본 논문에서는 Ka-대역에서 원형편파기, 임피던스 변환기, 직선 구조 모드변환기가 결합된 원형편파 도관관안테나를 설계 및 제작하였다. 원형 편파기는 유전체를 $45^{\circ}$ 형태로 삽입하는 형태와 타원형상의 단면을 갖는 도파관구조의 두가지 모델을 설계하여 전기적인 주요특성을 비교하였다. 또한, 직선구조 모드변환기는 계단구조의 임피던스 변환구조(stepped impedancetransition)를 가지며 도파관을 진행하는 TE 모드의 전력신호를 동축선의 TEM 모드로 변환시키며, 직선모드 변환기의 입력부에 위치한 Feed-through를 통하여, 안테나를 능동모듈에 직접 연결할 수 있도록 설계하였다. 제작된 안테나는 측정결과 30.085~30.885GHz의 주파수대역에서 VSWR < 1.5, Axial ratio < 1.0dB 이하의 광대역특성을 가지며, 동일한 주파수 대역 내에서 6.7 ~ 7.0 dBi의 안테나 이득을 갖는다.
본 논문에서는 Ka-대역에서 원형편파기, 임피던스 변환기, 직선 구조 모드변환기가 결합된 원형편파 도관관안테나를 설계 및 제작하였다. 원형 편파기는 유전체를 $45^{\circ}$ 형태로 삽입하는 형태와 타원형상의 단면을 갖는 도파관구조의 두가지 모델을 설계하여 전기적인 주요특성을 비교하였다. 또한, 직선구조 모드변환기는 계단구조의 임피던스 변환구조(stepped impedance transition)를 가지며 도파관을 진행하는 TE 모드의 전력신호를 동축선의 TEM 모드로 변환시키며, 직선모드 변환기의 입력부에 위치한 Feed-through를 통하여, 안테나를 능동모듈에 직접 연결할 수 있도록 설계하였다. 제작된 안테나는 측정결과 30.085~30.885GHz의 주파수대역에서 VSWR < 1.5, Axial ratio < 1.0dB 이하의 광대역특성을 가지며, 동일한 주파수 대역 내에서 6.7 ~ 7.0 dBi의 안테나 이득을 갖는다.
In this paper, the circular polarized horn antenna composed of circular polarizer and impedance transformer is designed, and fabricated. For the circular polarizer, two types of the polarizer are designed and the electrical performance of them is compared; rectangular waveguide polarizer with $...
In this paper, the circular polarized horn antenna composed of circular polarizer and impedance transformer is designed, and fabricated. For the circular polarizer, two types of the polarizer are designed and the electrical performance of them is compared; rectangular waveguide polarizer with $45^{\circ}$-inclined dielectric slab and oval shaped one. Straight type mode converter has a stepped impedance structure and plays a role of converting waveguide TE mode into coaxial TEM mode, and the proposed antenna is designed to directly connect with active components using the feed-through in the input port of the mode converter. Fabricated antenna has the wideband performance, VSWR<1.5 and Axial ratio < 1.0dB, ranging from 30.085 to 30.885 GHz, and the antenna gain is 6.7~7.0 dBi.
In this paper, the circular polarized horn antenna composed of circular polarizer and impedance transformer is designed, and fabricated. For the circular polarizer, two types of the polarizer are designed and the electrical performance of them is compared; rectangular waveguide polarizer with $45^{\circ}$-inclined dielectric slab and oval shaped one. Straight type mode converter has a stepped impedance structure and plays a role of converting waveguide TE mode into coaxial TEM mode, and the proposed antenna is designed to directly connect with active components using the feed-through in the input port of the mode converter. Fabricated antenna has the wideband performance, VSWR<1.5 and Axial ratio < 1.0dB, ranging from 30.085 to 30.885 GHz, and the antenna gain is 6.7~7.0 dBi.
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문제 정의
본 논문에서는 Ka-대역에서 동작하는 원형편파용 도파관안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 안테나 설계에 있어서, 전체 안테나의 크기 최소화를 위하여 소형으로 구현 가능한 두 개의 원형편파기 구조를 설계하고 전기적 특성을 비교하였으며, 우수한 특성을 나타낸 유전체 삽입구조를 이용하여 안테나를 제작하였다.
본 논문에서는 구형 도파관안테나, 원형 편파기, 임피던스 변환기, 직선구조 모드변환기로 구성된 급전 방사구조를 설계, 및 제작하였다. 본 안테나는 앞서 서술한 도파관안테나의 문제점을 개선하기 위하여, 원형편파기 소형화 및 모드변환기를 이용하여 다양한 능동부품에 직접 연결할 수 있는 체결구조를 제안한다.
제안 방법
이러한 문제를 극복하기 위하여 널리 사용되고 있는 도파관안테나에 있어서도, 원형편파를 사용하는 위성통신에 있어서 원형편파기의 복잡한 구조와 능동부와의 직접연결이 어려움에 따라 안테나 전체 구조의 소형화 및 경량화에 제한을 받아왔다. 본 논문에서는 구형 도파관안테나, 원형 편파기, 임피던스 변환기, 직선구조 모드변환기로 구성된 급전 방사구조를 설계, 및 제작하였다. 본 안테나는 앞서 서술한 도파관안테나의 문제점을 개선하기 위하여, 원형편파기 소형화 및 모드변환기를 이용하여 다양한 능동부품에 직접 연결할 수 있는 체결구조를 제안한다.
상술한 바와 같이, 두 개의 원형편파기 구조 중에 광대역 특성을 보이며 제작 측면에서도 용이한 유전체 삽입구조를 이용하여, Ka-대역 원형편파용 도파관 안테나를 설계 및 제작하였다. 안테나의 제작은 혼 안테나와 원형편파기의 몸체를 하나로 가공하고, 원형편파를 유발하는 유전체구조를 삽입하는 방식으로 이루어진다.
본 논문에서는 Ka-대역에서 동작하는 원형편파용 도파관안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 안테나 설계에 있어서, 전체 안테나의 크기 최소화를 위하여 소형으로 구현 가능한 두 개의 원형편파기 구조를 설계하고 전기적 특성을 비교하였으며, 우수한 특성을 나타낸 유전체 삽입구조를 이용하여 안테나를 제작하였다. 본 안테나는 능동부의 종단과 feed-through를 통하여 직접연결이 가능하도록 설계함으로써 능동위 상배열안테나를 소형화할 수 있다는 구조적 장점을 갖는다.
안테나와 연결되는 능동채널블록과의 방사구조와의 효율적인 결합을 위하여, 직선구조의 모드변환기가 설계 및 제작 되었다. 모드변환기는 직사각형 도파관을 진행하는 TE 모드를 동축선 상의 TEM 모드로 변환하는 역할을 한다.
직선구조 모드변환기의 제작은 입력부에 커넥터를 직접 체결하지 않고, 실제 능동채널블록과의 체결성을 시험하기 위하여 마이크로스트립라인과 feed-through로 연결한 후 마이크로 스트립의 종단에서 K-커넥터로 체결하는 구조로 설계되었다. 유전체 삽입구조의 원형편파기는 0.7dB 의 삽입손실을 가짐을 안테나 이득 측정을 통하여 실험적으로 확인하였다. 전체 급전 방사구조의 측정결과, 반사계수는 시뮬레이션 결과에 비하여 다소 열화되었다.
또한, 원형편파기의 개구면의 세로 길이와 직선구조 모드변환기의 높이가 다르므로 중간에 임피던스 변환기를 요구한다. 직선구조 모드변환기의 제작은 입력부에 커넥터를 직접 체결하지 않고, 실제 능동채널블록과의 체결성을 시험하기 위하여 마이크로스트립라인과 feed-through로 연결한 후 마이크로 스트립의 종단에서 K-커넥터로 체결하는 구조로 설계되었다. 유전체 삽입구조의 원형편파기는 0.
혼 안테나의 입력부에서 원형편파를 생성하기 위한 두 가지 형태의 원형 편파기를 설계하였다. 하나는 정사각형 모양의 혼 개구면 내부에 45° 대각선 방향으로 기울어진 방향으로 유전체를 삽입하는 구조이다.
대상 데이터
따라서, 본 안테나의 설계에 있어서는 안테나 크기의 최소화를 위하여 정사각형 형태의 구형 도파관 혼을 사용하였으며, 내부 혼 크기는 8.4×8.4mm이고, 외부 혼 크기는 9.0×9.0mm이다.
0mm이다. 혼 안테나를 포함한 모든 급전 방사구조는 상용 소프트웨어인 CST사의 Microwave studioⓇ 을 사용하였다.
성능/효과
5dB이다. 본 결과에서에서 원형편파기의 유전체손실 0.7dB을 제외하면 약 1.8dB이며, K-커넥터와 모드변환기의 feed-through 등의 잔여 구성부에서 약 1.5dB의 손실이 발생되었음을 확인하였다.
설계 결과 26~33GHz 의 주파수 대역에서 – 15dB 이하의 반사계수 특성을 가진다.
시뮬레이션 상에서 29.0GHz 에서 32.0 GHz의 동작 주파수대역에서 VSWR<1.2의 반사계수 특성을 보이는데 비하여, 측정결과에 있어서는 전체 대역에서 VSWR<1.5이하의 성능을 보이고 있다.
후속연구
본 안테나는 능동부의 종단과 feed-through를 통하여 직접연결이 가능하도록 설계함으로써 능동위 상배열안테나를 소형화할 수 있다는 구조적 장점을 갖는다. 제작된 방사구조는 향후 Ka-대역에서 8개 정도의 배열로 확장하여 반사판 안테나의 능동형 급전배열안테나로 적용될 예정이며, 위성통신을 포함한 고주파대역 통신서비스에서 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원형 도파관 안테나의 단점은?
본 안테나는 기능에 따라 세 부분으로 나눠지며, 원형편파기에서 생성된 두 개의 전계분포 특성을 저하시키지 않도록 전계가 분포되는 두 축에 대하여 대칭 형태를 가져야 한다. 그러나, 원형 도파관 안테나의 경우, 편파기 등의 구형도파관을 원형도파관으로 연결하는 천이구조(rectangular-tocircular transition)가 추가로 요구되어 안테나의 전체구조가 증가한다는 단점을 갖는다. 따라서, 본 안테나의 설계에 있어서는 안테나 크기의 최소화를 위하여 정사각형 형태의 구형 도파관 혼을 사용하였으며, 내부 혼 크기는 8.
타원(Oval) 형태의 단면과 일정한 길이를 가지는 도파관 구조는 어떤 장점을 갖는가?
또 다른 구조는 타원(Oval) 형태의 단면과 일정한 길이를 가지는 도파관 구조로 구현할 수 있다. 두 번째 구조의 타원이라는 의미는 두 개의 원이 일정한 거리를 두고 직선으로 연결된 형태로서 일반적인 사각형상의 도파관에 비하여 제작이 용이하다는 장점을 갖는다. 이 두 가지 구조는 모두 Ka- 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 널리사용되는 Iris구조에 비하여 고주파 대역 부품개발에 있어서 주된 성능열화의 원인이 되고 있는 제작 오차에 따른 특성변화가 심하지 않다.
본 논문에서 혼 안테나의 입력부에서 원형편파를 생성하기 위한 두 가지 형태의 원형 편파기는 어떤 형태였는가?
혼 안테나의 입력부에서 원형편파를 생성하기 위한 두 가지 형태의 원형 편파기를 설계하였다. 하나는 정사각형 모양의 혼 개구면 내부에 45° 대각선 방향으로 기울어진 방향으로 유전체를 삽입하는 구조이다. 또 다른 구조는 타원(Oval) 형태의 단면과 일정한 길이를 가지는 도파관 구조로 구현할 수 있다. 두 번째 구조의 타원이라는 의미는 두 개의 원이 일정한 거리를 두고 직선으로 연결된 형태로서 일반적인 사각형상의 도파관에 비하여 제작이 용이하다는 장점을 갖는다.
참고문헌 (4)
A.S. Reutov and A.V. Shishlov, "Focuser-based hybrid antennas for one-dimensional beam steering," IEEE Conference on Phased Array System and Technology, pp.411-414. May 2000
Ming Chen and G. Tsandoulas, "A wide-band square-waveguide array polarizer," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 21, pp. 389-391, May 1973
U. Tucholke, F. Arndt, T. Wriedt, "Field Theory Design of Square Waveguide Iris Polarizers," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 34, pp. 156-160, Jan 1986
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