저궤도 큐브위성 탑재용의 메타물질형 저자세 안테나의 설계
한다정
, 이창형
, 박희준
, 이지혜
, 강승택
Design of a Metamaterial-Based Low-Profile Antenna Mounted on LEO/Cube Satellites
Dajung Han
, Changhyeong Lee
, Heejun Park
, Jihye Lee
, Sungtek Kahng
요 약
본 논문에서는 425 MHz에서 동작하는 저궤도 큐브위성 탑재용 메타물질형 안테나를 연구하였다. 원거리 무선통신 네트워킹의 중요 성과 위성의 역할이 대두되고, 큐브위성과 같은 자신만의 위성을 저가로 개발 보유를 희망하는 대학교나 개인들이 늘어감에 따라, 구조의 소형화 기술이 필요하다. 위성의 외부 공간을 많이 차지하는 것이 안테나 크기이므로, 경량화 목적으로 탑재용 소형 안테나의 설계하였다. 제안된 메타물질형 저자세 안테나의 경우 일반 패치안테나와 달리 0차 공진을 만들어 냄으로서, 전방향성 방사패턴을 만들어낸다. 또한, 제안된 안테나의 위성내부의 시스템 결합에 따른 전기적 특성변화를 확인하기 위해, 급전부를 대표하는 UHF 도 파관 대역통과 여파기와 연결하여 성능을 검증하였다. 모노폴과 메타물질형 저자세 안테나의 성능이 서로 비교된다.
Key Words : Metamaterial, LEO, Cube Satellites, CRLH, ZOR, BPF
ABSTRACT
In this paper, we suggest a design method of a metamaterial-based low-profile antenna working at 425 MHz for LEO/Cube satellites. Satellites play an important role in linking th remote nodes in a wireless communication network and covering wide areas of the globe. Especially, an increasing number of universities or individuals aspire having their own satellites and build low-budget structures such as cube satellites in LEO and the ways to reduce the sizes of their satellites. Since the antenna occupies a major portion of the satellite surface, the antenna should be miniaturized for lighter weight. The proposed metamaterial low-profile antenna, unlike the conventional patch antenna, produces such a zeroth-order resonance to create an omnidirectional radiation pattern. Also, it is connected to a UHF waveguide bandpass filter as the feeding system to examine the possible change in the situation that the antenna is combined with the system. The performances of the monopole and proposed metamaterial antennas are compared to one another.
이 연구는 항공우주연구원 정지궤도 복합위성(GEO COMPSAT 2A/2B)개발 사업의 일환입니다.
*인천대학교 정보통신공학과 전파공학 및 전파환경 연구실 ([email protected], [email protected], [email protected], [email protected]),
**인천대학교 정보통신공학과 ([email protected]), 교신저자 : 강승택
접수일자 : 2017년 02월 03일, 수정완료일자 : 2017년 03월 28일, 최종게재확정일자 : 2017년 03월 29일
I. 서 론
초고속 인터넷 및 사물인터넷의 발달은 위성 및 위성 네 트워크 개발에 영향을 미치고 있다.[1-2] 이러한 발달에 발 맞추기 위하여 개발 된 위성인 정지위성(GEOS)은 움직이지 않는 단순한 지상국 안테나의 사용을 가능하게 하였고, 그 예시로 유비쿼터스 위성 TV 안테나가 있다. 그러나 정지위 성의 문제점은 높은 고도의 궤도로 전파 지연으로 인한 데이 터 연결의 지연이다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 대기 시간이 짧은 저궤도(LEO) 인공위성을 사용한다. LEO
위성 통신에서, 각 지구국은 짧은 기간에 다른 경사범위를 가진 방향으로 위성을 관측한다.
저궤도에 적용하기 위한 안테나는 모든 방향의 빔을 수신 할 수 있는 전방향성(omni direction)안테나가 유리하기 때 문에 전방향성 안테나가 구조물에 흔히 보인다. 참고문헌 [3]
은 전방향성 방사패턴을 만들기 위하여 패치 안테나를 사방 에 위치해 놓았지만, 방사패턴이 모노폴 안테나 형태의 전방 향성이 아닌 중간에 null이 형성되어 꽃모양의 방사패턴이 나타난다. 참고문헌[4]는 차량에 사용된 모노폴 안테나를 보 여준다. 모노폴 안테나는 평판형 타입이 아닌 서있는 형태로 서, 외부의 영향을 크게 받고, 소형화에 많은 한계를 가지고
있다.
최근 안테나 소형화나 성능 개선에 있어서 Metamaterial (메타물질)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 메타물질 은 특정 주파수에서 자연 상태의 물질로는 존재하지 않는 음 의 유전율 또는 음의 투자율을 가지는 인공적인 물질로써, 전송 선로로 구현 할 때는 기존의 right-handed (RH) 특성 에 left-handed (LH)특성을 가지는 전송 선로를 추가시켜 구 현한다. 특히 전파상수가 0인 경우에는 파장이 무한대와 같 아지게 되므로 전송 선로의 물리적인 길이와는 상관없이 구 조상에 동위상의 전자장을 형성 할 수 있으며, 부품의 소형 화나 성능 개선을 얻을 수 있다.[5-9]
본 논문에서는 기존의 전방향성 방사 패턴을 가진 모노폴 안테나의 방사패턴을 구현 함을 동시에 기존의 모노폴 안테 나와 비교하여 소형화 된 메타물질형 저자세 안테나를 설계 한다. 기존의 모노폴 구조의 단점인 외부 환경에 방해 받지 않고, 단점을 개선시킬 수 있는 특성을 보이게 된다. 또한 3-Pole Cavity Filter 와의 Cross-Coupling을 통하여 425MHz대역 필터와 메타물질형 저자세 안테나와의 결합체 를 구현 한다.
Ⅱ. 메타물질구조의 특성
그림 1은 일반적인 Metamaterial CRLH 전송선로를 나타 낸 것이다. CRLH 전송 선로는 직렬 L
,C
와 병렬 C
,L
로 구성 되어 있다. 직렬 인덕턴스(L
)와 병렬 커패시턴스(C
) 가 right-handed (RH) 특성을 나타내고, 직렬 커패시턴스(C
)와 병렬 인덕턴스(L
)가 left-handed (LH)특성을 나타낸 다.그림 1. 일반적인 메타물질 CRLH 전송 선로
각각의 RH, LH 특성에 의해 차단 주파수가 결정 되어 통 과 대역이 형성 된다. 또한 L
, C
에 의해 직렬공진(
), C
, L
에 의해 병렬 공진(
)이 일어나게 된다. 이 두 주 파수가 서로 다를 경우에는 un-balanced 형태로 bandgap이 형성되어 차단 대역 특성이 나타나며, 서로 같을 경우에는 balanced 형태가 된다. 한편 CRLH 전송 선로 전체의 위상속도인
은 RH영역의
와 LH영역의
의 합에 의해 결정된다. 만약
이 0의 값을 가지게 되면 0차 공진이 발 생 하게 되고,
=0인 경우 파장이 무한대와 같아지므로 전송선 및 공진기의 전체에 걸쳐 동위상을 가지게 된다. 따 라서 물리적인 길이에 상관없이 같은 변화를 가지는 전계와 자계의 형성이 가능하며, 이는 부품의 소형화 및 새로운 특 성을 가질 수 있는 방법이 된다. 즉, 마이크로스트립 구조에 서 모노폴의 방위각에서 보이는 전 방향 특성이 형성될 수 있는 것이다.Ⅲ. 제안된 메타물질형 저자세 안테나 구조의 등가회로 구축
그림2-(a)는 일반 패치 안테나 구조의 등가 회로이다. 일 반 패치 안테나의 등가회로를 살펴보면, 그림2-(a)처럼 패치 에 흐르는 전류 경로의 직렬 인덕턴스 성분(L
), 패치와 접 지면 사이의 전계에 의한 병렬 커패시턴스 성분(C
)을 가지 고 있다. 0차 공진을 유도하기 위해 인위적으로 추가해야 될 직렬 커패시턴스(C
)와 병렬 인덕턴스(L
)성분을 포함하면 그림2-(b)와 같은 등가회로가 된다. 425 MHz공진을 위한 각 회로의 L, C값은 표1과 같다.(a)
(b)
그림 2. 안테나의 등가회로 (a)일반 패치 안테나 (b)제안된 메 타물질형 저자세 안테나
표 1. L,C 로 구성된 등가회로 값
구분 일반 패치 안테나 메타물질형 안테나
중심 주파수 425 MHz 425 MHz
직렬 인덕턴스 (P_L) 70 nH 70 nH
직렬 커패시턴스 (C
) - 1.9 pF병렬 인덕턴스 (L
) - 7.2 nH병렬 커패시턴스(P_C) 2pF 0.001 pF
링 직렬 인덕턴스 (L
) - 5 nH링 병렬 커패시턴스 (C
) - 0.001 pFⅣ. 제안된 메타물질형 저자세 안테나 설계
기존의 패치 안테나를 CRLH 메타물질형 안테나 형태로 변형하기 위해서 직각 링과 패치와 via를 이용한다. 패치 안 테나와 직각 링 스트립의 간격에서 직렬 커패시터를 유도하 며, 접지된 단락 핀(via)를 통하여 병렬 인덕턴스를 얻어 0차 공진을 발생시킨다. 그림3-(a) 는 425 MHz에서 공진하는 일 반 패치 안테나를 보여준다. 그림4-(a) 는 425 MHz에서 공 진하는 CRLH 패치 안테나이다. 표2는 일반 패치와 CRLH 패치 안테나의 크기를 보여주고 있으며, 일반 패치는 FR-4 기판, 유전율 4.3 을 사용하여 설계하였다.
(a)
(b)
그림 3. 일반 패치 안테나 (a)안테나의 구조 (b) 안테나의 반사 손실
표 2. 일반 패치 안테나의 크기
구분 일반패치
안테나
Sub_L’ 400mm
Patch_L 157mm
Offset’ 30mm
(a)
(b)
(c) 그림 4. 메타물질형 안테나
(a) 메타물질형 안테나의 구조 전면 (b) 메타물질형 안테나의 구조 측면 (C) 메타물질형 안테나의 반사손실
표 3. 메타물질형 안테나의 크기
구분 0차 공진
안테나
Sub_L 603mm
ZOR_L 353mm
Gap 24mm
via_radius 2.2mm
Offset 90mm
그림5와 그림6은 각각 일반 패치 안테나와 메타물질형안 테나의 방사패턴이다. 일반 패치 안테나의 경우 Broadside 방사 패턴을 보여주고 있는 반면, 메타물질형 안테나는 null 지점이 발생하여 모노폴 안테나 패턴이 발생 한 것을 볼 수 있다.
이는 0차공진이 발생 하게 되면 전계분포가 균일하게 분 포하여, 자계전류가 한 흐름을 가지게 되어 모노폴 안테나와 유사한 방사패턴이 발생하게 된다.
그림 5. 일반 패치 안테나의 방사패턴
그림 6. 0차 공진 안테나의 방사패턴
그림7에서 볼 수 있듯이, 일반 패치안테나의 경우 패치가 개방(open)상태 이기 때문에 양쪽 모서리의 전압이 최대로 발생하게 되어 전계강도가 최대로 나타나며, 그 방향은 반대 가 되지만, 이와는 상대적으로 설계된 메타물질형 안테나의 경우 0차 공진이 발생하게 되어 안테나 패치 전반에 걸쳐 동 일한 전계분포 및 강도를 보이고 있다.
그림 7. 일반 패치의 전계분포
그림 8. 제안된 메타물질형 안테나의 전계분포
Ⅴ. 제안 된 메타물질형 저자세 안테나와 Cavity 필터의 결합
그림 9는 LEO에 탑재할 안테나와 대역통과여파기의 개념 도를 보여주고 있다.
그림 9. 제안된 LEO 탑재용 BPF와 안테나 개념도
그림10 을 보면 425 MHz 메타물질형 안테나와 결합하기 위해 설계된 대역통과여파기의 반사손실과 삽입손실을 볼 수 있다. 제안된 안테나의 공진 주파수가 통과대역에 들어오 도록 설계되었으며, 그림 11은 안테나와 대역통과여파기가 결합 되었을 때 반사손실과 주파수 별 이득을 나타내었다.
대역통과여파기의 통과대역 주파수인 약 425 MHz 에서 430 MHz까지 안테나의 이득이 양수로 나타남을 확인 할 수 있다.
그림 10. 대역통과여파기의 반사손실과 삽입손실
그림 11. 대역통과여파기와 안테나 결합 시 반사손실과 주파수별 이득
그림12 는 대역통과기와 0차 공진 안테나를 결합하였을 때 방사패턴이다. 단일 0차 공진 안테나와 마찬가지로 모노 폴 안테나와 유사한 방사패턴을 보임을 알 수 있다.
그림 12. 대역통과여파기와 안테나 결합 시 방사패턴
(a)
(b)
(C)
그림13. (a) 425 MHz에서 공진하는 모노폴 안테나의 구조 (b) 모노폴 안테나의 반사계수와 대역통과여파기 안테나 결합구조의 반사계수 비교
(c) 모노폴 안테나의 방사패턴
그림13-(a)는 425 MHz에서 공진하는 모노폴 안테나의 구 조이다. 구조에서도 볼 수 있듯 모노폴의 길이가 160mm로 높이가 매우 높아 저궤도 위성에 적용하는데 어려움이 있다.
또한 그림13-(b)을 보면 대역통과여파기와 안테나의 결합 구조가 주파수 선택도가 모노폴 안테나에 비해 매우 높아 간 섭이 작은 장점이 있다. 그림 14의 제안된 0차 공진 안테나의 모습을 보면, 저자세형 안테나로 설계되어 높이가 30mm로 5배 이상 감소된 모습을 관찰 할 수 있다.
그림 14. 저궈도 Cube 위성에 탑재 된 메타물질형 저자세 안 테나의 모습
표 4. 제안된 메타물질형 저자세 안테나의 크기
구분 크기
h 30mm
L 400mm
W 600mm
Ⅵ. 결 론
본 논문에서는 메타물질형 저자세 안테나를 설계하였다.
3rd order Cavity Filter 와의 Cross-Coupling을 통하여 425MHz대역 통과 여파기를 설계하여 메타물질형 저자세 안 테나에 연결하여 산란계수와 주파수 대역별 이득을 확인 하 였다. 전방향성 방사패턴을 가짐에도 불구하고 기존의 모노 폴 안테나에 비해 크기를 감소시켜 저궤도 위성에 적용하는 데 용이함을 보였다.
참 고 문 헌
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[2] S. P. C., and Gupta, K. C., 1989, "Analysis and Optimized Design of Single Feed Circularly Polarized Microstrip Antennas", IEEE Trans. Antennas Propagation, Ap-31, pp . 949-955,
[3] T. Rajavardhan and H. Ramachandran, "Theoretical analysis and simulation of inverted F antennas on a finite ground plane for satellite applications," 2016 Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS), Shanghai, 2016, pp. 4704-4706
[4] M. Cerretelli, V. Tesi and G. Biffi Gentili, "Design of a Shape-Constrained Dual-Band Polygonal Monopole for Car
Roof Mounting," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 57, no. 3, pp. 1398-1403, May 2008.
doi: 10.1109/TVT.2007.912153
[5]C. Caloz, Tatsuo Itoh, Electromagnetic Me-Tamaterials:
Transmission Line Theory and Micro-wave Application, John Wiley & Sons, 2006.
[6] 주정호, 강승택, "메타 재질 CRLH 구조를 이용한 넓은 차단 대역을 갖는 UHF WLAN용 소형 대역통과 여파기의 설계", 전자공학회논문지, 44 TC
[7] A. Lai, K. M. K. H. Leong, and T. Itoh, “Infinite wavelength resonant antennas with monopolar radia-tion patterns based on periodic structures”, IEEE Tr-ans. Antenna Propag., Vol.
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[8] S. Mok, S. Kahng and Y. Kim, "A wide band metamaterial ZOR antenna of a patch coupled to a ring mushroom,"
Journal of Electromagnetic Waves and Applications,pages 1667-1674 June 2012
[9] S. Kahng et al., "Wideband and low-profile metamaterial antennas for aircrafts and automobiles," The 8th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2014), The Hague, 2014, pp. 976-977.
저자
한 다 정(Dajung Han) 비회원
․2016년 2월 : 인천대학교 전자공학과 (공학사)
․2016년 3월 ～ 현재 : 인천대학교 정보 통신공학과 석사과정
<관심분야> : 초고주파부품 및 안테나, 메타재질구조이론 및 응용
이 창 형(Changhyeong Lee) 비회원
․2016년 2월 : 인천대학교 전자공학과 (공학사)
․2016년 3월 ～ 현재 : 인천대학교 정보 통신공학과 석사과정
<관심분야> : 초고주파부품 및 안테나, 메타재질구조이론 및
응용
박 희 준(Heejun Park) 비회원
․2017년 2월：인천대학교 정보통신공학 과(공학사)
․2017년 3월 ～ 현재 : 인천대학교 정보 통신공학과 석사과정
<관심분야> : 초고주파부품 및 안테나, 메타재질구조 이론 및 응용
이 지 혜(Jihye Lee) 비회원
․2014년 3월 ～ 현재 : 인천대학교 정보 통신공학과 학사과정
<관심분야> : 초고주파부품 및 안테나, 메타재질구조 이론 및 응용
강 승 택(Sungtek kahng) 정회원
