KR19990000865U - 파라볼라 안테나 - Google Patents

Abstract

본 고안은 차량 등의 앞범퍼에 장착되어 전방과 측방의 다른 차량과 물체를 탐색하는 안테나의 지향성을 높이기 위하여 포물면의 초점에 1차 방사 안테나를 두어 곡면에 반사시켜 평면파가 방사되도록 한 것이다.

본 고안은 안테나(1)의 외형은 사각형상을 이루며 주파수가 발사되는 면의 사면이 곡면(2)을 이루며, 내측으로 라운드형으로 홈부(3)가 형성되게 이루어진다.

Description

파라볼라 안테나

본 고안은 파라볼라 안테나에 관한 것으로, 특히 차량 등의 앞범퍼에 장착되어 전방과 측방의 다른 차량과 물체를 탐색하는 안테나의 지향성을 높이기 위하여 포물면의 초점에 1차 방사 안테나를 두어 곡면에 반사시켜 평면파가 방사되도록 한 것이다.

일반적으로 전자파는 주파수가 높아질수록 대기, 눈, 비 등 자연상태에서의 전파 감쇄가 증가하지만 직진성이 커지며 해상도가 높아지는 장점이 있다.

전자파의 이러한 특성을 이용하여 자동차의 충돌경보시스템 등에 사용할 수 있는 높은 주파수대(77GHz)의 안테나를 설계하는 것이 바람직하며, 통상 안테나는 차량의 앞부분에 장착되어 전방과 측방의 다른 차량과 물체를 탐색하는 기능을 갖는다.

본 고안은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 고안의 목적은 차량의 앞 범퍼에 파라볼라 안테나를 장착하되 소정형상과 소정특성을 갖는 파라볼라 안테나를 구비하여 전방과 측방의 다른 차량과 물체를 정확하게 탐색하도록 한 것에 있다.

이와 같은 목적의 본 고안의 파라볼라 안테나는, 77MHz 레이다용 파라볼라 안테나를 제공함으로써 달성된다.

도 1은 본 고안에 따른 파라볼라 안테나의 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:안테나2:곡면

3:홈부

이하, 본 고안의 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 파라볼라 안테나의 사시도로, 안테나(1)의 외형은 사각형상을 이루며 주파수가 발사되는 면의 사면이 곡면(2)을 이루며, 내측으로 라운드형으로 홈부(3)가 형성되어 구성된 것이다.

이와 같이 구성된 본 고안은 통상 파라볼라 안테나가 고주파 영역에서 30dB 이상의 높은 안테나 이득을 얻기 위해 널리 사용되는 안테나로, 본 고안의 파라볼라 안테나(1)는 3.63cm의 초점거리와 7×10cm 크기의 구경(aperture)을 갖는다.

또한, 본 고안의 파라볼라 안테나(1)는 주빔의 3dB 대역폭이 전기장 표면에서 1.97°이고, 자기장 평면에서는 3.79°이다.

주빔의 방향을 조정하고자 할 때 기계적으로 안테나(1)의 방향을 변화하거나 또는 안테나(1)의 위치를 변경해도 가능하나, 위치가 초점면의 위치에서 크게 벗어날수록 주빔의 이득저하를 초래하게 된다.

피드 안테나가 일차초점(Prime focus)에 위치한 파라볼라의 반사경(reflector) 시스템에서 빔의 각도는 구경 평면의 직경(D)과 초점거리(f)의 비에 의해서 영향을 받는다. 그 관계는 아래의 식으로 표현된다.

일반적으로 파라볼라 안테나에서 테이퍼 효율은 개구면 끝(edge)에서 -10dB일 때 최적이므로 피드 안테나의 10dB BW가 2θ로 될 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.

본 고안은 피드 안테나로서 도파관을 개방한 형태로 구성하였다. 개방 도파관(open waveguide)은 구현이 가장 용이하며 다음의 표 2.1에서 보는 바와 같이 10dB BW가 적절한 f/D인 0.363을 얻을 수 있기 때문이다.

개구면의 전기장이 x방향으로 코사인 분포이고 y방향으로 균일한 분포를 나타낼 때 10dB BW는 TE₁₀모드인 경우이며 다음의 식과 같이 주어진다.

(표 2.1)

상기 표 2.1에서 보는 바와 같이 WR-12 도파관이 WR-10 도파관 보다 크기가 크며 빔폭이 좁은 것을 볼 수 있다.

q값은 -3dB BW일 때 20log(cosθ_3dB)^q=-3으로부터 구한 후 이 q값으로 10dB BW에 대하여 cosθ_10dB=10^-1/2q를 계산하여 얻은 결과이다.

상기 표 2.1에서 10dB BW의 각이 클수록 구경 효율이 떨어지는데 일반적으로 -10dB 테이퍼(taper)의 특성을 가질 때 구경효율이 최적이 된다.

구경효율은 안테나의 물리적인 전체면적이 얼마나 효율적으로 사용되는가를 나타내는 척도인데 스필오버, 테이퍼, 위상분포, 편향(polarization), 표면에러 등에 의해 영향을 받는다.

파라볼라 안테나의 방사 패턴은 각 θ안에서의 피드 패턴에 의해서 영향을 받는다. 파라볼라 안테나의 파 필드 패턴(far field pattern) F(θ)는 다음과 같이 주어진다.

여기서, D:리플렉터의 직경

p:방사 방향으로 정규화된 변수

J₀:영차의 제1종 베셀 함수

f(p):피드 엘리멘트의 방사 패턴

피드 element의 방사 패턴을 cos^qθ형으로 가정하여 변수 θ를 p로 변환하기 위하여 다음의 식을 이용하면 얻을 수 있다.

r²=4f(f-z)

제작과정상의 불완전성으로 인하여 리플렉터에는 어느 정도의 표면 오차를 가지고 있으며 이상적인 파라볼라의 경우에 비해 렌덤하게 왜곡된 리플렉터의 표면이 나타나게 된다.

렌덤 왜곡은 리플렉터의 구경 능률을 감소시키고 부엽의 크기를 증가시켜 방사패턴의 질을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.

렌덤한 표면에러에 의한 피크 게인(peak gain)의 손실은 다음의 식으로 표현된다.

ΔG=-(4π×ε_rms/λ)²log e

여기서,

이번에 제작한 파라볼라 안테나의 표면에러의 오차는 약 10μm 정도로 하여 제작되었으며 도 2에 나타난 바와 같이 1dB에 못미치는 피크 게인 로스를 나타낸다.

설계 제작된 안테나의 방사패턴을 측정하여 시뮬레이션한 패턴의 모양과 비교하였다.

안테나의 피드로는 구경효율을 고려하여 f/D=0.363에서 최적의 효율을 갖는 WR-12 도파관을 사용하였으며 송신단에는 렌즈 혼 안테나를 사용하였다.

실제 실험에 의한 특정치와 방사패턴 공식에 의한 시뮬레이션 결과와의 비교를 도 3에 보였다.

측정 실험에 의해 나타난 BW를 보면 H-plane 패턴에서는 3dB BW가 2.55°, 10dB BW가 4.5°로 측정되었고 E-plane 패턴에서는 이보다 좀 더 좁아져 3dB BW가 1.85° 그리고 10dB BW가 3.2°로 측정되었다.

안테나의 지향성(directivity)은 약 37.11dB 정도로 나타났으며 이득은 37.13dB로 지향성과 비교해 볼 때 효율이 매우 높은 것으로 나타났다. 이득의 측정은 표준 이득 안테나와 비교하여 측정하였으며 이득 측정에서 사용된 표준 이득 안테나는 77GHz에서 37dBi의 이득을 가진다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 고안은 77GHz 레이다용 파라볼라 안테나를 제공할 수 있으며 포물면의 초점에 1차 방사 안테나를 두어 곡면에 반사시켜 평면파가 방사되도록 할 수 있어 레이저 방식의 기존 자동차 추돌 방지 장치를 대체할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 레이다용 파라볼라 안테나에 있어서, 안테나(1)의 외형은 사각형상을 이루고, 주파수가 발사되는 면의 사면이 곡면(2)을 이루며, 내측으로 라운드형으로 홈부(3)가 형성된 것을 특징으로 하는 파라볼라 안테나.