본 논문에서는 고출력 전자기파 발생 장치에 사용될 소형화 된 원뿔 계단형 COBRA(Coaxial Beam-Rotating Antenna)를 제안하였다. COBRA는 혼 안테나와 렌즈로 구성되는데, 일반적인 방법으로 설계할 경우 정전 파괴 방지를 위해 그 크기가 매우 커지게 된다. 소형화를 위해 안테나의 길이만 줄일 경우 위상 오류의 증가로 인해 안테나의 이득이 줄어들게 되는데, 이를 방지하기 위해 COBRA 렌즈를 원뿔 계단형으로 변형시켜 개구면에서의 위상 오류가 보정 되도록 하였다. 시뮬레이션 결과, 1,300 mm 길이의 안테나를 600 mm로 줄였음에도 불구하고 제안된 안테나는 더 높은 이득을 보였으며, 제작하고 측정된 원뿔 계단형 COBRA의 이득은 26.2 dBi로 나타났다.
본 논문에서는 고출력 전자기파 발생 장치에 사용될 소형화 된 원뿔 계단형 COBRA(Coaxial Beam-Rotating Antenna)를 제안하였다. COBRA는 혼 안테나와 렌즈로 구성되는데, 일반적인 방법으로 설계할 경우 정전 파괴 방지를 위해 그 크기가 매우 커지게 된다. 소형화를 위해 안테나의 길이만 줄일 경우 위상 오류의 증가로 인해 안테나의 이득이 줄어들게 되는데, 이를 방지하기 위해 COBRA 렌즈를 원뿔 계단형으로 변형시켜 개구면에서의 위상 오류가 보정 되도록 하였다. 시뮬레이션 결과, 1,300 mm 길이의 안테나를 600 mm로 줄였음에도 불구하고 제안된 안테나는 더 높은 이득을 보였으며, 제작하고 측정된 원뿔 계단형 COBRA의 이득은 26.2 dBi로 나타났다.
In this paper, miniaturized conically stepped COBRA is proposed. In order to prevent electrical breakdown, COBRA, which consists of hem and lens, has to get bigger if it is designed with conventional method. Because of the phase error increase, shortening the length of the antenna without changing t...
In this paper, miniaturized conically stepped COBRA is proposed. In order to prevent electrical breakdown, COBRA, which consists of hem and lens, has to get bigger if it is designed with conventional method. Because of the phase error increase, shortening the length of the antenna without changing the aperture size leads to the reduction of the antenna gain. To avoid this, the phase error at the aperture is compensated by transforming the COBRA lens into conically stepped form. The simulations result shows that the proposed antenna has higher gain than the conventional COBRA in spite of the size reduction from 1,300 mm to 600 mm. The fabricated and measured COBRA has the gain of 26.2 dBi.
In this paper, miniaturized conically stepped COBRA is proposed. In order to prevent electrical breakdown, COBRA, which consists of hem and lens, has to get bigger if it is designed with conventional method. Because of the phase error increase, shortening the length of the antenna without changing the aperture size leads to the reduction of the antenna gain. To avoid this, the phase error at the aperture is compensated by transforming the COBRA lens into conically stepped form. The simulations result shows that the proposed antenna has higher gain than the conventional COBRA in spite of the size reduction from 1,300 mm to 600 mm. The fabricated and measured COBRA has the gain of 26.2 dBi.
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문제 정의
안테나의 이득이 줄어들지 않은 채로 길이를 줄이기 위해서는 길이 축소로 인한 위상 오류 증가를 억제해야 한다. COBRA는 개구면에 유전체로 된 렌즈를 사용하기 때문에 본 논문에서는 이 유전체 렌즈를 변형하여 위상 오류를 보상하는 방법을 제안한다. 그림 6은 제안된 위상 오류 보정 방법을 보여주고 있다.
따라서 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 변형된 구조의 COBRA를 제안한다. 일반적인 렌즈가 아닌 원뿔 계단형 COBRA 렌즈를 이용하여개구면에서 발생하는 위상 오류를 줄일 수 있다.
55 dBi의목표를 설정할 수 있다. 또한, 목표 지점의 수신 편파에 상관없이 효과적인 전력 전송을 위해 원형 편파를 갖도록 목표를 정하였다.
제안 방법
먼저 이득은 주어진 출력과 펄스 폭에 대해 1 km의 거리에 1 mJ/m2 이상의 효과도를 목표로 설정하였다. 효과도는 전력 밀도와 펄스 폭의 곱으로 다음의 두 식을 통해 구할 수 있다.
있다. 방사 패 턴은 NSI 근거 리 장 측정 장비를 이용하여 측정하였으며, 측정 신호 입력을 위해 TM0I 모드 여기 장치를 도파관에 연결하여 방사 패턴을 측정하였다. 그림 14는 제작된 원뿔 계단형 COBRA의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교한 그래프이다.
본 논문에서 제안하려는 안테나는 고출력 전자기파 발생 장치용 안테나로서, 사용될 고출력 전원부에 맞도록 설계돼야 한다. 고출력 전원부로는 X-대역에서 수 십 나노초의 펄스파에 수 백 메가와트의첨두 전력을 발생시키는 상대론적 후진파 발진기(RBWO: Relativistic Backward Wave Oscillator)가 사용된다.
본 논문에서는 COBRA 렌즈를 변형한 원뿔 계단형 COBRA 렌즈를 이용하여 소형화된 COBRA 안테나를 제안하였으며, 제안된 안테나의 설계 순서도를 그림 16과 같이 정리하였다. 제안된 형태는 렌즈의 중앙 부분이 가장자리 부분에 비해 두꺼운 구조를 가지고 있으며, 이 구조에 의해 혼의 길이 축소에 의한 위상 오류의 증가를 보상하여 이득의 감소를 방지할 수 있었다.
앞서 일반적인 방법을 이용하여 COBRA를 설계하였다. 설계한 안테나는 급전부 도파관과 렌즈 부분을 합하여 그 총 길이는 1, 400 tnm가 넘는다.
일반적인 렌즈가 아닌 원뿔 계단형 COBRA 렌즈를 이용하여개구면에서 발생하는 위상 오류를 줄일 수 있다. 이원리를 이용하여 이득의 감소 없이 안테나의 크기를 절반 이하 수준으로 줄일 수 있다는 것을 시뮬레이션을 통해 보이고 제안된 구조의 안테나를 실제 제작 및 측정하여 그 성능을 확인한다.
제안된 안테나의 성능 검증을 위해 안테나를 제작 및 측정하였다. 그림 11은 제작된 소형화된 원뿔계단형 COBRA의 모습을 보여주고 있다.
대상 데이터
렌즈 유전체로는 비유전율이 3인 폴리카보네이트를 사용하였으며, 원형 편파를 얻기 위한 3단 이상의 구조 중 렌즈의 두께를 가장 얇게 설계할 수 있는 3단 구조를 선택하였다. 위 식에 따라 계산하면 각 구간별 렌즈 두께는 0 mm, 13.
설계한 안테나는 급전부 도파관과 렌즈 부분을 합하여 그 총 길이는 1, 400 tnm가 넘는다. 실제로 제작할 경우, 그 크기와 무게가 상당하기 때문에 시스템의 이동성 및 방향 전환성을 고려할 때 소형화가 요구된다.
먼저, 안테나의 손실이다. 시뮬레이션 상에서는 혼의 몸체는 완전 도체로 설정하였다. 하지만 실제적으로 혼의 몸체는 완전 도체가 아니기 때문에 저항 손실이 존재한다.
그림 11은 제작된 소형화된 원뿔계단형 COBRA의 모습을 보여주고 있다. 혼의 몸체는 알루미늄 합금인 AL6061P-T6를 재질로 사용하였고 선반에 의한 절삭 가공을 통해 제작되었다. 그림 12는 폴리카보네이트를 이용하여 제작된 렌즈의 형태를 나타내고 있다.
데이터처리
설계된 COBRA의 성능을 가늠하기 위해 상용 툴인 CST사의 Microwave Studio^를 이용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 설계된 안테나는 그림 5에서와같이 지향적인 방사 패턴을 가지나 이득이 23.
성능/효과
된다. 결론적으로 이득 인자(gain factor)의 값이 커지게 되고 안테나 전체의 이득이 줄어들게 된다. 안테나의 이득이 줄어들지 않은 채로 길이를 줄이기 위해서는 길이 축소로 인한 위상 오류 증가를 억제해야 한다.
반지름이다. 계산 결과 도파관 내부에서 약 19.98 MV/m의 최대 전계가 형성이 되는 것을 확인할 수 있다.
제안된 형태는 렌즈의 중앙 부분이 가장자리 부분에 비해 두꺼운 구조를 가지고 있으며, 이 구조에 의해 혼의 길이 축소에 의한 위상 오류의 증가를 보상하여 이득의 감소를 방지할 수 있었다. 그 결과 길이 1, 300 mm이던 혼을 600 mm로 축소하였음에도 불구하고 그 이득은 오히려 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 제작하고 측정된 안테나는 26.
그림 15에서는 제안된 안테나의 VSWR 시뮬레이션 및 측정 결과를 보여주고 있다. 그래프에서 볼 수 있듯이 제안된 안테나는 약 20 %의 대역폭 내에서 전체적으로 1.5 이하의 낮은 VSWR 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 실제 동작 주파수에서의 VSWR 시뮬레이션 및 측정값은 각각 1.
안테나 지향 방향에서 즉정된 죽비는 2.37 dB로 서원형 편파 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었으며, 결과적으로 제작된 안테나는 II장에서 설정한 목표를 모두 만족시키도록 설계된 것을 확인할 수 있었다.
있다. 이를 계산하면 34.38 dBi로서 목표로 한 이득 25.55 dBi를 고려 하면 약 8.83 dB의 이 득 인자가 허용 가능하다. 이 에 해당하는 2차 위상 분포 값을 그림 2에서 찾아보면 0.
방사 패턴을 보여주고 있다. 제안된 안테나의 이득은 약 28.1 dB로 나타났으며, 이는 그림 4의 결과와 비교해볼 때 길이를 절반 이하 수준으로 줄였으면서도 이득은 오히려 4 dBi 이상 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
16과 같이 정리하였다. 제안된 형태는 렌즈의 중앙 부분이 가장자리 부분에 비해 두꺼운 구조를 가지고 있으며, 이 구조에 의해 혼의 길이 축소에 의한 위상 오류의 증가를 보상하여 이득의 감소를 방지할 수 있었다. 그 결과 길이 1, 300 mm이던 혼을 600 mm로 축소하였음에도 불구하고 그 이득은 오히려 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
그 결과 길이 1, 300 mm이던 혼을 600 mm로 축소하였음에도 불구하고 그 이득은 오히려 증가하는 결과를 얻을 수 있었다. 제작하고 측정된 안테나는 26.2 dBi의 이득과 안테나 지향 방향에서 축비 2.37 dB의 원형 편파 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
참고문헌 (9)
Clifton C. Courtney, Carl E. Baum, "The coaxial beam-rotating antenna(COBRA): Theory of operation and measured performance", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 48, no. 2, pp. 299-309, Feb. 2000
Clifton C. Courtney et al., "Design and measurement of COBRA lens antenna prototypes for HPM effects testing applications", AFRL Interim Report, AFRL- DE-PS-TR-2004-1050, Apr. 2004
Clayborne D. Taylor, D. V. Giri, High-Power Microwave Systems and Effects, Taylor & Francis, 1994
A. P. King, "The radiation characteristics of conical horn antennas", Proceedings of the I.R.E., vol. 38, pp. 249-251, Mar. 1950
D. Anderson, M. Lisak, and T. Lewin, "Breakdown in air-filled microwave waveguides during pulsed operation", Journal of Applied Physics, vol. 56, pp. 1414-1419, Sep. 1984
Edl Schamiloglu, Ramiro Jordan, Michael E. Haworth, Larald D. Moreland, Igor V. Pegel, and Albert M. Roitman, "High-power microwave-induced TM01 plasma ring", IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 24, no. 1, pp. 6-7, Feb. 1996
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