A Filtering Antenna for Wireless In-Flight Entertainment Communication System at Millimeter-Wave Band

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기내 엔터테인먼트 통신 시스템을 위한 밀리미터파 대역의 여파기 결합 안테나

A Filtering Antenna for Wireless In-Flight Entertainment Communication System at Millimeter-Wave Band

서태윤^*, 이재욱^*, 조춘식^*

Tae-Yoon Seo^*, Jae-Wook Lee^* and Choon-Sik Cho^*

요 약

본 논문에서는 밀리미터파대역에서 동작하는 H면 여파기 결합 안테나를 제안하였다. 여파기 결합 안테나는 여파기가 안테나에 삽입된 형태이며 안테나의 반사손실을 줄이고 지향성을 높이기 위하여 다층의 유전체 렌즈 가 결합되었다. 도파관 형태의 여파기와 안테나는 가상의 도체벽을 형성하는 via의 배열을 PCB기판에 구현함 으로서 크기의 감소를 꾀하였으며 안테나와 여파기를 일반적인 도파관에서 설계한 후 PCB 기판에 축소하여 구 현한 후 결합을 시도하였다. 유전체 렌즈의 두께를 조절하기위해 단층 및 다층의 유전체 기판을 사용하였으며 그 결과로 41.5 GHz의 중심주파수에서 8, 13.5 dBi의 시뮬레이션 이득을 각각 얻을 수 있었다.

Abstract

In this paper, H-plane filtering-horn antenna operating at millimeter frequency band is proposed with embedded filter and three-layered dielectric lens for frequency selection and maintenance of main beam direction, respectively. The waveguide-typed filter and H-plane sectoral horn antenna are replaced with considerably size-reduced PCB substrate-typed filtering antenna using via fences and several posts. The waveguide-typed filter and H-plane sectoral horn antenna were designed in air-filled waveguide and then combined into size-reduced PCB substrate. For the control of the thickness of dielectric lens, single and multi dielectric lens have been employed. As a result of antenna gain, 8 and 13.5 dBi have been obtained at 41.5 GHz, respectively, from the simulations of single and multi-lens antennas.

Key words : Filter, Horn antenna, Substrate Integrated Waveguide(SIW), Millimeter

* 한국항공대학교 항공전자공학과 ‧ 제1저자 (First Author) : 서태윤 ‧ 투고일자 : 2009년 12월 2일

‧ 심사(수정)일자 : 2009년 13월 3일 (수정일자 : 2010년 2월 9일) ‧ 게재일자 : 2010 2월 28일

I. 서 론

최근 항공기의 발달 및 수요의 증가로 이용객의 수 및 이용 시간이 매우 늘어나고 있다. 장시간 계속 되는 여행 중 기내에서 제공되는 다양한 종류의 영상

물은 긴 여행시간을 달래는데 큰 도움이 된다. 요즈 음에는 다양한 종류의 서비스를 요구하며 특히 영상 의 경우에는 고화질·고음질의 영상에 대한 수요가 급 격히 증가하는 추세이다. 기내와 같이 매우 좁은 공 간에 수많은 단말기가 모여 있는 장소에서는 유선을

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이용한 통신 시스템의 효율성이 떨어진다. 이러한 좁 은 공간에 단말 시스템이 모여 있는 곳은 무선 통신 시스템이 매우 효율적인 방법이 된다. 그러나 항공기 와 같이 많은 무선 통신시스템을 사용하며, 안전이 매우 중요한 장소·시스템에서는 전자파 간섭을 고려 한 무선 통신시스템의 설계가 필요하다. 그 해결책들 중 하나로 항행시스템과 간섭이 없는 주파수 대역을 이용한 통신 시스템에 관한 연구가 활발하게 진행되 고 있다[1].

30 GHz부터 300 GHz에 이르는 밀리미터파 대역 은 넓은 가용 대역폭 때문에 고속전송에 유리하지만 공기 중 감쇄특성으로 인하여 장거리 통신에는 다소 부적합하며, 대기환경에 민감하게 반응하여 지리적 위치, 지형 및 기후에 감쇄정도가 달라지는 단점이 있다. 이러한 특성 때문에 개발 비용 및 가격이 높지 만 보안유지나 전자파 간섭이 중요하게 작용하는 응 용분야에서는 유용하게 쓰일 수 있다[2].

이러한 장·단점으로 인해 밀리미터파는 점 대 점 무선고정통신 및 100 m 이내 근거리의 구내 통신시 스템으로서의 활용가능성이 예상되고 있다[3]. 그 중 기내에서의 통신과 오락에 대한 관심이 집중되고 있 다. VOD(Video-On-Demand)와 같은 서비스를 사용하 기 위해서는 현재의 무선 통신시스템보다 높은 데이 터 전송속도와 낮은 소모 전력이 요구된다. 밀리미터 파 주파수 대역은 현재의 무선통신 시스템과의 간섭 이 없을 뿐만 아니라 높은 데이터 전송속도 또한 만 족시킬 수 있으며, 자유공간에서의 빠른 감쇄효과와 강한 투과손실의 특성으로 시스템 커버리지가 작은 기내에서 쓰기에 적합하다.

독립된 각각의 소자설계는 많은 임피던스 정합 회 로망을 요구하며 소자의 구조로 인하여 임피던스가 서로 다를 때에는 천이구조(transition structure)가 필 수적이다. 이러한 상황에서는 임피던스 정합회로망 과 천이의 구조에 따라 많은 손실이 일어난다. 따라 서 미래의 무선통신 시스템 설계에서는 임피던스 정 합회로망의 수를 줄일 수 있으며, 밀리미터파 대역에 서 동작 할 수 있는 소형화된 소자가 필수적이다.

본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 동작하는 안 테나와 여파기를 설계하였으며, 소형화를 위해 PCB 기판에서 결합하는 구조를 제안하였다.

(a) 측면그림

(b) 윗면그림

그림 1. H-면 혼 안테나의 설계변수[4]

Fig. 1. Design parameters for the conventional H-plane horn antenna[4].

본 논문의 II장에서는 안테나의 설계와 축소를 III 장에서는 여파기의 설계와 축소를 기술 하였다. 또한 IV장에서는 설계된 안테나와 여파기를 결합하여 실 제 제작한 후 측정하였으며 마지막으로 V장에서는 결론에 대하여 기술하였다.

Ⅱ. 안테나의 설계

혼 안테나는 단순한 구조와 높은 이득 특성으로 인해서 널리 쓰이고 있으며, 특히 1 GHz이상의 주파 수 대역에서 고이득, 낮은 삽입손실, 넓은 대역폭의 특성을 갖는다. 혼 안테나는 그동안 많은 연구가 이 루어져 왔으며, 그 설계 방법이 체계적으로 정립되어 있다. 혼 안테나는 일반적으로 H-면, E-면, 피라미드 형, 원뿔형태의 네 가지로 분류되며, 그중 H-면 혼 안 테나는 E-면의 높이는 고정한 채 벌어진 형태를 갖는 다[4].

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그림 1은 H-면 혼 안테나의 구조를 나타내며 그에 따른 변수들을 나타내고 있다. 그림 1의 (b)에서 알 수 있듯이 급전부에서 개구면까지의 거리는 개구면 의 위치에 따라 다름을 R1과 R의 비교로 알 수 있다.

이는 개구면에서 방사되는 신호의 위상이 개구면의 위치에 따라 다름을 의미하며, 위상차에 의한 방사신 호의 간섭으로 인해 지향성(Directivity)이 감소된다.

이러한 원리를 이용하여 최대 지향성을 갖는 안테나 를 설계하였다. 임의의 개구면 너비 A를 정하게 되면 최대 지향성을 위한 급전부와의 거리 R1을 구할 수 있다[4]-[5].

A= 3λR ₁ (1) 이를 바탕으로 H면 혼 안테나를 설계 할 수 있으 며 계산된 R1은 약 51.747 mm이다. 이때 얻은 나머지 변수들은 각각 A=33.54 mm, RH=44.271 mm, a=5.7 mm, b=2.8 mm이다. 설계된 안테나의 지향성은 다음 의 식으로 예측 가능하며 그 값은 13.284 dBi 정도이 다[4].

D _H= b λ

G _H 50∙λρ_H

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일반적인 도파관에서 설계된 안테나를 기판집적 도파관(SIW) 기술로 변환하였을 때 기판의 종류에따 라 b가 결정된다. 본 논문에서는 약 15% 낮은 b를 선 택 하였기 때문에 지향성은 약 11.048 dBi가 나올것 으로 기대된다.

일반적인 구형 도파관은 고차모드의 차단 주파수 를 최소화하기 위하여 가로·세로의 비율을 2:1로 하 고 있으며, 주파수 대역에 따라 통일된 국제 규격의 도파관을 사용하고 있다. 40 GHz의 중심 주파수를 갖는 안테나는 약 26 GHz의 차단주파수를 갖는 WR-22가 적당하다.

일반적인 도파관에서 설계된 안테나는 SIW (Substrate Integrated Waveguide) 기술을 이용하여 PCB기판으로 소형화 할 수 있다. 이 기술의 핵심은 파장이 상대 유전율(relative dielectric constant)의 제곱

근에 반비례 하는 것을 이용한 것이다.

그림 2. 유전체 렌즈가 결합된 H면 혼 안테나 Fig. 2. H-plane horn antenna with dielectric lens.

그림 3. 다양한 혼 안테나의 반사손실 비교 Fig. 3. Return losses of various H-plane horn

antennas.

자세한 내용은 III장의 여파기 설계에서 다루기로 한다. SIW기술을 이용하여 일반적인 구형 도파관을 연속된 비아의 배열로서 PCB기판에 구현 할 수 있 다.

도파관 혼 안테나에 유전체를 삽입하여 성능향상 을 꾀한 예는 원통형 도파관 안테나에서 많이 찾아볼 수 있다. 일반적인 Corrugated-conical 안테나는 패턴 의 좋은 대칭성과 낮은 Cross-polarization, 낮은 부엽 의 특징 때문에 많은 응용분야에서 쓰이고 있다. 하 지만 제조 공정의 어려움과 비싼 제조단가 및 낮은 개구면 효율의 단점이 있다. 이러한 단점은 유전체의 삽입과 유전체 렌즈와의 결합으로 극복이 가능하게 되었다[6]-[7].

본 논문에서는 H-면 구형 도파관 혼 안테나를 SIW기술을 이용하여 상대 유전율이 2.2인 PCB에 축

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소하여 구현하였다. 설계된 안테나는 약 33%의 면적 감소 효과가 있으며, 이때 개구면에서의 임피던스 부 정합으로 인하여 개구면 효율이 매우 낮은

(a)

(b)

그림 4. 유전체 렌즈가 결합된 SIW안테나의 시뮬레이션 방사패턴 (a) 단층 (b) 다층

Fig. 4. Simulated radiation patterns of filtering antenna with lens (a) single lens (b) multi-layered

lens.

단점이 있다. 본 논문에서는 개구면에서의 반사손 실을 줄이기 위하여 유전체 렌즈를 결합한 형태를 제 안하였다. 그림 2는 유전체 렌즈가 결합된 안테나이 며, 그림 3은 일반적인 구형 도파관에서 설계된 H- 면 혼 안테나와 SIW 안테나를 비교하였다. 구형 도 파관 혼 안테나와 SIW 안테나의 반사손실이 크게 다 름을 알 수 있다. SIW 안테나의 반사손실을 개선하 기 위해 SIW 안테나의 개구면에 유전체 렌즈를 결합

하였으며, 그 결과로 반사손실이 약 3 dB 이상 개선 되었음을 그림 3으로부터 확인할 수 있다.

유전체 렌즈가 없는 SIW 안테나는 일반적인 구형 도파관 혼 안테나와 비교하여 안테나 이득에 있어서 도 차이를 보인다. SIW 안테나의 안테나 이득은 약 9.711 dBi 이지만, SIW H면 혼 안테나의 계산된 예측 치는 11.048 dBi이다.

그림 4의 (a)는 유전체 렌즈가 단층으로 결합 되었 을 때의 방사 패턴이며, 그림 4의 (b)는 다층(이 논문 에서는 3층)의 유전체 렌즈가 결합된 SIW 안테나의 방사 패턴이다. 단층의 유전체 렌즈를 결합한 SIW 안테나의 이득은 12.2 dBi, 다층의 유전체 렌즈를 결 합한 SIW 안테나는 14.8 dBi이다. 수식계산으로 예측 된 일반적인 구형 도파관 혼 안테나의 이득 13.284 dBi보다 약 1.5 dB 높은 결과이다.

Ⅲ. 여파기 설계

삽입 손실법은 여파기 설계방법 중 가장 많이 쓰 이고 있는 것으로서 통과 대역과 저지대역의 크기 및 위상의 조절이 용이한 특성을 가지고 있다. 삽입 손 실법 중 통과대역의 삽입손실을 최소화 할 때는 바이 노미얼 응답(Binomial Response)을 이용하며, 우수한 스커트 특성이 필요할 땐 체비셰프 응답(Chebyshev Response)을 이용한다. 본 논문에서는 0.5 dB의 통과 대역 리플 특성을 가지며 41.5 GHz의 중심 주파수와

그림 5. 도파관 원형 포스트와 등가회로[8]

Fig. 5. Equivalent circuit of inductive circular post[8].

(5)

그림 6. Chebyshev 응답 특성을 보이는 여파기 Fig. 6. Design parameters of inductive circular-post

filter.

약 2.5%의 대역폭을 만족하는 3차 체비셰프 응답 을 이용하여 여파기를 설계 하고자 한다.

도파관 원형 포스트는 등가회로로 표현이 가능하 며 이때 원형 포스트 지름의 변화를 통하여 체비셰프 응답을 보이는 회로의 구현이 가능하다. 그림 5는 도 파관 원형 포스트와 그 등가회로를 보여주고 있다.

구형 도파관 내의 원형 포스트는 그림과 같이 2개의 C와 하나의 L로 구성 할 수 있다[8]. 원형 포스트의 지름과 간격을 조절하여 체비셰프 응답을 보이는 여 파기의 설계가 가능하다[9]. 그림 6은 설계된 원형 포 스트를 이용한 대역 통과 여파기를 나타낸다. 3차 체 비세프 응답을 사용하였기 때문에 4개의 원형 포스 트가 사용되었으며 좌우대칭구조이다. 그림 7은 설 계된 도파관 여파기의 응답 특성으로 설계목표, 중심 주파수 41.5 GHz와 삽입손실을 만족함을 확인 할 수 있다.

일반적인 구형 도파관구조를 바탕으로 설계한 여 파기를 PCB 공정에 이용하기 위해서는 유전율이 변 하는 것을 고려해야 한다.

² ²

2 2

g

k kc

p p

l ⁼ b ⁼ _- (3)

식(3)에서 k =w me ,

2 2

c

m n

k a b

p p

æ ö æ ö

= ç ÷ +ç ÷ è ø è ø 이며, 밀리미터파대역의 고주파에서 k >>k^c의 관 계를 고려하면 (4)의 결과를 얻을 수 있다.

0

2 1 2

g

k r k

p p

l ^� ⁼ e (4)

원형 포스트 도파관의 설계 변수인 원형 포스트 및 포스트 간격 도파관의 너비 및 높이는 모두 관내 파장에 비례하기 때문에 이들은 모두 유전율의 제곱 근에 반비례하는 결과를 얻을 수 있다.

본 논문에서는 공기환경의 도파관 필터를 유전율 2.2인 Rogers사의 RT/Duroid 5880기판을 사용하여 설

그림 7. 도파관 여파기의 주파수 응답 특성 Fig. 7. S-parameters of conventional waveguide

filter.

그림 8. 설계된 여파기의 주파수에 따른 전달 특성비교 Fig. 8. Simulated transmission characteristics of the

conventional and proposed SIW filter.

계하였다. 사용된 기판의 두께는 1.57 mm 이다.

그림 8은 설계된 여파기의 시뮬레이션 결과와 측

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정결과를 비교하는 그림이다. 중심주파수의 이동은 SIW 제작과정에서 고온에 노출된 후 급속냉각으로 인한 기판의 크기 변화가 원인으로 파악되고 있다.

또한 삽입손실은 마이크로스트립과 SIW구조의 천이 구조가 원인인 것으로 보인다.

Ⅳ. 여파기 결합 안테나

일반적인 시스템은 임피던스 정합된 각각의 소자 를 연결하여 구성된다. 이러한 구성 방법은 임피던스

(a)

(b)

그림 9. (a) SIW 여파기 결합 안테나 (b)마이크로스트립 과 SIW 천이구조가 결합된 SIW 여파기 결합 안테나

Fig. 9. Configuration of the SIW-based H-plane filtering horn antenna (a) without a

microstrip-waveguide transition (b) with a transition.

정합이 어렵거나 완벽하지 않은 경우 반사손실이 커지는 단점이 생기며, 소자별 임피던스 정합단이 필 요하기 때문에 불필요한 손실이나 시스템의 부피가 커지는 문제점이 있다. 임피던스 부정합에서 생기는 문제점을 해결하기 위해 여파기와 안테나가 결합된

여파기 결합 안테나를 제안한다. 제안된 여파기와 H- 면 안테나는 SIW기술을 이용하여 같은 규격의 PCB 기판으로 축소 설계 되었다. 통합된 설계에서 여파기 의 임피던스 정합이 필요 없기 때문에 반사 손실 및 불필요한 체적의 증가를 막을 수 있다.

여파기와 안테나는 동일한 도파관 크기로 설계 되었기 때문에 임피던스 정합이 불필요하다. 안테나 는 여기된 신호를 혼 구조에서 방사 시키게 되는데 여파기를 통하여 유입된 신호역시 동일한 메카니즘 을 통해 방사될 것으로 기대된다.

그림 9 (a)는 원형 포스트 여파기가 혼 안테나에 삽입된 구조이며, 그림 9 (b)는 여파기 결합 안테나를 측정하기 위한 마이크로스트립-도파관 천이구조가 결합된 모습이다.

여파기와 혼 안테나가 결합된 구조가 동일한 성능 이 유지됨을 확인하기 위하여 FDTD를 기반으로하는 상용툴을 이용하여 시뮬레이션 하였으며 단층렌즈의 여파기 결합 안테나를 제작하였다.

그림 10은 시뮬레이션과 측정된 결과로서 여파기 결합 안테나의 전체 반사 손실이 여파기 자체만의 특 성과 비슷함을 보여주고 있다. 그림 11은 설계된 여 파기 결합 안테나의 방사 패턴 시뮬레이션 결과로서 유전체 렌즈가 방사되는 전파를 방향성을 갖게 모아 주는 것을 확인할 수 있다. 다층의 유전체 렌즈에서 는 후엽(backlobe)로 인한 산란을 억제하여 이득이 증 가하는 것을 확인 하였다. 단층과 다층에서 각각 8, 13.5 dBi의 시뮬레이션 이득을 얻었다. 제안된 여파 기 결합 안테나의 성능을 살펴보기 위하여 측정구조 로서 천이구조를 설계하여 입력포트로서 동작시킬 때 안테나로부터 방사되는 방사패턴은 그림 12와 같 다.

그림 12는 다층렌즈로 이루어진 여파기 결합 안테 나의 방사패턴 시뮬레이션 결과이다. 다층렌즈의 초 점효과로 인하여 빔폭이 좁아짐을 확인할 수있다. 그 러나 다층의 구현에서 유전체가 완전하게 밀착되지 않아 다층렌즈의 구현이 불완전 할 때는 그림 12의

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(b)의 결과처럼 초점효과가 불완전하여 빔폭이 넓어 짐을 알 수 있다. 이를 실험으로 확인하기 위하여

그림 10. 여파기 결합 안테나의 응답특성 비교 Fig. 10. Simulated and measured return losses of

filtering antennas with attached lens.

(a)

(b)

그림 11. 여파기 결합 안테나의 방사패턴 시뮬레이션 결과(천이구조 없음) (a) E-면 (b) H-면 Fig. 11. Simulated radiation patterns of filtering

antenna (without a transition) (a) E-plane (b) H-plane.

제작한 후 전기적인 성능을 시뮬레이션 결과와 비 교하고자 한다.

그림 13에서 불완전한 다층렌즈의 시뮬레이션 결 과와 측정결과를 비교하였다. 측정은 한국전자통신 연구원에 있는 밀리미터파 안테나 측정 챔버에서 수 행하였다. 그림에서 알 수 있듯이 안테나의 뒤쪽으로 형성되는 후방방사는 측정이 불가하여 전방에 발생 하는 방사를 모든 지점에 대하여 측정하였다. 측정 결과는 다층렌즈가 정확히 구현되지 않았을 때의 시 뮬레이션과 비슷하게 나왔다. 제작 과정에서 다층의 유전체 렌즈를 완전 밀착하지 못한 채 지그에 장착한 것이 원인으로 파악된다. 그러나 Null point를

(a)

(b)

그림 12. 여파기 결합 안테나의 방사패턴 시뮬레이션 결과(천이구조 포함) (a) 다층렌즈의 구현 (b)불완전한

다층렌즈를 구현

Fig. 12. Simulated radiation patterns of filtering antenna (with a transition) (a) perfect multi-layered

lens case (b) imperfect multi-layered lens case

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그림 13. 여파기 결합 안테나의 방사패턴 측정과 시뮬레이션결과 비교

Fig. 13. Simulated and measured radiation patterns of filtering antenna.

제외한 부분에서는 대체로 일치하는 경향을 보였 기 때문에 전체적인 성능을 예측 할 수 있다. 유전체 렌즈를 완전 밀착 시킬 수 있는 접착 테이프를 사용 하여 다층렌즈를 정확히 구현한다면 극복 가능할 것 으로 보인다.

Ⅴ. 결 론

밀리미터파 대역에서 동작하는 H-면 혼안테나와 원형 포스트를 이용한 여파기 및 두 소자를 결합한 필터링 혼 안테나를 설계하고 전기적 성능을 살펴보 았다. 이때 소형화를 위하여 기판집적 도파관(SIW) 기술을 이용하여 PCB기판에 구현하였으며, 효율성 향상을 위해 두 수동소자의 결합을 꾀하였다.

제안된 여파기 결합 안테나는 안테나와 여파기의 특성을 모두 반영하는 반사손실 특성을 얻을 수 있었 으며, 방사패턴에서는 다층의 유전체 렌즈가 정확히 구현되지 못하여 원하는 빔폭에 도달하지 못하였지 만 유전체 렌즈의 두께로서 빔폭의 조절이 가능함을 확인 할 수 있었다. 설계된 여파기 결합 안테나는 밀 리미터파 대역의 사용이 필요한 고용량의 정보 송수 신이 필요한 통신 시스템이나 고효율의 안테나가 필 요한 시스템에서 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

감사의 글

이 논문은 2007년도 정부(과학기술부)의 재원으로 한국과학재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.

331-2007-1-D00348)

한국항공대학교 항공전자 및 정보통신공학부 (School of Electronics, Telecommunications and Computer Engineering, Korea Aerospace University)

참 고 문 헌

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서 태 윤 (俆泰潤)

2007년 2월 : 한국항공대학교 항공 전자 및 정보통신 공학부 (공학사) 2007년 3월~현재 : 한국항공대학

항공전자공학과 (공학석사) 관심분야 : 마이크로파 및 밀리미터

파 수동소자 해석 및 설계, 전자 장 수치해석, 위성탑재용 안테나

이 재 욱 (李宰旭)

1992년 2월 : 한양대학교 전자공학 과 (공학사)

1994년 2월 : 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 (공학석사) 1998년 2월 : 한국과학기술원 전기

및 전자공학과 (공학박사) 1998년 3월 ~ 2004년 2월 : 한국전 자통신연구원 디지털방송연구단 잔파기반연구그룹 2004년 3월 ~ 현재 : 한국항공대학교 항공전자 및 정보통

신공학부, 전자 및 항공전자 전공 부교수

관심분야 : 마이크로파 및 밀리미터파 능,수동 소자 해석 및 설계, EMI/EMC 대책기술, 고출력 증폭기 및 고출력 안테나 설계, 위성통신 안테나, 전자장 수치해석

조 춘 식 (曺春植)