This paper presents compact low frequency ultra-wide band (UWB) sensor design and study of the partial discharge diagnosis by sensing electromagnetic pulse emitted from the partial discharge source with the newly designed UWB sensor. In this study, we designed a new type of compact low frequency UWB sensor based on microstrip antenna technology to detect both the low frequency and high frequency band of the partial discharge signal. Experiments of offline PD testing on medium voltage (22.9kV) underground cable mention the comparative results with the traditional HFCT as a reference sensor in the laboratory. In the series of comparative tests, the calibration signal injection test provided with the conventional IEC 60270 method and high voltage injection testing are included.
Ultra wide band electromagnetic energy can be transmitted to a far field by emitting the nanoseconds high voltage pulse electromagnetic energy via an antenna. This UWB EM energy is expected to be used in post-packing pasteurization of food, detection of buried objects or underground water veins and caves and the treatment of waste water or polluted gas. The nanoseconds pulse forming for UWB generation using high voltage blumlein line and an ultrafast switch is mentioned.
Ultra wide band electromagnetic energy can be transmitted to a far field by emitting the nanoseconds high voltage Pulse electromagnetic energy via an antenna. This UWB EM energy is expected to be used in post-packing pasteurization of food, detection of buried objects or underground water veins and caves and the treatment of waste water or polluted gas. The nanoseconds pulse forming for UWB generation using 500kV blumlein line and an ultrafast switch is mentioned.
WPAN의 통신방식으로 표준화 작업이 진행 중에 있는 U(Ultra Wide Band)는 기존 시스템과 간섭으로 인하여 전송 전력에 큰 제약이 따른다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 극복하기 위한 방안으로 여러 개의 송수신 안테나 구성에 의한 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 채널을 형성하고 이에 따른 성능을 분석한다. 또한 MIMO 채널 형성 시 발생되는 안테나 사이의 간섭을 시뮬레이션을 통하여 획득하고 이것이 시스템에 미치는 영향을 분석한다. 본 논문에서 제안하는 UWB 시스템은 다중경로로 인한 신호간의 간섭 및 다중 사용자로 인한 간섭을 상쇄시키는 최소제곱(least square) 방식과 ML 검출기(Maximum Likelihood Detector) 구조를 갖는다.
2000년대 들어 통신, 방송을 중심으로 한 다양한 신규 무선 기술이 개발되어 상용화된 서비스가 도입되기 시작 하였다. 그리고, 각종 산업에서 무선 서비스에 대한 수요가 급격히 확대됨에 따라 주파수 사용의 수요가 폭발적으로 증가하고 있다. 특히, UWB(Ultra WideBand), SDR(Software Defined Radio), 밀리미터파(Millimeter Wave) 등을 비롯한 다양한 무선 접속 기술이 연구가 되고 있다. 그중, UWB는 주파수 대역별 배타적 주파수 이용권한이 부여되는 기존의 방식이 아닌 매우 넓은 주파수 대역을 활용할 수 있는 장점을 갖고 있다. 또한, 기존 해당 주파수를 사용하고 있는 기타서비스에 주파수 간섭을 일으키지 않는 기술로 주목 받고 있다. 이에 본 논문에서는 UWB 통신기술에 대해 연구하고, UWB 통신에 사용 가능한 안테나를 설계 및 구현 하였다.
본 논문은 UWB(Ultra WideBand) 기술에 기반한 지반탐사레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)용으로 개발된 광대역 안테나의 특성에 관해 나타낸다. UWB 기술의 핵심은 주기가 수 나노초 이하의 짧은 임펄스를 이용하는 것으로 지반탐사레이더는 이 임펄스 기술을 이용함으로서 탐사 능력과 해상도를 높일 수 있다. 임펄스 전송을 위해 안테나는 넓은 대역폭, 크기, 무게, 가격 등 지반탐사레이더에 적용될 수 있는 조건을 만족해야 함으로 안테나의 설계는 이에 부합할 수 있는 다이폴 안테나를 선택하여 개발하였다. 개발된 안테나의 성능을 검증하기 위해 시뮬레이션과 실험을 실시하였고 그 결과 설계된 안테나의 대역폭이 0.5 GHz에서 2.7 GHz로 2.2 GHz(138%)의 사용대역을 나타냄으로서 UWB 기술에 기반한 지반탐사레이더용으로 유용함을 확인하였다.
본 논문에서는 광대역 사각형 평면 모노폴 안테나의 복사 모드를 해석함으로써 사각형 평면 모노폴이 광대역 특성을 갖는 원리를 규명하고 대역폭 예측 공식을 제시한다. 사각형 평면 모노폴 안테나는, 설계와 제작이 용이한 장점으로 인하여, 기존의 원통 실린더형 모노폴을 대체하여 UWB(Ultra Wide Band) 및 다중 밴드용 안테나로서 많은 연구가 이루어지고 있다. 그러나 설계에 있어서 실린더형 모노폴의 설계 원리를 준용하고 있으며, 광대역이 실현되는 원리의 규명과 상측 대역의 주파수 범위를 예측할 수 있는 공식이 아직 발표되어 있지 않다. 본 연구에서 사각형 평면 모노폴은 주파수에 따라 상이한 이중 복사 모드를 가짐으로써 광대역 특성이 구현됨을 보였으며, 각 모드의 형성 원리에 근거하여 대역폭을 예측할 수 있는 공식을 제시하였다. 주파수 범위 예측 공식을 기존에 발표된 제작 결과에 적용하여 10 % 이내의 정확도가 얻어짐을 확인하였다.
This paper presents compact low frequency ultra-wide band(UWB) sensor design and studying of the partial discharge diagnosis by sensing electromagnetic pulse emitted from the partial discharge source with new designed UWB sensor. In this study, we designed new type of compact low frequency UWB sensor based on microstrip antenna technology to detect both low frequency and high frequency band of partial discharge signal. And experiments of offline PD testing on in medium voltage (22.9kV) underground cable and mention the comparative results with the traditional HFCT as a reference sensor in the laboratory. In the series of comparative test, the calibration signal injection test provided with conventional IEC 60270 method and high voltage injection testing are included.
UWB 주파수대역의 안테나로써 CPW 급전의 U-자형 평면 패치 안테나모델의 지향성이득 향상 방법을 검토하였다. 지향성 이득 향상을 위해 CPW 급전의 U-자형 패치 안테나 모델에 개구슬롯 반사면을 부가하여 마이크로스트립 구조로 재구성하였다. 재구성한 안테나는 특성 임피던스 $50.08{\Omega}$에 대해 반사계수는 -6.5dB(VSWR < 3.3)이하이며 지향성이득은 7.8 dBi ~ 9.6 dBi, 전후방비는 17.8dB ~ 28.7dB 그리고 ${\theta}=0^{\circ}$의 주방사 방향에 대해 -3dB 방사각의 범위가 ${\pm}30^{\circ}$의 방사지향성의 패턴을 나타내 보였다.
이 논문은 저주파수 영역에서 광대역을 실현하기 위해 대칭형 미앤더 급전 선로를 이용한 사다리꼴 평면 UWB 안테나의 설계를 제안한다. 제안된 설계 안테나의 크기는 $15.5{\times}2.1{\times}1.6mm^3$이며, 설계에 고려된 유전체는 4.4의 복소 비유전율을 가진다. 계산된 대역폭은 9.52 GHz($1.31{\sim}10.83$ GHz)이고, 측정된 대역폭은 반사 손실 -10 dB 이하에서 9.1 GHz($1.5{\sim}10.6$ GHz)이며, 이 대역은 UWB 안테나 대역폭을 만족한다. 또한, 시뮬레이션상 복사 패턴과 측정 패턴이 각각의 주파수에서 서로 잘 일치하는 것을 보여주고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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