Reconfigurable Modulated Reactance Surface Antenna for Pattern Synthesis and Beam-Scanning

Abstract

본 논문은 주기적으로 변조된 표면 리액턴스 안테나에 관한 연구내용을 다루고 있다. 변조된 표면 리액턴스 안테나는 주기구조를 갖는 누설파 안테나로써, 안테나의 표면 리액턴스가 정현파 혹은 사각파 형태의 분포를 갖는다. 변조된 표면 리액턴스 안테나의 방사는 표면 리액턴스가 주기적으로 변조됨에 따른 플로케 (Floquet) 모드에 의해 이루어진다. 변조된 표면 리액턴스 안테나로부터 방사되는 전자파의 특성은 표면 리액턴스의 평균치, 변조 폭, 그리고 변조 주기와 같은 표면 리액턴스의 변조 파라미터들에 의해 조절이 가능하다. 안테나로부터 방사되는 전자파의 특성이 표면 리액턴스의 변조 파라미터 특성에 의존되는 성질을 활용하여 안테나의 빔 패턴 합성 그리고 재구성이 가능한 빔 조향 특성을 획득하였다. 본 논문의 주제는 세 가지로 구성되어 있다. 첫 번째로 정현파 형태로 변조된 표면 리액턴스 (Sinusoidally Modulated Reactance Surface, SMRS) 안테나의 방사 패턴 합성에 관한 연구가 소개되어 있다. SMRS 안테나의 변조 폭은 안테나에 유도된 전자파의 파수 중 허수 값을 조절하게 되고 이는 안테나에서 방사되는 전자파의 세기를 제어한다. 이러한 특성에 기반하여 SMRS 안테나의 부엽 레벨을 낮추기 위해 안테나 위치별로 방사되는 전파의 양을 조절하였다. 제안한 안테나는 각각의 표면 리액턴스의 단위 변조주기별로 변조 폭을 다르게 조절하여 원하는 방사 분포를 모사하고자 하였다. 예시로, 부엽레벨이 낮다고 알려진 코사인 형태의 방사 분포를 적용하였다. 안테나의 길이 방향을 따라 각각의 변조 주기에서의 파수 중 허수 값 (감쇄상수)이 코사인 방사 분포를 구성하도록 계산되었다. 각각의 주기에서 샘플된 감쇄 상수들로부터 각각의 주기에서 표면 리액턴스 변조 폭을 계산하였고 안테나의 설계 파라미터들이 결정되었다. 설계된 안테나는 10 GHz의 동작 주파수에서 균일하게 변조된 경우에 비해 6.33 dB 의 개선된 부엽 레벨을 획득하였고, SMRS 안테나에 방사 분포를 적용하는 방법론에 대한 유효성을 입증하였다. 이러한 결과는 검증을 위한 예시로 사용된 코사인 분포 외에 다른 형태의 방사 분포 또한 SMRS 안테나에 적용이 가능하다는 점을 시사한다. 두 번째 내용으로는 사각파 형태로 표면 리액턴스가 변조되어, 고정된 주파수에서 재구성이 가능한 빔 조향 안테나를 제안하였다. 안테나의 단위 셀의 표면 리액턴스를 재구성이 가능한 형태로 제어하기 위해서 가변 소자 (바랙터 다이오드)를 사용하었다. 마이크로스트립 도체 사이에 바랙터를 연결하여 바랙터의 전기용량을 직류 인가전압을 통해 조절하였다. 바랙터에 인가하기 위해 필요한 DC 전압의 개수를 최소한으로 줄이기 위해 표면 리액턴스 값이 높음 혹은 낮음 두 상태만 필요한 사각파 형태의 변조된 리액턴스 표면 (Squarely Modulated Reactance Surface, SquMRS) 을 사용하였다. 안테나의 빔 조향을 위한 방법으로 표면 리액턴스의 평균값과 표면 리액턴스의 변조 주기를 함께 조절하는 방법을 제안하였다. 각각의 빔 조향 방법론은 이전에 서로 다른 그룹에서 제안된 적이 있지만 두 방법론의 조합을 통해 하나의 방법만 사용했을 때 보다 더 세밀한 빔 조향 특성을 더 넓은 범위에서 가능하게 하는 결과를 획득하였다. 표면 리액턴스의 평균값을 제어할 경우 단위 셀에서 획득할 수 있는 표면 리액턴스 조절 범위 내에서 안테나의 빔 조향각을 연속적으로 조절할 수 있다. 표면 리액턴스의 평균값을 조절하면 안테나의 분산 곡선의 기울기를 제어하게 된다. 이는 안테나에 유도되는 전자파의 위상 상수를 고정된 주파수에서 조절하는 효과를 준다. 한편, 표면 리액턴스의 변조 주기를 제어하게 되면 이산적으로 안테나 빔 조향이 가능하다. 이러한 현상은 안테나의 방사 모드의 분산 곡선을 수평 방향으로 평행이동하는 것으로 설명할 수 있고, 이는 분산 곡선의 x 절편이 플로케 모드 이론에 의해 표면 리액턴스의 변조 주기에 의존하는 값이기 때문이다. 제안한 안테나는 3D EM 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 설계 및 시뮬레이션 하였고, 실험을 통해서도 검증되었다. 시뮬레이션 결과는 5.8 GHz에서 91° 의 빔 조향각 범위를 보였고, 동작 모드 중 일부는 실험 및 측정을 통해 제안한 아이디어를 검증하였다. 또한, 고정된 단일 주파수에서의 빔 조향 뿐만이 아니라 다중대역에서의 빔 조향 특성을 안테나의 단위 셀 분산 특성에 기반하여 분석하였다. 추가적인 4.6 GHz의 저대역 동작 주파수에서 표면 리액턴스 제어 범위를 계산하였다. 5.8 GHz의 고대역 동작 주파수에서 분석하고 설계된 것과 마찬가지로 표면 리액턴스의 평균값과 변조 주기를 함께 조절함으로써 저대역에서의 빔 조향 특성을 획득하였다. 저대역 동작 모드들을 계산하였고, 해당 동작 모드들을 구동하기 위한 직류 인가 전압을 결정하였다. 마지막으로 저대역 빔 조향 동작 모드들을 고대역 동작을 위해 제작된 안테나를 그대로 활용하여 실험적으로 증명하였다. 저대역에서 약 72° 의 빔 조향 범위를 획득하였고, 제안한 안테나의 이중 동작 유효성을 확인하였다. 논문의 마지막 주제에서는 1차원 빔 조향 사각파 형태의 변조된 표면 리액턴스 안테나를 선형으로 배열하여 2차원 빔 조향을 위한 안테나의 형상과 빔 조향 방법론을 제안하였다. 단위 안테나의 변조된 표면 리액턴스의 분포를 단위 셀의 배수 단위로 단계적으로 이동시켜 단위 안테나에 상대적 위상 차이를 주도록 고안하였다. 제안한 2차원 빔 조향 방법론에 기반하여 5.8 GHz에서 동작하는 재구성이 가능한 2차원 빔 조향 안테나를 설계하였고, 제안한 아이디어의 유효성을 시뮬레이션 결과로 검증하였다. 결론적으로, 본 논문에서는 주기적으로 변조된 표면 리액턴스 안테나의 방사 분포 조절을 통한 빔 패턴 합성과 재구성이 가능한 1차원 및 2차원 빔 조향 특성에 대해 분석 및 연구하였다. 수치해석 및 실험을 통한 결과가 설계한 안테나의 계산을 통해 예측한 결과와 잘 일치하는 것을 확인하였고 제안한 아이디어의 유효성을 확인하였다.

In this thesis, a research on the periodically modulated reactance surface antenna is presented. The modulated reactance surface antenna whose surface reactance profile is sinusoidal or rectangular form is a type of periodic leaky wave antenna. The radiation of the modulated reactance surface antenna is originated from one of the Floquet modes due to the periodic modulation of the surface reactance. The radiated waves characteristic from the modulated reactance surface antenna can be tailored with surface reactance modulation parameters of the modulated reactance surface antenna such as average surface reactance value, modulation amplitude, and modulation period. These dependencies are utilized in order to obtain beam pattern synthesis and reconfigurable beam-scanning characteristics of the periodically modulated reactance surface antenna. The topics of this thesis are arranged in threefold. First, a study on the radiation pattern synthesis of the sinusoidally modulated reactance surface (SMRS) antenna is introduced. Modulation amplitude of the SMRS antenna determines the imaginary part of the wavenumber of the guided wave and leads to the control of the amount of the radiated wave. Based on this characteristic of the antenna, aperture tapering is applied for the suppression of the sidelobe level of the SMRS antenna. Proposed antenna is composed of the different surface reactance modulation amplitudes period by period in order to mimic the desired aperture illumination of the antenna. As an example, cosine distribution of the antenna aperture illumination is applied which is well known for the low sidelevel of the radiation pattern. The imaginary part of the wave number (α, attenuation constant) at each modulation period of the antenna along the longitudinal direction is determined for the cosine distribution of the aperture illumination. From the sampled attenuation constant of each period, surface reactance modulation amplitudes of each period are calculated and the antennas design parameters are determined. The designed antenna showed 6.33 dB of improved sidelobe level at the 10 GHz of operation frequency when compared with uniformly modulated case which validates the proposed idea that applying aperture tapering to the SMRS antenna. This result implies that not only the cosine distribution of the aperture illumination of the antenna which is selected as an example for the verification, but also any other antenna aperture illumination distribution can be applied for this SMRS antenna. As a second topic of the thesis, a reconfigurable beam-scanning squarely modulated reactance surface(SquMRS) antenna at a fixed frequency is proposed. For the reconfigurable control of the surface reactance of the unit cell of the antenna, tunable component (Varactor diode) is used. The varactors are loaded between the microstrip conductors and the loading capacitances are controlled with DC bias voltages. For the simplicity, squarely modulated reactance surface (SquMRS) is used which only requires either high or low value of the surface reactance. As an antenna radiation beam-scanning scheme, combination of the average surface reactance value control and surface reactance modulation period control is proposed. Each beam-scanning methodology is introduced in previous researches of other groups but the combination of two schemes provide better results when compared with single scheme is used. The average surface reactance value control allows continuous beam-scanning of the antenna and the control is available within the allowable surface reactance range of the proposed unit cell. The control of the average surface reactance value leads to the manipulation of the slope of dispersion relation of the antenna. So the phase constant of the guided wave can be adjusted at the fixed operation frequency. On the other hand, control of the surface reactance modulation period enables discrete beam-scanning of the antenna. This can be explained with the shift of the dispersion curve of the radiation mode because the x-abscissa of the dispersion curve is dependent on the modulation period of the reactance surface according to the Floquet mode theory. Proposed antenna is designed and simulated with full EM simulation tool and verified experimentally. Simulated result shows about 91° of beam-scanning range at a 5.8 GHz and some of its operation modes are measured for the verification of the proposed idea. In addition to the beam-scanning at a single fixed frequency, reconfigurable multi-band beam-scanning is analyzed based on the dispersion characteristic of unit cell of the antenna. Additional 4.6 GHz of low band operation frequency is determined and surface reactance control range is calculated. As analyzed and designed in the 5.8 GHz of high band operation frequency, low band beam-scanning can be achieved with the combination of average surface reactance value control and surface reactance modulation period control. Low band operation modes are calculated and appropriate DC bias voltages are determined. Finally, low band beam-scanning operation modes are experimentally verified with the same fabricated antenna as designed for high band operation. Approximately 70° of beam-scanning range is obtained and this result validates the dual band beam-scanning of the proposed antenna. As a final part of the thesis, 2D beam-scanning configuration and methodology are proposed with the linear array of reconfigurable 1D beam-scanning squarely modulated reactance surface antennas. Relative phase differences for the unit antennas are imposed by gradually shifting the modulated surface reactance profiles of unit antennas. Based on the proposed 2D beam-scanning methodology, reconfigurable 2D beam-scanning antenna is designed which operates at 5.8 GHz and the validity of the proposed idea is verified with the simulated results. In conclusion, aperture tapering and reconfigurable beam-scanning characteristics of the periodically modulated reactance surface antenna are investigated and analyzed. Proposed ideas for each topic are explained theoretically and the design procedure of the antenna is shown. Numerical and experimental results are well matched with the calculated result of the designed antenna, which validates the proposed idea.