위성방송수신 및 위성 양방향 인터넷, VSAT 등의 위성통신서비스를 차량 이동시에도 이용할 수 있기 위해서는 차량에 탑재하기 용이하도록 소형이며 높이가 낮은 안테나 구조가 요구된다. 또한 중위도 지역에서 평면 안테나 상태로 45도 빔틸트 특성을 갖고, Ka 밴드의 위성통신용으로 충분한 고이득을 얻기 위해, 빔폭이 좁고 사이드로브가 적으며 저손실 구조의 배열안테나 개발이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 성능을 만족시키기 위해, 진행파형 누설파 모드를 기초로 한 도파관 종방향 슬롯 배열안테나를 제안하였으며, 특히 슬롯 배열들 각각의 폭을 조절하여 복사 전력을 제어함으로써 복사 패턴의 사이드로브 레벨을 저감시켰다. 32개 누설파 소자의 배열안테나 이득은 34 dBi 였으며, 빔폭은 3.6도, 사이드로브 레벨은 -25 dB 이하로 기존의 경우보다 약 8 dB 의 저감 개선효과를 얻었다. 중심주파수 20.0 GHz에서 빔틸트 각도는 43도를 얻었다. 급전선로는 도파관의 코퍼레이트 급전방식으로 설계하여 광대역, 저손실 특성을 얻을 수 있었다.
위성방송수신 및 위성 양방향 인터넷, VSAT 등의 위성통신서비스를 차량 이동시에도 이용할 수 있기 위해서는 차량에 탑재하기 용이하도록 소형이며 높이가 낮은 안테나 구조가 요구된다. 또한 중위도 지역에서 평면 안테나 상태로 45도 빔틸트 특성을 갖고, Ka 밴드의 위성통신용으로 충분한 고이득을 얻기 위해, 빔폭이 좁고 사이드로브가 적으며 저손실 구조의 배열안테나 개발이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 성능을 만족시키기 위해, 진행파형 누설파 모드를 기초로 한 도파관 종방향 슬롯 배열안테나를 제안하였으며, 특히 슬롯 배열들 각각의 폭을 조절하여 복사 전력을 제어함으로써 복사 패턴의 사이드로브 레벨을 저감시켰다. 32개 누설파 소자의 배열안테나 이득은 34 dBi 였으며, 빔폭은 3.6도, 사이드로브 레벨은 -25 dB 이하로 기존의 경우보다 약 8 dB 의 저감 개선효과를 얻었다. 중심주파수 20.0 GHz에서 빔틸트 각도는 43도를 얻었다. 급전선로는 도파관의 코퍼레이트 급전방식으로 설계하여 광대역, 저손실 특성을 얻을 수 있었다.
Small size and low profile antenna for mobile vehicular-top-mounted is needed in satellite communication services such as DBS, Satellite Internet and VSAT. In middle latitudes, the development of an array antenna which has the conformal, low profile and 45 degree beam tilted configuration, and has t...
Small size and low profile antenna for mobile vehicular-top-mounted is needed in satellite communication services such as DBS, Satellite Internet and VSAT. In middle latitudes, the development of an array antenna which has the conformal, low profile and 45 degree beam tilted configuration, and has the high gain with sharp beamwidth, low sidelobe and low loss is required for Ka band satellite communication. In this paper, in order to meet with these performances, an array antenna consisting of the vertical polarized waveguide longitudinal slots based on the leaky-wave mode of traveling wave antenna is proposed. Especially, for the lower sidelobe level the radiation power control using a design method of the different slot width is proposed. An array antenna consisting of 32 leakywave elements is showing 34.4 dBi of gain, 3.6 degree of beamwidth, below than -25 dB of sidelobe level, 43 degree of beam tilt angle in center frequency 20.0 GHz. Feed network designed by waveguide cooperated feed shows good performance of wideband and low loss.
Small size and low profile antenna for mobile vehicular-top-mounted is needed in satellite communication services such as DBS, Satellite Internet and VSAT. In middle latitudes, the development of an array antenna which has the conformal, low profile and 45 degree beam tilted configuration, and has the high gain with sharp beamwidth, low sidelobe and low loss is required for Ka band satellite communication. In this paper, in order to meet with these performances, an array antenna consisting of the vertical polarized waveguide longitudinal slots based on the leaky-wave mode of traveling wave antenna is proposed. Especially, for the lower sidelobe level the radiation power control using a design method of the different slot width is proposed. An array antenna consisting of 32 leakywave elements is showing 34.4 dBi of gain, 3.6 degree of beamwidth, below than -25 dB of sidelobe level, 43 degree of beam tilt angle in center frequency 20.0 GHz. Feed network designed by waveguide cooperated feed shows good performance of wideband and low loss.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 설계 예로써, 20 GHz 의 Ka band 대역에서 하나의 도파관에 종방향으로 40개의 슬롯 배열을 갖는 누설파 안테나를 횡방향으로 32개 배열하여, 즉 40 X 32 개의 슬롯으로 구성된 평면형 배열 안테나를 설계하는 과정을 보였다. 특히, 사이드로브 레벨을 저감하여 위성 사이의 간섭을 저감시키도록 패턴을 개선하기 위해 각 슬롯들의 폭을 조절하여 복사전력의 분포 특성을 제어할 수 있는 방법을 제안하고 해석, 측정을 수행하였다.
제안 방법
DBS, 위성인터넷, 위성 데이터통신 및 VSAT 서비스와 같은 위성통신 서비스를 위해 소형 차량에 탑재 가능한 최적의 평면배열 안테나를 개발하였다. 이 안테나는 low profile 형태로 고도각 방향으로 약 45도의 빔 틸트특성을 가지므로 안테나의 높이를 최소화할 수 있다.
이때 1차원 배열인 1개 안테나 소자의 길이는 365 mm 이며, 이 도파관 누설파 안테나 소자 32개를 횡방향으로 평면 배열함으로써 방위각 방향의 빔폭을 좁힐 수 있다. 급전부 설계는 코퍼레이트 급전방법으로 광대역 성능을 유지하도록 하였다. 전체적으로 설계된 구조를 그림 9 에 보였다.
설계주파수 대역에서 45도 빔 틸트 방향에서 최대 이득을 얻기 위해 슬롯의 폭 w 와 두께 t, 소자 간격 s 등의 파라미터를 결정하여야 한다. 또한 표면파 및 반사에 의한 사이드로브를 억제하기 위해 슬롯 뒤 부분에 반사 벽을 구성하여 45도 방향의 이득을 증대시키도록 하였다. 또한, 종단부의 반사를 방지하기 위해 45도 각도로 절단하여 종단에서의 복사가 전체 복사에 기여하도록 하였다.
또한 표면파 및 반사에 의한 사이드로브를 억제하기 위해 슬롯 뒤 부분에 반사 벽을 구성하여 45도 방향의 이득을 증대시키도록 하였다. 또한, 종단부의 반사를 방지하기 위해 45도 각도로 절단하여 종단에서의 복사가 전체 복사에 기여하도록 하였다. 설계 주파수 대역에서 최대 이득과 최소 사이 드로브 레벨을 갖기 위한 각 파라미터의 최적 값은 FDTD(Finite Difference Time Domain) 수치해석 방법을 이용하여 도출하였다.
본 논문에서는, 주어진 주파수에서 45도의 빔 틸트를 얻기 위해 기계적 방법을 사용하였다.
식 (4)에서 (6) 의 초기 설계 파라미터로부터, Maxwell 방정식의 수치해석 전자파 계산을 위해 널리 이용되고 있는 FDTD 방법을 사용하여 최대 이득과 최소 사이드로브 특성을 얻기 위한 최적 파라미터를 구하였다. 이 파라미터는 표 1 과 표 2 및 그림 3 의 값들로 보였다.
앞 절에서 최적화된 40개 종방향 슬롯으로 구성된 단일 도파관 슬롯배열 안테나를 횡방향으로 32 개 배열하여 설계하여 그림 6에 보였다. 전체 크기는 364(길이) X 400(폭) X 13 (높이) mm 3 이며, 각각의 종방향 배열의 전력 결합은 그림 6 의 하단부에서 안테나의 아래쪽으로 꺽어서 그림 7 과 같이 병렬 결합망(waveguide cooperated feed network) 방식을 적용함으로써 안테나의 넓이를 대폭적으로 줄이고, 저손실, 광대역 특성을 갖도록 설계하였다.
본 논문에서는 설계 예로써, 20 GHz 의 Ka band 대역에서 하나의 도파관에 종방향으로 40개의 슬롯 배열을 갖는 누설파 안테나를 횡방향으로 32개 배열하여, 즉 40 X 32 개의 슬롯으로 구성된 평면형 배열 안테나를 설계하는 과정을 보였다. 특히, 사이드로브 레벨을 저감하여 위성 사이의 간섭을 저감시키도록 패턴을 개선하기 위해 각 슬롯들의 폭을 조절하여 복사전력의 분포 특성을 제어할 수 있는 방법을 제안하고 해석, 측정을 수행하였다.
표 3 의 설계 목표로 40개 슬롯을 갖는 1차원 도파관 배열 안테나를 설계하고 FDTD 방법을 이용하여 시뮬레이션하여 최적 설계 파라미터를 도출하였다.
대상 데이터
전체적으로 설계된 구조를 그림 9 에 보였다. 시제품은 알루미늄 정밀가공으로 제작하였으며, 전체 크기는 365(길이) X 406(폭) X 13(높이) mm 3이다.
이론/모형
그림 6 의 40 X 32 개 평면배열 도파관 슬롯배열 안테나의 입력 임피던스와 복사 패턴을 시뮬레이션하기 위해 FDTD 방법을 사용하였다. 시뮬레이션 결과, S11 은 그림 8(a) 와 같이 광대역 상에서 매우 우수하게 나타났으며, 중심 주파수 20.
또한, 종단부의 반사를 방지하기 위해 45도 각도로 절단하여 종단에서의 복사가 전체 복사에 기여하도록 하였다. 설계 주파수 대역에서 최대 이득과 최소 사이 드로브 레벨을 갖기 위한 각 파라미터의 최적 값은 FDTD(Finite Difference Time Domain) 수치해석 방법을 이용하여 도출하였다. [9-12]
성능/효과
제작된 안테나의 크기는 365(길이) X 406(폭) X 13(높이) mm3 이었으며, Ka band에서 대역폭 19.3 GHz - 21.8 GHz 의 광대역 성능을 얻었으며, 그 중심주파수 부근인 20.0 GHz에서 43도 빔 틸트 각도에서 이득은 34.4 dBi, 사이드로브 레벨은 주빔 이득에 비해 28 dB 이하로 개선되었으며, 빔 폭은 3.6도로 측정되었다.
0 GHz에서 복사 패턴을 그림 10(b) 에 보였다. 주빔은 43도 방향에서 34.4 dBi, 빔폭 3.6도를 보였으며, 특히, 각 슬롯에서의 누설파 전력을 슬롯 폭을 조절함으로써 제어 가능하여 사이드 로브가 최소가 되는 복사 패턴의 합성이 가능하였고 측정을 통해 주빔 대비 -25 dB 이하로 기존의 경우보다 약 8 dB 의 사이드로브 저감개선효과를 확인하였다.
4 dBi, 빔폭 3.6도를 보였으며, 특히, 각 슬롯에서의 누설파 전력을 슬롯 폭을 조절함으로써 제어 가능하여 사이드 로브가 최소가 되는 복사 패턴의 합성이 가능하였고 측정을 통해 주빔 대비 -25 dB 이하로 기존의 경우보다 약 8 dB 의 사이드로브 저감개선효과를 확인하였다.
후속연구
FDTD 방법으로 설계, 제작된 안테나의 측정 성능은 Ka band에서 매우 잘 일치하였으며, 현재 수직편파 안테나를 연구하였으나 수평편파 안테나와 원형편파 안테나에 대해서도 지속적으로 연구를 수행할 계획이다. 또한 안테나의 이득과 빔폭, 사이드로브 레벨 등과함께 안테나의 크기, 무게 등의 물리적 성능에 대해서도 지속적으로 보완 설계를 수행할 것이다.
FDTD 방법으로 설계, 제작된 안테나의 측정 성능은 Ka band에서 매우 잘 일치하였으며, 현재 수직편파 안테나를 연구하였으나 수평편파 안테나와 원형편파 안테나에 대해서도 지속적으로 연구를 수행할 계획이다. 또한 안테나의 이득과 빔폭, 사이드로브 레벨 등과함께 안테나의 크기, 무게 등의 물리적 성능에 대해서도 지속적으로 보완 설계를 수행할 것이다.
이는 Ka band 위성통신용 하향 링크의 주파수 대역을 포함하고 있으므로 실용화가 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소형 차량용 위성방송 수신 및 통신용 안테나는 설계 시 어떤 특성들을 만족해야 하는가?
기존에 파라볼라를 기본으로 한 위성방송 수신 안테나 및 VSAT 용 안테나 등이 고정형으로 또는대형 차량이나 선박용으로 고이득으로 개발되어 이용되고 있으나, 크기가 크고 무겁기 때문에 소형 차량에의 탑재가 불가능하다는 단점이 있다. 수년전부터 소형 차량용 위성방송 수신 및 통신용 안테나로서 low profile, conformal, low weight, low size, low loss 특성을 만족하기 위한 설계 노력이이루어지고 있다. [1-3]
마이크로스트립 안테나와 페이즈쉬프터를 이용 하고 소자 간에 마이크로스트립 선로로 결합한 배열안테나 설계에서 규정된 크기에서 최대 이득을얻는 것은 마이크로스트립 기판의 필연적인 손실로 인해 이득의 저하가 발생하게 되는데 이러한 손실을 최소화하기 위해 어떤 방법이 시도되고 있는가?
마이크로스트립 안테나와 페이즈쉬프터를 이용 하고 소자 간에 마이크로스트립 선로로 결합한 배열안테나 설계에서 규정된 크기에서 최대 이득을얻는 것은 마이크로스트립 기판의 필연적인 손실로 인해 이득의 저하가 발생하게 된다. 따라서 최근에는 이러한 손실을 최소화하여 최대 이득을 얻기 위해 도파관 구조의 안테나와 도파관 급전선로의 이용을 수용하고 있으며, 페이즈쉬프터의 이용 대신에 진행파형 누설파 안테나를 이용하여 빔 틸트 방법을 시도하고 있다.
기존에 파라볼라를 기본으로 한 위성방송 수신 안테나 및 VSAT 용 안테나 등이 고정형으로 또는대형 차량이나 선박용으로 고이득으로 개발되어 이용되고 있으나 이 안테나를 소형 차량의 탑재 시 문제점은 무엇인가?
기존에 파라볼라를 기본으로 한 위성방송 수신 안테나 및 VSAT 용 안테나 등이 고정형으로 또는대형 차량이나 선박용으로 고이득으로 개발되어 이용되고 있으나, 크기가 크고 무겁기 때문에 소형 차량에의 탑재가 불가능하다는 단점이 있다. 수년전부터 소형 차량용 위성방송 수신 및 통신용 안테나로서 low profile, conformal, low weight, low size, low loss 특성을 만족하기 위한 설계 노력이이루어지고 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.