접힌 다이폴 구조를 적용한 L-Band 원통형 능동 위상배열 안테나 설계

Abstract

본 논문에서는 원통형태의 배열구조를 갖고 수평면(H-plane), 수직면(E-plane) 빔조향 특성을 갖는 원통형 능동 위상배열 안테나를 설계하였다. 이를 위해 복사소자로서 배열안테나의 상호결합(Mutual Coupling)특성과 정재파비(VSWR : Voltage Standing Wave Ratio)특성이 우수한 접힌 다이폴 안테나의 설계 데이터를 제시하였다. 또한 제안된 복사소자를 적용하여 1개의 복사면을 기준으로 8⨯8(수평배열개수⨯수직배열개수) 원통배열 구조를 갖는 지향성 안테나를 구현하였다. 원통형 능동 위상배열 안테나는 원통의 수평면을 기준으로 360˚ 전방위로 3개의 복사면을 갖으며, 총 24⨯8(수평배열개수⨯수직배열개수)의 배열구조를 갖는다. 원통형 능동 위상배열 안테나는 한 개의 복사면당 수평면을 기준으로 방위각 120˚영역에 요구하는 방향으로 지향성 복사패턴을 형성하며, 3개의 복사면 이용 시 수평면을 기준으로 하여 360˚ 전방위로 지향성 복사패턴을 형성 할 수 있다. 원통형 능동 위상배열 안테나의 3개의 복사면으로 구성되며, 전력공급을 위한 결합분배기를 설계/제작하였고, 안테나의 송신출력 및 위상제어를 위하여 위상변위기(Phase Shifter)와 SSPA(Solid State Power Amplifier)로 구성된 반도체 송수신기를 설계/제작 하였다. 원통배열 안테나의 복사소자의 배열 간격은 반전력 빔폭(E-HPBW : E-plane Half Power Beamwidth)과 빔 조향 시 그레이팅로브(Grating Lobe)가 발생하지 않도록 결정하였다. 안테나의 빔 조향은 반도체 송수신기의 구성요소인 6비트 위상변위기(Digital Controlled 6-Bit Phase Shifter)를 이용하여 구현하였다. 위상변위기는 상용 MMIC를 이용 하였으며, 최소 위상분해능 5.625˚를 갖는다. 안테나 빔 조향 시 1개의 복사면당 수평면을 기준으로 -24˚〜24˚, 수직면을 기준으로 0˚〜36˚의 빔 조향 특성을 갖는다. 또한 반도체 송수신기의 SSPA는 소자당 첨두치 10Watt 출력을 갖는다. 안테나 성능검토를 위해 제작된 원통배열 안테나를 L-Band(1.xxGHz)에서 빔 조향에 따른 복사특성을 측정하였다. 안테나의 빔 조향 복사특성은 원통형 근접전계 측정장치를 이용하여 측정하였다. 빔 조향 측정결과 안테나는 이득은 20dBi 이상으로 설계목표 19dBi 이상을 만족하였다.