본 논문에서는 KSTAR의 ECEI(Electron Cyclotron Emission Imaging) 장치에 사용되는 100 GHz 미니렌즈의 성능을 향상하기 위해 변형된 타원형 렌즈 안테나 설계를 제안하고 있다. 기존 타원형 렌즈 구조의 밑면에 반구형 렌즈를 추가하고, 이 반구형 렌즈의 끝점에 100 GHz CPS다이폴 안테나를 위치하게 하였다. 기하광학적 설계를 통해 안테나에서 방사된 전자파가 반구형 렌즈의 표면에서 전반사가 일어나도록 함으로써 안테나 패턴이 주빔 방향으로 집속되는 효과를 나타나게 하였다. 이 설계의 유효성은 3차원EM시뮬레이터로서 확인하였다. 제안된 반구형렌즈가 추가된 타원형 렌즈의 안테나 이득은 23.8 dB인데, 기존의 타원형 렌즈에 비해 2.2 dB 향상되었으며, 사이드 로브 레벨은 E-plane과 H-plane에서 2.6 dB, 3.4 dB 감소하였음을 확인하였다.
본 논문에서는 KSTAR의 ECEI(Electron Cyclotron Emission Imaging) 장치에 사용되는 100 GHz 미니렌즈의 성능을 향상하기 위해 변형된 타원형 렌즈 안테나 설계를 제안하고 있다. 기존 타원형 렌즈 구조의 밑면에 반구형 렌즈를 추가하고, 이 반구형 렌즈의 끝점에 100 GHz CPS 다이폴 안테나를 위치하게 하였다. 기하광학적 설계를 통해 안테나에서 방사된 전자파가 반구형 렌즈의 표면에서 전반사가 일어나도록 함으로써 안테나 패턴이 주빔 방향으로 집속되는 효과를 나타나게 하였다. 이 설계의 유효성은 3차원 EM 시뮬레이터로서 확인하였다. 제안된 반구형렌즈가 추가된 타원형 렌즈의 안테나 이득은 23.8 dB인데, 기존의 타원형 렌즈에 비해 2.2 dB 향상되었으며, 사이드 로브 레벨은 E-plane과 H-plane에서 2.6 dB, 3.4 dB 감소하였음을 확인하였다.
In this paper, a modified elliptical lens antenna design is proposed to improve the performance of 100 GHz mini-lens antennas used in the ECEI(Electron Cyclotron Emission Imaging) module at KSTAR. A hemispherical lens is added on the bottom plate of the conventional elliptic lens antenna, and a 100 ...
In this paper, a modified elliptical lens antenna design is proposed to improve the performance of 100 GHz mini-lens antennas used in the ECEI(Electron Cyclotron Emission Imaging) module at KSTAR. A hemispherical lens is added on the bottom plate of the conventional elliptic lens antenna, and a 100 GHz dipole antenna is located on the end point of the hemispherical lens. Using geometrical optics, antenna radiated EM fields are designed to be totally reflected from the inner surface of the hemispherical lens, and thereby the antenna patterns are more focused toward the main beam. The validity of the proposed design is confirmed by the 3D EM simulator. The modified elliptical lens antenna provides 23.8 dB maximum gain, which is 2.2 dB gain improvement as compared with the conventional elliptic lens. Also, the side love levels of E- and H-planes are decreased by 2.6 dB and 3.4 dB, respectively.
In this paper, a modified elliptical lens antenna design is proposed to improve the performance of 100 GHz mini-lens antennas used in the ECEI(Electron Cyclotron Emission Imaging) module at KSTAR. A hemispherical lens is added on the bottom plate of the conventional elliptic lens antenna, and a 100 GHz dipole antenna is located on the end point of the hemispherical lens. Using geometrical optics, antenna radiated EM fields are designed to be totally reflected from the inner surface of the hemispherical lens, and thereby the antenna patterns are more focused toward the main beam. The validity of the proposed design is confirmed by the 3D EM simulator. The modified elliptical lens antenna provides 23.8 dB maximum gain, which is 2.2 dB gain improvement as compared with the conventional elliptic lens. Also, the side love levels of E- and H-planes are decreased by 2.6 dB and 3.4 dB, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 ECEI 장치에 사용되는 미니 렌즈의 성능을 향상하기 위하여, 렌즈의 아랫면에 반구형 렌즈를 추가하고, 이를 최적화하였다. 기하광학적 해석을 사용하여 반구형 렌즈의 전반사 특성을 통해 안테나의 빔을 집속하도록 간단히 설계하였고, 이러한 설계의 유효성을 3차원 EM 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
본 논문에서는 KSTAR에서 사용되는 ECEI용 미니렌즈의 구조를 변형하여 안테나 이득이 향상되고, 사이드 로브가 감소된 100 GHz 렌즈 안테나를 설계하여 모의해석 결과만을 나타내었다. 안테나와 직육면체의 유전체 사이에 안테나와 접촉하는 반구형 렌즈를 두어, 직육면체의 측면으로 방사되는 전자파가 전반사되어 주빔 방향에 집속하도록 유도하였다.
가설 설정
플라즈마에서 복사된 전자파는 그림 1과 같이 ECEI 장치의 광학모듈을 지나 유전체 렌즈에 도달하게 되며, 광학모듈은 유전체 렌즈 배열에 평행한 빔으로 입사되도록 설계된다. ECEI 장치에서 수신부로 사용되는 이 안테나가 송수신의 가역성을 만족한다고 가정하고, 송신 안테나로써 설계와 모의해석을 수행하였다. 또한, 유전체 렌즈는 입사되는 빔이 안테나에 집속되도록 타원의 기하광학을 통해 설계되었다.
제안 방법
2-3절에서 설명하였듯이, 안테나로부터 방사되는 빔의 손실을 최소화하여 렌즈 안테나의 이득을 높이기 위해 타원형 렌즈 안테나의 밑면에 반구형 렌즈를 추가한 변형된 렌즈안테나를 설계하였다. 최대 안테나 이득을 얻기위해 반구형 렌즈와 직육면체의 크기를 최적화하였고, 그림 10과 같이 직육면체와 안테나 사이의 2.
3차원의 안테나 패턴을 비롯한 렌즈 안테나 특성은 CST Microwave Studio를 사용하여 모의해석을 수행하였다. 그림 9는 타원형 렌즈 안테나에 사용된 다이폴 안테나의 3차원 방사패턴을 나타내었다.
본 논문에서는 ECEI 장치에 사용되는 미니 렌즈의 성능을 향상하기 위하여, 렌즈의 아랫면에 반구형 렌즈를 추가하고, 이를 최적화하였다. 기하광학적 해석을 사용하여 반구형 렌즈의 전반사 특성을 통해 안테나의 빔을 집속하도록 간단히 설계하였고, 이러한 설계의 유효성을 3차원 EM 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 검정결과, 2.
이때 렌즈의 유전율로 인해 안테나의 공진주파수가 이동하므로, 이를 고려하여 다이폴안테나의 길이를 최적화하였다. 또한, 렌즈와 안테나의 영향만을 확인하기 위하여, 발룬(Balun)이 없이 안테나만을 사용하여 모의해석을 진행하였다. 안테나가 100 GHz에서 동작하려면 반사손실이 100 GHz에서 10 dB 이상의 값을 가져야 한다.
ECEI 장치에서 수신부로 사용되는 이 안테나가 송수신의 가역성을 만족한다고 가정하고, 송신 안테나로써 설계와 모의해석을 수행하였다. 또한, 유전체 렌즈는 입사되는 빔이 안테나에 집속되도록 타원의 기하광학을 통해 설계되었다.
본 논문에서는 KSTAR에서 사용되는 ECEI용 미니렌즈의 구조를 변형하여 안테나 이득이 향상되고, 사이드 로브가 감소된 100 GHz 렌즈 안테나를 설계하여 모의해석 결과만을 나타내었다. 안테나와 직육면체의 유전체 사이에 안테나와 접촉하는 반구형 렌즈를 두어, 직육면체의 측면으로 방사되는 전자파가 전반사되어 주빔 방향에 집속하도록 유도하였다. 이러한 기하광학적 설계의 유효성을 3D EM 시뮬레이터인 CST M-icrowave Studio를 사용하여 모의해석을 통해 확인하였다.
이때 렌즈의 유전율로 인해 안테나의 공진주파수가 이동하므로, 이를 고려하여 다이폴안테나의 길이를 최적화하였다.
기존의 타원형 렌즈 안테나에서는 직사각형 영역에 도달하는 일부 전자파를 주빔 방향으로 집속할 수 없었다. 이를 보완하기 위해 본 논문에서 제안된 구조는 그림 3과 같이 직사각형의 일부를 반구형 렌즈로 대체하였고, 점 Q를 통과하여 진행하는 전자파가 직사각형의 측면을 지나지 않도록 반구형 렌즈를 설계한다.
2-3절에서 설명하였듯이, 안테나로부터 방사되는 빔의 손실을 최소화하여 렌즈 안테나의 이득을 높이기 위해 타원형 렌즈 안테나의 밑면에 반구형 렌즈를 추가한 변형된 렌즈안테나를 설계하였다. 최대 안테나 이득을 얻기위해 반구형 렌즈와 직육면체의 크기를 최적화하였고, 그림 10과 같이 직육면체와 안테나 사이의 2.04 mm 부분을 2.04 mm의 반지름을 가지는 반구형 렌즈로 대체하였다. HDPE의 유전율에 의한 전반사각은 41.
대상 데이터
이러한 기하광학에 근거한 설계가 렌즈 안테나 설계에 유효한지를 검증하기 위하여, 3차원 EM 시뮬레이터인 CST Microwave Studio를 사용하였다. 렌즈의 유전체 재료는 구하기 쉽고 저렴하면서 가공이 용이한, 유전율이 2.29인 HDPE(High Density Polyethyene)를 사용하였다.
이 경우에도 타원형 렌즈 안테나의 경우와 동일한 다이폴 안테나를 사용하였다. 모의해석 결과, 그림 11에서 보여주듯이 타원형 렌즈 안테나와 유사하게 100 GHz에서 반사손실이 16.
그림 6(b)에 보여준 CPS의 feed를 가진 100 GHz 다이폴 안테나의 구조를 확대하여 그림 7에 나타내었다. 이 다이폴 안테나는 Rogers 4003 기판을 사용하여 설계되었다. 이때 렌즈의 유전율로 인해 안테나의 공진주파수가 이동하므로, 이를 고려하여 다이폴안테나의 길이를 최적화하였다.
데이터처리
안테나와 직육면체의 유전체 사이에 안테나와 접촉하는 반구형 렌즈를 두어, 직육면체의 측면으로 방사되는 전자파가 전반사되어 주빔 방향에 집속하도록 유도하였다. 이러한 기하광학적 설계의 유효성을 3D EM 시뮬레이터인 CST M-icrowave Studio를 사용하여 모의해석을 통해 확인하였다. 타원형 렌즈 안테나와변형된 타원형 렌즈 안테나 모두 100 GHz에서 10 dB 이상의 반사손실 특성을 보였다.
이론/모형
2-2절에서 설명하였듯이, 간단한 기하광학의 원리에 따라 타원형 렌즈가 전자파를 집속하여 안테나 이득을 향상 시킬 수 있음을 제시하였다. 이러한 기하광학에 근거한 설계가 렌즈 안테나 설계에 유효한지를 검증하기 위하여, 3차원 EM 시뮬레이터인 CST Microwave Studio를 사용하였다. 렌즈의 유전체 재료는 구하기 쉽고 저렴하면서 가공이 용이한, 유전율이 2.
성능/효과
기하광학적 해석을 사용하여 반구형 렌즈의 전반사 특성을 통해 안테나의 빔을 집속하도록 간단히 설계하였고, 이러한 설계의 유효성을 3차원 EM 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 검정결과, 2.2dB만큼 향상된 안테나 이득을 얻었으며, 기존의 타원형 렌즈보다 감소된 사이드 로브 레벨을 얻었다.
또한, 주빔 방향이 렌즈 방향인 기판의 법선방향임을 확인하였다. 따라서 CPS의 다이폴안테나에 유전체 렌즈를 결합함을 통해 상대적으로 높은 안테나이득을 얻을 수 있으며, 주빔 방향으로 전자파를 집속시킬 수 있음을 알 수 있다.
86 dB 상승함을 확인하였다. 또한, 주빔 방향이 렌즈 방향인 기판의 법선방향임을 확인하였다. 따라서 CPS의 다이폴안테나에 유전체 렌즈를 결합함을 통해 상대적으로 높은 안테나이득을 얻을 수 있으며, 주빔 방향으로 전자파를 집속시킬 수 있음을 알 수 있다.
모의해석 결과, 그림 11에서 보여주듯이 타원형 렌즈 안테나와 유사하게 100 GHz에서 반사손실이 16.03 dB의 값을 가지므로 변형된 렌즈 안테나도 100 GHz에서 동작함을 알 수 있다.
안테나가 100 GHz에서 동작하려면 반사손실이 100 GHz에서 10 dB 이상의 값을 가져야 한다. 모의해석 결과, 그림 8에 나타낸 것처럼 100 GHz에서 16.51dB의 값을 가짐을 확인하였다.
타원형 렌즈 안테나와변형된 타원형 렌즈 안테나 모두 100 GHz에서 10 dB 이상의 반사손실 특성을 보였다. 본 논문에서 제안한 변형된 타원형 렌즈 안테나는 100 GHz에서 23.8 dB의 안테나 이득을 보여주는데, 이는 기존 타원형 렌즈 안테나에 비해 2.2 dB 상승된 안테나 이득이다. 또한, 사이드 로브 레벨은 감소하였는데, E-plane상에서는 2.
그림 13에는 CST Microwave Studio를 통한 모의해석 결과로서 3차원 방사패턴을 보여주고 있다. 이 변형된 타원형 렌즈 안테나의 최대이득이 23.8 dB이므로, 기존의 타원형 렌즈 안테나보다 최대이득이 2.2 dB 상승하였다. 또한 사이드 로브 레벨은 E-plane과 H-plane에서 2.
이러한 기하광학적 설계의 유효성을 3D EM 시뮬레이터인 CST M-icrowave Studio를 사용하여 모의해석을 통해 확인하였다. 타원형 렌즈 안테나와변형된 타원형 렌즈 안테나 모두 100 GHz에서 10 dB 이상의 반사손실 특성을 보였다. 본 논문에서 제안한 변형된 타원형 렌즈 안테나는 100 GHz에서 23.
후속연구
4 dB만큼 감소하였다. 따라서 본 논문에서 제안된 향상된 타원형 렌즈 안테나를 KSTA-R의 ECEI 장치에 적용함으로써 성능의 향상을 기대하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본문에서 변형된 타원형 렌즈 안테나 설계가 제안되고 있는 이유는?
본 논문에서는 KSTAR의 ECEI(Electron Cyclotron Emission Imaging) 장치에 사용되는 100 GHz 미니렌즈의 성능을 향상하기 위해 변형된 타원형 렌즈 안테나 설계를 제안하고 있다. 기존 타원형 렌즈 구조의 밑면에 반구형 렌즈를 추가하고, 이 반구형 렌즈의 끝점에 100 GHz CPS 다이폴 안테나를 위치하게 하였다.
핵융합에너지에 대한 연구는 현재 세계적으로 어떻게 공동 건설 중인가?
중수소와 리튬을 원료로 하는 핵융합에너지는 부산물로 온실가스를 배출하지 않으며, 고효율의 에너지원으로 사용이 가능하다. 현재 미국, EU, 중국, 일본, 대한민국 등 7개국이 핵융합에너지의 연구와 개발을 위해, 프랑스 남부에 ITER(International Ther-monuclear Experimental Reactor)라는 핵융합로를 공동으로 건설 중이다. ITER와 같은 핵융합로에서는 자기장으로 플라즈마를 가두는 토카막(TOKAMAK)이 사용되며, 국내에서는 핵융합의 플라즈마의 전송(particle transport)의 물리적 현상을 연구하기 위하여 대전에 토카막인 KS- TAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research)를 운용하고 있다.
핵융합에너지의 연구가 활발한 이유는?
친환경적이고 고효율의 차세대 에너지원으로 핵융합에너지에 대한 연구가 활발하다. 중수소와 리튬을 원료로 하는 핵융합에너지는 부산물로 온실가스를 배출하지 않으며, 고효율의 에너지원으로 사용이 가능하다.
참고문헌 (5)
G. S. Yun, W. Lee, M. J. Choi, J. B. Kim, H. K. Park, C. W. Domier, B. Tobias, T. Liang, X. Kong, N. C. Luhmann Jr, and A. J. H. Donne, "Development of KSTAR ECE imaging system for measurement of tempaerature fluctuations and edge density fluctuations", Rev. Sci. Instum., vol. 81, 10D930, 2010.
H. K. Park, N. C. Luhmann Jr, A. J. H. Donne, I. G. J. Classen, C. W. Domier, E. Mazzucato, T. Munsat, M. J. van de Pol, and Z. Xia, "Observation of high-fieldside crash and heat transfer during sawtooth oscillati-on in magnetically confined plasmas", Phys. Rev. Lett., vol. 96,195003, 2006.
P. Zhang, C. W. Domier, T. Liang, X. Kong, B. Tobias, Z. Sehn, N. C. Luhmann, Jr., H. Park, I . G. H. Claseen, M. J. van de Pol, A. J. H. Donne, and R. Jaspers, "The next generation of electron cyclotron emission imaging diagnostics (invited)", Rev. Sci. Instum., vol. 79, 10F103, 2008.
D. F. Filipovic, G. M. Rebeiz, and S. S. Gearhart, "Double-slot antennas on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses", IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 41, no. 10, pp. 1738-1749, 1993.
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