KR101084225B1 - 고이득을 위한 카세그레인 안테나 - Google Patents

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Abstract

고이득을 위한 카세그레인 안테나를 개시한다. 카세그레인 안테나는 전파를 방사하는 급전부; 급전부의 방사면에 대향하도록 방사된 전파를 반사하는 부반사판; 부반사판에 대향하도록 서로 다른 깊이의 복수의 요철부들이 형성되어 부반사판에서 반사된 전파를 다시 반사하는 주반사판을 포함한다. 본 발명에 따르면, 제작단가가 낮은 고이득 광대역 안테나를 구현할 수 있다.
안테나, 카세그레인, 오프셋

Description

고이득을 위한 카세그레인 안테나{Cassegrain antenna for high gain}
본 발명은 고이득을 위한 카세그레인 안테나에 관한 것으로, 특히, 마이크로파 및 밀리터리파 대역에서 동작하도록 주반사판에 서로 다른 깊이의 홈 산란체들을 갖도록 요철부들을 형성한 카세그레인 안테나에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-013-01, 과제명: 스펙트럼 공학 및 밀리터리파대 전파자원 이용기술개발].
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 평면형 반사판 안테나를 통해 제작단가를 낮추는 것이 필요하다.
종래의 평면형 반사판 안테나의 경우에는 급전부로부터 직접 반사판에 신호 를 보내는 일종의 파라볼릭 형태로 이루어진다. 종래의 평면형 반사판 안테나는 급전부를 송수신기에 연결하게 되는데, 이와 같은 경우에 전송선의 길이가 길어지고 큰 손실이 발생하기 때문에 적합하지 않다.
또한, 유전체 기판에 다수의 마이크로스트립 패치를 구성한 마이크로스트립 리플렉트어레이(reflectarray) 반사판 안테나에 관한 특허와 논문들이 개시되어 있으나, 이는 저가격, 경량의 장점을 가지는 반면, 유전체 기판의 손실로 인하여 안테나의 이득이 감소하는 단점을 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 주반사판의 요철부의 오목부를 통해 서로 다른 깊이의 홈 산란체를 형성하여 전자파를 산란하도록 함으로써, 저비용으로 포물선 또는 파라볼릭 곡면 형태의 주반사판을 이용한 것과 같이 마이크로파 및 밀리터리파 대역에서 동작하는 카세그레인 안테나를 제공하는데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명에 의한 카세그레인 안테나는 전파를 방사하는 급전부, 급전부의 방사면에 대향하도록 상기 방사된 전파를 반사하는 부반사판 및 부반사판에 대향하도록 서로 다른 깊이의 복수의 요철부들을 형성하여 부반사판에서 반사된 전파를 다시 반사하는 주반사판를 포함한다.
바람직하게, 부반사판은 서로 다른 높이의 복수의 요철부들의 볼록부들을 형성하여 급전부에서 방사된 전파를 주반사판으로 반사한다.
본 발명에 따르면, 카세그레인 안테나의 주반사판에 요철부들을 형성하여 서로 다른 깊이의 홈 산란체를 구비한 금속판의 형태로 제작하고, 부반사판 또한 요철부들을 형성하여 서로 다른 높이로 돌출된 산란체들을 구비하는 형태로 제작함으로써, 고이득의 광대역 안테나를 실현함에 있어서, 제작비용을 크게 절감할 수 있다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다. 또한, 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니 되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이 해되어야 한다. 주지 관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 더욱 분명해 질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나는 주반사판(110), 부반사판(120) 및 급전부(130)를 포함한다.
주반사판(110)은 부반사판(120)에 대향하도록 서로 다른 깊이의 홈 산란체(요철부의 오목부)들이 형성되어 있다. 이러한 홈 산란체들은 입사되는 전자파들을 산란시키는 기능을 수행하며, 금속판에 기계적으로 구멍을 뚫어서 형성된다.
부반사판(120)은 주반사판(110)의 전면에 급전부(130)의 방사면에 대향하도록위치하여, 급전부에서 방사된 전파를 주반사판(110)으로 반사하는 것으로 임의의 궤적을 갖는 곡면의 형태를 갖는다. 여기에서 부반사판의 궤적으로는 하이퍼볼릭 궤적이 가장 바람직하다.
급전부(130)는 주반사판(110)의 중심에 형성된 도파관(112)에 연결된 것으로, 부반사판(120)을 향해 전파를 방사한다.
부반사판(120)에서 반사되어 주반사판(110)에 입사된 전자파는 각 홈 산란 체(요철부의 오목부, 111)에서 전자기적으로 여기(excitation)된다.
전자파를 홈 산란체(111)에 입사하게 하고, 홈 산란체(111)의 물리적 구조, 즉, 깊이, 너비, 위치 등을 적절하게 조절하여 홈에서 산란되는 전자파의 위상을 배열 안테나 형태가 되도록 배치하면 고이득의 안테나를 구현할 수 있다.
여기에서, 홈 산란체(111)는 입사되는 전자파를 산란함으로써 산란파의 크기와 위상을 변경하는 역할을 하며, 그 단면은 사각형, 원형, 타원형 등 어떠한 형태도 가능하다. 가공 비용 면에서는 그 단면을 원형으로 하는 것이 유리하다. 또한 홈 산란체(111)들에서 발생하는 산란파를 조합하여 고이득의 안테나를 얻을 수 있다. 고이득과 광대역 특성을 동시에 얻기 위해서는 홈 산란체(111)의 깊이와 모양을 최적화하는 것이 필요하다.
본 실시예와 같이, 주반사판의 각 홈 산란체의 깊이 즉, 주반사판에 형성된 요철부들의 깊이를 각각 다르게 형성하면 반사 어레이가 광대역에서 동작하게 할 수 있다. 반사 어레이가 협대역이 되는 문제는 주파수별로 산란되는 위상이 다르기 때문이다. 따라서, 본 실시예와 같이 주반사판에 형성된 요철부들의 깊이를 각기 다르게 구성하면, 고이득과 광대역 특성을 가진 밀리미터파 대역 안테나를 설계할 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나의 주반사판에 형성된 요철부의 구조의 예를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 도면에서, D는 급전부(급전 안테나)의 직경을 나타내고, xi는 주반사판의 중심으로부터 요철부의 오목부의 중심까지의 거리, f는 포물선의 초점거리를 나타낸다. 또한 d0는 주반사판 중심에 위치한 요철부의 오목부의 길이를 나타내고, di는 i번째 요철부의 오목부의 깊이를 나타낸다. λg는 요철부의 오목부에 도파되는 전자파의 파장으로, 요철부의 오목부의 폭과 입사하는 전자파의 편파에 따라 결정된다.
전체적으로 주반사판의 홈 산란체(요철부의 오목부)들은 파라볼릭(parabolic) 궤적을 따라 배열되는 것이 바람직하며, 기타 프로레이트 스페로이드 (prolate spheroid) 궤적, 오블레이트 스페로이드(oblate spheroid), 스페리컬(spherical) 등 다른 궤적을 사용할 수 있다. 즉, 주반사판의 요철부들의 오목부들은 포물선, 파라볼릭, 프로레이트 스페로이드, 오블레이트 스페로이드, 하이퍼볼릭 및 스페리컬 등의 궤적에 따라 형성됨으로써, 결과적으로 이러한 궤적을 가진 곡면과 같은 효과를 낼 수 있다.
또한, 본 실시예와 같이 평면형 금속판에 구멍을 뚤어 요철부를 형성하는 경우에 요철부들의 볼록부들을 연결하면 하나의 직선 형태가 될 것이다.
각각의 홈 산란체들 간의 간격은 촘촘하게 할수록 고이득을 얻을 수 있다. 따라서, 주반사판의 요철부들의 오목부와 인접 오목부 사이의 폭(홈 산란체들 간의 간격)이 주반사판의 요철부들의 오목부들의 폭(홈 산란체들의 폭)에 비해 작도록 하는 것이 일반적이나, 공정 비용과 오차를 고려하여 적절한 범위에서 결정할 필요가 있다.
또한, 홈 산란체들의 폭은 홈 산란체들에 도파되는 전자파 모드가 단일모드가 되도록 λg/2보다 작게 하는 것이 바람직하다.
포물선 궤적은 홈 산란체들의 기하학적 구조, 급전 안테나 특성 f/D를 고려하여 개별 홈 산란체의 깊이 di를 다음 식에 따라 결정하여 얻을 수 있다.
Figure 112008070620502-pat00001
홈 산란체의 깊이 di가 λg/2보다 커지는 경우에는 전송선 이론을 고려하여, 항상 λg/2 크기보다 작게 되도록 유지할 수 있다. 왜냐하면 반사파의 주기가 λg/2이므로 di-λg/2가 되게하여 홈 산란체의 깊이 di가 λg/2를 넘지않게 할 수 있다.
도 3a 내지 3d는 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나의 일 예들을 도시한 도면이다.
도 3a 내지 3c는 주반사판에 형성된 요철부들의 오목부들의 모양이 각각 사각형, 원형, 타원형인 카세그레인 안테나를 도시한 도면이고, 도 3d는 신호의 blockage 효과를 제거하기 위해 주반사판과 부반사판 사이의 영역 중에서 부반사판에서 반사된 전파 및 주반사판에서 다시 반사된 전파가 통과하는 영역으로부터 이격되어 위치하는 offset 급전 구조를 이용한 카세그레인 안테나를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 3d에 도시된 실시예에 있어서, 주반사판, 부반사판 및 급전부의 위치는 주반사판에서 최종적으로 반사될 전파의 위상에 따라 조정 내지 변경하여 배치할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나의 또다른 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나는 주반사판(410)에 형성된 홈 산란체들(411) 사이의 간격을 두지 않고 모두 밀접하게 붙여서 형성한 것으로, 주반사판의 요철부들의 볼록부들의 영역이 최소가 되고, 산란기능을 수행하는 오목부들의 영역이 최대가 되도록 하여 고이득을 얻을 수 있다.
도 5a 내지 5f는 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나의 주반사판의 요철부들의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 요철부들의 오목부의 개구면이 각각 삼각형, 원형, 타원형의 형태를 갖도록 구현한 예이고, 도 5d 내지 도 5f는 각각 개구면이 사각형, 원형, 타원형으로 형성된 오목부들의 상단에 오목부들의 개구면을 오목부들의 바닥면에 비해 좁히는 슬롯이 형성된 예로, 각각의 실시예는 오목부에 의해 반사되는 전파의 크기 및 위상 중 적어도 하나를 조절하여 대역폭 특성과 안테나의 이득 특성을 개선하기 위한 것이다.
도 6은 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나의 또다른 예를 도시한 도면이다,
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나는 주반사판(610) 및 급전부(630)에 있어서, 도 1 에 도시된 카세그레인 안테나와 동일한 형태를 가지나, 부반사판(620)은 급전부를 향하는 서로 다른 높이의 돌출된 산란체(요철부의 볼록부, 621)들이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따른 돌출된 산란체(621)들은 임의의 궤적을 따라서 형성된다. 즉, 부반사판의 요철부들의 볼록부들은 포물선, 프로레이트 스페로이드, 오블레이트 스페로이드, 하이퍼볼릭 및 스페리컬 등의 궤적에 따라 형성됨으로써, 결과적으로 이러한 임의의 궤적을 가진 곡면과 같은 효과를 낼 수 있다..
또한, 돌출된 모양은 사각형 외에 원 또는 타원 등의 다른 모양도 가능하다.
도 7은 본 실시예에 따른 카세그레인 안테나의 주반사판의 요철부의 구조의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 주반사판의 요철부의 오목부의 바닥에 금속재질의 면(700)을 상하이동 가능하도록 설치한다. 이를 통해 홈 산란체들의 깊이 조정을 통해 홈 산란체들에 의해 반사되는 전파의 크기 및 위상 중 적어도 하나를 조정할 수 있으며, 임의의 방향으로 빔을 형성시키는 것이 가능하다.
도 8은 도 3a에 도시된 실시예 즉, 주반사판에 형성된 요철부들의 오목부들의 모양이 사각형인 카세그레인 안테나에 있어서, x-z 면에서 각각 잘라본 안테나의 복사 특성을 도시한 도면이다. 본 실시예의 측정 주파수는 70GHz이며, 도 8을 참조하면, 안테나의 복사 특성이　+x 방향으로 잘 조향되고 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조정이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조정예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 주반사판에 형성된 요철부의 구조의 예를 도시한 것이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 일 예들을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 또다른 예를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 주반사판의 요철부들의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 또다른 예를 도시한 도면이다,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 주반사판의 요철부의 구조의 일 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 카세그레인 안테나의 복사 패턴을 도시한 도면이다.

Claims (13)

  1. 전파를 방사하는 급전부;
    상기 급전부의 방사면에 대향하도록 상기 방사된 전파를 반사하는 부반사판;
    상기 부반사판에 대향하도록 서로 다른 깊이의 복수의 요철부들이 형성되어 상기 부반사판에서 반사된 전파를 다시 반사하는 주반사판을 포함하고,
    상기 주반사판의 요철부들의 볼록부들의 상단부가 동일 평면 상에 있도록 상기 볼록부가 형성되고,
    상기 주반사판의 요철부들의 오목부들의 상단에 상기 오목부들의 개구면을 상기 오목부들의 바닥면에 비해 좁히는 슬롯을 포함하는 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주반사판의 요철부들의 오목부들의 적어도 일부의 하단부는 포물선, 파라볼릭, 프로레이트 스페로이드, 오블레이트 스페로이드 및 스페리컬 중 하나의 궤적을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주반사판의 요철부들의 오목부들의 개구면이 사각형, 원형, 타원형 중 하나의 형태인 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주반사판의 요철부들의 적어도 일부의 오목부와 상기 오목부에 인접한 오목부 사이의 간격이 상기 오목부의 폭에 비해 작은 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주반사판의 요철부들의 오목부들의 깊이를 조정하여 상기 다시 반사되는 전파의 크기 및 위상 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 카세크레인 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주반사판의 요철부들의 오목부들의 바닥면은 금속 재질의 면이 상하이동 가능하도록 형성된 것을 특징으로 하는 카세크레인 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는 상기 주반사판의 중심에 형성된 도파관에 연결된 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는 상기 주반사판과 상기 부반사판 사이의 영역 중에서 상기 부반사판에서 반사된 전파 및 상기 주반사판에서 다시 반사된 전파가 통과하는 영역으로부터 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 부반사판은 상기 방사된 전파를 반사하는 면이 포물선, 프로레이트 스페로이드, 오블레이트 스페로이드, 하이퍼볼릭 및 스페리컬 중 하나의 궤적을 갖는 곡면 형태인 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 부반사판은 서로 다른 높이의 복수의 요철부들이 형성되어 상기 방사된 전파를 상기 주반사판으로 반사하는 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부반사판의 요철부들의 볼록부들은 포물선, 프로레이트 스페로이드, 오 블레이트 스페로이드, 하이퍼볼릭 및 스페리컬 중 하나의 궤적을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 카세그레인 안테나.
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