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문제 정의
- 본 논문은 초고속 비행체용 패치 안테나 커버를 기존의 재질과는 다른 새로운 재질을 사용하여 제작하였다. 기존의 세라믹 소재의 단점을 보완하는 세라믹 접착제를 새롭게 제조하고 유리 섬유의 복합체를 공정 압력별로 상온 유전율, 곡 강도를 측정하였고, 최적 조건에서의 열 전도도, 고온시험, 습도시험, 테프론 코팅 후 습도시험을 실시한 후의 유전율을 측정하였다.
제안 방법
- 기존의 세라믹 소재의 단점을 보완하는 세라믹 접착제를 새롭게 제조하고 유리 섬유의 복합체를 공정 압력별로 상온 유전율, 곡 강도를 측정하였고, 최적 조건에서의 열 전도도, 고온시험, 습도시험, 테프론 코팅 후 습도시험을 실시한 후의 유전율을 측정하였다. 이를 토대로 FRC(Fiber Reinforce Ceramic) 소재로 안테나 커버를 사용하여 유전율을 변수로 하여 안테나 커버 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 그 우수성을 증명하였다.
- 이 경우 여러 개의 안테나를 특정한 구조로 배열하면, 각각의 안테나의 방사 패턴이 합쳐져서 더욱 샤프하게 만들 수 있다. 또한, 임피던스 매칭을 위하여 T junction 전력 분배기 와 임피던스 트랜스포머(transformer) 를 사용하였다. 그림 7은 본 연구의 시뮬레이션에 사용된 배열 안테나의 구조이다.
- 복합체 제조시, 공정 압력을 4, 6, 8, 10, 12 kgf/cm2 등 5개의 복합체 시료를 제조하여 압력별 곡 강도의 변화를 알아보았다. 시료의 크기는 40x4x3 (T) 邸구으로 하여 만능시험기(모델명: INSTRON 8801)를 이용하여 그림 2와 같이 3점 하중 시험법으로 곡 강도를 측정하였다用 이와 관련된 측정방정식은 식 (2)와 같다.
- 본 절에서는 그림 11과 같이 안테나와 안테나 커버 사이에 공기증의 유무에 따라 시뮬레이션을 하여 안테나의 성능 변화를 비교 실험하였다. 이와 같은 실험을 실시한 이유는 안테나와 안테나 커버를 기구적 결합을 할 경우 발생되는 공기층에 의한 공진 현상을 고려한 것이다.
- 우수한 전파 특성 유무를 좌우하는 것이 유전율로써 저유전율 및 유전율 변화가 작아야 하는 것이 중요하다. 본 절에서는 먼저 커버 제작 공정 시 압력에 의한 곡 강도(bending strength) 특성을 파악하여 최적의 곡 강도 특성을 갖는 압력을 추출해 내었으며 이를 바탕으로 여러 환경에 대한 유전율 변화를 실험적으로 분석하였다.
- 공정 압력은 10 kgf/cn?으로 제작해야 하며, 고온/고습도에서 높은 이득과 최적의 방사 패턴을 갖는 테프론 코팅 처리된 안테나 커버를 도출해 내었다. 본 절에서는 일반적으로 초고속 비행체에 적용 가능한 배열 안테나를 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 바탕으로 추출된 최적의 파라미터를 적용한 시료로 고온/고습도 변화를 고려하여 테프론 코팅 처리한 안테나 커버에 대하여 안테나 특성 시험을 하였다. 그림 14는 실험에 사용된 테프론 코팅으로 된 안테나 커버가 장착된 마이크로스트립 패치 안테나실장도이며, 그림 15는 챔버(chamber)에서 실시한 이득의 실험결과를 나타냈다.
- 비교 분석하였다. 상온, 고온, 습도시험 전 후의 상태 변화에 따른 유전율에 대하여 반사 손실과 방사 패턴을 시뮬레이션과 실험을 통해 분석하였다. 그림 9와 10은 유전율의 변화에 따른 안테나의 반사 손실과 중심 주파수 11 GHz에서의 방사 패턴과 이득(Gain) 그래프이다.
- 습도 실험 결과 유전율 변화 문제점을 해결하기 위해 커버에 방수 능력이 우수한 소재로 알려져 있는 테프론(Teflon)을 사용하여 코팅을 한 후, 앞서 실험한 2-3절의 습도 실험에서와 동일한 조건에서 습도 실험을 실시하였다. 테프론 코팅 실시 후, 내습 특성 실험결과를 그림 6에 나타냈다.
- 이와 같은 실험을 실시한 이유는 안테나와 안테나 커버를 기구적 결합을 할 경우 발생되는 공기층에 의한 공진 현상을 고려한 것이다. 시뮬레이션 조건은 공기층의 높이를 1.5 mm, 3 mm로 변화를 주었으며, 안테나 덮개의 유전율은 테프론 코팅된 4.25로 적용하였다. 그림 12에서와 같이 공기층 1.
- 안테나 커버와 안테나 사이의 공기층(air gap) 없이 그림 8과 같이 안테나 표면에 바로 커버를 부착시키고, 커버의 유전율의 변화에 따른 안테나의 특성을 비교 분석하였다. 상온, 고온, 습도시험 전 후의 상태 변화에 따른 유전율에 대하여 반사 손실과 방사 패턴을 시뮬레이션과 실험을 통해 분석하였다.
- 앞서 실험한 상온, 고온, 테프론 코팅 및 습도 시험에 따른 유전율 측정값을 적용하여 안테나 특성평가에 대한 모의 실험을 하였다. 고속 비행체에 장착되는 안테나는 공중에서 진행하며 작동되기 때문에 높은 이득과 넓은 대역폭을 필요로 한다闵 본 연구에서는 여러가지 안테나 중에서 소형, 경량의 특성 및 여러가지 패턴 조합과 손쉬운 배열을 통해 다양한 특성을 이끌어 낼 수 있으면서, 제작이 용이하고 가격이 저렴한 마이크로스트립 사각 패치 배열안테나를 사용하였다.
- 열 전도도 즉정을 위하여, Nano Flash Diffusivity (LFA 447) 장비를 이용하여 열 확산도(thermal diffusivity: 。)를 측정 하였으며, Differential Scanning Ca- lorimetiy(DSC 204F1)을 이용하여 비열(0)을 측정하였다. 그리고 밀도停)는 별도의 balance에 의해 측정하였다.
- 따라서 고속 비행체용 안테나 커버의 고온에서의 유전율 변화 특성은 안테나의 전체성능을 좌우한다. 이러한 이유로 고온에서의 유전율 변화 시험을 실시하였다. 측정은 HP 8510 millimeter network analyzer# 사용하였다.
- 기존의 세라믹 소재의 단점을 보완하는 세라믹 접착제를 새롭게 제조하고 유리 섬유의 복합체를 공정 압력별로 상온 유전율, 곡 강도를 측정하였고, 최적 조건에서의 열 전도도, 고온시험, 습도시험, 테프론 코팅 후 습도시험을 실시한 후의 유전율을 측정하였다. 이를 토대로 FRC(Fiber Reinforce Ceramic) 소재로 안테나 커버를 사용하여 유전율을 변수로 하여 안테나 커버 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 그 우수성을 증명하였다.
- 이러한 습도환경에서 안테나 커버를 보호하기 위해 테프론 코팅 후, 유전율을 측정한 결과, 수분에 의한 영향을 크게 감소시킬 수 있었다. 최종적으로 제안된 소재의 다양한 환경에서 측정된 유전율을 토대로 시뮬레이션을 통해 안테나 특성을 평가하였다. 본 연구의 결과, 최적의 소재인 테프론 코팅된 세라믹 복합체를 안테나 커버에 적용할 경우 우수한 물리적 및 전기적 특성을 가짐을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 1. Antenna cover mounted on ultrafast aircraft.
- Cr 성분으로는 CrO3(99.5 %), Al 성분으로는 A1(OH)3(99.8 %), 그리고 P 성분으로는 H3PO4 용액(85 %)을 이용하였다. 이때 CrCh의 환원 반응 촉매로써, 메탄올을 사용하여 서서히 반응을 시켰다.
- 강화재로는 유전율을 고려하여 유전율이 낮은 Silica fabric을 사용하였으며, 앞서 준비된 CC를 유리섬유 위에 Putter를 이용하여 균일하게 표면에 칠한 다음, 그 위에 유리섬유를 올려놓고 칠하는 것을 반복하여 원하는 두께를 얻었다. 본 실험에서는 30 mm의 두께를 얻기 위해 복수의 유리섬유를 사용하였다.
- 원하는 두께를 얻었다. 본 실험에서는 30 mm의 두께를 얻기 위해 복수의 유리섬유를 사용하였다. 이렇게 쌓기(stacking)가 끝난 복합체를 가열 프레스로 옮겨 4 kgf/cn?부터 12 kgf/cn?의 압력 하에서 200 ℃ 까지 15 ℃/hr의 승온 속도로 양생을 실시하였으며, 최고온도 200 ℃에서 3시간 유지한 후, 냉각하여 제작하였다.
- 본 연구에 사용된 접착제로는 Cr2O3-Al2O3-P2O3 (CAP) 시스템을 가지는 인산염계 접착제를 자체 제조하였다. Cr 성분으로는 CrO3(99.
- 한다. 본 연구에서는 중전제로서 AI2O3, Cr203를 사용하였으며, 이를 바인더와 혼합하여 복합체(Cement Compound: CC)를 제조하였다. 혼합 비율은 바인더 : A12O3 : Cr2O3 = 50 : 40 : 10 의 중량비로 하고, 혼합 후, Stirrer를 이용하여 200 RPM에서 30분 동안 혼합하여 Matrix용 CC를 제조하였다.
- 변화를 알아보았다. 시료의 크기는 40x4x3 (T) 邸구으로 하여 만능시험기(모델명: INSTRON 8801)를 이용하여 그림 2와 같이 3점 하중 시험법으로 곡 강도를 측정하였다用 이와 관련된 측정방정식은 식 (2)와 같다.
성능/효과
- 본 연구에서 최적 공정 압력 10 kgf/cn? 에서 세라믹 접착제를 이용한 세라믹 복합체를 제작하였다. 고속 비행체용 안테나 커버의 사용 환경을 고려하여 고온 및 습한 환경에서의 유전율을 측정한 결과, 고온 환경에서는 온도가 증가함에 따라, 유전율이 서서히 감소하다가 523 ℃ 이상에서는 조금씩 증가하는 경향을 나타냈으며, 습도 환경에서는 유전율이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 습도환경에서 안테나 커버를 보호하기 위해 테프론 코팅 후, 유전율을 측정한 결과, 수분에 의한 영향을 크게 감소시킬 수 있었다.
- 실험 결과, 본 안테나 커버에 제작에 사용된 소재는 수분에 의해서 유전 특성에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 고온 및 습한 환경에서의 유전 특성 변화를 통해 알 수 있듯이, 고온 환경에서는 상온과 비교하여 일정한 유전 특성을 나타냈지만, 습한 환경에서의 유전 특성은 크게 저하되는 현상을 확인할 수 있었다. 따라서 습한 환경에서 우수한 전기적 특성을 갖는 새로운 안테나 커버의 제안이 필요함을 알 수 있다.
- 곡 강도 및 유전율 측정 결과, 전파 투과 체로 서의 안테나 커버 최적 공정 조건은 구조적 측면에서 보면, 10 kgf/cm2 압력으로 제조한 시료가 가장 우수한 강도 특성을 나타냈으며, 유전 특성을 고려하면, 압력이 낮을수록 유전율이 낮게 나타났으며, 압력에 따른 유전율 변화는 0.4 정도의 차이를 나타냈다. 이와 같은 실험결과를 바탕으로 본 논문에서 제안하는 안테나 커버는 10 kgf/cn?의 공정 압력에서 제조된 시료를 채택하였다.
- 실험결과를 그림 3(a)에서 나타냈다. 공정 압력이 높아질수록 곡 강도는 증가하지 만, 10 kgf/cm2 이상의 압력에서는 강도가 급격히 떨어지는 결과를 나타냈다. 그 이유는 압력이 높아질수록 강화 재인 유리섬유와 matrix 간에 결합력 이 증가하여 곡 강도의 증가를 가져오지만 그 이상의 높은 압력으로 제조했을 경우, 강화재로 사용된 유리 섬유 간 마찰로 인해 유리 섬유 내에 미세 결함을 유발시켜 상호결합력을 떨어뜨리는 결과임을 알 수 있다.
- 최종적으로 제안된 소재의 다양한 환경에서 측정된 유전율을 토대로 시뮬레이션을 통해 안테나 특성을 평가하였다. 본 연구의 결과, 최적의 소재인 테프론 코팅된 세라믹 복합체를 안테나 커버에 적용할 경우 우수한 물리적 및 전기적 특성을 가짐을 알 수 있었다. 실험에서 측정된 습도에 의한 이득감소 특성을 최소화할 수 있는 재료의 연구가 필요하다.
- 표 1에 나타내었다. 실험 결과 평균 0.536 w/mk의 열 전도도 값을 나타냈으며, 이는 일반 세라믹 소재의 열 전도도 값인 2~20 w/mk 와 비교하여 월등히 낮은 값으로 고온 단열 소재로서 유용한 소재로 판단된다.
- 11 로 크게 증가하였다. 실험 결과, 본 안테나 커버에 제작에 사용된 소재는 수분에 의해서 유전 특성에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 고온 및 습한 환경에서의 유전 특성 변화를 통해 알 수 있듯이, 고온 환경에서는 상온과 비교하여 일정한 유전 특성을 나타냈지만, 습한 환경에서의 유전 특성은 크게 저하되는 현상을 확인할 수 있었다.
- 첫 번째는 고온(600 ℃) 처리 후 상온에서 측정하였으며 두 번째는 고온(600 ℃)과 동시에 고습도 환경을 가한 후에 상온에서 측정하였다. 안테나 방사 패턴을 확인한 결과 그림 15와 같이 습도 시험전의 안테나 커버를 장착하였을 때 안테나 이득은 9.08 dB이고, 고습도 시험 후의 안테나 커버를 장착하였을 때의 안테나 이득은 6.77 dB로 나타났다. 이는 그림 10에서의 시뮬레이션 결과와 거의 일치하며 고온/고습에서도 제안된 안테나 커버의 우수한 성능이 실험적으로 증명되었다.
- 유전율 및 유전 손실 값은 530 ℃ 까지 약간 감소하는 경향을 나타냈으며, 그 이상의 온도에서는 조금 상승하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 530 ℃까지 내부에 존재하는 소량의 유기물 이산화하면서 내부 기공을 형성한 결과로 보이며, 그 이상의 온도에서는 유리 섬유의 부분 용융에 의해 내부 기공이 메워지면서 유전율이 서서히 증가하는 것으로 보인다.
- 고속 비행체용 안테나 커버의 사용 환경을 고려하여 고온 및 습한 환경에서의 유전율을 측정한 결과, 고온 환경에서는 온도가 증가함에 따라, 유전율이 서서히 감소하다가 523 ℃ 이상에서는 조금씩 증가하는 경향을 나타냈으며, 습도 환경에서는 유전율이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 습도환경에서 안테나 커버를 보호하기 위해 테프론 코팅 후, 유전율을 측정한 결과, 수분에 의한 영향을 크게 감소시킬 수 있었다. 최종적으로 제안된 소재의 다양한 환경에서 측정된 유전율을 토대로 시뮬레이션을 통해 안테나 특성을 평가하였다.
후속연구
- 본 연구의 결과, 최적의 소재인 테프론 코팅된 세라믹 복합체를 안테나 커버에 적용할 경우 우수한 물리적 및 전기적 특성을 가짐을 알 수 있었다. 실험에서 측정된 습도에 의한 이득감소 특성을 최소화할 수 있는 재료의 연구가 필요하다. 추가적으로 공기층의 변화에 의해 발생할 수 있는 공진에 의한 이득의 변화를 보다 면밀히 분석하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 실험에서 측정된 습도에 의한 이득감소 특성을 최소화할 수 있는 재료의 연구가 필요하다. 추가적으로 공기층의 변화에 의해 발생할 수 있는 공진에 의한 이득의 변화를 보다 면밀히 분석하는 것이 필요하다고 판단된다.
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