콘크리트 매립 센서를 위한 이중 슬롯 패치 안테나

그림 2는 제안된 안테나의 구조이다. 안테나는 사각으로 접은 반사판, 기본 패치, 기생 패치, 금속지지대, 커플러로 구성되어 있으며, 재질은 스테인레스(stainless)이고, 두께는 1 mm이다.

그림 2. | Fig. 2. 안테나 구조 | Antenna structure.

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반사판의 크기는 195×143 mm²이고 접은 사각의 높이는 29mm이다. 기본 패치의 크기는 150×118 mm²이고, 패치 중앙에 58×6 mm²인 λ/2 슬롯이 위치한다. 기생 패치의 크기는 130×118 mm²이다. 지름이 10 mm인 원통형 금속지지대를 이용하여 각 부품 간의 거리를 유지하였으며, 반사판과 기본 패치의 높이는 6 mm이고, 기본 패치와 기생 패치의 높이는 17.8 mm이다. 금속지지대는 각 부품이 전기적으로 연결되었을 때 최대한 공진 특성이 변하지 않도록 기본 패치와 기생 패치 끝단에 위치하도록 하였다.

급전 부는 슬롯의 정 중앙에 위치하며 50 Ω 세미리지드(semi-rigid) 케이블을 사용하였다. 급전 부 상단 2 mm 위에 정합을 위한 커플러가 위치한다. 커플러의 크기는 20×6 mm²이며, 두께는 0.3 mm이다. 플라스틱 케이스의 크기는 197×145×1 mm³이고, 높이는 42 mm이며, 수지의 종류는 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)이다. 각 부품의 폭, 길이, 높이, 급전 위치에 따른 반사손실 결과로부터 최적 조건의 설계 파라미터를 얻어 내었다. 안테나 설계를 위한 EM 시뮬레이터는 ANSYS사의 HFSS를 사용하였다.

그림 3은 기생 패치의 유무에 의한 대역폭 변화를 나타내었다. 반사판과 기본 패치의 슬롯에 의해 발생하는 낮은 주파수 대역의 기본 공진과 기생 패치에 의해 발생하는 높은 주파수 대역의 공진이 추가되어 이중 공진이 발생하며, 더 넓은 대역특성을 나타낸다.

그림 3. | Fig. 3. 기생 패치에 의한 대역폭 변화 | Bandwidth variation due to parasitic patch.

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그림 4는 반사판과 기본 패치의 높이 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 높이가 5 mm, 4 mm로 낮아지면 정합 특성은 개선이 되나 대역폭이 좁아지며, 높이가 7 mm, 8 mm로 높아지면 대역폭은 증가하나 정합 특성이 나빠지는 것을 알 수 있다.

그림 4. | Fig. 4. H_R 변화에 따른 반사손실 특성 | Return loss characteristic with respect to H_R variation.

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그림 5는 기본 패치와 기생 패치의 높이 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 높이가 16.8 mm, 15.8 mm로 낮아질수록 대역폭이 넓어지지만 정합 특성이 나빠지며, 18.8 mm, 19.8 mm로 높아지면 정합 특성은 개선이 되나 대역폭이 좁아지는 것을 알 수 있다.

그림 5. | Fig. 5. H_D 변화에 따른 반사손실 특성 | Return loss characteristic with respect to H_D variation.

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그림 6은 기본 패치의 가로 크기 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 세로 크기를 118 mm로 고정한 상태에서 기본 패치의 가로 크기가 148 mm, 146 mm로 작아 질수록 낮은 주파수 공진이 높은 대역으로 이동을 하며, 152 mm, 154 mm로 커질수록 낮은 주파수 공진이 더 낮은 대역으로 이동함을 볼 수 있다. 이는 기본 패치의 가로 길이에 의해 낮은 주파수가 결정되는 것을 알 수 있다.

그림 6. | Fig. 6. W_D 변화에 따른 반사손실 특성 | Return loss characteristic with respect to W_D variation.

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그림 7은 기생 패치의 가로 크기 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 세로 크기를 118 mm로 고정한 상태에서 기생 패치의 가로 크기가 128 mm, 126 mm로 작아질수록 높은 주파수 공진이 높은 대역으로 이동을 하며, 132 mm, 134 mm로 커질수록 높은 주파수 공진이 낮은 대역으로 이동을 하며 정합 특성은 좋아지지만, 대역폭이 좁아지는 것을 알 수 있다. 이는 기생 패치의 가로 길이에 의해 높은 주파수가 결정되는 것을 알 수 있다.

그림 7. | Fig. 7. W_P 변화에 따른 반사손실 특성 | Return loss characteristic with respect to W_P variation.

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그림 8은 커플러 높이 변화에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 커플러의 크기를 20×6 mm²로 고정한 상태에서 높이 변화를 통해 특성을 관찰하였다. 높이는 1 mm 기준으로 0.5 mm씩 높여가면서 실험을 진행하였다. 그래프에서 볼 수 있듯이 슬롯 안테나 동축 급전 부와 커플러가 가까워질수록 정합 특성이 좋아지며, 커플러가 없는 경우 정합 특성은 현저히 나빠진다. 이는 커플러에 의해 안테나 정합 특성이 크게 개선됨을 알 수 있다. 하지만 실제 제작된 안테나에서는 1 mm를 구부려야 하는 제작상의 어려움으로 2 mm 높이로 제작을 하였다.

그림 8. | Fig. 8. t_c 변화에 따른 반사손실 특성 | Return loss characteristic with respect to t_c variation.

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표 2는 최적화된 안테나의 설계 변수이다. 최적화된 설계 변수를 토대로 제작한 안테나의 사진은 그림 9에 나타내었으며, 안테나의 반사손실은 벡터 회로망 분석기를 이용하여 측정하였다.

그림 9. | Fig. 9. 제작된 안테나 사진 | Photograph of the manufactured antenna.

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그림 10은 최적화된 시뮬레이션 결과와 실제 제작된 안테나의 반사손실 결과를 나타내었다. 반사손실 특성은 전체적으로 시뮬레이션 결과와 유사한 특성을 보였다. 최적화된 안테나의 반사손실을 측정한 결과, 870～940 MHz의 대역폭을 가짐을 확인할 수 있었다.

그림 10. | Fig. 10. 최적화된 안테나의 반사손실 | Return loss of the optimized antenna.

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그림 11은 중심주파수인 915 MHz에서 zx 평면과 zy 평면의 복사패턴을 나타내었다. 계산된 중심주파수에서의 최대 이득은 7.88 dBi이며, 실제 측정한 안테나 이득은 7.75 dBi로 유사한 복사패턴을 가진다. 실제 측정은 MTG사의 무반사 챔버를 이용하였다. 그림 12는 최적화된 안테나의 전류밀도를 나타내었다. 기생 패치 끝부분에 전류가 강하게 흐르므로 기생 패치에 의해 추가공진이 발생하는 것을 알 수 있다.

그림 11. | Fig. 11. 915 MHz 복사패턴 | Radiation pattern at 915 MHz.

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그림 12. | Fig. 12. 최적화된 안테나의 전류밀도 | Current distribution of the optimized antenna.

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함수율에 따라 유전율 및 손실이 변화는 콘크리트 특성에 맞는 안테나 설계 조건이 필요하다.

그림 13은 가장 외부에 노출된 기생 패치에 콘크리트 매질이 근접할 시 반사손실 특성을 나타내었다. 콘크리트 유전율은 함수율 0.2 % 기준(${{\epsilon }^{\prime }}_r$ 4.5, ${{\epsilon }^{″}}_r$ 0.15)으로 실험을 진행하였고, 콘크리트판의 크기는 215×165×10 mm³이며, 안테나로부터 5 mm씩 늘이면서 진행하였다. 콘크리트가 안테나에 근접할수록 정합 특성이 떨어지며, 10 mm 이상 이격거리를 가질 때 정합 특성을 유지함을 알 수 있다. 이 실험을 통해 안테나의 복사특성을 확보하기 위해 케이스를 이용한 공기층의 두께를 결정할 수 있었다. 이격거리를 늘릴수록 정합 특성은 좋아지나 플라스틱 케이스크기가 늘어나 안테나가 너무 커지는 단점이 있다.

그림 13. | Fig. 13. 근접한 콘크리트판에 따른 반사손실 특성 | Return loss characteristic with respect to approximate concrete slab.

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그림 14는 플라스틱 케이스를 적용한 상태에서 콘크리트 두께에 따른 반사손실 특성을 나타내었다. 콘크리트 두께를 5mm씩 늘이면서 실험한 결과, 콘크리트 두께가 두꺼워질수록 정합 특성이 나빠진다. 이는 안테나가 콘크리트에 깊이 매립될수록 전기적인 특성과 복사특성이 열화될 수 있음을 의미한다. 그림 15는 실제 제작된 콘크리트 블록이다. 크기는 250×195×70 mm³이고 안테나 복사 면의 콘크리트 두께는 25 mm이다. 콘크리트 블록은 제작 후 약 10일간 건조시켜 함수율 0.2 % 구현하였고, 측정 후 2시간 물에 담가 놓은 후 물기를 말려 함수율 12 %를 구현하였다.

그림 14. | Fig. 14. 콘크리트 두께에 따른 반사손실 특성 | Return loss characteristic with respect to concrete thickness.

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그림 15. | Fig. 15. 제작된 콘크리트 블록 | Photograph of the manufactured concrete block.

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그림 16은 함수율(moisture content) 변화에 따른 실제 반사손실 특성을 나타내었다. 변하는 함수율에 의해 공진주파수가 낮은 주파수로 이동을 하고 대역폭이 좁아지지만 사용 대역폭 내에 공진이 존재하며, 정합 특성은 크게 열화되지 않는다.

그림 16. | Fig. 16. 함수율 변화에 따른 반사손실 특성 | Return loss characteristic with respect to moisture content.

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그림 17은 함수율 변화에 따른 915 MHz의 zx 평면 복사특성을 나타내었다. 함수율이 증가함에 유전체 손실 특성이 나빠지면서 복사특성에 많은 영향을 준다. 모의 실험결과와 약 2 dBi 이상 차이가 발생하는 이유는 정확한 함수율을 측정할 수 없어 생기는 편차로 해석이 된다.

그림 17. | Fig. 17. 함수율 변화에 따른 915 MHz 복사특성 | Radiation pattern at 915 MHz with respect to moisture content.

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