Ⅰ.서 론

마이크로스트립 안테나는 금속성 패치와 접지면 사이에 유전체를 넣어 간단히 제작할 수 있다는 장 점과 저자세와 브로드사이드한 방사패턴으로 인하 여 현재에는 항공기, 미사일 또는 이동 통신 분야에 서의 안테나로 많이 사용되고 있다[1-3]. 마이크로 스트립 패치 안테나의 발달은 1970년대 초 우주선 분야에 응용되면서 매우 인기가 높아져 많은 연구 가 되었으며, 그 중 다중대역 특성화 역시 많이 연 구되었다. 대표적인 다중대역 마이크로스트립 패치 안테나로 적층형 구조[4, 5]와 스터브를 이용한 구 조[6]를 예로 들 수 있다. 반파장 마이크로스트립 패치 안테나들을 수직으로 적층함으로써 여러 대역 을 수용할 수 있는 적층형 구조는 단순하지만, 여러 대역을 수용하기 위해서는 지속해서 안테나의 높이 가 증가하는 단점이 있다. 스터브를 이용한 구조는 패치 안테나에 스터브를 연결하여 다중대역을 형성 하였다. 하지만 스터브의 길이에 의해서 안테나의 크기가 증가하게 되는 단점이 있다. 따라서 단층의 저자세를 유지하면서 안테나의 크기가 증가하지 않 는 새로운 형태의 다중대역 마이크로스트립 안테나 의 연구가 필요하다.

마이크로스트립 안테나는 금속성 패치와 접지면 사이에 유전체를 넣어 간단히 제작할 수 있다는 장 점과 저자세와 브로드사이드한 방사패턴으로 인하 여 현재에는 항공기, 미사일 또는 이동 통신 분야에 서의 안테나로 많이 사용되고 있다[1-3]. 마이크로 스트립 패치 안테나의 발달은 1970년대 초 우주선 분야에 응용되면서 매우 인기가 높아져 많은 연구 가 되었으며, 그 중 다중대역 특성화 역시 많이 연 구되었다. 대표적인 다중대역 마이크로스트립 패치 안테나로 적층형 구조[4, 5]와 스터브를 이용한 구 조[6]를 예로 들 수 있다. 반파장 마이크로스트립 패치 안테나들을 수직으로 적층함으로써 여러 대역 을 수용할 수 있는 적층형 구조는 단순하지만, 여러 대역을 수용하기 위해서는 지속해서 안테나의 높이 가 증가하는 단점이 있다. 스터브를 이용한 구조는 패치 안테나에 스터브를 연결하여 다중대역을 형성 하였다. 하지만 스터브의 길이에 의해서 안테나의 크기가 증가하게 되는 단점이 있다. 따라서 단층의 저자세를 유지하면서 안테나의 크기가 증가하지 않 는 새로운 형태의 다중대역 마이크로스트립 안테나 의 연구가 필요하다. 생소자를 하나씩 세우고, 급전점을 패치 안테나의 대각선에 위치하였다. 아래에는 위에 설명된 이론 을 바탕으로 설계되고 제작된 안테나들에 관해 기 술하고자 한다.

Ⅱ.본 론

1.방사개구면에 기생소자를 세운 이중대역 선형 편파 마이크로스트립 안테나

그림 1에는 설계된 이중대역 선형편파 마이크로 스트립 안테나의 구조를 나타내었다. 설계된 안테 나는 300 × 300 mm²(1.227λ_L × 1.227λ_L, λ_L은 자유 공간에서 1.227 GHz의 파장)로 충분히 큰 접지면 위에서 설계하였고, 패치와 역 L형 기생소자를 지 지하기 위해서 0.4 mm 두께의 FR-4(ϵr = 4.3) 기판 을 사용하였다. 한편, 급전은 패치 안테나에 coaxial probe 급전을 하였다.

설계된 안테나는 상위주파수인 GPS L₁ 대역을 패 치 안테나로 수용하였다. 하위주파수인 GPS L₂대역 을 수용하기 위해서 방사개구면에 역 L형 기생소자 를 수직으로 세웠는데, 이는 역 L형 기생소자와 패 치 간의 커플링을 통하여 이중대역을 형성할 뿐만 아니라, 전계 에너지가 강한 패치의 끝 부분에 기생 소자를 배치함으로써 섭동법 효과로 안테나를 소형 화하기 위해서이다. 또한, 급전쪽 방사개구면의 전 류세기가 강하기 때문에 기생소자를 내장할 경우 급 전점과 접지면이 상당히 가깝게 되어 대역폭이 좁아 지므로 급전점 반대편에 기생소자를 배치하였다.

제안된 방사개구면에 기생소자를 세운 이중대역 선형편파 안테나의 경우 각각의 공진주파수를 독립 적인 파라미터에 의해서 조절이 가능하다. 이를 증 명하기 위해서 CST MWS 2010의 시뮬레이터를 이 용하여 파라미터 연구를 하였다.

그림 2에는 시뮬레이션을 통한 파리미터 변화에 따른 S₁₁을 나타내었다. 먼저, 그림 2(a)에는 역 L형 기생소자의 높이(H₁)을 변화시켰을 때 S₁₁을 나타내 었는데, 이때 패치 안테나의 길이(L₁)는 83.5 mm로 설정하였다. 역 L형 기생소자의 높이(H₁)를 4.5 mm 에서 5.5 mm까지 0.5 mm씩 증가시킬 경우 하위주 파수의 공진주파수가 1.26 GHz에서 1.19 GHz로 하 향하는 반면, 상위주파수는 거의 변화되지 않은 것 을 알 수 있다. 이는 하위주파수의 경우 패치와 기 생소자간의 커플링으로 생성된 공진이 기생소자의 높이(H₁)가 달라짐에 따라 섭동법 효과가 크게 작용 하여 공진주파수가 하향되는 것이다.

다음으로 역 L형 기생소자의 높이는(H₁) 5 mm로 고정하고, 패치 안테나의 길이(L₁)를 변화시켰을 때 S₁₁을 그림 2(b)에 나타내었다. 패치 안테나의 길이 (L₁)를 81.5 mm에서 85.5 mm까지 2 mm씩 변화하였 을 때 상위주파수가 1.55 GHz에서 1.595 GHz까지 변화되며, 하위 공진주파수는 거의 변화되지 않는 다. 이는 패치 안테나의 길이(L₁)에 의해 정해진 공 진주파수가 변화되는 것으로 상위주파수는 패치 안 테나에 의해 공진됨을 알 수 있다. 따라서 선형편파 이중대역 마이크로스트립 안테나의 경우 개별 파라 미터에 의해 공진주파수를 다른 대역의 영향 없이 독립적으로 조절할 수 있어 공진주파수 조절에 유 리한 장점을 가진다.

이렇게 설계된 안테나가 GPS L₁과 L₂ 대역을 수 용하기 위한 최적화된 파라미터는 H₁ = 5 mm와 L₁ = 83.5 mm를 가지며 안테나 크기는 86 mm × 83.5 mm × 10.4 mm(0.35λ_L × 0.34λ_L × 0.04λ_L)로 일반적 으로 반파장의 크기를 가지는 마이크로스트립 안테 나보다 소형화 되었다.

그림 3에는 방사개구면에 기생소자를 세운 이중 대역 선형편파 마이크로스트립 안테나의 시뮬레이 션된 S₁₁을 나타내었다. 시뮬레이션 -10 dB 대역폭 은 GPS L₁대역(1.575 GHz, 요구대역폭 24 MHz)에 서 57.8 MHz(3.67 %), GPS L₂대역(1.227 GHz, 요구 대역폭 24 MHz)에서 40.8 MHz(3.33 %)로 두 대역 에서 모두 시스템의 요구 대역폭을 만족한다. 한편, 공진된 상, 하위주파수 사이에 공진이 발생하는데, 비대칭 구조를 가지는 역 L형 기생소자에 의해서 발생하는 교차 편파의 공진이다.

그림 4에는 시뮬레이션된 방사 패턴을 나타내었 고, 이득은 각각 1.227 GHz에서 4.33 dBi, 1.575 GHz에서 10.3 dBi로 나타났으며, 전형적인 마이크 로스트립 패치 안테나의 브로드 사이드 방사 패턴 특성을 나타내었다.

따라서 설계된 이중대역 선형편파 마이크로스트 립 안테나의 경우 단층의 저자세로 이중대역 특성 을 가지며 독립적인 공진주파수 조절이 가능함을 확인하였다. 또한, 제안된 안테나의 특성 결과를 바 탕으로 이중대역 원형편파 안테나로 확대 가능함을 제시하였다.

2.방사개구면에 기생소자를 세운 이중대역 원형 편파 마이크로스트립 안테나

다음으로 이중대역 원형편파를 발생시키기 위해 서 급전점 반대편 각각의 편파 방사개구면에 역 L 형 기생소자를 배치하였다. 또한, 급전점을 패치 안 테나의 대각선에 배치하였다. 이렇게 설계된 안테 나의 구조는 그림 5(a)에 나타내었으며, 제작된 안 테나는 그림 5(b)에 나타내었다. 이때 제작된 안테 나는 88.5 mm × 79 mm × 10.4 mm(0.36λ_L × 0.32λ_L × 0.04λ_L)의 크기를 가진다.

그림 6에는 시뮬레이션 및 측정된 이중대역 원형 편파 안테나의 S₁₁ 및 축비를 나타내었다. 시뮬레이 션과 측정치는 거의 같으며, 측정된 -10 dB 대역폭 은 GPS L₁대역에서 116.3 MHz(7.4 %)이며, GPS L₂ 대역에서는 64.3 MHz(5.2 %)로 두 대역에서 모두 GPS 요구 대역폭을 만족한다. 한편, 3 dB 축비 대 역폭은 각각 11.7 MHz(0.74 %), 14 MHz(1.14 %)로 측정되었다.

그림 7에는 원형편파 이중대역 안테나의 방사패 턴을 나타내었다. 일반적인 마이크로스트립 안테나 의 경우 0도를 중심으로 비교적 대칭적인 패턴을 가지지만, 제안된 안테나의 경우 방사개구면의 한 쪽에만 기생소자를 배치하여 방사패턴이 대칭적이 지 못하다. 하지만 두 대역에서 모두 브로드 사이드 한 방사패턴을 얻었다. 측정된 이득은 1.575 GHz xz-plane 6°에서 7.3 dBi와 1.227 GHz xz-plane –11° 에서 5.56 dBi를 얻었다.

Ⅲ.결 론

본 논문에서는 GPS L₁ 및 L₂대역을 수용할 수 있 는 새로운 형태의 이중대역 마이크로스트립 안테나 를 설계하였다. 기본 마이크로스트립 패치 안테나 의 방사개구면에 역 L형 기생 소자를 세움으로써, 패치와 기생소자의 커플링과 섭동법을 통해 두 주 파수대역 간격이 넓은 대역을 공진시켰을 뿐만 아 니라 소형화까지 하였다. 이렇게 설계된 선형편파 마이크로스트립 안테나는 단층이면서 이중대역 특 성을 가지며, 파라미터 연구를 통해 각각의 파라미 터에 의해 독립적인 공진주파수 조절 가능함을 확 인하였다. 또한, 원형편파를 발생시키기 위해서 역 L형 기생소자를 각각의 편파의 급전점 반대편의 방 사개구면에 하나씩 세웠고, 패치 안테나 대각선에 급전하였다. 제작된 원형편파 이중대역 안테나는 0.35λ_L × 0.34λ_L × 0.04λ_L의 크기를 가지며, 측정된 –10 dB 대역폭은 GPS 요구 대역폭을 만족하였다. 방사패턴의 경우 모든 대역에서 브로드 사이드한 패턴을 얻었다.

설계된 안테나는 기존의 다중대역 마이크로스트 립 안테나와 달리 단층의 저자세를 유지하면서, 소 형화된 크기로 이중대역 특성을 얻었다. 그리고 모 든 대역에서 브로드 사이드한 방사패턴을 얻었고, 주파수대역 간격이 큰 GPS 이중대역 수신용 안테 나로 적합함을 확인하였다.