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1. 서 론

해상을 통한 국가 간 교류가 시작된 이래로 선박을 통한 물 류 운송은 필수적인 사항이 되었다. 그러한 반면에 이로 인한 해상 조난 사고도 적지 않게 일어나고 있다. 2004년부터 2013 년 동안 국내에서 발생한 해상 조난 사고는 약 9,700건에 달하 며 실종자 및 사망자 수도 약 600명에 이른다(Ministry of Security and Public Administration, 2014). 따라서 국내에 국 한하지 않고, 전 세계적으로 보면 해상조난 사고가 결코 무시 할 수 없는 수준임을 예측할 수 있다.

이러한 조난사고 발생 시 신속한 대응을 위한 구조시스템 이 전 세계적으로 운용되고 있다. 대표적인 시스템이 전 세계 적인 재난구조 긴급통신 지원시스템인 COSPAS-SARSAT 시스템이다(Munshi, 2014). 해상에서 조난 사고가 발생하면 406MHz 또는 121.5MHz 대역 주파수에서 동작하는 Personal Locator Beacons (PLB)가 조난신호를 COSPAS-SARSAT 위성으로 송신하며, 위성은 수신 받은 신호를 다시 전 세계로 송신하는 역할을 하여 수색 및 구조 작업을 지원한다 (Zurabov, 1998). 이 때 조난자의 위치확인을 위해 Global Positioning System (GPS)가 사용되기도 한다(Yijun, 2007). GPS는 1.575GHz를 동작주파수로 사용하며 조난자의 위치정 보를 정확하고 신속하게 파악하여 구조 작업을 원활히 수행하 기 위해 사용된다. 그 외에도 조난자의 인근을 항해하는 선박 에게 구조를 요청하기 위해 156MHz 대역의 Very High Frequency-Digital Selective Calling (VHF-DSC) 신호를 송 신하기도 한다(Huang, 2007).

본 논문에서는 해상에서의 신속한 조난 구조를 위해 앞서 언급한 GPS, COSPAS-SARSAT PLB, VHF-DSC의 3가지 시스템 모두를 위한 통신 시스템용 안테나를 설계하고자 한 다. 특히 조난자의 구명조끼에 장착이 가능한 형태로 안테나 를 설계하고자 한다. 따라서 안테나는 156MHz, 406MHz, 1,575MHz 대역에서 동작하는 다중대역 특성을 가지며, 구명 조끼 장착이 용이하도록 가볍고, 두께가 얇고, 유연하도록 설 계하여야 한다. 구명조끼 장착용으로 406MHz 대역의 안테나 가 문헌에 소개되어 있으나, 이것은 스티로폼과 같은 구조물 에 미엔더(meander) 형태와 보타이(bow tie) 형태로 구현하였 고, 미엔더 형태의 안테나는 폭 2cm, 길이 30cm이며, 보타이 형태는 폭 6cm, 길이 27cm로 구명조끼에 평소 장착하고 있기 에는 부피가 커서 불편함이 예상된다(Serra, 2011).

따라서 본 논문에서는 구명조끼에 장착이 가능하도록 안테 나의 기판 사이즈를 소형화 하고, 무게는 경량화 된 안테나를 설계하고자 한다.

2. 안테나 설계

안테나가 부착되는 위치는 조난자가 바다에 떠 있을 때 해 수면이 닿지 않는 어깨 부근에 장착하여 해수에 의한 영향을 최소화하도록 하였다.

안테나의 기판의 크기는 구명조끼의 어깨 부근의 크기를 감안하여 125mm × 70mm로 하였으며, 두께는 유연성을 위해 0.2mm 두께를 가지는 FR4-epoxy 기판을 사용하였다. 이것은 앞서 언급한 Serra의 안테나 길이 270mm, 300mm에 비해 크 기가 작으며, 스치로폼에 장착되어 유연성이 결여되어 있는 기존 안테나에 비해 두께 0.2mm로 구명조끼 옷감 천에 바로 장착하여 유연성을 개선한 구조이다. Fig 1에 설계된 다중대 역 안테나의 모형을 나타내었다.

Fig. 1

Configuration of the proposed antenna

급전 방식은 마이크로스트립 선로로 구현하였으며, GPS는 사각형 슬롯 링 구조로(Zhou,, 2012), COSPAS-SARSAT PLB 대역은 기판에 구현된 모노폴, VHF-DSC 대역은 기판 에 구현된 선로에 0.4mm의 지름을 가지는 도선(wire)를 연결 하여 만든 모노폴 구조로 설계하였다. VHF-DSC 대역용 도 선(wire)은 구명조끼 장착 시 별도의 지지대를 통해 구명조끼 외부로 돌출되어 156MHz 대역 안테나의 방사효율을 개선하 기 위해 설계되었다. 기본적인 설계는 Ansys HFSS 프로그램 을 사용하였다.

2-1. GPS 안테나 설계

Fig. 1의 안테나 중에서 GPS 안테나 부분만을 Fig. 2에 도 시하였다. GPS 안테나는 우선회 편파(RHCP) 특성을 가지도 록 파라미터 스터디를 통해 안테나를 설계하였다. 먼저 Fig 3 에서 볼 수 있듯이, 작은 슬롯 폭(Ws)의 값이 커질수록 반사 계수 특성은 나빠졌으며 축비는 비선형적인 결과를 나타내었 다. 또한 작은 슬롯 길이(Wq)가 커질수록 Fig 4의 결과를 살 펴보면 축비는 나빠지고 반사계수 특성은 좋아지는 결과를 확 인할 수 있으며, Fig 5에서는 내부 정사각형의 길이 (Lp)가 클 수록 축비는 좋아지고 반사계수 특성은 나빠지는 결과를 확인 할 수 있다.

Fig. 2

Proposed GPS antenna

Fig. 3

Reflection coefficient and axial ratio according to Ws

Fig. 4

Reflection coefficient and axial ratio according to Wq

Fig. 5

Reflection coefficient and axial ratio according to Lp

2-2. COSPAS-SARSAT PLB 안테나 설계

Fig. 6에 COSPAS-SARSAT PLB 대역의 안테나가 GPS 안테나 및 VHF-DSC 안테나와 함께 설계되어 있는 모양을 나타내었다. COSPAS-SARSAT PLB 대역의 공진 주파수는 모노폴 선로의 길이를 조절하여 설계하면 간단히 구현이 된 다. 여기서는 Fig. 6에 나와 있는 GPS 안테나와 PLB 안테나 간의 간격 Lx에 따른 변화를 살펴보았다. 이것은 GPS와의 간 격을 최대한 좁혀서 기판의 사이즈를 소형화하기 위해 시뮬레 이션 하였고, 결과를 Fig. 7에 나타내었다. Lx가 7mm 이하인 경우 주파수 변화가 크게 생기는 현상을 확인할 수 있다. 따라 서 GPS와의 간격이 최소 8mm는 되어야 간섭이 최소화 되는 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 6

Proposed antenna with parameter Lx

Fig. 7

Reflection coefficient according to Lx

Fig. 7의 시뮬레이션 결과에서 Lx가 8mm 이상일 때 공진 주파수가 대략 414MHz를 나타내고 있다. 이것은 제작된 안테 나를 구명조끼에 장착했을 때 발생하는 공진주파수 변화를 미 리 감안하여 설계를 한 것이다.

2-3. VHF-DSC 안테나 설계

Fig. 1에 제시된 VHF-DSC 안테나는 기판 상에 구현된 도 체 스트립과 외부에 연결된 도선(wire)으로 모노폴 형태로 구 현이 되었다. 안테나의 동작주파수는 도선의 길이를 조절하여 쉽게 구현이 가능하지만, 안테나의 임피던스 정합 특성을 개 선하기 위해 기판 상에 미앤더 구조로 두었다. 미엔더 구조에 서 턴 수에 따른 반사계수의 특성 변화를 시뮬레이션한 결과 를 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8

Reflection coefficient according to number of turn

Fig 8에서 볼 수 있듯이 턴 수가 증가함에 따라 반사계수 특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 한편 턴 수가 증가할 수록 외부에 연결되는 도선의 길이 또한 짧아지지만, VHF 대 역의 효율, 즉 방사전력과 입력전력의 비를 의미하는 효율이 외부 도선의 길이가 짧아지면 감소하므로(Estarki, 2010), 이러 한 점을 고려하여 본 논문에서는 18턴을 기준으로 실험을 진 행하였다.

3. 안테나 제작 및 측정

시뮬레이션을 토대로 두께 0.2mm의 FR4 기판에 제작한 안 테나를 Fig. 9에 나타내었다. 구명조끼에 장착되는 안테나의 기판부의 크기는 125mm × 70mm이며, 기판에 연결되는 도선 (wire)의 총 길이는 340mm로서 구명조끼에 장착 시 별도의 지지대를 통해 조난 시 구명조끼에서 돌출될 수 있도록 하였 다.

Fig. 9

Fabricated multiband antenna

먼저 실내에서 제작한 안테나를 구명조끼에 내장하여 이동 용 회로망분석기(Portable Network Analyzer)를 사용하여 반 사계수를 측정해 보았다. Fig. 10에 실내에서 측정하는 모습을 나타내었다. Fig 11에 실내에서 측정한 안테나의 반사계수와 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타내었다.

Fig. 10

Indoor measurement environment

Fig. 11

Comparing with simulation and fabricated antenna in reflection coefficient

Fig. 11에서 VHF-DSC 대역에서는 구명조끼에 장착 시 반 사계수가 크게 되어 임피던스 정합 특성이 나빠지는 것을 볼 수 있다. PLB 대역과 GPS 대역에서는 구명조끼에 장착함으 로 인해 공진주파수가 아래로 이동하는 현상을 관측 할 수 있 다. 따라서 시뮬레이션을 할 때 이점을 감안하여 안테나 치수 를 설계하여야 한다.

구명조끼가 실내가 아닌 바다 표면 위에 있을 경우 안테나 의 특성 변화를 조사하기 위해, 바다 위에 떠 있는 부표와 같 이 플라스틱 통이 연결된 거대한 구조물 위에 구명조끼를 놓 고 안테나의 반사손실 특성을 측정하였다. Fig. 12에 실제 실 험 환경을 찍은 사진을 나타내었다. 이런 경우 구명조끼는 해 수면으로부터 약 20cm 위에 위치하게 되며, 이것은 실제 구명 조끼를 입고 물에 서 떠 있는 경우 구명조끼 어깨 부분의 해 수면 높이와 유사하다. Fig. 13에 바다 위에서 측정한 안테나 반사계수와 실내에서 측정한 반사계수를 비교하기 위해 함께 나타내었다. 두 가지 모두 사람이 착용하지 않은 상태로서 반 사계수의 특성 변화에 초점을 맞춰 결과를 측정하였다.

Fig. 12

Measurement environment on the sea

Fig. 13

Measured reflection coefficient comparison between indoor and sea

Fig. 13을 살펴보면 전반적으로는 해수면과 실내의 특성 변 화가 크지 않았고, 부분적으로 조금 차이가 있는 정도로 관측 이 되었다. VHF-DSC 대역에서는 반사계수 특성이 해수면에 서 더 좋아지면서 주파수도 156MHz에 더 근접한 결과를 보 였다. COSPAS-SARSAT PLB대역에서는 주파수의 변화가 매우 미미하였으며, GPS대역에서는 대역폭이 조금 좁아졌으 나 여전히 406MHz와 1.575GHz에서 반사계수 특성이 충분히 -10dB이하의 결과를 보였다.

Fig. 14에 구명조끼를 착용한 사람이 도로면 위에 있을 때 안테나의 반사계수 특성을 측정하는 모습을 나타내었다. 측정 은 근처에 차량이 없는 주차장에서 하였기 때문에 주변 물체 가 측정 결과에 영향을 미치는 요소는 없는 상황이었다. 또한 이 때 구명조끼가 팽창한 상태로서, 인체와 안테나 사이의 간 격은 약 6cm이다.

Fig. 14

Measurement environment on body

Fig. 15에서는 Fig. 10의 실내 측정값과 비교하여 인체에 의한 특성 변화를 보였다. VHF-DSC 대역에서는 마치 해수 면 위에서 한 결과와 유사한 현상을 나타내고 있다. PLB 대역 에서는 공진주파수가 수 MHz 아래로 이동하는 것을 볼 수 있 으나 여전히 406MHz에서는 반사계수가 –10dB 이하를 유지 하고 있는 것을 볼 수 있다. GPS대역에서는 대역폭이 좁아지 면서 반사계수 특성이 전반적으로 나빠지는 것을 볼 수 있으 나 여전히 1.575GHz에서 반사계수 특성이 -10dB이하의 특성 을 확인할 수 있었다.

Fig. 15

Measured reflection coefficient comparison between indoor and on body

GPS 안테나의 경우 사람이 안테나가 장착된 구명조끼를 입었을 때 GPS의 정상동작 여부를 확인하기 위하여 u-blox 프로그램을 이용하여 상용 GPS 패치안테나 (FG25M4-SM01) 와 수신감도를 비교 측정을 실시하였고, Fig. 16에 측정한 결 과를 제시하였다. Fig. 16에서 가로축은 현재 수신 중인 GPS 위성을 나타내고 있는데, Fig. 16에는 10개의 GPS 위성으로부 터 신호를 수신하고 있는 경우를 나타내고 있으며, 세로축의 맨 밑은 0dB이고, 세로축의 사각형 한 칸은 10dB를 나타내고 있다. Fig. 16으로부터 상용 GPS 안테나는 10개의 위성으로부 터 수신되는 신호 세기가 30dB ~ 50dB 사이에 분포하고 있 음을 알 수 있고, 제작된 안테나는 수신 신호의 세기가 32dB ~ 45dB 사이에 분포하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 16

Comparison of receiver sensitivity

4. 결 론

VHF-DSC, COSPAS-SARSAT PLB, GPS의 다중 주파수 대역에서 동작하며, 구명조끼에 장착이 용이한 안테나의 설계 및 제작, 측정 결과에 대해 제시하였다. 제작된 안테나를 실내 와 해수면 위에 구명조끼에 장착한 상태에서 반사계수 특성을 조사하였고, 육상에서 사람이 구명조끼를 입은 상태에서 안테 나 특성 변화가 어떻게 되는지를 측정하였다.

안테나의 경우 반사계수 외에도 이득과 방사패턴 특성이 중요하지만 구명조끼를 입고 해수면에서 안테나의 방사패턴 및 이득을 측정하는 것이 불가능하므로, 본 논문에서는 우선 적으로 반사계수 특성에 초점을 맞추어 살펴보았고, GPS 대 역에서는 구명조끼에 상용 안테나를 장착하여 비교 실험을 통 해 제안된 안테나의 가능성을 확인하였다.

이상의 결과들을 조합하여 사람이 구명조끼를 입고, 해수면 상에 놓여 있을 때의 안테나 특성 변화를 유추할 수 있으며, 이것을 토대로 조난 구조용 구명조끼 장착용 안테나를 개발 할 수 있을 것으로 사료된다.

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