본 논문에서는 도파관 슬롯 배열 안테나의 요소로서 구형 도파관 광벽에 위치하고 이중 리지가 장하된 끝이 둥근 소형 슬롯을 제안하였다. 리지 치수를 적절히 조절하면 원하는 주파수에서 슬롯의 공진을 얻을 수 있다. 제안된 슬롯의 공진 길이는 공진 주파수에서 약 $0.26{\lambda}_0$(자유 공간 파장)이다. 제안된 공진 슬롯은 소형이고, 작은 공진 컨덕턴스 그리고 짧으면서도 안정된 공진 길이 등의 장점을 가진다. 부가적으로 슬롯을 도파관 슬롯 배열에 적용할 때 각 슬롯의 특성들이 인접한 슬롯에 의해서 영향을 적게 받는다. 부엽 준위 -20 dB를 가지는 $4{\times}1$ 도파관 슬롯 배열 안테나를 설계, 제작한 후 실험하였다. 측정결과들이 시뮬레이션 결과들과 잘 일치하고, 주파수 9.41 GHz에서 부엽 준위 -15.9 dB, E-평면 반치각 $110.2^{\circ}$, H-평면 반치각 $21.2^{\circ}$이다.
본 논문에서는 도파관 슬롯 배열 안테나의 요소로서 구형 도파관 광벽에 위치하고 이중 리지가 장하된 끝이 둥근 소형 슬롯을 제안하였다. 리지 치수를 적절히 조절하면 원하는 주파수에서 슬롯의 공진을 얻을 수 있다. 제안된 슬롯의 공진 길이는 공진 주파수에서 약 $0.26{\lambda}_0$(자유 공간 파장)이다. 제안된 공진 슬롯은 소형이고, 작은 공진 컨덕턴스 그리고 짧으면서도 안정된 공진 길이 등의 장점을 가진다. 부가적으로 슬롯을 도파관 슬롯 배열에 적용할 때 각 슬롯의 특성들이 인접한 슬롯에 의해서 영향을 적게 받는다. 부엽 준위 -20 dB를 가지는 $4{\times}1$ 도파관 슬롯 배열 안테나를 설계, 제작한 후 실험하였다. 측정결과들이 시뮬레이션 결과들과 잘 일치하고, 주파수 9.41 GHz에서 부엽 준위 -15.9 dB, E-평면 반치각 $110.2^{\circ}$, H-평면 반치각 $21.2^{\circ}$이다.
In this paper, a small round-ended slot loaded by double ridges on the broad wall of a rectangular waveguide is presented as an element for a waveguide slot-array antenna(WSAA). By properly adjusting the ridge dimension, a resonance of the slot at a desired frequency can be achieved. The resonant le...
In this paper, a small round-ended slot loaded by double ridges on the broad wall of a rectangular waveguide is presented as an element for a waveguide slot-array antenna(WSAA). By properly adjusting the ridge dimension, a resonance of the slot at a desired frequency can be achieved. The resonant length of the proposed slot is about $0.26{\lambda}_0$(free space wave length) at the resonance frequency. The proposed resonant slot has some advantageous properties, such as small size, small resonant conductance, and short and stable resonant slot length. In addition, the characteristics of the slots are slightly affected by the adjacent elements when the slots are arrayed for a waveguide slot antenna. A $4{\times}1$ WSAA with -20 dB side-lobe level(SLL) is designed, fabricated, and tested experimentally. The measured results are well agreed with the simulated ones and have an SLL of -15.9 dB and a half-power beam width of $110.2^{\circ}$ in the E-plane and $21.2^{\circ}$ in the H-plane, respectively, at 9.41 GHz.
In this paper, a small round-ended slot loaded by double ridges on the broad wall of a rectangular waveguide is presented as an element for a waveguide slot-array antenna(WSAA). By properly adjusting the ridge dimension, a resonance of the slot at a desired frequency can be achieved. The resonant length of the proposed slot is about $0.26{\lambda}_0$(free space wave length) at the resonance frequency. The proposed resonant slot has some advantageous properties, such as small size, small resonant conductance, and short and stable resonant slot length. In addition, the characteristics of the slots are slightly affected by the adjacent elements when the slots are arrayed for a waveguide slot antenna. A $4{\times}1$ WSAA with -20 dB side-lobe level(SLL) is designed, fabricated, and tested experimentally. The measured results are well agreed with the simulated ones and have an SLL of -15.9 dB and a half-power beam width of $110.2^{\circ}$ in the E-plane and $21.2^{\circ}$ in the H-plane, respectively, at 9.41 GHz.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서 구형 도파관 광벽에 실장할 수 있는 소형 공진슬롯으로서 리지가 이중으로 장하된 끝이 둥근 슬롯을 제안한다. 공진 길이와 정규화된 공진 컨덕턴스와 같은 슬롯의 특성들은 상용 FEM 시뮬레이터(Ansoft HFSS)로 조사하였으며, 종래의 끝이 둥근 종방향 슬롯의 특성들과 비교하였다.
본 논문에서 도파관 슬롯 배열 안테나의 요소로서 이중 리지가 장하된 끝이 둥근 슬롯을 제안하고, 그 특성에 대해 연구하였다. 구형 도파관의 광벽에 위치한 제안된 슬롯은 종래의 종방향 슬롯에 비해서 보다 넓은 범위의 공진 컨덕턴스, 짧고 안정적인 공진 길이 등의 장점들을 가지고 있다.
제안 방법
SLL=—20 dB를 갖는 4×1 슬롯 배열 안테나를 설계, 제작 후 실험을 통해 입력 반사 계수, 복사 패턴, 이득 등의 성능을 측정하였다.
본 논문에서 구형 도파관 광벽에 실장할 수 있는 소형 공진슬롯으로서 리지가 이중으로 장하된 끝이 둥근 슬롯을 제안한다. 공진 길이와 정규화된 공진 컨덕턴스와 같은 슬롯의 특성들은 상용 FEM 시뮬레이터(Ansoft HFSS)로 조사하였으며, 종래의 끝이 둥근 종방향 슬롯의 특성들과 비교하였다. 그리고, 예로서 X-band용 WSAA로 응용하기 위한 동작주파수 9.
그리고, 예로서 X-band용 WSAA로 응용하기 위한 동작주파수 9.41 GHz에서 —20 dB 부엽 준위를 갖는 4-슬롯 배열안테나를 설계, 제작 및 실험하고, 시뮬레이션 결과와 비교하여 본 연구의 타당성을 검증하였다.
그림 8은 알루미늄으로 제작된 WSAA로서, 고정밀 와이어 방전기(Wire Electro Discharge Machine)를 활용하여 가공되었다. 슬롯들이 있는 도체 상판, 도파관 단락종단용으로 위치 조절이 가능한 직육면 도체 블록 및 도파관의 측벽과 하판에 해당되는 도체 블록들로 구성되며, 나사로 조립하였다.
제안된 슬롯을 활용한 4-슬롯 배열에 대한 곡선들은 범위 1 mm≤ x0 ≤8 mm에서 슬롯 이격 거리(x0)에 대하여 3차와 4차 다항식 함수들로 다음과 같이 데이터 피팅(data-fitting)하였다.
대상 데이터
제안된 슬롯의 정규화된 어드미턴스와 임피 던스(wr=2.69 mm, xo =5 mm).
이론/모형
제안된 슬롯의 특성을 조사하고 종래의 종방향 슬롯과 비교하기 위해서 상용 FEM 시뮬레이터인 Ansoft사의 HFSS를 활용하였다. 도파관과 슬롯의 치수는 표 1에 제시된 바와 같다.
성능/효과
5 λ0에 가깝다. 그림 1(b) 구조는 길이가 wr이고, 폭이 2r인 사각 슬롯 부분에 이중 리지를 장하한 것으로서, 리지 폭이 wr이며, 리지 사이 간극은 gr이다. 소형 원형 개구의 공진에 관한 이전 연구 결과[9]로부터 끝이 둥근 직선 슬롯의 길이 ls가 0.
이렇게 구한 파라미터 값들은 표 2에 제시된 바와 같다. 4개의 슬롯으로 그림 7의 WSAA를 구성하고, HFSS를 이용하여 복사 패턴을 계산하였으며, 이는 이론적으로 합성한 패턴과 잘 일치하였다.
4-슬롯 배열 경우에 대한 데이터는 슬롯 간 상호 결합이 고려된 것으로서, 시뮬레이션에 의해 배열에 대한 정규화된 공진 컨덕턴스를 계산한 후 단일 슬롯의 컨덕턴스는 평균을 취한 값이다. 그 결과들은 이격 거리 x0가 증가하면 정규화된 공진 컨덕턴스 gs와 공진 길이 ls도 증가됨을 보여주고 있으며, x0가 2 mm 이상인 범위에서는 제안된 소형 슬롯과 기존의 종방향 슬롯의 특성들 간에는 큰 차이가 없다. 그러나 제안된 슬롯은 x0가 2 mm 이하에서도 안정적이고 작은 컨덕턴스 값을 가지게 되므로 종방향 슬롯에 비해 고이득의 대규모 WSAA 구성에 적합하다.
그 결과들은 이격 거리 x0가 증가하면 정규화된 공진 컨덕턴스 gs와 공진 길이 ls도 증가됨을 보여주고 있으며, x0가 2 mm 이상인 범위에서는 제안된 소형 슬롯과 기존의 종방향 슬롯의 특성들 간에는 큰 차이가 없다. 그러나 제안된 슬롯은 x0가 2 mm 이하에서도 안정적이고 작은 컨덕턴스 값을 가지게 되므로 종방향 슬롯에 비해 고이득의 대규모 WSAA 구성에 적합하다.
시뮬레이션에 의한 제안된 슬롯 안테나의 최대 교차 편파 준위(—28.6 dB)는 직선 슬롯으로 구성된 배열 안테나의 교차 편파 준위(—31.7 dB)에 비해 3.1 dB 정도 높지만, 다양한 장점을 감안할 때 충분히 수용할 만한 성능이라 볼 수 있다.
,z)의 크기를 그림 4에 도시하였다. 전계분포는 제안된 슬롯의 리지 영역에서 균일하게 집중 분포되어 있으며, 반원형 슬롯 영역으로 가면서 급격히 감소된다. 전계 세기가 최대치의 0.
구형 도파관의 광벽에 위치한 제안된 슬롯은 종래의 종방향 슬롯에 비해서 보다 넓은 범위의 공진 컨덕턴스, 짧고 안정적인 공진 길이 등의 장점들을 가지고 있다. 제안된 구조의 슬롯은 배열 안테나로 설계시, 인접한 슬롯에 의한 특성 변화가 작아서 최적화에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 작은 컨덕턴스 값을 구현할 수 있어서 대형 배열 안테나 설계에 유리하다. SLL=—20 dB를 갖는 4×1 슬롯 배열 안테나를 설계, 제작 후 실험을 통해 입력 반사 계수, 복사 패턴, 이득 등의 성능을 측정하였다.
제안된 슬롯의 경우에서 단일 슬롯의 컨덕턴스는 4-슬롯 배열의 그것과 잘 일치하며, 이격 거리 x0 범위 1～5 mm에 대한 컨덕턴스 변화는 0.03≤ gs ≤0.6이며, 두 경우의 차이는 6.82 % 이내이다.
제안된 슬롯의 공진 길이는 주파수 9.41 GHz에서 0.257∼0.263λ0 범위에 있으며 종방향 슬롯의 공진 길이 약 0.5λ0에 비하면 상당히 짧다.
SLL=—20 dB를 갖는 4×1 슬롯 배열 안테나를 설계, 제작 후 실험을 통해 입력 반사 계수, 복사 패턴, 이득 등의 성능을 측정하였다. 측정된 결과들이 시뮬레이션으로 계산된 결과들과 잘 일치함을 확인하여 본 연구의 타당성을 검증하였다.
후속연구
주목해야 할 사항은 제안된 슬롯이 도파관 슬롯 배열에 사용될 때, 각 슬롯의 컨덕턴스에 해당되는 공진 길이는 큰 차이가 없으며, 이 제안된 슬롯들 간의 상호 결합은 종래의 종방향 슬롯들 간의 것보다 훨씬 적다는 것이다. 또한, 원하는 도파관 안테나 설계를 위해서 매개변수의 초기 값을 제공하고, 약간의 수정과 노력을 통하면 원하는 성능을 가지는 최적화 설계가 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
금속 도파관은 어떤 단점을 갖는가?
5λ0이며, 슬롯으로부터 복사 전력을 결정짓는 정규화된 공진 컨덕턴스는 도파관의 중심으로부터 슬롯의 이격 거리에 따라 증가된다. 기존에 많이 사용된 금속 도파관은 마이크로스트립 선로나 스트립 선로와는 달리 자유공간으로의 누설 복사에 의한 손실과 유전체 손실이 없으므로 손실이 매우 작으나 부피가 크고 무겁다는 단점이 있다. 최근에는 PCB 인쇄기술을 사용하여 비아홀로 도파관 협벽을 구성하여 가볍고 소형이며, 저비용의 기판 집적형 도파관(Substrate Intgrated Waveguide: SIW)을 적용한 사례들이 많이 보고되고 있다[7],[8].
이중 리지가 장하된 끝이 둥근 슬롯은 어떤 장점을 갖는가?
본 논문에서 도파관 슬롯 배열 안테나의 요소로서 이중 리지가 장하된 끝이 둥근 슬롯을 제안하고, 그 특성에 대해 연구하였다. 구형 도파관의 광벽에 위치한 제안된 슬롯은 종래의 종방향 슬롯에 비해서 보다 넓은 범위의 공진 컨덕턴스, 짧고 안정적인 공진 길이 등의 장점들을 가지고 있다. 제안된 구조의 슬롯은 배열 안테나로 설계시, 인접한 슬롯에 의한 특성 변화가 작아서 최적화에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있고, 작은 컨덕턴스 값을 구현할 수 있어서 대형 배열 안테나 설계에 유리하다.
종방향 슬롯은 어떤 특성을 갖는가?
도파관 슬롯 배열 안테나(Waveguide Slot-Arrray Antenna: WSAA)의 배열 요소인 도파관 슬롯에 관한 기존 연구들에서 많이 다루어진 것은 구형 도파관의 광벽에 위치한 종방향 슬롯(longitudinal slot)의 복사 특성이었다[1]～[6]. 종방향 슬롯은 다른 구조들에 비해 낮은 교차 편파, 넓은 범위의 공진 컨덕턴스와 같은 우수한 특성을 갖고 있기 때문이다. 일반적으로 종방향 슬롯의 공진 길이는 공진 주파수에서 약 0.
참고문헌 (11)
R. S. Elliot, L. A. Kurtz, "The design of small slot arrays", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 26, pp. 214-219, Mar. 1978.
G. J. Stern, R. S. Elliot, "Resonant length of longitudinal slots and validity of circuit representation: theory and experiment", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 33, pp. 1264-1271, Nov. 1985.
R. S. Elliot, W. R. O'Loughlin, "The design of slot arrays including internal mutual coupling", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 34, pp. 1149-1153, Sep. 1986.
D. Y. Kim, R. S. Elliot, "A design procedure for slot arrays fed by single-ridge waveguide", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 36, pp. 1531-1536, Nov. 1988.
M. Mondal, A. Chakrabarty, "Resonant length calculation and radiation pattern synthesis of longitudinal slot antenna in rectangular waveguide", Progress in Electromagnetic Research Letters, vol. 3, pp. 187- 195, 2008.
R. S. Elliott, Antenna Theory and Design, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1981.
L. Yan, W. Hong, G. Hua, J. Chen, K. Wu, and T. J. Cui, "Simulation and experiment on SIW slot array antennas", IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 14, no. 9, pp. 446-448, Sep. 2004.
A. Bakhtafrooz, A. Borji, D. Busuioc, and S. Safavi- Naeini, "Novel two-layer millimeter-wave slot array antennas based on substrated integrated waveguides", Progress in Electromagnetic Research, vol. 109, pp. 475-491, 2010.
J. E. Park, J. Yeo, J. I. Lee, J. W. Ko, and Y. K. Cho, "Resonant transmission of an electrically small aperture with ridge", J. of Electromagnetic Waves and Appl., vol. 23, pp. 1981-1990, Nov. 2009.
Y. Leviatan, P. G. Li, A. T. Adams, and J. Perini, "Single-post inductive obstacle in rectangular waveguide", IEEE Trans. Microwave Theory Tech, vol. 31, pp. 806-812, Oct. 1983.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.