중위도 지역에서는 위성통신용 파라볼라 안테나를 45도 정도로 기울여 설치해야 된다는 문제점 때문에 이를 대치하기 위한 평면형 안테나의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, Ka band를 이용한 위성통신이 활발해지면서 VSAT 용 평면형 안테나의 개발 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 평면 안테나 상태로 45도 빔틸트 특성을 갖고, Ka 밴드의 위성통신용으로 30GHz 대역에서 충분한 고이득을 얻기 위해, 빔폭이 좁고 사이드로브가 적으며 저손실 구조의 평면배열 안테나를 설계하였다. 이러한 성능을 만족시키기 위해, 진행파형 누설파 모드를 기초로 한 수직편파 도파관 종방향 슬롯 배열안테나를 제안하였으며, 특히 슬롯 배열들 각각의 폭을 조절하여 복사 전력을 제어함으로써 복사 패턴의 사이드로브 레벨을 저감시켰다. 32개 누설파 소자의 배열안테나 이득은 35.16 dBi 였으며, 빔폭은 2.5도, 사이드로브 레벨은 -30 dB 이하, 중심주파수 30.0 GHz 에서 빔틸트 각도는 45도를 얻었다.
중위도 지역에서는 위성통신용 파라볼라 안테나를 45도 정도로 기울여 설치해야 된다는 문제점 때문에 이를 대치하기 위한 평면형 안테나의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, Ka band를 이용한 위성통신이 활발해지면서 VSAT 용 평면형 안테나의 개발 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 평면 안테나 상태로 45도 빔틸트 특성을 갖고, Ka 밴드의 위성통신용으로 30GHz 대역에서 충분한 고이득을 얻기 위해, 빔폭이 좁고 사이드로브가 적으며 저손실 구조의 평면배열 안테나를 설계하였다. 이러한 성능을 만족시키기 위해, 진행파형 누설파 모드를 기초로 한 수직편파 도파관 종방향 슬롯 배열안테나를 제안하였으며, 특히 슬롯 배열들 각각의 폭을 조절하여 복사 전력을 제어함으로써 복사 패턴의 사이드로브 레벨을 저감시켰다. 32개 누설파 소자의 배열안테나 이득은 35.16 dBi 였으며, 빔폭은 2.5도, 사이드로브 레벨은 -30 dB 이하, 중심주파수 30.0 GHz 에서 빔틸트 각도는 45도를 얻었다.
Because the installation problem of parabola antenna that is tilted to 45 degree when this antenna is installed at the area of middle latitude, the study on planar antenna in place of parabola antenna is made rapid progess. Especially, The development of the planar antenna for VSAT is needed dependi...
Because the installation problem of parabola antenna that is tilted to 45 degree when this antenna is installed at the area of middle latitude, the study on planar antenna in place of parabola antenna is made rapid progess. Especially, The development of the planar antenna for VSAT is needed depending on the increased Ka-band satellite communications. 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 design method of the radiation power distribution control using the different slot widths is proposed. An array antenna consisting of 32 leakywave waveguide antennas is showing 35.16 dBi of gain, 2.5 degree of beamwidth at azimuth, below than -30 dB of sidelobe level, 45.8 degree of beam tilt angle in center frequency 30.2 GHz.
Because the installation problem of parabola antenna that is tilted to 45 degree when this antenna is installed at the area of middle latitude, the study on planar antenna in place of parabola antenna is made rapid progess. Especially, The development of the planar antenna for VSAT is needed depending on the increased Ka-band satellite communications. 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 design method of the radiation power distribution control using the different slot widths is proposed. An array antenna consisting of 32 leakywave waveguide antennas is showing 35.16 dBi of gain, 2.5 degree of beamwidth at azimuth, below than -30 dB of sidelobe level, 45.8 degree of beam tilt angle in center frequency 30.2 GHz.
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문제 정의
본 논문에서는 국내의 해양기상통신위성인 천리안위성과의 양방향 통신을 위한 up-link 30 GHz의 Ka band 대역에서 동작하는 평면형 슬롯배열 안테나를 개발한다.
제안 방법
S11 측정은 40 GHz 까지 사용가능한 네트워크 분석기 Anritsu 37269D를 사용하였고, 안테나 패턴 측정은 안테나 근거리장 측정용 프로브 시스템 (5– 40 GHz)을 사용하여 neat to far field 변환을 통해 원거리장 복사 패턴을 구하였다.
이때 1차원 배열인 1개 안테나 소자의 길이는 260 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 사이드로브 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.
원격지나 재해지역에서 DBS, 위성인터넷, 위성 데이터통신 및 VSAT 서비스와 같은 위성통신 서비스가 가능한 최적의 평면배열 안테나를 개발하였다. 이 안테나는 low profile 형태로 고도각 방향으로 약 45도의 빔 틸트 특성을 가지므로 안테나의 높이를 최소화할 수 있다.
앞 절에서 최적화된 40개 종방향 슬롯으로 구성된 단일 도파관 슬롯배열 안테나를 횡방향으로 32개 배열하여 설계하여 그림 6에 보였다. 전체 크기는 260(길이) X 292(폭) X 8(높이) mm3 이며, 각각의 종방향 배열의 전력 결합은 그림 6 의 하단부에서 안테나의 아래쪽으로 접어서 그림 7 과 같이 병렬 결합망(waveguide cooperated feed network) 방식을 적용함으로써 안테나의 넓이를 대폭적으로 줄이고, 저손실, 광대역 특성을 갖도록 설계하였다.
이 안테나는 하나의 도파관에 종방향으로 40개의 슬롯 배열을 갖는 누설파 안테나를 횡방향으로 32개 배열하여, 즉 40 X 32 개의 슬롯으로 구성된 평면형 슬롯배열 안테나이다. 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 도출하여 제작하였다. .
대상 데이터
전체적으로 설계된 구조를 그림 9 에 보였다. 시제품은 알루미늄 정밀가공으로 제작하였으며, 전체 크기는 260(길이) X 292(폭) X 8(높이) mm3이다.
그림 7. 피드 네트워크를 협력한 32 도파관의 구성.
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 30.
또한, 종단부의 반사를 방지하기 위해 45도 각도로 절단하여 종단에서의 복사가 전체 복사에 기여하도록 하였다. 설계 주파수 대역에서 최대 이득과 최소 사이드로브 레벨을 갖기 위한 각 파라미터의 최적 값은 FDTD(Finite Difference Time Domain) 수치해석 방법을 이용하여 도출하였다. [9-12]
성능/효과
제작된 안테나의 크기는 260(길이) X 292(폭) X 8(높이) mm3 이었으며, Ka band에서 대역폭 29.6 GHz - 31.1 GHz 의 광대역 성능을 얻었으며, 그 중심주파수 부근인 30.2 GHz에서 45.8도 빔 틸트 각도에서 이득은 35.16 dBi, 사이드로브 레벨은 주빔 이득에 비해 30 dB 이하로 개선되었으며, 빔 폭은 방위각 방향에서 2.5도, 고도각 방향에서 3.5도로 측정되었다.
5도로 측정되었다. 특히, 각 슬롯에서의 누설파 전력을 슬롯 폭을 조절함으로써 제어 가능하여 사이드로브가 최소가 되는 복사 패턴의 합성이 가능하였고 측정을 통해 주빔 대비 -30 dB 이하로 기존의 경우보다 약 15 dB 의 사이드로브 저감 개선효과를 확인하였다. 근거리장 측정 프로브 시스템으로 측정된 안테나 근거리장의 복사전력 진폭분포는 그림 11 과 같이 나타났다.
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 등과 함께 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 등과 함께 안테나의 크기, 무게 등의 물리적 성능에 대해서도 지속적으로 보완 설계를 수행할 것이다.
이는 Ka band 위성통신용 상향 링크의 주파수 대역을 포함하고 고이득, 저 사이드로브 특성을 갖기 때문에 천리안위성용 상향링크 안테나로써 실용화가 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존 파라볼라를 기본으로 한 위성방송 수신 안테나 및 VSAT 용 안테나의 단점은 무엇인가?
기존에 파라볼라를 기본으로 한 위성방송 수신 안테나 및 VSAT 용 안테나 등이 고정형으로 또는 대형 차량이나 선박용으로 고이득으로 개발되어 이용되고 있으나, 크기가 크고 무겁기 때문에 소형 차량에의 탑재하거나 휴대하기 불가능하다는 단점이 있다. 수년 전부터 소형 차량용 위성방송 수신 및 통신용 안테나로서 low profile, conformal, low weight, low size, low loss 특성을 만족하기 위한 설계 노력이 이루어지고 있다.
중위도 지역에서 위성통신용 파라볼라 안테나의 문제점은 무엇인가?
중위도 지역에서는 위성통신용 파라볼라 안테나를 45도 정도로 기울여 설치해야 된다는 문제점 때문에 이를 대치하기 위한 평면형 안테나의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, Ka band를 이용한 위성통신이 활발해지면서 VSAT 용 평면형 안테나의 개발 필요성이 대두되고 있다.
배열안테나에서 손실을 최소화 하고 최대 이득을 얻기 위해 무엇을 수용하고 있는가?
마이크로스트립 안테나와 페이즈쉬프터를 이용하고 소자 간에 마이크로스트립 선로로 결합한 배열안테나 설계에서 규정된 크기에서 최대 이득을 얻는 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.
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