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문제 정의
- 본 논문에서는 혼 안테나의 개구면에 단락구조물을 이용하여 1.57 GHz에서 최대 후엽감쇄 특성을 갖는 혼 안테나를 설계 및 제작하였다. 먼저 시뮬레이션으로 단락구조물 증가에 따른 후엽감쇄 특성을 최적화시켰고, 최종 3단 단락구조물을 설계하였다.
제안 방법
- 그림 5에는 제안한 혼 안테나의 시뮬레이션 및 제작 구조를 나타내었다. 1단 단락구조물은 개구면 외각에 간격을 30 mm로 제작하였으며, 2단 단락구조물은 1단 단락구조물의 위, 아랫면에 35 mm 오프셋 깊이를 적용하여 제작하였다. 3단 단락구조물은 개구면과 1단 단락구조물 사이 위, 아랫면에 간격 10 mm, 길이 48 mm로 제작하였다.
- 혼 안테나의 기본 모드인 TE10의 특성을 고려하여 1단 단락구조물 위, 아랫면에 2단 단락구조물을 장착하였으며, 간격은 30 mm로 고정하였다. 그 후 최적의 오프셋 특성을 확인하기 위해 2단 단락구조물의 위치를 개구면으로부터 깊이 d의 이동에 따른 방사패턴 특성을 확인하였다.
- 이때개구면과 단락구조물의 간격은 너무 크거나 작으면 후엽감쇄특성이 없으므로 최적의 간격을 찾아야 한다. 따라서 단락구조물의 간격을 g로 설정한 후 g값을 변화시켜 후엽감쇄 특성을 확인하였다. 이 때 단락구조물의 길이는 선행 연구된 결과를 토대로 0.
- 따라서 본 논문에서 제안된 혼 안테나는 개구면에 단락구조물을 이용하여 후엽감쇄 특성을 확인한 후 최종 1.57 GHz에서 최대 후엽감쇄 특성을 갖도록 설계 및 제작 결과를 제시하였다.
- 그러나 그림 2(b)의 H-plane 방사패턴을 보면 ±150˚에서 측엽 방사가 증가하는 특성을 보여 안테나의 구조적 변경이 필요하다. 따라서 혼 안테나에 2단 오프셋 단락구조물을 추가 적용하여 재설계를 하였다.
- 57 GHz에서 최대 후엽감쇄 특성을 갖는 혼 안테나를 설계 및 제작하였다. 먼저 시뮬레이션으로 단락구조물 증가에 따른 후엽감쇄 특성을 최적화시켰고, 최종 3단 단락구조물을 설계하였다. 그 결과, 제작된 혼 안테나의 FBR은 기본형 혼 안테나 23.
- 앞 절에서 시뮬레이션을 통해 최적화된 단락구조물에 따른 후엽감쇄 특성을 적용하여 1단 단락구조물 내에 3단 단락구조물을 부착한 혼 안테나를 제작하였다. 그림 5에는 제안한 혼 안테나의 시뮬레이션 및 제작 구조를 나타내었다.
- 이 때 단락구조물의 길이는 선행 연구된 결과를 토대로 0.75λ로 설정하여 혼 안테나의 내부에서 외부로 전달되는 클리핑 전류가 공진주파수에서 최대 특성을 갖도록 설계하였다[6].
- 개구면과 단락구조물의 간격은 앞 절에서 보인 바와 같이 30 mm로 고정 후 설계되었다. 혼 안테나의 기본 모드인 TE10의 특성을 고려하여 1단 단락구조물 위, 아랫면에 2단 단락구조물을 장착하였으며, 간격은 30 mm로 고정하였다. 그 후 최적의 오프셋 특성을 확인하기 위해 2단 단락구조물의 위치를 개구면으로부터 깊이 d의 이동에 따른 방사패턴 특성을 확인하였다.
대상 데이터
- 1단 단락구조물은 개구면 외각에 간격을 30 mm로 제작하였으며, 2단 단락구조물은 1단 단락구조물의 위, 아랫면에 35 mm 오프셋 깊이를 적용하여 제작하였다. 3단 단락구조물은 개구면과 1단 단락구조물 사이 위, 아랫면에 간격 10 mm, 길이 48 mm로 제작하였다.
- 설계된 안테나의 급전부는 0.91 GHz의 차단주파수를 갖는 WR-650 표준 도파관에 Probe 급전으로 구성하였으며, 개구면 크기는 290 mm(1.52λ) × 210 mm(1.1λ)로 설계되었다.
성능/효과
- 먼저 시뮬레이션으로 단락구조물 증가에 따른 후엽감쇄 특성을 최적화시켰고, 최종 3단 단락구조물을 설계하였다. 그 결과, 제작된 혼 안테나의 FBR은 기본형 혼 안테나 23.47 dB를 기준으로 3단 단락구조물을 부착 후 측정결과 47.2 dB로 23.7 dB가 개선됨을 확인하였다. 또한 최대부엽 레벨을 측정한 결과 -17.
- 따라서 설계된 혼 안테나는 3단 단락구조물을 이용하여 FBR을 개선함에 따라 고출력용 안테나로 유효함을 확인할 수 있었다.
- 7 dB가 개선됨을 확인하였다. 또한 최대부엽 레벨을 측정한 결과 -17.01 dBi로 6.78 dBi를 개선하였다.
- 57 GHz에서 2단 오프셋 단락구조물 깊이 d에 따른 방사패턴을 나타내었으며, 특성결과를 표 2에 정리하였다. 설계된 혼 안테나의 FBR을 비교하면 1단 단락구조물의 값은 42.71 dB로 나타났으나, 2단 오프셋 단락구조물의 깊이 d가 35 mm일 때 43.58 dB로 0.87 dB가 개선된 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 4(b)의 H-plane 방사패턴에 ±150˚의 측엽 방사 특성을 비교하면 1단 단락구조물 장착 시 -10.
- 57 GHz에서 1단 단락구조물 간격 g에 따른 방사패턴을 나타내었으며, 특성결과를 표 1에 정리하였다. 설계된 혼 안테나의 후엽감쇄 레벨을 나타내는 FBR을 보면 단락구조물 부착 전 23.47 dB, 단락구조물을 부착 후 간격 g에 따른 FBR을 확인한 결과, g가 30 mm일 때 42.71 dB로 단락구조물을 장착하기 전보다 19.24 dB가 개선된 것을 확인할 수 있다.
- 그림 6(b)에는 제안한 혼 안테나의 FBR 특성을 나타내었다. 시뮬레이션 결과, 1.57 GHz에서 최대 FBR 특성을 나타내도록 설계되었다
- 57 GHz에서 3단 오프셋 단락구조물 혼안테나의 방사패턴을 나타내었으며, 특성결과를 표 3에 정리하였다. 시뮬레이션 및 측정 결과, 혼 안테나 FBR은 각각 43.5 dB, 47.2 dB의 결과를 얻었다. 이는 시뮬레이션 된 2단 오프셋 단락구조물을 부착한 혼 안테나에 비해 3.
- 2 dB의 결과를 얻었다. 이는 시뮬레이션 된 2단 오프셋 단락구조물을 부착한 혼 안테나에 비해 3.62 dB가 개선되었고, 최대부엽 레벨은 -17.01 dBi로 3.16 dBi가 개선되었다.
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