1. 서 론
전자기펄스(EMP: Electromagnetic Pulse)는 시간적 압축으로 모인 에너지를 순간적으로 방출함으로써 엄청난 에너지를 통해 전자 장비를 파괴할 수 있는 전기장과 자기장을 가진 순간적인 충격파이다.[1] 이런 특성을 적용하여 다양한 무기체계를 만들 수 있으며, 고출력 마이크로파(HPM: High Power Microwave)를 무기로 사용할 경우 일정하게 방사하여 적의 전자 장비를 교란이나 마비, 영구적인 사용불능 상태로 만들 수 있다. 전자기펄스는 일반적으로 주파수의 대역폭에 따라서 크게 협대역(narrow band)과 광대역(wide band)으로 나눌 수 있다. 이와 마찬가지로 고출력 마이크로 파를 방사시키기 위한 안테나 또한 대역폭의 종류에 따라 혼 안테나와 같은 협대역 HPM 안테나와 TEM 혼 안테나, Log-periodic 안테나, 반사형 IRA 안테나(Impulse Radiating Antenna)와 같은 광대역 HPM 안테나로 나눈다. 광대역 펄스 발생장치에 사용되는 협대역에 비해 구조적으로는 간단 하지만, 안테나 기술은 더 복잡한 특징을 지닌다. [2] 광대역 안테나의 종류 중 비교적 높은 이득, 광대역 특성을 가지고 단일방향 방사특성을 가지는 TEM 혼(Transverse electromagnetic Horn)안테나가 특별히 주목받고 있으며 많은 연구가 진행 중에 있다. TEM 혼 안테나는 최소 주파수에서 10배의 주파수까지 사용이 가능한 특성을 가지며, 높은 지향성과 고효율을 지닌 대표적인 광대역 안테나이다. 일반적으로 EMC 측정 시스템은 단일 안테나로서 넓은 주파수 대역을 갖는 안테나가 필요한데, 주로 임펄스 파의 세기 측정과 방사용, 또한 챔버의 차폐 성능 평가용으로 많은 TEM 안테나가 사용되고 있다. TEM 안테나는 광대역과 비분산적 특성을 갖는데 비반사 다이폴의 안테나의 특성을 유지하면서 임펄스 형태의 전자파로 감지할 수 있는 센서로 개발된 것이다.[3] 또한 이 TEM 안테나를 광대역 HPEM (High Power Electromagnetic wave)를 발생시키는 방사장치로 사용하게 될 경우, TEM 안테나에 kV 대역의 높은 전압을 급전해야 한다. 하지만 이처럼 고전압을 급전하게 될 경우 TEM 안테나의 두 금속판 사이에 절연 설계가 추가되어야 한다. 안테나에 고체 절연물을 끼워 넣을 경우, 방사 패턴 및 안테나의 이득과 S-Parameter의 변화가 일어난다. 이 때문에 절연물 때문에 떨어지는 안테나 이득의 보완을 위해 개구부에 같은 재질로 된 렌즈 역할을 할 절연물을 추가로 끼워 넣게 된다. 결과적으로 이득 보완을 유도할 수 있으며 안테나의 변화되는 이득을 시뮬레이션을 통해 재질에 따른 성능의 변화 정도를 알아볼 수 있다.[4]
본 논문은 TEM 혼 안테나의 두 도체 사이에서 적용되는 고체 절연물의 종류에 따라 변화되는 안테나 특성을 분석하기 위해 안테나 특성변화를 관찰할 수 있는 CST사의 Microwave Studio(MWS)을 활용하여 시뮬레이션 하였으며, 그 결과를 비교·분석하였다.
2. 설계방법 및 실험재료
2.1 TEM Horn Antenna Design
TEM 안테나의 기본 구조는 2개의 금속판으로 구성하고 있으며, 선형 금속평판을 떼어놓고 급전시킨다. 급전 후에는 평행 두 도체판의 급전 부분으로부터 전파가 발생하여 안테나의 개구부를 통하여 공기 중으로 방사하는 원리로 동작하 게 된다. 동축선을 통하여 흐르던 전류는 급전 부분에서 동 축선의 내부 도체와 안테나의 도체판의 임피던스 부정합으로 인해 대부분 전파에너지로 변환된다. 이때 발생한 전파는 두 도체판 사이를 진행하면서 두 도체판에 흐르는 전류와 전압차에 의해 TEM 특성을 갖게 되는 형태이다. TEM 안테나는 광대역 특성이 있어 상대적으로 높은 전력범위에 서도 사용할 수 있으며 far-field 내에서도 적은 위상변화를 갖는 특성이 있다. 또한, 크기가 작은 편이며 복사 중에 왜곡이 없고 높은 효율과 낮은 반사 특성을 지닌다. TEM Horn 안테나의 특성 임피던스를 구하는 식은 식 1과 같다.
여기에서, 120π는 자유공간 임피던스 377Ω으로 변환하기 위한 수치이다. TEM 안테나에 급전을 위해서는 일반적으로 50Ω의 동축선을 사용하기 때문에 시뮬레이션을 진행하기 위해서 TEM 안테나의 입력 임피던스도 50Ω으로 설계하였다. 또한, 자유공간에서의 평면파 파동 임피던스는 377Ω이기 때문에 입력 임피던스에서 평행도체의 판을 조절하여 임피던스를 변화시킨다. TEM 안테나를 설계하는 데 있어 안테나의 길이, 급전방법 등과 같이 많은 설계 변수가 작용한다. 이런 이유로 특정 시뮬레이션을 진행하려면 적절한 설계 수치를 결정하여야 하며, 설계 수치의 값은 표 1과 같고 각각의 수치 예시는 그림 1과 같다. 안테나의 입력부 높이 H1은 13.6mm이고, 폭 W1은 12.2mm이다. 입력부의 설계는 입력 임피던스를 50Ω으로 맞추기 위함이며, 다음과 같이 설계된 안테나의 사용가능 주파수는 1GHz - 22GHz로써 광대역 특성을 나타내고 있다. 또한, TEM 도체 판은 1mm의 두께를 가진 완전전기도체(PEC: Perfect Electric Conductor) 성분의 금속판으로 설정하여 시뮬레이션을 진행하였다. 이 후 그림 2와 같이 TEM 안테나의 급전부에 절연물을 1mm 두께로 삽입하였고, 추가로 이득 보완을 위해 TEM 안테나의 개구부에 렌즈 역할을 할 수 있는 2.5mm의 두께의 절연물을 삽입하였다. 설계된 안테나의 총 길이는 약 320mm이며, 개구부의 높이는 112mm이며 너비는 198mm이다.
그림 1안테나의 설계 변수 Fig. 1 Antenna Design Parameter
표 1TEM Antenna 설계 수치 Table 1 TEM Antenna Design Parameter
그림 2절연물이 삽입된 TEM Antenna의 형태 Fig. 2 TEM Antenna With Insulation, lens
2.2 TEM Antenna Insulation
사용한 절연물은 TEM 안테나의 개구부에 사용되어 절연 내력(dielectric strength)과 유전율(permittivity) 값이 커야 한다. 본 연구에 사용된 절연물은 에폭시 레진(Epoxy Resin)과 테플론(Teflon)을 사용하여 시뮬레이션을 진행했으며, 적용된 절연체의 특성은 표 2와 같다. 유전율은 부도체의 전기적 특성을 나타내는 값으로 전자기파의 특성과 직접적인 연관성이 존재한다. 유전율이 높을수록 부도체 조건에서 절연물 내부의 전자기파 진행이 가능하도록 한다. 공기의 유전율은 1이고 적용하려는 에폭시 레진이 4, 테플론이 2.1이면 상대적으로 유전율이 높다는 것을 알 수 있다. 또한, 각각의 절연체는 절연내력이 존재하여 일정한 임계치를 초과하게 되면 분자들로부터 전자들이 완전히 자유롭게 움직여 스파크가 일어나는 현상이 발생하고 이것을 절연파괴 (dielectric breakdown)라 부른다. TEM 안테나의 상부와 하부를 전기적으로 절연하여야 하므로 절연파괴가 발생하면 안되고 일반적으로 알려진 공기의 절연내력인 3kV/mm 보다 높은 수준을 유지해야 한다. 절연내력 측면을 생각한다 면 에폭시 레진과 테플론은 상대적으로 안정적인 수준의 절 연내력을 특성을 보인다. 이런 측면을 고려하였을 때, 유리 는 4.5~10의 유전율을 보이고, 25~40 kV/mm의 절연내력 특성을 가진다. 수치적으로는 유리가 에폭시 레진과 테플론에 비해 개구부 절연체에는 더욱 뛰어난 성능을 예상할 수 있 는 절연체이지만 TEM 안테나의 제작 및 사용 시 충격에 대한 특성 부분을 고려한다면 에폭시 레진과 테플론이 상대적으로 유리하기 때문에 사용상에 한계를 파악하여 관련 장치를 설계할 때 절연체를 선택할 필요가 있다.
표 2에서 나타낸 아크 저항(Arc Resistance)은 ASTM - D495(Standard Test Method for High-voltage, Low-current, Dry Arc Resistance of Solid Electrical Insulation) 재료 표면상에 고전압, 저전압을 인가시켰을 경 우 변화하는 저항치를 말하며, 아크가 발생한 상황에서 재료의 표면에 전도성 경로가 형성되었을 때에 요구되는 전체소요시간에 대해 등급으로 표현한 것이다. 그 등급에 따른 분류는 표 3과 같다.
표 2Epoxy Resin과 Teflon의 특성 Table 2 Characteristic of Epoxy Resin and Teflon
표 3아크 저항의 평균시간 (D495 range) Table 3 Mean Time of Arc Resistance (D495 range)
3. 실험 결과
TEM 안테나의 두 도체판 사이의 급전부에는 1mm 두께로 유전체를 넣어 시뮬레이션을 진행하였으며, 개구부 부분에는 앞서 제시한 에폭시 레진과 테플론을 적용하여 TEM 안테나의 렌즈 역할을 수행할 수 있도록 2.5mm 두께로 배치하였다. 이런 TEM 안테나 설계조건으로 안테나의 주파수 변화에 따른 이득과 패턴의 변화를 관찰하였다. 우선하여 개구부에 유전체를 배치하지 않은 TEM 안테나의 3GHz의 경우에 2차원, 3차원의 방새패턴은 그림 3, 4와 같다.
그림 3TEM 혼 안테나의 방사 패턴 (Polar) Fig. 3 Far-Field Pattern of TEM Horn Antenna(Polar)
그림 4TEM 혼 안테나의 방사 패턴(3D) Fig. 4 Far-Field Pattern of TEM Horn Antenna(3D)
그림 5DB에서의 S-파라미터 Fig. 5 S- Parameter Magnitude in DB
급전부만 절연한 안테나와 렌즈를 추가한 안테나의 방사 패턴의 형태는 기본적으로 유사한 형태의 패턴을 나타내었다. 다음은 각 조건에 따라 안테나의 Gain을 그래프로 나타 낸 것이다.
그림 6안테나의 절연상태에 따른 이득 Fig. 6 Gain corresponding to the insulated antenna
그림 6의 결과는 렌즈가 없는 상태의 기본안테나와 테플론과 에폭시로 절연된 안테나의 이득을 비교한 결과이다. 6GHz까지는 비슷한 이득 수치를 가지지만 그 이상 범위에서는 주파수 범위에 따라 테플론과 에폭시의 높은 이득을 가지는 범위가 다르다는 것을 알 수 있다. 테플론과 에폭시를 사용할 경우에는 약 12GHz에서 이득이 감소하는 현상이 관찰되는데, 에폭시의 경우에 더욱 급격하게 안테나의 이득이 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, 에폭시 절연체를 사용 할 경우 특정주파수 대역에서 기본 안테나보다 더욱 낮은 이득 값을 가진다. 그림 7과 8은 테플론과 에폭시 절연체를 사용하고 렌즈(lens) 삽입 유·무에 따른 변화되는 이득 값을 알아보기 위해 그래프로 분석하였다. 렌즈의 유무에 따라 이득이 크게 증가하지는 않지만, 렌즈를 추가함에 따라 약간의 이득개선을 한다고 할 수 있다. 또한, 테플론과 에폭시 절연체에 렌즈를 삽입할 경우 특징적으로 관찰되는 점은 특정 주파수 대역에서 이득이 증가한다는 점이다. 테플론의 경우에는 렌즈 삽입 전·후가 거의 비슷하지만 약 10GHz ~ 15GHz에서 이득이 증가하고, 에폭시의 경우에는 약 5GHz ~ 10GHz 부분에서 이득이 증가하는 현상이 관찰된다.
그림 7렌즈 유무에 따른 이득 (테프론) Fig. 7 Gain according to Presence or absence of the lens (Teflon)
그림 8렌즈 유무에 따른 이득 (에폭시) Fig. 8 Gain according to Presence or absence of the lens (Epoxy)
4. 결 론
본 연구에서 에폭시와 테플론을 선정한 이유는 일반적으로 손쉽게 구할 수 있는 절연체로서 다양한 전기적 성질 중 안테나 방사에 영향을 미치는 인자인 유전율이 일정 수준이상 차이가 나기 때문에 실험의 인자로 선정하였다.
1. TEM 혼 안테나의 시뮬레이션을 진행한 결과에서 방사 패턴을 분석하였을 때 렌즈를 추가할 시 방사 패턴의 변화는 크게 일어나지 않았고 대체로 비슷한 패턴의 방사 패턴을 나타내었다. 하지만 세부적인 이득을 비교하였을 경우, 대체적인 사용 주파수 영역에서는 이득이 약간 상승하는 효과가 관찰되었다. 이는 개구부에 추가 설치된 렌즈가 방사 되는 전계를 모아주어 이득을 증가시키는 효과를 나타내는 것을 알 수 있다.
2. 렌즈의 설치 유·무에 대한 이득을 관찰하였을 경우에 테플론의 경우 15GHz 이상에서는 거의 효과를 보이지 않고, 에폭시의 경우에 15GHz 이상 주파수 범위에서 이득이 낮아 지는 특성을 확인하였다. 이런 문제를 해결하기 위해 개구부에 추가하는 렌즈의 포물선 형태의 추가하고, 추가적인 시 뮬레이션 과정을 통해 적절한 보완 값을 찾을 수 있다.
3. TEM 안테나의 시뮬레이션은 설계에 대한 방사특성을 쉽게 알아볼 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만 시뮬레이션 설정입력에서 완전전기도체와 같은 소재나, 실험 장비, 환경조건 등과 같은 다양한 인자에 의해서 영향을 미칠 수 있다, 이런 이유로 설계한 결과는 비교, 검토하기 위해서 실 제적인 실험을 시행하여야, 실험 후 그 결과 값을 통해 설계 를 개선과 같은 과정을 거쳐야 한다.
References
- J. S. Doo, S. M. Han, C. S. Huh and J. S. Choi, "Ultra fast Marx Generator of N2, SF6, N2-SF6 Mixture Gas based on Research Output Characteristics", Trans. KIEE, Vol. 59, No.10, pp,1850-1855.
- 최진수, 임동우, "전자기펄스 발생과 응용", 물리학과 첨단기술, pp.36-41, 2006.
- K. H. Chung, S. H. Pyun, S. Y. Chung and J. H. Choi, " Design of a TEM Horn Antenna for Impulse Response Measurement System", KIEES, Vol.14, No.7, pp.669-676, 2003.
- Hradecky, Z. and Holub, A.,"Broadband TEM horn antenna with dielectric lens for UWB measurement", EuCAP Antennas and Propagation, pp.3348-3351, 2009.
- Lee, R. T. and Smith, G. S.,"A design study for the basic TEM horn antenna", IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol.46, No.1, pp.86-92, 2004.
- Yarovoy, A. G., Schukin, A. D., Kaploun, I. V. and Ligthart, L.P.,"The dielectric wedge antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.50, No.10, pp.1460-1472, 2002. https://doi.org/10.1109/TAP.2002.803968
- J. D. Taylor, "Introduction to Ultra-Wideband Radar Systems", CRC Press, 1995.
- Sabath, F., Mokole, E. L., Schenk, U., and Nitsch, D."Ultra-Wideband, Short-Pulse Electromagnetics 7, Springer, 2007
- Constantine A. Balanis, "Antenna Theory : Analysis and Design, 3rd Edition, WILEY, 2005.