A Study on the MDAS-DR Antenna for Shaping Flat-Topped Radiation Pattern

In this paper, a new MDAS-DR antenna structure designed to efficiently shape a flat-topped radiation pattern is proposed. The antenna structure is composed of a stacked micro-strip patch exciter and a multi-layered disk array structure(MDAS) surrounded by a dielectric ring. The MDAS, which was supplied by a stacked microstrip patch exciter with radiating power, can form a flat-topped radiation pattern in a far field by a mutual interaction with the surrounding dielectric ring. Therefore, the design parameters of the dielectric ring and the MDAS structure are important design parameters for shaping a flat-topped radiation pattern. The proposed antenna used twelve multi-layered disk array elements and a Teflon material with a dielectric constant of 2.05. An antenna operated at 10 GHz$(9.6\sim10.4\;GHz)$ was designed in order to verify the effectiveness of the proposed antenna structure. The commercial simulator of CST Microwave $Studio^{TM}$, which was adapted to a 3-D antenna structure analysis, was used for the simulation. The antenna breadboard was also fabricated and its electrical performance was measured in an anechoic antenna chamber. The measured results of the antenna breadboard with a flat-topped radiation pattern were found to be in good agreement with the simulated one. The MDAS-DR antenna gain measured at 10 GHz was 11.18 dBi, and the MDAS-DR antenna was capable of shaping a good flat-topped radiation pattern with a beam-width of about $40^{\circ}$, at least within a fractional bandwidth of 8.0 %.

구형 빔 패턴 형성을 위한 MDAS-DR 안테나에 대한 연구

본 논문에서는 구형 빔 패턴을 효율적으로 형성하기 위한 새로운 MDAS-DR 안테나 구조를 제안하였다. 안테나 구조는 크게 스택 마이크로스트립 패치 여기 소자, 다층 원형 도체 배열 소자들과 그 주위를 에워싸고 있는 유전체 링으로 구성된다. 다층 원형 도체 배열 구조는 스택 마이크로스트립 패치 여기 소자에 의해 방사 전력을 공급 받아 그 주변의 유전체 링과의 전기적 상호 결합 작용에 의해 원거리에서 구형 빔 방사 패턴을 형성할 수 있다. 유전체 링 구조의 설계 변수는 다층 원형 도체 배열 구조의 설계 변수와 더불어 구형 빔 패턴 형성에 중요한 설계 변수들로서 구형 빔 안테나를 위해 12개의 다층 원형 도체 배열과 유전율이 2.05인 테프론 유전체가 사용되었다. 제안된 안테나 구조의 유효성을 검증하기 위하여 10 GHz 대역$(9.6\sim10.4\;GHz)$에서 동작하는 안테 나를 설계하였으며, 시뮬레이션에는 삼차원 안테나 구조 해석에 적합한 상용 CST Microwave $Studio^{TM}$ 시뮬레이터가 사용되었다. 또한, 안테나 시제품을 제작한 후 무반사실 안테나 챔버에서 전기적 특성들을 측정하였다. 구형 빔 패턴 형성을 갖는 안테나 시제품의 측정 결과들은 시뮬레이션 결과들과 잘 일치하였으며, 측정 결과들로부터 MDAS-DR 안테나의 10 GHz에서의 측정 이득은 11.18 dBi이었으며, 최소한 8.0 % 대역 폭 내에서 약 $40^{\circ}$의 양호한 구형 빔 패턴을 형성함을 확인할 수 있었다.