Ⅰ서 론

Global Positioning System(GPS)은 미국 국방성에 의해 개발되었으며, 전 세계 어디에서든지 실시간 으로 자기위치를 알 수 있게 해주는 위성을 이용한 항법 시스템이다. 이러한 이점으로 민간용 및 군용 으로 사용되며, 그에 따라 다양한 대역이 존재한다. 이러한 GPS의 수신 안테나로써 일반적으로 마이크 로스트립 패치 안테나가 사용되고 있다.

마이크로스트립 패치 안테나는 저자세로 브로드 사이드한 방사 패턴을 가지며, 대량생산에 쉽다는 장점이 있다[1, 2]. 하지만 마이크로스트립 패치 안 테나는 대표적인 정재파 안테나 중 하나로 협대역 특성이 있어 GPS의 단일대역만을 수신할 수 있다. 따라서 다양한 GPS 신호를 수신하기 위해서는 다중 대역 마이크로스트립 안테나의 개발이 필요로 하다.

기존의 다중대역 마이크로스트립 안테나의 대표 적인 안테나로 적층형 마이크로스트립 안테나가 있 다. 적층형 마이크로스트립 안테나의 경우 해당되 는 대역의 안테나를 수직으로 적층함으로써 다중대 역 특성을 얻을 수 있다[3]. 하지만 주파수 대역 간 격이 넓은 다중대역 특성을 얻기 위해서는 적층형 마이크로스트립 안테나로는 설계하기 어려운 점이 있다. 다음으로는 마이크로스트립 안테나의 개구면 에 기생소자를 장하한 마이크로스트립 안테나 예로 들 수 있다[4]. 마이크로스트립 안테나의 패치와 방 사 개구면에 장하된 기생소자들 간의 커플링을 통 한 저자세를 유지하면서 다중대역 형성하지만, 이 안테나의 경우 방사 개구면에 기생소자의 변형으로 방사 패턴이 고르지 못할 뿐만 아니라, 구조적 문제 로 인하여 원형편파 발생이 어렵다. 따라서 저자세 를 유지하면서 방사 패턴이 고르며, 원형편파 발생 이 쉬운 새로운 구조의 다중대역 마이크로스트립 안테나가 필요하다.

본 논문에서는 마이크로스트립 패치 안테나 위 에 λ/4의 역 L형 기생소자들을 적층함으로써 패치 소자와 기생소자간의 커플링을 통해 주파수대역 간 격이 큰 GPS L₁대역과 L₂대역을 수신할 수 있는 새 로운 이중대역 마이크로스트립 안테나를 설계하였 다. 패치 소자를 하위주파수(L₂ 대역)에 공진시켰고, 상위주파수(L₁대역)는 기생소자들을 이용하여 공진 시켰다. 먼저 패치 소자 위에 2개의 λ/4 역 L형 기 생소자를 적층함으로써 선형편파 이중대역 마이크 로스트립 안테나를 설계하였고, 다음으로 원형편파 를 발생시키기 위해서 패치 소자 위에 4개의 역 L 형 기생소자를 서로 직각인 시퀀셜 로테이션 기법 [5, 6]으로 적층 시키고, 패치 안테나와 기생소자의 한쪽 대각선의 양쪽을 절개시켜 원형편파 이중대역 마이크로스트립 안테나 특성을 얻었다.

Ⅱ본 론

1기생소자를 결합한 선형편파 이중대역 마이크 로스트립 안테나

그림 1에는 설계된 λ/4 역 L형 기생소자를 결합 한 선형편파 이중대역 마이크로스트립 안테나의 구 조와 제작된 모습을 나타내었다. 설계된 안테나는 1.227 GHz(L₂대역)의 반 파장 크기를 가지는 패치 소자와 패치 소자의 위에 놓인 2개의 λ/4(L₁대역) 역 L형의 기생소자로 구성된다. 2개의 λ/4 역 L형 기생소자를 패치 안테나의 위에 적층시킴으로써 패 치 소자와 기생소자 간에 커플링을 통해 역 L형의 기생소자가 패치 공진주파수에서 간격이 떨어진 1.575 GHz(L₁대역)에서 공진할 수 있다. 여기서 2개 의 역 L형 기생소자를 대칭적으로 적층한 이유는 하나의 기생소자만을 이용하여도 같은 공진의 효과 를 얻을 수 있으나, 방사 패턴의 변형되기 때문에 양쪽으로 기생소자를 배치해 대칭적인 방사 패턴을 얻기 위해서이다.

그림 2에는 먼저 역 L형 기생소자와 패치 안테나 의 길이의 효과를 알아보기 위해서 파라미터별 S₁₁ 변화를 확인해 보았다. 그럼 2(a)에는 역 L형 기생 소자의 길이(l₁)를 조절하였을 때 변화되는 S₁₁을 나 타내었다. 이때 패치 안테나의 길이(l₂)는 108 mm로 설정하였다. 그 결과 역 L형 기생소자의 길이 45 mm에서 41 mm까지 2 mm씩 조절할 경우 상위 공 진주파수가 1.52 GHz에서 1.63 GHz로 상향하는 반 면, 하위 주파수는 변화되지 않은 것을 알 수 있다.

다음으로 역 L형 기생소자의 길이는(l₁) 42 mm로 고정하고, 패치 안테나의 길이(l₂)를 조절하였을 때 변화되는 S₁₁을 그림 2(a)에 나타내었다. 패치 안테 나의 길이(l₂)를 115 mm에서 105 mm까지 5 mm씩 변화하였을 때 하위주파수가 1.17 GHz에서 1.27 GHz까지 변화되며, 이 경우 역시 상위 공진주파수 는 변화되지 않는다. 따라서 선형편파 이중대역 마 이크로스트립 안테나의 경우 개별 파라미터에 의해 공진주파수를 다른 대역의 영향 없이 독립적으로 조절할 수 있어 공진 주파수 조절에 유리한 장점을 가진다.

이렇게 제작된 안테나는 그림 1(b)에 나타내었으 며, 저자세에 2중 구조를 가진다. 제작된 안테나는 300 mm × 300 mm(1.23λ_L × 1.23λ_L, 여기에서 λ_L은 1.227 GHz의 공기 중 파장)의 알루미늄 접지면 위 에 설계되었다. 패치 소자와 기생소자들의 모양을 유지하기 위해서 styrofoam (ε_r = 1.06)으로 지지하여 제작하였다. 끝으로 급전은 coaxial probe 급전 방법 을 이용하여 패치 소자에 급전시켰다. 제작된 안테 나의 최적화된 파라미터는 l₁ = 42 mm와 l₂ = 108 mm를 가지며, 크기는 108 mm × 108 mm × 10 mm(0.44λ_L × 0.44λ_L × 0.04λ_L)를 가진다.

그림 3에는 역 L형 기생소자 결합 선형편파 이중 대역 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 S₁₁을 나타내 었다. 측정된 -10 dB 대역폭은 GPS L₁대역(1.575 GHz, 요구대역폭 24 MHz)에서 25 MHz(1.59 %), GPS L₂대역(1.227 GHz, 요구대역폭 24 MHz)에서 39 MHz(3.18 %)로 두 대역에서 모두 시스템의 요구 대역폭을 만족한다.

그림 4에는 방사 패턴을 나타내었는데, 시뮬레이 션과 측정이 일치하며, 이득은 각각 1.227 GHz에서 10.4 dBi, 1.575 GHz에서 10.1 dBi로 측정되었으며, 전형적인 마이크로스트립 패치 안테나의 브로드 사 이드 방사 패턴 특성을 나타내었다.

따라서 설계된 선형편파 이중대역 마이크로스트 립 안테나는 저자세의 2중 구조를 가지며, 대역 간 격이 넓은 이중대역 특성을 나타냄을 확인하였고, 이중대역 원형편파 안테나로 확대 가능함을 제시하 였다.

2기생소자를 이용한 원형편파 이중대역 마이크 로스트립 안테나

GPS는 실제 원형편파를 사용하기 때문에 이를 수용하기 위해 역 L형 기생소자들의 결합을 이용하 여 원형편파 이중대역 특성을 얻고자 하였으며 설 계된 안테나를 그림 5에 나타내었다. 이중대역을 형성하기 위해서 1.227 GHz 패치 소자 위에 4개 기 생소자를 서로 직각으로 시퀀셜 로테이션 기법을 이용하여 적층시켜 1.575 GHz를 공진시켰다. 또한, 원형편파를 형성하기 위해서 패치 소자와 기생소자 의 한쪽 대각선을 절개하였다. 설계된 안테나의 구 조는 그림 5(a)에 나타내었으며, 크기는 108 mm × 108 mm × 15 mm(0.44λ_L × 0.44λ_L × 0.06λ_L)의 크기 를 가진다. 선형편파 이중대역 마이크로스트립 안 테나와 같은 방법으로 제작하였으며, 제작된 모습 을 그림 5(b)에 나타내었다.

그림 6에는 시뮬레이션 및 측정된 원형편파 이중 대역 안테나의 S₁₁ 및 축비를 나타내었다. 시뮬레이 션과 측정치는 거의 같으며, 측정된 -10 dB 대역폭 은 GPS L₁대역에서 120 MHz(7.6 %)이며, GPS L₂대 역에서는 82.5 MHz (6.7 %)이다. 또한, 3 dB 축비 대역폭은 각각 172 MHz(10.9%), 25 MHz(2.0%)로 측정되었다. 따라서 제안된 원형편파 이중대역 안 테나의 경우 두 대역에서 모두 GPS의 요구 대역폭 을 만족한다.

그림 7에는 원형편파 이중대역 안테나의 방사 패턴을 나타내었다. 공기층으로 만든 일반적인 마 이크로스트립 안테나의 경우 E-plane에서의 빔폭은 50° ~ 60°을 가지지만, 제안된 안테나의 1.575 GHz 에서의 방사 패턴은 약 92°의 넓은 빔폭을 형성하 였으며, y축 편파 E-plane 0°에서 4.1 dBi의 이득을 얻었다. 1.227 GHz에서는 일반적인 마이크로스트립 패치 안테나와 비슷한 빔폭을 가지며, 이득은 y축 편파 E-plane 0도에서 7.8 dBi을 얻었으며, 두 대역 에서 모두 브로드 사이드한 방사패턴을 얻었다.

끝으로 표 1에는 기존의 마이크로스트립 패치 안테나와 제안된 안테나의 구조와 특징을 비교하여 나타내었다. 일반적인 적층형 마이크로스트립 패치 안테나[3]는 비교적 간단한 구조를 가지지만, 주파 수 간격이 큰 대역을 수용하기 어려울 뿐만 아니라, 다중대역을 수용하기 위해서는 안테나의 높이가 증 가해야 한다는 단점이 있다. 반면, 기생소자를 방사 개구면에 장하한 마이크로스트립 안테나[4]는 저자 세로 다중대역을 수용할 수 있지만, 원형편파로 제 작하기에는 다소 어려움이 있다. 반면, 제안된 안테 나의 경우 다중대역으로 설계하기 위해선 패치 안 테나 위에 각각의 주파수에 해당되는 역 L형 기생 소자를 적층시킴으로써 저자세를 유지할 수 있고, 원형편파를 구한하기 쉬우며, 또한 3중 대역으로 확장이 가능하다.

Ⅲ결 론

본 논문에서는 GPS L₁ 및 L₂대역을 수용할 수 있 는 새로운 형태의 이중대역 마이크로스트립 안테나 를 설계하였다. 기본 마이크로스트립 패치 안테나 의 양쪽 방사 개구면 위에 λ/4 역 L형 기생 소자를 적층함으로써, 패치와 기생소자의 커플링을 통해 두 주파수대역 간격이 넓은 이중대역을 공진하는 선형편파 마이크로스트립 안테나를 설계 하였다. 설계된 선형편파 마이크로스트립 안테나는 파라미 터 연구를 통해 각각의 파라미터에 의해 독립적인 공진주파수 조절 가능함을 확인하였다. 또한, 원형 편파를 발생시키기 위해서 λ/4 역 L형 기생소자 4 개를 시퀀셜 로테이션 기법으로 적층 하였고, 안테 나의 한쪽 대각선 일부를 절개하여 원형편파 이중 대역 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 제작된 원형편파 이중대역 안테나의 측정된 –10 dB 대역 폭 및 3 dB 축비 대역폭 모두 GPS 요구 대역폭을 만족하였다. 방사 패턴의 경우 모든 대역에서 브로 드 사이드한 방사 패턴을 얻었다.

따라서 설계된 안테나는 주파수 대역 간격이 넓 은 새로운 형태의 다중대역 마이크로스트립 안테나 로 설계하였으며, 특징으로는 2중 구조자세, 이중대 역 그리고 모든 대역에서 브로드 사이드한 방사패 턴을 얻어 주파수대역 간격이 큰 GPS 이중대역 수 신용 안테나로 적합함을 확인하였다.