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제 1 장

안테나 기초

1.1 안테나 소개(Introduction)

1) 안테나의 정의

ㅇ 송신 안테나: 인가된 전기신호를 전자파(electromagnetic wave)로 변환하여 공간으로

방사(radiate)하는 장치

ㅇ 수신 안테나: 입사된 전자파를 전기신호로 변환하는 장치

ㅇ 송수신 안테나: 1개 안테나가 송신과 수신으로 사용됨.

2) 안테나의 다양성

ㅇ 안테나 동작 주파수 100kHz – 1THz

ㅇ 안테나 형상/크기: 매우 다양. 구글 영문 검색하면 국내외 논문 수 없이 많음.

ㅇ 안테나 용도

- 통신: 이동통신, 위성통신, 항공통신, 자동차 센서, 항공관제, 우주탐사선–지상 통신,

센서네트웍, M2M 통신, 군통신

- 측위: GPS, Loran

- 교통/항공: 충돌방지. 자동차 = 77GHz 레이더, 선박 = 항해용 9.4GHz 레이더, 항공기 =

ACAS, TCAS

- 레이더: 군용, 항공기용, 기상관측용

- 마이크로파 원격탐사(microwave remote sensing): 전파를 이용하여 지면 영상획득. 광학영상은

비, 구름, 안개에 가려서 보이지 않을 경우 많음. 용도 = 군용, 민간용

- 전파 천문학: 전파망원경. 우주로부터의 전파(30MHz–300GHz)를 고분해능으로 관측하여

우주의 생성과 진화과정 연구

3) 안테나 탑재 플랫폼

- 휴대 단말기: 스마트폰, RFID 리더, 무전기

- 전자장치 내장: Bluetooth, WiFi, 무선 마우스

- 자동차, 선박, 기차, 항공기: 교통수단

- 지상고정: 이동전화 기지국, radar station, radio telescope

- 위성 탑재체: 통신, 측위, 원격탐사

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4) 안테나 사례

(a) (b) (c)

(d)

(e) (f) (g)

(h)

그림 1.1 안테나 사례. (a) 스마트폰 안테나(출처: A. Cihangi, 2014), (b) 블루투스 안테나(출처: Fios

Lab), (c) 이동전화 기지국 안테나(출처: Aurfscan), (d) 자동차 안테나(출처: Standex Electronics),

(e) 항공관제 안테나(출처: Defense Industry Daily), (f) 위성원격탐사 안테나(출처: NUS),

(g) 전파천문학 안테나(출처: Wikimeda), (d) 미사일 조기경보 레이더 러시아 Voronezh-VP

안테나(출처: Encyclopedia of Safety)

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ㅇ 스마트폰 안테나:

- GPS(1.575GHz), 이동통신(700/800/900/1200/2200MHz), 블루투스(2.4GHz), 와이파이(2.4GHz),

NFC(13.56MHz), DMB(124-240MHz), 무선충전(100-200kHz)

- 케이스 내부에 스마트폰 구조와 일체형으로 구현

- LDS(laser direct structuring) 공법 적용: 독일 LPKF사에서 개발한 첨단 제조기술. 안테나

금속패턴 형성이 필요한 스마트폰 내부의 플라스틱(특수조성) 구조 표면에 레이저을

조사하여 금속막이 부착되도록 물질 조성을 변형한 후 무전해(elecroless) 도금법(금속막

두께 제한), 전해도금(electroplating) 공정 적용

ㅇ 블루투스 안테나: 초소형으로 기판에 실장됨. 인쇄형 역 F형 안테나, 유전체 칩 안테나 등

사용

ㅇ 이동전화 기지국 안테나: 커버하는 주파수 대역이 넓고, 이중편파를 지원해야 하며, 안테나

재료 접촉면에서 발생하는 PIMD(passive intermodulation distortion)을 억제해야 하므로 높은

수준의 설계능력이 요구됨.

ㅇ 자동차 안테나: 다수의 안테나가 사용됨. 스마트키(125kHz, 330/433MHz), 타차량 접근

감지용 근거리 레이더(SRR)(24GHz), 전후방 차량과의 충돌방지용 장거리 레이더

(LRR)(77GHz), 블루투스(2.4GHz), 타이어 압력센서(315MHz), DMB(124-240MHz).

FM라디오(88-108MHz), GPS(1.575GHz), 무센선서, 무선에어백 트리거 장치, 차량내 통신,

차량간 통신, 자동요금 징수 용

ㅇ 항공관제 안테나: 항공기의 안전한 운항(주로 상호 충돌 방지)을 위한 레이더 및

응답기(transponder) 안테나. IFF(identify friend or foe) 1030/1090MHz, ATCBS(air traffic control

beacon system) 항공기 1030MHz 수신 1090MHz 송신, transponder = PSR/SSR의

interrogation에 응답, Mode S = SSR에 응답. 정확한 방위각 측정을 위해 복잡한 모노펄스

기술 사용, TCAS(traffic collision avoidance system) 1030MHz, PSR (primary surveillance radar) 2.7-

2.9GHz, SSR(secondary surveillance radar) 1030/1080MHz

PSR: 항공관제용 1차 감시레이더. PSR의 신호가 항공기로부터 반사되는 것을 탐지(수동형).

항공기의 위치(레이더로부터 거리, 방위각) 탐지

SSR: 2차 감시레이더. 항공기가 SSR 신호를 받으면 항공기의 식별번호(ID)와 고도를

회신(능동형)

ㅇ 위성원격탐사 안테나: 위성에 탑재하여 지면의 고분해능 영상을 얻기 위한 안테나.

ㅇ 전파천문학 안테나: 우주 천체로부터의 전파의 고해상도 영상 획득

ㅇ 미사일 조기경보 레이더 안테나: 5000km 거리 비행체 탐지. 수천 개 소자 사용.

5) 배열 안테나(array antenna)

ㅇ 배열 안테나: 단일 안테나로는 첨예한 안테나 빔을 얻을 수 없으므로, 직선/원주, 평면,

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곡면에 다수의 안테나 소자를 배열하여 이를 합성함으로써 첨예한 빔(단일 또는 다중)을

얻을 수 있다.

ㅇ 위상배열 안테나(PAA; phased array antenna): 배열 안테나 소자의 위상을 제어함으로써

안테나 빔의 위치를 변경(빔 조향)할 수 있는 배열 안테나

ㅇ 수동 위상배열 안테나: 배열 안테나 각 소자에 감쇠기와 위상변위기만 연결되어 송신 또는

수신되는 신호를 크기와 위상을 제어

ㅇ 능동 위상배열 안테나: 배열 안테나 각 소자에 송신기/수신기(발진기(신호원), 증폭기,

감쇠기, 위상변위기, 스위치, 검파기 등으로 구성됨)를 연결하여 각 소자가 개별적으로

송신과 수신을 할 수 있는 배열 안테나

ㅇ AESA(능동 전자주사 배열): 수백, 수천 개의 안테나 소자를 배열(보통 평면 상에)한 후 각

소자에 전자적으로 제어되는 송신기/수신기를 연결하고 이들을 전자적으로 제어함으로써

고속으로 빔(단일 또는 다중 빔)을 스캔(조향)함으로써 다수의 표적을 고속으로 탐지하고

추적하기 위한 안테나 배열. 항공기가 비행하면서 지면을 안테나 빔으로 스캔한 후

반사되어 되돌아 온 신호를 수신하여 영상 처리하면 SAR(개구면 합성 레이더) 영상을

얻을 수 있다.

- 구조 = 배열 안테나의 각 소자에서 송신기와 수신기를 연결하여 이를 전자적으로 제어

- 기능 = 다수 표적 탐지/추적, 지면 영상 획득

- 용도 = 전투기에 탑재되어 항공/지면 표적/영상 정보 획득. 대공 방업(적의 항공기와 미사일

탐지 추적)

- 사례 1 = 미국 Raytheon 사의 THADD(terminal high altitude area defense) 시스템 레이더 AN/TPY-

2 multifunction X-band radar. 곡면배열(conformal array).

- 사례 2 = F-35 전투기 nose cone 에 탑재되는 미국 Northrop Grumman Electronics Systems 사의

AN/APG-81 AESA radar. 평면배열(planar array)

(a) (b)

그림 1.2 AESA 사례. (a) AN/TPY-2, (b) AN/APG-81

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(a) (b)

(c) (d)

그림 1.3 (a) 합성개구레이더(SAR) 영상(출처: Sandia National Lab Ka-band airborne SAR)

(b) 기상레이더 영상(출처: 한국기상청)

(c) 항공관제 레이더 영상(출처: T. Wolf)

(d) 목성(Jupiter) 전파망원경 영상(출처: Australian LOFAR, 127-172MHz)

전파를 이용하여 넓은 지역의 영상(지면산란 계수, 강우 산란계수, 항공기 위치, 우주전파)을

얻을 수 있다(그림 1.3). 전파의 편파를 조합하여 표적의 산란계수를 측정하면 표적에 대한

상세한 정보를 얻을 수 있다(그림 1.4).

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(a) IHF 보트 모형

(b) VV image

(c) VV+HH composite image

(d) VH image

(e) VH+HV composite image

그림 1.4 Polarimetric radar images(출처: IHF, RWTH Aachen Univ.)

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5) 안테나가 사용되는 시스템 구성

ㅇ 안테나

ㅇ RF 송수신부, RF fron-end

ㅇ Baseband, back-end

ㅇ 디지털 신호처리

ㅇ 영상표시 장치, 사용자 인터페이스

ㅇ 운영체제, CPU, memory

ㅇ 외부와의 통신링크

ㅇ 안테나 시스템 사례

- 추적안테나: 로켓, 미사일, 항공기, 위성 추적. 반사경 안테나/피드 설계, 안테나 합성회로,

수신기, 안테나 제어부, 소프트웨어

- 위상배열 안테나: 고속으로 다수의 표적(항공 및 지상 물체)을 탐지 및 추적. 안테나

소자/배열 설계, 송수신(T/R) 모듈 설계, 배열안테나 빔 합성/제어, 신호처리,

6) 안테나 개발 순서

ㅇ 자료조사(논문, 책, 보고서) → 동작원리 파악 → 안테나 치수결정 → 안테나 특성해석 →

설계보고서 작성

ㅇ 안테나 제작 → 측정 → 설계보고서에 측정결과 추가

ㅇ 필요시 성능 보완

ㅇ 공표: 학술지 논문, 특허

7) 안테나 설계 전문가가 되는 방법

ㅇ 안테나 기초지식 습득: 교과서 공부

W. L. Stutzman & G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, 3rd Ed., Wiley, 2012.

ㅇ 안테나 설계/해석 툴 사용 숙달: CST Mirowave Studio

ㅇ 안테나에 필요한 계산 툴 사용: Matlab, C/Fortran 프로그래밍

ㅇ 기존에 발표된 안테나 구조 활용: Google 영어/한글 검색

ㅇ 제작, 측정, 성능보완

ㅇ 안테나 설계능력

- 안테나 이론은 수학이 많이 사용되어 어렵게 느껴질 수 있다.

- 그러나 안테나 수학은 공학수학의 일부로서 공학수학보다 범위도 적고 더 쉽다.

- 간단한 안테나는 문헌에 모양, 치수까지 다 나와 있어서 비전공자도 기초만 익히면 누구나

설계, 제작, 측정할 수 있다. 1개월 연습 후 준전문가가 될 수 있다.

- 규격이 까다로운 안테나 (광대역/다중대역, 초소형, 이중편파)에는 고도의 전문적 설계능력,

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창의력, 실험정신이 요구되며 일수 소수의 기술자와 회사만이 개발 가능하다.

8) 안테나 엔지니어 취업분야

ㅇ 통신사: 이동통신망, 기지국, 안테나

ㅇ 스마트폰 제조사: 통신 안테나, NFC 안테나, 무선충전 코일

ㅇ 이동통신 기지국 안테나 회사: 송신탑 안테나, 실내 안테나, 지하철/터널 안테나

ㅇ 통신 장치/부품 회사: GPS 네비게이션(항법장치), Bluetooth/WiFi/ZigBee/LoRa/ISM 통신기기,

위성방송/통신 장치 회사

ㅇ 자동차/부품 제조회사: 스마트키, 레이더, 블루투스, 와이파이, 차내통신, 차량간 통신

ㅇ 항공기/부품 제조회사: 항공기 탑재 안테나, 항공관제 안테나

ㅇ 무선충전 제품 제조사: 스마트폰, 전기차, 가전제품, 전동공구 무선충전

ㅇ 항공/우주사업 회사: 위성체/우주선 탑재 안테나, 지상 안테나

ㅇ 방위 산업체: 레이더, 신관, 통신장비, 전파감시 장비, 원격감시장비, 미사일/무인기/항공기

탑재 안테나

ㅇ 국가출연 연구소: 국방과학연구소, 전자통신연구원, 한국항공우주연구원, 전자부품연구원,

표준과학연구원, 전파연구소

ㅇ 산업지원기관: 각 지역 테크노파크 부설 센터, 산업지원센터

(연습문제)

D1.1 다음 용어를 설명하라.

a) 스마트폰 안테나에 적용되는 LDS 기술

b) 자동차용 SRR과 LRR의 주파수와 용도

c) 항공관제용 PSR과 SSR의 주파수와 용도

D1.2 AESA에 관하여

a) 구조 설명

b) 기능 설명

c) 사례 2가지 제시하라.