KR20190087885A - 혼 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 혼 안테나는 파(wave)가 전송되는 도파관 및 구면파를 평면파로 변형하는 파라볼라 반사면을 포함한다.

Description

혼 안테나{HORN ANTENNA}

본 발명의 실시 예는 혼 안테나와 관련된다.

레벨게이지는 여러 환경적 요인과 여러 물체를 감지할 수 있어야하기 때문에 일정한 성능을 유지해야 한다. 우수한 임피던스 매칭 특성과 고 이득 성능뿐 아니라 내구성이 뛰어나고 구조가 간단한 혼 안테나를 이용한다.

레벨게이지에 사용되는 도파관 혼 안테나는 여러 가지 좋은 점이 있지만 레벨게이지 자체가 고정적인 탓에 하나의 레벨게이지로 여러 환경에서 사용하기가 어렵다. 예를 들어 물과 기름을 측정할 때 물은 측정이 가능하지만 기름이 경우 측정거리의 차이가 나고 정밀도도 나빠지는 경우다. 또한 안테나의 크기가 고정되어 크기에 따라 달라지는 측정거리의 변화를 줄 수가 없다. 포트(port) 또한 도파관(waveguide)이기 때문에 안테나의 탈부착 또한 불가능하다.

이에 따라, 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 안테나가 요구된다.

본 발명의 목적은 하나의 레벨게이지로 여러 환경에서 사용 가능한 혼 안테나를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 혼 안테나는 파(wave)가 전송되는 도파관 및 구면파를 평면파로 변형하는 파라볼라 반사면을 포함한다.

본 발명에 따른 혼 안테나의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

개시되는 실시 예에 의하면, 반사기가 혼에 전송된 구면파를 평면파로 바꾸어 자유공간에 방사하여, 하나의 레벨게이지로 여러 환경에서 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 혼 안테나의 기본 형상을 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다양한 혼 안테나의 형상을 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 혼 안테나를 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 혼 안테나를 설명하기 위해 평면파 및 구면파를 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 혼 안테나를 설명하기 위해 혼 리플렉터 안테나의 빔 패턴 및 원추형 혼 안테나의 빔패턴을 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 다양한 레벨 게이지의 적용을 나타내는 도면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원추형 혼 안테나의 기본 형상을 나타내는 도면이다.

비접촉식 레벨게이지에 사용하는 안테나 설명

도 1을 참조하면, 전파를 쏘아 돌아오는 신호를 통해 측정하는 레벨게이지는 여러 환경적 요인과 여러 물체를 감지하기 위하여 일정한 성능을 유지할 수 있다. 안테나를 통해 전파를 방사하기 때문에 안테나의 성능이 중요하다. 우수한 임피던스 매칭 특성과 고이득 성능뿐 아니라 내구성이 뛰어나고 구조가 간단한 혼 안테나를 이용한다. 도 1에서 혼 안테나의 왼쪽 부분이 급전부이며 오른쪽 개구면으로 방사하는 형상으로 마련될 수 있다.

혼 안테나는 개구면이 열린 상태이기 때문에 안테나의 급전부를 통해 내부의 이물질이 시스템으로 유입될 수 있어 격리가 필요할 수 있다. 하지만 격리는 불가능 하며, 개구면을 닫을 경우 전파방사에 불이익을 얻을 수 있다.

개구면에 유전체 렌즈 삽입이유

앞서 기술한대로 개구면 안테나를 이용하여 사용할 경우 이물질이 내부에 침입하여 기능에 영향을 미칠 수 있다. 이를 방지하면서 개구면을 닫아서 생길 수 있는 방사불이익을 없애기 위해 유전체 렌즈를 삽입한다. 급전 피드의 위상 중심으로부터 방사된 전계는 구면파를 형성하므로 개구면에서 위상 지연된 전계 분포를 가지게 된다. 이로 인해 안테나 이득이 감소하고 부엽이 증가한다. 렌즈를 통해 개구면에서 형성되는 전계의 위상 분포를 균일하게 하여 안테나의 이득을 확대하고 부엽 준위를 크게 개선시켜준다. 렌즈를 통해 안테나의 격리와 개구면에서 발생하는 위상오차를 줄여 복사패턴을 개선할 수 있다.

급전 피드의 위상 중심으로부터 방사된 전계는 구면파를 형성하므로 개구에서 위상 지연된 전계 분포를 가지므로 안테나 이득이 감소하고 부엽이 증가한다. 유전체 렌즈는 혼의 개구상에 형성되는 전계의 위상 분포를 균일하게 하여 안테나의 이득을 최대화하고 부엽 준위를 크게 개선시켜준다.

도파관은 정해진 주파수에 따라 구격이 나뉘어져 있어 크기가 고정이다. 혼 안테나를 도파관으로 만들기 때문에 변화가 가능한 건 혼의 각도와 개구면 직경이다. 원추형 혼 안테나는 혼의 길이가 일정 할 때 혼의 각도가 증가할수록 이득이 증가하다가 최대 이득 이후 개구면 상에서의 위상오차가 증가하면서 이득이 다시 감소 또한 혼 안테나의 개구면 직경을 일정하게 유지할 때, 혼의 길이가 길수록 즉 혼 각도가 작아질수록 최대의 이득을 얻는다

혼 안테나는 크게 개구면이 네모난 피라미드 형태와 원형인 원추형 형태로 나눌수 있는데 둘의 가장 큰 특징은 편파의 차이다. 피라미드 형태는 선형편파를 원추형 형태는 원형편파를 내보낸다. 레벨게이지는 전파가 어디에서도 수신이 가능해야 하므로 원형편파를 이용한다.

레벨게이지에 사용되는 도파관 혼안테나는 여러 가지 좋은 점이 있지만 레벨게이지 자체가 고정적인 탓에 하나의 레벨게이지로 여러 환경에서 사용하기가 어렵다. 예를 들어 물과 기름을 측정할 때 물은 측정이 가능하지만 기름이 경우 측정거리의 차이가 나고 정밀도도 나빠지는 경우다. 또한 안테나의 크기가 고정되어 크기에 따라 달라지는 측정거리의 변화를 줄 수가 없다. 구체적으로, 도파관은 각 주파수별로 구격이 나누어져있기 때문에 크기가 고정이다. 포트(port) 또한 도파관(waveguide)이기 때문에 안테나의 탈부착 또한 불가능하다. 안테나의 크기는 측정거리에 영향을 주기 때문에 측정거리별 레벨게이지를 따로 판매하고 있다.

위와 같은 문제를 해결할 수 있는 방법이 혼 리플렉터 안테나이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다양한 혼 안테나의 형상을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 원추형 혼 안테나 이외에도 사각형 혼 안테나가 있을 수 있다. 이에 따라, 편파의 차이가 있을 수 있다. 사각형 혼 안테나는 선형편파를 원추형 혼 안테나는 원형편파를 방사하는데 레벨게이지의 경우 어디에서도 전파수신이 가능해야 하므로 원추형 혼 안테나를 이용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 혼 안테나를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 혼 안테나는 혼에 전송된 구면파를 반사기에서 평면파로 바꾸어 자유공간에 방사하는 원리를 이용할 수 있다. 혼과 파라볼라(parabola, 포물선) 반사기를 조합한 구조의 안테나로 1차 복사기의 정점과 반사기의 포점을 일치시키는 구조이다.

특성

1) 방사하는 방향과 반사되는 방향이 서로 다른 offset feed type으로 포물면경의 반사파가 급전점으로 돌아오는 양이 적어 임피던스 부정합 발생 없음

2) 초광대역 특성

3) 개구효율이 좋고 이득도 45dB 이상으로 매우 높음

4) 저잡음 특성이 있음

5) 부엽이(Side Lobe) 적어 전후방비, 전측방비가 좋음

6) 수평/수직, 원 편파 모두 사용할 수 있음

7) 구조가 크고 기계적 강도가 약한 단점이 있음

8) 곡면파를 평면파로 바꾸어 예리한 지향성을 얻음

또한, 기존 혼 안테나를 그대로 사용가능하며 매칭에 대한 걱정도 없는 것이 장점이다. 구조적으로 약한 모습을 보이기 때문에 포물선 반사기를 탈 부착 형태로 만들어 이를 보완한다.

레벨게이지를 사용함에 있어 거리가 늘어나 측정이 정확하지 않을 경우 포물선 반사기를 장착하여 빔을 더욱 샤프하게 만들어 측정거리를 늘려 정확하게 측정이 가능하도록 돕는다.

구면파를 평면파로 만들어 주기 때문에 거리가 늘어날수록 세기가 약해지는 구면파보다 일정한 평면파로 좀 더 정확하게 측정이 가능한 점이 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 혼 안테나를 설명하기 위해 평면파 및 구면파를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 혼 안테나를 설명하기 위해 혼 리플렉터 안테나의 빔 패턴 및 원추형 혼 안테나의 빔패턴을 나타내는 도면이다.

평면파와 구면파의 그림을 보면 평면파는 일정한 간격으로 나가며 구면파는 점점 커져가는 것을 알 수 있으며 구면파는 거리가 늘어남에 따라 세기가 약해질 수 있다. 이는 평면파가 측정에 더 유리함을 나타낼 수 있다. 세기의 비교는 도 5와 같이 나타날 수 있다.

도 5를 참조하면, 왼쪽이 혼 리플렉터 안테나의 밤패턴이고 오른쪽이 원추형 혼 안테나의 빔 패턴이다. 안테나의 수치가 다르기 때문에 Gain의 직접비교보다는 빔패턴을 비교하는 것이 타당하다. 포물면 반사기를 장착한 후 패턴이 샤프하게 변한 것을 알 수 있다. 이는 높은 이득과 이를 통한 측정거리 상승을 의미한다. 원추형 혼 안테나의 개구면보다 빔 폭이 더 넓게 나타나는 것에 비해 혼 리플렉터 안테나의 빔은 그렇지 않은 것으로 보아 부엽이 적어 전후방비, 전측방비가 좋고 개구효율이 좋다는 것을 의미한다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 다양한 레벨 게이지의 적용을 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 5900 레이더 레벨 게이지, 고성능 가이드 웨이브 레이더 및 5400 레이더 레벨 트랜스미터가 있을 수 있다.

레이더 레벨 게이지는 SIL2인증받은 +-3mm의 정확도의 신뢰성 높은 비접촉식 디자인의 게이지이다. 다양한 재고 관리 응용 분야에서 유지 관리 비용을 절감하는데 활용될 수 있다.

고성능 가이드 웨이브 레이더는 공정 선박 및 제어를 포함하여 대부분의 레벨 및 인터페이스 응용 분야에 정확하고 우수한 성능을 제공할 수 있다.

레이터 레벨 트랜스미터는 높은 신뢰성과 고급 안전성을 갖출 수 있다. 레이터 레벨 트랜스미터는 공정의 유지보수와 구성의 필요성을 줄일 수 있다. 부식성 액체, 끈적이는 매질, 내부 장애물이 있는 탱크, 안전 응용 분야 및 고체에도 이상적 일 수 있다.

레벨게이지는 측정하는 대상과 거리에 따라 여러 종류로 나눠진다. 고체, 액체, 기름, 기체, 등 환경에 따라서도 달라질 수 있다. 종류별 변화가 큰 부분이 안테나 부분인데 앞서 언급한 대로 매칭이 이미 이루어져있는 상태라 탈부착이 불가능하기 때문에 안테나 크기에 따라 레벨게이지의 종류가 달라지는 경우도 있다. 예를 들어, 안테나의 크기는 레벨게이지의 측정거리에 영향을 주기 때문에 10m 20m 별 레벨게이지의 종류가 있다면 안테나크기에 따라 종류가 나누어지는 까닭이다. 구매자의 입장에서 가격에 차이가 있으므로 10m만 측정한다고 가정하였을 경우 20m의 측정거리는 필요가 없다. 그러나 20m의 거리가 필요하다면 같은 기능을 하지만 측정거리가 다른 레벨게이지를 추가로 구입해야한다는 부담이 있을 수 있다.

혼 리플렉터 안테나는 기존의 혼 안테나보다 더 정확한 정밀성과 더 긴 측정거리를 측정할 수 있다. 또한 port가 waveguide이기 때문에 안테나의 직접적인 탈부착이 불가능하지만 혼과 파라볼라 반사기를 조합한 구조로 1차 복사기의 정점과 반사기의 포점을 일치시키기 때문에 별도의 임피던스 매칭이 필요하지 않아 탈부착이 가능하다. 구조가 크고 기계적 강도가 약하다는 장점도 탈부착을 이용하여 완화시킬 수 있다. 예를 들어 10m의 측정거리를 주로 사용하지만 그 이상을 측정해야할 때 다른 레벨게이지를 구입하는 것이 아니라 그보다 훨씬 저렴한 가격으로 탈부착 포물면반사기를 이용 측정거리를 높여 사용하는 방법일 수 있다. 수량을 주로 측정하지만 유량을 측정할 경우 정밀도가 낮아 정확히 측정이 힘들 때 포물면반사기를 부착하여 정밀도를 상승시켜 측정할 수 있다.

이처럼 포물면반사기의 탈부착을 이용하여 구조가 크고 기계적으로 강도가 약한점을 보완하며 하나의 레벨게이지를 각 상황에 맞게 사용할 수 있도록 하여 구매자의 리스크를 줄여줄 수 있다. 판매자의 입장에서도 더 좋은 성능의 레벨게이지를 새로 만드는 R&D비용보다 탈부착 포물면반사기를 통해 성능을 올리는 방법이 더 경제적일 수 있다.

이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (1)

1. 파(wave)가 전송되는 도파관; 및
   구면파를 평면파로 변형하는 파라볼라 반사면을 포함하는, 혼 안테나.

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