KR101037294B1 - High gain horn antenna with periodic thin wire structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자기파를 송수신 할 수 있는 혼(horn) 형상의 안테나에 관한 것으로, 도파관, 상기 도파관과 연결되어 개구된 방향으로 넓어지는 형상을 갖는 안테나부, 그리고, 안테나 이득(antena gain)을 향상시키기 위하여 상기 안테나 부 내측공간에 설치되는 복수개의 와이어를 포함하는 혼 안테나에 의해 달성될 수 있다.The present invention relates to a horn-shaped antenna capable of transmitting and receiving electromagnetic waves, comprising: a waveguide, an antenna portion having a shape that is widened in an open direction in connection with the waveguide, and to improve antenna gain. In order to achieve this may be achieved by a horn antenna including a plurality of wires installed in the inner space of the antenna unit.
본 발명에 의할 경우, 상기 전자기파는 상기 안테나부에 설치되는 복수개의 와이어에 의하여 특정 주파수 대역에서 전자기파 굴절이 최소화되어, 전자기파의 송출 및 검출 시 안테나 이득이 개선되는 효과가 있다.According to the present invention, the electromagnetic wave is minimized in a specific frequency band by a plurality of wires installed in the antenna unit, the antenna gain is improved when transmitting and detecting the electromagnetic wave.
Description
본 발명은 전자기파를 송수신 할 수 있는 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혼(horn) 형상을 갖는 안테나에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna capable of transmitting and receiving electromagnetic waves, and more particularly, to an antenna having a horn shape.
혼(horn) 형상의 안테나는 주로 전파 천문학(radio astronomy)이나 위성통신의 파라볼라 안테나의 피드 부분으로 널리 이용되어 왔고, 이 이외에도 소형화된 혼 형상의 안테나를 탑재하여 전자기파를 이용하여 각종 상황 및 정보를 송수신하는데 사용되고 있다.Horn antennas have been widely used as feed parts for radio astronomy and parabolic antennas in satellite communications. In addition, the horn antenna is equipped with miniaturized horn antennas for various situations and information. It is used to send and receive.
특히, 선진국에서는 서로 다른 극 초단파(microwave) 및 레이저(laser)를 사용한 여러 종류의 속도 측정기와 도로의 여러가지 위험한 상황을 알려줄 수 있는 사전 안전경보용 검출기들로 이용하여 차량의 안전운행을 위하여 많은 노력을 하고 있다.In developed countries, in particular, many efforts have been made to ensure the safe operation of vehicles by using various types of speed measuring devices using different microwaves and lasers, and proactive safety alarm detectors that can indicate various dangerous situations on the road. Doing
특히, 미국서는 이러한 속도 측정기 및 검출기들의 사용을 합법적으로 인정하고 있으며, 세계적으로도 사용의 합법화를 추진하는 국가가 증가하고 있는 추세다.In particular, the United States legally recognizes the use of these speed meters and detectors, and a growing number of countries are pushing for legalization of their use worldwide.
이러한 측정기 및 검출기에서 사용하는 신호는 다음과 같은 주파수 대역이 사용되고 있다.The following frequency bands are used for the signals used in these measuring instruments and detectors.
차량의 과속을 방지하기 위해 차량 속도를 감지하는 스피드건(speed gun)은 Ko-BAND(9.900 GHz), X-BAND(10.525 GHz), Ku-BAND(13.450 GHz), K-BAND(24.150 GHz), SUPERWIDE Ka-BAND(33.000∼36.000 GHz 사이에 다양하게 분포), 및 레이저(800∼1100 nm의 파장)를 이용하고 있다.Speed guns that detect vehicle speed to prevent overspeeding the vehicle include Ko-BAND (9.900 GHz), X-BAND (10.525 GHz), Ku-BAND (13.450 GHz), K-BAND (24.150 GHz), SUPERWIDE Ka-BAND (variably distributed between 33.000 and 36.000 GHz) and a laser (wavelength of 800 to 1100 nm) are used.
여기서, 상기 안테나는 상기와 같은 전자기파를 특정 방향으로 송신하거나, 외부로부터 상기 안테나 방향으로 송신되는 전자기파를 검출하는 역할을 수행한다.Here, the antenna transmits the electromagnetic waves in a specific direction or serves to detect electromagnetic waves transmitted from the outside in the direction of the antenna.
하지만, 일반적 전자기파는 공기중에 방사되면서 목표가 되는 방향과 다른 방향으로도 산개하는 경우가 발생하는 바, 안테나를 이용하여 전자기파를 송출하는 경우 원하는 방향으로 만족스러운 강도의 전자파를 송출할 수 없는 경우가 발생하였다. 또한, 전자기파를 수신하는 경우에도, 혼 안테나의 개구부로 전자기파가 유입되더라도 충분한 양의 전자기파가 상기 검출장치로 유입되지 않아 신호를 분석하는데 어려움이 존재하였다.However, the general electromagnetic wave is radiated in the air and spreads in a direction different from the target direction. When transmitting an electromagnetic wave using an antenna, it may not be possible to transmit an electromagnetic wave having a satisfactory intensity in a desired direction. It was. In addition, even when receiving the electromagnetic wave, even if the electromagnetic wave is introduced into the opening of the horn antenna, there is a difficulty in analyzing a signal because a sufficient amount of electromagnetic wave does not flow into the detection device.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전자기파를 송신 및 수신하는데 있어, 안테나 이득(antenna gain)이 향상된 혼 안테나를 제공하기 위함이다.The present invention is to solve the above problems, to provide a horn antenna with improved antenna gain (antenna gain) in transmitting and receiving electromagnetic waves.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 도파관, 상기 도파관과 연결되어 개구된 방향으로 넓어지는 형상을 갖는 안테나부, 그리고, 안테나 이득(antena gain)을 향상시키기 위하여 상기 안테나부 내측공간에 설치되는 복수개의 와이어를 포함하는 혼 안테나에 의해 달성될 수 있다.An object of the present invention as described above, the waveguide, the antenna portion having a shape widening in the open direction connected to the waveguide, and a plurality of installed in the inner space of the antenna unit to improve the antenna gain (antena gain) It can be achieved by a horn antenna comprising a wire.
이때, 상기 복수개의 와이어는 특정 주파수의 전자기파에서 유효 유전율이 0이 되는 공간을 형성할 수 있다.In this case, the plurality of wires may form a space in which the effective dielectric constant becomes zero in electromagnetic waves of a specific frequency.
여기서, 상기 복수개의 와이어는 각각이 서로 평행하도록 설치될 수 있고 전계의 진동방향과 평행하여야 한다.Here, the plurality of wires may be installed to be parallel to each other and should be parallel to the vibration direction of the electric field.
구체적으로, 상기 복수개의 와이어는 상기 안테나부의 내측공간에 기 설정된 간격으로 이격 배치되는 것이 바람직하다.Specifically, the plurality of wires are preferably spaced apart at predetermined intervals in the inner space of the antenna unit.
그리고, 상기 기 설정된 간격은 상기 안테나부 내측공간을 통과하는 전자기파의 주파수에 따라 다르게 설정될 수 있다.The predetermined interval may be set differently according to the frequency of electromagnetic waves passing through the inner space of the antenna unit.
또한, 상기 복수개의 와이어는 기 설정된 크기의 단면을 갖고, 상기 단면의 크기는 상기 안테나부 내측공간을 통과하는 전자기파의 주파수에 따라 다르게 설정 되도록 구성될 수 있다.In addition, the plurality of wires may have a cross section of a predetermined size, and the size of the cross section may be configured to be set differently according to the frequency of electromagnetic waves passing through the inner space of the antenna unit.
나아가, 상기 복수개의 와이어는 기 설정된 반지름을 갖는 원형 와이어로 형성되며, 상기 반지름의 크기는 상기 안테나부 내측공간을 통과하는 전자기파의 주파수에 따라 다르게 설정되는 것도 가능하다.Further, the plurality of wires may be formed as a circular wire having a predetermined radius, and the size of the radius may be set differently according to the frequency of electromagnetic waves passing through the inner space of the antenna unit.
한편, 상기 복수개의 와이어는, 서로 다른 주파수를 갖는 복수개의 전자기파에 대하여 인접한 공간보다 각각 낮은 유전율을 갖는 공간을 형성하는 복수개의 구역으로 구분되도록 구성될 수 있다.On the other hand, the plurality of wires may be configured to be divided into a plurality of zones forming a space having a lower dielectric constant than the adjacent space for a plurality of electromagnetic waves having different frequencies.
그리고, 상기 복수개의 와이어는 해당 구역에서 일정한 간격으로 배치되고, 상기 각 구역에서 상기 와이어가 배치되는 간격은 대응되는 전자기파의 주파수에 따라 상이하게 구성될 수 있다.The plurality of wires may be arranged at regular intervals in the corresponding zones, and the intervals in which the wires are disposed in the respective zones may be configured differently according to frequencies of corresponding electromagnetic waves.
또한, 상기 각 구역에 설치되는 와이어의 단면적은 대응되는 전자기파의 주파수에 따라 상이하게 구성되는 것도 가능하다.In addition, the cross-sectional area of the wire installed in each zone may be configured differently according to the frequency of the corresponding electromagnetic wave.
본 발명에 의할 경우, 상기 전자기파는 상기 안테나부에 설치되는 복수개의 와이어에 의해 특정한 주파수에서 전자기파의 굴절을 최소화할 수 있어, 전자기파의 송출 및 검출시 안테나 이득이 개선되는 효과가 있다.According to the present invention, the electromagnetic wave can minimize the refraction of the electromagnetic wave at a specific frequency by a plurality of wires provided in the antenna unit, there is an effect that the antenna gain is improved during transmission and detection of the electromagnetic wave.
이하에서는, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 혼 안테나의 바람직한 제1 실시예를 구체적으로 설명한다. 본 실시예에서는 전자기파를 소정 방향으로 송출하는 혼 안테나를 이용한다. 다만, 이는 하나의 실시예로서 본 발명이 이에 한정 되는 것은 아니며, 이 이외에도 전자기파를 송출 및 검출하는 모든 혼 안테나에 적용 가능함을 미리 밝혀둔다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a first preferred embodiment of a horn antenna according to the present invention. In this embodiment, a horn antenna for transmitting electromagnetic waves in a predetermined direction is used. However, the present invention is not limited thereto as one embodiment, and in addition, it is apparent that the present invention is applicable to all horn antennas that transmit and detect electromagnetic waves.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 혼 안테나의 내부를 도시한 내부 사시도이다. 1 is an internal perspective view showing the inside of a horn antenna according to a first embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 혼 안테나는 도파관(10) 및 상기 도파관(10)과 연결되는 안테나부(20)를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 1, the horn antenna according to the present invention may include a
도파관(10)의 일단은 전자기파 송출장치(미도시)와 연결될 수 있고, 타단은 안테나부(20)와 연결되어, 송출장치에서 발생되는 전자기파가 전송되는 경로를 형성할 수 있다. 이때, 전자기파는 도파관(10)의 내측면을 따라 상기 안테나부(20)로 진행할 수 있다.One end of the
그리고, 안테나부(20)는 일측에 개구부가 형성된 혼(horn) 형상으로 구성된다. 구체적으로, 본 실시예의 안테나부(20)는 직사각형의 단면을 갖고 개구된 방향으로 점차 단면이 넓어지도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 안테나부(20) 내측에는 혼 안테나의 전체 면적을 줄일 수 있도록 릿지(30)가 형성될 수 있다.The
상기 안테나부는 도파관(10)과 연결되어 설치되어, 도파관(10)에서 전송되는 전자기파를 외부의 소정방향으로 송출되거나, 외부에서 전송되는 전자기파가 유입되어 상기 도파관으로 진입하는 경로 역할을 수행할 수 있다.The antenna unit may be connected to the
이때, 도파관(10)을 따라 진행하던 전자기파는 상기 안테나부(20)를 통과하면서 여러 방향으로 산란될 수 있다. 따라서, 안테나부(20)의 개구부를 목표로 하는 송출 방향을 향해 설치하더라도, 안테나부(20)를 통과한 전자기파는 여러 방향 으로 진행될 수 있고, 일부의 전자기파만이 원하는 송출방향에 도달할 수 있다. 여기서, 목표로 하는 방향으로 전자기파를 전송할 수 있는 정도를 안테나 이득(antenna gain)으로 볼 수 있다.In this case, the electromagnetic waves traveling along the
본 실시예에서는 전자기파를 송출하는 혼 안테나를 이용하기에 전술한 바와 같이 안테나 이득을 정의하였으나, 다른 실시예의 경우 외부로부터 전송되는 전자기파를 얼마만큼 검출할 수 있는가를 이용하여 안테나 이득을 정의하는 것도 가능하다. 다만, 동일한 혼 안테나의 경우 송출시 안테나 이득은 검출시 안테나 이득에 대응되는 값을 갖는 것이 일반적이다.In the present embodiment, the antenna gain is defined as described above in order to use the horn antenna for transmitting electromagnetic waves. However, in another embodiment, the antenna gain may be defined using how much electromagnetic waves transmitted from the outside can be detected. . However, in the case of the same horn antenna, the antenna gain when transmitting generally has a value corresponding to the antenna gain when detecting.
상기 안테나 이득이 높은 경우, 목표도 하는 지점이 혼 안테나로부터 원거리에 설치되어 있더라도 용이하게 신호를 송수신 할 수 있는 반면, 안테나 이득이 낮은 경우 도달하는 전자기파의 양이 부족하여 신호를 정확하게 분석하는 것이 곤란할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 이러한 안테나 이득을 향상시킬 수 있도록, 상기 안테나부(20)의 내측공간에 설치되는 복수개의 와이어(100)를 포함하여 구성될 수 있다.When the antenna gain is high, even if the target point is located at a long distance from the horn antenna, the signal can be easily transmitted and received, while when the antenna gain is low, it is difficult to accurately analyze the signal due to a lack of the amount of electromagnetic waves that are reached. Can be. Therefore, the present invention may include a plurality of
이하에서는 도 2 내지 도 4를 참조하여 복수개의 와이어(100)에 의해 안테나 이득이 개선되는 원리에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the principle in which the antenna gain is improved by the plurality of
도 2는 서로 다른 유전율을 갖는 물체를 통과하는 전자기파의 진행 경로를 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates a traveling path of electromagnetic waves passing through objects having different dielectric constants.
도 2에 도시된 바와 같이, 투자율이 동일하고 유전율이 다른 두 매질을 통과 하는 전자기파는 다음 식과 같다. 여기서, , 는 매질 1, 2의 유전율이고, 는 전자기파의 입사각, 는 전자기파의 투과각을 의미한다.As shown in FIG. 2, electromagnetic waves passing through two media having the same permeability and different permittivity are represented by the following equation. here, , Is the permittivity of
이때, 도 2에 도시된 바와 같이 매질 1의 유전율이 0에 가까운 물질(Epsilon Near Zero, 이하에서는 'ENZ'라 함)로부터 공기중으로 전자기파가 진행한다면, 전자기파의 입사각과 관계없이 투과각 는 0도에 근사할 수 있다.In this case, as shown in FIG. 2, if electromagnetic wave propagates into the air from a material having a permittivity of
즉, 전자기파가 ENZ를 투과하면 대부분의 전자기파가, ENZ 표면의 수직 방향에 근사하여 진행할 수 있다. 따라서, 이러한 성질을 본 발명에 적용하여, 안테나부를 통과하는 방향을 목표 방향으로 유도할 수 있어 안테나 이득을 향상시킬 수 있는 것이다.That is, when electromagnetic waves pass through the ENZ, most of the electromagnetic waves can proceed in approximation to the vertical direction of the ENZ surface. Therefore, by applying this property to the present invention, it is possible to induce the direction passing through the antenna portion in the target direction, thereby improving the antenna gain.
도 3은 도 1에서 안테나부의 내측공간에 복수개 와이어가 배치된 형상을 도시한 개략도이고, 도 4는 주파수에 따라 도 1의 복수개의 와이어가 형성하는 공간의 유전율을 도시한 그래프이다.FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a shape in which a plurality of wires are disposed in an inner space of the antenna unit in FIG. 1, and FIG. 4 is a graph illustrating permittivity of a space formed by the plurality of wires of FIG. 1 according to a frequency.
본 발명에서는 상기 안테나부의 내측공간의 유전율을 조절할 수 있도록, 내측공간에 복수개의 와이어(100)를 설치할 수 있다. 공기중에 얇은 와이어(thin wire)를 주기적으로 배열하게 되면, 상기 와이어들이 구성하는 공간은 특정 주파수 에 대하여 유전율이 0인 성질을 갖을 수 있다. 이를 플라즈마 주파수()라고 한다. 그리고, r에 해당하는 반지름을 갖고 각각 p 간격으로 배치되는 복수개의 와이어에 의한 플라즈마 주파수의 값은 아래에 의해 구해질 수 있다. (여기서, c는 빛의 속도를 의미함)In the present invention, a plurality of
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 이외의 소정 주파수 에 대한 상기 공간의 유전율은 아래와 같다.And, as shown in Figure 4, other predetermined frequencies Permittivity of the space for Is shown below.
이처럼, 복수개의 와이어(100)가 설치되는 공간은 각각 와이어가 설치되는 간격(p) 및 반지름의 크기(r)에 따라 대응되는 플라즈마 주파수를 갖는다. 그리고, 소정 주파수()에 대한 상기 공간의 유전율()은 상기 소정 주파수() 및 상기 플라즈마 주파수()의 크기에 따라 결정된다. 다시 말해, 복수개의 와이어(100)가 설치되는 공간은 각 와이어가 설치되는 간격(p) 및 반지름의 길이(r)를 제어하여, 소정 주파수()에 대한 공간의 유전율()을 조절할 수 있다.As such, the space in which the plurality of
이 경우, 복수개의 와이어(100)가 설치되는 공간에 플라즈마 주파수에 해당하는 주파수를 갖는 전자기파가 통과하면, 해당 전자기파는 모두 일정한 방향으로 진행하도록 구성할 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 주파수가 아니라 플라주마 주파수에 인접한 전자기파의 경우에도, 인접한 공간에 비하여 낮은 유전율이 형성되는 바, 이를 통과하면서 전자기파가 방산되어 진행하는 폭을 첨예화 시킬 수 있는 장점이 있다.In this case, when an electromagnetic wave having a frequency corresponding to the plasma frequency passes through a space where the plurality of
전술한 수학식에서는 와이어(100)가 원형 단면인 경우를 예를 들어 설명하였으나, 원형 단면 이외의 형상으로 구성되는 와이어를 이용하더라도 유사한 효과를 볼 수 있다. 다만, 이 경우 해당 공간의 플라즈마 주파수 또는 소정 주파수에 대한 유전율은 단면의 크기에 의해 결정될 수 있다.In the above equation, the case where the
따라서, 본 발명에서는 안테나부 내측 공간에 복수개의 와이어를 이용하여 내측공간의 유전율을 제어하는 것이 가능한 바, 상기 안테나부를 통과하는 전자기파의 방향성을 제어하는 것이 가능하다.Therefore, in the present invention, it is possible to control the dielectric constant of the inner space by using a plurality of wires in the inner space of the antenna portion, and thus it is possible to control the directivity of the electromagnetic wave passing through the antenna portion.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이 안테나부(20) 내측에 복수개의 와이어(100)를 설치할 수 있다. 이때, 각각의 와이어가 설치되는 간격(p) 및 와이어의 단면 등은 혼 안테나가 사용하는 특정 주파수의 크기를 고려하여 결정할 수 있다. 여기서, 특정 주파수라 함은 본 실시예에 따른 혼 안테나를 통하여 송신 및 수신이 이루어지는 전자기파의 주파수 대역 중, 신호 역할을 하는 대역의 주파수를 의미할 수 있다. 따라서, 상기 와이어 배치를 설계하는 경우, 전술한 수학식 1, 2를 이용하여 상기 특정 주파수에 대한 각 와이어의 간격 및 단면의 크기를 조합하여 설정할 수 있다.Specifically, as shown in FIG. 3, a plurality of
이를 이용하여, 본 실시예는 안테나부(20) 내측에 복수개의 와이어(100)를 설치할 수 있다. 이때, 상기 복수개의 와이어(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 기설정된 반지름 r의 이 r인 원형 와이어를 이용하며, 각 와이어는 인접한 와이어와 p의 간격만큼 떨어지도록 형성될 수 있다.In this embodiment, the plurality of
이때, 복수개의 와이어(100)는 복수개의 행(行) 및 복수개의 열(列)을 구성하도록 배치되는 것이 바람직하다. 만약, 복수개의 와이어(100)가 단일한 행 또는 단일한 열을 이루도록 배치되는 경우, 특정 주파수에 대해 유전율을 변화시키는 현상이 제대로 나타나지 않을 수 있다. At this time, the plurality of
본 실시예에서는 안테나부(20)를 통과하는 모든 전자기파가 상기 복수개의 와이어(100)가 형성된 구간을 모두 통과할 수 있도록, 상기 복수개의 와이어는 안테나부(20)의 폭을 따라 상기 와이어(100)가 일정한 간격 p로 배치된다. 그리고, 도파관(10)에서 안테나부(20)의 개구부 방향으로도 간격 p의 열을 형성하여 복수개의 행을 구성한다. 이때, 상기 복수개의 와이어는 충분한 수의 행을 구성하는 것이 바람직하다. 다만, 실험 결과 도파관(10)에서 안테나부(20)의 개구된 방향으로 3개 이상의 행을 구성하는 경우, 만족할만한 결과를 얻을 수 있었다.In this embodiment, the plurality of wires are along the width of the
여기서, 복수개의 와이어(100)는 상기 전자기파가 송수신 되는 방향과 수직 방향으로 설치되는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 전자기파가 유전율이 0인 매질을 통과하면, 상기 매질이 끝나는 표면에 수직방향으로 전자기파가 투사된다. 본 실시예의 경우, 유전율이 0에 가까운 공간이 끝나는 표면은 맨 외측에 배치되는 와이어의 행이 구성하는 면에 해당하는 바, 각 와이어는 상기 전자기파가 송수신 되는 방향을 고려하여 이와 수직 방향으로 설치될 수 있다. 이때, 안테나부(20)의 개구부는 전자기파가 송수신 되는 방향으로 형성되는 것이 일반적이므로, 이 경우 복수개의 와이어(100)는 개구된 면과 평행을 이룰 수 있다.Here, the plurality of
전술한 바와 같이, 본 실시예에서는 복수개의 와이어(100)가 정방형을 형성하도록 배치하였다. 다만, 상기 배치 형상은 일 실시예에 불과하며 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이외에도 다른 여러가지 형태로 각각의 와이어(100)를 배치하여 실시할 수 있다. 다만, 이 경우, 플라즈마 주파수를 구하는 식 또는 주파수 대비 유전율이 변화하는 그래프의 형상은 달라질 수 있다.As described above, in this embodiment, the plurality of
이하에서는, 본 실시예에 따른 혼 안테나를 직접 이용하여 안테나 이득의 변화를 측정한 실험에 대하여 설명한다.Hereinafter, an experiment in which the change in the antenna gain is measured using the horn antenna according to the present embodiment will be described.
도 5는 4가지 형태의 혼 안테나의 주파수에 따른 이득 변화를 시뮬레이션 한 결과이다. 이때, 상기 4가지 형태의 혼 안테나는 모두 릿지(30)가 형성된 혼 안테나를 이용하였다.FIG. 5 shows simulation results of gain variation according to frequencies of four types of horn antennas. In this case, all four types of horn antennas used horn
도 5의 (A)는 안테나부의 길이 L이 40mm이고, 안테나부에 와이어가 설치되지 않은 혼 안테나의 이득 변화를 나타낸 것이다. 그리고, (B)는 L이 26.92mm이고, 안테나부에 와이어가 설치되지 않은 혼 안테나의 이득 변화를 나타낸 것이다. 또한 (C)는 L이 26.92mm이고, 반경 r이 0.25mm인 복수개의 와이어를 안테나부 내측에 일정한 간격으로 3줄로 배치한 혼 안테나의 이득변화를 나타낸 것이다. 그리고 (D)는 L이 26.92mm이고, 반경 r이 0.30mm인 복수개의 와이어를 안테나부 내측에 일정한 간격으로 3줄 배치한 혼 안테나의 이득변화를 나타낸 것이다.FIG. 5A shows a change in gain of a horn antenna in which the length L of the antenna part is 40 mm and the wire is not provided in the antenna part. And (B) shows the gain change of the horn antenna where L is 26.92 mm and a wire is not provided in an antenna part. In addition, (C) shows the gain change of the horn antenna in which a plurality of wires of L of 26.92 mm and a radius r of 0.25 mm are arranged in three rows at regular intervals inside the antenna unit. And (D) shows the gain change of the horn antenna in which a plurality of wires having a radius of 26.92 mm and a radius r of 0.30 mm are arranged in three rows at regular intervals inside the antenna unit.
도 5를 참고하여 (A)와 (B)를 비교할 경우, (A)에 비하여 안테나부의 길이가 짧은 (B)는 각 주파수 대역에 있어서 안테나 이득이 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는, 일반적으로 큰 안테나를 이용할수록 이득을 높일 수 있음을 알려준다.When comparing (A) and (B) with reference to FIG. 5, it can be seen that the antenna gain is lower in each frequency band when the length of the antenna portion (B) is shorter than that of (A). This generally indicates that the larger the antenna, the higher the gain.
다만, (C)와 (D)와 같이 내측에 복수개의 와이어(100)를 설치하여 내부공간의 유전율을 조절하는 경우, 안테나의 크기는 (B)와 동일함에도 불구하고, 특정 주파수 대역에서는 (A)와 같은 대형 안테나와 유사한 수준의 안테나 이득을 획득할 수 있다.However, in the case of adjusting the permittivity of the internal space by installing a plurality of
또한, (C)와 (D)는 (B)에 비하여 대부분의 주파수 대역에서 낮은 이득을 갖는 것에 비해 특정한 주파수 대역에서 높은 이득을 갖는바, 주파수 대역에 따라 전자기파를 선별적으로 송신 또는 수신하는 것이 가능함을 보여줄 수 있다.In addition, (C) and (D) have a high gain in a specific frequency band compared to having a low gain in most frequency bands compared to (B), it is preferable to selectively transmit or receive electromagnetic waves according to the frequency band It can show that it is possible.
그리고, (C)와 (D)에서는 최대 이득을 획득하는 주파수 대역이 상이한 바, 와이어의 단면적의 크기를 제어하여 플라즈마 주파수 대역을 조절할 수 있음을 보여준다.In addition, (C) and (D) shows that the frequency band for obtaining the maximum gain is different, so that the plasma frequency band can be adjusted by controlling the size of the cross-sectional area of the wire.
이상에서는, 하나의 특정 주파수에 대하여 안테나 이득을 높이는 혼 안테나의 구성에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 복수개의 주파수에 대하여 안테나 이득 을 높이는 혼 안테나를 구성할 수도 있다.In the above, the configuration of the horn antenna for increasing the antenna gain with respect to one specific frequency has been described, but the present invention may configure the horn antenna for increasing the antenna gain with respect to a plurality of frequencies.
이를 위하여, 상기 복수개의 와이어가 정방형 이외의 다른 배치를 갖도록 조절하여 두개 이상의 플라즈마 주파수를 갖도록 구성할 수도 있으나, 이하에서는 정방형 배치를 이용하여 두 개의 주파수에 대하여 유전율을 낮출 수 있는 별도의 실시예를 설명하도록 한다. 다만, 이전 실시예와 공통되는 구성요소에 대해서는 동일 명칭, 동일 도면부호를 사용하고, 공통되는 설명은 중복을 피하기 위하여 생략하도록 한다.To this end, the plurality of wires may be configured to have two or more plasma frequencies by adjusting them to have a different arrangement than the square, but hereinafter, a separate embodiment in which the dielectric constant of two frequencies may be reduced by using the square arrangement. Explain. However, the same name and the same reference numerals are used for the components common to the previous embodiment, and common descriptions will be omitted to avoid duplication.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 혼 안테나의 내부 단면을 나타낸 내부 단면도이다.6 is an internal sectional view showing an internal cross section of the horn antenna according to the second preferred embodiment of the present invention.
본 실시예의 경우 또한 안테나부(20)의 내측에 복수개의 와이어(100)가 설치될 수 있다. 이때, 복수개의 와이어(100)는 각 와이어가 배치되는 간격 또는 와이어의 단면의 크기 따라 복수개의 구역으로 구분될 수 있다. 여기서, 전술한 바와 같이 와이어의 간격 및 와이어의 단면의 크기에 따라 서로 다른 플라즈마 주파수를 형성한다. 따라서, 각각의 구역은 서로 다른 주파수에 대하여 유전율을 낮추는 역할을 수행할 수 있다.In the present embodiment, a plurality of
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 복수개의 와이어는 D1, D2의 두 구역으로 구분될 수 있다. D1 구역은 r1의 반경을 갖는 와이어를 이용하여 P1의 간격으로 정방형으로 배치될 수 있다. 그리고, D2 구역은 r2의 반경을 갖는 와이어를 이용하여 P2의 간격으로 정방형으로 배치될 수 있다.For example, as shown in FIG. 6, the plurality of wires may be divided into two zones D1 and D2. The zone D1 can be arranged in a square at intervals of P1 using a wire having a radius of r1. And, the D2 zone can be arranged in a square at intervals of P2 using a wire having a radius of r2.
이 경우, D1 구역 및 D2 구역은 서로 다른 플라즈마 주파수 ω₁, ω₂를 갖 는 바, 서로 다른 대역의 주파수에 대하여 인접한 공간에 비해 낮은 유전율을 형성하도록 구성하는 것이 가능하다. 이때, 상기 안테나부를 통과하는 모든 전자기파들이 각각의 구역을 모두 통과할 수 있도록, 상기 D1, D2는 전자기파가 송신 및 수신되는 방향을 따라 순차적으로 배치되는 것이 바람직하다.In this case, the D1 zone and the D2 zone have different plasma frequencies ω₁ and ω₂, so that the dielectric constant can be configured to have a lower permittivity than the adjacent spaces for frequencies of different bands. At this time, it is preferable that the D1 and D2 are sequentially disposed along the direction in which the electromagnetic waves are transmitted and received so that all the electromagnetic waves passing through the antenna portion can pass through each zone.
이때, 상기 혼 안테나는 K 밴드(예를 들어 24.150 GHz)와 Ka 밴드(예를들어 36 GHz)의 주파수 영역을 동시에 사용할 수 있다. 이 경우, 전술한 수학식 1, 2를 이용하여 D2 구역에서는 K 밴드에 해당하는 주파수가 플라즈마 주파수(ω₂)를 형성하도록 r2, P2을 조합하여 설계하는 것이 가능하다. 그리고, D1 구역에서는 Ka 밴드에 해당하는 주파수가 플라즈마 주파수(ω₁)를 형성하도록 r1, P1를 조합하여 설계하는 것이 가능하다.In this case, the horn antenna may simultaneously use a frequency band of the K band (eg, 24.150 GHz) and the Ka band (eg, 36 GHz). In this case, it is possible to design a combination of r2 and P2 so that the frequency corresponding to the K band forms the plasma frequency ω₂ in the D2 region using the above equations (1) and (2). In the D1 region, it is possible to design a combination of r1 and P1 so that the frequency corresponding to the Ka band forms the plasma frequency ω₁.
따라서, 본 실시예에서 K 밴드와 Ka 밴드의 전자기파가 상기 도파관으로부터 동시에 송출되는 경우, Ka 밴드에 해당하는 전자기파는 해당 주파수에 대해 유전율이 0에 가까운 D1 구역을 통과하면서 D1 구역의 맨 외측에 형성된 와이어 행에 수직방향으로 투과하면서 송출 방향으로 진행하는 것이 가능하다. 유전율이 0인 경우 모든 입사각에 대하여 동일한 투사각을 갖을 수 있기 때문이다.Therefore, in the present embodiment, when electromagnetic waves of the K band and the Ka band are simultaneously transmitted from the waveguide, the electromagnetic waves corresponding to the Ka band are formed at the outermost side of the D1 region while passing through the D1 region having a dielectric constant close to zero for the corresponding frequency. It is possible to proceed in the dispensing direction while transmitting in the direction perpendicular to the wire row. This is because the dielectric constant of 0 may have the same projection angle for all incident angles.
그리고, K 밴드에 해당하는 전자기파는 해당 주파수에 대해 유전율이 0에 가까운 D2구역을 통과하면서, D2 구역의 맨 외측에 형성된 와이어 행에 수직방향으로 투과하면서 D1 구역에 진입한다. D1 구역은 K 밴드에 대해 유전율이 0에 가깝지는 않을 수 있다. 다만, 이경 우에도 D2 구역의 맨 외측에 형성된 와이어 행과 D1 구역의 맨 외측에 형성된 와이어 행이 평행하면, 입사각이 0에 가깝게 형성되는 바, Ka 밴드의 전자기파와 마찬가지로 D1 구역의 맨 외측에 형성된 와이어 행을 수직방향으로 투과하면서 송출 방향으로 진행하는 것이 가능하다.The electromagnetic wave corresponding to the K band enters the D1 region while passing through the D2 region having a dielectric constant close to zero with respect to the corresponding frequency, and transmitting perpendicularly to the row of wires formed at the outermost side of the D2 region. The D1 region may not be close to zero in permittivity for the K band. However, even in this case, when the wire row formed on the outermost side of the D2 zone and the wire row formed on the outermost side of the D1 zone are parallel, the incident angle is formed to be close to zero. It is possible to travel in the dispensing direction while passing through the wire rows in the vertical direction.
따라서, 본 실시예에 의할 경우 두 가지 영역의 주파수에 대하여 안테나 이득을 개선시킬 수 있는 혼 안테나를 구성하는 것이 가능하다.Therefore, according to the present embodiment, it is possible to configure a horn antenna that can improve antenna gain for frequencies in two areas.
다만, 본 실시예에서는 두 개의 구역을 구비하여 두 개의 주파수 영역에 대한 안테나 이득을 개선시키는 구성을 설명하고 있으나, 본 발명에 의할 경우 각각 상이하게 설계되는 복수개의 구역을 구비하여 복수개의 주파수 영역에 대하여 안테나 이득을 개선시키도록 구성하는 것도 물론 가능하다.However, in this embodiment, the configuration to improve the antenna gain for the two frequency domains by providing two zones, but according to the present invention a plurality of frequency domains having a plurality of zones are designed differently It is of course also possible to configure to improve the antenna gain with respect to.
한편, 본 실시예에서는 각 구역마다 서로 다른 단면적을 갖는 와이어를 서로 다른 간격으로 배치하였으나, 상기 두 변수 중 하나만을 택일적으로 이용하여 구성하는 것도 가능하다.Meanwhile, in the present embodiment, wires having different cross-sectional areas are arranged at different intervals in each zone, but it is also possible to alternatively use only one of the two variables.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 혼 안테나의 내부를 도시한 내부 사시도이다. 1 is an internal perspective view showing the inside of a horn antenna according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 서로 다른 유전율을 갖는 물체를 통과하는 전자기파의 진행 경로를 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates a traveling path of electromagnetic waves passing through objects having different dielectric constants.
도 3은 도 1에서 안테나부의 내측공간에 복수개 와이어가 배치된 형상을 도시한 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a shape in which a plurality of wires are disposed in an inner space of the antenna unit in FIG. 1.
도 4는 주파수에 따라 도 1의 복수개의 와이어가 형성되는 공간의 유전율을 도시한 그래프이다.4 is a graph illustrating permittivity of a space in which a plurality of wires of FIG. 1 are formed according to frequency.
도 5는 4가지 형태의 혼 안테나의 주파수에 따른 이득 변화를 도시한 그래프이다.5 is a graph showing a change in gain according to the frequencies of four types of horn antennas.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 혼 안테나의 내부 단면을 나타낸 내부 단면도이다.6 is an internal sectional view showing an internal cross section of the horn antenna according to the second preferred embodiment of the present invention.
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