[논문]유전체 렌즈가 삽입된 고이득 Corrugated 혼 안테나

이호주; 최재훈

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.5.486

초록
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논문에서는 corrugation 구조의 적용과 PTFE 테플론(비유전율=2.1) 유전체 렌즈의 삽입을 통하여 우수한 임피던스 매칭 특성과 고이득 성능을 가지는 corrugated 혼 안테나가 제안되었다. 제안된 안테나는 X 밴드(8~12 GHz)에서 -25 dB 이하의 측정 반사손실 성능을 가지고, 중심 주파수인 10 GHz에서 최대 이득이 22.3 dBi이며, 안테나의 전체 크기는 $110mm{\times}110mm{\times}135mm$이다. 제안된 안테나의 성능을 고려하였을 때, 레이더식 레벨 트랜스미터 시스템에 삽입되기에 적합하며, 특히 LNG 및 LPG와 같이 낮은 비유전율 및 반사율을 가지는 물질이 저장된 선박 혹은 해양플랜트 내부의 가스탱크에 적용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A horn antenna with corrugation structure and a PTFE(Polytetrafluoroethylene) teflon(relative permittivity=2.1) dielectric lens for good impedance matching characteristic and high gain performance is proposed in this paper. The proposed antenna shows measured return loss below -25 dB over the operat...

A horn antenna with corrugation structure and a PTFE(Polytetrafluoroethylene) teflon(relative permittivity=2.1) dielectric lens for good impedance matching characteristic and high gain performance is proposed in this paper. The proposed antenna shows measured return loss below -25 dB over the operating X band(8~12 GHz), the peak gain of 22.3 dBi at the center frequency(10 GHz) and has overall size of $110mm{\times}110mm{\times}135mm$. Considering the performance of the proposed antenna, it is suitable for being inserted in a radar level transmitters, particularly for gas tanks on vessels or off-shore plants containing gas with very low reflectivity and relative permittivity such as LNG or LPG.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 corrugation 구조가 적용되고, 유전체 렌즈가 삽입된 고이득의 원뿔형 혼 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 X 밴드에서 동작하며, 해당 주파수 대역에서 —25 dB 이하의 우수한 반사 손실 특성을 가졌고, 중심 주파수인 10 GHz에서 최대 이득 22.
이에, 본 논문에서는 X 밴드(8~12 GHz)에서 우수한 임피던스 매칭 특성과 높은 지향성을 가지는 레벨 트랜스미터 시스템용 혼 안테나를 제안하였다. 제안된 혼 안테나는 내부 벽면에 corrugation을 적용하여 임피던스 매칭 특성을 개선하였고, 개구면에는 teflon 재질의 렌즈를 삽입함으로써 안테나가 보다 높은 지향성을 가지도록 하였다.

제안 방법

유전체 렌즈의 재질은 가스 탱크 내부의 저온 환경에서 특성 변화가 비교적 작고 물리·화학적으로 강한 내성을 갖는 중합 유전체인 PTFE 테플론으로 선택하였다^[8]. 더불어, 성능 개선의 정도를 비교하기 위하여, 제안된 안테나와 동일한 크기를 가지고 corrugation 구조와 유전체 렌즈가 적용되지 않은 레퍼런스 혼 안테나를 별도로 설계하였다. 그림 1(b)와 (c)는 각각 최초 제안된 안테나의 단면도와 설계 파라미터를 나타낸다.
제안된 혼 안테나는 내부 벽면에 corrugation을 적용하여 임피던스 매칭 특성을 개선하였고, 개구면에는 teflon 재질의 렌즈를 삽입함으로써 안테나가 보다 높은 지향성을 가지도록 하였다. 또한, 개구면에 렌즈를 삽입하여 외부 유입물을 차단함으로써 실제 동작 환경에서 가스의 유입을 방지할 수 있는 구조를 적용하였다.
파라미터 최적화를 완료한 후, 제작 단가의 절감을 위한 구조에 대한 설계와 타당성 검증을 실시하였다. 최초제안된 안테나는 렌즈의 곡면으로 인하여 금형 가공이 불가피했으나, 곡선 프로파일을 계단식 원통형으로 모델링함으로써 절삭 가공이 가능하도록 하였다. 그림 4는 최종 제안된 안테나의 구조와 성능을 나타낸다.

대상 데이터

그림 5(a)는 제작한 안테나의 사진이며, 안테나의 총 크기는 유전체 렌즈를 포함하여 110 mm×110 mm×135mm이다. 그림 5(b)는 안테나 급전과 측정을 위하여 안테나에 SMA 어댑터와 사각형-원형 도파관 트랜지션을 결합한 사진이다.
기본적인 원뿔형 혼 안테나의 내벽에 corrugation을 적용하여 임피던스 매칭 특성을 개선하였으며^[6], 유전체를 렌즈 형태로 개구면에 삽입함으로써 이득 성능을 개선하였다^[7]. 유전체 렌즈의 재질은 가스 탱크 내부의 저온 환경에서 특성 변화가 비교적 작고 물리·화학적으로 강한 내성을 갖는 중합 유전체인 PTFE 테플론으로 선택하였다^[8]. 더불어, 성능 개선의 정도를 비교하기 위하여, 제안된 안테나와 동일한 크기를 가지고 corrugation 구조와 유전체 렌즈가 적용되지 않은 레퍼런스 혼 안테나를 별도로 설계하였다.
그림 5(b)는 안테나 급전과 측정을 위하여 안테나에 SMA 어댑터와 사각형-원형 도파관 트랜지션을 결합한 사진이다. 제작된 안테나의 반사 손실은 Agilent사의 Vector Network Analyzer(8753ES)를, 방사패턴은 중대형 무반향 챔버실을 이용하여 각각 측정하였다.

데이터처리

안테나 설계 변수들에 대해 위와 같은 파라미터 분석을 각각 수행한 결과, 최적화된 안테나의 설계 변수의 값들이 표 1과 같이 도출되었다. 이후, 표 1에 표기된 최적화 변수 값들을 적용하여 제안된 안테나와 레퍼런스 안테나 사이의 임피던스 매칭 및 이득 성능을 비교하였다.
8 dB 낮은데, 이는 안테나의 후방부에 결합되는 도파관 트랜지션과 SMA 어댑터 제품에서 발생하는 손실에 기인한다. 측정을 수행한 이후, 제안된 안테나의 성능을 유사한 형태의 혼 안테나와 관련된 연 구결과들과 비교하였다. 제안된 안테나를 참고문헌 [6], [7]에서 제안된 안테나와 비교하였을 때, 안테나의 동작 주파수에서의 파장 대비 전체 크기는 거의 같으며, 측정된 최대 이득은 중심주파수에서 각각 6 dBi, 그리고 3 dBi 만큼 높았다.
파라미터 최적화를 완료한 후, 제작 단가의 절감을 위한 구조에 대한 설계와 타당성 검증을 실시하였다. 최초제안된 안테나는 렌즈의 곡면으로 인하여 금형 가공이 불가피했으나, 곡선 프로파일을 계단식 원통형으로 모델링함으로써 절삭 가공이 가능하도록 하였다.

성능/효과

본 논문에서는 corrugation 구조가 적용되고, 유전체 렌즈가 삽입된 고이득의 원뿔형 혼 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 X 밴드에서 동작하며, 해당 주파수 대역에서 —25 dB 이하의 우수한 반사 손실 특성을 가졌고, 중심 주파수인 10 GHz에서 최대 이득 22.3 dBi로 높은 지향성을 보였다. 안테나의 이러한 특성들을 고려하였을 때, 수면에서의 낮은 반사율을 보이고, 저온 환경에서 액화되는 가스를 저장하는 탱크의 레벨 트랜스미터 시스템에 적용되기 적합하며, 이는 가스를 추출, 저장 및 수송하는 해양 플랜트 및 선박 산업에 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
이에, 본 논문에서는 X 밴드(8~12 GHz)에서 우수한 임피던스 매칭 특성과 높은 지향성을 가지는 레벨 트랜스미터 시스템용 혼 안테나를 제안하였다. 제안된 혼 안테나는 내부 벽면에 corrugation을 적용하여 임피던스 매칭 특성을 개선하였고, 개구면에는 teflon 재질의 렌즈를 삽입함으로써 안테나가 보다 높은 지향성을 가지도록 하였다. 또한, 개구면에 렌즈를 삽입하여 외부 유입물을 차단함으로써 실제 동작 환경에서 가스의 유입을 방지할 수 있는 구조를 적용하였다.
그림 1(b)와 (c)는 각각 최초 제안된 안테나의 단면도와 설계 파라미터를 나타낸다. 파라미터 분석 결과, 안테나의 주빔 방향을 형성하는 렌즈의 곡률을 결정하는 파라미터인 H_su가 지향성에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터로 나타나, 이에 대한 미세 튜닝을 통하여 성능 최적화를 수행하였다.

후속연구

3 dBi로 높은 지향성을 보였다. 안테나의 이러한 특성들을 고려하였을 때, 수면에서의 낮은 반사율을 보이고, 저온 환경에서 액화되는 가스를 저장하는 탱크의 레벨 트랜스미터 시스템에 적용되기 적합하며, 이는 가스를 추출, 저장 및 수송하는 해양 플랜트 및 선박 산업에 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 레벨 트랜스미터 시스템용 혼 안테나의 유전체 렌즈의 재질은 무엇으로 했는가?	기본적인 원뿔형 혼 안테나의 내벽에 corrugation을 적용하여 임피던스 매칭 특성을 개선하였으며[6], 유전체를 렌즈 형태로 개구면에 삽입함으로써 이득 성능을 개선하였다[7]. 유전체 렌즈의 재질은 가스 탱크 내부의 저온 환경에서 특성 변화가 비교적 작고 물리․화학적으로 강한 내성을 갖는 중합 유전체인 PTFE 테플론으로 선택하였다[8]. 더불어, 성능 개선의 정도를 비교하기 위하여, 제안된 안테나와 동일한 크기를 가지고 corrugation 구조와 유전체 렌즈가 적용되지 않은 레퍼런스 혼 안테나를 별도로 설계하였다.
	가스탱크의 레이더식 레벨트랜스미터 시스템에서 우수한 임피던스 매칭 특성과 고이득 성능을 가지는 안테나가 요구되는 이유는?	최근 상용되고 있는 가스탱크의 레이더식 레벨트랜스미터 시스템에서는 수위를 측정해야 하는 대상 가스가 낮은 반사율을 가지기 때문에 우수한 임피던스 매칭 특성과 고이득 성능을 가지는 안테나가 요구된다. 이러한 이유로 해당 시스템에는 혼 안테나가 주로 사용되는데, 안테나에 할당되는 공간이 협소하기 때문에 기본형태의혼 안테나[1]로는 시스템에서 요구하는 성능을 만족하기가 어렵다[2].
	혼 안테나 개구면에 렌즈를 삽입한 목적은 무엇으로 볼 수 있는가?	제안된 혼 안테나는 내부 벽면에 corrugation을 적용하여 임피던스 매칭 특성을 개선하였고, 개구면에는 teflon 재질의 렌즈를 삽입함으로써 안테나가 보다 높은 지향성을 가지도록 하였다. 또한, 개구면에 렌즈를 삽입하여 외부 유입물을 차단함으로써 실제 동작 환경에서 가스의 유입을 방지할 수 있는 구조를 적용하였다.

참고문헌 (9)

C. A. Balanis, Modern Antenna Handbook, John Wiley & Sons, pp. 121-130, 2007.
http://vega-americas.com/
허운만, 이인재, 임계재, 윤현보, "격자로 분할된 개구면을 갖는 혼 안테나의 이득 개선", 한국전자파학회논문지, 17(10), pp. 1000-1006, 2006년 10월.

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

원문보기 상세보기
D. Brumbi, "Measuring process and storage tank level with radar technology", IEEE International Radar Conference, pp. 256-260, May 1995.
S. Tohid, "Design of a compact Gaussian profiled corrugated horn antenna for low sidelobe-Level applications", International Journal of Computer Theory & Engineering, vol. 5, Issue 2, p. 223, Apr. 2013.
D. Wu, "A novel conical horn antenna loaded with ball cone dielectric", Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation, pp. 631-634, Jul. 2014.
Robert K. Flitney, Seals and Sealing Handbook, Butterworth- Heinemann, pp. 230-231, 2007.
B. Asay, "Why engineers ignore cable loss", Microwave Journal, Supplement, p. 44, Mar. 2012.

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