[논문]기판집적 도파관(SIW)을 기반으로 하는 고효율 능동 위상 배열안테나

이해영

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.3.227

기판집적 도파관(SIW)을 기반으로 하는 고효율 능동 위상 배열안테나
High Efficiency Active Phased Array Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.3, 2015년, pp.227 - 247

초록
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저손실, 전자기 완전차폐, 고전력 특성을 갖는 기판집적 도파관(SIW)을 이용하여 X-band $8{\times}16$ 이중편파 능동 위상배열안테나 시스템을 구현하였다. 16-way SIW 전력분배 네트워크의 측정된 순수 삽입손실(0.65 dB)은 마이크로스트립 경우보다 1 dB 감소하였으며, SIW 부배열($1{\times}16$) 안테나 소자의 측정된 방사효율(73 %)은 약 2배(3 dB) 향상되었다. 이러한 SIW를 이용한 분배손실과 방사효율의 상당한 개선은 능동 위상 배열안테나 시스템에서 고전력 증폭기의 최대출력(P1 dB)을 저감하고, 총 전력소모를 약 30 % 절감할 것이다. SIW 기반으로 제작된 X-band $8{\times}16$ 이중편파 능동 위상 배열안테나 시스템을 이론적인 제어벡터만을 생성하여 0도, 5도, 9도, 18도의 정밀한(최대편차 2도) 빔 조향을 측정하였으며, 열주기/진공 시험에서 우주환경 적합성을 확인하였다. 고효율 SIW 배열안테나 시스템은 고성능 레이더는 물론 차세대 무선통신(5G)을 위한 Massive MIMO와 다양한 밀리미터파 통신시스템(60 GHz WPAN, 77 GHz 자동차 레이더, 초고속 디지털 전송시스템 등)에 매우 유용할 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

An X-band $8{\times}16$ dual-polarized active phased array antenna system has been implemented based on the substrate integrated waveguide(SIW) technology having low propagation loss, complete EM shielding, and high power handling characteristics. Compared with the microstrip case, 1 dB less is the measured insertion loss(0.65 dB) of the 16-way SIW power distribution network and doubled(3 dB improved) is the measured radiation efficiency(73 %) of the SIW sub-array($1{\times}16$) antenna element. These significant improvements of the power division loss and the radiation efficiency using the SIW, save more than 30 % of the total power consumption, in the active phased array antenna systems, through substantial reduction of the maximum output power(P1 dB) of the high power amplifiers. Using the X-band $8{\times}16$ dual-polarized active phased array antenna system fabricated by the SIW technology, the main radiation beam has been steered by 0, 5, 9, and 18 degrees in the accuracy of 2 degree maximum deviation by simply generating the theoretical control vectors. Performing thermal cycle and vacuum tests, we have found that the SIW array antenna system be eligible for the space environment qualification. We expect that the high efficiency SIW array antenna system be very effective for high performance radar systems, massive MIMO for 5G mobile systems, and various millimeter-wave systems(60 GHz WPAN, 77 GHz automotive radars, high speed digital transmission systems).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기판집적 도파관을 기반으로 하는 Xband(중심 주파수 9.65 GHz) 이중편파 능동 위상 배열 안테나 시스템을 제안한다. 본 기판집적 시스템은 고효율 이중편파 SIW 슬롯 배열안테나, SIW 전력분배 네트워크 및 X-band용 송수신 모듈(T/R module), 제어를 위한 소프트웨어 및 컴퓨터로 구성되며, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 기판집적 도파관 시스템의 고성능화 가능성과 대량산업화 기회를 보여준다.

제안 방법

이러한 기판집적 도파관의 고효율 및 양산 제작 특성을 이용하여 광범위한 주파수 대역(GHz～Sub-THz)에서 여파기, 전력분배기, 결합기 등의 개별 수동소자, 능동소자가 포함된 소규모 회로, 배열안테나 등이 다양하게 연구되었다^[18]～^[34]. 또한, 차량, 항공 및 위성 시스템을 위한 SIW 수동소자 및 배열안테나들은[35]～[42] 개방형 스트립 전송구조에 비교하여, 높은 안테나 방사효율[43]～[45], 부배열 사이의 낮은 상호결합 특성[46],[47] 및 낮은 전력분배 손실[48]～[50]들을 구현하였다.

성능/효과

65 GHz) 이중편파 능동 위상 배열 안테나 시스템을 제안한다. 본 기판집적 시스템은 고효율 이중편파 SIW 슬롯 배열안테나, SIW 전력분배 네트워크 및 X-band용 송수신 모듈(T/R module), 제어를 위한 소프트웨어 및 컴퓨터로 구성되며, 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 기판집적 도파관 시스템의 고성능화 가능성과 대량산업화 기회를 보여준다.
65 dB)에 비하여 평균 약 1 dB 감소하였으며, X-band Ridged SIW 2×16 슬롯 배열안테나의 측정된 방사효율(71 %)은 기존 4×8 마이크로스트립 패치 배열안테나[81]의 측정된 방사효율(31 %)보다 3 dB 이상 크게 개선되었다. 이러한 분배손실 및 방사효율 개선은 송수신 모듈에 사용되는 고전력 증폭기(High Power Amplifier: HPA)^[72]에서 필요한 최대출력(maximum power)을 약 30 % 낮추어서 30 % 이상의 전체 시스템의 전력소모(power consumption)를 개선하는 효과를 얻을 수 있다.
제안된 시스템에서 사용된 SIW 16-way 전력분배 네트워크(Power Distribution Network: PDN)의 측정된 삽입손실은 중심주파수 9.65 GHz에서 평균 약 0.65 dB로서, 기존의 마이크로스트립 경우(1.65 dB)에 비하여 평균 약 1 dB 감소하였으며, X-band Ridged SIW 2×16 슬롯 배열안테나의 측정된 방사효율(71 %)은 기존 4×8 마이크로스트립 패치 배열안테나[81]의 측정된 방사효율(31 %)보다 3 dB 이상 크게 개선되었다.

후속연구

특히 Massive MIMO에서 배열안테나 간의 상호결합이 전체 통신용량 제한의 주요 요소중 하나^[56]이므로, 완전차폐 특성을 갖는 SIW 배열 안테나 시스템은 경쟁력 있는 대안으로 제시될 수 있다^[46],[47]. 또한, 회로 내부에서 전송손실이 크고, 방사차폐가 필수적인 60 GHz 대역 WPAN(Wireless Personal Area Network)^[57], 77 GHz 자동차 레이더 시스템^[58], 초고속 디지털 전송시스템^[59],[60], Energy Harvesting 시스템^[61] 등에도 광범위하게 활용될 것으로 기대한다.
이러한 고효율, 완전차폐, 경량 특성의 기판집적 도파관 배열 안테나 시스템은 넓은 면적의 위상 배열안테나 시스템이 필요한 국방 및 위성/항공용 레이더는 물론, 차세대 무선통신(5G)을 위한 Massive MIMO (Multiple Input and Multiple Output)^[52],^[53]와 밀리미터파 적응형 APAA^[54],^[55]에 매우 효과적으로 활용될 것으로 기대한다. 특히 Massive MIMO에서 배열안테나 간의 상호결합이 전체 통신용량 제한의 주요 요소중 하나^[56]이므로, 완전차폐 특성을 갖는 SIW 배열 안테나 시스템은 경쟁력 있는 대안으로 제시될 수 있다^[46],[47].

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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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