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문제 정의
- 본 논문에서는 GPS L1/L2, GLONASS용 다중 대역 단일 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 수동형 안테나는 각각의 주파수 대역 GPS L1/L2, GLONASS에서 2.
- 본 논문에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해 단층 구조에 슬롯[5]～[8]을 이용하여 다중 대역 특성을 갖는 능동형 안테나를 설계하였다. 시뮬레이션을 통하여 최적의 안테나를 나타내는 파라미터 반사계수, 복사 패턴, 안테나 이득, 주파수 튜닝의 용이성, 설치의 용이성 등을 확인한 후 제작 및 측정하였다.
제안 방법
- 각 동작 주파수 대역에 대하여 정재파비는 2.0 이하를 기준으로 GPS L2(1,227.6 MHz) 대역폭은 약 10 MHz, GPS L1(1,575.42 MHz), GLONASS(1,602 MHz) 대역폭은 약 50 MHz를 목표로 하였으며, 편파 특성은 우선회 원형 편파 특성으로 축비의 규격은 3.0 dB 이하, 수동형 안테나의 이득은 2 dBic 이상, 능동형 안테나 이득은 30 dB 이상을 목표로 설계되었다.
- 보편적으로 위성 항법 수신 안테나의 이득은 20 dB 이상으로 제작되어지며 또한, 수신기가 필요로 하는 이득으로도 제작되어진다. 그리고 안테나의 잡음 지수는 수신기의 SNR 성능에 영향을 주게 되므로 2 dB 이하의 잡음 지수를 확보하여 다양한 위성 항법 수신기에 활용될 수 있도록 설계하였다.
- 능동형 안테나를 구현하기 위해 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)와 쉽게 부착이 가능하며, 전체 안테나의 크기와 손실을 줄이기 위한 방법으로 패치면 내에 비아-홀(via-hole)을 뚫어 급전 점을 갖도록 설계하였으며, 우선회 원형 편파(RHCP: Right-Hand Circularly Polarization) 방식의 전파를 사용하는 특성을 고려하여 두 급전선 사이에 3 dB 하이브리드 커플러(hybrid coupler)를 이용하여 90° 위상차를 제공하는 방식이 이용되었다.
- 그림 8은 저잡음 증폭기 최종 회로도이다. 다단 증폭기에서 잡음 지수는 초단의 잡음 지수에 좌우되므로 초단츼 커플러와 증폭기 사이 잡음 지수를 최소로 갖도록 설계하였고, 첫 번째 단에서 증폭이 된 후 2개의 각기 다른 대역의 필터를 이중 대역 필터로 구현하여 이중 대역의 필터링을 통하여 GPS L1 및 GLONASS와 GPS L2 주파수 사이의 isolation을 가능하게 하였다. 최종적으로 2단에서는 높은 이득을 가지며 안정화 되도록 설계하였다.
- 그림 1에서 보는 바와 같이 사각 패치면 중앙에 ‘井’자 형태의 슬롯을 가지고 있으며, 패치면의 가장자리 중심으로부터 ‘井’ 형태의 슬롯과 연결되어진 추가의 슬롯을 가진다. 사각패치면의 슬롯은 다중 대역 형성과 대역폭 특성을 위한 전류 흐름을 만들도록 시뮬레이션을 통하여 설계되었다.
- 설계된 저잡음 증폭기(LNA)는 안테나로부터 입력된 신호를 증폭시키기 위하여 다중 대역 LNA를 설계하였다. 위성 항법 수신기의 초단 이득 및 사용 환경에 따라 안테나의 이득이 요구되어지는데, 위성 항법 신호는 —100 dBm 이하의 아주 낮은 신호이므로 안테나와 수신기의 초단에서 적절한 이득을 필요로 하게 된다.
- 을 이용하여 다중 대역 특성을 갖는 능동형 안테나를 설계하였다. 시뮬레이션을 통하여 최적의 안테나를 나타내는 파라미터 반사계수, 복사 패턴, 안테나 이득, 주파수 튜닝의 용이성, 설치의 용이성 등을 확인한 후 제작 및 측정하였다. Ⅱ장에서는 패치 안테나의 기본 설계 이론을 바탕으로 한 시뮬레이션 결과와 시뮬레이션 결과를 바탕으로 제작되어진 안테나의 측정 결과를 통한 성능 검증을 나타내었으며, Ⅲ장에서는 결론을 짓도록 한다.
- 원형 편파 구현을 위하여 이중 급전 사이에 90° 위상차를 제공하는 커플러를 포함한 방식으로 시뮬레이션을 통해 찾은 L2, L1, GLONASS를 모두 만족시키는 급전점을 찾아 Hybrid Coupler(1E1305-3)를 사용하여 90° 위상차를 갖도록 하였으며, Hybrid Coupler의 측정 결과는 각 동작 주파수에서 약 —3.7 dB의 손실과 약 85～88°의 위상차를 나타내었다.
- 2인 TMM10 기판을 사용하였으며, 이는 고유전율의 기판을 사용하여 크기 감소와 대역폭 증가가 이루어졌음을 시뮬레이션 및 측정 결과로 알 수 있었다. 유전체 기판의 두께, 패치 크기, 슬롯의 길이와 폭에 따라 이득, 반사 손실, 축비, 대역폭 등 특성이 변화하므로 설계 변수에 따른 안테나 특성 변화를 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
- 0 이하가 만족됨을 확인할 수 있다. 이상의 설계된 안테나는 CST사의 MWS(Microwave Studio)을 사용하였고, 시뮬레이션 결과를 기반으로 제작 및 측정되었다.
대상 데이터
- 표 1은 시뮬레이션을 이용하여 설계된 안테나의 최적의 파라미터 값을 나타낸 것으로 안테나 전체 크기는 68×68 mm, 두께는 5.08 mm, 패치 크기는 46×46 mm로 설계되었다.
성능/효과
- 6 MHz, 그림 13(b)는 1,575.42 MHz, 그림 13(c)는 1,602 MHz에서의 방사 패턴 측정 결과로 편파의 null이나 편향이 없는 우수한 우선회 원형 편파 특성을 나타냈으며, 최대 이득 측정 결과는 GPS L2는 약 35.7 dB, GPS L1은 약 34.3 dB, GLONASS는 약 35.9 dB로 안테나 이득이 30 dB 이상을 갖는 우수한 능동형 안테나로 위성 통신용으로 적합하게 동작됨을 확인할 수 있다.
- 그림 7은 측정된 수동형 안테나의 축비 결과를 나타낸 것이다. GPS L2(1,227.6 MHz)는 2.42 dB, GPS L1(1,575.42 MHz)은 2.49 dB, GLONASS(1,602 MHz)는 0.58 dB로 각 동작 주파수에서 요구 규격인 3 dB(zenith) 이하로 위성 항법에 적합한 편파 축비 특성이 만족되었다. 위의 측정 결과는 인천 RFID/USN 센터에서 각 주파수별로 원형 편파 특성으로 측정된 결과이다.
- 그림 5는 시뮬레이션 결과를 바탕으로 제작된 수동형 안테나의 정재파비 측정 결과를 나타낸 것이다. 각 중심 주파수 대역 GPS L1(1,575.42 MHz)/L2(1,227.6 MHz), GLONASS(1,602 MHz)에서 정재파비 특성 2.0 이하가 만족되었으며, 또한 GPS L2는 약 10 MHz, GPS L1/GLONASS는 약 50 MHz 대역폭으로 목표 특성에 만족됨을 확인할 수 있다.
- 그림 9는 제작된 저잡음 증폭기의 이득을 측정한 결과이다. 각 중심 주파수 대역 GPS L2(1,227.6 MHz), GPS L1(1,575.42 MHz), GLONASS(1,602 MHz)에서 최대 이득은 28 dB 이상이며, 잡음 지수(noise figure)는 각각의 동작 주파수 대역 모두 2.0 이하로 목표규격에 만족되었다. 자세한 저잡음 증폭기의 이득과 잡음 지수 측정 결과는 표 2에 정리하였다.
- 그림 11은 능동형 안테나의 출력 정재파비 측정 결과를 나타낸 것이다. 각각의 주파수 대역 GPS L1(1,575.42 MHz)/L2(1,227.6 MHz), GLONASS(1,602 MHz)에서 1.5:1 이하의 안정적인 특성을 나타냈다.
- 그림 6은 제작된 수동형 안테나의 방사 패턴 측정 결과를 나타낸 것이다. 각각의 주파수 대역에서 최대 이득 값 GPS L2(1,227.6 MHz)는 3.92 dBic, GPS L1(1,575.42 MHz)은 4.97 dBic, GLONASS(1,602 MHz)는 4.75 dBic로 수동형 안테나 최대 이득 목표인 2 dBic 이상이 만족되었다. 또한, 80° 이상의 넓은 빔 폭을 나타내므로 위치에 관계없이 GPS L1/L2, GLONASS 신호의 수신이 가능하고, back lobe는 약 —20 dB 이하로 측정되었다.
- 결론적으로 기존의 GPS L1/L2, GLONASS 수신용 다중 대역 안테나는 2개 이상의 패치가 적층되는 적층형 구조로, 각 대역별 패치가 서로 영향을 주게 되어 동시에 각 패치를 조정해야 하는 번거로움을 갖고 있다. 또한, 두께가 두껍고 제작 공정이 어려운 단점이 있다.
- 능동형 안테나는 각 주파수 대역에서 정재파비 2.0 이하 및 저잡음 증폭기와 결합되어 최대 이득 30 dB 이상의 특성이 확인됐으며, 이중 급전 구조와 90° 위상차 하이브리드 커플러(hybrid coupler)를 사용하여 우선회 원형 편파에 대한 특성 지표인 축비가 3 dB 이하로 우수한 원형 편파 특성을 나타냈으며, 최종 설계 목표 규격에 만족되었다.
- 또한, 80° 이상의 넓은 빔 폭을 나타내므로 위치에 관계없이 GPS L1/L2, GLONASS 신호의 수신이 가능하고, back lobe는 약 —20 dB 이하로 측정되었다.
- 패치 크기 W1, L1이 각각 46 mm일 때, ‘井’ 형태의 슬롯 SW, SL은 24 mm인 정사각형의 형태일 때 최적의 값을 나타냈다. 또한, 슬롯 SW, SL 값이 커질수록 GPS L2 주파수 대역은 변화가 없지만 GPS L1, GLONASS 공진 주파수 대역은 고주파로 이동됨을 확인할 수 있다. 즉, 슬롯 두께 St와 슬롯 위치 SW, SL의 변화에 따라서 GPS L2, GPS L1, GLONASS 주파수 대역을 독립적으로 조정할 수 있다.
- 5 mm 일 때 GPS L2 주파수 대역에 가장 적합한 특성을 나타냈다. 또한, 슬롯 두께 St 값이 변함에 있어서 GPS L1, GLONASS 주파수 대역은 거의 변화가 없지만, GPS L2 주파수 대역은 슬롯 두께가 두꺼워질수록 고주파로 이동되었다. 그림 2(b)는 슬롯 SW, SL의 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
- 사각 패치에 ‘井’자 형태의 슬롯과 사각 패치 가장자리와 연결된 슬롯의 영향으로 다중 대역 특성을 나타내며, 슬롯의 두께를 0.25 mm 부터 1 mm까지 비교 시뮬레이션 한 결과, 슬롯의 두께 St가 0.5 mm 일 때 GPS L2 주파수 대역에 가장 적합한 특성을 나타냈다.
- 본 논문에서는 GPS L1/L2, GLONASS용 다중 대역 단일 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 수동형 안테나는 각각의 주파수 대역 GPS L1/L2, GLONASS에서 2.0 이하의 정재파비 특성과 3 dB(zenith) 이하의 축비 규격 및 2 dBic 이상의 이득이 만족되었다. 저잡음 증폭기(LNA)는 각 동작 주파수 대역에서 28 dB 이상의 이득과 2.
- ) 위치를 5 mm부터 7 mm까지 1 mm 간격으로 변화시켜 시뮬레이션한 결과를 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과, 패치 중심으로부터 이중 급전 점이 멀어질수록 GPS L2 대역에서 정재파비 2.0 이하 기준에 만족되어지는 반면, GPS L1, GLONASS 주파수 대역은 정재파비 2.0 이하 대역폭 특성이 좁아지는 현상이 확인되었다. 이를 바탕으로 이중 급전 점은 주파수 대역폭을 고려하여 안테나 중심점으로부터 x, y축으로 각각 6 mm 떨어진 위치로 정재파비 2.
- 0 이하 대역폭 특성이 좁아지는 현상이 확인되었다. 이를 바탕으로 이중 급전 점은 주파수 대역폭을 고려하여 안테나 중심점으로부터 x, y축으로 각각 6 mm 떨어진 위치로 정재파비 2.0 이하 기준 목표 대역폭에 만족되었다.
- 이와 같은 식으로 계산된 값을 바탕으로 설계 시 비유전율이(εr) 9.2인 TMM10 기판을 사용하였으며, 이는 고유전율의 기판을 사용하여 크기 감소와 대역폭 증가가 이루어졌음을 시뮬레이션 및 측정 결과로 알 수 있었다.
- 0 이하의 정재파비 특성과 3 dB(zenith) 이하의 축비 규격 및 2 dBic 이상의 이득이 만족되었다. 저잡음 증폭기(LNA)는 각 동작 주파수 대역에서 28 dB 이상의 이득과 2.0 dB 이하의 잡음 지수 특성이 확인되었다. 능동형 안테나는 각 주파수 대역에서 정재파비 2.
- 패치 크기 W1, L1이 각각 46 mm일 때, ‘井’ 형태의 슬롯 SW, SL은 24 mm인 정사각형의 형태일 때 최적의 값을 나타냈다.
후속연구
- 반면, 본 논문에서 제안한 안테나는 단일 패치에 슬롯을 적용하여 슬롯 위치 및 길이와 폭을 조절함으로써 각 동작 주파수를 독립적으로 조정할 수 있고, 두께가 얇고 구조가 단순하여 제작하기가 쉬운 장점이 있다. 각 대역별 이득과 축비 특성이 만족된 다중 대역 단일 패치 안테나는 여러 가지 다양한 위성 항법 시스템에 응용하여 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
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