I-모양 슬롯 섭동과 수직한 급전구조를 이용한 원형 편파 마이크로스트립 안테나

Ⅰ. 서 론

적은 비용으로 제작과 발사가 용이한 큐브위성(CubeSat)이 활성화되어, 그 어느 때보다도 많은 큐브위성에 사용되는 다양한 안테나에 대한 연구 및 개발이 수행되고 있다^[1]. 이러한 위성통신을 위해서는 다중경로 페이딩(fading), 전리층과 같은 지구의 대기에 의한 전파장애, 그리고 통신환경에서의 간섭을 최소화하는데 유리한 원형 편파가 사용된다^[2]. 또한 선형 편파와 달리 원형 편파는 편파면의 일치에서 자유롭다는 이점이 있다.

마이크로스트립 안테나는 소형화 및 경량화가 쉬운 장점과 저비용 제작이 쉬워 많은 무선통신 기기에 사용이 되고 있다^[3]. 단일급전을 사용하여 마이크로스트립 원형 편파 안테나를 구현하기 위해서는 섭동을 이용하여 대각선 방향으로 크기가 같고, 90도 위상차이를 갖는 degenerate 모드를 발생시키는 방법이 사용된다^[4]. 그러나 원형 편파로 동작하는 대역폭이 협소한 단점을 가지고 있다.

본 논문에서는 종래의 단일 급전구조를 수직급전구조로 변형하고, 대각선 방향으로 발생하는 크기가 동일하고 90도의 위상차이를 가지는 주파수를 접지면의 I-모양의 슬롯을 이용하여, 공진주파수를 조절하여 원형 편파를 구현할 수 있는 안테나 구조를 제안하였다. 이어지는 본문에서는 제안한 안테나의 동작 원리를 기술하고, 이를 바탕으로 모의실험, 제작 및 측정 결과에 대하여 구체적으로 서술하겠다.

Ⅱ. 안테나 구조 및 설계

제안한 원형 편파 안테나는 그림 1에서 볼 수 있듯이, 유전체 기판 상단부의 정사각형 패치와 3 dB 전력분배기 역할을 하는 수직한 급전구조, 그리고 접지면에 위치한 I-모양의 슬롯으로 구성되어 있다. 수직한 급전은 참고문헌 [5], [6]에서 볼 수 있듯이, 급전위치에 따라서 수평 및 수직선형 편파를 가지는 두 개의 공진을 발생시킨다. 전력이 y축에 인가되는 경우 슬롯이 H-모양으로 보이게 되어 수평선형 편파를 발생시키며, x축에 인가되는 경우 I-모 양으로 보이는 슬롯으로 인해 수직한 선형 편파를 발생시키게 된다. 이때, y축 급전으로 인한 공진 주파수가 더 낮고 두 공진주파수가 근접하기 때문에 좌회전원형 편파 안테나로 동작하게 된다. 따라서 슬롯의 기하학적 모양을 바꾸어 x축 급전의 수직선형 편파를 더 낮은 주파수에서 공진 하도록 만들면 우회전원형 편파를 구현할 수 있다. 이러한 구조는 l/4의 위상지연을 위한 구조가 없이도 원형 편파를 구현할 수 있는 장점이 있으며, 종래의 단일급전 원형 편파 안테나와 같이 대각선 방향의 degenerate 모드 주파수를 이용하지 않는 새로운 원형 편파 구현 방법이다. 또한 degenerate 모드를 조절하기 위해 패치길이의 변경 없이 독립적으로 두 모드를 변화시킬 수 있다^[5],^[6]. 또한, 접지면에 슬롯이 위치하기 때문에 패치면에 슬롯이 위치한 안테나보다 대역폭 및 안테나 이득이 증가하는 장점이 있다^[7]. 제안한 안테나의 경우 슬롯이 패치면에 있을 때보다 접지면에 있는 경우, 안테나 이득 및 대역폭이 각각 3.53 dB, 0.5 % 증가하였다. 여기에 동일한 면적의 사각형 및 사각링 슬롯과 비교하여 감소된 공진 주파수를 제공할 수 있다.

그림 1. | Fig. 1. 제안한 원형 편파 안테나 구조 | Configuration of the proposed circular polarized antenna.

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그림 2는 제안한 안테나의 위상변화에 따른 전류 분포도를 보여주고 있다. 모의실험환경으로 비유전율 4.3, 두께 1.6 mm를 갖는 유전체 기판을 사용하였다. 수직한 급전구조는 기판의 뒷면에서 50 동축선을 직접 연결하고, 동축선 종단에는 두 갈래로 나누어진 설계가 단순한 100 Ω 마이크로스트립 전송선을 이용한 3 dB 전력분배기를 배치하였다. 방사체와 전력분배기 사이에는 임피던스 변환기를 이용하여 이중 급전 구조를 구현하였다. 정사각형 패치의 한 변의 길이 p는 24 mm이고, 접지면에 위치한 I-모양 슬롯의 길이 l은 16.5 mm, 폭 w는 9.9 mm, 두께 s는 1.5 mm, 그리고 금속과 금속사이의 간격 g는 0.2 mm로 2.2 GHz에서 동작하도록 설계하였다.

그림 2. | Fig. 2. 위상변화에 따른 전류 분포도 | Current distributions as variation of the phase.

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위상이 변화함에 따라 전류가 시계 방향으로 회전하며, 좌회전 편파(left-handed circular polarization)가 발생함을 알 수 있다.

Ⅲ. 안테나 제작 및 측정

그림 3은 모의실험 결과를 검증하기 위해 FR4(ε_r = 4.3) 기판에 제작한 안테나를 촬영한 사진이다. 안테나의 접지 면은 큐브위성에 집적이 가능한 크기인 가로와 세로의 길이 각각 94 mm로 제작하였다.

그림 3. | Fig. 3. 제작한 안테나 사진 | Photograph of the proposed antenna.

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그림 4는 제안한 안테나의 모의실험 및 측정한 반사계수의 결과를 도식한 것이다. 중심주파수 2.21 GHz에서 반사계수는 −10.27 dB이며, −10 dB를 만족하는 임피던스 대역폭은 2.203 GHz에서 2.294 GHz로 91 MHz를 나타내었다.

그림 4. | Fig. 4. 제안한 안테나의 반사계수 | Reflection coefficient of the proposed antenna.

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그림 4에 나타난 바와 같이, 안테나 반사계수 측정결과 는 모의실험 결과와 비교하여 유사하게 나타났음을 알수 있다.

그림 5는 제안한 안테나의 모의실험 및 측정한 축비와 이득을 도식한 것이다. 안테나의 3D 방사특성은 5.5×5.5×5 m3 크기의 전자파 무반사실에서, 방위각(θ)과 양각(ϕ)을 각각 5도 단위로 측정하였다. 그림 5(a)에서 알 수 있듯이, 축비는 중심주파수 2.21 GHz에서 0.938 dB로 측정되었으며, 3 dB를 만족하는 대역폭은 2.200 GHz에서 2.225 GHz로 약 25 MHz를 나타내었다.

그림 5. | Fig. 5. 제안한 안테나의 축비와 이득 | Axial ratio and antenna gain of the proposed antenna.

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또한 그림 5(b)에서 보이는 바와 같이, 최소 축비를 나타내는 2.210 GHz에서 0.844 dBic의 최대이득이 측정되었다.

그림 6(a)와 그림 6(b)는 2.21 GHz에서 측정한 방사패턴을 도식한 것이다. 모의실험 및 측정 결과, 일반적인 마이크로스트립 안테나의 방사패턴과 동일하게 +z축 방향에서 최대 이득이 발생하며, 측정 편차 내에서 측정결과와 모의실험 결과, 모두 잘 일치하였다. 또한 그림 6(a)와 그림 6(b) 모두 좌회전 편파로 동작하는 것을 알 수 있다.

그림 6. | Fig. 6. 제안한 안테나의 방사패턴 | Radiation patterns of the proposed antenna.

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Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 단일급전구조를 수직한 급전구조로 변형하고, 90도의 위상 차이를 발생시키는 부가적인 회로 없이 접지면의 I-모양의 슬롯을 섭동으로 이용하여, 크기가 같고 90도의 위상 차이를 갖는 수직한 두 개의 주파수 를 조절하여 원형 편파를 발생하는 마이크로스트립 안테나를 제안하였다. 모의실험 및 측정실험을 통해 제안한 안테나는 좌회전 편파가 방사함을 확인하였다. 제안한 안테나는 소형 경량화에 최적화된 큐브위성의 통신시스템에 적용 가능할 것으로 판단된다.