[논문]밀리미터파 대역의 초고이득 축이동 금속배열안테나

이민우; 양종원; 이우상; 장원; 소준호

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.4.342

밀리미터파 대역의 초고이득 축이동 금속배열안테나
Ultra High-Gain Displaced-Axis Metal Reflectarray Antenna for Millimeter-Wave Region 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.4, 2016년, pp.342 - 349

이민우 (국방과학연구소 국방고등기술원) , 양종원 (국방과학연구소 국방고등기술원) , 이우상 (국방과학연구소 국방고등기술원) , 장원 (국방과학연구소 국방고등기술원) , 소준호 (국방과학연구소 국방고등기술원)

초록
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밀리미터파 대역인 W-대역에서 초고이득 반사배열안테나를 구현하기 위하여 이중 반사판형태 중 주 반사판으로 향하는 전파가 급전부로 되돌아오지 않도록 하여 안테나의 효율 및 이득 특성을 크게 개선한 축이동 그레고리안 안테나를 금속 반사배열안테나 형태로 구현하였다. 금속 반사배열안테나의 경우, 유전체를 이용한 반사배열의 안테나와 달리 기판에 의한 손실이 없으며, 금속가공만으로 제작될 수 있는 제작의 편의성을 갖고 있다. 본 논문에서는 사각형 금속 개구의 배열을 이용하여 50 dBi 이상의 초고이득 축이동 금속 반사배열안테나를 설계하고, 일반적인 기계 가공을 이용하여 안테나를 제작하였으며, 제작된 안테나는 밀리미터파 컴팩트 레인지 안테나 측정시스템을 이용하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We design a displaced-axis Gregorian dual antenna in the form of a metal reflectarray antenna for millimeter wave region, W-band. Unlike a reflectarray composed of printed patch antennas on a dielectric substrate, metallic rectangular waveguide unit-cells are proposed to avoid the loss of substrate and take an advantage of ease of typical metal machining fabrication. In this paper, the radiation characteristics of constructed metal reflectarray antennas show ultra high-gain antenna over 50 dBi at a target frequency in W-band. The experimental measurements are conducted in millimeter-wave compact range antenna measurement system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 밀리미터파 대역인 W-대역(95 GHz)에서 50 dBi 이상의 이득을 획득할 수 있도록 주 반사판의 크기를 결정하고, 전체 축이동 금속반사배열 안테나 설계를 목표로 하였다. 급전부는 정전파괴 없이 높은 출력의 밀리미터파를 전달하기 위하여 손실이 적은 주름진 도파관 형태를 이용하였다^[15].
본 논문에서는 밀리미터파 대역인 W-대역에서 사각형 금속개구의 배열을 이용하여 50 dBi 이상의 초고이득 배열안테나를 구현하였다. 제안된 안테나는 금속가공만으로 제작될 수 있는 제작의 편의성을 갖고 있으며, 유전체를 이용한 반사배열의 안테나와 달리 기판에 의한 손실이 없으며, 고출력 전자파에 의한 안테나 손상이 없다는 장점을 가지고 있다.

제안 방법

금속 반사배열안테나 중에서 사각형 도파관 형태의 단위 구조체를 2차원 평면상에 배열하고, 각 도파관의 깊이를 조절하여 도파관에 입사된 전자기파가 도파관 끝단에서 반사되어 개구면에서 재방사하는 원리를 이용하여 주반사판을 금속반사배열안테나로 구현하였다. 이때, 각 단위 구조체의 깊이 변화는 도파관내에서 도파되고, 다시 재 방사되는 전자기파의 전달경로를 변화시키게 되며, 이 결과는 각 단위 구조체의 위상변화로 나타나게 된다.
모드는 주름진 도파관으로 집속되며, 주름진 도파관은 제작된 축이동 금속 반사배열안테나의 급전부로 사용되었다. 급전부를 포함한 전체 안테나 시스템의 정확한 측정을 위하여 모드 발생기와 급전부 역시 각각 전산모사 및 실험을 통하여 검증하였다. 주름진 도파관 급전부는 주름의 깊이(0.
반사배열안테나를 이용하여 목표한 이득을 얻기 위하여 원형의 주 반사판의 크기와 등가적인 면적에서 반사배열안테나에서의 산란 등에 의한 손실을 고려하여 목표 개구면 효율을 50～60 %^[12]로 잡고, 사각형 형태의 주 반사판의 크기를 설정하였다.
사각형 도파관 단위소자의 크기는 동작 대역에서 최적의 방사 효율을 얻기 위하여 끝단이 단락된 사각형 도파관 형태의 단위구조에서 반사된 위상이 최대한의 선형성을 유지하면서 최대 배열갯수를 가질 수 있도록 설계하였으며, 배열의 간격은 부엽 및 그레이팅 로브 및 가공성을 고려하여 결정하였다. 본 논문에서는 가로(a) 1.8 mm, 세로(b) 1.4 mm의 크기의 사각형 개구가 0.5 mm의 간격을 갖는 형태로 배열안테나를 설계하였다. 끝단이 단락된 사각형 도파관 형태의 단위구조에서 깊이(d)에 따른 위상변화는 그림 3에 도시되었다.
본 논문에서는 광범위하게 연구되고 있는 포물면 안테나 대신 안테나의 탑재성과 효율을 고려하여 이중 반사판 중에서 상대적으로 높은 효율을 가질 수 있는 축이동 이중반사판 안테나 형식을 채용하고, 이 중 주 반사판을 금속 반사배열안테나 형태로 구현하였다. 반사배열안테나는 일반적으로 급전부와 반사판으로 구성되며, 반사판은 급전부를 통해 입사되는 전자기파의 위상을 조절할 수 있는 단위 구조체들의 배열로 통상 이루어진다.
사각형 개구의 깊이 변화에 따른 위상 변화를 측정하기 위하여 도파관 해석방식을 이용하여 TEM 모드의 평면파가 소자에 입사되고, 다시 반사되어 나오는 위상을 통하여 소자의 변화에 따른 위상 변화를 측정하였다. 제안된 단위 구조는 그림 2와 같은 형태이다.
사각형 도파관 단위소자의 크기는 동작 대역에서 최적의 방사 효율을 얻기 위하여 끝단이 단락된 사각형 도파관 형태의 단위구조에서 반사된 위상이 최대한의 선형성을 유지하면서 최대 배열갯수를 가질 수 있도록 설계하였으며, 배열의 간격은 부엽 및 그레이팅 로브 및 가공성을 고려하여 결정하였다. 본 논문에서는 가로(a) 1.
제작된 안테나는 급전부의 중심축에 주 반사판과 부 반사판을 결합할 수 있는 구조로 제작하였으며, 안테나의 제작 공차에 의한 손실을 보상하기 위하여 부 반사파과 급전부의 위치를 조절이 가능하도록 제작되었다.

대상 데이터

의 전체 해석공간을 해석하여 전산모사 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 제작된 안테나의 실제 측정은 밀리미터파 대역의 컴팩트 레인지 안테나 측정시스템에서 측정되었으며, 실제 주름진 도파관에 HE₁₁모드를 여기하기 위하여 사각형 도파관WR-10에서 원형 도파관 WC-9로의 변환기와 원형 다중모드 혼 발생기를 이용하였다.
그림 5의 각 개구의 깊이정보를 이용하여 제작된 주 반사판과 주름진 도파관 급전부와 부 반사판을 포함하여 제작된 전체 안테나의 모습이 그림 6이다. 부 반사판과 부 반사판의 조절부 지지를 위하여 두께 2 mm의 금속막대를 이용하였으며, 안테나 반사판은 모두 알루미늄 금속재질로 특별한 가공 공정이 없이 통상의 금속가공을 이용하여 제작되었다.
원형 다중 모드 혼 발생기에서 발생된 HE₁₁모드는 주름진 도파관으로 집속되며, 주름진 도파관은 제작된 축이동 금속 반사배열안테나의 급전부로 사용되었다. 급전부를 포함한 전체 안테나 시스템의 정확한 측정을 위하여 모드 발생기와 급전부 역시 각각 전산모사 및 실험을 통하여 검증하였다.
급전부를 포함한 전체 안테나 시스템의 정확한 측정을 위하여 모드 발생기와 급전부 역시 각각 전산모사 및 실험을 통하여 검증하였다. 주름진 도파관 급전부는 주름의 깊이(0.789 mm), 폭(0.526 mm), 간격(1.052 mm)으로 원통형 형상을 제작하는 선반가공을 이용하여 제작하였다.

데이터처리

위상이 보정되어 제작된 반사배열안테나의 원역장 방사패턴은 주름진 도파관에서의 도파모드인 HE₁₁모드를 고려하여 FDTD 방식의 electromagnetic full-wave 프로그램을 이용하여 160λ₀ ×160λ₀ ×100λ₀의 전체 해석공간을 해석하여 전산모사 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 제작된 안테나의 실제 측정은 밀리미터파 대역의 컴팩트 레인지 안테나 측정시스템에서 측정되었으며, 실제 주름진 도파관에 HE₁₁모드를 여기하기 위하여 사각형 도파관WR-10에서 원형 도파관 WC-9로의 변환기와 원형 다중모드 혼 발생기를 이용하였다.

이론/모형

50 dBi 이상의 목표 이득을 얻기 위한 반사배열안테나의 경우 매우 많은 해석시간이 요구되기 때문에, 설계변수의 변화에 따른 안테나의 특성변화를 예측하기 매우 어렵다. 따라서 이를 해결하기 위하여 초기 설계에서는 동일한 급전부에서 PO(Physicsl Optics)와 GTD(Geometrical Theory of Diffraction) 해석기법을 이용하여 축이동 반사판안테나를 설계하고 해석하였다.

성능/효과

그림 7은 제안된 밀리미터파 대역의 축이동 금속반사배열안테나의 전산모사 결과와 측정결과의 E-평면과 H-평면의 방사특성을 각각 비교하는 그래프이다. 주름진 도파관에서 급전된 밀리미터파는 축이동 금속 개구배열안테나에서 재 방사되어 반전력 빔폭 0.32°로 집속되었으며, 제작된 안테나의 이득 측정결과는 51.28 dBi이다.
15인 75 mm, 1차 복사기인 부 반사판의 edge taper(θ_e)는 9∼17 dB 사이에 해당하는 15 dB를 기준으로 하는 13°로 결정하였다^[16]. 축이동 금속 반사배열안테나를 구현하기 위하여 고려된 축이동 반사판 안테나의 변수들을 표 1에 정리하였으며, 반사판 안테나 이득과 효율은 각각 52.78 dBi와 77 %로 예측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	밀리미터파란?	밀리미터파는 자유 공간에서 주파수가 30 GHz 이상 300 GHz 이하의 범위로, 밀리미터(mm) 단위의 파장을 갖는 전자기파를 의미한다. 밀리미터파 대역의 기술은 광대역 또는 기가비트 무선통신, 비파괴 영상 및 고해상도 의료영상, 위성 데이터 링크, 원격 탐사 등의 분야에서의 활발하게 연구되고 있다.
	50 dBi 이상의 목표 이득을 얻기 위한 반사배열안테나의 경우 매우 많은 해석시간이 요구되기 때문에, 설계변수의 변화에 따른 안테나의 특성변화를 예측하기 매우 어려워 제시된 해결 방안은?	50 dBi 이상의 목표 이득을 얻기 위한 반사배열안테나의 경우 매우 많은 해석시간이 요구되기 때문에, 설계변수의 변화에 따른 안테나의 특성변화를 예측하기 매우 어렵다. 따라서 이를 해결하기 위하여 초기 설계에서는 동일한 급전부에서 PO(Physicsl Optics)와 GTD(Geometrical Theory of Diffraction) 해석기법을 이용하여 축이동 반사판안테나를 설계하고 해석하였다.
	밀리미터파 대역의 기술은 어떤 분야에서 활발하게 연구되고 있는가?	밀리미터파는 자유 공간에서 주파수가 30 GHz 이상 300 GHz 이하의 범위로, 밀리미터(mm) 단위의 파장을 갖는 전자기파를 의미한다. 밀리미터파 대역의 기술은 광대역 또는 기가비트 무선통신, 비파괴 영상 및 고해상도 의료영상, 위성 데이터 링크, 원격 탐사 등의 분야에서의 활발하게 연구되고 있다. 다양한 활용분야의 요구로 현재밀리미터파 대역에서 여러 종류의 안테나 연구들이 활발히 진행되고 있다.

참고문헌 (17)

J. Shaker, M. R. Chaharmir, and J. Ethier, Antennas : Analysis, Design, Fabrication, and Measurement, Boston : Artech House, 2014.
J. H. Yoon, Y. J. Yoon, W. Lee, and J. So, "Square ring element reflectarrays with improved radiation characteristics by reducing reflection phase sensitivity", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 63, no. 2, pp. 814-818, Feb. 2015.

상세보기
I. Derafshi, N. Komjani, and M. Mohammadirad, "A single-layer broadband reflectarray antenna by using quasi- spiral phase delay line", IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett., vol. 14, pp. 84-87, Jan. 2015.

상세보기
M. E. Bialkowski, K. H. Sayidmarie, "Investigations into phase characteristics of a single-layer reflectarray employing patch or ring elements of variable size", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 11, pp. 3366-3372, Nov. 2008.

상세보기
M. -Y. Zhao, G. -Q. Zhang, X. Lei, J. -M. Wu, and J. -Y. Shang, "Design of new single-layer multiple-resonance broadband circularly polarized reflectarrays", IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett., vol. 12, pp. 356- 359, Mar. 2013.

상세보기
G. Zhao, Y. -C. Jiao, F. Zhang, and F. -S. Zhang, "A subwavelength element for broadband circularly polarized reflectarrays", IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett.,, vol. 9, pp. 330-333, May 2010.

상세보기
J. Ethier, M. R. Chaharmir, and J. Shaker, "Loss reduction in reflectarraydesigns using sub-wavelength coupledresonant elements", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 60, no. 11, pp. 3366-3372, Nov. 2012.
Y. H. Cho, W. J. Byun, and M. S. Song, "Metallic- rectangular grooves based 2D reflectarray antenna excited by an open-ended parallel-plate waveguide", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 5, pp. 1788-1792, May 2010.

상세보기
W. An, S. Xu, and F. Yang, "A metal-only reflectarray antenna using slot-type elements", IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett., vol. 13, pp. 1553-1556, Aug. 2014.

상세보기
J. Gomez, A. Tayebi, J. de Lucas, and F. Catedra, "Metal- only Fresnel zone plate antenna for millimetre-wave frequency bands", IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 8, no. 6, pp. 445-450, Apr. 2014.

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M. Yi, W. Lee, and J. So, "Characteristics of digitised millimetre-wave metal reflectarray antennas", IET Electronics Letters, vol. 51, no. 19, pp. 1507-1509, Sep. 2015.

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W. Lee, M. Yi, J. So, and Y. J. Yoon, "Non-resonant conductor reflectarray element for linear reflection phase", IET Electronics Letters, vol. 51 no. 9 pp. 669-671, Apr. 2015.

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M. Yi, W. Lee, and J. So, "Design of cylindrically conformed metal reflectarray antennas for millimetrewave applications", IET Electronics Letters, vol. 50, no. 20, pp. 1409-1410, Sep. 2014.

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A. P. Popov, T. Milligan, "Amplitude aperture-distribution control in displaced axis two-reflector antennas", IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 39, no. 6, pp. 58-63, Dec. 1997.

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M. Tumm, A. Jacobs, and M. S. Ayza, "Design of short high-power TE11-HE11 mode converters in highly overmoded corrugated waveguides", IEEE Trans. Microwave Theory and Technique, vol. 39, no. 2, pp. 301-309, Feb. 1991.

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임성빈, 최경국, 최학근, "축이동 그레고리안 이중 반사경 안테나의 해석", 한국전자파학회논문지 14(11), pp. 1161-1169, 2003년 11월.

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이상흔, 윤영중, 이병무, 소준호, "초고출력 안테나시스템 급전용 다중 모드 혼 안테나 설계에 관한 연구", 한국전자파학회논문지, 17(5), pp. 476-482, 2006 년 5월.

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