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문제 정의
- 본 장에서는 시뉴어스 안테나의 암패턴, 발룬 설계에 대한 이론적 내용을 기술하였다. 그리고 기술된 내용을 바탕으로 설계한 기본형 이중선형 편파 시뉴어스 안테나의 시뮬레이션 결과에 대해 서술하고자 한다.
- 본 논문에서는 0.5 ~ 2.0 GHz 주파수 대역(대역폭 4:1)에서 저대역 교차편파 격리도 특성을 개선한 시뉴어스 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 이중선형 편파 발생을 위해 4개의 암으로 구성되며 저대역 교차편파 격리도 특성을 개선하기 위해 각 암패턴의 종단에는 저항을 적용하였다.
- 본 논문에서는 0.5 ~ 2.0 GHz 주파수 대역에서 교차편파 격리도가 개선된 시뉴어스 안테나를 설계 및 제작하였다. 안테나는 이중선형편파 형성을 위해 4개의 암으로 구성하고, 클로펜 스타인 테이퍼 구조의 광대역 마이크로스트립 발룬을 이용하여 급전부를 구성하였다.
- 본 장에서는 설계 및 제작한 발룬과 교차편파 격리도가 개선된 시뉴어스 안테나의 측정결과에 대해 기술하였다.
- 수직 및 수평 암패턴 사이의 커플링에 의한 교차편파 격리도 저하 현상을 개선하기 위해 본 연구에서는 저대역 방사에 대응 하는 최외곽 암패턴과 후방 캐비티 사이에 저항(100 Ω)을 삽입하여 전류분포를 감소시킴으로써 교차편파 격리도를 개선하였다.
제안 방법
- 4개의 암으로 구성된 시뉴어스 암패턴은 실험적으로 각 너비 α와 오프셋 각 δ이 각각 45˚, 22.5˚ 의 값을 가질 때 균일한 안테나의 이득과 빔패턴 특성을 가지며, 본 연구에서도 해당 값을 적용하였다.
- 교차편파 격리도 저하 원인을 확인하기 위해 교차편파 격리도 특성이 가장 낮은 0.7 GHz의 표면 전류분포를 시뮬레이션을 수행하였으며, 그림 7(a)에 수평과 수직편파 성분에 대응되는 1번과 4 암패턴의 전류분포를 나타내었다. 수직편파 암패턴으로 급전된 전류는 해당 주파수에 대응하는 암패턴으로 이동하여 수직편파를 방사한다.
- 후방 캐비티는 안테나가 장착될 공간의 제약을 고려하여 서로 다른 직경을 갖는 2단 원통형 캐비티 구조를 적용하였다. 그리고 캐비티 내부에는 암패턴 기판을 지지하기 위한 허니컴과 후방 반사파를 감쇄시키기 위한 허니컴 형태의 흡수체를 적용하였다. 발룬은 앞 절에서 설계한 발룬을 적용하였고, 시뉴어스 암패턴 기판과 직교하도록 후방 캐비티 내부에 설치하여 시뉴어스 암패턴에 대한 급전이 용이하도록 하였다.
- 발룬의 균형 선로(balance line) 단은 시뉴어스 암패턴 급전부와 연결을 위해 굽은(bent) 형태를 갖도록 했다. 또한 장착가능 공간의 길이에 맞추기 위해 불균형 선로(unbalance line) 최종 단의 길이를 축소하였다. 설계된 발룬은 Tacconic TLY-5A(εr = 2.
- 먼저 발룬에 요구되는 입력포트의 임피던스(ZMS)와 시뉴어스 암패턴 급전부의 임피던스(ZPSTL)를 이용하여 각 종단의 상단 금속 패턴의 폭(WMS, WPSTL)을 계산한다. 다음으로 발룬의 총 길이가 최소한 최저 설계 주파수의 1/4 파장 길이를 갖도록 설정 후, 각 단의 개수와 길이를 결정한다.
- 이러한 과정으로 설계된 발룬의 구조를 그림 3에 나타내었고, 표 3에는 각 단의 폭과 길이를 정리하였다. 발룬은 수직과 수평 암패턴의 급전부와 연결을 위해 두 개의 발룬을 동일한 기판에 설계하였고, 장착을 위해 크기와 형상에 대한 최적화를 수행하였다. 발룬의 균형 선로(balance line) 단은 시뉴어스 암패턴 급전부와 연결을 위해 굽은(bent) 형태를 갖도록 했다.
- 그리고 캐비티 내부에는 암패턴 기판을 지지하기 위한 허니컴과 후방 반사파를 감쇄시키기 위한 허니컴 형태의 흡수체를 적용하였다. 발룬은 앞 절에서 설계한 발룬을 적용하였고, 시뉴어스 암패턴 기판과 직교하도록 후방 캐비티 내부에 설치하여 시뉴어스 암패턴에 대한 급전이 용이하도록 하였다. 그리고 발룬과 시뉴어스 암패턴은 기판을 관통하는 비아(via)로 연결하여 급전부를 구성하도록 하였다[9].
- 발룬은 입력 임피던스가 50 Ω 인 4개의 포트를 가지며 1번 포트를 기준으로 측정했고 사용되지 않은 포트들은 50 Ω 으로 정합하였다.
- 본 논문의 구성은 2장에서 기본적인 이중선형 편파를 발생하기 위한 시뉴어스 안테나의 설계 내용과 시뮬레이션 결과 그리고 저대역에서 발생하는 교차편파 격리도 특성 저하에 대한 원인을 분석하였다. 그리고 3장에서는 교차편파 격리도가 개선된 시뉴어스 안테나의 제작 및 측정결과에 대해 기술하였다.
- 0 GHz 주파수 대역에서 100 Ω과 50 Ω을 정합시킬 수 있는 광대역 특성을 갖는다. 본 논문의 발룬 구조는 그림 2와 같이 비대칭 평행 스트립 선로 구조를 가지며, 다음 과정에 따라 설계하였다[7], [8].
- 본 연구에서 설계한 시뉴어스 암패턴의 급전부의 입력 임피 던스는 100 Ω이기 때문에 안테나의 입력 임피던스인 50 Ω에 정합을 위해 발룬을 적용하였다.
- 본 연구에서는 설계목표에 의해 Rfeed = 8 mm 이고 약 7.1 mm의 반경을 갖는 10번째 셀이 조건을 충족하지만, 설계 마진을 위해 1개의 셀을 추가하여 설계하였다. 여기서 셀의 개수 n과 확장비 τ는 암패턴의 형상과 및 안테나의 성능과 관계되는데, 두 변수의 값이 클수록 방사소자가 증가하여 균일한 안테나 특성을 갖지만 패턴의 제작이 어렵게 된다.
- 설계된 발룬은 주어진 길이에서 통과대역 내 반사계수 특성이 가장 우수한 클로펜스타인 테이퍼를 사용하였으며, 0.5 ~ 2.0 GHz 주파수 대역에서 100 Ω과 50 Ω을 정합시킬 수 있는 광대역 특성을 갖는다.
- 그림 12는 저항이 적용된 시뉴어스 안테나의 동일·교차편파에 대한 방사패턴 시뮬레이션 및 측정결과를 보여준다. 시뉴어스 안테나의 방사패턴은 방위각 방향과 고각 방향의 방사패턴 특성이 유사하기 때문에, 시스템의 주 사용 평면인 방위각 방향의 방사패턴에 대한 시뮬레이션과 측정결과를 비교하였다. 두 결과는 모두 요구 대역 내에서 넓은 빔폭의 지향성 방사패턴 특성을 보이며, 수직과 수평편파 모두 유사한 특성을 나타내었다.
- 시뉴어스 암패턴의 입력 임피던스를 50 Ω 에 정합시키기 위해 클로펜스타인 테이퍼 구조의 광대역 마이크로스트립 발룬(이하 ‘발룬’)을 적용하여 급전부를 구성하였다.
- 시뮬레이션은 CST사의 MWS 2013을 이용하였고 입력포트는 50 Ω, 출력포트는 100 Ω 의 임피던스를 갖도록 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 0 GHz 주파수 대역에서 교차편파 격리도가 개선된 시뉴어스 안테나를 설계 및 제작하였다. 안테나는 이중선형편파 형성을 위해 4개의 암으로 구성하고, 클로펜 스타인 테이퍼 구조의 광대역 마이크로스트립 발룬을 이용하여 급전부를 구성하였다. 안테나의 후방 캐비티는 장착공간의 물리적 제한을 고려하여 최적화된 2단 원통형 구조를 갖도록 설계했으며, 후방 캐비티 내부에는 후방 반사파 흡수와 암패턴 기판의 지지를 위해 허니컴 형태의 흡수체와 허니컴을 적용하였다.
- 안테나는 이중선형편파 형성을 위해 4개의 암으로 구성하고, 클로펜 스타인 테이퍼 구조의 광대역 마이크로스트립 발룬을 이용하여 급전부를 구성하였다. 안테나의 후방 캐비티는 장착공간의 물리적 제한을 고려하여 최적화된 2단 원통형 구조를 갖도록 설계했으며, 후방 캐비티 내부에는 후방 반사파 흡수와 암패턴 기판의 지지를 위해 허니컴 형태의 흡수체와 허니컴을 적용하였다. 설계 및 제작된 안테나의 전기적 성능은 시뮬레이션과 측정결과를 통해 설계 사양을 충족함을 확인하였다.
- 0 GHz 주파수 대역(대역폭 4:1)에서 저대역 교차편파 격리도 특성을 개선한 시뉴어스 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 이중선형 편파 발생을 위해 4개의 암으로 구성되며 저대역 교차편파 격리도 특성을 개선하기 위해 각 암패턴의 종단에는 저항을 적용하였다. 시뉴어스 암패턴의 입력 임피던스를 50 Ω 에 정합시키기 위해 클로펜스타인 테이퍼 구조의 광대역 마이크로스트립 발룬(이하 ‘발룬’)을 적용하여 급전부를 구성하였다.
- 그림 9는 제작한 시뉴어스 안테나의 형상을 보여준다. 제작된 시뉴어스 안테나는 교차편파 격리도를 개서하기 위해 시뉴어스 암패턴의 종단과 2단 원통형 캐비티 사이에 저항을 삽입하였다. 크기는 설계목표 이하인 직경 265 mm, 높이 113.
- 설계 및 제작된 안테나의 전기적 성능은 시뮬레이션과 측정결과를 통해 설계 사양을 충족함을 확인하였다. 특히 기본형 설계시 저대역에서 설계 사양을 충족하지 못했던 교차편파 격리도 특성은 최외각 암패턴과 후방 캐비티 림 사이에 저항을 적용하여 저대역 암패턴에서 발생하는 교차편파 성분을 저하시킴으로서 설계 사양 이상으로 개선하였다. 따라서 제작된 안테나는 광대역 편파 측정용 안테나로 사용 가능할 것으로 판단된다.
- 4개의 시뉴어스 암패턴은 기판의 동일한 면에 인쇄했고, 1, 3번 암패턴은 수평편파, 2, 4번 암패턴은 수직편파를 발생한다. 후방 캐비티는 안테나가 장착될 공간의 제약을 고려하여 서로 다른 직경을 갖는 2단 원통형 캐비티 구조를 적용하였다. 그리고 캐비티 내부에는 암패턴 기판을 지지하기 위한 허니컴과 후방 반사파를 감쇄시키기 위한 허니컴 형태의 흡수체를 적용하였다.
- 시뉴어스 암패턴의 입력 임피던스를 50 Ω 에 정합시키기 위해 클로펜스타인 테이퍼 구조의 광대역 마이크로스트립 발룬(이하 ‘발룬’)을 적용하여 급전부를 구성하였다. 후방 캐비티는 장착 공간의 제한으로 형상과 크기가 제한되어 2단 원통형 구조를 적용하였고, 캐비티 내부는 후방 반사파의 흡수와 시뉴어스 암패턴 기판을 지지하기 위해 허니컴 형태의 흡수체와 허니컴을 적용하였다.
대상 데이터
- 먼저 그림 8에는 제작된 발룬의 구조와 측정결과를 나타내었다. 발룬은 측정을 위해 시뉴어스 암패턴 급전부를 기준으로 대칭인 back to back 구조로 제작했고 폭 36.1 mm, 길이 221.2 mm의 크기를 갖는다. 발룬은 입력 임피던스가 50 Ω 인 4개의 포트를 가지며 1번 포트를 기준으로 측정했고 사용되지 않은 포트들은 50 Ω 으로 정합하였다.
- 본 연구에서는 총 길이는 120 mm, 총 6개의 단이 각각 20 mm를 갖도록 설계하였다. 다음으로 각 단의 상단 도체의 폭 b(xi) 는 각 단의 길이방향 위치(xi)에 따라 b(xi) = Mxi + N의 관계를 갖는 선형 테이퍼(linear taper)를 적용하였으며, 수식을 구성하는 상수 M과 N은 다음 식 (5), (6)과 같다.
- 설계된 발룬은 Tacconic TLY-5A(εr = 2.17, h = 1.57 mm)기판을 사용하였으며, 길이 110.6 mm, 폭 36.1 mm의 크기를 갖는다.
- 시뉴어스 암패턴은 이중선형 편파 특성을 위해 4개로 구성하였으며, 인쇄 기판은 Tacconic사의 TLY-5A(εr = 2.17, h=1.57mm)를 이용하였다.
성능/효과
- 그림 7(b)는 저항을 적용한 경우의 수직·수평 편파 암패턴의 전류분포를 보여준다. 저항이 적용되지 않은 경우(그림 7(a)) 와 비교하여 외각에 형성되는 전류분포가 감소했음을 확인할 수 있으며, 이로 인해 저항에 의해 급전된 수직편파의 이득도 감소하지만, 동시에 교차편파 이득도 감소함을 예상할 수 있다.
- 편파는 설계 및 제작된 안테나 모두 수직과 수평편파 발생이 가능한 이중선형 편파 사양을 충족했다. - 5 dB 대역폭은 시뮬레이션과 측정 모두 4 : 1 (0.5 ~ 2.0 GHz) 이상을 충족함을 확인하였다.이득은 - 5 dBi 이상을 충족했고, 반전력 빔폭 특성도 모두 60 ° 이상으로 설계 사양 이상의 결과를 갖는 것을 확인하였다.
- 교차편파 격리도는 저항이 적용되지 않은 시뮬레이션 결과는 설계 사양을 만족하지 못했지만, 저항이 적용된 시뮬레이션 및 측정결과는 모두 11.5 dB 이상으로 개선된 결과를 갖는 것을 확인했다. 특히 저대역에서 저항이 적용되지 않는 시뮬레이션 결과대비 저항이 적용된 시뮬레이션 및 측정결과는 각각 평균 7.
- 그리고 측정 결과는 수직·수평편파 포트 각각 -6.7 dB 이하, -5.7 dB 이하로 두 결과 모두 설계 사양을 충족함을 확인할 수 있다.
- 시뉴어스 안테나의 방사패턴은 방위각 방향과 고각 방향의 방사패턴 특성이 유사하기 때문에, 시스템의 주 사용 평면인 방위각 방향의 방사패턴에 대한 시뮬레이션과 측정결과를 비교하였다. 두 결과는 모두 요구 대역 내에서 넓은 빔폭의 지향성 방사패턴 특성을 보이며, 수직과 수평편파 모두 유사한 특성을 나타내었다.
- 4 dB 이하의 값을 갖는다. 따라서 설계된 발룬을 이중선형 편파 시뉴어스 안테나 급접부로 사용가능함을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
- 반전력 빔폭은 시뮬레이션과 측정결과 모두 유사한 특성을 보여주며, 두 결과 모두 설계 대역 내에서 설계 사양인 60 ° 이상을 충족함을 확인할 수 있다.
- 안테나의 후방 캐비티는 장착공간의 물리적 제한을 고려하여 최적화된 2단 원통형 구조를 갖도록 설계했으며, 후방 캐비티 내부에는 후방 반사파 흡수와 암패턴 기판의 지지를 위해 허니컴 형태의 흡수체와 허니컴을 적용하였다. 설계 및 제작된 안테나의 전기적 성능은 시뮬레이션과 측정결과를 통해 설계 사양을 충족함을 확인하였다. 특히 기본형 설계시 저대역에서 설계 사양을 충족하지 못했던 교차편파 격리도 특성은 최외각 암패턴과 후방 캐비티 림 사이에 저항을 적용하여 저대역 암패턴에서 발생하는 교차편파 성분을 저하시킴으로서 설계 사양 이상으로 개선하였다.
- 시뮬레이션은 CST사의 MWS 2013을 이용하였고 입력포트는 50 Ω, 출력포트는 100 Ω 의 임피던스를 갖도록 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 입력포트에 대한 반사계수는 설계 대역 내에서 -13.3 dB 이하로 임피던스 매칭이 잘 되었으며 전달계수은 -0.8 dB 이상, 두 개의 발룬간의 격리도는 -13.4 dB 이하의 값을 갖는다. 따라서 설계된 발룬을 이중선형 편파 시뉴어스 안테나 급접부로 사용가능함을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
- 이득은 - 5 dBi 이상을 충족했고, 반전력 빔폭 특성도 모두 60 ° 이상으로 설계 사양 이상의 결과를 갖는 것을 확인하였다.
- 5 dB 이상으로 설계 사양을 충족한다. 특히 0.5 ~ 0.7 GHz 의 저대역에서 교차편파 격리도는 저항이 적용되지 않은 경우의 시뮬레이션 결과를 기준으로 저항이 적용된 시뮬레이션 결과는 평균 7.4 dB, 저항이 적용된 경우의 측정결과는 평균 6.3 dB 개선되었다.
- 5 dB 이상으로 개선된 결과를 갖는 것을 확인했다. 특히 저대역에서 저항이 적용되지 않는 시뮬레이션 결과대비 저항이 적용된 시뮬레이션 및 측정결과는 각각 평균 7.4 dB, 평균 6.3 dB 개선되었다.
후속연구
- 특히 기본형 설계시 저대역에서 설계 사양을 충족하지 못했던 교차편파 격리도 특성은 최외각 암패턴과 후방 캐비티 림 사이에 저항을 적용하여 저대역 암패턴에서 발생하는 교차편파 성분을 저하시킴으로서 설계 사양 이상으로 개선하였다. 따라서 제작된 안테나는 광대역 편파 측정용 안테나로 사용 가능할 것으로 판단된다.
- 제작된 발룬은 전기적 특성과 크기 모두 목표를 충족하기 때문에 시뉴어스 안테나 급전부에 적용 가능할 것으로 판단된다.
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