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문제 정의
- 본 연구에서는 13.56 MHz 무선 에너지 전송 시스템의 효율적인 전자파 장해 예측 및 분석 방법을 제안하였다. 근거리에서 측정한 전자장 값을 이용하여 10 m 떨어진 지점의 전자장을 유추할 수 있는 방법을 수식적으로 유도해 보았다.
제안 방법
- 56 MHz 무선 에너지 전송 시스템의 효율적인 전자파 장해 예측 및 분석 방법을 제안하였다. 근거리에서 측정한 전자장 값을 이용하여 10 m 떨어진 지점의 전자장을 유추할 수 있는 방법을 수식적으로 유도해 보았다. 자유 공간과 PEC면 위에 크기가 같은 두 루프 안테나가 상호 결합하였을 때, 상용 수치해석 틀을 이용한 모의실험으로 계산한 안테나 근처의 전자기장 값과 이론적 수식으로 계산한 값을 비교하였다.
- 근거리에서 측정한 전자장 값을 이용하여 10 m 떨어진 지점의 전자장을 유추할 수 있는 방법을 수식적으로 유도해 보았다. 자유 공간과 PEC면 위에 크기가 같은 두 루프 안테나가 상호 결합하였을 때, 상용 수치해석 틀을 이용한 모의실험으로 계산한 안테나 근처의 전자기장 값과 이론적 수식으로 계산한 값을 비교하였다. 여기서 완전 도체(perfect electric conductor, PEC)는 완전 도체의 무한한 평면의 형태를 가지며, 이후에는 PEC면이라고 지칭한다.
- 본 연구에서는 자유 공간에 두 개의 작은 루프 안테나가 있는 경우, 자계 결합 시스템을 등가회로로 모델링한 후 특성을 분석한다[7],[8]. 그림 1은 자유 공간에서 반지름이 a인 두 안테나가 원점에서 h만큼 떨어진 지점에 수직으로 배열된 경우를 나타내는 그림이다.
- 구리 재질로 된 두 루프 안테나가 d=0.2 m 간격으로 떨어져 있고, PEC면에서 h=0.8 m 높이 만큼 떨어져 있는 경우, 상용 수치 해석 툴을 이용한 최대 자기장 값과 식 (55), (56)을 통해서 구한 Hnear_peak _PEC, Hfar_peak_PEC 값을 비교해 보았다. 공진 주파수 13.
- 표 4에는 자유 공간에 놓인 작은 루프 안테나의 두 근거리(ro=1 m, ro′=0.9 m)에서의 자기장을 바탕으로 유추한 10 m에서의 자기장의 이론값과 수치 해석 값 및 오차율을 비교 정리하였다.
- 257 ･ 10-5 A/m 이다. 이 값을 바탕으로의 크기로 10 m 거리의 최대 자기장(Hfar_peak_PEC) 값을 예상해 보았다. 표 5에는 PEC면 위에 놓인 작은 루프 안테나의 근거리(ro=1 m)에서의 자기장을 바탕으로 유추한 10 m에서의 자기장의 이론값과 수치 해석값과 오차율을 비교 정리하였다.
- 이 값을 바탕으로의 크기로 10 m 거리의 최대 자기장(Hfar_peak_PEC) 값을 예상해 보았다. 표 5에는 PEC면 위에 놓인 작은 루프 안테나의 근거리(ro=1 m)에서의 자기장을 바탕으로 유추한 10 m에서의 자기장의 이론값과 수치 해석값과 오차율을 비교 정리하였다.
- 본 논문에서는 두 개의 작은 루프 공진 안테나가 자유 공간 및 PEC면 위에 있는 경우 자계결합 시스템을 등가회로로 모델링한 후 특성을 분석하였다. 등가회로를 분석하여 구한 전류 식을 바탕으로 자기장의 크기를 구하였다.
- 본 논문에서는 두 개의 작은 루프 공진 안테나가 자유 공간 및 PEC면 위에 있는 경우 자계결합 시스템을 등가회로로 모델링한 후 특성을 분석하였다. 등가회로를 분석하여 구한 전류 식을 바탕으로 자기장의 크기를 구하였다. 실제 전자파 장해 측정 환경에서는 안테나의 중심으로부터 10 m 떨어진 관측지점의 값을 측정하게 되는데, 근거리(1 m)에서 측정한 최대 자기장 크기를 이용하여 10 m에서의 최대 자기장 크기를 예측할 수 있는 해석적 식을 유도하였고, 정확성을 EM 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
- 등가회로를 분석하여 구한 전류 식을 바탕으로 자기장의 크기를 구하였다. 실제 전자파 장해 측정 환경에서는 안테나의 중심으로부터 10 m 떨어진 관측지점의 값을 측정하게 되는데, 근거리(1 m)에서 측정한 최대 자기장 크기를 이용하여 10 m에서의 최대 자기장 크기를 예측할 수 있는 해석적 식을 유도하였고, 정확성을 EM 시뮬레이션 결과를 확인하였다. 또한, 이 근사식을 사용하여 무선 에너지 전송시스템의 효율적인 전자파 장해 예측과 분석 방법 및 허용 전력 전송 크기를 쉽게 예측할 수 있음을 알 수 있었다.
- 구리 재질인 두 루프 안테나가 원점으로부터h=0.1 m씩 떨어져 있는 경우 두 근거리(ro=1 m, ro′ =0.9 m)에서 측정한 최대 자기장 값(#)을 이용하여 10 m 거리의 자기장(Hfar_peak) 값을 예상해 보았다.
데이터처리
- 표 2에는 관측 지점보다 충분히 가까운 지점(1 m)과 관측 지점보다 충분히 먼 지점(10 m)에서의 최대 전자장 값을 수식으로 구한 값과 시뮬레이션 결과값 및 오차율을 비교하여 정리하였다.
이론/모형
- 본 논문에서 상용 수치해석 도구로 FEKO suite 6.0을 사용하였고, 이 논문 전체에 걸쳐 동일한 수치 해석 툴을 사용하였다.
성능/효과
- 이론값과 시뮬레이션 값이 거의 일치하는 것을 확인하였다. 거리 및 축과의 각도의 근사 값을 이용하여 구한 최대 자기장 값을 구하는 식이 타당함을 알 수 있다.
- 근거리에서 측정한 값으로 각 루프에 흐르는 전류의 값을 구할 수 있고, 이 전류의 값들을 바탕으로 원점으로부터 충분히 떨어진 10 m에서의 값을 유도한 근사식이 매우 유용하며 정확함을 알 수 있다.
- 근거리에서 측정한 값으로 원점으로부터 충분히 떨어진 10 m에서의 값을 유추 가능함을 확인할 수 있다.
- 실제 전자파 장해 측정 환경에서는 안테나의 중심으로부터 10 m 떨어진 관측지점의 값을 측정하게 되는데, 근거리(1 m)에서 측정한 최대 자기장 크기를 이용하여 10 m에서의 최대 자기장 크기를 예측할 수 있는 해석적 식을 유도하였고, 정확성을 EM 시뮬레이션 결과를 확인하였다. 또한, 이 근사식을 사용하여 무선 에너지 전송시스템의 효율적인 전자파 장해 예측과 분석 방법 및 허용 전력 전송 크기를 쉽게 예측할 수 있음을 알 수 있었다.
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