본 연구는 파라볼릭 반사기의 체적을 줄일 수 있는 프린트 리플렉터어레이 안테나 설계에 대한 연구이다. 이를 위해 시뮬레이션과 제작된 도파관 시뮬레이터 측정을 통해 리플렉트어레이 안테나 단일소자의 위상변위 특성을 확인하였다. 그 결과, 10GHz에서 시뮬레이션시 최대 $298^{\circ}$의 위상 변위를 나타내었으며, 제작 측정시 $309^{\circ}$의 평균 위상변위 특성이 나타남을 확인하였다. 또한, 프린트 리플렉트어레이 안테나 이득은 28.3dBi, 3dB 빔폭은 E-plane $5.1^{\circ}$, H-plane $5.2^{\circ}$, 부엽은 E-plane -11.4dB, H-plane -17.6dB를 나타내었다.
본 연구는 파라볼릭 반사기의 체적을 줄일 수 있는 프린트 리플렉터어레이 안테나 설계에 대한 연구이다. 이를 위해 시뮬레이션과 제작된 도파관 시뮬레이터 측정을 통해 리플렉트어레이 안테나 단일소자의 위상변위 특성을 확인하였다. 그 결과, 10GHz에서 시뮬레이션시 최대 $298^{\circ}$의 위상 변위를 나타내었으며, 제작 측정시 $309^{\circ}$의 평균 위상변위 특성이 나타남을 확인하였다. 또한, 프린트 리플렉트어레이 안테나 이득은 28.3dBi, 3dB 빔폭은 E-plane $5.1^{\circ}$, H-plane $5.2^{\circ}$, 부엽은 E-plane -11.4dB, H-plane -17.6dB를 나타내었다.
In this study, we discuss about the printed reflectarray antenna design for parabolic reflector volume reduction. For this, we simulated and measured the phase characteristics of the unit array element of reflectarray antenna using waveguide simulator. As a results, the maximum phase variation is
In this study, we discuss about the printed reflectarray antenna design for parabolic reflector volume reduction. For this, we simulated and measured the phase characteristics of the unit array element of reflectarray antenna using waveguide simulator. As a results, the maximum phase variation is $298^{\circ}$ by simulation, the average phase variation is $309^{\circ}$ by measurement in 10GHz. And the printed Reflectarray antenna gain is 28.3dBi, 3dB beamwidth is E-plane $5.1^{\circ}$, H-plane $5.2^{\circ}$, sidelobe level is E-plane -11.4dB, H-plane -17.6dB.
In this study, we discuss about the printed reflectarray antenna design for parabolic reflector volume reduction. For this, we simulated and measured the phase characteristics of the unit array element of reflectarray antenna using waveguide simulator. As a results, the maximum phase variation is $298^{\circ}$ by simulation, the average phase variation is $309^{\circ}$ by measurement in 10GHz. And the printed Reflectarray antenna gain is 28.3dBi, 3dB beamwidth is E-plane $5.1^{\circ}$, H-plane $5.2^{\circ}$, sidelobe level is E-plane -11.4dB, H-plane -17.6dB.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 이러한 개발 추세에 맞추어 파라볼릭 안테나 반사기 보다 체적이 적은 안테나인 프린트 리플렉트어레이 안테나의 설계 기술에 대해 논하고자 한다.
본 연구는 파라볼릭 반사기의 체적을 줄일 수 있는 프린트 리플렉트어레이 안테나 설계에 대한 연구이다. 이를 위해 설계주파수 10GHz에서 표준형 도파관 WR-90 입력을 갖는 WGS를 활용하여 단위배열소자의 위상변위량 값을 도출하였다.
본 절에서는 프린트 리플렉터어레이 안테나의 핵심기술인 배열소자 설계에 대해 소개하고자 한다.
본 절에서는 프린트 리플렉트어레이 안테나에 대한 구조 및 설계 방법에 대해 설명하고자 한다.
제안 방법
그림 11은 단위배열소자 제작측정 환경이다. 12종의 샘플을 제작하였으며, 12 종의 샘플은 각각 8개씩 제작하여, 제작 측정 평균값으로 결과값을 정리 하였다.
그림 4의 단위배열소자를 활용하여 패치폭 변화에 따른 배열소자의 위상변화 특성을 확인해야 하는데, 본 연구에서는 이를 위해 도파관 시뮬레이터(이하 WGS로 명명)를 이용하였다. 이 WGS 의 입력단을 설계 주파수의 표준 도파관으로 설계하였다.
또한, 이를 이용하여, 반사면의 크기 330(11λ0)×330(11λ0) mm 리플렉트어레이 안테나 반사기를 설계하였다.
프린트 리플렉트어레이 안테나는 일반적인 파라볼릭 안테나와 동일한 설계 절차를 갖는다. 안테나 요구사항에 따라, 먼저 급전부를 설계(일반적으로 10dB Taper)하고, 다음으로 반사면을 통해 동 위상 평면파를 만들기 위한 반사기를 설계한다. 다만, 파라볼릭 반사면에서 요구되는 F/D 비율에 따른 파라볼릭 반사기 대신 평면 프린트 반사기에서의 목적하는 빔 방향에 조향하기 위해 위상 값 보상용 배열소자를 배치하면 된다.
그림 4의 단위배열소자를 활용하여 패치폭 변화에 따른 배열소자의 위상변화 특성을 확인해야 하는데, 본 연구에서는 이를 위해 도파관 시뮬레이터(이하 WGS로 명명)를 이용하였다. 이 WGS 의 입력단을 설계 주파수의 표준 도파관으로 설계하였다. 이는 변화 특성에 대한 범용적인 결과 값을 얻기 위함이다.
본 연구에서는 10GHz 대역의 안테나를 설계함을 목적으로 설정하였고, 이에 따라 설계 주파수를 포함하는 표준형 구형 도파관인 WR-90을 입력단으로 선정하였다. 이 도파관 입력단으로 부터 도파관내 전자기파를 여기시켜 단위배열소자에 인가하기 위해 원활한 전자기파가 인가되도록 WR-90 출력단을 확장하고 끝단에 단위배열 소자 마이크로스트립 패치를 위치시켰다.
본 연구는 파라볼릭 반사기의 체적을 줄일 수 있는 프린트 리플렉트어레이 안테나 설계에 대한 연구이다. 이를 위해 설계주파수 10GHz에서 표준형 도파관 WR-90 입력을 갖는 WGS를 활용하여 단위배열소자의 위상변위량 값을 도출하였다. 또한, 이를 이용하여, 반사면의 크기 330(11λ0)×330(11λ0) mm 리플렉트어레이 안테나 반사기를 설계하였다.
대상 데이터
그림 9에서 적용된 단위배열소자의 마이크로스트립 기판은 비유전율 2.94, 두께 0.508mm Epoxi (RT Duroid 6202)기판으로 하였으며, 패치소자의 크기 pb는 8.5mm로 고정, pa는 1~12mm 까지 가변하면서 그 때의 위상값을 변수 변화로 확인 하였다. pb는 설계주파수 변수로써 잘 알려진 마이크로스트립 안테나의 설계수식에 따라 유효 비유전율 및 기판 높이를 고려한 수식을 이용하여 구할 수 있었다.
또한, 급전혼은 10.7 dBi 이득의 10dB 빔폭이 ±55°(E/H 동일)인 안테나를 사용하였다.
반사기는 모두 484(22×22)개의 소자로 구성되었으며, 급전혼은 이득 10.7 dBi, 10dB 빔폭 ±55°(E/H 동일)인 안테나를 사용하였다.
본 연구에서는 10GHz 대역의 안테나를 설계함을 목적으로 설정하였고, 이에 따라 설계 주파수를 포함하는 표준형 구형 도파관인 WR-90을 입력단으로 선정하였다. 이 도파관 입력단으로 부터 도파관내 전자기파를 여기시켜 단위배열소자에 인가하기 위해 원활한 전자기파가 인가되도록 WR-90 출력단을 확장하고 끝단에 단위배열 소자 마이크로스트립 패치를 위치시켰다.
성능/효과
(a)의 10GHz와 같이 샘플의위상변위는 최대값으로 폭 1mm에서 9mm 사이에서 309°의 위상변위가 가능함을 확인 할 수 있어, 시뮬레이션 값과 거의 동등함을 확인 할 수 있었다.
그 결과, 그림 10에서 보듯이 설계 주파수 10GHz에서 1~9mm 소자 사이에서 298°의 최대 위상 변위가 가능함을 확인 하였다.
그림 5는 CST사의 MWS를 활용하여, WGS의 전자기 특성에 대한 시뮬레이션 결과로 도파관내 전계를 보여주며, 인가된 전자기파가 주기적 형태로 잘 분포됨을 알 수 있어, 확장 개구면까지 원활히 전자기파가 전달됨을 알 수 있었다. 그림 6은 설계주파수인 10GHz에서 S11이 -19.
단위 배열 소자의 위상 변위 결과를 활용하여, 프린트 리플렉트어레이 안테나를 설계하였으며, 시뮬레이션 결과, 이득 28.3dBi, 3dB 빔폭 E-plane 5.1°, H-plane 5.2°, 부엽 E-plane -11.4dB, H-plane -17.6dB를 나타내었다.
시뮬레이션 결과, 프린트 리플렉트어레이 안테나는 이득 28.3dBi, 3dB 빔폭 E-plane 5.1°, H-plane 5.2°, 부엽 E-plane -11.4dB, H-plane -17.6dB를 나타내었다.
시뮬레이션 결과를 바탕으로 그림 7과 같이 WGS를 제작하였으며, 제작 결과, 그림 8과 같이 제작된 WGS S11은 -17.3dB로 시뮬레이션과 동일한 특성을 나타냄을 확인 할 수 있었다.[6][7]
후속연구
6dB를 나타내었다. 향후, 본 설계 방법을 이용하면, 다른 대역의 프린트 리플렉트어레이 안테나의 반사기 설계에 충분히 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Inflatable 안테나의 설계 기초 개념는 어디서 시작되는가?
미래 행성 탐사용 고이득 통신용 안테나, 우주에너지 전력 무선전송용 우주급 대형 안테나로 개발되고 있는 Inflatable 안테나의 설계 기초 개념은 파라볼릭 안테나와 이를 경량화 및 개선한 리플렉트어레이 안테나로부터 시작된다. 1960년대 리플렉트어레이가 처음 소개된 때에는 파라볼릭 안테나의 반사면을 평면으로 구성하고 구형 도파관의 깊이 변화를 이용한 도파관 위상 변위반사판 배열 안테나 이었으나, 1980-90년대에는 마이크로스트립 안테나 기술의 발달로 리플렉트어레이 안테나의 반사면이 평면이면서, 경량 안테나로 개발되었고, 이는 파라볼릭 안테나의 반사기의 체적을 줄이는 방법에 활용되기도 하였다.
프린트 리플렉트어레이 안테나의 구성은?
프린트 리플렉트어레이 안테나는 일반적으로 잘 알려진 파라볼릭 안테나의 구성요소와 동일하게 급전부(feeder)와 반사기(reflector)로 구성되어 있는데, 파라볼릭과 다른 점은 반사기가 평면형이며, 반사면에는 위상 조정을 위한 배열소자 (array element)가 배치되어 있다는 점이다. 이러한 구조는 일반적으로 곡면형태의 반사면인 파라 볼릭 안테나를 위성이나 발사체에 장착하여 발사하는 것보다는 평면형으로 된 형태의 안테나를 우주에서 전개하여 사용하는 것이 보다 체적을 줄일 수 있어 보다 비용 효율적인 방법으로 각광받고 있다.
프린트 리플렉트어레이 안테나가 파라볼릭과 다른점을 통해 가지는 이점은?
프린트 리플렉트어레이 안테나는 일반적으로 잘 알려진 파라볼릭 안테나의 구성요소와 동일하게 급전부(feeder)와 반사기(reflector)로 구성되어 있는데, 파라볼릭과 다른 점은 반사기가 평면형이며, 반사면에는 위상 조정을 위한 배열소자 (array element)가 배치되어 있다는 점이다. 이러한 구조는 일반적으로 곡면형태의 반사면인 파라 볼릭 안테나를 위성이나 발사체에 장착하여 발사하는 것보다는 평면형으로 된 형태의 안테나를 우주에서 전개하여 사용하는 것이 보다 체적을 줄일 수 있어 보다 비용 효율적인 방법으로 각광받고 있다.
참고문헌 (7)
Pozar, D. M., S. D. Targonski, and H. D. Syrigos, "Design of Millimeter Wave Microstrip Reflectarrays," IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 45, No. 2, 287-296, Feb. 1997.
John Huang, Jose A. Encinar, Reflectarray Antennas, IEEE Antennas and Propagation Society, 2008
Jason Stockmann, Richard Hodges, "The Use of Waveguide Simulators to Measure the Resonant Frequency of Ku-band Microstrip Arrays", APSIS 2005 IEEE, July 2005, pp. 417-420
K. H. Sayidmarie, "Phasing of a Microstrip Reflectarray Using Multi-Dimensional Scaling of its Elements", Progress In Electromagnetics Research B, Vol. 2, 125-136, 2008
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