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        고이득 특성을 갖는 성형 빔 안테나에 대한 연구

        엄순영,윤재훈,전순익,김창주,Eom, Soon-Young,Yun, Je-Hoon,Jeon, Soon-Ick,Kim, Chang-Joo 한국전자파학회 2007 한국전자파학회논문지 Vol.18 No.1

        본 논문은 단위 방사 소자의 이득을 증가시키기 위한 성형 빔 안테나에 관한 것이다. 제안하는 안테나 구조는 크게 여기 소자와 다층 원형 도체 배열 구조로 구성된다. 광대역에 걸쳐 전자파 전력이 다층 원형 도체 배열로 방사하기 위한 여기 소자로 스택 마이크로스트립 패치 소자가 사용되었으며, 고이득 빔 성형을 위한 지향 소자의 역할을 담당하는 다층 원형 도체 배열 소자들은 여기 소자 위에 주기적으로 유한하게 적층되었다. 제안하는 안테나가 고이득 특성을 얻기 위해서는 여기 소자와 다층 원형 도체 배열 소자들 간의 효율적인 전력 결합이 이루어져야 하며, 이를 위해 주어진 설계 규격에 따라 여기 소자 및 다층 원형 도체 배열 소자들의 설계 변수들은 함께 최적화되어야 한다. 본 연구에서는 고이득 성형 빔 안테나는 $9.6{\sim}10.4\;GHz$ 주파수 대역 및 선형 편파 조건하에서 최적화 설계되었으며, 또한 안테나의 다층 원형 도체 배열 소자들을 구현하는 2가지 방법 즉, 얇은 유전체 필름을 이용하는 방법과 유전체 폼을 이용하는 방법들도 제안되었다. 특히, 유전체 필름을 이용하는 안테나에 대해서는 컴퓨터 시뮬레이션 과정을 통해, 원형 도체 배열 소자들의 적층 수에 따른 안테나의 전기적인 성능 변화들을 보여주었다. 유전체 필름(Type 1)과 유전체 폼(Type 2)을 이용한 2종류의 안테나 시제품들을 제작하였으며, 얇은 유전체 필름을 이용한 안테나 시제품에 대해선 시뮬레이션 된 전기적 성능 결과와 비교를 위해 원형 도체 배열 적층 수에 따른 안테나의 전기적인 성능 변화들을 실험하였다. 측정된 이득 성능은 시뮬레이션 이득 성능과 거의 유사한 결과를 보여주었으며, 원형 도체 적층 수에 따라 안테나 이득 변화는 주기성을 보였다. 10 GHz 중심 주파수에서 측정된 Type 1 안테나의 전기적 성능은 원형 도체 배열을 10개 적층(disk10)하였을 때, 15.65 dBi의 최대 안테나 이득과 11.4 dB 이상의 입력 반사 손실 성능을 보여 주었으며, 다층 원형 도체 배열 구조에 의해 약 5 dB의 이득 향상 효과를 얻을 수 있었다. 또한, 원형 도체를 12개 적층하였을 때, 외곽 유전체 링 효과에 의해 Type 1 안테나는 Type 2 안테나보다 상대적으로 약 1.35 dB 만큼 이득이 더 높았으며, 각 안테나의 3 dB 빔 폭은 각각 약 $28^{\circ}$와 $36^{\circ}$로 측정되었다. This paper describes a shaped-beam antenna for increasing the antenna gain of a radiating element. The proposed antenna structure is composed of an exciting element and a multi-layered disk array structure(MDAS). The stack micro-strip patch elements were used as the exciter for effectively radiating the electromagnetic power to the MDAS over the broadband, and finite metallic disk array elements - which give the role of a director for shaping the antenna beam with the high gain - were finitely and periodically layered onto it. The efficient power coupling between the exciter and the MDAS should be carried out in such a way that the proposed antenna has a high gain characteristic. The design parameters of the exciter and the MDAS should be optimized together to meet the required specifications to meet the required specifications. In this study, a shaped-beam antenna with high gain was optimally designed under the operating conditions with a linear polarization and the frequency band of $9.6{\sim}10.4\;GHz$. Two methods constructed using thin dielectric film and dielectric foam materials respectively were also proposed in order to implement the MBAS of the antenna. In particular, through the computer simulation process, the electrical performance variations of the antenna with the MDAS realized by the thin dielectric film materials were shown according to the number of disk array elements in the stack layer. Two kinds of antenna breadboard with the MDAS realized with the thin dielectric film and dielectric foam materials were fabricated, but experimentation was conducted only on the antenna breadboard(Type 1) with the MDAS realized with the thin dielectric film materials according to the number of disk array elements in the stack layer in order to compare it with the electrical performance variations obtained during the simulation. The measured antenna gain performance was found to be in good agreement with the simulated one, and showed the periodicity of the antenna gain variations according to the stack layer number of the disk array elements. The electrical performance of the Type 1 antenna was measured at the center frequency of 10 GHz. As the disk away elements became the ten stacks, a maximum antenna gain of 15.65 dBi was obtained, and the measured return loss was not less than 11.4 dB within the operating band. Therefore, a 5 dB gain improvement of the Type 1 antenna can be obtained by the MDAS that is excited by the stack microstrip patch elements. As the disk array elements became the twelve stacks, the antenna gain of the Type 1 was measured to be 1.35 dB more than the antenna gain of the Type 2 by the outer dielectric ring effect, and the 3 dB beam widths measured from the two antenna breadboards were about $28^{\circ}$ and $36^{\circ}$ respectively.

      • KCI등재후보

        구형 빔 패턴 형성을 위한 다층 원형 도체 배열 구조의 최적화 연구

        엄순영,박한규 한국전자파학회 2003 한국전자파학회논문지 Vol.14 No.10

        본 논문에서는 $\pm$20$^{\circ}$의 구형 빔 패턴 형성을 위한 삼차원 다층 원형 도체 배열 구조의 최적화 설계 변수들에 대하여 연구하였다. 원형 도파관 여기에 의한 다층 원형 도체 배열 구조의 각 방사 소자는 입력 원형 도파관, 임피이던스 정합용 원형 도파관, 방사 원형 도파관 그리고 그 위에 적층된 유한개의 원형 도체 배열층들로 구성되며, 각 방사 소자들은 원추형 빔 스캐닝에 적합한 정육각형 격자 배열 구조를 이룬다. 본 논문에서는 다층 원형 도체 배열 구조에 대한 해석 알고리듬을 제시하고, 이것을 프로그램 코드화하여 최적화 설계 변수 추출을 위한 다양한 설계 변수 변화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, 다층 원형 도체 배열 구조의 구형 빔 패턴 및 반사 계수에 대한 대역폭 특성을 살펴 보았으며, 그 결과 다층 원형 도체 배열 구조는 최소한 5.6 %의 주파수 대역폭내에서 $\pm$20$^{\circ}$의 양호한 구형 빔 패턴을 형성함을 알 수 있었다. In this paper, a study on optimization of three dimensional multi-layered metallic disk array structure(MDAS) excited by circular waveguides was performed to shape efficient flat-topped element patterns(FTEP) of ${\pm}$20$^{\circ}$ beam width. Each radiating element of the MDAS is composed of input, transition and radiation circular waveguides and finite metal disks stacked on radiation circular waveguide. It has an array structure of a hexagonal lattice appropriate for the conical beam scanning. The analytic algorithm for the MDAS was proposed and the code was also programmed using it. Optimal design parameters of the MDAS were determined through the optimal simulation process to obtain ${\pm}$20$^{\circ}$ FTEP. Also, bandwidth characteristics for FTEP and reflection coefficients of the MDAS were investigated and, as the results, it was shown that the MDAS could shape good FTEPs of ${\pm}$20$^{\circ}$ beam width in main planes at least within a 5.6 % frequency band.

      • KCI등재

        광대역 위성 통신/방송용 삼중 대역 이동형 안테나 시스템 설계에 관한 연구

        엄순영,정영배,손성호,윤재승,전순익,Eom Soon-Young,Jung Young-Bae,Son Seong-Ho,Yun Jae-Seung,Jeon Soon-Ick 한국전자파학회 2006 한국전자파학회논문지 Vol.17 No.5

        본 논문은 Ka/K 통신 대역 및 Ku 방송 대역에서 동작하는 무궁화 3호 정지 궤도 위성을 이용하여 화상 전화, 인터넷과 같은 위성 멀티미디어 및 방송 서비스를 제공하는 이동체 탑재형 안테나 시스템 설계에 관한 것이다. 앙각 방향으로 팬 빔 특성을 갖는 안테나 시스템의 방사부는 준-오프셋 이중 성형 반사판과 삼중 대역 급전기로 구성된다. 또한, 삼중 대역 급전기는 돌출 유전체 막대를 이용한 Ka/K 이중 대역 급전기 및 원형 편파기, 직교 모드 변환기 그리고 Ku 대역 원형 편파 급전 배열로 구성된다. 특히, Ka/K 이중 대역 원형 편파기는 제작이 용이한 comb 구조를 사용하여 구현되었다. Ku 대역 급전 배열은 이동시 위성을 고속으로 추적하기 위하여 전자 빔을 형성할 수 있는 $2{\times}2$ 능동 위상 배열 구조를 갖는다. 그리고, 급전 배열에서 $90^{\circ}$ 하이브리드 결합기를 이용하여 원형 편파를 생성하는 4개의 방사 소자들을 $90^{\circ}$씩 회전하여 배열함으로써 원형 편파 특성을 개선하였다. Ku 대역 전자 빔을 생성하는 4개의 빔 성형 채널은 출력에서 주 빔 채널 및 추적 빔 채널로 구분되며, 각 채널의 내부 구성 유니트들의 잡음 온도 기여도를 바탕으로 채널 잡음 온도 특성을 분석하였다. 제작된 안테나 시스템으로부터 측정된 Ka 송신 채널의 $P_{1dBc}$ 출력은 34.1 dBm 이상, K/Ku 수신 채널의 잡음 지수는 각각 2.4 dB 및 1.5 dB 이하의 전기적인 성능들을 보여주었다. 안테나 시스템은 근접 전계 측정 방법을 사용하여 삼중 대역에서의 주 편파 및 교차 편파 방사 패턴들을 측정하였다. 특히, Ku 대역의 방사 패턴 측정은 급전 배열들의 독립 여기에 의한 부분 방사 패턴들을 측정하여 각 능동 채널들의 초기 위상들을 보정한 후 이루어졌다. 안테나 시스템의 Ka/K/Ku 대역에서 측정된 안테나 이득은 각각 39.6 dBi, 37.5 dBi, 29.6 dBi 이상이었으며, 그리고 Ka 대역 송신 EIRP는 43.7 dBW 이상, K/Ku 대역 수신 감도 G/T는 각각 13.2 dB/K와 7.12 dB/K 이상의 우수한 시스템 성능들을 보여주었다. In this paper, it is described about the tri-band mobile antenna system design to provide broadband multimedia and direct broadcasting services using goo-stationary Koreasat 3, simultaneously operated in Ka/K/Ku band. The radiating part of the antenna system with a fan beam characteristic in the elevation plane is composed of the quasi-offset dual shaped reflector and the tri-band feeder. The tri-band feeder is also composed of the Ka/K dual band feeder with the protruding dielectric rod, the circular polarizer, the ortho-mode transducer and the circular-polarized Ku band feed array. Especially, the Ka/K dual band circular polarizer was realized firstly using the comb-type structure. For fast satellite-tracking on the movement, the Ku band feed array has the structure of the $2{\times}2$ active phased array which can make electrical beams. And, the circular-polarized characteristic in the feed array was improved by $90^{\circ}$ rotating arrangement of four radiating elements polarized circularly by a $90^{\circ}$ hybrid coupler, respectively. Four beam forming channels to make electrical beams at Ku band are divided into the main beam channel and the tracking beam channel in the output, and noise temperature characteristics of each channel were analyzed on the basis of the contributions of internal sub_units. From the fabricated antenna system, the output power at $P_{1dBc}$ of Ka_Tx channel was measured more than 34.1 dBm and the measured noise figures of K/Ku_Rx channels were less than 2.4 dB and 1.5 dB, respectively, over the operating band. The radiation patterns with co- and cross-polarization in the tri-band were measured using a near-field measurement in the anechoic chamber. Especially, Ku radiation patterns were measured after correcting each initial phase of active channels with partial radiation patterns obtained from the independent excitation of each channel. The antenna gains measured in Ka/K/Ku band of the antenna system were more than 39.6 dBi, 37.5 dBi, 29.6 dBi, respectively. And, the antenna system showed good system performances such as Ka_Tx EIRP more than 43.7 dBW and K/Ku_Rx G/T more than 13.2 dB/K and 7.12 dB/K, respectively.

      • KCI등재후보

        교차 다이폴 소자 여기에 의한 다층 원형 도체 배열 구조의 구형 빔 패턴 형성에 관한 실험적 연구

        엄순영,박한규 한국전자파학회 2003 한국전자파학회논문지 Vol.14 No.7

        본 논문에서는 원형 편파의 구형 빔 패턴을 효율적으로 형성하기 위하여 교차 다이폴 소자로 여기되는 다층 원형 도체 배열 구조(MDAS)를 제안하였다. 다이폴 방사 소자 여기에 의한 MDAS는 전체 배열 안테나의 부피 및 무게를 줄일 수 있는 장점이 있으므로 비교적 낮은 주파수 대역 응용에 적합하다. 이러한 구조의 유효성을 검증하기 위하여 X 대역(7.9~8.4 GHz)에서 동작하는 MDAS 시제품을 제작하였으며, 설계 변수들은 설계 경험을 바탕으로 실험적으로 최적화하였다. 실험 결과는 교차 다이폴 소자에 의한 MDAS가 최소한 6.1 % 대역폭내에서 $\pm$20$^{\circ}$의 양호한 구형 빔 패턴을 형성함을 보여주었다. In this paper, a multi-layered metallic disk array structure(MDAS) excited by cross-dipole elements was proposed for efficiently shaping of flat-topped element patterns(FTEP) with circular polarization. The MDAS excited by cross-dipole elements has advantages to decrease in volume and weight of an overall array antenna and so, it is appropriate for the FTEP applications of a ralativlely low frequency band. In order to verify the effectness of this structure, the MDAS breadboard operated at X-band(7.9 ∼ 8.4 GHz) was fabricated, and its design parameters were experimentally optimized on the basis of the previous design experience. The experimental results were shown that the MDAS could shape good FTEPs of ${\pm}$20$^{\circ}$beam width at least within a 6.1 % frequency band.

      • KCI등재후보

        강한 위상 산란 특성을 갖는 회로망을 이용한 새로운 광대역 180°위상 천이기에 대한 연구

        엄순영 한국전자파학회 2003 한국전자파학회논문지 Vol.14 No.4

        본 논문에서는 새로운 스위치 회로망을 사용하는 광대역 위상 천이기 구조를 제안하였다. 새로운 기준 회로 망은 결합 선로 및 45$^{\circ}$단락 및 개방 스터브들로 각각 구성되며, 지연 회로망은 표준 전송 선로로만 구성된다. 결합 선로의 우모드 및 기모드 임피던스 비 R에 따른 위상 산란 특성과 주 전송 선로의 특성 임피던스 Zm 및 단락 및 개방 스터브들의 특성 임피던스로 Zm에 의한 보다 강한 위상 산란 특성을 함께 사용하므로 광대역 180$^{\circ}$위상 천이기 설계가 가능하다. 제안된 위상 천이기에 대한 이론적인 산란 매개변수들을 얻기 위하여, 구조의 대칭성을 고려하여 우모드 및 기모드 해석 방법을 사용하였으며, 또한, 유도된 수식들을 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 최적의 180$^{\circ}$광대역 위상 천이기 설계를 위한 설계 그라프들을 제시하였다. 설계 그라프들은 Zm과 Zs의 특성 임피던스 값들과 입출력 정합 및 위상 대역폭 값들을 제공한다. 본 논문에서 제안하는 광대역 위상천이기의 전기적인 성능들을 검증하기 위하여, 설계 그래프를 이용하여 3종의 180$^{\circ}$위상 천이기들과 성능 비교를 위해 표준 쉬프만 구조의 180$^{\circ}$위상 천이기를 설계 및 제작하고 실험을 수행하였다. 입출력 임피던스 정합(VSWR=1.15:1) 및 최대 위상 오차$({\varepsilon}_{{\Delta}{\phi}}={\pm}2^{\circ})$설계 조건들을 동시에 만족하는 각 위상 천이기의 실험 결과들은 시뮬레이션 결과들과 잘 일치하였으며, 또한 광대역 특성들을 보여주었다. In this paper, a broadband phase shifter structure using a new switched network was proposed. A new reference network is composed of coupled lines and 45$^{\circ}$open and short stubs, which are shunted at the edge points of a main line, respectively, A delay network is composed of only a standard transmission line. It is possible to design a broadband 180$^{\circ}$phase shifter that phase dispersive characteristics by an impedance ratio R of coupled lines and greater phase dispersive characteristics by characteristic impedances Zm, Zs of a main line and stubs are used together. By considering a structure symmetry, the even and odd mode analysis was performed to obtain theoretical S-parameters of the proposed phase shifter. Also, through computer simulation on the basis of derived equations, design graphs were presented to optimally design a 180$^{\circ}$broadband phase shifter. Design graphs provide the values of characteristic impedances Zm, Zs, and I/O match and phase bandwidths. To verify electrical performances of the broadband phase shifter proposed in this paper, low different 180$^{\circ}$phase shifters, operated at the center frequency 3 GHz were designed and fabricated using design graphs, and were experimented. One of them was designed as a standard Schiffman structure to compare with electrical performances. Measured results of each phase shifter to satisfy simultaneously design conditions of I/O match (VSWR=1.15:1) and maximum phase deviation $({\varepsilon}_{{\Delta}{\phi}}={\pm}2^{\circ})$ were well in agreement with corresponding simulation results over impedance match and phase error bandwidths, and showed broadband characteristics.

      • KCI등재

        구형 빔 패턴 형성을 위한 MDAS-DR 안테나에 대한 연구

        엄순영,윤재훈,전순익,김창주,Eom, Soon-Young,Yun, Je-Hoon,Jeon, Soon-Ick,Kim, Chang-Joo 한국전자파학회 2007 한국전자파학회논문지 Vol.18 No.3

        본 논문에서는 구형 빔 패턴을 효율적으로 형성하기 위한 새로운 MDAS-DR 안테나 구조를 제안하였다. 안테나 구조는 크게 스택 마이크로스트립 패치 여기 소자, 다층 원형 도체 배열 소자들과 그 주위를 에워싸고 있는 유전체 링으로 구성된다. 다층 원형 도체 배열 구조는 스택 마이크로스트립 패치 여기 소자에 의해 방사 전력을 공급 받아 그 주변의 유전체 링과의 전기적 상호 결합 작용에 의해 원거리에서 구형 빔 방사 패턴을 형성할 수 있다. 유전체 링 구조의 설계 변수는 다층 원형 도체 배열 구조의 설계 변수와 더불어 구형 빔 패턴 형성에 중요한 설계 변수들로서 구형 빔 안테나를 위해 12개의 다층 원형 도체 배열과 유전율이 2.05인 테프론 유전체가 사용되었다. 제안된 안테나 구조의 유효성을 검증하기 위하여 10 GHz 대역$(9.6\sim10.4\;GHz)$에서 동작하는 안테 나를 설계하였으며, 시뮬레이션에는 삼차원 안테나 구조 해석에 적합한 상용 CST Microwave $Studio^{TM}$ 시뮬레이터가 사용되었다. 또한, 안테나 시제품을 제작한 후 무반사실 안테나 챔버에서 전기적 특성들을 측정하였다. 구형 빔 패턴 형성을 갖는 안테나 시제품의 측정 결과들은 시뮬레이션 결과들과 잘 일치하였으며, 측정 결과들로부터 MDAS-DR 안테나의 10 GHz에서의 측정 이득은 11.18 dBi이었으며, 최소한 8.0 % 대역 폭 내에서 약 $40^{\circ}$의 양호한 구형 빔 패턴을 형성함을 확인할 수 있었다. In this paper, a new MDAS-DR antenna structure designed to efficiently shape a flat-topped radiation pattern is proposed. The antenna structure is composed of a stacked micro-strip patch exciter and a multi-layered disk array structure(MDAS) surrounded by a dielectric ring. The MDAS, which was supplied by a stacked microstrip patch exciter with radiating power, can form a flat-topped radiation pattern in a far field by a mutual interaction with the surrounding dielectric ring. Therefore, the design parameters of the dielectric ring and the MDAS structure are important design parameters for shaping a flat-topped radiation pattern. The proposed antenna used twelve multi-layered disk array elements and a Teflon material with a dielectric constant of 2.05. An antenna operated at 10 GHz$(9.6\sim10.4\;GHz)$ was designed in order to verify the effectiveness of the proposed antenna structure. The commercial simulator of CST Microwave $Studio^{TM}$, which was adapted to a 3-D antenna structure analysis, was used for the simulation. The antenna breadboard was also fabricated and its electrical performance was measured in an anechoic antenna chamber. The measured results of the antenna breadboard with a flat-topped radiation pattern were found to be in good agreement with the simulated one. The MDAS-DR antenna gain measured at 10 GHz was 11.18 dBi, and the MDAS-DR antenna was capable of shaping a good flat-topped radiation pattern with a beam-width of about $40^{\circ}$, at least within a fractional bandwidth of 8.0 %.

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