본 논문은 한반도 지역에 개인 휴대 단말을 사용한 보편적 통신 방송 서비스를 제공하기 위한 S-대역 위성 탑재용 다중 빔 대형 안테나의 전기적 설계 방법에 대해 연구한 것이다. 배열 소자로 급전되는 반사판 형태인 하이브리드 안테나로 다중 빔을 구현하고, 각 빔은 급전 배열의 일부를 사용하여 형성된다. 원하는 빔을 얻기 위해서는 각 배열 소자 신호의 크기와 위상을 최적화해야 하고, 이는 GO(Geometrical Optics) 및 PO(Physical Optics) 해석을 통해 이루어졌다. 또한, EIRP(Effective Isotropically Radiated Power) 요구 사항을 만족하도록 배열 소자의 개수를 최적하였다. 위성에 탑재 가능하도록 제한된 크기의 반사판을 사용하고, 배열 소자의 개수를 최소화하면서도 요구 사항을 만족시킬 수 있는 설계 방법과 그 성능 결과를 본 논문에서 확인할 수 있을 것이다.
위성방송수신 및 위성 양방향 인터넷, VSAT 등의 위성통신서비스를 차량 이동 시에도 이용할 수 있기 위해서는 차량에 탑재하기 용이하도록 소형이며 높이가 낮은 안테나 구조가 요구된다. 또한 중위도 지역에서 평면 안테나 상태로 45도 빔틸트 특성을 갖고, Ku 밴드의 위성통신용으로 충분한 고이득을 얻기 위해, 빔폭이 좁고 사이드로브가 적으며 저손실 구조의 배열안테나 개발이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 성능을 만족시키기 위해, 진행파형 누설파 모드를 기초로 한 수직 편파로 동작하는 도파관 종방향 슬롯 배열안테나를 제안하였다. 16개 누설파 소자의 배열안테나 이득은 30 dBi 이었으며, 빔폭은 4.9도, 사이드로브 레벨은 -20 dB 이하, 중심주파수에서 빔틸트 각도는 45도를 얻었다. 급전선로는 도파관의 병렬급전 방식으로 설계하여 광대역, 저손실 특성을 얻을 수 있었다.
위성방송수신 및 위성 양방향 인터넷, VSAT 등의 위성통신서비스를 차량 이동시에도 이용할 수 있기 위해서는 차량에 탑재하기 용이하도록 소형이며 높이가 낮은 안테나 구조가 요구된다. 또한 중위도 지역에서 평면 안테나 상태로 45도 빔틸트 특성을 갖고, Ka 밴드의 위성통신용으로 충분한 고이득을 얻기 위해, 빔폭이 좁고 사이드로브가 적으며 저손실 구조의 배열안테나 개발이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 성능을 만족시키기 위해, 진행파형 누설파 모드를 기초로 한 도파관 종방향 슬롯 배열안테나를 제안하였으며, 특히 슬롯 배열들 각각의 폭을 조절하여 복사 전력을 제어함으로써 복사 패턴의 사이드로브 레벨을 저감시켰다. 32개 누설파 소자의 배열안테나 이득은 34 dBi 였으며, 빔폭은 3.6도, 사이드로브 레벨은 -25 dB 이하로 기존의 경우보다 약 8 dB 의 저감 개선효과를 얻었다. 중심주파수 20.0 GHz에서 빔틸트 각도는 43도를 얻었다. 급전선로는 도파관의 코퍼레이트 급전방식으로 설계하여 광대역, 저손실 특성을 얻을 수 있었다.
마이크로스트립 어레이 안테나를 Tchebyscheff 다항식을 이용하여 구형 마이크로스트립 패치크기에 의존하도록 상대적 전류 분포를 1:2:2:1, 그리고 1:1:2:2:1:1 되게 설계하여 첨예한 빔 패턴을 얻었으며 주부엽의 차가 21.97dB, 29.54dB의 이론치를 얻을 수 있었다. 설계된 마이크로스트립 패치 어레이 안테나는 반사 손실, 공진 주파수, V.S..W.R. 방사 패턴,벤드폭, 빔폭등의 여러 특성을 측정하였고, 이론치와 서로 일치함을 확인하였다. 또한 빔 스케닝을 위해 상대적 전류 분포에 따른 패치 어레이 안테나의 위상 변환 과정을 제시하였다.
대덕전파천문대 14m전파망원경의 주빔의 크기를 점 전파원인 SiO메이저원 및 금성을 관측하여 결정하였다. 점 전파원 매핑으로 측정하였을 때 주빔의 모양은 방위각 방향으로 일그러진 $63.0"\times59.2"$의 타원형으로 나타났으며 편평도는 1.064로써 비교적 적은 편이었다. 86.2, 98.0, 115.2GHz대역에서 평균적인 주빔의 반치폭(FWHM) $\theta_M$은 각각 $64\pm1",\;57\pm2",\;49\pm2"$이며, 적어도 100 GHz 이하의 대역에서는 빔크기가 주경면의 회절 패턴과 잘 일치하고 있었다. 금성, 목성 및 달의 측정을 통해 대덕전파천문대 14m 전파망원경의 안테나 효율을 다음과 같이 결정하였다. 86GHz, 98GHz, 및 115 GHz 대역에서의 구경효율 ${\eta}A$는 각각 0.37, 0.34, 0.29이고, 빔 효율 ${\eta}B$는 각각 0.49, 0.45, 0.41이며, 전방 넘침 및 산란 효율 ${\eta}fss$는 주파수 의존성이 없이 86∼115 GHz 대역에서 0.63이다. 안테나 온도의 측정오차로부터 파급되는 구경효율, 빔효율, 전방 넘침 및 산란 효율의 추정오차는 각각 $\pm0.025,\;\pm0.030,\;\pm0.004$이다. 최적 초점 위치는 안테나의 자중변형 및 주변은도 변화에 영향을 받으므로 매 관측 시 측정을 통해 결정하여야 한다. 자중, 변형 및 은도 변화에 따른 최적 초점 위치의 변화를 분리하는 모델링을 통해 최적 초점 위치의 자동 보정의 가능성이 있음을 밝혔다. 이때 자중변형의 영향은 $cos^2(EL)$의 함수로 적절히 표현된다. 이 자동 보정이 도입되면, 레이돔내부의 온도가 크게 변화하지 않을 경우 한번의 최적 초점 맞추기로 다른 고도에서도 최적 초점을 유지할 수 있음을 제시하였다.
본 논문에서는 그레고리안 이중 반사경 안테나의 특별한 형태인 축이동 그레고리안 이중 반사경 안테나 (Axially Displaced Ellipse Gregorian Dual Reflector Antennas)를 해석하였다. 안테나 해석시 기하광학적 방법으로 개구면 전계분포를 구하였으며, far-field 복사특성을 해석하기 위해 개구분포법을 이용하였다. 해석결과로서 부반사경과 주반사경의 크기와 edge taper에 따른 안테나 효율, HPBW(Half Power Beam Width), FNBW(First Null Beam Width), FSL(First Sidelobe Level)을 도출하여 데이터로 제시하였다. 본 논문에서 도출된 결과로부터 ADE 반사경 안테나는 기존의 이중 반사경 안테나와 다른 복사특성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.
There are many researches to increase bandwidth of the microstrip patch antenna for wireless LAN. In spite of broad bandwidth, Bow-Tie microstrip patch antenna, broadband microstrip patch antenna, has disadvantages that are low gain and big size. In this paper, stacked Bow-Tie microstrip patch antenna for wireless LAN is designed in 5.725∼5.825㎓ band. This antenna has characteristics that are broadband bandwidth, high gain and small size compared with microstrip patch antenna. In simulated results, the return loss is -34.2㏈ at 5.78㎓ and bandwidth is 11.345% for VSWR 2:1 and 7.75% for VSWR 1.5:1. In measured results, the return loss is -38.45㏈ at 5.78㎓ and bandwidth is 13% for VSWR 2:1 and 5.6% for VSWR 1.5:1. It has 59.37$^{\circ}$-3㏈ beam width and 6.5㏈ gain.
본 논문에서는 밀리미터파대역에서 동작하는 H면 여파기 결합 안테나를 제안하였다. 여파기 결합 안테나는 여파기가 안테나에 삽입된 형태이며 안테나의 반사손실을 줄이고 지향성을 높이기 위하여 다층의 유전체 렌즈가 결합되었다. 도파관 형태의 여파기와 안테나는 가상의 도체벽을 형성하는 via의 배열을 PCB기판에 구현함으로서 크기의 감소를 꾀하였으며 안테나와 여파기를 일반적인 도파관에서 설계한 후 PCB 기판에 축소하여 구현한 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.
본 논문에서는 IEEE 802.11 기반의 WLAN(5.2/5.8GHz)대역에서 동작하는 바람개비 모양의 마이크로스트립 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 안테나의 크기는 $17.4{\times}17.4mm^2$이며 FR-4 기판을 사용하였다. 이동성을 위해 소형화하였고, 바람개비 패치 모양에 U-slot 및 Short-pin을 삽입하여 이중대역 공진특성 및 적절한 대역폭을 만족하도록 하였다. 또한 단일 양면기판을 사용하였고, 시뮬레이션설계는 바람개비 모양과 U-slot 및 Short-pin의 위치 변화, 패치길이를 최적화하여 제작 및 측정하였다. 제작한 안테나의 대역폭(Return loss<-10dB)은 5.2~5.8GHz대역에서 695MHz의 대역폭을 얻었다. H면과 E면 방사패턴의 3-dB 빔폭이 각각 $81.13^{\circ}$, $85.43^{\circ}$로 넓은 빔폭을 얻었다. 또한 3.17~4.85dBi의 이득을 얻었다.
차량용 레이더(automotive radar)는 크기, 무게, 비용 등의 문제로 적은 수의 수신 채널을 가진 안테나를 사용한다. 이때, 스펙트럼 추정 기법 중 하나인 relaxation(RELAX) 기법을 이용하면, 표적의 방위각뿐만 아니라, 빔 내에 존재하는 표적의 개수 추정 또한, 가능하다. 하지만, 차량용 레이더의 적은 수신 채널 개수로 인하여, 정밀하지 않은 각도 영역에서의 스펙트럼 추정이 이루어지며, 이는 부정확한 방위각 추정 성능을 야기한다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 minimum length description(MDL) 기준을 통한 표적 개수의 추정과 결부한 root-multiple signal classification(root-MUSIC) 기법을 이용하여 표적의 정확한 방위각을 추정하도록 제안한다. 시뮬레이션에서는 세 점 표적들이 안테나 빔 내에 존재할 때, 제안한 방법이 더 나은 방위각 추정 결과를 도출할 수 있음을 보인다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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