[논문]해상통신용 VHF 안테나 설계

윤중한; 임대수; 이덕환; 박창수

doi:10.13067/jkiecs.201.9.5.567

해상통신용 VHF 안테나 설계
Design of VHF Antenna for Marin Communication 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.9 no.5, 2014년, pp.567 - 574

윤중한 (신라대학교 전자공학과) , 임대수 (신라대학교 전자공학과) , 이덕환 (휴니드 테크놀리지) , 박창수 (휴니드 테크놀리지)

초록
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본 논문에서는 해상 무선 통신 시스템에 적용 가능한 모노폴 구조의 VHF 안테나를 설계 및 제작 하였다. 제안된 안테나는 모노폴 구조를 기본으로 원형 환 구조 그리고 미앤더 구조를 결합함으로서 VHF 대역에서 동작 가능하도록 설계하였다. 최적화된 파라메타를 얻기 위해 상용 툴(HFSS)을 사용하여 시뮬레이션 하였으며 안테나 성능에 민감하게 작용하는 파라메타를 찾아내서 최적화된 수치를 얻었다. 얻어진 최적화된 수치를 사용하여 제안된 안테나를 제작하였다. 측정결과, -10dB 임피던스 대역폭을 기준으로 VHF 대역을 만족하고 있음을 확인하였으며 원하는 대역에서 측정된 이득과 방사패턴의 특성을 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a VHF antenna with monopole structure is designed and fabricated for marine wireless communication applications. The proposed antenna is based on a monopole design, and composed of circular ring and meander structure for VHF operation which cover VHF frequency bands. To obtain the optimized parameters, we used the simulator, Ansoft's High Frequency Structure Simulator(HFSS) and found the parameters that greatly effect antenna characteristics. Using the obtained parameters, the antenna is fabricated. The experiment results demonstrated that the proposed antenna satisfied the -10 dB impedance bandwidth requirement while covering the VHF bands. And measured characteristics of gain and radiation patterns are obtained for operating bands.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 해상 무선통신시스템에 적용 가능한 VHF 안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 제안된 안테나는 원형 환, 모노폴 형태, 그리고 미앤더 모양을 결합한 구조로 구성되어 있다.
본 논문의 목적은 해양 디지털 무선 통신 시스템에 적용 가능한 VHF 안테나를 설계 및 제작하여 그 특성을 측정하고자 한다. 표준안에서 제시된 주파수 대역을 만족하면서 이득이 0 dBi를 갖도록 설계하였으며 기본적으로 선박에 설치를 해야 하므로 모노폴 구조를 갖도록 설계하였다.

제안 방법

VHF 대역에서 동작 가능한 안테나를 구현하기 위해 3D 설계가 가능한 Ansoft사의 HFSS(High Frequency Structural Simulator)[15]를 이용하여 최적의 임피던스 특성 변화를 고려하여 최적화된 설계치를 설정하였다. 여러 가지 파라메타에 대한 시뮬레이션 결과 가장 커다란 영향을 미치는 두 가지 파라메타에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내었다.
제안된 안테나는 그림 1과 같은 구조로 설계하였다. 그림에서 보듯 바와 같이 제안된 구조는 모노폴 형태를 기본으로 원형 환 그리고 미앤더 구조를 연결하여 구성하였다. 즉, 기본적인 모노폴 구조(L2), 원형 환 구조 (W1), 급전 선로(L1) 그리고 미앤더 구조(L5)가 서로 연결된 형태의 안테나를 제안하였다.
그림 2는 모노폴 안테나 길이 변화에 따른 제안된 안테나의 시뮬레이션 반사손실 특성을 나타내었다. 모노폴 안테나 길이부분이 495.0 mm에서 595.0 mm 으로 변화에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성을 살펴보았다. 시뮬레이션 결과, 저주파 대역에서 길이 변화에 따라 반사손실 특성이 변화하고 있음을 확인하였으며 제안된 안테나의 반사손실 특성에 커다란 영향을 주는 것으로 확인할 수 있다.
본 논문에서는 해상 무선통신시스템에 적용 가능한 VHF 안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 제안된 안테나는 원형 환, 모노폴 형태, 그리고 미앤더 모양을 결합한 구조로 구성되어 있다. 최적화된 수치를 얻기 위해 상용 툴을 사용하였으며 얻어진 최적화된 수치를 사용하여 제안된 안테나를 제작하였다.
제안된 최적화 수치를 사용하여 제안된 안테나를 제작하였고 측정하였다. 그림 4는 실제 최적화된 수치로 제작된 안테나이다.
그림에서 보듯 바와 같이 제안된 구조는 모노폴 형태를 기본으로 원형 환 그리고 미앤더 구조를 연결하여 구성하였다. 즉, 기본적인 모노폴 구조(L2), 원형 환 구조 (W1), 급전 선로(L1) 그리고 미앤더 구조(L5)가 서로 연결된 형태의 안테나를 제안하였다. 안테나의 전체 크기(W1⨯(L2+L3+L4+L8))는 35.
제안된 안테나는 원형 환, 모노폴 형태, 그리고 미앤더 모양을 결합한 구조로 구성되어 있다. 최적화된 수치를 얻기 위해 상용 툴을 사용하였으며 얻어진 최적화된 수치를 사용하여 제안된 안테나를 제작하였다. 측정결과, VHF 대역에서 -10dB을 기준으로 대역폭 14.
본 논문의 목적은 해양 디지털 무선 통신 시스템에 적용 가능한 VHF 안테나를 설계 및 제작하여 그 특성을 측정하고자 한다. 표준안에서 제시된 주파수 대역을 만족하면서 이득이 0 dBi를 갖도록 설계하였으며 기본적으로 선박에 설치를 해야 하므로 모노폴 구조를 갖도록 설계하였다.

성능/효과

그러나 원형 환 구조를 삽입한 경우에 요구하는 VHF 대역폭 156∼163.425 MHz을 만족하고 있음을 확인하였다.
기존의 VHF 안테나는 대략 1000mm에서 1200mm 정도의 길이를 갖고 있으며 제안된 안테나의 길이를 축소하기 위해서 새로운 전류 길이를 만들기 위해서 원형 환 구조를 제시하였고 또한 미앤더 구조를 삽입함으로서 전체 길이를 축소하고자 하였으며 상용 VHF 안테나에 비해 9.59 % 혹은 31.5 % 감소된 크기를 얻었다.
또한 L2이 595.0 mm일 때 제안된 안테나의 반사손실 대역폭은 12.37 MHz (141.13∼153.5 MHz)로 역시 원하는 VHF 대역을 벗어나고 있음을 확인하였다.
425 MHz을 만족시켰다. 또한 다이폴 형태의 방사 패턴를 얻었으며 원하는 주파수 대역에서 0 dBi 이득 특성을 얻었다. 제안된 안테나는 해상디지털 VHF 무선통신 시스템에 적용 가능할 것으로 판단되며 향후 해상 디지털 시스템에 설치한 후에 계측기를 통해 안테나의 특성 및 간섭영향을 분석하고자 한다.
시뮬레이션 결과, -10dB를 기준으로 15.875 MHz (151.75∼167.625 MHz) 의 대역폭을 확인하였으며 원형 환 구조는 대역폭과 임피던스 매칭에 영향을 주는 것으로 판단된다.
0 mm 으로 변화에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성을 살펴보았다. 시뮬레이션 결과, 저주파 대역에서 길이 변화에 따라 반사손실 특성이 변화하고 있음을 확인하였으며 제안된 안테나의 반사손실 특성에 커다란 영향을 주는 것으로 확인할 수 있다. 그림에서 보는 바와 같이 L2가 495.
또한 그림 10, 11은 163 MHz 주파수에서 각각 E-면 그리고 H-면 방사패턴을 나타낸 것이다. 제안된 안테나의 방사패턴은 전체적으로 다이폴 안테나의 전형적인 특성을 나타내고 있다.
측정결과 VHF 대역에서 -10dB을 기준으로 14.092 MHz (154.65∼168.742 MHz)의 대역폭을 얻어 해양 디지털 무선 통신의 VHF 대역에서 요구하는 주파수 대역폭(156∼163.425 MHz)을 만족하고 있음을 확인하였다.
측정결과, VHF 대역에서 -10dB을 기준으로 대역폭 14.092 MHz (154.65-1680742 MHz)결과를 얻음으로서 해상 디지털 무선 VHF 시스템 주파수 대역인 156∼163.425 MHz을 만족시켰다.

후속연구

또한 다이폴 형태의 방사 패턴를 얻었으며 원하는 주파수 대역에서 0 dBi 이득 특성을 얻었다. 제안된 안테나는 해상디지털 VHF 무선통신 시스템에 적용 가능할 것으로 판단되며 향후 해상 디지털 시스템에 설치한 후에 계측기를 통해 안테나의 특성 및 간섭영향을 분석하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국제협정에 따라 국제항해에 종사하는 모든 선박에 탑재가 의무화되어있는 것은 무엇인가?	선박용 초단파대 디지털 무선통신 설비는 해상에서의 인명의 안전에 관한 국제협정(SOLAS)에 따라 국제항해에 종사하는 모든 선박에 탑재가 의무화 되어있고 선박 안전법 시행규칙 제72조 및 어선법 시행규칙 제42조에 따라 총톤수 5톤 이상의 모든 선박에 탑재가 의무화 되어 있다.
	해상이동업무에서 이전까지 사용하던 디지털의 특징은 무엇인가?	또한 이전까지 해상이동업무에서 사용하던 디지털이란 개념은 DSC (Digital Selective Calling)개념을 바탕으로 하는 조난 안전 통신에 국한된 개념으로 실제 DSC를 통한 통화의 활용도는 극히 저조하였다.
	해양 통신 및 해양 VHF 디지털 무선통신 시스템의 연구가 지속적으로 진행되게 된 배경은 무엇인가?	국제해사기구(IMO)를 비롯한 국제전기통신연합(ITU) 은 DSC를 대체할 수 있는 새로운 디지털 방식의 도입을 고민해 오던 중 전문위원회를 구성하고 각종 용역을 통해 최종적으로 1993년부터 적용해 오던 RR(Radio Regulation) 부속서 18의 전면적이 개정을 확정했으며 기존까지 사용해오던 DSC를 내장한 VHF 무선전화장치는 2017년 1월 1일 이후 더 이상 사용될 수 없으며 향후 해양 무선 통신은 새로운 주파수 할당에 따른 VHF 디지털 무선통신 시스템으로 전면 대체될 것으로 예정되어 있다 [1-2]. 이에 따라 해양 통신 및 해양 VHF 디지털 무선통신 시스템에 대한 지속적인 연구가 지속적으로 진행되고 있다[3-8].

참고문헌 (14)

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S.-H. Jung, G.-S. Yang, G.-R. Jeong, D.-K. Park, and J-C. Kim, "The improvement of maritime data communication systems for e-Navigation," The J. of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 15, no. 6, 2011, pp. 939-945.
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J.-H. Hwang, "The Characteristic Improvement of VHF Antenna," KIMICS Integrated Conf., 2008
D.-K. Park, G.-S. Yang, G.-R. Jeong, J.-C. Kim, and S.-H. Jung, "Size reduction of HF whip antenna for Ship Communication," The J. of the Korean Institute of Navigation and Port Research, vol. 16, no. 1, 2012, pp. 35-40.

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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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