[논문]재난안전 통신망 서비스를 위한 대수 주기 다이폴 배열 안테나의 소형화

전후동; 허수영; 고지환

doi:10.5515/kjkiees.2017.28.3.170

재난안전 통신망 서비스를 위한 대수 주기 다이폴 배열 안테나의 소형화
Miniaturization of Log-Periodic Dipole Array Antenna for PS-LTE Service 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.28 no.3, 2017년, pp.170 - 176

전후동 (금오공과대학교 전자공학부) , 허수영 ((주)하이게인 안테나) , 고지환 (금오공과대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 재난안전 통신망(Public Safety LTE: 698~806 MHz) 서비스를 위하여 대수 주기 다이폴 배열(Log-Periodic Dipole Array) 안테나의 소형화 구조를 제안하였다. LPDA 안테나를 소형화하기 위하여 배열 다이폴에 반복성 프랙털 나무(fractal tree) 소자를 새롭게 추가하여 배열 다이폴의 길이를 단축하였다. 그 결과, 전형적인 LPDA 안테나와 비교하여 약 25 % 정도 소형화 되었다. 제안한 LPDA 안테나 설계 규격을 검증하기 위하여 두께가 1.5 mm인 알루미늄을 사용하여 실제 제작 및 성능을 측정하였으며, 계산 결과와 비교적 양호한 결과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed the miniaturized structure of the Log-Periodic Dipole Array(LPDA) antenna for PS-LTE(Pubic Safety-Long Term Evolution) service. The length of array dipole was shortened by adding a fractal tree element with iteration to the array dipole to miniaturize the LPDA antenna. As the result, the proposed LPDA antenna was reduced up to 25 %, compared a typical LPDA antenna. To validation of the proposed LPDA antenna specification, the proposed LPDA antenna is fabricated using aluminum with 1.5 mm thickness and performances are measured. Comparison between simulation result and experiment shows good agreement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

재난안전통신망은 경찰, 소방 또는 의료 등의 공공안전 업무를 위한 통신서비스를 제공하는 네트워크이며, 사용 주파수는 698～806 MHz 대역의 20 MHz(상향 718～728MHz, 하향 773～783 MHz)이다. 본 논문에서는 700 MHz대역에 서비스를 위한 사업자가 요구하는 제한된 안테나의 크기에 맞추기 위한 대수 주기 다이폴 배열(Log-Periodic Dipole Array) 안테나를 소형화하여 제안하였다.
본 논문에서는 좀 더 소형화를 위해 전형적인 LPDA 안테나에서 반복성을 이용한 프랙털 나무(fractal tree) 형태에 새롭게 추가한 소자를 "L"자 모양으로 변형하여 새로운 소형화 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 향후 재난 통신망 서비스를 하기 위한 중계기용 LPDA 안테나를 사업자의 요구사항에 충족하기 위해서 소형화 구조를 제안하였다. 소형화의 방법으로는 전형적인 LPDA 안테나에 변형된 L형태 프랙털 나무 소자를 새로 추가 배열하였고, 그 결과 전형적인 LPDA 안테나에 비하여 약 25 % 정도 소형화하였다.
앞 절에서 언급한 바와 같이, 다이폴 길이를 단축하기 위해 전형적인 안테나의 구조에 기반을 둔 변형된 프랙털 나무 LPDA 안테나를 제안하고자 한다.

제안 방법

이를 확인하기 위해 먼저 안테나의 설계 목표 값을 설정하고, 상용 시뮬레이터인 CST^[7] 를 사용하여 전형적인 LPDA 안테나와 제안한 LPDA 안테나를 설계하였고, 성능을 비교하였다. 그리고 설계를 검증하기 위해 안테나를 제작하였고, 성능을 측정하고 고찰하였다.
본 논문에서 제안하고자 하는 LPDA 안테나는 재난안전 통신망 중계기용 안테나로서 사업자가 요구하는 안테나 규격으로 목표 값을 세웠으며, 설계 목표 규격을 표 1 에 나타내었다. 설계 이득은 7 dBi이고, 주파수 범위가 698～806 MHz인 것에 비해 안테나 크기는 400 mm×180 mm×50 mm 이하로 소형으로 설계해야 하는 어려운 점이 있다.
본 설계에서는 스트립 선로의 간격(d)를 5 mm로 고정하고, 입력 임피던스가 50 Ω에 정합되도록 스트립 선로의 폭(W)를 조절하여 15 mm로 결정하였다.
설계 주파수인 698 MHz～806 MHz에서 7.0 dBi 이상의 이득을 얻기 위해서 대수 주기비(τ)와 간격 정수(σ)는 Carrel´s 표[8] 를 이용하여 각각 0.88, 0.10으로 설정하였고, 다이폴 배열 수는 6단으로 결정하였다.
앞 장에서 제안한 LPDA 안테나의 성능을 검증하기 위하여 실제 안테나를 제작하여 측정하였다. 안테나의 다이폴 제작은 두께가 1.
설계 이득은 7 dBi이고, 주파수 범위가 698～806 MHz인 것에 비해 안테나 크기는 400 mm×180 mm×50 mm 이하로 소형으로 설계해야 하는 어려운 점이 있다. 요구 설계 목표 값인 제한된 크기에 만족하도록 프랙털 나무(Fractal tree) 구조를 변형하여 안테나를 소형화 하였다.
이러한 다이폴 소자의 단축 기법을 그림 1의 전형적인 LPDA 안테나에 적용하여 다이폴의 길이를 단축하고자 한다. 적용된 LPDA 안테나의 구조는 그림 3에 볼 수 있으며, 그림 3의 첫 번째 다이폴 길이 L_T1 을 줄이면서 또한 L 형태 나무 소자 길이(l_p1 )를 늘려 조절하였다.
본 논문에서는 좀 더 소형화를 위해 전형적인 LPDA 안테나에서 반복성을 이용한 프랙털 나무(fractal tree) 형태에 새롭게 추가한 소자를 "L"자 모양으로 변형하여 새로운 소형화 방법을 제안하였다. 이를 확인하기 위해 먼저 안테나의 설계 목표 값을 설정하고, 상용 시뮬레이터인 CST^[7] 를 사용하여 전형적인 LPDA 안테나와 제안한 LPDA 안테나를 설계하였고, 성능을 비교하였다. 그리고 설계를 검증하기 위해 안테나를 제작하였고, 성능을 측정하고 고찰하였다.

대상 데이터

안테나 구현을 위한 설계는 두께가 1.5 mm인 알루미늄판을 사용하며, 급전은 50 Ω 동축 케이블을 마운트 부분에서 중앙에 있는 스트립 선로를 통하여 안테나 끝부분에 급전하였다. 안테나 정합은 그림 1의 스트립선로의 폭 (W)과 간격(d)의 조절에 의해 맞출 수 있다.
앞 장에서 제안한 LPDA 안테나의 성능을 검증하기 위하여 실제 안테나를 제작하여 측정하였다. 안테나의 다이폴 제작은 두께가 1.5 mm인 알루미늄 판을 사용하여 표3의 설계 값으로 제작하였다. 제작 완성된 사진은 그림 8에서 보여 주고 있다.

성능/효과

제작한 안테나에 대해 반사 손실의 측정 결과와 계산한 결과를 그림 9에 비교 제시하였다. 그림을 보면 높은 주파수대에서는 오차가 있지만, 대체로 시뮬레이션 결과와 유사한 특성을 나타내었고, 요구 주파수 범위에서는 17 dB(SWR: 1.32) 이상으로 목표값을 만족하였다.
따라서 그림 3의 제안한 안테나의 크기는 330 mm×180 mm로 표 1의 요구 규격을 만족하였다.
따라서 설계된 LPDA 안테나의 크기를 보면 그림 1에서 표시된 바와 같이 330 mm×225 mm이며, 표 1의 요구 규격과 비교하여 보면 가로 길이는 만족하지만, 세로 길이는 요구 길이 180 mm에 비해 45 mm 초과되는 문제가 생긴다.
62 dB의 결과를 얻어 목표 규격을 만족하였다. 따라서 제안한 LPDA 안테나의 측정 결과는 앞서 제시한 표 1과 비교하여 보면 요구 설계목표를 모두 만족하였다. 이로써 본 제안한 LPDA 안테나는 재난안전 통신망 중계기 안테나로 상용화가 가능할 것으로 사료된다.
본 논문에서는 향후 재난 통신망 서비스를 하기 위한 중계기용 LPDA 안테나를 사업자의 요구사항에 충족하기 위해서 소형화 구조를 제안하였다. 소형화의 방법으로는 전형적인 LPDA 안테나에 변형된 L형태 프랙털 나무 소자를 새로 추가 배열하였고, 그 결과 전형적인 LPDA 안테나에 비하여 약 25 % 정도 소형화하였다. 안테나의 크기는 330 mm×180 mm×50 mm로서 사업자가 요구하는 크기에 만족하였다.
안테나의 크기는 330 mm×180 mm×50 mm로서 사업자가 요구하는 크기에 만족하였다. 안테나 성능은 제안한 LPDA 안테나와 전형적인 LPDA 안테나와 비교하여 비슷함을 확인하고 요구 규격에 만족하였으며, 재난안전 통신망 안테나로서 충분히 사용 가능할 것으로 사료된다.
이와 같은 설계 결과로 첫 번째 다이폴의 길이는 약 25%의 단축 효과를 얻었다. 두 번째부터 여섯 번째까지의 소자 길이는 식 (1)에 의해 계산하였고, 추가된 프랙털 나무 소자의 길이(l_pn)는 식 (1)의 대수 주기비(τ)에 의해 두번째부터 여섯 번째까지의 길이를 계산하였다.
제안한 LPDA 안테나가 다이폴 소자의 소형화로 인하여 안테나의 이득은 전형적인 LPDA 안테나보다 조금 낮아졌으나, 7.0 dBi 이상으로 목표 설계 규격은 만족하였다.
그림을 보면 두 LPDA 안테나 모두 요구 규격을 만족하였다. 제안한 안테나는 다이폴 소자의 길이가 전형적인 LPDA 안테나보다 약 25 %의 소형화가 되었음에도 불구하고, 오히려 대역폭은 확대되었고, 특히 낮은 주파수대는 더욱 낮추는 효과를 얻었다.
제작한 안테나의 최소 이득이 7.48 dBi, 빔폭은 E-면, H-면 각각 63.47°, 96.33°로 측정되었으며, 최소 전후방비가 E-면, H-면 각각 14.72 dB, 14.62 dB의 결과를 얻어 목표 규격을 만족하였다.

후속연구

따라서 제안한 LPDA 안테나의 측정 결과는 앞서 제시한 표 1과 비교하여 보면 요구 설계목표를 모두 만족하였다. 이로써 본 제안한 LPDA 안테나는 재난안전 통신망 중계기 안테나로 상용화가 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LPDA 안테나은 어디에 이용되고 있는가?	Isabell이 제안하였고, 1961년 Carrel에 의해 해석되었다[2] . LPDA 안테나는 주로 방송 수신 안테나, 이동통신 중계기 안테나 등 광대역으로 동작하고, 지향성을 갖는 방사특성이 요구되는 곳에 다양하게 사용되고 있다[3] . 안테나의 소형화를 위한 방법으로는 여러 가지가 연구되어져 왔다.
	LPDA 안테나의 특성은?	LPDA 안테나는 주기적으로 다이폴을 배열한 안테나로 광대역 및 지향성 방사특성을 갖고 있다. 1957년 G.
	안테나의 소형화를 위한 방법으로 연구된 예시는?	안테나의 소형화를 위한 방법으로는 여러 가지가 연구되어져 왔다. 예로서 벤트 다이폴, 코흐 다이폴, 칸토어 코흐 다이폴 등이 있다[4]～[6] . 기존의 소형화 방법으로 설계된 LPDA 안테나에서 벤트 다이폴의 경우 약 20%의 소형화율을 보였고, 반복성을 이용한 코흐 다이폴,칸토어 코흐 다이폴은 각각 13.

참고문헌 (9)

연합뉴스, "미래부, 재난안전 통신망 기술방식으로 LTE 선정", 2014년 7월.
C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design 3rd Edition, Wiley Interscience, pp. 619-637, 2005.
W. M. Cheng, R. W. P. King, "Log-periodic dipole antenna", Radio Sci., vol. 2, pp. 1303-1314, Nov. 1967.

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

원문보기 상세보기
D. E. Anagnostou, J. Papapolymerou, M. M. Tentzeris, and C. G. Christodoulou, "A printed log-periodic Koch-Dipole Array(LPKDA)", IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 7, pp. 456-460, 2008.

상세보기
박재성, 최학근, 박재현, "대수 주기 칸토어 코흐 다이폴 안테나의 복사 특성", 한국전자파학회논문지, 21(9), 2010년 10월.

원문보기 상세보기
CST, Microwave studio 2014.
C. A. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, ch. 10, Happer & Row, New York, 1982.
W. L. Stutzman, G. A. Thiele, Antenna Theory and Design, Wiley, pp. 316-330, 1998.

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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