KR102550411B1 - 큐브샛용 uhf대역 패치안테나 - Google Patents

Abstract

큐브샛용 UHF대역 패치안테나가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 의한 큐브샛(CubeSat)의 측면에 부착되는 큐브샛용 UHF대역 패치안테나는, PCB배면에 전원커넥터가 연결되고 PCB상면에 유전체 블록을 탑재하고 피드홀을 통하여 전원커넥터와 유전체블록이 전기적으로 연결되게 구성한 다음, 상기 전원커넥터에 상기 큐브샛의 전원부가 연결되어 UHF대역의 주파수로 방사되게 구성함으로써, 큐브샛용 유일한 패치형태의 UHF 대역 안테나로 동작하는 효과가 있다.

Description

큐브샛용 UHF대역 패치안테나{UHF BAND PATCH ANTENNA FOR CUBESAT}

본 발명은 패치안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 UHF대역에서 방사되며 안테나 크기를 큐브샛용으로 구성하고, 전원커넥터가 연결된 PCB판 위에 패치안테나를 부착하여 큐브샛의 옆면에 부착할 수 있도록 구성한 큐브샛용 UHF대역 패치안테나에 관한 것이다.

큐브위성 또는 큐브샛(Cubesat)은 부피 1리터(10cm*10cm*10cm), 질량 1.33kg을 넘지 않는 초소형 인공위성을 말하는 것으로, 동축선을 이용하여 안테나 임피던스가 50옴 되는 점에 급전부로 급전한다. PIFA 안테나의 필드는 방사패치와 접지면에 형성된 전류에 의해서 방사된다. 이는 마이크로스트립 패치 안테나의 방사 메커니즘과 같다.

이러한 큐브샛은 플랫폼으로 사용할 수 있게 하는 단순한 디자인과 웹상에서 누구나 큐브샛 제작 방법을 찾을 수 있는 오픈 소스, 발사체 자체가 정격적으로 정해져 있어 대량 생산이 가능하다는 점 그리고 적은 비용으로 우주에서 임무를 수행할 수 있다는 장점이 있어, 활성화되고 있으나, 큐브샛 자체도 더 작아지기 위한 진화의 과정에 있고, 여러 민간 업체들이 큐브샛 산업에 뛰어들면서 큐브샛 산업은 더욱 발전할 전망이다.

특히 큐브샛은 큰 위성이 해오던 일 자체를 하기에는 출력의 크기나, 제어의 어려움 등 아직 미흡한 점이 많지만 큰 인공위성이 갖지 못하는 큐브샛의 가장 큰 장점은 바로 동시성이다.

큰 인공 위성은 자기에게 할당된 지역만을 바라보면서 임무를 수행할 수 밖에 없지만, 큐브샛은 동시에 지구 전체를 대상으로 혹은 우주 전체 방향을 대상으로 특정 임무를 수행할 수 있다. 따라서 이 부분이 큐브샛으로 행해지는 여러가지 프로젝트들이 갖는 가장 큰 장점이라고 할 수 있다. 지금까지 동시적으로 지구 전체의 사진을 찍는다거나, 대기를 분석한다는 등의 임무는 수행하는 것이 불가능했지만, 큐브샛의 등장으로 인해서 우주를 대상으로 하는 동시다발적 임무수행이 가능해졌다.

전통적으로 저궤도 Cubesat은 UHF 및 S- 대역에서 통신 목적으로 안테나를 사용한다. 태양계에서 더 멀리 나아가려면 딥 스페이스 네트워크 (X-band 및 Ka-band)와 호환되는 더 큰 안테나가 필요하다.

이러한 종래의 안테나로 "UHF Antenna system 1X1U"가 있다.

CubeSat에 Dipole 형태의 안테나를 부착한 것으로, 다이폴 안테나는 선상 안테나의 기본이 되는 구조가 간단한 안테나로, 큐브샛의 모서리에 부착되며 큐브샛 단면에 접혀있다가 우주로 발사되고 난 뒤에 바깥쪽으로 펴지며 안테나로서의 기능을 하게 된다.

안테나가 접혀있을 때에는 10cm 이하의 크기이지만, 펼쳐지고 난 후에는 30cm가 넘는다.

이러한 다이폴 안테나는 길이에 따라 해당 주파수 영역에 맞추기가 수월하고 이득값이 높다. 그러나 큐브샛에 부착될 경우, 실제 우주에서 접혀진 안테나가 제대로 펴지지 않아 안테나로서의 기능을 상실하여 우주 미아가 되는 위성들이 생긴다. 많은 사례로는, 안테나가 서로 접힌 상태에서 펴지지 않는 것이고, 큐브샛을 담는 디플로이어에 끼어서 펴지지 않는 경우이다.

또한, 안테나를 접을 때 니크롬선과 울/나일론 등으로 묶어 고정시키는데, 니크롬선에 열을 가해 울/나일론 등을 태우는 동안 폭발할 위험성이 있다.

그리고 펼쳐진 안테나의 길이도 30cm가 넘어 운행 중 다른 위성에 부딪히면 부러질 위험성이 존재하는 문제점이 있다.

또한, 다른 종래의 안테나로 Deployable Quadrifilar Helical Antenna가 있다.

헬리컬 형태의 안테나로, 큐브샛 표면에 코일형태로 부착된다. 저궤도에 안착 후 안테나가 튀어나오게 되는 제품으로 같은 주파수에서 다이폴안테나, 모노폴안테나보다 크기를 작게 만들 수 있는 안테나이다.

코일이 가지는 인덕턴스 성분을 이용하여 물리적 길이를 25%까지 축소할 수 있는 형태이나, 여전히 코일이 앞으로 튀어나오기 때문에, 전체 길이가 길어지게 되고 외부에 부딪힐 경우 파손되거나, 발사될 때의 결함으로 인하여 코일이 펴지지 않을 수 있다. 그리고 UHF Antenna system 1X1U1의 문제점과 동일하게 폭발할 위험성을 갖고 있다.

그리고 S-Band Antenna가 있다.

S-Band Antenna는 패치형태의 안테나로, 패치를 어레이시켜 다중 영역에서도 송수신이 가능하고, S밴드 영역 (1.98 ~ 2.5 GHz)에서 작동하는 안테나이지만 UHF대역에서 운용되는 패치안테나가 없다는 문제점이 있다.

KR 등록특허공보 제10-0786540호(2007.12.11)

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 UHF대역으로 통신이 가능한 패치안테나로 구성된 큐브샛용 UHF대역 패치안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 큐브샛 용 초소형 위성용 UHF대역 패치안테나를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

그리고 다이폴 안테나에 추가적으로 안전하게 부착되어 서브 역할도 가능한 큐브샛용 UHF대역 패치안테나를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 의한 큐브샛(CubeSat)의 측면에 부착되는 큐브샛용 UHF대역 패치안테나는, PCB배면에 전원커넥터가 연결되고 PCB상면에 유전체 블록을 탑재하고 피드홀을 통하여 전원커넥터와 유전체블록이 전기적으로 연결되게 구성한 다음, 상기 전원커넥터에 상기 큐브샛의 전원부가 연결되어 UHF대역의 주파수로 방사되게 구성함으로써 달성될 수 있다.

또한, 상기 유전체 블록은 유전체의 상하부면에 구리동박이 도포되어 상부동박면과 하부동박면을 구성하고, 하부동박면은 페이스트로 상기 PCB의 상면과 솔더링되어 접지면을 구성하고, 상기 상부동박면은 패치형태로 UHF대역의 주파수를 방사하도록 구성하되, 상기 유전체와 상기 유전체의 상부동박면은 동일한 크기로 구성한다.

따라서, 본 발명의 큐브샛용 UHF대역 패치안테나에 의하면, 기존의 안테나들이 펼쳐져야 운용되는 것과 상반되게, 패치안테나는 그 자체로써 사용 가능하기 때문에 안전하고 원활한 통신이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 큐브샛용 UHF대역 패치안테나에 의하면, UHF 대역의 안테나는 거의 대부분이 다이폴 형태의 안테나이나, 본 발명의 패치안테나는 큐브샛용 유일한 패치형태의 UHF 대역 안테나로 동작하는 효과가 있다.

그리고 본 발명의 큐브샛용 UHF대역 패치안테나에 의하면, 안테나의 크기가 작기 때문에 기존의 다이폴 안테나에 추가적으로 부착시켜 서브 안테나로도 사용 가능하며, 다른 주파수 대역의 다이폴과 함께 다중 주파수 대역으로도 사용 가능하다.

도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 큐브샛용 UHF대역 패치안테나의 사시도,
도 3은 본 발명 유전체블록의 확대 도면,
도 4와 도 5는 본 발명 패치안테나의 상부면 확대도,
도 6은 본 발명 패치안테나의 하부면 확대도,
도 7은 본 발명 패치안테나의 일측면도,
도 8은 본 발명의 UHF대역 안테나 기능을 구현하기 위한 안테나의 규격을 예시한 도면,
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 패치안테나의 예측 VSWR을 예시한 그래프,
그리고
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 패치안테나의 실측 VSWR을 도시한 그래프이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서 "및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 큐브샛용 UHF대역 패치안테나의 상면 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 큐브샛용 UHF대역 패치안테나의 배면 사시도이고, 그리고 도 3은 본 발명 유전체블록의 확대 도면이다.

도면을 참고하면, 본 발명의 큐브샛용 UHF대역 패치안테나(100)는 큐브샛(CubeSat)의 측면에 부착되어 UHF대역의 주파수를 방사하는 패치안테나로 구성하기 위하여 안테나로 동작하는 유전체 블록(130)과 유전체 블록(130)이 탑재되는 PCB(110), PCB(110)의 배면에 구비된 전원커넥터(114), 전원커넥터(114)로부터 공급되는 전원을 안테라로 공급하는 피드홀(120)을 포함하여 구성한다.

큐브위성 또는 큐브샛(Cubesat)은 부피 1리터(10 cm*10 cm*10 cm), 질량 1.33kg을 넘지 않는 초소형 인공위성을 말한다.

즉, 큐브샛의 기본 표준은 가로,세로,높이 10cm 즉 부피 1L 규격으로 표준 단위로 UNIT이라고 지칭한다. 유닛 하나로 구성된 위성을 1U Cubesat, 2개가 붙어있으면 2U Cubesat, 3개가 붙어있으면 3U Cubesat이라고 한다.

본 발명의 패치안테나는 큐브샛에 장착되도록 1U의 크기로 구성한다.

종래의 큐브샛에 결합되는 다이폴 안테나는 우주에서 결함이 많은 단점이 있고 아직 UHF 대역의 패치가 개발되지 않은 상태에서 본 발명이 큐브샛에 결합될 수 있는 가로,세로,높이 10cm 크기이며 UHF 대역에서 패치 형태로 작동할 수 있는 유전율을 가진 유전체블록을 이용한 패치안테나에 관한 것이다.

패치안테나는 평평한 표면에 장착할 수 있는 높이가 낮은 무선 안테나이다. 단일 금속판을 이용해 베이스 전체를 접지한 뒤 그 위에 일정 두께의 유전기판을 올리고 그 위에 스트립 형태의 금속을 입힌 형태이다.

표면이 열려있어 고주파를 방출하는 원리이며 전원 공급은 동축케이블을 이용해 급전한다. 패치 안테나는 현재 휴대폰과 같은 무선 통신 기기와 GPS 시스템에서도 광범위하게 사용되고 있고, 소형화, 경량화가 가능해 의료용품, 초소형 위성등으로 활용 범위가 넓어지고 있는 추세이다.

본 발명품의 상용화 대역은 435MHz로 통신 송수신 용도로 많이 사용되는 UHF대역의 패치안테나를 구현하기 위하여 PCB(110) 배면에 전원커넥터(114)가 연결되고 PCB(110) 상면에 유전체 블록(130)을 탑재하고 피드홀(120)을 통하여 전원커넥터(114)와 유전체블록(130)이 전기적으로 연결되게 구성한 다음, 전원커넥터(114)에 큐브샛의 전원부가 연결되면 UHF대역의 주파수로 방사되게 동작한다.

즉, 동축선을 이용하여 안테나 임피던스가 50Ω 되는 점에 피드홀(120)로 급전되면, 유전체블록(130)과 접지면(136)에 형성된 전류에 의해서 방사된다.

통상 패치안테나는 길이× 폭 크기의 유전체 기판상에 구성되는 패치 안테나의 형태는 다양한 형태로 구성될 수 있지만, 안테나의 동작 특성 등을 용이하게 예측 및 분석할 수 있도록 본 발명에서는 사각형과 같은 단순화된 형태를 사용한다.

이러한 패치 안테나의 크기(길이×폭)는 안테나에서 방사되는 공진 주파수에 비례하며, 정확한 그 크기의 결정은 복잡한 수치계산 과정을 통해서 산출될 수 있으나, 대략적으로 안테나의 사용 주파수의 반 파장(λg/2)에 해당한다. 여기서, λg는 유전체 기판의 비유전율을 고려한 파장이다.

유전체 블록(130)은 길이와 폭이 다른 비정방형으로 구성하고, 유전체(132)의 상하부면에 구리동박을 도포하여 상부동박면(134)과 하부동박면(136)을 구성하고, 하부동박면(136)은 페이스트로 PCB(110)의 상면과 솔더링되어 접지면을 구성하고, 상부동박면(134)은 패치형태로 UHF대역의 주파수를 방사하도록 구성하되, 유전체(132)와 동일한 크기로 구성하여 판형의 역 F형 안테나(PIFA:Planar Inverted-F antenna)의 형상으로 구성하는 것이 하나의 특징이다.

또한, 유전체(132)는 UHF 대역에서 패치형태로 작동할 수 있도록 하기 위하여 8mm 두께의 세라믹 기판으로 16의 유전율을 갖도록 구성하고, 구리동박은 유전체(132)의 상하부면에 35㎛의 두께로 도포하여 상부동박면(134)과 하부동박면(136)으로 구성한다.

PCB(110)는 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)으로 상부동박면(134)의 단면에 피딩홀(120)이 위치하도록 구성한다.

이러한 피딩홀(120)은 전도면으로 동작하는 상부동박면(134)과 전기적으로 연결되어 유전체블록을 관통하지만, 하부동박면(136)의 전도성 물질로 이루어진 그라운드면과는 전기적으로 분리되도록 형성한다.

또한, 본 발명은 패치안테나의 크기가 작기 때문에 해당 UHF대역에서의 방사를 보완하기 위하여 상부동박면(134)의 일단에서 측면으로 연장되는 측면동박 면(140)을 구성하는 것을 또 하나의 특징으로 한다.

도 4와 도 5의 본 발명 패치안테나의 상부면 확대도를 참고하면, 유전체(132)의 상부동박면(134)에서 연장되어 유전체(132)의 측면의 일부분을 가리는 돌출부로 측면동박면(140)을 구성하여, 상부동박면(134)과 측면동박면(140)으로 공진부를 구성하게 형성한다.

다시 말하면, 이러한 공진 부와 유전체의 크기를 적절히 구성함으로써 UHF대역으로 방사가 이루어지게 하는 것이다.

또한, 본 발명은 beam width를 결정하기 위한 용도로 PCB(110)의 배면에 콘덴서와 TR 등을 전원커넥터(114)와 피드홀(120) 사이에 전기적으로 연결되게 구성한다.

도 6의 본 발명 패치안테나의 하부면 확대도와 도 7의 본 발명 패치안테나의 일측면도를 참고하면, 전원커넥터(114)와 피드홀(120) 사이에 콘덴서와 Tr과 같은 전기소자가 전기적으로 연결되어 있다.

피드홀(120)은 상부동박면(134)의 일측으로부터 소정거리(fx)에 구성하며, 피드가 0.1mm 두께의 구리선으로 구성하여 전원커넥터(114)와 전기적으로 연결된다.

도면을 참고하면, 유전체블록(130)의 상부동박면(134)이 하부동박면(136)의 그라운드면에 전기적으로 절연되어 있으나, 피딩홀(120)이 유전체와 하부동박면(136)을 관통하게 홀로 구성하고 홀 내부를 구리(Cu) 또는 은(Ag)과 같은 전도성 금속으로 채워 넣음에 따라 전원커넥터(114)와 유전체블록 상단부의 상부동박면(134)과 전기적으로 연결되면서 유전체(132)를 관통하며 하부동박면(136)에는 개방되어있다. 유전체(132)와 상단부의 상부동박면(134)의 형상은 동일하게 구성한다.

이하, 본 발명 패치안테나를 이용하여 UHF대역의 435MHz를 구현하기 위한 유전체의 구조와 각 치수에 대한 실험치에 대하여 설명한다.

한편, 본 발명 패치 안테나의 공진 주파수(fr)의 결정은 아래의 수학식 들을 이용하여 구할 수 있다. 공진이란 안테나가 어떤 특정한 파장의 전파를 가장 효과적으로 보내고 받는 현상을 의미하며, 상기 안테나의 길이가 파장의 1/2의 정수배일 때 안테나는 공진하게 된다. 이때, 이 전파의 주파수 중에서 가장 낮은 주파수를 안테나의 공진 주파수(fr)라고 한다.

공진주파수(fr)와 패치의 폭(Wp)과의 관계는 다음 [수학식1]로 표현되고,

여기서, c는 광속도를, ε_r은 유전율을 의미하며 다음 [수학식2]와 같이 주어질 수 있으며 패치의 길이는 [수학식3]과 같다.

여기서 ε_reff는 유전체의 비유전율을, Wp는 유전체블록의 폭을 의미하고, Tm은 유전체블록의 두께를 의미한다.

길이 차이 대 높이에 대한 관련된 수학식은 다음과 같다.

유전체의 길이와 폭에 대한 계산은 [수학식5]로 표시된다.

여기서 Ls는 유전체의 길이, Ws는 유전체의 폭을 의미한다.

그리고 피드홀의 가로위치와 세로위치는 다음의 [수학식6]으로 구해진다.

여기서 X는 coaxial feed의 가로위치, Y는 coaxial feed의 세로 위치이다.

이러한 수학식의 변수에 대한 의미를 본 발명의 패치안테나에 적용한 도면이 도 8에 예시되어 있다.

도 8은 본 발명의 UHF대역 안테나 기능을 구현하기 위한 안테나의 규격을 예시한 도면으로, 도면을 참고하면, 먼저 유전체와 상부동박면의 크기와 형태는 동일하게 구성한다.

Lp는 유전체(130)의 길이를 Wp는 유전체(130)의 폭을 의미하며, fx는 피드홀(120)의 x위치, h는 유전체의 높이를 의미한다.

상기 수학식과 도면에서 Ls는 기판의 길이를 그리고 Ws는 기판의 폭을 의미하고, 각각 Lp의 길이에 6h의 길이를 추가한 것이고, Wp의 폭에 6h의 폭을 추가한 것으로 설계하는 것이 바람직하나 실제 안테나의 크기는 큐브샛용으로 사용되기 때문에 길이와 폭을 10cm*10cm까지 사용할 수 있으므로, 큰 의미는 없음을 밝혀둔다.

본 발명에서는 UHF대역에서의 활발한 신호를 위해 유전율이 높은 물질을 택하였다. 해당 주파수에 적절한 유전율을 갖는 물질을 찾은 것이 매우 중요한 요소 중에 하나로, 유전율이 높으면 전기장을 형성하는데 더 큰 저항이 일어나며 매질이 전달될 때 방해가 일어나 더 느리게 전달된다.

반면 유전율이 낮으면 안테나의 전기 용량이 줄어들게 되므로 대역폭이 넓어진다. 본 발명은 사용될 UHF대역의 435MHz 주파수를 방사할 수 있도록 고유전율 물질이 적합하다고 판단되어 러시아에서 구입한 유전율이 16인 유전체를 사용한다.

상기 유전체는 8mm 두께의 세라믹 계열의 물질 위 아래에 35μm의 구리 동박을 입힌 것으로 16의 유전율을 갖도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 높은 이득값, 적절한 주파수 대역을 찾는 것을 목표로 설계가 진행하여 동일한 크기의 안테나이더라도, 커넥터가 연결되는 피드홀의 위치가 0.1mm만 움직이면 완전히 다른 결과값이 나오게 된다는 것을 확인하여 0.0001mm의 간격으로 계산을 진행하였다.

피드홀의 피드가 0.1mm 두께의 구리 선이기 때문에 잘 휘는 성질이라 pcb의 커넥터 부분으로 연되어 커넥터랑 연결되도록 하여 대략 "

" 형태로 연결하였다.

가로, 세로 길이는 PCB에 안전히 부착되기 위함으로 10mm부터 70mm까지의 범위에서 찾기로 하였다.

계산식을 통해 나온 값들은 각 길이별 impedance 값으로 이 값들을 모아 하나의 plot 형태로 만든다. 해당 그래프에서 공진점을 찾아 그 부분에 해당하는 길이를 찾는 것이다.

다수의 패치안테나 모델로 테스트한 결과, PIFA 형태의 안테나가 가장 정확한 주파수 대역에서 공진점이 발생하였다.

PIFA(Planar Inverted F Antenna)는 평면 역 F안테나로 F자를 뒤집어 놓은 것처럼 평판의 접지면 위에 보다 작은 면적의 사각 패치판을 얹은 평판 안테나이다.

PIFA는 접지면, 패치, 급전선, 단락핀으로 구성하여 전류 급전에 의해 패치가 접지면과 공진되면서 방사 소자로서 역할을 하며, 패치의 높이, 넓이, 길이와 급전선의 위치와 단락핀의 위치에 따라 대역폭, 이득, 공진 주파수 등이 결정되며 안테나로 돌출부가 없는 장점이 있다.

안테나를 회로 기판 위에 병렬로 배치하면 실장 핀을 배치할 기판 공간만 필요하며, 접지 또는 기타 금속이 향하는 별도의 공간거리가 필요하지 않아서 PCB 층의 안테나 아래에 다른 부품을 실장할 수 있다는 장점도 있다.

안테나의 제작에서는 안테나가 0.1mm만 길이나 피드 위치가 바뀌어도 값이 완전히 달라지게 된다. 그래서 각 부분의 절단 공정이 매우 민감하게 이루어져야 한다. 여러 장비들로 절단을 해보았지만, 가장 섬세한 작업은 수작업이었다. 그래서 본 발명품은 미니 절단기로 절단을 한 뒤 각 호수별 사포로 정밀하게 가공을 진행하였다.

결국 예상된 주파수를 방사하기 위한 유전체의 규격은 Lp가 50mm, Wp가 44mm, 피드홀의 fx가 4mm, fy(피드홀의 세로위치;도면 미도시)는 유전체의 세로길이 즉 폭의 중앙인 25mm, 측면동박면의 폭은 37mm, 유전체의 높이(h)는 8mm, 유전율은 16으로 하여야 UHF대역인 435MHz의 주파수를 방사할 수 있다는 것을 찾아내었다.

또한, 설계된 PCB 도면 위에 커패시터, 트랜지스터 등을 솔더링 작업하여 Beam width를 결정하기 위한 용도로 사용할 수 있게 하였다.

유전체블록(130)은 PCB와 결합하기 위해 솔더링을 진행하였으며, 접착 테이프는 우주로 쏘아질 때 분리가 될 수 있고, 나사로 결합할 경우 안테나 통신에 장애가 발생할 수가 있기 때문에 본 발명에서는 저온(대략 120도)에서 녹는 페이스트를 이용하여 안테나의 접지면 부분 전체와 PCB에 페이스트를 바르고 굽는 방식으로 단단히 고정을 시켰다. 결합 후 PCB와 안테나의 피드홀 부분에 와이어를 연결하여 커넥터를 연결하였다.

그리고 최종 PCB는 나사체결홀(112)을 통하여 큐브샛의 측면에 나사고정된다.

상술한 수학식을 이용하여 본 발명의 UHF대역에서 방사가능한 유전체블록을 계산하기 위하여 작성된 컴퓨터 프로그램으로 구현된 알고리즘은 다음 [표 1]과 같다.

표 1의 알고리즘을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

(방사 주파수) =

[Hz] - Frequency

BW(밴드폭) =

[Hz] - Band Width, Beam width of frequency

ε(유전율) = 16 - Epsilon, The dielectric constant of material

LossTg(손실탄젠트) = 0.0014 - Loss tangent

Conductivity(전기전도도)=

- Conductivity of copper

c(광속도) = 299792458 [m/s] - Light velocity

Tm(유전체 높이) = 8 [mm] - Thickness of material

Tf(구리동박의 두께) = 0.035 [mm] - Thickness of patch foil

Nu(상수) = 120 * π - Microstrip patch antenna constant

수학식 1을 이용한 Patch width(패치넓이;Wp)는 다음과 같이 구해진다,

=

=0.17229451609*0.342997170

= 0.059096531(≒59mm)

수학식 2를 이용한 유전체의 비유전율은 다음과 같다.

=

=

=

=13.38867806…

Patch length = 패치 길이 = 수학식 3

Lp =

=0.047087308968(≒47mm)

상기 실험식에서는 Wp는 59mm, Lp는 47mm로 계산되었으나, 본 발명은 패치안테나의 크기가 작기 때문에 해당 UHF대역에서의 방사를 보완하기 위하여 상부동박면(134)의 일단에서 측면으로 연장되는 측면동박면(140)을 구성하는 것이 또 하나의 특징이므로, 측면동박면(140)의 폭(Sp)을 37mm, 유전체의 높이(h)는 8mm로 구성하고, 새로운 435MHz의 공진주파수를 방사하기 위한 패치안테나의 크기는 Wp는 50mm, Lp는 44mm로 구해진다.

상술한 규격의 큐브샛용 UHF대역 패치안테나에 대하여 VSWR((Voltage Standing Wave Ratio)을 측정한 결과가 도면에 예시되어 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 패치안테나의 규격을 이용하여 실제 예측되는 VSWR 그래프를 도시한 것이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 패치안테나의 실측 VSWR을 도시한 그래프이다.

VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)은 반사에 의해 생기는 정재파의 높이의 비를 의미하는 것으로, 최대진폭과 최소 진폭의 전압의 비를 의미하는 것으로, 임피던스 정합 정도에 따라 나타나는 정재파의 최대점과 최소점의 진폭비가 다르게 되며, 비율이 낮을 수록 값이 좋게 된다.

또한, VSWR은 반사계수를 이용하여 쉽게 계산할 수 있으며, 이상적인 VSWR은 1이며, 1부터 시작해서 점점 높아지면 좋지 않게 되는 것으로 1.5이하로 설계하면 무난하다.

도 9를 참고하면, 주파수 435MHz에서 VSWR이 약 1.5로 예상되었으나, 도 10을 참고하면, 주파수 약 435MHz에서 VSWR이 1.21로 실측되어 예상값(1.5)보다 낮은 수치가 측정되었음을 알 수 있다.

그리고 본 발명의 패치안테나는 사이즈가 작기 때문에 기존의 다이폴 안테나에 추가적으로 부착되어 서브 안테나로 사용 가능하고, 다른 주파수 대역의 다이폴과 함께 다중 주파수 대역으로도 사용할 수 있음은 물론이다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

110 : PCB 112 : 나사체결홀
114 : 전원커넥터 120 : 피드홀
130 : 유전체 블록 132 : 유전체
134 : 상부동박면 136 : 하부동박면
140 : 측면동박면

Claims (5)

1. 큐브샛(CubeSat)의 측면에 부착되는 큐브샛용 UHF대역 패치안테나에 있어서,
   상기 UHF대역 패치안테나는 PCB배면에 전원커넥터가 연결되고 PCB 상면에 유전체 블록을 탑재하고 피드홀을 통하여 전원커넥터와 유전체 블록이 전기적으로 연결되게 구성한 다음, 상기 전원커넥터에 상기 큐브샛의 전원부가 연결되면 UHF대역의 주파수로 방사되게 동작하며,
   상기 유전체 블록은 길이와 폭이 다른 비정방형으로 구성하고, 유전체의 상하부면에 구리동박이 도포되어 상부동박면과 하부동박면을 구성하고, 하부동박면은 페이스트로 상기 PCB의 상면과 솔더링되어 접지면을 구성하고, 상기 상부동박면은 패치형태로 UHF대역의 주파수를 방사하도록 구성하되, 상기 유전체와 상기 유전체의 상부동박면은 동일한 크기로 구성되는 전도성 패턴으로 구성되며,
   상기 유전체는 8mm 두께의 세라믹 기판으로 16의 유전율을 갖도록 구성하고, 상기 구리동박은 상기 유전체의 상하부면에 35㎛의 두께로 도포되며,
   상기 UHF대역 패치안테나는 판형의 역 F형 안테나(PIFA:Planar Inverted-F antenna)이고,
   상기 유전체의 상부동박면에서 연장되어 상기 유전체의 측면의 일부분을 커버하는 측면동박면을 구성하고, 상기 상부동박면과 상기 측면동박면이 공진부로 동작하며,
   상기 피드홀의 피드는 0.1mm 두께의 구리 선으로 형성되는 큐브샛용 UHF대역 패치안테나.
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