KR102332118B1 - 안테나 - Google Patents

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Abstract

안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 주 반사기, 부 반사기; 및 빔을 방사하는 서브 방사기들;를 포함하며, 상기 부 반사기의 반사면은 하나의 꼭지점을 포함하며 주반사판 방향으로 볼록한 제1 곡선을 상기 꼭지점과 이격된 회전 축을 중심으로 회전시킨 자취의 형상을 가진다.

Description

안테나{ANTENNA}
본 발명은 안테나에 관한 것으로, 서로 다른 궤도각운동량을 가지는 빔들 사이의 전송손실의 차이를 줄일 수 있는 안테나에 관한 것이다.
모바일 통신 기기의 보급이 확산되면서, 모바일 기기의 인터넷 접속횟수가 PC의 인터넷 접속횟수를 능가하였고, 현재 전체 인터넷 접속횟수의 대부분이 모바일 기기에서 발생하고 있다. 무선 통신 환경이 활성화 됨에 따라 스마트폰의 트래픽 발생량은 꾸준히 증가하고 있다. 이에 따라 통신 용량을 증대시킬 수 있는 다양한 기술들이 개발되고 있다.
통신 용량 증대를 위한 다중화 방식으로써 시분할다중화(time division multiplexing), 주파수 분할다중화(frequency division multiplexing), 및 코드분할다중화 방식(code division multiplexing)이 사용되고 있다. 최근, 더 많은 통신 용량 증대를 위해 궤도각운동량을(Orbital Angular Momentum; OAM) 이용한 회전 모드 다중화 방식에 대한 연구가 이루어지고 있다. 궤도각운동량은 회전 모드 빔(이하 빔)의 파면 모양에 따라 결정되는 빔의 물리적 특성이다. 전송단은 서로 다른 궤도각운동량을 가지는 빔들을 통해 서로 다른 데이터를 전송함으로써, 데이터 전송량을 증가시킬 수 있다. 또한, 수신단은 특정 궤도각운동량을 가지는 빔을 선택적으로 검출함으로써, 데이터를 복원할 수 있다.
기존 안테나의 경우, 빔의 궤도각운동량에 따라 빔의 발산각이 달라서 수신단 입장에서 0 차 모드와 1차, 2차 등 고차 모드 빔의 수신 세기가 달라질 수 있다. 궤도각운동량에 따른 빔의 수신 세기 차이가 일정 수준을 초과하면 수신단에서 특정 궤도각운동량 성분을 선택적으로 검출하는 것이 어려운 문제가 있다. 또한, 수신단에서 신호 세기가 작은 궤도각운동량 성분을 검출하더라도, 신호 대 잡음비(signal to interference and noise ratio; SINR)가 낮아 데이터 복원이 어려운 문제가 있다.
본 발명에서는 빔의 궤도각운동량에 따른 빔들의 안테나 이득을 조절함으로써, 서로 다른 궤도각운동량을 가지는 빔들 사이의 전송 손실 차이를 줄일 수 있는 안테나 및 안테나를 이용한 신호 전송 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 카세그레인식 안테나는, 주 반사기; 부 반사기; 및 빔을 방사하는 방사기;를 포함하며,
상기 부 반사기의 반사면은 하나의 꼭지점을 포함하는 제1 곡선을 상기 꼭지점과 이격된 회전 축을 중심으로 회전시킨 자취의 형상을 가진다.
상기 부 반사기의 반사면은 상기 제1 곡선의 일단과 만나는 회전축을 중심으로 회전시킨 자취의 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 곡선은 상기 주 반사기를 향하는 방향으로 볼록할 수 있다.
상기 부 반사기의 반사면은 원 모양의 자취를 형성하는 꼭지점들을 포함할 수 있다.
상기 원 모양의 자취를 형성하는 꼭지점들은 상기 주 반사기를 향하는 방향으로 형성될 수 있다.
상기 부 반사기의 반사면은 상기 주 반사기를 향하는 방향의 반대 방향으로 형성된 꼭지점을 더 포함하는 곡면 형상을 가질 수 있다.
상기 부 반사기의 반사면은 쌍곡선의 적어도 일부를 회전시킨 자취의 형상을 가질 수 있다.
상기 부 반사기의 반사면의 초점 들은 원의 자취를 형성할 수 있다.
상기 주 반사기의 반사면은 상기 부 반사기와 마주보는 방향의 반대 방향으로 볼록한 곡면 형상을 가질 수 있다.
상기 주 반사기의 반사면은 하나의 꼭지점을 포함하는 제2 곡선을 상기 제2 곡선의 꼭지점과 이격된 회전 축을 중심으로 회전시킨 자취의 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 곡선은 상기 부 반사기를 향하는 방향의 반대 방향으로 볼록할 수 있다.
상기 주 반사기의 반사면은 원모양의 자취를 형성하는 꼭지점들을 포함하는 곡면 형상을 가질 수 있다.
상기 방사기는 복수의 서브 방사기들을 포함하며, 상기 방사기에서 방사되는 빔의 궤도각운동량은 상기 서브 방사기들에서 방사되는 빔들의 위상 차이에 의해 결정될 수 있다.
상기 방사기에서 방사되는 빔은 상기 부 반사기에서 반사된 후, 상기 주 반사기에서 반사되며,
상기 방사기에서 방사되는 빔의 궤도각운동량에 따라 상기 주 반사판에서 반사되는 빔의 안테나 이득이 달라질 수 있다.
상기 빔의 궤도각운동량 모드가 0차 모드인 경우 상기 빔의 안테나 이득이 상기 빔의 궤도각운동량 모드가 1차 모드인 경우 상기 빔의 안테나 이득보다 작을 수 있다.
본 발명에 의하면, 0차 모드 빔과 고차 모드 빔의 전송 손실 또는 전송 이득의 차이를 줄임으로써, 수신단 입장에서 특정 궤도각운동량을 가지는 빔을 선택적으로 검출하는 것이 용이해질 수 있다. 또한, 고차 모드의 전송 손실을 줄임으로써, 고차 모드 빔의 신호대 잡음비를 높일 수 있다.
도 1은 빔의 궤도각운동량 모드 별로, 빔의 파면을 나타낸 개념도이다.
도 2는 서로 다른 궤도각운동량을 가지는 빔들의 전파 형태를 나타낸 개념도이다.
도 3은 빔들의 횡단면에서 빔들의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 4는 종래 카세그레인식 안테나를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4에서 나타낸 안테나가 0차 모드 빔을 방사하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 6은 도 4에서 나타낸 안테나가 1차 모드 빔을 방사하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 7은 안테나가 방사하는 빔의 궤도각운동량 모드 별로, 전송 손실을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나의 사시도이다.
도 9는 도 8에서 나타낸 부 반사기의 반사면 형상을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 쌍곡선의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 8에서 나타낸 부 반사기의 절단면을 나타낸 사시도이다.
도 12는 도 8에서 나타낸 안테나의 단면도이다.
도 13은 방사기가 0차 모드 빔을 방사할 때, 빔의 진행방향을 나타낸 개념도이다
도 14는 방사기가 1차 모드 빔을 방사할 때, 빔의 진행방향을 나타낸 개념도이다.
도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나의 단면 및 고차 모드 빔의 전송 방향을 나타낸 개념도이다.
도 16은 도 4에서 나타낸 종래 안테나를 이용하여 0차 모드 빔을 전송할 때, 안테나 이득을 나타낸 개념도이다.
도 17은 도 4에서 나타낸 종래 안테나를 이용하여 1차 모드 빔을 전송할 때, 안테나 이득을 나타낸 도면이다.
도 18은 도 8 내지 도 15를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 이용하여 0차 모드 빔을 전송할 때, 안테나 이득을 나타낸 도면이다.
도 19는 도 8 내지 도 15를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 이용하여 1차 모드 빔을 전송할 때, 안테나 이득을 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 안테나와 기존 안테나 각각에서 방사되는 빔들의 전기장 세기를 측정하여 비교한 것을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 빔의 궤도각운동량 모드 별로, 빔의 파면을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 빔의 궤도각운동량이 달라지게 되면 빔의 파면이 바뀔 수 있다. 예를 들어, 빔의 궤도각운동량이 0인 0차 모드의 경우, 빔의 파면이 빔의 진행방향에 수직한 평면일 수 있다. 즉, 빔의 횡단면(Cross section)에서 빔의 위상이 동일할 수 있다. 반면, 빔의 궤도각운동량이 0이 아닌 경우, 빔의 파면은 빔의 진행방향에 대해 회전하는 나선모양일 수 있다. 빔의 궤도 각운동량을 나타내는 정수 값 m에 따라 빔의 파면 모양이 달라질 수 있다. 또한, m에 따라 나선모양의 회전 방향이 다를 수 있다. 빔의 궤도각운동량 모드가 0이 아닌 경우, 빔의 횡단면에서 위치에 따라 빔의 위상이 달라질 수 있다.
통신 네트워크에서 송신단은 빔의 궤도각운동량을 다르게 함으로써, 궤도각운동량에 기초한 다중화 방식으로 신호를 전송할 수 있다. 수신단은 수신한 빔들을 궤도각운동량 성분 별로 검출함으로써, 데이터를 복원할 수 있다. 궤독각운동량에 기초한 다중화 방식에 의해 통신 용량이 증대될 수 있다.
도 2는 서로 다른 궤도각운동량을 가지는 빔들의 전파 형태를 나타낸 개념도이다. 도 2에서는 빔의 세기가 상대적으로 큰 영역을 도시한 것으로 실제 빔의 전자기파는 도 2에서 표시하지 않은 영역에도 존재할 수 있다.
도 2를 참조하면, 궤도각운동량 모드가 0인 빔(m0)은 빔(m0)의 횡단면 중심에서 빔(m0)의 세기가 가장 강할 수 있다. 따라서, 0차 모드의 빔(m0)는 다른 고차 모드의 빔에 비해 발산각이 작을 수 있다. 반면, 궤도각운동량 모드가 1인 빔(m1)은, 빔(m1)의 횡단면 중심에서는 빔(m1)의 세기가 상대적으로 작고, 고리모양으로 생긴 영역에서 빔(m1)의 세기가 클 수 있다. 빔(m1)의 세기가 큰 고리모양 영역의 반지름은 빔(m1)의 진행 거리(d)가 증가함에 따라 함께 증가할 수 있다. 즉, 1차 모드 빔(m1)의 발산각(θ1)은 0차 모드 빔(m0)의 발산각 보다 클 수 있다. 궤도각운동량 모드가 2인 빔(m2)은, 빔(m2)의 횡단면 중심에서는 빔(m2)의 세기가 상대적으로 작고, 고리모양으로 생긴 영역에서 빔(m2)의 세기가 클 수 있다. 빔(m2)의 고리모양의 반지름은 빔(m1)의 고리모양의 반지름보다 클 수 있다. 따라서, 2차 모드 빔(m2)의 발산각(θ2)은 1차 모드 빔(m1)의 발산각 보다 클 수 있다.
0차 모드 빔(m0)은 발산각이 상대적으로 작기 때문에, 빔(m0)의 진행 거리(d)가 증가하더라도, 수신단 입장에서 빔(m0)의 수신 세기가 감소하는 정도가 작을 수 있다. 반면, 고차 모드 빔들(m1, m2)은 발산각이 0차 모드 빔(m0)에 비해 상대적으로 크기 때문에, 빔들(m1, m2)의 진행 거리(d)가 증가하면 수신단 입장에서 빔들(m1, m2)의 수신세기가 감소하는 정도가 클 수 있다. 빔의 발산각은 빔의 궤도각운동량 크기의 제곱근에 비례하여 커질 수 있다. 예를 들어, 빔(m2)의 발산각(θ2)은 빔(L1)의 발산각(θ1)에 비해
Figure 112017045688430-pat00001
배만큼 더 클 수 있다.
도 3은 빔들(m0, m1, m2)의 횡단면에서 빔들의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 0차 모드 빔(m0)의 세기는 횡단면 중심에서 가장 강할 수 있다. 빔(m0)의 세기는 횡단면 중심에서 멀어질 수록 약해질 수 있다. 빔(m0)의 세기는 횡단면 중심으로부터 Hermit-Gaussian 모양으로 감소할 수 있다.
1차 모드 빔(m1)과 2차 모드 빔(m2)의 세기는 횡단면 중심에서 상대적으로 약할 수 있다. 1차 모드 빔(m1)과 2차 모드 빔(m2)의 세기는 횡단면 중심으로부터 Laguerre-Gaussian 모양으로 변할 수 있다. 예를 들어, 1차 모드 빔(m1)은 횡단면 중심으로부터 r1만큼 떨어진 지점에서 세기가 가장 강할 수 있다. 2차 모드 빔(m2)은 횡단면 중심으로부터 r2만큼 떨어진 지점에서 세기가 가장 강할 수 있다. 2차 모드 빔(m2)의 발산각이 1차 모드 빔(m1)의 발산각보다 크기때문에, r2는 r1보다 클 수 있다.
도 4는 회전모드 빔을 방사하는 종래의 카세그레인식 안테나를 나타낸 사시도이다.
도 4를 참조하면, 카세그레인식 안테나는 빔을 방사하는 방사기(10)와, 방사기(10)에서 방사된 빔이 반사되는 부 반사기(20) 및 부 반사기(20)에서 반사된 빔이 반사되는 주 반사기(30)를 포함할 수 있다. 부 반사기(20)는 주 반사기(30)를 마주보는 방향으로 볼록한 곡면 형상을 가질 수 있다. 부 반사기(20)의 꼭지점(vertex)은 주 반사기(30)가 있는 방향으로 형성될 수 있다. 주 반사기(30)는 부 반사기(20)를 마주보는 방향의 반대 방향으로 볼록한 곡면 형상을 가질 수 있다. 주 반사기(30)의 중심에는 방사기(10)가 마련될 수 있다. 방사기(10)는 2x2 형태로서 0, +1, -1의 3중 궤도각운동량 모드의 빔들을 방사할 수 있다.
도 5는 도 4에서 나타낸 안테나가 0차 모드 빔을 방사하는 것을 나타낸 개념도이다. 도 5에서는 도 4에서 나타낸 안테나의 단면도를 이용하여 0차 모드 빔이 방사되는 것을 나타내었다. 0차 모드를 방사할 경우 2x2 방사기의 각 방사기는 모두 같은 위상이기 때문에 전체 출력빔은 실효적으로 전체 방사기의 중앙에서부터 나오는 것과 같다.
도 5를 참조하면, 종래의 카세그레인식 안테나의 경우 방사기(10)가 0차 모드 빔을 방사하면, 실효 방사 원점이 부반사판의 초점과 일치하도록 구성되어 있으므로 빔들(B11, B12, B13, B14)의 진행 방향이 거의 같을 수 있다. 빔들(B11, B12, B13, B14)의 진행 방향이 거의 같기 때문에, 빔들(B11, B12, B13, B14)의 진행 거리가 커짐에 따라 빔들(B11, B12, B13, B14) 사이의 간격이 거의 변하지 않을 수 있다. 0차 모드 빔의 경우, 빔들(B11, B12, B13, B14)의 진행방향이 거의 같기 때문에, 안테나 이득이 크며 수신단 입장에서 0차 모드 빔을 수신하는 세기가 클 수 있다.
도 6은 도 4에서 나타낸 회전모드 빔을 방사하는 종래의 카세그레인식 안테나가 1차 모드 빔을 방사하는 것을 나타낸 개념도이다. 도 6에서는 도 4에서 나타낸 안테나의 단면도를 이용하여 1차 모드 빔이 방사되는 것을 나타내었다. 1차 모드를 방사할 경우 2x2 방사기의 각 방사기에서 방사되는 전자파는 시계 방향으로 +90°또는 -90°씩 위상차가 나기 때문에 그림과 같이 분리된 방사기와 같이 방사한다.
도 6을 참조하면, 방사기(10)가 1차 모드 빔을 방사하면, 실효 방사 원점이 2x2 형태로 분리되어 부반사판의 초점과 일치하지 않기 때문에 빔들(B21, B22, B23, B24)의 진행 방향이 서로 달라서 빔들(B21, B22, B23, B24)의 진행 거리가 커짐에 따라 빔들(B21, B22, B23, B24) 사이의 간격이 점점 커질 수 있다. 따라서 1차 모드 빔의 경우, 안테나 이득이 낮고 수신단 입장에서 빔을 수신하는 세기가 상대적으로 약할 수 있다.
도 7은 기존 안테나가 방사하는 빔의 궤도각운동량 모드 별로, 전송 손실을 나타낸 그래프이다. 도 7에서 가로축은 빔의 진행 거리를 의미하며, 세로축은 빔의 수신 세기를 의미한다.
도 7을 참조하면, 0차 모드 빔의 경우, 빔의 진행거리에 따른 빔의 수신 세기 감소가 고차 모드 빔에 비해 작을 수 있다. 반면, 1차 모드 빔 및 2차 모드 빔은 0차 모드 빔에 비해 빔의 진행 거리에 따른 빔의 수신 세기 감소가 클 수 있다. 빔의 수신 세기는 빔의 궤도각운동량 모드 차수가 클 수록 더 클 수 있다. 수신단 입장에서 빔의 궤도각운동량에 따른 수신 세기의 차이가 허용된 임계 범위보다 커지게 되면, 수신단이 다중화된 빔으로부터 각 개별 빔을 복원하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 또한, 고차 모드 빔의 수신 세기가 약해짐에 따라 고차 모드 빔의 신호 대 잡음비가 감소하여, 수신단이 데이터를 복원하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 따라서, 빔의 궤도각운동량에 따른 전송 손실 차이를 줄일 필요가 있다. 또한, 고차 모드 빔의 전송 손실을 감소시켜 고차 모드 빔의 신호 대 잡음비를 높일 필요가 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안테나의 사시도이다.
도 8을 참조하면, 안테나는 빔을 방사하는 방사기(110)를 포함할 수 있다. 방사기(110)는 복수의 서브 방사기들(110a, 110b, 110c, 110d)을 포함할 수 있다. 복수의 서브 방사기들(110a, 110b, 110c, 110d)이 방사하는 빔들 사이의 위상 차이에 의해 방사기(110)에서 방사되는 빔의 궤도각운동량이 결정될 수 있다. 예를 들어, 방사기(110)가 0차 모드 빔을 방사할 경우, 서브 방사기들(110a, 110b, 110c, 110d)은 동일한 위상으로 빔을 방사할 수 있다. 다른 예로, 방사기(110)가 1차 모드 빔을 방사할 경우, 서브 방사기들(110a, 110b, 110c, 110d)은 서로 다른 위상으로 빔을 방사할 수 있다. 제2 서브 방사기(110b)가 방사하는 빔의 위상과 제1 서브 방사기(110a)가 방사하는 빔의 위상은 ±π/2 만큼 차이가 날 수 있다. 제3 서브 방사기(110c)가 방사하는 빔의 위상과 제1 서브 방사기(110a)가 방사하는 빔의 위상은 ±π 만큼 차이가 날 수 있다. 제4 서브 방사기(110d)가 방사하는 빔의 위상과 제1 서브 방사기(110a)가 방사하는 빔의 위상은 ±3/2π 만큼 차이가 날 수 있다. 방사기(110)에서 방사된 빔은 부 반사기(120)에서 반사될 수 있다. 부 반사기(120)에서 반사된 빔은 주 반사기(130)에서 반사될 수 있다.
도 9는 도 8에서 나타낸 부 반사기(120)의 반사면 형상을 설명하기 위한 개념도이다.
도 9를 참조하면, 부 반사기(120)의 반사면은 하나의 꼭지점(P)을 포함하는 곡선(C1)을 회전축(RC)을 중심으로 회전시킨 자취의 형상을 가질 수 있다. 곡선(C1)의 꼭지점(P)과 회전축(RC)은 서로 이격되어 있을 수 있다. 즉, 곡선(C1)의 꼭지점(P)과 회전축(RC) 사이의 거리(d)는 0보다 클 수 있다. 거리(d)는 방사기(110)와 부 반사기(120) 사이의 거리와, 부 반사기(120)와 주 반사기(130) 사이의 거리 등에 따라 달라질 수 있다. 곡선(C1)은 주 반사기(130)를 바라보는 방향으로 볼록한 모양일 수 있다. 따라서, 부 반사기(120)의 반사면은 원모양의 자취를 그리는 꼭지점들을 포함할 수 있다. 원모양의 자취를 그리는 꼭지점들은 주 반사기(130)를 향하는 방향으로 형성될 수 있다. 부 반사기(120)의 반사면은 회전축(RC) 상에 마련된 하나의 꼭지점을 더 포함할 수 있다. 회전축(RC) 상에 마련된 꼭지점은 주 반사기(130)를 향하는 방향의 반대 방향으로 형성될 수 있다.
곡선(C1)은 주 반사기(130) 방향으로 볼록한 곡선일 수 있다. 곡선(C1)의 일단은 회전축(RC)과 만날 수 있다. 곡선(C1)은 주 반사기(130) 방향으로 형성된 하나의 꼭지점(P)을 포함할 수 있다. 예시적으로, 곡선(C1)은 쌍곡선의 일부일 수 있다.
도 10은 쌍곡선의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 쌍곡선은 두 점 F, F'으로부터 거리가 같은 점P(x, y)들의 집합일 수 있다. 쌍곡선의 초점은 두 점 F, F'에 해당할 수 있다. 쌍곡선의 초점 및 쌍곡선의 꼭지점은, 쌍곡선의 대칭축(x축) 상에 있을 수 있다. 부 반사기(120)의 반사면은 쌍곡선의 일부를 회전시킨 자취의 형상을 가질 수 있다. 부 반사기(120)의 반사면은 쌍곡선의 일부를 쌍곡선의 대칭축(x축)과 이격된 회전축을 중심으로 회전시킨 자취의 형상을 가질 수 있다.
도 11은 도 8에서 나타낸 부 반사기(120)의 절단면을 나타낸 사시도이다.
도 11을 참조하면, 부 반사기(120)의 절단면은 두 개의 곡선이 대칭적으로 연결된 모양일 수 있다. 두 곡선의 꼭지점은 주 반사기(130)를 향하는 방향으로 형성될 수 있다. 두 개의 곡선은 쌍곡선의 일부일 수 있다. 따라서, 부 반사기(120)의 반사면의 초점들은 원의 자취를 그릴 수 있다. 도 10에서 나타낸 바와 같이, 쌍곡선은 두 개의 초점(F, F')에 의해 정의될 수 있다. 도 11에서 나타낸 바와 같이, 쌍곡선의 일부를 회전시키면, 도 10의 초점 F가 반사면의 안쪽에 그리는 자취와 초점 F'가 반사면의 바깥쪽에는 그리는 자취가 각각 존재할 수 있다.
도 12는 도 8에서 나타낸 안테나의 단면도이다. 도 12의 단면도는 도 8의 y-z평면 방향으로의 단면도이다.
도 12를 참조하면, 방사기(110)는 부 반사기(120)를 향해 빔을 방사할 수 있다. 부 반사기(120)의 단면은 두 개의 곡선이 대칭적으로 연결된 모양일 수 있다. 각 방사기의 출력 중심은 부 반사기의 바깥쪽 초점의 자취와 일치할 수 있다. 도 12에서는 부 반사기(120)의 반사면 위 부분이 비어있는 경우를 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 부 반사기(120)의 반사면이 곡선을 회전시킨 자취의 형상이면 족하며, 부 반사기(120)의 반사면 위쪽은 비어있을 수도 있고, 채워져 있을 수도 있다.
곡선의 꼭지점은 방사기(110) 및 주 반사기(130)를 향하는 방향으로 형성될 수 있다. 부 반사기(120)의 반사면 중심에는 하나의 꼭지점이 형성되어 있을 수 있다.
도 13은 방사기(110)가 0차 모드 빔을 방사할 때, 빔의 진행방향을 나타낸 개념도이다.
도 13을 참조하면, 방사기(110)에서 방사된 빔은 부 반사기(120)에서 반사된 후, 주 반사기(130)에서 반사될 수 있다. 도 5에서 나타낸 것과 다르게 부 반사기(120)의 반사면 형상이 변경되었기 때문에 방사기의 출력 중심과 부 반사기의 초점의 위치가 달라져서 빔들(B11, B12, B13, B14)의 진행 방향이 도 5에서 나타낸 것과 달라질 수 있다. 0차 모드의 빔들(B11, B12, B13, B14)은 부 반사기(120)에서 반사되는 위치에 의존하여, 진행방향이 달라질 수 있다. 0차 모드 빔들(B11, B12, B13, B14)은 주 반사기(130)에서 반사된 후, 같은 방향으로 진행하지 않을 수 있다. 따라서, 빔들(B11, B12, B13, B14)의 진행방향이 충분히 커지면, 빔들(B11, B12, B13, B14)의 진행거리가 커질 수록 빔들(B11, B12, B13, B14) 사이의 간격이 커질 수 있다.
도 13에서 나타낸 바와 같이, 부 반사기(120)의 반사면을 설계하면, 방사기(110)가 0차 모드 빔을 방사하는 경우, 빔의 진행거리에 따른 전송 손실이 기존보다 커질 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 종래 안테나 보다 0차 모드 빔의 안테나 이득이 더 낮을 수 있다.
도 14는 방사기(110)가 1차 모드 빔을 방사할 때, 빔의 진행방향을 나타낸 개념도이다.
도 14를 참조하면, 방사기(110)에서 방사된 빔은 부 반사기(120)에서 반사된 후, 주 반사기(130)에서 반사될 수 있다. 도 6에서 나타낸 것과 다르게 부 반사기(120)의 반사면 형상이 변경되었기 때문에 각 방사기의 출력 중심과 부 반사기의 초점의 위치가 일치하므로, 빔들(B21, B22, B23, B24)의 진행 방향이 도 6에서 나타낸 것과 진행방향이 거의 같을 수 있다. 따라서, 빔들(B21, B22, B23, B24)의 진행 거리가 커져도, 빔들(B21, B22, B23, B24) 사이의 간격이 거의 변하지 않을 수 있다.
1차 모드 빔들(B21, B22, B23, B24)의 진행 방향이 거의 같기 때문에, 1차 모드 빔들(B21, B22, B23, B24)의 진행 방향에 따른 전송 손실은, 도 13에서 나타낸 0차 모드 빔들(B11, B12, B13, B14)의 진행 거리에 따른 전송 손실보다 작을 수 있다. 따라서, 1차 모드 빔들(B21, B22, B23, B24) 각각의 방사각이 0차 모드 빔들(B11, B12, B13, B14) 각각의 방사각 보다 큼으로써 발생하는 전송 손실의 차이를 보상할 수 있다. 즉, 1차 모드 빔의 수신 세기가 0차 모드 빔의 수신 세기에 비해 과도하게 작아지는 것을 막을 수 있다. 또한, 1차 모드 빔의 신호 대 잡음비를 높일 수 있다. 도 14에서는 1차 모드 빔을 예시적으로 설명했지만, 유사한 원리가 다른 고차 모드 빔들에 대해서도 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 종래 안테나보다 고차 모드 빔의 안테나 이득을 높일 수 있다
도 15는 본 발명의 제2 실시예에 따른 안테나의 단면 및 고차 모드 빔의 전송 방향을 나타낸 개념도이다.
도 15를 참조하면, 주 반사기(130)의 반사면도 부 반사기(120)의 반사면과 마찬가지로 곡선을 회전시킨 자취의 형상을 가질 수 있다. 주 반사기(130)의 반사면은 곡선을 곡선의 꼭지점과 이격된 회전축을 중심으로 회전시킨 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 고차 모드 빔의 전송 손실이 작아질 수 있다. 또한, 0차 모드 빔의 전송 손실은 종래보다 커질 수 있다.
도 16은 도 4에서 나타낸 종래 안테나를 이용하여 0차 모드 빔을 전송할 때, 안테나 이득을 시뮬레이션 한 것이다. 도 16을 참조하면, 0차 모드 빔의 메인 로브(lobe) 이득이 28.7dB일 수 있다.
도 17은 도 4에서 나타낸 종래 안테나를 이용하여 1차 모드 빔을 전송할 때, 안테나 이득을 시뮬레이션 한 것이다. 도 17을 참조하면, 1차 모드 빔의 메인 로브 이득이 21.6dB일 수 있다. 즉, 종래 안테나의 경우, 0차 모드 빔과 1차 모드 빔 사이의 메인 로브 이득 차이가 7.1dB로, 수신단 입장에서 1차 모드 빔을 0차 모드 빔과 분리하여 검출하는 것이 용이하지 않을 수 있다. 또한, 1차 모드 빔의 신호 대 잡음비가 작을 수 있다.
도 18은 도 8 내지 도 15를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 이용하여 0차 모드 빔을 전송할 때, 안테나 이득을 시뮬레이션 한 것이다. 도 18을 참조하면, 0차 모드 빔의 메인 로브(lobe) 이득이 25.6dB일 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 이용하면, 종래 안테나보다 0차 모드 빔의 전송 이득이 줄어들 수 있다.
도 19는 도 8 내지 도 15를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 이용하여 1차 모드 빔을 전송할 때, 안테나 이득을 시뮬레이션 한 것이다. 도 19를 참조하면, 1차 모드 빔의 메인 로브(lobe) 이득이 24.6dB일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 안테나를 이용하면, 0차 모드 빔과 1차 모드 빔 사이의 메인 로브 이득 차이가 기존보다 6.1dB 정도 감소한 1.0dB가 된다. 따라서, 수신단 입장에서 1차 모드 빔을 0차 모드 빔과 분리하여 검출하는 것이 용이해질 수 있다. 또한, 1차 모드 빔의 신호 대 잡음비가 커질 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 안테나와 기존 안테나 각각에서 방사되는 빔들의 전기장 세기를 측정하여 비교한 것을 나타낸 도면이다. 도 20에서 나타낸 측정 결과는 안테나의 2M 전방에서 빔을 측정한 결과이다.
도 20의 (a)는 기존 안테나에서 방사되는 빔들의 전기장 세기를 비교하여 나타낸 것이다. 도 20의 (a)에서 좌측은 기존 안테나에서 0차 모드 빔이 방사되는 경우 전기장의 세기를 나타내고 우측은 기존 안테나에서 1차 모드 빔이 방사되는 경우 전기장의 세기를 나타낸다. 전기장의 세기는 이미지의 밝기에 비례한다.
도 20의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 안테나서 방사되는 빔들의 전기장 세기를 비교하여 나타낸 것이다. 도 20의 (b)에서 좌측은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 0차 모드 빔이 방사되는 경우 전기장의 세기를 나타내고 우측은 본 발명의 실시예에 따른 안테나에서 1차 모드 빔이 방사되는 경우 전기장의 세기를 나타낸다. 전기장의 세기는 이미지의 밝기에 비례한다.
안테나의 송신 출력을 0 dBm(=1 mW)으로 했을 때 기존 안테나의 0 차 모드 빔의 세기와, 1 차 모드 빔의 메인 로브 세기는 각각 -32.5dBm과 -38.6dBm로서, 0 차 모드 빔이 1 차 모드 빔에 비해 6.1dB 크게 측정되었다. 반면, 본 발명의 실시예에 따라 부 반사판의 모양을 변경한 결과, 0 차 모드 빔과 1 차 모드 빔의 메인 로브 세기는 각각 -35.5dBm과 -34.5dBm으로서 오히려 1 차 모드 빔이 0차 모드 빔에 비해 1dB 크게 측정되었다.
이상에서 도 1내지 도 20을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 안테나 및 안테나의 신호 전송 방법에 관하여 설명하였다. 상술한 실시예들에 따르면, 0차 모드 빔과 고차 모드 빔의 전송 손실 또는 전송 이득의 차이를 줄임으로써, 수신단 입장에서 특정 궤도각운동량을 가지는 빔을 선택적으로 검출하는 것이 용이해질 수 있다. 또한, 고차 모드의 전송 손실을 줄임으로써, 고차 모드 빔의 신호 대 잡음비를 높일 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 카세그레인식 안테나로서,
    주 반사기;
    상기 주 반사기 방향으로 볼록한 쌍곡선의 적어도 일부에 해당하는 제1 곡선을, 상기 제1 곡선의 주축과 상기 제1 곡선이 만나는 지점인 제1 점과 이격된 제1 회전축을 중심으로 회전시킨 자취의 형상을 가지는 반사면을 가지는 부 반사기; 및
    빔들을 방사하는 서브 방사기들;을 포함하며,
    상기 부 반사기의 상기 반사면은 상기 제1 점을 상기 제1 회전축을 중심으로 회전시킨 자취에 해당하며, 상기 주 반사기 방향으로 형성되는 제1 원, 및 상기 제1 회전축과 만나는 상기 제1 곡선의 일단을 상기 제1 회전축을 중심으로 회전시킨 자취에 해당하며 상기 주 반사기의 반대 방향으로 형성되는 첨점인 제1 첨점부를 포함하고,
    상기 서브 방사기들 각각의 출력 중심은, 상기 빔들의 궤도각운동량 모드가 1차 모드일 경우, 상기 제1 곡선의 제1 초점이 상기 제1 회전축을 중심으로 회전하여 형성되는 제1 초점 자취 상에 위치하고, 상기 빔들의 상기 궤도각운동량 모드가 0차 모드일 경우 상기 제1 초점 자취 상에 위치하지 않게 되며,
    상기 서브 방사기들에서 상기 출력 중심 방향으로 방사되어 상기 부 반사기에서 반사된 후 상기 주 반사기에서 반사되는 상기 빔들의 안테나 이득은, 상기 빔들의 상기 궤도각운동량 모드가 상기 0차 모드인 경우보다 상기 1차 모드인 경우에 더 큰 값을 가지는, 안테나.
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  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 반사기의 반사면은 상기 부 반사기와 마주보는 방향의 반대 방향으로 볼록한 곡면 형상을 가지는 안테나.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 주 반사기의 반사면은 상기 제1 곡선과 구분되는 제2 곡선을, 상기 제2 곡선에서 상기 부 반사기를 향하는 방향의 반대 방향으로 가장 돌출된 지점인 제2 점과 이격된 제2 회전축을 중심으로 회전시킨 자취의 형상을 가지는 안테나.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 곡선은 상기 부 반사기를 향하는 방향의 반대 방향으로 볼록한 안테나.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 주 반사기의 상기 반사면은, 상기 제2 점을 상기 제2 회전축을 중심으로 회전시킨 자취에 해당하는 제2 원을 포함하는 곡면 형상을 가지는 안테나.
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