가. 연구개발성과 및 평가 방법
1) 전자파잔향실 해석 및 기초 설계 연구
가) 3D 시뮬레이션 기반 전자파잔향실 해석 및 설계 연구
① 전자파잔향실 성능 파라미터 추출 자동화(Batch) 프로세스 구축
§ 3D 시뮬레이션 연동 IEC 61000-4-21 표준 기반 Field Uniformity 계산 자동화
§ 3D 전자파 해석 이후 전자파잔향실 내 Working Volume에서의 균일도 계산 시간 단축 : 자동화 전(> 4 h) 대비 자동화 구축 이후(< 0.5 h) 약 8배 단축
(a) 전자파잔향실내 Working Volume (b) 자동화 프로세스 개념도 그림 1. 전자파잔향실 Working Volume 내 전자파 균일도 계산
② 3D 시뮬레이션 해석 및 측정용 안테나 개발
§ 안테나 기본 구조: 고지향성 광대역 안테나인 Log-periodic dipole antenna (LPDA) - 전자파잔향실 성능평가를 위한 해석 및 측정에 사용하기 위해 소형의 광대역 안테나 개발
그림 2. LPDA 기본 구조 및 설계된 안테나 구조
10-dB return loss bandwidth Required operating bandwidth
그림 3. 제작된 LPDA 안테나 구조 및 Return loss 측정 결과
표 1. 안테나 요구규격 및 설계‧제작된 안테나 규격
항목 단위 요구규격 설계 결과 측정 결과
동작 주파수 ㎒ 600 ~ 6,000 500 ~ 8,200 500 ~ 9,200
반사 손실 dB ≤ -8 ≤ -10 ≤ -10
안테나 이득 dBi 4 (typ.) 5.83 (typ.) 5.59 (typ.)
무게 kg 3.0 1.0 1.0
크기(L × W) mm ≤ 400 × 300 ≤ 290 × 200 ≤ 290 × 200 (레이돔 포함)
(b) 3D 시뮬레이션 결과
(a) 3D 해석 전자파잔향실 구조 (c) 측정 결과
그림 4. 전자파잔향실 구조 해석 및 측정 결과
③ 전자파잔향실 구조 내 3D 전자장 해석 및 검증
§ ETRI 전자파잔향실 모델 기반 해석 및 시험 결과 비교‧검증 - 전자파잔향실 크기: 2,477 × 3,677 × 2,839 mm3
- 모드 교반기(Mode Stirrer): Z-type (stirrer 1), Propeller-type (stirrer 2) - Working volume: 1,077 × 1,417 × 1,360 mm3
- 3D 시뮬레이션을 통해 Working Volume 내 전기장 값의 표준편차 레벨 및 경향 예측 가능
나) 모드 교반기 (Mode stirrer)와 전자파잔향실 성능과의 상관성 연구 ① 소스원과 전자파잔향실 성능과의 상관성 분석
§ ETRI 전자파잔향실 모델 기반 소스 안테나 위치에 따른 Field Uniformity 변화 분석
ü Case Study
‘Z’형 Stirrer를 정면으로 향하는 위치
‘Z’형 Stirrer와 RC 모서리 사이에 위치
‘Z’형 Stirrer 옆 벽면에 가까이 위치
ü 결과 분석
- 소스 안테나와 Working Volume 사이의 거리 클수록 유리
- 소스 안테나는 Working Volume을 향하지 않도록 배치
- 소스 안테나와 벽면과의 이격 거 리가 클수록 유리
② 모드 교반기 회전 조건과 전자파잔향실 성능과의 상관성 분석
§ ETRI 전자파잔향실 모델 기반 모드 교반기 회전 간격 변화에 의한 Field Uniformity 변화 분석 - 교반기 회전 간격: ① 30 deg 12 step, ② 20 deg 18 step, ③ 18 deg 20 step
- 분석 결과
. 교반기 회전 간격(step)이 작을수록 xyz std. dev. 차이 감소 . 교반기 회전 간격(step)이 작을수록 해석 및 측정 시간은 증가함
③ 모드 교반기 형상 기반 전자파잔향실 성능과의 상관성 분석
§ ETRI 전자파잔향실 모델 기반 모드 교반기 구조 변화에 의한 Field Uniformity 변화 분석
ü 구조 영향 연구(Case Study) 기본 구조: 기둥형 Stirrer
및 천정형 Stirrer 배치 구조 대비 조건 변화:
stirrer 구조 변경, 기둥형 1EA(str1), 크기 증가 50cm
→ 80cm (>1.5λ @ 650 ㎒) 구조 대비 조건 변화:
천정형 stirrer 1EA
추가(str2), str1/str2 구조 각 모두 35도
ü 결과 분석
- Stirrer 구조 및 크기 증가에 따라 일부 대역 Field Uniformity 개선 효과
- str2 추가에 따라 일부 대역 크게 개선
④ 3D 시뮬레이션 조건 도출 결과 및 Case Study 결과 적용 해석 결과
§ 다양한 구조에 대한 연구(case study) 결과와 3D 시뮬레이션 조건 도출 결과 적용에 따른 Field Uniformity 계산 결과는 측정 결과와 보다 더 유사한 경향을 보임
(a) 3D 시뮬레이션 결과 (b) 측정 결과
그림 5. 전자파잔향실 성능평가 결과 비교
다) 기준시험시설과의 상관성 향상을 위한 전자파잔향실 기반 EMI 측정 알고리즘 연구 ① 전자파잔향실 기반 EMI 측정 알고리즘 분석
㉮ 전자파잔향실 관련 표준(IEC 61000-4-21) 기반 복사성 방출 및 내성 측정방법 . 복사성 내성 시험:
or ×
※ : E-field 값을 얻기 위해 챔버에 인가되는 입사전력[W], : 시험에 필요한 E-field 값[V/m], CLF: Chamber Loading Factor, <E>: 챔버 검증 시 얻은 정규화된 평균 E-field
. 복사성 방출 측정
-
×
×
×
※ : EUT에서의 복사전력[W], : 동조기 1회전 시 수신안테나에서 수신된 평균전력[W],
: 송신안테나의 안테나 효율 인자, CVF: Chamber Validation Factor, IL: 챔버 삽입 손실,
: 동조기 1회전 시 수신안테나에서 수신된 최대전력[W]
-
××
, max
××
※ : 거리 R에서의 EUT에서의 방출된 전기장 강도[V/m], D: EUT의 지향성, R: EUT와 떨어져 있는 거리[m], : 자유공간의 고유임피던스 (377 Ω), max: 접지면 반사를 고려한 지형 인자
㉯ 전자파잔향실 기반 EMI 측정 관련 특성 파라미터 도출
. IEC 61000-4-21 기반 CLF, CVF, AVF(Antenna Validation Factor) 측정방법 분석 . 기존 ETRI 보유 전자파잔향실에서 CLF, CVF, AVF 측정
그림 6. 전자파잔향실 CVF 및 AVF 측정
㉰ 전자파잔향실 기반 EMI 측정 결과와 기준시험장의 상관도 분석을 위한 피시험기기 복사성 방출 측정 및 분석
. 전자파잔향실에서 도출된 특성 파라미터를 사용하여 피시험기기 복사성 방출 측정 및 기준시험장(1 ㎓ 이하 SAC, 1 ㎓ 이상 FAR)에서 복사성 방출 측정
- 피시험기기: Comb Generator (CGE-01) 및 Horn antenna (ETS3115)
- 주파수대역: 650 ㎒ ~ 6 ㎓ (1 ㎓ 이하 SAC, 1 ㎓ 이상 FAR) - 측정 결과: 상관도 0.74 (Comb generator), 0.67 (Horn antenna)
그림 7. 피시험기기(CGE-01) 복사성 방출 측정 및 결과 ㉱ 전자파잔향실 기반 EMC 측정용 Software 설계 및 제작
. 기존 ETRI 보유 전자파잔향실에서 사용할 수 있는 EMC 측정 SW 제작
. 신호발생기와 스펙트럼분석기와 연동하여 복사성 내성 시험 및 복사성 방출 측정
그림 8. 전자파잔향실 기반 EMC 측정 SW
라) 임펄스성 노이즈 등 실환경 노이즈 모델링 및 재현 알고리즘 보완
§ 일반적인 무선기기의 시험에서 가우시안 노이즈 환경을 가정하지만, 실제 환경은 다양한 임펄스성 노이즈가 포함된 복합적 다중 노이즈 환경으로 기기의 안정적인 사용을 위해서는 실환경 노이즈 환경을 구현할 수 있는 기술이 필요함
- 전자파 반무반사실에서 실환경 노이즈 측정, 측정된 노이즈 데이터를 기반으로 노이즈 파 라미터 추정, 파라미터를 통한 랜덤 노이즈 생성, 신호 발생기 및 안테나를 이용한 잡음 재생의 단계를 통하여 구현
- 기존 노이즈 재현 기술을 기반으로 전자파잔향실 환경에 적합한 시스템 구축
§ 임펄스성 노이즈 등 실환경 노이즈를 재현을 위해서는 시간영역에서의 입력 전력에 대해서 출력에서의 시간 응답 특성에 대한 분석
그림 9. 실환경 노이즈 재생을 위한 전자파잔향실 시간영역 응답 특성 분석
§ 전자파잔향실에서 모드 교반기를 포함한 시간 응답 특성을 분석하기 위해 입력신호는 시간 영역 펄스 신호를 사용하였고, 모드 교반기의 위치에 따른 수신 전계를 측정 분석
- 모드 교반기 위치에 따른 수신 전기장은 교반기 위치에 따라 다양한 파형 및 크기를 가 지는 신호가 수신되었으며, 이는 시간영역에서의 입력 신호가 다양한 방향에서의 반사를 통해서 수신 안테나로 랜덤한 신호가 들어오는 것으로 분석됨
- 모드 교반기의 위치 변화에 따른 평균 수신 전계 신호는 기존 입력 신호로 사용된 신호의 크기가 줄었으며 파형이 유사함을 나타내고 다만 파형의 꼬리 부분의 링잉 현상이 잔향에 의해서 나타나고 있음
(a) 전자파잔향실의 입력 신호(시간영역) (b) 모드 교반기 변화에 따른 평균 수신 신호 그림 10. 전자파잔향실 구조의 시간영역 응답특성 분석
마) 기능적 안전성을 고려한 전자파적합성 국내외 법·제도 및 표준 조사·분석 ① 제품레벨 EMC 표준시험과 실제 전자파 환경 조사‧분석
- 주요 시설 및 시스템에 대해서는 기능적 안전성을 확보하기 위해 EMC 기준을 실제 환경을 고려하여 적용할 필요가 있음
표 2. 제품에 대한 EMC 표준시험레벨과 실제 전자파환경 비교
시험항목 EMC 표준시험레벨 실제 전자파 환경
전원 서지 ±2 kV 이하
§ 단상 설비에서 ±6 kV 이상의 과전압 서지 발생
§ 단상 메인 소켓 또는 연결된 기기가 없는 3상 시스템 : ±12 kV 이상 발생
정전기 방전 최고 8 kV § 습도가 낮은 기간 : 15 kV 이상 발생
§ 병원을 포함한 특정 시설 : 25 kV 이상 발생 복사성 내성 1 ㎓ 까지 적용 § 특정 설비에 따라 1 ㎓ 이상의 방해
전도성
RF 방해 150 ㎑ ~ 80 ㎒ 적용 § 사실 50 ㎐ ~ 150 ㎑ 이하도 영향을 받을 수 있음.
② 기능적 안전성을 고려한 EMC 관련 자료 조사 분석
§ 기능적 안전성을 고려한 EMC 관련 법‧제도
- EMC Directive 2014/30/EU: 고정시설에 대한 EMC Engineering 관련 유럽 지침 - EMC Regulation 2006: 유럽 지침에 근거한 영국 전자파적합성 관련 규칙
§ 제품군별 기능적 안전성 관련 표준
- 전기, 전자, 프로그램 가능한 전자시스템에 대한 기능 안전관련 표준: IEC 61508 - 철도분야 기능 안전관련 표준: IEC 62278, IEC 62279
- 원자력분야 기능 안전관련 표준: IEC 61513
- 프로세스산업 분야 기능 안전관련 표준: IEC 61511
- 전자의료기기 분야 기능 안전관련 표준: IEC 60601-1-2, ISO 14971 - 가전기기 분야 기능 안전관련 표준: IEC 60335-1
- 자동차분야 기능 안전관련 표준: ISO 26262
§ 기능적 안전성을 고려한 EMC 관련 지침
- Electromagnetic Compatibility for Functional Safety (IET)
- Good EMC Engineering Practices in the design & Construction of Fixed Installation /Industrial Cabinets/Power Drive System (REO)
§ 기능적 안전성을 고려한 EMC 관련 표준
- IEC/TS 61000-1-2: IEC 61508의 요구사항들을 준수하도록 의도된 장비 및/또는 기타 부문별 기능 안전 표준의 요구 사항을 준수하도록 의도된 장비 적용
- IEC 61000-6-7: IEC 61508의 요구사항과 기타 기능 안전 표준의 요구사항을 준수하도 록 의도된 전기/전자 장비 명시된 산업지역에서 작동되도록 의도된 장비 적용
- IEC/TS 61326-3-1: IEC 61508과 SIL 1-3에 정의된 안전 기능을 수행하기 위해 의도된
산업분야에 대한 시스템 및 장치
2) 안테나 수동(Passive) 성능측정 및 LTE 성능측정 시스템 개발 가) 전자파잔향실 기반 무선기기 성능측정 시스템 구축
그림 11. 전자파잔향실 기반 무선기기 성능측정 기본 시스템 구성도
§ 무선기기 성능측정에 사용될 전자파잔향실 사양 - 크기 : 2.4 m × 1.6 m × 1.8 m
- 측정 주파수대역: 600 ㎒ ~ 3 ㎓
- 송신용(Tx) 안테나 : 4 port self grounded bow-tie antenna - 교정용 안테나 : Discone Antenna
- 교반기(Stirrer): 수평 교반기 1개, 수직 교반기 2개 - 턴테이블(turn table): 1개 (working volume 내)
나) Passive 성능평가용 측정 알고리즘 및 SW 모듈 개발
그림 12. Passive 성능측정 S/W UI
§ 안테나 Passive 측정 알고리즘 기반 S/W 특징
- 3GPP 문서의 측정 방식을 토대로 측정 방식 및 안테나 성능 도출 계산식 개선 - 측정 속도 개선을 위해 계측장비 및 통신방식에 따른 측정 시간 확인 및 적용 - 측정 속도 개선을 위해 TX antenna 운영 방식 비교 및 적용
- 3GPP 문서의 측정 방식을 토대로 측정 방식 및 안테나 성능 도출 계산식 개선 - 측정 속도 개선을 위해 계측장비 및 통신방식에 따른 측정 시간 확인 및 적용 - 측정 속도 개선을 위해 TX antenna 운영 방식 비교 및 적용