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1 工學碩士學位論文 위성 DMB 수신용 Quadrifilar Helix Antenna 의설계 Design of a Quadrifilar Helix Antenna for the Reception of Satellite Digital Multimedia Broadcasting 충북대학교대학원 電波工學科電波通信專攻 崔鍾成 2005 年 2 月

2 工學碩士學位論文위성DMB수신용QuadrifilarHelixAntenna의설계崔鍾成 年 2 月

3 工學碩士學位論文 위성 DMB 수신용 Quadrifilar Helix Antenna 의설계 Design of a Quadrifilar Helix Antenna for the Reception of Satellite Digital Multimedia Broadcasting 指導敎授安炳哲 電波工學科電波通信專攻 崔鍾成 本論文을工學碩士學位論文으로提出함 年 2 月

4 本論文을閔在庸의工學碩士學位論文으로認定함. 審査委員長안재형印 審査委員박동희印 審査委員안병철印 충북대학교대학원 2005 년 2 월

5 목 차 목 차 ⅰ 그림목차 ⅱ 표목차 ⅲ 국문요약 ⅳ Summary ⅴ Ⅰ. 서론 1 1. DMB의개요 1 2. DMB 시장동향 4 3. 본논문의연구내용 14 Ⅱ. Quadrifilar Helix Antenna의설계 원편파 Antenna Quadrifilar Helix Antenna 21 Ⅲ. 안테나측정 측정동향 안테나특성측정법 안테나측정설비 측정결과 45 Ⅳ. 결론 51 참고문헌 52 그림목차 i

6 그림 1-1. 세계주파수할당지역 6 그림 1-2. 세계방송용할당주파수 7 그림 1-3. 세계주요국의지상파디지털방송추진일정 8 그림 1-4. 여유방송주파수재분배계획 11 그림 2-1. z 방향으로전달하는평면파 15 그림 2-2. xy 면에투영한전계의스펙트럼 17 그림 2-3. z 방향으로전달하는좌선원편파 18 그림 2-4. 직교하는 2 개의반파장다이폴안테나 19 그림 2-5. 헬리컬안테나 20 그림 3-1. 안테나패턴부전개도 22 그림 3-2. DMB 수신용도로제작된 QHA 의제안도 23 그림 3-3. 제작된안테나 24 그림 4-1. 안테나방사패턴측정에사용되는좌표계 28 그림 4-2. 방사패턴의구성 30 그림 4-3. 정재파비측정에대한 Schematic diagram 43 ii

7 그림 4-4. 방사패턴과이득측정에대한 Schematic diagram 44 그림 5-1. 안테나길이 37mm 에서의반사특성 45 그림 5-2. 안테나길이 37.5mm 에서의반사특성 46 그림 5-3. 측정된안테나의이득 (E1-Plane) 47 그림 5-4. 측정된안테나의이득 (E2-Plane) 48 그림 5-5. 측정된안테나의축비 (E1-Plane) 49 그림 5-6. 측정된안테나의축비 (E2-Plane) 50 표목차 표 1. 지상파 DMB 와위성 DMB 의비교 3 표 2. 미국의방송주파수 9 표 3. 일본의방송주파수 11 표 4. 일본의지상파 TV 전환계획 12 위성 DMB 수신용 Quadrifilar Helix Antenna 의설계 iii

8 최종성 충북대학교대학원전파공학과전파통신공학전공 ( 지도교수안병철 ) 요약문 본논문에서는위성디지털멀티미디어방송 (DMB) 수신용사중나선안테 나 (QHA) 의설계기법을제시하였다. 목표로하는 QHA 에요구되는특성은규 격에서요구하는전기적성능외에도저가에대량생산가능할것, 크기와형 태가휴대형이동단말기에적용하기에적합할것등이다. QHA 는 90 위상차를가지는 2 개의나선형다이폴로구성된원편파안테 나이다. 구조의복잡성때문에안테나설계에는시뮬레이션기법보다는실험 적방법을사용하였다. QHA 의설계변수는헬리컬다이폴의직경, 길이, 회전 각등이다. 실험적설계변수를여러가지값으로변경하여최적성능의 QHA 를 설계하였다. 설계된안테나를제작측정한결과 GHz 대역에서 -10dB 이 하의반사계수, 6dB 이하의축비, -1dB 이상의이득을얻었다. Design of a Quadrifilar Helix Antenna for the Reception of Satellite Digital Multimedia Broadcasting Choi, Jong Sung Department of Radio Engineering Graduate school, Chungbuk National University Cheongju, Chung-Buk, Korea Supervised by Professor Bierng-Chearl Ahn iv

9 Abstract In this thesis, design method are presented for a quadrifilar helix antenna(qha) for the reception of satellite digital multimedia broadcasting(dmb). Among characteristics desired of the QHA are mass productivity at low cost, shape and size suitable for hand-held mobile terminals, as well as specified electrical performances. The QHA is a circularly-polarized radiator consisting of two helical dipoles in phase quadrature. Due to structural complexities, the antenna is designed using experimental approaches rather than theoretical simulations. Design parameters of the QHA are diameter, length, and turn angle of the helical dipole. A QHA with an optimum performance is experimentally designed by varying design parameters. The designed antenna is fabricated and tested yielding a reflection coefficient less than -10dB, an axial ratio less than 6dB, and a gain greater than -1dB over GHz. v

10 Ⅰ. 서론 디지털방송에대한연구가활발히이루어지고있는가운데이동통신장비인휴대단말기및 PDA등을통한방송수신에대한관심이모아지고있다. 200MHz대역을사용하는지상파 DMB의경우현재시판단계에이르렀으나, 안테나의 size가크다는치명적인단점때문에휴대형이동통신기기에적용하기가쉽지않은실정이다. 이에위성 DMB는 2.6GHz 대역을사용함으로써안테나의 size를많이줄일수있지만, 이역시위성의신호를수신해야하기에이득이좋아야하며감도가우수해야한다는약점을가지고있다. 기존의마이크로스트립안테나를사용할경우원편파특성을맞춰줄수는있지만대역폭이협소하며낮은효율과단말기에적용하기힘든구조등의단점을안고있다. 이에본논문에서는 Quadrifilar Helix 구조의안테나를사용함으로써이득및축비등의안테나특성을만족시키면서구조면에서휴대형이동통신기기에적합한형태의안테나를구현하고자한다. 이에서론부에서는 DMB 에대한개요및 DMB시장의동향에대해간략히살펴보기로하겠다. 1. DMB 의개요 위성 DMB 는음성ㆍ영상등다양한멀티미디어신호를디지털방식으로변조, 위성으로고정ㆍ휴대용ㆍ차량용수신기에제공하는방송서비스다. 이동중에도이동전화나 PDA, 차량용단말기를통해언제어디서나 CD, DVD 급고음질ㆍ고화질방송을즐길수있어차세대신개념위성방송서비스 ( 혹은이동방송서비스 ) 로주목받고있다. 당초음성과음악방송위주의 DAB (Digital Audio Broadcasting) 로 소개됐으나통신과방송의융합추세를반영해다채널멀티미디어방송을 시청할수있는 DMB 로확장, 통용된다. 말그대로위성을사용하면 1

11 위성 DMB 가되는것. 이에반해지상의전파송신기를이용하는방식은 지상파 DMB 로구분된다. 국내위성 DMB 용주파수대역은 2,605~2,655GHz(SK 텔레콤 2,630~2,655GHz, KT 2,605~2,630GHz) 이며, 현재 SK 텔레콤이내년중순께, KT 가 2006 년께상용서비스를시작할계획이다. 한국전자통신연구원 (ETRI) 과정보통신정책연구원 (KISDI) 의전망에따르면, 위성 DMB 는 2004 년부터 2010 년까지생산유발효과가 8 조 8,000 억원, 부가가치유발효과가 4 조 2,000 억원, 고용효과도 2 만 2,000 명에달할것으로기대된다. 위성 DMB 가입자는 2004 년 50 만명에서 2005 년 100 만명, 2006 년 220 만명, 2010 년 800 만명에이를것으로 SK 텔레콤은내다봤다. 표 1. 지상파 DMB와위성 DMB의비교구분지상파 DMB 위성 DMB 네트워크형태지상망위성망 + 보조지상망 ( 갭필러 ) 주파수 제공가능채널 수 174~216MHz, 수도권가용주파수 TVch12(6MHz) CD 급오디오, 데이터, 영상채널 /VHF TV 1 개채널로 3 개블록할당가능, 블록당 6 개 (CD 수준음질보장 ) 의채널확보가능 2630~2655MHz(25MHz) CD 급오디오, 데이터, 영상 채널 /13 개 TV 채널제공가능 이동수신가능 ( 무지향성안테나가능 ( 무지향성안테나 2

12 사용 )/ 이동수신위해현 수준의송신소보다다수 사용 )/ 이동수신위해위성출력 및보조지상장비필요 송신소필요 화면크기 미정 최대 7 인치 대상시장 개인또는차량 개인또는차량 수익모델 광고중심의무료서비스 유료서비스 서비스범위 지역방송 전국방송 투자비 약 500 억원 4,000~8,000 억원 ( 정통부 산출 ) 주도기관지상파방송사통신사업자 2. DMB 시장동향 디지털기술의급속한발전과다양한정보및고품질의방송요구로기존의아날로그방송을디지털방송으로대체하려는움직임이세계적인추세이다. 현재미국, 영국, 일본등세계의많은국가에서다매체, 다채널화에따른지상파방송의경쟁력강화를위하여디지털텔레비전과디지털라디오방송을이미시작하였거나추진중에있으나주파수확보문제로디지털방송계획이다소지연되고있다. 영국은 1995 년 9 월세계최초로 EUREKA-147 방식의디지털오디오방송 (DAB) 을시작으로 1998 년 9 월에는 DVB-T(Digital Video Broadcasting-Terrestrial) 방식의디지털지상파텔레비전 (Digital Terrestrial Television: DTT) 방송을시작하여표준화질의다채널서비스를실시하고있다. 3

13 고화질텔레비전 (HDTV) 방송을목표로하는미국은 1998 년 11 월 ATSC(Advanced Television Systems Committee) 방식의지상파디지털텔레비전방송을시작하였으며, 향후아날로그텔레비전방송을종료할계획과핵심주파수대역으로디지털텔레비전채널을이동시켜여유주파수를확보하고타서비스에재활용할구체적인계획을세우고있다. 그러나디지털라디오방송은아날로그방송업자들의거센반발과새로운주파수대역할당의어려움에직면하게되어기존의 FM 방송대역에서디지털라디오방송구현을목표로하는 IBOC(In-Band On-Channel) 방식을개발중이며 2006 년이후방송이시작될것으로예상하고있다. 지상파방송뿐만아니라위성및케이블방송으로부터같은규격의디지털신호를모두수신할수있고디지털라디오방송을통합한 ISDB- T(Integrated Service Digital Broadcasting Terrestrial) 방식을개발중인일본은이미 2000 년 12 월디지털위성방송을개시하였으나주파수배정의어려움으로디지털지상파텔레비전방송은단계적인실험방송을거쳐 2003 년부터중요도시지역부터단계적으로실시할예정이며 2003 년시작예정이던디지털라디오방송도 2006 년으로연기되었다 [7, 8, 9]. 디지털방송의급속한발전과더불어대부분의디지털방송국가들은향후아날로그방송을종료하고완전디지털방송만의환경으로전환하려고하고있으며, 디지털방송채널의적절한배치로여유스펙트럼을확보하여최근주파수수요가급증하고있는이동통신서비스와같은다른서비스에재활용하려고하고있다. 1) 세계디지털방송및주파수동향 국제전기통신연합 (ITU) 무선규칙 (RR) 에는그림 (1-1) 과같이전세계를 3 개의지역으로나누어 9kHz-400GHz 의주파수를용도별로분배하고있다. 4

14 한가지서비스용도로할당된주파수대역도있지만대부분의경우에는한주파수대역에여러가지서비스가함께할당되어있어각국의사정에따라적절하게분배하여사용하도록하고있다. 대부분의유럽국가는제 1 지역에, 북미및남미지역국가는제 2 지역에, 한국을포함한아시아, 오세아니아국가는제 3 지역에속해있고특정협약이나예외규정을통해지역별로다소상이한주파수를사용하는경우가있다. 그림 1-1. 세계주파수할당지역 현재지상파텔레비전방송이나라디오방송 (FM, DAB) 에사용되는주파수대역은그림 (1-2) 같이 VHF/UHF 대역및 L-Band 로이대역에서는방송서비스가최소한다른서비스와동일하거나보다중요한서비스로지정되어주파수사용에우선순위를받고있다. 대부분의국가에서는아날로그및디지털텔레비전방송은 VHF/UHF 대역에서동시방송되고있으며향후적절한시기에아날로그방송을종료하고디지털방송만의환경으로전환예정이다. 또한아날로그 FM 방송은 VHF 대에서, DAB 방송은 VHF 대및 L-Band 에서실시되고있으며최근주파수부족을해결하기위해몇몇 5

15 유럽국가에서는 DAB 에 1.5GHz 대역의주파수를추가할당하자는의견을제기하고있다. 지역 III 에속해있는한국은예외규정에의해텔레비전은지역 II 의분배표에따르고위성방송용으로 2,535~2,655MHz 대역을분배받아사용하고있다. 그림 1-2. 세계방송용할당주파수 그림 (1-3) 은주요디지털방송선진국인미국, 영국, 일본의지상파디지털방송추진일정이다 년 9 월영국은세계최초로 DVB 방식의디지털지상파 TV 방송을실시하였고같은해 11 월미국의주요 10 대도시에서 ATSC 방식의디지털지상파 TV 방송이시작되었다. 영국을비롯한유럽국가들은고화질보다다채널에중요성을부여하여멀티플렉스기술을이용한표준화질텔레비전 (SDTV) 방송을실시하고있는반면미국은이동수신의결점에도불구하고고화질텔레비전 (HDTV) 방송을목표로방송을실시하고있다. 최근디지털 TV 에대한논의중새로운것은이동수신기능에대한것으로디지털지상파 TV 전송방식중에서유럽의 DVB 방식이나일본의 ISDB-T 는최근이동수신에성공했다는사실을적극홍보하고있다. 그러나 6

16 미국방식인 ATSC 는이부분에취약한것으로알려져있어이부분을 보강하기위한특별위원회를구성한것으로알려져있다. 그림 1-3. 세계주요국의지상파디지털방송추진일정 지상파방송뿐만아니라위성이나케이블방송으로부터수신되는같은규격의모든신호를수신할수있는 ISDB-T 방식을개발한일본은 1998 년기술규격을확정하고실험방송을실시중이나주파수할당의어려움으로 2000~2003 년에주요 3 개지역에서시작하려던디지털텔레비전방송을 2003 년으로, 2003 년부터시작하려던디지털라디오방송을 2006 년으로각각연기하였다. 디지털라디오방송은 1995 년 9 월영국에서 EUREKA-147 방식으로디지털오디오방송을시작하여대부분의유럽국가와캐나다에서상용화되어있는반면미국은주파수부족문제를고려하여독자적으로기존의 VHF/FM 방송대역에서사용할수있는 IBOC 방식을개발중으로 2003 년이후에방송이가능할것으로예상된다. 2) 미국의디지털방송및주파수동향 7

17 미국은 < 표 1> 과같이디지털텔레비전방송은아날로그텔레비전방송대역인 VHF 대 54~72MHz( 채널 2~4), 76~88MHz( 채널 5~6), 174~216MHz( 채널 7~13) 과 UHF 대 470~ 806MHz( 채널 14~69) 대역에서아날로그텔레비전과동시방송을실시하고있다. 여기서채널 37 은무선천문서비스에사용되고있다. 표 2. 미국의방송주파수 FCC 의발표에따르면미국은현재약 212 개도시에 1,600 여개의아날로그텔레비전방송국이있으며 2001 년초까지실제디지털텔레비전서비스는 61 개도심지역의 177 개방송국에서실시중으로전미국텔레비전방송수신가정의 67% 을커버하고있다. 그러나 HDTV 수신기가아직널리보급되지않아실제가시청세대수는미약한수준이다. 지상파디지털텔레비전방송추진일정에의하면 2003 년까지모든상업용과비상업용 방송국이디지털방송을실시할예정이며 2006 년에는아날로그방송을 중단하고디지털방송으로의전환을완료할계획이나이보다훨씬늦어질 전망이다 아날로그방송종료와주파수자원의효율적인사용을위해 1997 년 디지털텔레비전방송에필요한핵심스펙트럼 (Core Spectrum) 을채널 7~51 로설정하고모든디지털텔레비전방송채널을이대역안에배치하기로하였다. 그러나채널 2~6 은전파특성을확인하여차후사용을고려하기로하였는데방송사들의주파수간섭완화를위하여이대역의 8

18 사용을요청하므로 1998 년핵심스펙트럼을채널 2~51 로확정하고채널 52~69 는회수하여다른서비스에재분배하기로결정하였다. FCC 는디지털텔레비전방송을허가받은방송사업자에게 HDTV 방송용으로기존의아날로그주파수대역에추가적으로 6MHz 대역의디지털채널을무료로할당해주고방송사는기존의아날로그방송용주파수와디지털방송용주파수를동시에보유하고있다가아날로그방송을마감하는 2006 년말까지둘중에하나를반납하도록규정하였다. 이때, 방송사는 디지털방송용으로남기는주파수를핵심스펙트럼 2~51 에위치하도록 선택하고아날로그및디지털방송채널모두핵심스펙트럼밖 52~69 에위치한방송사는이핵심스펙트럼안에지정된디지털채널로이동하여모든디지털방송채널이핵심스펙트럼안으로배치되도록하고있다. 그림 (1-4) 는현재사용중인 VHF 대아날로그방송채널 2~13 및 UHF 대채널 14~36 과 38~69 의총 402MHz 대역의채널을핵심스펙트럼대역내로모두배치하고채널 52~69 를회수하여 108MHz 대역폭의주파수를확보하여재분배계획을표시한것이다. 채널 60~69 (746~806MHz) 는비교적사용이덜되고있어디지털전환시한까지기다리지않고그이전에 회수하여공공안전및상업용으로재할당할계획이고 764~776MHz 와 794~806MHz( 채널 63~64, 채널 68~69) 의대역폭 24MHz 는회수하여 공공안전을위한서비스에할당할계획이다. 또한 746~764MHz 과 776~794MHz( 채널 60~62, 채널 65~67) 의대역폭 36MHz 는회수하여 2001 년 9 월부터경매를통해대역폭 30MHz 는새로운상업용서비스에 나머지대역폭 6MHz 는보호대역 (Guard Band) 으로재할당할계획이며 698~746MHz( 채널 52~59) 의대역폭 48MHz 도 2002 년 9 월 30 일이전에경매하여새로운무선서비스에재할당할계획이나최근 (2001 년 4 월 ) 에부시행정부가발표한 2002 년예산안에따르면, 채널 60~69 는 2004 년 9 월까지, 채널 52~59 는 2006 년 9 월까지경매를연기하는법안을제안할 9

19 예정이라고발표했다. 또한디지털전환을촉진하기위해서, 방송사업자가주파수반환시점이후에도아날로그방송주파수를계속사용할경우, 1 년에 1 억 9,800 만달러의벌금을부과하는규칙의제정을 FCC 에제의하려고하고있다. 그림 1-4. 여유방송주파수재분배계획 3) 일본의디지털방송및주파수동향 표 3. 일본의방송주파수 일본은지상파 TV 의디지털전환을위해 2000 년실험방송, 2003 년 3 대도시권방송, 2006 년전국방송실시, 2010 년아날로그방송종료를목표로행정부가앞장서서추진해왔으나, 아직아날로그 TV 수신대책과관련된피해세대가예상을크게상회하여계획에차질이예상된다. 현재일본의디지털 TV 전송방식은유럽의디지털텔레비전전송방식인 DVB-T 방식과유사한 ISDB-T 를채택하였다. 이는채널당 6MHz 대역을할당하여단일주파수망을구현가능하게하며, 이를토대로일본은단일주파수망을구축하도록계획하여전국적으로하나의채널을사용하도록한다는것이다. 그러나주파수자원의부족으로일부지역에서는다른채널을사용하도록하였다. 즉, 10

20 주요기간국은단일주파수망을사용하고, 기타지방의지역은다른채널을사용하는망으로계획을수립하였다. 디지털방송추진일정은 < 표 3> 과같이방송실시후총시청자의 85% 가디지털방송을수신하는조건으로 2010 년경아날로그방송을폐지할예정이며현재아날로그지상파 TV 가사용하는주파수대역중 UHF( 채널 13~62, 470~770MHz) 대역에만디지털 TV 채널을배치하였다. 향후아날로그방송이종료되면 2012 년부터디지털채널재배치를통해 UHF 대역상단의 8~10 개채널 ( 채널 53~62) 은육상이동업무에사용할예정이며 VHF( 채널 1~12) 대역중채널 1~3 은디지털라디오방송용으로우선고려하고채널 4~12 는이동업무에사용할계획이라고최근발표했다. 표 4. 일본의지상파디지털 TV 전환계획 4) 국내 DMB 시장동향정통부는다음달중국과의조정이끝나면연말까지 ITU에주파수등록을위한조정합의통고서를제출하고, 내년부터국내에서도위성DMB 서비스가가능한제도적환경을갖춘다는계획이다. SK텔레콤과 MBCo는향후설립될위성DMB법인에대한교차투자와특허무료사용은물론마케팅 기술개발측면에서도지속적인협력을추진, 내년 1월위성을발사하고하반기중세계최초로위성DMB 서비스를상용화할계획이다. 이로써우리나라는 2.6GHz대역의위성DMB 주파수를확보하는데최대 11

21 걸림돌이었던일본과의협상을마무리함으로써, 앞으로일부국가와조정을마무리하면독자적으로위성 DMB 주파수를 ITU( 국제전기통신연합 ) 에등록하여이용할수있게된다. 이번한 일정부간최종합의는그동안일본이위성 DMB 주파수를먼저등록신청하여우리나라가위성 DMB 주파수를확보하는것이불가능하다는논란에종지부를찍는것이다. 이에따라 2004년에한국과일본은세계처음으로이동중에도차량또는이동전화단말기를통하여저렴한비용으로언제어디서나 TV, 라디오등고품질의다양한방송서비스를받을수있게된다. 위성 DMB는통신방송융합이라는정보통신분야의새로운트랜드를대표하는기술로서한국과일본은지속적인경쟁과협력을통한새로운시장을창출하고국제적으로위성 DMB를선도할수있는기반을구축하게됐다. 우리나라는지난달 4일부터한달동안스위스제네바에서열린세계전파통신회의 (WRC) 회의에서위성DMB( 디지털멀티미디어방송 ) 용주파수 25MHz를추가로확보하는등큰성과를거뒀다고정보통신부가 7일밝혔다. 이에따라우리나라는 2.6GHz대역의위성DMB 주파수를종전 25MHz에서 50MHz로 25MHz를추가로확보, SK텔레콤에이어 KT도위성DMB사업에진출할수있게됐다. 3. 본논문의연구내용제작된안테나의크기는직경 10mm에높이 37.5mm의안테나로 -10dB 이하의반사특성과 -1dB이상의이득특성, 6dB이하의축비특성을만족하고있다. 이에본논문에서는소형안테나의해법으로새롭게제시되고있는 QHA 구조에대하여고찰하였으며, 이를이용하여 DMB에적용하여대량생산할수있는구조의 QHA를제작하였다. 12

22 우선본론부에서위성신호의수신을위한원편파안테나에대하여살펴본후 DMB에적용된원편파안테나인 QHA의구조를알아보겠다. 다음으로제작된안테나를측정하기위한측정방법에대해알아본후실제제작된안테나의측정결과에대하여살펴보기로하겠다. Ⅱ. Quadrifilar Helix Antenna의설계 1. 원편파안테나 음파는종파이므로평면파가전달할때공기의입자는음파가전달하는방향으로진동하고있다. 입자가진동하는방향은이방향밖에없다. 이에대해전자파는횡파이기때문에전기적인진동을나타내는전계의방향은평면파에서는전자파의전달방향에직각으로된다. 전달방향에수직인면내에있으면전계는어느방향을향해도좋다. 전자파를방송이나통신에이용할때는전계가대지에대하여수평방향과수직방향을향하고있을때의두종류로나누는경우가많다. 전자를수평편파, 후자를수직편파라고한다. y y y x x H 1 E 2 E 1 z z 전달방전달방전달방 H 2 H = H 1 + jh 2 x E = E 1 + je 2 z (a) 수평편파 (b) 수직 편파 (c) 원편파 그림 2-1. z 방향으로전달하는평면파 전계 E 1 이 x 축방향을향한수평편파의경우를그림 (2-1) (a) 에나타내었 13

23 다. 평면파일때의전계와자계는직교하고있다. 전계의방향에서자계의방향으로오른쪽나사를회전시켰을때, 나사가진행하는방향이전자파의전달방향으로된다. 그림 (2-1) (a) 에서는자계를 H 1 로하고, 전달방향을 z축방향으로했는데, 이들은오른손나사의법칙을만족하고있다. 수직편파일때의전계 E 2 와자계 H 2 를그림 (2-1) (b) 에나타내었다. 이들의그림에서알수있듯이, 수평편파와수직편파의전계와자계는모두서로직교하고있으므로그들은서로간섭하는일은없다. 양편파는독립적으로발생시킬수있다. 실제의평면파는이들양편파의 1차결합으로나타낼수있다. 그일례로, 1차결합의계수를각각 1과허수인 j로더하여, E=E 1 +je 2 로한경우를그림 (2-1) (c) 에나타내었다. 간단히설명하기위해, 각각의편파에대하여전계의진폭은같다고하고, 이것을 A로한다. x방향과 y방향의단위벡터를 i, j로하면그림 (2-1) (c) 의전계는다음과같이나타낼수있다. E = (i+jj)a exp(-jkz) (1-1) 실제의벡터 i나 j이외에허수 j도평면상의위치를나타내기때문에이와같은표현에서는실제의값은알기어렵다. 교류이론의복소수를원래의값으로돌리기위해서는 exp(jωt) 을곱하여실수부를구하면되는데, 결과는다음과같이된다. E = iacos(ωt-kz)-jasin(ωt-kz) (1-2) 이벡터를 xy면에투영한것이그림 (2-2) 에실선의화살표로표시한벡터이다. 크기 A인전계의벡터는시간과함께시계방향으로회전하고있다. 이것이원편파이며, 편파의방향은전파가진행하는방향 ( 그림에서는 z축의플러스방향 ) 을향하여정하는것이약속이다. 이경우에는 z축의플러스방향을향하여벡터를보면왼손이내려가는방향으로회전하고있기때문에좌선 ( 左旋 ) 원편파가된다. 이에대해, 그림 (2-1) 의 (a) 나 (b) 를직선편파라고한다. 14

24 A y -A E = E 1 je 2 우선원편파 A ωt-kz x -A E = E 1 + je 2 좌선원편파 그림 2-2. xy 면에투영한전계의스펙트럼 y x z 그림 2-3. z 방향으로전달하는좌선원편파 그림 (2-2) 에서점선의벡터는 E=E 1 -je 2 로한경우이며, 우선 ( 右旋 ) 원편파로된다는것을알수있다. 수평편파에수직편파를가할때, +j를곱하면좌선원편파로, -j를곱하면우선원편파로되는것이다. 식 (1-2) 에서우변의제 1항과제 2항을개별로도시한것이그림 (2-3) 이다. 파의진폭이최대가되는위치에있어서전계의크기를화살표로나타내었다. 파는시간과함께우측방향으로진행하고있으므로위치를고정하고관측하면화살표는좌회전으로돌고있다는것을알수있다. 15

25 그림 2-4. 직교하는 2 개의반파장다이폴안테나 이와같은편파를가지는전파는그림 (2-4) 에나타낸바와같이 2개의직교하는반파장다이폴안테나로부터방사시킬수있다. 좌선원편파일때는수직안테나에급전하는위상을수평안테나의급전위상에대하여 90 만큼앞서게하면된다는것은식 (1-1) 이나그림 (2-1) (c) 에서알수있다. 원편파를만들기위해서는그림 (2-5) 에나타낸안테나를사용하는경우가많다. 급전선이하나로해결되기때문이다. 동축선로의외부도체를어스판에접속하고, 내부도체를펴서나선형으로감은안테나로, 헬리컬 (helical) 이라고한다. 그림에서 earth판의뒤에서안테나를보면나선은멀어짐에따라왼손이내려가는방향, 즉좌측감이로감겨지고있다. 나선의 1회권선의길이가파장에비교하여매우작을때는원주상에는같은위상의전류가흐른다고해도좋다. 이경우에는파원은루프를관통하는자류로되며, 수평방향을향한자기다이폴안테나로생각해도좋다. 그런데, 나선의주위길이가 1파장에가깝게되면모양이달라진다. 예를들 16

26 면루프의주위길이가 1파장일때는정재파의전류가흐른다. 그림 (2-5) (a) 와같이여러회감겨있으면전류는나선에따라흐르는진행파로된다. 이경우에그림 (2-5) (a) 의 earth판의뒤에서보면, (b) 의전기력선은좌회전으로돌것이다. 전압이높은위치는나선에따라우측방향으로이동하기때문이다. 이때문에나선에흐르는전류로부터방사된전파는전계방향이좌회전으로도는원편파로된다는것을알수있다. (a) (b) 그림 2-5. (a) 헬리컬안테나 (b) Earth 판의뒤에서본전기력선과그회전방향 위성으로부터오는전파를지상에서이동하면서수신하는경우, 직선편파를사용하면, 이동하면서안테나를회전시켜편파의방향에일치시키지않으면안된다. 허나원편파를이용할경우편파의방향을맞춰줄필요가없어진다. 방송위성으로부터오는전파는국경을넘어서인접국가에도조사 ( 照射 ) 하는것이보통이다. 인접한나라가서로역회전의원편파를사용하면같은원편파안테나로이웃나라의 TV 방송을볼수없다. 예를들면위성방송에서는한국은좌회전, 일본은우회전의원편파가할당되어있다. 직교하는직선편파를할당했다고하면안테나를 90 회전시키면 17

27 이웃나라의 TV 를볼수있기때문이다. 2. Quadrifilar Helix Antenna 본논문에서제시된 DMB 수신용안테나의구조는그림 (3-1) 에서보는바 와같이 Connector, PCB, Pattern, Body 로총 4 개의 section 으로나누어져 있다. 그림 3-1. 안테나패턴부전개도 안테나의설계는구조의복잡성때문에시뮬레이션보다실험적인방법으로진행하였다. 설계변수로는안테나패턴의길이, 각도, 동축급전선과의연결구조등이다. 설계변수를여러가지값으로바꾸어가면서실험적으로최적의특성을가지는안테나를설계하였다. Connector는적용될 set에맞추어따로제작된것이며, 모델별특징에맞게제작할수있다. PCB는매칭과급전을위하여제작하였으며, 1006 chip 18

28 size에맞게설계하였다. 또한그림 (3-2) 에보여지는 Pattern부분은 FPCB(Flexible PCB) Type으로제작하여 Body의 Size에맞게조절이가능하도록설계하였다. 만일세라믹과같은고유전율의유전체를사용한다면안테나의 Size가더작아질수있으나, 대역폭이좁아진다는단점이있기에사용을배제하였다. Connector부는 Antenna의 angle이조정가능하도록설계하였으며, Body부의상, 하부결합은양산성과안정성을위하여초음파융착법을사용하였다. 그림 3-2. DMB 수신용도로제작된 QHA 의제안도 19

29 그림 (3-3) (a) 는실제제작된안테나의사진을도시하고있다. 현재 Case 의 결합은 bonding 으로되어있으나, 초음파융착에대한검증도끝난상태로향 후초음파융착으로진행될것이다. (a) (b) 그림 3-3. 제작된 QHA (a) 조립된안테나 (b) 안테나 Pattern 그림 (3-3) (b) 는실제제작된안테나의 Pattern부분으로현재 issue인 Pb free에대응하기위해 Pb가제거된 Sn만사용이가능하도록고온에서견딜수있도록설계하였다. Antenna의위치는 DMB module의측면부위이며, Size는 38x30x2.5mm이다. Antenna는평상시에 Set의뒤쪽으로접혀있다가사용시에세워서사용할수있도록되어있으며, 각도조절이가능하여사용자가수신이가장적합한위치를직접선택하여사용할수있도록되어있다. 1. 측정동향 Ⅲ. 안테나측정 사회가고도화, 정보화되면서다양하고많은정보를세계도처에서언제든 지자유롭게송수신할수있는다양한무선이동통신기술들이개발되어사용 20

30 되고있다. 이들무선이동통신기술에서공간을정보전달의매개체로사용하기위해서는정보가담긴전기신호를공간에서전파할수있는전자파 ( 전파 ) 로변환하거나, 공간으로부터전파되어오는전자파를전기신호로변환하여줄수있는변환기가필요한데, 이것이우리주변에서도많이볼수있는안테나이다. 무선이동통신기기에서필수품목인안테나는각종무선통신뿐만아니라 radar, ECM/ECCM, telemetry, 원격탐사, EMI/EMC, 측정, 방송, 전파천문학, 항해등전자파를이용하는각종첨단기술분야에서일상생활에이르는전분야에서널리사용되고있다. 안테나는사용하는목적에따라송신안테나의경우안테나에공급되는전기신호를효율적으로원하는방향으로원하는특성을갖고전파를방사하고, 수신안테나의경우공간으로부터유입되는전파중에서원하는특성을갖고원하는방향에서오는전파를효율적으로수신하도록설계 제작된다. 이러한안테나의특성은대개안테나이득, 방사패턴 ( 지향성 ), 편파특성, 안테나효율, G/T 등에의해결정된다, 안테나특성측정기본기술의많은부분은 2차세계대전중까지 Bell Telephone Laboratories, R.C.A. Laboratories, M.I.T. Radiation Laboratory 등에서주로개발되었으며, 그후항공 방위산업으로부터많은안테나방사패턴측정요구에따라안테나측정용상용장비들 ( 안테나패턴 recorder, 각종 positioner, 패턴 integrator, 수신기, 신호원등 ) 이개발되었다. 이때까지안테나엔지니어들의주관심은안테나특성측정보다는안테나설계였다. 1960년대우주개발계획의시작과더불어전자파관련시스템설계에있어디자인 margin이작아짐에따라정확한측정의필요성이증대되어안테나특성측정을위한방법및장비개발에관심이모아졌다. 1970년대에는 tapered anechoic chamber, compact range, extrapolation range, near-field probing technique, improved polarization technique 등이도입되었으며, 안테나특성측정이안테나설계와같은비중을갖게되었다. 1980년대이후로전자파의이용주파수대역이점차밀리미터파영역으로확장되고, 많은고성 21

31 능 ( 이득, 지향성, 편파특성 ) 및고기능안테나들의개발 사용이요구됨에따라정확한안테나특성측정의중요도가날로더해지고있다. 정확한안테나특성의측정및평가를위해서측정에사용되는모든장비는전자파관련국가표준에소급성 (traceability) 을갖도록교정되어야하며, 안테나특성측정을위하여필요한측정량들 ( 전력, 감쇠량, 임피던스등 ) 이국가표준및국제표준에소급성을가져야한다. 국제사회에서도이에대한필요성을인식하여 CIPM 전기및자기자문위원회 (CCEM) 의 working group인 GT- RF에서도안테나특성관련량을 Key Comparison 항목으로정하여세계각국의표준기관들이참여하는국제비교를수행하고있으며한국표준과학연구원전자파그룹에서도적극적으로참여하고있다. 한국표준과학연구원에서는 13m(L) x 10m(w) x 7.5m(H) 크기의 rectangular 전자파무반사실및 30m 60m 크기의야외시험장을안테나특성측정시설로운용하고있으며, 안테나절대이득, 방사패턴및편파특성에대한측정을 40GHz까지의주파수대역에서수행하고있다. 2. 안테나특성측정법 1) 안테나방사패턴안테나이득과연관성이있는안테나방사패턴은원하는방향으로만전자파를방사하거나수신하기위한안테나특성으로서, 원격탐사나레이더의경우공간적인분해능을높이기위해서지향성이좋은방사패턴을요구한다. 초기에는안테나의기하학적인구조로부터이론적으로쉽게방사형태를쉽게예측할수있는다이폴, horn, dish 안테나등이많이사용되었으나, 근래에위상배열안테나등이개발되면서고지향성이나가변방사패턴과복잡한모양의방사패턴을갖는안테나들이군사용이나원격탐사, 위성통신, 위성방송등에이용되고있다. 따라서이러한고성능안테나들의정확한방사패턴의측정이필요하게되었다. 22

32 일반적으로안테나방사패턴은피측정안테나의원역장 (far-field region) 에서측정한다. 초기에는이러한조건을만족하는야외안테나시험장에서측정이이루어졌으나, 이측정법에서는기후및주변물체들의영향, 외부전파잡음등으로정확한측정이어려웠다. 근래에들어실내에서자유공간의조건을만든전자파무반사실에서안테나방사패턴측정이이루어지고있다. 한편큰안테나의방사패턴을측정하기위해서는원역장조건을만족시킬수있는매우큰측정시설이필요한데, 이를위해 compact range 등이개발되었으며최근에근역장측정데이터로부터원역장특성을알아낼수있는외삽기법, 근역장주사법등이개발되어이용되고있다. 그림 4-1. 안테나방사패턴측정에사용되는좌표계 일반적으로측정주파수에서안테나방사패턴은그림 (4-1) 에서와같이송신안테나의원역장에서측정거리 (r) 는일정하게유지하면서다만각좌표 θ 와 ф 만변화시키며수신안테나로수신된신호크기에의해결정된다. 따라서안테나방사패턴은측정주파수와 θ 및 ф만의함수로표현된다. 한편안테나의방사패턴은 2차원적인패턴을측정하는것이대부분의경우이며, 만약 3차원적 23

33 인패턴이필요하면 E-plane 및 H-plane에서측정된방사패턴으로부터얻을수있다. 선형편파안테나에대하여 E-plane 패턴은전기장벡터와최대방사가이루어지는방향을포함하는면에서, H-plane 패턴은자기장벡터와최대방사가이루어지는방향을포함하는면에서측정된방사패턴으로정의된다. 방사패턴은그림 (4-2) 에서와같이 major, minor, side 그리고 back lobe 등으로구성된다. 24

34 그림 4-2. 방사패턴의구성 Main beam이라불리기도하는 major lobe는최대방사가이루어지는방향의 lobe를의미하는것으로, split-beam 안테나에서는 major lobe가여러개존재할수있다. Major lobe를제외한다른모든 lobe들은 minor lobe로분류되며, main lobe의반대쪽에있는 back lobe와기타의 side lobe들로구성되어있다. Minor lobe가존재한다는것은원하지않는방향으로에너지가방사된다는것을의미하므로특별한경우를제외하고는가능한한줄여야한다. Minor lobe들중에크기가대체로큰것들인 side lobe들은일반적으로 major lobe에대한전력밀도의비로써표현되어지며 side lobe ratio 또는 side lobe level이라불린다. 일반적으로 side lobe level은보통의경우 -20 db 또는그이하가되도록안테나를설계한다. 대부분의 radar 시스템에서는목표물로부터되돌아오는 radar 신호의구분을위해서 -30dB 이하의 side lobe level 안테나특성이요구되고있으며, 이러한낮은 side lobe를갖는안테나의방사패턴을측정하기위해서는좋은측정설비뿐만아니라정밀 정확한측정기술이필요하다. 일반적으로방사패턴의측정정확도에큰영향을미치는요인들은송 수신안테나사이의거리가유한하기때문에생기는송 수신안테나사이의결합및다중반사, 수신안테나영역에서의입사파크기및위상비균일도등에의한근역장효과, 안테나지지대나주변물체나벽면등으로부터의반사파에의한 depolari-zation 및입사파크기및위상비균일도, 안테나 positioner의 positioning 정확도, 피측정안테나의정렬, 송수신시스템의 drift, 수신기의비선형성등이있으며패턴 level이작아짐에따라큰영향을받는다. 한국표준과학연구원에서는이중유한한송 수신안테나사이의거리에의한근역장효과를감소시키기위하여원통형좌표계에서송 수신안테나사이의전송식을이용하고, 동일한안테나로가정할수있는두안테나를송 수신으로하여측정된방사패턴을 spatial angular domain으로변환하여한안테 25

35 나의 angular mode를구한다음, 수신안테나를피측정안테나로대체하여측정한방사패턴으로부터구한 angular mode에서송신으로사용된안테나의 angular mode를 deconvolution하여피측정안테나의 angular mode를구함으로써비교적가까운거리에서원역장방사패턴을구할수있는방법을개발하여사용하고있다. 2) 안테나이득 통신, 레이더, telemetry 시스템의성능은사용되는안테나의 power gain에따라좌우되며, 이런시스템의제작및유지비용은출력전력의크기에따라크게차이가나기때문에사용되는안테나의매우정확한 power gain 측정이요구되고있다. 주어진방향으로의안테나 power gain은안테나에전달된순전력에대한주어진방향에서의단위입체각당방사된전력비의 4π 배로정의된다. 이물리량은안테나고유특성으로임피던스나편파부정합에의한손실을포함하고있지않기때문에실제시스템에서의전력전달을결정하기위해서는안테나입력임피던스와편파특성을측정하여고려하여야한다. 반면에방향성이득은안테나에의해방사총전력에대한주어진방향에서의단위입체각당방사되는전력의비를 4π배한것으로안테나의 dissipation 손실을포함하지않는다. 따라서방향성이득에대한 power gain의비가안테나효율이된다. 대개 power gain은안테나최대방사방향에서측정되며흔히축상 power gain이라고한다. 안테나의 power gain 측정은대개 1 GHz 이상의주파수대역에서는 freespace antenna range가, 1 GHz 이하의주파수대역에서는 ground-reflection range가주로사용된다. 이러한 power gain 측정법은대개절대이득측정법과이득전달측정법으로구분되어진다. 절대이득측정법은측정에사용되는안테나이득에대한사전정보가필요없는방법으로대개이득표준안테나의 26

36 교정에사용된다. 이득전달측정법은이득비교법이라고도하며가장널리사용되는방법으로, 피측정안테나의이득을비교할이득표준안테나가필요하며피측정안테나에입사하는평면파에대한응답과하나또는그이상의표준안테나로피측정안테나를대체하였을때의응답의비로써피측정안테나의 power gain을결정한다. 이득표준안테나로는다이폴, OEG(Open Ended waveguide), pyramidal horn 안테나등이사용된다. 여기서는 free-space 안테나 range에서이득표준안테나의교정에사용되는절대이득측정법및근거리영역측정데이터를이용하여원역장이득을구하는외삽법에대하여간략히설명하였다. 송 수신안테나가서로최대이득방향으로거리 r만큼떨어져있고송신안테나에 P T 전력이전달될경우수신안테나에서측정되는전력 PR는다음과같이표현될수있다. (2-1) 여기서 G R 및 G T 는각각수신및송신안테나의이득을의미하며 λ 는파장을의미한다. 일반적인 3-안테나법에서는 3개의임의의안테나에대하여 3가지조합에대하여 P T 와 P R 을측정하면윗식과같은형태의 3개식을얻을수있고이로부터각안테나의 power gain을구할수있다. 만약사용된두안테나가동일한특성을가지고있다면안테나이득역시같으므로 (2-2) 과같은관계가성립된다. 윗식은동일한안테나를사용하여안테나이득을측정하는 2-안테나법의기본측정식이다. 2-안테나법으로안테나이득을측정하는과정은먼저송 수신안테나를연결하지않은상태에서신호원과부하 27

37 ( 신호검출부 ) 를직접연결하여그때부하에전달되는전력 PT를측정하고, 다음으로송 수신안테나를연결하여서로떨어진상태에서부하에전달되는전력 PR을측정하여이득을계산하게된다. 이때원역장이득을측정하기위해서는거리에따른이득감소효과에의한오차를 0.05 db 이하로줄이기위해이상의거리가필요한데, 예를들어 X-band 혼안테나의경우필요한거리는약 30m이다. 전자파무반사실에서이런안테나의원역장이득을측정하기위해서는거대한측정공간과이에따른막대한시설비가소요된다. 그래서근역장영역에서의측정값으로부터원역장이득을정확히측정할수있는외삽 (extra-polation) 기법을사용하여원역장이득을얻고원역장이득과근역장보정계수를사용하여근역장이득을구하는방법을구현하였다. 근접된두안테나가안테나축으로정렬된상태에서두안테나사이거리를증가시키면서수신신호크기를측정하면, 두안테나사이에서신호다중반사에의해수신신호에 ripple이나타나게된다. 이다중반사효과는측정데이터들을국부적으로평균함으로써제거할수있어근역장에서안테나이득을구할수있으며, 근역장안테나이득을외삽하면원역장에서의안테나이득및근역장보정계수를구할수있다. 3) 편파특성 편파특성은일반적으로전자파진행방향에대해수직인면 ( 편파면 ) 에서전기장벡터궤적 (locus) 의형태와방향을시간의함수로나타낸것으로, 안테나의편파특성은안테나최대이득방향편파특성을의미한다. 일반적으로편파면에서전기장궤적은타원으로기술될수있으며, 타원의장단축의비에직선편파, 원편파, 타원편파가될수있다. 편파면에서전기장벡터의시간에대한회전방향을편파 sense라고하며, 관측자가파의진행방향을바라볼때시계방향으로회전하면우편파, 반시계방향으로회전하면좌편파라고한다. 위성통신, 무선통신등에있어서한정된주파수자원의효율적이용 ( 주파수 28

38 재사용 ) 을위하여안테나편파가이용되어직선편파뿐만아니라원편파, 타원편파등다양한편파의안테나가이용되고있으며, 원격탐사및군사용등에서고편파안테나의사용이증대됨에따라안테나편파특성의정확한측정이중요하게되었다. 특정한편파를갖도록설계된안테나의방사형태는대개그편파에해당되는전기장의성분으로나타내진다. 그러나cross-polarized 성분이존재하기때문에방향에대한편파특성측정이필요하다. 또한주빔에서먼각도에서의편파특성은주빔의것과매우다를수있으며, 주빔내에서도편파특성의변화가중요시될경우도있다. 안테나의편파특성을측정하는방법에는전달 ( 비교 ) 법, 절대측정법등으로분류되는여러가지방법이있는데, 시험안테나의종류, 요구정확도, 측정데이터의양, 측정소요시간, 측정비용에따라결정되며, 주로 polarization-pattern법, rotating-source법, multipleamplitude-component법, phase-amplitude 법이사용된다. 편파표준안테나의측정등보다정확한측정을위해서는 3-안테나법을이용한 improved 편파측정법이사용된다. Polarization-pattern 법 피측정안테나를송 수신안테나로사용할수있으며, 송신쪽에사용될때다이폴안테나나다른직선편파안테나를입사파의진행방향과수직인면에서회전시키면서수신안테나출력의크기를상대적으로측정한다. 직선편파 probe 안테나의수신편파경사도의함수로수신안테나의출력의크기를그린것이 polarization pattern이며, 장축과단축의지점에서편파타원과접선을이루며이로부터입사파의축비와경사도를구할수있으나회전방향은구할수없다. Rotating-source 법 이측정법으로는피측정안테나의방향에따른축비를결정할수있다. 피 29

39 측정안테나의방향을변화시키면서직선편파 source 안테나를피측정안테나의회전속도보다훨씬빠르게연속적으로회전시키며피측정안테나의출력을측정하여안테나방사패턴에나타나는 ripple의크기로부터축비를결정하며, 원편파안테나특성측정에적합하다. Multiple-amplitude-component 법 이방법은이미편파특성을알고있는네개의다른안테나들의출력크기로부터, 위상측정없이, 전자파의편파특성을완전히결정할수있다. 이 sampling 안테나의편파는수평또는수직직선, 45 와 135 직선, 우원또는좌원편파와이여섯개중의다른하나가사용되며이안테나들의이득을알고있어야하며측정시이득차를보상해주어야한다. 측정데이터로부터피측정안테나의편파특성을도식적으로또는선형방정식을통하여구할수있다. 이방법을변형시키면단일직선편파안테나 (source 안테나 ) 를 0 ( 수평 ), 45, 90 ( 수직 ), 135 로회전시키면서피측정안테나의패턴을측정하면전방사방향에서의축비와경사도를구할수있으며이때직선편파안테나는편파표준안테나이어야한다. Phase-amplitude 법 이방법에서는편파특성에필요한모든데이터를동시에얻을수있어방사패턴과편파특성을한번에구할수있다. 이중편파된수신안테나가피측정안테나에의한방사장을 sampling하기위하여사용되며수신기출력은 sampling 안테나의각편파에대한반응크기와그들사이의위상이다. 두편파가직교성을가지면복소편파비가얻어지게되며, 이수신안테나의편파특성은알아야하고, 두안테나이득은동일해야한다. 수신안테나의편파특성조절을위하여편파조정 network이사용되며, 이 network의조정을위해 polarization-pattern법이편파특성표준과같이사용된다. 30

40 3- 안테나법을이용한 improved 편파측정법 대개의경우편파표준으로사용될직선편파안테나를정밀제작하여사용하면적절한정확도를얻을수있다. 그러나정밀 정확도가요구될때는절대측정법을이용하여이표준안테나를교정하여야하는데이때 3-안테나법이사용된다. 이방법은 3개안테나중적어도 2개는원편파가아니어야하는제약이있다. 두안테나로이루어진 3개의조합에대해수신안테나의출력 ( 크기, 위상 ) 을수신안테나가 0 와 90 위치에있을때각기측정하여구한비들로부터각안테나의복소원편파비를구할수있다. 편파측정에는단지각성분들간의비나수신된신호간의비만이사용되며, 거의직선편파에가까운두개의안테나로측정하였을때수신안테나가 0 와 90 위치에있을때측정된신호비의크기는 -30에서 -60 db가되며이러한신호영역에서는다중반사신호들과산란파신호의 depolarization, leakage 등때문에정확한위상측정이어렵다. 또한 90 회전이되어감에따라위상도매우급격히변한다. 이러한위상측정의오차를줄일수있는방법이 improved polarization법으로과정을요약하면다음과같다. 처음에두안테나의한축 (Y축) 이일치하도록안테나정렬을하고이때의회전각도를 0으로놓은다음, 수신안테나를송 수신안테나정렬축을축으로하여수신신호가최소가되는각도까지회전시킨다음반대방향으로 90 회전시킨다. 이각도에서수신신호의크기는 1, 위상은 0으로하고, 이때의회전 각을 이라한다. 다시수신안테나를최소수신신호각도로회전시키면 서위상변화의부호를결정하고이각도에서수신신호의크기 다. 그러면최대수신신호에대한최소수신신호의복소비 Qnm 은 를측정한 이 되며 ± 부호는회전중위상변화의부호와같게된다. 다른두안테나의조합 에대해서이과정을되풀이하여얻은 3 개의복소비데이터로부터각안테나 31

41 의편파비를구하고, 안테나축에대한경사도는측정된회전각도로부터구할수있다. 이러한측정과정에서생길수있는오차 ( 안테나지지대나전파흡수체에의한영향, 다중반사및산란파신호영향, positioning 오차등 ) 를최소화하기위하여예상되는최소신호수신구간과이로부터 90 회전한구간 ( 최대신호수신구간 ) 에서수신안테나의출력 ( 크기, 위상 ) 을회전각에대하여측정기록한후컴퓨터프로그램을이용하여처리하여측정정확도를높이는방법도사용한다. 3. 안테나측정설비 Antenna range는동작환경에무관하게안테나의특성을시험 평가하는설비로서대개의안테나가특수한경우를제외하고는원역장 (far-field) 영역에서사용되기때문에안테나방사특성을측정하기위한이상적인입사파는균일평면파 (uniform plane wave) 이다. 이러한조건을근사적으로만들기위하여 reflection range와 free-space range의두가지형태의 antenna range가개발되었다. Free-space range는주변에서의영향을억제할수있도록설계되며, elevated range, slant range, anechoic chamber, compact range, nearfield range 등이있다. 여기서는몇가지만소개를한다. 1) Reflection range Reflection range 는 range 표면에의해반사되는반사파가 source 안테나에 서 test region 으로직접전파되는직접파와합해지도록설계되며, 적절한설계 32

42 로 test region에조사되는 field는작고대칭적인크기 taper를갖도록할수있다. 이 taper는 test 안테나의높이는고정시키고 source 안테나의높이를변화시킴으로써조절할수있다. 지표면의반사계수, 평탄도등이측정의정확도에큰영향을준다. 이 range는 broad한안테나패턴측정을위해 UHF 영역에서주로사용된다. 2) Elevated range Elevated range는일반적으로평탄한지역에구성되며 source 안테나와 test 안테나가지상으로부터높게설치된비전도성 tower에놓여지며, 주변에의한영향은지향성, 부엽 (sidelobe) level를고려한 source 안테나의선택과표면이나주변물체에의하여 test 안테나가놓일 test region으로반사되는반사파를흡수체나 fence 등을이용한흡수또는방향변경을통하여억제한다. 또한 modulation tagging과같은특수신호처리방법이나 short-pulse법등도사용된다. 따라서주로지향성안테나가용이한마이크로파대역이상에서사용되며 source 안테나, test 안테나의크기와특성및측정주파수에따라두안테나사이의거리및 tower의높이를적절히설계하여야한다. 3) Slant range Slant range는 source 안테나는지표면에가까이설치하고 test 안테나는비전도성재료로만든높은 tower에설치되도록설계된다. Source 안테나는자유공간방사패턴의최고치가 test region의중심을향하고방사패턴의첫번째 null이지표면의 specular reflection 지점을향하도록위치및방향을조정한다. 33

43 4) 본논문에서사용된측정장비 (1) 실험장비 : 측정에사용된장비는다음과같다. - 정재파비와입력임피던스측정을위한 Agilent사의 8720ES 회로망분석기 - 이득측정을위한 three-dimensional anechoic chamber ( 표준다이폴과혼안테나를사용해 calibrate 할수있는챔버 ) - 치수측정을위한 Digital caliper. - 기계적실험을위한 Climatic chamber. (2) 주파수범위 : 2630MHz ~ 2660MHz (3) 정재파비 : 정재파비특성은전기적요구조건을만족시켜야한다. 정재파비는 Agilent사의 8720ES 회로망분석기로측정되었다. 모든측정은제공된장착물에서수행되었다. 그림 (4-3) 은정재파비측정에대한 schematic diagram을도시한것이다. Agilent 8720ES Network Analyzer Test Port Test Port cable D.U.T 그림 4-3. 정재파비측정에대한 schematic diagram (4) 방사패턴및이득방사패턴은양위치에서전방향성을가져야한다. 방사패턴측정은 threedimensional anechoic chamber에서수행되었다. chamber는 800MHz ~ 6GHz에서 30dB이하의반사특성을제공하고, standard dipole과 horn antenna에의해 calibrate된다. 여기에서이득은 dbi단위로표시되며이득측 34

44 정또한위에서묘사한동일 chamber 내에서수행되었다. 그림 (4-4) 는방사 패턴과이득측정에대한 schematic diagram 을보여준다. 3D Anechoic chamber A Probe array Controller RF Unit (0.4 ~ 6GHz) Primary Synthesizer Auxiliary Synthesizer Motion Controller Probe array Data Acquisition & Processing PC 그림 4-4. 방사패턴과이득측정에대한 schematic diagram 4. 측정결과 1) 반사손실측정안테나의반사손실은회로망분석기 (Agilent 8720ES) 를이용하여측정하였으며측정된안테나길이를 37mm로하였을경우반사손실특성은그림 (5-1) 과같이공진주파수 2.565GHz에서 90MHz로 3.51% 대역폭의특성을나타내었다. 35

45 그림 5-1. 안테나길이 37mm 에서의반사특성 그림 (5-2) 는안테나의길이를 37.5mm 로제작하였을때의반사손실특성 이며, 공진주파수 2.67GHz 에서 80MHz 로 2.99% 대역폭의특성을나타내었 다. 36

46 그림 5-2. 안테나길이 37.5m 에서의반사특성 2) 이득 (Gain) 측정그림 (5-3) 은안테나를 φ = 0도에서고정시킨상태에서 θ방향으로 360도회전시키면서측정한것으로 E1-평면이라볼수있다. E total Gain은 Average -1.5dB이상으로안테나가소형이라는것을감안할때매우우수한특성을나타내는것을알수있다. 37

47 그림 5-3. 측정된안테나의이득 (E1-Plane) 그림 (5-4) 는안테나를 φ = 90 도에서고정시킨상태에서 θ 방향으로 360 도회전시키면서측정한것으로 E2- 평면이라볼수있다. E total Gain 은 Average -1dB 의매우우수한특성을나타내었다. 38

48 그림 5-4. 측정된안테나의이득 (E2-Plane) 2) 축비 (Axial Ratio) 그림 (5-5) 는 φ = 0 에서측정된안테나의축비로 ±45 범위에서전대역에 걸쳐걸쳐 2.5dB 이하의매우우수한특성을나타내고있다. 39

49 그림 5-5. 측정된안테나의축비 (E1-Plane) 그림 (5-6) 은 φ = 90 에서측정된안테나의축비로 ±45 범위에서전대역 에걸쳐걸쳐 6dB 이하의우수한특성을나타내고있다. 40

50 그림 5-6. 측정된안테나의축비 (E2-Plane) 41

51 Ⅳ. 결론 본논문에서는위성 DMB 의신호를수신할수있는원편파안테나를 QHA 구조를이용하여제작하였다. 직교하는두다이폴안테나에위상차를주는방 법을사용하여원편파를발생할수있도록하였고, 직경 10mm 에높이 37.5mm의크기로제작되었으며, 측정결과주어진대역내에서 -10dB의반사특성과이득 1dB이상의이득특성, 6dB이하의축비특성을보이며주어진규격을잘만족하는결과를보였다. 또한, 저가이며소형으로구현함으로써향후활용면에있어서도이동통신분야의다양한제품에적용이가능하며이동통신용제품들의기능적측면에도많은도움을줄것이라생각된다. 앞으로 GPS Antenna를비롯한원편파안테나의소형화제작에 QHA구조가많이사용될것을예상할때, 본논문에서제시된구조의안테나에대한다양한응용이가능할것으로보인다. 42

52 참고문헌 [1] C. A. Balanis, Antenna Theory, New York; Harper & Row, [2] D. M. Pozar, Microwave Engineering, New York; John Wiley & Sons, [3] W. L. Stutzman and G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, New York; McGraw-Hill, [4] S. M. Leach, Intelligent quadrifilar helix antenna, IEEE AP-S Int. Symp. Dig., pp , June [5] P. Rezaei, Design of quadrifilar helical antenna for use on small satellites, IEEE AP-S Int. Symp. Dig., pp , June [6] S. M. Leach, The intelligent quadrifilar helix antenna for mobile satellite communications Aerospace Conference., Vol. 5, pp , March [7] H. Morishita, Conical radiation pattern characteristics of a quadrifilar helical antenna, IEEE AP-S Int. Symp. Dig., pp , July [8] A. Adams, The quadrifilar helix antenna, IEEE Trans, Antennas Propaga., Vol. 22, pp , March