KR100887043B1

KR100887043B1 - 위성 터미널에 사용되는 저가형 고성능 안테나

Info

Publication number: KR100887043B1
Application number: KR1020020042245A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 띠뜨
Original assignee: 유텔셋 에스에이
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2009-03-04
Also published as: DE60113671D1; CA2393949A1; CA2393949C; CN1282311C; NO20023461D0; EP1278266B1; CN1405993A; KR20030009206A; EP1278266A1; ES2250322T3; RU2286625C2; DK1278266T3; US6771225B2; ATE305661T1; DE60113671T2; NO325941B1; MXPA02007128A; JP2003101331A; US20030025641A1; NO20023461L

Abstract

본 발명은 피드혼과 관련된 안테나로 구성된 위성 터미널 안테나 시스템에 관련된다.

이러한 안테나 시스템은 타원형 포물선 메인 리플렉터(1), 외부 타원형 개구부를 갖는 골진 피드혼(2), 스텝영역(8)과 내부영역(7)을 갖는 내부 실린더형 도파관으로 구성되며, 공동요소(10)는 간섭편파 성분(cross polar component)을 보상하기 위해 내부 실린더형 도파관에 추가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 안테나 시스템에 사용될 수 있다.

Description

위성 터미널에 사용되는 저가형 고성능 안테나{LOW COST HIGH PERFORMANCE ANTENNA FOR USE IN INTERACTIVE SATELLITE TERMINALS}

도 1,2,3은 각각 본 발명을 따르는 타원 보상형 피드 안테나장치(elliptical compensated feed antenna arrangement)에 대한 측면도, 정면도, 배면도;

도 4는 a, b, c로 표시된 본 발명을 따르는 타원형 피드혼 장치의 도식적인 도면;

도 5 및 도 6은 본 발명을 따라 공동요소(cavity element)를 포함하는 피드혼의 선호적인 실시예를 도시하는 도식도;

도 7은 안테나 분극평면(polarization plane)을 조절하기 위해 사용되는 선회각도 등고선을 갖는 지도;

* 부호설명 *

1 : 리플렉터 2 : 피드혼

3 : 피드암 4 :선회 플레이트

5 : 제 2 피드혼 7 : 내부영역

10 : 슬롯(공동요소)

본 발명은 위성 터미널에 사용하기에 최적인 피드혼(feed horn)과 관련된 안테나에 관련된다.

실내 및 실외 장치로 구성된 수만개의 개인 대화형 사용자 터미널로 접근되는 대형 대화형 네트워크를 성공적으로 도입하기 위해서 가격이 합리적이며 고성능인 송/수신 위성 안테나가 있어야 한다. 안테나는 터미널에서 중요한 요소 중 하나이다. 현재 고성능 송신 안테나가 합리적인 가격으로 제조되는 것은 불가능하다고 여겨져왔다.

본 발명의 목적은 현재 존재하는 기준과 작동 요구사항에 적합하나 가격은 합리적인 고성능 안테나 시스템을 제공하는 것이다.

삭제

이러한 목적을 이해하기 위해서 본 발명을 따르는 위선 대화형 터미널 안테나는 타원형 안테나, 외부 타원형 개구부(Ap)를 갖는 골진 피드혼(corrugated feed horn), 스텝(step)을 갖는 내부 실린더형 도파관 영역으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 내부 실린더형 도파관 영역은 내부영역(7)을 포함하고, 내부영역(7)에서 확장하여 스텝(11)과 스텝영역(8)으로 통하는 공동요소(cavity element)가 간섭편파 성분(cross-polar component)을 보상하기 위해 추가되는 것을 특징으로 한다. 또한 최적화를 이루기 위해 몇 가지 필수적인 기계적 특징이 구현되어야 한다.
본 발명은 실시예를 도시하기 위한 예로써 계략적인 다이아그램을 참고로 설명된 목적, 특징 및 이점을 통해 명확히 이해될 것이다.
본 발명을 따르는 대화형 멀티위성 터미널 안테나의 계략적인 도면이 도 1,2,3에 도시되었다. 터미널은 타원형 프론트 피드 메인 리플렉터(front-fed main reflector)(1), 리플렉터(1)의 하단둘레영역에 고정된 피드암(feed arm)(3)에 수용되는 보상형 피드혼(2), 메인 리플렉터(1)가 장착되고 또 다른 인접한 위성으로부터 신호를 수신하기 위해 보상형 피드혼(2) 옆에 있는 피드암(3)에 장착된 제 2 피드혼(5)이 선택적으로 장착되는 선회 플레이트(4)로 구성된다. 타원형 리플렉터(1)는 상용되는 리플렉터 일 수 있다.
타원형 구조를 선택하면, 위성간 격리도(isolation)가 높을 것이며 다중 위성 작동이 쉬워질 것이다. 그러나 짧은 초점 거리로 인해서 프론트 피드 리플렉터 구조는 간섭편파(cross-polar) 다이아그램이 20dB이상이 될 수 있고 안테나의 주요 지시(pointing)방향에 가까운 비교적 높은 로브(lobe)를 도시하는데, 이것은 매우 높은 지시정도(pointing accuracy)를 갖는 좋은 간섭편파 식별능력을 얻을 수 없음을 의미한다.

이러한 문제는 동일한 폭을 갖지만 메인 리플렉터에 의해 유도된 편극소거 성분(depolarization component)으로써, 반대 위상을 갖는 특정한 마이크로파를 발생시키는 것과 같이 메인 리플렉터에 의한 편극소거와 반대로 작용하는(즉, 이의 영향을 중화하는) 보상형 피드 시스템(compensated feed system)(2)으로 극복된다.

도 4-6은 전술된 편극소거 요소를 보상하기 위해 고안된 피드혼 구조의 실시예를 도시한다. 이러한 보상형 피드(혼)의 구성은 튜닝이 필요 없고, 대량 생산이 가능하며, 간섭편파 분리 이득(cross-polar discrimination)을 강화하고, 타원형 안테나에 적용시킬 수 있도록 개발되었다. 도 4에 도시된 바와 같이 사용된 피드혼은 개구부 단폭 지름(Dn)과 장폭 지름(Dw)을 가진 외부 타원형 개구부(Ap)를 갖는, 일반적인 디자인의 골진 피드혼이며, 도 4b, 4c에 각각 도시된 바와 같이, 가이드 지름(Dg)을 갖는 내부 영역(7)은, 지름(Ds)을 갖는 스텝영역(8) 다음에 온다.

피드혼의 스로트 영역(throat section)에서 사용된 피드 디자인은 종래의 골진 피드혼과는 다르다. 비대칭으로 만들어져 실린더형 도파관 영역의 TE₂₁ 모드를 활성화하여 전술된 보상이 이루어지며, TE₂₁ 모드는 비대칭 모드이어서 피드 구조물의 비대칭성을 요한다. 요구되는 비대칭을 이루기 위한 최선의 방법은 도 5 및 도 6에 도시된 가이드(guide)의 종방향(가로방향)의 슬롯(10)을 이용하는 것이다. 내부영역(7)으로부터 스텝영역(8)으로 지름(diameter)이 증가하기 때문에, 이러한 슬롯은 도파관의 불연속적인 부분에 형성된다. 이러한 슬롯은 내부영역(7)의 도파관 축과 평행하게 되며 약간 테이퍼진 스텝(11)으로부터 연장된다. 슬롯의 크기(길이, 폭 등)를 변경하여 모드의 진폭이 제어될 수 있다.

도 5 및 도 6은 세 개의 슬롯(10)을 갖는 골진 피드혼 구조를 도시한다. 슬롯 하나는 수평분극을 위해 요구되는 간섭편파장(cross polarization field)을 발생시키도록 y-축(예를 들면, 외부 타원형 개구부의 단축)에 놓인다. 나머지 슬롯 두개는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 슬롯에 대해서 +/- 45°각도로 장착된다.

슬롯의 치수는 발생된 모드 레벨을 결정하는데 중요하다. 슬롯의 길이(s) 및 폭(w)은 도파관 크기에서, 스텝과 함께, 발생된 모드의 레벨에서 큰 영향을 미친다. 슬롯의 (세로방향의) 길이(s)가 길수록 발생되는 TE₂₁ 모드의 레벨이 커진다. 슬롯의 깊이(D)는 기본적으로 가이드 지름(Dg)과 스텝 지름(Ds) 사이의 차에 1/2 정도가 된다. 깊이는 슬롯의 외부 둘레가 스텝 지름 내에 있도록 하기 위해, 이보다 약간 작아야 한다. 이것은 스텝이 다이캐스트(die-cast) 될 수 있도록 한다. 스텝 영역의 테이퍼(T)는 혼이 작동되는데 필요하지 않지만 혼이 쉽게 다이캐스트 되도록 하는 데 관계된다. 만약 이 부분에서 수직영역이 사용된다면 툴(tool)이 고정되고 제거되기가 어렵다.

두 개의 45°슬롯은 높은 차수의 TE₂₁ 모드 레벨을 발생시켰다. 수직 분극에 대한 두 개의 슬롯에 의해 발생된 모드 레벨은 수평 분극에 대한 단일 슬롯으로 발생된 것과 비슷했다. 동일한 피드 셋업으로 양 분극에서 간섭편파는 소거된다. 예를 들어 중앙슬롯의 길이는 7.5mm이고 외부 슬롯은 6.5mm가 된다. 중앙슬롯은 3mm 였고 외부 슬롯은 폭이 2mm였다. 스텝의 길이(Ls)는 19mm였다. 입력 가이드(Lg)의 길이는 10mm였고 지름(Ds,Dg)은 각각 24mm 및 18mm였다. 예를 들면, 슬롯은 피드혼의 타원형 개구부의 단축(minor axis) 상에 배치된다.

세 개의 슬롯(10) 중 중심슬롯은 혼의 장축을 따라 수평분극이 발생되는 모드를 제어하는 슬롯이다. 피드혼의 타원형 개구부의 단축에 대해 +/-45°각도인 두 개의 슬롯은 수평 분극에 대해서 더 높은 모드를 발생시킨다. 스텝의 길이는 간섭편파 로브의 위상이 간섭편파 패턴에 대해서 반대 위상이거나 순방향 위상이 되도록 조절된다.

보상은 손실이 많은 요소가 아니기 때문에 절대적인 송신 및 수신 이득은 영향을 받지 않는다. 또한 보상효과는 주파수종속이지만 최소한 5%의 주파수 대역 이상으로 작동됨이 증명되었다. 그러므로 14GHz에서 500MHz가 커버될 수 있고 30GHz에서 1000MHz가 커버된다. 안테나의 전송 간섭편파 분리가 개선되고 간섭편파 로브는 30dB 이하 혹은 이 이상으로 감소된다.

삭제

본 발명의 특징 및 이점은 도 1-3에 참고로 설명될 것이다.

보상형 피드혼이 메인 리플렉터(1)에 의해 야기된 편극소거(depolarization)에 대해 반대작용하도록 맞춰지기 때문에 안테나의 분극평면을 조절하기 위해 피드혼을 회전시키는 것이 제한된다. 따라서 본 발명은 전체 안테나 시스템을 회전시키는 것을 제안한다. 이러한 회전은, 도면부호 '13'으로 표시된 각도 눈금(도 3 참조)과, 둘레방향으로 연장된 가늘고 긴 구멍(12)이 구비된 선회 플레이트(4)에 의해, 비용효율적으로 이루어진다. 선회각도 설정(setting)은 터미널의 위치에 따라 결정되고, 예를 들면, 선회각도 윤곽선(swivel angle contours)을 도시하는 단순화된 지도가 설치자에게 제공된다. 도 7이 그 예이다.

안테나의 전기적 축(안테나가 최대 이득을 나타내는 축) 혹은 기계적 축에 대해서 선회 오프셋(offset)을 수행하는 것이 가능하다. 요구되는 선회각도의 차이는 다른 선회 구배(contour plot)를 발생시키는데 고려된다. 이러한 두가지 경우에 있어서 정확하게 정렬될 수 있다.

전술된 방법의 정렬은 위성지상국(earth station)에서 보는 바와 같이, 타원형 리플렉터(1)의 중심축(major axis)이 정지궤도(geo-stationary orbit)에 평행하게 배열된다는 것을 의미하며, 이는 두 가지 주요한 추가적인 이점을 갖는다.

첫째로, 안테나가 정지궤도에 정렬되어 있기 때문에 수직으로 이동할 필요없이 메인 보상형 피드혼(2)의 측면에 있는 피드혼(5)처럼 제 2 피드혼을 장착하여 인접한 또 다른 위성을 수신하는 것을 가능하게 한다. 이로 인해 여러 개의 위성을 작동시키는 것을 쉽게 한다.

둘째로, 산업규정에 따르면 안테나 중심축이 정지궤도에 정렬되었다면 타원형 안테나에 대해서 최대허용 등가등방복사전력(equivalent isotropic radiated power-EIRP)이 얻어질 수 있다. 이러한 경우 좀더 유리한 방위각(azimuth) 방사패턴이 좀더 높은 허용전력 레벨을 나타내도록 상기 EIRP를 결정하도록 고려될 것이다. 분명히 제안된 구조가 이러한 조건에 맞아서 최대허용 EIRP이 할당될 것이다.

요약하자면 본 발명은 튜닝할 필요없이 표준 대량생산 기술을 사용하여 제조될 수 있는 보상형 피드혼 덕분에 타원형 리플렉터를 갖는 안테나를 상업적으로 이용할 수 있도록 한다.

Claims

타원형 포물선 리플렉터(1)와,

상기 타원형 포물선 리플렉터(1)에 의해 반사된 전자기파를 수신하도록 상기 타원형 포물선 리플렉터(1)를 향하는, 외부 타원형 개구부를 갖는 골진 피드혼(2)을 포함하되,

상기 골진 피드혼(corrugated feed horn, 2)은 내부 실린더형 도파관을 포함하고, 상기 내부 실린더형 도파관은 스텝(11)과 스텝영역(8)으로 이어지는 내부영역(7)을 포함하며, 상기 스텝영역(8)은 상기 내부영역(7)보다 큰 지름을 가지고,

상기 내부 실린더형 도파관의 내부영역(7)에서 확장되고, 상기 스텝(11)과 상기 스텝영역(8)으로 통하는 하나 이상의 종방향의 슬롯(10)이 형성되어, 상기 골진 피드혼(corrugated feed horn, 2)에 수신된 반사된 전자기파의 기본 모드보다 더 높은 차수의 모드를 발생하게 하는 것을 특징으로 하는 위성 터미널 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 종방향의 슬롯(10) 각각은 간섭편파 성분(cross polar component)을 소거(cancle)하도록 조절된 진폭을 가지는 높은 차수의 모드를 발생시키도록 선택된, 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 위성 터미널 안테나 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 종방향의 슬롯(10)은 상기 외부 타원형 개구부의 단축 또는 장축 방향으로 개방되는 것을 특징으로 하는 위성 터미널 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 골진 피드혼(corrugated feed horn, 2)은 상기 내부 실린더형 도파관에, 세 개의 슬롯(10)을 포함하고, 상기 세 개의 슬롯(10) 중 하나인 중심슬롯은 상기 피드혼(2)의 상기 외부 타원형 개구부의 장축 또는 단축 상에 배치되고, 상기 슬롯(10) 중 나머지 두 개의 슬롯은 상기 중심슬롯에 대해 각각 +45도 및 -45도의 각을 이루도록 설치되는 것을 특징으로 하는 위성 터미널 안테나 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 타원형 포물선 리플렉터(1)의 중심축이 정지궤도에 정렬되도록 상기 위성 터미널 안테나 시스템의 각도를 조절하는 선회 플레이트(4)에 의해, 상기 위성 터미널 안테나 시스템이 회전되는 것을 특징으로 하는 위성 터미널 안테나 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 골진 피드혼(corrugated feed horn, 2)에 수신되는 신호를 발생하는 위성과 인접한 다른 위성으로부터 신호를 수신하기 위해, 상기 골진 피드혼(2)의 측면으로 장착된 제 2 피드혼(5)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위성 터미널 안테나 시스템.