본 논문은 현재 직접 위성수신용 안테나로 사용 중인 파라볼릭 안테나를 대체할 수 있는 마이크로스트립 어레이 안테나를 연구하였다. 마이크로스트립 어레이 안테나는 극히 제한적인 분야에서 사용되었으나 직접위성 수신용 안테나와 같이 우리 실생활에 직접 적용할 수 있다면 많은 분야에서 활용이 예상된다. 마이크로스트립 어레이 안테나가 직접 위성수신용 안테나로 활용되려면 우선적으로 광대역 특성이 요구된다. 따라서 본 논문의 목표를 직접 위성수신을 위한 광대역 주파수 대역이 보장되는 안테나 설계기술로 설정하였다. 본 논문에서 제안된 마이크로스트립 안테나는 사각형 패치에 직교하는 두 개의 급전선로에 의해서 급전되도록 하였으며 순차 회전 급전기술로 광대역에서 좋은 축비를 얻을 수 있도록 설계하였다. 사각형 패치는 위성수신 주파수 대역에서 설계되었으며 폭과 길이는 W=L=8.9 mm ($0.352{\lambda}o$)이며 전체 크기는 $250{\times}250mm$이다. 제안된 안테나는 기존 급전방식의 안테나에 비해서 1 dB 이상의 축비가 개선되는 것을 실험을 통하여 입증하였다. 안테나의 성능 입증을 위해서 두 개의 $8{\times}8$ 어레이 안테나를 제작하여 실험하였다. 안테나의 최대 이득은 20.8 dB, 사이드로브 레벨 -10 dB 이하를 확인하였다. 본 논문의 안테나를 국내 무궁화 위성수신 시스템에 적용한다면 C/N=6.7 dB의 수신성능이 확보됨을 링크버짓 계산을 통하여 입증하였다.
본 논문은 현재 직접 위성수신용 안테나로 사용 중인 파라볼릭 안테나를 대체할 수 있는 마이크로스트립 어레이 안테나를 연구하였다. 마이크로스트립 어레이 안테나는 극히 제한적인 분야에서 사용되었으나 직접위성 수신용 안테나와 같이 우리 실생활에 직접 적용할 수 있다면 많은 분야에서 활용이 예상된다. 마이크로스트립 어레이 안테나가 직접 위성수신용 안테나로 활용되려면 우선적으로 광대역 특성이 요구된다. 따라서 본 논문의 목표를 직접 위성수신을 위한 광대역 주파수 대역이 보장되는 안테나 설계기술로 설정하였다. 본 논문에서 제안된 마이크로스트립 안테나는 사각형 패치에 직교하는 두 개의 급전선로에 의해서 급전되도록 하였으며 순차 회전 급전기술로 광대역에서 좋은 축비를 얻을 수 있도록 설계하였다. 사각형 패치는 위성수신 주파수 대역에서 설계되었으며 폭과 길이는 W=L=8.9 mm ($0.352{\lambda}o$)이며 전체 크기는 $250{\times}250mm$이다. 제안된 안테나는 기존 급전방식의 안테나에 비해서 1 dB 이상의 축비가 개선되는 것을 실험을 통하여 입증하였다. 안테나의 성능 입증을 위해서 두 개의 $8{\times}8$ 어레이 안테나를 제작하여 실험하였다. 안테나의 최대 이득은 20.8 dB, 사이드로브 레벨 -10 dB 이하를 확인하였다. 본 논문의 안테나를 국내 무궁화 위성수신 시스템에 적용한다면 C/N=6.7 dB의 수신성능이 확보됨을 링크버짓 계산을 통하여 입증하였다.
In this paper, the microstrip array antenna is studied to replace the parabolic antenna in the direct satellite reception. A microstrip array antenna has been used in extremely limited area, but if it is applied to practical life like a direct satellite reception antenna, we expect that it will be u...
In this paper, the microstrip array antenna is studied to replace the parabolic antenna in the direct satellite reception. A microstrip array antenna has been used in extremely limited area, but if it is applied to practical life like a direct satellite reception antenna, we expect that it will be used in various way. First of all, if we use a microstrip array antenna for a direct satellite reception antenna, it should be guaranteed characteristics of broadband frequency. Therefore, the goal of this paper is designing technique an antenna which guarantees broadband frequency band for a direct satellite reception. In this paper, the proposed microstrip antenna is fed by orthogonal two feed lines to a rectangular patch and a sequentially rotated feeding technique is designed proposed for a good axial ratio in broadband frequency band. The rectangular patch is designed to satellite reception band, and the width and length are W=L=8.9 mm ($0.352{\lambda}o$) respectively. The antenna's ground plane has dimensions of $250{\times}250mm$. The experimental results verify that the proposed antenna had the axial ratio of above 1dB broader than that of the conventional feeding antenna. In order to verify the performance, a $8{\times}8$ array having two pairs was fabricated and tested. The maximum gain is 20.8 dB, the sidelobe level confirm less than -10 dB. It is verified by link budget calculation that C/N=6.7 dB can be obtained for domestic use if this proposed antenna is used in Koreasat reception system.
In this paper, the microstrip array antenna is studied to replace the parabolic antenna in the direct satellite reception. A microstrip array antenna has been used in extremely limited area, but if it is applied to practical life like a direct satellite reception antenna, we expect that it will be used in various way. First of all, if we use a microstrip array antenna for a direct satellite reception antenna, it should be guaranteed characteristics of broadband frequency. Therefore, the goal of this paper is designing technique an antenna which guarantees broadband frequency band for a direct satellite reception. In this paper, the proposed microstrip antenna is fed by orthogonal two feed lines to a rectangular patch and a sequentially rotated feeding technique is designed proposed for a good axial ratio in broadband frequency band. The rectangular patch is designed to satellite reception band, and the width and length are W=L=8.9 mm ($0.352{\lambda}o$) respectively. The antenna's ground plane has dimensions of $250{\times}250mm$. The experimental results verify that the proposed antenna had the axial ratio of above 1dB broader than that of the conventional feeding antenna. In order to verify the performance, a $8{\times}8$ array having two pairs was fabricated and tested. The maximum gain is 20.8 dB, the sidelobe level confirm less than -10 dB. It is verified by link budget calculation that C/N=6.7 dB can be obtained for domestic use if this proposed antenna is used in Koreasat reception system.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 단층구조의 위성수신용 마이크로스트립 어레이 안테나를 연구하였다. 단층구조의 위성수신용 마이크로스트립 어레이 안테나는 제작공정이 간단하면서도 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있으며 안테나의 품질관리가 용이하여 균일한 전기적 특성 설계가 가능하다.
본 논문에서 연구한 안테나의 설계목표는 직접위성에서 사용하고 있는 300 MHz 주파수 대역에서 전압정재파비가 2 이하와 3 dB 이하의 축비를 갖는 원편파 특성을 갖는 마이크로스트립 어레이 안테나의 구현이다. 제작된 마이크로스트립 어레이 안테나로 국내 무궁화 위성의 수신 링크 버짓 계산을 통하여 위성수신용 안테나로의 이용 가능성을 제시하였다.
본 논문에서는 위성수신용 마이크로스트립 어레이 안테나의 설계 및 제작을 연구하여 국내 무궁화 위성수신용 안테나로의 이용 가능성을 제시 및 고찰하였다.
가설 설정
마이크로스트립 안테나를 해석하는 방법으로 여러 연구가 보고되었으며 본 논문에서는 3-port 전송선로모델링 방법을 사용하였다[6]. 3-port 전송선로 모델링 방법은 그림 1에서 도시된 바와 같이 사각형 마이크로스트립의 폭(W)이 다른 전송선로가 연결되어 있는 선형 공진기로 가정한다. 사각형 마이크로스트립의 길이(L)를 사용 주파수의 반파장이 되도록 구성한다고 가정하면 양단에 누설되는 전계의 수직성분은 상쇄되어 없어지고 수평성분만 남으므로, 두 개의 슬롯이 약 반파장 정도 떨어진 경우로 등가화 시킬 수 있다.
제안 방법
앞장에서 설명한 3-port 전송선로 모델링 방법을 통하여 단일 소자 사각형 마이크로스트립 안테나의 설계 파라미터를 계산한 결과를 표 1에 나타내었다. 단일소자 안테나 A, 안테나 B의 중심 주파수는 11.85 GHz, 급전선은 50 Ω으로 정합 설계하였다.
원편파 수신용 마이크로스트립 어레이 안테나의 단점인 원편파 대역폭 개선을 위하여 순차배열 방식으로 설계하여 3 dB 이하의 양호한 축비 특성을 얻었으며 일반적인 배열방식의 안테나와는 1 dB 이상의 축비 특성을 개선하는 효과를 확인하였다. 또한 안테나 기판을 저유전율과 두께가 비교적 두꺼운 기판을 사용하여 마이크로스트립 안테나의 단점인 주파수 대역폭을 개선하였다. 본 논문에서 연구한 안테나의 C/N비 계산에서 6.
그림 8에서 마이크로스트립 안테나의 축비 특성을 나타내었다. 본 논문에서 시도한 순차배열 방식의 안테나와 일반적인 배열방식의 안테나를 비교 측정하여 그 효과를 확인하였다. 정확한 축비특성을 측정하기 위해서 안테나의 편파 평면상에 수직, 45°, 수평, 135°의 총 4개의 직선성분을 OEG(Open Ended Waveguide) 안테나로 회전하면서 측정한 데이터로 축비를 산출하였다.
009인 미국 Taconic사의 테프론 기판이다. 설계된 안테나는 표 1에서 도시한 바와 같이 시뮬레이션을 통하여 검증된 소자 스펙(안테나 B)을 기반으로 어레이 안테나로 확장하였다.
관계식을 정리하여 계산하면 표 2와 같다. 수신 안테나는 본 논문에서 설계된 안테나의 이득을 기준으로 계산하였으며 시스템 잡음 온도는 저잡음 컨버터의 상용모델을 기준으로 N/F=0.7 dB, 변환 이득=55dB typical, 이득 평탄도=3 dBp-p, 국부발진기 안정도=1.0 MHz 등의 파라미터를 활용하여 계산하였다.
일반적으로 마이크로스트립 안테나는 다른 초고주파용 안테나에 비해서 원편파 주파수 대역폭이 좁은 단점을 가지고 있다. 이같은 단점을 개선하기 위해서 본 논문에서는 순차배열 방식을 사용하여 안테나를 설계하였다.
정확한 축비특성을 측정하기 위해서 안테나의 편파 평면상에 수직, 45°, 수평, 135°의 총 4개의 직선성분을 OEG(Open Ended Waveguide) 안테나로 회전하면서 측정한 데이터로 축비를 산출하였다.
본 논문에서 연구한 안테나의 설계목표는 직접위성에서 사용하고 있는 300 MHz 주파수 대역에서 전압정재파비가 2 이하와 3 dB 이하의 축비를 갖는 원편파 특성을 갖는 마이크로스트립 어레이 안테나의 구현이다. 제작된 마이크로스트립 어레이 안테나로 국내 무궁화 위성의 수신 링크 버짓 계산을 통하여 위성수신용 안테나로의 이용 가능성을 제시하였다.
최소 20 dBi 이상의 이득특성을 가진 원편파 안테나를 위해서 순차배열 방식으로 8×8 어레이 안테나를 설계하였다. 즉 표 1에서 도시한 단일 소자의 설계 파라미터를 이용하여 어레이 안테나로 확장 설계하였다. 안테나 설계에서 사용된 유전체 기판은 비유전율 εr=2.
최소 20 dBi 이상의 이득특성을 가진 원편파 안테나를 위해서 순차배열 방식으로 8×8 어레이 안테나를 설계하였다.
5 cm의 정방형 구조이다. 테프론 기판의 평탄도 유지를 위하여 아연도강판을 접지면에 부착하여 조립하였다.
대상 데이터
안테나 설계에서 사용된 유전체 기판은 비유전율 εr=2.17, 두께 h=1.2 mm, 손실탄젠트 tan δ=0.009인 미국 Taconic사의 테프론 기판이다.
제작된 안테나는 마이크로스트립 패치를 0.8 λg 간격으로 배열하여 8×8 어레이로 구성하였으며 전체 크기는 21.5×21.5 cm의 정방형 구조이다.
그림 7에서 제작된 안테나의 복사패턴 측정결과를 나타냈다. 측정 주파수 대역은 위성채널로 사용되는 주파수 대역인 11.7 ~ 12.0 GHz에서 4개의 중심주파수를 대상으로 측정하였다.
측정에 사용된 계측장비는 H/P 8510B를 신호원으로 사용한 이스라엘 Orbit사의 AL-4951 근역장 측정장비(Near Field Scanner)를 사용하였다.
이론/모형
마이크로스트립 안테나를 해석하는 방법으로 여러 연구가 보고되었으며 본 논문에서는 3-port 전송선로모델링 방법을 사용하였다[6]. 3-port 전송선로 모델링 방법은 그림 1에서 도시된 바와 같이 사각형 마이크로스트립의 폭(W)이 다른 전송선로가 연결되어 있는 선형 공진기로 가정한다.
성능/효과
두 안테나의 전압정재파비(VSWR) 특성을 2 이하인 조건으로 비교한다면 안테나 A가 385 MHz 이며 안테나 B가 980 MHz이다. 결과적으로 기판의 두께가 두껍고 유전율이 낮으면 주파수 대역폭 증가를 시뮬레이션 결과를 통하여 확인하였다.
최근 국내 하절기 집중호우 기간을 고려한다면 위성수신 안테나의 최적 이득은 27 dB 이상으로 예상된다. 결국 본 연구의 마이크로스트립 어레이 안테나는 16×16 혹은 16×32 어레이 안테나로 확장해야 양호한 위성수신이 가능할 것으로 판단된다.
측정된 축비 특성은 위성수신 주파수 300 MHz 대역폭에서 본 논문에서 제시한 순차배열 방식으로 설계된 안테나의 경우에는 3 dB 이하의 양호한 특성을 나타냈다. 반면 일반적인 배열방식의 안테나는 4 dB 수준이며 순차배열 방식의 안테나와는 평균 1 dB 이상의 축비 특성이 열화 되는 것을 확인 할 수 있었다.
본 논문에서 설계된 안테나로의 위성수신 링크 버짓은 C/N비 6.7 dB로 실제 국내 내륙지역에서 요구되는 위성수신시스템의 최소기준인 9 dB에는 다소 부족하다. 최근 국내 하절기 집중호우 기간을 고려한다면 위성수신 안테나의 최적 이득은 27 dB 이상으로 예상된다.
또한 안테나 기판을 저유전율과 두께가 비교적 두꺼운 기판을 사용하여 마이크로스트립 안테나의 단점인 주파수 대역폭을 개선하였다. 본 논문에서 연구한 안테나의 C/N비 계산에서 6.7 dB를 확인함에 따라 평면형 마이크로스트립 어레이 안테나의 전기적 특성으로도 대출력 트랜스폰더를 탑재한 국내 직접 위성수신용 안테나에서는 파라볼릭 안테나를 충분히 대체할 수 있을 것으로 평가된다.
원편파 수신용 마이크로스트립 어레이 안테나의 단점인 원편파 대역폭 개선을 위하여 순차배열 방식으로 설계하여 3 dB 이하의 양호한 축비 특성을 얻었으며 일반적인 배열방식의 안테나와는 1 dB 이상의 축비 특성을 개선하는 효과를 확인하였다. 또한 안테나 기판을 저유전율과 두께가 비교적 두꺼운 기판을 사용하여 마이크로스트립 안테나의 단점인 주파수 대역폭을 개선하였다.
2° 이다. 전반적으로 안테나의 복사특성이 우수한 수준으로 판단되며 안테나의 이득은 위성수신 주파수 대역에서 20.2 ~ 20.8 dB의 평탄한 이득 특성을 얻었다. 파라볼릭 안테나와 비교한다면 직경 25 cm급 파라볼릭 안테나와 동등한 이득이다.
정확한 축비특성을 측정하기 위해서 안테나의 편파 평면상에 수직, 45°, 수평, 135°의 총 4개의 직선성분을 OEG(Open Ended Waveguide) 안테나로 회전하면서 측정한 데이터로 축비를 산출하였다. 측정된 축비 특성은 위성수신 주파수 300 MHz 대역폭에서 본 논문에서 제시한 순차배열 방식으로 설계된 안테나의 경우에는 3 dB 이하의 양호한 특성을 나타냈다. 반면 일반적인 배열방식의 안테나는 4 dB 수준이며 순차배열 방식의 안테나와는 평균 1 dB 이상의 축비 특성이 열화 되는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
단층구조의 위성수신용 마이크로스트립 어레이 안테나는 제작공정이 간단하면서도 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있으며 안테나의 품질관리가 용이하여 균일한 전기적 특성 설계가 가능하다. 반면 다른 안테나에 비해서 주파수 대역폭이 좁은 단점을 가지고 있어 이에 대한 개선연구가 필요하다.
향후 추가적인 연구는 국내 전역에서 위성수신이 가능한 고이득을 갖는 어레이 안테나로 확장하고 Teflon 기판상에 저잡음 컨버터 회로를 직접 실장시켜 일체형 위성수신용 안테나 설계 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도파관 슬롯 안테나의 특징은 무엇인가?
radial 슬롯 안테나와 헬리컬 안테나는 안테나의 효율은 높으나 원형평판 상에 복사소자를 방사형으로 배열하므로 균일한 전계분포를 위해서 복사소자나 급전 probe를 각각 조절해야 하므로 안테나의 해석과 제작이 무척 난해한 단점을 지닌다. 도파관 슬롯 안테나는 높은 효율과 빔 틸트 설계가 용이한 반면 경제성이 없기 때문에 개별 수신용보다는 차량 탑재용으로 연구가 제한되고 있는 실정이다[4][5]
마이크로스트립 안테나의 단점은 무엇인가?
마이크로스트립 안테나는 주파수 대역폭이 좁고 효율과 전력 핸들링 능력이 낮은 단점을 지니고 있다. 그러나 소형경량이며 평면형 구조이므로 능동소자를 쉽게 집적시킬 수 있으며 포토에칭 기술을 사용하므로 염가형으로 안테나를 대량생산 할 수 있는 장점을 지니고 있어 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
마이크로스트립 안테나의 장점은 무엇인가?
마이크로스트립 안테나는 주파수 대역폭이 좁고 효율과 전력 핸들링 능력이 낮은 단점을 지니고 있다. 그러나 소형경량이며 평면형 구조이므로 능동소자를 쉽게 집적시킬 수 있으며 포토에칭 기술을 사용하므로 염가형으로 안테나를 대량생산 할 수 있는 장점을 지니고 있어 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 최근에는 밀리미터 주파수 대역에서 능동회로와 수동회로가 함께 집적화된 안테나 기술이 보고되었다[2][3]
참고문헌 (11)
T. Yasin, T, R. Baktur, "Circularly Polarized Meshed Patch Antenna for Small Satellite Application," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp.1057-1060, Aug. 2013.
M. Maqsood, S. Gao, "Low-Cost Dual-Band Circularly Polarized Switched-Beam Array for Global Navigation Satellite System," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, pp.1975-1982, Apr. 2014.
M. M. Bilgic, K. Yegin, "Low Profile Wideband Antenna Array With Hybrid Microstrip and Waveguide Feed Network for Ku Band Satellite Reception Systems," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, pp.2258-2263, Apr. 2014.
Y. M. Madany, A. F. Miligy, "Compact C-Band slotted waveguide array antenna using multi-mode metamaterial array and multi-mode extractor converter structure," Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), pp.1548-1549, Jul. 2013.
N. Tung, H. Ueda, J. Hirokawa, M. S. Ando, "A Radial Line Slot Antenna for an Elliptical Beam," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, pp.5531-5537, Dec. 2014.
H. Pues, A. Capelle, "Accurate transmission-line model for the rectangular microstrip antenna," IEE Proceeding, vol. 131, Part H, pp.334-340, 1984.
A. B. Smolders, R. M. C. Mestrom, A. C. F. Reniers, M. Geurts, "A Shared Aperture Dual-Frequency Circularly Polarized Microstrip Array Antenna," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 12, pp.120-123, Mar. 2013.
Jangwook Kim, "Design of Wide Band Antennas for Mobile Communications," The Korea Society of Computer and Information Letters, vol. 18, pp. 27-34, Mar. 2013.
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