KR101070364B1

KR101070364B1 - 팬 빔 안테나

Info

Publication number: KR101070364B1
Application number: KR1020040075563A
Authority: KR
Inventors: 히다이다카시; 오노가즈요시
Original assignee: 다이요 무센 가부시키가이샤
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2011-10-06
Also published as: US20050062664A1; KR20050029710A; JP2005102094A; JP3975445B2; US7075496B2

Abstract

본 발명의 목적은, 수평 방향으로 길고, 수직면으로 혼 형상인 플레어를 갖고, 안테나 부품을 방수 하우징에 수납한 팬 빔 안테나에 있어서, 수직 치수를 넓히지 않고 수직면 빔폭을 좁게 하여, 이득을 향상시킨 팬 빔 안테나를 제공하는 것이고, 따라서, 본 발명은 방수 하우징의 복사면을 등가적으로 복수의 유전체판으로 구성하고, 이 중 적어도 하나를 볼록 렌즈와 동일한 특성을 갖는 유전체 렌즈로 한 것을 특징으로 한다.

Description

팬 빔 안테나{FAN-BEAM ANTENNA}

도 1은 본 발명의 유전체 렌즈의 실시예 1을 나타낸 단면도,

도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명의 유전체 렌즈의 실시예 2를 나타낸 단면도,

도 5는 본 발명의 유전체 렌즈의 실시예 3을 나타낸 단면도,

도 6은 종래의 단일 소재에 의한 유전체 렌즈의 단면도,

도 7은 종래의 연속적 복합재에 의한 유전체 렌즈의 단면도,

도 8은 종래의 복합 유전체 렌즈의 단면도,

도 9는 플레어 개구 근방의 수직면 위상 분포도,

도 10은 수직면 지향 특성도,

도 11은 VSWR 특성도,

도 12는 VSWR를 나타내는 도면.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 슬롯 도파관 2 : 플레어

3a : 복사면 레이돔 3b : 유전체 렌즈

4 : 방수 하우징 5a, 5b, 5c : 유전체 렌즈

9a : 유지 돌기 9b : 스페이서 돌기

10 : 스페이서

본 발명은, 레이더 장치 등에 사용되는 수평면 빔폭을 좁게 하고, 수직면 빔폭을 비교적 넓힌 팬 빔 안테나(fan beam antenna)로서, 수직면 지향성을 혼 형상인 플레어에 의해 압축한 것에 유전체 렌즈를 병용한 팬 빔 안테나에 관한 것이다.

지향성 안테나를 전주(全周) 또는 특정 섹터에 스캐닝하여 물표를 탐지하는 레이더 장치에는, 슬롯 어레이 안테나 등, 수평 방향으로 방사 소자를 정렬하여, 수평면 빔폭을 좁히고, 수직 방향은 혼 형상인 플레어에 의해, 수직 빔폭을 간단하게 압축한 플레어 부착 어레이 안테나가 사용되는 경우가 많다.

이와 같은 플레어 부착 어레이 안테나에서, 예컨대 S 밴드 선박용 레이더로 플레어의 개구를 실용적인 크기로 억제하면서 이득을 확보하는, 즉 수직면의 빔폭을 좁히려고 하는 제안이, 일본 특허 공개 소화 제 60-261204호 공보나 일본 특허 공개 소화 제 62-171301호 공보에 나타나 있다. 이들 안테나는, 몇 개의 얇은 유전체판을 2∼3 파장만큼 복사 방향으로 돌출시킨 구성을 하고 있고, 이에 따라, 이들 유전체가 유전체 로드 안테나와 같은 도파기의 역할을 하고 있거나, 또는 유전체판 주변 공간과의 평균 유전율로 생각하면 유전율이 작은 유전체 렌즈라고 생각 할 수 있다.

한편, 펜슬빔 안테나(pencil beam antenna)로 실용화되어 있는 도 6에 나타내는 바와 같이, 볼록 렌즈 형상으로 구성한 단일 소재의 유전체 렌즈(6)를 쓰는 것이나, 도 7에 나타내는 바와 같이, 유전체 렌즈(7)를, 공간과의 경계면에서는 유전율이 낮고, 렌즈의 중심부를 향하여 서서히 유전율이 높게 되도록 설정하여 반사를 억제하는 방법이나, 도 8에 나타내는 일본 특허 공개 평성 제 05-083018호 공보의 예와 같이, 유전율이 큰 유전체 렌즈(8a)를, 유전율이 비교적 작은 (1/평방근) 유전체(8b)에 의해, 그 전기 길이가 1/4 파장으로 되는 두께로 덮어 정합을 유전체 렌즈(8)에 형성하여, 반사를 억제하는 방법 등을 팬 빔 안테나에 적용하는 것도 생각된다.

일본 특허 공개 소화 제 60-261204호 공보나 일본 특허 공개 소화 제 62-171301호 공보에 개시되는 예에서, 상술한 바와 같이 유전체판을 2∼3 파장 돌출시키는 방법에서는, 수직 치수는 억제된다고 해도, 전파 방향의 치수가 상당히 커진다는 불량이 있다. 또한, 도 6에 나타내는 것과 같은 단일 소재의 유전체 렌즈를 쓸 때는, 유전체에 의한 반사를 고려해야 한다.

일반적으로, 비투자율이 1이고 비유전율 εr1인 매질 중의 파동 임피던스 z1은, εr0=1인 공간의 파동 임피던스를 z0이라고 하면, 다음 관계에 있는 것이 알려져 있다.

···(1)

또한, 이 매질과 공간의 경계면에서의 반사 계수 Γ는 하기하는 (2)식에 의해 표현된다.

···(2)

또한, 전압 정재파비(VSWR)는 (1)식 및 (2)식에 의해 하기하는 (3)식과 같이 표현할 수 있다.

···(3)

(3)식으로부터, 예컨대 유전체와 공간의 경계면에서의 VSWR를 1.2로 억제하고자 하면, 비유전율은 1.2로 된다. 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 경계면이 두 개인 경우, 두 개의 반사가 합성되는 것으로 되지만, 그 최악값을 고려하면, 각 반사 계수 Γ를 절반으로 해야 하고, (2)식을 사용하여 구하면, 비유전율이 대략 1.1로 되어, 상당히 낮은 유전율의 재료를 사용해야 하는 것을 알 수 있다. 이 때문에, 렌즈의 두께가 상당히 두꺼워지는 것을 용이하게 상정할 수 있는 것 외에, 성형이나 고정 방법 등에 있어 과제가 발생한다.

또한, 도 7이나 도 8에 나타내는 바와 같이, 중심부의 유전율을 크게 할 수 있으면, 상대적으로 렌즈의 두께를 얇게 할 수 있지만, 복합 재료의 제법이 어렵기 때문에, 팬 빔 안테나에 거의 사용되고 있지 않았다.

본 발명의 목적은 상기 과제를 해결하기 위해, 간편히 반사가 적은 유전체 렌즈를 구성함으로써 단면 형상이 얇은, 고 이득인 팬 빔 안테나를 제공하는 것이 다.

이 때문에, 본 발명에 따른 팬 빔 안테나는, 방수 하우징의 복사면을 등가적으로 복수의 유전체판으로 구성하고, 이 중 적어도 하나를 볼록 렌즈와 동일한 특성을 갖는 유전체 렌즈로 한 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 팬 빔 안테나는, 방수 하우징의 일부를 구성하는 레이돔 복사면을 등가적으로 두 개의 유전체판으로 형성하고, 이들 두 개의 유전체판을 거의 동일한 볼록 렌즈 형상으로 형성하며, 각각의 볼록부의 투과 방향 최대 전기 길이의 최대값을, 사용 주파수의 1/4 파장으로 하고, 두 개의 렌즈 피치를 거의 1/4 파장의 전기 길이로 한 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 레이돔의 복사면을 등가적으로 세 개의 유전체판으로 하고, 최외측의 유전체판은 두께가 거의 균일한 레이돔으로 하고, 내측의 두 개를 볼록 렌즈 형상으로 한 것을 특징으로 한다.

또한, 볼록 렌즈 형상으로서는, 단순한 렌즈 형상뿐만 아니라, 단면이 빗의 형상으로 하여, 빗살 부분의 길이를, 수직면 중앙이 길고, 양단이 짧아지도록 한 유전체 렌즈를 사용하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같이 구성함으로써, 본 발명의 팬 빔 안테나는 상기 과제를 해결할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 단순한 압출이나 사출 성형의 형편을 고려해도, 유해한 반사를 억제할 수 있고 또한 필요한 렌즈 효과가 간단히 얻어지기 때문에, 소형이고 높은 이득의 팬 빔 안테나가 용이하게 얻어진다.

이하, 본 발명의 팬 빔 안테나를 실시하기 위한 최선의 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에 본 발명의 팬 빔 안테나의 실시예 1을 나타내는 단면도를 나타낸다.

도 1에 나타내는 팬 빔 안테나는, 어레이 소자로서 슬롯 도파관(1)을 이용한 예로, 플레어(2)의 개구부에, 볼록 렌즈 형상의 두 개의 유전체 렌즈(5a-1, 5a-2)와, 균일한 두께의 유전체로 형성된 복사면 레이돔(3a)을 배치하고, 그 밖의 부분은 방수 하우징(4)으로 덮여 있다. 또한, 도면에서, 슬롯 도파관이나 플레어의 기계적 유지 방법이나, 급전계 등은 생략하고 있다.

또한, 본 실시예에서는, 복사면 레이돔(3a)과 방수 하우징(4)은 일체이며, 통형상의 압출 성형에 의해 형성된다. 또한, 유전체 렌즈(5a-1, 5a-2)는 거의 동일 형상이며, 압출 또는 사출 성형에 의해 형성되고, 상기 방수 하우징(4)에 감입되는 것을 고려한 구조로 되어 있다.

또한, 본 실시예에서는, 유전체 렌즈에는, 그 양단에 플레어(2)를 유지하기 위한 유지 돌기(9a)나, 중앙부에 두 개의 유전체 렌즈의 간격을 유지하기 위한 스페이서 돌기(9b)가 마련되어 있다. 또한, 상기 복사면 레이돔(3a)에 대치하는 유전체 렌즈(5a-2)의 중앙부의 스페이서 돌기(9b)에는, 상기 복사면 레이돔(3a)과 유전체 렌즈(5a-2)의 간격을 유지하기 위해, 스페이서로서 저유전율 발포재(10)가 배 치되는 것이다.

수직면 중앙에서의 두 개의 유전체 렌즈(5a-1, 5a-2)의 두께나 간격 및 복사면 레이돔(3a)의 두께나 유전체 렌즈(5a-2)와의 간격은, 전자파가 각각의 재질을 순서대로 통과함으로써, 각각의 파동 임피던스를 가진 전송 선로가 직렬로 접속되어 있다고 생각하는 것에 의해 설정할 수 있다.

예컨대 도 10의 스미스챠트에 나타내는 임피던스 궤적으로 하고, 최종적으로 도 10의 점선원으로 나타내는 VSWR=1.2의 정합 범위 내에 포함된다.

도 10의 구체적인 예에서는, 각 간격 등 공간의 비유전율을 1로 했을 때의 파동 임피던스를 1로 기준화하고, 각 유전체의 비유전율을 4로 하며, 각 유전체의 파동 임피던스를 비유전율의 1/평방근인 1/2로 하고, 수직면 중앙의 각 유전체의 두께와 간격을 하기와 같은 전기 길이(파장 λ)와, 9.4㎓에서의 실치수로 하고 있다.

유전체 렌즈(5a-1)의 두께 : 0.25λ, 4.0㎜

유전체 렌즈(5a-1, 5a-2)의 간격 : 0.04λ, 1.3㎜

유전체 렌즈(5a-2)의 두께 : 0.25λ, 4.0㎜

유전체 렌즈(5a-2)와 복사면 레이돔(3a)의 간격 : 0.15λ, 4.8㎜

복사면 레이돔(3a)의 두께 : 0.11λ, 1.8㎜

유전체 렌즈의 합계 최대 유전체 두께는 8㎜이지만, 각 렌즈의 양단 최소 두께를 각각 1㎜로 한 경우, 유효 두께는 차감 6㎜이다.

일례로서, 도 6에 나타내는 플레어(2)의 개구 각도를 45도, 개구 치수를 100 ㎜, 주파수를 9.4㎓로 했을 때의 개구 근방의 수직면 위상 분포가 도 9에 도시된다.

도 9의 예에서는, 중심부로부터 ±50㎜ 떨어진 장소에서는, 대략 110도 위상이 지연되어 있기 때문에, 이상적으로는 중심부가 끝에 대하여 110도 지연되는 렌즈로 하면 되는 것을 알 수 있다.

여기서, 유전체 렌즈의 비유전율을 εr, 두께를 d로 하고, 두께 d에 의한 자유 공간 위상 지연 φ0, 위상 지연 φdi 및 이들의 지연 위상차 φ는,

···(4)

로 된다.

여기서, (4)식의 d에 중심부의 유효 두께 6㎜를 대입하면, 위상 지연차 φ, 즉 최대 위상 보정량으로서 대략 68도를 얻는다. 이 값은 상기 이상값보다 작지만, 도 9에 나타내는 ±40㎜의 위치의 위상과 거의 동일하기 때문에, 개구의 80%를 보정하는 것이 가능하고, 렌즈로서 충분한 효과를 기대할 수 있다.

또한, 렌즈 수직면 각부의 두께는, (4)식을 d에 대하여 변형하여 구할 수 있다. 또한, 각 간격은 각 두께에서 VSWR을 충분히 낮게 할 수 있는 치수로 설정하면 좋은 것이다.

도 11에는, 플레어만으로 렌즈를 사용하지 않는 경우와, 본 예의 개구의 80% 를 보정한 경우의 수직면 지향 특성을 나타낸다.

도 11에서는, 렌즈를 사용하는 것에 의해, 빔폭을 21도로부터 18도로 좁힐 수 있는 것 외에 특성 곡선이 가파르게 된 것을 나타내고 있고, 이들에 의해 이득이 대략 1dB 상승했다.

도 12에 본 예의 렌즈 및 레이돔에 의한 VSWR을 나타낸다. 설계 주파수 9.4㎓ 부근에서 충분히 반사가 억제되어 있는 것을 알 수 있다.

본 실시예는, 예컨대 레이돔(3a)과 방수 하우징(4)을 일체의 통형상 압출 성형으로 하는 경우에, 두께를 균일하게 한 쪽이 성형하기 쉬운 등, 성형상의 편의가 있는 경우에 최적의 예이다.

또한, 렌즈는 압출 성형이나 사출 성형으로 할 수 있지만, 사출 성형으로 하는 경우는 수평 방향의 길이를 분할하고, 방수 하우징(4)에 각각 부합하여 감입하도록 하면, 성형 형상을 작게 할 수도 있다.

또한, 렌즈 중앙부에 마련한 돌기(9b)나 스페이서(10)는, 간격 유지가 곤란한 경우에 마련하면 좋고, 필요에 따라 상기 감입 부분을, 예컨대 용융 접착 등으로 접착하면, 기계적 강도를 높일 수도 있다.

도 2, 도 3, 도 4에 본 발명의 팬 빔 안테나의 실시예 2의 단면도를 나타낸다.

도 2는, 레이돔 자체를 볼록 렌즈 형상의 유전체 렌즈(3b)로 하고, 내측에 거의 동일 형상의 유전체 렌즈(5b)를 배치하며, 각각의 렌즈 중앙의 두께를 사용 주파수의 1/4 파장 이하의 전기 길이로 하고, 수직면 전체에 걸쳐 두 개의 렌즈의 피치를, 거의 1/4 파장의 전기 길이로 한 예를 나타낸다. 또한, 도 2의 유전체 렌즈(5b)는 렌즈 중앙에 스페이서 돌기(9c)를 구비한다.

이와 같이 배치하면, 진행 방향으로 1/4 파장 떨어진 2개의 동일 반사는 제거된다고 하는 원리에 의해, 뛰어난 반사 억제 효과를 얻을 수 있다.

도 3은, 레이돔 자체를 볼록 렌즈 형상의 유전체 렌즈(3c)로 하고, 내측에 거의 동일 형상의 유전체 렌즈(5c)를 배치하며, 각각의 렌즈 중앙의 두께를 사용 주파수의 1/4 파장 이하의 전기 길이로 하고, 상기 유전체 렌즈(5c)의 중앙 부분이 상기 유전체 렌즈(3c)에 접촉하고 있는 예를 나타낸다.

도 2 및 도 3의 예는, 레이돔(3b, 3c)을 방수 하우징(4)과 별체로 성형하거나, 또는 성형 기술의 진보에 의해 통형상이라도 두께가 변경되는 경우에 최적인 예로, 특히 도 3의 예는 성형의 두께 제한이 완화되는 경우에 적용함으로써, 두 개 렌즈(3c, 5c)로서는 최대의 렌즈 효과를 발휘할 수 있다.

도 4는, 거의 균일한 두께를 갖는 레이돔(3a)과 볼록 렌즈 형상의 하나의 유전체 렌즈(5e)를 배치한 예를 나타낸다. 이 경우, 상기 실시예 1과 같은 수직면 전면에 걸쳐 반사 억제를 위한 정합을 취할 수는 없지만, 주로 중앙부에 대해서만 정합을 취할 수 있기 때문에, 반사 억제에 대해서는 불충분하지만, 간단하게 렌즈의 효과를 얻을 수 있다.

도 4는 상기 원리를 더 추진한 것으로, 렌즈 중앙의 두께를 각각 1/4 파장으로 두껍게 한 예를 나타낸다. 이 경우, 최대의 렌즈 효과와 우수한 반사 억제 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 4의 유전체 렌즈(5e)는, 렌즈 중앙에 스페이서 돌기(9d)를 구비한다.

도 5에, 본 발명의 팬 빔 안테나의 실시예 3의 단면도를 나타낸다. 도 5의 실시예에서는, 유전체 렌즈(5f)를 빗형의 단면 형상을 갖도록 형성한 점이 상술한 실시예와는 다르다. 이 경우, 빗살(50, 51) 부분과 공간(52) 사이의 극간(53)에 의한 평균 유전율을 적용한 하기와 같은 구조로 반사를 억제하면서, 임의의 렌즈 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

또한, 도 5의 유전체 렌즈(5f)는 렌즈 중앙에 스페이서 돌기(9e)를 구비한다.

빗살(50, 51)의 밀도가 가장 높은 부분 : 유전체 렌즈(5f)로 되는 부분이고, 최대 두께(빗살(50)의 길이)는, 필요한 렌즈 효과에 의해 임의로 설정할 수 있다.

내측 빗살(51)의 밀도가 낮은 부분 : 평균 비유전율을 상기 렌즈 부분의 비유전율의 평방근으로 되도록 하고, 두께를 1/4 파장의 전기 길이로 하여, 내측의 반사를 억제한다.

빗의 손잡이 부분(54) : 빗살(50, 51)을 유지하기 위해서 필요한 부분으로, 일정한 두께로 한다.

레이돔(3a) : 일정한 두께로 하여, 방수를 한다.

레이돔(3a)과 상기 손잡이 부분(54) 사이의 극간(55) : 상기 렌즈 부분의 파동 임피던스와 상기 손잡이 부분(54)의 파동 임피던스, 상기 레이돔(3a)의 파동 임피던스 및 레이돔 외측의 공간(56)의 파동 임피던스를, 실시예 1에서 나타낸 같은 방법으로 정합시키기 위해서 필요한 공간이다.

본 실시예는, 특히 유전체 렌즈를 사출 성형하는 경우에, 성형 두께를 거의 일정하게 유지하려고 하는 성형상의 편의가 있는 경우에 최적의 예이다. 또한, 이 경우, 단순한 볼록 렌즈 형상의 빗형은 상술한 실시예 1 및 2의 유전체 렌즈로서 사용할 수 있다.

본 발명에 의하면, 단순한 압출이나 사출 성형의 형편을 고려해도, 유해한 반사를 억제할 수 있고 또한 필요한 렌즈 효과가 간단히 얻어지기 때문에, 소형으로 높은 이득의 팬 빔 안테나가 용이하게 얻어진다.

Claims

팬 빔 안테나(fan beam antenna)로서,

수평 방향으로 길고, 수직 단면이 혼 형상(horn-shaped)인 플레어(flare)와,

안테나 부품을 수납한 방수 하우징과,

상기 플레어의 전면에 위치하고, 상기 방수 하우징의 일부를 구성하는 레이돔 복사면을 적어도 구비하며,

상기 레이돔 복사면을 등가적으로 복수의 유전체판으로 구성하고,

상기 복수의 유전체판 중의 적어도 하나를 볼록 렌즈와 동일한 특성을 갖는 유전체 렌즈로 하고,

상기 레이돔 복사면을, 세 개의 유전체판으로 구성하고,

최외측의 유전체판은 두께가 균일한 레이돔으로 하며,

내측의 두 개의 유전체판을 볼록 렌즈 형상으로 한

팬 빔 안테나.
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팬 빔 안테나(fan beam antenna)로서,

수평 방향으로 길고, 수직 단면이 혼 형상(horn-shaped)인 플레어(flare)와,

안테나 부품을 수납한 방수 하우징과,

상기 플레어의 전면에 위치하고, 상기 방수 하우징의 일부를 구성하는 레이돔 복사면을 적어도 구비하며,

상기 레이돔 복사면을 등가적으로 복수의 유전체판으로 구성하고,

상기 복수의 유전체판 중의 적어도 하나를 볼록 렌즈와 동일한 특성을 갖는 유전체 렌즈로 하고,

상기 볼록 렌즈 형상의 유전체판은, 빗살 부분의 길이가 그 수직면 중앙 부분에서 길고, 그 양단 부분이 짧아지는, 단면이 빗 형상인

팬 빔 안테나.
제 1 항에 있어서,

상기 볼록 렌즈 형상의 유전체판은, 빗살 부분의 길이가 그 수직면 중앙 부분에서 길고, 그 양단 부분이 짧아지는, 단면이 빗 형상인

팬 빔 안테나.
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