[논문]부분방전 진단용 UHF cavity-backed 스파이럴 안테나

김한별; 김진혁; 황금철; 신재호

doi:10.5573/ieek.2012.49.12.089

[국내논문] 부분방전 진단용 UHF cavity-backed 스파이럴 안테나
UHF Cavity-backed Spiral Antenna for Partial Discharge Diagnosis 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.49 no.12, 2012년, pp.89 - 94

김한별 (동국대학교 전자전기공학부) , 김진혁 (동국대학교 전자전기공학부) , 황금철 (동국대학교 전자전기공학부) , 신재호 (동국대학교 전자전기공학부)

초록
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본 논문에서는 부분방전 진단용 UHF 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 두 개의 Archimedean 스파이럴 암 (arm) 패턴, 캐비티 (cavity), 그리고 급전용 tapered 발룬 (balun)으로 구성되어 있다. 제안된 스파이럴 안테나의 동작 대역은 0.3-1.5 GHz 이고, 두 개의 스파이럴 암은 마이크로스트립 tapered 발룬 구조를 통하여 급전된다. 후면에는 이득을 향상시키기 위하여 캐비티를 부착하였다. CST사의 Microwave Studio를 이용하여 제안된 안테나의 설계 및 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 설계된 안테나의 제작 및 측정을 통하여 성능을 검증하였다. 제작된 안테나는 측정된 모든 주파수에서 +z축 방향으로 지향성이 나타났고, 최대이득은 9.92 dBi 이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a UHF cavity-backed spiral antenna for partial discharge diagnosis is proposed. The proposed antenna consists of two-arm Archimedean spiral, a cavity, and a balun for feeding. The spiral antenna is designed for 0.3-1.5 GHz operating frequency. Two spiral arms of the proposed antenna are fed by a microstrip tapered-balun. In order to enhance the gain, the cavity is located in the back side of the spiral pattern. The proposed antenna is designed and simulated using CST Microwave Studio. The designed antenna is also fabricated and tested to validate performance. The measured radiation patterns are directional to the +z-axis and measured peak gain is 9.92 dBi.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 부분방전 (partial discharge) 진단을 위해 0.3-1.5 GHz 대역에서 동작 가능한 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나 설계를 수행하였다. Archimedean 스파이럴 암 (arm) 패턴을 이용하여 두암 스파이럴 안테나를 설계하고, 마이크로스트립 타입의 tapered 발룬을 이용하여 설계한 안테나를 급전시킨다.
본 논문에서는 부분방전 진단용 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나의 설계를 수행하였다. CST사의 MWS를 이용하여 제안된 스파이럴 안테나를 설계하였고, 제작 및 측정을 통하여 안테나 특성을 검증하였다.
본 연구에서는 +z축 방향으로 지향성을 가지는 스파이럴 안테나를 설계하는 것이 목적이기 때문에, 그림 1에서 보는 것과 같이, 스파이럴 안테나의 후면에 캐비티를 배치하였다.

제안 방법

5 GHz 대역에서 동작 가능한 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나 설계를 수행하였다. Archimedean 스파이럴 암 (arm) 패턴을 이용하여 두암 스파이럴 안테나를 설계하고, 마이크로스트립 타입의 tapered 발룬을 이용하여 설계한 안테나를 급전시킨다. 또한 양방향으로 방사되는 스파이럴 안테나의 후면부에 캐비티를 부착하여, 후면으로 방사되는 전파를 억제시켜 단일 방향으로 지향성이 나타나고, 이득이 향상되도록 하였다.
본 논문에서는 부분방전 진단용 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나의 설계를 수행하였다. CST사의 MWS를 이용하여 제안된 스파이럴 안테나를 설계하였고, 제작 및 측정을 통하여 안테나 특성을 검증하였다. 설계된 안테나는 +z축 방향으로 지향성을 가지고, 최대이득이 9.
는 각각 목표 주파수 대역의 상한 주파수 및 하한 주파수를 나타낸다. 따라서, 본 연구 목표 주파수 대역에 부합하도록 f_high는 1.5 GHz, f_low는 0.3 GHz로 결정하였고, 식 (1)와 (2)를 만족하도록 r1은 1 mm, r2는 160 mm로 결정하였다.
Archimedean 스파이럴 암 (arm) 패턴을 이용하여 두암 스파이럴 안테나를 설계하고, 마이크로스트립 타입의 tapered 발룬을 이용하여 설계한 안테나를 급전시킨다. 또한 양방향으로 방사되는 스파이럴 안테나의 후면부에 캐비티를 부착하여, 후면으로 방사되는 전파를 억제시켜 단일 방향으로 지향성이 나타나고, 이득이 향상되도록 하였다.
5 GHz에서 동작하는 Archimedean 스파이럴 안테나의 설계 과정을 서술하였다. 또한 제안된 안테나를 급전시키기 위하여 마이크로스트립 tapered 발룬의 설계를 수행하였으며, 캐비티에 관한 연구도 진행하였다. Ⅲ장에서는 설계된 안테나의 제작 및 측정을 통하여 성능을 검증하였고, 마지막으로 Ⅳ장에서는 결론을 서술하였다.
그림 4는 설계된 발룬 구조를 보여주고 있다. 발룬(Balun: balance-to-unbalanced transmission line) 을 이용하여 크기는 같고 180도 위상차가 발생하는 신호가 두 스파이럴 암에 급전되도록 하였다. 설계된 발룬 입력단의 폭은 50 Ω 급전을 위하여 3.
그림 2는 스파이럴 안테나의 정면도 및 암 패턴을 보여주고 있다. 제안된 스파이럴 안테나는 Archimedean 스파이럴 패턴을 이용하여 0.3-1.5 GHz 대역에서 공진이 발생 하도록 설계되었다. 스파이럴 패턴의 시작점 암의 반지름 (r1) 과 안테나의 끝점 암의 반지름 (r2)은 각각 식 (1)과 식 (2)에 의하여 결정된다.

대상 데이터

스파이럴 안테나 및 발룬은 각각 Taconic 사의 TLY-5A 기판과 RF-35 기판으로 제작되었다. 그리고 스파이럴 안테나의 후면에 부착된 캐비티는 두께가 10 mm로 알루미늄 (aluminum) 합금으로 제작되었다.
설계된 발룬 입력단의 폭은 50 Ω 급전을 위하여 3.38 mm로 설계되었고, 출력단의 폭은 1 mm로 143 Ω 신호를 급전한다.
설계된 캐비티의 높이는 안테나의 목표 주파수 대역 (0.3-1.5 GHz) 을 고려하여 중심 주파수 부근인 0.94 GHz의 λ/4길이에 해당하는 80 mm를 선정하였다.
그림 6은 시뮬레이션을 통해 도출된 파라미터를 이용하여 제작된 cavity-backed 스파이럴 안테나와 발룬의 사진이다. 스파이럴 안테나 및 발룬은 각각 Taconic 사의 TLY-5A 기판과 RF-35 기판으로 제작되었다. 그리고 스파이럴 안테나의 후면에 부착된 캐비티는 두께가 10 mm로 알루미늄 (aluminum) 합금으로 제작되었다.
스파이럴 암 패턴은 Taconic사의 TLY-5A 기판 (εr=2.17, loss tangent=0.0009, 두께=1.1 mm) 위에 형성되어 시뮬레이션 되었다.
제안하는 발룬은 Taconic사의 RF-35 기판 (εr=3.5, loss tangent=0.0018, 두께=1.52 mm) 위에 설계되었다.
제안하는 안테나의 설계 및 시뮬레이션은 CST사의 Microwave Studio (MWS) 를 이용하여 수행하였다. Ⅱ장에서는 제안된 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나의 구조를 보여주고, 0.

성능/효과

스파이럴 안테나를 발룬으로 급전시킨 경우에 대한 시뮬레이션 결과는 그림 5에 나타내었다. 그림 3(b)와 비교하여, 발룬에 의해 급전된 스파이럴 안테나의 반사계수 특성은 저주파수 대역에서 향상되었다. 이것은 유전체 위에 설계된 tapered 발룬에서 transmission loss가 존재하고, 이것이 안테나의 반사계수에 영향을 미쳐, 안테나의 반사계수가 향상된 것이다.
측정된 방사패턴은 대칭성을 이루지는 못하나, z축 근방에서 주빔이 형성되었다. 또한 주빔의 방향이 tilt 되어 있음에도 불구하고, co-polarization과 cross-polarization의 차이가 17.9 dB (0.5 GHz), 31.64 dB (1.0 GHz), 29.92 dB (1.5 GHz)로 낮은 cross-polarization 특성을 구현하였다.
그림 7은 측정된 반사계수 및 주파수에 따른 이득을 보여주고 있다. 반사계수는 저주파 대역에서 고주파 대역으로 갈수록 하향화 되는 경향을 보였고, 0.5 GHz 이상의 대역에서는 -9.5 dB 이하로 나타났다. 측정된 이득은 0.
CST사의 MWS를 이용하여 제안된 스파이럴 안테나를 설계하였고, 제작 및 측정을 통하여 안테나 특성을 검증하였다. 설계된 안테나는 +z축 방향으로 지향성을 가지고, 최대이득이 9.92 dBi 이며, co-polarization과 cross-polarization의 차이가 17.9 dB 이상의 낮은 cross-polarization을 구현하였다. 따라서 본 논문에서 설계된 안테나는 부분방전 진단 및 방향 탐지용 안테나로서 유용하게 활용이 가능할 것이다.
그림 8은 제작된 안테나의 측정된 방사패턴을 보여 주고 있다. 측정 결과, 캐비티의 영향으로 -z축 방향으로 방사되는 LHCP (left hand circular polarization) 가 suppression되고, +z축 방향으로는 RHCP (right hand circular polarization) 가 방사된다. 측정된 방사패턴은 대칭성을 이루지는 못하나, z축 근방에서 주빔이 형성되었다.
5 dB 이하로 나타났다. 측정된 이득은 0.4-1.5 GHz 대역에서, 1.52-9.92 dBi 사이의 값으로 나타났고, 최대이득은 1.2 GHz에서 9.92 dBi 이다.

후속연구

9 dB 이상의 낮은 cross-polarization을 구현하였다. 따라서 본 논문에서 설계된 안테나는 부분방전 진단 및 방향 탐지용 안테나로서 유용하게 활용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주파수 독립 안테나를 유한한 크기로 설계하기 위해 무엇을 고려하여야 하는가?	이상적인 주파수 독립 안테나는 안테나의 크기가 무한하다고 할 때, 전체 전자기 스펙트럼 (electromagnetic spectrum) 영역에서 임피던스, 방사패턴, 편파 특성, 이득 등의 안테나 특성이 일정하게 유지 된다. 그러나 주파수 독립 안테나를 유한한 크기로 설계하기 위해서는, 목표 주파수 대역의 하한 주파수 및 상한 주파수를 고려하여 크기를 결정하고, 목표 주파수 내에서 안테나의 특성이 일정하게 유지되도록 설계해야 한다. 주파수 독립 안테나 중 하나인 스파이럴 안테나는 1957년 V.
	주파수 독립 안테나란 무엇인가?	일반적으로 안테나의 전기적인 크기 및 물리적인 크기가 고정되면 안테나의 임피던스 및 방사패턴 등이 결정되고, 사용 주파수의 범위가 제한된다. 이에 반하여 임피던스, 방사패턴 등이 광대역에서 거의 일정한 안테나를 주파수 독립 안테나 (frequency independent antenna) 라 한다. 이상적인 주파수 독립 안테나는 안테나의 크기가 무한하다고 할 때, 전체 전자기 스펙트럼 (electromagnetic spectrum) 영역에서 임피던스, 방사패턴, 편파 특성, 이득 등의 안테나 특성이 일정하게 유지 된다.
	부분방전 진단용 UHF 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나는 무엇으로 구성되는가?	본 논문에서는 부분방전 진단용 UHF 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 두 개의 Archimedean 스파이럴 암 (arm) 패턴, 캐비티 (cavity), 그리고 급전용 tapered 발룬 (balun)으로 구성되어 있다. 제안된 스파이럴 안테나의 동작 대역은 0.

참고문헌 (6)

V. H. Rumsay, "Frequency independent antenna", IRE National Convention Record, vol. 5, pp. 114-118, Mar. 1957.
W. L. Curtis, "Spiral antennas", IRE Trans. Antennas Propag., vol. 8, no. 3, pp. 298-306, May 1960.

상세보기
J. Dyson, "The equiangular spiral antenna," IRE Trans. Antennas Propag., vol. 7, no. 2, pp. 181-187, Apr. 1959.

상세보기
전남두, 신동훈, 박동철, "0.5-2 GHz 캐비티백스 파이럴 안테나 설계", 한국전자파학회논문지, 21권, 3호, 269-277쪽, 2010년 3월.
S. Shi, K. Hirasawa, and Z. N. Chen, "A dual-band cavity-backed single arm square spiral slot antenna," Proceeding of ICCEA'99, pp. 191-194, Ibaraki, Japan, 1999.
H. Nakano, K. Kikkawa, Y. Iitsuka, and J. Yamauchi, "Equiangular spiral antenna backed by a shallow cavity with absorbing strips," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 8, pp. 2742-2747, Aug. 2008.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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