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문제 정의
- 본 논문에서는 고해상도 영상을 얻기 위한 X 대역 영상레이더(SAR) 위상 배열 안테나로써 광역 빔 조향이 가능하고 이중편파를 지원하는 도파관 슬롯 배열 안테나를 설계하였다. 수평 편파는 로드 여기식도파관 슬롯 안테나를 사용하여 구현하였으며, 비 경사 슬롯을 사용함으로써 나비부엽(Butterfly Lobe)을 제거하였다.
제안 방법
- 그림 2 (a)에서 나타낸 로드 여기식 도파관 슬롯의각 슬롯은 그림 3과 같이 통상적인 좁은 면 경사 슬롯을 슬롯 양 옆에 로드를 삽입하는 구조를 사용하여 비경사 슬롯이 되도록 설계하였다. 그림 2 (b)는 넓은 면 오프셋 슬롯과 구조가 동일하나 그림 4와 같이 도파관의 넓은 면을 릿지 형태의 도파관을 사용하여 도파관의 넓은 면의 길이를 줄임으로써 빔 조향 범위의 제한을 제거하였다.
- 수직 편파는 릿지 도파관 슬롯 안테나를사용하였으며 릿지를 도파관 내에 구현함으로써 도파관의 넓은 면을 사용하면서 소자 간의 간격을 줄여 광역의 빔 조향이 가능하도록 하였다. 각 슬롯에서 복사되어야 할 에너지에 따른 컨덕턴스 값을 CST 사의 MWS 상용 툴을 이용해 시뮬레이션 함으로써 로드의 기울기와 슬롯의 오프셋 간격을 결정하였다.
- 두 도파관의 관내파장을 일치시키기 위해 로드 여기식 도파관의 도파관 넓은 면 폭과 릿지 도파관의 배열소자의 도파관의 높이 및 릿지 높이를 조정하면서 두 도파관이 동일한 위상을 갖도록 하였다. 두 슬롯 배열소자의 슬롯 위치는 복사량이 최대가 되도록 정재파의 최대 위치가 되는 지점이며 슬롯 사이의 간격은 관내 파장의 반이 되도록 하여 각 슬롯의 위상이 동위상이 되도록 하였다.
- 두 도파관의 관내파장을 일치시키기 위해 로드 여기식 도파관의 도파관 넓은 면 폭과 릿지 도파관의 배열소자의 도파관의 높이 및 릿지 높이를 조정하면서 두 도파관이 동일한 위상을 갖도록 하였다. 두 슬롯 배열소자의 슬롯 위치는 복사량이 최대가 되도록 정재파의 최대 위치가 되는 지점이며 슬롯 사이의 간격은 관내 파장의 반이 되도록 하여 각 슬롯의 위상이 동위상이 되도록 하였다.
- 시뮬레이션을 통해 공진 주파수에서 최대 컨덕턴스값을 가지는 슬롯 변수 데이터와 배열 설계를 바탕으로 제작한 로드 여기식 도파관과 릿지 도파관을 교차로 배열한 안테나를 그림 12에 나타내었다. 로드 여기식 도파관 5개와 릿지 도파관 6개를 교차로 고각 방향으로 배열하여 조립하였다.
- 본 논문에서는 복사소자들의 배열 특성과 복사소자에서 복사되어야 할 에너지에 따른 컨덕턴스 값을 이용하여 로드 여기식 도파관과 릿지 도파관의 슬롯 위치, 로드의 기울기와 슬롯의 오프셋 간격을 구하여 X-대역 영상레이더용 이중편파 위상 배열 안테나의 배열소자를 설계하였다.
- 수평 편파는 로드 여기식도파관 슬롯 안테나를 사용하여 구현하였으며, 비 경사 슬롯을 사용함으로써 나비부엽(Butterfly Lobe)을 제거하였다. 수직 편파는 릿지 도파관 슬롯 안테나를사용하였으며 릿지를 도파관 내에 구현함으로써 도파관의 넓은 면을 사용하면서 소자 간의 간격을 줄여 광역의 빔 조향이 가능하도록 하였다. 각 슬롯에서 복사되어야 할 에너지에 따른 컨덕턴스 값을 CST 사의 MWS 상용 툴을 이용해 시뮬레이션 함으로써 로드의 기울기와 슬롯의 오프셋 간격을 결정하였다.
- 본 논문에서는 고해상도 영상을 얻기 위한 X 대역 영상레이더(SAR) 위상 배열 안테나로써 광역 빔 조향이 가능하고 이중편파를 지원하는 도파관 슬롯 배열 안테나를 설계하였다. 수평 편파는 로드 여기식도파관 슬롯 안테나를 사용하여 구현하였으며, 비 경사 슬롯을 사용함으로써 나비부엽(Butterfly Lobe)을 제거하였다. 수직 편파는 릿지 도파관 슬롯 안테나를사용하였으며 릿지를 도파관 내에 구현함으로써 도파관의 넓은 면을 사용하면서 소자 간의 간격을 줄여 광역의 빔 조향이 가능하도록 하였다.
- 그러나 로드 여기식 도파관의 슬롯 배열소자와 릿지 도파관의 슬롯 배열소자가 쌍으로 이루어진 구조에서는 상호결합 현상에 의해 독립 슬롯 소자와 특성이 다르므로 배열 상에서의 등가 회로 상수를 추출해야 한다. 슬롯의 등가 특성은 상용 전자파 해석 S/W인 CST사의 MWS를 이용하여 S-파라미터를 추출하고 슬롯 등가 어드미턴스와의 상관관계에 의해 슬롯 등가회로 상수를 구하였다.
- 위 과정을 통해서 슬롯의 크기와 위치 및 제작에 필요한 파라미터를 추출하고 이를 이용하여 배열 설계를 하였다. 도파관 배열 안테나의 대역폭은 반사손실 10dB이하에서 ±200MHz이며 대역폭 만족을 위해 방위각 방향으로 10개의 슬롯을 배열하였으며 안테나 표면 분포는 균일 분포이다.
- 또한 이중 편파를 위해 도파관의 넓은 면을 함께 사용할 경우 각 편파 간 소자 간격이 지나치게 커져 빔 조향 범위 내에서 그레이팅 로브가 발생하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 좁은 면 경사 슬롯 대신 로드 여기식 방법을 사용하여 비 경사 슬롯을 도파관의 좁은 면에 가공을 하였으며, 넓은 면 도파관 슬롯 내부에 릿지를 삽입하여 도파관의 넓은 면을 축소하여 소자 간격을 충분한 빔 조향이 가능하도록 설계하였다[1].
- 측정 장비는 애질런트사의 E8362B PNA(10MHz～20GHz)를 사용하였다. 측정 시 프로브와 안테나 사이의 거리는 수 파장 떨어진 거리로써 유효 복사 근접전계(effective radiating near-field) 영역에서 측정되었다.
대상 데이터
- 그림 15는 제작한 안테나의 근접전계 측정 셋업을 나타낸다. 측정 장비는 애질런트사의 E8362B PNA(10MHz～20GHz)를 사용하였다. 측정 시 프로브와 안테나 사이의 거리는 수 파장 떨어진 거리로써 유효 복사 근접전계(effective radiating near-field) 영역에서 측정되었다.
이론/모형
- 릿지를 사용한 넓은 면 오프셋 도파관 배열소자는 수직 편파를 지원하며 로드 여기를 이용해 비경사 슬롯을 사용한 좁은 면 도파관 배열소자는 수평 편파를 지원한다. 급전부는 수동 복사소자의 고각 방향 빔 조향을 위한 개념적인 구성을 보여주며 중앙 급전 방식을 사용하였다.
성능/효과
- 각 도파관의 고각 방향 빔 패턴에서 확인 할 수 있듯이 고각 방향으로 설계치인 ±20°의 빔 조향 범위를 만족하는 것을 볼 수 있으며 로드 여기식 도파관 슬롯 안테나의 이득은 17.0dB이며, 릿지 도파관 슬롯 안테나의 이득은 16.5dB이다.
- 격리도는 관심 대역에서 -35dB 이하로 두 도파관 사이의 간섭이 거의 생기지 않기 때문에 이중편파 안테나로 사용이 충분히 가능하다고 판단된다. 마지막으로 근접전계 측정 결과 로드 여기식 도파관 안테나의 경우 17dB, 릿지 도파관 안테나의 경우 16.5 dB의 이득을 얻었다.
- 그림 16과 그림 18은 근접전계 측정을 통해 획득한 두 도파관의 진폭과 위상의 분포를 2D로 나타내었다. 진폭 분포를 보면 안테나의 물리적인 개구면 크기를 벗어나면서 진폭 값이 낮아지고 위상 분포는 동 위상으로 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 근접전계 측정 결과를 각각 그림 17과 그림 19에 나타내었다.
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