[논문]선박 실내 위치 인식을 위한 테이퍼드 슬롯 안테나 설계 및 구현

최동유; 김선웅; 박정진; 정민아; 이성로

doi:10.7840/kics.2014.39c.12.1307

선박 실내 위치 인식을 위한 테이퍼드 슬롯 안테나 설계 및 구현
Design and Implementation of Tapered Slot Antenna for Ship's Indoor Location-Aware System 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.39C no.12, 2014년, pp.1307 - 1313

최동유 (Chosun University Department of Communication Engineering) , 김선웅 (Chosun University Department of Information and Communication Engineering) , 박정진 (Chosun University Department of Information and Communication Engineering) , 정민아 (Mokpo National University Department of Computer Engineering) , 이성로 (Mokpo National University Department of Electronics Engineering)

초록
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본 논문에서는 IR-UWB 통신 시스템의 테이퍼드 슬롯 안테나를 통해 지상 건물의 실내위치인식이 아닌 해양선박 실내에서의 위치 인식에 적합한 안테나를 제안하였다. 제안한 테이퍼드 슬롯 안테나는 Ansys사의 HFSS를 사용하여 전산모의 하였으며, 주파수 영역에서의 반사손실 및 정재파비, 방사패턴 등을 분석하였다. 분석한 결과 2.36 GHz ~ 5.51 GHz 대역에서 -10 dB 반사손실 및 $VSWR{\leq}2$를 만족하였으며, 방사패턴은 모든 대역에 걸쳐 특정한 방향으로 전파에 대한 감도가 높아지는 end-fire 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have proposed a tapered slot antenna for IR-UWB communication system suitable of indoor positioning in the building. The designed tapered slot antenna is designed using Ansys Inc. HFSS and its standing wave ratio, return loss, and radiation pattern is analyzed. In 2.36 GHz ~ 5.51 GHz and, the designed antenna shows satisfactory return loss at -10 dB and meets the requirement of $VSWR{\leq}2$. The presented designed showed a higher sensitivity for the end-fire propagation characteristics in a specific direction across all bands of the radiation pattern.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 IR-UWB 테이퍼드 슬롯 안테나를 제안하였으며, 지상 건물의 실내위치인식이 아닌 해양 선박에서 실내의 넓은 공간 및 복도와 같은 좁은 공간의 목표물 위치 인식에 적합한 안테나를 제안 하였다. 테이퍼드 슬롯 안테나에서 슬롯 폭의 물리적 길이 변화를 통해 FCC에서 정한 동작 주파수 25% 이상의 상대적 대역폭을 유도하였으며, 사물의 위치 인식에 적합한 지향성 방사를 갖는 end-fire 동작 특성을 유도하였다.
본 논문에서는 해양 선박 실내 위치 인식을 위한 IR-UWB통신에서의 테이퍼드 슬롯 안테나를 제안하였다. 제안한 테이퍼드 슬롯 안테나는 Ansys사의 HFSS를 사용하여 전산모의 하였으며, 안테나의 W_t 및 L_t의 물리적 길이의 변화를 통하여 광대역 특성을 유도하였다.

제안 방법

제안한 테이퍼드 슬롯 안테나는 Ansys사의 HFSS(High Frequency Simulator)를 사용하여 전산모의 하였으며, 주파수 영역에서의 반사손실 및 정재파비, 방사패턴 등을 분석하였다. 이를 위해 제 2 장에서는 테이퍼드 슬롯 안테나를 제안하였으며, 제 3 장에서는 테이퍼드 슬롯 안테나에서 슬롯 폭의 물리적 길이의 변화를 통해 안테나 특성을 분석하였다. 제 4 장에서는 결론을 맺는다.
제안된 테이퍼드 슬롯 안테나는 곡선으로 점점 가늘어지는 구조이며, 테이퍼드 슬롯의 물리적 길이 변화를 통해 FCC에서 정한 500 ㎒ 이상의 대역폭을 유도하였다.
따라서 식 (1)을 이용하여 원하는 대역폭에서 동작시키기 위한 테이퍼드 슬롯 안테나의 전체 크기를 구할 수 있다^[8][9]. 제안된 테이퍼드 슬롯 안테나는 설계 이론을 기반으로 반복 수정을 통해 최종 제안되었으며, 표 2와 같다.
제안한 테이퍼드 슬롯 안테나는 Ansys사의 HFSS(High Frequency Simulator)를 사용하여 전산모의 하였으며, 주파수 영역에서의 반사손실 및 정재파비, 방사패턴 등을 분석하였다. 이를 위해 제 2 장에서는 테이퍼드 슬롯 안테나를 제안하였으며, 제 3 장에서는 테이퍼드 슬롯 안테나에서 슬롯 폭의 물리적 길이의 변화를 통해 안테나 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 해양 선박 실내 위치 인식을 위한 IR-UWB통신에서의 테이퍼드 슬롯 안테나를 제안하였다. 제안한 테이퍼드 슬롯 안테나는 Ansys사의 HFSS를 사용하여 전산모의 하였으며, 안테나의 W_t 및 L_t의 물리적 길이의 변화를 통하여 광대역 특성을 유도하였다. 주파수 영역에서의 반사손실, 정재파비를 분석한 결과 2.
이는 입력전력이 약 11%가 반사되는 것을 의미한다^[10]. 제안한 테이퍼드 슬롯 안테나는 그림 1의 W_t의 L_t의 물리적 길이의 변화를 통해 반사손실 및 정재파비 특성을 분석하였다. W_t의 물리적 길이 변화에 따른 반사손실 및 정재파비 결과는 그림 2와 같다^[11,12].
본 논문에서는 IR-UWB 테이퍼드 슬롯 안테나를 제안하였으며, 지상 건물의 실내위치인식이 아닌 해양 선박에서 실내의 넓은 공간 및 복도와 같은 좁은 공간의 목표물 위치 인식에 적합한 안테나를 제안 하였다. 테이퍼드 슬롯 안테나에서 슬롯 폭의 물리적 길이 변화를 통해 FCC에서 정한 동작 주파수 25% 이상의 상대적 대역폭을 유도하였으며, 사물의 위치 인식에 적합한 지향성 방사를 갖는 end-fire 동작 특성을 유도하였다.

대상 데이터

제안된 안테나의 FR4_epoxy기판의 크기는 W와 L이며, 방사가 이루어지는 테이퍼드 슬롯의 개구면 크기는 W_t와 L_t이다. W₁, L₁, L₂는 임피던스 변화기의 폭과 길이이다.
제안된 테이퍼드 슬롯 안테나는 유전체 기판을 포함한 구조로써 그림 1과 같다. 안테나의 유전체 기판은 FR4_epoxy 기판으로 주로 산업용 목적의 단말기, 컴퓨터, 무선 기기 등의 각종 전자기기 장치에 사용되는 하드웨어의 PCB 기판에 주로 사용이 된다.

성능/효과

Wt 및 Lt가 증가할수록 -10 ㏈ 반사손실 및 VSWR≤2에 더욱 수렴하였으며, 대역폭이 넓어지는 특성을 보였다.
그림 6 및 표 3의 결과, 제안한 안테나의 이득 결과는 3 ㎓ 대역에서 5.18 ㏈i, 4 ㎓ 대역에서 5.37 ㏈i, 5 ㎓ 대역에서 7.05 ㏈i로 주파수가 증가할수록 높은 이득을 보였다.
05 ㏈i로 주파수가 증가할수록 높은 이득을 보였다. 방사패턴을 분석한 결과 특정한 방향에서의 감도가 높아지는 지향성의 end-fire 특성을 보여 실내에서의 위치인식에 적합함을 보였다.
1 ㎓ 대역폭을 보였다. 안테나의 3 ㏈ 빔폭을 분석한 결과 특정 방향으로 감도가 높아지는 지향성의 특성을 보였으며, 3 ㎓에서 5.18 ㏈i, 4 ㎓에서 5.37 ㏈i, 5 ㎓에서 7.05 ㏈i의 이득을 보였다. 제안된 테이퍼드 슬롯 안테나를 종합한 결과 FCC에서 정한 25%의 상대적 대역폭과 500 ㎒ 이상의 대역폭의 기준을 만족하였으며, 지향성의 패턴은 실내 위치인식에 적합함을 보였다.
W_t 및 L_t가 증가할수록 -10 ㏈ 반사손실 및 VSWR≤2에 더욱 수렴하였으며, 대역폭이 넓어지는 특성을 보였다. 이러한 결과를 통해 W_t와 L_t의 최적의 변수를 도출 하였으며, 도출된 파라미터는 W_t = 52 ㎜, L_t = 55 ㎜이다. 최종 제안된 테이퍼드 슬롯 안테나의 반사손실 및 정재파비 분석 결과는 그림 4와 같다.
05 ㏈i의 이득을 보였다. 제안된 테이퍼드 슬롯 안테나를 종합한 결과 FCC에서 정한 25%의 상대적 대역폭과 500 ㎒ 이상의 대역폭의 기준을 만족하였으며, 지향성의 패턴은 실내 위치인식에 적합함을 보였다.
그림 5의 결과, E-평면과 H-평면에서의 3 ㏈ 빔폭은 3 ㎓ 대역에서 130°, 77°이며, 4 ㎓ 대역에서 85°, 77°, 5 ㎓ 대역에서 78°, 65°이다. 제안한 테이퍼드 슬롯 안테나의 3 ㏈ 빔폭은 특정한 방향에서 전파에 대한 감도가 높아지는 지향성의 end-fire 동작 특성을 보였다.
주파수 영역에서의 반사손실, 정재파비를 분석한 결과 2.36 ∼ 5.51 ㎓ 대역에서 -10 ㏈ 반사손실 및 VSWR≤2를 만족하여 4.1 ㎓ 대역폭을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IR-UWB는 실내⋅외 통신 시스템으로 어떻게 응용되고 있는가?	IR-UWB의 응용분야는 크게 단거리 통신(short range communication), 거리 측정(measurement system), 차량 레이더(vehicular radar system) 및 이미징 시스템(imaging system) 등 다양한 응용 분야로 분류할 수 있다. 실제 응용에 따라 실내⋅외 통신 시스템으로 지표투과 레이더(GPR : Ground penetrating Radar), 벽 투과 레이더(through wall radar), 의료영상 레이더(medical imaging radar), 토목공학용 비파괴 탐상 레이더(non destructive testing radar) 및 차량용 레이더(vehicular radar)등이 있다[2-5].
	본 논문에서 설계된 테이퍼드 슬롯 안테나는 어떤 구조를 가지고 있는가?	설계된 테이퍼드 슬롯 안테나는 유전체 기판의 한쪽 면에는 안테나 역할을 하는 복사소자가 있고 반대쪽에는 임피던스 변환기를 가진 구조이다[6,7].
	IR-UWB의 응용분야는 무엇이 있는가?	IR-UWB의 응용분야는 크게 단거리 통신(short range communication), 거리 측정(measurement system), 차량 레이더(vehicular radar system) 및 이미징 시스템(imaging system) 등 다양한 응용 분야로 분류할 수 있다. 실제 응용에 따라 실내⋅외 통신 시스템으로 지표투과 레이더(GPR : Ground penetrating Radar), 벽 투과 레이더(through wall radar), 의료영상 레이더(medical imaging radar), 토목공학용 비파괴 탐상 레이더(non destructive testing radar) 및 차량용 레이더(vehicular radar)등이 있다[2-5].

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상세보기
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K, H. Lee, E. H. Kwak, and B. G. Kim, "Effect of substrate thickness, perforation position and size on the bandwidth and radiation characteristics of a proximity coupled perforated microstrip patch antenna," J. KICS, vol. 39A, no. 6, pp. 301-321, Jun. 2014.

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D. Y. Choi, Sika Shrestha, J. J. Park, and S. N. Noh, "Design and performance of an efficient rectenna incorporating a fractal structure," Int. J. Commun. Syst., vol. 2014, no. 27, pp. 1-19, Jul. 2014.

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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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