[논문]반사판 표면성형기법을 적용한 통신방송위성 Ka대역 안테나의 설계

한재흥; 윤소현; 박종흥; 이성팔

doi:10.5139/jksas.2004.32.4.088

반사판 표면성형기법을 적용한 통신방송위성 Ka대역 안테나의 설계
Ka-Band Antenna Design Using the Reflector Shaping for the Communications & Broadcasting Satellite 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.32 no.4, 2004년, pp.88 - 94

한재흥 (한국과학기술원 항공우주공학전공) , 윤소현 (한국전자통신연구원 통신위성연구그룹) , 박종흥 (한국전자통신연구원 통신위성연구그룹) , 이성팔 (한국전자통신연구원 통신위성연구그룹)

초록
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본 논문에서는 국내 통신방송위성 탑재용 Ka 대역 안테나의 전기적 설계에 관해 논하였다. 설계된 안테나는 오프셋 그레고리안 형태로 위성체의 지구 지향 패널에 설치된다. 안테나의 설계 제원은 통신방송위성 탑재체의 성능 분석을 통해 요구되는 EIRP, G/T 조건 등에서 결정된다. 주반사판의 표면 성형 (surface shaping) 을 통해 송수신 이득과 같은 안테나 설계 변수간의 성능 trade-off를 수행하여, 주요 설계 요구 조건을 모두 만족하는 설계 결과를 도출하였다. 설계된 안테나는 송신 주파수 대역에서 EOC 이득 37.95 dBi, 부엽파 분리 도 28.7 dB, 수신 주파수 대역에서 EOC 이득 37.49dBi, 부엽파 분리도 31.1dB의 특성을 갖는 것으로 나타났으며, 교차편파 분리도 항목도 모두 규격을 만족하는 양호한 결과를 얻었다. 제작된 기술인증모델의 전기적 성능 시험을 통해 설계 경과를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The electrical design of the Ka-band antenna for the domestic Communications and Broadcasting Satellite (CBS) is described. The antenna has the offset Gregorian structure and is installed on the Earth-facing panel of the satellite. The electrical performance specifications for the antenna were determined from the required EIRP and G/T through the payload level performance analysis. This paper utilized the reflector shaping technology for the trade-off among the major performance parameters, resulting in compliance of all the parameters. The designed antenna shows 37.95 dBi EOC (End of Coverage) gain and 28.7 dB sidelobe isolation for transmit band, and 37.49 dBi EOC gain and 31.1 dB sidelobe isolation for receive band, The electrical performances of the antenna have been verified via the electrical testing of a manufactured EQM (Engineering Qualification Model) antenna.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 통신방송위성 Ka 대역 안테나의 전기적 설계에 관해 논하였다. 통신방송위성 (CBS: Communications and Broadcasting Satellite)의 서비스 분석을 통해 결정된 안테나의 전기적 요구 조건을 요약하고, 이를 만족시키기 위한 설계 기법에 대해 논한다.
주반사판과 부반사판 및 모든 지지 구조도 복합소재 재료로 성형하고, 박스 형 구조 개념을 도입, 변형을 최소화 할 수 있도록 하였다. 제작된 기술인증모델은 전기적 성능 시험 및 환경 인증 시험을 통해 검증되었으며, 본 논문에서는 전기적 성능 시험 결과를 요약하여 설계 결과와 비교하고자 한다. Fig.
통신방송위성 (CBS: Communications and Broadcasting Satellite)의 서비스 분석을 통해 결정된 안테나의 전기적 요구 조건을 요약하고, 이를 만족시키기 위한 설계 기법에 대해 논한다. 하나의 급전 혼 (feed horn)과 반사판 시스템으로 송수신 대역을 모두 담당하여야 하므로 송수신 대역의 성능 trade-off 가 필요하다.

제안 방법

표 2 및 3에서 교차 편파 분리도 성능은 반사판 및 급전 혼에 기인한 편파 분리도로서, 최종적으로는 급전부의 축비를 고려하여야한다. 반사판 성형에 의한 안테나 성능 변화를명확히 살펴보기 위해 Fig. 10과 11에는 송수신대역의 중심주파수에서 구한 안테나의 동일 편파 (Co-Pol.) 지향도 (directivity) 방사 패턴을 수록비교하였다. 송신 패턴은 주 빔 (main lobe) 영역에서는 거의 변화가 없으나, 부엽파 영역의 패턴은 성형에 의해 많이 변화하였다.
최적화 기법을 이용한 주반사판의 표면 성형을 통해 송수신 이득과 같은 안테나 설계변수 간의 성능 trade-o任 를 수행하여, 주요 설계 요구 조건을 모두 만족하는 설계 결과를 도출하였다. 본 연구에서 설계된 내용을 바탕으로 기술인증모델 안테나를 제작하여 전기적 성능 시험을 통해 모든 주요 성능 파라미터들을 검증하였다.
예비설계 결과 반사판 표면 성형 기법을 사용하지 않고 송수신 대역의 이득 및 부엽파 조건을 모두 만족시킬 수 없어, 주반사판 표면 성형 기법을 도입하기로 하였다. 주반사판의 표면 형상을 제외한 모든 설계 변수는 Fig.
예비설계 단계에서는 여러가지 설계 변수들을 변경해 가면서 안테나 RF 해석을 수행해 보았다. 이 중 최적의 패턴을 보이는 형상을 예비설계 결과로 채택하였고, 주요 치수는 주반사판개구면 크기 900 mm, 주반사판 초점 거리 500 mm, 주반사판 오프셋 거리 494.
주반사판과 부반사판 및 모든 지지 구조도 복합소재 재료로 성형하고, 박스 형 구조 개념을 도입, 변형을 최소화 할 수 있도록 하였다. 제작된 기술인증모델은 전기적 성능 시험 및 환경 인증 시험을 통해 검증되었으며, 본 논문에서는 전기적 성능 시험 결과를 요약하여 설계 결과와 비교하고자 한다.
통신방송위성용 Ka 대역 안테나 반사판 및 급전 혼의 RF 설계를 수행하였다. 최적화 기법을 이용한 주반사판의 표면 성형을 통해 송수신 이득과 같은 안테나 설계변수 간의 성능 trade-o任 를 수행하여, 주요 설계 요구 조건을 모두 만족하는 설계 결과를 도출하였다.

대상 데이터

CBS Ka 대역 안테나는 Fig. 1에 나타낸 바와같이 교차 편파 분리도를 높이기 위해 두 개의 반사판(주반사판 및 부반사판)을 이용하는 오프셋 그레고리안 안테나를 채택하였고, 위성체의 지구 지향 패널에 설치된다. Ka 대역 안테나 급전 부는 하나의 혼(horn)을 이용하여 신호의 송신과 수신을 수행하고, 편파기(polarizer)는 원형 편파를 직선 편파로 또는 직선 편파를 원형 편파로 바꾸어 준다.
2의 예비 설계 결과와 동일하다. 사용된 급전 혼은 개구면 직경 70 mm, 플레어 각 (flare angle) 10°인 코루게이트 혼 (corrugated horn)으로 송수신 대역에 걸쳐 축대칭의 빔과 양호한 교차 편파 특성 (30 dB 이상의 분리도) 을 가진다. 급전 혼의 반사손실은 송수신 대역 모두 33 dB 이상이며, 부엽파 분리도는 송수신 각각 35, 30 dB 이상이다.

데이터처리

최적화 기법을 도입하여 주 반사판의 표면 형상을 수정함으로써 송수신 대역의 주요 설계 요구 조건을 모두 만족하는 설계 결과를 도출하였다. 설계 결과는 제작된 기술인증모델의 전기적 성능 시험을 통해 검증하였다.

이론/모형

안테나 RF 패턴 해석은 TICRA사의 Grasp S/W를 사용하였으며, 해석 방법은 물리 광학법 (Physical Optics) 을 이용하였다[7]. 설계 시에는 안테나의 급전부에서 발생하는 손실, 제작 시 발생하는 각종 치수 및 정렬 오차와 우주 환경에서열변형에 의해 발생하는 손실을 안테나의 이득계산에 반영하며, 본 연구에서 채택한 손실 버짓 (loss budget)은 수신 대역의 경우 1.

성능/효과

Optics) 을 이용하였다[7]. 설계 시에는 안테나의 급전부에서 발생하는 손실, 제작 시 발생하는 각종 치수 및 정렬 오차와 우주 환경에서열변형에 의해 발생하는 손실을 안테나의 이득계산에 반영하며, 본 연구에서 채택한 손실 버짓 (loss budget)은 수신 대역의 경우 1.46 dB, 송신대역의 경우 1.22 dB이다.
2는 설계된 안테나의 형상을 나타낸다. 설계된 안테나는 수신 EOC 이득과 송수신 대역 부엽파 분리도 및 반사계수 등은 규격 값을 만족하나, 송신 EOC 이득은 약 0.3 dB 규격에 비해 부족하였다 [8].
하나의 급전 혼 (feed horn)과 반사판 시스템으로 송수신 대역을 모두 담당하여야 하므로 송수신 대역의 성능 trade-off 가 필요하다. 최적화 기법을 도입하여 주 반사판의 표면 형상을 수정함으로써 송수신 대역의 주요 설계 요구 조건을 모두 만족하는 설계 결과를 도출하였다. 설계 결과는 제작된 기술인증모델의 전기적 성능 시험을 통해 검증하였다.
혼의 RF 설계를 수행하였다. 최적화 기법을 이용한 주반사판의 표면 성형을 통해 송수신 이득과 같은 안테나 설계변수 간의 성능 trade-o任 를 수행하여, 주요 설계 요구 조건을 모두 만족하는 설계 결과를 도출하였다. 본 연구에서 설계된 내용을 바탕으로 기술인증모델 안테나를 제작하여 전기적 성능 시험을 통해 모든 주요 성능 파라미터들을 검증하였다.
최종적으로 얻어진 안테나의 성능을 규격과함께 표 3에서 비교하였으며, 모든 주요 규격을만족함을 알 수 있다. 표 2의 초기 성능과 비교하면, 부족한 수신 EOC 이득을 반사판 성형을통해 증가시켰고, 이득 기울기가 완만해졌음을알 수 있다.
알 수 있다. 표 2의 초기 성능과 비교하면, 부족한 수신 EOC 이득을 반사판 성형을통해 증가시켰고, 이득 기울기가 완만해졌음을알 수 있다. 표 2 및 3에서 교차 편파 분리도 성능은 반사판 및 급전 혼에 기인한 편파 분리도로서, 최종적으로는 급전부의 축비를 고려하여야한다.

참고문헌 (9)

황보 한, 장상구, "무궁화 1, 2, 3호 위성의 개요 및 활용계획", 한국통신학회지, 제 14권 제 7호, 1997, pp. 669-682.
최학근, 박정기, 박성룡, "국내 방송위성을 위한 오프셋 파라볼라 안테나의 설계에 관한 연구", 대한전자공학회논문지, 제 26권, 제 2호, 1989, pp. 66-75
Rudge, A.W., and Datia, N.A., "Offset Parabolic Reflector Antennas: A Review," Proceedings of the IEEE, Vol. 66, 1978, pp. 1592-1618.

상세보기
Kitsuregawa, T., Advanced Technology in Satellite Communication Antennas: Electrical and Meclumical Design, Artech House, 1990, Ch.4.
한재홍, 윤소현, 박종홍, 이성팔, "통신방송위성 아테나 개발 및 시헙 절차", 한국항공우주학회 춘계학술대회, 2001, pp. 532-535.
최학근 외, "국내위성을 위한 경면수정 오프셋 그레고리안 안테나의 설계", 한국전자파학회지, 제 12권 제 5호, 2001, pp. 765-776.

원문보기 상세보기
Pontoppidan, K., Technical Description of GRASP8, TICRA Engineering Consultants, 2000.
Lee, S.P. et al., Communications and Broadcasting Satellite Preliminary Design Review Presentation, ETRI, 2001.
한재홍, 윤소현, 엄만석, 박종홍, 이성팔, "CBS Ku대역 안테나의 제작/정렬 오차 민감도 해석", 한국전자파학회논문집, 제 14권 제 2호, 2003, pp. 171-180.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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