KR102269233B1 - 위성 통신 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈 - Google Patents

위성 통신 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광대역의 전파 송수신이 가능한 위성 통신 안테나에 적용되는 초 광대역 듀얼 원편파 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안테나의 후면에 원편파를 구현하기 위한 직교모드변환기 및 편파기가 장착되며, 상기 편파기가 회전 가능하도록 설계됨으로써 필요에 따라 편파를 선택할 수 있도록 한 초 광대역 듀얼 원편파 모듈에 관한 것이다.

Description

위성 통신 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈{Ultra wideband dual circular polarization module for satellite communication antenna}
본 발명은 광대역의 전파 송수신이 가능한 위성 통신 안테나에 적용되는 초 광대역 듀얼 원편파 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안테나의 후면에 원편파를 구현하기 위한 직교모드변환기 및 편파기가 장착되며, 상기 편파기가 회전 가능하도록 설계됨으로써 필요에 따라 편파를 선택할 수 있도록 한 초 광대역 듀얼 원편파 모듈에 관한 것이다.
최근 위성 통신 시스템에서는 더욱 작은 크기의 안테나를 사용하면서 높은 데이터 전송률(High Data Rate)과 높은 전송 속도를 요구하고 있다. 이에 따라, 안테나의 성능 향상과 더불어 안테나의 크기를 소형화할 수 있는 기술에 대한 개발이 증대되고 있다.
일반적으로 안테나란 무선전파를 자유공간으로 방사하거나 수신하기 위한 것으로, 다양한 분류기준이 있으나 통상적으로 선형 안테나, 개구면 안테나, 마이크로 스트립 안테나, 평판형 혼 어레이 안테나, 반사기 안테나, 렌즈 안테나 등으로 구분할 수 있다.
그 중 반사기 형태의 안테나는 기지국과 같은 큰 크기의 고정형 안테나 또는 비교적 크기의 제한이 적은 해양용 안테나에 주로 적용되어 사용되고 있는데, 이는 주파수 대역폭의 제한이 적으며 구현이 비교적 간단하다는 장점이 있는 반면, 소형으로 구현하게될 경우 안테나 효율이 급격히 떨어진다는 단점이 있다.
또한, 마이크로 스트립 안테나는 반사기 형태의 안테나보다 작은 크기로 구현할 수 있으나 높은 주파수로 올라갈수록 선로 손실에 의하여 안테나 효율이 떨어진다는 단점이 있다.
이와 관련하여 안테나의 성능을 향상시키고 안테나의 크기를 축소시킬 수 있는 기술이 국내공개특허 제 2008-0053156호("듀얼선형편파 혼어레이 안테나", 공개일 : 2008.06.12)에 개시된 바 있다.
그러나, 상기 기술은 선형편파 특성을 갖는 안테나이다. 따라서 높은 데이터 전송률 전송률 확보를 위한 Ka-Band의 고주파수 대역(수신: 20GHz 대역, 송신: 30GHz 대역)에서 원편파로 동작할 수 없으며 서로 다른 송수신 대역의 신호의 송수신을 하나의 안테나에서 구현할 수 없다는 한계가 있다.
국내공개특허 제 2008-0053156호("듀얼선형편파 혼어레이 안테나", 공개일 : 2008.06.12)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 우수한 안테나 성능을 확보할 수 있으며, 하나의 안테나에서 서로 다른 주파수 대역의 신호를 송신 및 수신할 수 있도록 초 광대역 특성을 만족하는 초 광대역 듀얼 원편파 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈은 일측이 안테나의 후면에 형성된 제 1신호입출력포트 및 제 2신호입출력포트와 각각 연결되는 제 1도파관로, 및 제 2도파관로; 상기 제 1도파관로 및 제 2도파관로의 타측 단부와 연결되는 직교모드변환기; 일측이 상기 직교모드변환기와 연결되는 편파기; 상기 편파기의 타측에 장착되어 주파수 대역이 다른 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 다이플렉서; 및 상기 편파기를 회전시키는 회전부; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 편파기는 타측이 두 갈래로 분기되며, 분기된 각각의 단부에 제 1원편파포트, 및 제 2원편파포트가 구비될 수 있다.
또, 상기 다이플렉서는 상기 제 1원편파포트 및 상기 제 2원편파포트와 각각 연결되도록 2개가 구비되고, 각 다이플렉서는 송신포트 및 수신포트로 분기되며, 한 쌍의 송신포트 및 수신포트의 단부에는 반사파 차단 부재가 구비되고, 나머지 한 쌍의 송신포트 및 수신포트로 신호를 송신 및 수신할 수 있다.
또, 상기 편파기는 내부 도파관로 중심에 축방향을 따라 구비되며, 편파기의 일측에서 타측으로 갈수록 높이가 높아지는 계단(step) 형상의 격벽(septum)을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 편파기는 원통형으로 형성되되, 내부에 모서리가 라운딩 처리된 정사각형의 내부 도파관로가 중공된 형태이며, 외주에 톱니부가 형성되어 축방향을 기준으로 회전 가능하도록 이루어질 수 있다.
마지막으로, 상기 회전부는 모터, 및 상기 모터의 회전 구동력을 상기 편파기에 전달하기 위한 동력전달수단을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 초 광대역 듀얼 원편파 모듈은 초 광대역의 신호 송수신이 가능하도록 설계된 안테나에 적용되는 모듈로서, 안테나의 후면에 직교모드변환기 및 편파기가 장착됨에 따라 원편파를 구현할 수 있으며, 회전부에 의해 편파기가 회전될 수 있도록 설계됨으로써 필요에 따라 우회전 원편파 또는 좌회전 원편파를 선택할 수 있는 장점이 있다.
또한, 편파기의 타측에 2개의 다이플렉서를 장착하고 송신포트 및 수신포트에 터미네이션(Termination)을 구비함으로써, 반사파를 흡수하여 신호의 품질을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 2는 안테나와 결합된 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈의 사시도.
도 3은 안테나와 결합된 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈의 정면도.
도 4 및 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈의 사시도(회전부 제외).
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈의 정면도(회전부 제외).
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 편파기의 사시도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 편파기의 단면 사시도.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 2는 안테나와 결합된 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈의 사시도이며, 도 3은 안테나와 결합된 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈의 정면도이고, 도 4 및 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈의 사시도(회전부 제외), 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈의 정면도(회전부 제외)를 나타낸다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 원편파 모듈(1000)은, 초 광대역의 신호 송수신이 가능하도록 설계된 안테나(10)에 적용되는 모듈로서, 제 1도파관로(110), 제 2도파관로(120), 직교모드변환기(200), 편파기(300), 다이플렉서(400) 및 회전부(500)를 포함하여 이루어진다.
참고로, 도면에 도시된 안테나(10)는 안테나 성능이 우수하고 소형으로 설계가 가능한 평판형 혼 어레이 안테나(10)로, 상기 안테나는 널리 공지된 바와 같이 일면에 전파가 입사 또는 출사되는 개구부가 형성되는 다수개의 혼, 및 상기 각각의 혼과 연결된 도파관로가 다수 배열된 형태이다. 상기 혼은 수신하는 신호의 주파수 대역에 따라 서로 다른 직경으로 형성되는데, 일반적으로 수신하는 신호의 주파수 대역이 클수록 직경이 작게 형성된다. 본 발명의 경우 위성 통신에 이용되는 ka-band(18GHz로부터 30GHz까지 주파수)에서 동작하는 안테나에 적용되는 모듈로서, 도면에 도시된 안테나 종류 외에도 초 광대역의 신호 송수신이 가능하도록 설계된 모든 안테나에 적용될 수 있음은 물론이다.
상기 안테나(10)의 후면에는 도시된 바와 같이, 각 도파관로와 연결된 제 1신호입출력포트(10a) 및 제 2신호입출력포트(10b)가 형성되어 있으며, 이 중 어느 하나의 포트는 수평편파, 나머지 포트는 수직편파가 입출력된다.
본 발명의 일실시예에 따른 듀얼 원편파 모듈(1000)에서 제 1도파관로(110)의 일측은 제 1신호입출력포트(10a)와 연결되고, 제 2도파관로(120)의 일측은 제 2신호입출력포트(10b)와 연결된다. 또한, 직교모드변환기(OMT; OrthoMode Transducer)(200)는 상기 제 1도파관로(110) 및 제 2도파관로(120) 각각의 타측 단부와 연결된다. 아울러, 편파기(300)의 일측이 상기 직교모드변환기(200)와 연결되고, 타측에는 다이플렉서(400)가 장착된다. 마지막으로, 회전부(500)는 상기 편파기(300)의 축 방향을 회전축으로 하여 회전시키기 위한 구성이다.
이하, 안테나(10)와 결합된 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈(1000)의 신호 수신 과정을 구체적으로 설명한다.
안테나(10)로 전파가 입사되면 각 어레이 별로 입사된 전파의 수평편파(Horizontal Polarization)가 모두 합쳐져 제 1신호입출력포트(10a)로 전송되고 전파의 수직편파(Vertical Polarization)는 모두 제2신호입출력포트(10b)로 전송되어, 제 1도파관로(110) 및 제 2도파관로(120)로 유입되게 된다. 즉, 제 1도파관로(110)로는 수평편파가, 제 2도파관로(120)는 수직편파가 전송되며, 직교모드변환기(200)를 통과하면서 서로 직교하는 두 편파가 하나의 선형편파(Linear Polarization)로 합성된다. 이때, 직교모드변환기(200)로 유입되는 시점의 수평편파 및 수직편파의 위상이 동일하도록 제 1도파관로(110) 및 제 2도파관로(120)의 길이가 설계되어야 한다.
직교모드변환기(200)를 통과한 선형편파는 편파기(300)를 통과함으로써 원편파로 변환된다. 편파기(300)는 입사되는 신호에 편파를 부여하는 장치로, 선형편파 중 수직 성분 또는 수평 성분에 90˚ 편파를 부여함으로써, 우회전 원편파(Right Hand Circular Polarization) 또는 좌회전 원편파(Left Hand Circular Polarization)를 발생시킨다.
참고적으로, 원편파는 전파 방향에 직각인 면에서 전계의 크기와 방향을 나타내는 벡터 끝의 궤적이 원을 그리는 전파로써, 일반적으로 진폭이 같고 편파 면이 서로 직교하며 위상이 90˚ 다른 두 직선 편파 성분으로 나눌 수 있으며, 원편파에서 전파 방향에 직각인 면의 전계 벡터가 전파 방향을 향하여 시계 방향으로 회전하는 것을 우회전 원편파, 반시계 방향으로 회전하는 것을 좌회전 원편파라 한다.
도 7에 본 발명의 일실시예에 따른 편파기의 사시도를 나타내었으며, 도 7(a)는 일측에서 바라본 사시도이며, 도 7(b)는 타측에서 바라본 사시도이다. 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이 편파기(300)는 일측이 직교모드변환기(200)와 연통되며 타측이 두 갈래(310a, 310b)로 분기되어 분기된 하나의 단부에 제 1원편파포트(300a), 나머지 단부에 제 2원편파포트(300b)가 구비된다. 따라서, 편파기(300)에서 발생된 우회전 원편파는 제 1원편파포트(300a) 또는 제 2원편파포트(300b) 중 하나로 전송되며, 좌회전 원편파는 나머지 포트로 전송된다.
이때, 어느 포트로 우회전 원편파 또는 좌회전 원편파가 전송되는지는 편파기(300)의 구조에 의해 결정된다.
도시된 것처럼, 본 발명의 일실시예에 따른 편파기(300)의 내부에는 신호가 통과하는 도파관로(310)가 중공되어 있으며, 내부 도파관로(310)에는 격벽(septum)(320)이 형성된다. 상기 격벽(320)은 내부 도파관로(310) 중심에 축방향을 따라 구비되며, 편파기(300)의 일측에서 타측으로 갈수록 높이가 높아지는 계단(step) 형상으로 형성된다.
따라서, 편파기(300)의 타측 도파관로(310)는 격벽(320)에 의해 완전히 나누어져 2개의 분기로(310a, 310b)가 형성되어, 각각 제 1원편파포트(300a) 및 제 2원편파포트(300b)와 연통되게 된다.
또한, 편파기(300)는 원통형으로 형성되되, 내부의 도파관로(310)는 축방향을 기준으로 자른 단면이 정사각형이며 가공 방법에 따라 모서리가 라운딩 처리될 수 있는 구조이다.
이때, 편파기(300)는 전술한 바와 같이 회전부(500)에 의해 원통형 편파기(300)의 축방향을 회전축으로 하여 회전되도록 구성되며, 이를 위해 외주에 톱니부(330)가 형성될 수 있다.
구체적으로, 회전부(500)는 도 1 및 3에 도시된 바와 같이 모터(510), 및 모터(510)의 회전 구동력을 편파기(300)에 전달하기 위한 동력전달수단(520)을 포함하여 구성될 수 있다.
일예로, 도시된 바와 같이 동력전달수단(520)이 체인일 수 있으며, 모터(510)가 편파기(300)의 상측에 고정되고 체인이 모터(510)의 일측과 톱니부(330)를 감싸도록 트랙 형태로 설치되고 이에 따라 모터(510)의 회전구동력을 전달받아 편파기(300)가 회전될 수 있다.
또한, 도면상에 도시되지는 않았으나, 동력전달수단은 톱니바퀴일 수 있으며 톱니바퀴의 외주에 편파기(300)의 톱니부(330)에 대응되는 형태로 톱니가 형성되어 편파기(300)의 상측에 설치되면 톱니바퀴와 편파기(300)의 톱니부(330)가 직접 맞물려 회전될 수 있다. 이때, 톱니바퀴와 나란하게 모터(510)가 고정되고 모터(510)의 중심과 톱니바퀴의 중심이 샤프트로 고정됨으로써, 모터(510)의 회전구동력에 의해 샤프트와 톱니바퀴가 회전하여 편파기(300)를 회전시킬 수도 있을 것이다.
또는, 모터(510)에 의한 자동 회전이 아닌 수동으로 편파기(300)를 회전시키도록 구성할 수 있는 등, 회전부(500)는 편파기(300)를 축방향으로 회전시킬 수 있는 것이면 다양한 수단이 채용될 수 있을 것이다.
이와 같이, 회전부(500)에 의해 편파기(300)는 180˚ 회전될 수 있으며, 이에 따라 도 8에 도시된 것처럼, 편파기 내 격벽(320)이 180˚ 회전하게 되어 편파기(300)에서 발생된 우회전 원편파 및 좌회전 원편파를 선택적으로 제 1원편파포트(300a) 또는 제 2원편파포트(300b)로 전송될 수 있도록 한다. 국가별로 송수신되는 원편파의 편파 방향이 다르기 때문에 상술한 바와 같이 회전부(500)에 의해 편파를 선택할 수 있도록 함으로써, 한 개의 제품으로 여러 국가에서 안테나가 동작 가능해지는 장점이 있다.
한편, 다이플렉서(400)는 전술한 바와 같이 편파기(300)의 타측에 장착되는 것으로, 상기 편파기(300)의 타측이 두 갈래로 분기됨에 따라 각각 분기된 단부에 장착되도록 제 1다이플렉서(410) 및 제 2다이플렉서(420) 2개가 구비된다. 즉, 제 1다이플렉서(410)의 일측은 제 1원편파포트(300a)와 연통되고, 제 2다이플렉서(420)의 일측은 제 2원편파포트(300b)와 연통된다.
이때, 다이플렉서(400)는 하나의 안테나(10)에서 송수신을 함에 있어서, 서로 주파수 대역이 다른 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 역할을 하는 것으로, 제 1다이플렉서(410) 및 제 2다이플렉서(420)는 각각 송신포트(410a, 420a) 및 수신포트(410b, 420b)로 분기된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 한 쌍의 송신포트(410b) 및 수신포트(420a)의 단부에는 반사파 차단 부재(600)가 구비되고, 나머지 한 쌍의 송신포트(410a) 및 수신포트(420b)로 신호를 송신 및 수신할 수 있다. 이때, 반사파 차단 부재(600)가 구비되지 않은 수신포트(420a)의 단부에는 LNB(Low Noise Block down converter)가 장착된다.
안테나(10)가 신호를 수신하여 최종적으로 편파기(300)를 통과하여 LNB로 전송될 때 내부적으로 반사파가 발생하게 되어 깨끗한 신호가 수신되지 못하는 문제가 있다. 상기 문제를 해결하기 위해 실제 신호가 송수신되는 포트(410a, 420b)와 Z자로 상관되는 위치의 송신포트(410b) 및 수신포트(420a)에 각각 전파 흡수 부재(600)를 장착한 것으로, 내부에서 발생되는 반사파는 전파 흡수 부재(600)에 의해 흡수되어 신호의 품질을 높일 수 있게 된다.
한편, 상기한 예는 안테나로부터 신호가 수신되는 과정을 설명한 것이며, 신호가 송신되는 과정은 반대로 수행된다.
간단히 설명하자면, 송신포트(410a)를 통해 송신하고자 하는 신호를 보내면 반사파가 제거된 신호가 편파기(300)를 통과하면서 선형편파로 변환되며, 직교모드변환기(200)에 의해 수평편파, 수직편파로 분리되어 제 1신호입출력포트(10a) 및 제 2신호입출력포트(10b)를 거쳐 안테나(10) 전면으로 방사된다.
최종적으로 정리하자면, 본 발명의 일실시예에 따른 초 광대역 듀얼 원편파 모듈(1000)은 초 광대역의 ka-band 안테나에 적용되는 모듈로, 직교모드변환기(200) 및 회전부(500)에 의해 회전 가능한 편파기(300)가 구비됨으로써 생성된 우회전 원편파 또는 좌회전 원편파를 필요에 따라 선택적으로 제 1다이플렉서(410) 또는 제 2다이플렉서(420)로 전송할 수 있으며, 두 개의 다이플렉서(410, 420)의 송신포트 및 수신포트에 전파 흡수 부재(터미네이션)가 장착됨으로써, 내부에서 발생되는 반사파는 전파 흡수 부재에 의해 흡수되어 전송 신호의 품질을 높일 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 혼 어레이 안테나
10a : 제 1신호입출력포트 10b : 제 2신호입출력포트
1000 : 초 광대역 듀얼 원편파 모듈
110 : 제 1도파관로 120 : 제 2도파관로
200 : 직교모드변환기
300 : 편파기
300a : 제 1원편파포트 300b : 제 2원편파포트
310 : 내부 도파관로
310a : 제 1분기로 310b : 제 2분기로
320 : 격벽 330 : 톱니부
400 : 다이플렉서
410 : 제 1다이플렉서
410a : 제 1다이플렉서 송신포트 410b : 제 1다이플렉서 수신포트
420 : 제 2다이플렉서
420a : 제 2다이플렉서 송신포트 420b : 제 2다이플렉서 수신포트
500 : 회전부
510 : 모터 520 : 동력전달수단
600 : 전파 흡수 부재

Claims (6)

  1. 일측이 안테나의 후면에 형성된 제 1신호입출력포트 및 제 2신호입출력포트와 각각 연결되는 제 1도파관로, 및 제 2도파관로;
    상기 제 1도파관로 및 제 2도파관로의 타측 단부와 연결되는 직교모드변환기;
    일측이 상기 직교모드변환기와 연결되는 편파기;
    상기 편파기의 타측에 장착되어 주파수 대역이 다른 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 다이플렉서; 및
    상기 편파기를 회전시키는 회전부;
    를 포함하고,
    상기 편파기는,
    원통형으로 형성되되, 내부에 정사각형의 내부 도파관로가 중공된 형태이며, 외주에 톱니부가 형성되어 축방향을 기준으로 회전 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 편파기는,
    타측이 두 갈래로 분기되며, 분기된 각각의 단부에 제 1원편파포트, 및 제 2원편파포트가 구비되는 것을 특징으로 하는 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 다이플렉서는,
    상기 제 1원편파포트 및 상기 제 2원편파포트와 각각 연결되도록 2개가 구비되고, 각 다이플렉서는 송신포트 및 수신포트로 분기되며,
    한 쌍의 송신포트 및 수신포트의 단부에는 전파 흡수 부재가 구비되고, 나머지 한 쌍의 송신포트 및 수신포트로 신호를 송신 및 수신하는 것을 특징으로 하는 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 편파기는,
    내부 도파관로 중심에 축방향을 따라 구비되며, 편파기의 일측에서 타측으로 갈수록 높이가 높아지는 계단(step) 형상의 격벽(septum polarizer),
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 회전부는,
    모터, 및
    상기 모터의 회전 구동력을 상기 편파기에 전달하기 위한 동력전달수단,
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나용 초 광대역 듀얼 원편파 모듈.
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