공학석사학위논문

무인항공기 지상통제용 UHF-대역 옴니 안테나

설계

Design of A UHF-Band Omnidirectional Antenna

for Ground Communications and Control of

UAV’s

충 북 대 학 교 대 학 원

전기․전자․정보․컴퓨터학부 전파통신공학전공

홍 기 표

2017 년 2 월

공학석사학위논문

무인항공기 지상통제용 UHF-대역 옴니 안테나

설계

Design of A UHF-Band Omnidirectional Antenna

for Ground Communications and Control of

UAV’s

지도교수 안 병 철

전기․전자․정보․컴퓨터학부 전파통신공학전공

홍 기 표

이 논문을 공학석사학위 논문으로 제출함.

2017 년 2 월

본 논문을 홍기표의 공학석사학위 논문으로 인정함.

심 사 위 원 장 안 재 형 (인)

심 사 위 원 안 병 철 (인)

심 사 위 원 이 준 문 (인)

충 북 대 학 교 대 학 원

2017 년 2월

- i -

차 례

Abstract ························································································································ⅱ

List of Tables ············································································································ⅲ

List of Figures ··········································································································ⅳ

Ⅰ. 서 론 ··············································································································1

Ⅱ. 안테나 설계 ·······································································································4

2.1 안테나 구조 및 설계 목표규격 ································································4

2.2 4소자 배열용 다이폴 안테나 단일소자 설계 ······································8

2.3 4소자 배열 다이폴 안테나 설계 ···························································12

2.4 전력 분배기 설계 ························································································19

2.5 다이폴 복사소자, 전력 분배기 합성 구조 설계 ·····························25

Ⅲ. 제작 및 측정 ··································································································34

3.1 전력 분배기 제작 ························································································34

3.2 다이폴 복사소자, 전력 분배기 합성 구조 제작 ·····························42

Ⅳ. 결 론 ············································································································48

참고문헌 ·······················································································································50

- ii -

Design of A UHF-Band Omnidirectional Antenna

for Ground Communications and Control of

UAV’s

Hong, ki-pyo

Radio and Communications Eng. Track

Dept. of Electrical, Electronics, Information and Computer Eng.

Graduate School of Chungbuk National University, Cheongju City,

Korea

Supervised by Prof. Ahn, Bierng-Chearl

Abstract

This thesis presents a design of a UHF-band vertically polarized omnidirectional

antenna for UAV ground-based control operating at 420-470MHz. The proposed

antenna consists of four collinear dipoles fed by a coaxial parallel feed network. A

single dipole is designed first and then four dipoles are designed for required gain.

Next, a coaxial 4-way power divider is designed that consists of T-junctions and

quarter-wave transformers. The diameter, height and weight of the designed antenna

is 11cm, 206cm, and 10kg respectively. The designed antenna has been fabricated and

tested. Measurements show that the proposed antenna has 7.9dBi gain and reflection

coefficient of less than –10dB at 420-470MHz.

* A thesis for the degree of Master in February 2017.

- iii -

List of Tables

표 2.1 안테나 목표규격 ·······························································································5

표 2.2 단일소자 최종 설계치수 ··············································································11

표 2.3 4소자 배열 원통형 다이폴 안테나 최종 설계치수 ·······························19

표 2.4 최적 설계된 전력 분배기의 전력 전달손실 및 위상차 ························25

표 2.5 지상 옴니 안테나 전체구조 최종 설계치수 ············································32

- iv -

List of Figures

그림 2.1 안테나 전체 구조 ·························································································4

그림 2.2 무인기와의 통신 거리 ·················································································6

그림 2.3 거리에 따른 지상 안테나 이득 ·································································7

그림 2.4 지상 안테나의 최적 복사패턴 ···································································7

그림 2.5 다이폴 안테나 단일소자 구조 및 설계변수 ···········································8

그림 2.6 내부 파이프 유/무에 따른 단일소자 특성 비교 ································10

그림 2.7 최적 설계된 단일소자 특성 ····································································11

그림 2.8 4소자 배열 안테나의 구조 및 설계변수 ·············································13

그림 2.9 최적 설계된 4소자 배열 안테나 특성 ·················································14

그림 2.10 최적 설계된 4소자 배열 안테나 3D 방사패턴 ·······························16

그림 2.11 최적 설계된 4소자 배열 안테나 2D 방사패턴 ·······························18

- v -

그림 2.12 전력 분배기 전체 블록도 ·····································································20

그림 2.13 전력 분배기 형상 ···················································································22

그림 2.14 최적 설계된 전력 분배기 입력단 특성 ·············································24

그림 2.15 최적 설계된 전력 분배기 출력단 특성 ·············································25

그림 2.16 지상 옴니 안테나 전체구조 및 설계변수 ·········································27

그림 2.17 최적 설계된 지상 옴니 안테나 특성 ·················································28

그림 2.18 최적 설계된 지상 옴니 안테나 3D 방사패턴 ··································30

그림 2.19 최적 설계된 지상 옴니 안테나 2D 방사패턴 ··································32

그림 3.1 제작된 전력 분배기 급전회로 ································································35

그림 3.2 제작된 전력 분배기 급전회로 입력포트 측정 결과 ··························37

그림 3.3 제작된 전력 분배기 급전회로의 각 출력포트 크기 편자 ················39

그림 3.4 제작된 전력 분배기 급전회로의 각 출력포트 위상 편차 ················42

그림 3.5 제작된 지상 옴니 안테나의 시제품 형상 ············································43

그림 3.6 제작된 지상 옴니 안테나 측정 결과(레이돔 무) ······························44

그림 3.7 제작된 지상 옴니 안테나 측정 결과(레이돔 유) ······························45

그림 3.8 제작된 지상 옴니 안테나 방사패턴 측정 셋업 ··································46

그림 3.9 제작된 지상 옴니 안테나 방사패턴 측정 결과 ··································47

- 1 -

Ⅰ. 서 론

무인기의 기술 발전에 따른 운송, 통신 중계, 교통감시, 재해 재난 대처 등

무인기의 민간 및 공공 수요 확대로, 무인기는 국가 공역으로의 운항이 요구

되고 있다. 더욱이 군사무기의 무인화 기술이 구축됨에 따라 무인전투기 분야,

소형 무인기 분야, 무인헬기 분야 등으로 확장 적용되고 있다. 최근 10년간 국

내에서도 무인항공기(UAV; unmanned aerial vehicle, 이하 ‘무인기’라 약칭)

관련 기술개발 사업이 활발히 진행되고 있다. 무인기의 기술의 발전과 도입이

확대됨에 따라 지상국에서의 통합적인 운용 및 조종통제의 중요성이 대두된

다.[1]-[4] 무인기의 관제를 위해서는 무선통신을 이용하며 지상국에서는 무인

기를 이륙 상승시키고, 임무지역으로 비행조종하기 위하여 비행체 제어 및 통

제하는 명령을 발생시킨다. 이 명령을 데이터링크는 상향링크(지상에서 비행체

로 송신하는 통신채널)를 통해서 비행체로 전송시키는데, 무인기는 아주 근접

거리인 수십 미터부터 수백 km를 운용하는 다양한 종류의 시스템이 존재한다

는 조건 하에 제한된 공역에서 제한된 시간과 거리에서만 비행이 가능하며 일

정 공역 및 통신범위를 벗어날 시 비행체 제어에서의 한계가 있다는 문제점이

있다. 이에 따라 송신출력, 송신안테나의 이득, 통신거리에 대한 전파손실 및

전송환경(대기조건, 강우, 안개 등) 기타 손실, 수신안테나의 이득, 수신기의

수신감도, 전송 대역폭 그리고 링크마진을 얼마로 가질 것인지도 고려하는 것

이 중요한 점이다. 이는 무인기 활용을 크게 제한하는 요인으로 무인기의 안

정적인 공역 범위 확보를 위한 기술적 해결책 마련이 시급한 실정이다. 이러

한 안정적인 공역 범위 확보 및 운용거리 극대화를 위한 기술적 해결책으로

- 2 -

지상관제용 안테나 방사패턴의 지향특성과 무인기와의 송수신 출력을 고려한

이득 수치가 매우 중요하며 이에 따라 무지향성 고이득 안테나가 필수적으로

요구된다.[5]-[6]

일반적으로 사용되는 무인기 탑재 안테나와 지상관제용 안테나 간 UHF-대

역 저용량 데이터 링크 상에서 무인기 탑재 안테나가 이득 –1dBi의 무지향성

패턴을 갖는다고 가정하였을 때에 무인기가 10km 상공에서 지평선 방향으로

최대 150km 이동할 동안 동일한 수신 전력을 갖기 위한 지상관제용 안테나의

방사패턴이 요구된다. 일반적으로 사용되는 지상관제용 안테나는 150km에서

송수신 간의 수신 감도 측면에서 안테나 이득의 링크마진이 거의 없다. 즉, 송

수신 안테나의 이득 합이 5dBi 이상이어야 10km 상공에서 지평선 방향으로

최대 150km 이동할 동안 안정적인 통신링크가 형성된다. 따라서 지상관제용

안테나의 지평선 방향으로의 최대이득이 6dBi이상이 만족되어야 한다. 그리고

무인기의 고도가 통상적으로 10km 이내이므로 지면과 수직방향(하늘방향) 송

수신 안테나 이득 합은 약 –20dBi이상이 요구되므로 수직방향으로는 약 –

19dBi 이상의 이득이 필요하다.[7]-[8]

본 논문에서는 무지향성 패턴을 갖는 지상관제용 안테나로서 4개의 다이폴

안테나의 수평배열, 각각의 다이폴 복사소자에 동일한 크기와 위상을 갖는 신

호를 공급해주는 전력분배기를 사용하였다.[9]-[10] 지평선 방향으로 최대이득

특성을 갖는 다이폴 안테나를 4개 소자 수평을 배열을 통하여 고이득 특성을

얻었으며, 전력 분배기를 통하여 각 다이폴 복사소자에 동일한 크기와 위상을

갖는 신호를 공급하여 지평선 방향으로 극대화된 이득 패턴을 얻었

다.[11]-[12]

- 3 -

본 논문에서는 안테나를 설계하기 위해 CST 사의 Microwave StudioTM을

이용하였으며 안테나 보호를 위한 케이스 구조물을 포함하여 안테나를 설계하

였다. 설계 개념의 타당성 확인을 위해 안테나를 제작하여 특성을 측정하였다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서는 지상관제용 안테나, 전력 분배기

설계를 다루었다. 다이폴 복사 소자와 전력 분재기의 최적 설계치수를 제시하

였으며 전력분배기 설계 시 각 포트에 동일한 크기와 위상을 갖는 신호가 전

달되는지 확인하였다. III장에서는 안테나 제작 및 측정을 다루었다. 지상관제

용 무지향성 안테나를 제작 및 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교 및 분석하였

다. IV장에서는 본 논문의 내용을 요약하고 결론을 도출하였다.

- 4 -

II . 안테나 설계

2.1 안테나 구조 및 설계 목표규격

그림 2.1은 무인기 지상관제용 안테나의 전체적인 구조를 보인 것이다. 안

테나는 금속 원통 형태의 다이폴 복사 소자와 각 소자에 동일한 크기와 위상

의 신호를 공급하는 전력 분배기 그리고 전력 분배기 보호케이스로 구성된다.

그림 2.1 안테나 전체구조

- 5 -

무인기 지상관제용 안테나는 통상 UHF 대역(400-900MHz)에서 동작한

다. 본 논문에서는 UHF 대역 중에서도 저주파 대역인 420-470MHz에서

동작하는 지상 안테나를 설계하였다. 안테나 복사소자 내부에 전력 분배기가

내장되어 있는 구조로서 전력 분배기 설치 공간이 매우 제한적이며, 특히 금

속재질의 전력 분배기 보호 케이스를 고려하여 안테나를 설계하여야 한다. 아

래의 표 2.1은 본 논문에서 제안한 안테나의 목표규격이다.

표 2.1 안테나 목표규격

항 목 목표규격

주파수 대역 UHF대역 420-470MHz

대역폭 대역폭 50MHz 이상

반사계수 -10dB 이하

정재파비 2:1 이하

편파 수직

방사패턴 지향특성방위각: 무지향성 (Gain Flatness : 3dB 이내)

고각: 55° 이상

이득1) 지평선 방향(지면과 수평) 6dBi 이상

2) 하늘 방향(지면과 수직) –19dBi 이상

RF 송/수신 N-type(F)

그림 2.2은 무인기와의 통신 최대 거리를 보인 것이다. 10km 상공에서 지

평선 방향으로 최대 150km까지 운용하는 무인기와의 원활한 통신 링크 형성

과 동일한 수신 전력을 갖기 위해선 안테나 방위각 방향으로 무지향성 패턴과

고각 방향으로 55°이상의 최대이득을 갖는 패턴이 요구된다. 그림 2.3은 통

상적으로 사용되는 무인기 탑재 안테나의 이득이 –1dBi의 무지향 패턴을 갖

- 6 -

는다고 가정하였을 시 지상과 표적 거리에 따라 동일한 수신 전력을 갖기 위

한 지상안테나의 이득 수치를 계산한 것이다. 그림 2.3의 수치화 된 이득 값

은 안테나 간 수신 감도 측면에서 링크 마진이 거의 없다는 전제 하에 계산한

결과이기에 150km 거리에서의 통신 가능 최소이득이 1.1dBi라는 결과를 계

산하였다. 본 논문에서 제시한 안테나는 최대 5dBi의 링크 마진을 염두에 두

고 설계하였으며, 이에 따라 150km에서의 최대이득이 6dBi가 되도록 목표

를 두었다. 그림 2.4는 지상 안테나의 최적 복사패턴 형태를 나타낸 것이다.

그림 2.2 무인기와의 통신 거리

- 7 -

그림 2.3 거리에 따른 지상안테나 이득

그림 2.4 지상 안테나의 최적 복사패턴

- 8 -

2.2 4소자 배열용 다이폴 안테나 단일소자 설계

본 논문에서 제안한 다이폴 배열 안테나 조립체 구성에 앞서 원통형 다이폴

안테나 1개 소자만의 특성 확인 및 반영을 위하여 단일소자를 설계하였다.

그림 2.5는 제안된 원통형 다이폴 안테나의 형상 및 설계변수를 보인 것이

다. 복사소자는 구리소재의 원통형 파이프(길이 181mm, 직경 100mm, 두

께 10mm) 2개가 일정한 간격을 갖고 직렬로 배치되며 소자 내부에는 각 소

자에 동일한 크기와 위상을 갖는 신호를 공급하기 위한 전력 분배기의 보호케

이스이자 전력 분배기의 방사에 의한 손실을 최소화하기 위하여 금속 소재의

원통형 내부 파이프(길이 412mm, 직경 30mm, 두께 1mm)를 배치하였다.

다이폴 안테나 단일소자의 급전은 포트 임피던스가 50Ω인 discrete port 방

식을 택하였다.

- 9 -

그림 2.5 다이폴 안테나 단일소자 구조 및 설계변수

원통형 다이폴 안테나 설계 시 일반적으로 쓰이는 반파장 다이폴 안테나를

바탕으로 설계하였다. 위의 설계 목표에서 제시한 바와 같이 동작 주파수 범

위 420-470MHz 내에서의 중심 주파수 445MHz를 기준으로 계산한 결과

λ=337mm 값을 도출해낼 수 있다. 다음은 이론적으로 계산한 반파장 다이

폴 안테나의 설계 결과를 금속 재질의 내부 파이프의 유/무에 따른 차이를 보

인 것이다.

(a)

- 10 -

(b)

그림 2.6 내부 파이프 유/무에 따른 단일소자 특성 비교.

(a) 반사계수, (b) VSWR

그림2.6에서 보이는 바와 같이 복사 소자 설계 시 금속 재질의 내부 파이

프의 영향으로 동작 주파수 대역이 상향 이동하는 것을 확인하였으며, 복사

소자 원통형 파이프의 직경, 길이 및 두께를 조정하여 임피던스를 50Ω에 정

합하였다.

- 11 -

(a)

(b)

그림 2.7 최적 설계된 단일소자 특성. (a) 반사계수, (b) VSWR

- 12 -

그림2.7은 최적 설계된 원통형 다이폴 안테나 단일소자의 특성이다. 주파수

를 중심 주파수로 정규화하였다. -10dB 이하 기준의 반사계수는 중심 주파

수 445MHz를 포함하여 65MHz의 대역폭을 만족한다. 표 2.2는 단일소자

의 최종 설계치수를 보인 것이다.

표 2.2 단일소자 최종 설계치수

설계 변수 치수(mm)

간격 g 10

원통형 복사소자

파이프

길이 L1 392

직경 R1 100

두께 t1 10

원통형 내부

파이프

길이 L2 412

직경 R2 30

두께 t2 1

2.3 4소자 배열 다이폴 안테나 설계

위의 본문 2.2의 원통형 다이폴 안테나의 설계결과를 반영하여 크기가 동

일한 4개의 원통형 다이폴 안테나 복사소자를 일정한 간격을 두고 직렬로 배

열하여 설계하였다. 4개의 원통형 다이폴 안테나 소자의 직렬 배열을 통하여

안테나 중심을 기준으로 지평선과 평행한 수평방향으로 최대이득 6dBi이상을

만족하도록 하였으며 안테나 복사소자를 원통형으로 구성함으로써 방위각 패

턴의 flatness를 최소화하였다.

- 13 -

그림 2.8 4소자 배열 안테나의 구조 및 설계변수

그림 2.8은 제안된 4소자 배열 원통형 다이폴 안테나의 형상 및 설계변수

를 보인 것이다. 복사소자는 위에서 제시한 다이폴 안테나 단일소자의 치수와

동일하게 설계하였으며, 복사소자 간 배열 간격은 550mm로 배치하였다. 금

속 소재의 원통형 내부 파이프의 길이는 내부에 전력 분배기의 배치를 고려하

여 다이폴 배열 안테나의 총 길이보다 긴 2062mm로 구성하였다. 다이폴 안

테나 단일소자의 급전은 포트 임피던스가 50Ω인 discrete port 방식을 택하

였으며 각 소자의 전력 전달이 양쪽으로 균형하게 전달되도록 지그재그 형태

이며 동일한 방향으로 급전 포트를 위치하였다.

- 14 -

(a)

(b)

그림 2.9 최적 설계된 4소자 배열 안테나 특성. (a) 반사계수, (b) VSWR

- 15 -

그림2.9는 최적 설계된 4소자 배열 원통형 다이폴 안테나의 특성이다. 주

파수를 중심 주파수로 정규화하였다. -10dB 이하 기준의 반사계수는 중심

주파수 445MHz를 포함하여 100MHz의 대역폭을 만족한다.

(a)

- 16 -

(b)

(c)

그림 2.10 최적 설계된 4소자 배열 안테나 3D 방사패턴.

(a) f=420MHz, (b) f=445MHz, (c) f=470MHz

- 17 -

그림2.10은 최적 설계된 4소자 배열 원통형 다이폴 안테나의 3D 방사패턴

이다. 방사패턴은 시뮬레이션 툴 상에서 각 포트 별 동일한 크기와 위상을 갖

는 신호를 전달하여 4소자의 합성된 방사패턴을 보인 것이다. 그림2.10에서

보인 바와 같이 안테나 기준 중심 부근에서 주파수 대역 별 최대이득이 모두

7dBi이상을 만족하는 것을 볼 수 있다.

(a)

- 18 -

(b)

- 19 -

(c)

그림 2.11 최적 설계된 4소자 배열 안테나 2D 방사패턴.

(a) 방위각 패턴, (b) 고각 패턴 phi=0°, (c) 고각 패턴 phi=90°

그림2.11은 최적 설계된 4소자 배열 원통형 다이폴 안테나의 각 주파수대

역 별 2D 방사패턴이다. 그림2.11(a)은 안테나 중심 기준 0°에서의 방위각

패턴을 보인 것이다. 0°에서의 최대이득은 각 주파수 대역 별로 420MHz에

서 7.9dBi, 445MHz에서 8.1dBi, 470MHz에서 8.1dBi이며, flatness는

0.1dBi이내를 만족한다. 그림2.11(b),(c)는 각 주파수 대역 별 고각 패턴을

보인 것이다. 안테나 기중 중심부근에서 최대이득을 갖으며 패턴이 좌우 대칭

인 것을 보였다. 표 2.3는 최적 설계된 4소자 배열 원통형 다이폴 안테나의

설계치수를 보인 것이다.

표 2.3 4소자 배열 원통형 다이폴 안테나 최종 설계치수

설계 변수 치수(mm)

간격 g 10

원통형 복사소자

파이프

1소자 길이 L1 392

직경 R1 100

두께 t1 10

4소자 길이 WL1 2042

원통형 내부 파이프

길이 WL2 2062

직경 R2 30

두께 t2 1

- 20 -

2.4 전력 분배기 설계

원통형 다이폴 안테나 4개 복사소자에 각각 동일한 크기와 위상을 갖는 신

호를 전달하며 모든 소자를 하나의 급전 형태로 합성하기 위한 전력 분배기를

설계하였다. 그림 2.12와 같이 전력 분배기는 일반적으로 많이 쓰이는

T-junctions 방식과 quarter-wave transformer 방식을 응용하여 구성하

였다.

그림 2.12 전력 분배기 전체 블록도

전력 분배기는 100Ω - 50Ω임피던스 변환회로를 이용하였으며 50Ω 임피

던스를 갖는 입력단과 4개의 출력단으로 구성된다. 입력단과 출력단으로 사용

된 동축선은 각각 50Ω 임피던스를 갖기 때문에 중간에 λ/4 길이의 75Ω 임

피던스를 갖는 동축선 전송선로를 삽입하여 입력단에서 출력단을 바라보았을

- 21 -

때 50Ω의 특성 임피던스를 갖도록 구성하였다. 설계 제작 시 오차에 의한 특

성 변화에 둔감한 저주파 대역인 것을 고려하여 전력 손실이 적은 동축선을

이용한 전력 분배기를 구성하였다. 그림2.13(b)와 같이 전력 분배기 자체의

방사에 의한 손실을 최소화하기 위하여 금속재질의 보호케이스를 이용하였다.

(a)

- 22 -

(b)

그림 2.13 전력 분배기 형상.

(a) 금속 보호케이스 없는 구조, (b) 금속 보호케이스 있는 구조

그림2.14는 최적 설계된 전력 분배기의 특성이다. -20dB 이하 기준의 반

사계수는 중심 주파수 445MHz를 포함하여 100MHz의 대역폭을 갖으며 해

당 주파수 대역에서 VSWR 1.5:1이하를 만족한다. 그림2.14(c)와 같이 입

력단에서 출력단을 바라보았을 때의 특성 임피던스가 50Ω에 매칭되는 것을

볼 수 있다.

- 23 -

(a)

(b)

- 24 -

(c)

그림 2.14 최적 설계된 전력 분배기 입력단 특성.

(a) 반사계수, (b) VSWR, (c) Smith chart

다음 그림2.15는 전력 분배기 각 출력단에서의 전력 전달손실과 위상차를

보인 것이다. 설계 결과 각 출력단으로의 전달 손실은 해당 주파수 대역에서

0.1dB이내이며 위상차 또한 0.1°이내 인 것을 볼 수 있다. 각 주파수 대역에

서의 전력 전달손실과 위상차의 자세한 결과 값은 표 2.3에서 나타내었다.

- 25 -

(a)

(b)

그림 2.15 최적 설계된 전력 분배기 출력단 특성.

- 26 -

(a) 각 주파수 대역 별 전력 전달손실, (b) 각 주파수 대역별 위상차

표 2.4 최적 설계된 전력 분배기의 전력 전달손실 및 위상차

구분

420MHz 445MHz 470MHz

전달손실

(dB)

위상차

(deg)

전달손실

(dB)

위상차

(deg)

전달손실

(dB)

위상차

(deg)

S21 0.068 0.00 0.064 0.00 0.049 0.00

S31 0.068 0.05 0.065 0.05 0.050 0.06

S41 0.066 -0.03 0.062 -0.03 0.049 -0.04

S51 0.065 -0.05 0.061 -0.08 0.048 -0.08

2.5 다이폴 복사소자, 전력 분배기 합성 구조 설계

이상의 원통형 다이폴 복사소자와 전력 분배기의 설계 결과를 바탕으로 합

성된 전체 구조를 설계하였다. 합성 설계 시 그림 2.16에서 보인 것과 같이

전력 분배기를 통한 각 복사소자에 전력 전달에 있어서 균형을 이룸과 동시에

강한 신호를 균일하게 전달하기 위하여 동축선의 급전 내부 도체와 접지 외부

도체를 두 갈래로 나누어 각 복사소자에 전기적으로 연결하였다. 지상 옴니

안테나의 특성 상 무인기와의 통신에 있어서 건물 외부에 설치되며 기상 악천

후에 의한 전기적 충격을 고려함과 동시에 해당 주파수 대역에서의 특성 임피

던스 50Ω 매칭 특성을 향상시키기 위해서 동축선의 각 출력단의 급전 내부

도체에서 접지 외부 도체까지 도달하는 λ/4 길이의 transition balun을 연

결하여 전체적인 단락형 안테나를 구성하였다.

- 27 -

그림 2.16 지상 옴니 안테나 전체구조 및 설계변수

합성 설계 시 복사소자 내부에 배치되는 전력 분배기 보호 및 방사에 의한

손실 방지용 내부 파이프의 직경이 ø30으로 증가됨에 따라 복사소자의 길이

및 두께 치수를 최적 특성을 위해 변경하였다.

그림2.17은 최적 설계된 지상 옴니 안테나의 특성을 보인 것이다. 반사계

수는 중심 주파수 445MHz를 포함하여 주파수 대역400-470MHz에서 –

- 28 -

10dB이하를 만족하며 해당 주파수 대역에서 VSWR 2:1이하를 만족한다.

(a)

(b)

- 29 -

그림 2.17 최적 설계된 지상 옴니 안테나 특성. (a) 반사계수, (b) VSWR

그림 2.18은 최적 설계된 지상 옴니 안테나의 3D 방사패턴이다. 방사패턴

은 각각 주파수 대역 420MHz, 445MHz, 470MHz에서 계산된 결과이며

초기 설계된 전력 분배기 급전회로가 없는 4소자 다이폴 배열 안테나의 특성

과 마찬가지로 안테나 기준 중심 부근에서 주파수 대역 별 최대이득이 모두

7dBi이상을 만족하는 것을 볼 수 있다.

(a)

- 30 -

(b)

(c)

그림 2.18 최적 설계된 지상 옴니 안테나 3D 방사패턴.

(a) f=420MHz, (b) f=445MHz, (c) f=470MHz

- 31 -

그림 2.19는 최적 설계된 지상 옴니 안테나의 각 주파수대역 별 2D 방사

패턴이다. 그림2.19(a)는 안테나 중심 기준 0°에서의 방위각 패턴을 보인 것

이다. 0°에서의 최대이득은 각 주파수 대역 별로 420MHz에서 8.1dBi,

445MHz에서 8.1dBi, 470MHz에서 7.9dBi이며, flatness는 0.1dBi이내

를 만족한다. 그림2.19(b),(c)는 각 주파수 대역 별 고각 패턴을 보인 것이

다. 안테나 기중 중심부근에서 최대이득을 갖으며 패턴이 좌우 대칭인 것을

보였다. 표 2.4는 최적 설계된 지상 옴니 안테나 전체구조의 최종 설계치수를

보인 것이다.

(a)

- 32 -

(b)

(c)

- 33 -

그림 2.19 최적 설계된 지상 옴니 안테나 2D 방사패턴.

(a) 방위각 패턴, (b) 고각 패턴 phi=0°, (c) 고각 패턴 phi=90°

표 2.5 지상 옴니 안테나 전체구조 최종 설계치수

설계 변수 치수(mm)

간격 g 10배열 간격 L2 550

원통형 복사소자

파이프

1소자 길이 L1 392

직경 R1 100

두께 t1 12.5

4소자 길이 WL1 2042

원통형 내부 파이프

길이 WL2 2062

직경 R2 30

두께 t2 1

- 34 -

III . 제작 및 측정

3.1 전력 분배기 제작

본 논문에서 제안된 지상 옴니 안테나의 전력 분배기 급전회로의 최적 설계

를 바탕으로 치수를 도출하여 제작 및 측정하였다. 그림 3.1은 제작된 전력

분배기 급전회로의 시제품 형상이다. 제작에 사용된 동축선의 종류는 총 3가

지이며, 입력 커넥터에서부터 두 갈래로 나누어지는 부분까지는 50Ω 임피던

스를 갖는 UT250 케이블이 사용되었고 50Ω-100Ω 변환회로 구성에 있어서

필요한 λ/4 길이의 70.7Ω 전송선로는 제작 편의상 75Ω 임피던스를 갖는

RG187 케이블을 사용하였다. 75Ω 전송선로를 지나 다시 50Ω으로 변환시켜

주기 위한 케이블은 50Ω 임피던스를 갖는 RG141 케이블을 사용하여 제작하

였다. 제작 후 급전회로 전체에 절연용 수축 튜브피복을 씌워 금속 재질의 보

호용 내부 파이프와 결합 시 급전회로와의 단락을 방지하였다.

- 35 -

(a)

(b)

그림 3.1 제작된 전력 분배기 급전회로.

(a) 수축 튜브피복 무, (b) 수축 튜브피복 유

그림 3.2는 제작된 전력 분배기 급전회로의 측정값을 보인 것이다. 제작된

급전회로의 반사계수 측정결과 주파수 범위 410-500MHz에서 –20dB 이하

반사계수 특성과 1.5:1이하의 정재파비 VSWR 특성을 갖으며 중심주파수

445MHz에서 약 –30dB의 반사계수 특성 결과를 확인하였다. 그림 3.2

(c)의 Smith chart와 같이 중심 주파수 445MHz에서 임피던스가 50Ω에

근접하게 매칭이 되는 것을 확인하였다.

- 36 -

(a)

- 37 -

(b)

(c)

그림 3.2 제작된 전력 분배기 급전회로의 입력포트 측정 결과.

(a) 반사계수, (b) VSWR, (c) Smith chart

그림 3.3과 3.4는 제작된 급전회로의 각 출력포트 측정 결과를 보인 것이

다. 중심 주파수를 포함하여 각 주파수 대역 420MHz, 445MHz, 470MHz

에서 측정을 진행하였으며 4개의 각 출력포트에 동일한 크기와 위상을 갖는

신호가 전달되는지 확인하였다. 그림 3.3에서 보인 것과 같이 4개의 각 신호

크기의 차는 0.2dB 이내를 만족하였다. 그림 3.4에서의 4개의 각 신호 위상

편차는 2.5°이내를 만족하면서 각 출력포트에 동일한 크기와 위상을 갖는 신

호가 전달되는 것을 확인하였다.

- 38 -

(a)

(b)

- 39 -

(c)

(d)

그림 3.3 제작된 전력 분배기 급전회로의 각 출력포트 크기 편차.

- 40 -

(a) S21, (b) S31, (c) S41, (d) S51

(a)

- 41 -

(b)

(c)

(d)

- 42 -

그림 3.4 제작된 전력 분배기 급전회로의 각 출력포트 위상 편차.

(a) S21, (b) S31, (c) S41, (d) S51

3.2 다이폴 복사소자, 전력 분배기 합성 구조 제작

본 논문에서 제안된 지상 옴니 안테나 전체 구조의 최적 설계를 바탕으로

치수를 도출하여 제작 및 측정하였다. 그림 3.5는 제작된 지상 옴니 안테나의

시제품 형상이다. 제작 시 안테나 보호용 레이돔을 장착 유무에 따른 결과를

측정하였으며 레이돔 재질은 지상 야외 설치용 안테나임을 고려하여 외부 충

격에 강한 FRP(유전율 3.5)소재를 사용하였다.

(a) (b)

- 43 -

그림 3.5 제작된 지상 옴니 안테나의 시제품 형상.

(a) 레이돔 장착 무, (b) 레이돔 장착 유

그림 3.6과 3.7은 제작된 지상 옴니 안테나 전체구조의 특성을 보인 것이

다. 중심 주파수를 포함하여 각 주파수 대역 420MHz, 445MHz, 470MHz

에서 측정을 진행하였으며 레이돔 유무에 따른 결과를 확인하였다. 그림 3.6

에서 보인 것과 같이 레이돔의 미장착 시 주파수 대역 415-500MHz에서 –

10dB이하 반사계수와 2:1이하의 정재파비의 특성을 만족하는 것을 볼 수 있

다. 레이돔 장착 시 높은 유전율의 FRP 소재로 인한 영향으로 특성이 변화

되는 것을 볼 수 있지만 해당 주파수 대역 420-470MHz에서 –10dB이하

반사계수와 2:1이하의 정재파비의 특성을 만족하는 것을 확인하였다.

(a)

- 44 -

(b)

그림 3.6 제작된 지상 옴니 안테나 측정 결과(레이돔 무).

(a) 반사계수, (b) VSWR

(a)

- 45 -

(b)

그림 3.7 제작된 지상 옴니 안테나 측정 결과(레이돔 유).

(a) 반사계수, (b) VSWR

그림 3.8은 제작된 안테나 시제품의 방사패턴 측정을 위한 셋업 형상이다.

측정은 한국전파진흥협회 전자파기술원/EMTI의 무반사실에서 진행하였다.

- 46 -

그림 3.8 제작된 지상 옴니 안테나 방사패턴 측정 셋업

그림 3.9는 제작된 안테나의 방사패턴 측정값을 보인 것이다. 측정값은 시

뮬레이션과 동일하게 각 주파수 대역 420MHz, 445MHz, 470MHz에서 계

산하였으며 안테나 중심부근에서 각각 6.86dBi, 7.98dBi, 8.03dBi의 최대

이득을 가지며, 방위각 패턴에서의 flatness는 각각 0.58dBi, 0.52dBi,

0.32dBi로서 모두 1dBi 이내를 만족한다. 시뮬레이션 결과와 비교하여 패턴

의 형상은 비교적 일치하나 420MHz 대역에서의 이득 값이 약 1dBi 정도

낮게 측정되었다. 원인으로는 케이블 손실 및 전력 분배기 손실 등이 반영된

것으로 판단된다. 하지만 안테나 중심 부근에서 최대이득을 갖으며 flatness

가 거의 없는 방사패턴이 형성되었으며 특히 해당 주파수대역에서 전체적으로

설계 목표치인 6dBi이상의 이득을 만족함을 확인하였다.

(a)

- 47 -

(b)

그림 3.9 제작된 지상 옴니 안테나 방사패턴 측정 결과.

(a) 방위각 패턴, (b) 고각 패턴

- 48 -

IV . 결 론

본 논문에서는 UHF대역 중에서도 저주파 대역인 420-470MHz 대역 무

인기 지상 조종통제용으로 사용 가능하며 지면에 수평 방향으로 무지향성 패

턴을 갖는 지상 옴니 안테나를 설계, 제작, 측정하였다. 방사소자로서 동일한

4개의 원통형 다이폴 안테나를 일정한 간격으로 직렬 배열한 구조를 구성하

였다. 4개의 각 다이폴 안테나 소자에 동일한 크기와 위상을 갖는 신호를 전

달하기 위해 전력 분배기 급전회로를 설치하였다. 전력 분배기 자체의 손실을

최소화하기 위하여 동축 케이블을 이용하여 구성하였으며 전력 분배기 보호와

급전회로 방사에 의한 손실을 막기 위해 금속 재질의 내부 파이프를 설치하였

다. 전력 분배기와 4개의 각 다이폴 소자와의 전기적 연결에 있어서 안테나

방사의 균형을 맞춤과 동시에 급전 시 큰 전력을 공급하기 위하여 각 소자 양

방향으로 급전하도록 구성하였으며 급전 방향에 의한 전력 상쇄를 방지하기

위해 4개의 각 소자에서 모두 동일한 급전 방향으로 연결되도록 하였다. 조종

통제 안테나 특성 상 지상 외부에 설치되며 악천후 시 전기적 단락에 의한 방

지함과 동시에 임피던스 매칭을 위하여 전력 분배기 급전회로의 각 출력 종단

에 λ/4 길이의 transition balun 구조를 설치하였다.

설계된 안테나는 중심 주파수 445MHz를 포함하여 주파수 대역

420-470MHz에서 –10dB이하의 반사계수와 2:1이하의 정재파비를 만족한

다. 안테나 중심 기준 0°에서 바라본 방위각 패턴의 최대이득은 각 주파수 대

역 별로 420MHz에서 8.1dBi, 445MHz에서 8.1dBi, 470MHz에서

7.9dBi이며, flatness는 0.1dBi이내를 만족한다.

- 49 -

설계의 타당성을 검증하기 위해 원통형 다이폴 안테나를 제작하고 동일한

크기와 위상을 갖는 전력 분배기를 사용하여 급전하였다. 제작된 안테나의 측

정 결과 레이돔의 설치 유무 모두 주파수 대역 420-470MHz에서 반사계수

–10dB이하와 정재파비 2:1이하를 만족하였다.

제작된 안테나의 방사패턴 측정결과 주파수 대역 별 최대이득은 420MHz

에서 6.86dBi, 445MHz에서 7.98dBi, 470MHz에서 8.03dBi이고

flatness는 각각 0.58dB, 0.52dB, 0.32dB로 모두 1dB 이내를 만족함을

확인하였다. 설계 결과와의 차이는 제작 상 오차로 판단된다.

본 논문에서 제안한 안테나는 안테나 중심으로부터 지면에 수평 방향으로

최대 150km까지 무인기와의 통신 운용이 가능하며 전 방향으로 무지향성 특

성을 갖는다. 따라서 지상 외부에 설치되어 무인기와의 원활한 통신 운용에

있어서 유용하게 사용 될 수 있다고 판단된다.

- 50 -

참 고 문 헌

[1] 박준환, 김성환, 박춘배, 한동훈, 강민성, “무인항공기 무선통신 체계 연구,”

한국항공우주학회 논문, 2003

[2] A. Agogino, C. HolmesParker, and K. Tumer, “Evolving large scale

UAV communication system,” Proceedings od the 14th Annual ACM

Conference on Genetic and Evolutionary Computation, pp. 1023-1030,

2012.

[3] G. Vachtsevanos, B. Ludington, J. Reimann, P. Antsaklis, K. Valavanis,

“Modeling and control of Unmanned Aerial Vehicles-Current Status

and Future Directions,” Workshop on MCCS, Ayia Napa, Cyprus, June

30-July 1, 2005.

[4] G. Vachtsevanos, L. Tang, and J. Reimann, “An Intelligent Approach to

Coordinated Control of Multiple Unmanned Aerial Vehicles,” Proc. of

the American Helicopter Society 60th Annual Forum, Baltimore, MD,

June 7-10, 2004.

[5] B.T. Strojny and R. G. Rojas, “integration of conformal GPS and

VHF/UHF communication antennas for small UAV applications,”

European Conference on Antennas and Propagation, pp. 2488-2492,

2009.

[6] A. Patrovsky and R. Sekora, “Structural integration of a thin conformal

annular slot antenna for UAV applications,” Loughborough Antenna &

- 51 -

Propagation Conference, pp. 229-232, November 2010.

[7] H. J. Visser, “Analytical Equations for the Analysis of Folded Dipole

Array Antennas,” Proc. of the 38th European Microwave Conference,

pp. 706-709, December 2008.

[8] G. Y. Chen, J. S. Sun, C. H. Lin, K. K. Tiong, and Y. D. Chen, “The

Dipole Antenna Array Design with Balun Integration,” PIERS. Proc.,

Hangzhou, China, March 24-28, 2008.

[9] E. J. Wilkinson, “An N-way power divider,” IEEE Trans. Microwave

Theory Tech, Vol. 8, 116-118, Jan. 1960.

[10] R. E. Collin, “Theory and design of wide-band multisection

quarter-wave transformer,” Proc. IRE, Vol. 43, 179-185, Feb. 1955

[11] J. D. Kraus, and R. J. Marhefka, Antenna for All Applications, 3rd

edition.

[12] C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 2nd edition.