KR100932921B1 - 적층형 금속판을 이용한 안테나 - Google Patents

Abstract

적층형 금속판을 이용한 안테나가 개시된다. 본 발명에 따른 안테나는 적층된 복수의 금속판들을 포함하고, 적층된 금속판들에는 서로 다른 깊이의 홈들이 형성된 것을 특징으로 한다.

적층형 금속판, 반사 어레이, 안테나, 포물형

Description

적층형 금속판을 이용한 안테나{Antenna using layered metal plates}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 특히 밀리미터파 대역에서 동작하도록 적층형 금속판에 홈 산란체를 포함하는 안테나에 관한 것이다.

본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT 원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-046-03, 과제명: 전파자원 이용 기반 기술 개발].

포물형(parabolic) 안테나는 무선, 텔레비젼, 레이다 및 데이터 통신 등에 사용되는 고이득 반사판 안테나이다. 보통 포물형 안테나는 소형 급전 안테나(feed antenna)에 의해 일루미네이트되는(illuminated) 포물형 반사판을 갖는다.

반사판은 포물선 형태로 형성된 금속 표면으로 구성된다. 이 포물선은 초점을 갖고, 이 반사판 초점에 급전(feed) 안테나가 위치한다.

그러나 포물형 반사판 안테나는 제작시 고비용을 야기하는 단점이 있다. 따라서 그 제작단가를 낮추는 것이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저비용으로 포물선 형태의 금속면을 가공하기 위해 복수의 금속판을 적층하여 반사판을 만들고, 그 반사판에 홈을 구비하여 전자파를 산란하는 안테나를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명은 적층된 복수의 금속판들을 포함하고, 상기 적층된 금속판들에는 서로 다른 깊이의 홈들이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 적층된 금속판에 홈을 구비하여 전자파를 산란함으로써 고이득의 안테나를 실현할 수 있고, 안테나 제작 비용을 절감할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 반사어레이 안테나를 예시적으로 도시한 것이다.

도면에서 참조번호 2는 금속판을 나타내고, 1은 금속판(2)에 형성된 홈을 나타낸다. 홈(1)은 입사되는 전자파를 산란시키는 역할을 하며, 금속판(2)에 기계적으로 구멍을 뚫어서 형성된다. 참조번호 3은 급전 안테나로, 급전(feed) 안테나(3)를 통해 입사한 전자파가 각 홈(1)에서 전자기적으로 여기(excitation)된다. 도면에서 θ_i는 급전 안테나(3)를 통해 입사되는 전자파의 입사각이다.

전자파를 홈(1)에 입사하게 하고, 홈(1)의 물리적 구조, 즉, 깊이, 너비, 위 치 등을 적절하게 조절하여 홈(1)에서 산란되는 전자파의 위상을 배열 안테나 형태가 되도록 배치하면 고이득의 안테나를 구현할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 반사 어레이 안테나 구조를 도시한 것이다. 도시된 반사 어레이 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이 금속판 전체를 가공하는 대신, 얇은 금속판(12)을 복수 개 적층하고, 적층된 금속판(12)에 원하는 깊이와 모양으로 홈(11)을 형성하여 제작된다. 이때 최하위층(13)에는 홈(11)을 형성하지 않는다.

홈(11)은 입사되는 전자파를 산란함으로써 산란파의 크기와 위상을 변경하는 역할을 하며, 그 단면은 사각형, 원형, 타원형 등 어떠한 형태도 가능하다. 가공 비용면에서는 그 단면을 원형으로 하는 것이 유리하다. 또한 홈(11)에서 발생하는 산란파를 조합하여 고이득의 안테나를 얻을 수 있다. 고이득과 광대역 특성을 동시에 얻기 위해서는 홈(11)의 깊이와 모양을 최적화하는 것이 필요하다.

도 3은 본 실시예에 따른 적층된 금속판을 갖는 반사 어레이 구조의 안테나에서 홈 구조의 예를 도시한 것이다. 일반적으로 산란되는 전자파의 위상이 포물형 반사판에 의한 위상과 유사하면 고이득을 갖게 될 것이다. 따라서 본 실시예에서는 전체적인 홈의 배열이 포물선을 이루게 한다.

도면에서, D는 안테나 직경을 나타내고, x_i는 금속판(12)의 중심으로부터 홈중심까지의 거리, f는 포물선의 초점거리를 나타낸다. 또한 d₀는 금속판(12) 중심에 위치한 홈의 길이를 나타내고, d_i는 i번째 홈의 깊이를 나타낸다. λ_g는 홈(11)에 도파되는 전자파의 파장으로, 홈(11)의 폭과 입사하는 전자파의 편파에 따라 결정 된다. 전체적으로 홈(11)의 배열은 참조번호 31과 같은 포물선 형태가 바람직하며, 타원 궤적, 하이퍼볼릭(hyperbolic) 궤적 등 다른 궤적을 사용할 수 있다.

홈(11)의 깊이는 포물선(31) 혹은 다른 궤적의 가장자리로 갈수록 짧아지는 형태로 정해진다. 홈(11) 간의 간격은 촘촘하게 할수록 고이득을 얻을 수 있으나, 공정 비용과 오차를 고려하여 적절한 범위에서 결정할 필요가 있다. 홈(11)의 폭은 홈(11)에 도파되는 전자파 모드가 단일모드가 되도록 λ_g/2보다 작게 하는 것이 바람직하다.

포물선 궤적은 홈(11)의 기하학적 구조, 급전 안테나 특성 f/D를 고려하여 개별 홈의 깊이 d_i를 다음 식에 따라 결정하여 얻을 수 있다.

홈 깊이 d_i가 λ_g/2보다 커지는 경우에는 전송선 이론을 고려하여, 항상 λ_g/2 크기보다 작게 되도록 유지할 수 있다. 왜냐하면 반사파의 주기가 λ_g/2이므로 d_i-λ_g/2가 되게하여 홈 깊이 d_i가 λ_g/2를 넘지않게 할 수 있다.

도 4는 적층형 금속판에 형성되는 홈의 다른 예를 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 홈은 삼각형 형상이나 적층된 금속판임을 고려하여 삼각 계단형으로 형성된 것이다. 이로써 반사 어레이가 광대역에서 동작할 수 있다.

홈 산란체를 구성할 때 각 금속판에 대해 동일한 크기로 홈을 만드는 대신, 각 금속판마다 홈의 크기를 다르게 하면 반사 어레이가 광대역에서 동작하게 할 수 있다. 반사 어레이가 협대역이 되는 문제는 주파수별로 산란되는 위상이 다르기 때문이다. 따라서 홈 산란체의 위상을 조절할 수 있도록 도 4에 도시된 형태로 홈(11)을 형성한다. 도 4에 도시된 홈(11)의 형태는 적층형 금속판의 홈 가공기법과 쉽게 결합될 수 있고, 깊이 방향으로 어떤 모양이든 성형이 가능하므로 광대역 특성을 만들기에 매우 유연한 구조이다. 즉, 도 3에 도시된 구조의 개별 홈 산란체를 도 4에 도시된 구조로 대체하면 고이득과 광대역 특성을 가진 밀리미터파 대역 안테나를 설계할 수 있다.

도 5는 방향도(directivity)가 1인 전방향 안테나(omni-directional antenna)를 급전 안테나로 이용하여 급전 안테나에서 방출되는 전자파를 홈에 산란시켰을 때 관측각에 대한 방향도 특성을 도시한 것이다.

도시된 바에 따르면, 급전 안테나의 방향도는 1이지만 홈(11)에서 반사되어 관측되는 방향도는 0°인 경우 15dB를 초과하는 것을 알 수 있다. 즉, 홈 산란체에 의해 15dB의 방향도 증가가 0°방향으로 생기는 것을 알 수 있다. 또한, 적층형 금속판(12)에 신호를 여기하기 위한 급전 안테나(3)의 위치는 어느 방향에 있어도 상관없다. 이는 통상적인 반사판 안테나의 급전 구조와 동일하다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사 용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 반사어레이 안테나를 예시적으로 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 반사 어레이 안테나 구조를 도시한 것이다.

도 3은 본 실시예에 따른 적층된 금속판을 갖는 반사 어레이 구조의 안테나에서 홈 구조의 예를 도시한 것이다.

도 4는 적층형 금속판에 형성되는 홈의 다른 예를 도시한 것이다.

도 5는 방향도가 1인 전방향 안테나를 급전 안테나로 이용하여 전자파를 홈에 산란시켰을 때 관측각에 대한 방향도 특성을 도시한 것이다.

Claims (7)

1. 적층된 복수의 금속판들을 포함하고,

   상기 적층된 금속판들에는 서로 다른 깊이의 홈들이 형성된 것을 특징으로 하는 안테나.
2. 제1항에 있어서,

   상기 홈들의 깊이는 상기 금속판의 중심으로부터 멀어질수록 포물선, 타원 및 하이퍼볼릭 궤적중 하나로 감소되는 것을 특징으로 하는 안테나.
3. 제2항에 있어서,

   상기 홈의 깊이가 상기 홈에서 산란되는 전자파의 파장보다 큰 경우, 그 파장의 절반으로 상기 홈의 깊이가 결정되는 것을 특징으로 하는 안테나.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   하나의 홈에서 상기 각 금속판들에 형성된 개별 홈은 서로 다른 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 안테나.
5. 제4항에 있어서,

   상기 개별 홈은 상위층 금속판으로 갈수록 크기가 커지는 계단식 형태로 형 성됨을 특징으로 하는 안테나.
6. 제1항에 있어서,

   상기 적층된 금속판들에 신호를 공급하여 여기하기 위한 급전 안테나는 방향과 무관하게 위치함을 특징으로 하는 안테나.
7. 제1항에 있어서,

   상기 금속판들 중에서 최하위층 금속판은 상기 홈이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 안테나.

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