논문 2012-49-12-11
부분방전 진단용 UHF cavity-backed 스파이럴 안테나
( UHF Cavity-backed Spiral Antenna for Partial Discharge Diagnosis )
김 한 별*, 김 진 혁*, 황 금 철**, 신 재 호****
( Han Byul Kim, Jin Hyuk Kim, Keum Cheol Hwang, and Jae Ho Shin)
요 약
본 논문에서는 부분방전 진단용 UHF 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나를 제안하였다. 제안된 안테나는 두 개의 Archimedean 스파이럴 암 (arm) 패턴, 캐비티 (cavity), 그리고 급전용 tapered 발룬 (balun)으로 구성되어 있다. 제안된 스파 이럴 안테나의 동작 대역은 0.3-1.5 GHz 이고, 두 개의 스파이럴 암은 마이크로스트립 tapered 발룬 구조를 통하여 급전된다.
후면에는 이득을 향상시키기 위하여 캐비티를 부착하였다. CST사의 Microwave Studio를 이용하여 제안된 안테나의 설계 및 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 설계된 안테나의 제작 및 측정을 통하여 성능을 검증하였다. 제작된 안테나는 측정된 모든 주 파수에서 +z축 방향으로 지향성이 나타났고, 최대이득은 9.92 dBi 이다.
Abstract
In this paper, a UHF cavity-backed spiral antenna for partial discharge diagnosis is proposed. The proposed antenna consists of two-arm Archimedean spiral, a cavity, and a balun for feeding. The spiral antenna is designed for 0.3-1.5 GHz operating frequency. Two spiral arms of the proposed antenna are fed by a microstrip tapered-balun. In order to enhance the gain, the cavity is located in the back side of the spiral pattern. The proposed antenna is designed and simulated using CST Microwave Studio. The designed antenna is also fabricated and tested to validate performance. The measured radiation patterns are directional to the +z-axis and measured peak gain is 9.92 dBi.
Keywords: UHF, spiral antenna, balun, cavity-backed
Ⅰ. 서 론
일반적으로 안테나의 전기적인 크기 및 물리적인 크 기가 고정되면 안테나의 임피던스 및 방사패턴 등이 결 정되고, 사용 주파수의 범위가 제한된다. 이에 반하여 임피던스, 방사패턴 등이 광대역에서 거의 일정한 안테 나를 주파수 독립 안테나 (frequency independent antenna) 라 한다. 이상적인 주파수 독립 안테나는 안테
* 학생회원, ** 정회원, *** 정회원, 동국대학교 전자전기 공학부
(Division of Electronics and Electrical Engineering, Dongguk University-Seoul)
※ 본 연구는 지식경제부의 지원에 의하여 기초전력연 구 주관으로 수행된 과제임(No. 2009T100100596) 접수일자: 2012년8월20일, 수정완료일: 2012년11월26일
나의 크기가 무한하다고 할 때, 전체 전자기 스펙트럼 (electromagnetic spectrum) 영역에서 임피던스, 방사패 턴, 편파 특성, 이득 등의 안테나 특성이 일정하게 유지 된다. 그러나 주파수 독립 안테나를 유한한 크기로 설 계하기 위해서는, 목표 주파수 대역의 하한 주파수 및 상한 주파수를 고려하여 크기를 결정하고, 목표 주파수 내에서 안테나의 특성이 일정하게 유지되도록 설계해야 한다. 주파수 독립 안테나 중 하나인 스파이럴 안테나 는 1957년 V. H. Rumsey에 의하여 처음으로 설계되었 고, 이후 기하학적 구조가 변형된 스파이럴 안테나에 대한 연구가 진행되어 왔다[1～2]. 스파이럴 안테나는 self-complementary 구조를 만족할 경우 특성 임피던스 가 주파수에 무관하기 때문에, 주파수 독립 안테나로서 광대역 공진 특성을 가지게 된다[3]. 또한 마이크로스트
립 스파이럴 안테나의 경우 광대역 공진 특성 뿐만 아 니라 소형, 경량의 특성이 있다[4∼6]. 따라서 이러한 스 파이럴 안테나는 주로 방향 탐지용 안테나로 사용되어 왔다.
본 논문에서는 부분방전 (partial discharge) 진단을 위해 0.3-1.5 GHz 대역에서 동작 가능한 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테나 설계를 수행하였다.
Archimedean 스파이럴 암 (arm) 패턴을 이용하여 두 암 스파이럴 안테나를 설계하고, 마이크로스트립 타입 의 tapered 발룬을 이용하여 설계한 안테나를 급전시킨 다. 또한 양방향으로 방사되는 스파이럴 안테나의 후면 부에 캐비티를 부착하여, 후면으로 방사되는 전파를 억 제시켜 단일 방향으로 지향성이 나타나고, 이득이 향상 되도록 하였다.
제안하는 안테나의 설계 및 시뮬레이션은 CST사의 Microwave Studio (MWS) 를 이용하여 수행하였다. Ⅱ 장에서는 제안된 광대역 cavity-backed 스파이럴 안테 나의 구조를 보여주고, 0.3-1.5 GHz에서 동작하는 Archimedean 스파이럴 안테나의 설계 과정을 서술하 였다. 또한 제안된 안테나를 급전시키기 위하여 마이크 로스트립 tapered 발룬의 설계를 수행하였으며, 캐비티 에 관한 연구도 진행하였다. Ⅲ장에서는 설계된 안테나 의 제작 및 측정을 통하여 성능을 검증하였고, 마지막 으로 Ⅳ장에서는 결론을 서술하였다.
Ⅱ. 안테나 설계
그림 1은 제안된 cavity-backed 스파이럴 안테나의
그림 1. Cavity-backed 스파이럴 안테나 Fig. 1. Cavity-backed spiral antenna.
구조를 보여주고 있다. x-y 평면에 두 Archimedean 스 파이럴 암 패턴이 형성되어 있고, tapered 발룬을 통하 여 안테나에 신호가 급전된다. 또한 후면에는 캐비티를 배치시켜 +z축 방향으로 지향성을 가지고 이득이 향상 되도록 하였다.
1. Spiral 안테나 설계
그림 2는 스파이럴 안테나의 정면도 및 암 패턴을 보 여주고 있다. 제안된 스파이럴 안테나는 Archimedean 스파이럴 패턴을 이용하여 0.3-1.5 GHz 대역에서 공진 이 발생 하도록 설계되었다. 스파이럴 패턴의 시작점 암의 반지름 (r1) 과 안테나의 끝점 암의 반지름 (r2) 은 각각 식 (1)과 식 (2)에 의하여 결정된다.
≤
(1)
(: 1.5 GHz, c: 빛의 속도)
≥
(2)
(: 0.3 GHz)
그림 2. 스파이럴 안테나 및 암 패턴 Fig. 2. Spiral antenna and arm patterns.
(단위: mm)
파라미터 값
r1 1
r2 160
rs 172
w 1
s 1
표 1. 스파이럴 안테나의 파라미터
Table 1. Spiral antenna parameters.
(a)
(b)
(c)
그림 3. 스파이럴 안테나의 시뮬레이션 결과:
(a) 입력 임피던스 (b) 반사계수 (c) 이득 Fig. 3. Simulation results for spiral antenna:
(a) Input impedance
(b) reflection coefficient (c) gain.
×
≈ (3)
(N: iteration 횟수, 40)
및 는 각각 목표 주파수 대역의 상한 주 파수 및 하한 주파수를 나타낸다. 따라서, 본 연구 목표 주파수 대역에 부합하도록 는 1.5 GHz, 는 0.3 GHz로 결정하였고, 식 (1)와 (2)를 만족하도록 r1은 1 mm, r2는 160 mm로 결정하였다.
s와 w는 각각 스파이럴 패턴 사이의 간격과 스파이 럴 패턴의 폭을 나타낸다. Iteration 횟수는 40으로 하여 식 (3)를 이용하여 s와 w의 값을 도출하였다. 설계된 스파이럴 안테나의 파라미터에 대한 값을 표 1에 정리 하였다.
그림 3은 설계된 스파이럴 안테나의 시뮬레이션 결 과이다. 스파이럴 암 패턴은 Taconic사의 TLY-5A 기 판 (=2.17, loss tangent=0.0009, 두께=1.1 mm) 위에 형성되어 시뮬레이션 되었다.
그림 3(a)는 스파이럴 안테나의 입력 임피던스에 관 한 시뮬레이션 결과이다. Rin은 0.3-1.5 GHz 대역에서 평균 143 Ω 이고, Xin은 -50～100 Ω 의 값으로 나타났 다. Xin은 고주파수 대역으로 갈수록 0에 근접하면서도 변화의 폭이 크지 않았다. 따라서 그림 3(b)와 같이 고 주파수 대역에서는 -20 dB 이하의 낮은 반사계수 특성 이 구현되었다. 반사계수는 시뮬레이션 된 전체 대역에 서 -9 dB 이하의 값을 가졌다.
그림 3(c)는 일 때의 시뮬레이션된 이득 결과이다. 이득은 3.64-6.23 dBi 사이의 값으로, 1.4 GHz에서 최대이득 6.23 dBi 값을 가졌다.
2. Balun의 설계
그림 4는 설계된 발룬 구조를 보여주고 있다. 발룬 (Balun: balance-to-unbalanced transmission line) 을 이용하여 크기는 같고 180도 위상차가 발생하는 신호가 두 스파이럴 암에 급전되도록 하였다. 설계된 발룬 입 력단의 폭은 50 Ω 급전을 위하여 3.38 mm로 설계되었 고, 출력단의 폭은 1 mm로 143 Ω 신호를 급전한다. 출 력단의 임피던스는 스파이럴 안테나의 입력 임피던스 (143 Ω) 을 고려하였다. 또한 설계된 발룬은 동작 대역 에서 일정한 전류 분배 및 위상 분배 특성을 가지고, -13 dB 이하의 낮은 반사 계수가 나타나도록 하였다.
그림 4. 설계된 tapered 발룬: (a)앞면 (b)후면 Fig. 4. Designed tapered balun: (a)front (b)back.
(a)
(b)
그림 5. 발룬으로 급전시킨 스파이럴 안테나의 시뮬레 이션 결과: (a)반사계수 (b)이득
Fig. 5. Simulation results for spiral antenna fed by balun: (a)reflection coefficient (b)gain
제안하는 발룬은 Taconic사의 RF-35 기판 (=3.5, loss tangent=0.0018, 두께=1.52 mm) 위에 설계되었다.
스파이럴 안테나를 발룬으로 급전시킨 경우에 대한 시 뮬레이션 결과는 그림 5에 나타내었다. 그림 3(b)와 비 교하여, 발룬에 의해 급전된 스파이럴 안테나의 반사계 수 특성은 저주파수 대역에서 향상되었다. 이것은 유전 체 위에 설계된 tapered 발룬에서 transmission loss가 존재하고, 이것이 안테나의 반사계수에 영향을 미쳐, 안 테나의 반사계수가 향상된 것이다. 시뮬레이션된 이득 은 2.5 dBi 이상, 최대 5.1 dBi로, 스파이럴 안테나를 시 뮬레이션 했을 경우 (그림 3(c)) 보다 발룬에 의한 transmission loss 영향에 의하여 다소 감소하였다.
3. 캐비티 결합
본 연구에서는 +z축 방향으로 지향성을 가지는 스파 이럴 안테나를 설계하는 것이 목적이기 때문에, 그림 1 에서 보는 것과 같이, 스파이럴 안테나의 후면에 캐비 티를 배치하였다.
후면의 캐비티는 설계된 스파이럴 안테나의 -z축으 로 방사되는 복사파를 반사시켜, 안테나 면으로 되돌아 왔을 때, +z축으로 방사된 복사파와 동위상이 될 수 있 도록 한다. 따라서 +z축 방향으로 지향성을 가지고, 캐 비티에 의하여 반사파와 복사파가 동위상이 되어, constructive interference가 발생하기 때문에 이득이 향상된다. 설계된 캐비티의 높이는 안테나의 목표 주파 수 대역 (0.3-1.5 GHz) 을 고려하여 중심 주파수 부근 인 0.94 GHz의 길이에 해당하는 80 mm를 선정하 였다.
Ⅲ. 제작 및 측정
그림 6은 시뮬레이션을 통해 도출된 파라미터를 이용 하여 제작된 cavity-backed 스파이럴 안테나와 발룬의 사진이다. 스파이럴 안테나 및 발룬은 각각 Taconic 사 의 TLY-5A 기판과 RF-35 기판으로 제작되었다. 그리 고 스파이럴 안테나의 후면에 부착된 캐비티는 두께가 10 mm로 알루미늄 (aluminum) 합금으로 제작되었다.
그림 7은 측정된 반사계수 및 주파수에 따른 이득을 보여주고 있다. 반사계수는 저주파 대역에서 고주파 대 역으로 갈수록 하향화 되는 경향을 보였고, 0.5 GHz 이 상의 대역에서는 -9.5 dB 이하로 나타났다. 측정된 이
그림 6. 제작된 안테나의 사진
Fig. 6. Photograph of the fabricated antenna.
(a)
(b)
그림 7. 측정 결과: (a)반사계수 (b)이득
Fig. 7. Measured results: (a)reflection coefficient (b)gain.
그림 8. 측정된 방사패턴
(a)0.5 GHz (b)1.0 GHz (c)1.5 GHz Fig. 8. The measured radiation patterns.
(a)0.5 GHz (b)1.0 GHz (c)1.5 GHz.
득은 0.4-1.5 GHz 대역에서, 1.52-9.92 dBi 사이의 값 으로 나타났고, 최대이득은 1.2 GHz에서 9.92 dBi 이다.
그림 8은 제작된 안테나의 측정된 방사패턴을 보여 주고 있다. 측정 결과, 캐비티의 영향으로 -z축 방향으 로 방사되는 LHCP (left hand circular polarization) 가 suppression되고, +z축 방향으로는 RHCP (right hand circular polarization) 가 방사된다. 측정된 방사패턴은 대칭성을 이루지는 못하나, z축 근방에서 주빔이 형성 되었다. 또한 주빔의 방향이 tilt 되어 있음에도 불구하 고, co-polarization과 cross-polarization의 차이가 17.9 dB (0.5 GHz), 31.64 dB (1.0 GHz), 29.92 dB (1.5 GHz) 로 낮은 cross-polarization 특성을 구현하였다.
저 자 소 개 김 한 별(학생회원)
2010년 동국대학교 전자전기 공학부 학사 졸업.
2010년～현재 동국대학교 전자전기공학부 석·박사 통합과정.
<주관심분야 : 안테나 설계 및 해석>
황 금 철(정회원)-교신저자 2001년 부산대학교 전자공학과
학사 졸업.
2003년 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 석사 졸업.
2006년 한국과학기술원 전기 및 전자공학과 박사 졸업.
2006년～2008년 삼성탈레스 기술연구소 책임연구원.
2008년～현재 동국대학교 전자전기공학부 부교수.
<주관심분야 : 전자파 복사 및 산란해석, 통신 및 레이다 안테나, 최적화 알고리즘 등>
김 진 혁(학생회원)
2011년 동국대학교 전자전기 공학부 학사 졸업.
2011년～현재 동국대학교 전자전기공학부 석·박사 통합과정.
<주관심분야 : 안테나 설계 및 해석>
신 재 호(정회원)
1979년 서울대학교 전자공학과 학사 졸업.
1982년 서울대학교 전자공학과 석사 졸업.
1987년 서울대학교 전자공학과 박사 졸업.
1983년～1988년 명지대학교 전자공학과 조교수.
1988년～현재 동국대학교 전자전기공학부 교수.
<주관심분야 : 음향신호처리 등>
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 부분방전 진단용 광대역 cavity- backed 스파이럴 안테나의 설계를 수행하였다. CST사 의 MWS를 이용하여 제안된 스파이럴 안테나를 설계 하였고, 제작 및 측정을 통하여 안테나 특성을 검증하 였다. 설계된 안테나는 +z축 방향으로 지향성을 가지고, 최대이득이 9.92 dBi 이며, co-polarization과 cross- polarization의 차이가 17.9 dB 이상의 낮은 cross- polarization을 구현하였다. 따라서 본 논문에서 설계된 안테나는 부분방전 진단 및 방향 탐지용 안테나로서 유 용하게 활용이 가능할 것이다.
참 고 문 헌
[1] V. H. Rumsay, “Frequency independent antenna”, IRE National Convention Record, vol. 5, pp.
114-118, Mar. 1957.
[2] W. L. Curtis, “Spiral antennas”, IRE Trans.
Antennas Propag., vol. 8, no. 3, pp. 298-306, May 1960.
[3] J. Dyson, “The equiangular spiral antenna,” IRE Trans. Antennas Propag., vol. 7, no. 2, pp.
181-187, Apr. 1959.
[4] 전남두, 신동훈, 박동철, “0.5-2 GHz 캐비티 백 스 파이럴 안테나 설계”, 한국전자파학회논문지, 21 권, 3호, 269-277쪽, 2010년 3월.
[5] S. Shi, K. Hirasawa, and Z. N. Chen, “A dual-band cavity-backed single arm square spiral slot antenna,” Proceeding of ICCEA'99, pp. 191-194, Ibaraki, Japan, 1999.
[6] H. Nakano, K. Kikkawa, Y. Iitsuka, and J.
Yamauchi, “Equiangular spiral antenna backed by a shallow cavity with absorbing strips,”
IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 56, no. 8, pp. 2742-2747, Aug. 2008.
