복합재료 UAV 응용을 위한 광대역 저자세 세그먼트 루프 안테나 설계

Abstract

무인기 (UAV)는 다양한 군사 및 상업 시장에서 많은 관심을 받고 있다. 무인기와 지상통제소 사이의 성공적인 통신 링크를 구축하기 위해 무인기 응용을 위한 안테나들의 방사 특성은 매우 중요하다. 견고한 통신 링크를 유지하기 위해 무인기 응용은 수직 모노폴과 같은 전방향성 방사를 제공하는 안테나들을 요구한다. 그러나 통상적인 수직 모노폴은 높이가 커서 무인기 응용을 위해 사용하기 어렵다. 게다가 이 안테나들은 저자세일 뿐만 아니라 소형의 크기, 가벼운 무게를 가져야 한다. 전방향성 방사패턴을 갖는 저자세 세그먼트 루프 안테나는 큰 높이의 단점을 극복할 수 있다. 세그먼트 루프 안테나의 밸런스 입력을 동축 커넥터의 언밸런스 입력으로 변환하기 위해 보통 발룬이 필요하다. 하지만 발룬의 추가에 의해 안테나들의 크기 및 제작 비용이 증가하게 된다. 게다가 이 안테나들은 협소한 대역폭 특성을 갖는다. 가벼운 구조, 높은 스텔스, 장기 지구력을 갖는 UAV를 구현하기 위해 진보 복합재료 기술의 발달과 함께 복합재료 UAV가 연구되었다. UAV 응용을 휘한 복합재료는 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리이미드 수지가 있다. 이 한계점들을 극복하기 위해 3장에서 발룬이 없는 광대역 저자세 세그먼트 루프 안테나를 제안했다. 안테나는 세그먼르 루프, 패치 소자, 단락 스트립으로 구성된다. 루프의 8개 세그먼트들이 캐패시티브 커플링에 의해 전기적으로 연결되기 때문에 안테나는 956 MHz에서 동작한다. 패치 소자와 단락 스트립을 추가함으로써 향상된 임피던스 매칭에 의해 안테나는 GPS L1, GSM1800, GSM1900, UMTS, LTE2300, LTE2500, 2400 MHz ISM 대역을 포함하는 광대역을 갖는다. 안테나는 956 MHz에서 전방향성 방사패턴, 광대역에서 유사 전방향성 방사패턴을 갖는다. 최종적으로, 3장에서 제안된 세그먼트 루프 안테나의 소형화를 구현하기 위해 광대역 저자세 소형 세그먼트 루프 안테나를 제안하였다. 안테나는 스터브를 갖는 4개 세그먼트들로 이루어진 세그먼트 루프, 단락 스트립, 패치 소자로 구성된다. 세그먼트 수를 감소시키고 스터브를 추가함에 따라 안테나를 소형화시킬 수 있다. 956 MHz에서 안테나는 단락 스트립을 사용하여 향상된 임피던스 매칭을 가지며, 기판 윗면과 아랫면에 위치한 세그먼트들의 겹치는 면적에서 발생하는 커플링에 의해 전방향성 방사패턴을 갖는다. 고주파수 대역에서 안테나는 유사 전방향성 방사 특성과 함께 3700 MHz WiMAX, 5200 MHz WLAN, 5800 MHz WLAN 대역을 포함하는 넓은 -10 dB 반사계수 대역폭을 갖는다. 그러므로 제안된 안테나는 소형 복합재료 무인기 응용에 적합하다.; A UAV (unmanned aerial vehicle) has received increasing attention in various military and commercial markets. To establish successful communication links between a UAV and a ground control station, the radiation characteristics of the antennas for UAV applications are very important. These applications require the antennas that provide omnidirectional radiation, like vertical monopoles, to maintain robust communication links. However, a conventional vertical monopole is too high to be used for UAV applications. Additionally, the antennas should be not only low-profile but also compact in size and light. A low-profile segmented loop antenna with omnidirectional radiation can overcome the drawback of large heights. To transform the balanced input of segmented loop antennas into the unbalanced input of a coaxial connector, a balun is usually required. However, the size and fabrication cost of such antennas are increased by the addition of a balun. Furthermore, they have a narrow bandwidth characteristic. To realize a UAV with a light structure, a high stealth, and a long-endurance, a composite material UAV is studied with the development of advanced composite material technology. Composite materials for UAV applications are a polyethylene, a polyester, and a polyimide resin. To overcome these limitations, a wideband low-profile segmented loop antenna without a balun is proposed in chapter 3. The antenna consists of a segmented loop, a patch element, and a shorting strip. The antenna operates at 956 MHz because the eight segments of the loop are electrically connected by capacitive coupling. By adding the patch element and shorting strip, the antenna has a wideband covering GPS L1, GSM1800, GSM1900, UMTS, LTE2300, LTE2500, and 2400 MHz ISM bands due to improved impedance matching. The antenna has omnidirectional radiation at 956 MHz and quasi-omnidirectional radiation over the broad bandwidth. Finally, to realize a miniaturization of the segmented loop antenna proposed in Chapter 3, a wideband low-profile miniaturized segmented loop antenna is proposed. The antenna consists of a segmented loop comprising 4 segments with stubs, a shorting strip, and a patch element. The antenna is miniaturized by reducing the number of segments and by adding stubs. At 956 MHz, the antenna has an improved impedance matching by using the shorting strip, and an omnidirectional radiation due to coupling between the overlapping areas of the segments placed on the top and bottom of the substrate. In the high frequency band, the antenna has a wide -10 dB reflection coefficient bandwidth covering 3700 MHz WiMAX, 5200 MHz WLAN, and 5800 MHz WLAN with a quasi-omnidirectional radiation characteristic. Therefore, it is suitable for compact composite material UAV applications.