Design of Array Antenna for Radar Wind Profiler using Bend-Dipole

Bend-다이폴을 이용한 RWP 배열안테나 설계

Abstract

In this paper, the design of 64 array antennas applied to RWP (Radar Wind Profiler) was described. The design point of the antenna is to ensure isolation between each element and to match the vertical / horizontal radiation pattern. To this end, a single element of the array antenna was proposed as a Bend dipole type, and through simulation, When sequentially sending 5 beams including vertical, the east/west/south/north direction was ±20°, and it was confirmed that no Grating Lobe occurred when steering the beam. The 64 array antenna proposed in this paper was designed with performance equal to or higher than that of overseas products, and was confirmed to be applicable to RWP.

본 논문에서는 RWP(Radar Wind Profiler)에 적용한 64배열안테나의 설계에 대해 기술하였다. RWP의 안테나는 핵심 설계 포인트는 각 소자간의 격리도를 확보하고, 수직/수평 방사패턴의 일치이다. 이를 위해 배열안테나의 단일소자를 Bend다이폴 타입으로 제안하고, 모의시험을 통해 동작 주파수에서 우수한 정배파비 특성과 수직 / 수평간 방사패턴의 일치성을 확인하였으며, 연직을 포함하는 5개의 빔을 순차적으로 송출시 동/서/남/북 방향은 ±20°로 빔조향시 그레이딩로브가 발생하지 않음을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 64배열 안테나는 해외제품과 비교하여 동등이상의 성능으로 설계하였으며, RWP에 적용이 가능함을 확인하였다.

Ⅰ. 서론 

RWP(Radar wind profiler)는 고출력 RF신호를 송 출하여 저층~고층까지의 바람 및 강우에 의한 반사되는 전파신호를 수신하여 분석함으로써 정확한 기상 예보와 동적 대기 현상을 수집하는 장비이다^[1]. 수집된 정보는 일반적인 바람의 특성 및 강수 구조를 파악하며, 항공기 및 회전익기의 이착륙에 정보 제공을 하는 중요한 역할을 한다.

그림 1은 RWP 해외제품이며, 그림 2는 5개 이상의 빔(연직/동/서/남/북)으로 도플러 편이 신호를 순차적으로 송수신하는 RWP의 기본원리를 보여준다^[1][2].

그림 1. ESRL사의 Radar wind profiler

Fig. 1. ESRL of radar wind profiler

그림 2. RWP의 원리

Fig. 2. Principle of radar wind profiler

RWP는 그림 2에서와 같이 연직을 포함하는 5개의 빔 을 순차적으로 송출시 동/서/남/북 방향은 20° 기울어진 방사패턴을 형성하게 된다^[2]. 이때 배열안테나의 각 소자 간 영향을 최소화하기 위하여 격리도 성능을 최대로 확보하며, 동/서/남/북의 동일한 방사패턴과 우수한 정재 파비 특성을 가진 안테나가 필요하다.

Ⅱ. 단일안테나 설계 

현재 기상청 및 해외에서 운용되는 1.29GHz를 포함 하는 L 대역 RWP의 배열안테나는 일반적으로 이득 24 dBi, 5개의 성형빔, ±20°의 틸트각도 등의 성능을 갖고 있다^[3~5]. 본 논문에서 제안한 64소자 배열안테나는 해외 제품과 동일한 전기적 성능과 배열구성으로 8소자 배열의 단위배열안테나가 8개가 합성되어 부배열안테나를 형성하며 이를 기준으로 배열안테나의 규격은 표 1과 같다. 추후 개발 완료되는 RWP 배열안테나는 부배열 안테나 4개로 구성된 256배열안테나이다.

표 1. 배열안테나 규격 

Table 1. Specification of array antenna

표 1과 같은 배열안테나 위하여 RWP 단일안테나 관련 파라미터는 그림 3과 같이 정의한다. 64배열 안테나 제작시 안테나 배열 간격은 연직방향을 제외한 동/서/남/북의 방향으로 ±20°의 빔 조향각을 고려하여 그레이팅 로브가 발생하지 않는 163mm로 설정한다.

\(D \leq \frac{\lambda_{h}}{1+\sin \theta_{m}}\)       (1)

D : 배열간격

&lambd;_h : 최대주파수

θ_m : 최대빔조향각

그림 3. Dipole 설계 파라미터

Fig. 3. Parameter of antenna

또한 Dipole의 설계 파라미터 Dipole_w, Dipole_h, Dipole_L 는 안테나 공진과 관련한 파라미터이다. 그림 4과 표2 같이 안테나의 Dipole 파라미터의 길이에 따른 공진주파수의 변화를 확인할 수 있다. Wall의 Wall_w, Wall_h 파라미터는 격리도와 관련한 파라미터이다. 그림 5와 표 3 같이 Wall의 파라미터 길이와 두께에 따른 격리도 값의 변화를 확인 할 수 있다. 단 안테나 성능에 영향을 주지 않도록 값까지 Wall의 값을 제한한다. Feeder의 Feeder_h, Feeder_L1, Feeder_L2, Feeder_w 파라미터는 정합 및 주파수 공진과 관련한 파라미터이다. 그림 6과 표4와 같이 길이와 두께에 따른 공진점 및 대역의 변화를 확인할 수 있다. 하지만, 모든 파라미터가 일관된 형태로 변경되지 않으므로 각각의 파라미터를 합리적으로 조절할 필요가 있다. 위와 같은 결과를 바탕으로 파라미터를 표 5과 같이 정의한다.

그림 4. Dipole_w, Dipole_h, Dipole_L 길이 변화 결과

Fig. 4. Dipole_w, Dipole_h, Dipole_L Change results in length

표 2. Dipole_w, Dipole_h, Dipole_L 길이 변화 결과

Table 2. Dipole_w, Dipole_h, Dipole_L Change results in length

그림 5. Wall의 Wall_w, Wall_h 길이 변화 결과

Fig. 5. Wall의 Wall_w, Wall_h Change results in length

표 3. Wall_w, Wall_h 길이 변화 결과

Table 3. Wall의 Wall_w, Wall_h Change results in length

그림 6. Feeder의 Feeder_h, Feeder_L1, Feeder_L2, Feeder_w 길이 변화 결과

Fig. 6. Feeder의 Feeder_h, Feeder_L1, Feeder_L2, Feeder_w Change results in lenth

표 4. Feeder의 Feede_h, Feeder_L1, Feeder_L2, Feeder_w 길이 변화 결과

Table 4. Feeder의 Feeder_h, Feeder_L1, Feeder_L2, Feeder_w Change results in length

표 5. 안테나 파라미터

Table 5. Parameter of antenna

그림 7은 표 5의 안테나 파라미터를 적용한 단일소자 의 Simulation결과이다. 단일소자는 동작 주파수 1.29GHz에서 1.2:1 이하의 정재파비 특성과 RWP의 최적화된 성능을 위해 수직/수평 빔폭이 넓도록 설계하였다. 단일안테나 측정결과는 표 6과 같다.

그림 7. 단일안테나 Simulation 

Fig. 7. Simulation of Antenna

표 6. 방사패턴 측정 결과 

Table 6. Radiation pattern measurement

Ⅲ. 배열안테나 설계

RWP의 단일안테나를 기준으로 단위배열안테나는 그림 7과 같이 배열안테나조립체, 전력분배기조립체, 서브 프레임조립체로 구성된다.

그림 8. 단위배열안테나의 구성 

Fig. 8. Configuration of Unit array antenna. 

배열안테나조립체는 그림 9와 같이 단단한 기구 강도와 최소 유전율을 위해 벌집 구조인 허니컴(Honeycomb)과 레진(Resin)으로 채워 넣었으며 알루미늄 브래킷 상/하, 커넥터블록 구조물로 지지하는 형상을 갖는다. 또한 우수한 정재파비 성능을 위해 안테나는 허니콤내의 개방 한 에어 스트립 라인으로 급전을 구현하였으며, 인접 소자간 격리도를 개선하기 위해 안테나 형상은 다이폴안테나에서 기울어진 형태의 Bended 다이폴 안테나^[6]와 Wall를 추가하였다.

그림 9. 배열안테나조립체 구성

Fig. 9. Configuration of array antenna assembly

전력분배기조립체는 그림 10와 같이 단위배열안테나에 적용가능하게 평판형으로 구성되며, 안테나 입력 및 켈리브레이션 출력을 위한 전력분배기 14개와 RF케이블 조립체로 구성된다. 전력분배기에 대한 설계치는 표 7과 같다. 그림 11는 서브프레임조립체이다. 서브프레임조립체는 알루미늄 압출제를 기계가공을 하여 가로방향으로 암/수의 역할을 하는 리를 추가하여 추후 64배열을 가로/세로 배열시 구성 용이하도록 제작한다.

그림 10. 전력배기조립체 구성

Fig. 10. Configuration of Power divider assembly

표 7. 전력분배기 규격

Table 7. Specification of Power divider

그림 11. 서브프레임조립체 구성

Fig. 11. Configuration of Sub-frame assembly

Ⅳ. 배열안테나 제작 및 측정

그림 12은 64배열 안테나의 근접전계 측정사진이며, 그림 13은 근접전계 측정 방식에 의한 64배열 안테나 방사패턴 측정결과이다^[7,8]. 안테나의 E면과 H면은 각각 방위각과 고각 방향에 기계적, 전기적 Alignment 하여 고정하였으며, 64배열안테나의 방사패턴은 균일분포 (Uniform distribution) 상태에서 측정하였다. 그리고 방위각/고각 방향의 ±20°각도 빔 조향특성을 확인하기 위하여 위상변위기를 설치하였다^[4]. 방사패턴 측정결과 이득, 빔폭 및 방위각/고각 ±20°각도 빔조향시에도 Simulation의 결과와 유사한 결과를 확인하였다. 단, 1st Side lobe의 비대칭 발생 및 광각(wide angle)에서 시뮬레이션과의 오차가 있으며 이는 근접전계 측정 장비에서 프로브 안테나의 Scan 면적이 제한되고 안테나 전 체크기로 인한 정렬 오차의 영향으로 고려된다. 64 위상 배열 안테나의 측정결과는 표 8와 같다.

그림 12.근접전계 측정 사진

Fig. 12. Picture of near field measurement 

그림 13. 방사패턴 측정결과

Fig. 13. Radiation pattern measurement

표 8. 방사패턴 측정 결과

Table 8. Radiation pattern measurement

Ⅴ. 결론 

본 논문에서는 해외 개발품의 RWP 규격을 바탕으로, Bended 다이폴 안테나를 64배열안테나의 개발에 대해 구체적으로 기술하였다. 개발 완료한 64배열 안테나는 20° 빔조향 각에서 왜곡 없는 우수한 방사 특성과 우수한 정재파비, 격리도 특성을 확인 할 수 있었으며, 이는 기존 고정빔 방식의 RWP와 동등한 핵심 기술을 보유하였음을 의미한다. 추후 개발 경험과하드웨어 확장 개념으로 256배열의 능동위상배열안테나가 개발 중이며, 향후 해외 상용제품에 상회하는 RWP 전체시스템 개발 완료할 예정이다.