[논문]해양 부이용 920 MHz 대역 안테나

최형동; 김성율; 이성렬

doi:10.12673/jant.2020.24.6.593

초록
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해양 IoT 서비스를 위한 장치들은 해양 환경에 강인해야 한다. 특히 바닷물 속에 부유하는 전송 장치는 바닷물의 영향을 덜 받도록 설계되어야 한다. 본 연구에서는 전자 어구 실명제 모니터링 시스템에서 어구 상태를 감시하는 부이에 내장되는 안테나를 설계하고 제작한 결과를 보이고 있다. 안테나의 주파수 대역은 920 MHz이고, 부이의 초소형과 경량화를 위해 PCB 패턴 안테나 구조로 설계 제작되었다. 시뮬레이션 결과 제안한 안테나를 내장한 부이가 바닷물 속에 잠기는 정도가 심할수록 반사 계수 증 RF 특성이 저하되지만 빔의 방사 각도는 안테나 하층부에서 점점 상층부로 옮겨가는 것을 확인하였다. 즉 바닷물의 영향을 많이 받을수록 전파 성능은 저하되지만 방사 특성은 해양 IoT 서비스 환경에 적합하다는 것을 확인하였다. 향후 RF 성능을 개선할 수 있는 안테나 구조를 변경 설계하면 제안한 안테나와 부이는 LPWA (low power wide area) 기반 IoT 네트워크 구현에 기여할 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The equipment for marine IoT service have to overcome the effect of seawater. Furthermore, the free floating transmitter in seawater will be less affected by the seawater environment. The results of the design and fabrication of antenna, which is embedded in buoy, are shown in this research. The pro...

The equipment for marine IoT service have to overcome the effect of seawater. Furthermore, the free floating transmitter in seawater will be less affected by the seawater environment. The results of the design and fabrication of antenna, which is embedded in buoy, are shown in this research. The proposed antenna is used to supervise the states of fishing gears in monitoring system for real-name system of electric fishing gear. The selected frequency band of the proposed antenna is 920 MHz, and PCB pattern type is selected for subminiature and light weight. It is confirmed that RF characteristics is more degraded, however, the radiation is gradually upward as the contact surface of buoy with seawater is more broaden through the simulation results. That is, the RF performance of the proposed antenna is more deteriorated but beam radiation characteristics is more suited the marine IoT, the seawater effect is more increased. It is expected that the proposed antenna will contribute the implementation of IoT network based on low power wide area (LPWA) when the degradation of RF performance will be settled.

Keyword

표/그림 (14)

그림 그림 1. 부이 형상과 구조 Fig. 1. Configuration of buoy.
그림 그림 2. 부이의 구성 Fig. 2. Composition of buoy.
표 표 1. 안테나 사양Table 1. Antenna specifications.
그림 그림 3. PCB 패턴 안테나의 구조 Fig. 3. Configuration of PCB pattern antenna.
그림 그림 4. 시뮬레이션 환경 Fig. 4. Circumstance of simulation.
그림 그림 5. 반사 손실 시뮬레이션 결과 Fig. 5. Simulation results of return loss.
그림 그림 6. 전압 정재파비 시뮬레이션 결과 Fig. 6. Simulation results of VSWR.
그림 그림 7. 2차원 방사 패턴 Fig. 7. 2-dimensional radiation pattern.
그림 그림 8. 임피던스 변화에 따른 반사 계수 Fig. 8. Return loss as a function of impedance variation.
표 표 2. RF 성능 시뮬레이션 결과 Table 2. Simulation results of RF performance.
그림 그림 9. 변경 설계된 PCB 패턴 안테나 Fig. 9. The modified design of PCB pattern antenna.
그림 그림 10. 제작된 안테나 Fig. 10. The fabricated antenna.
그림 그림 11. 안테나의 3차원 방사 패턴 Fig. 11. 3-dimensional radiation pattern of antenna.
표 표 3. 측정된 이득 Table 3. The maesured gain values.

AI 본문요약
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문제 정의

[2]. 본 연구는 해양수산부가 현재 추진하고 있는 ‘생애 주기별 어구 관리 방안’에서 제안하고 있는 ‘전자어구실명제’를 IoT 기술을 적용해 구현하고자 하는 방안과 깊은 관련이 있다. [3].
따라서 본 논문에서는 전자 어구 실명제를 위한 IoT 기반 전자 어구 모니터링 시스템에 적용될 안테나의 설계와 제작에 대해 살펴보고자 한다. IoT 기반 전자 어구 모니터링을 위해서는 어구의 정보를 센싱하는 부이(buoy), 어선 내 설치 운용되는 게이트웨이 장치, 관제 센터 시스템 등 여러 종류의 하드웨어와 소프트웨어가 필요하다.
하지만 부이가 바다에 부유하고 있어 통신 시 부이의 위치와 고도가 수시로 바뀔 수 있기 때문에 송수신 최종단 장치인 안테나의 전파 방사가 바닷물에 의해 제한될 수 있고, 수분과 염분에 의해 방사 패턴에 영향을 줄 수 있다. 본 논문에서는 이러한 영향을 고려한 부이용 안테나를 설계하고 제작한 결과를 보이고 있다.
본 연구에서는 해양 IoT 서비스를 위해 해수 환경에 강인한 안테나를 설계 제작하고 성능을 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 살펴보면 이득, VSWR 등의 안테나의 RF 특성은 부이가 해수에 잠길수록 성능이 해수면에 의한 임피던스 변동 등에 의해 저하된다.

가설 설정

그림 3에 보인 패치 형태의 PCB 패턴 안테나를 그림 1의 부이에 삽입한 상태에서의 시뮬레이션은 세 가지 환경을 가정하여 진행하였다. 첫 번째는 실험실 환경에서의 시뮬레이션이고, 두 번째는 그림 4(a)와 같은 부이가 바다에 정상적으로 부유하고 있는 상태에서의 시뮬레이션이고, 마지막은 그림 4(b)와 같은 부이가 바다 속에 100%로 잠긴 상태에서의 시뮬레이션이다.
구축하였다. 시뮬레이션 해석 범위와 시뮬레이션 소요 시간 등을 고려해 부이가 잠기는 부분의 해수 영역은 LoRa 주파수 대역 대비 깊이 방향으로 2.6λ, 너비 방향으로 1.8 λ에 해당하는 해수면을 가정하였다.

제안 방법

해수에 떠 있는 상태를 유지하기 위한 부력 지원부가 있으며 해수면 상단으로 돌출되는 영역에서 내장형 안테나가 위치한 부분은 최대한 해수면의 영향을 최소화하기 위해 최상단에 주 방사체 (main radiator)가 위치할 수 있게 설계하였으며 시스템 가동을 위한 전원 공급에 해당하는 배터리 부분을 나누어 표시하였다. 특히 안테나의 방사 패턴의 피크 방향 및 azimuth 평면의 방사 패턴 빔 특성을 결정할 수 있는 접지 평면 (GND plane)의 영역은 배터리 크기 및 배치 구조까지 고려하여야 하며 기구적인 부력 작용에 영향을 미치지 않는 범주 내에서 물리적 크기 (physical size) 확대 및 축소가 검토되어야 한다.
그림 3에서 보인 안테나의 형상은 부이의 구조 및 내부 전자회로와의 일체형 제작을 고려하여 FR4 기판에 패치 (patch) 형태의 PCB 패턴 방식을 사용하였다. 또한 안테나의 지향성은 해상에 놓이는 부이의 특성을 고려하여 등방성 구조로 설계하였다. 표 1은 안테나의 세부 사양을 정리한 것이다.
두 번째 환경, 즉 정상 부유 환경은 해수면을 기준으로 배터리 장착부의 끝을 기준으로 상단부만 드러나도록 부력 조건을 설정하여 구축하였다. 시뮬레이션 해석 범위와 시뮬레이션 소요 시간 등을 고려해 부이가 잠기는 부분의 해수 영역은 LoRa 주파수 대역 대비 깊이 방향으로 2.
6 mm 두께의 저가 소재를 사용하여 1/2 oz copper 조건으로 그림 10과 같이 안테나를 제작하였다. PCB 패턴 안테나와 RF 회로와의 임피더스 정합은 VSWR을 1.5로 설정하여 5.6 nH로 결정하여 제작하였다.
또한 PCB 패턴 안테나를 제작하여 부이에 삽입하여 무반사챔버에서 이득과 방사 패턴을 측정하였다. 이득이 시뮬레이션 결과에 크게 미치지 못하게 도출되었다.

대상 데이터

구조를 나타낸 것이다. 해수면 아래로 잠기는 부분을 포함하여 전체적인 기구의 길이는 1153.7 mm이며, 최외곽 직경의 경우 247.10 mm이고 안테나가 장착되어 해수면 위로 돌출되는 부분의 직경은 60 mm로 설계하였다. 특히 안테나가 장착되고 시스템 가동을 위한 배터리까지의 영역은 315.
9에 나타냈다. FR4 계열 1.6 mm 두께의 저가 소재를 사용하여 1/2 oz copper 조건으로 그림 10과 같이 안테나를 제작하였다. PCB 패턴 안테나와 RF 회로와의 임피더스 정합은 VSWR을 1.

이론/모형

그림 3의 안테나 패턴은 추후 부이가 해수면 아래로 가라앉는 최악의 상황을 고려한 시뮬레이션 과정을 통해 수정될 수 있다. 그림 3에서 보인 안테나의 형상은 부이의 구조 및 내부 전자회로와의 일체형 제작을 고려하여 FR4 기판에 패치 (patch) 형태의 PCB 패턴 방식을 사용하였다. 또한 안테나의 지향성은 해상에 놓이는 부이의 특성을 고려하여 등방성 구조로 설계하였다.

성능/효과

그리고 정상 부유 환경에서 반사 손실은 920 MHz에서는 19.72 dB, 925 MHz에서는 21.35 dB로, 100% 침수 환경에서 반사 손실은 920 MHz에서는 4.98 dB, 925 MHz에서는 4.88 dB로 얻어졌다.그림 7은 3가지 환경에서 얻은 부이 측면부에서 바라본 2차원 방사 패턴 (radiation pattern)을 나타낸 것이다.
있다. 그러나 3가지 환경에서 얻은 반사 손실과 이득을 비교해보면 부이가 해수에 침수되는 정도가 증가할수록 RF 특성이 점점 안 좋아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 부이가 해수와 접촉하는 부위가 많을수록 손실이 증가하고, 임피던스 비정합 (mismatching)이 심해지는 현상에 기인한다고 판단할 수 있다.
비교한 것이다. 전체적으로 공진 주파수 (resonant frequency)의 이동은 관찰되어지나 전체적인 Q-factor의 변화는 크지 않다는 것을 알 수 있다.
비슷하다는 것을 알 수 있다. 즉 시뮬레이션 과정을 통해 안테나를 제작하고 바닷속이 아닌 대기 중에서 측정한 결과는 첫 번째 환경에서의 시뮬레이션 결과와 비슷해야 하지만 RF 특성이 예상보다 적게 얻어졌다. 향후 부이가 바닷물에 부유하는 상황에서 이득 등의 RF 특성이 적어도 시뮬레이션 결과값만큼 도출되도록 안테나와 회로를 개선해야 할 것이다.
설계 제작하고 성능을 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 살펴보면 이득, VSWR 등의 안테나의 RF 특성은 부이가 해수에 잠길수록 성능이 해수면에 의한 임피던스 변동 등에 의해 저하된다. 하지만 방사 패턴을 살펴보면 부이가 해수면과 접촉되는 면적이 넓을수록 빔이 부이의 상층부에 더 많이 형성되는 것을 알 수 있다.
이러한 결과는 안테나의 PCB 패턴을 전체적으로 수정하고 해수에 의한 최적의 임피던스 값을 찾아 적용하면 IoT 기반의 전자 어구 모니터링을 위한 부이 내장 안테나 실용화가 가능하다는 것을 시사한다고 하겠다.

후속연구

즉 시뮬레이션 과정을 통해 안테나를 제작하고 바닷속이 아닌 대기 중에서 측정한 결과는 첫 번째 환경에서의 시뮬레이션 결과와 비슷해야 하지만 RF 특성이 예상보다 적게 얻어졌다. 향후 부이가 바닷물에 부유하는 상황에서 이득 등의 RF 특성이 적어도 시뮬레이션 결과값만큼 도출되도록 안테나와 회로를 개선해야 할 것이다.
이득이 시뮬레이션 결과에 크게 미치지 못하게 도출되었다. 이 결과 또한 향후 안테나 설계 변경에 반영할 예정이다.

참고문헌 (5)

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.
S. R. Lee, "PCB Pattern Antenna of 920 MHz Band for Marine IoT Services," Journal of Advanced Navigation Techonology, Vol. 23, No. 5, pp. 430-436, 2019.
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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