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KR100983406B1 - 안테나 장치 - Google Patents

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KR100983406B1
KR100983406B1 KR1020077028611A KR20077028611A KR100983406B1 KR 100983406 B1 KR100983406 B1 KR 100983406B1 KR 1020077028611 A KR1020077028611 A KR 1020077028611A KR 20077028611 A KR20077028611 A KR 20077028611A KR 100983406 B1 KR100983406 B1 KR 100983406B1
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Abstract

본 발명은 안테나 장치에 관한 것으로, 상기 안테나 장치는 마스트(1) 상에 배열된 안테나 요소(2)와 마스트(1)를 포함하고, 상기 마스트(1)는 복수의 원뿔대(3)로부터 형성된다. 마스트(1)의 각각의 원뿔대(3)는 하측 표면과 상측 표면에서 서로 교대로 연결되고, 서로에 대해 배열된 상측 표면과 하측 표면은 동일하며, 안테나 요소(2)의 표면(S_E)에 대한 법선은 마스트 축(z)에 대한 수직선(S_A)에 대해 5° 내지 35°의 각도 ｜α｜를 형성한다.

Description

안테나 장치{ANTENNA ASSEMBLY}
본 발명은 청구항 제 1항의 전단부에 따르는 안테나 장치에 관한 것이다.
문헌 [1]은 방향-탐지 안테나용 장치를 공개한다. 이 경우 안테나는 UHF 안테나로서 사용되는 마스트 섹션과 VHF 안테나로서 사용되는 추가 마스트 섹션을 가진다. 이러한 타입의 안테나 장치는 해군 함선에서 사용되는 방향-탐지 안테나 시스템으로 이용된다. 공지된 함선에 대한 알려진 요구 사항으로는, 각각의 함선이 적군의 레이더에 감지되어서는 않 된다. 항시 방향-탐지 안테나는 함선의 마스트의 선단에 장착되고, 수평선 위로 제일 먼저 돌출되는 물품이어서 탐지되기에 용이할 수 있다. 레이더에 의해 목적물을 탐지하기 위한 주된 요인은 각각의 대상물의 각각의 모노스태틱 레이더 단면적이다. 이를 이용함으로써 적군의 레이더로부터 입사하는 레이더 방사에 의해 포함되는 각도에 해당하는, 위협 섹터(threat sector)가 최적화될 수 있다.
본 발명의 목적은 위협 섹터에 대해 최적화되고 작은 모노스태틱 레이더 단면적을 포함하는 특정 타입의 안테나 장치를 제공하는 데 있다.
이러한 목적은 청구항 제 1항의 특징부에 정의된 안테나 장치에 의해 구현된다. 본 발명의 선호되는 실시예는 종속항의 주된 특징이다.
본 발명에 따르는 안테나 장치는 마스트와 마스트 상에 배열된 안테나 요소를 포함하며, 마스트는 복수의 원뿔대로부터 형성되며, 안테나 요소들의 표면에 대한 법선은 마스트 축(z)에 대한 수직선에 대해 5° 내지 35°의 각도 ｜α｜를 형성한다.
마스트 축(z)은 각각의 원뿔대의 대칭 축과 일치된다.
이에 따라 위협 섹터 내에서 안테나 장치의 모노스태틱 레이더 단면적은(RCS)은 10 dB를 초과할 정도로 감소될 수 있다. 이에 따라 적군의 레이더가 함선을 탐지할 수 있는 범위가 상당히 감소될 수 있다. 이 경우, 용어 "모노스태틱(monostatic)"은 레이더 방사의 입사 방향과 반사 방향이 동일한 것을 의미하며, 또는 적군의 레이더의 레이더 전송 안테나와 레이더 수신 안테나가 동일한 위치에 있는 것을 의미한다. 이는 대부분의 레이더 설비에 대한 경우이다(예를 들어 해군 군함 레이더).
마스트의 각각의 원뿔대들은 상측 표면과 하측 표면상에서 서로 교대로 연결되는 것이 선호된다. 서로 병렬 구성으로 위치된 상측 표면과 하측 표면의 표면 크기는 서로 동일하다. 하기 기술 내용에서, 용어 "하측 표면"은 원뿔대의 가장 큰 직경으로부터 야기된 원뿔대의 대칭축에 대해 수직한 각도인 표면을 의미한다. 이에 대응하는 상측 표면은 원뿔대의 가장 작은 직경으로부터 야기된 원뿔대의 표면을 의미한다.
따라서 마스트는 복수의 이중 원뿔대(double truncated cone)을 포함한다. 각각의 이중 원뿔대 사이의 결합점(junction)은 균일하게 형성되며, 즉 플랜지가 이용되지 않는다. 특히 본 발명의 선호되는 실시예에서, 상측 표면상에서 서로 연결된 2개의 인접한 마스트 요소들의 외측 표면상의 표면들에 대한 법선들은 90° 미만의 각도를 형성한다. 이에 따라 2개의 외측 표면들은 이상적인 백-스캐터링 요소로 기능하는 것이 방지된다
마스트는 기저플레이트 상에 장착된다. 이 경우, 마스트는 기저플레이트의 상측 표면에 대한 법선이 기저플레이트로 끼워 맞춤되는 제 1 원추대의 외측 표면에 대한 법선에 대해 둔각을 형성하도록 기저플레이트로 끼워 맞춤되는 것이 선호된다. 이에 따라 마스트는 단단히 고정되는 것이 보장된다.
본 발명과 추가적인 선호되는 실시예들은 도면에 따르는 하기 상세한 설명에서 기술된다.
도 1은 종래 기술에 따르는 안테나 장치의 마스트 섹션을 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따르는 안테나 장치의 마스트 섹션을 도시하는 도면.
도 3은 각도 Θ과 레이더 주파수 f의 함수로써, 도 1에 도시된 안테나 장치의 마스터 섹션의 모노스태틱 레이더 단면적의 프로파일을 도시하는 도면.
도 4는 각도 Θ과 레이더 주파수 f의 함수로써, 도 2에 도시된 안테나 장치 의 마스터 섹션의 모노스태틱 레이더 단면적의 프로파일을 도시하는 도면.
도 5는 모노스태틱 레이더 단면적이 최적화되는 마스트의 실시예를 도시하는 도면.
도 6은 각도 Θ과 레이더 주파수 f의 함수로써, 125 mm의 직경을 가지며, 1 m의 길이를 가지는 원통형 마스트에 대한 모노스태틱 레이더 단면적의 프로파일을 도시하는 도면.
도 7은 각도 Θ과 레이더 주파수 f의 함수로써, 125 mm의 최대 직경을 가지며, 1 m의 길이를 가지는 본 발명에 따르는 안테나 장치의 마스트에 대한 모노스태틱 레이더 단면적의 프로파일을 도시하는 도면.
도 8은 UHF 안테나용 마스트 섹션과 VHF 안테나용 추가 섹션을 포함하는 본 발명에 따르는 안테나 장치의 실시예를 도시하는 도면.
도 1은, 하기 문헌[1]에 공지된, 예를 들어 공지된 안테나 장치의 세부 사항을 도시한다. 상기 장치는 실질적으로 원통형의 마스트(1) 상에 안테나 요소(2)가 반경방향의 대칭되게 배열된다는 점에서 구별된다. 상기 안테나 요소들은 적합한 다이폴 요소(dipole element)이다. 안테나 요소(2)는 예를 들어 비-전도성 연결부와 같은 공지된 수단을 이용하여 마스트 상에 고정된다(도시되지 않음).
도 2a는 본 발명에 따르는 안테나 장치의 단면을 도식적으로 도시한다. 상기 단면은 2개의 원뿔대(truncated cone, 3)를 포함하며, 상기 원뿔대는 이의 바닥 표 면에서 서로 연결된다. 이에 따라 상기 2개의 원뿔대는 이중의 원뿔대의 타입으로 형성된다.
원뿔대(3)는 동심 홀(도시되지 않음)을 가지며, 상기 동심홀은 원뿔대의 상부 표면의 최소 직경보다 작은 직경을 가지며 원뿔대를 관통한다. 상기 홀은 관통되는 측정용 케이블, 등등(도시되지 않음)에 대해 이용된다.
원뿔대(3)들은 원뿔대(3)의 내부에서 나사 연결부(도시되지 않음)에 의해 연결된다. 이러한 나사 연결부는 케이블이 이동되는 홀을 통해 접근 가능하다.
도 2a는 복수의 안테나 요소(2)를 도시하며, 바람직하게 상기 복수의 안테나 요소는 원형 라인(circular line) 상에 배열되고, 이러한 원(circle)은 마스트 축에 대해 수직한 각도로 평면에 배열되며 원뿔대의 최대 직경보다 큰 직경을 가진다. 안테나 요소(2)는 원형 라인상에 일정하게 배열되며, 안테나 요소(2)는 원형 라인 상에서 서로 고정 각도로 배치된다.
본 발명의 선호되는 실시예에서, 안테나 요소(2)는 외측 표면(4)에 대해 평행하게 배열되며, 상기 외측 표면은 모서리가 원뿔대(3)로부터 반경 방향으로 이격된다. 게다가, 안테나 요소(2)는 다이폴(dipole, D)과 같이 배열된다. 다이폴(D)의 무게 중심(S)은 서로 연결된 2개의 원뿔대(3)의 바닥 표면과 동일한 평면에 위치된다. 그러나 다이폴(D)의 무게 중심(S)은 상부 표면과 동일한 평면에 위치될 수도 있다.
추가적으로 도 2a는 마스트 축(z)과 입사 및 후방 산란 레이더 방사의 방향 사이에 형성된 수학적 각도 Θ를 도시한다. 이에 따라 90°-Θ의 고도각(도시되지 않음)이 형성된다. 도 2b는 각도 Θ가 정의됨에 추가적으로 방위각 Φ가 도시된다.
도 6 및 도 7뿐만 아니라 도 3 및 도 4는 레이더 방사(radar radiation)가 마스트 축 z에 대해 a(도 2a)의 방향을 따라서 각각의 몸체로 입사되는 가정을 기초로 한다. 따라서 각도 Θ는 마스트 축 z에 대해 입사 레이더 방사의 입사되고 후방 산란되는 각도를 나타낸다. 단순하게, 방위각 Φ은 모든 도면에서 0°이다.
도 3은, 각도 Θ와 레이더 주파수f의 함수인, 도 1에 도시된 공지된 안테나 장치에 대한 모노스태틱 레이더 단면적(monostatic radar cross section)의 프로파일의 실례를 도시한다. 역으로, 도 4는, 각도 Θ와 레이더 주파수f의 함수인, 도 2a에 도시된 본 발명에 따르는 안테나 장치의 모노스태틱 레이더 단면적의 프로파일의 실례를 도시한다. 도 3과 도 4를 비교하여 알 수 있듯이, 본 발명에 따르는 안테나 장치에 대한 모노스태틱 레이더 단면적은 각각의 레이더 주파수에서 마스트에 대한 수직선에 인접한 각도 범위로 상당히 감소되어 진다. 예를 들어 2.5 GHz와 87.5°의 각도 Θ에서 공지된 안테나 장치의 마스트 섹션의 모노스태틱 레이더 단면적은 대략 -5 dB이다(도 3에 도시됨). 본 발명에 따르는 안테나 장치의 마스트에 대해, 2.5 GHz와 87.5°의 각도 Θ에서의 모노스태틱 레이더 단면적은 대략 -22.5 dB이다.
도 7은 도 5에 도시된 바와 같이 실례로서 1 m의 길이(L)와 125 mm의 최대 직경(DM)을 가지며, 실례로서 각도 Θ와 레이더 주파수f의 함수이며, 본 발명에 따르는 안테나 장치의 마스트에 대한 모노스태틱 레이더 단면적의 프로파일(profile)을 도시한다. 역으로 도 6은 실례로서 1 m의 길이와 125 mm의 직경을 가지며, 실례 로서 각도 Θ와 레이더 주파수f의 함수인 원통형 마스트의 모노스태틱 레이더 단면적의 프로파일을 도시한다. 도 6과 도 7을 비교함으로써 알 수 있듯이, 본 발명에 따르는 안테나 장치의 마스트에 대한 모노스태틱 레이더 단면적은 각각의 레이더 주파수에서 상당히 감소된다. 예를 들어 2.5 GHz와 87.5°의 고도각에서 공지된 안테나 장치의 마스트의 모노스태틱 레이더 단면적은 대략 -13 dB이다(도 3에 도시됨). 본 발명에 따르는 안테나 장치의 마스트에 대해, 2.5 GHz와 87.5°의 각도 Θ에서 모노스태틱 레이더 단면적은 대략 -22.5 dB이다.
따라서 본 발명에 따르는 안테나 장치에 따라, 모노스태틱 레이더 단면적은 방위각 0°≤ Φ ≤ 360°와 60°≤ Θ ≤ 90°의 범위에서 감소될 수 있으며, 후자는 0° 내지 30°의 고도각에 해당한다.
따라서, 도 8은 본 발명에 따르는 추가 실례의 안테나 장치를 도시한다. 상기 안테나 장치는 마스트(1)의 상측 부분(A)에 UHF 안테나용 장치와 하측 부분(B)에 VHF 안테나용 장치를 가진다. 이 경우, 안테나 요소(2)는 마스트 축(z)에 대해 수직한 각도로 복수의 평면상에 배열되며, 이에 따라 각각의 상이한 주파수 범위 내에서 안테나 장치의 개별 섹션(A, B)이 작동될 수 있다. 물론 안테나 장치는 복수의 섹션으로 세분화될 수 있으며, 상기 섹션은 UHF 및/또는 VHF 범위로부터 상이한 주파수 범위와 연계된다.
레이더 단면적을 감소시키기 위하여, 원뿔대(3)의 엔벌로프 라인(envelope line, s1, s2)은 안테나 장치에 입사되는 레이더 파장의 파장보다 큰 것이 선호된다. 게다가 가장 큰 직경(DM)을 가진 원뿔대(3)의 원주는 안테나 장치로 입사되는 레이더 파장의 파장보다 크다. 한 원뿔대(3)의 엔벌로프 라인(s2)의 길이는 그 외의 다른 원뿔대(3)의 엔벌로프 라인(s1)의 길이와 상이할 수 있다.
바람직하게 안테나 요소들은 비-전도성 홀더(non-conductive holder, H)에 의해 마스트(1)로 연결된다. 안테나 요소(2)들은 평활한 표면을 가진다.
UHF 안테나용 상부 섹션(A)에서의 안테나 요소(2)들은 원뿔대(3)의 외측 표면(4)에 평행하게 정렬된다. 이 경우, 레이더 단면적이 최적화되어지는 마스트(1)는 안테나 요소(2)용 리플렉터(reflector)로서 기능을 한다.
VHF 안테나용 하부 섹션(B)에서의 안테나 요소(2)들은 원뿔대(3)의 외측 표면(4)에 평행하게 정렬되지 않는다.
안테나 요소(2)는 5개의 요소로 이뤄진 간섭 안테나(interferometer antennas)와 같이 배열될 수 있다. 또한 바람직하게 안테나 요소(2)는 인쇄회로기판 재료로 제조될 수 있으며, 이 경우, 저항기, 축전기 또는 코일과 같은 부품들이 안테나 요소(2)에 일체 구성된다(도시되지 않음). 이러한 부품들은 감쇠 요소로 이용되며, 안테나의 특성에 영향을 미친다. 이에 따라 안테나의 대역폭이 증폭된다. 게다가 이에 따라 개별적인 안테나 요소(2)들 사이의 방사 결합(radiation coupling)이 감소될 수 있다. 또한 하부 섹션(B)에서보다 상부 섹션(A)에서 다양한 안테나 요소(2)를 사용할 수 있다.
본 발명에 따라서, 안테나 요소(2)의 표면(S_E)에 대한 법선은 마스트 축(z)에 대한 수직선(S_A)에 대해 5° 내지 35°의 각도 ｜α｜를 형성한다.
바람직하게 마스트(1)의 각각의 원뿔대(3)는 하측 표면과 상측 표면 상에서 서로 교대로 연결되고, 이 경우 서로에 대해 배열된 상측 표면과 하측 표면은 동일하다. 이에 따라 마스트(1)는 복수의 이중 원뿔대를 필수적으로 포함한다. 각각의 이중 원뿔대 사이의 결합점은 균질하며(homogenous), 즉 플랜지가 사용되지 않는다. 특히, 본 발명의 선호되는 실시예에서, 2개의 인접한 원뿔대(3)의 외측 표면(4)상의 표면에 대한 법선(L1, L2)은 90° 미만의 각도 β이다. 이에 따라 2개의 인접한 외측 표면(4)들은 이상적인 백-스캐터(back-scatter)로서 기능을 하는 것이 방지된다.
마스트(1)는 기저플레이트(P) 상에 장착된다. 이 경우, 바람직하게 마스트(1)는 기저플레이트(P)의 상측 표면에 대한 법선(L3)이 기저플레이트(P)로 끼워 맞춤되는 제 1 원뿔대(3)의 외측 표면(4)에 대한 법선(L4)에 대하여 둔각 γ를 형성하도록 기저플레이트(P)로 끼워 맞춤된다. 이에 따라 마스트(1)는 단단히 고정된다.
제안된 안테나 장치는 안테나의 방향을 측정할 뿐만 아니라 안테나를 전송하고 및/또는 수신하는데 이용될 수 있다. 안테나 장치가 기능을 할 수 있는 주파수 범위는 1.0 MHz 내지 30 MHz의 HF범위, 20 MHz 내지 200 MHz의 VHF 범위, 200 MHz 내지 3000 MHz의 UHF 범위에 의존된다.
또한 안테나 장치는 예를 들어 개별 원뿔대의 치수와 같은 안테나의 개별 부품들의 적절한 형상에 의해 상대적으로 낮거나 높은 주파수에서 작동될 수 있다.
문헌
[1] www.mrcm.net/media/pdf/products/antennas/mra1282.pdf

Claims (14)

  1. 마스트(1) 상에 배열된 안테나 요소(2)와 마스트(1)를 포함하고, 상기 마스트(1)는 복수의 원뿔대(3)로부터 형성되는 안테나 장치에 있어서,
    마스트(1)의 각각의 원뿔대(3)는 하측 표면과 상측 표면에서 서로 교대로 연결되고, 서로 병렬 구성으로 위치된 상측 표면과 하측 표면의 표면 크기는 서로 동일하며, 안테나 요소(2)의 표면(S_E)에 대한 법선은 마스트 축(z)에 대한 수직선(S_A)에 대해 5° 내지 35°의 각도 ｜α｜를 형성하는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 2개의 인접한 원뿔대(3)의 외측 표면(4)에 대한 법선(L1, L2)들 사이의 각도 β는 90° 미만인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 마스트(1)는 기저플레이트(P)의 상측 표면에 대한 법선(L3)이 기저플레이트(P)로 끼워 맞춤되는 제 1 원뿔대(3)의 외측 표면(4)에 대한 법선(L4)에 대하여 둔각 γ를 형성하도록 기저플레이트(P) 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 원뿔대(3)의 엔벌로프 라인의 길이(s1, s2)는 안테나 장치의 레이더 단면적을 감소시키기 위하여 안테나 장치로 입사하는 레이더 파장의 파장보다 큰 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 원뿔대(3)의 최대 원주는 안테나 장치의 레이더 단면적을 감소시키기 위하여 안테나 장치로 입사되는 레이더 파장의 파장보다 큰 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 한 원뿔대(3)의 엔벌로프 라인(s1)의 길이는 그 외의 다른 원뿔대(3)의 엔벌로프 라인(s2)의 길이와 상이한 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 안테나 요소(2)는 원형 라인 상에 배열되고, 이러한 원은 마스트 축(z)에 대해 수직한 각도로 평면에 배열되며, 안테나 요소(2)가 원형 라인 상에 일정하게 배열되도록 원뿔대의 최대 직경보다 큰 직경을 가지며, 안테나 요소(2)들은 원형 라인 상에서 서로에 대해 고정 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 안테나 요소(2)들은 원뿔대(3)의 반경방향으로 이격된 외측 표면에 대해 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 안테나 요소(2)들은 마스트 축(z)에 대해 수직한 각도로 복수의 평면상에 배열되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 안테나 요소(2)는 다이폴인 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 안테나 요소(2)들은 비-전도성 홀더(H)에 의해 마스트(1)로 연결되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 안테나 요소(2)들은 평활한 표면(smooth surface)을 가지는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 안테나 요소(2)들은 인쇄회로기판 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 저항기, 축전기 또는 코일과 같은 부품들이 안테나 요소(2)에 일체 구성되는 것을 특징으로 하는 안테나 장치.
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