KR20020095924A - 코너 미러 안테나 - Google Patents

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KR20020095924A
KR20020095924A KR1020010034283A KR20010034283A KR20020095924A KR 20020095924 A KR20020095924 A KR 20020095924A KR 1020010034283 A KR1020010034283 A KR 1020010034283A KR 20010034283 A KR20010034283 A KR 20010034283A KR 20020095924 A KR20020095924 A KR 20020095924A
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아나톨리비치칼로신바짐
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주식회사 애니앙스
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
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Abstract

본 발명은 무선통신, 즉 안테나 시스템에 관한 것으로서, 초단파 통신 특히 셀룰러 통신 시스템에 사용될 수 있다.
본 발명의 기술적 과제는 방위각 평면에 섹터 패턴을 갖는 코너 안테나를 제조하는 것이다.
상기 본 발명의 기술적 과제는, 주 반사체로서 기능하는 두 개의 직사각형 전도판(10, 12)에 의해 형성된 개구에서 각도 φ를 가지는 코너 반사체(16)와, 상기 코너 반사체의 공동(cavity)에 배치된 여기 디바이스(18;exciting device)를 포함하는 안테나에 의해 달성된다. 상기 코너 반사체에는 보조 반사체로서 기능하는 부가적인 직사각형 판(26, 28)이 부착된다. 상기 판(26, 28)은 개구 방향으로 α 및 β의 각도로 설치되며, 상기 판의 리브(rib)는 주 반사체의 전도판(10, 12)의 리브에 평행하고, 코너 반사체의 에지(14)에 평행하다. 각도 ψ, α, β의 값은 하기의 수학식에 의거하여 선택된다.
α, β, ψ < π ;
α + β + ψ < 2π

Description

코너 미러 안테나{CORNER MIRROR ANTENNA}
본 발명은 무선통신 즉 안테나 시스템에 관한 것으로서, 초단파 통신 특히 셀룰러 통신 시스템에서 적용되는 안테나에 관한 것이다.
코너 미러 안테나(corner mirror antenna)라 지칭되는 코너 안테나는 마이크로파와 미터파 영역에서의 운용에 광범위하게 사용되고 있다. 코너 안테나의 가장 단순한 형태는, 미러(반사체; reflector)를 형성하는 두 개의 평판과 그 사이에 위치된 선형 피더(linear feeder)로 구성되는 형태이다. 일반적으로 상기 피더는 단일 다이폴(dipole) 또는 선형 다이폴 어레이로 형성된다. 일반적으로 상기 피더의 축은 안테나의 이등분선 평면에 배치된다. 반사체 각도와, 다이폴 축으로부터 상기 각도의 정점까지의 거리를 적절히 선택함으로써, 반사체로부터 반사된 파의 필드와, 다이폴에 의해 바로 생성된 파의 필드를 양호하게 조합할 수 있다. 반사체판이 피더에 대하여 대칭인 경우에, 최대 방사(radiation)는 각을 이등분하는 방향에서 주로 발생된다. 일반적으로 반사체 높이는 다이폴 길이를 다소 초과하도록 선택되고, 각 판의 폭은 파장보다 크게 선택된다.(예를 들어, 모스크바 1997년 "스프야즈" 2권 122페이지에 기재된 지. 제트. 아이젠베르그, 브이. 지. 얌폴스키 및 오. 엔. 테레신의 논문 "마이크로파 안테나" 참조; G.Z.Eisenberg, V.G.Yampolsky, O.N. Tereshin, Microwave antennas, Moscow, Svyaz, 1977, v. 2, p. 122~135)[1].
코너 안테나는 단일 콤포넌트로서만 사용되는 것이 아니라, 상기한 코너 안테나를 복수개 조합함으로써 셀룰러 무선 통신용으로 사용하기에 매우 적합한, 다중 빔 모드의 무선파 송/수신을 구현하는 집약적 안테나 시스템을 형성할 수 있다(예를 들어 엔티티 모바일 커뮤니케이션즈 네트워크 인코포레이티드가 출원한, IPC 분류 H01Q 25/00인, 1994년 11월 17일자 유럽특허공개 제0624919A1호 참조(EP0624919 A1, NTT MOBILE COMMUNICATIONS NETWORKINC, H01Q 25/00, 17.11.1994)] [2]).
미리 설정된 안테나의 지향성을 제공하기 위하여, 반사체를 비평면형으로 성형하는 것에 관한 다수의 발명이 있다. 예를 들어, US 분류가 343/836이고 1974년 4월 9일자 미국특허 제3803622호(US3803622, 343/836, 09.04.1974)[3]에 개시된 안테나는, 90°반사체가 10° 각도로 외부로 향하고, 폭이 0.23λ(λ는 전자기 진동의 파장)인 대칭형 벤드(bend)를 구비하고 있으며, 반사체 자체의 방사 방향으로의 길이는 0.21λ이고, 다이폴은 에지(edge)로부터 0.12λ거리에 배치된다. IPC 분류가 H01Q인, 지멘즈의 1967년 11월 30일자 독일특허출원 제1211499호(DE1211499, SIEMENS .., H01Q, 30.11.1967)[4]에 개시된 안테나는 광대역 피더와 복합형 반사체를 포함하고, 상기 복합형 반사체는 다양한 각도로 설치된 반사체 콤포넌트를 구비한다. 또한, 상기 특허에는 에지로부터의 거리와, 치수 및 반사체 설치 각도의 선택에 대한 노모그래프(nomograph)도 개시되어 있다.
보다 복잡한 형태의 코너 안테나는 반사체 형태에 대한 개선 사항을 포함하고 있다. 예를 들어, 우에다 제펜 라디오 컴퍼니 리미티드가 출원한, IPC 분류가 H01Q 15/18인, 1999년 7월 30일자 일본공개특허 제11205030호(JP11205030 A, Ueda Japan Radio Co Ltd, H01Q 15/18, 30.07.1999)[5]를 참조하면, 특정 개구 각도(aperture angle)로 배치된 두 개의 전도판과, 상기 전도판으로부터 특정 거리에 설치된 여기 콤포넌트로 구성된 코너 반사체를 구비한 안테나가 개시되어 있다. 상기 전도판의 에지에 대해 간격을 두고 위치된 개구의 방향으로 평면 전도체가 상기 전도판에 고정된다. 따라서, 코너 반사체 개구의 물리적 면적을 증가시키지 않고 높은 안테나 이득을 얻을 수 있다. 이는 풍압(風壓;wind loading)을 감소시키는 구조로서 유용하다.
상기 [1] 내지 [5]의 참조 문헌에는, 예를 들어, "사각형" 패턴 등의 섹터형 패턴을 형성하는 코너 안테나를 형성하는 것에 대하여서는 제안되어 있지 않다. 이런 안테나는 방위각 평면(즉, 코너 반사체의 리브(rib)에 수직인 평면)에서 주어진 각도 범위에서의 패턴의 특정 형상과, 이 섹터 외측에서의 방사의 급락을 특징으로 한다. 섹터내의 방사의 수준이 실질적으로 균일하게 유지되는 경우에, 이런 패턴을 "사각형"이라 지칭한다. 이런 형태의 안테나는 예를 들어, 이동 통신 시스템 및 기타 다수의 응용 분야에 대하여 균일한 무선파 송/수신 영역을 정렬하는데 매우 유용하다.
따라서, 본 발명의 목적은 방위각 평면에서 섹터 패턴을 가지는 코너 안테나를 제조하는 것이다.
도1은 수평면상에서 본 발명에 의한 코너 안테나의 횡단면을 도시하는 도면.
도2는 본 발명에 의한 코너 안테나의 개관을 도시하는 도면.
도3은 본 발명에 의한 안테나 디자인과, 종래의 코너 안테나에 대한 방위각 평면에서의 패턴을 비교하여 도시하는 도면.
도4는 프로파일형 튜브(profiled tube)로 제조된 레이돔과 통합된 반사체의 실시예를 나타내는 도면.
상술한 기술적 과제는 각도 φ로 연결된 두 개의 직사각형 전도판으로 형성되어 주 반사체로서 작용하는 코너 반사체와, 상기 코너 반사체의 공동(cavity)내에 배치된 여기 디바이스를 포함하는 안테나에 의해 달성된다. 상기 장치는 보조 반사체로서 작용하는 부가적인 직사각형 판을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 부가적인 직사각형 전도판 각각은 대응하는 주 반사체의 판에 대해 소정 각도를 형성하며 배치되고, 상기 주 반사체의 접합선에 평행한 에지를 따라 상기 대응하는 주 반사체의 판과 결합된다.
상기 각도의 값은 α와 β를 상기 주 반사체의 판이 상기 보조 반사체와 결합하는 각도의 값이라 할 때에 하기의 수학식1을 만족한다.
(수학식1)
α, β, φ < π,
α+ β+ π> 2π
상기 코너 안테나는 상기 여기 디바이스가 상기 주 반사체의 전도판에 대하여 s1, s2의 거리에 배치되고, λ를 상기 코너 반사체의 공동을 충진하는 매체의 전자기 진동의 파장이라 할 때, 상기 s1, s2가 하기의 수학식2를 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
(수학식2)
5/8λ> (s1, s2) > 1/8λ
상기 코너 안테나는 상기 여기 디바이스가 피더의 선형 어레이로서 형성되고, 상기 피더 각각이 전기적 다이폴로서 형성되는 것을 부가적인 특징으로 할 수 있다.
상기 코너 안테나는 상기 전도판이 금속판으로 형성되는 것을 부가적인 특징으로 할 수 있다.
상기 코너 안테나는 상기 코너 반사체가 단일 금속 박판으로 형성되는 것을 부가적인 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 코너 안테나는 상기 코너 반사체가 폴리머 재료로 형성되고, 상기 전도판이 상기 반사체 공동에 금속을 라미네이팅(laminating)함으로써 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 코너 안테나는 상기 코너 안테나의 단부면이 반사체에 결합된 덮개를 구비하고, 상기 반사체가 안테나 장착부를 위한 콤포넌트와 안테나 피더 트랙트(tract)에 대한 접속을 위한 수단을 상기 덮개에 부착하는 것을 가능하게 하는 것을 부가적인 특징으로 할 수 있다.
상기 코너 안테나는 상기 덮개가 전도성 재료로 형성된 것을 부가적인 특징으로 할 수 있다.
상기 코너 안테나는 상기 전도체 공동이 유전 재료로 충진되는 것을 부가적인 특징으로 할 수 있다.
상기 코너 안테나는 상기 코너 반사체의 개구가 방사선 투과성(radio transparent) 물질로 제조된 레이돔(radome)으로 덮여지는 것을 부가적인 특징으로 할 수 있다.
(실시예)
본 발명에 의한 코너 안테나의 실시예를 특정 응용 분야의 필요조건에 의거한 파라미터 선택에 의해 설명한다. 작동 주파수 대역(하기의 안테나 실시예의 예시에 대하여, 이는 1700 내지 2000MHz로 구성됨) 및 최대 개구 사이즈가 정의된다. 그때, 여기 디바이스의 유형은 전자기파의 편파 벡터(polarization vector)의 필요 조건에 의거하여 결정된다. 실시예에 있어서 수직 다이폴을 사용하여 수직 편파가 정의된다. 수평면에서 다이폴의 패턴은 균일한 것으로 알려져 있다.
본 발명에 의하면, 도1에 도시된 기하학적 형상을 가진 반사체의 파라미터가 선택된다. 다이폴 길이, 거리 s1, s2(5/8λ> (s1, s2) > 1/8λ범위 이내)를 선택함으로써, 입력 임피던스의 실수부(real part)가 다이폴을 여기 시키는 송신선의 특성 저항에 근접하는 동안, 입력 임피던스의 허수부(imaginary part)가 실질적으로 0이되도록 다이폴의 임피던스가 선택된다. 대칭적 레이아웃에 있어서 s1= s2가 되며, 이 경우의 이 치수가 도1에 "s"로 도시되어 있다. 전력 분배기가 송신선과 케이블 사이에 설치되며(어레이 피더의 경우), 그 후 상기 분배기의 입력 임피던스의 활성부(active part)는 다이폴을 여기시키는 송신선의 특성 저항과 동일해 진다.
그리고 예를 들어, 적분 방정식을 사용한 방법(1999년 UHF 및 VHF의 전기역학 2판 7권 24-26 페이지에 기재된 에이. 지. 다비도프와 유. 브이. 피메노프의 "3차원 목적물의 이상적 전도의 전기역학적 특성 연구를 위한 소프트웨어 콤플렉스 EDEM3D" 참조; A.G. Davydov, Yu.V. Pimenov,Software complex EDEM3D for investigation of electrodynamical characteristics of ideally-conducting three-dimensional objects//*Electrodynamics of UHV and VHF)>> 1999, v.7. issue2, page 24-26) 등의 수치해석 전기역학적 방법을 사용하여, 수평면에서의 안테나 패턴을 계산한다. 그 후, 예를 들어 최대 가능 직각도(squareness)를 가진 정의된 형상의 패턴을 얻기 위한 목적으로, 다차원 최적화법(예를 들어, M. Aoki, Introduction into functional optimization methods. Moscow, Nauka, 1976참조)을 이용하여, 안테나의 기하학적 파라미터가 선택된다.
상기 코너 안테나(도1)는 평행 리브를 따른 에지를 따라 결합된 반사 전도판(10, 12)을 포함한다. 주 반사체로서 기능하는 상기 판(10, 12)은 각도 φ의 개구를 구비한 코너 반사체를 형성한다. 피더(18)는 에지(14)로부터 s의 거리에, 그리고, 반사판(10, 12)으로부터 s1, s2의 거리에 배치된다. 코너 반사판의 이등분 평면(20)에 위치된 피더(18)의 경우, s1= s2= s ·sin (φ/2)가 된다.
a, b의 치수를 가지는 보조 반사 전도판(26, 28)이 전도판의 폭방향, 즉, 안테나 개구의 방향으로 전도판(10,12)에 연결된다. 상기 판의 에지(22, 24)는 에지(14)에 평행하며, 주 반사체에 대하여 α및 β의 각도로 배치된 보조 반사체를 형성한다. 상기 각도의 값은 상기 수학식1(즉, α, β, φ < π; α+ β+ π> 2π)을 만족한다.
안테나가 대칭 패턴을 가지는 경우에, 상기 각도의 값과 치수는 α = β, a = b 로서 선택된다.
상기 안테나는 전달 방향에서 전체 다이폴 w와, 개구 A를 구비한다.
본 발명에 의한 안테나의 실험 샘플의 개관이 도2에 도시되어 있다. 코너 반사체(16)의 단부면에는 덮개(30, 32)가 부착 및 설치되어 있으며, 상기 덮개(30, 32)는 안테나 피더 트랙트에 상기 여기 디바이스를 연결하기 위한 전기 커넥터(34)와 피더(18)를 위한 장착 베이스를 구성한다. 상기 덮개는 전도성 재료로 형성될 수 있다.
피더(18)는 에지(14)에 평행하게 배치된 선형 피더 어레이(40)로서 형성된다. 이런 피더(40)의 형태는 공지되어 있는 것이며, 본 발명에서, 상기 피더는 공지되어 있는 목적으로 사용된다. 수직 평면에서 안테나의 높이는 L이다.
본 발명의 실시예로서, 코너 안테나는 ±30°의 섹터에서 "사각형" 패턴 특성을 갖도록 구성 및 합성된다. 각 기하학적 파라미터의 값은 하기의 표1에 요약되어 있다. 표1에는 시험의 기준이 되는 공지된 안테나[1]의 실례의 기하학적 파라미터가 같이 기재되어 있다.
(표1)
본 발명에 의한 안테나의 실험 샘플에 대하여 선택된 각도 φ, α, β의 값은 상술한 수학식1 및 수학식2를 만족한다.
수학식1에 대하여,
162°, 129°, 129° < π ;
162°+ 129° + 129°= 420°> 2π
수학식2에 대하여,
5/8λ> (s·sin (φ/2)) > 1/8λ,
λav= 158mm인 경우에
60 > 35 > 20으로 상기 수학식2가 만족된다.
방위각(수평) 평면에서 양 안테나에 대한 패턴 측정값의 결과가 도3에 도시되어 있다. 1.92GHz의 주파수에서, 종래의 코너 안테나[1](라인 1)의 이득 팩터(GF)에 대한 플롯과, 본 발명에 의한 안테나 디자인(라인 2)에 대한 이득 팩터에 대한 플롯이 도시되어 있다. 양 안테나에 대한 이득 팩터는 θ = 0에서 본 발명에 의한 안테나에 대한 GF 값으로 스케일링된다. 본 발명에 의한 안테나 디자인이 공지된 안테나의 경우(비균일성 3dB)보다 60°섹터에서 보다 균일한 수준의 방출 전력(균일성 1dB)을 제공한다는 것을 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 안테나는 공지된 안테나에 비해, θ > 90°의 각도에서 더 낮은 방사 수준을 가지고 있으며, ±30°의 섹터에서 최소 GF 값이 1dB 정도 더 높다.
본 발명에 의한 안테나에 있어서, 1.8 내지 2.0GHz의 상기 주파수 범위 내에서 안테나의 이득 팩터가 14.1 내지 14.3dB인 것을 알 수 있으며, 이는 기대치에 매우 근접한 값이다. 조사를 통해 언급된 주파수 범위 1.8 ~ 2.0 GHz에서 안테나의 이득 요소는 14.1 이상 14.3 dB 이하 정도임을 알 수 있으며, 이는 예상 수치에 상당히 근접하고 있다. 정합 콤포넌트가 있는 경우 및 없는 경우 양자 모두에 대하여, 정상파 비율(SWR; standing-wave ratio)이 결정되었다. 정합 구성 요소가 없는 경우에는, 1.8 내지 2.1 GHz의 주파수 범위에서 SWR이 1.5 미만이었다. 정합 콤포넌트(개방 단부에 위치된 스트립 라인)를 사용한 경우에는, 측정된 SWR값은 마찬가지로 1.5 미만이었지만, 1.7 내지 2.3GHz의 보다 광범위한 주파수에 대해 상기 결과가 얻어졌다.
얻어진 실험 데이터는 섹터형 패턴 안테나가 고도의 특성을 지니고 있다는 것을 입증하였으며, 상기 특성들은 상기 안테나를 통신 시스템에 사용할 수 있게 한다.
본 발명에 의한 안테나의 코너 반사체는 예를 들어, 금속 박판,바람직하게는 알루미늄 합금으로 제조된 덮개를 포함하는 상기 구조의 모든 각각의 콤포넌트를 동시에 벤딩, 비절단 성형, 펀칭하는 등의 다양한 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 콤포넌트 또는 그 구성부들은 독립적으로 성형되고, 그후 조립될 수 있다. 또한 상기 반사체를 플라스틱으로 형성하고, 그 후에 내면을 금속 포일로 코팅(라미네이팅)하여 구성할 수 있다. 피더와 반사체 공동은 기포형 폴리스티렌 또는 다른 유사한 재료 반사판의 공동은 피더와 함께, 폴리스티렌이나, 비극성 고형 유전체의 그라우트에 속하는 다른 유사한 재료로 충진될 수 있고, 대기 강수의 침투를 예방하기 위해 비금속 보호성 콤포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코너 반사체 개구는 방사선 투과성 재료로 제조된 레이돔으로 덮여질 수 있다(도시하지 않음).
다른 실시예로서는, 반사체는 관모양의 세장형(細長型) 유전성 프로파일 부재로 제조될 수 있다(도4). 압출 성형 과정에서 필요한 코너 반사체의 파라미터 즉, 평면(101, 121, 261, 281)의 경사와 치수뿐만 아니라, 레이돔(50) 및 장착 콤포넌트(도시하지 않음)의 필요한 파라미터에 의거하여, 소정의 형상을 갖도록 프로파일이 설정될 수 있다. 그러나, 이 경우의 가장 큰 장점은 반사판 개구에 측면을 따른 방수 기능을 제공하는 레이돔 등의 독립적 보호 콤포넌트가 필요하지 않다는 것이다.
피더는 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 특히, 리소그래피 즉, 금속화된 유전 재료의 에칭에 의한 인쇄 피더 제조 기술이 사용될 수 있으며, 다른 방법들도 사용될 수 있다. 전기 정합 콤포넌트의 제조에도 유사한 방법이 사용될 수 있다.
상기 실시예에서 전도판 등은 직사각형으로 구성하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 정사각형도 무방하다.
본 명세서에 기재된 사항은 하기의 청구범위에 기재된 본원 발명의 산업상 이용 가능성을 증명한다.
본 발명에 의한 안테나는 예를 들어 이동 통신 시스템 및 기타 다수의 응용 분야에 대하여 균일한 무선파 송/수신 영역을 배열하는데 매우 유용하다.

Claims (11)

  1. 각도 φ로 결합된 두 개의 직사각형의 전도판으로 형성되고 주 반사기로서 기능하는 코너 반사체와,
    상기 코너 반사체의 공동(空洞;cavity)내에 배치된 여기(勵起;exciting) 디바이스와,
    보조 반사기로서 기능하는 부가적인 직사각형 전도판을 포함하는 코너 안테나에 있어서,
    상기 부가적인 직사각형 전도판은 주 반사기의 각 판에 각도를 형성하며 배치되고,
    상기 보조 반사기의 판이 상기 주 반사기의 판과 결합하는 각도의 값을 α와 β라 할 때, 상기 각도는 α, β, φ < π 및 α + β + φ < 2π의 조건을 만족하는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 여기 디바이스는 상기 주 반사기의 전도판에 대해 s1및 s2의 거리에 위치되며,
    상기 s1및 s2는, 코너 반사기 공동을 충진하는 매체의 전자기 진동의 파장을 λ라 할 때, 5/8λ > (s1, s2) > 1/8λ의 조건을 만족하는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 여기 디바이스는 피더의 선형 어레이로서 형성되는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 여기 디바이스는 피더들의 선형 어레이로서 형성되고, 상기 피더 각각은 전기적 다이폴로서 형성되는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도판은 금속 박판으로 형성되는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코너 반사체는 단일 금속 박판으로 형성되는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코너 반사체는 폴리머 재료로 형성되고,
    상기 전도판은 반사기 공동을 금속으로 라미네이팅 함으로써 형성되는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코너 반사체의 단부면은 반사체에 부착된 덮개를 구비하고,
    상기 반사체는 안테나 피더 트렉트에 대한 접속 수단과 안테나 장착 콤포넌트를 상기 덮개에 부착할 수 있도록 하는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 덮개는 전도성 재료로 형성되는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사기 공동은 유전 재료로 충진되는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코너 반사기의 개구는 방사선 투과성 재료로 제조된 레이돔으로 덮여지는
    것을 특징으로 하는 코너 안테나.
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