KR20210039683A - 콘크리트 차폐율 측정장치 및 차폐율 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 콘크리트시료 및 안테나를 고정하는 고정부를 포함하고, 시료고정부 및 안테나고정부 사이에 방사공간을 포함하며 콘크리트시료의 전자파 차폐율을 측정할 수 있는 측정장치와 제어부, 송신안테나, 수신안테나, 변환장치를 포함하는 측정시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

콘크리트 차폐율 측정장치 및 차폐율 측정시스템 {Device and system for measuring shielding effectiveness of concrete}

본 발명은 전자파의 차폐율(Shielding effectiveness)를 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.

전자파(Electromagnetic radiation, EMR)란, 전자기적인 과정에서 복사되는 에너지를 의미한다. 전자기파는 전기장과 자기장으로 구성되어 빛의 속도로 전달되는데, 전기장과 자기장은 진행 방향에 수직 방향으로 진동하며 진동 방향은 서로 직교한다. 가시광선, 적외선, 자외선 등을 포함하며 전기장의 변화 또는 자기장의 변화에 의해 발생한다.

전자기 차폐란, 공간의 특정 부분에 대하여 공간의 내부가 외부 전자기장으로부터 영향을 받지 않도록 하거나, 반대로 내부에서 발생한 전자기장이 외부에 미치지 않도록 하는 것을 말한다. 전자기 차폐의 정도는 차폐에 사용되는 물질 및 두께, 전자기파의 진동수에 따라 달라지는데, 도체로 둘러 쌓인 공간의 내부는 전기장의 영향을 받지 않는다.

자유공간에서 진행하던 전자파가 매질을 만나게 되면 표면에서 임피던스 차이에 의한 반사와 함께 흡수가 일어난다. 초기의 전자파를 입사파, 반사되어 나온 파를 반사파라고 한다. 매질을 뚫고 다시 자유공간으로 나오는 전자파는 다시 임피던스 차이에 의하여 매질 내에서 반사가 일어난다. 이러한 매질 내의 반사를 다중반사라고 하고 매질을 뚫고 나온 전자파를 투과파라고 하고, 차폐율(Shielding effectiveness)은 입사파와 대비 투과파의 강도 변화를 의미하는 수치로서 -값이 클수록 좋은 차폐성능을 갖는다.

현재 국제적으로 문제가 되고있는 핵무기는 상공 20~40km의 고도에서 폭발 시 10kHz ~ 1GHz의 고고도 전자기 펄스, HEMP를 발생하는데, 이를 이용하여 전자기기 무력화를 목표한 무기가 개발될 것으로 예측되어 전자파 차폐성능을 갖는 건설 재료의 개발 및 연구가 진행되고 있다.

이로인해 콘크리트 소재를 포함한 건설 재료의 전자파 차폐율 측정 수요가 증가하고 있으나, 측정 장비가 고가이고 시간이 오래 소요되어 측정 수요를 만족하기 어렵고, 장비가 대형화되어 실제 콘크리트 벽이 아닌 시료를 측정할 수밖에 없어 주변 조건을 반영하기 어렵고 경제적이지 못한 어려움이 있다.

차폐율을 측정하기 위한 장비는 방사되는 전자파가 측정 시료를 투과하지 않고 다른 방향으로 퍼지거나 반사되며 발생하는 측정 오차를 줄이기 위하여 도파관(wave guide)이나 전자파를 차폐하기 위한 수단을 활용하고 있으며, 이로 인해 장비가 대형화되고 비용이 증가 되는 문제점이 있어 이에 대한 개선이 필요하다.

한국등록특허 제0236180호

본 발명의 목적은 전자파의 방사 방향성을 가지는 안테나를 사용하고 콘크리트 시료와의 거리를 조절하여 측정시료 이외의 방향으로 반사되는 전자파를 최소화할 수 있어 노이즈를 감소시키고 편리하게 콘크리트의 차폐율을 측정할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면은 종래 전자파 차폐율 측정장치를 이용하여 콘크리트의 전자파 차폐율을 측정하는 방식을 대체하여 짧은 시간 안에 저비용으로 콘크리트의 차폐율 경향성을 분석할 수 있는 콘크리트 차폐율 측정장치 및 차폐율 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면은 서로 마주보게 배치되는 나선형(spiral)의 송신안테나와 수신안테나; 상기 송신안테나와 상기 수신안테나를 고정하는 안테나고정부; 상기 안테나고정부 사이에 구비되는 시료고정부; 상기 시료고정부와 상기 안테나고정부 사이에 형성되고 두께를 조절할 수 있는 방사공간; 상기 안테나고정부 및 상기 방사공간이 내부에 구비되는 케이스;및 상기 송신안테나, 상기 수신안테나와 연결되어 신호를 처리하는 신호처리장치;를 포함하는 콘크리트 차폐율 측정장치를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 방사공간은 스티로폼 또는 나무를 포함하는 소재로 구성되는 것이 바람직 하고, 상기 케이스는 상기 방사공간과 동일한 소재로 구성되어 상기 방사공간과 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 케이스는 상부케이스와 하부케이스로 구성되고, 상부케이스의 하단과 하부케이스의 상단이 서로 결합하여 상기 안테나고정부와 상기 시료고정부를 형성하는 것이 좋고, 이 때, 상기 전자파는 300MHz 내지 1.5GHz 범위에서 변화되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면은,

입출력장치로부터 명령을 입력받아 처리하는 제어부; 제어부로부터 디지털 신호를 전달받아 아날로그 신호로 변환하는 디지털아날로그 변환장치; 전자파를 발생시키는 발진기; 상기 전자파를 방사하는 송신안테나; 투과된 전자파를 수신하여 전달하는 수신안테나;및 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 제어부에 전달하는 아날로그 디지털 변환장치;를 포함한다.

이 때, 상기 송신안테나 및 상기 수신안테나는 각각 안테나고정부에 고정되고, 안테나고정부 사이에 시료고정부가 위치하며, 상기 안테나고정부와 상기 시료고정부 사이에 형성되고 두께를 조절할 수 있는 방사공간을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 수신안테나로부터 수신된 신호를 처리하는 필터뱅크를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 안테나고정부, 상기 시료고정부 및 상기 방사공간이 내부에 구비되는 케이스를 포함하고, 상기 케이스는 상부와 하부로 구성되어 상부케이스의 하단과 하부케이스의 상단이 서로 접촉하여 상기 안테나고정부와 상기 시료고정부를 형성하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 방사공간은 스티로폼 또는 나무를 포함하는 소재로 이루어질 수 있고, 상기 케이스는 상기 방사공간과 일체로 형성되며 상기 방사공간과 동일한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면은 방향성을 가지는 안테나를 사용하되 측정 대상이 되는 콘크리트와의 거리를 조절하여 다른 방향으로 방사되는 전자파를 최소화하여 콘크리트의 차폐율을 측정할 수 있는 장비이다.

또한, 본 발명의 일 실시예는 경량화되어 이동이 가능하게 구성되는 전자파 차폐율 측정장치로, 이를 이용하여 다양한 장소에서 콘크리트 벽의 전자파 차폐율을 측정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 콘크리트 차폐율 측정장치를 도시한 개략도이고,
도 2는 콘크리트 차폐율 측정시스템을 간략히 도시한 블록 다이어그램이다.
도 3은 안테나의 방사 방향을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 콘크리트 차폐율 측정 시스템에 콘크리트시료가 결합된 상태의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예인 콘크리트 차폐율 측정 시스템에 콘크리트시료가 결합된 상태의 측면사시도이다.

여기서 1) 첨부된 도면들에 도시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 개략적인 것으로 다소 변경될 수 있다. 2) 도면은 관찰자의 시선으로 도시되기 때문에 도면을 설명하는 방향이나 위치는 관찰자의 위치에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 3) 도면 번호가 다르더라도 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호가 사용될 수 있다.

4) '포함한다, 갖는다, 이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 5) 단수로 설명되는 경우 다수로도 해석될 수 있다. 6) 형상, 크기의 비교, 위치 관계 등이 '약, 실질적' 등으로 설명되지 않아도 통상의 오차 범위가 포함되도록 해석된다.

7) '~후, ~전, 이어서, 후속하여, 이때' 등의 용어가 사용되더라도 시간적 위치를 한정하는 의미로 사용되지는 않는다. 8) '제1, 제2, 제3' 등의 용어는 단순히 구분의 편의를 위해 선택적, 교환적 또는 반복적으로 사용되며 한정적 의미로 해석되지 않는다.

9) '~상에, ~상부에, ~하부에, ~옆에, ~측면에, ~사이에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우 '바로'가 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다. 10) 부분들이 '~또는'으로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독뿐만 아니라 조합도 포함되게 해석되나, '~또는, ~중 하나'로 전기적으로 접속되는 경우 부분들 단독으로만 해석된다.

11) 안테나는 전자파 신호를 발생시키고 수신할 수 있는 장비로서 하나의 안테나는 송신 또는 수신 중 하나의 기능만을 가지는 것이 아니라 두 가지 기능을 모두 수행할 수 있다. 본 명세서에서 안테나라는 용어는 측정장치에서 송신 및 수신을 하는 구성요소를 포괄하여 지칭하는 것으로서 송신안테나(21) 및 수신안테나(22)를 포함하는 것으로 해석된다. 또한 송신안테나(21) 및 수신안테나(22)는 연결 상태에 따라 그 기능이 자유롭게 변할 수 있으므로 그 역할은 고정되지 않으며, 한 쌍의 안테나 중 한 안테나가 송신안테나(21)이면 다른 안테나는 수신안테나(22)로 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 차폐율 측정장치를 나타낸 개략도이다. 차폐율 측정장치는 신호처리장치(40), 한 쌍의 안테나(20), 안테나고정부(14), 시료고정부(13), 방사공간(30), 케이스(10)를 포함한다.

신호처리장치(40)는 원하는 주파수의 신호를 발생시켜 출력하고, 전달받은 신호를 처리하며, 데이터를 저장하여 입출력장치로 전달하는 역할을 수행하는 장치이다. 신호처리장치(40)는 외부에서 전원을 공급받는 전원케이블, 전자파 신호를 입력 및 출력할 수 있는 단자, 외부 입출력장치와 연결할 수 있는 단자를 포함하여 구성된다. 신호처리장치(40)는 발생한 신호를 출력단자를 통해 외부로 내보낼 수 있고, 입력단자를 통해 외부로부터 신호를 받아서 처리할 수 있다.

신호처리장치(40)가 발생시킬 수 있는 주파수의 범위는 제한되지 않으나 본 발명의 일 실시예는 300MHz 내지 1.5GHz의 범위의 전자파를 발생시키는 신호처리장치(40)를 사용하여 해당 범위에서 주파수를 변화시키며 전자파를 발생시킨다.

안테나(20)는 통신에서 일정 공간에 효율적으로 전파를 방사하거나 전파를 수신하기 위한 수단으로서, 안테나(20)에 맞는 주파수의 전파에 대하여 송신과 수신을 구분하지 않고 두 가지 역할을 모두 수행하는 특징을 갖는다. 본 발명의 일 실시예는 2개의 안테나(20)를 한 쌍으로 하여 구성된다.

한 쌍의 안테나(20) 중 한 안테나는 송신안테나(21)로 사용되고, 다른 하나는 수신안테나(22)로 사용된다. 한 쌍의 안테나는 동일한 종류의 안테나로 구성되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 평면형의 나선형(spiral)안테나 또는 나선형안테나인 것이 좋다. 나선형안테나는 도선이 나선형으로 배치되는 안테나를 말하는데, 각도의 변화에 따라 반지름의 크기가 증가하는 로그 나선(Logarithmic spiral) 형태의 나선형안테나를 사용하는 것이 좋다.

나선형안테나는 나선의 꼬인 방향에 따라서 좌수형(Left-handed) 와 우수형(Right-handed)로 나누어지고, 본 발명의 일 실시예는 한 쌍의 안테나로 각각 좌수형, 우수형 나선안테나를 사용한다.

나선형안테나는 아테나의 팔(arm)이 가지는 최대직경과 최소직경 값에 따라 광대역의 주파수 영역에서 사용할 수 있어 다양한 주파수 대역에서 전자파 차폐율 실험을 하기에 적합하다.

도 3은 나선형 나선형 안테나와 다이폴안테나의 방사 빔패턴을 입체적으로 나타낸 것이다. 도 3-a에서 안테나는 yz평면상에 위치하고 도시된 바와 같이 나선형안테나의 빔패턴은 안테나에 수직한 방향인 x축 방향으로 방향성을 갖는 빔패턴 을 나타낸다. 전자파가 단일방향으로 방사되는 특성으로 인해 안테나의 전방에 위치한 콘크리트시료의 투과율을 측정하기 용이하고, 콘크리트시료를 거치지 않고 반대편 수신안테나(22)로 수신되는 전자파의 효과가 적게 나타날 수 있다. 평평한 형태의 나선형 안테나는 광대역의 주파수 범위에서 송수신이 가능하고 공간을 적게 차지하므로 케이스(10)의 부피를 줄일 수 있으며 실외 측정시 운반및 보관이 편리하므로 본 발명과 같이 케이스(10) 내부에 안테나가 고정되는 구성에 필수적이다.

도 3-b의 다이폴안테나는 안테나의 방향을 z축 이라고할 때 z축으로부터 수직인 xy평면을 따라 원형으로 퍼지는 형태의 방향성을 가진다. 본 발명의 일 실시예에서 사용하는 나선형안테나는 송신안테나(21)의 전방으로 전자파를 방사한다.

나선형안테나에서 전자파의 빔패턴을 나타내는 함수 F는

(θ는 방사방향으로 부터 이루는 각도)로 표현될 수 있으며, 전자파의 세기가 최대 전자파 세기의 절반으로 감소하는 지점에서의 폭을 각도로 나타낸 값인 반전력 빔폭(HPBW, Half Power Beam Width)는 약 70도이다.

본 발명의 일 실시예는 이러한 빔 패턴의 형태를 이용하여 송신안테나(21) 및 수신안테나(22)와 콘크리트시료 사이에 도파관 또는 측정장치를 둘러싸는 차폐벽을 포함하지 않더라도 콘크리트시료의 차폐을을 측정할 수 있는 장치를 제공한다.

한 쌍의 안테나는 2개의 케이블로 입력단자와 출력단자에 각각 연결되어 신호를 발생하거나 수신하는 역할을 수행한다. 출력단자와 케이블을 통해 연결되는 안테나는 송신안테나(21)로 작동하고, 입력단자와 케이블을 통해 연결되는 안테나는 수신안테나(22)로 작동한다.

본 발명의 일 실시예는 안테나는 송수신 주파수로 300MHz ~ 3GHz 범위를 포함하고, 바람직하게는 300MHz ~ 1.5GHz 범위를 포함할 수 있다. 안테나는 가로길이가 321mm, 세로길이가 227mm인 300MHz+ Log spiral antenna를 사용할 수 있다. 안테나는 출력은 20dBm를 포함하며, 수신범위는 20 ~ -80dB를 포함한다.

시료고정부(13)는 차폐율 측정의 대상이 되는 콘크리트 시료를 움직이지 않도록 고정하여 실험의 정확도를 향상시키고 안전사고를 예방하기 위해서 구비될 수 있다. 시료고정부(13)는 콘크리트 시료와 밀착되어 시료를 고정할 수 있도록 콘크리트 시료와 동일한 형태 및 크기를 갖도록 이루어진다. 시료고정부(13)는 콘크리트 시료의 고정 역할을 수행할 수 있다면 크기와 형태는 제한되지 않으나, 시료의 표준 규격에 따라 다른 형상과 크기를 가질 수 있으며 바람직하게는 직육면체 형상일 수 있다.

시료고정부(13)는 전자파가 입사되는 입사면, 시료를 투과하여 바깥으로 빠져나오는 투과파가 방사되는 투과면을 구비한다. 입사면과 투과면은 고정되지 않고 송신안테나(21)와 수신안테나(22)의 위치에 따라 정의된다.

입사면은 시료고정부(13)의 면 중 송신안테나(21) 쪽으로 위치하는 면이고, 투과면은 입사면으로 입사되어 콘크리트 시료를 투과한 전자파가 시료를 빠져나오는 면으로 수신안테나(22) 쪽에 위치한다. 전자파는 송신안테나(21)에서 방사되어 시료고정부(13)의 입사면을 통해 콘크리트 시료를 투과하고 시료를 빠져나와 시료고정부(13)의 투과면을 지나 수신안테나(22)로 전달된다.

송신안테나(21)로부터 방사되는 전자파의 입사방향 및 입사각을 일정하게 유지하기 위하여 송신안테나(21)와 입사면은 일정한 거리를 유지하도록 배치되는 것이 좋고, 바람직하게는 서로 평행하게 배치되는 것이 좋다. 송신안테나(21)는 송신안테나(21)에서 방사되는 전자파가 콘크리트 시료를 투과하지 않고 우회하여 반대편으로 방사되는 것을 방지하기 위하여 입사면의 중앙에 가깝게 위치하는 것이 좋다.

송신안테나(21)가 입사면의 한쪽에 치우치게 설치되는 경우, 송신안테나(21)로부터 시료고정부(13) 및 콘크리트 시료의 각 모서리에 이르는 거리가 달라지게 되고, 가장 가까운 거리에 위치하는 모서리 방향으로 전자파가 시료를 넘어 반대편에 위치하는 수신안테나(22)에 전달될 수 있다. 이러한 현상은 측정된 시료의 차폐율이 실제 시료의 차폐율보다 작게 만들어 측정장치의 오차를 크게 만든다.

수신안테나(22)로부터 방사되는 전자파의 입사방향 및 입사각을 일정하게 유지하기 위하여 수신안테나(22)와 투과면은 일정한 거리를 유지하도록 배치되는 것이 좋고, 바람직하게는 서로 평행하게 배치되는 것이 좋다. 수신안테나(22)는 송신안테나(21)에서 방사되어 시료를 투과하는 전자파를 정확하게 측정하기 위하여 송신안테나(21)와 대칭되는 위치에 존재하는 것이 좋으며, 바람직하게는 송신안테나(21)가 입사면의 중앙에 가깝게 위치하고 수신안테나(22)도 투과면의 중앙에 가깝게 위치하는 것이 좋다.

수신안테나(22)가 입사면의 한쪽에 치우치게 설치되는 경우, 투과파를 정확하게 측정하지 못할 가능성이 높아져 실험값이 실제 시료의 차폐율보다 크게 얻어지는 오차를 방생시킬 수 있고, 콘크리트 시료를 투과하지 않고 우회하여 넘어 방사되는 전자파를 추가적으로 수신할 수 있으므로, 실험값이 실제 시료의 차폐율보다 작게 얻어지는 오차를 발생시킬 수 있다.

방사공간(30)은 안테나와 콘크리트 시료의 사이에 존재하는 공간으로, 송신안테나(21)에서 방사되는 신호가 시료의 입사면에 부딪히기 전까지의 과정 및 시료의 투과면에서 방사되는 투과파가 수신안테나(22)에 전달되는 과정에서 전자파가 진행하는 공간을 의미한다.

본 발명의 일 실시예는 두 개의 방사공간(30)을 포함한다. 방사공간(30)은 송신안테나(21)와 시료고정부(13) 사이 및 수신안테나(22)와 시료고정부(13) 사이에 위치한다. 방사공간(30)은 전자파가 방사되는 영역으로 콘크리트 시료의 차폐율측정 시 전자파가 온전히 방사되어 오차가 발생하지 않도록 전자파의 흡수나 반사가 잘 일어나지 않는 소재 또는 빈공간으로 이루어지는 것이 좋고, 바람직하게는 목재 또는 스티로폼으로 구성되는 것이 좋다.

방사공간(30)은 한 쌍의 안테나와 시료고정부(13) 사이에 위치하며, 방사공간(30)의 두께는 일정하게 유지되는 것이 좋다. 송신안테나(21)와 시료고정부(13) 사이에 위치하는 방사공간(30)과 수신안테나(22)와 시료고정부(13) 사이에 위치하는 방사공간(30)은 동일한 두께를 가지는 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예는 시료고정부(13)와 한 쌍의 안테나 사이에 1cm의 동일한 두께를 가지는 방사공간(30)을 갖는 차폐율 측정장치이다. 방사공간(30)의 두께는 콘크리트 시료의 입사면과 투과면의 크기에 따라 다르게 설정될 수 있다.

송신안테나(21)에서 방사되는 전자파의 빔패턴의 측면에서 볼 때, 빔패턴의 형상이 콘크리트 시료를 넘어가지 않고 전부 시료를 투과하는 것이 좋다. 방사공간(30)의 두께를 d(cm), 콘크리트 시료의 입사면의 변 중 짧은 변의 길이를 L1(cm)라 하면, 나선형안테나의 빔폭은 반전력빔폭, -3dB(HPBW, Half power beam width, -3dB)이 약 70°이고, 전력의 10%를 기준으로 하는 빔폭(Beam width, -10dB)은 약 140°정도이다. 즉 140°각도 지점 근처에서는 최대 전력의 10% 수준의 전자파가 방사되고 140°각도의 바깥영역에서는 최대 전력의 10% 미만의 전력을 가지는 전자파가 방사된다. 안테나의 빔패턴이 콘크리트 시료로 입사하기 위해서는 콘크리트시료가 안테나로부터 140°의 각도를 이루는 영역을 포함하게 배치되는 것이 좋고, 바람직하게는 150°의 각도를 이루는 영역이 콘크리트 시료의 입사면에 포함되는 것이 좋다. 이를 수식으로 표현하면 다음 부등식의 조건으로 표현할 수 있다.

일 수 있고, 바람직하게는

, 더욱 바람직하게는

일 수 있다.

방사공간(30)의 두께 d는 1cm 이상이고,

이하일 수 있으며, 바람직하게는

이하이고, 더욱 바람직하게는

이하일 수 있다.

여기에서 tan70° 는 약 2.75이고, tan75°는 약 3.73, tan80°는 약 5.7로 계산된다.

방사공간(30)의 두께가 해당 범위에 해당되는 경우, 나선형안테나의 빔패턴 형상이 가지는 방향성에 의해 송신안테나(21)에서 방사되는 전자파는 대부분 콘크리트 시료의 입사면에 도달하게 되고 다른 방향으로는 전자파가 거의 방사되지 않는다. 입사면에 도달한 전자파는 콘크리트시료 속으로 투과하거나 반사된다. 투과된 전자파는 수신안테나(22)에 도달하여 측정되어 콘크리트시료의 차폐율을 측정할 수 있게된다.

방사공간(30)의 두께가 이 범위보다 얇은 경우, 콘크리트 시료가 갖는 전도성에 의해 입사면에서 반사되는 반사파가 발생할 수 있고, 전자파의 근거리장 효과의 영향이 커지므로 정확한 차폐율의 측정이 어려운 문제점이 있고, 방사공간(30)의 내구성이 떨어질 수 있다.

방사공간(30)의 두께가 위 범위보다 두꺼운 경우, 안테나의 방사각 안으로 콘크리트 시료가 포함되어 전자파가 콘크리트 시료를 투과하지 않고 우회하여 측정되는 비율이 높아져 차폐율이 정확하게 측정되지 못해 오차를 크게 만드는 문제점이 있다.

방사공간(30)의 두께는 실내에서 측정되는 경우 일정한 길이 간격을 가지는 안테나와 동일한 크기의 홈 또는 슬릿을 구비하여 안테나고정부(14)를 형성할 수 있고, 방사공간(30)에 스티로폼 또는 나무를 포함하는 소재로 이루어지는 고정판을 두께에 다양한 두께로 구비하여 안테나 고정부와 시료고정부(13)사이에 배치시킬 수 있다.

방사공간(30)의 두께는 실외에서 측정되는 경우 안테나고정부(14)와 콘크리트 사이의 거리를 조절하여 안테나고정부(14)를 배치하여 조절될 수 있고, 안테나고정부(14)가 케이스(10)에 결합된 상태로 배치되어 실내와 동일한 방법으로 조절될 수 있다.

케이스(10)는 장치의 구성요소들을 둘러싸서 외부의 충격으로부터 보호하고 내부의 구성요소들의 위치를 고정시켜주는 구성요소이다. 콘크리트 시료와 방사공간(30), 한 쌍의 안테나가 움직이지 않도록 하는 내부 구조를 가지는 형태로 구성되며, 콘크리트 시료가 고정되는 시료고정부(13), 안테나를 케이스(10) 내부에 고정시키는 한 쌍의 안테나 고정부를 포함한다.

안테나고정부(14)는 안테나를 고정시키기 위해 케이스(10)에 구비되는 공간으로, 안테나의 형상에 대응되는 형상을 갖도록 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 한 쌍의 나선형안테나를 사용하고 안테나 고정부는 나선형안테나의 형상에 대응되도록 슬릿 형태의 홈으로 구비된다. 안테나고정부(14)는 외부에서 사용되기 위하여 높이조절 및 기립이 가능한 지지대를 포함하거나 콘크리트 벽에 고정할 수 있는 수단을 포함하여 구성될 수 있다.

케이스(10)는 콘크리트 시료를 내부에서 고정할 수 있도록 콘크리트 시료보다 더 큰 크기로 이루어진다. 케이스(10)는 방사되고 수신되는 전자파의 측정 과정에 영향을 적게 주기 위해서 전자파의 반사나 흡수가 잘 일어나지 않는 소재를 사용하는 것이 좋다. 예를 들어 목재나 스티로폼을 사용할 수 있고, 가공 난이도와 케이스의 무게, 경제성을 고려하여 스티로폼을 포함하는 소재로 이루어지는 것이 좋으며, 케이스(10)는 방사공간(30)과 동일한 소재로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 방사공간(30)과 일체로 구성되는 것이 바람직하다.

케이스(10)는 안테나 및 콘크리트 시료의 설치 및 해체를 용이하게 하고, 분리하여 보관할 수 있도록 상부와 하부 또는 두 개의 측면부로 분리되게 구성되는 것이 좋다. 본 발명의 일 실시예의 케이스(10)는 상부케이스(11)와 하부케이스(12)로 분리되며, 상부케이스(11)는 하부가 개방된 상자형태이고, 하부케이스(12)는 상부가 개방된 상자 형태이다. 케이스는 상부케이스(11) 하단과 하부케이스(12)의 상단이 서로 접촉하도록 결합되고, 상부케이스(11)와 하부케이스(12)의 사이에 시료고정부(13)가 형성된다. 상부와 하부가 결합된 상태의 케이스(10)에 안테나 및 콘크리트시료가 고정된 상태가 도 4에 도시되어있다.

케이스(10)는 300MHz 내지 3GHz, 바람직하게는 300MHz 내지 1.5GHz의 주파수 사용 시 방사공간(30)에 전자파를 유도하는 도파관을 포함하지 않으며, 케이스(10) 외부를 감싸는 전자파를 반사하거나 흡수하는 수단이 존재하지 않더라도 방사공간(30)의 두께를 조절하여 콘크리트 시료의 전자파 차폐율을 측정할 수 있다. 전자파를 반사하는 차폐소재가 안테나 또는 측정장치의 주변에 구비되는 경우, 흡수되지 않고 반사되는 전자파는 노이즈를 발생시켜 측정장치를 향하여 방사될 수 있고 실험의 정확도와 신뢰성을 저하시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 방향성을 가지는 나선형안테나를 사용하고 방사공간(30)의 두께를 조절함으로써 안테나에서 방사되는 전자파가 콘크리트를 향하도록 구성되므로 기타방향으로 퍼지는 전자파는 매우 적으며, 전자파 반사 소재로 케이스(10) 및 안테나를 둘러싸지 않음으로써 전자파의 반사에 의한 노이즈를 줄일 수 있다.

본 발명의 일 실시예인 차폐율 측정장치는 시료고정부(13)가 콘크리트 시료를 고정하고 콘크리트 시료를 향해 전자파를 송신 및 수신하는 한 쌍의 안테나가 안테나고정부(14)에 의해 고정되며 안테나와 콘크리트 시료의 사이에 방사공간(30)이 구비되어 케이스(10) 내부에서 콘크리트의 전자파 차폐율을 측정하는 차폐율 측정장치이다.

본 발명의 다른 실시예는 안테나고정부(14)가 높이조절이 가능한 거치대를 포함하고, 전원공급장치 및 휴대용배낭을 더 포함하는 콘크리트 차폐율 측정장치이다. 전원공급장치는 신호처리장치(40)에 전원을 공급하여 작동될 수 있게 한다. 휴대용배낭은 신호처리장치(40), 안테나, 케이블 및 전원공급장치를 수납할 수 있도록 구성된다. 휴대용배낭을 이용해 콘크리트 차폐율 측정장치를 휴대하여 장소를 이동하며 콘크리트 차폐율을 측정할 수 있다. 안테나고정부(14)는 거치대를 포함하여 콘크리트벽의 양쪽에 같은 높이로 설치되어 안테나를 고정할 수 있다. 차폐율 측정장치를 휴대하여 이동하며 측정할 수 있어 제작된 콘크리트시료 뿐 아니라 실제 콘크리트벽에서의 전자파 차폐율을 측정할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 다른 측면은 콘크리트 시료의 차폐율을 측정하는 차폐율 측정 시스템이다. 도 2는 신호처리장치(40) 및 차폐율 측정 시스템을 간략하게 도시한 블록 다이어그램이다. 콘크리트 차폐율 측정 시스템은 콘크리트 시료에 입력장치를 통해 입력된 범위의 주파수를 갖는 전자파를 방사하고 이를 투과하는 전자파를 측정하여 전자파의 주파수에 따른 차폐율을 측정하고 이를 처리, 저장한 뒤 입출력장치(50)의 디스플레이를 통해 결과를 출력하는 시스템이다. 콘크리트 차폐율 측정 시스템은 신호처리장치(40), 송신안테나(21), 수신안테나(22)를 포함하여 구성되고, 입출력장치(50)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

신호처리장치(40)는 입력된 조건에 따라 전자파를 발생시키고 수신된 신호를 처리한 뒤, 저장하거나 출력장치로 데이터를 전달하는 역할을 수행한다. 신호처리장치(40)는 제어부(41), 변환장치, 발진기(44), 필터뱅크(45)를 포함하여 구성된다. 신호처리장치(40)는 디스플레이부 또는 스피커를 포함하여 입력 또는 출력 기능을 추가적으로 포함할 수 있다.

제어부(41)는 명령과 데이터가 처리, 기록되는 곳이다. 제어부(41)는 중앙처리장치(CPU)를 포함하여 구성되며, 바람직하게는 마이크로컨트롤러(micro controller)를 사용하는 것이 좋다. 제어부(41)는 입출력장치(50)로부터 입력 신호를 전달받아 전달하며, 입력받은 대역에 대응되는 미리 정해진 범위의 전자파가 발생되도록 하고, 수신되어 처리된 데이터를 입출력장치(50)로 전달하는 역할을 수행한다.

변환장치는 전기 신호를 아날로그 신호 및 디지털 신호로 상호 변환할 수 있는 장치로, DAC와 ADC가 포함된다. DAC(Digital-to-analog converter)는 디지털-아날로그 변환장치(42)로, 부호화된 디지털 전기 신호를 아날로그 전기 신호로 변환하는 전자 회로 등을 의미한다.

DAC는 제어부(41)로부터 전달받은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하며, 발진기(44)가 발생시키는 전자파를 송신안테나(21)에 전달한다.

발진기(44)(oscillator, OSC)는 주파수원으로 전자파를 발생시키는 장치이다. 발진기(44)에서 발생한 전자파는 DAC에 의해 처리되어 송신안테나(21)를 통해 송신된다. 발진기(44)는 예를들어 300MHz ~ 1.5GHz 복수 대역의 주파수를 발진할 수 있다.

ADC(Analog-to-digital converter)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전자 회로 등을 의미한다. DAC와 반대 기능을 수행하는 장치로서, 수신안테나(22)로부터 수신된 아날로그 신호를 제어부(41)에 전달하기 위한 디지털 신호로 변환한다.

필터뱅크(45)는 수신된 신호 중 원하는 주파수의 신호를 제외한 다른 신호를 줄여주는 역할을 하는 필터들이 모여있는 것을 의미한다. 수신안테나(22)를 통해 수신되는 전자파 신호는 ADC에서 디지털 신호로 변환되기 전에 필터뱅크(45)를 거쳐 원하는 주파수의 신호가 강조되도록 처리된다.

신호처리장치(40)는 외부전원을 공급받을 수 있는 케이블을 포함하여 구성되며, 입출력장치(50), 송신안테나(21), 수신안테나(22)와 케이블로 연결될 수 있는 단자를 포함하여 구성된다.

입출력장치(50)는 사용자로부터 정보를 입력받아 신호처리장치(40)로 전달하거나, 신호처리장치(40)에서 처리된 데이터를 전달받아 디스플레이를 통해 출력하는 역할을 수행한다. 입출력장치(50)로는 모니터가 연결된 PC를 이용하는 것이 바람직하다. 입출력장치(50)는 신호처리장치(40)와 케이블을 통해 유선으로 연결될 수 있다.

송신안테나(21)는 신호처리장치(40)로부터 신호를 전달받아 전자파를 방사한다. 송신안테나(21)는 신호처리장치(40)와 케이블을 통해 유선으로 연결되어 작동한다. 수신안테나(22)는 송신안테나(21)로부터 방사되어 콘크리트 시료를 투과한 전자파 신호를 전달받는다. 송신안테나(21)는 정보처리장치와 케이블을 통해 유선으로 연결되어 작동한다.

송신안테나(21)와 수신안테나(22)는 동일한 종류의 안테나로 구성되며 평면형의 나선형(spiral)안테나 또는 나선형안테나인 것이 바람직하다. 나선형안테나는 도선이 나선형으로 배치되는 안테나를 말하는데, 나선의 꼬인 방향에 따라서 좌수형(Left-handed) 와 우수형(Right-handed)로 나누어진다.

한 쌍의 안테나는 2개의 케이블로 입력단자와 출력단자에 각각 연결되어 신호를 발생하거나 수신하는 역할을 수행한다. 출력단자와 케이블을 통해 연결되는 안테나는 송신안테나(21)로 작동하고, 입력단자와 케이블을 통해 연결되는 안테나는 수신안테나(22)로 작동한다.

송신안테나(21) 및 수신안테나(22)와 시료고정부(13) 사이에는 두께를 갖는 방사공간(30)이 구비된다. 방사공간(30)의 두께는 일정하게 유지되는 것이 좋고, 송신안테나(21)와 시료고정부(13) 사이에 위치하는 방사공간(30)과 수신안테나(22)와 시료고정부(13) 사이에 위치하는 방사공간(30)은 동일한 두께를 가지는 것이 좋다. 방사공간(30)의 두께는 콘크리트시료의 크기, 안테나의 면적, 방사되는 전자파의 주파수 등에 따라 다르게 설정될 수 있다. 방사공간(30)의 두께를 실험 조건에 따라 조절함으로써 콘크리트 시료를 투과하는 전자파의 값을 더욱 정확하게 측정할 수 있게된다.

송신안테나(21)에서 방사되는 전자파의 빔패턴의 측면에서 볼 때, 빔패턴의 형상이 콘크리트 시료를 넘어가지 않고 전부 시료를 투과하는 것이 좋다. 방사공간(30)의 두께를 d(cm), 콘크리트 시료의 입사면의 변 중 짧은 변의 길이를 L1(cm)라 하고, 안테나의 빔폭이 140°의 각도 이내로 방사되므로 안테나의 중심에서 빔패턴이 입사면을 넘어 방사되지 못하게 하기 위해서는 다음 부등식의 조건이 만족되어야 한다. (

) 방사공간(30)의 두께가 조절됨으로 인하여 나선형안테나가 가지는 빔폭의 범위내에서 전자파가 콘크리트 시료의 입사면을 통해 전파되어 전자파 차폐율이 측정되며, 안테나와 콘크리트 시료 사이에 도파관이 설치되거나 안테나를 둘러싸는 전자파 차폐벽이 설치될 필요성이 떨어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면인 콘크리트 차폐율 측정 시스템의 일 실시예는 300MHz~1.5GHz 범위의 전자파 주파수 조건에서 1cm의 두께를 가지는 방사공간(30)을 포함하며, 송신안테나(21)와 수신안테나(22)를 고정하는 안테나고정부(14) 및 콘크리트시료를 고정하는 시료고정부(13)를 포함하여 구성되는 케이스(10)를 추가적으로 포함하는 콘크리트 차폐율 측정 시스템이다.

안테나와 시료는 케이스(10)의 안테나고정부(14)와 시료고정부(13)에의해 고정되고, 고정된 송신안테나(21)로부터 발생된 전자파는 방사공간(30)을 지나고 콘크리트시료를 투과한 뒤, 반대편 방사공간(30)을 지나 수신안테나(22)로 전달된다. 이 과정은 케이스(10) 내부에서 진행되며, 측정된 데이터는 제어부에 전송된 뒤 입출력장치(50)를 통해 출력된다. 측정 데이터는 콘크리트시료가 설치되지 않은 상태에서의 데이터인 Reference(REF)와 콘크리트시료가 설치된 상태에서의 데이터인 EUT(Equipment under test), 이 둘의 차이로 계산되는 SE(Shielding effectiveness)로 구분되며, 데이터는 그래프로 출력될 수 있다.

출력부는 미리 입력된 전자파 차폐율 데이터와 측정된 차폐율 데이터 또는 습도 정보에 의해 보정된 차폐율 데이터를 비교하여 결과값을 출력한다. 측정된 차폐율 데이터 또는 보정된 차폐율 데이터가 미리 입력된 차폐율 데이터보다 특정 주파수 영역에서 낮은 경우 신호를 출력한다. 신호는 점등 또는 소리 신호일 수 있고, 바람직하게는 디스플레이를 통하여 출력되는 것이 좋다.

콘크리트 차폐율 측정장치를 휴대하여 사용하는 경우 신호처리장치는 측정된 데이터를 저장하고, 미리 입력되어 저장된 콘크리트의 주파수에 따른 차폐율 수치와 측정된 콘크리트의 주파수에 따른 차폐율 값을 대비하여 차폐율이 저장된 기준값보다 낮은 경우 신호를 출력하도록 출력부를 포함하여 구성될 수 있으며, 출력은 소리 신호, 점등 또는 디스플레이부를 통한 메시지 형태를 포함하여 이루어질 수 있다.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 케이스 11 : 상부케이스
12 : 하부케이스 13 : 시료고정부
14 : 안테나고정부 20 : 안테나
21 : 송신안테나 22 : 수신안테나
30 : 방사공간 40 : 신호처리장치
41 : 제어부 42 : 아날로그-디지털 변환장치(ADC)
43 : 디지털-아날로그 변환장치(DAC) 44 : 발진기
45 : 필터뱅크 50 : 입출력장치

Claims (11)

1. 서로 마주보게 배치되는 나선형(spiral)의 송신안테나와 수신안테나;
   상기 송신안테나와 상기 수신안테나를 고정하는 안테나고정부;
   상기 안테나고정부 사이에 구비되는 시료고정부;
   상기 시료고정부와 상기 안테나고정부 사이에 형성되고 두께를 조절할 수 있는 방사공간;
   상기 안테나고정부 및 상기 방사공간이 내부에 구비되는 케이스;및
   상기 송신안테나, 상기 수신안테나와 연결되어 신호를 처리하는 신호처리장치;
   를 포함하는 콘크리트 차폐율 측정장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 방사공간은 스티로폼 또는 나무를 포함하는 소재로 구성되는 콘크리트 차폐율 측정장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 케이스는 상기 방사공간과 동일한 소재로 구성되어 상기 방사공간과 일체로 형성되는 콘크리트 차폐율 측정장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 케이스는 상부케이스와 하부케이스로 구성되고, 상부케이스의 하단과 하부케이스의 상단이 서로 결합하여 상기 안테나고정부와 상기 시료고정부를 형성하는 콘크리트 차폐율 측정장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 전자파는 300MHz 내지 3GHz 범위에서 변화되는 콘크리트 차폐율 측정장치.
   
6. 입출력장치로부터 명령을 입력받아 처리하는 제어부;
   제어부로부터 디지털 신호를 전달받아 아날로그 신호로 변환하는 디지털아날로그 변환장치;
   전자파를 발생시키는 발진기;
   상기 전자파를 방사하는 송신안테나;
   투과된 전자파를 수신하여 전달하는 수신안테나;및
   수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 제어부에 전달하는 아날로그 디지털 변환장치;
   를 포함하는 콘크리트 차폐율 측정시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 송신안테나 및 상기 수신안테나는 각각 안테나고정부에 고정되고, 안테나고정부 사이에 시료고정부가 위치하며, 상기 안테나고정부와 상기 시료고정부 사이에 형성되고 두께를 조절할 수 있는 방사공간을 포함하는 콘크리트 차폐율 측정시스템.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 수신안테나로부터 수신된 신호를 처리하는 필터뱅크를 포함하는 콘크리트 차폐율 측정시스템.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 안테나고정부, 상기 시료고정부 및 상기 방사공간이 내부에 구비되는 케이스를 포함하고, 상기 케이스는 상부와 하부로 구성되어 상부케이스의 하단과 하부케이스의 상단이 서로 접촉하여 상기 안테나고정부와 상기 시료고정부를 형성하는 콘크리트 차폐율 측정시스템.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 방사공간은 스티로폼 또는 나무를 포함하는 소재로 이루어지는 콘크리트 차폐율 측정시스템.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 방사공간과 일체로 형성되며 상기 방사공간과 동일한 소재로 이루어지는 콘크리트 차폐율 측정시스템.
    

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