[논문]유전자 알고리즘을 사용한 안테나 고차 변압 회로 구성과 변압 회로를 사용한 Wheeler Cap 효율 측정법

조치현; 추호성; 박익모; 강진섭

유전자 알고리즘을 사용한 안테나 고차 변압 회로 구성과 변압 회로를 사용한 Wheeler Cap 효율 측정법
On the Design of High Order Transformer Circuit Using the Genetic Algorithm and Its Application to the Wheeler Cap Measurement 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.17 no.8 = no.111, 2006년, pp.753 - 759

조치현 (홍익대학교 전자전기공학부) , 추호성 (홍익대학교 전자전기공학부) , 박익모 (아주대학교 전자공학부) , 강진섭 (한국표준과학연구원 기반표준부)

초록
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일반적으로 소형 안테나의 효율 측정에는 Wheeler cap 측정법이 많이 사용되지만 이 방법은 안테나의 동작 원리가 복잡할 경우 정확한 효율을 측정할 수 없는 단점이 있다. 그러나 고차 회로를 이용하여 안테나의 입력 임피던스를 정확히 나타낼 수 있으면 보다 정확한 안테나의 효율 측정이 가능하다. 본 논문에서는 변압기 회로를 이용하여 보다 쉽게 고차 회로를 구성할 수 있는 고차 회로 모델 구성법과 이를 최적화하는데 소요되는 시간단축과 정확성 향상을 위한 각 소자 값들의 효과적인 초기 값 설정 방법을 제안하였다. 고차 회로 모델의 각 소자 값들을 최적화하기 위해 유전자 알고리즘을 이용하였으며, 제안된 방법을 수동형 RFID 태그 안테나의 효율 측정을 통해 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, the Wheeler cap method is used to measure the efficiency of small antennas. This method often gives an unreliable efficiency when the antenna has a complicated operating principle. However, if the high-order circuit model which more closely represents the input impedance of the antenna is used in Wheeler cap method, then more accurate efficiency can be achieved. In this paper, we propose a novel method that can build the high-order circuit model using transformer circuits with the genetic algorithm(GA). To efficiently reduce the searching space in the GA and improve the convergence of the GA process, we suggest a novel scheme that finds appropriate initial values. Finally we verify the proposed method by measuring the efficiency of some passive RFID tag antennas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 각 회로의 소자 값들을 유전자 알고리즘[70을 이용하여 측정 입력 임피던스를 가능한 정확하게 묘사할 수 있도록 최적화하였다. 유전자 알고리즘은 빠른 시간 안에 비교적 넓은 조사 범위(searching space)에서 최적화 결과의 도출이 가능하지만, 해를 조사하는 범위가 본 본문에서 다루는 회로 소자 값 검출 문제와 같이 너무 큰 경우에는 초기 값에 따라 해를 찾지 못하는 경우가 발생된다.
본 논문에서는 유전자 알고리즘과 변압 고차 회로 모델을 이용하여 안테나의 입력 임피던스를 나타내는 방법과 유전자 알고리즘의 효과적인 최적화를 위해 각 소자의 초기 값 설정 방법을 제안하였다. 변압 고차 회로는 적은 수의 소자로도 안테나 입력 임피던스를 비교적 정확하게 나타낼 수 있으며 유전자 알고리즘을 통해 회로 구성에 소요되는 시간의 단축이 가능하다.
본 논문에서는 유전자 알고리즘과 변압기를 이용하여 고차 회로 모델을 구성하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 적은 수의 소자로도 비교적 정확하게 안테나의, 입력 임피던스를 나타낼 수 있으며, 고차 회로의 구성에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있다.

제안 방법

유전자 알고리즘은 빠른 시간 안에 비교적 넓은 조사 범위(searching space)에서 최적화 결과의 도출이 가능하지만, 해를 조사하는 범위가 본 본문에서 다루는 회로 소자 값 검출 문제와 같이 너무 큰 경우에는 초기 값에 따라 해를 찾지 못하는 경우가 발생된다. 따라서 고차 회로의 소자 값들의 최적화를 위해 다음과 같은 방법을 이용하여 각 소자들의 초기 값을 설정하였다.
변압 고차 회로는 적은 수의 소자로도 안테나 입력 임피던스를 비교적 정확하게 나타낼 수 있으며 유전자 알고리즘을 통해 회로 구성에 소요되는 시간의 단축이 가능하다. 복잡한 임피던스 특성을 갖는 수동형태 그 안테나의 효율 측정을 통하여 제안된 고차 회로 구성 방법을 검증하였다.
본 논문에서는 제안된 유전자 알고리즘과 변압 회로를 기초로 한 고차 회로 모델 구성법을 이용하여 UHF 대역 수동형 태그 안테나의 효율을 측정하였다. 검증에 사용된 안테나는 참고문헌 [5]의 如 = 0.
비용평가 함수는 K개의 측정된 Zmeas 데이터와 고차 회로를 이용해 계산된 富의 차이를 이용하였다. 최적화가 진행되면서 cost 값이 더 이상 변화하지 않고 수렴하면 찾은 각 소자 값을 바탕을 다시 조사 범위를 축소하여 최적화를 진행하였다.
우선 2장에서 설명한 초기 값 설정법을 이용하여 고차 회로의 각 소자 값들의 초기 값을 설정한다. 이후 자유 공간에서 측정된 안테나의 입력 임피던스를 잘 묘사할 수 있도록 초기 값을 바탕으로 유전자 알고리즘을 이용하여 각 소자 값들을 최적화한다. 최적화된 고차 회로 모델을 바탕으로 다시 cap으로 차폐 시켜 측정한 안테나의 임피던스를 묘사할 수 있도록 각 소자 값들을 최적화한다.
이용하였다. 최적화가 진행되면서 cost 값이 더 이상 변화하지 않고 수렴하면 찾은 각 소자 값을 바탕을 다시 조사 범위를 축소하여 최적화를 진행하였다. 위의 과정을 반복할수록 유전자 알고리즘을 이용한 고차 회로 모델은 더욱 정확하게 안테나의 입력 임피던스를 나타낼 수 있다.
이후 자유 공간에서 측정된 안테나의 입력 임피던스를 잘 묘사할 수 있도록 초기 값을 바탕으로 유전자 알고리즘을 이용하여 각 소자 값들을 최적화한다. 최적화된 고차 회로 모델을 바탕으로 다시 cap으로 차폐 시켜 측정한 안테나의 임피던스를 묘사할 수 있도록 각 소자 값들을 최적화한다. 구성된 자유 공간 고차 회로 모델과 차폐된 고차 회로 모델을 이용하여 각각 손실 저항과 복사 저항으로 구분한 뒤 각 저항에서 소모되는 전력의 비를 이용하여 안테나의 효율을 계산한다”
각각 실선과 점선은 측정된 안테나의 입력 임피던스와 고차 회로 모델을 이용한 임피던스이며, 두 결과가 잘 일치함을 보여준다. 측정된 입력 임피던스는 커다란 진동을 1회가지므로 1개의 변압기를 이용하여 안테나의 고차 회로를 구성하였다. 고차 회로를 구성하는 각 소자값들은 표 1에 정리하였다.

대상 데이터

검증에 사용된 안테나는 참고문헌 [5]의 如 = 0.43의 크기를 가지는 수동형 유도 결합 안테나이다. 수동형 태그의 경우 50 Q이 아닌 태그 칩의 입력 임피던스에 공액 정합되도록 설계되어 복잡한 임피던스 특성을 가지므로 정확한 안테나의 효율 측정에 많은 어려움이 있다.

데이터처리

제안된 방법은 적은 수의 소자로도 비교적 정확하게 안테나의, 입력 임피던스를 나타낼 수 있으며, 고차 회로의 구성에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있다. 제안된 고차 회로 구성법의 타당성을 검증하기 위해 복잡한 동작 원리를 가지는 수동형 RFID 태그 안테나의 효율을 측정하고 비교 . 검토하였다.

성능/효과

유전자 알고리즘과 변압 고차 회로를 이용하여 최적화된 태그 안테나의 입력 임피던스를 그림 4(a)에 나타내 었다. 각각 실선과 점선은 측정된 안테나의 입력 임피던스와 고차 회로 모델을 이용한 임피던스이며, 두 결과가 잘 일치함을 보여준다. 측정된 입력 임피던스는 커다란 진동을 1회가지므로 1개의 변압기를 이용하여 안테나의 고차 회로를 구성하였다.
단순히 입력 저항 또는 컨덕턴스를 비교하는 기존의 Wheeler cap 효율 측정 법은 안테나가 복잡한 임피던스 특성을 가질 경우에는 정확한 안테나의 효율 측정이 어려움을 보여준다. 그러나 고차 회로를 바탕으로 계산된 안테나의 효율은 비교적 정확함을 보여주며, 이는 제안된 유전자 알고리즘을 이용한 고차 회로 구성이 안테나의 입력 임피던스를 정확하게 나타내고 있음을 보여준다.
안테나의 임피던스 공 진수에 따라 추가적인 변압기를 입력단에 연결하여 쉽게 안테나의 임피던스를 나타낼 수 있다. 따라서 제안된 변압기를 이용한 고차 회로 모델은 안테나가 복잡한 임피던스 특성을 가지더라도 적은 수의 소자를 이용하여 비교적 정확하게 안테나의 임피던스를 나타낼 수 있으며, 간단한 구조로 이루어져 직관적인 회로 구성이 가능한 장점을 가지고 있다.
그림 4(b)는 안테나가 cap으로 차폐된 후 측정된 입력 임피던스와 이를 고차 회로를 이용하여 나타낸 결과이다. 점선과 실선은 각각 cap으로 차폐된 안테나의 입력 임피던스와 회로 모델의 임피던스이며, 고차 회로 모델이 차폐된 안테나의 입력 임피던스도 잘 나타내고 있음을 보여준다. 차폐된 안테나의 고차 회로 모델에서 사용된 각 소자 값들도 표 1에 정리하였다.
제안된 방법은 적은 수의 소자로도 비교적 정확하게 안테나의, 입력 임피던스를 나타낼 수 있으며, 고차 회로의 구성에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있다. 제안된 고차 회로 구성법의 타당성을 검증하기 위해 복잡한 동작 원리를 가지는 수동형 RFID 태그 안테나의 효율을 측정하고 비교 .
그림 2(d)는 식 ⑶〜(8)의 과정을 거쳐 설정된 각 소자 값들을 이용하여 입 력단에서 바라본 고차 회로 모델의 전체 입력 임피던스 특성을 나타낸다. 초기 값 설정을 이용한 고차 회로 모델의 임피던스 값과 측정 값이 비교적 유사하며 제안된 초기 값 설정 방법이 효과적임을 보여준다.

참고문헌 (9)

G. S. Smith, 'An analysis of the wheeler method for measuring the radiation efficiency of antennas', IEEE Trans. Antennas Propagt., vol. 25, pp. 552-556, Jul. 1977

상세보기
E. Newman, P. Hohley, and C. H. Walter, 'Two methods for the measurement of antenna efficiency', IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 23, pp. 457-461, Jul. 1975

상세보기
D. M. Pozar, B. Kaufman, 'Comparison of three methods for the measurement of printed antenna efficiency', IEEE Trans. Antennas Propagt., vol. 36, pp. 136-139, Jan. 1988

상세보기
H. Choo, R. Rogers, and H. Ling, 'On the Wheeler cap measurement of the efficiency of microstrip antenna', IEEE Trans. Antennas Propagt., vol. 53, pp. 2328-2332, Jul. 2005

상세보기
조치현, 추호성, 박익모, 강진섭, '개선된 Wheeler Cap 방식을 이용한 안테나 효율 측정', 한국전자파학회논문지, 17(4), pp. 317-323, 2006년 4월

원문보기 상세보기
Y. Kim, H. Ling, 'Equivalent circuit modeling of UWB antennas using a modified Cauchy method', IEEE USNC/URSI National Radio Science Meeting, Digest, p. 155, Jul. 2005
D. Goldberg, Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning, Addison Wesley, Reading, MA, 1989
Y. Rahmat-Samii, E. Michielssen, Electromagnetic Optimization by Genetic Algorithms, New York: John Wiley & Sons, 1999
조치현, 추호성, 박익모, 김영길, 'UHF 대역 수동형 RFID 태그 안테나 설계', 한국전자파학회논문지, 16(9), pp. 872-882, 2005년 9월

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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