KR20100097923A - Wideband circular polarized turnstile antenna - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 인공위성 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 원형 편파 신호를 최적으로 발생하기 위한 이득과 축 비가 향상된 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나에 관한 기술이다.BACKGROUND OF THE
TT&C(Tracking, Telemetry and command) 같은 위성 관제 통신 시스템에서는 우주 궤도에 위치한 위성과 지상국 간에 통신을 하기 위해 신호 전달 특성이 좋은 원형 편파 신호를 사용하고 있다. 또한, 관제 시스템 특성상 위성의 자세가 변화해도 통신이 가능해야 하므로 관제용 안테나는 빔 폭이 크고 전면 방향 특성을 갖는 안테나를 사용해야하며 주파수 대역폭이 넓어야 한다.Satellite-controlled communication systems such as tracking, telemetry and command (TT & C) use circularly polarized signals with good signal transmission characteristics to communicate between satellites in space orbit and ground stations. In addition, since the communication system must be able to communicate even if the attitude of the satellite changes due to the characteristics of the control system, the control antenna should use an antenna having a large beam width and a front direction characteristic and a wide frequency bandwidth.
한편, 원형 편파를 이용한 통신 시스템은 주위 환경에 대한 신호전달 특성이 좋다는 장점 외에도 좌, 우수 편파의 신호 분리성 때문에 위성 통신뿐만 아니라 이동 통신, RFID 등 다방면으로 적용되고 있다. 이러한 추세 때문에 원형 편파 안테 나는 많은 수요를 요하고 있다.On the other hand, the communication system using circular polarization has been applied in various fields such as mobile communication, RFID, as well as satellite communication because of the signal separation characteristics of the left and right polarization in addition to the good signal transmission characteristics to the surrounding environment. Because of this trend, circularly polarized antennas are in high demand.
상기와 같은 특성을 발휘하기 위한 종래의 원형 편파 통신 시스템에서 사용되는 안테나가, 대한민국특허청 공개특허공보 등록번호 10-0750850호(2007.08.14. 등록)(발명의 명칭: RFID 리더용 소형 고이득 원편파 안테나 및 이를거치하는 클램프)(이하, "종래기술 1"이라 약칭함) 및 등록특허공보 등록번호 10-0672967호(2007.01.16. 등록)(발명의 명칭: 원형 편파 안테나)(이하, "종래기술 2"라 약칭함)에 개시된다.An antenna used in a conventional circular polarization communication system for exhibiting the above characteristics is Korean Patent Office Publication No. 10-0750850 (registered on August 14, 2007) (name of the invention: a small high gain circle for an RFID reader) Polarized antenna and clamp therein) (hereinafter referred to as "
상기와 같이 개시된 종래기술 1의 원형 편파 통신 시스템용 안테나는, 안테나 방사체로 두개의 수직한 폴디드 다이폴을 사용하고 90°위상차를 주어 원형 편파 안테나로 구현하였으며, 종래기술 2는 배열된 선형 편파 복사소자를 사용하여 하나의 원형 편파 안테나로 구현하기 위해서 각각의 선형 편파 복사소자에 위상 차이를 인가한 형태를 사용함으로써, 단일 복사소자를 이용한 원형 편파 안테나에 비해서 넓은 주파수 대역에서 일관된 안테나 복사패턴을 구현하기 위한 것이다.The antenna for the circular polarization communication system of the
그러나 이러한 종래의 원형 편파 통신 시스템에 적용된 안테나는, 넓은 빔 폭 특성의 넓은 주파수 대역폭을 구현하는 것은 가능하였으나, 전 대역 내에서 축 비가 좋은 특성을 유지하기 어렵다는 단점을 발생하였다.However, the antenna applied to the conventional circular polarization communication system, although it is possible to implement a wide frequency bandwidth of a wide beam width characteristics, there is a disadvantage that it is difficult to maintain a good ratio in the entire band.
또한, 안테나를 소형으로 제작 시 이득이 감소하는 문제점도 발생하였다.In addition, there is a problem that the gain is reduced when the antenna is made small.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 원형 편파 통신 시스템에 적용된 안테나에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,Accordingly, the present invention has been proposed in order to solve various problems occurring in the antenna applied to the conventional circular polarization communication system as described above.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 인공위성 관제 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위해 소형, 넓은 빔 폭, 광대역 특성을 가지면서도 고 이득, 전 주파수 대역 내에서 축 비가 향상된 광대역 턴스타일 안테나를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The problem to be solved by the present invention is a broadband turn-style with small gain, wide beam width, wide band characteristics, high gain, and improved ratio in all frequency bands for use in a communication system using a circularly polarized signal including satellite controlled communication. To provide an antenna.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "광대역 원형 편파 턴스타일 안테나"는,"Wideband circular polarization turn style antenna" according to the present invention for solving the above problems,
원형 편파 통신시스템에서 동축케이블을 통해 전달받은 신호를 분기하고 위상차를 부여한 위상차 분기신호를 출력하는 위상차 전력 분배부와;A phase difference power distribution unit for branching a signal received through a coaxial cable in a circular polarization communication system and outputting a phase difference branch signal to which a phase difference is imparted;
상기 위상차 전력 분배부에서 출력한 상기 위상차 분기신호를 합성하여 공간상에 원형 편파로 방사하는 안테나부를 포함하는 것을 특징으로 한다.And an antenna unit for synthesizing the phase difference branch signals output from the phase difference power distribution unit and radiating circularly polarized waves in the space.
또한, 상기 위상차 전력 분배기는,In addition, the phase difference power divider,
광대역에 걸쳐 균일한 위상차를 주기 위한 단락 스터브를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 단락 스터브의 폭과 길이는 주파수 대역에 따라 변화되는 것을 특징으로 한다.It characterized in that it comprises a short stub for giving a uniform phase difference over the broadband, the width and length of the short stub is characterized in that it changes according to the frequency band.
또한, 상기 안테나부는,In addition, the antenna unit,
상기 위상차 분기신호를 공기 중으로 방사하기 위해 서로 수직하게 위치한 턴스타일 다이폴과;A turn-style dipole positioned perpendicular to each other to radiate the retardation branch signal into the air;
상기 턴스타일 다이폴에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판과;A reflector for increasing forward gain characteristics of the circularly polarized wave emitted by the turn-style dipole;
상기 위상차 분기신호를 상기 턴스타일 다이폴로 전달하고, 상기 턴스타일 다이폴을 상기 반사판에 지지시키는 급전선로와 밸런을 구비한 것을 특징으로 한다.And a feed line and a balance for transmitting the phase difference branch signal to the turn style dipole and supporting the turn style dipole to the reflector.
또한, 상기 턴스타일 다이폴은,In addition, the turn-style dipole,
이득 증가를 위해 2소자를 배열하며, 위상차 전력 분배기에서 분기된 위상차 분기신호를 다이폴 방사체에게 원활하게 공급하기 위해 PCB기판 형태로 제작된 것을 특징으로 한다.Two elements are arranged in order to increase the gain, and a phase difference branch signal branched from the phase difference power divider is manufactured in the form of a PCB substrate to smoothly supply a dipole radiator.
또한, 상기 턴스타일 다이폴은,In addition, the turn-style dipole,
안테나의 광대역 특성을 주기 위해 다이폴 방사체 근처에 기생소자를 더 구비한 것을 특징으로 하며, 상기 기생소자는 대역폭을 결정하기 위해 폭과 길이를 가변되는 것을 특징으로 한다. A parasitic element is further provided near the dipole radiator to give a wide band characteristic of the antenna, and the parasitic element is characterized in that the width and length are varied to determine the bandwidth.
본 발명에 따르면, 고 이득과 광대역 특성의 원형 편파 신호를 최적으로 발생할 수 있으므로, 위성 관제 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용 가능한 장점이 있다.According to the present invention, since a circularly polarized signal having high gain and broadband characteristics can be optimally generated, there is an advantage that can be used in a communication system using a circularly polarized signal including satellite control communication.
또한, 본 발명에 따르면 원형 편파 통신 시스템에서 소형이면서도 이득이 높은 원형 편파 안테나를 제공할 수 있는 장점이 있다.Further, according to the present invention, there is an advantage in that a circularly polarized antenna having a small but high gain can be provided in a circularly polarized communication system.
또한, 본 발명에 따르면, 넓은 빔 폭과 넓은 주파수 대역폭을 가지면서도 고 이득, 전 대역에 걸쳐 좋은 축 비를 얻을 수 있으므로, 위성 관제 통신용 시스템에 최적으로 적용 가능한 장점이 있다.In addition, according to the present invention, while having a wide beam width and a wide frequency bandwidth, high gain, good axial ratio over the entire band can be obtained, there is an advantage that can be optimally applied to the system for satellite control communication.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, described in detail with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the present invention. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 이득과 축 비가 향상된 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나의 구성을 보인 구조도이고, 도 2는 PCB기판으로 제작된 턴스타일 다이폴을 보인 도면이고, 도 3은 PCB기판 형태의 턴스타일 다이폴에 신호가 공급되는 급전 단면 및 주요부분의 신호의 흐름도이고, 도 4는 편파별 위상차 전력 분배부와 안테나부의 연결 도면이며, 도 5는 턴스타일 안테나의 정재파비(VSWR) 결과 그래프이고, 도 6은 턴스타일 안테나의 축 비 결과 그래프이며, 도 7a 및 도 7b는 턴스타일 안테나의 방사 패턴 그래프이다.1A and 1B are structural diagrams showing a configuration of a broadband circular polarized turn style antenna with improved gain and shaft ratio according to the present invention, FIG. 2 is a diagram illustrating a turn style dipole made of a PCB substrate, and FIG. 3 is a PCB substrate form. Figure 4 is a flow chart of the power supply cross section and the signal of the main portion of the signal is supplied to the turn-style dipole of Fig. 4 is a connection diagram of the phase difference power distribution unit and antenna for each polarization, Figure 5 is a graph of the standing wave ratio (VSWR) result of the turn-style antenna 6 is an axial ratio result graph of the turn style antenna, and FIGS. 7A and 7B are graphs of a radiation pattern of the turn style antenna.
이에 도시된 바와 같이, 이득과 축 비가 향상된 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나는 크게 위상차 전력 분배부(1)와 안테나부(2)로 이루어져 있다.As shown in the drawing, the wideband circular polarization turn style antenna with improved gain and axis ratio is composed of a phase difference
먼저, 위상차 전력 분배부(1)에서는 외부 동축 케이블(11)에서 전달된 신호를 두 신호로 분배하는 전력 분배기(12)와 분기 된 두 신호를 안테나부(2)로 공급하기 위한 제 1 급전 비아(13)와 제 2 급전 비아(14), 그리고 두 급전 비아(13)(14)에 90°위상차를 주기 위한 위상천이선로(15)로 구비되며, 주파수 광대역에서 더욱 평탄한 위상차를 주기 위한 단락 스터브(16)가 추가된다.First, in the phase
그리고 안테나부(2)는 제 1 급전 비아(13)와 제 2 급전 비아(14)와 각각 연결되어 있는 동축 케이블 형태의 제 1 급전 선로(21)와 제 2 급전 선로(22), PCB 기판 형태로 되어 두 선로를 통해 위상차 분기 신호를 전달받는 턴스타일 다이폴(23), 금속 재질의 기둥 형태인 제 1 밸런(24)과 제 2 밸런(25), 높은 전방 이득을 얻기 위한 반사판(26)을 구비한다. 여기서 안테나의 추가적 이득을 얻기 위해 턴스타일 다이폴(23)은 2소자를 배열한 2소자 배열(27) 형태를 가진다. 또한, 주파수 광대역 특성을 위해 다이폴 근방에 기생소자(28)를 추가할 수 있다.The
이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 이득과 축 비가 향상된 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나의 동작에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the broadband circular polarization turn-style antenna with improved gain and ratio according to the present invention having such a structure in detail as follows.
외부 동축케이블(11)에서 전달된 신호는 전력 분배기(12)를 통해 같은 전력비를 가지며 분배된다. 이때 분배된 두 신호에 90°위상 차를 주기 위해 한쪽 선로에는 위상천이선로(15)를 구비시키게 된다. 즉, 위상천이선로(15)를 통과한 제 1 급전 비아(13)와 그렇지 않은 제 2 급전 비아(14)에서 서로 위상차를 가지게 되며 위상차는 동작 주파수와 그 길이에 따라 달라진다. 이때 원형 편파를 생성하기 위해서는 90°근방의 위상 차를 필요하게 된다.The signal transmitted from the external
일반적인 위상차 전력 분배기는 동작주파수 내 일정 대역에서만 고정된 위상차를 공급하고 동작 주파수를 벗어나면서 점점 위상차가 달라지는 단점이 있다. 하지만, 주파수 광대역에 대해서 좋은 축 비의 원형 편파를 제공하기 위해서는 전 대역에 걸쳐 일정한 위상차를 공급해야 한다. 본 발명에서는 위상천이선로(15)를 가지지 않는 다른 급전인 제 2 급전 비아(14)에 단락 스터브(16)를 병렬 연결하여 주파수 광대역에서도 일정한 위상차를 공급하게 하였다. 도 6에서 볼 수 있는 것과 같이 단락 스터브(16)를 구비한 턴스타일 안테나가 그렇지 않은 일반 턴스타일의 안테나가 보다 넓은 주파수 대역 범위에서 좋은 축 비를 가짐을 알 수 있다. 여기서 단락 스터브(16)의 길이는 기본적으로 동작 주파수 대역에서 1/4 파장 길이를 가지게 설계하여 제 2 급전 비아(14)에서 임피던스에 변화를 주지 않게 한다. 여기서 동작 주파수 대역에 따라 또는 더욱 좋은 축 비를 얻기 위해 단락 스터브의 길이와 폭은 적당히 조절될 수 있다.In general, the phase difference power divider provides a fixed phase difference only in a predetermined band within an operating frequency, and the phase difference gradually decreases as it moves out of the operating frequency. However, in order to provide good axial ratio circular polarization for frequency broadband, a constant phase difference must be supplied over the entire band. In the present invention, the shorting
상기 위상차 전력 분배기(1)에서 공급된 분배된 위상차 신호는 각각 제 1 급전 선로(21)와 제 2 급전 선로(22)로 공급된다. 이 두 선로는 잘 휘어지지 않는 단단한 동축케이블로 제작하여 밸런(24)(25)과 더불어 안테나를 고정하는 역할을 하게 한다. 즉, 제 1 급전 선로(21)는 수직 다이폴(31)과, 제 2 급전 선로(22)는 수평 다이폴(32)과 연결된다.The divided phase difference signals supplied from the phase
도 2에서 PCB 형태의 턴스타일 다이폴(23)을 자세히 보면 수평 다이폴(32)은 PCB 기판의 앞면(33)에 인쇄되어 있으며, 제 2 급전 선로(22)와 연결되어 있는 수평 다이폴 비아(35)를 통해 분기된 신호를 공급받는다. 또한, 수평 다이폴 신호선(36)을 통해 수평 다이폴 밸런 비아(37)와 연결, 수평 다이폴(32)과 제 2 밸런(25)으로 신호를 전달한다. 마찬가지로 수직 다이폴(31)은 PCB 기판의 뒷면(34)에 인쇄되어 있으며, 제 1 급전 선로(21)와 연결되어 있는 수직 다이폴 비아(38)를 통해 분기된 신호를 공급받는다. 또한, 수직 다이폴 신호선(39)을 통해 수직 다이폴 밸런 비아(40)와 연결, 수직 다이폴(31)과 제 1 밸런(24)으로 신호를 전달한다.Referring to the turn-
이때 각 신호선, 다이폴, 선로, 밸런은 일정간격을 가지며 분리되어 있으며 그 간격은 안테나 임피던스와 두 다이폴 간의 격리 도를 결정하게 된다.At this time, each signal line, dipole, line, and balun are separated with a certain interval, and the interval determines the antenna impedance and the isolation between the two dipoles.
한편, 안테나의 광대역 특성을 얻기 위해 기생소자(28)를 둘 수 있으며, 그 길이와 폭 그리고 다이폴과의 간격은 동작 주파수 및 대역폭을 결정하므로 적절히 조절될 수 있다.On the other hand, the
도 3에서는 PCB 기판 형태로 제작된 턴스타일 다이폴의 급전 단면도와 각 주요부분에 흐르는 신호의 흐름을 보여 주고 있다. 수직 다이폴(31)에 인가되는 신호선 신호(100)는 동축케이블로 되어있는 제 1 급전 선로(21)의 내심에 흐르며, 수직 다이폴(31)과 금속 기둥으로 된 제 1 밸런(24)으로 전달되게 된다. 또한, 접지 신호(101)는 제 1 급전 선로(21)의 외심에 흐르며 전형적인 다이폴의 전류 흐름을 가지게 한다. 한편, 수평 다이폴(32)의 경우 수직 다이폴(31)과 유사한 형태를 가지나, 제 2 급전 선로(22)와 수평 다이폴 비아(35) 연결 부분의 외심이 일부 제거되 어 있는 형태를 가지고 있어 신호 간 분리를 시킨다.Figure 3 shows a feed cross-sectional view of the turn-style dipole manufactured in the form of a PCB substrate and the flow of signals flowing through each major part. The
본 발명에서 원형 편파를 발생하는 원리는 서로 수직한 다이폴의 90°위상차 입력에 기인한다. 이때 위상차가 +90°를 가지면 좌수 편파(LHCP), -90°를 가지면 우수편파(RHCP)를 보이는데, 도 4에서 볼 수 있는 것과 같이 제 1 급전 선로(21)와 연결되어 있는 제 1 급전 비아(13)에 위상천이선로(15)가 연결되었을 시에는 좌수편파(LHCP)가 발생하며, 제 2 급전 선로(22)와 연결되어 있는 제 2 급전 비아(14)에 위상천이선로(15)가 연결되었을 시에는 우수편파(RHCP)가 발생한다. 즉 통신 시스템의 요구에 따라 원하는 좌수, 또는 우수 편파를 생성할 수가 있다.The principle of generating circular polarization in the present invention is due to the 90 ° phase difference input of the dipoles perpendicular to each other. At this time, if the phase difference is + 90 °, the left polarization (LHCP) is shown, and if the phase difference is -90 °, the superior polarization (RHCP) is shown. As shown in FIG. 4, the first feed via connected to the
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
도 1a은 본 발명에 따른 이득과 축 비가 향상된 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나의 하부 구조도이고, 도 1b는 상부 구조도이다.FIG. 1A is a bottom structural diagram of a broadband circular polarization turn style antenna with improved gain and axis ratio according to the present invention, and FIG. 1B is a top structural diagram.
도 2는 PCB기판으로 제작된 턴스타일 다이폴의 구조도.Figure 2 is a structural diagram of a turn-style dipole made of a PCB substrate.
도 3은 PCB기판 형태의 방사체에 신호가 공급되는 급전 단면 및 주요부분의 신호 흐름도.Figure 3 is a signal flow diagram of the power supply section and the main part of the signal is supplied to the radiator in the form of a PCB substrate.
도 4는 편파별 위상차 전력 분배부와 안테나부의 연결도.4 is a connection diagram of a polarization phase difference power distribution unit and an antenna unit.
도 5는 본 발명에 따른 이득과 축 비가 향상된 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나의 정재파비 결과 그래프.5 is a graph of standing wave ratio results of a wideband circular polarization turn style antenna with improved gain and axis ratio according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 이득과 축 비가 향상된 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나의 축 비 결과 그래프.6 is a graph of the axis ratio results of a wideband circular polarization turn style antenna with improved gain and axis ratio according to the present invention;
도 7a 및 7b는 본 발명에 따른 이득과 축 비가 향상된 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나의 방사 패턴 결과 그래프.7A and 7B are graphs of the radiation pattern results of a wideband circular polarization turn style antenna with improved gain and axis ratios according to the present invention;
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1… 위상차 전력 분배부One… Phase difference power divider
2… 안테나부2… Antenna part
16… 단락 스터브16... Short circuit stub
27… 2소자 배열 다이폴27... 2-element array dipole
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