[논문]해양 IoT 서비스를 위한 920 MHz 대역의 PCB 패턴 안테나

이성렬

doi:10.12673/jant.2019.23.5.430

초록
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해상 및 산업 현장의 다양한 IoT 서비스를 위한 시스템에 필수불가결한 장치인 안테나 개발에 있어 초소형, 경량 및 다중 대역 동작이 요구된다. 이러한 요구를 반영할 수 있는 대표적인 안테나의 한 종류가 PCB 패턴 안테나이다. 본 연구에서는 920 MHz 단일 대역 PCB 패턴 안테나의 설계 및 제작에 대하여 살펴보았다. 제안된 920 MHz 단일 대역 안테나의 PCB 패턴을 260 MHz 대역에서도 동작하도록 수정 보완하여 이중 대역 PCB 패턴 안테나를 제작하는 것이 최종 목표이다. 본 연구를 통해 920 MHz의 ISM 대역 중 902 MHz, 915 MHz와 928 MHz에서 우수한 성능을 얻을 수 있었다. 또한 전압 정재파비, 반사 손실, 이득과 효율 등의 주파수별 차이가 5% 미만이었다. 이러한 결과를 -30 dB의 수신 감도를 갖는 LPWA (low power wide area) 네트워크에 적용하면 최소 5-10 km의 통신 링크 구축이 가능할 것으로 예측할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is needed to develop an antenna with features of subminiature, light weight and multi-band operation for the variaty services in maritime and industrial fields. The PCB pattern antenna is one of the appropreiate antennas solving these requirements. In this research, the design and fabrication of ...

It is needed to develop an antenna with features of subminiature, light weight and multi-band operation for the variaty services in maritime and industrial fields. The PCB pattern antenna is one of the appropreiate antennas solving these requirements. In this research, the design and fabrication of the PCB pattern antenna operating on the single band of 920 MHz are investigated. The final goal is that the development of the dual band PCB pattern antenna operating on 260 MHz and 920 MHz, which is based on the proposed antenna. It is evident that the performance in the frequencies of 902 MHz, 915 MHz and 928 MHz among of 920 MHz ISM band is better than that in other frequencies. It is also confirmed that the differences of the voltage standing wave ratio, return loss, gain and efficiency between three frequencies are less than 5%. It is expected that the development of communication link of 5-10 km is possible when the induced results are applied into the low power wide area (LPWA) network desinged by the rule of -30 dB sensitivity.

Keyword

표/그림 (16)

그림 그림 1. 해양 센서 노드와 안테나 형태 Fig. 1. Marine sensor node and shape of antenna.
표 표 1. 안테나 사양 Table 1. Antenna specifications.
그림 그림 2. 안테나 구조 Fig. 2. Configuration shape of antenna.
그림 그림 3. 안테나 제작을 위한 아트웤 Fig. 3. Artwork for fabricating antenna.
그림 그림 4. 제작된 안테나 Fig. 4. Fabricated antenna.
표 표 2. 안테나 시뮬레이션 결과 Table 2. Simulation results of antenna.
그림 그림 5. 임피던스 정합 전 Smith chart와 S-parameter Fig. 5. Smith chart and S-parameter before the impedance matching.
그림 그림 6. 임피던스 정합 Fig. 6. Impedance matching.
그림 그림 7. 임피던스 정합 후 Smith chart와 S-parameter Fig. 7. Smith chart and S-parameter after the impedance matching.
그림 그림 8. 반사 손실 (좌 : 정합 전, 우 : 정합 후) Fig. 8. Return loss (left : before matching, right after matching).
그림 그림 9. 전압 정재파비 (좌 : 정합 전, 우 : 정합 후) Fig. 9. VSWR (left : before matching, right after matching).
표 표 3. 안테나 측정 결과 Table 3. Test results of antenna.
표 표 4. 안테나의 방사 전력과 각도 Table 4. Radiation power and degrees of antenna.
그림 그림 10. 안테나 방사 패턴 (2D) Fig. 10. Radiation pattern of antenna (2D).
그림 그림 11. 안테나 방사 패턴 (3D) Fig. 11. Radiation pattern of antenna (3D).
표 표 5. 안테나의 이득과 효율 Table 5. Gain and efficiency of antenna.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 특성을 반영할 수 있는 대표적인 안테나의 한 종류가 PCB 패턴 안테나이다 [5]. 따라서 목표로 하는 통신 성능을 유지하는 범위 내에서 원가를 절감하고 안테나의 유지, 보수 및 크기 문제를 개선할 수 있는 해상용 이중 대역 (dual band) PCB 패턴 안테나를 제안하고자 한다. 해상 IoT 서비스를 위한 이중 대역 초소형 안테나 개발은 2단계 거쳐 이루어진다.
우선 ISM 대역 중 920 MHz 대역에서 동작하도록 설계 제작되고, 여기에 260MHz 대역에서도 동작하도록 유전체 패턴을 추가 수정하는 과정을 거친다. 본 논문에서는 그 첫 번째 단계인 920 MHz 단일 대역 PCB 패턴 안테나의 설계 및 제작에 대하여 살펴보도록 한다.
본 연구에서는 해양 IoT 서비스를 위한 센서 노드에 필요한 ISM 대역에서 사용 가능한 안테나를 설계 제작하고 성능을 확인하였다. 개발된 안테나는 센서 노드의 RF 모듈과 일체형인 PCB 패턴 안테나 형태이고 사용 주파수는 920 MHz 대역을 목표로 하였다.
본 논문의 내용은 920 MHz의 단일 주파수 대역용 일체형 PCB 패턴 안테나 제작에 관한 것으로, 향후 260 MHz 대역이 추가되어야 한다. 따라서 개발된 PCB 패턴 안테나를 기반으로 해양 IoT 서비스 장치를 위한 260 MHz와 920 MHz의 이중 대역 안테나로의 확장을 연구할 예정이다.

제안 방법

안테나는 상층부에 구성되며 이에 따른 해풍의 영향을 최소화할 수 있도록 설계되도록 하였다. 안테나의 형상은 부이의 구조 및 내부 전자회로와의 일체형 제작을 고려하여 FR4 기판에 안테나를 설계하는 PCB 패턴 형태로 설계 및 제작하였다.
안테나는 상층부에 구성되며 이에 따른 해풍의 영향을 최소화할 수 있도록 설계되도록 하였다. 안테나의 형상은 부이의 구조 및 내부 전자회로와의 일체형 제작을 고려하여 FR4 기판에 안테나를 설계하는 PCB 패턴 형태로 설계 및 제작하였다. 또한 안테나의 지향성은 해상에 놓이는 부이의 특성을 고려하여 등방성 구조로 설계하였다.
안테나의 형상은 부이의 구조 및 내부 전자회로와의 일체형 제작을 고려하여 FR4 기판에 안테나를 설계하는 PCB 패턴 형태로 설계 및 제작하였다. 또한 안테나의 지향성은 해상에 놓이는 부이의 특성을 고려하여 등방성 구조로 설계하였다.
통신 RF 회로와 연결되도록 PCB 상단부에 920 MHz 대역을 지원하는 모노폴(monopole) 구조의 안테나를 기본 구조로 설계하였다. 이는 기존 다이폴(dipole) 구조의 경우 원하는 주파수를 송수신하려면 안테나 길이를 λ/2 크기로 제작해야 하는 반면, 모노폴 구조의 경우 접지(ground)가 이미지 효과를 가지기 때문에 다이폴 구조 보다 크기를 절반으로 줄일 수 있는 장점이있기 때문이다.
그러나 개발하고자 하는 안테나는 900 ~ 930 MHz 대역에서 30 MHz 대역폭을 필요로 하기 때문에 전체 대역폭에서 안정적인 안테나 특성을 구현하기 위해 일반 모노폴 안테나 형태가 아닌 이중적인 패턴 폭을 가지는 구조로 수정 설계하였다.
설계된 PCB와 안테나를 보호하고 실제 현장에서 활용하기 위하여 케이스(case)를 설계하였다. 케이스는 전반적인 통신효율 및 내구성을 고려하여 ABS 플라스틱 재질의 원통형 구조로 하였다.
즉 임피던스의 실수부는 51 Ω으로 거의 매칭이 되어있는 상태로 허수부인 커패시턴스와 리액턴스 성분을 제거하면 되기 때문이다. 따라서 본 실험에서는 허수부만을 매칭하면 되므로 VNA (vector network analyzer) 장비에서 소자 값을 변경하면서 정합을 하였다. 그 결과 그림 6과 같이 6.
임피던스 매칭에 따른 방사 특성을 최종 검증하기 위하여 무향 챔버(chamber)에서 측정을 진행하였다. 측정된 안테나의 방사 패턴은 그림 10(2D)과 그림 11(3D)과 같다.

대상 데이터

PCB의 크기는 50×297.5 mm이고, 이 중 안테나는 70×50 mmdlau, 케이스는 58(pi)×294 mm로 설계하였다.
설계된 PCB와 안테나를 보호하고 실제 현장에서 활용하기 위하여 케이스(case)를 설계하였다. 케이스는 전반적인 통신효율 및 내구성을 고려하여 ABS 플라스틱 재질의 원통형 구조로 하였다. 그림 2는 일체형 안테나 및 PCB, 케이스의 형상 설계를 보여준다.
본 연구에서는 해양 IoT 서비스를 위한 센서 노드에 필요한 ISM 대역에서 사용 가능한 안테나를 설계 제작하고 성능을 확인하였다. 개발된 안테나는 센서 노드의 RF 모듈과 일체형인 PCB 패턴 안테나 형태이고 사용 주파수는 920 MHz 대역을 목표로 하였다. 시뮬레이션과 실측 결과 902 MHz, 915 MHz와 928 MHz 주파수에서 우수한 성능을 얻을 수 있었다.

성능/효과

설계된 안테나의 케이스가 있는 경우와 없는 경우에 대해 시뮬레이션을 수행한 결과 902 MHz, 915 MHz, 928 MHz의 3 주파수에서 가장 우수한 성능을 얻을 수 있었다. 표 2는 케이스 미적용과 적용 시 안테나의 전압 정재파비(VSWR; voltage standing wave ratio), 이득과 평균 효율 특성을 정리한 것이다.
케이스를 적용하였을 때와 적용하지 않았을 때의 시뮬레이션 결과를 비교하면 모든 주파수에 대해 안테나 이득의 감소량은 0.1 dB를 초과하지 않는 것으로 나타나며, 이를 통해 케이스로 인한 통신 성능의 저하는 거의 발생하지 않을 것으로 예상된다.
따라서 본 실험에서는 허수부만을 매칭하면 되므로 VNA (vector network analyzer) 장비에서 소자 값을 변경하면서 정합을 하였다. 그 결과 그림 6과 같이 6.8 nH 직렬 인덕터를 적용하였을 때 가장 좋은 S-parameter 특성을 도출할 수 있었다. 임피던스 정합 이전과 이후를 비교한 Smith chart는 그림 7과 같다.
그림 8과 그림 9의 결과, 즉 임피던스 정합 전과 후의 PCB 패턴 안테나의 반사 손실과 VSWR 측정치를 표 3에 정리해 놓았다. 앞서 언급했듯이 임피던스 정합 후 성능이 크게 개선되었고, 이 특징은 주파수에 따라 달라지는 것을 확인할 수 있다.
개발된 안테나는 센서 노드의 RF 모듈과 일체형인 PCB 패턴 안테나 형태이고 사용 주파수는 920 MHz 대역을 목표로 하였다. 시뮬레이션과 실측 결과 902 MHz, 915 MHz와 928 MHz 주파수에서 우수한 성능을 얻을 수 있었다. LPWA (low power wide area) 네트워크를 통해 전자 어구와 어선 간의 통신에 개발된 안테나를 적용하는 경우, 수신 감도를 –30 dB로 가정한다면 전자 어구와 센서 노드와의 통신 거리는 최대 5 – 10 km까지 가능할 것으로 예상할 수 있다.

후속연구

본 논문의 내용은 920 MHz의 단일 주파수 대역용 일체형 PCB 패턴 안테나 제작에 관한 것으로, 향후 260 MHz 대역이 추가되어야 한다. 따라서 개발된 PCB 패턴 안테나를 기반으로 해양 IoT 서비스 장치를 위한 260 MHz와 920 MHz의 이중 대역 안테나로의 확장을 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선통신 기술의 발전으로 인한 새로운 서비스에 대한 요구가 의미하는 바는 무엇인가?	무선통신 기술의 발전에 따라 이를 응용한 통신 기기 역시 지속적으로 발전하고 있으며 최근 5G 통신의 발전에 따른 스마트 폰 기기를 이용한 다양한 서비스의 요구, 4차 산업혁명 기술 발전에 따른 사물 인터넷 (IoT; internet of thing) 등의 산업 및 공공 분야에서의 새로운 서비스에 대한 요구가 급격히 증가하고 있다 [1]. 이러한 추세는 단순한 형태의 데이터 서비스가 아닌 다양한 형태와 종류의 대용량 멀티미디어 통신 서비스로 전이되는 것을 의미한 것이다. 이러한 패러다임의 변화는 통신 기기에 장착되는 안테나 또한 소형, 경량, 다중 대역 (multi band) 동작 등을 요구하고 있다.
	본 연구에서 케이스는 어떠한 구조로 설계하였는가?	설계된 PCB와 안테나를 보호하고 실제 현장에서 활용하기 위하여 케이스(case)를 설계하였다. 케이스는 전반적인 통신효율 및 내구성을 고려하여 ABS 플라스틱 재질의 원통형 구조로 하였다. 그림 2는 일체형 안테나 및 PCB, 케이스의 형상 설계를 보여준다.
	모노폴 구조가 기존의 다이폴 구조에 비해 더 나은 점은 무엇인가?	통신 RF 회로와 연결되도록 PCB 상단부에 920 MHz 대역을 지원하는 모노폴(monopole) 구조의 안테나를 기본 구조로 설계하였다. 이는 기존 다이폴(dipole) 구조의 경우 원하는 주파수를 송수신하려면 안테나 길이를 λ/2 크기로 제작해야 하는 반면, 모노폴 구조의 경우 접지(ground)가 이미지 효과를 가지기 때문에 다이폴 구조 보다 크기를 절반으로 줄일 수 있는 장점이있기 때문이다.

참고문헌 (6)

J. H. Yoon, "Design and Manufacture of CPW-fed Two Arc-shaped Antenna for WLAN Applications," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, Vol. 19, No. 4, pp. 765-771 Apr. 2015.

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Ministry of Oceans and Fisheries. The management policy of fishing nets for life cycle (press release on 2015. 10. 25) [Internet]. Available: http://www.mof.go.kr/article/view.do?articleKey9693&searchSelecttitle&searchValue%ED%8F%90%EC%96%B4%EA%B5%AC&boardKey10&menuKey376¤tPageNo1.
Ministry of Oceans and Fisheries. The environment enhancement plan for the littoral sea (press release on 2015.6. 2) [Internet]. Available: http://www.mof.go.kr/article/view.do?articleKey8146&searchSelecttitle&searchValue%EC%88%98%EC%82%B0%EC%9E%90%EC%9B%90+%ED%9A%8C%EB%B3%B5&boardKey10&menuKey376¤tPageNo1.
Ministry of Oceans and Fisheries. The management policy of the fishing nets (press release on 2015. 11. 9) [Internet]. Available: http://www.mof.go.kr/article/view.do?articleKey9829&searchSelecttitle&searchValue%EC%96%B4%EA%B5%AC%EA%B4%80%EB%A6%AC&boardKey10&menuKey376¤tPageNo1.
T. I. Choi, J. G. Kim, and J. H. Yoon, "A Design and Implementation of Dual-band Monopole Antenna with DGS," Journal of the KIECS, pp. 841-848, Vol. 11, No. 9, Sep. 2016.
S. R. Lee, "LPWA 920 MHz Antenna for Subminiature IoT Sensors," in The 12th International Conference on Future Information & Communication Engineering, Sapporo: Japan, pp. 195-197, June, 2019.

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