본 논문에서는 순차적 급전을 이용한 위성 통신용 $2{\times}4$ 균일 배열 안테나(uniform array antenna)와 각 안테나 소자로 균등 급전을 하기 위한 8분기 전력분배기 구조를 제안하였다. 제안된 배열 안테나는 배열 구조에 의한 전계 상쇄 현상을 방지하고, 순도 높은 원형 편파(RHCP)를 발생시키기 위하여 순차적 급전 방식을 적용하였다. 각각의 안테나 소자에 90도 위상 지연 선로를 첨가하여 순차적 급전을 이루었고, 각각에서 발생하는 전계의 방향도 일치하도록 하였다. 설계된 위성 통신용 $2{\times}4$ 배열 안테나의 반사 손실은 -10 dB 기준 대역폭이 760 MHz(7.90~8.66 GHz), RHCP 이득은 8.3 GHz에서 14.3 dBic, 3 dB 축비 대역폭은 600 MHz(8.15~8.75 GHz)의 특성을 나타내었고, 전력분배기는 8개의 port에서 -9.2 dB의 동일한 전달 특성을 나타내었다.
본 논문에서는 순차적 급전을 이용한 위성 통신용 $2{\times}4$ 균일 배열 안테나(uniform array antenna)와 각 안테나 소자로 균등 급전을 하기 위한 8분기 전력분배기 구조를 제안하였다. 제안된 배열 안테나는 배열 구조에 의한 전계 상쇄 현상을 방지하고, 순도 높은 원형 편파(RHCP)를 발생시키기 위하여 순차적 급전 방식을 적용하였다. 각각의 안테나 소자에 90도 위상 지연 선로를 첨가하여 순차적 급전을 이루었고, 각각에서 발생하는 전계의 방향도 일치하도록 하였다. 설계된 위성 통신용 $2{\times}4$ 배열 안테나의 반사 손실은 -10 dB 기준 대역폭이 760 MHz(7.90~8.66 GHz), RHCP 이득은 8.3 GHz에서 14.3 dBic, 3 dB 축비 대역폭은 600 MHz(8.15~8.75 GHz)의 특성을 나타내었고, 전력분배기는 8개의 port에서 -9.2 dB의 동일한 전달 특성을 나타내었다.
In this paper, SIW-based $2{\times}4$ uniform array antenna with a sequentially fed 8-way power divider with an equal division characteristic is proposed for an application of X-band satellite communication. In particular, sequential feeding structures with a progressive phase difference ...
In this paper, SIW-based $2{\times}4$ uniform array antenna with a sequentially fed 8-way power divider with an equal division characteristic is proposed for an application of X-band satellite communication. In particular, sequential feeding structures with a progressive phase difference of 90 degrees between the nearest elements have been suggested to protect the cancellation of electric fields due to the array alignments and to enhance the purity of RHCP(Right-Handed Circular Polarization). The obtained results according to the return loss bandwidth, RHCP antenna gain, axial ratio bandwidth are 760 MHz ranging from 7.90 to 8.66 GHz under the criterion of less than -10 dB, 14.3 dBic at 8.3 GHz, and 600 MHz from 8.15 to 8.75 GHz, respectively. In addition, it is observed that the equal-division characteristic of SIW-based 8-way power divider is approximately -9.2 dB in all ports.
In this paper, SIW-based $2{\times}4$ uniform array antenna with a sequentially fed 8-way power divider with an equal division characteristic is proposed for an application of X-band satellite communication. In particular, sequential feeding structures with a progressive phase difference of 90 degrees between the nearest elements have been suggested to protect the cancellation of electric fields due to the array alignments and to enhance the purity of RHCP(Right-Handed Circular Polarization). The obtained results according to the return loss bandwidth, RHCP antenna gain, axial ratio bandwidth are 760 MHz ranging from 7.90 to 8.66 GHz under the criterion of less than -10 dB, 14.3 dBic at 8.3 GHz, and 600 MHz from 8.15 to 8.75 GHz, respectively. In addition, it is observed that the equal-division characteristic of SIW-based 8-way power divider is approximately -9.2 dB in all ports.
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제안 방법
2×4 배열 안테나 설계에 앞서 X-band에서 동작하고 우수 원형 편파(RHCP) 특성을 갖는 단일 안테나와 이를 이용한 2×2 배열 안테나를 설계하여 전기적 특성을 살펴보았다[3].
을 위한 구조이다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 8개의 안테나를 배열하기 위하여 안테나 소자 2개씩 동위상이 되도록 쌍(set_A, B, C, D)을 이룬 후 각각 4개의 쌍(set_A, B, C, D)을 90도씩 차이가 나도록 회전하여 배열하였다.
위성에 탑재되는 X-band 안테나는 고용량 데이터를 지상국으로 전송하는 임무를 수행하는데, 우리나라의 다목적 실용위성 2호에는 마이크로스트립 안테나, 3호에는 혼 안테나가 장착되었다. 또한, 과학기술 위성(1, 2호)과 같은 소형 위성에서도 마이크로스트립 안테나를 사용하였는데, 과학기술 위성 1호의 X-band 안테나 제원을 바탕으로 설계한 안테나의 동작 주파수(8.0～8.5 GHz) 및 전기적 특성 목표치를 설정하였다.
. 또한, 전력분배기와 안테나가 각각 다른 층에 존재하는 적층 구조로 전력분배기에서 전체 급전이 이루어지고, 천이 구조(via transition)를 통해 각각의 안테나에 2차적으로 급전되는 방식을 사용하였다. 2×4 배열 안테나 설계에 앞서 X-band에서 동작하고 우수 원형 편파(RHCP) 특성을 갖는 단일 안테나와 이를 이용한 2×2 배열 안테나를 설계하여 전기적 특성을 살펴보았다[3].
특히 선행 연구로 진행했던 X-band에서 동작하는 단일 안테나와 2×2 배열 안테나, 본 논문의 2×4 배열 안테나까지 모두 마이크로스트립의 경량성과 도파관의 저손실 특성을 갖는 SIW 구조를 이용하였다. 또한, 축비 특성을 향상시키고 E-field 상쇄 현상을 방지하기 위하여 90도 위상 지연 선로를 이용한 순차적 급전 방식을 적용하였다. 제작된 2×4 배열 안테나의 반사 손실은 -10 dB 기준 대역폭이 760 MHz(7.
본 논문에서는 위성 통신용 2×4 배열 안테나를 SIW 기술을 적용하여 설계하였다.
설계한 안테나의 동작 주파수는 원의 내부 반지름에 의해서 결정되는데, 식 (1)을 이용하여 단일 안테나가 8.25 GHz에서 동작하도록 하는 원의 반지름을 구하였고, 배열 후 최적화 과정을 통해 r =6.2 mm로 결정하였다[7].
이러한 결과를 토대로 2×2 배열 안테나의 구조를 변형하여 2×4 배열 안테나의 구조를 설계하였다.
패치의 중심을 기준으로 via가 어느 방향에 있는지에 따라 RHCP와 LHCP가 결정된다. 제안한 안테나는 중심으로부터 왼쪽에 via를 위치시켜 우수 원형 편파(RHCP) 특성을 얻었다.
그림 7은 실제 제작한 2×4배열 안테나와 반사 손실 그래프이다. 제작한 안테나 구조에서 적층 구조임을 고려하여 나사를 이용하여 체결하였다.
특히 선행 연구로 진행했던 X-band에서 동작하는 단일 안테나와 2×2 배열 안테나, 본 논문의 2×4 배열 안테나까지 모두 마이크로스트립의 경량성과 도파관의 저손실 특성을 갖는 SIW 구조를 이용하였다.
이론/모형
설계한 위성 통신용 2×4 배열 안테나는 마이크로스트립 선로와 도파관의 장점인 경량성과 저손실 특성을 갖는 SIW(Substrate Integrated Waveguide) 구조를 이용하였다[1],[2].
성능/효과
측정된 2×4 배열 안테나의 반사 손실은 시뮬레이션을 통해 얻은 반사 손실과 유사한 특성을 보이는 것을 알 수 있다. -10 dB 대역폭은 시뮬레이션 결과, 620 MHz(7.85～8.47 GHz), 측정 결과, 760 MHz(7.90~8.66 GHz)로 설정한 동작 주파수 범위를 거의 만족하였다. 또한, 측정한 방사 패턴도 시뮬레이션을 통해 얻은 결과와 동일하였다.
RHCP와 LHCP 사이에는 17 dB의 차이를 보여 2×4 배열 안테나는 초기에 설정한 RHCP를 발생시킨다는 것을 확인하였다.
RHCP와 LHCP 사이에는 17 dB의 차이를 보여 2×4 배열 안테나는 초기에 설정한 RHCP를 발생시킨다는 것을 확인하였다. 또한, 3 dB 축비 대역폭은 600 MHz로 순차적 급전이 제대로 적용되고 있음을 알 수 있었다.
반사 손실은 —10 dB 기준 대역폭이 1.4 GHz(7.34～8.74 GHz)로 광대역 특성을 보였고, 전달 특성(S21～S91)도 -9.2 dB로 전력 균등 분배가 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.
제작된 2×4 배열 안테나의 반사 손실은 -10 dB 기준 대역폭이 760 MHz(7.90~8.66 GHz)로 설정한 동작 주파수 범위를 만족하였고, RHCP 이득은 8.3 GHz에서 14.3 dB로 시뮬레이션 결과와 비교했을 때 1 dB 이내의 오차를 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리 나라의 다목적 실용위성 2호에는 어떤 안테나가 장착되었는가?
아직은 발사체부터 위성에 탑재되는 부품들까지 외부 기술에 대한 의존도가 높으나, 자체 기술 개발에 대한 연구도 진행 중이다. 위성에 탑재되는 X-band 안테나는 고용량 데이터를 지상국으로 전송하는 임무를 수행하는데, 우리 나라의 다목적 실용위성 2호에는 마이크로스트립 안테나, 3호에는 혼 안테나가 장착되었다. 또한, 과학기술 위성(1, 2호)과 같은 소형 위성에서도 마이크로스트립 안테나를 사용하였는데, 과학기술 위성 1 호의 X-band 안테나 제원을 바탕으로 설계한 안테나의 동작 주파수(8.
2×4 배열 안테나를 SIW 기술을 적용하여 설계한 결과 반사 손실은 어떻게 되는가?
또한, 축비 특성을 향상시키고 E-field 상쇄 현상을 방지하기 위하여 90도 위상 지연 선로를 이용한 순차적 급전 방식을 적용하였다. 제작된 2×4 배열 안테나의 반사 손실은 —10 dB 기준 대역폭이 760 MHz(7.90～8.66 GHz)로 설정한 동작 주파수 범위를 만족하였고, RHCP 이득 은 8.3 GHz에서 14.
X-band 안테나는 무엇을 수행하는가?
아직은 발사체부터 위성에 탑재되는 부품들까지 외부 기술에 대한 의존도가 높으나, 자체 기술 개발에 대한 연구도 진행 중이다. 위성에 탑재되는 X-band 안테나는 고용량 데이터를 지상국으로 전송하는 임무를 수행하는데, 우리 나라의 다목적 실용위성 2호에는 마이크로스트립 안테나, 3호에는 혼 안테나가 장착되었다. 또한, 과학기술 위성(1, 2호)과 같은 소형 위성에서도 마이크로스트립 안테나를 사용하였는데, 과학기술 위성 1 호의 X-band 안테나 제원을 바탕으로 설계한 안테나의 동작 주파수(8.
참고문헌 (9)
F. Xu, K. Wu, "Guided-wave and leakage characteristics
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