현재 EMP(Electromagnetic Pulse) 방호시설의 차폐효과 성능 평가를 위해 적용하고 있는 규격들에서는 통상적으로 송신안테나를 시설 외부에 배치하고, 수신안테나를 시설 내부에 배치하여 차폐효과(Shielding Effectiveness: SE)를 측정하도록 규정하고 있다. 하지만 차폐효과 측정 시 방호시설과 외부 콘크리트 구조물 사이에 충분한 공간을 확보하지 못하는 경우, 차폐효과 측정이 불가능하게 된다. 본 논문에서는 송신안테나를 EMP 방호시설 내부에 배치하여 전자파의 차폐효과를 측정할 수 있는 시험방법을 찾기 위해 다양한 시험을 수행하였다. 차폐효과 측정 시 송수신 안테나의 위치에 따른 영향을 비교 분석하기 위해 송신안테나를 EMP 방호시설 내부에 배치하여 차폐효과를 측정한 결과, 외부에 배치했을 때보다 시험주파수 영역 10 kHz~1 GHz에서 전체적으로 평균 ${\pm}4$ dB 수준의 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
현재 EMP(Electromagnetic Pulse) 방호시설의 차폐효과 성능 평가를 위해 적용하고 있는 규격들에서는 통상적으로 송신안테나를 시설 외부에 배치하고, 수신안테나를 시설 내부에 배치하여 차폐효과(Shielding Effectiveness: SE)를 측정하도록 규정하고 있다. 하지만 차폐효과 측정 시 방호시설과 외부 콘크리트 구조물 사이에 충분한 공간을 확보하지 못하는 경우, 차폐효과 측정이 불가능하게 된다. 본 논문에서는 송신안테나를 EMP 방호시설 내부에 배치하여 전자파의 차폐효과를 측정할 수 있는 시험방법을 찾기 위해 다양한 시험을 수행하였다. 차폐효과 측정 시 송수신 안테나의 위치에 따른 영향을 비교 분석하기 위해 송신안테나를 EMP 방호시설 내부에 배치하여 차폐효과를 측정한 결과, 외부에 배치했을 때보다 시험주파수 영역 10 kHz~1 GHz에서 전체적으로 평균 ${\pm}4$ dB 수준의 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
EMP(Electromagnetic Pulse) protection facility was evaluated according to standard of shielding effectiveness. To comply with the standard, transmitting antenna was placed on outside of protection facility and receiving antenna was placed on inside of protection facility. However, measurement is imp...
EMP(Electromagnetic Pulse) protection facility was evaluated according to standard of shielding effectiveness. To comply with the standard, transmitting antenna was placed on outside of protection facility and receiving antenna was placed on inside of protection facility. However, measurement is impossible that place does not have enough space between protection facility and external concrete structure. In this paper, we performed a various of tests that put transmitting antenna inside the EMP protection facility in order to find out test method for measuring the shielding effectiveness of electromagnetic wave. Transmitting antenna was placed on inside of the EMP protection facility for measuring the shielding effectiveness to compare and analyze the impact of the position regarding to the transmitting and receiving antenna. As a result of test, in case that transmitting antenna was placed on inside of the EMP protection facility, it was found that test frequency range 10 kHz~1 GHz were occurred overall average difference of ${\pm}4$ dB level.
EMP(Electromagnetic Pulse) protection facility was evaluated according to standard of shielding effectiveness. To comply with the standard, transmitting antenna was placed on outside of protection facility and receiving antenna was placed on inside of protection facility. However, measurement is impossible that place does not have enough space between protection facility and external concrete structure. In this paper, we performed a various of tests that put transmitting antenna inside the EMP protection facility in order to find out test method for measuring the shielding effectiveness of electromagnetic wave. Transmitting antenna was placed on inside of the EMP protection facility for measuring the shielding effectiveness to compare and analyze the impact of the position regarding to the transmitting and receiving antenna. As a result of test, in case that transmitting antenna was placed on inside of the EMP protection facility, it was found that test frequency range 10 kHz~1 GHz were occurred overall average difference of ${\pm}4$ dB level.
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문제 정의
본 논문에서는 EMP 방호시설과 외부 콘크리트 구조물 사이의 협소한 공간에서도 차폐효과를 측정할 수 있도록 송·수신 안테나의 위치 교체, 즉 기존의 차폐효과 측정 방법과 달리 송신안테나를 시설 내부에 배치하고, 수신안테나를 시설 외부에 배치하여 송·수신 안테나의 배치에 따른 차폐효과를 비교·분석하고자 한다.
본 논문에서는 EMP 방호시설의 차폐효과 측정 시 송신안테나를 시설 내부에 배치하고, 상대적으로 이격거리가 짧은 수신안테나를 시설 외부에 배치하여 전자파의 차폐효과를 측정할 수 있는 시험방법을 찾기 위해 다양한 시험을 수행하였다. 그 결과, 시험기기의 배치방법에 있어 송신장비 및 이와 연결되는 송신용 RF 케이블, 전원케이블 등 송신측과 수신측의 장비들이 차폐된 서로 다른 공간에 각각 명확히 분리 배치되어야 한다는 사실을 확인하였다.
표 1과 같이 세 가지 차폐효과 시험 규격은 시험주파수, 송·수신 안테나의 거리, 단위 시험영역 등 시험방법의 차이가 있으며, 본 논문에서는 MIL-STD-188-125-1 규격의 차폐효과 측정 방법에 따라 차폐효과를 측정하고자 한다.
제안 방법
그림 10은 차폐룸 B의 전실 차폐문을 대상으로 송수신안테나의 위치를 정방향과 역방으로 바꿔가며 차폐효과를 측정한 것으로, 측정대상인 차폐룸 B의 전실 공간 폭이 협소하여 안테나를 수평으로 설치할 수가 없는 관계로 수직 편파에 관해서만 차폐효과 측정을 수행하였다.
본 논문에서는 송수신 안테나의 배치에 따른 차폐효과 특성을 분석하기 위해 두 개의 차폐룸을 대상으로 실제 차폐효과 측정을 수행하였으며, 추가적으로 시뮬레이션을 통해 물리적 크기가 다른 챔버를 설계하여 송신안테나를 시설 내부에 배치하였을 경우에 따른 수신 전계강도를 분석하였다. 시뮬레이션에서는 한 변의 길이가 각각 5 m, 7 m, 9 m인 정육면체 챔버를 대상으로 측정 주파수대역은 실제 실험과 동일한 10 kHz～1 GHz로 설정한 후, 400 mm×10 mm 크기의 slot을 적용하였다.
본 논문에서는 차폐효과 측정 시, 송수신 안테나의 위치에 따른 영향을 비교·분석하기 위해 크기와 구조가 다른 두 개의 차폐룸(차폐룸 A, B)을 대상으로 차폐효과 측정을 수행하였다.
본 장에서는 기존의 차폐효과 측정 방법과 달리 송신안테나를 시설 내부에 배치하고, 수신안테나를 시설 외부에 배치하여 송·수신 안테나의 배치에 따른 차폐효과를 비교·분석하였다.
본 절에서는 차폐효과 측정을 보다 정확하게 수행하고, 측정 데이터의 신뢰성을 확보하고자 차폐효과 측정을 위한 실험 세팅 시 발생할 수 있는 안테나의 높이, 거리, 각도를 실험자가 인식할 수 있는 범위 내에서 의도적으로 변경하여 실험을 수행하였다. 차폐룸 A의 문을 대상으로 송수신 안테나 간의 거리를 3.
송신단에서 방사되는 전자기파의 영향을 최소화하기 위해 송수신단을 격리시켰으며, 송수신단과 안테나 연결에 사용된 RF 케이블의 임피던스는 50Ω, 차폐특성은 -100 dB이다.
정방향의 경우, 송신안테나와 송신랙은 방호 차폐룸 외부에, 수신안테나는 전실, 수신랙은 차폐룸 내실에 배치하였다. 역방향의 경우에는 수신안테나와 수신랙은 방호 차폐룸 외부에, 송신안테나는 전실 내부, 송신랙은 전실 내부에 배치하여 실험을 수행하였다. 그림 11에 안테나 배치에 따른 수직 편파의 차폐효과 비교를 나타내었으며, 표 4에 10개의 주파수를 샘플링하여 차폐효과 값을 나타내었다.
그림 8은 차폐룸 A의 문을 대상으로 MIL 규격에서 규정한 방법으로 차폐효과를 측정한 결과와 규격과는 반대로 송신안테나를 시설 내부에, 수신안테나를 시설 외부에 배치하여 동일한 거리와 조건 하에서 재시험하여 두 차폐효과 측정 결과를 비교하기 위한 실험구성이다. 정방향의 경우, 송신안테나와 송신랙은 차폐룸 외부에, 수신안테나와 수신랙은 차폐룸 내부에 배치하였으며, 역방향의 경우에는 수신안테나와 수신랙은 차폐룸 외부에, 송신안테나는 차폐룸 1 내부, 송신랙은 차폐룸 2 내부에 배치하여 실험을 수행하였다. 10 kHz～1 GHz 대역에서 총 2,364개의 시험주파수를 측정하였으며, 표 3에 10개의 주파수를 샘플링하여 차폐효과 값을 나타내었다.
차폐룸 A의 문을 대상으로 송수신 안테나 간의 거리를 3.05 m(송신: 2.05 m, 수신: 1.0 m)로 배치하고, 송신안테나의 기준 각도와 높이, 거리를 각각 0°, 1.5 m, 2.05 m로 설정한 상태에서 그림 5와 같이 각도는 5°, 10°로 변경하고, 높이와 거리는 ±0.1 m씩 변경시켜가며 차폐효과를 측정하였으며, 밴드별 측정 대역폭 및 사용안테나는 다음과 같다.
대상 데이터
정방향의 경우, 송신안테나와 송신랙은 차폐룸 외부에, 수신안테나와 수신랙은 차폐룸 내부에 배치하였으며, 역방향의 경우에는 수신안테나와 수신랙은 차폐룸 외부에, 송신안테나는 차폐룸 1 내부, 송신랙은 차폐룸 2 내부에 배치하여 실험을 수행하였다. 10 kHz～1 GHz 대역에서 총 2,364개의 시험주파수를 측정하였으며, 표 3에 10개의 주파수를 샘플링하여 차폐효과 값을 나타내었다. 그림 9는 안테나 배치에 따른 수평․수직 편파에 대한 차폐효과를 비교한 것으로, Band 1부터 Band 4까지의 주파수 영역에서 평균오차는 수평 편파의 경우 약 2.
차폐룸 B는 그림 4(b)와 같으며, 내실과 전실로 구성되어 있다. 내실의 크기는 가로 3.605 m, 세로 5.985 m, 높이 3.002 m이며, 전실의 크기는 가로 1.194 m, 세로 2.409 m, 높이 2.392 m이다. 인입점은 내실과 전실의 차폐문 각 1개, 도파관 1개, 하니콤 2개가 있으며, 좌측 벽면에 필터함이 부착되어 있다.
시뮬레이션에서는 한 변의 길이가 각각 5 m, 7 m, 9 m인 정육면체 챔버를 대상으로 측정 주파수대역은 실제 실험과 동일한 10 kHz～1 GHz로 설정한 후, 400 mm×10 mm 크기의 slot을 적용하였다.
성능/효과
본 논문에서는 EMP 방호시설의 차폐효과 측정 시 송신안테나를 시설 내부에 배치하고, 상대적으로 이격거리가 짧은 수신안테나를 시설 외부에 배치하여 전자파의 차폐효과를 측정할 수 있는 시험방법을 찾기 위해 다양한 시험을 수행하였다. 그 결과, 시험기기의 배치방법에 있어 송신장비 및 이와 연결되는 송신용 RF 케이블, 전원케이블 등 송신측과 수신측의 장비들이 차폐된 서로 다른 공간에 각각 명확히 분리 배치되어야 한다는 사실을 확인하였다. 또한, 송신안테나를 EMP 방호시설 내부에 배치하여 차폐효과를 측정한 결과, 외부에 배치했을 때보다 시험주파수 영역 10 kHz～1 GHz에서 전체적으로 평균 ±4 dB 수준의 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
송신단에서 방사되는 전자기파의 영향을 최소화하기 위해 송수신단을 격리시켰으며, 송수신단과 안테나 연결에 사용된 RF 케이블의 임피던스는 50Ω, 차폐특성은 -100 dB이다. 또한 본 논문에서 수행된 차폐효과 측정은 그림 7에서 볼 수 있듯이 대부분의 주파수 영역에서 동작영역(Dynamic Range: DR)이 MIL-STD-88-125-1 규격에서 제시하는 차폐효과의 합부 판정 기준보다 20 dB 이상으로 동작영역이 충분히 확보된 환경에서 차폐효과 측정을 수행하였다.
또한, 송신안테나를 EMP 방호시설 내부에 배치하여 차폐효과를 측정한 결과, 외부에 배치했을 때보다 시험주파수 영역 10 kHz～1 GHz에서 전체적으로 평균 ±4 dB 수준의 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
송수신 안테나의 배치에 따른 차폐효과를 측정한 결과, 시험주파수 영역 10 kHz～1 GHz에서 전체적으로 평균 ±4 dB 수준의 차이가 발생하였으며, 주파수 대역별로 분류하면 10 kHz～20 MHz(band 1)에서 평균 ±6 dB, 20 MHz～100 MHz(band 2)에서 평균 ±3 dB, 100～300 MHz(band 3)에서 평균 ±6 dB, 300 MHz～1 GHz(band 4)에서 평균 ±4 dB 수준의 차이가 나타났다.
상관계수가 양수일 때는 정적 상관으로 두 변수가 같은 방향으로 변화하고 있다고 판단한다. 송신안테나의 각도에 따른 차폐효과 측정 데이터를 분석한 결과, 전체 측정대역인 10 kHz～1 GHz에서 평균 표준 편차는 수평 편파의 경우, 약 0.8～1.2 dB, 수직 편파의 경우는 약 0.9～1.5 dB로 나타났으며, 파형의 유사성을 판단하기 위한 상관계수 역시 그림 6에서 볼 수 있듯이 대부분의 경우에서 0.9 이상으로 높게 나타났다. 이러한 분석 결과는 표 2에서 알 수 있듯이, 송신안테나의 높이와 거리에 따른 차폐효과 측정 결과에서도 유사하게 나타났다.
시뮬레이션에서는 한 변의 길이가 각각 5 m, 7 m, 9 m인 정육면체 챔버를 대상으로 측정 주파수대역은 실제 실험과 동일한 10 kHz～1 GHz로 설정한 후, 400 mm×10 mm 크기의 slot을 적용하였다. 시뮬레이션 결과, 저주파 영역에서는 챔버 크기에 따른 수신 전계강도가 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만 표 7에서 볼 수 있듯이, 주파수가 높아짐에 따라 챔버의 크기가 커질수록 시설 내 난반사의 영향이 감소되어, 수신 전계강도가 작아지는 것을 알 수 있다.
그림 9(a)와 그림 11의 안테나 위치에 따른 차폐효과 비교 그래프의 경우, 자기장 영역인 10～20 kHz 대역에서 차폐효과가 0보다 작게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 본 논문에서 수행된 차폐효과 측정대상의 차폐효과 성능이 해당 주파수 대역에서 매우 낮아, 차폐룸 내부의 전계가 오히려 자유공간에서의 전계보다 더 큰 값을 가짐으로써 측정값이 교정값보다 높게 나타나는 현상이 발생하여, 그림에서와 같이 차폐효과 값이 0보다 작은 음수의 차폐효과가 나타난 것으로 사료된다.
그림 11에 안테나 배치에 따른 수직 편파의 차폐효과 비교를 나타내었으며, 표 4에 10개의 주파수를 샘플링하여 차폐효과 값을 나타내었다. 차폐효과 측정 결과, 전체 측정대역인 10 kHz～1 GHz 주파수 영역에서의 평균오차는 자기장 영역인 Band 1에서 약 6.3 dB로 가장 높게 나타났으며, 공진/평면파 영역인 Band 2부터 Band 4에서 각각 3.0 dB, 3.2 dB, 2.7 dB로 나타났다. 송수신 안테나의 배치에 따른 차폐효과를 측정한 결과, 시험주파수 영역 10 kHz～1 GHz에서 전체적으로 평균 ±4 dB 수준의 차이가 발생하였으며, 주파수 대역별로 분류하면 10 kHz～20 MHz(band 1)에서 평균 ±6 dB, 20 MHz～100 MHz(band 2)에서 평균 ±3 dB, 100～300 MHz(band 3)에서 평균 ±6 dB, 300 MHz～1 GHz(band 4)에서 평균 ±4 dB 수준의 차이가 나타났다.
후속연구
또한, 송신안테나를 EMP 방호시설 내부에 배치하여 차폐효과를 측정한 결과, 외부에 배치했을 때보다 시험주파수 영역 10 kHz～1 GHz에서 전체적으로 평균 ±4 dB 수준의 차이가 발생하는 것을 확인하였다. 본 논문의 차폐효과 측정 결과는 송수신 안테나의 배치에 따른 오차 발생 원인을 분석하고, 차폐효과 측정값의 차이를 감소시키기 위한 연구에 활용될 뿐만 아니라, 향후 방호시설과 외부 콘크리트 구조물 사이에 충분한 공간을 확보하지 못하는 경우에서도 차폐효과 측정이 가능한 시험방안 도출에 필요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
송신안테나를 방호시설 내부에 배치할 경우 어떤 변화가 발생하는가?
송신안테나를 방호시설 내부에 배치할 경우, 이에 따른 공진현상의 영향에 의해 차폐효과 특성에 변화가 발생된다. 식 (5)는 최저 공진주파수를 계산하기 위한 식으로 a와 b는 함체에서 가장 긴 두 변의 길이를 의미하며, 차폐효과 측정대상인 차폐룸 A와 차폐룸 B의 공진주파수를 표 5에 나타내었다.
차폐효과 측정시 사용되는 송신안테나는?
차폐효과 측정 시 일반적으로 사용되는 송신안테나는 주파수 대역별로 Loop 안테나, Monopole 안테나, Dipole 안테나, Bi-conical 안테나, Log-periodic 안테나들이며, Logperiodic 안테나의 경우는 그 길이가 1 m 정도임을 감안할때 정상적인 차폐효과 시험을 하기 위해서는 그림 1과 같이 방호시설 외부에 최소 3 m 이상의 공간이 필요하다. 그러나 실제 방호시설의 건축 시 비용 상승, 건축 공간 및 설계의 비효율성과 같은 현실적인 문제들로 인하여 대부분 시설들은 외부 콘크리트 구조물과의 충분한 공간을 확보하지 못하는 경우가 많기 때문에 전자파 차폐효과 측정 시 방호시설의 외부에 송신안테나를 배치할 수 없음으로 규격에 따른 차폐효과 시험이 불가능하다.
본 논문에서 차폐효과 측정을 하기 위해 설치한 두 차폐룸의 크기와 구조는?
본 논문에서는 차폐효과 측정 시, 송수신 안테나의 위치에 따른 영향을 비교․분석하기 위해 크기와 구조가 다른 두 개의 차폐룸(차폐룸 A, B)을 대상으로 차폐효과 측정을 수행하였다. 차폐룸 A는 그림 4(a)에서 볼 수 있듯이 가로 2.9 m, 세로 3.9 m, 높이 2.4 m로 제작되었으며, 차폐문 1개, 도파관 1개, 하니콤 2개의 인입점(Point of Entry: POE)이 있다. 차폐룸 B는 그림 4(b)와 같으며, 내실과 전실로 구성되어 있다. 내실의 크기는 가로 3.605 m, 세로 5.985 m, 높이 3.002 m이며, 전실의 크기는 가로 1.194 m, 세로 2.409 m, 높이 2.392 m이다. 인입점은 내실과 전실의 차폐문 각 1개, 도파관 1개, 하니콤 2개가 있으며, 좌측 벽면에 필터함이 부착되어 있다.
참고문헌 (7)
IEC-61000-1-3, "Electromagnetic compatibility(EMC) - Part 1-3: General - The effects of high-altitude EMP (HEMP) on civil equipment and systems", Jun. 2002.
최은하, "고출력 마이크로파의 발진장치 및 전자기 펄스탄 개발동향", 전력전자학회지, 9(1), pp. 20-25, 2004년 2월.
MIL-STD-188-125-1, "High-altitude electromagnetic pulse(HEMP) protection for ground-based C41 facilities performing critical, time-urgent missions part 1 fixed facilities", Apr. 2005.
IEEE-STD-299, "IEEE standard method for measuring the effectiveness of electromagnetic shielding enclosures", Feb. 2007.
IEC-61000-4-23, "Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-23: Testing and measurement techniques test methods for protective devices for HEMP and other radiated disturbances", Oct. 2000.
현세영, 이경원, 김민석, 육종관, "철근 콘크리트에 의한 전자기파 차폐효과 모델링", 한국전자파학회논문지, 23(3), pp. 384-391, 2012년 3월.
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