[논문]항공기 탑재용 경량화 지지 구조를 갖는 평면 LPDA 안테나 설계

박영주; 박동철

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.3.253

항공기 탑재용 경량화 지지 구조를 갖는 평면 LPDA 안테나 설계
Design of a Planar LPDA Antenna with Light-Weight Supporting Structure for Installing on an Aircraft 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.3, 2016년, pp.253 - 260

초록
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본 논문에서는 항공기 탑재용 경량화 지지 구조를 갖는 평면 LPDA(Log-Periodic Dipole Array) 안테나를 제안한다. 제안된 안테나는 항공기 탑재에 적합하도록 가볍고, 구조적 진동에 견딜 수 있는 평면형 골격 지지 구조를 적용하여 설계하였다. 평면형 골격 지지 구조의 재질은 강도와 온도 특성이 우수한 Peek(Polyether ether ketone)를 사용하였으며, 제안된 안테나는 지지 구조 양면에 LPDA 안테나 방사소자를 결합하여 제작되었다. 지지 구조 유전체로 인하여 변화된 입력 임피던스는 일부 방사소자 간격과 길이를 조절하여 매칭시켰다. 설계된 평면 LPDA 안테나의 10-dB 반사손실 대역폭은 시뮬레이션 및 측정 결과, 각각 0.4~3.1 GHz(7.3:1), 0.41~3.5 GHz(8.2:1)로 광대역이었다. 평균 이득은 0.5~3 GHz 대역내에서 시뮬레이션은 평균 6.77 dBi, 측정은 6.55 dBi이었다. 따라서 설계된 안테나는 가볍고 견고한 구조와 광대역 지향성 방사특성을 가져 항공기 탑재 용도로 적합함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a planar Log-Periodic Dipole Array(LPDA) antenna with light-weight supporting structure for installing on an aircraft. The proposed antenna is designed by applying a planar skeleton supporting structure that has light-weight for an aircraft and is capable of withstanding structural vibration. The material of the planar skeleton supporting structure is a Polyether ether ketone(Peek) which has excellent characteristics on strength and temperature. The proposed antenna is fabricated by attaching the radiating elements of the LPDA on both sides of the supporting structure. The changed input impedance due to the dielectric material of the supporting structure was compensated for by controlling the distance and length of several radiating elements. The 10-dB return loss bandwidths of the designed planar LPDA antenna with light-weight supporting structure are obtained as 0.4~3.1 GHz(7.3:1) in the simulation and 0.41~3.5 GHz(8.2:1) in the measurement. The average gains in 0.5~3 GHz band are 6.77 dBi in the simulation and 6.55 dBi in the measurement. Therefore, we confirm that the designed antenna is appropriate to be installed on an aircraft due to its light-weight structure and wideband directional radiation characteristics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 경량화 지지 구조를 갖는 평면형 LPDA 안테나 설계 내용을 제시하였다. 제안된 안테나는 일반적인 LPDA 안테나와 비교하여 제작이 용이하도록 평면형의 알루미늄 플레이트를 이용하였으며, 안테나 소자를 지지하는 구조는 무게를 줄이기 위해 골격 형태의 유전체를 사용하였다.
본 논문에서는 상기의 문제점을 해결하기 위해 제작이용이하고, 항공기 탑재에 적합하도록 경량화 지지 구조를 갖는 평면형 LPDA 안테나를 제안한다. 평면형 LPDA 안테나 사이의 유전체 지지 구조는 구조적 강도와 무게를 가볍게 할 수 있는 골격(skeleton) 구조로 설계하였고^[6], 임피던스 매칭을 위해 고대역 끝단 다이폴 간격과 다이폴 방사소자 길이를 조절하였다.
본 논문에서는 이와 같은 단점을 줄이고, 구조적인 보강을 적용한 경량화 지지 구조의 평면형 LPDA 안테나를 제시하고자 한다. 그림 2와 같이 유전체 기판의 무게를 줄이기 위해 안테나 방사 소자 부분과 feed line을 제외한 유전체는 제거하였고, 결과적으로 안테나 부분인 알루미늄 도체 사이에 골격 구조의 유전체가 안테나를 지지하는 형태가 되었다.
본 절에서는 기본형의 평면 LPDA 안테나 설계 내용을 우선 제시하고자 한다. 항공기 장착을 위해 LPDA 안테나에 주어진 설계 목표 성능은 다음과 같다.
본 절에서는 지금까지 설명된 경량화 유전체 지지 구조를 갖는 평면형 LPDA 안테나 최종 제작 형상과 측정 결과를 기술한다.

제안 방법

다이폴 방사소자 사이의 간격에 사선으로 지지 구조를 연결시켰다. 그리고 가장 긴 방사소자 중앙에 삼각형 형태의 구조를 보강하였고, 동축케이블로 급전할 때 케이블을 안정적으로 지지할 수 있도록 뒤쪽에 지지 구조를 추가하였다. 이와 같이 설계된 지지 구조는 골격(skeleton) 구조를 가지게 되며, 모든 방향의 진동에 대하여 안정적인 구조를 갖는다.
5 mm에서 4 mm로 증가시켰다. 다이폴 방사소자 사이의 간격에 사선으로 지지 구조를 연결시켰다. 그리고 가장 긴 방사소자 중앙에 삼각형 형태의 구조를 보강하였고, 동축케이블로 급전할 때 케이블을 안정적으로 지지할 수 있도록 뒤쪽에 지지 구조를 추가하였다.
8 mm로 고정시켰다. 따라서 고정된 전송선로의 간격(G)으로 인해 입력 임피던스는 전송선로의 폭(W)으로만 매칭시켜야 하는데, 본 논문에서는 그림 2와 같이 폭을 4 mm로 최적화하였다.
6 GHz에서 7 dB로 특성이 열화되었다. 따라서 반사손실 특성을 개선하기 위해 1.6 GHz 근처에서 동작하는 다이폴 방사소자의 길이를 튜닝함으로써 반사손실 특성을 개선시켰다. 방사소자 길이 튜닝은 12번째 다이폴 방사소자를 0.
제안된 안테나는 일반적인 LPDA 안테나와 비교하여 제작이 용이하도록 평면형의 알루미늄 플레이트를 이용하였으며, 안테나 소자를 지지하는 구조는 무게를 줄이기 위해 골격 형태의 유전체를 사용하였다. 또한, 유전체 지지 구조로 인하여 변화하는 입력 임피던스를 방사소자의 간격과 길이 조절을 통하여 매칭시켰다. 기본형 평면 LPDA 안테나와 설계된 안테나와의 성능 측정 결과, 특성은 대체로 일치함을 확인하였다.
본 장에서는 먼저 2-1절에 기본형의 평면 LPDA 안테나 설계 방법을 제시한다. 이를 바탕으로 경량이면서 견고한 특성의 유전체 지지 구조를 갖는 새로운 평면 LPDA 안테나를 제안하고, 유전체로 인한 반사손실을 감소시키기 위해 임피던스 매칭 방안을 제시한다.
설계된 평면형 LPDA 안테나의 특성을 확인하기 위해 그림 2의 구조를 적용하여 안테나의 반사손실을 시뮬레이션하였다. 그림 1의 기본형 평면 LPDA 안테나와 비교 하여 전송선로 사이 간격이 늘고, Peek 유전체가 삽입되어 일부 대역에서 임피던스 매칭 특성이 열화되는 것을 확인하였다.
안테나의 재질은 경량화를 위해 알루미늄을 이용하였다. 안테나 방사소자와 골격구조 유전체와의 접합은 견고하게 접합시키기 위해 나사 결합구조를 적용하였다. 안테나의 급전은 semi-rigid 동축케이블(UT-085)을 이용하여 LPDA 안테나의 끝단에 급전을 하였다.
안테나 방사소자와 골격구조 유전체와의 접합은 견고하게 접합시키기 위해 나사 결합구조를 적용하였다. 안테나의 급전은 semi-rigid 동축케이블(UT-085)을 이용하여 LPDA 안테나의 끝단에 급전을 하였다. LP- DA 안테나는 354 mm×310 mm×5.
본 장에서는 먼저 2-1절에 기본형의 평면 LPDA 안테나 설계 방법을 제시한다. 이를 바탕으로 경량이면서 견고한 특성의 유전체 지지 구조를 갖는 새로운 평면 LPDA 안테나를 제안하고, 유전체로 인한 반사손실을 감소시키기 위해 임피던스 매칭 방안을 제시한다. 2-2절에는 최종설계된 안테나 제작 및 측정 결과에 대해 기술한다.
이를 해결하기 위해 본 논문에서는 고대역의 방사 소자 간격을 변경하여 임피던스 매칭을 수행하였다. 그림 3에 매칭 전후의 반사손실 특성과 변경된 방사 소자 간격을 나타내었다.
경량화 유전체 지지 구조 2가 적용된 최종 평면 LPDA안테나를 그림 6에 나타내었다. 제작된 안테나의 유전체 지지 구조는 Peek 유전체를 골격 구조 모양으로 가공하여 적용하였다. 안테나의 재질은 경량화를 위해 알루미늄을 이용하였다.
본 논문에서는 상기의 문제점을 해결하기 위해 제작이용이하고, 항공기 탑재에 적합하도록 경량화 지지 구조를 갖는 평면형 LPDA 안테나를 제안한다. 평면형 LPDA 안테나 사이의 유전체 지지 구조는 구조적 강도와 무게를 가볍게 할 수 있는 골격(skeleton) 구조로 설계하였고^[6], 임피던스 매칭을 위해 고대역 끝단 다이폴 간격과 다이폴 방사소자 길이를 조절하였다. 제안된 안테나는 시뮬레이션과 측정을 통해 설계 대역에서 양호한 10-dB 반사손실 특성, 평균 6.

대상 데이터

Table 2. Characteristics for the designed LPDA antenna.
LP- DA 안테나는 354 mm×310 mm×5.8 mm의 크기로 제작되었다.
제작된 안테나의 유전체 지지 구조는 Peek 유전체를 골격 구조 모양으로 가공하여 적용하였다. 안테나의 재질은 경량화를 위해 알루미늄을 이용하였다. 안테나 방사소자와 골격구조 유전체와의 접합은 견고하게 접합시키기 위해 나사 결합구조를 적용하였다.
본 논문에서는 경량화 지지 구조를 갖는 평면형 LPDA 안테나 설계 내용을 제시하였다. 제안된 안테나는 일반적인 LPDA 안테나와 비교하여 제작이 용이하도록 평면형의 알루미늄 플레이트를 이용하였으며, 안테나 소자를 지지하는 구조는 무게를 줄이기 위해 골격 형태의 유전체를 사용하였다. 또한, 유전체 지지 구조로 인하여 변화하는 입력 임피던스를 방사소자의 간격과 길이 조절을 통하여 매칭시켰다.
지지 구조는 기계적 강도가 높고, 온도에 대한 변화 특성이 적은 Peek(Polyether ether ketone) 유전체(ε r=3.3, tan δ=0.02)를 사용하였다.

이론/모형

그림 1에 설계된 기본형 평면 LPDA 안테나의 구조를 나타내었다. 안테나 설계는 3D EM 시뮬레이션(CST사 Microwave Studio 2013)을 이용하였다. 여기에서 모든 안테나 방사소자의 폭은 제작의 용이성을 위해 2.
5 dBi 이상으로 설정되었다. 이러한 요구조건을 만족하기 위해 일반적인 LPDA 안테나 설계 방법을 효과적으로 제시한 Carrel^[7]의 설계 방법을 이용하였다. 목표 주파수와 이득이 정해지면 안테나 다이폴 간격 계수(σ)와 스케일 계수(τ)가 정해지는데, 결과적으로 본 논문에서는 다이폴 개수가 20개인 방사소자와 σ=0.

성능/효과

2, 3 GHz 주파수에 대한 시뮬레이션 및 측정된 방사패턴을 나타내었다. E, H-면 모두 지향성 방사특성을 얻었으며, E-면 빔폭이 H-면 빔폭보다 좁은 전형적인 LPDA 안테나의 방사특성을 나타내었다.
본 논문에서는 이와 같은 단점을 줄이고, 구조적인 보강을 적용한 경량화 지지 구조의 평면형 LPDA 안테나를 제시하고자 한다. 그림 2와 같이 유전체 기판의 무게를 줄이기 위해 안테나 방사 소자 부분과 feed line을 제외한 유전체는 제거하였고, 결과적으로 안테나 부분인 알루미늄 도체 사이에 골격 구조의 유전체가 안테나를 지지하는 형태가 되었다. 지지 구조는 기계적 강도가 높고, 온도에 대한 변화 특성이 적은 Peek(Polyether ether ketone) 유전체(ε _r=3.
또한, 유전체 지지 구조로 인하여 변화하는 입력 임피던스를 방사소자의 간격과 길이 조절을 통하여 매칭시켰다. 기본형 평면 LPDA 안테나와 설계된 안테나와의 성능 측정 결과, 특성은 대체로 일치함을 확인하였다. 설계된 LPDA 안테나는 경량이며, 견고한 지지구조를 가지고 있어 항공용 안테나로 적용될 수 있는 것으로 판단된다.
목표 주파수와 이득이 정해지면 안테나 다이폴 간격 계수(σ)와 스케일 계수(τ)가 정해지는데, 결과적으로 본 논문에서는 다이폴 개수가 20개인 방사소자와 σ=0.05, τ=0.88인 계수로 안테나를 설계하였다.
그림 7은 시뮬레이션 및 측정된 LPDA 안테나의 반사손실을 나타내고 있다. 시뮬레이션 및 측정 결과, 모두 10dB 이하의 양호한 임피던스 매칭 특성을 보였으며, 시뮬레이션 및 측정 결과가 대체적으로 일치하는 것을 볼 수 있다. 3.
시뮬레이션 및 측정된 10-dB 대역폭은 각각 0.4~3.1GHz(7.3:1), 0.41~3.5 GHz(8.2:1)으로 광대역 특성을 얻었다.
평면형 LPDA 안테나 사이의 유전체 지지 구조는 구조적 강도와 무게를 가볍게 할 수 있는 골격(skeleton) 구조로 설계하였고^[6], 임피던스 매칭을 위해 고대역 끝단 다이폴 간격과 다이폴 방사소자 길이를 조절하였다. 제안된 안테나는 시뮬레이션과 측정을 통해 설계 대역에서 양호한 10-dB 반사손실 특성, 평균 6.5 dBi 이상의 이득과 지향성 방사패턴을 가져 항공기에 장착되는 광대역 수신기 시스템에 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
그림 5의 안테나 반사손실 시뮬레이션 결과와 같이 특정 주파수 대역에서 반사손실 값이 감소하였다. 지지 구조 2는 지지 구조 1에 비해 지지 구조의 폭이 두꺼워져 반사손실 시뮬레이션 결과, 1.6 GHz에서 7 dB로 특성이 열화되었다. 따라서 반사손실 특성을 개선하기 위해 1.
표 2에는 새롭게 제안된 LPDA 안테나의 특성을 나타내었다. 표 1의 기본형 LPDA 안테나와 특성을 비교해 볼 때 경량화 지지 구조를 갖는 LPDA 안테나 특성에는 큰 차이가 없었으며, 지지 구조 보강으로 설계된 LPDA 안테나가 항공기 탑재용으로 적합함을 알 수 있다.

후속연구

지금까지 논의된 지지 구조 이외에도 본 논문에서 제안하는 평면 LPDA 안테나를 항공용으로 적용시키기 위해서는 구조 보강이 필요하다. 그림 2의 Peek 유전체 지지 구조는 z축 및 x축 방향으로 진동에 취약한 구조를 가진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광대역이면서 일정 방향의 신호 수신 목적을 위한 지향성 안테나로 유용하게 사용될 수 있는 것은?	UHF 대역에서 L 대역까지 광대역 특성을 만족하는 전방향성 항공용 안테나로는 일반적으로 블레이드 형태의 모노폴 안테나가 널리 이용되고 있다. 반면에 광대역이면서 일정 방향의 신호 수신 목적을 위한 지향성 안테나로는 대수 주기형 다이폴 배열(Log-Periodic Dipole Array: LPDA) 안테나가 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 항공기 탑재 안테나의 물리적 요구 사항으로는 무게가 가벼워야 하고, 항공기의 구조적 진동 및 공력 하중을 버틸 수 있도록 견고하게 제작되어야 한다는 것이다.
	항공기 탑재 안테나의 물리적 요구사항은?	반면에 광대역이면서 일정 방향의 신호 수신 목적을 위한 지향성 안테나로는 대수 주기형 다이폴 배열(Log-Periodic Dipole Array: LPDA) 안테나가 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 항공기 탑재 안테나의 물리적 요구 사항으로는 무게가 가벼워야 하고, 항공기의 구조적 진동 및 공력 하중을 버틸 수 있도록 견고하게 제작되어야 한다는 것이다.
	프린트형 LPDA 안테나가 항공기 탑재용 LP- DA 안테나로는 부적합한 이유는?	프린트형 LPDA 안테나에서의 급전 구조는 스트립 라인이나 Conductor-Backed Co-Planar Wa- veguide(CPWG)가 적용된다. 하지만 UHF 대역 LPDA 설계에 있어서 프린트형 기판을 적용하여 안테나를 제작할 경우, 기판의 두께 및 크기가 커져 안테나의 무게를 증가 시킬 수 있다. 따라서 이러한 프린트형 LPDA 안테나는 가볍고 견고한 구조를 필요로 하는 항공기 탑재용 LP- DA 안테나로는 부적합할 수 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
최학근, 김선표, 임성빈, "대수 주기 벤트 다이폴 안테나의복사특성", 한국전자파학회논문지, 14(11), pp. 1207- 1215, 2003년 11월.

원문보기 상세보기
엄선용, 최학근, "대수 주기 칸토어 다이폴 안테나의 복사특성", 한국전자파학회논문지, 19(3), pp. 321-328, 2008년 3월.

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상세보기
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R. Carrel, "Analysis and design of the log-periodic dipole antennas", Ph.D. dissertation, University of Illinois, Urbana, IL, USA, 1961.
함형준, 유홍균, 박범준, 박영주, 이규송, 우종명, "대수주기 다이폴 배열 안테나의 소형화 연구", 한국전자파학회논문지, 25(7), pp. 709-720, 2014년 7월.

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표제어: PCR

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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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