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표제지

요약

Abstract

목차

약어목록 13

제1장 서론 14

제2장 도파관 안테나 이론 18

2.1. 구형 도파관 이론 18

2.1.1. 구형 도파관 개요 18

2.1.2. 구형 도파관 이론 19

2.1.3. 구형 도파관의 급전방식 28

2.2. 배열 안테나 이론 29

2.2.1. 안테나의 배열 이론 29

2.2.2. 선형 배열 안테나 30

2.2.3. 평면 배열 안테나 31

2.3. 기판 집적 도파관(SIW) 이론 33

2.3.1. 기판 집적 도파관 개요 33

2.3.2. 기판 집적 도파관 설계 이론 34

제3장 SIW 2차원 배열 안테나 설계 39

3.1. SIW를 이용한 안테나의 2차원 배열법 제안 39

3.2. 단일 배열 소자 설계 및 시뮬레이션 43

3.2.1. 단일 배열 소자 설계 43

3.2.2. 단일 배열 소자 시뮬레이션 47

3.3. 1×2 배열 안테나 설계 및 시뮬레이션 50

3.3.1. 1×2 배열 안테나의 설계 및 방사패턴 예측 50

3.3.2. 1×2 배열 안테나의 전자계적 해석과 회로적 해석 54

3.3.3. 1×2 배열 안테나의 시뮬레이션 결과 58

3.4. 2×2 배열 안테나 설계 및 시뮬레이션 61

3.4.1. 2×2 배열 안테나의 설계 및 방사패턴 예측 61

3.4.2. 2×2 배열 안테나의 시뮬레이션 결과 70

3.5. 설계 결과에 대한 고찰 72

제4장 2차원 SIW 배열 안테나의 제작 및 측정 75

4.1. 2차원 SIW 배열 안테나의 제작 75

4.2. 2차원 SIW 배열 안테나의 측정 79

4.3. 2차원 SIW 배열 안테나의 측정 결과 및 고찰 81

4.3.1. 측정 결과 81

4.3.2. 측정 결과 고찰 85

제5장 결론 87

참고문헌 89

표목차

표 2.1. 표준 구형 도파관 사양 20

표 3.1. 배열 설계의 각 단계별 시뮬레이션 결과 비교표 72

표 4.1. 설계된 안테나의 시뮬레이션과 측정값 비교표 85

그림목차

그림 2.1. 일반적인 구형 도파관 모습 19

그림 2.2. 도파관 내 전파유형 21

그림 2.3. TE10모드일 때 전계(Ez)의 분포(이미지참조) 25

그림 2.4. 도파관 높이(b)에 따른 감쇠 경향 27

그림 2.5. 정전결합을 이용한 급전 방식 28

그림 2.6. N개의 전류소의 선형 배열 30

그림 2.7. 평면 배열 안테나의 구조 32

그림 2.8. SIW 전송선로의 구조 33

그림 2.9. TE10모드에서 SIW의 표면전류분포(이미지참조) 35

그림 2.10. SIW 전송선로와 구형 도파관 36

그림 2.11. SIW 안테나의 종류 38

그림 3.1. 제안한 2×2 SIW 배열 안테나 구조 40

그림 3.2. SIW 배열 안테나 설계 순서도 42

그림 3.3. 비아 홀의 직경(d)이 2 mm일 때 비아 홀 간의 거리(s)와 SIW 의 폭에 따른 SIW 유효 길이(weff) 44

그림 3.4. 도파관 두께에 따른 감쇠 46

그림 3.5. 단일 SIW 배열 소자의 구조와 단면도 47

그림 3.6. 최적화된 단일 SIW 배열 소자의 반사손실 48

그림 3.7. 최적화된 단일 SIW 배열 소자의 반사손실과 방사패턴 49

그림 3.8. 단일 배열 소자의 방사 패턴과 1×2 배열의 예측 방사패턴 51

그림 3.9. 1×2 배열 안테나의 전체 구조 53

그림 3.10. 1×2 배열 안테나 각 부분에 형성되는 전계 55

그림 3.11. 전력분배기의 등가 회로와 산란계수 결과 57

그림 3.12. 1×2 배열 안테나의 반사 손실 시뮬레이션 결과 58

그림 3.13. 1×2 배열 안테나의 방사패턴 시뮬레이션 결과 60

그림 3.14. 1×2 배열의 방사 패턴과 2☓2 배열의 예측 방사패턴 61

그림 3.15. 2×2 배열 안테나의 윗면, 측면, 아랫면의 부분적 구조 63

그림 3.16. 2×2 배열 안테나 각 부분에 형성되는 전계 65

그림 3.17. 전력분배부와 배열 안테나에서 전계의 x축 단면 67

그림 3.18. 설계된 전력분배기의 회로적 해석 69

그림 3.19. 시뮬레이션 된 2×2 배열 안테나의 반사손실 결과 70

그림 3.20. 시뮬레이션 된 2×2 배열 안테나의 방사패턴 결과 71

그림 3.21. 각 설계 단계에 따른 방사 특성 경향 73

그림 3.22. 설계된 배열 안테나의 4×7 배열 실제 이득 74

그림 4.1. 변경된 제작 과정 76

그림 4.2. 제작 과정과 제작된 안테나의 모습 77

그림 4.3. 제작된 안테나의 윗면, 아랫면의 구조 78

그림 4.3. 안테나의 측정 환경 79

그림 4.4. 무반사실 내에서의 측정 사진 80

그림 4.5. 측정된 반사 손실과 시뮬레이션을 통한 반사 손실 81

그림 4.6. 측정된 방사패턴 83

그림 4.7. 주파수에 따른 이득 경향 84

초록보기

 본 논문에서는 기판 집적 도파관(Substrate Integrated Waveguide, SIW) 기술을 이용하여 2차원 배열된 X-밴드 용 도파관 개구 안테나를 제안하고 기판 집적 도파관의 개구면을 2차원 배열한 구조의 타당성이 설계, 제작 및 측정을 통해 검증되었다. SIW 개구 안테나는 H-평면에서만 배열하던 기존의 방식이 아닌 E-평면과 H-평면 모두에서 배열을 구현하여 개구면을 2차원 배열한 복사소자이다. 2차원 배열을 함으로써 혼(Horn)의 형태로 개구면을 넓히거나 유전체 슬래브를 부착하는 추가 구조 없이, E-평면에서의 반전력빔폭을 좁힐 수 있다는 장점을 갖고 있기 때문에 외부 환경에 노출되는 유전체 슬래브의 단점과 개구면의 물리적 너비가 넓어진다는 혼 구조의 단점을 극복할 수 있다.

제안한 SIW 개구 안테나의 검증을 위해, 배열 소자인 SIW 개구 안테나의 동작 주파수는 X-밴드의 10 GHz로 정하여 설계하였다. 단일 배열소자를 설계 및 검증하고 다음으로 H-평면으로 1×2 배열을 설계하여 검증한 후, 마지막으로 E-평면으로 배열하여 2×2 배열을 완성하여 검증하는 순서로 2×2 배열을 설계 및 검증하였다. 모든 과정은 시뮬레이션 결과 및 이론식에 의한 수치적 계산 및 검증을 통하여 이뤄졌다. 2×2 SIW 배열 개구 안테나는 크게 급전부, 전력분배부, 배열 안테나 부로 구성되었으며 배열 안테나 부는 2층으로 구성되어 1층 당 2개의 배열 소자가 H-평면으로 배열되도록하여 총 4개의 SIW 개구 안테나가 2×2 배열로 구성되었다.

제작 및 측정 결과, 안테나의 대역폭은 VSWR < 2 기준으로 10.08 GHz –10.23 GHz(1.5 %) 대역에서 반사 손실을 만족하였고 특히, 중심 주파수 10.16 GHz에서는 -15.20 dB의 반사 손실과 5.06 dB 이상의 이득, 그리고 E-평면과 H-평면에서 각각 74°, 41°의 반전력빔폭을 갖는 방사패턴을 나타냄으로써 단일 SIW 개구 안테나에 비해 E-평면에서의 반전력 빔폭이 좁아지는 특성을 나타내는 이론적인 예측에 부합하는 결과를 나타내었다. 또한 동일한 개구면적을 갖도록 배열할 시, 표준 이득 혼 안테나(SGA-90)과 비교하여 이론적으로 1 dB 이상의 이득을 갖는 것으로 확인되었다.

제안된 SIW 배열 개구 안테나는 X-밴드 이외의 주파수에서도 충분히 동작하도록 설계가 가능하고 유전체 슬래브를 추가하거나 혼 구조의 개구면을 적용하는 등의 구조적 적용이 없이도 E-평면에서의 반전력빔폭을 줄이는 특성을 보이므로 배열의 개수를 더 증가시켜 차량이나 선박, 항공기에 레이더 및 초고주파 센서 등, 좁은 빔폭을 갖는 복사소자가 필요한 다양한 응용분야에 적용 가능하고 제작의 용이성을 통한 제작 비용 감소와 같은 효과를 낼 수 있을 것이라 사료된다.

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