개구 합성 레이더(SAR)는 지형의 고 해상도의 영상을 획득하는데 주로 사용된다. 본 논문은 X-band 주파수 대역의 차량 탑재형 개구 합성 레이더(automobile-based SAR) 시스템에 적용하기 위한 $16{\times}16$ 배열 안테나의 설계 및 제작에 관한 것이다. 본 논문에서 구현된 안테나는 레이돔, 방사체, 슬롯, 급전 구조 그리고 허니콤과 같은 여러 층의 구조로 되어 있으며 각 층들은 구조적인 그리고 전기적인 측면의 설계 요구 조건들을 만족하기 위하여 결합되어 있다. Strip-Slot-Foam-Inverted-Patch(SSFIP) 구조와 허니콤을 사용하여 넓은 동작 주파수 대역폭과 기구적인 안정성을 만족하였다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였으며 본 논문에서 설계한 안테나는 1.7 GHz의 동작 주파수 대역폭과 20 dB 미만의 side-lobe level, 각각 $5^{\circ}$의 빔 폭과 25 dBi의 이득을 가졌으며 측정된 결과는 광대역SAR 시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다.
개구 합성 레이더(SAR)는 지형의 고 해상도의 영상을 획득하는데 주로 사용된다. 본 논문은 X-band 주파수 대역의 차량 탑재형 개구 합성 레이더(automobile-based SAR) 시스템에 적용하기 위한 $16{\times}16$ 배열 안테나의 설계 및 제작에 관한 것이다. 본 논문에서 구현된 안테나는 레이돔, 방사체, 슬롯, 급전 구조 그리고 허니콤과 같은 여러 층의 구조로 되어 있으며 각 층들은 구조적인 그리고 전기적인 측면의 설계 요구 조건들을 만족하기 위하여 결합되어 있다. Strip-Slot-Foam-Inverted-Patch(SSFIP) 구조와 허니콤을 사용하여 넓은 동작 주파수 대역폭과 기구적인 안정성을 만족하였다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교 분석하였으며 본 논문에서 설계한 안테나는 1.7 GHz의 동작 주파수 대역폭과 20 dB 미만의 side-lobe level, 각각 $5^{\circ}$의 빔 폭과 25 dBi의 이득을 가졌으며 측정된 결과는 광대역 SAR 시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다.
Synthetic Aperture Radars(SAR) are used mainly for high-resolution imaging of the terrain. This paper describes the $16{\times}16$ array antenna designed for an X-band, automobile-based SAR(AutoSAR) system. This antenna has the structure of several layers such as radome, radiators, slots,...
Synthetic Aperture Radars(SAR) are used mainly for high-resolution imaging of the terrain. This paper describes the $16{\times}16$ array antenna designed for an X-band, automobile-based SAR(AutoSAR) system. This antenna has the structure of several layers such as radome, radiators, slots, feed network, and honeycomb cores. Each layer is adhesively bonded to meet different combination of structural and electrical design requirements. Using the Strip-Slot-Foam-Inverted-Patch(SSFIP) structure and honeycomb cores, a wide bandwidth and a structural hardness were achieved. Measurement results were compared with simulation results. It was observed that this antenna had a bandwidth of 1.7 GHz, side-lobe levels of less than -20 dB, half-power beamwidth of $5^{\circ}$ and $5^{\circ}$, and gains of 25.0 dBi. The observed results show that the designed array antenna will be applicable to the wideband SAR system.
Synthetic Aperture Radars(SAR) are used mainly for high-resolution imaging of the terrain. This paper describes the $16{\times}16$ array antenna designed for an X-band, automobile-based SAR(AutoSAR) system. This antenna has the structure of several layers such as radome, radiators, slots, feed network, and honeycomb cores. Each layer is adhesively bonded to meet different combination of structural and electrical design requirements. Using the Strip-Slot-Foam-Inverted-Patch(SSFIP) structure and honeycomb cores, a wide bandwidth and a structural hardness were achieved. Measurement results were compared with simulation results. It was observed that this antenna had a bandwidth of 1.7 GHz, side-lobe levels of less than -20 dB, half-power beamwidth of $5^{\circ}$ and $5^{\circ}$, and gains of 25.0 dBi. The observed results show that the designed array antenna will be applicable to the wideband SAR system.
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문제 정의
Back radiation reduction 방법으로는 슬롯 뒤 부분에 enclosed cavity를 부착시키는 방법과 안테나 밑 부분에 reflector로 방사 소자를 부착시키는 방법, shielding plane을 부착시키는 방법 등이 있다 同. 따라서 본 논문에 서 는 back radiation reduction 방법으로 안테 나의 밑 부분에 shielding plane을 부착하는 방법을 이용하여 안테나의 front-back-ratio를 높이고자 한다. 그러나 이 방법 또한 parallel plate waveguide mode가 형성되어 안테나의 전체적인 성능을 저하시킬 수 있으므로 안테나의 설계 시 이를 감안하여 설계하여야 한다.
이러한 점을 고려하여 배열의 중앙에서 점차적으로 전력을 감소시키는 tapered 형태의 간단한 비 균일 급전 구조를 이용하여 sidelobe level의 감소를 비교적 쉽게 이룰 수 있다1 SAR 시스템의 넓은 동작 주파수 대역폭을 만족하고 항공기나 위성 그리고 자동차와 같은 이동체 에 탑재되는 용도의 안테나 자체의 구조적인 안정성을향상시키기 위하여 다 층의 SSFIP(Strip-Slot-Foam- Inverted-Patch) 구조 형태로 안테나를 설계하였다. 또한 본 논문에서는 개구 결합형 (aperture-coupled) 안테나와 같이 SSFIP 안테나의 일반적인 특성인 back radiation을 제거하기 위하여 안테나의 가장 하단부에 shielding plane을 부착하여 안테나의 front-back ratio를 증가시켰다.
본 논문에서는 SAR 시스템 용도의 넓은 대역폭과 좁은 빔 폭 그리고 기구적인 안정성을 위하여 기본적 인 SSFIP 구조에 back radiation을 제거하기 위 한 shielding plane을 덧붙이고, 안테나 각 층 사이에는 삽입 손실과 유전율이 작고 기계적인 특성이 강한 허니콤을 삽입한 광대역 배열 안테나를 설계 및 제작하였다. SSFIP형 구조를 사용하여 1.
제안 방법
즉, azimuth 방향으로의 빔 폭도 5。로 작은 빔 폭을 갖도록 설계한다. 그리고 가까운 지면으로부터의 불필요한 간섭 신호를 없애기 위 하여 side-lobe levele 20 dB 미만을 목표로 하였으며 이득은 20 dBi 이상으로 하였다.
이를 향상시키기 위하여 슬롯의 크기를 크게 설계하지만 큰 크기의 슬롯은 안테나의 뒤 부분으로의 방사량을 증가시킨다. 따라서 본 논문에서는 그림 6(a) 와 같이 슬롯의 크기를 크게 하지 않으면서 커플링 양을 증가시킬 수 있는 dogbone 형태의 슬롯을 사용하였다.
서로 다른 LO를 사용하여 송수신 대역을 달리하는 방법을 사용하였다. 이때 송수신 대역은 그림 3과같이 동일 시간에 하나의 대역만을 선택하게 되며 이는 RF 스위치를 제어하여 구현한다.
결과이다. 안테나의 측정은 Agilent 사의 8722 ESS vector network analyzer를 이용하여 입력 반사 손실과 입력 임피던스 및 VSWR을 측정하였으며 방사 패턴과 이득은 포항공대의 compact range와 near field measurement 장비를 이용하였다. 결과를 보면 8.
하지만 이런 방식의 급전 배열 구조를 형성시키기 위해서는 안테나의 급전 구조가 복잡해지며, 이로 인해 안테나의 반사 계수 특성이나 삽입 손실 특성이 저하되고 심지어 높은 주파수 대역에서 너무 큰 특성 임피던스의 전송 선로를 사용해야 되는 경우 제작이 불가능해지는 단점을 가지고 있다. 이러한 점을 고려하여 배열의 중앙에서 점차적으로 전력을 감소시키는 tapered 형태의 간단한 비 균일 급전 구조를 이용하여 sidelobe level의 감소를 비교적 쉽게 이룰 수 있다1 SAR 시스템의 넓은 동작 주파수 대역폭을 만족하고 항공기나 위성 그리고 자동차와 같은 이동체 에 탑재되는 용도의 안테나 자체의 구조적인 안정성을향상시키기 위하여 다 층의 SSFIP(Strip-Slot-Foam- Inverted-Patch) 구조 형태로 안테나를 설계하였다. 또한 본 논문에서는 개구 결합형 (aperture-coupled) 안테나와 같이 SSFIP 안테나의 일반적인 특성인 back radiation을 제거하기 위하여 안테나의 가장 하단부에 shielding plane을 부착하여 안테나의 front-back ratio를 증가시켰다.
전체 16x16 배열 안테나를 설계하기 위하여 각 패치 간의 간격은 0.7 為로 하였으며 8x4 배열 안테나를 부 배열로 하여 azimuth 방향으로는 4배, elevation 방향으로는 2배 확장하여 설계하였으며 8x4부 배 열 안테나의 각 소자에 분배되는 전력은 azimuth 방향으로는 1:1:2:2이며 elevation 방향으로는 1:1:2:244: 8:8의 비율로 전력 분배를 하였다.
송수신 신호는 linear FM(chirp) pulse이며 주파수 대 역폭은 200 MHz 를 기본으로 하고 있다. 하지만 분해능을 높이기 위하여 800 MHz의 넓은 대역폭을 갖는 시스템을 구현하였다'3】. 그림 2와 같이 같은 IF 대역을 공유하면서
대상 데이터
5 mm이다. 레이돔과 방사 소자에 20 mils 두께의 Rogers 사의 R04003 기판을 사용하였으며 동일한 기판의 슬로 급 전기 그리고 1.5 mm 두께의 shielding plane을 순서대로 놓고 각 층 사이에 허니콤을 삽입하여 플라스틱 나사를 고정하여 전체 안테나를 체결하여 제작하였다.
각 층의 특성은 다음과 같다. 방사 소자와 급전기 위 부분의 유전체층은 % =3.38이고 두께 가 /)=0.508 mm인 Rogers사의 R04003기 판을 사용하였으며 이는 woven glass reinforced hydrocarbon/ ceramic laminates로써 높은 주파수나 온도에서도 비교적 일정한 유전율을 유지하며 삽입 손실이 작은 장점이 있다. 안테나의 각 층 사이에는 폼으로 Hexel 사의 HRH-1O-1/8-5.
데이터처리
안테나의 시뮬레이션은 Ansoft사의 Ensemble과 HFSS를 사용하였으며 시뮬레이션 결과에서 반사 손실 특성을. 보면 VSWR 2를 기준으로 약 1 GHz의 광대역 특성을 나타내며 방사 패턴의 경우 일반적인 마이크로 스트립 안테나의 방사 패턴 특성을 가지며 shielding plane의 사용으로 back radiation이 제거되었음을 알 수 있다.
이론/모형
배열 안테나의 크기를 결정하기 위하여 arraysynthesis를 한 결과는 그림 7과 같으며 5。의 3 dB 빔 폭을 만족하기 위하여 16x16 배열을 사용하였고 20 dB 미만의 side-lobe level을 얻기 위하여 tapered 형태의 비균일 급전 방식을 사용하였으며 800 MHz의 동작 주파수 대역폭 내에서 빔 패턴이 일정하도록 하기 위해 corporate 급전 방식을 사용하였다.
성능/효과
안테나의 측정은 Agilent 사의 8722 ESS vector network analyzer를 이용하여 입력 반사 손실과 입력 임피던스 및 VSWR을 측정하였으며 방사 패턴과 이득은 포항공대의 compact range와 near field measurement 장비를 이용하였다. 결과를 보면 8.85-10.55 GHz의 약 1.7 GHz의 광대역 특성을 나타내며 사용주파수 대역을 잘 만족한다. 중심 주파수인 9.
이득은 25 dBi(max)로 측정되었으며 설계 목표를 잘 만족하였으나 배열의 수가 많아짐에 의해 이득이 감소함을 알 수 있었다. 또한 간단하게 구현할 수 있는 tapered 방식의 비균일 급전 구조를 사용하여 20 dB 미만의 side-lobe level 역시잘 만족함을 알 수 있었다. 따라서 광대 역 SAR 시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다.
7 GHz에서의 방사 패턴 측정 결과를 보면 azimuth 방향과 elevation 방향 모두 5。의 3 dB 빔 폭을 잘 만족하고 있으며 side-lobe level 역시 azimuth 방향의 결과가 조금 높으나 20 dB 미만을 잘 만족함을 알 수 있다. 안테나의 이 득은 standard gain horn 안테나를 기준으로 약 25.0 dBi의 값을 가짐으로써 20 dBi 이상의 설계 목표를 잘 만족하였다. 최종 측정 결과를 요약하면 표 2와 같다.
7 GHz의 광대역 특성과 동작 주파수 대역을 잘 만족하였으며 16x16 배열을 사용하여 5。의 좁은 빔 폭의 방사 패턴을 잘 만족하였다. 이득은 25 dBi(max)로 측정되었으며 설계 목표를 잘 만족하였으나 배열의 수가 많아짐에 의해 이득이 감소함을 알 수 있었다. 또한 간단하게 구현할 수 있는 tapered 방식의 비균일 급전 구조를 사용하여 20 dB 미만의 side-lobe level 역시잘 만족함을 알 수 있었다.
후속연구
또한 간단하게 구현할 수 있는 tapered 방식의 비균일 급전 구조를 사용하여 20 dB 미만의 side-lobe level 역시잘 만족함을 알 수 있었다. 따라서 광대 역 SAR 시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다.
참고문헌 (8)
Keith R. Carver, James W. Mink, 'Microstrip antenna technology', IEEE Trans. AP-29, no. 1, pp. 2-24, Jan. 1981
John Huang, Sembian Rengarajan, and Juan Mosig, Workshops on CAD of Printed Antennas and Arrays, Boulder Microwave Technologies Inc., 1995
Young-Kyun Kong, Byung-Lae Cho, and Young-Soo Kim, 'An experimental automobile based SAR/InSAR', IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Jul. 2005
J. F. ZG cher, 'The SSFIP: A global concept for high performance broadband planar antennas', Electronics Letters, vol. 24, no. 23, pp. 1433-1435, Nov. 1988
S. D. Targonski, R. B. Waterhouse, and D. M. Pozar, 'Wideband aperture coupled microstrip patch array with backlobe reduction', Electronics Letters, vol. 33, no. 24, pp. 2005-2006, Nov. 1997
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