KR101292230B1 - 콤팩트한 비축대칭 이중 반사판 안테나 - Google Patents

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Abstract

이중 반사경 안테나의 전체적 크기를 줄일 수 있고, 안테나 이득(AG)을 증가시킨다. 기술된 기술적 효과는 안테나가 그 각각이 비축대칭 곡면들을 갖고, 길이 방향 축 Z가 위치하는 교차점에 대칭인 두 평면들을 갖는 주반사판 및 부반사판을 포함한다는 사실에 기인해 성취된다. 피드는 주반사판 및 부반사판 사이에 배치되며, 평편한 파면(Plane wave front)을 형성하기 위해, 부반사판을 먼저 그리고 이를 통해 주반사판을 조사할 수 있다. 상기 길이 방향 축 Z을 통과하는 모든 단면들에서 상기 주반사판 및 상기 부반사판의 비축대칭 곡면들의 공통 촛점은 상기 길이 방향 축 Z의 일부분 Z0 상에 위치하며, 상기 부반사판은 상기 길이방향 축을 중심으로 상기 주반사판을 향하여 볼록한(convex) 형상이며, 상기 부반사판의 비축대칭 곡면의 모선(generatrix)은 아래의 구면좌표 r(θ,φ)로 정의될 수 있으며,
Figure 112013012535431-pat00034

(
Figure 112013012535431-pat00035
는 m차 다항식, θ,φ는 구면좌표에서의 각도)
연관성 0.24 < I < 0.35 (I = H/Dmax, H - 상기 길이방향 축에 따른 안테나 최대 크기, Dmax -상기 주반사판의 개구의 최대 횡단크기)을 만족시킨다.

Description

콤팩트한 비축대칭 이중 반사판 안테나{COMPACT NONAXISYMMETRIC DOUBLE-REFLECTOR ANTENNA}
본 발명은 전파 공학에 관한 것으로 특히, 통신 및 위성 텔레비젼 시스템에 사용될 수 있는 이중 반사판 안테나에 관한 것이다.
여러 위성들로부터의 신호들을 동시에 수신하기에 적합한 다중 빔 반사판 안테나를 개발하는 것이 현실적 과업이다. 그러한 개발의 한 분야가 반사판의 크기를 줄여 안테나의 우수한 전기적 특성을 제공하는 것이다. 길이(축) 방향으로의 최대한의 소형화(축 방향의 안테나 두께 소형화)는 카세그레인(Cassegrain) 및 슈바르츠실트(Schwarzchild)의 이중 반사판 시스템 및 ADE(Axially Displaced Ellipse) 배열에 따라 제작된 안테나에서 획득된다. 이러한 시스템들에서의 반사판 표면들은 대부분 회전 표면들 또는 축 대칭 표면으로부터 재단된 것들이다. 축 대칭 이중반사판 안테나의 단점이 있다. 피드가 축 대칭을 갖는 시스템의 축 대칭 안테나 특성을 갖는다면, 주반사판은 효율적인 피딩(feeding,급전)의 원형 대칭을 갖는 빔을 형성한다. 비축대칭 빔들 또는 타원형 단면 빔(Elliptic cross-section)의 형성을 필요로 할 경우, 몇몇 각도의 방위 각에서 작은 간격을 갖는 궤도 내에 위치하는 위성들로부터 신호들을 동시에 수신할 때 신혼간섭의 문제가 존재한다. 정확한 목표위성을 조준하기 위해 좁은 빔폭(beamwidth)들이 필요하며, 그에 따라 방위각 평면에서 대형인 주반사판을 필요로 한다. 타원형 단면을 갖는 빔을 형성하는 경우, 방위면에서 좁은 빔폭(beamwidth)를 유지하면서, 좁은 빔폭이 필요없는 앙각(Elevation angle)의 평면에서 반사판 선폭(transverse dimension)을 줄이는 것이 가능하다.
대부분의 현존 반사 시스템들은 표면 이용의 고효율을 원할 경우 (antenna aperture efficiency, 안테나 개구면 효율) 이러한 특성 파라미터들이 우수한 스캐닝 특성 및 축방향으로의 박형(薄形,Compatness) 사이에서 서로 상충되어, 우수한 스캐닝 특성 및 축방향으로의 박형중 하나만을 선택하게 된다.
카세그레인 다중 빔 안테나가 알려져 있다(US 3914768).
이 기술에서의 주반사판 및 부반사판은 각각 시스템 메인 축 둘레로 회전 면들, 포물선면 및 쌍곡선면으로부터 재단된 것들이다. 몇몇의 피드들이 공간 촛점 커브를 따라 배열된다. 부반사판에 의한 방사 방해(Radiation blockage)를 방지하기 위해 오프셋(Offset) 형태로 되어있다. 이러한 안테나의 단점은 그 큰 길이 및 그에 따른 안테나 소형화를 특정 짓는 H/D 값 - 주반사판 직경 D에대한 주반사판의 회전 축 방향의 길이 H의 비율-에 있다.
멀티 빔(Multiple Beam)들을 형성하는 몇몇의 절두된(Truncated) 부반사판들을 포함하는 ADE형태의 콤팩트 다중-빔 안테나가 알려졌다.(RU2380802)
이 안테나의 단점은 부반사판들의 많은 부분이 절두되어(Truncated) 안테나 개구면 효율 감소는 물론, 밀접하게 위치하는 멀티 빔들의 구현이 어려울 뿐만 아니라 주반사판이 대칭이라는 것이다.
ADE 설계에 따라 제작된 콤팩트한 이중 반사판 안테나가 알려졌다 (US 2008/0094298). 이 안테나는 회전 표면들이 아닌, 주반사판 및 부반사판의 비축대칭 표면들을 갖는다. 주반사판 표면을 형성할 때, 그 표면의 모선 즉, 오프셋 축을 갖는 포물선 및 부반사판의 모선 즉, 경사 축을 갖는 타원은 360도회전시 변경된다. 피드로서, 비대칭 개구면을 갖는 특정 혼이 이용된다. 부반사판과 함께 혼은 일반적인 ADE 안테나의 원형 촛점과 유사한 타원형의 촛점을 형성된다. 비대칭 반사판들의 시스템은 임의 단부를 갖는 좁은 빔을 생성하게 한다. ADE 시스템이 나쁜 스캐닝 특성을 갖는 것으로 즉, 피드가 촛점으로부터 벗어나는 경우 안테나 개구면 효율이 급격히 떨어지는 것으로 알려졌고 따라서 이 안테나의 단점은 단일 빔에 국한된다는 것이다.
본 발명의 목적은 성능을 향상시키고 기능성을 확장하는 것이다.
본 발명을 통하여 성취될 수 있는 기술적 효과는 박형화(Low profile) 및 소형화, 안테나 개구면 효율의 증가다.
본 발명의 또 하나의 중요한 기술적 효과는 멀티 빔(복수 위성)들에 대한 정확한 방위각 및 높은 안테나 이득(Gain)을 유지하면서, 근접 배치된 멀티 빔 작동이 가능하며, Z축 방향 길이(안테나 전체 두께)가 짧고(Compact, low profile) 주 반사판 선폭(Transverse dimension)들 중 한 방향으로의 길이를 감소시켜 소형화의 목적을 달성하면서, 방위각(azimuth) 평면에서 좁은 빔폭을 갖는 안테나로 근접신호 간섭이 없이 동작 멀티 빔(Multiple Beam) 수를 증가시킬 수 있는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 길이방향 축(Z축)이 위치하는 교차점에서 서로 대칭인 두 평면을 갖는 주반사판 및 부반사판과, 상기 주반사판 및 부반사판 사이에 위치하며, 상기 부반사판을 먼저 조사하고 이후 상기 주반사판을 조사하여 평면 파면(plane wave front)을 형성하는 적어도 하나의피드를 포함하는 이중 반사판 안테나(double reflector antenna)로서, 상기 주반사판 및 부반사판은 각각 비축대칭 곡면(nonaxisymmetric curvilinear surface)으로 형성되며, 상기 길이방향 축을 통과하는 모든 단면에서 상기 주반사판 및 부반사판의 비축대칭 곡면의 공통 초점은 상기 길이방향 축 상에 위치하며, 상기 부반사판은 상기 길이방향 축을 중심으로 상기 주반사판을 향하여 볼록한(convex) 형상이며 상기 부반사판의 비축대칭 곡면의 모선(generatrix)은 아래의 구면좌표 r(θ,φ)로 정의될 수 있으며,
Figure 112013012535431-pat00001
(
Figure 112013012535431-pat00002
는 m차 다항식, θ,φ는 구면좌표에서의 각도)
연관식 0.24 < I < 0.35 (I = H/Dmax, H - 상기 길이방향 축에 따른 안테나 최대 크기, Dmax -상기 주반사판의 개구의 최대 횡단크기)을 만족하는 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 공통 초점이 상기 길이방향 축 상에서 위치하는 부분을 Z0이라 하고, 상기 Z0의 단부로부터 상기 길이방향 축을 따라 상기 주반사판까지의 최소거리를 Fmin이라 하고, 상기 Z0의 단부로부터 상기 길이방향 축을 따라 상기 주반사판까지의 최대거리를 Fmax라 하고, 상기 주반사판의 개구(aperture)의 최대 횡단크기를 Dmax라 하고, 상기 주반사판의 개구의 최소 횡단크기를 Dmin이라 할 때, 아래의 관계식들: Fmin≤Z0≤Fmax, Fmin/Dmax≤ Z0/Dmax≤Fmax/Dmax, 0.21≤Z0/Dmax≤0.47, 0.5<Dmin/Dmax<1 이 성립될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 부 반사판은 쌍곡선(hyperbola)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 대칭인 두 평면에서 상기 주반사판의 비축대칭 곡면의 단면은 파라볼라 곡선(parabolic curve)이며 상기 대칭인 두 평면에서 상기 부반사판의 비축대칭 곡면의 단면은 쌍곡선(hyperbolic curve)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 대칭인 두 평면에서 상기 주반사판 및 부반사판의 비축대칭 곡면의 단면은, 상이한 초점 반경을 갖는 슈바르츠실트(Schwarzchild) 시스템의 구면수차제거 곡선(aplanatic curve)일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 주반사판을 상기 길이방향 축에 수직인 평면에 투영했을 때의 엣지(edge)는, 타원 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 주반사판을 상기 길이방향 축에 수직인 평면에 투영했을 때의 엣지는, 타원을 에워싸는 다각형 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 주반사판을 상기 길이방향 축에 수직인 평면에 투영했을 때의 엣지는, 상기 주반사판의 최대 횡단 크기를 관통하는 대칭 평면에 평행한 두 개의 평면들에 의해 잘린 타원 형태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 피드는 그 축들이 상기 길이방향 축에 대해 경사지고, 상기 부반사판의 초점을 통과하는 초점 곡선에 위치하는 적어도 두 개의 혼들로 제작될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 피드는 그 축들이 상기 길이방향 축에 평행하고, 적어도 두 개의 혼들로 구성되는 단일의 어셈블리로 제작될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 피드는 그 축이 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 평행한 혼으로 제작되고, 상기 혼의 위상 중심은 상기 부반사판 초점에 정렬될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 혼은 대칭적 지향성 빔(symmetrical directional beam)을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서 상기 혼은 비대칭적 지향성 빔(asymmetrical directional beam)을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 반사판 안테나의 반사판 표면들의 일반적인 도면이다.
도 2는 주반사판 및 부반사판의 정면도(OZ 시스템 길이 방향 축에서 볼 때)이다.
도 3은 대칭 평면들 중 하나 즉, ZX 방위각 평면에서의 주반사판 및 부반사판의 도면이다.
도 4는 도 3과 동일하며 ZY 평면에서의 도면이다.
도 5는 혼이 부반사판의 촛점 f 내에 위치하며 XZ, YZ 대칭 평면들에서의 주반사판 및 부반사판의 모선(Generatrics)들 및 빔(Beam) 경로들의 한 예를 도시한 도면이다.
도 6은 주반사판 비대칭 변수값에 따른 Z0 부분 촛점 영역의 경계의 변화의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 안테나 길이 방향 축 Z에 수직인 평면에 투사하여, 타원(점선) 형태 및 상기 타원에 외접하는 선을 그은 다각형의 형태인 단부를 갖는 주반사판을 나타낸 도면이다.
도 8은 상기 주반사판 개구면의 최대 횡단 크기를 관통하는 대칭 평면에 평행한 두개의 평면들에 의해 잘린 타원의 형태인 단부를 갖는 상기 주반사판을 나타낸 도면이다.
도 9는 단일 혼으로 구성된 피드를 나타낸 도면이다.
도 10은 상기 피드의 축들이 안테나 길이 축 방향 Z에 대해 경사진 두 개의 혼들로 구성된 피드를 나타낸 도면이다.
도 11은 인접한 벽들이 잘린 두 개의 혼들로 구성되는 단일의 어셈블리의 형태로 제작된 피드를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 안테나 실시 예들 중 하나에 있어서 주반사판 및 부반사판의 생성된 평면들의 전형적인 좌표들을 나타낸 도면이다.
도 13은 이중-빔 안테나의 실시 예를 위한 방위각 평면에서의 멀티 빔들의 방사패턴들을 나타낸 도면이다.
본 발명의 특징들 뿐만 아니라 그 잇점들을 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 설명한다.
이중-반사판 안테나(도 1~ 4)는 그 각각이 비축대칭 곡면들을 갖고, 길이 방향 축 Z가 위치하는 교차점에 대칭인 두 평면들을 갖는 주반사판(1) 및 부반사판(2)을 포함한다. 피드(3)는 평면파의 형성을 제공하기 위해, 상기 주반사판(1) 및 상기 부반사판(2) 사이에 배치되며, 상기 부반사판(1)을 먼저 그리고 이를 통해 상기 주반사판(2)을 조사할 수 있다. 상기 길이 방향 축 Z을 통과하는 모든 단부들에서 상기 주반사판(1) 및 상기 부반사판(2)의 비축대칭 곡면들의 공통 촛점은 상기 길이 방향 축 Z의 일부분 Z0 상에 위치한다(도 5). 상기 일부분 Z0의 길이는 Fmin≤Z0≤Fmax 범위에 의해 제한되며, Fmin 및 Fmax은 각각 상기 일부분 Z0의 단부들로부터 상기 길이 방향 축 Z를 따라 상기 주반사판(1) 까지의 최소 및 최대 거리들이다. 상기 일부분 Z0의 길이는 Fmin/Dmax≤Z0/Dmax≤Fmax/Dmax, 0.21≤Z0/Dmax≤0.47 연관성을 만족시키며, Fmax/Dmax 은 특히 주반사판의 비대칭 파라미터 1>Dmin/Dmax>0.5에 대응한다(도 6) (Dmax는 상기 주반사판(1) 개구면의 최대 횡단 크기, Dmin는 상기 주반사판(1) 개구면의 최소 횡단 크기. 도 5에서, dmin는 상기 부반사판(2) 개구면의 최소 횡단 크기, dmax는 그 최대의 횡단 크기)
상기 부반사판은 상기 길이방향 축을 중심으로 상기 주반사판을 향하여 날카롭지 않은 볼록한(convex) 형상이며, 상기 부반사판의 비축대칭 곡면의 모선은 다음과 같은 구좌표(Spherical coordinates) r(θ,φ)로 정의된다(도 1-도 4).
Figure 112013012535431-pat00003
여기서,
Figure 112013012535431-pat00004
는 m-차의 다항식이고, θ,φ는 구좌표에서의 각도들이다.
연관성 I=H/Dmax는 0.24<I<0.35 범위에서 실현되며, H는 상기 길이 방향 축 Z 방향의 안테나 최대 크기이며, Dmax는 상기 주반사판 개구면의 최대 횡단 크기이다(도 1).
상기 대칭인 두 평면에서 상기 주반사판(1) 및 상기 부반사판(2)의 비축대칭 곡면의 단면은 각각 파라볼라 곡선(parabolic curve)과 쌍곡선(hyperbolic curve)이다. 또한, 상기 대칭 평면들에서 상기 주반사판(1) 및 상기 부반사판(2)의 비축대칭 곡면들의 단부들은 상이한 촛점 반경들을 갖는 슈바르츠실트(Schwarzchild) 시스템의 구면수차가 없는 곡선들이다.
상기 주반사판(1)은 타원 형태이며, 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 수직인 평면에 투영되는 그 단부를 가질 수 있다(파선으로 도 7에 나타냄).
상기 주반사판(1)은 타원을 에워싸는 다각형 형태이며, 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 수직인 평면에 투영되는 그 단부를 가질 수 있다(실선으로 도 7에 나타냄).
상기 주반사판(1)은 상기 주반사판 개구면의 상기 최대 횡단 크기를 관통하는 대칭 평면에 평행한 두 개의 평면들에 의해 잘린 타원의 형태이며, 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 수직인 평면에 투영되는 그 단부를 가질 수 있다(도 8).
상기 피드(3)는 그 축이 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 평행한 단일의 혼으로 형성되고(도 1, 9), 상기 혼의 위상 중심은 상기 부반사판(2)의 촛점 f에 정렬될 수 있다(도 5).
상기 피드(3)는 그 축들이 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 대해 경사지고, 상기 부반사판 촛점을 통과하는 촛점 곡선에 위치하는 적어도 두 개의 혼들로 형성된다(도 10).
또한, 상기 피드(3)는 그 축들이 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 평행하고 인접 벽들이 절단되거나 또는 온전한 형태의, 적어도 두 개의 혼들로 구성되는 단일의 어셈블리로서 형성될 수 있다 (도 11).
상기 혼들(도 9, 10, 11)은 대칭적 또는 비대칭적 지향성 빔(symmetrical or asymmetrical directional beam)을 형성할 수 있다.
상기 이중-반사판 안테나(도 1-5)는 다음과 같이 작동한다.
혼 축이 안테나의 길이 방향(메인) 축 Z에 평행한 단일 혼으로서 형성된 피드(3)에 의해 조사될 때(도 1, 5, 9), 혼 위상 중심은 부반사판(2)의 촛점 f에 정렬되며(도 5), 부반사판(2)은 주반사판(1)에 상기 전파를 재반사시킨다. 그 때, 상기 반사판 표면의 가변 곡률로 인해, 혼의 축-대칭 방사는 주반사판(1)의 비축대칭 방사로 변환된다. 2차원 곡선들(예컨대, 포물선 및 쌍곡선)과 반대로, 공통 초점을 갖지 않는 주반사판(1) 및 부반사판(2)용 모선들의 선택으로 안테나 파라미터들을 더욱 최적화 할 수 있다. 단일-빔 작동 모드를 최적화할 때, 주반사판 상에 진폭 분포를 구현하고, 그 분포가 부반사판(2)에 의한 방사 차폐(Radiation blockage)를 최소화하는 모선들이 생성된다.
혼이 길이 방향 축 Z에 수직으로 부반사판(2)의 초점으로부터 벗어나는 경우, 빔이 축 방향으로부터 벗어난다. 만일 여러 혼들이 부반사판의 초점 표면 내에 배열되면, 여러 멀티 빔들이 형성된다. 멀티-빔 모드의 경우 반사판용 모선들의 형태는 주어진 빔 방향으로 최대 안테나 이득(Antenna Gain)을 갖도록 선택된다. 이러한 경우, 진폭 및 위상의 탈선(Phase aberrations) 정도, 부반사판에의한 차폐(Blockage)사이에서 절충선을 갖도록 최적화 모선들이 생성된다.
단일-빔 동작 모드 및 다중-빔 동작 모드의 경우에서 모두, 길이 방향 축 Z(도 5)을 관통하는 모든 단부들의 비축대칭 곡면들의 공통 초점을 길이 방향 축 Z의 일부분 Z0에 배치하여 길이 방향축 Z으로의 안테나 콤팩트화(low profile,박형)를 확보할 수 있게 한다.
Fmin/Dmax≤Z0/Dmax≤Fmax/Dmax, 0.21≤Z0/Dmax≤0.47 을 만족시키도록 상기 일부분 Z0의 길이가 선택되며, 주반사판 비대칭 파라미터인 1>Dmin/Dmax >0.5을 만족시키며, 연관성 I=H/Dmax는 0.24<I<0.35 범위에서 실현된다 (여기서, H는 길이 방향 축 Z에 대한 최대 안테나 크기이고, Dmax는 주반사판 개구면의 최대 횡단 크기, Dmin는 상기 주반사판(1) 개구면의 최소 횡단 크기, Fmin 및 Fmax은 각각 상기 일부분 Z0의 단부들로부터 상기 길이 방향 축 Z를 따라 상기 주반사판(1)까지의 최소 및 최대 거리들이다). 더 나아가 상기의 안테나의 목적중의 하나로 프라스틱 커버를 씌워 Z축 측면의 일정구간이 얇은 (Z축에 대한 전체적 두께 H와는 무관) 평판안테나로 설계하기 위해서, 즉 부반사판과 주반사판 사이의 거리가 10~20mm인 경우는 0.27≤Z0/Dmax≤0.35의 경우를 만족시킬 수 있다.
본 발명의 고유의 특징중 하나는 상기 일부분 Z0 상의 주반사판(1) 및 부반사판(2)의 공통 초점의 위치이다. 이러한 위치의 결과로서, 안테나 시스템의 출력에서의 평면파 형성을 확실하게하는 조건하에 이들의 비축대칭 곡면들이 변경되고, 그들은 유사한 해결들의 각 표면들과 상이하고 ,다른 여러 방법에 의해 최적화될 수 있다:
비축대칭 표면들을 에워싸기 위한 다항식 형태의 사용은 여러 멀티 빔들을 형성하기 위한 최적의 스캐닝 특성을 갖는 안테나용 표면들을 생성할 때 보다 많은 잇점이 있다. 다항식 계수들 및 그에 따른, 반사판 표면 파라미터들, 상응의 법칙, 주반사판, 부반사판 및 피드의 상호 배치가, 하나 또는 적어도 두 개의 메인 로브(Main Lobe)를 위한 최대 안테나 이득(Gain) 및 안테나 박형화(Low profile) 및 횡단(Transverse) 방향으로의 안테나 최소 크기의 요건들을 만족시키는 최적화를 위해 정의될 수 있다.
본 발명은 다음의 배경 및 고려 사항들을 기초한다.
공지된 다중-빔 및 스캐닝 안테나들은 축 대칭 또는 토로이덜(Toroidal)-회전 표면의 절단인 주반사판을 포함한다. 그리고, 만일 타원형 개구면 평면상의 반사판 단부의 도출부가 필요하다면, 각 특정 위치 내에 대칭에 근접한 지향성 빔(Directivity Beam, Directivity radiation pattern)을 갖는 피드의 혼은 주반사판(1)의 표면의 일부분을 조사한다. 본 발명은 횡단 방향들 중 한 방향으로 피드(3)의 빔(또는 빔들)을 변환(압축 또는 확대)시킬수 있는 비축대칭 표면들을 활용한다. Dmin/Dmax로 주반사판(1)의 개구면을 위한 비대칭 계수를 사전 설정함으로써, 피드(3: 대칭 또는 비대칭)용 혼(들)을 효율 손실없이 타원형 단부 및 특정의 방위각 멀티 빔 특성을 갖는 좁은 방사패턴으로 변환시킬 수 있는 이중-반사판 시스템용 비축대칭 표면들을 생성하는 것이 가능하다. 그러한 표면들은 생성된 비축대칭 표면들의 대칭인 두 평면들에서의 모선들을 이용하여, 구면수차없는(Aplanatic) 시스템뿐만 아니라 카세그레인(Cassegrain) 또는 그레고리안(Gregory)의 고전적 이중-반사판 설계를 기초로 실현할 수 있다.
Cassegrainian 시스템 및 Schwarzschild's 구면수차없는 시스템은 축-대칭 안테나들 중 축 방향으로 최대 박형화(Low profile)된다. 피드가 초점으로부터 벗어날 때, Schwarzschild's 시스템은 최상의 스캐닝 특성을 갖는다. 오프셋 설계에 따라 제작된 이중-반사판 시스템에서 봉쇄로 인한 손실이 최소이나, 상기 오프셋(Offset) 타입 안테나의 불리한 점은 큰 H/D 값이다( H는 길이 방향 축 Z에 대한 이중-반사판 안테나의 크기이고, D는 주반사판(1)의 직경). 따라서, 최적의 전기적 효율적 안테나 특성은, 하나 또는 여러 멀티 빔들을 형성하고, 피드(3)가 초점 f로부터 벗어날 때 빔 일탈을 최소화하며 두 개의 대칭 평면들 및 이들 평면들의 구면수차없는(Aplanatic) 특성을 갖는 이중=반사판 비축대칭 시스템에서 가장 잘 나타날 수 있다 (도 5).
청구된 기술적 해법은 여러 위성들로부터 동시에 신호를 수신하려는 이중-반사판 시스템에서, 반사판 표면들을 비축대칭되게 하고, 비대칭의 사전 설정 파라미터들을 갖는 주반사판(1)의 방위각 평면 내에서 축-대칭 피드들의 빔들을 좁은 빔폭(Beamwidth)들로 변환시킨다. 또한, 안테나 이득 및 멀티 빔들의 방향들의 사전 설정 값들을 위해, 대칭의 반사판 평면들 내의 모선들의 형성, 중간 평면들에서의 모선 곡선들 변경 법칙, 주반사판(1)에 대한 부반사판(2)의 위치등이, 중심 위치로부터 편향된 빔들에 대한 최대 안테나 개구면 효율 및 박형구조의 안테나를 구현하도록 설정된다.
청구된 이중-반사판 안테나의 주반사판(1)의 단부는 비평면이며, 길이 방향 축 Z에 수직인 평면에 돌출된 타원 형태를 갖는다(도 7). 이러한 단부는 타원 주위를 재단한 다각형의 형태로 형성된다(도 7의 실선). 주반사판(1)은 주반사판(1)의 개구면의 최대 횡단 크기를 관통하는 대칭의 평면에 평행한 두 개의 평면들에 의해 잘린 타원 형태로, 안테나 길이 방향 축 Z에 수직인 평면에 돌출된 단부를 가질 수 있다(도 8). 빔 스캐닝(Beam scanning)이 필요한 방향으로 부 반사판을 확장시키며 그 부반사판에 의한 차단(blockage)을 감소하기위해 상기의 경우가 사용될 수 있다.
도 1, 8-11은 피드(3)의 실시 예를 도시한 도면이다. 단일-빔 동작 모드에서, 혼 위상 중심이 부반사판(2)의 초점과 정렬되고, 길이 방향 축 Z에 위치하는 단일 축-대칭 혼(도 9)의 형태의 피드가 이용된다.
2개의 다중빔 동작 모드에서, 한 쌍의 혼들이 길이 방향 축 Z를 기준으로 대칭으로 배치되며, 두종류의 구현이 가능하다.
첫 번째 경우에 있어서(도 10), 혼 위상 중심들은 부반사판(2)의 초점을 관통하는 초점 곡선 상에 놓이며, 혼 축들은 축 Z에 대해 경사진다. 혼에 대한 위상 중심들의 좌표들 및 경사 각들을 최적화함으로써, 주어진 방위각도의 멀티 빔들의 안테나 이득을 최대화할 수 있다. 두 번째 경우에 있어서, 피드(3)는 그 축들이 안테나 길이 방향 축 Z에 평행이고 인접한 벽들이 절단된 또는 온전한 형태의 두 개 혼들의 단일 어셈블리로서 형성된다(도 11). 후자의 경우, 표준 2-채널 LNB (Multi Low-Noise Block)에서는 절단된 혼들의 축간 거리가 일정하다. 단일 블록을 형성하는 절단된 벽들을 갖는 혼들의 지향성 구조들은 축-대칭 혼들과 상이하다. 이러한 경우, 반사판 단부들의 형태는 반사판 표면들 상에 유도된 전류들의 레벨 라인들을 감안하여 최적화된다.
부반사판 표면의 형태는 다음의 방정식으로부터 도출될 수 있다.
Figure 112013012535431-pat00005
여기서, r(θ,φ), r(θ,φ=90°)은 대칭 평면들에서의 부반사판(2)의 모선들이며, θ,φ는 각 좌표(angular coordinates)들이다;
Pm(θ,φ)은 변수 θ의 짝수 차수를 포함하는 m 차수의 다항식이다.
Figure 112013012535431-pat00006
여기서, 계수 am은 변수 φ의 주기 함수들이다. 다항식의 계수 am 와, 피드(3) 및 주반사판(1)의 상응 2차 법칙 사이의 상호관계가 존재한다.
다항식 Pm(θ,φ)의 계수 am은 및 그에 따른, 반사판들의 곡선 비축대칭 표면들의 파라미터들, 상응 법칙, 피드(3)와 주반사판(1), 부반사판(2)의 상관 배치 들을 최적화함으로써 한 개 이상의 메인 빔에서의 최대의 안테나 이득 및 최소의 안테나 사이즈(특히 길이 축 Z에대해)라는 목적이 달성될 수 있다.
도 5는 대칭 평면들 XZ 및 YZ에서의 반사판 모선들을 나타낸 도면이다. 기하광학의 법칙에 따라, 죄표점 m1, m2에서 주반사판(1)의 모선들 및 좌표점 s1, s2에서 부반사판(2)(도 12)의 모선들을 가로지르는 각도 θ에서 시스템 축 상의 초점 f로부터 방사되는 빔들은 평면파를 형성한다. 반사판 표면들이 회전의 평면이 아니고, 단지 두 개의 대칭 평면들만을 소유하고 있으므로, 이들 평면들 x=x(θ) 및 y=y(θ) 내에서 빔들 사이의 상응의 법칙들은 상이하다(여기서, x, y는 빔들이 주반사판(1)을 가로지르는 좌표들이다). 따라서 원뿔형태의 빔은, 축대칭에서와 같은 원형 실린더 형태가 아닌, 타원에 가까운(quassi-elliptic) 실린더 형태로 변환된다. 피드(3)가 안테나 초점 평면 내의 초점 f로부터 벗아나면, 주반사판(1)의 방사 전면이 회전함이 공지되어 있다. 물리적 광학에 따라, 안테나는 소스로부터의 축-대칭 조사를 주반사판(1)의 비축대칭 빔으로 변환시킨다. 적어도 방위각 평면(XZ)에서 주반사판(1) 및 부반사판(2)은 무구면차수(Aplanatic)에 근접하는 곡선으로 형성될 수 있다. 부반사판(2)의 곡면은 우수한 스캐닝 특성들을 제공하는 매끄럽고 오목한 형상이 된다. 즉, 피드(3)의 여러 혼들이 안테나의 초점 평면 (또는 초점 곡선 상에) 내에 배열된다면, 여러 빔들이 각각 형성된다. 초점 f으로부터 벗어난 피드(3)의 혼들이 부분적으로 부반사판(2)에 조사할 때 진폭 일탈의 상승을 줄이기 위해, 피드(3)의 혼들에 대한 위상 중심의 위치 및 축 경사를 최적화하는 것이 가능하다(도 10).
그 축들이 안테나 길이 방향 축 Z에 평행한 혼들의 단일 어셈블리로서 이중 혼(도 11)이 사용된다면, 여분을 갖는(Elongated) 부반사판(2)을 형성하는 것 즉, 곡면의 여분들을 부가함으로써 스캐닝 평면(XZ)으로 확장시키는 것이 필요하다. 그것은 다음과 같이 실현할 수 있다. 먼저, 부반사판(2)은 보다 큰 각도 치수 θm>θ0 를 위해 생성되며, 이 때 부반사판 표면은 두 개의 평면들 Z=±ZP(도 8)에 의해 절개된다. θm 및 ZP은 최적 파라미터들이다. 주반사판(1)은 여분을 가지고 생성되는 비축대칭 표면의 부분으로서 형성된다. 반사판 단부의 형태에 대한 설계 요건들 및 절단의 결과로서 얻게되는 개구면의 형태는 예컨대, 절단된 타원의 형태, 다각형 형태로 상이할 수 있다 (또는, 안테나 이득(gain)은 부가적으로 증가될 수 있다).
반사판의 비대칭 곡면들을 구축할 때, 공지의 상응 법칙의 변형이 가능하다.
1) 반사판의 모선 "포물선-쌍곡선"의 쌍들을 특징짓는 법칙
Figure 112013012535431-pat00007
및
Figure 112013012535431-pat00008
에 대해(
Figure 112013012535431-pat00009
및
Figure 112013012535431-pat00010
- 상응 법칙
Figure 112013012535431-pat00011
의 상수들),
다항식
Figure 112013012535431-pat00012
의 특정 예는 아래와 같다.
Figure 112013012535431-pat00013
여기서 ε는 쌍곡선의 가변 이심률로서 아래 관계식을 통해 포물선 초점 F(또한 쌍곡선과 공통)의 변수와 관련된다.
Figure 112013012535431-pat00014
여기서, f는 주반사판(1)의 상부(도 5의 중심 좌표 0,0)로부터 부반사판(2)의 초점까지의 거리이며, d는 길이 축을 따라 메인 반산판 및 부반사판 사이의 거리이다.
공통 초점 F의 값들은 대칭 평면들과 상이하다. 주반사판(1) 및 부반사판(2) (x, y, z)의 비대칭 곡선 표면들의 데카르트(Cartesian) 좌표 X, Y, Z 들은 본 법칙이 실현될 때, 다음 형식을 갖는다:
Figure 112013012535431-pat00015
,
Figure 112013012535431-pat00016
,
Figure 112013012535431-pat00017
,
Figure 112013012535431-pat00018
,
Figure 112013012535431-pat00019
,
Figure 112013012535431-pat00020
2) Schwarzschild's 시스템의 무구면차 모선들의 쌍들을 특징짓는 상응 법칙
Figure 112013012535431-pat00021
및
Figure 112013012535431-pat00022
에 대해, 다항식
Figure 112013012535431-pat00023
의 특정예는 다음과 같다.
Figure 112013012535431-pat00024
여기서, f1는 대칭 평면들 내의 상응 법칙의 상수들 h1, h2 와 동일한 Abbe "sines"의 조건에 포함되는 가변 초점 반경이다.
또한, 반사판 표면들 중 하나 예컨대, 부반사판(2)의 표면은 위의 공식에 따라 사전 설정될 수 있으며, 주반사판(1)의 형태는 빔 추적 과정을 이용하여 평면파를 형성하도록 결정될 수 있으며, 그 역 또한 그렇다.
이중-빔 안테나의 형태에서 본 발명의 특정 구현의 예
멀티 빔들(중심부로부터 ±2.15°벗어난)의 사전 설정 편차에 대해, 피드(3)의 혼들은 안테나 길이 방향 축 Z에 대해 대칭적으로 방위각 평면 내에 배열되며, 혼 축들은 축 Z에 평행하다. 부반사판(2)의 표면은 다항식
Figure 112013012535431-pat00025
을 사용하여 생성된다. 주반사판(1)의 주어진 타원율 계수 및 길이 방향 축 Z에 따른 제한된 안테나 두께의 조건에서 멀티 빔들의 최대 안테나 개구면 효율을 얻기 위한 다중파라미터 최적화의 결과로 도출되는 다항식 계수들의 값들은 표 1에 표기되었다.
다항식 계수
Figure 112013012535431-pat00026
Figure 112013012535431-pat00027
Figure 112013012535431-pat00028
Figure 112013012535431-pat00029
Figure 112013012535431-pat00030
 1.0693 -0.2139 -0.0282
Figure 112013012535431-pat00031
 0.8193 -0.1618 -0.0133
반사판들과 피드의 상호 위치들은 다음의 파라미터에 의해 특징된다: 반사판들 사이의 거리 d=148, 주반사판의 상부로부터 시스템 축상의 부반사판(2)의 초점 f까지의 거리 f=42(여기서 그리고 아래에서 모든 파라미터들은 미리미터로 주어진다). 동등한 표면 영역을 갖는 축-대칭 반사판의 등가 치수가 550인, 주반사판(1)은 대략 3:4 비율로 두 개의 평면들에서 횡단 치수들을 갖는다. 축 방향으로의 안테나 소형화로 특징짓는 최대 길이 방향 치수 H 대 최대 직경 Dmax 사이의 비율, H/Dmax=0.27.
대칭 평면들 XZ 및 YZ 내의 반사판 모선들의 중요 좌표들(도 12) 및 혼 위상 중심들 p1 및 p2의 좌표들을 표 2에 나타내었다.
m1 m2 s1 d p1 p2
z 70.8 138.4 160.3 148 42.5 42.5
x 0 317.5 0 0 22.2 -22.2
y 236.4 0 74.2 0 0 0
절개된 타원의 형태인 주반사판 개구면을 갖는 안테나의 본 실시 예 도면을 도 8에 나타내었다.
±2.15° 간격의 두 개의 빔들에 대한 주반사판의 안테나 개구면 효율을 최대화하면서 최적화된 안테나 파라미터들을 설정한다. 부반사판(2) 상의 방사 회절(Radiation diffraction)을 고려한 물리적 광학(PO)의 방법에 의해 연산들이 수행된다. 피드(3)의 모델로서, -10 dB의 레벨에서 65° 빔폭(Beamwidth)을 갖는 두 개의 축대칭 스칼라(scalar) 혼들의 모델이 사용된다. 방위각 평면에서 ±2.15°의 멀티 빔들의 연산된 지향성 구조들을 도 13에 나타내었다. 연산들이 빔의 중심 위치에 대해 나타냄에 따라, 위의 파라미터들 및 타원 형태에서 개구면 단부를 갖는 안테나 개구면 효율는 주반사판 개구면의 동일한 표면 면적을 갖는 축대칭 Cassegrain 안테나의 안테나 개구면 효율 보다 4% 높다.
비대칭 반사판들을 갖는 안테나에서 여러 빔들(3개 이상)을 얻기 위해,
방위각 평면 내의 부반사판(2)의 치수들을 증가시키는 것이 바람직하다 그리고 부반사판의 봉쇄(Blockage) 영향을 감소시키기 위해, 주 반사판의 크기를 증가시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 길이방향 축(Z축)이 위치하는 교차점에서 서로 대칭인 두 평면을 갖는 주반사판 및 부반사판과,
    상기 주반사판 및 부반사판 사이에 위치하며, 상기 부반사판을 먼저 조사하고 이후 상기 주반사판을 조사하여 평면 파면(plane wave front)을 형성하는 적어도 하나의 피드를 포함하는 이중 반사판 안테나(double reflector antenna)로서,
    상기 주반사판 및 부반사판은 각각 비축대칭 곡면(nonaxisymmetric curvilinear surface)으로 형성되며,
    상기 길이방향 축을 통과하는 모든 단면에서 상기 주반사판 및 부반사판의 비축대칭 곡면의 공통 초점은 상기 길이방향 축 상에서 위치하며, 상기 부반사판은 상기 길이방향 축을 중심으로 상기 주반사판을 향하여 볼록한(convex) 형상이며, 상기 부반사판의 비축대칭 곡면의 모선(generatrix)은 아래의 구면좌표 r(θ,φ)로 정의될 수 있으며,
    Figure 112013012535431-pat00032

    (
    Figure 112013012535431-pat00033
    는 m차 다항식, θ,φ는 구면좌표에서의 각도)
    연관성 0.24 < I < 0.35 (I = H/Dmax, H - 상기 길이방향 축에 따른 안테나 최대 크기, Dmax -상기 주반사판의 개구의 최대 횡단크기) 을 만족하는 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공통 초점이 상기 길이방향 축 상에서 위치하는 부분을 Z0이라 하고, 상기 Z0의 단부로부터 상기 길이방향 축을 따라 상기 주반사판까지의 최소거리를 Fmin이라 하고, 상기 Z0의 단부로부터 상기 길이방향 축을 따라 상기 주반사판까지의 최대거리를 Fmax라 하고, 상기 주반사판의 개구(aperture)의 최대 횡단크기를 Dmax라 하고, 상기 주반사판의 개구의 최소 횡단크기를 Dmin이라 할 때, 아래의 관계식들:
    Fmin≤ Z0≤ Fmax
    Fmin/Dmax≤ Z0/Dmax≤ Fmax/Dmax
    0.21 ≤ Z0/Dmax≤ 0.47
    0.5 < Dmin/Dmax<1
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 대칭인 두 평면에서 상기 주반사판의 비축대칭 곡면의 단면은 파라볼라 곡선(parabolic curve)이며 상기 대칭인 두 평면에서 상기 부반사판의 비축대칭 곡면의 단면은 쌍곡선(hyperbolic curve)인 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 대칭인 두 평면에서 상기 주반사판 및 부반사판의 비축대칭 곡면의 단면은, 상이한 초점 반경을 갖는 슈바르츠실트(Schwarzchild) 시스템의 구면수차제거 곡선(aplanatic curve)인 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주반사판을 상기 길이방향 축에 수직인 평면에 투영했을 때의 엣지(edge)는, 타원 형태인 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주반사판을 상기 길이방향 축에 수직인 평면에 투영했을 때의 엣지는, 타원을 에워싸는 다각형 형태인 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주반사판을 상기 길이방향 축에 수직인 평면에 투영했을 때의 엣지는, 상기 주반사판의 최대 횡단 크기를 관통하는 대칭 평면에 평행한 두 개의 평면들에 의해 잘린 타원 형태인 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피드는 그 축들이 상기 길이방향 축에 대해 경사지고, 상기 부반사판의 초점을 통과하는 초점 곡선에 위치하는 적어도 두 개의 혼들로 제작되는 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피드는 그 축들이 상기 길이방향 축에 평행하고, 적어도 두 개의 혼들로 구성되는 단일의 어셈블리로 제작되는 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피드는 그 축이 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 평행한 혼으로 제작되고, 상기 혼은 대칭적 지향성 빔(symmetrical directional beam)을 형성하는 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 피드는 그 축이 상기 안테나 길이 방향 축 Z에 평행한 혼으로 제작되고, 상기 혼은 비대칭적 지향성 빔(asymmetrical directional beam)을 형성하는 것을 특징으로 하는 이중 반사판 안테나.
KR1020130014969A 2012-03-26 2013-02-12 콤팩트한 비축대칭 이중 반사판 안테나 KR101292230B1 (ko)

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