스텝 모터 제어를 이용한 안테나 측정 시스템

Antenna Measurement System Using Step Motor Control

류홍균, 송진우, 명노진, 류기천

Ryu Hong-Kyun, Song Jin-woo, Myoung No-Jin and Ryu Ki-Chun

요  약

안테나의 방사 패턴을 측정하는 시뮬레이션 시스템을 제작하였다. 이 시스템은 크게 스텝 모터와 이를 구동 하는 드라이버, 스텝모터 콘트롤러, 측정 안테나(AUT)를 지지 하는 포지션어(Postioner), 측정 소프트웨어로 구성 된다. 여건상 실제로 안테나의 방사패턴을 측정 할 수 없어 시뮬레이션 형식으로 제작하였다. 제작된 시스템은 모터를 제어하여 안테나의 각도에 대한 이득을 임의로 넣어 각 각도에 따라 방사패턴이 보여지도록 했다.

Abstract

We implement a simulation system to measure antenna radiation pattern. This system  consists of a step motor, a step motor driver, a step motor controller, a measurement software and a positioner which supports an AUT(Antenna Under Test). This system doesn't measure the real antenna radiation pattern due to expensive equipments therefore, we apply a mathmetical transform to estimate the far-field pattern. The proposed system controls a step motor and shows the antenna radiation pattern for any antenna based on the software.

Keywords : 안테나, 방사패턴, 스텝모터, 원역장, 시뮬레이션

Ⅰ. 서  론

안테나에는 여러 가지 파라미터가 있다. 편파(Polarization), 지향성(Directivity), 이득(Gain), 복사효율(Radiation Efficiency), 방사패턴(Radiation Pattern)이 있다. 이 중 안테나의 방사패턴은 안테나의 방사(원거리장)성질을 그래픽으로 표현한 것으로 안테나의 지향성과 관련이 있다. 다시 말해 안테나에서 전자파가 어떤 방향으로 방사되는지를 설명하는 파라미터이다. 우리 팀은 안테나에 대해 배우면서 방사패턴 측정에 대해 관심을 가지게 되었다. 그래서 여러 가지 안테나 측정 장비에 대해 조사를 해보았고 결국 측정장비를 실제 제작 해보자는데 까지 이르렀다.

본 프로젝트에서는 안테나의 특성중 방사패턴의 측정원리와 패턴을 보여줄수 있는 시스템을 제작 하였다.

Ⅱ. 본  론

1. 안테나 방사패턴의 정의 및 측정 방식

안테나 지향성과 연관성이 있는 안테나 방사 패턴은 원하는 방향으로만 전자파를 방사하거나 수신하기 위한 안테나의 특성이다. 또한 방사패턴은 송신 안테나의 원역장(Far-field)에서 측정 거리(r)는 일정하게 유지하면서 각 좌표 [eqn: phi]와 [eqn: theta]만 변화시키며 수신 안테나로 수신된 신호 크기에 의해 결정된다. 따라서 안테나 방사패턴은 측정 주파수와 [eqn: phi],[eqn: theta] 만의 함수로 나타낸다[1].

그림 1. 안테나 방사패턴에 사용되는 좌표계

Fig 1. The coodinate system using antenna radiation pattern

안테나측정의 기본 원리는 로렌츠(Lorentz)의 가역성(Reciprocity)이론이다[2]. 이 이론은 안테나의 전파 특성은 송신이나 수신이 같다는 것으로 안테나의 수신 특성이나 송신특성을 측정하면 안테나의 특성을 알 수 있다.

그림 3. 원역장 측정장치

Fig 3. Far-field measurement system

출처 : www.mi-technologies.com

그림 2. 근역장 측정장치

Fig 2. Near-field measurement system

출처 :www.nearfield.com

안테나의 방사 패턴을 측정하는 방식은 크게 근역장(Near-field)방식(그림4)과 원역장 측정 방법(그림5)이 있다. 근역장 측정법은 안테나의 근역장에서 측정 안테나 등가전류를 프로브 탐침을 이용하여 구한후 푸리에 변환을 이용하여 등가 원역장을 구하는 방법이다. 원역장 측정법은 안테나의 원역장에서 측정 안테나를 360° 회전하여 피측정 안테나가 각도에 대한 전력을 측정하여 방사패턴을 측정하는 방법이다. 본 프르젝트에서는 원역장 측정방법을 택했다. 측정 안테나는 모터를 이용해서 360° 회전하고 피측정 안테나는 표준 혼안테나를 이용한다.

그림 4.  측정시스템 구성도

Fig 4. The concept of measurement system

그림 4는 본 프로젝트에서 제안한 시스템 구성도이다. 피측정 안테나인 송신 안테나에서 신호를 보내면 측정 안테나는 스텝 모터를 이용해서 방위각 방향으로 회전을 하게된다. 이때 각도에 따른 전력을 네트워크 분석기를 이용 측정하며 PC에서 분석을 하여 각도에 따른 이득 연결하면 방사패턴이 그려지게 되어 측정 안테나의 방사패턴을 측정할 수 있다.

하지만 제안한 측정 시스템에서 문제가 있었다. 신호 발생기의 출력이 너무 약해 네트워크 분석기에서 신호를 검출할 수 없었다. 대체할 만한 장비가 없어 결국 네트워크 분석기와 신호 발생기를 제거하고 PC에서 모터를 제어하여 측정안테나를 회전시키고 PC에서 임의의 안테나에 대한 패턴 정보를 넣어 스텝 모터를 제어하면서 프로그램 상에서 패턴이 그려지게 하는 형식을 취하게 되었다.

2. 시스템 구성

그림 5은 시스템의 전체 구성도 이다. 시스템은 크게 수신부와 송신부로 스텝 모터, 스텝 모터 드라이버 PC로 구성된다.

본 시스템을 Hardware와 Software로 나누어 상세히 알아보자.

그림 5. 시스템 구성도

Fig 5. The system concept

가. Hardware

그림 . 회로도

Fig 6. The circuit diagram

(1) Positioner

Positioner는 측정 안테나를 회전 시키기 위한 장치이다. 송신 안테나에서 들어오는 신호를 회전 각도에 대해 정보를 얻기 위해서는 정밀한 각도 제어가 필요하다.

그림 7. Positioner

Fig 7. Positioner

그림 6은 제작된 Positioner로 삼각대를 이용하여 제작을 하였고 Step Motor는 2상 하이브리드 방식인 Step Motor H-548을 사용하였다. 스텝 모터[3]는 디지털 신호인 펄스 신호에 따라 각도를 제어 할 수 있는 모터이다. 한 펄스에 따라 모터의 기본각이 움직인다. 회전각 오차는 스텝마다 누적되지 않는다. 또한 모터의 총 회전각은 입력 펄스 수에 의해 결정 되기 때문에 DC 서보모터등과 같이 회전각을 검출하기 위한 피드백이 불필요 하기 되어 제어계가 간단하다. 하지만 특정 주파수에서 진동, 공진이 발생하기 쉽고 관성이 있는 부하에 약하며 고속 운전시 탈조 하기 쉽다.

스텝 모터의 종류에는 가변 릴럭턴스형(Variable Reluctance), 영구 자석형(Permanent Magnet), 가변 릴럭턴스형과 영구 자석형을 복합한 하이브라드 형이 있다. 하이브리드형은 정밀도가 높고 높은 토그성능을 가지고 있어 가장 많이 사용되는 종류이다.

Step Motor H-548은 기본 각도가 1.8도이며, 최대정지토크는 2.7Kg/cm이다. 안테나는 지향성이 강한 10Ghz Horn 안테나를 사용하였다.

(2)  Step Motor Driver 및 Controller

Step Motor 를 제어하기 위해서는 모터의 코일에 전류를 공급해주는 구동 드라이버가 필요하다. 구동 드라이버 제어 방식에는 코일에 전류를 어떻게 주느냐에 따라 유니폴라 방식과 바이폴라 방식으로 구분되며 전압과 전류에 따라 정전류원 방식, 정전압 방식이 있다[4].

그림 . 바이폴라 구동방식

Fig 9. Bipolar drive mode

그림  유니폴라 구동방식

Fig 10. Unipolar drive mode

유니폴라 방식은 여자전류의 방향이 단방향으로 코일 내부에 센터 탭이 존재하여 여자 방향을 바꾸지 않아도 쉽게 구동이 가능한 경우에 주로 사용된다. 회로의 구성이 간단하고 저렴하지만 저속 영역에서 큰 토크를 기대할 수 없다. 바이폴라 방식은 여자 전류의 뱡향이 양방향으로 유비폴라 방식에 비해 큰 토크를 얻을수 있다. 코일의 이용 효율이 높아 효율적으로 에너지를 소비한다. 주로 L297과 L298을 사용하여 드라이버를 구성한다.

그림 10. 스텝 모터 드라이버와 콘트롤러

Fig 10. The Step motor driver and controller

정전압 방식은 모터에 인가하는 전압을 일정하게 두고 저항을 변화시켜 모터에 흐르는 전류량을 조절하여 제어하는 방식이다. 정전류 방식은 저항을 일정하게 두고 전압을 높인다음 스위칭 기술을 이용하여 모터에 흐르는 평균전류를 일정하게 하는 방법으로 고속 특성이나 우수성면에서 정전류 구동 방법을 많이 사용하고 있다.

본 시스템은 Step Motor 의 속도와는 큰 상관이 없고, 큰 토크를 원하기 때문에 바이폴라 방식의 구동 드라이버가 필요하다. 간단하게 구성할수 있는 구동드라이버로  L297과 L298을 조합하여 사용하는 드라이버가 있다. 따라서 본 시스템에서는 L297과 L298을 조합한 바이폴라 정전류 구동방식을 채택하여 모터를 구동하였다.

그림 11. 2상 바이폴라 스텝 모터 구동 회로

Fig 11. 2 Phase Bipolar step motor drive circuit diagram

그림 10은 SGS-THOMSON사의 2상 바이폴라 방식의 스텝모터 구동 회로로 정전류 구동 IC L297과 듀얼 풀 브리지 드라이버 L298로 구성된 회로이다. 이 회로는 일반적으로 많이 사용되는 회로로 간단한 구성과 안정된 펄스를 공급해준다. L297의 기능으로는 Pulse 입력, Reset 기능, CW/CCW 설정기능, FULL/Half step 기능이 있어 모터를 쉽게 제어할수 있게 해준다.

스텝 모터 콘트롤러는 스텝 모터 드라이버에 펄스 신호, 시계방향, 시계반대 방향, Full step mode, Half step mode 신호를 주는 역할을 한다. 또한 PC와 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 통신을 이용하여 명령 신호를 주고 받는 역할을 한다.

본 프로젝트에서는  ATmel사의 8Bit 마이크로 콘트롤러 ATmega162를 사용했다. ATmega162는 RISC 구조를 갖는 마이크로 콘트롤러로 소형 프로젝트에 적합한 프로세서이다[5]. 스펙은 다음과 같다.

￭ ATmega162 Specifications

명령어 속도 : 8MHz/16MHz -> 8MIPS/16MIPS

SRAM : 1 KByte

EEPROM : 512 Byte

외부메모리 : 64Kbyte 장착가능

USART : Dual Programmable Serial USARTs

포트 : 35개의 입/출력 포트

개발환경 : C언어[Win AVR, Ponyprog2000]

개발 언어는 C언어로 스텝모터의 각도를 1.8도, 9도, 27도, 360도, 연속 제어와 방향을 제어할수 있도록 하였다. 모터는 PC에서 제어를 하기 때문에 마이크로 컨트롤러와 PC와의 통신이 필요 했다. 가장 본적인 통신 인터페이스인 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter) 통신을 이용했다.

(나) Software

소프트웨어는 Visual C++ MFC를 이용하여 프로그램을 구현하였다. 소프트웨어의 기능은 크게 세부분으로 나눌 수 있다. 첫째로 스텝 모터를 Controller하는 부분이다. 여기에서는 각도와 방향을Controller 할 수 있다. 두 번째로 안테나의 패턴을 그려주는 부분이다.

그림 12. 제작된 프로그램

Fig. 12 Software

안테나 패턴 정보는 임의로 설정된 패턴 값에 의해 그려진다. 패턴은 Dipole Antenna, Horn Antenna, Yagi Antenna, Patch Antenna 4가지의 안테나 패턴을 설정하였다. 세 번째로 안테나 트레이닝 kit ED-3200에 의해 실제 측정된 패턴을 보여주는 부분이다. ED-3200은 여러 가지 안테나에 대한 패턴을 측정 할 수 있는 교육용 장비다.

전체 시스템의 동작을 설명하면 개발된 프로그램에서 각도 방향정보를 마이크로 Controller에 전달한다. 다음으로 마이크로 Controller는 펄스와 방향, 스텝 모드를 Stepping Motor Driver에 전달하게 되어 Positioner를 움직이게 한다. Positioner는 각도에 따른 안테나의 전력이득을 측정하여 컴퓨터에 전달하게 된다. 프로그램은 각도에 따른 정보를 이용하여 방사패턴을 완성하는 구조로 되어있다. 하지만 실제로 측정하는 부분은 시뮬레이션이다.

Ⅳ. 결 론

스텝 모터를 이용해서 간단한 안테나 방사 패턴 측정 시스템 만들어 보았다. 스텝 모터를 제어하기 위해 AVR 시리즈 ATmega162를 이용하였으며 모터 드라이버는 2상 바이폴라 방식을 사용했다. 스텝모터는 2상 모터를 사용했다. 프로젝트를 하면서 하드웨어에대한 지식과 소프트웨어 개발 능력도 배양할수 있었다. 아쉬운 점은 실제 측정시스템을 만들지 못했다는데 있다. 발전될 사항이 바로 측정 장비를 이용해서 실제로 측정되는 시스템을 만드는 것이다.

￭ 후기

졸업작품 주제를 정할 때 많이 고민을 했다. 선배들이 했던 가정자동화를 이어받아서 발전을 시킬까 아니면 전혀 새로운 주제를 가지고 할까였다. 졸업작품 조원들이 결정되고 회의를 해본결과 우리는 선배들이 했던 가정자동화를 이어받지 말고 새로운 주제를 택해서 하기로 했다. 왜냐하면 우리 스스로 처음부터 해보고 싶었기 때문이다. 그래서 조용희 교수님의 도움을 받아 선택하게 된 것이 안테나 측정 시스템이었다. 처음부터 새로운 주제를가지고 하게되니 여러 가지 문제와 부딪쳤다. 2, 3학년때부터 작품을 만들어볼걸 하는 아쉬움도 느꼈다. 하지만 문제들을 하나 하나 해결해 나가면서 프로젝트에 대한 자신감이 생겼고 졸업작품을 마칠수 있게되었다. 비록 학술제에서 고생한 결과 보다 좋은 성적은 얻지 못했지만 더욱 중요하게 느낀 것은 졸업작품을 하는 과정중에서 느낀 시행착오와 조원간의 팀웍인거 같다.

류홍균

마지막으로 조장으로써 부족한 능력에도 잘 따라준 조원들과 3학년 부조원들에게 너무 고맙고 졸업작품에 많은 도움을주신 조용희 교수님과 4학년 전체를 이끌어주신 오상훈 교수님께 감사를 드린다.

안테나 방사패턴의 시스템을 구현 해 봄으로써 안테나들의 특성을 알고, 모터 구동원리와 프로그램을 배웠다. 맡은 부분이 소프트웨어이기 때문에 많이 모자르지만, 자신있게 프로그램을 대할수 있었다. 개인적으로는 아쉬움이 많은 1년이었지만, 그래도 동기들과의 단합심을 배웠기에 나름대로의 만족은 느낀다.

송진우

4년동안 이론적으로 배웠던 부분을 실제 프로젝트에 응용해 봄으로써 그동안 생각으로만 가지고 있던 것을 실천해 보았습니다. 또한 단순하지만 실제 회로를 구현해봄으로써 앞으로 실무에 나가서 어떤 하드웨어도 구성할수 있는 자신감을 가질수 있게 되었습니다.

류기천

명노진

대학에서 배운 것들을 토대로 졸업작품을 만들 수 있다는 것에 자부심도 느꼈지만 작품을 만들면서 그동안 더 열심히 하지 않은것에 대한 후회도 들었고 다음에 우리가 했던 작품을 후배들이 받아서 하게 된다면 더욱 좋은 작품으로 발전 시켰으면 하는 바램을 가지게 됐다.

참 고 문 헌

[1] 김정환, “안테나 특성측정”, 전파통권 94호, 2005년 5～6월호

[2] 윤영중, 홍의석, 전계석, 김민준, 임영석, 정백호 편역, “안테나 이론과 설계”, 교보문고, 2003년 3월

[3] 세운 편집부, “스테핑 모타의 활용”, 세운 출판사, 1998년

[4] 신정환, “C가 미는 로봇 II”, Ohm사, 2001

[5] 윤덕용, “ATmega162 마스터”, Ohm사, 2004년

[6] 송윤수, “AVR바이블”, 북두 출판사, 2002년 6월

[7] http://www.redzip.ce.ro