[논문]동향분석ITS 무선통신을 위한 EBG 구조를 적용한 자동차용 WAVE 안테나 시스템 성능향상연구

연규봉; 이두호; 황진규; 양태훈

doi:10.12815/kits.2017.16.1.176

동향분석ITS 무선통신을 위한 EBG 구조를 적용한 자동차용 WAVE 안테나 시스템 성능향상연구
A Study on Improving Performance of the Vehicular WAVE Antenna System using the EBG structure for ITS wireless communications 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.16 no.1, 2017년, pp.176 - 185

연규봉 (자동차부품연구원 스마트운전제어연구센터) , 이두호 (자동차부품연구원 스마트운전제어연구센터) , 황진규 (인팩일렉스 통합연구소) , 양태훈 (인팩일렉스 통합연구소)

초록
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본 논문은 지능형교통시스템(ITS: Intelligent Transport System)을 위한 V2X 간의 무선통신시스템에 적용되는 WAVE(Wireless Access in Vehicle Environments) 안테나 시스템에 대한 연구이다. 5.825~5.9GHz 주파수대역의 WAVE 통신은 차량이 주행하면서 도로 인프라에 설치되어 있는 기지국과 다른 차량에 장착되어 있는 단말기간의 무선통신에 사용할 수 있도록 하는 표준화된 프로토콜이다. 최근의 WAVE 통신시스템 연구에서는 통신거리에 따른 통신성능을 향상시키기 위해서 기지국과 차량 단말기 기술개발 위주로 연구되고 있으나, 본 논문에서는 시스템 성능 개선 가능성을 검토하고자 차량 루프에 장착가능한 자동차용 안테나 시스템의 설계구조 개선에 대한 연구를 진행하였다. WAVE 안테나 베이스 구조에 EBG(Electro Band-Gap) 구조를 적용하여 비교시뮬레이션을 통해 반사손실이 저감되어 성능이 향상되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a design of the WAVE antenna system in V2X wireless communication systems for Intelligent Transport Systems. The WAVE standard protocols defined 5.825~5.9GHz frequency range for wireless communications with V2X. In a recent, A study of WAVE communication system it has been studied mainly the base station and the OBU technology in order to improve the communication performance of the communication distance. In this paper, the proposed vehicular WAVE antenna using the EBG structure is to improve performance. The proposed WAVE antenna with EBG shows improvement of return loss and radiation beam pattern. The performance of WAVE communication systems for intelligent transport systems is dependent on the performance of antenna. The proposed vehicular antenna for WAVE communication systems shows improvement of return loss for performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 Conventional WAVE 안테나에 제안된 EBG 구조를 적용하여 안테나의 차량환경에서의 전파 간섭을 줄이고 지향성을 향상시켜 성능을 개선시킬 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 스트립라인 형태의 주파수 선택적 표면을 이용하여 WAVE 대역(5.850∼5.925 GHz)의 자동차용 안테나로 사용될 수 있는 EBG 공진기 안테나를 제안하였다.

제안 방법

7>와 같이 제안된 EBG 구조를 추가하여 간섭을 줄일 수 있는 구조로 모델링하였다.
925 GHz)의 자동차용 안테나로 사용될 수 있는 EBG 공진기 안테나를 제안하였다. WAVE대역의 자동차용 안테나에서 요구되는 3dB이상의 안테나 이득과 75MHz의 대역폭을 가지는 EBG 공진기 안테나를 설계하기 위하여 공진기의 부분 반사 표면층 주기 구조의 단위 셀 시뮬레이션을 이용한 다양한 설계파라미터의 변화에 따른 공진주파수 및 대역폭의 특성을 분석하였다. 단위 셀 시뮬레이션 결과를 이용하여 WAVE 대역을 만족하는 평면구조의 EBG 공진기 안테나를 설계하였으며, 평면 구조의 EBG 공진기 안테나를 이용하여 특정 방사패턴을 갖는 EBG 공진기 안테나를 설계하였다.
WAVE대역의 자동차용 안테나에서 요구되는 3dB이상의 안테나 이득과 75MHz의 대역폭을 가지는 EBG 공진기 안테나를 설계하기 위하여 공진기의 부분 반사 표면층 주기 구조의 단위 셀 시뮬레이션을 이용한 다양한 설계파라미터의 변화에 따른 공진주파수 및 대역폭의 특성을 분석하였다. 단위 셀 시뮬레이션 결과를 이용하여 WAVE 대역을 만족하는 평면구조의 EBG 공진기 안테나를 설계하였으며, 평면 구조의 EBG 공진기 안테나를 이용하여 특정 방사패턴을 갖는 EBG 공진기 안테나를 설계하였다.
두 번째 방법은 안테나의 다층 구조체에서 상위 레이어를 반사 표면 (PRS, Partially Reflecting Surface)으로 간주하여 전체 안테나를 Fabry-Perot Cavity 형태의 안테나로 설계한다. 이 경우 부분 반사 표면과 접지면 (Ground plane)에 의해 이루어지는 Fabry-Perot Cavity에서 두 표면사이의 거리가 주파수의 반파장이 될 때 발생하는 공진기 개념을 이용하여 지향성 향상시키도록 설계하는 방법이다.
이 장에서는 제안된 EBG 구조를 적용한 자동차용 WAVE 안테나와 기존의 Conventional WAVE 안테나에 대하여 반사손실(Return Loss)과 방사패턴을 비교 시뮬레이션을 수행하였다. 이에 따라 시뮬레이션 결과를 통한 성능비교를 수행한다.
자동차용 WAVE 안테나에서의 기존 시스템의 성능향상을 위하여 제안된 EBG 구조와 적용 설계 방법에 대하여 1.에서는 EBG 기본 구조와 2.에서는 EBG WAVE 안테나 구조의 설계방법에 대한 내용으로 구성하였다.

대상 데이터

, 2007). 이중 대역 지향성 향상을 위해서 두 층의 주파수 선택적 표면을 사용하지 않고 단일 층으로 이중 대역에서 공진하도록 두 개의 루프 (Double Loop Element)를 사용하였으며, 두 번째 공진 대역의 경우 전기장이 접지면에서 최대인 홀수 모드(Odd Mode)를 사용하기 위해서 완전 전기 도체 (PEC) 대신에 인공 자기 도체(AMC)를 사용하였다. 이렇게 함으로써 이중 대역의 경우 주파수 간격을 더 좁힐 수 있다.

성능/효과

고주파수 구조 시뮬레이션을 통해 18 dB의 반사손실 저감과 최대 FoV에서 3 dB 방사패턴 전계강도 향상을 확인할 수 있었다.
반사손실에 대한 비교결과 기존 Conventional 모델의 경우 -25 dB의 결과값을 보였고 EBG 모델은 -43 dB의 결과값을 보여 약 18 dB의 반사손실을 저감시킬 수 있었다.
본 논문에서 제안된 EBG 구조의 일종인 고 임피던스 표면(high Impedance Surface)을 가지는 구조는 세부 셀의 주기가 매우 작으며, 특정 주파수 대역에서 표면파의 전파가 이루어지지 않는 차단대역 또는 금지 대역 특성을 보인다. 이 특성은 특히 자동차용 안테나와 같이 철재로 구성된 차량 구조물에 장착할 경우 많은 장점을 가진다.
10>와 같이 비교하였다. 비교결과 기존 Conventional 모델의 경우 최대 FoV (Field of View)에서 17 dB의 결과 값을 보였고 EBG 모델은 최대 FoV 20 dB의 결과 값을 보여 약 3 dB의 방사패턴 전계강도를 향상시킬 수 있었다.
9>과 같이 비교하였다. 정재파비의 차이는 확인할 수 없었으나 요구사항 2이하인 1.18의 결과 값을 보여 만족할 수 있는 결과 값을 얻을 수 있었다.
제안된 EBG 구조는 안테나와 주변 물체와의 간섭을 줄일 수 있는 특성으로 인해 특히 자동차용 안테나의 성능과 빔패턴 개선과 직접적으로 관련된 차량 루프에 의한 간섭을 효과적으로 줄일 수 있는 구조이다.
첫번째 방법은 전체 안테나를 누설파(Leaky Wave) 안테나로 설계하는 것으로서 Jackson 등은 패치 안테나위에 한층 혹은 다층 유전체 층을 놓아 패치 안테나의 지향성이 향상됨을 보였고, 이를 누설파 이론을 이용하여 설명하였으며 유전층의 두께와 유전상수를 적절히 조절하여 지향성 향상이 나타나는 주파수를 조절할수 있음을 보였다. Zhao 등은 이것을 금속 패치(Metallic Patch)나 금속 평면에 슬롯(Slot)으로 이루어진 2차원 주기 구조로 확장하였다(Zhao et al.
7>와 같이 제안된 EBG 구조를 추가하여 간섭을 줄일 수 있는 구조로 모델링하였다. 특히, 제안된 구조는 기존의 WAVE 안테나의 구조를 변경하지 않거나 전체적인 크기의 변화 없이 마이크로 스트립 패치 사이의 gap에 EBG를 추가할 수 있는 구조로 제안하여 개발과 매칭 시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.

후속연구

향후 ITS용 차량 WAVE 통신 시스템의 성능향상을 위한 MIMO (Multi-Input Multi-Output) 지원이 가능한 어레이 안테나에서의 EBG 구조를 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	5.825~5.9GHz 주파수대역의 WAVE 통신은 무엇인가?	825~5.9GHz 주파수대역의 WAVE 통신은 차량이 주행하면서 도로 인프라에 설치되어 있는 기지국과 다른 차량에 장착되어 있는 단말기간의 무선통신에 사용할 수 있도록 하는 표준화된 프로토콜이다. 최근의 WAVE 통신시스템 연구에서는 통신거리에 따른 통신성능을 향상시키기 위해서 기지국과 차량 단말기 기술개발 위주로 연구되고 있으나, 본 논문에서는 시스템 성능 개선 가능성을 검토하고자 차량 루프에 장착가능한 자동차용 안테나 시스템의 설계구조 개선에 대한 연구를 진행하였다.
	WAVE 통신 프로토콜는 어떤 주파수 대역을 사용하는가?	특히 WAVE 통신 프로토콜의 경우 IEEE 802.11p 표준을 근간으로 한 ITS 응용 분야를 지원하기 위한 근거리 통신 표준으로서 5.850~5.925 GHz 주파수 대역을 사용한다(Varum el al., 2012).
	특수한 전자기적 성질을 나타내는 물질인 메타물질은 무엇이 있는가?	이에 대한 간섭현상을 저감시키기 위해서 인공적으로 합성되어 자연계에서 흔히 볼 수 없는 특수한 전자기적 성질을 나타내는 물질인 메타물질 응용에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이러한 메타물질에는 광학 밴드 갭(PBG, Photonic Bandgap) 혹은 전자기 밴드 갭(EBG, Electromagnetic Bandgap)구조, 인공 자기 도체(AMC, Artificial Magnetic Conductor) 구조, 단일/이중 음의 유전율/투자율(Single/Double Negative Permittivity/Permeability) 물질, 음의 굴절률(NRI, Negative Refractive Index) 물질, Left-handed(LH) 물질 등이 있으며, 관심있는 물질의 특성에 따라 다르게 명명되어 불려지고 있다.

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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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