[논문]초고출력 안테나 시스템 급전용 다중 모드 혼 안테나 설계에 관한 연구

이상흔; 윤영중; 이병무; 소준호

초고출력 안테나 시스템 급전용 다중 모드 혼 안테나 설계에 관한 연구
A Study on Design of Multimode Feed Horn Antenna for High Power Microwave Antenna System 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.17 no.5 = no.108, 2006년, pp.476 - 482

이상흔 (연세대학교 전기전자공학과) , 윤영중 (연세대학교 전기전자공학과) , 이병무 (삼성전자 정보통신총괄) , 소준호 (국방과학연구소)

초록
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본 논문에서는 초고출력 안테나 시스템의 급전용 다중 모드 혼 안테나를 제안한다. 제안된 초고출력용 급전 혼 안테나는 모드 변환기와 연결되며, 전원부와 반사판 안테나의 사이에 위치한다. 초고출력 시스템의 경우 급전 안테나의 spillover를 고려한 -25 dB 빔 폭이 반사판 안테나의 크기를 결정하므로 반사판 안테나의 소형화를 위해 -25 dB 빔 폭을 줄인 급전용 다중 모드 혼 안테나를 설계 및 제작하였다. 그 결과 제안된 다중 모드 혼 안테나를 이용한 급전 시스템의 이득은 27 dBi이며 반사 손실은 10 GHz에서 -22 dB 이하의 값이 측정되었다. 또한 -25 dB 범 폭은 수직 평면과 수평 평면에서 각각 $20.24^{\circ}$와 $28.92^{\circ}$로 측정되었고 이는 기존의 혼 안테나를 이용한 급전 시스템의 빔 폭보다 약 $10^{\circ}$가량 작은 값으로, 제안된 혼 안테나는 초고출력 안테나 시스템 소형화에 적합한 형태임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a multimode feed horn antenna is suggested for a high power microwave(HPM) antenna system. The proposed HPM feed horn antenna which is connected with a mode converter is located between source and reflector antenna. A multimode feed horn antenna which has reduced -25 dB beamwidth is designed and fabricated for miniaturization of reflector antenna because -25 dB beamwidth which is determined by considering spillover of feed horn antenna decides a size of reflector in case of HPM. As a result, feed system which uses the multimode feed horn antenna has high gain about 27 dBi and return loss is less than -22 dB at 10 GHz. The measured -25 dB beamwidths of the radiation pattern at vertical, horizontal-plane equal to $20.24^{\circ},\;28.92^{\circ}$ which is less than about $10^{\circ}$ beamwidth of conventional feed system. Thus the suggested feed hem antenna is suitable to feed horn for miniaturization of HPM antenna system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 절에서는 다중 모드혼 안테나를 설계하고 방사 패턴을 분석하여 -25 dB 빔 폭이 감소함을 확인해 본다. 또한 모드 변환기와의 연결을 통해 그 특성을 확인해 본다.
본 논문에서는 초고출력 안테나 시스템의 소형화를 위해 모드 변환기의 출력을 고려한 최적화된 초고 출력 급전용 다중 모드혼 안테나를 제안하고 그 특성을 고찰하였다. 제작된 혼안테나는 대기 중에서 100 MW 첨두 전력전송이 가능하며, 높은 이득을 가짐으로써 초고출력 에너지 전송에 합당함을 보였다.

제안 방법

구성된 급전 시스템의 방사 패턴은 근거리장 측정 시스템을 이용하여 측정하였다. 측정은 먼저 원형 혼 안테나를 사용한 급전 시스템의 방사 패턴을 측정하였고 이후에 다중 모드 혼 안테나를 사용한 급전 시스템, 제안된 초고 출력 급전용 다중모드 혼 안테나를 이용한 급전 시스템의 방사 패턴을 즉정하였다.
그러므로, 본 논문에서는 먼저 초고출력 안테나시스템의 구조를 살펴보고 100 MW의 입력 전력에서 효율적이고 안전한 방사를 위하여 우선적으로 3 cm의 파장과 100 ns의 펄스 폭을 갖는 RF 신호에서 정전 파괴를 일으키지 않는 혼 안테나의 개구 반지름을 설정한다. 이후에 기존의 혼 안테나와 동일한 수준의 이득을 가지면서 원치 않는 방향으로 방사되는 에너지 수준을 낮추기 위해 -25 dB 빔 폭을 줄인 다중 모드 혼 안테나를 모드 변환기의 출력을 고려하여 설계하고 제작하여 그 특성을 고찰한다.
이렇게 방사 패턴을 조절하기 위해 개구면에서 형성되는 모드의 비율을 조절하여개구 전계 분포의 세기를 조절하는 방법을 사용하도록 하는데, 이처럼 단일 모드가 아닌 다중 모드를 사용하여 방사 패턴을 조절하는 혼 안테나를 다중모드 혼 안테나라 한다5讷]. 본 절에서는 다중 모드혼 안테나를 설계하고 방사 패턴을 분석하여 -25 dB 빔 폭이 감소함을 확인해 본다. 또한 모드 변환기와의 연결을 통해 그 특성을 확인해 본다.
29 dBi의값을 얻었다. 시뮬레이션은 CST사의 MICROWAVE STUDIO™ 시뮬레이터를 이용하여 수행하였고, 급전 안테나의 빔 폭은 반사판 안테나의 spillover를 고려한 -25 dB 빔 폭을 기준으로 하여 그 값을 구하였다. 그 결과 수직 평면이 37.
앞 절에서는 초고 출력용 급전 안테나로 사용하기 위해 설계한 원형 혼 안테나에 대해 분석해 보았다. 그러나 이 경우 수직 평면의 부엽 레벨이 높아져서 전체적인 -25 dB 빔 폭이 증가하게 되므로 반사판 안테나의 크기가 커지는 단점이 발생한다.
이러한 이론을 바탕으로 정전 파괴 현상을 방지하는 개구 반지름을 갖는 가장 좁은 -25 dB 빔 폭을 갖는 다중 모드 혼 안테나를 그림 5와 같이 설계하였다. 이때 가장 좁은 -25 dB 빔 폭을 가지는 혼안테나의 개구면에서 발생된 최적의 모드 비율은 TEh : TM„ : TE12 = 71.
설정한다. 이후에 기존의 혼 안테나와 동일한 수준의 이득을 가지면서 원치 않는 방향으로 방사되는 에너지 수준을 낮추기 위해 -25 dB 빔 폭을 줄인 다중 모드 혼 안테나를 모드 변환기의 출력을 고려하여 설계하고 제작하여 그 특성을 고찰한다.
시스템을 이용하여 측정하였다. 측정은 먼저 원형 혼 안테나를 사용한 급전 시스템의 방사 패턴을 측정하였고 이후에 다중 모드 혼 안테나를 사용한 급전 시스템, 제안된 초고 출력 급전용 다중모드 혼 안테나를 이용한 급전 시스템의 방사 패턴을 즉정하였다. 결과는 그림 8~10에 나타나 있다.

데이터처리

측정 결과를 정리하면 표 2와 같다. 측정 결과의 수직 평면과 수평 평면에서 넓은 -25 dB 빔 폭을 기준으로 부 반사판을 설계하므로 그 값을 비교한다. 이때 초고출력용 급전용 다중 모드 혼 안테나가 가장 좁은 28.

성능/효과

반사 손실의 결과는 그림 11과 같다. 동작 주파수인 10 GHz에서 시뮬레이션 결과 -26.27 dB의 값을 얻었고, 측정 결과 -22.17 dB의 값을 얻었다.
이때 모드 변환기는 변환 효율이 높으며 정전 파괴에도 견딜 수 있는 곡선형 직접 변환 방식의 모드 변환기를 사용한다句 이렇게 구성된 급전 시스템에 TMm 모드의 입력을 인가하면 약 95 %의 TE” 모드가 발생하며 그 이외에 고차 모드인 TM(„ 모드, 그리고 TE2i 모드가 함께 발생하게 된다. 모드 변환기와 혼 안테나를 연결한 급전 시스템에 TMm 모드를 인가한 시뮬레이션 수행 결과 반사 손실은 -24.82 dB, 이득은 27.29 dBi의값을 얻었다. 시뮬레이션은 CST사의 MICROWAVE STUDIO™ 시뮬레이터를 이용하여 수행하였고, 급전 안테나의 빔 폭은 반사판 안테나의 spillover를 고려한 -25 dB 빔 폭을 기준으로 하여 그 값을 구하였다.
설계한 다중 모드 혼 안테나에 TEn 급전을 넣으면 원형 혼 안테나보다 -25 dB 빔 폭이 좁아지는 특성을 얻을 수 있다. 시뮬레이션 수행 결과 나타난 방사 특성은 이득이 27.
이는 모드 변환기의 출력에 포함된 고차 모드인 TM(h 모드와 TE» 모드 때문에 발생하는 현상으로 이러한 고차 모드를 제거하여 보다 높은 비율의 TEh 모드가 혼 안테나로 유입될 수 있도록 하는 추가적인 구조 변형이 요구된다. 이는 도파관의 반지름에 따른 고차 모드의 차단 효과를 이용하여 구현할 수 있는데 표 1에 나타난 것처럼 8.8 mm 이상 11.5 mm 이하의 반지름으로 10 GHz에서 TEtl 모드만 전송할 수 있음을 확인할 수 있다.
특성을 고찰하였다. 제작된 혼안테나는 대기 중에서 100 MW 첨두 전력전송이 가능하며, 높은 이득을 가짐으로써 초고출력 에너지 전송에 합당함을 보였다. 또한 일반적으로 사용되는 원형 혼 안테나에 비해 약 10。가량의 좁은 -25 dB 빔폭을 갖는 특성을 가지므로 전체적인 안테나 시스템의 소형화를 이룰 수 있다.

후속연구

또한 일반적으로 사용되는 원형 혼 안테나에 비해 약 10。가량의 좁은 -25 dB 빔폭을 갖는 특성을 가지므로 전체적인 안테나 시스템의 소형화를 이룰 수 있다. 이는 초고출력 반사판 안테나 시스템의 급 전부로 사용되기에 가장 적합한 형태이며 이동성을 고려한 소형화된 안테나 시스템의 구성을 가능케 하는 방향으로 응용될 수 있을 것이다.

참고문헌 (6)

C. Taylor, D. Giri, High-Power Microwave Systems and Effects, Taylor & Francis, London, 1994
이상흔, 이병무, 이우상, 윤영중, 소준호, '초고출력 안테나 시스템 설계에 관한 연구 II 최대지향 특성의 원형 혼 안테나', 한국전자파학회 종합학술대회 논문집, pp. 263-266, 2004년 11월
A. P. King, 'The radiation characteristics of conical horn antennas', Proceedings of IRE, vol. 38, pp. 249-251, Mar. 1950
Byoung Moo Lee, Woo Sang Lee, Young Joong Yoon, and Joon Ho So, 'X-band TM01-TE11 mode converter with short length for high power', IEE Electronics Letters, vol. 40, no. 18, pp. 1126-1128, Sep. 2004

상세보기
P. D. Potter, 'A new horn with suppressed sidelobes and equal beamwidths', Microwave J., pp. 71-78, Jun. 1963
AD Olver, PJB Clarricoats AA Kishk, and L Shafai, Microwave Horns and Feeds, IEEE Press, 1988

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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