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문제 정의
- 안테 나의 반사 손실 대 역폭은 1단과 2단 구조의 MPHA 모두 광대역 특성을 보였으나, 원형 편파 대역폭의 경우 내부 단의 선로를 이용하여 전류의 크기와 위상을 조정하기가 용이한 2단 구조의 MPHA 가 보다 넓은 대역폭 특성을 보였다. 본 논문에서는 안테나 최적화 결과를 확인하기 위해서 如 =3.2의 크기를 가지는 표본 안테나를 제작하였다.
제안 방법
- 25 A 정합기(기로 동작하여 일반적으로 100~200 Q 의 값을 가지는 헬리컬 안테나의 임피던스를 50 Q의 특성 임피던스에 효과적으로 정합시켜 넓은 대역에서 좋은 정합 특성을 가지게 한다. MPHA 설계에서 급전 부위의 0.25 人 정합기 구조가 매우 중요하며 이를 확인하기 위해서 선로가 꺾이는 위치에 0~1 cm의 변화를 약 200개 주어서 반사 손실 대역폭과 원형 편파 대역폭의 민감도를 확인하여 보았다.
- MPHA의 동작 원리를 분석하기 위해서 동작 주파수인 912 MHz에서 선로에 유기된 전류를 시뮬레이션 툴을 사용하여 분석하였다. 그림 8에서 선로 길이에 따른 유기된 전류의 크기와 위상을 나타내었으며, 보다 정확한 해석을 하기 위해서 상단에 전류 분포에 대응하는 선로 위치와 외부 단과 내부 단 영역을 표시하였다.
- tan5 =0.22) 위에 인쇄한 후 종이를 그림 1(c)의 점선 방향으로 접어서 총 19개의 단편 선로로 구현하였으며 매우 얇은 스티로폼 고리 2개를 외부 단과 내부 단에 사이에 끼워서 선로의 수평 회전각의 정확도를 향상시켰다.
- 되도록 하는 RQfRetum loss Quality)와 SQfAxial ratio Quality) 함수를 첨가하였다. 결국 설계 안테나는 식 (1)과 (2)에 의해서 荫d의 반사 손실 대역폭과 원형 편파 대역폭을 가지며 대역폭 내에서 반사 손실이 거의 없이 양질의 원형 편파를 복사하는 안테나로 최적화 되게 된다.
- 있다. 반사 손실은 HP사의 8753D 회로망 분석기를 이용하여 측정하였으며 축비는 선형 안테나를 회전하여(rotating dipole) 측정한 각도에 따른 Ge 의 최대 이득과 최소 이득의 차이로부터 도출하였다. 반사 손실 대역폭은 Sn=-10 dB를 기준으로 21.
- 본 논문에서는 다각 다단 구조를 갖는 새로운 구조의 헬리컬 안테나인 MPHA를 설계하였으며, 안테나 크기, 반사 손실 대역폭, 원형 편파 대역폭, 인식영역을 설계 조건에 적합한 특성이 나오도록 안테나 구조를 Pareto 유전자 알고리즘을 이용하여 최적화 시켰다. 최적화 결과 제안한 MPHA는 우수한 반사 손실 대역폭과 원형 편파 대역폭을 가졌으며 특히 2단 구조의 최적화된 MPHA는 제한된 안테나 크기에서 높은 복사 이득으로 인하여 넓은 인식 영역을 가졌다.
- 지평면과 평행하게 위치시킨 후 0=0。~。=90。에서 최대 인식거리를 측정하였으며, 시뮬레이션 인식 영역은 동일한 조건에서 리더 안테나와 태그 안테나의 시뮬레이션 복사 이득을 이용하여 도출하였다. 제작된 안테나는 약 5.
- 다. 제안된 안테나는 급전 부분의 선로 구조가 0.25 人 정합기를 형성하여 광대역의 정합 특성을 가지며, 안테나 본체의 선로 각도가 선로에 유기되는 전류의 크기와 위상을 조정하여 광대역의 원형 편파복사 특성을 갖게 한다. 또한 선로 각도에 의해서 조정된 전류는 RFID 사용 환경의 인식 영역에 필요한 복사 패턴을 형성한다.
- 최적화 결과 제안한 MPHA는 우수한 반사 손실 대역폭과 원형 편파 대역폭을 가졌으며 특히 2단 구조의 최적화된 MPHA는 제한된 안테나 크기에서 높은 복사 이득으로 인하여 넓은 인식 영역을 가졌다. 최적화 결과를 검증하기 위해서 kr =3.2의 2단 구조의 MPHA를 유전체인 얇은 종이 위에 스트립 선로로 구현한 후 유전체를 접어서 쉽게 제작하였다. 제작된 안테나는 912 MHz에서 동작하며 21.
대상 데이터
- 함수다. BWrfid는 전 세계적인 UHF 대역의 사용주파수 860-960 MHz를 포함하며 실제 안테나 제작 오차에 따른 주파수 변동을 함께 고려한 762~ 1, 062 MHz로 설정하였다. 안테나의 효율이 고려된 반사 손실 대역폭과 원형 편파 대역폭이 설정한 BWmD 대역폭을 모두 만족시킨 경우, 추가적인 질적 평가를 위해서 반사 손실 대역폭과 원형 편파 대역폭 내의 반사 손실과 축비의 최대값이 최소가
이론/모형
- 측정된 반사손실과 축비의 값이 시뮬레이션 값과 약간 차이가 나는 것은 제작상의 오차와 유전체의 영향 때문이라고 사료된다. 또한 안테나의 효율은 Wheeler cap 효율 측정법을 사용하여 "7x18 cm3 크기의 직육면체 cap을 이용하여 측정하였다. 측정 결과 제작된 안테나는 912 MHz에서 약 91 %의 고효율로 동작하는 것을 확인하였다.
- 서 먼저 시뮬레이션 툴인 Numerical Electromagnetic Code(NEC)를 사용하여 안테나의 특성을 해석한 후, 해석된 안테나 특성을 Pareto 유전자 알고리즘에 적용하여 최적 화된 안테 나 구조를 도출하였다. MPHA 는 유연한 유전체위에 마이크스트립 선로로 구현하여 유전체를 접어서 제작할 수 있으며, 如y3.
성능/효과
- 그림 9(a)에서 반사 손실 대역폭은 1번의 꺾이는 위치에서 약 37 %, 19번의 꺾이는 위치에서 22 %의 큰 민감도를 보였으나 나머지 꺾이는 위치에서는 매우 낮은 민감도를 보였다. 그림 9(b)에서 원형 편파 대역폭은 19번의 꺾이는 위치에서만 약 29 %의 민감도를 보였으며 나머지 꺾이는 위치에서는 약 7 % 내외의 일정한 민감도를 유지하였다.
- 6보다 큰 크기에서는 2단 구조의 MPHA가 최적화 되었다. 2단 구조의 MPHA는 복사 이득이 이론적인 최대 복사 이득 값에 가까워지는 것을 확인할 수 있으며, 높은 이득에 의해서 1단 구조의 MPHA보다 인식 영역을 넓게 가졌다. 이런 최적화 결과는 안테나 크기가 약 2.
- 6 보다 큰 조건에서는 내부 단 안테나를 형성하여 제한된 안테나 크기를 보다 효율적으로 이용하였으며, 내부 단의 증가된 선로 회전수는 넓은 태그 인식에 필요한 높은 복사이득을 도출하였다. 그러므로 최적화된 안테나들 중에서 2단 구조의 MPHA는 1단 구조의 MPHA 보다 좋은 인식 영역 특성을 가짐을 확인할 수 있었다. 그림 2(b)는 1단과 2단 구조를 갖는 최적화된 MPHA의 크기에 따른 원형 편파 대역폭과 반사 손실 대역폭을 동시에 보여주고 있다.
- 안테나는 스트립 선로가 접힌 정도에 따라 x-y 평면에서 그림 1(b)의 다각 구조를 갖는 내부 단과 외부 단으로 구성되며, 외부 단에서 50 Q 동축 케이블로 급전되어 전류가 선로를 따라서 내부 단까지 흐르게 된다. 기존의 헬릭스 안테나는 수직 회전각이 항상 증가하는 반면 제안된 안테나는 수직 회전각이 증가 또는 감소하게 설계할 수 있어, 기존의 헬릭스 안테나보다 선로에 흐르는 전류의 크기와 위상을 조정하기가 용이한 구조를 갖는다. 선로에 흐르는 전류는 진행파(traveling wave)를 생성하여 안테나가 양질의 원형 편파를 복사하게 하며, 특히 수평 회전각은 전류의 수평 방향 진행 속도에 영향을 주어 원형 편파의 각속도를 조절하는 역할을 한다.
- 25 人 정합기〔기와 유사한 동작 원리를 보이며, 동작 주파수 전 대역에서 일관되게 적용되는 것을 볼 수 있다. 따라서 제안된 안테나는 급전 부근 선로 구조가 0.25 A 정합기(기로 동작하여 일반적으로 100~200 Q 의 값을 가지는 헬리컬 안테나의 임피던스를 50 Q의 특성 임피던스에 효과적으로 정합시켜 넓은 대역에서 좋은 정합 특성을 가지게 한다. MPHA 설계에서 급전 부위의 0.
- 안테나의 동작 원리를 설명하기 위해서 안테나 선로에 흐르는 전류 분포를 조사하였으며, 전류의 위상 분포를 통해서 안테나 선로에 양질의 원형 편파를 복사하기가 용이한 진행파 전류 위상 특징을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 전류 크기 분포를 통해서 급전 부위에 있는 선로가 0.25 人 정합기처럼 동작하여 100~200 Q 의 안테나 임피던스를 50 Q 의 특성 임피던스에 정합시켜 안테나가 광대역의 반사 손실 대역폭을 가지는 것을 확인하였다. 선로의 꺾이는 지점에 변화를 주어 민감도를 조사한 결과 0.
- 그림 9(b)에서 원형 편파 대역폭은 19번의 꺾이는 위치에서만 약 29 %의 민감도를 보였으며 나머지 꺾이는 위치에서는 약 7 % 내외의 일정한 민감도를 유지하였다. 민감도 분석 결과, MPHA의 1 번 꺾이는 위치는 0.25 人 정합기의 특성에 큰 영향을 줌으로 반사 손실대역폭에 매우 큰 영향을 미쳤으며 19번 꺾이는 위치는 개방된 공기와 접지면 사이의 커패시터 성분 영향 때문에 안테나 임피던스와 선로의 전류 분포에 큰 변화를 주어 반사 손실 대역폭과 원형 편파 대역폭에 큰 영향을 미쳤다.
- 반사 손실은 HP사의 8753D 회로망 분석기를 이용하여 측정하였으며 축비는 선형 안테나를 회전하여(rotating dipole) 측정한 각도에 따른 Ge 의 최대 이득과 최소 이득의 차이로부터 도출하였다. 반사 손실 대역폭은 Sn=-10 dB를 기준으로 21.4 %(850~1, 045 MHz)로 측정되어 시뮬레이션 결과인 15.8 %(904~1, 038 MHz)보다 다소 넓게 나왔으며, 원형 편파 대역폭은 축비 3 dB를 기준으로 31.9 %(780~ 1, 071 MHz)로 측정되어 시뮬레이션 결과인 33.2 %(794~1, 097 MHz)와 비슷한 대역폭에서 원형 편파를 복사하는 것으로 나타났다. 측정된 반사손실과 축비의 값이 시뮬레이션 값과 약간 차이가 나는 것은 제작상의 오차와 유전체의 영향 때문이라고 사료된다.
- 그림 7(a) 와 그림 7(b)는 각각 ©=0。, ©=90°일 때 9 방향에 따른 안테나의 복사 패턴을 나타내고 있으며, 0=0° 인 방향에서 약 6 dBi의 이득을 가지며 원활한 복사를 하는 것을 확인할 수 있다. 그림 7(c)는 제작된 안테나와 선형 안테나를 각각。=俨인 평면(x-y 평면)에 서로 마주 보게 하고, 선형 안테나를。방향으로 회전시켜 (rotating dipole) 측정한 복사 이득을 나타내며, 각 © 방향에 따른 안테나의 측정 이득 차이의 비로부터 안테나가 z 방향으로 축비가 약 2.3 dB인 원형 편파를 복사하는 것을 확인하였다.
- 25 人 정합기처럼 동작하여 100~200 Q 의 안테나 임피던스를 50 Q 의 특성 임피던스에 정합시켜 안테나가 광대역의 반사 손실 대역폭을 가지는 것을 확인하였다. 선로의 꺾이는 지점에 변화를 주어 민감도를 조사한 결과 0.25 人 정합기가 있는 선로의 첫 위치가 반사손실 대역폭에 큰 영향을 미치며, 선로의 마지막 위치가 개방된 공기와 접지면의 커패시터 성분에 영향을 주기 때문에 반사 손실 대역폭과' 원형 편파 대역폭에 큰 영향을 주었다. 제시된 민감도 분석은 안테나의 구조와 특성 관계를 보다 정확히 규명해줄 수 있었으며, 안테나의 구조 변화에 따른 특성 안정성에 중요한 연구 지침이 될 것이라고 사료된다.
- 설정된 비용 평가 함수에 기초하여 약 200번의 최적화 과정을 시행한 결과 그림 2의 최적화 안테나들을 얻을 수 있었다. 그림 2(a)는 1단과 2단 구조의 최적화 된 MPHA의 복사 이득을 인식 영역과 함께 보여주고 있으며, 점선은 제한된 크기(饥에서 얻을 수 있는 이론적인 최대 이득 값(("+2(饥)을 나타낸다 四
- 그림 2(b)는 1단과 2단 구조를 갖는 최적화된 MPHA의 크기에 따른 원형 편파 대역폭과 반사 손실 대역폭을 동시에 보여주고 있다. 안테 나의 반사 손실 대 역폭은 1단과 2단 구조의 MPHA 모두 광대역 특성을 보였으나, 원형 편파 대역폭의 경우 내부 단의 선로를 이용하여 전류의 크기와 위상을 조정하기가 용이한 2단 구조의 MPHA 가 보다 넓은 대역폭 특성을 보였다. 본 논문에서는 안테나 최적화 결과를 확인하기 위해서 如 =3.
- 측정된 안테나 특성을 토대로 MPHA를 주어진 사용 환경에 적합하게 인식영역을 최적화 시킬 수 있었으며 UHF 대역 RFID 리더 안테나에 사용이 가능하다는 것을 검증하였다. 안테나의 동작 원리를 설명하기 위해서 안테나 선로에 흐르는 전류 분포를 조사하였으며, 전류의 위상 분포를 통해서 안테나 선로에 양질의 원형 편파를 복사하기가 용이한 진행파 전류 위상 특징을 갖는 것을 확인하였다. 또한, 전류 크기 분포를 통해서 급전 부위에 있는 선로가 0.
- 2단 구조의 MPHA는 복사 이득이 이론적인 최대 복사 이득 값에 가까워지는 것을 확인할 수 있으며, 높은 이득에 의해서 1단 구조의 MPHA보다 인식 영역을 넓게 가졌다. 이런 최적화 결과는 안테나 크기가 약 2.6 보다 큰 조건에서는 내부 단 안테나를 형성하여 제한된 안테나 크기를 보다 효율적으로 이용하였으며, 내부 단의 증가된 선로 회전수는 넓은 태그 인식에 필요한 높은 복사이득을 도출하였다. 그러므로 최적화된 안테나들 중에서 2단 구조의 MPHA는 1단 구조의 MPHA 보다 좋은 인식 영역 특성을 가짐을 확인할 수 있었다.
- 측정된 인식 영역은 제작된 안테나의 y-z 평면과 다이폴 태그 안테나의 E-평면을 지평면과 평행하게 위치시킨 후 0=0。~。=90。에서 최대 인식거리를 측정하였으며, 시뮬레이션 인식 영역은 동일한 조건에서 리더 안테나와 태그 안테나의 시뮬레이션 복사 이득을 이용하여 도출하였다. 제작된 안테나는 약 5.5 探의 측정 인식 영역을 가졌으며, 측정 인식 영역은 z축 방향에서 시뮬레이션 인식 영역보다 짧게 측정되었으나 시뮬레이션 인식 영역과 매우 흡사한 측정 인식 영역을 가졌다. 그러므로 MPHA는 설정한 이상적 영역에 부합되도록 안테나 구조를 최적화 시켜 사용할 수 있으며, 실제 사용 환경에 높은 적응력을 갖는다.
- 시켰다. 최적화 결과 제안한 MPHA는 우수한 반사 손실 대역폭과 원형 편파 대역폭을 가졌으며 특히 2단 구조의 최적화된 MPHA는 제한된 안테나 크기에서 높은 복사 이득으로 인하여 넓은 인식 영역을 가졌다. 최적화 결과를 검증하기 위해서 kr =3.
- 최적화된 MPHA는 안테나 크기(好) 약 2.6을 경계로 약 2.6보다 작은 크기에서는 1단 구조의 MP- HA가 최적화 되었으며, 악 2.6보다 큰 크기에서는 2단 구조의 MPHA가 최적화 되었다. 2단 구조의 MPHA는 복사 이득이 이론적인 최대 복사 이득 값에 가까워지는 것을 확인할 수 있으며, 높은 이득에 의해서 1단 구조의 MPHA보다 인식 영역을 넓게 가졌다.
- 또한 안테나의 효율은 Wheeler cap 효율 측정법을 사용하여 "7x18 cm3 크기의 직육면체 cap을 이용하여 측정하였다. 측정 결과 제작된 안테나는 912 MHz에서 약 91 %의 고효율로 동작하는 것을 확인하였다.
- 5 !悟의 인식 영역을 가졌다. 측정된 안테나 특성을 토대로 MPHA를 주어진 사용 환경에 적합하게 인식영역을 최적화 시킬 수 있었으며 UHF 대역 RFID 리더 안테나에 사용이 가능하다는 것을 검증하였다. 안테나의 동작 원리를 설명하기 위해서 안테나 선로에 흐르는 전류 분포를 조사하였으며, 전류의 위상 분포를 통해서 안테나 선로에 양질의 원형 편파를 복사하기가 용이한 진행파 전류 위상 특징을 갖는 것을 확인하였다.
후속연구
- 25 人 정합기가 있는 선로의 첫 위치가 반사손실 대역폭에 큰 영향을 미치며, 선로의 마지막 위치가 개방된 공기와 접지면의 커패시터 성분에 영향을 주기 때문에 반사 손실 대역폭과' 원형 편파 대역폭에 큰 영향을 주었다. 제시된 민감도 분석은 안테나의 구조와 특성 관계를 보다 정확히 규명해줄 수 있었으며, 안테나의 구조 변화에 따른 특성 안정성에 중요한 연구 지침이 될 것이라고 사료된다.
- 그림 1(c)에서 급전 부위 근처의 선로의 높이(力)는 안테나임피던스 변화에 많은 영향을 미쳐 반사 손실 대역폭을 결정하는 중요한 설계변수가 되며俱 내부 단은 외부 단 내부에 존재하며 동일한 안테나 크기에서 선로의 감기는 회전수는 복사 이득을 결정하는 중요한 역할을 한다. 제안된 안테나는 안테나의 특성을 결정하는 다수의 설계변수(다수의 수직 회전각과 수평 회전각, 선로 길이)를 갖고 있기 때문에 RFID 리더 안테나의 조건인 제한된 안테나의 크기, 양질의 원형 편파, 충분한 반사 손실 대역폭, 고효율에 의한 넓은 인식 영역 특성을 도출할 수 있도록 설계변수의 최적화 과정이 필요하다.
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