본 논문에서는 능동주파수방식의 단거리 무선통신 기술을 이용하여 고속도로 교통관리시스템에 적용할 수 있는 교통정보 수집 및 제공용 기지국 안테나를 설계하였다. 능동 DSRC는 5.8GHz 고주파수를 중심주파수로 사용하고 있는 기술로서 전파의 직진성이 매우 강해 주행 차량간 물리적인 전파 shadowing이 발생 할 경우가 많다. 이러한 열악한 통신환경에서도 정확한 교통 정보의 수집 및 제공을 할 수 있는 안정된 통신 링크를 구성하고 다양한 차로수 및 통신반경 등 도로환경에 적용할 수 있도록 안테나의 설치위치 및 이를 고려한 빔 패턴을 설계하였다. 본 논문에서는 통신링크 환경을 고려하여 중심주파수 5.8GHz, 입력손실은 75MHz대역에서 -17dB, 축비는 1.5:1, 안테나 이득은 12.2dBi, 빔패턴은 수평반치각 $55^{\circ}$, 수직반치각 $26^{\circ}$의 특성을 갖는 $2{\times}4$배열 마이크로스트립 안테나를 설계, 제작하였으며 차량간의 물리적 조건에 따른 전파 shadowing을 피하기 위한 안테나의 최소 설치 높이는 14m로 설계하였다.
본 논문에서는 능동주파수방식의 단거리 무선통신 기술을 이용하여 고속도로 교통관리시스템에 적용할 수 있는 교통정보 수집 및 제공용 기지국 안테나를 설계하였다. 능동 DSRC는 5.8GHz 고주파수를 중심주파수로 사용하고 있는 기술로서 전파의 직진성이 매우 강해 주행 차량간 물리적인 전파 shadowing이 발생 할 경우가 많다. 이러한 열악한 통신환경에서도 정확한 교통 정보의 수집 및 제공을 할 수 있는 안정된 통신 링크를 구성하고 다양한 차로수 및 통신반경 등 도로환경에 적용할 수 있도록 안테나의 설치위치 및 이를 고려한 빔 패턴을 설계하였다. 본 논문에서는 통신링크 환경을 고려하여 중심주파수 5.8GHz, 입력손실은 75MHz대역에서 -17dB, 축비는 1.5:1, 안테나 이득은 12.2dBi, 빔패턴은 수평반치각 $55^{\circ}$, 수직반치각 $26^{\circ}$의 특성을 갖는 $2{\times}4$배열 마이크로스트립 안테나를 설계, 제작하였으며 차량간의 물리적 조건에 따른 전파 shadowing을 피하기 위한 안테나의 최소 설치 높이는 14m로 설계하였다.
This paper designed the antenna for collecting and servicing the traffic information that apply to freeway Traffic Management System, as using DSRC (Dedicated Short Range Communication). Active DSRC is the technology that is using 5.8GHz Radio Frequency to a mean Sequency and there are a lot of the ...
This paper designed the antenna for collecting and servicing the traffic information that apply to freeway Traffic Management System, as using DSRC (Dedicated Short Range Communication). Active DSRC is the technology that is using 5.8GHz Radio Frequency to a mean Sequency and there are a lot of the case occurring a physical electric wave shadowing because of the traveling straight of a electric wave. In such inferior communication environment, it constructed the stabilized communication link that can do collecting and servicing the correct traffic information and designed the beam pattern considering the establishment position of the antenna that can apply to various road environments and a communication area. By considering the communication link environment, this paper designed and manufacture the mean frequency of 5.8GHz, the input loss of -17dB in 75MHz bandwidth, the Axial ratio of 1.5:1, and $2{\times}4$ array microstrip antenna which beam pattern have the characteristic of $55^{\circ}$ horizontal half power beam width and $26^{\circ}$elevation half power beam width and the minimum establishment height of the antenna was designed as 14m for avoiding electric wave shadowing on a physical condition between vehicles
This paper designed the antenna for collecting and servicing the traffic information that apply to freeway Traffic Management System, as using DSRC (Dedicated Short Range Communication). Active DSRC is the technology that is using 5.8GHz Radio Frequency to a mean Sequency and there are a lot of the case occurring a physical electric wave shadowing because of the traveling straight of a electric wave. In such inferior communication environment, it constructed the stabilized communication link that can do collecting and servicing the correct traffic information and designed the beam pattern considering the establishment position of the antenna that can apply to various road environments and a communication area. By considering the communication link environment, this paper designed and manufacture the mean frequency of 5.8GHz, the input loss of -17dB in 75MHz bandwidth, the Axial ratio of 1.5:1, and $2{\times}4$ array microstrip antenna which beam pattern have the characteristic of $55^{\circ}$ horizontal half power beam width and $26^{\circ}$elevation half power beam width and the minimum establishment height of the antenna was designed as 14m for avoiding electric wave shadowing on a physical condition between vehicles
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문제 정의
능동DSRC는 이동하는 차량에 의한 반사파의 다 중 신호 특성을 최소로 하기 위해 우편파(RHCP : Right Hand Circular Polarization)2] 편파 특성을 갖는 안테나를 적용하도록 규정되어 있다. 마이크로 스트립 패치 안테나의 경우, 이와 같은 CP 특성[기을 갖도록 하기 위해 offset 방식, dual feed 방식 등 여러가지 방안이 제시되어 있으나, 본 논문에서는 고속도로 교통관리시스템 특성상 고속도로에 설치되는 안테나이기 때문에 바람 및 환경 요소의 방해를 최소화하기 위해 안테나 구조물의 크기를 최소화 할 수 있는 방식 중 comer truncated 방식을 선택하여 우 편파 특성을 얻도록 하였다[8]. 먼저 단일 패치 안테나 설계 형태 및 사양은<그림 4＞ 및<표 5＞와 같다.
본 논문에서는 고속도로 교통정보 수집 및 제공에 적용 가능한 차세대 고속도로 교통관리시스템 기지국용 안테나의 사양을 정하고 이 사양을 기반으로 한 배열 마이크로 스트립 안테나를 설겨｝, 제작하였다. 능동 DSRC는 현재 20 M&의 적은 대역폭을 갖고 있으며, 원형 편파를 구현해야 하므로 바람과 같은 환경요소에 대한영향을 최소화하기 위해 구현이 간단하고 안테나 크기를 줄일 수 있는 comer truncated 방식을 사용하였다.
이는 ITS 교통망 구축을 위한 능동 단거리 무선 통신(DSRC : Dedicated Short Range Communication) [4, 5]를 이용하는 차세대 고속도로 교통관리 시스 템이 된다. 본 논문에서는 현재 자동요금징수시스템에 적용되는 능동 RF DSRC 기술을 응용하여 고속도로 교통정보 수집 및 제공이 가능한 방안 중 무선통신 부분의 기지국 안테나를 설계하고자 한다. 시스템 특성을 만족시키기 위한 안테나 설계 시 고려사항으로는 안테나의 설치 높이, 전파 복사 각 도 등이고 중심주파수는 5.
제안 방법
<그림 4＞에서와 같이 우측상단과 좌측하단에 comer truncated 방식을 적용하였고 위 사양을 토대로 단일 패치 안테나를 설계하였다.
8入g로 설정하였다. 둘째로 시스템 규격에서 요구하는 빔 폭을 갖게 하 기위해서 Taylor 분포[9]를 적용하여 전송선을 설계하였으며, 이는 배열 방사 소자에 원하는 정도의 전류가 공급, 분포되게 함을 의미한다.
배열안테나를 구성하기 전 단일 패치 안테나를 설계 제작하여 축비와 입력 손실의 정도, 대역폭 등을 확인하였다. 또한, 이를 기반으로 하여 Taylor 분포를 사용하여 전력분포를 구성하였고 원하는 사양의 안테나 특성을 얻을 수 있었다. 빔 폭 및 복사 특성은 단일 복사 구조의 경우 90°내외의 특성을 갖고 2-배열 복사 구조의 경우 40~50°의 특성을 나타내었으며 4•배열 복사 구조의 경우 20~30°의 복사 특성을 나타낸바, 본 논문에서 구현하고자 하는 통신영역을 구성할 수 있었으며 축비의 경우 단일 복사구조의 경우 1 dB, 2x4 배열안테나 복사구조의 경우 1.
능동 DSRC는 현재 20 M&의 적은 대역폭을 갖고 있으며, 원형 편파를 구현해야 하므로 바람과 같은 환경요소에 대한영향을 최소화하기 위해 구현이 간단하고 안테나 크기를 줄일 수 있는 comer truncated 방식을 사용하였다. 배열안테나를 구성하기 전 단일 패치 안테나를 설계 제작하여 축비와 입력 손실의 정도, 대역폭 등을 확인하였다. 또한, 이를 기반으로 하여 Taylor 분포를 사용하여 전력분포를 구성하였고 원하는 사양의 안테나 특성을 얻을 수 있었다.
위 결과를 토대로<표 1＞과<표 3＞ 의 안테나 설계규격을 만족하기 위해서 안테나 방 사부를 배열한다. 설계 시 side lobe의 최소화를 위해 Taylor 분포를 활용하고 복사 각도를 만족하기 위해 방사 부의 수와 간격을 조절한다.
수직 빔 폭은 기지국 간 통과속도인 구간 정보 및 기 지국 통신영역 내에서의 이동속도인 지점정보에 대해 보다 정확한 결과 값을 산출하기 위해 좁은 통신 영역의 구성이 요구되어 4-배열로 구성하였으며 각 Taylor 전류 분포구성 및 이에 따른 전송선의 구성과 전체 line 및 방사 부의 형태는 다음과 같다.
위<표 3＞의 안테나 설계 규격 조건을 만족하는 배열 안테나를 구성하기 전 단계로서 단일 방사 부를 갖는 마이크로 스트립 패치 안테나［6, 기를 설계하였다. 단일 패치 안테나의 설계는 배열구조의 안테나를 설계하기 위한 우선 단계이며 설계 시 방 사부/급전 부/매칭부의 조건 및 축비(Axial ratio)를 설정하는 중요한 단계이기도 하다.
측정 방법은 소스 안테나로 다이폴을 설치한 후 표준 혼을 타겟측에 설치하여 패턴을 측정한 이후 제작된 안테나의 패턴을 측정하고 이후 안테나의 방향을 90° 회전시킨 후 다시 패턴을 측정[8]하여 축비 및 이득을 산출한다.<그림 5＞에서 알 수 있듯이 5.
대상 데이터
능동 DSRC의 중심주파수인 5.8GHz를 인수로 하여 안테나의 이득을 최대한 높이기 위해 유전율 2.5의 테프론 기판을 사용하였다. 사용한 안테나 기판의 사양은<표 4＞와 같다.
본 논문에서는 현재 자동요금징수시스템에 적용되는 능동 RF DSRC 기술을 응용하여 고속도로 교통정보 수집 및 제공이 가능한 방안 중 무선통신 부분의 기지국 안테나를 설계하고자 한다. 시스템 특성을 만족시키기 위한 안테나 설계 시 고려사항으로는 안테나의 설치 높이, 전파 복사 각 도 등이고 중심주파수는 5.8 GHz이며 대역폭은 20 MHz이다.
이론/모형
본 논문에서는 고속도로 교통정보 수집 및 제공에 적용 가능한 차세대 고속도로 교통관리시스템 기지국용 안테나의 사양을 정하고 이 사양을 기반으로 한 배열 마이크로 스트립 안테나를 설겨｝, 제작하였다. 능동 DSRC는 현재 20 M&의 적은 대역폭을 갖고 있으며, 원형 편파를 구현해야 하므로 바람과 같은 환경요소에 대한영향을 최소화하기 위해 구현이 간단하고 안테나 크기를 줄일 수 있는 comer truncated 방식을 사용하였다. 배열안테나를 구성하기 전 단일 패치 안테나를 설계 제작하여 축비와 입력 손실의 정도, 대역폭 등을 확인하였다.
안테나 이득 및 축비를 측정하기 위해 표준 혼 DBK-520을 기준으로 삼았다.
성능/효과
5 dB의 특성을 나타내었다. 그리고 유전율이 비교적 낮은 테프론 기판을 적용하여 방사 부의 크기를 확장함으로써 안테나의 이득을 최대한 높여 기지국 안테나로서의 특성을 얻을 수 있었다.
또한, 이를 기반으로 하여 Taylor 분포를 사용하여 전력분포를 구성하였고 원하는 사양의 안테나 특성을 얻을 수 있었다. 빔 폭 및 복사 특성은 단일 복사 구조의 경우 90°내외의 특성을 갖고 2-배열 복사 구조의 경우 40~50°의 특성을 나타내었으며 4•배열 복사 구조의 경우 20~30°의 복사 특성을 나타낸바, 본 논문에서 구현하고자 하는 통신영역을 구성할 수 있었으며 축비의 경우 단일 복사구조의 경우 1 dB, 2x4 배열안테나 복사구조의 경우 1.5 dB의 특성을 나타내었다. 그리고 유전율이 비교적 낮은 테프론 기판을 적용하여 방사 부의 크기를 확장함으로써 안테나의 이득을 최대한 높여 기지국 안테나로서의 특성을 얻을 수 있었다.
<그림 7>의 결과에서 알 수 있듯이 중심주파수인 5.8 GHz에서 -23 dB의 특성을 보임을 알 수 있고 설계 임피던스 매칭 목표치인 -17 dB （약1.3:1）에서 약 30 N压의 밴드 특성을 보였다.
수평반치각은 55°, 수 직반치각은 26。로써 설계 사양을 만족하였다. 입력 손실은 여러 방사 부의 공진 특성에 의거 단일 패치 안테나의 입력손실보다 광대역 특성을 보였으며, 입력손실 부분은 중심주파수에서 약 -35 dB의 특성을 보였고, 설계 사양인 -17 曲의 손실을 기준으로 약 75의 양호한 결과를 얻었다. 또한 크기는 85(W)xl50(L)로서 바람과 같은 환경요소에 영향을 줄일 수 있도록 작게 구현되었다.
제작된 안테나의 이득이 표준 혼의 이득과 비교 해 볼때 약 0.5 dB가량 상위에 있으므로 안테나의 이득은 약 12.2 dBi 가 되며 축비는 약 1.5 dB 정도의 양호한 특성이 나타났다. 수평반치각은 55°, 수 직반치각은 26。로써 설계 사양을 만족하였다.
제작된 안테나의 이득이 표준 혼의 이득과 비교 해볼 때 약 4.5 dB가량 하위에 있으므로 안테나의 이득은 약 7.2 dBi 가 되며 AE와 AH의 크기를 비교하여 축비를 산출하면 약 1 dB 정도의 양호한 특성이 나타났다.
마이크로 스트립 어레이 안테나는 주빔（m血! lobe） 에 이득을 집중시키고 원하는 빔 폭을 얻을 수 있도록 하기 위하여 각 방 사부 간의 간격 및 급전 선로의 전류 분포가 매우 중요한 설계 요소가 된다. 첫째로 방사 부의 간격은 모든 배열 방사 부의 위상이 일치할 수 있도록 동일 간격으로 구성해야 한다. 방 사부의 위상이 다를 경우 빔은 어느 한쪽으로 tilt 되기 때문에 중요한 설계요소라고 할 수 있다.
후속연구
짧은 통신영역에서는 전파상쇄가 발생하더라도 직진파의 크기가 충분히 크기 때문에 보상이 되지만 긴 통신 영역에서는 직진파의 크기가 줄어들고 반사파에 의한 전파 상쇄까지 발생하는 경우가 되면 단말기 수신감도보다 적은 전파의 크기가 되어 마치 전파가 도달하지 않는 듯한 비 통신영역(전파hole)이 발생할 수 있다. 따라서 직접 파와 반사파의 위상을 조절하여 비 통 신영역을 최소화하면서 시스템 특성을 최적화할 수 있는 종측 통신영역을 구성하기 위해 안테나의 Physical beam tilt 에 대한 다양한 시험과 안테나 설계부분에 있어 긴 통신영역에서도 전파 상쇄에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 충분한 유효 등 방성 복 사전력 (EIRP : Effective Isotropic Radiation Power) 특성 부분에 대한 추가적인 고려가 요구된다.
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