ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
격벽 구조형 원형 편파기의 시컨트 패턴 방사체 설계
Design of Secant Pattern Radiator with Septum Circular Polarizer
임정민․손재기․이택경․이재욱․이우경
Jung-Min Yim․Jae-Ki Son․Taek-Kyung Lee․Jae-Wook Lee․Woo-Kyung Lee 요 약
본 논문에서는 위성 데이터 통신을 위해 격벽 구조형 원형 편파기와 결합된 넓은 빔 폭을 갖는 시컨트 패턴 안테나를 설계하였다. 방사 패턴을 형성하기 위하여 전류 분포와 공간인자 사이의 푸리에 변환 관계를 이용하였고, 원형 대칭인 개구 형태를 이용하여 설계를 용이하게 하였다. 설계한 방사체를 격벽 구조형 원형 편파기와 결합하여 최적화 과정을 수행하였으며, 설계된 방사 패턴, 축비, 반사 손실 특성이 안테나의 목표 성능에 적합함을 확인하였다.
Abstract
In this paper, we design a secant pattern antenna combined with a septum circular polarizer to be used in the satellite data commu- nications. To generate a radiation pattern with secant type, Fourier relationship between current distribution and space factor is applied and the circular symmetric structure of the aperture simplifies the design. The optimization process is performed by combining the radiator with the septum circular polarizer, and it is confirmed that the designed radiation pattern, axial ratio, and return loss charac- teristics satisfies the required performance of the antenna.
Key words: Secant Pattern, Septum Circular Polarizer, Choke Antenna
「본 연구는 한국연구재단을 통하여 교육과학기술부의 우주기초원천기술개발 사업(NSL: National Space Lab)으로부터 지원받아 수행되었습니다.」
한국항공대학교 항공전자 및 정보통신공학부(School of Electronics, Telecommunication and Computer Engineering, Korea Aerospace University)
․Manuscript received August 23, 2013 ; Revised December 3, 2013 ; Accepted December 17, 2013. (ID No. 20130823-10S)
․Corresponding Author: Taek-Kyung Lee (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
기존의 위성 데이터 통신용 안테나는 높은 전송률을 갖기 위하여 고 이득 특성이 요구되었다. 높은 수신 전력 을 얻기 위하여 혼 방사체를 사용하거나 고지향성의 리 플렉터 또는 마이크로스트립 배열 안테나가 주로 사용되 었다. 하지만 최근 위성 송신기 기술의 발달로 넓은 빔 폭 을 형성하여 넓은 지역에 데이터 전송이 가능한 안테나 의 개발이 활발히 진행되고 있다[1]. 또한, 여러 가지 서비 스를 제공하기 위하여 통신 장비의 사용 목적에 따른 안 테나 설계에 관한 연구가 진행되고 있다.
넓은 빔 폭을 갖는 안테나 패턴으로는 Isoflux 패턴과 시컨트 패턴으로 크게 구분된다. 두 방사체 모두 도파관 안테나의 개구 부분에 쵸크를 삽입하는 구조를 갖는다.
Isoflux 패턴 방사체의 경우, 여러 단의 쵸크를 사용하는 구조로 설계가 다소 어렵고, 부피가 크며, 무겁기 때문에, 중․대형 위성에서 주로 사용된다[2],[3]. 최근 발사에 성공 한 아리랑 인공위성 5호의 X-대역 데이터 통신용 안테나 에도 Isoflux 패턴 안테나가 사용되고 있다. 시컨트 패턴 방사체의 경우, 1단 쵸크를 사용하는 구조로 설계가 간결 하고, 부피가 작으며, 가볍기 때문에, 소형 위성에서 주로 사용된다. 기존에는 안정적이고 넓은 빔 폭을 필요로 하
는 S-대역 위성 관제용 안테나로 개발되고 사용되었으나, 최근에는 X-대역 데이터 통신용 안테나로 많이 사용되고 있다[4].
시컨트 방사체의 적용할 원형 편파기로 격벽 구조형 원형 편파기를 선정하였다. 격벽 구조형 원형 편파기는 여러단의 격벽 구조를 통과하면서 순도 높은 원형 편파 를 발생한다. 또한, 도파관을 이용하기 때문에 높은 전력 을 다루기 용이하고, 전력을 손실 없이 전송할 수 있으며, 안테나의 급전 구조와 편파기로서의 역할을 동시에 수행 하기 때문에 구조가 간결하다.
본 논문에서는 기존에 개발한 격벽 구조형 도파관 편 파기와 시컨트 패턴 방사체를 결합하여 넓은 빔 폭을 갖 는 X-대역 데이터 통신용 안테나를 설계하였고, 상용 시 뮬레이션을 이용하여 방사체의 길이 및 깊이를 최적화 하였다. 또한, 최적화 된 안테나의 방사 패턴, 축비, 반사 손실 특성을 목표 성능과 비교․분석하였다.
Ⅱ. 격벽 구조형 원형 편파기
격벽 구조형 원형 편파기는 전파의 진행방향을 기준으 로 단면이 대칭구조인 도파관 외벽을 가지며, 내부 중심 에 계단형 격벽이 삽입된 구조로서 그림 1과 같은 형태를 갖는다.
격벽 구조형 원형 편파기의 편파 발생 원리는 격벽으
그림 1. 격벽 구조형 원형 편파기 Fig. 1. Septum polarizer.
(a) 방사 패턴 (a) Radiation pattern
(b) 축비 (b) Axial ratio
(c) 반사 손실 (c) Return loss
그림 2. 격벽 구조형 원형 편파기의 전기적 특성
Fig. 2. Electrical performance of septum circular polarizer.
로 분리된 두 입력 포트 중 하나의 포트에 인가된 전원에 의해 선형 편파인 TE10 모드가 형성된다. 그리고, 도파관 내부의 계단형 격벽 구조에 의해 입력 포트로 인가된 모 드와 90° 위상 차이를 갖는 TE01 모드가 발생되어, 정사 각형 출력 포트에서 원형 편파가 출력된다. 격벽 구조형 원형 편파기의 출력은 두 개의 직사각형 입력 포트 중 입 력시키는 포트에 따라 좌수 원형 편파와 우수 원형 편파 를 발생시켜 선택하여 사용할 수 있다[5].
방사체를 결합하지 않은 격벽 구조형 원형 편파기의 방사 패턴, 축비, 반사 손실 특성은 그림 2와 같다. 목표 주파수는 8∼8.4 GHz이며, 축비는 θ≤±90°에서 약 3 dB 이하로 순도 높은 원형 편파가 발생되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 반사 손실은 목표 주파수에서 —20 dB 이하 로 설계되었다.
Ⅲ. 시컨트 패턴 방사체 설계
시컨트 패턴 안테나는 주로 소형 위성에서 사용되며, 넓은 빔 폭과 동시에 중심에서 고속 데이터 전송을 위한 중 이득을 가지는 안테나로, 시컨트 방사 패턴 마스크는 그림 3과 같다[6],[7].
방사 패턴은 0 dBi를 기준으로 빔 폭이 120°보다 크며, θ=±30° 부근에서 최고 이득 6 dBi의 값을 갖는다.
본 논문에서 설계한 시컨트 패턴 방사체의 구조는 그 림 4와 같이 1단 쵸크링을 이용하여 설계하였고, 기존에 설계된 격벽 구조형 원형 편파기의 개구 부분에 시컨트
그림 3. 시컨트 방사 패턴 마스크 Fig. 3. Secant radiation pattern mask.
그림 4. 격벽 구조형 원형 편파기와 시컨트 패턴 방사체 를 결합한 안테나
Fig. 4. Combined antenna septum circular polarizer with se- cant pattern radiator.
패턴 방사체를 결합한 형태의 안테나이다.
안테나의 설계에서 원거리 전기장 패턴은 요소인자 (element factor)와 공간인자(space factor)의 곱으로 나타낼 수 있다. 요소인자는 안테나 전류의 방향에 따른 영향을 나타내며, 안테나의 구조에 따른 영향은 주로 공간인자에 의해 나타난다. 안테나의 전류 분포와 원거리 영역의 공 간인자는 서로 푸리에 변환 쌍의 관계에 있다. 원하는 안 테나 패턴을 얻기 위하여 푸리에 변환 쌍을 이용하여 요
구되는 전류 분포를 구하고, 이를 실현하기 위한 안테나 구조를 설계한다.
원거리 영역에서 개구 안테나의 공간인자(Space Factor, SF)는[8]
′′ ×
′sin cos ′ ′ ′′′′
(1) 과 같이 표현되며, 여기서 과
은 개구면에서 전류 분포의 크기와 위상이다. 또한, 목표로 하는 안테나 공간 인자를 구현하기 위한 개구면의 전류 분포는 공간인자의 푸리에 역변환을 통하여 확인할 수 있다.식 (1)에서 방사 패턴은 전류 분포의 2차원 적분이므로 계산이 복잡하다. 하지만 설계하고자 하는 방사체는 원형 단면이므로, 방사체의 회전 방향으로 전류 분포의 크기와 위상의 대칭성을 가정하면 2차원 전류 분포의 크기
′ ′
를 1차원 전류 분포 ′
로 접근할 수 있다.전류의 길이가 L인 공간인자는[9]
′
′sin′′
′
′sin ′′
(2) 와 같이 표현된다.
식 (2)에 따라 원하는 방사 패턴을 형성하기 위해서는 푸리에 변환관계를 이용한 전류 분포를 형성하여야 한다.
시컨트 패턴은 형태적으로 안테나 축 방향으로부터 벗어 나더라도 일정한 크기를 유지하여야 하므로, 이를 단순화 하면 사각형 패턴으로 근사화 할 수 있다. 사각형 방사 패 턴을 갖는 전류 분포는[10]
sin
sin
∧
sin
(3) 와 같이 표현되며, 극 좌표계에서 방사 패턴을 표현하면부채꼴 모양으로 나타난다. 식 (3)에서
는 개구면에서 안테나 축으로부터 단면 방향 거리이며,
는 빔 폭의 1/2,∧
는 한켈 변환을 나타낸다.그림 5. 개구의 길이에 따른 공간인자의 변화
Fig. 5. Space factor changes according to variation of aper- ture length.
방사체의 개구면 크기는 구조적인 제한에 따라 일정한 크기를 가지며, 유한한 크기의 개구면으로 원하는 안테나 패턴에 가장 근접한 안테나를 설계하여야 한다. 안테나의 목표 성능에 따라 빔 폭을 고정시키고, 식 (3)의 전류 분 포를 가지는 개구의 길이를 변화시키면서 안테나 패턴의 변화를 관찰하였다. 그림 5는 빔 폭을
°으로 설 정하고, 개구의 길이에 따른 공간인자의 변화를 나타내고 있다.그림 5에서 개구의 길이가 2∼3
일 때 시컨트 패턴과 가장 유사하다는 것을 알 수 있다. 개구의 길이를 2.5
로 설정하면 식 (3)에 의한 전류 분포의 널 지점은 개구의 중 심으로부터 양쪽으로 약 1.2
부분에 형성이 된다. 전류 분포의 널 지점에 1단 쵸크링을 설치하면 초크링 바깥쪽 의 개구의 길이가 약 0.05
만큼 남게 되는데, 이론상으 로는 약간의 오차가 발생하지만, 안테나를 간결하게 설계 하기 위하여 개구의 길이와 쵸크링의 바깥쪽 부분을 일 치시킨 구조로 최종적으로 설계하였다.최종 설계된 안테나는 상용 시뮬레이션인 CST Micro- wave Studio를 이용하여 최적화 과정을 진행하였으며, 격 벽 구조형 원형 편파기와 시컨트 패턴 방사체를 결합한 구조의 전기적인 특성을 그림 6에 나타내었다.
목표주파수는 격벽 구조형 원형 편파기와 동일하게 8
∼8.4 GHz이고, 목표주파수 내에서 방사 패턴은 시컨트 패턴을 나타내고 있다.
≒±
°에서 최고 이득인 7 dBi 를 가지며, ±
°의 모든 부분에서 0 dBi 이상의 패(a) 방사 패턴 (a) Radiation pattern
(b) 축비 (b) Axial ratio
(c) 반사 손실 (c) Return loss
그림 6. 시컨트 패턴 방사체를 결합한 구조의 전기적 특성 Fig. 6. Electrical performance of combine secant pattern ra-
diator.
턴을 형성하여 목표 패턴을 만족하는 것을 볼 수 있다. 축 비는 시컨트 패턴 방사체의 영향으로 인하여 원형 편파 기에 비하여 다소 나빠졌지만, 빔 폭 내에서 5 dB 미만으 로 순도 높은 원형 편파를 발생하는 것을 확인할 수 있 다. 또한, 반사 손실은 목표주파수 대역에서 –22 dB 이 하로 격벽 구조형 원형 편파기의 반사 손실과 유사한 것 을 볼 수 있다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 넓은 빔 폭을 갖는 시컨트 패턴 방사체 를 설계하였다. 전류 분포와 방사 패턴이 푸리에 변환 쌍 의 관계인 것을 이용하여 시컨트 방사 패턴을 얻기 위한 전류 분포를 연구하였고, 구형 패턴을 형성하는 전류 분 포로부터 시컨트 방사 패턴을 형성하기 위하여 개구의 길이를 설정하고 전류 분포의 널 지점에 쵸크를 설치하 였다.
이러한 시컨트 패턴 방사체를 기존에 설계된 격벽 구 조형 원형 편파기와 결합한 구조의 안테나를 설계하였다.
상용 시뮬레이션을 통하여 안테나의 최적화 과정을 수행 하였고 방사 패턴, 축비, 반사 손실 특성이 목표 성능을 만족하였다. 개구안테나에서 다양한 형태의 방사 패턴을 얻기 위하여 효과적인 설계 방법이 될 것으로 기대된다.
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임 정 민
2012년 8월: 한국항공대학교 항공전 자공학과 (공학사)
2012년 9월～현재: 한국항공대학교 항 공전자공학과 석사과정
[주 관심분야]
안테나 설계, 전자파 해 석손 재 기
2010년 2월: 한국항공대학교 항공전자 및 정보통신공학부 (공학사)
2012년 2월: 한국항공대학교 항공전자공 학과 (공학석사)
2012년 3월∼2012년 4월: 한국항공대학 교 항공전자연구소 연구원
2012 년 5월∼현재: 아바고테크놀로지스코 리아(주) 주임연구원
[주 관심분야] 전자파 수치해석, 안테나 설계, 필터
이 택 경
1983 년 2월: 고려대학교 전자공학과 (공학 사)
1985 년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 (공학석사)
1990년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 (공학박사)
1990년 5월～1991년 4월: University of Te- xas at Austin, Post-Doctoral Fellow
1991년 9월∼1992년 2월: 한국과학기술원 정보전자연구소 연구 원
2001년 7월∼2002년 7월: Univ. of Illinois, Urbana-Champaign, 방 문교수
1992 년 3월∼현재: 한국항공대학교 항공전자 및 정보통신공학 부 교수
[주 관심분야] 마이크로파, 안테나, 전자파 해석, 레이다
이 재 욱
1992년 2월: 한양대학교 전자공학과 (공학 사)
1994년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 (공학석사)
1998년 2월: 한국과학기술원 전기 및 전자 공학과 (공학박사)
1998년 3월∼2004년 2월: 한국전자통신연 구원 디지털방송연구단 전파기반연구그룹
2004 년 3월～2013년 2월: 한국항공대학교 항공전자 및 정보통 신공학부 전자 및 항공전자 전공, 부교수
2013 년 3월∼현재: 한국항공대학교 항공전자 및 정보통신공학 부 전자 및 항공전자 전공, 교수
[주 관심분야] 마이크로파 및 밀리미터파, 능․수동 소자 해석 및 설계, EMI/EMC 대책 기술, 고출력 증폭기 및 고출력 안테 나 설계
이 우 경
