[논문]Ka대역 위성통신용 타원형 이중옵셋 그레고리안 안테나 설계

김춘원; 정치현; 김건우; 이성재

doi:10.9766/kimst.2013.16.6.811

문제 정의

계산 결과, 안테나 높이가 증가함에 따라 토크량이 상승함을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 주반사판의 높이를 최소화하도록 하였다. 그러나, 주반사판 높이가 낮아질수록 너비는 넓어져 안테나 보관성의 문제가 생긴다.
이는 풍압에 의한 토크를 증가 시켜 안테나, 지지구조물, 모터 등 주요 구성품의 무게 증가와 소모 전력 증대를 야기한다. 따라서 본 논문에서는 풍압 및 운용성에 유리하도록 타원형의 주반사판 형상을 채택하여 안테나 구동 토크를 최소화하고 기계적 안정성을 높이고자 한다. 또한 이중 옵셋 그레고리안 구조를 기본으로 안테나는 크기, 높이, 길이를 최소화하여 부피를 줄이고, 고효율 및 국제전기통신연합(International Telecommunication Union ; 이하 ITU)의 규정을 만족하는 Ka대역 위성 지구국 고정형 안테나로 운용할 수 있도록 설계하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 풍압 및 운용성에 유리하도록 타원형의 주반사판 형상을 채택하여 안테나 구동 토크를 최소화하고 기계적 안정성을 높이고자 한다. 또한 이중 옵셋 그레고리안 구조를 기본으로 안테나는 크기, 높이, 길이를 최소화하여 부피를 줄이고, 고효율 및 국제전기통신연합(International Telecommunication Union ; 이하 ITU)의 규정을 만족하는 Ka대역 위성 지구국 고정형 안테나로 운용할 수 있도록 설계하고자 한다.
본 논문에서는 Ka대역 위성의 지구국 고정형 안테나로 사용 가능한 타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나의 기본 형상을 설계하고 전기적 성능을 해석하였다. 먼저, 풍압 및 운용성에 유리하도록 타원형의 주반사판 형상을 채택하여 전체적인 안테나의 높이를 낮춰 기계적 안정성을 높인 기본구조로 선정하였다.

제안 방법

제작된 안테나는 주반사판의 회전 중심축에 부반사판과 급전혼을 고정할 수 있는 지지대가 연결된 구조로 제작되었다. 또한 안테나의 제작 공차에 의한 손실을 보상하기 위하여 부반사판과 급전혼이 이동 가능한 구조로 적용되었다.
본 논문에서는 Ka대역 위성의 지구국 고정형 안테나로 사용 가능한 타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나의 기본 형상을 설계하고 전기적 성능을 해석하였다. 먼저, 풍압 및 운용성에 유리하도록 타원형의 주반사판 형상을 채택하여 전체적인 안테나의 높이를 낮춰 기계적 안정성을 높인 기본구조로 선정하였다. 안테나 요구이득을 만족하도록 주반사판의 크기 및 기본형상을 결정짓는 기본 파라미터를 계산하여 안테나 기본구조를 선정 후 원형대칭의 저부엽을 가지며 ITU-R S.
예측된 전계분포로부터 방사패턴을 계산하였고 안테나 이득, 부엽등 안테나 주요 성능을 만족하도록 반사판 좌표를 수정하여 주/부반사판을 형상 설계하였다. 반사면 수정을 통해 설계된 안테나 최종형상은 FEKO의 MLFMM 해석 기법을 이용하여 방사패턴을 해석하고 이득, 빔폭, 부엽 등 주요 특성 확인 후 안테나를 제작 측정하였다. 측정 결과 타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나는 송신 이득 45.
본 논문에서는 ray-tracing 기법을 사용하여 초점 O에서의 개구면 분포를 구하고 식 (5)를 사용하여 예상 방사패턴을 확인하는 방식의 과정을 주반사판의 포물면 곡선과 부반사판의 타원 곡선의 좌표를 수정하고 다시 위 과정을 반복하여 Fig. 8과 같이 주/부 반사판의 좌표와 Fig. 9의 전계분포를 얻었다. 시뮬레이션 전계분포는 개구면 중심에서 모서리까지는 일정한 전계 세기를 유지하다 모서리부에서 테이퍼를 감소시킴으로써 개구면 효율은 증대시키고 Edge taper 손실은 감소 시킴으로써 이득은 최대로 높이고, 부엽은 최소로 낮추도록 하였다.
주반사판의 크기가 정해지고나면 안테나의 타원형이중옵셋 그레고리안 안테나의 기구적 형상을 설계를 해야 한다. 본 논문에서는 안테나의 길이는 약 0.6m 이하가 되도록 주반사판의 초점과 주반사판 직경의 비(FD ratio)를 0.7로 하였다. 부반사판의 크기는 약 0.
고정 위성 지구국 고정형 안테나의 가장 중요한 전기적 사양은 이득, 빔폭, 사이드로브레벨, 교차편파레벨, 축비 등이다. 본 논문에서는 위성과의 통신을 위한 지구국 고정형 안테나의 목표 성능은 송신이득 44.4dBi, 수신이득 41dBi로 하였고, 사이드로브레벨은 ITU에서 고정 위성 업무에 대해 권고하는 ITU-R S. 580-6을 만족하도록 설계하였다.
부반사판의 크기는 약 0.2m가 되도록 하고, 여기에 조사되는 급전혼의 반치각은 2.2절의 급전혼 설계 결과를 참고하여 26.5°가 되도록 설계 기준을 정하였다.
설계가 완료된 안테나의 정확성 검증을 위하여 Fig. 12와 같이 제작하여, Compact Range 챔버에서 측정하였다. 제작된 안테나는 주반사판의 회전 중심축에 부반사판과 급전혼을 고정할 수 있는 지지대가 연결된 구조로 제작되었다.
안테나 기본 구조 설계 후에는 반사판 안테나의 전체 성능을 결정하는 급전혼을 설계하였다. 설계된 급전혼을 이용하여 타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나 개구면에서의 개구분포와 방사패턴을 계산하여 반사면 최적 구조를 형상 설계하였다. 안테나 형상 및 반사면이 설계된 후에는 급전혼, 주반사판, 부반사판을 모두 결합하여 EM시뮬레이터인 FEKO의 MLFMM(Multilevel Fast Multipole Method)기법을 사용하여 전기적 성능을 계산하고 요구조건 만족 여부를 확인하였다.
580-6을 만족할 수 있는 급전혼을 설계하였다. 설계된 급전혼의 패턴으로부터 부반사판-주반사판-대기중으로 이어지는 전파의 전달 경로 분석을 통하여 안테나 개구면 전계분포를 예측하였다. 예측된 전계분포로부터 방사패턴을 계산하였고 안테나 이득, 부엽등 안테나 주요 성능을 만족하도록 반사판 좌표를 수정하여 주/부반사판을 형상 설계하였다.
9의 전계분포를 얻었다. 시뮬레이션 전계분포는 개구면 중심에서 모서리까지는 일정한 전계 세기를 유지하다 모서리부에서 테이퍼를 감소시킴으로써 개구면 효율은 증대시키고 Edge taper 손실은 감소 시킴으로써 이득은 최대로 높이고, 부엽은 최소로 낮추도록 하였다.
타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나는 목표 이득에 맞춰 크기를 선정 후 토크를 최소화하고 전파 경로에 구조물에 의한 차폐를 없앤 기본 형상을 설계하였다. 안테나 기본 구조 설계 후에는 반사판 안테나의 전체 성능을 결정하는 급전혼을 설계하였다. 설계된 급전혼을 이용하여 타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나 개구면에서의 개구분포와 방사패턴을 계산하여 반사면 최적 구조를 형상 설계하였다.
먼저, 풍압 및 운용성에 유리하도록 타원형의 주반사판 형상을 채택하여 전체적인 안테나의 높이를 낮춰 기계적 안정성을 높인 기본구조로 선정하였다. 안테나 요구이득을 만족하도록 주반사판의 크기 및 기본형상을 결정짓는 기본 파라미터를 계산하여 안테나 기본구조를 선정 후 원형대칭의 저부엽을 가지며 ITU-R S. 580-6을 만족할 수 있는 급전혼을 설계하였다. 설계된 급전혼의 패턴으로부터 부반사판-주반사판-대기중으로 이어지는 전파의 전달 경로 분석을 통하여 안테나 개구면 전계분포를 예측하였다.
설계된 급전혼을 이용하여 타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나 개구면에서의 개구분포와 방사패턴을 계산하여 반사면 최적 구조를 형상 설계하였다. 안테나 형상 및 반사면이 설계된 후에는 급전혼, 주반사판, 부반사판을 모두 결합하여 EM시뮬레이터인 FEKO의 MLFMM(Multilevel Fast Multipole Method)기법을 사용하여 전기적 성능을 계산하고 요구조건 만족 여부를 확인하였다.
580-6 envelope의 90% 이상을 만족하도록 개구면 분포를 선정하였다^[7]. 여기서 D는 반사판 안테나의 유효면적 직경으로 본 논문에서는 개구면 유효면적인 750mm를 적용하였다.
설계된 급전혼의 패턴으로부터 부반사판-주반사판-대기중으로 이어지는 전파의 전달 경로 분석을 통하여 안테나 개구면 전계분포를 예측하였다. 예측된 전계분포로부터 방사패턴을 계산하였고 안테나 이득, 부엽등 안테나 주요 성능을 만족하도록 반사판 좌표를 수정하여 주/부반사판을 형상 설계하였다. 반사면 수정을 통해 설계된 안테나 최종형상은 FEKO의 MLFMM 해석 기법을 이용하여 방사패턴을 해석하고 이득, 빔폭, 부엽 등 주요 특성 확인 후 안테나를 제작 측정하였다.
이상으로 Ka대역 위성통신용 지구국 고정형 안테나로 사용 가능한 이중 옵셋 그레고리안 안테나를 설계, 제작 측정하였다. 설계된 안테나는 위성 안테나로 사용 가능한 높은 이득과 ITU-R 규격을 만족하는 낮은 부엽 특성을 가진다.
타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나는 목표 이득에 맞춰 크기를 선정 후 토크를 최소화하고 전파 경로에 구조물에 의한 차폐를 없앤 기본 형상을 설계하였다. 안테나 기본 구조 설계 후에는 반사판 안테나의 전체 성능을 결정하는 급전혼을 설계하였다.

대상 데이터

10과 같이 방사패턴을 계산하였다. 이때 이득은 Ka대역 50% 효율을 기준으로 송신이득을 44.4dBi로 놓고 plot하였고, 사이드로브레벨은 정지위성 지구국의 안테나 요구 규격인 ITU-R S. 580-6 envelope의 90% 이상을 만족하도록 개구면 분포를 선정하였다^[7]. 여기서 D는 반사판 안테나의 유효면적 직경으로 본 논문에서는 개구면 유효면적인 750mm를 적용하였다.
12와 같이 제작하여, Compact Range 챔버에서 측정하였다. 제작된 안테나는 주반사판의 회전 중심축에 부반사판과 급전혼을 고정할 수 있는 지지대가 연결된 구조로 제작되었다. 또한 안테나의 제작 공차에 의한 손실을 보상하기 위하여 부반사판과 급전혼이 이동 가능한 구조로 적용되었다.

이론/모형

안테나 기본 형상을 앞서 기술한 ray-tracing 기법을 이용하여 안테나 주/부반사판의 곡면좌표를 획득한 후 Fig. 11과 같이 모델링하여 EM시뮬레이터인 FEKO의 MLFMM기법을 이용하여 해석하였다.
타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나의 급전혼은 높은 이득과 낮은 부엽 레벨과 교차편파 특성을 갖는 코러게이트 혼(corrugated horn)을 참고문헌^[5,6]의 설계 방법과 CST사의 MICROWAVE STUDIO^TM를 사용하여 설계하였다.

성능/효과

1m를 추가하여 계산하였다. 계산 결과, 안테나 높이가 증가함에 따라 토크량이 상승함을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 주반사판의 높이를 최소화하도록 하였다.
Table 1은 FEKO를 사용하여 해석된 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 시뮬레이션결과 설계된 안테나는 Fig. 13, 14의 시뮬레이션 결과와 같이 송신 이득 46.0dBi (@30.0GHz), 수신 이득 43.1dBi(@20.2GHz)로 70% 이상의 높은 효율을 가지며 낮은 정재파 특성과 ITU-R S. 580-6의 envelope 요구 규격을 송신 98.6%, 수신 97.7%를 만족하여 ITU-R 규격을 준수한다. 수신대역의 3dB 빔폭은 수평방향 1.
3은 풍속에 따른 안테나 고각 방향에 대한 토크량을 계산한 결과이다. 안테나 토크량은 속도의 제곱배로 증가하기 때문에 본 논문에서 제시한 타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나 형상이 원형구조를 갖는 일반적인 안테나 보다 높은 풍속에서 훨씬 유리한 구조임을 알 수 있다.
반사면 수정을 통해 설계된 안테나 최종형상은 FEKO의 MLFMM 해석 기법을 이용하여 방사패턴을 해석하고 이득, 빔폭, 부엽 등 주요 특성 확인 후 안테나를 제작 측정하였다. 측정 결과 타원형 이중 옵셋 그레고리안 안테나는 송신 이득 45.0dBi(@30.0GHz), 수신 이득 41.7dBi(@20.7GHz)으로 약 58%의 높은 효율 가진다. 안테나 방사패턴은 ITU-R S.
측정결과는 시뮬레이션 결과와 비교하여 구성품 제작공차에 의한 손실, 초점오류, 안테나 offset축 틀어짐 등에 의하여 1.0dB의 이득 차이를 보이며 ±30°범위 이내의 방사패턴은 시뮬레이션 결과와 유사하나 나머지 부분에서 전체적으로 부엽이 상승하며 특히 고각 100° 부근에서 10dB이상 크게 상승하는 결과를 보인다.

후속연구

설계된 안테나는 위성 안테나로 사용 가능한 높은 이득과 ITU-R 규격을 만족하는 낮은 부엽 특성을 가진다. 또한 급전혼 뒷 단에 우수한 성능의 축비를 갖는 편파기와 송수신 격리도가 높은 직교모드변환기를 장착할 경우 송신, 수신대역에서 좌현 또는 우현편파를 각각 다르게 선택하여 위성안테나로 사용 될 수 있을 것으로 사료된다.
25%를 만족하여 요구 규격을 준수한다. 이러한 오차는 반사면에 대한 표면 오차 보정과 안테나 축에 대한 보정, 보다 정밀한 급전혼 가공공차관리 등의 정밀 가공법을 통해 오차 성능을 보완 할 수 있을 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반사판 안테나는 어떤 목적으로 발전되었는가?	반사판 안테나는 전파천문학, 위성통신, 초고주파통신 등이 발전하면서 안테나의 이득을 높이기 위한 목적으로 다양하게 발전하였다. 초창기 반사판 안테나는 파라볼라, 카세그레인, 그레고리안 안테나와 같이 반사판 시스템의 중심에 급전혼이 놓이게 되는 형상으로 급전혼, 부반사판의 차폐에 의한 효율·이득 감소와 반사판에서 회귀되어오는 전파에 의한 전파손실 및 정재파 특성 열화를 막지 못하였다.
	초창기 반사판 안테나의 문제점은?	반사판 안테나는 전파천문학, 위성통신, 초고주파통신 등이 발전하면서 안테나의 이득을 높이기 위한 목적으로 다양하게 발전하였다. 초창기 반사판 안테나는 파라볼라, 카세그레인, 그레고리안 안테나와 같이 반사판 시스템의 중심에 급전혼이 놓이게 되는 형상으로 급전혼, 부반사판의 차폐에 의한 효율·이득 감소와 반사판에서 회귀되어오는 전파에 의한 전파손실 및 정재파 특성 열화를 막지 못하였다. 위와 같이 급전혼이 반사판 중심에 위치하여 발생되는 안테나 특성 열화를 개선하기 위해 안테나 이득 및 사이드로브 특성, 교차편파 특성 등이 우수한 옵셋 안테나가 최근 들어 위성통신 안테나로 널리 사용되고 있다[1].
	옵셋 안테나의 비대칭 적인 무게 중심 특성이 무엇을 야기하는가?	그러나 일반적인 옵셋 안테나의 경우 비대칭 적인 무게 중심 특성으로 인해 자동 접이식 안테나의 경우 고각 방향에 대한 모터 토크의 부담이 크다. 이는 풍압에 의한 토크를 증가 시켜 안테나, 지지구조물, 모터등 주요 구성품의 무게 증가와 소모 전력 증대를 야기한다. 따라서 본 논문에서는 풍압 및 운용성에 유리하도록 타원형의 주반사판 형상을 채택하여 안테나 구동 토크를 최소화하고 기계적 안정성을 높이고자 한다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

Ka대역 위성통신용 타원형 이중옵셋 그레고리안 안테나 설계
The Design of Elliptical Dual Offset Gregorian Antenna for Satellite Communication on Ka-band 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

Ka대역 위성통신용 타원형 이중옵셋 그레고리안 안테나 설계 The Design of Elliptical Dual Offset Gregorian Antenna for Satellite Communication on Ka-band 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이성재 (8)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

Ka대역 위성통신용 타원형 이중옵셋 그레고리안 안테나 설계
The Design of Elliptical Dual Offset Gregorian Antenna for Satellite Communication on Ka-band 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper