본 논문에서는 해상 조난 시 조난자의 정확한 위치를 파악하고, 신속한 구조를 위하여 팽창식 구명조끼에 장착이 가능하면서 COSPAS-SARSAT 주파수 대역, GPS 대역과 VHF-DSC 대역에서 동작하는 다중대역 안테나를 제안하였다. GPS 대역의 안테나는 사각형 슬롯 링(square slot-ring) 형태의 평판 안테나로 구현을 하였고, COSPAS-SARSAT 및 VHF-DSC 안테나는 미앤드 구조의 다이폴 안테나로 구현을 하였다. 구명조끼에 장착이 가능하여야 하므로 유연성 확보를 위해 안테나를 0.2 mm 두께의 FR-4 기판 및 선형 도선으로 구현하였다. 제작된 안테나는 COSPAS-SARSAT, GPS, VHF-DSC 대역에서 각각 -14.6 dB, -30.9 dB, -18 dB의 반사손실을 나타내었으며, COSPAS-SARSAT, GPS 대역에서의 이득은 각각 0.83 dBi, 2.1 dBi로 나타났다.
본 논문에서는 해상 조난 시 조난자의 정확한 위치를 파악하고, 신속한 구조를 위하여 팽창식 구명조끼에 장착이 가능하면서 COSPAS-SARSAT 주파수 대역, GPS 대역과 VHF-DSC 대역에서 동작하는 다중대역 안테나를 제안하였다. GPS 대역의 안테나는 사각형 슬롯 링(square slot-ring) 형태의 평판 안테나로 구현을 하였고, COSPAS-SARSAT 및 VHF-DSC 안테나는 미앤드 구조의 다이폴 안테나로 구현을 하였다. 구명조끼에 장착이 가능하여야 하므로 유연성 확보를 위해 안테나를 0.2 mm 두께의 FR-4 기판 및 선형 도선으로 구현하였다. 제작된 안테나는 COSPAS-SARSAT, GPS, VHF-DSC 대역에서 각각 -14.6 dB, -30.9 dB, -18 dB의 반사손실을 나타내었으며, COSPAS-SARSAT, GPS 대역에서의 이득은 각각 0.83 dBi, 2.1 dBi로 나타났다.
In this paper, we suggested multiband antenna that can be equipped on a inflatable life-jacket, operating VHF-DSC band(156 MHz), COSPAS-SARSAT band(406 MHz) and GPS band(1,575 MHz) for search and rescue survivors quickly. The GPS band antenna was implemented with a square ring-slot planar antenna, a...
In this paper, we suggested multiband antenna that can be equipped on a inflatable life-jacket, operating VHF-DSC band(156 MHz), COSPAS-SARSAT band(406 MHz) and GPS band(1,575 MHz) for search and rescue survivors quickly. The GPS band antenna was implemented with a square ring-slot planar antenna, and the COSPAS-SARSAT and VHF-DSC band antenna were implemented meander type dipole antennas. In order to place the antenna on a life-jacket, we installed it on 0.2 mm thickness FR-4 substrate to obtain a flexibility. It appeared that the antenna has -14.6 dB, -30.9 dB, and -18 dB return loss in COSPAS-SARSAT, GPS, and VHF-DSC band, respectively. In addition, its gain has 0.83 dBi, 2.1 dBi in COSPAS-SARSAT and GPS band, respectively.
In this paper, we suggested multiband antenna that can be equipped on a inflatable life-jacket, operating VHF-DSC band(156 MHz), COSPAS-SARSAT band(406 MHz) and GPS band(1,575 MHz) for search and rescue survivors quickly. The GPS band antenna was implemented with a square ring-slot planar antenna, and the COSPAS-SARSAT and VHF-DSC band antenna were implemented meander type dipole antennas. In order to place the antenna on a life-jacket, we installed it on 0.2 mm thickness FR-4 substrate to obtain a flexibility. It appeared that the antenna has -14.6 dB, -30.9 dB, and -18 dB return loss in COSPAS-SARSAT, GPS, and VHF-DSC band, respectively. In addition, its gain has 0.83 dBi, 2.1 dBi in COSPAS-SARSAT and GPS band, respectively.
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문제 정의
조난 상황시 구명조끼 착용 후 해상에 부유해 있을 경우, 침수되지 않는 범위에 안테나를 부착하여야 해수로 인한 안테나의 특성변화를 최소화 할 수 있다. 그러므로 안테나를 구명조끼의 어깨 위치 부근에 장착할 수 있도록 설계하며, 적절한 크기 및 유연성을 가지도록 설계하고자 한다. 설계하고자 하는 안테나의 사양을 표 1에 나타내었다.
7 cm, 길이 28 cm로 비교적 구명조끼에 장착하기에는 부피가 큰 것으로 사료된다. 본 논문에서는 구명조끼에 장착이 가능하도록 유연성과 적절한 크기를 가지는 안테나를 설계하고자 한다.
그리고 해상 조난 시 조난지역 인근의 선박과의 통신은 156 MHz의 주파수를 사용하는 VHF-DSC로 이루어진다[5]. 본 논문에서는 이러한 조난 신호들이 구명조끼에서 발생이 된다면 조난자의 신속한 구조가 가능할 것으로 판단하여 COSPAS-SARSAT, GPS, VHF-DSC 대역에서 동작하는 안테나를 설계하고자 한다.
본 논문에서는 해상 조난시 COSPAS-SATSAT 위성과 GPS 위성을 이용하여 신속한 위치확인이 가능하며, VHF-DSC 장비로 인근의 선박에 신속한 구조요청이 가능한 구명조끼의 안테나에 대한 연구를 하였다. 구명조끼장착용 안테나는 해수로부터의 영향을 고려하여야 하며, 구명조끼 면적 중, 침수되지 않는 범위 내에 부착하여야 하므로 크기를 소형화하여야 할 필요가 있다.
이렇게 제작된 다중대역 안테나가 구명조끼에 장착이 될 경우, 반사계수의 변화를 알아보기 위해 구명조끼에 그림 10(b)와 같이 다중대역 안테나를 부착하여 반사계수를 측정하였다. 인체에 의한 안테나 특성 변화를 조사하기 위해 자유공간에서의 안테나 특성도 함께 제시하였다. 그림 10(c)에 나타난 반사계수 중 자유공간에서 안테나의 반사계수를 분석해 보면, VHF-DSC 대역인 156 MHz의 주파수에서 약 —12 dB의 반사계수를 나타내고 있다.
제안 방법
2-1에서 설계한 GPS, COSPAS-SARSAT 대역 안테나에 선형도선을 연결하여 VHF-DSC 대역의 동작을 추가하였다. 설계된 다중대역 안테나의 모형을 그림 8에 나타내었다.
2 mm 두께의 FR-4 기판을 사용하여 마이크로스트립 안테나를 설계하였으며, 구명조끼에 안테나를 장착할 수 있는 공간을 고려할 때 적합한 크기로 설계를 하였다. 406 MHz, 1.575 GHz 대역 이중대역 안테나는 시뮬레이션을 통해 설계를 진행하였고, 156 MHz 대역 안테나의 경우 설계된 이중대역 안테나에 선형도선(wire)를 부착하여 실험적으로 설계를 하였다.
COSPAS-SARSAT 대역 안테나는 종단이 미엔더 형태를 띠는 다이폴 안테나로 구현을 하였다. 설계된 안테나의 모형을 그림 5에 나타내었다.
접지면에 슬롯을 적용하고, RHCP를 구현하기 위해 슬롯의 일부를 변형시켰다. COSPAS-SARSAT 안테나와 VHF-DSC 안테나는 종단이 미엔더 형태를 갖는 다이폴 안테나로 설계를 하였다. 또한, 이들 간의 상호 간섭이 최소가 되도록 마이크로스트립 부분에 개방형 스터브를 적용하였다.
FR-4 기판의 한쪽 도체에 급전용 마이크로스트립과 406 MHz 대역 다이폴 안테나의 한쪽 부분을 구현하였고, 반대편 도체에 나머지 한쪽 부분과 1.575 GHz 대역 GPS 안테나를 구현하였다.
GPS 안테나는 마이크로스트립 결합(coupling) 급전방식의 사각형 슬롯 링(square slot ring) 형태로 우선회 편파(RHCP)를 가지도록 설계하였다[8]. 그림 2에 GPS 안테나의 설계 형태를 나타내었다.
그림 2에 GPS 안테나의 설계 형태를 나타내었다. GPS 안테나의 원편파 특성은 정사각형 링의 슬롯 폭 Wp와 Ws, 길이 Lp와 Ls를 가변하여 구현하였다.
설계된 다중대역 안테나의 모형을 그림 8에 나타내었다. VHF-DSC 대역 안테나는 COSPAS-SARSAT 대역 안테나와 유사한 형태인 다이폴 안테나의 형태로 설계하였다. 다이폴 안테나의 한쪽은 마이크로스트립 선로의 연장 선상에 연결하고, 다른 한쪽은 접지면의 일부에 연결하였으며, 크기를 고려하여 미엔더 형태로 설계하였다.
그렇지만 여전히 GPS 대역에서 반사계수가 —10 dB 이하로 측정이 되었다. 그러나 정확성을 위해 GPS 안테나 파라미터를 일부 수정하였고, VHF-DSC 대역 안테나를 부착하여 최종적인 3중 대역 안테나를 제작하였다. 제작된 안테나의 사진을 그림 10(a)에 나타내었다.
설계된 안테나의 모형을 그림 5에 나타내었다. 다이폴 안테나의 한쪽은 급전 마이크로스트립 선로의 연장선상에서 구현을 하고, 다른 한쪽은 접지면의 일부로 구현을 하였다. 또한, 안테나의 크기를 소형화하기 위하여 종단을 미엔더 형태로 구현하였다.
VHF-DSC 대역 안테나는 COSPAS-SARSAT 대역 안테나와 유사한 형태인 다이폴 안테나의 형태로 설계하였다. 다이폴 안테나의 한쪽은 마이크로스트립 선로의 연장 선상에 연결하고, 다른 한쪽은 접지면의 일부에 연결하였으며, 크기를 고려하여 미엔더 형태로 설계하였다.
다이폴 안테나의 한쪽은 급전 마이크로스트립 선로의 연장선상에서 구현을 하고, 다른 한쪽은 접지면의 일부로 구현을 하였다. 또한, 안테나의 크기를 소형화하기 위하여 종단을 미엔더 형태로 구현하였다.
COSPAS-SARSAT 안테나와 VHF-DSC 안테나는 종단이 미엔더 형태를 갖는 다이폴 안테나로 설계를 하였다. 또한, 이들 간의 상호 간섭이 최소가 되도록 마이크로스트립 부분에 개방형 스터브를 적용하였다.
설계된 안테나가 해수로부터 받는 영향을 시뮬레이션하였으며, 정상적인 동작이 가능한 높이를 확인하였다. 또한, 각각의 대역에서 반사손실과 적절한 방사패턴을 확인하였으며, 실제 해상조난 상황에서 사용이 가능할 것으로 사료된다.
또한, 설계된 안테나는 구명조끼에 부착되어 동작하는 안테나이므로 해수면 상에서의 환경을 고려하여야 한다. 시뮬레이션을 위해 해수의 비유전율을 80, 도전율은 4S/m으로 설정하여 설계된 안테나가 자유공간에 위치할 때와 해수면에 위치할 때 반사계수 특성의 변화를 살펴보았다. 그림 7에 해수면상에 위치한 안테나의 모형과 해수면으로부터의 높이에 따른 이중대역 반사계수의 특성의 변화를 나타내었다.
GPS 안테나의 경우, 사각형 모양의 링 슬롯 안테나 형태로 설계를 하였다. 접지면에 슬롯을 적용하고, RHCP를 구현하기 위해 슬롯의 일부를 변형시켰다. COSPAS-SARSAT 안테나와 VHF-DSC 안테나는 종단이 미엔더 형태를 갖는 다이폴 안테나로 설계를 하였다.
대상 데이터
구명조끼장착용 안테나는 해수로부터의 영향을 고려하여야 하며, 구명조끼 면적 중, 침수되지 않는 범위 내에 부착하여야 하므로 크기를 소형화하여야 할 필요가 있다. 설계된 다중대역 안테나는 COSPAS-SARSAT, GPS, VHF-DSC 대역에서 동작이 가능한 안테나이다. GPS 안테나의 경우, 사각형 모양의 링 슬롯 안테나 형태로 설계를 하였다.
설계된 안테나는 유연성을 가진 0.2 mm 두께의 FR-4 기판을 사용하여 마이크로스트립 안테나를 설계하였으며, 구명조끼에 안테나를 장착할 수 있는 공간을 고려할 때 적합한 크기로 설계를 하였다. 406 MHz, 1.
데이터처리
우선 시뮬레이션 결과의 타당성을 확인하기 위해 그림1의 안테나를 제작하여 GPS 및 COSPAS-SARSAT 주파수 대역에서 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교해 그림 9에 제시하였다. 실험 결과, COSPAS-SARSAT 주파수 대역에서는 시뮬레이션과 매우 유사하게 나타났으나, GPS 대역에서는 시뮬레이션 결과가 주파수가 낮은 쪽으로 이동한 것과 같은 현상을 보였다.
성능/효과
1 dBi로 나타났다. 구명조끼에 장착 후 안테나의 이득 변화를 측정해보기 위해 송신 전력을 일정하게 하고, 구명조끼 부착 전후에 따른 수신 전력의 변화를 측정해 본 결과, 0.3dB 이하로 거의 변화가 없는 것으로 측정되어, 안테나를 구명조끼에 장착하여도 안테나 이득에 변화는 없는 것으로 사료된다.
그림 13에 측정한 축비 특성을 제시하였다. 비교를 위해 시뮬레이션 결과도 함께 제시하였으며, 전반적으로 시뮬레이션 결과와 비슷한 추세로 축비가 변하고 있으며, GPS 주파수인 1.575 GHz에서 측정한 축비가 약 1.5 dB로 양호한 결과를 얻었다.
우선 시뮬레이션 결과의 타당성을 확인하기 위해 그림1의 안테나를 제작하여 GPS 및 COSPAS-SARSAT 주파수 대역에서 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교해 그림 9에 제시하였다. 실험 결과, COSPAS-SARSAT 주파수 대역에서는 시뮬레이션과 매우 유사하게 나타났으나, GPS 대역에서는 시뮬레이션 결과가 주파수가 낮은 쪽으로 이동한 것과 같은 현상을 보였다. 그렇지만 여전히 GPS 대역에서 반사계수가 —10 dB 이하로 측정이 되었다.
후속연구
설계된 안테나가 해수로부터 받는 영향을 시뮬레이션하였으며, 정상적인 동작이 가능한 높이를 확인하였다. 또한, 각각의 대역에서 반사손실과 적절한 방사패턴을 확인하였으며, 실제 해상조난 상황에서 사용이 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
COS- PAS-SARSAT 시스템은 무엇인가?
대표적인 시스템으로는 전세계적 재난구조 긴급통신 지원 프로그램으로 운영되고 있는 COSPAS-SARSAT 시스템이 있다[2]. 406 MHz를 동작주파수로 사용하는 COS- PAS-SARSAT 시스템은 육상 또는 해상 조난 지역에서 발생한 긴급 신호를 위성에서 수신하여 조난 지역 인근의 구조팀에 구조신호를 전송하여 수색 및 구조 작업을 지원하는 시스템이다[3]. 또한, 위치확인 시스템의 대표적인 예로는 GPS가 있다[4].
조난 상황 시 신속한 대처를 위해 사용되는 대표적인 시스템은?
GPS는 1.575 GHz의 주파수를 사용하며, COSPAS-SARSAT 시스템을 이용한 위치확인과정에서 보다 정확하고 신속한 파악을 위해 사용된다. 그리고 해상 조난 시 조난지역 인근의 선박과의 통신은 156 MHz의 주파수를 사용하는 VHF-DSC로 이루어진다[5].
GPS의 주파수 대역과, GPS 사용 이유는 무엇인가?
또한, 위치확인 시스템의 대표적인 예로는 GPS가 있다[4]. GPS는 1.575 GHz의 주파수를 사용하며, COSPAS-SARSAT 시스템을 이용한 위치확인과정에서 보다 정확하고 신속한 파악을 위해 사용된다. 그리고 해상 조난 시 조난지역 인근의 선박과의 통신은 156 MHz의 주파수를 사용하는 VHF-DSC로 이루어진다[5].
참고문헌 (8)
http://www.data.go.kr, 안전행정부.
A. Q. Munshi, et al., "A low cost COSPAS-SARSAT alternative for EPIRB transponder for local fishing boats in Bangladesh." Communications(COMM), pp. 1-6, May 2014.
Y. G. Zurabov, K. K. Ivanov, and A. D. Kuropyatnikov, "COSPAS-SARSAT satellite system", Satellite Communications, pp. 156-158, Sep. 1998.
Yijun Zhou, et al., "Dual band proximity-fed stacked patch antenna for tri-band GPS applications", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, pp. 220-223, Jan. 2007.
J. Huang, et al., "A VHF microstrip antenna with widebandwidth and dual-polarization for sea ice thickness measurement", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, pp. 2718-2722, Oct. 2007.
A. A. Serra, et al., "A wearable multi antenna system on a lifejacket for COSPAS SARSAT rescue applications", Antennas and Propagation(APSURSI), pp. 1319-1312, Jul. 2011.
J. Lilja, et al., "Body-worn antennas making a splash: lifejacket-integrated antennas for global search and rescue satellite system", Antennas and Propagation Magazine, IEEE, pp. 324-341, Apr. 2013.
S. W. Zhou, P. H. Li, et al., "A dual-band dual-sense circularly polarized square-ring slot antenna", Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, pp. 1-4, May 2012.
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