[논문]근접전계 시험 기법을 활용한 Ka-대역 배열안테나 성능 검증

김영완; 권준범; 강연덕; 박종국

doi:10.7236/jiibc.2019.19.4.105

[국내논문] 근접전계 시험 기법을 활용한 Ka-대역 배열안테나 성능 검증
Performance verification of Ka-Band Array Antenna using Near-Field Test Method 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.19 no.4, 2019년, pp.105 - 111

김영완 ((주) LIG넥스원) , 권준범 ((주) LIG넥스원) , 강연덕 ((주) LIG넥스원) , 박종국 ((주) LIG넥스원)

초록
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본 논문에서는 근접전계 시험을 수행하여 Ka 대역 밀리미터파 탐색기용 도파관 광벽 슬롯 배열 안테나의 성능 검증을 수행하였다. 슬롯 배열 안테나의 측정은 원전계, 근접전계 시험을 모두 수행하고 비교하여 밀리미터파 대역의 근접전계 시험의 유효성을 확인하였다. 검증을 수행한 슬롯 배열 안테나의 빔폭 및 부엽 준위를 포함한 빔 패턴 특성이 동일함을 확인하였다. 방위각, 고각 빔패턴의 부엽준위 차이는 1dB 이내로 검증되었다. 추가로 back-projection 기법을 활용하여 근접전계 데이터를 가공한 후 안테나 개구면의 분포를 새롭게 추출하여 배열 안테나 성능 분석을 수행하는 방법에 대하여 소개하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a performance analysis of waveguide broad-wall slot array antenna for millimeter-wave seeker in Ka-band was performed as using near-field measurement. The measurement of slot array antenna was conducted in both far-field and near-field. And the validation of near-field test in millimeter band was confirmed. It was confirmed that the beam pattern characteristics including beam width and side lobe level of the slot array antenna that performed the verification were the same. Differenced in the side lobe level of azimuth and elevation beam pattern were verified to be less than 1dB. Additionally, the new antenna aperture distribution was extracted as using back-projection method modifying the near-field data and then introduced the method conducting performance analysis of array antenna.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 안테나 조립체 구조 Fig. 1. The structure of antenna
그림 그림 2. 안테나 조립체 제작 사진 Fig. 2. Fabrication photo of antenna assembly
그림 그림 3. 근접전계 시험 사진 Fig. 3. Photo of near-field test
표 표 1. 근접전계 시험장 제원 Table 1. Near-field measurement facility data
그림 그림 4. 근접전계 측정 데이터 Fig. 4. Measurement data of near-field
그림 그림 5. 빔패턴 비교 (근접전계vs원전계) Fig. 5. Beam pattern comparison (Near-field vs Far-field)
그림 그림 6 2D 빔패턴 비교 Fig. 6. 2D Beam pattern comparison
그림 그림 7 벡-프로젝션 결과 Fig. 7. Back-projection results

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Ka-대역에서 동작하는 도파관 광벽 슬롯 배열 안테나의 근접전계 측정을 수행하여 빔 패턴 성능을 검증하였다. 일반적인 측정 방법인 원전계 측정 결과와 비교하여 근접전계 측정결과의 유효함을 확인하였다.

제안 방법

복사부에는 급전부의 분배 슬롯에 의해 설계된 파워량이 분배되며, 분배 슬롯에 신호 인가는 VSWR 특성에 유리한 프로브 급전 방식을 적용하였다. 그림1 (b)와 같이 2축 모노펄스를 구현하기 위하여 전기적으로 A, B, C, D 4분면이 나누어지도록 설계를 하는데, 십자형의 방위각, 고각 모노펄스 축을 기준으로 설계하였다. 안테나 조립체는 그림1 (c)와 같이 안테나 후면에 도파관 순환기가 조립되며, 하나의 합 채널(Sum port)과 두 개의 차 채널(Del Az/El port)로 구성하여 방위각 및 고각 방향에서 동시에 정밀 추적하는 시스템에 사용 할 수 있도록 하였다.
그림1 (b)와 같이 2축 모노펄스를 구현하기 위하여 전기적으로 A, B, C, D 4분면이 나누어지도록 설계를 하는데, 십자형의 방위각, 고각 모노펄스 축을 기준으로 설계하였다. 안테나 조립체는 그림1 (c)와 같이 안테나 후면에 도파관 순환기가 조립되며, 하나의 합 채널(Sum port)과 두 개의 차 채널(Del Az/El port)로 구성하여 방위각 및 고각 방향에서 동시에 정밀 추적하는 시스템에 사용 할 수 있도록 하였다.
도파관로의 크기는 운용 주파수에서 TE10 dominant 모드가 생성되도록 폭 0.66λ0, 높이 0.16λ0 로 설계하였으며, 도파관 벽 두께는 수식 (1)을 통해 0.09λ0로 설계 하였다.
또한 근접전계 데이터를 활용한 back-projection 기법에 대해 수학적인 검증을 수행하였고, 실제 측정 결과를 바탕으로 back-projection 데이터를 추출하여 결과를 확인하였다.
^[10] 그림 1 (a)의 복사부는 각 슬롯이 관내 반파장(λg/2⁾ 간격으로 648개로 구성되어있다. 복사부에는 급전부의 분배 슬롯에 의해 설계된 파워량이 분배되며, 분배 슬롯에 신호 인가는 VSWR 특성에 유리한 프로브 급전 방식을 적용하였다. 그림1 (b)와 같이 2축 모노펄스를 구현하기 위하여 전기적으로 A, B, C, D 4분면이 나누어지도록 설계를 하는데, 십자형의 방위각, 고각 모노펄스 축을 기준으로 설계하였다.
하지만, 한 번의 측정을 통해 원하는 방향의 1D Cut 데이터만 측정되기 때문에 안테나의 2D 평면 특성을 검증하려면 많은 시간이 소요되며, 배열안테나 각 배열 소자의 특성을 검증하기가 불가능하다. 이러한 원전계 측정 방법의 단점을 보완하기 위해 근접전계 시험을 수행한다.^[10][11] 원전계 및 근접전계는 측정 거리에 의해 구분되며, 근접전계 시험은 안테나의 근거리 영역의 전자파 에너지를 수집한 후 수학적인 변환을 통해 특정 거리 이상의 원거리 영역에서의 2D 평면 패턴을 예측하는 방법이다.
제작된 안테나는 근접전계 패턴 측정을 수행한 후 추가적으로 원전계 시험을 수행하여 두 개 결과들의 유사성을 확인하였다. 먼저 근접전계 시험 형상은 그림 3과 같으며 근접전계 시험장의 제원은 표 1과 같다.
^[10] 측정을 수행한 근접전계 시험장은 최대 전력 100kW를 40GHz까지 측정 가능하도록 고출력 흡수체를 설치하여 시험의 안정성을 확보하였다. 주파수 대역이 높아지면, 측정 경로의 상대적인 손실이 증가하여 최대한 측정 경로의 길이를 최소화하기 위해 PNA-X 계측기를 안테나와 프로브에 최대한 근접하게 위치하는 구성으로 측정을 수행하였다. 프로브는 안테나 개구며의 평면을 스캔하는 평면형 근접전계 방법으로 전자파 데이터를 수집하였다.
본 논문 II장에서 설계 후 제작한 도파관 광벽 슬롯 배열 안테나 구조의 설계에 관하여 간략히 설명하고, III장에서 실제 원전계 및 근접전계 측정 결과를 비교하여 근접전계 시험 결과의 유효성을 검증하였다. 추가로 back-projection 기법을 활용한 새로운 개구면 분포를 추출하는 수학적인 검증을 수행하고, 실제 측정 결과로 back-projection 된 개구면 결과를 추출하고 검증을 수행하였다.

대상 데이터

본 논문에서 측정을 수행한 안테나는 크게 복사부, 급전부, 모노펄스 비교기, 도파관 순환기로 구성되어 있다.^[10] 그림 1 (a)의 복사부는 각 슬롯이 관내 반파장(λg/2⁾ 간격으로 648개로 구성되어있다.

이론/모형

주파수 대역이 높아지면, 측정 경로의 상대적인 손실이 증가하여 최대한 측정 경로의 길이를 최소화하기 위해 PNA-X 계측기를 안테나와 프로브에 최대한 근접하게 위치하는 구성으로 측정을 수행하였다. 프로브는 안테나 개구며의 평면을 스캔하는 평면형 근접전계 방법으로 전자파 데이터를 수집하였다.

성능/효과

Ka-대역의 특성상 측정 시 상대적으로 손실이 큰 환경에서 측정을 수행하기 위해 최대한 측정상의 경로 손실을 줄이기 위해 시험장을 구성하였으며, 최종 측정된 결과를 통해 Ka-대역 근접전계 측정 구성의 유효성을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 Ka-대역에서 동작하는 도파관 광벽 슬롯 배열 안테나의 근접전계 측정을 수행하여 빔 패턴 성능을 검증하였다. 일반적인 측정 방법인 원전계 측정 결과와 비교하여 근접전계 측정결과의 유효함을 확인하였다.

후속연구

본 논문으로 향후 진행될 Ka-대역 위상배열안테나의 성능 검증 시 근접전계 측정을 활용하여 효율적으로 정확한 성능 검증을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	근접전계 시험은 어떤 방법인가?	이러한 원전계 측정 방법의 단점을 보완하기 위해 근접전계 시험을 수행한다.[10][11] 원전계 및 근접전계는 측정 거리에 의해 구분되며, 근접전계 시험은 안테나의 근거리 영역의 전자파 에너지를 수집한 후 수학적인 변환을 통해 특정 거리 이상의 원거리 영역에서의 2D 평면 패턴을 예측하는 방법이다. 또한, 근접전계 시험을 할 경우 여러 주파수의 평면 패턴을 동시에 측정할 수 있기 때문에 측정 시간의 효율성 측면에서도 이점이 있다.
	원전계 시험 방법의 문제점은?	원전계 시험은 실시간으로 측정 및 피 측정 안테나간의 신호를 측정하는 가장 범용한 방법이다. 하지만, 한번의 측정을 통해 원하는 방향의 1D Cut 데이터만 측정되기 때문에 안테나의 2D 평면 특성을 검증하려면 많은 시간이 소요되며, 배열안테나 각 배열 소자의 특성을 검증하기가 불가능하다. 이러한 원전계 측정 방법의 단점을 보완하기 위해 근접전계 시험을 수행한다.
	근접전계 시험 방식은 왜 측정 시간이 효율적인가?	[10][11] 원전계 및 근접전계는 측정 거리에 의해 구분되며, 근접전계 시험은 안테나의 근거리 영역의 전자파 에너지를 수집한 후 수학적인 변환을 통해 특정 거리 이상의 원거리 영역에서의 2D 평면 패턴을 예측하는 방법이다. 또한, 근접전계 시험을 할 경우 여러 주파수의 평면 패턴을 동시에 측정할 수 있기 때문에 측정 시간의 효율성 측면에서도 이점이 있다. 특히 배열안테나의 경우 back-projection 기법을 적용하여, 측정된 근접전계 전자파 에너지를 수학적인 변환으로 안테나 개구면에 투영 시켜 개구면의 배열소자별 크기 및 위상 데이터를 추출 함으로써 배열 소자 각각의 상태를 점검할 수 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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