공학석사학위논문

유전체가 장하된 모노펄스 피드 설계

Design of a Dielectric-Loaded Monopulse Feed

충 북 대 학 교 대 학 원

전기․전자․정보․컴퓨터학부 전파통신공학전공

윤 제 영

2017 년 8 월

공학석사학위논문

유전체가 장하된 모노펄스 피드 설계

Design of a Dielectric-Loaded Monopulse Feed

지도교수 안 병 철

전기․전자․정보․컴퓨터학부 전파통신공학전공

윤 제 영

이 논문을 공학석사학위 논문으로 제출함.

2017 년 8 월

본 논문을 윤제영의 공학석사학위 논문으로 인정함.

심 사 위 원 장 안 재 형 (인)

심 사 위 원 안 병 철 (인)

심 사 위 원 방 재 훈 (인)

충 북 대 학 교 대 학 원

2017 년 8 월

- i -

차 례

Abstract ··························································································································ⅱ

List of Tables ···············································································································ⅲ

List of Figures ·············································································································ⅳ

Ⅰ. 서 론 ···············································································································1

Ⅱ. 모노펄스 피드 설계 ······················································································3

2.1 모노펄스 피드의 구조 및 설계 목표 ······················································3

2.2 원형도파관-동축선 변환부 설계 ······························································5

2.3 모노펄스 피드 설계 ····················································································15

2.4 카세그레인 반사경 안테나 ·······································································22

Ⅲ. 제작 및 측정 ··································································································30

3.1 원형도파관-동축선 변환부 제작 및 측정 ··········································30

3.2 모노펄스 피드 제작 및 측정 ··································································32

Ⅳ. 결 론 ···················································································································45

참고문헌 ·······················································································································46

- ii -

Design of a Dielectric-Loaded Monopulse Feed

Yun, Je-Young

Radio and Communications Eng. Track

Dept. of Electrical, Electronics, Information and Computer Eng.

Graduate School of Chungbuk National University, Cheongju City,

Korea

Supervised by Prof. Ahn, Bierng-Chearl

Abstract

Circular waveguides are widely used in the realization of

reflector-antenna feeds, orthomode transducers, polarizers, filters/multiplexers,

and rotary joints. A circular waveguide to coaxial cable transition is often

employed to connect a circular waveguide to a transmitter/receiver. This

paper presents an in-line circular waveguide to coaxial cable transition

employing a printed dipole. The proposed transition consists of a shorted

circular waveguide, a microstrip feed line, a microstrip balun, a printed dipole,

a parasitic element for wideband operation, and a coaxial probe. Change in

the reflection coefficient of the transition versus design parameters is

analyzed, from which an optimum design is obtained. Designed transition is

fabricated and it reflection coefficient is measured and compared with the

simulation. The proposed transition shows reflection coefficient of less than

-15dB and higher-order mode levels of less than -20dB at 13.4-17.2GHz.

- iii -

* A thesis for the degree of Master in August 2017.

- iv -

List of Tables

표 2.1 모노펄스 피드의 설계목표 ·············································································4

표 2.2 최적 설계된 변화부의 다이폴 치수 ··························································12

표 2.3 모노펄스 피드의 최적화된 설게치수 ························································18

표 2.4 주파수별 합/차채널의 특성 ········································································21

표 2.5 반사경 구조적용 주파수별 이득패턴 ························································29

표 3.1 방위각 방향 측정결과 ··················································································43

표 3.2 고각 방향 측정결과 ······················································································44

표 3.3 최종 결과 비교 ······························································································44

- v -

List of Figures

그림 2.1 모노펄스피드의 3차원 형상 ······································································3

그림 2.2 모노펄스 피드의 소자 구성 ·······································································4

그림 2.3 원형도파관-동축선 변환부의 3차원 형상 ··············································5

그림 2.4 원형도파관-동축선 변환부의 구조

(a) 기판 전면, (b) 기판 후면 ·······································6

그림 2.5 변환부의 설계변수 (a) 전면, (b) 후면 ················································7

그림 2.6 다이폴 arm 길이에 따른 변환부의 반사계수 ······································8

그림 2.7 다이폴 높이에 따른 변환부의 반사계수 ·················································8

그림 2.8 다이폴 급전점에 따른 변환부의 반사계수 ·············································9

그림 2.9 다이폴 폭에 따른 변환부의 반사계수 ·····················································9

그림 2.10 기생소자 길이에 따른 변환부의 반사계수 ·······································10

그림 2.11 기생소자와 다이폴 사이의 간격에 따른 변환부의 반사계수 ·······11

그림 2.12 기생소자의 수평 위치에 ᄄᆞ른 변환부의 반사계수 ·························11

그림 2.13 최적 설계된 변환부의 반사계수 ·························································13

그림 2.14 최적 설계된 변환부의 전달계수 ·························································13

그림 2.15 최적 설계된 변환부의 고차모드 전달계수 ·······································14

그림 2.16 원형도파관-동축선 변환부와 유전체 장하 혼의 결합모습 ···········15

그림 2.17 유전체 장하 혼과 결합된 변환부의 반사계수 ·································16

그림 2.18 모노펄스 피드의 구조 ···········································································17

- vi -

그림 2.19 모노펄스 피드의 고각 이득패턴 ·························································19

그림 2.20 모노펄스 피드의 방위각 이득패턴 ·····················································21

그림 2.21 카세그레인 반사경의 구조 및 설계 치수 ·········································22

그림 2.22 반사경적용 이득패턴(±30°) ································································23

그림 2.23 반사경적용 이득패턴(±180°) ······························································26

그림 3.1 제작된 인쇄형 다이폴의 형상 ································································30

그림 3.2 변환부의 측정을 위한 세팅 ····································································30

그림 3.3 원형도파관-동축선 변환부의 반사계수 측정 결과 ····························30

그림 3.4 제작된 모노펄스 피드의 부품 분해도 ··················································32

그림 3.5 제작된 모노펄스 피드의 모습 ································································33

그림 3.6 정재파 측정결과 ························································································34

그림 3.7 지지대를 부착한 전체 형상 (a) 측면, (b) 정면 ·····························35

그림 3.8 측정을 위한 전자파 무반향실 환경 ······················································36

그림 3.9 방위각 합/차 채널 이득패턴 ··································································37

그림 3.10 고각 합/차 채널 이득패턴 ···································································40

그림 3.11 15GHz에서의 합/차 이득패턴 ···························································43

- 1 -

I . 서 론

10GHz 이상의 높은 주파수 대역에서는 손실이 작은 도파관 부품이 널리

사용된다. 원형도파관은 반사경 안테나 피드, 직교모드변환기, 편파기, 필터

/멀티플렉서, 로터리 조인트 등의 구현에 널리 사용되고 있다[1]-[4]. 원형도

파관을 송신기 또는 수신기에 연결하기 원형도파관-동축선 변환부가 요구되며

기존 연구결과로서 단순한 동축선 프로브를 이용한 구조[5], 이중 리지를 이

용한 구조[6], 단순 동축선 프로브를 이용한 구조[7], 원뿔 프로브와 사각형-

원형 도파관 변환부를 이용한 구조[8] 등이 발표되었다. 사각도파관-동축선

변환부에 많은 연구 결과가 발표되었으며 도파관이 동작하는 전 주파수 대역

에서 동작하는 변환부의 설계가 가능하다. 원형도파관의 기본 모드인 TE11

모드와 고차모드인 TM01 모드, TE21 모드의 간격이 충분하지 않는 관계로

원형도파관-동축선 변환부는 보통 협대역 특성을 보이며 광대역 특성을 구현

하려면 참고문헌 [6]과 [8]에서와 같은 특수한 구조를 사용해야 한다. 또한

기존의 원형도파관-동축선 변환부는 원형도파관 축과 동축선의 축이 90°를

이룬다. 반사경 안테나 피드 등에서와 같이 원형도파관 축과 동축선 축이 일

치하는 인라인형 변환부가 요구되는 경우가 있다. 급전과 제작이 용이하여 인

쇄형 다이폴이 널리 사용되고 있으며[9], 다이폴을 이용한 사각도파관-동축선

변환부가 발표되었다[10].

본 논문에서는 인쇄형 다이폴을 이용하여 원형도파관 축과 동축선 축이 일

직선인 인라인형 원형도파관-동축선 변환부를 설계하였다. 설계된 변환부에

- 2 -

저손실 유전체 봉을 장하시켜 5소자 모노펄스 피드를 설계하였다. 제안된 피

드의 타당성을 확인하기 위해 CST사의 Microwave StudioTM 2015를 사

용하여 변환부의 설계변수에 따른 반사계수 변화로부터 최적 설계안을 도출하

였고, 최종 완성된 모델을 카세그레인 반사경 안테나에 적용하여 합채널 및

차채널 이득을 시뮬레이션을 통해 계산했다. 마지막으로 모노펄스 피드의 시

제품을 제작하여 측정한 결과를 도시하였다.

본 눈문의 구성은 다음과 같다. II 장에서 모노펄스 피드의 설계 과정을 다루

었다. III 장에서는 설계된 모노펄스 피드의 제작 및 측정과정을 나타내었다.

IV 장에서는 위의 결과를 토대로 내린 결론을 정리하였다.

- 3 -

II . 모노펄스 피드 설계

2.1 모노펄스 피드의 구조 및 설계 목표

그림 2.1은 제안한 모노펄스 피드의 3차원 형상으로 5개의 유전체 장하혼,

5개의 소자를 하나로 묶은 도파관 블록, 방위각/고각 방향 차 채널 형성을 위

한 2개의 1:1 전력 합성기, 3개의 채널들을 동시에 형성하는 모노펄스 비교

기가 설치된 금속하우징, 각 채널 급전용 3개의 SMA 커넥터로 구성된다.

그림 2.1 모노펄스 피드의 3차원 형상

그림 2.2는 합 패턴 및 차 패턴 형성을 위한 소자 구성으로 중심의 합채널

(S), 좌우에 방위각 차채널(D1, D3), 상하에 고각 차채널(D2, D4) 소자가

배치되어 있다. 각각의 차채널 소자는 1:1 전력 합성을 위해 반대의 급전 방

향을 반대로 주도록 했다. 추적 안테나 시스템은 일반적으로 KU 대역

(12-18GHz)에서 동작한다. 본 논문에서 제안된 피드는 3개의 모노펄스 채

- 4 -

널이 14-16GHz의 광대역 주파수 범위를 갖도록 설계하였다. 아래의 표 2.1

은 본 논문에서 제안한 모노펄스 피드의 설계 목표이다.

그림 2.2 모노펄스 피드의 소자 구성

표 2.1 모노펄스 피드의 설계목표

항 목 설계목표

주파수 대역 KU대역 14-16GHz (2GHz)

정재파비 2:1 이하

-10dB 빔폭 50° ± 5°

영점 깊이 -25dB 이하

- 5 -

2.2 원형도파관-동축선 변환부 설계

본 논문에서 제안한 모노펄스 피드의 구성에 앞서 다이폴을 사용한 원형도

파관-동축선 변환부를 설계하여 반사계수 및 전달계수를 확인하였다. 그림

2.3은 제안한 원형도파관-동충선 변환부의 구조를 보인 것으로 원형도파관,

마이크로스트립 급전선, 마이크로스트립 벌룬, 인쇄형 다이폴 및 기생소자,

동축선 프로브, 접지면 등으로 구성된다. 인라인형 변환부를 용이하게 구현하

고 이중편파 변환부로의 확장성을 고려하여 동축선에 의해 급전되는 다이폴을

이용하여 원형도파관의 기본모드인 TE11 모드를 여기하였다.

그림 2.3 원형도파관-동축선 변환부의 3차원 형상

그림 2.4은 제안된 원형도파관-동축선 변환부의 다이폴 기판을 보인 것으

로 벌룬구조와 함께 마이크로스트립 선로에 의해 급전되며 마이크스트립 선로

종단에는 동축선 프로브가 연결된다. 마이크로스트립 급전선 종단은 비아홀을

- 6 -

통해 다이폴의 한 쪽 arm에 연결된다. 대역폭을 증가시키기 위해 다이폴 상

부에 기생소자를 설치하였다. 접지면에 홈을 형성하고 다이폴이 인쇄된 기판

하부가 홈에 꽉 끼게 삽입함으로써 기판을 접지면에 견고히 고정하였다.

(a) (b)

그림 2.4 원형도파관-동축선 변환부의 구조

(a) 기판 전면, (b) 기판 후면

14-16GHz 대역에서 동작하는 변환부의 최적설계를 위해 그림 2.5에서 표시

된 설계변수에 따른 변환부의 반사계수 특성을 분석하였다. 원형도파관의 직

경은 13.4mm로 하였고 기판은 Isola사의 I-Tera MT RF® (두께

0.762mm, 유전상수 3.56, 손실탄젠트 0.0035)를 사용하였다. 원형도파관

의 직경이 13.4mm인 경우 TE11, TM01, TE21, TE01, TM11 모드의 차단주

파수는 각각 13.12, 17.13, 21.77, 27.30GHz이다.

- 7 -

(a) (b)

그림 2.5 변환부의 설계변수

(a) 전면, (b) 후면

아래의 그림 2.6－2.9은 주요 설계변수에 따른 반사계수 변화를 보인 것이

다. 나머지 치수는 표 1의 치수와 같게 하였다. 그림 2.6, 그림 2.7, 그림

2.8은 다이폴 arm 길이 w5, 벌룬의 접지와 다이폴 arm과의 간격 h2, 다이

폴 급전점 h7에 따른 반사계수 변화를 보인 것이다. 이들 변수값이 변할 때

동작 주파수 범위는 크게 변하지 않고 반사계수만 증가함을 알 수 있다. 이들

의 최적 값으로 각각 2.7mm, 2.8mm, 3.7mm로 하였다. 그림 2.9는 다이

폴의 폭 h3에 따른 반사계수 변화를 보인 것으로 1.0mm를 최적 값으로 하

였다.

- 8 -

그림 2.6 다이폴 arm 길이에 따른 변환부의 반사계수

그림 2.7 다이폴 높이에 따른 변환부의 반사계수

- 9 -

그림 2.8 다이폴 급전점에 따른 변환부의 반사계수

그림 2.9 다이폴 폭에 따른 변환부의 반사계수

그림 2.10－2.12는 각각 기생소자의 길이 w6, 기생소자와 다이폴 사이의

간격 h6, 기생소자의 수평 위치 w7에 따른 변환부의 반사계수이다. 그림

- 10 -

2.10으로부터 기생소자 길이는 다이폴의 대역폭에 민감한 영향을 줌을 알 수

있다. 기생소자의 길이를 3.8mm로 할 경우 기생소자에 의해 16.8GHz에서

또 다른 공진이 발생하여 광대역 특성을 얻을 수 있다. 그림 2.11로부터 기

생소자와 다이폴 사이의 간격 h6 기생소자에 의한 2차 공진에 영향을 줌을

알 수 있다. 최적값으로 h6 = 0.5mm를 적용하였다. 그림 2.12로부터 기생

소자의 수평위치 w7은 기생소자의 2차 공진뿐만 아니라 변환부의 반사계수

특성에도 민감하게 영향을 줌을 알 수 있다. w7을 3.5mm로 하였을 때 가장

양호한 특성을 얻을 수 있었다.

그림 2.10 기생소자 길이에 따른 변환부의 반사계수

- 11 -

그림 2.11 기생소자와 다이폴 사이의 간격에 따른 변환부의 반사계수

그림 2.12 기생소자의 수평 위치에 따른 변환부의 반사계수

위와 같은 변수분석을 토대로 13.5-17.7GHz 주파수에서 동작하는 원형

도파관-동축선 변환부를 최적 설계하였다. 표 2.2는 최적 설계된 변환부 다이

- 12 -

폴의 치수이다.

표 2.2 최적 설계된 변환부의 다이폴 치수 (단위: mm)

변수 값 변수 값

W 8 H 7

w1 2.45 h1 1

w2 1.1 h2 2.8

w3 0.9 h3 1

w4 1.9 h4 2.2

w5 2.7 h5 0.7

w6 3.8 h6 0.5

w7 3.5 h7 3.7

w8 2.7 h8 0.4

w9 0.6 w10 4.7

w11 0.6

최적 설계된 변환부의 동축선을 입력 포트로 하였을 때 기본 TE11의 반사

계수와 전달계수, 고차모드의 전달계수를 해석하여 그림 2.13-2.15에 도시하

였다. 최적 설계된 변환부는 13.5-17.7GHz에서 -15dB 이하의 반사계수,

-0.2dB 이상의 전달계수를 가진다. 그림 2.15로부터 약 17GHz 이하에서

TM01, TE21 모드는 TE11 모드 대비 -20dB 이하의 크기로 발생하며 TE01,

TM11 모드는 -60dB 이하의 크기로 발생함으로 알 수 있다.

- 13 -

그림 2.13 최적 설계된 변환부의 반사계수

그림 2.14 최적 설계된 변환부의 전달계수

- 14 -

그림 2.15 최적 설계된 변환부의 고차모드 전달계수

- 15 -

2.3 모노펄스 피드 설계

그림 2.16은 원형도파관-동축선 변화부와 유전체 장하 혼의 결합모습을 보

인 것으로 앞서 설계된 변환부 상단에 polycarbonate(εr = 2.7, tan δ =

0.0007) 소재의 저손실 유전체 혼을 삽입하였다. 원형 도파관 밖의 유전체

(DU) 길이와 최종 단의 직경을 조정하여 피드에서 요구되는 이득 테이퍼를

조정하였다. 원형 도파관 내부의 유전체(DL)의 길이와 마지막 부분의 직경을

조정하여 임피던스를 정합하였고 중앙 유전체(DM)의 길이는 적절하게 선정하

였다.

그림 2.16 원형도파관-동축선 변환부와 유전체 장하 혼의 결합모습

- 16 -

그림 2.17은 제안한 유전체 장하 혼과 결합된 변환부의 반사계수로 –10dB

이하에서 13.7-18.7GHz의 주파수 범위를 가진다.

그림 2.17 유전체 장하 혼과 결합된 변환부의 반사계수

- 17 -

그림 2.18은 제안된 모노펄스 피드의 구조를 도시한 것으로 가운데 합채널

을 위한 소자 1개와 상하, 좌우에 각각 180° 차이로 차채널 소자를 2개씩 총

5개의 소자를 배치하였다. 원형도파관 상부에 유전체 장하 혼을 삽입하고 하

단에서 SMA 커넥터를 이용하여 급전하였다. 표 2.3은 모노펄스 피드의 최적

화된 설계치수를 보인 것이다.

(a) (b)

그림 2.18 모노펄스 피드의 구조

(a) 측면도, (b) 정면도

- 18 -

표 2.3 모노펄스 피드의 최적화된 설계치수 (단위: mm)

변수 설계 치수(mm)

D0 54.0DE 13.4S 17.0Hs 100.0Hd 75.0H1 67.0

H2 30.0H3 10.0Dup 4.7Ddn 3.6t 2

그림 2.19와 그림 2.20은 14, 15, 16GHz에서의 모노펄스 피드의 고각/

방위각 이득패턴을 계산결과이다. 표 2.4는 주파수별 합 채널의 ±30° 테이퍼

와 차 채널의 영점깊이를 나타낸 것이다.

(a) 14GHz

그림 2.19 모노펄스 피드의 고각 이득패턴

- 19 -

(b) 15GHz

(c) 16GHz

그림 2.19 계속

- 20 -

(a) 14GHz

(b) 15hGHz

그림 2.20 모노펄스 피드의 방위각 이득패턴

- 21 -

(c) 16GHz

그림 2.20 계속

표 2.4 주파수별 합/차채널의 특성

주파수(GHz)

합 채널 차 채널

±30°에서의

테이퍼(dB)영점깊이(dB)

14방위각 14.53 -29.94

고각 12.43 -52.72

15방위각 13.82 -30.0

고각 12.54 -53.83

16방위각 14.93 -29.57

고각 15.09 -55.50

- 22 -

2.4 카세그레인 반사경 안테나

그림 2.21는 앞서 설계한 모노펄스 피드를 적용한 카세그레인 반사경의 구

조 및 설계 치수이다. 카세그레인 반사경은 두 개의 초점과 주반사경, 부반사

경으로 구성되어 있으며 주반사경은 가상의 초점에 의해 포물면을 형성하고

부반사경은 실제 피드의 위상중심과 일치하는 초점과 가상 초점간의 수학적

관계로 형성되는 쌍곡선을 이룬다. 따라서 주반사경과 부반사경의 블록한 부

분이 같은 방향으로 평행하게 배치된 이중 반사경 구조이다. 최적 설계된 반

사경의 초점은 주반사경 중심에서 488mm 떨어진 점이다.

그림 2.21 카세그레인 반사경의 구조 및 설계 치수

그림 2.22과 그림 2.23은 설계한 모노펄스 피드를 카세그레인 반사경에 적용

한 후 주파수별로 고각/방위각 방향 ±30° 이득 패턴과 ±180° 이득 패턴을 계

산한 결과이다. 표 2.5는 반사경 적용 결과의 주파수별 고각/방위각의 이득

- 23 -

(dB), 빔폭(°), 부엽준위(dB)를 나타냈다. 반사경 적용 후 방사효율의 계산결과

효율은 54%이다.

(a) 14GHz 방위각 이득패턴

(b) 14GHz 고각 이득패턴

그림 2.22 반사경적용 이득패턴(±30°)

- 24 -

(c) 15GHz 방위각 이득패턴

(d) 15GHz 고각 이득패턴

그림 2.22 계속

- 25 -

(e) 16GHz 방위각 이득패턴

(f) 16GHz 고각 이득패턴

그림 2.22 계속

- 26 -

(a) 14GHz 방위각 이득패턴

(b) 14GHz 고각 이득패턴

그림 2.23 반사경적용 이득패턴(±180°)

- 27 -

(c) 15GHz 방위각 이득패턴

(d) 15GHz 고각 이득패턴

그림 2.23 계속

- 28 -

(e) 16GHz 방위각 이득패턴

(f) 16GHz 고각 이득패턴

그림 2.23 계속

- 29 -

표 2.5 반사경 구조적용 주파수별 이득패턴

주파수(GHz) 이득(dB) 빔폭(°) 부엽준위(dB)

14

합 채널 42.4 1.3 -22.3

고각 40.2 0.9 -21.7

방위각 40.0 1.0 -22.2

15

합 채널 43 1.2 -18.4

고각 40.7 0.9 -19.6

방위각 40.6 0.9 -20.3

16

합 채널 44.2 1.1 -20.0

고각 41.2 0.9 -22.0

방위각 41.4 0.9 -21.6

- 30 -

III. 제작 및 측정

3.1 원형도파관-동축선 변환부 제작 및 측정

본 논문에서 제안된 모노펄스 피드의 최적 설계 치수를 바탕으로 피드를 제

작하였다. 그림 3.1은 제작된 인쇄형 다이폴의 시제품 형상이다. 원형도파관-

동축선 변환부의 반사계수 특성을 확인하기 위해 그림 3.2와 같이 세팅하였

다. 원형도파관과 접지면은 머시닝센터를 이용하여 수치제어 가공법으로 제작

하였다. 프로브가 달린 패널 실장형 SMA 커넥터를 마이크로 스트립 급전선

로와 연결하고 여기에 동축선을 연결하였다.

그림 3.1 제작된 인쇄형 다이폴의 형상

그림 3.2 변환부의 측정을 위한 세팅

제작된 변환부의 반사계수를 HP8720C 회로망분석기를 사용하여 측정하

- 31 -

였다. 원형도파관 개구면을 개방한 상태에서 측정한 후 개구면에서 반사되는

성분은 시간영역 게이팅 기법으로 제거하였다.

그림 3.3 원형도파관-동축선 변환부의 반사계수 측정 결과

그림 3.3은 변환부의 반사계수 측정 결과를 보인 것이다. 제작된 변환부는

13.6－17.9GHz 범위에서 －15dB 이하의 반사계수 특성을 보였다. 측정된

반사계수는 계산치와 잘 일치함을 알 수 있다. 제작된 변환부는 금속과 저손

실 기판으로 구성되므로 변환부의 전달계수(삽입손실)은 시뮬레이션 계산과

거의 같은 값으로 예상된다.

- 32 -

3.2 모노펄스 피드 제작 및 측정

본 논문에서 제안된 모노펄스 피드의 최적 설계 치수를 바탕으로 피드를 제

작하고 카세그레인 반사경 안테나에 적용하였다. 그림 3.4는 제작된 모노펄스

피드의 부품 분해도이다. 5개의 우전체 봉, 도파관 블록, 1:1 전력 합성기 2

개(Mini-Circuits사 제품, 모델명: ZX-2-183-S+), 동축케이블, 원형도파

관-동축선 변환부로 구성되어있다. 그림 3.5은 제작된 모노펄스의 결합 모습

이다.

그림 3.4 모노펄스 피드의 부품 분해도

- 33 -

그림 3.5 제작된 모노펄스 피드의 모습

그림 3.6는 합 채널 정재파, 고각/방위각 차 채널 정재파를 회로망분석기

(HP/aAgilient 9720C 50MHz-20GHz, network analyzer)를 사용하여

측정하였고 주파수 범위 13.5-16.8GHz에서 정재파 2:1이하를 만족한다.

(a)

- 34 -

(b)

(c)

그림 3.6 정재파 측정결과

(a) 합채널, (b) 고각 차채널, (c) 방위각 차채널

- 35 -

그림 3.7은 RF챔버 측정을 위해 아랫부분 지지대를 결합한 시험 안테나의

전체형상이다. 실제 측정은 공인 인증기관인 ‘인천 송도 IOT 기술지원센터’에

서 진행하였다. 안테나 측정시 전자파 무반향실 환경에서 시험 안테나를 그림

3.8과 같이 설치하여 고각 및 방위각 방향으로 회전시켜가며 측정하였다.

(a) (b)

그림 3.7 지지대를 부착한 전체형상

(a) 측면, (b) 정면

- 36 -

그림 3.8 측정을 위한 전자파 무반향실 환경

그림 3.9는 주파수 RF챔버에서의 방위각 방향 패턴 측정결과, 그림 3.10은

고각방향 패턴의 측정결과이다. 실제 측정시 케이블의 손실로 인하여 설계결

과보다 이득이 감소되어 측정되었다.

- 37 -

(a) 14GHz 방위각 합 채널 이득패턴

(b) 14GHz 방위각 차 채널 이득패턴

그림 3.9 방위각 합/차 채널 이득패턴

- 38 -

(c) 15GHz 방위각 합 채널 이득패턴

(d) 15GHz 방위각 차 채널 이득패턴

그림 3.9 계속

- 39 -

(e) 16GHz 방위각 합 채널 이득패턴

(f) 16GHz 방위각 차 채널 이득패턴

그림 3.9 계속

- 40 -

(a) 14GHz 고각 합 채널 이득패턴

(b) 14GHz 고각 차 채널 이득패턴

그림 3.10 고각 합/차 채널 이득패턴

- 41 -

(c) 15GHz 고각 합 채널 이득패턴

(d) 15GHz 고각 차 채널 이득패턴

그림 3.10 계속

- 42 -

(e) 16GHz 고각 합 채널 이득패턴

(f) 16GHz 고각 차 채널 이득패턴

그림 3.10 계속

- 43 -

그림 3.11 15GHz에서의 합/차 이득패턴

그림 3.11은 15GHz에서 최종 측정된 모노펄스 피드의 합/차 이득 패턴 그

래프이다. 표 3.1과 표3.2는 최종 측정결과를 정리한 것이다. 표 3.3은 설계

목표와 측정결과를 비교한 것이다.

표 3.1 방위각 방향 측정결과

주파수

(GHz)

최대이득

(합 채널)

-10dB 빔폭

(합 채널)

비고

(50°±5°)영점깊이

비고

(-25dB 이하)

14.0 15.0 48° 만족 -36.0dB 만족

15.0 14.3 51° 만족 -38.1dB 만족

16.0 14.6 50° 만족 -40.2dB 만족

- 44 -

표 3.2 고각 방향 측정결과

주파수

(GHz)

최대이득

(합 채널)

-10dB 빔폭

(합 채널)

비고

(50°±5°)영점깊이

비고

(-25dB 이하)

14.0 14.9 54° 만족 -43.9dB 만족

15.0 13.7 53° 만족 -41.5dB 만족

16.0 15.1 52° 만족 -46.9dB 만족

표 3.3 최종 결과 비교

항목 설계 목표 결과주파수(GHz) 14.0-16.0 13.5-16.8정재파비 2:1 이하 2:1 이하

-10dB 빔폭(degree) 50° ± 5° 50° ± 4°

영점 깊이(dB) -25 이하 -36 이하

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IV. 결론

본 논문에서는 원형도파관-동축선 변환부를 이용한 모노펄스피드를 제안하

였다. 인쇄형 다이폴을 이용한 인라인형 원형도파관-동축선 변환부를 설계,

5개의 유전체 장하 혼을 포함하는 모노펄스 피드에 적용하여 13.5-16.8GHz

의 광대역 반사계수 특성을 갖는 피드를 설계하였다. 설계한 모노펄스 피드는

반사계수 및 이득패턴 특성을 상용 프로그램을 통해 계산하였고 카세그레인

안테나에 적용후 계산을 통해 성능을 확인하였다. 제안된 피드는 상용 전자계

계산 소프트웨어인 CST사의 Microwave Studio 2015를 사용해 최적 설계

및 계산하였다. 최적 설계된 모노펄스 피드는 시제품을 제작하여 공인 인증기

관의 전자파 무반향실 환경에서 측정하였다.

원형도파관-동축선 변환부의 다이폴은 마이크로스트립 선로, 마이크로스트립

벌룬, 동축선 프로브에 의해 급전되며 대역폭을 증가시키기 위해 다이폴 상부

에 기생소자를 설치하였다. 주요 설계변수에 따른 반사계수 특성을 토대로

13.5-17.0GHz 대역에서 동작하는 변환부의 최적 설계를 도출하고 이를 모

노펄스 피드에 적용하여 합채널 및 고각/방위각 차채널 이득패턴을 측정하였

다. 측정결과 제안한 피드는 13.5-16.8 GHz 에서 -10dB 이하의 반사계수

와 50° ± 4°의 –10dB 빔폭, -36dB 이하의 영점깊이를 확인하였다. 본 논

문에서 제안한 모노펄스 피드는 반사경 안테나에 적용하여 추적 시스템 구현

에 유용하게 활용될 수 있다고 판단된다.

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