[논문]HEMP 분석과 방호 효율성

이선의; 김진영; 박우철

HEMP 분석과 방호 효율성
HEMP Analysis and Shielding Effectiveness 원문보기

통신위성우주산업연구회논문지 = The Journal of Korea Society of Communication and Sapce Technology, v.8 no.3, 2013년, pp.20 - 24

이선의 (광운대학교 전파공학과 유비쿼터스 통신 연구실) , 김진영 (광운대학교 전파공학과 유비쿼터스 통신 연구실) , 박우철 (광운대학교 전파공학과 유비쿼터스 통신 연구실)

초록
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본 논문에서는 HEMP의 개념을 소개하고, 안테나 요소의 배치 변화에 따른 방호 효율성을 분석한다. 높은 주파수의 EMP를 맥스웰 방정식을 이용하여 LOS에서 근사한다. 전자기파 감쇄의 영향을 분석하기 위하여, 차폐룸을 구성하여 측정 데이타를 얻는데 이용한다. 수신 안테나의 거리와 주파수를 변화시켜 차폐 정도를 측정한다. 기준이 되는 미국 규격문서와 측정값을 비교하고 측정방법을 간소화해본다. 차폐룸 내부를 3가지 조건으로 만들어 변화를 차폐 정도를 측정한다. 정방향 측정과 역방향 측정의 차이를 살펴보고 차폐룸 측정에 영향을 미치는 요소를 찾는다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we introduce a concept of HEMP systems and analyze a shielding effectiveness by varying placements of the antenna elements. Maxwell's equations for the high frequency of the EMP is represented in the LOS. In order to investigate the effects of electromagnetic attenuations, a shielding room was constructed and employed to obtain measured data. Shielding effects were measured by changing frequency and the distance of receiving antenna. Each measured value was compared to U.S. standard and measuring method was simplified. shielding effects were measured by three different conditions of shielding room. Find the difference between forward measurement and reverse measurement and factors which affects the measurement in shielding room.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 차폐효과를 측정하기 위하여 외부에서 송신 안테나를 두고 내부에 수신안테나를 두는 고전적 방법과 측정을 간소화하기 위하여 내부에 송신안테나를 두고 외부에 수신안테나를 두는 두 가지 방법을 측정하고 차이점을 분석하였다. 실험 수행 시 안테나의 각도, 높이, 거리의 오차에 의해 측정 조건이 달라지면 결과 값이 달라지기 때문에 고정된 측정 조건이 필요하다.
EMP 연구자들은 이론적으로 실험 데이터를 대신할 방법을 연구하였다. 소스로부터 오는 전자는 같은 지점에서 동시에 진행되어 오는 평면파로 보고 분석을 한다. 공기분자가 있는 평면으로 감마 레이가 직교 입사 되는 층을 고려한다.

제안 방법

실제로 이 값을 얻은 후 다시 정방향으로 측정을 하게 되면 역방향보다 더 높은 값을 얻는 것을 알 수 있다. 난반사의 영향을 고려하여 차폐룸의 SE 값을 얻기 위하여 다시 실험 구성을 바꾸어 실험을 실시하였다. 그림 7과 그림 8은 차폐룸의 난반사를 없앤 측정 결과를 얻기 위하여 내부를 전자파 흡수 소재로 감싸고 실험한 그림이다.
내부의 수신안테나의 거리를 31cm 거리에 고정하고 송신 안테나의 거리를 31, 91, 121, 151, 181, 205cm로 변화시켜서 측정을 수행하였다. 그림 2는 송신안테나의 거리를 변화시켜 SE값을 측정한 것이다.
정방향보다 MIL 규격과 상당한 편차를 보이는 것을 보아 실험 오류가 있는 것으로 보인다. 따라서 편차가 발생한 원인을 찾기 위하여 실험구성을 변화시켜 재측정을 하였다. 정 방향과 다른 점은 차폐룸은 내부의 난반사로 인하여 측정장비에 영향을 미치는 것이다.
측정방법은 외부의 Tx 안테나를 배치하고 내부의 Rx 안테나를 배치해 전자기파의 감쇄정도를 측정하는 것이다. 또한 내부 시설을 무수히 많은 격자로 나누고 일일이 그 격자 내부에서의 SE값을 측정한다. 그리고 시설의 외벽을 두께 2.
본 논문에서는 STD(Software Test Description)표준과 MID(Miltary Standard) 표준을 토대로 맥스웰 방정식을 통해서 높은 주파수의 EMP 근사식을 살펴보고 실제 차폐룸을 통하여 SE(Shielding Effectiveness)를 측정한다. 주파수에 따른 차폐 효과를 SE값으로 나타내고 송수신 안테나의 위치를 달리하여 변화를 측정하고 원인을 분석한다.
그림 1는 측정을 수행한 실험구성이다. 수신안테나를 차폐룸 내부에 위치시키고 정방향으로 측정을 수행하였다.
본 논문에서는 STD(Software Test Description)표준과 MID(Miltary Standard) 표준을 토대로 맥스웰 방정식을 통해서 높은 주파수의 EMP 근사식을 살펴보고 실제 차폐룸을 통하여 SE(Shielding Effectiveness)를 측정한다. 주파수에 따른 차폐 효과를 SE값으로 나타내고 송수신 안테나의 위치를 달리하여 변화를 측정하고 원인을 분석한다.
그 시설의 측정은 미국의 MIL 규격에 따르면 굉장히 다양한 측정과정을 요구한다. 측정방법은 외부의 Tx 안테나를 배치하고 내부의 Rx 안테나를 배치해 전자기파의 감쇄정도를 측정하는 것이다. 또한 내부 시설을 무수히 많은 격자로 나누고 일일이 그 격자 내부에서의 SE값을 측정한다.

성능/효과

STD와 MIL은 미국 표준문서에 나온 SE값을 나타낸다. 결과 값을 보면 가까울 경우 낮은 주파수에서는 SE값이 높아지고 주파수가 높아질수록 안테나의 거리에 따른 영향이 적어지는 것을 알 수 있다. 실제 공개된 MIL 규격을 보면 10kHz 이하의 차폐 효과는 고려하지 않는 것을 알 수 있다[6].
가장 중요한 구간은 20MHz에서 1GHz 영역의 평면파 구간에 SE 값이 80dB 이상을 가져야 한다. 따라서 실험결과 주요 구간에서 MIL 규격과 높은 유사성을보였다. 다음으로 측정과정을 간소화하기 위하여 내부에 송신안테나를 배치하여 실험을 구성하였다.
그림 9의 측정 결과 앞에서 실험한 결과와 저주파 대역의 SE값이 더 유사하게 나온 것을 확인할 수 있다. 실험 결과 차폐룸 내부의 Tx 안테나를 배치하여 시험할 경우 외벽 도체를 반사하여 안테나로 돌아오는 난반사 파에 의해서 안테나 성능을 저하시켜 SE값에 영향을 주는 것으로 보인다. 따라서 건설된 차폐시설의 방호성능을 정확히 측정하기 위해서는 실험에서 보인 것처럼 난반사의 영향을 줄이기 위하여 실험 장비의 난반사 영향을 줄여 측정하여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Compton 전자의 전하량은?	핵폭발로부터 발생 되는 감마 레이는 지표 상공 20～40Km에서 폭발하여 Compton 전자를 발생 시킨다. 이 전자는 거의 1 MeV 급의 전하량을 가지고 지구 대기의 분자와 충돌하거나 지구의 자기장과 충돌하여이온화 되는데 이 과정을 통하여 강력한 전류를 발생시키는 전자기장이 된다. 이 전자기장 펄스는 10kV 이상의 최대값을 가지고 있다.
	EMP는 어떤 역할을 하는가?	EMP(electromagnetic pulse)에 대한 연구는 군사 분야에서 많은 관심을 받고 있다. EMP는 비살상의 광범위한 전자기기들을 마비시켜 전술적으로 아주 중요한 역할을 할 수 있기 때문이다. 그에 대한 방호가 되지 않으면 많은 피해를 당할 수 있고 범위가 1000km 되기 때문에 주요 시설은 반드시 EMP 대처를 해야한다.
	HEMP는 무엇으로 구성되는가?	HEMP는 E1,E2와 E3로 구성되는데 E1과 E2가 핵심이다. E1에서 높은 short pulse가 도달하고 E2에서 지속적인 전자기파가 오기 때문에 순간적인 영향인 E1은 전자기기의 내부 회로를 태우며 다음 도달하는 E2 시간에서의 지속적인 전자기파는 전력망을 공격한다.

참고문헌 (6)

Chester D. Eng, "Development of the time dependence of the nuclear (E1) HEMP electric field," IEEE Trans. Electromag. Compat., vol. 53, no. 3, pp. 737-748, 2011.

상세보기
W. A. Radasky and M. W. Wik, "Development of high-power electromagnetic (HPEM) standards," IEEE Trans. Electromag. Compat., vol. 46, no. 3, pp. 439-445, 2004.

상세보기
S. R. Roger and R. A. Perala, "HEMP field penetration into an ideal shelter without a floor through a lossy earth,"IEEE Trans. Nuclear Science, vol. NS-28, no. 6, pp. 4462-4466, 1981.
M. Ianoz, B. I. C. Nicoara and W. A. Radasky, "Modeling of an EMP conducted environment,"IEEE Trans. Electromag. Compat., vol. 38, no. 3, pp. 400-413, 1996.

상세보기
Electromagnetic Compatibility (EMC)-Part 4-32: Testing and Measurement Techniques-High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP) Simulator Compendium, IEC 61000-4-32, Oct. 2002.
MIL-STD-188-125-2, Mar. 1999.

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