Scan Blindness Analysis of 1D and 2D Ka-Band Printed Dipole Array Antenna

일차원과 이차원 Ka-대역 프린티드 다이폴 배열 안테나의 스캔 블라인드니스 분석

Abstract

In this study, an active element pattern (AEP) of a printed dipole was analyzed in 1D and 2D arrays. First, an AEP of the printed dipole was obtained using the simulation in the 2D infinite array. The scan blindness in the 2D array occurred in the E-plane direction at around ${\pm}36^{\circ}$; however, it was barely observed in the 1D array. To analyze the cause of the scan blindness in the 2D array, the dispersion properties of a unit cell was obtained and compared with the scan blindness by frequency change. The difference between the scan blindness of the 1D and 2D arrays was clarified using the comparison of the Q value in the unit cell in the 1D and 2D arrays. Then, the coupling of the electric field in the E-plane direction was observed when nine elements were separated between the two ports in a linearly arranged dipole structure. Finally, the printed dipole array was fabricated, and an AEP was measured for the $11{\times}1$ and $11{\times}3$ sub arrays. The proposed theory was verified using these observations and by comparison with the simulation results.

본 논문에서는 일차원 배열과 이차원 배열일 때 프린티드 다이폴의 스캔 블라인드니스 특성을 분석한다. 먼저 시뮬레이션을 이용하여 일차원과 이차원 배열일 때 프린티드 다이폴안테나의 능동소자패턴을 구한다. 이차원 배열에서는 E-면 방향으로 스캔 블라인드니스가 ${\pm}36^{\circ}$ 부근에서 발생하였으나, 일차원 배열에서는 스캔 블라인드현상이 거의 관측되지 않았다. 이차원 스캔 블라인드니스 원인을 분석하기 위해 먼저 이차원 배열의 단위 셀 분산 특성을 구하고, 주파수에 따른 스캔 블라인드니스와 비교한다. 그리고 일차원 배열과 이차원 배열에서의 단위 셀에서 Q 값을 비교함으로써 일차원과 이차원 배열에서 스캔 블라인드현상 차이를 설명한다. 선형으로 배열된 다이폴 구조에서 두 포트 사이에 아홉 개의 소자가 떨어져 있을 때 E-면 방향으로 전기장의 커플링을 시뮬레이션을 통하여 관측함으로써 이론의 타당성을 보인다. 마지막으로 프린티드 다이폴 배열을 제작하고, $11{\times}1$ 부배열과 $11{\times}3$ 부배열에 대해 능동소자패턴을 각각 측정하여, 시뮬레이션 결과와 비교함으로 이론을 검증한다.

그림 1. 프린티드 다이폴 단일소자 Fig. 1. Printed dipole element.

그림 2. 능동소자패턴 Fig. 2. Active element pattern.

그림 3. Eigen mode와 스캔 블라인드니스 간 분산 곡선 비교 Fig. 3. Dispersion relations comparison between eigen mode simulation and scan blindness.

그림 4. 일차원과 이차원 배열 간 Q 값 비교 Fig. 4. Q factor comparison between 1 D and 2 D.

그림 5. 9개의 유닛 셀이 떨어진 선형 다이폴 배열 간 상호 결합 시뮬레이션 Fig. 5. Electric field simulation of coupling between linear dipole arrays placed 9 unit cells apart.

그림 6. 9개의 유닛 셀이 떨어진 두 다이폴 간 S-파라미터 특성 Fig. 6. S-parameter between linear dipole arrays placed 9 unit cells apart.

그림 8. E-면 방향 능동소자패턴 Fig. 8. 능동소자패턴 in the E-plane.

그림 7. 제작된 부배열 안테나 Fig. 7. Fabricated sub array.

표 1. 안테나 파라미터 값(단위: mm) Table 1. Parameter values of the printed dipole antenna(unit: mm)