[논문]위성통신을 위한 송수신 겸용 삼중 적층 마이크로스트립 패치 배열 안테나 설계

박웅희; 노행숙

doi:10.6109/jkiice.2007.11.5.853

위성통신을 위한 송수신 겸용 삼중 적층 마이크로스트립 패치 배열 안테나 설계
Design of Three-stacked Microstrip Patch Array Antenna Having Tx/Rx Feeds For Satellite Communication 원문보기

한국해양정보통신학회논문지 = The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, v.11 no.5, 2007년, pp.853 - 859

박웅희 (강원대학교 삼척캠퍼스 전자공학과) , 노행숙 (한국전자통신연구원 전파기반부)

초록
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본 논문은 Ku-대역 위성 통신에서 배열 안테나의 하나의 단일 안테나로 사용 가능한 송/수신 겸용 구조의 마이크로스트립 패치 배열 안테나에 관한 것이다. 본 논문에 제시된 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 단일소자인 하나의 마이크로스트립 패치 안테나는 고이득과 광대역 특성을 구현하기 위하여 한 개의 방사패치와 두 개의 기생패치로 구성된 삼중 적층 구조 형태로 설계하였다. 이러한 단일 패치 안테나 소자는 고이득의 특성을 얻기 위하여 $1{\times}8$ 배열 구조로 배열하였으며, 안테나 크기 및 급전 손실을 고려하여 직렬과 병렬 급전을 혼합하여 급전 회로를 설계하였다. 제안된 삼중 적층 송/수신 겸용 배열 안테나는 무궁화 3호 위성과의 방송 및 통신 송수신을 위해 송신 주파수대역($14.0{\sim}14.5GHz$)은 수직편파, 수신 주파수대역($11.1{\sim}12.75GHz$)은 수평편파로 설계하였다. 설계한 안테나의 타당성을 검증하기 위하여 삼중 적층 구조의 마이크로스트립 패치 안테나를 실제 제작 및 측정하였다. 그 결과 송/수신 대역 내에서 배열 안테나 이득은 $17{\sim}18dBi$이고, 임피던스 대역폭은 전대역에서 10% 이상의 결과를 보이며, 교차편파 레벨은 -25 dB 이하, 부엽레벨은 -9.4 dB 이하의 양호한 결과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a microstrip patch array antenna having transmission feed and reception feed for satellite communication in the Ku band. In this paper, the element of the patch array antenna is a three-stacked structure consisting of one radiation patch and two parasitic patches for high gain and wide bandwidth characteristics. To obtain higher gain, the unit elements are expanded into a $1{\times}8$ may using a mixture of series and parallel feeds. The proposed antenna has horizontal polarization for the Rx band and vertical polarization for the Tx band. To verify the practicality of this antenna, we fabricated a three-stacked patch array antenna and measured its performance. The gain of the array antenna in the Rx and Tx bands exceeds 17 and 18 dBi, respectively. The impedance bandwidth is over 10 % in both bands. The cross-polarization level is below -25 dB, and the sidelobe level is below -9.4 dB.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Ku-대역 양방향 위성 통신 및 위성 방송 수신을 위한 지상국에서 단위소자 안테나로 사용 가능한 송/수신 겸 용 마이크로스트립 패치 소자를 이용한 배열 안테나의 새로운 형태를 제안하였다. 제안된 안테나는 고이득, 광대역 특성을 얻기 위하여 삼중 적층 구조로 설계하였고, 다중 층을 이용한 구조의 복잡성을 최소화하고자 동일 기판상에 송/수신 급전회로를 배치하였다.
제작된 마이크로스트립 패치 배열 안테 나는 Ku-대 역 양방향 통신 혹은 방송용 지 상국 안테 나 시스템의 단위 방사 소자로서 활용 가능하다. 지상국 안테나의 원하는 이득과 패턴을 위해 다수의 마이크로 스트립 패치 배열 안테나를 공간적으로 배치하면 소형, 경량화된 안테 나 시스템을 제 작할 수 있으리 라 생 각한다.

제안 방법

0 mm일 때 최적의 안테나 특성을 가짐을 알 수 있었다. 또한 그 밖의 방사 패치, 기생 패치 크기 및 유전체 기판층의 비유전율 등도 대역폭, 안테나 이득, 방사 패턴 등을 고려하여 시뮬레이션을 이용하여 표2와 같이 설정하였다.
75 GHz)에서는 수평 편파로 송/수신 급전회 로를 동일 기판 상에 배치하였다. 먼저, 단일 구조의 마이크로스트립 패치 안테나의 구조 및 특성을 시뮬레이션을 통해 살펴본 후, 이를 이용하여 1x8 배열 구조로 설계 및 제작하여 그 특성을 살펴보았다. 제작된 마이크로스트립 패치 안테나의 1x8 배열 구조인 마이크로스트립 패치 배열 안테나는 위성 통신용 지상국 안테나의 배열 안테나의 하나의 단위 안테나 소자로 사용 가능하다.
방사 패치(Radiation patch)는 신호를 송신 혹은 수신하기 위 한 소자로서 의 역할을 하고, 첫 번째 기 생 패치(「stparasitic patch)는 임피던스 대역폭을 넓히기 위해 사용되며, 두 번째 기 생 패치(2, nd parasitic patch)는 단일소자의 유효개구면적을 증가시켜 안테나 이득을 높이는 디렉터로서의 역할을 한다. 방사 패치와 첫번째 기생 패치 및 두 개의 기생 패치의 사이에는 폼(Foam)을 삽입하여 그 간격을 조절하였다. 삼중 적층 패치 소자에서, 폼이나 공기층의 두께는 이득과 대역폭 특성을 결정하는데 중요한 역할을 한다.
그림 3은 본 논문에서 제안된 배열 안테나 구조로서 그림 1의 단일소자를 1x8 배열 형태로 확장하여 구성하였다. 배열 안테나에서 단일 소자는 무궁화 3호 위성의 위치에 따른 편파 보정을 위해 14도 기울기를 가지도록 설계하였다.[6] 제안된 배열 안테나에 있어서 그레이팅 로브 레벨을 억압시키기 위한 최적의 단일 소자 간의 거 리는 약 0.
본 논문에서는 Ensemble 7.0을 이용하여 송/수신 겸 용구 조의 마이크로스트립 패치 안테나를 삼중 적층 구조로 설계하였다. 설계된 안테나는 송신대역(14.
본 제안된 패치 안테나에서는 수신 급전회로는 병렬급전 형태로, 송신 급전회로는 병렬과 직렬 급전 형태가 복합된 구조로 설계 되 었 다. 이러한 급전 구조는 각 송신 혹은 수신 대역에 있어서 광대역 특성 및 대칭형 안테나패턴을 가지 게 할 뿐 아니라 안테나 소형화를 위하여 채택되 었다 向
제안된 안테나는 고이득, 광대역 특성을 얻기 위하여 삼중 적층 구조로 설계하였고, 다중 층을 이용한 구조의 복잡성을 최소화하고자 동일 기판상에 송/수신 급전회로를 배치하였다. 이러한 배열 안테나의 실용성을 검증하기 위하여 1x8 배열 안테나를 실제 제작 및 측정하였다. 측정 결과는 비교적 Ensemble를 이용한 시뮬레이션 결과와 유사한 경향을 보였다.
적층 패치 및 이를 급전한 송/수신 급전회로를 도시한 그림 이다. 제안된 단일소자는 한 개의 방사 패치와 두 개의 기생 패치 및 송/수신 급전회로로 구성된다. 방사 패치(Radiation patch)는 신호를 송신 혹은 수신하기 위 한 소자로서 의 역할을 하고, 첫 번째 기 생 패치(「stparasitic patch)는 임피던스 대역폭을 넓히기 위해 사용되며, 두 번째 기 생 패치(2, nd parasitic patch)는 단일소자의 유효개구면적을 증가시켜 안테나 이득을 높이는 디렉터로서의 역할을 한다.
85X0이나, 단일소자가 고이득 특성일 경우에는 소자 간격이 가까워지면 소자 간섭 이 증가하게 된다. 제안된 배 열 안테나의 단일 소자 사이의 거리는 위의 조건 등을 고려하여 X0(22 mm) 간격으로 하였다.
제안된 배열 안테나의 설계 결과에 대한 타당성을 검증하기 위하여, 1x8 송/수신 겸용 배열 안테나를 제작하였다. 그림 7은 실제 제작된 1x8 배열 안테나의 사진이다.
안테나의 새로운 형태를 제안하였다. 제안된 안테나는 고이득, 광대역 특성을 얻기 위하여 삼중 적층 구조로 설계하였고, 다중 층을 이용한 구조의 복잡성을 최소화하고자 동일 기판상에 송/수신 급전회로를 배치하였다. 이러한 배열 안테나의 실용성을 검증하기 위하여 1x8 배열 안테나를 실제 제작 및 측정하였다.
표 1 과표2에서 제시된최적의 삼중 적층 마이크로 스트립 패치 단일소자를사용하여 Ku 대역 위성 통신용 지상 단말국에서 하나의 단위 소자 안테나로 사용 가능한 배열 안테나를 설계하였다. 그림 3은 본 논문에서 제안된 배열 안테나 구조로서 그림 1의 단일소자를 1x8 배열 형태로 확장하여 구성하였다.

대상 데이터

0을 이용하여 송/수신 겸 용구 조의 마이크로스트립 패치 안테나를 삼중 적층 구조로 설계하였다. 설계된 안테나는 송신대역(14.0~ 14.5 GHz)에서는 수직편파, 수신대역(11.7~ 12.75 GHz)에서는 수평 편파로 송/수신 급전회 로를 동일 기판 상에 배치하였다. 먼저, 단일 구조의 마이크로스트립 패치 안테나의 구조 및 특성을 시뮬레이션을 통해 살펴본 후, 이를 이용하여 1x8 배열 구조로 설계 및 제작하여 그 특성을 살펴보았다.

데이터처리

표 1은 제안된 삼중 적층 패치와 단층, 이 중 적층과의 특성 및 성능 비교를Ensemble7.0을 이용하여 살펴본 것이 다. 각각의 방사 패치 는 단일 구조에서 송/수신을 위 해 선택할 수 있는 최적의 방사 패치 구조이다.

성능/효과

결과적 으로 제안된 송/수신 겸 용 삼중 적 층 구조의 마이크로 스트립 패치 배열 안테나는 비교적 작은 크기로 고이 득, 광대 역 특성을 만족시 킬 수 있음을 본 논문을 통해서 확인하였다. 제작된 마이크로스트립 패치 배열 안테 나는 Ku-대 역 양방향 통신 혹은 방송용 지 상국 안테 나 시스템의 단위 방사 소자로서 활용 가능하다.
측정 결과는 비교적 Ensemble를 이용한 시뮬레이션 결과와 유사한 경향을 보였다. 삼중 적층 마이크로스트립 패치 안테나의 단일소자 성능을 살펴보면, 송/수신 대 역 내 이득은 10~ 11 dBi, 임 피 던스 대 역폭은 10~ 12 %정도의 결과를 보였다. 상기 단일소자는 실제 안테나 시스템 상에 구현하기 위해서 1x8 배열 형태로 확장하였으며, 제작된 배열 안테나는 송/수신 전 대역 내에서 17.
5 GHz) 내에서 반사손실은 -22dB이하, 임피던스 대역폭은11 % 이상 임을알 수 있다. 송신 및 수신 포트 간 격리도는 11.7~ 14.5 GHz 대역 내에서 -27 dB이하이며, 수신 대역 내 안테나 이득은 18.1-18.9dBi, 송신 대역 내 안테나 이득은 18.5-18.7 dBi임을 시뮬레이션을 통해 얻었다. 그림 6은 설계된 배열 안테나의 방위각 방향 방사 패턴의 시뮬레이션 결과로서 송신 및 수신 패턴에 있어서 부엽레벨은 -11 dB이하이고, 교차편파 레벨은 -27 dB이하이며, 3-dB 빔폭은 12.
수신 포트에 있어서 림 5의 시뮬레 이션 결과와 그림 8의 측정 결과를 비교해보면, 반사손실 결과에 있어서는 약 200 M田정도 주파수가 천이된 것을 알 수 있다. 송신 포트에 있어서의 반사 손실은 시뮬레이션 결과보다 약 10dB 이상의 열화된 특성을 보이지만, 송/수신 전체 대역에 있어서 -12dB이하의 비교적 양호한 반사 손실 성능을 유지한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 격리도특성에 있어서도송/수신 동작 대역 내에서 -25 dB이하로 양호한 결과를 보인다.
, 송수신 격리도는-25dB 이하로 나타났다. 예측했던 바와 같이 제안된 삼중 적층 구조 안테나는 고이득, 광대 역 특성을 가졌다.
각각의 방사 패치 는 단일 구조에서 송/수신을 위 해 선택할 수 있는 최적의 방사 패치 구조이다. 제안된 삼중 적층 패치의 단일 소자는 단층 패치 단일소자보다 임피던스 대역폭 약5배와 이득은 약5dB, 이 중 적층 패치 단일 소자보다 임피 던스 대 역 폭(Tx 기 준)은 약 2배와 이 득은 약 3 dB 증가함을 볼 수 있다.

참고문헌 (6)

R.Q.Lee, K.F.Lee, and J. Bobinchak, 'Characteristics of a two-layer electromagnetically coupled rectangular patch antenna', Electron. Lett., vol. 23, pp. 1079-1072, 1987

상세보기
Eisuke Nishiyama, Shigeru Egashira, and Akihide Sakitani, 'Stacked circular polarized microstrip antenna with wide band and high', Proc. Of IEEE AP-S Int. Symp. and DRSI Radio science meeting, pp. 1923-1926, 1992
M. Rubelj, P. F. Wahid, and C. G. Christodoulou, 'A microstrip antenna array for direct broadcast satellite receivers', Microwave and Optical Technology Lett., vo1.15, issu.2,pp.68-72, 1997

상세보기
Shigeru Egashira, Eisuke Nishiyama and Akihide Sakitani, 'Stacked microstrip antenna with wide band and high gain', IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.44, issu.11, pp.l533-1534,1996
U.K Revankar and A.Kumar, 'Broadband stacked three-layer circular microstrip antenna arrays', Electron. Lett., vol. 28, no. 21, pp. 1995-1997,1992

상세보기
U.H. Park et aI.,'A novel mobile antenna for Ku-Band satellite communications', ETRI J., vol. 27, no. 3, pp. 243-249, 2005

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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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