본 논문에서는 425 MHz에서 동작하는 저궤도큐브위성 탑재용 메타물질형 안테나를 연구하였다. 원거리 무선통신 네트워킹의 중요성과 위성의 역할이 대두되고, 큐브위성과 같은 자신만의 위성을 저가로 개발 보유를 희망하는 대학교나 개인들이 늘어감에 따라, 구조의 소형화 기술이 필요하다. 위성의 외부 공간을 많이 차지하는 것이 안테나 크기이므로, 경량화 목적으로 탑재용 소형 안테나의 설계하였다. 제안된 메타물질형 저자세 안테나의 경우 일반 패치안테나와 달리 0차 공진을 만들어 냄으로서, 전방향성 방사패턴을 만들어낸다. 또한, 제안된 안테나의 위성내부의 시스템 결합에 따른 전기적 특성변화를 확인하기 위해, 급전부를 대표하는 UHF 도파관 대역통과 여파기와 연결하여 성능을 검증하였다. 모노폴과 메타물질형 저자세 안테나의 성능이 서로 비교된다.
본 논문에서는 425 MHz에서 동작하는 저궤도 큐브위성 탑재용 메타물질형 안테나를 연구하였다. 원거리 무선통신 네트워킹의 중요성과 위성의 역할이 대두되고, 큐브위성과 같은 자신만의 위성을 저가로 개발 보유를 희망하는 대학교나 개인들이 늘어감에 따라, 구조의 소형화 기술이 필요하다. 위성의 외부 공간을 많이 차지하는 것이 안테나 크기이므로, 경량화 목적으로 탑재용 소형 안테나의 설계하였다. 제안된 메타물질형 저자세 안테나의 경우 일반 패치안테나와 달리 0차 공진을 만들어 냄으로서, 전방향성 방사패턴을 만들어낸다. 또한, 제안된 안테나의 위성내부의 시스템 결합에 따른 전기적 특성변화를 확인하기 위해, 급전부를 대표하는 UHF 도파관 대역통과 여파기와 연결하여 성능을 검증하였다. 모노폴과 메타물질형 저자세 안테나의 성능이 서로 비교된다.
In this paper, we suggest a design method of a metamaterial-based low-profile antenna working at 425 MHz for LEO/Cube satellites. Satellites play an important role in linking th remote nodes in a wireless communication network and covering wide areas of the globe. Especially, an increasing number of...
In this paper, we suggest a design method of a metamaterial-based low-profile antenna working at 425 MHz for LEO/Cube satellites. Satellites play an important role in linking th remote nodes in a wireless communication network and covering wide areas of the globe. Especially, an increasing number of universities or individuals aspire having their own satellites and build low-budget structures such as cube satellites in LEO and the ways to reduce the sizes of their satellites. Since the antenna occupies a major portion of the satellite surface, the antenna should be miniaturized for lighter weight. The proposed metamaterial low-profile antenna, unlike the conventional patch antenna, produces such a zeroth-order resonance to create an omnidirectional radiation pattern. Also, it is connected to a UHF waveguide bandpass filter as the feeding system to examine the possible change in the situation that the antenna is combined with the system. The performances of the monopole and proposed metamaterial antennas are compared to one another.
In this paper, we suggest a design method of a metamaterial-based low-profile antenna working at 425 MHz for LEO/Cube satellites. Satellites play an important role in linking th remote nodes in a wireless communication network and covering wide areas of the globe. Especially, an increasing number of universities or individuals aspire having their own satellites and build low-budget structures such as cube satellites in LEO and the ways to reduce the sizes of their satellites. Since the antenna occupies a major portion of the satellite surface, the antenna should be miniaturized for lighter weight. The proposed metamaterial low-profile antenna, unlike the conventional patch antenna, produces such a zeroth-order resonance to create an omnidirectional radiation pattern. Also, it is connected to a UHF waveguide bandpass filter as the feeding system to examine the possible change in the situation that the antenna is combined with the system. The performances of the monopole and proposed metamaterial antennas are compared to one another.
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문제 정의
본 논문에서는 기존의 전방향성 방사 패턴을 가진 모노폴안테나의 방사패턴을 구현함을 동시에 기존의 모노폴 안테나와 비교하여 소형화 된 메타물질형 저자세 안테나를 설계한다. 기존의 모노폴 구조의 단점인 외부 환경에 방해 받지 않고, 단점을 개선시킬 수 있는 특성을 보이게 된다.
본 논문에서는 메타물질형 저자세 안테나를 설계하였다. 3rd order Cavity Filter 와의 Cross-Coupling을 통하여 425MHz대역 통과 여파기를 설계하여 메타물질형 저자세 안테나에 연결하여 산란계수와 주파수 대역별 이득을 확인 하였다.
제안 방법
본 논문에서는 메타물질형 저자세 안테나를 설계하였다. 3rd order Cavity Filter 와의 Cross-Coupling을 통하여 425MHz대역 통과 여파기를 설계하여 메타물질형 저자세 안테나에 연결하여 산란계수와 주파수 대역별 이득을 확인 하였다. 전방향성 방사패턴을 가짐에도 불구하고 기존의 모노폴 안테나에 비해 크기를 감소시켜 저궤도 위성에 적용하는데 용이함을 보였다.
기존의 모노폴 구조의 단점인 외부 환경에 방해 받지 않고, 단점을 개선시킬 수 있는 특성을 보이게 된다. 또한3-Pole Cavity Filter 와의 Cross-Coupling을 통하여425MHz대역 필터와 메타물질형 저자세 안테나와의 결합체를 구현 한다.
그림10 을 보면 425 MHz 메타물질형 안테나와 결합하기 위해 설계된 대역통과여파기의 반사손실과 삽입손실을 볼 수 있다. 제안된 안테나의 공진 주파수가 통과대역에 들어오도록 설계되었으며, 그림 11은 안테나와 대역통과여파기가 결합 되었을 때 반사손실과 주파수 별 이득을 나타내었다. 대역통과여파기의 통과대역 주파수인 약 425 MHz 에서 430 MHz까지 안테나의 이득이 양수로 나타남을 확인 할 수 있다.
대상 데이터
그림4-(a) 는 425 MHz에서 공진하는 CRLH 패치 안테나이다. 표2는 일반 패치와 CRLH패치 안테나의 크기를 보여주고 있으며, 일반 패치는 FR-4기판, 유전율 4.3 을 사용하여 설계하였다.
성능/효과
제안된 안테나의 공진 주파수가 통과대역에 들어오도록 설계되었으며, 그림 11은 안테나와 대역통과여파기가 결합 되었을 때 반사손실과 주파수 별 이득을 나타내었다. 대역통과여파기의 통과대역 주파수인 약 425 MHz 에서 430 MHz까지 안테나의 이득이 양수로 나타남을 확인 할 수 있다.
3rd order Cavity Filter 와의 Cross-Coupling을 통하여 425MHz대역 통과 여파기를 설계하여 메타물질형 저자세 안테나에 연결하여 산란계수와 주파수 대역별 이득을 확인 하였다. 전방향성 방사패턴을 가짐에도 불구하고 기존의 모노폴 안테나에 비해 크기를 감소시켜 저궤도 위성에 적용하는데 용이함을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정지위성의 문제점은?
[1-2] 이러한 발달에 발맞추기 위하여 개발 된 위성인 정지위성(GEOS)은 움직이지 않는 단순한 지상국 안테나의 사용을 가능하게 하였고, 그 예시로 유비쿼터스 위성 TV 안테나가 있다. 그러나 정지위성의 문제점은 높은 고도의 궤도로 전파 지연으로 인한 데이터 연결의 지연이다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 대기 시간이 짧은 저궤도(LEO) 인공위성을 사용한다.
구조물에 흔히 전방향성 안테나가 설치되는 이유는?
저궤도에 적용하기 위한 안테나는 모든 방향의 빔을 수신할 수 있는 전방향성(omni direction)안테나가 유리하기 때문에 전방향성 안테나가 구조물에 흔히 보인다. 참고문헌 [3]은 전방향성 방사패턴을 만들기 위하여 패치 안테나를 사방에 위치해 놓았지만, 방사패턴이 모노폴 안테나 형태의 전방향성이 아닌 중간에 null이 형성되어 꽃모양의 방사패턴이 나타난다.
안테나에 메타물질을 활용할 경우 장점은?
메타물질은 특정 주파수에서 자연 상태의 물질로는 존재하지 않는 음의 유전율 또는 음의 투자율을 가지는 인공적인 물질로써, 전송 선로로 구현 할 때는 기존의 right-handed (RH) 특성에 left-handed (LH)특성을 가지는 전송 선로를 추가시켜 구현한다. 특히 전파상수가 0인 경우에는 파장이 무한대와 같아지게 되므로 전송 선로의 물리적인 길이와는 상관없이 구조상에 동위상의 전자장을 형성 할 수 있으며, 부품의 소형화나 성능 개선을 얻을 수 있다.[5-9]
참고문헌 (9)
M. De Sanctics, E. Cianca, G.Araniti, I.Bisio, R. Prasad, "Satellite communications supporting internet of remote things,"IEEE Internet of things Journal, vol. 3, no. 1, pp.113-123, Feb. 2016.
S. P. C., and Gupta, K. C., 1989, "Analysis and Optimized Design of Single Feed Circularly Polarized Microstrip Antennas", IEEE Trans. Antennas Propagation, Ap-31, pp . 949-955,
T. Rajavardhan and H. Ramachandran, "Theoretical analysis and simulation of inverted F antennas on a finite ground plane for satellite applications," 2016 Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS), Shanghai, 2016, pp. 4704-4706
M. Cerretelli, V. Tesi and G. Biffi Gentili, "Design of a Shape-Constrained Dual-Band Polygonal Monopole for Car Roof Mounting," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 57, no. 3, pp. 1398-1403, May 2008. doi: 10.1109/TVT.2007.912153
C. Caloz, Tatsuo Itoh, Electromagnetic Me-Tamaterials: Transmission Line Theory and Micro-wave Application, John Wiley & Sons, 2006.
주정호, 강승택, "메타 재질 CRLH 구조를 이용한 넓은 차단대역을 갖는 UHF WLAN용 소형 대역통과 여파기의 설계", 전자공학회논문지, 44 TC
A. Lai, K. M. K. H. Leong, and T. Itoh, "Infinite wavelength resonant antennas with monopolar radia-tion patterns based on periodic structures", IEEE Tr-ans. Antenna Propag., Vol. 55, no. 3, pp. 868-876, Mar. 2007
S. Mok, S. Kahng and Y. Kim, "A wide band metamaterial ZOR antenna of a patch coupled to a ring mushroom," Journal of Electromagnetic Waves and Applications,pages 1667-1674 June 2012
S. Kahng et al., "Wideband and low-profile metamaterial antennas for aircrafts and automobiles," The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014), The Hague, 2014, pp. 976-977.
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