[논문]중파방송 송신소 내 eLoran용 송신 안테나 동일 장소 배치 및 분석

김기남; 목하균; 구한이; 남상욱

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.12.1053

중파방송 송신소 내 eLoran용 송신 안테나 동일 장소 배치 및 분석
Co-Location and Analysis of an eLoran Transmitting Antenna in an MF Transmitting Site 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.12, 2016년, pp.1053 - 1058

김기남 (네트웍 텔레콤 기업부설연구소) , 목하균 (네트웍 텔레콤 기업부설연구소) , 구한이 (서울대학교 전기.정보공학부) , 남상욱 (서울대학교 전기.정보공학부)

초록
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본 논문에서는 중파방송 송신소 내 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치(Co-location)된 eLoran 송신 안테나의 모델을 제시하고, 이를 분석하였다. 먼저 eLoran 송신 안테나의 적합한 구조로 가장 일반적인 형태인 우산형 상부장하소자(TLE: Top-loading wire)가 연결된 모노폴 안테나를 적용하였다. 설계된 eLoran용 송신 안테나를 중파송신 안테나와 동일 장소 내 배치 유무에 따른 방사패턴과 반사손실을 비교하여 서로 일치함을 보였다. 또한, 동일 장소 배치에 따른 송신회로의 영향을 확인하기 위해 eLoran 및 중파송신 안테나 매칭회로를 모두 포함한 커플링을 분석하였다. 그 결과, eLoran 중심주파수인 100 kHz에서 -53.3 dB, 중파송신 안테나의 동작주파수인 1,053 kHz에서 -64.8 dB로 커플링에 의한 영향은 미미함을 확인하여 설계 타당성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The eLoran(enhanced Long Range Navigation) transmitting antenna is analyzed for co-location with an AM transmitting antenna in an MF transmitting site. To compensate for the loading effect, the umbrella-type loading is applied for eLoran antenna. The validity of the co-location between the MF antenna and the eLoran antenna is verified through the simulation results of the radiation pattern and the return loss. Also, coupling including antenna matching circuit is analyzed to verify the effect of the transmitting circuit. The coupling between the LF and eLoran antenna is -53.3 dB at 100 kHz and -64.8 dB at 1,053 kHz, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 중파방송 송신소의 부지를 활용하여 eLoran 송신 시설로 사용하기 위해 부지 내 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치된 eLoran 송신 안테나의 모델을 제시하고, 이를 분석하였다. 먼저 eLoran 대역에 맞추어 100 kHz 대역에서 동작하는 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 중파송신소 내 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치된 eLoran 송신 안테나의 모델을 제시하고, 이를 분석하였다. 먼저 eLoran 송신 안테나의 적합한 구조로 가장 일반적인 형태인 우산형 상부장하소자(TLE: Top-loading wire)가 연결된 모노폴 안테나를 적용하였다.
예를 들어 미국에 있는 Wildwood 안테나의 경우, 직경이 380 m이기 때문에 대한민국과 같이 산과 건물이 많은 지역에서 eLoran 송신소 부지를 확보하는 것이 쉽지 않다^[2],[3]. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 기존 중파방송 송신소 부지 내 eLoran 송신 안테나를 추가로 설치하는 방안을 제안한다. 이는 공간을 충분히 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 주변 민원제기 및 환경성 평가 등을 생략할 수 있어 시공기간 단축은 물론 부지 구입과 시설물 구축비용 절감 등 많은 이점이 있다.

제안 방법

그림 3(b)와 같이 중파송신 안테나와 eLoran용 송신 안테나를 동일 장소에 배치된 구조는 표 1의 최적화된 설계 변수 값을 토대로 모델링하였고, Altair사의 FEKO 7.0로전기적인 특성을 확인하였다. 동일 장소 배치 유무에 따라 zy 평면과 xy 평면에 대한 방사패턴 특성은 그림 4와같다.
2-1절을 통해 eLoran용 송신 안테나의 위치 및 방사형 접지의 크기를 결정하였고, 동일 장소에 배치된 중파안테 나와 eLoran용 송신 안테나를 그림 3과 같이 모델링하였다. 먼저 중파송신 안테나는 김포송신소에 있는 안테나를 근거로 모델링하였다.
527-3보고서에서 medium dry ground의 유전율은 15이다^[7],[8]. eLoran용 송신 안테나의 리액턴스 성분을 줄이고, 대역을 넓히기 위해 상부장하소자의 끝에다 원형으로 와이어를 추가하였다^[8]. 마지막으로 방사형 접지는 현재 상용화된 안테나와 보고서를 근거로 120 개로 설정하였다^{[2]～[4],[10]}.
이때 안테나 사이의 간격은 50 m 이고, 안테나의 접지는 반경 25 m를 가지는 완전도체로 설정하였다. 그리고 eLoran용 송신 안테나는 eLoran 대역의 중심주파수인 100 kHz에서 동작하는 안테나를 설계하였다. 안테나의 높이는 150 m로 설정하였고, 이는 파장의 20분의 1로서 파장에 비해 매우 짧은 short monopole 구조이다.
01 m로 모델링 하였다. 그리고 지면효과를 고려하기 위해 지면의 유전율을 고려하였다. ITU-R P.
설계된 eLoran용 송신 안테나를 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치하여 방사패턴과 임피던스를 비교 분석한 결과, eLoran용 송신 안테나 단독인 특성과 매우 유사한 특성을 얻었다. 또한, 동일 장소 배치에 따른 송신회로의 영향을 확인하기 위해 eLoran 및 중파송신 안테나 매칭회로를 모두 포함한 coupling을 분석하였다. 그 결과, eLoran 중심주파수인 100 kHz에서 —53.
설계된 eLoran용 송신 안테나를 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치하여 동일 장소에 배치를 하지 않았을 때 방사패턴과 임피던스를 비교 분석하여 그 타당함을 보였다. 또한, 동일 장소 배치에 따른 송신회로의 영향을 확인하기 위해 eLoran 및 중파송신 안테나 매칭회로를 모두 포함한 커플링을 분석하였다. 그 결과, eLoran 중심주파수인 100 kHz에서 —53.
eLoran용 송신 안테나의 리액턴스 성분을 줄이고, 대역을 넓히기 위해 상부장하소자의 끝에다 원형으로 와이어를 추가하였다^[8]. 마지막으로 방사형 접지는 현재 상용화된 안테나와 보고서를 근거로 120 개로 설정하였다^{[2]～[4],[10}].
본 논문에서는 기존의 중파방송 송신소의 부지를 활용하여 eLoran 송신 시설로 사용하기 위해 부지 내 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치된 eLoran 송신 안테나의 모델을 제시하고, 이를 분석하였다. 먼저 eLoran 대역에 맞추어 100 kHz 대역에서 동작하는 안테나를 설계하였다. eLoran 송신 안테나의 적합한 구조로 가장 일반적인 형태인 우산형 상부장하소자(TLE: Top-loading wire)가 연결된 모노폴 안테나를 안테나 와이어 구조에 적합한 EM 시뮬레이션 툴인 Altair사의 FEKO 7.
본 논문에서는 중파송신소 내 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치된 eLoran 송신 안테나의 모델을 제시하고, 이를 분석하였다. 먼저 eLoran 송신 안테나의 적합한 구조로 가장 일반적인 형태인 우산형 상부장하소자(TLE: Top-loading wire)가 연결된 모노폴 안테나를 적용하였다. 설계된 eLoran용 송신 안테나를 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치하여 동일 장소에 배치를 하지 않았을 때 방사패턴과 임피던스를 비교 분석하여 그 타당함을 보였다.
2-1절을 통해 eLoran용 송신 안테나의 위치 및 방사형 접지의 크기를 결정하였고, 동일 장소에 배치된 중파안테 나와 eLoran용 송신 안테나를 그림 3과 같이 모델링하였다. 먼저 중파송신 안테나는 김포송신소에 있는 안테나를 근거로 모델링하였다. 이때 안테나 사이의 간격은 50 m 이고, 안테나의 접지는 반경 25 m를 가지는 완전도체로 설정하였다.

대상 데이터

안테나의 높이는 150 m로 설정하였고, 이는 파장의 20분의 1로서 파장에 비해 매우 짧은 short monopole 구조이다. Short monopole의 Capacitance 성분을 보상하기 위해 가장 일반적인 형태인 우산형 상부장하소자(TLE: Top-loading wire)를 적용하였다^[4]～[6]. 상부장하소자의 개수는 상용화된 eLoran용 송신 안테나를 근거로 24개로 선정하였고, 이때 상부장하소자의 직경은 0.
그림 2는 김포 중파방송 송신소 부지를 찍은 항공사진이고, 빨간색 실선은 부지의 영역을 보여준다. eLoran용 송신 안테나의 위치는 중파송신 안테나의 주엽(main beam)을 피해 송신소 부지를 고려하여 방사형 접지의 반경을 75 m로 선정하였다.
Short monopole의 Capacitance 성분을 보상하기 위해 가장 일반적인 형태인 우산형 상부장하소자(TLE: Top-loading wire)를 적용하였다^[4]～[6]. 상부장하소자의 개수는 상용화된 eLoran용 송신 안테나를 근거로 24개로 선정하였고, 이때 상부장하소자의 직경은 0.01 m로 모델링 하였다. 그리고 지면효과를 고려하기 위해 지면의 유전율을 고려하였다.
시뮬레이션을 통해 구한 안테나의 임피던스는 100 kHz에서 1.22—j138 Ohm이다.
먼저 중파송신 안테나는 김포송신소에 있는 안테나를 근거로 모델링하였다. 이때 안테나 사이의 간격은 50 m 이고, 안테나의 접지는 반경 25 m를 가지는 완전도체로 설정하였다. 그리고 eLoran용 송신 안테나는 eLoran 대역의 중심주파수인 100 kHz에서 동작하는 안테나를 설계하였다.

이론/모형

먼저 eLoran 대역에 맞추어 100 kHz 대역에서 동작하는 안테나를 설계하였다. eLoran 송신 안테나의 적합한 구조로 가장 일반적인 형태인 우산형 상부장하소자(TLE: Top-loading wire)가 연결된 모노폴 안테나를 안테나 와이어 구조에 적합한 EM 시뮬레이션 툴인 Altair사의 FEKO 7.0을 이용하여 모델링 하였다^[4],[5]. 설계된 eLoran용 송신 안테나를 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치하여 방사패턴과 임피던스를 비교 분석한 결과, eLoran용 송신 안테나 단독인 특성과 매우 유사한 특성을 얻었다.

성능/효과

그 결과, eLoran 중심주파수인 100 kHz에서 —53.3 dB, 중파 송신 안테나의 동작주파수인 1,053 kHz에서 —64.8 dB로 커플링에 의한 영향은 미미함을 확인하였다.
그 결과, eLoran 중심주파수인 100 kHz에서 —53.3 dB, 중파송신 안테나의 동작주파 수인 1,053 kHz에서 —64.8 dB로 커플링에 의한 영향은 미미함을 확인하였다.
669 kHz로 논문에서 제안한 안테나보다 F값이 다소 높다. 그러나 본 논문에서 제안한 안테나는 직경 (150 m)이 포항 송신소의 직경(320 m)보다 절반 미만이고, 중파 송신 안테나와 동일 공간에 배치함으로써 안테나의 공간 효율성을 극대화 시켰다는 장점이 있다.
그림 6(b)에서 중파송신 안테나의 대역은 10 dB를 기준 으로 84 kHz(1,033～1,118 kHz)이고, 실제로 운용되고 있는 주파수인 1,053 kHz에서 공진이 형성되었음을 확인할수 있다. 또한, eLoran용 송신 안테나의 유무에 따른 중파 송신 안테나의 반사손실 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다.
먼저 eLoran 송신 안테나의 적합한 구조로 가장 일반적인 형태인 우산형 상부장하소자(TLE: Top-loading wire)가 연결된 모노폴 안테나를 적용하였다. 설계된 eLoran용 송신 안테나를 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치하여 동일 장소에 배치를 하지 않았을 때 방사패턴과 임피던스를 비교 분석하여 그 타당함을 보였다. 또한, 동일 장소 배치에 따른 송신회로의 영향을 확인하기 위해 eLoran 및 중파송신 안테나 매칭회로를 모두 포함한 커플링을 분석하였다.
0을 이용하여 모델링 하였다^[4],[5]. 설계된 eLoran용 송신 안테나를 중파송신 안테나와 동일 장소에 배치하여 방사패턴과 임피던스를 비교 분석한 결과, eLoran용 송신 안테나 단독인 특성과 매우 유사한 특성을 얻었다. 또한, 동일 장소 배치에 따른 송신회로의 영향을 확인하기 위해 eLoran 및 중파송신 안테나 매칭회로를 모두 포함한 coupling을 분석하였다.
시뮬레이션을 통해 구한 eLoran의 안테나 대역은 3 dB 를 기준으로 1.4 kHz이고, 안테나의 방사 효율은 36.1 % 이다. 따라서 설계된 안테나의 “Figure of Merit”은 0.

후속연구

8 dB로 커플링에 의한 영향은 미미함을 확인하였다. 논문에서 제안한 eLoran용 송신 안테나를 동일한 장소에 배치한 모델은 중파송신소와 같은 제한된 구역 내에서 충분히 활용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중파송신 안테나의 구성은?	중파송신 안테나의 구조는 그림 1에서 보인 바와 같이, 급전부, 반사기 그리고 두 개의 방향기로 구성되어 있으며, 야기-우다 안테나로 동작을 한다. 안테나의 높이는 65m이고, 동작되는 중심주파수는 1,053 kHz이다.
	GPS 기술의 단점은?	GPS 기술은 재밍(jamming)에 취약한 것으로 알려져 있다. 실제로 2010년부터 북한은 서해상과 수도권에 GPS 전파교란 공격을 감행, 운행 중이던 선박과 항공기의 네비게이션 등에 다수의 장애현상을 유발시켰다.
	재밍에 취약한 GPS를 보완할 수 있는 navigation은?	실제로 2010년부터 북한은 서해상과 수도권에 GPS 전파교란 공격을 감행, 운행 중이던 선박과 항공기의 네비게이션 등에 다수의 장애현상을 유발시켰다. 이것에 대한 대안으로 eLoran(enhanced Long Range Navigation)이 GPS 시스템을 보완할 수 있다고 알려져 있다 [1] . 이에 따라 해양수산부에서는 유사시 GPS 위성 신호가 아닌 지상 송신국 전파를 통해 항해가 가능하도록 기존 포항, 광주 LORAN-C 송신국을 업그레이드하고, 수도권 북부 지역에 eLoran 송신국을 신설, 운영하는 방안을 추진 중이다.

참고문헌 (10)

G. W. Johnson, "An evaluation of eLoran as a backup to GPS", in IEEE Conference on Technologies for Homeland Security, pp. 95-100, May 2007.
John Pinks, "Theoretical evaluation suitability of USCG LSU 625' TLM Loran antenna at Wildwood, N.J. at 500 kHz for DRM transmission", RTCM Paper 043-2011-SC123-085., Feb. 2011.
T. Hardy, N. Limited, "Next generation LF transmitter technology for (e)Loran Systems", Nav08/ILA27 Conf. & Exhib., 2008.
T. L. Simpson, "The theory of top-loaded antennas: integral equations for the currents", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-19, pp. 186-190, Mar. 1971.
T. E. Devaney, R. F. Hall, and W. E. Gustafson, "Low-frequency top loaded antenna", R&D Rep. 1381, Navial Postgraduate School, California, 2 Mar. 1987.
A. F Gangi, S. Sensiper, and G. R. Dunn, "The characteristics of electrically short, umbrella top-loaed antennas", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-18, pp. 864-871, Nov. 1965.
ITU-R P.832-2 World Atlas of Ground Conductivities. 1999.
ITU-R P.527-3 Electrical Characteristics of the Surface of the Earth. 1992.
Peder M. Hansen, "Rosette-shaped monopole antenna top-load for increased antenna voltage and power capability", US 08/232,784, Apr 21, 1994.
방재훈, 안병철, "eLoran 송신 안테나 해석", 컴퓨터정보통신연구, 22(1), pp. 1-4, 2014년 5월.

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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