KR101105444B1 - 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나 - Google Patents

Abstract

인공위성 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 원형 편파 신호를 최적으로 발생하기 위한 이득과 축 비를 향상시키고, 우주 환경에서도 구조적으로 견고성을 갖도록 한 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나가 개시된다.

개시된 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나는, 원형 편파 통신시스템에서 동축케이블을 통해 전달받은 신호를 분기하고, 상기 분기한 신호에 위상 차를 부여하여 출력하는 전력 분배부와; 방위각 및 수직축 진동에도 방사체의 흔들림 및 파손을 방지하며, 상기 전력 분배부에서 출력된 신호를 원형 편파로 공간상에 방사시키는 안테나부를 구비하되, 상기 안테나부를 상기 위상 차가 부여된 신호를 공기 중으로 방사 하기 위해 서로 수직하게 위치한 보우-타이 다이폴과; 상기 보우-타이 다이폴에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판과; 상기 위상 차가 부여된 신호를 상기 보우-타이 다이폴로 전달하기 위한 급전 부재와; 상기 급전 부재와 대향 설치되며 누설전류 차단을 위한 밸런과; 상기 밸런 및 급전 부재를 상기 반사판에 고정하는 고정부재로 구현한다.

턴스타일 다이폴, 보우-타이 다이폴, 황동, 진동

Description

견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나{Wideband circular polarization turnstile antenna having strong structure}

본 발명은 인공위성 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 원형 편파 신호를 최적으로 발생하기 위한 이득과 축 비를 향상시키고, 우주 환경에서도 구조적으로 견고성을 갖도록 한 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나에 관한 기술이다.

TT&C(Tracking, Telemetry and command) 같은 위성 관제 통신 시스템에서는 우주 궤도에 위치한 위성과 지상국 간에 통신을 하기 위해 신호 전달 특성이 좋은 원형 편파 신호를 사용하고 있다. 또한, 관제 시스템 특성상 위성의 자세가 변화해도 통신이 가능해야 하므로 관제용 안테나는 빔 폭이 크고 전면 방향 특성을 갖는 안테나를 사용해야하며 주파수 대역폭이 넓어야 한다.

한편, 원형 편파를 이용한 통신 시스템은 주위 환경에 대한 신호전달 특성이 좋다는 장점 외에도 좌, 우수 편파의 신호 분리성 때문에 위성 통신뿐만 아니라 이 동 통신, RFID 등 다방면으로 적용되고 있다. 이러한 추세 때문에 원형 편파 안테나는 많은 수요를 요하고 있다.

상기와 같은 특성을 발휘하기 위한 종래의 원형 편파 통신 시스템에서 사용되는 안테나가, 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 특2001-0040623호(2001.05.15. 공개)(발명의 명칭: 2중 편파 다이폴 안테나)(이하, "종래기술 1"이라 약칭함) 및 등록특허공보 등록번호 10-0672967호(2007.01.16. 등록)(발명의 명칭: 원형 편파 안테나)(이하, "종래기술 2"라 약칭함)에 개시된다.

상기와 같이 개시된 종래기술 1의 원형 편파 통신 시스템용 안테나는, 다수의 별개 쌍극자(雙極子)를 이용하여 2중 편파 다이폴 안테나를 구현한 것이고, 종래기술 2는 배열된 선형 편파 복사소자를 사용하여 하나의 원형 편파 안테나로 구현하기 위해서 각각의 선형 편파 복사소자에 위상차이를 인가한 형태를 사용함으로써, 단일 복사소자를 이용한 원형 편파 안테나에 비해서 넓은 주파수 대역에서 일관된 안테나 복사패턴을 구현하기 위한 것이다.

그러나 이러한 종래의 원형 편파 통신 시스템에 적용된 안테나는, 넓은 빔 폭 특성의 넓은 주파수 대역폭을 구현하는 것은 가능하였으나, 전 대역 내에서 축 비가 좋은 특성을 유지하기 어렵다는 단점을 발생하였다.

또한, 안테나를 소형으로 제작 시 이득이 감소하는 문제점도 발생하였다.

또한, 상기와 같은 종래의 원형 편파 통신 시스템에 적용된 안테나는, 인공 위성에서 사용하기에는 구조적으로 견고함이 떨어졌으며, 특히 위성 발사시 외부의 진동(방위각 및 수직축 진동)에 대한 대책이 고려되지 않았다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 원형 편파 통신 시스템에 적용된 안테나에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 인공위성 관제 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위해 소형, 넓은 빔 폭, 광대역 특성을 가지면서도 고 이득, 전 주파수 대역 내에서 축 비가 향상된 견고한 구조의 턴스타일 안테나를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 우주 환경에서도 구조적으로 견고성을 갖도록 한 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나"는,

동축케이블을 통해 전달받은 신호를 분기하고, 상기 분기한 신호에 위상 차를 부여하여 출력하는 전력 분배부와;

방위각 및 수직축 진동에도 방사체의 흔들림 및 파손을 방지하며, 상기 전력 분배부에서 출력된 신호를 원형 편파로 공간상에 방사시키는 안테나부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력 분배부는,

임피던스 정합을 위한 λ/4 길이의 폭이 다른 선로를 갖는 전력 분배기를 구비하되, 상기 전력 분배기를 다단으로 구현하여 대역폭을 확장시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나부는,

상기 위상 차가 부여된 신호를 공기 중으로 방사 하기 위해 서로 수직하게 위치한 보우-타이 다이폴과;

상기 보우-타이 다이폴에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판과;

상기 위상 차가 부여된 신호를 상기 보우-타이 다이폴로 전달하기 위한 급전 부재와;

상기 급전 부재와 대향 설치되며 누설전류 차단을 위한 밸런과;

상기 밸런 및 급전 부재를 상기 반사판에 고정하는 고정부재를 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 급전 부재는,

내부에 공간을 형성하여 급전 선로가 삽입된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반사판에는 밸런 및 급전 부재를 삽입하여 고정하기 위한 삽입 홈이 형성되고, 상기 삽입 홈의 소정 위치에는 볼트를 삽입하기 위한 볼트 홀이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정부재는,

상기 밸런 및 급전 부재의 하단에 형성되며, 볼트를 삽입하기 위한 볼트 홀이 구비되고 상기 삽입 홈에 끼워 고정되는 지지판을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 인공위성 관제 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위해 소형, 넓은 빔 폭, 광대역 특성을 가지면서도 고 이득, 전 주파수 대역 내에서 축 비가 향상된 견고한 구조의 원형편파 턴스타일 안테나를 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 우주 환경에서도 구조적으로 견고성을 갖는 원형 편파 턴스타일 안테나를 제공할 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나의 구조중 전력 분배부의 구조도이고, 도 2는 본 발명에 따른 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나의 구조중 안테나부의 구조도이고, 도 3은 상기 안테나부가 방위각 진동 극복을 위해 고정되는 것을 설명하기 위한 구조도이고, 도 4는 상기 안테나부가 수직축 진동 극복을 위해 고정되는 것을 설명하기 위한 구조도이다.

이에 도시된 바와 같이, 이득과 축 비가 향상된 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나는 크게 전력 분배부와 안테나부로 이루어져 있다.

먼저, 전력 분배부는 도 1에 도시된 바와 같이, 반사판(10)의 후면에 형성되며, 외부 동축 케이블에서 전달된 신호를 포트 1(Port1)을 통해 전달받아 두 신호로 분배하는 전력 분배기(11)와, 상기 전력 분배기(11)에서 분배된 신호의 임피던스 정합을 위한 제1 λ/4 선로(12)와, 상기 전력 분배기(11)에서 분기 된 두 신호 간의 격리를 위한 제1 칩 저항(14), 상기 제1 λ/4 선로(12)와 더불어 광대역에서 두 신호의 임피던스 정합을 위한 제2 λ/4 선로(13)와, 상기 제1 칩 저항(14)과 더불어 광대역서 두 신호를 격리시키기 위한 제2 칩 저항(15), 상기 제2 칩 저항(15)에 의해 격리된 두 신호에 90°위상차를 주기 위한 위상천이선로(16), 상기 90°위상차를 갖는 두 신호를 안테나부로 전달하기 위한 급전 비아인 포트 2(Port2) 및 포트3(Port3)으로 구성된다.

이러한 전력 분배부는 도면에는 도시하지 않았지만 주파수 광대역에서 더욱 평탄한 위상 차를 주기 위한 단락 스터브가 추가될 수 있다.

그리고 안테나부는 상기 포트 2와 포트 3에 각각 연결되어 있는 동축 케이블 형태의 제1 및 제2 급전 선로(41)(42)가 구비되며, 방사 형태로 되어 두 선로를 통해 위상 차가 발생한 분기 신호를 전달받는 보우-타이(Bow-tie) 다이폴(21 ~ 24), 상기 보우-타이 다이폴(21 ~ 24)에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판(10)과, 상기 위상 차가 부여된 신호를 상기 보우-타이 다이폴(21 ~ 24)로 전달하기 위한 급전 부재(31)(32)와, 상기 급전 부재(31)(32)와 대향 설치되며 누설전류 차단을 위한 제1 및 제2 밸런(33)(34)과, 상기 제1 및 제2 밸런 (33)(34) 및 급전 부재(31)(32)를 상기 반사판(10)에 고정하는 고정부재(51 ~ 54)를 구비한다.

여기서 상기 급전 부재(31)(32)는 내부에 공간(31a)(32a)을 형성하여 급전 선로(41)(42)를 삽입하며, 상기 반사판(10)에는 제1 및 제2 밸런(33)(34) 및 급전 부재(31)(32)를 끼워서 고정하기 위한 삽입 홈(51d)(52d)(53d)(54d)이 형성되고, 상기 삽입 홈(51d)(52d)(53d)(54d)의 소정 위치에는 볼트(51b)(52b)(53b)(54b)(51c)(52c)(53c)(54c)를 삽입하기 위한 볼트 홀(51a)(52a)(53a)(54a)이 구비된다.

또한, 상기 고정부재(51 ~ 54)는 상기 제1 및 제2 밸런(33)(34) 및 급전 부재(31)(32)의 하단에 형성되며, 볼트를 삽입하기 위한 볼트 홀이 구비되고 상기 삽입 홈(51d)(52d)(53d)(54d)에 끼워 고정되는 지지판(51 ~ 54)이 구비된다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 이득과 축 비가 향상된 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나의 동작에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.

외부 동축케이블에서 전달된 신호는 전력 분배기(11)를 통해 같은 전력비를 가지고 분배되며, 제1 λ/4 선로(12)를 통해 임피던스 정합이 이루어지고, 제1 칩 저항(14)에 의해 두 신호가 격리된다.

이어서 다시 제2 λ/4 선로(13)와 제2 칩 저항(15)에 의해 전력분배기가 광대역에서 동작하게 된다.

이때 분배된 두 신호에 90°위상 차를 주기 위해 한쪽 선로에는 위상천이선로(16)를 구비시키게 된다. 즉, 위상천이선로(16)를 통과한 신호와 그렇지 않은 신호는 서로 90° 위상 차를 가지게 되며, 이러한 위상 차는 동작 주파수와 그 길이에 따라 달라진다. 이때 원형 편파를 생성하기 위해서는 90°근방의 위상 차를 필요하게 된다.

일반적인 위상차 전력 분배기는 동작주파수 내 일정 대역에서만 고정된 위상차를 공급하고 동작 주파수를 벗어나면서 점점 위상차가 달라지는 특징이 있다. 하지만, 주파수 광대역에 대해서 좋은 축 비(장축과 단축의 비)의 원형 편파를 제공하기 위해서는 전 대역에 걸쳐 일정한 위상차를 공급해야 한다. 부가적으로 본 발명에서는 도면에는 도시하지 않았지만 위상천이선로(16)를 가지지 않는 다른 급전인 포트 2에 단락 스터브를 병렬 연결함으로써, 주파수 광대역에서도 일정한 위상 차를 공급하도록 할 수 있다.

일반적으로 단락 스터브를 구비한 턴스타일 안테나가 그렇지 않은 일반 턴스타일의 안테나가 보다 넓은 주파수 대역 범위에서 좋은 축 비를 가짐을 알 수 있다. 여기서 단락 스터브의 길이는 기본적으로 동작 주파수 대역에서 1/4 파장 길이를 가지게 설계하여, 포트 2에서 임피던스에 변화를 주지 않게 한다. 여기서 동작 주파수 대역에 따라 또는 더욱 좋은 축 비를 얻기 위해 단락 스터브의 길이와 폭은 적당히 조절될 수 있다.

즉, 본 발명에서의 전력 분배는 일반적인 윌킨슨 전력분배기를 다단으로 설계하여 대역폭을 확장하게 된다.

한편, 상기 전력 분배부에서 공급된 분배된 위상 차 신호는 각각 제1 및 제2 급전 선로(41)(42)로 공급된다. 이 두 선로는 튼튼한 금속소재로 된 급전 부재(31)(32) 속에 심어져, 제1 및 제2 밸런(33)(34)과 더불어 안테나를 고정하는 역할을 하게 한다. 상기 제1 및 제2 밸런(33)(34)은 폴디드 밸런(Folded Balun)으로 누설 전류를 차단하는 역할도 한다.

여기서 본 발명에 따른 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나는 실제 사용 환경이 인공 위성 등에 탑재되어 사용하는 환경이므로, 우주 환경에서도 구조적으로 견고해야하며, 위성 발사시 진동 등에도 영향을 받지않는 견고성을 갖추어야 한다.

이를 위해서, 보우-타이 다이폴(21 ~ 24)은 두께 2mm, 급전 부재(31)(32)와 제1 및 제2 밸런(33)(34)은 두께 7mm의 황동소자를 사용하여 제작하였다. 여기서 반사판(10)은 두께 5mm의 알루미늄 합금소자를 사용하였다. 보우-타이 다이폴(21 ~ 22)의 급전은 황동 소자로 이루어진 급전 부재(31)(32)의 내부에 공간(31a)(32a)을 형성하고, 상기 공간(31a)(32a)으로 급전 선로를 삽입시켜, 구조적으로 매우 튼튼하게 하였다.

특히, 위성 발사시 진동을 고려하여, 상기 급전 부재(31)(32), 제1 및 제2 밸런(33)(34)의 하단에 "L" 모양의 지지판(51 ~ 54)을 형성시키고, 반사판(10)에 도 3과 같이 삽입 홈(51d ~ 54d)을 상기 "L" 모양의 지지판(51 ~ 54)에 대응하게 형성하였다.

그리고 각각의 삽입 홈(51d ~ 54d)에 볼트 홀(51a ~ 54a)을 형성하고, 상기 지지판(51 ~ 54)에도 볼트 홀(51e ~ 54e)을 형성한 후, 고정시 상기 삽입 홈(51d ~ 54d)에 지지판(51 ~ 54)을 각각 대응하게 삽입하여 방위각 진동을 극복하였다. 아울러 상기 지지판(51 ~ 54)에 형성된 볼트 홀(51e ~ 54e) 및 상기 삽입 홈(51d ~ 54d)에 형성된 볼트 홀(51a ~ 54a)에 상하로 볼트를 체결하여, 수직축에 의한 진동도 극복하였다. 즉, 방위각과 수직축 진동에 대해서도 견고함을 유지하게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 열팽창 계수가 매우 작은 금속소자(황동)를 사용하였기 때문에, 저궤도에서의 태양 복사열에 의한 급격한 온도 변화에 둔감한 특성을 보일 수 있는 장점이 있다.

이후 제1 및 제2 급전 선로(41)(42)로 전달되는 위상 차 신호는 보우-타이 다이폴(21 ~ 24)에 의해 공간상에 방사된다.

즉, 수직 다이폴의 경우 급전 부재(31)의 공간(31a)에 형성된 제1 급전 선로(41)의 내심으로 급전 신호가 흐르며, 상기 급전 부재(31)와 대향 설치되는 금속 기둥으로 된 제1 밸런(33)으로 전달되게 된다. 또한, 접지 신호는 제1 급전 선로(41)의 외심에 흐르며 전형적인 다이폴의 전류 흐름을 가지게 한다. 한편, 수평 다이폴의 경우 수직 다이폴과 유사한 형태를 가진다.

본 발명에서 원형 편파를 발생하는 원리는 서로 수직한 보우-타이 다이폴의 90°위상차 입력에 기인한다. 이때 위상차가 +90°를 가지면 좌수 편파(LHCP), -90°를 가지면 우수편파(RHCP)를 보인다.

여기서 각 신호 선, 보우-타이 다이폴, 선로, 밸런은 일정간격을 가지며 분리되어 있으며 그 간격은 안테나 임피던스와 두 다이폴 간의 격리 도를 결정하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나의 하부 구조도.

도 2는 본 발명에 따른 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나의 상부 구조도.

도 3은 본 발명에 적용된 반사판의 구조도.

도 4는 본 발명에서 지지판에 볼트를 상·하로 체결하는 상태를 보인 구조도.

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나에 있어서,

   동축케이블을 통해 전달받은 신호를 분기하고, 상기 분기한 신호에 위상 차를 부여하여 출력하는 전력 분배부와;

   방위각 및 수직축 진동에도 방사체의 흔들림 및 파손을 방지하며, 상기 전력 분배부에서 출력된 신호를 원형 편파로 공간상에 방사시키는 안테나부를 포함하고,

   상기 안테나부는,

   상기 위상 차가 부여된 신호를 공기 중으로 방사 하기 위해 서로 수직하게 위치한 보우-타이 다이폴과;

   상기 보우-타이 다이폴에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판과;

   상기 위상 차가 부여된 신호를 상기 보우-타이 다이폴로 전달하기 위한 급전 부재와;

   상기 급전 부재와 대향 설치되며 누설전류 차단을 위한 제1 및 제2 밸런과;

   상기 제1 및 제2 밸런 및 급전 부재를 상기 반사판에 고정하는 고정부재를 구비한 것을 특징으로 하는 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나.
5. 제4항에 있어서, 상기 급전 부재는,

   내부에 공간을 형성하여 급전 선로를 삽입시킨 것을 특징으로 하는 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나.
6. 제4항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밸런과 상기 급전 부재는 황동으로 구현하는 것을 특징으로 하는 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나.
7. 제4항에 있어서, 상기 반사판은 제1 및 제2 밸런과 급전 부재를 삽입하여 방위각에 대해서도 방사체가 흔들리는 것을 방지하기 위한 삽입 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나.
8. 제7항에 있어서, 상기 삽입 홈의 소정 위치에는 볼트를 삽입하기 위한 볼트 홀이 구비된 것을 특징으로 하는 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나.
9. 제4항에 있어서, 상기 고정부재는,

   상기 제1 및 제2 밸런 및 급전 부재의 하단에 형성되며, 볼트를 삽입하기 위한 볼트 홀이 구비되고 상기 삽입 홈에 끼워 고정되는 지지판을 구비한 것을 특징으로 하는 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나.
10. 제9항에 있어서, 상기 지지판은 볼트 홀에 볼트를 상하로 체결하여, 수직축 진동에 대해서도 방사체가 흔들리거나 파손되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 견고한 구조의 원형 편파 턴스타일 안테나.

Images