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1 자체개발안테나교정방법 유효성확인연구

2 제출문 본보고서를 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 과제의최종보고서로제출합니다 연구책임자 : 박완기 ( 전파시험인증센터시험과 ) 연 구 원 : 박정규 ( 전파시험인증센터시험과 ) 김우년 ( 전파시험인증센터시험과 ) 서명원 ( 전파시험인증센터시험과 ) 곽영철 ( 전파시험인증센터시험과 ) 1

3 요약문 본보고서는 2011년에국립전파연구원에서새로이개발하여 IEEE에논문으로발표하고 CISPR에안테나교정방법으로제안한방법으로서국립전파연구원형안테나교정방법 (R-SAM) 의유효성을확인하였다. R-SAM은수신측의전기장에대한정보를통하여두개의안테나만을사용하여한번의설치로송신안테나의이득또는인자를측정하는방식이다. 수신측의전기장에대한정보는안테나인자를알고있는표준안테나또는기준안테나를필요로한다. 그에따라 NPL 계산형표준다이폴안테나를도입하였고표준시험장법으로측정한데이터를상호비교하여두결과가잘일치함을보였다. 3

4 SUMMARY In this report, a Radio Research Agency - Standard Antenna Method(R-SAM) is proposed. The main idea is that a information for electric field at receiving gives antenna gains of transmitting antenna. The existing Reference Antenna Method(RAM) or Standard Antenna Method(SAM) have to conduct two measurements with three antennas in order to yield antenna gains or factors. The R-SAM needs only one time measurement with two antennas to measure gains of Tx antenna. The standard antenna should be known for its antenna factors or should be possible to measure a electric field at receiving location. Basic formula for R-SAM from the electric field formula of Tx antenna are derived both in Free space and in Open Area Test Site(OATS) with a conducting plane. Measuring procedure is explained. Calibration results due to the proposed method and SSM are compared. Biconical, Bilog, LP and horn antenna, knowing its factors were used as the reference. They respectively measured the antenna factors of LP and biconical, bilog and horn antennas as AUC. The comparison results between the two methods show good agreement. 4

5 목 차 제 1 장서론 9 제2장국립전파연구원형표준안테나법 (R-SAM) 10 제1절안테나교정관련기본이론 10 제2절 R-SAM의교정이론 18 제3절표준안테나 21 제4절 R-SAM의적용 50 제3장측정 57 제1절표준시험장법에따른안테나교정서비스제공 57 제2절 R-SAM과표준시험장법에교정결과비교 60 제3절안테나교정국제표준문서제정 62 제 4 장맺음말 65 * 참고문헌 67 5

6 표목차 < 표 2-1> 다이폴소자의공진주파수에주파수대역 23 < 표 2> 이론값산출 25 < 표 2-3> NPL 표준안테나법에의한측정결과 50 < 표 3.4.1> EDmax와 20logD max 비교값 55 6

7 그림목차 < 그림 2-1-1> 면적 A를통과하는전자기파의전력 10 < 그림 2-1-2> 등방성안테나의단위입체각당방사전력 11 < 그림 2-1-3> 실제안테나의단위입체각당방사전력 11 < 그림 2-1-4> 송신안테나로부터생성되는전기장의세기 13 < 그림 2-1-5> 안테나인자의정의 14 < 그림 2-1-6> 안테나실효길이의정의 14 그림 <2-1-7> 안테나실효면적과포획되는전자기파전력 16 < 그림 2-2-1> 3-안테나법 ( 표준시험장법 ) 19 < 그림 2-2-2> 표준안테나법 ( 치환법 ) 19 < 그림 2-2-3> R-SAM의개념도 20 < 그림 2-3-1> NIST 표준다이폴안테나의구조 21 < 그림 2-3-2> 우리원에서보유하고있는 NIST 표준다이폴 21 < 그림 2-3-3> NIST 표준다이폴의 RF-DC 관계 22 < 그림 2-3-4> NPL 계산형표준다이폴안테나 23 < 그림 2-3-5> NPL 계산형표준다이폴안테나의구조 24 < 그림 2-3-6> 무한완전도체면위의두안테나에대한 2-포트모델 26 < 그림 2-3-7> NPL 계산형표준다이폴안테나의발룬구조 27 < 그림 2-3-8> 안테나인자의정의 28 < 그림 2-3-9> 표준안테나발룬실물과대응되는포트 > 30 < 그림 > S-파라미터측정할안테나부분 > 30 < 그림 > A 포트에연결된 Push-Fit 컨넥터 > 31 < 그림 > S 파라미터측정을위한구성 > 31 < 그림 > G 및 A 포트 S 파라미터측정을위한연결 33 < 그림 > A 및 B 포트의 S 파라미터측정을위한연결 34 < 그림 > 압축파일 CAP2010.zip의압축해제후생성된폴더 35 < 그림 > 실행프로그램 Calculable Antenna Processor 35 7

8 < 그림 > Calculable Antenna Processor 폴더내부 36 < 그림 > CapData 폴더내부 36 < 그림 > 발룬포트구분 37 < 그림 > 6003AG11.txt 파일내용 37 < 그림 > CAP2010의데이터처리구조 39 < 그림 > Pairs 폴더내의 6개의안테나쌍파일 40 < 그림 > Cap2010 실행화면 41 < 그림 > 측정할안테나쌍파일생성 41 < 그림 > 안테나쌍편집파일 42 < 그림 > 안테나쌍편집파일 43 < 그림 > 이론적인시험장감쇠량및안테나인자결과파일 43 < 그림 > 표준안테나법 ( 치환법, 비교법 ) 45 < 그림 > NPL의표준안테나법 46 < 그림 > NPL 안테나교정시험장 : 40 m 60 m 금속면 47 < 그림 > NPL 계산형표준안테나의설치 48 < 그림 > NPL 표준안테나의설치후 SIL 측정 48 < 그림 > NPL 표준안테나를우리원의안테나로치환설치 49 < 그림 > NPL 표준안테나와우리원안테나 SIL 측정 49 < 그림 2-4-1> 야외시험장에서 R-SAM 기하구조 53 < 그림 3-4-1> 3-안테나법 ( 표준시험장법 ) 54 < 그림 3-1-1> 바이코니칼안테나인자연간추이및평균값 58 < 그림 3-1-2> LP 안테나인자연간추이및평균값 58 < 그림 3-1-3> 바이로그안테나인자연간추이및평균값 59 < 그림 3-1-4> 혼안테나인자연간추이및평균값 59 < 그림 3-2-1> R-SAM 과표준시험장법비교결과 ( 바이코니컬및 LP) 60 < 그림 3-2-2> R-SAM과표준시험장법비교결과 ( 바이로그및혼 ) 61 < 그림 3-2-3> CISPR 제정의 CD표지 63 < 그림 3-2-4> 제정될 CISPR 의참고문헌에인용된 R-SAM 논문 64 8

9 제 1 장서론 본보고서에서우리원에서독자적으로개발한안테나교정방법의유효성을확인하였다. 그방법은표준안테나또는안테나인자를알고있는기준안테나를사용하는방법으로서 R-SAM이라명명하였다. Radio Research Agency Standard Antenna Method의첫글자의 R과 Standard Antenna Method의 SSM을결합하여 R-SAM 이다. 번역하자면 국립전파연구원형표준안테나법 이라할수있다. 이새로윤 R-SAM은송신용안테나와기준안테나 ( 또는표준안테나 ) 2개만을사용하여단한번의측정구성과측정으로안테나인자또는이득을측정하는획기적인방법이다. 이결과를 2012년 IEEE EMC 심포지움에발표하였고같은해에 CISPR 총회에우리나라의안테나교정법으로제안하였다. 그리고이방법의유효성과효율성을확인하기위하여 1년간기존의안테나교정서비스데이터를확보하고표준시험장법과결과를비교하여좋은일치를보인다는것을보여당장이라도교정서비스현장에투입할수있도록검증하였다. 또한그것의이론적인근거를굳건히하였으며, 상용하는안테나의인자값을이론값에소급할수있도록 NPL 계산형표준안테나를도입하였으다. 도입과정에서영국 NPL 현지에서 NPL의안테나교정기술을습득하였으며 NPL 안테나야외시험장에서 NPL 방법의측정결과와우리원의안테나야외시험장에서표준시험장법측정결과와훌륭하게일치함을확인하였다. 안테나에관한국제표준문서 CISPR 제정에있어서우리원의 R-SAM이국제적인안테나교정전문가들로부터인정받아그참고문헌에기재되는개가를올렸다. 또한 R-SAM을응용하여이동이불가능한토지에고정된통신용안테나이득측정방법을국내특허출원및 PCT에의한국제특허출원을하였다. 본보고서는 R-SAM의기본이론, NPL 표준안테나의도입, 1년간표준시험장법으로안테나인자를측정하여그평균값을기준값으로하는상용안테나로 R-SAM을측정하고표준시험장법으로측정한결과가잘일치함으로보였다. 9

10 제 2 장전파연구원형표준안테나법 (R-SAM) 제 1 절안테나교정관련기본이론 1. 포인팅백터 전자기파는포인팅 (Poynting) 백터로서다음과같은방정식으로전기장 E 또는자기장 H에의하여단위면적당전력 (W/m 2 ) 의에너지를전달한다. (2-1-1) 여기서 0 는자유공간의임피던스이다. A < 그림 2-1-1> 면적 A 를통과하는전자기파의전력 2. 안테나이득 1 등방성안테나의방사전력등방성안테나는사방으로같은크기의전력을방사한다. 입력전력을 P IN 이라하면특정방향으로입체각 당방사하는전력 P r 은어느방향이나단위입체각당 P IN /4 을방사한다. 즉, 모든방향에서다음과같다. 10

11 제 장전파연구원형표준안테나법 (2-1-2) < 그림 2-1-2> 등방성안테나의단위입체각당방사전력 2 실제안테나의방사전력실제안테나는이상적인등방성안테나와는달리모든방향으로같은크기의전력을방사하지않는다. 방향의함수로특정한방향 (, ) 방향에서입체각 에 P r (, ) 전력을방사한다. 단위입체각당방사전력은다음과같다. (2-1-3) < 그림 2-1-3> 실제안테나의단위입체각당방사전력 11

12 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 3 안테나이득의정의안테나이득 G(, ) 은등방성안테나의단위입체각당방사전력과실제안테나의최대방사전력방향에서단위입체각당방사전력의비로정의된다. 관계식 (2-1-2) 와 (2-1-3) 에서 G(, ) 는다음과같은수식으로나타내진다. (2-1-4) 3. 안테나이득과전기장관계 안테나이득의정의식 (2-1-4) 에서좌변을정리하여우변으로전개하고 (2-1-4) 를다시배열하면다음과같다. (2-1-5) 송신안테나를원점으로먼거리 r 에위치한입체각 를바라보는면적 S 는또한다음으로주어진다. (2-1-6) 관계식 (2-1-5) 의분모에각각 r 2 을곱하면 (2-1-7) 이된다. (2-1-7) 의좌변은단위면적당방사전력을의미하며이는 (2-1-1) 의전자기파의포인팅백터의크기와같다. 12

13 제 장전파연구원형표준안테나법 (2-1-8) 그러므로관계식 (2-1-7) 과 (2-1-8) 의가장우변의항을같게놓으면안테나에서방사하는전력및이득, 거리 r에서의전기장 E와의관계가다음과같이주어진다. (2-1-9) 송신안테나의방사전력을 P T 라하고이득을 G T 라표시하면안테나로부터직접파의거리 d 1 에서생성되는수신전기장 E r 은 < 그림 2-1-4> 에서와같이나타내진다. < 그림 2-1-4> 송신안테나로부터생성되는전기장의세기 4. 안테나인자 안테나인자 AF는전기장 E를계측하기위한안테나의변환인자로서안테나에입사되는전기장 E와안테나개방회로에유기되는전압 V의비로정의된다 (2-1-10) 13

14 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 그림 2-1-5> 안테나인자의정의 5. 안테나실효길이 안테나복사소자가전자기파에너지를유효하게복사하거나수신하여포획할수있는가의척도를나타내는안테나의특성으로서송신및수신의두가지경우에대하여다음과같다. 1 송신안테나의입장안테나의전류분포가 I(z)=I(0)sin[k(L/2- z )] (-L/2 z L/2) 일때급전부의전류 I(0) 에의하여일정하게분포되어있는가상적인길이 l eff 를말하며실제안테나및가상적인안테나에서거리 d인위치에서동일한전계강도 E를준다는조건하에서정의된다. < 그림 2-1-6> 에서실제안테나와가상적인안테나의전류분포에의한면적 S 1 과 S 2 는같은것으로정의된다. z=l/2 I(z)=I(0)sin[k(L/2- z )] L I(0) E l eff I(0) E z=-l/2 S 1 S 2 d < 그림 2-1-6> 안테나실효길이의정의 d 14

15 제 장전파연구원형표준안테나법 2 수신안테나의입장수신안테나의경우 < 그림 2-1-5> 에서보는바와같이실효길이는안테나에입사되는전계강도 E와안테나단자의개방회로전압 V의비율로다음과같이정의된다. (2-1-11) 6. 안테나인자와실효길이관계 관계식 (2-1-10) 과 (2-1-11) 에서그둘은역수의관계가있음을알수있다. 즉, (2-1-12) 이다. 여기서 db - m은 m 단위의거리를 db로표시하면서전력의단위 dbm 과혼동을방지하기위하여표시한기호이다. 7. 안테나실효면적 전자기파는포인팅백터형태로전력밀도를통하여에너지를전달함으로전자기파에너지를수신하여전달받는안테나는그전력밀도를전력으로전환하기위한가상적인수신단면적인존재한다고볼수있다. 이를안테나의실효단면적이라하고다음과같은관계로주어진다. (2-1-13) 15

16 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 I A Antenna 그림 <2-1-7> 안테나실효면적과포획되는전자기파전력 8. 안테나실효면적과실효길이의관계 안테나에입사되는전자기파의전력 P incident 는포인팅백터의크기 (2-1-1) 과실효단면적 A eff 의곱으로주어진다. (2-1-14) 한편, 그안테나에연결된회로의부하임피던스를 Z L 이라하고그양단의전압을 V라하면그수신전력 P receive 은다음과같다. (2-1-15) (2-1-14) 과 (2-1-15) 의두전력은같기때문에, P incident =P receive 놓고실효길이의정의 (2-1-11) 을이용하여그관계는다음과같이쓸수있다. (2-1-16) 16

17 제 장전파연구원형표준안테나법 (2-1-16) 은안테나에걸리는부하임피던스 Z L 이자유공간임피던스 와같으면실효길이의제곱즉, 실효길이를정사각형으로하는면적이실효면적과같음을의미한다. 9. 안테나인자와이득과의관계 안테나인자와이득은상호변환관계가존재한다. 실효면적및실효길이관계식 (2-1-16) 과실효면적과안테나이득과의관계식 (2-1-13) 그리고실효길이와안테나인자와의관계식 (2-1-12) 를사용하여정리하고선형및데시벨단위로표시하면다음과같다. (2-1-17) Z L =50 시스템에서MHz단위의주파수 f MHz로 (2-1-17) 을다음식과같이다시쓰면일반적인안테나교정조건에서안테나인자와이득과의관계가주어진다. 여기서파장 는광속 c와주파수 f로 = c/f = 300/f MHz이다. (2-1-18) 17

18 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 제 2 절 R-SAM 의교정이론 1. R-SAM 의개념 안테나로부터방사되는전기장의관계식 (2-1-9) 를고려해보자. 송신측과수신측을명확히구분하기위하여다음과같이쓴다. (2-2-1) 방정식 (2-2-1) 은 < 그림 2-1-4> 의이득이 G T 이고출력전력이 P T 인전송안테나로부터거리 d 1 인지점에서전기장 E의세기를나타낸다. 식 (2-2-1) 을 G T 에대하여표시하면 (2-2-2) 방정식 (2-2-2) 는송신안테나로부터거리 d 1 인지점에서전기장 E R 에대한정보를알수있으면송신측의출력전력 P T 를측정함으로써송신안테나의이득 G T 를결정할수있음을뜻한다. 이는기존의안테나교정기술이반드시 3개의안테나를필요로하며, < 그림 2-2-1> 의 3-안테나법또는표준시험장법, < 그림 2-2-2> 의표준안테나법과같이측정과정을 3번또는 2번을거쳐야했지만, < 그림 2-2-3> 에서보는바와같이거리 d 1 인지점에서전기장을결정할수있는표준안테나를이용한다면교정대상안테나를송신측에놓음으로써 2개의안테나만을사용하여 1번의측정을통하여방정식 (2-2-2) 로부터송신안테나의이득을측정할수있다. 안테나인자와이득과의관계식 (2-1-17) 을 (2-2-2) 에대입함으로써송신안테나의인자를교정할수있다. 18

19 제 장전파연구원형표준안테나법 (2-2-3) < 그림 2-2-1> 3- 안테나법 ( 표준시험장법 ) < 그림 2-2-2> 표준안테나법 ( 치환법 ) 19

20 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 그림 2-2-3> R-SAM 의개념도 2. 수신측전기장 E R 의결정 수신측의전기장의세기는특성, 즉안테나인자나실효길이를알고있는표준안테나를이용한다. 현재세계적으로주파수대역 30MHz - 1GHz대역에서표준안테나가개발되었는데, 미국 NIST의수신전용표준다이폴안테나는발룬의 RF와 DC 변환특성과실효길이가이론적으로계산되어방정식 (2-1-11) 의정의에따라수신전압을측정하여수신측의전기장 E R 을결정할수있다. (2-2-4) 영국 NPL의계산가능표준다이폴안테나는발룬의특성에의해이론적으로안테나인자를계산할수가있으며, 안테나인자의정의식 (2-1-10) 에따르면 E R = AF R V R 로서수신안테나의안테나인자 AF R 를알고있는안테나로부터수신전압 V R 을측정함으로써그수신점 d 1 에서전기장 E R 을결정할수가있다. 20

21 제 장전파연구원형표준안테나법 제 3 절표준안테나 1. NIST 형수신전용표준안테나 NIST 다이폴안테나 (NIST type Diode Loaded Dipole Antenna) 는수신전용으로미국의 NIST에서개발된것을원형으로한다. 다이오드검파식으로고임피던스이며주파수범위는 25 MHz - 1 GHz이다. 그구조는 < 그림 2-3-1> 에서보는바와같다. 다이폴헤드의 RF-DC 선형관계를결정하고안테나의출력 DC전압 V DC 을측정하여방정식 (2-2-4) 아래식의실효길이 L eff 을계산하면수신점의전계강도는 (2-2-4) 윗식에따라전계강도가결정된다. < 그림 2-3-1> NIST 표준다이폴안테나의구조 < 그림 2-3-2> 우리원에서보유하고있는 NIST 표준다이폴 21

22 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 NIST는임피던스가매우높기때문에접지평면영향을받지않으며안테나소자에유기된고주파전압은다이오드로정류되고직류전압으로변환됨으로안테나출력은직류전압이된다. 다이폴발룬의다이오드에서정류된직류전압인 V DC 를측정하는것이기때문에 V DC 와 V RF 의정확하게알기위하여다이폴헤드의교정이필요하다. 이러한다이폴헤드의교정을통하여측정의소급성을유지하게된다. 안테나의소자를제외하고검파회로부분에 180도하이브리드지그를끼워정확히교정된신호발생기에서 RF 신호를보내어다이오드에서정류된 V DC 를고임피던스직류전압계로측정함으로써 V DC 와 V rf 의상관관계를알아낼수있다. 다이폴헤드의교정주파수는 50 MHz에서실시하는데이러한교정결과를다른주파수에적용하여도된다. < 그림 2-3-3> 은다이폴헤드의교정결과를보여주는그래프이다. V DC 를기준으로약 0.2 V에서 1.75 V 사이에서 V rf 와선형적인관계가주어지며측정데이터를선형 fitting을시키면다음과같은관계식이얻어진다. (2-3-1) 1.2 Vrf Vdc < 그림 2-3-3> NIST 표준다이폴의 RF-DC 관계 2. NPL 계산형표준안테나 NPL형안테나의핵심구조는 NEC에의하여수치적으로계산된다이폴 소자와 180 하이브리드커플러를가진발룬으로구성된다. 2012년도 NPL 로부터도입한 계산형표준다이폴안테나는 < 그림 2-3-4> 에서보는바와 같다. 22

23 제 장전파연구원형표준안테나법 < 그림 2-3-4> NPL 계산형표준다이폴안테나 다이폴소자다이폴소자는 Push-Fit 컨넥터가발룬에연결되도록안테나중앙앞면에구멍이뚫린유전체지지대에꽉들어맞게끔설계되었으며시험장의등가 2-포트회로망을결정하도록 NEC로계산하여모델화하여제작되었다. 그모델은시험장의접지평면이무한대이며완전도체로간주하여계산하였다. 소자는 4개의공진소자로각각광대역특성을가지고 < 표 2-1> 과같은주파수대역에서작동한다. < 표 2-1> 다이폴소자의공진주파수에주파수대역 공진주파수 ( MHz ) 주파수대역 ( MHz ) ~ ~ ~ ~

24 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 1. 다이폴소자 2. 유전체로된안테나지지대 3. Push-Fit RF 컨넥터 4. 위상이정합된 50 Ω 반강체형동축케이블 5. 정합패드 6. 1 과직교하는하이브리드커플러 7. N 타입컨넥터 Ω 종단 < 그림 2-3-5> NPL 계산형표준다이폴안테나의구조 발룬 < 그림 2-3-5> 는다이폴발룬의구조를보여준다. 다이폴소자가장착되며 Push-Fit 컨넥터가발룬과연결될수있도록안테나중심부에홈이파여진유전체지지대가있다. 발룬은 30 MHz - 1 GHz범위에서위상평형도가 1.5 보다좋고진폭평형도가 0.2 db보다좋은 180 하이브로드결합기로구성된다. 하이브리드의합 ( ) 포트는 50 Ω 부하로종단되어있으며두개의각평형포트는정합패드와연결되어있다. 저항이 50 Ω인두개의반강체형동축케이블은위상이 1 이내로정합되어있으며다이폴소자와하이브리드를연결하는역할을한다. 다이폴끝부분에는이러한동축케이블을차폐하도록전기적으로서로연결되어있다. 발룬은복소 S-파라미터를네트워크분석기를사용하여자동적으로쉽게측정할수있도록설계되었으며또한시험장측정에서안테나를다시배치하지않고도안테나소자를재빠르게교체할수있도록설계되었다. 24

25 제 장전파연구원형표준안테나법 시험장감쇠량및안테나인자의이론값무한평면의완전도체위에서두안테나의 1발룬특성과 2전송안테나의복소입력임피던스, 수신안테나에유기되는전류및복소입력임피던스를알면안테나사이의삽입손실즉시험장감쇠량을이론적으로계산할수가있다. 이렇게계산된시험장감쇠량은이상적인것으로서기준값이된다. 발룬의특성은그 S-파라미터를직접측정해야하고안테나의입력임피던스및전류는시험장의무한평면완전도체의조건에따라전자파수치해석기법의일종인모멘트법을이용하는 NEC에의하여계산된다. < 표 2-2> 이론값산출 시험장감쇠량및표준안테나의이상적인이론값산출 소프트웨어 CAP 2010 구동 ( 측정값입력 ) ( 주파수, 거리, 높이입력 ) 발룬특성측정 ( 송신및수신안테나발룬의 S 파라미터 ) S 파라미터측정 S, S, S, S, S, S, S, S, S S 파라미터는 6 개월에한번측정하여적용한다. NEC 에의한수치해석 무한면완전도체위의송신및수신안테나의복소입력임피던스및전류계산 Z IN1 : 송신안테나입력임피던스 Z IN2 : 수신안테나입력임피던스 I LD : 수신안테나에유도되는복소전류 복소임피던스및복소전류의계산은운용소프트웨어 CAP2010 에서안테나의거리및높이를입력하여계산 25

26 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 이론 1 ( 무한면완전도체위에서이상적인시험장감쇠량 ) 무한평면의완전도체위에놓인두안테나에대한 2-포트이론은 < 그림 2-3-6> 과같은구조에서전개된다. 송신및수신안테나사이의시험장감쇠량, 즉삽입손실 SIL은 L, M, N 파라미터라는양으로다음과같은방정식 (2-3-2) 에의해서주어진다. < 그림 2-3-6> 무한완전도체면위의두안테나에대한 2- 포트모델 (2-3-2) < 그림 2-3-7> 에서보여주는안테나발룬구조에서 L 및 N 파라미터는각각송신안테나및수신안테나발룬의 S 파라미터를측정하여얻어진다. L 파라미터는송신안테나 S파라미터사이의관계식으로서다음과같은방정식 (2-3-3) 에서정의되며, N 파라미터는수신안테나의 S 파라미터사이의관계로서방정식 (2-3-4) 와같이정의된다. 26

27 제 장전파연구원형표준안테나법 G A B < 그림 2-3-7> NPL 계산형표준다이폴안테나의발룬구조 (2-3-3) 여기서 S ij (i, j =,, ) 는송신안테나의 S 파라미터이다. (2-3-4) 또한여기서 S ij (i, j = G, A, B) 는수신안테나의 S 파라미터이다. 다이폴소자는 31개의선분을가진와이어로모델화되었으며, 1 V 신호원이전송와이어의중심에인가된다. NEC는전송안테나의입력임피던스 Z IN1 을계산하고수신안테나의 100 로드에서입력임피던스 Z IN1 및복소전류 I LD 를계산한다. 이것으로부터 M 파라미터는다음방정식 (2-3-5) 로주어진다. 27

28 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 (2-3-5) 방정식 (2-3-3), (2-3-4) 및 (2-3-5) 를방정식 (2-3-2) 에대입함으로써이론적인삽입손실 SIL을얻을수있으며이계산은소프트웨어 CAP2010이수행한다. 이론 2 ( 안테나인자의이론값 ) 안테나인자는안테나의고유성능을나타내는파라미터로서 < 그림 2-3-8> 과같이입사되는전기장 E와안테나에유기되는전압 V의비율로다음과같이정의된다. (2-3-6) < 그림 2-3-8> 안테나인자의정의 28

29 제 장전파연구원형표준안테나법 송신및수신안테나의안테나인자가각각 AF Tx 와 AF Rx 일때그사이의삽입손실을 SIL이라하면안테나인자방정식은다음과같다. (2-3-7) 여기서 f MHz는MHz단위로표시된주파수이고 d는 m 단위의안테나사이의거리이다. 방정식 (2-3-7) 에서송신안테나와수신안테나가완전히동일하면, 즉, AF Tx = AF Rx 이면두안테나사이의삽입손실 SIL 값으로다음과같이안테나인자가주어진다. (2-3-8) NPL의계산형표준안테나는무한평면완전도체위에서삽입손실을방정식 (2-3-2) 에의해서계산하고송신및수신안테나는 0.06 db이내로동등성을갖고있기때문에두안테나를동등한안테나로취급할수있다. 그러므로방정식 NPL의계산형표준안테나의이론적인안테나인자를계산할수있으며이과정은운용소프트웨어 CAP 2010이수행한다. 발룬의 S-파라미터측정절차발룬의 S-파라미터는네트워크분석기를이용하여측정한다. NPL 계산형표준다이폴안테나의실제발룬의네부모습은 < 그림 2-3-9> 에서볼수있다. < 그림 2-3-9> 은발룬실물이지만 S-파라미터의측정은안테나소자가제거된 < 그림 > 의상태로측정한다. G 포트와 A 및 B 포트사이의길이는약 1.5m 이다. A 및 B 포트의연결을위해서는 Push-Fit 컨넥터라는특수한컨넥터가필요하다. Push-Fit 컨넥터는그림 9에서볼수있다. < 그림 > 는 A 및 B 포트에 Push-Fit 컨넥터를이용하여네트워크분석기와연결하여 S-파라미터를측정하도록구성되었다. S 파라미터측정을위한전체구성사진은 < 그림 > 에서볼수있다. 29

30 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 G A B < 그림 2-3-9> 표준안테나발룬실물과대응되는포트 > 1.5m G A B < 그림 > S- 파라미터측정할안테나부분 > 30

31 제 장전파연구원형표준안테나법 Push-Fit 컨넥터 < 그림 > A 포트에연결된 Push-Fit 컨넥터 > 네트워크분석기 표준안테나 연결케이블 < 그림 > S 파라미터측정을위한구성 > 31

32 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 측정절차 > 필요장비 - 네트워크분석기 - Cal Kit - 50 로드 - 케이블 - 컨넥터 : N 타입, SMA 타입, Push-Fit 컨넥터 절차 1 측정에필요한위의장비들을준비한다. 2 네트워크분석기를충분히예열하고아래와같은측정조건을세팅한후두개의주파수대역에대해 Full Two Port 캘리브레이션을실시하고그캘리브레이션데이터를저장한다. - 주파수스팬 : 1) 20 MHz ~ 320 MHz 2) 320MHz ~ 1020 MHz - IF 대역폭 : 500 Hz이하 - Number of Point : 1) 301 (1 MHz스텝, 20 MHz ~ 320 MHz ) 2) 351 (2 MHz스텝, 320 MHz ~ 1020 MHz ) - 출력전력 : 0 dbm - 스윕타임 : 자동 3 G-A 포트에대한 S 파라미터측정 - 측정량 : S GG, S GA, S AG, S AA - B 포트에 Push-Fit 컨넥터를달고 50 로드를연결한다. - G 포트에네트워크포트에연결된케이블을연결한다. - A 포트에 Push-Fit 컨넥터를달고네트워크포트에연결된케이블을연결한다. - 먼저 20 MHz ~ 320 MHz대역에대해 S GG S AG S GA S AA 순으로측정한다. 측정데이터를확장자가 csv인파일로저장한다. 파일이름은 S GG 의측정에대하여 LFS11AG, S AG 의경우는 LFS21AG, S GA 의경우는 LFS12AG, S AA 의경우는 LFS22AG로한다. 32

33 제 장전파연구원형표준안테나법 측정은위의순서를반드시지킬필요는없다. - 그다음 320 MHz ~ 1020 MHz대역에대해 S GG S AG S GA S AA 순으로측정한다. 측정데이터를확장자가 csv인파일로저장한다. 파일이름은 S GG 의측정에대하여 HFS11AG, S AG 의경우는 HFS21AG, S GA 의경우는 HFS12AG, S AA 의경우는 HFS22AG로한다. 네트워크분석기 :G 포트 네트워크분석기 :A포트 B 포트 : 50 로드 G-포트에네트워크분석기와케이블로연결 A-포트에 Push-Fit 컨넥터및네트워크케이블연결 B-포트에 Push-Fit 컨넥터및 50 로드연결 < 그림 > G 및 A 포트 S 파라미터측정을위한연결 4 G-B 포트에대한 S 파라미터측정 : 측정절차는절차 3과동일 - 측정량 : S GG, S GB, S BG, S BB - 저장할파일이름는 20 MHz ~ 320 MHz대역에대해 S GG 의측정은 LFS11BG로 S GB 는 LFS12BG, S BG 의경우는 LFS21BG, S BB 의경우는 LFS22BG로한다. 320 MHz ~ 1020 MHz대역에대해위의파일이름에서 L을 H로바꾼이름을사용한다. 5 A-B포트에대한 S 파라미터측정 - 측정량 : S AA, S AB, S BA, S BB - G 포트에 50 로드를연결한다. - A 및 B 포트각각에 Push-Fit 컨넥터를달고네트워크포트에연결된케이블을연결한다. 33

34 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 - 먼저 20 MHz ~ 320 MHz대역에대해 S AA S AB S BA S BB 순으로측정하고파일명은 S AA 의측정에대하여 LFS11AB, S AB 의경우는 LFS12AB, S BA 의경우는 LFS21AB, S BB 는 LFS22AB로한다. - 그다음 320 MHz ~ 1020 MHz대역측정후파일명은위의파일이름에서 L을 H로바꾸어저장한다. 네트워크 분석기 G- 포트에 50 로드연결 A 및 B 포트에 Push-Fit 컨넥터를달고네트어크쪽케이블연결 < 그림 > A 및 B 포트의 S 파라미터측정을위한연결 운용소프트웨어 CAP 2010 및측정데이터의처리 NPL형표준다이폴의이론적인시험장감쇠량과안테나인자의계산은발룬의 S-파라미터의측정값을적용하여소프트웨어 CAP 2010을실행하여산출한다. CAP 2010은안테나의입력임피던스와전류를계산하는 NEC와연동되어구동된다. 그러므로 S-파라미터데이터를처리하고 CAP 2010을운용하여원하는조건의삽입손실및안테나인자를얻어낸다. < 설치 > 1 CAP2010.zip 파일을임의의폴더에압축을해제한다. 2 setup.exe 파일을클릭하여소프트웨어을설치한다. 3 소프트웨어를설치하면 Program Files 폴더안에 Calculable Antenna Processor 라는폴더와윈도우하단시작탭의프로그램에 Calculable Antenna Processor 라는실행프로그램이생성되며 C 드라이브루트에 CapData 폴더가만들어진다. 34

35 제 장전파연구원형표준안테나법 4 Calculable Antenna Processor 라는폴더는실행프로그램이며모든데이터처리는 CapData 폴더에서이루어진다. < 그림 > 압축파일 CAP2010.zip 의압축해제후생성된폴더 < 그림 > 실행프로그램 Calculable Antenna Processor 35

36 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 Cap2010 EMTP Solution 을더블클릭하면프로그램이실행된다. < 그림 > Calculable Antenna Processor 폴더내부 발룬의 S- 파라미터측정데이터는 Baluns 폴더에서처리해야한다. < 그림 > CapData 폴더내부 <S- 파라미터측정데이터처리 > 1 CAP 2010을처음설치하면 C:\CapData\Baluns\Three Port 폴더에 6003.bal, 6003AB11.txt, 6003AG11.txt, 6003BG11.txt가생성된다. 36

37 제 장전파연구원형표준안테나법 2 파일 6003AB11.txt, 6003AG11.txt, 6003BG11.txt에송신안테나의 S- 파라미터가저장되어야하며, 송신및수신안테나가완전히동등하면위의세개의파일만으로도충분하다. 수신안테나의 S-파라미터는파일 6004AB11.txt, 6004AG11.txt, 6004BG11.txt를만들어저장해야한다. 3 S-파라미터가저장되는파일명에서 AB, AG, BG는편의상발룬의세포트를그림 17과같이구분하여정의한것이다. 예를들어, 송신안테나의발룬에서 G포트를 50 으로종단하고포트 A-B사이에 S-파라미터를측정하여 6003AB11.txt에저장한다. G A B < 그림 > 발룬포트구분 4 발룬의 S-파라미터를측정한데이터는그림 18과같은데이터구조를가진 txt 파일로서 6003AB11.txt를만들어야한다. 이런형식이 CAP 2010에서정상적으로구동하기때문이다. < 그림 > 6003AG11.txt 파일내용 37

38 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 AB11.txt 만들기 - C:\CapData\Baluns\Three Port 폴더에 ABTX, AGTX, BGTX라는폴더를만든다. - ABTX 폴더에송신안테나에대한 S-파라미터측정데이터이름에 AB가포함된파일 (LFS11AB, LFS12AB, LFS21AB, LFS22AB, HFS11AB, HFS12AB, HFS21AB, HFS22AB) 를저장한다. - 엑셀을구동하고 열기 탭에서 모든파일 을선택하고 C:\CapData\Baluns\Three Port에있는최초에기본으로생성된 txt 파일 6003AB11.txt를연다. - ABTX에저장된파일을열고그데이터를엑셀로열려있는 6003AB11.txt 내부의순서와양식에맞도록복사하고저장한다. - 복사순서는 (LFS11AB, HFS11AB) (LFS21AB, HFS21AB) (LFS22AB, HFS22AB) (LFS12AB HFS12AB) 으로하면편리하다 AG11.txt, 6003BG11.txt 및 6004AG11.txt, 6003AG11.txt, 6004BG11.txt 파일도 5와같은방식으로만든다. 수신안테나발룬을측정한데이터는 ABRX, AGRX, BGRX 폴더를만들어저장하여같은방식으로처리한다. 7 C:\CapData\Baluns\Three Port 폴더에있는 6003.bal은다음과같이편집한다. 6003AB11.txt 6003AG11.txt 6003BG11.txt 8 C:\CapData\Baluns\Three Port 폴더에있는 6004.bal은다음과같이편집하여새로만들어저장한다. 6004AB11.txt 6004AG11.txt 6004BG11.txt 38

39 제 장전파연구원형표준안테나법 Pairs 폴더의파일 - Antennas 및 Baluns 폴더내의파일링크 - 각소자의동작주파수정의 필요한안테나쌍파일선택또는생성 안테나인자산출 Antennas 폴더파일 - 안테나기하구조정의 - 와이어정의에대한 NEC 형식의문법사용 Baluns 폴더의파일 - 측정된 S 파라미터입력 - 발룬 3 개의포트쌍 - S 파라미터실수및허수값포함 CAP2010 실행화면파라미터입력 - 주파수범위 - 송신및수신안테나높이 - 이격거리및편파 ( 수직 / 수평 ) - 자유공간또는완전도체면 시험장감쇠량산출 < 그림 > CAP2010 의데이터처리구조 1 Pairs 폴더에는기본적으로아래와같은 6개의안테나쌍에대한양식을파일로제공한다 NPL Calculable Dipoles - Four NPL Calculable BB Dipoles - NPL Calculable Biconicals - Two UBA 9116 Biconicals - Two UPA 9116 Log-Periodic Dipole Antennas - UBA 9116 Calculable Biconicals 이파일들의목록은 Pairsindex.txt 파일에기록되어있다. 39

40 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 그림 > Pairs 폴더내의 6 개의안테나쌍파일 2 Pairs 폴더안의해당되는안테나는측정을위해새로운파일을만들어야한다. 여기에서국립전파연구원에도입되는안테나는 4개의소자를가진 Four NPL Calculable BB Dipoles이기때문에이파일에맞는양식의파일을생성해야한다. 3 새로운안테나쌍에대한파일을만들기위해서그림 20의 CAP2010 실행화면의 Control 탭에서 Antenna Pairs File의하단부에서 Four NPL Calculable BB Dipoles 을선택하여 Create Antenna Pairs File 탭을클릭한다. 4 그러면그림 21과같이 Create Pair File이라는대화상자하단부파란색부분에 6003&6004.Bal라고입력한후하단의 Edit File 단추를클릭한다. 40

41 제 장전파연구원형표준안테나법 < 그림 > Cap2010 실행화면 < 그림 > 측정할안테나쌍파일생성 41

42 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 그림 > 안테나쌍편집파일 5 그 Edit File 단추를클릭하면 < 그림 > 와같이편집용 Txt 파일이화면에나타난다. 이때, 파일의내용을다음과같이수정하고저장한다. Transmit Balun File : CHD497.Bal Transmit Balun File : 6003.Bal Receive Balun File : CHD497.Bal Receive Balun File : 6004.Bal 파일내용에서위의작업을 60MHz, 180MHz, 400MHz및 700MHz모두변경해야한다. 그러면 Pairs 폴더에 6003&6004.Bal.Txt라는 Txt 파일이생성되고 Pairsindex.txt 파일내용에 6003&6004.Bal.Txt 라는기록이생긴다. < 프로그램실행 > 1 < 그림 > 의실행화면에서 Frequncy Range( 시작, 끝. 스탭주파수 ), Receve Antenna( 높이, 스캔시작및종료높이 ), Transmit Antenna( 높이 ), Polarisation( 수평, 수직 ), Ground Plane( 자유공간, 완전도체 ) 및 Antenna Separation 등을설정한다. 42

43 제 장전파연구원형표준안테나법 2 < 그림 > 의실행화면에서좌측하단의 Estimate Time 버튼을누르면그림 23과같은화면이뜨고좌측하단의 Proceed 버튼을누르면이론적인시험장감쇠량및안테나인자의결과값이기록된 Txt파일이 < 그림 > 과같이화면상에나타난다. 이파일은 C:\CapData\WorkSpace 폴더에자동으로저장된다. < 그림 > 안테나쌍편집파일 < 그림 > 이론적인시험장감쇠량및안테나인자결과파일 43

44 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 o 표준안테나법 ( 치환법 ) 안테나인자를측정하기위한표준안테나법은특성을알고있는표준안테나를기준으로대상안테나와상대비교를통하여그안테나인자를측정하는치환법또는비교법이다. 표준안테나의특성을이용하여수신측의전기장을결정한다. 그기본적인안테나측정구성은 < 그림 > 에서보여준다. 이방법은전송안테나로부터안정되고세기가일정한전력을출력해야하며표준안테나가측정했던똑같은위치에교정대상안테나가치환되어야한다. 현재, 30MHz ~ 1GHz대역정도를측정할수있도록개발된표준안테나는다이오드발룬을가진 NIST형과하이브리드발룬을가진 NPL형이있다. NIST형은발룬의 RF-DC 및소자의유효길이를측정하며 NPL형은발룬의 S파라미터를측정한다. 수신측의전기장은각각다음과같이주어진다. (NIST 형 ) (NPL 형 ) (2-3-9) 여기서, a 및 b는 RF-DC 계수이고 V DC 는 NIST 안테나가측정한 DC 전압이며 L eff 는소자의유효길이이다. AF 0 는 NPL 안테나의계산된안테나인자, V 0 는 NPL 안테나가측정한전압이다. 교정대상안테나같은위치에서측정한전압을 V라하면안테나인자의정의에따라교정대상안테나의인자는다음과같이주어진다. (NIST형) (NPL 형 : db단위 ) (2-3-10) 44

45 제 장전파연구원형표준안테나법 치환 < 그림 > 표준안테나법 ( 치환법, 비교법 ) o NPL 계산형표준안테나를이용한교정 NPL 계산형표준안테나는이론적인안테나인자를알고있기때문에기본적으로그림 25의표준안테나법으로교정대상안테나 (AUC : Antenna Under Calibration) 의인자를측정한다. 계산형표준안테나에대하여안테나사이의이격거리와송신및수신안테나의높이등을입력하여프로그램 CAP2010를구동하면dB단위의이론적인시험장감쇠량 (SIL 이론 ) 및안테나인자 (AF 0 ) 를얻는다. 두개의표준안테나를실제의안테나시험장에서같은거리및높이로설치하고표준안테나사이의실제감쇠량 (SIL 0 ) 을측정한다. 이값이이론적인시험장감쇠량과같으면그때의안테나의위치가교정의기준이되며, 만일실제감쇠량과이론적인시험장감쇠량의차이가있으면송신안테나높이를조정하여감쇠량값이일치하는높이를찾는다. 이론감쇠량과실제감쇠량이같아지는높이에서표준수신안테나를교정대상안테나로치환하여그사이의감쇠량 (SIL AUC ) 을측정한다. 교정대상안테나의안테나인자는방정식 (2-3-10) 에서전압차 (V 0 - V) 가감쇠량의차 (SIL 0 - SIL AUC ) 로방정식 (2-3-11) 으로대체된다. ( db단위 ) (2-3-11) 45

46 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 그림 > NPL 의표준안테나법 < 교정절차 > - 장비 : 동등한 NPL 계산형표준안테나 2조, 네트워크분석기, 10dB감쇠기 2조, 충분한길이의케이블 - 이론 SIL과실제 SIL이일치하는안테나높이찾기 1 네트워크분석기를충분히예열하고캘리브레이션을실시한다. 2 케이블양끝에 10dB패드를달고안테나를연결한다. 3 주파수에따른이론적인 SIL값및안테나인자값과계산에이용된거리및높이를출력한다. 4 이론에계산된거리및높이에동등한 NPL 계산형안테나를각각위치시킨후측정된 SIL 값이이론값과일치하는지를확인한다. 5 만일두 SIL 값이일치하지않는경우송신안테나의높이를위아래로변화시키면서 SIL 값을측정한다. 이론에서계산한 SIL과일치하는높이를찾아기록한다. 이론의안테나높이와실제의안테나높이가차이나는이유는두안테나가완전히동일하지않고약간의차이를보이기때문이다. 6 위와같은방식으로찾아낸안테나높이를주파수별로보관기록하고안테나교정시활용한다. 46

47 제 장전파연구원형표준안테나법 - AUC의교정 1 네트워크분석기를충분히예열하고캘리브레이션을실시한다. 2 케이블양끝에 10dB패드를달고 NPL 표준안테나를연결한다. 3 먼저위의절차에서찾아낸주파수에따른거리와안테나높이에 NPL 표준안테나를설치한다. 4 SIL 값이이론값과일치하는지를확인한다. 5 NPL 수신안테나를제거하고 AUC를그위치로대체한후 SIL 값을측정한다. 6 측정할모든주파수에대해 1에서 5까지의절차를반복한다. 7 방정식 (10) 에의하여 AUC의안테나인자를산출한다. o NPL 현지에서안테나교정실시우리국립전파연구원전파시험인증센터에서운용하는다이폴안테나 Schwarzbeck Dipole을현지로가지고가서교정대상안테나로하여 NPL의표준안테나법으로교정을실시하였다. < 그림 > NPL 안테나교정시험장 : 40 m 60 m 금속면 47

48 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 그림 > NPL 계산형표준안테나의설치 < 그림 > NPL 표준안테나의설치후 SIL 측정 48

49 제 장전파연구원형표준안테나법 < 그림 > NPL 표준안테나를우리원의안테나로치환설치 < 그림 > NPL 표준안테나와우리원안테나 SIL 측정 49

50 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 표 2-3> NPL 표준안테나법에의한측정결과 주파수 ( MHz ) 안테나거리 (m) 수신안테나높이 (m) 송신안테나높이 (m) 안테나인자 ( db /m) 제 4 절 R-SAM 의적용 1. 안테나챔버또는자유공간조건 R-SAM 의기본관계식 (2-2-2) 및 (2-2-3) 을이용한다. (2-2-2) (2-2-3) 1 NIST형다이오드장착표준다이폴안테나사용 NIST형표준안테나는전기장이 (2-2-4) 에의하여주어짐으로이를 (2-2-3) 에대입하면 (3-4-1) 을얻는다. (2-2-4) 50

51 제 장전파연구원형표준안테나법 (3-4-1) 50 시스템에서주파수는MHz단위로 (3-4-1) 의안테나인자항을다시쓰면다음과같다. (3-4-2) 방정식 (3-4-1) 및 (3-4-2) 는표준안테나로서 NIST 안테나를사용하면송신전력 P T 와거리 d 1 을측정함으로서송신안테나의인자를교정할수있음을의미한다. 2 NPL 계산형표준다이폴사용 NPL형표준안테나는이론으로계산한전기장이안테나인자의정의 (2-1-10) 에의하여주어짐으로이를 (2-2-3) 에대입하면 (3-4-3) 을얻는다. (2-1-10) (3-4-3) 51

52 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 (3-4-3) 의마지막식은 50 시스템에서의방정식이며 AF R 은 NPL형표준안테나의인자값이며송신전력 P T 와수신전압 V R 및거리 d 1 을측정함으로써송신안테나의인자를교정할수있음이방정식 (3-4-3) 으로부터주어진다. 한편, 방정식 (3-4-3) 에서수신측의전력관계식 P R =V 2 R /Z L 을사용하면안테나사이의감쇠량의 A RT =10log(P T /P R ) 으로다음과같이표시할수있다. (3-4-4) 3 안테나인자를알고있는기준안테나사용 NIST 및 NPL형표준안테나는특성상주파수대역이 30MHz에서 1GHz대역으로제한되어있다. R-SAM은안테나인자를알고있거나알수있는표준또는기준안테나를이용하기때문에주파수에제한이없다는장점이있다. 그러므로주파수범위와관계없이안테나인자를알고있는기준안테나를이용한다면안테나이득의측정또는안테나인자의교정은 NPL 계산형표준다이폴사용하는것과같이방정식 (3-4-3) 또는 (3-4-4) 에의하여산출할수있다. 2. 안테나교정야외시험장 : 금속도체면 1 기본방정식금속접지면을가진야외시험장은 < 그림 2-4-1> 에서처럼시험장접지면으로부터반사파가발생한다. 기하광학 2-ray 모델에따르면반사파가존재하는야외시험장에서전기장의세기는방정식 (2-2-1) 에시험장바닥면의반사파항을포함하여 (3-4-6) 다음으로주어진다. (2-2-1) (3-4-6) 52

53 제 장전파연구원형표준안테나법 전기장의표현식 (3-4-6) 을크기로표시한다. (3-4-7) 여기서직접파와반사파의간섭인자 D 는다음과같이정의한다. (3-4-8) 전기장에대한표현식 (2-2-1) 과 (3-4-7) 을비교하면안테나사이에직접파가도달하는거리 d1을직접파와반사파의간섭항 D의역수 1/D로치환하면된다는것을알수있으며지난절에서유도한이득이나인자에대한표현식에서 d 1 을 1/D로치환하면된다. < 그림 2-4-1> 야외시험장에서 R-SAM 기하구조 (NIST 형표준안테나를사용하는경우 ) 53

54 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 (NPL형표준안테나또는안테나인자를알고있는기준안테나사용경우 ) (3-4-5) (3-4-5) 의 NPL형또는기준안테나를사용하는 R-SAM의경우 50 시스템에서안테나사이의감쇠량을측정하여안테나이득또는인자를구하는방정식은 (3-4-6) 과같다. (3-4-6) 2 표준시험장법의유추국제적으로가장많이이용되는표준시험장법은 Smith에의해고안되었다. 표준시험장법은무한크기의금속평면을가진야외시험장을기준으로그림 <3-4-1> 과같이무한평면금속도체면에서 3-안테나법에의한다. 기본방정식은다음과같다. (3-4-6) < 그림 3-4-1> 3- 안테나법 ( 표준시험장법 ) 54

55 제 장전파연구원형표준안테나법 한쪽의안테나를시험장면으로부터특정높이 ( 보통 2m) 에고정하고다른쪽의안테나를 1에서 4m를스캔하여 A RT 가최대가되는값을측정하여방정식 (3-4-6) 여기서 AF T 는전송안테나의안테나인자, AF R 은전송안테나의안테나인자 f M 은MHz단위의주파수, E max D 는전송안테나가 1에서 4m 스캔하는동안최대전계이며 A RT 는 E max D 일때안테나간의감쇠량이다. 직접파와반사파의간섭항인 (3-4-8) 의 D와같이 E max D 는다음식의최대값으로이론적으로계산하여적용한다. (3-4-9) 금속접지야외시험장에서 R-SAM은표준시험장법과마찬가지방법을사용한다. 한쪽안테나를특정높이에고정하고다른쪽의안테나를 1에서 4m 를스캔하여 A RT 가최대가되는값을측정한후 D가최대가되는이론값 D max 를적용하여방정식 (3-4-5) 또는 (3-4-6) 에적용하여안테나이득또는인자를산출한다. 이론으로계산된 E max D 와 20logD max 비교값을 < 표 3.4.1> 에서주어진다. < 표 3.4.1> E D max 와 20logD max 비교값 Frequency(MHz) 20logD max (db/m) E D max (db V/m)

56 자체개발안테나교정방법유효성확인연구

57 제 3 장측정 제1절표준시험장법에따른안테나교정서비스제공과데이터확보현재우리원의안테나교정서비스는방송통신기기지정시험기관이보유하고있는측정용안테나의인자를교정해주는것을목적으로하고있다. 하지만 RF 중심국가기관으로서산업체나국군통신사령부등다른국가기관에서의뢰하는안테나도교정하고있으며그비율은연간약 30% 정도가된다. 국립전파연구원공고제2011-9호 전자파적합측정설비교정검사기준및방법 에는안테나교정방법으로서표준시험장법, 표준안테나법및높이스캔평균법등을규정하고있는데, 주로 ANSI C63.5의방법인표준시험장법으로교정서비스를해주고있다. 2012년 11월기준으로 286건의안테나교정서비스를제공하였고 R-SAM의유효성검증을위해표준시험장법의데이터를축적비교하였다. EMI 측정용안테나의종류는다이폴안테나 (30 MHz-1GHz ), 바이코니컬안테나 (30MHz-300MHz), LP안테나 (300MHz-1GHz), 바이로그안테나 (30MHz-1GHz) 및혼안테나 (1GHz-18GHz) 등이있으며안테나교정서비스를수행할때는시험기관이의뢰한안테나와우리연구원의기준안테나 1식내지 2식을포함하여교정을수행한다. 한번의교정서비스를위한측정이끝나면측정의뢰안테나를비롯하여우리원의안테나인자값도매번교정을실시할때마다산출되어직전의측정된우리원의기준값이 0.3dB이내로일치하도록데이터를관리하고있다. 표준시험장법으로측정한각각의안테나에대한연간교정값과그평균값은 < 그림 3-1-1> 부터 < 그림 3-1-4> 에서보여준다. R-SAM과비교를위한기준값산정에대해바이코니컬안테나 (30MHz -300MHz), LP안테나 (300MHz-1GHz), 바이로그안테나 (30MHz-1GHz) 인경우는 10m 거리에서측정값과, 혼안테나의경우는 3m의이격거리에서측정값을보여준다. 우리원의교정부서에서보유한위의각안테나를기준안테나로 R-SAM 을비교하기위하여 1년간표준시험장법에의하여측정한평균값을그안테나의교정된안테나기준안테나인자값으로하였다. 57

58 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 그림 3-1-1> 바이코니칼안테나인자연간추이및평균값 < 그림 3-1-2> LP 안테나인자연간추이및평균값 58

59 제 장측정 < 그림 3-1-3> 바이로그안테나인자연간추이및평균값 < 그림 3-1-4> 혼안테나인자연간추이및평균값 59

60 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 제2절 R-SAM과표준시험장법에교정결과비교제1절에서산출한평균값을기준안테나의인자값으로하여시험기관에서의뢰한안테나에대한교정을 R-SAM에의하여측정한결과와표준시험장법에의하여교정한결과를비교하였다. < 그림 3-2-1> 및 < 그림 3-2-2> 에서보는바와같이두결과는아주훌륭한일치를보여주고있다. < 그림 3-2-1> R-SAM 과표준시험장법비교결과 ( 바이코니컬및 LP) 60

61 제 장측정 < 그림 3-2-2> R-SAM 과표준시험장법비교결과 ( 바이로그및혼 ) 61

62 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 제3절안테나교정국제표준문서제정 EMI 측정용안테나에대한국제적으로통일된표준방법을제정하는움직임으로써 1990년대말부터 CISPR를중심으로추진하였고, 2005년에안테나교정방법의최종안으로위원회의 CD문서가제정되어회람되었으나각국의이해관계로부결되었다. 사실, EMI를측정하는데있어서가장근본이되는것이안테나교정임에도불구하고, 다른여타의 EMI 시험방법이 CISPR 국제문서화된반면안테나교정방법에관한국제적인이해관계가얽히어안테나에대한국제표준문서를제정하지못하였다. 2005년도에최종위원회안 CD 문서에는 3-안테나법, 표준시험장법, 표준안테나법을거론하였지만표준문서화에실패하고다시프로젝트를진행하여 2012년도에최종 CD 문서가각국에회람되어통과하게되었다. 이에앞서우리연구원은 R-SAM을개발하여 2011년도미국 LA에서개최된 IEEE EMC 심포지움에결과를발표하고, 당해 CISPR 총회에안테나교정방법으로서새로운기술을제안하였다. 안테나교정국제문서제정에책임을맡은영국 NPL의 Martin Alexander의제청과직전의프로젝트책임자인일본도후쿠대학의스기우라교수의부가의견제시등으로 R-SAM 방법을인정받게되었지만, 안테나교정에관한표준문서 CISPR 제정안이거의 99% 가종결된상황이기때문에 CISPR 의본문에구체적으로언급되지않고문서제정에기여한참고문헌에만기재되는성과를얻었다. < 그림 3-2-3> 은 CISPR 제정을위한위원회 ( 안 ) CISPR/A/990/CD 의표지이며이문서는 2012년 2월부터 4월까지국제회람되어통과되었다. < 그림 3-2-4> 그 CISPR/A/990/CD에참고문헌으로기재된우리원의연구결과로서 2012 IEEE EMC 심포지움에발표한논문을인용하고있다. 62

63 제 장측정 < 그림 3-2-3> CISPR 제정의 CD 표지 63

64 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 < 그림 3-2-4> 제정될 CISPR 의참고문헌에인용된 R-SAM 논문 64

65 제 4 장맺음말 본보고서에서수신측의전기장을결정할수있도록안테나인자를알고있는표준안테나 (NPL형:30MHz - 1GHz ) 또는다른방법으로안테나인자가교정된기준안테나 ( 주파수제한없음 ) 를사용하거나또는수신측의전기장을직접측정할수있는표준안테나 (NIST형:30MHz - 1GHz ) 를이용하여두개의안테나만으로 1번의측정을통하여안테나인자를결정하는새로운표준안테나법 R-SAM을논의하였다. 기존의안테나교정기술인표준시험장법, 표준안테나법등이반드시 3개의안테나를이용해야하고 3번의측정또는 2 번의치환측정으로안테나인자를결정한다는것에대해획기적인방법이다. 이방법은국립전파연구원이독자적으로개발하여그결과를 2011년도 IEEE EMC 심포지움에발표하고연이어같은해에 CISPR 총회에우리나라의안테나교정방법으로제안하여 EMI 측정용안테나교정에관한국제표준문서 CISPR 의제정에기여한연구결과로참고문헌에등재되는성과를얻었다. 또한 R-SAM을응용하여토지에고정된통신용안테나의이득측정방법으로국내특허출원을하였고 PCT에의한국제특허출원을하였다. R-SAM의실재적인적용을위하여표준시험장법에의한안테나교정서비스데이터를축적하고 1년간의교정결과를바탕으로기준안테나의안테나인자값을결정하였다. 이렇게인자가결정된안테나를기준으로바이코니컬안테나, LP 안테나, 바이로그안테나, 혼안테나에대한 R-SAM과표준시험장결과값을비교하여좋은일치를보인다는것을확인하였다. 또한본보고서는 R-SAM의이론적인배경을확립하였고, 30MHz - 1GHz대역의 NPL 계산형표준안테나를제작도입하여 R-SAM의실효성을얻기위한작업을수행하였다. 다만아쉬운것은 NPL 안테나제작기간이오래걸렸고연말의나쁜기후조건때문에 CISPR 제정프로젝트의책임자인 Martin Alexander가제안한 NPL 표준안테나로 R-SAM의추가확인실험을못한점이다. 그럼에도불구하고기존의상용안테나를이용하여 R-SAM의유효성을확인하였고이는바로교정서비스로이어질수있음을증명하였다. 본보고서에서의연구결과를토대로국립전파연구원공고 전자파적합 65

66 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 측정설비의교정기준및방법 에 R-SAM을추가하여안테나교정서비스업무의효율성을높일것이며 CISPR 이제정된후라도그문서의본문에 R-SAM이기존의표준시험장법과어깨를나란히견줄수있도록지속적으로연구를수행하고 CISPR에제안할과제를남겨두었다. 내년에는우리원의안테나야외시험장특성이반영된 NPL형표준안테나의인자값을확립하고이를근간으로 R-SAM을더욱발전시킬계획이다. 66

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68 자체개발안테나교정방법유효성확인연구 (CAP2010)", June [10] Stanley L. Baker, "Calculable Antenna Processor User Manual", NPL, Mar 2011 pp1 ~ 18. [11] H. T. Friis, "A note a simple transmission formula", Proc IRE., May 1946, pp254~256 [12] D. G. Camel, E. B. Larsen and W. J. Anson, "NBS calibration procedure for horizontal dipole antenna(25 to 1000 MHz )", National Bureau of Standards Electromagnetic Fields Division [13] Brian Kidney, "Horn Antennas", Engineering 9816-Antennas, November 26, 2001 [14] IEC CISPR/A/644/CD Project number CISPR Amd.1 Ed1., "Antenna Calibration" [15] 박정규, 정동찬, 차기남, 고홍남, 30 MHz에서 1 GHz대역 EMI용안테나의준자유공간안테나팩터산출에관한연구 2004년도한국전자파학회종합학술발표회 Vol. 14, No.1, [16] Constantine A. Balanis, "Antenna Theory : Analysis and Design" John Wieley & Sons, 1982 [17] Microwave Antenna Theory and Design by Silver, Vol. 12, Radiation Laboratory Seriess, McGraw-Hill, 1949, pp [18] Antenna by Kraus, McGraw-Hill, 1950, pp [19] Standard Site Method For Determining Antenna Factors, IEEE EMC Transaction, Vol. EMC-24, No. 3, August 1983, pp [20] ANSI C63.5 American National Standard for Electromagnetic Compatibility -- Radiated Emission Measurements in Electromagnetic Interference(EMI) Control -- Calibration of Antennas [21] IEEE Std 149 IEEE Standard Test Procedures For Antennas [22] NBS Circular 517, Calibration of Commercial Radio Field-Strength 68

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