능동집적안테나.송수신 겸용 모듈.고조파 억압 안테나.능동집적배열안테나.배열 안테나 시스템.공간전력합성.유한차분법.비균일 grid 유한차분법.수치해석적 모델링.Active Integrated Antenna.Module for both Tx and Rx.Harmonic Suppress Antenna.Active Integrated Array Antenna.Array antenna system.Spatial Power Combining(SPC).FDTD(Finite Differential Time Domain) Method.Non-homogeneous grid FDTD.Numerical Analysis modeling.
초록▼
제 1 세부과제인 단일 능동 집적안테나에 대한 연구에서는, 먼저 능동안테나의 문제점인 고조파를 없애기 위하여 고조파 억압 안테나 구조에 대한 연구가 수행되었다. 또한 공간전력합성 시스템의 단일 안테나 소자로 활용될 고출력 광대역 평면형 능동안테나와 이것을 이용하여 안테나 배열 공간전력합성기와 Rotman lens 기법을 이용한 공간전력합성기를 설계하여 결과를 확인하였다. 제 2 세부과제에서는 공간전력합성기를 위한 안테나의 배열에 대하여 연구하였다. 공간전력합성기의 배열에 대한 특성 분석을 위하여 지향성 혼 안테나로 구성된
제 1 세부과제인 단일 능동 집적안테나에 대한 연구에서는, 먼저 능동안테나의 문제점인 고조파를 없애기 위하여 고조파 억압 안테나 구조에 대한 연구가 수행되었다. 또한 공간전력합성 시스템의 단일 안테나 소자로 활용될 고출력 광대역 평면형 능동안테나와 이것을 이용하여 안테나 배열 공간전력합성기와 Rotman lens 기법을 이용한 공간전력합성기를 설계하여 결과를 확인하였다. 제 2 세부과제에서는 공간전력합성기를 위한 안테나의 배열에 대하여 연구하였다. 공간전력합성기의 배열에 대한 특성 분석을 위하여 지향성 혼 안테나로 구성된 송$\middot$수신 안테나와 증폭소자부 배열 안테나에 마이크로스트립 패치 안테나를 사용하였다. 3× 3, 4× 4, 5× 5개의 배열 안테나에 대한 시뮬레이션을 행하였으며 이중 가장 전달 이득이 높은 5× 5개의 배열 안테나를 설계 제작하여 결과를 확인하였다. 제 3 세부과제에서는 3차원 FDTD 방법으로 RF 용 IC 능동회로 해석을 위해 확장된 FDTD 방정식과 노턴 등가회로 연결법을 사용하였다. 기존에 연구된 노턴 등가회로 연결법에서 노턴 등가회로와 FDTD 알고리즘 연결을 안정적으로 이루어내기 위해 SPICE 모델 회로식의 이산화한 행렬식을 제안하여 간편히 적용할 수 있도록 하였다. 능동안테나의 문제점인 고조파를 없애기 위하여 고조파 억압 안테나 구조에 대한 연구를 통해 2,3차 고조파에 대한 반사손실이 -2.5 dB이하의 측정값을 얻어 제안된 안테나가 고조파 억압에 효과적인 특성을 나타냄을 확인하였다. 또한 공간전력합성 시스템의 단일 안테나 소자로 사용될 고출력 광대역 능동 다이폴 안테나에 대한 연구에서 평형증폭기와 광대역 평면형 안테나를 결합하여 28 $\percnt$의 대역폭과 14.77 dBi의 방사이득을 얻었다. 공간전력합성기에 대한 연구에서, 먼저 4× 1 안테나 배열 공간전력합성기의 경우 17 $\percnt$의 대역폭과 24.04 dB의 유효등방성전력이득, 63.7 $\percnt$의 전력 합성 효율을 얻었다. Rotman 렌즈안테나의 빔포커싱 효과를 적용한 공간전력합성기는 21.8 $\percnt$의 대역폭과 25.74 dB의 유효등방성전력이득, 81.3 $\percnt$의 합성효율 등 향상된 결과를 확인할 수 있었다. 가장 전달 이득이 높은 5× 5개의 배열 안테나를 설계 제작하여 실험한 결과 거리의 증가에 따라 단순 감소가 아닌 전송 선로상의 정재파와 같은 현상이 나타나고 있음을 알게 되었고, 송?수신 안테나와 증폭부의 거리를 1~60㎜ 사이에서 1㎜ 간격으로 변화시키며 power를 측정하였다. 실험결과, 안테나의 거리가 4㎜와 20㎜로 반파장 떨어졌을 때 이득이 최대가 나타났고, 거리에 따라 최고 26.15㏈의 이득 차이가 남을 확인 하였다. 3차원 FDTD를 이용해 마이크로스트립 선로에 집중소자 또는 능동소자가 연결된 하이브리드 회로를 해석하였다. 다양한 R, L, C 수동회로와 능동회로를 확장된 FDTD 방정식과 노턴 등가회로 연결법을 이용해 수치 해석함으로써 FDTD 방법을 이용한 RF용 IC 회로 해석에 도움이 되도록 하였다. 그리고 다이오드를 이용해 평형 혼합기 회로를 설계해서 FDTD를 이용한 능동회로 구현의 우수성을 확인하였다. 제안한 FDTD회로 연결 방법을 사용할 경우, 더 많은 분야와 넓은 범위에서 RF 용 IC 회로에 관한 정확한 광대역 해석이 가능해진다.
Abstract▼
In the 1st sub-research, studies about harmonic suppress antenna structure have been achieved to eliminate harmonics. And the results were confirmed by designing antenna array SPCs, and high power wideband planar active antenna that would be used as antenna element in SPC system. Antenna array fo
In the 1st sub-research, studies about harmonic suppress antenna structure have been achieved to eliminate harmonics. And the results were confirmed by designing antenna array SPCs, and high power wideband planar active antenna that would be used as antenna element in SPC system. Antenna array for the spatial power combiner has been studied in the 2nd sub-research. For analyzing the characteristics of array for the spatial power combiner which consists of the directional-horn antenna and microstrip patch antenna. S21 are calculated for the cases of 3× 3, 4× 4 and 5× 5 planar array antenna. Because the 5× 5 planar array antenna has the highest S21 in simulation, the 5× 5 planar array antenna is made and the characteristics of the antenna is measured with changing the distance between the directional-horn antenna and microstrip patch array antenna. In the 3rd sub-research, extended FDTD formulations and Norton’s equivalent circuit are used to analyze RF active IC by using 3-dimensional FDTD method. Especially, discretization of matrix equation of SPICE model is proposed, and SPICE model is linked to 3-D FDTD method.
By studying the 1st sub-research, harmonic suppress antenna structure study to eliminate harmonics which are problems in active antenna, the return loss of 2nd and 3rd harmonics are less than -2.5 dB, then the effective characteristics of harmonic suppress antenna was confirmed. And In regarding to high power wideband active dipole antenna which will be used as antenna element in spatial power combining system, 28 $\percnt$ bandwidth and 14.77 dBi radiation gain was obtained by combining balanced amplifier and planar antenna. In regarding to SPC research, 17 $\percnt$ bandwidth, 20.04 dB EIPG. and 63.7$\percnt$ power combining efficiency were obtained in the case of 4×1 SPC. Better results of 21.8 $\percnt$ bandwidth, 25.74 dB EIPG, and 81.3 $\percnt$ combining efficiency were obtained in the case of SPC applying Rotman lens's beam focusing effect. Because the 5×5 planar array antenna has the highest S21 in simulation, the 5×5 planar array antenna is made and the characteristics of the antenna is measured with changing the distance between the directional-horn antenna and microstrip patch array antenna. S21 does not decrease simply as the distance. Peak power points are repeated every λ/2 in the range of 4 to 60㎜. The maximum gain is obtained at the distance 4mm. As a result, to get the maximum power gain for the spatial power combiner, the distance between the directional-horn antenna and microstrip patch antenna must be selected carefully. We analyzed the hybrid circuit composed of a microstrip line and lumped elements or active elements by 3D FDTD method. R, L, C lumped elements and ideal diode are numerically modeled using extended FDTD formulations and Norton's equivalent circuit. The analysis results of various circuits will help to study the RF IC by FDTD method. Indeed, by validating a parallel mixer using diodes, it was confirmed that the active circuit could be validated by 3D FDTD method. Therefore, if the proposed link method is used, more accurate FDTD analysis will be possible in the wider range of frequency.
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