A Study on Mobile Antenna System Design with Tri-band Operation for Broadband Satellite Communications and DBS Reception

In this paper, it is described about the tri-band mobile antenna system design to provide broadband multimedia and direct broadcasting services using goo-stationary Koreasat 3, simultaneously operated in Ka/K/Ku band. The radiating part of the antenna system with a fan beam characteristic in the elevation plane is composed of the quasi-offset dual shaped reflector and the tri-band feeder. The tri-band feeder is also composed of the Ka/K dual band feeder with the protruding dielectric rod, the circular polarizer, the ortho-mode transducer and the circular-polarized Ku band feed array. Especially, the Ka/K dual band circular polarizer was realized firstly using the comb-type structure. For fast satellite-tracking on the movement, the Ku band feed array has the structure of the $2{\times}2$ active phased array which can make electrical beams. And, the circular-polarized characteristic in the feed array was improved by $90^{\circ}$ rotating arrangement of four radiating elements polarized circularly by a $90^{\circ}$ hybrid coupler, respectively. Four beam forming channels to make electrical beams at Ku band are divided into the main beam channel and the tracking beam channel in the output, and noise temperature characteristics of each channel were analyzed on the basis of the contributions of internal sub_units. From the fabricated antenna system, the output power at $P_{1dBc}$ of Ka_Tx channel was measured more than 34.1 dBm and the measured noise figures of K/Ku_Rx channels were less than 2.4 dB and 1.5 dB, respectively, over the operating band. The radiation patterns with co- and cross-polarization in the tri-band were measured using a near-field measurement in the anechoic chamber. Especially, Ku radiation patterns were measured after correcting each initial phase of active channels with partial radiation patterns obtained from the independent excitation of each channel. The antenna gains measured in Ka/K/Ku band of the antenna system were more than 39.6 dBi, 37.5 dBi, 29.6 dBi, respectively. And, the antenna system showed good system performances such as Ka_Tx EIRP more than 43.7 dBW and K/Ku_Rx G/T more than 13.2 dB/K and 7.12 dB/K, respectively.

광대역 위성 통신/방송용 삼중 대역 이동형 안테나 시스템 설계에 관한 연구

본 논문은 Ka/K 통신 대역 및 Ku 방송 대역에서 동작하는 무궁화 3호 정지 궤도 위성을 이용하여 화상 전화, 인터넷과 같은 위성 멀티미디어 및 방송 서비스를 제공하는 이동체 탑재형 안테나 시스템 설계에 관한 것이다. 앙각 방향으로 팬 빔 특성을 갖는 안테나 시스템의 방사부는 준-오프셋 이중 성형 반사판과 삼중 대역 급전기로 구성된다. 또한, 삼중 대역 급전기는 돌출 유전체 막대를 이용한 Ka/K 이중 대역 급전기 및 원형 편파기, 직교 모드 변환기 그리고 Ku 대역 원형 편파 급전 배열로 구성된다. 특히, Ka/K 이중 대역 원형 편파기는 제작이 용이한 comb 구조를 사용하여 구현되었다. Ku 대역 급전 배열은 이동시 위성을 고속으로 추적하기 위하여 전자 빔을 형성할 수 있는 $2{\times}2$ 능동 위상 배열 구조를 갖는다. 그리고, 급전 배열에서 $90^{\circ}$ 하이브리드 결합기를 이용하여 원형 편파를 생성하는 4개의 방사 소자들을 $90^{\circ}$씩 회전하여 배열함으로써 원형 편파 특성을 개선하였다. Ku 대역 전자 빔을 생성하는 4개의 빔 성형 채널은 출력에서 주 빔 채널 및 추적 빔 채널로 구분되며, 각 채널의 내부 구성 유니트들의 잡음 온도 기여도를 바탕으로 채널 잡음 온도 특성을 분석하였다. 제작된 안테나 시스템으로부터 측정된 Ka 송신 채널의 $P_{1dBc}$ 출력은 34.1 dBm 이상, K/Ku 수신 채널의 잡음 지수는 각각 2.4 dB 및 1.5 dB 이하의 전기적인 성능들을 보여주었다. 안테나 시스템은 근접 전계 측정 방법을 사용하여 삼중 대역에서의 주 편파 및 교차 편파 방사 패턴들을 측정하였다. 특히, Ku 대역의 방사 패턴 측정은 급전 배열들의 독립 여기에 의한 부분 방사 패턴들을 측정하여 각 능동 채널들의 초기 위상들을 보정한 후 이루어졌다. 안테나 시스템의 Ka/K/Ku 대역에서 측정된 안테나 이득은 각각 39.6 dBi, 37.5 dBi, 29.6 dBi 이상이었으며, 그리고 Ka 대역 송신 EIRP는 43.7 dBW 이상, K/Ku 대역 수신 감도 G/T는 각각 13.2 dB/K와 7.12 dB/K 이상의 우수한 시스템 성능들을 보여주었다.