[논문]지하 매설물 원격 관리를 위한 2.4 GHz 대역의 인쇄형 야기 안테나

박동국; 조익현; 서홍은; 윤나라; 김진영

doi:10.5515/kjkiees.2008.19.12.1360

지하 매설물 원격 관리를 위한 2.4 GHz 대역의 인쇄형 야기 안테나
A Printed Yagi Antenna Available at 2.4 GHz for Remote Management of Underground Facility 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.19 no.12 = no.139, 2008년, pp.1360 - 1366

박동국 (한국해양대학교 컴퓨터.제어.전자통신공학부) , 조익현 (한국해양대학교 컴퓨터.제어.전자통신공학부) , 서홍은 (한국해양대학교 컴퓨터.제어.전자통신공학부) , 윤나라 (한국해양대학교 컴퓨터.제어.전자통신공학부) , 김진영 (한국해양대학교 컴퓨터.제어.전자통신공학부)

초록
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본 논문에서 지하 매설물의 원격 관리에 적용이 가능한 2.45 GHz의 지표면 매입형 인쇄형 야기 안테나를 제안하였다. 안테나의 방수 및 견고성을 위해 백크라이트로 안테나를 감싸는 구조로 제작하였다. 제작된 안테나는 $2.15{\sim}2.52\;GHz$ 대역에서 이득 10 dBi로 동작하며, 시뮬레이션 결과와 유사한 결과를 나타내었다. 개발된 안테나는 지하 매설물 원격 관리를 위해 활용이 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a printed yagi-antenna available at 2.45 GHz, for the remote-management system of the underground equipment. To improve the solidity and waterproof property, the proposed antenna is coated with bakelite. The manufactured antenna is operated at $2.15{\sim}2.52\;GHz$, whose gain measures 10 dBi. These results are a little different from those of the simulated antenna, but the trend is totally similar. Developed antenna is expected to be useful in the underground facility.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 제작된 평판형 야기 안테나는 지하 매설물 관리 시스템에 사용하기 위한 것이므로, 야외에서 실재 매설된 이후의 수신 상태를 확인해 보기 위한 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 이러한 지하 매설물 원격 관리 시스템에 적용이 가능한 지표면 매입형 2.4 GHz 대역의 안테나를 개발하고자 한다. 안테나 설계 및 시뮬레 이션과 측정 결과에 대해 아래에서 자세히 기술하였다.
본 논문에서는 지하 매설물의 원격 관리를 위한 지표면 매입형 안테나로서 2.45 GHz의 인쇄형 야기 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나의 구조는 6개의 기생 소자로 구성된 평판 인쇄형 야기 안테나를 두께 2 mm의 백크라이트가 감싸는 형태로 되어있다.

가설 설정

그러나 실제로 안테나가 매설될 경우, 지표면의 습도 등의 영향에 따라 안테나의 특성에 변화가 생길 것이지만, 본 논문에서는 단지 비교적 특성 변화가 적은 구조물인 보드 블록이 안테나 위에 설치되는 경우만을 가정하여 실험을 하였다. 즉, 그림 10 (b)의 구조와 같이 두께 60 mm의 보드 블록을 수신안테나 위에 올려 보드 블록의 윗면이 지표면과 동일한 높이가 되도록 매설하여 송수신 테스트를 한결 과를 그림 12에 나타내었다.

제안 방법

016 mm인 Taconic사의 RF-35 기판을 사용하였다. 그리고 최종적인 안테나는 방수 처리 및 견고성을 높이기 위해서 백크라이트를 이용하여 차폐 처리하였다. 사용된 백크라이트의 유전율은 4.
제작된 안테나를 측정한 결과, 백크라이트가 인쇄형 야기 안테나를 감싸는 구조로 인해 안테나의 주파수 특성이 변화가 약 600 MHz 낮아지는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 이것을 감안하여 차폐 전 야기 안테나의 설계를 II장에서 설명한 방식으로 시뮬레이션을 통해 수정하여 재설계를 하였다.
25 mm이다. 또한, 각 소자의 폭은 모두 동일하게 50 Q 선폭으로 설계를 하였고, 각 소자 간의 간격은 0.15 人로 일정하게 설계를 하였다.
설계된 급전 선로를 이용하여 야기 안테나의 여기 부로 사용될 인쇄형 다이폴을 설계하였고, 그 모양을 그림 2에 나타내었다 可 그림림 3은 다이폴 안테나의 반사 손실과 이득의 시뮬레이션 결과이다. 2.
설계된 다이폴을 기본으로 야기 안테나 설계 이론을 이용해 인쇄형 야기 안테나를 설계하였다. 이러한 야기 안테나의 설계를 위해 Viezbicke의 실험치를 초기값으로 이용하여 시뮬레이션을 통해 각각의 기생 소자들의 값을 결정하였다旳~的 그림 4에 나타낸 6개의 기생 소자를 갖는 인쇄형 야기 안테나의 경우 유전율이 3.
설계를 하였다. 시뮬레이션 툴로는 Ansoft사의 HFSS와 designer를 이용하였으며, 설계 과정은 먼저 인쇄형 야기 안테나의 급전 선로를 설계한 후에. 야기 안테나의 여진기(driver)에 해당하는 인쇄형 다이폴 안테나를 설계하고, 도파기(director)를 설계하였다闵 그림 1에 인쇄형 다이폴 안테나의 급전을 위해 설계된 마이크로스트립 급전 선로의 모양을 나타내었다.
나타나야 한다. 시뮬레이션을 통해 그림 1 구조의 급전 선로를 설계하여 245 GHz에서 위상차 및 신호의 세기가 모두 근소한 차이로 원하는 값으로 설계가 되도록 하였다.
이러한 사양을 만족하는 안테나를 설계하기 위해 안테나의 모양을 평판 인쇄형 야기 안테나를 선택하였다 평판형 야기 안테나는 많은 연구 결과가 발표되었으나기构, 본 논문에서는 시뮬레이션 툴을 사용하여 설계를 하였다. 시뮬레이션 툴로는 Ansoft사의 HFSS와 designer를 이용하였으며, 설계 과정은 먼저 인쇄형 야기 안테나의 급전 선로를 설계한 후에.
제작된 안테나의 이득을 측정하기 위해 2.45 GHz 에서 동작하는 다이폴 안테나를 제작하여 원 거리 장 영역에서 수신 세기 비교를 통해 간접적으로 확인하는 방법을 사용하였다. 그림 9에 10 dBm의 송신전력에 대해 원거리 장에서 측정한 다이폴과 제작된 야기 안테나의 수신 세기를 나타내었다.

대상 데이터

설계된 안테나를 제작하기 위해 유전율이 3.5이고 높이가 1.016 mm인 Taconic사의 RF-35 기판을 사용하였다. 그리고 최종적인 안테나는 방수 처리 및 견고성을 높이기 위해서 백크라이트를 이용하여 차폐 처리하였다.
이러한 야기 안테나의 설계를 위해 Viezbicke의 실험치를 초기값으로 이용하여 시뮬레이션을 통해 각각의 기생 소자들의 값을 결정하였다旳~的 그림 4에 나타낸 6개의 기생 소자를 갖는 인쇄형 야기 안테나의 경우 유전율이 3.5이고, 높이가 1.016 mm인 때기판을 사용할 때, 시뮬레이션을 통해 최적화된 설계된 값은 a=30.25 mm, 3=27.38 mm, c=26.88 mm, d=26.25 mm이다. 또한, 각 소자의 폭은 모두 동일하게 50 Q 선폭으로 설계를 하였고, 각 소자 간의 간격은 0.
45 GHz의 인쇄형 야기 안테나를 제안하였다. 제안한 안테나의 구조는 6개의 기생 소자로 구성된 평판 인쇄형 야기 안테나를 두께 2 mm의 백크라이트가 감싸는 형태로 되어있다.

성능/효과

2.45 GHz 대역에서 반사 손실이 10 dB 이하이며, 안테나 이득은 3.6 dB를 나타내었다. 이상적인 반파장 다이폴의 안테나 이득 2.
먼저, 안테나의 중심주파수가 백크라이트 차폐에 의해 주파수가 약 600 MHz 낮아지는 것을 볼 수 있다. 그리고 차폐 후의안테나 대역폭이 측정 결과 2.13~2.52 GHz로서 약 390 MHz 대역폭을 가지고 있는 것을측정값 있었다. 시뮬레이션과 측정 값 사이에 약간의 오차가 생기는 것은 제작 공정상에서 인쇄형 야기 안테나 기판과백크라이트 간의 공극 등 제작상의 요인으로 생각되어진다.
그림 8에 나타내었다. 먼저, 안테나의 중심주파수가 백크라이트 차폐에 의해 주파수가 약 600 MHz 낮아지는 것을 볼 수 있다. 그리고 차폐 후의안테나 대역폭이 측정 결과 2.
제작된 다이폴에 비해서 약 8 dB 정도의 수신율이 좋은 것으로 측정 이 되었다. 제 작한 다이폴의 이득을 약 2 dBi 라 가정을 하면 제안된 야기 안테나의 이득은 시뮬레이션 이득과 유사한 약 10 dBi 정도 되는 것을 알 수 있다.
제안된 안테나를 시뮬레이션과 실험을 통해 안테나의 특성을 비교 분석하였으며, 제작된 안테나는 평판형 안테나로서 2.45 GHz 대역에서 이득 약 10 dB로 동작하는 것을 확인하였다. 실제 지표면에서 테스트한 결과 제작된 인쇄형 야기안테나는 지하매설물의 원격관리 시스템에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
그림 9에 10 dBm의 송신전력에 대해 원거리 장에서 측정한 다이폴과 제작된 야기 안테나의 수신 세기를 나타내었다. 제작된 다이폴에 비해서 약 8 dB 정도의 수신율이 좋은 것으로 측정 이 되었다. 제 작한 다이폴의 이득을 약 2 dBi 라 가정을 하면 제안된 야기 안테나의 이득은 시뮬레이션 이득과 유사한 약 10 dBi 정도 되는 것을 알 수 있다.
그림 7에 제작한 안테나의 모양을 나타내었다. 제작된 안테나를 측정한 결과, 백크라이트가 인쇄형 야기 안테나를 감싸는 구조로 인해 안테나의 주파수 특성이 변화가 약 600 MHz 낮아지는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 이것을 감안하여 차폐 전 야기 안테나의 설계를 II장에서 설명한 방식으로 시뮬레이션을 통해 수정하여 재설계를 하였다.

후속연구

45 GHz 대역에서 이득 약 10 dB로 동작하는 것을 확인하였다. 실제 지표면에서 테스트한 결과 제작된 인쇄형 야기안테나는 지하매설물의 원격관리 시스템에 활용이 가능할 것으로 기대된다.

참고문헌 (6)

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상세보기
C. Ha, Y. Qian, and T. Itoh, 'A modified quasi-yagi antenna with wideband characteristics in C-band', in Proc. IEEE Antenna and Propagation Society Int. Symp. Digest, vol. 3, pp. 154-157, Jul. 2001
P. P. Viezbicke, 'Yagi antenna design', NBS Tech. Note 688, National Bureau of Standards, Washington, DC., Dec. 1968
윤영중, 홍의석, 전계석, 김민준, 임영석, 정백호, 안테나 이론과 설계, 교보문고, 2000년 3월
John D. Kraus, Ronald J. Marhefka, Antenna : for All Applications, Third Edition, McGraw-Hill, 2002

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