[논문]차량 정밀 측위용 이중대역 GPS 안테나 설계

느팜; 정재영

doi:10.13067/jkiecs.2016.11.2.145

차량 정밀 측위용 이중대역 GPS 안테나 설계
Design of a Vehicle-Mounted GPS Antenna for Accurate Positioning 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.11 no.2, 2016년, pp.145 - 150

느팜 (서울과학기술대학교 전기정보공학과) , 정재영 (서울과학기술대학교 전기정보공학과)

초록
AI-Helper

자율주행 차량 구현에 있어 차량의 위치에 대한 정확한 정보가 실시간으로 제공되어야 한다. 이동기준국 차분 측위 기술은 차량에 복수의 안테나에서 수신한 신호의 위상차를 통해 정밀 측위 정보를 생성하는 기술로, 이를 위해 차량의 평평하고 넓은 루프를 접지면으로 하는 이중대역 및 이중 원형편파 안테나 개발이 필수적이다. 본 논문에서 제안하는 안테나는 GPS L1과 L2 주파수 대역에서 공진을 일으키는 이중대역 안테나로써, 기존 안테나와 달리 급전부가 안테나 측면에 위치하여 복수의 안테나를 필요로 하는 시스템에 적합하다. 안테나 설계안은 중요 파라미터들의 이론값을 토대로 모델링한 초기 모델을 3D 전파시뮬레이션 소프트웨어를 이용해 최적화하는 방법으로 도출하였다. 최적화된 안테나의 시뮬레이션값과 측정값을 분석한 결과, L1과 L2에서 대역폭 6.1%와 3.7%, 축비 1% 이상임을 확인하였다. 안테나 크기는 $73mm{\times}73mm{\times}6.4mm$로 소형 구조의 장점을 갖췄다.

Abstract ▼ AI-Helper

The capability of accurate positioning and tracking is necessary to implement an unmanned autonomous driving system. The moving-baseline GPS Technique is a promising candidate to mitigate positioning errors of conventional GPS system. It provides accurate positioning data based on the phase difference between received signals from multiple GPS antennas mounted on the same platform. In this paper, we propose a dual-band dual-circularly-polarized antenna suitable for the moving-baseline GPS. The proposed antenna operates at GPS L1 and L2 bands, and fed by the side of the antenna instead of the bottom. The antenna is firstly designed by calculating theoretical values of key parameters, and then optimized by means of 3D full-wave simulation software. Simulation and measurement results show that the optimized antenna offers 6.1% and 3.7% bandwidth at L1 and L2, respectively, with axial ratio bandwidth of more than 1%. The size of the antenna is $73mm{\times}73mm{\times}6.4mm$, which is small and low-profile.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 이동기준국 차분보정측위 시스템 구현에 적합한 이중 대역 안테나 설계에 대해 다룬다. 그림 1은 기준국과 이동국 안테나가 차량 지붕에 함께 설치된 예이다.
본 논문에서는 정밀 측위를 목적으로 차량 루프에 용이하게 실장될 수 있는 이중 대역 혠 안테나의 설계안을 제시하고 전파시뮬레이션과 측정을 통한 안테나 성능 관찰 및 분석에 대해 서술하였다. 안테나의 특징은 간단한 근접 결합 급전부 및 슬롯이 포함된 원형 패치를 이용해 원형편파 및 이중공진 특성을 보다 작은 체적 내에서 구현한 것이다.
본 절에서는 안테나 파라미터를 조정함에 따라 안테나의 매칭 성능이 어떤 영향을 받는지 전파 시뮬레이션 결과를 토대로 서술하였다.

제안 방법

다음은 R2의 변화에 의한 안테나 반사계수의 영향을 살펴보았다. 그림 3(b)를 통해 2R2가 48mm에서 51mm로 증가함에 따라 L2 공진 주파수가 50MHz 낮아진 것을 볼 수 있다.
첫 제작된 안테나의 임피던스 측정값을 바탕으로 수작업을 통해 상세 튜닝하는 단계를 거쳤다. 더 구체적으로, 공진주파수가 예상한 값에 비해 2MHz 정도 낮아 오목슬롯의 깊이를 조정하였다. 오목슬롯 주위의 납땜 흔적은 이 때문이다.
본 논문에서 제안하는 안테나는 구조의 단순화를 위해 단일 급전방식을 사용했다. 또, 기생방사(spurious radiation) 성분을 저감시킬 수 있는 간접 급전 방식을 이용함으로써 금속 플랫폼에 안정적으로 설치할 수 있도록 설계하였다.
이를 위해, 두 개의 서로 다른 급전부와 90도 하이브리드를 이용하는 이중 급전 방식을 많이 사용한다[4-7]. 본 논문에서 제안하는 안테나는 구조의 단순화를 위해 단일 급전방식을 사용했다. 또, 기생방사(spurious radiation) 성분을 저감시킬 수 있는 간접 급전 방식을 이용함으로써 금속 플랫폼에 안정적으로 설치할 수 있도록 설계하였다.
그림 5(a)와 (b)는 각각 제작된 안테나에 대한 사진과 측정을 위해 무반향실에 설치된 사진이다. 안테나 방사 성능(이득, 축비)은 무반향실을 이용해 측정하였고, 안테나 임피던스는 네트워크 분석기를 이용하여 측정하였다. 첫 제작된 안테나의 임피던스 측정값을 바탕으로 수작업을 통해 상세 튜닝하는 단계를 거쳤다.
안테나 설계는 중요 파라미터들의 이론값을 토대로 1차 모델링을 하고 3D 전파시뮬레이션 툴을 이용해 최적화하는 방법으로 진행하였다. R1의 초기값 기본 TM11 모드의 공진 주파수에 의해 결정된다[9].
안테나의 설계는 계산된 이론적 파라미터값을 바탕으로 설계된 최초 모델을 전파 시뮬레이션을 통해 최적화하는 방식으로 진행했다. 이 과정에서 L1과 L2대역 성능 모두에 영향을 주는 파라미터, L1 또는 L2대역에만 영향을 주는 파라미터를 구분하여 효율적인 최적화를 진행하였다.
안테나의 설계는 계산된 이론적 파라미터값을 바탕으로 설계된 최초 모델을 전파 시뮬레이션을 통해 최적화하는 방식으로 진행했다. 이 과정에서 L1과 L2대역 성능 모두에 영향을 주는 파라미터, L1 또는 L2대역에만 영향을 주는 파라미터를 구분하여 효율적인 최적화를 진행하였다. 이를 바탕으로 제작된 안테나는 시뮬레이션 예측값과 잘 일치하였다.
제안된 안테나는 CP 성능 향상을 위해 두 원형 패치 사이의 링 형태 슬롯에 비대칭성을 부여했다. 그림 1(a)에서 보듯이 가로축에 오목하게 들어간 부분이 있다.
최적화된 안테나를 PCB 공정 기법을 이용해 제작하였다. 그림 5(a)와 (b)는 각각 제작된 안테나에 대한 사진과 측정을 위해 무반향실에 설치된 사진이다.

대상 데이터

사용한 기판은 상용 FR-4로, 비유전율 εr=4.4, 손실탄젠트 tanδ =0.02 이다.

성능/효과

그림 4는 접지면의 크기 L에 따른 안테나 이득의 변화를 보여준다. L값이 65mm에서 85mm로 증가함에 따라 고주파 L1 이득은 일정한 값을 보이는 반면, 저주파 L2 이득은 0.35 dBi에서 2.85dBi로 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다. 접지면의 크기는 또한 안테나 전후 방사 이득비(fron-to-back ratio)에 큰 영향을 준다.
그림 6(a)와 (b)는 안테나 반사계수(S11)과 원형편파 축비(AR)의 측정값을 시뮬레이션값과 비교한 것이다. 둘이 유사한 값을 보임으로 미루어 보아 시뮬레이션 최적화를 기반으로 한 안테나 제작이 잘 이루어졌음을 판단할 수 있다. 측정값이 L1 및 L2의 중심 주파수에서 시뮬레이션값에 비해 다소 좋은 성능을 보이는 것은 기판의 손실탄젠트가 예상보다 크기 때문인 것으로 판단된다.
29 λ에 해당하는 수치로, 제안된 안테나의 소형화 효과를 확인할 수 있는 부분이다. 또, 안테나가 차량 루프와 같이 접지면이 큰 플랫폼에 실장되기에 적합한 구조임을 보여준다.
026λ 수준으로 낮은 프로파일 구조를 갖췄다. 또, 제안된 안테나는 1.2-1.4 범위의 작은 주파수 비율을 필요로 하는 이중 공진 GNSS 안테나 구현에 적합하다.
5 mm로 증가시키면 L1과 L2 대역이 30 MHz와 20 MHz씩 낮아진다. 본 논문에 포함되지 않았지만 축비 최저값의 주파수 역시 동일한 수치만큼 이동함을 확인하였다.
시뮬레이션 결과, L값이 증가함에 따라 전후 방사 이득비가 증가하고, L>70mm 일 경우 전후 방사 이득비가 10dB 이상이 되었다.
위의 관찰로 미루어 보아 제안한 안테나의 효과적 임피던스 튜닝 방법은 L1 대역의 임피던스를 R1 조정을 통해 확보한 후 R2 조정을 통해 L2 대역을 최적화하는 것임을 알 수 있다.
L2 대역이 임피던스 튜닝 역시 R2-R1 폭을 조정함으로써 가능하다. 이 때, R2-R1폭이 바뀜에 따라 L1 주파수 대역의 임피던스는 거의 바뀌지 않음을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
그림 1 (a)는 가로축의 노치 쌍은 전류 경로를 길게하기 위해 적용되고 두 직교 불완전 모드 기본 모드로 분할됩니다. 이러한 노치는 특히 L2 대역에서 안테나 정합과 축비 AR(axial ratio)가 동시에 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

이를 바탕으로 제작된 안테나는 시뮬레이션 예측값과 잘 일치하였다. 차후, 본 안테나를 이용하여 차량용 DGPS 시스템을 구현하고 안테나 능동 성능 데이터 및 위치결정 데이터를 분석하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DGPS는 어떤 기술인가?	수 cm 수준의 정밀 위성 항법 측위 기술로는 복수의 GPS 수신기를 활용하는 차분보정측위 DGPS(Differential GPS)가 있다. 이는 기준국(base)과 이동국(rover)으로 구성된 두 대의 GPS 수신기 사이의 통신을 통해 오차를 보정하는 기술이다. 기준국이 지상의 고정 위치가 아닌 이동국과 동일한 차체에 설치되어 함께 움직이는 이동기준국(moving base) 기술 역시 수 cm 측위오차를 제공하는 것으로 알려져 있다[2-3].
	가장 많이 쓰이는 측위 시스템은 무엇인가?	가장 많이 쓰이는 측위 시스템으로 위성항법 시스템 GNSS(: Global Navigation Satellite System)이 있다. 우리나라의 경우 미국에서 개발한 GPS(: Global Positioning System)를 사용하고 있다.
	이동기준국 기술은 얼마 만큼의 측위 오차를 제공하는가?	이는 기준국(base)과 이동국(rover)으로 구성된 두 대의 GPS 수신기 사이의 통신을 통해 오차를 보정하는 기술이다. 기준국이 지상의 고정 위치가 아닌 이동국과 동일한 차체에 설치되어 함께 움직이는 이동기준국(moving base) 기술 역시 수 cm 측위오차를 제공하는 것으로 알려져 있다[2-3]. 또 다른 측위 향상기술로 복수의 주파수 대역을 활용하는 이중 대역GPS가 있다.

참고문헌 (10)

P. Misra and P. Enge, Global Positioning System, Signals, Measurements, and Performance, 2nd Ed.. Lincoln, MA: Ganga-Jamuna Press, 2010.
C. Basnayake, G. Lachapelle, and J. Bancroft. "Relative positioning for vehicle-to-vehicle communications enabled vehicle safety applications." ITS World Congress, OR, USA, Oct., 2011.
H. Seo, S. Jeong, M. Oh, and D. Park, "A Study on DGPS Framework and Performance Evaluation for High-Accurate Localization based on GPS/AGPS," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 8, 2011, pp. 927-938.
D. Mozar and S. Muffy, "A dual-band circularly polarized aperture-coupled stacked microstrip antenna for global positioning satellite," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 45, no. 11, Nov., 1997, pp. 1618-1625.

상세보기
X. Sun, Z. Zhang, and Z. Feng, "Dual-band circularly polarized stacked annular-ring patch antenna for GPS application," IEEE Antenna Wirel. Propag. Lett., vol. 10, 2011, pp. 49-52.

상세보기
Y. Zhang, X. Li, L. Yang, and S. Gong, "Dual-band circularly polarized antenna with low wide-angle axial-ratio for tri-band GPS applications," Prog. Electromagn. Res., vol. 32, 2012, pp. 167-179.

상세보기
Y. Park, "Characteristics of Circularly Polarized Antenna," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 6, 2010, pp. 563-567.
G. Hsieh, M. Chen, and K. Wong, "Single-feed dual-band circularly polarised microstrip antenna," Electron. Lett., vol. 34, no. 12, 1998, pp. 1170-1171.

상세보기
C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 3rd Ed. Hoboken, John Wiley, 2005.
K. L. Wong, C. C. Huang, and W. S. Chen, "Printed ring slot antenna for circular polarization," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 50, no. 1, 2002, pp. 75-77.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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