Inflatable Lifejacket-Integrated Flexible Multiband Antenna

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ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)

Ⅰ. 서 론

현대사회에서 선박을 이용한 해상 물류 운송은 필수적 인 요소로 자리매김하고 있다. 하지만 이에 따른 해상 조 난 사고도 빈번히 일어나는 실정이다. 2011～2013년도에 국내에서 발생한 해상조난사고는 약 3,798건에 달하며, 실종자 및 사망자 수는 약 230명에 달한다^[1]. 이러한 해상

조난 사고는 국내에만 국한된 것이 아니라, 전 세계적으 로 빈번히 발생하기 때문에, 해상 조난 상황 시 신속한 대 처를 위한 여러 가지 국제적인 시스템이 운영되고 있다.

대표적인 시스템으로는 전세계적 재난구조 긴급통신 지 원 프로그램으로 운영되고 있는 COSPAS-SARSAT 시스 템이 있다^[2]. 406 MHz를 동작주파수로 사용하는 COS- PAS-SARSAT 시스템은 육상 또는 해상 조난 지역에서

팽창식 구명조끼 장착용 유연한 다중대역 안테나

Inflatable Lifejacket-Integrated Flexible Multiband Antenna

임지훈․양규식․정성훈․박동국

Ji-Hun Lim․Gyu-Sik Yang․Sung-Hun Jung․Dong-Kook Park 요 약

본 논문에서는 해상 조난 시 조난자의 정확한 위치를 파악하고, 신속한 구조를 위하여 팽창식 구명조끼에 장착이 가능 하면서 COSPAS-SARSAT 주파수 대역, GPS 대역과 VHF-DSC 대역에서 동작하는 다중대역 안테나를 제안하였다. GPS 대역의 안테나는 사각형 슬롯 링(square slot-ring) 형태의 평판 안테나로 구현을 하였고, COSPAS-SARSAT 및 VHF-DSC 안테나는 미앤드 구조의 다이폴 안테나로 구현을 하였다. 구명조끼에 장착이 가능하여야 하므로 유연성 확보를 위해 안테나를 0.2 mm 두께의 FR-4 기판 및 선형 도선으로 구현하였다. 제작된 안테나는 COSPAS-SARSAT, GPS, VHF-DSC 대역에서 각각 —14.6 dB, —30.9 dB, —18 dB의 반사손실을 나타내었으며, COSPAS-SARSAT, GPS 대역에서의 이득은 각각 0.83 dBi, 2.1 dBi로 나타났다.

Abstract

In this paper, we suggested multiband antenna that can be equipped on a inflatable life-jacket, operating VHF-DSC band(156 MHz), COSPAS-SARSAT band(406 MHz) and GPS band(1,575 MHz) for search and rescue survivors quickly. The GPS band antenna was implemented with a square ring-slot planar antenna, and the COSPAS-SARSAT and VHF-DSC band antenna were implemented meander type dipole antennas. In order to place the antenna on a life-jacket, we installed it on 0.2 mm thickness FR-4 substrate to obtain a flexibility. It appeared that the antenna has —14.6 dB, —30.9 dB, and —18 dB return loss in COSPAS-SARSAT, GPS, and VHF-DSC band, respectively. In addition, its gain has 0.83 dBi, 2.1 dBi in COSPAS-SARSAT and GPS band, respectively.

Key words: Lifejacket, VHF-DSC, COSPAS-SARSAT, GPS, Flexible Antenna



「이 연구는 2014년 국민편익증진 기술개발사업의 일환으로 산업통상자원부의 지원으로 연구되었음.」

한국해양대학교 전자통신공학과(Department of Electronic & Communication Engineering, Korea Maritime & Ocean University)

․Manuscript received January 21, 2015 ; Revised May 4, 2015 ; Accepted May 8, 2015. (ID No. 20150121-010)

․Corresponding Author: Dong-Kook Park (e-mail: [email protected])

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발생한 긴급 신호를 위성에서 수신하여 조난 지역 인근 의 구조팀에 구조신호를 전송하여 수색 및 구조 작업을 지원하는 시스템이다^[3]. 또한, 위치확인 시스템의 대표적 인 예로는 GPS가 있다^[4]. GPS는 1.575 GHz의 주파수를 사용하며, COSPAS-SARSAT 시스템을 이용한 위치확인 과정에서 보다 정확하고 신속한 파악을 위해 사용된다.

그리고 해상 조난 시 조난지역 인근의 선박과의 통신은 156 MHz의 주파수를 사용하는 VHF-DSC로 이루어진다

[5]. 본 논문에서는 이러한 조난 신호들이 구명조끼에서 발생이 된다면 조난자의 신속한 구조가 가능할 것으로 판단하여 COSPAS-SARSAT, GPS, VHF-DSC 대역에서 동 작하는 안테나를 설계하고자 한다.

COSPAS-SARSAT 대역의 경우, 현재까지 구명조끼 장 착용 안테나에 관한 몇가지 연구가 진행되었다. 참고문헌 [6]에는 구명조끼에 장착 가능하며, 동작주파수가 406 MHz 대역인 안테나를 미엔더(meander) 형태와 보타이 (bow tie) 형태로 구현한 사례가 있다. 미엔더 형태의 안 테나의 크기는 폭 2 cm, 길이 30 cm이며, 보타이 형태의 안테나는 폭 6 cm, 길이 27 cm이다. 참고문헌 [7]에서도 COSPAS-SARSAT 대역에서 동작하는 안테나를 제안하였 으나, 안테나의 크기가 두께 1.7 cm, 길이 28 cm로 비교적 구명조끼에 장착하기에는 부피가 큰 것으로 사료된다. 본 논문에서는 구명조끼에 장착이 가능하도록 유연성과 적 절한 크기를 가지는 안테나를 설계하고자 한다.

Ⅱ. 안테나 설계

조난 상황시 구명조끼 착용 후 해상에 부유해 있을 경 우, 침수되지 않는 범위에 안테나를 부착하여야 해수로 인한 안테나의 특성변화를 최소화 할 수 있다. 그러므로 안테나를 구명조끼의 어깨 위치 부근에 장착할 수 있도 록 설계하며, 적절한 크기 및 유연성을 가지도록 설계하 고자 한다. 설계하고자 하는 안테나의 사양을 표 1에 나 타내었다. 표 1에서 안테나 기판 크기는 구명조끼 어깨 위치 부근의 크기를 감안한 것이며, VSWR 설계 기준은 일반적인 안테나의 대역폭을 결정하는 반사계수 —10 dB 이하를 기준으로 하였다.

설계된 안테나는 유연성을 가진 0.2 mm 두께의 FR-4

표 1. 안테나의 설계 사양 Table 1. Specification of antenna.

항 목 사 양

GPS COSPAS-SARSAT VHF-DSC 주파수 대역

(MHz) 1,575.42 406.0

～406.1

156.025

～157.425

편파 우선회 원편파 선형 편파 선형 편파

VSWR 2 이하 2 이하 2 이하

안테나 기판

크기 220 mm×120 mm

기판을 사용하여 마이크로스트립 안테나를 설계하였으 며, 구명조끼에 안테나를 장착할 수 있는 공간을 고려할 때 적합한 크기로 설계를 하였다. 406 MHz, 1.575 GHz 대 역 이중대역 안테나는 시뮬레이션을 통해 설계를 진행하 였고, 156 MHz 대역 안테나의 경우 설계된 이중대역 안 테나에 선형도선(wire)를 부착하여 실험적으로 설계를 하 였다.

2-1 GPS, COSPAS-SARSAT 대역 안테나의 설계 그림 1에 설계된 GPS 및 COSPAS-SARSAT의 이중대 역 안테나의 모형을 나타내었다.

FR-4 기판의 한쪽 도체에 급전용 마이크로스트립과 406 MHz 대역 다이폴 안테나의 한쪽 부분을 구현하였고, 반대편 도체에 나머지 한쪽 부분과 1.575 GHz 대역 GPS 안테나를 구현하였다.

GPS 안테나는 마이크로스트립 결합(coupling) 급전방 식의 사각형 슬롯 링(square slot ring) 형태로 우선회 편파

그림 1. 설계된 이중대역 안테나 Fig. 1. Designed dual band antenna.

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그림 2. GPS 대역 안테나의 형태 Fig. 2. Shape of the GPS antenna.

(a) Lp에 따른 반사계수

(a) Reflection coefficient according to Lp

(b) Lp에 따른 축비

(b) Axial ratio according to Lp

그림 3. Lp의 변화에 따른 반사계수와 축비

Fig. 3. Reflection coefficient and axial ratio according to Lp.

(RHCP)를 가지도록 설계하였다^[8]. 그림 2에 GPS 안테나 의 설계 형태를 나타내었다. GPS 안테나의 원편파 특성 은 정사각형 링의 슬롯 폭 W^p와 W^s, 길이 L^p와 L^s를 가변

하여 구현하였다.

여러 가지 변수 중, L^s=55 mm, Ws=8.5 mm로 고정하고, Lp와 W^p의 변화에 따른 공진주파수와 축비의 특성 변화 를 그림 3과 그림 4에 나타내었다. 그림 3은 W^p=1 mm로 고정하고 L^p의 길이 변화, 그림 4는 L^p=9 mm로 고정하고 Wp의 길이 변화에 따른 특성 변화를 살펴본 것으로, L^p및 Wp에 의해 중심주파수 및 임피던스 정합의 정도가 달 라짐을 알 수 있고, 축비는 크게 변화가 없는 것을 볼 수 있다.

COSPAS-SARSAT 대역 안테나는 종단이 미엔더 형태 를 띠는 다이폴 안테나로 구현을 하였다. 설계된 안테나 의 모형을 그림 5에 나타내었다. 다이폴 안테나의 한쪽은 급전 마이크로스트립 선로의 연장선상에서 구현을 하고,

(a) Wp에 따른 반사계수

(a) Reflection coefficient according to Wp

(b) Wp에 따른 축비

(b) Axial ratio according to Wp

그림 4. Wp의 변화에 따른 반사계수와 축비

Fig. 4. Reflection coefficient and axial ratio according to Wp.

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그림 5. COSPAS-SARSAT 안테나의 형태 Fig. 5. Shape of the COSPAS-SARSAT antenna.

다른 한쪽은 접지면의 일부로 구현을 하였다. 또한, 안테 나의 크기를 소형화하기 위하여 종단을 미엔더 형태로 구현하였다.

위에서 설계한 GPS, COSPAS-SARSAT 대역 안테나를 같은 기판상에 위치시켰을 때 GPS 안테나로 여기되어야 할 1,575 MHz의 신호가 COSPAS-SARSAT 안테나 방향으 로도 여기되는 현상이 발생한다. 이를 방지하기 위해 마 이크로스트립 형태의 개방형 스터브(open stub)를 부착하 였다. 개방형 스터브의 유무에 따른 반사계수 변화를 그 림 6의 (b)에 나타내었다.

또한, 설계된 안테나는 구명조끼에 부착되어 동작하는 안테나이므로 해수면 상에서의 환경을 고려하여야 한다.

시뮬레이션을 위해 해수의 비유전율을 80, 도전율은 4 S/m으로 설정하여 설계된 안테나가 자유공간에 위치할 때와 해수면에 위치할 때 반사계수 특성의 변화를 살펴 보았다. 그림 7에 해수면상에 위치한 안테나의 모형과 해 수면으로부터의 높이에 따른 이중대역 반사계수의 특성 의 변화를 나타내었다.

그림 7의 (b)는 406 MHz 대역의 반사계수 변화를 나타 낸 결과이다. 해수면으로부터의 높이가 25 mm일 때, 해 수의 영향을 받아 공진주파수가 저주파 쪽으로 이동한 것을 확인할 수 있다. 하지만 높이가 100 mm 이상이 되 는 지점은 반사계수가 —10 dB 이하로 나타나는 것을 볼 수 있다. (c)는 GPS 대역의 반사계수 변화를 나타낸 것이 다. GPS 대역의 반사계수 특성 변화 역시 406 MHz 대역 과 유사한 양상을 보인다. 해수면으로부터의 높이가 25

(a) 이중대역 안테나의 모형

(a) Configuration of dual band antenna

(b) 이중대역 안테나의 반사계수

(b) Reflection coefficient of dual band antenna 그림 6. 이중대역 안테나의 형태와 반사계수 Fig. 6. Shape and return loss of the dual-band antenna.

mm일 때는 해수의 영향으로 인해 중심주파수가 고주파 쪽으로 이동하는 현상을 보인다. 하지만 높이가 50 mm가 되는 지점부터 대역폭이 다시 저주파 쪽을 포함하는 방 향으로 넓어져 GPS 동작주파수를 포함하게 된다. 따라서 수면으로부터 약 100 mm 이상에서 정상적인 동작이 가 능하다고 판단할 수 있다.

2-2 VHF-DSC 대역 안테나의 설계

2-1에서 설계한 GPS, COSPAS-SARSAT 대역 안테나에 선형도선을 연결하여 VHF-DSC 대역의 동작을 추가하였 다. 설계된 다중대역 안테나의 모형을 그림 8에 나타내었 다. VHF-DSC 대역 안테나는 COSPAS-SARSAT 대역 안 테나와 유사한 형태인 다이폴 안테나의 형태로 설계하였 다. 다이폴 안테나의 한쪽은 마이크로스트립 선로의 연장 선상에 연결하고, 다른 한쪽은 접지면의 일부에 연결하였 으며, 크기를 고려하여 미엔더 형태로 설계하였다.

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(a) 해수면 상의 안테나 모형

(a) Configuration of antenna above sea water

(b) 해수면으로부터의 높이에 따른 COSPAS-SARSAT 대역 반 사계수

(b) Reflection coefficient at COSPAS-SARSAT band according to height above the sea surface

(c) 해수면으로부터의 높이에 따른 GPS 대역 반사계수 (c) Reflection coefficient at GPS band according to height

above the sea surface

그림 7. 해수면 위의 안테나 모델과 반사계수

Fig. 7. Antenna model on the surface of the sea and reflection coefficient.

Ⅲ. 안테나 제작 및 측정

우선 시뮬레이션 결과의 타당성을 확인하기 위해 그림 1의 안테나를 제작하여 GPS 및 COSPAS-SARSAT 주파수

그림 8. 설계된 다중대역 안테나의 모형 Fig. 8. Shape of designed multi band antenna.

그림 9. 시뮬레이션 및 측정 결과 비교

Fig. 9. Comparision simulation and experimental results.

대역에서 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교해 그림 9 에 제시하였다. 실험 결과, COSPAS-SARSAT 주파수 대 역에서는 시뮬레이션과 매우 유사하게 나타났으나, GPS 대역에서는 시뮬레이션 결과가 주파수가 낮은 쪽으로 이 동한 것과 같은 현상을 보였다. 그렇지만 여전히 GPS 대 역에서 반사계수가 —10 dB 이하로 측정이 되었다. 그러 나 정확성을 위해 GPS 안테나 파라미터를 일부 수정하였 고, VHF-DSC 대역 안테나를 부착하여 최종적인 3중 대 역 안테나를 제작하였다. 제작된 안테나의 사진을 그림 10(a)에 나타내었다.

이렇게 제작된 다중대역 안테나가 구명조끼에 장착이 될 경우, 반사계수의 변화를 알아보기 위해 구명조끼에 그림 10(b)와 같이 다중대역 안테나를 부착하여 반사계

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(a) 제작된 다중대역 안테나 (a) Fabricated multiband antenna

(b) 안테나를 부착한 구명조끼 착용 모습 (b) Configuration of antenna integrated on lifejacket

(c) 구명조끼 부착 여부에 따른 반사계수 (c) Reflection coefficient with/without lifejacket 그림 10. 제작된 안테나와 반사계수

Fig. 10. Fabricated multiband antenna and reflection coefficient.

수를 측정하였다. 인체에 의한 안테나 특성 변화를 조사 하기 위해 자유공간에서의 안테나 특성도 함께 제시하였 다. 그림 10(c)에 나타난 반사계수 중 자유공간에서 안테

나의 반사계수를 분석해 보면, VHF-DSC 대역인 156 MHz 의 주파수에서 약 —12 dB의 반사계수를 나타내고 있다.

또한, 반사계수 —10 dB 이하의 대역폭은 148～163 MHz 로 나타난다. 구명조끼에 장착된 경우에도 GPS, COS- PAS-SARSAT, VHF-DSC의 동작 대역에서의 주파수 변화 가 거의 발생하지 않는 것을 볼 수 있는데, 이것은 구명조 끼가 부풀어 오를 경우, 인체로부터 약 100 mm 정도 떨 어지기 때문에 인체에 의한 안테나의 특성 변화가 미미 한 것으로 판단된다.

그림 11에 406 MHz에서 측정한 방사패턴을 나타내었 다. 그림 11을 살펴보면 다이폴 안테나와 유사한 형태의 방사패턴을 갖는 것을 볼 수 있다. 측정한 안테나의 이득 은 약 0.83 dBi로 이는 COSPAS-SARSAT의 동작이 가능 한 수치이다.

그림 12에 GPS 대역의 방사패턴을 측정한 결과를 나타 내었다. 자유공간에서 측정한 안테나 이득은 약 2.1 dBi로 나타났다. 구명조끼에 장착 후 안테나의 이득 변화를 측 정해보기 위해 송신 전력을 일정하게 하고, 구명조끼 부 착 전후에 따른 수신 전력의 변화를 측정해 본 결과, 0.3 dB 이하로 거의 변화가 없는 것으로 측정되어, 안테나를 구명조끼에 장착하여도 안테나 이득에 변화는 없는 것으 로 사료된다.

그림 13에 측정한 축비 특성을 제시하였다. 비교를 위 해 시뮬레이션 결과도 함께 제시하였으며, 전반적으로 시

(a) x-z 평면의  패턴 (a) x-z plane E-theta pattern

(b) y-z 평면  패턴 (b) y-z plane E-phi pattern 그림 11. COSPAS-SARSAT 대역의 방사패턴

Fig. 11. Radiation pattern at COSPAS-SARSAT band.

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(a) x-z 평면의  패턴 (a) x-z plane E-theta pattern

(b) x-z 평면  패턴 (b) x-z plane E-phi pattern

(c) y-z 평면의  패턴 (c) y-z plane E-theta pattern

(d) y-z 평면  패턴 (d) y-z plane E-phi pattern 그림 12. GPS 대역의 방사패턴

Fig. 12. Radiation pattern at GPS band.

그림 13. GPS 대역 안테나 축비 측정치 Fig. 13. Measured axial ratio of the GPS antenna.

뮬레이션 결과와 비슷한 추세로 축비가 변하고 있으며, GPS 주파수인 1.575 GHz에서 측정한 축비가 약 1.5 dB로 양호한 결과를 얻었다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 해상 조난시 COSPAS-SATSAT 위성과 GPS 위성을 이용하여 신속한 위치확인이 가능하며, VHF-

DSC 장비로 인근의 선박에 신속한 구조요청이 가능한 구 명조끼의 안테나에 대한 연구를 하였다. 구명조끼장착용 안테나는 해수로부터의 영향을 고려하여야 하며, 구명조 끼 면적 중, 침수되지 않는 범위 내에 부착하여야 하므로 크기를 소형화하여야 할 필요가 있다. 설계된 다중대역 안테나는 COSPAS-SARSAT, GPS, VHF-DSC 대역에서 동 작이 가능한 안테나이다. GPS 안테나의 경우, 사각형 모 양의 링 슬롯 안테나 형태로 설계를 하였다. 접지면에 슬 롯을 적용하고, RHCP를 구현하기 위해 슬롯의 일부를 변 형시켰다. COSPAS-SARSAT 안테나와 VHF-DSC 안테나 는 종단이 미엔더 형태를 갖는 다이폴 안테나로 설계를 하였다. 또한, 이들 간의 상호 간섭이 최소가 되도록 마이 크로스트립 부분에 개방형 스터브를 적용하였다.

설계된 안테나가 해수로부터 받는 영향을 시뮬레이션 하였으며, 정상적인 동작이 가능한 높이를 확인하였다.

또한, 각각의 대역에서 반사손실과 적절한 방사패턴을 확 인하였으며, 실제 해상조난 상황에서 사용이 가능할 것으 로 사료된다.

References [1] http://www.data.go.kr, 안전행정부.

[2] A. Q. Munshi, et al., "A low cost COSPAS-SARSAT alternative for EPIRB transponder for local fishing boats in Bangladesh." Communications(COMM), pp. 1-6, May 2014.

[3] Y. G. Zurabov, K. K. Ivanov, and A. D. Kuropyatnikov,

"COSPAS-SARSAT satellite system", Satellite Communi- cations, pp. 156-158, Sep. 1998.

[4] Yijun Zhou, et al., "Dual band proximity-fed stacked patch antenna for tri-band GPS applications", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, pp. 220-223, Jan. 2007.

[5] J. Huang, et al., "A VHF microstrip antenna with wide- bandwidth and dual-polarization for sea ice thickness measurement", Antennas and Propagation, IEEE Tran- sactions on, pp. 2718-2722, Oct. 2007.

[6] A. A. Serra, et al., "A wearable multi antenna system on a lifejacket for COSPAS SARSAT rescue applications",

(8)

Antennas and Propagation(APSURSI), pp. 1319-1312, Jul.

2011.

[7] J. Lilja, et al., "Body-worn antennas making a splash:

lifejacket-integrated antennas for global search and res- cue satellite system", Antennas and Propagation Maga-

zine, IEEE, pp. 324-341, Apr. 2013.

[8] S. W. Zhou, P. H. Li, et al., "A dual-band dual-sense circularly polarized square-ring slot antenna", Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, pp. 1-4, May 2012.

임 지 훈

2013년 2월: 한국해양대학교 전자통신공 학과 (공학사)

2015년 2월: 한국해양대학교 전자통신공 학과(공학석사)

[주 관심분야] 안테나, 초고주파회로

양 규 식

1974년 2월: 한국항공대학교 항공통신공 학과 (공학사)

1991년 8월: 건국대학교 전자공학과 (공학 박사)

1986년 9월～현재: 한국해양대학교 교수 [주 관심분야] 프린트안테나, 통신시스템,

e-Navigation

정 성 훈

2002년 2월: 동명정보대학교 컴퓨터공학 과 (공학사)

2004년 2월: 한국해양대학교 전자통신공 학과 (공학석사)