KR101090113B1 - 유전체 부재를 사용하는 복사 소자 및 이를 포함하는 안테나 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유전체 부재를 이용하여 빔 포인팅 에러 및 빔 트랙킹 에러를 개선하는 복사 소자 및 이를 포함하는 안테나에 관한 것이다. 상기 복사 소자는 제 1 다이폴 소자, 상기 제 1 다이폴 소자와 인접하여 위치한 제 2 다이폴 소자, 상기 제 1 다이폴 소자와 마주보는 제 3 다이폴 소자 및 상기 제 2 다이폴 소자와 마주보는 제 4 다이폴 소자를 포함한다. 여기서, 상기 제 1 내지 4 다이폴 소자들은 정방형 구조를 형성하며, 상기 제 1 내지 4 다이폴 소자들 중 적어도 하나에 유전체 부재가 결합되고, 상기 제 1 다이폴 소자는 (+)전류를 위한 제 1-1 서브 다이폴 소자와 (-)전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자를 포함하며, 상기 제 3 다이폴 소자는 (+)전류를 위한 제 3-1 서브 다이폴 소자 및 (-)전류를 위한 제 3-2 서브 다이폴 소자를 가지고, 상기 제 1-1 서브 다이폴 소자의 종단부에 제 1 유전체 부재가 결합되며, 상기 제 3-2 서브 다이폴 소자의 종단부에 제 2 유전체 부재가 결합된다.
어레이 안테나, 빔 포인팅 에러, 빔 트랙킹 에러, 다이폴 소자
Description
본 발명은 복사 소자 및 이를 포함하는 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전체 부재를 이용하여 빔 포인팅 에러 및 빔 트랙킹 에러를 개선하는 복사 소자 및 이를 포함하는 안테나에 관한 것이다.
안테나는 소정 방사 패턴을 출력하여 전자기파를 송수신하는 소자로서, 일반적으로 하나의 주파수 대역에만 사용된다. 그러나, 최근 복수의 주파수 대역들에 대한 사용의 필요성에 따라 이하의 도 1에 도시된 바와 같은 다중대역 이중편파 안테나가 등장하였다.
도 1은 종래의 다중대역 이중편파 안테나를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 안테나의 빔 포인팅 에러를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 다중대역 이중편파 안테나는 반사판(100), 제 1 복사 소자들(102) 및 제 2 복사 소자들(104)을 포함한다.
제 1 복사 소자들(102)은 반사판(100) 위에 배열되고, 저주파 대역을 위해 사용되며, 이중 편파(±45도 편파)를 발생시킨다.
제 2 복사 소자(104)는 제 1 복사 소자들(102) 내부에 위치하고, 고주파 대역을 위해 사용되며, 이중 편파(±45도 편파)를 발생시킨다.
이러한 안테나에서 방사패턴의 주빔의 방향을 추적하면, 정상적으로는 도 2(A)에 도시된 바와 같이 상기 주빔의 중심이 상기 안테나의 틸트(경사각)이 변함에 따라 θ축을 따라서 움직여야 하나, 실제적으로 도 2(B)에 도시된 바와 같은 빔 포인팅 라인(Beam Pointing Line, 200)을 따라서 움직인다. 결과적으로, 특정 각(202)만큼 빔 포인팅 에러(Beam Pointing Error)가 발생하는 문제점이 발생하였다.
±45도 편파들의 horizontal 이득 차이를 빔 트랙킹 에러(Beam Tracking Error)라 하면, 상기 빔 포인팅 에러 또한 상기 안테나의 틸트가 변화됨에 따라 증가되는 문제점이 발생하였다.
즉, 상기 안테나는 상기 빔 포인팅 에러 및 상기 빔 트랙킹 에러로 인하여 원하는 방향으로 방사 패턴을 출력시킬 수 없었다.
도 1은 종래의 다중대역 이중편파 안테나를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 안테나의 빔 포인팅 에러를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 다중대역 이중편파 안테나는 반사판(100), 제 1 복사 소자들(102) 및 제 2 복사 소자들(104)을 포함한다.
제 1 복사 소자들(102)은 반사판(100) 위에 배열되고, 저주파 대역을 위해 사용되며, 이중 편파(±45도 편파)를 발생시킨다.
제 2 복사 소자(104)는 제 1 복사 소자들(102) 내부에 위치하고, 고주파 대역을 위해 사용되며, 이중 편파(±45도 편파)를 발생시킨다.
이러한 안테나에서 방사패턴의 주빔의 방향을 추적하면, 정상적으로는 도 2(A)에 도시된 바와 같이 상기 주빔의 중심이 상기 안테나의 틸트(경사각)이 변함에 따라 θ축을 따라서 움직여야 하나, 실제적으로 도 2(B)에 도시된 바와 같은 빔 포인팅 라인(Beam Pointing Line, 200)을 따라서 움직인다. 결과적으로, 특정 각(202)만큼 빔 포인팅 에러(Beam Pointing Error)가 발생하는 문제점이 발생하였다.
±45도 편파들의 horizontal 이득 차이를 빔 트랙킹 에러(Beam Tracking Error)라 하면, 상기 빔 포인팅 에러 또한 상기 안테나의 틸트가 변화됨에 따라 증가되는 문제점이 발생하였다.
즉, 상기 안테나는 상기 빔 포인팅 에러 및 상기 빔 트랙킹 에러로 인하여 원하는 방향으로 방사 패턴을 출력시킬 수 없었다.
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본 발명의 목적은 빔 포인팅 에러 및 빔 트랙킹 에러를 감소시키는 복사 소자 및 이를 포함하는 안테나를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나에 사용되는 복사 소자는 제 1 다이폴 소자; 상기 제 1 다이폴 소자와 인접하여 위치한 제 2 다이폴 소자; 상기 제 1 다이폴 소자와 마주보는 제 3 다이폴 소자; 및 상기 제 2 다이폴 소자와 마주보는 제 4 다이폴 소자를 포함한다. 여기서, 상기 제 1 내지 4 다이폴 소자들은 정방형 구조를 형성하며, 상기 제 1 내지 4 다이폴 소자들 중 적어도 하나에 유전체 부재가 결합되고, 상기 제 1 다이폴 소자는 (+)전류를 위한 제 1-1 서브 다이폴 소자와 (-)전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자를 포함하며, 상기 제 3 다이폴 소자는 (+)전류를 위한 제 3-1 서브 다이폴 소자 및 (-)전류를 위한 제 3-2 서브 다이폴 소자를 가지고, 상기 제 1-1 서브 다이폴 소자의 종단부에 제 1 유전체 부재가 결합되며, 상기 제 3-2 서브 다이폴 소자의 종단부에 제 2 유전체 부재가 결합된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나에 사용되는 복사 소자는 (+)전류를 위한 제 1-1 서브 다이폴 소자와 (-)전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자를 가지는 제 1 다이폴 소자; 및 상기 제 1 다이폴 소자와 마주보며, (+)전류를 위한 제 2-1 서브 다이폴 소자 및 (-)전류를 위한 제 2-2 서브 다이폴 소자를 가지는 제 2 다이폴 소자를 포함한다. 여기서, 상기 제 1-1 서브 다이폴 소자 또는 상기 제 2-1 서브 다이폴 소자는 그의 전기적 길이가 해당 물리적 길이보다 길어지도록 구현된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나에 사용되는 복사 소자는 (+)전류를 위한 제 1-1 서브 다이폴 소자와 (-)전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자를 가지는 제 1 다이폴 소자; 및 상기 제 1 다이폴 소자와 마주보며, (+)전류를 위한 제 2-1 서브 다이폴 소자 및 (-)전류를 위한 제 2-2 서브 다이폴 소자를 가지는 제 2 다이폴 소자를 포함한다. 여기서, 상기 제 1-1 서브 다이폴 소자 또는 상기 제 2-1 서브 다이폴 소자는 그의 전기적 길이가 해당 물리적 길이보다 길어지도록 구현된다.
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본 발명에 따른 복사 소자는 유전체 부재들을 사용하여 해당 다이폴 소자들의 전기적 길이를 증가시키므로, 상기 복사 소자를 사용하는 안테나의 빔 포인팅 에러 및 빔 트랙킹 에러가 감소하는 장점이 있다. 여기서, 상기 유전체 부재들은 상기 복사 소자의 다이폴 부재들 중 (+) 전류를 위한 다이폴 소자와 (-) 전류를 위한 다이폴 소자에 각기 결합된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복사 소자의 빔 포인팅 에러 개선 과정을 도시한 도면이다.
본 실시예의 안테나로는 다양한 종류의 안테나가 사용될 수 있지만, 이하 설명의 편의를 위하여 이중대역 이중편파 안테나(Dual Band Dual Polarization Antenna, DBDP 안테나)를 예로 하겠다.
도 3(A)를 참조하면, 상기 안테나는 반사판(300), 제 1 복사 소자(302) 및 제 2 복사 소자(304)를 포함한다.
반사판(300)은 접지 및 반사체 역할을 수행하며, 도 3(A)에 도시된 바와 같이 특정 방향으로 절곡된 형상 또는 평면 형상을 가진다. 여기서, 반사판(300)의 절곡 방향은 특정 방향으로 제한되지는 않는다.
제 1 복사 소자(302)는 저주파 대역을 위한 복사 소자로서 반사판(300) 위에 배열되며, 후술하는 바와 같이 콤비네이션 방법(Combination method)을 통하여 방사 패턴을 출력시킨다.
제 2 복사 소자(304)는 고주파 대역을 위한 복사 소자로서, 제 1 복사 소자(302) 내부에 위치하며, 콤비네이션 방법 또는 벡터 합성 방식 등 다양한 방식을 통하여 방사 패턴을 출력시킨다.
이하, ±45도 편파를 발생시키는 제 1 복사 소자(302)의 구조를 자세히 살펴보겠다.
도 3(B)를 참조하면, 제 1 복사 소자(302)는 급전 라인들(302, 306, 310 및 314), 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316) 및 유전체 부재들(318 및 320)을 포함한다.
제 1 다이폴 소자(304)는 급전 라인(302a 및 302b)과 전기적으로 연결되며, 급전 라인(302a)과 연결되는 제 1-1 서브 다이폴 소자(304a) 및 급전 라인(302b)과 연결되는 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)로 이루어진다. 여기서, (+) 전류가 급전라인(302a)을 통하여 제 1-1 서브 다이폴 소자(304a)로 공급되며, (-) 전류가 급전 라인(302b)을 통하여 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)로 공급된다. 다만, 상기 전류는 급전 라인(302a)을 통하여 급전 라인(302b)으로 인가된다.
제 2 다이폴 소자(308)는 제 1 다이폴 소자(304)와 이웃하고, 급전 라인(306a 및 306b)과 전기적으로 연결되며, 급전 라인(306a)과 연결되는 제 2-1 서브 다이폴 소자(308a) 및 급전 라인(306b)과 연결되는 제 2-2 서브 다이폴 소자(308b)로 이루어진다. 여기서, (+) 전류가 급전라인(306a)을 통하여 제 2-1 서브 다이폴 소자(308a)로 공급되며, (-) 전류가 급전 라인(306b)을 통하여 제 2-2 서브 다이폴 소자(308b)로 공급된다.
제 3 다이폴 소자(312)는 제 1 다이폴 소자(304)와 마주보는 위치에 배열되고, 급전 라인(310a 및 310b)과 전기적으로 연결되며, 급전 라인(310a)과 연결되는 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a) 및 급전 라인(310b)과 연결되는 제 3-2 서브 다이폴 소자(312b)로 이루어진다. 여기서, (+) 전류가 급전라인(310a)을 통하여 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)로 공급되며, (-) 전류가 급전 라인(310b)을 통하여 제 3-2 서브 다이폴 소자(312b)로 공급된다.
제 4 다이폴 소자(316)는 제 2 다이폴 소자(308)와 마주보는 위치에 배열되고, 급전 라인(314a 및 314b)과 전기적으로 연결되며, 급전 라인(314a)과 연결되는 제 4-1 서브 다이폴 소자(316a) 및 급전 라인(314b)과 연결되는 제 4-2 서브 다이폴 소자(316b)로 이루어진다. 여기서, (+) 전류가 급전라인(314a)을 통하여 제 4-1 서브 다이폴 소자(316a)로 공급되며, (-) 전류가 급전 라인(314b)을 통하여 제 4-2 서브 다이폴 소자(316b)로 공급된다.
즉, 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316)은 정방형 구조를 가지며, 각기 서브 다이폴 부재들(304a, 304b, 308a, 308b, 312a, 312b, 316a 및 316b)로 이루어진다.
이러한 구조의 제 1 복사 소자(302)에서, 제 1 다이폴 소자(304)와 제 3 다이폴 소자(312)로 전류가 인가되는 경우, 다이폴 소자들(304 및 312)로 흐르는 전류들에 의해 전기장들이 발생하며, 상기 발생된 전기장들이 합성됨에 의해 +45도 편파가 발생한다. 이 경우, 제 2 다이폴 소자(308) 및 제 4 다이폴 소자(316)는 +45도 편파 발생에 영향을 미치지 아니한다. 이러한 방법을 콤비네이션 방법이라 한다.
또한, 제 2 다이폴 소자(308)와 제 4 다이폴 소자(316)로 전류가 인가되는 경우, 다이폴 소자들(308 및 316)로 흐르는 전류들에 의해 전기장들이 발생하며, 상기 발생된 전기장들이 합성됨에 의해 -45도 편파가 발생한다. 이 경우, 제 1 다이폴 소자(304) 및 제 3 다이폴 소자(312)는 -45도 편파 발생에 영향을 미치지 아니한다.
즉, 제 1 복사 소자(302)는 콤비네이션 방법을 통하여 ±45도 편파를 발생시킨다. 다만, 이 경우 빔 포인팅 에러(Beam Pointing Error)가 발생할 수 있으므로, 본 실시예의 안테나는 유전체 부재들(318 및 320)을 이용하여 상기 빔 포인팅 에러를 감소시킨다.
상세하게는, 제 1 유전체 부재(318)는 도 3(B)에 도시된 바와 같이 (-) 전류를 위한 제 2-2 서브 다이폴 소자(308b)의 일부, 예를 들어 종단부와 (+) 전류를 위한 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)의 일부, 예를 들어 종단부와 결합하여 제 2-2 서브 다이폴 소자(308b) 및 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)의 전기적 길이를 각각 증가시킨다.
또한, 제 2 유전체 부재(320)는 도 3(B)에 도시된 바와 같이 (+) 전류를 위한 제 4-1 서브 다이폴 소자(316a)의 일부, 예를 들어 종단부와 (-) 전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)의 일부, 예를 들어 종단부와 결합하여 제 4-1 서브 다이폴 소자(316a) 및 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)의 전기적 길이를 각각 증가시킨다.
이렇게 유전체 부재들(318 및 320)이 다이폴 부재들(304, 308, 312 및 316)과 결합된 경우의 빔 포인팅 에러를 살펴보겠다. 다만, 설명의 편의를 위하여 +45도 편파가 발생하는 경우를 예로 하겠다.
도 4에 도시된 바와 같이, (-) 전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)에 제 2 유전체 부재(320)를 결합시킴에 의해 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)의 빔이 좌측으로 이동되고, (+) 전류를 위한 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)에 제 1 유전체 부재(318)를 결합시킴에 의해 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)의 빔이 우측으로 이동된다. 즉, 특정 다이폴 소자에 해당 유전체 부재를 결합시키면 좌측 또는 우측으로 빔의 중심이 이동되나, 상기 빔들이 합성되면 빔의 컨투어(contour)가 넓어지면서 빔 포인팅 에러가 종래의 안테나에서의 빔 포인팅 에러보다 작아진다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하는 실험 결과를 통하여 상술하겠다.
요컨대, 본 실시예의 안테나는 특정 편파를 발생시키는 다이폴 소자들 중 (-) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자와 (+) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자에 각기 유전체 부재를 결합시켜 상기 서브 다이폴 소자들의 전기적 길이를 증가시키며, 그 결과 상기 안테나의 빔 포인팅 에러가 감소될 수 있다. 다만, 특정 편파를 발생시키는 다이폴 소자들에서 (+) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자들에만 유전체 부재들을 결합시키거나 (-) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자들에만 유전체 부재들을 결합시키지는 않는다. 이 것은 빔 포인팅 에러가 더 커질 수가 있기 때문이다.
위 도 3에서, 하나의 유전체 부재(318 또는 320)가 2개의 서브 다이폴 소자들(308b 및 312a, 316a 및 304b)과 결합되는 도시되었으나, 4개의 유전체 부재들이 서브 다이폴 소자들(308b, 312a, 316a 및 304b)과 각기 결합되도록 구현될 수도 있다.
또한, 서브 다이폴 소자들(308b, 312a, 316a 및 304b) 중 적어도 하나의 전기적 길이를 증가시키는 한 서브 다이폴 소자들(308b, 312a, 316a 및 304b)과 결합되는 부재는 특별히 제한되지 않는다.
게다가, 위 도 3에 도시되지는 않았지만, 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316) 중 적어도 하나에 슬릿이 형성되고, 슬릿이 형성된 상태에서 서브 다이폴 소자들(308b, 312a, 316a 및 304b)에 유전체 부재(318 또는 320)가 결합될 수도 있다.
도 5는 유전체 부재들을 사용하는 복사 소자들의 구조를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 복사 소자들에 대한 azimuth 패턴을 도시한 도면이다.
도 5(A)를 참조하면, 제 1-1 복사 소자에서는, ±45도 편파를 발생시키기 위한 다이폴 소자들(500, 502, 504 및 506) 중 (+) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자들에만 유전체 부재들(510, 512 및 514)이 결합된다.
도 5(B)를 참조하면, 제 1-2 복사 소자에서는, ±45도 편파를 발생시키기 위한 다이폴 소자들(500, 502, 504 및 506) 중 (-) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자들에만 유전체 부재들(520, 522 및 524)이 결합된다.
도 5(C) 및 도 5(D)를 참조하면, 본 실시예의 제 1 복사 소자(302)에서는, 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316) 중 (-) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자와 (+) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자에 각기 유전체 부재들(318 및 320, 330 및 332)이 결합된다.
이러한 구조의 복사 소자들에 대한 azimuth 패턴을 살펴보면, 상기 제 1-1 복사 소자를 위한 azimuth 패턴(600, 610)은 도 6에 도시된 바와 같이 (+) 방향으로 치우치고, 상기 제 1-2 복사 소자를 위한 패턴(602, 612)은 (-) 방향으로 치우침이 확인된다. 반면에, 본 실시예의 제 1 복사 소자(302)를 위한 패턴(604, 614)은 상기 제 1-1 복사 소자 및 상기 제 1-2 복사 소자를 위한 패턴들(600 및 602)에 비하여 특정 방향으로 치우치지 않음이 확인된다.
즉, 유전체 부재들을 다이폴 소자들에 결합시킬 때 상기 유전체 부재들을 (+) 전류를 위한 서브 다이폴 부재와 (-) 전류를 위한 서브 다이폴 부재에 각기 결합시켜야 우수한 방사 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 7은 빔 포인팅 에러를 테스트하기 위한 복사 소자들을 가지는 어레이 안테나의 구조를 도시한 도면이고, 도 8은 도 7의 어레이 안테나에서의 빔 포인팅 에러를 도시한 도면이다. 또한, 도 9는 도 7의 어레이 안테나에서의 빔 트랙킹 에러를 도시한 도면이다.
도 7(A)는 유전체 부재가 결합되지 않은 복사 소자들을 사용하는 종래의 어레이 안테나(다중대역 이중편파 안테나)를 도시하였고, 도 7(B)는 유전체 부재가 결합된 본 실시예의 복사 소자들을 사용하는 어레이 안테나(다중대역 이중편파 안테나)를 도시하였다.
이러한 구조의 어레이 안테나들에서 빔 포인팅 에러를 살펴보면, 종래의 안테나에서의 방사 패턴(±45도 편파)의 빔 포인팅 에러가 도 8(A)에 도시된 바와 같이 상기 안테나의 틸트(경사각)가 커짐에 따라 증가함이 확인된다. 특히, 820㎒ 주변에서 빔 포인팅 에러가 심하게 나타났다.
그러나, 본 실시예의 안테나에서의 방사 패턴(±45도 편파)의 빔 포인팅 에러는 도 8(B)에 도시된 바와 같이 상기 안테나의 틸트(경사각)가 커짐에도 불구하고 크게 증가하지 않음이 확인된다.
즉, 본 실시예의 안테나의 빔 포인팅 에러가 유전체 부재를 사용하지 않는 종래의 안테나에서보다 개선됨이 확인된다.
다음으로, 위의 안테나들에 대한 빔 트랙킹 에러(Beam Tracking Error)를 살펴보면, 종래의 안테나에서의 방사 패턴(±45도 편파)의 빔 트랙킹 에러가 도 9(A)에 도시된 바와 같이 상기 안테나의 틸트(경사각)가 커짐에 따라 증가함이 확인된다. 특히, 820㎒ 주변에서 빔 트랙킹 에러가 심하게 나타났다.
그러나, 본 실시예의 안테나에서의 방사 패턴(±45도 편파)의 빔 트랙킹 에러는 도 9(B)에 도시된 바와 같이 상기 안테나의 틸트(경사각)가 커짐에도 불구하고 크게 증가하지 않음이 확인된다.
즉, 본 실시예의 안테나의 빔 트랙킹 에러가 종래의 안테나에서보다 개선됨이 확인된다.
요컨대, 본 실시예의 안테나는 복사 소자들에 전기적 길이를 증가시킬 수 있는 부재를 결합시키는 방법을 통하여 빔 포인팅 에러 및 빔 트랙킹 에러를 개선시킨다. 다만, 상기 전기적 길이를 증가시키기 위하여 상기 유전체 부재 외에 다이폴 부재 자체에 슬릿이 형성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복사 소자의 빔 포인팅 에러 개선 과정을 도시한 도면이다.
본 실시예의 안테나로는 다양한 종류의 안테나가 사용될 수 있지만, 이하 설명의 편의를 위하여 이중대역 이중편파 안테나(Dual Band Dual Polarization Antenna, DBDP 안테나)를 예로 하겠다.
도 3(A)를 참조하면, 상기 안테나는 반사판(300), 제 1 복사 소자(302) 및 제 2 복사 소자(304)를 포함한다.
반사판(300)은 접지 및 반사체 역할을 수행하며, 도 3(A)에 도시된 바와 같이 특정 방향으로 절곡된 형상 또는 평면 형상을 가진다. 여기서, 반사판(300)의 절곡 방향은 특정 방향으로 제한되지는 않는다.
제 1 복사 소자(302)는 저주파 대역을 위한 복사 소자로서 반사판(300) 위에 배열되며, 후술하는 바와 같이 콤비네이션 방법(Combination method)을 통하여 방사 패턴을 출력시킨다.
제 2 복사 소자(304)는 고주파 대역을 위한 복사 소자로서, 제 1 복사 소자(302) 내부에 위치하며, 콤비네이션 방법 또는 벡터 합성 방식 등 다양한 방식을 통하여 방사 패턴을 출력시킨다.
이하, ±45도 편파를 발생시키는 제 1 복사 소자(302)의 구조를 자세히 살펴보겠다.
도 3(B)를 참조하면, 제 1 복사 소자(302)는 급전 라인들(302, 306, 310 및 314), 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316) 및 유전체 부재들(318 및 320)을 포함한다.
제 1 다이폴 소자(304)는 급전 라인(302a 및 302b)과 전기적으로 연결되며, 급전 라인(302a)과 연결되는 제 1-1 서브 다이폴 소자(304a) 및 급전 라인(302b)과 연결되는 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)로 이루어진다. 여기서, (+) 전류가 급전라인(302a)을 통하여 제 1-1 서브 다이폴 소자(304a)로 공급되며, (-) 전류가 급전 라인(302b)을 통하여 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)로 공급된다. 다만, 상기 전류는 급전 라인(302a)을 통하여 급전 라인(302b)으로 인가된다.
제 2 다이폴 소자(308)는 제 1 다이폴 소자(304)와 이웃하고, 급전 라인(306a 및 306b)과 전기적으로 연결되며, 급전 라인(306a)과 연결되는 제 2-1 서브 다이폴 소자(308a) 및 급전 라인(306b)과 연결되는 제 2-2 서브 다이폴 소자(308b)로 이루어진다. 여기서, (+) 전류가 급전라인(306a)을 통하여 제 2-1 서브 다이폴 소자(308a)로 공급되며, (-) 전류가 급전 라인(306b)을 통하여 제 2-2 서브 다이폴 소자(308b)로 공급된다.
제 3 다이폴 소자(312)는 제 1 다이폴 소자(304)와 마주보는 위치에 배열되고, 급전 라인(310a 및 310b)과 전기적으로 연결되며, 급전 라인(310a)과 연결되는 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a) 및 급전 라인(310b)과 연결되는 제 3-2 서브 다이폴 소자(312b)로 이루어진다. 여기서, (+) 전류가 급전라인(310a)을 통하여 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)로 공급되며, (-) 전류가 급전 라인(310b)을 통하여 제 3-2 서브 다이폴 소자(312b)로 공급된다.
제 4 다이폴 소자(316)는 제 2 다이폴 소자(308)와 마주보는 위치에 배열되고, 급전 라인(314a 및 314b)과 전기적으로 연결되며, 급전 라인(314a)과 연결되는 제 4-1 서브 다이폴 소자(316a) 및 급전 라인(314b)과 연결되는 제 4-2 서브 다이폴 소자(316b)로 이루어진다. 여기서, (+) 전류가 급전라인(314a)을 통하여 제 4-1 서브 다이폴 소자(316a)로 공급되며, (-) 전류가 급전 라인(314b)을 통하여 제 4-2 서브 다이폴 소자(316b)로 공급된다.
즉, 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316)은 정방형 구조를 가지며, 각기 서브 다이폴 부재들(304a, 304b, 308a, 308b, 312a, 312b, 316a 및 316b)로 이루어진다.
이러한 구조의 제 1 복사 소자(302)에서, 제 1 다이폴 소자(304)와 제 3 다이폴 소자(312)로 전류가 인가되는 경우, 다이폴 소자들(304 및 312)로 흐르는 전류들에 의해 전기장들이 발생하며, 상기 발생된 전기장들이 합성됨에 의해 +45도 편파가 발생한다. 이 경우, 제 2 다이폴 소자(308) 및 제 4 다이폴 소자(316)는 +45도 편파 발생에 영향을 미치지 아니한다. 이러한 방법을 콤비네이션 방법이라 한다.
또한, 제 2 다이폴 소자(308)와 제 4 다이폴 소자(316)로 전류가 인가되는 경우, 다이폴 소자들(308 및 316)로 흐르는 전류들에 의해 전기장들이 발생하며, 상기 발생된 전기장들이 합성됨에 의해 -45도 편파가 발생한다. 이 경우, 제 1 다이폴 소자(304) 및 제 3 다이폴 소자(312)는 -45도 편파 발생에 영향을 미치지 아니한다.
즉, 제 1 복사 소자(302)는 콤비네이션 방법을 통하여 ±45도 편파를 발생시킨다. 다만, 이 경우 빔 포인팅 에러(Beam Pointing Error)가 발생할 수 있으므로, 본 실시예의 안테나는 유전체 부재들(318 및 320)을 이용하여 상기 빔 포인팅 에러를 감소시킨다.
상세하게는, 제 1 유전체 부재(318)는 도 3(B)에 도시된 바와 같이 (-) 전류를 위한 제 2-2 서브 다이폴 소자(308b)의 일부, 예를 들어 종단부와 (+) 전류를 위한 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)의 일부, 예를 들어 종단부와 결합하여 제 2-2 서브 다이폴 소자(308b) 및 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)의 전기적 길이를 각각 증가시킨다.
또한, 제 2 유전체 부재(320)는 도 3(B)에 도시된 바와 같이 (+) 전류를 위한 제 4-1 서브 다이폴 소자(316a)의 일부, 예를 들어 종단부와 (-) 전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)의 일부, 예를 들어 종단부와 결합하여 제 4-1 서브 다이폴 소자(316a) 및 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)의 전기적 길이를 각각 증가시킨다.
이렇게 유전체 부재들(318 및 320)이 다이폴 부재들(304, 308, 312 및 316)과 결합된 경우의 빔 포인팅 에러를 살펴보겠다. 다만, 설명의 편의를 위하여 +45도 편파가 발생하는 경우를 예로 하겠다.
도 4에 도시된 바와 같이, (-) 전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)에 제 2 유전체 부재(320)를 결합시킴에 의해 제 1-2 서브 다이폴 소자(304b)의 빔이 좌측으로 이동되고, (+) 전류를 위한 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)에 제 1 유전체 부재(318)를 결합시킴에 의해 제 3-1 서브 다이폴 소자(312a)의 빔이 우측으로 이동된다. 즉, 특정 다이폴 소자에 해당 유전체 부재를 결합시키면 좌측 또는 우측으로 빔의 중심이 이동되나, 상기 빔들이 합성되면 빔의 컨투어(contour)가 넓어지면서 빔 포인팅 에러가 종래의 안테나에서의 빔 포인팅 에러보다 작아진다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하는 실험 결과를 통하여 상술하겠다.
요컨대, 본 실시예의 안테나는 특정 편파를 발생시키는 다이폴 소자들 중 (-) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자와 (+) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자에 각기 유전체 부재를 결합시켜 상기 서브 다이폴 소자들의 전기적 길이를 증가시키며, 그 결과 상기 안테나의 빔 포인팅 에러가 감소될 수 있다. 다만, 특정 편파를 발생시키는 다이폴 소자들에서 (+) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자들에만 유전체 부재들을 결합시키거나 (-) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자들에만 유전체 부재들을 결합시키지는 않는다. 이 것은 빔 포인팅 에러가 더 커질 수가 있기 때문이다.
위 도 3에서, 하나의 유전체 부재(318 또는 320)가 2개의 서브 다이폴 소자들(308b 및 312a, 316a 및 304b)과 결합되는 도시되었으나, 4개의 유전체 부재들이 서브 다이폴 소자들(308b, 312a, 316a 및 304b)과 각기 결합되도록 구현될 수도 있다.
또한, 서브 다이폴 소자들(308b, 312a, 316a 및 304b) 중 적어도 하나의 전기적 길이를 증가시키는 한 서브 다이폴 소자들(308b, 312a, 316a 및 304b)과 결합되는 부재는 특별히 제한되지 않는다.
게다가, 위 도 3에 도시되지는 않았지만, 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316) 중 적어도 하나에 슬릿이 형성되고, 슬릿이 형성된 상태에서 서브 다이폴 소자들(308b, 312a, 316a 및 304b)에 유전체 부재(318 또는 320)가 결합될 수도 있다.
도 5는 유전체 부재들을 사용하는 복사 소자들의 구조를 도시한 도면이고, 도 6은 도 5의 복사 소자들에 대한 azimuth 패턴을 도시한 도면이다.
도 5(A)를 참조하면, 제 1-1 복사 소자에서는, ±45도 편파를 발생시키기 위한 다이폴 소자들(500, 502, 504 및 506) 중 (+) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자들에만 유전체 부재들(510, 512 및 514)이 결합된다.
도 5(B)를 참조하면, 제 1-2 복사 소자에서는, ±45도 편파를 발생시키기 위한 다이폴 소자들(500, 502, 504 및 506) 중 (-) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자들에만 유전체 부재들(520, 522 및 524)이 결합된다.
도 5(C) 및 도 5(D)를 참조하면, 본 실시예의 제 1 복사 소자(302)에서는, 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316) 중 (-) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자와 (+) 전류와 관련된 서브 다이폴 소자에 각기 유전체 부재들(318 및 320, 330 및 332)이 결합된다.
이러한 구조의 복사 소자들에 대한 azimuth 패턴을 살펴보면, 상기 제 1-1 복사 소자를 위한 azimuth 패턴(600, 610)은 도 6에 도시된 바와 같이 (+) 방향으로 치우치고, 상기 제 1-2 복사 소자를 위한 패턴(602, 612)은 (-) 방향으로 치우침이 확인된다. 반면에, 본 실시예의 제 1 복사 소자(302)를 위한 패턴(604, 614)은 상기 제 1-1 복사 소자 및 상기 제 1-2 복사 소자를 위한 패턴들(600 및 602)에 비하여 특정 방향으로 치우치지 않음이 확인된다.
즉, 유전체 부재들을 다이폴 소자들에 결합시킬 때 상기 유전체 부재들을 (+) 전류를 위한 서브 다이폴 부재와 (-) 전류를 위한 서브 다이폴 부재에 각기 결합시켜야 우수한 방사 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 7은 빔 포인팅 에러를 테스트하기 위한 복사 소자들을 가지는 어레이 안테나의 구조를 도시한 도면이고, 도 8은 도 7의 어레이 안테나에서의 빔 포인팅 에러를 도시한 도면이다. 또한, 도 9는 도 7의 어레이 안테나에서의 빔 트랙킹 에러를 도시한 도면이다.
도 7(A)는 유전체 부재가 결합되지 않은 복사 소자들을 사용하는 종래의 어레이 안테나(다중대역 이중편파 안테나)를 도시하였고, 도 7(B)는 유전체 부재가 결합된 본 실시예의 복사 소자들을 사용하는 어레이 안테나(다중대역 이중편파 안테나)를 도시하였다.
이러한 구조의 어레이 안테나들에서 빔 포인팅 에러를 살펴보면, 종래의 안테나에서의 방사 패턴(±45도 편파)의 빔 포인팅 에러가 도 8(A)에 도시된 바와 같이 상기 안테나의 틸트(경사각)가 커짐에 따라 증가함이 확인된다. 특히, 820㎒ 주변에서 빔 포인팅 에러가 심하게 나타났다.
그러나, 본 실시예의 안테나에서의 방사 패턴(±45도 편파)의 빔 포인팅 에러는 도 8(B)에 도시된 바와 같이 상기 안테나의 틸트(경사각)가 커짐에도 불구하고 크게 증가하지 않음이 확인된다.
즉, 본 실시예의 안테나의 빔 포인팅 에러가 유전체 부재를 사용하지 않는 종래의 안테나에서보다 개선됨이 확인된다.
다음으로, 위의 안테나들에 대한 빔 트랙킹 에러(Beam Tracking Error)를 살펴보면, 종래의 안테나에서의 방사 패턴(±45도 편파)의 빔 트랙킹 에러가 도 9(A)에 도시된 바와 같이 상기 안테나의 틸트(경사각)가 커짐에 따라 증가함이 확인된다. 특히, 820㎒ 주변에서 빔 트랙킹 에러가 심하게 나타났다.
그러나, 본 실시예의 안테나에서의 방사 패턴(±45도 편파)의 빔 트랙킹 에러는 도 9(B)에 도시된 바와 같이 상기 안테나의 틸트(경사각)가 커짐에도 불구하고 크게 증가하지 않음이 확인된다.
즉, 본 실시예의 안테나의 빔 트랙킹 에러가 종래의 안테나에서보다 개선됨이 확인된다.
요컨대, 본 실시예의 안테나는 복사 소자들에 전기적 길이를 증가시킬 수 있는 부재를 결합시키는 방법을 통하여 빔 포인팅 에러 및 빔 트랙킹 에러를 개선시킨다. 다만, 상기 전기적 길이를 증가시키기 위하여 상기 유전체 부재 외에 다이폴 부재 자체에 슬릿이 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 전기적 길이를 증가시키는 방법은 콤비네이션 방법을 사용하는 어떠한 복사 소자에도 적용될 수 있으며, 도 3의 구조로 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3(B)에서는 다이폴 소자들(304, 308, 312 및 316)의 종단 부분이 굴곡져 있으나, 굴곡지지 않을 수도 있다. 또한, 급전 방식도 위에 설명한 방법과 다르게 수행될 수도 있다.
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상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 종래의 다중대역 이중편파 안테나를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 안테나의 빔 포인팅 에러를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복사 소자의 빔 포인팅 에러 개선 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 유전체 부재들을 사용하는 복사 소자들의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 복사 소자들에 대한 azimuth 패턴을 도시한 도면이다.
도 7은 빔 포인팅 에러를 테스트하기 위한 복사 소자들을 가지는 어레이 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 어레이 안테나에서의 빔 포인팅 에러를 도시한 도면이다.
도 9는 도 7의 어레이 안테나에서의 빔 트랙킹 에러를 도시한 도면이다.
Claims (12)
- 제 1 다이폴 소자;상기 제 1 다이폴 소자와 인접하여 위치한 제 2 다이폴 소자;상기 제 1 다이폴 소자와 마주보는 제 3 다이폴 소자; 및상기 제 2 다이폴 소자와 마주보는 제 4 다이폴 소자를 포함하되,상기 제 1 내지 4 다이폴 소자들은 정방형 구조를 형성하며, 상기 제 1 내지 4 다이폴 소자들 중 적어도 하나에 유전체 부재가 결합되고, 상기 제 1 다이폴 소자는 (+)전류를 위한 제 1-1 서브 다이폴 소자와 (-)전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자를 포함하며, 상기 제 3 다이폴 소자는 (+)전류를 위한 제 3-1 서브 다이폴 소자 및 (-)전류를 위한 제 3-2 서브 다이폴 소자를 가지고, 상기 제 1-1 서브 다이폴 소자의 종단부에 제 1 유전체 부재가 결합되며, 상기 제 3-2 서브 다이폴 소자의 종단부에 제 2 유전체 부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
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- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 다이폴 소자는 (+)전류를 위한 제 2-1 서브 다이폴 소자와 (-)전류를 위한 제 2-2 서브 다이폴 소자를 포함하고, 상기 제 4 다이폴 소자는 (+)전류를 위한 제 4-1 서브 다이폴 소자 및 (-)전류를 위한 제 4-2 서브 다이폴 소자를 가지되,상기 제 2-1 서브 다이폴 소자의 종단부에 제 3 유전체 부재가 결합되고, 상기 제 4-2 서브 다이폴 소자의 종단부에 제 4 유전체 부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
- 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 유전체 부재와 상기 제 4 유전체 부재는 일체형으로 이루어지고, 상기 제 2 유전체 부재와 상기 제 3 유전체 부재 또한 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 안테나는 다중대역 이중편파 안테나이고, 상기 복사 소자는 저주파 대역을 위해 사용되며, 상기 다이폴 소자들은 콤비네이션 방법으로 ±45도 편파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4 다이폴 소자들 중 적어도 하나에 슬릿이 형성되는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
- (+)전류를 위한 제 1-1 서브 다이폴 소자와 (-)전류를 위한 제 1-2 서브 다이폴 소자를 가지는 제 1 다이폴 소자; 및상기 제 1 다이폴 소자와 마주보며, (+)전류를 위한 제 2-1 서브 다이폴 소 자 및 (-)전류를 위한 제 2-2 서브 다이폴 소자를 가지는 제 2 다이폴 소자를 포함하되,상기 제 1-1 서브 다이폴 소자 또는 상기 제 2-1 서브 다이폴 소자는 그의 전기적 길이가 해당 물리적 길이보다 길어지도록 구현되는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
- 제 7 항에 있어서, 상기 제 1-1 서브 다이폴 소자의 전기적 길이가 증가하는 경우 상기 제 2-2 서브 다이폴 소자의 전기적 길이가 해당 물리적 길이보다 길어지도록 구현되고, 상기 제 2-1 서브 다이폴 소자의 전기적 길이가 증가하는 경우 상기 제 1-2 서브 다이폴 소자의 전기적 길이가 해당 물리적 길이보다 길어지도록 구현되는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
- 제 7 항에 있어서, 상기 전기적 길이는 해당 서브 다이폴 소자의 종단에 유전체 부재를 결합시키는 방법을 통하여 증가되는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
- 제 7 항에 있어서, 상기 안테나는 다중대역 이중편파 안테나이고, 상기 복사 소자는 저주파 대역을 위해 사용되며, 상기 다이폴 소자들은 콤비네이션 방법으로 +45도 편파 또는 -45도 편파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 안테나에 사용되는 복사 소자.
- 삭제
- 삭제
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