Ⅰ. 서 론
비선형 레이다는 표적으로부터 산란되는 신호가 아닌 표적에 내장된 반도체 소자를 여기시켜 발생되는 2차 고조파를 탐지하는 레이다이다. 이러한 이유로 수신 대역은 송신 대역의 2배수이다. 송․수신 주파수가 다를 경우 bi-static 방식이 활용되는데 이는 시스템의 크기를 증가시킨다. 따라서 서로 다른 대역의 안테나를 동일한 개구면에 위치시키는 개구면 공유형 배열 안테나가 연구되어 왔다[1]. 선행 연구의 경우, 송신 및 수신 대역 간 차이가 크지 않기 때문에 배열 안테나 설계 시 grating lobe에 대한 영향을 회피할 수 있다. 그러나 본 연구의 경우, 송/수신 간 대역 차이가 2배이므로 grating lobe가 발생 될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 최적화 알고리즘을 활용한 thinned 기반 S/C-대역 개구면 공유형 배열 안테나의 설계 방식을 제시한다.
Ⅱ. S/C-대역 단일 복사 소자 설계 및 측정
그림 1은 배열 안테나를 구성하는 S- 및 C-대역 단일 복사 소자를 각각 보여주고 있다. 2개의 RF-35(ε=3.5) 기판으로 구성되어 있으며 기판 두께는 각각 0.51 mm, 1.52 mm이다. 두 기판의 접착을 위하여 RO4450F(ε=3.5) 재질의 접착층이 활용되었다. 안테나는 중앙의 방사패치와 기생패치, 급전부와 연결된 급전패치로 구성된다. SMA 커넥터의 내심은 상단의 안테나 급전패치와 연결된다. 중앙의 방사패치는 급전패치를 통해 간접 급전된다. 안테나 형상에 대한 매개변수는 표 1에서 보여준다.
| axs | 3 | ays | 30 | bxs | 23.9 | bys | 50.3 |
| cxs | 20.6 | cys | 2.8 | dxs | 65 | dys | 65 |
| fxs | 13.6 | exs | 2.4 | eys | 24 | rs | 1.6 ϕ |
| axc | 1.5 | ayc | 8 | bxc | 11.2 | byc | 24.5 |
| cxc | 8.3 | cyc | 1.1 | dxc | 32.5 | dyc | 32.5 |
| fxc | 8.28 | exc | 2.8 | eyc | 11.3 | rc | 1.2 ϕ |
그림 2는 S- 및 C-대역 단일 소자에 대한 S11 및 최대 이득을 보여주고 있다. 동작 대역(3.0~3.2 GHz, 6.0~6.4 GHz)에서 S/C-대역 안테나 모두 시뮬레이션 및 측정된 결과가 유사하며 −10 dB 이하 반사계수를 만족하였다. 설계된 안테나는 S/C-대역에서 각각 6.65 dBi 및 6.64 dBi의 최대이득을 가진다.
그림 3은 S/C-대역 단일 복사소자의 제작된 형상 및 측정 환경을 보여주고 있다. 제작된 안테나는 원 전계 측정장에서 성능시험이 진행되었다. 그림 4는 단일 소자의 중심 주파수(3.1, 6.2 GHz)에서 방사 패턴을 나타낸다. 시뮬레이션 및 측정된 두 결과는 서로 유사하며 우수한 지향성 안테나의 패턴임을 확인할 수 있다.
Ⅲ. 개구면 공유형 S/C-대역 배열 안테나 설계 기법
그림 5는 제안된 개구면 공유형 S/C-대역 송/수신 배열 안테나 형상 및 배열 소자 위치를 보여준다. 안테나 전체 면적은 600×540 mm2이다. S-대역 소자는 72개의 소자로 구성된 8×9 배열 안테나 중 32개(TF(thinning factor= 32/72=44.4 %)로 구성되어 있으며, C-대역 소자는 48개의 소자로 구성된 8×6 배열 안테나 중 24개(TF=24/48= 50 %)로 구성되어 있다.
그림 6은 제안된 개구면 공유형 배열 안테나 구성을 위하여 고안된 배열 구조 최적화 개념도이다. S-대역 안테나는 레이다의 송신부로서 낮은 부엽준위보다 좁은 HPBW가 중요하다. 반면 C-대역 배열 안테나는 수신부로써 낮은 부엽준위를 확보하는 것은 중요하다. 따라서 상대적으로 크기가 큰 S-대역 배열 안테나의 중심부는 비우고 C-대역 배열을 중앙의 빈공간에 위치시킨다.
그림 7은 thinned 배열 안테나 최적화 과정을 보여준다. 먼저 전체 배열안의 S/C-대역 안테나 소자들이 각각 위치하는 공간을 지정한다. 지정된 위치에서 임의로 소자가 위치하게 하고 안테나 패턴을 시뮬레이션한다. 안테나 패턴의 PSL(peak side lobe)이 S/C-대역 각각 −12, −20 dB 이하 및 소자의 개수가 전체 배열의 50 % 이하로 구성되게끔 목표를 두고 최적화를 진행한다[2]. 최적화는 Matlab을 활용하였으며 알고리즘은 Binary-GLPSO를 적용하였다[3]. 최적화 시간은 S/C-대역 배열안테나가 각각 약 21분, 13분이 소요되며 메모리는 1,634 MB가 사용되었다.
그림 8은 제안된 개구면 공유형 배열 안테나와 8×9 및 8×6 배열 안테나의 시뮬레이션 된 빔 특성 비교로 동작 대역의 중심 주파수에 대한 결과이다. 제안된 안테나는 동작 대역의 소자만 급전하고 이외의 소자는 50-Ω 정합하였다. 시뮬레이션은 EM simulation의 한 종류인 CST MWS를 활용하여 진행하였다. S-대역 배열 결과의 경우, 8×9 배열과 비교적 유사한 것을 확인할 수 있다. C-대역 배열 결과의 경우, uniform 급전 상태에서 배열 형상으로 −20 dB 부엽준위를 확보하였다. 정량적 수치를 표 2에 제시한다.
| S-band | C-band | |||||||
| ϕ=0° | ϕ=90° | ϕ=0° | ϕ=90° | |||||
| Prop. | Con. | Prop. | Con. | Prop. | Con. | Prop. | Con. | |
| HPBW (°) | 9 | 8.3 | 9.1 | 9.4 | 15.8 | 12.7 | 10.9 | 9.4 |
| SLL (dB) | −12.2 | −13.4 | −13.8 | −13.3 | −29.8 | −13.5 | −20.4 | −13.2 |
그림 9는 제안된 안테나의 중심 주파수에서 방위각 및 고각 15° 조향에 대한 빔 조향 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. S 대역 배열 안테나의 경우 정면 방향에서 이득은 21.9 dBi이다. 방위각 ±15° 조향시 이득은 각각 21.5 dBi, 21.1 dBi이며, 고각 ±15° 조향시 모두 21.4 dBi이다. C-대역 배열 안테나의 경우, 정면 방향에서 이득은 21.7 dBi이며, 방위각 ±15° 조향시 이득은 각각 21.4 dBi, 20.9 dBi이며 고각 ±15° 조향시 이득은 모두 21.5 dBi이다. S/C-대역 배열안테나 모두 thinned 기법을 적용하여 일반적인 배열안테나에 비해 급전되는 소자가 줄어 이득이 감소하는 경향을 보인다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 최적화 알고리즘을 활용한 thinned 기반 개구면 공유형 S/C-대역 배열 안테나 설계 기법을 제시한다. 3~3.2 GHz와 6~6.4 GHz 대역에서 동작하는 단일 소자를 설계하였으며 이를 제작하고 측정하였다. 설계된 단일 소자를 바탕으로 최적화 알고리즘을 활용해 thinned 기반 S/C-대역 배열 안테나 안테나를 구현하고 검증을 진행하였다. 제안된 S- 및 C-대역 배열안테나의 방사패턴은 각각 9° 수준의 HPBW와 −20 dB 부엽준위의 성능을 보인다. 따라서 제안된 기법은 송․수신 대역 간 차이가 큰 개구면 공유형 배열 안테나 설계시 활용할 수 있다.
