통합마스트 통합통신용 UHF 대역 안테나 개발
Development of UHF Band antenna for
Integrated Communication
정 광 식*, 이 종 학*, 김 영 완*, 라 영 은*, 전 정 익**★
Kwang-Sik Jung*, Jong-Hak Lee*, Young-Wan Kim* Young-Eun Ra*, Jung-Ik Jeon**
Abstract
This paper, UHF band integrated communication antenna for ship communication is designed as a flat type that can be mounted on the integrated mast among integrated communication antennas such as integrated communication, ship communication, broadcasting, and telephone of the ship. The unified mast mounted antenna is an integrated communication antenna applied to the Navy’s KDDX, which is an optimized type of integrated communication antenna including a ‘composite slope’ structure including operational capability, survivability, and improved operability and maintainability. The existing rotary radar and a plurality of monopole-type communication antennas were changed from an irregularly attached shape to the mast exterior to an integrated mast shape including a flat-type integrated communication antenna. the radar reflection area index (RCS) is significantly lowered and compared to overseas products. The goal is to develop a gain broadband antenna.
요 약
본 논문에서는 함정의 합내통신, 함외통신, 방송, 전화 등의 통합통신 안테나 중 함외통신용 UHF 대역 통합통신 안테 나를 통합마스트에 탑재 가능한 평면형으로 설계했다. 제안된 통합마스트 탑재용 안테나는 해군의 한국형차기구축함(KDDX) 에 적용되는 통합통신용 안테나로 작전능력, 생존성 강화와 운용성과 정비성의 향상 등 ‘복합경사’ 구조를 포함하는 최적 화된 형태의 통합통신용 안테나이다. 기존 회전식 레이더와 다수의 모노폴 형태의 통신용 안테나를 마스트 외관에 불규칙 한 형태로 부착된 형태에서 평판형 통합통신용 안테나를 포함하는 통합 마스트 형상으로 변경하여 레이더 반사 면적 지 수(RCS)를 크게 낮추며 해외제품 대비 고이득 광대역 안테나를 개발목표로 한다.
Key words：KDDX , UHF, RCS, UHF Band Antenna, Integrated Communication Antenna System
* LIG Nex1
** KUKDONG Telecom
★ Corresponding author
E-mail：[email protected], Tel：+82-41-545-8702
Manuscript received May, 27. 2020; revised Jun, 15. 2020; accepted Jun, 17. 2020.
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Ⅰ. 서론
최근 통신용 안테나는 소형화 기술과 광대역 특 성이 요구된다[1]. 실제 함정과 같은 안테나의 설치 공간이 제한된 곳에서 주위 구조물에 의한 주요 품
질계수인 이득 및 대역폭, 효율의 감소도가 높다 [2]. 또한 전기적 소형안테나를 함정에 적용할 경 우, 안테나의 리액턴스 값이 커지게 되어 넓은 대 역폭을 확보하기는 매우 어렵다[3].
82
Fig. 1. Integrated communication antenna of ship (KDX-Ⅱ class).
그림 1. 함정의 통합통신용 안테나(KDX-Ⅱ급)
Fig. 2. Integrated communication for Mast (LIG NEX1).
그림 2. 통합통신용 마스트(LIG NEX1)
기존 함정에 적용된 안테나는 그림 1과 같이 외 부에 노출되어 마스트에 불규칙적으로 부착된 안 테나로 함 설치성과 운용, 정비 효율성이 떨어지게 된다. 이에 본 논문에서는 그림 2와 같이 통합통신 을 고려한 통합마스트에 UHF 대역 안테나를 평면 상으로 구성하여 저피탐 외형 구조, 함 설치 / 운용 / 정비 효율성을 고려하여 기존 모노폴 구조의 안테 나를 ‘복합경사’ 구조에 포함하는 형태의 Integrated Communications Antenna System (ICAS)[4]용 안 테나를 개발하였다.
Ⅱ. 안테나 요구조건
국내외에서 ICAS로 많은 연구가 발표되었지만 이동통신 또는 협대역으로만 연구되어 다양한 통신 환경에 적용하기는 어렵다. 따라서 일반적인 ICAS 와 광대역안테나 특성이 가지는 구조 및 요구조건 이 필요하다.
본 논문에서는 VHF 및 UHF 같은 넓은 대역폭 을 포함하는 통합마스트 통합통신용 탑재 안테나 의 개발 규격을 그림 3과 같이 해외 제품 중 UHF 주파수 대역 평판형 안테나로 적용한 네덜란드 탈 레스사의 I-MAST 400과 500 제품군을 참고하여 표 1과 같이 정의하였다.
Fig. 3. I-MAST 400 / 500.
그림 3. I-MAST 400 / 500
특히, 통합마스트 통합통신용 탑재 안테나는 복 합경사 구조에 삽입되는 Cavity Back Antenna [5], [6]으로 개발하여 최종 통합마스트 1면에 각각 2기 안테나가 삽입되어 360°를 4면으로 구성하는 구조 로 최종개발을 목표로 한다.
Table 1. Integrated Communications Antenna Specification (UHF Band).
표 1. 통합통신안테나 규격(UHF대역)
Unit Specifications Product Specifications (I-MAST)
Frequency MHz 100～500 225～400
Antenna Array EA 2(4Plane 8EA) 2(4Plane 8EA)
Gain dBi -5 ≥ -5 ≥
Beam width ° 45 ≥ 45 ≥
VSWR - 3.5:1 ≤ 3.5:1 ≤
Size mm 800*800*300 480*710*330
(a) Cavity Back Antenna Figuration of fabrication(1).
(a) 박스형 안테나 제작 형상(1)
(b) Cavity Back Antenna Figuration of fabrication(2).
(b) 박스형 안테나 제작 형상(2)
(c) Balun.
(c) 발룬 Fig. 4. Antenna Figuration of fabrication.
그림 4. 안테나 제작 형상
Ⅲ. 안테나 설계 및 제작
1. 안테나 구성
일반적인 UHF대역 안테나는 파장을 고려하여 전 기적 소형 안테나(Electrically Small Antenna)[7], [8]를 사용한다. 실제로 함정 같은 제한된 공간에서 100 MHz를 기준으로 파장의 길이가 3 m 이상의 물리적 크기를 가지는 매우 큰 안테나를 적용하기 는 매우 어렵다. 또한 일반적으로 전기적 소형 안 테나는 협대역의 낮은 이득, 높은 리액턴스 특징을
가진다[7]. 본 논문에서는 구조적으로 주파수별 구 간을 각각 나누어 새로운 평면 안테나로 기술하였 으며, 공간적 제약을 유효한 속성으로 설계하여 소 형화 하였다. 또한 정합회로를 적용하여 높은 리액 턴스 손실을 최소화한 그림 4과 같은 Cavity Back Antenna를 제안한다. 그림 4 (a)는 제안한 안테나 의 내/외부 형상이다. 그림 4 (b)는 안테나의 수직 순서도로 최상단의 Radome으로부터 Aperture Patch Antenna, Antenna Element Assembly, Balun Assembly, Cavity Assembly로 구성되어 있다. 전 체적인 안테나의 외각은 알루미늄 판제와 L-브라 켓을 사용하여 단단한 외부강도를 유지 되어있으 며, 안테나가 방사되는 부분은 테플론 레이돔을 적 용하여 손실을 최소화 하였다.
안테나 소자는 알루미늄을 절곡하였으며, 광대역 특성을 위하여 급전부에 에어스트립라인, 안테나부 에 다이폴안테나와 애퍼처 패치를 적용하여 제작 하였다. 마지막으로 최종적으로 임피던스 매칭을 위하여 그림 4 (c)의 Balun을 4:1로 제작하여 정합 손실을 최소로 하였다.
그림 5 (a)는 본 논문에서 제안된 Cavity Back Antenna 외부구조를 나타낸다. 실제 통합마스트의 크기와 기존 해외제품의 호환성을 고려하여 가로 800mm, 세로 800mm, 높이 300mm 이하의 알루미 늄 박스와 상단에는 테플론 레이돔을 적용하였다.
그림 5 (b)는 I-MAST 400에 장착 가능한 형상을 보여준다.
(a) Cavity back antenna.
(a) 박스형 안테나
(b) I-MAST Antenna figuration.
(b) I-MAST의 안테나 형상 Fig. 5. I-MAST Antenna figuration.
그림 5. I-MAST 안테나 형상
2. 안테나 설계
그림 6은 제안하는 안테나의 중요 파라미터를 나 타낸다. 각각의 파라미터는 주파수 구간을 4등분하여 100～200MHz, 200～300MHz, 300～400MHz, 400～
500MHz과 같이 계단 Type으로 설정하였다. 그림 6 (a), 그림 6 (b), 그림 6 (c)를 각각 폭(W), 높이(H), 길이(L)로 나타내었다. 또한 그림 7은 상부에 방사 패턴과 이득을 위한 애퍼처 패치 안테나에 대한 파 라미터로 가로(Patch_X), 세로(Patch_Y)로 나타내 었다.
(a) Antenna parameter of W.
(a) 안테나 파라미터 W
(b) Antenna parameter of H.
(b) 안테나 파라미터 H
(c) Antenna parameter of L.
(c) 안테나 파라미터 L Fig. 6. Antenna figuration & design parameter(1).
그림 6. 안테나 형상 및 설계 파라미터(1)
(a) Antenna parameter of Patch_X/Y(1).
(a) 안테나 파라미터 Patch_X/Y(1)
(b) Antenna parameter of Patch_X/Y(2).
(b) 안테나 파라미터 Patch_X/Y(2) Fig. 7. Antenna figuration & design(2).
그림 7. 안테나 형상 및 설계(2)
Table 2. Antenna parameter(1).
표 2. 안테나 파라미터(1)
Standard 1 Standard 2 Standard 3 Standard 4 Frequency Band
(MHz) 100～200 200～300 300～400 400～500
λ (C/f)
200MHz 기준 1500mm
300MHz 기준 1000mm
400MHz 기준 750mm
500MHz 기준 600mm
1/4λ (mm) 375 250 187 150
1st
W 1/4λ 85～
95%
(mm)
W4:335 W3:225 W2:170 W1:130
H H4:270 H3:225 H2:180 H1:135
L L4:155 L3:55 L2:35 L1:25
2st W
1/4λ (mm)
W4:375 W3:250 W2:187 W1:150
H H4:300 H3:250 H2:200 H1:150
L L4:170 L3:60 L2:40 L1:30
3st
W 1/4λ 105%
～115%
(mm)
W4:415 W3:275 W2:205 W1:175
H H4:330 H3:275 H2:220 H1:165
L L4:185 L3:65 L2:45 L1:35
표 2는 그림 6과 7에서 제한된 크기를 고려하여 사용대역내의 4개의 기준 주파수를 설정하여 1/4λ 에 대한 파라미터 값을 85～95%, 100%, 105～
115%로 공통적으로 파라미터를 설정하였다. 그림 8은 파라미터에 대한 M&S 결과를 그림 8 (a) 기준 별 정재파비, 그림 8 (b) 기준별 이득, 그림 9 (a)～
(c) 기준별 방사패턴을 보여준다.
그림 8 (a)의 M&S 결과로 정재파비는 1st < 2st
< 3st으로 낮은 주파수 대역에서 정합함을 확인 할 수 있으며, 그림 8 (b)이득은 주파수별 차이를 보이 지만 3st > 2st > 1st로 증가함을 확인하였다.(정합 손실이 포함되지 않음)
그림 9는 100MHz / 300MHz / 500MHz의 방사 패턴이다. 주파수별 방사패턴의 결과는 이득 및 정 재파비의 결과와는 다르게 비슷한 경향을 가진다.
단, 높은 주파수의 AZ/EL 방사패턴이 상이한 결과 를 가진다.
(a) VSWR.
(a) 전압정재파비
(b) Gain.
(b) 이득 Fig. 8. M&S (1).
그림 8. M&S (1)
(a) 100MHz. (AZ/EL) (a) 100MHz (AZ/EL)
(b) 300MHz. (AZ/EL) (b) 300MHz (AZ/EL)
(c) 500MHz. (AZ/EL) (c) 500MHz (AZ/EL) Fig. 9. M&S (2).
그림 9. M&S (2)
표 3은 그림 7에서 제안한 안테나 애퍼처 패치안테 나의 파라미터을 보여준다. 주파수 기준은 100MHz 를 단위로 4단계로 하여 동일한 안테나 방사패턴 및 안전적인 이득을 위하여 아래와 같이 200 MHz 단위로 파라미터를 설정하였다. 그림 12은 파라미 터에 대한 M&S 결과를 그림 10 (a) 기준별 정재파 비, 그림 10 (b) 기준별 이득, 그림 11 (a)～(c) 기준 별 방사패턴 보여준다.
Standard 1 Standard 2 Standard 3 Standard 4 Frequency Band
(MHz) 100～200 200～300 300～400 400～500
1st Patch_X
● ●
Patch_Y
2st Patch_X
● ●
Patch_Y
3st Patch_X
● ●
Patch_Y
Table 3. Antenna parameter(2).
표 3. 안테나 파라미터(2)
(a) VSWR.
(a) 전압정재파비
(b) Gain.
(b) 이득 Fig. 10. M&S (3).
그림 10. M&S (3)
(a) 100MHz (AZ/EL).
(a) 100MHz (AZ/EL)
(b) 300MHz (AZ/EL).
(b) 300MHz (AZ/EL)
(c) 500MHz (AZ/EL).
(c) 500MHz (AZ/EL) Fig. 11. M&S (4).
그림 11. M&S (4)
그림 10 (a)의 M&S 결과와 같이 정재파비는 낮은 주파수 대역은 비슷한 결과와 높은 대역은 대동소이 한 결과를 확인 할 수 있으며, 그림 10 (b) 이득은 1st
= 2st > 3st로 증가하며 안정적인 이득 차트를 확인 하였다.(정합손실이 포함되지 않음) 그림 11 (a), (b) 와 그림 13 (a), (b)의 방사패턴은 비슷한 형태를 가진 다. 하지만 그림 11에서의 기존 500MHz의 AZ/EL 상 이한 방사패턴을 표 3 애퍼처 패치 안테나의 파라미 터를 100～300MHz로 설정한 그림 11 (c)의 1st의 최 적화된 성능을 위해 AZ/EL의 방사패턴은 동일한 형 태로 동일하도록 변경됨을 결과로 확인함.
표 2, 3과 같이 각각의 파라미터는 이득 및 주파 수 공진과 관련한 파라미터이다. 그림 8～11의 결 과와 같이 길이와 넓이에 따른 이득 및 대역의 변 화를 확인할 수 있다. 하지만, 모든 파라미터가 일 관된 형태로 변경되지 않으므로 각각의 파라미터 를 합리적으로 조절할 필요가 있다. 위와 같은 결 과를 바탕으로 파라미터를 표 4과 같이 정의한다.
그림 12 (a)는 표 4의 안테나 파라미터를 적용한 Calculated와 Measured의 정재파비 비교 결과이 다. 동작 주파수 100 MHz～500 MHz에서 3.5:1 이 하의 정재파비을 가진다, 그림 12 (b)는 Calculated 와 Measured의 이득 비교 결과이다. 그림 13는 Measured AZ/EL 방사패턴이다.
Table 4. Antenna parameter.
표 4. 안테나 파라미터
Parameter
Dipole
W W4:375 H3:225 W2:187 W1:130 H H4:300 L3:55 H2:200 H1:165 L L4:170 W3:275 L2:40 L1:35
Patch Patch_X 145
Patch_Y 110
(a) VSWR.
(a) 전압정재파비
(b) Gain.
(b) 이득 Fig. 12. Calculated / Measured (1).
그림 12. 계산값 / 측정값 (1)
(a) 100MHz (AZ/EL).
(a) 100MHz (AZ/EL)
(b) 300MHz (AZ/EL).
(b) 300MHz (AZ/EL)
(c) 500MHz (AZ/EL).
(c) 500MHz (AZ/EL) Fig. 13. Calculated / Measured (2).
그림 13. 계산값 / 측정값 (2)
Calculated와 Measured의 비교 결과는 표 6과 같 다. 표 6의 결과와 같이 이득은 케이블 및 발룬의 손실을 제외하면 대동소이한 결과값을 가지며 빔 폭의 경우 전체적으로 측정 결과값이 3 m × 3 m의 그라운드의 영향으로 다소 좁은 결과를 확인하였 다. 또한 발룬에 의한 임피던스 매칭으로 비교적 저대역에서는 낮은값을 고대역에서는 높은 결과값 으로 매칭됨을 확인 하였다.
Table 6. Radiation pattern measurement.
표 6. 방사패턴 측정값
Freq
Calculated Measured
HPB W(°)
Gain (dBi)
VSW R
HPB W(°)
Gain (dBi)
VSW R 100 88/86 -2.56 13:1 80/70 -3.06 3.2:1 200 77/69 1.44 2.4:1 75/90 1.65 2.6:1 300 62/72 5.71 1.3:1 60/60 7.04 2.1:1 400 54/93 4.25 1.6:1 50/45 2.41 1.5:1 500 60/45 4.48 2.7:1 45/45 5.9 2.3:1 Rem
ark
Loss not included
(Cable, Balun) Loss included
Ⅳ. 결론
본 논문에서는 통합마스트 탑재용 통합통신 UHF 대역 안테나의 소형화 및 모듈화를 구성하는 방법 을 제안했다. 제안한 안테나는 주파수를 계단형태 의 단위로 재분배하여 다이폴안테나로 적용하였으 며 애퍼쳐 패치 안테나를 추가하여 높은이득 및 주 파수별 동일한 방사패턴 설계 제안했다. 이를 바탕 으로 통합통신 UHF대역 평판형 안테나의 형상 및 구조를 검토하여 안테나 크기 및 이득의 크기를 네 덜란드 탈레스사의 IMAST 400과 비교하여 최적 화 하였다.
제안한 안테나는 광대역 가지며 높은 이득과 동 일한 방사패턴을 가지는 통합통신용 평판안테나로 확인하였으며, 기술하는 내용과 같이 동일한 통합 통신용 VHF대역 안테나 및 UHF/VHF를 통합하 는 안테나에 적용 가능하다.
References
[1] Tharek Abdul Rahman, “Reconfigurable ultra wideband antenna and development for wireless
communication,” Wireless Communicant on Centre Faculty of Electrical Engineering University Teknology, 2008.
[2] J. Church, J. C. S. Chieh, L. Xu, J. D. Rockway, and D. Arceo, “UHF electrically small box cage loop antenna with an embedded non-foster load,”
IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol.13, pp.1329-1332, 2014.
DOI: 10.1109/LAWP.2014.2337112
[3] R. C. Hansen, R. E. Collin, “Small Antenna Handbook,” 1st ed. Hoboken, NJ: John Wiley &
Sons, 2011.
[4] J. H. Lee, Y. E. Ra, K. M. Lee, J. S. Jang,
“Design of RCS Reduction Structure of Integrated Mast on the Destroyer,” j.inst.Korean.electr.electron.
eng, Vol.24, No.1, pp.238-242, 2020.
DOI: 10.7471/ikeee.2020.24.1.238
[5] D. G You, J. I Jeon, H. K. Lee, H. K. Choi,
“Design of Cavity-Backed Microstrip Dipole Array Antennas with Enhanced Front-to-Back Ratio,”
Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, 2009.
DOI: 10.5515/KJKIEES.2009.20.1.037
[6] S. W. Qu, J. L. Li, Q. Xue, C. H. Chan, “Wideband Cavity-Backed Bowtie Antenna With Pattern Im provement,” IEEE Transactions on Antennas and Propag ation, Vol.56, 2008.
DOI: 10.1109/TAP.2008.2007395
[7] Richard W. Ziolkowski, “Metamaterial-based efficient electrically small antennas,” IEEE Transactions on Antenn as and Propagation, Vol.54, 2006.
DOI: 10.1109/TAP.2006.877179
[8] John Volakis, Richard C. Johnson, Henry Jasik, “Antena a Engineering Handbook,” Fourth Edition, McGraw-Hill Education, 2007.
BIOGRAPHY
Kwang-sik Jung (Member)
2003：M.S. degree in Electrical Engineering, Chonnam National University.
2014～：Research Engineer, LIG Nex1.
Jong-hak Lee (Member)
2000：B.S. degree in Mechanical Engineering, Ajou University.
2009：M.S. degree in Mechanical Engineering, Yonsei University.
2000～：Research Engineer, LIG Nex1.
Young-wan Kim (Member)
2005：B.S. degree in Electrical Engineering, Kwangwoon University.
2007：M.S. degree in Electrical Engineering, Kwangwoon University.
2007～：Research Engineer, LIG Nex1.
Young-eun Ra (Member)
2007：B.S. degree in Mechanical Engineering, Hanyang University.
2019：M.S. degree in Mechanical Engineering, Yonsei University.
2007～：Research Engineer, LIG Nex1.
Jung-ik Jeon (Member)
2007：B.S. degree in Electrical Engineering, Dankook University.
2011：M.S. degree in Electrical Engineering, Dankook University.
2007～：Research Engineer, KUKDONG Telecom.
