Ⅰ서 론
현재 전 세계의 자동차는 계속해서 증가하고 있 으며 국내의 경우 등록된 자동차가 2100만대를 돌 파함으로서 세계 15번째로 차량이 많은 나라가 되 었다. 이러한 자동차의 증가로 도심 및 사람이 많이 몰리는 공공시설에서는 주차 공간 확보를 위해 주 차장 건설이 증대되고 있으며, 또한 효율적인 주차 관리 방법에 대해 연구되고 있다.
최근에는 빈 주차공간을 표시하는 스마트 주차 장으로 진화되어 건설되고 있다. 하지만 이러한 스 마트 주차장관리시스템은 유선통신망을 이용할 경 우 하드웨어적으로 통신망 설치에 어려운 경우가 많다. 반면 무선통신망을 이용할 경우에는 통신망 설치에 편의점이 많이 있다. 이때 사용주파수가 WLAN 대역일 경우 파장이 짧아 회절 특성이 좋지 못해 차량에 의한 전파음영영역이 많이 발생될 수 있다. 그러나 UHF대역(중심주파수 425 MHz)일 경 우 회절 특성이 좋아 이 주파수 대역이 스마트주차 장관리시스템용 주파수대로 바람직하다.
일반적인 UHF대역에서 사용되는 대표적인 안테 나로는 헬리컬 구조의 안테나와 블레이드 구조의 안테나 등이 있다[1-3]. 헬리컬 안테나의 경우 모노 폴 안테나를 소형화 시킨 구조로 접지면의 크기가 커야 급전 케이블로 흐르는 전류 누설을 막을 수 있다. 블레이드 구조의 안테나는 실외, 비행체 등에 서 자주 사용 되는 안테나로 복잡한 구조로 인해 제작비용이 많이 들게 된다. 따라서 저자세를 유지 하면서 방사패턴 및 임피던스 조절 특성이 우수한 폴디드 구조를 이용하여 소형화된 마이크로스트립 안테나가 주차장관리 시스템 기지국 안테나로 바람 직하다. 마이크로스트립안테나를 소형화하면 이득 특성이 나빠지게 되지만 주차장의 strop bar 및 시스 템의 레이돔 내부에 실장하기 위해서는 소형화 과 정이 필요하다.
본 논문에서는 스마트주차장관리 시스템 기지국 용 안테나로써 마이크로스트립 안테나를 채택하였 으며 이를 소형화시키기 위해 중심주파수 425 MHz 에서 섭동효과(perturbation effect)를 이용하여 소형 λ/4 폴디드된 마이크로스트립 안테나를 설계하였다 [4-7]. 이들 설계과정 및 결과들에 대해 기술하고자 한다.
Ⅱ본 론
1방사소자 폭이 축소된 마이크로스트립 안테나
<Fig. 1(a)>에는 기준으로 λ/2 마이크로스트립 패 치 안테나 구조 및 치수를 나타내었다. 중심주파수 425 MHz에서 방사소자 크기는 341.5 mm(0.48λ) × 312.2 mm(0.44λ) × 20 mm(0.028λ)를 나타내었다. 설계된 안테나는 공기층을 대신하여 styrofoam (ϵr = 1.06)을 유전체로 사용하였다. 이를 기준으로 안테나의 소형화를 위해, 먼저 방사소자의 폭이 축소 된 마이크로스트립 안테나를 설계하였고 그 구조를 <Fig. 1(b)>에 나타내었다. 안테나의 방사소자 크기는 50 mm(0.07λ) × 321.75 mm(0.45λ) × 20 mm(0.028λ) 를 나타내었다. 여기서 방사소자 폭을 줄이게 되면 특성임피던스가 감소하게 되므로 임피던스 정합을 위하여 안테나의 급전점을 방사소자의 중앙으로 이 동시켜 감소된 임피던스성분을 증가시켰다.
<Fig. 2>에는 설계된 방사소자의 폭이 축소된 마 이크로스트립 패치 안테나의 시뮬레이션된 S11을 나타내었다. 시뮬레이션된 -10 dB 대역폭은 4.9 MHz(1.15%)로 설계되었다.
<Fig. 3>에는 시뮬레이션된 방사패턴을 나타내 었다. 이득은 425 MHz에서 6.76 dBi를 얻었으며, 방 사패턴은 브로드 사이드 방사 패턴 특성을 나타내 었다. 기준 λ/2 마이크로스트립 안테나와 비교하여 방사소자의 면적이 약 85% 소형화 되었다. 여기서, 후방방사레벨은 접지면 크기에 의해 조절될 수 있다. 폭이 좁아졌기 때문에 HPBW(Half Power Beam Width)는 H-plane에서 118.7°로 E-plane의 66°보다 52.7° 넓게 나타났다.
2λ/2 폴디드 마이크로스트립 안테나
<Fig. 4>에는 폭이 좁아진 λ/2 폴디드 마이크로 스트립 패치 안테나에서 방사소자의 길이를 줄이기 위해 섭동효과(perturbation effect)를 적용시켜 방사 소자의 양쪽 개구를 폴디드 구조로 축소시키는 과 정을 나타내었다. 방사소자 폭이 축소된 마이크로 스트립 패치 안테나와 비교하기 위해 방사소자로부 터 접지면까지의 간격을 폭을 동일하게 42 mm로 유지하였고 방사소자 폭도 50 mm로 유지하였으며, 이때 방사소자 길이는 321.75 mm 에서 136.47 mm 로 57.6% 소형화 되었다. <Fig. 4(c)>에서 접지면과 폴디드 방사소자와의 간격 g1을 조정하여 임피던스 정합을 시켰다.
<Fig. 5>에는 g1이 1.9 mm 일 때 설계된 λ/2 폴디드 마이크로스트립 안테나의 시뮬레이션된 S11 을 나타내었다. 시뮬레이션된 -10 dB 대역폭은 4.52 MHz(1.06%)를 얻었다.
<Fig. 6>에는 시뮬레이션된 방사 패턴을 나타내 었으며 이득은 425 MHz에서 3.97 dBi, HPBW(Half Power Beam Width)는 E-plane, H-plane 에서 각각 99.7°, 114.2°를 나타내었다. 결과적으로 기본 λ/2 마 이크로스트립 안테나와 비교하여 방사소자의 면적 이 93.6% 소형화 효과를 얻었다.
3λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나
<Fig. 7>에는 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나 설계과정 및 제작된 안테나를 나타내었다. λ/2 폴디 드 마이크로스트립 안테나와 마찬가지로 방사소자 의 길이를 줄이기 위해 폴디드 구조를 적용하였다. 안테나 방사소자 크기는 50 mm(0.07λ) × 59.85 mm(0.085λ) × 20.1 mm(0.028λ)로 방사소자 폭을 50 mm로 동일하게 유지하였으며 이때 방소사자 길이 는 59.85 mm로 56.2% 축소하여 소형화 되었다. 접 지면과 폴디드 방사소자와의 간격 g1=2.07 mm에서 양호하게 임피던스 정합이 되었다. 제작된 안테나 를 <Fig. 7(c)>에 나타내었으며, 134 mm × 143.85 mm의 알루미늄 접지면 위에 설계 되었다. 방사소 자와 접지면 사이의 간격을 유지하기 위해 styrofoam(εr = 1.06)을 이용하여 제작하였다.
<Fig. 8>에는 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나 의 시뮬레이션 및 측정된 S11을 나타내었다. 시뮬 레이션 -10 dB 대역폭은 1.63 MHz(0.38%)로 설계되 었다. 측정된 안테나의 -10 dB 대역폭은 2.44 MHz(0.57%)을 나타내었다.
<Fig. 9>에는 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나 의 중심주파수 425 MHz에서 시뮬레이션과 측정된 방사패턴을 나타내었다. 이득은 1.64 dBi이고 E-plane 방사패턴은 무지향성 패턴 특성을 얻었으며 H-plane 방사패턴은 HPBW(Half Power Beam Width) 가 95.9°로 나타났다. 기준 λ/2 마이크로스트립 안테 나와 비교하여 방사소자가 97.2% 소형화 되었다. 측정된 방사패턴의 경우 E-plane 15°에서 최대치 1.82 dBi로 측정되었으며, 시뮬레이션된 방사패턴 특성과 일치하였다.
끝으로 <Table 1>에는 앞서 설계된 안테나들과 기본 λ/2 마이크로스트립 패치 안테나의 구조와 크 기, 소형화율을 비교하여 나타내었다.
Ⅴ결 론
본 논문에서는 425 MHz에서 스마트주차장 관리 시스템용 기지국 안테나로서 사용 가능한 소형 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 기본 마이크로스트립 패치 안테나의 폭을 줄이고 개구면 에 폴디드 구조를 적용하여 소형화 하였다. 최종적 으로 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나를 설계하 였다. 그 결과 제작된 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나의 측정된 -10 dB 대역폭은 1.63 MHz(0.38%) 를 얻었고 방사패턴은 E-plane의 경우 무지향성 패 턴 특성을 나타내었고 H-Plane의 경우 HPBW(Half Power Beam Width)가 95.9°를 나타내었다. 이득은 1.82 dBi를 얻었다.
따라서 설계된 안테나는 기본 마이크로스트립 패치 안테나와 비교해 97.2% 소형화되게 설계하였 으며, 주차장관리시스템 레이돔 내부에 실장이 용 이한 소형화된 안테나임을 확인하였다.
