Earticle

본 논문은 X-Band 애플리케이션에 활용하기 위한 4x4 마이크로스트립 어레이 안테나 최적화 설계와 제작에 대한 연구 결과를 제시하고 있다. 일반적으로 마이크로스트립 패치와 어레이 안테나 설계 파라미터는 기판의 종류와 패치의 사이즈를 조정함으로써 원하는 공진 주파수와 이득을 얻을 수 있다. 이 연구는 X-Band 공진 특성과 이득을 향상시키기 위해 최적의 기판 재료로 설계된 4x4 어레이 안테나 설계와 제작을 통한 특성 측정 결과를 소개하였다. 설계된 안테나의 크기는 10mm(W)x7.4mm(W)x0.79(H)mm 이다. 사용된 유전체 기판은 Rogers RO 4350B(εr=3.54)이며 안테나 급전 방식은 안테나의 사이즈를 줄이기 위해 인셋피드(Inset-fed) 방식이 적용되었다. 제안된 구조의 단일패치와 4x4 어레이 안테나는 설계 중심 주파수 10.3GHz에서 안정된 SWR(<1.5) 특성과 18.5dBi의 이득으로 예측되었다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 안테나가 제작되었고 측정 결과도 시뮬레이션 결과와 유사한 특성을 나타내는 것을 보았다. 본 연구에서 제안된 안테나는 군사, 위성 통신, 생물의학 분야를 포함한 X-Band 애플리케이션에 활용될 수 있다.

This paper details research on the optimized design and fabrication of a 4x4 microstrip array antenna intended for X-Band applications. The study focuses on achieving the desired resonance frequency and gain by modifying the microstrip patch and array antenna parameters, including substrate type and patch size. It presents results from designing and fabricating a 4x4 array antenna with optimum substrate materials to enhance X-Band resonance characteristics and gain. The antenna dimensions are 10mm(W)x7.4mm(L)x 0.79mm(H), with an Rogers RO 4350B dielectric substrate (εr=3.54) and an inset-fed feeding method to minimize antenna size. Both the single patch and 4x4 array antennas demonstrated stable SWR (<1.5) and a gain of 18.5dBi at the target frequency of 10.3GHz in simulations. The fabricated antenna showed performance consistent with simulation results. This antenna design is suitable for X-Band applications, including military, satellite communications, and biomedical fields.

본 연구에서는 X-밴드 taper 슬롯구조 능동위상 배열 안테나를 구현하였으며, 구현한 안테나의 성능을 해석하고 측정을 통하여 분석하였다. 제작된 광대역 위상배열 안테나의 능동반사계수 및 능동복사패턴을 측정한 결과를 통하여 설계된 위상배열 안테나의 능동반사계수 및 능동복사패턴 결과와 일치함을 확인하였고, 안테나의 광대역 빔 특성을 검증하여 설계 목표에 부합하는 안테나 구조를 제안하였다.

X-Band taper slot-typed active phased array antenna is studied and designed. Through the simulated and measured performances, it is confirmed that both of active reflection coefficient and active radiation pattern of the designed phased array antenna are agreed well with those of the prototype manufactured one. From this study, the proposed antenna structure is matched to the design target of characteristics of antenna's broadband beam.

본 논문에서는 10.3GHz(x-band) 주파수에서 동작하는 단일 및 2-패치 마이크로스트립 배열 안테나 설계 및 시뮬 레이션 결과를 제시하였다. 전송선로 이론을 통한 패치와 급전 선로 설계 파라미터를 구하였고 CST MWS를 사용하여 마이 크로스트립 패치 배열 안테나를 최적화 설계하는 과정을 제안하였다. 먼저 단일 마이크로스트립 패치 안테나를 설계한 후 최적의 반사 손실 및 이득을 얻기 위해 CST MWS를 사용하여 각 파라미터를 최적화하였다. 그리고 X-대역 애플리케이션 을 위한 2×1 마이크로스트립 배열 안테나로 설계를 확장하였다. 사용된 기판은 Roger RO4350B(h=0.79mm, Er = 3.54 ) 이고 급전 방식은 안테나 크기와 급전 효율을 고려하여 인셋(inset) 급전 방식을 사용하였다. CST MWS를 활용한 시뮬레이 션 결과를 제시하였으며, 동작 주파수(10.3GHz)에서 -18dB의 S11, 10.2dBi의 이득, 0.165GHz의 대역폭, 30o(Az, φ=0), 121o(El, φ=90)의 3-dB 빔폭을 얻었다. 향후 본 연구 결과를 기본으로 4×4 어레이로 추가 확장하여 안테나를 설계 및 제작하여 다양한 X-밴드 애플리케이션에 활용될 수 있다.

This paper presents a single and 2-patch microstrip array antenna operated on a frequency of 10.3GHz(x-band). It outlines the process of designing a microstrip patch array antenna using CST MWS. Initially, a single microstrip antenna was designed, followed by optimization using CST MWS to attain optimal return losses and gain. Subsequently, the design was expanded to create a 2×1 microstrip inset-fed array antenna for the X-band applications. The construction material is Roger RO4350B, with specific dimensions (h=0.79mm, Er = 3.54). The achieved results include an S11 of -18dB at the resonant frequency (10.3GHz), a gain of 9.82dBi, a bandwidth of 0.165GHz, and a 3-dB beamwidth of 30o, 121o in Az(φ=0) and El(φ=90) plane, respectively. The future plan involves the fabrication of this array antenna and further expansion to a 4×4 array of microstrip antennas. It is then incorporated on the X-band applications for practical uses.

본 논문에서는 X-Band에서 동작하는 광대역의 빔 조향이 가능한 테이퍼 슬롯의 위상배열 안테나 설계기법을 제시하 고 제작, 측정하여 성능을 분석하였다. 안테나 성능을 만족하기 위하여 전자파 특성과 견고성, 추가로 가공성이 뛰어난 진행파의 테이퍼 슬롯 안테나(Tapered Slot Antenna)를 위상배열 안테나의 단일 복사소자로 설계하였고 설계된 단일 복사소자를 이용, 목표성능에 도달하는 체계적이고 효과적인 광대역 위상배열 안테나 구조를 제안하였다.

본 논문에서는 위성 통신 단말용 X 대역 송신 필터와 수신 필터를 설계하고 제작 및 시험한 결과를 보인다. 송신 필터는 7.9 ~ 8.4 GHz, 수신 필터는 7.25 ~ 7.75 GHz의 대역을 가지며 두 필터 모두 상호 인접 주파수에서 매우 높은 차단 특성을 요구하는 필터이다. 이러한 필터를 인라인(in-line) 형태로 제작하기 위해 비공진 노드 기법을 사용하였으며 비공진 노드에는 E-평면 접합이 사용되었다. 회로 모델 설계 및 전자기 모델 설계 등의 단계적 설계 절차에 대해 기술하였다. 제작 및 튜닝 결과 두 필터 공히 온도 변화를 고려한 모든 요구조건을 만족하였으며 기존의 국내 상용품 대비 크기 및 무게를 30 ~ 40 % 줄일 수 있었다.

In this paper, designs and test results of X-band Tx and Rx filters for satellite communications are presented. The passbands are 7.9 ~ 8.4 GHz and 7.25 ~ 7.75 GHz for the Tx filter and the Rx filter respectively. Both of the filters require very high rejection performance between the two passbands. In order to make these filters in an in-line type, non-resonating node method was adopted and E-plane junction was used for the non-resonating node. Design procedures of circuit model design and full-wave electromagnetic model design are described. The test results show that all the performances meet requirements including temperature variations and the sizes are smaller than those of domestic commercial filters by about 30 ~ 40 %.

SIW (Substrate Integrated Waveguide) cavity 공진기의 구조는 유전체기판에 다수의 via-hole 을 이용함으로써 나타낼 수 있으며, rectangular waveguide 와 유사한 특성을 갖는다. 그리고 마이크로스트립라인과 SIW cavity 공진기 중앙간의 결합구조를 통하여 대역저지 특성이 나타나도록 하였다. 이러한 특성을 갖는 SIW cavity 공진기를 이용하여 X-band(9.45 GHz) 발진기를 제작하였고, 위상잡음은 100kHz offset에서 -98.1 dBc/Hz 로 측정되었다. SIW cavity 공진기는 높은 QL 값을 갖고, 2차원 구조이기 때문에 저비용에 우수한 위상잡음 특성을 갖는 발진기 설계에 응용할 수 있다.

The substrate integrated waveguide (SIW) structure can be approximated as the rectangular waveguide using common dielectric substrate with via-holes. To realize reflection-type resonator, microstrip line can be used for coupling with the center plane of the cavity. The oscillator is designed to operate at 9.45 GHz using the reflection-type SIW cavity resonator. The phase noise of oscillator shows -98.1dBc/Hz at 100 KHz offset. In experiment, the reflection type SIW cavity resonator improves the loaded quality factor making the low phase noise oscillator possible. Due to the entirely planar structure of this resonator, this technique can also be adequate in oscillator applications for a low cost and low phase noise performance.

본 논문에서는 평면형 MMIC 공진기를 이용하여 X대역에서 동작하는 낮은 위상잡음 특성의 HBT 발진기를 설계하였다. 제안한 공진기는 기존의 분포소자를 이용한 헤어핀 공진기 면적의 1/4 수준으로 크기를 소형화를 하였다. 발진기의 측정결과 발진주파수는 8.295 GHz, 출력전력은 4.8 dBm, 위상잡음은 100 kHz 옵셋 주파수에서 -106.8 dBc/Hz와 1 MHz 옵셋 주파수에서 -121.7 dBc/Hz를 보였다.

In this paper an X-band low phase noise HBT oscillator using a planar type MMIC resonator is designed. The chip area of the proposed resonator shows a quarter of the conventional hair-pin resonator using distributed transmission lines. The measurement results show oscillation frequency of 8.295 GHz, the power output of 4.8 dBm, and phase noise characteristic of -106.8 dBc/Hz and -121.7 dBc/Hz at 100 kHz and 1 MHz offset frequencies respectively.

본 논문에서는 정지궤도위성 관측탑재체 고속 데이터 전송을 위한 X-대역 이중모드 원통형 고전력 전송 출력필터의 비행모델 개발이전에 개발 모델을 설계하고 해석적 멀티팩션 요구마진을 보장하기 위해 해석되어졌다. 먼저 멀티팩션에 가장 민감한 슬롯 아이리스의 폭 및 두께를 가변하면서 멀티팩션 발생 임계전력의 민감도를 분석하였으며 그것을 토대로 선정된 아이리스 폭 및 두께에 대한주파수 대역에 따른 멀티팩션 임계전력을 분석하였으며 대역 내에서 해석적 요구 8 dB 마진을 가짐을 확인하였다. 또한 멀티팩션과함께 고출력 소자에 중요한 코로나 발생 임계전력 분석을 아이리스 폭 및 두께의 영향을 제시하였다. 마지막으로 제작된 개발모델을시험한 결과 주요 요구사항을 만족함을 확인하였다.

In this paper, prior to the flight model X-band dual-mode circular cavity filter required for the high power transmission of the observation payload in the geostationary satellite, the development model are designed and analyzed to show the analytical multipactor requirement margin. First of all, the multipaction breakdown power sensitivities were analyzed by changing the iris width and thickness within the filter, and through that the iris width and thickness was selected and then the multipaction threshold powers over the frequencies within the bandwidth were analyzed and the required margin of 8 dB was obtained. Also for the high power transmission filter, another important phenomena known as corona breakdown are analyzed for the iris width and thickness changes. Finally the development model manufactured was tested and the results met the key requirements.

본 논문에서는 GaN HEMT (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor) bare-chip을 이용하여 X-대역에서 수동 로드 풀(Passive load-pull)을 수행하였다. 열로 인한 특성 변화가 최소화 된 동작 조건을 얻기 위해 드레인 바이어스 전압과 입력 RF 신호를 펄스로 인가하였다. 전자기장 시뮬레이션과 회로 시뮬레이션을 병행하여, 와이어 본딩 효과를 고려하여 드레인 경계면에서의 정확한 임피던스 정합 회로를 구현하였다. 임피던스를 변화시키기 위해 마이크로스트립 라인 스터브의 길이가 조절 가능한 회로를 설계하였다. 펄스 로드 풀 실험 결과 8.5 GHz에서 9.2 GHz 대역에서 최대 42.46 dBm의 출력 전력을 얻었으며, 58.7%의 드레인 효율 특성을 얻었다.

In this paper, a passive load-pull using a GaN HEMT (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor) bare-chip in X-band is presented. To obtain operation conditions that characteristic change by self-heating was minimized, pulsed drain bias voltage and pulsed-RF signal is employed. An accuracy impedance matching circuits considered parasitic components such as wire-bonding effect at the boundary of the drain is accomplished through the use of a electro-magnetic simulation and a circuit simulation. The microstrip line length-tunable matching circuit is employed to adjust the impedance. The measured maximum output power and drain efficiency of the pulsed load-pull are 42.46 dBm and 58.7%, respectively, across the 8.5-9.2 GHz band.

본 논문은 무인항공기 탑재용 능동 빔 보상이 가능한 X-대역(9.375 GHz) 1×2 배열 마이크로스트립 안테나를 제안한다. 먼저 기본형 1×2 배열 마이크로스트립 안테나와 윌킨슨 전력분배기를 결합하여 배열 안테나를 설계 하였고, 배열 안테나의 방사 성능을 확인하였다. 측정 결과, 다음으로 설계된 배열 안테나의 빔 조향을 위해 위상기, 윌킨슨 전력분배기를 모듈구조로 제작하였고, 위상 천이에 따른 빔 조향 특성을 측정 하였다. 금속 차폐를 통해 메인 로브는 0° 방향에서 0.3 dB 개선된 –0.6 dBi로, 좌우 대칭인 안정된 방사패턴을 얻었다. 또한 180° 방향에서 사이드 로브를 18.8 dB 감소시켰다. 다음으로, 무인항공기 날개에 컴팩트하게 탑재할 수 있도록 배열 안테나의 뒷면에 위상기와 전력분배기를 부착하여 능동 빔 조향 마이크로스트립 배열 안테나를 설계 및 제작 하였다. 측정 결과 최대 이득은 0.7 dB 향상된 0.1 dBi로, 메인 로브는 좌우 대칭이며 사이드 로브가 억제된 형태의 방사 특성을 얻을 수 있었다. 따라서, 무인항공기 날개에 탑재된 배열 안테나에 대해 날개의 변형에 따른 빔 오차를 보상할 수 있는 기본 안테나 설계 기술을 확보하였다.

This paper presents an X-band (9.375 GHz) 1×2 array microstrip antenna which is capable of active beam compensation for installation of an unmanned aerial vehicle (UAV). First of all, a basic 1×2 array microstrip antenna incorporated with wilkinson power divider was designed and performance of the array antenna was verified. Next, to verify beam steering performance of the designed array microstrip antenna, we fabricated a phase shifter, and the wilkinson power divider as module structure and measured characteristics of beam steering according to phase shifting. The main lobe is 0.6 dBi at 0°, and the side lobe decreased 18.8 dB. The reliable radiation pattern was achieved. Finally, an active beam steering microstrip array antenna attached with the phase shifter and the power divider on the back side of the antenna was designed and fabricated to install wing of UAV for compactness. The maximum gain is 0.1 dBi. Therefore, we obtained a basic antenna technology for compensating beam error according to wing deformation of an UAV installed array antennas.

국제전기통신연합(ITU)에서는 7375-7750 MHz/8025-8400 MHz 대역(X 대역) 해상이동위성업무의 추가 주파수 분배를 세계전파통신회의(WRC-15) 연구 의제로 채택하여 주파수 분배에 대한 기술적, 규정적 방안을 연구하고 있다. 새로운 업무의 주파수 분배를위해서는 동일 및 인접 대역에 이미 운용되고 있는 기존 업무와의 주파수 간섭 평가 및 공유 방안 연구를 통해 기존 업무들을 보호해야 하며 업무들 간 양립성이 보장되어야 한다. 본 논문에서는 ITU-R에서 연구된 X 대역 해상이동위성업무 주파수 분배 연구 동향및 현재까지의 주파수 분배 연구 결과를 바탕으로 2015년 11월에 개최될 WRC-15에서 본 의제에 대한 우리나라 대응 전략 수립을위한 고려사항들을 분석하였다.

ITU-R has conducted a studies for the frequency allocation to the maritime mobile satellite service (MMSS) in the 7375 – 7750 / 8025 – 8400 MHz under WRC-15 agenda item 1.9.2. In order to allocate a certain frequency bands to the new service, compatibility between new service and the existing services is ensured taking into account protecting the existing services form interference of new service. In this paper, we present current studies results of the frequency sharing studies between new allocation to MMSS and the existing services in the ITU-R. In addition, some proposals for allocating the 7/8 GHz frequency bands to MMSS are also considered for efficient spectral utilization with respect to preparing WRC-15.

본 논문은 현재 ITU-R에서 논의되고 있는 7/8 GHz대역 해상이동위성업무를 위한 신규 주파수 분배 연구 중 8025 – 8400 MHz 대역에서 지구탐사위성업무와의 주파수 공유 가능성을 검토하였다. 8 GHz 대역을 이용하려는 해상이동위성업무의 송신 지구국은 동대역에서 운용되는 지구탐사위성업무의 수신 지구국으로 해로운 간섭 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 논문에서는 8 GHz 대역에 서 해상이동위성업무의 상향링크가 동 대역에 이미 주파수가 분배된 지구탐사위성업무로 미치는 간섭 영향에 대해 분석하고, 주파 수 대역을 공유하기 위한 공유 조건으로 두 업무의 무선국간 이격거리를 제시하였다. 우리나라는 2017년경에 정지궤도 복합위성을 발사할 예정이며 이 위성을 이용한 지구탐사업무 지구국과 동 대역의 해상이동위성업무 송신 지구국의 시스템 파라미터를 이용하여 두 업무간 간섭량 및 주파수 공유를 위한 이격 거리를 계산하였다. 최악 조건을 가정한 본 연구의 분석 결과에 따르면 가시 경로가 존재하는 경우 및 지형 조건을 고려하여 비가시 경로에 대한 이격거리는 각각 약 474 km, 약 200 km 정도 이다.

In this paper, we present the compatibility study results including the frequency sharing criteria between new allocation to maritime mobile satellite service and Earth exploration satellite service in the 7/8 GHz. The transmitting Earths station of MMSS in the 8025 – 8400 MHz band would make harmful interference to the receiving Earth station of EESS operating in the same frequency band. In order to ensure the compatibility with EESS, the separation distance is provided as a frequency sharing criteria. The republic of Korea has a plan to launch the geostationary satellite around 2017 and EESS Earth station will be operated in 8025 – 8400 MHz band. Therefore, we calculate the interference levels and separation distance using the system parameters of two Earth station systems. As results of the study, the separation distances for LOS path and Non-LOS path due to the geographical characteristics are shown around 471 km and 200 km, respectively.