으로 직접 결합하도록 구성된 전이부를 제공한다. 최외곽 층은 상기 전자기 복사선 파장의 적어도 1/2 정도 서로 간격을 두고 떨어져 있으며, 상기 층은 일반적으로 상기 층의 후단부에서 전단부까지 상기 축의 방향으로 연장되고, 상기 전이부의 전단부는 상기 층의 상기 후단부에 연결되어, 상기 층의 상기 후단부에서 최외곽 층사이에 간격과 사실상 동일한 상기 축에 수직인 방향으로의 차원을 가진다.

본 발명의 다른 양상에 있어서, 본 발명은 축을 따라 전자기 복사선의 수신용이나 또는 전송용으 적어도 하나의 안테나를 제공한다. 상기 안테나는 상기 축에 수직인 방향으로 서로 간격을 두고 떨어진 유전체 물질로 형성된 적어도 5 개의 층 및, 상기 층의 후단부에 연결되어 도파관에 상기 층을 전자기적으로 직접 결합하도록 구성된 전이부를 제공한다. 최외곽 층은 상기 전자기 복사선 파장의 적어도 1/2 정도 서로 간격을 두고 떨어져 있으며, 상기 층은 일반적으로 상기 층의 후단부에서 전단부까지 상기 축의 방향으로 연장된다.

본 발명의 또 다른 양상에 있어서, 본 발명은 축을 따라 전자기 복사선의 수신용이나 또는 전송용의 적어도 하나의 안테나를 제공한다. 상기 안테나는 유전체 물질로 형성된 적어도 3 개의 층 및, 상기 층의 후단부에 연결되어 도파관에 상기 층을 전자기적으로 결합하도록 구성된 전이부를 제공한다. 상기 각 층은 상기 전자기 복사선 파장의 거의 1/4 정도로 상기 축에 수직인 방향으로 인접한 층으로 부터 간격을 둔 평균값을 가지며, 상기 층은 일반적으로 상기 층의 후단부에서 전단부까지 상기 축의 방향으로 연장된다.

본 발명에 있어서, 분리된 층의 제공은 빔 형성구조내에 다중 반사를 유도함으로써 안테나의 지향성을 증가시킨다. 다중 반사의 효과는 안테나의 어레이 팩터에 의해 변형되어 종래의 "폴리로드" 또는 중공 "폴리로드"에 비하여 감소된 안테나 길이와 통상적인 혼형 배열에 비하여 감소된 상승를 위한 개선된 빔 넓이를 제공한다.

층은 빔 축에 대하여 대칭인 빔을 제공하기 위하여 축에 대해 대칭으로 배열되는 것이 바람직하다.

일실시예에 있어서, 층은 평면상으로 연장되고 축은 중심평면에 놓여있다. 층은 중심평면에 수직인 방향으로 서로 간격을 두고 떨어져있다. 위와 같은 배열은 유전체 물질로 구성된 패널로 형성된 선형 어레이 안테나를 제공한다. 패널은 중심평면에 대하여 대칭으로 배열되어 상승에 있어서 대칭을 가지는 빔 패턴을 제공하는 것이 바람직하다.

통상적으로, 위와 같은 선형 어레이 안테나에 있어서, 전이부는 구멍이 형성된 도파관에 층을 직접 결합하도록 구성된다. 위와 같은 구멍이 형성된 도파관은 도파관의 넓은 벽이나 또는 측벽에서 절단되는 슬롯을 구비할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 층이 축 주위로 연장되어 사실상 동심의 중공부재를 형성한다. 위와 같은 중공부재는 정사각형, 직사각형, 원형 또는 타원형과 같은 어떤 모양의 단면으로 구성되어도 무방하다. 중공 부재의 단면 형상은 2 - 차원 빔 패턴에 영향을 미칠 것이다.

다른 실시예에 있어서, 유전체 물질로 형성된 적어도 3개의 층은 측과 층에 대하여 수직인 방향으로 서로 간격을 두고 떨어져 층을 가로질러 제공된다. 그 밖에, 층은 일반적으로 층의 후단부에서 전단부까지 축의 방향으로 연장된다. 층과 다른 층사이에 간격은 동일함으로써 안테나가 2 방향에서 동일한 2-차원 빔 형상을 제공하는 것이 바람직하다.

통상적으로, 층은 사실상 균일하게 서로 그리고 공기 또는 제 2 의 물질과 간격을 두고 떨어져 있으며, 그 유전상수는 층사이에 제공될 수 있는 층을 형성하는 물질의 유전상수에 비해 낮다. 위와 같은 물질은 발포 폴리스티렌 또는 발포 폴리우레탄일 수 있다.

층에 필요한 빔 패턴과 빔 넓이에 의존하여, 층은 축을 따라 많은 서로 다른 구성으로 배열될 수 있다. 층은 본질적으로 축에 평행하게 배열되어, 층사이의 간격은 후단부에서 전단부까지 테이퍼질 수 있거나 단지 외부층 사이의 간격만이 후단부에서 전단부까지 테이퍼질 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 층의 두께는 후단부에서 전단부까지 테이퍼 형상일 수 있다. 내부 또는 외부층 모드 또는 이것은 유전체 구조에서 복사되고 유전체 구조내로 전계분포의 필요한 변형에 따른 방식으로 테이퍼질 수 있다.

바람직하게, 층의 평균두께는 전자기 복사선의 파장의 1 백분의 1 내지 5 백분의 1 사이에 있는 것이 바람지하고, 2 백분의 1 내지 4 백분의 1 사이에 있는 것이 더욱 바람직하다. 위와 같은 유전체 층의 두께는 최적의 방향성을 제공한다.

통상적으로, 유전체 층은 폴리에틸렌 또는 폴리카본과 같은 유전체 물질로 형성될 수 있다.

이상적으로 층사이에 평균 간격은 이것이 최적의 간섭효과를 제공하기 때문에, 전자기 복사선 파장의 거의 1/4이다.

후단부에서 전단부까지 최외곽 층의 길이 대 최외곽 층 사이에 평균간격의 비는 거의 4 : 1 인 것이 바람직하다. 위와 같은 구조는 동적인 형성의 최적지역이며, 길이가 길다면, 구조는 약한지고, 구조가 넓다면, 그다지 공기역학적이지 못하다.

도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 공지하기로 한다.

도면을 참고로 하여, 제 5a 도와 제 5b 도는 본 발명 이면의 주제를 예시한 것으로, 전자기 빔은 반사에 의해 유전체 물질 아래로 전파한다. 유전체 물질로 구성된 박판에서의 전파방식에 대한 이론은 1954 년 10 월 "Proceedings of the IRE" 1565-1568 쪽에 Leonard Hatkin가 기고하였다. 이것으로부터, 공기에서의 불연속에서 유전체 간섭까지 반사에 의해 패널내에 에너지가 포함되어있다는 것을 알 수 있다. 제 5a 도와 제 5b 도가 유전체 패널아래로 전자기 복사선이 전파하는 경우를 예시하였지만, 2개의 유전체 패널사이에 간격을 따라 전자기 복사선의 전파에 동일하게 이론을 적용할 수 있다. 반사는 유전체 간섭에 대한 공기에서의 불연속을 일으킨다.

제 6 도는 유전체 물질로 구성된 2개의 평행 층으로 형성된 안테나로 부터 얻어진 상승 빔 패턴을 예시한 도면이다. 2 개의 현저한 측면 돌출부 또는 "쇼울더"(50)가 패턴에서 알 수 있다. 이러한 "쇼울더"(50)는 층으로부터 방사된 반사 빔 사이의 간섭에서 발생한다. 이러한 "쇼울더"의 출현은 현저하게 증가된 빔 넓이를 제공하고 따라서 매우 바람직하지 못하다. 본 발명은 2 개 이상의 유전체층을 하용하여 빔 넓이를 감소한다.

제 7 도는 본 발명의 일실시예에 따른 5 개의 평면 층(20a 내지 20e)로 형성된 선형 어레이 안테나의 단면도이다. 구멍이 형성된 도파관(21)에는 슬롯(21a)이 제공되며, 전이부(22)를 통해 유전체층(20a-20e)에 연결된다. 전이부는 유전체 물질로 구성된 최외곽 층(20a, 20e)의 간격과 거의 동일한 높이(h)를 가진다. 전이부(22)는 구멍이 형성된 도파관(21)과 유전체층(20a-20e) 사이에서 효과적인 전자기 결합을 제공한다. 제 6 도에 있지만, 전이부는 구멍이 형성된 도파관(21))과 평면형 유전체 층(20a-20e) 사이에 효과적인 결합을 제공하는, 사용될 수 있는 어떤 단면 형상중에서 직사각형으로 도시되었다. 유전체 층(20a-20e)은 후단부에서 전단부까지의 길이 L을 가지며, 공기 또는 통상적으로 층물질의 유전상수에 비하여 낮은 유전상수를 가지는 층을 지지할 수 있는 물질에 의해 분리된다. 간격 물질과같은 공기에 대한 변형물로서, 예를 들어, 발포 폴리스티렌 또는 발포 폴리우레탄이 사용될 수 있다. 층에 사용되는 유전체 물질은 폴리에틸렌 또는 폴리카본과 같은 어떤 적절한 물질일 수 있다. 위와 같은 물질의 사용은 디자인이 단순한 구조의 소형이며, 가벼워, 제조시 상대적으로 비용이 적은 장점을 제공한다. 그 밖에, 그 단면은 해양 레이더 분야에 공기역학적인 모범에 가깝다.

제 7 도는 총 5개의 패널로 구성된 것을 사용하지만, 3 개이상의 어떠한 개수도 사용될 수 있다. 그러나, 최외곽 층의 어떤 특정한 간격에 사용되어지는 최적 수의 패널이 있다.

제 8 도는 빔 패턴상의 "쇼울더"의 형성을 위한 광선의 배열형태를 예시한 도면이다. 에너지는 한 층의 B 에서 반사되어 다른 층의 A 를 통해 전송될 때 간섭이 일어난다. "쇼울더"를 형성하는 구조상 간섭은 경로차가 1/2 파장의 홀수인 정수일 때 각(θ)에서 일어날 것이다. 왜냐하면, B 에서의 반사로 인한 1/2 파장 위상반전이 있기 때문이다. 2 개 패널의 간격이 d 로 주어진다면, 쇼울더가 발생할 것으로 기대되는 각(θ)은 다음과 같이 주어진다.

θ = sin^-1(λ/2d)

패널이 축을 따라 연장되기 때문에, 길이가 δL인 무한히 작은 부재가 무한수 있다고 가정하고, 부재 각각은 간섭효과에 영향을 준다. 제 9a 도, 제 9b 도 및, 제 9c 도는 4, 5 및, 6개 층의 안테나 각각에 대한 층 간격의 범위를 예시한 도면이다. 제 9a 도, 제 9b 도 및, 제 9c 도로부터, 단지 하나의 반사 구성요소(A)를 가지는 중공 "폴리로드" 또는 2 층의 안테나는 다층 안테나 에너지가 층의 수에 따라 반상 구성요소(A, B, C, D, E) 사이에서 분포되는 경우와는 다르다는 것을 알 수 있다.

제 10a 도, 제 10b 도 및 제 10c 도는 4, 5, 6 층의 안테나 각각에 대한 최외곽 층의 간격에 대비하여 빔 패턴에서 나타나게되는 쇼울더를 위한 측정되는 각을 예시한 도면으로, 층은 제 9a 도, 제 9b 도 및 제 9c 도에 도시한 바와 같이 균일하게 간격을 두고 있다.

제 10a 도는 간섭 구성요소(A, B)의 측정된 각을 예시한 도면이다. 여기서, 1.42λ로 도시된 최외곽 층의 가장 큰 간격의 경우와, 가장 밀접한 층 사이에 간격이 간섭하는데 필요한 전자기 복사선의 파장의 1/2 이하인, 단지 0.48λ 이기 때문에, C의 경우에 대하여 어떤 곡선도 도시하지 않았다.

이와 유사하게, 제 10b 도에서도, 간섭 구성요소(A, B, C)만을 도시하였다. 왜냐하면, 그래프에서 도시된 최외곽 층의 간격에 대한 가장 밀접한 층 사이에서 어떠한 간섭도 발생하지 않을 것이기 때문이다.

이와 유사하게, 제 10c 도의 경우도, 인접한 층사이에 어떠한 간섭도 없을 것이며, 단지 곡선(A, B, C, D)만이 나타난다.

최외곽 층 사이 간섭에 의해 발생되는 쇼울더의 크기 즉, A 를 감소시키기 위하여, 간섭에 영향을 미치는 층의 수를 증가시키는 것이 바람직하다. 즉, 공기역학적인 이유인 경우, 최외곽 층의 간격이 대략 1λ 이상일 수 없다면, 이상적인 구성은 제 9b 도의 5 층 구조이다. 4 층 배열 쇼울더에서는, 1.02λ로 구성된 최외곽층의 간격이 29° 내지 47°에서 일어날 것이라는 것을 제 10a 도로부터 알 수 있다. 최외곽 층의 유사한 간격을 가지지만, 5 층의 쇼울더를 가지는 배열의 경우에는, 29° , 41° 및 79°에서 일어날 것이다. 최외곽 층의 유사한 간격을 가지지만 6 층을 가진 경우, 쇼울더는 29° , 38° 및 55° 에서 일어날 것이다. 5 층 및 6 층 배열의 경우 분명한 것은, 여분의 쇼울더가 29°에서 쇼올더의 크기를 감소시키는데 도움을 준다는 것이다. 그러나, 6 층 배열에 있어서, 간섭 구성요소(B,C)에 의해 발생되는 쇼울더는 축에 더욱 근접하다. 원하는 것은 간섭 구성요소(B,C)에 의해 축으로부터 떨어진 쇼울더 구성요소(A)의 펼쳐짐이고, 최외곽 층의 1.02λ의 경우, 최적의 구성은 각 층사이에 0.254λ의 간격을 가진 5 층 구조이다.

제 10a 도, 제 10b 도 및, 제 10c 도에서 알 수 있는 것은 이상적인 최적의 펼쳐짐을 얻는 것이다. 각 층은 사실상 전자기 복사선의 파장의 1/4 로 분리된다. 따라서, 제 9a 도에 도시한 4 층 구조의 경우, 제 10a 도에서 알 수 있는 바와 같이, 최외곽 층의 간격은 단지 0.76λ이고, 제 9c 도에 도시한 6 층 구조의 경우, 최외곽 층의 이상적인 간격은 1.27λ이다.

제 9a 도, 제 9b 도 및 제 9c 도와 제 10a 도, 제 10b 도 및, 제 10c 도를 논의한 바에 의하면, 이론적인 결과는 단일의 무한소의 부재(δL)를 참작한다. 그러나, 안테나는 길이(L)를 가지며, 무한수의 부재(δL)로 이루어진 선형 어레이로 구성된다. 따라서, 안테나에 의해 발생되는 빔 패턴은 어레이 팩터로 변형된 바와 같은 부재패턴의 조합일 것이다. 어레이 팩터는 축을 벗어나 큰 각도에서 발생하는 쇼울더 또는 간섭 구성요소의 크기를 감소시키는 효과를 가질 것이다. 따라서, 기본적인 간섭패턴과 어레이 팩터의 조합 효과는 양호한 안테나 지향성을 제공하면서 쇼울더를 현저하게 감소시킨다.

제 11 도는 5 개의 평면형 층으로 형성된 원형(prototype) 안테나의 단면도를 예시한 도면이다. 제 11 도는 제 7 도에 도시한 것과 유사한 구조를 보이며 동일한 구성부품에는 도면부호를 부여하였다. 외부 평면 패널(20a, 20e)은 각각 가로로 2.5λ와 세로로 대략 10λ씩 의 크기를 가진다.

제 12 도는 제 11 도의 안테나를 사용하여 구해지는 상승 빔 패턴을 예시한 도면이다. 패턴에 있어서, 간섭(A, B, C)에 대응하는 3 개의 쇼울더가 분명하게 도시되었다.

제 11 도에 도시한 배열에 있어서, 층의 두께는 0.02λ이고, 이것은 28°의 빔 넓이를 제공한다. 0.03λ의 층 두께가 또한 시도되고 이는 24°의 빔 넓이를 제공한다.

유전체 층의 두께를 증가시키는 것은 빔의 넓이를 개선한다. 그러나, 최적의 유전체 두께가 있으며, 이것은 전자기 복사선 파장의 적어도 1 내지 5 백배사이에 있다.

이제까지 논의된 층의 배열은 3 개이며, 4 또는 5 개 층이 안테나의 축에 사실상 평행하게 배열된다. 그러나, 제 13a 도 내지 제 13d 도에 도시한 바와 같이, 많은 서로 다른 구성이 요구된 빔 패턴에 따라 사용될 수 있다.

제 13a 도는 층이 모두 평행하게 배열된 7 층 배열을 예시한 것이다.

제 13b 도는 최외곽 층이 안테나의 후단부에서 전단부까지 일정한 비율로 테이퍼된 5 층의 배열을 예시한 것이다.

제 13c 도는 최외곽 층이 안테나의 후단부에서 전단부까지 증가되는 비율로 테이퍼진 5 층의 배열을 예시한 것이다.

제 13d 도는 최외곽 층이 안테나의 후단부에서 전단부까지 감소되는 비율로 테이퍼진 5 층의 배열을 예시한 것이다.

제 14a 도는 본 발명의 다른 실시예를 예시한 것이다. 제 14a 도는 이러한 층 모두의 사이에 간격이 안테나의 후단부에서 전단부까지 테이퍼진 5 층의 배열을 예시한 것이다.

제 14b 도는 층 모두가 축에 대하여 평행하게 배열되었으나, 최외곽 층의 두께가 안테나의 후단부에서 전단부까지 테이퍼진 5 층의 배열을 예시한 것이다. 이것은 유전체 구조로 부터의 복사선과 유전체 구조내에 전계 분포를 변형시킨다.

제 14c 도는 제 14b 도에 대한 반대의 배열로서, 3 개의 내부층이 안테나의 후단부에서 전단부까지 테이퍼진 두께를 가지는 5 개의 평행한 층으로 이루어진 구조를 예시한 것이다.

제 14d 도는 층이 평행하게 배열된 5 층의 안테나를 예시한 것이다. 이러한 배열에 있어서, 구멍이 형성된 도파관(30)은 넓은 벽 복사 도파관으로 이루어진다. 이것은 좁은 벽의 도파관에 있는 슬롯으로 제공되는 것과 비교하여 극성 순수도(polarisation purity)를 향상시키기 때문에 유리하다.

앞서 공지한 실시예에 있어서, 층은 모두 평면으로 공지하였으며, 따라서, 빔 패턴은 유전체 층의 구성에 의해 수직 평면으로만 형성된다. 수평 평면에서의빔은 도파관 슬롯의 선형 어레이로 부터 진폭분포에 의해 형성된다. 그러나, 본 발명은 평면형 층의 사용으로 제한되는 것은 아니며, 층은 수직 및 수평 평면에서의 빔 패턴을 동시에 형성하는데 사용될 수 있다.

제 15 도는 전이부(41)에 의해 도파관(40)에 결합되는 6 층 안테나의 종방향 단면도이다. 제 16a 도, 제 16b 도, 제 17a 도 및 제 17b 도는 수직 및 수평 평면에서 필요한 빔 패턴에 좌우되어 제 15 도의 X-X 선을 따라 취한 서로 다른 가능한 단면을 예시한 것이다. 이들 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 단면에서 정확하게 나타난 6 층은 3 개의 동심의 중공부재를 형성한다.

제 16a 도에 있어서, 수직축의 빔 패턴은 수평축의 빔 패턴과 다르다. 즉, 상승과 방위 빔 패턴은 서로 다르다.

제 16b 도에 있어서, 층의 간격이 수평 및 수직방향 모두에서 동리하기 때문에, 상승과 방위 빔 패턴은 동일하다.

제 17a 도는 수직축에서 수평축으로 계속하게 변하게 될 빔 패턴을 제공하게 될 배열을 예시한 것이다. 제 17b 도는 축(Y)에 대하여 대칭인 빔 패턴을 제공하게 될 배열을 예시한 것이다.

제 15 도 내지 제 17 도에 도시한 배열은 축(Y)에 대하여 동심의 중공부재를 형성하는 층의 단면형상에 의존하는 2-차원 빔 패턴을 제공한다.

제 18a 도, 제 18b 도, 제 19a 도 및 제 19b 도는 2 - 차원 빔 패턴을 형성하기 위한 또 다른 배열의 단면을 예시한 것이다. 이러한 배열에 있어서, 다수의 평면 유전체 박판(51, 61)은 제 7 도 내지 제 14 도에 참고로 이하 공지한 바와 같이 수직방향의 빔을 형성하기 위하여 제공된다. 그 밖에, 제공된 다수의 수직 유전체 박판(50, 60)은 박판(51, 61)을 가로지르고, 유사한 방식으로 수평방향의 빔을 형성한다. 도면에 있어서, 박판(50, 51, 60, 61)은 두 방향에서 동일한 빔 형상을 형성하도록 동일하게 간격을 두고 떨어져 있는 것으로 보이며, 박판(50, 60)은 두 방향에서 빔 패턴이 서로 다르기를 바란다면, 박판(51, 61)에 서로 다르게 간격을 두고 떨어져 있을 수 있다.

제 18a 도, 제 18b 도, 제 19a 도 및 제 19b 도에 있어서, 최적의 선형 패널 간격이 실질적으로 어떠한 안테나 개구부 종횡비를 제공하면서도 유지될 수 있다.

따라서, 본 발명은 많은 장점을 제공한다. 사실상 동심의 중공부재를 형성하기 위하여 축 주변으로 연장되거나 평면으로 배열될 수 있는 간격을 두고 떨어진 층을 사용함으로써, 소정의 빔 넓이를 제공하지만 단면의 크기는 감소되어 유리한 공기역학적 형상을 가지는, 간단하면서 비용이 적게 드는 구조의 가벼운 안테나를 제공한다. "매끄러운" 공기역학적인 모양이면서 미려한 외관을 제공하기 때문에 펼쳐진 혼형 이송부의 제거가 유리하다. 그 밖에, 다중의 층을 사용함으로써, 유전체 적층구조의 돌출부의 길이는 지나치게 길지않으며, 평면구성에 있어서, 강한 풍향조건에서도 위로 드래프트되도록 제공되는 면적이 감소된다. 그러므로, 본 구성은 공기역학적이며 기제적으로 바람직한 4:1의 길이 대 높이의 비율을 가지도록 이상적으로 제조될 수 있다. 또한, 안테나 몸체의 단단함에 의해 지지되기 때문에 유전체의 강한 부착은 필요로 하지 않는다.

Claims (28)

1. 축을 따라 전자기 복사선을 전송 또는 수신하는 안테나로서, 상기 안테나는 상기 축과 직교하는 방향으로 상호 간격을 두고 떨어진 유전체 물질로 형성된 적어도 4개의 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)을 포함하며, 가장 바깥쪽 층은 상기 전자기 복사선의 파장(λ)의 적어도 1/2 만큼 상호 간격을 두고 떨어져 있으며, 상기 층은 상기 층의 후단부에서 전단부까지 상기 축의 방향으로 연장되며, 상기 안테나는 도파관(21)과, 상기 층을 상기 도파관에 전자기적으로 직접 결합시킬 수 있도록 구성된 전이부(22)를 또한 포함하며, 상기 전이부의 전단부는 상기 층의 후단부에 연결되고, 상기 축에 수직하는 방향에서의 크기는 상기 층의 후단부에서의 가장 바깥쪽 층(20a, 20e) 사이의 간격과 동일한 안테나에 있어서, 가장 가까운 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)의 간격은 전자기 복사선의 파장(λ)의 절반 미만이며, 상기 가장 바깥쪽 층(20a, 20e) 사이의 간섭에 의해 생성되는 빔 패턴의 쇼울더는 간섭의 원인이 되는 층의 수가 증가함에 따라 감소되는 것을 특징으로 하는 안테나.
2. 제1항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)이 5개 이상 제공되는 것을 특징으로 하는 안테나.
3. 축을 따라 전자기 복사선을 전송 또는 수신하는 안테나로서, 상기 안테나는 상기 축과 직교하는 방향으로 상호 간격을 두고 떨어진 유전체 물질로 형성된 다수의 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)을 포함하며, 가장 바깥쪽 층은 상기 전자기 복사선의 파장(λ)의 적어도 1/2 만큼 상호 간격을 두고 떨어져 있으며, 상기 층은 상기 층의 후단부에서 전단부까지 상기 축의 방향으로 연장되며, 상기 안테나는 도파관(21)과, 상기 층을 상기 도파관에 전자기적으로 직접 결합시킬 수 있도록 구성된 전이부(22)를 또한 포함하며, 상기 전이부의 전단부는 상기 층의 후단부에 연결되고, 상기 축에 수직하는 방향에서의 크기는 상기 층의 후단부에서의 가장 바깥쪽 층(20a, 20e) 사이의 간격과 동일한 안테나에 있어서, 상기 층 가운데 세 개의 층만이 제공되며, 상기 가장 바깥쪽 층(20a, 20e) 사이의 간섭에 의해 생성되는 빔 패턴의 쇼울더는 간섭의 원인이 되는 층의 수가 증가함에 따라 감소되는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 축을 따라 전자기 복사선을 전송 또는 수신하는 안테나로서, 상기 안테나는 상기 축과 직교하는 방향으로 상호 간격을 두고 떨어진 유전체 물질로 형성된 다수의 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)을 포함하며, 가장 바깥쪽 층은 상기 전자기 복사선의 파장(λ)의 적어도 1/2 만큼 상호 간격을 두고 떨어져 있으며, 상기 층은 상기 층의 후단부에서 전단부까지 상기 축의 방향으로 연장되며, 상기 안테나는 도파관(21)과, 상기 층을 상기 도파관에 전자기적으로 직접 결합시킬 수 있도록 구성된 전이부(22)를 또한 포함하는 안테나에 있어서, 상기 층은 5개 이상 제공되며, 상기 가장 바깥쪽 층(20a, 20e) 사이의 간섭에 의해 생성되는 빔 패턴의 쇼울더는 간섭의 윈인이 되는 층의 수가 증가함에 따라 감소되는 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 축을 따라 전자기 복사선을 전송 또는 수신하는 안테나로서, 상기 안테나는 유전체 물질로 형성되고 후단부에서 전단부까지 상기 축의 방향으로 연장되는 적어도 4개의 층과, 상기 층의 후단부에 연결되고 상기 층을 도파관에 전자기적으로 결합시킬 수 있도록 구성된 전이부를 포함하는 안테나에 있어서, 상기 각각의 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 상기 전자기 복사선의 파장(λ)의 1/4 정도의 간격으로 상기 축에 수직하는 방향으로 상호 떨어져 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
6. 제5항에 있어서, 상기 전이부의 전단부는 상기 층의 후단부에 연결되고, 상기 축에 수직하는 방향에서의 크기는 상기 층의 후단부에서의 가장 바깥쪽 층 사이의 간격과 동일한 것을 특징으로 하는 안테나.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 상기 축에 대해 대칭 상태로 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나.
8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 평면 내에서 연장되고, 상기 축은 중심 평면에 놓이며, 상기 층은 중심 평면에 대해 수직하는 방향으로 상호 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
9. 제8항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 상기 축에 대해 미러 대칭 상태로 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 도파관(21)은 구멍이 형성된 도파관(21)이고, 상기 전이부(22)는 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)을 상기 구멍이 형성된 도파관에 직접 결합할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 안테나.
11. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 상기 축 둘레로 연장되어 동심 중공 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나.
12. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 유전체 물질로 형성되고, 상기 축과 직교하면서 상기 층(20; 51; 61)이 간격을 두고 떨어진 방향과 직교하는 방향으로 상호 간격을 두고 떨어져 배치되고, 상기 층과 교차하는 적어도 세 개의 또다른 층(50; 60)을 포함하며, 상기 세 개의 또다른 층(50; 60)은 상기 층(51; 61)의 후단부에서 상기 층(51; 61)의 전단부까지 상기 축의 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 안테나.
13. 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d,20e)은 상호 일정한 간격으로 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나.
14. 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e) 사이에 공기가 제공되는 것을 특징으로 하는 안테나.
15. 제1항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e) 사이에 제공되는 제 2 물질을 포함하며, 상기 제 2 물질은 상기 층을 형성하는 물질의 유전 상수와 비교하여 낮은 유전 상수를 가지는 것을 특징으로 하는 안테나.
16. 제15항에 있어서, 상기 제 2 물질은 발포 폴리스티렌으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나.
17. 제15항에 있어서, 상기 제 2 물질은 발포 폴리우레탄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나.
18. 제1항 내지 제17항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 상기 축과 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나.
19. 제1항 내지 제17항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d,20e) 사이의 간격은 상기 후단부에서 상기 전단부까지 테이퍼 형태로 변하는 것을 특징으로 하는 안테나.
20. 제1항 내지 제17항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가장 바깥쪽 층(20a, 20e) 사이의 간격은 상기 후단부에서 상기 전단부까지 테이퍼 형태로 변하는 것을 특징으로 하는 안테나.
21. 제1항 내지 제20항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가장 바깥쪽 층(20a, 20e)의 두께는 상기 후단부에서 상기 전단부까지 테이퍼 형태로 변하는 것을 특징으로 하는 안테나.
22. 제1항 내지 제21항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가장 바깥쪽 층(20a, 20e)사이의 각각의 층(20b, 20c, 20d)의 두께는 상기 후단부에서 상기 전단부까지 테이퍼 형태로 변하는 것을 특징으로 하는 안테나.
23. 제1항 내지 제22항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 상기 전자기 복사선의 파장의 1/100 내지 5/100의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
24. 제23항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 상기 전자기 복사선의 파장의 2/100 내지 4/100의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
25. 제1항 내지 제24항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 폴리에틸렌으로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
26. 제1항 내지 제24항중 어느 한 항에 있어서, 상기 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e)은 폴리카본으로 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나.
27. 제1항 내지 제26항중 어느 한 항에 있어서, 축방향으로의 안테나의 길이와 가장 바깥쪽 층(20a, 20e) 사이의 평균 간격의 비는 4:1인 것을 특징으로 하는 안테나.
28. 제1항 내지 제3항 및 제 7항 내지 27항중 어느 한 항에 있어서, 층(20a, 20b, 20c, 20d, 20e) 사이의 평균 간격은 상기 전자기 복사선의 파장의 1/4인 것을 특징으로 하는 안테나.