工學碩士學位論文

이더 탐지기용 4마루 도 구조의

이 역 라스틱 혼 안테나에 한 연구

A Study on the Dual-Band Plastic Horn Antenna

using Quad-ridge Waveguide for Radar Detector

2008年 2月

仁荷大學校 大學院

電子工學科(電子通信 攻)

元 允 載

工學碩士學位論文

이더 탐지기용 4마루 도 구조의

이 역 라스틱 혼 안테나에 한 연구

A Study on the Dual-Band Plastic Horn Antenna

using Quad-ridge Waveguide for Radar Detector

2008年 2月

指 敎授 朴 孝 達

이 論文을 工學碩士學位請求 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

電子工學科(電子通信 攻)

元 允 載

이 論文을 元允載의 碩士學位論文으로 認定함

2008年 2月

主審 :

副審 :

委員 :

- I -

요 약

본 논문에서는 운 자의 안 을 고려하여 사용되고 있는 이더 탐지기의

사용 주 수 X, K 역의 이 역에서 사용 가능한 혼 안테나에 하여

설계 구 을 통하여 연구하 다. 공진 주 수는 X 역(10.525GHz), K 역

(24.150GHz)의 심 주 수를 목표로 하 으며, 이들 역에서 사용 주 수

범 를 제외한 인 역에서는 타 통신 기기와의 향을 고려하여 설계하

다. 이더 탐지기는 차량에 장착할 수 있을만한 크기로 설계되어야 하기

때문에 혼 안테나의 크기 한 탐지기의 기구 내에 실장이 가능하도록 소형

화 되어야 한다.

본 논문에서는 혼 안테나의 도 의 크기를 이기 하여 4마루 도

구조를 사용하 으며, 방사체의 크기를 조 하여 고이득을 얻었고, 마루에

한 을 통하여 최 의 역폭을 확보하 다. 한 고주 에서 발생하

는 표피효과를 이용하여 속 혼 안테나와 라스틱에 주석을 도 한 안테

나를 설계, 제작하여 비교 분석하 다.

측정결과 반사 손실은 속 혼 안테나의 경우 X 역에서 -37.268dB, K

역에서 -19.468dB의 결과를 나타내었으며, 도 된 라스틱 혼 안테나는 X

역에서 -28.456dB, K 역에서 -17.542dB의 결과를 나타내었다.

연구 결과 도 된 라스틱 혼 안테나의 성능은 속 혼 안테나와 비슷함

을 검증하 으며, 이는 주석 도 안테나를 이용하여 속 혼 안테나를 체

함으로써 기기의 제작비용의 감, 무게의 경량화가 가능하게 할 수 있다.

본 논문의 연구 결과는 혼 안테나와 유사한 구조의 다른 안테나에도 용

가능한 기술로 고주 에서 동작하는 여러 가지 통신기기용 안테나에 응용

이 가능하리라 단된다.

- II -

Abstract

In this thesis, I studied, designed and fabricated horn antenna for

radar detector to select specified frequencies in dual-band(X, K band).

It is important that the wanted frequencies have to detect precisely

and not to interfere with adjacent band in given frequencies, X band

(10.525GHz) and K band (24.150 GHz), respectively. Also, as a small-size

hand-held appliance, waveguide is limited to structural restriction due

to wide operating band. Because it must be inside a detector.

Proposed horn antenna is reduced size by using quad-ridge

waveguide structure. Control the size of radiation element for

improving gain. Directly connected to ridge enables wide bandwidth.

As well as, I make a metal horn antenna and plastic horn antenna

that using skin effect in high frequency. I compare a result between a

metal antenna and a plated plastic one. Plates plastic one can alternate

a metal one. As a result, it can reduce a fabrication cost and weight.

The measurement result of plastic horn is exist in adjacent a result

of metal one. so it has practicality.

As a results, it shows return loss of -37.268 dB at X band and

-19.468dB of K band in metal horn. Also, return loss of -28.456 dB at X

band and -17.542dB of K band.

This plated skill can adopt other antenna design in high frequency. it

can make a reduction of fabrication expense.

- III -

목 차

요 약 ···································································································Ⅰ

Abstract ·····································································································Ⅱ

목 차 ···································································································Ⅲ

그림 차례 ··································································································Ⅵ

표 차 례 ································································································ Ⅷ

제 1 장 서 론 ···························································································1

제 2 장 혼 안테나 이론 ···········································································4

2.1 안테나 설계 라미터 ········································································4

2.1.1 반사계수 ·························································································4

2.1.2 역폭 ·····························································································5

2.1.3 이득과 지향성 ···············································································7

2.1.4 방사패턴 ·························································································8

2.1.5 검출기 감도 ···················································································9

2.1.6 표피효과 ·······················································································10

2.2 피라미드 혼 안테나 ··········································································11

2.2.1 피라미드 혼 안테나의 정의 ·····················································11

2.2.2 피라미드 혼 안테나의 라미터 ·············································13

2.3 구형 도 개요 ··············································································15

2.3.1 구형 도 의 구조 특징 ·····················································15

- IV -

2.3.2 구형 도 의 특성 ·························································17

2.3.3 구형 도 의 방식 ·························································20

2.4 도 불연속 ····················································································21

2.4.1 도 의 정합 ·············································································21

2.4.2 도 간의 불연속 구조 ·························································25

제 3장 피라미드 혼 안테나의 설계 ····················································27

3.1 설계 고려사항 ····················································································27

3.2 4마루 도 설계 ············································································28

3.2.1 도 크기 결정 ·······································································28

3.2.2 도 의 ·············································································28

3.3 피라미드 혼의 설계 ··········································································29

3.3.1 혼 각의 결정 ···············································································29

3.3.2 혼 내부 불연속 구조 설계 ·······················································31

3.4 설계된 피라미드 혼 안테나의 특징 ·············································31

3.4.1 안테나 설계 특징 ·······································································32

3.4.2 이득감쇠 요인 ·············································································32

3.4.3 비 칭 불연속 구조 ···································································32

제 4장 실험결과 고찰 ······································································34

4.1 표피효과의 증명 ················································································34

4.2 설계된 안테나의 최 변수 선정 ···················································35

4.2.1 마루 변화에 의한 최 화 ·························································36

- V -

4.3 최 값의 안테나 성능 ······································································37

4.4 설계된 피라미드 혼 안테나의 제작 ·············································41

제 5장 결 론 ·········································································································44

참 고 문 헌 ···········································································································46

- VI -

그림 차례

[그림 1.1] 이더 탐지기의 시스템 구성도 ····················································2

[그림 2.1] 빔 패턴과 반 력 빔 폭 ··································································6

[그림 2.2] 반사계수와 역폭의 ··································································7

[그림 2.3] 피라미드 혼의 방사패턴 ··································································9

[그림 2.4] 피라미드 혼 안테나 구조 ······························································12

[그림 2.5] 피라미드 혼 안테나의 면 면 ···········································13

[그림 2.6] 면과 면의 상 경로 차 ·························································15

[그림 2.7] 도 내 유형 ········································································17

[그림 2.8] 모드 계분포 ·········································································18

[그림 2.9] 정 결합에 의한 ··································································21

[그림 2.10] 도 내의 여러 불연속 구조와 등가회로 ······························22

[그림 2.11] 마루 구조 도 ············································································23

[그림 2.12] 마루 구조의 등가표 ····································································24

[그림 2.13] 주름구조 도 필터의 단면도 ··················································25

[그림 2.14] 도 간 결합 불연속 구조 ························································26

[그림 3.1] 직 마루 구조 ······································································29

[그림 3.2] 자계 면의 혼 각 결정 ····································································30

[그림 3.3] 계 면의 혼 각 결정 ····································································31

[그림 3.4] 4마루 구조 ························································································32

[그림 3.5] 설계된 피리미드 혼 안테나 ··························································33

[그림 4.1] 내부에 테 론 유 체를 삽입한 모델(상),

완 도체로 이루어진 모델(하) ···································35

[그림 4.2] 최 화 수행과정 ··············································································36

[그림 4.3] 설계된 안테나의 정면도 ································································37

- VII -

[그림 4.4] 설계된 안테나의 측면도 ································································38

[그림 4.5] X 역(10.525GHz)의 반사손실 ·····················································38

[그림 4.6] K 역(24.150GHz)의 반사손실 ·····················································39

[그림 4.7] X 역(10.525GHz)의 이득 ·····························································40

[그림 4.8] K 역(24.150GHz)의 이득 ·····························································40

[그림 4.9] 제작된 안테나 ··················································································41

[그림 4.10] 제작된 안테나의 X 역 반사 손실 측정값 ·······························42

[그림 4.11] 제작된 안테나의 K 역 반사 손실 측정값 ·······························43

- VIII -

표 차례

[표 2.1] 각 도체별 표피두께 ············································································11

[표 2.2] 표 구형 도 의 사양 ·································································16

- 1 -

제 1장 서 론

국내에서는 운 자의 안 을 고려하여 GPS 기능을 갖춘 네비게이션

(Navigation)을 보편 으로 사용하고 있다. 하지만 네비게이션은 성을

통하여 치를 악하고 장된 데이터 읽어 응하는 방식이라 이동형

스피드 건이나 갑작스런 장애물에 처하기 한 고속도로안 부가 서비

스 용이 어렵다. 이더 탐지기는 이러한 단 을 보완하기 하여 오래

부터 북미 유럽에서 보편 으로 사용되어 온 시스템이다.

이더 탐지기의 허용 주 수는 미국 FCC(Federal Communications

Commission)에서 규정하고 있으며, 지능형 교통시스템(ITS: Intelligent

Transport System)에 련한 여러 신호들을 검출할 수 있고, 차량의 충돌

방지 시스템에도 활용 가능하다. 사용 역으로는 70년 부터 사용된 X

역(10.475GHz~10.575GHz), K 역(24.0GHz~24.25GHz)이 있고 최근에는

Ka 역(33.4GHz~36.0GHz)도 사용하고 있다.[1]

재 미국에서 사용되고

있는 스피드 건 K 역과 X 역을 사용하는 것은 체의 약 80%를 차

지하고 있다.[2]

이더 탐지기를 통하여 사용자가 상황을 명확하게 단할

수 있도록 하여 사고를 방하고, 한 최근에는 도로에서의 안 사고에

처 할 수 있는 여러 가지 부가 신호를 송출하여 안 서비스를 하고 있

다.[3]

스피드 건의 동작 역이 성통신의 주 수 역(X 역 부근)에 존재

하므로 이더 탐지기내의 국부발진기에 의한 성통신 기기의 오동작이

우려되고 있다. 때문에 최근에는 지향성이 우수하고 이득이 높으며, X

역에서 원하는 역 외에 인 역에 향을 주지 않는 혼 안테나의 필요

성은 더욱 부각되고 있다. 이에 본 논문에서는 X 역에서는 역이 되

게 설계하 다. 반면 K 역의 인 역에는 다른 통신 기기를 한 주

수 역이 존재하지 않으므로 역 특성을 갖도록 하 다.

- 2 -

그림 1.1은 일반 인 이더 탐지기의 시스템 구성도로 크게 MW부와

RF회로부로 나뉜다.

그림1.1 이더 탐지기의 시스템 구성도

Fig. 1.1 System overview of radar detector

일반 으로 MW부에서는 10.525GHz(X 역), 24.150GHz(K 역)의 신호

를 수신하고 혼합기에서 RF회로에 합한 주 수 (1GHz)로 하향변환

(down conversion)시킨다. RF회로부에서는 이를 잡음 증폭하고 2차 하

향변환을 통하여 신호를 검출한다.

이더 탐지기의 단에 사용되는 안테나의 설계에는 반사계수, 역폭,

이득, 지향성, 방사패턴 외에 특정 역에서의 방사와 검출기 감도 등을 고

려하게 되는데, 본 논문에서 연구한 안테나의 경우 고주 에서 발생하

는 표피효과를 응용하 으므로 이와 련된 라미터도 고려하 다.

혼 안테나는 우수한 지향성을 가지며 효율이 좋기 때문에 이더 탐지

기에 합하다. 이와 연결되는 소형의 구형 도 은 공진 주 수를 만족

시키기 하여 4마루 구조로 설계하 으며 도 후면부와 부의 거

리는 X 역의 심 주 수에 맞추어 설계하 다. 도 은 불연속 구조에

의하여 임피던스가 변화되므로 이를 통하여 정확한 공진 에 근하 다.

X 역과 K 역에서 각각 -10dB이하의 반사손실을 갖도록 CST사의

MicroWave Studio 로그램을 이용하여 설계 모의실험을 수행하 다.

안테나의 은 측정을 하여 동축 커넥터를 이용하여 도 상단의

- 3 -

마루 부분에 직 으로 합하여 신호를 하는 마루 구조 방식

을 채택하여 설계하 다.

설계된 안테나는 알루미늄 재질과 동일한 크기와 모양으로 라스틱으

로 제작하고 이를 녹는 이 비교 낮은 주석으로 도 하 다. 안테나의

측정은 한국 해양 학교의 형 암실(16 m x 8 m x 6 m, 30 MHz

~ 40 GHz)에서 하 다.

본 논문에서는 도 안테나를 통하여 기존의 알루미늄 안테나와 유사한

성능을 나타내도록 하여 기기 제작시 기구와 안테나를 일체형으로 하여

제조단가를 일 수 있도록 연구하 다.

본 논문의 구성은 제 2장에서 혼 안테나와 도 의 개요 이론, 구

조 특징에 따른 요소들을 언 하고 특정 주 수 검출을 해 혼 안테나

에 용될 불연속 구조 도 에 해서도 기술한다. 제 3장에서는 4마루

도 구조를 사용한 혼 안테나를 설계에 하여 기술한다. 한 제 4장

에서는 속으로 제작한 안테나와 표피효과를 이용한 주석으로 도 된

라스틱 안테나의 차이를 비교 분석한다. 마지막으로 제 5장에서는 본 논

문이 제시하는 4마루 도 구조의 라스틱 도 혼 안테나를 통하여

얻은 연구 결과를 정리하고 고찰한다.

- 4 -

제 2장 혼 안테나 이론

제 2장에서는 이더 탐지기에 이용되는 안테나에 한 기본 인 설계

라미터와 피라미드 혼 안테나의 정의, 혼 안테나 에 사용되는 구형

도 , 그 도 의 구조 특징 응용분야에 한 이론을 설명한다.

2.1 안테나 설계 라미터

안테나가 어떠한 성능을 갖는가 하는 라미터에 해 정의한다. 안테

나에 공통 으로 용되는 것과 이더 탐지기 설계사양에 합하도록 목

표치를 선정하는데 필요한 라미터들을 정의한다.

2.1.1 반사 계수

안테나에서 반사계수(reflection coefficient)는 요한 라미터이다. 2포

트 망을 갖는 고주 회로의 경우, 입력 포트에서 입력신호에 하여

반사되는 신호가 얼마 만큼이냐를 나타내지만, 안테나는 1포트를 가지는

수동소자이기 때문에 고주 에서의 일반회로 개념과는 상이하다. 즉,

송신 안테나에서 수신 안테나까지 자유공간 상에서 신호를 보내는데, 안

테나가 이를 얼마만큼 잘 달 할 수 있는가를 요하게 생각한다. 회로

에서 말하는 반사보다는 안테나에서 회 과 산란으로 인해 손실되는 것과

자유공간 상에서 가 진행할 때 감쇠되는 양을 말한다. 반사계수 값이

작다는 의미는 그 특정주 수에서 공진이 잘 일어나며 그 주 수에서 이

득이 크다는 것을 간 으로 의미한다. 안테나에서 성능을 볼때, 반사계

수를 가장 먼 보는 이유는 이 값을 통해 이득을 간 으로 추정할 수

- 5 -

있기 때문이다.

반사계수는 압 정재 비(Voltage Standing Wave Ratio, )와

련이 있다.

Г Г

(2.1)

이 2:1인 경우 반사계수는 1/3값을 가지며, 이 때 약 -10 dB의 값

을 가진다.

2.1.2 역폭

안테나의 역폭을 결정하는 것은 반사계수와 련이 깊다. 역폭은

회로에서 말하는 -3 dB주 수, 즉 반 력지 에서 주 수 역을 말한다.

하지만, 안테나에서는 크기를 1을 갖는 등방 성(isotropic)에 해 빔폭이

얼마만큼 되느냐를 의미한다. 특히 개구면 안테나는 모든 방향에 빔을 형

성하는 패치안테나에 비해 빔폭이 한정되어 있다. 빔 폭에 의해서 역폭

을 결정되게 되는데, 그림 2.14에서 보는 것과 같이 그 역에서 역폭을

반 력 빔 폭(Half Power Beam width, HPBW)이라 한다. 하지만 안테나

에서는 (null)로 인한 력 벨이 포함되어 있는 경우를 감안하여 -10

dB이하에서의 주 수 역을 말하기도 하며[4], 이 때 주 수 범 에서의

역폭을 첫 번째 사이의 빔 폭 (Beam Width First Null, BWFN)이

라 하며 주 빔의 폭의 척도가 된다.

- 6 -

그림 2.1 빔 패턴과 반 력 빔폭

Fig. 2.1 Beam Pattern and HPBW

반사계수 값에서 역폭을 결정하게 되는데, 이 역폭을 임피던스

역폭이라고 하며 -10 dB지 에서 상 주 수 과 하 주 수 를 가질

때, 역폭은 다음과 같다[5].

× (2.2)

그림 2.2에서 반사계수와 역폭의 계를 X 역을 로 표 하 다.

- 7 -

그림 2.2 반사계수와 역폭의

Fig. 2.2 Example of return loss and bandwidth

2.1.3 이득과 지향성

혼 안테나는 방향성 안테나이기 때문에 지향성(directivity) 라미터를

통해 이득을 구한다. 지향성은 방향의 평균 강도에 해 특정방향에서

의 강도의 비를 의미하며 다음 식으로 표 된다.

∙

(2.3)

여기서 와 는 각각

(2.4)

이며, 와 는 넬 분(fresnel integrals)[6]이다.

- 8 -

한편, 그림 2.1의 피라미드 혼 안테나에서 이득은 원거리 장(far-field)에

서 상왜곡 오차를 감안한 Schelkunoff 공식으로 표 된다[7].

′

′ (2.5)

여기서 는 자유공간 상에서의 장이며, 는 균일한 상 분포를 갖

는 원거리 장에서의 개구면 이득이다. ′ 와

′ 는 2.2.2.2에서 면과 면

의 혼 각에 의해 경로 차로 인한 상왜곡오차로 이득에 향을 주는 이

득 감쇠율이다.

피라미드 혼 안테나는 모든 방향에 한 특정 방향의 방사강도를 갖는

지향성 안테나이기 때문에 개구면에서 발생하는 지향성(directivity)과 이

득은 거의 유사한 개념으로 볼 수 있다. 하지만 지향성과 이득에는 다소

차이가 있다. 이득은 피라미드 혼 안테나가 갖는 구조상의 상 왜곡의

손실을 제외한 것이다. dB스 일로 나타낼 경우 다음과 같이 주어지고,

지향성을 나타내는 정량 인 값에 상왜곡 손실을 제외한 것이 이득이

된다.

′ ′ (2.6)

수식 상으로는 양의 값으로 표 되어 있지만 와 는 1보다 작기 때

문에 손실은 음의 값을 갖는다.

2.1.4 방사패턴

방사패턴(radiation pattern)은 안테나에서 계와 자계가 어느 방향으로

얼마만큼 달되는 가를 동시에 보여주는 성능 라미터이다. 방사패턴은

구 좌표계(spheral coordinate system)를 도입하는데, 피라미드 혼 안테나

가 갖는 직각좌표계와 함께 고려해야한다. 그림 2.3에서 보는 것과 같이

면은 평면이다. 이를 구 좌표계로 봤을 때는 축이 구좌표계의 의

- 9 -

시축에 해당한다. 계 면은 개구면 후방에 해 일 때, 가

-180°에서 180°까지 변하는 것이다. 자계 면은 개구면 후방에 해

인 경우에 해당한다. 개구면 안테나의 방사패턴은 혼 각에 의해

제한된 개구면에서생기며 그림 2.3에서 보는 것과 같이 나타낼 수 있다.

그림 2.3 피라미드 혼의 방사패턴

Fig. 2.3 Radiation pattern of pyramidal horn

2.1.5 검출기 감도

감도(Sensitivity)는 안테나를 포함하여 RF단과 체 으로 고려했을 경

우 설계 라미터로 고려되어야 하는 것이다. 탐지기의 감도는 안테나의

입사 력 도에 한 것으로 dBm/square의 단 로 주어진다. 이 값은 입

력에 해 FM(frequency modulation) 복조기의 신호 잡음 비( ,

signal to noise ratio)로 나타낼 수 있다[8].

(2.7)

식에서 정의한 각각의 라미터는 는 안테나의 유효면 , 는

안테나에 입사되는 력 도, 는 첫 번째 믹서의 변환 손실(conversion

- 10 -

loss), 는 첫 번째 IF단에서 잡음지수(noise figure), 는 역폭에서

열잡음(thermal moise) 력을 의미한다.

식에서 3dB를 제외한 것은 첫 번째 IF에서 두 번째 IF단으로 하향변

환 시에 발생하는 이미지 잡음을 고려한 것이다.

2.1.6 표피효과

양도체는 높은 도 율을 가지므로 큰 도 류가 흐르게 된다. 이러한

도체내부를 진행하는 자 는, 도 율로 인한 옴 손실이 계속 으로 발

생하여, 에 지가 감소하게 된다. 자 가 방향으로 진행하고 성

분만 갖는다고 하면,

(2.8)

로 표시되며 도체 내부의 계는 도체 표면에서 외부 계와 같게 된

다. 인 역은 양도체가 있고 인 역에는 완 도체가 있다고

하면 인 경계면에서

(2.9)

이 된다. 도체 내에서는 변 류를 무시할 수 있으므로, 총 류 도는

가 되며 도체 내의 모든 에서 도 류 도는

(2.10)

가 된다. 음의 지수를 갖는 지수함수항으로 부터 도 류 도와 계

세기가 도체내부로 갈수록 지수함수 으로 감쇠함을 알 수 있다. 지수인

자는 에서 1이 되며,

(2.11)

에서 로 어든다. 이 거리를 라교 표시하며, 침투깊이

(depth of penetration) 는 표피두께(skin depth)

- 11 -

(2.12)

로 나타낸다.

표 2.1은 각 도체별 표피두께를 나타낸다.

표 2.1 각 도체별 표피두께

Table 2.1 Skin depth of several conductors

2.2 피라미드 혼 안테나

2.2.1 피라미드 혼 안테나의 정의

피라미드 혼 (pyramidal horn) 안테나는 다른 방향에 비해 특정 방향에

효율 인 자 송․수신 성질을 갖는 방향성 안테나로 마이크로

리미터 역에서 리 사용되는 안테나이다. 제작이 간편하고 다른

마이크로 안테나에 비해 렴하며, 용이한 방식 등의 이 때문에

주로 성통신에 이용되는 포물면 안테나의 부와 안테나 측정을 한

기 안테나로 이용되고 있다[9].

그림 2.4는 피라미드 혼 안테나의 3차원 구조로서 이 피라미드 혼 안테

나는 구조상으로는 폭 와 높이 를 갖는 표 직사각형 도 과 폭 와

- 12 -

높이 를 갖는 피라미드 혼이 결합된 구조이다. 혼 안테나 이론에서 요

한 개념으로 다루어지는 것이 면과 면이며 그림에서 보는 것과 같이

혼 안테나에서 면 (평면)은 계 면으로 계벡터와 최 방사 방향을

갖는 면이며, 면(평면)은 자계 면으로 자계 벡터와 최 방사 방향을

갖는 면으로 정의한다. 피라미드 혼 안테나는 도 의 혼은 면에서 균

일한 개구면 분포를 보이는 선형편 를 가지며, 면에서는 cosine분포를

갖는다. 도 에서 방사형으로 가 진행하기 때문에 일반 으로 모든

면에 하여 개구면 (aperture plane)에서는 2차 상분포 (quadratic phase

distribution)를 갖는다[10].

그림 2.4 피라미드 혼 안테나 구조

Fig 2.4 Configuration of pyramidal horn antenna

- 13 -

2.2.2 피라미드 혼 안테나의 라미터

피라미드 혼 안테나는 구조 특성으로 인해 여러 리미터들을 갖는

다. 라미터는 서로 연 되어 있으며 피라미드 혼 안테나의 성능을 결정

하는데 있어 요한 요소가 된다. 각 라미터들을 정의하기 해 그림

2.5에서 계 면과 자계 면에 해 각각 2차원으로 나타내었다.

그림 2.5 피라미드 혼 안테나의 면 면

Fig. 2.5 -and -plane cross section of pyramidal horn

2.2.2.1 혼 각과 경사높이

그림 2.2에서 보는 것과 같이 도 내부의 임의의 과가 존재하

는데, 이를 혼 꼭지 (horn apex)이라 한다. 한 이 에서 도 과 피

라미드 혼의 경계인 혼 목까지의 각을 혼 각(flare angle)이라 정의한다.

혼 각의 크기는 혼 꼭지 의 치에 따라 달라지며, 계 면 자계 면

이 각각 교차하여 생기는 공통직선 상에 존재한다. 한 경사높이 와

- 14 -

는 각각의 과 에서 혼의 측면의 거리이다[11]. 피라미드 혼에서

상이 같은 면을 갖는다고 하면 면에서는 , 면에서는

의 혼 꼭지 에서 경사높이와의 경로 오차(path error)가 생긴다.

2.2.2.2 상왜곡오차

피라미드 혼 안테나의 개구 면에서 축으로 편 된 입사 계 모

드를 갖는다고 하면 개구면에서 계는 다음과 같이 표 된다.

(2.14)

여기서

이며, 는 자유공간의 장이다. 는

면과 면에 한 각각의 상 경로 차의 합이다. 그림 2.3에서 상 경

로 오차는 다음과 같이 주어진다.

′

(2.15)

′

(2.16)

식에서 ′ ′

′ ′

로 주어진다[12].

각 면의 경로 차에 의해 개구면에서 면이 구부러져 혼 안테나의 상

왜곡오차가 발생하는데, 이는 이득 감쇠율(gain reduction factor)이 된다.

- 15 -

그림 2.6 면과 면의 상 경로 차

Fig 2.6 Phase length error of geometry in -plane and -plane

2.3 구형 도 개요

구형 도 은 자계 에 지 달을 목 으로 사용되는 도체로 피라

미드 혼 안테나의 부로 사용된다. 본 에서는 구형 도 의 기본

이론과 안테나에 용되는 특성을 설명한다.

2.3.1 구형 도 의 구조 특징

구형 도 은 균일한 크기의 단면 을 갖는 직사각형 내에 고주 신

호를 가두고 송하는 송로로 정의하며 주로 리미터 역이나 고출

력시스템에 리 사용된다. 도 은 마이크로 송로로서 우수한 특성

이 있는데, 주 수가 높아지면 표피효과(skin effect)때문에 도체의 고주

항이 매우 증가하므로 손실도 많아지지만, 도 에서는 내 내면 벽

의 면 이 넓고 도도(conductivity)가 높아 완 도체에 가까우므로 표피

- 16 -

작용에 의한 항 손실(ohmic loss)이 극히 다. 한 동축선로 등에서는

연물을 사용하므로 주 수가 높아짐에 따라 유 체 손실이 증가한다.

하지만, 도 에서는 내에 따로 연물을 사용하지 않으므로 유 체

손실이 다.

도 의 크기는 동작 주 수에 종속되어 주 수가 증가할수록 크기는

작아진다. 내부크기 ×를 갖는 도 의 폭 는 기본모드(dominant

mode)의 주 수 범 를 결정하며, 도 의 높이 는 감쇠에 향을 주

기 때문에 가 작을수록 높은 감쇠를 갖는다[13]. 그러나 가 보다 클

경우에는 그 이후 다음모드에서 일 여기(excite)되기 때문에 실효주 수

범 가 좁아진다. 따라서 실제로 는 의 반으로 정하며 각 역 별로

표 도 의 크기가 정해져 있다. 표 2.2에서는 본 논문에 사용할 역

인 X 역에서 Ka 역까지의 표 구형 도 사양을 보여주고 있다.

표 2.2 표 구형 도 의 사양[14]

Table 2.2 Specification of standard rectangular waveguide

- 17 -

2.3.2 구형 도 의 특성

2.3.2.1 도 내의

고주 의 정 가 도 내에 존재하는 경우

유형은 ( 진행방향, ) 는 가 존재하느냐에 따라 편의상 세 가

지, , , 으로 구분할 수 있다[15].

(transverse electric) 는 만이 송방향에 하여 수직성분을 갖는

자 이며 라고도 한다. 반 로 (transverse magnetic) 는 진행

방향에 만이 송방향에 해 수직성분을 갖는 자 로써 라고도

한다. (transverse electromagnetic) 는 그 진행방향에 계성분과 자

계성분을 모두 갖는 자 로써 평면 (plane wave)형식이며 기 , 자

기 횡 로 자에 지의 수송을 맡고 있다. 이 모드는 송선로의

모드와 같기 때문에 심도체가 없는 속이 빈 도체 안에는 존재할 수

없다. 류가 없기 때문에 이 모드는 두개 는 그 이상의 분리된 도체

가 있거나, 는 속이 빈 도체 안에 도체가 있는 개방선로 시스템(open

wire system)에만 존재할 수 있다. 도 을 이용한 고주 자계의

송에는 주로 가 이용된다.

(a) (b)

그림 2.7 도 내 유형

Fig. 2.7 Propagation pattern in waveguide

- 18 -

2.3.2.2 도 모드와 차단주 수

도 에서 모드(mode)는 어떤 구조물에서 특정 주 수의 에 지가 집

되는 형태를 의미한다. 도 에서 송되는 장은 모드에 따라 다르

며, 각 모드마다 응하는 하나의 차단 장이 존재한다. 즉, 특정 주 수

이상이 아니면 송이 불가능하게 되는 데 이를 차단주 수라 한다. 즉

차단상태( )가 되면 진행방향 축을 따라 진행하는 는 존재하지 않

고 정재 (standing wave)형태로 내의 방향으로 가 머물게 된다.

내에는 여러 가지 모드가 존재하는데, 차단 장이 가장 긴 모드 즉, 가

장 낮은 차단주 수를 갖는 모드 는 가장 에 지가 집 되는 맨 처음

모드를 기본모드(dominant mode)라 한다. 도 을 이용하여 안테나로

자 신호를 시키는 혼 안테나의 경우 고주 모드에 의한 동작

역폭의 제한과 간섭 상을 이기 하여 기본 모드를 사용한다.

도 모드의 차수는 과 과 같이 아래첨자 형태의 정수로

나타낸다. 차수 과 은 압이 +와 -로 하나의 단 진행 경로당 몇 개

의 반 장이 있는가에 한 수치로 나타낸다. 은 방향 성분()의 반

장 변화수이고, 은 방향 성분()의 반 장 변화수이다[16].

그림 2.8 모드 계분포

Fig. 2.8 Field distribution of mode

- 19 -

도 의 치수와 연 지어 생각하면, 자 의 장 가 보다 작은

경우는 면을 반사하면서 송되어지지만, 에 가까워지면 일정한 짧은

구간에서 반사가 집 으로 많아진다. 가 되면 반 장의 신호가

와 같아지면서 제자리에서 반사만 되는 형상이 되어 을 타고 동의 진

행이 불가능해진다. 차단주 수는 모드를 결정하는 아래첨자 과 에 의

해 나타낼 수 있다.

(2.17)

형 인 직사각형 도 의 경우 내부에 공기로 채워져 있고, 의

치수를 가질 때, 기본모드인 모드에서 의 차단주 수를 갖

는다. 내 장은(guided wavelength)은 도 을 따라 같은 상을 갖는

두 개의 평면사이의 거리로 다음과 같이 정의한다.

(2.18)

도 내의 상속도(phase velocity)는 다음과 같다.

(2.19)

2.3.2.3 도 내의 손실

도 내에서 손실은 벽 류의 항손실, 유 체 손실과 반사에 의

한 손실이 있다. 도 의 벽이 완 도체라면 항손실이 없지만, 실제로

도 율 가 유한하므로 항손실이 발생한다. 장이 차단 장에 가까우

면 도 내에서 반사 횟수가 증가하며, 차단 장과 같아지면 는 진

행되지 않게 되는데, 이 경우에는 반사가 더욱 커진다. 도 의 모

드에서 이를 고려한 감쇠상수 (attenuation constant)는 다음 식으로 표

된다[17].

- 20 -

(2.20)

한 모드에 해서는 식(2.21)에서 나타낼 수 있다.

(2.21)

여기서 는 표면 항이며, 이면 이고, 이면, 를 갖

는다. 표면 항은 식 (2.22)에서 구할 수 있으며 는 표면 항 식에서 사

용되는 상수로 도 에서 주로 사용하는 각각의 매질로 은(2.52), 구리

(2.61), 알루미늄(3.26)을 나타낸다.

× (2.22)

2.3.3 구형 도 의 방식

일반 으로 도 을 통하여 에 지를 송하려면 기기와 도 사이

에는 동축 이블이 사용된다. 동축 이블을 이용한 여진 장치는 정 결

합으로 반사가 없도록 정합되어야 한다. 그림 2.9에서와 같이 심선이 도

심에 치하는 방식을 공 (air feeding)방식이라 한다. 도 과

동축 이블이 정합되기 해서는 심선의 길이 과 심선의 지름 , 도

끝과 이블 간의 거리 을 히 조정해야 한다[18]. 특히 Single 마

루구조를 가지고 있는 경우에는 그림 2.9(b)에서 보는 것과 같이 심선과

마루가 닿도록 하는 방식을 취한다[19]. 길이 은 도 에서 반사되어

소멸되는 것을 막기 해 의 길이를 갖는다.

- 21 -

(a) 공 (b) 마루 구조의

그림 2.9 정 결합에 의한

Fig. 2.9 Feed by static electric coupling

2.4 도 불연속

도 의 불연속은 내부에 막 , 마루 주름구조, 창구조 등을 삽입하

는 것과 서로 다른 크기의 도 을 연결하여 구 한다. 도 정합과

수동소자인 필터나 변환기 설계에 용한다.

2.4.1 도 의 정합

도 정합은 내부에 불연속 구조를 삽입하여 가 진행시에 발생하

는 계와 자계에 지가 축 되는 형태를 가지기 때문에 등가회로로 나타

낼 때 과 의 등가형태로 구 할 수 있다.

- 22 -

2.4.1.1 도 창 구조

도 창은 수직 는 수평형태로 공극(vacancy)이 있는 얇은 창

(window) 는 동공(iris)을 삽입하는 것이다. 그림 2.10은 도 창 불연속

구조를 삽입한 형태와 그의 등가회로표 을 나타내고 있다. 2.10 (a)는 도

의 폭을 인 형태로 유도성(inductive)창을 가지며, 2.10(b)는 도 의

높이를 인 형태로 용량성(capacitive)창을 가지며, 도 은 최고차단

(above cutoff)도 이 된다. 한 폭과 높이를 같이 인 형태는 계와

자계 에 지 모두가 축 되는 형태로 병렬 공진회로로 나타낼 수 있다.

(a) 유도성 창 (b) 용량성 창 (c) 병렬 창

그림 2.10 도 내의 여러 불연속 구조와 등가회로

Fig. 2.10 Discontinuous window structure inside waveguide

and its equivalent circuits

2.4.1.2 마루 구조

도 에서 마루 구조는 기본 으로 기본 모드에 한 차단주 수를 낮

추어 역폭을 넓히는 효과가 있다. 균일한 형태를 가지며, 상속도

- 23 -

(phase velocity)를 낮추고, 특성임피던스를 이는 역할을 한다. 모드

의 차단주 수를 이고 경계 벽면의 손실로 인해 감쇠가 큰 고차모드의

차단주 수를 높여 상속도를 인다[20]. 이러한 특징 때문에 특히 필터

로써 마이크로웨이 능동 수동소자의 응용분야에 넓게 이용된다. 주

로 소멸모드(evanescent mode) 역통과 역통과 필터로 이용된다[21].

그림 2.11는 형 인 4가지 형태의 마루구조를 보여주고 있다.

(a) 이 -마루 (b) 단일 마루

(c) antipodal (d) T-double

그림 2.11 마루 구조 도 .

Fig. 2.11 Typical ridge structure waveguide.

특히 마루 구조 도 은 그림 2.12에서와 보는 것처럼 공진(resonant)

병렬 회로 등가모델로 표 할 수 있다. 마루 간의 간격(단일 구조는 윗

면과의 간격)을 커패시터 로 각 면을 로 표 하면 그림 2.12로 나타

낼 수 있으며, 그 값은 다음과 같다.

(2.23)

- 24 -

(2.24)

여기서 은 도 내부의 마루의 면 이고, 은 마루의 길이이다.

체 인덕턴스 는 두 병렬 과 같으므로, 차단주 수는 다음 식으로 나타

낸다.

(2.25)

(2.26)

그림 2.12 마루 구조의 등가표

Fig. 2.12 Equivalent circuit expression of ridge structure

2.4.1.2 주기 주름구조

주기 주름구조를 갖는 도 은 안테나 시스템에서 역통과필터

로, 송신기에서 발생하는 스퓨리어스 하모닉(spurious harmonic) 도 의

폭이 역통과형태의 주름구조와 결합되어 차단 효과를 갖는다고 하면

역통과 필터로 설계가 가능하다[22]. 이를 구 하는 데는 짧은 분산소자를

이용하고 일반 으로 ∼의 값을 갖는다. 이러한 이유 때문에

- 25 -

역통과에 합하며 넓은 통과 역을 갖는다. 그림 2.13은 주름형 도

의 단면 을 보여주고 있다.

그림 2.13 주름구조 도 필터의 단면도

Fig. 2.13 Corrugated waveguide filter in longitudinal cross-section

2.4.2 도 간의 불연속 구조

도 간의 불연속 구조는 크게 3가지로 나뉜다. 폭을 변화한 계면

의 불연속(a), 높이를 변화한 자계면 불연속(b), 높이와 폭을 모두 변화한

불연속 구조(c)가 있다. 그림 2.14에서 보는 것과 같이 불연속구조에 따른

등가회로를 과 로 된 공진회로로 나타내었다. 앞 의 도 창에서

살펴본 것과 같이 높이가 변할 때 계 에 지가 불연속 경계에서 축 되

어 용량성이 되고, 넓이가 변할 때 자계 에 지가 불연속 경계에서 축

되어 유도성이 되는 것과 같다. (c)의 경우에는 계 자계에 지가 모

두 축 된다. 이러한 등가회로의 구 은 도 역에서의 임피던스는

과 가 서로 다르기 때문에 과 를 이용하여 정합회로를 만든 것이

다.

- 26 -

(a) 자계면 불연속 (b) 계면 불연속 (c) 도 간의 불연속

그림 2.14 도 간 결합 불연속 구조

Fig. 2.14 Discontinuity of connection between waveguides

- 27 -

제 3장 피라미드 혼 안테나의 설계

제 3장에서는 피라미드 혼과 도 이론을 바탕으로 이더 탐지기에

용할 수 있는 소형 피라미드 혼 안테나를 설계하 다. 실 제품에 용

할 수 있는 고려사항들을 감안하여 도 에서 피라미드 혼까지 순차 으

로 설계하 으며, 제작 측정이 용이하도록 설계하 다.

3.1 설계 고려사항

본 논문에서 안테나 설계 시 고려할 사항은 혼합기에서 얻은 측정사양

이다. 혼합기는 변환손실(conversion loss)을 갖는 수동혼합기와 변환이득

(conversion gain)을 갖는 능동 혼합기로 분류된다[23]. 이더 탐지기에 사

용되는 혼합기는 수동혼합기로 변환손실을 가지며, 높은 선형성과 큰

력을 가진다. 혼합기에서 변환손실은 갖게 되며, 측정 시에 고려한 이

블 손실과 각 역 주 수에서 갖는 변환손실은 혼 안테나의 사양을 결정

한다.

본 에서 안테나 성능 목표치는 반사계수를 기 으로 하 다. 표 3.1에

서 보는 것과 같이 X 역과 K 역에서 각각 -10dB이하의 반사손실을

갖도록 설정하 다. 이더 탐지기의 동작주 수 역이 8 GHz이상이며

특히 X 역에서는 성통신에 이용되는 주 수와 인 하는 경우가 생기

게 된다. 이 경우 역 내에 다른 역의 인 주 수가 검출되지 않도록

높은 감도를 갖도록 설계되어야 한다. X 역에서는 이러한 때문에 상

으로 낮게 목표치를 선정하 고, K 역에서는 인 역의 향을

게 받기 때문에 높은 검출 능력을 갖도록 하 다.

- 28 -

피라미드 혼 안테나의 은 주로 동축 이블을 사용하는데, 마루 구

조에 부분을 붙여 하 다.

3.2 4마루 도 설계

3.2.1 도 크기 결정

설계되는 도 은 구(직사각)형으로 설계하 다. 기존의 혼 안테나와

사용되어온 구형 도 은 동작 역에 따라 서로 다른 크기로 갖는다.

서로 다른 역을 포함하는 역일 경우, 도 을 선정하는 데 어려움

이 있으며, 일반 으로 인 인 불연속 구조를 인가하여 차단 주 수를

낮춘다. 한 측정의 용이성과 회로와의 연결을 하여 동축 커넥터를 연

결하여 마루부분에 합하여 하도록 하 다. X 역과 K 역에 사

용되는 도 의 크기는 상이하나 략 2배 정도 차이의 공진 주 수를

갖고 그 크기는 장의 배수에 비례하기 때문에 X 역의 공진주 수에

맞추어 을 선택하 다.

3.2.2 도 의

도 은 동축 커넥터에 의하여 마루에 직 하 다. 마루는 역

폭을 증가시키고 도 의 크기를 이고자 삽입하 으며 치는 X

역의 장의 1/2 지 이 되는 곳에 설정하 다.

- 29 -

그림 3.1 직 마루 구조

Fig. 3.1 direct ridge feeding structure

3.3 피라미드 혼의 설계

3.3.1 혼 각의 결정

본 논문에서 피라미드 혼이 갖는 혼 각은 도 의 폭에 의해서 결정된

다. 즉 물리 치수에 따라 계와 자계 면의 혼 각이 다르게 결정되며,

본 논문의 피라미드 혼은 자계 면의 혼 각에 의해 계 면의 혼 각이 결

정된다.

3.3.1.1 자계 면의 혼 각 결정

피라미드 혼의 크기를 결정하는 혼 각은 도 의 입력과 출력 폭에

향을 받는다. 그림 3.2에서 자계 면 혼 각(H-plane angle)이 결정되는 모

양을 나타내었다. 구형 도 의 면을 포함하는 두 면과 계 면이 교

차하여 계 공통직선을 형성한다. 형성된 공통직선은 도 뒷부분에

- 30 -

존재하며 그 직선 에 혼 꼭지 (horn apex)이 존재한다. 자계 면의 혼

각은 41.94°를 가지며, 혼 꼭지 은 도 입력 단에서 후방으로

35.22mm에 치한다.

그림 3.2 자계 면의 혼 각 결정

Fig. 3.2 Determination of H-plane angle

3.3.1.2 계 면의 혼 각 결정

계 면의 혼 각은 결정된 자계 면의 혼 각에 향을 받으며 그림 3.3

에서 계 면 혼 각(E-plane angle)이 결정되는 모양을 나타내었다. 구형

도 계 면의 혼 각은 혼 꼭지 이 공통직선의 에 치하여 상

와 하 가 14.93°로 칭을 이룬다. 따라서 계 면의 체 혼 각은

29.86°를 가지며, 혼 꼭지 은 도 입력 단에서 후방으로 22.5mm에

치한다.

- 31 -

그림 3.3 계 면의 혼 각 결정

Fig. 3.3 Determination of E-plane angle

3.3.2 혼 내부 불연속 구조 설계

혼 내부의 불연속은 도 내부 상 면에 feeding 마루를 삽입하 으

며 하 면과 양 측면에 마루를 삽입하 다. 외형은 수직면과 수평면을

통하여 단일 마루 구조로 4마루 구조를 구 하 다.

3.4 설계된 피라미드 혼 안테나의 특징

제안된 방법에 의해 설계된 구형 도 을 용한 피라미드 혼 안테나

는 4마루 구조를 가지면서 여러 특징을 갖는다.

- 32 -

그림 3.4 4마루 구조

Fig. 3.4 quad-ridge structure

3.4.1 안테나 설계 고려사항

이더 탐지기에 사용되는 피라미드 혼 안테나는 손쉽게 들고 다닐 수 있

는(hand held)것으로 소형이어야 하며, 자계 면의 혼 각에 비해 계 면

의 혼 각이 작아야 한다. 계 면의 혼 각을 결정 시에는 이 을 시 으

로 하여 출력 도 모서리의 네 을 연결하여 계 면의 혼 각을 이룬

다.

3.4.2 이득감쇠 요인

구형 도 에는 혼 꼭지 에서 개구 면까지의 경로 차에 이득감쇠요인

이 발생한다. 원거리 장에서 Schelkunoff의 이득공식에서 이득감쇠요인을

고려하게 된다.

3.4.3 비 칭 불연속 구조

비 칭의 계 면의 혼 각을 가질 때, 각은 가변하며 (front) 방향에

- 33 -

해 빔 틸 (beam-tilting) 효과를 갖는다. 빔 틸 은 로스만 즈

(Rothman lens)이론을 용하여 배열 구조를 갖는 평면 성안테나에서

특정 각에 해 빔 형성(beam forming)을 이루는 것이다. 방향성을 갖는

피라미드 혼 안테나의 정면에 해 빔 틸 효과를 얻을 수 있으며, 계

면의 혼 각이 변하면서 방사패턴이 변한다.

계 면 단면을 봤을 때 체 인 불연속 구조는 유사 칭 구조를 갖

게 된다. 이러한 구조는 특정 주 수를 검출하기 한 필터역할을 할 뿐

만 아니라 최 화 작업을 할 때 변수로 사용할 수 있다.

그림 3.5 설계된 피라미드 혼 안테나

Fig. 3.5 Designed pyramidal horn antenna

- 34 -

제 4장 실험결과 고찰

제 3장에서 언 한 설계 내용을 바탕으로 제 4장에서는 설계한 피라미

드 혼 안테나의 기 을 정하고, 주어진 사양에 만족할 수 있도록 최 화

모의실험을 수행하 다. 피라미드 혼 내부의 불연속 구조에 각각의 최

화 변수를 설정하 고, 모의실험은 CST사의 MicroWave Studio로 수행하

다. 최 화 수행과정의 안테나 성능변수는 반사계수를 우선 으로 살폈

으며, 최 값을 단하는 기 으로는 반사계수와 이득, 역폭을 살폈다.

모의실험을 토 로 주석으로 안테나를 제작하고 이를 측정하 다. 한

라스틱으로 동일한 규격의 안테나를 제작하고 알루미늄 도 하여 제작,

두 안테나의 측정 결과를 비교하 다.

4.1 표피효과의 증명

고주 에서 류가 표면에 흐르는 상을 모의실험을 통하여 증명하

다. 의 모델은 표피두께를 1mm로 설정하고 내부를 유 율 2.2의 teflon

으로 채우고 의 모델은 모두를 도체로 설정하여 모의실험한 후 두 모델

의 반사손실 값을 비교하 다. 모의실험 결과 두 모델의 결과 값은 거의

동일하게 나타났으며 실제로 용이 가능하다고 명되었다.

- 35 -

그림 4.1 내부에 테 론 유 체를 삽입한 모델(상),

완 도체로 이루어진 모델(하)

Fig. 4.1 the model of a teflon inside metal(up)

the model of a perfect conductor(down)

4.2 설계된 안테나의 최 변수 선정

그림 4.2는 설계한 기본 안테나를 바탕으로 목표 사양에 맞는 최 화 작

업을 수행하는 과정을 순서도로 요약하 다. 최 화 변수는 마루의

폭 변형, 마루의 두께 변형, 측면 마루의 폭 변형을 시도하 다.

마루의 폭 변형은 .도 과 혼 안테나 간의 물리 합면 을 변화

시켰고, 이 마루 폭 변화는 도 에서 개구면까지 이어진 도 의

체의 폭을 이거나 늘리는 2가지 방식으로 나 어 진행하 다.

- 36 -

각각의 최 값 도출 이후에 다음 단계 과정으로 넘어가는 순차 설계

방법 순으로 진행하 다. 최 화 변수를 상세히 하여 순차에 따른 변형으

로 최 값에 도출하도록 모의실험을 진행하 다.

그림 4.2 최 화 수행과정

Fig. 4.2 processing of optimization work

4.2.1 마루 폭 변화에 의한 최 화

피라미드 혼 안테나에 용된 마루구조는 도 내에서는 일정한 폭을

갖는 마루와 측면 마루, 방사체에 경사진 각을 갖는 마루로 구성되

어 있다. 우선 마루의 폭의 변화에 따라 반사계수가 어떻게 변하는

- 37 -

지를 살펴보았으며 폭이 늘어나는 경우와 어드는 경우 2가지 모두를 고

려하 다. 혼 안테나에서 설계한 단일 마루의 폭은 5 mm로 결정하 다.

변화두께는 0.1 mm 간격으로 하 으며 도 에서 피라미드 혼까지 동일

하게 용하 다.

4.3 최 값의 안테나 성능

다음은 최 값을 갖게 되는 안테나의 설계 모습이다. 마루의 경우

5mm의 폭과 1mm의 두께를 갖는다. 측면 마루의 폭은 3.6mm를 갖는다.

그림 4.3 설계된 안테나의 정면도

Fig. 4.3 A front view of designed antenna.

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그림 4.4 설계된 안테나의 측면도

Fig. 4.4 A side view of designed antenna

설계된 안테나의 반사손실 값은 X 역의 10.250 GHz에서 -34.14 dB, K

역의 24.150 GHz에서 -18.48 dB를 갖는다.

그림 4.5 X 역(10.525GHz)에서의 반사손실

Fig. 4.5 A Return loss at X-band.

- 39 -

그림 4.6 K 역(24.150GHz)에서의 반사손실

Fig. 4.6 A Return loss at K-band.

주어진 사양의 주 수 역에서 살펴본 이득은 그림 4.7과 그림 4.8에

각각 도시되어 있으며, 높은 주 수 역으로 갈수록 일그러지는 걸 알

수 있다. 그 이유는 방사패턴과 계가 있으며, 역을 갖는 넓은 주

수 범 에서는 주 수가 증가함에 따라 (null)이 증가한다. 이는 상

으로 이득을 측하는 반사계수에서도 나타남을 알 수 있었다. 설계된 안

테나의 이득 값은 X 역의 10.250 GHz에서 12.01 dB, K 역의 24.150

GHz에서 13.91 dB를 갖는다.

- 40 -

그림 4.7 X 역(10.525GHz)에서의 이득

Fig. 4.7 A Gain of X-band.

그림 4.8 K 역(24.150GHz)에서의 이득

Fig. 4.8 A Gain of K-band.

- 41 -

최 화 실험 결과 주어진 사양에서 X 역은 높은 반사계수를 가지고

10.525 GHz부근에서 공진 을 갖게 되었으며, K- 역에서는 넓은 동작

역을 나타내어 만족스러운 결과라 할 수 있다.

4.4 설계된 피라미드 혼 안테나의 제작

본 논문에서 제시한 피라미드 혼의 설계방법을 토 로 혼 안테나를 제

작하 다. 그림 4.9에서 제작된 라미드 혼 안테나를 보여주고 있다. 제

작된 안테나는 알루미늄 재질로 만들었으며 국내에서 Blazing 기법의 독

자기술을 가지고 있는 B&C Tech에서 제작되었다. 안테나의 체 인 크

기는 50⨯28⨯52.2 mm이며, 은 동축 커넥터가 도 에 삽입되는 구

조를 하고 있다. 한 동일한 크기의 라스틱으로 제작하여 알루미늄의

녹는 (660℃)보다 비교 낮은 주석(232℃)을 사용하여 도 하 다.

(a) 알루미늄 혼 안테나 (b) 도 된 라스틱 혼 안테나

그림 4.9 제작된 안테나

Fig. 4.9 Manufactured antenna

재 설계된 안테나는 8 ~ 26 GHz의 동작 역을 가지며 측정은 한국 해

양 학교 무반사실에서 실시하 다. 측정 결과 안테나의 반사 손실은 X

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역에서 알루미늄 속 혼의 경우 -37.268dB를 나타내었고 도 된 라스

틱 혼의 경우 -28.456dB 값을 나타내었다.

(a) 알루미늄 혼 안테나

(b) 도 된 라스틱 혼 안테나

그림 4.10 제작된 안테나의 X 역 반사 손실 측정값

Fig. 4.10 Return loss Measurement of Manufactured antenna at X-Band

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K 역에서는 알루미늄 속혼의 경우 -19.468dB를 나타내었고 도 된

라스틱 혼의 경우 -17.542dB 값을 나타내었다.

(a) 알루미늄 혼 안테나

(b) 도 된 라스틱 혼 안테나

그림 4.11 제작된 안테나의 X 역 반사 손실 측정값

Fig. 4.11 Return loss Measurement of Manufactured antenna at K-Band

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제 5장 결 론

본 논문은 X 역(10.475 GHz ~ 10.575 GHz), K 역(24.0 GHz ~ 24.25

GHz)의 이 역에서 동작하는 이더 탐지기 용 소형 피라미드 혼 안테

나 설계에 한 연구결과이다.

기존에 사용하던 구형 도 을 용한 피라미드 혼의 설계방법의 구조

개선과 개선된 설계방법을 제시하 다. 이 역에서 동작하는 이더

탐지기 제품에 용되는 요소들을 고려하여 설계하 으며, 소형으로 동작

주 수 역의 확보를 하여 4마루 구조의 도 을 설계에 용하 다.

도 의 구조에 의해 자계 면의 혼 각이 결정되고, 계 면의 혼 각은

단일 혼 꼭지 에 도 의 출력 폭을 이루는 꼭지 을 연결하여 계 면

의 혼 각을 결정한다. 혼 꼭지 의 치에 따라 비 칭 계 면 혼 각 설

정이 가능하고 개구면의 (front)방향에 해 빔 틸 효과가 생길 수 있

도록 설계하 다. 한 내부에는 도 과 혼 내부가 서로 비 칭의 불연

속 구조를 이룬다.

설계과정에는 CST사의 MicroWave Studio 로그램을 이용하 으며,

합 길이, 마루폭의 변화, 측면 마루폭의 변화 등을 최 화 변수

로 설정하여 각 변수의 최 화 모의실험을 수행하 다. 각 최 값은 독

립 으로 수행되었으며 각 변수의 최 값을 얻은 뒤 연이어 다음 변수를

용하여 차 으로 목표 사양에 근해갔다. 그 결과 X 역(10.525

GHz)에서 -37.268 dB, K 역(24.150 GHz)에서 -19.468dB의 반사손실 결과

를 보 다.

본 논문에서 사용한 소형 피라미드 혼 안테나의 4마루 도 구조의

설계방법은 일반 으로 이 구조에서 사용하나 이더 탐지기의 경

우 수직편 를 필요로 하여 단일 구조로 변형한 것으로 이 마루에

의하여 도 의 공진 주 수 역을 조 하게 되었다. 설계된 안테나는

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고주 에서 동작하기 때문에 도체의 표피효과에 의하여 된 신호는

안테나의 표면을 통하여 흐르게 된다. 이러한 상을 이용하여 안테나를

라스틱으로 제조하고 그에 주석으로 도 하여 속으로 만든 혼 안테나

와 유사한 특성을 얻게 되었다. 라스틱으로 제작하고 주석으로 도 한

혼 안테나의 경우 X 역(10.525 GHz)에서 -28.456 dB, K 역(24.150 GHz)

에서 -17.542dB의 반사손실 결과를 보 다.

본 논문의 연구 결과는 고주 에서 동작하는 다른 안테나에도 용 가능

한 기술로 여러 가지 통신기기용 안테나에 응용이 가능하리라 단된다.

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