[논문]Ultra Wideband GPR용 광대역 다이폴 안테나

조성배; 박영진; 이재조; 변우봉; 김관호; 권순원

Ultra Wideband GPR용 광대역 다이폴 안테나
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조성배 (한국전기연구원) , 박영진 (한국전기연구원) , 이재조 (한국전기연구원) , 변우봉 (한국전기연구원) , 김관호 (한국전기연구원) , 권순원 (경희대학교)

본 논문은 UWB(Ultra WideBand) 기술에 기반한 지반탐사레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)용으로 개발된 광대역 안테나의 특성에 관해 나타낸다. UWB 기술의 핵심은 주기가 수 나노초 이하의 짧은 임펄스를 이용하는 것으로 지반탐사레이더는 이 임펄스 기술을 이용함으로서 탐사 능력과 해상도를 높일 수 있다. 임펄스 전송을 위해 안테나는 넓은 대역폭, 크기, 무게, 가격 등 지반탐사레이더에 적용될 수 있는 조건을 만족해야 함으로 안테나의 설계는 이에 부합할 수 있는 다이폴 안테나를 선택하여 개발하였다. 개발된 안테나의 성능을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 실시하였고 그 결과 설계된 안테나의 대역폭이 0.5 GHz에서 2.7 GHz로 2.2 GHz(138%)의 사용대역을 나타냄으로서 UWB 기술에 기반한 지반탐사레이더용으로 유용함을 확인하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 UWB 기술을 이용한 지반탐사레이더를 위한 새로운 Stepped-Fat 다이폴 안테나를 설계, 제작하여 그 결과를 나타내었다.
본 논문에서는 이러한 문제점 해결을 위해 Fat 다이폴 안테나의 수정된 형태로서 새로운 광대역 Stepped-Fat 다이폴 안테나를 설계하였다. 그리고 임펄스를 이용한 지 반탐사레 이 더 안테 나로서 의 성능을 평 가하기위해 시 뮬 레이션 결과와 제작된 안테나의 실험결과를 나타내었다.

제안 방법

그림 2의 결과에 따라 탭의 크기는 G1 = 2 mm, G2 = 7 mm, S 그 40 mm로 결정하였다. 그러고 안테나의 탭과 전체 크기가 결정된 후 시간영역에서 입력신호의 반사로 인한 Ringing 현상을 막기 위해 100Ω의 저항을 설치하여 보았다. 그림 3은 저항을 설치한 안테나를 나타낸 것이며 그림 4는 이의 시뮬레이션 결과룰 저항이 없을 때와 비교한 그림이다, 여기서 안테나의 기는 똑같이 유지하였다.
기본적인 지반탐사레이더 안테나의 조건을 만족하기위해 제안한 안테나는 Fat 다이폴 안테나의 광대역 특성을 살리며 문제점으로 제기돤 임피던스 정합과 급전방법의 개선을 위해 안테나의 암에 Coplanar Strip Line(CPS)와 같은 탭을 사용하였다. CPS 구조는 via hole이 필요없고 여러 부품들과의 조립도 용이한 등의 장점을 가지고 있다.
지반탐사레이더에 사용될 임펄스는 주파수 대역이 400 MHz - 800 MHz로 이를 만족하기위해 안테나 암의 길이, W와 높이, H는 100 mm로 두고 최적의 결과를 얻기 위해 탭의 크기를 조절하였다. 그림 2에 각각의 탭 파라미터 변화에 따른 Sh 파라미터 값을 나타내었다.
최적의 탭 크기를 결정하기 위해 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 여러가지 경우의 결과를 살펴보았다. 본 논문에서는 FIT (Finite Integration Technique)# 기반으로 하는 프로그램인 CST Microwave Studio를 사용하였다.

대상 데이터

최적의 탭 크기를 결정하기 위해 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 여러가지 경우의 결과를 살펴보았다. 본 논문에서는 FIT (Finite Integration Technique)# 기반으로 하는 프로그램인 CST Microwave Studio를 사용하였다. 안테나의 제작에 사용될 재질은 상대 유전율, & 이 2.
본 논문에서는 FIT (Finite Integration Technique)# 기반으로 하는 프로그램인 CST Microwave Studio를 사용하였다. 안테나의 제작에 사용될 재질은 상대 유전율, & 이 2.5인 Teflon으로 하였고 유전체의 두께는 0.79 mm, 금속판의 두께는 0.018 mm로 두었다.
안테나의 제작을 위해 유전율 2.5, 유전체 두께 0.79 mm, 금속판의 두께 0.018 mm인 Teflon 기판을 사용하였다. 안테나의 크기는 시뮬레이션에서 결정된 바와 같이 W = H = 100 mm 로 하였다n 그림 6에 제작된 안테나의 사진을 나타내었다.

데이터처리

제작된 안테나의 성능을 측정을 위해 HP 8753D Network Analyzer를 이용하여 반사계수와 안테나의 입력 임피던스를 측정하였고 그 결과를 그림 7에 나타내었다.

성능/효과

또한 제작된 안테나의 동작 주파수 대역폭이 0.5 GHz 에서 2.7 GHz로 2.2 GHz(138%)의 광대역 특성을 나타내고 있으며 시뮬레이션과 실험결과의 비교가 매우 일치하게 나타남으로 이 안테나가 광대역 임펄스 기술을 이용한 지반탐사레이더 웅용에 매우 적합할 뿐만 아니라 UWB 통신과 같은 다른 여러 응용분야에도 응용 가능함을 알 수 있었다.
(b)는 안테나의 임피던스 값이다. 실험 결과, Sn 파라미터의 경우 -10 dB를 기준으로 안테나의 동작 대역폭이 0.5 GHz에서 2.7 GHz로 138%의 광대역 특성을 나타내었다. 이는 시뮬레이션의 결과와도 매우 일치하는 것이다.
그림 5 (b)는 안테나의 반사손실을 나타낸 것이며 그림 5(b)는 입력임피던 스를 스미스 차트에 나타낸 것이다. 이 결과는 제안한 안테나의 동작 대역폭이 -10 dB를 기준으로 0.5 GHz에서 2.7 GHz 로서 2.2 GHz임을 보여주고 있다.
제작된 안테나는 기본적인 지반탐사레이더 용으로서의 조건을 만족하고 있으며 적절한 입력 임피던스로의 최적화 과정인 안테나 암의 탭 크기 조절을 통해 일반적인 Fat 다이폴 안테나가 가질 수 있는 급전의 어려움과 임피던스 정합의 문제를 잘 해결할 수 있었다.

후속연구

그림 4 3)에서 입력신호의 시간영역 반사신호 결과는 저항이 반사신호를 줄이고 있으며 그림 4 (b)에서 안테나의 VSWR을 보다 개선시키고 동작 주파수 대역폭을 조금 증가시키는 효과를 보인다. 2러나이는 임펄스인 가시 저항의 전력소모가 성능개선 요소보다 큰 것으로 판단되어 향후 제작에서는 생략하였다.
향후 과제로서는 현재의 급전 방법과 임피던스 정합방법을 보다 개선함으로서 정재파비(VSWR)를 향상시키는 것과 일정한 방향의 방사패턴과 안테나 이득의 향상에 관한 연구가 계속 되어야할 것으로 사료된다.

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