The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science (한국전자파학회논문지)

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Stacked Slot Patch Antenna for Wireless Sensors Embedded in Concrete

콘크리트 매립 센서를 위한 이중 슬롯 패치 안테나

  • Lee, Jae-Hyuk (Department of Electronic Engineering, Ajou University) ;
  • Lee, Sung-Ho (SoC Platform Research Center, Korea Electronics Technology Institute) ;
  • Lee, Hai-Young (Department of Electronic Engineering, Ajou University)
  • 이재혁 (아주대학교 전자공학과) ;
  • 이성호 (전자부품연구원 SoC 플랫폼 연구센터) ;
  • 이해영 (아주대학교 전자공학과)
  • Received : 2018.08.01
  • Accepted : 2018.12.05
  • Published : 2018.12.31
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Abstract

A concrete embedded antenna design is proposed for probing the durability of a building at an industrial scientific medical band of 902~908 MHz. The proposed antenna is designed with a stacked slot patch structure for lower impedance variation to a dielectric constant of concrete, as a dielectric constant difference is derived from the moisture content. The proposed structure has a wider bandwidth when a parasitic patch structure is used, which reduces antenna performance degradation resulting from the moisture content of concrete. The measured voltage standing wave ratio of the proposed structure is less than 2 and the beam width is approximately $80^{\circ}$, whereas the gain is greater than 7 dBi. The proposed antenna is fabricated with a rectangle-type concrete block, which is simulated and measured for return loss and antenna gain.

본 논문은 ISM 대역인 902~928 MHz에서 건물의 내구성을 진단하기 위한 콘크리트 매립형 안테나 설계에 관하여 서술한다. 이에 안테나가 매립되는 환경에서도 콘크리트 매질 특성에 의해 임피던스 변화가 크지 않는 이중 슬롯 패치 안테나를 제안하였다. 함수율에 따라 변하는 콘크리트 매질에 의한 성능 열화를 최소화하기 위해 제안하는 안테나는 기생 패치를 이용하여 대역폭을 확장하였다. 제작된 안테나는 전 대역에서 VSWR 2 : 1 이하 특성을 만족하며, 빔 폭은 80도 정도이며, 7 dBi 이상을 만족하는 이득을 가진다. 제안한 안테나는 직사각형 콘크리트 블록에 장착하여 측정하였으며, 모의실험과 실제 측정을 통해 함수율 변화에 따른 반사손실 및 이득을 확인하였다.

Keywords

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그림 1. 시스템 개념도 Fig. 1. System conceptual diagram.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

표 1. 함수율에 따른 콘크리트 유전율 변화[15] Table 1. Variation of concrete dielectric permittivity with moisture content(weather).

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표 2. 최적화된 안테나 설계 변수 Table 2. The design parameter of the optimized antenna.

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표 3. 측정된 안테나 이득 Table 3. Measured antenna gain.

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