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

(1)

내부구조와 전파 입사각에 따른

원전용 디지털 모듈 보관 캐비닛의 차폐효과 분석

윤상운^*ㆍ장도영^*ㆍ추호성^*ㆍ김영미^**ㆍ이준용^***

Sang-Woon Youn^*ㆍDo-Young Jang^*ㆍHo-Sung Choo^*ㆍYoung-Mi Kim^**ㆍJun-Yong Lee^***

요 약

본 논문에서는 원자력 발전소에서 사용되는 디지털 모듈을 포함하는 캐비닛의 전자파 차폐효과를 외부 전 파원과 내부 디지털 모듈의 배치 변화에 따라 분석하였다. 차폐효과를 분석하기 위해서 FEKO EM 시뮬레이 션 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 관찰하 였다. 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

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.

키워드

Shielding Effectiveness, Nuclear Power Plants, Electric Field Strength, EMC, SE Measurement 차폐효과, 원자력 발전소, 전계 강도, 전자기적합성, 차폐효과 측정

* 홍익대학교 전자전기공학과 ([email protected])

*** 교신저자 : 홍익대학교 컴퓨터공학과 ㆍ접 수 일 : 2020. 12. 31

ㆍReceived : Dec. 31, 2020, Revised : Jan. 24, 2021, Accepted : Feb. 17, 2021 ㆍCorresponding Author : Jun-Yong Lee

　Dept. Infoemation and computer engineering, Hongik University, Email : [email protected]

Ⅰ. 서 론

최근 원자력 발전소에서는 설치 및 유지보수가 용

이한 무선통신 시스템을 적용하려는 시도가 꾸준히 이뤄지고 있다[1-3]. 그러나 원전내 계측, 제어를 위 한 디지털 모듈이 무선통신 시스템에 의해 허용치 이 http://dx.doi.org/10.13067/JKIECS.2021.16.1.1

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상의 전자파 간섭을 받을 경우 고장 및 오작동이 발 생 할 수 있다. 따라서 디지털 모듈을 포함하는 캐비 닛이 전자파에 노출될 때 디지털 모듈이 받는 전자파 간섭을 예측하는 것이 반드시 필요하다. 디지털 모듈 이 받는 전자파 간섭을 예측하기 위해, 개방형 캐비닛 에 평면파가 입사될 때 디지털 장비에 나타나는 전계 를 분석하는 연구가 수행되었으며[4-5], 모드 매칭 방 법을 통해 내부 디지털 모듈에 예상치 않게 생성되는 기생전류를 추정하는 연구도 시도되었다[6]. 하지만 해당 연구들은 전자파가 입사되었을 때 내부 전계 분 포에 대해서 수치해석적 관점에서만 분석이 수행되었 으며, 캐비닛의 차폐율 관점에서 분석하고 이를 실제 측정을 통해 검증하는 연구는 충분히 시도되지 않았 다. 한편, 측정을 통해 차폐구조물의 차폐율을 측정하 는 연구로는 완전 무반사 챔버 및 GTEM 셀에서 차 폐 캐비닛의 차폐 성능을 측정하고 시뮬레이션 결과 와 비교한 연구들이 있다[7-8]. 제안된 연구들은 정면 방향에서 전자파가 입사 될 때의 차폐효과만 분석하 였고 입사각과 차폐체 내부의 모듈의 배치를 고려한 심층적 연구는 부족한 실정이다.

본 논문에서는 실제 원전에서 사용되는 디지털 모 듈을 포함하는 캐비닛에 대하여 캐비닛 내부구조 배 치와 전자파의 입사각에 따른 차폐효과를 분석하였으 며, 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 한국원자력안 전기술원에서 사용되는 실제 모듈의 배치 위치를 반 영하였다. 또한 전자파의 입사방향을 캐비닛의 정면방 향으로 입사되는 경우로 한정하지 않고 다양한 입사 방향과, 편파에 따라 분석을 수행하였다.

Ⅱ. 디지털 모듈 보관용 캐비닛의 차폐효과 분석

원자력 발전소 내부에 무선통신 시스템을 적용하기 위해서는 먼저 기존에 발전소에서 사용되고 있는 디 지털 모듈이 무선통신 시스템에 의해 받는 전자파 간 섭을 확인해야 한다. 디지털 모듈을 보관하는 캐비닛

그림 1. 차폐효과의 정의

Fig. 1 Definition of the shielding effectiveness

(a) 디지털 모듈과 캐비닛의 모델링 형상 (a) Geometry of the digital module and cabinet

(b) 실원전의 모듈과 캐비닛 사진 (b) Photograph of the cabinet and module in nuclear power plants 그림 2. 실원전에서 사용하는 모듈의

사진과 모델링 형상

Fig. 2 Geometry and photograph of the module in nuclear power plants

(3)

parameters values

xm 340 mm

ym 500 mm

zm 280 mm

xc 500 mm

yc 600 mm

zc 400 mm

gm 96 mm

표 1. 캐비닛과 디지털 모듈의 설계 변수 Table 1. Design parameters of the cabinet and digital

module

에 의하여 디지털 모듈은 전자파 간섭으로부터 일정 수준의 보호를 받지만, 간섭의 정도를 정확히 예측하 기 위해서는 캐비닛에 대한 차폐효과 분석이 필요하 다. 그림 1은 외부 전자파가 입사 될 때, 임의의 공간 에 전파된 전계 값을 차폐체 유무에 따라 확인하여 계산하는 차폐효과의 정의를 나타낸다. 차폐효과는 함 체를 사용하여 외부 전자파를 차단하거나 감소시킬 때, 내부에 나타나는 전계강도와 함체가 없는 자유공 간에서의 전계강도의 비율을 확인하기 위한 지표이며, 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

_  ∙ log_



^^^



^^^



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여기서 Eⁱ는 차폐 구조물이 존재하지 않을 때의 전 계값이고, E^c는 차폐체에 의해서 감소되어 측정된 전 계값이다. 두 전계값은 동일한 거리 r0에서 측정되며, 이 둘의 비율을 dB 단위로 확인하여 차폐효과 값을 도출할 수 있다.

그림 2(a)는 실원전에서 사용하고 있는 모듈과 모 듈이 장착되어 있는 캐비닛의 형상을 모식도로 보여 준다. 캐비닛의 전체 크기는 xc, yc, zc이며, 캐비닛 내 부에는 xm, ym, zm 크기의 디지털 모듈들이 배치된 케 이스가 놓여있다. 모듈이 배치된 간격은 설치된 모듈 의 상태와 모듈의 크기에 따라 각기 다르며, 그 중 가 장 넓은 간격을 갖는 영역을 gm으로 표시하였다. 세 부적인 수치는 표 1에 나타내었다. 그림 2(b)는 캐비 닛과 디지털 모듈의 실제 형상을 나타내며 그림 2(a) 에서 확인한 모식도에서 보듯이 일부 영역은 디지털 모듈이 배치되지 않아 빈 공간이 형성되어 있다. 디지

그림 3. 캐비닛 내부 차폐효과 확인을 위한 시뮬레이션 조건

Fig. 3 Simulation conditions to analyze the SE inside the cabinet

그림 4. 캐비닛 내부 차폐효과 분포 Fig. 4 Distribution of the SE inside the cabinet 털 모듈의 케이스와 캐비닛은 철제 재질로 구성되어 있다.

그림 3은 캐비닛 내부 차폐효과를 확인하기 위한 시뮬레이션 조건을 보여준다. 캐비닛이 없는 경우와 있는 경우의 전계 분포를 모두 확인하고 두 값의 비 율을 통해서 차폐효과를 도출할 수 있다. WI-FI, Bluetooth, ZigBee[10-12] 등 무선통신 시스템에서 보 편적으로 사용되는 주파수 대역인 2.4 GHz 주파수에 서 분석하였으며, 송신안테나는 캐비닛의 전면부로부 터 d = 1 m 거리에 위치하였고, 내부 전계 분포는 캐 비넷 바닥면으로부터 h = 0.2 m 높이에서 확인하였 다. 입사되는 전자파의 방향은 캐비닛의 정면방향으로

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(a) 편파에 따른 평균 차폐효과 (a) Average SE according to polarization

(b) gm 변화에 따른 평균 차폐효과 (b) Average SE according to gm

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

제한하지 않고 0° ~ 180° 까지 변화하며 관측하였고, 편파 조건 또한 지면에 수직한 편파와 지면에 수평한 편파로 경우를 나누어 분석하였다.

그림 4는 입사 전자파의 각도가 0°일 때 나타나는 캐비닛 내부 차폐효과 분포를 보여준다. 점선은 캐비 닛의 테두리와 모듈의 위치를 나타낸다. 차폐효과 값 이 높을수록 붉은색으로 표기되며 이는 외부 전자파 로부터 간섭을 적게 받을 수 있음을 의미한다. 상대적 으로 모듈간의 간격이 넓은 곳에서 가장 높은 차폐효

과 값인 17.5 dB가 나타났다. 반대로 모듈간 간격이 좁은 경우에는 낮은 차폐효과를 보였으며, 최소값은 –41.9 dB로 확인되었다.

그림 5(a)는 캐비닛으로 입사하는 전파의 입사각과 편파에 따라 나타나는 캐비닛 내부 차폐효과의 평균 값을 보여준다. 실선으로 표시된 수직 편파의 경우 0°

에서 전파가 입사할 때 가장 낮은 −14.2 dB의 평균 차폐효과 값이 도출되었다. 점선으로 표시된 수평 편 파에 의한 차폐효과 경우, 입사각이 90°일 때 가장 낮 은 9.2 dB로 나타났으며, 90°인 경우를 제외하고 전체 적으로 15 dB 이상의 상대적으로 높은 차폐효과 값이 나타난다. 그림 5(b)는 모듈간의 간격 gm을 변화함에 따라 나타나는 캐비닛 내부 평균 차폐효과를 보여준 다. 모듈의 간격은 24 mm부터 120 mm까지 24 mm 간격으로 증가시키면서 분석하였다. 모듈의 간격이 24 mm로 가장 좁은 배치일 때 –17.7 dB로 가장 낮은 차폐효과 값이 나타났으며 120 mm 간격일 때, 7.9 dB로 나타났다.

Ⅲ. 캐비닛 내부 차폐효과 측정 및 결과 그림 6은 앞서 분석된 결과들을 측정을 통해 검증 하기 위해 차폐효과 측정용 프로브로 사용할 다이폴 안테나의 구조 및 제작사진을 보여준다. 안테나는 SMA 포트를 통해 급전된다. 급전부로부터 불균일하 게 흐르는 전류에 의한 패턴왜곡을 최소화하기 위해, 측정 주파수인 2.4 GHz에서 동작하는 정합밸런 (Mini-Circuit사의 CD542)을 사용하였다. 정합밸런은 회로기판위에 다이폴 소자와 함께 놓여진다.

그림 6. 차폐효과 측정용 다이폴 안테나의 구조 및 제작 사진

Fig. 6 Geometry and photograph of the dipole antenna for SE measurement

(5)

그림 7. 시뮬레이션과 측정된 반사계수 Fig. 7 Simulated and measured reflection

coefficients

그림 8. 시뮬레이션과 측정된 방사패턴 Fig. 8 Simulated and measured radiation patterns

그림 7은 제작된 다이폴 안테나의 반사계수를 나타 내며, 실선은 측정 결과를, 점선은 시뮬레이션 결과를 보여준다. 목표 동작 주파수인 2.4 GHz에서 반사계수 의 측정 및 시뮬레이션 결과가 각각 ╶ 39.1 dB, ╶ 15.4 dB로서 ╶ 10 dB 이하의 값을 가져, 설계된 다 이폴 안테나가 목표에 잘 부합함을 확인할 수 있다.

그림 8은 제작된 안테나의 방사패턴을 xy-평면에서 보여준다. 실선과 점선은 각각 측정과 시뮬레이션 결 과를 나타내며, 해당 평면에서 무지향성 패턴이 나타 나는 것을 확인하였다.

(a)

(b)

그림 9. 캐비닛 내부 차폐효과 측정 환경과 측정 위치

Fig. 9 SE measurement setup and measurement points inside the cabinet

그림 9는 제작된 다이폴 안테나를 사용하여 캐비닛 내부 차폐효과를 도출하기 위한 측정 환경을 보여준 다. 캐비닛 내부에 수신안테나를 고정시키고, 시뮬레 이션 조건과 동일하게 캐비닛의 전면으로부터 1 m 거리에 송신안테나를 배치했다. 또한, 송신안테나와 수신안테나는 지면에 의한 영향을 최소화하기 위해 지면으로부터 400 mm (3.2λ @2.4 GHz) 높은 위치에 배치되었다. 캐비닛 구조에 의한 차폐효과 값을 얻기 위해 먼저 디지털 모듈만 배치하여 모듈 내부에 입사 되는 전계값을 획득하였다. 그 다음 캐비닛 내부에 디 지털 모듈을 배치하여 모듈 내부 전계값을 얻고 두 번의 측정으로 얻은 전계값의 비율을 통해 차폐효과 값을 도출했다. 차폐효과를 정확하게 측정하기 위해 캐비닛의 유무를 제외한 모든 외부 환경은 동일하게

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그림 10. 측정위치 1에서의 차폐효과 Fig. 10 SE result at point 1

그림 11. 측정위치 2에서의 차폐효과 Fig. 11 SE result at point 2

유지하였다. 차폐효과 측정 위치는 그림 9(b)와 같이 두 곳으로 가정된 위치에서 진행하였으며 안테나를 수평으로 놓을 수 있는 측정위치 2에서는 수직, 수평 편파 모두 확인하였다.

그림 10은 측정위치 1에서의 시뮬레이션과 측정 차 폐효과를 비교한 결과이며, 실선은 시뮬레이션을 ’×’

기호는 측정 결과를 나타낸다. 시뮬레이션과 측정값은 유사한 경향성을 보였으며, 모두 정면 방향에서 전자 파가 입사될 때 가장 낮은 차폐효과 값을 나타낸다.

0°에서 입사하는 경우 측정값은 –14.1 dB이며, 입사 각도를 80°까지 증가시키면 최대 10.5 dB의 높은 측 정값을 확인할 수 있다. 그림 11은 측정위치 2에서

차폐효과 결과를 나타낸다. 실선과 점선은 시뮬레이션 결과이며, 각각 수직편파와 수평편파를 의미한다. ’×’

기호와 ‘o’ 기호는 측정 수직편파와 수평편파를 보여 준다. 안테나의 편파가 수직 편파의 경우, 전파 입사 각에 따른 측정결과는 –14.2 dB ~ 10.6 dB로 나타났 으며 이는 시뮬레이션으로 확인되는 결과인 –25.3 dB ~ 10.9 dB와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 안테 나의 편파가 수평 편파인 경우의 전파 입사각에 따른 측정 결과는 16.0 dB ~ 22.1 dB로 확인되며 시뮬레이 션 결과는 –5.0 dB ~ 32.1 dB로 나타났다. 마찬가지 로, 측정값과 시뮬레이션된 결과값의 분포가 잘 일치 함을 확인할 수 있으며 수평 편파에 의한 차폐효과가 모든 전파 입사각에서 상대적으로 수직 편파에 의한 차폐효과보다 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 이 결 과는 수직편파의 경우 캐비닛에 의한 차폐효과를 기 대 할 수 없지만 수평편파의 경우에는 디지털 모듈이 캐비닛 내부에 있을 때 16 dB 이상의 추가적인 차폐 효과를 기대 할 수 있음을 의미한다.

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 실원전에서 사용되는 디지털 모듈을 포함하는 캐비닛의 전자파 차폐효과를 전파가 입사되 는 방향과 내부 디지털 모듈의 배치의 변화에 따라 분석하였다. 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 16.0 dB 이상의 차폐효과가 확인되었다. 전 파가 캐비닛의 정면 방향으로 입사할 때, 모듈간 간격 을 증가시킴에 따라 차폐효과 값 또한 점차적으로 증 가하여, 120 mm 간격일 때 7.9 dB의 높은 평균 차폐 효과 값이 나타났다. 결과에 따르면 철제 캐비닛을 활 용해 얻을 수 있는 추가적인 전파 차폐효과는 디지털 모듈의 간격이 넓고 입사파의 편파가 지면에 수평할 때 더 높다는 것을 의미한다. 시뮬레이션 결과들을 측 정을 통해 검증하기 위해 정합밸런, 다이폴 방사체, SMA 커넥터를 사용하여 2.4 GHz 주파수에 동작하는 측정 안테나를 제작하였다. 측정위치 1에서는 정면 방 향에서 전자파가 입사될 때 가장 낮은 –14.1 dB의

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차폐효과 값이 나타났다. 측정위치 2에서는 수직 편파 의 경우 –0.5 dB, 수평 편파의 경우 17.9 dB의 평균 차폐효과 값을 보여, 시뮬레이션 결과인 –1.9 dB, 14.2 dB와 유사함을 확인하였다. 본 논문의 결과는 원 전 내 디지털모듈을 무선통신 시스템에서 발생하는 전자파로부터 보호하기 위해 철제 캐비닛을 활용하고 자 하는 경우, 모듈의 배치 및 방향에 대한 가이드라 인으로 활용 할 수 있다.

감사의 글

This research was supported in part by the Nu clear Safety Research Program through the Ko rea Foundation Of Nuclear Safety (KoFONS) g ranted financial resource from the Nuclear Safe ty and Security Commission (NSSC) of the Re public of Korea (No. 1805006-0118-SB110), the Basic Science Research Program through the N ational Research Foundation of Korea (NRF) fu nded by the Ministry of Education (No. 2015R1 A6A1A03031833), and the Basic Science Resear ch Program through the National Research Fou ndation of Korea (NRF) funded by the Ministr y of Science and ICT(NRF-2017R1A5A101559 6).

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저자 소개

윤상운(Sang-Woon Youn) 2019년 홍익대학교 전자전기공학 부 학사 졸업.

2019년 ~현재 홍익대학교 전자전 기공학부 석사 과정

※ 관심분야 : GPS 안테나, 방향탐지와 안티 재밍 응용분야, EMC & EMI

장도영(Do-Young Jang) 2015년 : 동양미래대학교 정보통 신학과 (공학전문학사)

2015년 ~ 2018년 : 모아소프트 RF/EMC 사업부 연구원

2018년 : 동양미래대학교 정보통신학과 (공학사) 2020년 : 홍익대학교 전자전기공학부 석사 졸업 2020년 ~ 현재 : 홍익대학교 전자전기공학부 박사 과정

※ 관심분야 : 방향 탐지용 안테나 설계 및 배열 최적화, 전파 환경 분석.

추호성(Ho-Sung Choo) 1998년 한양대학교 전파공학과 졸업

2000년 University of Texas at Austin 전자전기공학과 석사 졸 업

2003년 University of Texas at Austin 전자전기공 학과 박사 졸업