카세그레인 안테나

전기 통신과 레이더에서 카세그레인 안테나(Cassegrain antenna)는 파라볼라 안테나의 일종으로, 급전 안테나가 오목한 주 포물선 반사경 접시의 표면이나 그 뒤에 장착되며, 주 반사경 앞에 매달린 더 작은 볼록한 보조 반사경을 향한다. 급전부에서 나온 전파 빔은 보조 반사경을 비추고, 보조 반사경은 이를 주 반사경 접시로 다시 반사하며, 주 반사경은 이를 다시 앞으로 반사하여 원하는 빔을 형성한다. 카세그레인 설계는 파라볼라 안테나에서 널리 사용되며, 특히 위성 지상국, 전파망원경, 통신 위성과 같은 대형 안테나에서 주로 사용된다.

파라볼라 안테나의 종류

기하학

주 반사경은 포물면인 반면, 볼록한 보조 반사경의 형태는 쌍곡면이다. 평행한 평면파 빔을 방사하기 위한 기하학적 조건은 급전 안테나가 쌍곡면의 먼 초점에 위치하고, 주 반사경의 초점은 쌍곡면의 가까운 초점과 일치해야 한다는 것이다.^[1] 일반적으로 보조 반사경과 급전 안테나는 접시의 중심축에 위치한다. 그러나 오프셋 카세그레인 구성에서는 주 접시 반사경이 비대칭이며, 그 초점과 보조 반사경이 접시의 한쪽에 위치하여 보조 반사경이 빔을 부분적으로 가리지 않는다.

장점

이 설계는 가장 일반적인 파라볼라 안테나 설계인 "전면 급전" 또는 "주 초점" 방식의 대안이다. 이 방식에서는 급전 안테나 자체가 접시의 초점에 매달려 접시를 향해 배치된다. 카세그레인 방식은 더 복잡한 설계이지만, 특정 응용 분야에서는 전면 급전 방식보다 장점이 있어 복잡성 증가를 정당화할 수 있다.

• 급전 안테나와 관련 도파관 및 "프론트엔드" 전자 장비는 접시 앞쪽에 매달려 나가는 빔의 일부를 가리는 대신, 접시 위 또는 뒤에 위치할 수 있다.^[1][2] 따라서 이 설계는 위성 통신 지상 안테나, 전파망원경, 일부 통신 위성의 안테나와 같이 부피가 크거나 복잡한 급전부를 사용하는 안테나에 사용된다.^[1]
• 위성 지상 안테나와 전파망원경에서 중요한 또 다른 장점은 급전 안테나가 전면 급전 안테나처럼 접시를 뒤로 향하는 대신 앞으로 향하기 때문에, 보조 반사경을 놓친 빔의 일부로 인해 발생하는 스필오버 사이드로브가 따뜻한 지면이 아닌 차가운 하늘을 향해 위로 향한다는 것이다.^[2] 수신 안테나에서는 이로 인해 지면 잡음 수신이 감소하여 안테나 잡음 온도가 낮아진다.
• 이중 반사경 형상화: 신호 경로에 두 번째 반사면이 존재하면 최대 성능을 위해 방사 패턴을 맞춤 설정할 수 있는 추가 기회가 생긴다. 예를 들어, 일반 파라볼라 안테나의 이득은 급전 안테나의 방사선이 접시의 바깥쪽 부분으로 갈수록 감소하여 해당 부분의 "조명"이 낮아지기 때문에 줄어든다. "이중 반사경 형상화"에서는 보조 반사경의 모양을 변경하여 더 많은 신호 전력을 접시의 바깥쪽 영역으로 유도하여 주 반사경의 조명을 더 균일하게 하여 이득을 최대화한다. 그러나 이로 인해 보조 반사경은 더 이상 정확히 쌍곡면이 아니게 되므로 (여전히 매우 가깝지만), 일정한 위상 특성이 손실된다. 그러나 이 위상 오류는 주 거울의 모양을 약간 조정하여 보상할 수 있다. 그 결과는 더 높은 이득 또는 이득/스필오버 비율이며, 이는 제작 및 테스트하기 더 까다로운 표면을 대가로 한다.^[3][4] 또한 초저 스필오버 사이드로브를 위한 접시 가장자리에서 높은 테이퍼를 가진 패턴, 급전부 그림자를 줄이기 위한 중앙 "구멍"을 가진 패턴과 같은 다른 접시 조명 패턴도 합성할 수 있다.
• 카세그레인 설계를 사용하는 또 다른 이유는 안테나의 초점거리를 늘려 사이드로브를 줄이는 등 여러 장점을 얻기 위함이다.^[2][5] 접시 안테나에 사용되는 파라볼라 반사경은 곡률이 크고 초점거리가 짧다. 초점은 급전 구조물이나 보조 반사경을 지지하는 데 필요한 지지대 길이를 줄이기 위해 접시 입구 근처에 위치한다. 일반적인 파라볼라 안테나의 초점비 (f-수, 초점거리 대 접시 직경의 비율)는 0.25~0.8이며, 망원경과 같은 광학 시스템에 사용되는 파라볼라 거울의 초점비는 3~8이다. 전면 급전 안테나의 경우, 초점거리가 긴 "평평한" 파라볼라 접시는 급전부를 접시에 대해 견고하게 지지하기 위해 비실용적으로 복잡한 지지 구조가 필요할 것이다. 그러나 이 작은 초점비의 단점은 안테나가 초점으로부터의 작은 편차에 민감하다는 것이다. 즉, 효과적으로 초점을 맞출 수 있는 각폭이 작다. 전파망원경과 통신 위성의 현대 파라볼라 안테나는 종종 초점 주변에 밀집된 급전 혼 배열을 사용하여 특정 빔 패턴을 생성한다. 이들은 큰 초점비의 우수한 축외 초점 특성을 필요로 하며, 카세그레인 안테나의 볼록한 보조 반사경이 이를 크게 증가시키기 때문에, 이들 안테나는 일반적으로 카세그레인 설계를 사용한다.
• 더 긴 초점거리는 또한 축외 급전부의 교차 편파 식별을 향상시키는데,^[2] 이는 두 개의 직교 편파 모드를 사용하여 별도의 정보 채널을 전송하는 위성 안테나에서 중요하다.

복잡한 신호 경로를 보여주는 카세그레인 설계의 일종인 빔 도파관 안테나.

카세그레인 방식의 단점은 급전 혼이 전면 급전 접시처럼 더 넓은 주 반사경이 아닌 더 작은 보조 반사경에 복사를 집중시키기 위해 더 좁은 빔폭 (더 높은 안테나 이득)을 가져야 한다는 것이다. 급전 혼에서 보조 반사경이 이루는 각폭은 일반적으로 10~15°인 반면, 전면 급전 접시에서 주 반사경이 이루는 각폭은 120~180°이다. 따라서 급전 혼은 주어진 파장에 대해 더 길어야 한다.

빔 도파관 안테나

빔 도파관 안테나는 급전 전자 장비를 지상에 배치할 수 있도록 긴 전파 경로를 가진 복잡한 카세그레인 안테나의 일종이다. 이는 급전 전자 장비가 너무 복잡하고 부피가 크거나, 유지 보수 및 변경이 너무 많이 필요하여 접시에 배치할 수 없는 매우 큰 조향 가능한 전파망원경 및 위성 지상 안테나에 사용된다. 예를 들어, 극저온 냉각 증폭기를 사용하는 안테나들이 그렇다. 보조 반사경에서 들어오는 전파 빔은 경위대의 축을 통해 길게 구부러진 경로를 따라 추가 거울에 의해 반사되어 안테나가 빔을 방해하지 않고 조향될 수 있도록 한 다음, 안테나 타워를 거쳐 지상에 있는 급전 건물로 내려온다.

역사

카세그레인 안테나 설계는 1672년경 개발되어 프랑스 프로방스 영국인 사제 로랑 카스그랭에 기인한 반사 망원경의 일종인 카세그레인 망원경에서 응용되었다. 최초의 카세그레인 안테나는 1952년 영국 보어햄우드의 엘리엇 브라더스(Elliot Bros)에서 코크란(Cochrane)과 화이트헤드(Whitehead)가 발명하고 특허를 받았다. 특허(영국 특허 번호 700868)는 후에 법정에서 이의가 제기되었으나 승소했다.^[6] 1977년에 발사된 보이저 1호 우주선은 September 2024년 기준^[update] 현재 지구에서 246억 킬로미터 떨어져 있으며,^[7] 우주에서 가장 먼 인공 물체이다. 이 우주선의 3.7미터 S 및 X-대역 카세그레인 안테나(아래 그림)는 여전히 지상국과 통신할 수 있다.

스웨덴의 카세그레인 위성 통신 안테나. 볼록한 보조 반사경이 접시 위에 매달려 있고, 급전 혼이 접시 중앙에서 돌출되어 있다.

프랑스 플뢰메르-보두의 대형 위성 통신 안테나에 있는 볼록한 보조 반사경의 클로즈업

NASA의 심우주 통신망의 일부인 캘리포니아 골드스톤의 카세그레인 우주선 통신 안테나. 카세그레인 설계의 장점은 무겁고 복잡한 급전 구조(하단)를 접시 위에 매달 필요가 없다는 것이다.

보이저 우주선의 카세그레인 안테나

같이 보기

• 카세그레인식 반사경
• 나스미스 망원경