위상 어레이 안테나

플로케해석 합성 BFNs및 능동어레이 시스템

Arun K. Bhattacharyya 지음 | 홍우영 , 김하철 , 최현철 옮김

아진 2015년 09월 15일 출간 종이책 : 2012년 07월 05일 출간

작품소개

책소개

플로케해석, 합성, BFNs 및 능동 어레이 시스템『위상 어레이 안테나』. 이 책의 목적은 위상 어레이 안테나 및 시스템에 대한 해석과 설계 방법을 이해하기 쉽게 설명하는 것이다. 학술 잡지와 발표된 위상 어레이 안테나 관련 분야의 최근 해석 방법이 포함되어 있다. 기본 원리로부터 논리적인 방법을 통해 개념이 정립되었다. 이론과 개념에 대한 자세한 유도과정이 가능한 포함되도록 하였고 또한 여러 가지 설계 예와 설계 지침도 주어지도록 하였다.

목차

제1장 위상 어레이 기초 : 패턴해석 및 합성
1.1 소개 1
1.2 어레이 기초 1
1.2.1 요소 패턴, 방향도 및 이득 2
1.2.2 동일편파(Co-polarization)와 교차편파(Cross-Polarization) 4
1.2.3 어레이 패턴 6
1.2.4 어레이 이득 8
1.2.5 최대 어레이 이득 정리 9
1.2.6 어레이 테이퍼 효율(Array Taper Efficiency) 12
1.3 펜슬(Pencil)빔 어레이
1.3.1 주사손실 및 빔 퍼짐(Broadening) 13
1.3.2 주사 어레이 설계 고려사항 15
1.3.3 그레이팅 로브(Grating Lobe) 17
1.3.4 고정(Fixed) 값의 위상 편이기 대 실시간 지연(True Time Delay) 위상 편이기 22
1.3.5 위상 양자화(Quantization) 25
1.4 선형 어레이 합성 28
1.4.1 어레이 요인: Schelkunoff 다항식 표현 28
1.4.2 이항식(Binomial)의 어레이 30
1.4.3 Dolph-Chebyshev 어레이 33
1.4.4 Taylor 선전원 합성 39
1.4.5. Bayliss 차패턴 합성(Bayliss Difference Pattern Synthesis) 47
1.5 평면 개구 합성 49
1.5.1 Taylor 원형개구 합성 51
1.5.2 Bayliss 차패턴 합성 54
1.6 연속 전원의 이산화(Discretization) 57
1.7 요약 60
연습문제 63

제2장 무한 어레이에서 플로케 모드 소개
2.1 소개 67
2.2 푸리에 스펙트럼과 플로케 급수 68
2.2.1 푸리에 변환 68
2.2.2 주기 함수: 푸리에 급수 69
2.2.3 플로케 급수 71
2.2.4 2차원 플로케 급수 73
2.3 플로케 여기(excitations)와 플로케 모드 77
2.3.1 주빔과 그레이팅 80
2.4 2차원 플로케 여기 81
2.4.1 원선도(Circle Diagram): 직사각형 그리드 82
2.4.2 원선도: 이등변 삼각형(Isosceles Triangular) 그리드 84
2.5 기하광학(Geometric Optics)으로부터의 그레이팅 빔 85
2.6 플로케 모드와 유도 모드(Guided modes) 88
2.7 요약 91
연습문제 92

제3장 플로케 모드 함수
3.1 서론 97
3.2 와 의 플로케 벡터 모드함수 97
3.2.1 플로케 모드 전계 98
3.2.2 플로케 모드 전계 101
3.3 유전체로 코팅된 접지면 상에서 전계 표면전류에 의한 무한 어레이 103
3.3.1 와 모드 전원 분해 104
3.3.2 전계 106
3.3.3 전계 108
3.3.4 플로케 임피던스 109
3.4 Blind 각도 결정 113
3.5 능동 요소 패턴(Active Element Pattern) 116
3.5.1 중첩을 적용한 어레이 패턴 116
3.5.2 플로케 모드 전개를 적용한 어레이 패턴 118
3.5.3 능동 요소 이득 패턴 120
3.6 직사각형 혼 개구의 어레이 123
3.6.1 도파관 모드 124
3.6.2 도파관 모드에 대한 플로케 모드 125
3.6.3 반사와 전송 행렬 127
3.6.4 모드 입사 133
연습문제 137

제4장 무한 어레이 결과를 적용한 유한 어레이 해석 : 상호 결합 공식
4.1 소개 143
4.2 플로케 임피던스의 대칭 특성 144
4.2.1 플로케 모드 전원에 의해 주어지는 어드미턴스 146
4.2.2 개구 어드미턴스 149
4.3 상호결합(Mutual Coupling) 151
4.3.1 상호 임피던스 151
4.3.2 상호 어드미턴스 153
4.3.3 산란 행렬 요소 153
4.4 다중 모드 전원 어레이 154
4.5 2차원 어레이의 상호 결합 155
4.5.1 직사각형 격자 155
4.5.2 임의의 격자 156
4.6 유한 어레이의 능동 입력 임피던스 158
4.6.1 개방회로의 비여기 요소 158
4.6.2 단락회로의 비여기 요소 159
4.6.3 정합 종단된 비여기 요소 159
4.7 개방된 도파관 어레이의 능동 반사손실 160
4.8 유한 어레이의 복사패턴 162
4.8.1 개방회로로 주어진 비여기 요소 162
4.8.2 단락 회로로 주어진 비여기 요소 166
4.8.3 정합 종단된 비여기 요소 166
4.9 개방된 도파관 어레이의 복사패턴 166
4.10 비균등 간격을 갖는 어레이 167
4.11 상관관계를 적용한 유한 어레이 해석 168
4.11.1 개구 전계에 대한 상관관계 168
4.11.2 상호 임피던스 170
연습문제 172

제5장 서브어레이(Subarray)의 어레이
5.1 소개 175
5.2 서브어레이 해석 176
5.2.1 서브어레이의 임피던스 행렬: 고유벡터 방법 177
5.3 임의적인(arbitrary) 수의 요소들로 이루어진 서브어레이 181
5.4 임의의 그리드를 갖는 서브어레이 182
5.5 서브어레이와 그레이팅 로브 184
5.6 능동 서브어레이 패턴 186
5.7 전력 분배기에 의해 급전된 4개의 요소들로 구성된 서브 어레이 191
5.7.1. -면 서브어레이 192
5.7.2 -면 서브어레이 193
5.8 서브어레이의 blindness 195
5.9 맺음말 196
연습문제 199

제6장 다중 층 어레이 구조에 대한 GSM 방법
6.1 소개 205
6.2 GSM 방법 206
6.3 GSM 직렬연결 규칙 207
6.4 전송행렬 표현 210
6.5 GSM 해석에 대한 구성요소(Building Block) 212
6.5.1 유전체 층 212
6.5.2 유전체 경계면 214
6.5.3 패치 어레이 216
6.6 패치 어레이의 등가 임피던스 행렬 224
6.7 MOM 해의 안정적(stationary) 특성 228
6.7.1 안정적 표현(Stationary Expression) 228
6.7.2 안정

책 속으로

이 책의 목적은 위상 어레이 안테나 및 시스템에 대한 해석과 설계 방법을 이해하기 쉽게 설명하는 것이다. 학술 잡지와 발표된 위상 어레이 안테나 관련 분야의 최근 해석 방법이 포함되어 있다. 기본 원리로부터 논리적인 방법을 통해 개념이 정립되었다. 이론과 개념에 대한 자세한 유도과정이 가능한 포함되도록 하였고 또한 여러 가지 설계 예와 설계 지침도 주어지도록 하였다. 특히 위상 어레이의 자세한 설계에 포함된 내용들이 안테나 공학자와 연구자에게 유용하게 사용될 수 있다. 독자들은 학부 수준의 공업 수학과 안테나 공학에 대한 기본적 지식을 가지고 있다고 가정하였다. 이 책은 대학원 과정이나 어레이 전문 분야에 대한 참고서적으로도 사용될 수 있다.
이 책은 대략적으로 세 부분으로 나누어진 14장으로 되어 있다. 1장-6장까지가 포함된 첫 번째 부분은 서론과 위상 어레이 안테나의 플로케 모드에 기초를 둔 방법의 설명에 중점을 두었다. 7장-10장을 포함하는 두 번째 부분은 중요한 위상 어레이 구조에 대한 응용을 설명하였다. 11장-14장을 포함하는 세 번째 부분은 플로케 모드 해석에 직접적으로는 관련되지 않지만, 위상 어레이 설계의 여러 가지 중요한 측면을 다루고 있다. 이러한 부분은 빔 어레이 합성, 어레이 빔 성형 회로망, 능동 위상 어레이 시스템, 그리고 위상 어레이의 통계적 해석이 포함된다. 독자들에게 여러 적용 경험을 제공하기 위해 여러 가지 실제적인 문제가 각 장의 끝부분에 주어진다. 해답집과 소프트웨어에 대한 정보는 다음의 사이트를 이용하면 얻을 수 있다. http://hometown.aol.com/painta9/

출판사 서평

1장은 위상 어레이 기초에 대한 간단한 논의를 나타내었다. 이 장에서는 두 가지 목표가 있다. 먼저, 위상 어레이 특성에 대한 기본적인 개요이다. 두 번째는 위상 어레이 안테나의 1차 함수 해석의 한계가 설명되었다. 이러한 방법에서 독자는 전통적인 접근방법의 한계를 이해하고 고차 해석에 대한 필요성을 얻는다. 이 장에서는 어레이 패턴과 어레이 요인에 의해 주어지는 요소패턴에 대한 정의가 주어진다. 다음에는 일반적인 어레이 안테나의 최대 이득정리가 설명된다. 펜슬 빔 어레이의 주사 특성이 이득, 그레이팅 로브, 그리고 빔폭의 관점에서 논의된다. 이러한 1차적 접근 방법의 전망과 한계가 끝 부분에서 논의된다.
2장에서는 이 책의 주된 내용의 하나인 어레이 안테나에 대한 플로케 모드 해석의 전개가 주어진다. 간단한 해석을 적용하여 플로케 모드 전개가 퓨리에 전개로부터 발전되었음을 나타낸다. 그 다음으로 플로케 모드와 복사 방향과 같은 관측될 수 있는 안테나 매개변수 사이의 관계가 이루어진다. 다음으로 임의의 어레이 그리드 구조에 대한 플로케 모드 함수의 유도가 제시된다. 마지막으로, 유도 모드를 갖는 플로케 모드의 결합이 고려되고 의미있는 결과들이 논의된다.
3장에서는 정규화된 플로케 모드 함수에 대한 표현이 유도된다. 플로케 모드 전개 방법이 전기 전류원으로 주어지는 무한 어레이의 예를 통해 설명된다. 플로케 임피던스와 능동 요소패턴이라는 어레이 안테나의 두 매개변수가 정의되고 이러한 두 매개변수의 의미가 어레이 성능 관점에서 논의된다. 또한 어레이 맹목(blindness)에 대한 자세한 논의가 주어진다. 직사각형 혼 개구의 무한 어레이에 대한 산란행렬 형식이 설명된다.
4장에서는 “무한 어레이 해석의 결과”가 임의의 여기로 주어지는 유한 어레이 해석에 유용해 질 수 있다는 것을 설명한다. 첫 번째 부분에서 유한 어레이 해석의 전개에 관련된 중요한 이론과 개념들이 제시된다. 유한 어레이 해석에서 고려되는 가장 중요한 요인이 상호결합이라는 것 또한 잘 알려진다. 요소 사이의 상호결합은 플로케 모드 해석을 통해 얻어진 무한 어레이 데이터를 사용하여 결정될 수 있다는 것이 설명된다. 다음으로는, 임의의 진폭 테이퍼가 주어지는 경우에 어레이의 요소에 대한 능동 임피던스와 복사패턴이 구해진다. 유한 어레이 해석을 위한 다른 방법에 대한 결론을 얻는다. 이러한 다른 방법은 상관관계를 통해 무한 어레이 특성을 유한 어레이 특성과 관련시킨다.
전체 어레이를 많은 동일한 그룹으로 분할시키는 것이 자주 유용하게 주어진다. 서브어레이와 같은 그룹은 하나의 급전에 의해 여기되는 몇 개의 요소들로 구성된다. 5장에서는 서브어레이를 갖는 어레이를 해석하기 위해 체계적인 과정이 제시된다. 행렬 정리를 적용하면 서브어레이 임피던스 행렬이 단일 요소의 플로케 임피던스로부터 구성될 수 있음을 보여준다. 서브어레이를 갖는 어레이의 임피던스 특성 형태가 설명된다.
6장은 다중(multiple) 층 어레이 구조를 해석하기 위해 일반 산란행렬(GSM) 방법을 제시한다. 두 GSM에 대한 종속 규칙(cascade rule)에 의해 주어지는 하나의 GSM의 정의로부터 시작된다. 전송행렬 방법에 대한 GSM 방법의 장점이 수치적 안정성 관점으로부터 논의된다. 모멘트와 모드 정합(mode matching)의 방법을 적용하면 여러 가지 중요한 “구성 요소(building blocks)”가 유도된다. 다음으로 제시된 방법의 안정적 특성과 해의 수렴이 자세히 논의된다. GSM 방법의 장점과 단점에 대한 논의가 마지막에 주어진다.
7장에서는 프로브-급전과 슬롯-급전된 다중 층 패치 어레이를 해석하기 위해 GSM 방법을 적용한다. 패치 어레이의 복사와 임피던스 특성이 제시된다. 전자기적으로 결합된(EMC) 패치 어레이와 모드억압 비아(suppressing vias)를 갖는 스트립라인-급전 패치 어레이에 대한 해석이 논의된다. 유한 어레이의 결과가 마지막에 설명된다.
8장은 일차적으로 어레이 요소로 주어지는 혼 복사기에 중점을 둔다. 먼저 선형적으로 벌어지는 직사각형 혼이 논의된다. 어떠한 조건하에서 혼 어레이 구조는 표면파와 누설파를 지원할 수 있다는 것이 알려진다. 능동 요소패턴에서 딥(dip)과 널(null)이 표면파와 누설파 결합을 통해 설명된다. 혼 어레이의 광각(wide-angle) 임피던스 정합이 논의된다. 복사효율을 향상시키기 위해 사용될 수 있는 스텝-혼의 특성이 제시된다. “고 효율 혼”의 설계 지침이 끝 부분에서 주어진다.
9장에서는 3가지 중요한 수동 기판형 어레이 구조에 대한 해석이 주어진다. 주파수-선택 표면(FSS), 스크린 편파기와 기판형 반사 어레이가 포함된다. 이 장의 첫 부분에서는 단일 및 2층 FSS의 형태가 반사 손실, 동일-편파, 그리고 교차-편파 특성의 항목으로 설

작가정보

저자(글) Arun K. Bhattacharyya

번역 홍우영

번역 김하철

번역 최현철