[논문]종이접기 방식을 사용한 방사패턴 가변형 종이 안테나 설계

박동국

doi:10.5916/jkosme.2016.40.7.642

종이접기 방식을 사용한 방사패턴 가변형 종이 안테나 설계
Design of a reconfigurable paper antenna using the origami method 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.40 no.7, 2016년, pp.642 - 646

박동국 (Division of Electronics and Electrical Information Engineering, Korea Maritime and Ocean University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 종이에 전도성 테이프를 이용하여 만든 웨어러블 안테나를 소개한다. 제안하는 안테나는 A4 복사 용지에 반파장 도체 다이폴 스트립과 기생 도체 스트립으로 구성이 되며, SMA 커넥터를 통해 다이폴의 중앙에 급전되는 구조이다. 제안하는 안테나의 모양은 종이 접기에 따라 모양이 달라지며, 따라서 종이를 접었을 때와 펼쳤을 때 안테나의 방사패턴이 가변된다. 이것은 안테나 방사패턴의 영점(null)에 의해 신호의 수신율이 낮아지는 문제점을 해결할 수 있다. 제안하는 안테나의 반사계수와 방사패턴을 900 MHz에서 시뮬레이션과 실험을 통해 제시하였고, 제안하는 종이 안테나가 900 MHz에서 종이접기 방식에 따라 재구성(reconfigurable) 특성이 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A wearable antenna made using conductive tape on paper is presented in this paper. The proposed antenna is composed of a half-wavelength conducting dipole strip and a parasitic conducting strip on the A4 copy paper. The antenna is fed at the center of the dipole strip by an SMA connector. The configuration of the proposed antenna changes according to the origami method. Therefore the radiation patterns of the antenna vary according to whether or not the paper is folded. This approach solves the problem that the reception ratio of the signal decreases because of null points in the antenna radiation pattern. The reflection coefficient and the radiation pattern of the proposed antenna at 900 MHz are evaluated using an EM simulation and measurements. It was shown that the proposed paper antenna has reconfigurable characteristics at 900 MHz when utilizing the origami method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 일반 복사용지인 A4용지에 구리 도체 테이프를 이용하여 안테나를 제작하고, 종이접기 방식에 따라 방사패턴이 가변되는 종이 안테나를 제안하였다. 종이를 접었을 때 부가 소자가 반파장 다이폴 안테나에 첨가되어 안테나의 방사패턴이 가변되는 것을 시뮬레이션 및 실험을 통해 확인하였다.
본 논문에서도 종이접기 방식을 사용하여 방사패턴이 가변되는 안테나를 제안하고자 한다. 또한 참고문헌 [7]의 경우 안테나가 접히는 부분에서 전도성 잉크로 구현된 안테나 부분의 잉크가 깨지는 현상이 있어 액체 금속을 사용하여 해결하는 번거로움이 있었다.

제안 방법

동작 주파수는 900 MHz를 고려하였고, 동작주파수에서 반사계수가 –10 dB 이하가 되도록 설계하였다.
또한 참고문헌 [7]의 경우 안테나가 접히는 부분에서 전도성 잉크로 구현된 안테나 부분의 잉크가 깨지는 현상이 있어 액체 금속을 사용하여 해결하는 번거로움이 있었다. 따라서 본 논문에서는 안테나의 구조를 A4 복사용지에 도체 테이프를 사용하여 안테나의 형상을 제작하였으며, 안테나 부분이 가능한 접히지 않도록 안테나를 설계하였다.
또한 참고문헌 [7]의 경우는 종이접기 방식에 따라 다이폴 안테나와 루프(loop) 안테나로 동작하는 종이접기 안테나를 제안하였는데, 본 논문에서는 종이를 펼쳤을 때는 다이폴 안테나로 동작하며, 다이폴 축 방향으로 방사패턴의 null이 형성되고, 종이를 접었을 때는 다이폴에 부가적인 도체가 인가되어 다이폴의 축방향으로 형성되는 null을 제거할 수 있도록 안테나를 설계하였다. 따라서 종이를 펼치거나 접는 방식 따라 방사패턴이 가변되는 재구성(reconfigurable) 안테나로 동작하게 된다.
안테나의 동작 주파수는 물류 및 유통 분야에 사용되는 RFID 분야의 응용을 고려하여 900 MHz 대역으로 설정하여 설계하였다.
한편 종이를 접거나 펼쳤을 때 안테나의 동작주파수는 변화가 없어야 한다. 이러한 점을 고려하여 반파장 다이폴 안테나의 경우 급전점에서 다이폴 스트립과 연결되는 2선 스트립 선로의 폭과 간격을 조절하였으며, 종이를 접었을 때 임피던스 매칭을 위해 기생소자와 다이폴 스트립이 접촉되는 임피던스 정합부의 면적을 적절히 조절하여 임피던스 정합을 구현하였다.
제안된 안테나의 최종 목표는 종이 접기에 따라 안테나의 방사패턴이 가변되며, 동일한 주파수 대역에서 동작하면서 이득이 0dBi 이상인 재구성 안테나를 설계하는 것이다. Figure 1에 제안하는 종이 안테나의 구조를 나타내었다.
제작한 종이 안테나의 임피던스 대역폭은 반사계수 –10 dB 이하 기준으로 종이가 펼쳐진 경우 146 MHz(837 ~ 983 MHz), 종이가 펼쳐진 경우 119 MHz(864 ~ 983 MHz)이며, 시뮬레이션한 안테나의 이득은 3dBi를 갖는 안테나를 설계하였다.
본 논문에서는 일반 복사용지인 A4용지에 구리 도체 테이프를 이용하여 안테나를 제작하고, 종이접기 방식에 따라 방사패턴이 가변되는 종이 안테나를 제안하였다. 종이를 접었을 때 부가 소자가 반파장 다이폴 안테나에 첨가되어 안테나의 방사패턴이 가변되는 것을 시뮬레이션 및 실험을 통해 확인하였다. 제작한 종이 안테나의 임피던스 대역폭은 반사계수 –10 dB 이하 기준으로 종이가 펼쳐진 경우 146 MHz(837 ~ 983 MHz), 종이가 펼쳐진 경우 119 MHz(864 ~ 983 MHz)이며, 시뮬레이션한 안테나의 이득은 3dBi를 갖는 안테나를 설계하였다.
Figure 8에 900 MHz에서 측정한 제작한 안테나의 방사패턴을 나타내었다. 측정은 y-z 평면에서 수평(G_theta) 및 수직(G_phi) 방향 편파의 방사패턴을 측정하여 제시하였다. Figure 8에서 수평(G_theta) 방향 편파의 방사패턴은 일반적인 반파장 다이폴 안테나의 E-면 방사패턴과 같이 다이폴의 축 방향, 즉 여기서는 ±90도 방향에서 null이 생기는 것을 볼 수 있다.

성능/효과

동작주파수 대역인 900 MHz에서 반사계수가 –10 dB 이하가 됨을 확인할 수 있었고, 시뮬레이션 결과인 Figure 5와 유사하게 종이가 펼쳐져 있을 때가 종이가 접혀졌을 때보다 반사계수 특성이 더 좋은 것을 볼 수 있다.
또한 시뮬레이션으로 구한 안테나의 이득은 900 MHz에서 종이 접기 방식에 무관하게 동일하게 3 dBi가 되는 것을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 제안하는 안테나는 필요에 따라 종이를 접거나 펼쳐서 사용하므로 해서 안테나 방사패턴의 영점(null)을 피해 신호의 수신율 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
실험에서는 SMA 커넥터를 사용하여 측정하였으나 실제 웨어러블 안테나로 송수신 모듈과 연결될 때는 송수신 모듈의 기판에 바로 연결이 되거나 전도성 실 등 웨어러블 전송선로를 이용하여 직접 연결이 가능할 것이며, 특히 종이 안테나는 제작이 매우 간단하며, 제작 비용이 매우 저렴하므로 대량으로 생산하여 안테나를 일회용으로 사용하는 곳에 응용이 가능할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	임피던스 정합부는 무엇인가?	기생소자의 모양을 “ㄱ” 자 구조로 한 것은 수직방향의 길이를 줄이기 위해 끝 부분을 구불인 것이며, 공진 주파수는 “ㄱ” 자 구조의 전체 길이에 따라 달라진다. “ㄱ” 자 구조의 아래 부분에 수평 방향의 굵은 스터브는 안테나를 접었을 때, 반파장 다이폴과의 접촉 및 종이가 접혀진 안테나의 임피던스 정합을 위한 목적을 갖고 있어, 이후 본 논문에서 ‘임피던스 정합부’라고 명명하고자 한다.
	“ㄱ” 자 구조 기생소자의 공진 주파수는 무엇을 기준으로 달라지는가?	기생소자의 모양을 “ㄱ” 자 구조로 한 것은 수직방향의 길이를 줄이기 위해 끝 부분을 구불인 것이며, 공진 주파수는 “ㄱ” 자 구조의 전체 길이에 따라 달라진다. “ㄱ” 자 구조의 아래 부분에 수평 방향의 굵은 스터브는 안테나를 접었을 때, 반파장 다이폴과의 접촉 및 종이가 접혀진 안테나의 임피던스 정합을 위한 목적을 갖고 있어, 이후 본 논문에서 ‘임피던스 정합부’라고 명명하고자 한다.
	종이접기 방식을 이용하여 다이폴 안테나와 루프 안테나로 변환이 가능한 패턴 가변형 안테나의 문제점은?	본 논문에서도 종이접기 방식을 사용하여 방사패턴이 가변되는 안테나를 제안하고자 한다. 또한 참고문헌 [7]의 경우 안테나가 접히는 부분에서 전도성 잉크로 구현된 안테나 부분의 잉크가 깨지는 현상이 있어 액체 금속을 사용하여 해결하는 번거로움이 있었다. 따라서 본 논문에서는 안테나의 구조를 A4 복사용지에 도체 테이프를 사용하여 안테나의 형상을 제작하였으며, 안테나 부분이 가능한 접히 지 않도록 안테나를 설계하였다.

참고문헌 (8)

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원문보기 상세보기
S. H. Eom and S. Lim, "Paper-based pattern switchable antenna using inkjet-printing technology," The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, vol. 26, no. 7, pp. 613-619, 2015 (in Korean).

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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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