[논문]옵셋 파라볼라 안테나를 이용한 1 GHz 이상에서의 전자파 적합성 평가

정연춘

doi:10.5515/kjkiees.2010.21.10.1184

옵셋 파라볼라 안테나를 이용한 1 GHz 이상에서의 전자파 적합성 평가
EMC Measurements above 1 GHz Using an Offset Parabola Antenna System 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.21 no.10 = no.161, 2010년, pp.1184 - 1193

정연춘 (서경대학교 전자공학과)

초록
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국제적으로 전자파 적합성에 대한 규제 주파수가 보다 높은 주파수로 상향 조정되어 1 GHz 이상의 주파수로 확장되고 있다. 1 GHz 이상에서의 복사 방출 특성은 기존의 1 GHz 이하의 주파수에 비해 전계 강도가 낮고, 복사 패턴이 날카롭고 경사지는 등 매우 다른 복사 특성을 가진다. 본 논문에서는 이중 쇄기형 혼 안테나를 급전기로 사용하는 옵셋 파라볼라 안테나 시스템을 사용하여 1 GHz 이상의 주파수 대역에서 보다 효과적인 측정이 가능함을 확인하였다. 먼저 옵셋 파라볼라 안테나 시스템의 안테나 인자와 전기장 균일도를 계산할 수 있는 간단한 모델을 제시하였으며, 나아가서 표준 노이즈 소스와 제안된 안테나 시스템을 이용하여 1 GHz 이상의 주파수에서 실제적인 복사 방출 및 복사 내성을 평가하였다. 이러한 실험을 통해서 제안된 안테나 시스템이 기존에 널리 사용되고 있는 이중 쇄기형 혼 안테나에 비해 보다 높은 이득과 전력 효율, 그리고 보다 넓은 전기장 균일도를 가지며, 따라서 1 GHz 이상의 전자파 적합성 평가에 효과적으로 이용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The upper frequency of international EMC regulations is being expanded above 1 GHz. Radiated emissions above 1 GHz are different from those below 1 GHz that is existing upper regulation frequency, and which have lower field strength and sharper and tilted beam-width, relatively. In this paper, an effective evaluation method to be used above 1 GHz is studied using an offset parabola antenna system having a double-ridged horn antenna as a feed. First, simple model is proposed for calculating antenna factor and field uniformity of the parabola antenna system, and then real radiated emission and radiated susceptibility measurements are performed using a constant noise emitter and the suggested antenna system. The results show that the proposed antenna system has higher gain and power efficiency, and wider field uniformity relative to a conventional double-ridged horn antenna. Therefore, it is confirmed that the proposed system can be effectively used for EMC measurements above 1 GHz.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 광대역 이중 쇄기형(double ridged) 혼 안테나를 급전기(feed)로 사용하는 옵셋 리플렉터 안테나 시스템을 사용하여 1 GHz 이상의 복사 방출과 복사 내성을 효과적으로 평가할 수 있음을 연구한 결과를 기술하였다. 마이크로파 무선 통신 안테나 분야에서 폭넓게 사용되어온 옵셋 파라볼라 안테나는 비교적 넓은 크기의 시험 체적(test volume)과 우수한 전기장 균일도(field uniformity)를 제공할 뿐만 아니라 보다 높은 이득과 비교적 낮은 봉쇄(blockage) 손실을 가지며, 급전기로 사용한 이중 쇄기형 혼 안테나는 비교적 광대역 특성과 적절한 빔 폭을 가진다.
우리는 앞에서 옵셋 파라볼라 안테나 시스템의 복사 내성 시험 환경으로서의 특성에 대해 살펴 보았으며, 여기에서는 실제적인 복사 내성 측정을 통해 활용 가능성을 검증한 결과를 기술하였다. 가역성의 원리에 따라 복사 방출의 경우와 유사한 성능을 가질 것으로 기대된다.
우리는 앞에서 옵셋 파라볼라 안테나 시스템의 복사 방출 측정용 안테나로서의 특성에 대해 살펴보았으며, 여기에서는 실제적인 복사 방출 측정을 통해 활용 가능성을 검증한 결과를 기술하였다. 실험의 반복성을 도모하기 위해 일정한 크기의 전자파를 안정되게 방출하는 CNE-VII^[15]를 모의 노이즈 발생기로 사용하였다.

가설 설정

여기에서, 지수 n은 Kelleher의 근사^[11]에서처럼 급전기의 복사 패턴을 dB 단위로 포물선으로 가정하여 정현 함수의 멱 급수로 표현하여 구한다.

제안 방법

옵셋 파라볼라 안테나의 복사 내성 시험 환경으로서의 장점을 확인하기 위해 전형적인 이중 쇄기형 혼 안테나와 노출 전압을 비교하였다. 비교 결과, 옵셋 파라볼라 안테나가 보다 큰 노출 전압과 보다 좁은 시험 구역 크기를 제공함을 확인하였다.
이러한 측정 시스템의 장점과 단점을 파악하기 위해 산업체에서 널리 사용하는 이중 쇄기형 혼 안테나와 수신 전압을 비교하였다. 그림 10은 옵셋 파라볼라 안테나와 이중 쇄기형 혼 안테나 간의 수신 전압을 비교한 결과를 보여 준다.
전형적인 무선 통신용 파라볼라 안테나 시스템에서는 대개 코러게이티드 혼(corrugated horn)이 급전기로 사용되고 있지만, 본 연구에서는 이중 쇄기형 혼 안테나 EMCO3115를 급전기로 선택하였는데, 광대역 특성과 비교적 값이 싼 장점이 있으며, 위상 중심이 옵셋-급전 파라볼라의 초점에 위치하도록 설치하였다.
측정은 그림 6에 보인 측정 셋업을 이용하였으며, 평행 편파 신호를 기준 레벨로 잡고 안테나를 전파 방향에 대해 전기장-평면(E-plane)에서 90° 회전시켜 교차 편파 신호를 측정하였을 때 기준 레벨보다 —20 dB 이하가 되어야 한다.

대상 데이터

옵셋 급전은 비대칭 감쇠를 제공하고, 반사판의 투영된 개구 상에서 비대칭적인 전기장을 형성하며, 최대 전력 밀도를 의미하는 최소 전체 감쇠량이 옵셋 지점 아래에서 만들어짐을 알 수 있다. 본 논문에서는 최소 감쇠량 지점을 기준으로 -30 dB의 진폭 테이퍼를 갖는 지점 간의 거리를 시험 구역의 직경으로 선택하였다.
. 본 실험에서는 표준 안테나로서 교정된 이중 쇄기형 혼 안테나를 사용하였다.
실험 장치는 상용 파라볼라 안테나와 이중 쇄기형 혼 안테나를 급전기로 사용하여 그림 2와 같이 구성하였다. 사용된 옵셋-급전 파라볼라 안테나의 특성은 그림 11에서 볼 수 있는 것처럼 다음과 같다.
우리는 앞에서 옵셋 파라볼라 안테나 시스템의 복사 방출 측정용 안테나로서의 특성에 대해 살펴보았으며, 여기에서는 실제적인 복사 방출 측정을 통해 활용 가능성을 검증한 결과를 기술하였다. 실험의 반복성을 도모하기 위해 일정한 크기의 전자파를 안정되게 방출하는 CNE-VII^[15]를 모의 노이즈 발생기로 사용하였다. 이러한 모의 발생기는 배터리로 동작하고 접지판 위에 작은 크기의 원뿔 모양의 안테나가 고정되어 있으며, 출력 안정도는 ±1.

성능/효과

마이크로파 무선 통신 안테나 분야에서 폭넓게 사용되어온 옵셋 파라볼라 안테나는 비교적 넓은 크기의 시험 체적(test volume)과 우수한 전기장 균일도(field uniformity)를 제공할 뿐만 아니라 보다 높은 이득과 비교적 낮은 봉쇄(blockage) 손실을 가지며, 급전기로 사용한 이중 쇄기형 혼 안테나는 비교적 광대역 특성과 적절한 빔 폭을 가진다. 따라서 이러한 두 안테나의 적절한 조합을 통해 1 GHz 이상의 주파수에서 높은 이득과 비교적 큰 시험 영역, 보다 높은 전력 효율을 얻을 수 있으며, 따라서 복사 방출은 물론 복사 내성 평가에도 효과적으로 이용될 수 있음을 확인하였다.
63 m로 변화함을 알 수 있다. 또한, 주파수가 증가함에 따라 시험 구역의 중심 높이는 증가하는 반면에 시험 구역의 직경은 줄어들고, 6 GHz 이상에서는 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
옵셋 파라볼라 반사판과 이중 쇄기형 혼 안테나를 급전기로 사용하여 1 GHz 이상의 주파수에서 전자파 적합성 평가에 효과적으로 사용할 수 있는 옵셋 파라볼라 안테나 시스템을 구현할 수 있음을 논의하였다. 복사 방출 및 복사 내성을 평가하는데 적용되는 안테나 인자와 전기장 균일도를 평면파 근사, 집속 구역에서의 전기장 분포 보정 계수, 급전기의 복사 패턴과 공간 감쇠량을 고려하여 결정하는 방법을 제안하였으며, 이러한 접근 방법이 측정 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
옵셋 파라볼라 안테나의 복사 내성 시험 환경으로서의 장점을 확인하기 위해 전형적인 이중 쇄기형 혼 안테나와 노출 전압을 비교하였다. 비교 결과, 옵셋 파라볼라 안테나가 보다 큰 노출 전압과 보다 좁은 시험 구역 크기를 제공함을 확인하였다. 그림 14는 옵셋 파라볼라 안테나와 이중 쇄기형 혼 안테나 간의 노출 전압 차이를 보여준다.
그림 14로부터 옵셋 파라볼라 안테나가 이중 쇄기형 혼 안테나보다 약 5～9 dB 정도 더 큰 수신 전압을 가짐을 볼 수 있다. 여기에서 강조하고자 하는 것은 옵셋 파라볼라 안테나가 이중 쇄기형 혼 안테나보다 약 5～9 dB 정도 더 큰 노출 전압을 가지며, 따라서 송신기 출력 요구 사항이 3～8배 정도 줄어들고 결과적으로 큰 비용 절감을 얻을 수 있다는 점이다.
옵셋 파라볼라 반사판과 이중 쇄기형 혼 안테나를 급전기로 사용하여 1 GHz 이상의 주파수에서 전자파 적합성 평가에 효과적으로 사용할 수 있는 옵셋 파라볼라 안테나 시스템을 구현할 수 있음을 논의하였다. 복사 방출 및 복사 내성을 평가하는데 적용되는 안테나 인자와 전기장 균일도를 평면파 근사, 집속 구역에서의 전기장 분포 보정 계수, 급전기의 복사 패턴과 공간 감쇠량을 고려하여 결정하는 방법을 제안하였으며, 이러한 접근 방법이 측정 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
옵셋 파라볼라 안테나의 안테나 인자가 1～10 GHz의 주파수 대역에서 이중 쇄기형 혼 안테나의 경우보다 약 6～10 dB 적으며, 따라서 보다 우수한 개선된 감도를 가진다. 마찬가지로 옵셋-급전 파라 볼라 안테나가 복사 내성 시험에서도 기존의 표준 안테나보다 5～9 dB 정도 더 큰 전기장의 세기를 노출시키며, 따라서 송신기 출력 요구 사항이 3～8배 줄어들고, 결과적으로 큰 비용 절감을 얻을 수 있다.
그림 10으로부터 옵셋 파라볼라 안테나가 1～7 GHz의 주파수 대역에서 이중 쇄기형 혼 안테나보다 약 6～10 dB 정도 더 큰 수신 전압을 가짐을 볼 수 있다. 이러한 결과는 앞에서 확인한 옵셋 파라볼라 안테나의 안테나 인자가 이중 쇄기형 혼 안테나보다 약 6～10 dB 정도 더 우수하다는 사실이 복사 방출 실측에서도 잘 나타나고 있음을 보여 준다.

후속연구

그림 5로부터 옵셋 파라볼라 안테나가 산업체에서 널리 사용하고 있는 이중 쇄기형 혼 안테나에 비해 안테나 인자가 6～10 dB 정도 좋으며, 따라서 옵셋 파라볼라 안테나가 현저히 개선된 감도(sensitivity)를 제공함으로 마이크로파 대역의 복사 방출 측정에 효과적으로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비교적 작은 크기의 반사판을 갖는 파라볼라 안테나를 사용할 때 어떤 문제점이 있는가?	비교적 작은 크기의 반사판을 갖는 파라볼라 안테나를 사용하면 기계적 안정성과 낮은 제작 비용의 장점이 있지만, 보다 큰 스필오버(spillover) 손실과 보다 낮은 이득을 가지므로 적절한 크기의 파라볼라를 선택하는 것이 필요하다. 한편, 무선 통신용으로 전형적으로 사용되는 좁은 빔폭의 급전기를 사용하면 시험 영역이 보다 적은 크기의 시험 체적을 얻게 되어 부적절하다.
	옵셋 파라볼라 안테나는 어떻게 전기장을 만드는가?	마이크로파 무선 통신 안테나 분야에서 폭 넓게 사용되어온 옵셋 파라볼라 안테나는 그림 1에서 볼 수 있는 것처럼 급전기로부터 나온 구면 파형(spherical waveform)을 파라볼라 반사 판으로 집속하여 특정 거리에서 평면 파(plane wave) 전기장을 만든다.
	1 GHz 이상의 주파수에서의 전자파 적합성 평가 및 대책 기술이 1 GHz 이하에서 적용되던 기술에 어떤 문제점을 주는가?	1 GHz 이상의 주파수에서의 전자파 적합성 평가 및 대책 기술은 기존의 1 GHz 이하에서 적용되던 기술에 큰 변화를 줄 것으로 예상하고 있으며, 제기되는 주요 문제점은 다음과 같다[4]. (1) 1 GHz 이상에서는 자유 공간 조건을 갖추어야 하므로 기존의 시험장의 바닥에 전파 흡수체를 깔아야 하므로 측정 환경의 정비를 위해 추가 비용 부담이 발생한다. (2) 측정 주파수 대역이 늘어나고, 자동 측정에 한계가 있으므로 측정 시간이 종전보다 2배 정도 늘어나게 되고 따라서 개발 기간에 대한 압박을 피할 수 없다. (3) 1 GHz 이하의 전자파 장해 문제는 대개 함체나 케이블 문제로 볼 수 있고, 따라서 필터나 차폐 등으로 비교적 쉽게 대응해 왔다. 그러나 1 GHz 이상에서는 소스(source)가 인쇄 회로 기판(PCB)의 배선 등 곳곳에 많이 존재하므로 효과적으로 대응하기 어렵고, 부품 내부 및 실장에 따른 인덕턴스 성분과 커패시턴스 성분 등을 고려한 고속 회로 기판 설계가 보다 중요해질 전망이다. 특히, 1 GHz 이상에서의 복사 방출은 기존의 1 GHz 이하에서의 복사 방출에 비해서 전계 강도가 보다 낮고, 복사 빔 패턴이 보다 뾰쪽하고 기울어지는 경향이 있는 등 매우 복잡하다[5]. 따라서 1 GHz 이하의 주파수에서처럼 자동 측정을 할 경우, 스펙트럼 분석기의 소인 시간(swept time) 스텝과 회전 시험대 (turn table)의 회전 속도, 수신 안테나의 이동 시간 등에 복사 방출 피크 치를 놓칠 가능성이 있다. 따라서 GHz 이상의 주파수에서 효과적인 측정을 하기 위해서는 이득이 크고, 커버리지(coverage)가 넓은 새로운 측정 방법이 필요하다.

참고문헌 (16)

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상세보기
K. S. Kelleher, G. Hyde, "Reflector antennas", in Antenna Engineering Handbook, chapter 17, McGraw-Hill: New York, 1984.
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상세보기
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http://www.yorkemc.co.uk/instrumentation/
R. C. Johnson, "Some design parameters for point- source compact range", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-34, pp. 845-847, Jun. 1986.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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