본 논문에서는 도파관 슬롯 배열 안테나의 요소로서 구형 도파관 광벽 중심에 위치하고, 비대칭 아이리스에 의해 급전되는 종방향 션트 슬롯을 제안하였다. 아이리스의 기구 치수를 적절히 조절하면 원하는 주파수에서 슬롯을 공진시킬 수 있다. 제안된 슬롯은 넓은 범위의 정규화 공진컨덕턴스, 공진시 도파관 내의 최소 위상변화 등의 장점을 가진다. 부가적으로 제안된 슬롯이 도파관 슬롯 배열에 적용될 때 각 슬롯들이 일직선으로 배치되기 때문에 원치 않는 교차편파 준위를 낮출 수 있다. 부엽준위 -20 dB를 가지는 $8{\times}1$ 중앙 급전 도파관 슬롯 배열 안테나를 설계, 제작한 후 실험하였다. 측정결과들은 시뮬레이션 결과들과 잘 일치하고, 주파수 9.41 GHz에서 부엽준위 -18.13 dB, 교차편파 준위는 -48.85 dB로서 종래의 종방향 슬롯배열안테나에 비해 약 15 dB 정도 개선되었다.
본 논문에서는 도파관 슬롯 배열 안테나의 요소로서 구형 도파관 광벽 중심에 위치하고, 비대칭 아이리스에 의해 급전되는 종방향 션트 슬롯을 제안하였다. 아이리스의 기구 치수를 적절히 조절하면 원하는 주파수에서 슬롯을 공진시킬 수 있다. 제안된 슬롯은 넓은 범위의 정규화 공진컨덕턴스, 공진시 도파관 내의 최소 위상변화 등의 장점을 가진다. 부가적으로 제안된 슬롯이 도파관 슬롯 배열에 적용될 때 각 슬롯들이 일직선으로 배치되기 때문에 원치 않는 교차편파 준위를 낮출 수 있다. 부엽준위 -20 dB를 가지는 $8{\times}1$ 중앙 급전 도파관 슬롯 배열 안테나를 설계, 제작한 후 실험하였다. 측정결과들은 시뮬레이션 결과들과 잘 일치하고, 주파수 9.41 GHz에서 부엽준위 -18.13 dB, 교차편파 준위는 -48.85 dB로서 종래의 종방향 슬롯배열안테나에 비해 약 15 dB 정도 개선되었다.
In this paper, a non-offset longitudinal shunt slot excited by an asymmetry compound iris on the broad wall of a rectangular waveguide is presented as an element for a waveguide slot-array antenna(WSAA). By properly adjusting the iris dimension, a resonance of the slot at a desired frequency can be ...
In this paper, a non-offset longitudinal shunt slot excited by an asymmetry compound iris on the broad wall of a rectangular waveguide is presented as an element for a waveguide slot-array antenna(WSAA). By properly adjusting the iris dimension, a resonance of the slot at a desired frequency can be achieved. The proposed resonant slot has some advantageous properties, such as a wide range of normalized resonant conductance, and minimum change of phase in the waveguide at the resonance. In addition, when the slots are arrayed for a waveguide slot antenna, the unwanted cross-polarization level can be reduced because each slot is placed in a straight line. A $8{\times}1$ WSAA with -20 dB side-lobe level(SLL) is designed, fabricated, and tested experimentally. The measured results are well agreed with the simulated ones and have an SLL of -18.13 dB and a cross-polarization level of -48.85 dB at 9.41 GHz, which was improved by about 15 dB of that of the conventional longitudinal slot array antenna.
In this paper, a non-offset longitudinal shunt slot excited by an asymmetry compound iris on the broad wall of a rectangular waveguide is presented as an element for a waveguide slot-array antenna(WSAA). By properly adjusting the iris dimension, a resonance of the slot at a desired frequency can be achieved. The proposed resonant slot has some advantageous properties, such as a wide range of normalized resonant conductance, and minimum change of phase in the waveguide at the resonance. In addition, when the slots are arrayed for a waveguide slot antenna, the unwanted cross-polarization level can be reduced because each slot is placed in a straight line. A $8{\times}1$ WSAA with -20 dB side-lobe level(SLL) is designed, fabricated, and tested experimentally. The measured results are well agreed with the simulated ones and have an SLL of -18.13 dB and a cross-polarization level of -48.85 dB at 9.41 GHz, which was improved by about 15 dB of that of the conventional longitudinal slot array antenna.
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문제 정의
다음으로 비이격 LSS를 통하여 도파관에서 자유공간으로 복사되는 전력을 계산해 보자. 그림 5는 제안된 비이격 LSS가 공진할 때, 그 등가 회로를 새롭게 도시한 것이다[12].
본 논문에서 도파관 슬롯배열안테나의 요소로서 비대칭 복합아이리스에 의해 급전되는 비이격 종방향 션트 슬롯을 제안하고, 그 복사 특성에 대해 연구하였다. HFSS를 활용한 모의실험 결과들은 WSAA의 복사 빔 패턴 합성에 적용 가능하도록 ACI의 LI 폭에 따른 공진 컨덕턴스, 공진 슬롯길이, 공진이 되도록 CI의 높이 값들을 도시하였으며, 또한 이 곡선들은 LI 폭에 대하여 다항식 함수로 데이터 피팅(data-fitting)하였다.
제안된 비이격 LSS 구조의 반사, 투과, 복사 특성을 살펴보자. 먼저 산란계수를 구하고자 중심 주파수 9.
제안 방법
본 논문에서 도파관 슬롯배열안테나의 요소로서 비대칭 복합아이리스에 의해 급전되는 비이격 종방향 션트 슬롯을 제안하고, 그 복사 특성에 대해 연구하였다. HFSS를 활용한 모의실험 결과들은 WSAA의 복사 빔 패턴 합성에 적용 가능하도록 ACI의 LI 폭에 따른 공진 컨덕턴스, 공진 슬롯길이, 공진이 되도록 CI의 높이 값들을 도시하였으며, 또한 이 곡선들은 LI 폭에 대하여 다항식 함수로 데이터 피팅(data-fitting)하였다. 중심 주파수 9.
그리고, 예로서 X-band용 WSAA로 응용하기 위한 동작주파수 9.41 GHz에서 —20 dB 부엽준위를 갖는 8-슬롯 중앙급전 배열안테나를 설계, 제작 및 실험하였으며, 측정결과들은 모의실험 결과와 비교하여 본 연구의 타당성을 검증하였다.
그림 8의 WSAA는 알루미늄으로 제작하였으며, 복사슬롯들과 결합 슬롯은 고정밀 와이어방전기(Wire Electro Discharge Machine)를 활용하여 가공하였으며, 복사 슬롯들이 있는 도체 상판, 결합 슬롯이 있는 중간판, 도파관 단락종단용으로 위치조절이 가능한 직육면 도체블록 및 도파관의 측벽과 하판에 해당되는 도체 블록들로 구성되며 나사로 조립하였다.
먼저 산란계수를 구하고자 중심 주파수 9.41 GHz에서 자유공간으로 약 —7.4 dB 복사특성을 가지도록 표1에 제시된 치수를 기반으로 상용 시뮬레이터(HFSS)를 사용하여 모의실험을 수행하였으며, 그 결과들은 각 포트들로부터 슬롯의 중심까지 de-embedding 처리하였다.
본 논문은 도파관 슬롯안테나 요소로서 비대칭 복합 공진 아이리스에 의해 여기되는 비이격 LSS를 제안하였으며, 구조는 도파관 광벽 중심에 길이 방향으로 길게 배치된 폭이 좁은 직선 슬롯(straight slot)이며, 이 슬롯을 여기시키기 위하여 슬롯 중심 아래 쪽에 위치한 비대칭 복합 아이리스를 포함한다. 비이격 LSS의 공진 길이와 정규화된 공진 컨덕턴스 등의 슬롯 특성들은 상용 FEM 시뮬레이터(Ansoft HFSS)로 조사하였다.
본 논문은 도파관 슬롯안테나 요소로서 비대칭 복합 공진 아이리스에 의해 여기되는 비이격 LSS를 제안하였으며, 구조는 도파관 광벽 중심에 길이 방향으로 길게 배치된 폭이 좁은 직선 슬롯(straight slot)이며, 이 슬롯을 여기시키기 위하여 슬롯 중심 아래 쪽에 위치한 비대칭 복합 아이리스를 포함한다. 비이격 LSS의 공진 길이와 정규화된 공진 컨덕턴스 등의 슬롯 특성들은 상용 FEM 시뮬레이터(Ansoft HFSS)로 조사하였다. 그리고, 예로서 X-band용 WSAA로 응용하기 위한 동작주파수 9.
앞서 얻은 제안된 슬롯의 특성을 기반으로 하여 WS- AA의 설계 예로서 SLL=—20 dB의 8×1 WSAA를 그림 7의 구조로 설계해 보고자 한다.
ACI는 비이격 LSS의 중심 아래에 배치된 L자 모양의 두께가 얇은 판재 구조물로서 주 도파관의 횡단면 상에 배치된다. 이와 같은 불연속 구조가 발생시키는 고차모드의 임피던스 특성을 고려하여 ACI의 세로획을 용량 성분 아이리스(C-type Iris: CI), 가로획을 유도 성분 아이리스(L-type Iris: LI) 부분으로 나누어, 각 치수를 그림 1(b)에 도시하였다. LI의 폭 wl를 조정하여 자유공간으로 결합되는 복사량을 조절할 수 있으며, CI는 LI에 의한 유도 성분을 자신의 용량 성분으로 상쇄시켜 즉, ACI를 공진시켜줌으로써 입사 전력이 슬롯을 통하여 자유공간으로 복사될 때 도파관에서 투과전력의 위상변화를 최소화할 수 있다.
적용된 도파관 슬롯 커플러의 분기도파관에서 좌측과 우측의 위상차는 180°이기 때문에 각 복사 슬롯에서 동위상이 되도록 급전 도파관을 중심으로 ACI들을 양편으로 교차 배치하였다.
제안된 비이격 LSS가 도파관 슬롯 배열 안테나에 적용될 때, 원하는 성능을 가지도록 최적화 설계가 되도록 매개변수의 초기 값을 제공하기 위해서 4-슬롯 배열에 대한 곡선들을 범위 1 mm≤ wl ≤5 mm에서 LI 폭(wl)에 대하여 다항식 함수들로 다음과 같이 데이터 피팅(datafitting)하였다.
중심 주파수 9.41 GHz에서 SLL=—20 dB를 갖는 8×1 중앙 급전 WSAA를 설계, 제작 후 실험을 통해 입력반사계수, 복사패턴, 이득 등의 성능을 측정하였다.
대상 데이터
본 논문에서 제안된 비이격 LSS에 대한 2 포트 등가회로는 그림 3에 제시된 T-형 회로망이다. 회로에서 정규화된 직렬 임피던스 zs와 정규화된 병렬 어드미턴스 ys는 다음 관계식으로부터 계산할 수 있다[13].
이론/모형
988이며, 이는 복사도파관의 중심에서 좌측과 우측 도파관 슬롯들에 의한 반사파를 없애기 위해서 좌측과 우측 슬롯들의 전체 컨덕턴스가 각각 1이 되도록 한 결과이다. WSAA에 적용된 급전부는 비이격 LSS를 활용한 션트-시리즈 도파관 슬롯 커플러[12]를 이용하여 중앙급전 방식을 채택하였다. 적용된 도파관 슬롯 커플러의 분기도파관에서 좌측과 우측의 위상차는 180°이기 때문에 각 복사 슬롯에서 동위상이 되도록 급전 도파관을 중심으로 ACI들을 양편으로 교차 배치하였다.
그러나 구형 도파관에서 비이격 LSS는 TE10모드의 전류 흐름을 방해할 수 없어서 자유공간으로 에너지를 복사할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 선행기술로서 비대칭 ⊔형 공진아이리스를 사용했다[10]. 이를 적용한 선형 안테나 배열은 상대적으로 비효율적인 형상 때문에 제작이 어렵고, 바람직하지 않는 위상 변화와 좁은 복사 컨덕턴스 범위를 보여주었다.
성능/효과
(a)의 H-평면에서 제작된 안테나의 첨두이득(Gain)은 14.05 dBi, 부엽준위(SLL)는 —18.13 dB, —3 dB 빔폭(BW)은 10.04°, 최대 교차편파 준위(XPL)는 —48.85 dB이고, 모의실험의 Gain=14.52 dBi, SLL=—20.27 dB, BW=10.01°, XPL=—50.61 dB 등의 결과치와 잘 일치하며, 종래의 종방향 슬롯배열 안테나의 XPL=—34.18 dB에 비해서 약 15 dB 정도 우수하다.
4-슬롯 배열 경우에 대한 데이터는 슬롯 간 상호 결합이 고려된 것으로서, 시뮬레이션에 의해 4-슬롯 배열에 대한 정규화된 공진 컨덕턴스를 계산한 후, 단일슬롯의 컨덕턴스는 슬롯 개수 4로 나누어 평균을 취한 값이다[6]. 그 결과들은 LI 폭 wl이 증가하면 정규화된 공진 컨덕턴스 gr과 공진 길이 lr, CI의 높이 hc도 증가됨을 보여주고 있으며, wl이 4.5 mm 이내인 범위에서는 제안된 단일 슬롯과 4-슬롯 배열의 특성들 간에는 큰 차이가 없으나, 공진 슬롯길이에서 두 경우의 차이는 최대 0.33 % 정도이다.
41 GHz에서 ACI의 LI의 폭 wl범위 1～6 mm 변화에 대한 비이격 LSS의 정규화된 공진 컨덕턴스 gr와 공진 길이 lr를 나타내고 있다. 그 결과들은 wl이 증가하면 정규화된 공진 컨덕턴스 gr와 공진 길이 lr도 증가함을 보여주며, 또한 공진을 위해 CI의 높이 hc도 증가됨을 보여주고 있다.
그리고 제안된 비이격 슬롯 공진시 LI의 폭 wl 범위 1～6 mm에 대한 CI의 높이 변화는 1.2 mm≤ hc ≤5.71 mm이며, 거의 선형적인 변화를 보여주고 있다.
36 dB이다. 이 결과로부터 ACI에 의하여 급전되는 비이격 LSS는 션트 복사 슬롯으로 동작함을 확인할 수 있다.
그리고 해당되는 공진 길이 lr과 CI의 높이 hc는 식 (8)과 (9)를 활용하여 계산할 수 있다. 이렇게 구한 파라미터 값들은 표 2에 제시하였으며, 또한 슬롯 간의 간격을 22.21 mm로 그림 7과 같이 WSAA를 구성하고, HFSS를 이용하여 복사패턴을 계산하였으며, 이는 이론적으로 합성한 패턴과 잘 일치하였다.
제안된 ACI에 의하여 급전되는 비이격 LSS는 전송선로 상에 위치한 하나의 어드미턴스 요소 ys로 표현할 수 있으며, 슬롯의 공진 조건은 Im[ys]가 0이 되어야 하며, 원하는 공진 컨덕턴스를 얻기 위해서는 슬롯 길이와 ACI의 LI 폭과 CI 높이를 적절히 조절한다.
측정결과, S11의 —10 dB 대역폭은 약 710MHz이며, 비대역폭(fractional bandwidth)은 약 7.54 %이다.
41 GHz에서 SLL=—20 dB를 갖는 8×1 중앙 급전 WSAA를 설계, 제작 후 실험을 통해 입력반사계수, 복사패턴, 이득 등의 성능을 측정하였다. 측정된 결과들이 시뮬레이션으로 계산된 결과들과 잘 일치함을 확인하여 본 연구의 타당성을 검증하였으며, 특히 교차편파준위 특성은 종래의 종방향 슬롯배열 안테나에 비해서 약 15 dB 정도 개선되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
종방향 슬롯안테나의 단점은 무엇인가?
그러나 많은 장점에도 불구하고, 종래의 종방향 슬롯안테나는 다음과 같은 단점을 가지고 있다. 일반적으로 주요 평면에서 벗어나 나비엽(butterfly lobe)이라 불리우는 2차 빔(second-order beam: SOB)이 나타나며, 이 SOB는 안테나의 효율을 감쇄시키고, 전파방해에 대해서 레이다가 민감하게 반응할 수 있어서 제거하는 것이 바람직하다[7]. 이러한 SOB는 WSAA에서 그래이팅 로브(grating lobe) 빔의 출현을 피하기 위해서 연이은 LSS들을 도파관 중심축으로부터 지그재그 이격 배치시키는 것과 연관이 있다.
도파관 슬롯 배열 안테나는 어느 분야에 응용되고 있는가?
도파관 슬롯 배열 안테나(waveguide slot-arrray antenna: WSAA)는 레이다 시스템 및 초고주파 통신과 같이 고출력, 저손실 및 고이득 등의 성능이 요구되는 많은 분야에 폭넓게 응용되어 왔다. WSAA의 배열 요소인 도파관 슬롯에 관한 기존 연구들에서 많이 다루어진 것은 구형 도파관의 광벽에 위치한 종방향 션트 슬롯(longitudinal shunt slot: LSS)의 복사특성이었다[1]～[6].
종방향 션트 슬롯은 어떤 특성을 가지고 있는가?
WSAA의 배열 요소인 도파관 슬롯에 관한 기존 연구들에서 많이 다루어진 것은 구형 도파관의 광벽에 위치한 종방향 션트 슬롯(longitudinal shunt slot: LSS)의 복사특성이었다[1]～[6]. 종방향 션트 슬롯은 다른 구조들에 비해 순수 선형편파, 넓은 범위의 공진 컨덕턴스와 같은 우수한 특성을 갖고 있기 때문이다. 그러나 많은 장점에도 불구하고, 종래의 종방향 슬롯안테나는 다음과 같은 단점을 가지고 있다.
참고문헌 (15)
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R. S. Elliot, W. R. O'Loughlin, "The design of slot arrays including internal mutual coupling", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 34, pp. 1149-1153, Sep. 1986.
M. Mondal, A. Chakrabarty, "Resonant length calculation and radiation pattern synthesis of longitudinal slot antenna in rectangular waveguide", Progress In Electromagnetic Research Letters, vol. 3, pp. 187-195, 2008.
Y. Oh, J. -H. Hwang, and J. Choi, "Single-layer waveguide slot array antenna with diaphragms", Electronics Letters, vol. 41, no. 16, pp. 5-6, Aug. 2005.
L. A. Kurtz, J. S. Yee, "Second-order beams of two- dimensional slot arrays", IRE Transactions on Antennas and Propagation, pp. 356-362, Oct. 1957.
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