철도 ZigBee 통신용 단락패치 안테나A Patch Antenna for Railway ZigBee Communication

저자(Authors)

서무현, 장리검, 안병철Mu-Hyun Seo, Li-Jian Jhang, Bierng-Chearl Ahn

출처(Source)

한국정보기술학회논문지 14(8), 2016.08, 47-53 (7 pages)Journal of Korean Institute of Information Technology 14(8), 2016.08, 47-53 (7 pages)

발행처(Publisher)

한국정보기술학회Korean Institute of Information Technology

URL http://www.dbpia.co.kr/Article/NODE06767756

APA Style 서무현, 장리검, 안병철 (2016). 철도 ZigBee 통신용 단락패치 안테나. 한국정보기술학회논문지,14(8), 47-53.

이용정보(Accessed)

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충북대학교203.255.70.***2016/09/20 19:21 (KST)

Journal of KIIT. Vol. 14, No. 8, pp. 47-53, Aug. 31, 2016. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 47

* 충북대학교 전파통신공학전공학과

** 충북대학교 전파통신공학전공학과(교신저자)접 수 일: 2016년 07월 14일수정완료일: 2016년 08월 18일

게재확정일: 2016년 08월 21일

ž Received: July 14, 2016, Revised: Aug. 18, 2016, Accepted: Aug. 21, 2016ž Corresponding Author: Bierng-Chearl Ahn Director of Applied EM Lab, Chungbuk National University, 52 Naesudong-ro, Cheongju City, Chungbuk Province, 361-763, Korea Tel.: +82-43-261-3194, Email: bician@cbu.ac.kr

철도 ZigBee 통신용 단락패치 안테나

서무현*, 장리검*, 안병철**

A Patch Antenna for Railway ZigBee Communication

Mu-Hyun Seo*, Li-Jian Jhang*, and Bierng-Chearl Ahn**

요 약

본 논문에서는 철도차량 환경에서의 ZigBee 통신에 적합한 2.45GHz 대역 단락패치 안테나를 제안하였다.

제안한 안테나는 동축선으로 급전되는 단락패치, 뒷면에 패치 안테나가 인쇄된 두께 1mm FR-4 기판 레이돔

및 금속공동으로 구성된다. 공동의 한쪽 벽을 이용하여 패치를 단락하였으며 패치 길이방향으로 적절한 점에

서 동축선 프로브를 패치에 연결하여 임피던스 정합을 얻었다. 단락패치의 길이와 폭은 각각 27.6mm(0.225)

와 21.0mm(0.172 )이다. 금속공도의 크기는 41×41×10mm(0.335×0.335×0.082)이다. 금속공동과 동축 급전선을

포함한 전체 안테나 구조를 최적 설계한 후 제작하여 특성을 측정하였다. 측정결과 제안한 안테나는 2.45GHz

에서 4.0dBi의 이득, 2.375-2.525GHz 범위에서 -10dB 이하의 반사계수를 가짐을 확인하였다.

Abstract

This paper presents a 2.45-GHz shorted patch antenna suitable for the ZigBee communication in railway environments. The proposed antenna consists of a shorted patch fed by a coaxial line, an 1-mm thick FR-4 substrate radome with the patch printed on the back surface and a metal cavity. The patch is shorted using one of the cavity walls and matched in impedance by connecting the coaxial probe at a suitable point in the patch length direction. The length and width of the patch are 27.6mm(0.225 ) and 21.0mm(0.172 ) respectively. The whole antenna structure including the metal cavity and the coaxial feed line is optimized, fabricated and measured. Measurements show that the proposed antenna has a 4.0-dBi gain at 2.45GHz and a reflection coefficient of less than -10dB at 2.375-2.525GHz.

Keywordsantenna, shorted patch, ZigBee, railway communication

http://dx.doi.org/10.14801/jkiit.2016.14.8.47

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48 철도 ZigBee 통신용 단락패치 안테나

Ⅰ. 서 론

2.4GHz 대역 ZigBee 통신은 저가이며 저전력 특

성으로 인해 무선제어 및 모니터링 용도 등 스마트

센서 네트워크를 구성하는데 널리 활용되고 있다. ZigBee 통신 기반의 센서 네트워크는 전기자동차

배터리 점검, 트럭 등 운송차량의 유류 및 수하물

점검, 교통정보 제공, 지능형 주차장 관리, 고속철도

부품상태 확인 등 다양하게 활용되고 있다[1][2]. 최근 ZigBee 통신 네트워크를 이용하여 고속철도 차

량의 안전을 실시간 감시하는 기술이 개발되고 있

다[3]. 이와 같은 ZigBee 통신은 이동체에 모듈을

장착하여 사용된다. 따라서 ZigBee 신호 송수신용

안테나는 이동체 상의 임의의 장소에 장착이 용이

하며 안테나의 구조가 튼튼하고 고이득화, 소형화가

요구된다[4]-[6]. 본 논문에서는 금속 하우징의 견고한 몸체를 바

탕으로 방사패치를 단락시켜 소형화[7], 고이득화

하였으며 방사패치가 인쇄되며 레이돔 역할을 하는

유전체 기판을 구비한 ZigBee 신호 송수신용 단락

패치 안테나를 설계 및 제작하였고 그 결과를 상세

히 제시하였다.

Ⅱ. 단락 패치 안테나 설계

그림 1은 차량 비가시 환경에서의 ZigBee 신호송수신용 단락 패치 안테나이다. 제안된 안테나는

외부 환경으로부터 안테나를 보호하는 레이돔 역할

을 하며 방사소자가 식각기법으로 인쇄된 기판과

금속 하우징으로 구성되며 동축 선로와 커넥터를

별도로 구비한다. 기판의 밑면에 인쇄된 방사패치가

결합 시 금속 하우징과 자연스럽게 단락되어 단락

패치를 구성하게 되며 기판은 자연스럽게 안테나의

레이돔 역할을 한다[8]. 동축 케이블의 내심은 결합

시 방사패치의 급전점과 연결된다. 기판과 금속 하

우징은 서로 결합하기 위해 구비된 나사 탭과는 별

도로 열차 및 차량 등에 부착을 용이하게 하는 나

사 홀을 구비한다.표 1은 본 논문에서 설계된 단락패치 안테나의

설계 사양이다. ZigBee 통신 주파수 대역에서 4dB

이상의 이득 특성과 반사계수 -10dB 이하 대역폭

100MHz이상이 요구된다. 본 논문에서 제안된 안테나는 상용 소프트웨어인

CST 사의 Microwave StudioTM v. 2012를 이용하여

최적화 하였다. 그림 2는 단락패치 안테나의 설계변수이다. 기판

밑면에 인쇄된 방사패치의 길이, 넓이와 급전전의

위치, 금속 하우징의 높이를 주요 설계 변수로 하였

다. 기판은 유전율 4.6, 손실 탄젠트 0.02, 두께

1mm FR-4 기판을 사용했으며 금속 하우징은 알루

미늄을 사용했다. 안테나의 소형화를 위해 방사패치

의 한 측면을 금속 하우징에 단락시켰다.제안된 안테나의 최적 설계에는 변수 조절법을

이용하였다. 그림 3은 방사패치의 폭에 따른 S- parameter 분석 결과이며 단위는 mm이다. 방사패치

의 폭의 변화는 동시에 금속 하우징과의 단락되는

면적의 변화이다. 방사패치의 폭은 주로 반사계수의

크기와 중심주파수에 영향을 주는 것으로 나타났다. 폭이 넓을수록 중심주파수가 낮아지고 반사계수도

감소하는 것을 알 수 있다.

그림 1. 단락패치 안테나 구조

Fig. 1. A structure of the shorted patch antenna

표 1. 제안된 단락 패치 안테나 설계 규격

Table 1. Design specifications of the proposed shorted

patch antenna

항 목 설계 규격

중심 주파수 2.45 GHz

반사계수 -10dB 이하

이득 4dB 이상

대역폭 100MHz

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(a) 방사패치 설계변수

(a) Design parameters of patch

(b) 금속 하우징 설계변수(b) Design parameter of metal housing

(c) 시뮬레이션에서 소스 위치(c) Position of source in simulation

그림 2. 단락패치 안테나의 설계변수Fig. 2. Design parameters of upper circuit board of the

shorted patch antenna

그림 3. 방사패치 폭(W)에 따른 S-parameter 계산 결과

Fig. 3. S-parameter calculation result versus the width of

patch

그림 4. 방사패치 길이(L)에 따른 S-parameter 계산 결과Fig. 4. S-parameter calculation result versus the length of

patch

그림 5. 급전점 위치(P)에 따른 S-parameter 계산 결과Fig. 5. S-parameter calculation result versus the peed

point

그림 6. 금속 하우징 높이에 따른 S-parameter 계산 결과Fig. 6. S-parameter calculation result versus the height of

metal housing

그림 4는 방사패치 길이 L의 변화에 따른 반사

계수 계산 결과이다. 중심주파수와 반사계수의 크기

에 영향을 주는데 폭에 대한 변화를 줬을 때 보다

중심주파수가 큰 폭으로 변한다. 시뮬레이션 결과를

토대로 제작을 하는데 있어서 그림 5와 6은 각각

급전점 위치와 금속 하우징의 높이의 변화에 따른

반사계수 및 중심주파수 계산 결과이다.

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50 철도 ZigBee 통신용 단락패치 안테나

앞의 결과들과 마찬가지로 반사계수의 크기와 중

심주파수에 모두 영향을 주는 것으로 확인된다. 앞서 설정한 단락패치 안테나의 모든 설계변수가 목

표 설계 규격에 민감한 영향을 준다.그림 7은 안테나를 위에서 바라봤을 때 가로와

세로의 크기의 변화에 따른 반사계수 계산 결과이

다. 앞의 변수들과 비교해 봤을 때 중심주파수와 반

사계수의 크기에 가장 영향을 적게 주는 것으로 확

인되었다.

설계변수 값(mm)

W 21

L 27.6

P 19

H 11

Lh 41

표 2. 최적 설계된 안테나 치수Table 2. Dimensions for the optimally designed antenna

그림 7. 안테나 크기 따른 S-parameter 계산 결과Fig. 7. S-parameter calculation result versus the size of

antenna

그림 8. 최적 설계된 단락패치 안테나의 S-parameter계산 결과

Fig. 8. S-parameter calculation result of geared patchantenna

표 2는 상기 과정을 통해 결정된 설계변수의 최

적화된 값을 나타낸 것이다. 금속 하우징의 높이 및

크기는 앞서 보인 결과와 더불어 제작 시 내구성

및 설치 공간 등을 충분히 고려하여 결정했다.그림 8 및 그림 9는 표 2에 제시된 값을 기반으

로 설계한 단락패치 안테나의 반사계수 특성과 방

사패턴 시뮬레이션 결과이다.

(a) 3D

(b) Phi=0°

(c) Phi=90°

그림 9. 2.45GHz에서의 방사 패턴 계산 결과

Fig. 9. Calculation result of radiation pattern at the center

frequency 2.45GHz

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중심주파수 2.45GHz에서 -33dB의 반사계수 특성

을 보이며 -10dB이하의 대역폭은 170MHz이다. 방사패턴은 안테나 전면 방향으로 고르게 분포하며

최대이득은 4.05dB이다.

Ⅲ. 단락패치 안테나의 제작 및 측정

앞의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 최적화된 단락

패치 안테나를 제작하고 측정을 진행하였다. 제작된

안테나의 반사계수 특성을 Anritsu사의 Economy 벡터 네트워크 분석기를 이용하여 측정하였고 패턴

측정은 전파의 영향이 없는 ㈜맥테크놀러지의 챔버

에서 시행되었다. 그림 10은 제작된 단락패치 안테

나의 형상이다.그림 11과 13은 제작된 단락패치 안테나의 반사

계수와 방사패턴 측정 결과이다.

그림 10. 제작된 단락패치 안테나

Fig. 10. The fabricated shorted patch antenna

그림 11. 단락패치 안테나의 반사계수 측정결과

Fig. 11. Reflection coefficient of the shorted patch antenna

그림 12는 제작된 단락패치 안테나의 특성을 측

정하는 모습이다.

그림 12. 제작된 단락패치 특성 측정

Fig. 12. Measurement of shorted patch antenna

(a) Phi=0°

(b) Phi=90°

그림 13. 단락패치 안테나의 방사패턴 측정 결과

Fig. 13. Radiation pattern of shorted patch antenna

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52 철도 ZigBee 통신용 단락패치 안테나

중심주파수 2.45GHz에서 -10dB 이하의 반사계수

특성을 보이며 시뮬레이션 결과와 유사함을 확인할

수 있다. 중심주파수에서 반사계수 값이 시뮬레이션

결과보다 다소 높게 측정되었는데, 이 부분은 제작

상의 오차에 의한 것으로 판단된다. 방사패턴의 경

우 Phi=90°인 경우 안테나 후방 방향에서 다소 차

이를 보이지만 전면에서 4dB이상의 이득을 보이며

전체적으로 시뮬레이션 결과와 유사함을 확인할 수

있다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 2.45GHz에서 동작하는 철도

ZigBee 통신용 단락패치 안테나를 제안하였다. 진동

이 심한 고속 이동체상에 설치하기 적합하도록 금

속 하우징을 사용하였고 레이돔 역할을 하며 방사

소자가 인쇄된 FR-4재질의 유전체 기판을 구비하였

다. 안테나의 소형화를 위해 방사패치를 금속 하우

징에 단락시켰으며 변수 조절법을 통해 최적설계하

고 제작과 측정을 진행했다.제작된 안테나의 측정결과 2.45GHz에서 4.0dBi의

최대이득을 얻었다. 또한 2.375-2.525GHz 범위에서

-10dB 이하의 반사계수를 가지며 안테나 정면 방향

으로 방사가 이루어짐을 확인하였다.본 논문에서 제안한 단락패치 안테나는 열차 등

고속 이동체에 장착되어 ZigBee 통신 네트워크를

구성하는 용도로 유용하게 사용될 수 있다고 판단

된다.

References

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저자소개

서 무 현 (Mu-Hyun Seo)

2015년 2월 : 충북대학교

정보통신공학과(공학사)

2015년 3월 ~ 현재 : 충북대학교

전파공학과 석사과정

관심분야 : 안테나 설계

충북대학교 | IP: 203.255.70.*** | Accessed 2016/09/20 19:21(KST)

Journal of KIIT. Vol. 14, No. 8, pp. 47-53, Aug. 31, 2016. pISSN 1598-8619, eISSN 2093-7571 53

장 리 검 (Li-Jian Jhang)

2014년 2월 : 충북대학교

정보통신공학부(공학사)

2016년 2월 : 충북대학교

전파공학과 (석사)

2016년 3월 ~ 현재 : 충북대학교

전파공학과 박사과정

안 병 철 (Bierng-Chearl Ahn)

1981년 2월 : 서울대학교

전기공학과(공학사)

1983년 2월 : 한국과학기술원

전기전자공학과(석사)

1992년 12월 : University of

Mississippi 전지전자공학과(박사)

1983년 ~ 1986년 : (주) 금성정밀

주임연구원

1992년 ~ 1994년 : 국방과학연구소 선임연구원

1995년 ~ 현재 : 충북대학교 전파통신공학과 교수

관심분야 : 전자파 응용, 안테나

충북대학교 | IP: 203.255.70.*** | Accessed 2016/09/20 19:21(KST)