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요약
ABSTRACT
목차
제1장 서론 17
제2장 이론적 배경 23
2.1. 안테나 기본이론 23
2.1.1. 안테나 동작 원리 23
2.1.2. 안테나 기본 파라미터 25
2.1.3. 안테나 측정 기술 43
2.2. FDTD를 이용한 안테나 수치해석 기법 54
2.2.1. FDTD 기법의 기본이론 54
2.2.2. FDTD 기법에 의한 안테나 파라미터 계산 59
2.2.3. FDTD 기법의 대형 구조체 해석 용이성 60
2.3. FEM을 이용한 안테나 수치해석 기법 61
2.3.1. FEM 기법의 기본 이론 61
2.3.2. FEM 기법에 의한 안테나 이득계산 65
제3장 위상 배열 안테나 설계 절차 66
3.1. 요구 규격 66
3.2. 단일안테나 설계 개념 68
3.3. 배열안테나 설계 개념 73
제4장 테이퍼 슬롯 구조를 이용한 단일안테나 설계 76
4.1. 테이퍼 슬롯 구조를 이용한 단일 안테나 구조 76
4.2. 시뮬레이션 결과 77
4.3. 안테나의 성능 측정을 위한 구조 80
제5장 테이퍼 슬롯 구조를 이용한 위상 배열안테나 설계 81
5.1. 주기구조를 이용한 배열 안테나 설계 방법 81
5.2. 능동반사계수시뮬레이션 결과 84
5.3. 능동복사패턴시뮬레이션 결과 87
5.4. 13×13 배열안테나 설계 및 시뮬레이션 결과 89
제6장 13×13 배열안테나 제작 및 측정과 분석 95
6.1. 13×13 배열안테나의 제작 95
6.2. 능동반사계수 측정 결과 103
6.3. 능동복사패턴 측정결과 107
6.4. 커플링 계수 측정 결과 111
6.5. 요구 규격 대비 설계 및 구현 성능의 만족 여부 112
제7장 결론 113
참고문헌 114
그림2-1. 다이폴 안테나의 방사원리 25
그림2-2. 안테나 해석을 위한 좌표계 28
그림2-3. 안테나의 대표적인 전방향성 패턴 29
그림2-4. 피라미드형 혼 안테나의 기본 E-평면 패턴 및 H-평면 패턴 30
그림2-5. 안테나의 방사엽과 빔폭 32
그림2-6. 시간의 변화에 따른 평면파의 회전과 편파타원 40
그림2-7. 송신 안테나와 그 등가회로 42
그림2-8. 구면파가 조사된 경우 원거리에서피측정... 47
그림2-9. 안테나 방사패턴 측정에 사용되는 구면 좌표계 48
그림2-10. 전형적인 안테나 범위 측정을 위한 장비 구성 50
그림2-11. 방위각-고각 위치 조정기 및 고각-방위각 위치 조정기 51
그림2-12. 직교 및 극좌표 패턴을 측정하기 위한 대표적인 장비구성 53
그림2-13. 자계와 전계성분 해석을 위해 모델화 한 Yee 격자구조 56
그림2-14. FDTD 흐름도 58
그림2-15. 사면체 요소 62
그림3-1. 테이퍼 슬롯 안테나의 기본 구조 69
그림3-2. radial stub를 갖는 테이퍼 슬롯 안테나 구조 70
그림3-3. 테이퍼 슬롯 안테나의 테이퍼 모양 설계 파라미터 72
그림4-1. 최적화된 단일안테나 구조 76
그림4-2. 최적화 구조로 시뮬레이션 한 반사손실(S₁₁) 77
그림4-3. 단일 복사소자 2D 방사패턴 78
그림4-4. 단일 복사소자 3D 방사패턴 79
그림5-1. 주기구조를 이용한 안테나 설계구조 82
그림5-2. 무한배열안테나의 특성을 갖는 6각형 주기구조 모양 83
그림5-3. 각도에 따른 능동반사계수(ARC) 결과 84
그림5-4. 점검구조 있을 때와 없을 때 주기구조를 이용한 안테나 구조 85
그림5-5. 비아 홀의 영향에 따른 능동반사계수 결과 86
그림5-6. 주기구조를 이용한 능동복사패턴 결과 88
그림5-7. 주기구조를 이용한 안테나의 3D 방사패턴 88
그림5-8. 13×13 배열안테나 구조 89
그림5-9. 전체복사소자(169개)의 반사손실(S11) 90
그림5-10. 중심소자(N85)와 나머지 168개 소자에 대한 분리도... 90
그림5-11. 중심소자에서의 13×13 배열 능동복사패턴 시뮬레이션 결과(Realized... 91
그림5-12. 13×13 배열 능동복사패턴 시뮬레이션 결과(Average) 92
그림5-13. 설계된 13×13 배열안테나의 중심소자에서의 능동반사계수 93
그림5-14. 설계된 13×13 배열안테나의 전체 소자에서의 능동반사계수 평균값 94
그림5-15. 13×13 빔틸트 시뮬레이션 결과 94
그림6-1. 조립된 1×13 배열안테나의 형상도 96
그림6-2. 조립된 13×13 배열안테나의 형상도 98
그림6-3. 방사체 구조를 포함한 점검구조 적층 구성도 99
그림6-4. 제작된 13×13 배열안테나의 3차 prototype 형상 100
그림6-5. 제작공정오차를 줄이기 위한 작업 102
그림6-6. 13×13배열안테나의 중심소자 반사계수와... 103
그림6-7. 3차 prototype 능동반사계수 결과 104
그림6-8. 능동반사계수 -7㏈ 이하 Percentage 값 104
그림6-9. 주파수별 전 조향 각에서의 능동반사계수 측정 결과 106
그림6-10. 3차 prototype 13×13배열안테나의 능동복사패턴 110
그림6-11. 점검구조 커플링 계수 측정결과 111
초록보기
본 논문에서는 X-Band에서 동작하는 광대역 및 광범위 빔 조향이 가능한 테이퍼 슬롯 위상배열 안테나의 설계기법을 제시하고 제작 및 측정을 통하여 성능을 분석하였다.
안테나의 성능을 만족하기 위해 전자파 특성 및 견고성, 가공성이 우수한 진행파 형태의 테이퍼 슬롯 안테나(Tapered Slot Antenna)를 위상배열 안테나의 단일 복사소자로 설계하였으며, 설계된 단일 복사소자를 이용하여 목표성능에 만족하는 체계적이고 효과적인 광대역 위상배열 안테나 구조를 제안하였다.
먼저, 위상배열안테나의 설계 목표는 X-Band에서 동작하며 방위각 ±60°, 고각 ±60°일 때 능동반사계수(Active Reflection Coefficient)는 -7dB 이하 기준 97% 이상의 성능을 가지면서, 능동소자패턴(Active Element Pattern)은 목표주파수범위에서 이득편차가 3.5dB 이내를 만족하도록 설정하였다. 또한, 위상배열 안테나의 동작여부를 점검하는 점검구조의 커플링을 -30dB ± 5dB 만족하도록 설정하였다.
두 번째로 광대역 위상배열 안테나를 구성하는 단일 테이퍼 슬롯 안테나의 초기 구조를 설계하기 위해 무한 배열 환경에 있는 테이퍼 슬롯 안테나의 등가회로 모델을 제안하였으며, 제안된 안테나의 등가회로를 이용하여 설계 목표를 만족하는 광대역 단일 테이퍼 슬롯 안테나의 초기 구조를 설계하였다.
세 번째로, 광대역 위상배열 안테나의 설계를 위해 유한요소법(FEM, Finie Element Method) 인 HFSS 시뮬레이터와 시간영역의 유한 차분법(FDTD, Finite Difference method in Time Domain)인 CST 시뮬레이터를 이용한 단계별 설계 및 시뮬레이션 기법을 제안하였다. 1단계 무한배열 안테나 설계를 통하여 단일 테이퍼 슬롯 안테나의 초기 형상을 구현하였으며, 2단계 선형배열 안테나설계를 통하여 위상배열 안테나에 적용할 수 테이퍼 슬롯 안테나를 구현하였으며, 3단계 평면위상배열 안테나 설계를 통하여 목표성능에 만족하는 빔 조향 범위에서의 빔 조향 각도에 따른 능동반사계수 특성을 분석하였다. 또한 유한 평면위상배열 안테나의 능동복사패턴을 분석하여 설계된 위상배열 안테나의 성능을 예측하였다. 또한 설계된 위상배열 안테나의 성능을 이용하여 무한평면 위상배열 안테나의 성능특성을 예측하였다.
네 번째로 제안된 안테나와 같이 배열 개수가 많은 큰 위상배열 안테나를 해석하고 또한, 위상배열안테나의 설계시간을 단축하는데 효과적인 세그멘테이션 기법(segmentation method)를 제안하였다. 세그멘테이션 기법은 설계된 테이퍼 슬롯 안테나의 복사부와급전부를 분리하여 해석 한 후 회로적 결합을 통하여 전체 특성을 효율적으로 계산하는 방법이다. 이 방법을 통해 안테나의 설계시간을 단축하였으며, 능동반사계수 특성을 해석하여 다수의 배열을 갖는 제안된 안테나의 성능을 확인하였다.
이 전체적 과정을 거친 배열안테나의 단계별 설계 및 시뮬레이션 결과로 제안하는 설계 기법의 타당성을 검증하였으며 13×13배열안테나의 시뮬레이션 능동반사계수는 설계 목표인 X-Band에서 10% 이상의 대역폭을 가진다. 아울러 97%의 범위에서 -7dB의 반사계수를 가짐을 학인하였으며, 이는 허용오차 범위내에서 요구조건을 만족한다고 할 수 있다. 또한 능동복사패턴특성의 측정 결과로부터 방위각 ±60°, 고각 ±60°의 빔 조향 범위를 만족하는 특성을 확인하였다.
제작된 광대역 위상배열 안테나의 능동반사계수 및 능동복사패턴을 측정한 결과를 통하여 설계된 위상배열 안테나의 능동반사계수 및 능동복사패턴 결과와 일치함을 확인하였다. 또한 원전계(Far-Field) 측정을 통해 설계된 위상배열 안테나의 광범위한 빔 특성을 검증하였으며, 삼각형 격자구조의 평면형 능동 위상배열 시스템은 방위각과 고각 방향으로 넓은 빔 조향하고 Grating Lobe을 최소화하는데 우수함을 확인하였다.MARC 보기
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