http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2013.24.5.502 ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
E/H 평면 방사 패턴 대칭성 향상을 위해 개구면이 변형된 원형 이중 모드 혼 안테나
Circular Dual Mode Horn Antenna(CDMHA) with Modified Aperture to Improve E/H-Plane Radiation Pattern Symmetry
김재식․윤지환․윤영중․이우상*․소준호*
Jae Sik Kim․Ji Hwan Yoon․Young Joong Yoon․Woo-Sang Lee*․Joon-Ho So*
요 약
본 논문에서는 개구면이 큰 기존 원형 이중 모드 혼의E/H 평면 방사 패턴 대칭성 향상을 위한 변형된 개구면 을 갖는 원형 이중 모드 혼을 제안한다. 제안된 안테나는 급전부, 모드 발생부, 위상정합부로 구성되며, 이 중
위상정합부의 원형 개구면은E/H 평면의 방사 패턴 대칭성 향상을 위해 타원형 혹은 직사각형으로 변이된 형상
을 갖는다. 제안된 안테나와 기존 원형 이중 모드 혼의 성능 비교를 위해 15 GHz에서 동작하는 기존 원형 이중 모드 혼과 직사각형 개구면을 갖는 원형 이중 모드 혼을 제작하고 분석하였다. 측정 결과, f/d 비가 1인 반사판 안테나의 최대 개구 효율을 위한 급전 혼의 빔 폭인 —11 dB 빔 폭(53°) 내에서 기존 원형 이중 모드 혼의 경우 3.394 dB의 E/H 평면 방사 패턴 차이를 갖는 반면, 제안된 안테나는 오직 0.539 dB 차이를 가진다.
Abstract
In this paper, a circular dual mode horn with modified aperture is proposed to improve a E/H-plane radiation pattern symmetry of a conventional oversized circular dual mode horn. The proposed antenna consists of a feeding section, a mode generation section and a phase matching section which has aperture shape transition from circle to ellipse or rectangle to improve a E/H-plane radiation pattern symmetry. To compare the performances between the proposed ante- nna and the convenional circular dual mode horn, the conventional circular dual mode horn and the proposed circular dual mode horn with rectangular aperture are fabricated and researched at 15 GHz. The measured results show that the conventional circular dual mode horn has 3.394 dB difference while the proposed antenna has only 0.539 dB di- fference between E and H-plane radiation patterns within the —11 dB beamwidth(53°) which is required beamwidth of the feed horn for the maximum aperture efficiency where f/d ratio of reflector antenna is 1.
Key words : Horn Antenna, Hybrid Mode, Pattern Symmetry, Reflector Feeder
연세대학교 전기전자공학과(Department of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei University) *국방과학연구소(Agency for Defense Development)
․Manuscript received February 18, 2013 ; Revised March 25, 2013 ; Accepted April 16, 2013. (ID No. 20130218-025)
․Corresponding Author : Young Joong Yoon (e-mail : [email protected])
Ⅰ. 서 론
원형 이중 모드 혼 안테나(Circular Dual Mode Ho- rn Antenna: CDMHA)는 반사판 안테나의 반사판에
대칭적인E/H 평면 방사 패턴을 조사하기 위한 급전 혼으로 널리 사용된다. 대칭적인 E/H 평면 방사 패 턴은 반사판 안테나의 효율을 향상시키며, 대칭적인 반사판 설계를 가능하게 한다는 장점이 있다[1]. CDM-
HA는 Potter에 의해 처음 소개된 이후 최근까지 많 은 연구가 진행되고 있다[2]～[6]. 하지만 현재까지 CD- MHA의 개구면 크기 증가에 따른 E/H 평면 대칭성 저하와 관련된 문헌은 찾아보기 힘들다. 이상적인 CDMHA의 개구면에서의 모드는 하이브리드 모드인 HE11 모드이며, 이는 약 85 %의 TE11 모드와 15 %의 TM11 모드로 구성된다[7]. 이상적인 HE11 모드는 가우 시안 빔과 매우 유사한 패턴을 방사하여 매우 높은 E/H 평면 방사 패턴 대칭성을 구현한다. 하지만 원 하는 반사판 안테나 이득 및 빔폭을 구현하기 위해 CDMHA의 개구면 크기가 커질 경우 TE11 모드와 TM11 모드 이외의 원치 않는 고차 모드들이 발생하 게 되고, 이는 개구면에서 이상적인 HE11 모드 구현 을 어렵게 하여E/H 평면 방사 패턴 대칭성을 악화 시키는 원인이 된다.
본 논문에서는 개구면이 큰CDMHA의 E/H 평면 방사 패턴 대칭성 향상을 위한 개구면 모양이 변형 된CDMHA를 제안한다. 모의실험 및 측정을 통해 제안 된 변형CDMHA의 E/H 평면 방사 패턴 대칭성이 기존 CDMHA에 비해 향상됨을 확인할 수 있다.
Ⅱ. 원형 이중 모드 혼 안테나 설계
그림1은 CDMHA의 단면도를 나타낸다[8]. 개구면 에서 HE11 모드가 구현되기 위해서는 85 %의 TE11
모드와15 %의 TM11 모드가 발생하도록 θf를 결정 하여야 하며, 발생한 TE11, TM11 모드가 개구면에서 동위상이 되도록l을 결정하여야 한다. 위 조건을 만 족하기 위한 θf와l은 다음과 같은 수식을 통해 구 할 수 있다[8].
×
(1)
그림 1. 원형 이중 모드 혼 안테나 단면도 Fig. 1. CDMHA cross section.
표 1. 원형 도파관 내 모드 발생을 위한 반지름 크기 Table 1. Required radius of a circular waveguide to ge-
nerate each mode.
모드 반지름 크기[λ]
TE11 0.293
TM01 0.383
TE21 0.486
TE01,TM11 0.610
TM21 0.817
TE12 0.849
그림 2. 원형 이중 모드 혼 안테나의 개구면 반지름 증가에 따른 E/H 평면 방사 패턴 차이 변화 Fig. 2. E/H-plane radiation pattern differences with in-
cresed aperture radius of a CDMHA.
×
(2) 표1은 원형 도파관에서 각각의 모드가 발생하기 위한 반지름 크기를 나타내며, 다음과 같은 수식으 로 계산할 수 있다[9].
모드의 경우
′
(3)
모드의 경우
(4)
여기서a는 원형 도파관의 반지름, pnm은 제1종 베 셀 함수의 m번째 근을 의미하며, p'nm은 제1종 베셀 함수 미분의m번째 근을 나타낸다. 그림 2는 15 GHz 에서 모의실험을 통해 계산된CDMHA의 개구면 반 지름 변화에 따른 각도별E/H 평면 방사 패턴 차이
를 나타낸 것이다. 각 안테나는 0°에서 주빔을 갖는다.
각각의 반지름 크기에 해당하는CDMHA는 식 (1) 과(2)를 통해 설계되었으며, 급전부는 표준 원형 도 파관WC-59(aw=0.377 λ)가 사용되었다. 그림 2를 통 해 안테나의 개구면 반지름 크기가 0.61～0.817 λ 사이인 경우, TM11 모드보다 높은 고차 모드가 발생 하지 않아E/H 평면의 방사 패턴 차이가 거의 없는 반면, 0.817 λ 이상에서는 원치 않는 고차 모드의 발생으로 인해 그 차이가 커지는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서CDMHA는 15 GHz에서 동작하는 협 대역 송신용 반사판 안테나(f/d=1)의 급전 혼으로 사 용되기 위해 설계되었다. 여기서 f는 반사판과 급전 혼 사이의Focal length이며, d는 반사판의 지름을 의 미한다. 반사판 안테나의 최대 개구 효율을 위해 Edge illumination은 —11 dB로 설정되었으며, 이 때 혼의Phase center와 반사판의 Edge가 이루는 각도는 26.5°이다[10]. 따라서 CDMHA의 E/H 평면 방사 패턴 은 53°(—26.5～26.5°)에 걸쳐 대칭성을 유지하여야 한다.
CDMHA의 급전부는 측정의 용이성을 위해 표준 원형 도파관 WC-59을 사용하였으며, 이 때 급전부 의 반지름(aw)과 길이는 각각 0.377 λ와 1 λ이다. 이 는 급전부에서 주 모드인 TE11 모드만 발생시키는 반지름 크기이다. 표 1과 같이, 만약 급전부 반지름이 0.383 λ보다 커지게 되면 급전부 내부에서 고차 모 드들이 발생하게 되고, 이에 따라 HE11 모드로의 효 율적인 모드 변환이 어렵게 된다. 안테나 개구면 지 름(2a)의 경우, Edge illumination=—11 dB를 만족하기 위해2.34 λ로 선택되었다. θf와l은 식 (1)과 (2)에 의해 각각 19.03°와 6.565 λ로 계산되었다. 그림 3
그림 3. 설계된 원형 이중 모드 혼 Fig. 3. Designed CDMHA.
그림 4. 원형 이중 모드 혼 모의실험 방사 패턴 Fig. 4. Simulated radiation pattern of the CDMHA.
은 설계된CDMHA 형상을 나타낸다. 그림 4는 모의 실험을 통해 계산된 E/H 평면 방사 패턴을 보여준 다. 큰 개구면 크기로 인해 안테나 내부에서 TM11 모 드보다 높은 고차 모드가 발생하게 되어 대칭성이 유지되어야 하는 빔 폭인0～26.5°에서 최대 2.77 dB 의 차이가 발생함을 확인할 수 있다.
Ⅲ. 변형된 원형 이중 모드 혼 안테나 설계
(a) 설계된 타원형 개구면 원형 이중 모드 혼(A1) (a) Designed CDMHA with elliptical aperture
(b) 설계된 직사각형 개구면 원형 이중 모드 혼(A2) (b) Designed CDMHA with rectangular aperture 그림 5. 설계된 변형 개구면을 갖는 이중 모드 혼 Fig. 5. Designed CDMHA with modified aperture.
그림4의 E/H 평면 방사 패턴 대칭성을 향상시키 기 위해 안테나의 개구면이 클수록 빔 폭이 좁아지 고, 작을수록 빔 폭이 넓어지는 특성을 이용하여 그 림5(a)와 같이 그림 3에 제시된 CDMHA 개구면의 y축 성분을 줄이고 x축 성분을 증가시켜 타원형 개 구면(A1)을 갖는 CDMHA를 설계하였다. 하지만 원 형에서 타원형으로의 변이가 요구되는 경우, 전기 주조 공정을 통한 제작이 필요하여 제작 기간과 비 용이 크다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 상대 적으로 제작 기간과 비용이 적고, 밀링 머신 공정이 가능한 직사각형 개구면(A2) CDMHA를 그림 5(b) 와 같이 설계하였다. 각각의 설계된 변형 개구면 을 갖는CDMHA는 개구면을 제외하고, 기존 CDMHA 의 설계 수치와 동일하게 설계되었다(θf =19.03°, l=
(a) A1 안테나 모의실험 방사 패턴 (a) Simulated radiation pattern of A1 antenna
(b) A2 안테나 모의실험 방사 패턴 (b) Simulated radiation pattern of A2 antenna 그림 6. 제안된 A1, A2 안테나 모의실험 방사 패턴 Fig. 6. Simulated radiation patterns of the proposed A1
and A2 antennas.
그림 7. 기존 원형 이중 모드 혼과 직사각형 원형 이 중 모드 혼의 개구면 전기장 분포
Fig. 7. Aperture electric field distributions of the con- ventional and the rectangular aperture(A2) CD- MHAs.
6.565 λ, aw=0.377 λ). 타원형 개구면(A1)의 경우, 기 존CDMHA 개구면 대비 x축 방향으로 4.14 mm만큼 증가하였고, y축 방향으로 4.14 mm 만큼 감소하였으 며, 직사각형 개구면(A2)의 경우 x축 방향으로 10 mm 증가하고, y축 방향으로 10 mm 감소한 개구면 형태를 가진다.
그림6은 타원형(A1)과 직사각형(A2) 개구면을 갖 는CDMHA의 모의실험 방사 패턴을 나타낸다. 타원 형 개구면(A1)의 경우 —11 dB 빔 폭 범위인 0～
26.5°에서 최대 0.23 dB의 차이가 발생하며, 직사각 형 개구면(A2)의 경우 최대 0.2 dB의 차이가 발생한 다. 이는 기존 CDMHA의 2.77 dB보다 매우 작은 값 으로 변형된 개구면을 갖는 변형CDMHA를 통해 일 반CDMHA의 E/H 평면 방사 패턴 대칭성을 향상시 킬 수 있음을 의미한다. 그림 7은 기존 CDMHA과 직사각형 개구면을 갖는CDMHA의 개구면 전기장 분포를 비교한 것이다. 직사각형 개구면을 갖는 CDMHA의 전기장 분포가 기존 CDMHA에 비해 대 칭적임을 확인할 수 있다.
Ⅳ. 제작 및 측정
제안된 안테나의 성능 향상을 검증하기 위해 제 안된 변형CDMHA 중 제작이 용이한 직사각형 개구 면(A2)을 갖는 CDMHA와 기존 CDMHA를 제작하고 측정하였다. 그림 8과 그림 9는 제작된 안테나 형상 과 측정된 S11 및 방사 패턴을 나타내며, 측정된 이 득은 기존CDMHA의 경우 16.30 dBi, 변형 CDMHA 의 경우16.28 dBi로 매우 유사한 값을 갖는다. 표 2 는 측정된 두 가지 CDMHA의 각도별 E/H 평면 방
그림 8. 제작된 원형 이중 모드 혼 안테나와 변형 이 중 모드 혼 안테나
Fig. 8. Fabricated conventional and modified CDMHA.
표 2. 측정된 기존 원형 이중 모드 혼 안테나와 직 사각형 개구면을 갖는 원형 이중 모드 혼 안 테나 E/H 평면 방사 패턴 대칭성
Table 2. The E/H-plane radiation pattern differences of the conventional and modified CDMHAs. 각도[°] 기존 원형 이중 모드
혼 안테나 [dB]
변형 원형 이중 모드 혼 안테나 [dB]
0 0 0
10 0.56 0.01
20 1.94 0.16
26.5 3.39 0.53
사 패턴 차이를 나타낸 것이다. 기존 CDMHA의 경 우 요구되는 —11 dB 빔 폭 내에서 최대 3.39 dB의 차이를 갖는 반면 제안된 직사각형 개구면을 갖는 CDMHA의 경우, 이보다 매우 작은 값인 0.53 dB의 차이를 갖는다. 측정 결과와 모의 실험 결과의 차이 는 측정 및 제작 과정에서의 오차로 판단된다. 측정 결과를 통해 변형된 개구면을 갖는CDMHA의 방사 패턴 대칭성이 기존CDMHA에 비해 향상되었음을 확인할 수 있다.
Ⅴ. 결 론
개구면이 큰 기존CDMHA의 E/H 평면 방사 패턴 대칭성 향상을 위한 개구면이 변형된CDMHA를 제 안하였다. 성능 향상을 보이기 위해 15 GHz에서 동 작하는 기존 CDMHA와 직사각형 개구면을 갖는 CDMHA를 제작하고 측정하였다. 제안된 혼 안테나 가 송신용 반사판 안테나의 급전 혼으로 사용될 경 우, 일반 CDMHA를 사용하는 것보다 대칭적인 E/H
(a) 측정된 S11
(a) Measured S11
(b) 측정된 기존 원형 이중 모드 혼 안테나 방사 패턴 (b) Measured radiation pattern of conventional CDMHA
(c) 측정된 변형 원형 이중 모드 혼 안테나 방사 패턴 (c) Measured radiation pattern of modified CDMHA 그림 9. 측정된 원형 이중 모드 혼 안테나 S11과 방
사 패턴
Fig. 9. Measured S11 and radiation patterns of the fa- bricated CDMHAs.
평면방사 패턴을 반사판에 조사하여 반사판 안테나 의 효율을 향상시킬 수 있다.
참 고 문 헌
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2011년 3월～현재: 연세대학교 전기 전자공학과 통합과정
[주 관심분야] 고출력 안테나, 반사 판 안테나, 배열 안테나 시스템 설 계
윤 지 환
2008년 8월: 연세대학교 전기전자 공학부(공학사)
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[주 관심분야] 리플렉트어레이, 반사 판 안테나, 초고출력 안테나, 메타 메터리얼
윤 영 중
1981년 2월: 연세대학교 전자공학 과(공학사)
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1993년～현재: 연세대학교 전기전자 공학과 교수
[주 관심분야] 안테나 및 전파전파
이 우 상
2003년 2월: 연세대학교 전기전자 공 학과(공학사)
2005년 2월: 연세대학교 전기전자 공학과(공학석사)
2005년 2월～현재: 국방과학연구소 선 임연구원
[주 관심분야] 고출력 전자파 기술
소 준 호
1988년 2월: 서울시립대학교 전자공 학과(공학사)
1990년 2월: 서울시립대학교 전자공 학과(공학석사)
2006년 2월: 서울시립대학교 전자공 학과(공학박사)
1990년 2월～현재: 국방과학연구소 책임연구원, 초고주파 팀장
[주 관심분야] 고출력 전자파 기술
