위성통신용 S 대역 공유 개구형 이중 원형 편파 배열 안테나

I. 서 론

소형 위성은 우주산업에서 주목을 받고 있으며 지상국과 안정적인 업/다운 링크 동작이 가능하고 원형 편파로 동작하는 소형 안테나가 필요하다^[1]. 이러한 성능 특성은 패치를 활용해 구현하는 것이 일반적이다^[2]. 특히 커플러를 활용한 이중 원형 편파를 구현한 최신 문헌들은 넓은 대역폭 성능을 확인할 수 있다^[3],[4]. 하지만 넓은 대역폭과 높은 방사 효율 특성을 만족하고 간단한 구조를 구현하기 위해서는 추가적인 개선이 필요하다. 따라서 본 연구는 하이브리드 커플러 급전 및 적층 구조를 적용하여 이중 원형 편파로 동작하는 공유 개구 소형 안테나를 제안한다. 설계한 안테나는 4×4 배열 안테나로 확장하였다. 설계한 단일 소자는 S 대역 업/다운 링크를 모두 포함하고 6.5 dBic 이상의 이득 특성을 확보하였다. 설계한 배열은 순차 급전 구조를 적용하여 안정적인 원형 편파 특성을 나타내며 −6 dB 이하의 능동 반사 계수 조건에서 고각과 방위각 방향으로 ±30°까지 조향할 수 있다.

Ⅱ. 안테나 구조 및 설계 과정

최종 설계한 단일 안테나는 그림 1에서 확인할 수 있다. 기본적으로 50 Ω 마이크로 스트립 선로와 연결된 하이브리드 커플러 및 2개의 직교 슬롯을 통해 급전한다. 이때 각 슬롯은 비대칭 구조이다. 2개의 포트는 서로 77.5° 또는 102.5°의 위상 차이에서 가장 좋은 방사특성을 형성하는 것을 최적화 과정을 통해서 확인했다. 이를 위해서 커플러의 1번 포트 경로를 4 mm 더 확장하였다.

그림 1. | Fig. 1. 제안한 단일 안테나 구조 | Configuration of proposed element.

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전체 구조는 상대 유전율이 3.0인 타코닉 RF-30A 기판 4개 및 상대 유전율 2.32인 저손실 프리프레그를 사용하여 적층하였다. 이때 임피던스 대역폭 향상을 위해서 6 mm 두께의 에어 폼을 패치 사이에 형성하였다. 제안하는 안테나 설계 변수는 표 1에서 확인할 수 있다.

그림 2는 설계한 단일 안테나에 순차 급전을 적용하여 4×4 배열 안테나로 확장 설계한 결과이다. 각 소자는 중심 간 간격이 70 mm로 동일하게 이격되어 있다. 순차 급전은 배열 중심을 기준으로 2×2 배열 안테나를 90°씩 회전시켜 형성하였다. 각 부 배열은 90°씩 위상 차이를 주어 급전하며 위상 차이 발생 시 서로 다른 방향으로 인가할 경우 각각 LHCP 및 RHCP를 형성할 수 있다.

그림 2. | Fig. 2. 제안한 배열 안테나 형상 | Geometry of proposed array antenna.

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Ⅲ. 안테나 성능 및 측정 결과

설계한 안테나의 프로토 타입을 제작하였고 이를 그림 3에서 확인할 수 있다. 제작 후 무반향 챔버에서 원거리 장 측정을 진행하였다.

그림 3. | Fig. 3. 제작한 단일 안테나 및 배열 안테나 | Fabricated single antennas and array antennas.

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그림 4에서 단일 안테나의 시뮬레이션 및 측정 결과를 확인할 수 있다. 그림 4(a)는 S-parameter 결과이다. 포트 1은 측정에서 1.83~2.4 GHz(26.95 %)를 달성하였고. 포트 2에서는 1.9~2.24 GHz(23.26 %)를 확보하였다. 그림 4(b)는 축비 특성 결과이며 포트 1, 2 모두 임피던스 정합 대역 내에서 3 dB 이하의 축비를 확인할 수 있다. 결과적으로 실현 이득은 포트 1, 2에서 모두 6.5 dBic 이상을 확보하였고 이를 그림 4(c)에 나타내었다.

그림 4. | Fig. 4. 단일 안테나의 시뮬레이션 및 측정 결과 | Simulated and measured results for proposed antenna.

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그림 5를 통해 2.1 GHz에서 확인한 단일 안테나의 방사 패턴 결과를 확인할 수 있다. 포트 1에서는 LHCP로 동작하며 RHCP 성분과 23 dB 이상의 이격도를 유지한다. 포트 2에서는 RHCP로 동작하며 LHCP 성분과 18 dB 이상의 이격도를 유지하며 높은 편파 순도를 확보하였다.

그림 5. | Fig. 5. 2.1 GHz에서의 단일 안테나의 방사 패턴 결과 | Radiation pattern for element antenna at 2.1 GHz.

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그림 6은 배열 기준 브로드사이드 방향 방사 및 30° 조향에 대한 안테나의 능동 반사 계수 결과이다. 그림 6(a)에서 배열 중심 소자인 11번 포트 및 12번 포트의 결과와 그림 6(b)에서 외곽 소자인 1, 2번 포트 결과를 확인할 수 있다. 해당 소자에 대한 능동반사 계수를 측정하는 과정에서 다른 소자의 모든 포드는 50 Ω으로 종단하였다. 결과를 통해 동작 대역 내에서 −6 dB 이하의 안정적인 능동 반사 계수 특성을 확인할 수 있다.

그림 6. | Fig. 6. 배열 중심 소자의 능동 반사 계수 측정 결과 | Active S-parameter results of the center element of the array.

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그림 7은 1.98 GHz 및 2.10 GHz에 대한 빔 조향 결과를 나타낸다. 측정 결과는 Active element pattern을 이용하여 도출한 결과이다. 홀수 포트는 LHCP로 동작하며 짝수 포트에 대한 방사 패턴은 RHCP로 동작한다. 시뮬레이션과 측정 결과 모두 30° 조향까지 이중 원형 편파 동작 특성을 확인할 수 있다.

그림 7. | Fig. 7. 배열 안테나의 방사 패턴 결과 | Far-field measurement of array antenna.

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Ⅳ. 결 론

직교 하이브리드 커플러와 다층 적층 패치 구성을 통합하여 이중 원형 편파 안테나를 설계하였다. 제안하는 안테나는 이중 포트를 사용하며 다운 링크(1.98~2.01 GHz) 및 업 링크(2.17~2.20 GHz) 주파수 대역에서 −10 dB 미만의 임피던스 대역폭, 3 dB 미만의 축비, 그리고 6.5 dBic 이상의 이득 특성을 달성하였다. 각 포트에서 형성한 방사패턴은 교차 편파와 18 dB 이상의 이격도를 형성한다. 이후 단일 소자 성능을 기반으로 빔 조향을 지원하는 4×4 위상 배열을 설계하였다. 설계한 배열 안테나는 능동 반사 계수 −6 dB 미만을 유지하며 고각 및 방위각에서 최대 30°까지 효과적인 빔 조향이 가능하고 안정적인 이득 성능을 보였다. 제안한 이중 원형 편파 안테나는 S 대역에서 견고한 성능을 제공하며, 편파 다양성, 넓은 대역폭 및 전자식 빔 조향이 필요한 위성통신 시스템에서 유용하게 활용할 수 있을 것으로 기대한다.