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문제 정의
- 본 논문에서는 CRPA 시스템에 최적 성능을 보이는 5소자 평면 배열 안테나의 설계 기법을 제안하였다. 제안된 배열 안테나는 CRPA 시스템뿐 아니라, DoA 예측 시스템에도 쉽게 적용될 수 있도록, GPS 이중 대역(L1/L2)에서 수신이 가능하여야 하며, 낮은 고각의 위성신호까지 수신하기 위해 넓은 빔폭의 우선회 원형 편파 복사 특성을 가져야 한다[7],[8].
- 본 논문에서는 재밍 대응 위성 항법 장치에 사용하는 5소자 평면 배열 안테나를 제안하였다. 일반적인 GPS 수신 단일 안테나가 고각 30°(θ=60°)에서 -3.
제안 방법
- 칩 커플러 에서 수직으로 연장된 이중 급전핀은 패치의 중앙을 원점으로 하였을 때 각각 (x1, y1)과 (x2, y2)에 위치시켰으며, 패치의 크기는 정사각형으로 하였다. L1 대역 및 L2 대역 패치의 한 변이 각각 w1과 w2의 길이를 가지며, 각각의 대역에서 반파장의 길이를 갖도록 하였다. L1 대역 패치와 L2 대역 패치 사이의 기판 높이는 h1이고, 그라운드와 L2 대역 패치 사이의 기판 높이는 h2이며, h1과 h2는 두 대역의 coupling을 고려하여 결정하였다.
- 삼차원 방사 패턴으로 수치 확인이 불가능하여 급전의 위치가 90°로 바뀌는 xz-plane과 yz-plane에서의 방사 패턴을 그렸다. 그리고 RHCP일 때 방사 패턴과 LHCP일 때 방사 패턴의 측정 결과를 비교하였다.
- 그림 7은 5개의 단일 소자를 배열 플랫폼에 장착하였을 때의 형상을 나타내며, MoM(Method of Moments)[15]에 기반을 둔 FEKO 시뮬레이터를 이용하여 안테나 성능을 예측하였다.
- 단일 소자 간의 간섭을 최소화하기 위해 측면안테나들은 90°로 돌 려서 배치하였으며, 제작된 안테나는 가로 5.0 m, 세로 5.0 m, 높이 5.5 m의 무반향 챔버에서 이득 및 방사 패턴을 측정하였다.
- 단일 소자의 성능은 180 mm×180 mm의 배열 플랫폼의 중앙에 장착한 후, 전면 방향 이득을 측정하여 확인하였다.
- 또한 반 구형 복사 패턴의 빔폭 및 패턴 왜곡 정도를 확인을 위해, 고각 30°에서 각각 배열안테나의 이득을 확인하였다.
- 삼차원 방사 패턴으로 수치 확인이 불가능하여 급전의 위치가 90°로 바뀌는 xz-plane과 yz-plane에서의 방사 패턴을 그렸다.
- 제안된 배열 안테나는 한정된 공간에 다수의 안테나가 장착하므로, 격리도 특성이 열화되어 이득 저감 및 패턴 왜곡 현상이 발생한다[9],[10]. 성능 열화 조건을 최소화하고, 높은 GPS 수신 성능의 도출을 위해, 개별 안테나 형상으로 적층형 패치 구조를 사용하였으며, 격리도 특성의 개선과 안테나 소형화를 위해 고유전율의 기판을 공진 패치 사이에 삽입하였다[11],[12]. 제작된 안테나의 성능 평가를 위해서 개별소자를 배열 플랫폼 중앙에 장착한 후 단일 안테나의 반사 손실과 전면 방향 이득을 확인하였다.
- 본 논문에서는 CRPA 시스템에 최적 성능을 보이는 5소자 평면 배열 안테나의 설계 기법을 제안하였다. 제안된 배열 안테나는 CRPA 시스템뿐 아니라, DoA 예측 시스템에도 쉽게 적용될 수 있도록, GPS 이중 대역(L1/L2)에서 수신이 가능하여야 하며, 낮은 고각의 위성신호까지 수신하기 위해 넓은 빔폭의 우선회 원형 편파 복사 특성을 가져야 한다[7],[8]. 제안된 배열 안테나는 한정된 공간에 다수의 안테나가 장착하므로, 격리도 특성이 열화되어 이득 저감 및 패턴 왜곡 현상이 발생한다[9],[10].
- 0035) 기판을 사용하였다. 제안된 안테나는 상층 세라믹 기판에 L1 대역에서 공진하는 패치를 위치시켰으며, L2 대역에서 공진하도록 L1 대역 패치와 그라운드 사이에 패치를 삽입하였다. L1 대역 패치는 칩 커플러를 이용하여 90° 위상차를 주어 직접 급전하고, L2 대역 패치는 L1 대역 패치에 의해 coupling 급전되는 하이브리드 급전구조를 가진다.
- L1 대역 패치와 L2 대역 패치 사이의 기판 높이는 h1이고, 그라운드와 L2 대역 패치 사이의 기판 높이는 h2이며, h1과 h2는 두 대역의 coupling을 고려하여 결정하였다. 제안된 안테나의 구체적인 설계변수들은 FEKO 시뮬레이터[13]와 유전자 알고리즘을 Co-simulation하여 최적화하였고[14], 자세한 안테나의 변수들을 표 1에 나타내었다.
- 성능 열화 조건을 최소화하고, 높은 GPS 수신 성능의 도출을 위해, 개별 안테나 형상으로 적층형 패치 구조를 사용하였으며, 격리도 특성의 개선과 안테나 소형화를 위해 고유전율의 기판을 공진 패치 사이에 삽입하였다[11],[12]. 제작된 안테나의 성능 평가를 위해서 개별소자를 배열 플랫폼 중앙에 장착한 후 단일 안테나의 반사 손실과 전면 방향 이득을 확인하였다. 단일 안테나의 성능 평가 이후에는 나머지 안테나를 측면에 모두 배치시킨 후, 중앙 안테나와 측면 안테나의 전면 방향 이득 저감을 확인하였다.
- 중앙과 측면 안테나의 전면 방향 이득이 대략 0 dBic 근방인 것을 확인하였으므로 배열 안테나의 방사 패턴이 반구형을 갖는지 확인하였다. GPS 위성신호의 가시선 (line of sight)에서는 반구형의 방사 패턴이 최적이기 때문이다.
대상 데이터
- 180 mm×180 mm의 공간에 5개의 단일 안테나를 장착하기 위해서 단일 안테나의 크기는 50 mm×50 mm로 제한하였으며, 단일 안테나의 물리적 크기를 얻기 위해 고유전율의 세라믹(εr=8.0, tanδ=0.0035) 기판을 사용하였다.
- 광대역에서 원형 편파를 구현하기 위해 Anaren社의 XC1400P-03S 칩 커플러를 사용하였고, 커플러는 FR4(εr =4.5, tanδ=0.02, h3=1 mm) 기판에 위치시켰다.
성능/효과
- 그림 11은 배열 후 중앙안테나의 축비를 확인하였다. L1 중심 주파수에선 대략 2 dB를 가지고, L2 중심 주파수에선 전기적 길이가 증가함에 따른 소자 간의 간섭 증가로 인하여 7 dB를 갖는 것을 확인하였다.
- GPS L1과 L2 중심 주파수에서 전면 방향 이득의 결과는 표 2에 정리하였다. L1과 L2 대역에서 측정과 시뮬레이션의 결과는 대략 0.7 dB의 오차를 가지며, 시뮬레이션과 측정 결과의 주파수에 따른 전면 방향 이득은 유사한 것을 확인할 수 있다. 배열 후 안테나 성능은 단일 안테나 성능 대비 L1 대역에서 대략 1.
- 고각에서의 방사 패턴이 L1과 L2 대역 모두 반구형을 갖는다는 것을 확인하였다. 그림 20부터 23까지는 고각 30°, 다시 말해 θ=60°에서 이득이 일정한지 확인하였으며, L1과 L2대역 중앙 및 측면안테나의 측정과 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
- 09 dBic의 이득을 갖는다. 단일 소자 규격 대비 중앙안테나 L2 대역 이 -1.8 dB 정도 열하되지만 제안된 5소자 평면 배열 안 테나는 GPS CRPA 배열안테나에 적합함을 확인하였다.
- 7 dB의 오차를 가지며, 시뮬레이션과 측정 결과의 주파수에 따른 전면 방향 이득은 유사한 것을 확인할 수 있다. 배열 후 안테나 성능은 단일 안테나 성능 대비 L1 대역에서 대략 1.7 dB, L2 대역에서 2 dB 열화된 것을 알 수 있다.
- 그림 5와 그림 6은 주파수에 따른 안테나의 반사 손실 및 전면 방향 이득을 보여준다. 설계된 안테나는 GPS L1 중심 주파수(1.5754 GHz)에서 -13.4 dB, L2 중심 주파수 (1.2276 GHz)에서 -11.2 dB로 두 대역 모두 -10 dB 이하의 반사 손실을 가지며, 안테나의 전면 방향 이득은 GPS L1 대역에서 2.8 dBic, L2 대역에서 2.3 dBic를 가진다. 실제 사용하고 있는 GPS 안테나의 정합 특성과 전면 방향 이득을 고려할 때, 제안된 안테나는 GPS 배열 안테나에 사용되는 단일 소자로 사용이 적합함을 확인하였다.
- 3 dBic를 가진다. 실제 사용하고 있는 GPS 안테나의 정합 특성과 전면 방향 이득을 고려할 때, 제안된 안테나는 GPS 배열 안테나에 사용되는 단일 소자로 사용이 적합함을 확인하였다.
- 일반적으로 GPS용 단일 수신안테나 성능은 θ=60°에서 -3.5 dBic를 요구하는데 본 연구에서 설계된 안테나는 사용에 문제 없는 것을 알 수 있다.
- 일반적인 GPS 수신 단일 안테나가 고각 30°(θ=60°)에서 -3.5 dBic의 규격을 갖는데, 제안된 안테나의 배열 후 이득 및 방사 패턴을 확인한 결과, 고각 30°일 때 L1과 L2 대역에서 중앙안 테나의 이득은 평균 -2.08 dBic, -5.33 dBic이며, 측면안 테나는 L1과 L2 대역에서 평균 -0.40 dBic, -2.09 dBic의 이득을 갖는다.
- 방사 패턴 이득이 균일한 값을 갖는지 확인한다. 측정 결과, 단일 패치를 5소자로 배열하였을 때 높은 전면 방향 이득과 낮은 패턴 왜곡 특성을 보여, GPS CRPA 배열안테나로 사용 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 측면안테나의 경우는 측정과 시뮬레이션 결과, 모두 두 개의 부엽을 갖는 것을 볼 수 있으나, 안테나는 가시선(Line Of Sight)의 위성신호만 수신하므로 사용하는데 문제가 없을 것으로 사료된다. 하지 만 보다 높은 전면 방향 이득을 원한다면 안테나 뒷면의 이득을 전방으로 밀어주는 구조 연구가 필요하다. 그림 18과 19는 L2 중심 주파수에서 측정과 시뮬레이션의 방사 패턴 결과를 보여준다.
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