Ⅰ서 론

위치기반의 GPS (Global Positioning System)는 현 재 수많은 정보통신, 전자 및 기계산업에 적용되고 있고, 더욱이 개인휴대 단말기기에 사용됨으로써 우리의 생활과는 뗄 수 없는 장치로 자리 잡고 있 다. 이러한 GPS의 적용은 융합산업 기기들에 의해 더욱 많아질 전망이며, 위치정보가 필수인 ITS (Intelligent Transportation Service)분야 역시 예외가 아니다. GPS시스템 중 중요한 부분을 차지하는 것 이 바로 안테나이다. GPS는 편파 다이버시티 (diversity)를 위하여 우회전 원 편파(Right Hand Circular Polarization, RHCP)를 사용한다. 따라서 안 테나는 우회전 원 편파 안테나를 사용하여야 한다. 현재 널리 적용되고 있는 GPS용 안테나로는 QHA(Quadrifilar Helical Antenna)와 마이크로스트립 패치(microstrip patch)안테나이다. QHA는 안테나 축 방향으로 방사가 발생하며, 원통형으로 설계가 가 능하여 이동단말기에 적용하기에 용이한 장점을 갖 고 있다[1-3]. 그러나 제작단가가 비싸고 원통형으 로 세워야하기 때문에 차량 등 이동물체에 대한 적 용에 제한적이다. 마이크로스트립 패치안테나(이하 패치안테나)는 유전체 기판에 구성되므로 양산성이 좋고 저가 실현이 가능하다. 더구나 기판형태로 면 과 평행하게 배치가 가능하기 때문에 이동물체 장 착에 매우 유리하다. 그러나 이러한 패치안테나는 대역폭 특성이 좁은 단점을 가지고 있어, 그간 대역 확장에 대한 연구가 진행되어 왔었다[4]. 차량 및 이동물체용 GPS의 경우, 패치안테나의 크기를 줄이 기 위하여 유전율이 높은 세라믹(ceramic) 소재를 유전체로 한 패치안테나가 널리 사용되고 있다. 그 러나 유전율이 높기 때문에 대역폭이 더욱 좁아지 게 된다. 따라서 대역폭 특성을 얻기 위하여 두께가 4 mm 이상인 두꺼운 세라믹 유전체를 사용하고 있 는 실정이다. 이러한 기존의 세라믹 GPS 패치안테 나의 경우, 공정에 따른 유전율변화로 각 패치마다 튜닝을 해야 하는 비 양산성의 단점을 지니고 있다.

이 연구는 넓은 대역폭을 가진 GPS 패치안테나 를 설계하고 이를 구현하는 연구이다. 대역폭을 넓 히기 위하여 윌킨슨 전력분배기와 90도 하이브리드 를 적용하여 출력 2포트를 패치안테나에 90도 위상 차로 공급함으로써 대역을 넓힌다. 패치는 정사각 형 패치로 설계하며[5, 6], 윌킨슨 전력분배기는 마 이크로스트립 회로를, 90도 하이브리드는 칩(chip) 소자 회로로 구성한다[6]. 안테나와 회로를 각각 FR4기판에 구현하고, 회로를 안테나 뒷면에 부착한 다. 제작한 안테나의 대역특성을 network analyzer로 측정하고 각 회로에 대한 %BW(percent Band Width) 을 나타낸다. 무반사실에서 방사패턴 및 이득을 측 정하고 설계에 의한 값과 비교 검토한다.

II패치안테나의 구조

<그림 1>은 본 연구에 적용되는 정사각형 패치 안테나이다. 원 편파 발생을 위하여 2포트로 급전 한다. 패치안테나의 설계방법은 학부 교재에도 쉽 게 나와 있으므로 여기서는 생략하기로 한다.

본 연구에 사용된 기판은 비유전율이 4.5이며 두 께가 1.2 mm인 FR4이다. 기판의 전체 크기는 가로x 세로 = 80x75 mm이다. 패치는 정사각형이며, GPS 주파수인 1,575 MHz에서 공진을 갖기 위한 한 변의 길이는 44.3 mm이며, 기판으로부터 d1, d2가 각각 17.85 mm 및 12.85 mm 위치에 배치하였다. 이는 후 면에 있는 90도 하이브리드 회로와 결합하기 위해 서이다. 급전위치 f는 중심에서 11 mm 떨어진 지점 이다. 이들 재원은 참고문헌 [5, 6]에 있는 수식으로 계산한 뒤, HFSS로 설계하여 얻은 값이다. 설계에 사용된 HFSS는 Ansoft사 v13이다.

그림1과 같이 설계된 안테나의 입력 반사계수 시 뮬레이션 결과는 그림2와 같다. 그림 2에서 보듯이 공진은 1.575GHz에서 발생하고 있으며, VSWR 2: 1 인 –10 dB 대역폭은 31.7 MHz로 2% 대역폭으로 일반적인 패치안테나가 갖는 좁은 대역특성을 보이 고 있다.

III윌킨슨 전력분배기 및 90도 하이브리드 회로

윌킨슨 전력분배기는 전력의 1/2씩 분배하는 이 등분 분배기와 임의 크기로 분배하는 비 이등분 분 배기가 있다. 본 연구에서는 원 편파 특성을 갖는 조건인 동일 크기의 전력 및 90도 위상차를 갖도록 이등분 분배기를 설계하였다. 출력 포트 간 90도 위 상차를 위하여 출력 2와 3의 길이 차이를 1/4파장 나도록 하였다.

<그림 3> (a)와 같이 설계된 윌킨슨 전력분배기 의 입력 및 출력 반사계수 (b)는 GPS 중심주파수에 서 모두 –20 dB 이하이며, 전달계수인 S21 및 S31 은 –3.32 및 –3.34 dB로써 정확한 분배특성을 보 이고 있다. 또한 출력 위상특성인 (c)는 주파수 1.4 ~ 1.7 GHz에서 80 ~ 100도의 위상차를 갖으며, GPS 중심주파수에서 90도의 위상차를 갖음으로써, 설계 가 잘 되었음을 나타내주고 있다.

본 연구에서 대역특성 비교를 위하여 채택한 또 하나의 회로는 90도 하이브리드이다. 90도 하이브 리드는 4포트 회로로써, 출력 포트인 2와 3포트에 –3 dB씩 전력이 분배되고 더불어 위상차 90도 나 는 특성을 갖는 회로이다.

본 연구에서는 90도 하이브리드를 마이크로스트 립인 분포정수 회로를 이용하지 않고 집중정수 소 자인 인덕터 및 커패시터 칩(chip) 소자를 이용한 회로를 이용하였다. 이는 패치안테나 후면에 소형 으로 적용하기 위함이다. <그림 4> (a)와 같은 90도 하이브리드 회로를 참고문헌 [6][7]에 의해 계산한 L=5.6 nH, C=1.8 pF이다. 그림 4(a)와 (c)는 Asoft사 designer로 시뮬레이션 한 90도 하이브리드의 반사 및 전달계수와 출력 위상특성이다. 입력 반사계수 인 S11은 GPS 중심주파수에서 –23.3 dB이며, 전달 특성인 S21 및 S31은 각각 –3.08 dB 및 –3.54 dB 로써 양호한 특성을 보이고 있다. 또한 그림 3(c)에 서 나타난 출력 포트 2와 3의 위상특성을 보면 S21=65.41도, S31=-28.77도로 위상차는 94.18도가 되 었다. 출력포트의 반사계수 및 위상차가 정확한– 3.0 dB 및 90도가 되지 않은 것은 표준부품 칩 소 자를 적용함으로써 발생되는 오차 때문이나, 안테 나 동작에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.

IV안테나 제작 및 측정

앞 절에서 나타낸 크기로 FR4 기판에 구현한 2 포트 정사각형 패치안테나, 윌킨슨 전력분배기 및 90도 하이이브리드의 구현된 형태는 <그림 5>와 같 다. 안테나와 2가지 회로는 그림에서와 같이 나사 로 체결하여 부착하였다. 구현된 제안 패치안테나 의 입력 반사계수를 측정한 결과는 다음 <그림 6> 과 같다.

<그림 6>에서 (a)는 윌킨슨 전력분배기를 적용한 모델에 대한 시뮬레이션 및 측정 입력 반사계수를 비교한 것이다. 측정치로 볼 때 VSWR 2: 1 기준으 로 1,200~1,775 MHz의 575 MHz로써 36.5% 대역폭 을 가짐을 볼 수 있다. <그림 6> (b)는 90도 하이브 리드 적용한 모델로써 측정치로 볼 때 1,230~1,700 MHz의 470 MHz, 29.84% 대역폭을 가지고 있다. 따라서 단순 대역폭 비교로는 윌킨슨 전력분배기 모델이 90도 하이브리드 모델보다 105 MHz 더 넓 음을 알 수 있다.

<그림 7>은 패치안테나의 대역폭을 비교한 그림 이다. 비교는 FR4 기판일 때 1포트 패치안테나, 윌 킨슨 전력분배기 적용모델 및 90도 하이브리드 적 용모델 등 3가지를 비교하여 나타내었다. VSWR 2: 1 기준으로 각각의 경우 31.7 MHz, 575 MHz, 470 MHz 대역폭을 가짐으로써 매우 넓은 대역폭 결과 를 얻었음을 보이고 있다.

<그림 7>에 나타낸 일반 대역폭 특성은 시스템 과의 정합 및 수신감도에 영향을 주지만, 안테나 특 성으로 볼 때는 축비 대역폭이 더 중요한 특성이다. <그림 8>은 축비 대역폭을 나타낸 그림이다. 축비 3 dB를 기준으로 윌킨슨 전력분배기 적용모델의 경 우 축비 대역폭은 1,360~1,630 MHz로써 270 MHz의 17.14% 대역폭을, 90도 하이브리드 적용모델의 경 우 1,400~1,650 MHz로써 250 MHz의 15.87% 대역폭 을 가지고 있다. 축비 대역폭 역시 윌킨슨모델이 하 이브리드모델보다 좀 더 넓게 나타나고 있다. 이는 출력포트의 전력분배 및 위상특성이 더 좋기 때문 으로 생각된다.

<표 1>은 무반사실에서 측정한 패치안테나의 RHCP 방사특성을 주파수 1,560~1,620 MHz에서 나 타낸 것이다. Wilkinson model은 윌킨슨 전력분배기 를 적용한 패치안테나이고, hybrid model은 90도 하 이브리드를 적용한 패치안테나의 특성이다. Gpeak 및 AR은 최대이득 및 축비를 나타낸 것이다. <표 1>에서 보듯이 GPS의 중심주파수인 1,575 MHz에 서 최대이득이 윌킨슨모델 및 하이브리드 모델의 경우 각각 2.84 dBi 및 2.75 dBi로써 비교적 큰 RHCP 이득을 가지고 있다. 또한 축비는 각각 1.5 dB 및 0.87 dB로써 양호한 특성을 보이고 있다.

V결 론

우회전 원 편파를 사용하는 GPS용 패치안테나의 대역특성을 넓히기 위하여 윌킨슨 전력분배기와 90 도 하이브리드를 적용하는 2포트 패치안테나를 각 각 제작하고 이들 특성을 비교하였다. 패치는 정사 각형 패치안테나를 설계하였고 뒷면에 2가지 회로 를 각각 구현하여 그 출력 포트를 안테나에 급전하 였다. 윌킨슨 전력분배기는 마이크로스트립 회로를, 90도 하이브리드는 칩 소자를 이용한 집중정수회로 로 구성하였다. FR4 기판에 패치안테나와 회로를 각각 구현하고 이들을 결합하였다. 구현된 윌킨슨 전력분배기 적용모델 안테나와 90도 하이브리드 적 용모델 안테나를 측정한 결과 VSWR 2: 1 기준으로 각각 36.5% 및 29.84% 대역폭의 넓은 특성을 얻었 다. 3dB 기준의 축비 역시 각각 17.14% 및 15.87% 대역폭으로써 넓은 대역특성을 얻었다. GPS중심주 파수에서의 최대이득 및 축비는 각각 2.84 dBi, 2.75 dBi 및 1.5 dB, 0.87 dB의 우수한 특성을 보였다. 본 연구는 세라믹 등 유전율이 높은 GPS용 패치안테 나의 대역확보 연구에 유용하리라 생각한다.