Design of Patch Array Antenna for UAV with Horn Reflector

혼 반사기를 적용한 UAV용 패치배열 안테나 설계

Abstract

In this paper, we studied an antenna that forms a wide beam width by applying a horn-shaped reflector to a patch array antenna. To implement a wide beam width, three patches were arranged in each of the four directions on a square microstrip substrate, and a horn-shaped reflector was applied to the rear of the array antenna. Through this structure, the vertical beam pattern formed from the patch was converted to a diagonal direction, and as a result, the beam widths formed in each of the four sectors were added to create a wide beam width close to a hemisphere. The proposed antenna was studied for application to UAV(unmanned aerial vehicle), and the simulation test results confirmed that the 4.5 dBi beam width was 146.8°.

본 논문에서는 패치배열안테나에 혼 형상의 반사기를 적용하여 넓은 빔 폭을 형성하는 안테나를 연구하였다. 넓은 빔 폭을 구현하기 위해 정사각형 마이크로스트립 기판 상의 4개 방면에 3개의 패치들을 각각 배열하였고, 배열안테나 후방에 혼(Horn) 형상의 반사기를 각각 적용하였다. 이 구조를 통해 패치로부터 형성 된 수직 빔 패턴이 사선 방향으로 변환되었고 결과적으로 네개의 섹터에서 형성된 각각의 빔 폭이 더해져서 반구형에 가까운 넓은 빔 폭을 만들 수 있었다. 제안된 안테나는 UAV(unmanned aerial vehicle)에 적용하기 위해 연구되었고 모의시험결과, 4.5 dBi 빔 폭이 146.8°임을 확인하였다.

Ⅰ. 서론

무인항공기(UAV; unmanned aerial vehicle)는 비행기나 헬리콥터 형상의 플랫폼으로 운용되고 있다. 초창기 UAV는 군사적 목적으로 개발되었고 주로 표적획득, 정찰 및 감시용으로 활용되었으나 최근에는 화력유도, 공격, 기만, 전자전 지원 등으로 활용 범위가 확대되고 있고 최근 전장에서는 게임 체인저로서 그 역할과 중요성이 급증되고 있다. UAV는 지상 제어장치 또는 위성으로부터 전파를 송수신하여 조종 및 제어되지만 주파수 대역이나 관련 법안들은 국가마다 상이하다. 이에 국제전기통신연합(ITU; international telecommunication union) 산하의 세계전파통신회의(WRC; world radio conference)에서는 UAV에 대한 제어용 주파수의 요구사항 및 신규 분배를 논의하였고 마침내 지상에서 UAV 제어를 목적으로하는 항공 이동업무용 주파수를 5.030~5.091 GHz 대역으로 신규 분배하였다 (WRC-12, 2012년) [1]. 우리나라도 WRC-12에서 할당한 대역을 국내에서 이용할 수 있도록 ‘항공 업무용 무선설비의 기술기준’을 국립전파연구원에서 개정하였고 UAV의 출력을 기존의 10 mW에서 10 W까지 허용하는 등 유관산업 활성화를 위해 노력하고 있다[2].

본 연구는 지상 제어장치로 UAV를 조종하는 경우 UAV에 적용할 수 있는 안테나에 관한 것으로써 최근 연구 자료를 통해 UAV 안테나의 특성을 확인하면, 우선 UAV 안테나는 지상 제어장치와의 원활한 통신을 위해 가능한 한 넓은 가시선(LOS; line-of-sight) 영역을 확보해야 하고 따라서 안테나의 방사패턴은 반구형과 유사하다. 연구에 의하면 교외지역(suburban), 도심지(urban), 고밀도 도심지(dense urban), 및 고층빌딩 밀집 도심지(high-rise urban)에서 지상 제어장치와 UAV의 통신가능 빔 폭은 각각 139.32°, 95.12°, 70.76° 및 28.96° 이다[3]. 또 다른 연구에서는 앞에서 언급한 네가지 도시 모델에 대해 최적 고도에서의 최대 전파수신 영역을 연구하였다. 결과에 의하면 교외지역의 경우 최적 고도 1,450 m에서 최대 셀 반경은 대략 3,350 m이고 이는 빔 폭 133.2°에 해당하며[4], 참고문헌[3]의 결과인 139.32°도와 유사하다. 두번째, 일부 UAV의 경우 앞서 언급한 것 처럼 수 km의 고도에서 수 km의 운용 반경을 가진다. 이런 목적에 부합하는 안테나는 넓은 빔 폭과 높은 이득을 가져야 하는데 두 파라미터는 반비례 관계이다. 예를 들어, UAV용 2차원 안테나들 중 넓은 방사패턴에 비해 낮은 이득(2.5~2.6 dBi)을 가지는 사례[5]-[6]가 있고, 이득은 4.5 dBi로 다소 높으나 방사 패턴이 반구형에 미치지 못하는 경우도 있다[7]. 이런 이슈를 해결하고자 3차원 구조의 안테나들이 연구되고 있고 결과적으로 방사패턴과 이득은 UAV 운용에 부족함이 없는 것으로 확인된다. 다만, 입체적인 구조로 인한 상대적인 복잡함, 예를 들어 빔 패턴을 만들기 위해 적용된 입체적인 구조 및 복잡한 스위칭 회로 등은 개선이 필요한 부분이다[8]-[13]. 세번째, 평면 안테나들을 조립하여 입체적인 안테나를 설계하는 경우 이득은 안테나 형상에 좌우된다. 일부 연구의 경우 입체적인 안테나에 평면형 반사기의 면적을 증가시켜 이득을 개선한 경우[13]가 있는 반면, 평면 안테나에 혼 형상의 구조물을 적용하여 안테나의 소형화, 격리도 및 이득을 증가시킨 사례도 있다[14]-[15]. 네번째, 3차원 구조의 안테나는 360도 방위각을 커버하기 위해 45°[8], 60°[9], 또는 90°[10] 간격으로 안테나를 배치하여 빔 폭을 넓게 만든다. 이런 경우 각각의 안테나에 전력을 공급하기 위해 동축 케이블을 이용하거나 T-Junction 또는 윌킨슨 전력 분배기(WPD; Wilkinson power divider)를 사용하는데 포트 별 매칭, 포트 간 격리도 및 배열 소자간 커플링 등에서 윌킨슨 전력 분배기가 좋은 선택이 될 수 있다[16].

본 논문은 UAV에 적용할 수 있는 3차원 구조의 안테나 설계에 관한 것으로써 제안된 안테나는 WRC-12에서 할당한 5.030 ~ 5.091 GHz 대역을 사용하였다. 안테나는 정사각형 인쇄회로기판 상의 네 방면에 세개의 사각 패치들을 각각 배열한 후 수정된 WPD로 전력을 공급하고 혼 형태의 반사기를 장착하여 구현하였다. 제안된 안테나는 Rogers 4350B 기판(상대유전율 3.48, 기판 두께 0.76 mm)으로 모델링 되었고 시뮬레이션을 통해 4.5 dBi의 빔 폭이 146.8°임을 확인하였다. 안테나의 설계, 모델링 및 시뮬레이션은 CST MWS로 수행하였고 결과를 통해 제안된 안테나는 혼 반사기에 의해 형성된 넓은 빔 폭과 적합한 이득 때문에 지상 제어장치와 원활한 통신이 가능할 것으로 예상한다.

Ⅱ. 안테나 설계

2-1 안테나 급전선 설계

그림 1은 일반적인 WPD와 수정된 WPD[17]를 각각 보여준다. 본 연구에서는 설계의 장점이 있는 수정된 WPD를 적용하였고 인쇄회로기판 네 방면의 중심으로 향하도록 설계하기 위해 전체 급전선로를 45°로 기울였다. 입력임피던스 Z_O (=50 Ω)와 분기된 임피던스 Z_O(=50 Ω) 사이의 정합을 위해 35.35 Ω의 QWT(quarter wave transformer)를 적용하였고 분기된 50 Ω 선로의 길이는 3λ_g/4로 설계하였다. 임피던스 별 선로 폭 및 길이는 50 Ω의 경우 폭은 1.66 mm, λ_g/4 길이는 8.8 mm이고 35.35 Ω의 경우 폭은 2.8 mm, 3λ_g/4 길이는 25.8 mm이며 모의시험을 위한 모델링 및 시험 결과는 그림 2와 그림 3에서 각각 보여준다.

그림 1. 윌킨슨 전력분배기(좌: 일반형 WPD, 우: 수정된 WPD)

Fig. 1. Wilkinson power divider(left: typical WPD, right: modified WPD).

그림 2. 수정된 WPD 및 급전선 설계

Fig. 2. Design of a modified WPD and feed line.

그림 3. 포트 별 반사손실 모의시험 결과

Fig. 3. Simulation result of the return losses for each port.

2-2 패치 안테나 및 임피던스 변환기 설계

패치 배열안테나와 급전선의 임피던스 정합을 도식화하면 그림 4와 같다.

그림 4. 급전선과 패치 사이의 임피던스 매칭

Fig. 4. Impedance matching between patch and feed line.

그림 4의 Z_QWT는 전송선로와 패치안테나를 정합시기기 위한 QWT로써 Z_QWT의 임피던스를 구하기 위해서는 Z_{P_IN}을 구해야 한다. Z_{P_IN}은 패치안테나의 입력임피던스로 그림 5(b)와 같이 전송선로 등가 모델로 도식화 할 수 있다.

그림 5. 마이크로스트립 사각 패치: (a) 전체 형상, (b) 전송선로 등가 모델

Fig. 5. Rectangular microstrip patch: (a) whole structure, (b) transmission model equivalent.

그림 5(b)에서 두개의 슬롯은 각각 B₁, G₁ 및 B₂, G₂로 표기되고 식 (1)을 통해 구할 수 있으며 상호 동일한 값(B₁=B₂, G₁=G₂)을 가진다. 공진상태에서는 허수부가 상쇄되므로 패치안테나의 입력임피던스는 식 (2)를 통해 계산되고 그 값은 183.34 Ω이 된다.

\(\begin{aligned}G_{1}=\frac{W}{120 \lambda_{0}}\left[1-\frac{1}{24}\left(k_{0} h\right)^{2}\right], \frac{h}{\lambda_{0}}<\frac{1}{10}\end{aligned}\)       (1)

\(\begin{aligned}\begin{array}{l}B_{1}=\frac{W}{120 \lambda_{0}}\left[1-0.636 \ln \left(k_{0} h\right)\right], \frac{h}{\lambda_{0}}<\frac{1}{10} \\ Z_{i n}=\frac{1}{Y_{i n}}=R_{i n}=\frac{1}{2 G_{1}}\end{array}\end{aligned}\)       (2)

여기서, 식(1)의 W는 패치 폭, k₀는 파수, h는 기판 높이를 각각 나타낸다.

그림 6은 전송선로와 임피던스 변환기 및 패치안테나의 관계를 도식화 한 것으로써 Z_QWT는 합성된 전송선로 임피던스와 패치 입력임피던스를 통해 구할 수 있고 그 값은 39.08 Ω이며 따라서 각각의 패치와 전송선로를 정합하기 위한 QWT의 임피던스는 117.24 Ω(=39.08 Ω ˟ 3)이 된다.

그림 6. 급전선과 패치 사이의 QWT 등가회로

Fig. 6. Equivalent circuit of QWT between feed lines and patches.

2-3 2차원 패치 배열안테나 설계

지금까지 설계된 파라미터들을 이용하여 인쇄회로기판 상에 패치 배열안테나를 구현하면 그림 7과 같고 모델링된 안테나의 반사손실 및 방사패턴은 그림 8과 그림 9에서 확인된다. 그림 8을 통해 설계된 안테나의 중심주파수는 5.05 GHz이고 10 dB 반사손실 대역폭은 5.0~5.092 GHz 이며, 따라서 WRC-12의 대역폭을 충족한다.

그림 7. UAV용 2차원 패치 배열안테나 설계

Fig. 7. 2-dimensional patch antenna array design for UAV.

그림 8. UAV용 2차원 패치 배열안테나의 반사손실

Fig. 8. Return loss of 2-dimensional patch antenna array for UAV.

그림 9. UAV용 2차원 패치 배열 안테나의 방사패턴: (a) 3D 방사패턴, (b) 2D 방사패턴(좌: x-z 및 y-z 평면, 우: x-y 평면)

Fig. 9. Radiation pattern of 2-dimensional patch antenna array for UAV: (a) 3D radiation pattern, (b) 2D radiation pattern(left: x-z and y-z plane, right: x-y plane).

그림 9는 2차원 패치 배열안테나의 방사패턴 결과를 각각 보여준다. 본 연구에서는 4.5 dBi 빔 폭이 140° 이상 되는 것이 목표인데 모의시험 결과, 최고 이득은 10.1 dB이고 4.5 dBi 빔 폭은 대략 101.1°(-51.4° ~ 49.7°) 이다. 이는 연구 목표 보다 대략 39° 작은 값으로, 이를 개선하기위해 혼 형태의 반사기를 각각의 패치 배열 뒤에 설치하였고 이를 통해 수직으로 형성되는 방사 패턴을 사선 방향으로 변환시킬 수 있을 것으로 예상된다.

2-4 혼 반사기 적용 패치 배열안테나 설계

2차원 패치 배열안테나의 빔 폭을 증가시키기 위해 혼 형태의 반사기를 연구하였고 최초 형상은 그림 10과 같다. 혼구조는 육면체 중 전파를 내보내는 개구면을 제외한 나머지 면이 금속으로 둘러싸인 도파관으로써 금속 관 내에서 형성된 전파들은 반사면을 따라 개구면으로 방사되기 때문에 높은 지향성을 가진다. 그림 10의 반사기는 안테나 구조를 단순화하기 위해 윗면을 제외한 후방면 및 측면만 금속 판을 적용한 것으로 육면체의 가로 a와 세로 b는 각각 85.08 mm 로 동일하고 높이 c는 도파관 WR187(운용주파수 3.95-5.85 GHz, 차단주파수 3.2 GHz)의 22.15 mm를 참고하여22.0 mm를 적용하였다. 패치와 육면체의 수직면 사이의 간격 d는 설계 중심주파수인 5.06 GHz의 λ₀/4되는 14.8 mm 를 최초로 적용하였고 이 후 간격 d와 높이 c를 조정하면서 최적화를 수행하였다. 마지막으로 측면 반사면의 길이는 64.7 mm로, 높이는 c와 동일한 값으로 각각 설계하였다. 모의시험을 통해 최종적으로 간격(d) 22.8 mm, 높이(c) 22.0 mm에서 최적화된 결과를 얻었고 그림 11 및 표 1에서 확인할 수 있다.

그림 10. 후방면 및 측면 반사판이 적용된 패치 배열안테나

Fig. 10. Patch array antenna applied for reflectors consisting of rear and side electric walls.

그림 11. 혼 반사기 첫번째 모델 최적화: (a) 반사손실(좌: 패치-후방면 사이의 간격, 우: 반사기 높이), (b) 방사패턴(좌: 패치-후방면 사이의 간격, 우: 반사기 높이)

Fig. 11. Optimization of the first model of horn reflector: (a) return loss(left: patch-rear plane distance, right: reflector height), (b) radiation pattern(left: patch-rear plane distance, right: reflector height).

표 1. 후방면과 측면 반사판이 적용된 패치배열안테나 최적화

Table. 1. Optimization of the patch array antenna with rear and side reflecting planes.

후방면과 측면만 금속판으로 설계한 반사기의 모의시험 결과, 표 1의 내용처럼 y-z 평면상에서 4.5 dBi 빔 폭은 대략 86.8°로 이는 목표 빔 폭인 140° 보다는 53.2°, 2차원 패치 배열 안테나 보다는 대략 14.3° 작은 값이다. 즉, 패치 후방면 및 측면에 적용된 반사판만으로는 패치에서 수직으로 방사되는 전파 방향을 목표 방향으로 변환시킬 수 없다. 이를 해결하고자 최초 반사기의 윗면을 점점 증가시키면서 모의시험을 수행하였다. 모델링에 적용된 값을 그림 10의 파라미터로 나타내면 a=b=77.08 mm, c=21.0 mm, d=18.8 mm 및 e=58.6 mm 이고 완성된 안테나는 그림 12에서 보여주며 모의시험 결과인 10 dB 반사손실과 방사패턴은 그림 13에서 각각 보여준다. 모의시험 결과, 면적(a' ˟ b')이 114.1 x 114.1 mm² 일 때 최적화된 결과를 얻었다. 윗면 면적의 끝부분과 패치의 시작부분의 수평 거리차는 대략 0.3 mm이고 윗면과 패치면적이 겹칠수록 안테나 성능은 상대적으로 열화된다. y-z 평면상에서 4.5 dBi 빔 폭은 대략 46.8°이고 10 dB 반사손실 대역폭은 5.02~5.12 GHz (100 MHz) 이다.

그림 12. 혼 반사기 첫번째 모델 윗면 면적 증가 모델링

Fig. 12. Modeling of an increasing top plane area of the first horn reflector.

그림 13. 윗면 면적 증가에 대한 혼 반사기 패치 배열안테나 모의시험 결과(좌: 반사손실, 우: 방사패턴)

Fig. 13. Simulation results of the horn reflector patch array antenna with an increasing top plane area(left: return losses, right: radiation patterns).

2-5 제안된 안테나 형상, 성능 및 UAV 장착 예상도

제안된 안테나의 최종 형상은 그림 14에서 보여준다.

그림 14. 제안된 혼 반사기 적용 패치 배열안테나

Fig. 14. Proposed patch array antenna with horn reflector.

그림 15를 통해 안테나의 10 dB 반사손실 대역폭은 5.02~5.12 GHz(100 MHz)로 WRC-12의 대역폭(5.03~5.091 GHz)을 포함하고 방사패턴 상의 x-z 및 y-z 평면상에서 4.5 dBi 빔폭은 대략 146.8°로 목표 값인 140° 이상을 충족함을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 제안된 안테나는 평면 안테나와 혼 반사기가 결합된 구조로 특히 높이가 낮아 그림 16과 같이 UAV에 장착될 경우 UAV의 비행 안정성에 기여할 수 있다.

그림 15. 제안된 안테나의 반사손실(a) 및 방사패턴(b)

Fig. 15. Return loss(a) and radiation pattern(b) of the proposed antenna.

그림 16. 제안된 안테나의 UAV 장착 예상도

Fig. 16. Expected antenna mounted on UAV.

Ⅳ. 결론

본 논문은 WRC-12에서 할당한 5.030~5.091 GHz 대역을 사용하여 UAV에 적용할 수 있는 3차원 구조의 안테나를 모델링 및 시뮬레이션 한 것으로, 제안한 안테나는 인쇄회로기판의 네 방면에 패치 배열 안테나들을 각각 배치하고 혼 반사기를 패치 뒤에 적용하여 설계하였다. 혼 반사기 장착으로 인해 수직으로 형성되던 방사 패턴이 사선으로 형성되었고 이를 통해 넓은 빔 폭을 확보하게 되었다. 시뮬레이션 결과, 최종 설계된 안테나의 10 dB 반사손실 대역폭은 5.02 ~ 5.12 GHz(100 MHz)이고 4.5 dBi 빔 폭은 146.8°이다. 따라서 제안된 안테나는 반구형에 가까운 넓은 빔 폭과 2차원 안테나와 비교했을 때 상대적으로 높은 이득을 가지므로 지상 제어장치와 원활한 통신이 가능할 것으로 예상한다. 뿐만 아니라, 구조적으로 단순하고 특히 높이가 낮아 UAV에 장착 시 비행 안정에 기여할 수 있을 것으로 판단한다.