[논문]일차원과 이차원 Ka-대역 프린티드 다이폴 배열 안테나의 스캔 블라인드니스 분석

구한이; 송성찬; 남상욱

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.3.202

초록
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본 논문에서는 일차원 배열과 이차원 배열일 때 프린티드 다이폴의 스캔 블라인드니스 특성을 분석한다. 먼저 시뮬레이션을 이용하여 일차원과 이차원 배열일 때 프린티드 다이폴안테나의 능동소자패턴을 구한다. 이차원 배열에서는 E-면 방향으로 스캔 블라인드니스가 ${\pm}36^{\circ}$ 부근에서 발생하였으나, 일차원 배열에서는 스캔 블라인드현상이 거의 관측되지 않았다. 이차원 스캔 블라인드니스 원인을 분석하기 위해 먼저 이차원 배열의 단위 셀 분산 특성을 구하고, 주파수에 따른 스캔 블라인드니스와 비교한다. 그리고 일차원 배열과 이차원 배열에서의 단위 셀에서 Q 값을 비교함으로써 일차원과 이차원 배열에서 스캔 블라인드현상 차이를 설명한다. 선형으로 배열된 다이폴 구조에서 두 포트 사이에 아홉 개의 소자가 떨어져 있을 때 E-면 방향으로 전기장의 커플링을 시뮬레이션을 통하여 관측함으로써 이론의 타당성을 보인다. 마지막으로 프린티드 다이폴 배열을 제작하고, $11{\times}1$ 부배열과 $11{\times}3$ 부배열에 대해 능동소자패턴을 각각 측정하여, 시뮬레이션 결과와 비교함으로 이론을 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an active element pattern (AEP) of a printed dipole was analyzed in 1D and 2D arrays. First, an AEP of the printed dipole was obtained using the simulation in the 2D infinite array. The scan blindness in the 2D array occurred in the E-plane direction at around ${\pm}36^{\circ}$

In this study, an active element pattern (AEP) of a printed dipole was analyzed in 1D and 2D arrays. First, an AEP of the printed dipole was obtained using the simulation in the 2D infinite array. The scan blindness in the 2D array occurred in the E-plane direction at around ${\pm}36^{\circ}$; however, it was barely observed in the 1D array. To analyze the cause of the scan blindness in the 2D array, the dispersion properties of a unit cell was obtained and compared with the scan blindness by frequency change. The difference between the scan blindness of the 1D and 2D arrays was clarified using the comparison of the Q value in the unit cell in the 1D and 2D arrays. Then, the coupling of the electric field in the E-plane direction was observed when nine elements were separated between the two ports in a linearly arranged dipole structure. Finally, the printed dipole array was fabricated, and an AEP was measured for the $11{\times}1$ and $11{\times}3$ sub arrays. The proposed theory was verified using these observations and by comparison with the simulation results.

주제어

표/그림 (9)

그림 그림 1. 프린티드 다이폴 단일소자 Fig. 1. Printed dipole element.
그림 그림 2. 능동소자패턴 Fig. 2. Active element pattern.
그림 그림 3. Eigen mode와 스캔 블라인드니스 간 분산 곡선 비교 Fig. 3. Dispersion relations comparison between eigen mode simulation and scan blindness.
표 표 1. 안테나 파라미터 값(단위: mm) Table 1. Parameter values of the printed dipole antenna(unit: mm)
그림 그림 4. 일차원과 이차원 배열 간 Q 값 비교 Fig. 4. Q factor comparison between 1 D and 2 D.
그림 그림 5. 9개의 유닛 셀이 떨어진 선형 다이폴 배열 간 상호 결합 시뮬레이션 Fig. 5. Electric field simulation of coupling between linear dipole arrays placed 9 unit cells apart.
그림 그림 6. 9개의 유닛 셀이 떨어진 두 다이폴 간 S-파라미터 특성 Fig. 6. S-parameter between linear dipole arrays placed 9 unit cells apart.
그림 그림 7. 제작된 부배열 안테나 Fig. 7. Fabricated sub array.
그림 그림 8. E-면 방향 능동소자패턴 Fig. 8. 능동소자패턴 in the E-plane.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Ka 대역 프린티드 다이폴 배열의 일차원 배열과 이차원 배열일 때 능동소자패턴이 차이가 나는 이유에 대해 고찰한다. 분석 방법으로는 먼저 무한 배열 속 능동소자패턴(active element pattern: AEP)을 확인한 뒤, 분산 관계(dispersion relations)와 스캔 블라인드니스와의 관계를 통해 공진 모드의 존재를 확인하고, 선형 배열에서의 전기장이 배열을 따라 상호결합(mutual coupling)이 되는 현상을 고찰한다.
본 논문에서는 Ka 대역 프린티드 다이폴이 일차원과 이차원으로 배열되어 있을 때, 스캔 블라인드니스를 분석하였다. 먼저 일차원과 이차원 사각배열에서 능동소자패턴의 E-면 방향으로 스캔 블라인드니스가 발생함을 확인하였다.

제안 방법

가설의 타당성을 검증하기 위해, 일차원 배열에 대해서11×1 부배열을 제작하였고, 자기 벽 효과를 주기 위해 이차원 배열에 대해서는 11×3 부배열을 제작하였다.
그 원인을 분석하기 위해서는 유도된 전파를 발생시키는 공진 특성을 찾는 것이 중요하다. 공진 특성을 확인하기 위해서 HFSS의 eigen mode 시뮬레이션을 사용하여 단일 셀에 대한 분산 관계를 구한다. 일차원 배열에 대해서는 x-축 방향으로 주기경계조건(periodic boundary)을, y-축 방향으로 완전흡수경계조건(perfect matched layer: PML)을 설정한다.
시뮬레이션 결과 일차원 배열에 대한 공진 모드와 이차원 배열에 대한 공진모드는 그림 3에서 서로 일치함을 보여준다. 그리고 eigen mode로부터 얻어진 공진 모드와 스캔 블라인드니스와 상관관계를 분석하기 위해 CST 시뮬레이터를 사용하여 주파수 변화에 따른 능동소자패턴의 블라인드 각도 궤적을 구한다. 스캔 블라인드니스와 분산 관계를 서로 비교하기 위해서는 다음 식 (1)과 같이 조향각도를 단일 셀의 위상차로 변환해야 하고, 둘의 상관관계는 다음과 같다.
먼저 일차원과 이차원 사각배열에서 능동소자패턴의 E-면 방향으로 스캔 블라인드니스가 발생함을 확인하였다. 그리고 분산 관계와 스캔 블라인드니스와의 관계를 통해 공진 모드의 존재를 확인하였다. 일차원 배열과 이차원 배열일 때 Q 값 및 프린티드 다이폴의 커플링 효과를 고찰하였고, 방사 손실로 인해 일차원 배열에서 상호 결합의 양이 이차원 배열보다 감소함을 확인하였다.
본 논문에서는 Ka 대역 프린티드 다이폴 배열의 일차원 배열과 이차원 배열일 때 능동소자패턴이 차이가 나는 이유에 대해 고찰한다. 분석 방법으로는 먼저 무한 배열 속 능동소자패턴(active element pattern: AEP)을 확인한 뒤, 분산 관계(dispersion relations)와 스캔 블라인드니스와의 관계를 통해 공진 모드의 존재를 확인하고, 선형 배열에서의 전기장이 배열을 따라 상호결합(mutual coupling)이 되는 현상을 고찰한다. Ⅳ장에서는 일차원과 이차원 부배열을 제작하고, 각각의 능동소자패턴을 측정하여 스캔 블라인드니스를 검증한다.
앞장에서 무한 배열에서의 능동소자패턴을 살펴보고, 스캔 블라인드니스에 대해 분석을 하였다. 그림 7은 제작된 11×1 부배열과 11×3 부배열을 보여준다.

대상 데이터

특히 폴디드 라인의 L₂와 사각형으로 에칭된 슬롯의 길이 L_f를 파라미터 스터디를 통해 35 GHz에서 안테나 임피던스 매칭이 되는 최적의 값을 얻는다^[7]. 기판은 RT/Duroid Rogers 5880를 사용하고, 이때 기판 유전율은2.2, loss tangent는 0.009, 유전체 두께는 0.254 mm 그리고 금속두께는 0.017 mm이다. 그림 1에 대한 안테나 파라미터 값은 표 1과 같다.
특히 그림7(b)에 11×3 부배열은 3개의 기판으로 이루어져 있고, 첫 번째와 세 번째 기판은 자기 벽 역할을 하며, 가운데 소자 이외의 나머지 모든 소자는 칩 저항을 이용하여 50 Ohm으로 종단처리를 하였다. 제작된 기판은 안테나 고정치구에 장착이 되어 안테나는 무반향 챔버(anechoic chamber)에서 측정을 하였다. 측정된 능동소자 패턴은 그림 8에 보여주고 있고, 시뮬레이션 결과와 잘 일치한다.

성능/효과

능동소자패턴 측정결과, 11×3 부배열에 대해서만 ±36°에서 스캔 블라인드니스가 발행함을 검증하였다.
본 논문에서는 Ka 대역 프린티드 다이폴이 일차원과 이차원으로 배열되어 있을 때, 스캔 블라인드니스를 분석하였다. 먼저 일차원과 이차원 사각배열에서 능동소자패턴의 E-면 방향으로 스캔 블라인드니스가 발생함을 확인하였다. 그리고 분산 관계와 스캔 블라인드니스와의 관계를 통해 공진 모드의 존재를 확인하였다.
그리고 분산 관계와 스캔 블라인드니스와의 관계를 통해 공진 모드의 존재를 확인하였다. 일차원 배열과 이차원 배열일 때 Q 값 및 프린티드 다이폴의 커플링 효과를 고찰하였고, 방사 손실로 인해 일차원 배열에서 상호 결합의 양이 이차원 배열보다 감소함을 확인하였다. 가설의 타당성을 검증하기 위해, 일차원 배열에 대해서11×1 부배열을 제작하였고, 자기 벽 효과를 주기 위해 이차원 배열에 대해서는 11×3 부배열을 제작하였다.

후속연구

능동소자패턴 측정결과, 11×3 부배열에 대해서만 ±36°에서 스캔 블라인드니스가 발행함을 검증하였다. 프린티드 다이폴 구조와 자기 벽 효과에 의한 스캔 블라인드니스 원인을 밝힘으로써, 향후 다이폴 배열구조에서 스캔 블라인드니스 문제를 해결하기 위한 방향을 제시할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위상배열안테나에서 스캔 블라인드니스가 발생하는 이유는 무엇인가?	스캔 블라인드니스는 위상배열안테나에서 매우 중요한 이슈이다. 스캔 블라인드니스가 발생하는 이유는 위상배열안테나에서 특정한 플로케 모드(floquet mode)로 급전이 되었을 때, 안테나 구조가 표면파(surface wave)와 같은 유도된 전파(guided wave)를 지지할 수 있게 되고, 안테나의 입력 임피던스가 무한대로 커지게 되면서 방사를 하지 못하기 때문이다. 이 때 능동소자패턴에서 안테나가 방사되지 못하는 특이점이 발생하게 되는데, 이를 스캔 블라인드니스(scan blindness)라 하고, 스캔 블라인드니스가 발생하는 각도를 블라인드 각도(blind angle)라 한다[1].
	능동소자패턴이란 무엇인가?	능동소자패턴은 무한 배열 속에서 급전소자 이외의 모든 소자가 매칭으로 종단되었을 때 급전 소자가 갖는 패턴을 의미한다[1]. 방사 패턴은 CST 시뮬레이션을 이용하여 얻을 수 있다.
	프린티드 다이폴 배열의 이차원 배열구조에서 스캔 블라인드니스가 발생하는 이유는 무엇인가?	동시에 안테나 열을 따라 진행하는 guided mode가 감쇠되면서 그림 5에서 보여주는 것처럼 상호결합이 줄어든다. 일반적으로 무한 이차원 배열구조에서 플로케 급전을 하였을 때, guided mode를 지지한다면, 상호결합으로 인하여 안테나의 입력 임피던스가 커지게 된다. 이 때 안테나는 방사하지 못하고, guided mode로 급전되면서, 스캔 블라인드니스가 발생하게 된다[1]. 따라서 guided mode가 발생하지 못하도록 설계를 한다면 스캔 블라인드니스 문제는 해결이 된다.

참고문헌 (11)

A. Bhattacharyya, Phased Array Antennas, Hoboken, NJ, John Wiley & Sons, 2006.
D. Pozar, M. Schaubert, "Scan blindness in infinite phased arrays of printed dipoles," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 32, no. 6, pp. 602-610, Jun. 1984.

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D. M. Pozar, D. H. Schaubert, "Analysis of an infinite array of rectangular microstrip patches with idealized probe feeds," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 32, no. 10, pp. 1101-1107, Oct. 1984.

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D. M. Pozar, "Analysis of finite phased arrays of printed dipoles," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 33, no. 10, pp. 1045-1053, Oct. 1985.

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D. M. Pozar, "Finite phased arrays of rectangular microstrip patches," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 34, no. 5, pp. 658-665, May 1986.

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C. Sabatier, "T-dipole arrays for mobile applications," IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 45, no. 6, pp. 9-26, Dec. 2003.

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S. X. Ta, H. Choo, and I. Park, "Broadband printed-dipole antenna and its arrays for 5G applications," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 2183-2186, 2017.

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C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, Hoboken, NJ, John Wiley & Sons, 2005.
R. L. Li, B. Pan, T. Wu, K. Lim, J. Laskar, and M. M. Tentzeris, "Equivalent-circuit analysis and design of a broadband printed dipole with adjusted integrated balun and a printed array for base station applications," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 57, no. 7, pp. 2180-2184, Jul. 2009.

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S. G. Lee, J. H. Lee, "Calculating array patterns using an active element pattern method with ground edge effects," Journal of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 18, no. 3, pp. 175-181, 2018.

원문보기 상세보기
A. K. Bhattacharyya, "An accurate model for finite array patterns based on Floquet modal theory," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 3, pp. 1040-1047, Mar. 2015.

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