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문제 정의
- 본 논문에서는 AM, FM, TDMB, GPS 수신용 전장샤크 안테나를 설계 제작하여 수신 성능을 측정하였다. AM 안테나는 샤크 안테나에 탑재 가능하도록 소형의 페라이트 턴 스타일 안테나로 설계하였다.
- 본 논문에서는 낮은 수신특성과 고가의 샤크 안테나의 단점을 향상시킨 수신 전력이 크면서도 가격경쟁력이 있는 AM/FM/TDMB/GPS 수신용 전장 샤크안테나를 설계하고 이를 제작한다.
- 하지만 whip, 폴 안테나는 자동차 외부에 돌출 되어있어 파손의 우려가 있으며, glass 안테나는AM 파장에 비해 물리적인 길이가 매우 짧고, 유전율이 높은 유리에 장착됨으로써 방사효율이 떨어지며 또한, 평면에 장착됨으로써 방송용 안테나가 가져야하는 무지향 특성이 나빠지는 단점이 있다. 본 논문에서는 턴 스타일(turn style) 이론에 의해 무지향 특성을 갖는 AM 안테나를 설계한다. 2개의 동일한 페라이트 안테나를 90도 교차하고 90도 위상차를 갖도록 급전한다 [3].
제안 방법
- 본 논문에서는 AM, FM, TDMB, GPS 수신용 전장샤크 안테나를 설계 제작하여 수신 성능을 측정하였다. AM 안테나는 샤크 안테나에 탑재 가능하도록 소형의 페라이트 턴 스타일 안테나로 설계하였다.FM 및 TDMB 안테나로 헤리컬 소자를 접은 접힌 모노폴 안테나로 제작하였다.
- AM 안테나는 샤크 안테나에 탑재 가능하도록 소형의 페라이트 턴 스타일 안테나로 설계하였다.FM 및 TDMB 안테나로 헤리컬 소자를 접은 접힌 모노폴 안테나로 제작하였다. GPS 안테나는 샤크 안테나 구조물에 용이하게 탑재되기 위하여 사다리꼴 패치로 설계하였다.
- FM, TDMB 수신용 안테나의 반사손실을 측정하였다. 이중 공진 헤리컬 모노폴 소자인 FM, TDMB수신 안테나의 반사손실 측정 결과는 <그림 10>과 같다.
- FM 및 TDMB 안테나로 헤리컬 소자를 접은 접힌 모노폴 안테나로 제작하였다. GPS 안테나는 샤크 안테나 구조물에 용이하게 탑재되기 위하여 사다리꼴 패치로 설계하였다. 패치크기를 줄이기 위하여 프랙털구조를 적용하였으며, 십자슬롯 및 급전위치를 조절하여 우회전 원편파 특성을 가지도록 하였다.
- Portable spectrum analyzer를 사용하여 AM 수신용 안테나의 수신특성을 측정하였다. <그림 7>은 제안한 AM 수신용 안테나의 각도별 수신특성이다.
- 585GHz) 안테나는 프랙털 구조 사다리꼴 마이크로스트립 패치 안테나로 설계하고 이를 제작한다. 공기층을 사용한 패치에 십자 슬롯을 부설하고 프랙털 이론을 적용하여 소형화를 유도한다[5-8]. 십자 슬롯의 가로와 세로의 비와 급전 점의 위치를 조절함으로써 GPS가 사용하는 우회전 원편파 특성을 유도한다.
- 헤리컬의 설계는 참고문헌 [4]에 나타난 설계 식을 이용하여 설계하였다. 본 논문에서는 수직은 물론 수평편파성분을 효율적으로 받기위해 헤리컬 소자를 90도 구부려 적용하였다. 이렇게 제작한 안테나는 <그림 1>에서 확인할 수 있다.
- 본 대학 연구실내에서 portable spectrum analyzer를 사용하여 제안한 FM, TDMB 수신용 안테나의 수신신호세기를 측정하였다.
- 본 연구에서는 90도 위상차가 나도록 급전하기 위하여 와 같은 회로를 적용하였다.
- 설계한 사다리꼴 패치안테나를 제작하고 이를 측정하였다. 패치의 재질은 납땜이 가능한 동판을 이용하였고, 접지 판의 재질은 샤크 안테나의 밑면으로 사용될 알루미늄이다.
- 십자 슬롯의 가로와 세로의 비와 급전 점의 위치를 조절함으로써 GPS가 사용하는 우회전 원편파 특성을 유도한다. 설계한 안테나를 제작하고 이를측 정하여 그 결과를 고찰한다.
- 공기층을 사용한 패치에 십자 슬롯을 부설하고 프랙털 이론을 적용하여 소형화를 유도한다[5-8]. 십자 슬롯의 가로와 세로의 비와 급전 점의 위치를 조절함으로써 GPS가 사용하는 우회전 원편파 특성을 유도한다. 설계한 안테나를 제작하고 이를측 정하여 그 결과를 고찰한다.
- 헤리컬의 피치를 달리할 경우이중 공진이 발생한다. 여기서는 피치를 각각 1mm3mm로 달리하여 이중 공진을 발생 시키는 방법을 사용하였다. 헤리컬의 설계는 참고문헌 [4]에 나타난 설계 식을 이용하여 설계하였다.
- 주어진 임의 크기에서 공진주파수가 가장 낮게 형성되는 프랙털로 최적화한다. 이후 슬롯을 부설하여 축비 및 반사손실 특성을 보면서 세로 및 가로길이 a, b와 급전 점의 위치를 조절하여 우회전 원편파(RHCP)를 얻도록 trade-off 설계한다. 설계는 시뮬레이션을 통하여 설계하였으며, 시뮬레이션 툴은 상용화된 Ansoft사의 HFSS v10.
- 제안한 AM 수신용 안테나가 무지향성 특성을 나타냄을 확인 할 수 있다. 제안한 안테나와 상용화 된 A사의 외장형 폴 안테나의 수신 신호세기를 비교 측정 하였다. <그림 8>과 <그림 9>는 연구된 안테나 및 A사의 외장형 폴 안테나의 AM 라디오 수신 신호세기를 실외에서 측정한 그림이다.
- 1개의 페라이트를 사용하여 턴 스타일 안테나를 구현하였을 경우, 안테나는 수평방향으로 8자의 지향특성이 나타난다. 지향성을 감소시켜 무지향 특성을 갖도록 하기 위하여 2개의 페라이트를 90도로 교차시켜 90도의 위상차를 가지게 한다.
- GPS 안테나는 샤크 안테나 구조물에 용이하게 탑재되기 위하여 사다리꼴 패치로 설계하였다. 패치크기를 줄이기 위하여 프랙털구조를 적용하였으며, 십자슬롯 및 급전위치를 조절하여 우회전 원편파 특성을 가지도록 하였다.
대상 데이터
- FM과 TDMB 수신용 안테나로는 헤리컬 모노폴안테나를 적용하였다. 헤리컬의 피치를 달리할 경우이중 공진이 발생한다.
- 본 안테나는 AM을 제외한 FM, TDMB 및 GPS는 각각 BPF와 LNA를 채택하고 있는 능동형안테나이다. 이는 미약한 신호를 저잡음 증폭시키고 더불어 케이블 손실에 의한 수신부 잡음지수의 저하를 막기 위함이다.
- 본 연구의 안테나는 4가지 밴드의 안테나를 샤크구조물 내에 장착하는 안테나이다. 장착되어야 할구조물의 크기는 75mm×164mm×70mm(폭×길이×높이)이다.
- 샤크 안테나에 내장이 가능하도록 최적화한 페라이트의 크기는 40mm×12mm(가로×세로)이다.
- 제안한 AM 라디오 수신용 턴 스타일 안테나는 2개의 방사 소자가 90도로 교차되어 샤크 안테나의 상단(에서 오른쪽)에 장착된다.
- 제안한 AM 라디오 수신용 턴 스타일 안테나는 2개의 방사 소자가 90도로 교차되어 샤크 안테나의 상단(<그림 1>에서 오른쪽)에 장착된다. 제안한 안테나는 소형화를 위하여 투자율이 높은 사각형의 페라이트를 사용하였다. 페라이트의 투자율(µ)이 클수록, 반경(a)이 굵을수록, 권선(N)이 많을수록 방사저항(R)이 증가한다.
- 설계한 사다리꼴 패치안테나를 제작하고 이를 측정하였다. 패치의 재질은 납땜이 가능한 동판을 이용하였고, 접지 판의 재질은 샤크 안테나의 밑면으로 사용될 알루미늄이다. 제작한 안테나의 측정된 반사손실 및 VSWR은 <그림 13>과 같다.
- 헤리컬 안테나의 총 길이는 약 135mm로 FM 동작 주파수대역인 100MHz 기준으로 안테나를 헤리컬 소자로 사용함으로써 전체적인 길이를 λ/4의 1/5 수준으로 감소시켰다.
데이터처리
- 이후 슬롯을 부설하여 축비 및 반사손실 특성을 보면서 세로 및 가로길이 a, b와 급전 점의 위치를 조절하여 우회전 원편파(RHCP)를 얻도록 trade-off 설계한다. 설계는 시뮬레이션을 통하여 설계하였으며, 시뮬레이션 툴은 상용화된 Ansoft사의 HFSS v10.0을 사용하였다.
이론/모형
- 여기서는 피치를 각각 1mm3mm로 달리하여 이중 공진을 발생 시키는 방법을 사용하였다. 헤리컬의 설계는 참고문헌 [4]에 나타난 설계 식을 이용하여 설계하였다. 본 논문에서는 수직은 물론 수평편파성분을 효율적으로 받기위해 헤리컬 소자를 90도 구부려 적용하였다.
성능/효과
- <그림 8>과 <그림 9>는 연구된 안테나 및 A사의 외장형 폴 안테나의 AM 라디오 수신 신호세기를 실외에서 측정한 그림이다. 970KHz를 기준으로 제안한 안테나의 수신신호세기는 -65.7dBm으로 A사의 외장형 폴 안테나의-63.5dBm과 수신 성능을 비교했을 때 그다지 뒤 떨어지지 않는 다는 것을 알 수 있다. 따라서 샤크 안테나에 탑재된 소형 안테나가 외장형 폴 안테나를 충분히 대신할 수 있다는 것을 보여주고 있다.
- 제작한 AM 안테나는 기존의 외장형 폴 안테나에 비해 소형이면서도 수신 성능이 거의 유사하게 측정되었다. FM 및 TDMB용 이중 공진 헤리컬 안테나의 수신 신호세기 최대치는 각각 -55.66dBm, -43.50dBm측정되어 기존 상용 샤크 안테나 보다 5~10dB 높게 측정되었다. GPS 안테나는 VSWR 2 : 1 기준으로135 MHz의 넓은 대역특성을 얻었다.
- <표 1>은 TDMB 대역에서 제안한 안테나(a)와 상용화된 B사(b)의 안테나의 방사 이득 및 효율을 비교 측정한 것이다. 비교 측정결과 제안한 TDMB 수신용 안테나가 평균 3dB 높게 측정되었다.
- 급전위치 c는 <그림 4>에 나타나 있으며, 슬롯 중앙에서의 거리를 변수 c로 하여 축비를 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션 결과 급전위치가 20 mm일 때의 축비의 값이 2.735dB로 가장 양호하게 나타나 그 값을 설계 값으로 정하였다.
- 시뮬레이션 결과 슬롯의 폭의 변화에 따른 반사손실의 변화는 거의 차이가 없다. 본 연구에서는 제작의 편리성을 위하여 폭을 1.
- GPS 안테나는 VSWR 2 : 1 기준으로135 MHz의 넓은 대역특성을 얻었다. 이득은 공진주파수에서 4.31dBi로 측정되어 GPS 전 대역에서 일반세라믹 패치안테나의 이득보다 3~5dB 높은 이득을 얻었다.
- 제안한 AM 수신용 안테나가 무지향성 특성을 나타냄을 확인 할 수 있다. 제안한 안테나와 상용화 된 A사의 외장형 폴 안테나의 수신 신호세기를 비교 측정 하였다.
- 제작한 AM 안테나는 기존의 외장형 폴 안테나에 비해 소형이면서도 수신 성능이 거의 유사하게 측정되었다. FM 및 TDMB용 이중 공진 헤리컬 안테나의 수신 신호세기 최대치는 각각 -55.
- 측정 결과 FM 대역, TDMB 대역에서 반사계수는 중심 주파수에서 각각 -20dB, -15dB로 우수한 특성으로 측정되었다. <표 1>은 TDMB 대역에서 제안한 안테나(a)와 상용화된 B사(b)의 안테나의 방사 이득 및 효율을 비교 측정한 것이다.
- 31dBi의 값으로 측정되었다. 표 2에서 보듯이 GPS대역에서의 안테나의 이득은 4.13~4.78dBi이며 효율은 50.41~59.49%의 양호한 특성을 보이고 있다. 축비는 중심주파수에서 2.
후속연구
- 본 연구결과는 전장용 안테나를 통합하고 동시에 소형화하는데 도움을 줄 것으로 생각한다.
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