KR102375553B1 - 페라이트 코어를 이용한 안테나 - Google Patents

Abstract

페라이트 코어를 이용한 안테나가 개시된다. 개시된 안테나는 실린더 형상의 페라이트 코어를 중심으로, 도체가 계단과 같은 형상을 반복하며 권선된다. 개시된 안테나는 동작하는 주파수 대역에서 낮은 안테나 팩터를 유지할 수 있으며, 안테나 크기가 작아 소형 차폐 시설의 차폐 효과를 측정하기에 적합하다.

Description

페라이트 코어를 이용한 안테나{ANTENNA USING A FERRITE CORE}

하기의 실시예들은 페라이트 코어를 이용한 안테나에 관한 것으로, 구체적으로는 실린더 형상의 페라이트 코어에 도체를 스텝 형상으로 권선하여 구현된 안테나에 관한 것이다.

EMP(Electro Magnetic Pulse) 공격은 강력한 전자기 펄스를 이용하여 상대방의 전자 장비를 무력화시키는 공격이다. 핵폭발이 일어나면 전자기파와 중성자가 생성되는데, 이때 생성되는 강력한 에너지를 지닌 전자기파인 감마선 광자가 대기 중으로 확산되면서 강력한 전자기 펄스가 발생된다. 전자기 펄스는 전자회로로 들어가 전류가 되는데, EMP가 지닌 에너지가 엄청나게 크기 때문에 회로가 버틸 수 없는 정도의 과전류가 흐르고, 이 과전류가 전자회로를 파괴시킴으로써 반도체로 작동하는 모든 전자기기, 즉 통신 장비, 컴퓨터, 이동 수단, 전산망 등이 마비된다.

EMP 공격을 받으면 거의 모든 군사용 장비가 마비되므로 전쟁수행 능력이 크게 감소한다. 따라서, EMP 공격으로 인하여 발생한 강력한 전자기 펄스를 차폐할 수 있는 차폐시설에 대한 관심이 증가하고 있다. 그러나, 차폐시설의 차폐 효과를 측정할 수 있는 측정용 안테나는 크기가 크기 때문에 차폐 효과를 정밀하게 측정하기 어렵다.

하기의 실시예들은 차폐시설의 차폐 효과를 측정할 수 있는 측정용 안테나를 소형화하는 것을 목적으로 한다.

하기의 실시예들에 따르면, 페라이트 코어를 이용하여 루프 안테나를 소형화하는 것을 목적으로 한다.

예시적 실시예에 따르면, 페라이트 재질로 구성된 실린더 형상의 코어, 상기 코어를 중심으로 권선된 도체 및 상기 도체에 급전하는 급전 포트를 포함하는 안테나가 개시된다.

여기서, 상기 도체는 상기 코어로부터 미리 결정된 거리를 두고 이격되어 권선될 수 있다.

그리고, 상기 도체는 상기 코어의 길이 방향과 직교하는 방향으로 제1 거리만큼 권선되고, 상기 코어의 길이 방향으로 제2 거리만큼 권선되고, 상기 코어의 길이 방향과 직교하는 방향으로 다시 제1 거리만큼 권선될 수 있다.

또한, 상기 제1 거리는 상기 코어의 둘레보다 더 짧은 길이일 수 있다.

하기의 실시예들에 따르면, 차폐시설의 차폐 효과를 측정할 수 있는 측정용 안테나를 소형화할 수 있다.

하기의 실시예들에 따르면, 페라이트 코어를 이용하여 루프 안테나를 소형화할 수 있다.

도 1은 전자파 차폐의 필요성을 도시한 도면이다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 안테나의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 예시적 실시예에 따른 안테나의 주파수에 따른 안테나 팩터(antenna factor)를 도시한 도면이다.
도 4는 예시적 실시예에 따른 안테나에서 페라이트 코어의 영향을 주파수에 따라 도시한 도면이다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 안테나를 이용하여 EMP 차폐 효과를 측정한 도면이다.

이하, 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 전자파 차폐의 필요성을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, EMP 공격은 국가의 전력 전송로, 통신망, 인공위성 및 컴퓨터 네트워크 등 광범위한 전력/전자기기, 전자 시스템에 영향을 미친다. 따라서, 적의 공격에도 불구하고 전쟁 수행 능력을 보존하기 위해서는 EMP 공격의 영향을 차단하기 위하여 적의 공격 대상이 될 수 있는 주요 시설물에는 전자파 차폐 시설을 구비해야 한다.

그러나, 전자파 차폐 시설을 구축하기 위해서는 막대한 비용이 소요되므로, 대부분의 전자파 차폐 시설은 주요한 전자기기를 운용하기에 충분하지 못한 규모로 건설되며, 차폐 시설의 내부는 비좁은 것이 일반적이다. 따라서, 최근에는 전자기기를 운용하는 시설 모두를 차폐하기 보다는, 전자기기만 보호하는 소형 차폐 시설에 대한 연구가 집중되고 있다.

소형 차폐 시설의 차폐 효과(SE: Shielding Effectiveness)를 측정하기 위해서는, 수 kHz의 매우 낮은 주파수 대역의 자기장을 측정해야 하며, 이를 위해서는 상당히 큰 크기의 루프 안테나를 이용하는 경우가 많다. 그러나, 소형 차폐 시설의 성능을 큰 크기의 루프 안테나를 이용하여 측정하는 것은 어려우며, 측정된 차폐 효과도 부정확한 경우가 많았다.

이를 극복하기 위해서 루프 안테나를 소형화하려는 다양한 연구가 진행되어 왔으나, 일반적으로 복잡한 구조 또는 고가의 제조 공정을 필요로하며, 안테나 계수(AF, Antenna Factor)가 높은 경우 자기장 측정의 정확도가 떨어지는 경우가 많았다.

도 2는 예시적 실시예에 따른 안테나의 구조를 도시한 도면이다.

도 2의 (a)는 예시적 실시예에 따른 안테나를 측면에서 바라본 도면이다.

예시적 실시예에 따른 안테나는 코어(220), 도체(230), 급전포트(240)를 포함한다. 안테나의 코어(220)는 페라이트(Ferrite) 재질로 구성되며, 실린더 형상이다. 페라이트 재질의 코어(220)의 내부(210)는 빈 공간일 수 있다. 도체(230)는 페라이트 재질의 코어(220)를 중심으로 권선되어 루프 안테나를 형성할 수 있다. 급전 포트(240)는 패라이트 재질의 코어(220) 주위를 감싸는 도체(230)와 연결되어 루프 안테나에 급전할 수 있다.

일측에 따르면, 도체(230)는 페라이트 코어(220)로부터 미리 결정된 거리를 두고 이격되어 권선될 수 있다.

도 2의 (b)는 코어를 중심으로 권선된 도체를 도시한 도면이다.

도체는 매우 얇은 테이프와 같은 형상으로 그 폭은 'w'이다. 일측에 따르면, 도체는 코어의 길이 방향과 직교하는 방향으로 제1 거리만큼 권선될 수 있다. 이후, 도체는 90도 회전하여 코어의 길이방향으로 제2 거리만큼 권선될 수 있다. 또한, 이후에는 또 다시 반대 반향으로 90도 회전하여 코어의 길이 방향과 직교하는 방향으로 제1 거리만큼 권선될 수 있다. 여기서, 제1 거리는 코어의 둘레보다 더 짧은 길이로, 도체가 제1 거리만큰 권선되면 페라이트 코어로부터 미리 결정된 거리만큼 이격된 둘레의 길이보다 더 짧다. 따라서, 도체가 코어의 길이 방향과 직교하는 방향으로 제1 거리만큼 권선된 후 다시 코어의 길이 방향으로 권선되는 것을 반복하면, 도체는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 계단과 같은 형상을 반복하며 권선된다.

도 2에 도시된 안테나의 예시적인 설계 파라미터를 하기의 표에 도시하였다.

여기서,

은 페라이트 코어의 내부 직경이고,

는 페라이트 코어의 외부 직경이다.

는 권선된 도체가 형성한 원의 지름이고,

권선된 도체 사이의 간격이다.

는 도체의 폭이고,

는 페라이트 코어의 길이 또는 높이이고,

는 도체가 페라이트 코어에 권선된 횟수이다.

도 3은 예시적 실시예에 따른 안테나의 주파수에 따른 안테나 팩터(antenna factor)를 도시한 도면이다.

도 3의 (a)는 안테나 팩터를 측정하는 실험 환경을 도시한 도면이다. 도 3의 (a)에서, 제3 안테나(Ant. 3)의 안테나 팩터를 측정하기 위하여 두개의 레퍼런스 안테나(Ant. 1, Ant. 2)가 사용된다. 이 경우에, 제3 안테나(Ant. 3)의 안테나 팩터는 하기 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, i는 제3 안테나(Ant. 3)를 나타내는 인덱스이고, l, n은 레퍼런스 안테나(Ant. 1, Ant. 2)를 나타내는 인덱스이다.

,

및

는 각 안테나들간의 S 파라미터이다.

여기서,

는 하기 수학식 2와 같이 정의되고,

는 하기 수학식 3과 같이 정의된다.

[수학식 2]

여기서,

는 두 레퍼런스 안테나(Ant. 1, Ant. 2) 간의 거리이고,

와

는 각각 두 레퍼런스 안테나(Ant. 1, Ant. 2)의 반지름이다.

[수학식 3]

여기서,

는 측정 주파수를 나타내고,

는 자유공간의 파수(wave number)로, 파장의 역수를 나타낸다.

는 자유공간에서의 투자율을 의미하며,

는 안테나의 부하 임피던스를 나타낸다.

도 3의 (b)는 이론적인 안테나 팩터와 시뮬레이션을 통해 산출된 안테나 팩터를 비교한 도면이다. 도 3의 (b)에서 가로축은 주파수이고, 세로축은 안테나 팩터를 나타낸다. 실선은 제작된 안테나를 이용하여 측정된 안테나 팩터를 도시한 도면이고, 얇은 점선은 안테나 팩터의 이론값이다. 굵은 점선은 시뮬레이션을 통해 산출된 안테나 값을 나타낸다.

도 3의 (b)를 참고하면, 제작된 안테나를 이용하여 측정된 안테나 팩터는 측정한 모든 주파수 대역에 있어 시뮬레이션을 통해 산출된 안테나 팩터에 가깝다.

도 4는 예시적 실시예에 따른 안테나에서 페라이트 코어의 영향을 주파수에 따라 도시한 도면이다.

도 4의 (a)는 페라이트 코어의 영향을 주파수에 따라 도시한 도면이다. 도 4의 (a)에서 가로축은 주파수이고, 세로축은 안테나 팩터를 나타낸다. 파란 실선은 페라이트 코어가 있는 경우 안테나 팩터의 시뮬레이션값, 파란 점선은 페라이트 코어가 있는 경우 안테나 팩터의 실측값을 나타낸다. 또한, 빨간 실선은 페라이트 코어가 없는 경우 안테나 팩터의 시뮬레이션값, 빨간 점선은 페라이트 코어가 없는 경우 안테나 팩터의 실측값을 나타낸다.

도 4의 (a)를 참고하면, 측정된 안테나 팩터 값은 시뮬레이션 값과 유사한 값을 나타낸다. 페라이트 코어가 존재하는 경우에는 페라이트 코어가 없는 경우와 비교하여 좀더 작은 값의 안테나 팩터를 가지며, 페라이트 코어를 사용하여 로우앤드 주파수 대역의 안테나 팩터를 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.

도 4의 (b)는 입사각의 변화에 따른 안테나 팩터를 도시한 것이다. 도 4의 (a)에서 가로축은 입사하는 전파의 입사각이고, 세로축은 안테나 팩터를 나타낸다. 또한, 실선은 페레이트 코어가 있는 경우의 시뮬레이션 값, 점선은 페라이트 코어가 없는 경우의 시뮬레이션 값을 나타내며, 별(*)은 페라이트 코어가 있는 경우의 실제 측정값을 나타낸다.

도 4의 (b)를 참고하면, 페라이트 코어가 있는 경우, 시뮬레이션 값과 실제 측정값은 유사한 경향을 보인다. 또한, 페라이트 코어가 있는 경우는 페라이트 코어가 없는 경우보다 안테나 팩터가 대략 4dB정도 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 제작된 안테나는 입사각의 변화에도 불구하고 안정적인 안테나 팩터를 보이며, 소형 안테나에도 불구하고 안테나 팩터를 낮은 값으로 유지하고 있음을 알 수 있다.

도 5는 예시적 실시예에 따른 안테나를 이용하여 EMP 차폐 효과를 측정한 도면이다.

도 5의 (a)는 EMP 차폐 효과를 측정한 실험 환경을 도시한 것이다. 회색으로 표현된 차폐 부재를 사이에 두고 주파수 소스와 감지기(Detector)가 배치된다. 주파수 소스와 감지기는 0.3m 크기의 루프 안테나를 이용하여 전자파를 방사/감지한다. 각 루프 안테나는 차폐 부재로부터 0.3m 이격된다. 측정된 차폐 효과는 하기 수학식 4로 정의될 수 있다.

[수학식 4]

수학식 4에서,

는 차폐 효과를 나타내며, 단위는 dB이다.

은 수신 안테나가 차폐 부재 없이 자유공간에 위치한 경우의 수신 전압을 나타내고,

는 차폐 부재가 안테나 사이에 위치하는 경우에 수신 전압을 나타낸다.

도 5의 (b)는 제작된 안테나를 이용하여 측정된 차폐 효과(SE: Shielding Effectiveness)를 도시한 도면이다. 도 5의 (b)에서 가로축은 주파수를 나타내고, 세로축은 측정된 차폐 효과를 나타낸다. 원(o)을 이어 표현된 그래프는 수평 편파에 대해 측정된 값을 나타내고, 엑스(x)를 이어 표현된 그래프는 수직 편파에 대해 측정된 값을 나타낸다.

전체 주파수 범위에서 차폐 효과의 평균값은 대략 수평 편파에서 5.19dB, 수직 편파에서 14.14dB이다. 10kHz에서 3MHz의 범위에서 차폐 효과의 평균값은 수평 편파에서 26.9dB, 수직 편파에서 17.2dB이다.

도 5에 도시된 바를 참고하면, 제안된 안테나는 루프 안테나의 크기를 최소화하면서도 안테나 팩터를 낮은 수준으로 억제할 수 있어 차폐 부재로 구성된 인클로저의 차폐 효과를 측정하기에 적합함을 알 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

210: 페라이트 코어의 내부
220: 페라이트 코어
230: 도체
240: 급전포트

Claims (4)

1. 페라이트 재질로 구성된 실린더 형상의 코어;
   상기 코어를 중심으로 권선된 스트립(strip) 형상의 도체; 및
   상기 도체에 급전하는 급전 포트
   를 포함하고,
   상기 도체는 상기 코어로부터 미리 결정된 거리를 두고 이격되어, 상기 코어의 길이 방향과 직교하는 방향으로 제1 거리만큼 권선되고, 상기 코어의 길이 방향으로 제2 거리만큼 권선되고, 상기 코어의 길이 방향과 직교하는 방향으로 다시 상기 제1 거리만큼 권선되고,
   상기 제1 거리는 상기 코어의 둘레보다 더 짧은 길이이고,
   상기 코어의 내부 직경은 80mm이고, 외부 직경은 104mm이고, 상기 권선된 도체가 형성한 원의 지름은 104mm이고, 상기 권선된 도체 사이의 간격은 2mm이고, 상기 도체의 폭은 5mm이고, 상기 코어의 길이는 40mm이고, 상기 도체는 상기 코어에서 6번 권선되는 안테나.
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