파도 관측 레이다 시스템용 6×26 슬롯 배열 도파관 안테나의 설계에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 파도 관측 레이다 시스템용 6×26 슬롯 배열 도파관 안테나의 설계를 제안한다. 부산의 해수욕장과 제주 및 동해안의 해안선이 강한 파도로 인해 이안류 발생 및 해안 침식 현상 때문에 인명 피해 및 경제적 손해를 최소화하기 위한 대책이 필수적이다. 해안 침식의 주된 원인 중 하나인 파도의 정보를 실시간으로 대용량의 데이터를 처리하기 위한 넓은 주파수 대역이 요구되고 기존의 X-밴드로는 불가능하므로 Ku-밴드를 사용해야 한다. Ku-밴드에서 동작하는 파도 관측 레이다를 고해상도 및 고분해능을 가지기 위해서는 고이득 안테나 설계가 필수적이다. 본 논문에서는 고이득 특성과 광대역화를 실현하기 위한 슬롯 배열 도파관 안테나의 설계를 제안하였다. 제 1장에서는 연구 배경 및 설계 목표에 대해 기술하였다. 연구 배경으로는 파도 관측 레이다 시스템의 필요성을 사회적으로 이슈화 되고 있는 해안 침식 피해 기사를 사례로 설명하였고, 설계 목표로는 파도 관측 레이다 시스템용으로 가장 적합한 후보 안테나를 슬롯 배열 도파관 안테나로 선정한 이유를 설명하였다. 제 2장에서는 구형 도파관 안테나의 개념과 원리에 관해 설명하였다. 제 3장에서는 단일 슬롯 도파관 안테나를 설계하여 슬롯의 형태별 안테나의 특성을 비교하였다. 제작상의 편의를 위해 슬롯의 형태는 타원형으로 선택하였고, 단층형 이득 개선 슬롯 배열 도파관 안테나를 설계하였다. 제 4장에서는 단층형 슬롯 배열 도파관 안테나의 주파수 대역폭 및 안테나의 특성을 개선하기 위해 Low profile 슬롯 배열 도파관 안테나를 설계하였다. 제 5장에서는 상하로 움직이는 파도의 움직임을 정확히 탐지하기 위한 넓은 앙각의 빔폭을 가지는 파도 관측용 6×26 슬롯 배열 도파관 안테나를 설계한 후 제작 및 측정을 통해 설계의 타당성을 입증하였다. 제 6장에서는 본 논문의 결론을 기술하였다. 제안된 안테나는 주파수 대역폭의 광대역화를 위해 적층형 구조를 가졌으며, 파도 관측 요구에 맞는 넓은 앙각의 빔폭을 얻기 위하여 도파관의 광벽과 협벽의 크기는 최적화 되었다. 제안된 안테나는 17.5 GHz에서 약 28 dBi의 이득과 약 13.75°의 앙각의 빔폭 결과를 얻었고, 모의실험 결과와 측정 값이 대체로 잘 일치하였다. 이 결과들은 군용 레이다 안테나, 자율 운항 선박용 레이다용 안테나로 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 향후 과제로는 파도에 의한 클러터 발생으로 복잡한 편파가 심한 해양 환경에 뛰어난 편파 특성을 가지는 원편파 슬롯 배열 도파관 안테나 설계를 통하여 고이득·고효율 파도 관측 레이다용 안테나를 구현하고자 한다.

This thesis proposed a design of 6×26 slotted waveguide array antenna for wave monitoring radar system. Measures are essential to minimize casualties and ec-onomic damage due to the occurrence of rip currents and coastal erosion caused by strong waves on beaches in Busan and coastlines in Jeju and East Coast. Wave is one of the main causes of coastal erosion. To process large amount of wave data in real time, the Ku-band was chosen rather than the existing X-Band to have broader frequency band. A design of high-gain antenna is essential to have high-resolution of wave monitoring radar system operating at Ku-band. This thesis proposed a design of slotted wave-guide array antenna to realize high-gain characteristics and broadband. In Chapter 1, explains the background of the research and the objective of the design. Wave monitoring radar system is required to solve coastal erosion problems which has become a social issue. As the most suitable candidate for the system, slotted waveguide array antenna was chosen. In Chapter 2, explains the concept and the principle of rectangular waveguide antenna. In Chapter 3, compares the characteristics of antennas by different slot types by designing a single waveguide antenna. Round shape slot was chosen for the convenience of prototype manufacture, and a single-layer improved slotted waveguide array antenna was designed. In Chapter 4, a low profile slotted waveguide array antenna was designed to improve the frequency bandwidth and the antenna characteristics of the single-layer slotted wa-veguide array antenna. In Chapter 5, a wave monitoring 6×26 slotted waveguide array antenna with a wide elevation angle beamwidth was designed to accurately detect the movement of wave moving up and down. The validity of antenna design was proved through manufacturing and measurement. Lastly, chapter 6, describes the conclusion of the thesis. The proposed antenna had a double-layer structure to enable widening of bandwidth. In addition, the antenna has been optimized with the size of the broad wall and the na-rrow wall of the waveguide to obtain broaden beamwidth with an elevation angle which is suitable for wave monitoring. The measured elevation angle and peak gain were 13.75°and 28 dBi at 17.5 GHz, respectively. These measured results were shown good agreement with prediction. Furthermore, these results will be strongly recommend for the military radar antenna and help the autonomous vessel application. In future study, to implement a high gain and high efficiency of wave monitoring radar antenna, circularly polarized slotted waveguide array antenna will be considered. The circular polarization antennas are expected to have excellent polarizatiion characteristics especially in a marine environment where the complex polarization are complicated due to clutters generated by waves.