[논문]콘크리트 매립 센서를 위한 이중 슬롯 패치 안테나

이재혁; 이성호; 이해영

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.12.915

콘크리트 매립 센서를 위한 이중 슬롯 패치 안테나
Stacked Slot Patch Antenna for Wireless Sensors Embedded in Concrete 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.12, 2018년, pp.915 - 923

이재혁 (아주대학교 전자공학과) , 이성호 (전자부품연구원 SoC 플랫폼 연구센터) , 이해영 (아주대학교 전자공학과)

초록
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본 논문은 ISM 대역인 902~928 MHz에서 건물의 내구성을 진단하기 위한 콘크리트 매립형 안테나 설계에 관하여 서술한다. 이에 안테나가 매립되는 환경에서도 콘크리트 매질 특성에 의해 임피던스 변화가 크지 않는 이중 슬롯 패치 안테나를 제안하였다. 함수율에 따라 변하는 콘크리트 매질에 의한 성능 열화를 최소화하기 위해 제안하는 안테나는 기생 패치를 이용하여 대역폭을 확장하였다. 제작된 안테나는 전 대역에서 VSWR 2 : 1 이하 특성을 만족하며, 빔 폭은 80도 정도이며, 7 dBi 이상을 만족하는 이득을 가진다. 제안한 안테나는 직사각형 콘크리트 블록에 장착하여 측정하였으며, 모의실험과 실제 측정을 통해 함수율 변화에 따른 반사손실 및 이득을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A concrete embedded antenna design is proposed for probing the durability of a building at an industrial scientific medical band of 902~908 MHz. The proposed antenna is designed with a stacked slot patch structure for lower impedance variation to a dielectric constant of concrete, as a dielectric constant difference is derived from the moisture content. The proposed structure has a wider bandwidth when a parasitic patch structure is used, which reduces antenna performance degradation resulting from the moisture content of concrete. The measured voltage standing wave ratio of the proposed structure is less than 2 and the beam width is approximately $80^{\circ}$, whereas the gain is greater than 7 dBi. The proposed antenna is fabricated with a rectangle-type concrete block, which is simulated and measured for return loss and antenna gain.

주제어

표/그림 (20)

그림 그림 1. 시스템 개념도 Fig. 1. System conceptual diagram.
표 표 1. 함수율에 따른 콘크리트 유전율 변화^[15] Table 1. Variation of concrete dielectric permittivity with moisture content(weather).
그림 그림 2. 안테나 구조 Fig. 2. Antenna structure.
그림 그림 3. 기생 패치에 의한 대역폭 변화 Fig. 3. Bandwidth variation due to parasitic patch.
그림 그림 4. H_R 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 4. Return loss characteristic with respect to H_R variation.
그림 그림 5. H_D 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 5. Return loss characteristic with respect to H_D variation.
그림 그림 6. W_D 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 6. Return loss characteristic with respect to W_D variation.
그림 그림 7. W_P 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 7. Return loss characteristic with respect to W_P variation.
그림 그림 8. t_c 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 8. Return loss characteristic with respect to t_c variation.
그림 그림 9. 제작된 안테나 사진 Fig. 9. Photograph of the manufactured antenna.
그림 그림 10. 최적화된 안테나의 반사손실 Fig. 10. Return loss of the optimized antenna.
표 표 2. 최적화된 안테나 설계 변수 Table 2. The design parameter of the optimized antenna.
그림 그림 11. 915 MHz 복사패턴 Fig. 11. Radiation pattern at 915 MHz.
그림 그림 12. 최적화된 안테나의 전류밀도 Fig. 12. Current distribution of the optimized antenna.
그림 그림 13. 근접한 콘크리트판에 따른 반사손실 특성 Fig. 13. Return loss characteristic with respect to approximate concrete slab.
그림 그림 14. 콘크리트 두께에 따른 반사손실 특성 Fig. 14. Return loss characteristic with respect to concrete thickness.
그림 그림 15. 제작된 콘크리트 블록 Fig. 15. Photograph of the manufactured concrete block.
그림 그림 16. 함수율 변화에 따른 반사손실 특성 Fig. 16. Return loss characteristic with respect to moisture content.
그림 그림 17. 함수율 변화에 따른 915 MHz 복사특성 Fig. 17. Radiation pattern at 915 MHz with respect to moisture content.
표 표 3. 측정된 안테나 이득 Table 3. Measured antenna gain.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 안테나가 콘크리트에 매립되는 환경을 가정하여 날씨에 따라 변하는 환경에서도 임피던스 특성이 크게 변하지 않는 건축물 매립용 이중 슬롯 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 기준 안테나는 사용 대역 내에서 VSWR 특성 2 : 1 이하를 만족하며, 7 dBi 이상의 최대이득이 나오도록 설계하였고, 실제 제작된 콘크리트 블록을 이용하여 함수율의 변화를 통해 성능을 관찰하였다.
기존 연구들은 안테나 설계 방향을 별도의 공기층 삽입 및 콘크리트 두께 변화를 통한 방법들로 제시하고 있으며^[6]～[11] 철근 구조물의 전파 영향에 대한 실험^[12]～[14] 등 다양한 연구들이 진행되고 있지만, 정확한 예측 모델이 없어 해석하기에 어려움이 있다. 본 논문에서는 안테나가 콘크리트에 매립되는 환경을 가정하여 표 1과 같이 함수율에 따라 유전율이 변하는 환경에서도 임피던스 특성이 크게 변하지 않는 건축물 매립용 안테나를 제안하고자 한다.

제안 방법

플라스틱 케이스의 크기는 197×145×1 mm³이고, 높이는 42 mm이며, 수지의 종류는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)이다. 각 부품의 폭, 길이, 높이, 급전 위치에 따른 반사손실 결과로부터 최적 조건의 설계 파라미터를 얻어 내었다. 안테나 설계를 위한 EM 시뮬레이터는 ANSYS사의 HFSS를 사용하였다.
일반적인 패치 안테나는 수 퍼센트 정도의 대역폭만 얻을 수 있으며^[16], 좋은 방사 특성을 얻기 위해 대부분 방사체가 외곽으로 노출되어 있어 다른 매질이나 금속 재질이 안테나 주위에 근접할 시 공진이 이동하거나 공진 특성이 사라져 특성에 많은 영향을 준다. 본 논문에서 제안한 안테나는 콘크리트에 의해 기본 공진 특성이 변하지 않도록 기본 슬롯 패치는 사각으로 접힌 반사판과 기생 패치 사이에 위치하며, 기생 패치에 의한 이중 공진으로 인해 더 넓은 대역폭을 가진다^[17],[18]. 제안된 안테나는 가장 외부에 노출된 기생 패치가 근접한 콘크리트에 의해 성능이 열화되지 않도록 플라스틱케이스를 이용하여 별도의 공기층을 만들어 복사 공간을 확보하였으며, 콘크리트에 매립 시 기생 패치에 의한 공진이 낮은 주파수로 이동하면서 기본 패치의 공진과 하나로 합쳐져 임피던스 특성은 크게 변하지 않는다.
본 논문에서는 안테나가 콘크리트에 매립되는 환경을 가정하여 날씨에 따라 변하는 환경에서도 임피던스 특성이 크게 변하지 않는 건축물 매립용 이중 슬롯 패치 안테나를 제안하였다. 제안된 기준 안테나는 사용 대역 내에서 VSWR 특성 2 : 1 이하를 만족하며, 7 dBi 이상의 최대이득이 나오도록 설계하였고, 실제 제작된 콘크리트 블록을 이용하여 함수율의 변화를 통해 성능을 관찰하였다. 함수율이 12 %인 극한의 환경 속에서도 임피던스 특성은 크게 변하지 않으나, 함수량에 의한 유전체 손실 특성이 커지면서 이득은 현저하게 줄어든다.
본 논문에서 제안한 안테나는 콘크리트에 의해 기본 공진 특성이 변하지 않도록 기본 슬롯 패치는 사각으로 접힌 반사판과 기생 패치 사이에 위치하며, 기생 패치에 의한 이중 공진으로 인해 더 넓은 대역폭을 가진다^[17],[18]. 제안된 안테나는 가장 외부에 노출된 기생 패치가 근접한 콘크리트에 의해 성능이 열화되지 않도록 플라스틱케이스를 이용하여 별도의 공기층을 만들어 복사 공간을 확보하였으며, 콘크리트에 매립 시 기생 패치에 의한 공진이 낮은 주파수로 이동하면서 기본 패치의 공진과 하나로 합쳐져 임피던스 특성은 크게 변하지 않는다.
커플러의 크기를 20×6 mm2로 고정한 상태에서 높이 변화를 통해 특성을 관찰하였다.
크기는 250×195×70 mm³이고 안테나 복사 면의 콘크리트 두께는 25 mm이다. 콘크리트 블록은 제작 후 약 10일간 건조시켜 함수율 0.2 % 구현하였고, 측정 후 2시간 물에 담가 놓은 후 물기를 말려 함수율 12 %를 구현하였다.
콘크리트 유전율은 함수율 0.2 % 기준(εr' 4.5, εr'' 0.15)으로 실험을 진행하였고, 콘크리트판의 크기는 215×165×10 mm3이며, 안테나로부터 5 mm씩 늘이면서 진행하였다.

대상 데이터

급전 부는 슬롯의 정 중앙에 위치하며 50 Ω 세미리지드(semi-rigid) 케이블을 사용하였다.
기본 패치의 크기는 150×118 mm2이고, 패치 중앙에 58×6 mm2인 λ/2 슬롯이 위치한다.
반사판의 크기는 195×143 mm2이고 접은 사각의 높이는 29mm이다.
75 dBi로 유사한 복사패턴을 가진다. 실제 측정은 MTG 사의 무반사 챔버를 이용하였다. 그림 12는 최적화된 안테나의 전류밀도를 나타내었다.
각 부품의 폭, 길이, 높이, 급전 위치에 따른 반사손실 결과로부터 최적 조건의 설계 파라미터를 얻어 내었다. 안테나 설계를 위한 EM 시뮬레이터는 ANSYS사의 HFSS를 사용하였다.
콘크리트 내 외부 통신을 위한 주파수는 안테나의 크기와 전파 특성을 고려하여 설정되어야 한다. 안테나는 낮은 주파수일수록 투과 특성이 좋으나, 안테나 크기와 사용 가능한 통신방식을 고려하여 제안된 안테나는 중심주파수가 915 MHz로 설계되었다. 일반적인 패치 안테나는 수 퍼센트 정도의 대역폭만 얻을 수 있으며^[16], 좋은 방사 특성을 얻기 위해 대부분 방사체가 외곽으로 노출되어 있어 다른 매질이나 금속 재질이 안테나 주위에 근접할 시 공진이 이동하거나 공진 특성이 사라져 특성에 많은 영향을 준다.
기생 패치의 크기는 130×118 mm²이다. 지름이 10 mm인 원통형 금속지지대를 이용하여 각 부품 간의 거리를 유지하였으며, 반사판과 기본 패치의 높이는 6 mm이고, 기본 패치와 기생 패치의 높이는 17.8 mm이다. 금속지지대는 각 부품이 전기적으로 연결되었을 때 최대한 공진 특성이 변하지 않도록 기본 패치와 기생 패치 끝단에 위치하도록 하였다.
커플러의 크기는 20×6mm2이며, 두께는 0.3 mm이다.
크기는 250×195×70 mm3이고 안테나 복사 면의 콘크리트 두께는 25 mm이다.
플라스틱 케이스의 크기는 197×145×1 mm3이고, 높이는 42 mm이며, 수지의 종류는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)이다.

데이터처리

표 2는 최적화된 안테나의 설계 변수이다. 최적화된 설계 변수를 토대로 제작한 안테나의 사진은 그림 9에 나타내었으며, 안테나의 반사손실은 벡터 회로망 분석기를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

그림 6은 기본 패치의 가로 크기 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 세로 크기를 118 mm로 고정한 상태에서 기본 패치의 가로 크기가 148 mm, 146 mm로 작아질수록 낮은 주파수 공진이 높은 대역으로 이동을 하며, 152 mm, 154 mm로 커질수록 낮은 주파수 공진이 더 낮은 대역으로 이동함을 볼 수 있다. 이는 기본 패치의 가로길이에 의해 낮은 주파수가 결정되는 것을 알 수 있다.
그림 7은 기생 패치의 가로 크기 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 세로 크기를 118 mm로 고정한 상태에서 기생 패치의 가로 크기가 128 mm, 126 mm로 작아질수록 높은 주파수 공진이 높은 대역으로 이동을 하며, 132 mm, 134 mm로 커질수록 높은 주파수 공진이 낮은 대역으로 이동을 하며 정합 특성은 좋아지지만, 대역폭이 좁아지는 것을 알 수 있다. 이는 기생 패치의 가로 길이에 의해 높은 주파수가 결정되는 것을 알 수 있다.
반사손실 특성은 전체적으로 시뮬레이션 결과와 유사한 특성을 보였다. 최적화된 안테나의 반사손실을 측정한 결과, 870～940 MHz의 대역폭을 가짐을 확인할 수 있었다.
그림 14는 플라스틱 케이스를 적용한 상태에서 콘크리트 두께에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 콘크리트 두께를 5mm씩 늘이면서 실험한 결과, 콘크리트 두께가 두꺼워질수록 정합 특성이 나빠진다. 이는 안테나가 콘크리트에 깊이 매립될수록 전기적인 특성과 복사특성이 열화될 수 있음을 의미한다.

후속연구

함수율이 12 %인 극한의 환경 속에서도 임피던스 특성은 크게 변하지 않으나, 함수량에 의한 유전체 손실 특성이 커지면서 이득은 현저하게 줄어든다. 이 연구는 건축물로부터 취득한 여러 가지 계측 정보를 안테나를 통해 효과적으로 전달함이 목적이며, 추후에는 콘크리트 조직의 밀도에 따른 유전체 특성, 철근 구조물의 전파영향에 대한 연구를 통해 좀 더 근접한 해석 모델링을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 건축물 관리의 문제점은 무엇인가?	일부 대형 건축물에 대해서는 풍향풍속계, 진동가속도 센서 등 의무적으로 센서 기반 계측 시스템을 설치하여 건축물 유지관리를 도모하고 있다[2]. 그러나 기존의 건축물 관리는 대부분 육안을 통해 외관을 관찰하거나 건물의 진동을 감지하는 방식으로 재해가 발생하기 직전이나 발생 초기에만 정확하게 감지하는 문제점이 있다. 따라서 그림 1과 같이 건물 콘크리트 내부에 센서와 안테나를 두고, 이를 무선으로 송수신할 수 있는 무선통신 기술이 요구되고 있으며, 이를 위해서 기존의 몇 가지 연구방법이 제안되었다[3],[4].
	안테나를 매립한 콘크리트 두께가 두꺼워질수록 정합 특성이 나빠지는 것은 무엇을 의미하는가?	콘크리트 두께를 5mm씩 늘이면서 실험한 결과, 콘크리트 두께가 두꺼워질수록 정합 특성이 나빠진다. 이는 안테나가 콘크리트에 깊이 매립될수록 전기적인 특성과 복사특성이 열화될 수 있음을 의미한다. 그림 15는 실제 제작된 콘크리트 블록이다.
	콘크리트 내 외부 통신을 위한 주파수는 무엇을 고려하여 설정되어야 하는가?	콘크리트 내 외부 통신을 위한 주파수는 안테나의 크기와 전파 특성을 고려하여 설정되어야 한다. 안테나는 낮은 주파수일수록 투과 특성이 좋으나, 안테나 크기와 사용 가능한 통신방식을 고려하여 제안된 안테나는 중심주파수가 915 MHz로 설계되었다.

참고문헌 (18)

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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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