Ⅰ.서 론
산업화 이후 자동차는 우리 삶에 중요한 역할을 하며 그 증가세가 해를 거듭할수록 높아지고 있다. 국내 자동차 등록대수는 10년간 연평균 3%씩 증가되어 2016년 자동차 등록 대수는 2,180만대를 넘어 가구당 평균 0.98대의 자동차를 보유한 것으로 분석되었다(KOSIS, 2017). 이중 대도시의 자동차 증가는 교통 혼잡과 더불 어 주정차 문제로 도심 교통 혼잡을 발생시켰으며 이를 해소하기 위한 물리적 공간 확보는 현실적으로 어렵 다. Shin and Lee(2015)의 보고서에 의하면 주정차 문제를 해결하기 위한 방안으로 세계 각국에선 IT 기술과 접목시킨 스마트 파킹에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
스마트 파킹 기술은 실시간 주차정보 시스템을 기반으로 운전자가 신속하게 빈 주차장의 공간을 찾을 수 있도록 무선기술을 이용해 주차장 정보를 전송해주는 서비스이며 주차로 인한 시간 지연과 교통 혼잡 해소 에 기여할 수 있다(Gongjun et al., 2008).
국내의 경우 현재 상용화되어 공급중인 2.4 GHz 기반의 무선 주차정보수집 기술은 Zigbee 프로토콜 기반 으로 주로 실내 주차안내시스템에 사용되고 있다. 실내 주차면에 설치된 센서노드의 무선신호는 콘크리트 벽면에 의한 반사파 등으로 30 m 이상의 통신거리가 확보되나 실외의 경우 장애물의 영향으로 무선통신거 리가 20 m 이내로 줄어드는 문제점을 가지고 있다(JND, 2017). 이러한 현상은 기존 시스템을 실외 환경에 적 용할 경우 무선중계장치의 배치 밀도를 증가시키는 요인으로 작용하여 전체 시스템의 구축비용을 증가시키 는 문제점을 가지고 있다. 이에 실외 환경의 주차장관리시스템에 무선 통신을 적용하기 위해서는 전파 회절 특성이 좋은 UHF대역(중심주파수 447 MHz)을 사용하는 것이 적합하다.
일반적으로 실외 환경에서 사용되는 UHF대역의 대표적인 안테나로는 헬리컬 구조의 안테나와 디스콘 구 조 안테나 등이 있다. 헬리컬 구조의 경우 모노폴 안테나의 물리적 크기를 소형화하기 위해 고안된 구조로 원하는 주파수에서 동작하도록 길이와 회전수에 의해 조절된다. 하지만 실외 환경에서 사용 시 형태 변형에 따른 성능저하와 급전 케이블에 전류 누설이 발생하는 문제점으로 인해 접지면의 크기가 커야 케이블로 흐 르는 누설 전류를 막을 수 있다(Ripin et al., 2014). 디스콘 구조의 경우 원추형 모양에 원판을 설치한 구조로 주로 항공기 통신 및 전파 감시용으로 사용되는 안테나로 주파수 하향 시 안테나의 물리적 크기가 커지는 단점을 가지고 있어 주차면에 설치된 센서노드에 적용하기에는 불가능하다(YAN et al., 2010). 따라서 주차장 관리시스템용으로 사용될 안테나의 경우 무선중계장치 실장용 안테나와 센서노드 및 strop bar 내 실장이 가 능하도록 저자세를 유지하며 소형화에 용이한 마이크로스트립 안테나를 사용하는 것이 바람직하다.
본 논문에서는 실외 주차장 환경에서 무선통신을 이용한 주차장관리시스템용으로 사용될 안테나로 마이 크로스트립 안테나를 설계하였다. 우선 선행 연구되었던 기본형 반파장 마이크로스트립 안테나에 섭동효과 (perturbation effect)를 이용하여 중심주파수 447 MHz에서 동작하는 λ/4 폴디드된 마이크로스트립 안테나를 설계하였다(Song and Woo, 2003; Kim and Woo, 2012; Keum et al., 2016). 추가적으로 무급전 소자를 이용하 여 실외 무선중계장치와 지면에 설치되는 센서노드 및 strop bar에 실장이 용이하도록 안테나 소형화 특성을 확인하였으며, 최종적으로 Keum et al.(2016)이 설계한 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나의 방사소자보다 소 형화된 안테나를 설계하였다. 이들 설계과정 및 결과들에 대해 기술하고자 한다.
Ⅱ.본 론
1.λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나
<Fig. 1>에는 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나의 시뮬레이션 구조 및 제작된 안테나를 나타내었다. 설계 과정은 선행 연구된 Keum et al.(2016)을 참고하여 설계를 진행하였다. 기본형 반파장 마이크로스트립 안테나 의 방사소자에서 임피던스가 0인 지점을 접지(Ground)면에 접지(Short)하여 방사소자의 폭과 길이를 줄였으 며 섭동효과를 적용하여 접지되지 않은 방사소자 끝부분을 폴디드 구조로 변형시켜 소형화하였다. 접지면과 폴디드 방사소자의 간격 g1 = 2.0 mm에서 임피던스 정합이 되도록 설계하였다. 제작된 λ/4 폴디드 마이크로 스트립 안테나를 <Fig. 1(c)>에 나타내었고 안테나의 방사소자 크기는 55 mm(0.082λ) × 50 mm(0.075λ) × 20.1 mm(0.029λ)이며 기본형 반파장 마이크로스트립 안테나의 방사소자 크기는 309.1 mm(0.46λ) × 296.1 mm(0.441λ) × 20.1mm(0.029λ)로 두 안테나의 방사소자 크기를 비교하면 97% 소형화되었다.
<Fig. 2>에는 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나의 중심주파수 447 MHz에서 시뮬레이션과 측정된 방사패 턴을 나타내었다. <Fig. 2(a)>는 시뮬레이션 결과로 이득은 2.12 dBi이며 E-plane 방사패턴은 무지향성 패턴 특성을 얻었고 H-plane의 HPBW(Half Power Beam Width)는 95.2˚로 나타내었다. <Fig. 2(b)>는 제작 결과로 이 득은 1.8 dBi이며 E-plane 방사패턴은 시뮬레이션과 동일하게 무지향성 패턴 특성을 얻었고 H-plane의 HPBW 는 91.2˚로 나타내었다. -10 dB 대역폭의 경우 시뮬레이션 1.9 MHz, 제작 결과 2.4 MHz를 나타내고 있다.
2.무급전 소자를 이용한 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나 소형화 특성
마이크로스트립 안테나의 방사소자 크기를 변형하는 방법으로 섭동효과와 더불어 방사소자 사이에 무급 전 소자를 부가하여 패치면을 음각화하는 방법이 있다. 부가되는 무급전 소자는 섭동효과 원리와 같이 마이 크로스트립 안테나의 내부 전계 에너지 및 자계 에너지 부분에 변화를 주듯이 전류의 전기적 경로에 변화를 주기 때문이다(Moon et al., 2011).
<Fig. 3>은 설계된 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나에서 폴디드 된 지점에 무급전 소자를 장착하여 각 각의 공진주파수 특성을 나타내었다. <Fig. 3(a)>에는 무급전 소자를 장착한 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테 나의 측면 구조이다. 이때 무급전소자의 길이(Lpe)와 간격(dpe), 무급전 소자와 폴디드 된 안테나의 간격(g2)의 변화에 따른 특성을 시뮬레이션 하였다.
<Fig. 3(b)>는 무급전 소자의 길이(Lpe)에 따른 반사손실을 나타내고 있으며 간격(dpe)을 4 mm와 무급전 소 자와 폴디드 된 안테나의 간격(g2)을 2 mm로 고정시키고, Lpe를 2 ∼ 8 mm까지 2 mm 간격으로 증가시켰을 때 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나에 비해 공진주파수가 감소하는 것을 확인할 수 있다. <Fig. 3(c)>는 무 급전 소자의 간격(dpe)에 따른 반사손실을 나타내고 있으며 길이(Lpe)를 8 mm와 간격(g2)을 2 mm로 고정시키 고, dpe를 3 ~ 7mm까지 2 mm 간격으로 이격하였을 때 폴디드 된 면과 무급전 소자간의 간격이 좁을수록 공 진주파수가 감소하는 것을 확인할 수 있다. <Fig. 3(d)>는 무급전 소자와 폴디드 된 안테나의 간격(g2)에 따른 반사손실을 나타내고 있으며 길이(Lpe)를 8 mm와 간격(dpe)을 4 mm로 고정시키고, g2를 4 ∼ 8 mm까지 2 mm 간격으로 증가시켰을 때 무급전 소자와 폴디드 된 안테나의 간격이 가까워질수록 공진주파수가 감소하는 것 을 확인할 수 있다. 결과적으로 무급전 소자의 길이와 간격의 변화를 통해 섭동효과 증대 및 안테나 내부 전 기적 경로가 길어짐에 따라 공진주파수가 하향 특성을 얻었으며 최종적으로 설계주파수에서 안테나의 방사 소자 크기를 줄일 수 있다.
3.1단 무급전 소자를 부착한 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나
<Fig. 4>에는 1단 무급전 소자를 부착한 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나의 시뮬레이션 구조 및 제작된 안테나를 나타내었다. 무급전 소자에 따른 안테나 소형화 특성을 확인 후 최적화된 값으로 1단 무급전 소자 를 부착한 결과 접지면과 폴디드 방사소자의 간격 g1 = 2.0 mm, 무급전 소자와 폴디드 된 안테나의 간격 g2 = 2.0 mm, 무급전소자 길이 Lpe = 16.5 mm, 간격 dpe = 4.5 mm로 설계되었다. 제작된 안테나는 <Fig. 4(c)>에 나타내었고 안테나의 방사소자 크기는 45 mm(0.067λ) × 45 mm(0.0067λ) × 20.1 mm(0.029λ)로 λ/4 폴디드 마 이크로스트립 안테나 방사소자 크기 55 mm(0.082λ) × 50 mm(0.075λ) × 20.1 mm(0.029λ)와 비교하면 26.4% 소형화되었다.
<Fig. 5>에는 1단 무급전 소자를 부착한 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나의 중심주파수 447 MHz에서 시뮬레이션과 측정된 방사패턴을 나타내었다. <Fig. 5(a)>는 시뮬레이션 결과로 이득은 1.88 dBi이며 E-plane 방사패턴은 무지향성 패턴 특성을 얻었고 H-plane의 HPBW는 94.7˚로 나타내었다. <Fig. 5(b)>는 제작 결과로 이득은 1.44 dBi이며 E-plane 방사패턴은 시뮬레이션과 동일하게 무지향성 패턴 특성을 얻었고 H-plane의 HPBW는 89.5˚로 나타내었다. -10 dB 대역폭의 경우 시뮬레이션 1.33 MHz, 제작 결과 1.35 MHz를 나타내고 있다.
Ⅲ.제안된 주차장관리시스템용 안테나
<Fig. 6>에는 최종 설계된 주차장관리시스템용 안테나의 시뮬레이션 구조 및 제작된 안테나를 나타내었 다. 1단 무급전 소자를 부착한 안테나에서 방사소자를 소형화하기 위해 폴디드 된 방사소자 내부면에 Iris를 부착하여 무급전 소자를 2단으로 설계하였다. 설계된 안테나의 변수는 다음과 같다. 접지면과 폴디드 방사소 자의 간격 g1 = 2.0 mm, 무급전 소자와 폴디드 된 안테나의 간격 g2 = 2.0 mm, 무급전소자 길이 Lpe = 8 mm, 간격 dpe = 1.5 mm이며 방사소자의 소형화에 따른 임피던스 매칭을 위해 Feeding probe를 “–y” 방향으로 이 동하여 접지면에 접지된 면을 g3 만큼 개방하게 되었다. 개방된 g3 = 7.6 mm에서 양호하게 임피던스 정합이 되었다. 제작된 안테나는 <Fig. 6(c)>에 나타내었고 안테나의 방사소자 크기는 35 mm(0.052λ) × 35 mm(0.052 λ) × 20.1 mm(0.029λ)로 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나 방사소자 크기 55 mm(0.082λ) × 50 mm(0.075λ) × 20.1 mm(0.029λ)와 방사소자 크기를 비교하면 55.5% 소형화되었다.
<Fig. 7>에는 최종 설계된 주차장관리시스템용 안테나의 중심주파수 447 MHz에서 시뮬레이션과 측정된 방사패턴을 나타내었다. <Fig. 7(a)>는 시뮬레이션 결과로 이득은 1.53 dBi이며 E-plane 방사패턴은 무지향성 패턴 특성을 얻었고 H-plane의 HPBW는 94.2˚로 나타내었다. <Fig. 7(b)>는 제작 결과로 이득은 1.1 dBi이며 E-plane 방사패턴은 시뮬레이션과 동일하게 무지향성 패턴 특성을 얻었고 H-plane의 HPBW는 87.5˚로 나타내 었다. -10 dB 대역폭의 경우 시뮬레이션 0.9 MHz, 제작 결과 1.1 MHz를 나타내고 있다.
끝으로 <Table 1>에는 앞서 설계된 안테나들의 특성과 소형화율을 비교하여 나타내었다.
Ⅳ.결 론
본 논문에서는 실외 주차장 환경에서 무선통신을 이용한 주차장관리시스템용으로 사용 가능한 무급전 소 자를 이용한 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나는 기본형 반파장 마이크로 스 트립 안테나에 섭동효과를 적용하여 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나로 소형화 하였으며 안테나의 방사소 자를 추가 소형화하기 위해 무급전 소자를 이용하여 그 특성을 확인하였다.
최종 설계된 안테나는 폴디드 된 방사소자 내부면에 Iris를 부착하고 무급전 소자를 2단으로 설계하였다. 안테나의 방사소자 크기는 35 mm(0.052λ) × 35 mm(0.052λ) × 20.1 mm(0.029λ)로 기본형 반파장 마이크로스 트립 안테나 방사소자 크기 309.1 mm(0.46λ) × 296.1 mm(0.441λ) × 20.1mm(0.029λ)에 비해 98.7% 소형화되 었다. 제작된 안테나의 특성은 중심주파수 447 MHz에서 이득은 1.1 dBi이며, E-plane 방사패턴은 무지향성 패턴 특성을 얻었고 H-plane의 HPBW는 87.5˚로 나타내었다. -10 dB 대역폭의 경우 1.1 MHz를 나타내었다.
따라서 무급전 소자를 이용하여 소형화된 λ/4 폴디드 마이크로스트립 안테나는 실외 주차장 환경에서 무 선중계장치와 지면에 설치되는 센서노드 및 strop bar에 실장이 용이하도록 소형화된 안테나임을 확인하였다.
