KR101137285B1 - 초소형 광대역 송수신 안테나 피더 - Google Patents

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박찬구
이준희
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Abstract

본 발명은 초소형 광대역 송수신 안테나 피더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 쿼드 방식의 안테나와 크로스 다이폴(Cross Dipole) 안테나를 결합한 초소형 광대역 송수신 안테나 피더에 대한 것이다.
이 초소형 광대역 송수신 안테나 피더는, 쿼드 방식의 안테나; 및 상기 쿼드 방식의 안테나와 직교되게 설치되어 상기 쿼드 방식의 안테나에서 방사된 전류분포와 직교하는 전류분포를 방사하는 크로스 다이폴 안테나를 포함한다.
본 발명에 따르면, Feed Network PCB로 설계되어 각각 0°, 90°, 180°, 270°위상 시프트(Phase Shift)가 가능하므로 원편파 구현이 가능하다.

Description

초소형 광대역 송수신 안테나 피더{Micro antenna feeder for wide band}
본 발명은 초소형 광대역 송수신 안테나 피더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 쿼드 방식의 안테나와 크로스 다이폴(Cross Dipole) 안테나를 결합한 초소형 광대역 송수신 안테나 피더에 대한 것이다.
일반적으로 C-밴드의 위성 주파수 대역 신호를 송수신하기 위한 ADE 위성 안테나는 통상 1.2m 이상의 지름을 갖는 파라볼라 디쉬(Parabola Dish)를 이용하여 프라임 포커스 방식 또는 카세그레인 방식으로 파라볼라 디쉬에 반사되어 전파가 모이는 촛점 위치에 피더(급전혼으로도 명명됨)을 설치하여 위성 신호를 송수신하고 있다.
C-Band의 대역이 3.4～6.725으로 비교적 낮은 주파수를 사용하고 있기 때문에 통신용으로 사용하는 안테나의 높은 이득을 위하여 파라볼라 디쉬와 피더(feeder)의 크기가 커질 수밖에 없는 단점을 가지고 있다.
부연하면, 종래의 안테나에 비해 비교적 작은 사이즈의 프라임 포커스와 카세그레인 방식의 안테나를 C-밴드의 대역에 적용시키기 위해서는 피더의 크기가 커지게 된다. 즉, 피더의 크기가 커지게 되므로 파라볼라 디쉬를 작게하는 경우, 피더가 파라볼라 디쉬를 가리게 되는 문제점이 있다.
또한, 이러한 피더(feeder)를 이용하여 양방향 통신을 수행하는 경우 원하는 편파를 형성시키기 위한 편파기와 송ㆍ수신 대역의 편파를 분리시켜주는 직교 모드 변환기가 별도로 구비되어야 하기 때문에 제작 및 설치 과정이 복잡하고 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 현재 CDMA(Code Division Multiple Access) 통신 방식을 이용한 소형 직선 편파용 안테나 시스템은 개발되었다. 그러나, 원편파 안테나 시스템의 소형화는 Axial Ratio, Gain의 광대역 특성을 만족해야 하며, 송수신 안테나 사이의 간섭을 최소화시켜야 하는 등의 기술적인 어려움이 있으므로 개발에 많은 제약이 있었다.
본 발명은 위에서 제기된 종래기술에 따른 문제점을 해소하고자 제안된 것으로서, 크기를 최소화한 송신기(TX), 수신기(RX)가 동시 실장되고 원편파를 구현하면서도 크기가 작은 초소형 광대역 송수신 안테나 피더를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 파라볼라 디쉬와 결합하였을 때 송수신 대역이 가능한 광대역(wideband) 특성을 만족시키는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 해결하기 위한 초소형 광대역 송수신 안테나 피더를 제공한다. 이 초소형 광대역 송수신 안테나 피더는, 쿼드 방식의 안테나; 및 상기 쿼드 방식의 안테나와 직교되게 설치되어 상기 쿼드 방식의 안테나에서 방사된 전류분포와 직교하는 전류분포를 방사하는 크로스 다이폴 안테나를 포함한다.
또한, 초소형 광대역 송수신 안테나 피더는 상기 쿼드 방식의 안테나 또는 크로스 다이폴 안테나와 결합되는 송신 회로 기판; 및 상기 쿼드 방식의 안테나 또는 크로스 다이폴 안테나와 결합되는 수신 회로 기판을 포함한다.
이때, 초소형 광대역 송수신 안테나 피더는 동시에 송수신 대역 모두 광대역 원편파 특성을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 쿼드 방식의 안테나 및 크로스 다이폴 안테나는 조립되는 파라볼라 디쉬의 동일한 송/수신 촛점 및 공간을 공유하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송신 회로 기판은 송신 회로 패턴 기판과 송신 회로 커버 기판을 포함하고, 상기 수신 회로 기판은 수신 회로 패턴 기판과 수신 회로 커버 기판을 포함한다.
이때, 상기 송신 회로 패턴 기판 및 수신 회로 패턴 기판에는, 신호 입력부; 상기 신호 입력부에서 생성된 신호를 분배하고 위상을 천이하는 신호 분배 및 위상 천이기; 분배 및 위상 천이된 신호를 제 1 복수의 소정 각도로 분배하는 제 1 신호 분배기; 상기 신호 분배 및 위상 천이기로부터 상기 분배 및 위상 천이된 신호를 제 2 복수의 소정 각도로 분배하는 제 2 신호 분배기; 상기 제 1 복수의 소정 각도 중 어느 하나를 제 3 소정 각도로 만들기 위해 상기 분배 및 위상 천이된 신호를 지연시키는 제 1 신호 지연부; 및 상기 제 2 복수의 소정 각도 중 어느 하나를 제 4 소정 각도로 만들기 위해 상기 분배 및 위상 천이된 신호를 지연시키는 제 2 신호 지연부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 신호 분배 및 위상 천이기, 제 1 신호 분배기, 제 2 신호 분배기, 제 1 신호 지연부 및 제 2 신호 지연부에 형성된 패턴 폭은 0.2 내지 0.4㎜인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 신호 분배기 또는 제 2 신호 분배기와 상기 쿼드 방식의 안테나 중 하나의 안테나를 연결하는 패턴 길이와 상기 제 1 신호 지연부 또는 상기 제 2 신호 지연부와 상기 쿼드 방식의 안테나 중 다른 하나의 안테나를 연결하는 패턴 길이는 λ/4 만큼 길이차를 가지는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더를 제공한다. 이 초소형 광대역 송수신 안테나 피더는, 쿼드 방식의 안테나; 상기 쿼드 방식의 안테나 내에 직교되게 설치되어 상기 쿼드 방식의 안테나에서 방사된 전류분포와 직교하는 전류분포를 방사하는 크로스 다이폴 안테나; 상기 쿼드 방식의 안테나 또는 크로스 다이폴 안테나와 결합되는 송신 회로 기판; 상기 송신 회로 기판과 소정 간격을 두고, 상기 쿼드 방식의 안테나 또는 크로스 다이폴 안테나와 결합되는 수신 회로 기판; 및 상기 수신 회로 기판과 상기 송신 회로 기판을 연결하는 체결 수단을 포함한다.
또한, 초소형 광대역 송수신 안테나 피더는, 상기 송신 회로 기판은 송신 회로 패턴 기판과 송신 회로 커버 기판을 포함하고, 상기 수신 회로 기판은 수신 회로 패턴 기판과 수신 회로 커버 기판을 포함한다.
이때, 상기 체결 수단은 상기 송신 회로 패턴 기판과 상기 수신 회로 패턴 기판을 외부에서 연결하는 세미-레지드 케이블(semi-regid cable)인 것을 특징으로 한다.
한편으로, 상기 체결 수단은 상기 송신 회로 패턴 기판과 상기 수신 회로 패턴 기판을 내부에서 비아홀을 통하여 연결하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 쿼드 방식의 안테나는 쿼드리필러 헬릭스 안테나(Quadrifilar Helix Antenna), 쿼드러플 인버티드 에프 안테나(Quadruple Inverted F Antenna), 쿼드리필러 스파이럴 안테나(Quadrifilar Spiral Antenna) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, Feeding Network PCB로 설계되어 각각 0°, 90°, 180°, 270°위상 시프트(Phase Shift)가 가능하므로 원편파 구현이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 피더(Feeder) 자체의 구조가 단순하고 낮은 Gain을 갖고 있으므로 상호간의 간섭을 최소화할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 파라볼라 디쉬와 결합되였을 때 C-Band 대역인 3.4~6.725에서 송수신 대역이 60% 이상이 가능한 광대역 특성을 만족시킨다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쿼드 방식의 안테나와 크로스 다이폴 안테나의 전류분포를 도시한 전류 분포도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 쿼드 방식의 안테나와 크로스 다이폴 안테나의 전류분포를 도시한 전류 분포도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)의 외관 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)의 평면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 송신 회로 패턴 기판(120a)의 후면도이다.
도 7은 도 3에 도시된 송신 회로 패턴 기판(120b)의 피딩(feeding) 네트워크 블록도를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 semi-regid의 체결구조(131a)를 이용하여 송신 회로 패턴 기판(120a)과 수신 회로 패턴 기판(140a)를 연결하는 체결 구조이다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비아홀(900)을 이용하여 송신 회로 패턴 기판(120a)과 수신 회로 패턴 기판(140a)을 직접 연결하는 체결 구조이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)를 파라볼라 디쉬(1000)에 적용한 예이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 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 이해되어야한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 명세서에서 사용되는 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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쿼드 방식의 안테나와 크로스 다이폴 안테나의 전류분포를 도시한 전류 분포도이다. 도 1을 참조하면, 쿼드 방식의 안테나와 크로스 다이폴 안테나는 구조적으로 서로 직각이 되게 설치된다. 따라서, 제 1 쿼드 방식의 안테나와 제 1 크로스 다이폴 안테나가 서로 직교되며, 제 2 쿼드 방식의 안테나와 제 2 크로스 다이폴 안테나가 서로 직교되고, 제 3 쿼드 방식의 안테나와 제 3 크로스 다이폴 안테나가 서로 직교되며, 제 4 쿼드 방식의 안테나와 제 4 크로스 다이폴 안테나가 서로 직교된다.
이때, 각 쿼드 방식의 안테나에 전력을 공급하는 쿼드 방식의 안테나 급전점(1',2',3',4')이 구성되고, 이 안테나 급전점((1',2',3',4')에 의해 쿼드 방식의 안테나에서 발생한 전류분포(1,2,3,4)는 시계방향을 띠게 된다. 이와 함께 크로스 다이폴 안테나에도 크로스 다이폴 안테나 급전점(5',6',7',8')이 구성되고, 이 크로스 다이폴 안테나 급전점(5',6',7',8')에 의해 크로스 다이폴 안테나에서 발생한 전류분포(5,6,7,8)는 송/수신 촛점(20)으로부터 쿼드 방식의 안테나 전류분포(1,2,3,4)와 직교하게 방사되는 형태를 띠게 된다.
이를 위해, 4개의 쿼드 방식의 안테나와 4개의 크로스 다이폴 안테나가 구성되며, 4개의 쿼드 방식의 안테나 내에 4개의 크로스 다이폴 안테나가 놓인다. 이러한 형태를 도시한 도면이 도 4에 도시된다. 즉, 퀴드 방식의 안테나(도 4의 101a 내지 101d)는 외부에 놓이며, 이 쿼드 방식의 안테나(도 4의 101a 내지 101d) 내에 크로스 다이폴 안테나(도 4의 110)가 놓인다. 이 경우, 내측에 구성되는 크로스 다이폴 안테나(도 4의 110)에서 발생되는 주파수가 외측에 구성되는 쿼드 방식의 안테나(도 4의 101a 내지 101d)에서 발생되는 주파수 보다 높게 된다. 도 4에 대하여는 후술하기로 한다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 쿼드 방식의 안테나 전류분포(1,2,3,4)의 방향과 크로스 다이폴 안테나 전류분포(5,6,7,8)는 서로 직교(orthogonal)가 되므로, 송수신 상호간의 영향을 최소화할 수 있으며, 이로 인하여 격리도(isolation) 특성을 개선하는 이점이 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 쿼드 방식의 안테나와 크로스 다이폴 안테나의 전류분포를 도시한 전류 분포도이다. 도 2를 참조하면, 도 1과 달리 도 2는 각 쿼드 방식의 안테나에 전력을 공급하는 쿼드 방식의 안테나 급전점(1',2',3',4')이 구성되고 쿼드 방식의 안테나 전류분포(1,2,3,4)의 방향이 반시계 방향이다. 물론, 도 2도 도 1과 동일하게, 쿼드 방식의 안테나 전류분포(1,2,3,4)의 방향과 크로스 다이폴 안테나 전류분포(5,6,7,8)는 서로 직교(orthogonal)하게 된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)의 분해 사시도이다. 특히, 도 3은 도 1에서 설명한 쿼드 방식의 안테나가 쿼드리필러 헬릭스 안테나인 경우를 설명한 것이다.
도 3을 참조하면, 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)는, 나선형의 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d), 상기 나선형의 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)를 고정시키는 십자 형상의 헬릭스 안테나 지지대(100a,100b); 상기 헬릭스 안테나 지지대(100a,100b)에 내삽되며 송신 회로 패턴(110)이 형성되어 있는 십자형상의 크로스 다이폴 안테나(110); 상기 크로스 다이폴 안테나(110)와 접합되는 송신 회로 기판(120a,120b); 일측면이 상기 수신 회로 기판(120a,120b)과 접촉되며 파라볼라 디쉬와 조립체결되는 피더 브라켓(130); 및 상기 피더 브라켓(130)의 타측면과 접촉되며 상기 나선형의 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)와 조립 연결되는 수신 회로 기판(140a,140b) 등을 포함한다.
나선형의 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)는 1.1 턴(turn)으로 헬릭스 지름은 약 34mm가 되고, 높이가 약 27mm가 된다. 이 나선형의 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)는 각 90°마다 설치되어 360°가 되는데, 이를 위해 이 나선형의 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)는 4개로 구성된다.
따라서, 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)가 헬릭스 안테나 지지대(100a,100b)에 고정되어 평면으로 보면 도 5와 같이 도시된다. 부연하면, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)의 평면도이다.
계속 도 3을 참조하면, 헬릭스 안테나 지지대(100a,100b)는 가로방향의 제 1 헬릭스 안테나 지지대(100a)와 세로방향의 제 2 헬릭스 안테나 지지대(100b)가 십자형으로 조립된다. 물론, 이들 헬릭스 안테나 지지대(100a,100b)의 측면에는 일정 간격을 두고 홀(미도시)이 생성되며, 이 홀에 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)를 삽입시켜 고정하게 된다.
쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)가 조립되면, 이 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)의 원통내에 크로스 다이폴 안테나(110)가 내삽 조립된다. 크로스 다이폴 안테나(110)는 십자형상으로 되어 있으며, 4개의 플레이트에 송신 회로 패턴이 형성되어 있다.
이를 보여주는 크로스 다이폴 안테나 확대도(110-1)가 도시된다. 이 확대도(110-1)를 참조하면, 4개의 플레이트 중 하나의 플레이트(111)를 도시하며, 이 플레이트(111)에는 송신 회로 패턴(111a)이 형성된다. 물론, 이러한 송신 회로 패턴(111a)은 크로스 다이폴 안테나(110)를 구성하는 4개의 플레이트 모두에 형성된다.
크로스 다이폴 안테나(110)와 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)는 송신 회로 패턴 기판(120a) 상에 용접 접합된다. 부연하면, 송신 회로 패턴 기판(120a)의 후면을 보여주는 도면이 도 6에 도시된다. 또한, 송신 회로 패턴 기판(120a)의 피딩(feeding) 네트워크 블록도를 보여주는 도면이 도 7에 도시된다. 도 6 및 도 7에 대하여는 후술하기로 한다.
도 3을 계속 설명하면, 송신 회로 패턴 기판(120a)의 단면을 보여주는 송신 회로 패턴 기판 단면 확대도(120a-1)가 하단에 도시된다. 단면 확대도(120a-1)를 참조하면, 송신 회로 패턴 기판(120a)은 금속성 재질(보통 동판이 사용됨)의 제 1 접지층(120-1), 제 1 유전체층(120-2), 이 유전체층(120-2)에 형성된 송신 회로 패턴층(120-3)으로 구성된다.
이 송신 회로 패턴 기판(120a)에 조립되는 송신 회로 커버 기판(120b)에 대한 송신 회로 커버 기판 단면 확대도(120b-1)가 하단에 도시된다. 이 송신 회로 커버 기판 단면 확대도(120b-1)를 참조하면, 송신 회로 커버 기판(120b)은 송신 회로 패턴 기판(120a)의 송신 회로 패턴층(120-3)과 접촉되는 제 2 유전체층(120-2'), 접지를 위한 제 2 접지층(120-1')으로 구성된다.
따라서, 이 송신 회로 패턴 기판(120a)의 제 1 접지층(120-1) 상에 크로스 다이폴 안테나(110)와 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d)가 일정 간격을 두고 용접 접합된다. 용접 방식으로는 납 용접 등이 사용된다.
부연하면, 크로스 다이폴 안테나(110)와 쿼드리필러 헬릭스 안테나(101a, 101b, 101c, 101d) 모두 각각 90°각도를 이루면서 조립된다. 이를 보여주는 도면이 도 4에 도시된다. 도 4에 대하여는 후술하기로 한다.
송신 회로 커버 기판(120b)은 피더 브라켓(130)과 조립된다. 이 피더 브라켓(130)은 파라볼라 디쉬(미도시)와 조립체결되는 기능을 한다. 이를 위해 피더 브라켓(130)의 귀퉁이에는 파라볼라 디쉬와의 체결을 위한 홀(미도시)이 형성될 수 있다. 피더 브라켓(130)은 보통 알루미늄 재질이 사용되나 이에 한정되지는 않는다.
이 피더 브라켓(130)의 하단면에는 상기 피더 브라켓(130)의 타측면과 접촉되는 수신 회로 커버 기판(140b)이 조립된다. 수신 회로 커버 기판(140b)의 단면을 보여주는 수신 회로 커버 기판 단면 확대도(140b-1)가 하단에 도시된다. 단면 확대도(140b-1)를 참조하면, 접지를 위한 금속성 재질(보통 동판이 사용됨)의 제 3 접지층(140-2') 및, 이 제 3 접지층(140-2') 상에 피복되는 제 3 유전체층(140-1')으로 구성된다.
이 수신 회로 커버 기판(140b)에 조립되는 수신 회로 패턴 기판(140a)에 대한 수신 회로 패턴 기판 단면 확대도(140a-1)가 하단에 도시된다. 이 송신 회로 커버 기판 단면 확대도(140a-1)를 참조하면, 수신 회로 패턴 기판(140a)은 금속성 재질(보통 동판이 사용됨)의 제 4 접지층(140-1), 제 4 유전체층(140-2), 이 유전체층(140-2)에 형성된 수신 회로 패턴층(140-3)으로 구성된다.
물론, 송신 회로 패턴층(120-3)과 수신 회로 패턴층(140-3)은 회로 배선에서 차이가 나지만, 공통적으로는 위상 쉬프트를 위한 4개의 위상 시프트 회로 패턴(미도시)이 형성된다. 이해를 위해 송신 회로 패턴 기판(120a)의 후면과 정면을 보여주는 도면이 도 6 및 도 7에 도시된다. 도 6 및 도 7에 대하여는 후술하기로 한다.
도 3을 참조하여 계속 설명하면, 수신 회로 패턴 기판(140a) 및 수신 회로 커버 기판(140b)을 피더 브라켓(130)에 압착 고정하는 압착 브라켓(150)이 조립된다. 물론, 송신 회로 패턴 기판(120a), 송신 회로 커버 기판(120b), 피더 브라켓(130), 수신 회로 커버 기판(140b), 수신 회로 패턴 기판(140a) 및 압착 브라켓(150)을 고정체결하기 위해 둥근 머리 나사(121a 내지 121d) 및 너트(150a 내지 150d)가 사용된다. 그러나, 이는 이해를 위한 것으로 본 발명은 이러한 나사 너트 구조 방식에 한정되지는 않으며, 커넥터 방식 등도 사용될 수 있다.
또한, 피더 브라켓(130)을 사이에 두고 분리된 송신 회로 패턴 기판(120a)과 수신 회로 패턴 기판(140a)을 연결하는 체결구(131a 내지 131d)가 연결 조립되며, 이 체결구(131a 내지 131d)의 말단은 각각 송신 회로 패턴 기판(120a)과 수신 회로 패턴 기판(140a)에 각각 용접 조립된다. 체결구(131a 내지 131d)로는 신호 및/또는 전력 손실이 적은 세미-레지드 케이블(semi-regid cable)이 사용된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)의 외관 사시도이다. 도 4를 참조하면, 피더 브라켓(130)상에 송신 회로 패턴 기판(120a)이 놓이고, 이 송신 회로 패턴 기판(120a) 상에 90°간격으로 크로스 다이폴 안테나(110)의 플레이트(도 3의 111a)가 연결된다. 물론, 정확히는 플레이트(도 3의 111a)에 에칭후 패터닝된 송신 회로 패턴(도 3의 111)이 송신 회로 패턴 기판(120a)과 용접된다.
또한, 이 송신 회로 패턴 기판(120a) 상에는 90°간격으로 헬릭스 수신 안테나(101a 내지 101d)가 배열되며, 체결구(131a 내지 131d)와 용접된다. 이러한 용접점(200a, 200b)이 도 4에 도시된다. 물론, 헬릭스 수신 안테나(101a 내지 101d)는 제 1 헬릭스 안테나 지지대(100a)와 제 2 헬릭스 안테나 지지대(100b)에 의해 고정 지지된다.
또한, 송신 회로 패턴 기판(120a) 상에는 헬릭스 수신 안테나(101a 내지 101d)에 전력을 공급하는 급전부(미도시)가 설치된다. 따라서, 이 급전부(미도시)는 수신 회로 기판(120a,120b) 및 송신 회로 기판(140a,140b)을 공유한다.
도 6은 도 3에 도시된 송신 회로 패턴 기판(120a)의 후면도이다. 도 6을 참조하면, 송신 회로 패턴 기판(120a)의 후면은 동판으로서 헬릭스 안테나 지지대(도 3의 100a 및 100b)를 고정하는 지지홈(530), 동근 머리 나사(도 3의 121a 내지 121d)의 체결을 위한 나사홈(610), 송신 회로 패턴 기판(120a)과 송신 회로 커버 기판(120b)을 접지끼리 연결시키는 비아홀(620)이 형성된다. 또한, 위상 시프트 회로 패턴(미도시)과 크로스 다이폴 안테나(110)를 연결하기 위한 위상 시프트 회로 패턴홈(600 내지 603)이 형성된다. 이 위상 시프트 회로 패턴홈(600 내지 603)은 원편파 구현을 위해 90°간격으로 형성된다.
부연하면, 이 위상 시프트 회로 패턴홈(600 내지 603)은 송신 회로 패턴 기판(120a)의 피딩 네트워크 블록도와 연결되며, 이 피딩 네트워크 블록도를 보여주는 도면이 도 7에 도시된다.
도 7을 참조하면, 이 피딩 네트워크 블록도에는, 신호(x)를 입력하는 입력부(700), 이 신호 입력부(700)에 입력된 신호(x)를 x/2로 분배하고 0o와 180o로 위상을 천이하는 신호 분배 및 위상 천이기(710), 분배 및 위상 천이된 신호(x/2)를 x/4로 분배하는 제 1 신호 분배기(720), 신호 분배 및 위상 천이기(710)로부터 분배 및 위상 천이된 신호(x/2)를 x/4로 분배하는 제 2 신호 분배기(750), x/4로 분배된 신호를 90o로 지연시키는 제 1 신호 지연부(740), 신호 분배 및 위상 천이기(710)로부터 분배 및 위상 천이된 신호(x/2)를 x/4로 분배하는 제 2 신호 분배기(750), x/4로 분배된 신호를 90o로 지연시키는 제 2 신호 지연부(750)가 구성된다.
이와 함께, 제 1 신호 분배기(720)와 제 1 쿼드 방식의 안테나(101a)간에 연결된 제 2 패턴 길이(L2)는 제 1 신호 지연부(740)와 제 2 쿼드 방식의 안테나(101b)간에 연결된 제 1 패턴 길이(L1)에 비하여 상대적으로 λ/4 만큼 길이가 짧다. 물론, 제 2 신호 분배기(730)와 제 3 쿼드 방식의 안테나(101c)간에 연결된 제 4 패턴 길이(L4)는 제 2 신호 지연부(750)와 제 4 쿼드 방식의 안테나(101d)간에 연결된 제 3 패턴 길이(L3)에 비하여 상대적으로 λ/4 만큼 길이가 길다.
여기서, 신호 분배 및 위상 천이기(710), 제 1 신호 분배기(720), 제 2 신호 분배기(730), 제 1 신호 지연부(740) 및 제 2 신호 지연부(750)에 형성된 패턴 폭은 0.3㎜ㅁ0.1㎜이가 된다.
이러한 피딩 네트워크 구조에 의해 쿼드 방식의 안테나(101a 내지 101d)는 0o,90o,180o,270o로 이루어지는 원편파 방식의 송수신이 가능하게 된다.
편파란 전파의 진행 방향을 따라 관측된 상태의 방향과 상대적 크기의 시간 변화를 나타내는 전자파의 성질로 정의된다. 즉, 간단히 말하면, 전파의 방향을 뜻한다. 편파의 종류로는 선형편파(LP: Linearly Polarized Wave)와 원형편파(CP: Circularly Polarized Wave)로 분류된다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)는 원형편파를 이용한다. 원형편파는 전계가 진동 평면상에서 회전하고 크기는 일정하며 원형 모양의 궤적을 이루면서 진행하는 파를 말하며, 일반적으로 방송위성 방식에서 사용된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 전파는 360° 단위로 사인파(Sin Wave)를 그리며 전파한다. 이 사인파 곡선 상에서의 파형의 위치를 위상이라 한다. 그런데, 사인파의 한 주기는 360°(2π)로 표시할 수 있다. 다음 공식에 의해서 주파수에 따른 λ(파장)의 값을 구할 수 있으며 이 파장의 길이(λ)는 그 주파수에서 한 주기(360°)의 사인파의 길이를 의미한다.
Figure 112010069971030-pat00001
여기서, c는 3×108m이고, f는 주파수를 나타낸다.
위 수학식 1을 이용하면, 90°는 λ/4로 변환될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 4개의 포인트(도 6의 600,601,602,603)에 90°씩의 위상차를 준 구조이다. 즉, 부연하면, 도 6 에 도시된 바와 같이, 0°, 90°, 180°, 270°의 4개 포인트가 있는 구조이다.
이를 위해, 송신 회로 패턴 기판(도 3의 120a)의 표면에는 신호 분배 및 위상 천이기(710), 제 1 신호 분배기(720), 제 2 신호 분배기(730), 제 1 신호 지연부(740) 및 제 2 신호 지연부(750)가 패터닝된다.
물론, 본 발명의 일실시예에서는 송신 회로 패턴 기판(도 3의 120a)의 후면과 정면을 도 6 및 도 7에 도시하였으나, 이와 유사하게 수신 회로 패턴 기판(도 3의 140b)의 후면과 정면에도 유사하게 구성된다.
따라서, 수신 회로 기판(도 3의 120a,120b)은 RHCP(Right Hand Circular Polarization)를 수행하고, 송신 회로 기판(도 3의 140a,140b)은 LHCP(Left Hand Circular Polarization)을 수행하게 된다. 부연하면, 수신 회로 기판(120a,120b)은 원형 편파가 시계 방향으로 회전하면서 진행하므로 RHCP(Right Hand Circular Polarization)이고, 송신 회로 기판(도 3의 140a,140b)은 수신 회로 기판(도 3의 120a,120b)과 270°의 위상차가 난다. 따라서, 송신 회로 기판(도 3의 140a,140b)은 원형 편파가 반시계 방향으로 회전하면서 진행하므로 LHCP(Left Hand Circular Polarization)가 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 semi-regid의 체결구조(131a)를 이용하여 송신 회로 패턴 기판(120a)과 수신 회로 패턴 기판(140a)을 연결하는 체결 구조이다. 도 8을 참조하면, 송신 회로 패턴 기판(120a)의 송신 회로 패턴층(120-3)에 형성된 제 1 크로스 다이폴 안테나 급전점(5')에 제 1 크로스 다이폴 안테나(110a)가 용접접합되고, 수신 회로 패턴 기판(149a)의 수신 회로 패턴층(140-3)에 형성된 제 1 쿼드 방식의 안테나 급전점(1')에 제 1 쿼드 방식의 안테나(101a)에 연결된다. 이때, 제 1 쿼드 방식의 안테나 급전점(1')과 제 1 쿼드 방식의 안테나(101a)의 연결은 외부에서 "⊃"자 형상의 세미-레지드(semi-regid)(131a)를 이용하여 체결한다. 이들 보여주는 도면이 도 4에 도시된다. 따라서, 송신 회로 패턴 기판(120a)의 제 1 접지층(120-1)과 수신 회로 패턴 기판(140a)의 제 4 접지층(140-1)이 접합되며, 제 1 접지층(120-1)의 일면에 제 1 쿼드 방식의 안테나(101a)가 세미-레지드(131a) 말단과 용접접합된다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 비아홀(900)을 이용하여 송신 회로 패턴 기판(120a)과 수신 회로 패턴 기판(140a)을 직접 연결하는 체결 구조이다. 도 9를 참조하면, 비아홀(900)을 통해서 송신 회로 패턴 기판(120a)과 수신 회로 패턴 기판(140a)의 수신 회로 패턴층(140-3)이 연결된다. 따라서, 제 1 접지층(120-1)의 일면에 제 1 쿼드 방식의 안테나(101a)가 세미-레지드(131a) 말단과 용접접합하는 것이 가능하게 된다. 물론, 도 9에 도시된 방식에 의할 경우, 도 8에서 기술한 세미-레지드(131a)를 이용하여 연결한 방식에 비해 송수신시 상호 간섭의 발생으로 인해 성능 저하가 나타날 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)를 파라볼라 디쉬에 적용한 예이다. 도 10을 참조하면, 파라볼라 디쉬(1000) 상에 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)를 설치한다. 물론, 이를 위해 파라볼라 디쉬(1000) 상에는 4개의 지지대(1010)가 구비되며, 이들 지지대(1010)는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더(10)의 피더 브라켓(도 3의 130)과 체결된다.
본 발명의 일실시예에서는 쿼드리필러 헬릭스 안테나(도 3의 101a, 101b, 101c, 101d)는 수신을 위하여 수신 회로 기판(도 3의 120a,120b)이 결합되고, 크로스 다이폴 안테나(110)는 송신을 위하여 송신 회로 기판(도 3의 140a,140b)이 결합되는 것으로 기술하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 쿼드리필러 헬릭스 안테나(도 3의 101a, 101b, 101c, 101d)가 송신을 위하여 송신 회로 기판(도 3의 140a,140b)이 결합되고, 크로스 다이폴 안테나(110)는 수신을 위하여 수신 회로 기판(도 3의 120a,120b)이 결합되는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일실시예서는 쿼드리필러 헬릭스 안테나의 구조만을 도시하여 기술하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 이러한 쿼드리필러 헬릭스 안테나와 유사한 구조를 띠는 쿼드러플 인버티드 에프 안테나(Quadruple Inverted F Antenna), 쿼드리필러 스파이럴 안테나(Quadrifilar Spiral Antenna) 등에도 적용될 수 있다.
1,2,3,4: 쿼드 방식의 안테나 전류분포
5,6,7,8: 크로스 다이폴 안테나 전류분포
1',2',3',4': 쿼드 방식의 안테나 급전점
5',6',7',8': 크로스 다이폴 안테나 급전점
20: 송/수신 촛점
10: 초소형 광대역 송수신 안테나 피더
100a: 제 1 헬릭스 안테나 지지대 100b: 제 2 헬릭스 안테나 지지대
101a 내지 101d: 쿼드리필러 헬릭스 안테나
110: 크로스 다이폴 안테나
111: 송신 회로 패턴 111a: 송신 회로 플레이트
120a: 송신 회로 패턴 기판 120b: 송신 회로 커버 기판
120-1: 제 1 접지층 120-2: 제 1 유전체층
120-3: 송신 회로 패턴층 120-1': 제 2 접지층
120-2': 제 2 유전체층 121a 내지 121d: 둥근 머리 나사
130: 피더 브라켓 131a 내지 131d: 체결구
140a: 수신 회로 패턴 기판 140b: 수신 회로 커버 기판
140-1: 제 3 접지층 140-2: 제 3 유전체층
140-3: 수신 회로 패턴층 140-2': 제 4 유전체층
140-1': 제 4 접지층
150: 압착 브라켓 150a 내지 150d: 너트
600 내지 603: 위상 시프트 패턴 홈
610: 나사홀 620: 비아홀
630: 지지홈
1000: 파라볼라 디쉬 1010: 지지대

Claims (10)

  1. 쿼드 방식의 안테나; 및
    상기 쿼드 방식의 안테나와 직교되게 설치되어 상기 쿼드 방식의 안테나에서 방사된 전류분포와 직교하는 전류분포를 방사하는 크로스 다이폴 안테나
    를 포함하는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 쿼드 방식의 안테나 또는 크로스 다이폴 안테나와 결합되는 송신 회로 기판;
    및 상기 쿼드 방식의 안테나 또는 크로스 다이폴 안테나와 결합되는 수신 회로 기판을 포함하여, 동시에 송수신 대역 모두 광대역 원편파 특성을 만족시키는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 쿼드 방식의 안테나 및 크로스 다이폴 안테나는 조립되는 파라볼라 디쉬의 동일한 송/수신 촛점 및 공간을 공유하는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 회로 기판은 송신 회로 패턴 기판과 송신 회로 커버 기판을 포함하고, 상기 수신 회로 기판은 수신 회로 패턴 기판과 수신 회로 커버 기판을 포함하되,
    상기 송신 회로 패턴 기판 및 수신 회로 패턴 기판에는,
    신호 입력부;
    상기 신호 입력부에서 생성된 신호를 분배하고 위상을 천이하는 신호 분배 및 위상 천이기;
    분배 및 위상 천이된 신호를 제 1 복수의 소정 각도로 분배하는 제 1 신호 분배기;
    상기 신호 분배 및 위상 천이기로부터 상기 분배 및 위상 천이된 신호를 제 2 복수의 소정 각도로 분배하는 제 2 신호 분배기;
    상기 제 1 복수의 소정 각도 중 어느 하나를 제 3 소정 각도로 만들기 위해 상기 분배 및 위상 천이된 신호를 지연시키는 제 1 신호 지연부; 및
    상기 제 2 복수의 소정 각도 중 어느 하나를 제 4 소정 각도로 만들기 위해 상기 분배 및 위상 천이된 신호를 지연시키는 제 2 신호 지연부가 형성되는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 신호 분배 및 위상 천이기, 제 1 신호 분배기, 제 2 신호 분배기, 제 1 신호 지연부 및 제 2 신호 지연부에 형성된 패턴 폭은 0.2 내지 0.4㎜인 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 신호 분배기 또는 제 2 신호 분배기와 상기 쿼드 방식의 안테나 중 하나의 안테나를 연결하는 패턴 길이와 상기 제 1 신호 지연부 또는 상기 제 2 신호 지연부와 상기 쿼드 방식의 안테나 중 다른 하나의 안테나를 연결하는 패턴 길이는 λ/4 만큼 길이차를 가지는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  7. 쿼드 방식의 안테나;
    상기 쿼드 방식의 안테나 내에 직교되게 설치되어 상기 쿼드 방식의 안테나에서 방사된 전류분포와 직교하는 전류분포를 방사하는 크로스 다이폴 안테나;
    상기 쿼드 방식의 안테나 또는 크로스 다이폴 안테나와 결합되는 송신 회로 기판;
    상기 송신 회로 기판과 소정 간격을 두고, 상기 쿼드 방식의 안테나 또는 크로스 다이폴 안테나와 결합되는 수신 회로 기판; 및
    상기 수신 회로 기판과 상기 송신 회로 기판을 연결하는 체결 수단
    을 포함하는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 송신 회로 기판은 송신 회로 패턴 기판과 송신 회로 커버 기판을 포함하고, 상기 수신 회로 기판은 수신 회로 패턴 기판과 수신 회로 커버 기판을 포함하되,
    상기 체결 수단은 상기 송신 회로 패턴 기판과 상기 수신 회로 패턴 기판을 외부에서 연결하는 세미-레지드 케이블(semi-regid cable)인 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 송신 회로 기판은 송신 회로 패턴 기판과 송신 회로 커버 기판을 포함하고, 상기 수신 회로 기판은 수신 회로 패턴 기판과 수신 회로 커버 기판을 포함하되,
    상기 체결 수단은 상기 송신 회로 패턴 기판과 상기 수신 회로 패턴 기판을내부에서 비아홀을 통하여 연결하는 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
  10. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 쿼드 방식의 안테나는 쿼드리필러 헬릭스 안테나(Quadrifilar Helix Antenna), 쿼드러플 인버티드 에프 안테나(Quadruple Inverted F Antenna), 쿼드리필러 스파이럴 안테나(Quadrifilar Spiral Antenna) 중 어느 하나인 초소형 광대역 송수신 안테나 피더.
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