KR20020009151A - 반사경 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사경 안테나에 관한 것으로, 회전표면(Rotation surface)의 일부분인 주 반사경과 이동이 가능한 조사판(irradiator)을 최소한 한 개, 또는 고정되어 있는 몇 개의 조사판을 갖고 있고, 적어도 두 개 이상의 방향(direction)을 갖는 빔(beam)의 최대 표면이용효율 요구에 따라 그 표면형태가 결정되는 최소한 하나의 부 반사경을 갖고 있으며 주 반사경이 토르(tore) 표면의 일부분이고 부 반사경은 f(z)=Pmn(x, y)에 의해 결정되도록 한다.

여기서 Pmn(x, y)는 x에 대한 n승, y에 대한 m승의 이차 다항식이며 다항식의 계수와 조사판 축의 방향과 위치가 최적화 매개변수가 되고 f(z)=x는 대칭 표면에서의 부 반사경의 절단 방정식으로 한다.

상기의 안테나는 조사판들과 부 반사경 사이에 위치하는 렌즈가 포함되도록 하고,

상기의 안테나는 주 반사경이 표면 테두리를 갖도록 하고,

상기의 안테나는 추가의 부반사경을 갖고 있고 이 반사 경의 표면형태가 위상 배열 요구에 의해 찾아지도록 한 것이다.

Description

반사경 안테나{A reflector antenna}

본 발명은 통신 시스템이나 위성 TV에 활용될 수 있도록 한 무선 통신 기술 분야의 반사경 안테나에 관한 것으로서, 특히 쌍 반사경 멀티 빔(multibeam) 주사안테나(scanning antenna)를 사용함으로써 반사경이 하나인 안테나를 사용할 경우 보다 더욱 높은 특성을 보장할 수 있도록 한 반사경 안테나에 관한 것이다.

한 면(One plane)에서의 멀티 빔의 복사(shaping)나 주사(scanning)를 위해 원환(toroidal) 반사경에 기초한 쌍 반사경 및 멀티 반사경 안테나가 사용된다.

이렇듯, 모든 개별 빔에 있어서의 주 원환 반사경의 상이 어긋나는 것이 개별 부 반사경의 도움으로 보상되는 멀티 빔 안테나(multibeam antenna)가 잘 알려져 있다.

상기의 부 반사경은 동일한 형태를 갖고 있으며 조사경으로서 주 반사경의 축에 대칭으로 위치하도록 하였다.

그러나 상기와 같은 종래의 안테나는 두 가지 단점이 있다. 첫번째로는 개개의 조사경이 주 반사경의 일부분만을 조사하는 이유로 인해 표면 이용효율이 낮은 점이고, 두 번째 단점은 가까이 위치하고 있는 빔을 부 반사경이 차단하기 때문에수신이 불가능해지는 경우가 발생한다는 점이다.

상기의 두 번째 단점인 가까이 위치하고 있는 빔을 부 반사경이 차단하는 문제점은 2개의 공초점(confocal toroidal) 반사경을 갖고 있는 쌍 반사경 안테나를 사용함으로써 해결되었다.

이 안테나의 조사경들 역시 원환 반사경의 축에 대칭으로 위치하고 있고 각각은 주 반사경의 일부분 만을 조사한다.

그러므로 상이 어긋나는 것을 완전히 보상할 수 없어 높은 표면이용효율을 보장할 수 없는 문제점이 있었다.

해당 수의 빔에 있어 최소로 상이 어긋나도록 하기 위한 조건에서 주 반사경 및 부 반사경의 형태가 합성되는 멀티 빔 안테나가 잘 알려져 있지만, 이는 주 반사경의 형태가 복잡하다는 단점이 있어 효율적으로 이용되지 못하였다.

주 반사경으로서 회전 포물면(rotation parabolic)을 사용하는 쌍 반사경 쌍 초점 안테나(bifocal antenna)가 잘 알려져 있다.

부 반사경의 형태는 대칭으로 위치하고 있는 두개의 빔에 상의 어긋남이 없는 조건에서 정해진다.

여기서 조사경들은 대칭으로 위치하고 있는 초점(focus) 위에 놓여지며 그 조사경들의 축은 부 반사경에 반사된 후의 지향 다이아그램(directivity diagram)의 최대치가 주 반사경의 중심부에 들어가도록 한다.

상기의 조사경들이 정확히 촛점에 놓여질 때 반사경은 완전 조명되며, 안테나는 높은 표면 이용효율을 갖게 된다.

그러나 상기의 안테나는 빔의 수가 적다는 것과 송수신 각도(angle of aspect)가 작은 단점이 있으며, 이는 조사경들이 촛점에 위치하여 초점의 분산이 크고 이에 따라 초점의 변화(angular diversity)가 클 경우에는 주 반사경의 구경(aperture)에서 필드의 폭(amplitude of field)의 공급이 균등하지 않아 표면의 이용효율이 떨어지게 되며 조사경들이 초점 사이에 위치할 경우에는 상 및 진폭 어긋남으로 인해 표면의 이용효율이 떨어지기 때문이다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 반사경 안테나를 제안하였으며, 이 안테나는 회전 포물면의 일부인 주 반사경과 1 ∼ 2개의 부 반사경 및 이동이 가능한 1개의 조사경이나 고정된 몇 개의 조사경을 갖도록 하였다.

상기 부 반사경의 표면 형태는 빔의 고정된 2개의 방향에 있어 전면 위상 배열(phase synchronism of front)의 조건에서 결정되도록 하였다.

상기 부 반사경의 유용한 매개변수들은 이들 방향에서 요구되는 표면이용효율 최대치에 근거하여 선택되도록 하였으나,

이는 송수신 각도가 작은 단점이 있다.

안테나 설계에서 주 반사경으로서 사용되는 원환면은 반사경 안테나 기술에서는 잘 알려진 장비이다.

그러나 잘 알려진 멀티 빔 주사 안테나에서 빔의 주사나 멀티 빔 다이아 그램의 복사는 조사경이나 조사 시스템(부 반사경이 있는 조사경)을 원환면 축을 중심으로 회전시키는 방법으로 이루어졌다. 원환면의 유명한 축 대칭 특성을 이용하였지만 이에 있어 조사경에 의해 원환면의 일부만이 조명되었고 이러한 시스템의표면의 이용효율은 높지 않았다.

상기와 같은 종래의 단점을 해결하기 위한 본 발명은 쌍 반사경 멀티 빔 주사 안테나를 사용함으로써 반사경이 하나인 안테나를 사용할 경우보다 더욱 높은 특성을 보장할 수 있도록 한 반사경 안테나를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 쌍촛점 또는 복수 초점 시스템의 주 반사경으로서 원환면 반사경을 사용할 것을 권장한다.

이렇게 함으로써 높은 표면이용효율을 유지하면서 회전 포물면을 주 반사경으로 사용하는 복수 초점 시스템의 주사 대역을 확대할 수 있다.

이에 있어 부 반사경의 형태는 최저치의 상과 진폭의 어긋남, 즉 주 반사경의 구경의 진폭 및 상의 분포와 조사경의 위치가 2개 이상일 때의 송수신에 필요한 표면이용효율 최대치 간의 최소차라는 조건에서 정한다.

주 반사경의 모점(母點)=F(z)는 다양한 방법으로 선택될 수 있다.

예를 들어 안테나 입력과 출력에서의 특정 빔 전면의 대응 함수의 송수신 요구에 의해 정해질 수 있는데, 이 함수는 특히 구경의 진폭 배분과 그에 따른 안테나의 측면 방사를 결정짓는다.

지향성에 있어 바늘 모양의 다이아그램이 나올 경우 구경의 동위상 전면을 형성해야 한다. 주 반사경의 형태가 주어졌을 때 이 경우의 부 반사경의 형태는 잘 알려진 방법으로 결정될 수 있다.

지향성 부채꼴 모양으로 주사의 수직면, 수평면에서의 전면은 부동위상이며,부 반사경의 형태는 미적분 방정식에서 찾을 수 있다.

주어진 측면 조사 수준을 달성하면서 주 반사경의 모점을 바꾸어 수직면에서의 진폭 분포를 변화시킬 수 있다.

부채꼴 모양의 지향성 다이아그램이 나올 경우 이렇게 하기 위해 잘 알려진 반복 과정을 이용할 수 있다.

다른 구상을 통해서 주 반사경의 모점을 선택할 수 있다.

예를 들어 주 주사의 수직면, 수평면에서 안테나의 주사 특성을 고려함으로써 선택할 수 있다. 이를 위해서는 대응함수가 무색광행차의 조건, 즉 사인 아베(sine abbe)를 만족시키거나 주 반사경의 모점이 이 면에서의 복수 초점 시스템 형성 조건에 근거하여 선택되어야 한다. 이러한 해법들을 이용하여 주 반사경 모점의 해당 형태를 결정할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 주 반사경과 테두리가 곡선인 반사경 안테나의 사시도.

도 2는 본 발명의 토르 표면과 한 면의 교차에 의해 주 반사경의 테두리가 편편하게 구성된 상태를 도시한 사시도.

도 3은 도 2에 도시한 안테나의 실시예에서의 ZX 표면을 도시한 개략도.

도 4는 도 2에 도시한 안테나의 실시예에서의 XY 표면을 도시한 개략도.

도 5는 본 발명의 실시예에서의 표면이용효율의 스캐닝 각에 대한 의존 상태를 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 상의 어긋나는 것을 보상하기 위한 렌즈를 부착한 반사경 안테나의 구성을 나타낸 사시도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 2개의 부 반사경을 부착한 반사경 안테나의 구성을 나타낸 개략도.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 3개의 부 반사경을 부착한 반사경 안테나의 구성을 나타낸 개략도.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 4의 부 반사경을 부착한 반사경 안테나의 구성을 나타낸 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 주 반사경 30 : 조사장치

20, 202, 204, 206, 208, 210, 212 : 부 반사경

32 : 조사판 60 : 렌즈

이하 본 발명을 실시예에 따라 상세히 기술하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 주 반사경과 테두리가 곡선인 반사경 안테나의 구성이고, 도 2는 본 발명의 토르 표면과 한 면의 교차에 의해 주 반사경의 테두리가 편편하게 구성된 상태를 도시한 것이며, 도 3은 도 2에 도시한 안테나의 실시예에서의 ZX 표면을 도시한 것이고, 도 4는 도 2에 도시한 안테나의 실시예에서의 XY 표면을 도시한 것이며, 도 5는 본 발명의 실시예에서의 표면이용효율의 스캐닝 각에 대한 의존 상태를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 상의 어긋나는 것을 보상하기 위한 렌즈를 부착한 반사경 안테나의 구성을 나타낸 것이며, 도7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 2개의 부 반사경을 부착한 반사경 안테나의 구성을 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 3개의 부 반사경을 부착한 반사경 안테나의 구성을 나타낸 것이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 4의 부 반사경을 부착한 반사경 안테나의 구성을 나타낸 것이다.

도 1은 본 발명의 주 반사경과 테두리가 곡선인 반사경 안테나를 나타낸 거으로서,

본 발명의 안테나는 원환면의 일부분이 되는 주 반사경(10)과 부 반사경(20) 및 조사장치(30)를 구비하고 있다.

이 장치의 요소인 주 반사경(10)과 부 반사경(20)은 서로 단단히 연결되어 있으며 이에 있어 안테나의 타입에 따라 외관 모양(aspect of space)이 조사장치(scanning antenna)(30)의 조사판(32)을 기계적으로 이동함으로써 실행되거나 또는 조사장치(30)의 정지 조사판(32)을 격자모양으로, 예를 들어 혼 모양(horn -type)으로 만듬으로써 실행된다.

조사장치(30)의 구조는 본 출원서에서 검토되지 않고 있는데 그 이유는 이것이 발명품의 본질과는 관계가 없기 때문이다.

부 반사경(20)의 형태는 공식 (z)= (x, y)에 의해 정해지는데,

여기서 (x, y)는 x에 대한 n, y에 대한 m승의 이차다항식으로 다항식의 계수(coefficient)는 조사판(32)의 2점 이상의 위치점에서의 표면이용효율 최대치에 따른 안테나 최적화를 위한 유용한 매개변수가 되고 조사판(32)의 위치 및 축의 방향 역시 최적화 과정의 결과로 찾아진다.

단일 부 반사경(20)의 형태를 찾기 위한 다른 방법은 잘 알려진 다차원 최적화 방식을 이용하여 그 표면을 함수의 특정 급수에 두고 유용한 매개변수의 최적의 값을 찾는 방법이다.

도 3 및 도 4에서는 주 반사경(10)의 테두리가 편평한 안테나의 수직(ZX) 및 수평(YX) 면에서의 실시예를 도시한 것이다.

주 반사경(10)은 파라볼릭 토르(parabolic tore)의 비축대칭 절단부이고, 이 반사경의 수직 축(34)는 도 3에 점과 대시(dash line)로 나타나 있다.

주 반사경(10)의 하위 점(102)은 X축 - 포물면 축 상에 있다.

포물면의 초점 범위는 1630mm이고 주 반사경(10)의 높이는 2550mm이며 주 반사경(10)의 넓이는 3530mm이다.

주 반사경 구경의 면적은 대략 직경 3000mm인 원의 면적과 같다.

XZ 면에서의 부 반사경(20)의 절단면 형태는 주 반사경(10)의 촛점과 일치하는 한 촛점과 주 반사경(10)의 하위 점(102)과 일치하는 또 하나의 촛점이 있는 타원형이다.

부 반사경(20)의 형태와 초점의 선과 조사판(32)의 축 방향은 10°의 간격을 두고 위치하고 있는 두 빔의 표면이용효율 최대치에 따른 최적화 과정의 결과(형태 - 원환 표면 급수)로 찾아진다.

부 반사경(20)은 도 3에 도시한 것과 같이 볼록-오목 표면을 갖고 있으며 주 반사경(10)에서와 마찬가지로 Z축과 일치하는 축을 가진 타원형 원환면에서 형성된 비축대칭 절단부이다.

조사판(32)은 촛점 곡선(40)(도 4에 별모양으로 표시)에 위치하고 있다.

이동 조사판 안테나가 기능할 때 조사판(32)은 곡선(40) 상에서 이동한다.

몇 개의 조사판(32)을 사용할 경우 이들은 XY 면에서 부 반사경(20)의 넓은 각도 범위 안에서 산재하는 빔을 형성하게 된다.

주 반사경(10)과 부 반사경(20)은 ZX 대칭의 공통 면을 갖는데 이에 있어 부 반사경(20)의 면적은 주 반사경(10) 면적의 0,33에 달한다.

조사분포 다이아그램의 폭은 10db 수준에서 55°에 달하고 이에 있어 큰 토르(tore)(주 반사경)의 반경은 6652mm이고 작은 토르(부 반사경)의 반경은 3632mm이며 축 사이의 간격은 794mm이다.

상기 주 반사경(10)의 경계는 편평하며 2557x +z = 17009 면과 회전 포물면 표면의 교차에 의해 형성된다.

상기 부 반사경(20)의 경계는 주어진 각도범위(이 경우에는 20)에서 다양한 각으로 평면파가 도달할 때 주 반사경(10)에 반사되어 나오는 빔의 차단 조건에서 선택된다.

도 5에서는 쌍촛점 안테나의 주사 각도에 대한 표면이용효율의 의존성이 연속 선으로 나타나 있으며 앞서 설명된 안테나의 구현사례가 점선으로 표시되어 있다. 상기 안테나의 상의 범위가 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.

도 6에서서는 상의 범위를 증가 시키기 위해 추가로 어긋나는 것을 보상하는 렌즈(60)을 구비한 반사경 안테나를 도시한 것이다.

만약 폭 넓게 산재하는 몇 개의 빔을 형성하는 것이 필요하다면 도 7에 도시한 것과 같이 몇 개의 개별적인 부 반사경(202, 204)이 있는, 또는 도 8에 도시한 것과 같이 하나의 요소로 연결된 부 반사경(206, 208, 210)이 있는 안테나를 사용할 수 있을 것이다.

밀접하게 위치하고 있는 몇 개의 빔이 형성될 경우 또는 어떤 각도에서 빔이 끊임없이 주사하고 이때에 주어진 범위로부터 상당한 각만큼 벗어난 추가의 빔이 형성될 경우에는 도 9에 도시한 것과 같이 위에서 설명한 사례에서 처럼 합성된 추가의 부 반사경(212)을 사용해야 하는데 이 반사경의 형태는 잘 알려진 공식에 따라 위상 배열 조건에서 찾을 수 있다.

본 실시예에 의한 요소들은 자재가공 첨단장비를 사용하여 생산될 수 있으며, 주 반사경과 부 반사경의 자재로 알루미늄을 사용할 수 있다.

따라서 본 발명의 반사경 안테나에 의하여서는 회전표면(Rotation surface)의 일부분인 주 반사경과 이동이 가능한 조사판(irradiator)을 최소한 한 개, 또는 고정되어 있는 몇 개의 조사판을 갖고 있고, 적어도 두 개 이상의 방향(direction)을 갖는 빔(beam)의 최대 표면이용효율 요구에 따라 그 표면형태가 결정되는 최소한 하나의 부 반사경을 갖고 있으며 주 반사경이 토르(tore) 표면의 일부분이고 부 반사경은 f(z)=Pmn(x, y)에 의해 결정되도록 한다.

여기서 Pmn(x, y)는 x에 대한 n승, y에 대한 m승의 이차 다항식이며 다항식의 계수와 조사판 축의 방향과 위치가 최적화 매개변수가 되고 f(z)=x는 대칭 표면에서의 부 반사경의 절단 방정식으로 구현하도록 한 것이다.

Claims (4)

1. 회전 표면의 일부분인 주 반사경과 이동이 가능한 조사판을 최소한 한 개, 또는 고정되어 있는 몇 개의 조사판을 갖고 있고 몇 개의, 적어도 두개의 방향을 갖는 빔의 최대 표면이용효율 요구에 따라 그 표면형태가 결정되는, 최소한 하나의 부 반사경을 갖고 있으며 주 반사경이 토르 표면의 일부분이고 부 반사경은 f(z)=Pmn(x, y)에 의해 결정되도록 하되,

   상기의 Pmn(x, y)는 x에 대한 n승, y에 대한 m승의 이차 다항식이며 다항식의 계수와 조사판 축의 지향성과 위치가 최적화 매개변수가 되고,

   상기의 f(z)=x는 대칭 면에서의 부 반사경의 절단 방정식이 되도록 한 반사경 안테나.
2. 제 1 항에 있어서, 상기의 안테나는 조사판들과 부 반사경 사이에 위치하는 렌즈가 포함되도록 한 반사경 안테나.
3. 제 1 항에 있어서, 상기의 안테나는 주 반사경이 표면 테두리를 갖도록 한 반사경 안테나.
4. 제 1 항에 있어서, 상기의 안테나는 추가의 부 반사경을 갖고 있고 이 반사경의 표면형태가 위상 배열 요구에 의해 찾아지도록 한 반사경 안테나.