[논문]VHF-UHF 대역 항공기용 블레이드 안테나 설계

고주석; 허준; 계영철; 추호성

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.6.619

VHF-UHF 대역 항공기용 블레이드 안테나 설계
Design of a VHF-UHF Band Blade Antenna for Aircraft Applications 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.6, 2014년, pp.619 - 627

고주석 (홍익대학교 전자정보통신공학과) , 허준 (홍익대학교 전자정보통신공학과) , 계영철 (홍익대학교 전자정보통신공학과) , 추호성 (홍익대학교 전자정보통신공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 항공기 안테나로 사용되는 VHF-UHF 대역(500 MHz~3 GHz)용 블레이드 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나의 형상은 기존에 보고된 연구의 고유전율의 유전체 사용 및 사각형 형상의 확장 그라운드 삽입과 달리 n차 다항식의 차수 변화에 따라 변화하는 곡률을 가지는 방사부와 확장 그라운드의 형상을 최적화하였다. 최적화된 형상을 바탕으로 안테나의 성능을 평가하기 위해 VHF-UHF 대역(500 MHz~3 GHz)에서의 정합 성능과 이득 성능을 측정하였다. 성능 평가 결과, VHF-UHF(500 MHz~3 GHz) 전 대역 정합 성능이 -6 dB 이하의 성능을 나타냄을 확인하였으며, 이득 성능 또한 VHF-UHF 전 대역에서 -5 dBi 이상의 성능을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we designed a blade antenna for VHF-UHF band(500 MHz~3 GHz) to be used as aircraft antennas. Unlike previously reported researches that use high-dielectric materials and insert rectangular extended grounds, the antenna structure was designed by optimizing the curvature of both a radiator and an extended ground whose shape is varied by changing the exponent of an n-th polynomial. Based on the optimized structure, we measured impedance matching and gain performances to evaluate the antenna in the VHF-UHF band(500 MHz~3 GHz). As a result, we confirmed that the antenna shows matching characteristics of less than -6 dB and has average gains of greater than -5 dBi in the entire VHF-UHF band.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 대부분의 발표된 연구에서 사용된 확장 그라운드는 형상이 단순한 사각형에 한정되어 다양한 그라운드 형상에 대한 심도 있는 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 확장 그라운드의 다양한 형상에 따른 안테나 성능을 관찰하기 위해 안테나의 방사부와 확장 그라운드의 형상을 n차 다항식으로 모델링하여 최적 성능을 도출할 수 있는 방사부와 그라운드의 곡률 형상을 제안하였다. 제안된 안테나는 항공기용 블레이드 레이돔에 장착 되도록 방사부와 확장 그라운드가 평면형 구조를 가지며, 동축선로를 이용하여 급전하였다.
본 논문에서는 VHF-UHF 대역에서 동작하는 항공기용 블레이드 안테나를 제안하였다. 설계된 안테나는 방사부와 확장 그라운드의 형상을 n차 다항식으로 모델링하여 최적 성능을 보이는 곡률 형상을 도출하였다.

제안 방법

급전선로와 확장 그라운드 사이는 유전체가 삽입되지 않은 공기 공간이다. 방사부와 확장 그라운드의 다양한 형상에 따른 안테나의 성능을 파악하기 위해 각각의 형상이 가지는 곡률을 n차 다항식으로 모델링하였으며, 각각의 식을 (1)과 (2)에 나타내었다.
본 논문에서는 VHF-UHF 대역에서 동작하는 항공기용 블레이드 안테나를 제안하였다. 설계된 안테나는 방사부와 확장 그라운드의 형상을 n차 다항식으로 모델링하여 최적 성능을 보이는 곡률 형상을 도출하였다. 측정 결과, 안테나의 반사계수는 VHF와 UHF 대역(500 MHz～3GHz)에서 —6 dB 이하의 정합 성능을 보이며, 방위각 방향 평균 복사 이득이 전 대역에서 —5 dBi 이상을 보였다.
안테나의 항공기 탑재 성능을 분석하기 위해 18 m×17m 크기를 가지는 항공기의 배면 중앙부에 안테나를 장착한 후 이득 성능을 EM 시뮬레이션 하였다[12],[13].
제안된 안테나는 동작 대역의 최저 주파수인 500 MHz대역에서 약 λ/4의 길이를 갖도록 설계하였으며, 안테나 방사부와 확장 그라운드 간의 간격 t1은 방사부의 급전부와 확장 그라운드 사이의 coupling과 임피던스 특성을 고려하여 1 mm의 간격을 두고 이격하였다.
따라서 본 논문에서는 확장 그라운드의 다양한 형상에 따른 안테나 성능을 관찰하기 위해 안테나의 방사부와 확장 그라운드의 형상을 n차 다항식으로 모델링하여 최적 성능을 도출할 수 있는 방사부와 그라운드의 곡률 형상을 제안하였다. 제안된 안테나는 항공기용 블레이드 레이돔에 장착 되도록 방사부와 확장 그라운드가 평면형 구조를 가지며, 동축선로를 이용하여 급전하였다. 안테나의 반사계수는 VHF와 UHF 대역(500 MHz～3 GHz)에서 —6 dB 이하의 정합 성능을 보이며, 방위각 방향 평균 복사이득이 전대역에서 —5 dBi 이상으로 항공기용 블레이드 안테나로 사용이 가능함을 확인하였다.
제작된 안테나의 정합 성능을 평가하기 위하여 500mm×500 mm 정사각형 그라운드 위에 장착한 후, 정합 성능을 무반사실 챔버에서 측정을 하였으며, 아래 그림 5에 제작된 안테나의 정합 성능 결과를 나타내었다.
최적 성능을 도출하기 위한 n차 다항식의 지수와 계수는 유전자 알고리즘을 이용하여 최적화하였으며, 사용된 비용 평가 함수는 500 MHz와 3 GHz 사이의 방위각 방향 평균 이득으로 정의하였고, 평균 이득이 —5 dBi 이하인 형상은 제외하였다.
확장 그라운드를 사용할 경우, 방사부와 확장 그라운드 사이 간격의 위치에 따른 변화에 의해 대역폭이 변화하는 특성을 이용하여 광대역 정합 성능을 도출하였다. 확장 그라운드와 방사부의 형상은 n차 다항식을 이용하여 모델링한 후 형상을 최적화하였다. 최적 성능을 도출하기 위한 n차 다항식의 지수와 계수는 유전자 알고리즘을 이용하여 최적화하였으며, 사용된 비용 평가 함수는 500 MHz와 3 GHz 사이의 방위각 방향 평균 이득으로 정의하였고, 평균 이득이 —5 dBi 이하인 형상은 제외하였다.

대상 데이터

그림 4는 최적화된 안테나의 제작 사진을 나타낸다. 최적화된 곡률을 가진 안테나의 설계변수를 바탕으로 두께 1 mm를 가지는 구리판으로 안테나를 제작하였다. 제작된 안테나는 그림 4와 같이 방사부와 확장 그라운드가 각각 다른 곡률을 가진다.

이론/모형

예를 들어, 차수가 1일 경우 수식은 1차 함수의 형태를 가지므로 각진 형태의 확장 그라운드를 가지며, 차수가 커질수록 높은 곡률의 확장 그라운드 형상을 가진다. 안테나의 성능 평가를 위해 제안된 안테나 형상을 전자파 모델링하였으며, 전자파 모델링은 MOM 해석방식을 사용하는 FEKO EM 시뮬레이터(Suit 6.2)를 사용하였다^[10].

성능/효과

그림14(a)와 같이 확장 그라운드가 없을 경우, 급전지점과 방사부 일부에 전계가 집중된 것을 확인할 수 있다. 그림14(b)는 확장 그라운드가 있을 시 전계강도를 나타내었으며, 확장 그라운드의 영향으로 전계강도가 안테나 급전선로 및 방사부 전체에 고르게 분포되도록 함으로써 광대역 정합 특성 도출이 가능함을 확인하였다.
18 m×17 m 크기의 항공기에 안테나를 탑재한 후 복사 성능을 분석하였으며, 전면(xz-plane) 및 측면(yz-plane) 방향 에서 최소 —7 dBi 이상의 복사 이득을 가짐을 확인하였다.
설계된 안테나의 동작원리를 분석하기 위해 확장 그라운드의 유무에 따른 안테나의 등가회로도 소자 변화를 확인하였으며, 분석 결과 확장 그라운드가 등가회로의 RLC소자값들은 감소시켜 광대역 정합이 가능하게 함을 확인하였다. 또한, 확장 그라운드 유무에 따른 근접 전계 변화 를 확인하였으며, 방사부와 확장 그라운드 사이에 고르게 근접 전계가 분포하여 광대역 정합 특성이 도출 가능함을 확인하였다.
그림 13(a)는 확장 그라운드가 없을 시 등가회로도를 나타낸 그림이며, 그림 13(b)와 13(c)는 등가회로 모델의 임피던스를 나타낸다. 분석 결과, 확장 그라운드가 없을 시 RLC 소자의 값이 증가되어 정합 특성이 열화됨을 확인하였으며, 확장 그라운드에 의해 광대역 정합 특성 도출이 가능함을 확인하였다. 표 10은 확장 그라운드가 없을 시 RLC 소자의 값의 변화를 나타낸 표이다.
18 m×17 m 크기의 항공기에 안테나를 탑재한 후 복사 성능을 분석하였으며, 전면(xz-plane) 및 측면(yz-plane) 방향 에서 최소 —7 dBi 이상의 복사 이득을 가짐을 확인하였다. 설계된 안테나의 동작원리를 분석하기 위해 확장 그라운드의 유무에 따른 안테나의 등가회로도 소자 변화를 확인하였으며, 분석 결과 확장 그라운드가 등가회로의 RLC소자값들은 감소시켜 광대역 정합이 가능하게 함을 확인하였다. 또한, 확장 그라운드 유무에 따른 근접 전계 변화 를 확인하였으며, 방사부와 확장 그라운드 사이에 고르게 근접 전계가 분포하여 광대역 정합 특성이 도출 가능함을 확인하였다.
성능 분석 결과, VHF-UHF(500 MHz～3 GHz) 전대역에서 —6 dB 이하의 광대역 특성을 보임을 확인하였다.
성능 확인 결과, 방위각방향 평균 복사 이득이 전대역에서 —5 dBi 이상임 확인하였으며, 주파수 전대역에서 약 3.5 dBi 이하의 편차를 보임을 확인하였다.
안테나는 약 —5 dBi 이상의 의 평균 이득을 가지고, 복사 패턴의 형상에 왜곡이 없음을 확인하였으며, 표 2부터 7까지 500 MHz와 1.4 GHz, 2.7 GHz에서 개별 안테나의 최대이득, 최소이득, 평균이득 및 편차를 나타내었다.
안테나의 반사계수는 VHF와 UHF 대역(500 MHz～3 GHz)에서 —6 dB 이하의 정합 성능을 보이며, 방위각 방향 평균 복사이득이 전대역에서 —5 dBi 이상으로 항공기용 블레이드 안테나로 사용이 가능함을 확인하였다.
안테나의 중심 주파수 500 MHz, 1.4GHz, 2.7 GHz에서 입력 저항이 약 50 Ω의 일정한 값을 가지며, 입력 리액턴스 또한 0 Ω에 근접한 값을 가져 임피던스 정합이 잘 이루어짐을 확인하였다.
측정 결과, 안테나의 반사계수는 VHF와 UHF 대역(500 MHz～3GHz)에서 —6 dB 이하의 정합 성능을 보이며, 방위각 방향 평균 복사 이득이 전 대역에서 —5 dBi 이상을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기용 VHF-UHF 대역 안테나는 무엇을 사용하고 있나?	현재 항공기용 VHF-UHF 대역 안테나는 높은 수신 성능을 만족시키기 위해 λ/4 모노폴이나 블레이드 타입과 같은 외부 돌출형 안테나를 사용한다[1]～[5]. 그러나 이러
	폴 형상과 블레이드 형상의 안테나의 단점은?	한 폴 형상과 블레이드 형상의 안테나는 차배수 공진이 생겨 특정 주파수에서의 복사 이득 성능의 저감 현상이 생기며, 광대역 매칭 특성을 가지기 어려운 단점을 가진 다. 최근 고유전율을 가진 유전체를 사용하여 광대역 매칭 및 형상을 소형화하는 연구가 활발히 진행되고 있다[6]～[9].
	고유전율을 가진 유전체의 단점은?	최근 고유전율을 가진 유전체를 사용하여 광대역 매칭 및 형상을 소형화하는 연구가 활발히 진행되고 있다[6]～[9]. 하지만 고유전율의 유전체를 사용하는 경우, 높은 유전 손실로 인한 복사 이득 저감 및 제작 오차에 대한 성능 민감도가 증가하는 단점을 보인다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 안테나의 그라운드를 확장시켜 방사부에

참고문헌 (13)

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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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