KR100953601B1 - 광대역 편파 변환기 및 이를 이용한 편파 변환 이중 반사경 안테나 - Google Patents

광대역 편파 변환기 및 이를 이용한 편파 변환 이중 반사경 안테나 Download PDF

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Abstract

광대역 편파 변환 기술이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기는, 편파 변환(polarization twist)을 수행하는 도체판을 포함하고, 상기 도체판의 반사면에는 미앤더(meander) 형태의 홈(groove)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하여, 광대역 편파 변환 성능을 개선함은 물론 편파 변환 손실을 최소화할 수 있다.

Description

광대역 편파 변환기 및 이를 이용한 편파 변환 이중 반사경 안테나{Broadband polarization twister and polarization twisting dual-reflector antenna using thereof}
본 발명은 편파 변환 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 광대역 편파 변환 성능을 개선함은 물론 편파 변환 손실을 최소화하는 편파 변환기 및 이를 이용한 편파 변환 이중 반사경 안테나에 관한 것이다.
최근, 위성 통신, 레이더 시스템 등을 위한 안테나로서, 주 반사경(main-reflector) 및 부 반사경(sub-reflector)을 포함하여 이중 반사경으로 구성되는 안테나, 예컨대 카세그레인 반사경 안테나(Cassegrain reflector antenna) 등이 널리 이용되고 있다.
이러한 이중 반사경 안테나는, 일반적인 단일 반사경 안테나에 비해 짧은 초점 거리(focal length)를 지니므로 안테나 폭을 대폭 감소시킬 수 있으며, 높은 이득을 보이는 장점이 있다. 그러나, 이러한 이중 반사경 안테나의 경우, 복사 평면 내에 존재하는 부 반사경으로부터 야기되는 가림 효과(blockage effect)로 인해 상대적으로 안테나 이득 및 부엽 특성이 저하되는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 편파 변환 이중 반사경 안테나(polarization twisting dual-reflector antenna), 예컨대 편파 변환을 이용하여 가림 효과를 감소시키는 카세그레인 안테나가 제안된 바 있다. 상기 편파 변환 이중 반사경 안테나는, 주 반사경에 편파 변환기 구비하고, 부 반사경에 편파 필터 기능을 구비하여 상기 부 반사경에 의한 가림 효과를 제거한다.
이와 같이, 편파 변환기는 상기 편파 변환 이중 반사경 안테나 등을 구현하기 위한 필수적인 구성 요소에 해당한다.
한편, 기존 기술은 편파 변환 반사경을 구현하기 위해 주기적인 금속 스트립(metal-strip) 또는 직각 홈이 형성된 파형 도체면(corrugated conducting surface) 등을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 주기적 금속 스트립이나 파형 도체면을 사용하는 경우, 협소한 주파수 대역에서만 편파 변환을 수행할 수 있게 된다.
또한, 기존 기술은 편파 변환의 광대역 특성을 얻기 위해 적층 구조(layered structure)의 편파 변환기를 사용한다. 그러나, 이러한 적층 구조의 편파 변환기를 사용하는 경우, 상기 적층 구조에 포함되는 편파 변환용 필름, 이격층(spacing layer) 등으로 인해 높은 편파 변환 손실을 야기하게 된다.
따라서, 넓은 주파수 대역에서 편파 변환이 가능하면서도 편파 변환 손실을 최소화 할 수 있는 새로운 개념의 광대역 편파 변환 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들은, 편파 변환을 위해 미앤더 형태의 홈이 형성된 도체판을 이용함으로써, 광대역 편파 변환 성능을 개선함은 물론, 편파 변환 손실을 최소화하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기는, 편파 변환(polarization twist)을 수행하는 도체판을 포함하고, 상기 도체판의 반사면에는 미앤더(meander) 형태의 홈(groove)이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 편파 변환 이중 반사경 안테나(polarization twisting dual-reflector antenna)는, 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 편파 변환기를 이용하여 편파 변환을 수행한다.
본 발명의 실시예들은, 미앤더 형태의 홈이 형성된 도체판을 이용하여 편파 변환을 수행함으로써, 광대역 편파 변환 성능을 개선할 수 있다.
또한, 미앤더 형태의 홈이 형성된 도체판을 이용하여 단일 층 구조의 편파 변환기를 구현함으로써, 기존의 적층 구조에서 발생하는 편파 변환용 필름, 이격층 등으로 인한 편파 변환 손실을 최소화할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예들에 따른 편파 변환기는 광대역 편파 변환 성능을 요하는 편파 변환 이중 반사경 안테나 등에 효율적으로 적용될 수 있다.
이하, 본 발명의 기술적 과제의 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광대역 편파 변환기(100)는 편파 변환(polarization twist)을 수행하는 도체판(conducting plane: 110)을 포함한다. 또한, 전파를 반사하는 상기 도체판(110)의 반사면에는 미앤더(meander) 형태의 홈(groove: 120)이 형성되어 있다. 상기 미앤더 형태의 홈(120)은, 상기 도체판(110)의 상기 반사면 전체에 주기적으로 반복하여 형성되어 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 미앤더 형태의 홈(120)이 형성된 도체판(110)을 이용하여 편파 변환기를 구현하는 경우, 광대역 편파 변환이 가능해지며, 나아가 최적화 설계를 통해 광대역 편파 변환 특성을 더욱 개선할 수 있게 된다.
또한, 미앤더 형태의 홈(120)이 형성된 도체판(110)을 이용하여 편파 변환기를 이용하여 편파 변환기를 구현하는 경우, 기존 기술과 달리 편파 변환용 필름, 이격층(spacing layer) 등을 포함하는 적층 구조(layered structure)가 아닌 단일 층 구조(single layer structure)로 편파 변환기를 구현할 수 있게 됨으로써, 상기 편파 변환용 필름이나 이격층 등의 손실 탄젠트로 인해 발생하는 편파 변환 손실을 최소화 할 수 있게 된다.
도 2a 내지 도 2c에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기(100)의 도체판(110)에 형성된 미앤더 형태의 홈(120)이 상세하게 도시되어 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 미앤더 형태의 홈(120)은 상호 직교하는 수평 방향의 홈 및 수직 방향의 홈으로 구성될 수 있다.
또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 미앤더 형태의 홈(120)은 단위 셀(unit cell)의 주기적인 결합으로 볼 수 있다. 따라서, 상기 단위 셀의 형상 파라미터들을 이용하여 상기 미앤더 형태의 홈(120)의 기하학적 형상을 정의할 수 있으며, 상기 단위 셀의 형상 파라미터들을 이용한 최적화 설계를 통해 상기 광대역 편파 변환기(100)의 광대역 편파 변환 특성을 더욱 개선할 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 단위 셀의 형상 파라미터들을 다음과 같이 정의할 수 있다. 즉, 수직 및 수평 방향 홈의 폭을 각각 w 1 및 w 2, 깊이를 d, 수평 방향 격벽의 두께를 b, 수직 방향 격벽의 두께를 g, 그리고 수직 방향의 홈들 간의 거리를 a로 정의할 수 있다. 그러면, 각각의 미앤더 형태의 홈(120)들은 물리적으로 세로 주기를 2(b+w2), 가로 주기를 a+2(g +w1), 수직 및 수평 방향 홈의 폭을 각각 w1 및 w2, 및 홈의 깊이를 a로 정의할 수 있다.
평면파(plane wave)를 상기 미앤더 형태의 홈(120)의 축들에 대하여 45°각 도로 편파된 전계 벡터로 간주하면, 도 2c에 도시된 바와 같이, 입사 전계는 두 개의 직교 성분, 즉 수평 성분
Figure 112009068679245-pat00001
및 수직 성분
Figure 112009068679245-pat00002
으로 나눌 수 있다. 입사각 θ를 지닌 전계는 상기 미앤더 형태의 홈(120)이 형성된 상기 도체판(110)의 반사면에 작용한다.
평면파가 상기 미앤더 형태의 홈(120)이 형성된 반사면에 입사될 때, 두 개의 전기적 직교 성분들은 위상이 같다. 그러나, 상기 평면파가 반사 경로를 통과하는 동안에, 수평 성분
Figure 112009068679245-pat00003
의 위상은 주기적으로 형성된 상기 미앤더 형태의 홈(120)들에 의해 앞서게 된다. 반면, 수직 성분
Figure 112009068679245-pat00004
의 위상은 지연된다.
따라서,
Figure 112009068679245-pat00005
및
Figure 112009068679245-pat00006
가 180°각도의 위상차가 생길 때, 반사파의 편파 벡터는 입사 편파에 대하여 90°각도로 변환될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 편파 변환기(100)는, 편파 변환을 위한 상기 미앤더 형태의 홈(120)의 최적화된 치수를 결정함으로써 넓은 주파수 범위에서 상기
Figure 112009068679245-pat00007
및
Figure 112009068679245-pat00008
간에 180°각도의 위상차를 발생시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 편파 변환기의 최적화 설계 과정을 설명하고, 그 성능을 검증한다.
상기 미앤더 형태의 홈(120)의 최적화 설계를 위해, 확률론적 최적화 기법으로서 PSO(Particle Swarm Optimization) 및 GA(Genetic Algorithm)을 결합하여 수렴 속도를 개선한 GSO(Genetical Swarm Optimization) 기법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 미앤더 형태의 홈(120)이 형성된 상기 도체판(110)에 의한 반사파를 계산 하기 위해, 3차원 유한적분 타임 도메인 솔버인, CST MicroWave Studio(MWS)를 사용할 수 있다. 이 경우, CST MWS에 의한 시뮬레이션 결과는 GSO 코드로 전달되어 가격 함수(cost function)를 평가한다. 상기 가격 평가를 기반으로, 상기 GSO 알고리즘은 상기 미앤더 형태의 홈(120)의 기하학적 형상 파라미터들을 결정 및 업데이트 한다.
더욱 구체적으로 설명하면, 상기 광대역 편파 변환기(100)는, 상기 도체판(110)의 반사면에 유한 개수의 미앤더 홈(meander-groove)이 형성되어 있지만, 그 구조는 무한 주기 구조로 간주할 수 있다. 그 이유는 단위 셀의 수가 매우 크기 때문이다. 그러므로, 상기 광대역 편파 변환기(100) 전체 구조의 동작은 CST MWS에서 사용되는 주기 경계 조건을 적용하여 산출되는 상기 단위 셀의 응답으로부터 계산될 수 있다.
한편, 상기 GSO 알고리즘의 구현을 위해, PSO 프로세스에서 감쇠 팩터(damping factor)를 0.5로 한 감쇠 경계 조건(damping boundary condtion)을 적용할 수 있다. 이때, GA는 룰렛 휠(roulette wheel) 선택법과 확률 P cross=0.8의 균등 교차(uniform crossover)를 통해 구현할 수 있다. 또한, 확률 P mut=0.15의 임의 변이(random mutation)를 허용할 수 있다. 그리고, 상기 PSO 및 GA은 혼성화 계수 hc = 0.2로 결합할 수 있다. 이는, 각각의 이터레이션(iteration) 단계에서 모집단 전체 개체수의 20%를 GA를 통해 진화시키고, 상기 나머지 개체수를 PSO를 통해 진화시킨다는 것을 의미한다.
상기 GSO 프로세스에 사용된 개체수는 20이다. 광대역 편파 변환기 설계를 위한 가격함수(cost function)는 수학식 1과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112009068679245-pat00009
상기 수학식 1에서, TL(f n )은 테스트 주파수 f n 에서의 정편파 변환 손실(co-polarization twist loss)이며, TL obj는 목표 변환 손실(objective twist loss)이다. 상기 TL(f n )은 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112009068679245-pat00010
상기 가격함수는, 15.5GHz ≤ f n ≤ 17.5GHz에서 0.1dB 편파 변환 손실을 목표로 할 수 있다. 상기 GSO 알고리즘을 통해 상기 미앤더 형태의 홈(120)은 임의의 형태의 개체군에서 시작하여 최소 가격의 최적화된 형태로 진화하게 된다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기의 최적화 설계에 있어서 GSO의 이터레이션 수에 대한 광역적 최적화 가격 변화가 그래프로 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 GSO를 통해 150회 이터레이션을 수행하는 동안 가격치는 2500.87에서 0으로 감소하게 된다. 상기 미앤더 형태의 홈(120)의 최 적화 설계는 102회 이터레이션을 수행한 후 획득할 수 있다.
상기 GSO를 통해 최적화된 상기 미앤더 형태의 홈(120)의 형상 파라미터들은 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009068679245-pat00011
실제 최적화 설계 및 성능 실험에 있어서, 편파 변환기 분석을 1회 실행하기 위해 Intel Xeon Quad 3.0 GHz PC 상에서 26초가 소요되었다. 따라서, 150회 이터레이션 실행을 위한 전체 CPU 타임은 21.67 시간(26s×20개체×150회)이 소요되었다. 최종적으로 최적화 설계된 53×45×2 cm3 크기의 광대역 편파 변환기는 CNC 밀링 장비를 사용하여 제작되었다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따라 실제 제작된 광대역 편파 변환기에 대한 RF 무반향실(RF anechoic chamber)에서의 성능 실험 장면이 사진으로 도시되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 광대역 편파 변환기에 의한 반사 동작을 얻기 위해 Ku 대역 이중 편파 원형 혼 안테나(dual-polarized Ku-band circular horn antenna)를 사용하였다. 또한, 측정 환경에 의해 야기되는 다중 경로 간섭(multi-path interference)을 제거하기 위해 Agilent N5230A 네트워크 분석기의 타임 게이팅(time-gating) 방식을 사용하였다.
도 5에는 도 4의 실험에서 입사각 θ=0°인 일반적 입사파에 대하여 반사된 직교 성분
Figure 112009068679245-pat00012
및
Figure 112009068679245-pat00013
간의 위상차(∠
Figure 112009068679245-pat00014
- ∠
Figure 112009068679245-pat00015
) 측정 결과가 그래프로 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션 값과 실제 측정된 값이 거의 일치함을 알 수 있다. 상기 시뮬레이션 값 및 측정값 간의 근소한 차이는 상기 광대역 편파 변환기의 실제 제작 과정에서 편의상 미앤더 홈의 모서리를 반경 1mm의 곡선 처리한 것에 기인한다. 또한, 상기
Figure 112009068679245-pat00016
및
Figure 112009068679245-pat00017
간의 측정된 위상차는 15.5GHz ~ 17.5GHz 대역에서 161°에서 192° 범위 내에 있음을 관찰할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기의 교차 편파 억제 레벨(crosspolarization suppression level)이 그래프로 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 교차 편파 억제율은 12.5% 주파수 대역폭(15.48GHz ~ 17.55GHz)에서 17dB 이상임을 알 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기의 정편파 변환 손실(copolarization twist loss)이 그래프로 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 정편파 변환 손실은 15.35GHz ~ 17.6GHz 대역에서 0.2dB 이하임을 알 수 있으며, 이는 13.6% 이상의 넓은 주파수 대역폭에서 입사 파워의 95.5% 이상이 편파 변환됨을 의미한다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 편파 변환기의 대역폭 성능 수준은 기존 기술의 주기적 스트립 또는 격자 등을 사용하는 구조보다 우수함을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 편파 변환기는, 기존 기술의 광대역 설계시 사용되는 접착층이나 이격층(spacing layer) 등과 같이 손실이 큰 유전체를 사용하지 않아도 되기 때문에 편파 변환 손실을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 편파 변환기는, 광대역 편파 변환 성능을 요하는 편파 변환 이중 반사경 안테나(polarization twisting dual-reflector antenna), 예컨대 주 반사경에 편파 변환기를 구비하고 부 반사경에 편파 필터 기능을 구비하여 상기 부 반사경에 의한 가림 효과를 최소화할 수 있는 카세그레인 안테나 등에 효율적으로 적용될 수 있다.
즉, 편파 변환 이중 반사경 안테나는, 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 편파 변환기를 주 반사경에 구비하여 광대역 편파 변환을 수행할 수 있다. 이 경우, 상기 편파 변환 이중 반사경 안테나의 급전 안테나로부터 복사되는 수직 편파 성분의 대부분이 상기 편파 변환 이중 반사경 안테나의 부 반사경에 구비된 편파 필터에 의해 상기 주 반사경 방향으로 반사되고, 상기 반사된 수직 편파 성분은 상기 주 반사경에 구비된 상기 광대역 편파 변환기에 의해 90°방향으로 편파 변환되어 수평 편파로 전환된다. 상기 부 반사경의 편파 필터는 수직 편파 성분만을 반사시키므로 결과적으로 상기 수평 편파는 상기 부 반사경에 의한 영향을 받지 않고 복사될 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 광대역 편파 변환기를 편파 변환 이중 안테나에 적용하는 경우, 물리적으로 복사 평면 내에 부 반사경이 존재함에도 불구하고 안테나 복사에 미치는 전기적 가림 효과를 제거할 수 있음은 물론, 광대역 편파 변환 성능을 대폭 개선하고 편파 변환시의 손실을 최소화할 수 있게 된다.
지금까지 본 발명에 관해 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기를 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기의 도체판에 형성된 미앤더 형태의 홈을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기의 최적화 설계에 있어서 GSO의 이터레이션 수에 대한 광역적 최적화 가격 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 광대역 편파 변환기에 대한 RF 무반향실에서의 성능 실험 장면을 나타낸 사진.
도 5는 도 4의 실험에서 입사각 θ=0°인 일반적 입사파에 대하여 반사된 직교 성분 간의 위상차 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기의 교차 편파 억제 레벨을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 편파 변환기의 정편파 변환 손실을 나타낸 그래프.

Claims (6)

  1. 편파 변환(polarization twist)을 수행하는 도체판을 포함하고,
    상기 도체판의 반사면에는 미앤더(meander) 형태의 홈(groove)이 형성되어 있는 광대역 편파 변환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도체판은, 단일 층 구조(single layer structure)로 형성되는 것을 특징으로 하는 광대역 편파 변환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미앤더 형태의 홈은, 상호 직교하는 수평 방향의 홈 및 수직 방향의 홈으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광대역 편파 변환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미앤더 형태의 홈은, 상기 도체판의 상기 반사면 전체에 주기적으로 반복하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광대역 편파 변환기.
  5. 편파 변환(polarization twist)을 수행하는 단일 층 구조(single layer structure)의 도체판을 포함하고,
    상기 도체판의 반사면에는 미앤더(meander) 형태의 홈(groove)이 형성되어 있는 광대역 편파 변환기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 광대역 편파 변환기를 이용하여 편파 변환을 수행하는 편파 변환 이중 반사경 안테나(polarization twisting dual-reflector antenna).
KR1020090107563A 2009-11-09 2009-11-09 광대역 편파 변환기 및 이를 이용한 편파 변환 이중 반사경 안테나 KR100953601B1 (ko)

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