[논문]차량용 텔레매틱스 안테나

김해연; 이병제; 양성현

문제 정의

본 논문에서는 GSM과 GPS 두 대역을 사용하면서 차량의 내부에 설치할 수 있는 형태의 텔레매틱스 안테나를 제안하였다. GPS대역의 안테나를 기존의 고유전율의 유전체를 가지는 마이크로 스트립 안테나로 구현하지 않고 공기층과 fr4층이 적층된 형태로 구현하면서 기존 안테나에 비해 제작비용의 절감이 기대되며 또한 GSM안테나와 동일평면에 구현함으로서 제작공정의 간소화를 추구하였다.
이를 위해서 GPS와이동통신 시스템이 모두 차량 안에 장착이 되어야 하고 이에 따른 안테나의 필요성도 증대되고있다. 본 논문에서는 현재 유럽에서 상용화되고있는 텔레매틱스 안테나를 기준으로 새로운 타입으로 안테나를 구현하였다. 현재 개발되고 있는 상용화되어 있는 텔레매틱스 안테나는 크게 두 가지로 나누어지는데 차량의 외부에 설치할 수 있는 외부 설치형과 내부에 설치 할 수 있는 내부 설치형으로 구분되어 진다.

제안 방법

안테나를 제안하였다. GPS대역의 안테나를 기존의 고유전율의 유전체를 가지는 마이크로 스트립 안테나로 구현하지 않고 공기층과 fr4층이 적층된 형태로 구현하면서 기존 안테나에 비해 제작비용의 절감이 기대되며 또한 GSM안테나와 동일평면에 구현함으로서 제작공정의 간소화를 추구하였다. 두 개의 안테나가 한 공간에 집적되도록 구현하면서 대역간 격리도 특성을 우선적으로 고려하였다.
7인 기판을 사용하였으며 공기층은 3mm의 두께(H)를 가진다. GSM대역의 안테나는 마이크로 스트립 안테나 (MSA) 로 GPS 대역 안테나는 PIFA로 구현하였다. 그림 1의 (a)에서 GSM 대역 안테나는 LI =44.
본 논문에서는 이런 점을 고려하여 내부설치형의 안테나를 제안하였으며 GPS안테나를 고유전율을 가진 유전체를 사용하지 않고 구현함으로서 재료비용을 절감시킬 수 있고 두 대역의 안테나를 동일한 평면에 구현함으로서 제작공정의 간소화를 추구하였다. GSM대역의 안테나를 동일한 PIFA로 구현하고 GPS 안테나를 마이크로스트립 안테나 (MSA) 로 구현한 PIFA-MSA 안테나를 제안하였다.
포트간 격리도 특성은 Wire less Products社의 내부 장착형 안테나를 측정한 결과 전 대역에서 20dB이하의 값을 가졌다. 그래서 본 논문에서 제안한 안테나 또한 20dB이하의 값을 가지도록 설계하였다. 이는 PIFA-MSA의 구조에서 편파간 격리를 최대로하며 하나의 안테나를 MSA로 구현함으로서 두 안테나의 격리도 특성 즉 S21 의 향상을 추구하였다.
그 이유는 도심지역의 경우 높은 빌딩과 밀집된 건물에 의해서 위성으로부터 송신되는 GPS 신호의 편파 특성의 왜곡이 심하고 음영지역이 증가되어 지고 있기 때문에 텔레매틱스에서는 이동통신망이 GPS의 음영지역을 보상하는 형태로 발전하고 있다[3]. 그러므로 본 논문에서는 GPS의원형편파를 선형편파로 수신하였을 경우에 편파손실 3dB를 고려하여 선형편파로 구현하되 이득이 3dBi 이상으로 설정하였다[4].
급전을 위해서 coaxial 케이블이 연결된 SMA 컨넥터를 연결하였다.
GPS대역의 안테나를 기존의 고유전율의 유전체를 가지는 마이크로 스트립 안테나로 구현하지 않고 공기층과 fr4층이 적층된 형태로 구현하면서 기존 안테나에 비해 제작비용의 절감이 기대되며 또한 GSM안테나와 동일평면에 구현함으로서 제작공정의 간소화를 추구하였다. 두 개의 안테나가 한 공간에 집적되도록 구현하면서 대역간 격리도 특성을 우선적으로 고려하였다. 그래서 두 개의 안테나를PIFA-MSA 형태로 제안하여 격리도 특성도 확보하면서 GSM대역의 이득의 최소 값은 O.
크기 면에서 외부 설치형이 내부설치형에 비해 크며 설치 시 차량의 외관을 고려하여 내부 설치형이 선호되어 지고 있는 추세이다. 본 논문에서는 이런 점을 고려하여 내부설치형의 안테나를 제안하였으며 GPS안테나를 고유전율을 가진 유전체를 사용하지 않고 구현함으로서 재료비용을 절감시킬 수 있고 두 대역의 안테나를 동일한 평면에 구현함으로서 제작공정의 간소화를 추구하였다. GSM대역의 안테나를 동일한 PIFA로 구현하고 GPS 안테나를 마이크로스트립 안테나 (MSA) 로 구현한 PIFA-MSA 안테나를 제안하였다.
구조는 그림 1과 같다. 실제 상용화 되고 있는 제품이 원형인 것을 참고하여 본 논문에서도 원형 구조를 바탕으로 하였다. 직경(R1) 이 60mm인 2개의 원형 판에 가장 아래층에 접지면이 존재하며 접지면의 재료로는 은을 사용하였다.
안테나의 설계규격을 정하기 위해서 현재 상용화되고 있는 제품의 특성을 분석하였다. 그림 1에실제 안테나의 S-파라미터를 측정한 결과이다.
표 1은 텔레매틱스 안테나 설계사양으로서 기존의 상용화된 내부 설치형 안테나를 기준으로 설정하였으며 특이한 점은 GPS안테나의 경우 기존의 원형편파를 통해 구현되어 졌으나 본 논문에 제안한 안테나는 선형편파로 구현하였다. 그 이유는 도심지역의 경우 높은 빌딩과 밀집된 건물에 의해서 위성으로부터 송신되는 GPS 신호의 편파 특성의 왜곡이 심하고 음영지역이 증가되어 지고 있기 때문에 텔레매틱스에서는 이동통신망이 GPS의 음영지역을 보상하는 형태로 발전하고 있다[3].
표2에 측정된 안테나의 방사패턴에서 이득의 최고값을 가지는 각과 그때의 최고 이득, 그리고 안테나의 HPBWtHalf Power Beam Width) 를 정리하였다.

대상 데이터

그림 1에실제 안테나의 S-파라미터를 측정한 결과이다. GPS 안테나는 세라믹을 사용한 마이크로 스트립패치 안테나를 사용하였고, GSM대역 안테나는 모노폴 구조를 응용한 패치 안테나로 구현하였다. 각각의 안테나는 각 시스템 사양에 적합한 성능을 나타내었고 두 안테나의 격리도 특성인 歸1은 20dB이하로 측정이 되었다.
직경(R1) 이 60mm인 2개의 원형 판에 가장 아래층에 접지면이 존재하며 접지면의 재료로는 은을 사용하였다. 그 위에 공기층 그리고 fr4층이 있는 구조로서 fr4는 두께가 hnm이며 유전율(£, )이 4.7인 기판을 사용하였으며 공기층은 3mm의 두께(H)를 가진다. GSM대역의 안테나는 마이크로 스트립 안테나 (MSA) 로 GPS 대역 안테나는 PIFA로 구현하였다.
실제 상용화 되고 있는 제품이 원형인 것을 참고하여 본 논문에서도 원형 구조를 바탕으로 하였다. 직경(R1) 이 60mm인 2개의 원형 판에 가장 아래층에 접지면이 존재하며 접지면의 재료로는 은을 사용하였다. 그 위에 공기층 그리고 fr4층이 있는 구조로서 fr4는 두께가 hnm이며 유전율(£, )이 4.

성능/효과

그림 4는 GSM대역 안테나의 W1 의크기를 변화시키면서 S21 의 변화를 시뮬레이션을 통하여 확인해 보았다. W1 의 크기를 최대 60mm에서 최적화된 40.6mm까지 시뮬레이션을 수행하였匸卜 W1 이 60mm일 경우 은 가장 좋지 못했으며 40.6일 때 가장 우수한 특성을 보였다. 이는 W1 이 커짐에 따라 MSA의 전계가 최대가 되는 부분인 방사소자의 끝 부분과 가까워짐으로 서로간의 영향 또한 커지는 것이며 W1 이 작아지면 전계 최대 점과 멀어지게되어 서로의 영향이 줄어 들게된다.
두 개의 안테나가 한 공간에 집적되도록 구현하면서 대역간 격리도 특성을 우선적으로 고려하였다. 그래서 두 개의 안테나를PIFA-MSA 형태로 제안하여 격리도 특성도 확보하면서 GSM대역의 이득의 최소 값은 O.OldBi를 GPS대역은 2.98囹Bi가 각각 측정되어 만족할 만한 특성을 얻었다.
두 값은 거의 동일하게 나타났으며 정재파비 2:1에서 임피던스 대역폭은 GSM안테나의 경우 885MHz〜970MHz로 85MHz의 비교적 넓은 대역폭을 가지면서 설계규격을 만족하였다. GPS 안테나는 정재파비 1.
각각의 안테나는 각 시스템 사양에 적합한 성능을 나타내었고 두 안테나의 격리도 특성인 歸1은 20dB이하로 측정이 되었다. 정재파비 (VSWR) 2:1 인 대역폭이 1020MHz 부터 1080MHz 로서 60MHz, 본 설계 사양의 주파수 대역폭은 890MHz부터 960MHz인 70MHz이나 레이돔을 제거한 상태로 측정하였으므로 주파수가 실제보다 약간 높게 측정되었다. GPS 대역 또한 1582MHz에서 1584MHz 까지 대역폭은 정재파비 151인 조건에서 만족했으나 주파수가 위쪽으로 이동된 것을 확인 할 수 있다.

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