工學碩士學位論文

위성 DMB 수신용 Quadrifilar Helix Antenna 의 설계

Design of a Quadrifilar Helix Antenna for the Reception

of Satellite Digital Multimedia Broadcasting

충 북 대 학 교 대 학 원

電波工學科 電波通信專攻

崔 鍾 成

2005 年 2 月

工學碩士學位論文

위성D

MB

수신용 Q

uadrifila

r Helix

A

nte

nna

의

설계

崔

鍾

成

2 0 0 5 年

2 月

工學碩士學位論文

위성 DMB 수신용 Quadrifilar Helix Antenna 의 설계

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.

2005 年 2 月

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 안 재 형 印

審 査 委 員 박 동 희 印

審 査 委 員 안 병 철 印

충 북 대 학 교 대 학 원

2005 년 2 월

i

목 차

목 차 ················································································· ⅰ

그림목차 ················································································· ⅱ

표 목 차 ················································································· ⅲ

국문요약 ················································································· ⅳ

Summary ··············································································· ⅴ

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

1. DMB의 개요 ····································································· 1

2. DMB 시장동향 ·································································· 4

3. 본 논문의 연구내용 ···························································14

Ⅱ. Quadrifilar Helix Antenna의 설계 ·········································15

1. 원편파 Antenna ································································15

2. Quadrifilar Helix Antenna ··················································21

Ⅲ. 안테나 측정 ·······································································25

1. 측정 동향 ·········································································25

2. 안테나 특성 측정법 ····························································27

3. 안테나 측정 설비 ·······························································41

4. 측정 결과 ·········································································45

Ⅳ. 결론 ·················································································51

참고문헌 ·················································································52

그림목차

ii

그림 1-1. 세계 주파수 할당지역·················································· 6

그림 1-2. 세계 방송용 할당 주파수 ············································ 7

그림 1-3. 세계 주요국의 지상파 디지털 방송추진 일정 ·················· 8

그림 1-4. 여유 방송 주파수 재분배 계획 ···································11

그림 2-1. z방향으로 전달하는 평면파 ········································15

그림 2-2. xy면에 투영한 전계의 스펙트럼 ···································17

그림 2-3. z방향으로 전달하는 좌선 원편파 ·································18

그림 2-4. 직교하는 2개의 반파장 다이폴 안테나 ·························19

그림 2-5. 헬리컬 안테나 ··························································20

그림 3-1. 안테나 패턴부 전개도 ···············································22

그림 3-2. DMB수신 용도로 제작된 QHA의 제안도························23

그림 3-3. 제작된 안테나 ··························································24

그림 4-1. 안테나 방사패턴 측정에 사용되는 좌표계 ····················28

그림 4-2. 방사패턴의 구성 ·······················································30

그림 4-3. 정재파비 측정에 대한 Schematic diagram ···················43

iii

그림 4-4. 방사패턴과 이득측정에 대한 Schematic diagram ··········44

그림 5-1. 안테나 길이 37mm에서의 반사특성 ····························45

그림 5-2. 안테나 길이 37.5mm에서의 반사특성 ··························46

그림 5-3. 측정된 안테나의 이득(E1-Plane) ·······························47

그림 5-4. 측정된 안테나의 이득(E2-Plane) ·······························48

그림 5-5. 측정된 안테나의 축비(E1-Plane) ·······························49

그림 5-6. 측정된 안테나의 축비(E2-Plane) ·······························50

표 목 차

표 1. 지상파 DMB와 위성 DMB의 비교 ······································ 3

표 2. 미국의 방송 주파수 ·························································· 9

표 3. 일본의 방송 주파수 ·························································11

표 4. 일본의 지상파 TV전환 계획 ·············································12

위성 DMB 수신용 Quadrifilar Helix Antenna의 설계

iv

최 종 성

충북대학교 대학원 전파공학과 전파통신공학전공

(지도교수 안 병 철)

요 약 문

본 논문에서는 위성 디지털 멀티미디어 방송(DMB) 수신용 사중나선 안테

나(QHA)의 설계기법을 제시하였다. 목표로 하는 QHA에 요구되는 특성은 규

격에서 요구하는 전기적 성능 외에도 저가에 대량생산 가능할 것, 크기와 형

태가 휴대형 이동 단말기에 적용하기에 적합할 것 등이다.

QHA는 90° 위상차를 가지는 2개의 나선형 다이폴로 구성된 원편파 안테

나이다. 구조의 복잡성 때문에 안테나 설계에는 시뮬레이션 기법보다는 실험

적 방법을 사용하였다. QHA의 설계변수는 헬리컬 다이폴의 직경, 길이, 회전

각 등이다. 실험적 설계변수를 여러 가지 값으로 변경하여 최적성능의 QHA를

설계하였다.

설계된 안테나를 제작 측정한 결과 2.630-2.655GHz 대역에서 -10dB 이

하의 반사계수, 6dB 이하의 축비, -1dB 이상의 이득을 얻었다.

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

v

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 2.630-2.655GHz.

１

Ⅰ. 서 론

디지털 방송에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 가운데 이동통신 장비인

휴대 단말기 및 PDA등을 통한 방송 수신에 대한 관심이 모아지고 있다.

200MHz대역을 사용하는 지상파 DMB의 경우 현재 시판 단계에 이르렀으나,

안테나의 size가 크다는 치명적인 단점 때문에 휴대형 이동통신기기에 적용하

기가 쉽지 않은 실정이다. 이에 위성 DMB는 2.6GHz 대역을 사용함으로써

안테나의 size를 많이 줄일 수 있지만, 이 역시 위성의 신호를 수신해야 하기

에 이득이 좋아야 하며 감도가 우수해야 한다는 약점을 가지고 있다. 기존의

마이크로 스트립 안테나를 사용할 경우 원 편파 특성을 맞춰 줄 수는 있지만

대역폭이 협소하며 낮은 효율과 단말기에 적용하기 힘든 구조 등의 단점을 안

고 있다. 이에 본 논문에서는 Quadrifilar Helix 구조의 안테나를 사용함으로

써 이득 및 축비 등의 안테나 특성을 만족시키면서 구조면에서 휴대형 이동통

신기기에 적합한 형태의 안테나를 구현하고자 한다. 이에 서론부에서는 DMB

에 대한 개요 및 DMB시장의 동향에 대해 간략히 살펴보기로 하겠다.

1. DMB 의 개요

위성 DMB 는 음성ㆍ영상 등 다양한 멀티미디어 신호를 디지털 방식으로

변조, 위성으로 고정ㆍ휴대용ㆍ차량용 수신기에 제공하는 방송서비스다. 이동

중에도 이동전화나 PDA, 차량용 단말기를 통해 언제 어디서나 CD, DVD 급

고음질ㆍ고화질 방송을 즐길 수 있어 차세대 신개념 위성방송서비스(혹은

이동방송서비스)로 주목받고 있다.

당초 음성과 음악방송 위주의 ‘DAB’(Digital Audio Broadcasting)로

소개됐으나 통신과 방송의 융합 추세를 반영해 다채널 멀티미디어 방송을

시청할 수 있는 ‘DMB’로 확장, 통용된다. 말 그대로 위성을 사용하면

２

‘위성 DMB’가 되는 것. 이에 반해 지상의 전파송신기를 이용하는 방식은

‘지상파 DMB’로 구분된다.

국내 위성 DMB 용 주파수 대역은 2,605~2,655GHz(SK 텔레콤

2,630~2,655GHz, KT 2,605~2,630GHz)이며, 현재 SK 텔레콤이 내년 중순께,

KT 가 2006 년께 상용서비스를 시작할 계획이다.

한국전자통신연구원(ETRI)과 정보통신정책연구원(KISDI)의 전망에 따르면,

위성 DMB 는 2004 년부터 2010 년까지 생산유발 효과가 8 조 8,000 억원,

부가가치 유발효과가 4 조 2,000 억원, 고용효과도 2 만 2,000 명에 달할

것으로 기대된다. 위성 DMB 가입자는 2004 년 50 만명에서 2005 년

100 만명, 2006 년 220 만명, 2010 년 800 만명에 이를 것으로 SK 텔레콤은

내다봤다.

표 1. 지상파 DMB와 위성 DMB의 비교

구분 지상파 DMB 위성 DMB

네트워크 형태 지상망 위성망+보조지상망(갭필러)

주파수 174~216MHz, 수도권가용

주파수 TVch12(6MHz) 2630~2655MHz(25MHz)

제공가능 채널

수

CD 급 오디오, 데이터, 영상

채널/VHF TV 1 개 채널로

3 개 블록 할당 가능, 블록당

6 개(CD 수준 음질보장)의

채널확보 가능

CD 급 오디오, 데이터, 영상

채널/13 개 TV 채널 제공 가능

이동수신 가능(무지향성 안테나 가능(무지향성 안테나

３

사용)/이동수신 위해 현

수준의 송신소 보다 다수

송신소 필요

사용)/이동수신 위해 위성 출력

및 보조 지상장비 필요

화면크기 미정 최대 7 인치

대상시장 개인 또는 차량 개인 또는 차량

수익모델 광고 중심의 무료서비스 유료 서비스

서비스범위 지역방송 전국방송

투자비 약 500 억 원 4,000~8,000 억 원(정통부

산출)

주도기관 지상파 방송사 통신사업자

2. DMB 시장 동향

디지털 기술의 급속한 발전과 다양한 정보 및 고품질의 방송 요구로 기존의

아날로그 방송을 디지털 방송으로 대체하려는 움직임이 세계적인 추세이다.

현재 미국, 영국, 일본 등 세계의 많은 국가에서 다매체, 다채널화에 따른

지상파 방송의 경쟁력 강화를 위하여 디지털 텔레비전과 디지털 라디오

방송을 이미 시작하였거나 추진 중에 있으나 주파수 확보 문제로 디지털 방송

계획이 다소 지연되고 있다.

영국은 1995 년 9 월 세계 최초로 EUREKA-147 방식의 디지털 오디오

방송(DAB)을 시작으로 1998 년 9 월에는 DVB-T(Digital Video

Broadcasting-Terrestrial) 방식의 디지털 지상파 텔레비전(Digital

Terrestrial Television: DTT) 방송을 시작하여 표준화질의 다채널 서비스를

실시하고 있다.

４

고화질 텔레비전(HDTV) 방송을 목표로 하는 미국은 1998 년

11 월 ATSC(Advanced Television Systems Committee) 방식의 지상파

디지털 텔레비전 방송을 시작하였으며, 향후 아날로그 텔레비전 방송을

종료할 계획과 핵심 주파수 대역으로 디지털 텔레비전 채널을 이동시켜 여유

주파수를 확보하고 타 서비스에 재활용할 구체적인 계획을 세우고 있다.

그러나 디지털 라디오 방송은 아날로그 방송업자들의 거센 반발과 새로운

주파수 대역 할당의 어려움에 직면하게 되어 기존의 FM 방송 대역에서

디지털 라디오 방송 구현을 목표로 하는 IBOC(In-Band On-Channel) 방식을

개발 중이며 2006 년 이후 방송이 시작될 것으로 예상하고 있다.

지상파 방송뿐만 아니라 위성 및 케이블 방송으로부터 같은 규격의 디지털

신호를 모두 수신할 수 있고 디지털 라디오 방송을 통합한 ISDB-

T(Integrated Service Digital Broadcasting–Terrestrial) 방식을 개발 중인

일본은 이미 2000 년 12 월 디지털 위성 방송을 개시하였으나 주파수 배정의

어려움으로 디지털 지상파 텔레비전 방송은 단계적인 실험 방송을 거쳐

2003 년부터 중요 도시지역부터 단계적으로 실시할 예정이며 2003 년 시작

예정이던 디지털 라디오 방송도 2006 년으로 연기되었다[7, 8, 9].

디지털 방송의 급속한 발전과 더불어 대부분의 디지털 방송 국가들은 향후

아날로그 방송을 종료하고 완전 디지털 방송 만의 환경으로 전환하려고 하고

있으며, 디지털 방송 채널의 적절한 배치로 여유 스펙트럼을 확보하여 최근

주파수 수요가 급증하고 있는 이동통신 서비스와 같은 다른 서비스에

재활용하려고 하고 있다.

1) 세계 디지털 방송 및 주파수 동향

국제전기통신연합(ITU) 무선규칙(RR)에는 그림 (1-1)과 같이 전 세계를

3 개의 지역으로 나누어 9kHz-400GHz 의 주파수를 용도별로 분배하고 있다.

５

한 가지 서비스 용도로 할당된 주파수 대역도 있지만 대부분의 경우에는 한

주파수 대역에 여러 가지 서비스가 함께 할당되어 있어 각국의 사정에 따라

적절하게 분배하여 사용하도록 하고 있다. 대부분의 유럽국가는 제 1 지역에,

북미 및 남미 지역 국가는 제 2 지역에, 한국을 포함한 아시아, 오세아니아

국가는 제 3 지역에 속해 있고 특정 협약이나 예외규정을 통해 지역별로 다소

상이한 주파수를 사용하는 경우가 있다.

그림 1-1. 세계 주파수 할당지역

현재 지상파 텔레비전 방송이나 라디오 방송(FM, DAB)에 사용되는 주파수

대역은 그림 (1-2) 같이 VHF/UHF 대역 및 L-Band 로 이 대역에서는 방송

서비스가 최소한 다른 서비스와 동일하거나 보다 중요한 서비스로 지정되어

주파수 사용에 우선 순위를 받고 있다. 대부분의 국가에서는 아날로그 및

디지털 텔레비전 방송은 VHF/UHF 대역에서 동시 방송되고 있으며 향후

적절한 시기에 아날로그 방송을 종료하고 디지털 방송만의 환경으로 전환

예정이다. 또한 아날로그 FM 방송은 VHF 대에서, DAB 방송은 VHF 대 및

L-Band 에서 실시되고 있으며 최근 주파수 부족을 해결하기 위해 몇몇

６

유럽국가에서는 DAB 에 1.5GHz 대역의 주파수를 추가 할당하자는 의견을

제기하고 있다. 지역 III 에 속해 있는 한국은 예외 규정에 의해 텔레비전은

지역 II 의 분배표에 따르고 위성 방송용으로 2,535~2,655MHz 대역을 분배

받아 사용하고 있다.

그림 1-2. 세계 방송용 할당 주파수

그림 (1-3)은 주요 디지털 방송 선진국인 미국, 영국, 일본의 지상파 디지털

방송 추진 일정이다. 1998 년 9 월 영국은 세계 최초로 DVB 방식의 디지털

지상파 TV 방송을 실시하였고 같은 해 11 월 미국의 주요 10 대 도시에서

ATSC 방식의 디지털 지상파 TV 방송이 시작되었다. 영국을 비롯한 유럽

국가들은 고화질보다 다채널에 중요성을 부여하여 멀티플렉스 기술을 이용한

표준화질 텔레비전(SDTV) 방송을 실시하고 있는 반면 미국은 이동 수신의

결점에도 불구하고 고화질 텔레비전(HDTV) 방송을 목표로 방송을 실시하고

있다. 최근 디지털 TV 에 대한 논의 중 새로운 것은 이동수신기능에 대한

것으로 디지털 지상파 TV 전송방식 중에서 유럽의 DVB 방식이나 일본의

ISDB-T 는 최근 이동수신에 성공했다는 사실을 적극 홍보하고 있다. 그러나

７

미국 방식인 ATSC 는 이 부분에 취약한 것으로 알려져 있어 이 부분을

보강하기 위한 특별위원회를 구성한 것으로 알려져 있다.

그림 1-3. 세계 주요국의 지상파 디지털 방송 추진 일정

지상파 방송뿐만 아니라 위성이나 케이블 방송으로부터 수신되는 같은 규격의

모든 신호를 수신할 수 있는 ISDB-T 방식을 개발한 일본은 1998 년 기술

규격을 확정하고 실험 방송을 실시 중이나 주파수 할당의 어려움으로

2000~2003 년에 주요 3 개 지역에서 시작하려던 디지털 텔레비전 방송을

2003 년으로, 2003 년부터 시작하려던 디지털 라디오 방송을 2006 년으로

각각 연기하였다.

디지털 라디오 방송은 1995 년 9 월 영국에서 EUREKA-147 방식으로

디지털 오디오 방송을 시작하여 대부분의 유럽국가와 캐나다에서 상용화 되어

있는 반면 미국은 주파수 부족 문제를 고려하여 독자적으로 기존의 VHF/FM

방송 대역에서 사용할 수 있는 IBOC 방식을 개발 중으로 2003 년 이후에

방송이 가능할 것으로 예상된다.

2) 미국의 디지털 방송 및 주파수 동향

８

미국은 과 같이 디지털 텔레비전 방송은 아날로그 텔레비전 방송

대역인 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) 대역에서

아날로그 텔레비전과 동시 방송을 실시하고 있다. 여기서 채널 37 은 무선

천문 서비스에 사용되고 있다.

표 2. 미국의 방송 주파수

FCC 의 발표에 따르면 미국은 현재 약 212 개 도시에 1,600 여 개의

아날로그 텔레비전 방송국이 있으며 2001 년 초까지 실제 디지털 텔레비전

서비스는 61 개 도심지역의 177 개 방송국에서 실시 중으로 전 미국 텔레비전

방송 수신 가정의 67%을 커버하고 있다. 그러나 HDTV 수신기가 아직 널리

보급되지 않아 실제 가시청 세대수는 미약한 수준이다. 지상파 디지털

텔레비전 방송 추진 일정에 의하면 2003 년까지 모든 상업용과 비상업용

방송국이 디지털 방송을 실시할 예정이며 2006 년에는 아날로그 방송을

중단하고 디지털 방송으로의 전환을 완료할 계획이나 이 보다 훨씬 늦어질

전망이다

아날로그 방송 종료와 주파수 자원의 효율적인 사용을 위해 1997 년

디지털 텔레비전 방송에 필요한 핵심 스펙트럼(Core Spectrum)을 채널

7~51 로 설정하고 모든 디지털 텔레비전 방송 채널을 이 대역 안에

배치하기로 하였다. 그러나 채널 2~6 은 전파 특성을 확인하여 차후 사용을

고려하기로 하였는데 방송사들의 주파수 간섭 완화를 위하여 이 대역의

９

사용을 요청하므로 1998 년 핵심 스펙트럼을 채널 2~51 로 확정하고 채널

52~69 는 회수하여 다른 서비스에 재분배하기로 결정하였다.

FCC 는 디지털 텔레비전 방송을 허가 받은 방송 사업자에게 HDTV

방송용으로 기존의 아날로그 주파수 대역에 추가적으로 6MHz 대역의 디지털

채널을 무료로 할당해 주고 방송사는 기존의 아날로그 방송용 주파수와

디지털 방송용 주파수를 동시에 보유하고 있다가 아날로그 방송을 마감하는

2006 년 말까지 둘 중에 하나를 반납하도록 규정하였다. 이때, 방송사는

디지털 방송용으로 남기는 주파수를 핵심 스펙트럼 2~51 에 위치하도록

선택하고 아날로그 및 디지털 방송 채널 모두 핵심 스펙트럼 밖 52~69 에

위치한 방송사는 이 핵심 스펙트럼 안에 지정된 디지털 채널로 이동하여 모든

디지털 방송 채널이 핵심 스펙트럼 안으로 배치되도록 하고 있다.

그림 (1-4)는 현재 사용중인 VHF 대 아날로그 방송 채널 2~13 및 UHF 대

채널 14~36 과 38~69 의 총 402MHz 대역의 채널을 핵심 스펙트럼 대역

내로 모두 배치하고 채널 52~69 를 회수하여 108MHz 대역폭의 주파수를

확보하여 재분배 계획을 표시한 것이다. 채널 60~69 (746~806MHz)는

비교적 사용이 덜 되고 있어 디지털 전환 시한까지 기다리지 않고 그 이전에

회수하여 공공안전 및 상업용으로 재할당할 계획이고 764~776MHz 와

794~806MHz(채널 63~64, 채널 68~69)의 대역폭 24MHz 는 회수하여

공공안전을 위한 서비스에 할당할 계획이다. 또한 746~764MHz 과

776~794MHz(채널 60~62, 채널 65~67)의 대역폭 36MHz 는 회수하여

2001 년 9 월부터 경매를 통해 대역폭 30MHz 는 새로운 상업용 서비스에

나머지 대역폭 6MHz 는 보호대역(Guard Band)으로 재할당할 계획이며

698~746MHz(채널 52~59)의 대역폭 48MHz 도 2002 년 9 월 30 일 이전에

경매하여 새로운 무선 서비스에 재할당할 계획이나 최근(2001 년 4 월)에

부시 행정부가 발표한 2002 년 예산안에 따르면, 채널 60~69 는 2004 년

9 월까지, 채널 52~59 는 2006 년 9 월까지 경매를 연기하는 법안을 제안할

１０

예정이라고 발표했다. 또한 디지털 전환을 촉진하기 위해서, 방송사업자가

주파수 반환 시점 이후에도 아날로그방송 주파수를 계속 사용할 경우, 1 년에

1 억 9,800 만 달러의 벌금을 부과하는 규칙의 제정을 FCC 에 제의하려고

하고 있다.

그림 1-4. 여유 방송 주파수 재분배 계획

3) 일본의 디지털 방송 및 주파수 동향

표 3. 일본의 방송 주파수

일본은 지상파 TV 의 디지털 전환을 위해 2000 년 실험방송, 2003 년 3 대

도시권 방송, 2006 년 전국방송실시, 2010 년 아날로그 방송 종료를 목표로

행정부가 앞장서서 추진해왔으나, 아직 아날로그 TV 수신대책과 관련된 피해

세대가 예상을 크게 상회하여 계획에 차질이 예상 된다. 현재 일본의 디지털

TV 전송방식은 유럽의 디지털 텔레비전 전송 방식인 DVB-T 방식과 유사한

ISDB-T 를 채택하였다. 이는 채널 당 6MHz 대역을 할당하여 단일 주파수

망을 구현 가 능하게 하며, 이를 토대로 일본은 단일 주파수 망을 구축하도록

계획하여 전국적으로 하나의 채널을 사용하도록 한다는 것이다. 그러나

주파수 자원의 부족으로 일부 지역에서는 다른 채널을 사용하도록 하였다. 즉,

１１

주요 기간국은 단일 주파수 망을 사용하고, 기타 지방의 지역은 다른 채널을

사용하는 망으로 계획을 수립하였다.

디지털 방송 추진 일정은 과 같이 방송 실시 후 총 시청자의

85%가 디지털 방송을 수신하는 조건으로 2010 년경 아날로그 방송을 폐지할

예정이며 현재 아날로그 지상파 TV 가 사용하는 주파수 대역 중 UHF(채널

13~62, 470~770MHz) 대역에만 디지털 TV 채널을 배치하였다. 향후

아날로그 방송이 종료되면 2012 년부터 디지털 채널 재배치를 통해 UHF

대역 상단의 8~10 개 채널(채널 53~62)은 육상이동업무에 사용할 예정이며

VHF(채널 1~12) 대역 중 채널 1~3 은 디지털 라디오 방송용으로 우선

고려하고 채널 4~12 는 이동업무에 사용할 계획이라고 최근 발표했다.

표 4. 일본의 지상파 디지털 TV전환 계획

4) 국내 DMB 시장 동향

정통부는 다음달 중국과의 조정이 끝나면 연말까지 ITU에 주파수등록을

위한 조정합의 통고서를 제출하고, 내년부터 국내에서도 위성DMB 서비스가

가능한 제도적 환경을 갖춘다는 계획이다.

SK텔레콤과 MBCo는 향후 설립될 위성DMB법인에 대한 교차 투자와 특허

무료사용은 물론 마케팅·기술개발 측면에서도 지속적인 협력을 추진, 내년

1월 위성을 발사하고 하반기중 세계 최초로 위성DMB 서비스를 상용화할

계획이다.

이로써 우리나라는 2.6㎓ 대역의 위성DMB 주파수를 확보하는데 최대

１２

걸림돌이었던 일본과의 협상을 마무리 함으로써, 앞으로 일부 국가와 조정을

마무리 하면 독자적으로 위성 DMB 주파수를 ITU(국제전기통신연합)에

등록하여 이용할 수 있게 된다.

이번 한·일 정부간 최종 합의는 그 동안 일본이 위성 DMB 주파수를 먼저

등록 신청하여 우리나라가 위성 DMB 주파수를 확보하는 것이 불가능하다는

논란에 종지부를 찍는 것이다.

이에 따라 2004년에 한국과 일본은 세계 처음으로 이동 중에도 차량 또는

이동전화 단말기를 통하여 저렴한 비용으로 언제 어디서나 TV, 라디오 등

고품질의 다양한 방송서비스를 받을 수 있게 된다.

위성 DMB는 통신 방송 융합이라는 정보통신 분야의 새로운 트랜드를

대표하는 기술로서 한국과 일본은 지속적인 경쟁과 협력을 통한 새로운

시장을 창출하고 국제적으로 위성 DMB를 선도 할 수 있는 기반을 구축하게

됐다.

우리나라는 지난달 4일부터 한 달 동안 스위스 제네바에서 열린 세계

전파통신회의(WRC)회의에서 위성DMB(디지털 멀티미디어 방송)용 주파수

25㎒를 추가로 확보하는 등 큰 성과를 거뒀다고 정보통신부가 7일 밝혔다.

이에 따라 우리나라는 2.6㎓대역의 위성DMB 주파수를 종전 25㎒에서

50㎒로 25㎒를 추가로 확보, SK텔레콤에 이어 KT도 위성DMB사업에

진출할 수 있게 됐다.

3. 본 논문의 연구 내용

제작된 안테나의 크기는 직경 10mm에 높이 37.5mm의 안테나로 -10dB

이하의 반사특성과 -1dB이상의 이득특성, 6dB이하의 축비특성을 만족하고

있다. 이에 본 논문에서는 소형 안테나의 해법으로 새롭게 제시되고 있는

QHA 구조에 대하여 고찰하였으며, 이를 이용하여 DMB에 적용하여 대량

생산 할 수 있는 구조의 QHA를 제작하였다.

１３

우선 본론부에서 위성 신호의 수신을 위한 원편파 안테나에 대하여 살펴본

후 DMB에 적용된 원편파 안테나인 QHA의 구조를 알아보겠다. 다음으로

제작된 안테나를 측정하기 위한 측정방법에 대해 알아본 후 실제 제작된

안테나의 측정 결과에 대하여 살펴보기로 하겠다.

Ⅱ. Quadrifilar Helix Antenna의 설계

1. 원편파 안테나

음파는 종파이므로 평면파가 전달할 때 공기의 입자는 음파가 전달하는 방

향으로 진동하고 있다. 입자가 진동하는 방향은 이 방향밖에 없다. 이에 대해

전자파는 횡파이기 때문에 전기적인 진동을 나타내는 전계의 방향은 평면파에

서는 전자파의 전달방향에 직각으로 된다. 전달방향에 수직인 면내에 있으면

전계는 어느 방향을 향해도 좋다.

전자파를 방송이나 통신에 이용할 때는 전계가 대지에 대하여 수평방향과

수직방향을 향하고 있을 때의 두 종류로 나누는 경우가 많다. 전자를 수평편

파, 후자를 수직편파라고 한다.

(a)

수평

편파

(b)

수직

편파 (c) 원편파

그림 2-1. z방향으로 전달하는 평면파

전계 E1이 x축 방향을 향한 수평편파의 경우를 그림 (2-1) (a)에 나타내었

H1 E1

y

z

x E2

H2

y

z

x

H = H1 + jH2

y

z

x E = E1 + jE2

전달방 전달방 전달방

１４

다. 평면파일 때의 전계와 자계는 직교하고 있다. 전계의 방향에서 자계의 방

향으로 오른쪽 나사를 회전시켰을 때, 나사가 진행하는 방향이 전자파의 전달

방향으로 된다. 그림 (2-1) (a)에서는 자계를 H1로 하고, 전달방향을 z축 방향

으로 했는데, 이들은 오른손 나사의 법칙을 만족하고 있다.

수직 편파일 때의 전계 E2와 자계 H2를 그림 (2-1) (b)에 나타내었다. 이들

의 그림에서 알 수 있듯이, 수평편파와 수직편파의 전계와 자계는 모두 서로

직교하고 있으므로 그들은 서로 간섭하는 일은 없다. 양 편파는 독립적으로

발생시킬 수 있다.

실제의 평면파는 이들 양 편파의 1차 결합으로 나타낼 수 있다. 그 일례로,

1차 결합의 계수를 각각 1과 허수인 j로 더하여, E=E1+jE2로 한 경우를 그림

(2-1) (c)에 나타내었다. 간단히 설명하기 위해, 각각의 편파에 대하여 전계의

진폭은 같다고 하고, 이것을 A로 한다. x방향과 y방향의 단위 벡터를 i, j로 하

면 그림 (2-1) (c)의 전계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

E = (i+jj)A exp(-jkz) (1-1)

실제의 벡터 i나 j이외에 허수 j도 평면상의 위치를 나타내기 때문에 이와

같은 표현에서는 실제의 값은 알기 어렵다. 교류 이론의 복소수를 원래의 값

으로 돌리기 위해서는 exp(jωt)을 곱하여 실수부를 구하면 되는데, 결과는 다

음과 같이 된다.

E = iAcos(ωt-kz)-jAsin(ωt-kz) (1-2)

이 벡터를 xy면에 투영한 것이 그림 (2-2)에 실선의 화살표로 표시한 벡터

이다. 크기 A인 전계의 벡터는 시간과 함께 시계방향으로 회전하고 있다.

이것이 원편파이며, 편파의 방향은 전파가 진행하는 방향(그림에서는 z축의

플러스 방향)을 향하여 정하는 것이 약속이다. 이 경우에는 z축의 플러스 방향

을 향하여 벡터를 보면 왼손이 내려가는 방향으로 회전하고 있기 때문에 좌선

(左旋) 원편파가 된다. 이에 대해, 그림 (2-1)의(a)나 (b)를 직선편파라고 한다.

１５

그림 2-2. xy면에 투영한 전계의 스펙트럼

그림

2-3. z방향으로 전달하는 좌선 원편파

그림 (2-2)에서 점선의 벡터는 E=E1-jE2로 한 경우이며, 우선(右旋) 원편파

로 된다는 것을 알 수 있다. 수평편파에 수직편파를 가할 때, +j를 곱하면 좌

선 원편파로, -j를 곱하면 우선 원편파로 되는 것이다.

식 (1-2)에서 우변의 제 1항과 제 2항을 개별로 도시한 것이 그림 (2-3)이

다. 파의 진폭이 최대가 되는 위치에 있어서 전계의 크기를 화살표로 나타내

었다. 파는 시간과 함께 우측방향으로 진행하고 있으므로 위치를 고정하고 관

측하면 화살표는 좌회전으로 돌고 있다는 것을 알 수 있다.

x y

z

x

y

E = E1 – jE2 우선원편파

E = E1 + jE2 좌선원편파

A

-A

-A

Aωt-kz

１６

이와 같은 편파를 가지는 전파는 그림 (2-4)에 나타낸 바와 같이 2개의 직

교하는 반파장 다이폴 안테나로부터 방사시킬 수 있다. 좌선 원편파일 때는

수직 안테나에 급전하는 위상을 수평안테나의 급전 위상에 대하여 90°만큼

앞서게 하면 된다는 것은 식 (1-1)이나 그림 (2-1) (c)에서 알 수 있다.

원편파를 만들기 위해서는 그림 (2-5)에 나타낸 안테나를 사용하는 경우가

많다. 급전선이 하나로 해결되기 때문이다. 동축선로의 외부도체를 어스판에

접속하고, 내부도체를 펴서 나선형으로 감은 안테나로, 헬리컬(helical)이라고

한다. 그림에서 earth판의 뒤에서 안테나를 보면 나선은 멀어짐에 따라 왼손

이 내려가는 방향, 즉 좌측감이로 감겨지고 있다.

나선의 1회 권선의 길이가 파장에 비교하여 매우 작을 때는 원주상에는 같

은 위상의 전류가 흐른다고 해도 좋다. 이 경우에는 파원은 루프를 관통하는

자류로 되며, 수평방향을 향한 자기 다이폴 안테나로 생각해도 좋다.

그런데, 나선의 주위길이가 1파장에 가깝게 되면 모양이 달라진다. 예를 들

그림 2-4. 직교하는 2개의 반파장

다이폴 안테나

１７

면 루프의 주위길이가 1파장일 때는 정재파의 전류가 흐른다. 그림 (2-5) (a)

와 같이 여러 회 감겨 있으면 전류는 나선에 따라 흐르는 진행파로 된다. 이

경우에 그림 (2-5) (a)의 earth판의 뒤에서 보면, (b)의 전기력선은 좌회전으

로 돌 것이다. 전압이 높은 위치는 나선에 따라 우측 방향으로 이동하기 때문

이다. 이 때문에 나선에 흐르는 전류로부터 방사된 전파는 전계방향이 좌회전

으로 도는 원편파로 된다는 것을 알 수 있다.

(a) (b)

그림 2-5. (a) 헬리컬 안테나

(b) Earth판의 뒤에서 본 전기력선과 그 회전방향

위성으로부터 오는 전파를 지상에서 이동하면서 수신하는 경우, 직선편파를

사용하면, 이동하면서 안테나를 회전시켜 편파의 방향에 일치시키지 않으면

안 된다. 허나 원편파를 이용할 경우 편파의 방향을 맞춰줄 필요가 없어진다.

방송위성으로부터 오는 전파는 국경을 넘어서 인접 국가에도 조사(照射)하

는 것이 보통이다. 인접한 나라가 서로 역회전의 원편파를 사용하면 같은 원

편파 안테나로 이웃 나라의 TV 방송을 볼 수 없다.

예를 들면 위성방송에서는 한국은 좌회전, 일본은 우회전의 원편파가 할당

되어 있다. 직교하는 직선편파를 할당했다고 하면 안테나를 90° 회전시키면

１８

이웃 나라의 TV를 볼 수 있기 때문이다.

2. Quadrifilar Helix Antenna

본 논문에서 제시된 DMB 수신용 안테나의 구조는 그림 (3-1)에서 보는 바

와 같이 Connector, PCB, Pattern, Body로 총 4개의 section으로 나누어져

있다.

그림 3-1. 안테나 패턴부 전개도

안테나의 설계는 구조의 복잡성 때문에 시뮬레이션보다 실험적인 방법으로

진행하였다. 설계 변수로는 안테나 패턴의 길이, 각도, 동축 급전선과의 연결

구조 등이다. 설계 변수를 여러가지 값으로 바꾸어가면서 실험적으로 최적의

특성을 가지는 안테나를 설계하였다.

Connector는 적용될 set에 맞추어 따로 제작된 것이며, 모델별 특징에 맞

게 제작할 수 있다. PCB는 매칭과 급전을 위하여 제작하였으며, 1006 chip

１９

size에 맞게 설계하였다. 또한 그림 (3-2)에 보여지는 Pattern부분은

FPCB(Flexible PCB) Type으로 제작하여 Body의 Size에 맞게 조절이 가능하

도록 설계하였다. 만일 세라믹과 같은 고유전율의 유전체를 사용한다면 안테

나의 Size가 더 작아질 수 있으나, 대역폭이 좁아진다는 단점이 있기에 사용

을 배제하였다. Connector부는 Antenna의 angle이 조정 가능하도록 설계하였

으며, Body부의 상, 하부 결합은 양산성과 안정성을 위하여 초음파 융착법을

사용하였다.

그림 3-2. DMB 수신 용도로 제작된 QHA의 제안도

２０

그림 (3-3) (a)는 실제 제작된 안테나의 사진을 도시하고 있다. 현재 Case의

결합은 bonding으로 되어있으나, 초음파 융착에 대한 검증도 끝난 상태로 향

후 초음파 융착으로 진행될 것이다.

(a) (b)

그림 3-3. 제작된 QHA (a) 조립된 안테나 (b) 안테나 Pattern

그림 (3-3) (b)는 실제 제작된 안테나의 Pattern부분으로 현재 issue인 Pb

free에 대응하기 위해 Pb가 제거된 Sn만 사용이 가능하도록 고온에서 견딜

수 있도록 설계하였다.

Antenna의 위치는 DMB module의 측면부위이며, Size는 38x30x2.5mm이

다. Antenna는 평상시에 Set의 뒤쪽으로 접혀있다가 사용 시에 세워서 사용

할 수 있도록 되어있으며, 각도 조절이 가능하여 사용자가 수신이 가장 적합

한 위치를 직접 선택하여 사용할 수 있도록 되어 있다.

Ⅲ. 안테나 측정 1. 측정 동향

사회가 고도화, 정보화 되면서 다양하고 많은 정보를 세계 도처에서 언제든

지 자유롭게 송수신할 수 있는 다양한 무선 이동통신 기술들이 개발되어 사용

２１

되고 있다. 이들 무선이동통신기술에서 공간을 정보전달의 매개체로 사용하기

위해서는 정보가 담긴 전기신호를 공간에 서 전파할 수 있는 전자파(전파)로

변환하거나, 공간으로부터 전파되어 오는 전자파를 전기 신호로 변환하여 줄

수 있는 변환기가 필요한데, 이것이 우리 주변에서도 많이 볼 수 있는 안테나

이다. 무선이동통신 기기에서 필수 품목인 안테나는 각종 무선통신뿐만 아니

라 radar, ECM/ECCM, telemetry, 원격탐사, EMI/EMC, 측정, 방송, 전파천문

학, 항해 등 전자파를 이용하는 각종 첨단기술분야에서 일상생활에 이르는 전

분야에서 널리 사용되고 있다.

안테나는 사용하는 목적에 따라 송신안테나의 경우 안테나에 공급되는 전기

신호를 효율적으로 원하는 방향으로 원하는 특성을 갖고 전파를 방사하고, 수

신안테나의 경우 공간으로부터 유입되는 전파 중에서 원하는 특성을 갖고 원

하는 방향에서 오는 전파를 효율적으로 수신하도록 설계·제작된다. 이러한 안

테나의 특성은 대개 안테나 이득, 방사패턴(지향성), 편파특성, 안테나효율,

G/T 등에 의해 결정된다, 안테나 특성측정 기본기술의 많은 부분은 2차 세계

대전 중까지 Bell Telephone Laboratories, R.C.A. Laboratories, M.I.T.

Radiation Laboratory 등에서 주로 개발되었으며, 그 후 항공·방위산업으로부

터 많은 안테나 방사패턴 측정요구에 따라 안테나 측정용 상용 장비들(안테나

패턴 recorder, 각종 positioner, 패턴 integrator, 수신기, 신호원 등)이 개발

되었다. 이때까지 안테나 엔지니어들의 주관심은 안테나특성 측정보다는 안테

나 설계였다. 1960년대 우주개발 계획의 시작과 더불어 전자파 관련시스템 설

계에 있어 디자인 margin이 작아짐에 따라 정확한 측정의 필요성이 증대되어

안테나 특성측정을 위한 방법 및 장비개발에 관심이 모아졌다. 1970년대에는

tapered anechoic chamber, compact range, extrapolation range, near-field

probing technique, improved polarization technique 등이 도입되었으며, 안

테나 특성측정이 안테나 설계와 같은 비중을 갖게 되었다. 1980년대 이후로

전자파의 이용 주파수대역이 점차 밀리미터파 영역으로 확장되고, 많은 고성

２２

능(이득, 지향성, 편파특성) 및 고기능 안테나들의 개발·사용이 요구됨에 따라

정확한 안테나 특성측정의 중요도가 날로 더해지고 있다.

정확한 안테나특성의 측정 및 평가를 위해서 측정에 사용되는 모든 장비는

전자파 관련 국가표준에 소급성(traceability)을 갖도록 교정되어야 하며, 안테

나특성 측정을 위하여 필요한 측정량들(전력, 감쇠량, 임피던스 등)이 국가표

준 및 국제표준에 소급성을 가져야 한다. 국제사회에서도 이에 대한 필요성을

인식하여 CIPM 전기 및 자기 자문위원회(CCEM)의 working group인 GT-

RF에서도 안테나특성 관련량을 Key Comparison 항목으로 정하여 세계각국

의 표준 기관들이 참여하는 국제비교를 수행하고 있으며 한국표준과학연구원

전자파그룹에서도 적극적으로 참여하고 있다. 한국표준과학연구원에서는

13m(L) x 10m(w) x 7.5m(H) 크기의 rectangular 전자파 무반사실 및 30m×

60m 크기의 야외시험장을 안테나특성측정시설로 운용하고 있으며, 안테나 절

대이득, 방사패턴 및 편파특성에 대한 측정을 40GHz까지의 주파수대역에서

수행하고 있다.

2. 안테나특성 측정법

1) 안테나 방사패턴

안테나이득과 연관성이 있는 안테나 방사패턴은 원하는 방향으로만 전자파

를 방사하거나 수신하기 위한 안테나 특성으로서, 원격탐사나 레이더의 경우

공간적인 분해능을 높이기 위해서 지향성이 좋은 방사패턴을 요구한다. 초기

에는 안테나의 기하학적인 구조로부터 이론적으로 쉽게 방사형태를 쉽게 예측

할 수 있는 다이폴, horn, dish 안테나 등이 많이 사용되었으나, 근래에 위상

배열 안테나 등이 개발되면서 고지향성이나 가변 방사패턴과 복잡한 모양의

방사패턴을 갖는 안테나들이 군사용이나 원격탐사, 위성통신, 위성방송 등에

이용되고 있다. 따라서 이러한 고성능 안테나들의 정확한 방사 패턴의 측정이

필요하게 되었다.

２３

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

서 측정한다. 초기에는 이러한 조건을 만족하는 야외 안테나 시험장에서 측정

이 이루어졌으나, 이 측정법에서는 기후 및 주변 물체들의 영향, 외부 전파잡

음 등으로 정확한 측정이 어려웠다. 근래에 들어 실내에서 자유공간의 조건을

만든 전자파 무반사실에서 안테나 방사패턴 측정이 이루어지고 있다. 한편 큰

안테나의 방사패턴을 측정하기 위해서는 원역장 조건을 만족시킬 수 있는 매

우 큰 측정시설이 필요한데, 이를 위해 compact range 등이 개발되었으며 최

근에 근역장 측정 데이터로부터 원역장 특성을 알아낼 수 있는 외삽기법, 근

역장 주사법 등이 개발되어 이용되고 있다.

그림 4-1. 안테나 방사패턴 측정에 사용되는 좌표계

일반적으로 측정주파수에서 안테나 방사패턴은 그림 (4-1)에서와 같이 송신안

테나의 원역장 에서 측정거리(r)는 일정하게 유지하면서 다만 각좌표 θ 와 ф

만 변화시키며 수신안테나로 수신된 신호 크기에 의해 결정된다. 따라서 안테

나 방사패턴은 측정주파수와 θ 및 ф만의 함수로 표현된다. 한편 안테나의 방

사패턴은 2차원적인 패턴을 측정하는 것이 대부분의 경우이며, 만약 3차원적

２４

인 패턴이 필요하면 E-plane 및 H-plane에서 측정된 방사패턴으로부터 얻을

수 있다. 선형편파 안테나에 대하여 E-plane 패턴은 전기장 벡터와 최대방사

가 이루어지는 방향을 포함하는 면에서, H-plane 패턴은 자기장 벡터와 최대

방사가 이루어지는 방향을 포함하는 면에서 측정된 방사패턴으로 정의된다.

방사패턴은 그림 (4-2)에서와 같이 major, minor, side 그리고 back lobe 등

으로 구성된다.

２５

그림 4-2. 방사패턴의 구성

Main beam이라 불리기도 하는 major lobe는 최대 방사가 이루어지는 방향

의 lobe를 의미하는 것으로, split-beam 안테나에서는 major lobe가 여러 개

존재할 수 있다. Major lobe를 제외한 다른 모든 lobe들은 minor lobe로 분류

되며, main lobe의 반대쪽에 있는 back lobe와 기타의 side lobe들로 구성되

어 있다. Minor lobe가 존재한다는 것은 원하지 않는 방향으로 에너지가 방사

된다는 것을 의미하므로 특별한 경우를 제외하고는 가능한 한 줄여야 한다.

Minor lobe들 중에 크기가 대체로 큰 것들인 side lobe들은 일반적으로

major lobe에 대한 전력밀도의 비로써 표현되어지며 side lobe ratio 또는

side lobe level이라 불린다. 일반적으로 side lobe level은 보통의 경우 -20

dB 또는 그 이하가 되도록 안테나를 설계한다. 대부분의 radar 시스템에서는

목표물로부터 되돌아오는 radar 신호의 구분을 위해서 -30dB 이하의 side

lobe level 안테나 특성이 요구되고 있으며, 이러한 낮은 side lobe를 갖는 안

테나의 방사패턴을 측정하기 위해서는 좋은 측정설비 뿐만 아니라 정밀·정확

한 측정기술이 필요하다.

일반적으로 방사패턴의 측정 정확도에 큰 영향을 미치는 요인들은 송·수신

안테나 사이의 거리가 유한하기 때문에 생기는 송·수신 안테나 사이의 결합

및 다중반사, 수신안테나 영역에서의 입사파 크기 및 위상 비균일도 등에 의

한 근역장효과, 안테나 지지대나 주변물체나 벽면 등으로부터의 반사파에 의

한 depolari-zation 및 입사파 크기 및 위상 비균일도, 안테나 positioner의

positioning 정확도, 피측정 안테나의 정렬, 송수신 시스템의 drift, 수신기의

비선형성 등이 있으며 패턴 level이 작아짐에 따라 큰 영향을 받는다.

한국 표준과학 연구원에서는 이중 유한한 송·수신 안테나 사이의 거리에 의

한 근역장 효과를 감소시키기 위하여 원통형 좌표계에서 송·수신 안테나사이

의 전송식을 이용하고, 동일한 안테나로 가정할 수 있는 두 안테나를 송·수신

으로 하여 측정된 방사패턴을 spatial angular domain으로 변환하여 한 안테

２６

나의 angular mode를 구한 다음, 수신안테나를 피측정 안테나로 대체하여 측

정한 방사패턴으로부터 구한 angular mode에서 송신으로 사용된 안테나의

angular mode를 deconvolution하여 피측정 안테나의 angular mode를 구함으

로써 비교적 가까운 거리에서 원역장 방사패턴을 구할 수 있는 방법을 개발하

여 사용하고 있다.

2) 안테나 이득

통신, 레이더, telemetry 시스템의 성능은 사용되는 안테나의 power gain에

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

크게 차이가 나기 때문에 사용되는 안테나의 매우 정확한 power gain 측정이

요구되고 있다.

주어진 방향으로의 안테나 power gain은 안테나에 전달된 순전력에 대한

주어진 방향에서의 단위 입체각 당 방사된 전력비의 4π 배로 정의된다. 이 물

리량은 안테나 고유특성으로 임피던스나 편파 부정합에 의한 손실을 포함하고

있지 않기 때문에 실제 시스템에서의 전력전달을 결정하기 위해서는 안테나

입력 임피던스와 편파 특성을 측정하여 고려하여야 한다. 반면에 방향성 이득

은 안테나에 의해 방사 총전력에 대한 주어진 방향에서의 단위 입체각 당 방

사되는 전력의 비를 4π배 한 것으로 안테나의 dissipation 손실을 포함하지

않는다. 따라서 방향성 이득에 대한 power gain의 비가 안테나 효율이 된다.

대개 power gain은 안테나 최대방사방향에서 측정되며 흔히 축상 power

gain이라고 한다.

안테나의 power gain 측정은 대개 1 GHz 이상의 주파수대역에서는 free-

space antenna range가, 1 GHz 이하의 주파수대역에서는 ground-reflection

range가 주로 사용된다. 이러한 power gain 측정법은 대개 절대이득 측정법

과 이득전달 측정법으로 구분되어 진다. 절대이득 측정법은 측정에 사용되는

안테나 이득에 대한 사전정보가 필요 없는 방법으로 대개 이득표준 안테나의

２７

교정에 사용된다. 이득전달 측정법은 이득 비교법이라고도 하며 가장 널리 사

용되는 방법으로, 피측정 안테나의 이득을 비교할 이득표준 안테나가 필요하

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

준안테나로 피측정 안테나를 대체하였을 때의 응답의 비로써 피측정 안테나의

power gain을 결정한다. 이득표준 안테나로는 다이폴, OEG(Open Ended

waveGuide), pyramidal horn 안테나 등이 사용된다. 여기서는 free-space 안

테나 range에서 이득표준 안테나의 교정에 사용되는 절대이득 측정법 및 근

거리영역 측정데이터를 이용하여 원역장 이득을 구하는 외삽법에 대하여 간략

히 설명하였다.

송·수신 안테나가 서로 최대 이득방향으로 거리 r만큼 떨어져 있고 송신안

테나에 PT 전력이 전달될 경우 수신 안테나에서 측정되는 전력 PR는 다음과

같이 표현될 수 있다.

(2-1)

여기서 GR 및 GT는 각각 수신 및 송신안테나의 이득을 의미하며 λ 는 파장을

의미한다. 일반적인 3-안테나법에서는 3개의 임의의 안테나에 대하여 3가지

조합에 대하여 PT와 PR을 측정하면 윗식과 같은 형태의 3개 식을 얻을 수 있

고 이로부터 각 안테나의 power gain을 구할 수 있다. 만약 사용된 두 안테

나가 동일한 특성을 가지고 있다면 안테나 이득 역시 같으므로

(2-2)

과 같은 관계가 성립된다. 윗식은 동일한 안테나를 사용하여 안테나 이득을

측정하는 2-안테나법의 기본 측정식이다. 2-안테나법으로 안테나 이득을 측정

하는 과정은 먼저 송·수신 안테나를 연결하지 않은 상태에서 신호원과 부하

２８

(신호검출부)를 직접 연결하여 그때 부하에 전달되는 전력 PT를 측정하고, 다

음으로 송·수신 안테나를 연결하여 서로 떨어진 상태에서 부하에 전달되는 전

력 PR을 측정하여 이득을 계산하게 된다. 이때 원역장 이득을 측정하기 위해

서는 거리에 따른 이득 감소효과에 의한 오차를 0.05 dB 이하로 줄이기 위해

이상의 거리가 필요한데, 예를 들어 X-band 혼 안테나의 경우 필요

한 거리는 약 30m이다. 전자파 무반사실에서 이런 안테나의 원역장 이득을

측정하기 위해서는 거대한 측정 공간과 이에 따른 막대한 시설비가 소요된다.

그래서 근역장 영역에서의 측정값으로부터 원역장 이득을 정확히 측정할 수

있는 외삽(extra-polation)기법을 사용하여 원역장 이득을 얻고 원역장 이득

과 근역장 보정계수를 사용하여 근역장 이득을 구하는 방법을 구현하였다.

근접된 두 안테나가 안테나 축으로 정렬된 상태에서 두 안테나사이 거리를

증가시키면서 수신신호 크기를 측정하면, 두 안테나사이에서 신호 다중반사에

의해 수신신호에 ripple이 나타나게 된다. 이 다중반사 효과는 측정 데이터들

을 국부적으로 평균함으로써 제거할 수 있어 근역장에서 안테나 이득을 구할

수 있으며, 근역장 안테나 이득을 외삽하면 원역장에서의 안테나 이득 및 근

역장 보정계수를 구할 수 있다.

3) 편파특성

편파특성은 일반적으로 전자파 진행방향에 대해 수직인 면(편파면)에서 전기

장 벡터 궤적(locus)의 형태와 방향을 시간의 함수로 나타낸 것으로, 안테나의

편파특성은 안테나 최대 이득 방향 편파특성을 의미한다. 일반적으로 편파면

에서 전기장 궤적은 타원으로 기술될 수 있으며, 타원의 장단축의 비에 직선

편파, 원편파, 타원편파가 될 수 있다. 편파면에서 전기장 벡터의 시간에 대한

회전방향을 편파 sense라고 하며, 관측자가 파의 진행방향을 바라볼 때 시계

방향으로 회전하면 우편파, 반시계 방향으로 회전하면 좌편파라고 한다.

위성통신, 무선통신 등에 있어서 한정된 주파수 자원의 효율적 이용(주파수

２９

재사용)을 위하여 안테나 편파가 이용되어 직선편파 뿐만 아니라 원편파, 타

원편파 등 다양한 편파의 안테나가 이용되고 있으며, 원격탐사 및 군사용 등

에서 고편파 안테나의 사용이 증대됨에 따라 안테나 편파특성의 정확한 측정

이 중요하게 되었다. 특정한 편파를 갖도록 설계된 안테나의 방사형태는 대개

그 편파에 해당되는 전기장의 성분으로 나타내진다. 그러나cross-polarized

성분이 존재하기 때문에 방향에 대한 편파특성 측정이 필요하다. 또한 주빔에

서 먼 각도에서의 편파특성은 주빔의 것과 매우 다를 수 있으며, 주빔내에서

도 편파특성의 변화가 중요시 될 경우도 있다. 안테나의 편파특성을 측정하는

방법에는 전달(비교)법, 절대측정법 등으로 분류되는 여러 가지 방법이 있는데,

시험안테나의 종류, 요구정확도, 측정 데이터의 양, 측정소요시간, 측정비용에

따라 결정되며, 주로 polarization-pattern법, rotating-source법, multiple-

amplitude-component법, phase-amplitude 법이 사용된다. 편파 표준 안테나

의 측정 등 보다 정확한 측정을 위해서는 3-안테나법을 이용한 improved 편

파 측정법이 사용된다.

Polarization-pattern법

피측정 안테나를 송·수신안테나로 사용할 수 있으며, 송신쪽에 사용될 때 다

이폴 안테나나 다른 직선편파 안테나를 입사파의 진행방향과 수직인 면에서

회전시키면서 수신안테나 출력의 크기를 상대적으로 측정한다. 직선편파

probe 안테나의 수신편파 경사도의 함수로 수신안테나의 출력의 크기를 그린

것이 polarization pattern이며, 장축과 단축의 지점에서 편파타원과 접선을

이루며 이로부터 입사파의 축비와 경사도를 구할 수 있으나 회전방향은 구할

수 없다.

Rotating-source법

이 측정법으로는 피측정 안테나의 방향에 따른 축비를 결정할 수 있다. 피

３０

측정 안테나의 방향을 변화시키면서 직선편파 source 안테나를 피측정 안테

나의 회전속도보다 훨씬 빠르게 연속적으로 회전시키며 피측정 안테나의 출력

을 측정하여 안테나 방사패턴에 나타나는 ripple의 크기로부터 축비를 결정하

며, 원편파 안테나 특성측정에 적합하다.

Multiple-amplitude-component법

이 방법은 이미 편파특성을 알고 있는 네 개의 다른 안테나들의 출력 크기

로부터, 위상 측정 없이, 전자파의 편파특성을 완전히 결정할 수 있다. 이

sampling 안테나의 편파는 수평 또는 수직 직선, 45° 와 135° 직선, 우원 또

는 좌원 편파와 이 여섯 개중의 다른 하나가 사용되며 이 안테나들의 이득을

알고 있어야 하며 측정 시 이득차를 보상해 주어야 한다. 측정 데이터로부터

피측정 안테나의 편파특성을 도식적으로 또는 선형방정식을 통하여 구할 수

있다. 이 방법을 변형시키면 단일 직선편파 안테나(source 안테나)를 0° (수

평), 45°, 90° (수직), 135° 로 회전시키면서 피측정 안테나의 패턴을 측정하

면 전 방사방향에서의 축비와 경사도를 구할 수 있으며 이때 직선편파 안테나

는 편파표준 안테나이어야 한다.

Phase-amplitude법

이 방법에서는 편파특성에 필요한 모든 데이터를 동시에 얻을 수 있어 방사

패턴과 편파 특성을 한번에 구할 수 있다. 이중편파 된 수신안테나가 피측정

안테나에 의한 방사장을 sampling하기 위하여 사용되며 수신기 출력은

sampling 안테나의 각 편파에 대한 반응 크기와 그들 사이의 위상이다. 두 편

파가 직교성을 가지면 복소 편파비가 얻어지게 되며, 이 수신안테나의 편파특

성은 알아야 하고, 두 안테나 이득은 동일해야 한다. 수신안테나의 편파특성

조절을 위하여 편파조정 network이 사용되며, 이 network의 조정을 위해

polarization-pattern법이 편파특성 표준과 같이 사용된다.

３１

3-안테나법을 이용한 improved 편파측정법

대개의 경우 편파표준으로 사용될 직선편파 안테나를 정밀 제작하여 사용하면

적절한 정확도를 얻을 수 있다. 그러나 정밀·정확도가 요구될 때는 절대측정

법을 이용하여 이 표준 안테나를 교정하여야 하는데 이때 3-안테나법이 사용

된다. 이 방법은 3개 안테나 중 적어도 2개는 원편파가 아니어야 하는 제약이

있다.

두 안테나로 이루어진 3개의 조합에 대해 수신안테나의 출력(크기, 위상)을

수신안테나가 0° 와 90° 위치에 있을 때 각기 측정하여 구한 비들로부터 각

안테나의 복소 원편파비를 구할 수 있다. 편파측정에는 단지 각 성분들간의

비나 수신된 신호간의 비만이 사용되며, 거의 직선편파에 가까운 두 개의 안

테나로 측정하였을 때 수신안테나가 0° 와 90° 위치에 있을 때 측정된 신호

비의 크기는 -30에서 -60 dB가 되며 이러한 신호영역에서는 다중반사 신호

들과 산란파신호의 depolarization, leakage 등 때문에 정확한 위상측정이 어

렵다. 또한 90° 회전이 되어 감에 따라 위상도 매우 급격히 변한다. 이러한

위상측정의 오차를 줄일 수 있는 방법이 improved polarization법으로 과정을

요약하면 다음과 같다.

처음에 두 안테나의 한 축(Y축)이 일치하도록 안테나 정렬을 하고 이때의

회전각도를 0으로 놓은 다음, 수신안테나를 송·수신안테나 정렬 축을 축으로

하여 수신신호가 최소가 되는 각도까지 회전시킨 다음 반대방향으로 90° 회

전시킨다. 이 각도에서 수신신호의 크기는 1, 위상은 0으로 하고, 이때의 회전

각을 이라 한다. 다시 수신안테나를 최소수신신호 각도로 회전시키면

서 위상변화의 부호를 결정하고 이 각도에서 수신신호의 크기 를 측정한

다. 그러면 최대 수신신호에 대한 최소수신신호의 복소비 Qnm은 이

되며 ±부호는 회전 중 위상변화의 부호와 같게 된다. 다른 두 안테나의 조합

에 대해서 이 과정을 되풀이하여 얻은 3개의 복소비 데이터로부터 각 안테나

３２

의 편파비를 구하고, 안테나 축에 대한 경사도는 측정된 회전각도로부터 구할

수 있다. 이러한 측정과정에서 생길 수 있는 오차(안테나 지지대나 전파흡수

체에 의한 영향, 다중반사 및 산란파 신호영향, positioning 오차 등)를 최소화

하기 위하여 예상되는 최소신호 수신구간과 이로부터 90°회전한 구간(최대신

호 수신구간)에서 수신안테나의 출력(크기, 위상)을 회전각에 대하여 측정 기

록한 후 컴퓨터 프로그램을 이용하여 처리하여 측정 정확도를 높이는 방법도

사용한다.

3. 안테나 측정설비

Antenna range는 동작환경에 무관하게 안테나의 특성을 시험·평가하는 설

비로서 대개의 안테나가 특수한 경우를 제외하고는 원역장(far-field) 영역에

서 사용되기 때문에 안테나 방사특성을 측정하기 위한 이상적인 입사파는 균

일 평면파(uniform plane wave)이다. 이러한 조건을 근사적으로 만들기 위하

여 reflection range와 free-space range의 두 가지 형태의 antenna range가

개발되었다. Free-space range는 주변에서의 영향을 억제할 수 있도록 설계

되며, elevated range, slant range, anechoic chamber, compact range, near-

field range 등이 있다.

여기서는 몇가지만 소개를 한다.

1) Reflection range

Reflection range는 range 표면에 의해 반사되는 반사파가 source 안테나에

서test region으로 직접 전파되는 직접파와 합해지도록 설계되며, 적절한 설계

３３

로 test region에 조사되는 field는 작고 대칭적인 크기 taper를 갖도록 할 수

있다. 이 taper는 test 안테나의 높이는 고정시키고 source 안테나의 높이를

변화시킴으로써 조절할 수 있다. 지표면의 반사계수, 평탄도 등이 측정의 정

확도에 큰 영향을 준다. 이 range는 broad한 안테나 패턴측정을 위해 UHF

영역에서 주로 사용된다.

2) Elevated range

Elevated range는 일반적으로 평탄한 지역에 구성되며 source 안테나와 test

안테나가 지상으로부터 높게 설치된 비전도성 tower에 놓여지며, 주변에 의한

영향은 지향성, 부엽(sidelobe) level를 고려한 source 안테나의 선택과 표면

이나 주변 물체에 의하여 test 안테나가 놓일 test region으로 반사되는 반사

파를 흡수체나 fence 등을 이용한 흡수 또는 방향 변경을 통하여 억제한다.

또한 modulation tagging과 같은 특수 신호처리 방법이나 short-pulse법 등

도 사용된다. 따라서 주로 지향성 안테나가 용이한 마이크로파 대역 이상에서

사용되며 source 안테나, test 안테나의 크기와 특성 및 측정주파수에 따라

두 안테나사이의 거리 및 tower의 높이를 적절히 설계하여야한다.

3) Slant range

Slant range는 source 안테나는 지표면에 가까이 설치하고 test 안테나는

비전도성 재료로 만든 높은 tower에 설치되도록 설계된다. Source 안테나는

자유공간 방사패턴의 최고치가 test region의 중심을 향하고 방사패턴의 첫번

째 null이 지표면의 specular reflection 지점을 향하도록 위치 및 방향을 조

정한다.

３４

4) 본 논문에서 사용된 측정 장비

(1) 실험 장비 : 측정에 사용된 장비는 다음과 같다.

- 정재파비와 입력 임피던스 측정을 위한 Agilent사의 8720ES 회로망

분석기

- 이득 측정을 위한 three-dimensional anechoic chamber

(표준 다이폴과 혼 안테나를 사용해 calibrate 할 수 있는 챔버)

- 치수 측정을 위한 Digital caliper.

- 기계적 실험을 위한 Climatic chamber.

(2) 주파수 범위 : 2630MHz ~ 2660MHz

(3) 정재파비 : 정재파비 특성은 전기적 요구조건을 만족시켜야 한다. 정

재파비는 Agilent사의 8720ES 회로망 분석기로 측정되었다. 모든 측정은 제

공된 장착물에서 수행되었다. 그림 (4-3)은 정재파비 측정에 대한 schematic

diagram을 도시한 것이다.

그림 4-3. 정재파비 측정에 대한 schematic diagram

(4) 방사패턴 및 이득

방사패턴은 양 위치에서 전방향성을 가져야 한다. 방사패턴 측정은 three-

dimensional anechoic chamber에서 수행되었다. chamber는 800MHz ~

6GHz에서 –30dB이하의 반사특성을 제공하고, standard dipole과 horn

antenna에 의해 calibrate된다. 여기에서 이득은 dBi단위로 표시되며 이득 측

D.U.T

Agilent 8720ES

Network

Analyzer Test Port

Test Port cable

３５

정 또한 위에서 묘사한 동일 chamber내에서 수행되었다. 그림 (4-4)는 방사

패턴과 이득측정에 대한 schematic diagram을 보여준다.

Probe array

그림 4-4. 방사패턴과 이득 측정에 대한 schematic diagram

4. 측정 결과

1) 반사손실 측정

안테나의 반사손실은 회로망 분석기(Agilent 8720ES)를 이용하여 측정하였

으며 측정된 안테나 길이를 37mm로 하였을 경우 반사손실 특성은 그림 (5-

1)과 같이 공진주파수 2.565GHz에서 90MHz로 3.51% 대역폭의 특성을 나타

내었다.

3D Anechoic chamber

Probe array Controller

RF Unit (0.4 ~ 6GHz)

Primary Synthesizer

Auxiliary Synthesizer

Motion Controller

Data Acquisition & Processing PC

A

３６

그림 5-1. 안테나 길이 37mm에서의 반사특성

그림 (5-2)는 안테나의 길이를 37.5mm로 제작하였을 때의 반사손실 특성

이며, 공진주파수 2.67GHz에서 80MHz로 2.99% 대역폭의 특성을 나타내었

다.

３７

그림 5-2. 안테나 길이 37.5m에서의 반사특성

2) 이득(Gain)측정

그림 (5-3)은 안테나를 φ = 0도에서 고정시킨 상태에서 θ방향으로 360도

회전시키면서 측정한 것으로 E1-평면이라 볼 수 있다. Etotal Gain은 Average

-1.5dB이상으로 안테나가 소형이라는 것을 감안할 때 매우 우수한 특성을 나

타내는 것을 알 수 있다.

３８

그림 5-3. 측정된 안테나의 이득(E1-Plane)

그림 (5-4)는 안테나를 φ = 90도에서 고정시킨 상태에서 θ방향으로 360

도 회전시키면서 측정한 것으로 E2-평면이라 볼 수 있다. Etotal Gain은

Average -1dB의 매우 우수한 특성을 나타내었다.

３９

그림 5-4. 측정된 안테나의 이득(E2-Plane)

2) 축비 (Axial Ratio)

그림 (5-5)는 φ = 0에서 측정된 안테나의 축비로 ±45° 범위에서 전대역에

걸쳐 걸쳐 2.5dB이하의 매우 우수한 특성을 나타내고 있다.

４０

그림 5-5. 측정된 안테나의 축비(E1-Plane)

그림 (5-6)은 φ = 90에서 측정된 안테나의 축비로 ±45° 범위에서 전대역

에 걸쳐 걸쳐 6dB이하의 우수한 특성을 나타내고 있다.

４１

그림 5-6. 측정된 안테나의 축비(E2-Plane)

４２

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 위성 DMB의 신호를 수신할 수 있는 원편파 안테나를 QHA

구조를 이용하여 제작하였다. 직교하는 두 다이폴 안테나에 위상차를 주는 방

법을 사용하여 원편파를 발생할 수 있도록 하였고, 직경 10mm에 높이

37.5mm의 크기로 제작되었으며, 측정결과 주어진 대역 내에서 -10dB의 반

사특성과 이득 –1dB이상의 이득특성, 6dB이하의 축비 특성을 보이며 주어진

규격을 잘 만족하는 결과를 보였다.

또한, 저가이며 소형으로 구현 함으로써 향 후 활용 면에 있어서도 이동통

신 분야의 다양한 제품에 적용이 가능하며 이동통신용 제품들의 기능적 측면

에도 많은 도움을 줄 것이라 생각된다.

앞으로 GPS Antenna를 비롯한 원편파 안테나의 소형화 제작에 QHA구조가

많이 사용될 것을 예상할 때, 본 논문에서 제시된 구조의 안테나에 대한 다양

한 응용이 가능할 것으로 보인다.

４３

참 고 문 헌

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