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문제 정의
- 이 논문에서는 2,450 ± 50 MHz의 주파수 대역에서 교반기의 형태에 따른 축별 전계강도 변화, 전계균일도 변화 및 Quality Factor, 여기 모드 수, 교반기 효율에 대하여 분석하였으며 이 데이터를 통하여 전계균일도 향상을 위한 최적의 교반기를 설계하였다.
제안 방법
- WV에 대한 전계를 측정하기 위하여 x축, y축, z축의 직교 좌표축을 따라 3개의 다이폴 형태의 등방성 전계 프로브를 구성하였다. IEC 61000-4-21에 따르면 WV를 감싸는 8 개 위치에 대하여 전계 데이터를 측정하도록 권고하고 있으나 본 실험에서는 측정에서 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위하여 그림 2와 같이 15개 위치에 대하여 전계 데이터를 측정하였다. 교반기의 1회전에 대하여 데이터를 취득하였으며 취득한 전계 데이터에 대한 최대값을 송신 전력에 대하여 정규화하였다 [2].
- WV에 대한 전계를 측정하기 위하여 x축, y축, z축의 직교 좌표축을 따라 3개의 다이폴 형태의 등방성 전계 프로브를 구성하였다. IEC 61000-4-21에 따르면 WV를 감싸는 8 개 위치에 대하여 전계 데이터를 측정하도록 권고하고 있으나 본 실험에서는 측정에서 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위하여 그림 2와 같이 15개 위치에 대하여 전계 데이터를 측정하였다.
- 교반기 매개변수는 그림 1(b)와 같이 교반기 각(Stirrer Angle)과 교반기 면적(Stirrer Area)을 변화하였으며 교반기의 직경(Diameter)은 80 cm로 고정하였다. 각각의 교반기 각에 대하여 교반기 면적을 변화시켜 가면서 실험을 수행하였으며, 변화된 교반기 매개변수는 표 1과 같다.
- 전계균일도를 분석한 결과, 교반기 면적의 증가에 의해 모든 교반기 각의 전계균일도가 향상되는 경향을 나타내며 교반기에 일정한 각을 주었을 때가 그렇지 않은 경우에 비해 더 우수한 전계균일도를 형성하는 것으로 나타났다. 교반기 각에 따라 전계균일도 변화 경향이 상이하게 나타나는 데, 어떠한 교반기 각이 가장 신뢰성 있는 전계균일도 조건을 제공하는지를 x, y, z축에서 측정되는 전계강도 및 Quality Factor, 여기모드 수, 교반기 효율을 분석하여 찾고자 하였다.
- 교반기 매개변수는 그림 1(b)와 같이 교반기 각(Stirrer Angle)과 교반기 면적(Stirrer Area)을 변화하였으며 교반기의 직경(Diameter)은 80 cm로 고정하였다. 각각의 교반기 각에 대하여 교반기 면적을 변화시켜 가면서 실험을 수행하였으며, 변화된 교반기 매개변수는 표 1과 같다.
- IEC 61000-4-21에 따르면 WV를 감싸는 8 개 위치에 대하여 전계 데이터를 측정하도록 권고하고 있으나 본 실험에서는 측정에서 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위하여 그림 2와 같이 15개 위치에 대하여 전계 데이터를 측정하였다. 교반기의 1회전에 대하여 데이터를 취득하였으며 취득한 전계 데이터에 대한 최대값을 송신 전력에 대하여 정규화하였다 [2]. 교반기의 회전 속도는 모든 교반기 매개변수에 대하여 30 rpm의 일정한 속도로 유지하였다.
- 반도체 소자의 리드 프레임 (Lead Frame)에만 커플링이 발생하도록 EUT는 리드 프레임을 제외하고는 모두 차폐하였으며, 반도체 소자의 오동작 및 파괴현상을 육안으로 확인하기 위하여 LED를 사용하였다. 교반기의 회전 속도는 교반기 매개변수에 따른 전계균 일도를 측정할 때와 동일하게 30 rpm으로 고정하였으며 마그네트론의 방사시간은 5초로 결정하였다. 이 실험으로 얻어진 결과를 도파관 내부에서 수행한 반도체 피해효과 실험의 결과와 비교하였다 [8].
- 반도체 피해효과 실험은 표 2와 같이 TTL 계열 반도체 소자를 대상으로 수행하였다. 반도체 소자의 리드 프레임 (Lead Frame)에만 커플링이 발생하도록 EUT는 리드 프레임을 제외하고는 모두 차폐하였으며, 반도체 소자의 오동작 및 파괴현상을 육안으로 확인하기 위하여 LED를 사용하였다. 교반기의 회전 속도는 교반기 매개변수에 따른 전계균 일도를 측정할 때와 동일하게 30 rpm으로 고정하였으며 마그네트론의 방사시간은 5초로 결정하였다.
- 위에서 설계된 교반기를 사용한 교반형 전자파 잔향실에서 표 2에 의해 분류된 반도체 소자를 이용하여 수행한 피해효과 실험 결과와 도파관 내부에서의 피해효과 실험을 비교하였다. 각 반도체 소자에 대하여 10회 시험을 수행하여 오동작 또는 파괴가 발생하는 빈도를 확률로 나타내었다.
- 마그네트론의 최대 출력은 1 kW이며, 출력 주파수 대역은 2450 ± 50 MHz의 협대역 스펙트럼으로 나타난다. 전자파 잔향실 내부에 입사되는 신호가 WV에 직접 입사되면 정확한 측정이 이루어지지 못하기 때문에 송신 안테나의 방향을 전자파 잔향실의 벽으로 향하도록 설치하였다. 전자파 잔향실에서 교반기를 회전시키기 위해 사용되는 모터는 스테핑 모터, 인코더가 설치된 서보 모터 등이 있으나 이들은 정밀한 각 제어가 필요한 동조형 전자파 잔향실(Mode-Tuned Reverberation Chamber) 에 주로 사용되며, 교반형 전자파 잔향실에서는 교반기의 회전만을 고려하면 되므로 모터의 속도 조절이 간편한 직류 모터를 사용하여 구성하였다.
대상 데이터
- 반도체 피해효과 실험은 표 2와 같이 TTL 계열 반도체 소자를 대상으로 수행하였다. 반도체 소자의 리드 프레임 (Lead Frame)에만 커플링이 발생하도록 EUT는 리드 프레임을 제외하고는 모두 차폐하였으며, 반도체 소자의 오동작 및 파괴현상을 육안으로 확인하기 위하여 LED를 사용하였다.
- 본 실험에 사용된 전자파 잔향실은 전자파 잔향실의 크기에 의해 결정되는 최저 시험가능 주파수 246 MHz에 대한 파장의 λ/4 길이인 30.5 cm를 이격시킨 1.39 × 1.79 × 1.69 [m3]의 영역을 WV로 정하였다.
- 전자파 잔향실의 체적은 3.60 × 2.40 × 2.30 [m3]이며 구리를 사용하여 내벽을 구성하였다.
- 30 [m3]이며 구리를 사용하여 내벽을 구성하였다. 전자파의 경계조건을 변화시키기 위하여 전자파 잔향실 내부에 삽입되는 교반기는 가벼우면서도 가공이 쉬운 알루미늄으로 그림 1과 같이 제작하였다.
데이터처리
- 위에서 설계된 교반기를 사용한 교반형 전자파 잔향실에서 표 2에 의해 분류된 반도체 소자를 이용하여 수행한 피해효과 실험 결과와 도파관 내부에서의 피해효과 실험을 비교하였다. 각 반도체 소자에 대하여 10회 시험을 수행하여 오동작 또는 파괴가 발생하는 빈도를 확률로 나타내었다. 그림 7은 TTL AND 소자에 대하여 도파관 내부와 전자파 잔향실에서의 반도체 피해효과 결과를 비교한 그래프이다.
- 이 논문에서는 2,450 ± 50 MHz의 주파수 대역에서 교반기의 형태에 따른 축별 전계강도 변화, 전계균일도 변화 및 Quality Factor, 여기 모드 수, 교반기 효율에 대하여 분석하였으며 이 데이터를 통하여 전계균일도 향상을 위한 최적의 교반기를 설계하였다. 그리고 교반형 전자파 잔향실에서 반도체 소자의 내성 평가를 수행하였으며, 기존에 수행되었던 반도체 소자의 내성 평가 결과와 비교하였다 [8].
- 교반기의 회전 속도는 교반기 매개변수에 따른 전계균 일도를 측정할 때와 동일하게 30 rpm으로 고정하였으며 마그네트론의 방사시간은 5초로 결정하였다. 이 실험으로 얻어진 결과를 도파관 내부에서 수행한 반도체 피해효과 실험의 결과와 비교하였다 [8].
이론/모형
- 전자파 잔향실 내부에 전자파를 입사시키기 위한 신호 발생원은 마그네트론을 사용하였다. 마그네트론의 최대 출력은 1 kW이며, 출력 주파수 대역은 2450 ± 50 MHz의 협대역 스펙트럼으로 나타난다.
성능/효과
- Quality Factor 및 여기 모드의 수는 교반기 매개변수 중교반기 각의 변화보다는 교반기 면적의 변화에 민감한 것으로 나타났다. 교반기 효율은 교반기 각이 증가할수록 향상 되는 경향을 나타내었으며, 45° 의 교반기 각을 가질 때 교반기 면적 변화에 따른 교반기 효율의 증가 폭이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- Quality Factor는 교반기 면적의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며 이로 인해 전자파 잔향실 내부에 여기 되는 모드 수가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 교반기 면적이 증가하면 교반기 표면에서의 표피 효과에 의한 에너지 손실이 증가하기 때문으로 사료된다.
- 교반기 각이 30° 인 경우, A일 때에는 1.36 dB로 45° , 60° , 90° 인 경우에 비해 향상된 전계균일 도를 나타내었지만 교반기 면적 증가에 따른 전계균일도 향상 폭은 크지 않았다.
- 교반기 각이 30°, 60°인 경우에는 교반기 면적이 증가할수록 x, y, z축 전계강도의 편차가 감소하는 경향을 나타내었으나 z 축 전계강도의 크기가 x, y축에 비해 상대적으로 높게 나타났다.
- 교반기 각이 90° 인 경우에는 교반기 면적이 증가하여도 전계균일도 특성에 큰 변화가 없었으며, 다른 교반기 각에 비해 매우 저하된 전계균일도 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
- 교반기 각이 90°일 때에는 x, y축의 전계강도와 z축의 전계강도가 최대 12.3%의 편차를 나타내었으며 교반기 면적의 변화에 관계없이 큰 편차를 유지하였다.
- 교반기 효율은 교반기 각이 증가할수록 향상 되는 경향을 나타내었으며, 45° 의 교반기 각을 가질 때 교반기 면적 변화에 따른 교반기 효율의 증가 폭이 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 이는 교반기 면적이 증가하면 교반기 표면에서의 표피 효과에 의한 에너지 손실이 증가하기 때문으로 사료된다. 교반기 효율은 독립적인 샘플을 생성하는 교반기의 성능을 나타내는 지표 로, 교반기 각이 증가할수록 더 높은 효율을 가지는 것으로 나타났다.
- 교반기의 매개변수 변화에 따른 전자파 잔향실의 전계균 일도 경향 및 전계균일도에 영향을 미치는 것으로 알려진 Quality Factor, 여기 모드 수, 교반기 효율을 분석한 결과 교반기 높이가 증가함에 따라 특성이 향상되었으며, 45°의 교반기 각을 가질 때 축별 전계강도 편차가 가장 작게 나타나 전자파 잔향실 내부가 등방성에 가까운 전계분포를 형성 한다는 것을 확인하였다.
- 그러나 교반기의 면적이 증가될수록 전계균일도의 향상 폭이 교반기 각이 30° 인 경우에 비해 더 증가하였으며, C 이상의 교반기 면적을 가지는 경우는 교반기 각이 45°인 경우가 다른 교반기 각에 비해 더 향상된 전계균일도 특성을 보였다.
- 데이터 분석결과 교반기 각이 45°일 때 x축 및 y축 전계에 크게 기여하는 것으로 나타났으며, 교반기의 면적이 넓을수록 전계균일도 및 교반기 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- 도파관 내부에서는 소자의 오동작 확률이 넓은 전계강도 범위에 걸쳐 증가하는 경향을 보이나 전자파 잔향실 내부에 서는 전계강도의 변화에 따라 급격하게 오동작 확률이 증가 하는 것을 알 수 있었다. 이는 도파관 내에서의 반도체 피해효과 실험은 피크 전계강도가 증가함에 따라 최소 및 최대 전계강도 사이에서 피해 현상이 불규칙하게 발생하여 정량적이고 재연성 높은 결과를 얻기 힘들기 때문이다.
- 따라서 45°의 교반기 각과 E의 교반기 면적을 가질 때 가장 향상된 전계균일도 특성을 나타내었다.
- 따라서 교반기 각이 45°이면서 교반기 면적이 넓을수록 향상된 전계균일도를 확보할 수 있는 것으로 보이며, 이는 넓은 교반기 면적에 입사되는 전자파가 보다 다양한 산란각을 형성하게 되어 전계균일도 향상에 기여하기 때문으로 판단된다.
- 이렇게 설계된 교반기를 이용하여 반도체 소자에 대한 반도체 피해효과 실험을 수행한 결과, 기존에 수행된 반도체 소자에 대한 반도체 피해효과 실험결과에 비해 보다 정량적이고 재연성 높은 결과를 나타내었다. 따라서 교반형 전자파 잔향실이 전자파 내성평가를 위한 대체 시험시설로 사용할 수 있음을 확인하였다.
- 또한 x, y, z축 전계강도의 편차가 교반기 각의 변화에 따라 크게 변화하는 것을 관찰하였으며, 교반기 각이 45° 일 때의 x, y, z축 전계강도 편차가 교반기 면적의 증가에 따라 크게 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 따라서 교반기 각이 45°이면서 교반기 면적이 넓을수록 향상된 전계균일도를 확보할 수 있는 것으로 보이며, 이는 넓은 교반기 면적에 입사되는 전자파가 보다 다양한 산란각을 형성하게 되어 전계균일도 향상에 기여하기 때문으로 판단된다. 이렇게 설계된 교반기를 이용하여 반도체 소자에 대한 반도체 피해효과 실험을 수행한 결과, 기존에 수행된 반도체 소자에 대한 반도체 피해효과 실험결과에 비해 보다 정량적이고 재연성 높은 결과를 나타내었다. 따라서 교반형 전자파 잔향실이 전자파 내성평가를 위한 대체 시험시설로 사용할 수 있음을 확인하였다.
- 규격 IEC 61000-4-21에 따르면 전자파 잔향실의 전계 균일도가 80 ～ 100 MHz 일 때 4 dB, 100 MHz ～ 400MHz 일 때 4 dB에서 3 dB로 선형적 감소, 400 MHz 이상일 때 3 dB 로 전계균일도 허용 한계 조건을 정의하고 있다. 전계균일도 허용 한계 조건을 만족하는 경우 정의된 WV 내의 모든 위치에서 통계적으로 균일한 전계 환경을 형성한 것으로 간주될 수 있지만 이 논문에서는 보다 높은 정확도를 제공하는 시험시설을 설계하기 위해 전계균일도 허용 한계 조건을 대부분의 EMP 시뮬레이터에서 적용하고 있는 기준인 1 dB로 정의하였다.
- 전계균일도를 분석한 결과, 교반기 면적의 증가에 의해 모든 교반기 각의 전계균일도가 향상되는 경향을 나타내며 교반기에 일정한 각을 주었을 때가 그렇지 않은 경우에 비해 더 우수한 전계균일도를 형성하는 것으로 나타났다. 교반기 각에 따라 전계균일도 변화 경향이 상이하게 나타나는 데, 어떠한 교반기 각이 가장 신뢰성 있는 전계균일도 조건을 제공하는지를 x, y, z축에서 측정되는 전계강도 및 Quality Factor, 여기모드 수, 교반기 효율을 분석하여 찾고자 하였다.
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