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문제 정의
- 본 논문에서는 대형 구조체에 장착된 안테나를 효율적으로 해석 시뮬레이션하기 위해, 열린 도파관 구조를 이용한 배열안테나 해석 등가 모델링 기법을 제안하였다. 안테나의 주요 특성인 최대이득, side lobe level(SLL), half power beam width(HPBW)를 고려하여 등가모델을 구현하였으며, 완성된 등가해석모델은 수치해석 툴인 FEKO Suit 6.
- 본 논문에서는 시뮬레이션 해석자원 및 수행시간을 절감시키기 위한 열린 도파관을 이용한 배열 안테나 등가해석모델링 기법을 제안하였다. 열린 도파관 형상의 등가해석모델을 설계하기 위하여, 도파관의 깊이, complex load, 도파관 개구면 넓이 및 그라운드의 크기를 조절하여 원하는 방사패턴을 가지는 개별 소자를 도출하였다.
제안 방법
- 4 GHz이며, 개별소자의 도파관 깊이, complex load, 도파관 개구면 넓이, 그라운드의 크기를 변화하여 원하는 방사특성을 가지도록 하였다. 그라운드부터 급전 위치까지의 거리(h1)는 대략 한 파장 정도이며, 급전으로 부터 도파관 바닥 면 깊이(h2)와 complex load를 변화하여 안테나의 반사계수 및 최대이득을 조절하였다. 제안한 등가모델은 구조상 원본 안테나와 상이한 반사계수를 가지며, 원본안테나의 반사계수까지 모사하기 위해 급전부에 실수와 허수 값을 가지는 complex load를 삽입하여 강제로 정합을 유도하였다.
- 그림 13은 길이 2 m, 높이 1.9 m의 크기를 가지는 간단한 항공기 형상을 나타내며, 도파관 배열 안테나와 설계된 16×2 배열 등가해석모델을 장착시켜 안테나 항공기 탑재성능을 분석하였다.
- 도출된 개별소자를 이용하여 4×1 배열 패치 안테나와 16×2 도파관 배열 안테나를 모사한 배열 등가해석모델을 설계하였다.
- 효율적인 등가해석모델을 구현하기 위하여 우선 도파관 형상을 배열 안테나 개별 소자로 사용하였으며, 도파관의 깊이, complex load, 도파관 개구면 넓이, 그라운드의 크기를 조절하여 원하는 개별 소자 방사패턴을 가지도록 하였다. 도파관의 깊이 및 complex load를 변화하여 안테나의 반사계수와 안테나 최대 이득을 조절하며, 도파관 개구면 넓이를 변화하여 개별소자 방사패턴의 빔폭을 조절하였고, 그라운드 크기를 변화시켜 Front-to-Back ratio(F/B ratio)를 조절하였다. 제안된 개별소자는 두 가지 타입의 배열안테나 등가모델링에 적용되었다.
- 등가 모델로 배열 안테나를 구현한 경우, 등가 배열 안테나의 전체 크기, 배열 개수, aperture 크기 및 도파관 깊이에 의해 등가 복사 특성이 변화한다. 등가해석모델은 개별소자를 나란히 연결하여 설계하였으며, 그림 6에 나타나 있듯이 식 (1)을사용하여 각 개별 소자의 급전부를 feeding network의 특성이 포함되도록 하여 합성하였다. 제안된 등가모델링 기법을 두 가지 다른 타입의 배열 안테나 등가모델링 구현에 적용하였다.
- 또한, 개별소자의 빔폭을 조절하기 위하여 도파관의 넓이를 변화하였다. 그림 1에는 도파관 넓이를 변화시키기 위한 변수 a , b가 표시되어 있으며, 그림 3은 변수 a에 따라 안테나 개별소자의 빔폭이 변화는 것을 보여준다[10].
- 마지막으로, 개별소자의 F/B ratio를 조절하기 위하여 개별소자의 그라운드 크기를 변화하였다. 그림 1에는 도파관 넓이를 변화시키기 위한 변수 w1, w2가 표시되어 있으며, 그림 4는 w1에 따라 안테나 개별소자의 F/B ratio가 변화는 것을 보여준다.
- 그림 1은 배열안테나의 개별소자 등가모델 형상을 보여주며, 개별소자는 사각형 형상의 그라운드와 열린 도파관 구조로 구성되어 있다. 모델링된 개별소자의 동작주파 수는 14.4 GHz이며, 개별소자의 도파관 깊이, complex load, 도파관 개구면 넓이, 그라운드의 크기를 변화하여 원하는 방사특성을 가지도록 하였다. 그라운드부터 급전 위치까지의 거리(h1)는 대략 한 파장 정도이며, 급전으로 부터 도파관 바닥 면 깊이(h2)와 complex load를 변화하여 안테나의 반사계수 및 최대이득을 조절하였다.
- 안테나 장착위치에 안테나가 정면 방향을 지향하도록 장착한 후 안테나의 장착 방사패턴을 확인하였으며, 그림 14는 도파관 배열 안테나와 16×2 배열 등가해석모델의 xz-plane 및 yz-plane의 방사패턴을 나타내었다.
- 본 논문에서는 대형 구조체에 장착된 안테나를 효율적으로 해석 시뮬레이션하기 위해, 열린 도파관 구조를 이용한 배열안테나 해석 등가 모델링 기법을 제안하였다. 안테나의 주요 특성인 최대이득, side lobe level(SLL), half power beam width(HPBW)를 고려하여 등가모델을 구현하였으며, 완성된 등가해석모델은 수치해석 툴인 FEKO Suit 6.3[9]과 연동되어 안테나 성능이 도출되도록 하였다. 효율적인 등가해석모델을 구현하기 위하여 우선 도파관 형상을 배열 안테나 개별 소자로 사용하였으며, 도파관의 깊이, complex load, 도파관 개구면 넓이, 그라운드의 크기를 조절하여 원하는 개별 소자 방사패턴을 가지도록 하였다.
- 본 논문에서는 시뮬레이션 해석자원 및 수행시간을 절감시키기 위한 열린 도파관을 이용한 배열 안테나 등가해석모델링 기법을 제안하였다. 열린 도파관 형상의 등가해석모델을 설계하기 위하여, 도파관의 깊이, complex load, 도파관 개구면 넓이 및 그라운드의 크기를 조절하여 원하는 방사패턴을 가지는 개별 소자를 도출하였다. 도출된 개별소자를 이용하여 4×1 배열 패치 안테나와 16×2 도파관 배열 안테나를 모사한 배열 등가해석모델을 설계하였다.
- 이러한 문제를 해결하기 위해서 그림 1에 나타나 있는 개별소자 형상을 이용하여 4×1 배열 등가해석모델을 설계하였으며, 표 2에는 4×1 배열 등가해석모델의 개별소자 설계 변수를 나타 내었다.
- 5 dB 임을 확인하였다. 이와 같이 개별소자의 도파관의 길이, complex load, 도파관 개구면의 넓이 및 그라운드 크기를 변화하여 원하는 방사패턴을 가지도록 개별소자를 설계하고, 설계된 개별 소자를 이용하여 배열안테나의 등가 모델링을 완성하였다.
- 도파관의 깊이 및 complex load를 변화하여 안테나의 반사계수와 안테나 최대 이득을 조절하며, 도파관 개구면 넓이를 변화하여 개별소자 방사패턴의 빔폭을 조절하였고, 그라운드 크기를 변화시켜 Front-to-Back ratio(F/B ratio)를 조절하였다. 제안된 개별소자는 두 가지 타입의 배열안테나 등가모델링에 적용되었다. 도출된 배열 안테나 등가해석 모델을 원본 안테나의 해석 결과와 비교하였으며, 최대이득은 0.
- 등가해석모델은 개별소자를 나란히 연결하여 설계하였으며, 그림 6에 나타나 있듯이 식 (1)을사용하여 각 개별 소자의 급전부를 feeding network의 특성이 포함되도록 하여 합성하였다. 제안된 등가모델링 기법을 두 가지 다른 타입의 배열 안테나 등가모델링 구현에 적용하였다. 모사하고자 하는 배열 안테나의 타입은 일반적으로 X-band 대역에서 사용되는 마이크로스트립 패치 배열 안테나와 도파관 배열 안테나이다.
- 그라운드부터 급전 위치까지의 거리(h1)는 대략 한 파장 정도이며, 급전으로 부터 도파관 바닥 면 깊이(h2)와 complex load를 변화하여 안테나의 반사계수 및 최대이득을 조절하였다. 제안한 등가모델은 구조상 원본 안테나와 상이한 반사계수를 가지며, 원본안테나의 반사계수까지 모사하기 위해 급전부에 실수와 허수 값을 가지는 complex load를 삽입하여 강제로 정합을 유도하였다. 표 1에 도파관 길이에 따른 complex load와 개별소자의 최대이득을 정리하였으며, 그림 2는 도파관 길이에 따른 안테나 최대이득 변화를 나타내었다.
- 3[9]과 연동되어 안테나 성능이 도출되도록 하였다. 효율적인 등가해석모델을 구현하기 위하여 우선 도파관 형상을 배열 안테나 개별 소자로 사용하였으며, 도파관의 깊이, complex load, 도파관 개구면 넓이, 그라운드의 크기를 조절하여 원하는 개별 소자 방사패턴을 가지도록 하였다. 도파관의 깊이 및 complex load를 변화하여 안테나의 반사계수와 안테나 최대 이득을 조절하며, 도파관 개구면 넓이를 변화하여 개별소자 방사패턴의 빔폭을 조절하였고, 그라운드 크기를 변화시켜 Front-to-Back ratio(F/B ratio)를 조절하였다.
성능/효과
- xz-plane 방사패턴을 비교 결과, 최대 이득 0.1 dB, HPBW 0.4°, SLL 0.1 dB 이내의 오차를 보이는 것을 확인하였으며, 시뮬레이션 필요 요구 메모리는 15.6 GByte 에서 6 GByte로 줄었다.
- 그림 9는 배열패치 안테나와 4×1 배열 등가해석모델의 xz-plane 및 yz-plane의 방사패턴을 나타내었으며, 배열 패치안테나와 등가해석모델의 xz-plane 방사패턴을 비교한 결과, 최대 이득 0.2 dB, HPBW 0.3°, SLL 0.2 dB의오차를 가졌으며, 원본의 배열 패치안테나의 성능모사하기에 충분하다는 것을 확인하였다.
- 도출된 배열 안테나 등가해석 모델은 원본 안테나의 성능과 비교하였으며, 최대이득은 0.2 dB, 반전력 빔폭은 1° 이내의 오차를 보여 등가모델을 이용한 원본 안테나의 성능 모사가 가능함을 확인하였다.
- 도출된 배열 안테나 등가해석 모델을 원본 안테나의 해석 결과와 비교하였으며, 최대이득은 0.2 dB, 반전력빔폭은 1° 이내의 오차를 보여 등가모델을 이용한 원본 안테나의 성능 모사가 가능함을 확인하였다.
- 표 1에 도파관 길이에 따른 complex load와 개별소자의 최대이득을 정리하였으며, 그림 2는 도파관 길이에 따른 안테나 최대이득 변화를 나타내었다. 도파관의 길이가 1/8 파장일 경우 3.1 dBi, 3/8 파장일 경우 11.5 dBi, 7/8 파장일 경우 16.2 dBi로 도파관의 길이가 길어질수록 낮은 complex load가 장착되어야 하며, 전면 방향 안테나 이득은 높아지는 것을 확인하였다.
- 1 dB의 오차를 가진 유사한 방사패턴을 도출하는 것을 확인하였다. 또한, 시뮬레이션 필요 요구 메모리는 15.6 GByte에서 6 GByte로 줄었으며, 시뮬레이션 해석시간은 12시간에서 4 시간 30분으로 절감할 수 있음을 확인하였다.
- 또한, 제안된 16×2 등가해석모델과 도파관 배열 안테나를 간단한 항공기 형상에 장착하여 전자파 해석을 수행하였으며, 탑재성능 분석 결과, 최대 이득 0.1 dB, HPBW 0.4°, SLL 0.1 dB의 오차를 가진 유사한 방사패턴을 도출하는 것을 확인하였다.
- 2 dB, 반전력빔폭은 1° 이내의 오차를 보여 등가모델을 이용한 원본 안테나의 성능 모사가 가능함을 확인하였다. 또한, 제안된 등가해석모델을 간단한 항공기 형상에 장착하여 전자파 해석을 수행하였으며, 원본 안테나를 탑재한 해석 결과와 비교하였고, 그 결과 시뮬레이션 필요 해석 자원 및 해석 시간이 대폭 감소하는 것을 확인하였다.
- 또한, 시뮬레이션 해석시간은 12 시간에서 4시간 30분으로 단축되었다. 사용된 FEKO 전자파 해석 시뮬레이터는 MoM 방식을 사용하므로, 구조체를 포함한 안테나 해석의 경우 해석자원과 시간이 많이 필요하기 때문에, 제안된 등가모델링 기법은 매우 유용한 방법으로 사료된다.
- 안테나 개별소자는 가로 길이 a가 10 cm일 때 반전력 빔폭이 105.7°, 15 cm일 때 91.3°, 20 cm일 때 76.5°, 25 cm일때 64.3°로 변화하는 것을 확인하였다.
- 그림 1에는 도파관 넓이를 변화시키기 위한 변수 w1, w2가 표시되어 있으며, 그림 4는 w1에 따라 안테나 개별소자의 F/B ratio가 변화는 것을 보여준다. 안테나 개별소자는 가로 길이 w1이 17.25 cm일 때 15.8 dB, 16.25 cm일 때 14.9 dB, 15.25 cm일 때 14.2 dB, 14.25 cm일 때 13.5 dB 임을 확인하였다. 이와 같이 개별소자의 도파관의 길이, complex load, 도파관 개구면의 넓이 및 그라운드 크기를 변화하여 원하는 방사패턴을 가지도록 개별소자를 설계하고, 설계된 개별 소자를 이용하여 배열안테나의 등가 모델링을 완성하였다.
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