KR20060100026A

KR20060100026A - 사다리꼴 도파관을 이용한 레이더 디텍터 용 피라미드형 혼안테나

Info

Publication number: KR20060100026A
Application number: KR1020050021633A
Authority: KR
Inventors: 최태식
Original assignee: (주) 아이엔텍; 최태식; 강석엽
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-20
Also published as: KR100687908B1

Abstract

본 발명은 다중대역(multiple-band)을 갖는 레이더 디텍터(radar detector)용 피라미드 혼(pyramidal horn) 안테나 설계에 관한 것으로, 동작주파수의 범위에 따라 표준 직사각형 도파관에 사용된 물리적 치수를 적용하여 사다리꼴 도파관(10; trapezoid waveguide)을 설계하였다. 혼 안테나 설계시 피라미드 혼 각(flare angle)은 설계된 도파관의 크기에 영향을 받는다. 자계면의 혼 각(H-plane flare angle)은 상기 도파관의 높이를 갖는 가상(imaginary)의 두 면(23a, 23b)과 전계면(24; E-plane)이 서로 교차하여 형성되는 전계 공통직선(25)에 의해 결정되며, 전계면의 혼 각(21; E-plane flare angle)은 전계 공통직선 위를 움직이는 임의의 점, 혼 꼭지점(17; horn apex)과 도파관의 넓은 폭을 형성하는 위(13a), 아래(13b)의 각각 두 점을 연결하여 결정한다. 상기의 공통직선 위의 혼 꼭지점이 중점일 경우에는 대칭(symmetric) 전계 혼 각을 가지지만, 그렇지 않을 경우에는 상위(21a; upside)와 하위(21b; downside) 전계 혼 각이 각각 다른 비대칭(asymmetric)이 된다. 다중대역에서 특정 주파수를 검출하기 위하여 도파관 내부에 불연속 구조(discontinuous structure)를 삽입하여 대역통과필터(bandpass filter) 및 대역저지필터(bandstop filter)역할을 하게 하였으며, 혼 내부에는 혼 면의 위와 아래에 비대칭으로 불연속 구조를 인가하였다. 상기의 설계 방법으로 넓은 자계면의 혼 각과 비대칭의 전계 혼 각을 갖는 피라미드 혼 안테나 설계가 가능하며, 개구면의 전(front) 방향에 대해 평면 안테나(planar antenna)에서 갖는 빔틸팅(beam tilting) 효과를 얻을 수 있다. 또한, 혼 꼭지점의 위치가 도파관 뒤에 있어 소형 피라미드 혼 안테나의 위상왜곡 오차를 줄여 이득을 높일 수 있다.

피라미드 혼 안테나, 다중대역, 레이더 디텍터, 사다리꼴 도파관, 불연속 구조, 넓은 개구면 폭, 비대칭 혼 각

Description

사다리꼴 도파관을 이용한 레이더 디텍터 용 피라미드형 혼 안테나 {Pyramidal horn antenna using trapezoid waveguide for Radar detector}

도 1은 본 발명에 의해 설계된 혼 안테나의 사시도이며, 사다리꼴 도파관(10)과 피라미드 혼(20)이 결합된 것을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 의해 설계된 혼 안테나의 전계 단면구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 의해 설계된 혼 안테나의 자계 단면구조를 나타낸 도면이다.

도 4는 사다리꼴 도파관 뒤에 존재하는 혼 꼭지점과 전계면 및 자계면의 혼 각을 결정하는 것을 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 의해 설계된 혼 안테나의 내부를 포함한 전계 단면을 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명에 의해 설계된 피라미드 혼 안테나와 회로 단이 결합된 것을 도시 한 것이다.

본 발명은 다중대역에서 동작하는 레이더 디텍터용 혼 안테나에 관한 것이며, 특히 3개 대역(X-band;10.5GHz, K-band;24.2GHz, Ka-band;33~36GHz)의 각 대역에서 특정 주파수를 검출하는 피라미드 혼 안테나에 관한 발명이다.

피라미드 혼 안테나는 주로 전파천문학(radio astronomy)이나 위성통신의 파라볼라 안테나의 피드부분으로 널리 이용되어 왔으며, 일반적으로 직사각형 도파관의 크기에 따라 동작 대역이 제한되고 이에 대한 성능은 주로 대역폭과 이득에 국한되었다. 주로 마루구조(ridge-structure)를 사용하여 차단주파수(cut-off frequency)를 낮춰 대역폭(bandwidth)을 넓히거나 개구면의 크기를 증가시켜 높은 이득을 얻는데 초점을 두고 있다.

혼 안테나가 광대역이나 다중대역에서 동작하기 위해 안테나 내부에 인위적인 불연속 구조를 인가하거나 서로 다른 도파관을 불연속으로 연결하여 반사를 줄여 임피던스 변환기(impedance transformer)로 동작하도록 한다. 불연속 구조에는 도파관 내부에 전도체 막대(conducting post)나 마루구조를 사용하는 경우가 있는데, 기본 주파수에 대한 차단주파수를 낮추어 동작 대역을 넓힌다. 또한, 주기적 주름 형 구조(periodic serration structure)는 광대역에 적합하며, 특정대역 간의 간섭을 차단하고자 하는 목적에 이용된다. 다중 대역을 위해서 서로 다른 크기의 도파관을 연결할 경우, 모드정합(mode matching)을 위해 계단형(stepwise)구조 결합을 사용하는데 이 경우 벽면에서 자유도(degrees of freedom)가 증가하여 소멸 파(evanescent wave)가 증가하는 문제점이 있어 이를 해결하기 위해 서로 다른 크기의 폭을 갖는 도파관을 캐스코드로 연결하여 다중 분해능(multi resolution) 최적화 방법으로 수렴도(convergence)를 높여 해결할 수 있다.

레이더 디텍터에 사용되는 안테나는 소형 피라미드 혼 안테나이며, 피드는 회로 단(30)과 연결될 경우 마이크로 스트립 라인이 된다. 이 경우 안테나의 길이의 제한으로 주름 형이나 임피던스 변환기 형태의 안테나 피드 구현은 어려우며, 마이크로 스트립 라인으로 연결될 경우 단일마루 구조가 적절한 불연속 구조이다. 전도체 막대의 기계적인 튜닝 방법으로 필터역할을 하게 하지만, 이는 특정대역 검출시에 오작동할 우려가 있어 제 기능을 못하는 경우가 있다.

본 발명은 사다리꼴 모양의 도파관을 이용하여 피라미드 혼 안테나를 설계하였으며, 혼 안테나의 크기는 도파관의 영향을 받는다. 넓은 자계면을 가지며, 도파관의 높이와 옆면을 포함하는 가상의 두면과 전계 면이 교차하여 생기는 공통직선 위를 움직이는 혼 꼭지점으로 비대칭 전계면을 갖는 혼 안테나 설계가 가능하다. 전계 면에 대해 비대칭으로 불연속 구조를 인가하여 혼 안테나가 필터역할을 하도록 하여 다중 대역에서 각 대역의 특정 주파수를 검출하는 레이더 디텍터용 피라미드 혼 안테나를 설계하는 방법이다.

도파관은 사다리꼴 모양 도파관(10)으로 설계되었으며 주파수의 대역에 따라 크기가 달라진다. 본 발명에서는 기본적으로 도파관의 크기는 상위주파수에 해당하는 도파관 모델을 이용하였지만, 출력 폭은 상위주파수의 중간주파수로 설정하였다. 즉, 출력 폭을 제외한 나머지 물리적 크기는 표준 도파관의 내부 폭과 높이(

) 그리고 두께(

)를 사용하였으며, 도파관의 길이는 차단 파장(cut-off wavelength)의 길이(기본모드 TE₁₀모드일 경우 입력 폭의 2배)로 하였다. 상기에서 사용한 치수는 표준 도파관의 내부길이를 기준으로 한 것이며, 도파관의 입력 폭은 높이의 두 배가 되고, 출력 폭은 높이의 3배보다 크게 설계하였다. 내부에는 도파관의 길이와 동일한 단일 마루(single-ridge)를 사용하여 도파관이 필터 역할을 하게 하여, 회로의 마이크로 스트립 라인과 연결되는 것을 고려하였으며, 폭은 도파관 입력 폭의 ⅓로 제한하였으며, 높이는 회로 단에 연결될 것을 고려하여 기판과 마이크로스트립 라인의 두께를 제외하여 높이를 설정하였다.

피라미드 혼은 상기의 설계된 도파관에 의해 설계된다. 도파관의 옆면이 차단 파장의 길이를 초과하여 연장될 경우 피라미드 혼의 옆면이 되며, 이 경우 피라미드 혼의 자계 면의 혼 각(22)은 도파관의 서로 다른 폭에 의한 각과 같게 된다. 전계면의 혼 각(21)을 결정하기 위해 도파관의 넓은 폭과 좁은 폭의 높이(14)와 도파관 옆면을 포함하는 확장된 가상의 두 면(23; extended imaginary plane)을 가정하고, 이 두 면이 전계면(E-plane)과 교차하여 전계 공통직선(25)을 형성하면, 그 직선 위에 혼 꼭지점(17)을 설정할 수 있다. 그 직선 위를 움직이는 점이 도파관의 넓은 내부 폭의 면을 형성하는 위(13a), 아래(13b)의 네 점과 각각 연결될 경우 피라미드 혼 전계면의 혼 각이 된다. 혼 꼭지점(26)이 전계 공통 직선의 중점에 있을 경우에는 일반적인 피라미드 혼이 되지만, 그렇지 않을 경우에는 전계면의 혼 각은 상위(21a; upside)와 하위(21b; downside)가 달라져 수평면을 기준으로 비대칭(asymmetric)이 된다. 상기의 방법으로 비대칭으로 전계면의 혼 각을 설정할 수 있으며, 개구면의 전(front) 방향에 대해 평면 위성 안테나에서 생기는 빔틸팅(beam tilting) 효과를 얻을 수 있다.

피라미드 혼 내부의 단일마루(28)는 상기에 설계된 도파관의 단일 마루구조와 같은 폭을 갖지만, 일반적으로 사용하는 지수증가형(exponential)의 연속된 마루구조와 달리 본 발명에서는 도파관과 피라미드 혼이 접합 되는 부분에서 개구면까지 도파관의 길이만큼 꺾이는 지점을 갖는 구조이며 상위 전계면의 혼 각(21a)에 따라 꺾이는 높이는 달라진다. 피라미드 혼의 길이를 도파관의 길이의 배수로 설정하여 도 파관의 길이만큼 단일 마루구조는 꺾이는 지점(27)을 가지며, 혼의 길이를 도파관 길이의 n 배로 설정할 경우, 불연속 지점은 도파관과 혼의 단일 마루가 연결되는 접합지점을 포함하여 동일한 n 개가 된다. 단일 마루의 높이에서 개구면 끝까지의 기울기 각을 배수의 길이만큼 나눈 것을 꺾이는 지점이 갖는 증가분 각으로 정한다. 피라미드 혼의 길이를 도파관의 3배로 정할 때 상기의 방법에 의해서 도파관 내의 단일 마루높이와 개구면 끝과 이루는 기울기는 7.2°가 된다. 이 각을 배수 3으로 나누면 2.4°가 되고 첫 번째로 꺽이는 지점에서는 2.4°, 그 다음은 4.8°, 7.2°를 각각 갖게 된다. 또한, 하위 혼 내부에는 전도체 원형 막대(26)를 인가하여 2차원의 전계면을 바라볼 때, 혼 내부의 위, 아래는 비대칭의 불연속 구조가 된다.

상기의 과정으로 설계된 피라미드 혼에는 크게 3가지 특징이 있다. 첫번 째로 혼 내부에는 크게 도파관 내의 균일한 폭과 높이를 갖는 단일 마루구조와 도파관의 길이의 배수만큼 상위 혼 내부의 기울기를 달리하는 단일 마루구조, 하위 혼 내부에 전도체 원형 막대의 3가지 불연속 구조를 인가하여 혼 안테나가 특정 대역을 검출할 수 있는 필터역할을 하도록 하였다. 또한, 설계과정에서 설정한 전계 공통직선(25) 위의 혼 꼭지점(17)은 도파관의 뒤에 존재하게 되는데, 실제로 레이더 디텍터의 용도로 회로 단(30)과 연결될 경우에는 믹서단의 마이크로 스트립 라인이 시작되는 곳으로 즉, 혼 꼭지점이 안테나 피드의 시작부분이다. 그 다음으로 정량적으로 피라미드 혼 안테나의 이득을 산출하려고 할 때 원거리 장(far-field)에서 schelkunoff의 공식을 이용하는데, 혼 꼭지점에서 개구면까지의 거리가 각도에 따라 모두 다르기 때문에 혼 개구면 상의 임의의 점에서 위상은 경로차이가 생긴다. 이로 인한 위상왜곡 오차(phase curvature error)가 발생하며 안테나의 이득에 이를 감안한 이득감쇠요소(gain reduction factor)를 고려한다.

상기의 수학 식에서 a와 b는 혼 안테나의 개구면의 폭과 높이이고,

와

는 각각 전계면과 자계면에 대한 이득감쇠요소를 말한다. 하지만, 본 발명에서는 사다리꼴 도파관을 사용하고 피라미드 혼 각을 결정하는 혼 꼭지점이 도파관 뒤에 존재하기 때문에 전계와 자계면에 대한 이득감쇠요소가 줄어들어 개구면의 높이가 줄어들더라도 높은 이득을 갖는다.

피라미드 혼을 설계하는데 있어 표준 도파관과 피라미드 형태가 일정한 안테나의 설계방법을 탈피하여 새로운 방법으로 혼 안테나 설계가 가능하다. 피라미드의 자계면의 혼 각은 도파관의 폭에 의해서 결정되며, 전계면의 플레어 각은 도파관의 옆면과 높이를 포함하는 가상의 두 면과 전계면이 교차하여 형성되는 전계 공통직선 위에 혼 꼭지점이 자유롭게 이동하여 비대칭으로 설계가 가능하다. 이러한 설계 방법을 이용하여 일반적으로 평면 안테나에서 나타나는 빔 틸팅 효과를 피라미드 혼 안테나에서도 구현할 수 있으며 혼 안테나 내부에 다양한 불연속 구조를 인가하여 특정대역의 주파수를 검출하기 위한 필터의 역할을 하도록 하였다.

Claims

다중 대역 피라미드 혼을 설계함에 있어서 동작 대역 범위에 따라 크기를 다르게 적용하여 사다리꼴 도파관을 설계하고 이를 피라미드 혼 안테나에 적용하는 방법.
제 1항에 있어 피라미드 혼 안테나의 물리적 크기는 도파관의 설계 방법의 연쇄적인 작용으로 결정되며, 도파관의 옆면과 높이를 포함하는 임의의 두 면과 전계면이 교차하여 형성되는 전계 공통직선 위에 존재하는 혼 꼭지점의 위치에 따라 대칭 또는 비대칭을 갖는 상위 및 하위의 전계면의 혼 각을 결정하는 방법
혼 꼭지점이 도파관 뒤에 존재하고 넓은 자계면을 갖는 소형 피라미드 혼 안테나를 설계하여 이득감쇠요소가 줄어들어 향상된 이득을 갖는 혼 안테나의 설계방법.