[논문]내부구조와 전파 입사각에 따른 원전용 디지털 모듈 보관 캐비닛의 차폐효과 분석

윤상운; 장도영; 추호성; 김영미; 이준용

doi:10.13067/jkiecs.2021.16.1.1

내부구조와 전파 입사각에 따른 원전용 디지털 모듈 보관 캐비닛의 차폐효과 분석
Shielding Effectiveness Analysis of the Digital Module Storage Cabinet for Nuclear Power Plants According to the Internal Structure and the Angle of EM wave Incidence 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.16 no.1, 2021년, pp.1 - 8

윤상운 (홍익대학교 전자전기공학과) , 장도영 (홍익대학교 전자전기공학과) , 추호성 (홍익대학교 전자전기공학과) , 김영미 (한국원자력안전기술원) , 이준용 (홍익대학교 컴퓨터공학과)

초록
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본 논문에서는 원자력 발전소에서 사용되는 디지털 모듈을 포함하는 캐비닛의 전자파 차폐효과를 외부 전파원과 내부 디지털 모듈의 배치 변화에 따라 분석하였다. 차폐효과를 분석하기 위해서 FEKO EM 시뮬레이션 툴을 사용하여 캐비닛과 모듈을 모델링하였으며, 캐비닛의 유무에 따른 전계값을 통해서 차폐효과 분포를 도출하였다. 차폐효과는 2.4 GHz 주파수에서 캐비닛에 대한 입사각, 편파 그리고 모듈의 간격에 따라 관찰하였다. 결과 검증을 위해 차폐효과 측정용 다이폴안테나를 설계 및 제작하고 이를 활용해 캐비닛의 차폐효과를 측정하였다. 결과에 따르면 캐비닛 구조는 입사되는 전파의 편파가 지면에 수평하고, 디지털 모듈간의 간격이 넓을 때 더 높은 차폐효과를 기대 할 수 있는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the cabinet shielding effectiveness (SE) including digital modules for nuclear power plants is analyzed depending on the internal structure and electromagnetic (EM) wave incidence angle. To analyze the SE, the cabinet and modules are modeled using the FEKO EM simulation tool. The SE is then obtained by comparing the electric field with and without the cabinet. In addition, the cabinet SE is observed by changing various conditions such as the spacing of each digital module, incidence angle, and the polarization of the EM wave at the 2.4 G[Hz frequency. To verify the results, the dipole antenna for SE measurements is fabricated, and the SE is measured in a semi-anechoic chamber. The result demonstrates that the SE by the cabinet structure can be expected to be higher when the polarization of the incident EM wave is horizontal to the ground and the distance between the digital modules is wide.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 차폐효과의 정의 Fig. 1 Definition of the shielding effectiveness
그림 그림 2. 실원전에서 사용하는 모듈의 사진과 모델링 형상 Fig. 2 Geometry and photograph of the module in nuclear power plants
그림 그림 3. 캐비닛 내부 차폐효과 확인을 위한 시뮬레이션 조건 Fig. 3 Simulation conditions to analyze the SE inside the cabinet
그림 그림 4. 캐비닛 내부 차폐효과 분포 Fig. 4 Distribution of the SE inside the cabinet
표 표 1. 캐비닛과 디지털 모듈의 설계 변수 Table 1. Design parameters of the cabinet and digital module
그림 그림 5. 전자파 입사 방향, 편파 그리고 모듈 간격에 따른 차폐효과 시뮬레이션 결과 Fig. 5 SE simulation results according to the angle of the incident wave, polarization, and module spacing
그림 그림 6. 차폐효과 측정용 다이폴 안테나의 구조 및 제작 사진 Fig. 6 Geometry and photograph of the dipole antenna for SE measurement
그림 그림 7. 시뮬레이션과 측정된 반사계수 Fig. 7 Simulated and measured reflection coefficients
그림 그림 8. 시뮬레이션과 측정된 방사패턴 Fig. 8 Simulated and measured radiation patterns
그림 그림 9. 캐비닛 내부 차폐효과 측정 환경과 측정 위치 Fig. 9 SE measurement setup and measurement points inside the cabinet
그림 그림 10. 측정위치 1에서의 차폐효과 Fig. 10 SE result at point 1
그림 그림 11. 측정위치 2에서의 차폐효과 Fig. 11 SE result at point 2

AI 본문요약
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제안 방법

캐비닛이 없는 경우와 있는 경우의 전계 분포를 모두 확인하고 두 값의 비율을 통해서 차폐효과를 도출할 수 있다. WI-FI, Bluetooth, ZigBee[10-12] 등 무선통신 시스템에서 보편적으로 사용되는 주파수 대역인 2.4 GHz 주파수에서 분석하였으며, 송신안테나는 캐비닛의 전면부로부터 d = 1 m 거리에 위치하였고, 내부 전계 분포는 캐비넷 바닥면으로부터 h = 0.2 m 높이에서 확인하였다. 입사되는 전자파의 방향은 캐비닛의 정면방향으로 제한하지 않고 0° ~ 180° 까지 변화하며 관측하였고, 편파 조건 또한 지면에 수직한 편파와 지면에 수평한편파로 경우를 나누어 분석하였다.
캐비닛 구조에 의한 차폐효과 값을 얻기위해 먼저 디지털 모듈만 배치하여 모듈 내부에 입사되는 전계값을 획득하였다. 그 다음 캐비닛 내부에 디지털 모듈을 배치하여 모듈 내부 전계값을 얻고 두번의 측정으로 얻은 전계값의 비율을 통해 차폐효과값을 도출했다. 차폐효과를 정확하게 측정하기 위해 캐비닛의 유무를 제외한 모든 외부 환경은 동일하게 유지하였다.
캐비닛 및 내부에 배치된 디지털 모듈의 형상 모델링 및 차폐효과 분석은 FEKO EM 시뮬레이션 툴을 사용하여 수행하였으며 [9], 캐비닛 내부의 디지털 모듈 배치는 한국원자력안전기술원에서 사용되는 실제 모듈의 배치 위치를 반영하였다. 또한 전자파의 입사방향을 캐비닛의 정면 방향으로 입사되는 경우로 한정하지 않고 다양한 입사 방향과, 편파에 따라 분석을 수행하였다.
그림 5(b)는 모듈간의 간격 g_m을 변화함에 따라 나타나는 캐비닛 내부 평균 차폐효과를 보여준다. 모듈의 간격은 24 mm부터 120 mm까지 24 mm 간격으로 증가시키면서 분석하였다. 모듈의 간격이 24 mm로 가장 좁은 배치일 때 –17.
본 논문에서는 실원전에서 사용되는 디지털 모듈을 포함하는 캐비닛의 전자파 차폐효과를 전파가 입사되는 방향과 내부 디지털 모듈의 배치의 변화에 따라 분석하였다. 전파원의 편파에 따라 차폐효과를 분석한 결과 수직편파의 경우는 전파의 입사각에 따라 –14.
본 논문에서는 실제 원전에서 사용되는 디지털 모듈을 포함하는 캐비닛에 대하여 캐비닛 내부구조 배치와 전자파의 입사각에 따른 차폐효과를 분석하였으며, 측정결과와 비교하였다. 캐비닛 및 내부에 배치된 디지털 모듈의 형상 모델링 및 차폐효과 분석은 FEKO EM 시뮬레이션 툴을 사용하여 수행하였으며 [9], 캐비닛 내부의 디지털 모듈 배치는 한국원자력안전기술원에서 사용되는 실제 모듈의 배치 위치를 반영하였다.
결과에 따르면 철제 캐비닛을 활용해 얻을 수 있는 추가적인 전파 차폐효과는 디지털모듈의 간격이 넓고 입사파의 편파가 지면에 수평할때 더 높다는 것을 의미한다. 시뮬레이션 결과들을 측정을 통해 검증하기 위해 정합밸런, 다이폴 방사체, SMA 커넥터를 사용하여 2.4 GHz 주파수에 동작하는측정 안테나를 제작하였다. 측정위치 1에서는 정면 방향에서 전자파가 입사될 때 가장 낮은 –14.
2 m 높이에서 확인하였다. 입사되는 전자파의 방향은 캐비닛의 정면방향으로 제한하지 않고 0° ~ 180° 까지 변화하며 관측하였고, 편파 조건 또한 지면에 수직한 편파와 지면에 수평한편파로 경우를 나누어 분석하였다.
4 GHz) 높은 위치에 배치되었다. 캐비닛 구조에 의한 차폐효과 값을 얻기위해 먼저 디지털 모듈만 배치하여 모듈 내부에 입사되는 전계값을 획득하였다. 그 다음 캐비닛 내부에 디지털 모듈을 배치하여 모듈 내부 전계값을 얻고 두번의 측정으로 얻은 전계값의 비율을 통해 차폐효과값을 도출했다.

대상 데이터

안테나는 SMA 포트를 통해 급전된다. 급전부로부터 불균일하게 흐르는 전류에 의한 패턴왜곡을 최소화하기 위해, 측정 주파수인 2.4 GHz에서 동작하는 정합밸런 (Mini-Circuit사의 CD542)을 사용하였다. 정합밸런은 회로기판위에 다이폴 소자와 함께 놓여진다.

이론/모형

측정결과와 비교하였다. 캐비닛 및 내부에 배치된 디지털 모듈의 형상 모델링 및 차폐효과 분석은 FEKO EM 시뮬레이션 툴을 사용하여 수행하였으며 [9], 캐비닛 내부의 디지털 모듈 배치는 한국원자력안전기술원에서 사용되는 실제 모듈의 배치 위치를 반영하였다. 또한 전자파의 입사방향을 캐비닛의 정면 방향으로 입사되는 경우로 한정하지 않고 다양한 입사 방향과, 편파에 따라 분석을 수행하였다.

성능/효과

9 dB의 높은 평균 차폐효과 값이 나타났다. 결과에 따르면 철제 캐비닛을 활용해 얻을 수 있는 추가적인 전파 차폐효과는 디지털모듈의 간격이 넓고 입사파의 편파가 지면에 수평할때 더 높다는 것을 의미한다. 시뮬레이션 결과들을 측정을 통해 검증하기 위해 정합밸런, 다이폴 방사체, SMA 커넥터를 사용하여 2.
1 dB로 나타났다. 마찬가지로, 측정값과 시뮬레이션된 결과값의 분포가 잘 일치함을 확인할 수 있으며 수평 편파에 의한 차폐 효과가 모든 전파 입사각에서 상대적으로 수직 편파에 의한 차폐 효과보다 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이 결과는 수직편파의 경우 캐비닛에 의한 차폐효과를 기대 할 수 없지만 수평편파의 경우에는 디지털 모듈이 캐비닛 내부에 있을 때 16 dB 이상의 추가적인 차폐 효과를 기대 할 수 있음을 의미한다.
목표 동작 주파수인 2.4 GHz에서 반사계수의 측정 및 시뮬레이션 결과가 각각 ╶ 39.1 dB, ╶ 15.4 dB로서 ╶ 10 dB 이하의 값을 가져, 설계된 다이폴 안테나가 목표에 잘 부합함을 확인할 수 있다. 그림 8은 제작된 안테나의 방사패턴을 xy-평면에서 보여준다.
5 dB가 나타났다. 반대로 모듈간 간격이 좁은 경우에는 낮은 차폐효과를 보였으며, 최소값은 –41.9 dB로 확인되었다.
차폐효과 값이 높을수록 붉은색으로 표기되며 이는 외부 전자파로부터 간섭을 적게 받을 수 있음을 의미한다. 상대적으로 모듈간의 간격이 넓은 곳에서 가장 높은 차폐 효과 값인 17.5 dB가 나타났다. 반대로 모듈간 간격이 좁은 경우에는 낮은 차폐효과를 보였으며, 최소값은 –41.
측정 결과를 나타낸다. 시뮬레이션과 측정값은 유사한 경향성을 보였으며, 모두 정면 방향에서 전자파가 입사될 때 가장 낮은 차폐효과 값을 나타낸다. 0°에서 입사하는 경우 측정값은 –14.
그림 8은 제작된 안테나의 방사패턴을 xy-평면에서 보여준다. 실선과 점선은 각각 측정과 시뮬레이션 결과를 나타내며, 해당 평면에서 무지향성 패턴이 나타나는 것을 확인하였다.
보여준다. 실선으로 표시된 수직 편파의 경우 0° 에서 전파가 입사할 때 가장 낮은 −14.2 dB의 평균차폐효과 값이 도출되었다. 점선으로 표시된 수평 편파에 의한 차폐효과 경우, 입사각이 90°일 때 가장 낮은 9.
9 dB와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 안테나의 편파가 수평 편파인 경우의 전파 입사각에 따른 측정 결과는 16.0 dB ~ 22.1 dB로 확인되며 시뮬레이션 결과는 –5.0 dB ~ 32.1 dB로 나타났다. 마찬가지로, 측정값과 시뮬레이션된 결과값의 분포가 잘 일치함을 확인할 수 있으며 수평 편파에 의한 차폐 효과가 모든 전파 입사각에서 상대적으로 수직 편파에 의한 차폐 효과보다 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
0 dB 이상의 차폐효과가 확인되었다. 전파가 캐비닛의 정면 방향으로 입사할 때, 모듈간 간격을 증가시킴에 따라 차폐효과 값 또한 점차적으로 증가하여, 120 mm 간격일 때 7.9 dB의 높은 평균 차폐효과 값이 나타났다. 결과에 따르면 철제 캐비닛을 활용해 얻을 수 있는 추가적인 전파 차폐효과는 디지털모듈의 간격이 넓고 입사파의 편파가 지면에 수평할때 더 높다는 것을 의미한다.
전파원의 편파에 따라 차폐효과를 분석한 결과 수직편파의 경우는 전파의 입사각에 따라 –14.2 dB ~ 10.6 dB의 차폐효과가 확인되어 캐비닛에 의한 차폐효과가 낮은 것을 확인하였다. 반면 수평 편파의 경우 최소 16.
1 dB의 차폐효과 값이 나타났다. 측정위치 2에서는 수직 편파의 경우 –0.5 dB, 수평 편파의 경우 17.9 dB의 평균차폐효과 값을 보여, 시뮬레이션 결과인 –1.9 dB, 14.2 dB와 유사함을 확인하였다. 본 논문의 결과는 원전 내 디지털모듈을 무선통신 시스템에서 발생하는 전자파로부터 보호하기 위해 철제 캐비닛을 활용하고자 하는 경우, 모듈의 배치 및 방향에 대한 가이드라인으로 활용 할 수 있다.

후속연구

2 dB와 유사함을 확인하였다. 본 논문의 결과는 원전 내 디지털모듈을 무선통신 시스템에서 발생하는 전자파로부터 보호하기 위해 철제 캐비닛을 활용하고자 하는 경우, 모듈의 배치 및 방향에 대한 가이드라인으로 활용 할 수 있다.

참고문헌 (12)

J. A. Scerbo, S. N. Satpute, J. Y. Donkin, and R. A. Reister, "Safety system augmentation at Russian nuclear power plants," IEEE Trans. Nucl. Sci. vol. 44, 1997, pp. 1022-1026.
J. Chen, J. Klein, Y. Wu, S. Xing, R. Flammang, M. Heibel, and L. Zuo, "A thermoelectric energy harvesting system for powering wireless sensors in nuclear power plants," IEEE Trans. Nucl. Sci. vol. 63, 2016, pp. 2738-2746.

상세보기
V. Agarwal, J. W. Buttles, L. H. Beaty, J. Naser, and B. P. Hallbert, "Wireless online position monitoring of manual valve types for plant configuration management in nuclear power plants," IEEE Sensors J. vol. 17, 2017, pp. 311-322.

상세보기
J. Choo, C Jeong, and J. Choo, "Transverse electric scattering of open cabinet in nuclear power plants," IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett., vol. 15, 2016, pp. 1206-1207.
H. H. Park and H. J. Eom, "Electromagnetic penetration into 2-D multiple slotted rectangular cavity: TM-wave," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 48, no. 2, 2000, pp. 331-333.

상세보기
J. Choo, J. E. Park, H. Choo, and Y. H. Kim, "Electromagnetic interference caused by parasitic electric-line current on a digital module in a closed cabinet," IEEE Access, vol. 7, 2019, pp. 59806-59812.

상세보기
H. Herlemann and M. Koch, "Measurement of the transient shielding effectiveness of shielding cabinets," Advances in Radio Science, vol. 6, 2008, pp. 293-298.

상세보기
D. Senic, A. Sarolic, and V. Roje, "GTEM cell setup and method for measuring shielding effectiveness of resonant enclosures," Int. Symp. on Electromagnetic Compatibility (EMC), Europe, 2011, pp. 192-197.
FEKO EM Simulation Software, Altair Engineering Inc., 2020. [Online]. Available: http://www.altair.co.kr.
D.-H. Ryu and T.-W. Choi, "Development of the Compact Smart Device for Industrial IoT," J. of he Korea Institute of Electronic Communication ciences, vol. 13, no. 4, 2018, pp. 751-756.
J.-C. Lee, Y.-J. Jang, and T.-H. Hwang, "Smart Flying-Disc Monitoring System with IoT Technology," J. of he Korea Institute of Electronic Communication ciences, vol. 14, no. 5, 2019, pp. 991-1000.
S.-S. Park, S.-W. Kwak, and J.-M- Yang, "Implementation of Wireless Measurement System for Tire Deformation," J. of he Korea Institute of Electronic Communication ciences, vol. 15, no. 4, 2020, pp. 671-678.

저자의 다른 논문 :

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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