반구형 커버리지를 갖는 저궤도 위성 TC&R용 원편파 도파관 안테나

그림 1에는 원편파를 생성하기 위해 Septum 구조를 이용한 도파관 안테나를 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이 기본 도파관의 높이를 2배 증가시키고, septum의 빗면을 따라 도파관 내에서 파가 회전하면서 원편파를 형성시킨다^[8]. 원편파 안테나의 특성 확인 및 축비 대역폭 확대를 위하여 s₁의 길이를 조절하여 septum 빗면의 기울기를 변화시키면서 안테나의 S₁₁과 축비 특성을 확인하였다. 그 결과를 그림 2에 나타내었고, 최종적으로 도파관 길이 l₁에 따라 변화하는 안테나의 특성을 확인하여 최적화하였다.

그림 1. | Fig. 1. Septum 구조를 이용한 원편파 도파관 안테나 구조도 (시뮬레이션) | Circular polarized waveguide antenna structure diagram using septum structure (simulation).

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그림 2. | Fig. 2. Septum 구조를 이용한 원편파 도파관 안테나 S₁₁ 및 축비 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of circular polarized waveguide antenna S₁₁ and axial ratio using septum structure (simulation).

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그림 3에는 s₁ 길이 변화에 따른 방사 패턴 특성 시뮬레이션 결과를 나타내었다. s₁의 길이를 2.5 mm씩 증가시킨 결과, 일부 주파수의 270°~90°인 상반구상에서 방사가 축소되거나 null 점이 발생하였다. 이를 개선하기 위해 중심주파수 7.8 GHz에서 도파관 길이 l₁을 67.5 mm(1.76 λ)~87.5 mm(2.28 λ) 변화시키면서 방사 특성 시뮬레이션 결과를 그림 3(b)에 나타내었다. l₁ 길이 변화에 따라 270°에서의 방사 패턴의 세기 변화가 반복되며, l₁이 87.5 mm(2.28 λ)일 때 빔 폭이 최대가 됨을 확인하였다. 이는 l₁ 길이 변화에 따른 S₁₁ 특성 변화뿐만 아니라 septum으로부터의 회전된 편파가 안정화되는 적정한 도파관의 길이가 요구된다고 할 수 있으며, 그 결과를 표 2에 정리하였다.

그림 3. | Fig. 3. Septum 구조를 이용한 원편파 도파관 안테나 방사 패턴 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of circular polarized waveguide antenna radiation pattern using septum structure (simulation).

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반구형 방사 패턴을 얻기 위해 먼저 개구면 외곽에 외벽을 설치하였고, 그 구조를 그림 4(a)에 나타내었다. h₁ 길이를 2 mm씩 증가시키면서 방사 패턴 시뮬레이션 결과를 그림 4(b)에 나타내었다. 시뮬레이션 결과 h₁ 길이가 작을수록 도파관 외벽으로 흐르는 클리핑 웨이브를 억제시키는 λ/4 단락 스터브 역할을 함으로써 전방 빔 집중 현상이 나타났다^[9]. 반면, h₁ 길이가 클수록 평면 반사경 역할을 함으로써 외벽 높이에 의한 반사파와의 위상차로 0° 부근에서 레벨 저하가 되어 −3 dB 빔 폭이 증가되는 현상이 나타났다.

그림 4. | Fig. 4. 외벽의 폭 변화에 따른 원편파 도파관 안테나 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of circular polarized waveguide antenna according to the change in the width of the outer wall (simulation).

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7.2 GHz에서는 외벽의 폭 h₁이 9 mm일 때 90°와 270° 사이에서 빔이 대칭적이고 0°에서의 이득이 다소 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 안테나의 용도에 따라 외벽의 폭 h₁을 조절하여 h₁이 7 mm일 때의 둥근 반원 방사 패턴과 h₁이 9 mm일 때 0° 부근에서 이득이 감소하는 방사 패턴을 사용할 수 있음을 확인하였다. 8.4 GHz에서는 폭 h₁이 11 mm일 때 90°와 270°에서의 이득이 가장 대칭적으로 동등하게 나타났다(표 3).

표 3. | Table 3. 외벽의 폭 변화에 따른 원편파 도파관 안테나 특 성 (시뮬레이션) | Characteristic of circular polarized waveguide antenna according to the change in the width of the outer wall (simulation).

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표 3 데이터를 중심으로 h₁ 길이는 5.3 mm이고 외벽 높이는 9 mm, 도파관 안테나 전체 길이는 92 mm, 외곽 크기는 38.1 mm×39.1 mm로 최적화시킨 구조 및 S₁₁, 축비, 방사 패턴 시뮬레이션 결과를 그림 5에 나타내었다.

그림 5. | Fig. 5. 외벽 탑재를 통한 원편파 도파관 안테나 S₁₁, 축비 및 방사 패턴 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of an outer wall mounted circular polarized waveguide antenna S₁₁, axial ratio and radiation pattern (simulation).

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시뮬레이션 결과, S₁₁은 요구 대역폭 7.0~8.5 GHz에서 −18 dB 이하의 특성을 얻었으며, 축비는 2 dB 이하의 특성을 얻었다. 특히 두 중심주파수 7.2 GHz와 8.4 GHz에서는 각각 1.75 dB, 1.62 dB를 확보하여 양호한 원편파 특성을 나타내었다. 그림 5(c)의 방사 패턴의 경우, 90°와 270°에서는 각각 −7.44 dBi, −9.21 dBi의 이득을 얻었지만, 목표치 −5 dBi를 만족하지 못하여 설계 구조를 재조정하였다.

그림 5의 두 주파수에서는 충분한 이득을 갖지만, 7.0~8.5 GHz 대역 중 여러 주파수 대역의 방사 패턴에서 90°와 270°에서의 이득이 충분하지 않은 경우가 있어 추가 개선이 요구되기 때문에 외벽을 이중으로 재설계하였다.

그림 6(a)에 나타낸 바와 같이 외벽을 이중으로 탑재함으로써 단일 외벽을 탑재했을 때보다 클리핑 웨이브의 경로를 더 증가시켰으며, 이로 인하여 빔 폭이 더 증가하였다. 두 외벽의 크기는 도파관으로부터 수직 높이가 각각 5.3 mm, 9.5 mm이고, +z축 방향으로의 길이는 10 mm, 9.5 mm이다. 그림 6(b)에는 이중 외벽을 탑재한 원편파 도파관 안테나의 S₁₁과 축비 특성을 나타내었다. 7.0~8.5 GHz 주파수 대역 모두에서 S₁₁이 −20 dB 이하의 값을 얻었고, 축비 또한 대부분 2 dB 이하의 값을 얻을 수 있었다. 그림 6(c)에는 방사 패턴 특성을 나타내었다. 단일 외벽을 탑재했을 때와 마찬가지로 두 주파수에서는 충분한 이득을 갖지만, 7.0~8.5 GHz 대역 중 여러 주파수 대역의 방사 패턴에서 90°와 270°에서의 이득이 충분하지 않아 반구형 커버리지 조건에 부합하게 이득을 증가시킬 필요가 있다.

그림 6. | Fig. 6. 이중 외벽 탑재를 통한 원편파 도파관 안테나 S₁₁, 축비 및 방사 패턴 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of double outer wall mounted circular polarized waveguide antenna S₁₁, axial ratio and radiation pattern (simulation).

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이중 외벽에 변화를 주는 방법으로는 모든 주파수 범위의 빔 폭을 증가시킴에 따라 한계가 발생하여 그림 7(a)에서와 같은 구조로 삼중 외벽을 원형 편파 도파관 안테나에 탑재하였다. 3번째 외벽은 1, 2번째 외벽과 달리 x축과 y축 방향으로 방사면만 존재하는 평면의 형태이며, 2번째 외벽으로부터 3 mm의 폭을 갖는다.

그림 7. | Fig. 7. 이중 외벽 탑재를 통한 원편파 도파관 안테나 S₁₁, 축비 및 방사 패턴 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of triple outer wall mounted circular polarized waveguide antenna S₁₁, axial ratio and radiation pattern (simulation).

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그림 7(b)에는 삼중 외벽을 탑재한 원형 편파 도파관 안테나의 S₁₁ 및 축비 특성을 나타내었다. 7.0~8.5 GHz 주파수 대역에서 −19 dB 이하의 S₁₁을 만족하였으나, 대역 내에서 축비는 2.7 dB 이하의 값으로 이중 외벽과 비교하여 상대적으로 축비가 증가한 특성을 나타내었다. 그림 7(c)에는 삼중 외벽 탑재 원형 편파 도파관 안테나의 방사 패턴을 나타내었으며, 주파수 대역에 따라 빔 모양이 크게 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 삼중 외벽 탑재 시방사 패턴의 빔 폭은 소폭 증가하였으나, 최대 축비가 2.7dB에 근접한 값을 가졌으며, 방사 패턴 모양이 모든 주파 수에서 일정한 모양을 유지하지 않아 추가적인 구조 변형이 요구되었다.

그림 8(a)에는 삼중 외벽을 탑재한 안테나에서 첫 번째 외벽이 −z축 방향으로 1 mm 이동하면서 외벽 뒤쪽으로 첫 번째 외벽과 두, 세 번째 외벽 사이에서 offset이 형성된 구조를 나타내었다. 이 구조를 통하여 그림 7(a) 구조의 단점을 개선하여 최종 저궤도 위성 TC&R용 안테나를 설계하였다. 그림 8(b)에는 최종 설계한 안테나의 S₁₁ 및 축비 특성을 나타내며, 요구 대역 내에서 −20 dB 이하의 특성을 얻었고, 축비 또한 2 dB 이하가 됨으로써 그림 7(b)와 비교하여 안정화되었다.

그림 8. | Fig. 8. Offset 시킨 삼중 외벽 탑재를 통한 원편파 도파관 안테나 S₁₁, 축비 및 방사 패턴 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of modified triple outer wall mounted circular polarized waveguide antenna S₁₁, axial ratio and radiation pattern (simulation).

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그림 9에는 최종 설계된 안테나의 7.0~8.5 GHz까지의 방사 패턴을 나타내었다. 제안한 7.0~8.5 GHz 대역의 모든 주파수의 270°~90°에서 −5 dBi 이상의 이득을 갖는다. 또한, 빔의 모양이 주파수와 관계없이 일정하게 유사한 모양을 나타냄과 동시에 충분한 이득을 확보하여 반구형 커버리지 조건에 부합하였다.

그림 9. | Fig. 9. Offset 시킨 삼중 외벽 탑재 원편파 도파관 안테나 방사 패턴 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of modified triple outer wall mounted circular polarized waveguide antenna radiation pattern (simulation).

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그림 10에는 제안된 안테나의 yz-, xz-plane E_θ에 대한 각도별 축비를 나타내었다. 시뮬레이션 결과는 1° 간격으로 값을 표기하고 목표치인 ±60° 내에서 10 dB 내외의 조건을 만족하였다.

그림 10. | Fig. 10. Offset 시킨 삼중 외벽 탑재 원편파 도파관 안테나 축비 특성 (시뮬레이션) | Characteristic of modified triple outer wall mounted circular polarized waveguide antenna axial ratio (simulation).

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표 4에는 offset을 한 경우와 하지 않은 경우, 핵심 성능 지표들의 결과를 나타내었다. 대부분의 특성은 유사하지만 offset을 한 경우가 하지 않은 경우보다 38° 더 넓은 빔 폭을 확보할 수 있었다. 반구형 커버리지를 갖기 위해 반드시 필요한 구조적 변형이라고 사료된다.

그림 11(a)에는 시뮬레이션을 바탕으로 설계한 안테나의 제작도를 나타내었으며, 제작된 안테나의 재질은 황동이며, 도전율은 24.6~34.5%이다. 그림 11(b)에는 SS과 축비의 시뮬레이션 결과와 측정치를 비교할 수 있도록 그래프로 나타내었다. 그래프에 나타낸 바와 같이 제작된 안테나는 7.0~8.5 GHz의 대역을 만족하며, 축비 또한 해당 주파수 대역 내에서 3 dB 이하임을 확인할 수 있다. 이를 통해 제작한 안테나와 설계한 안테나의 특성과 유사함을 확인하였다.

그림 11. | Fig. 11. Offset시킨 삼중 외벽 탑재를 통한 원편파 도파관 안테나 S₁₁ 및 축비 특성 (측정치) | Characteristic of modified triple outer wall mounted circular polarized waveguide antenna S₁₁ and axial ratio (measurement).

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그림 12에는 제작된 안테나의 yz-, xz- plane E_θ 방사 패턴 측정치를 나타내었다. 7.0~8.5 GHz의 주파수 대역에서 측정한 결과를 비교 분석하였으며, 제작한 안테나와 설계한 안테나의 특성이 매우 유사함을 확인하였고, 그 결과를 표 5에 나타내었다.

그림 12. | Fig. 12. Offset시킨 삼중 외벽 탑재 원편파 도파관 안테나 방사 패턴 특성 (측정치) | Characteristic of modified triple outer wall mounted circular polarized waveguide antenna radiation pattern (measurement).

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그림 13에는 제작한 안테나의 축비 특성을 나타내었다. 그림 13(a), 그림 13(b)에 나타낸 측정 결과는 15° 간격으로 측정하여 점을 이어서 연결한 그래프로 시뮬레이션과 정확히 일치하진 않지만 유사한 특성임을 확인하였다.

그림 13. | Fig. 13. Offset시킨 삼중 외벽 탑재 원편파 도파관 안테나 축비 특성 (측정치) | Characteristic of modified triple outer wall mounted circular polarized waveguide antenna axial ratio (measurement).

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표 6에 나타낸 바와 같이 시뮬레이션과 측정치의 데이터를 핵심 성능 지표들을 기준으로 비교한 결과, 매우 유사한 특성을 보였으며, 실제 측정치가 목표치인 ±60° 내에서 10 dB 내외의 조건을 만족하였고, 그 결과를 표 7에 나타내었다.