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문제 정의
- 본 논문에서는 미지의 전파원의 위치를 추적하는 소형 방향 탐지용 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 스커트 형태로 구부러진 디스크를 로딩하여 넓은 주파수 범위에서도 복사 패턴이 찌그러지지 않고 다이폴 안테나와 유사한 도넛 모양의 복사 패턴을 가진다 또한, 다단 매칭 스터브를 삽입하여 저주파 대역에서 입력 저항과 이득을 상승시켰다.
- 비용이 증가하는 문제점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 능동 소자를 사용하지 않고 광대역에서 무지향성 복사 패턴을 가지며 복사 이득이 높은 방향 탐지용 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 200~1, 300 MHz에서 약 -5 dBi 이상의 이득을 가지며, 100° 이상의 빔 폭(Gain>-15 dBi)과 90 % 이상의 복사 효율을 가진다.
제안 방법
- 기본 구조로 사용하였다. 그러나 다이폴안테나의 경우, 안테나 표면에 1 人 이상의 전류가 흐르게 되면 부엽(side-lobe)이 형성되고, 약 1.8 人의 전류가 흐르게 되면 주 빔 방향(0=90。)에 널이 발생된다观 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 디스크 로딩을 이용하여 다이폴 안테나의 크기를 축소하고, 부엽(side lobe)과 널(null)을 동작 주파수 대역보다 높은 주파수 대역으로 이동시켜 광대역에서 도넛 모양의 복사 패턴이 형성되도록 하였다. 로딩된 디스크는 안테나의 크기를 효율적으로 줄이면서도 로딩 효과를 높이기 위해 양 끝을 스커트 형태로 구부렸고, 저주파 대역 임피던스 정합을 이루기 위해 디스크와 급전 금속 봉 사이에 다단 매칭 스터 브(multi-section matching stub)를 삽입하였다.
- 그림 1은 본 논문에서 제안된 무지향성 복사 패턴을 갖는 소형 방향 탐지용 안테나를 보여준다 제안된 안테나는 주파수와 무관하게 복사 패턴이 수평 방향(x-y 평면)에서 동일한 이득을 가지도록 다이폴안테나를 기본 구조로 사용하였다. 그러나 다이폴안테나의 경우, 안테나 표면에 1 人 이상의 전류가 흐르게 되면 부엽(side-lobe)이 형성되고, 약 1.
- 8 人의 전류가 흐르게 되면 주 빔 방향(0=90。)에 널이 발생된다观 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 디스크 로딩을 이용하여 다이폴 안테나의 크기를 축소하고, 부엽(side lobe)과 널(null)을 동작 주파수 대역보다 높은 주파수 대역으로 이동시켜 광대역에서 도넛 모양의 복사 패턴이 형성되도록 하였다. 로딩된 디스크는 안테나의 크기를 효율적으로 줄이면서도 로딩 효과를 높이기 위해 양 끝을 스커트 형태로 구부렸고, 저주파 대역 임피던스 정합을 이루기 위해 디스크와 급전 금속 봉 사이에 다단 매칭 스터 브(multi-section matching stub)를 삽입하였다. 삽입된 다단 매칭 스터브는 저주파 대역에서 입력 저항을 상승시 켜 안테나와 증폭기 사이의 임피던스 매 칭을 용이하게 한다.
- 다이폴 안테나는 동작 주파수 파장에 비해 안테나 길이가 짧아지면 입력 저항값이 급격히 하락하여 증폭 회로와 정합이 어렵고 안테나 이득도 크게 감소한 다. 이러한 문제를 해결하기 위해 주로 두꺼운 다이폴(fat dipole)岡을 사용하지만 본 논문에서는 다단매칭 스터브를 사용하여 보다 효과적으로 입력 저항값과 이득을 향상시켰다. 일점 쇄선과 점선 및 실선은 각각 얇은 다이폴 안테나(지름 0.
- 이러한 설계 조건들을 모두 만족하며 안테나를 설계하기에는 많은 어려움이 있으므로 최적화 기법을 도입하여 그림 1에서 제안된 안테나의 설계 변수들을 최적화하였다. 최적화 기법에는 최적화에 소요되는 시간이 짧으며 동시에 다수의 설계 목표를 최적화하는데 효과적인 Pareto 유전자 알고리즘'眼回을개발하여 이용하였다, 또한, FEKO EM 시뮬레이터囹 의 다양한 해석 기법들 중 MoM 해석 기법을 사용하여 안테나의 성능을 예측하고 평가하였으며, 최적하를 위해 Pareto 유전자 알고리즘에서 사용된 비용 평가 함수는 각각 다음과 같다.
- 저주파 대역 복사 패턴은 파장의 크기로 인하여 전파 무반사실에서 측정하기에 많은 어려움이 있어 야외 측정장을 구성하여 저주파 대역 복사 패턴을 측정하였다 송신단은 파워 앰프와 평균 5 dBi의이득을 가지는 다중 대역 야기 안테나四를 이용하여 구성하였다 수신단은 측정 안테나의 급전 금속 봉에 평균 이득 15 dB의 증폭기를 장착한 후 약 4 m 크기의 마스트 위에 측정 안테 나를 고정 하고 송신 단으로부터 약 200 이의 거리를 두었다. 점선과 실선은 각각 수평 방향(H-plane)과 수직 방향(E-plane) 복사 패턴을 의미한다.
- 이는 안테나 표면에 L5 M 이상의 전류가 흐르게 되어 복사 패턴이 일그러지고 부엽이크게 발생되기 때문이다. 제안된 안테나는 디스크 로딩을 이용하여 복사 패턴의 부엽과 널을 동작 주파수 대역보다 높은 주파수 대역으로 이동시켜 주빔 방향 이득을 상승시켰다.
- 제안된 안테나는 방향 탐지용 배열 안테나로 구성되므로 주변의 안테나와 일정한 공간을 확보하기 위해 디스크의 지름이 150 mtn 이하가 되어야 하며, 방향 탐지 시스템의 이동성을 높이기 위해 안테나 전체 높이는 500 mm 이 하의 크기를 가져 야 한다. 또한 급전 금속봉은 야외에서 태풍 등의 강한 바람에도 충분한 내구성을 가질 수 있도록 10 mm 이상이 되어야 하며, 다단 매칭 스터브의 크기는 급전 금속 봉에 능동 회로의 부착이 용이 하도록 75 mm 이 하의 크기를 가져야 한다.
- 방향 탐지용 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 스커트 형태로 구부러진 디스크를 로딩하여 넓은 주파수 범위에서도 복사 패턴이 찌그러지지 않고 다이폴 안테나와 유사한 도넛 모양의 복사 패턴을 가진다 또한, 다단 매칭 스터브를 삽입하여 저주파 대역에서 입력 저항과 이득을 상승시켰다. 제안된 안테 나는 동일한 공진 주파수를 가지는 60 cm 다이폴 안테나에 비해 크기가 약 1/2로 축소되었음에도 불구하고 20~700 MHz 범위에서 유사한 이득 특성을 가진다.
- 최적화하였다. 최적화 기법에는 최적화에 소요되는 시간이 짧으며 동시에 다수의 설계 목표를 최적화하는데 효과적인 Pareto 유전자 알고리즘'眼回을개발하여 이용하였다, 또한, FEKO EM 시뮬레이터囹 의 다양한 해석 기법들 중 MoM 해석 기법을 사용하여 안테나의 성능을 예측하고 평가하였으며, 최적하를 위해 Pareto 유전자 알고리즘에서 사용된 비용 평가 함수는 각각 다음과 같다.
- 보여준다. 플라스틱 케 기스를 이용하여 안테나와 능동 회로를 지지할 수 있도록 구성하였다.
대상 데이터
- 제안된 안테나는 알루미늄을 이용하여 제작되었으며, 그림 ;는 제작된 안테나의 사진을 보여준다. 플라스틱 케 기스를 이용하여 안테나와 능동 회로를 지지할 수 있도록 구성하였다.
데이터처리
- 제안된 안테나는 200~1, 300 MHz에서 약 -5 dBi 이상의 이득을 가지며, 100° 이상의 빔 폭(Gain>-15 dBi)과 90 % 이상의 복사 효율을 가진다. 제안된 안테나의 성능을 비교 . 검증하기 위해 동일한 공진 주파수를 가지는 60 cm 다이폴 안테나를 이용하였다, 제안된 안테나는 30 cm의 크기를 갖지만 20-700 MHz에서 60 cm 다이폴과 유사한 동작 특성을 보인다, 또한, 700 ~1, 300 MHz에서 다이폴 안테나는 복사 패턴이 일그러지고 주 빔 방향으로 이득이 크게 감소하지만 제안된 안테나는 다이폴 안테나와 달리 수직 방향으로 도넛 모양을 유지하며 수평 방향으로 무지향성 복사 패턴을 가진다.
이론/모형
- 일점 쇄선은 제안된 안테나와 공진 주파수가 동일한 60 cm 다이폴 안테나의 반사 손실이다. 반사 손실은 안테나를 모노폴 형태로 제작한 후 영상 법을 이용하여 측정하였다. 제작된 안테나는 약 200 MHz 부근에서 공진을 하며, 200 MHz 이상에서도 약 -2 dB의 반사 손실 특성을 보인다.
성능/효과
- 800 MHz 이상의 고주파 대역에서는 60 cm 다이폴 안테나와 달리 주 빔 방향으로 널이 발생하지 않고 복사 패턴이 크게 일그러지지 않아 약 1, 300 MHz 범위까지 방향 탐지 안테나로 충분히 활용할 수 있음을 확인하였다 또한, 제안된 안테나는 100° 이상의 빔 폭을 가져 수직 방향으로 넓은 범위에서 전파원의 수신이 가능하다. 200-1, 300 MHz 의 넓은 주파수 범위에서 -5 dBi 이상의 높은 이득을 보이며, 특히 800 MHz 이상에서는 60 cm 다이폴안테나에 비해 20 dBm 이상 높은 전력을 수신할 수 있음을 학인하였다.
- 제안된 안테 나는 동일한 공진 주파수를 가지는 60 cm 다이폴 안테나에 비해 크기가 약 1/2로 축소되었음에도 불구하고 20~700 MHz 범위에서 유사한 이득 특성을 가진다. 800 MHz 이상의 고주파 대역에서는 60 cm 다이폴 안테나와 달리 주 빔 방향으로 널이 발생하지 않고 복사 패턴이 크게 일그러지지 않아 약 1, 300 MHz 범위까지 방향 탐지 안테나로 충분히 활용할 수 있음을 확인하였다 또한, 제안된 안테나는 100° 이상의 빔 폭을 가져 수직 방향으로 넓은 범위에서 전파원의 수신이 가능하다. 200-1, 300 MHz 의 넓은 주파수 범위에서 -5 dBi 이상의 높은 이득을 보이며, 특히 800 MHz 이상에서는 60 cm 다이폴안테나에 비해 20 dBm 이상 높은 전력을 수신할 수 있음을 학인하였다.
- 제안된 안테나의 성능을 비교 . 검증하기 위해 동일한 공진 주파수를 가지는 60 cm 다이폴 안테나를 이용하였다, 제안된 안테나는 30 cm의 크기를 갖지만 20-700 MHz에서 60 cm 다이폴과 유사한 동작 특성을 보인다, 또한, 700 ~1, 300 MHz에서 다이폴 안테나는 복사 패턴이 일그러지고 주 빔 방향으로 이득이 크게 감소하지만 제안된 안테나는 다이폴 안테나와 달리 수직 방향으로 도넛 모양을 유지하며 수평 방향으로 무지향성 복사 패턴을 가진다.
- 고주파 대역 복사 패턴은 준전파 무반사실에서 광대 역 밸런叫 을 이용하여 측정 하였다, 제안된 안테나와 60 cm 다이폴 안테나는 수평 방향으로 무지향성과 유사한 복사 패턴을 가진다. 그러나 60 cm 다이폴 안테나는 수직 방향으로 부엽 이 크게 발생하여 안테나의 복사패턴이 크게 일그러지지만 제안된 안테나는 디스크 로딩을 이용하여 안테나의 복사 패턴이 도넛 모양을 유지하는 것을 학인할 수 있다.
- 제작된 안테나는 약 200 MHz 부근에서 공진을 하며, 200 MHz 이상에서도 약 -2 dB의 반사 손실 특성을 보인다. 또한, 제안된 안테나는 60 cm 다이폴 안테나와 유사한 공진주파수를 가짐에도 불구하고 안테나의 크기가 약 1/2로 축소된 것을 확인할 수 있다. 시뮬레이션과 측정 결과의 孝이는 급전 금속 봉 지름이 두꺼워 측정 장비 커넥터 와의 불연속에 기인한 것으로 사료된다.
- 디스크의 크기가 커질수록 800 MHz 부근의 주 빔 방향 이득 감소현상이 크게 개선되는 것을 볼 수 있다. 안테나의 전류는 디스크를 포함한 전체 구조에 유기되지만, 디스크에 유기된 전류들은 대칭적 분포를 가지므로 원거리장에서 대부분 상쇄되고, 급전 금속 봉에 유기된 전류만이 전파 복사에 기여한다, 따라서 디스크를 사용한 안테나는 동일한 동작 주파수를 가지는 다이폴 안테 나에 비해 안 나의 유효 길이가 축소되어 주 빔 방향에서 발생되는복사 패턴의 부엽이나 널이 억제되는 것을 확인할 수 있다.
- 제안된 안테나는 스커트 형태로 구부러진 디스크를 로딩하여 넓은 주파수 범위에서도 복사 패턴이 찌그러지지 않고 다이폴 안테나와 유사한 도넛 모양의 복사 패턴을 가진다 또한, 다단 매칭 스터브를 삽입하여 저주파 대역에서 입력 저항과 이득을 상승시켰다. 제안된 안테 나는 동일한 공진 주파수를 가지는 60 cm 다이폴 안테나에 비해 크기가 약 1/2로 축소되었음에도 불구하고 20~700 MHz 범위에서 유사한 이득 특성을 가진다. 800 MHz 이상의 고주파 대역에서는 60 cm 다이폴 안테나와 달리 주 빔 방향으로 널이 발생하지 않고 복사 패턴이 크게 일그러지지 않아 약 1, 300 MHz 범위까지 방향 탐지 안테나로 충분히 활용할 수 있음을 확인하였다 또한, 제안된 안테나는 100° 이상의 빔 폭을 가져 수직 방향으로 넓은 범위에서 전파원의 수신이 가능하다.
- 본 논문에서는 이러한 능동 소자를 사용하지 않고 광대역에서 무지향성 복사 패턴을 가지며 복사 이득이 높은 방향 탐지용 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 200~1, 300 MHz에서 약 -5 dBi 이상의 이득을 가지며, 100° 이상의 빔 폭(Gain>-15 dBi)과 90 % 이상의 복사 효율을 가진다. 제안된 안테나의 성능을 비교 .
- 점선과 실선은 각각 수평 방향(H-plane)과 수직 방향(E-plane) 복사 패턴을 의미한다. 제안된 안테나는 500 MHz 이하의 저주파 대역에서 수평 방향으로 무지향성 복사 패턴과 수평 방향으로 다이폴 안테나와 유사한 도넛 모양의 복사 패턴을 가져 방향 탐지용 안테나에 적합한 것을 확인할 수 있다.
- 이득을 의미한다. 제작된 안테나는 200 MHz 이하의 저주파 대역에서도 60 cm 다이폴 안테나와 유사한 이득 특성을 보이며, 200-1, 300 MHz에서 약 -5 dB 이상의 비교적 높은 안테나 이득을 가진다. 그러나 60 cm 다이폴 안테나의 경우, 800-1, 000 MHz에서 다른 주파수 대역에 비해 급격히 안테나이득이 저하된다.
- 8 mm, 스터브 높이 70 mm, 스터브 폭 50 nun)를 의미하며, 각 안테나들은 300 mm 의 높이를 가진다. 지름이 두꺼운 안테나가 다이폴안테나에 비해 입력 저항값이 소폭 상승하고 약 6 dB의 이득이 개선되었지만, 다단 매칭 스터브를 안테나 양 끝에 연결하면 약 12 dB 이상의 이득이 개선되고 입력 저항값도 크게 상승한 것을 확인할 수 있다.
- 최적화된 안테나는 지름 16 mm, 디스크 지름은 96 mm, 안테斗 전체 높이는 299.8 mm, 다단 매칭 스터브 크기는 61.8 mm로 설계 조건을 모두 만족하며, 최적화된 안테나의 구체적인 설계 변수는 다음과 같다: ri=80.4 rr.m, 〃=71.4 mm, 为=74 mm, w=99.6 mm, 加=19.8 mm, hi=\16.2 mm, 屈=29.2 mm, ht=25A mm, 岛=7.2 mm F.3KO를 이용한 안테나 성능 시뮬레이션 결과, 제안된 안테나는 20 MHz에서 입력 저항과 효율의 곱이 익 0.1 Q 이상의 특성을 가져 증폭 회로와 임피던스 매칭이 유리하며, 또한 200-1, 300 MHz 에서 주 빔 방향으로 약 -5 dBi 이상의 높은 이득과 90 % 이상의 복사 효율을 가지며, 20~1, 300 MHz까지 광대역의 범위에서 안테나의 수직 방향으로 복사패턴이 크게 일그러지지 않고 수평 방향으로 무지향성을 갖는다
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