EMI용 안테나

글 : 박정규 / 정보통신부 전파연구소www.rrl.go.kr서론오늘날 정보통신의 발달로 『안테나』라는 용어는 전문가가 아니더라도 일반 대중에게도 친숙하게 쓰여 진다. 이는 방송뿐만 아니라 휴대전화 통신 등을 이용함으로써 안테나가 정보를 주고받는 핵심적인 매개체라는 사실을 경험하였기 때문이다. 그러한 이유로 안테나라고 하면 일반적으로 통신수단이라는 등식에 연관시켜 생각하게 되는데, 그러나 안테나는 방송/통신의 수단 이외에 어떤 양을 측정하는 도구로도 중요하게 이용된다. 그러한 관점에서 안테나를 분류하면 ‘통신용 안테나’와 ‘측정용 안테나’로 나눌 수 있다. 이러한 구분의 목적은 안테나의 용도에 따라서 주목해야할 안테나 특성이 다르기 때문이다. 통신용 안테나의 경우, 안테나 이득(gain), 방사패턴(radiated pattern) 및 안테나 지향성(directivity) 등의 특성에 중점을 두는 반면에 측정용 안테나 특히, 전자파장해(Electromagnetic Interference)를 측정하는 EMI용 안테나는 안테나 인자(antenna factor)에 관심을 둔다. 그러므로 EMI 측정용 안테나의 교정이란 안테나 인자를 측정하는 것을 뜻한다고 말할 수 있다.본 글에서는 국내에서 규제하고 있는 전자파장해 주파수 대역인 30MHz에서 1GHz에서의 안테나 교정방법에 대해서 논의하고자 하는데, 이 주파수 범위는 야외시험장에서 효율적으로 안테나를 교정할 수 있는 대역이며, 국내에서는 정보통신부 전파연구소와 표준과학연구원 등 2개의 기관에서 교정기술 및 설비를 보유하여 서비스를 제공하고 있다.EMI와 안테나 인자전기 및 전자부품을 사용하는 기기는 반드시 원하지 않는 불필요 전자파(EMI)가 필연적으로 발생한다. 이러한 전자파는 다른 기기 및 인체에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 국제적으로 일찍부터 자국의 법령에 따라 그에 대한 규제를 시행하고 있으며 국내에서도 전파법 등을 근간으로 EMI 세기 등을 제한하고 있다. EMI 세기에 대한 제한의 예[1]는 표 1에서 볼 수 있다. 이는 『산업·과학·의료용 등 고주파 이용기기류의 장해방지기준』으로서 1종 기기에 대한 방사성 장해 허용기준을 예시하고 있다.표 1에서 보는 바와 같이 시험장에서 측정하는 1종 A급 기기인 경우 10m 떨어진 거리에서 40㏈㎶/m 또는 47㏈㎶/m를 넘지 말아야 함을 규정해 놓고 있다. 이때, 측정 단위는 dB로 표기한 전계강도 단위로서 ㏈㎶/m로 표시된다. 전자파는 전계와 자계 형식으로 공중에 방사되며 이러한 전계는 전자파에 노출된 부하(load)에 따라 다른 전위(전압차)를 유도하게 된다. 즉, 전자파는 전계형식으로 공중에 존재하지만 그 검출은 전위차를 측정함으로써만 가능하다는 것을 의미한다. 예를 들어, 공간에 유기된 전계강도 40㏈㎶/m에 대하여 그것을 검출하는 기기(안테나) 및 부하에 따라 다른 값의 전압으로 관찰될 수 있다. 같은 전계세기에 대하여 측정한 전압이 다르더라도 이를 보정해주는 물리량이 안테나 인자이며, 그림 1에서처럼 공간상에 전계(E)를 전송선로 상의 전기신호(RF전압, V)로 변환시키는 안테나의 성능이다. 수식적으로 안테나 인자 F는 안테나가 위치한 공간의 전계강도 E 및 안테나 출력단의 전압 VL과 다음과 같이 정의한다.F(1/m) = E(V/m)/VL(V) (선형관계)F(dB/m) = E(dB㎶/m) - VL(dB㎶) (dB 단위) (1)방정식 (1)에 따르면 공간으로 방사된 전계값 E는 안테나 인자 F의 교정을 통하여 알아낸 후, 안테나에 연결된 수신기의 전압값 VL을 측정함으로써 결정할 수가 있음을 의미한다. 그러므로 EMI의 양을 측정하기 위하여 EMI용 안테나의 안테나 인자를 교정하는 작업이 우선 선행되어야만 한다.자유공간 안테나 인자(free-space antenna factor)안테나 인자의 교정은 지표면 위에서 어떤 거리만큼 떨어뜨린 안테나들 사이에서 이루어질 수밖에 없는데, 이것은 전파의 기본 성질인 반사에 의한 영향 및 안테나 간 상호임피던스 영향을 피할 수 없게 된다. 이러한 영향들로 인해 지표면 위에서 측정하는 안테나 인자는 높이에 의존하는 성질이 있다. 그림 2는 300MHz에서 다이폴안테나의 높이를 1m에서 4m까지 변화해가며 측정한 안테나 인자의 높이패턴을 보여주고 있다. 이는 송신안테나 및 수신안테나 사이에 반사파의 영향 때문인데, 안테나 인자의 최대값과 최소값의 편차가 10dB 이상임을 보여주고 있다.그럼, 과연 어떠한 인자값을 기준으로 EMI를 측정할 것인가? 1m 안테나 인자? 아니면 2m? 그 외의 높이? 설혹, 특정 높이의 안테나 인자를 적용한다 하더라도 EMI를 측정할 때, 1m에서 4m 높이범위에서 전계값이 최대가[2] 되는 지점에서 EMI의 측정량을 결정하기 때문에 이것은 매 시험마나 안테나 높이가 달라질 수 있어 그것을 기준으로 삼기는 곤란하며, 가장 보편적으로 받아들일 수 있는 대안은 반사파의 영향이 배제되는 자유공간 안테나 인자를 채택하는 것이며, 국제적으로 EMI 측정 및 규제를 관장하는 국제무선장해특별위원회(CISPR)[3]도 권고하고 있는 물리량이다.그러면 과연 어떻게 자유공간 안테나 인자를 측정할 것인가? 물론 전자파의 반사가 없는 전자파 무반사실에서 측정하면 가능하겠지만, 현실적으로 완전한 무반사실을 구축하는 것도 어렵고, 30MHz~1GHz 대역에서 원거리장(far field)을 이루기 위한 최소한의 안테나 거리는 10m 이상이기 때문에 이를 만족하는 전자파 무반사실의 크기는 기하급수적으로 커져 그 경제적 비용이 만만치 않을뿐더러 설사 그것이 구축되었다 하여도 벽면 및 바닥면 그리고 천정면과 안테나 사이의 상호임피던스가 무시될 수 있는 완벽한 무반사실 인지에 대해서도 의문의 여지가 남는다. 그러한 이유를 한축으로 해서 야외시험장에서 자유공간 안테나 인자를 측정하는 많은 방법들이 논의되고 있는 것이다.안테나 인자 측정의 두 가지 축안테나 인자를 측정하기 위하여 사용되는 교정법은 측정할 물리량 및 필요한 방정식의 종류에 따라 두 가지 방향으로 나아간다.첫 번째 방향은 안테나 인자의 정의 식 (1)을 직접 이용하며, 측정 물리량은 AUC에 유도되는 전압차 VL이다.F(dB/m) = E(dB㎶/m) - VL(dB㎶) (dB 단위) (2)방정식 (2)에서, 공간에 유기되어 있는 표준전기장 E(sta -ndard)를 정확히 결정하고 교정 대상 안테나(AUC: Antenna Under Calibration)에 유도되는 전압 VL을 측정함으로써 안테나 인자 F를 교정한다. 이러한 방식을 이용하는 대표적인 방법이 미국 국립표준기술연구원(NIST)에서 개발한 표준 수신다이폴안테나(NIST type Diode Loaded Dipole Antenna)를 이용하는 표준안테나법[4]이다. 이에 따르면 공간상의 전계세기 E는 표준안테나에 유도되는 RF 전압 VRF 및 표준안테나의 실효길이 Leff와 다음과 같은 관계[4]가 있다.E = VRF/Leff (2)NIST 표준안테나는 출력이 직류전압인 VDC이기 때문에 VRF와 VDC의 상호 관계인 RF-DC 차를 측정하여VRF = aVDC +b (4)비례상수 a, b를 구해야 한다.방정식 (3)와 (4)으로 부터 공간의 어떤 지점에 있는 NIST 표준안테나의 VDC를 측정함으로써 표준전계 E를 결정하고 똑같은 송신안테나의 똑같은 출력에서 NIST 표준안테나가 위치한 똑같은 위치에 교정대상 안테나를 놓고 VL을 측정하여 안테나 인자를 산출한다. 이러한 원리는 열전대(thermal coupler)를 이용하는 표준 안테나에도 적용될 수 있다. 이러한 표준안테나법의 측정 방식은 자유공간 안테나 인자를 측정하기위하여 추가된 조건 및 방법[5]이 필요하다.방정식 (2)에서 안테나 인자 F를 정확히 알고 있는 표준안테나(또는 기준 안테나)에 대해서 표준안테나가 측정한 전압 VL(Reference)과 송신안테나의 출력을 똑같이 유지하고 똑같은 위치에서 교정대상 안테나가 측정한 VL(AUC)를 비교함으로써 안테나 인자를 교정할 수가 있다. 즉, 방정식 (2)로부터 다음과 같이 계산한다.E = F(Reference) + VL(Reference) = F(AUC) + VL(AUC)F(AUC) = F(Reference) + [VL(Reference) - VL(AUC)] (5)이 방식을 채용하는 경우 자유공간 안테나 인자는 모멘트법에 의해 정확히 계산된 표준다이폴안테나(Standard Calculable Dipole)를 이용하여 측정할 수가 있다. 이 방법은 영국의 NPL이나 일본 NICT에서 이용하는 방법이다.NIST형 표준수신다이폴을 이용하든 NPL형 계산된 다이폴을 이용하든 공통점은 측정해야할 물리량은 교정대상 안테나에 유기되는 전압 VL이라는 점이며 측정 개념은 그림 3과 유사한 구성을 이룬다.그밖에 방정식 (1)을 이용하는 안테나 교정법으로서 임피던스측정법[6] 등이 소개되고 있다.안테나 교정의 두 번째 방향은 안테나 전송방정식인 Friss 방정식[7]을 근간으로 이용하는 방법으로서 안테나 인자를 산출하기 위하여 측정해야할 물리량은 두 안테나 사이의 감쇠량 Lij이다.Gi +Gj = 20log(4πd/λ) + 10logPj/Pi (6)여기서, Gi 및 Gj은 각각 전송 및 송신안테나의 이득이고 10logPj/Pi는 안테나 사이의 전송손실 Lij이다.이 방정식을 이용하는 대표적인 방법이 소위 3-안테나법이다. 3-안테나법은 3개의 안테나를 이용하는데(표준안테나법 등 다른 측정법도 3개의 안테나가 필요하다), 방정식 (6)와 안테나 인자 사이의 관계식을 적용하면 다음과 같이 안테나 1, 2, 3에 대한 안테나 인자 방정식[5]을 유도할 수 있다. 1F1= 契?[L12-L23+L31+FMHz+C12-C23+C31-32] 2 1F2= 契?[L23-L31+L12+FMHz+C23-C31+C12-32] (6) 2 1F3= 契?[L31-L12+L23+FMHz+C31-C12+C23-32] 2여기서 3-안테나법의 측정 구성은 그림 4와 같고,FMHz = 20 log fMHz e-jkRij e-jkrijCij = 20log│契契契 - 契契契│ 이다. Rij rij3-안테나법에서도 지면의 반사효과를 상쇄하여 자유공간 안테나 인자를 산출하기 위한 추가적인 기술이 필요하다. 예를 들어 지면위에서 충분히 높은 위치에서 측정하든지, 높이에 의존하는 안테나 인자를 높이에 따라 산술 평균을 취하는 방법[5] - 이 방법은 전파연구소에 사용하는 HSA법으로서 추후에 설명한다. -을 사용함으로써 자유공간안테나 인자를 측정할 수 있다.또한 이러한 범주로 분류될 수 있는 대표적인 방법으로서 표준시험장법(Standard Site Method)[8]도 방정식 (6)와 몇 가지 관계식으로부터 유도된 다음과 같은 식을 이용한다. 1F1= 契契 [EDmax + L12-L23+L31] + FMHz-24.46 2 1F2= 契契 [EDmax + L23-L31+L12] + FMHz-24.46 (8) 2 1F3= 契契 [EDmax + L31-L12+L23] + FMHz-24.46 2여기서 FMHz = 10 log fMHz e-jkR e-jkrEDmax = 20log 49.2│ 契契契?- 契契契│max 이다. R r표준시험장법은 각 안테나 쌍의 시험장 감쇠량 Lij을 측정함으로써 자유공간 안테나 인자를 산출한다. 시험장감쇠량은 그림 5에서처럼 구성하여 측정한다.표준시험장법은 CISPR 16-1-4에서 규정하고 있는 이상적인 교정시험장과 무한소의 다이폴 안테나에 의하여 계산되어진 정규화 시험장감쇠량(NSA: Normalized Site Attenuation)에 근거를 두고 있으며 자유공간 안테나 인자를 제공한다.자유공간 안테나 인자 측정을 위한 HSA법표준시험장법을 제외하고, 표준안테나법이나 3-안테나법 등을 이용하여 자유공간 안테나 인자를 측정하기 위해서는 지면으로부터 상당히 높은 위치에서 측정하거나, 안테나의 편파를 수직으로 측정하는 등의 추가 기술이나 방법이 필요하다. 또한 높이에 따라 안테나 인자를 측정하여 그 데이터로부터 유추하여 자유공간 안테나 인자를 추정하는 몇 가지 방법[9],[10],[11]등이 제안되고 있다.3-안테나법과 산술평균방법을 결합한 HSA[12], [13](Height Scanning Averaging)법은 정보통신부 전파연구소에서 교정 서비스를 제공하는 방법으로서 다이폴안테나를 비롯한 광대역 바이코니칼 안테나, 로그주기 안테나, 바이로그 안테나의 자유공간 안테나 인자를 간단하고 쉬운 방법으로 교정한다.그림 6은 HSA 측정의 기본원리를 설명하는 측정 개념도 이다.접지면으로부터 같은 높이에 있는 송신 및 수신안테나가 신호를 주고받을 때, 수신안테나는 송신안테나로부터 직접파 및 반사파의 영향을 받는다. 그림 5처럼 두 안테나가 같은 높이를 유지하고, 높이에 따라 전계강도를 측정하면 높이 변화에 의하여 직접파는 세기 및 위상이 변화하지 않는 반면에, 반사파는 경로차에 의하여 세기 및 위상이 변화한다. 그러므로 각각의 높이에서 수신측의 전기장을 측정하고 측정된 모든 값에 대하여 합성 평균을 취하면 위상이 일정한 직접파는 그대로 남게 되고 높이에 따라 위상차가 존재하는 반사파들은 서로간의 간섭에 의하여 소멸된다.전송 및 송신 안테나 사이의 거리가 D이고 다이폴안테나를 수평 편파로 하여 특정 높이 hn에서 송신안테나 j 및 수신 안테나 i의 안테나 쌍 (i, j) 사이에 ㏈ 단위로 측정한 삽입손실을 Lij(hn) 라고 할 때, 높이 hn에 의존하는 안테나 인자 Fi(hn)은 방정식 (6)에서 다음과 같은 공식에 따라 계산한다. 1F1(hn)= 契契 [L12(hn)-L23(hn)+L31(hn)+FMHz+C(hn)-32] 2 1F2(hn)= 契契 [L23(hn)-L31(hn)+L12(hn)+FMHz+C(hn)-32] (9) 2 1F3(hn)= 契契 [L31(hn)-L12(hn)+L23(hn)+FMHz+C(hn)-32] 2여기서 FMHz = 20logfMHz e-jkDij e-jkrij e-ikD e-jkrC(hn)=20log│契契契 - 契契契│=20log│契契?- 契契揆? Dij rij D r이다.i 및 j는 세 개의 안테나 1, 2, 3을 의미하고, 송수신 안테나 사이의 높이가 모든 측정에서 똑같기 때문에 모든 안테나 쌍(i, j)에 대해 송수신 안테나 사이의 직접파의 경로 거리는 항상 Dij=D이고 접지면에 의한 반사파의 경로 거리는 항상 rij=r= D2+4h2n이다. 일정한 높이 간격 Δh에 따라 삽입손실 Lij(hn)을 측정한다고 하면, n+1 번째의 높이는 hn+1 = hn+Δh = h1 + nΔh이 되며, 측정 최고 높이는 hN = h1+NΔh이 된다. n=1에서부터 n=N 까지 삽입손실 Lij(hn)을 측정하여 방정식 (2)에 따라 특정높이 안테나 인자 Fi(hn)을 평균하면 방정식 (10)과 같이 자유공간 안테나 인자 값을 얻을 수 있다. 1Fi(freespace) = 契契奎?n=1 Fi(hn) (10) N이러한 자유공간 안테나 인자는 n=1에서부터 n=N 까지 삽입손실 Lij(hn)을 평균하여 자유공간 삽입손실 Lij(free) = 1契契ΣN n=1 Lij(hn)을 계산하여 방정식 (1)에 Lij(hn) 대신 대입하 N여 구할 수도 있다. 송수신 안테나 (j, i) 사이의 삽입손실 Lij(hn)은 dB로 다음과 같은 방정식에 의하여 정의 된다Lij = Vij(direct) - Vij(site) (10)그림 7은 높이에 의존하는 삽입손실 Lij(hn)[좌측 그래프] 및 안테나 인자 Fi(hn)[우측 그래프]의 높이에 따른 패턴과 자유공간 안테나 인자 값(좌측의 화살표)인 평균값으로서 12.57dB/m을 보여준다.안테나 A 및 B는 각각 슈발츠백 다이폴(S/B 757-740) 및 (S/B 756-739)이고 AUC로서 안테나 C는 안리츄의 MP652B이다. 주파수는 100MHz이고 측정높이의 범위는 반사파들 사이의 위상차가 3파장 차이인 2m에서 8.53m 이다. 여기서 겹쳐있는 데이터는 2개의 슈발츠백 다이폴의 특성이 거의 같기 때문에 생겨난 것이다.HSA로 측정한 결과와 NPL형 표준안테나법으로 측정한 비교결과를 그림 8에서 보여준다. 이 데이터는 2004년부터 수행하고 있는 『한-일 안테나 비교측정 공동연구』의 일환으로 일본의 정보통신연구기구(NICT: 구 CRL)와 전파연구소 간의 주파수 범위 30MHz에서 1GHz의 다이폴안테나 교정에 대한 비교 결과이다. 일본의 NICT는 안테나 인자가 계산된 NPL형 표준 다이폴을 이용하여 표준안테나법으로 자유공간 안테나 인자를 교정하였으며 전파연구소는 3-안테나의 HSA법으로 교정하였다.전파연구소는 다이폴 안테나 교정 측정불확도[14]가 0.56dB이고 일본 NICT는 0.5dB이며, 양 기관의 측정불확도 범위에서 교정 결과가 잘 일치함을 알 수 있다.맺음말지금까지 EMI 측정에 있어서 가장 근간이 되는 EMI 측정용 안테나의 교정에 대하여 논하였다. 표준안테나법, 표준시험장법, 3-안테나법 등을 소개하였으며 자유공간 안테나 인자를 산출하는 방법과 전파연구소에서 상용으로 서비스하는 HSA법에 대해서도 논하였으며, HSA법은 NICT와의 비교측정 연구를 통하여 표준안테나법과도 불확도 이내에서 잘 일치함을 보였다.전파연구소는 티타늄으로 제작한 NIST형 표준수신다이폴을 보유하고 있으며, 다각적인 안테나 교정연구 및 설비 구축 등으로 HSA 법 이외에 표준안테나법 및 표준시험장법과 기타 다양한 안테나 교정기술을 확보하여 상호비교 연구 등을 수행하고 있다. 조만간에 법의 정비 등을 통하여 교정 의뢰자가 원하는 안테나교정법에 따라 교정 서비스를 제공하는 방안을 강구하고 있다.참고문헌[1] 전파연구소고시 제2006-126호, ‘전자파 장해방지기준 일부 개정’, pp4, 2006.12.9.[2] CISPR 22, "Information technology equipment - Radio disturbance characteristics - Limits and methods of measurement", Third edition, 1997.11[3] CISPR 16-1-5, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 1-5: Radio disturbance and immunity measuring apparatus - Antenna calibration test site for 30MHz to 1000MHz[4] D.G.Camell et. al., "NBS Calibration Procedures for Horizontal Dipole Antennas(25 to 1000 MHz)", National Bureau of Standards Technical Note 1309 Natl. Bur. Stand. (U.S.), 48 pages, Apr. 1987[5] CISPR/A/644/CD, Project number CISPR 16-1-5 Amd.1 Ed.1 "Antenna Calibration", pp24, 2006.1.6[6] K. Fujii, S. Kaketa, Y. Matsumoto, and Sugiura, "Determination of the EMI Antenna Factors with antenna impedance measurements", 2002 Int'l Conference on EMC(Bangkok), pp. 334-337[7] Constantine A. Balanis, "Antenna Theory : Analysis and design", pp.296-303 John wiley & Sons, 1982[8] ANSI C63.5-2004, American National Standard for Electromagnetic Compatibility- Radiated Emission Measurements in Electromagnetic Interference(EMI) Contral - Calibration of Antennas(9kHz to 40GHz), pp. 6-12, 20 Dec. 2004[9] Atsuya Maeda et. al., "Development of an Antenna Factor Calibration Method for EMI Testing in Quasi-free Space., February 2003.[10] Akira Sugiura, et. al., "EMI Antenna Calibration with Averaging Height Dependent Antenna Factors" ICEMC 2002 Bangkok, pp. 379-381, 2002[11] 박정규, 정동찬, 차기남, 고홍남, "NIST 표준 수신다이폴안테나를 이용한 EMI용 안테나의 자유공간 안테나 팩터 산출법" 한국통신학회 하계학술발표회, 2005[12] Jung-Kuy Park, Dong-Chan Jeong, Ginam Cha, and Hong-Nam Go, "Height Scanning Averaging method for Free-Space Antenna Factors of EMI Antenna" ISAP2005, August 3-5, 2005[13] 박정규, 정동찬, 차기남, 고홍남, “30㎒에서 1㎓ 대역 EMI용 안테나의 준자유공간 안테나팩터 산출에 관한 연구” 2004년도 한국전자파학회 종합학술발표회 Vol. 14, No.1, 2004.11.5[14] 박정규, 정동찬, 조진영, “EMI용 다이폴안테나 교정의 측정불확도출”, 한국전자파학회 논문지 18권 2호 pp. 166-176, 2007.2.
이 기사를 공유합니다
저작권자 © 테크월드뉴스 무단전재 및 재배포 금지