[논문]Ka 대역 통신위성용 다중 빔 배열 급전 반사판 안테나

윤소현; 엄만석; 최장섭; 염인복

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.6.756

Ka 대역 통신위성용 다중 빔 배열 급전 반사판 안테나
Multibeam Reflector Antenna for Ka-Band Communication Satellite 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.23 no.6, 2012년, pp.756 - 759

윤소현 (한국전자통신연구원 무선RF탑재기술연구팀) , 엄만석 (한국전자통신연구원 무선RF탑재기술연구팀) , 최장섭 (한국전자통신연구원 무선RF탑재기술연구팀) , 염인복 (한국전자통신연구원 무선RF탑재기술연구팀)

초록
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본 논문은 한반도 지역에 보편적 위성 통신 서비스를 제공하기 위한 정지궤도 위성의 다중 빔 서비스 커버리지 요구에 따라, 서비스 영역 내의 이득을 높일 수 있는 구현 가능한 안테나 구성 시나리오를 제안하였다. 제안된 시나리오는 위성 탑재가 가능하도록 안테나 및 급전 네트워크 구성을 간소화하고, 제한된 주파수 및 편파자원을 효율적으로 사용하기 위한 급전 네트워크 설계를 포함하고 있다. 또한, 전기적 성능 만족을 위하여 배열소자의 배치 및 여기 계수 최적화가 수행되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the multibeam service coverage of GEO(Geostationary Orbit) satellite and the practical antenna scheme scenarios to provide the universal communication services on the Korean peninsula. The proposed antenna systems consist of the simplest scheme and feed network so that they can be mounted on satellites. The feed networks are effectively organized according to the frequency and polarization plan. Despite simple structure, all scenarios meet the electrical performance by the optimization of feed allocation and feed excitation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 그림 1과 같이 서비스 영역의 크기가 다르고 빔 간격이 일정하지 않으면 구성이 복잡해지고 소자의 개수가 증가한다. 그러나 본 논문에서는 급전 소자 개수의 증가 없이, 전기적 성능을 극대화 시키는 안테나 구성 시나리오에 대해 소개한다.

제안 방법

모든 서비스 빔을 단일 급전 시스템으로 형성하면 가장 단순한 안테나 구성도를 가진다. 단일 급전 시스템의 빔 성능은 급전 소자의 물리적 위치에 좌우되는데, VSAT 통신용 빔들은 빔 간 간격이 서로 다르기 때문에 그림 6과 같이 물리적 충돌이 없도록 배치 최적화를 수행하였다.
겸용 다중 빔 안테나는 단일 반사판으로 송수신 주파수 대역(20/30 GHz)에서 5개의 서비스 빔을 형성한다. 송수신 주파수 대역에서 동시에 높은 EOC(Edge Of Coverage) 이득을 얻기 위해 반사판은 송신 주파수에서 설계되었다. 급전 네트워크 간소화를 위해 B1～B2 영역은 배열 급전 시스템, B3～B5 영역은 단일 급전 시스템으로 구현한다.
제한된 주파수 자원을 활용하여 한반도 지역에 광대역 통신과 VSAT 통신 서비스를 제공하는 다중빔 안테나는 3 가지 구현 가능한 시나리오에 의해 최적 설계되었다. 각 시나리오는 반사판의 개수, 급전 네트워크, 소자의 개수 등에 의해 구분되며, 급전 네트워크는 단일 급전, 배열 급전, 단일/배열 혼합 급전에 따라 결정된다.

대상 데이터

서비스 분리 시스템의 광대역 통신 서비스 빔들을 배열 급전으로 형성하면 1.8 m 송수신 겸용 반사판과 8 개의 급전 소자가 사용된다. VSAT 통신은 1.
하지만, 시나리오 1과 마찬가지로 빔 그리드는 서로 일치하지 않기 때문에 단일 급전과 배열 급전 시스템을 혼합 사용한다. 송신 안테나는 2 m 반사판과 7개의 급전 소자를 사용하고, 수신 안테나는 1.4 m 반사판과 7개의 급전 소자를 사용하여 설계하였다. 광대역 통신 서비스 지역은 EOC 이득 최적화를 위해 개별 소자의 여기 위상 계수 최적화가 수행되었다.

이론/모형

θ₁₀은 급전 혼의 10 dB 빔폭이고, D는 개구면 크기이다. B1, B2 지역을 위한 여기 위상 계수는 PO(Physical Optics) 방법을 통해 최적화한다^[5] . 배열 소자의 최적화된 여기 신호 위상은 그림 3과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 안테나의 개별 빔은 서비스 영역 내에서 전기적 성능이 만족되도록 어떤 것이 할당되어야 하는가?	한반도 전역에는 광대역 통신 서비스를 제공하고, 남한 지역은 차세대 VSAT(Very Small Aperture Terminal) 통신 서비스를 제공하기 위한 서비스 영역은 그림 1과 같다. 하이브리드 안테나의 개별 빔은 서비스 영역 내에서 전기적 성능이 만족되도록 빔의 개수, 빔 크기, 주파수 및 편파 등이 할당되어야 한다. 서비스 영역 내 개별 빔 간 간격(θs)이 동일하면 최소 빔의 개수는 (서비스 지역 면적×1.
	겸용 단일 반사판 안테나의 급전 네트워크는 무엇으로 구성되는가?	배열 급전 시스템으로 구현되는 광대역 통신 서비스 빔은 4 개 소자로 형성된다. 겸용 단일 반사판 안테나의 급전 네트워크는 급전 소자, 편파기, 직교 모드 변환기(OMT: Ortho-Mode Transducer), 다이플렉서와 같은 급전부품과 빔 형성 네트워크(BFN: Beam Forming Network) 로 구성된다. 겸용 단일 반사판 안테나의 구성도는 그림 2와 같다.
	배열 급전 시스템에서 사용되는 신호의 크기 및 위상은 어떻게 도출하는가?	배열 급전 시스템은 배열 소자에서 송수신되는 신호의 크기 및 위상 제어를 통해 빔을 형성하기 때문에 송수신 각각의 빔 형성 네트워크가 사용된다[4] . 이 때 신호 크기와 위상은 배열 소자의 여기 계수 최적화를 통해 도출한다. 배열 소자의 신호 크기는 고출력 증폭기의 출력을 결정한다.

참고문헌 (6)

S. P. Lee, J. H. Jo, M. H. You, and J. S. Choi, "Verification and application of COMS Ka band payload system", 29th AIAA International Communications Satellite Systems Conference(ICSSC 2011), Nov. 2011.
윤소현, 엄만석, 염인복, "S-대역 위성 탑재용 다중 빔 대형 안테나의 전기적 설계 연구", 한국전자파학회논문지, 21(11), pp. 1240-1247, 2010년 11월.

원문보기 상세보기
Sudhakar K. Rao, "Parametric design and analysis of multiple-beam reflector antennas for satellite communications", IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 45, no. 4, pp. 26-34, Aug. 2003.

상세보기
Yoshinori Suzuki, Akira Meguro, Kiyoshi Kobayashi, and Masazumi Ueba, "Multibeam phased array feed system using beam group concept", NTT Technical Review, vol. 5, no. 1, pp. 61-69, Jan. 2007.
S. H. Yun, M. S. Uhm, and I. B Yom, "Optimization of complex excitation of array-fed elements for communications and broadcasting large reflector satellite anntenna", Antennas and Propagation(APSURSI), 2011 IEEE International Symposium, pp. 3320- 3322, Jul. 2011.
M. Aloisio, P. Angeletti, and M. Lisi, "Multiport amplifiers for satellite applications: Historical perspective and future directions", IEEE International Vacuum Electronics Conference, IVEC '09, pp. 201- 202, Apr. 2009.

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