KR102125949B1 - 혼 안테나 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼 안테나 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 혼 안테나 장치는 제1 혼 안테나 및 입력 도파관이 상기 제1 혼 안테나의 출력 도파관에 대응되도록 나열된 제2 혼 안테나를 포함하고, 상기 제1 혼 안테나의 출력 도파관과 제2 혼 안테나의 입력 도파관은 서로 중첩되도록 연결되어 하나의 모드 변환 도파관을 형성한다.

Description

혼 안테나 장치{Horn antenna apparatus}
본 발명은 혼 안테나 장치에 관한 것이다.
높은 지향성을 요구하는 다중 빔 안테나 또는 유연한 빔 형성을 위한 성형 빔 안테나는 다수의 혼 안테나를 사용하는 배열 구조가 주로 사용된다. 배열 구조 안테나의 부피를 줄이기 위해서는 혼 안테나의 크기를 최소화해야 한다.
지향성을 향상시키기 위해 확장된 개구면을 갖는 코니컬 혼 형태를 사용하기도 한다. 코니컬 혼은 경사 영역의 기울기가 급할수록 즉, 혼의 길이가 짧을수록 개구면에서 평면파를 형성하기 어려워 구면파에 의한 위상 오차를 발생시킨다. 구면파 위상 오차에 따른 손실은 코니컬 혼의 개구면이 커지거나 혼의 길이가 짧아지면 구면파의 위상 오차가 커지고 손실이 증가 된다. 이로 인해 안테나 이득이 저하되고 주파수에 따른 위상 중심점의 변동폭이 커지게 된다.
코니컬 혼과 같이 원형 개구면의 크기가 확장되면 안테나 이득을 증가시킬 수 있는데, 이때 발생하는 고차 모드의 비에 의해 안테나 효율이 결정된다.
종래의 코니컬 혼을 이용한 안테나는 안테나 효율을 증대시키기 위해 완만한 경사를 갖는 혼에 다중 계단을 두어 혼 개구면에서 TM 모드는 발생되지 않도록 하고, TE 모드만 생성되도록 하였다.
하지만, TM 모드 제거를 위해서는 입력 TE11 모드에 대한 관내 파장과 TM11 모드에 대한 관내 파장의 차이가 180도이어야 하므로, 혼의 길이를 180도 이상으로 연장시켜야만 했다.
미국등록특허 제7463207호
본 발명의 목적은, 계단 구조 없이 복수 개의 코니컬 혼을 연속적으로 나열하여 중첩시킨 혼 안테나 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 다중 모드의 고차 모드에서 발생하는 TM 모드를 활용하여 안테나의 효율을 개선하도록 하는 혼 안테나 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 혼 안테나 장치는, 제1 혼 안테나, 및 입력 도파관이 상기 제1 혼 안테나의 출력 도파관에 대응되도록 나열된 제2 혼 안테나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 혼 안테나의 출력 도파관과 제2 혼 안테나의 입력 도파관은 서로 중첩되도록 연결되어 하나의 모드 변환 도파관을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼 안테나 장치는, 상기 제1 혼 안테나의 입력 도파관, 상기 모드 변환 도파관 및 상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면의 직경 및 상기 혼 안테나 장치의 길이에 근거하여 상기 혼 안테나 장치의 형상 및 전기적 특성이 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서의 TM11 모드는, 상기 제1 혼 안테나의 입력 도파관의 개구면에서의 TE11 모드와 50도의 위상 차이를 갖는 것을 특징으로 한다.
TM11 모드 및 TE11 모드 간 위상 차이가 50도가 되는 도파관의 길이는 아래 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015069598614-pat00001
여기서, λg는 각 모드에 의한 도파관 내의 파장, ℓ은 각 모드의 위상 제어를 위한 모드 변환 도파관의 길이이다.
상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서의 TE12 모드는, 상기 제1 혼 안테나의 입력 도파관의 개구면에서의 TE11 모드와 150도의 위상 차이를 갖는 것을 특징으로 한다.
TE12 모드 및 TE11 모드 간 위상 차이가 150도가 되는 도파관의 길이는 아래 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015069598614-pat00002
여기서, λg는 각 모드에 의한 도파관 내의 파장, ℓ은 각 모드의 위상 제어를 위한 모드 변환 도파관의 길이이다.
상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서의 TE12 모드는, 상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서의 TM11 모드와 200도의 위상 차이를 갖는 것을 특징으로 한다.
TM11 모드 및 TE12 모드의 위상 차이가 200도가 되는 도파관의 길이는 아래 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015069598614-pat00003
여기서, λg는 각 모드에 의한 도파관 내의 파장, ℓ은 각 모드의 위상 제어를 위한 모드 변환 도파관의 길이이다.
상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면의 직경은, 아래 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112015069598614-pat00004
여기서, d는 개구면의 직경, λ0는 자유공간 내 파장, k는 각 모드에 의한 베셀 도함수의 근이다.
상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서 TM11 모드의 위상 상수는 TE12 모드의 위상 상수의 두 배가 되도록 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다중 모드의 고차 모드에서 발생하는 TM 모드를 활용함으로써 안테나의 효율을 개선할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 계단 구조 없이 복수 개의 코니컬 혼을 연속적으로 나열하여 중첩시킴으로써 혼 안테나 장치의 길이를 감소시켜 안테나의 부피를 최소화하고 그에 따른 제작 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 H-plane에 대한 전계 분포를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 위상에 대한 전계 분포를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 혼 안테나 장치에 요구되는 모드의 크기를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 혼 안테나 장치에 요구되는 모드의 위상을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 안테나 효율 및 패턴을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 정규화된 주파수의 위상 중심을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 혼 안테나 장치에 관한 것으로, 혼 안테나 장치는 다중 빔 또는 성형 빔을 위한 배열 소자로 사용되는 경우, 단위 소자의 효율이 높아야 함은 물론 부피가 작아야 한다. 본 발명의 혼 안테나 장치는 개구면을 확장시킨 코니컬 혼 안테나를 이용한다.
코니컬 혼 안테나는 구면파에 의한 위상 오차가 발생하기 때문에 안테나 효율이 저하되므로, 안테나 효율을 증가시키기 위해 개구면에서의 구면파 위상 오차를 줄이고 전계 분포를 균일하게 생성해야 한다. 이에, 본 발명에서는 고차 모드로 발생하는 TM 모드를 활용하여 안테나 효율을 증가시킨 혼 안테나 장치를 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 혼 안테나 장치(100)는 계단 구조 없이 코니컬 혼을 연속적으로 나열하여 중첩시킨 구조이다. 도 1에서는 두 개의 코니컬 혼을 중첩시킨 구조를 도시하였으나, 이는 일 실시예일뿐 실시 형태에 따라 더 많은 수의 코니컬 혼을 연속적으로 나열하여 중첩시킬 수도 있다.
이에, 본 발명에 따른 혼 안테나 장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 혼 안테나 및 입력 도파관이 상기 제1 혼 안테나의 출력 도파관에 대응되도록 나열된 제2 혼 안테나를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 혼 안테나의 출력 도파관과 제2 혼 안테나의 출력 도파관은 서로 중첩되도록 연결되어 하나의 모드 변환 도파관부(130)가 될 수 있다.
이와 같이, 제1 혼 안테나 및 제2 혼 안테나가 서로 중첩된 형태의 혼 안테나 장치(100)는 입력 도파관부(110), 제1 혼 도파관부(120), 모드 변환 도파관부(130), 제2 혼 도파관부(140) 및 출력 도파관부(150)를 갖는 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 입력 도파관부(110), 제1 혼 도파관부(120), 모드 변환 도파관부(130), 제2 혼 도파관부(140) 및 출력 도파관부(150)의 개구면은 원형인 것으로 한다. 다만, 실시 형태에 따라 개구면의 형상은 달라질 수도 있다.
입력 도파관부(110)는 제1 혼 안테나의 입력 도파관에 해당 될 수 있으며, 길이방향으로 내부의 높이와 폭이 일정하게 형성될 수 있다. 이때, 입력 도파관부(110)는 고유 모드에 의한 전자파를 수신하여 혼 안테나 장치(100) 내부로 전달하는 역할을 한다. 일 예로, 입력 도파관부(110)는 TE11 모드로 전파를 진행시키도록 한다.
제1 혼 도파관부(120)는 입력측 개구면에서 출력측 개구면으로 진행하면서 점차 높이와 폭이 증가하는 혼 형상으로, 제1 혼 안테나의 혼에 해당 될 수 있다. 이때, 제1 혼 도파관부(120)의 입력측 개구면은 입력 도파관부(110)의 출력측 개구면과 접하며, 출력측 개구면은 모드 변환 도파관부(130)의 입력측 개구면과 접한다.
제1 혼 도파관부(120)는 입력 도파관부(110)와 모드 변환 도파관부(130) 사이에서 전파 신호의 임피던스를 정합하는 역할을 한다.
모드 변환 도파관부(130)는 제1 혼 안테나의 출력 도파관과 제2 혼 안테나의 출력 도파관이 서로 중첩되도록 연결되어 형성된 것이다. 이때, 모드 변환 도파관부(130)의 입력측 개구면은 제1 혼 도파관부(120)의 출력측 개구면과 접하고, 출력측 개구면은 제2 혼 도파관부(140)의 입렵측 개구면과 접한다. 모드 변환 도파관부(130)는 길이방향으로 내부의 높이와 폭이 일정하게 형성될 수 있다.
모드 변환 도파관부(130)는 제1 혼 도파관부(120) 및 제2 혼 도파관부(140) 사이에 배치되어, 제1 혼 도파관부(120)에 의해 임피던스 정합된 신호가 전달된다. 여기서, 제1 혼 도파관부(120)의 도파관 내에서 상호 전자파 결합에 의해 모드 변환 도파관부(130)의 출력측 개구면에는 전류 분포가 형성된다. 이때, 제1 혼 도파관부(120)를 통과하면서 모드 변환 도파관부(130)의 입력측 개구면에는 TE(Transverse Electro) 모드 또는 TM(Transverse Magnetic) 모드가 발생한다. 일 예로서, 모드 변환 도파관부(130)의 입력측 개구면에 TE12 모드 및 TM11 모드가 발생할 수 있다.
여기서, TE 모드는 도파관을 따라 전달되는 전자파 중에서 그 진행 방향에 자계 성분 H는 있으나 전계 성분 E가 전혀 없는 전기적 횡파를 형성하는 모드를 말하며, TM 모드는 그 진행 방향에 전계 성분 E는 있으나 자계 성분 H가 전혀 없는 자기적 횡파를 형성하는 모드를 말한다.
이때, 모드 변환 도파관부(130)는 내부에서 진행되는 각 모드의 위상을 제어하도록 한다.
제2 혼 도파관부(140)는 입력측 개구면에서 출력측 개구면으로 진행하면서 점차 높이와 폭이 증가하는 혼 형상으로, 제2 혼 안테나의 혼에 해당 될 수 있다. 이때, 제2 혼 도파관부(140)의 입력측 개구면은 모드 변환 도파관부(130)의 출력측 개구면과 접하며, 출력측 개구면은 출력 도파관부(150)의 입력측 개구면과 접한다.
제2 혼 도파관부(140)는 모드 변환 도파관부(130)와 출력 도파관부(150) 사이에서 전파 신호의 임피던스를 정합하는 역할을 한다.
출력 도파관부(150)는 입력측 개구면이 제2 혼 도파관부(140)의 출력측 개구면에 접하며, 길이방향으로 내부의 높이와 폭이 일정하게 형성될 수 있다. 출력 도파관부(150)는 제2 혼 안테나의 출력 도파관에 해당 될 수 있다. 이때, 출력 도파관부(150)는 제2 혼 도파관부(140)로부터 전달된 고차 모드의 전파 신호를 방사하는 역할을 한다.
출력 도파관부(150)는 제2 혼 도파관부(140)에 의해 임피던스 정합된 신호가 전달된다. 여기서, 제2 혼 도파관부(140)의 도파관 내에서 상호 전자파 결합에 의해 모드 변환 도파관부(130)의 출력측 개구면에는 전류 분포가 형성되며, 출력 도파관부(150)의 최종 개구면에는 TM11 모드 및 TE12 모드와 같은 고차 모드가 발생하게 된다.
이때, 혼 안테나 장치(100)의 형상 및 전기적 특성은 입력 도파관부(110), 모드 변환 도파관부(130) 및 출력 도파관부(150)의 개구면의 직경, 그리고 혼 안테나 장치(100)의 길이에 따라 결정된다.
제1 혼 도파관부(120) 및 제2 혼 도파관부(140)는 도파관 내에서의 전파 신호의 진행 방향으로 상호 전자파 결합에 의해 출력측 개구면에 전류 분포를 형성한다.
이에 따라, 제1 혼 도파관부(120) 및 제2 혼 도파관부(140)는 출력측 개구면에서 TM11 모드와 TE12 모드를 진행시킨다. 이때, 혼 안테나 장치(100)의 최종 개구면에서의 TM11 모드는 입력 개구면에서의 TE11 모드와 50도의 위상 차이를 갖도록 한다.
TM11 모드와 TE11 모드의 위상 차이가 50도가 되기 위한 모드 변환 도파관부(130)의 길이는 아래 [수학식1]을 통해 근사적으로 산출할 수 있다.
Figure 112015069598614-pat00005
[수학식 1]에서, λg는 각 모드에 의한 도파관 내의 파장이고, ℓ은 각 모드의 위상 제어를 위한 모드 변환 도파관부(130)의 길이를 나타낸다. 여기서, 모드 변환 도파관부(130)의 길이는 50도의 위상 차이를 발생하는 정도만 필요로 하기 때문에, 모드 변환 도파관부(130)의 길이를 감소시킬 수 있다.
한편, 고차 모드인 TE12 모드는 TE11 모드와 150도의 위상 차이를 갖고, TM11 모드와는 200도의 위상 차이를 갖도록 한다. 이때, TE12 모드를 구현하기 위한 모드 변환 도파관부(130)의 길이는 아래 [수학식 2] 및 [수학식 3]을 통해 근사적으로 산출할 수 있다.
Figure 112015069598614-pat00006
Figure 112015069598614-pat00007
[수학식 2] 및 [수학식 3]에서, λg는 각 모드에 의한 도파관 내의 파장이고, ℓ은 각 모드의 위상 제어를 위한 모드 변환 도파관부(130)의 길이를 나타낸다. 여기서, 모드 변환 도파관부(130)의 길이는 50도의 위상 차이를 발생하는 정도만 필요로 한다.
이와 같은 위상 차이를 얻기 위해서는 TE12 모드를 위한 모드 변환 도파관부(130)의 개구면의 직경(d2)의 영향을 받는다.
모드 변환 도파관부(130)의 개구면의 직경(d2)은 제1 혼 안테나의 출력측 개구면의 직경이면서 제2 혼 안테나의 입력측 개구면의 직경이 된다.
여기서, 모드 변환 도파관부(130)의 개구면의 직경(d2)은 TM11 모드의 위상 상수가 TE12 모드 위상 상수의 2배가 되도록 결정한다. 이 경우, 각 모드의 도파관 내 파장(λTM11, λTE12)은 각 모드의 위상 상수(βTM11, βTE12)에 반비례한다.
일 예로, TM11모드의 도파관 내 파장(λTM11) 및 위상 상수(βTM11)의 관계는 아래 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015069598614-pat00008
이때, 각 모드의 위상 상수(βTM11, βTE12)는 각 모드의 차단 주파수(kc.TM11, kc.TE12)와 관련이 있고, 차단 주파수는 베셀 함수(Bessel function) 또는 베셀 도함수의 근(kTM11, kTE12)의 영향을 받는다.
일 예로, TM11 모드의 위상 상수(βTM11), 차단 주파수(kc.TM11), 베셀 함수 또는 Bessel 도함수의 근(kTM11)의 관계는 아래 [수학식 5]와 같다.
Figure 112015069598614-pat00009
[수학식 5]에서, λ0 는 자유공간 내 파장을 나타낸다.
[수학식 5]를 이용하는 경우, 모드 변환 도파관부(130)의 개구면의 직경(d)에 대한 산출식은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015069598614-pat00010
Figure 112015069598614-pat00011
일 예로서, 모드 변환 도파관부(130)의 개구면의 직경(d)은 약 1.83λ0가 될 수 있다. 이때, 모드 변환 도파관부(130)의 개구면의 직경은 고차 모드를 생성하기에 충분하지는 않으나, 제2 혼 도파관부(140)를 거치면 출력 도파관부(150)에서는 TM11 모드와 TE12 모드와 같이 원하는 고차 모드를 생성하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 H-plane에 대한 전계 분포를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 위상에 대한 전계 분포를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 혼 안테나 장치의 안테나 효율을 증가시키기 위해서는 개구면에서의 전계 분포를 균일하게 함으로써 얻을 수 있다. 혼 안테나 장치에 X-축 편파를 입력하는 경우 E-plane으로는 비교적 균일한 전계 분포를 보이고 H-plane으로는 변화 있는 전계 분포를 보인다.
도 2의 실시예에서는 안테나에 X-축 편파를 입력했을 때의 H-plane에 대한 전계 분포를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 혼 안테나 장치와 종래의 안테나를 비교하여 도시하였다. 도 2에서 가로축은 정규화된 개구면의 크기로, 개구면의 중심축은 0, 개구면 모서리는 1로 나타내었다.
오픈-엔디드 도파관("oewg")의 경우, 본 발명의 혼 안테나 장치의 입력 개구면의 크기와 동일하게 하였으며, 이때 개구면의 중심 부근에서부터 H-plane이 급격하게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 한편, 코니컬 혼 안테나(conical)는 본 발명의 혼 안테나 장치와 출력 개구면의 크기를 동일하게 하였으며, 이 경우 -5 dB를 기준으로 출력 개구면의 60% 영역만 균일한 것을 확인할 수 있다.
또한, 종래1 및 종래2는 고차 모드에서 TM 모드를 제거한 안테나로서, 개구면의 약 80 % 및 90 % 가 균일한 전계 분포를 갖는다. 다만, 종래1 및 종래2의 경우 개구면 중심 부근에서 전계 크기 분포의 변동이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명("proposed")의 경우, 균일한 전계 크기 분포 그래프(210)는 개구면의 약 78% 정도로 균일함을 확인할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전계 위상 분포 그래프(310)를 살펴보면 전계 분포의 크기뿐만 아니라 개구면의 중심 부근에서의 위상도 균일함을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 혼 안테나 장치에 요구되는 모드의 크기를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 혼 안테나 장치에 요구되는 모드의 위상을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 혼 안테나 장치에 요구되는 각 모드의 크기와 위상은 입력 TE11 모드를 기준으로 한다.
전파의 진행 모드와 차단 모드는 개구면의 크기에 의해서 결정된다. 오픈-엔디드 도파관("oewg")은 입력 TE11 모드가 모두 개구면에 전달되고 고차 모드가 발생하지 않는다. 코니컬 혼("conical")은 개구면에서 TM11 모드와 TE12 모드를 진행시키고, TE12 이상의 고차 모드는 개구면 크기에 의해 차단 모드가 된다. 코니컬 혼에 의한 각 모드의 위상은 TE11 모드에 비해 -90도, +90도가 되어 개구면 전계 분포에 2개 모드가 모두 관여하게 된다.
한편, 선행1 및 선행2는 TM11 모드를 제거하기 위해 TM11 모드의 크기는 최대한 작아지도록 하며, TE12 모드의 크기는 최대한 커지도록 한다. 이때, 각 모드의 위상은 TE11 모드와 동위상을 유지하도록 한다. 여기서, 종래1 및 종래2에 따른 안테나의 개구면은 약 4 λ0이기 때문에 TE13 모드까지 진행하며, 안테나의 효율 증대를 위해 TE13 모드의 크기도 최대한 커지도록 한다.
본 발명에 의한 혼 안테나 장치의 개구면에는 TM11 모드와 TE12 모드가 생성되며, 코니컬 혼과 동일한 개구면 크기를 갖기 때문에 동일한 진행 모드를 갖는다.
이때, 본 발명에 따른 혼 안테나 장치는 TM11 모드를 제거하지 않고, 다만 TM11 모드의 위상이 TE11 모드의 위상에 비해 50도 차이가 나도록 한다.
이 경우, 본 발명의 혼 안테나 장치에서 모드 변환을 위해 필요한 도파관의 길이는 위상 차가 50도가 되도록 하는 정도로만 필요하기 때문에, 종래의 기술에 비해 도파관의 길이를 약 1/4 이하로 줄일 수 있다.
도파관의 길이를 감소시키는 경우 개구면의 직경이 작아질 수 있으나, 본 발명에 따른 혼 안테나 장치는 적어도 두 개의 혼 안테나를 연속적으로 나열하여 중첩시킨 구조이기 때문에, 개구면의 직경 또한 만족시킬 수 있어, 최종 개구면에서 원하는 고차 모드를 생성하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 안테나 효율 및 패턴을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명은 코니컬 혼을 중첩시키고 고차 모드의 TM 모드를 활용한 혼 안테나 장치의 효율(efficiency) 및 패턴을 나타낸 것이다. 도 6의 그래프에서 안테나 효율은 좌측의 y축, 안테나 패턴은 우측의 y축을 기준으로 나타내었다. 여기서, 안테나의 효율은 균일한 크기와 위상을 갖는 개구면에 의한 최대 이득과 안테나 구조에 의해 실제 계산된 최대 이득의 비로 산출하였다.
도 6의 그래프에서와 같이, 코니컬 혼의 효율은 80%, 종래1과 종래2는 92%의 안테나 효율을 나타내는 반면, 본 발명은 94%의 안타네 효율을 나타냄을 확인할 수 있다. 이와 같이, 안테나의 효율이 높으면 안테나의 지향성이 향상되어 빔 폭을 줄일 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 정규화된 주파수의 위상 중심을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 혼 안테나 장치는 TE11 모드에 비해 50도 위상 차이를 갖는 TM11 모드와, 150도 위상 차이를 갖는 TE12 모드를 활용함으로써 코니컬 혼에 비해 구면파 위상 오차를 줄일 수 있다. 이는 도 7에 도시한 위상 중심 특성을 통해 확인할 수 있다.
도 7의 실시예는 중심 주파수(fc)로 정규화된 주파수에 대한 위상 중심을 나타낸 것이며, 위상 중심점은 개구면을 기준으로 나타내었다.
본 발명에 따른 혼 안테나 장치의 위상 중심은 개구면에 근접해 있고 비대역폭 10 % 범위에서 위상 중심점이 일정하다. 따라서, 본 발명에 따른 혼 안테나 장치가 배열 소자로 사용되거나 급전혼으로 사용되는 경우 위치 선정이 수월해 지고, 넓은 주파수 대역에서 일정한 위상의 파를 급전할 수 있는 장점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 혼 안테나 장치 110: 입력 도파관부
120: 제1 혼 도파관부 130: 모드 변환 도파관부
140: 제2 혼 도파관부 150: 출력 도파관부

Claims (10)

  1. 혼 안테나 장치에 있어서,
    제1 혼 안테나; 및
    입력 도파관이 상기 제1 혼 안테나의 출력 도파관에 대응되도록 나열된 제2 혼 안테나를 포함하고,
    입력 방향에서 출력 방향으로 높이와 폭이 증가하는 혼 형상인 상기 제1 혼 안테나의 출력 도파관과 입력 방향에서 출력 방향으로 높이와 폭이 증가하는 혼 형상인 제2 혼 안테나의 입력 도파관이 서로 중첩되도록 연결함으로써 상기 혼 안테나 장치의 도파관의 크기가 확장되고, 입력 방향에서 출력 방향으로 높이와 폭이 일정한 하나의 모드 변환 도파관을 상기 혼 안테나 장치 내 형성하며,
    신호가 상기 제1 혼 안테나의 입력 도파관으로 입력되어 상기 제1 혼 안테나의 출력 도파관, 상기 모드 변환 도파관, 및 상기 제2 혼 안테나의 입력 도파관을 따라 전파됨으로써, 상기 혼 안테나 장치의 출력인 상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서 TM11 모드 및 TE12 모드의 고차 모드를 발생하는 것을 특징으로 하고,
    상기 모드 변환 도파관의 길이는 TM 모드 및 TE 모드 간 위상 차이와 TM 모드 및 TE 모드에 의한 관 내 파장에 기초하여 결정되고,
    상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면의 직경은 상기 TE12 모드에 의한 베셀 도함수의 근과 상기 TM11 모드에 의한 베셀 도함수의 근의 차에 기초하여 결정되는 혼 안테나 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼 안테나 장치는,
    상기 제1 혼 안테나의 입력 도파관, 상기 모드 변환 도파관 및 상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면의 직경 및 상기 혼 안테나 장치의 길이에 근거하여 상기 혼 안테나 장치의 형상 및 전기적 특성이 결정되는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서의 TM11 모드는,
    상기 제1 혼 안테나의 입력 도파관의 개구면에서의 TE11 모드와 50도의 위상 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    TM11 모드 및 TE11 모드 간 위상 차이가 50도가 되는 도파관의 길이는 아래 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
    Figure 112015069598614-pat00012

    (여기서, λg는 각 모드에 의한 도파관 내의 파장, ℓ은 각 모드의 위상 제어를 위한 모드 변환 도파관의 길이)
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서의 TE12 모드는
    상기 제1 혼 안테나의 입력 도파관의 개구면에서의 TE11 모드와 150도의 위상 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    TE12 모드 및 TE11 모드 간 위상 차이가 150도가 되는 도파관의 길이는 아래 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
    Figure 112015069598614-pat00013

    (여기서, λg는 각 모드에 의한 도파관 내의 파장, ℓ은 각 모드의 위상 제어를 위한 모드 변환 도파관의 길이)
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서의 TE12 모드는
    상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서의 TM11 모드와 200도의 위상 차이를 갖는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    TM11 모드 및 TE12 모드의 위상 차이가 200도가 되는 도파관의 길이는 아래 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
    Figure 112015069598614-pat00014

    (여기서, λg는 각 모드에 의한 도파관 내의 파장, ℓ은 각 모드의 위상 제어를 위한 모드 변환 도파관의 길이)
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면의 직경은,
    아래 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
    Figure 112015069598614-pat00015

    (여기서, d는 개구면의 직경, λ0는 자유공간 내 파장, k는 각 모드에 의한 베셀 도함수의 근)
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 혼 안테나의 출력 도파관의 개구면에서 TM11 모드의 위상 상수는 TE12 모드의 위상 상수의 두 배가 되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 혼 안테나 장치.
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