KR101307113B1

KR101307113B1 - 원편광 루프 반사 안테나 및 그것의 제조 방법

Info

Publication number: KR101307113B1
Application number: KR1020107025355A
Authority: KR
Inventors: 프랜시스 유진 파쉐
Original assignee: 해리스 코포레이션
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2013-09-10
Also published as: TW201010180A; TWI412175B; US20090267850A1; CA2721438C; JP2011519251A; WO2009134787A1; KR20110005258A; US8368608B2; CA2721438A1; EP2272129A1

Abstract

안테나는 기생적 운전가능 안테나 요소 배열로 정의되는 복수의 루프 전기 전도체들을 구비한 평면 반사장치; 및 기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 기생적으로 운전하고, 진행파 전류 분배를 위한 상기 평면 반사장치로부터 이격되어 위치한 원 편광 안테나 피드를 포함한다. 안테나는 파라볼릭 반사장치와 운전된 배열 사이를 혼합한 특징을 갖고, 저 윈드 로드(low wind load)를 구비하는 것이 가능한 상대적으로 소형 원 편광 안테나를 제공한다. 폐 회로와 루프 요소들은 쌍극자 턴스타일 반사 요소들을 사용하여 안테나 상에서 게인 증가를 제공하게 된다.

Description

원편광 루프 반사 안테나 및 그것의 제조 방법{CIRCULARLY POLARIZED LOOP REFLECTOR ANTENNA AND ASSOCIATED METHODS}

본 발명은 통신 분야에 관련된 것으로, 더욱 상세하게는, 안테나 및 그것에 관련된 방법이다.

라디오 주파수 통신(radio frequency, RF) 분야에서, RF 신호를 조정, 초점화(focus), 지시(direct)할 수 있을 것이 요구된다. 전형적으로, 이것은 수신된 신호를 초점화하거나 전송된 신호를 집중시키기 위해 신호 경로에 반사되는 표면을 위치시킴으로써 달성된다. 평평한(flat) 표면이 RF신호를 반사하는 동안, 그들의 효과는 그들이 입사각과 수직으로 입사 신호를 반사하므로 광학 미러와 매우 유사한 효과를 갖는다. 결론적으로 그것은 집중화 또는 초점화 기능을 수행하지는 않는다. 그러나, 굴곡(curved) 표면(예를 들어, 파라볼릭)의 사용은 집중화(concentrating), 초점화(focusing) 기능을 수행한다.

위성 통신의 사용은 원 편광안테나 및 이중(dual) 편광 안테나의 요구를 증가시켰다. 현재 사용되는 많은 위상 응답기(transponder)는 분리된 편광기(polarization)를 사용함으로써 동일한 주파수로 2개의 프로그램을 전송한다. 그러므로, 단일 안테나 구조는 동시에 2개의 편광기를 전송받기 위해 또는 하나의 편광기에 전송하기 위해 또는 서로를 전송받기 위해 사용된다. 그러므로, 단일 안테나 구조는 높은 분리 각도(degree of isolation)로 2개의 편광 패널이 분리되어 있는 구조이다.

그것은 이중(dual) 선형(linear) 또는 원 편광 채널을 구비할 수 있다. 즉, 주파수는 하나의 채널이 수직 편광 및 다르게 수평 편광된다면 재사용될 수 있다. 또는 주파수가 하나의 채널이 시계방향 원 편광(right hand circular polatization) 및 반시계방향 원 편광(left hand circular polatization)된다면 재사용할 수 있다. 편광기는 방출파(radiated wave)에 E 필드 방향을 언급하기 위한 것이고, E필드 벡터가 즉시 회전한다면, 파는 회전 또는 원 편광되게 된다.

전자기파(및, 특히 라이오 파)는 전파 라인과 일치하는 평면 내에 사인파로서 변화하는 전기적 필드(field)를 갖고, 이와 동일한 것이 자성 필드를 위해 적용된다. 전기 및 자성 평면은 서로 수직이고, 그들의 교차점은 파의 전파 라인 내에 존재한다. 전기-필드 평면이 회전되지 않는다면, 편광은 선형 편광이다. 시간 기능으로서, 전기 필드 평면(및 그러므로 자성 필드 평면)이 회전된다면, 편광은 회전편광이다. 회전 편광 장치는 일반적으로 타원형이다. 그리고, 전기 필드 벡터 끝단(extremity)이 시간이 흐르면서 원형이 된다면, 편광은 원형 편광이 된다. 전송된 라디오파의 편광이 일반적으로 전송 안테나이다.(및 피드(feed))-안테나의 타입 및 그것의 방향에 의해 정의된다. 예를 들어, 모노폴(monopole) 안테나 및 쌍극자(dipole) 안테나 선형 편광을 갖는 2개의 공통된 안테나이다. 축 모드 헬릭스(helix) 안테나는 예를 들어 원 편광을 갖는 안테나 그리고, 다른 예로는 직교(guadrature)로 쌍극자 열을 가로지르는 안테나이다. 통상적으로 선형 편광은 수직 또는 수평인 것을 특징으로 한다. 원형 편광은 보통 시계방향(Right Hand) 또는 반시계방향(Left Hand)으로 분류된다.

쌍극자 안테나는 모든 안테나 종류에서 최대 크기일 수 있다. 그러나, 물론 직선 내에 구성되지 않은 전도체로부터 방사될 수 있다. 이전의 안테나 형태는 종종 종래기술로 알려진 단순한 기하학적 형상을 갖는 유클리드(Euclidian)이다. 일반적으로, 안테나는 전하분리(charge separation)로 분류되거나, 쌍극자 및 루프에 일치하는 전하 수송 타입(charge conveyance type) 그리고 라인 및 원 구조와 일치하는 전하 수송 타입으로 분류된다.

방사선(radiation)은 패널 안테나, 슬랏 안테나 및 스켈레톤(skeleton) 안테나와 동일한 기하학으로 3 개가 상호보완되어 발생될 수 있다. 쌍극자에서, 이것은 플랫 금속 스트립(flat metal strip), 플랫 금속 시트에서 제외된 직선 슬랏 또는 장방향(rectangle) 와이어와 일치될 수 있다. 그러므로, 동일한 안테나 기하학은 바비넷의 원리(Babinet`s Principle)와 일치하여 재사용될 수 있다.

쌍극자 안테나를 위한 원 편광은 George Brown에 의해 언급되어 있다. 그것은 1936년 4월 15일자 공개된 `Turnstile Antenna` 문헌에 기재되어 있다. 쌍극자 턴스타일(turnstile)에서, 크로스된 직교 쌍극자는 위상 직교:쌍극자 포트(port)에 0, 90도에서 공급되어 진다. 쌍극자 단자(terminal)에 위상은 모든 시간에서 서로 0, 90, 180, 270도이다.

로프 안테나에 원 편광 접근은 가장 순수한(purest) 형태의 레이저로 나타난다. 예를 들어, R. Johnson 과 H.Jasik에 의한 `안테나 엔지니어링 핸드북`은 단일 루프 안테나로부터 원 편광을 얻기 위한 방법은 기재하고 있지는 않다. 반 파 쌍극자(half wave dipole)보다 더 높은 게인을 갖는 전체 파 루프(full wave loop)(3.6dBi vs 2.1dBi)라 하더라도, 쌍극자는 공통적으로, 예를 들어, 턴스타일 배열로서, 원 편광을 필요로 하여 사용된다. 쌍극자 턴스타일과 단일 루프 안테나는 모두 평면이다. 그것은 그것의 얇은 구조가 단일 면에 거의 놓여있게 된다.

많은 구조가 루프 안테나로서 설명되는 동안, 정규 루프 형태는 원의 형태이다. 공진 루프는 종종 `전체파 루프(full wave loop)`로 언급되는 전체 파 원주(circumference) 원형 전도체이다. 종래의 전체파 루프는 약 3.6dBi의 게인이고, 루프 면에 2개의 반대되는 로우브(lobes)를 갖는 2개의 페탈 로우즈(petal rose)인 방사 패턴을 갖고 선형적으로 편광되어 진다. 반사장치는 종종 단향성(unidirectional) 패턴을 얻기 위해 전체파 루프 안테나와 함께 사용되어 진다.

다양한 편광은 공통적으로 쌍극자 안테나를 가로지름으로부터(crossed) 얻어진다. 예를 들어 미국특허 제1,892,221호는 0 및 90도의 위상으로 주어지는 쌍극자를 갖는 크로스된 쌍극자 시스템을 제공한다. 비록 결과적으로 원 편광이지만, 편광의 다양성만을 제시하고 있다.

미국특허 제6,522,302호(`원-편광 안테나`)는 단일 원 편광 루프 요소보다 원 편광 안테나 집합을 제시하고 있다. 원형은 안테나 구조에서 가장 핵심적인 요소이고, 원 편광을 가능하게 하는 가장 기본적인 단일 기하학이기도 하다.

통신 위성은 지구 표면에 넓게 위치한 지점 사이에 정보의 다른 형태, 데이터, 비디오를 통신하기 위해 사용된다. 안테나는 송신라인과 자유 공간 사이의 변환기이다. 안테나 설계에서 일반적인 역할은, 상대적으로 큰 조리개가 필요하고, 좁은 빔 내로 송신이 가능하게 하기 위해 에너지를 초점화 또는 지시하기 위한 것이다. 조리개는 뿔의 입(mouth of a horn)과 같은 실제 물리적 조리개, 가로형(broadside) 배열 또는 세로형(longitudinal) 배열에 의해 제공되어 진다.

안테나의 다른 타입은 반사 안테나이다. 그것은 수신 모드에 존재하고, 에너지의 평행한(collimated) 빔을 수신하고, 피드 안테나 쪽을 가리키는 수렴 빔 내로 에너지를 초점화하거나, 전송 모드에서, 피드 안테나로부터 평행한 빔 내로 분산 에너지를 초점화한다. 일반적으로 안테나 작동은 그것으로부터 이해되어지는 다른 모드를 갖는 송신 또는 수신 단계로서 언급될 수 있다. 예를 들어, 전형적인 반사 안테나(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 에너지를 초점화하기 위해 파라볼릭 디쉬(dish)와 같은 디쉬(14) 및 피드(12)를 포함할 수 있다.

Parsche에 의한 발명의 명칭 `멀티플 편광 루프 안테나 및 그와 관련된 방법` 미국 특허 제3,112,745호는 `백파이러(backfire)` 안테나를 기재하고 있다. `야기 우다(yagi uda) 안테나` 와 같은 저속파 안테나는 평면 반사장치 측으로 사이드로우브(sidelobes)의 감소 및 게인의 향상의 특징을 갖는다. 이것은 아마도 야기-우다의 지시 요소가 통신 방향 측으로 향함으로써 공통적인 실행이 직관에 반하게(counterintuitive) 된다. 백파이어 안테나는 1965 년 8월에 공개된 `쇼트(short) 백파이어 안테나`에도 기재되어 있다.

미국특허 제4,017,865호는 `주파수 선택 반사 시스템`를 기재하고, 이중-밴드 카세그레인 안테나(dual-band Cassegrain antenna)를 기재하고 있다. 안테나 시스템은 제 1 주파수 밴드에 신호를 반사하고, 제 2 저 주파수 밴드에 신호를 전송하는 하이퍼볼릭 서브반사체 및 주요 파라볼릭 반사체를 포함하고 있다. 일실시예에 따른 하이퍼볼릭 서브반사체는 스퀘어 그리드 메쉬의 연결 다리 중에 집중된(centered) 도전성 링들을 갖는 스퀘어 그리드 메쉬이다.

워커(Walker) 등에 의한 미국 특허 제6,198,457호는 `저-윈드(wind) 로드 위성안테나(Low-wind Load Satellite Antenna)`를 기재하고, 배(ship) 상에서와 같이 바람이 강한 로드 위치 상에서 사용되어지는 안테나로서 저-윈드 로드 반사기를 포함하는 위성 통신 안테나를 기재하고 있다. 반사기는 그들을 통해 통과하는 바람을 허용하기 위해 그들로부터 상대적으로 큰 조리개를 구비한 그리드-유사(grid-like) 구조를 포함하는 지지구조를 포함한다. 고체 표면화된 파라볼릭 반사기와 달리, 워커 등에 따른 상기 문헌에서의 반사기는 요구된 작동 주파수 중 적어도 어느 하나에 초점화를 위한 지지구조에 설치되는, 쌍극자와 같은 반사 방사 요소(reflective radiatimg element)를 포함한다.

워커에 기재된 반사기는 저 윈드 드래그(low wind drag)를 구비하고, 그것은 비록 파라볼릭 반사기이지만 전자기학적인 움직임을 지정할 수 있는 표면 형상을 갖는다. 더 상세하게, 곤잘레즈(Gonzalez)에 의한 미국 특허 제4,905,014호는 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들어 FLAPS^TM(평면 파라볼릭 표면(Flat Parabolic Surface))기술과 같은 산업에서 공통적으로 언급되고, 관련된 분야에 의해 포함된 것을 기재하고 잇다. 도 2에 도시된 바와 같이, 안테나(20)는 피드(22)와 반사w아치(24)를 포함하고, 그 효과는 반사장치 표면 가운데 개별(discrete) 위치에서 개시되는 적절한 위상지연에 의해 달성된다. 위상에서, 결합단계는 각각의 반사 요소가 회전(tuning)하는 동안 `초점` 배열에서 발생된다. 전형적인 이러한 개념의 실행은 그라운드 평면 상 또는 반사되는 쇼트(short) 쌍극자 상에 위치한 쇼트 쌍극자 산란체(shorted dipole scatterers, 26) 배열을 포함한다.

그러나, 여전히 감소된 사이즈에서 더욱 큰 게인을 갖는 저 윈드 로드 위성 통신 안테나가 필요를 하다.

종래 기술에서 보았듯이, 그러므로 본 발명의 목적은 저 윈드 로드를 구비하는 것이 가능하고, 충분한 게인을 갖는 상대적으로 컴팩트한 원 편광 안테나를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 이들 및 다른 목적, 특징 및 장점은 기생적 운전가능 안테나 요소 배열(array of parasitically drivable antenna elements)을 정의하는 복수의 루프 전기 전도체를 포함하는 평면 반사장치(planar reflector), 및 기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 거기에 진행파 전류 분배를 줌으로써 기생적으로 운전하도록 평면 반사장치로부터 이격되어 있는 원 편광 안테나 피드(circularly polarized antenna feed)를 포함하는 안테나에 의해 제공되고, 루프 전기 전도체 각각의 루프 요소 방사 위상을 변화시켜 안테나 피드로까지의 각각의 경로 길이 차이를 보상하도록 루프 전기 전도체의 루프 직경은 배열을 가로질러 다르게 구성된다.

각각의 루프 전기적 전도체는 와이어, 인쇄 도전성 추적, 금속링 및/또는 고체 도전성 디스크와 같은 원형 전기 전도체로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서는 평면 반사기는 복수의 원형 홀을 구비한 전기적 도전성 시트를 포함하고, 각각의 루프 전기 전도체는 원형 홀 중 하나의 주변부로 정의될 수 있다. 원형 반사 요소는 패널, 슬랏 및 스켈레톤(skeleton)으로 구체화될 수 있다.

평면 반사장치는 배열 내에서 복수의 루프 전기 전도체를 서스펜딩하는 유전체 메쉬를 포함한다. 예를 들어, 유전체 메쉬는 줄(string) 또는 막대(rod)의 그리드(grid)일 수 있다. 평면 반사장치는 복수의 개구부를 갖고 배열 내에서 복수의 루프 전기 전도체를 지자하는 유전체 구조를 포함할 수 있다. 게다가, 각각의 복수의 루프 전기 전도체는 적어도 하나의 불연속(discontinuity)을 포함할 수 있다.

방법의 관점에서 안테나 제조는 기생 운전가능 안테나 요소 배열을 정의하는 복수의 루프 전기 전도체를 포함하는 평면 반사장치를 형성하는 단계; 및 상기 기생 운전가능 안테나 요소 배열을 기생적으로 운전하고 진행파 전류 분배를 주기 위해 상기 평면 반사장치에 인접하게 원 편광 안테나 피드를 위치시키는 단계를 포함한다. 평면 반사장치 형성단계는 각각의 상기 루프 전기 전도체를 원형 전기 전도체로서 형성시키는 단계를 더 포함한다. 루프 전기 전도체를 원형 전기 전도체로서 형성하는 단계는 원형 전기 전도체 각각의 루프 요소 방사 위상을 변화시켜 안테나 피드로까지의 각각의 경로 길이 차이를 보상하도록 배열을 가로질러 원형 전기 전도체의 루프 직경을 다르게 하는 단계를 더 포함한다. 평면 반사장치 형성단계는 전기적 도전성 시트에 복수의 원형 홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 루프 전기 전도체의 각각은 원형 홀 중 하나의 주변부에 의해 정의될 수 있다.

평면 반사장치 형성단계는, 각각의 상기 루프 전기 전도체를 와이어, 인쇄 도전성 추적, 금속링 및 고체 도전성 디스크 중 적어도 어느 하나로서 형성시키는 단계를 더 포함한다. 평면 반사장치 형성단계는 전기적 도전성 시트에 원형 홀을 형성시키는 단계로 구성되고, 각각의 상기 루프 전기 전도체는 상기 원형 홀 중 하나의 주변부로 정의된다.

본 발명의 목적은, 안테나에 있어서, 기생적 운전가능 안테나 요소 배열로 정의되는 복수의 루프 전기 전도체들을 구비한 평면 반사장치; 및 기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 기생적으로 운전하고, 진행파 전류 분배를 위한 평면 반사장치로부터 이격되어 위치한 원 편광 안테나 피드를 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나로서 달성될 수 있다.

각각의 루프 전기 전도체는 원형(circular) 전기 전도체로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

각각의 루프 전기 전도체는 와이어로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

각각의 루프 전기 전도체는 인쇄 도전성 추적(printed conductive trace) 및 금속링 중 적어도 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

각각의 루프 전기 전도체는 고체 도전성 디스크로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

평면 반사장치는 복수의 원형 홀들을 포함하는 전기적 도전성 시트로 구성되고, 각각의 루프 전기 전도체는 원형 홀 중 하나의 주변부로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 카테고리로서 본 발명의 목적은, 기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 정의하는 복수의 루프 전기 전도체를 포함하는 평면 반사장치를 형성하는 단계 및 기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 기생적으로 운전하고 진행파 전류 분배를 주기 위해 평면 반사장치의 인접한 위치에 원 편광 안테나 피드를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나 제조방법으로 달성될 수 있다.

평면 반사장치 형성단계는, 각각의 루프 전기 전도체를 원형 전기 전도체로서 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

평면 반사장치 형성단계는, 각각의 루프 전기 전도체를 와이어, 인쇄 도전성 추적, 금속링 및 고체 도전성 디스크 중 적어도 어느 하나로서 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

평면 반사장치 형성단계는 전기적 도전성 시트에 원형 홀을 형성시키는 단계로 구성되고, 각각의 루프 전기 전도체는 원형 홀 중 하나의 주변부로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 원편광 루프 반사 안테나는 기생적 운전가능 안테나 요소 배열로 정의되는 복수의 루프 전기 전도체들을 구비한 평면 반사장치 및 기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 기생적으로 운전하고, 진행파 전류 분배를 위한 평면 반사장치로부터 이격되어 위치한 원 편광 안테나 피드를 포함하여 파라볼릭 반사장치와 운전된 배열 사이를 혼합한 특징을 갖고, 저 윈드 로드(low wind load)를 구비하는 것이 가능한 상대적으로 소형 원 편광 안테나를 제공할 수 있는 효과가 있다. 폐 회로와 루프 요소들은 쌍극자 턴스타일 반사 요소들을 사용하여 안테나 상에서 게인 증가를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 파라볼릭 반사 안테나의 사시도,
도 2는 종래 기술에 따른 FLAPS^TM(평면 파라볼릭 표면) 안테나 시스템의 사시도,
도 3은 일실시예에 따른 루프(스켈레톤)를 보여주는 본 발명의 일실시예에 따른 안테나의 사시도,
도 4는 종래의 쌍극자 턴스타일 요소와 비교하여 도 3의 반사 안테나 요소의 원방(far field) 필드 방사 패턴을 XZ 평면에 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 루프 전기 전도체 배열과 반사장치의 디스크(패널)를 위에서 바라면 평면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 루프 전기 전도체 배열과 반사장치의 홀(슬랏)를 위에서 바라면 평면도,
도 7은 도 3의 루프 전기 전도체 배열과 반사장치의 일부분을 나타낸 확대도를 도시한 것이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고,‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 저 윈드 로드(low wind load)를 구비할 수 있고, 충분한 게인을 갖는 상대적으로 소형인 원 편광 안테나(30)가 도시되어 있다. 안테나(30)는 기생적(parasitically) 운전 가능 안테나 요소들의 배열(35)으로 정의되는 복수의 루프 전기 전도체(36)를 포함하고 있다. 원 편광 안테나 피드(32)는 진행파 전류 분배를 전하고, 기생적 운전 가능 안테나 요소 배열(35)을 기생적으로 운전하기 위한 평면 반사기로부터 이격되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 안테나(30)는 루프 전기 전도체(36) 예를 들면, 원형 전기 전도체를 포함한다. 각각의 루프 전기 전도체(36)는 전도성 와이어, 투빙(tubing), 금속링, 인쇄 도전성 추적(trace) 등으로 구비될 수 있다. 루프 전기 전도체(36)의 원둘레(circumference)는 완전한 공진파에 가깝다. 그것은 약 1.04 파장(예를 들어 전도체 직경에 의존하는 0.94 및 1.14 파장)과 동일하다. 비록 루프 전기 전도체(36)의 종래 형태가 원형이지만, 본 발명은 구성되어진 폴리건(polygoc) 또는 장방형 (rectangles)과 같은 다른 회로 형태 및 그 외의 것으로 제한되지 않는다. 또한, 루프 전기 전도체(36)는 반사장치(34)의 중심으로부터 멀리 이격된 위치에서는 완전한 원형에서 타원형으로 왜곡될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 작동 원리가 도시되어 있다. 피드(32)는 전기 전류가 존재하는 루프 전기 전도체(36) 쪽으로 방사를 한다. 루프 전기 전도체(36)는 그리고 나서 변화된(phased) 배열(35) 각각의 방사 요소를 형성하는 피드(32) 에너지를 다시 방사한다. 변화된(phased) 배열(35)은 가로로(broadside) 변환된 열이다. 그러므로, 피드(32)는 패턴 멀티플리케이션 및 증가된 조리개에 의해 얻어지고, 더 높은 방향성을 갖는 주요 패턴 및 배열(35) 제 2 패턴을 제공한다. 비록 제한되지는 않지만, 루프 전기 전도체(36)는 전형적으로 피드(32)에서 먼 거리에 있는 필드에 방사되는 반응하지 않는 거리에서 작동되어 진다.

루프 전기 전도체(36)는 파라볼릭 상이 아닌 평면에 놓여있다. 루프 전기 전도체(36)가 배열(35)의 중심으로부터 이격되어 구비되는 경우, 루프 전기 전도체(36)가 중심 가까이에 존재하는 것보다 상대적으로 시간지연과 위상지연(lagging phase)되어 여기될 것이다. 배열(35)의 평면에 옆으로(법선으로) 안테나(30)의 최대 방사치를 갖는 것이 소망되므로, 모든 루프 전기 전도체(36)는 동일한 위상으로 방사하는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 동일한 위상은 직경(d)을 조절함으로써 루프 전기 전도체(36)에서 달성될 수 있는데, 공진을 조절함으로써 루프 요소 방사 위상을 변화시킨다. 그러므로, 배열(35)에 걸쳐서 루프 직경을 다르게 하는 것은 피드(32)로까지의 경로 길이 차이를 보상하는 역할을 한다. 루프 전기 전도체(36)는 또한, 경우에 따라서, 위상 제어를 위해 루프 원주에 하나 또는 그 이상의 불연속부(discontinuity)또는 갭(gap)을 포함할 수 있다.

루프 전기 전도체(36)는 배열 요소들로 구성되기 때문에, 그들의 전류의 위상 및 크기(amplitude, 진폭)이 마지막 방사선 패턴 형태를 결정한다. 배열을 가로지르는 조명 테이퍼(illumination taper)는 피드(32)의 주요 패턴의 형태에 의해 사이에 트레이트오프(tradeoff) 또는 사이드로우브(sidelobes, 이항분배(binomial distribution)없이 최대 게인(균일한 분배)을 위해 최적화되어 진다. 배열(35)이 원형일 때, 반사장치 경계(bounds)와 반사장치 경계의 외부(Gf(Θ`)=0) 사이에서 피드 패턴이 Gf(Θ`)=sec2일 때, 균일한 조모 및 이상적인 테이퍼 효과가 달성되어 진다. 그것은 고체 파라볼릭 반사장치와 공통된 점이다. 본 발명의 일실시예에 따른 와이어 요소의 게인은 G=3.6+10Log10(N)으로 접근되어 질 수 있다. 여기서 N은 전체파 루프 요소들의 수이고, G는 dBi 내에 존재하는 것이다.

피드(32)는 배열(35)의 요소들을 운전하기 위해 `네트워크를 형성하는 무선 빔`으로 정의된다. 이것은 예를 들어, 동축 케이브의 회사 피드 네트워크 내에 고유의 전송 선손실(line loss)을 제거한다. 전송선이 배열 요소에 사용되지 않음으로, 배열(35) 요소는 발룬(baluns) 또는 임피던스 매칭이 필요없다. 루프 전기 전도체(36)들 사이에 위치한 배열 요소들은 최대 게인을 위해 중심에 비해 약 0.6 ~ 1 파장일 수 있다. 인-라인(in-line)과 오프셋 피드 접근이 모두 안테나(30)를 위해 가능하다. 오프셋 피드 접근에서, 피드(32)는 파라볼릭 반사장치에서 그들이 `절단(cut)`되는 파라볼릭의 단지 일부분을 사용함으로써, 메인 빔(beam)에서 사이드(side)까지 대체되어 질 수 있다. 오프셋 피드 접근은 게인의 증가 및 사이드로우브에 감소를 위해 피드 장애(blockage)를 감소시킬 수 있다.

쌍극자 턴스타일 및 단일 루프 안테나 모두 원편광이 가능하다. 원루프 안테나는 루프 원주 주변에 전류분배가 진행파 유형이 될 때, 원 편광 전자기파를 방사한다. 진행파 전류 분배는 위상이 선형이고 크기(amplitude)이 균일하다. 즉, 전류 크기가 루프 전도체 중 모든 포인트에서 일정하고, 위상은 루프 전도체 가운데서 선형적으로 변화한다. 원 편광 안테나 배열 내에 반사장치에 의해 루프 요소를 안정적으로 만들고, 원 편광되는 입사파 내에서 루프 안테나가 집중되어(immersed) 질 때, 진행파 분배가 형성되어 진다. 기본 지식으로서, 전체파(full wave) 루프 안테나는 그들의 전류 분배가 사인곡선(sinusoidal)과 같이 될 때, 선형적으로 편광된 파를 방사한다.

도 4는 전형적인 쌍극자 턴스타일 요소의 평면을 가로질러 절단한 원 거리(far field) 방사 패턴(DT)과 비교하여, 고 3의 안테나(30)의 루프 전기 전도체(36) 각각의 원 거리(far field) 방사 패턴(CL)을 XZ 평면(수직 절단(elevatiom cut)) 에 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 도 3의 안테나(30)의 루프 전기 전도체(36)의 원 거리(far field) 방사 패턴(CL)은 쌍극자 턴스타일 요소의 2.1 dBic 게인과 비교하여 3.6 dBic 게인을 가짐을 알 수 있다. 그러므로, 약 1.4dB 게인 증가가 안테나(30)에서 달성되었다. 전체파 원주 원 루프 요소는 크로스된 반(half)파 쌍극자의 턴 스타일보다 약간 적은 영역을 차지한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 평면 반사장치(44)는 기생 운전가능 안테나 요소들의 배열(45)로 정의되는 복수의 루프 전기 전도체(46)를 포함함을 알 수 있다. 각각의 루프 전기 전도체(46)는 고체 도전성 디스크로 구성된다. 또 다른 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 평면 반사장치(54)는 복수의 원형 홀(57)을 포함하는 전기적 전도성 시트(sheet)일 수 있고, 각각의 루프 전기 전도체(56)는 원형 홀(57) 중 하나의 주변부로 정의될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 가려진(shaded) 영역은 전기적 도전성이고, 광 영역(light area)은 유전체이고 절연체(insulative)이다. 도 5에 도시된 실시예는 원형 안테나 요소의 패널 형태와 일치한다. 도 6에 도시된 실시예는 원형 안테나 요소의 슬랏 형태와 일치한다. 그리고, 도 3에 도시된 실시예는 원형 안테나 요소의 스켈레톤(skeleton) 형태와 일치된다. 패널, 슬랏, 스켈레톤 안테나 장점(compliment)은 쌍극자와 유사하다(familiar)(예를 들어, 존 크라우스(John Kraus, 2판 Chap. 13 `안테나`)에서 보는 바와 같이). RF 전류는 회절(diffraction)에 따라 큰 전기적 고체 구조의 가장자리(edges)에서 전파되는 경향이 있다.

종래 기술로 언급한 시트 금속 반사장치는 일반적으로 공진을 피하기 위한 파장보다 매우 더 적은 홀의 원주를 갖는다. 도 6에 도시된 실시예에서는 종래기술의 시트 금속 반사장치와 다르다. 즉, 본 발명의 홀은 공진이고, 작동 주파수에서 매우 더 크다. 그러므로 도 6에 도시된 실시예의 장점은 종래의 반사장치보다 더 높은 주파수(예를 들어, 4~10GHz이상)에서 더 가치가 있다. 그것은 종래 반사장치에서 요구된 아주작은(tiny) 비공진(nonresonant) 홀들은 원드 로드(wind load)에서 적절한 감소를 제공하지 않기 때문이다.

도 7의 확대도에 도시된 바와 같이, 평면 반사장치(64)는 배열 내에서 복수의 루프 전기 전도체(66)들을 지지하는 유전체 메쉬(67)를 포함한다. 예를 들어, 유전체 메쉬(67)는 선(strings) 또는 막대(rods)의 격자(그리드, grid)일 수 있다. 유전체 메쉬(67)는 배열 내에서 복수의 루프 전기 전도체(66)를 지탱하고, 그것들의 복수의 개구부(opening)를 갖는 유전체 구조로 정의된다. 또한, 복수의 루프 전기 전도체(66) 각각은 예를 들면 편광기의 선택 및/또는 조율(tuning)을 위하여 적어도 하나의 불연속부(discontinuity)를 포함한다.

방법의 관점에서, 안테나(30)를 제조하는 방법은 기생 운전가능 안테나 요소들의 배열(35)로 정의되는 복수의 루프 전기 전도체(36)를 갖는 평면 반사장치(34)를 형성하는 단계; 및 기생 운전가능 안테나 요소들의 배열을 기생적으로 운전하고, 진행파 전류 분배를 전송하기 위해 평면 반사장치(34)에 인접하게 원 편광 안테나 피드(32)를 위치시키는 단계를 포함한다.

루프 요소들은 타원형일 수도 있고, 특히 배열의 주변부에서 위상 또는 편광을 제어하기 위해 다양한 크기가 될 수 있다. 배열(35)은 안테나(30)로부터 직접적이지 않은(undirectional) 방사선을 얻기 위해 루프 전기 전도체(36)의 2개 또는 그 이상의 연속면(successive plane)을 포함한다. 2축을 갖는 루프는 0.2λ 영역(spacing)에서 약 6.2dBic 게인을 제공할 수 있다. 이것은 크로스된 야기-우다 (yagi-uda)배열의 효과보다 1.5dB이상이다. 야기-우다와 공통적으로, 전방(frontward) 루프 요소는 후방 요소보다 더 크기가 작다. 대역폭 초과(over) 작동을 위하여, 피드(32)는 방사선이 배열(35)의 `초점`으로부터 흩어지지 않도록(not wander), 주파수를 초과하여 안정적인 중심을 갖는다. 전체파 루프 안테나에서 공진은 1.0λ보다 약간 초과하여 발생되고, 실시예에서 얇은 와이어는 1.04λ에서 공진된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 평면 반사장치(54)를 형성하는 단계는 전기적 도전성 시트 내에 복수의 원형 홀(57) 및 원형 홀(57) 중 어느 하나의 주변부로 정의되는 루프 전기 전도체(56) 각각을 형성하는 단계를 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 평면 반사장치(64)를 형성하는 단계는 배열 내에 복수의 루프 전기 전도체(66)를 지지하는 유전체 메쉬(67) 예를 들면, 선 또는 막대의 격자로서 유전체 메쉬를 형성하는 단계를 더 포함한다.

앞서 설명한 바와 같이, 루프 또는 폐(closed) 회로 요소 충분한 게인을 갖는 상대적으로 소형인 원 편광 반사 안테나가 달성된다.

Claims

기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 정의하는 복수의 루프 전기 전도체를 포함하는 평면 반사장치; 및
상기 평면 반사장치로부터 이격되어 위치한 원 편광 안테나 피드로서, 상기 기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 기생적으로 운전하고 진행파 전류 분배를 주기 위한 상기 안테나 피드;를 포함하고,
상기 루프 전기 전도체의 각각은 원형 전기 전도체이고,
상기 원형 전기 전도체 각각의 루프 요소 방사 위상을 변화시켜 상기 안테나 피드로까지의 각각의 경로 길이 차이를 보상하도록 상기 원형 전기 전도체의 루프 직경은 상기 배열을 가로질러 다르게 되는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나.
제 1 항에 있어서,
복수의 상기 루프 전기 전도체 중 하나 이상은 상기 루프의 원주에 위상 제어를 위한 하나 이상의 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 루프 전기 전도체의 각각은 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 루프 전기 전도체의 각각은 인쇄 도전성 추적(printed conductive trace) 및 금속링 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 루프 전기 전도체의 각각은 고체 도전성 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나.
제 1 항에 있어서,
상기 평면 반사장치는 복수의 원형 홀을 포함하는 전기적 도전성 시트를 포함하고, 상기 루프 전기 전도체의 각각은 상기 원형 홀 중 하나의 주변부로 정의되는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나.
기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 정의하는 복수의 루프 전기 전도체를 포함하는 평면 반사장치를 형성하는 단계; 및
상기 기생적 운전가능 안테나 요소 배열을 기생적으로 운전하고 진행파 전류 분배를 주도록 상기 평면 반사장치에 인접하여 원 편광 안테나 피드를 위치시키는 단계;를 포함하고,
상기 평면 반사장치를 형성하는 단계는 각각의 상기 루프 전기 전도체를 원형 전기 전도체로서 형성하는 단계를 더 포함하고,
상기 루프 전기 전도체를 원형 전기 전도체로서 형성하는 단계는 상기 원형 전기 전도체 각각의 루프 요소 방사 위상을 변화시켜 상기 안테나 피드로까지의 각각의 경로 길이 차이를 보상하도록 상기 배열을 가로질러 상기 원형 전기 전도체의 루프 직경을 다르게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나 제조방법.
제 7 항에 있어서,
상기 루프 전기 전도체를 원형 전기 전도체로서 형성하는 단계는 하나 이상의 상기 루프 전기 전도체의 상기 루프의 원주에 위상 제어를 위한 하나 이상의 갭을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나 제조방법.
제 7 항에 있어서,
상기 평면 반사장치를 형성하는 단계는 각각의 상기 루프 전기 전도체를 와이어, 인쇄 도전성 추적, 금속링 및 고체 도전성 디스크 중 적어도 하나로서 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나 제조방법.
제 7 항에 있어서,
상기 평면 반사장치를 형성하는 단계는 전기적 도전성 시트에 복수의 원형 홀을 형성하는 단계를 포함하고,
각각의 상기 루프 전기 전도체는 상기 원형 홀 중 하나의 주변부로 정의되는 것을 특징으로 하는 원편광 루프 반사 안테나 제조방법.