본 논문에서는 원형 도파관의 TM01-TE11 모드 간 직접 변환기를 결합하여 X-band 협대역의 초고출력 에너지를 최대 지향성으로 방사할 수 있는 원형 혼 안테나를 설계하고 그 특성을 고찰하였다. 이를 위해서 모드 변환기는 1차 미분 커플링 방정식으로부터 TM01와 TE11 모드 사이에 최대 커플링 효과를 갖도록 non-constant serpentine 형태의 비선형 함수에 대한 근사 설계 방법을 제안하여 확장형 모드 변환기를 구현하였으며, 혼 안테나는 모드 변환기의 출력 모드를 이용하여 초고출력 환경에 적합하도록 개구 크기를 설정하였고 효율적인 빔을 조사하도록 ...
본 논문에서는 원형 도파관의 TM01-TE11 모드 간 직접 변환기를 결합하여 X-band 협대역의 초고출력 에너지를 최대 지향성으로 방사할 수 있는 원형 혼 안테나를 설계하고 그 특성을 고찰하였다. 이를 위해서 모드 변환기는 1차 미분 커플링 방정식으로부터 TM01와 TE11 모드 사이에 최대 커플링 효과를 갖도록 non-constant serpentine 형태의 비선형 함수에 대한 근사 설계 방법을 제안하여 확장형 모드 변환기를 구현하였으며, 혼 안테나는 모드 변환기의 출력 모드를 이용하여 초고출력 환경에 적합하도록 개구 크기를 설정하였고 효율적인 빔을 조사하도록 최적화를 수행하였다. 또한, 제작한 두 소자의 결합 성능 측정 수행 결과를 수학적 해석 및 유한 적분법 해석 등의 이론적 결과 및 시뮬레이션 결과와 비교, 분석하여 원형 혼 안테나의 방사 에너지에 대한 특성을 고찰하였다. 제안된 모드 커플링 근사 설계 방법은 TM01-TE11 모드간 직접 변환을 굽은 도파관 형태로 구현하는 과정에서, 도파관 내부의 반지름이 비선형적으로 변화하는 non-constant serpentine 형태에 대해 반지름에 따른 표본화를 수행하여 교란 길이의 설계 파라미터를 추출하는 방식이다. 굽은 도파관에서 TM01과 TE11 모드 간 완전 변환을 이루도록 교란 길이를 두 모드의 비트 파장과 연관된 공진 조건에 만족되도록 근사 설계하였으며, 유한 적분법 해석기를 이용하여 확장형 TM01-TE11 직접 모드 변환기를 최적 설계하였다. 제안된 방법으로 추출한 설계 파라미터는 입력 TM01 모드와 출력 TE11 사이의 커플링 계수 '2'를 기준으로, 표본화된 각 대표 구역에 대해 교란 길이의 오차를 보상하였고, 기생 모드의 영향까지 포함한 FIM 해석기를 이용한 최적 설계 파라미터와 일치하는 특성을 확인하였다. 설계된 모드 변환기는 내부 도체를 smooth-wall 구조로 제작하였고 X-band 10 GHz의 동작 주파수에서 200 mm의 전체 길이와 95% 이상의 변환 효율 특성을 갖도록 구현되었으며 기존의 TM01-TE11 직접 모드 변환기와 비교, 분석을 통해 소형, 고효율의 특성을 확인하였다. 설계된 확장형 TM01-TE11 직접 모드 변환기는 마이크로파 원형 혼 안테나에서 요구되는 TE11 모드를 WC-98 원형 도파관으로 출력하므로, 제안된 초고출력용 원형 혼 안테나는 이와 결합하여 효율적이고 안전하게 초고출력 에너지를 방사하도록 설계하였다. 기존의 초고출력용 안테나는 DC, 또는 저주파 AC의 자유공간방전 개시 전압을 기준으로 일률적인 방식으로 개구의 크기 및 구조로 설계되었으나, 제안된 안테나는 동작 주파수, 펄스 폭, 그리고 대기압의 상태에 따른 방전 현상 고찰을 통해 안전도를 고려하여 개구 반지름을 도출하였고, 방사되는 초고출력 에너지가 목표물에 최대 지향 특성으로 조사될 수 있도록 혼의 열림각과 길이에 대한 파라미터를 분석하였다. 이를 통하여, X-band 10 GHz 주파수에서 동작하는 혼 안테나는 급전 TE11 모드에 따른 최대 지향성 및 이득 조건으로 최적화된 개구면의 전자계로 원역장 방사패턴 및 이득 특성을 계산하여 FIM 해석기를 이용한 특성과 일치하는 것을 확인하였다. 설계된 초고출력용 원형 혼 안테나는 제안된 TM01-TE11 직접 모드 변환기와 결합되어 동작 주파수 10 GHz에서 등방성 안테나에 비해 27 dB 이상의 결합 이득 특성을 가지며, 이것은 TM01 모드로 혼 안테나가 동작할 경우보다 4.6 dB 증가한 것을 확인하였다. 본 논문에서는 초고출력용 원형 혼 안테나가 원형 도파관의 non-constant serpentine의 구조로 설계된 소형, 고효율의 확장형 TM01-TE11 직접 모드 변환기와 결합되어 최대 지향성이 이뤄짐을 보였다. 또한, 이것이 각각의 두 소자를 제작하여 결합한 특성이 고이득의 초고출력용 카세그레인 반사판 안테나에 적용되었을 경우에 급전부의 성능을 만족하는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 원형 도파관의 TM01-TE11 모드 간 직접 변환기를 결합하여 X-band 협대역의 초고출력 에너지를 최대 지향성으로 방사할 수 있는 원형 혼 안테나를 설계하고 그 특성을 고찰하였다. 이를 위해서 모드 변환기는 1차 미분 커플링 방정식으로부터 TM01와 TE11 모드 사이에 최대 커플링 효과를 갖도록 non-constant serpentine 형태의 비선형 함수에 대한 근사 설계 방법을 제안하여 확장형 모드 변환기를 구현하였으며, 혼 안테나는 모드 변환기의 출력 모드를 이용하여 초고출력 환경에 적합하도록 개구 크기를 설정하였고 효율적인 빔을 조사하도록 최적화를 수행하였다. 또한, 제작한 두 소자의 결합 성능 측정 수행 결과를 수학적 해석 및 유한 적분법 해석 등의 이론적 결과 및 시뮬레이션 결과와 비교, 분석하여 원형 혼 안테나의 방사 에너지에 대한 특성을 고찰하였다. 제안된 모드 커플링 근사 설계 방법은 TM01-TE11 모드간 직접 변환을 굽은 도파관 형태로 구현하는 과정에서, 도파관 내부의 반지름이 비선형적으로 변화하는 non-constant serpentine 형태에 대해 반지름에 따른 표본화를 수행하여 교란 길이의 설계 파라미터를 추출하는 방식이다. 굽은 도파관에서 TM01과 TE11 모드 간 완전 변환을 이루도록 교란 길이를 두 모드의 비트 파장과 연관된 공진 조건에 만족되도록 근사 설계하였으며, 유한 적분법 해석기를 이용하여 확장형 TM01-TE11 직접 모드 변환기를 최적 설계하였다. 제안된 방법으로 추출한 설계 파라미터는 입력 TM01 모드와 출력 TE11 사이의 커플링 계수 '2'를 기준으로, 표본화된 각 대표 구역에 대해 교란 길이의 오차를 보상하였고, 기생 모드의 영향까지 포함한 FIM 해석기를 이용한 최적 설계 파라미터와 일치하는 특성을 확인하였다. 설계된 모드 변환기는 내부 도체를 smooth-wall 구조로 제작하였고 X-band 10 GHz의 동작 주파수에서 200 mm의 전체 길이와 95% 이상의 변환 효율 특성을 갖도록 구현되었으며 기존의 TM01-TE11 직접 모드 변환기와 비교, 분석을 통해 소형, 고효율의 특성을 확인하였다. 설계된 확장형 TM01-TE11 직접 모드 변환기는 마이크로파 원형 혼 안테나에서 요구되는 TE11 모드를 WC-98 원형 도파관으로 출력하므로, 제안된 초고출력용 원형 혼 안테나는 이와 결합하여 효율적이고 안전하게 초고출력 에너지를 방사하도록 설계하였다. 기존의 초고출력용 안테나는 DC, 또는 저주파 AC의 자유공간 방전 개시 전압을 기준으로 일률적인 방식으로 개구의 크기 및 구조로 설계되었으나, 제안된 안테나는 동작 주파수, 펄스 폭, 그리고 대기압의 상태에 따른 방전 현상 고찰을 통해 안전도를 고려하여 개구 반지름을 도출하였고, 방사되는 초고출력 에너지가 목표물에 최대 지향 특성으로 조사될 수 있도록 혼의 열림각과 길이에 대한 파라미터를 분석하였다. 이를 통하여, X-band 10 GHz 주파수에서 동작하는 혼 안테나는 급전 TE11 모드에 따른 최대 지향성 및 이득 조건으로 최적화된 개구면의 전자계로 원역장 방사패턴 및 이득 특성을 계산하여 FIM 해석기를 이용한 특성과 일치하는 것을 확인하였다. 설계된 초고출력용 원형 혼 안테나는 제안된 TM01-TE11 직접 모드 변환기와 결합되어 동작 주파수 10 GHz에서 등방성 안테나에 비해 27 dB 이상의 결합 이득 특성을 가지며, 이것은 TM01 모드로 혼 안테나가 동작할 경우보다 4.6 dB 증가한 것을 확인하였다. 본 논문에서는 초고출력용 원형 혼 안테나가 원형 도파관의 non-constant serpentine의 구조로 설계된 소형, 고효율의 확장형 TM01-TE11 직접 모드 변환기와 결합되어 최대 지향성이 이뤄짐을 보였다. 또한, 이것이 각각의 두 소자를 제작하여 결합한 특성이 고이득의 초고출력용 카세그레인 반사판 안테나에 적용되었을 경우에 급전부의 성능을 만족하는 것을 확인하였다.
In this paper, a X-band circular horn antenna of narrow band for high power which is combined with a direct TM01-TE11 mode converter of circular waveguide with short length is studied for radiation pattern with maximum directivity. In order to achieve this, the approximated design method of mode con...
In this paper, a X-band circular horn antenna of narrow band for high power which is combined with a direct TM01-TE11 mode converter of circular waveguide with short length is studied for radiation pattern with maximum directivity. In order to achieve this, the approximated design method of mode conversion between TM01 and TE11 modes is proposed for non-linear variation of extended non-constant serpentine waveguide. The horn antenna is optimized to radiate efficiently high power energy, and aperture radius of the horn antenna is fixed for high power environment. The measured results are compared with theoric methods by calculation and Finite Integral Method (FIM). The proposed approximation design method of the direct TM01-TE11 mode converter is carried out non-linear radius in circular waveguide of an extended non-constant serpentine type. The perturbed length is defined by calculated coupling coefficient between TM01 and TE11 modes due to varying radius of waveguide, and by the average lengths of the sampling sections. Then, the designed mode converter is optimized by length of 200 mm and efficiency of 95.6% by FIM simulation and achieved short length and high efficiency of the antenna by fabricated and measured characteristics. In addition, the circular horn antenna is designed to radiate maximum high power energy density. Therefore, it is considered the breakdown threshold electric field strength for X-band high power environment, and the radius of horn aperture is calculated by 3 of safety condition. This calculation is based on optimization of horn antenna to achieve maximum directivity and gain by calculation and FIM simulation. Then, the horn antenna is combined to the proposed mode converter. The measured results agree well with the simulated ones. The proposed mode converter and horn antenna is the first outcome for suitable high power application in this research field of Korea. Therefore, with this research as foundation, it is expected to lead the way to develope about high power applications, for example, Wireless Power Transferring (WPT), radar system, and Electronic Warfare (EW) if further researches on the maximization of performance and design analysis are carried on.
In this paper, a X-band circular horn antenna of narrow band for high power which is combined with a direct TM01-TE11 mode converter of circular waveguide with short length is studied for radiation pattern with maximum directivity. In order to achieve this, the approximated design method of mode conversion between TM01 and TE11 modes is proposed for non-linear variation of extended non-constant serpentine waveguide. The horn antenna is optimized to radiate efficiently high power energy, and aperture radius of the horn antenna is fixed for high power environment. The measured results are compared with theoric methods by calculation and Finite Integral Method (FIM). The proposed approximation design method of the direct TM01-TE11 mode converter is carried out non-linear radius in circular waveguide of an extended non-constant serpentine type. The perturbed length is defined by calculated coupling coefficient between TM01 and TE11 modes due to varying radius of waveguide, and by the average lengths of the sampling sections. Then, the designed mode converter is optimized by length of 200 mm and efficiency of 95.6% by FIM simulation and achieved short length and high efficiency of the antenna by fabricated and measured characteristics. In addition, the circular horn antenna is designed to radiate maximum high power energy density. Therefore, it is considered the breakdown threshold electric field strength for X-band high power environment, and the radius of horn aperture is calculated by 3 of safety condition. This calculation is based on optimization of horn antenna to achieve maximum directivity and gain by calculation and FIM simulation. Then, the horn antenna is combined to the proposed mode converter. The measured results agree well with the simulated ones. The proposed mode converter and horn antenna is the first outcome for suitable high power application in this research field of Korea. Therefore, with this research as foundation, it is expected to lead the way to develope about high power applications, for example, Wireless Power Transferring (WPT), radar system, and Electronic Warfare (EW) if further researches on the maximization of performance and design analysis are carried on.
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