[논문]가변 캐패시터를 이용한 초소형 GPS 패치 안테나

김기남

doi:10.7840/kics.2014.39c.3.282

문제 정의

이 연구의 주 목적은 휴대 단말기용 GPS 시스템에 사용가능한 GPS 안테나 설계에 있다. 다시 말해 한정된 공간에서 안테나를 최소화하면서 성능을 효율적으로 유지할 수 있는 방법에 대한 연구이다. 휴대 단말기에서 GPS 시스템이 구성되는 부품들은 단말기 내부의 PCB의 일부분을 이용하여 설계되므로 GPS 안테나의 경우, 시스템 전체 접지면의 영향을 많이 받게 되고, 노이즈에 취약하다.
이 논문에서는 GPS 대역에서 사용할 수 있는 초소형 패치안테나를 설계하였다. 설계 방법과 순서는 마이크로스트립 패치 안테나 기본 공식에 의하여 GPS 중심 주파수 1575.
이 논문에서는 가변형 캐패시터를 이용한 초소형 GPS 안테나를 제안하였다. 안테나가 시스템에 위치할 영역을 접지면으로 형성할 수 있다는 점에 착안하여, 접지면에 따라 공진주파수가 변하는 영향을 최소화하였다.
이 연구의 주 목적은 휴대 단말기용 GPS 시스템에 사용가능한 GPS 안테나 설계에 있다. 다시 말해 한정된 공간에서 안테나를 최소화하면서 성능을 효율적으로 유지할 수 있는 방법에 대한 연구이다.

제안 방법

Agilent社의 5070B Vector Network Analyzer를 사용하여 안테나 기본 특성을 측정하였으며, 전파무향실에서 지향성과 이득을 측정하였다. 또한, 실제 GPS 시스템에서 사용가능한지 검증하기 위해 르네사스社의 uPC8240의 LNA를 안테나 크기와 동일한 면적으로 구현하여 안테나와 결합하여, Agilent社의 Noise Figure Analyzer로 노이즈지수와 이득을 측정하고, 전파무향실에서 전체 이득을 측정하였다.
GPS 대역에 공진주파수를 이동시키기 위해 안테나 크기를 가로,세로 모두 10 ㎜인 정사각형 패치 안테로 설계한 후, 캐패시터를 가변하면서 공진주파수를 조정하였다. 캐패시터 용량값은 실제 제작에서 실장 가능해야하므로 모의실험을 통한 용량값은 근사치로 적용하기로 한다.
그림 2에서 가변 캐패시터를 접지면과 직렬로 연결하여 복사패치의 변경 없이 공진주파수를 저주파 대역으로 이동시킨다. 공진주파수가 저주파 대역으로 움직이면 복사패치를 줄이는 방법으로 소형화를 하였다. 캐패시터와 접지면 사이의 이격 거리는 실장 가능한 SMD 부품 크기로 약 2 ㎜로 고정하였다.
Agilent社의 5070B Vector Network Analyzer를 사용하여 안테나 기본 특성을 측정하였으며, 전파무향실에서 지향성과 이득을 측정하였다. 또한, 실제 GPS 시스템에서 사용가능한지 검증하기 위해 르네사스社의 uPC8240의 LNA를 안테나 크기와 동일한 면적으로 구현하여 안테나와 결합하여, Agilent社의 Noise Figure Analyzer로 노이즈지수와 이득을 측정하고, 전파무향실에서 전체 이득을 측정하였다. 그림 는 제작된 안테나이다.
안테나가 시스템에 위치할 영역을 접지면으로 형성할 수 있다는 점에 착안하여, 접지면에 따라 공진주파수가 변하는 영향을 최소화하였다. 또한, 접지면과 복사 패치 사이에 가변 캐패시터를 삽입하여, 캐패시터의 값을 조정함으로써 복사 패치의 크기와 접지면의 크기의 변동없이 안테나를 소형화 하였다.
이 논문에서는 GPS 대역에서 사용할 수 있는 초소형 패치안테나를 설계하였다. 설계 방법과 순서는 마이크로스트립 패치 안테나 기본 공식에 의하여 GPS 중심 주파수 1575.42 ㎒ 패치 안테나를 설계하여, 특성을 확인한 후 접지면에 직렬로 캐패시터를 삽입하여 공진 주파수를 저주파 대역으로 이동시켜 최종적으로 복사 패치의 크기를 감소시켜 소형화 하였다. 안테나는 비유전율 4.
안테나 복사 패치와 캐패시터 삽입부는 via를 통해 연결이 된다. 소형화 기법중 하나인 가변 캐패시터는 공진주파수를 저주파 대역으로 이동시키기 위해 미앤더라인을 삽입하는 방식과 같이 사용하였지만, 이 연구에서는 접지면을 시스템 접지와 공통 사용하는 방식이기에 캐패시터의 용량값을 가변하는 방식만 사용하였다.
이 논문에서는 가변형 캐패시터를 이용한 초소형 GPS 안테나를 제안하였다. 안테나가 시스템에 위치할 영역을 접지면으로 형성할 수 있다는 점에 착안하여, 접지면에 따라 공진주파수가 변하는 영향을 최소화하였다. 또한, 접지면과 복사 패치 사이에 가변 캐패시터를 삽입하여, 캐패시터의 값을 조정함으로써 복사 패치의 크기와 접지면의 크기의 변동없이 안테나를 소형화 하였다.
0 ㏈i의 특성으로 나타난다. 앞에서 도출한 특성에 따라 캐패시터 56 pF, 가로,세로 10 ㎜인 안테나로 실제 제작을 하여 특성을 살펴본다.
제안한 안테나는 실제 GPS 시스템에 적용하기 위해 르네사스社의 uPC8240으로 LNA(Low noise Amplifier)를 구성, 안테나와 결합한 초소형 능동형 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 총 2개의 부분으로 이루어져 있으며, 안테나를 이루는 1개의 패치 안테나와 LNA로 이루어져 있다.

대상 데이터

모의 실험을 통해 패치 안테나 길이를 미세 조정하여 GPS 대역의 중심주파수인 1575.42 ㎒로 이동하였다. 이때 안테나 폭은 약 50 ㎜, 길이는 약 47 ㎜로 나타났다.
모의실험으로 최적화한 초소형 GPS 안테나는 비유 전율 4.6인 FR4기판의 두께가 1 ㎜인 PCB를 사용하여 제작하였다. 급전방식은 via를 이용하였다.
6인 FR4 기판으로 GPS 대역의 패치 안테나를 마이크로스트립 패치 안테나를 구하는 식(1),(2),(3),(4)에 의해 기본 패치 안테나를 설계하였다. 안테나 폭(W)은 약 57 ㎜, 안테나 길이(L)은 약 40 ㎜로 도출되어, CST Microwave Studio로 모의실험을 하였다.
42 ㎒ 패치 안테나를 설계하여, 특성을 확인한 후 접지면에 직렬로 캐패시터를 삽입하여 공진 주파수를 저주파 대역으로 이동시켜 최종적으로 복사 패치의 크기를 감소시켜 소형화 하였다. 안테나는 비유전율 4.6 기판의 두께가 1 ㎜인 FR4 기판을 사용하였고, 3D 설계가 가능한 CST Microwave Studio 2010 버전에서 안테나의 제반 특성을 예측하였다. 모의실험의 결과보다 실제 제작한 안테나의 이득이 낮은 것은 정확하게 결합이 되지 않았기 때문으로 보이며, 또한 PCB 공정상의 문제로 약간의 오차가 발생한 것으로 파악된다.
제안한 안테나는 실제 GPS 시스템에 적용하기 위해 르네사스社의 uPC8240으로 LNA(Low noise Amplifier)를 구성, 안테나와 결합한 초소형 능동형 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나는 총 2개의 부분으로 이루어져 있으며, 안테나를 이루는 1개의 패치 안테나와 LNA로 이루어져 있다.

성능/효과

캐패시터의 용량이 80 pF이고 복사패치의 길이가 47 ㎜, 폭 50 ㎜일 때 가장 낮은 주파수 대역이 약 1,240 ㎒였는데, 복사패치의 크기를 동일하게 감소하면 복사패치 길이, 폭 모두 10㎜, 캐패시터 용량 80 pF일 때 GPS 대역에 근접한 1,200 ㎒에서 입력반사손실 S11이 약 -30 ㏈를 나타냈다. 1,500 ㎒ 대역에서 약간의 기생성분이 발생하였지만 대체적으로 원하는 결과를 얻을 수 있었다.
이때 안테나 폭은 약 50 ㎜, 길이는 약 47 ㎜로 나타났다. GPS 대역 패치 안테나의 입력 반사손실은 공진주파수 1575.42 ㎒에서 -27.5 ㏈, GPS 대역인 하한주파수 1574.42 ㎒, 상한 주파수 1576.42 ㎒를 VSWR 2:1 지점에 모두 포함하며, 안테나 이득은 1.5㏈i로 나타났다.
휴대 단말기에서 GPS 시스템이 구성되는 부품들은 단말기 내부의 PCB의 일부분을 이용하여 설계되므로 GPS 안테나의 경우, 시스템 전체 접지면의 영향을 많이 받게 되고, 노이즈에 취약하다. 따라서, 이 논문에서의 GPS 안테나는 안테나 고유의 접지면을 시스템 PCB를 이용하여 안테나 고유의 접지면의 영향을 최소화하여 노이즈의 영향도 감소하였다. 또한, 많이 사용하는 기존의 세라믹 계열의 안테나 보다 쉬운 공정, 저렴한 제작 비용, 초소형 등의 장점을 갖고 있다.
또한 실제 제작한 안테나에서의 대역폭이 증가한 것은 LNA와 임피던스 정합을 하면서 입력 임피던스가 개선된 것으로 파악된다. 목표한 GPS 대역에서 모의실험보다 넓은 대역폭 특성을 얻었고, 중심주파수 1575.42 ㎒에서 약 29.8 ㏈i의 높은 이득 특성을 얻을 수 있었다. 안테나 접지면과 복사 패치 사이에 캐패시터를 삽입하여 공진 주파수를 저주파 대역으로 이동시키는 방법은 시스템 접지면적과 위치에 따라 안테나 특성이 변하는 것을 최소화하는방안 중 하나이다.
2로 우수한 특성을 보인다. 안테나 이득은 중심주파수 1575.42 ㎒에서 -0.648 ㏈i로 다소 낮게 측정이 되었으며, 이 때의 안테나 효율은 약 21%로 나타났다. 그림 8 (b)는 안테나를 실제 GPS 시스템에서 사용 가능한지 검증하기 위해 르네사스社의 uPC8240의 GPS 대역의 LNA를 이용하여 안테나와 결합하였다.
이 논문에서 제안한 패치의 좌측이나 우측에 모따기(Chamfer)를 하여 길이를 줄이는 방식(Truncate)을 적용하면 쉽게 원형편파를 구현할 수 있다.
복사패치의 면적을 많이 감소시키면 안테나 수신 효율 특성이 나빠지기 때문이기도 하다. 캐패시터의 용량이 80 pF이고 복사패치의 길이가 47 ㎜, 폭 50 ㎜일 때 가장 낮은 주파수 대역이 약 1,240 ㎒였는데, 복사패치의 크기를 동일하게 감소하면 복사패치 길이, 폭 모두 10㎜, 캐패시터 용량 80 pF일 때 GPS 대역에 근접한 1,200 ㎒에서 입력반사손실 S11이 약 -30 ㏈를 나타냈다. 1,500 ㎒ 대역에서 약간의 기생성분이 발생하였지만 대체적으로 원하는 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

안테나 접지면과 복사 패치 사이에 캐패시터를 삽입하여 공진 주파수를 저주파 대역으로 이동시키는 방법은 시스템 접지면적과 위치에 따라 안테나 특성이 변하는 것을 최소화하는방안 중 하나이다. 이 연구의 결과는 GPS 대역뿐만 아니라 여러 가지의 무선 통신 분야 안테나설계에 활용될 수 있을 것이라 예측된다. 특히 2018년부터 1m 이내의 위치정보 시험서비스를 제공할 예정인 ‘초 정밀 GPS 보정시스템’, 일명 ‘SBAS(Satellite Based Augmentation System)’용 안테나설계에도 유용하게 활용될 것으로 보인다.
특히 2018년부터 1m 이내의 위치정보 시험서비스를 제공할 예정인 ‘초 정밀 GPS 보정시스템’, 일명 ‘SBAS(Satellite Based Augmentation System)’용 안테나설계에도 유용하게 활용될 것으로 보인다. 최근 GPS 시스템의 수신감도가 많이 개선되어 안테나 편파가 원형편파가 아니어도 고정 통신에서는 문제는 없으나, 육상, 해상의 이동 통신에서는 통신 장애가 발생할 수 있으므로, 향후 편파 특성 개선에 관한 연구가 필요할 것으로 보인다.
특히 2018년부터 1m 이내의 위치정보 시험서비스를 제공할 예정인 ‘초 정밀 GPS 보정시스템’, 일명 ‘SBAS(Satellite Based Augmentation System)’용 안테나설계에도 유용하게 활용될 것으로 보인다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GPS는 어느 분야에 사용되고 있는가?	최근 GPS는 육상분야뿐만 아니라 해양분야 항법, 레져 등의 분야에서도 널리 사용되고 있으며, 대부분의 GPS안테나는 소형 능동 안테나 형태로 구현되고 있다.
	GPS안테나는 어떤 형태로 구현되는가?	최근 GPS는 육상분야뿐만 아니라 해양분야 항법, 레져 등의 분야에서도 널리 사용되고 있으며, 대부분의 GPS안테나는 소형 능동 안테나 형태로 구현되고 있다.
	초소형 GPS 안테나는 무엇을 최소화 하였는가?	이 논문에서는 가변형 캐패시터를 이용한 초소형 GPS 안테나를 제안하였다. 안테나가 시스템에 위치할 영역을 접지면으로 형성할 수 있다는 점에 착안하여, 접지면에 따라 공진주파수가 변하는 영향을 최소화하였다. 또한, 접지면과 복사 패치 사이에 가변 캐패시터를 삽입하여, 캐패시터의 값을 조정함으로써 복사 패치의 크기와 접지면의 크기의 변동없이 안테나를 소형화 하였다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

가변 캐패시터를 이용한 초소형 GPS 패치 안테나
Compact GPS Patch Antenna Using Variable Capacitor 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (3)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

가변 캐패시터를 이용한 초소형 GPS 패치 안테나 Compact GPS Patch Antenna Using Variable Capacitor 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (3)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김기남 (1)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

가변 캐패시터를 이용한 초소형 GPS 패치 안테나
Compact GPS Patch Antenna Using Variable Capacitor 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper