급전부 호른 구조

급전부 호른 구조는 도파관과 같은 전송선로에서 유도된 전자기파를 자유 공간으로 효율적으로 방사하도록 설계된 구조물이다. 이 과정에서 호른은 도파관의 개구면을 점진적으로 확장시켜 임피던스 정합을 개선하고, 전자기파의 에너지를 방향성 있게 방사하는 역할을 한다.

도파관 내부에서는 특정한 모드(예: TE10 모드)로 제한되어 전파되는 전자기장이 호른 구조를 따라 진행하면서 점차 확장된다. 호른의 벽면은 전자기파를 가이드하며, 개구면에 도달한 파동은 자유 공간으로 방사된다. 이때 호른의 형상과 길이는 방사되는 전자기파의 위상 분포에 직접적인 영향을 미친다. 이상적인 호른은 개구면에서 평면파(균일한 위상을 가진 파동)에 가까운 전자기장 분포를 만들어 방사 효율을 극대화한다.

방사 특성은 호른의 형상과 치수에 의해 결정된다. 개구면적이 클수록 더 높은 이득과 더 좁은 빔폭을 얻을 수 있지만, 위상 오차가 증가하여 효율이 저하될 수 있다. 따라서 설계 시에는 목표 이득, 빔 형상, 대역폭 등을 고려하여 호른의 플레어 각도와 길이를 최적화한다. 호른을 통한 방사는 일반적으로 등방성 안테나에 비해 높은 방향성을 가지며, 주로 주 빔 방향으로 에너지가 집중된다.

임피던스 정합은 급전부 호른 구조의 핵심 설계 목표 중 하나이다. 이 과정은 도파관과 자유 공간 사이의 특성 임피던스 차이를 최소화하여, 전송되는 전자기파의 반사를 억제하고 최대 전력 전달 효율을 달성하는 것을 목표로 한다.

호른 구조는 도파관의 단면적을 서서히 확장시켜 임피던스를 점진적으로 변화시킨다. 이 점진적인 확장은 급격한 임피던스 변화로 인해 발생하는 정재파를 효과적으로 감소시킨다. 결과적으로 전압 정재파비(VSWR)가 낮아지고, 안테나의 입력 단자로 되돌아오는 불필요한 반사 에너지가 최소화된다. 이는 시스템의 전송 효율을 높이고, 송신기 부품에 손상을 줄 수 있는 과도한 열을 방지한다.

임피던스 정합의 품질은 호른의 길이, 플레어 각도, 그리고 개구면의 크기와 같은 기하학적 요소에 크게 의존한다. 이상적인 정합을 위해서는 호른의 측벽을 따라 진행하는 파동의 위상이 개구면에서 균일해야 한다. 설계가 최적화되지 않으면 위상 오차가 발생하여 빔 패턴이 왜곡되고, 이득이 감소하며, 임피던스 정합 성능이 저하될 수 있다. 따라서 호른 설계는 방사 패턴 형성과 임피던스 정합이라는 두 가지 요구 사항을 동시에 만족시키는 최적점을 찾는 과정이다.

호른 안테나의 형상은 주로 개구면의 모양과 측벽의 확장 형태에 따라 분류된다. 가장 일반적인 분류는 피라미드형 호른과 원추형 호른이며, 여기에 섹터형 호른과 구형 호른 등이 포함된다.

피라미드형 호른은 E면(전계 평면)과 H면(자계 평면)에 서로 다른 플레어 각도를 적용할 수 있어, 방사 패턴의 비대칭성을 설계 단계에서 조절할 수 있다는 장점이 있다. 이는 특정 모양의 빔을 형성해야 하는 레이더나 위성 통신 안테나의 급전부로 자주 활용되는 이유이다. 반면, 원추형 호른은 완전한 대칭 구조로 인해 원형의 개구면과 동축선 급전과의 결합이 용이하다. 따라서 편파 다양성이 요구되는 시스템이나 측정용 표준 안테나로 널리 사용된다.

형상 선택은 최종 안테나 시스템이 요구하는 방사 패턴, 이득, 대역폭, 편파, 그리고 제조 공정성과 비용을 종합적으로 고려하여 결정된다. 예를 들어, 위성 통신 지상국 안테나의 급전부에는 고이득과 낮은 부엽 레벨을 위해 피라미드형 호른이 선호되는 반면, EMC 측정용 광대역 프로브에는 원추형 호른이 더 일반적이다.

개구면적은 호른의 방사 개구부 면적을 가리킨다. 이 면적은 안테나의 이득과 빔폭을 결정하는 핵심 요소이다. 일반적으로 개구면적이 클수록 더 높은 이득과 더 좁은 빔폭을 얻을 수 있다. 그러나 면적이 지나치게 커지면 구조적 부피와 무게가 증가하고, 위상 오차가 발생하여 성능이 저하될 수 있다.

플레어 각도는 호른의 측벽이 중심축과 이루는 각도이다. 이 각도는 임피던스 정합과 위상 중심의 위치에 직접적인 영향을 미친다. 작은 플레어 각도를 가진 호른은 점진적인 임피던스 변화를 제공하여 반사 손실을 줄이고 대역폭을 개선하는 데 유리하다. 반면, 각도가 너무 작으면 호른의 길이가 과도하게 길어지는 단점이 있다.

개구면적과 플레어 각도는 서로 긴밀하게 연관되어 최적의 설계를 요구한다. 설계자는 목표 이득, 빔 형상, 사용 주파수 대역, 그리고 허용 가능한 물리적 크기 등의 제약 조건 하에서 두 변수 사이의 균형을 찾아야 한다. 예를 들어, 고이득이 요구되는 위성 통신 안테나의 경우 상대적으로 큰 개구면적과 적절한 플레어 각도를 선택하여 효율적인 방사를 달성한다.

위상 중심은 안테나에서 방사되는 전자기파의 등위상면이 구형파로 근사될 때 그 중심이 되는 가상의 점을 가리킨다. 급전부 호른 구조에서 이 점의 위치는 호른의 형상, 특히 플레어 각도와 길이에 의해 결정된다. 설계 시 위상 중심을 정확히 파악하는 것은 호른이 파라볼라 안테나 등의 반사판에 급전부로 사용될 때 매우 중요하다. 위상 중심이 반사판의 초점과 일치하지 않으면 빔이 왜곡되거나 이득이 감소하는 등 성능이 열화된다.

빔 형성은 호른의 개구면에서의 전계 분포에 직접적인 영향을 받는다. 호른을 통해 전송된 전자기파는 개구면에서 방사될 때, 그 면적과 형상에 따라 특정한 방향으로 에너지가 집중된다. 일반적으로 개구면적이 클수록 빔은 더 좁아지고 이득은 증가한다. 그러나 개구면에서의 위상 오차가 증가하면 빔 폭이 넓어지고 부엽 레벨이 상승하는 문제가 발생할 수 있다.

위상 중심과 빔 형성의 관계는 다음 표를 통해 요약할 수 있다.

따라서 최적의 빔 형성을 위해서는 호른의 길이와 플레어 각도를 조절하여 개구면에서의 위상 분포를 균일하게 유지하면서도 위상 중심의 위치를 정확히 제어하는 것이 필수적이다. 이는 주로 전자기 시뮬레이션 도구를 통해 설계 파라미터를 최적화하는 과정을 거쳐 이루어진다.

도파관-호른 전이부는 도파관과 호른 안테나를 효율적으로 연결하는 구조적 요소이다. 이 전이부의 주요 목적은 도파관 내에서 전송되는 전자기파를 손실 없이 호른 구조로 전달하고, 호른의 개구면을 통해 공간으로 방사되도록 하는 것이다. 설계가 불량할 경우 반사파가 증가하여 VSWR이 악화되고, 안테나의 전체 효율이 저하된다.

전이부 설계의 핵심은 임피던스 정합을 달성하는 것이다. 도파관은 특정한 특성 임피던스를 가지며, 호른은 개구면을 통해 자유 공간의 임피던스(약 377Ω)로 점진적으로 정합되는 구조이다. 따라서 도파관과 호른 경계면에서 급격한 임피던스 변화가 발생하지 않도록, 전이부의 형상과 길이를 최적화한다. 일반적으로 도파관의 단면적에서 호른 목(throat)의 단면적까지 매끄럽게 확대되는 형상을 사용한다.

이상적인 전이부는 전송 모드(주로 TE10 모드)를 왜곡시키지 않고 호른으로 전달해야 한다. 또한, 불필요한 고차 모드의 발생을 억제하여 방사 패턴이 열화되는 것을 방지한다. 전이부의 길이는 작동 파장과 관련이 있으며, 너무 짧으면 임피던스 변화가 급격해지고, 너무 길면 불필요한 손실과 크기를 증가시킨다. 현대 설계에서는 전자기 시뮬레이션 도구를 활용하여 반사 손실과 방사 특성을 고려한 최적의 형상과 치수를 도출한다.

동축선-호른 결합 구조는 동축 케이블의 TEM 모드 전파를 호른 안테나의 도파관 모드로 효율적으로 전환하기 위한 장치이다. 이 구조는 주로 비교적 낮은 주파수 대역이나 소형 호른 안테나에서 사용되며, 도파관을 사용하지 않고 직접 동축선을 호른에 연결하는 간결한 구성을 가능하게 한다.

결합의 핵심은 동축선의 내부 도체(심선)를 호른 내부로 연장시켜 모노폴 안테나 또는 짧은 프로브 역할을 하게 하는 것이다. 연장된 프로브는 호른의 벽면에 수직으로 설치되어 전자기파를 방사하며, 이 방사된 파가 호른의 플레어 각도를 따라 점진적으로 확장되어 정합된 빔으로 형성된다. 임피던스 정합은 프로브의 삽입 깊이, 두께, 그리고 호른 목(throat) 부분의 구조를 조정하여 달성한다. 종종 정합을 개선하기 위해 호른 목 근처에 유전체 매질이나 정합 링이 추가되기도 한다.

이 방식의 주요 설계 변수는 다음과 같다.

동축선-호른 결합은 구조가 단순하고 제조 비용이 비교적 낮다는 장점이 있다. 그러나 도파관-호른 전이부에 비해 고주파에서의 손실이 크고, 대역폭과 전력 처리 용량이 일반적으로 제한적이다. 따라서 이 방식은 위성 TV 수신, 무선 주파수 식별(RFID), 그리고 일부 측정용 안테나와 같은 상대적으로 저전력 광대역 응용 분야에 주로 적용된다.

급전부 호른 구조의 성능을 평가하는 핵심 지표 중 하나는 이득과 방사 패턴이다. 이득은 안테나가 특정 방향으로 전자기파 에너지를 집중시키는 능력을 정량화한 값이며, 방사 패턴은 이 에너지 분포를 공간적으로 나타낸 도형이다.

이득은 일반적으로 동등방성 복사체에 대한 상대값으로 데시벨(dBi) 단위로 표현된다. 호른 안테나의 이득은 주로 개구면적과 위상 오차에 의해 결정된다. 개구면적이 클수록, 그리고 개구면에서의 파면이 평면에 가까울수록(위상 오차가 작을수록) 이득은 높아진다. 이득(G)은 개구면적(A), 효율(η), 파장(λ)과의 근사 관계식 G ≈ (4πAη)/λ²으로 나타낼 수 있다. 효율은 구조 손실, 표면 저항, 구멍 누설 등 다양한 요인에 의해 영향을 받는다.

방사 패턴은 주엽, 부엽, 후엽으로 구성된다. 호른 안테나는 일반적으로 좁은 반파폭과 낮은 부엽 레벨을 가지는 방향성이 높은 패턴을 보인다. 패턴의 형상은 호른의 형상(예: 피라미드형, 원추형)과 플레어 각도에 크게 의존한다. 설계 시에는 목표 주엽 빔폭과 부엽 억제 수준을 만족시키기 위해 호른의 길이와 개구면 비율을 최적화한다. 주요 방사 패턴 특성은 다음 표와 같이 정리할 수 있다.

이득과 방사 패턴은 상호 연관되어 있다. 높은 이득을 얻기 위해 개구면을 크게 하면 주엽 빔폭은 좁아지는 경향이 있다. 또한, 위상 중심의 위치는 방사 패턴의 대칭성과 빔의 지향성에 직접적인 영향을 미치므로, 정확한 위상 중심의 파악은 안테나 시스템 설계에 필수적이다[2].

급전부 호른 구조의 성능을 평가하는 핵심 지표 중 하나는 작동 대역폭과 전압 정재파비(VSWR)이다. 이 두 요소는 호른이 얼마나 넓은 주파수 범위에서 효율적으로 동작하며, 얼마나 잘 임피던스 정합이 이루어져 전력 손실을 최소화하는지를 나타낸다.

대역폭은 일반적으로 호른이 설계 목표(예: 특정 이득, 방사 패턴, VSWR)를 만족하는 주파수 범위로 정의된다. 호른의 대역폭은 주로 그 형상과 플레어 각도에 의해 결정된다. 원추형 호른은 비교적 넓은 대역폭을 가지는 반면, 피라미드형 호른은 특정 설계에 따라 대역폭이 제한될 수 있다. 대역폭을 확장하기 위한 일반적인 기법으로는 호른 목(throat) 부분의 도파관-호른 전이부 설계를 최적화하거나, 계단형 임피던스 정합기를 도입하는 방법이 있다.

VSWR은 호른의 입력 임피던스와 이를 구동하는 급전선(도파관 또는 동축선)의 특성 임피던스가 얼마나 잘 일치하는지를 수치화한 것이다. 이상적인 정합 상태에서는 VSWR 값이 1이며, 이는 모든 전력이 반사 없이 호른으로 전달됨을 의미한다. VSWR 값이 높을수록 반사 전력이 증가하여 시스템 효율이 저하되고, 발열 등의 문제를 일으킬 수 있다. 호른 구조에서 VSWR은 주로 전이부의 매끄러운 형태와 전체적인 형상 비율에 의해 영향을 받는다. 일반적으로 넓은 대역폭을 가지는 호른은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 낮은 VSWR 값을 유지하는 경향이 있다.

따라서 급전부 호른을 설계할 때는 원하는 주파수 대역에서 충분한 대역폭을 확보하면서도, 해당 대역 전체에서 VSWR을 최소화하는 것이 주요 과제가 된다. 이는 전자기 시뮬레이션 도구를 활용한 반복적인 설계 최적화 과정을 통해 달성된다.

편파 특성은 급전부 호른 구조가 방사하는 전자기파의 전기장 벡터 방향이 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 나타낸다. 호른 안테나는 일반적으로 선형 편파, 특히 수직 또는 수평 편파를 생성하도록 설계된다. 이 편파 방향은 호른에 전력을 공급하는 도파관 또는 동축선의 방향과 급전부의 구조에 의해 결정된다. 예를 들어, 직사각형 도파관을 사용하는 피라미드형 호른의 경우, 전기장 벡터는 일반적으로 도파관의 좁은 벽(aperture)에 평행한 방향으로 정렬된다.

원형 편파를 생성하기 위해서는 두 개의 수직한 선형 편파 성분이 90도의 위상 차이를 가지고 동시에 공급되어야 한다. 이를 위해 원편파기가 호른의 급전부에 통합되거나, 두 개의 독립적인 급전 포트를 가진 구조가 사용된다. 이러한 설계는 위성 통신에서 신호의 편파 손실을 줄이거나 회전하는 표적의 레이더 신호 수신에 유리하다.

편파 순도는 호른 안테나의 중요한 성능 지표 중 하나이다. 이는 원하지 않는 교차 편파 성분의 레벨을 나타내며, 호른의 대칭성, 제작 정밀도, 그리고 도파관-호른 전이부의 설계에 크게 영향을 받는다. 높은 편파 순도는 신호 간 간섭을 줄이고 통신 시스템의 용량을 높이는 데 기여한다. 다음 표는 일반적인 호른 안테나의 편파 유형과 주요 특징을 정리한 것이다.

급전부 호른 구조는 위성 통신 시스템에서 고이득, 낮은 부엽, 그리고 우수한 편파 특성을 요구하는 안테나의 급전기로 널리 사용된다. 특히 대형 파라볼라 안테나의 1차 급전기 역할을 하여, 위성으로부터 수신하거나 위성으로 송신해야 하는 약한 전자기파 신호를 효율적으로 집중하고 방사하는 데 핵심적인 기능을 담당한다.

위성 통신용 호른 급전기는 주로 카세그레인 안테나나 그레고리안 안테나와 같은 쌍반사경 안테나 시스템에 적용된다. 이 경우 호른은 주반사경 뒤쪽에 위치하며, 호른의 개구면에서 방사된 전파가 부반사경에 반사된 후 주반사경으로 전달되는 구조를 가진다. 이러한 구성은 긴 도파관이나 급전선로로 인한 손실을 최소화하고, 안테나 전체의 기계적 강성을 높이는 장점을 제공한다. 설계 시에는 위상 중심을 정확히 파악하여 반사경의 초점에 정렬함으로써 최적의 빔 효율을 달성한다.

성능 측면에서 위성 통신용 호른은 매우 넓은 대역폭과 균일한 임피던스 정합을 요구받는다. 통신 위성은 상향링크와 하향링크가 서로 다른 주파수 대역을 사용하는 경우가 많기 때문이다. 또한, 신호의 왜곡을 방지하기 위해 위상 오차가 최소화된 평면 위상파를 생성해야 하며, 원편파 또는 선편파를 정밀하게 유지하는 능력이 중요하다. 다음은 위성 통신에서 일반적으로 사용되는 호른 급전기의 주요 특성 예시이다.

이러한 호른 급전기는 지구국 안테나뿐만 아니라, 위성 본체에 탑재되는 안테나의 급전 소자로도 사용된다. 위성 탑재용으로는 경량화, 소형화, 그리고 극한의 우주 환경에서의 신뢰성이 설계의 주요 고려사항이 된다.

레이더 시스템에서 급전부 호른 구조는 주로 파라볼라 안테나나 카세그레인 안테나와 같은 반사경 안테나의 1차 급전기로 사용된다. 이 호른은 도파관에서 전송된 전자기파를 효율적으로 방사하여 반사경을 조명하거나, 반사경에서 수집된 전파를 도파관으로 유도하는 역할을 한다. 정밀한 빔 형성과 높은 이득이 요구되는 레이더, 특히 추적 레이더 및 위성 추적 레이더에서 핵심 구성 요소이다.

호른 급전기의 성능은 레이더 시스템의 전체적인 정확도와 감도에 직접적인 영향을 미친다. 위상 중심이 안정적이고 잘 정의된 호른은 반사경에 균일한 위상 분포를 제공하여 날카로운 빔과 낮은 부엽 레벨을 구현한다. 또한, 넓은 대역폭과 낮은 정재파비 특성은 다양한 주파수에서 안정적으로 동작해야 하는 현대적 다기능 레이더에 필수적이다.

다양한 레이더 응용 분야에 따라 특화된 호른 설계가 사용된다. 예를 들어, 원추형 호른은 비교적 넓은 대역폭과 원형 대칭의 방사 패턴으로 인해 널리 채택된다. 정밀한 편파 제어가 필요한 기상 레이더나 이중편파 레이더에서는 사각형 호른과 편파 분리 구조가 결합되기도 한다. 항공 교통 관제 레이더에서는 신뢰성과 내구성이 뛰어난 구조가 요구된다.

또한, 능동 위상 배열 레이더의 개별 방사 소자로 호른 배열이 사용되기도 한다. 각 호른 소자는 자체 T/R 모듈과 결합되어 전자적으로 빔을 형성하고 조종하는 데 기여한다. 이 방식은 마이크로스트립 패치 배열 대비 높은 전력 처리 능력과 효율성을 제공하는 장점이 있다.

급전부 호른 구조는 넓고 균일한 전자기파를 생성할 수 있어, 전자기 호환성(EMC) 시험에서 표준 참조 안테나 또는 방사 방해(RE) 측정용 프로브로 널리 사용된다. 특히 규제 준수 시험(예: CISPR, FCC, MIL-STD 기준)에서 30 MHz 이상의 고주파 대역에서 선호되는 안테나 유형이다. 그 이유는 반사손실이 낮고, 이득과 빔폭이 주파수에 대해 예측 가능하며, 교정이 용이하기 때문이다.

EMC 측정용 호른 안테나는 일반적으로 피라미드형 또는 원추형 호른을 사용하며, 광대역 성능을 위해 이중릿지 도파관과 결합된 형태가 흔하다. 이는 대역폭을 수 GHz 이상으로 확장할 수 있다. 주요 역할은 피시험 장비(EUT)에서 방사되는 불요 전자기 노이즈의 전계 강도 또는 전력 밀도를 정확히 측정하는 것이다. 측정은 무반사실(Anechoic Chamber) 또는 개방 시험장(OATS)에서 표준화된 거리(예: 3m, 10m)에서 수행된다.

측정 시스템에서 호른 안테나는 정밀하게 교정된 고주파 증폭기(Preamplifier) 및 스펙트럼 분석기와 연결된다. 성능 지표로는 안테나 인자(AF), 이득, VSWR 등이 중요하며, 이들은 측정 불확도를 결정한다. 호른 안테나는 또한 전자기 펄스(EMP) 시뮬레이션 또는 시스템의 내성(Immunity) 시험을 위해 고출력 신호를 방사하는 송신 안테나로도 활용된다.

이러한 응용에서 호른 안테나의 설계는 광대역에서 평탄한 주파수 응답과 낮은 위상 찌그러짐을 최적화하는 방향으로 발전해 왔다. 최근에는 MIMO 시스템이나 자율주행 차량용 레이더의 EMC 평가와 같이 더 복잡한 신호 환경을 모의하는 데에도 사용 영역이 확대되고 있다.

급전부 호른 구조는 마이크로스트립 패치 안테나와 비교했을 때 뚜렷한 장점과 단점을 보인다. 가장 큰 장점은 높은 이득과 우수한 방사 효율이다. 호른 구조는 개구면을 통해 전자기파를 효율적으로 방사하므로, 상대적으로 작은 패치 안테나보다 훨씬 높은 이득과 더 좁은 빔폭을 달성할 수 있다. 또한, 구조적으로 폐쇄된 도파관에서 열린 공간으로의 전이가 매끄럽기 때문에 스퓨리어스 방사가 적고, 넓은 대역폭을 구현하기에 유리하다. 특히 피라미드형 또는 원추형 호른은 수 GHz 이상의 고주파 대역에서도 낮은 손실과 안정적인 성능을 제공한다.

반면, 마이크로스트립 패치 안테나는 호른 구조에 비해 크기와 무게, 제조 비용 측면에서 큰 장점을 가진다. 패치 안테나는 얇은 유전체 기판 위에 금속 패턴을 형성하기 때문에 매우 얇고 평판형 구조로 제작될 수 있으며, 대량 생산이 용이하다. 이는 휴대용 장비나 위성, 드론에 탑재되는 안테나에 중요한 요소이다. 또한, 패치 안테나는 배열 안테나를 구성하여 빔을 전자적으로 조향하는 데 매우 적합한 형태를 가지고 있다.

다음 표는 두 급전 방식의 주요 특성을 비교한 것이다.

결론적으로, 급전부 호른은 고성능이 요구되는 기지국 안테나, 레이더, 측정용 표준 안테나와 같은 응용 분야에 적합하다. 반면, 마이크로스트립 패치 안테나는 소형화, 경량화, 저비용 및 배열 구성이 중요한 대중 시장과 집적화가 필수적인 현대 무선 장비에 널리 사용된다. 설계자는 목표하는 주파수, 이득, 크기, 비용 제약 조건을 고려하여 두 방식 중 하나를 선택하거나, 경우에 따라 혼합 구조를 채택하기도 한다.

평판 슬롯 배열 안테나는 도파관이나 마이크로스트립 기판에 일정한 패턴으로 슬롯을 배치하여 방사체를 구성하는 안테나입니다. 이에 반해 급전부 호른 구조는 단일한 개구를 통해 전자기파를 점진적으로 방사하는 구조로, 근본적인 작동 원리와 구현 방식에서 차이를 보입니다.

두 구조의 주요 차이점은 다음과 같은 표로 정리할 수 있습니다.

결론적으로, 호른 구조는 단순하고 견고한 설계로 넓은 대역폭과 높은 효율을 요구하는 응용에 적합합니다. 반면, 평판 슬롯 배열 안테나는 전기적으로 빔을 조향하거나 매우 낮은 프로파일이 필수적인 평면형 안테나가 필요한 시스템에서 선호됩니다. 선택은 요구되는 성능 지표, 주파수, 비용, 그리고 설치 가능한 물리적 공간에 따라 이루어집니다.

급전부 호른 구조의 설계와 분석에는 다양한 전자기 시뮬레이션 도구가 필수적으로 활용된다. 이는 복잡한 3차원 구조의 전자기장 분포를 정확히 예측하고, 임피던스 정합, 방사 패턴, 이득 등 주요 성능 지표를 사전에 평가하기 위함이다. 초기에는 하나의 방법이나 모멘트 법과 같은 수치 해석 기반의 전용 소프트웨어가 주로 사용되었으나, 현재는 유한 요소법이나 유한 차분법을 기반으로 하는 범용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어가 표준적으로 쓰인다.

시뮬레이션 과정은 일반적으로 3D 모델링, 메쉬 생성, 해석, 후처리의 단계로 진행된다. 설계자는 소프트웨어 내에서 호른의 형상(예: 피라미드형 호른, 원추형 호른), 플레어 각도, 도파관 전이부의 치수를 정밀하게 모델링한다. 이후, 구조물을 수많은 작은 요소(메쉬)로 분할하는 메쉬 생성 과정을 거치며, 이때 메쉬의 밀도와 품질은 계산 정확도와 시간에 직접적인 영향을 미친다. 해석 단계에서는 정의된 재질과 경계 조건, 급전 포트 설정을 바탕으로 맥스웰 방정식이 수치적으로 풀려 전자기장 분포가 계산된다.

시뮬레이션 결과는 다양한 형태로 분석되어 설계 최적화에 활용된다. 주요 결과 데이터는 다음과 같다.

이러한 도구를 활용하면, 물리적 시제품 제작에 앞서 수많은 설계 변수(예: 개구면 크기, 호른 길이, 전이부 형상)를 체계적으로 변경하며 성능을 예측할 수 있다. 이를 통해 대역폭을 확장하거나, 편파 순도를 높이는 등 목표 사양을 만족하는 최적의 구조를 효율적으로 도출할 수 있다. 최근에는 시뮬레이션 도구와 최적화 알고리즘을 결합한 자동화된 설계 플로우도 점차 보편화되고 있다.

급전부 호른의 대역폭을 확장하기 위한 주요 기법은 임피던스 정합을 개선하고, 구조적 변형을 도입하며, 다중 모드 또는 다중 대역 설계를 적용하는 것을 중심으로 이루어진다.

한 가지 기본적인 접근법은 호른의 목 부분(throat) 또는 전이부(flare) 영역에 임피던스 정합 구조를 도입하는 것이다. 예를 들어, 호른 내부에 계단형(stepped) 또는 점진적(tapered) 유전체 삽입물을 배치하거나, 도파관-호른 접합부의 형상을 최적화하여 반사 손실을 줄인다. 특히, 코루게이티드 호른(corrugated horn)은 호른 내벽에 주기적인 홈(groove)을 형성하여 광대역에서 원형 편파 성능과 낮은 측면 로브(side lobe)를 동시에 달성하는 데 효과적이다. 또한, 호른의 개구면(aperture)에 특수한 형태의 유전체 렌즈를 부착하거나, 표면 임피던스를 제어하는 구조를 적용하여 위상 오차를 보상하고 대역폭을 넓힐 수 있다.

보다 진보된 기법으로는 이중 모드 호른(dual-mode horn)이나 다중 대역 호른 설계가 있다. 이중 모드 호른은 주 모드(dominant mode) 외에 고차 모드(higher-order mode)를 의도적으로 여기시켜 특정 주파수 대역에서 빔 형상을 개선하고 대역폭을 확장한다. 다중 대역 동작을 위해서는 위상 중심이 일치하는 동심 호른(concentric horn) 구조나, 서로 다른 대역을 담당하는 별도의 호른을 하나의 조리개에 통합한 설계가 사용된다. 최근에는 메타물질(metamaterial) 기반의 표면이나 구조를 호른에 적용하여 기존 물리적 크기의 제약을 넘어선 초광대역(ultra-wideband) 성능을 구현하는 연구가 활발히 진행되고 있다[4].