[논문]FM 라디오 수신을 위한 차량용 다이버시티 안테나 설계

안승범; 노용호; 오정훈; 추호성

doi:10.5515/kjkiees.2009.20.8.761

문제 정의

본 논문에서는 FM 라디오 수신을 위한 차량용 온다이버시티 온-글래스 안테나의 채널 용량에 대하여 조사하였다. EM 시뮬레이션을 통해 두 안테나 간의 상관 계수와 채널 용량을 계산하였으며, 정확한 해석을 위해 차체를 포함하여 안테나를 복사 패턴을 해석하고 다중 페이딩 환경을 가정하였다.
본 논문에서는 세단의 후면 유리를 이용하여 다이버시티 성능을 최대화하기 위한 두 안테나 형상 및 급전 위치를 연구하였다. 먼저 시뮬레이션을 이용한 안테나의 3차원 복사 패턴을 바탕으로 두 안테나의 상관 계수와 채널 용량을 계산하였으며, 채널 환경은 비가시 영 역(NLOS: Non Line of Sight) 특성을 보이는 Rayleigh 채널로 가정하였다 叫 다이버시티 이득을 높이기 위해서는 안테나의 상관 계수가 낮아야 하며 채널 용량이 높아야 한다.
차량용 다이버시티 안테나를 설계할 때에는 FM 라디오의 효과적인 수신을 위해 안테나 간의 채널 용량이 커지도록 설계하여야 한다. 본 논문에서는 안테나의 급전 위치와 형상에 따른 채널용량을 확인하기 위해 직선형 안테나와 접힌 형태의 L자형 안테나를 사용하여 상관 계수 및 채널 용량을 시뮬레이션 하였다. 이들 안테나 간의 채널 용량을 계산하기 위해서는 채널 환경에 대한 모델링과 안테나들 사이의 상관 계수가 필요하다.

가설 설정

EM 시뮬레이션을 통해 두 안테나 간의 상관 계수와 채널 용량을 계산하였으며, 정확한 해석을 위해 차체를 포함하여 안테나를 복사 패턴을 해석하고 다중 페이딩 환경을 가정하였다. 온-글래스 안테나의 급전 위치 및 안테나 형상에 따른 채널용량의 변화를 확인하기 위해 급전 위치 및 L자형 안테나의 접힌 비율을 변화 시켜 세 가지 기본 경우에 대하여 조사하였다.
위치를 연구하였다. 먼저 시뮬레이션을 이용한 안테나의 3차원 복사 패턴을 바탕으로 두 안테나의 상관 계수와 채널 용량을 계산하였으며, 채널 환경은 비가시 영 역(NLOS: Non Line of Sight) 특성을 보이는 Rayleigh 채널로 가정하였다 叫 다이버시티 이득을 높이기 위해서는 안테나의 상관 계수가 낮아야 하며 채널 용량이 높아야 한다. 두 안테나의 급전 위치와 안테나의 접힌 길이 비에 따른 상관 계수를 구하여 온 글래스 안테나의 채널 용량 변화를 조사하였다.

제안 방법

9 MHz에서의 수신 출력을 스펙트럼 분석기(Agilent 8593A)를 이용하여 초당 3 회의 수신 출력을 측정하였다. 1.2 km 구간을 약 20 km/h 속도로 이동하며 위치에 따른 수신 세기를 비교하였다. 그림 11에서 보는 것과 같이 수신 출력은 시간에 따라 급격하게 변화하며 직선형 안테나를 통해 수신되는 출력과 L자형 안테나를 통해 수신되는 출력이 서로 다른 것을 확인할 수 있었다.
A, (이와 A丿(Q)는 각 안테나의 3차원 복사패턴을 E(Q)는 임의의 입사파를 의미한다 叫, 四 안테나의 3차원 복사 패턴을 구하기 위해 FEKO EM 시뮬레이터回를 이용하였으며, 유리에 인쇄되는 안테나 패턴은 유전 물질로 코팅된 도체 와이어로 모델링하여 정확도를 유지하면서도 시뮬레이션 계산속도를 높였다. 또한, 안테나가 장착될 차량의 크기는 대략 파장(1 人 =3 m, /=100 MHz)의 1.
두 안테나의 상관 계수를 검증하고자 FM 약 전계 지역(서울시 영등포구 여의도 일대)에서 두 안테나의 수신 출력을 측정하였다. FM 라디오 대역 중 중심 주파수에 해 당하는 99.9 MHz에서의 수신 출력을 스펙트럼 분석기(Agilent 8593A)를 이용하여 초당 3 회의 수신 출력을 측정하였다. 1.
각 안테나는 양측 면 프레임에서 급전되고, 안테나의 길이는 100 MHz에서 공진할 수 있도록 75 cm로 결정하였다. 기본 형상 안테나의 특성을 확인하기 위해 안테나의 반사 손실과 복사 패턴을 즉정하여 시뮬레이션과 비교하였다. 그림 2는 오른쪽에 위치한 안테나 1의 측정과 시뮬레이션 반사 손실로 시뮬레이션과 측정이 유사함을 확인할 수 있으며, 안테나 2는 크기와 형상이 안테나 1과 동일하여 유사한 반사 손실을 나타내었다.
직선형 안테나는 100 MHz에서 공진하도록 75 cm로 고정하였으며, L자형 안테나는 수평선로 Xi과 수직선로 趙로 구성되고 길이의 합은 75 cm로 고정하였으며, X2/M의 비율을 증가시키며 채널 용량을 관찰하였다. 두 안테나의 급전 위치 조합에 따라 세가지 안테나 기본 구조를 설정하였다. 첫 번째 기본구조는 그림 4와 같이 우측에 위치한 동일 프레임에서 두 안테나가 급전되는 형상이다.
먼저 시뮬레이션을 이용한 안테나의 3차원 복사 패턴을 바탕으로 두 안테나의 상관 계수와 채널 용량을 계산하였으며, 채널 환경은 비가시 영 역(NLOS: Non Line of Sight) 특성을 보이는 Rayleigh 채널로 가정하였다 叫 다이버시티 이득을 높이기 위해서는 안테나의 상관 계수가 낮아야 하며 채널 용량이 높아야 한다. 두 안테나의 급전 위치와 안테나의 접힌 길이 비에 따른 상관 계수를 구하여 온 글래스 안테나의 채널 용량 변화를 조사하였다. 실제 세단에 적용할 수 있는 급전 점 위치를 가지며 높은 채널 용량을 보이는 두 안테나의 형상을 실제 차량의 후면 유리에 인쇄하고 안테나의 전면방향 수직 이득을 전자파 반 무반 사실에서 측정 하였으며, 두 안테나 사이의 상관 계수 검증을 위해 야외 약 전계 지역에서 FM 방송 수신 출력을 차량 이동 중 측정하였다.
49 dBi의 높은 평균 수직이득을 보였으며, 전대역에서 -15 dBi 이상의 고른 이득을 보였다. 두 안테나의 상관 계수를 검증하고자 FM 약 전계 지역(서울시 영등포구 여의도 일대)에서 두 안테나의 수신 출력을 측정하였다. FM 라디오 대역 중 중심 주파수에 해 당하는 99.
73 dBm 으로 직선형 안테나의 평균 수신 출력보다 약 8 dB 우수하였다. 마지막으로 두 안테나의 FM 라디오 수신 출력 간의 상관 계수를 계산하였으며, 20초 구간별 상관 계수와 전체 구간의 상관 계수를 도출하였다. 구간별 상관 계수는 0.
두 안테나의 급전 위치와 안테나의 접힌 길이 비에 따른 상관 계수를 구하여 온 글래스 안테나의 채널 용량 변화를 조사하였다. 실제 세단에 적용할 수 있는 급전 점 위치를 가지며 높은 채널 용량을 보이는 두 안테나의 형상을 실제 차량의 후면 유리에 인쇄하고 안테나의 전면방향 수직 이득을 전자파 반 무반 사실에서 측정 하였으며, 두 안테나 사이의 상관 계수 검증을 위해 야외 약 전계 지역에서 FM 방송 수신 출력을 차량 이동 중 측정하였다. 측정 결과, 두 안테나의 급전점 사이의 이격거리가 커질수록 높은 채널 용량을 보였으며, 급전점의 이격거리가 일정 이상 유지되면 안테나의 편파가 채널 용량을 결정하는 중요한 요인임을 확인하였다.
온-글래스 안테나의 급전 위치 및 안테나 형상에 따른 채널용량의 변화를 확인하기 위해 급전 위치 및 L자형 안테나의 접힌 비율을 변화 시켜 세 가지 기본 경우에 대하여 조사하였다. 실제 세단에 적용할 수 있는 급전 점 위치를 보이는 안테나를 제작하여 야외 약 전계 지역에서 FM 라디오 수신 출력을 측정하였으며, 두 안테나의 상관 계수는 매우 낮은 값을 보였다. 시뮬레이션 및 측정 결과 안테나 급전 간의 거리가 채널용량을 결정하는 중요한 요소였으며, 급전간 이격거리가 일정 이상 유지될 때는 두 안테나의 편파가 달라야 높은 채널 용량을 가짐을 확인하였다.
안테나 형상 및 급전 위치에 따른 다이버시티 온- 골래스 안테나의 상관 계수와 채널 용량을 직선형 안테나와 L자형 안테나를 이용하여 확인하였다. 직선형 안테나는 100 MHz에서 공진하도록 75 cm로 고정하였으며, L자형 안테나는 수평선로 Xi과 수직선로 趙로 구성되고 길이의 합은 75 cm로 고정하였으며, X2/M의 비율을 증가시키며 채널 용량을 관찰하였다.
여기에서, nT, , 电은 송신 안테나와 수신 안테나의 개수를 의미하며, 百 는 평탄 페이딩의 정규화된 변환매트릭스를, °는 신호 대 잡음비를 나타낸다叩囚 도심 환경 해석을 위해 宜를 비 가시 영역이 존재하는 Rayleigh 채널로 모델링하여 Gaussian 랜덤 함수로 설정하였다. 입사파의 각 스펙트럼은 고도 방향으로 평균이 90°이고 분산이 30°인 Gaussian 분포를 적용하였으며, 방위 방향으로는 균일 분포를 적용하였다'두 직선형 안테나는 0.
EM 시뮬레이션을 통해 두 안테나 간의 상관 계수와 채널 용량을 계산하였으며, 정확한 해석을 위해 차체를 포함하여 안테나를 복사 패턴을 해석하고 다중 페이딩 환경을 가정하였다. 온-글래스 안테나의 급전 위치 및 안테나 형상에 따른 채널용량의 변화를 확인하기 위해 급전 위치 및 L자형 안테나의 접힌 비율을 변화 시켜 세 가지 기본 경우에 대하여 조사하였다. 실제 세단에 적용할 수 있는 급전 점 위치를 보이는 안테나를 제작하여 야외 약 전계 지역에서 FM 라디오 수신 출력을 측정하였으며, 두 안테나의 상관 계수는 매우 낮은 값을 보였다.
두 안테나는 좌 . 우측 프레임에서 급전 점어 급전점 이격거리를 최대로 유지하였고, L자형 안테나의 접힌 비율 切为를 증가시키면서 상관 계수와 채널 용량을 계산하였다. 그림 9와 같이 접힌 비율이 증가하여두 안테나의 편파가 달라질수록 안테나의 상관 계수는 낮아졌으며 채널 용량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
직선형 안테나는 100 MHz에서 공진하도록 75 cm로 고정하였으며, L자형 안테나는 수평선로 Xi과 수직선로 趙로 구성되고 길이의 합은 75 cm로 고정하였으며, X2/M의 비율을 증가시키며 채널 용량을 관찰하였다. 두 안테나의 급전 위치 조합에 따라 세가지 안테나 기본 구조를 설정하였다.
최대 채널 용량을 보이는 직선형 안테나와 L자형안테나 형상饥品=1.5)을 차량 후면 유리에 제작하고 성능을 즉정하였다. 두 안테나의 전면 방향(bore- sight direction: 0=90。, 砰°、) 수직 성분 이득은 반 무반 사실에서 측정하였으며, FM 주파수 대역인 80〜 120 MHz에서 직선형 안테나는 T7.

대상 데이터

5배 정도로 차체가 안테나의 성능에 많은 영향을 미친다. 따라서 안테나 성능의 정확한 해석을 위해서는 EM 시뮬레이션에 차체를 반드시 포함해서 해석해야 한다 卩可 해석 정확도와 해석 시간을 고려하여 약 4, 200개 mesh 수를 가지는 차량 구조체를 시뮬레이션에 포함시켰다. 그림 1은 후면 차체 mesh 구조와 안테나 형상을 보여주고 있으며, 다이버시티 안테나로 두 개의 직선형 안테나가 사용되었다.

성능/효과

6 bps/Hz 이하의 낮은 값을 나타내었다. L자형 안테나의 접힌 비율을 증가 시켜 두 안테나의 형상이 다르게 하여도 높은 상관 계수 값을 보였으며, 이는 안테나의 형상보다 안테나의 급전 위치 및 거리가 채널 용량 및 상관 계수 결정에 중요한 요소임을 의미한다. 또한 L자형 안테나의 비율이 적어져서 두 안테나의 형상이 때유사할 때 오히려 채널 용량이 높아지는 것은 두 안테나가 근접하여 생기는 상호 결합 특성으로 두 안테나의 복사 패턴이 변화하였기 때문이다.
또한, 두 안테나 간의 유사성이 낮아 직선형 안테나와 L자형 안테나의 수신 출력 경향이 다르며, 그 결과 두 안테나에 의한 지속적인 신호 수신이 가능함을 확인하였다. L자형 안테나의 평균 수신 출력은 -48.73 dBm 으로 직선형 안테나의 평균 수신 출력보다 약 8 dB 우수하였다. 마지막으로 두 안테나의 FM 라디오 수신 출력 간의 상관 계수를 계산하였으며, 20초 구간별 상관 계수와 전체 구간의 상관 계수를 도출하였다.
그림 2는 오른쪽에 위치한 안테나 1의 측정과 시뮬레이션 반사 손실로 시뮬레이션과 측정이 유사함을 확인할 수 있으며, 안테나 2는 크기와 형상이 안테나 1과 동일하여 유사한 반사 손실을 나타내었다. 두 안테나 간의 isolation을 시뮬레이션을 통해 확인하였으며, FM 전 주파수 대역에서 -32 dB 이하의 낮은 값으로 isolation 특성이 우수하였다. 그림 3은 두 안테나의 azimuth 방향(0=90。, 庆衡)에서의 복사 패턴을 의미하며 실선은 측정 결과를 점선은 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
5)을 차량 후면 유리에 제작하고 성능을 즉정하였다. 두 안테나의 전면 방향(bore- sight direction: 0=90。, 砰°、) 수직 성분 이득은 반 무반 사실에서 측정하였으며, FM 주파수 대역인 80〜 120 MHz에서 직선형 안테나는 T7.44 dBi의 평균 수직이 득을 보였으나, 95 MHz에서 이득이 -40 dBi 정도로 급격히 감소하는 부분을 보였다. 반면 L자형 안테나는 -9.
그림 11에서 보는 것과 같이 수신 출력은 시간에 따라 급격하게 변화하며 직선형 안테나를 통해 수신되는 출력과 L자형 안테나를 통해 수신되는 출력이 서로 다른 것을 확인할 수 있었다. 또한, 두 안테나 간의 유사성이 낮아 직선형 안테나와 L자형 안테나의 수신 출력 경향이 다르며, 그 결과 두 안테나에 의한 지속적인 신호 수신이 가능함을 확인하였다. L자형 안테나의 평균 수신 출력은 -48.
그림 3(a)와 (b) 는 우측 안테나의 복사 패턴으로 각각 수직 편파 이득과 수평 편파 이득을 의미하며, 측정과 시뮬레이션 결과가 유사함을 알 수 있다. 수직 편파 이득은 무지향성 특성을 보이며 수평 편파 이득보다 약 10 dB 높은 특성을 보였다. 그림 3(c) 와 (d) 는 좌측 안테나의 수직 편파 복사 패턴과 수평편파 복사 패턴으로 좌측 안테나와 동일하게 수직편파 이득이 수평 편파 이득보다 높음을 확인할 수 있다.
첫 번째 기본구조는 그림 4와 같이 우측에 위치한 동일 프레임에서 두 안테나가 급전되는 형상이다. 시뮬레이션 결과 두 안테나는 0.8 이상의 높은 상관 계수 값을 보였으며, 채널 용량도 그림 5(b)와 같이 4.6 bps/Hz 이하의 낮은 값을 나타내었다. L자형 안테나의 접힌 비율을 증가 시켜 두 안테나의 형상이 다르게 하여도 높은 상관 계수 값을 보였으며, 이는 안테나의 형상보다 안테나의 급전 위치 및 거리가 채널 용량 및 상관 계수 결정에 중요한 요소임을 의미한다.
실제 세단에 적용할 수 있는 급전 점 위치를 보이는 안테나를 제작하여 야외 약 전계 지역에서 FM 라디오 수신 출력을 측정하였으며, 두 안테나의 상관 계수는 매우 낮은 값을 보였다. 시뮬레이션 및 측정 결과 안테나 급전 간의 거리가 채널용량을 결정하는 중요한 요소였으며, 급전간 이격거리가 일정 이상 유지될 때는 두 안테나의 편파가 달라야 높은 채널 용량을 가짐을 확인하였다.
65를 나타내 었다. 제안된 직선형 안테나와 L자형 안테나는 비가시 영역 페이딩 환경에서 FM 라디오 수신에 적절함을 확인하였다.
실제 세단에 적용할 수 있는 급전 점 위치를 가지며 높은 채널 용량을 보이는 두 안테나의 형상을 실제 차량의 후면 유리에 인쇄하고 안테나의 전면방향 수직 이득을 전자파 반 무반 사실에서 측정 하였으며, 두 안테나 사이의 상관 계수 검증을 위해 야외 약 전계 지역에서 FM 방송 수신 출력을 차량 이동 중 측정하였다. 측정 결과, 두 안테나의 급전점 사이의 이격거리가 커질수록 높은 채널 용량을 보였으며, 급전점의 이격거리가 일정 이상 유지되면 안테나의 편파가 채널 용량을 결정하는 중요한 요인임을 확인하였다.

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