[논문]소방무선대역을 포함하는 인빌딩용 다중대역 중계기 안테나 설계

김성민; 민경식

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.6.495

초록
AI-Helper

본 논문은 인빌딩 이동통신용 소방무선대역을 포함하는 다중대역 중계기 안테나의 설계를 제안한 것이다. 제안된 안테나는 원형 평판 위에 중심 모노폴과 4개의 기생소자로 구성되어 있다. 다중대역에서 양호한 반사계수를 실현하기 위해서 4개의 기생소자와 중심 모노폴 사이의 상호 결합을 이용하였다. 기생소자와 중심 모노폴 사이의 거리, 중심 모노폴과 4개의 기생소자 각각의 높이와 같은 중요한 파라미터들이 다중대역에서 양호한 안테나 특성을 얻기 위해 모의실험되어졌다. 기생소자와 중심폴의 지름은 용이한 설계와 제작을 위해서 10 mm로 고정하였다. 측정된 반사계수, 2-D 패턴, 그리고 이득 값은 모의 실험된 값들과 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the design of multiband repeater antenna with fire-fighting band for in-building mobile communication. The proposed antenna is composed of a center monopole and 4 parasitic elements on a circular plate. In order to realize good reflection coefficients at the multiband, mutual cou...

This paper proposes the design of multiband repeater antenna with fire-fighting band for in-building mobile communication. The proposed antenna is composed of a center monopole and 4 parasitic elements on a circular plate. In order to realize good reflection coefficients at the multiband, mutual coupling between 4 parasitic elements and center monopole antenna is considered. The important parameters such as distance between parasitic element and a center monopole, and each height of a center monopole and 4 parasitic elements are simulated to obtain good antenna characteristics at the multiband. The diameter of 4 parasitic elements and a center monopole was fixed to 10 mm for easy design and manufacturing. The measurement results of reflection coefficients, 2-D patterns and gain agreed well with their simulation ones.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

PPB의 경우에는 PPB의 높이의 변화로만 1,800 MHz에서 —10 dB 이하의 반사계수 값을 얻을 수 없었기 때문에, PPB와 CP 사이의 거리를 조절하여 공진을 얻고자 하였다.
특히 최근에 건물 내의 소방무선서비스의 의무화 법규가 시행되었고, 고층건물에서 소방무선서비스가 반드시 지원되어야 한다는 강제 규정도 만들어지고 있다.^[7] 따라서 본 논문에서는 이동통신대역과 소방무선주파수 대역인 440～450 MHz에서 동시에 동작 가능한 다중공진 안테나를 설계하고자 한다. 이동통신대역과 소방무선 주파수가 간섭이 생기는 문제를 제기할 수 있는데, ‘건축물 내 이동통신 구내선로설비 공동구축 및 공동사용 활성화를 위한 법제화 방안연구’^[8]에 따르면 소방무선주파수와 이동통신주파수의 전파간섭은 거의 없는 것으로 실험적으로 판명되었다.
본 논문에서는 건물 내에서 이용되는 이동통신 서비스를 위하여 소방무선대역을 포함하는 중계기용 안테나를 제안하였다. 중앙 급전용 모노폴 안테나와 기생소자의 상호 결합을 이용하여 다중공진 특성을 얻었다.
본 논문에서 제안하는 ESPAR 구조의 안테나는 기존 ESPAR 안테나의 기생소자 연결을 다르게 하였다. 본 논문에서는 기생소자를 그라운드에 직접 연결하여, 기존의 ESPAR보다 더 강한 상호결합 특성을 가지도록 하여 공진 주파수별 지향성 제어를 할 수 있을 뿐만 아니라, 기생소자의 길이를 조정하여 다중공진 특성을 구현하도록 하였다.

가설 설정

안테나 크기는 건물의 천장에 설치하는 것으로 가정하여 그라운드의 크기를 포함한 원형평판의 지름을 200 mmΦ, 모노폴의 최장 길이를 200 mm 이하로 하는 설계 범위로 진행하였다.

제안 방법

11 b/g)에서 공진을 한다. CP와 기생소자의 높이, CP와 기생소자 간의 거리를 조절하여서 다중공진 특성을 얻고, 임피던스 정합 특성을 구하였다. 모든 대역에서 —10 dB 이하의 반사계수 특성을 가지며, 0 dBi 이상의 이득을 얻을 수 있었다.
그림 4는 CP와 기생소자인 PPA만 존재할 때의 결과값이다. PPA와 CP사이의 거리를 20 mm로 고정한 후에, PPA의 높이변화에 따른 반사계수를 구하기 위하여 모의실험하였다. PPA의 높이변화에 따라 공진 주파수가 달라지는 것을 볼 수 있다.
관심대역에서 반사계수는 —10dB 이하, 이득은 0 dBi 이상을 목표로 설계하였다.
또한, 제작의 용이성과 실용성을 고려하여 설계된 안테나의 중심 모노폴(CP: Center Monopole)과 기생소자의 지름은 10 mmΦ로 고정하여 설계하였다.
이를 해결하기 위해서 인빌딩용 안테나들이 연구되어왔다^[3],[4]. 본 연구에서 고려된 안테나 구조는 전파음영지역 해소와 지향성 제어를 쉽게 할 수 있는 ESPAR 구조를 고려하였다^[5]. ESPAR 안테나는 단일급전구조와 다수의 기생소자로 이루어져 있다.
설계와 제작의 용이성을 위해 CP와 기생소자의 지름은 10 mmΦ로 고정하였고, CP와 기생소자의 거리, 높이 등을 모의실험을 통해 반복적으로 조절하면서 —10 dB 이하의 반사 계수를 구하였다.
본 논문에서는 건물 내에서 이용되는 이동통신 서비스를 위하여 소방무선대역을 포함하는 중계기용 안테나를 제안하였다. 중앙 급전용 모노폴 안테나와 기생소자의 상호 결합을 이용하여 다중공진 특성을 얻었다. 설계와 제작의 용이성을 위해 CP와 기생소자의 지름은 10 mmΦ로 고정하였고, CP와 기생소자의 거리, 높이 등을 모의실험을 통해 반복적으로 조절하면서 —10 dB 이하의 반사 계수를 구하였다.
CP와 기생소자 사이의 거리는 CP의 중심과 각 기생소자들의 중심까지의 거리를 나타낸 것이다. 표 1에서 제시한 파라미터들을 구하기 위한 설계과정은 본문 Ⅲ과 Ⅳ에 설명하였으며, 설계의 시작은 그라운드와 CP를 가지는 모노폴 안테나를 먼저 설계한 후에 기생소자를 하나씩 추가하면서 임피던스의 정합을 구하는 순서로 하였다.

대상 데이터

FR-4 epoxy 기판과 지름이 200 mmΦ인 원형평판 위에 지름이 10 mm Φ의 원형금속막대로 된 중심폴과 4개의 기생소자로 구성되어 있다.
CP와 PPB의 거리를 11 mm로 사용하면 LTE 대역에서 반사계수가 다소 향상된다. 따라서 PPB의 높이를 37.5 mm, CP사이의 거리는 12 mm로 선택하였다. 거리가 10 mm의 경우, 기생소자와 CP가 서로 접하게 되어 사용할 수 없다.
본 논문에서 설계될 안테나는 원형평판구조를 가지는 모노폴 안테나이다. 안테나 크기는 건물의 천장에 설치하는 것으로 가정하여 그라운드의 크기를 포함한 원형평판의 지름을 200 mmΦ, 모노폴의 최장 길이를 200 mm 이하로 하는 설계 범위로 진행하였다.
CP는 소방무선주파수에 동작되어지며, 기생소자들은 이동통신주파수와 Wi-Fi 대역에서 동작한다. 설계된 안테나는 440～450 MHz(소방무선대역), 824～894 MHz(LTE band 5), 1,710～1,880 MHz(DCS), 1,850～1,990 MHz(PCS), 1,920～2,170 MHz(WCDMA1), 2,400～2,470 MHz(Wi-Fi 802.11 b/g)에서 공진을 한다. CP와 기생소자의 높이, CP와 기생소자 간의 거리를 조절하여서 다중공진 특성을 얻고, 임피던스 정합 특성을 구하였다.
CP와 기생소자는 FR-4 epoxy기판을 통과하여 그라운드와 연결되어 있다. 안테나의 유전체 두께는 1 mm이며, 비유전율은 4.4+j0.04인 FR-4 epoxy기판을 사용하였다. 원형평판 그라운드의 크기는 천정설치를 고려하여 200 mmΦ로 고정하였다.
제작된 안테나의 반사계수 측정은 Anritsu사의 Vector Network Analyzer 37369D를 사용하였으며, 안테나의 방사특성과 이득은 16 m×8 m×6 m 크기의 전파암실에서 측정하였다.

데이터처리

관심대역에서 반사계수는 —10dB 이하, 이득은 0 dBi 이상을 목표로 설계하였다. 안테나 모의실험 프로그램으로 ANSYS사의 HFSS를 사용하였다.

성능/효과

기생소자간의 각도가 가장 멀리 떨어져 있는 90°일 때, 가장 양호한 특성을 얻을 수 있었다.
모든 대역에서 —10 dB 이하의 반사계수 특성을 가지며, 0 dBi 이상의 이득을 얻을 수 있었다.
다수의 기생소자를 이용하여, 제어하고자 하는 안테나의 지향성을 얻는 것이 특징이다. 본 논문에서 제안하는 ESPAR 구조의 안테나는 기존 ESPAR 안테나의 기생소자 연결을 다르게 하였다. 본 논문에서는 기생소자를 그라운드에 직접 연결하여, 기존의 ESPAR보다 더 강한 상호결합 특성을 가지도록 하여 공진 주파수별 지향성 제어를 할 수 있을 뿐만 아니라, 기생소자의 길이를 조정하여 다중공진 특성을 구현하도록 하였다.
설계 의도대로 CP는 소방무선주파수, PPA는 LTE band 5, PPB는 DCS+PCS와 WCDMA1, PPC는 WCDMA1, PPD는 Wi-Fi에서 공진 특성을 보인다. 설계한 안테나를 제작하여 측정을 하였으며, 측정된 반사계수, 방사패턴 그리고 이득의 결과는 모의실험 값과 잘 일치하였다. 다만, WCDMA1 대역과 Wi-Fi 대역에서의 반사 계수 및 이득 개선이 요구되며, 이는 향후 연구과제로 두고자 한다.
PPC에서 —10 dB이하를 만족하는 결과 값은 4가지의 경우가 있다. 소방무선주파수와 LTE 대역을 고려하였을 때 가장 좋은 결과 값을 가지는 경우는 PPC의 높이가 40mm이고, CP와 PPC의 사이가 13 mm일 때이다.
측정된 두 위치에서의 평균 이득은 각각의 공진주파수인 445 MHz에서 —1.1 dBi, 890 MHz에서 —1 dBi, 1,800 MHz에서 0.5 dBi, 2,100 MHz에서 —5 dBi, 2,450MHz에서 —2.4 dBi의 이득을 얻었다.
제작된 안테나의 반사계수 측정은 Anritsu사의 Vector Network Analyzer 37369D를 사용하였으며, 안테나의 방사특성과 이득은 16 m×8 m×6 m 크기의 전파암실에서 측정하였다. 측정한 결과를 모의실험 값과 비교하여서 설계의 타당성을 입증하였다.

후속연구

설계한 안테나를 제작하여 측정을 하였으며, 측정된 반사계수, 방사패턴 그리고 이득의 결과는 모의실험 값과 잘 일치하였다. 다만, WCDMA1 대역과 Wi-Fi 대역에서의 반사 계수 및 이득 개선이 요구되며, 이는 향후 연구과제로 두고자 한다.
하지만, 그라운드의 지름을 200 mmΦ로 제한하였기 때문에 450 MHz에서는 후방부엽 패턴이 강하게 나타나서 지향 특성을 거의 가지지 못한다. 이는 향후 연구과제로 지향 특성을 개선할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전파음영지역이 발생하는 문제점을 해결하기 위해 연구된 안테나는?	하지만 건물의 내부나 해양플랜트구조물과 같은 곳에서는 전파음영지역이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해서 인빌딩용 안테나들이 연구되어왔다[3],[4]. 본 연구에서 고려된 안테나 구조는 전파음영지역 해소와 지향성 제어를 쉽게 할 수 있는 ESPAR 구조를 고려하였다[5].
	안테나의 유전체 두께는 몇 mm인가?	CP와 기생소자는 FR-4 epoxy기판을 통과하여 그라운드와 연결되어 있다. 안테나의 유전체 두께는 1 mm이며, 비유전율은 4.4+j0.
	통신환경 측면에서 옥외의 경우 이동통신서비스가 어떠한가?	MIMO, Wi-Fi, 4G 등 다양한 이동통신 서비스를 위해 국내외적으로 많은 통신 인프라가 구축되고 있다[1],[2]. 통신환경 측면에서 옥외의 경우, 이동통신서비스가 원활하게 이루어지고 있다. 하지만 건물의 내부나 해양플랜트구조물과 같은 곳에서는 전파음영지역이 발생하는 문제점을 가지고 있다.

참고문헌 (9)

김남현, 노광현, 강영진, "이동통신 기지국을 위한 적층된 원형 마이크로스트립 안테나 설계", 대한전자공 학회논문지 TC편, 37(2), pp. 83-90, 2000년 2월.
최학윤, "이동통신 기지국 안테나를 위한 급전회로 설계", 대한전자공학회논문지 TE편, 41(2), pp. 111-115, 2004년 6월.
Youngki Lee, Jeageun Ha, and Jaehoon Choi, "Design of a wideband indoor repeater antenna with high isolation for 3G system", Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 9, no. 1, pp. 697-700, Jul. 2010.

상세보기
Y. K. Lee, J. P. Kim, J. P. Ja, and J. H. Cho, "Design of a microstrip patch array antenna for WCDMA indoor repeater systems", International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications 2009(ICEAA '09), vol. 2, no. 1, pp. 361-364, Oct. 2009.
Bashir Alshami, Hassan Aboulnour, and Mohamad Dib, "Design of a broadband ESPAR antenna", 2009 Mediterrannean Microwave Symposium, pp. 1-6, 2009. 11.
손은수, 박태선, 김종락, 윤명호, "소방무원 현장 안전을 위한 무선통신망 운영에 관한 연구", 한국소방학회논문지, 27(1), pp. 60-65, 2013년 2월.
전내석, "무선통신보조설비의 화재안전기준(NFSC 505) 해설", (주)대명디앤피, pp. 1-6 2013년.
김진영, 윤상필, 송정옹, 노희구, 권순봉, "건축물 내 이동통신구내선로 설비 공동 구축 및 공동 사용 활성화를 위한 법제화 방안 연구", (사)한국통신사업자 연합회, 방송통신정책연구 10-진흥-나-18, pp. 71-83, 2010 년.
최진규, 장국한, 유흥균, "철도 무선통신을 위한 단일 RF 체인을 사용하는 고이득 빔포밍 패치 ESPAR 안테나설계및분석", 한국전자파학회논문지, 26(8), pp. 710-717, 2015년.

원문보기 상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

소방무선대역을 포함하는 인빌딩용 다중대역 중계기 안테나 설계
Design of Multiband Repeater Antenna with Fire-Fighting Band for In-Building Mobile Communication 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

소방무선대역을 포함하는 인빌딩용 다중대역 중계기 안테나 설계 Design of Multiband Repeater Antenna with Fire-Fighting Band for In-Building Mobile Communication 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

민경식 (34)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

소방무선대역을 포함하는 인빌딩용 다중대역 중계기 안테나 설계
Design of Multiband Repeater Antenna with Fire-Fighting Band for In-Building Mobile Communication 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper