[논문]통합마스트 통합통신용 UHF 대역 안테나 개발

정광식; 이종학; 김영완; 라영은; 전정익

doi:10.7471/ikeee.2020.24.2.453

통합마스트 통합통신용 UHF 대역 안테나 개발
Development of UHF Band antenna for Integrated Communication 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.2, 2020년, pp.453 - 460

정광식 (LIG Nex1) , 이종학 (LIG Nex1) , 김영완 (LIG Nex1) , 라영은 (LIG Nex1) , 전정익 (KUKDONG Telecom)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 함정의 합내통신, 함외통신, 방송, 전화 등의 통합통신 안테나 중 함외통신용 UHF 대역 통합통신 안테나를 통합마스트에 탑재 가능한 평면형으로 설계했다. 제안된 통합마스트 탑재용 안테나는 해군의 한국형차기구축함(KDDX)에 적용되는 통합통신용 안테나로 작전능력, 생존성 강화와 운용성과 정비성의 향상 등 '복합경사' 구조를 포함하는 최적화된 형태의 통합통신용 안테나이다. 기존 회전식 레이더와 다수의 모노폴 형태의 통신용 안테나를 마스트 외관에 불규칙한 형태로 부착된 형태에서 평판형 통합통신용 안테나를 포함하는 통합 마스트 형상으로 변경하여 레이더 반사 면적 지수(RCS)를 크게 낮추며 해외제품 대비 고이득 광대역 안테나를 개발목표로 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper, UHF band integrated communication antenna for ship communication is designed as a flat type that can be mounted on the integrated mast among integrated communication antennas such as integrated communication, ship communication, broadcasting, and telephone of the ship. The unified mast mounted antenna is an integrated communication antenna applied to the Navy's KDDX, which is an optimized type of integrated communication antenna including a 'composite slope' structure including operational capability, survivability, and improved operability and maintainability. The existing rotary radar and a plurality of monopole-type communication antennas were changed from an irregularly attached shape to the mast exterior to an integrated mast shape including a flat-type integrated communication antenna. the radar reflection area index (RCS) is significantly lowered and compared to overseas products. The goal is to develop a gain broadband antenna.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Integrated communication antenna of ship (KDX-II class). 그림 1. 함정의 통합통신용 안테나(KDX-II 급)
그림 Fig. 2. Integrated communication for Mast (LIG NEX1). 그림 2. 통합통신용 마스트(LIG NEX1)
그림 Fig. 3. I-MAST 400 / 500. 그림 3. I-MAST 400 / 500
표 Table 1. Integrated Communications Antenna Specification (UHF Band). 표 1. 통합통신안테나 규격(UHF대역)
그림 Fig. 4. Antenna Figuration of fabrication. 그림 4. 안테나 제작 형상
그림 Fig. 5. I-MAST Antenna figuration. 그림 5. I-MAST 안테나 형상
그림 Fig. 6. Antenna figuration & design parameter(1). 그림 6. 안테나 형상 및 설계 파라미터(1)
그림 Fig. 7. Antenna figuration & design(2). 그림 7. 안테나 형상 및 설계(2)
표 Table 2. Antenna parameter(1). 표 2. 안테나 파라미터(1)
그림 Fig. 9. M&S (2).그림 9. M&S (2)
그림 Fig. 8. M&S (1). 그림 8. M&S (1)
표 Table 3. Antenna parameter(2). 표 3. 안테나 파라미터(2)
그림 Fig. 10. M&S (3). 그림 10. M&S (3)
그림 Fig. 11. M&S (4). 그림 11. M&S (4)
표 Table 4. Antenna parameter. 표 4. 안테나 파라미터
그림 Fig. 12. Calculated / Measured (1). 그림 12. 계산값 / 측정값 (1)
그림 Fig. 13. Calculated / Measured (2). 그림 13. 계산값 / 측정값 (2)
표 Table 6. Radiation pattern measurement. 표 6. 방사패턴 측정값

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 통합마스트 탑재용 통합통신 UHF 대역 안테나의 소형화 및 모듈화를 구성하는 방법을 제안했다. 제안한 안테나는 주파수를 계단형태의 단위로 재분배하여 다이폴안테나로 적용하였으며 애퍼쳐 패치 안테나를 추가하여 높은이득 및 주파수별 동일한 방사패턴 설계 제안했다.
이에 본 논문에서는 그림 2와 같이 통합통신을 고려한 통합마스트에 UHF 대역 안테나를 평면상으로 구성하여 저피탐 외형 구조, 함 설치 / 운용 / 정비 효율성을 고려하여 기존 모노폴 구조의 안테나를 ‘복합경사’ 구조에 포함하는 형태의 Integrated Communications Antenna System (ICAS)[4]용 안테나를 개발하였다.

제안 방법

그림 6은 제안하는 안테나의 중요 파라미터를 나타낸다. 각각의 파라미터는 주파수 구간을 4등분하여 100～200MHz, 200～300MHz, 300～400MHz, 400～500MHz과 같이 계단 Type으로 설정하였다. 그림 6 (a), 그림 6 (b), 그림 6 (c)를 각각 폭(W), 높이(H), 길이(L)로 나타내었다.
본 논문에서는 구조적으로 주파수별 구간을 각각 나누어 새로운 평면 안테나로 기술하였으며, 공간적 제약을 유효한 속성으로 설계하여 소형화 하였다. 또한 정합회로를 적용하여 높은 리액턴스 손실을 최소화한 그림 4과 같은 Cavity Back Antenna를 제안한다. 그림 4 (a)는 제안한 안테나의 내/외부 형상이다.
또한 일반적으로 전기적 소형 안테나는 협대역의 낮은 이득, 높은 리액턴스 특징을 가진다[7]. 본 논문에서는 구조적으로 주파수별 구간을 각각 나누어 새로운 평면 안테나로 기술하였으며, 공간적 제약을 유효한 속성으로 설계하여 소형화 하였다. 또한 정합회로를 적용하여 높은 리액턴스 손실을 최소화한 그림 4과 같은 Cavity Back Antenna를 제안한다.
그림 5 (a)는 본 논문에서 제안된 Cavity Back Antenna 외부구조를 나타낸다. 실제 통합마스트의 크기와 기존 해외제품의 호환성을 고려하여 가로 800mm, 세로 800mm, 높이 300mm 이하의 알루미늄 박스와 상단에는 테플론 레이돔을 적용하였다. 그림 5 (b)는 I-MAST 400에 장착 가능한 형상을 보여준다.
안테나 소자는 알루미늄을 절곡하였으며, 광대역 특성을 위하여 급전부에 에어스트립라인, 안테나부에 다이폴안테나와 애퍼처 패치를 적용하여 제작하였다. 마지막으로 최종적으로 임피던스 매칭을 위하여 그림 4 (c)의 Balun을 4:1로 제작하여 정합 손실을 최소로 하였다.
제안한 안테나는 주파수를 계단형태의 단위로 재분배하여 다이폴안테나로 적용하였으며 애퍼쳐 패치 안테나를 추가하여 높은이득 및 주파수별 동일한 방사패턴 설계 제안했다. 이를 바탕으로 통합통신 UHF대역 평판형 안테나의 형상 및 구조를 검토하여 안테나 크기 및 이득의 크기를 네덜란드 탈레스사의 IMAST 400과 비교하여 최적화 하였다.
그림 4 (b)는 안테나의 수직 순서도로 최상단의 Radome으로부터 Aperture Patch Antenna, Antenna Element Assembly, Balun Assembly, Cavity Assembly로 구성되어 있다. 전체적인 안테나의 외각은 알루미늄 판제와 L-브라켓을 사용하여 단단한 외부강도를 유지 되어있으며, 안테나가 방사되는 부분은 테플론 레이돔을 적용하여 손실을 최소화 하였다.
본 논문에서는 통합마스트 탑재용 통합통신 UHF 대역 안테나의 소형화 및 모듈화를 구성하는 방법을 제안했다. 제안한 안테나는 주파수를 계단형태의 단위로 재분배하여 다이폴안테나로 적용하였으며 애퍼쳐 패치 안테나를 추가하여 높은이득 및 주파수별 동일한 방사패턴 설계 제안했다. 이를 바탕으로 통합통신 UHF대역 평판형 안테나의 형상 및 구조를 검토하여 안테나 크기 및 이득의 크기를 네덜란드 탈레스사의 IMAST 400과 비교하여 최적화 하였다.
표 3은 그림 7에서 제안한 안테나 애퍼처 패치안테나의 파라미터을 보여준다. 주파수 기준은 100MHz 를 단위로 4단계로 하여 동일한 안테나 방사패턴 및 안전적인 이득을 위하여 아래와 같이 200 MHz 단위로 파라미터를 설정하였다. 그림 12은 파라미터에 대한 M&S 결과를 그림 10 (a) 기준별 정재파비, 그림 10 (b) 기준별 이득, 그림 11 (a)～(c) 기준 별 방사패턴 보여준다.
특히, 통합마스트 통합통신용 탑재 안테나는 복합경사 구조에 삽입되는 Cavity Back Antenna [5], [6]으로 개발하여 최종 통합마스트 1면에 각각 2기 안테나가 삽입되어 360°를 4면으로 구성하는 구조로 최종개발을 목표로 한다.
표 2는 그림 6과 7에서 제한된 크기를 고려하여 사용대역내의 4개의 기준 주파수를 설정하여 1/4λ에 대한 파라미터 값을 85～95%, 100%, 105～115%로 공통적으로 파라미터를 설정하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 VHF 및 UHF 같은 넓은 대역폭을 포함하는 통합마스트 통합통신용 탑재 안테나의 개발 규격을 그림 3과 같이 해외 제품 중 UHF 주파수 대역 평판형 안테나로 적용한 네덜란드 탈레스사의 I-MAST 400과 500 제품군을 참고하여 표 1과 같이 정의하였다.

성능/효과

(b)이득은 주파수별 차이를 보이지만 3st > 2st > 1st로 증가함을 확인하였다.
표 6의 결과와 같이 이득은 케이블 및 발룬의 손실을 제외하면 대동소이한 결과값을 가지며 빔 폭의 경우 전체적으로 측정 결과값이 3 m × 3 m의 그라운드의 영향으로 다소 좁은 결과를 확인하였다. 또한 발룬에 의한 임피던스 매칭으로 비교적 저대역에서는 낮은값을 고대역에서는 높은 결과값으로 매칭됨을 확인 하였다.
제안한 안테나는 광대역 가지며 높은 이득과 동일한 방사패턴을 가지는 통합통신용 평판안테나로 확인하였으며, 기술하는 내용과 같이 동일한 통합 통신용 VHF대역 안테나 및 UHF/VHF를 통합하는 안테나에 적용 가능하다.
표 6의 결과와 같이 이득은 케이블 및 발룬의 손실을 제외하면 대동소이한 결과값을 가지며 빔 폭의 경우 전체적으로 측정 결과값이 3 m × 3 m의 그라운드의 영향으로 다소 좁은 결과를 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UHF대역 안테나로 전기적 소형 안테나를 쓰는 이유?	일반적인 UHF대역 안테나는 파장을 고려하여 전기적 소형 안테나(Electrically Small Antenna)[7], [8]를 사용한다. 실제로 함정 같은 제한된 공간에서 100 MHz를 기준으로 파장의 길이가 3 m 이상의 물리적 크기를 가지는 매우 큰 안테나를 적용하기는 매우 어렵다. 또한 일반적으로 전기적 소형 안테나는 협대역의 낮은 이득, 높은 리액턴스 특징을 가진다[7]. 본 논문에서는 구조적으로 주파수별 구간을 각각 나누어 새로운 평면 안테나로 기술하였으며, 공간적 제약을 유효한 속성으로 설계하여 소형화 하였다.
	최근 통신용 안테나에 요구되는 특성은?	최근 통신용 안테나는 소형화 기술과 광대역 특성이 요구된다[1]. 실제 함정과 같은 안테나의 설치 공간이 제한된 곳에서 주위 구조물에 의한 주요 품질계수인 이득 및 대역폭, 효율의 감소도가 높다[2].
	기존 함정에 적용된 안테나의 단점	기존 함정에 적용된 안테나는 그림 1과 같이 외부에 노출되어 마스트에 불규칙적으로 부착된 안테나로 함 설치성과 운용, 정비 효율성이 떨어지게 된다. 이에 본 논문에서는 그림 2와 같이 통합통신을 고려한 통합마스트에 UHF 대역 안테나를 평면상으로 구성하여 저피탐 외형 구조, 함 설치 / 운용 / 정비 효율성을 고려하여 기존 모노폴 구조의 안테나를 ‘복합경사’ 구조에 포함하는 형태의 Integrated Communications Antenna System (ICAS)[4]용 안테나를 개발하였다.

참고문헌 (8)

Tharek Abdul Rahman, "Reconfigurable ultra wideband antenna and development for wireless communication," Wireless Communicant on Centre Faculty of Electrical Engineering University Teknology, 2008.
J. Church, J. C. S. Chieh, L. Xu, J. D. Rockway, and D. Arceo, "UHF electrically small box cage loop antenna with an embedded non-foster load," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol.13, pp.1329-1332, 2014. DOI: 10.1109/LAWP.2014.2337112

상세보기
R. C. Hansen, R. E. Collin, "Small Antenna Handbook," 1st ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2011.
J. H. Lee, Y. E. Ra, K. M. Lee, J. S. Jang, "Design of RCS Reduction Structure of Integrated Mast on the Destroyer," j.inst.Korean.electr.electron. eng, Vol.24, No.1, pp.238-242, 2020. DOI: 10.7471/ikeee.2020.24.1.238
D. G You, J. I Jeon, H. K. Lee, H. K. Choi, "Design of Cavity-Backed Microstrip Dipole Array Antennas with Enhanced Front-to-Back Ratio," Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, 2009. DOI: 10.5515/KJKIEES.2009.20.1.037
S. W. Qu, J. L. Li, Q. Xue, C. H. Chan, "Wideband Cavity-Backed Bowtie Antenna With Pattern Im provement," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.56, 2008. DOI: 10.1109/TAP.2008.2007395

상세보기
Richard W. Ziolkowski, "Metamaterial-based efficient electrically small antennas," IEEE Transactions on Antenn as and Propagation, Vol.54, 2006. DOI: 10.1109/TAP.2006.877179

상세보기
John Volakis, Richard C. Johnson, Henry Jasik, "Antena a Engineering Handbook," Fourth Edition, McGraw-Hill Education, 2007.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증