[논문]5G 주파수 대역의 자동차 전장품 전자기파 내성 평가를 위한 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나 개발

고호진; 최범진; 박기훈; 우종명

doi:10.12815/kits.2020.19.3.137

5G 주파수 대역의 자동차 전장품 전자기파 내성 평가를 위한 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나 개발
Development of Printed Bow-tie Antenna with 3 ~ 5 GHz Broadband Characteristics for Testing the Electromagnetic Immunity of Automotive Electrical Components in the 5G Frequency Band 원문보기

韓國ITS學會論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.19 no.3, 2020년, pp.137 - 147

고호진 (한국자동차연구원 전자기파연구센터) , 최범진 (한국자동차연구원 전자기파연구센터) , 박기훈 (한국자동차연구원 전자기파연구센터) , 우종명 (충남대학교 전자전파정보통신공학과)

초록
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본 논문에서는 5G 이동통신 주파수 대역에서 자동차 전장품 전자기파 내성 평가를 위한 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 2.75 ~ 6 GHz 주파수 대역에서 -10 dB 대역폭을 만족하였고, 공진 주파수 대역에서 S₁₁ 특성이 -16.2 dB 이하의 특성을 보이면서 방사 패턴은 broadside한 형태를 얻었다. 또한, 실제 5G 이동통신 주파수 대역에서의 전자기파 내성 평가를 수행함에 있어서도, 국제 표준에서 규제하는 VSWR 특성이 2.1 이하의 특성을 유지하면서도 기준 레벨인 1 W의 레벨을 문제없이 형성하였다. 이러한 결과를 통하여, 제안된 안테나는 5G 이동통신 주파수 대역에서 전자기파 내성 검증을 위한 평가용 안테나로 적용할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes printed bow-tie antennas with 3 ~ 5 GHz broadband characteristics were proposed for testing the electromagnetic immunity of automotive electrical components in the 5G frequency band. The antenna get -10 dB bandwidth in the 2.75 ~ 6 GHz frequency band and the broadside radiation pattern with S11 characteristic of -16.2 dB at resonant frequency. In testing electromagnetic immunity in the 5G mobile communication frequency band, the VSWR characteristic remained below 2.1, forming a level of 1 W as proposed by international standards. As a result, it is confirmed that the proposed antenna can be applied to antenna testing for electromagnetic immunity verification in the 5G mobile communication frequency band.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 5G 이동통신 주파수 대역에서 자동차 전장품에 대한 전자기파 내성 검증에 사용하는 표준 안테나의 문제점을 제기하였다.
해당 표준 안테나는 전체적으로 알루미늄 재질로 구성되어 있기 때문에 경제적이지 못하고, 5G 이동통신 주파수 대역을 포함하고 있지 못하는 신뢰성 측면에서의 문제점이 있다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 FR4 PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 5G 이동통신 주파수 대역인 3 ~ 5 GHz 대역을 포함하는 2.
이에 근거하여, 본 논문에서는 5G 이동통신 기술의 주파수 대역에서 전자기파 내성을 검증할 수 있는 인쇄형 bow-tie 안테나를 제안하고, 시뮬레이션 및 제작을 통해 안테나 성능을 검증하였다. 이를 본론 및 결론 에서 기술하고자 한다.

제안 방법

4]를 통해 확인할 수 있다. PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 안테나의 시뮬레이션 결과가 -10 dB 대역폭을 만족하는 주파수 대역이 2.7 ~ 5.1GHz로, PCB 기판 윗부분과 아랫부분에만 패치 형태를 갖는 안테나보다 S 11 특성이 우수한 결과를 나타내었기 때문에 PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 안테나로 설계를 진행하였다. 그러나 PCB 기판 양면에 부착된 패치는 알루미늄과 같은 완전 도체가 아니기 때문에 기판 양면의 물리적인 연결을 보강하기 위해 반지름 0.
안테나의 성능 검증은 실제 5G 이동통신 주파수 대역에서 전자기파 내성 검증을 수행할 수 있는지 확인 하기 위해, 국제 표준에 제시되어 있는 2 GHz 이상 대역의 평가 레벨을 참고하여 진행하였다(ISO, 2012d). [Table 5]에서 확인할 수 있듯이, RF 증폭기의 출력단자에서 방출되는 에너지의 레벨을 나타내는 ‘Forward Power’ 값과 안테나에서 방출 되는 에너지의 레벨 값을 보여주는 ‘Net Power’ 값이 국제 표준에서 요구하는 1 W 레벨을 문제없이 형성하였고, VSWR 값 또한 [Fig.
3], [Table 1]과 같다. 알루미늄 재질의 안테나를 제작함에 있어 비용과 시간이 많이 소요된다는 단점을 보완하기 위해, 두께 1.6 mm, 유전율 4.5의 특성을 갖는 FR4 PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 안테나를 제작하였다. FR4 PCB 기판을 통해 제작된 안테나는 알루미늄 재질보다 가볍고, 에칭으로 쉽게 제작이 가능하면서 방사 소자 지지를 위한 별도의 지지대가 없어도 된다는 장점이 있다.

데이터처리

제작된 안테나의 특성은 ‘Keysight’ 사의 E5071C 네트워크 아날라이져를 통해 측정하였으며, 시뮬레이션 및 측정 결과의 S 11 과 VSWR 특성 비교 결과는 [Fig. 7]에 나타내었다.

성능/효과

시뮬레이션 결과를 통한 안테나의 이득은 3 ~ 5 GHz의 주파수 대역에서 전체적으로 4 dBi 이상의 우수한 결과를 보였지만, 실제 제작된 안테나에 대한 안테나 이득의 측정 결과는 4 GHz 주파수 대역에서 5.71 dBi (64°), 5 GHz 주파수 대역에서 5.67 dBi (58°)로 시뮬레이션 결과 대비하여 각각 118 %, 140 %의 우수한 결과를 보였으나 3 GHz 주파수 대역에서는 2.26 dBi (113°)로 시뮬레이션 결과 대비 53 % 수준의 결과를 보였다.
5G 이동통신 주파수 대역 안테나에 대한 E-Filed 최대 레벨의 측정 결과는 3 GHz 주파수 대역에서 116 V/m, 4 GHz 주파수 대역에서 110 V/m, 5 GHz 주파수 대역에서 82 V/m로 시뮬레이션 결과 대비하여 각각 91 %, 77 %, 76 % 수준으로 다소 낮은 결과를 보였는데, 이러한 결과의 차이는 시뮬레이션을 통해 설계된 안테나를 실제 제작함에 있어 1 mm 이하의 단위까지 맞출 수 없는 한계와 실제 측정 환경이 시뮬레이션에 서와 같은 이상적인 환경이 아니기에 이와 같은 오차가 발생한 것으로 판단된다.
[Table 5]에서 확인할 수 있듯이, RF 증폭기의 출력단자에서 방출되는 에너지의 레벨을 나타내는 ‘Forward Power’ 값과 안테나에서 방출 되는 에너지의 레벨 값을 보여주는 ‘Net Power’ 값이 국제 표준에서 요구하는 1 W 레벨을 문제없이 형성하였고, VSWR 값 또한 [Fig. 7]에서 확인할 수 있는 VSWR 측정 결과와 유사한 2.1 이하의 값이 형성됨을 확인할 수 있다.
비아 홀의 위치나 개수에 따라서 안테나 특성 변화에는 큰 영향이 없었지만, 안테나에서 방사되는 E-field 레벨의 최대치가 변화함을 확인하였고 이를 통하여 최적화 된 안테나 구조에서는 각 방사 소자 면에 142개의 비아 홀을 배치하였다. 결과적으로 안테나에서 방사되는 E-field 레벨의 시뮬레이션 결과는 최대 3 GHz에서 127 V/m, 4 GHz에서 143 V/m, 5 GHz에서 108 V/m를 나타내었으며, 해당 시뮬레이션 결과는 [Fig. 5]에 나타내었다.
2 dB 이하의 결과를 보였다. 또한, 국제 표준에서 규제하고 있는 휴대용 무선기기에 대한 전자기파 내성 검증에 있어 중요한 요소인 VSWR 특성도 5G 이동통신 주파수 대역에서 2.1 이하의 우수한 값을 나타내었으며, 제안된 안테나를 이용하여 실제 5G 휴대용 무선기기 주파수 대역에서의 전자기파 내성 검증을 수행함에 있어서도 국제 표준 에서 제안하는 1 W의 레벨을 문제없이 형성하였다.
본 논문을 통해 제안된 안테나의 VSWR 특성은 [Fig. 7]에서 확인할 수 있듯이 5G 이동통신 주파수 대역인 3 ∼ 5 GHz 주파수 대역에서는 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 비슷한 2.1 이하의 특성을 보였으나 5 GHz 이상 대역에서는 측정 결과가 더 우수한 결과를 보였다.
비아 홀의 위치나 개수에 따라서 안테나 특성 변화에는 큰 영향이 없었지만, 안테나에서 방사되는 E-field 레벨의 최대치가 변화함을 확인하였고 이를 통하여 최적화 된 안테나 구조에서는 각 방사 소자 면에 142개의 비아 홀을 배치하였다. 결과적으로 안테나에서 방사되는 E-field 레벨의 시뮬레이션 결과는 최대 3 GHz에서 127 V/m, 4 GHz에서 143 V/m, 5 GHz에서 108 V/m를 나타내었으며, 해당 시뮬레이션 결과는 [Fig.
상기 측정된 결과를 통해 확인할 수 있듯이, 본 논문에서 제안하는 인쇄형 bow-tie 안테나는 S 11 특성이 5G 이동통신 주파수 대역을 만족하고 VSWR 특성과 성능 검증 결과가 국제 표준에서 요구하는 조건을 충족하 였다. 이러한 결과를 통하여, 제안된 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나는 향후 5G 이동통신 기술에 대한 전자기파 내성 검증에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
안테나 이득은 시뮬레이션과 측정 결과가 특정 주파수 대역에서 오차가 발생하였지만, [Fig. 9]에서 확인할 있듯이 안테나의 방사 패턴 대한 시뮬레이션과 측정 결과는 매우 유사하게 안정된 패턴을 보이면서 broadside한 형태를 갖고 있음을 확인할 수 있다.
7 GHz의 주파수 대역만을 검증할 수 있기 때문에 5G 이동통신 주파수 대역인 3 ~ 5 GHz 주파수 대역에 대한 전자기파 내성 검증이 불가능하다. 이와 더불어, [Fig. 2]의 S 11 의 측정 결과를 통해 확인할 수 있듯이 설계 주파수 대역에서 -10 dB 대역폭을 만족하는 범위가 27 % 수준으로 안테나 특성이 우수하지 못함을 확인할 수 있다. 또한, 전제적으로 알루미늄 재질로 안테나가 구성되어 있어 제작이 어렵고 중량, 고비용의 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해 본 논문에서는 FR4 PCB 기판 양면에 패치 형태를 갖는 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 5G 이동통신 주파수 대역인 3 ~ 5 GHz 대역을 포함하는 2.75 ~ 6 GHz 주파수 대역에서 -10 dB 대역폭을 만족하였고, 공진 주파수 대역에서 S 11 특성이 -16.2 dB 이하의 결과를 보였다. 또한, 국제 표준에서 규제하고 있는 휴대용 무선기기에 대한 전자기파 내성 검증에 있어 중요한 요소인 VSWR 특성도 5G 이동통신 주파수 대역에서 2.
7]에 나타내었다. 측정 장비의 설정된 주파수 범위인 2 ~ 6 GHz에서 S 11 특성이 -10 dB 대역폭을 만족하는 범위가 2.75 ~ 6 GHz로 시뮬레이션 결과 대비 126 % 우수한 결과를 보였다.

후속연구

이러한 국제 표준의 기준은 광범위한 전자기파 내성 검증을 수행할 수 있다는 장점이 있지만, 최근 발전하고 있는 이동통신 환경에서의 전자기파 내성 검증을 수행함에 있어서는 통신 신호의 차이로 인한 문제점과 near-field 영역에서의 검증이 어렵다는 단점이 있다. 때문에, [Fig. 11]에서 확인할 수 있는 자동차 계기판과 인포테인먼트 시스템, 센터페시아 등의 자동차 내부에서 이동통신 기기가 영향을 미칠 수 있는 대표적인 자동차 전장품을 대상으로 near-field 영역에서의 5G 이동통신 환경에 대한 전자기파 내성 검증을 위해 본 논문에서 제안하는 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나 적용을 통하여 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 결과를 통하여, 안테나 제작 과정에서 설계 오차와 주변 환경에 따른 변화를 줄임으로써, 안테나 이득을 높이고 E-field 레벨 변화를 줄일 수 있도록 개선한다면 향후 5G 이동통신 주파수 대역에서 전자기파 내성 검증에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
상기 측정된 결과를 통해 확인할 수 있듯이, 본 논문에서 제안하는 인쇄형 bow-tie 안테나는 S 11 특성이 5G 이동통신 주파수 대역을 만족하고 VSWR 특성과 성능 검증 결과가 국제 표준에서 요구하는 조건을 충족하 였다. 이러한 결과를 통하여, 제안된 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나는 향후 5G 이동통신 기술에 대한 전자기파 내성 검증에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인쇄형 bow-tie 안테나의 대역폭 특성은?	본 논문에서는 5G 이동통신 주파수 대역에서 자동차 전장품 전자기파 내성 평가를 위한 3 ~ 5 GHz 광대역 특성의 인쇄형 bow-tie 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 2.
	전자기파 내성 검증이 필요한 이유는?	발전하는 기술과 복잡하고 다양해지는 자동차 전장품 환경에서 전장품에 의해 발생할 수 있는 불필요한 전자기파 환경에 대한 전자기적 오작동을 검증하는 전자기파 내성 검증은 급발진과 같은 전자기적 요인에 의한 사고를 예방할 수 있다는 점에서 중요한 사안이다.
	420NJ with SBA 9113 안테나의 문제점은?	7 GHz 주파수 대역의 광대역 특성을 갖고 있어, 한 번에 넓은 주파수 대역에 대한 전자기파 내성 검증이 가능하다. 하지만, 최근 발전하고 있는 5G 이동통신 기술의 주파수 대역인 3 ~ 5 GHz의 주파수 대역을 포함하지 못한다는 점과 더불어 안테나 전체 적으로 알루미늄 재질로 되어 있어 무게가 무겁고, 제작에 있어 시간과 비용이 많이 소요 된다는 문제점이 있다.이러한 문제점으로 인하여, 이동통신 기술에 대한 전자기파 내성 검증에 있어 평가 효율성이 떨어지고, 5G 이동 통신 기술의 주파수 대역을 검증하지 못함으로써 발생할 수 있는 평가 신뢰성의 의문을 제기할 수 있다.

참고문헌 (9)

Balanis C. A.(2005), Antenna Theory-Analysis and Design, John Willey & Sons Inc(New Jersey, USA), p.934.
Frazier R. K.(2015a), "Impact of Mismatch Loss on Mobile Phone Simulation for Automotive Testing," 2015 IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility and Signal Integrity, p.1.
Frazier R. K.(2015b), "Impact of Mismatch Loss on Mobile Phone Simulation for Automotive Testing," 2015 IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility and Signal Integrity, pp.1-5.
Future Automotive Research Association, https://www.samsungsds.com/global/ko/support/insights/car_it_1.html, 2018.05.08.
International Organization for Standardization(ISO)(2012a), Road vehicles-Component test method for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 9: Portable transmitters, pp.1-54.
International Organization for Standardization(ISO)(2012b), Road vehicles-Component test method for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 9: Portable transmitters, pp.13-16.
International Organization for Standardization(ISO)(2012c), Road vehicles-Component test method for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 9: Portable transmitters, p.3
International Organization for Standardization(ISO)(2012d), Road vehicles-Component test method for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 9: Portable transmitters, pp.11-12.
International Organization for Standardization(ISO)(2019), Road vehicles-Component test method for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 2: Absorber-lined shielded enclosure, pp.1-44.

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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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