[논문]전기적 소형 Folded Slot Spherical Helix 자기 다이폴 안테나에 관한 연구

신건영; 공명준; 이수현; 윤익재

doi:10.5515/kjkiees.2017.28.4.261

전기적 소형 Folded Slot Spherical Helix 자기 다이폴 안테나에 관한 연구
Investigation of Electrically Small Folded Slot Spherical Helix Magnetic Dipole Antenna 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.28 no.4, 2017년, pp.261 - 268

신건영 (충남대학교 전기공학과) , 공명준 (충남대학교 전기공학과) , 이수현 (충남대학교 전기공학과) , 윤익재 (충남대학교 전기공학과)

초록
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본 논문에서는 FSSH(Folded Slot Spherical Helix) 자기 다이폴 안테나에 관한 추가적인 연구를 통해 안테나 시작품 제작에 용이성을 갖는 구조를 제안하고, 그 방사 특성을 분석하였다. FSSH 자기 다이폴 안테나의 folded element 개수와 그 사이 간의 거리 및 금속면의 두께를 조절하여 전기적 소형 크기에서 높은 효율을 유지하면서 상대적으로 간소화된 안테나 구조를 제안하였다. 시뮬레이션을 통해 제안된 안테나의 넓은 고효율 대역폭 특성을 non-Foster 정합회로를 통해 실질적으로 사용할 수 있음을 확인하였다. SLS(Selective Laser Sintering) 3D 프린팅 기술을 통해 안테나 시작품을 제작 및 측정하였다. 측정값은 구리 테이프 경계면의 높은 저항 손실로 인해 시뮬레이션에 비해 낮은 Q값 특성을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an FSSH(Folded Slot Spherical Helix) magnetic dipole antenna with a form factor easy to build and study its radiation properties. The number of folded arms, the gap between them and the metal thickness are tuned to achieve relatively simple structure to realize whereas maintaining high radiation efficiency at an electrically small size. The proposed design shows wide radiation efficiency bandwidth and it is confirmed by circuit simulation that the non-Foster impedance matching techniques could be utilized for its practical use. The prototype of the proposed antenna is built with the aid of an SLS(Selective Laser Sintering) 3D printing technology. The measured result shows lower Q impedance characteristic due to high resistive loss of the copper tape joints.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 기존의 전기적으로 소형이면서 높은 방사효율을 갖는 FSSH 자기 다이폴 안테나의 특성을 유지하면서 구조적 복잡도를 낮춘 구조를 제안하였다. 이러한 구조적 간소화는 전기적으로 소형인 FSSH 안테나의 시작품 제작에 용이성을 제공한다.
참고문헌 [4]의 FSSH(Folded Slot Spherical Helix) 자기 다이폴은 16개의 folded element로 구성되어 있으며, 시뮬레이션 결과만 제시되었다. 이에 본 논문에서는 FSSH 자기 다이폴의 설계 변수에 관한 연구를 통해 현재의 3D 프린팅 기술 방식으로 구현이 보다 용이한 구조를 제안한다. 또한, non-Foster 정합회로를 통해서 높은 Q값을 갖는 소형 자기 다이폴 안테나의 방사 효율 대역폭을 향상시킬 수 있음을 보인다.

제안 방법

그림 2에서 N, g, T는 각각 folded element의 개수, element간의 간격, 금속면의 두께를 나타내며, g와 T의 단위는 mm이다. 구리 도전율을 갖는 금속을 사용하였으며, Ansys사의 HFSS를 사용하여 설계를 진행하였다. 표 1은 N=16, g=0.
하지만 가장 간단한 구성의 음수값의 직렬 LC 구성만으로는 높은 Q값을 갖는 제안된 FSSH 안테나의 대역을 증가시킬 수 없다^[12]. 본 논문에서는 이를 해결하고자 음수값을 갖는 병렬 LC 공진회로 및 음수값의 직렬 L을 이용한 회로를 그림 5와 같이 구성하고, 제안된 FSSH_N=4 안테나의 급전부와 가장 가까운 folded element에 직렬로 연결하였다. 정합회로의 Lp, Cp, Ls 각각의 값은 —5.
또한, 제안된 FSSH의 넓은 대역에서 높은 방사 효율을 보이는 특성을 non-Foster 정합회로를 이용하여 효용성을 높이는 것이 가능함을 시뮬레이션 결과를 통해 보였다. 이러한 FSSH 안테나의 시작품 제작을 3D 프린팅을 이용하여 틀을 제작 후 시도하였다. 하지만 구 형태에 따른 제작의 어려움이 존재하였다.
그림 7(b)는 얇은 금속면을 지지하기 위해서 이용된 지름 10 cm의 스티로폼 구이다. 이러한 상용 스티로폼제품을 사용하면서 동일한 ka=0.27을 만족하고, 제안된방식을 통한 제작의 타당성을 검증하기 위해서 목표 대역을 260 MHz로 수정하였다. 이때의 N은 동일하게 4이며, T=0.
이어 설계변수 T와 g에 따른 FSSH 안테나의 특성을 통해 참고문헌 [4]의 N=16인 안테나를 N=4로 줄인 ka=0.27의 FSSH 자기 다이폴 안테나를 그림 3(a)와 같이 설계하였다. N=4인 FSSH 안테나(FSSH_N=4)는 N=16인 FSSH 안테나(FSSH_N=16)보다 얇은 금속면(T=0.
2 mm의 금속 두께는 상용 구리 테이프를 통해 구현이 가능하다. 이에 본 논문에서는 FSSH_N=4 안테나의 금속면이 아닌 비금속 영역을 SLS 방식 3D 프린팅기술을 이용하여 틀로 제작하고, 이를 통해 제안된 형태의 안테나를 제작하였다.
정합회로의 Lp, Cp, Ls 각각의 값은 —5.94 nH, —47.01 nF, —62.6 nH이며, local search algorithm을 통한 curve fitting 방법을 통 해 구하였다.

이론/모형

그림 7(a)는 3D 프린트된 안테나 외곽의 비금속 영역과 동일한 형태의 틀이다. 틀은 견고함 정확성을 위해서 나일론 플라스틱 소재(PA2200)을 사용한 SLS 방식을 이용하였다. 그림 7(b)는 얇은 금속면을 지지하기 위해서 이용된 지름 10 cm의 스티로폼 구이다.

성능/효과

91 %로 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그림 4(c)의 H-평면 방사패턴에서 보이듯이, FSSH_N=4와 FSSH_N=16안테나는 공진주파수에서 각각 1.80 dB, 1.86 dB의 지향성과 수평편파를 갖는 무지향성 방사패턴 특성을 보인다.
안테나에 그림 5의 이상적인 non-Foster 정합회로 적용 유무에 따른 방사 특성 시뮬레이션 결과이다. 80 % 이상의 방사효율을 만족하는 주파수 대역폭이 기존의 0.2 %(0.6 MHz)에서 4.6 %(13.6 MHz)로 증가함을 확인할 수 있다. 이때 —10 dB 기준 임피던스 대역폭은 5.
이에 본 논문에서는 FSSH 자기 다이폴의 설계 변수에 관한 연구를 통해 현재의 3D 프린팅 기술 방식으로 구현이 보다 용이한 구조를 제안한다. 또한, non-Foster 정합회로를 통해서 높은 Q값을 갖는 소형 자기 다이폴 안테나의 방사 효율 대역폭을 향상시킬 수 있음을 보인다.
이러한 구조적 간소화는 전기적으로 소형인 FSSH 안테나의 시작품 제작에 용이성을 제공한다. 또한, 제안된 FSSH의 넓은 대역에서 높은 방사 효율을 보이는 특성을 non-Foster 정합회로를 이용하여 효용성을 높이는 것이 가능함을 시뮬레이션 결과를 통해 보였다. 이러한 FSSH 안테나의 시작품 제작을 3D 프린팅을 이용하여 틀을 제작 후 시도하였다.
그림 9는 제안된 FSSH_N=4 안테나의 시뮬레이션 및 측정된 입력 임피던스 결과이다. 측정된 입력 임피던스 특성은 시뮬레이션 결과에 비해서 주파수 대비 완만한 변화를 보인다. 이러한 특성은 구리 테이프의 경계면으로 인한 낮은 전도도로 인해 저항손실이 커졌기 때문이다.

후속연구

3 mm)으로 이루어져 있다. 비록 이 구조 역시 현존하는 SLS 기술의 프린팅 해상도를 만족하지 못하지만, 줄어든 element의 개수 및 늘어난 element 간격으로 인해 3D 프린팅을 이용해 틀을 제작하고, 그에 맞게 금속면을 제거하는 방식을 사용할 경우, 비교적 손쉬운 제작이 가능할 것으로 판단된다.
표 2에서 보이듯이 folded element 사이의 간격 g가 커질수록 입력저항과 효율이 증가함을 알 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 FSSH 안테나의 구조적 복잡도를 낮춤과 동시에 전기적 소형화에 따른 입력저항과 효율 감소 문제를해결할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESA 구현에 3D 프린팅을 이용할 경우 한계는 무엇인가?	하지만 현재의 3D 프린팅 기술 역시 물리적 해상도에 한계를 갖고 있어 그 사용이 제한된다. 일례로, polyamide소재를 사용한 SLS(Selective Laser Sintering) 기술의 경우, 0.8 mm 혹은 그 이상의 최소 프린팅 두께를 갖는다. 참고문헌 [4]의 FSSH(Folded Slot Spherical Helix) 자기 다이폴은 16개의 folded element로 구성되어 있으며, 시뮬레이션결과만 제시되었다.
	이론적 하부 한계치에 근접하면서 높은 방사효율 특성을 보이는 전기적 소형 안테나 구현의 어려움을 어떻게 해결하였나?	최근 3D 프린팅 기술을 이용하여 이와 같은 문제를 해결하거나 기존 구조의 개선을 위한 연구들이 진행되었다[6]～[8]. 몇 가지를 언급하자면, 3D 프린팅 기술을 활용하여 구리 도선을 감을 수 있는 틀을 제작하고, 이를 바탕으로 folded helix 안테나의 제작을 용이하게 한 것[6], 3D 프린팅을 통해 플라스틱 프레임을 만들고, 구리 도금을 통해 도선 ESA를 제작한 것[7], 기존의 방식으로는 구현이 쉽지 않았을 3차원 공간에서의 금속 스트립 구조를 이용한 ESA의 설계[8] 등이 이에 포함된다.
	ESA의 성능 지표는?	최근 전기적 소형 안테나(Electrically Small Antenna: ESA)의 무선통신, 무선전력전송, 센서 등 다양한 분야에서의 활용을 위한 연구가 진행 중이다. 이러한 ESA의 성능 지표로 방사 quality factor Q값이 활용될 수 있으며, 전기적 크기 ka(k: 자유공간에서의 전파상수, a: 안테나의 구조를 둘러싸는 가상의 구의 반지름)에 따른 이론적 방사 하부 한계치 Qlb가 존재한다[1]. 이후 Thal은, 이 하부한계치는 TM10 방사모드 전기 다이폴의 경우 1.

참고문헌 (14)

L. J. Chu, "Physical limitations of omni-directional antenna", J. Appl, Phys., vol. 19, pp. 1163-1175, Dec. 1948.

상세보기
H. L. Thal, "New radiation Q limits for spherical wire antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 54, no. 10, pp. 2757-2763, Oct. 2006.

상세보기
S. R. Best, "The radiation properties of electrically small folded spherical helix antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, no. 4, pp. 953-960, Apr. 2004.

상세보기
S. R. Best, "A low Q electrically small magnetic(TE mode) dipole", IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 8, pp. 572-575, 2009.

상세보기
O. S. Kim, "Low-Q electrically small spherical magnetic dipole antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 7, pp. 2210-2217, Jul. 2010.

상세보기
H. Huang, K. Nieman, P. -Y. Chen, M. Ferrari, Y. Hu, and D. Akinwande, "Properties and applications of electrically small folded ellipsoidal helix antenna", IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 11, pp. 678-681, 2012.

상세보기
O. S. Kim, "Rapid prototyping of electrically small spherical wire antennas", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 7, pp. 3839-3842, Jul. 2014.

상세보기
M. Kong, G. Shin, S. -H. Lee, and I. -J. Yoon, "Electrically small folded spherical helix antennas using copper strip and 3D printing technology", IET Electron. Lett., vol. 52, no. 12, pp. 994-996, Jun. 2016.

상세보기
H. W. Bode, Network Analysis and Feedback Amplifier Design, Van Nostrand, pp. 367, 1945.
R. M. Fano, "Theoretical limitations on the broadband matching of arbitrary impedances", J. of the Franklin Inst., vol. 249, no. 1 pp. 57-83, 1950.

상세보기
A. R. Lopez, "Review of narrowband impedance-matching limitations." IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 46, no. 46, pp. 88-90, 2004.
I. -J. Yoon, S. Christensen, V. Zhurbenko, O. K. Kim, and O. Breinbjerg, "Non-foster impedance matching sensitivity of electrically small electric and magnetic spherical dipole antennas", IET Electron. Lett., vol. 52, no. 12, pp. 996-998, 2016.

상세보기
양혜민, 김강욱, "네거티브 임피던스 변환기에 기반을 둔 저항성 V 다이폴 안테나의 논 포스터 매칭", 한국전자파학회논문지, 26(7), pp. 597-605, 2015년 7 월.
하상규, 정경영, "광대역 항재밍 소형 혠 안테나용 비 포스터 정합회로", 한국전자파학회논문지, 27(12), pp. 1112-1115, 2016년 12월.

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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