KR20050054856A - 방사 애퍼처 도파관 피드 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사 애퍼처 도파관 피드 안테나에 관한 것이다.

본 발명은 타원 방사기와 양립가능한 비대칭 조사를 제공하며 작은 공간만을 차지하는 일차 피드를 제안한다. 본 발명은 열린 도파관 단면의 방사를 변형하기 위하여 짧은 로드(rod)를 사용한다. 본 발명은 도파관(1)로 구성된 방사 피드를 포함하는 안테나이며, 상기 도파관의 일 단부는 방사 애퍼처를 형성한다. 상기 방사 애퍼처를 형성하는 단부에는 유전체 물질로 만들어진 로드가 끼워지며, 상기 로드는 부분적으로 상기 도파관(1)에 삽입(2, 3)된다. 상기 로드는 가이드된 파장의 2배보다 작은 길이(L)에 걸쳐 상기 도파관 외측으로 연장되며 상기 로드의 단면은 상기 도파관 외측에서 상기 평면 각각에서 서로 다르게 전개된다.

Description

방사 애퍼처 도파관 피드 안테나{RADIATING APERTURE WAVEGUIDE FEED ANTENNA}

본 발명은 방사 애퍼처 도파관 피드 안테나에 관한 것이다. 이런 타입의 피드(feed)는 파라볼라 반사기와 결합될 수 있다.

지향성 안테나를 요구하는 무선 송신의 특정 타입에 있어서, 피드 및 초점을 가진 반사기 특히 파라볼라 반사기를 구비하는 안테나의 사용이 알려져 있다. 이것은, 특히 C, Ku 및 Ka 대역을 사용하는 위성 송신을 위하여 사용되는 안테나 타입이다.

반사기 안테나는 통상적으로 오목한 접시이며, 그 표면은 파라볼라(포물면)의 선대칭 부분에 대응한다. 원형 반사기에 필요한 공간은 통상적으로 크다. 상업적인 관점에서, 타원 애퍼처를 가진 반사기의 사용은, 특히 피드가 반사기의 촛점에 대해 오프셋되어 있는 경우, 원형 애퍼처를 가진 반사기보다 더 매력적일 수 있다. 실제에 있어서, 타원 애퍼처를 가진 반사기에 필요한 공간은 원형 애퍼처를 가진 반사기에 필요한 공간보다 시각적으로 더 작다. 더우기, 단일 파라볼라를 사용하는 다중-위성 수신에 있어서, 타원 애퍼처 반사기를 사용하는 것이, 특히 초점이 맞지 않음과 관련된 손실과 왜곡을 최소화하는데 있어, 더 유리하다.

이들 타원 반사기의 조사(illumination)를 최적화하기 위하여, 일차 피드(primary feed)는 이 타원 반사기에 적합한 방사 패턴 애퍼처를 제공하여야만 한다. 실제에 있어서, 반사기 안테나의 최대 효율은, 피드에 의해 반사기의 조사가 -10 dB 과 -13 dB 사이의 반사기 테두리에서 이득을 제공하는 경우에 얻어진다. 이를 위하여 두 개의 상호 수직인 방사 패턴 평면은 상당히 서로 다른 애퍼처를 제공하여야만 한다.

예를 들어, 50 ㎝ 높이 및 90 ㎝ 폭이고 12 ㎓ 주파수에서 52 cm의 초점 길이를 갖는 타원 반사기를 조사(illuminate)하기 위하여, 일차 피드의 방사 패턴의 애퍼처는, -12 dB의 반사기의 에지에서의 조사 레벨에 대해, 수직 평면(타원의 단축)에서의 조사(lighting)에 대해 28°이어야 하고 수평 평면(타원의 장축)에서의 조사에 대해 45°이어야 한다.

일차 안테나 피드의 E 및 H 평면에서 방사 패널을 등화시키거나 비균형화시키기 위해 일반적인 방식으로 사용될 수 있는 기술은 Henri Jasik에 의한 "Antenna Engineering Handbook(안테나 공학 핸드북)"의 제15장에 기술되어 있다. 일예는 직사각형 애퍼처 및 멀티모드 혼(horn)을 가진 혼의 사용이다.

프린트된 어레이, 예컨대 직사각형으로 배치된 4-요소 어레이를 사용하여 비균형화된 조사 효과를 얻는 것도 또한 가능할 것이다.

모든 이들 일차 피드는 상대적으로 큰 횡방향 공간을 요구하며, 매우 가까운 궤도 위치를 점유하는 위성으로부터의 다중-위성 수신에 대해 사용될 수 없다. 더 나아가, 이들 단말들이 소비자 사용을 위해 설계되는 경우에는, 따라서 복잡한 일차 피드는 배제되어야만 한다.

종래의 일차 피드에 필요한 공간이 12 ㎓에서 계산되는 경우, 그 결과는 40 ㎜의 직경을 가진 혼(horn)이거나 또는 45 - 50 ㎜의 직경을 가진 패치 어레이(patch array)이다. 이러한 수치결정으로부터, 4°의 위성들 사이의 각도 분리를 가지고 두 개의 독립적인 피드가 사용되는 경우, 초점 중심들은 약 34 ㎜ 만큼 서로 떨어져 있어야만 하며, 이는 주어진 수치의 경우 고려될 수 없다.

더우기, 크지 않은 횡단면을 가진 단순 개방 직사각형 도파관(혼을 가지지 않는)는, 심지어 두 개의 서로 다른 방사 패턴 애퍼처를 가지고 있다 하더라도, 충분히 지향적이지 않기 때문에 양호한 애퍼처를 제공하지 않을 것이다.

또한 진행파 유전체 로드(rod)의 사용이 알려져 있다. 이 경우 이러한 타입의 로드가 상기 혼을 대체한다. 그러나, 이러한 로드는 사용될 수 없는데, 그 이유는 약 45°의 -12 dB에서 애퍼처를 얻기 위해서는 대략 파장의 3배와 같은 길이가 요구될 것이며, 대략 28°의 애퍼처를 얻기 위해서는 대략 파장의 10배의 길이가 요구될 것이기 때문이다. 이제 파장의 3배와 같으면서 파장의 10배와 같은 하나의 길이를 갖는 로드를 구비하는 것을 불가능하다. 더우기, 12 ㎓의 주파수에서 파장의 10배는 대략 25 ㎝에 대응하며, 이는 한편으로는 상대적으로 크고, 다른 한편으로는 동일 크기의 근처 피드를 교란시킬 위험을 증대시킨다.

따라서, 기존 피드의 사용은 고정된 구속조건을 만족시키지 않을 것이다.

본 발명은, 타원 반사기와 양립가능한 비대칭 조사를 제공하고 작은 공간만을 요구하는 일차 피드를 제안함으로써, 위에서 기술된 문제점에 대한 해결책을 제공한다. 본 발명은 개방 도파관 부분의 방사를 변형시키기 위하여 짧은 로드를 사용한다.

본 발명은, 안테나로서, 서로 수직인 적어도 두개의 대칭 평면을 가진 단면을 구비하는 도파관로 이루어진 방사 피드를 포함하고, 각각의 대칭 평면은 파동의 전파 축 방향으로 연장하며, 상기 도파관의 일단이 방사 애퍼처를 형성한다. 방사 애퍼처를 형성하는 단부에는 유전체 물질로 이루어진 로드가 끼워져 있으며, 상기 로드는 부분적으로 상기 도파관 내에 삽입되고 한정된 길이에 걸쳐 상기 도파관의 상기 단면을 채운다. 상기 로드는 가이드된 파장의 2배보다 작은 길이에 걸쳐 상기 도파관을 지나 연장되며, 상기 로드의 단면은 상기 도파관 외측에서 상기 평면 각각의 방향으로 서로 다르게 전개된다

바람직하게, 상기 도파관 외측에서의 상기 로드 부분의 전개는 상기 두 평면 각각에서 서로 다른 방향으로 선형일 수 있다. 평면 중 하나에서 상기 로드는 더 커질 수 있고, 다른 평면에서 상기 로드는 더 작게 될 수 있다. 도파관은 정사각형, 직사각형, 또는 원형 단면의 것일 수 있다. 도파관 외측에 위치된 로드의 단부는 도파관의 단면과는 다른 형태의 단면을 가진다.

도파관 내에서 순환하는 파동은 편파된 파동일 수 있다. 이 경우 편파된 파동은 상기 파동의 전파 축에 수직으로 및 각각의 방향이 두 평면 중 하나에 포함되는 두 개의 서로 다른 방향으로 선편파되어 있고, 도파관 외측의 로드 형태는 상기 두 평면의 각각에 대하여 대칭이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하는 아래의 상세한 설명을 읽음으로써 더 잘 이해될 것이고, 다른 특징과 장점들도 명확하게 될 것이다.

본 발명에 의해 적용되는 원리는, 짧은 유전체 로드를 사용하여 단순 도파관의 방사를 변형시키는 것으로 이루어진다. 도파관의 방사는, 주어진 주파수에 대해, 해당 도파관의 횡단면에 의해 이루어지기 때문에, 타원형 반사기를 조사하도록 적응될 수 없다. 짧은 로드는 해당 로드에 의해 끼워진 도파관에 의해 형성되는 애퍼처 내의 필드 분포를 변형시킨다. 최종 방사 패턴은, 상기 로드가 진행파 피드로서 거동하지 않으면서, 변형된다. 필드는 타원형 영역을 조사하기에 적합한 방사 패턴을 얻을 수 있는 방식으로 등가 애퍼처 내에서 분포된다.

도 1 내지 도 4는 여러가지 관점에서 본 발명에 따른 피드의 예시적인 일 실시예를 보여준다. 기술된 예에서, 피드는 일반적으로 정사각형 단면의 도파관(1)를 포함하며, 상기 도파관(1)의 일 단부가 방사 애퍼처를 형성한다. 도파관은, 예컨대 12 ㎓인 수신될 또는 송신될 평균 파장과 대략 동일한 가이드된 길이를 얻기 위하여 기존 기술에 따라 수치가 정해지며, 이 경우 도파관의 단면은 21 ㎜ ×21 ㎜이다. 유전체 로드가 방사 애퍼처 안에 배치된다. 이 로드는 낮은 손실 및 1 보다 더 큰 상대 유전율을 가지는 유전 물질로 만들어진다. 이 물질은, 최종 로드의 상대 유전율 값을 제어하는데 사용되는, 세라믹 타입의 고 유전율 물질이 채워진, 예컨대 폴리스티렌, 폴리프로필렌 또는 통상적으로 가벼운 플라스틱 물질 베이스로 이루어진 임의의 다른 합성 유전 물질과 같은 플라스틱일 수 있다.

로드는 3개의 부분(2 내지 4)를 포함한다. 제 1 부분(2)은, 빈 도파관로부터 유전물질로 최소화된 손실을 가지고 전달하기 위한 임피던스 매칭을 제공한다. 제 1 부분(2)은 전파 매질을 변화시킴으로써 기존의 도파관 내 파동 전파 규칙에 따라 수치가 정해진다. 제 1 부분(2)은 통상적으로 원뿔통(conical trunk)으로 이루어지며, 이 원뿔통의 단면은 도파관(1)의 단면에 대응한다. 제 2 부분(3)은 도파관(1)의 형태와 매칭한다. 제 2 부분(3)은 도파관(1)의 단부에서 로드를 정위치로 유지시키는데 사용되고, 이 제 2 부분(3)의 길이는 로드를 기계적으로 고정한다. 제 3 부분(4)은 도파관(1)의 방사 애퍼처의 방사를 콜리메이팅(collimate)하는데 사용된다. 제 3 부분(4)은, 한편으로 전파 축을 통과하고 다른 한편으로 조사된 타원의 대칭축 각각을 통과하는 두 평면 각각에서 서로 다르게 전개된다.

본 발명의 특징은 주로 피드의 방사 패턴을 결정하는 로드의 제 3 부분(4)에 존재한다. 이 제 3 부분(4)의 길이(L)는 도파관의 단면과 방사 표면(5) 사이의 임피던스 매칭 길이를 형성한다.

방사 표면(5)은, 등가 방사 애퍼처를 계산하는 기존 방법에 따라 계산된다. 방사 애퍼처는 광범위하게 다양한 형태를 가질 수 있지만, 계산을 단순화하기 위하여, 준-타원 방사 패턴을 제공하는 직사각형 방사 표면을 선택할 수 있다. 방사 표면(5)의 수치를 정한 후, 길이(L)는, 최소 길이에 대해 최적화된 임피던스 매칭을 얻도록, 기존 기술에 따라 결정된다. 로드의 제조를 단순화하기 위하여, 최적화된 선형 임피던스 매칭을 이용하며, 상기 로드는 두 평면 각각에서 서로 다르게 전개된다. 예를 들면, 타원의 장축을 따라 50°및 타원의 단축을 따라 38°의 -13 dB에서 애퍼처를 가지는 타원 방사 패턴을 얻기 위하여, 단면 a ×b = 3 ㎜ ×23㎜인 직사각형 방사 표면(5)이라는 결과가 나온다. 이 경우 길이는, 도파관(1)의 단면으로부터 최적화된 임피던스 매칭을 가진 방사 표면(5)으로 통과하도록 계산되어, 그 결과 길이 L = 35 ㎜가 계산된다.

도 5는 이런 수치결정에 대하여 시뮬레이션에 의해 얻어진 방사 패턴을 보여준다. 수직 눈금은 이득을 나타내고 수평 눈금은 빔 중심에 대한 애퍼처 각도를 나타낸다. 곡선(10)은, 방사 표면(5)의 폭 차원 b에 의해 한정되는 타원의 장축에 대응하는 평면에서의 방사 패턴을 보여준다. 곡선(11)은, 방사 표면(5)의 폭 차원 a에 의해 한정되는 타원의 단축에 대응하는 평면에서의 방사 패턴을 보여준다. 당업자는 48°및 37°가 얻어지는 것을 알 수 있다. 요구되는 방사 패턴이 주어지면, 이러한 결과는 매우 적합할 수 있다. 그러나, 만약 요구되는 패턴에 가까운 패턴을 원한다면, 방사 표면(5)의 차원 a 및 b를 조절하고 이들 차원을 최적화하기 위해 후속적인 시뮬레이션을 이용하는 것도 역시 가능하다.

이런 타입의 피드에 의해 제공되는 기회를 예시하기 위해, 보충적인 예를 들면, a = 6 ㎜ 및 b = 36 ㎜와 길이 L = 25 ㎜와 같은 방사 표면의 수치결정에 의해 도 6에 도시된 결과가 제공된다. 당업자는, 애퍼처 각도가 타원의 장축에 대해 110°와 같게 되고 단축에 대해 28°와 같게 된다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 기술을 사용하여 매우 광범위한 선택가능성을 얻는 것이 가능하다.

두가지 수치결정을 기초로 하여, 당업자는, 길이 L이 가이드된 파장과 대략 동일할 수 있다는 것을 알 수 있다. 심지어 이 길이 L은, 도파관(1)의 단면과 방사 표면(5) 사이의 차이가 허용하는 경우, 더 작을 수도 있다. 선형 매칭 형상이 아니라 지수적인(exponential) 매칭 형상을 사용하는 경우 더 짧은 길이를 가지는 것도 역시 가능하지만, 이는 제조에 있어 어느 정도 복잡도를 추가한다.

바람직한 예는 비-편파된 파동과 편파된 파동에 동일하게 적절히 사용될 수 있다. 그러나, 선형 편파된 파동이 사용되는 경우, 유전체 로드에 의해 유도되는 위상차가 두 직교 편파 방향에 대해 동일한지를 체크하는 것이 가장 중요하다. 이 조건은 쉽게 만족되는데, 그 이유는 파동의 전파 방향과 편파 방향들을 포함하는 장방향 평면들에서의 하나의 대칭 로드만이 요구되기 때문이다.

파동의 원 편파의 경우, 편파기는 로드의 외부 형태를 고려하여 수치결정되어야만 한다. 제 1 임피던스 매칭 부분은, 더 이상 원뿔형이 아니며, 원 편파를 생성하기 위하여 전기장의 두 상호 수직한 성분 사이의 위상차에 의해 편파기로서 작용한다. 로드의 외부 부분에 의해 생성되는 임의의 역편파(depolarization)는 또한 상기 펀파기에 의해 보상되어야만 한다.

바람직한 예는, 로드가 한 측부에서 더 크게 되고 다른 측부에서 더 작게 되는 것을 보여준다. 그러나 방사 표면은 로드가 두 단부에서 동시에 더 크게 되거나 또는 더 작게 되도록 하는 것일 수 있다.

바람직한 실시예는 정사각형 단면 도파관을 사용한다. 명백하게, 상기 도파관이 서로에 대해 수직인 두 대칭 평면을 수용하는 것을 조건으로, 임의의 도파관 형상, 예컨대 원형 또는 직사각형도 사용될 수 있다. 본 발면의 한가지 관심은 도파관의 단면과는 다른 형태의 방사 표면을 도파관의 단면과는 무관하게 얻고자 하는 것이다.

본 발명에 따라, 타원 반사기와 양립가능한 비대칭 조사를 제공하고 작은 공간만을 요구하는 일차 피드를 가진 안테나가 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 피드의 예를 나타내는 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 피드의 예를 나타내는, 제 1 절단 평면에 따른 부분 횡단면도.

도 3은 본 발명에 따른 피드의 예를 나타내는, 제 1 절단 평면에 대해 직각인 제 2 절단 평면에 따른 부분 횡단면도.

도 4는 본 발명에 따른 피드의 예를 나타내는, 반사기 측에서 본 도면.

도 5는 본 발명의 제 1 수치결정에 따른 방사 곡선을 보여주는 그래프.

도 6은 본 발명의 제 2 수치결정에 따른 방사 곡선을 보여주는 그래프.

<도면의 주요 부분의 간단한 설명>

1 : 도파관 2 : 로드의 제 1 부분

3 : 로드의 제 2 부분 4 : 로드의 제 3 부분

5 : 방사 표면 10, 11 : 방사패턴 곡선

Claims (10)

1. 안테나로서, 서로 수직인 적어도 두개의 대칭 평면을 가진 단면을 구비하는 도파관(1)로 이루어진 방사 피드를 포함하고, 각각의 평면은 파동의 전파 축 방향으로 연장하며, 상기 도파관의 일단이 방사 애퍼처를 형성하고, 상기 방사 애퍼처를 형성하는 단부에는 유전체 물질로 이루어진 로드가 끼워져 있으며, 상기 로드는 부분적으로 상기 도파관 내에 삽입(2, 3)되고 한정된 길이에 걸쳐 상기 도파관(1)의 단면을 채우는, 안테나에 있어서,

   상기 로드의 일 부분(4)은 가이드된 파장의 2배보다 작은 길이(L)에 걸쳐 상기 도파관을 지나 연장되며, 상기 로드의 단면은 상기 도파관 외측에서 상기 평면 각각의 방향으로 서로 다르게 전개되는

   것을 특징으로 하는, 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 도파관 외측에서의 상기 로드 단면의 전개는 상기 두 평면 각각에서 서로 다른 방향으로 선형인 것을 특징으로 하는, 안테나.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 평면 중 한 평면에서 상기 로드는 더 커질 수 있고, 다른 평면에서 상기 로드는 더 작게 되는 것을 특징으로 하는, 안테나.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 에 있어서, 상기 도파관은 정사각형, 직사각형, 또는 원형 단면을 가지는 것을 특징을 하는, 안테나.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 도파관(1) 외측에 위치된 상기 로드의 단부(5)는 상기 도파관의 단면과는 다른 형태의 단면을 가지는 것을 특징으로 하는, 안테나.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 도파관(1)의 단면은 정사각형이고 상기 도파관 외측에 위치된 상기 로드의 단부(5)의 단면은 직사각형인 것을 특징으로 하는, 안테나.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관 내부에 위치된 상기 로드의 부분(2, 3)은 상기 도파관와 동일한 단면을 가지는 원뿔통(conical trunk)으로 이루어진 임피던스 매칭 영역(2)으로 마무리되는 것을 특징으로 하는, 안테나.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파관 내에서 순환하는 파동은 편파된 파동인 것을 특징으로 하는, 안테나.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 편파된 파동은 상기 파동의 전파 축에 수직으로 및 각각의 방향이 상기 두 평면 중 하나에 포함되는 두 개의 서로 다른 방향으로 선편파되어 있고, 상기 도파관 외측의 상기 로드 형태는 상기 두 평면의 각각에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는, 안테나.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로드는 상기 파장보다 작은 길이에 걸쳐 상기 가이드 외측으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 안테나.