제 15장 반사경 안테나

실습-11 반사경 안테나(Reflector Antenna)

반사경 안테나는 도체 평면에서의 전파의 입사각과 반사각이 동일하다는 반사의 법칙을 이용하여 넓은 면에 입사하는 전파를 한 점(초점)으로 모아서 수신하는 장치이다. 역으로 초점에서 방사된 전파는 반사경에 의해 반사된 후 반사경의 넓은 면적에 걸쳐 동시에 같은 방향으로 전파된다.

반사경 안테나는 구조의 단순성, 광대역 특성, 높은 효율, 크기를 증가시킴으로써 이득을 비례하여 증가시킬 수 있다는 장점으로 마이크로파 점대점 통신, 위성통신, 군용 레이더, 우주선 통신, 전파 천문학 등의 용도로 널리 사용되고 있다.

I. 실습

1. 원형 도파관 피드 설계

원형 도파관: 내경 직경 20mm, 외경 22mm (벽두께 1mm로 함), 길이 60mm

좌표계: 원점 = 개구면 중심, z 축 = 도파관 축과 평행하며 입력 포트에서 멀어지는 방향, y축 = 수직방향

여기: wave port, TE₁₁ 모드, 전기장 y축 방향

1) 형상

2) 포트 면에서의 전기장 분포, arrow plot, 14GHz

차단 주파수 = ( )GHz

3) 개구 면에서의 전기장 분포, arrow plot, 14GHz

4) 반사계수: -40dB to 0dB, 10-20GHz

5) 1D 이득 패턴: Ludwig 3, Cartesian, 14GHz, -30dB to 15dB, -180º to 180º, 모두 동일한 그래프에

Co-pol. gain, phi = 0º

Co-pol. gain, phi = 90º

Cross-pol. gain, phi = 45º

최대 이득 = ( )dB

-3dB 빔폭 (전계면/자계면 평균) = ( )º

-10dB 빔폭 (전계면/자계면 평균) = ( )º

6) 1D 위상 패턴: Ludwig 3, Cartesian, 14GHz, 0º to 360º, -180º to 180º, 모두 동일한 그래프에, 위상 패턴 계산 시 원거리 계산 자표 원점을 개구면 중심에 둘 것.

Co-pol. phase, phi = 0º

Co-pol. phase, phi = 90º

7) 2D co-pol. 이득 패턴: Ludwig 2, 14GHz, magnitude range = automatic

8) 2D cross-pol. 이득 패턴: Ludwig 2, 14GHz, magnitude range = automatic

최대 이득 = ( )dB

2. 포물면 반사경 설계

반사경: 포물면, 직경 D = 314mm, 초점거리 F = 110mm, 금속 두께 = 1mm

피드: 위에서 설계한 원형 도파관. 위상 중심 = 개구면 중심

피드의 원거리 패턴을 계산하여 far-field source로 반사경을 조사

시뮬레이션: 1/4 등분하여 해석. electrical wall(전기장이 수직인 면), magnetic wall(자기장이 수직인 면) 개념 이해

yz-평면: 자기장이 수직, 전기장은 평행 → magnetic wall

zx-평면: 전기장이 수직, 자기장은 평행 → electric wall

1) 형상

F/D = ( )

피드 조사각 = ( )º

2) 1D 이득 패턴, 광각: Ludwig 3, Cartesian, 14GHz, -30dB to 40dB, -180º to 180º, 모두 동일한 그래프에

Co-pol. gain, phi = 0º

Co-pol. gain, phi = 90º

Cross-pol. gain, phi = 45º

3) 1D 이득 패턴, 협각: Ludwig 3, Cartesian, 14GHz, -30dB to 40dB, -30º to 30º, 모두 동일한 그래프에

Co-pol. gain, phi = 0º

Co-pol. gain, phi = 90º

Cross-pol. gain, phi = 45º

최대 이득 = ( )dB

-3dB 빔폭 (전계면/자계면 평균) = ( )º

부엽준위 = ( )dB

개구효율 = ( )%

빔폭계수 = ( )º

3) 2D co-pol. 이득 패턴: Ludwig 2, 14GHz, magnitude range = -30dB to 40dB (adjusted)

4) 2D cross-pol. 이득 패턴: Ludwig 2, 14GHz, magnitude range = automatic

최대 이득 = ( )dB

II. 이론

1. 반사 법칙

1) 반사 법칙(law of reflection)

- 도체 평면에서 전자파 반사

- 입사파 진행방향 벡터, 평면의 접선, 반사파 진행방향 벡터: 동일 평면 = 입사평면(plane of incidence)

- 반사각은 입사각과 동일:

그림: 평면에서 전자파의 반사법칙

- 파장에 피해 표면 거칠기가 무시하지 못할 정도로 크면 반사파가 여러 방향으로 흩어진다. → rough surface scattering

- 반면에 표면 거칠기가 파장에 비해 매우 작을 경우는 평면에서의 반사 법칙이 성립한다.

- 이러한 경우를 specular reflection이라 한다.

그림: (a) 매끄러운 면에서의 반사, (b) 거친 면에서의 반사 [OSA]

2) 부드러운 곡면에서의 반사

- 곡률 반경이 파장에 비해 매우 큰 부드러운 곡면에 전파가 입사할 경우 입사점에서 곡면을 지역적으로 평면과 같다고 가정하여 반사파의 방향을 구한다. 이 때 평면은 입사점에서 곡면에 접하는 평면(법선에 수직인 평면)이다.

그림: 곡면에서의 반사 법칙 [study.com]

2. 포물면 반사경(parabolic reflector)

1) 동작원리

- 개구에 수직(포물면 반사경 중심축에 평행)인 방향으로 입사하는 wave는 포물면에 반사된 후 한 점(초점)에 모인다.

- 위와 같이 동작하는 곡면을 수학적으로 유도하면 이차 곡선인 포물선을 회전하여 얻은 포물면(paraboloid)가 된다.

- 초점면(focal plane)에서 출발한 ray가 포물면에 반사된 후 초점에 도달하는 거리는 모두 동일하다.

The paraboloid enables electromagnetic waves to be reflected and retain their phase integrity, combining to produce an additive wave front and not be out of phase.