[논문]자동차 전면 글래스용 FM 대역 투명 모노폴 안테나

이주형; 정창원

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.7.477

자동차 전면 글래스용 FM 대역 투명 모노폴 안테나
Transparent Monopole Antenna on the Front Glass of an Automobile for FM Band 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.7, 2018년, pp.477 - 483

이주형 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원) , 정창원 (서울과학기술대학교 NID융합기술대학원)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 FM 방송대역(88~108 MHz)에서 동작하는 자동차 전면 글래스 상에 설계되는 투명 안테나를 제안한다. 투명 안테나는 전형적으로 차량 지붕에 설치된 샤크핀 안테나의 공간적 제한을 피하기 위해 차량 전면 글래스에 구현하였다. 전면 글래스에 설계되는 안테나는 낮은 수심감도와 다른 서비스대역의 안테나로부터의 방사간섭 문제를 합리적으로 해결할 수 있다. 전면 글래스는 고유한 closed-line 구조를 가지고 있으며, 이 구조로 인해 전면 글래스 외곽의 차체 표면으로 전류가 흐르게 되어 FM 방송대역 이전 부분에서 첫 공진점이 발생한다. Closed-line 구조를 이용한 표면 전류 길이 제어를 통해 첫 공진점이 FM 대역에서 동작하는 안테나를 설계하였다. 또한, RF 수동소자로 설계하기 적합한 투명전극 소자 마이크로 메탈메쉬 필름의 투명성을 통해 시각적 인식의 최소화 하였다. 측정된 안테나는 FM 대역에서 반사계수는 -6 dB 이하이며, average peak gain은 -0.9 dB이다. 본 연구를 통해 제안된 전면 글래스 투명안테나는 미래의 자동차 안테나 개발에 필요한 공간과 설계 자유에 대한 가능성을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A transparent antenna designed on the front glass of an automobile operating in the FM broadcast band(88~108 MHz) is proposed. A transparent antenna designed on the front glass of the automobile to avoid space limitation is typically positioned as a roof-mounted shark-fin antenna. An antenna designed on the front glass can reasonably solve the problems of low reception sensitivity and radiated interference from antennas for other service bands. The front glass has a unique closed-line structure, and this structure causes the surface current to flow to the front glass's surroundings; thus, the first resonance is caused before the broadcast band. Through the use of this closed-line structure, the surface current distribution is controlled, and an antenna for which the first resonance is operating in the frequency-modulated(FM) band can be designed. Moreover, the use of a micro-metal-mesh film that is a transparent electrode, suitable for designing a radio frequency device, enables the antenna to minimize visual perception through its transparency. The measured reflection coefficient($S_{11}$) of the antenna is less than -6 dB, and the average peak gain is -0.9 dB in the FM band. Experiments show that the transparent antenna on the front glass offers both the space and design freedom required to develop future automotive antennas.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 FM 라디오 수신을 위한 자동차 전면 글래스 상에 설계되는 투명 안테나를 제안하였다. 제안된 세 종류의 안테나의 측정된 반사 계수는 FM 방송대역에서 −6 dB 이하(VSWR 3:1)이며, 광대역 특성을 만족하였다.
46 %를 갖는다. 본 연구에서는 뛰어난 전기적 특성과 합리적인 광학적 특성을 갖는 마이크로 메탈메쉬 필름을 이용한 투명 안테나의 실제적인 구현과 FM 대역에서의 안테나 반사계수 및 방사패턴 측정 결과를 보여준다. 또한 자동차 전면 글래스의 고유한 closed-line 구조에서 나타나는 FM 방송대역 이전의 첫 공진점을 FM 대역으로 이동시키기 위해 closed-line 구조를 통해 발생하는 표면 전류 분포를 분석하여 전류 길이를 제어해 첫 공진점을 FM 방송대역 이전으로부터 FM 대역으로의 이동을 제안한다.
이러한 문제들을 해결하기 위해 범퍼, 천장 뒤쪽의 구경, 스포일러, 양 옆과 후면 글래스 등 안테나의 대안 위치를 갖는 선행연구들이 제안되어 왔다^[1],[2]. 본 연구에서는 투명소자인 마이크로 메탈메쉬 필름을 이용한 전면 글래스 투명 안테나를 제안한다. 전면 글래스의 투명 안테나는 다른 안테나와의 격리도를 증가시킬 수 있으며, 투명성을 이용해 시각적 인식을 최소화 할 수 있다.

제안 방법

SMA 케이블을 연결 할 때 마이크로 메탈메쉬는 납땜이 불가능하다. 따라서 제작된 안테나와 견고한 연결을 하기 위해 에폭시 전도성 접착제를 사용하였다.
본 연구에서는 뛰어난 전기적 특성과 합리적인 광학적 특성을 갖는 마이크로 메탈메쉬 필름을 이용한 투명 안테나의 실제적인 구현과 FM 대역에서의 안테나 반사계수 및 방사패턴 측정 결과를 보여준다. 또한 자동차 전면 글래스의 고유한 closed-line 구조에서 나타나는 FM 방송대역 이전의 첫 공진점을 FM 대역으로 이동시키기 위해 closed-line 구조를 통해 발생하는 표면 전류 분포를 분석하여 전류 길이를 제어해 첫 공진점을 FM 방송대역 이전으로부터 FM 대역으로의 이동을 제안한다.
본 연구에서 제작된 전면 글래스 투명안테나는 첫째, 전면 글래스 내에 설계되는 FM 방송대역 투명 모노폴 안테나(타입 1), 둘째, 전면 글래스 내에 설계되는 방송대역 투명 안테나 주파수 튜닝을 위한 추가 투명 그라운드 설계(타입 2), 셋째, 시인성을 최소화하기 위한 추가 투명그라운드 라인설계(타입 3) 등 3가지로 나눌 수 있다. 그림 1은 제안된 안테나가 장착될 차량(현대 K5)의 전면 글래스의 구성과 안테나 기본구조를 보여준다.
그림 1(b)는 타입 1의 FM 방송대역 이전대역에서 발생하는 공진점을 FM 방송대역으로 이동하기 위해 고안된 형태이다. 전면글래스를 둘러싼 차체 표면의 closed-line 구조 형태를 변형시켜 표면전류의 길이를 제어하기 위해 투명전극을 이용하여 그라운드를 증가시켜 FM 방송대역에서 동작하게 설계하였다. 그라운드가 증가함에 따라 안테나 크기에 제한이 생기게 되어, 투명 모노폴 안테나의 길이가 작아지나, closed-line 구조로 인한 차체 표면에 흐르는 전류의 길이가 짧아져 방송대역 이전에 발생하던 공진점이 FM 방송대역에서 동작한다.
마이크로 메탈메쉬는 다른 투명 전도성 필름들과 비교하면 광학적 특성(투명성)이 조금 낮지만 전기적 특성(전도도)에서 더 우수한 성질을 지닌다^[6]. 제안된 안테나는 전면 글래스의 최대한 상단에 설계함으로 시각적 영향을 최소화하였으며, 방송대역 안테나의 안정된 신호수신의 필요성을 고려하여 전기적 특성이 높은 마이크로 메탈메쉬를 통해 설계하였다. 그림 3은 투명 안테나의 표면 전류 분포를 시뮬레이션한 결과이다.
Ⅲ. 투명 안테나 설계 및 제작

제안된 투명 안테나는 마이크로 메탈메쉬 필름을 사용하여 제작하였다. 그림 2는 마이크로 메탈메쉬 필름의 투명도와 중배율(×128) 사진을 보여주고 있다.

데이터처리

반사 계수(reflection coefficient, S₁₁)는 네트워크 아날라이저 Agilent N9912A를 이용해 측정했다. 그림 5는 측정을 통해 얻은 반사계수 그래프이며, 실선은 타입 1을, 긴점섬은 타입 2을, 짧은 점선은 타입 3을 나타내고 있다.

성능/효과

안테나와 연결된 그라운드의 증가로 인해 FM 대역에서 S11이 감소하는 경향을 보이나, −6 dB 이하로 기존 목표였던 VSWR 3:1을 만족한다. 또한 투명전극의 이용뿐만 아니라, 방사패턴과 그라운드의영향을 고려하여 최대한 전면 글래스의 상단에 설계하여 시인성을 최소화하였다. 그림 1(c)는 타입 2와 달리 전면적인 그라운드의 증가가 아닌 두께 40 mm의 그라운드 라인을 추가하여 차체 표면으로 흐르는 표면 전류의 길이를 제어하는 형태이다.
2 dB 이상으로 높은 평균 이득을 보였다. 사용된 투명전극인 마이크로 메탈메쉬가 다른 투명전극필름보다 우수한 전기적 특성을 가지므로 높은 이득을 얻을 수 있었다. 제안된 안테나는 마이크로 메탈메쉬의 투명성을 통해 안테나의 시각적 인식을 최소화 할 수 있으며, 다른 안테나들과 달리 디자인 측면을 방해하지 않는 장점이 있다.
본 연구실은 이전연구를 통해 마이크로 메탈메쉬 필름이 안테나와 전송 라인 등 RF(radio frequency) 수동 소자로 설계하기에 적합한 투명소자임을 보였다^[3]～[7]. 새로운 투명 소자인 마이크로메탈메쉬 필름은 안테나 성능을 충분히 유지하며, 시각적 인식을 최소화 할 수 있다. 이 소자는 0.
안테나와 연결된 그라운드의 증가로 인해 FM 대역에서 S11이 감소하는 경향을 보이나, −6 dB 이하로 기존 목표였던 VSWR 3:1을 만족한다.
제안된 세 종류의 안테나의 측정된 반사 계수는 FM 방송대역에서 −6 dB 이하(VSWR 3:1)이며, 광대역 특성을 만족하였다.
사용된 투명전극인 마이크로 메탈메쉬가 다른 투명전극필름보다 우수한 전기적 특성을 가지므로 높은 이득을 얻을 수 있었다. 제안된 안테나는 마이크로 메탈메쉬의 투명성을 통해 안테나의 시각적 인식을 최소화 할 수 있으며, 다른 안테나들과 달리 디자인 측면을 방해하지 않는 장점이 있다. 전면 글래스는 집약적으로 설계된 샤크 안테나와 같은 안테나 모듈보다 많은 공간을 제공할 수 있으므로, 다른 안테나로부터의 격리도 증가와 상호간섭을 줄일 수 있다.
측정된 최대 이득은 타입 1～3의 경우, FM 라디오 전대역에서 각각 −0.4 dB, −4.4 dB, −2 dB 이상의 높은 이득을 나타내었고, 평균 이득은 각각 −7 dB, −7.3 dB,−5.2 dB 이상으로 높은 평균 이득을 보였다.

후속연구

전면 글래스는 집약적으로 설계된 샤크 안테나와 같은 안테나 모듈보다 많은 공간을 제공할 수 있으므로, 다른 안테나로부터의 격리도 증가와 상호간섭을 줄일 수 있다. 제안된 안테나와 같이, 투명 전도성 필름은 가까운 미래에 여러 가지 방법를 통해 투명 장비를 만드는데 사용될 것으로 예상되며, 투명 안테나는 향후 자동차 안테나 개발에 필요한 공간과 디자인 측면에서의 자유도를 제공할 수 있다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명 안테나은 무엇으로 제작되었는가?	제안된 투명 안테나는 마이크로 메탈메쉬 필름을 사용하여 제작하였다. 그림 2는 마이크로 메탈메쉬 필름의 투명도와 중배율(×128) 사진을 보여주고 있다.
	제작된 안테나와 견고한 연결을 하기 위해 에폭시 전도성 접착제를 사용한 이유는?	급전 라인은 특성 임피던스가 50 Ω인 동축 케이블을 통해 전면 글래스의 중앙 상단에 설계된 안테나로 급전된다. SMA 케이블을 연결 할 때 마이크로 메탈메쉬는 납땜이 불가능하다. 따라서 제작된 안테나와 견고한 연결을 하기 위해 에폭시 전도성 접착제를 사용하였다.
	투명 전도성 필름의 특성은?	투명 전도성 필름(transparent conductive films)은 디스플레이, 태양 전지 등 많은 분야에서 연구되고 있으며, 고유한 전기적, 기계적, 광학적 특성을 갖는다. 본 연구실은 이전연구를 통해 마이크로 메탈메쉬 필름이 안테나와 전송 라인 등 RF(radio frequency) 수동 소자로 설계하기에 적합한 투명소자임을 보였다[3]～[7].

참고문헌 (7)

G. Artner, R. Langwieser, and C. F. Mecklenbrauker, "Concealed CFRP vehicle chassis antenna cavity," IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 1415-1418, 2017.

상세보기
L. Low, R. Langley, R. Breden, and P. Callaghan, "Hidden automotive antenna performance and simulation," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, no. 12, pp. 3707-3712, Dec. 2006.

상세보기
S. Hong, Y. Kim, and C. W. Jung, "Transparent microstrip patch antennas with multilayer and metal-mesh films," IEEE Antennas Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 772-775, 2017.

상세보기
S. Hong, S. H. Kang, Y. Kim, and C. W. Jung, "Transparent and flexible antenna for wearable glasses applications," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 7, pp. 2797-2804, Jul. 2016.

상세보기
H. H. Lee, S. H. Kang, and C. W. Jung, "Optically transparent microstrip line with micro-wired-metal mesh," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 60, no. 2, pp. 374-378, 2018.

상세보기
강석현, 정창원, "정방형 메탈메쉬 투명전극을 이용한 투명 사각 패치 안테나," 한국전자파학회논문지, 29(4), pp. 277-284, 2018년 4월.

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안승범, 계영철, 추호성, "다중 루프 형태의 차량용 글래스 안테나," 한국전자파학회논문지, 20(3), pp. 230-238, 2009년 3월.

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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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