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문제 정의
- 본 연구에서의 양 방향 급전인 경우는 한 개의 가중치를 사용하여 두 패턴을 동시에 구현할 수 있는 장점을 가지지만, 대칭적 구조여야 하며 각 패치들의 전기적 길이가 180°로 정해져 있으므로, 합 및 차 패턴의 동시 구현을 위한 설계 변수들의 동시 최적화는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 위상 변위될 기본 패턴을 만족시키는 패치폭 합성 방법과 합당한 모노 펄스 패턴을 구현하기 위한 부하 임피던스 및 연결선 결정 방법을 제시하고, 이상의 실험 결과들로부터 그 타당성을 보였다.
- 본 연구에서는 양 방향에서 직렬 급전되는 구조를 갖는 단일 마이크로스트립 직사각형 패치 배열 안테나와 하이브리드 링 결합기를 사용하여, 합 및 차 패턴을 동시에 구현할 수 있는 방법을 제안하였다. 우선 SLL들의 최적 제어를 통해 이 방식에 적용되는 위상 변위될 기본 패턴과 해당 가중치들의 진폭을 합성하고, 이 가중치들을 만족시키는 패치 폭들을 산정하는 방법을 다루었다.
제안 방법
- (a) 참조), 그리고 합 패턴 빔 폭은 9° 이하를 만족시키는 Θc =165°(Ψ0 =-3.1°, ZL =100 Ω)인 경우를 채택하여 설계하였다.
- (a)의 스트립 도체 패턴과 같이 λg/4 길이의 임피던스 변환기(70.7 Ω) 를 적용하였다.
- 그리고 식 (12)로부터 계수 비교를 통해 wn을 계산하였고, 이는 가중치 An들의 상대적인 값들을 의미한다. 그러나 패치 폭 산정을 위해서는 이 가중치들 중 하나의 절대 기준이 필요하므로, 우선 계산의 편이를 위해 마이크로스트립 패치 폭 결정에 일반적으로 많이 사용하는 다음의 식 (9)를 기준으로 하여, -15 dB인 경우 및 -25 dB인 경우에 대해 분석하였다.
- 합 패턴인 경우 그 빔 폭은 9°이며, 차 패턴인 경우 boresight에서 -30 dB 이하의 깊은 null 점을 가진다. 그리고 기판 접지면에 SMA 동축 커넥터를 부착하고, 그 동축 내부 도체 핀을 방향성 결합기 포트 1및 2에 납땜, 연결하였으며, 무반사실에서 2-D 수신 패턴을 측정하였다. 그 결과를 그림 9(a)와 (b)에 각각 점선으로 보였다.
- 그리고 등가 전송 선로 모델로부터, 표 2의 설계 치수와 변수 Θc로 표현된 전체 ABCD 파라미터들을 구하고, ZL과 Θc의 변화에 따른 반사 손실의 변화를 구하였다.
- 설계 과정을 요약하면, SLL 제어 기법을 사용하여 위상 변위될 기본 배열 계수 패턴과 해당 전압 가중치들을 합성하고, 이들 가중치들을 만족시키는 각 패치의 폭들을 최적산출하였다. 그리고 배열 안테나의 등가 전송 선로 모델로부터 동일한 좌우 양 급전부 부하 임피던스와 연결선들의 길이의 변화에 따른 정합 특성을 분석하고, 이 분석 결과들을 사용하여 합당한 합 및 차 패턴을 구현할 수 있는 부하 임피던스 및 연결선 길이를 산정하였다. 안테나의 전자기적 특성 시뮬레이션을 위해 CST사의 상용 소프트웨어인 MWS(Microwave Studio)를 사용하였다.
- 우선 SLL들의 최적 제어를 통해 이 방식에 적용되는 위상 변위될 기본 패턴과 해당 가중치들의 진폭을 합성하고, 이 가중치들을 만족시키는 패치 폭들을 산정하는 방법을 다루었다. 그리고 정합과 위상 변위 양을 동시에 고려하여 각 패치들 간의 연결선 길이를 적절히 함으로써, boresight를 중심으로 두 개의 위상 변위된 빔 패턴을 형성하고, 이들로부터 합 및 차 패턴을 구현하는 방법을 제안하였다. 설계된 테이퍼형 패치 배열 안테나를 9.
- 따라서 본 연구에서는 비교적 낮은 SLL들을 가지면서 완만한 가중치들의 변화를 만족시키는 패턴을 구현하기 위해, 식 (13)에서 S1 =-16.5 dB, S2 =-20.5 dB, S3,4,5 =-22.0 dB를 목표값으로 두고 최적화시켰다. 그 결과, 패턴인 SLL(syn.
- 본 연구에서는 위에서 예로 든 기존의 방식 대신, 직사각형 마이크로스트립 패치들로 구성된 테이퍼형 단일 배열 안테나를 사용하여, 좁은 빔 폭을 갖는 합 패턴과 boresight 방향으로 예리한 경사각을 가지는 차 패턴을 동시에 구현할 수 있는 방법을 제안하였다. 즉, 양 방향에서 직렬 급전시키도록 하고, 각 패치들 사이의 연결선들의 길이를 적절히 함으로써, 양 방향에서 급전된 신호들이 연결선들을 거치면서 각각 점진적인(progressive) 위상차가 유발되고, 그결과 boresight 방향을 중심으로 하여 좌·우 대칭적으로 위상 변위된 두 개의 빔 패턴이 형성된다.
- 따라서 하나의 가중치 분포를 가지는 패치 배열을 통해 합 및 차 패턴이 동시에 생성될 수 있는 장점을 가진다. 설계 과정을 요약하면, SLL 제어 기법을 사용하여 위상 변위될 기본 배열 계수 패턴과 해당 전압 가중치들을 합성하고, 이들 가중치들을 만족시키는 각 패치의 폭들을 최적산출하였다. 그리고 배열 안테나의 등가 전송 선로 모델로부터 동일한 좌우 양 급전부 부하 임피던스와 연결선들의 길이의 변화에 따른 정합 특성을 분석하고, 이 분석 결과들을 사용하여 합당한 합 및 차 패턴을 구현할 수 있는 부하 임피던스 및 연결선 길이를 산정하였다.
- 본 연구에서는 양 방향에서 직렬 급전되는 구조를 갖는 단일 마이크로스트립 직사각형 패치 배열 안테나와 하이브리드 링 결합기를 사용하여, 합 및 차 패턴을 동시에 구현할 수 있는 방법을 제안하였다. 우선 SLL들의 최적 제어를 통해 이 방식에 적용되는 위상 변위될 기본 패턴과 해당 가중치들의 진폭을 합성하고, 이 가중치들을 만족시키는 패치 폭들을 산정하는 방법을 다루었다. 그리고 정합과 위상 변위 양을 동시에 고려하여 각 패치들 간의 연결선 길이를 적절히 함으로써, boresight를 중심으로 두 개의 위상 변위된 빔 패턴을 형성하고, 이들로부터 합 및 차 패턴을 구현하는 방법을 제안하였다.
- 136에 해당한다. 이 가중치를 기준으로, 도출된 가중치들의 상대적 비를 사용하여 나머지 가중치들을 정하였다. 이 때 해당 가중치들의 상대적인 값과 식 (15)의 최소화를 통해 계산한 해당 폭 및 특성 임피던스를 표 1과 표 2에 각각 보였다.
- 빔 폭, SLL 및 경사각 등은 위상 변위되는 기본 패턴의 형태와 변위각 Ψ0에 의해 결정된다(그림 7 참조). 이와 같이 기본 패턴을 대칭적으로 좌, 우로 위상 변위시키고, 이 변위된 두 패턴의 합 및 차 패턴 구현을 위해 다음의 양 방향 직렬 급전 마이크로스트립 배열 안테나를 제안하였다.
대상 데이터
- RT/Duroid 5880 기판(h =1.575 mm, εr =2.2) 상에 제작한 스트립 도체 패턴 사진을 그림 8에 보였다.
- 안테나의 전자기적 특성 시뮬레이션을 위해 CST사의 상용 소프트웨어인 MWS(Microwave Studio)를 사용하였다. 제작을 위해 RT/Duriod 5880 기판을 사용하였으며, 배열 개수가 N =9인 경우, 9.5 GHz에서 설계, 제작 및 실험함으로써 설계의 타당성을 보였다.
이론/모형
- 식 (13)의 최소화(본 연구에서는 E ≤10-6) 를 위해 conjugated gradient 법을 사용하였다.
- 그리고 배열 안테나의 등가 전송 선로 모델로부터 동일한 좌우 양 급전부 부하 임피던스와 연결선들의 길이의 변화에 따른 정합 특성을 분석하고, 이 분석 결과들을 사용하여 합당한 합 및 차 패턴을 구현할 수 있는 부하 임피던스 및 연결선 길이를 산정하였다. 안테나의 전자기적 특성 시뮬레이션을 위해 CST사의 상용 소프트웨어인 MWS(Microwave Studio)를 사용하였다. 제작을 위해 RT/Duriod 5880 기판을 사용하였으며, 배열 개수가 N =9인 경우, 9.
- 여기서 패치 임피던스는 #와 같이 주파수 f, 주파수 의존성 실효 비유전율 εreff(f) 및 패치 폭과 관계되므로, 이들 관계를 나타내는 분산 특성을 고려한 Kirshning의 근사식[12]들을 활용하였으며, 식 (15)의 최소화(E ≤10-6)를 위해 conjugated gradient 법을 사용하였다.
- Θc =180°인 경우는 dn의 전기적 길이가 모두 360°가 되어 Ψ0 =0°가 되지만, Θc ≠180°인 경우는 점진적인 위상차가 유발된다. 연결선 길이에 따른 정확한 위상 변위 값은 각 패치의 컨덕턴스, 패치 간의 상호 결합, 급전부에서의 불요 방사 및 손실 등을 고려하여 결정해야 하므로, 본 연구에서는 이를 위해 상용 소프트웨어 툴인 MWS를 사용하였다. 예로 Θc =165° (#)인 경우에 대한 Ψ0를 계산하기 위해, 시스템 임피던스를 Z0 =50 Ω(폭: 5.
성능/효과
- 그리고 정합과 위상 변위 양을 동시에 고려하여 각 패치들 간의 연결선 길이를 적절히 함으로써, boresight를 중심으로 두 개의 위상 변위된 빔 패턴을 형성하고, 이들로부터 합 및 차 패턴을 구현하는 방법을 제안하였다. 설계된 테이퍼형 패치 배열 안테나를 9.5 GHz에서 제작 및 실험함으로써 설계 과정의 타당성을 검증하였으며, 이 구조는 모노 펄스 방위각 레이더 센서용으로 적합하다고 판단된다.
- 이 그림으로부터 Ψ0가 작아질수록 빔 폭은 감소하지만 합 및 차 패턴의 최대 이득의 차이가 증가하고, 커질수록 합 패턴의 SLL은 감소하지만 빔 폭이 크게 증가하면서 주 빔에 리플이 존재함을 확인할 수 있다.
- 측정된 합 패턴의 경우, 11.3°의 빔 폭을 가지며, 이득은 13.8 dB로서, 50 Ω 선로의 길이에 따른 손실의 증가에 기인하여 시뮬레이션 결과보다 약 1.3 dB 감소하였다.
후속연구
- 본 연구에서의 양 방향 급전인 경우는 한 개의 가중치를 사용하여 두 패턴을 동시에 구현할 수 있는 장점을 가지지만, 대칭적 구조여야 하며 각 패치들의 전기적 길이가 180°로 정해져 있으므로, 합 및 차 패턴의 동시 구현을 위한 설계 변수들의 동시 최적화는 어려움이 있다.
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