KR100744610B1 - 경사각에서 최대효율을 갖는 위상배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경사각도에서 입사되는 전파에 대한 수신효율이 높은 복사소자를 기판 상에 다수 행/열로 배치하여 높은 수신효율을 갖도록 하고, 안테나를 보호하기 위한 레이돔을 통해 입사되는 전파를 목적하는 경사정도로 조절할 수 있도록 하여 전파 수신효율을 보다 증가시킬 수 있도록 한 경사각에서 최대효율을 갖는 위상배열 안테나에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 위성에서 수신된 전파를 처리하기 위한 다수의 전기, 전자소자가 실장된 인쇄회로기판과; 상기 인쇄회로기판 상에 다수의 행/열로 배치되어 실장되고, 수신된 전파에 대한 방사특성이 경사각도에서 최대가 되어 경사수신된 전파에 대해 헬리컬 또는 다이폴 형태의 복사소자를 포함하여 구성된 통상의 안테나에 있어서, 상기 복사소자가 실장된 인쇄회로기판의 외측으로 전파가 투과되는 레이돔이 설치되며, 레이돔을 투과한 전파가 복사소자 측으로 경사각도를 가지며 진행되도록 하기 위해 상기 레이돔의 내면 또는 외면에 삼각형태, 오목렌즈형태, 볼록렌즈형태 중 어느 하나의 형태로 선택된 요철면이 형성된 것을 특징으로 하는 경사각에서 최대효율을 갖는 위상배열 안테나를 제공한다.

안테나, 패치, 다이폴, 헬리컬, 수신효율, 방사특성, 위성

Description

경사각에서 최대효율을 갖는 위상배열 안테나{Phased array antenna having the highest efficiency at slant angle}

도 1은 일반 패치 안테나의 사시도.

도 2는 도 1의 패치 안테나 방사특성 그래프.

도 3은 종래 위상배열 안테나의 구성 사시도와 방사특성 그래프.

도 4는 도 3의 위상배열 안테나가 사용되는 상태 예시도.

도 5는 도 3의 위상배열 안테나가 다른 형태로 사용되는 상태 예시도.

도 6은 본 발명에 적용되는 복사소자 사시도.

도 7은 도 6의 복사소자 방사특성 그래프.

도 8은 본 발명에 의한 위상배열 안테나의 구성 사시도와 방사특성 그래프.

도 9는 본 발명에 의한 위상배열 안테나가 사용되는 상태 예시도.

도 10은 본 발명의 추가 실시예 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 복사소자 20: 인쇄회로기판

30: 레이돔

본 발명은 경사각에서 최대효율을 갖는 위상배열 안테나에 관한 것으로써, 상세하게는 경사각도에서 입사되는 전파에 대한 수신효율이 높은 복사소자를 기판 상에 다수 행/열로 배치하여 높은 수신효율을 갖도록 하고, 안테나를 보호하기 위한 레이돔을 통해 입사되는 전파를 목적하는 경사정도로 조절할 수 있도록 하여 전파 수신효율을 보다 증가시킬 수 있도록 한 것이다.

위상배열 안테나는 다수의 복사소자를 기판상에 배치하여 전파의 수신효율을 증가시키도록 구성된 평면형의 장치이다.

도 1은 위상배열 안테나에 주로 적용되는 패치(patch)형 복사소자를 나타내며, 도 2는 도 1의 복사소자의 수신효율에 대응되는 방사특성을 나타낸 그래프이다.

도면을 참조하면, 패치형 복사소자(1)는 기판(2) 상에 배치되어 전파의 대부분을 수신하는 그 상부에 대략 원형의 방사영역이 형성되며, 이와 같은 원형의 방사영역은 수직선상의 방사특성이 최대가 됨을 알 수 있고, 일정한 각도를 가지며 입사되는 전파에 대한 방사특성은 저각으로 갈수록 감쇠됨을 알 수 있다.

이와 같은 복사소자(1)에 의해 구현된 종래의 위상배열 안테나는 도 3a에서와 같이 여러 전기, 전자소자가 실장된 인쇄회로기판(2) 상에 다수의 행과 열로 복사소자(1)가 배열되어 설치된다.

즉, 상기 위상배열 안테나는 다수의 복사소자(1)에 의해 일정한 크기의 안테나에 대한 전파의 수신효율을 최대치로 증가시키도록 한 구성이며, 도 3b의 방사특성 그래프를 살펴보면, 다수의 복사소자(1)로 수신된 전파의 수신효율이 수직선상의 각도에서 최대치가 되고, 경사각도에서 상당량 감소된 특성을 나타낸다.

이와 같은 위상배열 안테나는 주로 전자식 빔 조향 레이더, 또는 위성방송 수신용 안테나에서 전파를 수신하기 위해 최근 가장 각광받는 형태이다.

상기 특성을 갖는 종래의 위상배열 안테나는 실제 제품으로 적용될 때, 도 4 및 도 5에서와 같이 주로 자동차(3)의 상부에 설치되어 자동차(3) 내부의 위성방송 수신기 등의 기기로 전파를 수집하여 전달하게 된다.

여기서, 도 4는 자동차(3)의 상부에서 복사소자(1)가 배열된 인쇄회로기판(2)이 경사상태로 구비되고, 모터, 벨트구동기구 등의 구동수단(4)에 의해 회전될 수 있도록 구성되며, 복사소자(1) 및 인쇄회로기판(2) 등의 전파수신장비를 보호하기 위해 전파가 투과되는 레이돔(5)이 그 외부에 설치된다.

이러한 위상배열 안테나에서 인쇄회로기판(2)의 경사는 정지궤도의 위성에서 송출된 전파를 최대의 효율로 얻기 위해서는 지표면에 대한 위상배열 안테나의 전파수신 각도가 대략 45°부근을 유지해야 한다.

따라서, 상기된 인쇄회로기판의 경사상태는 이와 같은 각도유지를 위한 구성이며, 자동차(3)의 위치이동에 따라 최적의 전파수신 방향성을 부여하기 위해 구동수단(4)이 요구되는 것이다.

이와는 다른 실시형태로 도 5는 인쇄회로기판(2)을 지표면과 수평한 방향으로 설치하여 도 4의 실시형태에 비해 설치 높이를 감소시키도록 한 것이다.

상기된 것과 같은 종래의 위상배열 안테나는 복사소자가 수직방향으로 최대의 전파수신 효율을 갖기 때문에 대략 45°에서 최대의 수신효율을 기대할 수 있는 위상송출 전파에 대한 수신효율이 낮은 단점이 있다.

이로 인해, 상기 위상배열 안테나가 자동차의 위성수신 안테나로 적용될 경우, 복사소자가 배열된 인쇄회로기판이 지표면과 경사유지되며 설치되어 안테나의 전체 높이가 증가된다.

또한, 상기 높이 증가를 해소하기 위해 인쇄회로기판을 지표면과 수평한 상태로 설치할 경우 전파수신 효율이 낮아 이를 극복하기 위해서는 복사소자의 설치개수 증가(단위면적당 4배 이상) 및 인쇄회로기판의 면적증가가 불가피하게 된다.

따라서, 상기와 같이 대형화된 위상배열 안테나는 외부로 일부가 노출될 경우, 자동차의 미관을 저해하게 되며, 이를 해소하기 위해 내부로 인입할 경우, 자동차의 천정이 상대적으로 낮아지게 되어 실내공간이 적어질 뿐만아니라, 자동차 상부의 여러구성을 감안하여 안테나의 설치위치를 설정해야 하기 때문에 설계상의 어려움이 있는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기된 문제점을 해소하기 위해 발명한 것으로써, 경사수신되는 전파에 대한 최대의 수신효율을 갖는 복사소자를 다수의 행/열로 배치하여 안테나의 경사설치에 의한 높이 및 평면상의 넓이 증가를 해소하고, 안테나의 방향설정을 위해 구동수단을 배제시키도록 한 위상배열 안테나를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전파가 투과되는 레이돔을 통과하며 굴절되는 전파가 안테나로 수신될 때의 최적 각도를 유지할 수 있도록 한 위상배열 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 아래의 특징을 갖는다.

본 발명은, 위성에서 수신된 전파를 처리하기 위한 다수의 전기, 전자소자가 실장된 인쇄회로기판과; 상기 인쇄회로기판 상에 다수의 행/열로 배치되어 실장되고, 수신된 전파에 대한 방사특성이 경사각도에서 최대가 되어 경사수신된 전파에 대해 최적화된 헬리컬 또는 다이폴 형태의 복사소자를 포함하여 구성된다.

상기 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 상기 복사소자가 실장된 인쇄회로기판의 외측으로 전파가 투과되는 레이돔이 설치되며, 레이돔을 투과한 전파가 복사소자 측으로 경사각도를 가지며 진행되도록 하기 위해 상기 레이돔의 내면 또는 외면에 삼각형태, 오목렌즈형태, 볼록렌즈형태 중 어느 하나의 형태로 선택된 요철면이 형성되어 구성된다.

또한, 상기 투과되어 굴절되는 전파가 복사소자의 수신효율이 최대화되는 경사각도로 유지되도록 하기 위해, 상기 레이돔은 인쇄회로기판의 측부에 구비된 측벽부와, 측벽부의 상측에 결합되어 측벽부에 대해 상, 하로 승강되는 커버부로 이루어지며, 선택적으로 측벽부와 커버부에는 커버부를 승강시키기 위한 승강구동부가 설치되어 구성된다.

이하, 상기 구성이 적용된 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명에 적용되는 복사소자 사시도, 도 7은 도 6의 복사소자 방사특성 그래프이다.

도면을 참조하면, 상기 복사소자(10)는 헬리컬(helical; 나선상의) 형태의 안테나를 나타내며, 이 헬리컬 형태의 복사소자(10)는 대략 45°부근의 각도로 수신되는 전파에 대한 최대의 방사특성을 갖는 것을 알 수 있다.

특히, 이 복사소자(10)는 플레이트(plate) 형태의 납작한 형상이 나선형태로 감겨진 구성이며, 보다 간단한 제작형태를 요구한다면 단면이 원형인 심재를 나선의 형태로 형성한 복사소자도 적용가능하다.

또한, 상기 복사소자(10) 중 경사각도로 입사된 전파에 대한 수신효율이 다소 상이하기는 하지만 단일의 심재가 직립된 다이폴(dipole; 2극) 형태의 복사소자 역시 경사각도의 수신효율이 높다.

따라서, 상기 복사소자는 헬리컬 형태 중 플레이트 및 원형의 단면을 갖는 형태와 다이폴 형태를 선택적으로 적용할 수 있게 된다.

도 8a는 본 발명에 의한 위상배열 안테나의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 8b는 도 8a의 위상배열 안테나의 방사특성 그래프이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 의한 위상배열 안테나는 인쇄회로기판(20) 상에 복사소자(10)가 실장되고, 그 외측에 레이돔(30)이 설치되어 구성된다.

상기 인쇄회로기판(20)은 위성에서 수신된 전파를 처리하기 위한 다수의 전기, 전자소자가 실장되어 구성된다.

상기 복사소자(10)는 인쇄회로기판(20) 상에 다수의 행/열로 배치되어 실장되고, 수신된 전파에 대한 방사특성이 경사각도에서 최대가 되어 경사수신된 전파에 대해 최적화 된 구성의 것이 적용되어 구성된다.

여기서, 상기 복사소자(10)는 전술된 바 있듯이 헬리컬(플레이트, 원형 모두를 포함하는) 또는 다이폴 형태의 것 중 어느 한 종류, 경우에 따라 혼용하여 적용할 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 위상배열 안테나는 45°부근의 경사각도로 입사된 전파에 대한 최대의 수신효율을 나타낸다.

참고적으로, 방송위성은 적도 상공 36,000㎞에 위치하면 지구의 자전속도와 동일하게되어 위성이 지구 상공에 정지하게 되며, 이 때 정지궤도에 있는 위성을 수신하는 대분분의 가입자 들이 시청하는 위치와 방성위성이 이루는 각은 평균 45°가 된다.

즉, 상기와 같이 구성된 위상배열 안테나는 특정한 방향성에 관계없이 지표면과 평면의 상태에서 위성전파의 최대 수신효율을 얻게 되는 것이다.

상기된 기술사안에 의해 도 9에서와 같이 위상배열 안테나가 자동차(3)에 설치된 경우 안테나가 지표면과 수평한 상태로 설치되어도 그 방향성에 관계없이 최대의 전파수신이 이룩되어 디지털 위성방송이 최적의 상태로 구동될 수 있게 된다.

상기 레이돔(30)은 외부의 충격, 이물질 등에 대해 안테나를 구성하는 인쇄회로기판(20) 및 복사소자(10) 등의 구성을 보호하기 위해 안테나의 외측에 설치되어 외장을 형성하는 케이스이며, 이 때, 상기 레이돔(30)이 전파투과 가능한 재질의 것으로 제작됨은 당연하다.

<추가실시예>

도 10은 본 발명의 추가 실시예 단면도이다.

도면을 참조하면, 추가실시예의 위상배열 안테나는 상기 레이돔(30)을 통해 굴절되며 투과되는 전파의 최대한 많은 량이 복사소자(10)의 최대 수신효율 각도인 45°로 수렴 또는 유지되도록 하기 위한 구성을 제안한다.

상기 전파가 대략 45°의 경사각도로 수렴되도록 하기 위해, 상기 레이돔(30)의 내면 또는 외면에 요철면(31)이 형성되며, 이 요철면(31)은 대략 45°로 입사되는 전파가 최대한 수렴될 수 있도록 어느 일부의 구간, 또는 전체구간에 걸쳐 형성된다.

여기서, 상기 요철면(31)의 형태는 가장 단순하게 삼각의 형태로 표시했지만, 설계시 볼록렌즈의 형태 또는 오목렌즈의 형태 등을 선택적으로 또는 혼용하여 적용할 수 있도록 하여 그 형상에 제한되지는 않는다.
특히, 상기 요철면(31) 중 가장 이상적인 형태는 도면에 제시된 삼각형태인데, 이는 볼록렌즈 또는 오목렌즈의 형태일 경우 가상의 수평선상과 수평하는, 또는 수평에 근접하는 면 없이 모두 경사면으로 형성되어 레이돔(30)을 통해 투과된 전파가 가능한 기울기를 갖는 진행방향이 되기 때문이다. 이에 반하여 볼록렌즈 또는 오목렌즈 형태는 평면의 레이돔(30) 면에 비해 전파를 경사진행시키는 확률이 높기는 하지만 가상의 수평선상과 수평 또는 수평에 근접하는 일부구간에 의해 삼각형태의 것보다 그 효율이 낮음은 당연하다.

또한, 상기 레이돔(30)은 전파의 최대한 많은량이 대략 45°의경사각도로 유지되도록 하기 위해, 인쇄회로기판(20)의 측부에 구비된 측벽부(32)와, 측벽부(32)의 상측에 결합되어 측벽부(32)에 대해 상, 하로 승강되는 커버부(33)로 이루어진다.

여기서, 상기 커버부(33)와 측벽부(32)는 승강되는 궤도의 안내를 위해 안내돌기(34)와 안내홈(35)이 각각 커버부(33)와 측벽부(32)의 대향면에 선택적으로 형성된다.

또한, 선택적으로 측벽부(32)와 커버부(33)에는 커버부(33)를 승강시키기 위한 승강구동부(36)가 설치되어 커버부(33)의 자동승강이 구현될 수 있도록 함이 바람직한데, 상기 승강구동부(36)는 가장 단순하게 직선구동을 수행하는 실린더를 구비하거나, 다소 복잡하지만 모터와 링크기구에 의해 직선구동을 수행하는 장치를 구비해도 무방하다.

이상에서 설명한 것과 같이 본 발명은, 경사수신되는 전파에 대한 최대의 수 신효율을 갖는 복사소자로 안테나를 구현하여 안테나의 경사설치에 의한 높이 및 평면상의 넓이 증가요인이 해소되므로써 안테나의 소형화를 구현하며, 이로인해 안테나가 설치될 공간의 설치 및 사용효율이 보다 향상되는 효과를 얻게 된다.

또한, 본 발명은 전파수신의 방향성에 무관하여 안테나의 방향을 변화시키는 구동수단이 요구되지 않아 안테나 제작의 경비를 대폭 절감할 수 있으며, 제작의 편리함을 제공하는 효과가 있다.

더불어, 전파가 굴절되어 투과되는 레이돔의 높이 및 그 내부의 구성이 복사소자로 입사되는 전파의 수신각도를 최적화 가능하게 구현되므로써, 보다 향상된 전파수신효율을 얻게 되며, 이로인해 제품의 고품질화에 기여하는 효과가 발생된다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 위성에서 수신된 전파를 처리하기 위한 다수의 전기, 전자소자가 실장된 인쇄회로기판(20)과; 상기 인쇄회로기판(20) 상에 다수의 행/열로 배치되어 실장되고, 수신된 전파에 대한 방사특성이 경사각도에서 최대가 되는 헬리컬 또는 다이폴 형태의 복사소자(10)를 포함하여 구성된 통상의 안테나에 있어서,

   상기 복사소자(10)가 실장된 인쇄회로기판(20)의 외측으로 전파가 투과되는 레이돔(30)이 설치되며, 레이돔(30)을 투과한 전파가 복사소자(10) 측으로 경사각도를 가지며 진행되도록 하기 위해 상기 레이돔(30)의 내면 또는 외면에 삼각형태, 오목렌즈형태, 볼록렌즈형태 중 어느 하나의 형태로 선택된 요철면(31)이 형성된 것을 특징으로 하는 경사각에서 최대효율을 갖는 위상배열 안테나.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 복사소자(10)가 인쇄회로기판(20)의 외측으로 전파가 투과되는 레이돔(30)이 설치되며, 투과되어 굴절되는 전파가 복사소자(10)의 수신효율이 최대화되는 경사각도로 유지되도록 하기 위해,

   상기 레이돔(30)은 인쇄회로기판(20)의 측부에 구비된 측벽부(32)와, 측벽부(32)의 상측에 결합되어 측벽부(32)에 대해 상, 하로 승강되는 커버부(33)로 이루어지며, 선택적으로 측벽부(32)와 커버부(33)에는 커버부(33)를 승강시키기 위한 승강구동부(36)가 설치된 것을 특징으로 하는 경사각에서 최대효율을 갖는 위상배열 안테나.

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