박중기
(Joongki Park)
1
박도현
(Do-hyun Park)
1
이호섭
(Ho-sub Lee)
1
허종완
(Jong-wan Heo)
2
권건섭
(Gun-Sup Kwon)
3†
-
(Dept. of satellite equipment, LIG Nex1, Korea)
-
(The 2nd Research and Development Institute, Agency for Defence Development, Korea)
-
(The 2nd Research and Development Institute, Agency for Defence Development, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
High-gain antenna, Hat-feed, Parabola antenna, Satellite communication
1. 서론
위성통신 서비스는 서비스 지역의 광역성과 지리적 제한사항의 극복이 가능하여 국내외에서 많이 사용되고 있다. 이러한 위성통신을 위해서는 높은 이득과
높은 효율을 갖는 안테나가 필요하다. 동시에 인접위성에는 영향성이 없어야하기 때문에 낮은 부엽준위레벨과 낮은 교차편파레벨이 필요하다.
일반적인 파라볼라 안테나는 반사면 초점에 급전구조가 위치하는 단순한 형상으로 인해 제작이 쉬운 장점을 가지나 급전부 지지 구조물에 의한 블로킹 현상으로
인해 안테나 이득 및 부엽준위 특성이 저하되는 단점을 가진다. 따라서 위성통신용 안테나로는 오프셋안테나가 사용된다
(1-4). 오프셋 안테나의 경우 급전부에 의한 블로킹 현상은 없지만 급전부가 초점에 위치하지 않아 파라볼라면에 비대칭으로 급전 신호가 공급되어 교차편파레벨이
증가한다. 이를 극복하기 위한 방법으로 파라볼라 주초점에 급전부가 위치하는 구조인 Hat-feed 안테나가 있다
(5).
Hat-feed 구조는 Kildal의 의해 제안
(6)되었으며 지지구조물 없이 부반사판 지지가 가능하여 구조물로부터 발생하는 안테나 이득 저하 및 낮은 부엽준위 레벨을 얻을 수 있다. 또한 부반사판 중앙을
기준으로 원형 코러게이션을 삽입하여 E/H-plane 패턴이 거의 대칭으로 교차편파레벨 개선이 가능하다. 하지만 좁은 대역폭을 가지고 있어 대역폭을
넓히는 연구가 활발히 진행되고 있다
(7,8).
본 논문에서는 X대역에서 동작하는 위성통신용 고이득 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 크게 급전부와 주반사판으로 나뉜다. 또한 Hat-feed
구조를 적용하여 기존 위성통신용 반사판 안테나의 급전부보다 단순화 및 경량화하였으며, 안테나 부엽준위 및 교차편파레벨은 ITU(International
Telecommunication Union)에서 규정하는 인접궤도 정지위성 간 상호 간섭에 대한 규정
(9,10)을 준수하도록 설계하였다. 2장에서는 위성통신용 고이득 안테나를 위해 급전부와 주반사판 설계과정을 나타내었다. 3장에서는 제안된 위성통신용 고이득
안테나에 대한 모의실험에서의 방사패턴과 측정된 방사패턴을 비교하였다.
2. 본론
본 논문에서 제안된 소형화된 급전부를 갖는 위성통신용 고이득 안테나는
그림. 1과 같다.
그림. 1. 제안된 위성통신용 고이득 안테나
Fig. 1. 3D model of proposed high-gain antenna for satellite
또한 높은 이득, 고효율, 경량화, 낮은 부엽준위 및 교차편파레벨을 위해 Hat-feed 타입을 적용하였다. 안테나 급전부는 부반사판, 급전혼 그리고
셉텀편파기로 구성된다. 송·수신신호는 셉텀편파기를 통해 원형편파로 변환되며, 급전혼에서 생성되는 신호는 부반사판을 거쳐 주반사판 개구면에서 평면파의
형태로 방사가 이루어진다.
또한 시스템에 요구되는 요구규격인 송신등방성방사전력과 수신성능지수를 통해 송·수신 안테나의 이득이 결정되었으며, 부엽준위 및 교차편파레벨은 ITU에서
권장하는 인접위성과의 상호 간섭 규격을 준수할 수 있도록 설계하였다. 본 논문에서 제안하는 안테나 요구규격은
표 1과 같다.
표 1. 위성통신용 고이득 안테나 요구규격
Table 1. The proposed antenna specification
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요구규격
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동작주파수
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X대역
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안테나크기
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0.5 m 이하
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이득
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수신 : 28.5 dBi 이상, 송신 : 29.3 dBi 이상
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빔폭
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수신 : 5.8° 이하, 송신 : 5.3° 이하
|
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정재파비 (VSWR)
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1.5:1 이하
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포트분리도
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-15 dB 이하
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부엽준위
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ITU-RR Ap.8 AnnexⅢ 만족
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교차편파레벨
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ITU-R S.731-1 AnnexⅠ만족 (±60° 이내)
|
2.1 급전부 설계
제안된 안테나의 급전부는 부반사판, 부반사판지지대, 원형도파관, 셉텀편파기로 구성된다. 본 논문에서 제안한 요구규격을 만족시키고 낮은 부엽준위 특성과
낮은 교차편파레벨, 부반사판부의 소형화와 경량화를 위해 부반사판 구조는 Hat-feed로 설계를 진행하였으며 단면은
그림. 2와 같다.
그림. 2. 제안된 안테나의 급전부 구조
Fig. 2. 3D model of proposed feeder structure
그림. 3은 Metal cone 높이에 따른 S-parameter 특성을 나타낸 것으로 VSWR 규격을 만족하는데 큰 어려움이 없었으나, 송·수신포트분리도의
경우 Metal cone의 높이가 각각 10.2mm와 12.2mm일 때 요구규격을 만족하는 것으로 나타났다.
그림. 3. Metal cone 높이에 따른 S-parameter 특성
Fig. 3. Simulated S-parameter characteristics for Metal cone height
그림. 4와
그림. 5는 Metal cone 높이에 따른 송·수신대역의 부엽준위 모의실험 결과이다. 특히 첫 번째 부엽준위레벨은 다른 부엽준위들에 비해 비교적 높은 값을
가지므로 안테나 설계 시 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 먼저 수신대역에서 첫 번째 부엽준위의 레벨 차가 최대 1.1dB이며, 송신대역에서는 최대
2.6dB 차이를 보였다. 이는 본 논문에서 제안한 부엽준위 요구규격을 만족하지 못하는 결과를 가져올 수 있다.
그림. 4. Metal cone 높이에 따른 수신대역 부엽준위 특성
Fig. 4. Simulated sidelobe levels in receive band for Metal cone height
그림. 5. Metal cone 높이에 따른 송신대역 부엽준위 특성
Fig. 5. Simulated sidelobe levels in transmit band for Metal cone height
안테나 성능에 큰 영향을 끼치는 부반사판의 파라미터의 모습은
그림. 6과 같다. 부반사판 크기가 커짐에 따라 부엽준위가 개선되는 특성을 보였으며, 부반사판에 삽입된 원형 코러게이션에 따라 안테나의 부엽준위 및 교차편파레벨이
개선되는 것을 확인하였다. 또한 부반사판 중앙부에 위치한 Metal cone의 높이에 따라 부엽준위 및 교차편파레벨 특성이 개선된다. 모의실험을 통하여
각 수치들을 최적화하였으며 세부 파라미터는
표 2와 같다.
그림. 6. 제안된 Hat-feed구조 형상
Fig. 6. 3D model of proposed Hat-feed structure
표 2. 부반사판 주요 파라미터
Table 2. Parameters of subreflector
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파라미터
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수치
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영향
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① 부반사경 크기 증가
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80mm
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부엽준위레벨 개선
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② 코러게이션 삽입 개수
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3개
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부엽준위, 교차편파레벨 개선
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③ 유전체 slit
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9mm
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교차편파레벨 개선
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④ Metal cone 높이
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10.2mm
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부엽준위, 교차편파레벨 개선
|
2.2 반사판 설계
본 논문에서 제안된 안테나 형상은
그림. 7과 같으며, 경량화 및 구조물에 의한 성능저하와 급전부를 소형화하기 위해 Hat- feed 구조를 적용하여 안테나를 설계하였다. 주반사판의 크기는
개구면 효율(η) 50%를 기준으로 수신이득 28.5dBi 이상, 송신이득 29.3dBi 이상을 만족하도록 설계하였다. 주반사판의 크기는
식(1)을 통하여 0.5m가 선정되었다
(11).
그림. 7. 제안된 위성통신용 고이득 안테나
Fig. 7. 3D model of proposed high-gain antenna for satellite
또한 높은 이득과 낮은 부엽준위, 낮은 교차편파레벨 특성을 얻기 위해 초점거리 F대 주반사판 직경 D의 비율인 F/D는 0.272로 설계하였다. 소형화된
주반사판을 위해 모의실험을 통하여 세로축의 위, 아래가 각각 0.025m가 절삭된 0.5m×0.45m(가로×세로)로 설계하였다.
3. 모의실험 & 측정결과
제안된 위성통신용 고이득 안테나의 시뮬레이션은 CST Microwave를 이용하였다
(12).
그림. 8과
그림. 9는 제안된 위성통신용 고이득 안테나의 송·수신대역에서의 모의실험 방사패턴결과이다. X대역 수신이득은 최소 29.9dBi 이상이며, 부엽준위는 및 교차편파레벨
규격을 모두 만족한다. 또한 X대역 송신이득은 30.8 dBi 이상이며 수신대역과 마찬가지로 부엽준위 및 교차편파레벨 규격을 모두 만족한다. 송신빔폭은
4.8° 이하, 수신빔폭은 5.1° 이하로 확인되었다. 송·수신이득, 빔폭, 부엽준위 및 교차편파레벨 규격을 만족한다.
그림. 8. 수신대역 안테나패턴 모의실험 결과
Fig. 8. Simulated antenna radiation pattern of receive band
그림. 9. 송신대역 안테나패턴 모의실험 결과
Fig. 9. Simulated antenna radiation pattern of transmit band
그림. 10은 제작된 위성통신용 고이득 안테나의 모습이다. 안테나의 경량화를 위해 주반사판은 복합재로 제작되었다.
그림. 10. 제작된 안테나 형상
Fig. 10. The fabricated antenna configuration
그림. 11은 제작된 안테나의 S-parameter측정 결과이다. VSWR는 최대 1.25:1로 나타나 규격을 만족하였으며, 송·수신포트분리도의 경우 최대 –16dB로
요구규격을 만족하는 것으로 나타났다.
그림. 11. 제작된 안테나의 S-parameter 특성
Fig. 11. Measured S-parameter characteristics of proposed antenna
그림. 12,
그림. 13은 제안된 위성통신용 고이득 안테나의 송·수신대역에서의 방사패턴측정 결과이다. 모의실험결과와 비슷한 경향을 나타내며 X대역 수신이득은 최소 29.9dBi
이상이다. 또한 부엽준위는 및 교차편파레벨 규격을 모두 만족한다. 송신대역에서의 송신이득은 30.5dBi 이상이며 수신대역과 마찬가지로 부엽준위 및
교차편파레벨 규격을 모두 만족한다. 교차편파레벨이 ±90° 부근에서 상승하는 것은 안테나의 크기가 비대칭 형태 떄문이라고 판단된다. 송신빔폭은 4.8°
이하, 수신빔폭은 5.2° 이하인 것을 확인하였다.
그림. 12. 수신대역 안테나패턴 측정 결과
Fig. 12. Measured antenna radiation pattern of receive band
그림. 13. 송신대역 안테나패턴 측정 결과
Fig. 13. Measured antenna radiation pattern of transmit band
4. 결 론
본 논문에서는 위성통신용 고이득 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 Hat-feed구조를 적용하여 기존 주초점 위성통신 안테나에서 발생하는 급전부에
의한 블로킹효과를 최소화하고 오프셋안테나에서 발생하는 높은 교차편파레벨 특성을 개선한 급전부가 소형화된 위성통신 안테나를 설계하였다. 또한 낮은 부엽레벨과
낮은 교차편파레벨을 특성을 가지며 높은 이득을 갖는 안테나를 구현하였다. 제안된 안테나는 X대역에서 동작하며 수신이득은 29.9dBi 이상, 송신이득은
30.5dBi 이상의 이득을 구현하였다. 이는 안테나 효율로 약 70%이다. 나머지 요구규격인 VSWR, 송수신포트분리도, 빔폭도 목표 요구규격을
만족하였다. 또한 측정된 안테나 방사패턴을 인접위성과의 영향성을 확인할 수 있는 ITU에서 권장하는 규격에 적용하여 확인한 결과 부엽준위와 교차편파레벨
모두 요구규격을 만족하였으며, 교차편파레벨의 경우 일부 구간에서 규격을 상회하는 패턴을 얻었다. 이는 안테나가 비대칭이기 때문에 발생하는 문제라고
판단된다. 추후 안테나 설계 시 교차편파레벨에 유의하면서 안테나 설계를 진행해야 될 것이다. 따라서 X대역에서 동작하는 제안된 소형화된 급전부를 갖는
위성통신용 고이득 안테나는 항공기나 OTM(On- The-Move)와 같이 작고 가벼운 위성통신시스템에 적용될 것으로 기대된다.
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저자소개
2013년 2월: 인천대학교 정보통신공학과(공학사)
2015년 2월: 한양대학교 전자컴퓨터통신공학과(공학석사)
2015년~현재: LIG넥스원 선임연구원
2006년 2월: 경희대학교 전자통신공학과(공학사)
2006년 7월: LG디스플레이 사원
2006년~현재: LIG넥스원 수석연구원
1998년 2월: 인하대학교 전자공학과(공학사)
2014년 8월: 아주대학교 IT융합대학원(공학석사)
1998년~현재: LIG넥스원 수석연구원
1994년 2월: 충남대학교 전자공학과(공학사)
1996년 2월: 충남대학교 전자공학과(공학석사)
1996년~현재: 국방과학연구소 연구원
1997년 2월: 한양대학교 전파공학과(공학사)
1999년 2월: 한양대학교 전파공학과(공학석사)
2017년 2월: 충북대학교 전자공학과(공학박사)
1996년~현재: 국방과학연구소 연구원