위성 및 발사체 등 지상 및 우주에서 운용되는 시스템은 발사 및 궤도 내 운용환경에서의 다양한 전자파환경에 노출되며 이를 모사하는 전자파환경시험을 전자파챔버에서 수행하게 된다. 전자파챔버에서의 전자파환경시험은 크게 방출시험과 내성시험으로 구분된다. 그 중 복사성 내성시험은 안테나를 통해 방출되는 전기장 에너지를 시험 대상 유니트 또는 시스템에 복사함으로서 발생되는 시험품의 정상동작 여부를 판단하는 시험이다. 이 때, 안테나로부터 복사되는 전기장의 세기는 주파수 및 안테나 타입에 따라 상이한 형상을 가지므로 시험품에 복사되는 전기장 에너지 또한 그에 따른 형상을 가지게 된다. 이에 따라 전자파챔버에서 복사성 내성 시험을 수행할 때 주파수 및 안테나 타입에 따른 필드 균일성 패턴을 측정하고 안테나 빔 중심과 그 주변에서 발생되는 전기장 세기를 정량적으로 평가함으로써 시험품에 대한 복사성 내성시험을 수행함에 있어 시험품 영역에 따른 내성특성을 확인할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 한국항공우주연구원 전자파챔버에서 사용하는 복사성 내성 시험용 안테나에 대해 시스템 및 유니트 시험영역에서 필드 균일성 시험을 수행함으로서 위성 또는 발사체 시스템 및 유닛에 복사되는 전기장의 분포 특성을 분석하였다.
본 논문에서는 리튬이온 배터리의 배터리 보호회로 모듈에 대한 전자파 내성 실험에 대하여 연구하였다. 전자파 내성은 전원선, 입출력선, 안테나 포트 등을 통해 유입되는 전자파에 대한 전도성 내성과 공간적으로 방사되는 전자파에 대한 복사성 내성으로 나눌 수 있다. 실험 시료로 S사의 리튬이온 배터리를 사용하였고, 전도성 내성 실험에서는 Surge(IEC 61000-4-5), Ring wave(IEC 61000-4-12), Damped oscillatory wave(IEC 61000-4-18)에 대하여 실시하였다. 복사성 내성은 IEC 61000-4-3에 따라 실험하였다.
1996년부터 유럽연합을 중심으로 전자파내성(Electromagnetic immunity; 흔히 군사규격에서는 전자파감응성(electromagnetic susceptibility)이라 함) 규제가 본격적으로 시작될 전망이다. 이러한 전자 파내성 규제는 우리가 과거 '80년대 초에 경험했던 전자파방출(electromagnetic emission; 흔히 electro- magnetic interference 라고도 표현한다) 규제에 비해 규제주파수가 대폭 확장됨(9KHz - 1GHz .rarw. 50/60 Hz - 40 GHz)은 물론, 규제항목도 크게 늘어나기(2개 항목 .rarw. 11개 항목)때문에 본격 규제가 시작되면 우리 산업체에 큰 피해를 초래할 것으로 우려된다. 특히 "복사 전자기장에 대한 전자파내성 요구사항"은 일부 전자파내성 측정항목을 포함하고 있던 안전규 격 등에서도 다루고 있지 않던 것으로서 우리에게는 매우 생소한 항목이다. 이 항목은 과거 미국의 군사 규격등에서 요구했던 항목인데, 앞으로 각국의 상용규격에도 대폭 추가될 것으로 보인다. 이러한 규제는 우리의 생활환경에서 결코 빼놓고 생각할 수 없는, 동시에 가장 큰 전자파장해원인 의도적 복사로서의 방 송신호 및 각종 무선통신 신호에 대해 전기, 전자기기가 전자파내성을 갖고, 성능저하나 오동작을 유발하 지 않아야 함을 요구하는 것이다. 이러한 항목의 평가를 위해서는 대형 시험환경(EMS chamber)과 표준 전자기장 발생장치(signal genera- tors + high power amplifiers), 그리고 오동작 모니터링 장치(monitorring equipments) 등이 필요하기 때 문에 평가시스템 구성에 막대한 비용이 소요된다. 따라서 시스템 구성에 매우 신중을 기해야 하며, 관련 국제표준화규격을 사전에 철저히 이해하여 관련 시험검사를 위한 투자계획을 수립하는 것이 바람직하다. 본 고에서는 복사 전자기장에 대한 대표적인 국제표준화규격을 소개하고, 나아가서 그러한 항목의 평가 시스템의 설계 및 구현에 대해서 설명할 것이다.
본 논문에서는 비행체 내부배선 복사내성 특성 해석 및 개선 대책을 위한 효율적인 설계 방안을 제안한다. 비행체 성능향상을 위한 탑재장비의 종류 및 밀도가 크게 증가하면서 내부 배선의 역할도 매우 중요해지고 있다. 특히, 배선 경량화 및 유연성 증가 요구가 커짐에 따라서 내부 배선 쉴드 구조의 사용이 어려워지고 이에 따라서 쉴드 구조 이외의 방법으로 복사내성 특성을 개선할 필요가 있다. 본 논문에서는 내부 배선 복사내성 특성에 큰 영향을 미치는 캐비티 공진을 회피하고 억제하여 복사내성 특성을 개선 할 수 있는 해석적 기법 기반 설계 방안을 제시한다. 시뮬레이션 예시 구조를 통해서 제안 방안의 효율성과 정확성을 검증하였다. 제안하는 방안은 기존 설계 방안 대비 99.6 %의 설계 시간 단축을 달성했다. 이를 통해서 내부 배선 복사내성 대책을 위한 초기 설계나 최적화 설계에 매우 유용하게 활용될 수 있다.
환경시험은 개발된 제품이 해당 운용환경에서 설계 성능을 발휘하는가를 운용성과 신뢰성 유지 측면에서 수행하고 있다. 항공전자장비에 대한 환경적합성 시험은 주로 개별 부품 단위로 수행되고 있으며 민간용 규격으로서 RTCA DO-160E이 활용되고 있다. 군용 환경규격은 항공분야 뿐만 아니라 전 군수품에 적용하고 있는 MIL-STD-810F 이외에 전자기 환경분야에는 MIL-STD-461E 등이 적용되고 있다. 항공전자장비에 대한 민간용과 군용 환경시험요건을 분석하여 그 연관성을 검토하였으며 특히 전자기 적합성 요건에 대하여 민간과 군용 규격을 비교 분석하여 민군 겸용화의 방향을 제시하고자 한다.
지구관측을 위한 영상레이더 위성시스템은 고전력의 고주파 신호를 방출하는 영상레이더를 비롯하여, 획득한 영상 이미지 전송을 위한 데이터 링크 시스템, 위성 운용을 위해 지상과 통신하기 위한 원격측정명령계 시스템 등의 다양한 주파수를 가지는 RF 시스템을 탑재한다. 각각의 시스템은 다양한 주파수 성분을 가진 RF 신호를 송출할 뿐만 아니라 매우 높은 RF 전력을 복사하므로 위성체에 장착된 전기전자부품에서의 복사 내성 규격을 초과할 수 있다. 또한, RF를 송수신하는 여러 서브 시스템간 간섭 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 영상레이더 위성과 동일한 형상을 가진 시스템 구조모델을 제작하고 위성에 탑재되는 RF시스템과 유사한 전기적인 특성을 가지는 안테나를 제작 및 설치하여 위성 운용시 발생할 수 있는 RF 간섭에 의한 영향을 분석 및 검증하였다.
전기적인 빠른 과도 현상에 대한 내성 시험 시, 전원선 또는 선호선을 통해 과도한 전압을 인가하게 되는데, 이때, 이들 전원선 또는 신호선을 통해 복사되는 불요 복사파가 인근 피시험체에 직. 간접적으로 영향을 주게 되어 시험 결과의 신뢰성을 떨어 뜨리게 된다 따라서 본 논문에서는 피시험체에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 근방계 영역에서 불요 전자파의 세기와 특성에 대해서 실제 측정과 전송선 모델을 이용한 수치 해석적 방법으로 고찰하였다 lEC 61000-4-4의 시험조건과 동일한 상태에서 평가를 했을 때, 전원선으로 부터의 불요 복사파가 피시험체에 상당한 장해를 유발할 수 있는 약 2.4 kV/m 정도의 전계 세기로 나타나는 것으로 확인되었다.
신속하고 편리한 현대사회의 핵심에는 정보통신 기술이 자리하고 있다. 근래에는 개인용 휴대통신단말기와 무선인터넷 접속을 위한 무선 LAN(local area network) 등 무선통신기기의 사용주파수가 높아져서 1 GHz이상의 주파수 대역에서 불필요한 전자파 발생이 증가하고 있다. 전자파장해 방지 및 내성시험에 관한 국제규격은 국제 전기 기술위원회(IEC, International Electrotechnical Commission) 산하의 민간 전문가들로 구성된 기술위원회(TC, Technical Committee) 77과 국제무선장해특별위원회(CISPR, International Special Committee on Radio Interference)에서 정해진다. TC 17과 CISPR는 많은 심의를 거쳐 1 GHz 이상 주파수 대역의 전자파장해 국제규격을 일부 완성하였으며, 지금도 규격개정 과정에서 활발하게 토의하고 있다. (중략)
전자파 잔향실(Reverberating Shielded Enclosure)의 개념은 전자파 차폐실(Shielded Enclosure)에서 얻어진 측정결과를 개선하기 위하여 1968년도에 제안되었다. 이후 Reverberating 또는 Mode-Stirred Chamber는 EM Immunity 측정뿐만 아니라 EMI측정에서도 많이 적용되어 왔지만, 국제 표준 방식으로 적용되어 오지 못하다가 최근 EMI 복사 전력 측정 및 EM Immunity 측정시설로 유용하게 사용될 수 있다는 점이 부각되어 국제 표준 방식으로 적용하자는 분위기가 무르익어 이에 대한 활발한 논의가 계속되어 오고 있다. 이러한 전자파 잔향실을 이용하여 EMI 및 EMS 시험을 실시할 수 있는 방법을 규격화시키자는 제안이 '96년 프랑스 Mandelieu 국제 전자파 장해 특별위원회(CISPR:International Special Committee on Radio Interference)회의에서 검토된 후 '97년 일본 Yokosuka CISPR 회의에서 정식의제로 채택되었다. 이 안건에 대하여 대부분의 국가들이 제안 취지에 찬성하여 NWIP(New Work Item Proposal) 문서가 각국에서 회람되었다. 초기 전자파 잔향실은 전자파 장해 및 복사 내성 측정을 위한 대용시험 시설로서 1968년 미국 Mendes에 의해 전자파 차폐실 구조에 Stirrer를 이용하여 필드의 균일도를 확보할 수 있다는 전자파 잔향실 개념이 처음으로 제안되었다. 이후 이 분야의 연구는 미국 표준 기술 연구소(NIST: National Institute of Standard and Technology)등에서 연구가 활발히 진행되고 있으며, 국제 표준화 기구인 CISPR에서 전자파 장해 및 내성 시험을 위한 대용시험 시설로서 활용하기 위하여 규격 작업이 진행중에 있다. 또한 최근 전자파 장해 방지를 위한 규제 주파수가 1∼18㎓ 까지 확장됨에 따라 이 주파수 대역에서 시험장으로 활용할 수 있는 전자파 잔향실이 새롭게 부각되고 있다. 전자파 잔향실은 기본적으로 공진 모드를 활용하기 때문에 일정한 크기의 잔향실 내부에서 전자파 균일성을 확보할 수 있는 모드 수에 의해 하한 주파수가 결정되며 충분한 모드 분포상태에서 Stirrer를 사용하여 필드 경계를 이동시킴으로서 확률적으로 균일한 필드분포를 확보하게 된다. 주파수가 증가함에 따라 모드수는 증가하기 때문에 하한 주파수 이상의 대역에 대한 시험시설로 활용할 수 있으며, 특히 ㎓ 대역에서 사용하기에 적합한 대용시험시설이라고 볼 수 있다.
국제적으로 전자파 적합성에 대한 규제 주파수가 보다 높은 주파수로 상향 조정되어 1 GHz 이상의 주파수로 확장되고 있다. 1 GHz 이상에서의 복사 방출 특성은 기존의 1 GHz 이하의 주파수에 비해 전계 강도가 낮고, 복사 패턴이 날카롭고 경사지는 등 매우 다른 복사 특성을 가진다. 본 논문에서는 이중 쇄기형 혼 안테나를 급전기로 사용하는 옵셋 파라볼라 안테나 시스템을 사용하여 1 GHz 이상의 주파수 대역에서 보다 효과적인 측정이 가능함을 확인하였다. 먼저 옵셋 파라볼라 안테나 시스템의 안테나 인자와 전기장 균일도를 계산할 수 있는 간단한 모델을 제시하였으며, 나아가서 표준 노이즈 소스와 제안된 안테나 시스템을 이용하여 1 GHz 이상의 주파수에서 실제적인 복사 방출 및 복사 내성을 평가하였다. 이러한 실험을 통해서 제안된 안테나 시스템이 기존에 널리 사용되고 있는 이중 쇄기형 혼 안테나에 비해 보다 높은 이득과 전력 효율, 그리고 보다 넓은 전기장 균일도를 가지며, 따라서 1 GHz 이상의 전자파 적합성 평가에 효과적으로 이용될 수 있음을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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