[논문]Ray-tracing 기법을 이용한 축변위 그레고리안 안테나 설계

김춘원

doi:10.5139/jksas.2014.42.6.515

Ray-tracing 기법을 이용한 축변위 그레고리안 안테나 설계
The Axial-displaced gregorian antenna design using Ray-tracing Method 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.6, 2014년, pp.515 - 521

김춘원 (SAMSUNG THALES Co.)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 Ray-tracing 기법을 이용하여 그레고리안 안테나의 부반사판을 축변환 후 회전하여 급전혼으로 회귀되는 전파를 없애 이득 및 정재파비를 개선 시키고 부반사판의 크기와 전체적인 부피를 줄여 효율적인 구조를 갖는 축변위그레고리안 안테나를 설계하였다. 설계된 급전혼의 방사패턴을 이용하여 급전혼-부반사판-주반사판으로 전달되는 전파의 경로를 추적하여 주반사판 개구면에서의 전계분포를 구하고 이로부터 원거리 복사패턴을 계산하는 프로그램을 작성하여 안테나 성능을 최적화 하였다. 설계된 안테나는 CST와 제작 측정을 통해 계산결과와 비교하여 이득, 빔폭, 방사패턴, 부엽준위, 반사손실이 계산 결과와 매우 유사함을 확인함으로써 Ray-tracing기법에 대한 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we designed axis-displaced Gregorian antenna by using Ray-tracing method. This antenna improves gain, VSWR by rotating the axis of the sub-reflector to get rid of E-field wave returned from sub-reflector to feed horn. Therefore it reduce the sub-reflector size and the volume of antenna. This method is used to track the propagation path for radiation pattern of feed horn from feed horn to sub-reflector, main-reflector and air. We get E-field distribution of this antenna aperture and calculate antenna radiation pattern and optimize the antenna performance. The Ray-tracing Method was verified because the gain, radiation patterns, side lobe level, beam width and return loss of the designed antenna are very similar to CST simulation result and a measured result of the fabricated antenna.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

특히, 안테나 초기 설계 시 주/부반사판의 크기 및 곡률, Edge Taper 각도, 급전혼의 크기 및 성능을 변경하며 이에 대한 성능 변화와 영향성을 파악해야 하기 때문에 이를 모두 EM시뮬레이터를 이용한다면 너무 많은 시간을 필요로 한다. 따라서 본 논문에서는 축변위 그레고리안 안테나의 빠른 해석을 위하여 Ray-tracing기법을 이용하여 안테나 기본 성능인 이득, 방사패턴과 빔폭, 부엽 준위를 예측하는 프로그램을 작성하고자 한다.
Ray-tracing 기법은 전파의 경계 면에서의 반사 및 굴절 특성을 이용하여 전파의 진행 경로를 추적하는 방법이다. 본 논문에서는 급전혼에서 부반사판과 주반사판으로 전달되어지는 전파의 경로를 추적하여 급전혼의 방사패턴으로부터 주반사판 개구면 전계분포를 얻으려 한다. Fig.

제안 방법

Ray-tracing기법에 의해 계산된 안테나의 빔폭, 방사패턴, 부엽비는 EM시뮬레이터인 CST 해석결과와 안테나 제작·측정을 통하여 얻어진 결과와 비교하여 그 정확성과 타당성을 검증하였다.
그리고 부반사 판의 크기와 급전혼 Edge Taper각도와 테이퍼 레벨은 2.2에서 설명한 방법으로 최적화를 거쳐 부반사판의 크기는 68mm로 하고 급전혼의 Edge Taper각도 θf는 45°이며 -10dB의 Taper값을 갖도록 선정하였다.
제작된 안테나는 주반사판의 중심축에 급전혼을 결합 할 수 있는 구조로 제작되었고, 부반사판은 주반사판에 모서리에 지지대를 세워 조립할 수 있는 타입으로 제작되었다. 또한 안테나의 제작 공차에 의한 손실을 보상하기 위하여 부반사 판과 급전혼이 이동 가능한 구조로 적용되었다. Fig.
1과 같은 방법으로 작성하고자 한다. 먼저 EM시뮬레이터를 이용하여 급전혼을 설계 후 방사패턴을 계산한다. 얻어진 급전혼의 패턴을 이용하여 급전혼에서 부반사판, 주반사판으로 전달되어지는 전파의 이동경로를 Ray-tracing 기법으로 예측하고 이에 따른 신호 감쇄를 계산하면 급전혼의 방사패턴으로부터 주반사판 개구면에서의 전계분포를 구할 수 있다.
설계가 완료된 안테나의 정확성 검증을 위하여 Fig. 7과 같이 제작하여, Near Field 챔버에서 측정하였다.
이렇게 초기 설계가 완료된 안테나는 CST를 이용하여 Fig. 5과 같이 모델링 후 더욱 정확한 설계 해석을 하였다. 그 결과 Fig.
이상으로 Ray-tracing기법에 의해 계산한 안테나 해석결과와 시뮬레이션, 측정값을 비교하여 안테나 주요 성능인 이득, 빔폭, 부엽비, 반사계수 특성을 비교하였다. 결과적으로 제작상의 공차의 해석상의 오차로 약간의 값 차이는 발생하나 그 값이 크지 않아 본 논문에서 제시한 Ray-tracing에 의한 안테나 성능 예측이 상당히 타당하며 유용하다는 것을 알 수 있다.

대상 데이터

제작된 안테나는 주반사판의 중심축에 급전혼을 결합 할 수 있는 구조로 제작되었고, 부반사판은 주반사판에 모서리에 지지대를 세워 조립할 수 있는 타입으로 제작되었다.
주반사판의 크기는 11.75GHz에서 31dBi의 이득을 만족시키기 위해 식 (1)을 이용하여 400mm 로 선정하였고 초점거리는 장착공간의 한정성으로 인해 120mm의 길이로 하였다. 그리고 부반사 판의 크기와 급전혼 Edge Taper각도와 테이퍼 레벨은 2.

이론/모형

본 논문에서는 타원형 구조를 갖는 부반사판을 회전시켜 급전혼으로 회귀되는 전파를 없애고 부반사판의 크기와 안테나 전체의 크기를 줄인 축변위 그레고리안 안테나를 Ray-tracing기법을 이용하여 설계하였다. EM시뮬레이터를 이용하여 설계된 급전혼의 방사패턴을 이용하여 급전혼에 서 부반사판, 주반사판으로 전달되어 지는 전파 의 경로를 Ray-tracing기법으로 예측하고 이에 따른 신호 감쇄를 계산하여 주반사판 개구면에서의 전계분포를 구하였다. 계산된 개구분포는 피적분 함수로 대체하여 전체 안테나의 방사 패턴을 구하였으며 반사손실은 급전혼으로 회귀되어 오는 축변위 그레고리안 안테나의 굴절 특성으로 인하여 급전혼의 반사손실록부터 쉽게 예측 할 수 있었다.
1에서 설명한 바와 같이 설계된 급전혼의 방사패턴으로부터 더욱 큰 구조를 가지는 축변위그레고리안 안테나의 성능을 예측 할 수 있게 된다. 먼저 Fig. 4의 구조와 복사패턴을 가지는 급전혼을 CST를 사용하여 설계 후 2.2에서 설명한 Ray-tracing기법에 의해 축변위그레고리안 안테나 개구분포를 계산하 였다. Fig.
본 논문에서는 타원형 구조를 갖는 부반사판을 회전시켜 급전혼으로 회귀되는 전파를 없애고 부반사판의 크기와 안테나 전체의 크기를 줄인 축변위 그레고리안 안테나를 Ray-tracing기법을 이용하여 설계하였다.

성능/효과

이상으로 Ray-tracing기법에 의해 계산한 안테나 해석결과와 시뮬레이션, 측정값을 비교하여 안테나 주요 성능인 이득, 빔폭, 부엽비, 반사계수 특성을 비교하였다. 결과적으로 제작상의 공차의 해석상의 오차로 약간의 값 차이는 발생하나 그 값이 크지 않아 본 논문에서 제시한 Ray-tracing에 의한 안테나 성능 예측이 상당히 타당하며 유용하다는 것을 알 수 있다.
EM시뮬레이터를 이용하여 설계된 급전혼의 방사패턴을 이용하여 급전혼에 서 부반사판, 주반사판으로 전달되어 지는 전파 의 경로를 Ray-tracing기법으로 예측하고 이에 따른 신호 감쇄를 계산하여 주반사판 개구면에서의 전계분포를 구하였다. 계산된 개구분포는 피적분 함수로 대체하여 전체 안테나의 방사 패턴을 구하였으며 반사손실은 급전혼으로 회귀되어 오는 축변위 그레고리안 안테나의 굴절 특성으로 인하여 급전혼의 반사손실록부터 쉽게 예측 할 수 있었다. Ray-tracing기법에 의해 계산된 안테나의 빔폭, 방사패턴, 부엽비는 EM시뮬레이터인 CST 해석결과와 안테나 제작·측정을 통하여 얻어진 결과와 비교하여 그 정확성과 타당성을 검증하였다.
Ray-tracing기법에 의해 계산된 안테나의 빔폭, 방사패턴, 부엽비는 EM시뮬레이터인 CST 해석결과와 안테나 제작·측정을 통하여 얻어진 결과와 비교하여 그 정확성과 타당성을 검증하였다. 그 결과 안테나 방사패턴 해석결과는 계산결과와 주빔에서는 매우 유사한 분포를 가지며 1차 부엽비와 빔폭까지도 상당히 일치함을 알 수 있었다. 또한, 축변위 그레고리안 안테나의 동작대역 측정 반사손실 값은 회귀전파를 없애는 기하학적 굴절 특성으로 급전혼의 반사손실 값과 유사한 값과 분포도를 가져 본 논문에서 제시한 Ray-tracing에 의한 안테나 성능 예측이 상당히 타당하며 유용하다는 것을 알 수 있었다.
그 결과 안테나 방사패턴 해석결과는 계산결과와 주빔에서는 매우 유사한 분포를 가지며 1차 부엽비와 빔폭까지도 상당히 일치함을 알 수 있었다. 또한, 축변위 그레고리안 안테나의 동작대역 측정 반사손실 값은 회귀전파를 없애는 기하학적 굴절 특성으로 급전혼의 반사손실 값과 유사한 값과 분포도를 가져 본 논문에서 제시한 Ray-tracing에 의한 안테나 성능 예측이 상당히 타당하며 유용하다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

따라서 본 논문에서 제시한 계산 방법을 이용한다면 축변위그레고리안 안테나의 형상 설계 후 FEKO, CST, HFSS 등을 이용하여 수십 시간에 걸쳐 다양한 파라미터를 바꾸면서 특성을 파악해야하는 초기 설계에 매우 빠르고 유용하게 사용 될 수 있을 것이다.
따라서, 급전혼-부반사판-주반사판-개구면으로 이어지는 전파 진행 길이를 전부 더하면 전기적 파장 길이를 구하고 이에 의한 신호 감쇄를 계산 하면 최초 급전혼에서 방사된 전파신호를 기준으로 주반사판의 개구면에서 변환된 전계분포를 구할 수 있을 것이다. Ray-tracing방법에 의해 θ_i의 값을 0도에서 θ_f 까지 변경해 가며 이에 따른 y_m값을 구한다면 개구면 직경 x=0에서 D_m/2까지의 단면 전계분포를 Fig.
2에서 설명한 방법으로 최적화를 거쳐 부반사판의 크기는 68mm로 하고 급전혼의 Edge Taper각도 θ_f는 45°이며 -10dB의 Taper값을 갖도록 선정하였다. 설계된 모델링 형상은 CST 해석 결과와 비교를 통해 Ray-tracing 기법에 대한 정확성 및 신뢰성 검증에 활용할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반사경 안테나의 목적은?	오늘날 반사경 안테나는 전파천문학, 위성통신, 초고주파통신, 데이터링크 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 반사판으로 회귀되어오는 전파에 의한 전파손실 및 정재파 특성 열화를 막지 못하였다.
	초창기 반사판 안테나의 문제점은?	오늘날 반사경 안테나는 전파천문학, 위성통신, 초고주파통신, 데이터링크 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 반사판으로 회귀되어오는 전파에 의한 전파손실 및 정재파 특성 열화를 막지 못하였다. 위와 같은 구조를 갖는 안테나의 단점을 개선하기 위하여 축변위 그레고리안 안테나가 개발되었다 [1].
	축변위 그레고리안 안테나의 장점은?	축변위 그레고리안 안테나는 타원형 구조를 갖는 부반사판의 제 1초점을 기준으로 회전시켜 주반사판으로 향하는 전파가 급전혼으로 되돌아오지 않도록 하여 안테나의 효율·이득과 정재파 특성을 크게 개선한 반사판형 안테나이다. 또한 그 구조적 특성으로 인하여 부반사판의 크기를 작게 할 수 있으며 급전혼과 부반사판 간 거리를 감소시켜 부피와 체적을 더욱 감소 시킬 수 있는 장점을 가진다. 하지만 이러한 특이한 기하학적 구조로 인하여 SABOR, GRASP 등의 반사판 설계 해석 프로그램으로는 설계 안테나의 직관적 성능 예측이 어렵다.

참고문헌 (5)

Jae-Hung Han, So-Hyeun Yun, Jong-Heung Park, Seong-Pal Lee, "Ka-Band Antenna Design Using the Reflector Shaping for the Communications & Broadcasting Satellite", J. of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 32, No. 4, pp. 88-94, May 2004.

원문보기 상세보기
C. A. Balans, Antenna Theory Analysis and Design, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 1997.
Chun-won Kim, "Design of a Cassegrain Antenna", Department of radio Engineering graduate School, Chungbuk National University, 2009.
Tom Milligan, Alexandre P.Popov, "Amplitude Aperture-Distribution Control in Displaced-axis Two Reflector Antenna", IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 39, no.6, December, 1997.
Tom Milligan, "Designing Classical Offset Cassegrain or Gregorian Dual-Reflector Antenna from Combinations of Prescribed Geometric Parameters", IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 44, no.3, June, 2002.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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