KR101819173B1 - 커플링 감도가 개선된 캐비티-백 커플러 - Google Patents

커플링 감도가 개선된 캐비티-백 커플러 Download PDF

Info

Publication number
KR101819173B1
KR101819173B1 KR1020160014590A KR20160014590A KR101819173B1 KR 101819173 B1 KR101819173 B1 KR 101819173B1 KR 1020160014590 A KR1020160014590 A KR 1020160014590A KR 20160014590 A KR20160014590 A KR 20160014590A KR 101819173 B1 KR101819173 B1 KR 101819173B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cavity
electrode
power device
coupler
impulse signal
Prior art date
Application number
KR1020160014590A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170093335A (ko
Inventor
이상화
조국희
박영진
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020160014590A priority Critical patent/KR101819173B1/ko
Publication of KR20170093335A publication Critical patent/KR20170093335A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101819173B1 publication Critical patent/KR101819173B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas

Landscapes

  • Near-Field Transmission Systems (AREA)

Abstract

본 발명은 전력 기기에서 부분 방전에 의하여 발생하는 임펄스 신호를 하는 수신하는 캐비티-백 커플러로서, 상기 임펄스 신호를 수신하는 전극; 상기 전극과 전기적으로 연결되어 수신된 상기 임펄스 신호를 외부로 전달하는 컨넥터; 및 상기 전극을 내장하며, 상기 전력 기기와 접촉되는 방향으로 개구를 가지는 캐비티를 포함하여 구성되며, 상기 전극은 상기 캐비티 내부에서 기울어진 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러를 개시한다.
본 발명에 따르면, 도전체 캐비티의 내부에 위치하는 전극의 배치, 형상 등을 개선함으로써 캐비티-백 커플러가 광대역 임펄스 전자기 신호를 보다 높은 감도로 수신할 수 있고, 주파수 특성을 개선하여 수신 신호의 왜곡을 억제하는 효과를 가진다.

Description

커플링 감도가 개선된 캐비티-백 커플러{CAVITY-BACKED COUPLER WITH ENHANCED COUPLING SENSITIVITY}
본 발명은 광대역 임펄스 전자기 신호를 송수신하는데 사용될 수 있으며 캐비티(cavity, 공동)를 포함하여 구성되는 캐비티-백 커플러(cavity-backed Coupler)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 도전체 캐비티의 내부에 위치하는 전극의 배치, 형상 등을 개선하여 광대역 임펄스 전자기 신호를 보다 높은 감도로 왜곡없이 수신할 수 있는 캐비티-백 커플러에 관한 것이다.
시간 영역에서 매우 짧은 주기동안 발생하는 임펄스 신호는 주파수 영역에서는 광대역 특성을 가지게 된다. 근래에는 상기와 같은 광대역 특성의 임펄스 신호가 다양한 어플리케이션에서 활용되고 있는 추세이며, 예를 들어 상기 임펄스 신호는 유방암 진단 장치, 지반 탐사 레이더 (UWB GPR), 위험 물질 비파괴 진단 장치 등 다양한 시스템에 적용되고 있다.
나아가, 상기 임펄스 신호는 전력 기기의 노후화, 외부 및 내부 구조의 손상 등으로도 발생할 수 있는 바, 노후화된 전력 기기 등에서 방사되는 신호를 검출하여, 상기 기기의 이상 유무 감지 및 절연체의 열화 정도를 감시하거나 나아가 상기 기기의 수리 시기 등을 예측하는 용도로도 활용될 수 있다. 상기 전력 기기 내에서 상기 임펄스 신호는 여러 원인으로 발생할 수 있으나, 예를 들어 절연물 내 공극에 의한 보이드 방전, 전극의 첨단 부분에서 발생하는 코로나 방전, 절연물의 표면을 따라 발생하는 연면 방전 등의 부분 방전에 의해서 나타날 수 있으며, 상기와 같은 경우 외에도 각종 산업체 및 전력 계통 변전소 등에 설치되는 수전 설비 및 고압 배전반 등 다양한 전력 기기에서 나타날 수 있다.
상기와 같이 임펄스 신호를 사용하는 시스템을 구현하고, 나아가 그 성능을 개선하기 위해서는 상기 임펄스 신호를 왜곡없이 수신 또는 송신할 수 있어야 하며, 나아가 높은 감도로 상기 임펄스 신호를 커플링할 수 있는 광대역 커플러가 구현되어야 한다.
이에 대하여, 캐비티(cavity) 등의 구조물을 사용하여 외부로부터의 노이즈를 차단하고 방향성을 높여 커플러의 성능을 개선하기 위한 시도가 이루어지고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제 10-2005-0053077에서는 오목형 금속 반사체를 사용하여 외부 방해파를 차단하고 임펄스의 땅속 투과 특성을 향상시키기 위하여 오목형 금속 반사체를 사용하는 구조를 개시하고 있다.
또한, 상기 커플러를 구성함에 있어서는 임펄스 신호의 왜곡을 억제하기 위하여 광대역 특성을 가지는 전극을 사용하는 것이 바람직하며, 이에 따라 스파이럴(spiral) 방사소자, 평판형 로그 피리어딕(log-periodic) 방사소자 등을 전극으로 사용할 수 있다.
그런데, 상기와 같이 캐비티 등의 구조물을 사용하여 커플러를 구성하는 경우, 상기 캐비티 등의 구조물에 의하여 상기 전극에서의 전자기 분포가 틀어지면서 커플러의 주파수 대역폭이 좁아지는 등의 문제가 나타날 수 있고, 나아가 상기 커플러의 감도 등 성능이 크게 저하되는 문제가 나타날 수 있다. 이에 따라, 상기 캐비티 등의 구조물을 사용하면서도 감도 등 성능을 개선할 수 있는 구조의 커플러가 요구되고 있는 상황이다.
대한민국 특허공개공보 제10-2005-0053077호(2005.06.08. 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 캐비티를 사용하여 커플러를 구성하면서 나타날 수 있는 커플러의 성능 저하를 억제하고 주파수 대역폭, 감도 등 개선된 성능을 가지는 캐비티-백 커플러를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 캐비티-백 커플러는, 전력 기기에서 부분 방전에 의하여 발생하는 임펄스 신호를 하는 수신하는 캐비티-백 커플러로서, 상기 임펄스 신호를 수신하는 전극; 상기 전극과 전기적으로 연결되어 수신된 상기 임펄스 신호를 외부로 전달하는 컨넥터; 및 상기 전극을 내장하며, 상기 전력 기기와 접촉되는 방향으로 개구를 가지는 캐비티를 포함하여 구성되며, 상기 전극은 상기 캐비티 내부에서 기울어진 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 전극은, 상기 전극에서 표면 전류 밀도가 가장 높은 지점을 포함하는 제1 영역이 상기 전력 기기에 근접하도록 기울어진 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 전극은, 상기 전력 기기의 형상에 대응하여 곡면 형상을 가질 수 있다.
또한, 비유전율이 2 내지 5인 물질로 이루어지며, 상기 캐비티의 개구를 몰딩하는 몰딩부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 캐비티-백 커플러는, 전력 기기에서 부분 방전에 의하여 발생하는 임펄스 신호를 수신하는 캐비티-백 커플러로서, 상기 임펄스 신호를 수신하는 전극; 상기 전극에서 수신된 상기 임펄스 신호를 외부로 전달하는 컨넥터; 상기 전극과 상기 컨넥터를 전기적으로 연결하는 급전부; 및 상기 전극을 내장하며, 상기 전력 기기와 접촉되는 방향으로 개구를 가지는 캐비티를 포함하여 구성되며, 상기 전극은 상기 커넥터에서 상기 전력 기기 방향으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 급전부는, 스트립 라인을 포함하는 기판을 포함하여 구성될 수 있다.
또는, 상기 급전부는, 내부 도체와 외부 도체를 포함하는 동축선을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 전극은, 상기 전력 기기의 형상에 대응하여 곡면 형상을 가질 수 있다.
또한, 비유전율이 2 내지 5인 물질로 이루어지며, 상기 캐비티의 개구를 몰딩하는 몰딩부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 도전체 캐비티의 내부에 위치하는 전극의 배치, 형상 등을 개선함으로써 캐비티-백 커플러가 광대역 임펄스 전자기 신호를 보다 높은 감도로 수신할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따르면 캐비티-백 커플러의 동작 주파수 대역을 확장하고, 나아가 수신 신호의 왜곡을 줄일 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 전력 기기에서 사용되는 커플러의 구조 및 사용례를 도시하는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이격된 전극을 가지는 캐비티-백 커플러의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이격된 전극을 가지는 캐비티-백 커플러의 단면도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면 형상 전극을 가지는 캐비티-백 커플러의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러의 성능을 검증하기 위한 실험예를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러의 감도를 보여주는 측정 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러의 주파수 특성을 보여주는 측정 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 캐비티-백 커플러(100)의 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에서는 통상적인 전력 기기에서 사용되는 커플러(Coupler)의 구조 및 사용례를 도시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 커플러는 전력 기기에 부착되거나 내장되어 상기 전력 기기에서 발생하는 부분 방전(Partial Discharge)에 의한 임펄스 신호를 감지하는데 사용되게 된다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 통상적으로 상기 커플러를 구성함에 있어서는 상기 임펄스 신호를 수신하기 위한 전극을 FR-4 등의 기판에 식각 공정 등을 사용하여 형성하고, 이를 캐비티(cavity)에 장착된 N-타입 등 고주파 컨넥터에 직접 연결하여 커플러를 구성하였다.
그러나, 이러한 경우 상기 캐비티에 의한 전자기장 분포의 변형 등에 따라 광대역 주파수 특성 등 상기 전극의 전기적 특성이 왜곡될 수 있고, 나아가 상기 컨넥터와의 기구적 결합 관계에 따라 상기 전극의 배치, 형상 등에 제한이 따르게 되는 바, 상기 커플러의 광대역 주파수 특성 및 감도 등 전반적인 성능에 제약이 나타날 수 있었다.
이에 대하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)에서는 도전체로 이루어지는 캐비티(130)의 내부에 위치하는 전극(110)의 배치, 형상 등을 개선함으로써 캐비티-백 커플러(100)가 전력 기기 등에서 발생하는 광대역 임펄스 전자기 신호를 보다 높은 감도로 수신할 수 있으며, 나아가 동작 주파수 대역을 확장하고 수신 신호의 왜곡을 줄일 수 있도록 한다.
도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)의 사시도를 예시하고 있다. 상기 캐비티-백 커플러 (100)에서는 전력 기기에서 부분 방전에 의하여 발생하는 임펄스 신호를 수신하게 된다. 이때 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)는 임펄스 신호를 수신하는 전극(110), 상기 전극(110)과 연결되어 수신된 상기 임펄스 신호를 외부로 전달하는 컨넥터(120), 상기 전극(110)을 내장하며, 전력 기기와 접촉되는 방향으로 개구를 가지는 캐비티(130)를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때, 상기 전극(110)은 상기 캐비티(130) 내부에서 기울어진(slanted) 형태로 배치되게 된다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백(cavity-back) 커플러(100)는 비유전율이 2 내지 5인 물질로 이루어지며, 상기 캐비티(130)의 개구를 몰딩하는 몰딩부(140)를 더 포함할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백(cavity-back) 커플러(100)는 상기 전력 기기에서 발생한 임펄스 신호를 수신하게 되는 바, 통상 비유전율 2 내지 5 정도의 유전율을 가지는 전력 기기의 스페이서(spacer) 등에 부착되어 사용된다. 따라서 상기 임펄스 신호의 반사를 방지하면서 상기 캐비티-백(cavity-back) 커플러(100) 내부에 위치하는 전극(110) 등의 부식 등을 방지할 수 있는 비유전율이 2 내지 5인 물질로 상기 몰딩부(140)를 구성하는 것이 보다 바람직하다.
보다 구체적으로 도 2(a)에서는 개구를 몰딩하는 몰딩부(140)가 상기 전극(110)을 몰딩하여 전극(110)의 형상이 가려진 형상을 예시하고 있으며, 도 2(b)에서는 상기 몰딩부(140)가 제거된 상태에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)를 도시하고 있다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)를 각 구성 요소 별로 나누어 자세하게 살핀다.
먼저, 상기 전극(110)에서는 상기 전력 기기에서의 부분 방전에 의하여 생성되는 임펄스 신호를 수신하게 된다. 이때, 종래에는 상기 전극(110)을 통상적으로 상기 캐비티(130)의 하면 등과 평행하게 배치하였으나, 본 발명에서는 상기 기판을 기울어진(slanted) 형태로 배치함으로써, 캐비티-백 커플러(100)의 특성을 개선하도록 한다.
보다 구체적으로, 상기 전극(110)에서의 표면전류 분포는 균일하지 않으며, 상기 임펄스 신호의 인가에 따라 전자기장 분포가 밀집되면서 표면전류 밀도가 높아지는 영역이 발생하게 된다. 즉, 상기 표면전류 밀도가 높아지는 영역은 상기 임펄스 신호에 의한 전자기장 분포가 밀집되는 영역으로서, 상기 전극(110)이 상기 임펄스 신호를 수신하는데 있어 보다 큰 영향을 미치게 된다. 이에 따라, 본 발명자들은 상기 표면전류 밀도가 높은 영역을 상기 임펄스 신호를 발생시키는 전력 기기 방향으로 기울어진(slanted) 형태로 배치되도록 함으로써 캐비티-백 커플러(100)의 성능을 크게 개선할 수 있음을 확인하였다.
또한, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)의 구조는 등가 커패시턴스(equivalent capacitance)의 관점에서도 설명될 수 있다. 즉, 상기 전극(110)은 상기 전력 기기에 대한 소정의 등가 커패시턴스를 형성하게 되며, 이에 따라 상기 전력 기기로부터 전달되는 임펄스 신호를 커플링하게 된다고 설명할 수 있다. 이때, 상기 전극(110)의 일부 영역을 상기 전력 기기로 근접하도록 기울어진(slanted) 형태로 배치함으로써, 상기 캐비티-백 커플러(100)의 등가 커패시턴스(equivalent capacitance)를 높일 수 있게 되며, 특히 상기 임펄스 신호에 의한 전자기장 분포가 집중되는 표면 전류 밀집 지역을 상기 전력 기기로 근접하도록 기울어진 형태로 배치함으로써, 보다 효율적으로 상기 캐비티-백 커플러(100)의 등가 커패시턴스를 높이고, 이에 따라 상기 임펄스 신호를 효율적으로 커플링할 수 있게 된다.
도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)의 단면도를 도시하고 있다. 도 3(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 전극(110)은 기울어진(slanted) 형상으로 배치될 수 있으며, 이에 따라 상기 캐비티-백 커플러(100)의 성능을 개선할 수 있게 된다.
나아가, 도 3(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100) 구조의 경우, 상기 전극(110)을 FR-4 등 소정의 기판을 사용하여 구성하고, 상기 전극(110)의 일측을 상기 컨텍너(120)에 고정시키고, 상기 일측에 대향하는 타측을 상기 캐비티(130)에 형성되는 고정용 구조물을 이용하여 배치함으로써 제품의 생산에 따른 편차를 줄이고 균일한 제품 특성을 가지도록 할 수 있다는 장점도 가질 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 전파 흡수체(150)를 더 포함할 수도 있다. 도 3에서는 전파 흡수체(150)가 상기 캐비티(130)의 하면에 장착된 경우를 예시하고 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 캐비티(130)의 측면 중 일부 또는 전부에도 장착될 수도 있다.
나아가, 상기 전파 흡수체(150)에 의하여 상기 전력 기기로부터 인가되는 임펄스 신호의 산란을 방지하여 상기 캐비티-백 커플러(100)의 성능을 개선할 수도 있는 바, 상기 임펄스 신호의 산란을 효과적으로 억제할 수 있도록 상기 임펄스 신호에 의한 전자기장 분포를 고려하여 상기 전극(110)에서 높은 표면전류 밀도를 가지는 영역에 근접한 캐비티(130)의 측면에 상기 전파 흡수체(150)를 추가하거나, 경우에 따라서는 상기 높은 표면전류 밀도를 가지는 영역에 근접한 캐비티(130)의 측면에서 상기 전파 흡수체(150)를 제거하는 구조를 구성할 수도 있다.
또한, 상기 전력 기기에서 인가되는 임펄스 신호도 특정 주파수 대역의 신호를 포함하는 광대역 신호인 바, 주파수 대역에 따라 캐비티-백 커플러(100)의 특성이 달라질 수 있으며, 따라서 상기 캐비티-백 커플러(100)의 동작 주파수 대역을 고려하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)를 설계하고 그 성능을 최적화하는 것이 바람직하다.
이어서, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이격된 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)의 투시도를 예시하고 있다. 도 4(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이격된 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)는, 전력 기기에서 부분 방전에 의하여 발생하는 임펄스 신호를 하는 수신하는 캐비티-백 커플러(100)로서, 상기 임펄스 신호를 수신하는 전극(110), 상기 전극(110)에서 수신된 상기 임펄스 신호를 외부로 전달하는 컨넥터(120), 상기 전극(110)과 상기 컨넥터(120)를 연결하는 급전부(160) 및 상기 전극(110)을 내장하며, 상기 전력 기기와 접촉되는 방향으로 개구를 가지는 캐비티(130)를 포함하여 구성되며, 상기 전극(110)은 상기 커넥터(120)에서 상기 전력 기기 방향으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다(도 4에서는 내부 구조를 살피기 위하여 캐비티(130)의 하면 만을 도시함). 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백(cavity-back) 커플러(100)는 비유전율이 2 내지 5인 물질로 이루어지며, 상기 캐비티(130)의 개구를 몰딩하는 몰딩부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
보다 구체적으로 도 4(a)에서는 커넥터(120)의 내심(inner conductor)가 급전부(160)의 스트립 라인에 연결되고, 상기 스트립 라인은 상기 전극(110)에 연결되는 구조를 도시하고 있다. 또한 도 4(b)에서는 상기 급전부(160)가 스트립 라인이 인쇄된 급전부 기판(162)을 포함하여 구성되는 경우를 예시하고 있다.
덧붙여, 상기 급전부(160)는 반드시 스트립 라인 등 도전체를 이용하여 상기 전극(110)과 상기 컨넥터(120)를 직접 연결하여야 하는 것은 아니며, 고주파 신호의 커플링 등을 이용하여 전기적으로 연결되어 신호를 효과적으로 전달할 수 있으면 특별한 제한없이 본 발명에 적용될 수 있다.
상기와 같이 급전부 기판(162) 및 그에 인쇄된 스트립 라인 등을 이용하여 상기 급전부(160)를 구성함으로써, 상기 전극(110)은 상기 컨넥터(120)로부터 이격되어 상기 전력 기기로부터 인가되는 임펄스 신호를 보다 효과적으로 수신할 수 있는 위치에 자유롭게 배치될 수 있게 된다.
특히, 상기 전극(110)을 상기 컨넥터(120)로부터 상기 전력 기기 방향으로 이격하여 배치함으로써, 상기 전극(110)과 상기 전력 기기 간에 형성되는 등가 커패시턴스(equivalent capacitance)를 높일 수 있게 되며, 이에 따라 상기 전력 기기로부터 전달되는 임펄스 신호를 보다 효과적으로 커플링하게 된다.
또한, 상기 전극(110)의 이격에 의하여 임펄스 신호에 의한 전자기장 분포가 집중되는 표면 전류 밀집 지역을 포함하는 전극(110)의 전체 영역이 상기 전력 기기로 근접하게 배치됨으로써 보다 효율적으로 상기 전력 기기로부터 인가되는 임펄스 신호를 커플링할 수 있게 된다.
도 5에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이격된 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)의 단면도를 도시하고 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 급전부(160)는 내부 도체와 외부 도체를 포함하는 동축선(coaxial cable)을 포함하여 구성될 수도 있다. 이러한 경우, 외부 신호에 의하여 상기 급전선(160)으로 전달되는 신호가 영향을 받는 것을 최소화하면서도 상기 기판(110)의 배치를 효율적으로 할 수 있게 되어, 상기 캐비티-백 커플러(100)의 성능을 효과적으로 개선할 수 있게 된다는 점을 확인하였다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이격된 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)에서도 앞서 설명한 바와 같이 전파 흡수체(150)를 더 포함할 수도 있다. 상기 전파 흡수체(150)는 상기 캐비티(130)의 하면에 장착될 수도 있겠으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 캐비티(130)의 측면 중 일부 또는 전부에도 장착될 수도 있다.
나아가, 상기 전파 흡수체(150)에 의하여 상기 전력 기기로부터 인가되는 임펄스 신호의 산란을 방지하여 상기 캐비티-백 커플러(100)의 성능을 개선할 수도 있는 바, 상기 임펄스 신호의 산란을 효과적으로 억제할 수 있도록 상기 임펄스 신호에 의한 전자기장 분포를 고려하여 상기 전극(110)에서 높은 표면전류 밀도를 가지는 영역에 근접한 캐비티(130)의 측면에 상기 전파 흡수체(150)를 추가하거나, 경우에 따라서는 상기 높은 표면전류 밀도를 가지는 영역에 근접한 캐비티(130)의 측면에서 상기 전파 흡수체(150)를 제거하는 구조를 구성할 수도 있다.
또한, 상기 전력 기기에서 인가되는 임펄스 신호도 특정 주파수 대역의 신호를 포함하는 광대역 신호인 바, 주파수 대역에 따라 캐비티-백 커플러(100)의 특성이 달라질 수 있으며, 따라서 상기 캐비티-백 커플러(100)의 동작 주파수 대역을 고려하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 이격된 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)를 설계하고 그 성능을 최적화하는 것이 바람직하다.
이어서, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면 형상 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)의 단면도를 예시하고 있다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 곡면 형상 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)가 반드시 평면 형상의 전극을 사용하여야 하는 것은 아니며, 특히 상기 전극(110)이 상기 캐비티-백 커플러(100)가 접촉하게 되는 전력 기기의 접촉 부위의 형상에 대응하여 곡면 형상을 가지도록 함으로써 상기 캐비티-백 커플러(100)가 상기 전력 기기로부터 인가되는 임펄스 신호를 보다 효율적으로 수신할 수 있게 된다.
즉, 상기 전극(110)의 형상을 상기 캐비티-백 커플러(100)가 접촉하게 되는 전력 기기의 접촉 부위의 형상에 대응하여 곡면 형상을 가지도록 함으로써, 상기 전극(110)과 상기 전력 기기 간에 형성되는 등가 커패시턴스(equivalent capacitance)를 높일 수 있게 되고, 이에 따라 상기 전력 기기로부터 전달되는 임펄스 신호를 보다 효과적으로 커플링하게 된다.
또한, 상기 전극(110)이 상기 전력 기기의 접촉 부위의 형상에 대응하는 곡면 형상을 가짐으로써 임펄스 신호에 의한 전자기장 분포가 집중되는 표면 전류 밀집 지역을 포함하는 전극(110)의 전체 영역이 상기 전력 기기로 근접하게 배치됨으로써 보다 효율적으로 상기 전력 기기로부터 인가되는 임펄스 신호를 커플링할 수 있게 된다.
나아가, 상기 곡면 형상의 전극(110)은 개별적으로 적용될 수도 있겠으나, 앞서 설명한 기울어진 전극(110) 및 이격된 전극(110)와 함께 적용되어 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)를 구성하는데 사용될 수도 있다.
이어서, 도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)의 성능을 검증하기 위한 실험예를 설명하는 도면을 예시하고 있다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이 고전압이 흐르는 도전선을 감싸는 가스 절연 개폐기(GIS)의 외부 스페이서(spacer)에 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)와 비교 커플러(200)를 장착한 후, 상기 커플러를로부터 일정한 거리가 이격된 위치에 실제 부분 방전을 발생시킬 수 있는 부분 방전 발생 장치(PD-cell)을 설치하여 실험을 진행하였다.
상기 부분 방전 발생 장치(PD-cell)가 발생시킨 임펄스 신호는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)와 비교 커플러(200)에 동시에 인가되었고, 외부에 연결된 오실로스코프(Oscilloscope) 등의 측정 장치로 전달되어 측정 데이터가 산출되었으며, 상기 일련의 실험들은 국제전력기술회의(CIGRE)의 권고안에 따라 실시되었다.
아래에서는 상기한 실험을 통하여 측정된 실험 결과 및 그에 따라 산출된 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)의 성능 개선 효과를 설명하고자 한다.
먼저, 도 8에서는 비교 대상으로서 평행하게 배치되고 평면 형상을 가지는 전극을 가지는 비교 대상 캐비티-백 커플러(200)와 본 발명의 일 실시예에 따라 기울어지고 곡면 형상의 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)의 감도를 보여주는 측정 그래프를 비교하여 도시하고 있다. 보다 구체적으로 도 8(a)에서는 상기 부분 방전 발생 장치(PD-cell)에서 부분 방전이 발생한 경우, 상기 비교 대상 캐비티-백 커플러(200)에서 수신한 파형 그래프를 도시하고 있다. 또한, 도 8(b)에서는 상기 부분 방전 발생 장치(PD-cell)에서 부분 방전이 발생한 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)에서 수신한 파형 그래프를 도시하고 있다
이때, 도 8(a)의 측정 데이터에서 산출된 상기 비교 대상 캐비티-백 커플러(200)에서의 수신 신호의 첨두치(peak-to-peak) 값은 20.4mV이고, 표준 커플러에서의 수신 신호의 첨두치(peak-to-peak) 값은 15.2mV로 측정된 바, 상기 비교 대상 캐비티-백 커플러(200)는 표준 커플러 대비 첨두치가 5.2mV 더 큰 신호를 수신하였다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)에서의 수신 신호의 첨두치(peak-to-peak) 값은 25.2mV이고, 표준 커플러에서의 수신 신호의 첨두치(peak-to-peak) 값은 17.5mV로 측정된 바, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(200)는 표준 커플러 대비 첨두치가 7.7mV 더 큰 신호를 수신하였다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(200)는 비교 대상 커플러 대비 첨두치가 약 48% 증대된 크기의 신호를 수신하였음을 확인할 수 있다.
또한, 아래의 표에서는 상기와 같은 실험을 통하여 정리된, 본 발명의 일 실시예에 따라 기울어지고 곡면 형상의 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)와 일반적인 캐비티-백 커플러를 사용한 경우의 피크(peak) 전압 감도비를 나타내고 있다.
기울어지고 곡면 형상의 전극을 가지는 캐비티-백 커플러 일반적인 캐비티-백 커플러
Peak 전압 감도비
(V/V, 100회 평균)		 1.49 1.31
상기 표에서는 모두 100회의 실험을 통하여 산출된 측정치를 평균한 값을 제시하고 있으며, 상기 표에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 기울어지고 곡면 형상의 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)의 피크(peak) 전압 감도비는 1.49로서, 일반적인 캐비티-백 커플러의 피크(peak) 전압 감도비 1.31보다 더 뛰어난 수신율을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 9에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)의 주파수 특성을 보여주는 측정 그래프를 도시하고 있다. 먼저 도 9(a)에서는 일반적인 캐비티-백 커플러에 대하여 측정한 주파수 특성 그래프를 보여주고 있다. 이때, 목표 주파수 대역(500MHz~1500MHz) 중 기준 감도(유효 높이 6mm 기준)를 만족하는 주파수 대역은 약 80% 수준으로 산출되었다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따라 기울어지고 곡면 형상의 전극을 가지는 캐비티-백 커플러(100)에 대하여 측정한 주파수 특성 그래프를 보여주고 있다. 이때, 목표 주파수 대역(500MHz~1500MHz) 중 기준 감도(유효 높이 6mm 기준)를 만족하는 주파수 대역은 약 87% 수준으로 산출되어, 상기 일반적인 캐비티-백 커플러보다 넓은 주파수 대역에서 기준 감도를 만족시키고 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 상기한 실험 결과 등을 볼 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 캐비티-백 커플러(100)는 보다 개선된 감도를 가진다는 점을 확인할 수 있고, 나아가 보다 넓은 주파수 대역에서 기준 감도를 만족시킬 수 있어 수신 신호의 왜곡을 억제할 수 있다는 점을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 캐비티-백 커플러
110: 전극
120 : 컨넥터
130 : 캐비티
140 : 몰딩부
150: 전파 흡수체
160 : 급전부
162 : 급전부 기판
200 : 비교 커플러

Claims (9)

  1. 전력 기기에 부착되거나 내장되어, 상기 전력기기에서 부분 방전에 의하여 발생하는 임펄스 신호를 수신하는 캐비티-백 커플러에 있어서,
    상기 임펄스 신호를 커플링하여 수신하는 전극;
    상기 전극과 전기적으로 연결되어 커플링을 통해 수신된 상기 임펄스 신호를 외부로 전달하는 컨넥터; 및
    상기 전극을 내장하며, 상기 전력 기기와 접촉되는 방향으로 개구를 가지는 캐비티를 포함하여 구성되며,
    상기 전극은 상기 캐비티 내부에서 상기 전극에서 표면 전류 밀도가 가장 높은 지점을 포함하는 제1 영역이 상기 전력 기기에 근접하도록 기울어진 형태로 배치되어 등가 캐패시턴스를 높여 감도를 개선하는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티의 내부 측면 중,
    상기 제1 영역에 근접한 측면에 전파 흡수체가 추가되거나,
    또는 상기 제1 영역에 근접한 측면에는 전파 흡수체가 제거되는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 전력 기기의 형상에 대응하는 곡면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
  4. 제1항에 있어서,
    비유전율이 2 내지 5인 물질로 이루어지며, 상기 캐비티의 개구를 몰딩하는 몰딩부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
  5. 전력 기기에 부착되거나 내장되어, 상기 전력 기기에서 부분 방전에 의하여 발생하는 임펄스 신호를 수신하는 캐비티-백 커플러에 있어서,
    상기 임펄스 신호를 커플링하여 수신하는 전극;
    상기 전극에서 커플링을 통해 수신된 상기 임펄스 신호를 외부로 전달하는 컨넥터;
    상기 전극과 상기 컨넥터를 전기적으로 연결하는 급전부; 및
    상기 전극을 내장하며, 상기 전력 기기와 접촉되는 방향으로 개구를 가지는 캐비티를 포함하여 구성되며,
    상기 전극은 상기 컨넥터에서 상기 전력 기기 방향으로 이격되어 배치되고,
    상기 전극은 상기 캐비티 내부에서 상기 전극에서 표면 전류 밀도가 가장 높은 지점을 포함하는 제1 영역이 상기 전력 기기에 근접하도록 기울어진 형태로 배치되어 등가 캐패시턴스를 높여 감도를 개선하는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 급전부는,
    스트립 라인을 포함하는 기판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 급전부는,
    내부 도체와 외부 도체를 포함하는 동축선을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 전력 기기의 형상에 대응하여 곡면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
  9. 제5항에 있어서,
    비유전율이 2 내지 5인 물질로 이루어지며, 상기 캐비티의 개구를 몰딩하는 몰딩부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비티-백 커플러.
KR1020160014590A 2016-02-05 2016-02-05 커플링 감도가 개선된 캐비티-백 커플러 KR101819173B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160014590A KR101819173B1 (ko) 2016-02-05 2016-02-05 커플링 감도가 개선된 캐비티-백 커플러

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160014590A KR101819173B1 (ko) 2016-02-05 2016-02-05 커플링 감도가 개선된 캐비티-백 커플러

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170093335A KR20170093335A (ko) 2017-08-16
KR101819173B1 true KR101819173B1 (ko) 2018-01-17

Family

ID=59752373

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160014590A KR101819173B1 (ko) 2016-02-05 2016-02-05 커플링 감도가 개선된 캐비티-백 커플러

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101819173B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102493421B1 (ko) 2022-09-30 2023-01-27 한국전기연구원 곡면형 전극을 갖는 임펄스 측정용 전자기 센서 및 그의 제조방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004235729A (ja) * 2003-01-28 2004-08-19 Denso Corp アンテナ装置
KR101379201B1 (ko) * 2013-02-28 2014-03-31 한국전기연구원 캐비티 상쇄간섭을 줄인 부분방전 커플러

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004235729A (ja) * 2003-01-28 2004-08-19 Denso Corp アンテナ装置
KR101379201B1 (ko) * 2013-02-28 2014-03-31 한국전기연구원 캐비티 상쇄간섭을 줄인 부분방전 커플러

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102493421B1 (ko) 2022-09-30 2023-01-27 한국전기연구원 곡면형 전극을 갖는 임펄스 측정용 전자기 센서 및 그의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170093335A (ko) 2017-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100658820B1 (ko) 가스절연기기의 부분방전 검출장치
US7750861B2 (en) Hybrid antenna including spiral antenna and periodic array, and associated methods
GB2417618A (en) Coaxial connector
KR101285146B1 (ko) 가스절연기기의 부분방전 검출센서 및 센서를 이용한 검출장치
US6950294B2 (en) Surge protection filter and lightning conductor system
CN106684556B (zh) 具有多个接地谐振器的柔性聚合物天线
KR101379201B1 (ko) 캐비티 상쇄간섭을 줄인 부분방전 커플러
KR101819173B1 (ko) 커플링 감도가 개선된 캐비티-백 커플러
TWI450446B (zh) 一種天線結構
US9531140B2 (en) Coaxial protective device
CN201213198Y (zh) 大功率射频天线雷电保护器
KR101555233B1 (ko) 주상 변압기의 부분방전 검출용 광대역 센서
CN106324446A (zh) 检测气体绝缘组合电器局部放电的外置超高频传感器
CN104133163A (zh) Gis局部放电在线检测外置多频带特高频传感器
US20160349303A1 (en) Partial discharge sensor
CN209401844U (zh) 局部放电检测天线
JP2006210971A (ja) アンテナ
KR102558018B1 (ko) 후면 연결부를 구비하는 캐비티-백 커플러
WO2016075956A1 (ja) アンテナ装置
KR102493421B1 (ko) 곡면형 전극을 갖는 임펄스 측정용 전자기 센서 및 그의 제조방법
JP2010246350A (ja) 耐雷同軸ケーブル
KR100893396B1 (ko) 내장형 센서가 구비된 가스 절연기기의 부분방전 검출장치
KR100666503B1 (ko) 가스 절연 개폐장치의 에폭시 주입구형 부분 방전 검출 센서
CN210222180U (zh) 内置式放电传感器的气密性结构及罐式断路器和含有sf6气体的高压电气设备
EP2475045A1 (en) Antenna connector

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant