920 MHz Band Antenna for Marine Buoy

해양 부이용 920 MHz 대역 안테나

920 MHz Band Antenna for Marine Buoy

최 형 동

· 김 성 율

· 이 성 렬

1주식회사 알씨엔 기술연구소

2목포해양대학교 항해정보시스템학부

Hyung-dong Choi

· Sung-yul Kim

· Seong-Real Lee

1Corporate Technology Institute, Company of RCN, Deajeon, 34028, Korea

2Division of Navigational Information System, Mokpo National Maritime University, Jeollanam-do, 58628, Korea

[요 약]

해양 IoT 서비스를 위한 장치들은 해양 환경에 강인해야 한다. 특히 바닷물 속에 부유하는 전송 장치는 바닷물의 영향을 덜 받도 록 설계되어야 한다. 본 연구에서는 전자 어구 실명제 모니터링 시스템에서 어구 상태를 감시하는 부이에 내장되는 안테나를 설계 하고 제작한 결과를 보이고 있다. 안테나의 주파수 대역은 920 MHz이고, 부이의 초소형과 경량화를 위해 PCB 패턴 안테나 구조로 설계 제작되었다. 시뮬레이션 결과 제안한 안테나를 내장한 부이가 바닷물 속에 잠기는 정도가 심할수록 반사 계수 증 RF 특성이 저하되지만 빔의 방사 각도는 안테나 하층부에서 점점 상층부로 옮겨가는 것을 확인하였다. 즉 바닷물의 영향을 많이 받을수록 전 파 성능은 저하되지만 방사 특성은 해양 IoT 서비스 환경에 적합하다는 것을 확인하였다. 향후 RF 성능을 개선할 수 있는 안테나 구조를 변경 설계하면 제안한 안테나와 부이는 LPWA (low power wide area) 기반 IoT 네트워크 구현에 기여할 것으로 기대된다.

[Abstract]

The equipment for marine IoT service have to overcome the effect of seawater. Furthermore, the free floating transmitter in seawater will be less affected by the seawater environment. The results of the design and fabrication of antenna, which is embedded in buoy, are shown in this research. The proposed antenna is used to supervise the states of fishing gears in monitoring system for real-name system of electric fishing gear. The selected frequency band of the proposed antenna is 920 MHz, and PCB pattern type is selected for subminiature and light weight. It is confirmed that RF characteristics is more degraded, however, the radiation is gradually upward as the contact surface of buoy with seawater is more broaden through the simulation results. That is, the RF performance of the proposed antenna is more deteriorated but beam radiation characteristics is more suited the marine IoT, the seawater effect is more increased. It is expected that the proposed antenna will contribute the implementation of IoT network based on low power wide area (LPWA) when the degradation of RF performance will be settled.

Key word :

https://doi.org/10.12673/jant.2020.24.6.593

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-CommercialLicense(http://creativecommons .org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received 23 November2020; Revised 26 November 2020 Accepted (Publication) 16 December 2020 (30 December 2020)

*Corresponding Author; Seong-Real Lee Tel: +82-61-240-7264

E-mail: [email protected]

비스 형태와 품질을 보장해야 하고, 다양한 환경에 쉽게 적응해 야만 기술 성공과 그에 따른 시장 창출이 가능하다는 것을 동시 에 의미한다.

IoT를 이용하여 새로운 서비스를 창출하고자 하는 다양한 분야 중에 해양 기술 분야도 큰 축을 차지하고 있다. 현재 해양 수산부를 중심으로 선박 안전 운항, 선박 물류 등 선박 운항뿐 만 아니라 어선 및 어민의 안전 보장, 어업 관리 등 어업 분야에 서도 IoT 기술을 이용하고자 하는 다양한 정책을 펴고 있다 [2].

본 연구는 해양수산부가 현재 추진하고 있는 ‘생애 주기별 어 구 관리 방안 ’에서 제안하고 있는 ‘전자어구실명제’를 IoT 기술 을 적용해 구현하고자 하는 방안과 깊은 관련이 있다 [3].

4차 산업혁명 기술에서, 특히 IoT에서 다양한 산업 및 공공 분야가 요구하는 새로운 서비스를 제공하기 위한 핵심 기술은 새로운 서비스와 기능을 고품질로 제공하고 다양한 환경에 쉽 게 적응할 수 있도록 개발되어야 한다 [4]. 이를 위해서는 단순 한 형태의 데이터 서비스가 아닌 다양한 형태와 종류의 대용량 멀티미디어 통신 서비스로 전이되는 것을 기본 사항으로 삼아 야 하며 , 통신 장치나 설비는 기본적으로 서비스 종류에 따라 구조와 운용의 변경이 간편해야 한다. 통신 장비 중 안테나 또 한 소형, 경량, 다중 대역 (multi band) 동작 등을 고려해서 제작 되어야 한다 [5]. 더불어, IoT 기술이 다양한 분야에서 활성화되 기 위해서는 그 분야에서의 서비스 요구와 환경에 맞는 안테나 가 개발되어야 한다. 특히, 해상 IoT 통신을 위한 장치에서 필요 로 하는 안테나는 소형 , 경량, 다중 대역 외에 파도에 따른 장치 의 부유(floating)와 염분, 수분의 영향을 최소화할 수 있도록 개 발되어야 한다 .

따라서 본 논문에서는 전자 어구 실명제를 위한 IoT 기반 전 자 어구 모니터링 시스템에 적용될 안테나의 설계와 제작에 대 해 살펴보고자 한다. IoT 기반 전자 어구 모니터링을 위해서는 어구의 정보를 센싱하는 부이(buoy), 어선 내 설치 운용되는 게 이트웨이 장치, 관제 센터 시스템 등 여러 종류의 하드웨어와 소프트웨어가 필요하다. 이들 중 부이는 여기에 연결된 그물 등 어구의 위치 및 상태 정보 등을 센싱하고 주기적으로 게이트웨 이와 IoT 무선 채널을 사용하여 통신하여야 한다. 하지만 부이 가 바다에 부유하고 있어 통신 시 부이의 위치와 고도가 수시로 바뀔 수 있기 때문에 송수신 최종단 장치인 안테나의 전파 방사

여 전체적인 기구의 길이는 1153.7 mm이며, 최외곽 직경의 경우 247.10 mm이고 안테나가 장착되어 해수면 위로 돌출되는 부분 의 직경은 60 mm로 설계하였다. 특히 안테나가 장착되고 시스 템 가동을 위한 배터리까지의 영역은 315.60 mm로 하였다.

그림

1. 부이 형상과 구조 Fig. 1. Configuration of buoy.

그림

2. 부이의 구성

Fig. 2. Composition of buoy.

표

1. 안테나 사양

Table 1. Antenna specifications.

Items Specifications

Frequency Range 902 ~ 928 MHz

VSWR (Min) 2.0:1

Gain (Typical) 6.8 dBi

Radiation Omi

Input Impedance 50 Ω

Polarization Linear

그림

3. PCB 패턴 안테나의 구조

Fig. 3. Configuration of PCB pattern antenna.

그림 2는 그림 1의 전체적 구조의 세부적인 구성을 나타낸 것이다. 해수에 떠 있는 상태를 유지하기 위한 부력 지원부가 있으며 해수면 상단으로 돌출되는 영역에서 내장형 안테나가 위치한 부분은 최대한 해수면의 영향을 최소화하기 위해 최상 단에 주 방사체 (main radiator)가 위치할 수 있게 설계하였으며 시스템 가동을 위한 전원 공급에 해당하는 배터리 부분을 나누 어 표시하였다. 특히 안테나의 방사 패턴의 피크 방향 및 azimuth 평면의 방사 패턴 빔 특성을 결정할 수 있는 접지 평면 (GND plane)의 영역은 배터리 크기 및 배치 구조까지 고려하여 야 하며 기구적인 부력 작용에 영향을 미치지 않는 범주 내에서 물리적 크기 (physical size) 확대 및 축소가 검토되어야 한다. 그 리고 실제 물리적 크기가 결정된 이후에는 전자적 크기 (electrical size) 변화를 통한 azimuth 평면의 빔 특성을 최대한 넓게 형성할 수 있는 안테나 설계 기술이 적용되어야 한다.

2-2 안테나 설계

그림 3은 그림 2의 안테나 영역에 삽입될 안테나의 기본 설 계도이다. 그림 3의 안테나 패턴은 추후 부이가 해수면 아래로 가라앉는 최악의 상황을 고려한 시뮬레이션 과정을 통해 수정 될 수 있다. 그림 3에서 보인 안테나의 형상은 부이의 구조 및 내부 전자회로와의 일체형 제작을 고려하여 FR4 기판에 패치 (patch) 형태의 PCB 패턴 방식을 사용하였다. 또한 안테나의 지 향성은 해상에 놓이는 부이의 특성을 고려하여 등방성 구조로 설계하였다. 표 1은 안테나의 세부 사양을 정리한 것이다. 주파 수 대역은 ISM 대역의 920 MHz 대역을 고려하였다.

(a) 정상적 부유 환경

(a) 100% 침수 환경

4. 시뮬레이션 환경

Fig. 4. Circumstance of simulation.

Ⅲ. 시뮬레이션

그림 3에 보인 패치 형태의 PCB 패턴 안테나를 그림 1의 부 이에 삽입한 상태에서의 시뮬레이션은 세 가지 환경을 가정하 여 진행하였다. 첫 번째는 실험실 환경에서의 시뮬레이션이고, 두 번째는 그림 4(a)와 같은 부이가 바다에 정상적으로 부유하 고 있는 상태에서의 시뮬레이션이고, 마지막은 그림 4(b)와 같 은 부이가 바다 속에 100%로 잠긴 상태에서의 시뮬레이션이 다.

두 번째 환경, 즉 정상 부유 환경은 해수면을 기준으로 배터 리 장착부의 끝을 기준으로 상단부만 드러나도록 부력 조건을 설정하여 구축하였다. 시뮬레이션 해석 범위와 시뮬레이션 소 요 시간 등을 고려해 부이가 잠기는 부분의 해수 영역은 LoRa 주파수 대역 대비 깊이 방향으로 2.6λ, 너비 방향으로 1.8λ에 해당하는 해수면을 가정하였다.

그림 5와 그림 6은 각각 3가지 환경에서 얻은 안테나의 반사

손실 (return loss)과 전압 정재파비 (VSWR; voltage standing

wave ratio)를 보이고 있다. 실험실 환경에서 반사 손실은 920

MHz에서는 23.079 dB, 925 MHz에서는 22.165 dB로 얻어졌다.

(a) 실험실 환경

(b) 정상 부유 환경

(c ) 100% 침수 환경

5. 반사 손실 시뮬레이션 결과 Fig. 5. Simulation results of return loss.

(a) 실험실 환경

(b) 정상 부유 환경

(c ) 100% 침수 환경

6. 전압 정재파비 시뮬레이션 결과 Fig. 6. Simulation results of VSWR.

그리고 정상 부유 환경에서 반사 손실은 920 MHz에서는

19.72 dB, 925 MHz에서는 21.35 dB로, 100% 침수 환경에서 반

사 손실은 920 MHz에서는 4.98 dB, 925 MHz에서는 4.88 dB로

(a) 실험실 환경

(b) 정상 부유 환경

(c ) 100% 침수 환경

7. 2차원 방사 패턴

Fig. 7. 2-dimensional radiation pattern.

수록 성능 저하가 더욱 증가할 수 있다고 예상할 수 있는 결과 이다.

그림 8은 3가지 환경 각각에서 임피던스 변화에 따른 반사 손실을 비교한 것이다. 전체적으로 공진 주파수 (resonant frequency)의 이동은 관찰되어지나 전체적인 Q-factor의 변화는 크지 않다는 것을 알 수 있다.

그림 7의 2차원 방사 패턴을 비교해 보면, 우선 실험실 환경 에서 148도 방향으로 빔이 최대로 형성되는 것을 확인할 수 있 다. 즉 부이의 상단부가 아닌 하단부로 빔이 방사되고 있다. 이 는 안테나 방사 특성에 영향을 미치는 접지 영역이 안테나 azimuth 평면 방향으로 빔을 형성하는 것에 큰 기여를 하지 못 한다고 판단할 수 있다. 하지만 다행스럽게도 부이가 해수에 접 촉하는 면적이 증가할수록 빔이 최대로 방사하는 각도가 상단 부로 이동하는 것을 그림 7의 (b)와 (c)를 통해 확인할 수 있다.

이러한 결과는 마치 풍선 효과와 같이 안테나로부터 방사되는 전자파가 해수가 갖는 높은 밀도 때문에 밀도가 낮은 곳으로 집 중되기 때문으로 판단된다.

Ⅳ. 부이용 안테나의 제작과 측정

앞장에서 분석한 3가지 환경에서의 시뮬레이션 결과를 바탕 으로 그림 3의 패치 형태의 PCB 패턴 안테나를 수정한 구조를 그림 9에 나타냈다. FR4 계열 1.6 mm 두께의 저가 소재를 사용 하여 1/2 oz copper 조건으로 그림 10과 같이 안테나를 제작하 였다. PCB 패턴 안테나와 RF 회로와의 임피더스 정합은 VSWR을 1.5로 설정하여 5.6 nH로 결정하여 제작하였다.

표

2. RF 성능 시뮬레이션 결과

Table 2. Simulation results of RF performance.

Freq. Circum

#1

Circum

#2

Circum

#3

VSWR

925 1.16 1.18 3.75

Gain, dBi

Aver.

925 -0.15 -1.44 -54.42

Peak

925 6.94 4.50 -48.63

(a) 실험실 환경

(b) 정상 부유 환경

(c ) 100% 침수 환경

8. 임피던스 변화에 따른 반사 계수

Fig. 8. Return loss as a function of impedance variation.

그림 11의 제작된 안테나의 3차원 방사 패턴을 살펴보면 부이

의 하층부보다 상층부 쪽으로 빔이 더육 크게 형성되는 것을 알

수 있다. 그림 10의 PCB 패턴 안테나를 부이에 삽입하여 무반사

챔버에서 920 MHz 대역의 이득 값을 측정한 결과를 표 3에 정리 하였다.

그림 3의 측정값을 살펴보면 두 번째 환경에서의 시뮬레이션 결과와 비슷하다는 것을 알 수 있다 . 즉 시뮬레이션 과정을 통해 안테나를 제작하고 바닷속이 아닌 대기 중에서 측정한 결과는 첫 번째 환경에서의 시뮬레이션 결과와 비슷해야 하지만 RF 특성이 예상보다 적게 얻어졌다 . 향후 부이가 바닷물에 부유하는 상황에 서 이득 등의 RF 특성이 적어도 시뮬레이션 결과값만큼 도출되도 록 안테나와 회로를 개선해야 할 것이다 .

표 3. 측정된 이득

Table 3. The maesured gain values.

Frequency Gain, dBi Aver. Peak 920 GHz -1.40 3.66 921 GHz -1.37 3.70 922 GHz -1.34 3.75 923 GHz -1.28 3.80 924 GHz -1.24 3.84 925 GHz -1.21 3.88

그림

9. 변경 설계된 PCB 패턴 안테나

Fig. 9. The modified design of PCB pattern antenna.

그림

10. 제작된 안테나 그림 11. 안테나의 3차원 방사 패턴

Fig. 10. The fabricated antenna. Fig. 11. 3-dimensional radiation pattern of antenna.

전자 어구 모니터링을 위한 부이 내장 안테나 실용화가 가능하 다는 것을 시사한다고 하겠다.

또한 PCB 패턴 안테나를 제작하여 부이에 삽입하여 무반사 챔버에서 이득과 방사 패턴을 측정하였다. 이득이 시뮬레이션 결과에 크게 미치지 못하게 도출되었다. 이 결과 또한 향후 안 테나 설계 변경에 반영할 예정이다.

Acknowledgments

이 논문은 2020년 해양수산부 재원으로 한국해양과학 기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(어구 자동식별 모니터링 시스템 개발).

Key=376&currentPageNo=1.

[3] Ministry of Oceans and Fisheries. The environment enhancement plan for the littoral sea (press release on 2015.6. 2) [Internet]. Available: http://www.mof.go.kr/

article/view.do?articleKey=8146&searchSelect=title&search Value=%EC%88%98%EC%82%B0%EC%9E%90%EC%9 B%90+%ED%9A%8C%EB%B3%B5&boardKey=10&men uKey=376&currentPageNo=1.

[4] S. R. Lee, “PCB Pattern Antenna of 920 MHz Band for Marine IoT Services,” Journal of Advanced Navigation Techonology, Vol. 23, No. 5, pp. 430-436, 2019.

[5] S. R. Lee, “LPWA 920 MHz Antenna for Subminiature IoT Sensors,” in The 12th International Conference on Future Information & Communication Engineering, Sapporo:

Japan, pp. 195-197, June, 2019.

최 형 동 (Seong-Real Lee)

2000년 2월 : 한국해양대학교 전자통신공학과 (공학사) 2000년 8월 ~2008년 12월 : 코모텍 주식회사 기술연구소 책임연구원 2015년 1월∼현재 : 주식회사 알씨엔 기술연구소 수석연구원

※관심분야 : 안테나, 수치해석, 밀리미터웨이브 소자

김 성 율 (Sung-yul Kim)

1998년 2월 : 충남대학교 컴퓨터공학과 (공학사) 2001년 8월 : 충남대학교 대학원 컴퓨터공학과 (공학석사) 2004년 1월 ~ 2015년 6월: ㈜ 휴메이트 수석 연구원 2015년 9월∼현재 : ㈜알씨엔 수석 연구원

※관심분야 : 임베디스드 시스템 개발

이 성 렬 (Seong-Real Lee)

1990년 2월 : 한국항공대학교 항공통신정보공학과 (공학사), 1992년 8월 : 한국항공대학교 대학원 통신정보공학과 (공학석사) 2002년 2월 : 한국항공대학교 대학원 통신정보공학과 (공학박사), 2002년 6월∼2004년 2월 : (주)에이티엔 기술연구소장 2004년 3월∼현재 : 국립목포해양대학교 항해정보시스템학부 교수

※관심분야 : WDM 전송 시스템, 광의 비선형 현상 분석, 광 솔리톤 전송