Ⅰ서 론

일반적으로 항공기 탑재 안테나는 주파수에 따라 매입형과 돌출형, 방향에 따라 특정 방향에만 송수신 가능한 지향성, 그리고 기상레이더용, 통신용 무지향 성 안테나 등이 있다. 항공기 안테나는 공기 저항을 줄이기 위해 기체의 외관 일부를 안테나로써 사용하 거나 기체 내부에 매입하는 형태가 주를 이룬다. 설 계 주파수가 낮아지면 안테나의 크기가 커지게 되므 로, 기체 외부에 장착하기 적합하도록 주로 형태가 작은 VHF, UHF 대역 이상의 안테나가 이용된다.

따라서 항공기 탑재에 적합한 안테나로써 고속 으로 비행하는 동안 공기의 저항을 최소화 하도록 저자세의 안테나가 요구되며, 통신용 안테나로써 전방향성 방사패턴을 가지는 것이 바람직하다. 이 러한 조건을 만족하는 안테나는 항공기용으로써, V/UHF 대역에서항공기의 꼬리 날개와 같은 형태의 블레이드 안테나, 모노폴 안테나 등이 있다. 또한 안테나 어레이, 튜닝 회로를 위한 시스템 설계 등을 통해 송수신 기능이 용이하도록 하였다.

현재 무인 항공기에 많이 탑재되고 있으며, CLAS (Conformal Load-bearing Antenna Structure) 시스템으 로도 불리는 스마트 스킨은 무게가 가볍고, 구조적, 전기적인 효율을 증가시킬 수 있다(Lockyer et al., 1999; 1995)[1-2]. 하지만 항공기 동체에 의해 안테 나의 성능이 감소되는 문제점을 가질 뿐만 아니라 하중에 의한 항공기 구조 변형이 발생하는 경우에, 안테나 특성이 저하될 수 있다(Yeo et al., 2011)[3].

<Fig. 1>에는 무인 항공기 탑재용 안테나를 비행 진행 방향에서 수직인 날개 하단에 내장할 경우, 구 조 변형 전 후의 예상되는 방사패턴을 나타내었다. <Fig. 1(a)>에 나타낸 바와 같이, 무인항공기의 날개 가 항력에 의해 변형되지 않았을 경우, 합성된 안테 나의 방사패턴이 지면을 수직으로 향한다고 가정하 면, <Fig. 1(b)>에 나타낸 바와 같이 무인항공기의 날개가 변형되었을 경우, 합성된 방사패턴은 수직 방향에서 벗어나게 된다. 이러한 경우, 예측된 변위 및 기울기를 고려하여 안테나 빔을 보상할 수 있는 어레이 안테나가 필요하다. 기존에 연구된 바로, 네 덜란드 국립항공우주연구소의 날개의 변형에 따른 배열 안테나 정보를 획득하기 위한 안테나 구조[4] 는 송신안테나 신호를 이용한 것으로 실제 시스템 에 적용이 어려운 단점이 있다(Schippers, 2010). 빔 보상은 비행체의 구조 변형에 의해 변화된 배열 안 테나의 빔을 배열 안테나의 각 위치마다 구조 변형 정보를 획득하여 이들로부터 각 배열안테나에 급전 위상을 보상함으로써 가능하다(Park et al., 2015)[5]. 이와 같은 무인항공기를 설정하여 항공기 날개 변 형에 따라 빔 보상을 실현하기 위해서는 다수의 배 열 안테나에 대해 무엇보다도 기본이 되는 1×2 배 열 안테나에 대한 빔 보상 검증이 가장 중요하다.

따라서 본 논문에서는 X-band(중심주파수 9.375 GHz)에서 배열 안테나의 가장 기본이 되는 1×2 배열 마이크로스트립 패치 안테나에 위상천위기를 부착시켜 빔 조향 특성을 연구하였다. 이를 위해 먼저 전력분배 기를 설계하여 1×2 마이크로스트립 배열 안테나의 S-parameter, 방사특성을 확인하고, 최종적으로 위상천 위기와 전력분배기 단을 안테나와 비아 홀을 이용하여 이중기판 상에 컴팩트하게 일체화 시켰다. 이들 연구 결과에 대해 기술하고자 한다.

Ⅱ본 론

11×2 배열 마이크로스트립 안테나 설계

마이크로스트립 패치 안테나는 낮은 평면 형태 의 구조를 가지며 에칭을 통하여 쉽게 제작이 가능 하다. 또한 배열 시 전력분배기를 안테나와 함께 설 계가 가능한 특징을 가지고 있다. 마이크로스트립 안테나로부터의 편파는 선형편파, 원형편파 어느 것이나 설계 및 제작이 가능하다. 본 논문에서 편파 는 수직 선형 편파를 임의로 채택하였다. 먼저, 마 이크로스트립 패치 배열 안테나의 기본이 되는 1 소자 마이크로스트립 패치 안테나를 시뮬레이션 및 제작하여 그 특징을 살펴보았다. 이 때, 중심주파수 는 레이더에서 주로 사용되는 X-band 중 하나인 9.375 GHz로 설정하였다. 설계된 안테나는 뒷면에 서부터 프로브 급전 하였다.

패치 폭은 <Fig. 2(a)>에 나타낸 바와 같이 9.375 GHz 공진주파수에서 9.8 mm × 10.3 mm(0.30 λ × 0.32λ)이며, 임피던스 매칭을 위한 패치의 슬롯 s는 1 mm, 50 Ω 전송선로 폭 w는 2 mm로 설정하였다. 그라운드의 크기는 25.6 mm × 25.6mm(0.8 λ × 0.81 λ)이다. 이 때 기판은 TACONIC 사의 TLX-9 (ε_r = 2.5, tanδ = 0.0019)을 이용하였으며, 기판의 두 께는 0.8 mm이다.

설계된 마이크로스트립 패치 안테나의 반사손실 을 <Fig. 2(b)>에 나타내었다. 반사손실은 설계 주파 수 9.375 GHz에서 시뮬레이션 결과 –22.3 dB, 측정 결과 –16 dB로 임피던스 매칭이 잘 이루어졌으며, -10 dB 대역폭은 각각 258 MHz(2.74 %), 230 MHz(2.56 %)를 얻었다.

<Fig. 3>에는 설계된 마이크로스트립 패치 안테 나의 시뮬레이션 및 측정된 H-plane 방사패턴결과 를 비교하여 나타내었다. 시뮬레이션 된 최대이득 은 0°에서 7.2 dBi로 브로드사이드 형태의 방사패턴 이 나타났다. 실제 제작된 안테나 방사패턴 측정결 과 시뮬레이션과 유사한 브로드 사이드한 방사특성 을 얻었으며 최대이득은 6.4 dBi를 얻었다.

다음은 이와 같은 1 소자 안테나를 기본으로 하 여 1×2 배열 마이크로스트립 패치 안테나를 설계 하였다. 이 때, 배열에 필요한 적합한 구조의 전력 분배기를 선정하였다. 설계된 전력분배기와 1×2 배열 마이크로스트립 패치 안테나를 결합한 구조를 <Fig. 4(a)>에 나타내었다. 이 때, 기판은 TACONIC 사의 TLX-9 (ε_r = 2.5, tanδ = 0.0019)을 이용하였으 며, 기판의 두께는 0.8 mm이다.

<Fig. 4(a)>에 나타낸 바와 같이, 안테나의 그라운 드 크기는 25.6 mm × 51.2 mm(0.8 λ × 1.6 λ), 패 치 안테나는 25.6 mm 간격으로 배열하였고, 크기는 9.8 mm × 10.3 mm(0.30 λ × 0.32λ)이다.

전력 분배기는 위상천위기 선로와 정합이 용이 하도록 윌킨슨 구조를 채택하였다. 전력분배기의 그라운드의 크기는 30 mm × 45 mm(0.94 λ × 1.41 λ)이다. 임피던스 매칭을 위한 50 Ω 전송선로 폭은 1.6 mm로 설정하였다.

<Fig. 4(b)>는 실제 제작한 안테나와 전력분배기 의 구조를 나타내었다. <Fig. 4(c)>는 시뮬레이션 및 측정된 S11 결과이며, 설계 주파수 9.375 GHz에서 시뮬레이션 결과는 –22.3 dB, 측정 결과는 -11.9 dB로 입력 임피던스가 매칭 되었음을 확인하였다.

다음으로, 안테나 빔 조향을 위한 위상천위기 단 을 설계하였다. 아날로그 위상변위기는 소형화가 어렵고 응답속도가 느린 단점 때문에 어레이 안테 나 신호 보상 회로에 부적절 하다고 판단된다. 따라 서 본 연구에서는 디지털 위상변위기를 사용하고자 한다. 디지털 위상변위기는 페라이트를 이용하는 방식과 반도체를 이용하는 방식이 있다(Gilles and Khelifa, 2008)[6]. 페라이트 위상변위기는 펄스 전류 에 의해 스위칭 되므로 반도체 위상변위기에 비해 전력소모가 적다. 하지만 스위칭 시간이 길고, 온도 에 따라 위상 오차가 발생하는 단점이 있다. 반면 반도체 위상변위기는 바이어스 전류가 계속 흘러야 하므로 비교적 전력소모가 크지만 스위칭 속도가 빠르며 온도에 따른 위상 오차도 무시할 수 있을 정도로 작다. 항공기는 시시각각 변하는 상황에 빠 르게 대처해야하고 비행 중 환경변화도 크기 때문 에 저 전력을 사용하고 스위칭 속도도 빠르며 온도 변화에 둔감한 반도체 위상변위기가 연구 목적에 적합하다고 판단된다. 또한 항공기 구조 변형에 의 해 요구되는 빔 보상 각도와 범위는 ±40° 이내이 며 이 범위의 빔 보상에도 적합하다고 판단된다. 따 라서 목적에 적합한 위상천위기로 MA-COM 사의 MAPS-010166을 채택하였다.

<Fig. 5>에 나타낸 바와 같이 D1~D6까지 포트에 DC 전압을 인가하여 위상을 천이시킬 수 있으며, 이를 조합하여 5.6° 이상의 각도를 변화시킬 수 있 다. 기본 규격과 각 포트에 따라 변화되는 값을 <Table 1>, <Table 2>에 정리하였다. 실제 단품 테스 트를 통해 위상차와 오차를 측정한 결과를 나타내 었다.

<Table 1>에서 볼 수 있듯이, 위상천위기의 최대 손실은 9 dB까지 고려됨을 확인할 수 있고, <Table 2>에는 측정된 위상오차를 나타냈으며, 평균 2.3° , 최대 8.3° 임을 확인할 수 있다.

2모듈화 된 1×2 배열 마이크로스트립 안테나

<Fig. 4(a)>에 나타낸 1×2 배열 마이크로스트립 패치 안테나와 위상천위기 단을 결합시킨 구조를 <Fig. 6(a)>에 나타내었다.

<Fig. 6(b)>에서 볼 수 있듯이, 위상천위기가 연 결되지 않았을 때 최대이득은 0°에서 12 dBi, 위상 천위기 단을 연결했을 경우에는 –0.9 dBi로 위상천 위기와 불필요한 방사로 인한 손실이 12.9 dB임을 확인할 수 있으며, 이 때 사이드로브 및 백로브가 매우 큰 문제점이 발생하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 위상천위기와 전력분배기 단을 <Fig. 7(a)>에 나타낸 바와 같이 금속으로 차폐시켜 방사패턴을 재 측정하였다.

최종 설계한 구조와 차폐 유무에 따른 방사패턴 을 비교하여 <Fig. 7(b)>에 나타내었다.

측정 결과, 차폐 효과를 통해 위상천위기 단과 전력분배기 단에서 나오는 불필요한 방사를 최소화 시키고, 메인 로브는 0° 방향에서 0.3 dB 개선된 – 0.6 dBi로, 좌우 대칭인 안정된 방사패턴을 얻었다. 또한 180° 방향에서 사이드 로브가 18.8 dB 감소되 었으며, 이를 통해 금속 차폐를 이용하여 사이드로 브를 감소시켜 상당한 성능 개선 효과를 얻었다.

다음으로, DC 급전 딥 스위치를 이용하여 하나 의 패치 안테나의 위상만을 천이시켜 <Fig 7(a)> 안 테나의 방사패턴을 측정한 결과를 <Fig. 8>에 나타 내었다.

DC 급전 스위치를 통해 위상천위기를 동작시켜, 22.5°, 45°, 90°, 39.8° 위상차를 주었을 때 계산 결과 안테나 패턴의 메인 로브가 최대 4.6°, 9.2°, 18.6°, 39.8° shift 됨을 예상할 수 있으며, <Fig. 8>의 측정 결과에서 볼 수 있듯이, 위상천위기 손실만을 제외 하고 시뮬레이션과 유사한 패턴을 확인할 수 있다. 그림 4의 구조에서 이득이 6.4 dBi 인 것에 비해 7 dB 낮게 나타난 것은 순수한 위상천위기의 손실 이 7 dB라고 할 수 있다. 이는 표 1에 제시된 위상 천위기 규격에서 삽임손실 최대 9 dB 이내에 해당 되며 이러한 빔 조향으로부터 수신안테나로써 주빔 조향에 의한 수신 레벨 확보 및 영점 조향에 의한 방해파 억제가 가능함을 확인하였다.

3이중기판 1×2 배열 마이크로스트립 안테나

앞 절에서 기술한 모듈화 된 1×2 배열 안테나를 비아홀을 이용하여 <Fig. 9>와 같이 이중기판 TACONIC 사의 TLX-9 (ɛr = 2.5, tanδ = 0.0019)을 이용하여 단일모듈로 제작하였고, 그 특성을 기술 하고자 한다.

안테나 구조는 앞면은 어레이 안테나, 뒷면은 위 상 천위기 부착을 위한 RF 선로와 전력분배기를 배 치시켜 이를 연결하였다. RF 선로가 위치한 뒷면의 경우, 위상천위기 IC의 RF 연결 단자와 매칭 시키 기 위해 50 Ω 선로 폭을 고려하여 0.2 mm 기판을 이용하여 설계하였다. 또한 뒷면의 경우 불필요한 방사를 최소화하기 위해 차폐를 위한 금속판을 볼 트를 이용하여 체결하였습니다.

<Fig. 10>에는 DC 급전에 의한 위상차가 0°인 경 우, 설계된 이중기판 안테나의 방사특성을 나타내 었다. 측정 결과 최대 이득은 0.7 dB 향상된 0.1 dBi 로, 메인 로브는 좌우 대칭이며 사이드 로브가 억제 된 형태의 방사 특성을 얻을 수 있었다.

따라서, 비아홀을 이용한 안테나와 RF 선로가 연 결된 이중기판 구조의 배열 안테나를 최종 설계하 였으며, 금속판을 이용한 차폐를 통해 불필요한 방 사를 최소화시켜 안정된 방사특성을 얻었다.

Ⅲ결 론

본 논문에서는 항공기 날개가 하중에 의해 구조적 변형이 있을 경우, 변화된 안테나 빔을 어레이 안테 나의 전기적 위상을 조절함으로써 능동적인 빔 보상 이 가능한 어레이 안테나의 기본을 설계하였다.

먼저, 기본형 마이크로스트립 안테나를 설계하 고, 다음으로, 안테나와 위상천위기, 전력분배기로 모듈화 된 1 × 2 배열 마이크로스트립 패치 안테 나를 설계하였다. 이 때, 각각의 소자들이 안테나 패턴에 미치는 영향을 분석하고 불필요한 방사를 최소화하기 위해 위상천위기와 전력분배기를 금속 으로 차폐시켰다. 그 결과, 22.5°, 45°, 90°, 180° 위 상차에 의해 예상된 4.6°, 9.2°, 18.6° 39.8°의 빔 조 향 특성을 얻었다.

다음으로 비아홀을 이용하여 안테나와 전력분배 기를 연결한 이중기판 1 × 2 마이크로스트립 패치 안테나를 단일 모듈로 설계하였다. 뒷면인 전력분 배기와 위상천위기를 금속판을 이용하여 차폐시키 고, 기존에 설계한 안테나의 특성과 비교했을 때, 좌우 대칭적 패턴 특성을 얻었으며, 메인 로브는 0° 방향에서 3.9 dB 개선되었고, 220° 방향에서 가장 큰 사이드 로브 레벨을 13.1 dB 억제시키는 효과를 얻었다.

따라서 제안된 1 × 2 배열 마이크로스트립 패치 안테나의 경우, 저자세를 가지며 위상천위기를 이 용하여 안테나의 구조적 변형에 의한 빔을 능동적 으로 보상이 가능함을 보였으며, 이를 토대로 다수 의 배열 안테나로의 확장에 필요한 기초적인 안테 나 특성을 파악하였다. 또한 실제 구조물 변형 시 고려해야 할할 전력분배기, 위상천위기에서 발생하 는 불필요한 방사를 최소화할 수 있도록 하는 설계 방법을 확보하였다.