KETI-RD-2006046

휴대단말기용 안테나 설계제작기술지원휴대단말기용 안테나 설계제작기술지원휴대단말기용 안테나 설계제작기술지원휴대단말기용 안테나 설계제작기술지원GPS ,GPS ,GPS ,GPS ,

2006. 6.2006. 6.2006. 6.2006. 6.

지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원지원기관 전자부품연구원::::

지원기업 주지원기업 주지원기업 주지원기업 주: (: (: (: ( 프 리프 리프 리프 리)))) 웰웰웰웰

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 1 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 휴대단말기용 안테나 설계 제작기술지원 지원기간“ GPS , ”( : 2005.

과제의 기술지원성과보고서를 제출합니다5. 1~ 2006. 4. 30) .

2006. 6. 15 .

지원기관 기관명: ( ) 전자부품연구원 대표자 김 춘 호 인( ) ( )

지원기업 기업명: ( ) 프리웰 주( ) 대표자 김 시 균 인( ) ( )

지원책임자 김 종 규:

참여연구원 이 호 준:

최 세 환

- 2 -

종합 기술지원사업 기술지원성과보고서 요약서종합 기술지원사업 기술지원성과보고서 요약서종합 기술지원사업 기술지원성과보고서 요약서종합 기술지원사업 기술지원성과보고서 요약서

사업목표1.

휴대단말기용 안테나의 설계 개발 및 측정 생산 안정화를 위한 업체 필요 애GPS ,

로기술 지원과 참여업체 연구원의 전문 기술력 향상을 위한 교육을 목표로 함.

안테나 설계 및 측정 기술 지원- GPS

초소형 안테나 개발 및 생산 기술지원-

지원업체 기타 애로기술 지원-

기술지원내용 및 범위2.

안테나 개발 관련1.

및 안테나 이론- Dualband Multiband

안테나 설계 관련 교육- Tool

안테나 개발- GPS

안테나 개발- GPS/PCS/IMT-2000

과련 특허 및 안테나 측정 기술 지원2.

국내외 관련 특허 조사 분석-

소형 안테나 측정 기술 지원-

기타 안테나 관련 신제품 개발 지원-

- 3 -

지원실적3.

지원항목

지원내용

비고

기술지원前 기술지원後

관련 특허 분석 특허에 대한 무관심관련 특허의 중요성을 인지

하고 특허 출원 예정

안테나 이론 기술

안테나 및 전반적인 분RF

야에서 전공지식이 다소 미

흡하여 문제해결 능력이 다

소 부족

안테나 및 전공지식 습RF

득으로 문제해결 능력을 보

완함

안테나 측정 기술 측정능력은 다소 양호 기존의 측정능력 보완

안테나 제작 기술안테나 제작시 많은 오차 발

생으로 불량률이 높음안테나 제작시 불량률 감소

샘플 안테나

측정 기술

샘플 안테나에 대한 자료 부

족

샘플 안테나 분석 자료 제

공

- 4 -

기술지원 성과 및 효과4.

해당기술의 기술력 향상 효과1)

및 이동통신 단말기 안테나에 대한 대응특허 및 개량특허 독자설계방식의 특GPS ,

허 등의 확보를 통하여 선진국 관련 특허권에 대응할 수 있고 저가의 단순구조 안,

테나 개발을 통하여 외국 제품에 대한 가격 경쟁력 확보 및 내장형 안테나의 핵심

설계 기술 확보

기술적 파급효과2)

선진특허를 회피한 독자적인 특허 출원 지적 재산권 확보- ( )

단말기를 형태에 따른 안테나의 최적화 설계 환경을 구축함으로써 다양한 종류의-

단말기의 안테나를 생산초기부터 시뮬레이션 할 수 있는 기반 구축

내장형 안테나 설계 및 제작기술 확보- Multi-Band

하나의 안테나로 다중대역을 이용하므로 단말기 가격 경쟁력 제고-

단말기의 구조 변경에 따른 안테나의 최적화 설계기술 확보-

하나의 안테나로 다중대역을 이용하므로 단말기 가격 경쟁력 제고-

- 5 -

적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,

규격 인증획득1) ,

지적재산권2)

- 6 -

세부지원실적6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건5

안테나 관련 특허 자료-

국내외 안테나 시장동향 및 기술자료-

샘플 안테나 분석 자료 등-

시제품제작 건3 안테나 종 시제품 제작- GPS (3 )

양산화개발 건 -

공정개선 건10안테나 제작 및 측정 테스트 등에서 많은 개- GPS

선점

품질향상 건 -

시험분석 건2생산된 안테나 샘플의 특성 변화에 따른 시험- GPS

분석

수출 및 해외바이어발굴 건 -

교육훈련 건6

기본 안테나 이론 교육-

장비사용 측정 교육- RF

안테나 사용 및 측정 교육- Chanber

시뮬레이션 교육- IE3D

시뮬레이션 교육- MWS

시뮬레이션 교육- HFSS

기술마케팅 경영자문/ 건2안테나 관련 사업검토-

국내외 시장 확대 관련-

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건1

제목:"Harmonic Suppression of Microstrip Patch

Antenna by 1-D PBG Cell"

국제 학술발표 : 2005, AP-S, Washington, USA

기 타 건1

- 7 -

종합의견7.

단말기 내장형 안테나 개발의 붐으로 인하여 많은 업체들이 내장형 안테나 개발을

하고 있지만 주 텔레콤 프리웰 회사는 안테나 생산을 전문으로 하는 업체가( ) A&P ( )

아니므로 안테나에 대한 전문지식 및 기술력이 부족한 상태이며 안테나에 대한 기

본 지식뿐만 아니라 에 대한 전반적인 지식들을 기술지원 과제를 통하여 안테나RF

인력의 전문지식 강화 및 관련 기술들을 축적하여 보다 양질의 안테나 개발에 박차

를 가할것으로 생각된다.

- 8 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111 ············································································································································································································································································································································ 15151515

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1 .1 .1 .1 . ····················································································································································································································································································································15151515

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2 .2 .2 .2 . ····································································································································································································································································································································16161616

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3 .3 .3 .3 . ····································································································································································································································································································································16161616

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222 ············································································································································································································································································································································ 18181818

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1 .1 .1 .1 . ····································································································································································································································································································································18181818

선진특허분석1. ·····································································································18

안테나 설계 기술2. ·····························································································27

안테나 측정 기술3. ·····························································································41

안테나 개발4. GPS ·····························································································53

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2 .2 .2 .2 . ····································································································································································································································································································································56565656

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333 ············································································································································································································································································································································ 60606060

부 록부 록부 록부 록[ ][ ][ ][ ] ···················································································································································································································································································································································································· 62626262

기술 지원 일지 기술지원 활용 기자재 및 시설 요약서,

- 11 -

그 림 차 례그 림 차 례그 림 차 례그 림 차 례

그림 관련 특허 출원동향2-1. GPS ···············································································18

그림 기술별 특허활동지수2-2. ·······················································································22

그림 내장형 안테나 분야 세부기술별 특허활동 지수2-3. ·······································25

그림 에서 시간함수에따른 평면 전자파의 회전2-4. z=0 ··········································28

그림 선형편파된 전계2-5. ·······························································································29

그림 우선회 원형편파2-6. ·······························································································30

그림 좌선회 원형편파2-7. ·······························································································32

그림 평면 전자파의 회전과 기울어진 타원2-8. ·························································33

그림 단일 급전 원형편파 마이크로슽립 안테나의 일반적인 구조2-9. ·················35

그림 단일 급전 원형편파 마이크로스트립 안테나에 대한 수직모드의 크기와2-10.

위상 ··········································································································································35

그림 이중 급전 원형편파 패치 안테나2-11. ·······························································36

그림 전력분배기2-12. ·······································································································37

그림 패치 안테나 구조2-13. GPS ·················································································38

그림 용 패치 안테나 설계도2-14. GPS ·········································································39

그림 시뮬레이션 결과2-15. ·····························································································40

그림 시뮬레이션된 방사패턴2-16. ·················································································40

그림 반사측정장의 기하학적 구조3-1. ·········································································44

그림 고층 측정장의 기하학적 구조3-2. ·······································································45

그림 경사 측정장의 기하학적 구조3-3. ·······································································46

그림 무반사실에서의 전파반사3-4. ···············································································47

그림 안테나 방사패턴 측정에 사용되는 좌표계3-5. ·················································49

그림 4-1. Return Loss(S11) ····························································································54

- 13 -

그림 4-2. Smith Chart ·······································································································55

그림 안테나 방사패턴4-3. GPS ·····················································································55

그림 제작된 안테나4-4. GPS ·························································································56

- 14 -

표 차 례표 차 례표 차 례표 차 례

표 한국의 외장형 안테나 기술별 최근 년간 특허동향2-1. / 5 ···································19

표 한국의 내장형 안테나 기술별 최근 년간 특허동향2-2. / 5 ···································20

표 수동소자 모듈 기술별 최근 년간 특허동향2-3. / 5 ·················································20

표 능동소자 모듈 기술별 최근 년간 특허동향2-4. / 5 ·················································20

표 미국 일본 외장형 안테나 기술별 최근 년간 특허동향2-5. / / 5 ······························21

표 미국 일본 내장형 안테나 기술별 최근 년간 특허동향2-6. / / 5 ······························22

표 개 선진기업 인용관계2-7. 4 ·······················································································24

표 전력 분배기의 일반적인 특성2-8. ···········································································37

- 15 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

텔레콤 프리웰 주식회사는 년 설립한 무선이동통신 핵심부품 개발회사로A&P ( ) 2000

써 주요제품은 무선이동통신 단말기 및 중계기용 고주파집적회로와 중계기용,

등이 있다 년 월에 자본금 억원을 가Analog & Digital Optic Transceiver . 2000 12 2

지고 설립했으며 년에는 우수기술확보 기업인증을 받았으며 년, 2001 Venture , 2002

에는 경기도 유망중소기업에 선정되었다 이 후 기술 혁신형 중소기업 선정. ,

인증을 받았고 년 월말에는 종업원수 명에 총자산 억ISO9001/2000 , 2004 12 50 73

원을 갖는 업체로 성장하였다 또한 년에는 부품소재전문기업으로 확인을 받았. 2005

으며 주식회사 프리웰로 사명을 변경하였다, .

본 회사는 사업영역 확장을 위해 안테나 분야의 기술 개발 및 자체 경쟁력 확보에

나섰지만 벤처기업이라는 이유로 우수 기술 인력확보에 어려움을 겪고 있었다 또, .

한 안테나에 대한 회사의 보유기술이 거의 전무한 상황이었기 때문에 의 안테, KETI

나 전문인력을 활용하고자 부품소재 기술지원 사업을 신청하게 되었다.

텔레콤의 무선이동통신 단말기에 대한 경험과 의 전문인력이 합쳐지면 안A&P KETI

테나분야의 새로운 전문 업체에 발돋움을 할 수 있다고 판단하였고 국내산업에 기,

여도도 높으리라 판단하였으며 업체와이 협력을 통한 의욕적인 사업 추진에 부응,

키 위하여 본 지원 사업의 추진을 결정하였다 기술지원을 통하여 안테나 기수. tfrP

로가 업체인력에 이론교육을 제공하여 업체의 기술력 향상과 제품 안정화를 주목표

로 하여 지원하였다.

- 16 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

소형 안테나의 기초설계 기술 및 측정 기술을 지원하며 세부 기술지원 목표는 다,

음과 같다.

주요목표 세부목표

휴대단말기용 안테나 설계GPS

및 제작 기술 지원

소형 안테나 선진특허 기술- GPS

소형 안테나 설계기술- GPS

소형 안테나 제작 및 측정기술- GPS

소형 안테나 소재 선정 기술- GPS

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

휴대단말기용 안테나 제작 및 공정기술의 개선 방안 도출 세부 기술 지원은GPS .

다음과 같음.

특허분석1.

지원방법 현장지원 안테나 관련된 국 내외 특허 자료 조사 및 분석을 통한 세: , ⋅

미나 및 새로운 아이디어 창출.

- 17 -

안테나 설계 기술2.

지원방법 현장지원 시뮬레이션툴 사용법: ,

안테나 측정 기술3.

지원방법 현장지원 안테나 사용법 소형 안테나 제작 관련 세미나 및: , Chamber ,

계측기 사용법 실습RF ,

안테나4. GPS

지원방법 현장지원 사용법 안테나 제작 및 측정 기술지도 안테나 설: , Tool , , CP

계 및 제작법 기술지원

- 18 -

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

선진 특허 분석선진 특허 분석선진 특허 분석선진 특허 분석1.1.1.1.

는 지구 주위를 주기적으로 회전하는 개의 인GPS(Global Positioning System) 24

공위성을 이용한 지구 전체의 차원 위치 측정 시스템이다 원래는 년대 초3 . 1970

반부터 미국 국방성에서 군사목적으로 개발한 시스템이지만 년 기, 1983 KAL-007

격추이후 민간에 개방하도록 미국 의회가 승인한 이후 의 응용기술이 더욱GPS

성장하였다 주로 차량에 부착하여 위치 알림기능을 많이 수행했고 최근 주 일. , 5

근무실시에 따른 레저 활동 증대와 저렴한 가격 때문에 수요가 증대되어, GPS

관련 특허출원이 다시금 늘어나고 있다.

관련분야의 국내 특허출원현황을 살펴보면 년 건 년 건으로GPS 2000 40 , 2002 37

줄어들었다가 년 건으로 다시 부상하고 있다 그림 은 관련 국내2004 79 . 2-1 GPS

외 특허 출원 동향을 나타내고 있다.

그림 관련 특허 출원 동향 출원 특허청2-1. GPS ( : )

- 19 -

이러한 특허출원의 추세는 유비쿼터스와 컨버젼스 기술 등이 발전하면서 이 단GPS

독이 아닌 다른 멀티미디어 기술과 융합되어 계속적으로 발전할 것으로 보인다.

이동통신용 안테나 기술을 크게 외장형 내장형 수동소자 모듈 능동소자 모듈 기, , ,

술로 나누어 분석하였다 외장형 안테나 기술에는. Retractable, Helical, Monopole

안테나가 포함되고 내장형 안테나 기술에는Folded, PIFA Chip, Ceramic, SMD,

안테나가 포함된다 또한 수동소자 모듈 기술에는PCB, Loop, Patch . Integrated,

복합형 안테나가 포함되고 능동소자 모듈 기술에는Packaging, Variable

안테나가 포함된다Frequency, Diversity, Intelligent .

표 는 한국의 외장형 안테나 기술별 최근 년간 특허동향을 보여주고 있다2-1 / 5 .

안테나와 안테나 분야는 최근 년간의 출원건수가 상대적으로 많PIFA Monopole 5

음을 알 수 있다 이는 단말 안테나의 설계를 간단한 평면형 구조로 가기 때문으로.

분석된다 안테나 기술은 전체 출원 건수가 가장 많으며 최근 년간 특허. Helical , 5

출원 건수 비율은 전체 대비 정도임을 볼 수 있다46% .

표 한국의 외장형 안테나 기술별 최근 년간 특허동향2-1. / 5

- 20 -

표 은 한국의 내장형 안테나 기술별 최근 년간 특허동향을 보여주고 있다 내2-2 / 5 .

장형 안테나 분야의 모든 기술이 최근 년간의 출원건수가 많은 것으로 보아 내장5

형 안테나 기술에서의 최근 년간 특허출원은 활발한 것으로 추측된다5 .

표 한국의 내장형 안테나 기술별 최근 년간 특허동향2-2. / 5

표 은 수동소자 모듈 기술별 최근 년간 특허동향을 보여주고 있다 복합형 안테나2-3 / 5 .

와 안테나 기술은 최근 년간 출원건수가 많음을 알 수 있다 또한 복합형Integrated 5 . ,

안테나 기술은 최근 년간 특허출원 비율이 전체 대비 정도임을 알 수 있다5 90% .

표 수동소자 모듈 기술별 최근 년간 특허동향2-3. / 5

표 는 능동소자 모듈 기술별 최근 년간 특허동향을 보여주고 있다2-4 / 5 . Variable

안테나 기술은 최근 년간의 출원건수가 상대적으로 많음을 알 수 있Frequency 5

다 또한 안테나 기술은 최근 년간 특허출원 비율이 전체 대비 정. , Diversity 5 70%

도임을 알 수 있다.

- 21 -

표 능동소자 모듈 기술별 최근 년간 특허동향2-4. / 5

표 과 표 은 일본 및 미국의 내외장형 안테나 기술별 최근 년간 특허 동향2-5 2-6 / 5

을 보여주고 있다 일본의 외장형 안테나인 경우 안테나와 안테. Folded Monopole

나 분야는 최근 년간의 출원건수가 상대적으로 많음을 알 수 있고 내장형인 경우5 ,

안테나와 안테나 기술이 상대적으로 많으며 안테나 기술은 출원PCB Patch , Loop

건수가 가장 많으나 최근 년간 출원건수가 떨어져 쇠퇴 기술로 추측된다5 .

미국의 외장형 안테나인 경우 안테나 분야의 출원건수가 상대적으로 많고PIFA ,

안테나와 안테나 분야가 많음을 알 수 있다 내장형 안테나인Helical Retractable .

경우 안테나와 안테나가 상대적으로 많으며 안테나 기술은 전체PCB Chip , Patch

출원 건수가 가장 많음을 알 수 있다.

표 일본 미국의 외장형 안테나 기술별 최근 년간 특허 동향2-5. / / 5

- 22 -

표 일본 미국의 내장형 안테나 기술별 최근 년간 특허 동향2-6. / / 5

그림 기술별 특허활동지수2-2.

- 23 -

외국의 기술분야별 개발추이는 특허활동지수 를 통해 알 수 있(AI, Activity Index)

고 그림 는 휴대폰 안테나 분야 개 선진기업, 2-2 4 (Nokia, Matsushita, Murata,

의 각 기술별 상대적 특허활동지수를 나타내고 있다 를 기준으로Ericsson) . Nokia

아래와 같은 식에 따라 계산되었고 그 값이 보다 큰 경우 해당 기술에 대한 특허, 1

집중도가 높은 것으로 볼 수 있다.

의휴대폰안테나특허출원건수휴대폰안테나전체특허출원건수

기술별특허출원건수기술별전체특허출원건수

그림을 살펴보면 는 외장형 안테나 및 내장형 안테나 분야에서의 특허활동도, Nokia

는 약 으로 타 기업들과의 평균에 가까운 수치를 나타내고 있다 외장형 안테나1.0 .

와 내장형 안테나 분야에서 비교적 고른 특허활동을 보이고 있음을 알 수 있다.

는 외장형 안테나 분야의 특허활동도는 이며 내장형 안테나 분야의Matsushita 1.2 ,

특허활동도는 이다 외장형 안테나분야의 특허활동도가 약간 높은 수치를 기록0.8 .

하고 있으나 타사에 비하여 휴대폰 안테나 분야에서 기술별로 특허활동이 비교적,

균일하게 나타남을 알 수 있다 는 외장형 안테나 및 내장형 안테나 분야에서. Nokia

의 특허활동도는 약 으로 타 기업들과의 평균에 가까운 수치를 나타내고 있다1.0 .

외장형 안테나와 내장형 안테나 분야에서 비교적 고른 특허활동을 보이고 있음을

알 수 있다.

는 내장형 안테나 분야의 특허활동도는 이며 외장 및 내장 혼합형 안테Murata 1.6 ,

나분야의 특허활동도는 이다 내장형 안테나분야의 특허활동도는 타 기업보다0.5 .

월등히 높은 수치를 기록하고 있으며 타사에 비하여 휴대폰 안테나 분야에서 내장,

형 안테나 기술에 편중되어 특허 활동을 하고 있음을 알 수 있다.

- 24 -

표 은 휴대폰 안테나 개 선진기업의 인용 피인용 특허의 자사 및 타사 인용관2-7 4

계를 나타낸 것이다 자사의 인용률이 높을수록 특허로 본 기술자립도가 높다고 볼.

수 있다.

표 개 선진기업 인용관계2-7. 4

표를 살펴보면 의 경우 타사의 특허를 많이 인용하는 편에 속하며 피인, Ericsson ,

용 측면에서도 선진기업에 비하여 상대적으로 타사이 피인용도가 높은 편에 속한

다.

의 경우 자사의 인용 피인용 빈도가 전체의 로 상당히 높은Murata , / 51.5%, 29.1%

수치를 나타내고 있다 이것으로 보아 의 기술자립도는 높다고 판단된다. Murata .

의 경우도 자사특허의 인용도가 로 비교적 높은 수치를 나타내고 있으Nokia 21.7%

며 기술자립도 측면에서 를 제외한 타 기업에 비하여 높을 것으로 추정해, Murata

볼 수 있다.

의 경우는 타 기업에 비하여 자사특허의 인용빈도가 상대적으로 낮은 수Matsushita

치를 나타내고 있다 는 종합 가전업체이므로 사업영역이 타 기업과 달. Matsushita

리 휴대폰 안테나에 편중되어 있지 않으므로 상대적으로 기술 자립도가 저조할 수

있을 것으로 판단된다.

- 25 -

그림 은 휴대폰 안테나 선진기업들의 내장형 안테나 분야 세부기술별 특허활동2-3

지수를 비교한 것으로서 여기에서 특허활동지수는 내장형 안테나 분야 세부기술,

각각에 대한 상기 선진기업들의 특허 활동도 또는 집중도를 나타내는 지수이다. AI

값이 이상이면 특정분야에 대한 특허집중도가 높고 반대로 이하이면 특허집중1 , 1

도가 낮다는 것을 의미한다 를 기준으로 산출한 것이다. Nokia .

그림 내장형 안테나 분야 세부기술별 특허활동 지수2-3.

내장형 안테나 분야 세부기술별 선진기업간의 특허활동 지수를 살펴보면 의, Nokia

경우 안테나 안테나 안테나 분야에서의 특허활동 지수PIFA, Planar , PCB , Patch

는 각각 으로 이상의 값을 갖고 있다 따라서 다른 기술 분야1.5, 4.0, 2.0, 2.0 1 .

보다고 이들 분야에서 특허활동이 활발하고 집중도가 높음을 알 수 있으며 특히,

안테나 분야의 특허는 에서만 조사되어 안테나 분야는Planar Nokia , Planar Nokia

가 우위에 있거나 특화된 기술분야로 추정해 볼 수 있다.

반면 루프 안테나 안테나 형 안테나 분야에서, , M ic ros tr ip , Meander 의

- 26 -

특허활동 지수는 각각 로 이하의 값을 가지고 있음을 알 수 있으며0.8, 0.5, 0.8 1 ,

따라서 이 분야에서는 특허활동이 상대적으로 저조할 것으로 판단된다.

의 경우 루프 안테나의 특허활동지수는 각각 으로 이하의Murata , PIFA, 0.1, 0.6 1

값으로 이 분야에서의 특허활동이 과 에 비하여 상대적으로 저Ericsson Matsushita

조함을 알 수 있다 그러나 칩 안테나 분야와 표면실장 안테나 분야에서의 특허활.

동도는 각각 로 타 기업에 비하여 높으며 따라서 이 분야에서 특허활동이2.5, 2.7 ,

상대적으로 활발함을 알 수 있다.

의 경우 루프 안테나 분야 안테나 분야 안테나 분야Masushita , , Microstrip , PCB ,

유전체공진 안테나 분야 내장 헬리컬 모노폴 안테(Dielectric Resonator Antenna) , ,

나 분야의 특허활동지수는 각각 로 이상의 값을1.9, 1.2, 2.3, 4.7, 4.7, 4.7, 4.7 1

가지고 있다 즉 는 이 분야에서 타 기업에 비하여 상대적으로 특허활동. , Masushita

이 왕성함을 알 수 있다 그러나 유전체 공진 안테나 분야 내장 헬리컬 모노폴 안. , ,

테나 분야의 특허활동지수가 특히 높은 것은 실제로 특허의 건수는 많지 않으나,

상대적으로 타기업의 특허건수가 없거나 아주 미미한 수준이기 때문에 나타난 결과

일 수 있으므로 특허활동지수 자체만으로 해당기업의 특허활동의 정도를 판단하는,

것은 다소 무리가 있을 수 있음을 간과해서는 안 될 것이다.

- 27 -

안테나 설계 기술안테나 설계 기술안테나 설계 기술안테나 설계 기술2.2.2.2.

일반적으로 상업적 이용되는 신호 중심주파수는 대역폭은GPS 1,575.42 MHz,

이다 위성으로부터 오는 신호의 수신율을 높이기 위해서는 높은2.046 MHz . GPS

이득과 지향성을 갖는 안테나가 요구되지만 휴대단말기용 안테나는 단말기 위치

에 상관없이 여러 위성으로부터 신호를 수신할 필요가 있기 때문에 단말기 주위

에 가급적 균등한 이득분포를 갖는 무지향성 안테나가 요구되고 있다.

가. Patch Antenna

차량용 안테나에서는 대개 구조가 간단한 패치 안테나가 주로 사용된다 이GPS .

안테나는 위성으로부터 오는 신호를 우원편파 의 전계성분을 일반적GPS (RHCP)

으로 반파장 길이를 갖는 패치로 수신하게 된다 그러나 패치 안테나는 대개 반.

파장의 길이를 갖고 또한 이상적인 단말기용 안테나의 방사패턴인 무지향성을,

갖지 않는 지향성 안테나이기 때문에 소형 단말기에 적용하기엔 적합하지 않다.

하지만 본 과제에서는 시뮬레이션 툴 사용법의 이해를 돕기 위해 구조가 간단한

패치안테나를 설계해 보았다.

패치 안테나의 기판이 되는 유전체의 유전율을 εr 자유공간에서의 파장을 유, ,λ

전체안에서의 파장을 λd 라고 하면 패치안테나의 일반적인 길이 은 다음과 같이L

나타낼 수 있다.

위 식으로부터 안테나를 소형화 시키기 위해서는 유전체의 유전율을 크게 하면

되지만 이것은 대역폭 감소와 이득 저하를 유발하기 때문에 패치 안테나의 소형

화에는 한계가 있다.

- 28 -

나 원형편파.

안테나를 위한 의 표준 정의에 의하면 방사된 파의 편파는 방사된 전자파의IEEE

전계의 벡터가 시간에 대해서 변하는 특성을 나타내는 것으로 정의한다 편파는.

순시 전계를 나타낸 화살표 끝을 따라 나타낸 것이다 특히 이것은 전파의 진행.

방향에서 관찰되어진 것이다 그림 는 시간에 따른 전계의 괘적을 나타낸 그. 2-4

림이다.

그림 에서 시간함수에따른 평면 전자파의 회전2-4. z=0

편파는 선형 원형 타원형의 가지로 분류할 수 있다 선형편파는 전계가 전파의, , 3 .

진행방향 중 어떤 공간에서 관측했을 때 선형의 궤적을 그리는 것을 말한다. Z

방향으로 진행하는 순시 전계와 자계는 와 의 성분으로 구성된다 인 평면x y . z=0

에서 순시 전계벡터의 변화를 살펴 보자 순시 전계의 성분만 존재한다면. x , z=0

평면에서 순시전계 벡터의 괘적은 그림 처럼 축 상에서만 움직이는 것을2-5(a) x

알 수 있다 또한 순시 전계의 성분만 존재한다면 평면에서 순시전계 벡터. , y , z=0

의 괘적은 그림 처럼 축 상에서만 움직이는 것을 알 수 있다2-5(b) y .

- 29 -

(a) (b)

그림 선형편파된 전계 방향 방향2-5. : (a) x , (b) y

원형편파는 순시 전계의 괘적이 평면에서 원형을 그린다 전계의 크기는 일z=0 .

정한 경우로 파가 원형 용수철 모양의 궤적을 이루면서 진행한다 원형편파는 파.

가 진행하는 방향의 뒤쪽에서 관측 했을 경우 파가 오른쪽으로 회전하면서 진행

하는 우선회 원형편파 와 왼쪽으(RHCP : Right-Hand Circularly Polarized Wave)

로 회전하면서 진행하는 좌선회 원형편파(LHCP : Left-Hand Circularly

로 구분할 수 있다Polarized Wave) .

우선회 원형편파는 전파의 진행 방향을 따라 봤을 때 전계 벡터의 순시 값이 원

형 괘적을 그리며 시계 방향으로 회전하는 경우를 말한다.

식 일 때 평면에서 전계의 순시벡터 성분은 다음과 같다(2-1) z=0 .

- 30 -

이때 괘적의 크기는

전계파의 회전 방향은 축과 이루는 각 을 따라서 결정한다x .Ψ

전계벡터는 인 평면에서 반지름z=0 ER의 형태로 시간의 변화에 따라 원의 괘적

을 그리고 그림 에서 보여진 것처럼 각주파수 에 따라서 시계방향으로 회전2-6 ω

한다.

그림 우선회 원형편파2-6.

- 31 -

좌선회 원형편파는 전파의 진행행 방향을 따라 봤을 때 전계 벡터의 순시 값이

원형 괘적을 그리며 시계 방향으로 회전하는 경우를 말한다.

식 일 때 평면에서 전계의 순시벡터 성분은 다음과 같다(2-6) Z=0 .

괘적의 크기는

전계파의 회전 방향은 축과 이루는 각 을 따라서 결정된다X .ψ

전계벡터는 인 평면에서 반지름Z=0 EL의 형태로 시간의 변화에 따라 원의 괘적

을 그리고 그림 에서 보여진 것처럼 각주파수 에 따라 반 시계방향으로 회2-7 ω

전한다.

- 32 -

그림 좌선회 원형편파2-7.

우선회 원형편파나 좌선회 원형편파는 크기가 같고 수직인 단위벡터가 의 위90°

상차를 가지고 더해짐을 알 수 있다.

원형편파에 대한 필요 충분 조건은 다음과 같다.

전계는 개의 수직인 선형 편파성분으로 이루어 졌다1. 2 .

개의 성분은 같은 크기를 가지고 있다2. 2 .

개의 성분은 에 홀수 배에 해당하는 위상 차를 가지고 있다3. 2 90° .

타원형 편파는 전계 벡터가 공간상에서 타원형의 괘적을 타다낼 때 타원편파라고

한다 파가 진행하는 방향의 뒤쪽에서 관측 했을 경우 타원형의 전계 벡터가 시.

계 방향으로 회전하면 우선회 타원형 편파라고 하고 반 시계방향으로 회전하면,

좌선회 타원형 편파라고 한다.

- 33 -

일반적으로 안테나는 타원형 편파를 방사한다 타원형 편파를 방사한다 타원형. .

편파는 그림 에서처럼 가지 매개변수로 정의된다 축비 기울기각2-8 3 . : (AR) (tilt

회전방향 축비는 식 로 정의된다 축비가 무한대일 때 편파는 선angle), . (2-11) . ,

형이며 기울기각은 선형 편파의 방향을 정의한다 그리고 회전 방향은 적용되지.

않는다 선형편파의 질은 직교편파 의 레벨에 의해 결정된다. (cross polarization) .

완전한 원형편파의 축비는 이고 기울기각은 이다 원형편파의 질은 축비에 의1 , 0 .

해 결정된다.

그림 평면 전자파의 회전과 기울어진 타원2-8.

원형편파 안테나를 제작하기 위해서는 원형편파 부분에서 논한 다음과 같은 가3

지 조건을 만족해야 한다 마이크로스트립 안테나는 이런 요구를 쉽게 만족시킬.

수 있다 원형편파 안테나는 크게 두 종류로 나눌 수 있다 공진기 형태. . (resonator-

와 진행파 형태 이다 공진기 형태의type) (traveling-wave type) . (resonator-type)

안테나는 같은 크기의 두 수직모드 전계와 도 위상차를 패치 하나로 동시에 구90

현할 수있다 또한 선형편파 마이크로스트립 안테나를. , 알맞은 위상차를 가지고 일

- 34 -

정한 회전방향으로 배열하여 구현할 수 있다.

진행파 형태 의 원형편파 마이크로스트립 안테나는 일반적으(traveling-wave type)

로 마이크로스트립 선 형태로 구현된다 원형 편파는 수직 전계의 방사와 진(line) .

행파 선 상에 적당한 위상이 선 을 따라 불연속성과 더불(traveling-wave line) (line)

어 발생된다..

다 공진기 형태 원형편파 마이크로스트립 안테나.

마이크로스트립 안테나는 공진 안테나이다 마이크로스트립 안테나는 일반적으로.

단일 모드로 동작하는 선형편파 안테나가 주를 이룬다 원형편파를 방사하기 위해.

서는 위해서 밝힌 가지 조건을 만족해야한다 공진기 형태 원형3 . (resonator-type)

편파 마이크로스트립 안테나를 다시 급전방법과 배열에 따라 단일 급전

이중 급전 배열 안테나로 분류할(single-fed), (dual-fed), Sequentailly roatated

수 있다.

그림 는 단일 급전 원형편파 마이크로스트립 안테나에 대한 일반적인 구2-9 (CP)

조이다 단일 급전구조의 원형편파 안테나는 이중의 수직 급전을 위한 전력 분배.

회로를 포함할 공간이 없을 경우 아주 유용한 형태이다 왜냐하면 일반적인 마이.

크로스트립 안테나의 단일급전 구조의 편파는 선형편파이다 원형편파 안테나를.

설계하기 위해서는 크기가 같은 두 수직모드와 위상차를 만족해야 한다±90° .

그림 과 같은 형태에서는 발생된 모드를 이해하는 것이 중요하다 이 안테나2-10 .

의 동작원리를 보면 여기서 발생된 모드는 안테나의 슬롯이나 잘려진 모서리에 의

해서 두 개의 수직모드로 분리되어 진다 이런 모드에서 방사된 전계는 서로 수직.

이고 브로드싸이드 방향에서 원형편파를 만든다 그리고 패치 안테나의 잘려진, .

모서리 크기에 따라 중심 주파수에서 모드 과 모드 는 같은 크기와 위상차1 2 90°

가 형성된다 이런 이유 때문에 단일 피드에도 불구하고 단일 급전 구조의 안테나.

가 원형 편파 안테나로 동작한다.

- 35 -

원형 패치(a) 정방형 패치(b)

그림 단일 급전 원형편파 마이크로스트립 안테나의 일반적인 구조2-9.

그림 단일 급전 원형편파 마이크로스트립 안테나에 대한2-10.

수직모드의 크기와 위상

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이중 급전 원평편파 안테나는 그림 처럼 원형편파를 만들기 위한 세 가지 조2-11

건을 만족하기 위해 하이브리드를 사용하였다 단일 안테나 설계시 단일 급전90° .

원형편파 안테나에 비해 외부에 회로를 부착하기 때문에 전체적인 크기가 커진다

는 단점이 있다 그러나 단일 급전 구조와 비교하여 임피던스 대역폭 및 축비. (AR)

대역폭이 넓어지는 장점을 가지고 있다.

그림 이중 급전 원형편파 패치 안테나 하이브리드 이용2-11. (90° )

그림 는 이중 원형편파 안테나를 만들기 위한 전력 분배기 회로들이다 원2-12 .

형편파를 구현하기 위한 조건은 크기가 같은 두 수직모드와 위상차를 가지고±90°

있어야 한다 표 은 전력 분배기의 일반적인 특징이다. 2-1 .

- 37 -

하이브리드(a) 90° 링 하이브리드(b)

윌킨슨(c) (d)T-juncton

그림 전력분배기2-12.

그림 전력 분배기의 일반적인 특성2-8.

90°

위상차

Output Port

Isolation

Input

Match

Change

of CP

T-junc divider No No No No

Wilkinson divider No Yes Yes No

Quadrature hybrid Yes Yes Yes Yes

ring hybrid No Yes Yes Yes

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라 시뮬레이션.

시뮬레이션툴은 를 사용하였으며 실제 제작은 하지 않았지만 제작을CST Studio ,

고려하여 유전체 기판은 사에서 나온 유전율 을 갖는 세라믹 기판을taconic 10

하였고 가로 세로의 길이는 갖게끔 설계하였다 구조는 그림 과, 36*36 mm . 2-13

같다.

그림 패치 안테나 구조2-13. GPS

- 39 -

단위 유전체 두께( : mm, 3 mm)

그림 용 패치 안테나 설계도2-14. GPS

그림 에서 보는 봐와 같이 패치안테나는 그라운드면과 기판 그리고 패치 부2-13 ,

분으로 되어 있다 의 원형편파 특성을 갖는 패치 설계를 위해 두 모서리를. RHCP

잘라내었다 그림 는 설계된 패치 안테나의 치수를 나타내고 있다 옴의. 2-14 . 50

는 패치의 중앙에서 약 정도 떨어진 곳을 잡았다Feeding point 4mm .

그림 는 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다 을 한 그림이며 만2-15 . S11 plot , S11

가지고 볼때 약 를 갖는다 그림 은 의 방사패35 MHz . 2-16 1.56~1.59 GHz RHCP

턴을 가지고 있다 는 순서대로 약 를 갖지만. Directivity 2.8, 2.87, 2.57, 1.94 dBi ,

실제 방사효율을 알 수 있는 은 를 나타내고Gain 0.177, 0.366, 0.047, -0.58 dB

있다 여기에서 실제 파라미터로 알 수 있는 대역폭과 대역폭은 차이가 있. S CP

음을 알 수 있다.

- 40 -

그림 시뮬레이션 결과2-15.

그림 시뮬레이션된 방사패턴2-16.

- 41 -

설계된 크기는 이고 기판은 유전율 을 갖는다 상용화된 제품중에36*36 mm , 10 .

는 약 를 갖는 세라믹 안테나도 있지만 이와 같이 안테나를 패치13*13 mm , GPS

형태로 설계해봄으로써 시뮬레이션툴을 익힘과 동시에 안테나의 특성 분석 등을

할 수 있다.

안테나 측정 기술안테나 측정 기술안테나 측정 기술안테나 측정 기술3.3.3.3.

안테나는 사용하는 목적에 따라 송신안테나의 경우 안테나에 공급되는 전기신호를

효율적으로 원하는 방향으로 원하는 특성을 갖고 전파를 방사하고 수신안테나의,

경우 공간으로부터 유입되는 전파 중에서 원하는 특성을 갖고 원하는 방향에서 오

는 전파를 효율적으로 수신하도록 설계 제작된다 이러한 안테나의 특성은 대개.

안테나 이득 방사패턴 지향성 편파특성 안테나 효율 등에 의해 결정된다, ( ), , , G/T .

안테나 측정시 피측정 안테나를 수신 모드로 측정하는 것이 가장 편리하다 피측.

정 안테나가 가역적일 경우 수신 모드 특성 이득 방사패턴 등 은 송신 모드 특성( , )

과 동일하다 원거리 안테나 측정에 이상적인 조건은 크기와 위상이 균일한 평면.

파가 피측정 안테나에 입사되는 것이다 비록 이러한 위상이 균일한 평면파가 피.

측정 안테나에 입사되는 것이다 비록 이러한 이상적인 조건을 완벽하게 구현할.

수는 없지만 피측정 안테나를 송신 안테나로부터 멀리 떨어뜨림으로써 근사적으로

구현하는 것은 가능하다. 이격거리가 매우 클 경우 송신 안테나 전자계의 동위상

면인 구면은 피시험 안테나의 개구면상에서 거의 평면이라고 가정할 수 있다 안.

테나의 이격거리가 원거리 영역의 내부 경계면과 같다면 이상적인 평면파로부터

입사된 전자계의 위상오차가 발생한다 유한한 이격거리에 의한 동위상면이 평면.

에서 벗어나는 것과 더불어 접지면과 주변 물체로부터의 반사는 피시험 안테나에

입사되는 전계를 이상적인 경우에서 벗어나게 하는 주요한 원인이 된다 실험. 적

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인 방법에는 다음과 같은 제한이 따른다.

패턴 측정시 원거리 영역까지의 거리가 실외에서 조차 너무 클 경우가 있다1) .

또한 접지면가 주변 물체로부터 원하지 않는 반사가 허용될 수 있는 수준을 초과

할 수 있다.

피측정 안테나를 실제 사용환경에서 측정 장소로 옮기는 것이 현실적으로 불가2)

능할 경우도 있다.

위상배열 안테나의 경우에서와 같이 특성 측정에 과다한 시간이 소요되는 경우3)

도 있다.

실외측정 방식은 제어가 어려운 환경에서 이루어지며 따라서 전천후 측정이 불4)

가능하다.

폐쇠된 공간에서의 측정 시스템으로는 큰 안테나 시스템 배 비행기 우주선5) ( , ,

등 을 측정할 수 없다) .

일반적으로 측정에 의해 데이터를 얻는 것은 이론적인 데이터를 얻는 것보다6)

많은 비용이 소요된다.

이와 같은 제약은 실내측정 근거리측정으로부터 원거리패턴 예측법 축소모델 측, ,

정법 안테나 측정을 위해 특별히 설계된 자동화 상용 장비등과 컴퓨터를 이용한,

측정방법을 사용함으로써 일부 해결 할 수 있다.

항공기나 군용에 관련된 시스템에서의 가속적인 발전으로 인해 더 정확한 측정방

법이 필요하게 되었다 이러한 필요를 충족시키기 위해 테이퍼된 무반사실 단축. ,

측정장과 외삽 측정장 측정법 근접전계 측정법 향상된 편파측정 및 주파수 기면, ,

측정법 간접 측정법 등의 측정기법과 자동화된 시험장치가 개발되었다, .

가 안테나 측정설비.

- 43 -

안테나의 측정과 평가는 안테나의 측정장 에서 이루어진다 안테나 측정장(range) .

은 크게 실외장과 실내장으로 구분되며 두 가지 모두 제약이 따른다 실외장은 외.

부 환경조건의 영향을 크게 받는 반면 실내 측정장은 공간의 크기에 의한 제약을

받는다 안테나의 여러 가지 특성 중의 일부는 수신모드에서 측정되어야 하고 이.

때 원거리 조건이 충족되어야 하므로 피시험 안테나에 이상적인 입사파인 균일한

평면파가 입사되어야 한다 이러한 조건을 만족하려면 큰 공간이 요구도며 이 경.

우 실내 측정장에서의 측정에는 한계가 있다.

는 동작환경에 무관하게 안테나의 특성을 시험 평가하는 설비로서Antenna range ⋅

대개의 안테나가 특수한 경우를 제외하고는 원역장 영역에서 사용되기(far-field)

때문에 안테나 방사특성을 측정하기 위한 이상적인 입사파는 균일 평면파(uniform

이다 이러한 조건을 근사적으로 만들기 위하여 와plane wave) . reflection range

의 두 가지 형태 의 가 개발되었다free-space range antenna range . Free-space

는 주변에서의 영향을 억제할 수 있도록 설계되며range , elevated range, slant,

등이 있다anechoic chamber, compact range, near-field range .

여기서는 몇 가지만 소개를 한다.

반사측정장1) (Reflection Range)

안테나의 측정장에는 크게 반사 측정장 와 자유공간(reflection range) (free

측정장으로 분류할 수 있다 잘 설계된 반사 측정장에서는 반사파와 직접space) .

파가 합해져서 피측정 안테나가 위치한 공간에 조종한 영역 이 생성“ (quiet zone)”

된다 그림 은 이러한 반사측정장의 기하학적 구조르 나타내고 있다. 3-1 . Reflection

는 표면에 의해 반사되는 반사파가 안테나에서 으range range source test region 로

직접 전파되는 직접파와 합해지도록 설계되며 적절한 설계로 에 조, test region 사

- 44 -

되는 는 작고 대칭적인 크기 를 갖도록 할 수 있다 이 는 안field taper . taper test

테나의 높이는 고정시키고 안테나의 높이를 변화시킴으로써 조절할 수 있source

다 지표면의 반사계수 평탄도 등이 측정의 정확도에 큰 영향을 준다 반사 측정. , .

장은 지면을 반사면으로 이용하는 실외장으로서 복사패턴이 다소 넓은 대역UHF

안테나 측정에 흔히 이용된다 또한 대역 대역에서 동작하는 안. UHF ~ 16 GHz

테나 시스템측정에도 사용된다.

그림 반사측정장의 기하학적 구조3-1.

고층 측정장2) (Elevated range)

고층 측정장은 대개 완만한 지형에 설치 된다 송신 안테나와 피측정 안테나는 지.

상으로부터 높게 설치된 비전도성 에 놓여진다 이 측정장은 특히 물리적으tower .

로 큰 안테나들을 측정하기 위해 사용된다 그림 는 기하학적 구조를 나타내. 3-2

고 있다 주변 환경에 의한 영향은 지향성 부엽 를 고려한. , (sidelobe) level source

안테나의 선택과 표면이나 주변 물체에 의하여 안테나가 놓일 으test test region

로 반사되는 반사파를 흡수체나 등을 이용한 흡수 또는 방향 변경을 통하여fence

- 45 -

억제한다 또한 과 같은 특수 신호처리 방법이나. modulation tagging short-pulse

법 등도 사용된다.

따라서 주로 지향성 안테나가 용이한 마이크로파 대역 이상에서 사용되며 source

안테나 안테나의 크기와 특성 및 측정주파수에 따라 두 안테나사이의 거리, test

및 의 높이를 적절히 설계하여야한다tower .

그림 고층 측정장의 기하학적 구조3-2.

경사 측정장3) (Slant range)

는 안테나는 지표면에 가까이 설치하고 안테나는 비전도Slant range source test

성 재료로 만든 높은 에 설치되도록 설계된다 안테나는 자유공간tower . Source

방사패턴의 최고치가 의 중심을 향하고 방사패턴의 첫 번째 이 지test region null

표면의 지점을 향하도록 위치 및 방향을 조정하여 평면반사가specular reflection

최소가 되게 한다 경사 측정장은 보통 고층 측정장보다 작은 공간을 필요로 한.

다.

- 46 -

그림 경사 측정장의 기하학적 구조3-3.

무반사실4) (Anechoic Chamber)

제어된 환경 전천후 측정 능력 보안성 외부 간섭의 최소화 등을 확보하기 위해, , ,

실외 측정장의 대안으로 고안된 것이 무반사실이다 무반사실에서의 측정은 벽이.

고주파 흡수체로 둘러 쌓인 실내에서 행해진다 특성이 향상된 고품질의 고주파.

흡수체가 실용화된 후로 무반사실이 널리 보급되기 시작하였다 무반사실은 대개.

마이크로파 영역에서 사용되지만 대의 저주파수에 의 반사특성100 MHz -40 dB

을 가지는 흡수체도 개발되었다.

무반사실의 형태에 따라 크게 사각형 챔버와 테이퍼형 챔버 두 가지로 분류할 수

있다 무반사실 설계시 기학광학 기법을 이용하여 평면반사를 최소화하거나 줄인.

다 그림 는 두 챔버에서의 전파반사를 나타내고 있다. 3-4 .

- 47 -

(a) Rectangular chamber (b) Tapered chamber

그림 무반사실에서의 전파반사3-4.

사각형 챔버에서는 자유공간 환경이 조성되며 피측정 안테나가 위치하는 시험 영

역의 크기가 최대가 되도록 설계한다 챔버 설계시 피시험 안테나가 등방성 특성.

을 가진다고 가정하고 송신 안테나의 복사패턴 설치 위치 동작 주파수 등을 고, ,

려한다 반사파는 고주파 흡수체에 의해서 최소화 된다. .

테이퍼형 챔버의 모양의 사각뿔 혼과 유사하다 테이퍼형 챔버는 송신 안테나가.

위치하는 곳에서는 뽀족한 모양을 하며 피측정 안테나가 위치하는 곳에서는 사각

형 모양을 한다 챔버의 사용 주파수 하한 부근에서는 송신 안테나를 챔버의 뾰족.

한 부분의 꼭지점 부근에 설치하여 송신 안테나에서 가까운 곳에서 반사된 반사파

가 피측정 안테나의 개구면 상에서 직접파와 동일 위상으로 합해지게 한다 레이.

추적 기법을 이용하여 송신 안테나로부터 직접파와 무반사실의 테이퍼된 부분에서

의 반사파가 합해져서 시험 영역에서의 전자기장은 완만한 크기 테이퍼를 가짐을

보일 수 있다.

- 48 -

나 안테나특성 측정버.

안테나 방사패턴1)

안테나 이득과 연관성이 있는 안테나 방사패턴은 원하는 방향으로만 전자파를 방

사하거나 수신하기 위한 안테나 특성으로서 원격탐사나 레이더의 경우 공간적인,

분해능을 높이기 위해서 지향성이 좋은 방사패턴을 요구한다 초기에는 안테나의.

기하학적인 구조로부터 이론적으로쉽게 방사형태를 쉽게 예측할 수 있는 다이폴,

안테나 등이 많이 사용되었으나 근래에 위상배열 안테나 등이 개발되horn, dish ,

면서 고지향성이나 가변 방사패턴과 복잡한 모양의 방사패턴을 갖는 안테나들이

군사용이나 원격탐사 위성통신 위성방송 등에 이용되고 있다 따라서 이러한 고, , .

성능 안테나들의 정확한 방사 패턴의 측정이 필요하게 되었다.

일반적으로 안테나 방사패턴은 피측정 안테나의 원역장 에서 측정(far-field region)

한다 초기에는 이러한 조건을 만족하는 야외 안테나 시험장에서 측정이 이루어졌.

으나 이 측정법에서는 기후 및 주변물체들의 영향 외부 전파잡음 등으로 정확한, ,

측정이 어려웠다 근래에 들어 실내에서 자유공간의 조건을 만든 전자파무향실에.

서 안테나 방사패턴 측정이 이루어지고 있다 한편 큰 안테나의 방사패턴을 측정.

하기 위해서는 원역장 조건을 만족시킬 수 있는 매우 큰 측정시설이필요한데 이,

를 위해 등이 개발되었으며 최근에 근역장 측정 데이터로부터 원compact range

역장 특성을 알아낼 수 있는 외삽기법 근역장 주사법 등이 개발되어 이용되고 있,

다.

일반적으로 측정주파수에서 안테나 방사패턴은 그림 에서와 같이 송신안테나의 원역장에3-5

서 측정거리 는 일정하게 유지하면서 다만 각좌표 와 만 변화시키며 수신안테나로 수신(r) θ φ

된 신호 크기에 의해 결정된다 따라서 안테나 방사패턴은 측정주파수와 및 만의 함수. θ φ 로

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표현된다 한편 안테나의 방사패턴은 차원적인 패턴을 측정하는 것이 대부분의. 2

경우이며 만약 차원적인 패턴이 필요하면 및 에서 측정된 방, 3 E-plane H-plane

사패턴으로부터 얻을 수 있다 선형편파 안테나에 대하여 패턴은 전기장. E-plane

벡터와 최대방사가 이루어지는 방향을 포함하는 면에서 패턴은 자기장, H-plane

벡터와 최대방사가이루어지는 방향을 포함하는 면에서 측정된 방사패턴으로 정의

된다.

그림 안테나 방사패턴 측정에 사용되는 좌표계3-5.

안테나 이득2)

통신 레이더 시스템의 성능은 사용되는 안테나의 에 따라, , telemetry power gain

좌우되며 이런 시스템의 제작 및 유지비용은 출력 전력의 크기에 따라 크게 차이,

가 나기 때문에 사용되는 안테나의 매우 정확한 측정이 요구되고 있power gain

다.

주어진 방향으로의 안테나 은 안테나에 전달된 순전력에 대한 주어진power gain

방향에서의 단위 입체각당 방사된 전력비의 배로 정의된다 이 물리량은 안테4 .π

나 고유특성으로 임피던스나 편파 부정합에

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의한 손실을 포함하고 있지 않기 때문에 실제 시스템에서의 전력전달을 결정하기

위해서는 안테나 입력임피던스와 편파 특성을 측정하여 고려하여야한다 반면에.

방향성 이득은 안테나에 의해 방사 총전력에 대한 주어진 방향에서의 단위 입체각

당 방사되는 전력의 비를 배한 것으로 안테나의 손실을 포함하지4 dissipationπ

않는다 따라서 방향성 이득에 대한 의 비가 안테나 효율이 된다 대개. power gain .

은 안테나 최대방사방향에서 측정되며 흔히 축상 이라고power gain power gain

한다 안테나의 측정은 대개 이상의 주파수대역에서는. power gain 1 GHz

가 주로 사용된다 이러한 측정법은 대개free-space antenna range . power gain

절대이득 측정법과 이득전달 측정법으로 구분되어 진다 절대이득 측정법은 측정.

에 사용되는 안테나 이득에 대한 사전정보가 필요 없는 방법으로 대개 이득표준

안테나의 교정에 사용된다 이득전달 측정법은 이득비교법이라고도 하며 가장 널.

리 사용되는 방법으로 피측정 안테나의 이득을 비교할 이득표준 안테나가 필요하,

며 피측정 안테나에 입사하는 평면파에 대한 응답과 하나 또는 그 이상의 표준안

테나로 피측정 안테나를 대체하였을 때의 응답의 비로써 피측정 안테나의 power

을 결정한다 이득표준 안테나로는 다이폴gain . , OEG(Open Ended waveGuied),

안테나 등이 사용된다 여기서는 안테나 에서pyramidal horn . free-space range

이득표준 안테나의 교정에 사용되는 절대이득 측정법 및 근거리영역 측정데이터를

이용하여 원역장 이득을 구하는 외삽법에 대하여 간력히 설명하였다 송 수신 안. ⋅

테나가 서로 최대 이득방향으로 거리 만큼 떨어져 있고 송신안테나에 전력이r PT

전달될 경우 수신 안테나에서 측정되는 전력 는 다음과 같이 표현될 수 있다PR .

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여기서 및 는 각각 수신 및 송신안테나의 이득을 의미하며 는 파장을 의GR GT λ

미한다 일반적인 안테나법에서는 개의 임의의 안테나에 대하여 가지 조합에. 3 3 3

대하여 와 을 측정하면 윗식과 같은 형태의 개 식을 얻을 수 있고 이로부PT PR 3

터 각 안테나의 을 구할 수 있다 만약 사용된 두 안테나가 동일한 특power gain .

성을 가지고 있다면 안테나 이득 역시 같으므로

과 같은 관계가 성립된다 윗식은 동일한 안테나를 사용하여 안테나 이득을 측정하.

는 안테나법의 기본 측정식이다 안테나법으로 안테나 이득을 측정하는 과정은2- . 2-

먼저 송 수신 안테나를 연결하지 않은 상태에서 신호원과 부하 신호검출부 를 직접( )⋅

연결하여 그때 부하에 전달되는 전력 를 측정하고 다음으로 송 수신 안테나를PT , ⋅

연결하여 서로 떨어진 상태에서 부하에 전달되는 전력 을 측정하여 이득을 계산PR

하게 된다 이때 원역장 이득을 측정하기 위해서는 거리에 따른 이득 감소효과에.

의한 오차를 이하로 줄이기 위해 이상의 거리가 필요한데 예를 들0,05 dB 32a ,

어 혼 안테나의 경우 필요한 거리는 약 이다 전자파 무반사실에서 이X-band 30m .

런 안테나의 원역장 이득을 측정하기 위해서는 거대한 측정 공간과 이에 따른 막대

한 시설비가 소요된다 그래서 근역장 영역에서의 측정값으로부터 원역장 이득을.

정확히 측정할 수 있는 외삽 기법을 사용하여 원역장 이득을 얻고(extra-polation)

원역장 이득과 근역장 보정계수를 사용하여 근역장 이득을 구하는 방법을 구현하였

다. 근접된 두 안테나가 안테나 축으로 정렬된 상태에서 두 안네나사이 거리를 증가

시키면서 수신신호 크기를 측정하며 두 안테나사이에서 신호 다중반사에 의해 수신,

신호에 이 나타나게 된다 이 다중반사 효과는 측정 데이터들을 국부적으로 평ripple . 균

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함으로써 제거할 수 있어 근역장에서 안테나 이득을 구할 수 있으며 근역장 안테,

나 이득을 외삽하면 원역장에서의 안테나 이득 및 근역장 보정계수를 구할 수 있

다.

편파 측정3)

안테나의 편파는 안테나 동작 부분의 구조에서 짐작할 수도 있다 예를 들면 다. ,

이폴 안테나는 방사요소가 수직방향으로 있으므로 수직선형편파이다 이득과 동일.

편파 패턴 측정을 위해 시험 안테나에 예측되는 안테나 편파를 조사해야 한다, .

이 경우 수직선형편파이다 실제 안테나는 항상 의도한 편파에 대해 직교하는 편.

파에서 어떤 전력량을 가진다 이상적인 다이폴을 실제 구현하면 소량의 수평선형.

편파가 있게 된다 이와 같이 교차편파는 안테나 또는 주변 구조에 흐르는 수평전.

류로부터 발생한다 그러므로 완전한 안테나 측정은 시험 안테나 편파 성질의 측.

성을 포함한다 때로는 이를 전원 안테나에 대한 동일 편파와 교차편파로서 시험.

안테나의 평면과 평면의 패턴을 만들어 이룰 수 있다 물론 교차편파 패턴은E H .

동일편파 패턴보다 훨씬 더 낮은 레벨이고 완전한 시험 안테나의 경우 이된, LP 0

다.

타원편파이지만 축비가 크지 않은 안테나의 특성을 아는 데는 크게 세 가지 측정

기술이 사용된다.

편파패턴법1)

편파패턴 은 안테나가 횡전축에 대해 회전함에 따른 진폭응답(polarization pattern)

이다 어떤 고정된 패턴 회전각에서도 이를 측정할 수 있다 시험 안테나가 정지. .

해 있는 동안 전원 안테나가 횡전 회전을 하거나 그 역이 성립된다 타원편파LP .

송신 안테나로 동작하는 시험 안테나와 선형편파 프로브의 수신 안테나를 가지고

편파패턴법을 더 쉽게 설명할 수 있으며 이것은 가역성 때문에 가능하다 시험, .

안테나의 순시전장벡터의 끝은 편파타원 위에 있으며 파의 주파수로 회전한다, .

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많은 경우 편파패턴법은 안테나 편파를 측정하는 실용적인 방법이다 시험 안테나.

가 거의 원편파이면 축비는 거의 이고 측정 겨로가는 프로브의 정확성에 민1 , LP

감하지 않다 시험 안테나가 정확히 원편파이면 경사각은 무관하다 거의 선형편. .

파인 시험 안테나의 경우 축비 측정의 정확성은 프로브의 정확성에 의존하며LP ,

여기서 탐침은 시험 안테나의 축비보다 훨씬 더 큰 축비를 가져야 한다LP .

회전 전원법2)

회전전원법 또는 은 축비의 크기를 패(spinning lineaer rotating source method)

턴각의 함수로서 결정하는 신속한 측정기법이다.

안테나 개발안테나 개발안테나 개발안테나 개발4. GPS4. GPS4. GPS4. GPS

현재 사용하고 있는 휴대용 단말기 안테나는 이상 외국에서 특허를 가지고80%

있는 헬리컬 안테나를 사용하고 있다 이러한 안테나의 국산화를 위해 정부와 기.

업에서 안테나의 국산화에 많은 노력을 기울이고 있다 또한 이동통신 서비스가.

급속히 확대됨에 따라 휴대용 단말기의 사용이 급증되고 보다 소형의 단말기와 이

에 따른 소형의 안테나 개발이 요구되어진다 최근 미국에서는 년부터 수출. 2001

용 휴대통신 단말기에 서비스를 추가시키는 무GPS(Global Positioning System)

역조건을 정하고 있고 유럽과 일본은 인체에 미치는 전자파에 대한 규제를 강화,

하여 수출규제를 정하고 있다 이런 시대적인 추세에 발맞추어 국내 국외의 단말. ,

기 제조회사에서는 서비스를 할 수 있는 단말기를 연구 개발 중이고 이런GPS

시스템을 이동전화기에 접목시키는 제품들이 활발히 진행되고 있다 또한 이GPS .

돈 통신 단말기에 서비스와 이동 통신 서비스를 동시에 하려면 두 개의 안테GPS

나가 필요하다 하나의 단말기에 두 개의 안테나를 사용하면 단말기의 소형화가. 불

- 54 -

가능하다 그래서 본 기술 지원에서는 안테나의 크기는 소형이고 고효율을 가지며.

하나의 안테나에서 서비스와 이동 통신 서비스를 통시에 할 수 있는 초소형GPS

이중대역 안테나 개발에 역점을 두고 있다 우선적으로 현재 상용화 되어있는 외.

장형 헬리컬 안테나를 기준으로 이동통신과 시스템을 동시에 서비스 할 수GPS

있는 안테나의 규격을 설정하고 단계적으로 안테나를 개발하였다.

안테나를 개발하기 위하여 패치와 패치 사이이 유전체는 유전율GPS FR4, 4.7

기판을 사용하여 을 사용하여 중심주파수인CST-MWS Simulation Tool GPS

에서 대역폭 안테나의 이득 의 결과를 바탕으1.575GHz 10MHz (VSWR=2:1), 0dBi

로 안테나를 제작하고 안테나의 대역폭 방사패턴 이득을 확인하기 위하여 무반, ,

사실과 측정장비를 이용하여 안테나의 특성을 측정하였다 공진 주파수와 정RF .

재파 비 를 바탕으로 대역폭을 확인하기 위하여 사의(VSWR=2:1) HP Vector

를 사용하여 측정한 및 결과 값Network Analyzer 8753D return loss smith chart

을 그림 에 나타내었다 대역폭 은 로 대역을 만족4-1, 4-2 . (VSWR=2:1) MHz GPS

하는 특성을 얻었다.

그림 4-1. Return Loss(S11)

- 55 -

그림 4-2. Smith Chart

(a) E-plane (b) H-plane

그림 안테나 방사패턴4-3. GPS

- 56 -

그림 제작된 안테나4-4. GPS

그림 는 제작한 안테나를 안테나 무반사실에서 측정한 안테나 방4-3 E, H-plane

사패턴으로 양호한 특성을 나타내고 있으며 그림 는 제작한 안테나의 실물로, 4-4

서 로 구성되어 있으며 직경 높이의 크기를 가진다4 Layer 3.8mm .

- 57 -

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

기술형추진

일정

담당업무

성과정도수행 방법 기자재 활용

06.08

수( )B 실험실 견학

06.16

목( )A 과제 진행 회의

이론기술06.20

월( )A 이론교육 세미나( )

이론기술06.23

목( )B 이론교육 세미나( )

이론기술07.07

목( )B 이론교육 세미나( )

이론기술07.11

월( )A 이론교육 세미나( )

이론기술07.14

목( )A 이론교육 세미나( )

이론기술07.25

월( )A 이론교육 세미나( )

이론기술08.04

목( )B 이론교육 세미나( )

- 58 -

기술형추진

일정

담당업무

성과정도수행 방법 기자재 활용

측정기술08.08

월( )A 현장 실험 및 세미나

Network Analyzer

Spectrum Analyzer

측정기술08.11

목( )B 현장 실험 및 세미나

Network Analyzer

Spectrum Analyzer

측정기술08.19

금( )B 현장 실험 및 세미나

Network Analyzer

Spectrum Analyzer

설계기술09.09

금( )A 안테나 설계 실습 HFSS

설계기술10.11

화( )B 안테나 설계 실습 CST MWS

설계기술10.14

금( )B 안테나 설계 실습 IE3D

이론기술10.27

목( )B 세미나 Network Analyzer

이론기술11.24

목( )A 세미나

이론기술11.30

수( )A 세미나

- 59 -

기술형추진

일정

담당업무

성과정도수행 방법 기자재 활용

이론기술12.16

금( )B 이론교육

이론기술12.28

수( )B 이론교육

제작기술01.16

월( )A 안테나 제작 실습 Network Analyzer

제작기술01.18

수( )B 안테나 제작 실습 Network Analyzer

제작기술02.09

목( )A 안테나 제작 실습 Network Analyzer

측정기술02.27

월( )B 안테나 측정 실습

Antenna

Measurement Sys.

Network Analyzer

측정기술03.03

금( )A 안테나 측정 실습

Antenna

Measurement Sys.

Network Analyzer

측정기술03.10

금( )A 안테나 측정 실습

Antenna

Measurement Sys.

Network Analyzer

이론기술03.24

금( )A 이론교육

- 60 -

기술형추진

일정

담당업무

성과정도수행 방법 기자재 활용

측정기술03.30

목( )B 측정 기술SAR SAR Measurement

이론기술04.06

목( )A 이론교육

측정기술04.14

금( )A 안테나 측정 실습

Antenna

Measurement Sys.

Network Analyzer

측정기술04.17

월( )B 안테나 측정 실습

Antenna

Measurement Sys.

Network Analyzer

이론기술04.19

수( )B 이론교육

이론기술04.21

금( )A 이론교육

이론기술04.24

월( )A 이론교육

이론기술04.26

수( )A 이론교육

경영자문04.28

금( )B 세미나 및 회의

- 61 -

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

휴대단말기용 안테나 개발 및 생산을 위하여 아래와 같은 기술지원이 이루GPS○

어 졌다.

안테나 특허 분석-

안테나 측정 기술-

안테나- GPS

안테나- GPS/PCS/IMT-2000

샘플 안테나 분석-

안테나 생산을 위하여 주 프리웰이 일부 보유하고 있던 자체기술을 검토하여( )○

관련 특허 분석 및 새로운 아이디어 창출과 새로운 특허 출원으로 지적재산권 확

보가 우선시 되어야 하며 프리웰에서 보유하고 있는 각 장비들을 활용하여 측정,

기술 및 제작에 관련된 기술지원이 이루어 졌다.

안테나 기술 개발은 확립 하였으나 선진 기술에 비하여 아직 보완하여야 할 점○

이 대두 되어 향후 지속적인 추가 연구가 선결 되어야 할 것이라고 사료 된다.

또한 본 기술지도의 핵심인 안테나 관련 기술개발은 업체의 경영악화와 사업 방○

향 제고에 따라 시장성 없는 제품개발보다는 자체기술력 향상에 역점을 두어 기술

지도가 이루어 졌다.

업체의 안테나 설계 시뮬레이션 사용법 및 안테나 특성측정기술TOOL , TOOL○

을 이용한 내장형 안테나의 설계 및 제작 기술력 향상에 기여함.

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현재 시판중인 내장형 안테나 샘플 분석을 통하여 국내 시장 진입에 적절한 사○

업방향을 잡고 시장창출을 하도록 경영지원을 함.