최근 국내에서도 교통정보시스템의 보급 및 개발이 확산되고 일부 서비스가 시범사업을 거쳐 상용화되면서 활용도가 높은 DSRC에 대한 관심이 높아졌으며 노변기지국과 차량 설치장비용 안테나가 연구되고 있다. 차량용 안테나의 경우 크기의 소형화가 요구되어 단일패치를 이용하였으나 대부분의 경우 소형화로 인하여 성능의 저하가 있었다. 또한, 기존에 연구되고 있는 안테나는 배열을 이용하여 성능을 높이는 방법이 일부 사용되고 있으나 배열을 사용하는 경우 안테나의 크기가 커지는 단점이 있다. 그러므로 본 논문에서는 DSRC의 OBU에서 사용할 수 있는 소형이며 제작이 용이한 단순한 구조의 CPW 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나를 설계 하였다.
최근 국내에서도 교통정보시스템의 보급 및 개발이 확산되고 일부 서비스가 시범사업을 거쳐 상용화되면서 활용도가 높은 DSRC에 대한 관심이 높아졌으며 노변기지국과 차량 설치장비용 안테나가 연구되고 있다. 차량용 안테나의 경우 크기의 소형화가 요구되어 단일패치를 이용하였으나 대부분의 경우 소형화로 인하여 성능의 저하가 있었다. 또한, 기존에 연구되고 있는 안테나는 배열을 이용하여 성능을 높이는 방법이 일부 사용되고 있으나 배열을 사용하는 경우 안테나의 크기가 커지는 단점이 있다. 그러므로 본 논문에서는 DSRC의 OBU에서 사용할 수 있는 소형이며 제작이 용이한 단순한 구조의 CPW 급전을 이용한 마이크로스트립 패치 안테나를 설계 하였다.
As the development and distribution of the intelligent transport system is spreading recently and some of the services are commercialized through a pilot project, interest in DSRC with high utilization is increasing and antennas for roadside and on board equipment are being studied. A single patch w...
As the development and distribution of the intelligent transport system is spreading recently and some of the services are commercialized through a pilot project, interest in DSRC with high utilization is increasing and antennas for roadside and on board equipment are being studied. A single patch was used for a vehicle antenna due to the requests of miniaturization of size, but there was performance degradation in most cases due to miniaturization. In addition, some methods to improve performance have been used in the antennas that were previously researched using the arrays, but they have the disadvantages of bulkiness in size of the antennas when using the arrays. Therefore, in this paper, the CPW fed microstrip patch antenna with the simple structure of being compact and easy to produce, which can be used in the OBU of DSRC, was designed.
As the development and distribution of the intelligent transport system is spreading recently and some of the services are commercialized through a pilot project, interest in DSRC with high utilization is increasing and antennas for roadside and on board equipment are being studied. A single patch was used for a vehicle antenna due to the requests of miniaturization of size, but there was performance degradation in most cases due to miniaturization. In addition, some methods to improve performance have been used in the antennas that were previously researched using the arrays, but they have the disadvantages of bulkiness in size of the antennas when using the arrays. Therefore, in this paper, the CPW fed microstrip patch antenna with the simple structure of being compact and easy to produce, which can be used in the OBU of DSRC, was designed.
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문제 정의
또한 너비와 패치, 수직 슬롯에 대한 수평선 위치의 최적화와 같은 복잡한 변형과 최적화의 경우 HFSS 자체에서 문제가 중복되어 발생될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 HFSS와 PSO를 결합하여 마이크로스트립 패치 안테나의 매개 변수를 추출하고 그것을 바탕으로 안테나를 설계하였다.
이는 단말기 구조를 복잡하게하거나 사용자의 불편을 발생시킨다[8]. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 단일패치를 사용하면서도 작은 크기와 높은 이득을 보이는 CPW 급전을 이용하고 대칭된 역L자형 슬롯을 삽입하여 DSRC용 마이크로스트립 안테나를 설계하고 제작하였다. 또한 안테나 설계 시 소형화에 중요하게 적용되는 매개변수들의 정확한 값을 적용하기 위하여여 PSO(particle swarm optimization) 알고리즘과 HFSS(high frequency structure simulator)를 이용한 변수실험을 통해 안테나의 매개변수 값을 도출하였다.
본 논문에서는 HFSS와 PSO를 결합하여 DSRC용 마이크로스트립 패치 안테나 설계를 제안한다. HFSS는 순간방식을 기반으로 하는 전파 전자파 시뮬레이터이다.
본 논문에서는 정사각형 링형 방사패치와 대칭된 역 L자형 슬롯을 삽입하여 DSRC 주파수 대역을 갖는 마이크로스트립 패치 안테나를 설계하였다. CPW 급전 구조는 마이크로파용 집적회로를 제작할 때 IC 집적회로에 전송선을 직접 쉽게 연결할 수 있다.
본 논문에서는 지능형 교통시스템의 구현을 위하여 사용되는 DSRC용 마이크로스트립 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 제작된 안테나는 지능형 교통시스템의 응용 중에서 ATIS와 ETCS에서 사용이 가능한 차량탑재장치용 안테나로 제작되었으며 소형화와 고이득의 성능을 구현하였다.
제안 방법
측면 CPW 그라운드의 2개의 대칭형 역L자형 슬롯이 제안된 안테나의 대역폭을 효과적으로 확장시켰다. CPW 그라운드에 매설된 2개의 역L자형 슬롯이 대역폭과 이득에서 중요한 역할을 하기 때문에 슬롯을 따르는 전류 분포를 구하였다. 제안된 안테나의 전류 분포는 HFSS를 이용해 실험하였으며, 비교를 위해 슬롯이 없는 안테나 또한 실험하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 역L자 슬롯을 안테나에 대칭시켜 양방향에 동일한 방사패턴을 갖도록 설계하였다. 또한 링형 방사패치를 사용하여 원형편파의 특성을 갖도록 하였다. 표 2는 안테나의 설계 매개변수를 나타낸 것이다.
따라서 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 단일패치를 사용하면서도 작은 크기와 높은 이득을 보이는 CPW 급전을 이용하고 대칭된 역L자형 슬롯을 삽입하여 DSRC용 마이크로스트립 안테나를 설계하고 제작하였다. 또한 안테나 설계 시 소형화에 중요하게 적용되는 매개변수들의 정확한 값을 적용하기 위하여여 PSO(particle swarm optimization) 알고리즘과 HFSS(high frequency structure simulator)를 이용한 변수실험을 통해 안테나의 매개변수 값을 도출하였다.
제작된 안테나는 지능형 교통시스템의 응용 중에서 ATIS와 ETCS에서 사용이 가능한 차량탑재장치용 안테나로 제작되었으며 소형화와 고이득의 성능을 구현하였다. 또한, 안테나 설계 및 제작의 편의성을 위하여 CPW 급전방식을 이용하여 단면 형태의 마이크 로스트립 패치 안테나를 설계 및 제작하였으며 OBU 내부에 장착되기 위한 소형화와 중심주파수 및 대역폭, 이득과 같은 특성을 최적화하기 위하여 역L자형 슬롯과 사각형 링 방사패치를 중요한 변수로 설정하였다.
8GHz대역 노변기지국과 차량단말기 간 근거리전용 무선통신”을 기준하여 안테나의 크기, 대역폭, 최대 이득, 반사손실로 비교 분석을 실시하였다. 비교에 사용된 논문들은 급전방식이 모두 다르고, 주파수 범위와 대역폭, 이득 등의 값이 달라 비교 대상으로서 미흡하지만 논문의 객관적인 평가를 위하여 비교 분석을 실시하였다. 표 4는 안테나 비교 결과를 나타낸 것이다.
위의 매개 변수를 바탕으로 최적화된 시뮬레이션 결과의 안테나 설계 치수를 구할 수 있었다. 설계된 안테나는 CPW 급전을 사용하였고 역 L자형 슬롯 두 개를 CPW 그라운드의 양쪽에 배치하여 대역폭의 확장과 높은 이득을 얻을 수 있도록 하였다.
위의 단계에 따라 안테나 제작에 필요한 매개변수를 구하였다. 표 3은 앞의 식에 의해 구해진 안테나 제작에 필요한 매개 변수들이다.
현재, OBU의 경우 E영역과 H영역에 대해 도로를 향해 빔을 집중할 수 있는 방사패턴이 요구되어 기존 연구에서는 슬롯을 결합한 형태의 적층형 안테나를 제작하였지만 안테나 후면 방사를 활용하지 못하기 때문에 자원낭비의 문제점이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 역L자 슬롯을 안테나에 대칭시켜 양방향에 동일한 방사패턴을 갖도록 설계하였다. 또한 링형 방사패치를 사용하여 원형편파의 특성을 갖도록 하였다.
제안된 안테나는 측면 CPW 그라운드에 위치하고 폭이 0.5mm 인 2개의 대칭형 역L자형 슬롯, 정사각형링 방사 패치 1개, 50Ω CPW 피드 구조로 구성된다.
CPW 그라운드에 매설된 2개의 역L자형 슬롯이 대역폭과 이득에서 중요한 역할을 하기 때문에 슬롯을 따르는 전류 분포를 구하였다. 제안된 안테나의 전류 분포는 HFSS를 이용해 실험하였으며, 비교를 위해 슬롯이 없는 안테나 또한 실험하였다. 그림 2는 제안된 안테나의 시뮬레이션된 전류 분포이다.
본 논문에서는 지능형 교통시스템의 구현을 위하여 사용되는 DSRC용 마이크로스트립 패치 안테나를 설계 및 제작하였다. 제작된 안테나는 지능형 교통시스템의 응용 중에서 ATIS와 ETCS에서 사용이 가능한 차량탑재장치용 안테나로 제작되었으며 소형화와 고이득의 성능을 구현하였다. 또한, 안테나 설계 및 제작의 편의성을 위하여 CPW 급전방식을 이용하여 단면 형태의 마이크 로스트립 패치 안테나를 설계 및 제작하였으며 OBU 내부에 장착되기 위한 소형화와 중심주파수 및 대역폭, 이득과 같은 특성을 최적화하기 위하여 역L자형 슬롯과 사각형 링 방사패치를 중요한 변수로 설정하였다.
타 연구와의 비교 분석을 위해 차량 및 노변에 부착되는 DSRC용 안테나 관련 연구들을 분석 대상으로 하였으며, 안테나의 비교 항목은 정보통신부고시 제2001-21호와 한국정보통신기술협회의 “5.8GHz대역 노변기지국과 차량단말기 간 근거리전용 무선통신”을 기준하여 안테나의 크기, 대역폭, 최대 이득, 반사손실로 비교 분석을 실시하였다.
본 논문에서는 PSO 알고리즘을 사용하여 안테나의 매개변수를 추출하였다. PSO 알고리즘은 1995년도에 J.
성능/효과
또한 안테나의 방사 패턴의 측정 결과 E영역에서 이득이 9.8dBi, 빔폭이 92°로 나타났으며 H영역에서의 이득이 9.8dBi, 빔폭이 70°로 나타났다.
실험결과 9.9dBi의 높은 이득을 가지며 85°의 3dB 빔폭을 갖는 것으로 나타나 우수한 특성을 보였다.
위의 매개 변수를 바탕으로 최적화된 시뮬레이션 결과의 안테나 설계 치수를 구할 수 있었다. 설계된 안테나는 CPW 급전을 사용하였고 역 L자형 슬롯 두 개를 CPW 그라운드의 양쪽에 배치하여 대역폭의 확장과 높은 이득을 얻을 수 있도록 하였다.
1로 설정하였다. 유전체 기판의 높이는 1.6mm로 선정한 뒤 각각의 설계 매개변수를 적용하여 안테나를 제작하여 측정한 결과 주파수 범위 5.77GHz~5.92GHz 대역에서 반사손실이 -15dB이하로 나타났으며, 중심주파수인 5.83GHz에서는 약 -33dB로 안테나의 특성이 양호한 것으로 나타났다. 또한 안테나의 방사 패턴의 측정 결과 E영역에서 이득이 9.
그림 3은 제안된 안테나의 반사손실 실험결과를 나타낸 것이다. 제안된 안테나의 실험결과 5.77GHz~ 5.92GHz의 대역폭을 보였으며 공진주파수는 5.83GHz로 나타나 5.79GHz~5.87GHz의 요구대역폭을 만족하였다.
측면 CPW 그라운드의 2개의 대칭형 역L자형 슬롯이 제안된 안테나의 대역폭을 효과적으로 확장시켰다. CPW 그라운드에 매설된 2개의 역L자형 슬롯이 대역폭과 이득에서 중요한 역할을 하기 때문에 슬롯을 따르는 전류 분포를 구하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DSRC 통신을 위한 DSRC 기반의 OBU용 안테나의 요구사항은 무엇인가?
DSRC 기반의 OBU용 안테나의 설계 목표는 표 1과 같다. DSRC 통신을 위해 도로변에 설치된 노변기지국용 안테나는 차로폭 등의 특정 영역 범위 안에서 통신이 가능하도록 빔 영역이 제한되며, 차량통신장치의 안테나는 설치위치와 장소에 따라 기지국 간 통신이 원활하게 이루어지도록 가능한 넓은 빔폭을 갖는 안테나가 요구된다[9].
DSRC에 대한 관심이 높아진 이유는 무엇인가?
최근 국내에서도 교통정보시스템의 보급 및 개발이 확산되고 일부 서비스가 시범사업을 거쳐 상용화되면서 활용도가 높은 DSRC에 대한 관심이 높아졌으며 노변기지국과 차량 설치장비용 안테나가 연구되고 있다. 차량용 안테나의 경우 크기의 소형화가 요구되어 단일패치를 이용하였으나 대부분의 경우 소형화로 인하여 성능의 저하가 있었다.
DSRC란 무엇인가?
DSRC(dedicated short range communication)는 ITS를 구현하기 위해 도입된 새로운 근거리 통신 수단이며, 현재 ITS를 구현하기 위한 통신방식으로 가장 적합한 기술이다[2]. DSRC는 도로변에 위치한 노변기지국(RSE; road side equipment)과 차량 단말(OBE; on board equipment)이 무선 데이터 통신을 하도록 구성된 시스템으로 다양한 서비스에 적합한 통신 방식이다[3].
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