[논문]캐버티를 갖는 광대역 부분방전 RF 센서 연구

이승엽; 조기량

doi:10.13067/jkiecs.2021.16.2.227

초록
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본 논문에서는 다이폴 형태인 기존의 부분방전 센서의 특성을 개선하고자 센서 부분을 사다리꼴 형태로 변형시킴으로써 기존의 부분방전(PD: Partial Discharge) 센서의 단점인 협대역 특성을 개선하였다. 또한 외부부착 센서용으로 사용함에 따라 외부로 부터의 전자파 신호를 원천적으로 차단시킬 수 있는 구조인 캐버티(Cavity) 구조를 적용함으로써 저자세와 설치의 편리성을 갖는 구조적인 장점을 살리는 부분방전 센서를 제안하고자 한다. 실험 결과 중심주파수 2.45GHz에서 약 70.5%의 광대역(1.59~3.32GHz) 특성이 있음을 보여, 광대역 특성을 확인할 수 있었다.

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In this paper, the narrow-band characteristic, which is the disadvantage of the existing the PD sensor, was improved by transforming the sensor shape into a trapezoidal shape to improve the characteristics of the dipole-shaped conventional PD(Patial Discharge) sensor. In addition, by applying a cavi...

In this paper, the narrow-band characteristic, which is the disadvantage of the existing the PD sensor, was improved by transforming the sensor shape into a trapezoidal shape to improve the characteristics of the dipole-shaped conventional PD(Patial Discharge) sensor. In addition, by applying a cavity structure, which is a structure that can fundamentally block the electromagnetic wave signal from the outside as it is used for an external sensor, it is a partial discharge sensor that takes advantage of the structural advantages of low cost and convenience of installation. As a result of the experiment, it was shown that there is a broadband characteristic of about 70.5%(1.59~3.32GHz) at the center frequency of 2.45GHz, and the broadband characteristic was confirmed.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 제안된 PD센서부와 캐버티 구조 Fig. 1 Configuration of the proposed PD sensor with cavity
그림 그림 2. h 변화에 따른 임피던스 변화 Fig. 2 Impedance variation with respect to h
그림 그림 3. l 변화에 따른 임피던스 변화 Fig. 3 Impedance variation with respect to l
그림 그림 4. d₁ 변화에 따른 임피던스 변화 Fig. 4 impedance variation with respect to d₁
그림 그림 5. L 변화에 따른 임피던스 변화 Fig. 5 Impedance variation with respect to L
그림 그림 6. 제작된 센서부와 차폐용 캐버디 Fig. 6 The fabricated sensor and the cavity for shield
그림 그림 7. 측정된 임피던스 및 반사손실 Fig. 7 Measured impedance and return loss
그림 그림 7. 측정된 임피던스 및 반사손실Fig. 7 Measured impedance and return loss

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 간단한 센서 구조이지만 차폐된 금속 안에서도 광대역 특성(1.5∼3.0GHz)을 유지하도록 센서부를 설계할 때 차폐 구조를 포함하여 설계함으로써 실제 차폐 내부에서도 광대역 특성을 갖는 광대역 센서를 연구ㆍ개발하고자 한다.
본 논문에서는 기존 부분방전 센서의 협대역 문제점과 차폐 구조물로 인한 센서의 특성 변화와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다. 제안된 센서 구조는 사다리꼴 모양으로 센서를 차폐 구조 내부에 적절한 위치에 놓이게 함으로서 센서의 주파수 대역폭을 크게 향상시키는 구조를 제안하고, 그 특성을 연구하였다.

가설 설정

=15mm로 정하였다. 센서의 특성에 큰 영향을 주는 파라미터인 센서의 높이 h는 차페용 캐버티로 제한이 되기 때문에 22mm로 정하였다. 그리고 또 다른 중요 파라미터인 Le 낮은 대역과 높은 대역 특성을 고려하여 42mm로 하였다.

제안 방법

해결하기 위한 것이다. 제안된 센서 구조는 사다리꼴 모양으로 센서를 차폐 구조 내부에 적절한 위치에 놓이게 함으로서 센서의 주파수 대역폭을 크게 향상시키는 구조를 제안하고, 그 특성을 연구하였다. 제안된 센서 구조를 최적화하기 위해 센서와 차폐물의 주요 파라미터 변화에 대한 임피던스 특성 변화를 살펴보고 분석하였으며, 그 파라미터들을 조정하여 광대역 특성을 갖는 센서를 설계 제작하였다.
제안된 센서 구조는 사다리꼴 모양으로 센서를 차폐 구조 내부에 적절한 위치에 놓이게 함으로서 센서의 주파수 대역폭을 크게 향상시키는 구조를 제안하고, 그 특성을 연구하였다. 제안된 센서 구조를 최적화하기 위해 센서와 차폐물의 주요 파라미터 변화에 대한 임피던스 특성 변화를 살펴보고 분석하였으며, 그 파라미터들을 조정하여 광대역 특성을 갖는 센서를 설계 제작하였다. 실험 결과 차폐물에 내장하여 측정한 센서는 70.
센서의 길이이다. 주요 설계 파라미터에 대한 센서의 특성을 알아보기 위해 각각의 파라미터를 변화시켜보았다.

대상 데이터

센서의 특성에 큰 영향을 주는 파라미터인 센서의 높이 h는 차페용 캐버티로 제한이 되기 때문에 22mm로 정하였다. 그리고 또 다른 중요 파라미터인 Le 낮은 대역과 높은 대역 특성을 고려하여 42mm로 하였다.
결과적으로 중요한 몇 개의 파라미터들을 조정함으로써 센서의 입력임피던스 정합을 쉽게 할 수 있다. 센서에 사용된 기판은 유전율 4.3이고 기판 두께가 1.5mm인 단면 FR-4 기판을 사용하였다. 차폐용 캐버티의 크기는 85×55× 55mm로 하였다.
5mm인 단면 FR-4 기판을 사용하였다. 차폐용 캐버티의 크기는 85×55× 55mm로 하였다.

성능/효과

특성 변화를 구한 결과이다. 높이가 증가함에 따라 임피던스 특성이 좋아졌지만 =22mm을 기준으로 더 커지면 오히려 특성이 나빠지는 경향을 보였다. 그림 3은 _=15mm, h=22mm일 때 센서의 위쪽 폭인 의 길이를 45mm에서 60mm까지 변화할 시킬 때 센서의 임피던스를 계산한 결과이다.
차폐 구조의 끝부분과 센서 부의 급전점 사이 거리인 Le 광대역 특성을 극대화하기 위해 조정이 필수적이다. 센서 치수와 차폐구조 안에서의 센서의 위치, 그리고 급전점의 위치와 같은 설계 파라미터에 따른 센서 특성의 변화 양상들을 참고로 하여 제안된 구조의 센서를 원하는 용도에 맞추어 쉽게 설계할 수 있다.
제안된 센서 구조를 최적화하기 위해 센서와 차폐물의 주요 파라미터 변화에 대한 임피던스 특성 변화를 살펴보고 분석하였으며, 그 파라미터들을 조정하여 광대역 특성을 갖는 센서를 설계 제작하였다. 실험 결과 차폐물에 내장하여 측정한 센서는 70.5%의 광대역 특성이 있음을 보여, 기존 센서의 단점인 협대역 특성을 개선할 수 있음을 알 수 있었다.
앞장의 파라미터 분석 결과로 부터 각 파라미터들의 서로 연관된 조정으로 센서의 임피던스 특성을 변화시킬 수 있음을 알 수 있었다. 결과적으로 중요한 몇 개의 파라미터들을 조정함으로써 센서의 입력임피던스 정합을 쉽게 할 수 있다.

후속연구

향후 수정된 사다리꼴 모양의 모노폴의 개수 및 모양을 적절히 변화시킴으로써 특정 주파수 대역의 무선 신호를 센싱하는 시스템에도 쉽게 적용될 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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C. Lee, Y. Seo, M. Jeon, J. Cho, and S. Kahng, "A V/UHF Broad Band FPCB Sensor for Partial Discharge Diagnosis," Conference Proceedings of The Korean Institute of Electrical Engineers, Busan, Korea, July 2020., pp. 1649-1649.
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K.-L. Wong, Compact and Broadband Microstrip Antennas. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2002.

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