두 가지 결합 방식의 자동차를 위한 샤크 꼬리 안테나 제작

Ⅰ. 서론

최근 자동차는 라디오 서비스는 물론 고화질 방송인 TDMB(Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting) 서비스와 위성 통신을 위한 위치 파악하는 시스템인 GPS(Global Positioning System) 서비스를 한 번에 제공받고 있다. 이러한 서비스를 제공받기 위해서는 각각의 서비스에 맞는 다수의 안테나가 필요하다. 다수의 안테나 사용은 원가 상승뿐만 아니라 자동차 디자인의 큰 저해 요소가 된다. 디자인을 중요시하는 소비자들의 성향에 따라 안테나를 하나로 통합한 통합형 안테나가 주목을 받고 있다. 그중 가장 널리 사용되고 있는 것이 샤크 안테나이다. 초기 샤크 안테나는 TDMB 수신전용으로 널리 사용되었지만, 최근에는 GPS, 라디오 수신기능을 추가로 탑재, 통합하여 안테나의 효율 및 자동차 전장품 디자인 향상에 크게 기여하고 있다. 하지만 이러한 샤크 안테나는 가격이 고가이고, 수신 특성이 외장형 안테나보다 떨어지는 단점이 있다[1].

본 논문에서는 TDMB와 GPS를 수신하는 전장 샤크 안테나를 설계하고 이를 제작한다. 본 논문의 목적은 기존의 샤크 안테나 대비 소형화를 이루는 것이다. TDMB (174MHz∼216MHz) 수신용 안테나는 기존의 헤리컬 안테나 대신에 공간의 효율 향상을 위해 루프 안테나로 설계하였다[2][3]. 전방향성 특성을 갖기 위해 루프 안테나 두 개를 교차하도록 설계하였으며, 또한 브랜치 라인 커플러를 연결하여 더 넓은 대역을 갖도록 하였다[4][5]. GPS(1.564GHz∼1.585GHz) 수신용 안테나는 FR4-Epoxy기판을 사용한 패치 안테나를 설계하고 제작한다. 공기층을 이용하여 살짝 띄워 대역폭을 향상시키고, Bented 모양의 슬롯을 이용하여 소형화를 유도한다. 또한, Truncated 기법과 급전 위치를 조절하여 GPS가 사용하는 우회전원형 편파(PRHC, Right-Hand Circular Polarization)를 유도한다[6]-[8]. 설계한 각 안테나를 제작하고, 이를 측정하여 고찰한다.

Ⅱ. 안테나 설계

2.1 TDMB용 루프 안테나 및 브랜치 라인 커플러

본 절에서는 샤크안테나에 구성되는 안테나 중에서 먼저 TDMB 수신용 안테나를 알아본다. TDMB 수신용 안테나는 기존의 헤리컬 안테나보다 향상된 특성을 위해 루프 안테나와 브랜치 라인 커플러를 이용하였다. 그림 1은 루프 안테나의 구조를 나타낸 사진이다. 루프 안테나는 15mm(가로)×12mm(세로) 크기의 장방형 형태로 루프 안테나 2개를 교차하여 최대한의 전방사에 가까운 방사 형태를 가질 수 있도록 설계하였다. 각각의 루프의 턴 수는 둘레 길이를 고려하여 10회로 하였다. 한 개의 루프 안테나의 총 길이는 약 540mm로 TDMB 주파수 대역인 200MHz를 기준으로 약 0.4λ로 1/2λ수준으로 감소하였다. 루프 안테나의 선로간의 간격은 4×10-4λ로 0.8mm이며, 두 개의 루프 안테나의 간격은 3mm이다. 두 개의 루프를 합한 안테나의 전체적인 크기는 15mm(가로)×15mm(세로)×15mm(높이)이다.

그림 2는 제작된 루프 안테나를 Agilent사의 네트워크분석기로 측정한 반사손실과 VSWR 결과이고 이를 표 1에 요약하였다. TDMB 주파수인 200MHz에서 공진이 발생하였고, VSWR은 시작과 끝 주파수인 174MHz와 216MHz에서 8.64 : 1의 결과를 보이고 있다.

Fig. 1.

Structure of loop antenna

Table 1.

Return loss and VSWR of loop antenna

Fig. 2.

Network analyzer measurement of loop antenna, (a) Return loss, (b) VSWR

Fig. 3.

Branch line coupler (a) Equivalent circuit, (b) Structure

Fig. 4.

Phase difference of branch line coupler

Fig. 5.

Implemented loop antenna

그림 3은 루프 안테나의 대역폭 향상을 위해 결합한 브랜치 라인 결합기의 등가회로와 구조이다. ε=4.4, h=0.8mm인 FR4기판을 사용하였다. 커플러의 라인은 마이크로스트립 선로가 아닌 Chip을 이용하였다. L과 C의 값을 200MHz 기준으로 계산하여 설계에 적용하였다. 포트 2와 포트 3의 출력단 선로의 길이는 90° 위상차를 유지하기 위해 동일한 길이를 적용하였다. 포트간에 90°위상차가 발생하고 안테나의 배치를 장방형으로 했기 때문에 대역폭이 향상될 수 있다. 그림 4는 포트 간의 출력 위상차를 나타내는 그래프로 174MHz∼216MHz에서 80°∼ 100° 사이의 값이 나오는 것을 확인하였다.

그림 5는 브랜치 라인 커플러와 결합한 루프 안테나의 실제 제작한 모습이다. 루프 안테나는 커플러에서 10mm 높이만큼 띄워져 있다. 그림 6(a)는 브랜치 라인 커플러를 결합한 루프 안테나의 반사손실이고, 그림 6(b)는 기존의 헤리컬 안테나의 반사손실 값을 나타낸 그래프이다. 그림 7은 브랜치 라인 커플러는 결합한 루프 안테나의 정재파비 값을 나타낸 그래프이고 표 2에서 반사손실과 정재파비 값을 정리하였다.

Fig. 6.

Return loss comparison of proposed loop antenna and helical antenna, (a) Loop antenna, (b) Helical antenna

Fig. 7.

VSWR of branch line coupler with loop antenna

Table 2.

Return loss and VSWR of TDMB antenna with branch line coupler

174MHz∼216MHz에서 반사손실은 –9.41dB ∼ -14.43dB로 측정되었고, 정재파비는 174MHz에서 1.47:1, 216MHz에서 2.02:1로 커플러를 결합한 루프 안테나가 –10dB 대역폭이 기존의 헤리컬 안테나에 비해서 4배 이상으로 확장된 것을 알 수 있다. 대역폭과 반사손실이 더 좋아져 TDMB 주파수 대역에 적합하다는 것을 알 수 있다.

그림 8과 그림 9는 제작한 루프 안테나를 무반사 챔버에서 측정한 결과이다. 그림 8은 2D 패턴이고 그림 9는 3D 패턴이다.

Fig. 8.

2D radiation pattern of branch line coupler with loop antenna, (a) X-Z plane, (b) X-Y plane, (c) Z-Y plane

Fig. 9.

3D radiation pattern of branch line coupler with loop antenna

그림 8과 그림 9를 보면 루프 안테나를 장방형 형태로 배치했기 때문에 전체적으로 등방성 형태의 방사 패턴을 띄는 것을 알 수 있다. 아래의 표 3은 기존의 헤리컬 안테나의 효율 측정표이고, 표 4는 제안 안테나의 효율 측정표이다. 기존의 헤리컬 안테나의 평균 효율이 15.55%이고, 제안 안테나의 평균 효율이 19.813%로 대략 4.5% 향상된 것을 볼 수 있다.

Table 3.

Efficiency of helical antenna

Table 4.

Efficiency of TDMB antenna with branch line coupler

Fig. 10.

Microstrip patch antenna for GPS (a) Simulated, (b) Implemented

2.2 GPS 수신용 안테나 설계 및 제작

그림 10은 GPS 수신용 안테나는 마이크로스트립 패치 안테나 전체적인 모습으로 FR4 기판을 이용하여 설계 및 제작하였다. 1.575GHz 주파수에서 동작하고 패치의 크기는 35mm(가로)×35mm(세로)로 하였다. 급전은 동축 선로를 이용하였고 패치에 간격 4mm, 길이 11.9mm의 구부린 모양의 슬롯 4개를 이용하여 패치의 물리적인 길이를 줄여 소형화를 유도하였다. 슬롯이 없을 경우의 전체적인 패치의 크기는 45mm(가로)×45mm(세로)가 되어 10mm 소형화를 이루었다. 또한, Truncated 기법을 이용하여 우측 상단과 좌측 하단에 삼각형 모양으로 잘라내서 RHCP를 유도하였다.

Fig. 11.

Axial ratio of patch antenna

Fig. 12.

Network analyzer measurement of patch antenna, (a) Return loss, (b) VSWR

그림 11은 마이크로스트립 패치 안테나의 축비 결과이다. -45°∼15° 사이에 3dB 이하로 양호한 특성을 나타내고 있다. 그림 12는 마이크로스트립 패치 안테나의 네트워크분석기 측정 결과이다. GPS 주파수인 1.575GHz에서 –12.034dB로 측정이 되었고, 정재파비는 1.6687 : 1로 측정되었다.

그림 13은 마이크로스트립 패치 안테나의 전류밀도 특성 결과로 패치 안테나의 가장자리 부분에서 가장 강하게 흐르고, 반시계방향으로 도는 것을 보아 RHCP의 특성을 잘 나타내고 있음을 알 수 있다.

그림 14와 그림 15는 패치 안테나의 방사패턴을 나타낸다. 그림 14는 2D 방사패턴을 나타낸 결과로 Z축 방향으로 지향성을 띠는 방사패턴을 갖는 것을 알 수 있다. 그림 15는 3D 방사패턴을 나타내는 그림으로 2D 방사패턴에 알 수 있듯이 Z축 방향으로 지향성을 띠고 있다. 그 결과 패치 안테나의 효율은 1.575GHz에서 7.95%, 이득은 -4.41dBi로 측정되었다.

Fig. 13.

Current density of patch antenna

Fig. 14.

2D radiation pattern of patch antenna, (a) X-Z plane, (b) X-Y plane, (c) Z-Y plane

Fig. 15.

3D radiation pattern of patch antenna

Ⅲ. 결론

본 논문은 차량용 샤크 안테나에 적용할 다중 권선 루프 안테나와 마이크로스트립 패치 안테나를 제안하였다. 수직 및 수평편파의 TDMB 신호를 모두 수신하기 위하여 2개의 루프를 교차하여 루프 안테나를 설계 및 제작하였다. GPS용 안테나로는 패치의 크기를 줄이고 가격 절감을 위해서 Bent-slot을 적용한 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 패치 안테나는 FR4 기판을 이용하였고, Truncated 기법을 이용하여 우회전원편파(RHCP) 특성을 가지도록 하였다.

그 결과 루프 안테나의 경우 TDMB 주파수인 200MHz에서 -6dB이하로 정재파비 2:1이하의 특성을 가지는 것을 확인하였다. 무반사실 챔버에서 측정한 결과 전방향성 형태로 방사가 이루어지는 것을 알 수 있었고 평균 효율은 기존의 헤리컬 안테나가 15.55%인 반면에 19.813%로 대략 4.5% 향상된 것을 알 수 있다. GPS용 패치 안테나의 경우 1.575GHz에서 -12.034dB로 정재파비는 1.67:1이하의 특성을 보였다. 또한, 전류밀도 확인결과 우회전원편파(RHCP)가 발생하는 것을 알 수 있다. 무반사실 챔버에서 측정한 결과 1.575GHz에서 7.95%, 이득은 –4.41dBi로 측정되었다. 이러한 결과를 바탕으로 상용화되고 있는 샤크 안테나의 성능을 유지하고 샤크 안테나 내부에 많은 공간 형성 및 제작비용을 감소할 수 있는 결과를 얻었다.

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