[논문]밀리미터파 안테나 측정용 컴팩트 레인지

이우상; 이민우; 소준호; 김동석; 윤영중

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.5.471

[국내논문] 밀리미터파 안테나 측정용 컴팩트 레인지
A Millimeter-Wave Compact Antenna Test Range 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.5, 2016년, pp.471 - 481

이우상 (국방과학연구소) , 이민우 (국방과학연구소) , 소준호 (국방과학연구소) , 김동석 ((주)엠티지) , 윤영중 (연세대학교 전기전자공학과)

초록
AI-Helper

밀리미터파 대역에서 동작하는 안테나의 성능 측정을 위한 컴팩트 레인지 설계 및 실험 결과에 대해 소개한다. 전기적 거대 구조인 컴팩트 레인지의 포물면 반사판에 의해 형성되는 측정영역의 평면파를 해석하기 위하여 물리광학 기법을 적용하였다. 제작한 밀리미터파 컴팩트 레인지는 측정영역 전계 분포 실험과 고이득 안테나 측정을 통해 성능을 검증하였다. 동작 주파수 75~110 GHz에서 측정영역 직경 50 cm를 갖도록 설계한 컴팩트 레인지의 전력 균일성은 0.75 dB 이하로 측정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We introduce the design technique and test results of a millimeter-wave compact antenna test range. Physical optics is employed for the analysis of the plane wave collimated by an electrical large parabolic reflector of the compact range in the test zone. The performance of the manufactured compact range is verified with the field probing test on the quiet zone and the measurement of high gain antenna. A millimeter-wave compact range designed in the frequency range of 75~110 GHz with a diameter of the test zone of 50 cm shows the magnitude variation of less than 0.75 dB.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

일반적인 안테나는 제작 후 시스템에 적용하기 전에 방사패턴, 반사계수, 이득, 빔폭, 대역폭과 같은 안테나의 고유 성능에 대한 정확한 검증이 필요하다. 이러한 이유로 본 연구에서는 밀리미터파 안테나의 성능 측정을 위한 컴팩트 레인지에 대한 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 물리광학(physical optics) 기법을 이용한 밀리미터파 대역의 컴팩트 레인지 설계 기법과 이를 통해 제작된 장치의 실험 및 분석 결과를 기술하였다.
초고이득안테나와 같이 전기적 대형 구조에 대한 실험을 위해 가능한 넓은 측정영역을 구현하는 것이 좋지만, 이는 반사판의 크기에 비례하므로 대형 반사판의 제작 능력과 설치 공간을 고려하여 측정영역 크기를 결정해야 한다. 본연구에서는 직경과 길이가 50 cm인 원통형 측정영역을 목표로 한다. 측정영역에서 평면파의 전력과 위상의 균일도는 각각 1 dB, 20° 이하를 목표로 한다^[5].
표 1과 같은 목표를 만족하기 위해서 그림 2와 같이 포물면 반사판 기하 구조에 대한 설계를 하였다. 초점에 위치한 급전 안테나에서 방사된 구면파를 반사판을 이용하여 한 방향으로 집속시키는 것을 목적으로 한다. 목표한 측정영역 크기(D_QZ)를 만족하기 위하여 측정영역 직경의 두 배 이상인 사각형 형태의 반사판을 고려하였다.
본 연구에서는 물리광학 기법을 이용하여 설계한 W-대역 안테나 측정용 컴팩트 레인지를 구현하고 그 성능을 확인하였다. 급전 혼 안테나의 방사패턴 해석결과를 반사판의 전원으로 인가하고, 물리광학 해석을 통해 측정위치 및 주파수 변화, 급전 위치에 의한 영향을 반영한 측정영역 전계 특성을 예측하였다.

제안 방법

본 논문에서는 물리광학(physical optics) 기법을 이용한 밀리미터파 대역의 컴팩트 레인지 설계 기법과 이를 통해 제작된 장치의 실험 및 분석 결과를 기술하였다. 상용수치해석 툴을 이용하여 급전 혼 안테나와 포물면 반사판으로부터 생성되는 측정영역의 평면파 특성을 예측하였다. 제작된 밀리미터파 컴팩트 레인지는 전계분포 측정을 통해 평면파 형성 특성을 확인하고, W-대역 안테나 방사패턴 측정을 통해 그 유효성을 확인하였다.
그 결과, 그림과 같이 수직면에 투영된 구조 기준으로 한 변의 길이가 102.6 cm(DQZ—hedge)인 정사각형을 선정하고, 이의초점거리(Fref)는 182.9 cm인 포물면을 설계하였다.
초점에 위치한 급전 안테나에서 방사된 구면파를 반사판을 이용하여 한 방향으로 집속시키는 것을 목적으로 한다. 목표한 측정영역 크기(D_QZ)를 만족하기 위하여 측정영역 직경의 두 배 이상인 사각형 형태의 반사판을 고려하였다. 그 결과, 그림과 같이 수직면에 투영된 구조 기준으로 한 변의 길이가 102.
테두리의 불연속에 의한 회절파의 발생은 불가피하며, 수치해석을 통한 회절파의 완전한 예측 역시 쉽지 않으므로 발생된 회절파가 측정 영역으로 향하는 것을 최소화하기 위해 테두리 형상 설계를 위한 다양한 실험적 연구가 이루어졌다. 대표적으로 칼날형(nife-edge), 톱날형(serrated edge)^[6], 롤형(rolled edge)^[7]테두리가 있으며, 본 연구에서는 톱날형테두리를 설계하였다. 그림 2와 같이 포물면 반사판의 테두리를 따라 높이(h_edge) 15.
대표적으로 칼날형(nife-edge), 톱날형(serrated edge)^[6], 롤형(rolled edge)^[7]테두리가 있으며, 본 연구에서는 톱날형테두리를 설계하였다. 그림 2와 같이 포물면 반사판의 테두리를 따라 높이(h_edge) 15.2 cm인 톱날형 테두리를 5.9 cm 간격으로 설계하였다.
기존의 반사판 안테나나 컴팩트 레인지를 물리광학으로 해석할 때 급전 안테나에서 방사되는 신호는 주로 점전원 또는 코사인 함수로 근사화한 방사 패턴을 전원으로 사용한다. 본 연구에서는 급전 안테나에서 방사하는 원거리장 전계 신호를 먼저 수치해석으로 구하고 이를 물리광학기법을 이용한 반사판 해석의 전원으로 적용하였다. 이를 통해 물리광학의 장점인 적은 계산량과 빠른해석 시간을 유지하며, 동시에 실제 급전 안테나에 의한 주파수 특성 같은 영향을 분석할 수 있다.
본 연구에서는 급전 안테나에서 방사하는 원거리장 전계 신호를 먼저 수치해석으로 구하고 이를 물리광학기법을 이용한 반사판 해석의 전원으로 적용하였다. 이를 통해 물리광학의 장점인 적은 계산량과 빠른해석 시간을 유지하며, 동시에 실제 급전 안테나에 의한 주파수 특성 같은 영향을 분석할 수 있다.
동시에 편파 특성 측정을 위해서는 축방향 기준 회전대칭적인 빔을 방사해야 한다. 이러한 요구조건에 부합하는 안테나로 그림 3과 같은 축방향 초크 혼 안테나(Axial choke horn antenna)를 CST MWS를 이용하여 설계하였다.
그림 8은 동작 주파수를 75, 85, 95, 105 GHz로 바꿔가며 해석한 z=125 cm의 수평선에서의 상대 전력분포이다. 전력 균일성을 확인하기 위해 정규화한 후 1 dB 간격으로 차이를 두어 표현하였다. 주파수가 증가할수록 중심에비해 외곽의 세기가 약해지는 테이퍼링 효과가 커진다.
급전 안테나로 사용할 W-대역 축방향 초크 혼 안테나는 내부 모드변환부의 가공을 위해 전기포밍(electro-for-ming) 방식을 이용하여 제작하고, 근접전계 측정장치에서 방사 성능을 확인하였다.
임의의 편파 조건에서의 실험을 위해 급전 안테나와 피측정 안테나는 방위각 방향으로 0～90° 회전하도록 구성하였다.
측정 결과에서 전력과 위상의 절대 값은 큰 의미가 없으므로 분포의 균일성을 확인하기 쉽도록 전력은 1 dB 간격으로, 위상은 60° 간격으로 중점을 기준으로 정규화 하여 도시하였다.
임의의 편파 조건에서의 실험을 위해 급전 안테나와 피측정 안테나는 방위각 방향으로 0～90° 회전하도록 구성하였다. 이렇게 제작된 밀리미터파 컴팩트 레인지는 2 포트 벡터회로망 분석기(PNA-X N5244A)와 밀리미터파 모듈, 위치제어장치, 통신 시스템을 연결하고, 측정 소프트웨어를 이용하여 실험한다. 전자파 무반향실 내에 배치한 컴팩트레인지는 동작 주파수 대역 내에서 반사도가 —50 dB 이하인 4인치 피라미달 및 웨지 흡수체를 전후좌우 4면과 밑면, 장착대에 설치하였다.
4-2 측정영역 전계분포 측정

측정영역의 평면파 특성을 확인하기 위하여 W대역 표준 혼 안테나와 가로, 세로 최대 60 cm 구간에서 이동이 가능한 평면 스캐너를 이용하여 75～110 GHz 대역에서 5 GHz 간격으로 2차원 평면 전계분포를 측정하였다^[10]. 측정 편파는 수직 편파이며, 측정 간격은 가로, 세로 모두 2.
제작한 밀리미터파 컴팩트 레인지의 안테나 측정 성능확인을 위하여 W-대역에서 동작하는 개구면 크기 0.969 mm×0.736 mm, 이득 20.21 dBi(95 GHz)인 표준 구형 혼안테나의 방사패턴을 측정하였다.
이는 급전 안테나가 이상적인 초점 위치보다 멀리 위치하였을 가능성이 있음을 암시한다. 따라서 그림 4의 급전 위치를 초점보다 1, 5, 10 mm 떨어뜨리고 전계 해석을 수행하였다. 그림 13의 해석과 측정 결과를 보면 예상한 대로 급전 위치가 멀어질수록 더욱 오목한 위상 분포를 볼 수 있다.
컴팩트 레인지의 고이득 안테나 성능 측정 능력을 검증하기 위하여 그림 15와 같이 설계된 금속 이중 반사배열 안테나를 실험하였다^[11],[12]. 컴팩트 레인지는 회로망분석기의 2포트 산란계수로 급전 안테나에서 피실험 안테나로 전달되는 상대 전력을 측정하여 방사패턴을 구한다.
본 연구에서는 물리광학 기법을 이용하여 설계한 W-대역 안테나 측정용 컴팩트 레인지를 구현하고 그 성능을 확인하였다. 급전 혼 안테나의 방사패턴 해석결과를 반사판의 전원으로 인가하고, 물리광학 해석을 통해 측정위치 및 주파수 변화, 급전 위치에 의한 영향을 반영한 측정영역 전계 특성을 예측하였다. 이를 기반으로 제작한 밀리미터파 컴팩트 레인지는 전계분포 측정 결과, 직경 50 cm인 원통형 측정영역 내에서 전력은 0.

대상 데이터

본 연구에서는 λ/100 이하의 표면 오차를 목표로 알루미늄을 정밀 가공하여 반사판을 제작하였다.
. 측정 편파는 수직 편파이며, 측정 간격은 가로, 세로 모두 2.5 mm이다. 그림 10과 11은 z=125 cm 지점의 측정영역에서 측정 결과 중 75, 85, 95, 105 GHz 대역의 수평, 수직선 전계분포 측정 결과를 나타낸 것이다.

데이터처리

상용수치해석 툴을 이용하여 급전 혼 안테나와 포물면 반사판으로부터 생성되는 측정영역의 평면파 특성을 예측하였다. 제작된 밀리미터파 컴팩트 레인지는 전계분포 측정을 통해 평면파 형성 특성을 확인하고, W-대역 안테나 방사패턴 측정을 통해 그 유효성을 확인하였다.

이론/모형

그림 4는 밀리미터파 대역 컴팩트 레인지를 물리광학기법으로 해석하기 위한 모델 형상이다. 물리광학 해석을 위해 상용 전자파 해석 툴인 FEKO v7.0을 이용하였다. 2-2장에서 기술한 설계 변수에 따라 좌표계의 원점을 초점으로 하여 포물면 반사판을 모델링하고, 초점 위치에 점 전원을 인가한다.

성능/효과

안테나 해석 결과, 95 GHz 기준 이득은 10.8 dBi, 반전력 빔폭은 54.8°(E 평면), 58.1°(H 평면)이며, 반사판으로 조향되는 각도(30.5°) 내에서 이득 변화는 1 dB 이내를 만족한다.
위상 분포 측정 결과, 역시 전반적으로 매우 평탄하며, 그 편차는 75 GHz에서 9.9°, 105 GHz에서 13.6°로 해석결과에 비해 다소 증가한것을 볼 수 있지만 20° 이하를 만족한다.
먼저 수평선 전계분포를 보면 상대 전력은 해석 결과와 유사하게 주파수 증가에 따라 최대, 최소값의 편차가 증가하며, 전 주파수 대역에서 전력 균일성은 최대 0.5 dB 이내로 우수함을 볼 수 있다. 위상 분포 측정 결과, 역시 전반적으로 매우 평탄하며, 그 편차는 75 GHz에서 9.
8 cm 위치와 동일하다. 측정결과를 보면 전력 분포는 수평선분포에 비해 평탄도가 저하되었으나, 최대 편차는 0.75 dB로 여전히 양호함을 볼 수 있다. 반면, 위상 분포는 측정영역 아래쪽 경계방향으로 갈수록 위상 변화가 큰 것은 해석을 통해 예측했던 것이지만, 그 변화 폭이 최대 39.
그림 12는 주파수 95 GHz에서 z 축 위치에 따른 2차원평면 전력, 위상 분포 측정 결과이다. 측정 결과를 보면 우선 해석 결과와 유사하게 길이 방향으로의 변화는 크지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 전력 분포는 수평, 수직선 분포 결과와 같이 2차원 평면에서도 1 dB 이하로 균일성을 유지한다.
측정 결과를 보면 우선 해석 결과와 유사하게 길이 방향으로의 변화는 크지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 전력 분포는 수평, 수직선 분포 결과와 같이 2차원 평면에서도 1 dB 이하로 균일성을 유지한다. 위상 분포 역시 전반적으로 급격한 변화는 관찰되지 않는다.
그리고 측정영역의 교차 편파(cross polarization)는 측정 결과, 전 주파수 대역에서 —35 dB 이하로 양호함을 확인하였다.
측정한 전계 분포를 해석 결과와 비교해 보면 전력 분포는 크게 변하지 않으나, 위상 분포는 변화폭이 다소 증가한 것을 볼 수 있다. 변화 양상을 관찰하면 중심보다 외곽의 위상 값이 큰 것은 반사판에서 반사된 전파가 직진하지 않고, 측정 영역의 중심 방향으로 집속되었기 때문이다.
그림 14는 95 GHz에서 ±60° 각도에서 측정한 H 평면의 정규화한 방사패턴이며, 비교를 위하여 한국표준과학연구원의 W-대역 근접전계측정장치(near-field measurement system)를 이용하여 측정한 방사패턴을 같이 나타내었다. 측정 결과, 낮은 이득에서 계측기 수신감도 한계에 의한 리플이 나타나지만 두측정 결과가 전반적으로 일치함을 볼 수 있다.
특히 주빔의패턴은 정확히 일치하며, 부엽도 첫 번째를 포함한 대부분 구간에서 이득 차이가 1 dB 수준으로 크지 않음을 볼 수 있다. 이러한 결과로부터 설계한 컴팩트 레인지는 밀리미터파 대역의 안테나 측정에 적합함을 확인하였다.
급전 혼 안테나의 방사패턴 해석결과를 반사판의 전원으로 인가하고, 물리광학 해석을 통해 측정위치 및 주파수 변화, 급전 위치에 의한 영향을 반영한 측정영역 전계 특성을 예측하였다. 이를 기반으로 제작한 밀리미터파 컴팩트 레인지는 전계분포 측정 결과, 직경 50 cm인 원통형 측정영역 내에서 전력은 0.75 dB 이내의 편차를 만족하나, 위상은 일부 구간에서 20° 이상의 편차를 보임을 확인하였다. 이러한 일부 위상의 비균일성으로 인해 감소된 측정영역은 급전 안테나의 각도와 위치 재정렬로 해결될 것으로 판단된다.
이러한 일부 위상의 비균일성으로 인해 감소된 측정영역은 급전 안테나의 각도와 위치 재정렬로 해결될 것으로 판단된다. 컴팩트 레인지를 이용하여 측정한 W-대역 안테나 방사패턴 결과를 수치해석 및 근접전계 측정 결과와 비교하여 안테나의 정확한 성능검증이 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물리광학 기법의 장점은?	물리광학 기법은 다른 수치해석 기법에 비해 계산량이적어 전기적 거대 구조의 해석이 가능하다는 장점이 있지만, 반사판 테두리에서의 회절을 고려하지 못한다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 물리회절이론(physical theory of diffraction)[9]과 같은 회절 이론들을 적용할 수 있으나, 이는 계산량의 증가를 야기하고, 곡선 테두리에 대한 회절파 해석이 어렵다는 문제점이 있다.
	안테나 측정 기법는 어떻게 구분되는가?	안테나 측정 기법은 크게 원거리장 야외실험, 근접전계 측정, 컴팩트 레인지로 구분된다. 이 중 컴팩트 레인지(compact antenna test range)는 급전 안테나와 반사판을 이용하여 근거리의 측정영역(quiet zone 또는 test zone)에 평면파(plane wave)를 형성하여 원거리장과 같은 환경을 만드는 장치이다.
	대용량 무선 통신 및 고해상도 레이더 센서 개발에 대한 요구 증가는 어떤 변화를 주었나?	시스템의 무인화, 소형화, 고기능화 흐름에 따라 대용량 무선 통신 및 고해상도 레이더 센서 개발에 대한 요구가 나날이 증가하고 있다. 이러한 요구에 따라 전자파 송수신장치의 스펙트럼은 밀리미터파부터 테라헤르츠 대역까지 지속적으로 증가할 수밖에 없다. 안테나 역시 밀리미터파 이상 대역에서 활발히 연구되고 있으며, 특히 송수신장치의 유효복사전력을 높이기 위한 고지향성 안테나에 대한 연구가 이루어지고 있다[1],[2].

참고문헌 (12)

Y. H. Cho, W. J. Byun, and M. S. Song, "High gain metal-only reflectarray antenna composed of multiple rectangular grooves", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 59, no. 12, pp. 4559-4568, Aug. 2011.

상세보기
J. H. Yoon, Y. J. Yoon, W. Lee, and J. So, "W-band microstrip reflectarray with double-cross element for bandwidth improvement", 2015 Global Symposium on Millimeter Waves, May 2015.
이우상, "GTEM 셀 설계를 위한 전자파 모델링 및 회로망해석기법연구", 한국전자파학회논문지, 19(7), pp. 792-800, 2008년 7월.
권경일, 홍동희, "컴팩트 레인지용 파라보릭 반사판의 전자파 특성 분석", 한국전자파학회논문지, 33(8), pp. 47-54, 1996년 8월.
J. D. Huff, C. B. Brechin, A millimeter compact range, http://www.mitechnologies.com
P. A. Beeckman, "Prediction of the Fresnel region field of a compact antenna test range with serrated edges", Proc. IEEE, vol. 133, no. 2, pp. 108-114, Apr. 1986.
W. D. Burnside, M. C. Gilreath, B. M. Kent, and G. L. Clerici, "Curved edge modification of compact range reflector", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 35, no. 2, pp. 176-182, Feb. 1987.

상세보기
A. K. Bhattacharyya, High-Frequency Electromagnetic Technique, John Wiley & Sons, Inc., 1995.
P. Y. Ufimtsev, "Method of edge wave in the physical theory of diffraction theory", AD733203.
A. G. Repjar, D. P. Kremer, "Accurate evaluation of a millimeter wave compact range using planar near-field scanning", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 30, no. 3, pp. 419-425, May. 1982.

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

상세보기
C. Granet, "Designing axially symmetric Cassegrain of Gregorian dual-reflector antennas from combinations of prescribed geometric parameters", IEEE Antennas and Propag. Magazine, vol. 40, no. 3, pp. 82-87, Jun. 1998.

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증