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Ka대역 능동위상배열 광대역 안테나 성능 검증
Performance Verification of Active Phased Array Broadband Antenna in Ka-Band 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.24 no.1, 2024년, pp.23 - 30  

김영완 (LIG넥스원(주)) ,  백종균 (LIG넥스원(주)) ,  채희덕 (LIG넥스원(주)) ,  주지한 (LIG넥스원(주))

초록
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본 논문에서는 광대역 특성을 가지는 능동위상배열 안테나의 설계, 검증 및 분석에 대하여 기술하였다. 능동위상 배열 안테나를 항공기 혹은 미사일에 적용하려면 배열 안테나의 소형화 및 광각 빔조향 특성을 확보하는 것은 피할 수 없는 안테나 설계 고려 사항이 될 수 있다. 특히 전자적으로 광각 빔조향 시 능동반사계수 특성은 시스템의 생존 및 성능 측면에서 최소화되어야 하는 설계 파라미터이다. 광대역 특성 및 광각 빔조향에 적합한 복사 소자로 본 논문에서는 Step Flared Notch(SFN)를 적용한 배열 구조를 설계하고 구좌표계 θ 각도 기준 최대 40° 빔조향에 따른 능동반사계수를 최소화하였다. 복사소자의 대역폭은 Ka대역에서 능동반사 기준으로 3GHz를 확인하였다. 또한 실제 제작된 8by8 배열 안테나는 근접전계 시험을 통해 복사소자의 단일 패턴을 측정하고, 수학적으로 합성하여 탐색기 시스템에 사용하는 송/수신빔을 예측하여 성능을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper dedcribes the design. verification, and analysis techniques for an advanced phased array antenna. When applying an active phased array antenna to an aircraft or missile, miniaturization of the array antenna and wide-angle beam steering characteristics can be unavoidable antenna design con...

주제어

#Step Flared Notch   #Broadband   #Wide-Angle Steering  

표/그림 (17)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 논문에서 검증한 배열 구조는 표 1과 같이 원통좌표계 θ 각도 기준 최대 40° 빔조향에 대한 성능을 최적화하기 위해 배열 간격을 설정하였다. 또한 탐색기에 적용할 수 있는 송/수신 빔을 검증하기 위해 송신과 수신 각각 다른 가중치를 적용하여 성능을 검증하였다.
  • 본 논문에서는 밀리미터파 탐색기에 적용할 수 있는 AESA 안테나 구조를 설계하고 실제 8by8 단위 복사소자를 제작하여 측정하고 시뮬레이션 결과와 비교 검증하였다. 마이크로파 대역에서 주로 사용하는 다이폴, 일반적인 비발디 안테나에 비해 본 논문에서 제안한 SFN안테나는 상대적으로 소형화를 구현하면서 광대역 특성 및 광각 빔조향에 최적합한 형태로 설계되었다.
  • 본 논문에서 검증한 배열 구조는 표 1과 같이 원통좌표계 θ 각도 기준 최대 40° 빔조향에 대한 성능을 최적화하기 위해 배열 간격을 설정하였다
  • 본 논문에서는 그림 6과 같이 SFN 복사소자를 적용한 배열 구조의 성능 검증을 수행하였다. 일반적인 비발디 안테나의 방사부 형상과 달리 exponentail 구조가 아닌 계단 형태의 구조로 공간상으로 전계를 방사하는 구조로 비발디 구조 대비 복사소자의 높이를 최소화 할 수 있어 Low-profile 형태를 구현할 수 있다.
  • 본 논문에서는 밀리미터파 탐색기에 적용할 수 있는 AESA 안테나 구조를 설계하고 실제 8by8 단위 복사소자를 제작하여 측정하고 시뮬레이션 결과와 비교 검증하였다. 마이크로파 대역에서 주로 사용하는 다이폴, 일반적인 비발디 안테나에 비해 본 논문에서 제안한 SFN안테나는 상대적으로 소형화를 구현하면서 광대역 특성 및 광각 빔조향에 최적합한 형태로 설계되었다.
  • 8by8 배열은 먼저 64배열소자의 개별 복사소자 패턴 및 반사계수 측정을 수행하였다. 측정은 근거리에서 원전계 패턴 측정을 수행할 수 있는 컴팩트레인지(Compact Range(CR)) 측정을 수행하였다.

대상 데이터

  • 실제 공기층은 유전율이 1에 가까운 로하셀 폼을 이용하여 모사할 수 있었다. 제작된 형상은 그림 7과 같이 8by1 모듈을 제작하고 총 8개의 모듈을 조립하여 총 8by8 배열 구조를 형성하였다.

데이터처리

  • 단일 복사소자의 빔패턴 성능이 검증되면, 실제 8by8 배열 상태에서의 빔패턴 및 능동반사계수 성능을 검증한다. Network Analyzer를 이용해 64개 복사소자 중 32번 복사소자의 능동반사계수를 예측하기 위해 32번 포트를 기준으로 총 63포트의 상호간섭 계수(S21)와 32번 포트의 자기 반사계수(S11)를 측정하였다. 측정된 S-파라미터값을 기반으로 식 (5)를 이용해 주파수별, 빔조향각별 능동반사계수를 구할 수 있다.
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참고문헌 (9)

  1. M. Jyothi, E. Srinivas, Yogesh Kumar Verma, "Concept？of Electronically Scanned Array(AESA) Seeker Beam？Control and Stabilization", 2018 IEEE Indian？Conference on Antennas and Propagation,,Dec. 2018.？DOI: 10.1109/INCAP.2018.8770892 

    crossref

  2. Constantine A. Balanis, Modern Antenna Handbook,？John Wiley & Sons Inc., 2008. 

  3. Hubregt J. Sisser. Array and Phased Array Antenna？Basics, John Wiley & Sons Inc., 2005. 

  4. H. J. Orchard, R. S. Elliott, and G. J. Stern,？"Optimization the synthesis of shaped beam antenna？patterns", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP 23,？no. 1, pp. 100-107, Jan. 1975. 

  5. Youngwan Kim, Hee-Duck Chae, Dong-Kuk Lee,？Myung-Deuk Jung, Jong-Kuk Park, "A Study of the？Stabilized System Operation Considering the Reflection？Characteristics of an Active-Phased Array Antenna",？The Korean Institute of Electromagnetic Engineering？and Science, 23권 1호, pp. 29-37, 01. 2012.？DOI:https://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2012.23.1.029 

    원문보기 상세보기 crossref

  6. Kwan-hyeong Lee, "A Study on the Performance CDMA？System Using Adaptive Array Antenna Beamforming？Technique", The Journal of Korea Institute of？Information Electronics and Communication Technology,？Volume: 5, No 2, Pages : 68-73, June 2012. 

  7. Seung-gag Lim, Daesu Kang, "Performance analysis of？DoA estimation algorithm using a circular array antenna",？The Journal of The Korea Academia-Industrial？cooperation Society, vol.9, no 2, Pages : 395-400, 9.？2008. 

  8. Youngwan Kim, Hee-Duck Chae, Se-Hwan An, Ji-Han？Joo, "Radiator Design Method considering Wide-Angle？Beam Steering Characteristics of AESA Radar", The？Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and？Communication, Vol. 22, No. 5, pp. 87-92, Oct. 2022.？DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2022.22.5.87 

    원문보기 상세보기 crossref

  9. Trevor Bird, Mutual Coupling Between Antennas, John？Wiley & Sons Inc., Pages : 325-356, Jul. 2021.？DOI: https://doi.org/10.1002/9781119565048 

    crossref

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