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문제 정의
- 본 논문에서는 마이크로스트립 안테나와 샌드 위치 패널을 이용하여 CLAS 를 제작하고, 외부의 물체에 의하여 CLAS 에 저속 충격이 가해지는 경우 CLAS 에 나타나는 충격거동을 실험적으로 해 석하였다. 또, 충격 손상이 안테나의 성능에 미치는 영향을 조사하였다.
- 본 연구에서는 R04003 복합재와 허니컴 코어를 이용하여 CLAS 를 제작하여 저속 충격에 의한 손상을 연구하였고, 그에 따른 안테나 성능의 저하를 연구하였다.
제안 방법
- 이를 위하여 저속 충격 (low-velocity impact) 실험을 수행하였다. CLAS 의 충격 손상은 비 파괴적인 방법과 파괴적인 방법을 이용하여 조사하였다. 또, 스펙트럼 분석기와 무 반사실을 이용하여 손상을 받은 CLAS 의 반사 손 실(return loss)과 방사 패턴(radiation pattern)을 즉정 하였다.
- CLAS 의 충격 실험은 자유 낙하식 충격 시험기(Drop weight impact test machine) 인 General Research사의 Dynatup 8250 을 이용하여 수행하였다. 시편에 충격 하중을 가하는 부분은 충격 추(weight)와 충격 체 (impactor) 로 이루어져 있다.
- 다른 접 지 면을 사용한 Panel 1과 Panel 2의 저 속 충격 실험을 통하여 충격에 의한 손상 정도를 비교하였다. 세 면재 모두 R04003 복합재를 사용한 Panel 1은 안테나로서는 충분한 역할을 할 수 있으나 강도와 강성이 낮아서 구조물로는 적합하지않으므로 접지면으로 2024-T3 알루미늄을 사용한 Panel 2 를 제 작하였다.
- 하였다. 다음으로 공진 주파수를 맞추고 수직 편파로 송신안테나의 방향을 설정하였다. 본 안테나는 이중편파(dual-polarization)으로 되어 있으나, 둘의 특성이 같으므로 그 중 한 편파만을 측정하였다.
- 동박의 에칭은 염화 제 2 철을 이용하였고, 금속 과 비금속의 표면 처리가 모두 가능한 Trychloroethylene 을 사용하여 표면 처리를 한 후 접착하였다. 경화 사이클은 Fig.
- 이때 사용된 주파수는 100MHz 였다. 또, 본 실험에서는 시편을 물속에 넣고 측정하는 수침법과, 시편의 위에서 초음파를 발생시키면 시 편의 아래에 있는 센서가 펄스를 받는 투과법을 이용하여 시편의 층간 분리를 측정하였다. 수신된 펄스는 시편 내의 결함에 대한 정보를 갖고 있는데, 이를 평면으로 나타내어 층간 분리가 일어난 모양과 층간 분리 면적을 측정하였다.
- CLAS 의 충격 손상은 비 파괴적인 방법과 파괴적인 방법을 이용하여 조사하였다. 또, 스펙트럼 분석기와 무 반사실을 이용하여 손상을 받은 CLAS 의 반사 손 실(return loss)과 방사 패턴(radiation pattern)을 즉정 하였다.
- 본 논문에서는 마이크로스트립 안테나와 샌드 위치 패널을 이용하여 CLAS 를 제작하고, 외부의 물체에 의하여 CLAS 에 저속 충격이 가해지는 경우 CLAS 에 나타나는 충격거동을 실험적으로 해 석하였다. 또, 충격 손상이 안테나의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여 저속 충격 (low-velocity impact) 실험을 수행하였다.
- 연결하여 S끄 를 측정하였다. 반사 손실을 측정하기 전에 Panel 3의 패치 중앙에 충격 실험을 수행하였으며, 이 때의 충격 에너지는 0.3J, 0.51 1.0J , 1.25J, 1.5J, 1.75J, 2.0J, 3.0J, 4.0J 로 변화시 켰다.
- 본 실험에서는 반사 손실을 측정하기 위하여Hewlett-Packard 사의 HP8510B Network Analyzer 를사용하였으며, 한 쪽 포트를 정합 시키고 2 번 포트에 연결하여 S끄 를 측정하였다. 반사 손실을 측정하기 전에 Panel 3의 패치 중앙에 충격 실험을 수행하였으며, 이 때의 충격 에너지는 0.
- 다음으로 공진 주파수를 맞추고 수직 편파로 송신안테나의 방향을 설정하였다. 본 안테나는 이중편파(dual-polarization)으로 되어 있으나, 둘의 특성이 같으므로 그 중 한 편파만을 측정하였다. 전자파 발생기로부터 전자파가 발생되면, 반사판을 통해서 안테나 방향으로 반사가 일어난다.
- 본 연구에서는 0.3J, 0.5J, 1.0J, 3.0J, 5.0J 의 충격 에너지에 의해 발생한 충격 손상만을 초음파 Cscan 으로 검 사하였 다
- 본격적인 저속 충격 실험을 수행하기 전에 충격에 의해 시편이 완전히 관통되는 관통 실험 (Penetration Test)을 수행하였다. 시편에 가해지는 에너지는 31.
- 세 면재 모두 R04003 복합재를 사용한 Panel 1은 안테나로서는 충분한 역할을 할 수 있으나 강도와 강성이 낮아서 구조물로는 적합하지않으므로 접지면으로 2024-T3 알루미늄을 사용한 Panel 2 를 제 작하였다. Panel 2는 강도와 강성 이 높고 관통에 대한 저항성이 크다는 장점이 있었으나 저속 충격에 의한 손상 영역이 증가하는 단점이 있었다.
- 12 에 나타내었다. 손상 부위가 원형에 가까우므로 이를 측정하여 층 간 분리 면적을 계산하였다. Fig.
- 또, 본 실험에서는 시편을 물속에 넣고 측정하는 수침법과, 시편의 위에서 초음파를 발생시키면 시 편의 아래에 있는 센서가 펄스를 받는 투과법을 이용하여 시편의 층간 분리를 측정하였다. 수신된 펄스는 시편 내의 결함에 대한 정보를 갖고 있는데, 이를 평면으로 나타내어 층간 분리가 일어난 모양과 층간 분리 면적을 측정하였다. C-scan 에 의하여 측정된 면적은 2inchx2inch 였다
- 다 이아몬드 휠 커터로 절단 시 허니컴 코어에 이 물 질이 존재하게 되므로 차후 이를 제거하였다. 시 편의 단면을 절단한 후 Sony 사의 디지털 카메라 를 이용하여 면재의 층간 분리 및 파단과 코어의 좌굴 및 압괴를 관찰하였다.
- 시편에 가해진 손상은 비파괴적인 방법에 의한 검사와 파괴적인 방법에 의한 검사로 나뉘어 조사하였다. 비파괴적인 방법에 의한 검사는 초음파 C-scan 과 X-radiograpy 를 이 용하였고, 파괴적인 방법에 의한 검사는 단면 절단(cross-sectioning) 방법을 이용하였다.
- 시편의 경계조건은 고정지지 조건이며, 충격 체의 에너지 준위는 충격 체의 높이로 조절하였으며, 0.3J 부터 5.0J 까지 에너지 준위를 증가시켜가며 실험하였다. 충격 체가 시편에 충격을 가하기 직전의 속도는 광 다이오드를 통해 측정하였다.
- 시편의 단면을 통하여 면재와 코어가 파괴된 모 드를 좀 더 정확하게 관찰하기 위하여 단면을 다 이아몬드 휠 커터를 이용하여 절단하였다[11]. 다 이아몬드 휠 커터로 절단 시 허니컴 코어에 이 물 질이 존재하게 되므로 차후 이를 제거하였다.
- 2 에 나타나 있다. 시편의 크기는 가로와 세로가 각각 100mm 가 되도록 하였고, 면재와 접지면의 두께는 모두 0.5mm, 심재의 두께는 2.54mm 가 되도록 하였다. 본 연구에 사용된 안테나는 개구면 결합형 마이크로스트립 안테나(aperture-coupled microstrip antenna)로써 패치 (patch)의 크기는 18mmx 18mm 이며, 패치는 시편의 중앙에 위치하도록 하였다.
- 또, 충격 손상이 안테나의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 위하여 저속 충격 (low-velocity impact) 실험을 수행하였다. CLAS 의 충격 손상은 비 파괴적인 방법과 파괴적인 방법을 이용하여 조사하였다.
- 저속 충격 실험 시 Panel 1과 Panel 2는 0.3, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0J 의 에너지 준위로 충격 실험을 수행하였으며, Panel 3은 추가적으로 1.25, 1.5, 1.75J의 에너지 준위에 대하여 충격 실험을 수행하여 결과를 분석하였다. Panel 3은 패치의 중앙에 충격이 가해지는 경우만을 가정하여 충격 실험을 수행하였다.
- 충격 체의 로드 셀(load cell)로부터 측정되는 시간과 하중의 신호는 GRC 830-1 data acquisition system 과 IBM PC 로 받아서 충격 체의 속도와 변위, 흡수된 에너지를 계산하였다. 저속 충격 실험 후 시편에 생긴 압입 깊이를 다이얼 게이지 (dialgage)를 이용하여 측정하였다. 시편의 표면을 기준으로 가장 깊이 패인 곳을 측정하였다.
- 충격 손상으로 인한 안테나 성능의 저하를 관찰하기 위하여 2024-T3 알루미늄을 접지면으로 사용하고 무선 랜용 패치가 삽입된 Panel 3 를 제작하여 충격 손상에 따른 안테나 성능을 측정하였다 안테나의 성능은 반사 손실과 방사 패턴을 측정함으로써 알 수 있는데, 본 연구를 통해서 충격 손상과 그에 따른 안테나의 성능 저하 사이에는 임계점(Threshold)이 존재한다는 사실을 밝혀내었다. 1.
- 0J 까지 에너지 준위를 증가시켜가며 실험하였다. 충격 체가 시편에 충격을 가하기 직전의 속도는 광 다이오드를 통해 측정하였다. 충격 체의 로드 셀(load cell)로부터 측정되는 시간과 하중의 신호는 GRC 830-1 data acquisition system 과 IBM PC 로 받아서 충격 체의 속도와 변위, 흡수된 에너지를 계산하였다.
- 7mm) 지름의 반구 형태이다. 충격 체와 충격 추를 포함한 질량은 2.58kg 이 되 도록 유지 하였으며, air-brake 를 설치하여 시편에 여러 번 충격 이가 해지는 것을 방지하도록 하였다.
- 충격 체가 시편에 충격을 가하기 직전의 속도는 광 다이오드를 통해 측정하였다. 충격 체의 로드 셀(load cell)로부터 측정되는 시간과 하중의 신호는 GRC 830-1 data acquisition system 과 IBM PC 로 받아서 충격 체의 속도와 변위, 흡수된 에너지를 계산하였다. 저속 충격 실험 후 시편에 생긴 압입 깊이를 다이얼 게이지 (dialgage)를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- CLAS 의 면재 (facesheet material)로 사용하기 위해 위아래로 동 박이 되어있는 Rogers 사의 R04003 woven glass reinforced hydrocarbon/ceramic 기판(e = 3.38, tang = 0.0027)을 사용하였다. 일반적인 복합재료로 쓰이는 E-glass/epoxy(E - 5.
- 실험을 위한 시편은 저속 충격 실험을 위한 Panel 1과 Panel 2, 안테나의 성능 측정을 위한 Panel 3 을 준비하였다. Panel 은 R04003 을 접지면으로 사용하였고, Panel 2와 Panel 3은 2024-T3 Aluminum 을 접지면으로 사용하였다. 시편의 구조는 Fig.
- 안테나가 받아들이는 패턴은 안테나가 방사하는 패턴과 같으므로, 받아들이는 패턴을 측정하였다. 본 실험에서 사용된 전파의 주파수는 설계 주파수인 5.78GHz 로 하였다.
- 본 실험에서는 MATEC 사의 MUIS C-scan system을 사용하였고 탐촉자는 Panametric 사의 A109R 를 사용하였다. 이때 사용된 주파수는 100MHz 였다.
- Xradiography 는 X-ray 가 시편을 통과할 때 밀도의 차이에 의해서 측정된 X-ray 신호가 달라지는 특성을 이용한 것으로써, 측면도의 측정을 통해 코 어의 압괴와 면재의 압입을 관찰할 수 있다. 본 실험에서는 X-TEX 사의 HMX2-160SR3 X-ray microfocus system 을 이용하였다. 작동 시 의 전압은 105kV, 전류는 5|xA 로 하였다.
- 54mm 가 되도록 하였다. 본 연구에 사용된 안테나는 개구면 결합형 마이크로스트립 안테나(aperture-coupled microstrip antenna)로써 패치 (patch)의 크기는 18mmx 18mm 이며, 패치는 시편의 중앙에 위치하도록 하였다.
- 실험을 위한 시편은 저속 충격 실험을 위한 Panel 1과 Panel 2, 안테나의 성능 측정을 위한 Panel 3 을 준비하였다. Panel 은 R04003 을 접지면으로 사용하였고, Panel 2와 Panel 3은 2024-T3 Aluminum 을 접지면으로 사용하였다.
- 심재(core material)는 Hexcel 사의 Nomex honeycomb HRH-10-l/8-6.0(96 kg/n?)을 사용하였다. 일반적으로 쓰이는 honeycomb 과 foam 은 모두 유 전상수와 손실률이 매우 낮아 안테나용 유전체 (dielectric material)로 적합하였으며, 그 중에서 HRH-10-1/8-6.
- 013) 는 기계적 특성을 훨씬 우수하나, 유전상수와 손 실율이 높아 전파의 손실이 많으므로 안테나용 기 판으로 사용하지 않았다. 접지면은 도체로 되어 있어야 하므로, 동 박이 붙어있는 R04003과 2024-T3 Aluminum 을 사용하였다
이론/모형
- 비 파괴 검사로써 널리 。[용되고 있어 본 연구에서는 C-scan 을 이용하였다.'7’
- 나타낸 것이다.“》본 실험에서는 포항공대 Compact Range 를 이용하여 방사 패턴을 측정하였다. Compact Range 는 송신 안테나와 반사판, 수신 안테나로 구성되어 있으며, 내부는 무반사실 (anechoic chamber)로 되어있어 전파의 반사가 일어나지 않도록 되어있다.
- 비파괴적인 방법에 의한 검사는 초음파 C-scan 과 X-radiograpy 를 이 용하였고, 파괴적인 방법에 의한 검사는 단면 절단(cross-sectioning) 방법을 이용하였다.
성능/효과
- (1) 고주파용 기판 대신 알루미늄을 이용하여 강성과 강도를 높이면 관통에 대한 저항성은 월등히 증가하나 저속 충격에 의한 손상 영역이 넓어진다.
- (2) 접촉력이 증가할수록 압입 깊이가 증가하고 층간 분리 면적이 넓어진다.
- (4)충격 에너지의 증가에 따른 안테나 성능의 저하에는 임계점(Threshold)이 존재하였으며, 그 때의 충격 에너지는 1.5J 과 1.75J사이에 존재한다.
- 58GHz 에서 공진하는 현상을 발견할 수 있었다. 2.0J 의 충격 에너지가 가해지면 공진하는 부분이 거의 존재하지 않았으며, 4.64GHz 에서 약간의 공진이 발생하였다.
- 후엽(Back lobe)의 방사 패턴은 손상을 입지 않은 안테나와 차이가 있었으나, 주엽(Main lobe)의 방사 패턴이 거의 일치하기 때문에 안테나의 성능 저하는 발생하지 않았다. 안테나에 가해지는 충격 에너지를 증가하여 1.5J 이 되어도 주엽은 손상을 입지 않은 안테나의 것과 유사하였으며, L5J 의 에너지 준위의 경우에는 약 4dB 의 이득이 감소하였다. Fig.
- 안테나의 성능 변화는 시편에 가해지는 충격에너지가 1.0J 과 2.0J 사이일 때 발생하는 것을 알 수 있었다. 본 논문에서는 L0J 과 2.
- 위의 결과들로부터, 1.5J 에서 1.75J 사이의 충격에너지를 가했을 때 안테나의 공진 주파수가 변화됨을 알 수 있었다. 하지만, 앞의 그래프에서 공진주파수가 두 군데에서 발생함을 알 수 있는데, 이는 설계한 공진 주파수 외에도 여러 모드의 공진주파수를 가질 수 있음을 말해주는 것이므로 충격에너지가 L75J 이 되었을 때 5.
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