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무인기 시스템은 조종사 없이 무선 데이터링크를 이용하여 비행체의 상태 정보 확인, 임무 전달, 운행 경로 지정 등을 수행한다. 무인기용 데이터링크는 상태 및 임무 정보를 제공하는 지상통신장치와 무인기에서 수집된 정보를 전송하고 지상으로부터의 명령을 받는 탑재통신장치로 구분된다[1][2]. 데이터링크에서 지상통신장치와 탑재통신장치 간의 가시선 거리를 증가시키기 위해서는 흔히 고이득 안테나가 적용된다.

C-대역 고이득 안테나 형식으로는 반사경 안테나[3][4], 혼 배열 평판 안테나[5][6], 패치형 배열 안테나[7]-[9] 등이 있다. 반사경 안테나는 반사경, 급전피드와 주변 구조물에 의해 부피가 커지는 문제가 있고, 혼 배열 안테나는 금속 재질로 이루어지므로 같은 대역 내에서 안테나의 중량이 증가되어 주변장비의 하중을 높게 한다. 이와 달리 패치형 배열 안테나는 무게를 충분히 낮출 수 있으나, 충분한 주파수 대역폭을 얻는 데 한계가 있다.

본 논문에서는 데이터링크용 지상통신장치에서 요구되는 패치형 고이득 배열 안테나를 설계, 제작하였다. 주파수 5.0~5.8GHz 범위에서 충분한 정재파 성능과 이득 특성을 얻기 위해 전자기적 결합 방식에 의한 광대역 패치 구조를 제안하였다. C-대역 데이터링크용 고이득 평판 안테나의 설계 및 제작 과정은 다음과 같다.

그림 1은 본 논문에서 제안된 C-대역 데이터링크용 고이득 평판 안테나의 구성이다. 제안된 안테나는 사각 금속함 내에 급전 회로망과 커플링 패드가 인쇄된 Taconic^Ⓡ사의 TLX-9 기판, 4mm의 두께를 갖는 폴리우레탄 폼, 방사소자가 배열된 폴리이미드 필름 및 안테나 레이돔용 폴리카보네이트 플라스틱 재료로 구성된다. 표 1은 본 논문에서 제안한 안테나의 설계 규격이다. 본 논문에서는 C-대역에서 14.8% 이상의 대역폭과 최소 27dBi의 최대 이득을 갖는 광대역 평판 안테나를 설계, 제작하였다.

Fig. 1. 
Proposed planar antenna

표 1에서 보인 주파수 대역폭과 이득 특성을 얻기 위해 방사소자로 전자기적 결합 방식의 패치를 적용하였다. 전자기적 결합 방식을 갖는 패치 안테나의 측면 구조는 그림 2와 같다. 마이크로스트립 선로에 의해 직접 연결되는 사각 패드는 4mm의 두께를 갖는 우레탄 폼 위에 있는 방사소자를 전자기적 결합 방식으로 급전시켰다. 그림 2에 제시된 각층별 안테나 재료의 유전율과 손실 탄젠트는 표 2와 같다.

Fig. 2. 
Side view of the planar antenna

본 논문에서 제안된 평판 안테나의 설계 과정은 다음과 같다. 그림 2의 안테나의 층별 구조를 반영하여 단일 패치와 급전회로망을 순차적으로 설계하였다. 다음으로 방사소자의 수를 2배씩 증가하면서 미세 임피던스 튜닝과 이득 최적화 설계를 진행하였다. C-대역 고이득 평판 안테나의 최적 설계에는 CST사에서 제공하는 Microwave Studio^TM v. 2016을 이용하였다.

그림 3은 최적 설계된 단일 패치의 형상과 주요특성이다. 그림 3(a)에서 실선은 방사 패치의 형상과 치수이고 점선은 커플링 패드와 급전 선로의 정보를 제공한다. 커플링 패드는 100Ω의 마이크로스트립 패치에 직접 연결되고 방사소자는 수직 방향으로 4mm 떨어져 있는 커플링 패드와 전자기적 결합에 의해 동작한다. 그림 3(b)는 단일 패치의 정재파 특성으로 주파수 4.97~5.81GHz에서 2.5 이하를 만족한다. 중심 주파수 5.4GHz에서 단일 패치의 이득 패턴은 그림 3(c)와 같이 8.7dBi의 최대 이득과 대칭적인 전자계면 이득 패턴을 갖는다.

Fig. 3. 
(a) Geometry and dimensions, (b) reflection coefficient (c) gain pattern of the designed single patch

그림 3에서 설계된 단일 패치를 기반으로 16×16 배열 구조를 설계하였다. 단일 패치의 기본 크기가 약 0.5 파장이고 소자 간격이 1파장 이상이 되는 경우 grating lobe가 발생되므로 소자간 간격은 0.6~0.8 파장 범위에서 정하는 것이 바람직하다. 표 1의 안테나 사양을 고려하여 가로 축 및 세로 축 방향으로의 소자 간격을 모두 36mm(중심 주파수에서 0.65 파장)로 하였다. 이와 같은 경우 주파수 5.0~5.8GHz에서 소자 간격은 0.6~0.7 파장의 범위를 갖는다. CST의 MWS 프로그램에서 제공하는 배열 설계 프로그램에 의하면 16×16 배열 구조는 최대 이득 31.6dBi, 3dB 빔폭 4.8°, -13.2dB 이하의 부엽 레벨을 보인다. 계산된 이득 값은 이상적인 경우로 급전회로망 손실, 개구 효율에 의한 손실 등이 모두 무시된 경우이다.

다음으로 균일 전력 분배 방식을 갖는 급전회로망을 설계하였다. 그림 4는 2×2 배열 구조에 적용되는 급전회로망의 기본 구조와 설계 결과이다. 급전회로망의 모든 포트(Port 1~ Port 5)와 연결되는 모든 선로는 100Ω의 특성 임피던스를 갖는다. 두 개의 입력 선로를 동일 길이로 연결한 후 다시 100Ω 선로를 연결하기 위해 70.7Ω의 특성 임피던스를 갖는 1/4파장 임피던스 변환기를 배치하였다. 이와 동일한 방법으로 2×2 배열 구조용 급전 회로망을 설계하였다.

Fig. 4. 
A feed network for the 2×2 array

그림 5는 설계된 급전회로망의 성능이다. 설계된 급전회로망은 주파수 5.0~5.8GHz에서 -17.8dB 이하의 반사계수와 –6.15~–6.2dB의 전달계수 및 동위상 특성을 갖는다.

Fig. 5. 
Performance on the designed feed network (a) reflection coefficient, (b) transmission magnitude (c) transmission phase

그림 3의 단일 패치와 그림 4의 급전회로망을 이용하여 2×2 배열 구조를 설계하였다. 2×2 배열 구조는 단일 패치의 커플링 패드와 급전회로망의 1/4파장 임피던스 변환기의 길이를 미세 조정하여 최적의 정재파 특성을 얻었다. 그림 6은 설계된 2×2 배열 구조의 형상과 주요 성능이다. 2×2 배열 구조는 주파수 4.92~5.82GHz에서 2.5 이하의 정재파비를 만족한다. 또한 동일 주파수 내에서 13.2~14.7dBi의 최대 이득과 대칭적인 전자계면 패턴을 갖는다.

Fig. 6. 
(a) Geometry, (b) reflection coefficients and (c) E-and H-plane gain patterns(f = 5.4GHz) of the designed 2×2 array

그림 6의 2×2 배열 구조를 기반으로 2×4, 4×4, 4×8, 8×8 배열을 설계하였다. 2×2 배열 구조를 배수로 확장하면서 임피던스 정합 특성을 미세 조정하였다. 안테나 배열 구조가 2배수로 커지는 경우 전체 이득은 약 2.5~3dB 정도 증가되는 것을 확인하였다. 그림 7은 배열 구조에 따른 안테나 반사계수 결과이다. 모든 배열 구조는 주파수 4.89~5.83GHz에서 2.5 이하의 정재파비를 만족한다.

Fig. 7. 
VSWR performance of the array structures

그림 8은 이상의 과정을 통해 최종 설계된 16×16 배열 안테나의 형상이다. 안테나 조립 과정에서 사용되는 볼트의 크기와 위치는 상용 프로그램에 의한 분석 과정을 거쳐 정하였다. 안테나의 최종단은 50Ω 선로로 변환한 후 microstrip-to-coaxial 변환부[10]를 통해 SMA 커넥터에 연결된다. 최종 설계된 16×16 배열 안테나의 특성은 3장에서 안테나 측정결과와 함께 제시한다.

Fig. 8. 
Finally designed 16×16 array antenna

그림 8의 최종 설계된 안테나는 실제 제작 및 측정을 통해 성능을 확인하였다. 그림 9(a)는 안테나 제작을 위해 준비된 재료들로 좌측부터 사각 금속함, 커플링 패드와 급전 회로망이 인쇄된 TLX-9 기판, 두께 4.0mm의 우레탄 폼, 방사 소자가 있는 폴리이미드 필름 및 레이돔용 폴리 카보네이트가 순차적으로 배열되어 있다. 그림 9(a)의 사각 금속함에 준비된 안테나 재료를 순차적으로 적층한 후 레이돔 표면에서 저두(Low Head) 볼트로 고정하였다. 사각 금속판 뒷면에는 TLX-9 기판에 인쇄된 급전부와 연결되는 panel mount 형태의 SMA 커넥터가 연결된다.

Fig. 9. 
(a) Parts and (b) assembly of the planar antenna

이상과 같이 제작된 안테나의 성능은 회로망 분석기와 근접전계시스템을 이용하여 측정되었다. 그림 10은 평판 안테나의 정재파 측정 결과이다.

Fig. 10. 
VSWR performance of the fabricated antenna

제작된 안테나는 주파수 4.83~5.91GHz에서 본 과제의 규격인 정재파 2.5를 만족한다.

그림 11은 근접전계시스템을 이용한 안테나 이득패턴 측정 모습이다. 안테나 이득 패턴 측정 과정에서 근접전계시스템의 주요 설정 항목은 표 3과 같다.

Fig. 11. 
Measurements of the antenna gain patterns with a near-field system

그림 12는 근접전계시스템을 이용하여 측정된 주파수 5.4GHz에서의 이득 패턴이다. 전계면 및 자계면에서 계산 결과와 측정 결과가 잘 일치한다. 표 4는 주파수 5.0~5.8GHz에서 0.1GHz 단위로 측정된 평판 안테나의 주요 특성을 정리한 것이다.

Fig. 12. 
Gain pattern measurements of the planar antenna

제작된 안테나는 주파수 5.0~5.8GHz에서 27.8~28.4dBi의 최대 이득과 38.1%~47.9%의 개구 효율을 갖는다. 안테나 효율의 최소 값이 38.1%까지 저하된 이유는 급전회로망을 구성하는 선로에서의 손실이 최대 -2.5dB 까지 발생되기 때문으로 판단된다.

본 논문에서는 전자기적 결합 방식을 이용한 C-대역 데이터링크용 고이득 평판 안테나를 설계 제작하였다. C-대역 고이득 평판 안테나를 얻기 위하여 충분한 대역폭을 갖는 단일 방사 소자와 급전회로망을 설계한 후 2×2 배열, 4×4 배열, 8×8 배열 구조를 순차적으로 설계하였다. 최종 설계된 안테나는 제작 및 측정을 통해 정재파 및 이득 패턴을 측정하였다. 제작된 안테나는 주파수 4.83~5.91GHz 범위에서 2.5이하의 정재파 특성과 27.8~28.4dBi의 최대이득, 38.1%~47.9%의 개구 효율을 갖는다. 본 논문의 결과는 향후 C-대역 데이터링크용 경량형 평판 안테나 개발시 유용한 도구로 활용될 수 있을 것이다.