Slotted waveguide arrays have been widely used in radar and communication applications due to their geometric simplicity, efficiency, reliability, and accurate control of aperture excitation. An edge slot is preferable over a broad wall slot for a linear phased array, because a wider scan angle is possible without grating-lobes.
Design results of an X-band edge slotted waveguide phased array antenna are briefly described in this thesis. The antenna is comprised of 39 edge slotted waveguides, a parallel feeder, phase shifters, a BSU (beam steering unit), and etc. This study focuses on two aspects among various design problems of the antenna system, which are feeder design and second-order beam suppression.
First, a novel type of monopulse parallel feeder for an edge slotted linear phased array has been proposed and designed. The proposed feeder can be categorized as a parallel semi-constrained feed. It has the concept of a space feed because it adapts E-plane sectoral corrugated horn and the concept of constrained feed because of uniform parallel power divider. The measured results have shown that this feeder have the desirable properties of very low insertion loss, good input match, and realization of the required aperture distribution.
As a result of angle alternations of slots in series over a slotted waveguide, unwanted very high sidelobes appear in the radiation pattern; these sidelobes are called second-order beams.
Second, pattern modeling techniques that can precisely predict the radiation characteristics including second-order beams are derived for the purpose of realizing a suppression technique of second-order beams into the antenna system.
슬롯 도파관 안테나는 구조의 간결함, 효율, 신뢰도, 그리고 개구면 전력분포를 손쉽게 제어할 수 있는 장점 때문에 레이다와 통신 응용 분야에서 폭 넓게 사용되어 왔다. 특히 협벽 경사슬롯은 선열 위상배열 안테나에 많이 사용되는데 이는 광벽 편위슬롯에 비해 넓은 각도의 빔조향이 가능하기 때문이다.
본 논문에서는 협벽 경사슬롯을 복사소자로 사용하는 X-대역 슬롯 도파관 위상배열 안테나의 설계 결과에 대해 요약 기술하였다. 안테나 시스템은 39열 슬롯 도파관, 병렬급전기, 변위기, 빔조향장치 등으로 구성되어 있다. 안테나 시스템 설계의 여러 가지 문제점 중 본 논문에서는 급전기 설계와 이차효과 부엽 제거를 위한 패턴 모델의 두 가지 주제에 대하여 연구하였다.
먼저 안테나 시스템의 요구 조건인 일차원 모노펄스 기능을 구현할 수 있는 협벽 경사슬롯 위상배열 안테나의 신개념 급전기 구조에 대해 제안하고 설계 방법에 대해 기술하였다. 제안된 급전기 구조는 반폐쇄 급전 방식으로 분류할 수 있으나 기본적으로 E-면 개구 코러게이티드 혼을 사용하였기 때문에 공간 급전 개념이라 할 수 있다. 근본적으로 공간 급전 개념을 사용할 수 없는 구조인 슬롯 도파관 배열 안테나에 적용하기 위해 E-면 병렬 전력분배기를 공간급전 방식에 접목하였으며 결과적으로 최적에 가까운 모노펄스 성능을 구현할 수 있었다. 모노펄스 병렬 급전기의 시뮬레이션 및 측정 결과로부터 모노펄스 성능 이외에도 작은 삽입손실, 우수한 입력단 정합 특성, 개구면분포의 최적 구현과 같이 급전기로써 갖추어야 할 조건들을 모두 구현한 뛰어난 성능을 보였다.
협벽 경사슬롯은 동위상 복사 조건을 만족하기 위해 교차로 슬롯의 경사각을 반전시켜야 한다. 이러한 주기적인 경사각의 반전은 슬롯 도파관 위상배열 안테나를 구성하였을 때 안테나 설계자가 원하지 않는 매우 높은 부엽이 특정 위치에 나타나게 된다. 이 부엽을 이차효과 부엽이라고 부른다.
본 논문에서는 이차효과 부엽을 제거하기 위해 제안된 슬롯 도파관 배열 순서의 최적화를 실현하기 위해 필요한 패턴 모델에 관해 제안하고 연구하였다. 패턴 모델의 검증은, 단일 경사 슬롯, 1열 슬롯 도파관 안테나, 그리고 슬롯 도파관 위상배열 안테나의 세 가지 단계를 거쳐 3차원 전자파 수치해석 시뮬레이션 또는 측정 결과와 비교하여 수행하였다. 제안된 패턴 모델은 경사슬롯의 물리적인 복사특성으로부터 유도하였으며 협벽 경사슬롯 도파관 위상배열 안테나의 주빔 뿐만 아니라 이차효과 부엽까지 정확하게 예측할 수 있었다. 또한 패턴 모델은 수학적으로 간결하기 때문에 짧은 컴퓨터 계산 시간에 복사패턴을 예측할 수 있으므로 매우 많은 반복 계산을 요구하는 슬롯 도파관 배열 순서의 최적화에 의한 이차효과 부엽 최소화 문제에 매우 유용하게 사용할 수 있다.