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문제 정의
- 즉, 4중 릿지 도파관을적용한 안테나에 대한 전체적인 특성 결과를 제시하지 못하였다. 그러나 본 논문에서는 제작된 안테나의측정결과로부터 수직 및 수평 포트간 안테나 특성뿐만 아니라, 각 포트에서 E-평면과 H-평면상의 빔 패턴이 매우 유사함을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 급전단은 다중편파 및 광대역 구현을 위하여 4중 릿지 형태의 도파관을 적용하였으며, 반구 형태의 백 쇼트를 갖는 캐비티 구조내에 쇼트바를 삽입함으로써 반사손실을 최소화 하였다. 4중 릿지 도파관과 원추형 혼과의 임피던스 정합을 위하여 지수함수 형태의 임피던스 변환기를 설계하였으며, 개구면에서의 위상보정을 통해 안테나 복사 패턴을 개선시키기 위하여 주름진 형태의 유전체 렌즈를 설계하였다. 제작된 안테나의 측정결과로부터 수직(%) 및 수평(%) 포트간 안테나 특성차 뿐만 아니라, 각 포트에서 E-평면과 H-평면상의 빔 패턴이 매우 우수함을 알 수 있었으며, 실제 배열안테나시스템에 적용되었다.
- 광대역 혼 안테나 설계를 위하여 그림 1과 같이 안테나를 ① 4중 릿지 도파관 및 정합부, ② 원추형 혼, ③ 유전체 렌즈로 분류하였다.
- 본 논문에서는 임피던스 변환기의 폭을 릿지의 너비(阵)와 일치시키고 선형적인 임피던스 변화를 갖도록 변환기의높이를 조절하여 변환기간의 간격(S)을 구하였다. 그결과, 지수함수 형태의 테이퍼를 갖는 임피던스 변환기를 설계하였다.
- 또한, 참고문헌 [14]에서 최대의 안테나 이득을 얻기 위해서는 Fresnel 렌즈의 두께가 기존 렌즈의 두께와 비슷해진다는 연구결과를 발표하였다. 그러므로 본 논문에서는 개구면을 따라 연속적인 위상 보정이 이루어지고 무게와 부피를 줄인 주름진 (Corrugated) 형태의 렌즈를 적용하였다. 이러한 구조는 주름이 공기-유전체(Air-Dielectric) 사이의 불연속에 의한 부정합 손실(Mismatch Loss)을 개선하는 역할도 수행한다.
- 백 쇼트와 각각의 입력포트(%, J2) 사이의 거리 dpl 과 가 달라지게 되고, 이는 포트간 상이한 반사손실 특성을 나타낸다. 그러므로, 먼저 백 쇼트로부터거리가 짧은 수직 포트에서 최적의 반사손실을 확보한 후, 수평 포트에서는 캐비티내에 쇼트바를 삽입하여 반사손실을 개선하였다.
- 광대역 혼 안테나를 설계하였다. 급전단은 다중편파 및 광대역 구현을 위하여 4중 릿지 형태의 도파관을 적용하였으며, 반구 형태의 백 쇼트를 갖는 캐비티 구조내에 쇼트바를 삽입함으로써 반사손실을 최소화 하였다. 4중 릿지 도파관과 원추형 혼과의 임피던스 정합을 위하여 지수함수 형태의 임피던스 변환기를 설계하였으며, 개구면에서의 위상보정을 통해 안테나 복사 패턴을 개선시키기 위하여 주름진 형태의 유전체 렌즈를 설계하였다.
- Air Holee릿지의 중앙을 관통하고, 동축선의 내부도체는 이 Air Hole을 통하여 반대편 릿지에 연결된다. 동축선으로부터 릿지로의 전이는 안테나의 반사 손실에 큰 영향을 미치므로 이를 줄이기 위하여 그림 4와 같이 반구형태의 백 쇼트를 이용한 캐비티 구조를 적용하였다. 백 쇼트와 각각의 입력포트(%, J2) 사이의 거리 dpl 과 가 달라지게 되고, 이는 포트간 상이한 반사손실 특성을 나타낸다.
- 특성이 유사하도록 하였다. 또한, 우수한 빔 패턴과 최대의 안테나 이득을 얻기 위하여 안테나 개구면상에 주름진 형태의 유전체 렌즈를 적용하였다.
- 본 논문에서 제안한 안테나는 4중 릿지 도파관 급전 부를 반구(Semi-sphere) 형태의 백 쇼트(Back * Short) 갖는 캐비티 구조를 적용하였으며, 캐비티 구조 내에 쇼팅 바(Shorting Bar)를 삽입함으로써 각각의 포트에서 반사손실을 최소화 하였고, 이를 통하여 수직, 수평 포트 및 각 포트에서의 E-평면과 H- 평면상의 특성이 유사하도록 하였다. 또한, 우수한 빔 패턴과 최대의 안테나 이득을 얻기 위하여 안테나 개구면상에 주름진 형태의 유전체 렌즈를 적용하였다.
- 본 논문에서는 다중 편파 및 3:1 이하의 대역폭을갖는 광대역 혼 안테나를 설계하였다. 급전단은 다중편파 및 광대역 구현을 위하여 4중 릿지 형태의 도파관을 적용하였으며, 반구 형태의 백 쇼트를 갖는 캐비티 구조내에 쇼트바를 삽입함으로써 반사손실을 최소화 하였다.
- 이러한 구조는 도파관 내부에 삽입된 4개의릿지로 인하여 기본 모드(項J와 첫번째 고차모드 (7繽1)의 차단주파수 간격이 넓어져 광대역 특성 구현이 가능하며, 릿지간의 간격(S)이 좁아지고 릿지의너비(W)가 넓어질수록 임피던스가 작아지는 특성을 가지게 된다. 본 논문에서는 대역 내에서 50Q의 특성 임피던스를 갖도록 W와 S를 조절하였으며, 릿지간의 간섭을 줄이기 위하여 릿지의 종단면이 마름모 형태인 릿지를 사용하였다.
- 그러므로, 4중 릿지 도파관과 원추형 혼과의 임피던스 정합을 위한 임피던스 변환기는 각각의 릿지와 연결되며, 변환기의 높이와 너비를 조절함으로써 설계될 수 있다. 본 논문에서는 임피던스 변환기의 폭을 릿지의 너비(阵)와 일치시키고 선형적인 임피던스 변화를 갖도록 변환기의높이를 조절하여 변환기간의 간격(S)을 구하였다. 그결과, 지수함수 형태의 테이퍼를 갖는 임피던스 변환기를 설계하였다.
- 최대의 포트간 격리도와 최소의 포트간 안테나 이득 차를 얻기 위하여 캐비티 구조의 변수(<妇, ds2, 妇, 妁) 및 쇼트바의 위치를 조정함으로써, 최적의 급전 포인트 d, i과 d也를 구할 수 있었으며 이를 위하여 CST사의 MWS 및 Ansoft사의 HFSS를 사용하였다.
성능/효과
- 그림 8은 수직(%) 포트와 수평(站) 포트에서의 VSWR 및 이들 사이의 격리도를 측정한 것으로, VSWRe 6~7.5GHz에서 2.7:1 이하, 7.5~ 18GHz에서 251이하로 측정되었으며, 격리도는 전대역에 걸쳐 -26dB 이하로 측정되어 우수한 특성을 나타냄을 알수 있었다.
- 5°로 주파수 증가에 따라 선형적인 감소를 나타내고 있다. 수직(%) 및 수평0) 포트간 이득차는 0.5dB 이하로 측정되었으며, 부엽준위는 -11.3dB 이하로 우수한 특성을 나타내었다.
- 4중 릿지 도파관과 원추형 혼과의 임피던스 정합을 위하여 지수함수 형태의 임피던스 변환기를 설계하였으며, 개구면에서의 위상보정을 통해 안테나 복사 패턴을 개선시키기 위하여 주름진 형태의 유전체 렌즈를 설계하였다. 제작된 안테나의 측정결과로부터 수직(%) 및 수평(%) 포트간 안테나 특성차 뿐만 아니라, 각 포트에서 E-평면과 H-평면상의 빔 패턴이 매우 우수함을 알 수 있었으며, 실제 배열안테나시스템에 적용되었다.
- 측정 결과이다. 측정결과 안테나 이득은 6GHz, 12GHz, 18GHz에서 각각 22dB, 27.3dB, 28.4dB로 주파수 증가에 따라 선형적인 증가를 보이고 있으며, 3dB 빔폭은 6GHz, 12GHz, 18GHz에서 각각 14°, 7°, 4.5°로 주파수 증가에 따라 선형적인 감소를 나타내고 있다. 수직(%) 및 수평0) 포트간 이득차는 0.
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