KR102439283B1 - 3d 프린팅과 메타물질을 이용한 x 대역 혼 안테나 - Google Patents

3d 프린팅과 메타물질을 이용한 x 대역 혼 안테나 Download PDF

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Abstract

X 대역 혼 안테나는 X 대역 도파관의 표준 사이즈의 입력단, 상기 입력단에 연결되고, 선형 편파를 원형 편파로 변환하고 원형 편파를 선형 편파로 변환하는 격벽 편파기, 상기 격벽 편파기로부터 개구면의 끝단으로 갈수록 확장되는 원뿔 모양의 코니컬 혼, 및 상기 코니컬 혼의 개구면의 끝단 내부에 주기적 구조로 형성된 메타물질을 포함한다.

Description

3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나{X-BAND HORN ANTENNA USING 3D PRINTING AND METAMATERIAL}
본 발명은 X 대역 혼 안테나에 관한 것으로 더욱 상세하게는 저궤도 우주환경의 초소형 위성시스템을 위해 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나에 관한 것이다.
국내 위성분야는 통신 및 감시정찰 등 대형 위성 위주로 이용되고 있으나, 현재 세계적으로 통신, 감시정찰 뿐만 아니라 환경 감시, 과학 데이터 수집, 무선 중계 등 다양한 분야에서 초소형 위성(micro-satellite)을 적극 활용하는 방향으로 발전하고 있는 추세이며 향후 5년간 1,800 ~ 2,400개의 초소형 인공위성이 발사될 것으로 예측된다. 이러한 100kg 이하 급 초소형 위성에서 사용되는 부품은 경제적 이유와 빠른 우주배치를 위해 소형, 경량화, 저가, 신속한 개발이 절대적으로 필요하다. 안테나와 RF 부품으로 구성되어 있는 RF 프론트 엔드(Front-end)는 모든 위성에서 위성 간 또는 지상과의 통신을 위해 탑재되고 있으며, 특히 통신 위성의 경우 중계기를 탑재하여 지상신호를 수신하고 신호를 증폭하여 지상으로 전송해주는 역할을 수행한다. 기존 위성 RF 프론트 엔드는 다품종, 소량생산으로 안테나, 멀티플렉서, 필터, 웨이브가이드(waveguide) 등을 컴퓨터 수치제어(computer numerical control, CNC), 마이크로 밀링(micro milling) 기술을 이용하여 제작되고 있으며 금속 재질을 이용하여 제작되다 보니 무게가 무겁고, 각 구성품을 연결해주기 위한 추가적인 구성품이 필요하다. 또한 관련 제조기술에 대한 노하우 및 제조비용이 매우 고가로, 주로 선진국의 일부 회사에서 제작되고 수입에 의존하고 있는 실정이다. 특히, 최근엔 우주를 활용한 다양한 서비스 플랫폼에 대한 관심이 증가하여 큐브 위성 시장에 진출하고자 하는 기관과 기업들이 증가하고 있으며 개발 기간이 길고 많은 비용이 소모되는 중대형 위성 대신 실패 리스크가 상대적으로 낮으며 비용이 저렴한 큐브 위성에 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 큐브 위성은 10kg 이하, 12U 이하 부피를 갖는 위성으로서 탑재체의 소형화 및 경량화가 요구되고 탑재체에 장착되는 통신 구성품 또한 소형화 및 경량화가 요구된다. 하지만 기존 중대형 위성에 장착되는 안테나와 RF 프론트 엔드와 같이 금속 재질에 마이크로 밀링 기술을 이용하여 제작되면 큐브 위성에서 요구되는 소형화 및 경량화를 이룰 수 없다.
따라서 초소형 및 큐브 위성에 탑재되는 통신 부품에 대해 소형화 및 경량화 방안이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 저궤도 우주환경의 초소형 위성시스템에 탑재되어 운용될 수 있도록 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나는 X 대역 도파관의 표준 사이즈의 입력단, 상기 입력단에 연결되고, 선형 편파를 원형 편파로 변환하고 원형 편파를 선형 편파로 변환하는 격벽 편파기, 상기 격벽 편파기로부터 개구면의 끝단으로 갈수록 확장되는 원뿔 모양의 코니컬 혼, 및 상기 코니컬 혼의 개구면의 끝단 내부에 주기적 구조로 형성된 메타물질을 포함한다.
상기 메타물질은 상기 코니컬 혼의 개구면의 끝단에서 발생하는 전계의 위상차를 보상하여 주엽의 빔폭이 좁아지도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
상기 메타물질은 전체적으로 상기 코니컬 혼의 개구면의 끝단의 모양에 대응하여 가장자리가 원형이고 가운데 부분이 비어있는 링 형태일 수 있다.
상기 메타물질의 상기 링 형태는 3층으로 이루어지고, 각 층은 격자 구조를 갖는 복수의 전기 막대로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 전기 막대는 방사 방향에 수직인 제1 축 방향 및 제2 축 방향으로 연장되어 상기 격자 구조를 이룰 수 있다.
상기 복수의 전기 막대 각각의 두께는 1mm이고, 인접한 전기 막대 간의 간격은 20mm이고, 상기 격자 구조의 층 간의 거리는 10mm일 수 있다.
상기 입력단, 상기 격벽 편파기, 상기 코니컬 혼 및 상기 메타물질은 3D 프린트에 의해 일체형으로 제작될 수 있다.
상기 입력단, 상기 격벽 편파기, 상기 코니컬 혼 및 상기 메타물질은 상기 3D 프린터의 소재로써 동일한 물질로 체결부 없이 제작될 수 있다.
상기 입력단, 상기 격벽 편파기, 상기 코니컬 혼 및 상기 메타물질은 상기 3D 프린터의 소재로써 폴리에테르케톤케톤 계열의 소재를 포함할 수 있다.
상기 입력단, 상기 격벽 편파기, 상기 코니컬 혼 및 상기 메타물질의 표면에는 금속도금 층이 형성되어 있을 수 있다.
상기 격벽 편파기는, 상기 격벽 편파기의 내부에 위치하고, 상기 입력단과 상기 격벽 편파기가 연결되는 부분에서 상기 코니컬 혼을 향하는 방향으로 계단 형태로 형성된 계단형 격벽, 및 상기 격벽 편파기가 상기 코니컬 혼에 바로 연결될 수 있도록 하는 사각형-원형 전환부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나는 3D 프린팅과 메타물질을 이용하여 경량화 및 소형화되어 초소형 위성에 탑재되는 위성 중계기에 사용될 수 있다.
최근 개발추세에 따라 초소형 위성 플랫폼의 활용 분야가 다변화되고 많은 연구가 진행 중에 있으며, 특히 저궤도 우주환경에서 적용할 수 있는 초소형 위성통신시스템의 개발이 필요하다. 초소형 위성과 큐브 위성은 탑재체의 크기가 작으며 탑재 중량(payload) 또한 작아 위성통신시스템의 소형화 및 경량화가 필수적이다. 초소형 위성에 탑재되는 X 대역 혼 안테나는 메타물질을 이용해 설계됨으로써 일반적인 혼 안테나 대비 소형의 크기로 동등 이상의 안테나 이득 특성을 갖는다.
3D 프린팅 기술은 폴리에테르케톤케톤(Polyetherketoneketone, PEKK) 계열의 소재를 이용해 혼 안테나를 일체형으로 제작할 수 있어 단기간에 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 마이크로 밀링 기술을 이용해 제작한 경우에 대비하여 구성품(메타물질, 코니컬 혼(Conical Horn), 격벽 편파기(Septum Polarizer)) 간 체결을 위한 체결부가 필요 없고 메타물질처럼 마이크로 밀링 기술을 이용해 제작하기 힘든 구조체도 제작할 수 있다. 또한, 폴리머 계열의 소재는 금속 대비 상대적으로 매우 가벼우므로 3D 프린터로 제작 시 소재의 가벼움과 체결부가 필요 없는 두 가지 장점을 모두 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나를 포함하는 위성 중계기를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나를 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나의 메타물질의 구조를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질의 S-파라미터를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질의 상대 유전율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질의 상대 투자율을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질의 굴절율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나의 격벽 편파기의 설계 구조를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나와 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 반사손실과 격리도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나와 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 이득 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나에 대한 전계(E-field)를 나타낸다.
도 13은 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 전계(E-field)를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나의 제작 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나의 박막 코팅 전의 사진이다.
도 16은 본 발명의 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나의 박막 코팅 후의 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나를 포함하는 위성 중계기를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 중계기(100)는 수신 안테나(110), 제1 대역통과필터(Band Pass Filter, BPF)(120), 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier, LNA)(130), 주파수 변환부(140), 제2 대역통과필터(150) 및 송신 안테나(160)를 포함한다.
이하, 도 2 및 3을 참조하여 수신 안테나(110)와 송신 안테나(160) 중에서 적어도 하나로 사용될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나를 나타내는 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나를 나타내는 측면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나(200)는 입력단(210), 격벽 편파기(Septum Polarizer)(220), 코니컬 혼(Conical Horn)(230) 및 메타물질(240)을 포함할 수 있다.
입력단(210)은 수신 안테나(110)의 수신 입력단 또는 송신 안테나(160)의 송신 입력단으로써 X 대역 도파관의 표준 사이즈인 WR-112 크기로 제작될 수 있다. WR-112는 직사각형 도파관(waveguide rectangular)으로 내부 크기 28.5mm×12.62mm을 의미할 수 있다. 서로 마주하는 2개의 입력단(210)이 격벽 편파기(220)에 연결될 수 있다.
격벽 편파기(220)는 선형 편파를 원형 편파로 변환하고, 원형 편파를 선형 편파로 변환하며, RHCP(Right Hand Circular Polarization)와 LHCP(Left Hand Circular Polarization)를 서로 격리(Isolation)시키는 역할을 수행할 수 있다. 격벽 편파기(220)는 양측의 입력단(210)과 코니컬 혼(230) 사이에 위치하며, 양측의 입력단(210)과 격벽 편파기(220)는 T자 형태로 연결될 수 있다.
코니컬 혼(230)은 안테나의 방사체로써 격벽 편파기(220)로부터 개구면의 끝단으로 갈수록 확장되는 원뿔 모양으로 형성될 수 있다.
메타물질(240)은 코니컬 혼(230)의 개구면의 끝단 내부에 주기적 구조로 배치될 수 있다. 메타물질(240)은 주기적 구조로 배치되어 근제로 굴절률(Near Zero Refractive Index, NZRI)을 가질 수 있다. 메타물질(240)은 기존에 존재하는 물질들을 적절한 주기 구조 형태로 설계함으로써, 자연상에 존재하지 않는 인위적인 물성을 지니도록 설계되는 구성이며, 관심 주파수 대역에서 인위적으로 물질의 유전율과 투자율을 조정함으로써 RF 요소(components)의 다양한 특성들을 향상시키는 효과가 기대될 수 있다.
일반적인 코니컬 혼 안테나는 개구면의 사이즈가 증가하면 개구면 끝단과 정점에서의 위상차가 커져 안테나의 지향성(Directivity)이 감소되고 주엽(main lobe)의 빔폭이 넓어지는 특성을 갖는다.
메타물질(240)은 코니컬 혼(230)의 개구면의 끝단 내부에 3층 형태로 주기적 구조로 형성될 수 있으며, 코니컬 혼(230)의 개구면의 끝단에서 발생하는 전계(Electric Field)의 위상차를 보상하는 역할을 수행할 수 있다. 메타물질(240)은 위상차 보상을 통해 X 대역 혼 안테나(200)의 지향성을 증가시키고 주엽의 빔폭이 좁아지도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나(200)는 3D 프린팅 기술을 이용하여 일체형으로 제작될 수 있다. 즉, 입력단(210), 격벽 편파기(220), 코니컬 혼(230) 및 메타물질(240)은 3D 프린트에 의해 일체형으로 한번에 제작될 수 있으며, 3D 프린터의 소재로써 동일한 물질로 제작될 수 있다. 이에 따라 입력단(210), 격벽 편파기(220), 코니컬 혼(230) 및 메타물질(240) 간 체결을 위한 체결부가 존재하지 않는다.
기존의 혼 안테나는 마이크로 밀링 기술을 이용하여 제작되는데, 한 축을 기준으로 분리되어 제작되어야 하므로 체결부가 필요하며, 이로 인한 무게가 추가적으로 증가하게 된다.
X 대역 혼 안테나(200)를 제작하기 위한 3D 프린터의 소재로는 저궤도 우주환경에서 동작 가능한 소재가 이용될 수 있다. 저궤도 우주환경은 ­50 ~ 95℃의 극저온, 극고온 및 진공 환경을 포함한다. 저궤도 우주환경을 고려하여 높은 유리전이온도(glass temperature) 특성과 진공에 의한 탈기체(out-gassing)에 의해 형상 변형이 최소화되는 폴리에테르케톤케톤(Polyetherketoneketone, PEKK) 계열의 소재가 3D 프린터의 소재로 이용될 수 있다. PEKK는 대표적인 고성능 폴리머 소재로서 좋은 열진공 특성을 가지고 있다. 폴리머 계열의 소재는 금속 대비 상대적으로 매우 가벼운 특성을 갖는다. 다시 말해, 입력단(210), 격벽 편파기(220), 코니컬 혼(230) 및 메타물질(240)은 3D 프린터의 소재로써 폴리에테르케톤케톤 계열의 소재를 포함할 수 있다.
3D 프린터를 이용해 제작되는 X 대역 혼 안테나(200)는 전기적 특성을 가질 수 있도록 폴리머 표면에 금속 물질이 형성된다. 폴리머 표면의 금속 물질을 형성하기 위해, 폴리머 표면 전처리, 금속 물질로의 증착과 도금, 건식증착(PVD 계열)과 습식도금(전해도금)을 혼합한 형태로 제작되어 폴리머와 금속도금 층의 결합력을 향상시키고, 전기적 특성을 가질 수 있는 두께의 금속이 폴리머 소재 위에 증착될 수 있다. 즉, 입력단(210), 격벽 편파기(220), 코니컬 혼(230) 및 메타물질(240)의 표면에는 금속도금 층이 형성되어 있다.
이하, 도 4 내지 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나(200)의 메타물질(240)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나의 메타물질의 구조를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 메타물질(240)은 전체적으로 코니컬 혼(230)의 개구면의 끝단 모양에 대응하여 가장자리가 원형이고 가운데 부분(도 2의 D_air 참조)이 비어있는 링 형태로 형성될 수 있다. 링 형태는 3층으로 이루어지고, 각 층은 격자(grid) 구조를 갖는 복수의 전기 막대(electric rod)(241)로 이루어질 수 있다. 복수의 전기 막대(241)는 z축 방향(방사 방향)에 수직인 x축 방향(제1 방향) 및 y축 방향(제2 방향)으로 연장되어 격자 구조를 이룰 수 있다. 다시 말해, 복수의 전기 막대(241)는 코니컬 혼(230)의 개구면에 평행한 방향(x축 방향, y축 방향)으로 연장되어 격자 구조를 이룰 수 있다. 메타물질(240)은 도 4에 예시한 바와 같이 3층의 격자 구조를 포함할 수 있다. 다만, 격자 구조의 층은 필요에 따라 단일층 또는 2층 이상으로 이루어질 수 있다.
일 예로, 복수의 전기 막대(241) 각각의 두께(T_e)는 1mm이고, 한 층의 격자 구조에서 인접한 전기 막대(241) 간의 간격(D_gap)은 20mm이고, 격자 구조의 층 간의 거리(dis)는 10mm일 수 있다.
복수의 전기 막대(241) 각각의 두께(T_e), 인접한 전기 막대(241) 간의 간격(D_gap) 및 격자 구조의 층 간의 거리(dis)가 조정되면 메타물질(240)의 상대 유전율 값을 조정할 수 있는 플라즈마 주파수(plasma frequency)가 변화될 수 있다. 즉, 메타물질(240)의 상대 유전율은 복수의 전기 막대(241) 각각의 두께(T_e), 인접한 전기 막대(241) 간의 간격(D_gap) 및 격자 구조의 층 간의 거리(dis) 중 적어도 하나를 변경함으로써 조정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질의 S-파라미터를 나타내는 그래프이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질의 상대 유전율을 나타내는 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질의 상대 투자율을 나타내는 그래프이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질의 굴절율을 나타내는 그래프이다.
도 5 내지 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나(200)는 X 대역에서 동작한다. 본 발명의 실시예에 따라 설계된 메타물질(240)은 운용하고자 하는 주파수 대역에서 굴절률(Refractive Index, n) 값이 1보다 작으며 0보다 큰 값을 가지는 매체를 말하며, 얇은 와이어(Thin wire) 형태의 전기 막대(241)를 격자 구조로 적절한 간격으로 배열하여 설계될 수 있다. 혼 안테나에 메타물질(240)을 적용하기 위해서는 운용 주파수 대역의 자유 공간 임피던스와 정합되어 삽입 손실이 낮도록 설계되어야 한다.
도 5에 예시한 바와 같이, 메타물질(240)의 S-파라미터(parameter) 결과를 보면 운용 주파수 대역(예를 들어, 7GHz~9GHz)에서 잘 정합되어 있음을 알 수 있다.
도 6에 예시한 바와 같이, 운용하고자 하는 주파수 대역에서, 설계된 메타물질(240)의 상대 유전율(Relative epsilon, εr)은 0.3 ~ 1의 값을 가짐을 알 수 있다.
도 7에 예시한 바와 같이, 운용하고자 하는 주파수 대역에서, 설계된 메타물질(240)의 상대 투자율(Relative mu, μr)은 0.5 ~ 0.4의 값을 가짐을 알 수 있다.
도 8에 예시한 바와 같이, 운용하고자 하는 주파수 대역에서, 설계된 메타물질(240)의 굴절률(Refractive index, n)은 0.4 ~ 0.65의 값을 가짐을 알 수 있다.
메타물질(240)을 통과하는 전자기파의 파수(wave number) k는 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112022037410418-pat00001
매질의 상대 유전율(ε) 또는 투자율(μ) 값이 '0'에 가까워지면 파수(k) 또한 '0'에 가까워지고 이로 인해 위상 속도(phase velocity)(Vp)는 증가한다. 따라서 매질의 유전율과 투자율 값을 조정할 수 있으면 파수 k의 값에 따라 메타물질(240)을 통과하는 전자기파의 위상이 보상될 수 있다. 즉, 메타물질(240)의 구조에 의해 X 대역 혼 안테나(200)의 전자기파의 위상이 보상될 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나(200)의 격벽 편파기(220)의 설계 구조에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 X 대역 혼 안테나의 격벽 편파기의 설계 구조를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 격벽 편파기(220)는 양측의 입력단(210)과 T자 형태로 연결되며, 격벽 편파기(220)는 계단형 격벽(stepped septum)(221) 및 사각형-원형 전환부(square to circular transition port)(222)를 포함할 수 있다.
양측의 입력단(210)은 X 대역 도파관의 표준 사이즈인 WR-112 크기를 가질 수 있으며, 계단형 격벽(221)과의 임피던스(impedance) 정합을 위해 내부가 계단형 도파관(Stepped waveguide) 형태로 형성될 수 있다.
계단형 격벽(221)은 격벽 편파기(220)의 내부에 위치하며, 양측의 입력단(210)과 격벽 편파기(220)가 연결되는 부분에서 코니컬 혼(230)을 향하는 z축 방향으로 계단 형태로 형성될 수 있다. 계단형 격벽(221)은 코니컬 혼(230) 측(z축 방향)으로 갈수록 계단이 낮아지는(step down) 형태로 형성될 수 있다. 계단형 격벽(221)은 4개의 계단으로 이루어질 수 있다. 사각형-원형 전환부(222)는 격벽 편파기(220)가 코니컬 혼(230)에 바로 연결될 수 있도록 설계된다. 사각형-원형 전환부(222)는 X 대역에서 운용될 수 있도록 하는 설계 파라미터 값을 이용하여 설계될 수 있다.
격벽 편파기(220)의 설계 구조의 일 예로, 코니컬 혼(230) 측으로 갈수록 낮아지는 계단형 격벽(221)의 첫 번째 계단의 깊이(G1)는 4.5mm이고 길이(L1)는 4.3mm이고, 두 번째 계단의 깊이(G2)는 14.3mm이고 길이(L2)는 11.8mm이고, 세 번째 계단의 깊이(G3)는 19.1mm이고 길이(L3)는 15.2mm이며, 네 번째 계단의 깊이(G4)는 22.7mm이고 길이(L4)는 15.3mm일 수 있다. 그리고 격벽 편파기(220)의 내부는 정사각형의 도파관 형태로 한 변의 길이(W_w)는 24mm일 수 있다. 그리고 사각형-원형 전환부(222)의 z축 방향의 길이는 20mm이고 코니컬 혼(230)에 접촉하는 원형의 직경은 32mm일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나와 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 반사손실과 격리도를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나(200)와 이와 동일한 크기를 가지며 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 반사손실과 격리도를 실험한 결과를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나(200)의 반사손실(Meta Conical RL)과 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나의 반사손실(Conical RL)을 비교하면 운용 주파수(예를 들어, 7.0GHz ~ 9.0GHz)의 중심 주파수에서 타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나(200)가 4dB 정도 높지만 전체 운용 주파수 대역에서 20dB 이하로 잘 정합되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나(200)의 격리도(Meta Conical Isolation)와 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나의 격리도(Conical Isolation)를 비교하면 전체 운용 주파수 대역에서 20dB 이하로 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나와 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 이득 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나(200)의 이득(Meta Conical Horn)이 이와 동일한 크기를 가지며 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 이득(Conical Horn)보다 운용 주파수 전 대역에서 1dB 이상 향상됨을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나에 대한 전계(E-field)를 나타낸다. 도 13은 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 전계(E-field)를 나타낸다.
도 12 및 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나(200)에 대한 전계와 이와 동일한 크기를 가지며 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 전계를 비교할 때, 메타물질을 포함하지 않은 X 대역 혼 안테나에 대한 전계는 구형파(spherical wave) 형태로 퍼져서 방사되는 반면, 메타물질을 포함한 X 대역 혼 안테나(200)에 대한 전계는 평면파(plane wave) 형태로 방사되어 주엽의 빔폭이 좁은 것을 알 수 있다.
이하, 도 14 내지 16을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나의 제작 과정에 대하여 설명한다.
도 14는 본 발명의 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나의 제작 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 15는 본 발명의 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나의 박막 코팅 전의 사진이다. 도 16은 본 발명의 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나의 박막 코팅 후의 사진이다.
도 14 내지 16을 참조하면, 3D 프린팅과 메타물질을 이용한 X 대역 혼 안테나의 제작 과정으로 (1) 설계 및 성능 시뮬레이션, (2) 3D 폴리머 구조체 프린트, (3) 코팅 순서로 진행될 수 있다.
(1) 설계 및 성능 시뮬레이션 과정은 안테나 및 대역통과필터 설계를 수행하는 단계(S101), 성능검증 시뮬레이션을 수행하는 단계(S102) 및 기본 3D 모델을 생성하는 단계(S103)를 포함할 수 있다. 딥러닝을 통하여 X 대역 혼 안테나의 최적 조건에 부합하도록 안테나 및 대역통과필터의 설계 구조, 그리고 메타물질(240)의 설계 구조가 결정될 수 있다. RF 기본 툴 HFSS 등을 이용하여 설계된 구조의 성능검증이 수행될 수 있으며, 성능검증을 통해 X 대역 혼 안테나의 최적 조건에 부합하는 기본 3D 모델이 생성될 수 있다. 생성된 기본 3D 모델은 3D 모델링 소프트웨어에 제공될 수 있다.
(2) 3D 폴리머 구조체 프린트 과정은 3D 모델 검사 및 전처리를 수행하는 단계(S104), 3D 프린터에 큐(Queue)를 제공하는 단계(S105), 3D 프린팅을 수행하는 단계(S106) 및 안테나 및 필터의 폴리머 코어 형상을 생성하는 단계(S107)를 포함할 수 있다. 3D 모델 검사 및 전처리는 3D 모델링 소프트웨어(예를 들어, GrabCAD Print)가 생성한 3D 형상을 3D 프린터(예를 들어, F450mc Printer)가 노즐을 움직여서 형상을 적층할 수 있는 노즐의 움직임과 좌표로 전환하는 슬라이싱(Slicing) 과정을 포함할 수 있다. 슬라이싱 과정으로 생성된 노즐의 움직임과 좌표가 3D 프린터에 큐로 제공되며, 3D 프린터는 입력된 큐에 따라 3D 프린팅을 수행하여 안테나 및 필터의 폴리머 코어 형상을 생성할 수 있다. 이때, 3D 프린터에는 상술한 PEEK 계열의 고성능 폴리머 소재가 3D 프린터의 소재로서 제공될 수 있다. 도 15에 예시한 바와 같이 3D 프린팅으로 금속 박막 코팅 전의 안테나 및 필터의 폴리머 코어 형상이 제작될 수 있다.
(3) 코팅 과정은 제1 금속 코팅(건식)을 수행하는 단계(S108), 제2 금속 코팅(습식)을 수행하는 단계(S109), 전기적 성능시험을 수행하는 단계(S110) 및 우주환경 시험을 수행하는 단계(S111)를 포함할 수 있다. PVD(Physical Vapor Deposition) 방식의 제1 금속 코팅 과정으로 안테나 및 필터의 폴리머 코어 형상의 표면에 도전성의 금속 물질이 증착될 수 있다. 그리고 전기도금(electroplating) 방식의 제2 금속 코팅 과정으로 안테나 및 필터의 폴리머 코어 형상의 표면에 도전성의 금속 물질이 형성될 수 있다. PVD 방식의 제1 금속 코팅 과정과 전기도금 방식의 제2 금속 코팅 과정을 혼합하여 수행함으로써 폴리머와 금속 물질 간의 결합력을 향상시키고 전기적 특성을 가질 수 있는 두께의 금속층을 형성할 수 있다. 도 16에 예시한 바와 같이 안테나 및 필터의 폴리머 코어 형상의 표면에 금속 물질이 형성되어 X 대역 혼 안테나(200)가 완성될 수 있다. 완성된 X 대역 혼 안테나(200)에 대한 전기적 성능시험 및 우주환경 시험이 수행될 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 위성 중계기 110: 수신 안테나
120: 제1 대역통과필터 130: 저잡음 증폭기
140: 주파수 변환부 141: 믹서
142: 국부발진기 143: 고출력 증폭기
150: 제2 대역통과필터 160: 송신 안테나
200: X 대역 혼 안테나 210: 입력단
220: 격벽 편파기 221: 계단형 격벽
222: 사각형-원형 전환부 230: 코니컬 혼
240: 메타물질 241: 전기 막대

Claims (11)

  1. X 대역 도파관의 입력단;
    상기 입력단에 연결되고, 선형 편파를 원형 편파로 변환하고 원형 편파를 선형 편파로 변환하는 격벽 편파기;
    상기 격벽 편파기로부터 개구면의 끝단으로 갈수록 확장되는 원뿔 모양의 코니컬 혼; 및
    상기 코니컬 혼의 개구면의 끝단 내부에 주기적 구조로 형성된 메타물질을 포함하고,
    상기 메타물질은 전체적으로 상기 코니컬 혼의 개구면의 끝단의 모양에 대응하여 가장자리가 원형이고 가운데 부분이 비어있는 링 형태인 X 대역 혼 안테나.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 메타물질은 상기 코니컬 혼의 개구면의 끝단에서 발생하는 전계의 위상차를 보상하여 주엽의 빔폭이 좁아지도록 하는 역할을 수행하는 X 대역 혼 안테나.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 메타물질의 상기 링 형태는 3층으로 이루어지고, 각 층은 격자 구조를 갖는 복수의 전기 막대로 이루어지는 X 대역 혼 안테나.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 막대는 방사 방향에 수직인 제1 축 방향 및 제2 축 방향으로 연장되어 상기 격자 구조를 이루는 X 대역 혼 안테나.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 막대 각각의 두께는 1mm이고, 인접한 전기 막대 간의 간격은 20mm이고, 상기 격자 구조의 층 간의 거리는 10mm인 X 대역 혼 안테나.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 입력단, 상기 격벽 편파기, 상기 코니컬 혼 및 상기 메타물질은 3D 프린터에 의해 일체형으로 제작된 X 대역 혼 안테나.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 입력단, 상기 격벽 편파기, 상기 코니컬 혼 및 상기 메타물질은 상기 3D 프린터의 소재로써 동일한 물질로 체결부 없이 제작된 X 대역 혼 안테나.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 입력단, 상기 격벽 편파기, 상기 코니컬 혼 및 상기 메타물질은 상기 3D 프린터의 소재로써 폴리에테르케톤케톤 계열의 소재를 포함하는 X 대역 혼 안테나.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 입력단, 상기 격벽 편파기, 상기 코니컬 혼 및 상기 메타물질의 표면에는 금속도금 층이 형성되어 있는 X 대역 혼 안테나.
  11. X 대역 도파관의 입력단;
    상기 입력단에 연결되고, 선형 편파를 원형 편파로 변환하고 원형 편파를 선형 편파로 변환하는 격벽 편파기;
    상기 격벽 편파기로부터 개구면의 끝단으로 갈수록 확장되는 원뿔 모양의 코니컬 혼; 및
    상기 코니컬 혼의 개구면의 끝단 내부에 주기적 구조로 형성된 메타물질을 포함하고,
    상기 격벽 편파기는,
    상기 격벽 편파기의 내부에 위치하고, 상기 입력단과 상기 격벽 편파기가 연결되는 부분에서 상기 코니컬 혼을 향하는 방향으로 계단 형태로 형성된 계단형 격벽; 및
    상기 격벽 편파기가 상기 코니컬 혼에 바로 연결될 수 있도록 하는 사각형-원형 전환부를 포함하는 X 대역 혼 안테나.
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