ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
X 대역 위성통신 송/수신 겸용 마이크로스트립 안테나
Satellite Communication Microstrip Antenna for Tx/Rx Dual Operation at X-Band
김 건 우 ․이 성 재*
Kun-Woo Kim․Sung-Jae Lee*
요 약
본 논문에서는 X 대역 위성통신 송/수신 겸용 마이크로스트립 배열 안테나를 설계 및 제작, 측정하였다. 본 논문에서 제시된 마이크로스트립 배열 안테나는 송신 대역과 수신 대역에서 각각 우수 원형 편파(RHCP)와 좌수 원형 편파(LHCP) 를 구현하기 위해 단일 방사체로 정사각형의 방사 패치 대각 모서리를 절단한 모절삭 사각 패치(truncated square patch) 형태를 사용하고, 임피던스 대역폭 확장을 위해 기생 패치를 적층하였다. 또한, 축비 대역폭 개선을 위해 2×2 순차 회전 배열(sequential rotation array) 방식을 적용하였다. 제안된 안테나는 8×12 마이크로스트립 배열 안테나로 EM 시뮬레이터 인 CST MICROWAVE STUDIO(이하 MWS)를 이용하여 설계하였고, 측정 결과는 설계 결과와 유사한 경향을 보였다.
본 논문에서 제시한 안테나는 X 대역 위성통신 송/수신 겸용 안테나로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
Abstract
Transmit(Tx)/Receive(Rx) dual band operation microstrip array for X-band satellite communications are designed, fabricated, and measured in this paper. The microstrip array antenna has Right Handed Circular Polarization(RHCP) for Tx band and Left Hand Circular Polarization(LHCP) for Rx band. Two stacked patches are used for wideband characteristics and corner-truncated square patches are adopted for a circular polarization. To enhance bandwidth characteristics of a circular polarization, 2×2 sequential rotation array are applied. From the measured result, 8×12 microstrip array antennas have a good agreement with those of the simulation. Therefore the array antennas are applicable to military satellite communication antennas.
Key words: Microstrip Antenna, Circular Polarization, Satellite Communication
삼성탈레스(Samsung Thales Co., Ltd.)
*국방과학연구소(Agency for Defense Development)
․Manuscript received November 12, 2013 ; Revised December 3, 2013 ; Accepted December 18, 2013. (ID No. 20131112-112)
․Corresponding Author: Kun-Woo Kim (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
위성통신시스템은 다양한 형태로 존재하는 정보의 전 송과 외부 전파환경으로부터 정보가 소멸되거나 변형되 지 않는 생존성 있는 통신매체로 많이 활용되고 있으며, 특히 우리나라의 경우 많은 산악지형과 도서지방이 있어
어디에서나 원거리에 있는 상대와의 통신을 위해서 위성 을 이용한 통신시스템이 필요하다
[1]
.현재 군(軍) 위성통신 체계는 민․군 통신 위성체, 지 상관제소 및 각종 통신 목적과 용도에 따라 항공용, 차량 용, 휴대용, 운반용, 수상함용, 수중함용 단말 등의 위성 단말로 구성되어 X 대역과 Ka 대역 주파수를 주로 사용
하여 전술부대와 전략부대에 대한 통합지휘 통신망을 구 축하고 음성뿐만 아니라, 다양한 멀티미디어 정보를 고속 으로 전송할 수 있는 수단으로 이용하고 있다
[2]
.지상의 위성단말은 고정형태에서 이동 형태의 단말로 그 수요가 확대되고 있으며, 이동형 단말에 사용되는 안 테나는 일반적인 위성단말이 안정적인 위성추적 기능과 통신 기능에 주로 사용되고 있는 반사판형 안테나에서 이동 및 휴대가 간편하도록 소형(low small), 경량(light wei- ght), 박형(low profile)의 형태가 추가적으로 요구되고 있 다. 이러한 요구를 만족하면서 배열에 적용하여 전파의 방향을 임의로 조절할 수 있는 등 그 용도에 따라 다양한 형태로 설계가 가능한 마이크로스트립 안테나는 위성통 신뿐만 아니라, 다양한 무선통신 시스템 개발에 있어서 적합한 안테나가 될 수 있다.
원형 편파 송/수신 겸용 마이크로스트립 안테나는 방 사체와 송/수신 급전 회로가 동일 면상에 구성되어 있거 나
[3]
, 방사체와 동일 면상에 구성되지 않더라도 90° 하이 브리드 급전을 이용하는 방법[4]
을 많이 사용한다. 그러나 참고문헌 [3]과 같이 방사체와 동일한 면상에 송/수신 급 전 회로를 구성하게 되면, 방사체의 개수가 많아질수록 송/수신 급전 회로가 겹치거나 복잡해지며, 송/수신 급전 회로 사이에 의도하지 않는 커플링이 발생하여 부엽 특 성 저하 등의 문제가 발생할 수 있다. 참고문헌 [4]와 같 은 방법 역시 방사체의 개수가 증가할수록 각각의 방사 체마다 90° 하이브리드 급전을 구성해야 하므로 급전 회 로의 구성이 매우 복잡하게 된다.본 논문에서는 X 대역 위성통신용 송/수신 겸용 안테 나로 참고문헌 [3]과 다르게 송신 대역 급전 회로와 수신 대역 급전 회로사이에 ground층을 넣어 다층으로 설계하 여 송/수신 급전 회로가 중첩되지 않고 불요방사를 최소 화하도록 하였고, 90° 하이브리드 급전을 사용하는 참 고문헌 [4]와 다르게 순차 회전 배열(sequential rotation array)을 사용하여 양호한 축비 특성을 만족하는 이중 원 형 편파를 구현하면서 급전 회로의 복잡함을 최소화하 였다.
본 논문에서 설계된 X 대역 위성통신용 송/수신 겸용 안테나의 사양은 표 1과 같다. 표 1의 사양 중 원형 편파 구현을 목적으로 정사각형의 방사 패치 대각모서리를 절
표 1. 안테나 사양
Table 1. Antenna specifications.
항목 사양 단위
주파수 (Frequency)
송신(Tx) 8.3～8.4
GHz 수신(Rx) 7.65～7.75
편파 (Polarization)
송신(Tx) RHCP
수신(Rx) LHCP -
최대 이득 (Maximum gain)
송신(Tx) 25
dBi
수신(Rx) 24.5
축비(Axial ratio) < 2 dB
정재파비(VSWR) < 1.5:1 -
포트 격리도(Port isolation) > 15 dB 크기(Size) < 400×270×20 mm
단한 모절삭 사각 패치(truncated square patch) 형태의 단 일 방사체를 사용하고, 송신 25 dBi 이상과 수신 24.5 dBi 이상의 이득 구현을 목적으로 전체 안테나의 형상은 8×
12 배열 구조를 가지며, MIL-STD-188-164B에서 권고하는 축비를 만족시키고, 급전 회로의 복잡함을 최소화하기 위 해 내부적으로 2×2 순차 회전 배열 방식을 적용하였다.
그리고 광대역 특성을 구현하기 위해 방사 패치 위에 기 생 패치를 적층하는 구조를 사용하였고, 급전 선로의 불 요방사를 최소화하기 위하여 송신 신호는 마이크로스트 립 선로를 이용하여 급전하고, 수신 신호는 개구 결합(aper- ture coupled)을 적용하는 혼합 급전 구조를 이용하였다.
본 논문에서 설계된 안테나는 상용 EM 시뮬레이션 툴 인 CST사의 MICROWAVE STUDIO(이하 MWS)를 이용 하였으며, 설계 결과를 검증하기 위해 실제 안테나를 제 작하고 그 성능을 측정하여 설계 결과와 비교, 검토하 였다.
Ⅱ. 본 론
2-1 단일 방사체그림 1은 원형 편파를 송/수신할 수 있도록 본 논문에 서 설계한 단일 방사체의 형상이다. 도시된 단일 방사체 는 한 개의 방사 패치와 한 개의 기생 패치, 송/수신 급전 회로 및 방사체를 외부 환경으로부터 보호할 수 있는 레 이돔으로 구성된다.
(a) 단일 방사체 (a) Single element
(b) 평면도 (c) 방사 패치 (d) 기생 패치 (b) Top view (c) Radiation patch (d) Parasitic patch 그림 1. 단일 방사체
Fig. 1. Single element.
방사 패치는 X 대역 원형 편파 신호를 송/수신하기 위 해 정사각형의 방사 패치 대각모서리를 절삭(truncated)하 였고, 기생 패치는 임피던스 대역폭 확장을 위해 사용되 었다. 방사 패치는 비유전율(
) 2.17, 손실 탄젠트(
) 0.0009, 두께(
) 0.508 mm인 Taconic사의 TLY-5 기판을 사용하 고, 기생 패치는 비유전율이 3.3, 손실 탄젠트가 0.001인 얇은 필름(thin film)을 사용하였다. 또한, 방사 패치와 기 생 패치 사이에 비유전율 1.1의 폼(foam)을 삽입하여 그 간격을 조절하였다. 그림 1과 같은 원형 편파 마이크로스 트립 안테나를 설계하기 위해서 다음과 같은 절차를 따 른다[5]
.① 사각형 패치 길이를 , 폭 , 두께
, 유전율
인 마이크로스트립 패치가 공진주파수(
)에서 동작되 도록 식 (1)～(5)를 이용하여 설계
(1)
(2)
(3)
≃
(4)
(5)
여기서
는 광속,
은 프린징 효과에 의한 미소 길이 증가분,
는 유효 유전율,
는 자유공간에서의 파장,
는 유전체에서의 파장이다.
② 안테나 기판에 따라 무부하시(Unloaded)의
값을 결정③ 식 (6)을 이용하여 섭동조각의 크기(
) 결정
(6) 여기서 는 사각 패치 면적이다.
④ 시뮬레이션을 통해 섭동조각의 크기
를 조절하 여 원하는 주파수에서 공진이 일어나도록 패치의 치수를 조정식 (1)～(6)을 이용하여 패치 길이
은 12.4 mm, 패치 폭
는 14.5 mm, Unloaded
는 18,
은 3.165 mm 로 계산되었다. 이를 바탕으로 축비를 개선시키기 위해
로 재설정하고, MWS를 이용하여 단일방사체 를 설계하였다. 그림 2와 그림 3에
,
,
,
의 변 화에 따른 단일 방사체의 특성을 나타내었으며, 이 과정 에서 도출된 단일 방사체의 파라미터 최적화 값들을 표 2에 나타내었다.표 2. 단일 방사체에 대한 파라미터 최적화 값
Table 2. Geometric parameters optimized for single element (Unit: mm).
12.6
5.04
0.508
13.97
,
1
3
2.87
1.5
0.035
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Frequency [GHz]
-30 -20 -10 0
S11 [dB]
Lr=12.4mm Lr=12.5mm Lr=12.6mm Lr=12.7mm Lr=12.8mm
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Frequency [GHz]
-30 -20 -10 0
S22 [dB]
Lr=12.4mm Lr=12.5mm Lr=12.6mm Lr=12.7mm Lr=12.8mm
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Frequency [GHz]
-30 -20 -10 0
S11 [dB]
Cr=2.62mm Cr=2.76mm Cr=2.87mm Cr=2.98mm Cr=3.09mm
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Frequency [GHz]
-30 -20 -10 0
S22 [dB]
Cr=2.62mm Cr=2.76mm Cr=2.87mm Cr=2.98mm Cr=3.09mm
(a) 방사 패치의 길이( )를 다르게 하였을 경우 (b) 방사 패치의 모절삭 길이( )를 다르게 하였을 경우 (a) Different radiation patch length( ) (b) Different radiation patch truncated length( )
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Frequency [GHz]
-30 -20 -10 0
S11 [dB]
Lp=13.70mm Lp=13.83mm Lp=13.97mm Lp=14.10mm Lp=14.23mm
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Frequency [GHz]
-30 -20 -10 0
S22 [dB]
Lp=13.70mm Lp=13.83mm Lp=13.97mm Lp=14.10mm Lp=14.23mm
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Frequency [GHz]
-30 -20 -10 0
S11 [dB]
Cp=4.19mm Cp=4.63mm Cp=5.04mm Cp=5.41mm Cp=5.76mm
7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Frequency [GHz]
-30 -20 -10 0
S22 [dB]
Cp=4.19mm Cp=4.63mm Cp=5.04mm Cp=5.41mm Cp=5.76mm
(c) 기생 패치의 길이( ) 를 다르게 하였을 경우 (d) 기생 패치의 모절삭 길이( ) 를 다르게 하였을 경우 (c) Different parasitic patch length( ) (d) Different parasitic patch truncated length( )
그림 2. 단일 방사체의 S파라미터 시뮬레이션 결과
Fig. 2. Simulated S-parameter of the single element.
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Axial Ratio [dB]
Lr=12.4mm Lr=12.5mm Lr=12.6mm Lr=12.7mm Lr=12.8mm
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Axial Ratio [dB]
Cr=2.62mm Cr=2.76mm Cr=2.87mm Cr=2.98mm Cr=3.09mm
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Axial Ratio [dB]
Lp=13.70mm Lp=13.83mm Lp=13.97mm Lp=14.10mm Lp=14.23mm
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Axial Ratio [dB]
Cp=4.19mm Cp=4.63mm Cp=5.04mm Cp=5.41mm Cp=5.76mm
(a) 방사 패치의 길이( )와 모절삭 길이( )를 다르게 하였 (b) 기생 패치의 길이( )와 모절삭 길이( )를 다르게 하였을
을 경우 경우
(a) Different radiation patch length( ) and truncated length( ) (b) Different parasitic patch length( ) and truncated length( )
그림 3. 단일 방사체의 축비 시뮬레이션 결과
Fig. 3. Simulated axial ratio of the single element.
2-2 2×2 부배열
앞 절에서 설계된 단일 방사체를 이용하여 본 논문에 서 사용될 2×2 부배열을 설계하였다. 그림 4는 본 논문에
서 제안한 부배열의 구조로서 그림 1의 단일 방사체를 2×2 배열 형태로 구성하였으며, 축비 특성 향상을 위해 순차 회전 배열을 적용하였다.
순차 회전 기법에서
번째 패치의 위상은 기준 축의(a) 평면도 (b) 패치와 송신 급 (c) 수신 급전 회로 전 회로
(a) Top view (b) Patch and Tx feed (c) Rx feed 그림 4. X 대역 원형 편파 송/수신 겸용 2×2 부배열 Fig. 4. X-band circular polarized Tx/Rx dual operation 2×2
sub-array.
물리적인 회전
과 급전 점의 위상
으로 표현할 수 있다. 각 소자의 방사 특성이
-방향으로
의 각 도 주기를 갖는다면
과
은 각각 다음과 같이 주 어진다[6]
.
±
±
≤ ≤
(7) 여기서
는 정수(
), 은 방사 소자의 총 수,
은 마이크로스트립 디스크 소자에 대한 모드의 수이며,‘
’는 LHCP, ‘
’는 RHCP를 나타낸다. 본 논문에서는 급전 및 단일 방사체의 배치가 용이하도록
,
를 선택하여 설계하였다.그림 5와 그림 6은 축비 특성 향상을 위해 앞에서 기술
(a) 송신 (b) 수신 (a) Tx (b) Rx
그림 5. 원형 편파 구현을 위한 순차 회전 2×2 부배열 Fig. 5. The configuration of 2×2 sub-array with sequential
rotation technique for circularly polarization.
(a) 0° (b) 90°
(c) 180° (d) 270°
그림 6. 8.35 GHz 에서 위상변화에 따른 2×2 부배열 전계 분포
Fig. 6. E-filed distribution of 2×2 sub-array according to the input phase variation at 8.35 GHz.
한 순차 회전 배열로 구성된 X 대역 원형 편파 송/수신 겸용 2×2 배열의 동작원리를 설명하고 있다.
그림 5(a)는 송신 대역에서 RHCP가 발생되도록 송신 급전 선로를 우측 하단 패치와 우측 상단 패치에 각각 0°
와 90°의 위상을 갖도록 하고, 다시 우측 패치와 좌측 패 치 사이에 90°의 위상차를 주었고, 그림 5(b)에서는 수신 대역에서 LHCP가 발생되도록 수신 급전 선로를 우측 상 단 패치와 우측 하단 패치에 각각 0°와 90°의 위상을 갖 도록 하고, 다시 우측 패치와 좌측 패치 사이에 90°의 위 상차를 주었다.
그림 6은 8.35 GHz에서 위상에 따른 2×2 부배열의 전 계분포를 나타낸 것으로, RHCP가 발생되고 있다는 것을 확실하게 알 수 있다.
일반적으로 배열 안테나에서 단일 방사체 간의 간격이 0.7～0.9
일 때 이득이 가장 높으며, 제안된 2×2 부배열 은 그림 7과 같이 그레이팅 로브(grating lobe) 레벨 억압 과 축비 특성 개선을 위해 0.854
로 하여 설계하였다.2-3 8×12 배열 안테나
-90 -60 -30 0 30 60 90 Theta [deg.]
-10 -5 0 5 10 15
Gain [dBi]
d=0.8l d=0.827l d=0.854l d=0.881l d=0.908l
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Axial Ratio [dB]
d=0.8l d=0.827l d=0.854l d=0.881l d=0.908l
(a) 수신 (a) Rx
-90 -60 -30 0 30 60 90
Theta [deg.]
-10 -5 0 5 10 15
Gain [dBi]
d=0.8l d=0.827l d=0.854l d=0.881l d=0.908l
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Axial Ratio [dB]
d=0.8l d=0.827l d=0.854l d=0.881l d=0.908l
(b) 송신 (b) Tx
그림 7. 단일 방사체 사이 간격에 따른 방사 패턴과 축
비 시뮬레이션 결과
Fig. 7. Radiation pattern and axial ratio simulated of X- band circular polarized Tx/Rx dual operation for va- rious spacing between two elements.
그림 8은 본 논문에서 설계한 8×12 배열 안테나로서 앞 절에서 설계된 2×2 부배열을 이용하여 원형 편파를 송 /수신 할 수 있도록 설계되었으며, 2×2 부배열 사이의 간 격은 1.71
(@8 GHz)이다. 또한, 동축케이블 급전의 용이 성과 각 층별 얼라인(align) 정확성을 높일 수 있도록 그 림 1에서 사용된 Foam 1층을 지지대로 대체하여 설계하 였다. 각 소자에 인가되는 전력의 크기는 수평 방사 패턴 의 부엽 특성과 지향성을 최대로 하기 위해 균등 전력 분 포를 사용하였다.그림 9는 본 논문에서 설계한 8×12 배열 안테나에 대 해 S-parameter를 시뮬레이션 값과 실제 측정값을 비교한 그래프이다. 그림 9에서 반사 손실 측정 결과는 송신 포 트와 수신 포트에서 시뮬레이션 한 결과와 유사한 경향 을 보이며, 설계한 8×12 배열 안테나는 송신 및 수신 대
(a) 8×12 배열안테나 구조
(a) The configuration of 8×12 array antenna
(b) 기생 패치 (c) 방사 패치와 송신 급전 (b) Parasitic patch 회로
(c) Radiation patch and Tx feed
(d) 슬롯 (e) 수신 급전 회로
(d) Aperture slot (e) Rx feed
그림 8. X 대역 원형 편파 송/수신 겸용 8×12 배열 안테나 Fig. 8. X-band circular polarized Tx/Rx dual operation 8×
12 array antenna.
역에서 정재파비가 1.5:1 이하이며, 포트격리도 또한 15 dB 이상의 특성을 가짐을 알 수 있다.
그림 10과 그림 11은 본 논문에서 설계한 8×12 배열 안 테나의 방사 패턴과 축비에 대해 시뮬레이션 값과 실제 측정값을 비교한 그래프이다. 그림 10에서 측정각 ±60°까 지는 대체로 시뮬레이션 값과 측정값이 유사하나, 그 이 상의 측정각에서는 5～10 dB 정도 시뮬레이션에서의 부 엽 레벨보다 측정값이 높아진 것으로 나타난다. 이는 제 작상의 오차와 근접장(near-field) 패턴 측정 시 전자파가
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
-40 -30 -20 -10 0
S11 [dB]
S11:Simulated S11:Measured
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
-40 -30 -20 -10 0
S21 [dB]
S21:Simulated S21:Measured
(a) (b)
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
-40 -30 -20 -10 0
S12 [dB]
S12
:Simulated
S12:Measured
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
-40 -30 -20 -10 0
S22 [dB]
S22
:Simulated
S22:Measured
(c) (d)
그림 9. 8×12 배열 안테나의 S 파라미터 시뮬레이션 결과 와 측정 결과 비교
Fig. 9. S-parameter simulated and measured of 8×12 array antenna.
완전히 차폐되지 않은 환경상의 오차 때문이라고 사료 된다.
그림 10과 그림 11로부터 수신 대역 내 7.7 GHz에서는 LHCP로 동작하며, 이득이 25.21 dBi, 축비가 1.58 dB임을 알 수 있으며, 송신 대역 내 8.35 GHz에서는 RHCP로 동 작하며, 이득이 26.28 dBi, 축비가 0.95 dB임을 알 수 있다.
본 논문에서 설계 및 제작한 안테나의 송/수신 대역의 가장 낮은 주파수, 중간 주파수, 가장 높은 주파수에서 각 각 측정된 안테나 특성값을 표 3에 표기하였다. 수신 대 역에서는 모두 LHCP로 동작하며, 이득 24.5 dBi 이상으 로 나타났고, 송신 대역에서는 모두 RHCP로 동작하며, 이득 25 dBi 이상으로 나타났다. 또한, 수신 대역과 송신 대역 모두 정재파비 1.5:1 이하, 포트격리도 15 dB 이상, MIL-STD-188-164B에서 권고하는 축비 2 dB 이하의 특성 을 나타내었다.
Ⅲ. 결 론
본 논문에서는 X 대역에서 송/수신이 가능한 위성통신 평판형 단말용 원형 편파 마이크로스트립 8×12 배열 안
-180-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Theta [deg.]
-40 -20 0 20 40
G a i n [ d
B
i ]
CP(f=0o) : Measured CP(f=0o) : Simulated XP(f=0o) : Measured XP(f=0o) : Simulated
(a) 7.7 GHz(CP: LHCP, XP: RHCP)
-180-150-120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Theta [deg.]
-40 -20 0 20 40
G
a i n [ d
B
i ]
CP(f=0o) : Measured CP(f=0o) : Simulated XP(f=0o) : Measured XP(f=0o) : Simulated
(b) 8.35 GHz(CP: RHCP, XP: LHCP)
그림 10. 8×12 배열 안테나의 방사패턴 시뮬레이션 결과
와 측정 결과 비교
Fig. 10. Radiation pattern simulated and measured of 8×12 array antenna.
7.6 7.7 7.8 7.9 8 8.1 8.2 8.3 8.4 Frequency [GHz]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
A xi al R at io [ dB ]
Measured Simulated
그림 11. 8×12 배열 안테나의 축비 시뮬레이션 결과와
측정 결과 비교
Fig. 11. Axial ratio simulated and measured of 8×12 array antenna.
테나를 설계하였다. 원형 편파 구현을 목적으로 모절삭 사각 패치 형태의 단일 방사체를 사용하고, 축비 대역폭
표 3. 8×12 배열 안테나의 측정값
Table 3. Measured characteristics 8×12 array antenna.
주파수[GHz] 수신 송신
7.65 7.7 7.75 8.3 8.35 8.4
편파 LHCP RHCP
이득[dBi] 24.64 25.21 25.72 26.13 26.28 25.52 축비[dB] 1.93 1.58 1.32 1.18 0.95 0.81 정재파비 1.31:1 1.24:1 1.17:1 1.14:1 1.17:1 1.16:1 포트격리도
[dB] 18.73 17.35 16.78 26.63 26.30 24.90
확장과 급전 회로의 복잡함을 최소화하기 위해 단일 방 사체를 2×2 순차 회전 배열로 구성하고, 송신 25 dBi 이상 과 수신 24.5 dBi 이상의 이득 구현을 목적으로 전체 안테 나 구조를 8×12 배열 구조로 설계하였다. 그리고 임피던 스 대역폭 확장을 위해 기생 패치를 적층하였고, 급전 선 로의 불요방사를 최소화하기 위하여 혼합 급전 구조를 이용하였다.제안된 X 대역 원형 편파 8×12 배열 안테나는 상용 EM 시뮬레이션 툴인 CST사의 MWS를 이용하여 설계하 였고, 설계된 안테나 특성을 검증하기 위해 실제 제작 및 측정한 결과, 송신(RHCP) 25.52 dBi 이상, 수신(LHCP) 24.64 dBi 이상의 이득, 1.5:1 이하의 낮은 정재파비, MIL- STD-188-164B에서 권고하는 2 dB 이하의 축비 특성을 가 지며, 대체적으로 설계 결과와 유사한 특성을 보였다.
따라서 본 논문에서 제시한 안테나는 X 대역 위성통신
평판형 단말의 송/수신 겸용 안테나로 사용될 수 있을 것 으로 사료된다.
References
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김 건 우
2000년 2월: 금오공과대학교 전자통신공 학과 (공학사)
2002년 2월: 금오공과대학교 전자통신공 학과 (공학석사)
2009년 2월: 경북대학교 전자공학과 (공학 박사)
2007년 1월～현재: 삼성탈레스 C4I 연구 소 전문연구원
[주 관심분야] 안테나 설계 및 전파 산란 해석
이 성 재
