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로켓, 항공기, 무인기, 미사일, 포탄 등의 비행 시험 시 지상국과 발사체간의 텔레메트리를 통해 정보를 원격으로 수신한다[1][2]. L-대역과 S-대역의 텔레메트리 주파수의 사용증가에 따라 주파수 간섭문제가 대두되어 WRC-2007 국제회의에서 C-대역 주파수(5.091~5.150GHz, 5.925~6.700GHz)가 새로이 텔레메트리용으로 배정되었다[3].

장거리 텔레메트리 추적에는 고이득 반사경 기반의 모노펄스 기술이 사용 된다[4][5]. 장거리 무선링크에서 발생하는 다중경로 페이딩에 대처하기 위해 이중편파(선형편파 또는 원편파)가 사용된다. 이중편파 모노펄스 반사경 피드로서 교차 다이폴이 널리 사용되고 있다[6]-[8]. 교차 다이폴은 이중 원편파 반사경 안테나 급전용 [9], 다중 편파 이동통신 기지국용[10][11] 등의 용도로도 널리 사용되고 있다. 텔레메트리 안테나 피드로서의 인쇄형 교차 다이폴의 설계에 관한 연구는 매우 빈약한 실정이다.

본 논문에서는 5.09~5.15GHz 대역 텔레메트리 추적 피드용으로서 교차 다이폴 설계를 제안하고, 설계된 교차 다이폴을 적용하여 5소자 모노펄스 피드 구성안과 특성을 제시하였다. 또한 설계된 피드를 전방 급전 반사경에 적용하여 특성을 확인하였다. 설계에는 널리 사용되고 있는 CST의 Microwave Studio를 이용하였다.

그림 1은 본 논문에서 제안한 교차 다이폴의 구로서 마이크로스트립(Microstrip Line)으로 급전되는 서로 수직으로 교차하는 2개의 인쇄형 다이폴(Dipole 1, Dipole 2)과 공동으로 구성된다. 교차 다이폴을 사용하여 이중 선형편파 또는 이중 원편파 텔레메트리 추적용 피드를 구현할 수 있다. 본 논문에서는 이중 원편파용 교차 다이폴을 설계하였다. 그림 1에서 금속 공동은 교차 다이폴의 축비성능을 향상시키기 위해 사용하였다.

Fig. 1. 
Structure of the proposed crossed dipole

그림 2은 본 논문에서 제안한 교차 다이폴의 설계변수이다. 그림 2의 좌측상부에 공동의 치수가 표시되어 있다. 공동의 직경과 높이는 각각 D₃, H₂이다. 그림 2의 좌측하부에 표시된 것과 같이 다이폴이 인쇄된 기판의 폭과 높이는 각각 W₀, H₀이다.

Fig. 2. 
Design parameters of the proposed crossed dipole

그림 2의 우측상부에는 인쇄형 다이폴의 설계변수가 표시되어 있다. 기판 이면에는 다이폴 급전을 위한 그림 2의 하부에 도시된 마이크로스트립 선로가 인쇄된다. 다이폴의 길이는 W₁이며 폭은 H₄이다. 다이폴의 각 암(Arm)에는 수직으로 연결된 높이가 H₅인 금속 스트립은 뒷면 마이크로스트립 선로의 접지면으로 사용된다. 두 금속 스트립의 종단은 공동의 접지면에 의해 단락되어 벌룬으로 동작한다. 두 다이폴의 다이폴 부분 치수는 동일하다.

그림 2의 하부 좌측과 우측의 그림은 다이폴을 급전하기 위한 다이폴 기판 뒷면에 인쇄된 마이크로스트립 급전선로의 설계변수이다.

마이크로스트립 선로 하단의 입력부의 특성 임피던스는 50Ω이며 스트립의 길이 a₃, b₃를 지나서 스트립의 폭이 감소된 후 90° 꺽이고 다이폴 스트립 사이의 공극을 가로 지른 후 다시 90° 꺾여서 아래로 향한 후 길이 a₆, b₆ 만큼 진행한 후 개방형태로 종료된다. 기판은 Taconic 사의 RF-35(유전율 3.5, 손실탄젠트 0.018, 두께 0.76mm)를 사용하였다.

위와 같은 인쇄형 다이폴의 급전구조는 간단하지만 마이크로스트립과 슬롯선로의 변환부, 다이폴 급전을 위한 벌룬 부분을 겸비하고 있다. 설계변수에 따른 특성변화 분석을 바탕으로 제안된 교차 다이폴을 최적 설계하였다. 두 다이폴을 교차하여 설치하기 위해 각 다이폴의 급전점 위치를 약간 다르게 해야 한다. 이에 따라 두 다이폴의 반사계수 특성도 약간 다르게 된다. 아래에서 두 다이폴 중 1개의 주요 변수변화에 따른 다이폴의 입력 반사계수 변화를 분석하였다.

그림 3은 다이폴 길이 W₁에 따른 반사계수 특성을 보인 것이다. 여기서 다른 치수는 모두 최종 최적 설계 값이다.

Fig. 3. 
Reflection coefficient versus dipole length

다이폴 길이를 조정하여 동작 중심주파수를 변경할 수 있다. 그림 4는 다이폴과 접지면 사이의 간격 H₅에 따른 반사계수로서 다이폴의 임피던스 특성이 H₅에 민감함을 알 수 있다. 그림 5는 a₃를 변경하여 다이폴의 급전점의 위치를 조정하였을 경우의 반사 계수 변화로서 급전점을 조정하여 임피던스를 정합할 수 있음을 알 수 있다. 그림 6은 마이크로스트립 급전선로 종단 길이 a₆에 따른 다이폴의 입력임피던스 변화이다.

Fig. 4. 
Reflection coefficient versus dipole height

Fig. 5. 
Reflection coefficient versus dipole feed point

Fig. 6. 
Reflection coefficient versus length of the open end in feed line

그림 7은 공동 높이 H₂에 따른 5.12GHz에서의 이득과 축비 패턴을 보인 것이다. 공동 높이를 조정하여 보다 넓은 각도에 걸쳐 축비특성이 양호하게 할 수 있다. 최적 값은 15mm로 하였다. 두 다이폴의 반사계수 특성은 텔레메트리 추적 피드용 배열로 사용하였을 경우와 거의 유사하므로 다음 절에서 제시하였다. 표 1에 제안된 교차 다이폴의 최적치수를 제시하였다.

Fig. 7. 
Radiation pattern versus cavity height

앞 절에서 설계한 교차 다이폴을 텔레메트리 추적 반사경 안테나용 피드 설계에 적용하였다. 그림 8은 설계한 피드의 구조이며 그림 9는 평면도, 단면도 및 설계변수를 보인 것이다. 5개 소자를 원형 접지면에 배치하고 모노펄스 패턴 특성 향상을 위해 접지면 테두리에 금속벽을 설치하였다. 합패턴 소자는 피드 중앙에 배치하고, 상하소자를 이용하여 고각방향 차패턴을 형성하고, 좌우소자를 이용하여 방위각 방향 차패턴을 형성하였다.

Fig. 8. 
Structure of telemetry tracking feed

Fig. 9. 
Design parameters of telemetry tracking feed

교차 다이폴 소자 사이의 간격을 최소화하여 차패턴이 과도하게 첨예하게 되는 것을 방지하였다. 피드의 패턴 설계시 텔레메트리 추적 반사경 안테나에 적용되는 초점 대 직경비(F/D)가 0.4인 경우를 고려하였다. 이 경우 피드의 반사경 조사각은 ±64°가 된다.

그림 10은 이중 원편파 모노펄스 패턴을 얻기 위한 교차 다이폴 합성도이다. 여기서 QH는 90° 하이브리드 커플러, PC는 전력 합성기, S₁/S₂는 합패턴 소자, V₁/V₂ 및 V₁'/V₂'은 고각 차패턴 소자, H₁/H₂ 및 H₁'/H₂'은 방위각 차패턴 소자이다.

Fig. 10. 
Synthesis of crossed dipoles for telemetry tracking feed

그림 11은 접지면 테두리 금속벽 높이 H₃에 따른 5.12GHz에서 피드의 패턴특성으로서 H₃에 따라 특히 축비특성이 소폭으로 변화하는 것을 알 수 있다. 최적값은 15mm로 하였다.

Fig. 11. 
Feed patterns versus height of ground plane wall

상호결합 효과에 의해 교차 다이폴의 특성이 변화한다. 상호결합의 효과를 감소시키기 위해 그림 9(b)에서와 같이 중앙의 합패턴 소자를 차패턴 소자보다 접지면으로부터 높이 H₁ 만큼 높게 설치하였다.

그림 12는 높이 H₁에 따른 합패턴 특성변화이다. 축비패턴과 이득패턴 특성이 H₁의 9mm일 경우 가장 양호하다. 최적 설계된 피드의 합패턴은 최대이득 10dBi, 부엽준위 -21.2dB, -10dB빔폭 ±64°의 특성을 가지며 차패턴은 최대이득 10.6dBi, 영점이득 -30dB, 부엽준위 -7.7dB의 특성을 가진다.

Fig. 12. 
Feed's sum pattern versus height from the ground plane

그림 13과 그림 14는 최종 설계된 피드의 위상패턴과 반사계수이다. 피드의 위상중심은 접지면으로부터 44mm 높이에 있다. 합패턴은 피드 조사각인 ±64° 이내에서 거의 균일한 위상특성을 보인다. 차패턴의 경우 소자 간의 거리가 과다한 관계로 ±40° 이상의 각도에서 균일한 위상특성에서 벗어난다.

Fig. 13. 
Phase patterns of the designed feed

그림 14로부터 피드에 사용된 교차 다이폴의 반사계수는 4.8-5.6GHz에서 모두 -15dB 이하임을 알 수 있다. 표 2에 설계된 피드의 치수를 제시하였다.

Fig. 14. 
Reflection coefficients of the designed feed

마지막으로 설계된 피드를 직경 1300mm, 초점거리 520mm인 전방급전 포물 반사경에 적용하였다.

그림 15는 5.12GHz에서 반사경 안테나의 이득과 축비 패턴이다. 합패턴 이득은 34.5dBic(개구효율 57.5%), 빔폭 2.7°, 부엽준위 -23dB, 축비 0.35dB, 고각 차패턴 이득은 31.9dBic, 이득 교차각 ±1.9°, 영점이득 0dBic, 부엽준위 -27.3dB, 축비 6.9dB로서 설계된 교차 다이폴이 적용된 피드는 양호한 성능을 가짐을 확인할 수 있다.

Fig. 15. 
Reflector antenna characteristics

본 논문에서는 최근에 새로이 활용되기 시작한 C-대역 텔레메트리 추적 피드에 적합한 교차 다이폴의 설계를 제안하였다. 벌룬이 내장된 마이크로스트립 급전선에 의해 여기되는 2개의 인쇄형 다이폴을 원형 공동에 교차되게 설치하여 양호한 성능을 얻을 수 있었다. 설계된 교차 다이폴은 4.8-5.6Hz에서 -15dB이하의 반사계수, 5.12GHz에서 합패턴 이득 10dBic, 축비 2.2dB, 차패턴 이득 10.6dBic, 영점이득 -30dBi, 축비 2.8dB의 특성을 보였다. 설계된 교차 다이폴을 이용하여 텔레메트리 추적 반사경용 피드를 설계하였다. 설계된 피드를 직경 1300mm 반사경 안테나에 적용한 결과 반사경 안테나는 텔레메트리 추적용에 적합한 양호한 특성을 가짐을 확인하였다. 본 논문에서 제안된 교차 다이폴은 C-대역에서 원격측정, 추적 및 통제를 텔레메트리 추적 피드 개발에 유용하게 사용될 수 있다고 판단된다.