[논문]VHF-UHF 대역 블레이드 안테나의 성능 평가 및 분석

고주석; 변강일; 김기출; 주증민; 추호성

doi:10.5515/kjkiees.2013.24.10.951

[국내논문] VHF-UHF 대역 블레이드 안테나의 성능 평가 및 분석
Performance Evaluation and Analysis of a VHF-UHF Blade Antenna 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.24 no.10, 2013년, pp.951 - 957

고주석 (홍익대학교 전자전기공학부) , 변강일 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과) , 김기출 (국방과학연구소) , 주증민 (국방과학연구소) , 추호성 (홍익대학교 전자전기공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 항공기 안테나로 사용되는 블레이드 안테나의 성능 평가를 위한 항공기 블레이드 안테나의 평가 프로세스를 제안하였다. 평가 프로세스에 사용된 다수의 평가 항목들은 항공기의 비행 시 안정된 통신을 위한 필수 성능 요소들을 고려하여 결정하였다. 제안된 성능 평가 프로세스는 먼저 블레이드 안테나의 그라 운드를 설정하고, 정합 성능을 평가하였다. 또한, 항공 시나리오를 고려하여 주 통신 영역을 제한하고, 주파수 대역별 요구되는 최소 복사 이득을 도출하였다. 최종적으로 제안된 성능 평가 프로세스는 실제 항공기에 운용 되는 상용 블레이드 안테나에 적용하였으며, 평가 프로세스의 결과를 바탕으로 항공기 적용 적합도를 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a performance evaluation process of aircraft blade antennas. The process consists of various sub-processes that should be considered for a stable communication link with the base station. The process begins with the settlement of the ground shape and size to evaluate the impedance matching characteristics of a stand-alone antenna. Next, the main communications area of the antenna is determined by considering a flight scenario, and then the minimum gain requirements of the antenna are derived in the operating frequency band. Finally, the proposed evaluation process is applied for a commercial aircraft blade antenna. The results demonstrate that the proposed process is suitable to be adopted for the evaluation of aircraft blade antennas.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 항공기용 블레이드 안테나 성능 평가 프로세스와 프로세스에 필요한 항목들을 제안하였다. 제안된 프로세스의 항목들은 항공기용 블레이드 안테나의 성능을 정확하게 평가하기 위한 안테나의 그라운드 설정, 정합 성능 평가, 주 통신 영역 결정, 주파수에 따른 최소 복사 이득의 항목들로 이루어져 있다.
본 논문에서는 항공기용 블레이드 안테나의 성능을 보다 정확하고 체계적으로 평가할 수 있는 항공기용 블레이드 안테나의 성능 평가 프로세스를 제안하였다. 제안된 평가 프로세스는 항공기 운항 시나리오를 고려한 성능 평가 항목으로 정합 성능뿐 아니라, 운항 시 요구되는 주파수별 최소 이득, 안테나 개별 및 탑재 시 안테나 복사 패턴, 주 통신 영역에서의 안테나 이득으로 구성되어 있다.

가설 설정

그림 2는 제안된 프로세스의 항목 중 주 통신 영역을 결정하기 위한 항공 시나리오를 보여준다. 항공기가 이륙 후 D=20 km 지점에서 base station과 통신을 시작하며, 항공기의 고도(H)는 h₁으로 가정하였다. 항공기의 최대 운항 영역은 약 200 km이내이며, 회항지점에서 r₁의 선회각(항공기가 진로를 바꿀 시 동체가 기울어지는 각도)을 가지고 선회한 후 base station으로 다시 돌아오는 시나리오로 가정한다.
항공기가 이륙 후 D=20 km 지점에서 base station과 통신을 시작하며, 항공기의 고도(H)는 h₁으로 가정하였다. 항공기의 최대 운항 영역은 약 200 km이내이며, 회항지점에서 r₁의 선회각(항공기가 진로를 바꿀 시 동체가 기울어지는 각도)을 가지고 선회한 후 base station으로 다시 돌아오는 시나리오로 가정한다. 통신을 시작하는 20 km지점에서 항공기와 base station의 가시선을 고려할 때 30°의 고각(지상 base station과 항공기 사이의 가시선과 지평선이 이루는 각도)을 가지게 되며, 항공기의 선회각 15°를 반영하면, 통신 가시선 최소 고각(elevation angle: θ_EL,L)은 θ_EL,L=-(30 + 15)°=-45°로 결정된다.

제안 방법

2장에서 정립된 안테나 성능 평가 프로세스를 사용하여, 상용 블레이드 안테나의 항공기 탑재 성능 적합도를 평가하였다. 정립된 안테나 성능 평가를 하기 위해 먼저 사용할 항공기 블레이드 안테나의 전자파 모델링을 수행하였으며, 안테나의 형상을 그림 5(a)와 (b)에 나타내었다.
탑재 안테나 성능 평가를 위해서는 항공기 운항 시나리오를 반드시 고려하여야 하며, 이를 근거로 하여 안테나의 주 통신 영역과 각 주파수 대역에 따른 최소 복사 이득을 결정한다. 개별 안테나를 항공기 구조체에 탑재하여 주 통신 영역에서의 이득 성능을 평가한다. 성능이 기준 이하일 경우 개별 안테나의 성능 튜닝 및 위치 최적화를 통해 탑재 시 안테나의 성능이 기준 값을 만족시킬 때까지 제안된 프로세스를 반복한다.
먼저 평가할 개별 안테나의 전자파 모델링을 수행하며, 이때 안테나의 정규화 된 정합 성능 및 이득 성능을 도출하기 위해 동작주파수를 고려한 안테나의 장착 그라운드를 결정한다. 결정된 그라운드를 포함한 안테나 모델링 해석을 통해 개별 안테나의 정합 성능과 이득 성능을 평가한다. 개별 안테나의 성능이 요구 기준치를 만족시키면 탑재 안테나 성능 평가의 수행을 시작한다.
다음으로 안테나를 항공기 구조체에 장착한 후 주 통신 영역에서 복사 이득을 평가하였다. 이 때 안테나의 위치는 그라운드 확보에 용이한 항공기 배면 중앙에 위치하도록 하였다.
2가 사용되었으며^[10], 해석 툴을 이용한 안테나의 복사 특성을 평가 프로세스에 적용하여 블레이드 안테나의 개별 및 탑재 성능을 예측하였다. 또한, 이를 이용하여 항공기 적용 적합 여부를 최종 평가하였다.
그림 1은 제안된 성능 평가 프로세스의 순서도를 보여준다. 먼저 평가할 개별 안테나의 전자파 모델링을 수행하며, 이때 안테나의 정규화 된 정합 성능 및 이득 성능을 도출하기 위해 동작주파수를 고려한 안테나의 장착 그라운드를 결정한다. 결정된 그라운드를 포함한 안테나 모델링 해석을 통해 개별 안테나의 정합 성능과 이득 성능을 평가한다.
본 논문에서는 항공기용 블레이드 안테나의 성능을 보다 정확하고 체계적으로 평가할 수 있는 항공기용 블레이드 안테나의 성능 평가 프로세스를 제안하였다. 제안된 평가 프로세스는 항공기 운항 시나리오를 고려한 성능 평가 항목으로 정합 성능뿐 아니라, 운항 시 요구되는 주파수별 최소 이득, 안테나 개별 및 탑재 시 안테나 복사 패턴, 주 통신 영역에서의 안테나 이득으로 구성되어 있다. 최종적으로 제안된 평가 프로세스를 이용하여, 상용 VHF-UHF용 블레이드 안테나가 소형 항공기에 장착되었을 경우 블레이드 안테나의 항공기 적용 적합 여부를 평가하였다.
본 논문에서는 항공기용 블레이드 안테나 성능 평가 프로세스와 프로세스에 필요한 항목들을 제안하였다. 제안된 프로세스의 항목들은 항공기용 블레이드 안테나의 성능을 정확하게 평가하기 위한 안테나의 그라운드 설정, 정합 성능 평가, 주 통신 영역 결정, 주파수에 따른 최소 복사 이득의 항목들로 이루어져 있다. 제안된 평가 프로세스의 검증을 위해 상용 VHF-UHF 대역 항공기용 블레이드 안테나에 적용하였으며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 이용하여 안테나의 정합 성능 및 이득 성능을 평가하였다.
제안된 평가 프로세스는 항공기 운항 시나리오를 고려한 성능 평가 항목으로 정합 성능뿐 아니라, 운항 시 요구되는 주파수별 최소 이득, 안테나 개별 및 탑재 시 안테나 복사 패턴, 주 통신 영역에서의 안테나 이득으로 구성되어 있다. 최종적으로 제안된 평가 프로세스를 이용하여, 상용 VHF-UHF용 블레이드 안테나가 소형 항공기에 장착되었을 경우 블레이드 안테나의 항공기 적용 적합 여부를 평가하였다. 항공기에 장착 시 안테나의 방사 특성의 도출을 위하여 FEKO Suit 6.
최종적으로 제안된 평가 프로세스를 이용하여, 상용 VHF-UHF용 블레이드 안테나가 소형 항공기에 장착되었을 경우 블레이드 안테나의 항공기 적용 적합 여부를 평가하였다. 항공기에 장착 시 안테나의 방사 특성의 도출을 위하여 FEKO Suit 6.2가 사용되었으며^[10], 해석 툴을 이용한 안테나의 복사 특성을 평가 프로세스에 적용하여 블레이드 안테나의 개별 및 탑재 성능을 예측하였다. 또한, 이를 이용하여 항공기 적용 적합 여부를 최종 평가하였다.

데이터처리

제안된 프로세스의 항목들은 항공기용 블레이드 안테나의 성능을 정확하게 평가하기 위한 안테나의 그라운드 설정, 정합 성능 평가, 주 통신 영역 결정, 주파수에 따른 최소 복사 이득의 항목들로 이루어져 있다. 제안된 평가 프로세스의 검증을 위해 상용 VHF-UHF 대역 항공기용 블레이드 안테나에 적용하였으며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 이용하여 안테나의 정합 성능 및 이득 성능을 평가하였다. 또한, 항공기 주조물에 장착하여 항공 시나리오에 따른 주 통신 영역에서의 이득 성능을 평가하였으며, 그 결과, 대상 안테나가 항공기용 블레이드 안테나로 사용 가능함을 확인하였다.

이론/모형

그림 4는 항공기 수신안테나의 최소 수신 신호 레벨 곡선을 보여준다. Base station 안테나는 지상으로부터 20 m 높이에 장착되어 있고, 송신 EIRP는 46 - 100 dBm 이상의 수신 전력을 유지하도록 하는 항공기 탑재 안테나의 최소 복사 이득을 Friis 전송방정식을 이용하여 계산하였다. 수식 1은 최소 수신 신호 레벨을 구하기 위한 공식을 나타낸다.
방사부의 좌측 하단이 그라운드와 접지되어 inverted-F 구조를 형성하며, 이는 안테나의 크기를 소형화시면서도 대역폭을 넓히는 특성을 보인다. 안테나의 전자파 모델링은 FEKO EM 시뮬레이터(Suit 6.2)를 사용하여 도출하였다. 모델링된 안테나의 정합 성능 평가는 직경 1.

성능/효과

2 dBi 이상의 평균 복사 이득을 가지며, 이는 G_min.UHF보다 8 dB 이상 높으므로 항공기 안테나로 적합함을 확인하였다. 수식 2는 표 1～3의 주 통신 영역 내에서의 평균 이득, 최소 이득, 최대 이득, 표준 편차를 도출하는 방법을 나타낸다.
제안된 평가 프로세스의 검증을 위해 상용 VHF-UHF 대역 항공기용 블레이드 안테나에 적용하였으며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 이용하여 안테나의 정합 성능 및 이득 성능을 평가하였다. 또한, 항공기 주조물에 장착하여 항공 시나리오에 따른 주 통신 영역에서의 이득 성능을 평가하였으며, 그 결과, 대상 안테나가 항공기용 블레이드 안테나로 사용 가능함을 확인하였다.
2 m의 원형 그라운드 위에서 수행하였으며, 결과를 그림 6에 나타내었다. 안테나의 정합성능 측정 또한 동일한 그라운드 위에 장착 후 진행하였으며, 성능 분석 결과, 반사계수가 VHF-UHF 대역인 100～500 MHz에서 약 - 5 dB 이하로 항공기 블레이드 안테나로 사용 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블레이드 안테나의 단점은?	최근 공력 특성 및 내구성을 고려하여 많은 항공기에 블레이드 형상의 통신용 안테나가 도입되어 사용되고 있다[1]～[3]. 블레이드 안테나는 항공기에 장착될 경우 항공기 구조와의 회절/반사에 의해 이득 저감과 패턴 왜곡 등의 성능 열화를 보일 수 있으며, 이는 운항 시 특정 방향에서 통신 링크가 두절되는 심각한 문제를 야기할 수도 있다[4]. 이러한 항공기용 블레이드 안테나의 성능 예측 및 평가를 위하여 장착 위치에 따른 안테나 성능 분석 및 최적화와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다[5]～[8].
	항공기의 실질적인 운항 시나리오에 근거한 블레이드 안테나의 체계적인 성능 평가 기법에 대한 심도 있는 연구가 시급한 실정인 이유는?	일반적으로 안테나를 주변 안테나 및 돌출 구조물에 최대한 이격하여 배치할 때 성능 열화를 최소화 할 수 있다는 연구 결과가 많은 연구 논문에서 보고되고 있다[9]. 그러나 이러한 기존 연구들은 실제 항공기의 운항 시나리오를 고려하지 않고, 안테나의 정합 성능과 복사 이득만으로 항공기 안테나의 적용 적합도를 평가하므로, 실질적인 항공기 운용에 근거한 안테나의 성능 평가가 이행되기에는 어려움이 있다. 따라서 항공기의 실질적인 운항 시나리오에 근거한 블레이드 안테나의 체계적인 성능 평가 기법에 대한 심도 있는 연구가 시급한 실정이다.
	본 논문에서 제안된 평가 프로세스의 검증을 위해 무엇에 적용하였는가?	제안된 프로세스의 항목들은 항공기용 블레이드 안테나의 성능을 정확하게 평가하기 위한 안테나의 그라운드 설정, 정합 성능 평가, 주 통신 영역 결정, 주파수에 따른 최소 복사 이득의 항목들로 이루어져 있다. 제안된 평가 프로세스의 검증을 위해 상용 VHF-UHF 대역 항공기용 블레이드 안테나에 적용하였으며, 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 이용하여 안테나의 정합 성능 및 이득 성능을 평가하였다. 또한, 항공기 주조물에 장착하여 항공 시나리오에 따른 주 통신 영역에서의 이득 성능을 평가하였으며, 그 결과, 대상 안테나가 항공기용 블레이드 안테나로 사용 가능함을 확인하였다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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L. Marin, J. P. Castill, and K. S. H. Lee, "Broadband analysis of VLF/LF aircraft wire antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 26, no. 1, pp. 141-145, Jan. 1978.

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W. Sichak, J. Nail, "UHF omnidirectional antenna systems for large aircraft", IRE Trans. Antennas Propag., vol. 2, no. 1, pp. 6-15, Jan. 1954.

상세보기
http://www.feko.info, EM Software & Systems, "FEKO Suite 6.2".

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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