KR101649514B1 - 전자파 적합성 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자파 적합성 시험장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 시험장치는 시험 대상물의 전자파 적합성을 시험하는 시험장치에 있어서, 적어도 두 개 이상의 단위 안테나가 배열되어 구성되는 배열 안테나; 상기 배열 안테나로부터 미리 결정된 포인트에 집중된 시험용 전파가 방사되도록 상기 각 단위 안테나의 위상을 제어하는 방사 제어부; 및 상기 시험용 전파로 인한 상기 시험 대상물의 반응을 모니터링하는 모니터링부를 포함한다. 이를 통하여, 전파를 송신하는 안테나의 크기 및 무게가 크게 절감되며, 필드 프로브를 통한 전계 측정이 수반되지 않아 경제적으로 시험을 수행할 수 있다.

Description

전자파 적합성 시험장치{ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY TESTING APPARATUS}

본 발명은 전자파 적합성 시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 전파 환경에 대한 각종 기기의 안전성 평가를 수행하는 시험장치에 관한 것이다.

전자파 적합성(Electromagnetic Compatibility, EMC)은 전자파 환경에서 시스템, 장비, 부품 등이 정상 동작하는 상태를 말하는 것으로, 전기전자 장비로부터 불요 전자파의 복사를 최소한으로 억제하고, 외부 전자파 환경으로부터 장비가 방해를 받지 않고 정상적으로 동작하도록 전자파 내성을 가져야 하는 것을 의미한다.

각종 전기전자 장비들이 소형화됨에 따라 저전력 및 고속화 소자들이 다수 사용되고 있고, 이러한 소자들은 전자파로 인해 심각한 장애를 일으킬 염려가 있어 전자파 적합성에 대한 중요성이 점차 증대되고 있다. 이와 같은 실정을 반영하여, 반도체, 가정용 소형 전자기기부터 자동차, 항공기, 의료용, 통신용, 군수용 장비에 이르기까지 다양한 분야에서 전자파 적합성 시험이 수행되고 있으며, 이를 위한 각종 표준과 규격이 마련되고 있다.

전자파 적합성을 평가하는 시험으로서, 전자장비로부터 외부로 방사되는 방해파의 크기를 측정하는 복사성 방출 시험(radiated emission test)과 전자장비가 높은 전계 강도 환경에 노출되었을 때 요구되는 성능을 발휘할 수 있는 내성을 시험하는 방사 내성 시험(radiated susceptibility test)이 있다.

이 중 방사 내성 시험은 시험 중 발생된 강한 전계로 인한 전파 통신 간섭을 방지하고, 시험대상 장비(Equipment Under Test, EUT)가 놓이는 영역에 균일한 전계를 형성하여 시험 결과의 유효성을 보장하기 위해 전자파 무반사실에서 수행되며, 생성된 신호를 안테나를 통해 EUT에 방사하고, 신호에 의한 EUT의 동작 상태를 모니터링하여 내성성능을 평가한다.

이와 같이, 방사 내성 시험시에는 강력한 전계를 발생해야 하므로 진공튜브와 같은 고출력 신호원과 고이득 안테나가 필요하게 된다. 이로 인하여, 시험장치 구현 비용이 증가하고, 안테나의 중량과 크기가 증가하는 문제점이 있었다. 특히, 의료용, 자동차, 군수용 장비는 더 강력한 전계를 필요로 하므로 이와 비례하여 안테나의 크기도 함께 커지게 되어 위와 같은 문제점이 더욱 두드러진다. 한편, 저출력 신호원을 이용하는 경우에도 신호의 포커싱(focusing)을 위한 대형 반사판이 별도로 필요하므로 위 문제점의 해결책이 될 수 없다.

또한, 근접 필드(near field)에서는 전계 세기를 예측하는 것이 불가능하므로 종래 방사 내성 시험시에는 복수의 필드 프로브(field probe)를 통하여 전계 세기 측정이 이루어졌다. 이로 인하여, 전계 세기 측정에도 시간 및 비용이 많이 소요되는 문제점이 존재하였다.

따라서, 종래의 방사 내성 시험의 신뢰성을 보장하면서도, 시험에 소요되는 시간 및 비용, 시험 수행시 이용되는 장비의 크기를 절감시킬 수 있는 진일보된 전자파 적합성 시험장치의 고안이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래 방사 내성 시험의 결과 신뢰성을 보장하면서도 시험장비의 무게 및 부피를 경감시키고, 경제성을 도모할 수 있는 전자파 적합성 시험장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적은, 본 발명의 일 양태에 따른 시험 대상물의 전자파 적합성을 시험하는 시험장치에 있어서, 적어도 두 개 이상의 단위 안테나가 배열되어 구성되는 배열 안테나; 상기 배열 안테나로부터 미리 결정된 포인트에 집중된 시험용 전파가 방사되도록 상기 각 단위 안테나의 위상을 제어하는 방사 제어부; 및 상기 시험용 전파로 인한 상기 시험 대상물의 반응을 모니터링하는 모니터링부를 포함하는 전자파 적합성 시험장치에 의하여 달성될 수 있다.

여기서, 상기 방사 제어부는 상기 각 단위 안테나와 상기 미리 결정된 포인트 간의 거리를 기초로 상기 각 단위 안테나로 급전해 주어야 하는 입력위상을 산출할 수 있으며, 이때, 방사 제어부는 상기 단위 안테나와 상기 미리 결정된 포인트 간의 거리 차에 따른 파형 지연을 보상하여 상기 입력위상을 산출할 수 있다.

또한, 방사 제어부는 상기 시험 대상물의 크기와 요구되는 전계 강도를 고려하여 상기 시험용 전파의 빔 폭을 제어할 수 있으며, 상기 각 단위 안테나의 위상 조절을 통한 빔 조향을 수행하여 상기 시험 대상물의 다양한 방향에 대하여 시험이 수행되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 방사 제어부는 상기 시험용 전파의 세기 및 주파수 대역의 순차적인 변경을 제어함으로써, 다양한 시험 환경 및 조건에서 시험이 수행되도록 할 수 있다.

한편, 상기 단위 안테나의 방사 패턴, 상기 단위 안테나에 입력되는 전력의 세기, 및 상기 단위 안테나와 상기 포인트를 포함하는 평면의 단위 영역 간의 거리 중 적어도 어느 하나의 요소를 기초로 상기 배열 안테나의 배열 계수(array factor)를 계산하고, 상기 배열 계수를 기초로 전계 강도를 산출하여 상기 방사 제어부에 상기 시험용 전파에 대한 정보를 피드백해주는 전계 산출부를 더 포함할 수 있다.

또한, 시험의 편의성 증대를 위하여, 상기 모니터링부의 모니터링 경과에 대응하여 상기 시험 대상물을 회전시키기 위한 회전 테이블을 더 포함할 수도 있다. 일 예로, 상기 배열 안테나로부터 일 방향을 따라 레일이 연장 형성되고, 상기 회전 테이블이 상기 레일에 이동 가능하게 구성되어, 상기 시험 대상물과 상기 배열 안테나 간의 거리를 조정 가능하도록 이루어질 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전파를 송신하는 안테나의 크기 및 무게가 크게 절감되며, 필드 프로브를 통한 전계 측정이 수반되지 않아 경제적으로 시험을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 종래의 기계적인 메커니즘을 통한 안테나 높이 및 각도 조절을 전자적 빔 조향을 통해 달성할 수 있어 시험 편의성이 증대된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 적합성 시험장치의 개략적인 구성도;
도 2는 안테나 배열 계수를 계산하는 일 예를 설명하기 위한 참고도; 및
도 3은 배열 안테나와 타겟 포인트 간의 거리에 따른 전력밀도 변화를 보여주는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자파 적합성 시험장치의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 적합성 시험장치는 배열 안테나(10), 방사 제어부(20), 전계 산출부(30), 모니터링부(40) 및 회전 테이블(50)을 포함하며, 전자파 적합성 시험을 위해 마련된 야외 시험장이나 전자파 무반사실에 배치된다.

배열 안테나(10)는 전자파 적합성 시험 대상물(EUT)에 시험용 전파를 방사하기 위한 것으로, 복수의 단위 안테나(1)가 소정의 간격으로 배치되어 매트릭스 형태로 구성되며, 단위 안테나(1)로서 다이폴, 슬롯, 마이크로스트립 패치 등 다양한 소자들이 적용될 수 있다. 배열 안테나(10)는 시험에 필요한 안테나 이득(gain)과 주파수 대역을 고려하여 다양한 크기로 구현될 수 있다.

한편, 배열 안테나(10)는 출력을 증폭시키기 위한 증폭기(power amplifier), 단위 안테나(1)의 위상을 조절하기 위한 위상 천이기(phase shifter) 등을 포함하여 구현된다.

방사 제어부(20)는 배열 안테나(10)가 미리 결정된 타겟 포인트(P)에 빔을 집중하여 방사하도록 각 단위 안테나(1)의 입력 위상을 조절한다. 참고로, 타겟 포인트(P)는 배열 안테나(10)에서 방사된 빔이 집중되는 지점으로서, 전자파 적합성 시험 대상물(EUT) 상에 또는 방사된 빔이 시험 대상물(EUT)에 조사가능하다면 시험 대상물(EUT)에서 벗어난 지점이라도 타겟 포인트(P)로 결정될 수 있다. 타겟 포인트(P) 위치는 시험 대상물(EUT)의 크기, 시험 영역, 배열 안테나(10)의 빔 폭, 필요한 전계 강도 등을 종합적으로 고려하여 선정한다.

방사 제어부(20)는 배열 안테나(10)의 각 단위 안테나(1)와 타겟 포인트(P) 간의 거리를 기초로 각 단위 안테나(1)로 급전해 주어야 하는 입력 위상을 산출하고, 산출된 입력 위상을 기초로 배열 안테나(10)를 제어한다.

이와 같이 방사 제어부(20)는 각 단위 안테나(1)의 위상을 조절하여 방사 전력이 특정 방향에서는 보강간섭이, 다른 방향에서는 상쇄간섭이 일어나도록 하여 빔을 타겟 포인트(P)에 집중시킨다.

방사 제어부(20)가 각 단위 안테나(1)의 입력 위상을 계산하는 일 예를 살펴보면, 다음의 수식과 같이 나타낼 수 있다.

배열 안테나(10)의 단위 안테나(1)가 m행과 n열로 배치된 것으로 가정할 때, 위 수식에서

은 각 단위 안테나(1)와 타겟 포인트(P)의 거리,

는 중심파장,

은 각 단위 안테나(1)와 타겟 포인트(P)의 거리 차에 의하여 발생한 파형의 시간적 지연에 관한 파라미터,

은 각 단위 안테나(1)의 입력 위상, 및

는 전파상수를 의미한다.

위 수식에서와 같이, 방사 제어부(20)는 각 단위 안테나(1)와 타겟 포인트(P) 간 거리를 기초로 입력 위상을 산출하되, 타겟 포인트(P)에서의 보강간섭을 고려하여 단위 안테나(1)와 타겟 포인트(P) 간의 거리 차에 따른 파형 지연을 보상해준다. 위 수식에 의하면, 각 단위 안테나(1)와 타겟 포인트(P)의 거리가 가까울수록 인접하는 단위 안테나(1) 간의 위상차가 커지게 된다.

또한, 방사 제어부(20)는 시험 대상물(EUT)의 크기와 시험에 요구되는 전계 강도를 고려하여 배열 안테나(10)로부터 방사되는 시험용 전파의 빔 폭을 제어할 수 있다. 즉, 시험 대상물(EUT)의 크기가 큰 경우와 같이, 넓은 빔 폭으로 시험용 전파를 조사해야 하는 경우, 또는 이 반대의 경우에 방사 제어부(20)는 동작하는 단위 안테나(1)의 개수와 각 단위 안테나(1)에 전달되는 전력의 제어를 통하여 시험용 전파의 빔 폭의 광협을 제어할 수 있다. 이때, 빔 폭을 조절하는 과정에서 야기되는 전력 손실 등을 감안하여 시험에 요구되는 전계 강도를 함께 고려해야 할 필요가 있다.

한편, 전자파 적합성 시험은 시험 대상물(EUT)의 특성 및 사용 양태에 따라 여러 포인트, 다양한 방향에서 이루어질 필요가 있으므로, 방사 제어부(20)는 각 단위 안테나(1)의 위상 조절을 통한 빔 조향을 수행하여 시험용 전파가 여러 타겟 포인트(P)에 집중 방사되어 시험 대상물(EUT)의 여러 면, 다양한 방향에 대해서 시험이 수행될 수 있도록 한다.

전자파 적합성 시험은 균일전계 영역에서 이루어져야 하며, 시험 과정에서 현재 전계 강도를 파악할 필요가 있다. 근접 필드에서는 전계　강도 예측이 어려우므로 종래 기술에 의하면 복수의 필드 프로브를 이용하여 전계　강도를 측정하였으나, 본 발명의 실시예에 따르면, 전계 산출부(30)를 포함하여 필드 프로브를 통한 측정을 통하지 않고 계산을 통하여 전계 강도를 예측할 수 있다.

전계 산출부(30)는 단위 안테나(1)의 방사 패턴, 단위 안테나(1)에 입력되는 전력의 세기, 단위 안테나(1)와 타겟 포인트(P)를 포함하는 평면의 단위 영역 간의 거리 중 적어도 어느 하나의 요소를 기초로 배열 안테나(10)의 배열 계수(array factor, AF)를 계산하고, 이를 기초로 전계 강도를 산출하여 방사 제어부(20)에 시험용 전파에 대한 정보를 피드백해준다.

도 2는 전계 산출부(30)를 통하여 배열 계수가 계산되는 일 예를 설명하기 위한 참고도이다. 도 2를 참조하면, 전계 산출부(30)는 다음의 수식을 통하여 배열 계수 AF를 계산할 수 있다.

위 수식에서,

은 각 단위 안테나(1)에 입력되는 전력의 세기,

은 단위 안테나(1)의 방사 패턴을 나타내는 함수,

는 전파 상수,

은 단위 안테나(1) 간의 거리,

은 각 단위 안테나(1)의 입력 위상,

는 중심파장,

은 각 단위 안테나(1)와 타겟 포인트(P)를 포함하는 평면의 단위 영역 간의 거리를 의미한다.

전계 산출부(30)는 위와 같이 계산된 배열 계수를 이용하여 안테나 이득과 전계 강도를 산출하여 방사 제어부(20)에 피드백 해준다. 방사 제어부(20)는 피드백된 정보를 기초로 배열 안테나(10)를 제어하여 방사되는 시험용 전파의 세기 및 빔 방향, 빔 폭 등을 조정할 수 있다.

모니터링부(40)는 배열 안테나(10)로부터 방사된 시험용 전파로 인한 시험 대상물(EUT)의 반응을 모니터링한다. 모니터링부(40)는 시험 대상물(EUT)로부터 응답 특성 곡선을 추출하는 등으로 정상 동작 여부를 확인할 수 있다.

모니터링부(40)는 시험 경과를 기록하여 시험에 요구되는 모든 주파수 대역, 전계　강도에 대하여 시험이 수행되도록 한다. 방사 제어부(20)는 모니터링부(40)의 기록된 시험 경과 정보를 기초로 시험용 전파의 세기와 주파수 대역을 순차적으로 변경하여 시험하고자 하는 모든 환경 및 조건에서 시험이 수행될 수 있도록 한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 적합성 시험장치는 시험 대상물(EUT)을 회전시키기 위한 회전 테이블(turn table, 50)을 더 포함할 수 있다. 시험 대상물(EUT)에 따라 전면(全面)에 대한 스캐닝이 이루어져야 할 필요가 있으므로, 모니터링부(40)의 시험 경과에 대응하여 시험 대상물(EUT)을 자동으로 또는 원격 컨트롤에 의하여 회전시켜 필요한 모든 방향에 대해서 시험이 수행될 수 있도록 할 수 있다.

도 3은 배열 안테나(10)와 타겟 포인트(P) 간의 거리 d에 따른 전력밀도 변화를 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 거리 d가 멀어질수록 에너지가 집중되는 영역이 더 넓어짐을 확인할 수 있다. 이에 따르면, 시험 대상물(EUT)의 크기로 인하여 더 넓은 영역에 시험용 전파를 방사하여야 할 때, 배열 안테나(10)와 타겟 포인트(P) 간의 거리를 멀리함으로써 이를 달성할 수 있음을 예상할 수 있다.

이를 고려하여, 회전 테이블(50)은 회전뿐 아니라, 수평 방향으로도 이동할 수 있도록 구현되어 배열 안테나(10)과 시험 대상물(EUT)의 수평 거리를 자동, 또는 원격 컨트롤을 통하여 조정할 수 있도록 할 수도 있다. 일 예로, 전자파 무반사실의 바닥에는 배열 안테나(10)로부터 일 방향을 따라 연장되는 레일(미도시)이 설치되고, 회전 테이블(50)이 상기 레일을 따라 이동 가능하게 구성되어, 시험 대상물(EUT)이 배열 안테나(10)로부터 가까워지거나 멀어지도록 이루어질 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자파 적합성 시험장치는 고이득을 달성하기 위한 큰 크기의 안테나를 배제하고 배열 안테나(10)를 적용함으로써, 소형의 안테나로 장치의 경제적인 구현이 가능함과 동시에 안테나 높이 및 각도조절을 위한 복잡한 기계적 매커니즘과 전계　강도 측정을 위한 필드 프로브를 생략할 수 있어 시험 편의성 및 경제성을 달성할 수 있는 장점이 있다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예가 앞서 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

그러므로 본 발명의 실시예는 단지 예시적인 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상은 특허청구범위의 기재로부터 정의되고, 그 보호범위는 균등물에 미치는 것으로 보아야 할 것이다.

10: 배열 안테나 20: 방사 제어부
30: 전계 산출부 40: 모니터링부
50: 회전 테이블

Claims (9)

1. 시험 대상물의 전자파 적합성을 시험하는 시험장치에 있어서,
   적어도 두 개 이상의 단위 안테나가 배열되어 구성되는 배열 안테나;
   상기 배열 안테나로부터 미리 결정된 포인트에 집중된 시험용 전파가 방사되도록 상기 각 단위 안테나의 위상을 제어하는 방사 제어부;
   상기 시험용 전파로 인한 상기 시험 대상물의 반응을 모니터링하는 모니터링부; 및
   상기 단위 안테나의 방사 패턴, 상기 단위 안테나에 입력되는 전력의 세기, 및 상기 단위 안테나와 상기 포인트를 포함하는 평면의 단위 영역 간의 거리 중 적어도 어느 하나의 요소를 기초로 상기 배열 안테나의 배열 계수(array factor)를 계산하고, 상기 배열 계수를 기초로 전계 강도를 산출하여 상기 방사 제어부에 상기 시험용 전파에 대한 정보를 피드백해주는 전계 산출부를 더 포함하며,
   상기 방사 제어부는 상기 피드백된 정보를 기초로 배열 안테나를 제어하여 방사되는 시험용 전파의 세기, 빔 방향 및 빔 폭 중 적어도 어느 하나를 조정하는 것을 특징으로 하는 전자파 적합성 시험장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 방사 제어부는 상기 각 단위 안테나와 상기 미리 결정된 포인트 간의 거리를 기초로 상기 각 단위 안테나로 급전해 주어야 하는 입력위상을 산출하는 전자파 적합성 시험장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 방사 제어부는 상기 단위 안테나와 상기 미리 결정된 포인트 간의 거리 차에 따른 파형 지연을 보상하여 상기 입력위상을 산출하는 전자파 적합성 시험장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 방사 제어부는 상기 시험 대상물의 크기와 요구되는 전계 강도를 고려하여 상기 시험용 전파의 빔 폭을 제어하는 전자파 적합성 시험장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 방사 제어부는 상기 각 단위 안테나의 위상 조절을 통한 빔 조향을 수행하는 전자파 적합성 시험장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 방사 제어부는 상기 시험용 전파의 세기 및 주파수 대역의 순차적인 변경을 제어하는 전자파 적합성 시험장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 모니터링부의 모니터링 경과에 대응하여 상기 시험 대상물을 회전시키기 위한 회전 테이블을 더 포함하는 전자파 적합성 시험장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 배열 안테나로부터 일 방향을 따라 연장되는 레일을 더 포함하며,
   상기 시험 대상물과 상기 배열 안테나 간의 거리를 조정 가능하도록, 상기 회전 테이블은 상기 레일에 이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 전자파 적합성 시험장치.

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