[논문]편파가변 위성 방송 수신용 능동 위상 배열 안테나 개발

최진영; 이호선; 공동욱; 전종훈

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.5.325

초록
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본 논문에서는 이동체의 움직임 및 그에 따른 편파 도래각 변화에 대응 가능한 위성 수신용 능동 위상 배열 안테나를 개발하도록 한다. 이를 위하여 이중편파를 10.7~14.5 GHz의 Ku 대역에서 동시에 구현 가능한 비발디 안테나와 효과적으로 위상 및 이득을 제어할 수 있는 MFC(Multi-Function Core) 칩을 자체 개발하였으며, 이를 이용하여 수신 모듈과 제어 모듈로 이루어진 능동 위상 배열 안테나를 제작하였다. 제작 결과, $60^{\circ}$ 각도까지의 깨끗한 빔 조향 특성과 높은 격리도의 편파 가변 특성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We herein present a study on the active phased array antenna for receiving satellite broadcasting that can electrically align its polarization to that of target transmitters in its moving condition or in the Skew angle arrangement of the broadcasting satellite receiver. Hence, we have developed an a...

We herein present a study on the active phased array antenna for receiving satellite broadcasting that can electrically align its polarization to that of target transmitters in its moving condition or in the Skew angle arrangement of the broadcasting satellite receiver. Hence, we have developed an active phased array structure composed of the self-developed Vivaldi antenna and multifunction core (MFC) chip, receiving RF front end module, and control units. In particular, the new Vivaldi antenna designed in the Ku-band of 10.7 - 14.5 GHz to receive one desired polarization mode such as the horizontal or vertical by means of an MFC chip and other control units that can control the amplitude and phase of each antenna element. The test results verified that cross-polarization property is 20 dB or higher and the primary beam can be scanned clearly at approximately ${\pm}60^{\circ}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5GHz의 전대역을 구현하는 것이 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 10.7～14.5GHz의 Ku 위성의 전체 송수신 대역과, 서로 수직인 2개의 이중 편파를 동시에 구현 가능하도록 비발디 안테나로 능동 위상 배열 안테나를 구현이하였다. 이와 같은 비발디 안테나는 본 논문에서의 수신 전용 능동 위상 배열 안테나뿐 만이 아닌, 향후 VSAT(Very Small Aperture Terminal)의 통신용 위성 안테나에도 적용하는 것을 목적으로 한다.
이에 본 논문에서는 10.7～12.75 GHz의 Ku 위성 수신 대역에서 최대 60°의 빔 조향이 가능한 능동 위상 배열안테나를 제작하여 방사특성을 측정하였으며, 이에 필요한 안테나 및 위상 제어 소자인 MFC(Multi-Function Core) 칩을 자체 개발하였다. 특히 단일 안테나 소자로 비발디 안테나^[5]～[8]를 적용하여, 기존 마이크로 스트립 패치 안테나의 협대역 특성과 이중 편파 구현에 있어 낮은 교차 편파(cross polarization) 특성을 개선하고자 하였다.
5GHz의 Ku 위성의 전체 송수신 대역과, 서로 수직인 2개의 이중 편파를 동시에 구현 가능하도록 비발디 안테나로 능동 위상 배열 안테나를 구현이하였다. 이와 같은 비발디 안테나는 본 논문에서의 수신 전용 능동 위상 배열 안테나뿐 만이 아닌, 향후 VSAT(Very Small Aperture Terminal)의 통신용 위성 안테나에도 적용하는 것을 목적으로 한다.
75 GHz의 Ku 위성 수신 대역에서 최대 60°의 빔 조향이 가능한 능동 위상 배열안테나를 제작하여 방사특성을 측정하였으며, 이에 필요한 안테나 및 위상 제어 소자인 MFC(Multi-Function Core) 칩을 자체 개발하였다. 특히 단일 안테나 소자로 비발디 안테나^[5]～[8]를 적용하여, 기존 마이크로 스트립 패치 안테나의 협대역 특성과 이중 편파 구현에 있어 낮은 교차 편파(cross polarization) 특성을 개선하고자 하였다.

가설 설정

그림 11은 능동 위상 배열 안테나가 정상 동작하는 경우를 가정하여 열해석한 결과이다. 발열조건은 대기온도 25℃에서 1채널 MFC 128개가 동시에 동작하여 25.6W(0.1W×256개)의 열을 낸다고 가정하였다. 열해석 결과, 방열핀과 40×40mm 크기의 방열팬 4개로 MFC 주변의 열평형 온도는 대략 35℃로서 안정적인 방열 성능이 예측되었다.

제안 방법

앞서 설명한 MFC 칩과 비발디 안테나를 이용하여 빔조향 및 편파가변이 가능한 16×16배열 규모의 수신용 능동위상 배열 안테나를 구현하였다. 그림 8은 그 구성도이다.
이와 같이 제작된 안테나는 그림 7(a)와 같이 삼각배열의 방식으로 안테나를 배열하도록 한다. 통상적으로 비발디 안테나의 삼각 배열 방식은 grating lobe를 효과적으로 억제하기 위한 가장 효율적인 방식이나, 본 논문에서는 그림 7에서 표기한 것과 같이 45° 간격의 4개의 편파(편파#1～편파#4)를 전기적으로 제어하여 구현하기 위한 방법으로 삼각배열 방식을 채택하였다. 제작하고자 하는 256 배열 안테나는 그림 7(b)와같이 139.

대상 데이터

5GHz의 주파수 대역에서 –15 dB 이하의 우수한 반사특성을 확인할 수 있다. 설계된 단일 비발디안테나 PCB의 치수는 그림 3(d)에 나타내었으며, 제작에 사용된 PCB 기판은 RO4003(t=0.2mm)이다.
통상적으로 비발디 안테나의 삼각 배열 방식은 grating lobe를 효과적으로 억제하기 위한 가장 효율적인 방식이나, 본 논문에서는 그림 7에서 표기한 것과 같이 45° 간격의 4개의 편파(편파#1～편파#4)를 전기적으로 제어하여 구현하기 위한 방법으로 삼각배열 방식을 채택하였다. 제작하고자 하는 256 배열 안테나는 그림 7(b)와같이 139.2×139.2mm² 방사 개구면을 가지며, 외곽의 더미 안테나를 포함하여 173.9×173.9mm²의 면적을 가진다.

성능/효과

즉, 수신 모듈에 사용된 위상 제어 소자인 MFC는 빔 조향을 위하여 위상을 달리 제공하는 역할과 동시에 수직과 수평 편파를 선택적으로 생성하기 위한 역할도 동시에 한다. 결과적으로 본 논문에서 제작한 능동 위상 배열안테나는 4개의 선형 편파를 선택적으로 택일할 수 있으므로, 이동체의 방향 전환에 따라 바뀌는 편파 도래각(Skewangle)에 대해서도 적극적인 대응이 가능하다.
또한 그림 3(b), 그림 3(c)의 단일 비발디 안테나의 설계는 E면과 H면 방향으로 비발디 안테나가 모두 무한 배열된 상태를 가정하여야 한다. 따라서 이와 같은 효과를 위해서 E면 방향으로는 PEC(Perfect Electric Conductor), H면 방향으로는 PMC(Perfect Magnetic Conductor) 경계조건인 도파관 시뮬레이터 환경하에서 시뮬레이션을 수행하며, 이때의 시뮬레이션 결과는 그림 4와 같이 10.7～14.5GHz의 주파수 대역에서 –15 dB 이하의 우수한 반사특성을 확인할 수 있다. 설계된 단일 비발디안테나 PCB의 치수는 그림 3(d)에 나타내었으며, 제작에 사용된 PCB 기판은 RO4003(t=0.
위상 제어 소자인 MFC 칩과 광대역의 비발디 안테나를 자체 개발하여 Ku 대역에서 동작하는 능동 위상 배열안테나를 제작하였고, 제작 결과 60°까지 깨끗한 빔 조향 특성을 확인하였다. 특히, 제작한 안테나는 4개 방향의 선형 편파 형성이 가능하여, 위성 신호의 편파 도래각(skewangle)에 대응하는 능력이 우수하다.
제작된 MFC의 규격을 표 1에 정리하였으며, 위와 같이 측정된 특성으로 보았을 때, 제작하려는 능동 위상 배열 안테나에 적용이 가능하다고 판단된다.
7GHz, 수평편파의 상태에서 30° 간격으로 측정한 그림이다. 측정 결과, 60°까지 비교적 깨끗하게 빔이 조향 됨을 확인하였으며, 빔조향 범위에서 grating lobe는 나타나지 않는 것 또한 확인할 수 있다. 위의 측정 결과는 표3에 정리하였다.
위상 제어 소자인 MFC 칩과 광대역의 비발디 안테나를 자체 개발하여 Ku 대역에서 동작하는 능동 위상 배열안테나를 제작하였고, 제작 결과 60°까지 깨끗한 빔 조향 특성을 확인하였다. 특히, 제작한 안테나는 4개 방향의 선형 편파 형성이 가능하여, 위성 신호의 편파 도래각(skewangle)에 대응하는 능력이 우수하다. 향후 512개까지 배열 수를 확대하여 실제 이동체 탑재 안테나로서 동작시킬 예정이며, 이를 위해 dynamic beam tilting 등의 위성추적알고리즘 연구와 이동체의 이동 환경과 같은 안테나 시뮬레이션 기구물 제작을 현재 준비 중이다.

후속연구

향후 512개까지 배열 수를 확대하여 실제 이동체 탑재 안테나로서 동작시킬 예정이며, 이를 위해 dynamic beam tilting 등의 위성추적알고리즘 연구와 이동체의 이동 환경과 같은 안테나 시뮬레이션 기구물 제작을 현재 준비 중이다. 특히 2개의 비발디 안테나에 90° 위상차를 제공하여 위의 4개의 선형 편파뿐만 아니라, 원형편파도 생성이 가능하도록 하여, 무궁화 6호 위성에서 LHCP로 동작하는 Transponder(BS) 신호와 선형편파로 동작하는 Transponder(CS) 신호에 대해 모두 선택적으로 편파 가변이 가능하도록 할 계획이다.
특히, 제작한 안테나는 4개 방향의 선형 편파 형성이 가능하여, 위성 신호의 편파 도래각(skewangle)에 대응하는 능력이 우수하다. 향후 512개까지 배열 수를 확대하여 실제 이동체 탑재 안테나로서 동작시킬 예정이며, 이를 위해 dynamic beam tilting 등의 위성추적알고리즘 연구와 이동체의 이동 환경과 같은 안테나 시뮬레이션 기구물 제작을 현재 준비 중이다. 특히 2개의 비발디 안테나에 90° 위상차를 제공하여 위의 4개의 선형 편파뿐만 아니라, 원형편파도 생성이 가능하도록 하여, 무궁화 6호 위성에서 LHCP로 동작하는 Transponder(BS) 신호와 선형편파로 동작하는 Transponder(CS) 신호에 대해 모두 선택적으로 편파 가변이 가능하도록 할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	능동 안테나는 무엇으로 구분되는가?	능동 안테나는 휴대 및 이동체에 탑재하여 이동 중에도 지역에 관계없이 실시간 고화질의 TV 방송 수신 및 양방향 통신이 가능하도록, 항상 목표 위성과 Line of Sight가 유지되도록 하는 위성 추적 기능이 필수적이다. 능동 안테나는 위성을 추적하는 방식에 따라 크게 기계식과 전자식으로 구분된다. 기계식 능동 안테나는 비교적 넓은 방사면과 높은 이득의 단일 반사판 안테나 등을 모터 제어를 통해서 끊임없이 목표 위성을 지향하는 방식인데 반해서, 전자식의 능동 위상 배열 안테나는 여러 개의 패치 안테나 등을 배열하여 각각의 단일 안테나의 위상 제어를 통해 빔의 방향을 제어하여 목표 위성을 지향하는 방식이다.
	능동 안테나는 어떤 기능이 필수적인가?	능동 안테나는 휴대 및 이동체에 탑재하여 이동 중에도 지역에 관계없이 실시간 고화질의 TV 방송 수신 및 양방향 통신이 가능하도록, 항상 목표 위성과 Line of Sight가 유지되도록 하는 위성 추적 기능이 필수적이다. 능동 안테나는 위성을 추적하는 방식에 따라 크게 기계식과 전자식으로 구분된다.
	능동 위상 배열 안테나에서 단일 안테나가 불가능한 것은 무엇인가?	능동 위상 배열 안테나에서 단일 안테나는 마이크로 스트립 패치 안테나부터 최근의 도파관 슬롯 안테나 등의 형태가 많이 사용된다. 그러나 이러한 형태의 안테나는 고질적인 협대역 특성으로 인하여 Ku 위성의 수신 대역인 10.7～12.75 GHz 대역과 더불어서 송신 대역인 13.75～14.5 GHz의 전대역을 구현하는 것이 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 10.

참고문헌 (9)

C. Hemmi, T. Dover, F. German, and A. Vespa, "Multifunction wide-band array design," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47, no. 3, pp. 425-431, Mar. 1999.

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J. L. Armitage, "Electronic warfare solid-state phased arrays," Microwave Journal, vol. 29, Feb. 1986.
P. Leroux, M. Steyaert, LNA-ESD Co-design for Fully Integrated CMOS Wireless Receivers, Springer Science & Business Media, New York, 2005.
B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, Boston, McGraw-Hill, 2000.
P. J. Gibson, "The Vivaldi aeriel," in 1979 9th European Microwave Conference, Brighton, UK, 1979, pp. 101-105.
김준연, "릿지형 테이퍼드 슬롯 위상 배열 안테나의 설계 및 복사특성 분석," 서울시립대학교 박사학위논문, 2008년 8월.
F. German, S. Sanzgirl, and D. Doyle, "Analysis of flared slot antennas for phased array application," in Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Ann Arbor, MI, 1993, vol. 3, pp. 1600-1603.
Joon Shin, Daniel H. Schaubert, "A parameter study of stripline-fed Vivaldi notch antenna arrays," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47, no. 5, May 1999.

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D. M. Pozar, "Active element pattern," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 42, no. 8, pp. 1176-1178, Aug. 1994.

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