이중 직교 원형편파 도파관 안테나

Ⅰ. 서 론

사용자에게 위치 및 항법, 시각 정보를 제공하는 위성항법시스템은 4차 산업혁명 시대가 도래함에 따라 미래 국가 성장 동력의 핵심 인프라로 주목받고 있다. 내비게이션 등 주로 사용하던 길 안내 서비스 정도에 머물렀던 위성항법 서비스의 활용 분야는 위성, 통신, 금융, 국방, 해양 등 사업의 전 분야로 급속히 확대되고 있으며, 자율주행자동차의 주행 안전도를 높이기 위한 V2X 기술과 연계한 위치측위 용도로 활용되고 있다. 현재 운용 중인 위성항법시스템은 각 국가의 상황과 특성에 따라 필요한 서비스가 다르기 때문에 다양한 주파수 대역이 활용되고 있다^[1],[2].

위성항법 시스템은 1.164~1.3 GHz와 1.559~1.61 GHz 대역에서 주로 동작한다. 개별 위성항법 시스템들은 협대역 신호를 사용하지만, 재밍과 정밀 위치 분석 등의 기능 향상을 위해 둘 이상의 주파수 대역을 사용하거나, 이중 직교 원형편파 특성을 활용하기도 한다^[2]~[4]. 이에 자동차에 장착된 위성항법 관련 제품의 성능 시험과 서비스 검증을 위하여 차폐된 테스트베드 환경에서 실제 위성 신호를 모사할 수 있는 장비가 필요하다.

본 논문에서는, 챔버 환경에서 실제 GNSS 신호를 구현하기 위한 이중 직교 원형편파 도파관 안테나를 제안한다. 제안하는 안테나는 원형 편파 특성 구현을 위한 편파 변환기와 광대역 특성 구현을 위한 동축-도파관 트랜지션으로 구성된다.

Ⅱ. 안테나 설계

그림 1은 광대역 특성을 갖는 동축-도파관 트랜지션 구조이다. 도파관 내부의 동축 내심 다단 구조를 이용하여 광대역 특성을 구현한다^[5],[6]. 도파관 크기는 해당 주파수 대역에서의 규격인 WR-650(165.1×82.55 mm) 대신 160×80 mm 크기로 설정하였다.

그림 1. | Fig. 1. 트랜지션 구조 | Transition structure.

Download Original Figure

그림 2는 트랜지션의 설계 파라미터 변화에 따른 S₁₁ 특성을 보여준다. 공진 주파수는 동축 내심 길이인 hf에 가장 큰 영향을 받고, 도파관의 단락 스터브 길이 Ls와 둥축 내심의 다단 두께인 반경 ri2는 공진 주파수와 임피던스 정합에 동시에 영향을 준다. 동축 내심의 다단 부분의 높이 hf2는 임피던스 정합에 가장 큰 영향을 준다. 설계된 트랜지션 파라미터 값은 표 1과 같다. 각 파라미터 특성을 분설할 때 다른 파라미터들은 표 1 값으로 고정하였으며, 파라미터를 순차적으로 변화시키며 최적화 하였다.

그림 2. | Fig. 2. 트랜지션 S₁₁ 특성 | Transition S₁₁ characteristics.

Download Original Figure

그림 3은 편파변환기 구조와 편파 원리를 보여준다. 그림 3(a)와 같이 입력 포트(포트 1과 포트 2)는 160×80 mm 크기 직사각형 도파관이고 출력 포트(포트 3과 포트 4)는 160×160 mm 크기 정사각형 도파관 구조로 구성된다. 두 입력 포트는 다단 septum 구조를 이용하여 구분하고, 그림 3(c) 및 그림 3(d)처럼 각각의 입력포트에 신호가 인가되었을 때, 다단 septum 구조로 인하여 RHCP와 LHCP의 원형편파를 갖게 된다. 출력 포트는 정사각 개구면에 수직과 수평 편파로 직교 특성을 갖는다^[7]~[9]. 직교 특성을 혼 안테나에 적용하여 이중 직교 원형 편파 도파관 안테나가 구현된다. 다단 septum 편파 변화기 설계 파라미터는 표 2와 같다.

그림 3. | Fig. 3. 다단 septum 편파변환기 구조와 편파 원리 | Stepped septum polarizer structure and principles of CP.

Download Original Figure

Ⅲ. 안테나 제작 및 특성

그림 4는 제작된 혼 안테나이다. 그림 1의 트랜지션 구조와 그림 3의 다단 septum 구조를 적용한다. 개구면의 크기는 300×300 mm이고, 100 mm 길이를 갖는다. 혼 안테나는 2개의 부분과 다단 septum 구조를 조립하여 제작하였으며, N-타입 커넥터로 급전하였다. 그림 5는 제작된 안테나의 설계 결과와 측정 결과를 비교하였다. 두 입력 포트는 대칭 구조이기 때문에 특성 또한 대칭 특성을 갖는다.

그림 4. | Fig. 4. 제작된 안테나 구조 | Fabricated antenna structure.

Download Original Figure

그림 5. | Fig. 5. 측정된 S 파라미터 특성 | Measured S-parameters.

Download Original Figure

그림 6은 제작된 안테나의 측정된 안테나 이득과 축비 특성을 보여준다. GNSS 전대역에서 축비는 3 dB 이하이고, 이득은 12~14 dBic 특성을 갖는다.

그림 6. | Fig. 6. 제작된 안테나 이득과 축비 | Fabricated antenna gain and axial ratio.

Download Original Figure

그림 7은 제작된 안테나의 방사 패턴 특성을 보여준다. 포트 1 입력 신호는 RHCP 특성을 갖고, 포트 2 입력 신호는 LHCP 특성을 갖는다.

그림 7. | Fig. 7. 제작된 안테나 방사 패턴 특성 | Fabricated antenna radiation patterns.

Download Original Figure

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 GNSS 대역에서 사용되는 광대역 이중 직교 특성의 원형 편파 혼 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 광대역 임피던스 특성을 위해 동축 내심의 다단 스텝 구조를 이용하였고, 광대역 축비 구현을 위해 다단 septum 구조를 이용하였다. 구현된 안테나는 GNSS 대역에서 RHCP와 LHCP 특성을 동시에 갖도록 이중 직교 특성으로 설계되었다. 제안된 안테나는 이중 직교 원형편파 특징을 갖는 실제 위성 신호를 차폐된 테스트베드 환경에서 구현하여 자율주행자동차에 장착되는 V2X 통신 성능 검증에 활용 가능하리라 판단된다.