극소형 설계및해석EMProbe - itfind.or.kr · -3-요약문 1. : em제목 극소형...

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최종연구보고서

극소형 설계 및 해석EM Probe

연구수행기관 한국전자파기술학회:

한국전자통신연구소

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제 출 문

한국전자통신연구소장 귀하

본 보고서를 극소형 프로브 설계 및 해석에 관한 연구의 최종연구보고서로 제출합니다EM .

년 월 일1994 4 15

수행연구기관 : 한국전자파기술학회

수행연구기관장: 윤 현 보

연구책임자 : 박 동 철 충남대학교 교수( )

연 구 원 : 김 정 환 한국표준과학연구원( )한 석 태 충남대학교 박사과정( )하 재 권 충남대학교 박사과정( )

연구보조원 : 안 철 주 충남대학교 석사과정( )김 혁 제 충남대학교 석사과정( )

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요 약 문

제 목 극소형 프로브 설계 및 해석1. : EM

연구의 목적 및 중요성2.

목적1)

전자파장해면상의 해소기술중 누설전자파의 전계강도를 정밀계 측정해야하는 목적과 관련하

여 의 주파수 영역에서 동작할 수 있는 극소형 전계강도 측정 프로브의 설30MHz - 2GHz

계이론을 확립하고 이를 토대로 프로브를 설계 제작해 제작된 프로브의 성능을 평가해 보는

데 연구의 목적이 있다.

중요성2)

현대 사회 새로운 공해 요인인 전자파 장해 현상을 정량적으로 분석하기 위해 각종 필요 전

자파 및 불필요 전자파의 전계강도를 측정할 수 있는 프로브의 설계 및 제작기술의 국내확

보는 국내 전자파 관련산업 및 전자기기 산업을 위해서는 물론 유해전자파에 의한 인체의

피해를 줄이기 위한 목적을 위해서도 중요하다.

연구개발의 내용 및 범위3.

선행 기술 조사1)

□ 전계강도 측정 프로브에 관한 문헌자료 수집 및 분석

전계강도 측정 프로브 설계 이론 연구2)

□ 극소형 전계강도 측정 프로브 설계 이론 연구

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□ 피측정 전계에 영향을 주지 않는 안테나 설계이론 연구

□ 고주파 특성이 좋고 낮은 입력파를 검출할 수 있는 다이오드 설계이론 연구

□ 피측정 전계에 영향을 주지 않는 전송선 설계이론 연구

전계강도 측정 프로브 설계 시뮬레이션 및 제작3) ,

제작된 전계강도 측정 프로브 성능 평가4)

연구 결과4.

□ 극소형 전계강도 측정 프로브 설계이론

□ 대역의 전계강도 측정 프로브 제작30MHz - 2GHz

□ 제작된 전계강도 측정 프로브의 측정 결과치

□ 설계 프로그램

기대성과 및 활용방안5.

극소형 전계강도 측정 프로브의 설계이론을 터득하여 설계 제작 측정을 시도하여 얻은 경, ,

험으로부터 판단해 볼 때 앞으로 제작상의 미비점을 크게 보완할 경우 국내 전자파관련산업

을 통해 충분히 국산화가 가능할 수 있다고 생각된다 이러한 극소형 전계강도 측정 프로브.

는 각종의 필요 전자파 및 불필요 전자파의 전계강도를 측정하는데 활용되어 전자파장해문

제를 파악하는데 활용될 수 있다.

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SUMMARY

1. Subject

Design and Fabrication of a Miniature EM Probe

2. Purpose and Importance

1) Purpose

The purpose of this study is to establish the design theory of a miniature EM probe

operating in the frequency range from 30 MHz to 2 GHz and to test the performance of

the designed isotropic EM probe.

2) Importance

In order to quantitatively analyze the electromagnetic interference phenomena by

ourselves it is essential to acquire the design capability for the EM probe which can

measure absolute values of the EM field. The necessity for the accurate measurement of

the EM field has increased recently for the purpose of EMI measures and

countermeasures.

3. Contents, Scope and Results

1) Survey on the previous reserch results

2) Reserch on the design theory of a miniature EM probe

3) Design and fabrication of a miniature EM probe operating in the frequencies

from 30MHz to 2GHz

4) Performance test of the miniature EM probe

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4. Expected effects and Suggestion

The performance of a EM probe is high1y dependent on the fabrication accuracy. By

improving the semiconductor fabrication scheme to the currently fabricated EM probe it

is thought to be possible to commercialize EM probes domestically. This study

contributes to the acquisition of the ability to design and fabricate the EM probes used

for the EMI problems.

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목 차

표 목 차

그림목차

제 장 서 론1

제 장 전계강도 측정 프로브 설계 이론2

제 절 이극 안테나1

제 절 다이오드2

제 절 전송선3

제 장 전계강도 측정 프로브 설계3

제 절 전계강도 측정 프로브 응답1

제 절 전계강도 측정 프로브 설계 및 시뮬레이션2

제 장 전계강도 측정 프로브 제작4

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제 장 전계강도 측정 프로브 성능평가5

제 장 결 론6

참 고 문 헌

부 록

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표 목 차

표 주파수 조건에 따른 안테나 길이( 1)

표( 2) Properties of Resistive Films for MMICs

표 주파수에 따른 전송선 특성임피던스( 3)

표 전송선의 감쇠( 4)

표( 5)c i l L2

의 임피던스

표 전계강도 측정 프로브의 설계치( 6)

표 전계강도 측정 프로브 주파수 특성 측정치( 7)

표( 8) Isotropic Response at 0.5V/m ,60MHz

표( 9) Dynamic Response of Element-2

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그 림 목 차

그림 전계강도 측정 프로브 구조( 1)

그림 직각배열된 이극 안테나들 신호검출회로( 2) (a) (b)

그림 이극 안테나의 직각 배열 구조( 3)

그림 비선형 다이오드의 입출력 신호( 4)

그림 쇼트키 다이오드의 등가 모델 회로( 5)

그림 이극 안테나에 부착된 쇼트키 다이오드( 6)

그림( 7) Dipole with Transmission Line in Incident Plane Wave Field

그림( 8) Schematic Diagram showing Reception of Incident Signal

그림( 9) Norton Equivalent Circuit for Dipole-Transmission Line Reception

그림( 10) Equivalent Voltage and Current Sources for a Length Δy of the

Transmission Line

그림( 11) Output Circuit for Diode, Transmission-Line and Termination Ζ m

그림 전계강도 측정 프로브의 등가모델회로( 12)

그림 간략화된 전계강도 측정 프로브 등가모델회로( 13)

그림( 14) HP Beam-Lead Schottky Diode

그림( 15) Coplanar Strip Line

그림 전계강도 측정 프로브의 최종설계( 16)

그림( 17) Dynamic Response of the E-Field Probe

그림( 18) Frequency Response of the E-Field Probe

그림 설계된 개의 이극 안테나 배열 모습( 19) 3

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그림 진공증착기 구조( 20)

그림( 21) Photolithography Procedure

그림( 22) Fabricated Probe

그림( 23) Schematic Diagram of the Measurement System using TEM Cell

그림 제작된 전계강도 프로브 각 들의 주파수 특성( 24) Element

그림 제작된 전계강도 측정 프로브 주파수 특성( 25)

그림( 26) Angle Response of the Elements

그림( 27) Isotropic Response of the Probe

그림( 28) Dynamic Response of Element-2

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제 장 서 론1

정보화 사의로 급속히 들어섬에 따라 전자기기의 대량사용과 소형경량화로 인한 근접사용

때문에 새로운 공해 요인인 전자파장해 현상이 나타나고 있다(Electromagnetic Interference) .

전자파장해현상은 각종 전자기기의 동작시 발생되는 전자파가 외부로 누출되어 다른 기기의

오동작 및 인체에 손상 등을 일으키는 현상을 말한다 누설전자파는 인체에 치명적인 영향.

을 줄 수 있을 뿐만 아니라 인접기기들의 오동작을 초래해 각종 산업재해를 일으키는 등 그

악영향이 심각해 일찍부터 선진각국에서는 이에 대한 연구를 시작하여 누설전자파 측정기

술 누설전자파 발생 억제기술 및 차폐기술 등에서 많은 발전을 이룩했으며 각종 안전규격,

을 제정하고 있다.[1,2] 구미선진국들은 이런 안전규격을 새로운 형태의 무역장벽으로도 활용

하고 있는 실정이다 따라서 각종 필요 전자파 및 불필요 전자파의 전계강도를 정밀하게 측.

정할 수 있는 기술을 독자적으로 확보하는 것은 국내 전자파 관련산업 및 전자기기 산업을

위해서는 물론 최근 논란이 되고 있는 유해전자파에 의한 인체의 피해를 줄이기 위해서도

그 필요성이 시급하다고 하겠다.

본 연구의 목표는 전자파장해현상의 해소기술 중 누설전자파의 측정기술과 관련하여 30

까지 동작하는 극소형 전계강도 측정용 프로브 의 해석기법을 정립MHz - 2GHz ( probe )

하고 이를 토대로 프로브를 설계 제작하여 동작 특성을 측정하는데 있다.

본 연구에서는 이미 발표된 관련 자료를 수집하여 조사 분석한 후 전기적으로 길이가 짧은

이극 안테나 쇼트키 다이오드 및 단위길이당 저항이 높(Dipole Antenna), (Schottky Diode)

은 전송선을 이용하여 까지 동작하는 전계강도 측정용 프로브의 설계 제30MHz - 2GHz ,

작 및 특성평가를 하였다 제 장의 절에서는 이극 안테나가 입사파에 대해 전류를 유기하. 2 1

는 과정을 절에서는 다이오드가 이극 안테나에서 유기된 전류를 검출해 내는 과정을 절, 2 , 3

에서는 그 검출된 신호를 지시계기로 옮겨주는 역할을 하는 전송선에 대해 알아보았다 이.

어서 제 장은 제 장의 설계3 2

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이론에 따라 설계치를 구하고 설계된 프로브의 응답 을 시뮬레이션해 보았다 제(response) 4

장은 전계강도 측정프로브 제작을 제 장은 제작된 프로브의 성능평가를 서술하였다5 .

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제 장 전계강도 측정 프로브 설계이론2

전계강도 측정 프로브를 설계하는 방법들 중에서 본 연구에서는 쇼트키 다이오드(Schottky)

와 이극 안테나를 이용하는 프로브 설계 방법을 택하였으며 그림 이 그 구조로서 동작원1

리는 간단하다 측정하려는 입사 전계에 대해 다이오드 양단에 전압을 유기시켜주는 이극.

안테나와 그 신호를 검출해내는 다이오드 그리고 지시계기로 그 검출된 신호를 연결해 주,

는 유손실 전송선으로 구성되어 있다.

그림 전계강도 측정 프로브 구조1.

전계강도 측정 프로브 구조가 갖추어야 할 조건으로는 근접측정 ( near-field measurement

에 적합해야 하며 피측정 전자파에 영향을 주지 않아야 한다 또한 미측정 전자파의 편파) .

상태 에 영향을 받지 않고 일정한 값을 읽어야 하며 소형 경량이어서( polarization state ) ,

쉽게 이동할 수 있어야 한다.

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제 절 이극 안테나1 ( Dipole Antenna )

근접측정시 입사 전계로부터 안테나에 유기되는 전류가 크면 다시 역으로 방사

되므로 측정하려는 본래의 전계를 교란시키게 되므로 이 현상을 막기 위해서(re-radiation)

는 임피던스가 큰 안테나를 사용해 안테나에서 유기되는 전류를 작게 해야 한다 길이가 짧.

은 이극 안테나는 임피던스가 커 위의 목적에 적합하다 한편 전자파방해현상 측정시 일반. ,

적으로 측정되는 전계는 그 강도가 크기 때문에 길이가 짧은 안테나를 사용해도 감도가 문

제되지는 않는다 길이가 짧은 원통형 이극 안테나의 경우 어드미턴스는 다음과 같다. [3]

원통형 이극안테나의 반지름a=

원통형 이극안테나의 한쪽길이h=

k 2 h 2이상 항을 무시하면

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여기서 ζ 0는 자유 공간에서의 특성 임피던스 120π(Ω)를 나타낸다.

극소형 안테나를 제작하려면 반도체 제작 기법을 활용해야 하기 때문에 이극 안테나는 평면

스트립 형태이어야 하겠다 스트립 형태의 이극안테나의 폭을. W A라 하면 =0.25α W A인

관계[4] 에서 이극 안테나의 커패시턴스 C A 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

결국 스트립 형태의 이극 안테나의 임피던스를 이극 안테나의 폭과 길이로써 나타내었다.

한편 이극 안테나는 입사파중 안테나의 길이 방향 성분만 감지해 내는 특성이 있고 측정하.

려는 입사파의 편파상태를 일반적으로 모르기 때문에 어느 방향으로 놓아도 일정한 감도를

나타내는 등방성 프로브가 필요하다.

입사파를 다음과 같다고 하자.

서로 직각으로 배열된 개의 안테나 중심에서 입사파를 다시 쓰면3

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이고 여기서 는 상수 이다, K (constant) .

다이오드에서 자승법칙 검출을 했다면 측정되는 전압(square-law) V dc 는

이고 여기서 는 상수이다 그러므로 서로 직각으로 배열된 개의 이극 안테나를 사용하여, C . 3

프로브를 만들면 입사파의 방향에 무관하게 입사파 크기의 제곱에 비례하는 일정한 감도를

갖게 된다 그림 는 중심이 일치하면서 직각배열된 이극 안테나들 구조를 보여주고 있. 2(a)

으며 그림 는 신호검출회로의 블럭 다이어그램이다 그림 에는 네가지 형태의 이극 안2(b) . 3

테나 직각배열 구조를 비교하여 보여주고 있는데 그림 는 실제 구면이 어려우며 그림3(a)

구조가 비교적 쉽게 구현될 수 있는 구조로 알려져 있으며 본 연구에서는 그림3(c),3(d)

의 구조를 채택하였다3(c) .

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그림 직각배열된 이극 안테나들 신호검출회로2. (a) (b)

그림 이극안테나의 직각 배열 구조3.

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제 절 다이오드2

쇼트키 다이오드는 접합용량이 작기 때문에 고주파특성이 뛰어나고 감도가 좋으며 작은 잡

음특성을 가지므로 고주파용 검파 다이오드로 널리 이용되고 있으며 그 전류 전압 특성 식-

과 같다 그림 는 다이오드의 비선형 곡선에 제로 바이어스 상태하에서 정현파(2.2.1) . 4 I-V

입력을 주었을 때 출력 전류를 나타내고 있다 성분 뿐 아니라 고주파 성분들도 포함하. DC

는 것을 알 수 있다.

i 다이오드전류:

I s 다이오드포화전류:

υ j 다이오드접합전압:

α =enkT

e= 1.6× 10 - 19C 전자 전하량( )

k=1.38066× 10 -23J/K

n 다이오드이상인자 대개: ( 1-1.5)

T 절대온도:

바이어드 전압 V 0에 소신호 전압 δ υ가 걸린다면 다이오드에 흐르는 전류는

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그림 비선형 다이오드의 입출력 신호4.

와 같이 테일러 시리즈 로 쓸 수 있고(Taylor's Series) , δ υ = V P cos ( ω c t ) 일 때 제3

곱 이상항들은 무시하면,

여기서 ω c와 V P는 각각 캐리어의 주파수와 피크 진폭을 나타낸다 제로 바이어스.

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인 경우에 정류된 전류는DC

와 같이 되어 입력 신호의 제곱 즉 전력에 비례함을 알 수 있다.

쇼트키 다이오드의 등가 회로는 그림 와 같으며5 R s는 다이오드의 접촉저항(contact

기판저항 및 분포저항 때문에 생resistance), (substrate resistance) (spreading resistance)

기는 직렬저항이고, R j는 접합저항(juntion resistance), C j는 접합용량(juntion

이다capacitance)

등이 모델에서 다이오드에 걸리는 전압이 υ d 라 할 때 υ j는

그림 쇼트키 다이오드의 등가 모델 회로5.

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이고 접합 전압의 크기는 다음과 같다(junction) .

식 에서(2.2.1)d idv j | I 0

= α ( I s+ I 0 )이고

이 된다 그리고.

이 된다.

식 에서(2.2.3)

이고, R s를 고려했을 때 전류된 전류 Δ i는

이다.

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다이오드의 어드미턴스는

이므로 다이오드에서 소비된 전력은 다음과 같다.

전류 감도(current sensitivity) β i 는 다음과 같이 정의되며

다이오드 접합부에 υ j= V P cos ( ω c t ) 가 걸릴 때 식 를 이용하여 식 과(2.2.4) (2.2.7)

식 를 묶으면 다음과 같이 전류감도(2.2.8) β i 를 구할 수 있다.

전압 감도(voltage sensitivity) β υ는 부하 가 무한대일 때(load)

이 되며 부사가 R L 이라면 전압 감도는 다음과 같다.

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그림 이극 안테나에 부착된 쇼트키 다이오드6.

스트립 형태의 이극 안테나 중심에 다이오드를 연결할 것이므로 다이오드도 평면의 형태가

적합하겠다 상품화되어 있는 빔리드 다이오드는 이극 안테나 중심에 선 연결 없. (beam-lead)

이 직접 마운트 시킬 수 있어 선 연결시 다이오드의 리드선이 안테나로 동작할 수(mount)

있는 가능성을 없애 준다.

한편 쇼트키 다이오드를 동작시키려면 바이어스 가 걸려야 하고 바이어스(bias)

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회로가 따로 설계된다면 프로브의 크기나 복잡도는 더 심각해질 것이다 그래서 제로 바이어

스 다이오드가 쓰인다면 따로 바이어스 회로를 설계할 필요도 없고 낮은 레벨의(zero-bias)

입력파에 대한 감도의 저하도 막을 수 있다 따라서 본 연구에서는 제로 바이어스 쇼트키.

다이오드를 사용하였다.

제 절 전송선3 [13]

이극 안테나와 쇼트키 다이오드에서 얻은 신호를 지시계기로 연결시키는데 전송선이 이용된

다 이 전송선은 입사파를 받아들여 입사파의 전류를 유기해도 안 되며 다이오드에서 검출.

된 신호를 지시 계기로 전송하는 과정상에 방사 해서 입사파를 간선 해(radiation) (scattering)

서도 안 된다 또한 신호 검출 과정에서 저역통과 필터 역할도. (detection) (low pass filter)

해야 한다 단위 길이당 높은 저항을 가지는 전송선은 위의 목적에 적합하다. .

그림 7. Dipole with Transmission Line in Incident Plane Wave Field

그림 은 전계강도 측정 프로브의 해석에 사용된 모델이다 이극 안테나와 전7 .

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송선은 직각이고 이극 안테나는 축과 평행 전송선은 축과 평행이며. Z- , Y- , Z 0와 Z m이

전송선 양단 ( y = 0 ,y = l L )에 걸려 있다 실제에 있어서. Z 0는 다이오드의 임피던스,

Z m은 지시 계기의 입력임피던스가 되겠다.

그러면 입사파는

와 같고 여기서,

이고 입사파는 시간의 함수, ( e jmt ) 인 것을 가정하였으며, β 0 =ω μ 0 ε 0은 자유공간

의 전파상수 이다(propagation constant) .

그림 8. Schematic Diagram showing Reception of Incident Signal

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그림 에서 처럼 입사파는 전송선과 이극 안테나에 전류를 발생시킨다 전송선에서 유기된8 .

전류는 두 전송선 상에서 진폭과 방향이 같은, I CM과 진폭은 같으나 방향이 다른 I DM

으로 나눌 수 있다. I DM 은 전송선 양단으로 흘러가 입사파에 의해 전송선에서 직접 유기

된 전류가 된다. I CM 은 전송선 양단에서 서로 상쇄되어 없어지지만 전송선의 입사파에

대한 산란 의 주요인이 된다 그래서 앞에서 전송선이 갖추어야 할 요건대로 전(scattering) .

송선이 동작하는 지를 알아보기 위해 에서, y=0 I DM과 I Λ를 비교하여 입사파에 대해서

전송선이 안테나에 비해 어느 정도 전류를 발생시키는지 수식화해보고자 한다 한편 산란. ,

효과는 주변환경이 완전히 정의되어야 결정할 수 있지만 많이 쓰이는 파라미터인 산란 단면

적(sacattering cross sectjon, σ 으로 안테나 산란 단면적) ( σ A ) 와 전송선 산란단면적

( σ L )을 비교해 본다 마지막으로 전송선이 저역통과 필터의 역할을 하는지를 알아보고자.

한다.

입사파에 대한 전송선과 이극 안테나의 반응을 다음 그림 의 노턴 등가회로에서 살펴보8

자.

그림 9. Norton Equivalent Circuit for Dipole-Transmission Line Reception

그림 에서9 I A SC , I LSC 는 각각 이극 안테나와 전송선에서 유기된 전류이고

Y Λ , Y L은 각각 안테나와 전송선의 어드미턴스이다 전기적으로 짧은 이극 안.

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테나 ( β 0h≪1)의 경우

이고 ζ 0 는 자유공간의 임피던스다.

그리고 전송선의 입력 어드미턴스는 다음 식으로 표현된다.

여기서 Κ L 는 전송선의 복소파수 이고(complex wave number) Y C는 전송선의 특성

어드미턴스 이다 복소파수(characteristic admittance) . Κ L 은 단위길이당 직렬 임피던스

( Ζ L )와 단위길이당 명렬 병렬 어드미턴스 ( y L ) 로 나타낼 수 있다.

여기서 다시 단위길이당 직렬 임피던스는 전송선의 단위길이당 내부 임피던스 ( Ζ i )와 외

부 인덕턴스 ( l e )로 나타낼 수 있다.

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여기서 Ζ i= r i+ jω l i이다 또 병렬 어드미턴스는 단위길이당 컨덕턴스. (g)와 단위길이

당 커패시턴스 ( C i )로 나타낼 수 있다.

이제 그림 에서9 I LSC만 구하면 되겠다 전송선에 대한 입사파의 효과는 분포직렬 전압.

원 과 분포 병렬 전류원(distributed series voltage source) (distributed shunt current

으로 그림 과 같이 나타낼 수 있다source) 10 .

그림 10. Equivalent Voltage and Current Sources for a

Length Δy of the Transmission Line

입사파가 B i , E i라 할 때 단위길이당 전류원과 전압원은 다음과 같고,

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이 전류원가 전압원은 전송선 방정식 의 우변에 나타난다 즉(Transmission-Line Equation) . ,

식 를 묶어 맥스웰 방정식을 적응하면 다음과 같은 차 미분방정식을 얻(2.3.9) - (2.3.12) 2

을 수 있다.

여기서 경계조건

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을 적용하여 식 를 풀고 에서의(2.3.13) (2.3.14) y=0 I DM (0)을 얻을 수 있다.[13]

여기서

이다 그림 에서. 8

이고 단위길이당 저항이 큰 전송선이라면

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이고 식 에 대입하면 다음과 같다, (2.3.15) .

전송선이 단위길이당 컨덕턴스가 무시할 정도이고 (g≈0) 단위길이당 높은 저항

( 2r i≫ ω ( 2l i+ l e ))을 갖는다면 식 에서(2.3.7), (2.3.8)

이고,

이 된다 그래서. | K L|≫1 인 조건으로 식 을 정리하면 입사파에 의한 총전류를 구(2.3.17)

할 수 있다 총전류. I TSC 는 다음과 같다.

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여기서,

이다 윗 식을 살펴보면 괄호안의 첫 번째 항이 안테나에서 받은 전류가 되겠고 다음 개. 3

항이 전송선에 유기된 전류가 되겠다 전송선에 유기된 전류항 중 번째 항이 안테나에 유. 3

기된 전류와 같은 방향이다 그러므로 전송선에서 받은 전류가 안테나에서 받은 전류와 비.

교하여 최소가 되게 하려면 χ 의 값을 작게 하면 되겠다 즉 이극 안테나의 길이와 폭 그.

리고 전송선의 단위길이당 저항 간격으로 표현되는, χ 는 설계 파라미터로 이용될 수 있다.

그래서 프로브 응답의 오차 ( χ 를 고정시킨 채 안테나의 길이 를 상수) (h) k배 만큼 줄였다

면 전송선간의 간격 를, ( d) k배 만큼 줄여야 하고 동시에 전송선의, r i 도 k배 증가시

켜야 한다 간격 와. (d) r i 어느 하나만 조절 가능하다면 각 k 2 ,1

k 2배 줄여야 한다.

전송선 간격 보다 큰 거리에서의 산란전계 는 주로 그림 의( d) (scattered E-Field) 8

I CM에 의존한다 산란 단면적 은 이극 안테나와 전송선의 상대. (scattering cross section)

적인 산란을 비교하는데 유용하다 산란 단면적. (σ)는 다음과 같이 정의된다.

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여기서 P s는 산란파의 시간평균 전력이고 S i는 입사파의 시간평균 전력밀도이다 다시.

쓰면,

이고 전송선의 총산란 단면적은 단위길이당 저항이 높은 전송선인 경우 전기적으로 길이가,

짧을 때 ( β 0 l L≪1),

전기적으로 길이가 길 때 ( β 0 l L≪1),

이고 여기서 λ 0는 자유공간 파장이고 z i = z i□ λ 0 / ζ 0이다.[13] 위 결과로부터 단위

길이당 높은 저항을 가지는 전송선이 전기적으로 길이가 짧을 때는 산란 단면적이 주파수의

제곱에 비례하고 전기적으로 길이가 길 때는 주파수에 비례함을 알 수 있다.

전송선이 단위길이당 저항이 크다면 식 를 얻을 수 있고 그것에 따라 다음과 같이(2.3.19)

등가회로를 얻을 수 있다.

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그림 11. Output Circuit for Diode, Transmission-Line and Termination Ζ m

낮은 주파수에서c i l L2

은 개방 으로 보여(open)

로 나타낼 수 있고 전송선이 저역통과 필터의 역할을 하는 것을 알 수 있다.

그림 의 에서와 같이 전송선과 안테나가 직각인 경우로 서로간의 간섭이 없다 그러나 실7 .

제 구현된 형태는 안테나와 전송선이 54.7□C 의 각을 가지고 있다 따라서 서로간의 간.

섭이 있을 수 있겠으나 전송선이 고저항이므로 그 양이 매우 작을 것이므로 직각인 모델의

해석과 큰 차이는 없을 것으로 가정한다.

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제 장 전계강도 측정 프로브의 설계3

제 절 전계강도 측정 프로브의 응답1

제 장의 설계 이론에서 이극 안테나 다이오드 전송선 각각의 등가회로를 얻었다 전체적2 , , .

으로 그리면 다음과 같다.

그림 전계강도 측정 프로브의 등가 모델 회로12.

위 그림 에서12 R υ 는 비디오 저항 이고 대개(video resistance) R j 와 같다 다이오드.

의 R s는 대개 5Ω 정도로 무시될 수 있고 전송선의c i l L2

부분도 저주파수에서 개방

으로 보고 무시될 수 있어 등가모델회로를 다시 그리면 그림 과 같다 그림 에(open) 13 . 13

서

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그림 간략화된 전계강도 측정 프로브 등가모델회로13.

이고 여기서, β v 는 다이오드의 전압감도이고 P d 는 다이오드 내에서 소비된 전력이

다.

이고

이며 여기서, Z c = R c + jX c 이다.

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이므로

이다 식 을 식 에 대입하면 프로브의 응답을 구할 수 있다. (3.1.3) (3.1.2) .

여기서, V OC = hEi 이어서 입사파 ( E i )에 대한 함수로써 프로브의 응답을 구하였다.

제 절 전계강도 측정 프로브의 설계 및 시뮬레이션2

길이가 짧은 안테나는 | k ah|≪1 이라는 조건을 만족해야 한다 여기서. k A는 복소 파수

이고 는 이극 안테나의 반 길이이다 안테나의 감쇠가 없다면(complex wave number) h .

β Ah≪1로 쓸 수 있다 여기서. β A 는 이극 안테나의 위상

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상수이다 그래서 이극 안테나의 한쪽 길이 는. h

와 같은 조건으로 얻을 수 있다 표 로 정리하였다. 1 .

표 주파수 조건에 따른 안테나길이1.

그림14. HP Beam-Lead Schottky Diode[14]

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원하는 주파수가 까지이면 를 선택하면 식 를 충분히 만족하겠다2 GHz h=7mm (3.2.1) .

그림 는 시중에서 구할 수 있는 사의 빔리드 다이오드이며14 Hewlett Packard HSCH-5330

R s = 5 Ω , I s = 400nA , C j= 0 .4pF 이다 그러므로 식 를 이용해. (2.2.5) R j= 94.68

KΩ을 구할 수 있다 안테나 폭. W A 를 로 선택하면 식 에서1mm (2.1.3)

C A = 8.34 × 10- 14F를 얻을 수 있다 안테나 임피던스. Z A 가 다이오드 접합저항

R j보다 크다면 다이오드로 파가 가지 않고, Z A 는 저주파일수록 커지므로 동작 주파수

대의 낮은 주파수를 결정할 수 있다. Z A 가 일 때30MHz 63611 Ω 이고 R j 는

94680 Ω 이다.

표 은 여러 저항재료의 면저항을 비교해 보여주고 있으며 본 연구에서는 전송선의 재료로2

반도체 기법에서 많이 쓰이는 저항재료인 니크롬을 이용했다 니크롬의 경우. 1500□A

두

께일 때 면저항 약 150 Ω / 을 얻을 수 있다.□

표 2 Properties of Resistive Films for MMICs[9]

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단위길이당 저항은

R S 면저항:

W L 전송선의 폭:

r i 전송선의 단위길이당 저항:

와 같이 된다.

그림 15. Coplanar Strip Line

단위길이당 저항이 큰 물질로 이루어진 전송선이 그림 와 같을 때 단의길이당 커패시턴스15

는,

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여기서 ε r 기판의 상대 유전율:

W L 전송선의 폭:

d 전송선간의 간격:

와 같다.[2] 전송선 폭( W L 과 간격) ( d 을) 25μm로 선택하면 r i= 6 × 10 6Ω/ 을 얻을□

수 있다.

초고주파용으로 많이 쓰이는 알루미나 ( ε r = 9 )기판을 사용한다면 식 에 의해(3.2.3) c i

이 된다=100 pF/m .

안테나에서 받은 신호가 전송선으로 직접가지 않고 다이오드로 가게하기 의해서 그림 에13

서 보면 다음과 같은 조건이 성립해야 함을 알 수 있다.

식 를 이용해 식 의 양변을 계산해 보면 표 과 같다(2.3.20) (3.2.4) 3 .

표 주파수에 따른 전송선 특성임피던스3.

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위 표에서 보면 앞에서 구한 니크롬의 단위길이당 저항( r i 와 폭 길이로서 구해진 단위길) ,

이당 커패시턴스( c i 가 식 를 만족시킴을 알 수 있다) (3.2.4) .

한편 전송선의 길이는 감쇠가 크도록 잡아주면 된다 즉 다음과 같은 조건을 충족시켜야 한, .

다.

구할 수 있었던 알루미나 기판의 길이방향으로의 크기가 2 × 이므로2m l L 로 잡=1cm

아준다면 아래와 같은 표 를 얻을 수 있고 식 를 만족함을 알 수 있다4 (3.2.5) .

표 전송선의 감쇠4.

그리고 등가모델에서 2 r i l L = 3.2 × 105Ω 이 되고

c i l L2

= 1 pF이 된다.

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c i l L2

의 임피던스는 표 와 같다5 .

표 5.c i l L2

의 임피던스

위 표에서 고주파수에서 2 r i l L 에 비해c i l L2

부분이 임피던스가 매우 작아 단락

으로 보여 저역통과 필터로 동작함을 알 수 있다(short) .

그림 전계강도 측정 프로브의 최종설계16.

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표 전계강도 측정 프로브의 설계치6.

위의 절차에 따라 설계된 프로브를 그림 과 표 에 보였다 그림 은 부하16 6 . 17 ( R m )을

10 10Ω이라고 놓고 식 애 의해 주파수가 일 때 입력파에 따른 프로브의 응(3.1.4) 60 MHz

답을 시뮬례이션해 보았다 원하는대로 선형적으로 증가하는 추세를 보였다 그림 은 입. . 18

력파가 로 일정할 때 주파수에 따른 프로브의 응답을 시뮬레이션한 것이고0.52 V/m 30

에서 내에서 비교적 일정한 응답을 보여준다MHz 2 GHz .

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그림 17. Dynamic Response of the E-Field Probe

그림 18. Frequency Response of the E-Field Probe

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이극 안테나 하나에 대한 것만 시뮬례이션했지만 실제 프로브의 모습은 등방성의 특성을 얻

기 위해 개의 이극 안테나를 그림 와 같이 배열한 것이다3 19 .

그림 설계된 개의 이극 안테나 배열 모습19. 3

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제 장 전계강도 측정 프로브 제작4

고저항 전송선 패턴을 형성하기 위하여 우선 니크롬 모합금을 제작하였다 니크롬 모합금은.

니켈과 크롬을 의 비율로 칭량하여 혼합한 후8:2 10 - 3 진공 분위기에서 진공아크용torr

해로 를 사용하여 제작하였다(Model;Acm-01, DAIA Vacuum Engineer Co. LTD) .

알루미나 기판과 니크롬 증발원료를 증크롬산칼륨 ( K 2 Cr 2 O 7 )과 황산 혼합액에다 24

시간 담근 후 증류수 세척 초음파 세척등의 절차로 시료를 세척하였다, .

그림 과 같은 진공증착기 를 사용하여 니크롬을 알루미나 기판위에 증착20 (Edwards, E306)

하였다.

그림 진공증착기 구조20.

진공증착은 로터리 펌프로 10 - 2 까지 진공도를 만들고 다시 유확산 펌프torr (Oil

로Diffusion Pump) 10 - 5 까지 진공도를 만든 후 니크롬이 들어 있는torr

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바스켓 에(Basket) 28 Α 의 전류를 흘려주어 니크롬을 증발시켜 기판에 부착시켰다 증착.

된 기판을 점 프로브 법으로 면저항을 측정한 결과4 (4-point probe) 150 Ω 정도였다.

이어서 25μm의 선폭을 갖는 패턴을 형성시키기 위하여 를 사용하였는데photolithography

그 과정을 그림 에 나타내었다 니크롬이 증착된 기판위에 포지티브감광액21 . (OFPR-800)

을 방울 떨어뜨리고 스피너를 으로 초간 회전시켜 일정두께의 감광막5-6 4000 r.p.m. 15

을 형성시켰다 그후. 75□C 오븐에서 분간 소프트 베이크 하였다15 (Soft Bake) .

오토캐드 로 설계된 레이아웃 패턴을 레이저 플롯 및 현상을 함으로써 투명한 필(AutoCad)

름상의 패턴으로 형성하였고 유리만에 부착시켜 마스크를 제작하였다 제작한 마스크와 감, .

광막이 형성된 기판을 마스크정열기 제 로 정열시켜 의 자외선을 이(MA-1O,Mikasa ) 250 W

용 초간 쪼여주었다 수산화 칼륨 용액에 감광된 기판을 초간 시킨 후8 . 1% 30-45 develope

다시 120□C 오븐에서 분간 하드 베이크 하였다 그 후 크롬에천트50 (Hard Bake) . (CR-7,

용액에 초간 담가 에칭하여 전송선 패턴을 형성하였다Cyantek Co.) 30 .

안테나 패턴은 미국 제품 으로 폭 반쪽길이 가Conductive Pen( , Planned Products ) 1mm, 7mm

되도록 기판위에 손으로 그렸다 안테나 패턴 양단간에 다이오드를 올려놓고 실버 에폭시를.

이용해 부착시킨 후 100□C 에서 분간 열처리하였다45 .

위와 같은 공정으로 만든 개의 를 테플론 지지대로3 element 60□각도로 배열하여 부착시

켰다 그림 는 제작된 프로브의 실제 모습이다. 22 .

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그림 21. Pktolithography Procedure

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그림 22. Fabricated Probe

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제 장 전계강도 측정 프로브의 성능평가5

제작된 전계강도 측정 프로브의 성능평가를 위해 주파수 특성 등방(Frequency Response),

성 특성 및 동작영역 특성 을 측정하였다 그림(Isotropic Response) (Dynamic Response) . 23

은 측정 시스템의 모습이다.

그림 23. Shematic Diagram of the Measurement System

의 전계를 조성하고 에서 까지 제작된 전계강도 측정 프로브의0.52 V/m 25MHz 10OMHz

주파수 특성을 측정하였으며 개의 안테나 들을 각각 으로 표시하여3 Element Element-1,2,3

표 에 정리하였다 그림 는 개 의 주파수 특성을 나타내고 있고 그림 는 각7 . 24 3 Element 25

각의 의 검출값을 제곱하여 더한 후 근호를 취한 값을 나타낸다 측정치들을 살펴보Element .

면 이상 주파수에서 갑자기 증가함을 알 수 있다 의 영향인지 프로브90 MHz . TEMI Cel1

자체의 영향인지 규명하지는 못했다 에서 까지 은. 30MHz 9O MHz Element-1 ±2.78dB,

는 은 이내의 편차를 나타내고 있다Element-2 ±2.49dB, Element-3 ±2.02dB .

프로브를 구성하는 개의 안테나는 서로 수직이 되도록 배열하여 입사하는 전계의 편파상태3

에 무관한 일정한 감도를 갖도록 하였는데 의 일정한60MHz, 0.52 V/m

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주파수의 전계를 조성하고 프로브를 15□씩 돌리며 측정한 값을 표 과 그림 에 나타내8 26

었다.

표 전계강도 측정 프로브 주파수 특성 측정치7.

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그림 제작된 전계강도 프로브 각각 들의 주파수 특성24. Element

그림 제작된 전계강도 측정 프로브 주파수 특성25.

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주파수의 전계를 조성하고 프로브를 15□씩 돌리며 측정한 값을 표 과 그림 에 나타내8 26

었다 그림 은 개의 의 제곱값들을 더해 근호를 취한 값들을 나타낸 그림인데. 27 3 Element

최대값과 최소값과의 편차가 360□회전에 이내이다±0.28dB .

표 8. Isotropic Response at O.5V/m, 60 MHz

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그림 26. Angle Response of the Elements

그림 27. Isotropic Response of the Probe

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전계강도 측정 프로브의 동작 영역 특성은 의 일정한 주파수에서 신호원의 출력60 MHz

를 변화시켜가면서 프로브의 출력값을 읽었다 표 와 그림 은 의 동작Level . 9 28 Element-2

영역 특성을 나타내고 있다 신호원의 출력 이 부터는 씩 증가함에 따. Level -32dBm 3 dBm

라 의 출력값이 약Element-2 2 배 씩 증가함을 알 수 있다.

주파수 에서 까지의 범위에서의 제작된 전계강도 측정 프로브의 성능평가100 MHz 2 GHz

는 실험장치 제안 때문에 수행할 수 없었다.

표 9. Dynamic Response of Element-2

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그림 28. Dynamic Response of Element-2

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제 장 결 론6

극소형 안테나를 이용하여 에서 영역에서 사용할 수 있는 전계강도 측정30 MHz 2 GHz

프로브를 설계 제작하여 에서 까지의 주파수 영역에서 주파수 특성 등20 MHz 100 MHz ,

방성 및 동작영역 특성을 을 이용하여 측정하였다TEM Cell .

미측정 전계에 영향을 주지 않기 위하여 안테나는 극소형으로 전송선은 고저항선을 이용하

였고 고주파 특성이 좋은 제로바이어스 쇼트키 다이오드를 검파용으로 사용하였다.

특성평가를 위해 에서 까지 를 이용하였는데 제작된 전계강20 MHz 100 MHz TEM Cell ,

도 측정 프로브는 주파수 특성이 에서 까지 이내이고 등방성 특30 MHz 90 MHz ±2.78dB ,

성이 이내 이었다±0.28dB .

측정시 프로브에서 지시계기인 까지 어떤 선을 이용하여 연결하느냐에 따라 측정값DVM .

들이 변하였던 것으로 보아 연결선들이 제 의 안테나 역할을 함을 알 수 있다 그래서 전2 .

계강도를 측정하는 안테나에서부터 나오는 고저항 전송선 부분을 되도록 길게하고 또한 전

송선 끝 부분에 광 다이오드를 이용해 곧바로 전자장에 거의 영향이 없는 광케이블 등에 연

결시키는 방법등을 사용한다면 더 신뢰도 있는 측정치들을 얻을 수 있을 것이다.

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참 고 문 헌

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[14] Diode and Transister Designer's Catalog 1982-1983, Hewlett-Packard, U.S.A.

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부 록

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부록 하나의 주파수 응답을 구하는 프로그램1. Element FORTRAN

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부록 하나의 를 구하는 프로그램2. Element Dynamic Response FORTRAN

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