본 논문에서는 $2{\sim}18$ GHz 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나 설계에 대하여 기술하였다. Archimedean 스파이럴 안테나의 설계 기법을 바탕으로 스파이럴 안테나의 암 패턴과 백 캐비티를 설계하고, CST사의 MWS를 이용하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션을 통하여 안테나의 VSWR, 축비(axial ratio) 그리고 반전력 빔 폭을 고찰하였다. 또한, 동작 대역에서 요구되는 VSWR 특성을 만족시키는 Marchand 동축형 밸런을 설계하였다. 최종적으로 제작 및 측정을 통해 안테나의 성능 및 설계 방법의 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 $2{\sim}18$ GHz 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나 설계에 대하여 기술하였다. Archimedean 스파이럴 안테나의 설계 기법을 바탕으로 스파이럴 안테나의 암 패턴과 백 캐비티를 설계하고, CST사의 MWS를 이용하여 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션을 통하여 안테나의 VSWR, 축비(axial ratio) 그리고 반전력 빔 폭을 고찰하였다. 또한, 동작 대역에서 요구되는 VSWR 특성을 만족시키는 Marchand 동축형 밸런을 설계하였다. 최종적으로 제작 및 측정을 통해 안테나의 성능 및 설계 방법의 타당성을 검증하였다.
In this paper, design of a $2{\sim}18$ GHz wideband cavity-backed spiral antenna is investigated. Firstly, an arm pattern and a backing cavity of a cavity-backed spiral antenna are designed based on the design theory of an Archimedean spiral antenna as well as by using CST's MWS. VSWR, ax...
In this paper, design of a $2{\sim}18$ GHz wideband cavity-backed spiral antenna is investigated. Firstly, an arm pattern and a backing cavity of a cavity-backed spiral antenna are designed based on the design theory of an Archimedean spiral antenna as well as by using CST's MWS. VSWR, axial ratio, and HPBW(Half Power Beam Width) characteristics are considered in the simulation. Secondly, a Marchand coaxial balun is designed to meet the required VSWR within the frequency band of operation. Finally, the validity of these approaches is verified by comparing the simulated results with measured ones.
In this paper, design of a $2{\sim}18$ GHz wideband cavity-backed spiral antenna is investigated. Firstly, an arm pattern and a backing cavity of a cavity-backed spiral antenna are designed based on the design theory of an Archimedean spiral antenna as well as by using CST's MWS. VSWR, axial ratio, and HPBW(Half Power Beam Width) characteristics are considered in the simulation. Secondly, a Marchand coaxial balun is designed to meet the required VSWR within the frequency band of operation. Finally, the validity of these approaches is verified by comparing the simulated results with measured ones.
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문제 정의
본 논문에서는 2〜18 GHz 광대역에서 동작하는 캐비티 백 스파이럴 안테나의 설계에 대해 기술하였다. 먼저 Archimedean 스파이럴 안테나의 설계 이론 同을 바탕으로 스파이럴 안테나의 암 패턴을 설계하고, 이에 백 캐비티를 추가하여 시뮬레이션 하였다.
본 연구에서는 2〜18 GHz 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나의 설계 이론을 연구하고, 설계된 안테나 특성을 CST사의 MWS를 이용하여 시뮬레이션하였다. 스파이럴 안테나의 암 패턴과 백 캐비티 그리고 Marchand 동축형 밸런으로 나누어 각각의 VSWR을 고찰하고, 광대역에서 우수한 특성을 갖는 캐비티 백 스파이럴 안테나를 설계하였다.
스파이 럴 안테나는 주파수에 따른 안테나의 길이 변화를 주회 각도로 표현할 수 있기 때문에 안테나의 물리적인 크기 변화를 회전 각도의 변화로 대치할 수 있어 광대역에서 사용될 수 있다'I句 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나는 현재 국외에 많은 상용품들이 나와 있지만 국내에서는 이를 수입하여 사용하고 있으며, 연구 개발된 사례가 없다. 이 연구는 상용품에 준하여 연구되었으며, 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나의 국산화에 큰 기여를 할 것이다.
제안 방법
CST사의 MWS를 이용하여 백 캐비티가 없는 스파이 럴 암 패턴을 시뮬레이션 하였다. 그림 2에서의 七과 r2 각각 0.
먼저 Archimedean 스파이럴 안테나의 설계 이론 同을 바탕으로 스파이럴 안테나의 암 패턴을 설계하고, 이에 백 캐비티를 추가하여 시뮬레이션 하였다. 또한, 급전용 밸런으로 Marchand 동축형 밸런의 설계 이론阶圆을 이해하고 설계 주파수 대역과 VSWR 특성을 만족시키는 광대역 밸런을 설계하고 안테나와 결합시켜 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과로는 안테나의 VSWR, 반전력 빔 폭 그리고 축비를 고찰하였다.
설계된 스파이럴 암 패턴에 백 캐비티와 캐비티 내에 흡수체를 주가하여 시뮬레이션 하였고 VS- WR 특성을 고찰하였다. 또한, 설계된 Marchand 밸런을 시뮬레이션하여 VSWR을 고찰하고, 캐비티 백 스파이럴 안테나와 결합시켜 최종 시뮬레이션을 하였다.
그림 4(a)에 설계된 스파이럴 안테나 암 패턴의 MWS 모델을 나타내었다. 또한, 설계된 암 패턴에 백 캐비티를 추가하고 캐비티 내에 흡수체를 채워 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서 흡수체의 유전율과 손실 탄젠트는 각각 L5와 0.
스파이럴 안테나의 암 패턴과 백 캐비티 그리고 Marchand 동축형 밸런으로 나누어 각각의 VSWR을 고찰하고, 광대역에서 우수한 특성을 갖는 캐비티 백 스파이럴 안테나를 설계하였다. 또한, 제작 및 측정을 통하여 설계 과정을 검증하였다. 측정 결과에서 나타난 저주파에서의 안테나 특성 저하는 우리의 목적에 맞는 적절한 흡수체를 사용하면 개선될 수 있을 것으로 판단된다.
시뮬레이션 결과로는 안테나의 VSWR, 반전력 빔 폭 그리고 축비를 고찰하였다. 마지막으로 제작 및 측정을 통해 설계 기법과 안테나의 성능을 검증하였다.
먼저 Archimedean 스파이럴 안테나의 설계 이론 同을 바탕으로 스파이럴 안테나의 암 패턴을 설계하고, 이에 백 캐비티를 추가하여 시뮬레이션 하였다. 또한, 급전용 밸런으로 Marchand 동축형 밸런의 설계 이론阶圆을 이해하고 설계 주파수 대역과 VSWR 특성을 만족시키는 광대역 밸런을 설계하고 안테나와 결합시켜 시뮬레이션 하였다.
본 연구에서는 식 (5)를 이용하여 2〜18 GHz 대역에 적합한 Zor와 最를 찾고, 제작시 사용될 입 력단의 동축케이블 규격에 따라 개방 스터브의 내부 도체 및 shield 사이즈를 결정하였다同. 밸런의 종단 임피던스는 안테나의 입 력 임 피던스와 동일해 야 하며, 본 연구에서는 100 Q으로 설계하였다. 설계된 Marchand 밸런을 그림 7에 나타내었다.
본 논문에서 제안한 캐비티 백 스파이럴 안테나의 구조는 그림 1 과 같으며, 스파이 럴 암 패턴과 Mar chand 밸런으로 분류하여 설계하였다.
설계된 스파이럴 암 패턴에 백 캐비티와 캐비티 내에 흡수체를 주가하여 시뮬레이션 하였고 VS- WR 특성을 고찰하였다. 또한, 설계된 Marchand 밸런을 시뮬레이션하여 VSWR을 고찰하고, 캐비티 백 스파이럴 안테나와 결합시켜 최종 시뮬레이션을 하였다.
스파이럴 안테나의 암 패턴과 백 캐비티 그리고 Marchand 동축형 밸런으로 나누어 각각의 VSWR을 고찰하고, 광대역에서 우수한 특성을 갖는 캐비티 백 스파이럴 안테나를 설계하였다. 또한, 제작 및 측정을 통하여 설계 과정을 검증하였다.
또한, 급전용 밸런으로 Marchand 동축형 밸런의 설계 이론阶圆을 이해하고 설계 주파수 대역과 VSWR 특성을 만족시키는 광대역 밸런을 설계하고 안테나와 결합시켜 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과로는 안테나의 VSWR, 반전력 빔 폭 그리고 축비를 고찰하였다. 마지막으로 제작 및 측정을 통해 설계 기법과 안테나의 성능을 검증하였다.
앞에서 언급된 설계 이론을 바탕으로 설계된 스파이럴 암 패턴을 CST사의 MWS로 시뮬레이션 하였다. 설계된 스파이럴 암 패턴에 백 캐비티와 캐비티 내에 흡수체를 주가하여 시뮬레이션 하였고 VS- WR 특성을 고찰하였다.
대상 데이터
실제 제작에서 흡수체로 honeycomb 흡수체를 사용하였다. 그림 15에 VSWR 특성의 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
후속연구
측정 결과에서 나타난 저주파에서의 안테나 특성 저하는 우리의 목적에 맞는 적절한 흡수체를 사용하면 개선될 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구를 통해 얻은 설계 기법과 검증된 안테나의 성능은 향후 다른 대역에서 쓰일 광대역 스파이럴 안테나와 시뉴어스 안테나 연구에 큰 기여를 할 것이다.
또한, 제작 및 측정을 통하여 설계 과정을 검증하였다. 측정 결과에서 나타난 저주파에서의 안테나 특성 저하는 우리의 목적에 맞는 적절한 흡수체를 사용하면 개선될 수 있을 것으로 판단된다. 이 연구를 통해 얻은 설계 기법과 검증된 안테나의 성능은 향후 다른 대역에서 쓰일 광대역 스파이럴 안테나와 시뉴어스 안테나 연구에 큰 기여를 할 것이다.
제작시 사용된 흡수체와 시뮬레 이션에 사용된 흡수체의 전기적 특성 차이로 인하여 오차가 있지만, 대체적으로 동작 대역에서 상용품에 준하는 특성을 보인다. 측정 결과의 저주파에서 나타난 이득과 죽비의 좋지 못한 특성은 앞에서 언급하였듯이 제작시 보다 좋은 흡수율을 갖는 흡수체를 사용한다면 개선될 수 있다.
참고문헌 (8)
V. H. Rumsay, "Frequency independent antenna", IRE National Convention Record, Pt. 1, pp. 114- 118, 1957
J. D. Dyson, "The equiangular spiral antenna", IRE Trans. Antennas Propagat., pp. 181-187, Apr. 1959
W. L. Curtis, "Spiral antennas", IRE Trans. Antennas Propagat., pp. 298-306, May. 1960
H. Nakano, K. Nogami, and S. Arai et al., "A spiral antenna backed by a conducting plane reflector", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-34, no. 6, pp. 791-796, Jun. 1986
Eric D. Caswell, "Design and analysis of star spiral with application to wideband arrays with variable element sizes", Electrical and Computer Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State Univ., Dec. 2001
J. W. Mclaughlin, D. A. Dunn, and R. W. Grow, "A wide-band balun", IRE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 6, pp. 314-316, Jul. 1958
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