KR100686606B1 - 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나 - Google Patents

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KR100686606B1 KR1020050104109A KR20050104109A KR100686606B1 KR 100686606 B1 KR100686606 B1 KR 100686606B1 KR 1020050104109 A KR1020050104109 A KR 1020050104109A KR 20050104109 A KR20050104109 A KR 20050104109A KR 100686606 B1 KR100686606 B1 KR 100686606B1
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Abstract

본 발명은 편파기를 이용하여 원편파를 수신하는 데 있어 편파 손실을 줄이고 임피던스 매칭과 축비 및 축비 대역폭을 향상시킴으로써 고효율의 원편파를 수신할 수 있도록 하는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나는 하층 도체판과 중층 도체판이 결합되어 내측에 위성 주파수 신호가 전송되는 도파관 및 급전로가 형성되며, 상기 중층 도체판의 상부에 결합되어 도파관과 연통되는 다수의 캐비티 및 슬롯이 형성되어 위성 주파수 신호를 송수신하는 상층 도체판이 구비된 도파관 슬롯 배열 안테나에 있어서, 상기 상층 도체판(200)의 슬롯(210) 상부 주변에는 슬롯(210)과 연통되고 상면(240)에 의해 경계가 구분되는 그루브(230)가 형성되고; 상기 상층 도체판(200)의 상부에는 직선편파를 원편파로 변환하는 스트립 도체(110)와, 상기 스트립 도체(110)의 양측에 돌출 형성되어 임피던스를 변화시키는 매칭 스터브(120)가 구비된 편파기(100);가 결합되는 것을 특징으로 한다.
원편파, 도파관, 편파기, 그루브, 슬롯 배열 안테나

Description

원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나 {Waveguide Slot Array Antenna For Receiving Circularly Polarized Wave}
도 1은 종래 도파관 슬롯 안테나의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나의 결합 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나의 결합 단면도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 하층 도체판의 평면도이고, 도 5b는 하층 도체판의 배면도이며, 도 5c는 하층 도체판의 단면도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 중층 도체판의 평면도이고, 도 6b는 중층 도체판의 배면도이며, 도 6c는 중층 도체판의 단면도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 상층 도체판의 평면도이고, 도 7b는 상층 도체판의 배면도이며, 도 7c는 상층 도체판의 단면도이다.
도 8a는 본 발명에 따른 편파기의 평면도이고, 도 8b는 편파기의 단면도이 다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상층 도체판의 슬롯 주변에 형성된 그루브의 다양한 변형 일례이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편파기의 스트립 도체 및 매칭 스터브의 다양한 변형 일례이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 편파기 110 : 스트립 도체
120 : 매칭 스터브 200 : 상층 도체판
210 : 슬롯(Slot) 220 : 캐비티(Cavity)
230 : 그루브(Groove) 240 : 상면
300 : 중층 도체판 310 : 방사홈
320 : 도파관 321,322,323 : 분배기
330 : 방사관 400 : 하층 도체판
410 : 급전로 420 : 도파관
421,422,423 : 분배기 430 : 방사관
440 : 벌지(Bulge)
본 발명은 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도파관 슬롯 배열 안테나의 슬롯 상부 주변에 원형 그루브를 형성하고, 슬롯으로부터 소정의 거리가 이격된 상부에 슬롯과 동일 내지 유사한 크기의 스트립 도체를 슬롯과 일정각도가 유지되도록 위치시키고, 이 스트립 도체의 양측에 매칭 스터브를 형성하여 임피던스 매칭과 축비 및 축비 대역폭을 향상시킬 수 있도록 하는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나에 관한 것이다.
위성 안테나로서 일반적으로 유전체 기판을 이용한 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나가 널리 이용되는데, 이 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나는 두께가 얇고 가벼우며 부착력이 좋은 특성이 있으며 소형으로 제작이 가능하여 제작이 용이하고 저렴한 특징이 있다.
하지만, 이 마이크로 스트립 패치 어레이 안테나는 유전체의 특성에 따라 전송 신호의 급전 손실이 크고 대역폭이 작은 단점이 있다.
이러한 종래 위성 안테나에서 발생하는 전송 신호의 급전 손실을 줄일 수 있도록 하는 안테나로서 도파관 슬롯 배열 안테나가 있는데, 이 도파관 슬롯 배열 안테나는 신호가 전송되는 급전라인을 도파관으로 형성함으로써 신호의 전송과정에서 발생하는 손실을 줄일 수 있도록 하고 있다.
도 1은 국내등록특허 제400657호 "다중 구조를 갖는 도파관 슬롯 안테나"의 분해 사시도를 나타낸 것이다.
상기 등록특허는 급전로와 제1도파관(32)이 형성되고 상기 급전로와 제1도파관(32)으로 수신되는 주파수의 손실을 방지하기 위하여 방사도파관(31)의 일측에 다단상부(34)가 형성된 하층도체판(30)이 구비되고, 상기 하층도체판(30)의 급전로와 제1도파관(32)과 연통되는 제2급전로와 제2도파관이 형성되며 상부에서 하부로 관통된 방사홈(21)이 형성된 중층도체판(20)이 상기 하층도체판(30)에 적층되며, 그 상부에는 소정의 간격을 두고 돌기(11)가 형성되고 이 돌기(11)의 일측에는 소정의 간격으로 배치되어 상부에서 하부로 관통되는 다수의 슬롯(12)이 형성되며 하면에는 캐비티 형식의 관이 소정의 간격으로 다수 개 형성되어 상기 중층도체판(20)의 상부에 적층되어 주파수를 수신하는 상층도체판(10)으로 이루어진다.
상기의 구성으로 이루어진 다중 구조를 갖는 도파관 슬롯 안테나는 도파관을 통하여 위성 주파수 신호가 전송됨으로써 저항손실 및 방사손실이 작은 효과가 있다.
하지만, 상기 등록특허는 직선편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나이기 때문에 상층도체판에서 직선편파가 아닌 원편파를 수신하는 경우 편파손실이 크게 발생하여 수신 신호의 세기가 절반으로 줄어들게 됨으로써 수신 효율이 좋지 못한 문제점이 있었다.
또한, 직선편파를 원편파로 바꾸기 위하여 상기 등록특허의 상층도체판 슬롯 상단에 스트립 도체가 형성된 편파기를 위치시키는 경우에도 임피던스 매칭과 축비 및 축비 대역폭이 좋지 못하여 수신 효율이 떨어지는 문제점이 여전히 남아 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 편파기를 이용하여 원편파를 수신하는 데 있어 편파 손실을 줄이고 임피던스 매칭과 축비 및 축비 대역폭을 향상시킴으로써 고효율의 원편파를 수신할 수 있도록 하는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나는 하층 도체판과 중층 도체판이 결합되어 내측에 위성 주파수 신호가 전송되는 도파관 및 급전로가 형성되며, 상기 중층 도체판의 상부에 결합되어 도파관과 연통되는 다수의 캐비티 및 슬롯이 형성되어 위성 주파수 신호를 송수신하는 상층 도체판이 구비된 도파관 슬롯 배열 안테나에 있어서, 상기 상층 도체판의 슬롯 상부 주변에는 슬롯과 연통되고 상면에 의해 경계가 구분되는 그루브가 형성되고; 상기 상층 도체판의 상부에는 직선편파를 원편파로 변환하는 스트립 도체와, 상기 스트립 도체의 양측에 돌출 형성되어 임피던스를 변화시키는 매칭 스터브가 구비된 편파기;가 결합되어 이루어진다.
상기 그루브의 평면은 원형이나 원에 근사한 다각형으로 형성되며, 상기 매칭 스터브는 스트립 도체를 중심으로 양측에 대칭되게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 그루브의 깊이는 수신하는 위성 주파수 신호 파장의 1/4배 내외 로 형성되며, 상기 스트립 도체는 슬롯의 길이 방향과 45도 내외의 각도로 교차되도록 슬롯 상부에 위치되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나의 결합 사시도이고, 도 3은 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나의 분해 사시도이며, 도 4는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나의 결합 단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나는 하층 도체판(400), 중층 도체판(300), 상층 도체판(200) 및 편파기(100)가 적층되어 이루어지는데, 상기 하층 도체판(400)과 중층 도체판(300) 및 상층 도체판(200)에는 나사 등의 체결수단을 통하여 상호 결합하기 위한 체결공(401)(301)(201)이 대응되는 위치에 각각 형성된다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 하층 도체판의 평면도이고, 도 5b는 하층 도체판의 배면도이며, 도 5c는 하층 도체판의 단면도이다. 또한, 도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 중층 도체판의 평면도이고, 도 6b는 중층 도체판의 배면도이며, 도 6c는 중층 도체판의 단면도이다.
도 2 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 하층 도체판(400)에는 하부가 폐쇄되고 상부가 개방된 홈통으로 이루어진 도파관(420)이 형성되고, 이 도파관(420) 의 일단에는 상하부를 관통하는 급전로(410)가 형성된다. 상기 급전로(410)는 위성 주파수 신호가 외부장치로 출력되는 통로의 역할을 수행하며, 상기 도파관(420)은 급전로(410)와 연통되어 위성 주파수 신호가 전송되는 통로의 역할을 수행하게 된다. 상기 도파관(420)은 급전로(410)와 연통된 홈통이 분배기(421)(422)(423)를 통하여 확장 분배되어 중앙을 중심으로 대칭되게 형성되는데, 이 도파관(420)의 최종단에는 위성 주파수 신호를 송수신하는 방사관(430)이 형성되며, 이 방사관(430)에는 위성 주파수 신호의 원활한 송수신을 위하여 위성 주파수 신호의 방향을 변경시키기 위해 돌출 형성된 벌지(Bulge)(440)가 구비된다.
상기 중층 도체판(300)에는 상부가 폐쇄되고 하부가 개방된 홈통으로 이루어져 상기 하층 도체판(400)의 도파관(420)과 한쌍으로 결합하여 급전 경로를 형성하는 도파관(320)이 형성된다. 이 도파관(320)은 하층 도체판(400)의 도파관(420)과 마찬가지로 분배기(321)(322)(323)를 통하여 분배되어 최종단에 방사관(330)이 형성되며, 이 방사관(330)의 상부에는 상부 외측과 연통되는 방사홈(310)이 형성된다.
상기 방사홈(310)을 통하여 입력되는 위성 주파수 신호는 하부에 위치된 방사관(330)(430)에서 수신되고 벌지(440)를 통하여 위성 주파수 신호의 방향이 바뀐 후 하층 도체판(400)과 중층 도체판(300)의 결합에 의해 형성되는 도파관(320)(420)을 통하여 중앙으로 전송된 후 급전로(410)를 통하여 외부로 출력되게 된다. 본 발명의 실시예에서 상기 하층 도체판(400) 및 중층 도체판(300)의 방사관(430)(330)과 방사홈(310)은 2×4개로 이루어진다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 상층 도체판의 평면도이고, 도 7b는 상층 도체판의 배면도이며, 도 7c는 상층 도체판의 단면도이다.
상기 상층 도체판(200)에는 상하부를 관통하는 다수의 슬롯(Slot)(210)이 형성되고, 상기 슬롯(210)의 상부 주위에는 슬롯(210)을 중심으로 소정의 깊이로 상부가 개방된 그루브(Groove)(230) 및 상기 그루브(230) 사이의 경계를 형성하는 상면(240)이 형성된다. 또한, 상층 도체판(200)의 하부에는 하측이 개방되고 상측이 슬롯(210)과 연통되는 캐비티(Cavity)(220)가 형성되는데, 이 캐비티(220)는 인접하는 슬롯(210) 4개와 연통되는 크기로 구분되어 각각 형성된다.
상기 슬롯(210)은 위성 주파수 신호를 송수신하는 역할을 수행하고, 상기 그루브(230) 및 상면(240)은 안테나의 입력 임피던스 매칭, 다수의 슬롯(210)에 각각 수신되는 위성 주파수 신호간의 간섭 최소화, 원편파 신호의 축비, 축비 대역폭을 향상시키는 역할을 수행하며, 상기 캐비티(220)는 각 슬롯(210)을 통하여 수신되는 위성 주파수 신호를 모아 중층 도체판(300)의 방사홈(310)에 전달하는 역할을 수행한다.
본 발명의 실시예에서 상기 그루브(230)의 형태는 슬롯(210)의 길이와 동일 내지 유사한 직경을 갖는 원형 기둥으로 형성되는데, 본 발명에 따른 도파관 슬롯 배열 안테나는 원편파 수신용이기 때문에 이 그루브(230)의 평면 모양이 원형에 가까울수록 축비 및 축비 대역폭이 향상되고 안테나의 임피던스를 이 안테나와 외부 장치를 연결하는 동축 케이블에 해당되는 임피던스로 매칭시켜 위성 주파수 신호의 전달이 효율적으로 이루어지게 된다. 상기 다수의 그루브(230) 사이의 경계를 형성하는 상면(240)은 각 슬롯(210)에 인가되는 위성 주파수 신호가 옆으로 새어 나가 상호 간섭 현상을 일으키는 것을 방지하며 축비를 향상시키고 임피던스를 매칭시키는 역할을 수행한다.
상술한 상층 도체판(200)의 슬롯(210) 상단에 형성된 그루브(230)는 그 형태가 적절하게 변형될 수 있는데, 도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그루브의 다양한 변형 일례이다.
도 9a 내지 도 9d에 도시된 바와 같이, 그루브(230)는 안테나 임피던스 매칭과 축비 및 축비 대역폭을 향상시키기 위하여 정팔각형, 정육각형, 마름모, 정사각형 등과 같이 원에 근사한 다양한 다각형 형태로 적절히 변형될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 편파기의 평면도이고, 도 8b는 편파기의 단면도이다.
상기 편파기(100)는 필름 타입으로 이루어지는데, 이 편파기(100)에는 직선 편파를 원편파로 바꾸어주는 스트립 도체(110)가 형성되고, 이 스트립 도체(110)의 양측에는 매칭 스터브(120)가 형성된다.
상기 스트립 도체(110)는 상층 도체판(200)에 형성된 슬롯(210)과 동일 내지 유사한 크기로 이루어져 그루브(230)의 깊이만큼 슬롯(210)과 이격되어 슬롯(210)의 방향과 일정한 각도를 유지하도록 편파기(100)에 형성되는데, 이 스트립 도체(110)는 슬롯(210)과의 방사 간섭에 의해 직선편파를 원편파로 바꾸어 주는 역할을 수행하게 된다.
상기 슬롯(210)과 스트립 도체(110)의 이격거리를 형성하는 그루브(230)의 깊이는 원편파를 이루고 있는 X축과 Y축의 전기장 벡터의 위상차를 90도로 만들어 주기 위하여 수신하고자 하는 위성 주파수 신호 파장의 1/4배 내외의 거리로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스트립 도체(110)는 슬롯(210)의 길이방향과 약 45도 내외의 각도로 교차되도록 위치되는데, 이는 슬롯(210)과 스트립 도체(110)가 서로 평행하면 슬롯(210)으로부터 방사되는 신호가 스트립 도체(110)에 막혀 위성 주파수 신호의 방사가 원활히 이루어지지 못하여 원편파를 제대로 형성하지 못하며, 슬롯(210)과 스트립 도체(110)가 직각을 형성하게 되면 슬롯(210)으로부터 방사되는 신호가 스트립 도체(110)에 제대로 영향을 주지 못하여 원편파를 형성할 수 없기 때문이다. 이는 위성 주파수 신호를 수신하는 과정에서도 동일하게 적용되며, 이에 따라 슬롯(210)에서 방사되는 주파수 신호가 적당히 방사되면서 동시에 스트립 도체(110)에 영향을 주도록 하기 위하여는 상기 슬롯(210)과 스트립 도체(110)가 45도 내외의 각도를 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 매칭 스터브(120)는 스트립 도체(110)와 결합되어 X 형태를 이루게 되는데, 이 매칭 스터브(120)는 스트립 도체(110)를 통하여 변환하는 원편파의 축비 및 축비 대역폭을 향상시키는 역할을 수행한다. 즉, 매칭 스터브(120)는 인덕턴스 또는 커패시턴스로 작용함으로써 스트립 도체(110)와 결합되어 안테나의 임피던스를 변화시키게 되고, 이에 따라 안테나의 공진 주파수를 이동시키거나 대역폭을 더 넓게 확산시켜 축비 대역폭을 향상시키는 역할을 수행하게 된다. 또한, 이 매칭 스터브(120)는 인덕턴스 또는 커패시턴스로 작용하여 스트립 도체(110)에 의해 원편파로 변환되는 주파수 신호의 위상을 변경시킴으로써 X과 Y축의 전기장 벡터의 위상차를 90도로 만들어 주어 축비가 향상된 원편파를 생성할 수 있도록 한다.
본 발명의 실시예에서 상기 매칭 스터브(120)는 스트립 도체(110)의 양측에 직사각형 형태로 형성되어 임피던스를 변화시킴으로써 원편파의 축비 및 축비 대역폭을 향상시킬 수 있도록 하고 있는데, 이러한 매칭 스터브(120)의 형태는 동일 내지 유사한 기능을 수행할 수 있도록 다양하게 변형될 수 있다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편파기의 스트립 도체 및 매칭 스터브의 다양한 변형 일례이다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 스트립 도체(110)는 동일하되 매칭 스터브(120)의 형태가 스트립 도체(110) 양측에 대칭되는 사다리꼴 형태로 이루어질 수 있으며, 도 10b와 도 10c에 도시된 바와 같이 스트립 도체(110)와 매칭 스터브(120)가 마름모꼴 형태로 일체로 형성될 수도 있다.
이러한 스트립 도체(110) 및 매칭 스터브(120)는 도 10d에 도시된 다양한 형태로 변형되어 직선편파를 원편파로 변환시키는 과정에서 임피던스를 변화시켜 원편파의 축비 및 축비 대역폭을 향상시키게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나 는 스트립 도체 및 매칭 스터브를 통하여 직선편파를 원편파로 변환하는 과정에서 원편파의 축비 및 축비 대역폭을 향상시킬 수 있으며, 상층 도체판의 슬롯 상단에 형성된 그루브를 통하여 안테나 임피던스 매칭 및 원편파 축비와 축비 대역폭을 향상시켜 고효율의 원편파를 수신할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나는 고효율의 원편파를 수신하기 위한 상층 도체판의 그루브 및 편파기의 구성이 간단하여 도파관 슬롯 배열 안테나의 크기를 소형으로 제작할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 하층 도체판과 중층 도체판이 결합되어 내측에 위성 주파수 신호가 전송되는 도파관 및 급전로가 형성되며, 상기 중층 도체판의 상부에 결합되어 도파관과 연통되는 다수의 캐비티 및 슬롯이 형성되어 위성 주파수 신호를 송수신하는 상층 도체판이 구비된 도파관 슬롯 배열 안테나에 있어서,
    상기 상층 도체판(200)의 슬롯(210) 상부 주변에는 슬롯(210)과 연통되고 상면(240)에 의해 경계가 구분되는 그루브(230)가 형성되고;
    상기 상층 도체판(200)의 상부에는 직선편파를 원편파로 변환하는 스트립 도체(110)와, 상기 스트립 도체(110)의 양측에 돌출 형성되어 임피던스를 변화시키는 매칭 스터브(120)가 구비된 편파기(100);가 결합되는 것을 특징으로 하는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 그루브(230)의 평면은 원형이나 원에 근사한 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 매칭 스터브(120)는 스트립 도체(110)를 중심으로 양측에 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 그루브(230)의 깊이는 수신하는 위성 주파수 신호 파장의 1/4배 내외로 형성되는 것을 특징으로 하는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스트립 도체(110)는 슬롯(210)의 길이 방향과 45도 내외의 각도로 교차되도록 슬롯(210) 상부에 위치되는 것을 특징으로 하는 원편파 수신용 도파관 슬롯 배열 안테나.
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