해상통신용 VHF 안테나 설계
윤중한*․임대수*․이덕환**․박창수**
Design of VHF Antenna for Marin Communication
Joong-Han Yoon*․Dae-Soo Im*․Duk-Hwan Lee**․Chang-Su Park**
요 약
본 논문에서는 해상 무선 통신 시스템에 적용 가능한 모노폴 구조의 VHF 안테나를 설계 및 제작 하였다.
제안된 안테나는 모노폴 구조를 기본으로 원형 환 구조 그리고 미앤더 구조를 결합함으로서 VHF 대역에서 동작 가능하도록 설계하였다. 최적화된 파라메타를 얻기 위해 상용 툴(HFSS)을 사용하여 시뮬레이션 하였으 며 안테나 성능에 민감하게 작용하는 파라메타를 찾아내서 최적화된 수치를 얻었다. 얻어진 최적화된 수치를 사용하여 제안된 안테나를 제작하였다. 측정결과, -10dB 임피던스 대역폭을 기준으로 VHF 대역을 만족하고 있음을 확인하였으며 원하는 대역에서 측정된 이득과 방사패턴의 특성을 얻었다.
ABSTRACT
In this paper, a VHF antenna with monopole structure is designed and fabricated for marine wireless communication applications. The proposed antenna is based on a monopole design, and composed of circular ring and meander structure for VHF operation which cover VHF frequency bands. To obtain the optimized parameters, we used the simulator, Ansoft’s High Frequency Structure Simulator(HFSS) and found the parameters that greatly effect antenna characteristics. Using the obtained parameters, the antenna is fabricated. The experiment results demonstrated that the proposed antenna satisfied the -10 dB impedance bandwidth requirement while covering the VHF bands. And measured characteristics of gain and radiation patterns are obtained for operating bands.
키워드
VHF Antenna, Circular Ring Structure, Meander and Monopole Structure, Marine Wireless Communication VHF 안테나, 원형 환 구조 미앤더와 모노폴 구조, 해상 무선 통신,
* 교신저자 (corresponding author)신라대학교 전자공학과([email protected], [email protected])
** 휴니드 테크놀리지([email protected], [email protected])
접수일자 : 2014. 03. 14 심사(수정)일자 : 2014. 04. 21 게재확정일자 : 2014. 05. 15
Ⅰ. 서 론
선박용 초단파대 디지털 무선통신 설비는 해상에서 의 인명의 안전에 관한 국제협정(SOLAS)에 따라 국 제항해에 종사하는 모든 선박에 탑재가 의무화 되어 있고 선박 안전법 시행규칙 제72조 및 어선법 시행규
칙 제42조에 따라 총톤수 5톤 이상의 모든 선박에 탑 재가 의무화 되어 있다.
또한 이전까지 해상이동업무에서 사용하던 디지털 이란 개념은 DSC (Digital Selective Calling)개념을 바탕으로 하는 조난 안전 통신에 국한된 개념으로 실 제 DSC를 통한 통화의 활용도는 극히 저조하였다.
국제해사기구(IMO)를 비롯한 국제전기통신연합(ITU) 은 DSC를 대체할 수 있는 새로운 디지털 방식의 도 입을 고민해 오던 중 전문위원회를 구성하고 각종 용 역을 통해 최종적으로 1993년부터 적용해 오던 RR(Radio Regulation) 부속서 18의 전면적이 개정을 확정했으며 기존까지 사용해오던 DSC를 내장한 VHF 무선전화장치는 2017년 1월 1일 이후 더 이상 사용될 수 없으며 향후 해양 무선 통신은 새로운 주 파수 할당에 따른 VHF 디지털 무선통신 시스템으로 전면 대체될 것으로 예정되어 있다 [1-2]. 이에 따라 해양 통신 및 해양 VHF 디지털 무선통신 시스템에 대한 지속적인 연구가 지속적으로 진행되고 있다 [3-8]. 특히 ITU-R M. 1842-1 기반의 디지털 VHF 시스템 구축을 위해 국제적인 연구가 진행되고 있으 며 채널 재할당이 진행되고 있다. 여러 가지 안이 제 시되고 있으며 현재로서는 156∼162MHz VHF 주파 수 대역이 유력하게 검토 중에 있다 [8].
따라서 이러한 디지털 해상 무선 VHF 통신시스템 에 적용 가능한 안테나가 개발이 필요하다. 안테나는 단말기 혹은 시스템 끝단에서 설치된 부품으로서 안 테나의 특성은 통화품질을 결정하는 요소 중 하나이 며 따라서 성능이 좋은 해양 무선 VHF 시스템을 만 들기 위해서는 성능 좋은 안테나의 개발이 필수적이 며 현재까지 VHF 대역에 적용 가능한 안테나의 개발 이 진행되어 왔다 [9-14].
VHF 대역 안테나의 대부분은 1/4 파장 모노폴 안 테나와 헬리컬 안테나가 사용되고 있다. 특히 VHF 반파장 모노폴 안테나의 경우, 공진주파수에서 입력 임피던스 값이 매우 크기 때문에 적절한 임피던스 정 합 특성을 얻기 위해서는 안테나의 급접부 또한 여러 지점에 코일 인덕턴스 혹은 슬리브를 장착한 구조 [9-11]가 가장 많이 사용된다. 관련 내용에 대한 연구 는 보조 휩을 갖는 중단파대 선박용 휩 안테나 [12], VHF 안테나의 특성 개선 [13]에 대한 내용이 제시되 었으며 한편 선박 통신용 HF 휩 안테나의 소형화 [14]에 대한 연구도 제시되었다.
본 논문의 목적은 해양 디지털 무선 통신 시스템에 적용 가능한 VHF 안테나를 설계 및 제작하여 그 특 성을 측정하고자 한다. 표준안에서 제시된 주파수 대 역을 만족하면서 이득이 0 dBi를 갖도록 설계하였으 며 기본적으로 선박에 설치를 해야 하므로 모노폴 구
조를 갖도록 설계하였다.
Ⅱ. 안테나 설계
제안된 안테나는 그림 1과 같은 구조로 설계하였 다. 그림에서 보듯 바와 같이 제안된 구조는 모노폴 형태를 기본으로 원형 환 그리고 미앤더 구조를 연결 하여 구성하였다. 즉, 기본적인 모노폴 구조 (L2), 원 형 환 구조 (W1), 급전 선로(L1) 그리고 미앤더 구조 (L5)가 서로 연결된 형태의 안테나를 제안하였다. 안 테나의 전체 크기(W1⨯(L2+L3+L4+L8))는 35.0 mm
⨯912.5 mm의 크기를 갖는다.
기존의 VHF 안테나는 대략 1000mm에서 1200mm 정도의 길이를 갖고 있으며 제안된 안테나의 길이를 축소하기 위해서 새로운 전류 길이를 만들기 위해서 원형 환 구조를 제시하였고 또한 미앤더 구조를 삽입 함으로서 전체 길이를 축소하고자 하였으며 상용 VHF 안테나에 비해 9.59 % 혹은 31.5 % 감소된 크 기를 얻었다.
(a) (b)
그림 1. 제안된 VHF 안테나의 구조 : (a) 앞면 ; (b) 옆면
Fig. 1 Configuration of proposed VHF antenna : (a) top view ; (b) side view
parameter value[mm] parameter value[mm]
W1 118.0 L1 315.0
W2 720.0 L2 545.0
W3 460.0 L3 177.0
W4 10.0 L4 57.0
W5 3.0 L5 680.0
VHF 대역에서 동작 가능한 안테나를 구현하기 위 해 3D 설계가 가능한 Ansoft사의 HFSS(High Fre- quency Structural Simulator)[15]를 이용하여 최적의 임피던스 특성 변화를 고려하여 최적화된 설계치를 설정하였다. 여러 가지 파라메타에 대한 시뮬레이션 결과 가장 커다란 영향을 미치는 두 가지 파라메타에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 하나는 원형 환 구조의 존재여부에 따른 영향이며 나머지 하나는 모 노폴 구조의 길이(L2) 변화에 따른 영향에 대한 결과 를 그림으로 나타내었다.
그림 2. 갭(원형 링 선로와 접지면 사이) 변화에 따른 영향
Fig. 2 Effect of variation gap between circular ring patch ground plane
그림 3. 제안된 안테나에서 반원형 선로의 영향 Fig. 3 Effect of the half circular ring strip of proposed
antenna.
그림 2는 모노폴 안테나 길이 변화에 따른 제안된 안테나의 시뮬레이션 반사손실 특성을 나타내었다. 모 노폴 안테나 길이부분이 495.0 mm에서 595.0 mm 으 로 변화에 따른 시뮬레이션 반사손실 특성을 살펴보 았다. 시뮬레이션 결과, 저주파 대역에서 길이 변화에 따라 반사손실 특성이 변화하고 있음을 확인하였으며 제안된 안테나의 반사손실 특성에 커다란 영향을 주 는 것으로 확인할 수 있다. 그림에서 보는 바와 같이 L2가 495.0 mm일 때 제안된 안테나의 반사손실 대역 폭은 15.75 MHz (168.13∼183.88 MHz)로 원하는 VHF 대역을 벗어나고 있음을 확인하였다. 또한 L2이 595.0 mm일 때 제안된 안테나의 반사손실 대역폭은 12.37 MHz (141.13∼153.5 MHz)로 역시 원하는 VHF 대역을 벗어나고 있음을 확인하였다. 따라서 충분한 반사손실 특성과 요구되는 VHF 대역폭을 확보하기 위해서 L2를 545.0 mm로 설정하였다.
그림 3은 제안된 안테나에서 원형 환 구조 영향에 대한 시뮬레이션 반사손실 특성을 나타내었다. 그림에 서 보는바와 같이 제안된 안테나에 원형 환 구조를 삽입하였을 경우와 그렇지 않는 경우를 비교하여 나 타내었다. 원형 환 구조를 추가로 삽입하지 않았을 경 우 중심주파수와 대역폭이 원하는 중심주파수와 대역 폭을 벗어나 있는 것으로 확인하였다. 그러나 원형 환 구조를 삽입한 경우에 요구하는 VHF 대역폭 156∼
163.425 MHz을 만족하고 있음을 확인하였다. 시뮬레 이션 결과, -10dB를 기준으로 15.875 MHz (151.75∼
167.625 MHz) 의 대역폭을 확인하였으며 원형 환 구 조는 대역폭과 임피던스 매칭에 영향을 주는 것으로 판단된다. 여러 가지 파라메타에 대한 시뮬레이션 결 과 제안된 안테나의 최적화된 수치는 표 1에 나타내 었다.
표 1. 제안된 안테나의 최적화된 파라미터 값들 Table 1. Optimized parameters of value for proposed
antenna
W6 290.0 L6 750.0
W7 540.0 L7 175.0
W8 290.0 L8 133.5
W9 3.0
Ⅲ. 제작 및 측정
제안된 최적화 수치를 사용하여 제안된 안테나를 제작하였고 측정하였다. 그림 4는 실제 최적화된 수치 로 제작된 안테나이다.
그림 4. 제작된 안테나 Fig. 4 Fabricated of propose antenna
그림 5는 제안된 안테나의 측정된 반사손실을 나타 내었다. 측정결과 VHF 대역에서 -10dB을 기준으로 14.092 MHz (154.65∼168.742 MHz)의 대역폭을 얻어 해양 디지털 무선 통신의 VHF 대역에서 요구하는 주 파수 대역폭(156∼163.425 MHz)을 만족하고 있음을 확인하였다.
그림 5. 제안된 VHF 안테나의 측정된 반사손실 Fig. 5 The measured return loss and simulation results
of proposed VHF antenna
그림 6, 7, 8, 9, 10 그리고 11은 제작된 안테나의 측정된 방사패턴을 나타내고 있다. 그림 6, 7은 159 MHz 주파수에서 각각 E-면 그리고 H-면 방사패턴 을 나타낸 것이며 그림 8, 9는 161 MHz 주파수에서 각각 E-면 그리고 H-면 방사패턴을 나타낸 것이다.
또한 그림 10, 11은 163 MHz 주파수에서 각각 E-면 그리고 H-면 방사패턴을 나타낸 것이다. 제안된 안테 나의 방사패턴은 전체적으로 다이폴 안테나의 전형적 인 특성을 나타내고 있다.
그림 6. 159 MHz에서 E면 Fig. 6 E-plane radiation pattern of 159 MHz
그림 7. 159 MHz에서 H면 Fig. 7 E-plane radiation pattern of 159 MHz
그림 8. 161 MHz에서 E-면 Fig. 8 E-plane radiation pattern of 161 MHz
그림 9. 161 MHz에서 H-면 Fig. 9 H-plane radiation pattern of 161 MHz
그림 10. 163 MHz에서 E-면 Fig. 10 E-plane radiation pattern of 163 MHz
그림 11. 163 MHz에서 H-면 Fig. 11 H-plane radiation pattern of 163 MHz
그림 12. 제안된 VHF 안테나의 최대이득 Fig. 12 Measured peak gain of the proposed VHF
antenna
그림 12는 VHF 대역에서의 최대이득을 나타내고 있다. 그림 12에서 볼 수 있듯이 VHF 대역에서 최대 이득은 -0.06∼0.38 dBi 로 값을 얻었다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 해상 무선통신시스템에 적용 가능한 VHF 안테나를 설계, 제작 및 측정하였다. 제안된 안 테나는 원형 환, 모노폴 형태, 그리고 미앤더 모양을 결합한 구조로 구성되어 있다. 최적화된 수치를 얻기 위해 상용 툴을 사용하였으며 얻어진 최적화된 수치 를 사용하여 제안된 안테나를 제작하였다. 측정결과,
VHF 대역에서 -10dB을 기준으로 대역폭 14.092 MHz (154.65-1680742 MHz)결과를 얻음으로서 해상 디지털 무선 VHF 시스템 주파수 대역인 156∼
163.425 MHz을 만족시켰다. 또한 다이폴 형태의 방사 패턴를 얻었으며 원하는 주파수 대역에서 0 dBi 이득 특성을 얻었다. 제안된 안테나는 해상디지털 VHF 무 선통신 시스템에 적용 가능할 것으로 판단되며 향후 해상 디지털 시스템에 설치한 후에 계측기를 통해 안 테나의 특성 및 간섭영향을 분석하고자 한다.
감사의 글
본 연구는 한국 산업기술평가 관리원의 [10045152, 해상용 아날로그 디지털 융합형 VHF 무선설비 개 발] 글로벌전문기술개발사업의 일환으로 수행하였음.
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저자 소개
윤중한(Joong-Han Yoon) 1992년 인하대학교 전자공학과 졸 업(공학사)
1994년 인하대학교 대학원 전자공 학과 졸업(공학석사)
2003년 인하대학교 대학원 전자공학과 졸업(공학박사) 2005년 8월 인하대학교 Post-Doc.
2006년 11월 요코하마 국립대학 Post-Doc.
2008년 8월 삼성전기 책임연구원
2008년∼현재 신라대학교 전자공학과 조교수
※ 관심분야 : RF & Antenna, RFID, Radar
임대수(Dae-Soo Im) 2013년 신라대학교 전자공학과 졸 업(공학사)
2013년∼현재 신라대학교 전자공 학과 석사과정
※ 관심분야 : RF & Antenns, RFID, Radar, RF Circuit
이덕환(Deok-Hwan Lee) 2001년 호서대학교 전파공학과 졸 업(공학사)
2003년 호서대학교 대학원 정보통 신공학과 졸업(공학석사)
2003∼2007년 한국해양연구원(MOERI) 연수학생 2007년∼현재 ㈜휴니드테크놀러지스 기술연구소 통 신전자개발팀 모뎀담당
※ 관심분야 : 이동통신시스템, 수중통신, 군통신
박창수(Chang-Soo Park) 2001년 안양대학교 정보통신학과 졸업(공학사)
2010년 아주대학교 대학원 경영학 과 졸업(석사)
2011년 ㈜넥스트링크 기술이사
2011년∼현재 ㈜휴니트테크놀러지스 기술연구소 통 신전자개발팀장
※ 관심분야 : 이동통신시스템, 군통신
