KR20120001409A

KR20120001409A - 이중 원형 편파 턴스타일 안테나

Info

Publication number: KR20120001409A
Application number: KR1020100062165A
Authority: KR
Inventors: 이택경; 이광재
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-04

Abstract

인공위성 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 상황에 따라 고 이득의 좌수/우수 원형 편파 신호를 발생하고, 우주 같은 극한 환경에서도 구조적으로 견고성을 갖도록 한 이중 원형 편파 턴스타일 안테나가 개시된다.
개시된 이중 원형 편파 턴스타일 안테나는, 원형 편파 통신시스템에서 동축케이블을 통해 전달받은 신호를 분기하고, 상기 분기한 신호에 입력 포트에 따라 다른 위상 차를 부여하여 출력하는 전력 분배부와; 우주환경 및 발사 환경에서 겪게 될 온도 변화와 진동 환경에서 안테나의 특성 변화와 파괴를 방지하며, 상기 전력 분배부에서 출력된 신호를 원형 편파로 공간상에 방사시키는 안테나부를 구비하되, 상기 안테나부에, 상기 위상 차가 부여된 신호를 공간상에 방사 하기 위해 서로 수직하게 위치한 두 소자 배열 다이폴과; 상기 두 소자 배열 다이폴에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판과; 상기 위상 차가 부여된 신호를 상기 두 소자 배열 다이폴로 전달하기 위한 금속 급전 구조와; 상기 금속 급전 구조와 대향 설치되며 누설전류 차단을 위한 밸런을 구현한다.

Description

이중 원형 편파 턴스타일 안테나{Dual circular polarization turnstile antenna}

본 발명은 이중 원형 편파 턴스타일 안테나(Dual circular polarization turnstile antenna)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인공위성 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 상황에 따라 고 이득의 좌수/우수 원형 편파 신호를 발생하고, 우주 같은 극한 환경에서도 구조적으로 견고성을 갖도록 한 이중 원형 편파 턴스타일 안테나에 관한 것이다.

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.

한편, 원형 편파를 이용한 통신 시스템은 주위 환경에 대한 신호전달 특성이 좋다는 장점 외에도 좌수·우수 편파의 우수한 신호 분리성과 안테나 부정합 정렬 때문에 생기는 손실을 막기 위해 위성 통신뿐만 아니라 이동 통신, RFID 등 다방면으로 적용되고 있다. 이러한 추세 때문에 원형 편파 안테나는 많은 수요를 요하고 있다.

상기와 같은 특성을 발휘하기 위한 종래의 원형 편파 통신 시스템에서 사용되는 안테나가, 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 특2001-0040623호(2001.05.15. 공개)(발명의 명칭: 2중 편파 다이폴 안테나)(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.

상기와 같이 개시된 종래기술 1의 원형 편파 통신 시스템용 안테나는, 다수의 별개 쌍극자(雙極子)를 이용하여 2중 편파 다이폴 안테나를 구현한 것이고, 종래기술 2는 배열된 선형 편파 복사소자를 사용하여 하나의 원형 편파 안테나로 구현하기 위해서 각각의 선형 편파 복사소자에 위상차이를 인가한 형태를 사용함으로써, 단일 복사소자를 이용한 원형 편파 안테나에 비해서 넓은 주파수 대역에서 일관된 안테나 복사패턴을 구현한 것이다.

그러나 이러한 종래의 원형 편파 통신 시스템에 적용된 안테나는, 넓은 빔 폭 특성의 넓은 주파수 대역폭을 구현하는 것은 가능하였으나, 설계시 결정되는 한가지의 편파만 발생이 가능하다는 단점이 발생하였다.

또한, 위성통신 같은 원거리 통신은 높은 이득이 필요하다는 문제점도 있다.

또한, 상기와 같은 종래의 원형 편파 통신 시스템에 적용된 안테나는, 인공 위성에서 사용하기에는 구조적으로 견고함이 떨어졌으며, 특히 위성 발사 시 외부의 진동에 취약하다는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 원형 편파 통신 시스템에 적용된 안테나에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 인공위성 관제 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위해 넓은 빔 폭, 원형 편파 특성을 가지면서도 상황에 맞는 고 이득의 좌수·우수 원형 편파를 발생하는 이중 원형 편파 턴스타일 안테나를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 우주 환경에서도 구조적으로 견고성을 갖도록 한 이중 원형 편파 턴스타일 안테나를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 "이중 원형 편파 턴스타일 안테나"는,

동축케이블을 통해 전달받은 신호를 분기하고, 상기 분기한 신호에 위상 차를 부여하여 출력하는 전력 분배부와;

상기 전력 분배부에서 출력된 신호를 원형 편파로 공간상에 방사시키는 안테나부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력 분배부는,

입력포트를 통해 동축케이블로부터 전달받은 신호를 분기하는 전력분배기와;

상기 전력분배기에서 분배된 신호의 임피던스를 정합하고, 상기 분기된 신호에 위상 차를 부여하는 λ/4 선로와;

상기 위상 차가 부여된 분기 신호를 안테나부에 전달하기 위한 급전 포트를 포함한다.

또한, 상기 전력 분배부는,

상기 입력포트가 복수이며, 상기 복수의 입력포트 중 신호가 입력되는 포트에 따라 좌수 편파와 우수편파로 분기하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안테나부는,

상기 위상 차가 부여된 신호를 공간상에 방사 하기 위해 서로 수직하게 위치한 두 소자 배열 다이폴과;

상기 두 소자 배열 다이폴에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판과;

상기 위상 차가 부여된 신호를 상기 두 소자 배열 다이폴로 전달하기 위한 금속 급전 구조와;

상기 금속 급전 구조와 대향 설치되며 누설전류 차단을 위한 밸런을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 두 소자 배열 다이폴은, 위쪽 금속 급전 구조와 밸런이 아래쪽 두 소자 배열 다이폴과 닿지 않고 통과할 수 있도록 아래쪽 두 소자 배열 다이폴에는 홈이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 위쪽 금속 급전 구조와 밸런에는 아래쪽 두 소자 다이폴과의 간격 유지를 위해 간격 유지 부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속 급전 구조는,

내부에 공간을 형성하여 동축케이블이 삽입된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 인공위성 관제 통신을 비롯한 원형 편파 신호를 이용하는 통신 시스템에서 사용하기 위해 넓은 빔 폭, 광대역 특성을 가지면서도 이득이 높고 상황에 따른 이중 원형 편파를 발생할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 우주 환경에서도 구조적으로 견고성을 갖는 원형 편파 턴스타일 안테나를 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 하부 구조인 전력 분배부의 구조도.
도 1b는 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 상부 구조인 안테나부의 구조도.
도 2a는 본 발명에 따른 입력포트 1로 신호 인가 시 전력 분배부의 구조도.
도 2b는 본 발명에 따른 입력포트 2로 신호 인가 시 전력 분배부의 구조도.
도 3a는 본 발명에 따른 위층 두 소자 다이폴의 구조도.
도 3b는 본 발명에 따른 아래층 두 소자 다이폴의 구조도.
도 4는 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 정재파비 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 이득 및 축 비 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 방사 패턴 그래프.

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.

도 1a는 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 구조 중 전력분배부의 구조도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 안테나부의 구조도이고, 도 2a 및 도 2b는 상기 전력 분배부의 입력 포트에 따라 서로 다른 위상 차가 발생함을 설명하기 위한 구조도이고, 도 3a와 도 3b는 상기 안테나부의 위쪽 및 아래쪽 두 소자 다이폴을 설명하기 위한 구조도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나는, 크게 전력 분배부(10)와 안테나부(20)로 이루어져 있다.

먼저, 전력 분배부(10)는 도 1a에 도시된 바와 같이, 반사판(16)의 후면에 형성되며, 외부 동축 케이블에서 전달된 신호를 입력포트 1(11a) 또는 입력포트 2(11b)를 통해 전달받아 두 신호로 분배하는 전력 분배기(11)와, 상기 전력 분배기(11)에서 분배된 신호의 임피던스 정합을 위한 λ/4 선로(13)와, 상기 전력 분배기(11)에서 분기한 두 신호를 안테나부(20)로 전달하기 위한 급전 포트(14, 15)로 구성된다.

아울러 안테나부(20)는 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 급전 포트(14, 15)에 각각 동축 케이블(25)이 연결되어 있으며, 이러한 동축 케이블(25)은 금속 급전 구조(21a))의 내부에 구비되어 있다. 또한, 안테나부(20)는 상기 동축 케이블(25a)(25b)을 통해 위상 차가 발생한 분기 신호(17, 18)를 전달받는 두 소자 배열 다이폴(23a)(23b), 상기 두 소자 배열 다이폴(23a)(23b)에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판(16)과, 상기 두 소자 배열 다이폴(23a)(23b)을 지지하기 위한 상기 금속 급전 구조(21a)(21b)와, 상기 금속 급전 구조(21a)(21b)와 대향 설치되며 누설전류 차단을 위한 밸런(22a)(22b)을 구비한다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 동작에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.

외부 동축케이블에서 전달된 신호는 발생하고자 하는 원형 편파의 형태(좌수 편파, 우수편파)에 따라 전력 분배기(11)의 입력포트 1(11a)이나 입력포트 2(11b) 둘 중 하나를 통해 입력받는다. 여기서 입력 포트의 선택은 듀플렉서와 같은 시스템을 이용하여 상황에 따라 선택하게 된다. 우선 입력포트 1(11a)로 신호가 입력될 때 전력 분배기(11)를 통해 같은 전력비를 가지고 분배되며, λ/4 선로(13)를 통해 임피던스 정합이 이루어지고, 분배된 두 신호(17, 18)는 -90°위상 차를 가지고 급전 포트(14, 15)로 전달된다.

또한, 상기 언급한 듀플렉서와 같은 시스템에 의해 입력포트 2(11b)로 신호가 스위칭 되어 전달되면, 마찬가지로 전력 분배기(11)를 통해 같은 전력비를 가지고 분배되며, λ/4 선로(13)를 통해 임피던스 정합이 이루어진다. 하지만, 이번엔 분배된 두 신호(17, 18)는 +90°위상 차를 가지고 급전 포트(14, 15)로 전달된다.

여기서 -90°의 신호가 안테나부(20)로 전달될 경우 좌수 편파(LHCP)가 발생되며, +90°의 신호가 안테나부(20)로 전달될 경우 우수편파(RHCP)가 발생된다.

한편, 급전 포트(14, 15)로 전달된 신호는 금속 급전 구조(21a)(21b)속에 구비되어 있는 동축케이블(25a)(25b)을 통해 두 소자 배열 다이폴(23a)(23b)로 전달된다. 이때 두 소자 다이폴(23a)(23b)은 위층의 두 소자 배열 다이폴(23a)(수직 다이폴)과 아래층의 두 소자 배열 다이폴(23b)(수평 다이폴)로 나뉘며 각각의 다이폴은 금속 급전 구조(21a)(21b)와 밸런(22a)(22b)을 통해 반사판(16)에 지지된다.

도 3a를 보면 전력 분배부(10)에서 전달된 신호(18)는 금속 급전 구조(21a) 속에 구비된 동축 케이블(25a)을 통해 위쪽 두 소자 배열 다이폴(23a)을 여기 시킨다. 한편, 밸런(22a)을 통해 흘러간 전류는 누설전류를 상쇄시키게 된다. 마찬가지로 도 3b를 보면 전력 분배부(10)에서 전달된 신호(18)는 금속 급전 구조(21b) 속에 구비된 동축 케이블(25b)을 통해 아래쪽 두 소자 배열 다이폴(23b)을 여기 시킨다. 이때 밸런(22b)을 통해 흘러간 전류는 누설전류를 상쇄시키게 된다.

여기서 아래쪽 두 소자 배열 다이폴(23b)은 위쪽 두 소자 배열 다이폴(23a)의 신호전달을 위해 금속 급전 구조(21a)와 밸런(22a)이 아래쪽 두 소자 배열 다이폴(23b)과 닿지 않고 통과할 수 있는 홈(27)을 구비하며, 위쪽 금속 급전 구조(21a)와 밸런(22b)에는 아래쪽 두 소자 배열 다이폴(23b)과의 간격 유지를 위해 간격 유지 부재(28)가 구비되어 있다. 이러한 간격 유지 부재(28)는 절연체로 구현하는 것이 바람직하며, 그 간격은 안테나 임피던스와 두 다이폴 간의 격리 도를 결정하게 된다.

여기서 본 발명에 따른 광대역 원형 편파 턴스타일 안테나는 실제 사용 환경이 인공 위성 등에 탑재되어 사용하는 환경이므로, 우주 환경에서의 온도 변화에 물리적 변형이 작아야하며, 위성 발사 시의 진동에 강한 견고성을 갖추어야 한다.

이를 위해서, 두 소자 배열 다이폴(23a)(23b)과 금속 급전 구조(21a)(21b), 밸런(22a)(22b)은 황동소자를 사용하며, 여기서 반사판(16)은 알루미늄 합금소자를 사용하여 제작하였다. 두 소자 배열 다이폴(23a)(23b)의 급전은 황동 소자로 이루어진 금속 급전 구조(21a)(21b)의 내부에 공간에 동축케이블(25a)(25b)을 삽입시켜, 구조적으로 매우 튼튼하게 하였다.

또한, 본 발명은 열팽창 계수가 매우 작은 금속소자(황동, 알루미늄)를 사용하였기 때문에, 저궤도에서의 태양 복사열에 의한 급격한 온도 변화에 둔감한 특성을 보일 수 있는 장점이 있으며, 위성 발사 시 위성으로부터 전달될 진동에 견고한 특성을 보일 수 있다.

본 발명에서 원형 편파를 발생하는 원리는 서로 수직한 두 소자 배열 다이폴의 90°위상 차 입력에 기인한다. 이때 신호를 입력 포트 1(11a)에 입력하면 두 신호(17, 18)의 위상 차가 -90°를 가지며, 다이폴을 통해 방사된 신호는 좌수 편파(LHCP)를 가지게 된다. 마찬가지로 입력 포트 2(11b)에 입력하면 두 신호(17, 18)의 위상 차가 +90°를 가지며, 다이폴을 통해 방사된 신호는 우수 편파(RHCP)를 가지게된다.

도 4는 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 정재파비를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 이득 및 축비 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나의 방사 패턴 그래프이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 원형 편파 턴스타일 안테나는, 넓은 빔 폭과 넓은 주파수 대역폭을 가지면서도 고 이득, 전 대역에 걸쳐 좋은 축비(가로축과 세로축의 비)를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

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.

10… 전력 분배부
11a, 11b… 입력포트 1, 2
13 .....λ/4
14, 15… 급전 포트
17, 18… 분기 신호
20… 안테나부
16… 반사판
21a, 21b… 금속 급전구조
22a, 22b… 밸런
23a,23b… 두 소자 배열 다이폴

Claims

원형 편파 턴스타일 안테나에 있어서,
동축케이블을 통해 전달받은 신호를 분기하고, 상기 분기한 신호에 위상 차를 부여하여 출력하는 전력 분배부와;
상기 전력 분배부에서 출력된 신호를 원형 편파로 공간상에 방사시키는 안테나부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 원형 편파 턴스타일 안테나.
제1항에 있어서, 상기 전력 분배부는,
입력포트를 통해 동축케이블로부터 전달받은 신호를 분기하는 전력분배기와;
상기 전력분배기에서 분배된 신호의 임피던스를 정합하고, 상기 분기된 신호에 위상 차를 부여하는 λ/4 선로와;
상기 위상 차가 부여된 분기 신호를 안테나부에 전달하기 위한 급전 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 원형 편파 턴스타일 안테나.
제2항에 있어서, 상기 전력 분배부는,
상기 입력포트가 복수이며, 상기 복수의 입력포트 중 신호가 입력되는 포트에 따라 좌수 편파와 우수편파로 분기하는 것을 특징으로 하는 이중 원형 편파 턴스타일 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나부는,
상기 위상 차가 부여된 신호를 공간상에 방사 하기 위해 서로 수직하게 위치한 두 소자 배열 다이폴과;
상기 두 소자 배열 다이폴에 의해 방사된 원형 편파의 전방 이득 특성을 증가시키는 반사판과;
상기 위상 차가 부여된 신호를 상기 두 소자 배열 다이폴로 전달하기 위한 금속 급전 구조와;
상기 금속 급전 구조와 대향 설치되며 누설전류 차단을 위한 밸런을 구비한 것을 특징으로 하는 이중 원형 편파 턴스타일 안테나.
제4항에 있어서, 상기 두 소자 배열 다이폴은, 위쪽 금속 급전 구조와 밸런이 아래쪽 두 소자 배열 다이폴과 닿지 않고 통과할 수 있도록 아래쪽 두 소자 배열 다이폴에는 홈이 구비된 것을 특징으로 하는 이중 원형 편파 턴스타일 안테나.
제5항에 있어서, 상기 위쪽 금속 급전 구조와 밸런에는 아래쪽 두 소자 배열 다이폴과의 간격 유지를 위해 간격 유지 부재가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 이중 원형 편파 턴스타일 안테나.
제6항에 있어서, 상기 간격은 안테나 임피던스와 두 다이폴 간의 격리 도를 고려하여 결정하는 것을 특징으로 하는 이중 원형 편파 턴스타일 안테나.
제6항에 있어서, 상기 금속 급전 구조는, 내부에 동축케이블을 삽입하기 위한 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 이중 원현 편파 턴스타일 안테나.