[논문]선박 통신용 HF 휩 안테나의 소형화

박동국; 양규식; 정기룡; 김정창; 정성훈

doi:10.12673/jkoni.2012.16.1.035

선박 통신용 HF 휩 안테나의 소형화
Size Reduction of HF Whip Antenna for Ship Communication 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.16 no.1 = no.52, 2012년, pp.35 - 40

박동국 (한국해양대학교) , 양규식 (한국해양대학교) , 정기룡 (한국해양대학교) , 김정창 (한국해양대학교) , 정성훈 (한국해양대학교)

초록
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본 논문에서는 선박 통신용 HF 휩 안테나의 소형화 방법을 제안한다. HF 휩 안테나의 크기를 줄이기 위해 선형 휩 안테나의 끝 부분을 헬리컬 형태로 변형하였다. 상용 휩 안테나에 비해 60% 정도의 크기를 갖는 휩 안테나를 설계하였고, 상용의 휩 안테나와 변형된 휩 안테나를 사용한 통신실험을 수행하였다. 실험을 통해 제안하는 휩 안테나가 선박 통신용 상용 휩 안테나를 대체할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present the size reduction method of HF whip antenna for ship communication. To reduce the size of the HF whip, the end part of linear whip is modified to helical type. We designed the whip antenna with 60% size of the commercial whip antenna and carried out communication experiments using the commercial and the designed whip antennas. From the experimental results, we found that the proposed whip antenna can replace the commercial whip antenna for ship communication.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 HF 용 안테나로 해상용 HF 휩 안테나로 시판되고 있는 상용 제품 중 하나인 T38MK-68.4 모델(이하 ‘A 모델’로 명명함)을 기준 안테나로 하여, 전기적 특성은 비슷한 수준을 가지면서 안테나의 길이가 상용제품의 60% 정도에 해당하는 안테나를 개발하는 것이 목적이다.
본 논문에서는 요트 및 소형 선박에 사용되는 30MHz 이하의 HF 주파수 대역에서 현재 상용으로 사용되고 있는 길이 약 6.3m의 휩 안테나를 약 60% 정도의 길이로 줄일 수 있는 방법에 대해 제안하였다.
요트 및 소형 선박에서 3~30MHz의 HF(High Frequency) 주파수 대역 안테나로 현재 상용으로 사용되고 있는 안테나는 길이가 약 6m 이상의 휩 안테나가 주로 사용된다[1]. 본 논문에서는 이러한 휩 안테나의 길이를 약 60% 정도 줄일 수 있는 방법에 대해 제안하고자 한다.
본 논문에서는 휩의 중간 부분에 인덕터를 삽입하여 이미 안테나의 길이가 줄어든 상용 휩 안테나에서 좀 더 길이를 줄이기 위한 방법을 제안하고자 한다. 제안하는 방법은 선형의 휩 안테나 끝 부분 도선을 헬리컬 형태로 변형함으로서 전체적인 길이를 줄이는 방법이다.

제안 방법

본 논문에서 개발하고자 하는 안테나의 제작 및 측정을 용이하게 하기 위해 상용 A 모델 휩 안테나 구조를 일부 변형하는 방법을 사용하여 안테나를 제작하였다. 즉, 상용 A 모델 휩 안테나의 경우 그림 1(a)에서 보듯이 4개의 부분으로 나누어져 있는데, 본 논문에서 개발하고자 하는 안테나는 상용 A 모델의 휩 안테나의 위 쪽 2개의 휩 부분을 헬리컬 구조가 삽입된 형태로 대체하고, 나머지 부분은 상용 휩 안테나를 그대로 사용하였다. 안테나의 길이를 상용 A모델의 약 60% 정도로 소형화 하는 것이 목표이므로, 그림 1(b) 안테나의 경우 안테나 길이를 약 3.
그림 1의 (b) 안테나의 특성을 시뮬레이션하기 위해서는 상용 A 모델 휩 안테나의 끝부분 휩을 제외한 나머지 부분에 대한 정보가 필요하다. 그러나 그림 1 (a)의 휩 안테나에서 B 부분에 대한 정보가 부족하여 이 부분을 헬리컬 형태의 인덕터로 대체하였다. 이것은 통상적인 HF 휩 안테나에서 인덕터 로딩을 통한 안테나 길이를 소형화하는 기법으로 많이 사용되고 있기[2-4] 때문에 충분히 타당한데, 단지 충분한 자료가 없어 A 모델 휩 안테나의 외형적 치수를 근거로 추정하여 코일의 턴수를 40, 코일의 회전 반경을 6mm, 피치를 6mm으로 고정하여 시뮬레이션을 하였다.
본 논문에서 개발하고자 하는 안테나의 제작 및 측정을 용이하게 하기 위해 상용 A 모델 휩 안테나 구조를 일부 변형하는 방법을 사용하여 안테나를 제작하였다. 즉, 상용 A 모델 휩 안테나의 경우 그림 1(a)에서 보듯이 4개의 부분으로 나누어져 있는데, 본 논문에서 개발하고자 하는 안테나는 상용 A 모델의 휩 안테나의 위 쪽 2개의 휩 부분을 헬리컬 구조가 삽입된 형태로 대체하고, 나머지 부분은 상용 휩 안테나를 그대로 사용하였다.
제작된 안테나의 특성을 측정하기 위해 그림 7과같이 송신기에서 ATU를 거쳐 상용 A 모델 휩 안테나를 통해 송신하고, 일정 거리 떨어진 지점에 상용 A 모델 휩 안테나와 제작된 안테나를 통해 수신되는 신호를 각각 측정하였다. 수신 신호의 측정은 ATU를 거쳐 MS2711D 휴대용 스펙트럼 분석기를 통해 수신전력을 분석하였다. 송신을 위한 입력 신호로 일정한 톤의 신호를 인가하기 위해 일정한 세기의 톤이 발생되는 부저(buzzer)음을 사용하였다.
안테나의 물리적인 길이를 줄이는 방법으로 여러가지 방법이 있을 수 있겠으나 본 논문에서는 휩 안테나의 위 부분을 헬리컬 형태로 감아서 전체의 높이를 줄이는 방법을 사용하였다. 이것은 휩 안테나의 끝단에서 전류의 크기가 작기 때문에 끝 부분을 헬리컬 구조로 변형을 하더라도 안테나 특성 변화에 미치는 영향이 크기 않을 것이라는 판단과 일반적으로 평면 안테나인 경우 지그재그 모양의 미앤드 형태를 이용하여 소형화를 구현하는 기법을 적용한 것이다.
그러나 그림 1 (a)의 휩 안테나에서 B 부분에 대한 정보가 부족하여 이 부분을 헬리컬 형태의 인덕터로 대체하였다. 이것은 통상적인 HF 휩 안테나에서 인덕터 로딩을 통한 안테나 길이를 소형화하는 기법으로 많이 사용되고 있기[2-4] 때문에 충분히 타당한데, 단지 충분한 자료가 없어 A 모델 휩 안테나의 외형적 치수를 근거로 추정하여 코일의 턴수를 40, 코일의 회전 반경을 6mm, 피치를 6mm으로 고정하여 시뮬레이션을 하였다. 그림 2에 시뮬레이션한 입력 임피던스를 나타내었다.
본 논문에서는 휩의 중간 부분에 인덕터를 삽입하여 이미 안테나의 길이가 줄어든 상용 휩 안테나에서 좀 더 길이를 줄이기 위한 방법을 제안하고자 한다. 제안하는 방법은 선형의 휩 안테나 끝 부분 도선을 헬리컬 형태로 변형함으로서 전체적인 길이를 줄이는 방법이다. 이것은 일반적으로 평면 안테나에서 지그재그 모양의 미앤드 형태를 이용하여 소형화를 구현하는 기법[6]과 그 개념이 동일하다.
제작된 안테나의 특성을 측정하기 위해 그림 7과같이 송신기에서 ATU를 거쳐 상용 A 모델 휩 안테나를 통해 송신하고, 일정 거리 떨어진 지점에 상용 A 모델 휩 안테나와 제작된 안테나를 통해 수신되는 신호를 각각 측정하였다. 수신 신호의 측정은 ATU를 거쳐 MS2711D 휴대용 스펙트럼 분석기를 통해 수신전력을 분석하였다.

이론/모형

수신 신호의 측정은 ATU를 거쳐 MS2711D 휴대용 스펙트럼 분석기를 통해 수신전력을 분석하였다. 송신을 위한 입력 신호로 일정한 톤의 신호를 인가하기 위해 일정한 세기의 톤이 발생되는 부저(buzzer)음을 사용하였다.
안테나의 설계 및 특성을 시뮬레이션하기 위해 모멘트법을 사용하여 수치해석을 하는 NEC-Win 프로그램을 사용하였다[7]. 그림 1의 (b) 안테나의 특성을 시뮬레이션하기 위해서는 상용 A 모델 휩 안테나의 끝부분 휩을 제외한 나머지 부분에 대한 정보가 필요하다.

성능/효과

제안하는 안테나의 수신 전력이 상용 휩 안테나와 거의 유사한 값을 가지며, 9MHz, 11MHz 에서는 상용 휩 보다 더 큰 전력을 수신하고, 20MHz 이상의 주파수에서는 상용 휩에 비해 다소 수신 전력이 약한 것을 볼 수 있다. 그러나 전반적으로 본 논문에서 제안하는 안테나의 수신 전력이 상용 제품과 비슷한 수준으로서 상용 제품을 대체할 수 있으며, 크기는 상용 제품에 비해 약 60% 소형화가 되었다.
이것은 안테나 끝 부분에서 전류의 크기가 급전부에 비해 상대적으로 작기 때문에 복사패턴에 미치는 영향이 미미하기 때문이다. 단지 안테나의 이득은 안테나 끝 부분의 헬리컬 형태의 전류 벡터 성분에 의해 휩 안테나 보다 작아질 수 있는데, 시뮬레이션을 통해 약 0.3dBi 감소하는 것을 확인하였다.
소형화를 위해 휩 안테나 끝단에 헬리컬을 추가로 삽입하는 방법을 사용하였으며, 추가하는 헬리컬의 반경, 턴 수 및 피치의 조정을 통해 상용 휩 안테나와 특성 변화가 거의 없고, 길이만 60% 감소한 안테나를 구현할 수 있었다.
제안하는 안테나의 수신 전력이 상용 휩 안테나와 거의 유사한 값을 가지며, 9MHz, 11MHz 에서는 상용 휩 보다 더 큰 전력을 수신하고, 20MHz 이상의 주파수에서는 상용 휩에 비해 다소 수신 전력이 약한 것을 볼 수 있다. 그러나 전반적으로 본 논문에서 제안하는 안테나의 수신 전력이 상용 제품과 비슷한 수준으로서 상용 제품을 대체할 수 있으며, 크기는 상용 제품에 비해 약 60% 소형화가 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 안테나의 길이를 줄일 수 있는 방법은 무엇인가?	일반적으로 안테나의 길이를 줄일 수 있는 방법은 인덕터를 삽입하는 것이다. 상용 HF 휩 안테나는 대체적으로 휩의 중간 및 아래 부분에 인덕터를 삽입하여 안테나의 길이를 줄이는 방법을 사용하고 있다[2-4].
	요트용 3~30MHz 대역의 HF 안테나로는 주로 무엇을 사용하는가?	요트용 3~30MHz 대역의 HF 안테나로 대부분 휩 안테나를 사용하고 있다. 사용 주파수 대역이 매우 낮아 파장이 10 ~ 100m 이므로 길이가 약 6 ~ 8m 정도의 휩 안테나로는 전 주파수 범위에서 임피던스 정합을 할 수 없다.
	안테나의 복사 패턴이 휩안테나와 유사하게 나타나는 이유는?	안테나 끝단에 헬리컬 구조가 축 방향으로 축의 중심에서 일정한 거리를 두고 균일하게 감겨져 있으므로 안테나의 복사 패턴은 휩 안테나와 유사한 복사 패턴을 나타내며, 시뮬레이션을 통해서도 확인을 할 수 있었다. 이것은 안테나 끝 부분에서 전류의 크기가 급전부에 비해 상대적으로 작기 때문에 복사패턴에 미치는 영향이 미미하기 때문이다. 단지 안테나의 이득은 안테나 끝 부분의 헬리컬 형태의 전류 벡터 성분에 의해 휩 안테나 보다 작아질 수 있는데, 시뮬레이션을 통해 약 0.

참고문헌 (7)

http://www.glomex.it/index.asp
Ben Halpern and Raj Mittra, "Broadband whip antennas for use in HF communication", Antennas and Propag. Society Int. Symp., vol. 23, pp. 763-767, 1985.
The ARRL Handbook for radio communications, the ARRL, Inc. 86th edition, USA, 2009.
May Frank W. King, "A $20 HF Mobile Antenna," QST magazine, pp. 33-35, April 2000.
박동국, 안동훈, "보조 휩을 갖는 중단파대 선박용 휩 안테나," 한국통신학회논문지, 제28권 제1A호, pp. 41-46, 2003.
류홍균, 우종명, "미앤더 라인을 이용한 RFID 태그용 원형 루프안테나의 소형화", 한국전자파학회논문지, 제18권, 제6호, pp. 591-601, 2007.

원문보기 상세보기
NEC-WIN Pro, version 1.1a, Nittany Scientific, Inc.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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