직선형의 주 휩에 일정한 각도로 연결된 보조 휩을 갖는 선박용 안테나에 대해 보조 휩의 영향에 따른 안테나의 특성 변화를 조사하고, 이를 바탕으로 적절한 보조 휩을 갖는 중 단파대 선박용 휩 안테나를 설계하고자 한다. 먼저 완전 도체 평판 위에서 보조 휩의 개수, 위치, 길이 및 각도 등의 변화에 따른 안테나의 이득, 반사손실 및 복사패턴을 조사하여 보조 휩의 영향을 분석하였다. 이것을 바탕으로 안테나 구조를 결정하고, 이것을 한국해양대학교의 실습선에 설치하여, 바다 위에서 선박과 함께 안테나를 시뮬레이션을 하여 안테나의 특성을 계산하고, 입력 임피던스를 측정하여 시뮬레이션 값과 유사한 결과를 얻었다.
직선형의 주 휩에 일정한 각도로 연결된 보조 휩을 갖는 선박용 안테나에 대해 보조 휩의 영향에 따른 안테나의 특성 변화를 조사하고, 이를 바탕으로 적절한 보조 휩을 갖는 중 단파대 선박용 휩 안테나를 설계하고자 한다. 먼저 완전 도체 평판 위에서 보조 휩의 개수, 위치, 길이 및 각도 등의 변화에 따른 안테나의 이득, 반사손실 및 복사패턴을 조사하여 보조 휩의 영향을 분석하였다. 이것을 바탕으로 안테나 구조를 결정하고, 이것을 한국해양대학교의 실습선에 설치하여, 바다 위에서 선박과 함께 안테나를 시뮬레이션을 하여 안테나의 특성을 계산하고, 입력 임피던스를 측정하여 시뮬레이션 값과 유사한 결과를 얻었다.
A MF/HF marine whip antenna with side whips, which are connected at an angle with the straight main whip, has reported In this paper, the effects of side whips on the antenna are simulated by using NEC-WIN and a novel MF/HF ship antenna with side whips is designed First of all, the gain, return loss...
A MF/HF marine whip antenna with side whips, which are connected at an angle with the straight main whip, has reported In this paper, the effects of side whips on the antenna are simulated by using NEC-WIN and a novel MF/HF ship antenna with side whips is designed First of all, the gain, return loss, and radiation pattern of the antenna on infinite perfect conductor plane are simulated as function of the parameters of the side whip, such as the number, the location, the length of the side whip and the angle with the main whip. After that, the size of the antenna is decided and set up on an experimental ship in Korea Maritime University. The antenna on the ship are simulated and the simulated input impedances are good agreement with the measured results.
A MF/HF marine whip antenna with side whips, which are connected at an angle with the straight main whip, has reported In this paper, the effects of side whips on the antenna are simulated by using NEC-WIN and a novel MF/HF ship antenna with side whips is designed First of all, the gain, return loss, and radiation pattern of the antenna on infinite perfect conductor plane are simulated as function of the parameters of the side whip, such as the number, the location, the length of the side whip and the angle with the main whip. After that, the size of the antenna is decided and set up on an experimental ship in Korea Maritime University. The antenna on the ship are simulated and the simulated input impedances are good agreement with the measured results.
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문제 정의
그러므로 이후에는 보조 휩이 주 휩의 중간 부분에 설치된 상태에서의 보조 휩의 길이와 각도에 따른 변화를 조사하고자 한다.
본 논문에서는 보조 휩을 갖는 GMDSS 선박용 단파 및 중파 휩 안테나에서 보조 휩의 영향을 분석하였다. 보조 휩의 개수와 위치, 보조 휩의 길이 및 설치 각도에 따른 안테나의 이득, 반사손실, 복사패턴 등을 완전도체 평판 및 선박에 안테나가 설치되어 있는 경우에 대해 각각 시뮬레이션 하였다.
본 논문에서는 후자의 안테나 구조인 직선형의 주 휩에 일정한 각도로 연결된 보조 휩들을 갖는 선박용 안테나에서 보조 휩의 영향에 따른 안테나의 특성 변화를 조사하고 이를 바탕으로 적절한 보조 휩을 갖는 중 · 단파대 휩 안테나를 설계하고자 한다. 이를 위해, 첫째, 완전 도체 평면에 안테나가 있는 경우에 대해 보조 휩의 영향을 분석을 하였다.
제안 방법
받는다. 그러므로 주변의 영향을 없애고 안테나 고유의 특성을 조사해 보기 위해 완전 도체 평면 위에서 보조 휩의 영향을 먼저 살펴보았다. 이것은 선박에 설치된 안테나의 특성과는 차이가 나겠지만 시뮬레이션 계산시간을 단축시켜 보조 휩의 변화에 대한 안테나 특성의 변화 추세를 얻는데 유리한 점이 있다.
이를 위해, 첫째, 완전 도체 평면에 안테나가 있는 경우에 대해 보조 휩의 영향을 분석을 하였다. 두 번째로 한국해양대학교의 실험선인 해양호에 안테나를 설치한 상태에서 해양호를 근사적으로 모델링하여 안테나와 함께 시뮬레이션 하였다. 마지막으로 안테나를 해양호에 설치하여 안테나의 입력 임피던스를 측정한 결과와 시뮬레이션한 결과를 비교하였다.
두 번째로 한국해양대학교의 실험선인 해양호에 안테나를 설치한 상태에서 해양호를 근사적으로 모델링하여 안테나와 함께 시뮬레이션 하였다. 마지막으로 안테나를 해양호에 설치하여 안테나의 입력 임피던스를 측정한 결과와 시뮬레이션한 결과를 비교하였다. 구체적인 내용은 다음과 같다.
보조 휩의 개수와 위치, 보조 휩의 길이 및 설치 각도에 따른 안테나의 이득, 반사손실, 복사패턴 등을 완전도체 평판 및 선박에 안테나가 설치되어 있는 경우에 대해 각각 시뮬레이션 하였다.
보조 휩의 길이가 2.6 m, 2.3 m, 2.0 m, 1.7 m, 1.4 m 로 변할 때의 안테나의 특성 변화를 계산하여 보았다. 전반적으로 보조 휩의 길이가 길어지면서 낮은 주파수에서는 변화가 없으나 높은 주파수에서 안테나의 등가적인 길이가 길어지는 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다.
보조 휩이 어느 위치에 놓이는 것이 적절한지를 조사해보기 위해 일직선의 주 휩 안테나를 4 등분 나누어 각 위치에 4개의 보조 휩을 설치하여 안테나 특성을 시뮬레이션 하였다. 그림 3 (a)에 보조휩의 위치에 따른 안테나 이득을 나타내었다.
선박에 그림 1과 같은 안테나를 설치하여 안테나의 특성을 시뮬레이션 하였다. 일반적으로 선박에 안테나를 설치하는 위치 및 선박의 크기 등에 따라 안테나 특성이 변하게 된다.
이것의 원인을 조사하기 위해 4개의 보조 휩이 주 휩의 중간 부분에 설치되어 있는 안테나의 주휩에 유기되는 전류의 크기를 각각의 경우에 대해 비교하여 보았다. 그림 8에 선박과 완전도체 상에서의 전류분포를 주피수에 따라 계산하여 나타내었다.
이를 위해, 첫째, 완전 도체 평면에 안테나가 있는 경우에 대해 보조 휩의 영향을 분석을 하였다. 두 번째로 한국해양대학교의 실험선인 해양호에 안테나를 설치한 상태에서 해양호를 근사적으로 모델링하여 안테나와 함께 시뮬레이션 하였다.
1에 나타내었다. 주 휩의 길이 및 직경과 보조 휩의 직경은 기존에 시판되고 있는 제품을 참고로 하여 고정하였다.
휩 안테나 중간 부분에 설치된 보조 휩의 개수를 0개, 2개, 4개 및 6개로 늘여가며 안테나의 특성을 시뮬레이션 하였다. 설치하는 보조 휩은 길이 2 m인 구리막대를 사용하였다.
대상 데이터
그림 6에 시뮬레이션을 위한 해양호의 간략화된 치수 및 모델을 나타내었다. NEC-Win 프로그램을 사용하기 위해 wire grid로 모델링 할 때, 선박의 세그먼트의 길이는 30 MHz에서 0.1 파장에 해당하는 1 m의 길이로 하여 시뮬레이션을 하였다. 바다물은 유전상수 81, 도전율 5 mho/m를 갖는 무한 손실 매질로 설정을 하였으며, 안테나의 재질은 도전율이 5.
길이가 2 m인 4개의 보조 휩이 주 휩과 150°의 각도를 갖는 안테나를 그림 6과 같이 해양호에 설치하였다. 500 kHz에서 30 MHz까지의 주파수 범위에서 제작된 안테나의 입력 임피던스를 회로망분석기로 측정하여 그림 10 (a)에 나타내었다 그림 10 (b)의 시뮬레이션한 안테나 입력 임피던스와 비교하여 보면, 바다물에 대한 유전상수 및 도전율이 실제와 차이가 있고 선박에 안테나를 설치했을 때 안테나의 접지 및 주변의 철골 구조물들의 영향을 고려할 때, 시뮬레이션한 입력 임피던스는 실험결과와 잘 일치함을 알 수 있다.
1 파장에 해당하는 1 m의 길이로 하여 시뮬레이션을 하였다. 바다물은 유전상수 81, 도전율 5 mho/m를 갖는 무한 손실 매질로 설정을 하였으며, 안테나의 재질은 도전율이 5.8×107 mho/m인 구리(copper)를 사용하여 시뮬레이션을 하였다.
그러나 본 논문에서는 안테나를 설치하는 위치 및 선박의 크기 등에 따른 안테나의 특성 변화는 고려의 대상에서 제외를 하였다. 선박은 한국해양대학교의 실험선인 해양호를 모델로 하여, 선박의 크기를 고정하였으며, 안테나의 위치는 해양호의 상단부 모서리로 고정하고 시뮬레이션을 하였다. 그림 6에 시뮬레이션을 위한 해양호의 간략화된 치수 및 모델을 나타내었다.
하였다. 설치하는 보조 휩은 길이 2 m인 구리막대를 사용하였다.
이론/모형
이것은 선박에 설치된 안테나의 특성과는 차이가 나겠지만 시뮬레이션 계산시간을 단축시켜 보조 휩의 변화에 대한 안테나 특성의 변화 추세를 얻는데 유리한 점이 있다. 보조 휩의 변화에 따른 안테나 특성을 계산하기 위해 모멘트법을 사용하는 NEC-Win 소프트웨어[4]를 사용하였다.
성능/효과
(b)의 시뮬레이션한 안테나 입력 임피던스와 비교하여 보면, 바다물에 대한 유전상수 및 도전율이 실제와 차이가 있고 선박에 안테나를 설치했을 때 안테나의 접지 및 주변의 철골 구조물들의 영향을 고려할 때, 시뮬레이션한 입력 임피던스는 실험결과와 잘 일치함을 알 수 있다.
그림 3 (a)에 보조휩의 위치에 따른 안테나 이득을 나타내었다. 보조휩이 주 휩의 중간 부분인 4.9 m에 있을 때 18 MHz에서 최대 9 dB의 이득을 나타내며, 전반적으로 보조 휩이 주 휩의 중간 윗 부분에 위치 할 때가 중간 아래 부분에 위치할 때 보다 이득이 크게 나타났다. 그리고 위치에 따라 최대 이득이 생기는 주파수가 달라지는 것을 볼 수 있다.
시뮬레이션한 결과를 바탕으로 주 휩의 중간에 2 m 길이의 보조 휩을 150°정도로 4개 설치하는 것이 적절하다는 것을 알 수 있었으며, 한국해양대학교 실험선인 해양호에 장착하여 안테나의 입력 임피던스를 측정한 결과 시뮬레이션한 입력 임피던스와 유사한 특성을 얻었다.
4 m 로 변할 때의 안테나의 특성 변화를 계산하여 보았다. 전반적으로 보조 휩의 길이가 길어지면서 낮은 주파수에서는 변화가 없으나 높은 주파수에서 안테나의 등가적인 길이가 길어지는 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 즉 고주파에서 보조 휩의 길이에 영향을 받는 것을 알 수 있다.
후속연구
이러한 시뮬레이션을 바탕으로 제작된 안테나는 GMDSS용 안테나로 사용이 가능하며, 선박의 크기 및 안테나 설치 위치에 따라 안테나의 특성 변화까지 고려한 안테나 설계도 가능하므로 더욱 효과적인 안테나 개발에 응용이 될 것으로 기대된다.
참고문헌 (6)
GMDSS Handbook, International Maritime Organization, 1992
http://www.celwave.com
http://www.comrod.com
NEC-WIN Pro, version 1.1a, Nittany Scientific, Inc
Robert S., Vertical Antenna Classics, The American Radio Relay League, Inc., 1995
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