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Antenna radiation and scattering analysis based on infinitesimal dipole modeling = 극소 다이폴 모델링 기반의 안테나 방사 및 산란해석
서명 / 저자 Antenna radiation and scattering analysis based on infinitesimal dipole modeling = 극소 다이폴 모델링 기반의 안테나 방사 및 산란해석 / Sung Jun Yang.
저자명 Yang, Sung Jun ; 양성준
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

For accurate operation of the antenna, the radiation pattern of the antenna must be accurately analyzed. If multipleantennas are arranged, mutual coupling between the antennas should be considered. For large objects around theantenna, the radiation pattern distortion due to scattered waves should be calculated. Electromagnetic numericalanalysis techniques have been used to obtain accurate radiation patterns that take into account such distortioneffects. However, MoM technique requires much time and memory cost. Additionally, the MoM should be calculatedrepeatedly when the antenna operation environment changes. Antenna current Green's function (ACGF)can be used to efficiently handle these effects. Once the data is obtained, it is not necessary to calculate the MoMrepeatedly according to the environment. If the receiving environment is changed and the incident waves arecalculated, the antenna pattern considering mutual coupling effects can be obtained. Two methods for obtaining ACGF are well known. The first is a method of calculating ACGF through a mathematical solution. It is accuratebut most of realistic antennas are not theoretically perfect. It is also difficult to derive ACGF analytically, exceptfor a few simple antennas. Next, ACGF can be obtained by numerical method using MoM. If the model is accuratelymodeled by CAD, the induction current distribution can be obtained with a relatively high accuracy, and ACGF can be obtained by using it. However, when the antenna is large and complex, huge memory and timecost are required to calculate the solution of MoM. Also, the difference between the actual antenna structure andthe CAD model can cause the simulation result to differ from the actual value. Method to replace ACGF withoutthe above disadvantages using infinitesimal dipole modeling (IDM) is proposed. IDM is a rigidly arbitrary antennamodeling technique with multiple infinitesimal dipole arrays. The ID model can be obtained using theradiation pattern of the antenna. Radiation patterns can also be obtained through measurements in addition tosimulations using electromagnetic analysis techniques. Each ID obtained in the radiation pattern is regarded asa point current source, which has the same shape as the antenna organic current element obtained by MoMcalculation. A method to replace the induced current distribution obtained by MoM by using ID model as ACGFis proposed. The advantage is that the substitute can be obtained without MoM because the ID model can beoptimized using the measured radiation pattern. The proposed method requires less time compared to MoMtechnique. In addition, since the CAD model is not used, an error caused by the difference between the actualantenna and the CAD model does not occur. In this paper, method to efficiently obtain IDM using convex optimization,which is a kind of optimization algorithm is proposed. Existing IDMs required unnecessary modelingdata because IDs were all placed at uniformly distributed grid points in a specific bounding box. An algorithmwhich increases the sparsity of the ID model is used by applying recursive optimization to minimize $reweightedl_1-norm$. Using the proposed algorithm, IDM with almost similar accuracy is obtained with fewer data. Next, wewill introduce new ways to use IDM. The ID model is used as an organic current distribution to replace ACGF.Therefore, we can obtain data to replace ACGF by using measured radiation pattern without MoM simulation.This is verified using the measured antenna radiation pattern and simulation data.

극소 다이폴 모델링은 극소 다이폴이라는 수학적인 모델을 이용하여 안테나의 방사패턴을기반으로 안테나를 모델링하는 기법이다. 근전계 혹은 원전계로부터 안테나를 모델링 할 수있고, 각각의 극소 다이폴은 하나의 점전류로 볼 수 있기 때문에 극소 다이폴 모델은 안테나의전류 분포 모델로 사용할 수 있다. 특정 상황에서의 안테나의 전류 분포를 이용하면 안테나작동 환경에서의 방사 및 산란해석을 수행하는 데 있어서 도움이 된다. MoM 등과 같은 fullwave기반의 수치해석기법을 통해 얻은 전류분포 모델과의 가장 큰 차이점은 훨씬 적은 양의데이터로 모델링이 가능하다는 점이다. 안테나 CAD 의 삼각패치모델을 통해 얻은 삼각패치의개수에 비해, 보통 극소 다이폴 모델링에서의 극소 다이폴의 개수는 매우 적은 값을 나타낸다.따라서 전류분포모델을 안테나 해석에 사용하는 경우 극소 다이폴 모델을 이용하면 연산속도가 빠르며 메모리 이용양이 적다. 본 학위논문에서는 모델링의 효율성을 극대화 하기 위해convex optimization 이라는 수학적인 최적화기법과 $reweight-l_1 norm$ 이라는 sparsity-enhanced수학적인 기법을 적용한다. 유효한 극소 다이폴만을 이용하여 모델링을 수행하고, 결과적으로최소한의 극소 다이폴 개수를 사용하여 모델링하게 된다. 이어서 극소 다이폴 모델을 이용하여안테나전류그린함수를 추출하는 대체적인 방법을 제안한다. 각각의 극소 다이폴은 점전류로근사되기 때문에 전류분포로써 사용할 수 있으며, 이를 안테나전류그린함수에 적용하였다.안테나전류그린함수를 이용하면 외부로부터 입사되는 전계와 적분연산하여 능동소자패턴을얻을 수 있다. 이는 배열안테나에서의 상호결합효과와, 주변의 산란체가 있는 경우 산란영향에의한 왜곡현상까지 고려할 수 있다. 또한, 중심 주파수에서 최적화 된 극소 다이폴 모델을이용하면 주파수 별 자유공간그린함수와의 연산을 통해 주변 주파수에서의 배열안테나빔패턴의 모양을 예측할 수 있다. 광대역 주파수에 따른 자유공간그린함수를 통해 주파수가변화하면서 다르게 적용되는 전류모델 내부의 전기적 경로차를 계산할 수 있다. 배열 안테나의각 능동소자패턴을 통해 배열 소자 각각의 극소 다이폴 모델을 얻기 때문에 경로차의 영향을효율적으로 계산할 수 있었다. 또한 각 소자에 다른 계수로 전압이 인가되는 경우에서의 연산역시 가능하다는 것이 장점이다. 다이폴, 패치, 그리고 슬롯 배열 안테나 등의 각종배열안테나와 다양한 방사 및 산란 환경에서의 측정 데이터와 시뮬레이션을 이용하여 검증을수행하였다. 본 학위논문에서는 전자기학적 이론을 기반으로 극소 다이폴 모델링 관련 제안방법들과 검증 결과에 대해 고찰하며, 다양한 환경에서의 산란 및 방사특성에 대해 분석한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 19051
형태사항 xii, 60 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 양성준
지도교수의 영문표기 : Noh-Hoon Myung
지도교수의 한글표기 : 명로훈
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 Including references
주제 antenna modeling
infinitesimal dipole modeling (IDM)
antenna current Green’s function (ACGF)
radiation pattern
mutual coupling
convex optimization
reweighted l1-norm
wideband beam pattern
안테나 모델링
극소 다이폴 모델링 (IDM)
안테나전류그린함수 (ACGF)
방사 패턴
상호결합효과
convex optimization
reweighted l1-norm
광대역 빔패턴
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