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문제 정의
- 본 논문에서는 소형의 항공기 탑재용 초광대역 회전 방항탐지 안테나 설계 내용을 제시하였다.
- 본 논문에서는 추가 안테나 없이 하나의 초광대역 LPDA 급전 안테나를 이용한 옵셋 파라볼릭 반사판(off- set-parabolic-reflector) 안테나를 제안한다. 급전 안테나로는 항공기 탑재에 적합한 견고한 구조의 초광대역 LPDA 안테나[4]를 적용하였다.
- 본 절에서는 앞서 제시된 초광대역 LPDA 안테나를 급 전부로 사용하는 옵셋 파라볼릭 반사판 안테나의 설계 방법을 제시한다. 반사판 안테나는 항공기의 배면에 위치하며, 레이돔 내부에 직경 500 mm, 높이 400 mm 이하의 크기로 설계되어야 한다.
제안 방법
- 그리고 옵셋 파라볼릭 반사판에 빔이 조향되어 반사되도록 +y축 반사판의 중심으로 급전 안테나를 35° 지향시켰다.
- 그리고 항공기 동체 아래 배면에 탑재되어, 탐지하고자 하는 주요 지상 신호원까지의 거리와 항공기 순항 고도를 기준으로 최적의 신호를 수신할 수있도록 고각 기준 5°로 반사판을 기울여 주 빔이 틸트 (tilt)되도록 하였다.
- 6 GHz 이상에서는 위상중심이 100～120 mm에 위치한다. 따라서 파장이 짧아 위상중심이 민감한 고주파 대역의 평균 위상중심인 110 mm를 급전 안테나의 위상중심으로 결정하였다. 제작된 급전용 초광대역 LPDA 안테나의 주요 성능은 만족할 수준이며, 안테나의 측정 결과를 표 2에 제시 하였다.
- 또한, 반사판 안테나가 항공기 배면에 탑재되어 최적의 신호 탐지가 가능한 위치인 지상 방향 5°로 주 빔이 향하도록 반사판의 기울기를 조절하였다.
- 또한, 수직 및 수평 편파 신호를 동시에 수신 하기 위해 급전 안테나를 45° 기울여 slant 선형 편파를 갖도록 설계하였다.
- 시뮬레이션 시 급전 안테나를 포함하여 안테나 전체를 해석하기는 어렵기 때문에 급전 안테나의 근역장 소스를 이용하여 반사판 안테나의 방사특성을 해석하였다. 본 논문에서 설계된 안테나는 광대역 특성을 가지고 있어서, 실제 측정은 근접 전계 측정 시스템(near-field scanner)[8]을 이용하였으며, 평면 스캔 방법으로 측정 시 각 대역의 프로브를 교체해 가며 측정하였다. 근접전계 시스템의 안테나 측정 방법은 안테나의 근전계에서 진폭과 위상을 스캔한 후 프로브의 특성을 보상하고, 푸리에 변환을 이용하여 원거리 장의방사패턴으로 변환하는 과정을 거친다[9].
- 본 논문에서 제안된 반사판 안테나는 항공기 외부 배면에 탑재되므로 안테나 보호를 위해 외부에 레이돔이 장착된다. 항공기의 원활한 이착륙을 위해 레이돔과 지면의 간격은 일정한 수준 이상으로 유지해야 하고, 항공기운항 중 공기에 의한 항력(air drag)을 최소화하기 위해 레이돔 부피를 최대한 줄여서 설계해야 한다.
- 시뮬레이션은 CST사 Microwave Studio 2013을 이용하였다. 시뮬레이션 시 급전 안테나를 포함하여 안테나 전체를 해석하기는 어렵기 때문에 급전 안테나의 근역장 소스를 이용하여 반사판 안테나의 방사특성을 해석하였다. 본 논문에서 설계된 안테나는 광대역 특성을 가지고 있어서, 실제 측정은 근접 전계 측정 시스템(near-field scanner)[8]을 이용하였으며, 평면 스캔 방법으로 측정 시 각 대역의 프로브를 교체해 가며 측정하였다.
- 급전 안테나로는 항공기 탑재에 적합한 견고한 구조의 초광대역 LPDA 안테나[4]를 적용하였다. 파라볼릭 반사판으로는 레이돔 내의 작은 장착 요구 공간에 적합하게 소형이면서, 급전 안테나와의 간섭을 배제할 수 있는 옵셋 반사판 구조를 적용하였다. 또한, 수직 및 수평 편파 신호를 동시에 수신 하기 위해 급전 안테나를 45° 기울여 slant 선형 편파를 갖도록 설계하였다.
- 편파는 수직 및 수평 편파를 수신하기 위해 slant 편파로결정하였으며, 평균 이득은 25 dBi 이상, 빔폭은 수평 및 수직면 모두 평균 7° 이하로 설정하였다.
대상 데이터
- 29로 설정하였다. 그리고 시스템 요구 크기 이내로 안테나를 설계하기 위해 기본적인 파라볼릭 반사판 상부에서 가로 400 mm, 세로 267 mm 크기의 직사각형 형태 반사판을 옵셋 파라볼릭 반사판으로 선택하였다. 직사각형 형태의 옵셋 파라볼릭 반사판은 높이를 줄일 수 있고, 방위각 방향으로 좁은 빔폭 특성을 가진다.
- 본 논문에서는 추가 안테나 없이 하나의 초광대역 LPDA 급전 안테나를 이용한 옵셋 파라볼릭 반사판(off- set-parabolic-reflector) 안테나를 제안한다. 급전 안테나로는 항공기 탑재에 적합한 견고한 구조의 초광대역 LPDA 안테나[4]를 적용하였다. 파라볼릭 반사판으로는 레이돔 내의 작은 장착 요구 공간에 적합하게 소형이면서, 급전 안테나와의 간섭을 배제할 수 있는 옵셋 반사판 구조를 적용하였다.
- 빔 편향은 방위각 평균 ± 1° 이내, 고각의 경우 안테나를 항공기에 장착시 빔을 지상 방향으로 지향해야 하기 때문에, 지향 방향인 5° 기준으로 평균 ± 1° 이내로 설정하였다. 레이돔 내부에 장착되는 반사판 안테나의 크기는 직경 500 mm, 높이 400 mm 이내로 제시하였다.
- 그림 5에는 시뮬레이션 및 측정된 안테나의 최대 이득과 반전력 빔폭 특성을 제시하였다. 시뮬레이션은 CST사 Microwave Studio 2013을 이용하였다. 시뮬레이션 시 급전 안테나를 포함하여 안테나 전체를 해석하기는 어렵기 때문에 급전 안테나의 근역장 소스를 이용하여 반사판 안테나의 방사특성을 해석하였다.
- 본 논문에서는 소형의 항공기 탑재용 초광대역 회전 방항탐지 안테나 설계 내용을 제시하였다. 제작된 안테나는 초광대역 특성을 얻기 위해 견고한 구조의 초광대역 LPDA 안테나를 급전 안테나로 적용하였으며, 반사판은 직사각형 형태의 옵셋 파라볼릭 반사판을 적용하였다. 반사판과 급전 안테나는 회전판 위에 장착되어 고속 회전및 진동에 견딜 수 있도록 견고하게 제작되었다.
성능/효과
- 표 3에는 제안된 안테나의 목표 사양에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과를 비교하여 나타내었다. 기본적인 설계사양을 모두 충족하였으며, 기존의 안테나[2],[3]에 비해서 크기도 작으면서 고이득 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
- 반사판과 급전 안테나는 회전판 위에 장착되어 고속 회전및 진동에 견딜 수 있도록 견고하게 제작되었다. 또한, 안테나가 요구 크기 내에 설계되었고, 높이가 낮아 소형으로서 항공기 배면 장착에 유리함을 확인하였다. 시뮬레이션 및 측정 결과 제안된 안테나는 초광대역 및 고이득 특성을 가지고 있어 항공 회전 방향탐지 안테나로 유용하게 사용될 것으로 판단된다.
- 이러한 이유는 주파수가 증가하면서 반사판의 전기적 개구면 크기가 증가하기 때문이다. 또한, 최대 이득은 24 GHz를 기준으로 하위 주파수에서는 시뮬레이션과 측정이 큰 차이가 없었으나, 상위 주파수에서는 차이가 증가하는 것으로 나타났다. 그 이유는 시뮬레이션은 근역장 소스를 이용하였고, 실제 측정에서는 급전안테나가 존재하여 주파수가 상승할수록 급전기의 간섭이 증가한 것으로 사료된다.
- 반전력 빔폭은 직사각형 반사판의 영향으로 24 GHz 까지 고각이 방위각에 비해 빔폭이 넓게 나타났으며, 24 GHz 이상에서는 고각과 방위각의 빔폭이 동일한 특성을 얻었다. 32 GHz 이상에서는 측정된 방위각 빔폭이 시뮬레이션에 비해서 증가하였는데, 이것 역시 급전안테나의 간섭 영향이라 사료된다.
- 설계 및 제작된 급전용 초광대역 안테나는 5-dB 반사손실 기준으로 33.85:1의 대역폭을 가지며, 평균 이득은 5.76 dBi, 평균 반전력 빔폭은 59.82°(E-plane), 87.02°(H-plane) 으로 측정되었다.
- 시뮬레이션 및 측정 결과 빔편향은 각각 4.93°, 5.57°로 나타났으며, 6 GHz 이하에서는 빔편향이 증가하였으나 빔폭이 넓어 고각의 신호수신 범위를 제한하지 않을 것으로 판단된다.
- 시뮬레이션 및 측정 결과 주파수에 따른 최대 이득 및 반전력 빔폭은 slant 편파 조건에서 서로 유사한 것으로 확인되었으며, 주파수가 증가하면서 이득은 커지고, 빔폭은 좁아지는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 주파수가 증가하면서 반사판의 전기적 개구면 크기가 증가하기 때문이다.
- 그림 7에는 2, 10, 20, 30, 40 GHz에서 시뮬레이션 된 안테나 방사패턴을 slant 편파를 기준으로 방위각 및 고각 방향에 대해 측정된 방사패턴과 비교하여 보이고 있다. 시뮬레이션 및 측정 모두 유사한 특성을 보였으며 10 GHz 이상에서는 빔폭이 좁은 팬빔이 형성되는 것을 보여 주고 있다. 고각 방향의 방사패턴에서는 시뮬레이션 및 측정된 주파수 모두 목표로 하는 + 5°로 빔이 지향되는 것을 볼 수 있다.
- 그림 4(a)의 회전판과 다른 지지구조물들의 간섭 영향에 따른 급전 안테나의 성능을 확인하기 위해 회전판 위 급전 안테나 탑재 전후의 반사손실 특성 변화를 그림 4(b)에 나타내었다. 측정결과, 반사손실 변화는 거의 없었 으며, 측정된 5-dB 대역폭은 33.81:1(1.31～44.29 GHz)로 초광대역 특성을 보였다.
- 그 이유는 시뮬레이션은 근역장 소스를 이용하였고, 실제 측정에서는 급전안테나가 존재하여 주파수가 상승할수록 급전기의 간섭이 증가한 것으로 사료된다. 평균 최대 이득은 시뮬레이션 29.64 dBi, 측정 27.9 dBi로 나타났다.
후속연구
- 또한, 안테나가 요구 크기 내에 설계되었고, 높이가 낮아 소형으로서 항공기 배면 장착에 유리함을 확인하였다. 시뮬레이션 및 측정 결과 제안된 안테나는 초광대역 및 고이득 특성을 가지고 있어 항공 회전 방향탐지 안테나로 유용하게 사용될 것으로 판단된다.
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