본 논문에서는 VHF 및 UHF 대역에서 사용되는 LPDA(Log-Periodic Dipole Array) 안테나를 소형화 하는 연구를 하였다. LPDA 안테나를 소형화하기 위해, 본 연구에서는 LPDA 안테나의 저주파 대역방사 소자를 급전 부분의 전류 상쇄 효과가 적은 삼각형 미앤더 구조로 변형시켰다. 삼각형 미앤더 구조는 이등변 삼각형 미앤더 구조와 직각 삼각형 미앤더 구조를 제안하였으며, 두 가지 미앤더 구조를 적용하여 LPDA 안테나를 소형화 하였다. 또한, 소형화된 LPDA 안테나에 대해서 시뮬레이션과 측정 결과를 비교하였다. 그 결과, 이등변 삼각형 미앤더 구조 적용 LPDA 안테나와 직각삼각형 미앤더 구조 적용 LPDA 안테나는 기본형 LPDA 안테나에 비해서 각각 60.5 %, 72.4 %로 소형화되었다. 따라서 제안된 삼각형 미앤더 구조가 LPDA 안테나의 소형화에 적합함을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 VHF 및 UHF 대역에서 사용되는 LPDA(Log-Periodic Dipole Array) 안테나를 소형화 하는 연구를 하였다. LPDA 안테나를 소형화하기 위해, 본 연구에서는 LPDA 안테나의 저주파 대역 방사 소자를 급전 부분의 전류 상쇄 효과가 적은 삼각형 미앤더 구조로 변형시켰다. 삼각형 미앤더 구조는 이등변 삼각형 미앤더 구조와 직각 삼각형 미앤더 구조를 제안하였으며, 두 가지 미앤더 구조를 적용하여 LPDA 안테나를 소형화 하였다. 또한, 소형화된 LPDA 안테나에 대해서 시뮬레이션과 측정 결과를 비교하였다. 그 결과, 이등변 삼각형 미앤더 구조 적용 LPDA 안테나와 직각삼각형 미앤더 구조 적용 LPDA 안테나는 기본형 LPDA 안테나에 비해서 각각 60.5 %, 72.4 %로 소형화되었다. 따라서 제안된 삼각형 미앤더 구조가 LPDA 안테나의 소형화에 적합함을 확인할 수 있었다.
In this paper, we studied miniaturization of LPDA(Log-Periodic Dipole Array) antenna used for VHF and UHF bands. To miniaturize the LPDA antenna, in this study, the radiation elements in a low frequency were changed into a triangular meander structure which has small current cancelation effect at fe...
In this paper, we studied miniaturization of LPDA(Log-Periodic Dipole Array) antenna used for VHF and UHF bands. To miniaturize the LPDA antenna, in this study, the radiation elements in a low frequency were changed into a triangular meander structure which has small current cancelation effect at feed part. For the triangular meander structure, an isosceles triangular and right triangular meander structures were proposed and the LPDA antennas were miniaturized by using the two meander structures. Also, the simulated and measured results were compared for the two miniaturized LPDA antennas. As a result, the isosceles triangular meander and right angle triangular meander structure applied LPDA antennas were reduced up to 60.5 % and 72.4 % compared a basic LPDA antenna, respectively. Consequently, we confirmed that the triangular meander structure is suitable for miniaturization of a LPDA antenna.
In this paper, we studied miniaturization of LPDA(Log-Periodic Dipole Array) antenna used for VHF and UHF bands. To miniaturize the LPDA antenna, in this study, the radiation elements in a low frequency were changed into a triangular meander structure which has small current cancelation effect at feed part. For the triangular meander structure, an isosceles triangular and right triangular meander structures were proposed and the LPDA antennas were miniaturized by using the two meander structures. Also, the simulated and measured results were compared for the two miniaturized LPDA antennas. As a result, the isosceles triangular meander and right angle triangular meander structure applied LPDA antennas were reduced up to 60.5 % and 72.4 % compared a basic LPDA antenna, respectively. Consequently, we confirmed that the triangular meander structure is suitable for miniaturization of a LPDA antenna.
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문제 정의
본 논문에서는 VHF 및 UHF 대역(180～480 MHz)에서 사용되는 LPDA 안테나를 소형화 하였다. 소형화 방법으로는 전류 상쇄 효과가 작은 삼각형 미앤더 구조를 고안하여 LPDA 안테나의 저대역 다이폴 방사소자에 부분적으로 적용하는 방법을 이용하였다[8]～[10].
삼각형 미앤더 구조는 이등변 삼각형 구조와 직각 삼각형 구조를 이용하였으며, 기본형 LPDA 안테나와 특성을 비교하였다. 이들 결과들에 대해 기술하고자 한다.
제안 방법
LPDA 안테나의 두 전송 선로간 간격(D)을 5 mm로 고정시키고, 각도를 0～2°까지 1°간격으로 변화시켰다.
이등변 삼각형 미앤더 라인 구조는 다이폴 안테나 구조에서 전류 분포가 강한 부분인 급전부분에서의 미앤더 라인 폭을 좁게 하고, 전류 분포가 약한 부분에는 미앤더 라인 폭을 넓게 함으로써 전류 상쇄 효과를 최소화하였다. 기본 다이폴 구조와 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조의 안테나 특성을 비교해 보았다. 기본 다이폴 안테나(a)의 경우, 이득이 1.
기본형 LPDA 안테나의 설계 주파수는 180～480 MHz(2.67 : 1)로 설정하였으며, 이득은 7 dBi를 갖도록 스케일 팩터(τ) 0.87과 상대 간격 팩터(σ) 0.05[1], 방사소자 개수 11개를 결정하였다.
그림 2에 나타낸 바와 같이 먼저 시뮬레이션을 통하여 입력 임피던스가 50 Ω에 매칭되도록 간격(D)을 5 mm로 결정하였다. 다음으로 전송선로 간의 각도(A)에 따른 입력 임피던스 특성 분석을 위해 각도(A)에 따른 입력 임피던스 특성을 나타내었다. LPDA 안테나의 두 전송 선로간 간격(D)을 5 mm로 고정시키고, 각도를 0～2°까지 1°간격으로 변화시켰다.
따라서 설계 대역에서 -10 dB 이하의 반사 손실 특성을 갖도록 각도를 1°로 설정하여 기본형 LPDA 안테나를 시뮬레이션 및 제작하였다.
본 논문에서는 미앤더 라인 구조를 이용하여 기본형 LPDA 안테나를 소형화 설계하였다. 먼저 소형화 방법으로 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조를 사용하였으며, 기본형 LPDA 안테나의 소형화를 위해 저주파수 대역의 4개의 다이폴 소자만 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조로 변형시키고, 나머지 고주파수 대역의 다이폴 소자는 고주파수 대역에서 특성을 유지하기 위해 변형시키지 않았다. 기본 LPDA 안테나와 비교해 유사한 결과를 얻음을 확인 하였다.
본 논문에서는 미앤더 라인 구조를 이용하여 기본형 LPDA 안테나를 소형화 설계하였다. 먼저 소형화 방법으로 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조를 사용하였으며, 기본형 LPDA 안테나의 소형화를 위해 저주파수 대역의 4개의 다이폴 소자만 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조로 변형시키고, 나머지 고주파수 대역의 다이폴 소자는 고주파수 대역에서 특성을 유지하기 위해 변형시키지 않았다.
기본 LPDA 안테나의 임피던스 매칭은 전송선로의 두께와 간격에 의해 결정된다. 본 논문에서는 전송선로의 간격(D)을 고정시키고, 각도(A)를 조절하여 임피던스 매칭을 시켰다. 그림 2에 나타낸 바와 같이 먼저 시뮬레이션을 통하여 입력 임피던스가 50 Ω에 매칭되도록 간격(D)을 5 mm로 결정하였다.
본 장에서는 LPDA의 다이폴 방사소자를 삼각형 미앤더 라인 구조로 변형시켜 소형화된 LPDA 안테나와 기본형 LPDA 안테나와의 특성을 비교하기 위해서, 먼저 기준이 되는 기본형 LPDA 안테나를 설계 및 제작하였다.
본 절에서는 앞에서 설계한 기본 LPDA 안테나의 방사소자를 소형화하는 방법에 대해 연구하기에 앞서, 소형화 방법 중 하나인 미앤더 구조를 이용하여 일반 다이폴 안테나의 소자 길이를 축소하였다.
소형화 방법으로는 전류 상쇄 효과가 작은 삼각형 미앤더 구조를 고안하여 LPDA 안테나의 저대역 다이폴 방사소자에 부분적으로 적용하는 방법을 이용하였다[8]～[10]. 삼각형 미앤더 구조는 이등변 삼각형 구조와 직각 삼각형 구조를 이용하였으며, 기본형 LPDA 안테나와 특성을 비교하였다. 이들 결과들에 대해 기술하고자 한다.
5 %의 면적이 축소되었다. 소형화된 이등변 삼각형 미앤더 구조 LPDA 안테나를 시뮬레이션한 결과, 일정 주파수에서 임피던스 매칭을 되지 않기 때문에 삼각형 미앤더 라인이 적용된 LPDA 안테나 사이 각도(A)를 조절하여 임피던스 매칭을 시켰다. 이때 임피던스 매칭을 위한 각도 A가 2.
직각삼각형 미앤더 라인 구조의 LPDA 안테나 임피던스 매칭을 위해 사이 간격 A를 1.2°(17.8 mm)로 설정하여 시뮬레이션하였다.
기본 LPDA 안테나와 비교해 유사한 결과를 얻음을 확인 하였다. 한편, slant 편파 특성을 가지며, 불법 전파 탐지및 신호 탐지용으로 비행체 탑재에 유리한 직각삼각형 미앤더 라인 구조의 LPDA 안테나를 설계하였으며, 이등변삼각형 미앤더 구조보다 slant 설치시 높이가 28 % 저자세가 가능하다. 직각 삼각형 미앤더 라인 구조의 안테나의 경우도 기본 LPDA 안테나보다 이득 차이가 크지 않았다.
대상 데이터
LPDA 안테나의 전송선로는 10 mm×10 mm의 알루미늄 사각봉을 사용하였다.
또한, 첫 번째에서 일곱 번째 방사소자는 폭(W2) 6 mm×6 mm의 크기를 갖는 알루미늄 사각봉을, 여덟 번째에서 마지막 방사소자는 폭(W1) 10 mm×10 mm 크기를 갖는 알루미늄 사각봉을 사용하였다.
시뮬레이션은 CST사 MWS 2010을 이용하였으며, 각도(A)가 0°일 경우 225 MHz 부근에서 입력 저항이 상승하고, 인덕턴스가 증가하여 임피던스 부정합이 발생하였다.
직각삼각형 미앤더 라인은 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조와 특성 차이가 크게 없을 뿐만 아니라, slant 저자세에서 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조보다 더 유리하게 설계할 수 있는 장점을 가지고 있다. 직각삼각형 미앤더 라인 구조 LPDA 안테나 설계 대역을 180～480 MHz로 설정하였다. 직각삼각형 미앤더 라인 구조로 소형화한 안테나 크기는 640 mm×422 mm이다.
직각삼각형 미앤더 라인 구조로 소형화한 안테나 크기는 640 mm×422 mm이다.
성능/효과
측정 결과, -10 dB 이하 관심대역에서의 임피던스 매칭이 잘 되었다. -10 dB 대역폭은 시뮬레이션 2.84 : 1(195～553 MHz)의 광대역 특성을 얻었고, 측정에서도 2.84 :1(187～532 MHz) 특성을 얻어 시뮬레이션과 측정 결과가서로 관심대역에서의 광대역 특성을 유지함을 확인하였다.
이것은 삼각형 미앤더 라인 구조가 다이폴 안테나의 임피던스 매칭에 필요한 리액턴스 값을 적절히 제공했기 때문이다. 따라서 LPDA 의 방사소자를 이등변 삼각형, 직각삼각형 미앤더 라인 구조로 변형시켜도 이득 및 효율 특성에는 크게 영향이 없이 소형화 효과에 기여할 수 있음을 나타내고 있다. 표 1에 방사소자 구조별 다이폴 안테나 특성을 종합적으로 나타내었다.
따라서, 본 논문에서는 LPDA 안테나를 삼각형 미앤더 라인 구조를 사용하여 소형화 시 기본형보다 크기를 더 크게 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이득 역시 큰 저하가 없음을 알 수 있었으며, 불법 전파 탐지 및 신호 탐지용 차량 탑재 사용에 적합함을 확인하였다.
직각 삼각형 미앤더 라인 구조의 안테나의 경우도 기본 LPDA 안테나보다 이득 차이가 크지 않았다. 또한, 삼각형 미앤더 라인 구조를 사용함으로써 기본형 LPDA 안테나보다 60.5 %로 면적 소형화가 가능함을 확인하였다.
32 dBi의 설정된 이득 특성을 얻었으며, 시뮬레이션과 측정치가 유사함을 확인하였다. 또한, 주파수가 증가하면서 안테나의 크기가 전기적으로 커져 이득이 다소 증가하는 특성을 얻었다.
다음으로 그림 4에는 기본형 LPDA 안테나의 주파수에 따른 이득 특성을 시뮬레이션과 측정치를 비교하여 나타내었다. 설계 대역(180～480 MHz) 내에서 기본형 LPDA 안테나는 시뮬레이션 평균 7.17 dBi, 측정에서는 평균 7.32 dBi의 설정된 이득 특성을 얻었으며, 시뮬레이션과 측정치가 유사함을 확인하였다. 또한, 주파수가 증가하면서 안테나의 크기가 전기적으로 커져 이득이 다소 증가하는 특성을 얻었다.
그림 13에는 직각삼각형 미앤더 라인 구조 LPDA 안테나의 이득을 시뮬레이션과 측정치를 비교하였다. 시뮬레이션 평균 이득 6.52 dBi, 측정 평균 이득 6.49 dBi로 시뮬레이션과 측정치 모두 안테나의 축소율에 비해 이득은 크게 변하지 않았다. 단지 300 MHz에서의 측정치 이득이 5.
이때 안테나의 크기는 958 mm×1,020 mm이다. 시뮬레이션된 -10 dB 대역폭은 4.35 : 1(131.4～572 MHz)의 광대역 특성을 얻었고, 측정에서도 4.26 : 1(135.7～578.5 MHz) 특성을 얻어 시뮬레이션과 측정 결과가 서로 유사함을 확인하였고, 설계 목표 대역을 충분히 수용하는 것을 확인하였다.
그림 9에는 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조 LPDA 안테나의 이득을 시뮬레이션과 측정치를 비교하여 나타내었다. 안테나의 설계 대역(180～480 MHz)의 시뮬레이션 평균 6.39 dBi, 측정 평균 6.49 dBi로 기본형에 비해 방사소자의 소형화로 다소 평균 이득이 낮아졌으나, 시뮬레이션과 측정치 이득이 LPDA 안테나의 축소율에 비해 이득은 크게 변하지 않았다.
이등변 삼각형 미앤더 라인 구조로 변형한 LPDA 안테나의 크기는 650 mm×610 mm의 크기를 가지며, 기본 LP-DA 안테나보다 60.5 %의 면적이 축소되었다.
그림 12에는 직각삼각형 미앤더 라인 구조의 LPDA 안테나 반사 손실 시뮬레이션과 측정 결과를 나타내었다. 측정 결과, -10 dB 이하 관심대역에서의 임피던스 매칭이 잘 되었다. -10 dB 대역폭은 시뮬레이션 2.
그림 8에는 이등변 삼각형 미앤더 라인 구조의 LPDA 안테나 반사 손실 시뮬레이션과 측정 결과를 나타내었다. 측정 결과, 관심 대역에서 -10 dB 이하로 임피던스 매칭이 잘 되었다. -10 dB 대역폭은 시뮬레이션 3.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대수주기 다이폴 배열 안테나는 어떤 특성을 가지는가?
대수주기 다이폴 배열(Log-Periodic Dipole Array, 이하 LPDA) 안테나는 주기적으로 다이폴 안테나를 배열한 안테나로 광대역 및 지향성 방사 특성을 가지고 있다[1]. 이러한 특성 때문에 LPDA 안테나는 주로 방송 수신 안테나, 이동 통신 중계기 안테나, 불법 전파 사용 탐지 안테나, EMC, EMI 측정용 안테나 등으로 광대역 지향성 특성이 필요한 응용에 다양하게 사용되고 있다[2].
LPDA 안테나의 사용 분야는?
대수주기 다이폴 배열(Log-Periodic Dipole Array, 이하 LPDA) 안테나는 주기적으로 다이폴 안테나를 배열한 안테나로 광대역 및 지향성 방사 특성을 가지고 있다[1]. 이러한 특성 때문에 LPDA 안테나는 주로 방송 수신 안테나, 이동 통신 중계기 안테나, 불법 전파 사용 탐지 안테나, EMC, EMI 측정용 안테나 등으로 광대역 지향성 특성이 필요한 응용에 다양하게 사용되고 있다[2]. 하지만 VHF 및 UHF 대역에서 LPDA 안테나는 낮은 주파수 대역에서의 다이폴 방사소자 길이가 길어 안테나 크기가 커진다.
대수주기 다이폴 배열 안테나의 단점은?
이러한 특성 때문에 LPDA 안테나는 주로 방송 수신 안테나, 이동 통신 중계기 안테나, 불법 전파 사용 탐지 안테나, EMC, EMI 측정용 안테나 등으로 광대역 지향성 특성이 필요한 응용에 다양하게 사용되고 있다[2]. 하지만 VHF 및 UHF 대역에서 LPDA 안테나는 낮은 주파수 대역에서의 다이폴 방사소자 길이가 길어 안테나 크기가 커진다. 이러한 VHF 및 UHF LPDA 안테나를 차량 및 항공기 탑재할 시 그 크기로 인해 항력을 증가시키고 탑재 공간을 효율적으로 사용하기 어려워진다. 따라서 차량 및 항공기 탑재를 위해서는 소형화된 LPDA 안테나 설계가 필요하다.
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