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정보통신학술 연구과제

자 유 발 간 00-04

전자파환경공학 에(EMI/EMC)

관한 학술도서 발간

(A Book Publication on Electromagnetic Compatibility)

2001. 2.

연 구 기 관 : 한 국 전 자 파 학 회

연구책임자 : 김 기 채 영남대학교( )

공동연구원 : 김 동 일 한국해양대학교( )

명 노 훈(KAIST)

박 동 철 충남대학교( )

이 영 훈 호남대학교( )

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제 출 문

정보통신부 장관 귀하

본 보고서를 『전자파환경공학 에 관한 학술도서 발간(EMI/EMC) 의 연구결과보고』

서로 제출합니다.

2001. 2.

연 구 기 관 : 한 국 전 자 파 학 회

연구책임자 : 김 기 채 영남대학교( )

공동연구원 : 김 동 일 한국해양대학교( )

명 노 훈(KAIST)

박 동 철 충남대학교( )

이 영 훈 호남대학교( )

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요 약 문

제 목1.

전자파환경공학 에 관한 학술도서의 발간(EMI/EMC)

연구의 목적 및 중요성2.

연구의 목적1)

전자파환경공학과 전자파 관련 분야를 전공하고자 하는 공학도 및 관련 산업체의

기술자들에게 필요한 전자파환경공학 의 전문 학술도서를 개발하고 출판(EMI/EMC)

하여 이들이 유익하게 활용할 수 있도록 하는 것이 목적이다.

연구의 중요성2)

정보화 사회의 진전과 함께 전기 전자 정보처리 장치는 고기능화와 함께 디지털화, ,

되어가고 있으며 동시에 이러한 전기 전자 장치류의 보급도 급속하게 증가하고 있,

다 전기 전자 장치류의 급증은 불필요한 전자파 방출의 증가를 가져오게 하고 불. ,

요전자파의 영향을 받을 확률의 증가를 초래하고 있다 이러한 상황에서 전자파환.

경공학 의 필요성과 중요성은 더욱 더 증대될 것으로 예측되고 있다 이(EMC/EMI) .

와 같이 전자파환경공학은 정보화 시대에 있어서 대단히 중요한 분야임에도 불구,

하고 이를 다루고 있는 전문 학술도서가 국내에서는 아직 개발되어 있지 않다 이.

로 인하여 전자파환경공학에 관련된 전문인력의 교육을 담당하고 있는 국내의 전자

파환경공학 관련자들은 외국의 교재에 의존하거나 또는 독자적으로 개발한 간이교

재를 이용하고 있는 실정이다 따라서 우리의 실정에 맞는 적절한 학술도서의 개발. ,

은 무엇보다도 먼저 하여야 할 시급한 과제이다.

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연구의 구성 및 범위3.

전자파환경공학 학술도서의 성격에 대한 검토1)

전자파환경공학 학술도서에 포함될 내용의 검토2)

교육효과를 고려한 목차의 검토3)

목차에 따른 분담 집필자의 결정4)

전문 학술용어의 통일5)

학술도서의 출판6)

연구내용 및 결과4.

전자파환경공학 학술도서의 발간에 관한 연구내용 및 결과는 다음과 같(EMI/EMC)

다.

전자파환경공학 학술도서의 성격에 대한 검토1)

본 학술도서는 전자파환경공학의 기초를 이루는 제반내용을 다루어 전자파환경공학

및 전자파 관련 분야를 전공하고자 하는 공학도 및 관련 산업체의 기술자들에게 기

초지식을 제공할 수 있도록 한다.

전자파환경공학 학술도서에 포함될 내용의 검토2)

전자파환경공학의 필요성을 설명하고 전자파환경공학의 이해를 위한 기초 전자기,

장 이론 시험법과 측정기기 및 측정시설 대책법 정전기 방전 전, EMI/EMC , EMC , ,

자파장해 규제 규격 등을 다룬다.

목차 및 분담집필자의 결정3)

전자파환경공학 학술도서에 포함될 내용을 바탕으로 각 내용을 장으로 구분하고 다

음과 같이 배열하였으며 세부목차는 생략 전자파환경공학 관련 전문가로 구성된( ), 5

인의 집필진에 의해 각 내용을 분담 집필하였다

제 장1 전자파환경과 EMC 김동일 교수 집필( )

제 장2 전자기장과 전자파 이론 김동일 교수 집필( )

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제 장3 측정기기 및 측정설비EMC 김기채 교수 집필( )

제 장4 시험법EMI/EMC 김기채 교수 집필( )

제 장5 차폐 명노훈 교수 집필( )

제 장6 누화와 케이블링 명노훈 교수 집필( )

제 장7 접지와 본딩 이영훈 교수 집필( )

제 장8 밸런싱과 필터링 박동철 교수 집필( )

제 장9 정전기 방전 이영훈 교수 집필( )

제 장10 응용EMC 박동철 교수 집필( )

제 장11 전자파장해 규제 규격 박동철 교수 집필( )

전문 학술용어의 통일4)

전자파환경공학 및 전자파에 관련된 전문 학술용어는 한국전자파학회에서 발행한

용어사전 에 준하였다“EMC ” .

정책적 활용내용5.

본 연구는 학술도서의 발간에 관한 것이므로 특별한 정책활용가능성은 없음.

기대효과6.

외국으로부터 전문 도서를 수입하기 위해 지출되는 외화의 절약은 물론 학문의1) ,

대외 종속이 가져오는 전문 교재의 종속으로부터 탈피할 수 있는 계기가 될 수 있

을 것이다.

국내 대학의 전자파환경공학 과목에 대한 기본 교재로서 또는 관련 산업체에서2)

업무를 담당하는 전문기술자들의 기초지식의 함양을 위한 교재로서 적절하게 이용

될 것으로 생각된다.

전기 및 전자공학 관련 분야를 전공하는 공학도들에게는 물론 관련 산업체의 기3)

술자들에게도 유익한 안내자의 역할을 하는 참고도서로 활용될 수 있을 것으로 기

대된다.

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SUMMARY

1. Title

A Book Publication on Electromagnetic Compatibility

2. Objective and Importance of Research

1) Objective of Research

This book is written to provide both the student and the· experienced

engineer with specialized knowledge and information on EMI/EMC engineering

and at the same time be a good reference book.

2) Importance of Research

Mankinds tremendous demand for higher technology have brought todays

high-tech and digitalized society flooded with numerous electrical and

electronic devices, that has increased the amount of unnecessary

electromagnetic waves and a possibility of being harmed from them. This

current situation of electromagnetic environment increases the needs and

importance of EMI/EMC engineering. In spite of all these conditions, we don't

have domestically published books that deal specifically with EMC/EMI

engineering, accordingly the domestic educators inevitably give lessons with

foreign textbooks or personally-developed materials. Therefore the publication

of proper textbook must be preceded.

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3. Contents and Scope of the Research

1) Discuss the characteristics of books on electromagnetic compatibility

2) Discuss the specific contents of books on electromagnetic compatibility

3) Discuss the table of contents of books on electromagnetic compatibility

4) Determine a proper author corresponding to specific contents

5) Unify the terms

6) Publish the book

4. Research Results

The contents and results of research on book publication of EMI/EMC

engineering are as follows.

1) Discussion of characteristics on EMI/EMC book.

This book covers complete introduction to electromagnetic compatibility and

provides both the student and the experienced engineer with fundamental

knowledge.

2) Discussion of specific contents on EMI/EMC book.

This book explains the necessity for EMI/EMC engineering and at the same

time deals with an basic understanding of electromagnetics, EMI/EMC test

equipments and facilities in addition to test procedures, the countermeasure

against EMC, electrostatic discharge, and a regulation standard on

electromagnetic interference, etc.

3) Determination of authors share· of contents

This book consists of eleven chapters and is written by five experts with

years of experience in the field of electromagnetic compatibility.

Chap. 1Electromagnetic Environment and EMC (written by Prof. D.I.

Kim)

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Chap. 2Theory of Electromagnetic Fields and Waves (written by Prof.

D.1. Kim)

Chap. 3 EMC Test Equipment and Facilities (written by Prof. K.C. Kim)

Chap. 4 EMI/EMC Test Methods (written by Prof. K.C. Kim)

Chap. 5 Shielding (written by Prof. N.H. Myong)

Chap. 6 Cross-talk and Cabling (written by Prof. N.H. Myong)

Chap. 7 Grounding and Bonding (written by Prof. Y.H. Lee)

Chap. 8 Balancing and Filtering (written by Prof. D.C. Park)

Chap. 9 Electrostatic Discharge (written by Prof. Y.H. Lee)

Chap. 10 Applications of EMC (written by Prof. D.C. Park)

Chap. 11 EMC Standards (written by Prof. D.C. Park

4) Unification of terms

The technical terms in this book follow the rules defined in A EMC term

glossary published by Korea Electromagnetic Engineering Society.

5. Policy Suggestions for Practical Use

This research is purely academic and has no use for policy.

6. Expectations

1) This book is expected to save the costs for foreign technical books and at

the same time reduces the amount of subordination to foreign technical

publications.

2) This book also fulfills a tutorial role for the engineers in the fields and

offers fundamental knowledge to them.

3) This book might be useful as a reference book for both the student and

the engineer in the field.

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목 차

제 편 학술도서 발간사업의 개요1

제 장 서론1

제 장 본 연구의 구성2

제 편 전자파환경공학 학술도서의 내용2

제 장 전자파환경과1 EMC

전자파환경1.1

자연 전자파환경1.1.1

인위적 전자파환경1.1.2

의 개요1.2 EMC

역사적 관점과 기본 정의1.2.1

문제와 설계의 개념1.2.2 EMC EMC

전자시스템의 요구1.3 EMC

전자시스템에서의 간섭과 문제1.3.1 EMC

간섭문제 해결과 일반적인 대책법1.3.2 EMC

참고문헌

제 장 전자기장과 전자파 이론2

전자기장 이론2.1

전자기장과 맥스웰 방정식2.1.1

근 원역 전자기장과 정리2.1.2 Poyntingㆍ

다층 매질에서의 전자파2.2

손실 매질에서의 임피던스2.2.1

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전자파의 반사와 굴절2.2.2

다층 매질에서의 반사2.2.3

참고문헌

제 장 측정기기 및 측정설비3 EMC

전자파 장해 측정의 기본3.1

측정의 기본3.1.1

기본 측정량3.1.2

측정기기3.2 EMC

측정용 수신기3.2.1

안테나3.2.2 EMC

3.2.3 LISN

전류 프로브3.2.4

흡수 클램프3.2.5

측정설비3.3 EMC

야외시험장3.3.1

전자파차폐실3.3.2

전자파무향실3.3.3

대용 측정설비3.4

평행평판 선로3.4.1

셀3.4.2 TEM

셀3.4.3 GTEM

측정용 수신기의 응답특성3.5

준첨두치형 측정기3.5.1

평균치형 측정기3.5.2

첨두치형 측정기3.5.3

참고문헌

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제 장 시험법4 EMI/EMC

한계치4.1

장해전자파 한계치4.1.1

전자파내성 한계치4.1.2

측정법4.2 EMI

전도성 측정법4.2.1 EMI

복사성 측정법4.2.2 EMI

전자파내성 시험법4.3

전도성 전자파내성 시험장치와 시험법4.3.1

복사성 전자파내성 시험장치와 시험법4.3.2

정전기방전 시험장치와 시험법4.3.3

참고문헌

제 장 차폐5

차폐이론과 차폐효과5.1

단일 차폐5.1.1

다중 차폐5.1.2

분리형 이중 차폐5.1.3

전기장과 자기장의 차폐효과5.1.4

차폐 재료5.2

저임피던스 자기장일 경우5.2.1

고임피던스 전기장과 평면파일 경우5.2.2

불연속점에서의 차폐5.3

차폐벽에 존재하는 개구부5.3.1

얇은 차폐벽에 존재하는 구멍5.3.2

얇은 차폐벽에 존재하는 다중 구멍5.3.3

두꺼운 차폐벽에 존재하는 구멍5.3.4 (d>>t)

별집모양의 공기 구멍5.3.5

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이음매5.3.6

차폐효과 측정5.4

5.4.1 MIL-STD-285

동축선 측정 치구를 이용한 방법5.4.2

이중 셀을 이용한 방법5.4.3 TEM

시간 영역 방법5.4.4

참고문헌

제 장 누화와 케이블링6

전송선 방정식6.1

용량성 누화6.2

유도성 누화6.3

복합적인 누화6.4

누화의 저감 방법6.5

용량성 누화의 저감 방법6.5.1

유도성 누화의 저감 방법6.5.2

간단한 모양의 회로로부터의 전자기장6.6

폐회로로부터의 복사6.6.1

직선 도선으로부터의 복사6.6.2

차동 모드 복사6.6.3

공통 모드 복사6.6.4

사이의 케이블링6.7 PCB

평형 연결6.8

참고문헌

제 장 접지와 본딩7

안전접지와 신호접지7.1

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안전접지7.1.1

신호접지7.1.2

회로기능에 의한 접지 방법7.1.3

일반적인 저주파수 대역의 접지7.1.4

하드웨어 접지7.1.5

회로 접지7.2

회로의 단일 기준 접지7.2.1

차폐 케이스에 의한 증폭기 접지7.2.2

접지 루프7.2.3

공진 모드 쵸크를 이용한 접지7.2.4

차동 증폭기 접지7.2.5

대지접지7.3

수직막대에 의한 대지접지7.3.1

수평 와이어를 이용한 대지접지7.3.2

판 을 이용한 대지접지7.3.3 (Plates)

본딩7.4

본딩의 목적과 형태7.4.1

본딩의 전기적인 효과7.4.2

본딩저항과 임피던스7.4.3

참고문헌

제 장 밸런싱과 필터링8

밸런싱8.1

공통모드와 차동모드8.1.1

평형회로8.1.2

평형도8.1.3

필터링8.2

필터의 특성8.2.1

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필터의 종류8.2.2

필터의 설계8.2.3

필터의 필터링에로의 응용8.2.4

참고문헌

제 장 정전기 방전9

정전기의 축적과 방전 특성9.1

매질의 전하 축적9.1.1

정전기 방전의 파형9.1.2

의 등가회로9.1.3 ESD

정전기 방전의 방사계9.1.4

정전기 방전 모델9.2

인체 모델9.2.1

대전소자 모델9.2.2

유도 전자기장 모델9.2.3

장비 설계에서의 대책9.3 ESD

금속함체에 의한 대책9.3.1

입출력 케이블에 의한 함체의 대책9.3.2 ESD

절연 함체의 의한 대책9.3.3 ESD

자판과 제어판을 통한 대책9.3.4

소프트웨어에 의한 대책9.3.5 ESD

정전기 방전 측정법9.4

공간 방전 측정법9.4.1

접촉방전 측정법9.4.2

간접적인 측정9.4.3 ESD

참고문헌

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제 장 응용10 EMC

소자 및 부품의10.1 EMC

와이어와 트레이스10.1.1 PCB

저항성 소자10.1.2

용량성 소자10.1.3

유도성 소자10.1.4

변성기10.1.5

페라이트 비드10.1.6

의10.2 PCB EMC

현상의 발생 원리10.2.1 EMI

다층 기판의 설계10.2.2 PCB

고속 신호선로의 라우팅10.2.3

고속 디지털 신호의 해석10.2.4 SI

통신시스템의10.3 EMC

통신시스템의 개요10.3.1

요구사항10.3.2 EMC

참고문헌

제 장 전자파장해 규제 규격11

국제규격 제정기구 및 국제규격11.1

11.1.1 ISO

11.1.2 IEC

11.1.3 CISPR

11.1.4 ITU

지역규격인 규격11.2 EN

규격의 분류와 정의11.2.1 EN

각국의 규격11.3

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미국11.3.1

일본11.3.2

한국11.3.3

참고문헌

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Contents

Part 1 GENERAL OVERVIEW

Chapter 1 Introduction

Chapter 2 Organization of This Research

Part 2 Electromagnetic Compatibility

Chapter 1 Electromagnetic environment and EMC

1.1 Electromagnetic Environment

1.1.1 Natural Electromagnetic Environment

1.1.2 Man-made Electromagnetic Environment

1.2 An Overview of EMC

1.2.1 Historical Perspective and Basic Definitions

1.2.2 Concepts of EMC Problem and EMC Design

1.3 EMC Requirements of Electronic Systems

1.3.1 Interference of Electronic Systems and EMC Problems

1.3.2 General Methods of Solving Interference Problems

Reference

Chapter 2 Theory of Electromagnetic Fields and Waves

2.1 Theory of Electromagnetic Fields

2.1.1 Electromagnetic FieIds and Maxwell's Equations

2.1.2 Near and Far FieIds and Poynting Theorem

2.2 Waves in Layered MateriaIs

2.2.1 Impedance in Lossy MateriaIs

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2.2.2 Reflection and Refraction of Waves

2.2.3 Reflection in Layered Materials

Reference

Chapter 3 EMC Test Equipment and Facilities

3.1 Basics of EMI Measurments

3.1.1 Basics of Measurements

3.1.2 Basic Parameters of EMI Measurements

3.2 EMC Test Equipment

3.2.1 EMI Receiver

3.2.2 EMC Antennas

3.2.3 LISN

3.2.4 Current Probes

3.2.5 Absorbing Clamp

3.3 EMC Test Facilities

3.3.1 Open-Area Test Sites

3.3.2 Shielded Enclosures

3.3.2 Anechoic Chambers

3.4 Alternative Test Facilities

3.4.1 Parallel Stripliness

3.4.2 TEM Cell

3.4.3 GTEM Cell

3.5 Response Characteristics of EMI Receiver

3.5.1 Quasi-peak Detector

3.5.2 Average Detector

3.5.3 Peak Detector

Reference

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Chapter 4 EMI/EMC Test Methods

4.1 Limit

4.1.1 Emission Limit

4.1.2 Immunity Limit

4.2 EMI Measurement Methods

4.2.1 Conducted Interference Measurements

4.2.2 Radiated Interference Measurements

4.3 Immunity Test

4.3.1 Test Equipment and Methods for Conducted Interference Immunity

4.3.2 Test Equipment and Methods for Radiated Interference Immunity

4.3.3 Test Equipment and Methods for Electrostatic Discharge

Reference

Chapter 5 Shielding

5.1 Shielding Theory and Shielding Effectiveness

5.1.1 Single Shield

5.1.2 Multimedia Laminated Shield

5.1.3 Isolated Double Shield

5.1.4 E-Field and H-Field Shielding Effectiveness

5.2 Shielding Materials

5.2.1 Low-Impedance H-Field

5.2.2 High-Impedance E-Field and Plane-Wave Field

5.3 Shielding Integrity at Discontinuities

5.3.1 Apertures in ShieIding Wall

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5.3.2 Holes in Thin Barriers

5.3.3 Multiple Apertures in Thin Barriers

5.3.4 Hole in Thick Barriers

5.3.5 Honeycomb Air Vents

5.3.6 Seams

5.4 Shielding Effectiveness Measurements

5.4.1 MIL-STD-285

5.4.2 The CoaxiaI HoIder Method

5.4.3 Dual TEM Cell Method

5.4.4 Time-Domain Method

Reference

Chapter 6 Cross-talk and Cabling

6.1 Transmission Line Equations

6.2 Capacitive Cross-talk

6.3 Inductive Cross-talk

6.4 Hybrid Cross-talk

6.5 Reduction methods of Cross-talk

6.5.1 Reduction Methods for Capacitive Cross-talk

6.5.2 Reduction Methods for Inductive Cross-talk

6.6 Electromagnetic Fields from Simple Circuits

6.6.1 Radiation from Closed Circuits

6.6.2 Radiation from Linear Wire

6.6.3 differential Mode Radiation

6.6.4 Common Mode Radiation

6.7 PCB Cabling

6.8 Parallel Connection

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Reference

Chapter 7 Grounding and Bonding

7.1 Safety and Signal Grounds

7.1.1 Grounding

7.1.2 Signal Grounds

7.1.3 Functional Ground Layout

7.1.4 Practical Low-Frequency Grounding

7.1.5 Hardware Grounds

7.2 Signal Grounds

7.2.1 Single-Ground Reference for a Circuit

7.2.2 Amplifier Shields

7.2.3 Ground Loops

7.2.4 Analysis of Common-Mode Choke

7.2.5 Grounding of Differential Amplifiers

7.3 Earthed Ground

7.3.1 Vertical Rod Ground

7.3.2 Horizontal Grid Ground

7.3.3 Plate Ground

7.4 Bonging

7.4.1 Shape and Object of Bonding

7.4.2 Electrical Effect of Bonding

7.4.3 Bonding Resistance and Impedance

Reference

Chapter 8 Balancing and Filtering

8.1 Balancing

- 22 -

8.1.1 Common-Mode and Differential-Mode

8.1.2 Balancing Circuits

8.1.3 Degree of Balance

8.2 Filtering

8.2.1 Characteristics of Filters

8.2.2 Type of Filter

8.2.3 Filter Design

8.2.4 Filter Applications for Filtering

Reference

Chapter 9 Electrostatic Discharge

9.1 Charge Accumulation and Discharge

9.1.1 Charge Accumulation of Materials

9.1.2 ESD Waveform

9.1.3 ESD EquivIent Circuit

9.1.4 Radiated Field from ESD

9.2 ESD Model

9.2.1 Human Body Model

9.2.2 Charged Device Model

9.2.3 Induced Electromagnetic Field Model

9.3 ESD Protection for System Design

9.3.1 ESD Protection by Enclosures

9.3.2 ESD Protection of Enclosures by Input-Output Cable

9.3.3 ESD Protection by Insulated Enclosures

9.3.4 ESD Protection by Control Pannel and Keyboard

9.3.5 Software and ESD Protection

9.4. ESD Test Methods

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9.4.1 Air Discharge Test.

9.4.2 Contact Discharge Test

9.4.3 Indirect ESD Tests

Reference

Chapter 10 Applications of EMC

10.1 EMC of Component and Devices

10.1.1 Wire and PCB Trace

10.1.2 Resistors

10.1.3 Capacitors

10.1.4 Inductors

10.1.5 Transformers

10.1.6 Ferrite Beads

10.2 EMC of PCB

10.2.1 Principles of EMI Phenomenon

10.2.2 Design of Multilayered PCB

10.2.3 Routing of High Speed Signal Line

10.2.4 SI Analysis of High Speed Digital Signal

10.3 EMC of Communication Systems

10.3.1 Introduction of Communication Systems

10.3.2 EMC Requirements

Reference

Chapter 11 EMC Standards

11.1 International Organizations and International

Regulations

11.1.1 ISO

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11.1.2 lEC

11.1.3 ClSPR

11.1.4 lTU

11.2 EN Standards

11.2.1 Definition and Classification of EN Standards

11.3 Standards in Counturies

11.3.1 Standards in US

11.3.2 Standards in Japan

11.3.3 Standards in Korea

Reference

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표 목 차

표 측정에 관련된 기본 측정량3.1 EMC

표 측정 주파수 영역3.2

표 준첨두치형 검파형식을 갖는 측정기의 기본특성3.3

표 안테나의 종류와 사용주파수 대역3.4 EMC

표 차폐재의 상대도전율과 상대투자율5.1

표 권고된 구형 단면을 갖는 본딩띠의 규격7.1

표 필터 소자 값8.1

표 마찰전기 순서도9.1

표 인체 방전 모델의 등가회로 값9.2

표 수동 소자의 저주파 및 고주파 영역에서의 등가회로 모델10.1

표 다층 기판 사용시 적층 순서10.2

표 방출 감응 상황의 세가지 기본 요소10.3 -

표 시리즈 규격11.1 IEC 61000-4

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그 림 목 차

그림 라디오 수신기 장비안에서 개개의 회로 소자에 의한 장해1.1

그림 다양한 잡음원에 의한 라디오 수신기의 영향1.2

그림 무선 수신기가 다른 전자장비에 미치는 영향1.3

그림 장비개발 진행 시간에 따른 기술수준과 비용1.4

그림 및 의 잡음경로1.5 EMI EMS

그림 의 결합경로에 따른 분류1.6 EMC

그림 기본적인 전자파장해 경로1.7

그림 시스템 상호간의 전자파장해 대책기법1.8

그림 시스템 내부에서의 전자파장해 대책기법1.9

그림 암페어의 법칙2.1

그림 전자파의 전파2.2

그림 미소 다이폴의 좌표계와 전자기장 성분2.3(a)

그림 소형루프 안테나의 좌표계와 전자기장 성분2.3(b)

그림 안테나로부터의 거리와 거리에 따른 정규화된 전기장의 세기2.4

그림 전자기장2.5 E , H 와 전류원 JS , Jm

그림 경계면에 있어서 평면파의 반사와 굴절2.6

그림 전기장과 경계면이 평행한 경우 평행편파 또는2.7 ( TE-mode)

그림 자기장과 경계면이 평행인 경우 직각편파 또는2.8 ( TM-mode)

그림 다층매질에서의 반사2.9

그림 측정 평가 및 대책3.1 EMC ,

그림 측정 대상3.2 EMC

그림 전자파장해 수신기의 구성도3.3

그림 각종 검파기의 응답3.4

그림 스펙트럼분석기의 기본구성도3.5

그림 전자파장해 수신기가 연결된 안테나3.6 EMC

- 27 -

그림 반파장 공진 다이폴 안테나의 안테나 인자 변화3.7

그림 의사전원회로망의 예3.8

그림 전류프로브3.9

그림 흡수클램프3.10

그림 야외시험장의 크기3.11

그림 기준 시험장감쇠량의 이론치3.12

그림 야외시험장의 시험장감쇠량 측정3.13

그림 정규화 시험장감쇠량의 이론치3.14

그림 전자파무향실과 전자파 반무향실3.15

그림 평행평판 선로3.16

그림 셀3.17 TEM

그림 셀3.18 GTEM

그림 장해전자파 및 전자파내성 레벨의 분포4.1

그림 한계치 설정을 위한 관계도4.2

그림 전도성 장해전자파의 차동 및 공통모드 전류성분의 분해4.3

그림 전도성 장해전자파의 전압 측정4.4

그림 전도성 장해전자파의 전력 측정4.5

그림 복사성 장해전자파의 측정4.6

그림 버스트 장해전자파 발생기4.7

그림 전도성 전자파내성 시험장치 및 시험법4.8

그림 복사성 전자파내성 시험4.9

그림 정전기방전 시험장치4.10

그림 정전기방전의 인가 방법4.11

그림 평면파에 대한 차폐 작용들5.1

그림 간섭원으로부터의 거리에 따른 파동 임피던스5.2

그림 다중 차폐5.3

그림 분리형 이중 차폐5.4

그림 구리 차폐에 대한 반사 손실5.5

- 28 -

그림 철 차폐에 대한 반사손실5.6

그림 구리 차폐에 대한 전체 차폐 효과5.7

그림 철 차폐에 대한 전체 차폐 효과5.8

그림 차폐 연결점을 통한 전자파 유출5.9

그림 가스켓 이음매를 통한 등전류선의 누출5.10

그림 작은 개구부를 통한 전자파의 투과5.11

그림 큰 개구부를 통한 전자파기의 투과5.12

그림 공기순환을 위한 다중5.13

그림 벌집모양의 공기 구멍5.14

그림 가스켓의 연결방법5.15

그림 의 차폐 효과 측정 방법의 원리5.16 MIL-STD-285

그림 동축선 측정 기구 기준시편과 매질시편5.17 (a) (b)

그림 이중 셀의 구조5.18 TEM

그림 시간 영역 차폐 효과 측정 시스템5.19

그림 용량성 누화와 유도성 누화6.1

그림 세 개의 도체로 구성된 전송선 전파모드의 단위 길이당 파라6.2 (a) (b) TEM

미터로 구성된 등가회로

그림 전기적 결합을 갖는 두 개의 평행한 전류루프 루프간 용량성6.3 (a) (b)

누화와 관련된 등가 회로

그림 도선의 위치에 따른 정전결합6.4

그림 정전 결합된 잡음전압의 주파수 응답6.5

그림 두 개의 평행한 루프 사이의 유도성 누화를 상호 인덕턴스 모델로6.6

표현한 등가 회로

그림 두 개의 평행한 루프에서의 누화 측정을 위한 실험 장치6.7

그림 오실로스코프로 관측한 누화 파형6.8

그림 도체 스크린을 이용한 누화의 감소6.9

그림 동축선으로의 피그테일 연결6.10

그림 꼬임선6.11 (twisted pair)

- 29 -

그림 작은 자기 루프로부터의 복사6.12

그림 이상적인 루프로부터의 전자장6.13

그림 짧은 직선 도선으로부터의 전자장6.14

그림 차동 모드 복사체에 대한 몇 가지 전형적인 예6.15

그림 접지 루프로의 공통 모드 전류 유입에 대한 개념도6.16

그림 리본 케이블의 형태6.17

그림 평형에 따른 선로의 여러 가지 형태6.18

그림 장비 함체의 안전접지7.1

그림 결선도7.2 AC 100V

그림 결선도7.3 AC 220V

그림 직렬 단일 점 접지7.4

그림 병렬 단일 점 접지7.5

그림 다중 점 접지 시스템7.6

그림 하이브리드 접지 방식7.7

그림 회로 기능에 의한 접지 방법7.8

그림 시스템의 접지 방식7.9

그림 랙에 고정된 케이스의 하드웨어 접지 구조7.10

그림 증폭기 접지 방법7.11

그림 증폭기 차폐 접지7.12

그림 두 회로사이의 접지루프7.13

그림 접지루프 격리법7.14

그림 공진 모드 쵸크회로 및 등가회로7.15

그림 잡음전압의 주파수 특성7.16

그림 기생 커패시터를 고려한 쵸크의 등가회로7.17

그림 병렬 캐퍼시스턴스의 변화에 의한 삽입손실7.18

그림 공통모드 쵸크 인덕턴스 변화에 의한 삽입손실7.19

그림 차동 증폭기 접지7.20

그림 차동증폭의 등가회로7.21

- 30 -

그림 막대기의 길이와 직경에 의한 저항7.22

그림 막대기의 수와 막대간격에 의한 저항7.23

그림 본딩의 형태7.24

그림 고주파수에서 본딩의 등가회로7.25

그림 누전에 의한 본딩저항과의 관계7.26

그림 공통모드와 차동모드의 전류방향8.1

그림 도선과 지표면 사이의 거리가 다를 경우8.2

그럼 전압원이 회로 중앙에 있지 않은 경우8.3

그림 평형회로8.4

그림 용량성 잡음 결합8.5

그림 공통모드와 차동모드의 잡음 전압8.6

그림 전형적인 필터 배열8.7 EMI

그림 단자 필터 회로8.8 4-

그림 커패시터 필터와 삽입손실 특성8.9

그림 커패시터의 기생 효과8.10

그림 인덕터 필터8.11

그림 분할 필터8.12 L-

그림 분할 필터8.13 -π

그림 분할 필터8.14 T-

그림 차동모드 필터8.15

그림 고역통과 필터8.16

그림 대역통과 필터8.17

그림 대역저지 필터8.18 LG

그림 대역저지 필터8.19 RC

그림 저역통과 표준 필터8.20

그림 전화선 필터8.21

그림 밸런 인덕터와 분할 공통모드 필터8.22 L-

그림 차동모드 분할 필터8.23 L-

- 31 -

그림 결합된 공통모드와 차동모드8.24

그림 정전기 생성과 방전9.1

그림 일반적인 정전기 방전9.2

그림 사람의 몸에 의한 파형9.3 ESD

그림 의 등가회로9.4 ESD

그림 다이폴의 방사 좌표계9.5

그림 방전시 거리에 따른 의 전자계9.6 4 kV ESD

그림 인체 모델의 저항과 정전용량9.7

그림 인체의 정전기 방전 모델 등가회로9.8

그림 전형적인 정전기 방전 전류파형9.9

그림 유도 전자계 모델의 등가회로9.10

그림 금속 함체의 정전기 방전9.11

그림 밀폐된 금속함체의 정전기 방전9.12

그림 함체와 회로간의 정전기 방전9.13

그림 외부 접지와 연결된 회로를 갖는 함체의 정전기 방전9.14

그림 함체와 회로의 단일점 접지를 갖는 금속함체의 정전기 방전9.15

그림 차폐케이블을 이용한 함체9.16

그림 공통모드 쵸크에 의한 함체간의9.17 ESD

그림 함체와 간의 잘못된 연결9.18 PWB

그림 입력단에 부가회로를 이용하여 보호방법9.19 ESD

그림 자판의 접지방법9.20 ESD

그림 공간 방전측정법9.21

그림 집적 접촉 방전의 등가회로와 팁 구조9.22

그림 간접적인 측정법9.23 ESD

그림 이상적인 저항의 주파수응답 특성10.1

그림 기생 효과를 고려한 저항의 주파수 응답 특성 및 등가회로10.2

그림 이상적인 커패시터의 주파수 응답 특성10.3

그림 기생 효과를 고려한 커패시터의 주파수 응답 특성 및 등가회로10.4

- 32 -

그림 이상적인 인덕터의 주파수 응답 특성10.5

그림 기생 효과를 고려한 인덕터의 주파수 응답 특성 및 등가회로10.6

그림 기생 효과를 고려한 변압기의 등가회로10.7

그림 페라이트 삽입 효과10.8

그림 페라이트 비드의 구조 및 등가회로10.9

그림 폐루프 회로의 예10.10 (closed loop)

그림 자속 상쇄10.11

그림 신호전류의 경로와 귀전류의 경로10.12

그림 선로의 전기장 분포10.13

그림 스위스 치즈 신드롬10.14

그림 다층 레이어 간의 라우팅10.15

그림 및 해석의 일반적인 구성10.16 PCB SI EMI

그림 모델의 추출 단계10.17 IBIS

그림 광대역 전자파가 방송수신기에 전자파장해를 일으키는 경우10.18

그림 통신 시스템에서의 대역외 간섭10.19

그림 소스원의 분류10.20 EMI

- 33 -

제 편 학술도서 발간사업의 개요1

- 34 -

제 장 서론1

정보화 사회의 진전과 함께 전기 전자 정보처리 장치 및 시스템의 이용 급증으로, ,

전자파환경공학 의 필요성과 중요성은 더욱 더 절실히 요청되고 있다 전(EMC/EMI) .

기 전자기기 및 정보처리 장치의 제조에 관련된 산업체는 물론 전자파 장해에 관,

련된 규제를 제정하고 시행하는 관련 부처 정보통신부 에서도 전자파 장해 극복기( )

술의 연구 개발 및 규제를 위한 법규의 제정을 위한 연구에 많은 노력을 경주하고

있다 또한 대학에서는 이를 담당할 전문기술인력의 양성에도 특별한 정성을 기울.

이고 있으며 일반 전기 전자 정보 관련 공학도들에게는 전자파환경공학에 대한, , ,

기본 소양을 갖출 수 있도록 전공교양 교육에도 많은 관심을 가지고 있다 전자파.

장해 문제는 우리의 일상생활 속에서 우리와 함께 하고 있기 때문이다.

미국의 경우에는 과 같은Electromagnetic Compatibility Handbook (D.R.J. White)

핸드북 및 로 대표EMI/EMC Principles of Electromagnetic Compatibility (Keiser)

되는 단행본을 비롯하여 관련 전문도서가 많이 출판되어 있으며 우리 나라에도 수

입되어 대학 및 산업체 현장에서 많이 활용되고 있다 일본의 경우에도 핸드북 종.

류의 전문도서를 비롯하여 대표적인 단행본으로 일본 전자정보통신학회에서 발행된

의 아까오 야스오 과 의 과 시미즈 야스다( ) (環境電磁工學 基礎 著 電磁妨害 基本 對策

까 스기우라 아끼라 이 발행되어 있으며 전자파 장해에 관한 해설서도 여러, )共著

권 출판되어 일반대중의 계몽에도 많은 역할을 담당하고 있다 미국에서 발행된 도.

서중 국내에 수입되어 있는 것만 헤아려 보아도 약 권 정도가 되며 일본서는 약10

권 정도가 된다5 .

그러나 국내에는 전자파환경공학에 관련된 전문인력의 교육에 사용할 적절한 교재,

가 개발되어 있지 못함은 물론 일반인의 교양을 위한 해설서도 출판되어 있지 않

다 이로 인해서 교육을 담당하고 있는 국내의 전자파환경공학 관련자들은 외국의.

교재에 의존하거나 또는 독자적으로 개발한 간이교재를 이용하여 교육과 연구에 임

하고 있다.

- 35 -

위에서 언급한 바와 같이 미국에서는 여러 권의 전문도서가 출판되어 있으므로 국

내의 대학에서는 주로 미국에서 발행된 원서를 많이 이용하고 있으나 부분적으로는

필요 이상으로 자세한 설명이 용장도를 크게 하고 학생들로 하여금 전체를 파악하

지 못하고 지엽적인 곳에서 시간만 낭비하게 하는 단점을 가지고 있기도 하다 따.

라서 원서를 이용할 경우에는 주어진 시간에 학생들에게 꼭 필요한 것만을 엄밀히,

선택해서 배우도록 하는 교관의 뛰어난 식견과 기술 및 경험이 요구된다 일본의.

경우에는 해설서를 비롯하여 여러 권의 전문도서가 발행되어 있으며 주로 일본에,

서 활약하고 있는 전문 연구자들의 연구결과를 수록하고 있는 것이 특징이다 따라.

서 국내에서 이러한 일본 책을 학부용 교재로 이용할 경우에는 언어장벽으로 인하,

여 교재로 선택하기는 부적절하며 언어의 장벽 이외에도 특별한 주의가 필요하다고

생각된다.

따라서 국내의 여러 전문가들은 우리의 실정에 맞는 적절한 교재를 개발하는 것이,

무엇보다도 먼저 하여야 할 시급한 과제라고 인식하기에 이르렀고 이에 한국전자,

파학회에서는 전자파환경공학에 관한 전문 학술도서를 개발하기로 결정하였다 전.

자파환경공학에 관한 본 학술도서의 개발에서는 전자파환경공학의 기초를 이루는

제반내용을 다루어 전자파환경공학 및 전자파 관련 분야를 전공하고자 하는 공학도

는 물론 관련 산업체의 기술자들에게 기초지식을 제공할 수 있는 전자파환경공학의

전문 학술도서를 개발 발간하는 것이 목표이다.

- 36 -

제 장 본 연구의 구성2

본 학술도서는 전자파환경공학의 기초를 이루는 제반내용을 다루어 전자파환경공학

및 전자파 관련 분야를 전공하고자 하는 공학도 및 관련 산업체의 기술자들에게 기

초지식을 제공할 수 있도록 하였다 제 장에서 전자파환경공학의 필요성을 설명하. 1

고 제 장에서는 전자파환경공학의 이해를 위한 기초 전자기장 이론을 기술하였다, 2 .

제 장에서는 측정기기 및 측정설비에 대하여 설명하고 제 장에서는3 EMC , 4

시험법에 관하여 간결히 기술하고 있다 대책법에 대한 내용으로서EMI/EMC . EMC

제 장의 차폐 제 장의 누화와 케이블링 제 장 접지와 본딩 제 장의 밸런싱과 필5 , 6 , 7 , 8

터링에 대하여 자세히 설명하였으며 제 장에서는 정전기 방전현상 및 정전기 방전, 9

대책법을 기술하였다 응용에 관한 내용을 제 장에서 다루었고 마지막 장인. EMC 10 ,

제 장에서는 전자파장해 규제 규격을 설명하였다 본 학술도서의 집필에 있어서11 .

전자파환경공학 및 전자파에 관련된 전문 학술용어는 한국전자파 학회에서 발행한

용어사전 에 준하였다“EMC ” .

전부 장으로 구성된 전자파환경공학에 관한 학술도서는 인의 집필진에 의해 각11 5

내용을 분담 집필하였으며 분담내용은 다음과 같다.

제 장1 전자파환경과 EMC 김통일 교수 한국해양대학교( , )

제 장2 전자기장과 전자파 이론 김동일 교수 한국해양대학교( , )

제 장3 측정기기 및 측정설비EMC 김기채 교수 영남대학교( , )

제 장4 시험법EMI/EMC 김기채 교수 영남대학교( , )

제 장5 차폐 명노훈 교수( , KAIST)

제 장6 누화와 케이블링 명노훈 교수( , KAIST)

제 장7 접지와 본딩 이영훈 교수 호남대학교( , )

제 장8 밸런싱과 필터링 박동철 교수 충남대학교( , )

제 장9 정전기 방전 이영훈 교수 호남대학교( , )

제 장10 응용EMC 박동철 교수 충남대학교( , )

제 장11 전자파장해 규제 규격 박동철 교수 충남대학교( , )

- 37 -

제 편 전자파환경공학 학술도서의 내용2

- 38 -

전자파환경공학

제 장 전자파환경과1 EMC

최근 디지털 기술과 반도체 기술 등의 급속한 발달에 힘입어 전자산업 및 컴퓨터

기술은 눈부시게 발전하고 있다 따라서 전기 전자장치의 경량화 소형화 고속화. , ,ㆍ

와 광대역화가 가능하게 되고 또한 이들을 적은 구동 에너지로도 동작시킬 수 있,

게 되었다.

한편 이들은 인위적인 제어가 어려운 자연 현상을 원인으로 하는 미소한 전자파장,

해에도 민감하게 반응하여 오동작을 일으킬 우려가 커지고 많은 전기 전자 장치, ㆍ

가 사회 각 분야에 보급됨에 따라 전자파 밀집도가 증가하여 기기들이 원래의 목표

대로 동작하지 못하거나 인체 장해의 가능성이 제기되고 있는 등 많은 문제점들이,

나타나고 있다.

전자파환경이란 이러한 기기들의 정상적인 동작에 영향을 미치는 전자기적인 주위

상황을 지칭한다 그리고 이와 같은 전자파환경은 자연현상에 기인한 전자기장에.

의한 자연 전자파환경과 인위적으로 만들어진 인공시스템으로 인해 생기는 전자기

장에 의한 인위적 전자파환경으로 구분될 수 있다 전자파환경의 영향은 자연현상.

이나 인공시스템은 물론 그 외에 인간이나 생체에까지도 파급된다 자연현상과 인.

공시스템은 전자파환경을 형성하는 근원임과 동시에 그 영향을 받는 입장도 된다.

인공시스템에서의 전자기 에너지 방출은 인위적으로 제어하는 것이 가능하며 또한,

전자파환경의 영향을 쉽게 받지 않게 할 수도 있다 앞으로는 더욱 다양한 전기 전. ,

자기기가 출현할 것이란 점을 예상하면 인공시스템이 전자파환경을 통하여 다른 시

스템 자연현상 및 생체에 대하여 영향을 주는 것을 적극적으로 억제하고 동시에,

전자파환경의 영향에 대한 내성 을 향상시켜 감수성 올 저(immunity) (susceptibility)

하시키는 것이 더없이 중요하게 될 것이다 이와 같은 전자파 환경과 인공시스템간.

의 양립성이 전자파양립성 이다(EMC ; Electromagnetic Compa-tibility) .

- 39 -

의 전기 전자 표준술어사전에는 의 정의가 다음과 같이 수록되어 있다IEEE EMC .⋅“The ability of a device to function satisfactorily in its EM environment without

introducing intolerable disturbance to that environment or to other devices."

즉 인공시스템이 전자파환경을 오염시켜 다른 것에 방해를 주는 것과 같은 불필,『

요한 전자기 에너지를 방출하는 일도 또한 동시에 전자파환경의 영향을 받는 일도,

없이 그 성능을 충분히 발휘할 수 있는 능력 이라고 설명되어 있다.』

전자파환경을 매개로 한 시스템과 시스템간의 상호간섭에 대한 는 시스템간EMC

라고 부른다 한편 하나의 시스템 내부에 있어서도 전자EMC(inter-system EMC) . ,

파간섭과 이에 의한 의 문제가 있다 이것을 시스템내부EMC . EMC(intra-system

라고 한다 인공시스템에 있어서는 이들 두 자지의 를 고려하여야 한다EMC) . EMC .

전자파환경1.1

자연 전자파환경1.1.1

자연 전자파환경에 의한 잡음은 주로 대류권의 전자기현상 지구과학적 전자기 현,

상 그리고 지구 밖에서 오는 전자파 등에 의해서 형성된다 즉 자연 전자파환경에, . ,

의한 잡음을 대략 다음과 같이 분류할 수 있다.

대기전기장 잡음(1)

구름 등이 전혀 없는 기상학적으로 정온 한 날이라도 지표면 가까이에서는 평( )靜穩

균 정도의 전기장이 관측된다 전기력선은 지표면에 수직이며 전위100~150 V/m . ,

는 상공일수록 높다 이 전기장을. 대기전기장이라고 부른다 전기장의 세기는 장소.

에 따라 또한 하루 중에도 시간에 따라서 변화한다 중위도 지역에서 전기장은 가, .

장 강하며 양 극 및 적도로 향할수록 감소한다 또한 대기 중에는 뇌운 중에, . ( )雷雲

서 분리된 전하 외에 우주선 기타 방사선 및 태양활동 등에 의해 생긴 이온이 존, ,

재한다 이들 이온은 대기전기장에 의하여 가속되어 수직 방향으로 이동하므로 향. ,

상 상공에서 지표를 향하여 2~20 pA/m2의 전류가 흐르고 있다.

- 40 -

뇌운에 의한 지표전기장 잡음(2)

뇌운중 빗방울의 정전유도에 의해 전하가 분리되며 구름중의 강한 상승기류에 의,

해서 구름의 상층부에 양 중간층에 음 하층부에 양 의 전하가 집결한다(+), ( - ), (+) .

뇌운중의 전하분리는 싸라기눈과 얼음 결정의 충돌에 의해서도 일어나 데 기온이,

이하인 경우에는 싸라기눈이 음으로 대전하며 이상에서는 양으로-10 , -10℃ ℃

대전한다 구름의 상층부에서는 기온이 이하이기 때문에 싸라기눈은 음으로. -10 ℃

대전하고 낙하속도가 크므로 싸라기눈이 하강하며 양으로 대전한 얼음 결정은 상,

층에 남는다 기온이 이상인 하층에서는 싸라기눈은 양으로 얼음 결정은. - 10 ℃

음으로 대전하고 얼음 결정은 상승기류를 따라 윗쪽으로 올라가게 되어, . - 10 ℃

층에 양전하가 축적된다.

뇌방전에 의한 전자기장 잡음(3)

뇌방전은 그 절반 이상이 하나의 구름속에 있어서의 운내방전(intracloud

이며 가 대지방전 소위 낙뢰이discharge) , 30-40 % (cloud-to-ground lightning),

다 그러나 가장 깊이 연구되어 있는 것은 대지방전이다 그 이유는 대지방전이 인. . ,

체에의 감전사고 항공기에의 낙뢰에 의한 추락사고 건물 시설 삼림에 대한 낙뢰, , , ,

화재 전력 시스템이나 통신 시스템에의 낙뢰에 의한 기기의 파손이나 시스템의 교,

란 등 우리의 사회 생활에 미치는 영향이 크기 때문이다 또한 대지 방전의 방전로, .

가 구름보다 아래 공간에 있으므로 사진 등의 광학적 방법에 의해서 쉽게 관측할

수 있기 때문이다 그 밖에 구름과 구름 사이에서 생기는 운간방전. (cloud-to-air

구름으로부터 대기중으로의 방전 도 있으나 이discharge), (cloud-to-air discharge)

러한 현상은 아주 드물게 발생한다.

대전미립자의 방전에서 생기는 전자기장(4)

대기중의 물방울 눈가루 황사 화산의 연기분출 등 대전된 미립자의 방전에 의해, , , ,

생기는 전자기장을 침적잡음 이라고 한다(precipitation noise) .

- 41 -

우주전파에 의한 잡음(5)

대기권 밖에서 오는 전자파 중 발생원이 태양계 이외의 것을 총칭하여 우주전파,

또는(cosmic radio emission) 우주잡음 이 라고 한다(cosmic noise) .

태양전파에 의한 잡음(6)

VHF대 이상이고 예리한 지향성을 가진 안테나를 태양 방향으로 향했을 때에만 수,

신되는 잡음 전자파이며 태양전파 또는, (solar radio emission) 태양잡음(solar

이라고 한다 지구상에서 관측되는 태양전파는 파장이 수 수십 이다noise) . mm ~ m .

정온시 의 태양전파는 태양 대기내의 열전자가 방사하는 열잡음이다 그 강( ) .靜穩時

도를 등가온도로 나타내면 파대에서는 약 파대에서 수만 파mm 5,000 , cm , m℃ ℃

대에서는 약 만 가 된다100 .℃

태양활동이 활발하게 되어 태양면 폭발이 일어나면 매우 강한 전자파가 방사된다.

이것은 모든 주파대에 걸쳐서 일어나며 장시간 계속되는 것과 순간적으로 변화하,

는 것이 있다 또한 특정 주파수만의 강도가 증대하는 버스트 도 있다. (burst) .

지표근방의 지구자기장에 의한 잡음(7)

지표에 있어서 지구자기장 의 존재는 상당히 오래 전부터 알려(geomagnetic field)

져 있었다 중국의 고서에 의하면 년 이전에 자석의 지향성을 알고 있었던 듯. 3000

하며 세기에는 자침이 항해에 이용되었다는 기록도 있다 자침이 남북 방향을, 12 .

가리키는 현상을 길버트 년 는 지구가 하나의 거대한 자석이라고(W. Gilbert, 1600 )

설명했다 자석으로서 지구의 성질과 그것이 만든 자기장을 총괄하여 통상 지자기.

또는 라고 말하고 있다 지구기장은 지표상의(terrestial magnetism geomagnetism) .

장소에 따라서 다르나 그 강도는 정도이다16~56 A/m .

지구자기권에 의한 잡음(8)

지구에서 멀리 떨어진 장소의 지구자기장은 자기 다이폴에서 예상되는 것과는 다른

모양을 갖고 있다 실제의 자기장은 한정된 공간에 영향을 미치고 있으며 이 영역. ,

은 지구자기권 이라고 불리우고 있다(terrestrial magnetosphere) .

- 42 -

태양에서는 항상 태양풍이라는 플라즈마류가 혹성공간에 방출되고 있다 태양풍이.

지구에 근접하면 지구자기장에 의해 휘어지면서 지구를 피해 지구의 주위를 통과하

기 때문에 지자기공동 이라고 하는 공동이 태양 플라즈마 중, (geomagnetic cavity)

에 생긴다 이 공동의 표면이 자기권의 외측 경계로 되며 지자기공동의 외측 경계. ,

는 지구 반경의 배 정도의 위치에 있으며 태양풍과 자기권이 서로 미는 상태로10 ,

되어 있다.

자기권 내에는 높은 에너지 입자가 밀집된 영역이 있으며 지축과 직교한 도너츠,

모양을 하고 있다 이것은 반알렌대 라고 불리운다 또한 자기권. (Van Allen‘s belt) . ,

내의 하전입자군이 지구자기장의 자기력선에 따라서 남북으로 왕복운동을 하면서

양전하를 가진 입자는 서쪽으로 음전하의 입자는 동쪽으로 이동함에 따라 지구를,

도는 전류가 생긴다 이 전류는 적도면에서 가장 강해서 적도환전류라 하며 이것이. ,

잡음을 유발한다.

지구자기장의 변동에 의한 잡음(9)

비교적 단기간에 걸친 지구자기장의 변동에 의한 잡음을 말하며 일주변화와 불규,

칙 변동이 있다 전자는 규칙적으로 하루 주기의 변화를 하는 부분의 자기장으로.

일변화자기장이라고 하며 주로 전리층 전류의 변화가 원인이다, .

한편 불규칙 변동은 자기교란 이라고 불리우며 전리층의, (magnetic disturbance) ,

교란에 의한 것과 자기권의 교란에 의한 것이 있다 태양면 폭발이 있으면 선 등. X

의 단파장 전자파의 방출이 증대하며 전리층의 층 전류가 증가하기 때문에 그 직, E

후에 일변화자기장이 갑자기 증대하여 수십분간 계속된다 이것을 교란. SFE (solar

이 라고 한다flare effect disturbance) .

인위적 전자파환경1.1.2

다음에는 인위적 전자파환경에 기인하는 대표적인 잡음에 관하여 설명한다.

무선통신 계측 제어 시스템으로 인한 잡음(1) ⋅ ⋅이들 시스템의 대부분은 공간에 전자기 에너지를 의도적으로 복사하여 목적을 달성

하는 것이다 따라서 유한한 자원인 주파수를 효율적이고 유용하게 사용하기 위하.

여 국제적으로는 국제전기통신조약의 무선통신규칙에 의해 또한 국내적으로는 전,

파법 등에 의해 각종 무선업무에 적당한 주파수대를 할당함과 동시에 주파수의 허

용편차 점유주파수 대역폭 및 방사강도의 허용치 그리고 안테나 전력의 허용편차, ,

등이 엄격하게 규제되고 있다.

- 43 -

전력 시스템으로 인한 잡음(2)

전력의 수요 및 공급증대와 함께 송전 전압은 상승 일로를 걷고 있다 가공 송전선.

에서의 전압 상승으로 인하여 선로 및 지표면 부근의 전기장이 강하게 되고 이에,

따라 잡음도 증가하게 된다 그리고 고전압의 송전 시스템에서는 코로나 방전이 생.

기기 쉬우며 이것에 의해서 대에서 대에 이르는 코로나잡음이 발생한다 교, MF HF .

류 및 직류 송변전 설비의 전선 고전압측에 사용되는 아크 혼 스페이서 연결 금, , ,

구류에서 생기는 대기중 코로나 및 애자표면에서 발생하는 연면 코로나가 그 원인

이다.

고주파를 이용하는 설비에 의한 잡음(3)

고주파 이용 설비란 무선국을 제외한 고주파를 이용하는 설비의 총칭이다 전파법, .

에서는 전선로에 이상의 고주파 전류를 통과시키는 전력선 반송설비 유도10 kHz ,

식 통신설비 및 기타 통신설비와 통신설비 이외에 이상의 고주파 전류를, 10 kHz

이용한 것 등이 있다 이는 전자기장의 복사나 유도를 이용하므로 다른 시스템과의.

불필요한 결합을 할 수 있다 따라서 적극적으로 불필요한 결합을 억제할 필요가.

있다.

정보기기에 의한 잡음(4)

전자계산기 시스템 워드프로세서 팩시밀리 텔레비젼 오디오와 같은 기기들은 펄, , , ,

스를 이용하는 것이 많다 따라서 펄스에 의한 전자기장이 공간으로 방사되거나 전.

원선으로 누설되기도 한다 전자회로가 화되고 소형 경량 소전력화 되고 있어. IC , ,

서 컴퓨터를 비롯한 전자기기나 통신기기의 전원회로도 소형 경량인 동시에 효율, ,

이 높은 것을 요구하기 때문에 스윗칭 전원이 많이 이용된다 스윗칭 주파수는.

가 주류이나 소용량의 것으로는 를 초과하는 것도 출현하고100~200 kHz , 1 MHz

있으며 스윗칭 주파수의 상승에 따라 잡음의 고주파 성분도 증가한다 정보기술장, .

치에 조립될 많은 전자기기에서는 외부의 전자환경 문제와 병행하여 기기내부의,

전자파환경의 문제를 생각할 필요가 있다 왜냐하면 상기와 같은 전원회로에서 발.

생한 방해 전자기 잡음이 기기의 연산 기억회로 등에 결합하여 오동작을 일으킬⋅수 있기 때문이다.

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수송기계에 의한 잡음(5)

자동차 등 내연기관의 점화계는 점화장치의 불꽃 방전에 의해 대에까지 미치, , UHF

는 넓은 주파수 스펙트럼을 가진 전자기 잡음을 방사하여 통신 등에 장해를 일으킨

다 이것은 외부의 다른 시스템뿐만 아니라 자동차의 라디오 자동차 무선을 위시하. ,

여 차량에 탑재된 제어용 컴퓨터에도 간섭을 일으키게 된다.

전기기기 조명기기에 의한 잡음(6) ,

정류자를 가진 회전기에서는 브러시와의 접촉부 기타 기기에서는 스위치 릴레이, ,

접점의 개폐에 따른 방전 및 회로의 진동이 원인으로 되어 넓은 주파수대에 걸쳐,

서 방해파가 생긴다.

핵무기(7)

고공에서의 핵폭발은 충격파 열 방사성 강하물 등이 지상에 도달하지 않는 경우에,

도 강한 전자기 펄스의 영향이 지상의 넓은 지역에 미치며 정보통신 시스템이나, ,

전력 시스템의 기능을 마비시킬 수 있다 이 때의 주파수 스펙트럼은 수백. 10 kHz~

로 광대역에 걸쳐있다MHz .

- 45 -

의 개요1.2 EMC

역사적 관점과 기본 정의1.2.1

전자파장해의 문제는 전기통신의 실용화와 동시에 시작되었다고 할 수 있다 전기.

통신은 전기신호를 이용하여 정보를 될 수 있는 한 빠르고 정확하게 전달하는 것이

목적이다 이것을 방해하는 것의 하나는 불필요한 신호의 혼입이며 이른바 방해잡.

음이다 이러한 잡음은 앞에서 고찰한 바와 같이 자연현상에 기인한 전자기장과 인.

위적으로 발생되는 전자기장에 의한 것이 있다 이러한 영향은 인공적 시스템뿐만.

아니라 생체에까지 영향을 미친다고 보고되고 있다.

인공시스템에서의 전자기 에너지 방출은 인위적으로 제어하는 것이 가능하며 또한,

전자파환경의 영향을 쉽게 받지 않게 할 수도 있다 고도의 과학기술의 발달에 따.

라 수많은 전자기기들의 출현이 예상되며 이러한 모든 기기들이 불필요한 전자파,

를 발생시켜 다른 시스템이나 생체에 악영향을 주는 것을 적극적으로 억제하고 동,

시에 전자파환경의 영향에 대한 전자기기들의 내성을 향상시켜 감수성을 저하시키

는 것이 중요하게 된다.

통신기술 발달의 역사는 이들 혼신이나 방해잡음과의 싸움이라고 할 수도 있다 잡.

음에는 통신시스템 내에서 발생하는 내부잡음과 시스템 밖에서 침입해오는 외부잡

음이 있다 외부잡음은 이미 고찰한 바와 같이 자연적인 원인과 인공시스템적 원인.

이 있다 공간을 전파하여 오는 미약한 전자파를 안테나로 수신하는 무선 통신에서.

는 외부잡음의 영향을 받기 쉽다 장파를 이용한 무선통신의 초기에는 공전잡음으.

로 고민했으나 전리층의 발견과 함께 무선통신의 주역이 단파대로 이행되면서 전리

층의 성질 수신기의 내부잡음이 주요한 문제로 대두되기도 하였다, .

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전자파환경이 뚜렷하게 대두된 시기는 라디오 방송이 시작되면서 라디오 수신 방해

문제가 크게 문제시화된 시점이었다 년 유럽에서는 라디오 방송연합. 1925 , (UIR ;

이 발족되어 재생수신기 등에서 발생하는 전파잡international broadcasting union)

음을 방지하는 협동연구를 각국에서 진척시킬 것을 합의하였고 년에는 국제무, 1931

선전기통신기술자문위원회에 의하여 수신방해 문제가 받아들여지게 되었으며, 1934

년에는 국제무선장해특별위원회 (CISPR; inernational special committee of radio

의 제 회 위원회가 열리게 되었다 의 목적은 각종 전기 기기에interference) 1 . CISPR

서 발생하는 방해파의 한도치 측정법 측정기규격을 국제적으로 통일하여 국제무, , ,

역 국제협력을 촉진하는 것으로 되어 있다 학술기구인 국제전파과학연합, . (URSI;

분과는 최초에는 자연잡음만을 취급하고Union Radio Scientifique International) E

있었으나 년 이후 인공잡음도 취급하게 되었다 그 밖에 미국의 경우 미연방, 1966 . ,

통신위원회 에서 전자파 장해검정을(FCC; Federal Communications Commission)

관장하여 왔다 독일은 이 분야에 관하여 가장 앞선 선진기술로 유럽지역의 표준규.

격으로 통용되고 있으며 중앙전기통신기술국 에서 전자파장해를 규제하고 비, (FTZ)

정부단체인 독일 전기기술자협회 에서 기준안과 시험을 담당하고 있다(VDE) .

미국의 학회 에IRE PG RFI (Professional Group on Radio Frequency

가 탄생한 것은 년 월이었다 는 년 를 병합하여Interference) 1957 10 . IRE 1963 AlEE

로 되고 년 그룹의 명칭도 에서 로 변경되어 로 되IEEE , 1964 RFI EMC IEEE EMC-G

었으며 동시에 그 내용도 확대되었다.

우리나라의 경우는 년 월 일 전파법에 전자파장해방지 및 보호기준등 법1989 12 30

적근거를 마련한데 이어 년 월 전자파장해검정규칙을 제정 공포하여 전자파1990 9 ⋅장해 시험방법 및 절차 등에 대한 세부 기술기준을 고시하였다 또한 전자파 장해.

검정 대상기기 선정을 위해 차에 걸쳐 유선통신 단말기기 개 품목 정보기기1~3 9 ,

개 품목 및 전기 전자기기 개 품목이 선정되었다 이어서 차에 걸쳐11 5 . 4~5 1992⋅년 월 정보기기 개 품목과 년 월 전기 전자기기 개 품목을 추가하여 총7 5 1993 1 5⋅개 품목을 대상기기로 선정하였고 년에는 자동차 및 불꽃점화 엔진구동기35 , 1997

기류가 새로이 추가되었다 또한 전자기장의 인체의 영향이 관심사항으로 대두되면.

서 한국전자파학회가 년부터 연구를 시작하여1996 국제비전리복사방호위원회

의 기준을 토대로 년 월 전자기장 노출에 대한 인체보호기준을 마(ICNIRP) 1999 5 ,

련하였고 년 월 일부터 정보통신부에서 에 대한 규제를 제정하여 현재, 2000 1 1 EMS

시행중이다.

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지금까지 살펴본 바와 같이 는 방송을 포함 주로 무선통신방해로부터 시작했EMC ,

다 그러나 과학기술의 눈부신 진보를 바탕으로 한 여러가지 복잡한 기기들의 등장.

으로 의 중요성은 더욱 더 크게 부각 될 것이다EMC .

문제와 설계의 개념1.2.2 EMC EMC

문제의 예l) EMC

가정용 전자기기 통신기기 계산기기 등 다른 목적에서의 전기 전자회로의 광범위, , ⋅한 사용은 가까운 거리에 있는 다른 회로의 동작에 악영향을 미친다. 전자파 장해

는 회로 설계자들에게 있어서 주요한 문제가 되어왔고 앞으로 더욱 심각한(EMI) ,

문제가 될 것이다 이러한 경향은 많은 각각의 전자기기들이 일정한 공간과 일정한.

시간에 사용되기 때문이다 더욱이 집적회로의 사용과 규모가 큰 집적화는 전자장. ,

비의 크기를 축소시켜 왔다 회로의 소자가 점점 더 작아지고 정교해짐에 따라 회.

로들은 더 좁은 공간속에 복잡하게 집적화되고 장해의 가능성은 증가하게 된다.

오늘날의 전자장비 설계자들은 단지 실험실에서 이상적인 조건하에 시스템이 동작

하도록 만드는 것 이상의 노력이 필요하게 되었다 그리고 이러한 설계 이외에도.

설계자들은 주위 상황의 실제적인 환경을 고려한 설계를 할 필요가 있다 이것은.

전자기기는 외부의 잡음원에 영향을 받지 않아야 하며 그 자체도 환경에 잡음원이

되지 않아야 한다는 것을 의미한다 이와 같이 전자기기 설계시 전자파 양립성.

은 중요한 목적이 되어야 한다(EMC) .

그림 은 무선 수신기에서 일어날 수 있는 다양한 형태의 장해를 나타내기 위한1.1

블록 다이어그램의 예이다 여러 단계 사이의 배선은 잡음을 전도시키고 일부 단계.

는 잡음을 방사시킨다 더욱이 여러 단계로부터의 접지 전류는 공통접지 임피던스.

를 따라서 흐르고 접지 버스 위에 잡음 전압을 발생시킨다 또한 컨덕터와 신호 사.

이에 전자기장의 결합이 있음을 볼 수 있다 이들 잡음 문제는 무선 수신기를 동작.

시키기 전에 설계자가 해결되어야 할 내부장치의 장해에 관한 예들이다.

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그림 라디오 수신기 장비안에서 개개의 회로 소자에 의한 장해1.1

무선 수신기가 실제환경에 설치되면 그림 에 보여주는 것처럼 외부의 잡음 신호1.2

원에 노출된다 잡음 전류는 전원선에 의하여 수신기속으로 전도되거나 낙뢰 등. AC

여러 가지 잡음원에 의해 무선 수신기는 전자파 방사에 노출된다 이러한 경우 잡.

음원들은 설계자의 통제하에 있는 것이 아니기 때문에 이러한 전자파환경에서도 정

상적으로 동작하도록 설계하여야 한다.

그림 은 잡음문제의 다른 측면을 나타낸다 무선 수신기 그 자체가 잡음원이 될1.3 .

수도 있다 회로의 부품들은 직접적으로 잡음을 방사시키고 전원 케이블은 다른 회.

로에 잡음을 전도시킨다 전원선에 흐르는 잡음전류는 그 전원선이 부가적인 잡음.

을 방사하게 한다 잡음발생을 최소화 하도록 장비를 설계하는 것은 장해에 영향을.

받지 않도록 장비를 설계하는 것과 마찬가지로 중요하다.

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그림 다양한 잡음원에 의한 라디오 수신기의 영향1.2

잡음이란 회로에서 설계된 신호와는 다른 모든 전기적인 신호를 말한다 이러한 정.

의는 비선형 회로에서 생성된 왜곡현상에는 적용하지 않는다 이와 같은 왜곡현상.

이 바람직하지 않음에도 불구하고 회로의 또 다른 부품에 결합되는 경우를 제외하

고는 잡음으로 고려하지 않는다 그러나 회로의 한 부분에서 만들어진 신호가 회로. ,

의 몇몇 다른 부분과 결합되기만 하면 잡음으로 간주된다.

잡음에 의한 여러가지 전자파장해의 실례로 믹서 또는 진공청소기 드라이기와 같,

이 직류모터를 포함하는 가정용 전기기기들을 사용할 때 텔레비젼의 스크린에 가로

줄이 생기는 것을 보았을 것이다 이것이 주위에서 가장 흔하게 발생되는 문. EMC

제의 예이다 그리고 자동차에는 마이크로프로세서에 의해 제어되는 여러 가지 전.

자기기들이 있다 즉 연료의 양을 자동적으로 모니터링 해주는 기기 자동 변속을. , ,

해주는 기기 브레이크를 제어해주는 기기 등등 이와 같은 기기들은 자동차 엔진속, ,

점화계의 불꽃 방전에 의해 대에 이르는 넓은 주파수 스펙트럼을 가진 전자기UHF

장을 자동차내의 전자기기들에 방사시켜 오동작을 일으켜 자동차 운행상의 안전을

위협하는 경우가 종종 우리 주위에서 목격되고 있다.

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그림 무선 수신기가 다른 전자장비에 미치는 영향1.3

특히 공항 근처에서는 의 문제가 많이 발생한다 공항에 설치된 중형컴퓨터가EMC .

주기적으로 저장된 데이터를 잃어버리는 경우가 종종 있었는데 조사한 결과 공항의

레이다에서 나오는 전자파에 의해 컴퓨터가 오동작을 일으켜 이와 같은 결과를 초

래하였고 이는 컴퓨터가 위치하는 방을 차폐시켜서 방지할 수 있었다 또한 공항에, .

서 그리고 비행기내에서의 이동전화의 사용에 의한 전자파가 항공기 설비에 미치는

영향과 관련된 사례에 대하여서는 미국항공우주국 이 년부터 년까(NASA) 1986 1996

지 비행기 승무원들로부터 수집한 자료가 약 만 천 건에 이르고 있다 항공기에6 9 .

서 사용되는 전파의 주파수는 원거리 레이더용의 수십 부터 착륙유도시스템에MHz

사용되는 수십 까지 있다 이러한 시스템의 안테나가 비행기 동체의 여러 곳에GHz .

설치되어 있고 아주 미약한 신호를 수신하기 때문에 이동전화 등의 전자파가 항공

전자장비에 영향을 줄 수 있다 이 역시 이동전화와 비행기내의 의 문제의 예. EMC

이다 그리고 이동전화를 병원에서 사용함으로써 병원내의 전자장치로 구성된 의료.

기기들의 오동작으로 환자들에 대한 부정확한 진단이 이루어지기도 한다 빌딩의.

고층화가 진척됨에 따라 그 건설에 이용되는 크래인이 사용되고 특히 초고층 빌딩,

건설에 사용된 타워 크래인은 매우 높아졌다 더구나 라디오 방송전파가 강한 도시.

에서 크래인이 안테나로서 동작하여 어느 높이에서 공진하여 최대 정도의, 1,500 V

전압이 생성하는 것이 실측되어 있다 이와 같이 크래인에서 매달려 내려진 훅크에.

작업원이 접촉되어 전격 을 받은 사례도 보고되어 있다 전격은 직접 생명의( ) .電擊

위험에 이어지는 일은 없으나 접촉 면적이 작으면 열상을 받는 수가 있다.

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문제의 예는 인공적인 것에만 국한되지 않고 자연발생적인 원인에 의해서도EMC

발생된다 앞에서 고찰한 것과 같이 뇌방전에서는 공전이라고 하는 전자파가 방사.

되고 이것은 에서 최고로 커지게 된다 동시에 높은 주파수까지 넓혀진 스펙, 5 kHz .

트럼을 가진 잡음전파가 되어 여러 가지 무선통신에 방해를 준다 또한 송전선에.

낙뢰 등의 사고가 발생하면 영향이 모든 계통에 미치지 않도록 하기 위해서 사고지

점을 검출하여 차단기로 그 구간을 계통에서 분리시킨다 검출에서 분리까지 약. 4

사이클 에서는 초 이 걸리며 이 사이 송전 전압이 저하한다 이른바 순(60 Hz 0.067 ) , .

단 현상이 일어난다 그런데 컴퓨터 등은 이 한순간의 변화에 반응하여 그 결( ) . ,購斷

과 로봇이나 공작기계가 정지하며 컴퓨터의 메모리가 지워지고 셋트해둔 타이머가

작동하지 않는 등의 사태가 발생하기도 한다.

설계의 개념2) EMC

는 의도된 전자파 환경에서 적절히 동작할 수 있는가 전자파 환경에EMC ‘ ?’ ‘① ②

잡음원이 되지 않도록 설계되었는가 하는 전자시스템의 능력이다 즉 전자파환경?’ . ,

은 방사에너지와 전도에너지로 이루어진다 그러므로 는 방사성과 감응성이라. EMC

는 두가지 측면이 있다. 전자파감응성 은(EMS; Electromagnetic Suscepti- bility)

기기나 회로가 원하지 않는 전기적 에너지 잡음 에 대처하는 능력이다 회로나 기기( ) .

의 감응성 레벨은 잡음 환경에서 장비가 성능저하 없이 뚜렷하고 안전한 이득으로

만족스럽게 동작할 수 있는가 하는 것이다 전자파감응성을 다른 말로 전자파내성.

이라고도 한다 내성 레벨을 결정하는 데 있어서 한가지 어려운 점은 무엇이 성능.

저하를 결정하는 지를 정의하는 것이다.

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그림 장비개발 진행 시간에 따른 기술수준과 비용1.4

복사성 잡음 즉, 전자파장해 를 일으킬 가능성(EMI ; Eletromagnetic Interference)

이 있는 기기와 관계가 있다 방사를 조절하는 목적은 방사된 전자기 에너지를 제.

한하여 근처에 다른 기기들이 방사에 의한 장해의 영향을 받지 않고 안전하게 동작

하게 하기 위한 것이다 하나의 기기로부터의 방사를 억제하여 다른 기기에 장해를.

일으키는 문제를 해결할 수 있다 그러므로 전자기적으로 적합한 전자파환경을 만.

들어 방사를 조절하는 것이 바람직하다.

를 고려한 설계에는 두가지 접근 방법이 있을 수 있다 하나는EMC . 응급접근법이

고 다른 하나는, 시스템접근법이다 응급접근법에서 설계자는 설계가 끝나고 테스트.

또는 경험상 문제가 존재한다는 것이 나타날 때까지 전체적인 는 무시하고 진EMC

행한다 이 방법은 일반적으로 값이 비싸고 비효율적이며 분리접근법이라고도 한. ,

다.

- 53 -

장비의 개발을 설계 테스트 그리고 생산단계까지 진행시킴에 있어서 설계자들에게, ,

유용한 잡음저감 기술수준은 계속해서 낮아도 되는 동시에 잡음을 저감시키기 위한

비용은 증가한다 이러한 경향을 그림 에 나타낸다 따라서 간섭문제를 초기단계. 1.4 .

에서 고려하여 해결하는 것이 일반적으로 가장 좋고 가격도 저렴하기 때문에 응급

접근법 보다는 시스템접근법이 바람직하다

시스템접근법은 설계 초기부터 끝까지 를 고려한다 설계자는 개발 초기부터EMC .

문제를 고려하고 설계시 남아있는 문제를 찾아 수정한다 그리고 가능한한 철EMC .

저히 에 관한 최종 테스트를 하고 제작한다 이 방법은 무엇보다도 비용면에서EMC .

더 효율적인 접근 방법이다.

전자시스템의 요구1.3 EMC

전자시스템에서의 간섭과 문제1.3.1 EMC

전자시스템에서의 전자파 간섭은 크게 전기 전자장치에서의 간섭 현상과 방송 통⋅ ⋅신장치에서의 간섭 현상이 있다

전기 전자장치에서의 간섭 및 문제1) EMC⋅앞 절에서 여러가지 전자파장해의 정의 원인과 종류 그리고 다양한 예를 살펴보았,

다 및 는 그림 에 나타내는 바와 같은 경로에 의하여 이루어진다 여. EMI EMS 1.5 .

기서 잡음원은 이러한 전자파장해 현상을 보다 구체적으로 결합 경로의 형태에 따,

라 크게 분류하면 그림 과 같다 이것을 보다 구체적으로 나타내면 그림 과1.6 . 1.7

같다.

그림 및 의 잡음경로1.5 EMI EMS

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그림 의 결합경로에 따른 분류1.6 EMC

여기서는 실질적으로 일반 전기 전자시스템으로 구성된 정보기술장치가 이러한 분⋅류에 의해 어떤 형태로 전자파장해 현상이 많이 일어나는지 살펴보자 전도 감응에.

관한 장해원은 전력설비에서의 장해가 가장 많고 그 다음이 낙뢰 정전기 방전 통, , ,

신 방송전파의 순서로 이어지는 것으로 파악되고 있다 낙뢰에 관해서는 직격뇌가.⋅발생하는 것은 극히 희박하고 전원선 또는 통신선에 유도되어 전달되는 것이 대부,

분이다.

정보기술장치의 경우 전자파장해는 전력설비 낙뢰 기기 가전기기 정전기 방, , OA , ,

전의 순으로 나타내진다 산업 과학 의료용. (ISM; Industrial, Science, and⋅ ⋅고주파 이용설비에서도 전력설비가 가장 많고 그 다음이 정전기 방전 낙Medical) , ,

뢰 기기가 같은 정도로 이어진다 일반 전기 전자장치는 정전기 방전이 제일, OA . ⋅많고 그 다음은 기기 가전기기 전력설비 낙뢰 기기가 같은 정도로 장해, OA , , , , ISM

를 받고 있다 자동차 항공기 등이 포함되는 그 밖의 기기에서는 전력설비 통신. , , ⋅방송 전파 및 그 밖의 장해원이 같은 비율로 기인하고 있다.

복사성감응은 장해 전자파가 공간을 통해 전달되어 기기에 직접 장해를 끼치는 것

에 대한 내성을 나타내고 있으므로 통신 방송 전파가 가장 큰 장해원이 되는 것은⋅당연하다 그 다음이 정전기 방전인데 이것은 직접 방전이 아니고 간접 방전이 주. ,

이다 최근의 컴퓨터는 고속으로 동작하기 위해 간접 정전기방전에도 민감해진 것.

으로 판단된다.

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전도성 방출은 대개 이하의 주파수에서 발생하는 장해이므로 스위칭 전원60 MHz

에서 발생하는 장해 전자파가 가장 많다 다음이 기기의 클럭 신호가 외부에 누설.

되는 경우이고 그 다음은 발진회로로부터 누설하는 장해 전자파 스위치의 개폐시, ,

에 발생하는 장해 전자파의 순으로 이어진다.

이 밖에도 전자레인지의 마그네트론 에어콘의 인버터부 자동차 내의 교류 발전기, ,

나 스타터용 전동기 등이 주요 전도성 장해원이 되고 있다 장치별로 보아도 정보.

기술장치가 산업 과학 의료용 고주파 이용설비 일반 전기 전자장치 및 그 밖의,⋅ ⋅ ⋅기기 모두에 대해 전체 경향이 같은 형태로 나타나며 스위칭 전원이 가장 많고 그, ,

다음이 신호의 클럭 발진회로의 순으로 되는 것으로 파악되고 있다, .

복사성 방출은 주로 이상의 주파수에서 발생하는 장해이므로 기기의 클럭30 MHz

신호의 영향이 가장 크다 다음이 스위칭 전원이고 그 다음이 발진회로로 파악되고. ,

있으며 전도성 방출과 거의 같은 경향을 보인다 특히 산업 과학 의료용 고주파, . , ⋅ ⋅이용설비에 대해서는 방전과 스위치의 개폐시 방사 노이즈의 발생을 무시할 수 없

다.

전도성내성에 있어서 장해 전자파의 침입 경로는 전도성내성의 장해원으로서 전력

설비와 낙뢰가 큰 비중을 차지하는 것을 고려하면 전원선의 영향이 가장 크고 다,

음이 신호선이다 복사성 내성 장해파 침입경로는 복사성 내성의 장해원 중에서 가.

장 많은 것이 통신 방송전파이므로 신호선에 유기되어 들어오는 잡음이 가장 많⋅고 그 다음이 전원선으로 유기되는 잡음이다 이러한 경로 외에도 장치에 장해 전, .

자파가 직접 인가되는 경우가 있으며 복사성 내성에서 이러한 현상이 두드러지게,

나타나고 정보기술장치에서 특히 많이 나타나는 현상이다 이는 주 장해원이 정전, .

기 방전과 통신 방송전파이기 때문인 것으로 간주된다.⋅

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그림 기본적인 전자파장해 경로1.7

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전도성 방출 장해 전자파의 방출경로는 전도성 방출의 장해원으로 가장 많은 것이

스위칭 전원이므로 전원선이 방출 경로로서 가장 많다 그 다음이 신호선이고 그. ,

밖의 것은 극히 적다 장치별로 보아도 전체의 경향이 유사하며 이러한 경향은 전. ,

도성 내성에서의 경향과 유사하다 복사성 방출 장해 전자파의 방출경로는 신호와.

관련된 방출 비율이 가장 많고 전원선을 개입하는 비율은 신호선보다 약간 낮지만,

상당한 양이다 또한 그 밖에 장치에서 직접 방출되는 장해 전자파도 상당한 양으.

로 파악되고 있다.

방송 통신장치에서의 전자파 간섭 및 문제2) EMC⋅방송 및 통신장치의 전자파장해로 인한 수신장해는 전자파장해 현상에서 가장 오래

된 역사를 가지고 있다 이러한 전자파장해는 일반적인 전기 전자장치로부터 발생. ⋅하는 광대역 장해 전자파에 의한 것과 의도적으로 전파를 발생시키는 송신장치에

의해 발생된다 간단한 예로서 전기면도기를 사용할 때 인접한 텔레비젼 수신기에.

전자파잡음이 발생되는 것을 흔히 볼 수 있다 이러한 현상은 전기면도기로부터 발.

생된 광대역 전자파의 복사레벨이 주파수 특성을 가지며 텔레비젼 수신기의 선택,

도보다 복사레벨이 높은 주파수대역에서는 텔레비젼 수신기에서 전자파 장해가 일

어나 화면에 점이나 줄 등이 발생되는 것이다 물론 수신기 입력단에서의 장해 전.

자파 복사레벨이 텔레비젼 수신기의 선택도보다 낮은 주파수대역에 수신기가 동조

되어 있다면 전자파장해 현상은 발생되지 않을 것이다 이러한 이유로 방송 통신. ⋅장치의 보호를 위해 일반적인 전기 전자장치로부터의 전자파방출을 규제하고 있으⋅며 규제의 당위성도 이러한 이유로부터 찾을 수 있다,

일반적으로 통신망을 설계할 때 전자파장해가 일어날 것인가를 반드시 검토하여야

하며 통신시스템에서의 전자파장해 현상은 다음 세가지의 범주에 속한다, .

동일채널 간섭 (co-channel interference)①

인접채널 간섭 (adjacent channel interference)②

대역외 간섭 (out-of-band interference)③

- 58 -

이러한 전자파장해를 분석할 때는 송신기의 출력 송신안테나의 수신안테나 방향으,

로의 안테나이득 송신기와 수신기 사이의 전파손실 수신안테나의 송신안테나 방향, ,

으로의 안테나이득 수신기의 감도 등을 고려한다 전자파장해 기술에서는 주로 대, .

역외 간섭에 관심을 가지며 다른 종류의 간섭은 대개 스펙트럼공학 기술 분야에서,

간섭 계산 등을 실시한다 특히 대역외 간섭은 다음과 같은 세가지 형태의 간섭을.

생각할 수 있다 즉 송신기의. , 고조파 방출 이 수신기의 기본파(harmonic emission)

응답 과 중첩을 일으키는 경우 송신기의 기본파 방출(fundamental response) ,

과 수신기의 스퓨리어스 응답 이 중첩(fundamental emission) (spurious response)

을 일으키는 경우 송신기의 고조파 방출과 수신기의 스퓨리어스 응답이 중첩을 일,

으키는 경우이다 이와 같은 전자파장해 현상을 방지하기 위해서는 의도적 전자파.

의 고조파 방출은 물론 수신기의 스퓨리어스 응답도 규제해야 하며 우리나라에서,

는 전파법에서 이것을 다루고 있다.

간섭문제 해결과 일반적인 대책법1.3.2 EMC

장해원으로부터 발생된 장해 전자파는 하나 또는 그 이상의 결합경로를 통해 감응

체로 전달된다 전기장 및 자기장 결합은 복사성 전자파장해의 원인이 되고 용량성. ,

결합 유도성결합 공통 임피던스 결합은 인접한 결합메커니즘으로서 전도성 전자파, ,

장해의 원인이 된다 장해원과 감응체 간의 전달메커니즘은 직렬 또는 병렬로 결합.

이 이루어져 복사 및 전도 두 형태를 모두 포함할 수 있다 대개 복사잡음은 수신.

안테나로 동작하는 케이블 하니스 에 전류를 유기시키고 이러한 전(wiring harness) ,

도전류가 장치의 입력단을 통해 차폐된 부품 내부로 들어감으로써 부품의 오동작을

유발할 수 있다 이와 같이 다양한 전자파장해 결합메커니즘의 결합 정도에 영향을.

미치는 요인에는 차폐 접지 필터링 케이블 하니스와 모든 도전구조를 포함한 전, , ,

기 전자부품의 배치관계 등이 있다.⋅

그림 시스템 상호간의 전자파장해 대책기법1.8

- 59 -

그림 시스템 내부에서의 전자파장해 대책기법1.9

전자파장해 현상은 시스템 상호간의 장해현상과 시스템 내부에서의 장해현상으로

구분할 수 있다 따라서 이러한 전자파장해의 대책기법도 그림 및 그림 와. 1.8 1.9

같이 두 부분으로 나뉘어진다 시스템 내부에서의 장해현상에 대한 대책기법에는.

기본적으로 대책회로 및 부품 필터링기법 및 밸런싱기법 차폐기법 배선 및 접지, , ,

기법이 포함되며 본딩 커넥터 개스킷 등도 이러한 범주내에 속한다 시스템 상호, , , .

간의 장해현상에 대한 대책기법에는 기본 주파수제어기법 시간제어기법 위치제어, ,

기법 방향성제어기법이 포함된다, .

- 60 -

그림 과 그림 와 같은 대책기법을 위해 시스템 개발의 여러 단계 즉 시제품1.8 1.9 ,

개발 기획 설계 양산품 생산 시험 및 평가 현장운영 등과 관련하여 다양한 방법, , , , ,

과 절차 등이 사용되며 각 단계에 알맞게 적절한 방법이 선별적으로 채택된다 이, .

러한 방법들은 제품의 초기 단계에는 매우 다양하게 선택될 수 있고 대책에 투입,

되는 비용도 적으나 최종 단계로 갈수록 선택할 수 있는 대책방법의 폭은 매우 좁

아지고 비용 역시 커진다 따라서 여러 가지 대책기법을 고려하여 제품 개발의 초.

기설계 단계에서 전자파장해 현상을 제어하는 것이 바람직하다.

- 61 -

참 고 문 헌

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김동일 나정웅 박동철 전파공학 청문각(2) , , , , , 1998.

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EMC-20,4, pp.473-482, Nov. 1978.

(8) Uman, M. A. The Lightning Discharge, Academic Press, 1987.

- 62 -

제 장 전자기장과 전자파 이론2

현대 전자기장 이론의 기초는 세기 맥스웰 에 의하여 정립되었다19 (J. C. Maxwell) .

이 이론에서 맥스웰은 전자파와 빛은 전자기 에너지의 형태로 되어 있다는 개념을

제창하였다 독일의 물리학 교수이었던 헤르츠 는 맥스웰에 의하여 발표된. (H. Hertz)

이론을 이해하고 일련의 실험을 하였다 오늘날 이를 근거로 도파관 전송선로 능. , ,

동초고주파소자 및 회로 등이 전자기장을 이론적인 배경으로 하여 여러가지 기기

들 즉 레이더 통신시스템 방송 등에 널리 응용되고 있다, , , .

이 장에서는 앞으로 논의될 여러가지 기기들의 문제를 이해하고 발생된 문제EMC ,

를 능동적으로 해결하기 위한 기본적인 전자기장 이론을 맥스웰 방정식을 이용하여

설명한다 균일평면파 는 맥스웰 방정식을 적용하는 가장 간단. (uniform plane wave)

한 예이며 이를 적용하면 에너지 전파에 관한 여러가지 원리를 이해하기 쉽다 따, .

라서 균일평면파에 대한 속도 파장 파동임피던스 전파정수 전력밀도에 관한, , , , 포

인팅의 정리 와 근 원방의 전자기장에 관하여 설명한다 그리(Poynting's theorem) .ㆍ

고 다층매질에서의 전자파의 특성에 관하여 기술한다, .

전자기장 이론2.1

전자기장과 맥스웰 방정식2.1.1

호박 을 마찰할 때 발생하는 정전기와 자철심의 자기에 대해서는 인류가 오랫( )塊珀

동안 알고 있었다 그러나 전기와 자기의 본성을 정확하게 이해하기 시작한 것은.

세기말 경부터이다 년에 쿨롱 은 전하간에 작용하는 힘을 비18 . 1785 (C. Coulomb)

틀림 저울로 측정하여 쿨롱의 법칙을 확립하였다 그럼에도 불구하고 전기와 자기.

는 그 당시까지 완전 별개의 현상으로 간주되고 있었다.

- 63 -

한편 년에 물리학 교수이었던 엘스테드 가 학생에게 전류의, 1820 (H. C. Oersted)

실험을 보이고 있을 때 가까이에 있는 자침이 움직이는 것을 발견하면서부터 인,

식은 달라지게 되었다 암페어 는 엘스테드의 실험결과를 듣고 대. (A. M. Ampere)

단히 놀라 어떻게든 이론적으로 설명하고자 열심히 연구하였다 그 결과 생겨난 것, .

이 암페어의 법칙이다 그림 은 암페어의 법칙을 나타낸 것으로 그림에서 보인. 2.1 ,

바와 같이 한 도선에 전류가 흐를 때 도선을 중심으로 오른나사 진행방향으로 자기

장을 형성하는 것을 기술하고 있다 또한 암페어는 모든 자기현상은 전류에 기인하.

는 것으로 설명하였다.

역으로 자기장을 형성하면 전류를 만들기도 한다 전류에 의해 자기장이 발생하면.

자기장으로부터 전류를 만들어 내는 것도 가능함에 틀림없다고 생각하고 실험에 힘

을 쏟은 이가 페러데이 이다 패러데이는 년에 철환에 감은 개의(M. Faraday) . 1831 2

코일의 한쪽에 전류를 흘리면 그 순간에 다른 쪽의 코일에도 전류가 흐르는 것을

발견했던 것이다 자속이 변화할 때에 코일에 전류가 발생한다는 전자기유도의 법.

칙은 이렇게 해서 생겨났다.

그림 암페어의 법칙2.1

- 64 -

맥스웰은 이들의 법칙을 미분방정식의 형태로 정리해 보았지만 기존의 전류와 자,

기장 사이의 관계식으로서는 아무래도 모순된 결과가 나오는 것을 깨달았다 이 모.

순을 해결하기 위하여 맥스웰은 유전체내 전하의 작은 위치변화를 변위전류로 정의

하고 이것을 전도전류에 합해서 전전류로 해야 한다는 제안을 하였다 이렇게 하여, .

전하보존의 법칙도 만족시킬 수 있었다 이 변위전류의 덕택으로 다음의 두 가지.

사실이 도출된다.

맥스웰의 미분방정식을 조합시키면 파동방정식이 얻어진다 즉 전기장 또는 전. , (①

계 과 자기장 또는 자계 은 파동으로써 음파와 같이 공간으로 전달되어 갈 것이라는) ( )

점이다.

그림 전자파의 전파2.2

즉 그림 와 같이 어떠한 원인으로 공간에, 2.2 E1이라는 전계가 발생하였다 하자 그.

러면 그 주위에 자계 H가 발생한다. H가 생기면 그 주위에 전계 E2가 발생한다 이.

E2는 그림 에서 알 수 있는 바와 같이 원래의 전계 E1의 위치에서는 E1을 상쇄하는

방향이며, E1에서 떨어진 위치(H 선륜의 외측 에서는) E1과 같은 방향을 향하고 있

다 바꾸어 말하면. E1이라는 전계는 자계를 만들고 어떤 시간 후 E2가 되어서 E1에

수직한 방향으로 퍼져 나간다고 해석할 수가 있다 이렇게 해서 맥스웰 방정식이.

전자파의 전파현상을 나타내고 있다는 사실을 개념적으로 이해할 수 있다.

- 65 -

전기와 자기의 실험으로부터 매질정수가 수치로서 이미 알려져 있으므로 파동의②

속도도 로 계산되었다 한편 당시의 물리학에서 프우코오288,000,000 m/s . , (L.

의 광속 측정치는 이었다 결국 광의 물리학적 정체는Foucault) 293,360,000 m/s . ,

전기장과 자기장의 파동으로 추정된다는 점이다.

맥스웰은 실험에 의한 힌트도 없이 이 만큼의 추론을 할 수 있었던 것이다 그 후.

그 추론의 정확성과 중요성이 훌륭히 실증되어 세계의 문명에 커다란 영향을 끼쳤

다 맥스웰은 실로 천재라고 말할 수 밖에 없다 그러나 당시의 과학자들에게는 변. . ,

위전류가 기상천외하게 느껴진 듯 지지하는 사람이 없었다 년에 맥스웰은, . 1873

전기자기에 관한 방법론 이라는 책(A Treatise on Electricity and Magnetism)『 』

을 썼다 이 책은 현재에도 명저로 알려져 있다 그 절을 보면 진전류. . 609 , ( )眞電流

로서 전도전류와 변위전류의 합을 취하여

이라고 쓰고 있다 당시에는 벡터해석법도 발달되지 않아 와 과 같은 편리. ×▽ ▽⋅한 기호를 쓰고 있지 않았다.

현재 많은 교과서에서 쓰고 있는 다음 식 의, (2.2)~(2.5) 맥스웰 방정식은 나중에 헤

비사이드 가 정리한 결과이다(O. Heaviside) .

- 66 -

여기서, D는 전기변위 또는 전속밀도라 불리우며 는 전하밀도, ,⍴ B는 자속밀도, E

는 전기장 강도( ), H는 자기장 강도( ), J는 전류밀도 는 시간이다, t .

다음에 식 의 발산 올 취하면 이므로 다음 식을 얻게(2.5) (divergence) , x F 0▽ㆍ▽ ≡

된다.

또는

식 를 연속방정식 이라고 부른다 식 를 식(2.6b) (equation of continuity) . (2.6b)

에 대입하면(2.6a)

이 되므로 적분상수를 으로 놓으면 식 가 얻어진다 또 식 의 발산을 취0 (2.2) . (2.4)

하면 (∂ B▽⋅ 이 되고 적분상수를 으로 하면 식 이 유도된다 따)/ t = 0 , 0 (2.3) .∂

라서 식 및 를 맥스웰의 상호 독립방정식이라 하고 이 때 식(2.4), (2.5) (2.6b) ,

을 맥스웰의 종속방정식이라고 한다 맥스웰 방정식은 전자기현상을 설(2.2), (2.3) .

명하는 기본법칙이 되었으며 전자파의 성질이 모두 이 방정식에서 구해질 수 있다, .

공학에서는 정상상태 조건을 가정한 시간에 따라서 정현적 으로 변하는, (sinusoidal)

장 을 기본적으로 취급한다 이러한 경우에 있어서 페이저 의 개념이(field) . (phasor)

매우 편리하므로 모든 장의 양은 시간 의존성을 의미하는 ej tω ( ω는 각 주파수, ω

=2 fπ . f는 주파수 를 갖는 복소벡터로 가정하고 필기체 대신에 인쇄체 활자로 표가)

하기로 한다. 방향으로 정현적인 전기장의 형태는

- 67 -

이며 여기서, E0 는 진폭이며, ∅는 t 에서의 초기위상이다 이 경우 는 다음과=0 . E

같은 페이저 형태를 갖는다.

이 책에서는 코사인 페이저를 가정하여 는 페이저에(cosine) , E ei tω를 곱하고 실수

항을 취함으로써 얻어진다.

식 에 식 를 대입하면 식 을 얻는다(2.10) (2.9) (2.8) .

차원적으로 변화하는 정현적 시변장 을3 (time harmonic field)

로 표현할 때 이의 페이저는,

로 된다.

페이저로 표현되는 전자기장에 대한 맥스웰 방정식은 식 에 있어서의 시(2.2)~(2.5)

변 전자기장의 시간에 대한 미분기호 대신 jω를 대입하여 식 이 된다(2.13)~(2.16) .

- 68 -

이 경우 E, H의 실제의 물리량은 식 과 같이 표현된다(2.17) .

근 원역 전자기장과 정리2.1.2 Poynting⋅

의 주된 문제는 서로 다른 전자기적인 기기나 시스템들간의 상호작용이다 이EMC .

런 상호작용은 기기간의 결합 에 기인한다 이러한 결합은 두 시스템간의(coupling) .

전자파를 통한 에너지의 전달과 용량성 및 유도성에 관련된 유도적인 메카니즘에

의하여 발생한다 따라서 주어진 조건에서 이들이 어떻게 영향을 미치는지 알 필요. ,

가 있다 맥스웰 방정식은 이상적인 경우에 한하여 일반적인 해를 구해줄 뿐 이것. ,

에 대한 구체적인 해답을 찾기는 곤란하다 이에 두가지 간략한 모델을 선택하여.

전자기장의 근⋅원역장에 관하여 설명한다.

하나는 미소 다이폴안테나이고 또 하나는 소형 루프안테나이다 이들 각각에 교류.

전류 I0 ℯj tω 가 흐른다고 가정한다.

안테나의 길이 L≪λ 미소 다이폴안테나에 일정한 전류 I0 ℯj tω가 그림 와 같2.3(a)

이 흐른다고 가정했을 때 이 안테나의 전자기장은 거리 주파수 및 각도의 함수로, ,

표시될 수 있다 즉. ,

- 69 -

그람 미소 다이폴의 좌표계와 전자기장 성분2.3(a)

그림 소형루프 안테나의 좌표계와 전자기장 성분2.3(b)

- 70 -

이다.

한편 반경, ɑ를 가지는 소형 루프안테나에 의한 자기장 성분은 그림 를 이용2.3(b)

하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

위 식을 이용하기 위해서 식 과 의 어떠한 부분의 항들은 무시되어 근(2.18) (2.19)

사할 수 있다 이러한 근사의 기준은 방사되는 전원으로부터의 거리가 멀고 짧음에.

따라 달라질 수 있다 먼 거리에서의 전자기장을 통상. 원역장 이라고 하며(far field)

이것은 마치 전원으로부터 전자파가 복사되는 것처럼 여겨진다 원역장에서는. 1/

r2, 1/ r3 항은 1/r항과 비교하여 무시될 수 있는 항이다 따라서 원역장의 성분은.

다음과 같이 나타낼 수 있다.

- 71 -

미소다이폴 안테나에 아주 가까운 지점에서는 1/ r2와 1/ r3항은 원역장과는 달리

1/r 항에 비해 무시할 수 없다 이것을. 근역장 이라고 하며 원역장보다(near field) ,

매우 복잡하다 왜냐하면 세개의 성분 즉. , E⍬, Hф 그리고 Er을 모두 고려하여야 하

고 위상관계도 원역장과 다르기 때문이다 그러나 대부분의 상황에서는 근역, . EMC

장으로의 접근이 필요하다 그러므로 근역장에서 원역장으로 전이하는 지점을 식별.

하는 것이 매우 중요하다 이지점은 안테나로부터의 거리와 전기장의 강도를 나타.

낸 그래프에서 1/r, 1/ r2, 1/ r3항을 나타내면 알 수가 있다 우선 식 에서. (2.20a)

r= ɑ( 2λ π)= ɑ/β라 하면 다음과 같이 고쳐 쓸 수가 있다.

즉,

식 의 개의 항들을 그림 에 나타내었다 그리고(2.21) 3 2.4 . r≈ /2λ π (ɑ 에서는1)≈

전자기장에서 E⍬ 성분에 영향을 주는 요소가 동일하며 이 영역이 근역장과 원역장,

의 전이 영역이다 그래서 원역장이나 근역장을 정의할 때 파의 진폭의 크고 작음. ,

으로써 정의하는 것보다는 전이되는 거리로 정의한다 즉. ,

이다.

식 은 안테나에서 방사되는 파장에 관련된 것이다 그러나 에서는 통상(2.23) . EMC

다음과 같이 정의하여 사용한다.

- 72 -

그림 안테나로부터의 거리와 거리에 따른 정규화 전기장의 세기2.4

위의 정의는 차폐 효과를 계산할 때 그리고 복잡한 시스템에서의 방사특성을 측정,

할 때 유용하다 지금까지 살펴본 원역장 및 근역장에 대한 정의는 특성이 매우 다.

르지만 시스템 상호간에 작용하는 영향을 이해하는 데에 매우 중요한 요소이다.

다음으로 전자기장에서의 에너지의 흐름을 정의한 포인팅의 정리에 대해 알아보자.

- 73 -

시변 전자기장 형식의 맥스웰 방정식에서 패러데이의 전자유도법칙 암페어의 법칙, ,

맥스웰의 변위전류로부터 시작하자 전자의 법칙에. H를 후자의 법칙에, E를 각각

내적하면

이 되며 백터항등식을 사용하면 식 이 얻어진다, (2.27) .

이를 체적 에 대해서 적분하고 발산정리를 이용하면V

가 얻어진다 식 는 중요한. (2.28) 포인팅의 정리이며 이 형태는 일반적인 매질에 대

하여 성립한다 선형 시불변 매질에 대해서 식 은 다음 식으로 다시 쓸 수. , (2.28)

있다.

- 74 -

식 의 제 항은 자기장으로 저장되는 에너지의 시간적 증가율을 제 항은 전(2.29) 1 , 2

기장으로 저장되는 에너지의 시간적 증가율을 각각 나타낸다 또 제 항은 전류 밀. , 3

도 J 또는 도전율에 의한 오옴 손실 를 나타낸다 만일 전원이 존재하(Ohmic loss) .

면 E J⋅ 는 그 전원에 대하여 부 이고 주어진 영역의 밖으로 에너지가 흐르는 것(-)

을 의미한다 따라서 전체 에너지의 변화는 밖으로 공급되지 않으면 아니된다 즉. , . ,

식 의 우변 항은 단위시간당 체적 안으로 흐르는 에너지를 나타낸다 부호를(2.29) .

바꾸면 폐곡면을 통하여 흘러 나가는 에너지율 P0 는

여기서,

이며. S를 포인팅 백터라 부른다.

단위시간당 어떤 영역 밖으로의 전체 에너지 흐름이 전체 표면적분 식 에 의(2.29)

하여 주어진다는 증명만으로 알았지만 공간의 어떤 점에서 에너지 흐름 밀도의 방,

향과 크기를 나타내는 벡터로서 식 을 정의한다고 생각하면 편리한 경우가(2.31)

많다.

이제 전자기와 전원 사이의 에너지 흐름을 나타내는 포인팅 정리를 페이저 형식으

로 유도하여 보자 전기적인 전류원을. Js, D= E, B= Hε μ 에서 같은 전도전류를 Eσ 라

고 하면 전체 전류밀도, J=Js+ Eσ 가 된다 패러데이의 전자유도 법칙에 자류원. Jm을

가정하고 x E = -▽ jwB - Jm에 H* 를 내적하고 맥스월의 변위전류항에 공액을,

취하여 E를 내적하면,

- 75 -

가 되며 이들 두 결과와 벡터항등식을 사용하면,

를 얻는다 이를 체적 에 대해서 적분하고 발산정리를 사용하면 식 가 된. V , (2.35)

다.

즉,

여기서, S는 그림 에 나타낸 것처럼 체적 를 둘러싸고 있는 폐곡면이다2.5 V .

손실을 고려하여 ‘ε = ’ε - j "ε , μ= μ’ -j ”μ 으로 놓고 식 를 다시 표현하면(2.35)

- 76 -

가 얻어진다 이 결과식은 물리학자인 포인팅 의 사후. (J. H. Poynting, 1852-1914)

에 포인팅 청리라 불리게 되었으며 식 의 좌변은 내에서 전원, (2.36) S Js와Jm에 의

해서 전달되는 복소전력 Ps를 나타낸다 즉. ,

식 우변의 첫 번째 적분은 폐곡면 로부터 흘러나오는 복소전력을 나타낸(2.36) S

다 만일 포인팅 벡터. S 로 불리는 양을

와 같이 정의하면 이 전력은 다음과 같이 표현될 수 있다, .

식 에서 표면적 는 이 식의 의미가 성립되기 위하여 폐곡면이어야 한다 식(2.39) S .

과 식 에서(2.37) (2.39) Ps 와 Po 의 실수부는 시간평균전력을 나타낸다 식. (2.36)

의 두 번째 및 세 번째 적분들은 도전율 유전체 및 자성체 손실에 기인하여 체적,

V내에서 소모되는 시간평균전력을 나타내는 실수값이다 이들 전력을. PI로 정의한

다면

- 77 -

그림 전자기장2.5 E, H 와 전류원 Js, Jm

이며 이를 보통, 주울의 법칙 이라고 부른다 식 의 마지막 적분(Joule’slaw) . (2.36)

은 축적되는 전기적 및 자기적 에너지와 관련된 것으로 볼 수 있다 위 정의에 의.

하여 포인팅 정리는 다음과 같이 표현될 수 있다, .

다시 말하면 이 복소전력에 관한 방정식은 전원에 의해서 전달되는 전력, Ps 가 표

면을 통하여 전송되는 전력 Po, 체적내에서 열로 소모되는 전력, PI 과 체적내에서

축적되는 전체의 리액티브 에너지에 2ω를 곱한 양의 합과 같음을 기술 하고 있다.

다층 매질에서의 전자파2.2

손질 매질에서의 임피던스2.2.1

손실이 있는 매질에서의 임피던스를 생각해보자 만일 매질이 도전율. σ를 갖는 도

체이면 맥스웰 방정식은 페이저형으로 다음과 같이 쓸 수 있다, .

- 78 -

에 대한 파동 방정식은E

이 된다 이 때 매질에 대한 복소 전파정수는 다음과 같이 정의된다. .

와 방향에서 일정하고x y 성분만을 가지는 전기장을 가정하면 식 의 파동(2.43)

방정식은

으로 표현되며 이 방정식의 해는,

이다 방향으로 전파하는 파의 경우. +z , ｒ = ɑ + jβ 이므로

- 79 -

이다 이를 시변 전자기장으로 나타내면 다음 식과 같다. .

위 식은 위상속도 파장, =2 /λ π β와 지수함수적인 감쇠정수 ɑ를 갖고 +z

방향으로 진행하는 파를 나타냄을 알 수 있다 식 의 부의 방향으로 진행하는. (2.46)

파는 유사하게 방향을 따라 진행하면서 감쇠한다 만일 손실이 없다면 식-z . ,

이므로(2.44) = 0σ γ 이며 따라서 가 된다 손실항은 복소유전율을, a=0, =k .β

사용하여 취급하면 편리하다 그러므로 식 에서. (2.44) σ=0, = ‘-jε ε ε 이라 놓으면"

여기서, 는 매질의 손실 탄챈트 라 한다 이와 연관된 자(loss tangent) .

기장은 다음과 같이 구해진다.

무손실의 경우와 같이, 파동임피던스 Zw는 전기장과 자기장 사이의 관계로부터 식

와 같이 정의될 수 있다(2.50) .

따라서 식 은 다음 식으로 다시 쓸 수 있다, (2.49) .

- 80 -

임피던스의 개념을 이 시점에서 보다 일반적인 형태로 논하는 것은 아주 유용할 것

이다 임피던스 라는 용어는 저항과 인덕터 그리고 커패시터로 구성된 교류회로. “ ” ,

에서 복소 전압 전류의 비를 나타내기 위하여 세기에 헤비사이드/ 19 (Oliver

에 의해 처음으로 사용되었다 이후 임피던스 개념은 교류회로 해석에Heaviside) ,

있어서는 필수 불가결한 수단으로 받아 들여졌으며 전송선로에서 그 선로의 집중,

소자 등가회로와 분산 직렬 임피던스 그리고 병렬 어드미턴스의 형태로 사용되었,

다.

년대에 셜쿠노프 는 임피던스 개념이 체계적인 방법으로 전1930 (S. A. Schelkunoff)

자기장에까지 확장될 수 있으며 이 임피던스는 매질뿐만 아니라 전자기장의 형태,

의 특성까지도 나타낼 수 있다는 사실을 발견하였다 임피던스의 개념은 전자기장.

이론과 전송선로나 회로이론 사이에서 중요한 매개체 역할을 하는 것이다.

다음에 여러 가지 형태의 임피던스와 그들의 표기방법을 요약하여 둔다.

파동임피던스① Zw=Et/Ht=1/Yw :

첨자 는 전자파의 진행방향에 대한 횡단면내의 성분을 의미하며 이 임피던스t , Zω

는 특정 형태의 파동의 특성임피던스이다 과 그리고 파는 각각 서로. TEM TM, TE

다른 파동임피던스( ZTEM ,ZTM ,ZTE 를 갖고 있으며 이들은 전송선로나 도파관의,) ,

형태 물질 그리고 동작 주파수에 따라 다르다 절에서 유전체에 비스듬히 입, , . 2.2.2

사하는 전자파의 반사와 굴절 및 파동임피던스에 대하여 설명한다.

매질의 고유임피던스②

고유임피던스는 매질의 물질 변수에만 좌우되지만 평면파인 경우 파동임피던스와

같다.

특성임피던스③

특성임피던스는 진행파에 있어서 전류에 대한 전압의 비이다 전압과 전류는. TEM

파 있어서는 오직 하나로만 정의되므로 파의 특성임피던스는 하나이다 그러TEM .

나 파와 파에는 유일하게 정의되는 전압과 전류가 존재하지 않기 때문에 이, TE TM

러한 파에 대한 특성 임피던스는 여러 가지 방법으로 정의될 수 있다.

- 81 -

그림 경계면에 있어서 평면파의 반사와 굴절2.6

전자과의 반사와 굴절2.2.2

그림 과 같이 파수 벡터2.6 , (wave number) k1을 가지는 평면파가 매질 을 진행하1

여 매질 와의 경계면에 도달하면 일부의 파가 매질 로 투과하고 나머지는 매질2 2 1

로 반사된다 이 때 매질 가 정지하고 있으면 주파수는 변하지 않는다 각각의 매. , 2 .

질에 있어서 평면파의 전기장 자기장은 그림 을 이용하여 다음과 나타낼 수 있2.6ㆍ

다.

- 82 -

여기서,

이며 의 원점은 공간의 어느 점이라도 좋으므로 경계면상에 취한다 경계쪽의 전, r .

전기장 자기장의 위상은 경계면상의 어느 점에서도 같아야 하므로. ,

가 성립하지 않으면 아니되며 이것은,

으로도 쓸 수 있다 식 에서. (2.59a) k1과 k3가 동일평면에 있는 파수벡터이고 식,

에서(2.59) . k1과 k2가 통일평면에 있는 것을 알 수 있다 결국. k1, k2, k3가 모두 동

일평면에 있다. k1과 k3는 같은 매질에 있으므로 크기는 같다 크기가 같은 벡터의.

경계면 성분은 식 에 의하여 같아야 한다 따라서 그림 을 참조해서(2.58) . , 2.8

- 83 -

을 얻는다.

식 에서(2.59a) k1벡터와 k2벡터의 경계면 성분은 같다 그림 의 각도 관계를 나. 2.6

타내면

이 된다 나아가서.

을 대입하면

이 된다 이것은 광학에서도 잘 알려져 있는. 스넬 의 법칙(Snell) 이다.

다음에 전기장 자기장의 경계조건을 적용하자.⋅ z축 방향의 단위벡터 와의 벡터외z

적을 이용하여 전기장 자기장의 접선성분의 경계조건(⋅ Etl = Et2, Ht1 = Ht2 은 다음)

과 같이 쓸 수 있다.

- 84 -

그림 전계와 경계면이 평행한 경우 평행편파 또는2.7 ( TE-mode)

그림 자기장과 경계면이 평행인 경우 직각편파 또는2.8 ( TM-mode)

- 85 -

모두 통일평면에 있다. k1과 k3는 같은 매질에 있으므로 크기는 같다 크기가 같은.

벡터의 경계면 성분은 식 에 의하여 같아야 한다 따라서 그림 을 참조해(2.58) . , 2.8

서

을 얻는다.

식 에서(2.59a) k1벡터와 k2벡터의 경계면 성분은 같다 그림 의 각도 관계를 나. 2.6

타내면

이 된다 나아가서.

을 대입하면

이 된다 이것은 광학에서도 잘 알려져 있는. 스넬 의 법칙(Snell) 이다.

다음에 전기장 자기장의 경계조건을 적용하자.⋅ z축 방향의 단위벡터 와의 벡터외z

적을 이용하여 전기장 자기장의 접선성분의 경계조건(⋅ Etl = Et2 , Ht1 = Ht2 은 다음)

과 같이 쓸 수 있다.

- 86 -

그림 전계와 경계면이 평행한 경우 평행편파 또는2.7 ( TE-mode)

그림 자기장과 경계면이 평행인 경우 직각편파 또는2.8 ( TM-mode)

- 87 -

모두 동일평면에 있다. k1과 k3는 같은 매질에 있으므로 크기는 같다 크기가 같은.

벡터의 경계면 성분은 식 에 의하여 같아야 한다 따라서 그림 을 참조해(2.58) . , 2.8

서

을 얻는다.

식 에서(2.59a) k1벡터와 k2벡터의 경계면 성분은 같다 그림 의 각도 관계를 나. 2.6

타내면

이 된다 나아가서.

을 대입하면

이 된다 이것은 광학에서도 잘 알려져 있는. 스넬 의 법칙(Snell) 이다.

다음에 전기장 자기장의 경계조건을 적용하자.⋅ z축 방향의 단위벡터 와의 벡터외z

적을 이용하여 전기장 자기장의 접선성분의 경계조건(⋅ Et1 = Et2 , Htl = Ht2 은 다음)

과 같이 쓸 수 있다.

- 88 -

그림 전계와 경계면이 평행한 경우 평행편파 또는2.7 ( TE-mode)

그림 자기장과 경계면이 평행인 경우 직각편파 또는2.8 ( TM-mode)

- 89 -

자기장은 식 에 의하여 전기장의 식으로 고쳐 쓸 수 있으므(2.53), (2.55), (2.57)

로 식 는, (2.65)

으로 된다 이것은 일반적인 식이므로 전기장벡터의 방향에 대하여 개의 대표적. , 2

인 경우를 생각해 보자.

전기장과 경계면이 평행인 경우 평행편파 또는1) ( TE-mode}

그림 에서 보는 바와 같이 전기장벡터와2.7 가 직교하고 있으므로

가 된다 따라서 식 은. (2.67)

가 되며 각 항의 벡터가 동일방향인 것을 고려하면,

가 얻어진다.

- 90 -

식 를 벡터해석에 의해 전개하고 식 을 사용하면(2.68) , (2.67)

이 된다 그림 의 각도를 쓰면 이것은. 2.6 ,

로 다시 쓸 수 있다.

식 과 식 을 연립방정식으로 해서 풀면 전기장의 투과계수 와 반사계(2.69) (2.70) T

수 Γ는 다음과 같이 표현된다.

이 경우 매질 에서 입사되는 파는1

- 91 -

이고 매질 에서 투과되는 파는, 2

이다 그러므로 매질 과 매질 에서의 파동임피던스. 1 2 ZTE.1 및 ZTE.2는 다음과 같이

나타내어진다.

또한. ZTE.3은 θ1 =θ3 이므로 ZTE.1과 같다.

자기장과 경계면이 평행인 경우 직각편과 또는2) ( TM-mode)

이 경우도 모드와 마찬가지 방법으로 그림 을 이용하여 다음과 같이 해석할TE 2.6

수 있다 경계조건은 식 과 유사하게. (2.69)

로 쓸 수 있다 맥스웰방정식에 의해 전기장을 나타내면.

- 92 -

가 되지만 파수 를 써서 다시 쓰면, k

이 된다.

경계조건( Et1 = Et2 을 적용하면 식 과 마찬가지로) , (2.70)

을 얻는다 그림 의 각도를 쓰면. 2.6 ,

가 되며 식 과 식 를 연립방정식으로 풀면 자기장의 투과계수 와 반, (2.80) (2.82) , T

사계수 Γ는 다음과 같이 된다.

가 된다식 와 은(2.72), (2.73), (2.85) (2.86) 프레넬 공식(Fresnel) 으로 알려져 있다.

- 93 -

이 경우 매질 에서 입사되는 파는1

이고 매질 에서 투과되는 파는, 2

이다 그러므로 매질 과 매질 에서의 파동임피던스. 1 2 ZTM.1 및 ZTM.2은 다음과 같이

나타내어진다.

이다.

그리고 위와 달리 진행방향에 대하여 전기장 자기장 모두 수직인 것을 모드, TEM

라 하며 이 때 매질 및 매질 에서의 파동 임피던스는 각각, 1 2 η1 및 η2가 된다.

- 94 -

그림 다층매질에서의 반사2.9

다층 매질에서의 반사2.2.3

그림 과 같이 공간에 서로 다른 매질이 개개의 층을 이루어 존재하는 다층매질2.9

에서의 반사에 대해 고찰해 보자 이 때 각 매질의 유전율은 ε1, ε2, ,n,… εi,, ,… ε

투자율은 μ1, μ2, ,… μi, ,… μn이며 각 매질 내에서의 전파 정수는 r1, r2, , r… i,

, r… n이고 각각의 두께가, d1, d2, ,d… i, ,d… n이라 하자.

이와 같은 다층매질에 자유공간으로부터 평면파가 입사한 경우의 반사계수를 구하

기로 한다.

그림 에서와 같이 매질들이 서로 다른 두께 유전율 및 투자율 전파정수를 가진2.9 , ,

다 이러한 매질들은 또 각기 서로 다른 파동임피던스 Zwi를 가지고 있다 그러면 그.

림 에서와 같이 첫 번째 매질의 왼쪽 끝단에서 오른쪽을 들여다 본 입력 임피던2.9

스Z1은

로 나타낼 수 있다 여기서. , 이다.

- 95 -

마찬가지로,

로 나타낼 수 있으며, Z0는 에서 오른쪽 또는 부하쪽 을 들여다 본 입력임피던Z=0 ( )

스이다.

특히 파의 경우에 층에서의 전파정수TEM i- ri 는 자유공간의 임피던스 Z0를 써서

로 나타낼 수 있다 따라서 자유공간으로부터 수직입사되는 파의 반사계수. TEM Γ

는 자유공간의 임피던스 Z0를 써서 다음과 같이 주어진다.

- 96 -

참 고 문 헌

김동일 나정웅 박동철(1) , , , 전파공학 청문각, , 1998.

박한규 윤상원(2) , , 전자기학 제 판 연합출판( 5 ), , 1992.

(3) Henry W. Ott, Noise reduction techniques in electronic systems, 2nd

edition, John Wiley & Sons, Inc. 1988.

(4) Clayton R. Paul, Introduction to electromagnetic compatibility, John Wiley

& Sons, Inc. 1992.

(5) Laszlo Tihanyi, Electromagnetic compatibility in power electronics,

Butterworth- Heinemann, 1995.

(6) Frederick M. Tesche, Michel V. Ianoz, Torbjorn Karlsson, EMC Analysis

methods and computational models, John Wiley & Sons, Inc. 1997.

(7) David M. Pozar, Microwave Engineering, Addison-Wesley, 1990.

- 97 -

제 장 측정기기 및 측정설비3 EMC

전자파 간섭 및 장해문제가 발생하면 발생한 전자파 간섭 및 장해현상의 성질을 파

악하고 적절한 대책을 세워야 한다 대책을 세우기 위해서는 무엇보다도 먼저 전자.

파 장해현상에 대한 정량적인 평가가 필요하며 이를 위해서는 측정이 이루어져야

한다 이는 곧 일반적으로 말하는 대책을 위한 측정이다 그리고 장해전자파. EMC . ,

의 크기를 서로 비교하든가 또는 장해전자파의 한계치를 정하여 전자 파장해의 규

제를 실시하고자 하면 측정에 관련된 측청장치의 규격뿐만 아니라 측정법까지 정해

두어야 하며 이러한 측정장치 및 규격은 국제적으로 합의된 것이어야 한다 본 장, .

에서는 측정에 관련된 기본 측정량 측정기기 및 측정설비 등에 대하여 기술한EMI ,

다.

전자파장해 측청의 기본3.1

측청의 기본3.1.1

전자파 간섭 및 전자파 장해문제를 해결하기 위해서는 먼저 장해전자파의 크기를

측정하여야 한다 측정 장해전자파의 크기를 측정하여야만 장해전자파의 특성(EMI ).

을 파악할 수 있으며 장해전자파의 분석과 평가를 실시할 수 있다 문제의 평(EMI

가 장해전자파의 구체적인 분석과 평가가 이루어지면 전자파 장해문제 해결을 위).

한 대책을 세울 수 있다 대책 이러한 측정에서부터 대책까지를 정리하면 그(EMI ).

림 과 같은 단계의 과정으로 나타낼 수 있다3.1 3 .

장해전자파의 측정은 일반적으로 말하는 대책을 위한 측정이며 이러한 측정은EMC

전기 전자 정보처리장치 등의 제품을 생산하는 기업체에서 기준에 적합하도, , EMC

록 제품을 설계하기 위해 주로 개발단계에서 이루어지는 측정이다.

- 98 -

그림 측정 평가 및 대책3.1 EMC ,

전자파장해에 대한 측정을 목적에 따라서 구분하면 앞에서 언급한 대책을 위EMC

한 측정을 포함하여 다음과 같은 가지로 구분할 수 있다 즉 연구를 위한 측정3 . , ,

규격인증을 받기 위한 측정 대책을 위한 측정이다 연구를 위한 측정은 전자, EMC .

파 간섭 및 장해의 물리적인 현상을 해명하기 위한 측정이며 연구자에 따라서는 측

정방법이 여러 가지가 있을 수 있다. ri규격인증을 받기 위한 측정은 주로 전기 전,

자 정보처리장치 등과 같은 제품을 생산하는 생산현장에서 이루어지는 측정이며,

제작된 제품이 전자파장해에 관한 관련규격을 만족하고 있는가 어떤가를 판단하기

위한 측정이다 이와 같은 측정에서는 관련규격 등에 규정된 측정방법을 따라야 한.

다.

전기 전자 정보처리장치 및 시스템의 특성은 두 가지로 구분할 수 있는데, , EMC ,

기기 및 시스템이 발생하는 장해전자파의 특성 방사되는 장해전자파의 간섭특성 과( )

다른 장해전자파에 의해서 기기 및 시스템에 발생하는 오동작에 관한 간섭 특성 외(

부 장해전자파에 의한 내성특성 이 바로 그것이다 따라서 측정법도 이러한 구분에) .

의해 장해전자파의 측청‘ ’과 전자파내생의 측청‘ ’으로 나누어 생각할 수 있다 장해.

전자파의 측정은 기기 및 시스템으로부터 발생하는 불필요한 전자파의 세기를 측정

하는 것이며 전자파내성의 측정은 장해전자파를 인위적으로 발생시킨 상태에서 기,

기 및 시스템에 발생하는 전자파 장해현상을 측정하는 것이다.

- 99 -

그림 측정 대상3.2 EMC

이러한 장해전자파의 측정과 전자파내성의 측정은 장해전자파의 전달경로에 따라서

전도성 장해전자파의 측정 과 복사성 장해전자파의 측정 으로 구분할 수 있다 측‘ ’ ‘ ’ .

정에 관한 앞의 내용을 정리하여 나타낸 것이 그림 이다3.2 .

기본 측정량3.1.2

전자파장해 현상에 관련된 측정에서 가장 기본이 되는 기본 측정량은 표 에 나3.1

타낸 것처럼 장해전자파의 전달 경로에 따라서 전도성 장해전자파의 측정량인 전압

및 전류와 방사성 장해전자파의 측정량인 전력 및 전자기장의 세기로 구분할 수 있

다.

표 은 측정에 관련된 기본 측정량을 나타낸 것이다 표에서 보는 것처럼3.1 EMC .

장해 전자파의 전달경로에 따른 측정량으로서 전압 또는 전류 전력 전자기장의 세, ,

기가 기술되어 있으며 이들 측정량을 측정하기 위한 센서류 측정기기 및 측정설비,

가 함께 기술되어 있다 센서류 측정기기 및 측정설비는 다음 절에서 기술한다. , .

- 100 -

측정기기3.2 EMC

전자파 간섭 및 장해현상의 측정에 사용되는 측정기는 측정목적에 따라서 선택되어

야 한다 예를 들면 장해전자파의 파형을 관찰하기 위해서는 오실로스코프. (

와 같은 시간 영역의 파형을 측정할 수 있는 측정기를 사용하지만 장oscilloscope) ,

표 측정에 관련된 기본 측정량3.1 EMC

결합경로

항목

Power Line

Conducted

Emission

Power Line

Emission

Radiated

Emission

측정

주파수 범위9kHz ~30 MHz

30 ~ 300 MHz (or

1 GHz)

30 ~ 1000 MHz (or

18 GHz)

측정량 Voltage or Current PowerElectromagnetic

Field Strength

센서류 기기,

및 특정시설

LISN

Current Probe

Voltage Probe

Absorbing Clamp

Open

Area

Test Site

EMC

Antennas

LISN; Line Impedance Stabilization Network 전원선 임피던스 안정화 회로망( )

해전자파의 스펙트럼 분포를 관측하기 위해서는 스펙트럼분석기(spectrum

또는 수신기 등과 같은 주파수 영역에서 측정하는 측analyzer) EMI (EMI receiver)

정기를 사용한다.

최근에는 디지털 기술을 이용한 디지털 오실로스코우프가 시판되고 있는데 이것을

사용하면 시간 영역에서의 파형 관측 뿐만 아니라 관측된 시간 영역의 파형 데이터

를 기록할 수 있으므로 이 데이터를 퓨리에 변환하여 스펙트럼까지도 구할 수 있’

다.

- 101 -

이러한 시간 영역 및 주파수 영역에서 사용하는 오실로스코우프 및 스펙트럼 분석

기 수신기의 입력단에는 센서류 또는 측정기기가 연결되어 기본 측정량, EMI EMC

인 전압 또는 전류 전력 전자기장의 세기 등을 지시계 측정용 수신기의 브라운관, , ( )

에 표시하게 된다 이하에 측정용 수신기 및 수신기의 입력단에 연결하는 센서류.

및 측정기기를 살펴보기로 한다.

측정용 수신기3.2.1

장해전자파의 파형은 일반적으로 불규칙하고 진폭 변화가 많으므로 장해전자파 측

정용 수신기의 과도응답 특성은 대단히 중요하다 이 특성은 주로 중간주파 증폭단.

의 대역폭과 검파회로의 충전 시정수 방전 시정수 및 지시계의 기계적 시정수에,

의해 결정되므로 이들 파라미터는 자세하게 정해두어야 한다.

장해전자파를 측정하기 위한 측정용 수신기의 요구조건으로서는 첫째 감도특성이

좋아야 하며 수신기의 내부회로는 넓은 진폭범위에 걸쳐서 선형 응답특성이 양호,

해야 한다 펄스 형태의 장해전자파를 용이하게 측정할 수 있도록 수신기의 과도응.

답 특성도 규정되어 있어야 한다 특히 넓은 진폭 범위에 걸친 선형 응답특성을 확.

보하기 위해 수신기의 입력단에 프리셀렉터 야 로서 대역제한 필터를 장(pre select )

착하여야 한다 대역제한필터를 장착하면 불필요한 주파수 성분을 제거할 수 있으.

며 큰 진폭을 가진 신호가 입력될 때 발생하는 회로의 포화를 방지할 수 있다 이, .

러한 특성을 갖춘 장해전자파의 측정용 수신기로서는 규격에 규정되어 있는CISPR

수신기가 있다EMI .

전자파장해 수신기1)

일반적으로 수신기는EMI 전자파장해 수신기 또는 무선간섭 측정장치(radio

라고도 불리운다 이것은 일종의 주파수 동조형interference measuring apparatus) .

고주파 전압계이며 측정 주파수 범위는 이다 전자파장해 수신기의9kHz ~ 1GHz .

기본구성은 그림 과 같으며 수신기의 특성을 결정하는 중요 파라미터는 중간주3.3

파 회로의 대역폭 검파기의 충전 시정수 및 방전 시정수 지시계의 시(B), (Tc) (Td),

정수 이다 규격에서는 이들의 파라미터 뿐만 아니라 펄스응답특성 선(Tm) . CISPR ,

택도 측정정밀도 등을 자세히 규정하고 있다, .

- 102 -

그림 전자파장해 수신기의 구성도3.3

규격을 중심으로 한 전자파장해 수신기의 주요 특성을 나타내면 다음과 같CISPR

다.

측정대상 주파수영역 이상의 주파수영역을 대상으로 하여 개 또는(a) : 10 kHz 4 5

개 규격의 경우 의 대역으로 구분하(ANSI (American National Standard Institute) )

고 있으며 각 대역마다 측정기의 규격을 자세히 정하고 있다 참고로 규격에, . CISPR

정해져 있는 측정대상 주파수영역은 표 와 같다3.2 .

이하의 주파수 대역에 대해서는 에서는 두 종류의 장치가 있으며10 kHz CISPR

에서는 검토중이다ANSI .

표 측정 주파수 영역3.2

- 103 -

주파수 선택도 및 대역폭 고주파 증폭단 앞에 접속된(b) : 프리셀렉터 대역제한 필(

터 의 대역폭은 스퓨리어스 응답을 제거하기 위해 가능한 한 좁게 하는 것이 좋지)

만 중간주파 대역폭보다는 충분히 넓게 해야 한다 전자파장해 수신기의 주파수 선, .

택특성은 과도응답특성에 크게 의존하므로 측정대상 주파수영역마다 허용 한계치를

규정하고 있다.

검파기 컴파기의 종류에 따라서 측정결과가 달라지므로 아래에서 상세히 설명(c) :

한다.

다이나믹레인지 장해 전자파는 정현파적인 것 이외에도 임펄(d) (dynamic range):

스 형태도 많이 있으므로 최소 다이나믹레인지는 고주파단에서 중 간주파80 dB,

단에서 정도가 필요하다60 dB .

측정 정밀도 측정 주파수 정밀도는 이내 정현파의 전압측정 정밀도는(e) : ±2 % ,

정현파의 전자계 측정 정밀도는 이내로 되어있다±2 dB, ±3 dB .

위에서 설명한 장해 전자파 측정기의 주요 특성 중에서 검파기는 대단히 중요한 부

분을 차지하므로 상세하게 설명한다.

전자파장해 수신기는 검파기의 특성에 따라서 첨두치 검파형식 준첨두치 검파형식, ,

평균치 검파형식 실효치 검파형식으로 분류한다 이러한 첨두치형 평균치형 및 실, . ,

효치형의 검파형식을 갖는 측정기는 장해전자파가 입력되면 중간주파증폭단에서,

대역이 제한되어 중간주파수로 진동하는 포락선 형태의 중간주파증폭기 출력신호가

얻어지는데 이 출력신호의 첨두치 평균치 및 실효치 레벨을 각각 지시기에 표시한, ,

다 라디오의 수신장해와 상관관계가 좋은 측정치를 나타내는 것으로는 준첨두. AM

치 검파형식이 있는데 대단히 이해하기 어려운 검파형식이다 왜냐하면 수신장해와.

측정치의 상관관계는 주관적인 평가로 이루어지기 때문이다.

그림 는 각종 검파기의 응답을 그림으로 나타낸 것이다 일반적으로 장해전자3.4 .

파의 허용치는 준첨두치와 평균치로 규정되어 있으며 CISPR 규격의 근거가 되는

응답특성의 이론은 절을 참조하기 바란다 여기서는 대표적인3.5 . 검파기 형식에

대하여 간단히 설명한다.

- 104 -

가 준첨두치형 측정기)

준첨두치형 검파형식 을 갖는 전자파장해 수신기는 검파기 의(quasi-peak detector)

방전 시정수가 충전 시정수에 비교하여 대단히 크다 이 때문에 중간주파증폭회로.

에서 대역이 제한된 장해전자파의 첨두치에 가까운 값을 지시치로서 표시한다 준.

첨두치형 전자파장해 수신기의 기본특성은 표 과 같으며 충전 시정수의 값은3.3 ,

장해전자파에 의한 라디오의 수신장해와 장해전자파 레벨의 지시치가 양호한AM

상관관계가 되도록 주관적으로 평가한 실험에 의해서 정해진 것이다.

나 평균치형 측정기)

평균치형 검파기 를 갖는 전자파장해 수신기는 그림(average value detector) 3.2

와 같이 장해전자파의 입력에 대하여 포락선 형태인 중간주파 출력의 평균치를 지

시기에 표시하는 것이다.

그림 각종 검파기의 응답3.4

- 105 -

표 준첨두치형 검파형식을 갖는 측정기의 기본특성3.3

다 첨두치형 측정기)

첨두치형 검파기 를 갖는 전자파장해 수신기는 장해전자파의 입력(peak detector)

에 대하여 포락선 형태인 중간주파 출력의 첨두치를 지시계에 표시하는 것이다 첨.

두치의 추출방식으로서는 아날로그 방식과 디지털 방식이 있으며 방전시정수가 대

단히 큰 검파기 첨두치 검파기 를 이용하던가 또는 포락선 검파 후에 변환 하( ) A/D

여 첨두치를 추출한다.

스펙트럼분석기2)

스펙트럼분석기는 시간적으로 변동하는 전기적인 신호의 주파수 스펙트럼을 표시하

기 위한 측정기이며 슈퍼헤테로다인 수신기의 국부발진기의 주파수를 스위프,

하여 화면의 가로축에 주파수를 표시하고 세로축에 검파 출력을 표시(sweep) , CRT

하도록 한 것이 스펙트럼분석기이다 스펙트럼분석기의 기본구성은 그림 와 같. 3.5

으며 장해전자파의 측정과 스펙트럼의 측정에 이용된다.

먼저 스펙트럼분석기를 장해전자파의 측정에 이용하는 경우를 생각해보자 스펙트, .

럼분석기는 전자파장해 수신기와 다른 점이 있는데 그 내용은 다음과 같다 즉 대. ,

단히 넓은 주파수 범위를 스위프하면서 수신하기 때문에 입력회로에 대역제한필터

프리셀렉터 가 없으며 중간주파 증폭회로의 특성은 가우스 필터에 가깝고 분해능( ) , ,

대역폭은 넓은 범위에 걸쳐서 가변시킬 수 있으며 검파기로서는 포락선 검파기를

사용한다 대수압축회로를 이용하므로 넓은 진폭범위를 한번에 표시할 수 있다 스. .

펙트럼분석기는 이러한 특징을 가지고 있으므로 규격에 의한 이하의CISPR 1 GHz

장해전자파 측정에는 적절하지 않다.

- 106 -

이를 극복하기 위해 입력회로에 프리셀렉터를 접속하고 선형성 직선성 이 좋은 회( )

로를 사용하여 준첨두치 및 평균치 검파기를 부가한 스펙트럼분석기가 사용되고 있

다.

스펙트럼분석기를 이상 주파수 대역의 장해전자파 측정에 사용할 경우에는1 GHz

분해능 대역폭이 이며 첨두치를 측정한다120±25 kHz .

다음으로 스펙트럼분석기를 주파수 스펙트럼의 측정에 이용하는 경우를 생각해보

자 스펙트럼분석기는 피측정신호가 입력되어 중간주파 증폭회로에서 대역이 제한.

된 포락선 파형의 진폭을 표시하는 측정기이므로 포락선 진폭의 첨두치를 각 주파

수마다 표시한다 따라서 표시되는 스펙트럼 진폭은 중간주파 증폭회로의 주파수. ,

특성에 크게 의존한다 스펙트럼분석기가 올바른 스펙트럼을 표시하는 것은 중간주.

파회로의 임펄스 응답이 정현파적인 경우이며 임펄스 응답의 지속시간이 입력시간,

의 지속시간보다 충분히 길지 않으면 안된다 그리고 입력되고 난 후에 관측하는.

경우에는 입력신호의 지속시간의 역수보다 분해능 대역폭이 충분히 좁지 않으면 안

된다 그러나 이 조건을 만족하기란 일반적으로 불가능하므로 근사적인 스펙트럼을.

표시한다고 생각하면 된다 이상을 정리하면 정현파에 대해서는 올바른 스펙트럼이.

얻어지며 주기적 파형에 대해서는 선스펙트럼의 간격보다 분해능 대역폭을 충분히,

좁게하면 올바른 스펙트럼이 얻어진다.

그림 스펙트럼분석기의 기본구성도3.5

- 107 -

스펙트럼분석기는 전력의 단위로 표시되는 경우가 많지만 이 값은 정현파 입력에

대한 것이며 일반적인 입력신호의 전력을 나타내고 있는 것은 아니다 즉 피측정신.

호의 전력을 구하는 경우에는 표시 스펙트럼의 시간적 변화도 고려할 필요가 있다.

디지털형의 스펙트럼분석기 중에는 입력신호를 변환하여 내장된 컴퓨터로 유A/D

한 이산퓨리에변환 을 고속으로 처리하는 것도 있다(DFT) .

참고로 스펙트럼분석기의 분해능대역폭 감도 및 다이나믹레인지에 대해서 설명한,

다 스펙트럼분석기의 주파수 선택특성은 중간주파 필터에 의해 주어지므로 이 대.

역폭이 좁을수록 분해능은 향상된다 따라서 대역폭을 분해능 대역폭이라. -3 dB

부른다 실제적으로 이 분해능 대역폭은 저주파용인 경우에는 대역인 경. 1 Hz, RF

우는 이다10 Hz .

스펙트럼분석기의 감도는 내부잡음 레벨로 결정되며 잡음 레벨은 중간주파 대역폭

에 비례한다 따라서 감도와 분해능과는 밀접한 관계가 있고 대역폭이 좁을수록 감.

도는 향상된다 그러나 대역폭을 좁게한 경우에는 주파수 스위프 속도를 늦게 하지.

않으면 검파 출력이 낮아지고 감도가 떨어지게 된다.

스펙트럼분석기의 다이나믹레인지는 전달특성이 직선을 나타내는 범위에 의해서 결

정된다 입력이 커지면 직선특성을 벗어나기 때문에 왜곡이 증가하게 된다 왜곡이. .

일정치 이하가 되는 입력 레벨을 최적입력 레벨이라고 하며 일반적으로 -30 ~

이다-40 dBm .

이상에서 측정에 사용되는 장해전자파 측정용 수신기에 대하여 살펴보았는EMC

데 이러한 수신기의 입력단에는 전기 전자 정보처리장치 및 시스템으로부터 발생, , ,

하는 전자계의 세기 등을 수신하기 위한 일종의 센서 또는 기기 를 접속해야 한다( ) .

이와 같은 센서류 또는 기기로서는 안테나 전압 또는 전류프로브 흡수클램, LISN, ,

프 등이 있다 표 참조 이들 센서류 및 기기의 제반 특성은 규격 등에( 3.1 ). CISPR

서 자세히 규정하고 있으며 전자파장해 수신기와 함께 중요한 부분을 차지하므로

다음 철에서 각각에 대하여 설명한다.

- 108 -

안테나3.2.2 EMC

안테나의 종류1) EMC

측정에 사용하는 안테나EMC ( 안테나EMC 는 여러 가지 종류가 개발되어 사용되고)

있으나 통신용 안테나와는 달리 그 종류는 많지 않다 복사성의 불요전자파 측정은.

현재로서는 대역에서 실시되고 있으며 반파장 공진 다이폴 안테30 ~ 1000 MHz

나의 사용이 기본이다 대역에서는 에 공진하는 반파장 공. 30 ~ 80 MHz 80 MHz

진 다이폴 안테나를 사용하기도 한다 이러한 반파장 공진 다이폴 안테나는 측정.

주파수 각각에 대하여 안테나를 준비하던가 또는 안테나의 길이를 측정 주파수마다

조정해야 하는 번거로움이 있다 이 때문에 일정 조건하에서는 광대역 안테나를 사.

용하기도 한다 광대역 특성을 갖는 안테나로서는 대수주기 다이폴 안테나. EMC

와 바이코니칼 안테나(log periodic dipole antennas, LPDA) (biconical antennas)

가 있다 이러한 광대역 안테나는 측정의 자동화를 목적으로 많이 사용된다. EMI .

또한 안테나에 연결된 동축선로는 장해 전자파의 교란을 발생시키는 원인이 되므로

동축선로의 영향을 배제하기 위해 광기술을 응용한 안테나의 사용이 검토되고 있

다 표 는 대표적인 안테나의 종류를 사용 주파수 대역과 함께 나타낸 것. 3.4 EMC

이다.

안테나 인자2)

안테나의 특성을 평가하기 위한 파라미터는EMC 안테나 인자 이(antenna factor)

다 이것은 전압을 전계로 변환하기 위한 파라미터이며 안테나 인자를 정의하여 사.

용하는 이유는 다음과 같다

- 109 -

표 안테나의 종류와 사용주파수 대역3.4 EMC

안테나는 전자파장해 수신기 또는 스펙트럼분석기의 입력측에 연결된 전송선EMC

로에 접속하여 사용한다 전자파장해 수신기 또는 스펙트럼분석기는 전송선로의 부.

하에 나타나는 전압을 측정하게 되는데 우리가 필요로 하는 측정량은 피측정기기,

로부터 방출되는 전기장의 세기이므로 전자파장해 수신기로 측정한 전압으로부터

전기장의 세기를 산출해야 한다.

따라서 전송선로와 부하를 포함한 안테나의 특성을 나타내는 전기장의 세기와 부하

전압과의 비를 결정해 두어야 할 필요가 있다 이 비를 안테나의 안테나 인자. EMC

라고 한다 그림 은 안테나에 연결된 동축선로를 통하여 방해 전자파측정기가. 3.6

접속되어 있는 일반적인 안테나의 사용상태를 나타낸다EMC .

그림 에서 입사되는 전기장의 세기가 안테나와 편파 정합이 되어 최대 전기장을3.6

수신할 때 전자파장해 수신기에 나타나는 전압과 공간의 전기장의 세기와의 비를,

안테나 인자로 정의하며 식으로 표현하면 다음과 같다.

- 110 -

여기서 E는 공간의 전기장의 세기이며 VL은 안테나에 연결된 전송선로를 거쳐서 전

자파장해 수신기에 나타나는 전압이다 식 을 데시벨로 표현하면 다음과 같. (3.1)

다.

그림 전자파장해 수신기가 연결된 안테나3.6 EMC

위의 식을 전기장의 세기에 주목하여 정리하면 다음 식을 얻는다.

식 으로부터 알 수 있는 것처럼 전자파장해 수신기에 나타나는 전압(3.3) VL에 안

테나 인자 K 를 더하면 전기장의 세기 E 가 구해진다 이와 같이 안테나 인자는 전.

압을 전기장의 세기로 변환하는 변환계수임을 알 수 있으며 안테나가 갖는 고EMC

유한 특성이다 이러한 안테나 인자는 측정에 사용하는 야외시험장. EMI (OATS;

의 특성평가에도 사용된다Open Area Test Site) .

- 111 -

안테나는 일반적으로 접지판 위에서 사용하게 되는데 이러한 경우 안테나의EMC ,

특성은 접지판의 영향을 받기 때문에 안테나 인자는 안테나 높이에 따라서 변화하

게 된다 일예를 들면 접지판 위에 수평 및 수직으로 놓여진 반파장 공진 다이폴.

안테나의 안테나 인자 변화특성을 그림 에 나타내었다 그림 에서3.7 . 3.7 K(=K△ ⨍-K(h)) 는 자유공간 안테나 인자 K⨍와 접지판 위에서의 안테나 인자 K(h) 의 차이

를 나타낸다.

안테나 인자를 정밀하고 정확하게 측정하기 위해서는 전자기장의 세기에 관한 측정

표준이 필요하다 전자파 측정표준의 확립에는 루프 안테나 이하의 주파수. (30 MHz

대역 와 반파장 공진 다이폴 안테나 대역 및 혼 안테나 이) (30 ~ 1000 MHz ) (1 GHz

상의 주파수 대역 등을 표준 안테나 로 사용한다 이와 같이) (standard antennas) .

안테나는 측정에 사용될 뿐만 아니라 측정표준에서도 필요하다는 것을 알 수EMI

있다 측정에 사용하는 안테나를 안테나라고 하며 전자파 측정표준에 사. EMI EMC

용하는 안테나를 표준 안테나라고 한다.

수평편파(a)

- 112 -

수직편파(b)

그림 반파장 공진 다이폴 안테나의 안테나 인자 변화3.7

복소 안테나 인자2)

뇌방전 또는 정전기 방전 등에서 발생하는 광대역의 과도 전자기장을 측정하기 위

한 안테나 또는 센서로는 여러 가지 종류의 안테나가 사용되고 있으나 시판되고,

있는 측정용 안테나로서는 시간 영역의 펄스파형을 정확하게 재현할 수 없다EMC .

그 이유는 주파수 대역폭이 좁고 안테나 인자의 위상항을 고려하지 않았기 때문이

다.

- 113 -

시간 영역에서 측정하기 위해서는 광대역에서 균일한 감도특성을 갖는 안테나가 필

요하며 안테나 인자의 위상항도 고려되어야 한다 안테나 인자에 위상항을 고려한.

안테나 인자를 복소 안테나 인자 라 한다 즉 각 주파수(complex antenna factor) . ,

가 ω 인 평면파의 전계 E( )ω 중에 놓여진 안테나의 정합부하 ZL 에 나타나는 복소

출력 전압을 VL( )ω 이라 하면 복소 안테나 인자 KC( )ω 는 다음과 같이 정의한다.

주파수 영역의 측정에서 일반적으로 사용되고 있는 안테나 인자는 식 의 절(3.47)

대치만을 고려하고 있으며 식 이 바로 그것이다(3.1) .

절대치와 위상항을 고려한 안테나 인자 즉 복소 안테나 인자는 다음과 같다, .

측정된 정합출력전압 VL 로부터 복소 전기장의 세기는 다음 식으로 나타낼 수 있(t)

다.

여기서 는 퓨리에 변환을 나타낸다 따라서 시간 영역에서의 전기장의 세기파형, F .

은 복소 안테나 인자와 정합출력전압을 이용하여 다음과 같이 구해진다.

단 여기서, F-l 는 역퓨리에 변환이다.

일반적으로 복소 안테나 인자는 주파수가 낮아지면 안테나 인자의 절대치는 커지게

되고 = 0ω 인 직류에서는 발산하는 경우가 많다 이러한 경우에는 복소 안테나.

인자에 jω 를 곱한 변형 복소 안테나 인자 를(modified complex antenna factor)

사용한다 변형 복소 안테나 인자를 사용하였을 경우 시간 영역 전기장의 미분 파. ,

형은 변형 복소 안테나 인자와 정합출력전압을 이용하여 다음과 같이 구해진다.

- 114 -

3.2.3 LISN

전원선 등을 따라서 전도하는 잡음전압은 선로의 임피던스에 크게 영향을 받기 때

문에 안정된 측정이 필요하다 그래서 전원선을 따라서 전파하는 전도성 장해전자.

파의 전압을 측정하기 위한 장치로 전원선 임피던스 안정화 회로망(LISN 을 사용한)

다 이것은 의사전원선회로망. (AMN 이라고도 하며 전원과; Artificial Mains Network)

피측정기기를 대역에서 격리시키는 역할도 한다 규격에서는 전도성의RF . CISPR

장해전자파를 측정하기 위해 을 사용하도록 규정하고 있는데 적용 하는 규격LISN

마다 정해진 것을 사용해야 한다 은 측정결과의 재현성을 확보하기 위해 다. LISN

음과 같은 가지 기능을 가지고 있어야 한다3 .

측정하는 동안의 피측정기기 전원단에는 피측정기기를 동작시키기 위해 공급되①

는 상용 주파수의 전압과 피측정기기에서 발생되는 장해전자파 전압이 중첩한다.

따라서 을 전원과 피측정기기 사이에 삽입하여 전자파장해 수신기가 피측정, LISN

기기에서 발생되는 장해전자파만을 측정할 수 있도록 해야 한다.

피측정기기에서 발생하여 전원쪽으로 전달되는 장해전자파에 대해서 전원은 부②

하가 되므로 전원측의 내부 임피던스가 변하면 장해전자파의 전압도 변한다 이것.

을 피하기 위해 을 이용하여 전원측을 바라본 내부 임피던스가 일정한 값이LISN

되도록 한다.

외부에서 발생한 장해전자파가 전원선을 따라서 침입하면 측정결과는 신뢰할 수③

없다 이 때문에 을 이용하여 전원선으로 침입하는 장해전자파를 저지할 수. LISN

있도록 한다.

- 115 -

그림 의사전원회로망의 예3.8

이러한 기능을 갖는 의 예를 그림 에 나타낸다 그림 은 전원선 선LISN 3.8 . 3.8 1

의 장해전자파 전압 측정에 사용하기 위한 형 의 회로를 나타낸 것이며 실V LISN ,

제의 은 전원선 선에 대응하여 그림 과 같은 회로가 조 내장되어 있 다LISN 2 3.8 2 .

형 은 차동모드 및 공통모드의 장해전자파 전압을 측정하기 위해 사용되었LISN△

으나 현재는 거의 사용되지 않는다.

전류프로브3.2.4

신호선 등의 케이블을 통해서 흐르는 전도성의 장해 전자파의 전류를 측정하기위

해서 는 그림 와 같은3.9 전류프로브 를 사용한다 전류프로브의 구(current probe) .

조는 차측이 장해전류가 흐르는 피측정 케이블인 트랜스포머이며 차측의 출력1 2

전압을 전자파장해 수신기로 측정한다 전류프로브의 감도는 케이블에 흐르는 고주.

파전류에 대한 차측의 개방단 전압의 비인 전달 임피던스와 관계되며 전달 임피2

던스가 클수록 감도가 크게된다.

- 116 -

따라서 감도의 측면에서는 케이블과의 결합이 강하고 전달 임피던스가 큰 것이 요,

구된다 단 프로브는 장해전류에 대한 직렬 임피던스로 작용하기 때문에 삽입 임피. ,

던스는 작을수록 좋다 그리고 전원선을 따라서 전파하는 장해전류의 측정에는 피. ,

측정 케이블에 항상 큰 전원 전류가 흐르기 때문에 이 전류에 의한 트랜스포머 코

어의 자기포화를 피해야 하며 프로브의 최대 허용 전원전류에 주의하여야 한다.

그림 전류프로브3.9

흡수클램프3.2.5

주파수 대역이 높은 대역에서는 기기로부터 전원선 등의 케이블을 통하여 전VHF

달되는 장해 전류로 인하여 케이블로부터 장해 전자파가 공간으로 방사되는데 이,

러한 장해 전자파를 측정하기 위해서는 그림 과 같은3.10 흡수클램프(absorbing

를 사용한다 흡수클램프의 기본구조는 전원선에 흐르는 장해전자파 전류를clamp) .

수개의 페라이트링을 통하여 검출하기 위한 결합코일 전류프로브 과 장해전자파 전( )

력을 흡수하는 전력흡수소자 페라이트링 로 구성된다 그림 과 같이 전류프로( ) . 3.10

브와 페라이트링으로 구성된 클램프를 기기의 전원선에 설치하고 이것을 전원선을

따라서 이동시키면서 전류프로브의 최대출력전압을 찾는다 클램프를 미리 교정해.

두고 최대출력전압과 케이블에 흐르는 장해전자파 전력의 변환계수를 구해 두면 전

원선 등의 케이블에 흐르는 장해전자파의 전력을 근사적으로 측정할 수 있다.

- 117 -

그림 흡수클램프3.10

측정절비3.3 EMC

장해전자파를 측정하기 위해서는 측정 대상 주파수를 기준으로 하여 다음과 같이

생각할 수 있다 즉 이하의 주파수 대역에서는 전도성 장해전자파가 지배적. ,30 MHz

이므로 케이블을 따라서 전파되는 전도성의 장해전자파를 측정하여야 하며, 30

이상의 주파수 대역에서는 공간으로 방사되는 장해전자파가 지배적이므로 복MHz

사성 장해전자파를 측정하여야 한다 이하 대역에서의 전도성 장해전자파. 30 MHz

를 측정하기 위해서는 전자파차폐실 이 필요하며(elecromagnetic shielded room) ,

이상 대역에서의 복사성 장해전자파를 측정하기 위해서는30 MHz 야외시험장

또는(OATS; Open Area Test Site) 전자파 반무향실(electromagnetic semi

이 필요하다 대용 측정설비로서는 셀과 평행평판 선로-anechoic chamber) . TEM

등이 있다 이들 측정설비에 관하여 알아보기로 하자. .

- 118 -

야외시험장3.3.1

야외시험장은 복사성의 장해전자파를 측정하기 위해 사용되며 외부 전자파 잡음이,

적고 주위에 전자파 반사물이 없는 아주 넓은 장소의 바닥에 금속 접지판 또는 금

속으로 된 망을 설치하여 이상적인 반 무한공간이 되도록 한 측정시설이다 이러한.

야외시험장은 이하의 복사성 장해전자파를 측정하기 위한 표준 시험장으로1 GHz

사용된다.

야외시험장 위에 피측정기기를 설치하고 피측정기기에서 방출되는 복사성의 장해전

자파를 안테나로 수신하여 장해전자파의 크기를 측정한다 안테나에 수신되는 장해.

전자파는 피측정기기로부터 수신 안테나에 직접 수신되는 직접파와 대지면에 반사

되는 반사파를 합한 합성파를 수신하기 때문에 대지면에서의 반사를 일정하게 유지

할 필요가 있다 이 때문에 대지면에는 금속 접지판 또는 금속으로 된 망을 설치하.

여 반사를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.

그림 은 규격에 규정된 야외시험장의 크기를 나타낸 것이다 그림에서3.11 FCC .

피측정기기와 수신 안테나 사이의 거리는 가 규격으로 정해져 있3 m, 10 m, 30 m

다 따라서 측정거리가 이면 법 이면 법 야외시험장이라 하며. , 3 m 3-m ,10 m 10-m

전자파 잡음레벨이 큰 특수한 경우에만 법을 사용한다 이러한 야외시험장은30-m .

가능한 한 평탄하면서 무한히 넓은 것이 좋지만 그림 과 같이 적어도 측정거3.11

리의 배를 장축으로 하고 측정거리의2 , 배를 단축으로 하는 타원의 범위 내에

전자파의 반사 물체가 없어야 한다 금속 접지판의 크기도 이 정도의 크기가 바람.

직하다.

이와 같은 야외시험장이 방사성 장해 전자파의 측정시설로서 적합한가 적합하지 않

은가를 판정하기 위해서는 야외시험장의 시험장감죄량 을 측(SA; Site Attenuation)

정하여 이상적인 야외시험장의 시험장감쇠량 기준 이론값과 비교하는 방법을 사용

한다 시험장감쇠량은 다음에 설명 하는. 정규화 시험장감죄량(NSA; Normalized

과 구별하기 위해 일반적인 시험장감쇠량Site Attenuation) (CSA; Classical or

이라고도 하며 송신 전력Conventional Site Attenuation) , Pt 와 수신전력 Pr의 비로

서 다음과 같이 정의한다.

- 119 -

그림 야외시험장의 크기3.11

수평편파(a)

- 120 -

수직편파(b)

그림 기준 시험장감쇠량의 이론치3.12

그림 는 다이폴 안테나를 사용하였을 경우 이상적인 야외시험장의 시험장감쇠3.12

량을 모멘트법으로 계산한 기준 이론곡선이다 이러한 이상적인 이론값을 기준으로.

하여 실제로 설치된 야외시험장의 시험장감쇠량 측정값이 이내에서 일치하, ±3 dB

면 설치된 야외시험장은 방사성 장해 전자파의 측정시설로서 적합하다고 판정한다.

- 121 -

야외시험장의 시험장감쇠량 측정법은 그림 과 같이 야외시험장 위에 송신 및3.13

수신 안테나를 설치하고 법 법인 경우는 수신 안테나를3-m , 10-m 1~4 m, 30-m

법인 경우는 수신 안테나를 사이에서 최대의 전계강도 최소의 전송손실2 ~ 6 m ( )

가 수신되도록 조정하여 시험장감쇠량을 측정한다 즉 송신 안테나와 수신 안테나. ,

사이의 삽입손실 또는 전송손실을 측정하면 된다.

그림 야외시험장의 시험장감쇠량 측정3.13

야외시험장의 시험장감쇠량 기준 이론곡선은 다이폴 안테나에 대해서만 비교적 정

확한 이론치가 얻어진다 따라서 여러 가지 형태의 안테나에도 적용할 수 있도록. ,

하기 위해 정규화 시험장감쇠량이 제안되어 있다 이것은 위에서 설명한 일반적인.

시험장감쇠량에서 시험장감쇠량의 측정에 사용한 송수신 안테나의 안테나 인자로

정규화 한 것이며 식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서, K1 및 K2 는 각각 송신 및 수산 안테나의 안테나 인자이다 그림 는. 3.14

정규화 시험장감쇠량의 계산치를 나타낸 것이다.

- 122 -

전자파차폐실3.3.2

야외에 설치되는 야외시험장은 방송이나 통신에 사용되는 강한 전자파에 노출되어

있다 또한 옥내에서 측정할 경우에는 각종의 전기 전자 정보처리 장치로 부터. , , ,

발생되는 장해전자파가 전원선을 통해 침입한다 따라서 전도성의 장해전자파를 측. ,

정하기 위해서는 외부의 전자파 잡음을 차단하고 전원선 등의 케이블을 통해서 침

입하는 장해전자파를 저지할 필요가 있다 이 때문에 전자파를 차폐할 수 있도록.

금속판 또는 금속망으로 된 직육면체의 공간을 확보하여 전원선 등의 인입선에는

고주파 저지 필터를 부착한 전자파차폐실을 전도성 장해전자파의 측정에 사용한다.

이러한 전자파차폐실의 구조는 공동 공진기 이므로 특정 주파수(cavity resonator)

에서 공진이 일어난다 따라서 전자파차폐실을 측정에 사용할 경우에는 이러한 공. ,

진 주파수에 주의해야 한다 또한 전자파차폐실의 접지가 불완전하면 전자파차폐실. ,

이 안테나 역할을 하여 전자파차폐실 내에서 방송이 들릴 수도 있다 그러므로 전.

자파차폐실의 시공에 있어서 접지는 대단히 중요하다.

전자파무향실3.3.3

전자파무향실1)

일반적인 전기 전자 정보처리 장치 등으로부터 방출되는 장해전자파의 크기는, , 30

dB V / mμ 정도이지만 도시 근교의 등의 방송파의 전계강도는, TV 100 dB V / mμ

정도이다 이 때문에 복사성의 장해전자파를 측정하기 위해서는 외부 전자파 잡음.

이 적은 곳에 야외시험장을 설치하든가 또는 외부의 전자파 잡음을 적어도 80 dB

정도는 차폐할 수 있는 공간을 확보하여야 한다.

- 123 -

수평편파(a)

수직편파(b)

그림 정규화 시험장감쇠량의 이론치3.14

- 124 -

전자파 무향실(a) 전자파 반무향실(b)

그림 전자파무향실과 전자파 반무향실3.15

그리고 내성 시험에는, 140 dB V/mμ 정도의 강한 전자파를 인위적으로 발생시키기

때문에 이와 같은 전자파가 외부에 방사되면 방송이나 통신에 장해를 발생시킬 수

도 있다 따라서 내성 시험을 위해서는 적어도 정도는 차폐시킬 수 있는 공. , 100dB

간이 필요하게 된다 이러한 조건을 만족하면서 복사성 장해전자파의 측정과 내성.

시험에 사용할 수 있는 실내 측정시설이 바로 전자파무향실이다 전자파무향실은.

앞에서 설명한 전자파차폐실의 육면에 전자파흡수체를 부착시켜 전자파의 반사가

없도록 한 측정설비이다 즉 전자파의 반사가 없는 무한공간을 실내에서 실현시킨. ,

시설이다 그림 는 전자파무향실의 단면을 나타낸 것이다. 3.14(a) .

전자파 반무향실2)

주파수 대역 에서의 방사성 장해 전자파의 측정은 야외시험장에30 ~ 1000MHz

서 측정하는 것이 기본이다 일반적으로 야외시험장은 공장에서 먼 거리에 위치해.

있는 경우가 많아 불편하며 또한 야외시험장에서의 측정은 전천후 측정이 불가능

하다는 단점이 있다 따라서 야외시험장과 등가인 특성을 갖는 반 무한공간의 측정. ,

설비를 실내에서 실현시킨 것이 전자파 반무향실이며 전자파무향실의 바닥 부분 전

자파흡수체를 제거시킨 것이다 그림 는 전자파 반무향실의 단면도를 나타. 3.14(b)

낸 것이다.

- 125 -

이러한 전자파 반무향실이 측정시설로서 적합한가 적합하지 않은가의 판정은 야외

시험장의 적합성 평가와 같이 시험장감쇠량의 측정으로 이루어진다.

대용 측정설비3.4

명행명판 선로3.4.1

원역장 전자계를 발생시키기 위한 장치로서는 평행평판 선로 및 셀 또는TEM

셀이 이용된다 이러한 장치들은 모두 평행평판으로 구성된 전송선로 또는GTEM .

직사각형 동축선로의 형태를 하고 있으며 내부에는 전기장과 자기장이 서로 직각,

이고 진행 방향에 수직인 파가 발생한다 평행평판 선로는 스트립 선로TEM . (strip

또는 개방 셀 이 라고도 하며 그림 과 같은 구조를line) TEM (open TEM cell) 3.16

하고 있다.

평행평판 선로에 급전선로를 연결하기 위하여 그림 과 같이 평행평판 선로의3.16

양단을 경사지게 하여 급전선로와의 정합을 취하고 있다 급전선로에 전력 를 입. P

력시키고 선로내부에 전자파의 반사가 없다고 가정하면 평행평판 내부의 전자계는

다음 식으로 주어진다.

여기서, b는 평행평판의 간격이며, Z0는 평행평판 선로의 특성임피던스이다 평행평.

판 선로의 구조적인 파라미터는 선로의 길이 선로의 폭 평판의 간격의 가지를, , 3

생각할 수 있는데 이들 파라미터를 배한 선로 길이 폭 평판 간격 중 어느 하나, 2 , ,

라도 사용 파장보다 짧아지면 평판 내부의 전자계는 불균일하게 되고 파 이외TEM

의 전자파 모드가 발생한다 따라서 사용 주파수 대역의 결정에 주의 하여야 하며. ,

일반적으로 이하의 주파수 대역에서 사용한다300 MHz .

- 126 -

그림 평행평판 선로3.16

셀3.4.2 TEM

앞에서 설명한 평행평판 선로는 양 끝단을 제외한 측면이 개방형태의 구조이므로

전자파의 누설이 발생할 수 있으며 또한 주위환경에 의하여 평행평판 내부의 전자,

기장이 영향을 받을 수 있다 이러한 결점을 개선한 것이. 셀TEM (Transverse

이다ElectroMagnetic Cell) .

셀은 그림 과 같이 중앙에 중심 도체판이 있는 직사각형 동축선로와 양TEM 3.17

끝단이 경사진 구조로 구성되어 있다 측정에 사용하는 부분은 중심 도체판 아래에.

있는 공간이며 위의 부분은 사용하지 않으므로 체적이 평행평판 선로의 배가 된2

다 균일한 파가 형성되는 곳은 중심 도체판과 아래 도체판 사이 공간의. TEM 1/3

정도가 되는 공간이다 평행평판 선로와 같이 셀의 경우도 사용 주파수 대역. TEM

은 약 이하이다300 MHz .

- 127 -

셀3.4.3 GTEM

앞에서 설명한 셀의 결점을 개선한 것이TEM 셀GTEM 이(Giga· Hertz TEM cell)

다 이것은 그림 과 같이 내부의 중심 도체판을 위 도체판과 아래 도체판 간격. 3.18

의 되는 곳에 설치하여 불필요한 공간을 제거한 것이다 급전선로를 연결하는3/4 .

부분에는 중심 도체판과 아래 도체판 사이의 각을 도 정도로 좁게하여 반사가15

일어나지 않도록 되어 있으므로 셀의 길이가 길어진다는 단점이 있으나 사용 주파

수 대역은 약 정도까지 확장된다 셀의 끝단에는 반사가 발생하지 않도 록3 GHz .

하기 위하여 중심 도체판에 다수개의 저항을 연결하고 있으며 그림 과 같 이3.18

전파 흡수체를 부착하고 있다 셀은 셀과는 달리 길이방향의 위치에 따라. GTEM TEM

내부 전기장의 세기가 달라지므로 전기장의 세기 변화가 이하인 영역 에서±1 dB

사용한다 이 영역은 중심 도체판과 아래 도체판 사이 간격의 정도의 공 간이. 1/3

다.

그림 셀3.17 TEM

그림 셀3.18 GTEM

- 128 -

측정용 수신기의 웅답특성3.5

일반적으로 장해전자파의 허용치는 준첨두치와 평균치로 규정되어 있으므로 이에

대한 응답특성을 간단히 설명하도록 한다.

준첨두치형 측정기3.5.1

준첨두치형 검파형식 을 갖는 전자파장해 수신기는 검파기의(quasi-peak detector)

방전시정수가 충전시정수에 비교하여 대단히 크다 이 때문에 중간주파증폭회로에.

서 대역이 제한된 장해전자파의 첨두치에 가까운 값을 지시치로서 표시 응답 한다( ) .

준첨두치형 장해 전자파측정기의 기본특성은 표 과 같으며 충전시정수의 값은3.3 ,

장해 전자파에 의한 라디오의 수신장해와 장해전자파 레벨의 지시치가 양호한AM

상관관계가 되도록 주관적으로 평가한 실험에 의해서 정해진 것이다.

전자파장해 수신기의 가장 중요한 특성은 반복 펄스입력에 대한 응답특성이므로

규격의 근거가 되는 이론을 설명하고자 한다CISPR .

- 129 -

그림 의 측정기에 장해전자파의 신호가 입력되면 중간주파증폭회로의 출력은3.4

증폭기가 협대역이므로 다음 식으로 표시된다.

여기서, ii⨍는 중간주파수이다 또한 검파기 출력. , vd(t)은 다음의 미분방정식으로 부

터 구해진다.

여기서, Rc 는 검파기의 다이오드 특성을 나타내는 것으로서 반파직선 특성을 나타

내는 순저항이다 준첨두치형 검파기는 방전시정수. Td 가 대단히 크므로 주기 T(=

1/⨍i⨍) 내에서 검파출력 vd 는 거의 일정하다고 볼 수 있다 따라서 식 을. , (3.13)

식 에 대입하여 주기 로 적분하면 다음 식을 얻는다(3.14) T .

단,

이며 위의 식이 준첨두치형 검파기의 기본 응답을 나타내는 식이다,

- 130 -

중간주파증폭단을 거쳐서 검파기를 통과한 포락선 형태의 출력신호는 지시기에 전

달되는데 지시기에 나타나는 지시치를 알아보자 검파출력. vd(t)는 시정수 의Tm

임계 제동상태의 지시계기에 전달된다 따라서 지시계 바늘의 편이. , (t)φ 는 다음 식

으로 주어진다.

즉 측정기는 정현파의 입력에 대하여 교정되어 있으므로 지시치 은 같은 편이, M

(t)φ 을 생기게 하는 정현파 입력의 실효치와 같다.

정현파 및 반복펄스의 형태의 장해 전자파가 입력되면 준첨두치형 측정기의 응답특

성은 어떻게 될까 이하에 준첨두치형 검파기의 정현파 및 반복펄스에 대한 응답특.

성을 설명한다.

먼저 정현파에 대한 응답을 알아보자 실효치가 인 정현파에 대한 준첨두치검파, . E

기의 응답은 식 과 식 에(3.14) (3.15) 를 대입하면 구해진다 즉 회로. ,

의 증폭도를 로 나타내면 검파출력은 다음과 같다G .

여기서, PQS는 검파효율을 나타낸다 표 참조( 3.3 ).

충전시정수 TC 는 정현파를 인가한 후 출력이 VQS 의 에 도달하기 까지의63.2 %

시간으로 정의되며 식 로부터 구할 수 있다 그 결과를(3.15) . =Tɑ c/(RcC) 의 값으

로 표 에 나타내었다3.3 .

그 다음 반복펄스에 대한 응답에 대하여 알아보자 이상적인 전자파장해 수신기의, .

중간주파증폭회로의 주파수 특성은 단으로 구성된 임계결합 통조회로의 특성과2

같다 즉 등가 저역통과 필터의 주파수 선택특성은 다음 식으로 나타낼 수 있다. .

- 131 -

단, HL = 0.5(=6dB)가 되는 대역폭을 로 나타내면B 이다

임펄스의 세기가 인 펄스가 입력되면 중간주파 출력도 식 으로 표시되고S (3.13)

포락선은 다음 식과 같이 구해진다.

단, ɑmax=2.097SBG 이다 임펄스의 세기가 인 펄스 입력에 대한 검파출력. S VQP는

다음 식으로부터 구해진다.

이러한 펄스 입력에 대한 측정기의 지시치 MQp는 검파출력 VQP와 같은 출력을 생

기게 하는 정현파 입력의 실효치 와 같으므로 식 로부터 다음 식과 같이E (3.18)

된다.

- 132 -

규격에 나와 있는 반복펄스 입력에 대한 응답과 과부하계수 중간주파회로의CISPR (

직선성 의 규정은 식 을 기본으로 하여 결정한 것이다) (3.22) .

평균치형 측정기3.5.2

평균치형 검파기 를 갖는 전자파장해 수신기는 그림 와(average value dector) 3.4

같이 장해전자파의 입력에 대하여 포락선 형태인 중간주파 출력의 평균치를 지시

기에 표시 응답 하는 것이다 중간주파출력( ) . Vi⨍(t)의 포락선 a(t)의 평균치 VA는 만,

약 a(t)가 음이 되지 않는다면, a(t)의 퓨리에 계수 로부터 다음 식과 같이 구해A(0)

진다.

실효치가 인 정현파가 입력되면 중간주파 출력의 포락선은 회로의 중폭도를E G

로 나타내면 로 일정하게 되므로 이에 대한 평균치 검파기의 출력은

가 된다

임펄스의 세기가 인 펄스 입력에 대한 중간주파 출력의 스펙트럼은S A( )⨍=2SGHL( )⨍ 가 된다 따라서 초당 개의 펄스 입력에 대한 평균치 출력은 식. , 1 N

식 으로부터 다음 식과 같이 된다(3.19), (3.23) .

반복펄스에 대한 평균치형 검파기를 갖는 측정기의 지샤치 MAP 는 VAS =VAP 로 되

는 정현파 입력의 실효치 와 같으므로 지시치는 다음과 같다E .

- 133 -

이와 같이 평균치는 입력 펄스의 빈도에 비례한다는 것을 알 수 있다.

반복펄스 입력에 대한 준첨두치 및 평균치형 검파기를 갖는 전자파장해 수신기의

지시치의 차이는 식 와 식 로부터 구할 수 있다 임펄스의 세기가(3.22) (3.25) . S=1

VS 인 경우를 계산해보면 펄스의 빈도가 낮을 경우에는 준첨두치에 비교하여 평균

치가 대단히 작다는 것을 알 수 있으며 또한 반복 주파수 이 대역폭 보다 커, N B

지면 장해 전자파의 선스펙트럼 하나 정도만 대역폭을 통과하므로 정현파 입력에

대한 응답과 같게 되고 준첨두치 및 평균치는 같아지게 된다.

첨두치형 측정기3.5.3

첨두치형의 검파기 를 갖는 전자파장해 수신기는 장해전자파의 입력에(peak dector)

대하여 포락선 형태인 중간주파 출력의 첨두치를 지시계에 표시 응답 하는 것이다( ) .

첨두치의 추출방식으로서는 아날로그 방식과 디지털 방식이 있으며 방전 시청수가

대단히 큰 검파가 첨두치 검파기 를 이용하든가 또는 포락선 검파 후에 변환하( ) A/D

여 첨두치를 추출한다 즉 전자파장해 수신기외에 스펙트럼분석기도 첨두치 측정기. ,

능이 갖추어져 있다 반복펄스 입력에 대한 첨두치형 검파기를 갖는 전자파장해 수.

신기의 응답특성은 준첨두치형 측정기와 같이 식 로부터 구할 수 있다(3.22) .

- 134 -

참 고 문 헌

(1) Y. Shimizu and A. Sugiura, 전자방해파의 본과 대책7/ 코로나사, ,1997.

(2) Henry W. Ott, Noise reduction techniques in electronic systems, (2nd

edition), John Wiley & Sons, Inc. 1988.

(3) Clayton R. Paul, Introduction to electromagnetic compatibility, John Wiley

& Sons, 1992.

(3) Jasper J. Goedbloed, Electromagnetic compatibility, Prentice Hall, 1990.

(4) V. Prasad Kodali, Engineering Electromagnetic compatibility, IEEE Press,

1996.

- 135 -

제 장 시험법4 EMI/EMC

전기 전자 정보처리 장치 등으로부터 방출되는 장해전자파의 크기를 측정하기 위, ,

해서는 전자파장해 규제를 위한 관련 규격에 명시되어 있는 측정방법을 따라야 한

다 본 장에서는 시험법 측정법 에 관하여 간략히 설명하기로 한다. EMI/EMC ( ) .

한계치4.1

산업체에서 생산되는 전기 전자 정보처리 장치 등은 동일한 설계에 의해 같은 제, ,

조 공정을 거치지만 발생되는 장해전자파의 크기는 제품마다 제각기 다르다 즉 제. ,

품마다 장해전자파의 발생 레벨이 다를 뿐만 아니라 외부 장해전자파에 대한 내성

도 다르다.

생산된 제품의 장해전자파 발생 레벨 및 전자파내성은 그림 과 같이 정규 분포4.1

의 형태로 분포하게 된다 따라서 장해전자파의. , 한계치 를 설정할 경우에는(limit)

한계치 이하의 장해전자파 레벨을 갖는 제품이 전체의 몇 이상이어야 하는가를%

규정할 필요가 있다 또한 전자파내성의 한도치 도 전제품의 몇. (immunity level) %

이상이 이 레벨의 장해전자파를 받아도 오동작을 하지않고 정상동작을 할 수 있는

가를 규정할 필요가 있다.

장해전자파 한계치4.1.1

일반적인 전기 전자 정보처리 장치 등의 장해전자파 한계치는 기본적으로 통신 및, ,

방송시스템에 장해를 주지 않도록 정해져 있다 이러한 장해전자파의 한계치를 결.

정하기 위해서는 장해전자파의 파형과 주파수 스펙트럼 전파특성 및 장해를 받는,

통신 및 방송시스템의 내성을 고려하여야 한다.

- 136 -

장해전자파 한계치의 근거를 알아보기 위해 그림 를 참고로 하여 장해전자파의4.2

한계치를 결정하는 과정을 간단히 설명하기로 한다.

수신장해를 방지하기 위해서는 수신 안테나에 유입되는 장해전자파의 크기① Eu가

희망 신호파의 전계강도 ES 보다 혼신보호비 P 만큼 작아야 한다 따라서 수신 안. ,

테나에 수신되는 장해전자파의 크기는 다음 식의 EU보다 작아야 한다.

그림 장해전자파 및 전자파내성 레벨의 분포4.1

- 137 -

장해전자파를 발생시키는 기기와 수신 안테나 사이의 거리를② R 이라 하고 장,

해전자파의 크기가 거리의 n 제곱에 반비례하여 감쇠한다고 가정하면 기기로부터,

거리 d 위치에서의 장해전자파의 크기 Ed 는 다음 식으로 주어진다.

장해전자파를 발생시키는 기기가 건물내에 설치되어 있는 경우에는 건물의 감③

쇠량 L 를 고려하여 장해전자파의 허용치 EL을 다음 식으로부터 구한다.

위에서 설명한 것 이외에도 장해전자파의 특성과 장해가 발생하는 확률 및 장,④

해전자파 대책의 경제성과 대책의 효과 등을 고려하여 장해전자파의 한계치를 결정

한다.

가정용 전기 전자기기와 자동차 등에서 발생하는 장해전자파는 주파수 스펙트럼이,

광대역이며 파형도 불규칙한 펄스 형태의 장해전자파가 많다 이러한 장해전자파는.

텔레비전 화면에 점 형태의 잡음을 나타나게 한다 그러나 디지털 기기나 스위칭. ,

전원 등에서 발생하는 장해전자파는 주파수 스펙트럼이 선 스펙트럼이며 파형도 정

현파 형태이다 이러한 장해 전자파는 텔레비전의 화면에 선 형태의 잡음을 나타나.

게 한다.

앞에서 설명한 두 가지 형태의 장해전자파에 있어서 준첨두치 레벨이 같더라도 펄

스 형태의 장해전자파보다는 정현파 형태의 장해전자파가 보다 더 큰 장해를 일으

킨다 이 때문에 기기에서 발생되는 장해전자파가 펄스 형태인가 또는 정현파 형태.

인가를 구별하여 만약 정현파 형태이면 엄격한 한계치를 적용해야 한다.

- 138 -

그림 한계치 설정을 위한 관계도4.2

전자파내성 한계치4.1.2

장해전자파에 의한 전기 전자 정보처리 장치 등의 장해 정도는 주위 환경에 의해,

서 많이 달라진다 장해전자파를 발생시키는 일반적인 장해원으로는 방송국이나 개.

인 휴대전화기와 같은 강력한 전자파를 발생시키는 것이 있으며 뇌방전과 같은 자

연현상에 의한 잡음원이 있다 이 뿐만 아니라 전원선이나 신호선 등으로 부터 침. ,

입하는 전도성의 장해전자파를 발생시키는 장해원으로는 배전계통의 스위칭 동작에

의한 것과 정전기가 발생할 때 방사 되는 전자파 등이 있다.

이와 같이 전기 전자기기에는 장해전자파의 발생원이 많고 또한 피해를 받는 기, , ,

기의 종류도 다양할 뿐만 아니라 장해의 정도도 기기에 따라서 제각기 다르므로 모

든 기기에 공통적으로 적용할 수 있는 전자파내성 한계치를 결정하기란 대단히 곤

란하다.

- 139 -

예를 들면 텔레비전 수신기에서 수신장해를 일으킬 경우에는 장해의 정도가 크지,

않으므로 내성 한계치의 요구가 엄격하지 않아도 되지만 자동차와 같이 인명에 관,

계되는 경우에는 내성 한계치의 요구보다 엄격해야 한다.

먼저 복사성 장해전자파의 한계치에 대하여 알아보자 일반적인 주택환경에서 가장, .

강력한 장해 전자파는 통신 및 방송파이다 일반적으로 통신 및 방송파의 전기장의.

세기는 1 V/m 이하이다 따라서 주택환경에서 사용하는 기기의 내성 한계치는. , 1

~10 V/m정도가 된다 한편 송신 시설이 있는 주위에서는 전기장의 세기가. , 100

V/m 정도이므로 이러한 지역에서 사용하는 기기의 내성 한계치는 보다 더 엄격한

내성 한계치를 설정해야 한다 일반적으로 송신 안테나 주위에서의 전기장의 세기.

는 다음 식으로부터 추정할 수 있다.

여기서 및 는 각각 송신 안테나의 이득 및 송신전력이며, G P , R 은 송신 안테나

로부터 관측점까지의 거리이다 단 이 식은. , 원역장 조건 를 만족하는 거리( )

에서만 적용할 수 있다.

다음으로 전도성 장해전자파의 한계치에 대하여 알아보자 전도성 장해전자파의 대.

표적인 예는 전원설비와 각종 전기설비의 스위치 개폐시에 발생하는 잡음이 있으며

낙뢰에 의해 발생하는 서지 장해전자파도 있다 이러한 경우에 대해서는 진폭이 수.

kV 이며 폭이 수 십 sμ 인 펄스파를 이용하여 내성시험을 한다 또한 릴레이의 동. ,

작시에 발생하는 격렬한 펄스형태의 장해전자파도 있는데 이러한 경우에 대해서는,

진폭이 0.25 ~ 4 kV 상승시간이 정도의 과도 버스트파를 이용하여 내성, 15 ms

시험을 한다 이외에도 방송국이나 장치의. ISM(Industrial, Scientific, and Medical)

주변에서는 방송파 및 누설 전자파에 의해 정현파 형태의 장해 전자파가 기기의 도

선에 유기되고 수 수십, ~ V 의 고주파 전압이 발생한다 이러한 경우에 대해서도.

내성시험이 필요하며 한계치의 설정이 필요하다.

- 140 -

마지막으로 정전기 방전의 한계치에 대하여 살펴보자 건조한 날 카페트 위를 사람.

이 걸으면 정전기가 발생하게 되는데 인체에는 대략 수천, ~ 20,000 V 정도의 전

하가 충전된다 이러한 충전상태에 있는 사람이 전기 전자 정보처리 장치 등의 기. , ,

기에 접촉하게 되면 순간적으로 방전하여 펄스전류가 흐르게 되고 방전시에는 전자

파도 발생하게 되어 기기에 오동작을 일으키게 한다 따라서 정전기 방전의 내성시.

험에서는 2 ~15 kV 정도의 방전전압을 이용한다.

측정법4.2 EMI

장해전자파의 특성은 기기나 전원선의 배치 뿐만 아니라 동작 조건 전원 및 부하, ,

임피던스 주위 환경 등에 의해서 크게 변한다 따라서 가능한 한 간편하며 재현성, . ,

이 좋고 기기의 실제 사용상태를 고려하여 측정법을 정해야 한다.

기기와 설비의 장해전자파 측정법에 관해서는 규격 등에 상세히CISPR, ANSI, MIL

규정되어 있다 여기서는 가장 대표적인 규격인 규격에 규정되어 있는 측정. CISPR

법을 간단히 설명한다 규격은 수신 장해의 저감을 목적으로 하고 있기 때. CISPR

문에 통상적인 사용상태에서의 장해전자파의 최대 전계강도를 파악하는데 중점을

두고 있음을 숙지할 필요가 있다.

전도성 측정법4.2.1 EMI

이하의 주파수 대역에서는 파장에 비하여 기기의 크기가 아주 작으므로30 MHz

기기로부터의 장해전자파는 전원선이나 신호선 등의 케이블을 통하여 전달된다 이.

러한 장해전자파는 전압 또는 전력을 측정하여 평가하는데 이들 각각에 대하여 간

단히 설명하기로 한다.

장해전자파 전압의 측정1)

개의 선로를 따라서 전달되는 장해전자파는 일반적으로 각 선로의 전압 및 전류2

파형이 다르다 따라서 전도성의 장해전자파는 그림 과 같이 차동모드. , 4.3

또는 평형모드 성분과 공통모드(differential or normal mode, ) (common mode,

또는 불평형모드 성분으로 분해할 수 있다 특히 공통모드 성분은 방사를 일으키) .

게 되고 전자파장해의 원인이 되므로 공통모드성분에 주의할 필요가 있다 전도성.

장해전자파의 측정은 피측정기기의 전원단자에 유기되는 차동 및 공통모드 성분의

전압 또는 전류 준첨두치 및 평균치 를 각 도선에 대하여 그림 와 같이( ) 4.4 LISN

을 사용하여 측정한다 이와 같은 측정은 이상의 기준 접지판 위 또는 전. 2 x 2m

자파차폐실에서 이루어지며 그림 에서 보는 것처럼 전원선의 길이가 를, 4.4 1 m

넘으면 이하가 되도록 다발을 만들어 배치시킨다40cm .

- 141 -

선로의 전류(a) 차동모드 전류(b) 공통모드 전류(c)

그림 전도성 장해전자파의 차동 및 공통모드 전류성분의 분해4.3

그림 전도성 장해전자파의 전압 측정4.4

- 142 -

장해전자파 전력의 측정2)

주파수 대역이 비교적 높은 대에서는 기기의 전원선 신호선 등의 케이블이VHF ,

파장 정도의 길이가 되므로 케이블에 장해전류가 흐르면 이들 선로가 안테나 역할

을 하여 장해전자파가 공간으로 방사된다 따라서 이 주파수 대역에서는 복사성 장. ,

해전자파의 전계강도를 측정하든가 또는 케이블로부터 방사되는 장해전자파 전력을

흡수클램프로 측정한다 측정주파수 대역은 또는 이다 그. 30 ~ 300 MHz ( 1 GHz) .

림 와 같이 피측정기기의 전원선에 흡수클램프를 끼우고 흡수클램프를 전원선4.5

을 따라서 반파장 정도 움직여 전자파장해 수신기의 지시치가 최대가 되는 위치에

서 측정한다 이 측정치에 흡수클램프의 변환계수를 고려하면 피측정기기의 전도성.

장해전자파의 전력을 구할 수 있다.

복사성 측정법4.2.2 EMI

전기장의 세기1)

대역의 복사성 장해전자파의 측정에서는 최대 전기장의 세기를30 ~ 1000 MHz

측정한다 제 장에서 설명한 바와 같이 그림 와 같은 야외시험장에서 피측. 3 4.6(a)

정기기를 높이가 인 절연회전대 위에 놓고 기기로부터 또는0.8 m 3 m, 10 m 30

떨어진 위치에 측정용 안테나를 설치한다 이 안테나의 단자에 연결된 케이블m .

을 통해서 전자파장해 수신기가 연결된다 측정용 안테나는 제 장에서 설명한. 3

안테나를 사용하며 반파장 공진 다이폴 안테나의 사용이 기준이지만 측정EMC , ,

자동화를 목적으로 광대역 안테나인 대수 주기 다이폴 배열 안테나와 바이코니칼

안테나를 사용하기도 한다 피측정기기를 회전시키고 측정거리가 인 경. , 3 m, 10 m

우는 수신 안테나의 높이를 사이에서 수신 전압이 최대가 되도록 조정하1 ~ 4 m

고 측정거리가 이면 수신 안테나의 높이를 사이에서 수신 전압이 최, 30 m 2 ~ 6 m

대가 되도록 안테나의 높이를 조정한다 이렇게 하여 측정된 최대 수신전압 측정치.

에 안테나의 안테나 인자를 더하면 장해 전자파의 최대 전기장의 세기를 구할 수

있다.

- 143 -

그림 전도성 장해전자파의 전력 측정4.5

복사성 장해전자파는 야외시험장에서 측정하는 것이 기본이지만 야외시험장에서의

측정치와의 상관관계를 알 수 있다면 그림 와 같이 전자파무향실을 이용하여4.6(b)

측정할 수도 있다 전자파무향실에서의 측정법은 앞에서 설명한 야외시험 장에서의.

측정법과 동일하다.

- 144 -

자기장의 세기2)

이하 대역의 복사성 장해전자파는 피측정기기로부터 수평방향으로 방출되30 MHz

는 최대 자기장의 세기를 측정한다 야외시험장에서 피측정기기를 절연회전대 위에.

설치하고 피측정기기로부터 떨어진 위치에 루프 안테나를 설치하고 케10 m, 30 m

이블을 통하여 장해 전자파 수신기를 접속시킨다 루프 안테나의 루프 면을 수직으.

로 하여 기기 및 안테나를 회전시키면서 수신전압의 최대치를 측정한다 이 측정치.

에 루프 안테나의 안테나 인자를 더하면 최대 자기장의 세기를 구할 수 있다 야외.

에서의 자기장의 세기 측정은 불편하므로 형광등과 같은 피측정기기의 장해전자파

측정은 대형 루프 안테나법을 사용하기도 한다 대형 루프 안테나는 대형의 루프.

안테나 개를 서로 직각으로 교차시킨 것이다2 .

실효 복사전력3)

이상의 대역에서는 피측정기기로부터 방출되는 장해전자파의 실효 복사전력1 GHz

을 측정한다 즉 피측정기기를 전자파무향실에서 회전대(effective radiated power) .

위에 놓고 이로부터 방출되는 장해전자파를 혼 안테나를 사용하여 수신하고 스펙트

럼분석기로 수신 전력을 측정한다 혼 안테나는 기기와 같은 높이로 원역장 영역에.

설치하고 기기를 수평면내에서 회전시켜 수신전력의 최대치를 측정한다 그 후에.

피측정기기의 위치에 반파장 공진 다이폴 안테나를 설치하고 신호발생기를 접속하

여 앞에서 측정한 최대 수신전력과 같은 값이 수신되도록 신호 발생기의 출력을 조

정한다 이 때 안테나에 공급되는 전력이 실효 복사 전력의 측정치가 된다. .

- 145 -

야외시험장에서의 복사성 장해전자파 측정(a)

전자파 무향실에서의 복사성 장해전자파 측정(b)

그림 복사성 장해전자파의 측정4.6

- 146 -

전자파내성 시험법4.3

장해전자파에 의해서 발생하는 기기의 기능저하나 오동작을 조사하는 것이 내성시

험이다 여러 가지 형태의 오동작과 기능저하를 가져오게 하는 장해전자파의 특성.

을 아는 것은 대단히 어렵다 이 때문에 전자파내성 시험에서 기기에 가해지는 장.

해파는 실제의 장해전자파와 특성이 다르다 또한 시험결과는 기기의 부하와 주위.

환경에 크게 영향을 받으므로 내성시험 중에는 기기를 통상적인 사용상태로 두어

재현성이 좋은 시험법을 선택하고 있다 내성 시험법은 규격 등에. IEC, CISPR, MIL

자세하게 나와 있으므로 여기서는 대표적인 의 시험법을 간단히 소개하기로 한IEC

다.

전도성 전자파내생 시험장치와 시험법4.3.1

시험장치1)

전도성 전자파내성 시험에는 높은 레벨의 의사 장해전자파를 피측정기기의 선로에

인가하기 때문에 의사 장해전자파 발생기 및 결합회로망 을 사용(coupling network)

한다 또한 강력한 장해전자파가 기기에 영향을 미치지 않도록 하여야 하므로 모든. ,

선로에 설치할 분리회로망 이 필요하다 의사 장해전자파 발(decoupling . network) .

생기에는 여러 가지의 특성이 있으나 여기서는 펄스 장해전자파 발생기 및 연속,

장해전자파 발생기에 대하여 설명한다.

그림 버스트 장해전자파 발생기4.7

- 147 -

먼저, 펄스 장해전자파 발생기에 대하여 설명한다 펄스 장해전자파로서는 전력설비.

의 스위치 개폐와 뇌방전에 동반하는 수십 sμ 의 펄스폭을 갖는 서지 장해전(surge)

자파나 릴레이 등이 발생하는 수십 ns 의 폭을 갖는 좁은 펄스의 집합인 버스트

장해전자파가 있다 버스트 장해전자파를 발생하는 의사 장해전자파 발생기(burst) .

의 기본구조를 그림 에 나타내었다 즉 충전용 콘덴서에 수십 의 고전압 전4.7 . kV

원을 접속하여 전하를 축적하고 이 전하를 방전간극 등의 스위치를 통하여 순간적

으로 방전시켜 파형 성형회로를 거쳐서 규정의 펄스 파형을 만들어 낸다.

다음으로 연속 장해전자파 발생기에 대하여 설명한다 방송이나 통신 등과 같은 강.

한 전파는 기기 등에 영향을 줄 수 있다 이 때문에 무변조 또는 의 신호로. 1 kHz

변조 변조도 한 높은 레벨의 정현파를 기기에 인가하여 내성시험을 한다AM (80 % ) .

일반적인 신호발생기의 출력은 아주 작기 때문에 전력증폭기를 이용하여 증폭하여

야 한다.

시험법2)

주로 이하에서는 장해전자파가 전원선이나 신호선을 따라서 전파한다30 MHz .

이와 같은 도선을 따라서 전달되는 장해전자파에 대한 내성을 조사하기 위한 시험

이 전도성 전자파내성 시험이다 이 시험에서는 그림 과 같이 시험신호를 의. 4.8

사 장해전자파 발생기로 발생시키고 이것을 결합회로망을 통하여 피측정기기의 선

로에 인가한다 이 때 분리회로망을 다른 모든 선로에 장착하여 강력한 인가 장해.

파가 다른 기기에 전달되지 않도록 한다 이 시험은 인가 전자파가 외부에 누설되.

지 않도록 전자파차폐실 내에서 실시한다.

복사성 전자파내성 시험장치와 시험법4.3.2

시험장치1)

복사성 전자파내성 시험장치로서는 의사 장해전자파 발생기와 전자파 발생장치가

있다 내성시험에 사용하는 의사 장해전자파 발생기로는 앞에서 설명한 연속 장해.

전자파 발생기를 이용하면 된다 전자파 발생장치에는 전기장을 발생시키는 것과.

자기장을 발생시키는 장치로 구분할 수 있다 자기장 발생장치는 헬름홀츠코일이.

있으며 중심에 피측정기기를 놓고 자기장에 대한 내성시험을 할 때 사용된다 평행, .

평판 선로와 셀 셀도 내성시험에 이용되며 이들을 모두TEM , GTEM 전자파 발생장

치라 한다 이에 대해서는 제 장에서 이미 설명하였다. 3 .

- 148 -

그림 전도성 전자파내성 시험장치 및 시험법4.8

일반적으로는 그림 와 같이 전자파무향실 내에서 송신 안테나를 아용하여 기기4.9

에 전자파를 조사하여 내성시험을 하는 경우가 많다 방사성 전자파내성 시험에 전.

자파무향실을 사용함으로써 피측정기기에 조사되는 전자파의 외부 누설을 방지할

수 있다 야외시험장을 복사성 전자파내성 시험에 사용할 경우에는 피측정기기에.

조사되는 전자파의 전자기장의 세기가 전파법규에 규정되어 있는 한계치를 넘지 않

아야 한다 따라서 복사성 전자파내성 시험에는 전자파무향실을 사용하는 것이 바. ,

람직하다.

- 149 -

시험법2)

기기가 받는 높은 레벨의 전자파는 방송파 또는 휴대용 무선기기로부터 나오는 전

자파이다 이 중에서 휴대 전화기 등의 근역장 전자파에 대해서는 규격을 제외. MIL

하고는 일반적인 내성 시험법이 없다 그러므로 실제의 무선기기를 이용하.

그림 복사성 전자파내성 시험4.9

여 피측정기에 전자파를 방사시켜서 시험을 하기도 한다.

원역장 전자기장 즉 평면파에 대한 내성시험은 규격 등에 자세히 규정되어 있, IEC

다 이 시험은 주로 이상의 주파수 대역에서 이루어지며 연속으로 발생하는. 30 MHz

장해전자파 발생기를 평행평판 선로 또는 셀 등에 접속하여 그 내부에 발생하TEM

는 강력한 전자기장 속에 피측정기기를 놓고 실시한다 단 좁은 공간내에 피측정기. ,

기를 설치하기 때문에 기기의 주위 전자기장은 실제 사용시의 전자기장과 일반적으

로 다르다 이 때문에 시험시에 발생하는 장해는 통상 사용할 때의 장해와는 다른.

경우가 있다.

평행평판 선로나 셀의 사용주파수는 장치의 치수에 의존하며 일반적으로TEM 100

이하이다 따라서 약 이상에서는 전자파무향실 내에서 송선~ 200 MHz . 100 MHz

안테나로 피측정기기에 전자파를 조사하여 방사성내성 시험을 하는 경우가 많다·

이하의 주파수 대역에서는 앞에서 설명한 전도성 전자파내성 시험을 실시80 MHz

한다.

- 150 -

정전기방전 시험장치와 시험법4.3.3

시험장치1)

정전기방전 내생 시험장치는 펄스 장해전자파 발생기와 본질적으로 동일하지만 인

체의 정전용량을 모의하는 콘덴서의 구체적인 구조 등에 의해서 콘덴서 방식과 날

개방식의 시험장치로 구분된다 그림 은 에서 규정하고 있는 콘덴서 방식. 4.10 IEC

의 시험장치에 대한 등가회로이며 콘덴서의 정전용량은 정도로서 인체의150 pF

대지에 대한 용량과 같고 방전저항은 인체의 저항을 모의하여 으로 정해져330 Ω

있다 기기에 접촉시키는 방전전극의 형상 등도 규격에 규정되어 있다 날개 방식. .

의 시험장치는 구조상 이동할 수 없으므로 콘덴서 형식에 비교하여 불편하므로 특

수한 용도에만 사용된다.

그림 정전기방전 시험장치4.10

그림 정전기방전의 인가 방법4.11

- 151 -

콘덴서 방식은 전하를 축적하기 위해 콘덴서 를 사용하며 방전전류(100 ~ 500 pF) ,

의 상승시간이 빠르지 않기 때문에 높은 전압을 필요로 하는 단점이 있지만 방전전

극을 자유로이 이동시킬 수 있는 장점이 있다. 날개 방식은 전하를 축적하기 위해

십자형 금속판 날개와 접지 사이의 부유용량 약 을 이용하며 날개 끝단에( 150 pF)

부착된 수은 릴레이의 개폐에 의해 방전전극을 통해 방전시키도록 되어 있다 이.

방식은 방전전류의 상승시간이 빠르므로 낮은 전압으로 가능하며 데이터의 재현성

은 좋으나 방전전극의 이동이 어렵다는 단점이 있다.

시험법2)

정전기에 의해서 대전된 인체나 물체가 기기에 접촉하면 극히 짧은 시간에 방전하

며 펄스형태의 방전전류가 발생한다 이러한 정전기 방전에 의해 기기가 영향을 받.

는 정도를 조사하는 것이 정전기방전 내성시험이다.

사람 등의 대전체를 기기에 근접시키든가 또는 접촉시켜 방전하게 하고 이 방전전

류에 의해서 생기는 장해를 조사하는 것이 직접 방전시험이다 이 시험법에는 방전.

시험장치를 기기 표면에 직접 접촉시켜서 방전하는 방법 접촉방전 과 기기에 근접( )

시켜 가면서 방전하는 방법 기중방전 이 있다 또한 주변의 다른 기기에 대전체를( ) . ,

접촉시켜 이에 동반하여 발생하는 펄스 형태의 전자파에 의해서 발생하는 장해를

조사하는 것이 간접 방전시험이다 이 시험에서는 피시험기기의 주위에 금속판을.

놓고 여기에 시험장치를 접촉시켜서 방전하게 한다.

정전기방전 내성시험은 규격 등에 시험법이 상세하게 규정되어 있다 시험 결IEC .

과는 방전전류의 귀환로에 크게 영향을 받으므로 피시험기기와 시험장치의 접지,

기기의 배치에 충분히 주의할 필요가 있다 또한 기온이나 습도 등의 시험환경도. ,

규정에 따라야 한다.

- 152 -

참 고 문 헌

(1) Paul A. Chatterton and Michael A. Houlden, EMC Electromagnetic Theory

to Practical Design, John Wiley & Sons, New York, 1991.

(2) Y. Shimizu and A. Sugiura, 전자방해파의 기본과 대책 코로나사, , 1997.

(3) Henry W. Ott, Noise reduction techniques in electronic systems, (2nd

edition), John Wiley & Sons, Inc. 1988.

(4) Clayton R. Paul, Introduction to electromagnetic compatibility, John Wiley

& Sons, 1992.

(5) Jasper J. Goedbloed, Electromagnetic compatibility, Prentice Hall, 1990.

- 153 -

제 장 차폐5

전자파의 차폐란 원하지 않는 전자파로부터 영향을 받기 쉬운 기구나 장치를 보호

하는 것을 말한다 즉 외부의 전자파 발생원과 우리가 보호하고자 하는 것 사이를. ,

차폐재로 가로막아 전자파의 투과를 억제시키는 작업이라 할 수 있다 차폐의 방법.

에는 여러 가지가 있으나 가장 손쉬운 방법의 하나로 기기 외부를 금속체로 둘러싸

는 것을 들 수 있다 예를 들어 하나의 보드 위에 여러 개의 칩을 금속체로 둘러싸.

는 경우가 있다 그러나 실제로 장비나 기구의 환풍구나 계기판의 장치로 인해서.

기기 전체를 완전히 금속체로 둘러싸는 것은 어려운 일이므로 대개의 경우 외부 전

자파에 가장 민감한 부분이나 전자파를 발생시킬 가능성이 높은 부분만을 차폐하는

데에 쓰인다.

최근에는 제품의 경량화 소량화와 다양한 디자인의 요구로 말미암아 대부분의 전,

자제품의 외장이 금속에서 플라스틱화 되어가고 있는데 플라스틱은 부도체이기 때,

문에 차폐효과는 거의 기대할 수 없다 따라서 이러한 플라스틱의 외장으로 인한.

차폐의 대책도 상당히 중요한 문제이다.

차폐 함체를 이용하여 차폐를 할 경우에는 의도적으로 차폐벽에 불연속점들을 만들

기 때문에 이의 경우에 차폐 방법을 알아야 한다 이러한 불연속점의 종류에는 차.

폐판들을 연결하기 위한 용접 이음매 틈에 존재하는 구멍 공기 환기를 위한 환풍, ,

구 시각적 확보를 위한 개구부들이 있다, .

일반적으로 차폐는 간섭원과 피해원간의 전자파 경로에 금속벽을 설치함으로써 가

능하며 전자파가 금속벽을 투과할지라도 식 과 같은 금속의, (5.1) 고유 임피던스에

의해서 감쇠를 하게 된다.

여기서 는 각 주파수,ω μ0는 자유공간에서와 투자율 는 금속의 전도도이며 이러, ,σ

한 임피던스의 값은 광학 영역의 주파수 이하에서는 양질의 도체에 대해서 상당히

작은 값을 갖는다.

- 154 -

차폐효과를 위한 두 가지 중요한 항목은 반사손실과 흡수손실이다 그러므로 차폐.

의 기초 이론은 금속벽을 통한 투과와 금속면으로부터의 반사에 근간을 두고 있다

그림 참조 간섭원으로부터의 전자파는 전자파와 차폐재 사이의 임피던스 부( 5.1 ).

정합 때문에 저 임피던스 차폐면으로부터 일부는 반사하고 일부는 차폐재 내부에서

흡수된 후 투과한다 또한 흡수손실이 작을 때 차폐재의 경계면 사이에서 다중 반. ,

사가 존재한다 따라서 균일 도체벽의 전체 차폐효과. SE는 반사손실 ɑR 흡수손실,

ɑA 그리고 내부 반사손실, ɑIR의 합으로 식 와 같이 표현할 수 있다(5.2) .

그림 평면파에 대한 차폐 작용들5.1

- 155 -

차폐이론과 차폐효과5.1

평면파 차폐이론과 실제사이에는 상당한 차이가 있다 실제적인 차폐 성능은 주파.

수 차폐벽으로부터 간섭원의 거리 전자파의 편파 차폐재에 존재하는 불연속점 등, , ,

과 같은 수많은 변수들과 관계가 있다 간섭원과 가까운 위치에서는 전자기장의 세.

기가 강하며 전자기장은 수평성분과 수직성분 모두를 가질 수 있다 이러한 전자기.

장은 대부분의 에너지가 각각 E 또는 H 중 어떠한 성분에 저장되는냐에 따라 전기

장 또는 자기장으로 나눌 수 있으며 전기장과 자기장의 접선성분의 비로서 정의되

는 식 과 같은(5.3) 파동 임피던스와 관계가 있다.

그러므로 전기장이 클 경우에는 파동 임피던스는 매우 크며 자기장이 클 경우에는, ,

파동 임피던스는 상당히 작게 된다.

간섭원으로부터 충분히 먼 거리, r 2≫ D2/λ0 (D≥λ0 일 경우 또는/2 ) r≫λ0/2π (D≪

λ0 일 경우 에서는 전자파는 다음 식과 같은 파동 임피던스를 갖는 평면파가 되며) ,

여기서 는 간섭원의 크기이다 광학 영역의 주파수 이하의 자유 공간상D . ( σ《ωε0)

에서 파동 임피던스는 다음과 같다.

- 156 -

전기장과 자기장의 임피던스의 값은 간섭원을 각각 미소 전기 쌍극자 또는 미소 자

기 루프로 간주하여 표현할 수 있으며 간섭원의 근역장 영역, ( r≪λ0/2 )π 에서는 전

기장과 자기장의 파동 임피던스를 각각 다음과 같이 근사화할 수 있다.

그림 간섭원으로부터의 거리에 따른 파동 임피던스5.2

그림 는 근역장과 원역장에서의 간섭원으로부터의 거리에 따른 각각의 전자파에5.2

대한 파동 임피던스의 변화를 보여준다.

이러한 전자파들에 대한 차폐효과 는 차폐벽이 없을 때와 있을 경우에 대해서SE

피해원에서의 전력들의 비로써 정의된다.

- 157 -

여기서 첨자 은 차폐벽이 없을 때 피해원에서의 값을 나타내며 첨자 는 간섭원1 , 2

과 피해원 사이에 차폐벽이 존재할 때 피해원에서의 값을 의미한다 또한 전기장과.

자기장의 차폐효과 식에서 파동 임피던스는 차폐 전후에서 같다고 가정한다.

단일 차폐5.1.1

차폐재로서 광학 주파수이하에서 사용된 도체일 경우, σ》ωε0이므로 전도전류는 일

반적으로 변위전류보다 훨씬 크다 임의의 각도. θi로 입사하는 전자파에 대한 도체

의 전기적 상수들은 다음과 같다.

법선 방향에서 도체 내부에서의 전파정수는

이다 따라서 법선 방향을 따라 도체 내부에서의. 감쇠정수는

이며 또한 도체 면에서의 값에서, e-1로 감쇠하는 표피깊이(skin depth)는

- 158 -

이다 차폐재 내부에서의. 위상속도와 파장은 다음과 같으며

정의에 의해서 반사 손실은

이다 여기서 는 차폐벽을 통한 순수. T 투과계수이며, v는 입사파와 차폐재의 임피

던스 비( η0/Zm 이며) , η0는 자유공간의 고유 임피던스 (120π 이다) .Ω

두께 t의 차폐재를 통과한 전자파의 흡수손실은

이며 내부 반사손실 항은,

이다 흡수손실. aA이 보다 클 경우 내부 반사손실은 무시할 수 있으며 평면15 dB ,

파일 경우 단일 차폐재의 전체 차폐효과는 식 로부터 구할 수 있다(5.15)~(5.17) .

다중 차폐5.1.2

그림 은5.3 다중 차폐를 나타내고 있으며 여기서 은 도체와 공기 틈을 포함하는, n

임피던스 Zml, Zm2, , Z∙∙∙ mn의 차폐판의 수이다 전체 반사손실은 각 경계면에서 반.

사 손실의 합으로 표현되며 수식적으로 다음과 같다.

- 159 -

다중 차폐의 흡수손실은 간단히 개의 차폐판에 대해서 각각의 흡수손실의 합으로n

표현할 수 있으며

여기서, ɑn과 tn은 n번째 차폐판의 감쇠정수와 두께이다 차폐판의 임피던스. Zm1,

Zm2, ,∙∙∙ Zmn은 모두 주파수의 제곱근에 비례한다 따라서 금속과 금속의 경계면에.

서 반사손실은 주파수에 무관하며 금속과 공기의 경계면에서는 주파수의 함수임을,

알 수 있다 또한 다중 차폐의 차폐효과는 차폐판들의 임피던스와 두께를 조절하여.

크게 할 수 있다.

다중 차폐에서 연속적인 내부 반사에 기인하는 보정항들은 다음과 같다.

- 160 -

여기서

이며, Zmtm은 각 판에서 우측으로 보는 임피던스이다.

그림 다중 차폐5.3

분리형 이중 차폐5.1.3

매우 큰 차폐 함체에서는 일반적으로 마른 베니어판으로 분리된 전도성 도체판을

이용하여 매우 효과적인 차폐를 할 수 있다 그림 참조 베니어판은 어떠한 수( 5.3 ).

분도 포함하고 있지 않기 때문에 거의 영의 전도도를 갖는 저 손실 유전체로 볼 수

있다 베니어판에 가해지는 입력 주파수가 합판 매질을 이루는 분자들의 공진 주파.

수와 매우 가까울 때 습기에 의해서 전기장 때문에 분자들의 분극화가 늦어진다, .

그러나 마른 합판에서의 흡수손실은 매우 작다고 가정할 수 있다 간단히 이중 차.

폐속인 베니어판이 유전율 ε2와 투자율 μ0 자유공간에서의 값 올 갖는 동방성 균일( )

매질이라고 가정하면 차폐 식들의 성분들은 다음과 같다.

- 161 -

위의 수식들은 각 영역의 한 경계면에 존재하는 소산장 이 이웃하(evanescent field)

는 경계면의 소산장과 상호 작용하지 않는다면 유효하다 두 도체판이 같은 매질이.

고 두께가 같은 특수한 경우에 대하여 합판에 의한 감쇠를 무시할 수 있다면 흡수

와 반사 손실은 모두 단일 차폐의 경우에 비해 두 배이며 차폐 공간에서 공진이,

일어날 경우에는 이중 차폐의 차폐효과는 전체 도체 두께가 같은 서로 분리된 단일

차폐의 합보다 이상 클 수 있다6dB .

- 162 -

그림 분리형 이중 차폐5.4

전기적으로 두꺼운 매질의 경우1)

이중 차폐에서 도체 두께가 클 때 도체 내부에서의 매우 높은 감쇠 손실 때문에 내

부 반사 손실은 무시할 수 있다 이중 차폐 사이에 공기층이 있을 경우 차폐 성분.

들은 다음과 같이 쓸 수 있다.

여기서 ɑIR은 t2/λ0 인 주파수에서 음수이며 이 때 이중 차폐는 두 개의 단일1/8 ,≪

차폐의 합보다 효과적이지 못하다.

- 163 -

이중 차폐와 단일 차폐의 비교2)

두 개의 차폐판 사이에 공기 매질을 갖는 이중 차폐의 차폐효과와 전체 도체 두께

가 같은 단일 차폐의 차폐효과는 두 가지 경우에 대해서 aR, aA, aIR 항들의 차로서

비교할 수 있다.

양질의 도체일 경우, Zm/η0 이고1 t≪ 2/λ0 일 때/8≪

이며 차폐판으로 두꺼운 구리를 사용하고 주파수 영역이, 일 때 흡수

손실이 매우 클 경우 내부 반사를 무시할 수 있으므로 전체 차폐효과의( 15 dB)≥

차이는 다음과 같다.

- 164 -

전기장과 자기장의 차폐효과5.1.4

식 과 식 의 전기장과 자기장에 대한 파동 임피던스(5.6) (5.7) ZE, ZH와 함께 식

의 도체의 고유 임피던스(5.1) Zm을 사용하여 각각의 경우에 대한 반사 손실을 다

음과 같이 표현할 수 있다.

여기서 μr은 공기에 대한 상대 투자율, σr은 구리에 대한 상대 도전율, r 은 간섭원·

으로부터 차폐벽까지의 거리이다 평면파에 대한 반사 손실. ɑRP는 식 로부터(5.15)

다음과 같이 얻을 수 있다.

위의 세가지 전자파에 대한 흡수 손실은 식 으로부터 얻을 수 있다(5.16) .

그립 은 두 개의 서로 다른 매질 구리와 철에 대해서 주파수에 따른 반5.5 ~ 5.8

사 손실과 흡수 손실의 변화를 나타내고 있다 전기장과 평면파의 경우 구리와 철.

에 대한 반사 손실은 주파수가 증가할수록 감소한다 반면에 자기장에 대해서는 주.

파수에 따라 반사 손실이 증가한다 낮은 주파수에서 구리의 전체 차폐효과는 철보.

다 우수하다 그러나 전기장과 자기장 모두 평면파가 되는 높은 주파수에서는 철의.

차폐 효과가 우수하다 이는 철에 대한 흡수 손실이 높은 주파수에서 지배적이기.

때문이다.

- 165 -

위의 결과들을 요약하면 다음과 같다.

흡수 손실 흡수 손실은 전자파의 주파수 차폐벽의 두께 차폐벽의 투자율과 도: , ,▶

전율이 증가함에 따라 증가한다.

반사 손실 일반적으로 이상에서 반사 손실은 도전율이 증가함에 따라: 10 kHz ,▶

투자율이 감소함에 따라 증가한다.

전기장의 반사 손실 주파수가 증가할수록 감소하며 간섭원과 차폐벽간의 거리:▶

가 감소할수록 증가한다.

자기장의 반사 손실 주파수가 증가할수록 증가하며 간섭원과 차폐벽간의 거리:▶

가 증가할수록 증가한다.

평면파의 반사 손실 주파수가 증가할수록 감소한다: .▶

그림 구리 차폐에 대한 반사 손실5.5 (μr=1, σr=1)

- 166 -

그림 철 차폐에 대한 반사 손실5.6 (μr=1000, σr=0.17)

그림 구리 차폐에 대한 전체 차폐 효과5.7 (μr=1, σr=1)

- 167 -

그림 철 차폐에 대한 전체 차폐 효과5.8 (μr=1000, σr=0.17)

차폐 재료5.2

저임피던스 자기장일 경우5.2.1

모든 주파수에서 저임피던스의 전기 도체로부터 저임피던스 자기장의 반사는 적다.

그러므로 자기장은 도체속으로 들어가려는 경향이 있으며 도체 내부에서 지수적으

로 감쇠한다 따라서 자기장 차폐는 주로 흡수 손실에 의존하며 높은 투자율 를. μ

갖는 강자성체 물질이 적당하다 그러나 자성체 물질을 사용할 때는 자화력에 따라.

서 투자율 가 변하기 때문에 주의를 요한다.μ

- 168 -

고임피던스 전기장과 평면파일 경우5.2.2

고임피던스 전기장 및 평면파에 대해서 저임피던스 도체벽으로부터의 반사는 흡수

손실과 더불어 증가한다 따라서 전기장과 평면파일 경우 우수한 차폐 효과를 얻을.

수 있다 따라서 고임피던스 전기장과 평면파일 경우 높은 도전율 를 갖는 도체. σ

재료들이 차폐재로서 사용된다 표 은 차폐 재료들의 도전율 투자율 그리고. (5.1) , ,

사용 용도를 나타내고 있다 또한 차폐벽의 두께는 간섭원들의 최고 주파수에서의.

표피 깊이보다 두꺼워야 한다.

표 차폐재의 상대도전율 구리5.1 ( σ=5.8 x 107 과 상대투자율 공기) ( μ0=4 X 10π -7)

불연속점에서의 차폐5.3

차폐벽에 존재하는 일반적인 불연속점의 종류에는 차폐판들을 연결하기 위한 용접

이음매 틈에 존재하는 구멍 환기를 위한 환풍구 시각적 확보를 위한 개구부 등이, , ,

었다 도체성 함체에서 전자기 에너지의 누출은 도체의 성질이 아니라 불연속점의.

크기 형태 그리고 위치에 의해서 결정된다 이러한 불연속점의 크기에 공진하게, , .

되는 주파수에서 차폐 효과는 매우 작다 그림 는 이러한 상황을 보여준다 또한. 5.9 .

그림 은 차폐판을 연결하는 연결 물질 가스켓 이 차폐벽의 물질과 다를 때 접5.10 ( )

합면에서 불연속점의 효과를 보여주고 있다 유도될 전류는 합체의 반대면에 흐르.

며 전체적으로 차폐 효과의 감소를 일으킨다.

- 169 -

그림 차폐 연결점올 통한 전자파 누출5.9

그림 가스켓 이음매를 통한 등전류선의 누출5.10

- 170 -

차폐벽에 존재하는 개구부5.3.1

차폐벽에 존재하는 개구부는 사각형 흠이나 원형의 구멍과 같이 간단한 기하학적

구조로 모델링할 수 있다 이렇게 모델링함으로써 이러한 불연속이 존재할 경우 차.

폐효과에 대한 간단한 수학적 표현식을 얻을 수 있다 개구부의 크기가 외부 전자.

기장의 파장보다 작을 때 개구부를 통한 외부 전자기장의 투과는 그림 과 같5.11

다 개구부의 선형길이가 보다 매우 작을 때 개구부 근처에서의 전자기장은. /2 ,λ π

차폐벽에 개구부가 없을 경우에 존재하는 전자기장과 개구부의 중앙에 위치한 전

기 자기 쌍극자에 의한 전자기장의 합으로서 근사적으로 표현할 수 있다 따라서, .

전기벽의 반대편으로 투과된 전자기장은 입사파에 의해서 유도된 전기 자기 쌍극,

자 모멘트로부터 구할 수 있다 만약 개구부의 크기가 입사파의 파장에 비해서 크.

다면 입사파는 그림 와 같이 개구부를 통하여 전파할 수 있다 이 경우 차폐효5.12 .

과는 매우 작다 다음으로 일반적으로 차폐벽에 존재하는 불연속에 대한 차폐효과.

를 고려해 보자.

그림 작은 개구부를 통한 전자기파의 투과 전계 자계5.11 (a) (b)

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그림 큰 개구부를 통한 전자기파의 투과5.12

얇은 차폐벽에 존재하는 구멍5.3.2

평면파가 수직 입사할 경우 작은 개구부를 투과하는 전자기장은 개구부의 크기와,

관계가 있다 일반적으로 사용되는 설계 법칙은 가장 높은 동작 주파수에서 개구부.

의 크기가 λ 에서/50 λ 보다 크지 않도록 설계하는 것이다 입사파의 파장이 개/20 .

구부 구명의 최대 직경보다 두배 이상 클 때 차폐효과는 주로 반사손실에 의해서

결정되며 근사적으로 다음과 같다.

여기서 d는 구멍의 직경이며 t는 차폐벽의 두께이다.

- 172 -

얇은 차폐벽에 존재하는 다중 구멍5.3.3

적당한 공기 순환을 위해서 대부분의 차폐벽의 경우 그림 과 같이 같은 크RF 5.13

기로 하나 이상의 개구부를 갖고 있다 개구부는 원형이나 사각형 구조를 가지며.

사각 격자로 정렬되어 있다 이러한 정렬 배치는 전체 차폐효과를 줄이며 차폐정도.

는 서로 이웃하는 개구부간의 간격 장해원의 파장 전체 개구부의 갯수와 관계가, ,

었다 평면파가 수직 입사하고 개구부간의 간격. s<λ 일 경우 차폐효과는 근사적/2 ,

으로 다음과 같다.

그림 공기 순환을 위한 다중 개구부5.13

여기서 은 개구부의 전체 갯수이다.η

두꺼운 차폐벽에 존재하는 구멍5.3.4 (d>>t)

두꺼운 차폐벽을 이용하면 차폐효과를 크게 할 수 있다 두꺼운 차폐벽에 존재하는.

구멍은 도파관으로써 동작한다 차폐를 위해서는 가장 높은. EMI 장해 주화수가 구

멍의 가장 낮은 차단 주파수 보다 작게 선택되어야 한다 도파관을 통하여 투과된.

차단 주파수보다 낮은 성분의 전자기장은 도파로의 길이를 따라 근사적으로 지수함

수적으로 감쇠한다 차단 주파수 아래에서 도파관에 대한 감쇠정수는 다음과 같다. .

- 173 -

여기서 λc는 차단 파장이며 ⨍c는 차단 주파수이다 또한 차단 주파수는 동작 주파.

수 ⨍ 보다 매우 크다 차단 파장은 도파관의 단면 구조의 함수이다 사각형 개구면. .

의 폭 d에 수직한 분극 벡터 에 대한 차단 주파수는(polarization vector) λc= 2d이

며 분극 벡터가 폭에 평행할 경우에는, λc= 2h이며 여기서 는 개구면의 높이다, h .

식 에(5.40) λc= 2d를 대입하면 감쇠정수는 다음과 같다.

식 과 식 을 이용하면 흡수 손실은 다음과 같으며(5.16) (5.41)

반사 손실은 식 과 같다 따라서 전체 차폐 효과는 다음과 같이 나타내어진(5.38) .

다.

- 174 -

벌집모양의 공기 구멍5.3.5

차폐에서 차폐 함체는 공기 순환을 위한 공기 환기로와 차폐 내부를 볼 수 있RF

도록 개구부를 만들어 주어야 한다 이러한 목적으로 그림 와 같이 육각형의. 5.14

벌집모양으로 된 금속매질로 만들어진 차폐판이 사용되고 있다 각각의 공기 구멍.

들은 앞에서 언급한 도파관의 원리를 이용하고 있다 일반적으로 이상의. 100 dB

감쇠를 위해서 깊이 대 폭비 (tlω 가 인) 4:1 벌집모양의 차폐재가 사용되고 있다. n

개의 사각형 셀에 대한 전체 차폐 효과는 다음과 같다.

여기서 는 전체 셀의 개수이며n , ⨍≥⨍c 이다/10 .

육각형 셀들이 원형 도파관으로 근사화 된다면 아래의 관계를 이용하여 약 100 dB

의 차폐 효과를 얻을 수 있다.

여기서 d는 원형 도파관의 직경, t는 도파관의 길이이며, λ는 가장 높은 주파수에

해당하는 파장이다.

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그림 벌집모양의 공기 구멍5.14

그림 가스켓의 연결 방법5.15

- 176 -

이음매5.3.6

칸막이를 이용하여 차폐를 할 경우 전체 차폐 효과는 차폐재에 이음매를 통한 전류

흐름이 생기므로 전체 차폐 효과는 이의 영향을 받는다 이음매의 차폐 성능은 주.

로 접합점을 통한 접촉 저항을 얼마나 작게 하느냐에 달려있다 접촉 저항은 매질. ,

표면 오염 물질의 전도도 그리고 접촉력의 함수이다 차폐 효과를 크게하기 위해서, .

는 다음의 세 가지 고려 사항들이 있다.

전도성 접촉 면들을 연결하는 모든 이음매들을 전도체로 만든다1. : .

이음매 중첩 이음매가 고주파수에서 전기적 단락으로 동작할 수 있도록 충분한2. :

용량성 결합을 제공할 만큼 이음매 면을 크게 중첩시칸다 면 사이의 틈과 최소 이.

음매 중첩간의 비가 이 되도록 하는 것이 가장 적당하다5:1 .

가스켓 이음매 접촉점 도체성 가스켓을 사용하여 연결면 사이의 접촉을 만든다3. / : .

가스켓의 전기적 성질이 차폐재와 거의 동일한 것을 사용한다 수많은 가스켓의 종.

류들이 있으며 이의 성능은 접합 구조 접촉 저항 그리고 접합점에 가해진 힘과 관, ,

계가 있고 그림 는 두 종류의 가스켓을 이용한 차폐 기술을 보여준다5.15 .

차폐 성능은 연결면의 매질에 의해서 크게 영향을 받는다 따라서 산화나 노화 현,

상은 연결점의 차폐 성능을 크게 감소시킬 수 있다 또한 가스켓을 이용한 차폐 효.

과는 주파수가 증가할수록 감소한다 일반적으로 우수한 차폐 성능을 얻기 위해서.

금 접합면 알루미늄 접합면 스테인레스강 접합면에 주석판 가스켓을 사용하고 있, ,

으며 의 차폐 효과를 얻을 수 있다80~100 dB .

차폐효과 측정5.4

차폐벽이나 재료시편의 차폐 효과를 측정하기 위해서 수많은 측정 방법들이 연구되

어 왔으며 여기서 언급되는 측정 방법들은 다음과 같다, .

MIL-STD-285①

동축선 측정 치구를 이용한 방법②

이중 를 이용한 방법TEM Cell③

시간 영역 방법④

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5.4.1 MIL-STD-285

MIL-STD-285는 에서 까지의 주파수 영역에서 전자기 차폐 합체100 kHz 10 GHz

의 차폐효과를 측정하는 방법을 제시하고 있다 자세한 측정 방법이나 절차 등은.

문헌에서 얻을 수 있으며 측정 방법의 기본 원리는 그림 과 같다 송 수신용5.16 . ,

으로 두 개의 안테나가 사용되며 차폐벽이 있을 때와 없을 때 두 가지 경우의 값을

이용하여 차폐효과를 계산한다 측정하는 양들은 다음과 같다. .

저임피던스 자기장 차폐 인치 직경의 루프 송신 및 수신 안: 150~200 kHz. 12①

테나를 차폐벽으로부터 인치 떨어진 곳에 벽에 수직하게 놓는다12 .

고임피던스 전기장 차폐 막대 송신 및 수신: 200 kHz, 1 MHz, 18 MHz. 41 in②

안테나를 차폐벽으로부터 떨어진 곳에 벽에 평행하게 놓는다12 in .

평면파 차폐 전기 쌍극자의 송신 및 수신 안테나를 차폐벽에 평행하: 400 MHz.③

게 놓는다 송신 안테나의 거리는 보다 크게하며 수신 안테나는 함체 내부의 임. 2 ,λ

의의 위치에 놓으며 반사 효과를 최소화하기 위해서 최대 검침을 할 수 있도록 방,

향을 잡는다 또한 용량성 결합을 피하기 위한 최소 거리는 인치이다. 2 .

그림 의 차폐 효과 측정 방법의 원리5.16 MIL-STD-285

- 178 -

동축선 측정 치구를 이용한 방법5.4.2

이 방법은 그림 과 같이 미국 국립 표준과학기술연구원 에서 개발되었으5.17 (NIST)

며 원거리장의 전자파 차폐효과를 측정하는데 사용되고 의 규격, , ASTM:D4935-89

에 측정 치구로 채택되어 있다 이 측정 치구는 신뢰도가 높고 비교적 재현성이 좋. ,

은 실험 결과를 얻을 수 있으므로 재료의 원역장 차폐 특성을 측정하는 기준 측정

치구로 사용되고 있다.

두 개의 큰 동축 플랜지 사이에 디스크형의 시편을 놓고 전자파를 입사시키(flange)

면 시편을 통한 용량성 결합으로 모드의 신호를 전파시키게 된다 먼저 기준TEM .

시편을사용하여 기준 레벨을 측정하고 다시 디스크형의 시편을 측정 치구 사이에,

끼운 다음 수신되는 전력을 측정하고 나면 두 값의 차로부터 재료의 전자파 차폐

효과를 얻을 수 있다.

그림 동축선 측정 치구 기준시편과 매질시편5.17 (a) (b)

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이때 양쪽 부분의 치구는 시편을 통해 용량성 결합을 해야하므로 나이론 스크류를

사용하여 양쪽 플랜지를 결합하게 된다 이러한 나이론 스크류는 금속 스크류와는.

다르게 접촉 임피던스의 섭동을 시편과 병렬이 되게 유지시켜 준다.

이러한 측정 치구를 사용할 때의 측정 주파수 대역은 에서 정도인1 MHz 1.8 GHz

데 주파수 하한은 측정 기기의 주파수 한계에 의해 결정되며 주파수 상한은 치구, ,

의 물리적 크기에 의한 공진 주파수에 의해 결정된다.

이중 셀을 이용한 방법5.4.3 TEM

시스템내 전자파장해와 양립성을 고려하기 위해서는 특히 근역장에서 매질의 차폐

성능을 측정하는 것이 중요하다 이러한 경우. 이중 셀TEM 을 이용하여 전기장 차

폐와 자기장 차폐에 대한 차폐효과를 측정할 수 있다 이중 셀의 구조는 그림. TEM

과 같으며 하나의 셀이 공통 벽에 있는 개구부를 통하여 또다른 셀5.18 TEM TEM

을 구동한다 수신 셀에 있는 두 개의 출력단에서 출력 신호를 더하고 빼는 방법을.

이용하여 측정하고자 하는 매질을 통한 수직성분의 전계와 접선성분의 자계의 결합

이 하이브리드 접합 올 통해서 따로 동시에 구해진다 전기장과 자(hybrid junction) .

기장에 대한 매질의 차폐효과는 합과 차 신호에 대한 삽입 손실 수(insertion loss)

식으로부터 각각 다음과 같이 나타내어진다.

여기서 ɑe는 개구부에 수직한 방향으로의 전기 편파도 이고(electric polarizability) ,

ɑm은 개구부에 평행하고 셀에서 전파 방향에 수직한 방향으로의 자기 편파도TEM

이다.

- 180 -

그림 이중 셀의 구조5.18 TEM

그림 시간 영역 차폐 효과 측정 시스템5.19

- 181 -

시간 영역 방법5.4.4

동축선 측정 치구와 이중 셀을 이용하여 원역장에서 차폐효과를 측정하는 데TEM

에는 많은 제한이 있다 동축선 측정 치구는 고조파 모드 때문에 정확한 모드. TEM

를 얻을 수 없다 따라서 주파수에 제한이 있으며 또한 이중 셀도 고조파 모. , TEM

드 때문에 특히 공진이 일어날 때 주파수에 제한이 있다 는 고주파수에서 평. NIST

면파 차폐효과를 측정하기 위해서 시간 영역 방법을 이용하였다 측정 시스템은 그.

림 와 같으며 이 방법에서 측정 매질은 커다란 박판이거나 커다란 도체 벽이5.19 ,

나 차폐 합체의 개구부를 덮는 작은 박판 시편이다 송신 안테나로부터 짧은 펄스.

가 송신되어 측정 매질이 없을 경우와 있을 경우에 수신 안테나의 개구부를 통해

바로 들어오는 신호가 측정된다 이를 이용하여 측정 매질의 투과 계수 를 구할. T

수 있다 이때 차폐효과는 다음과 같다. .

이 방법에서 수신 안테나에 도착하는 원하지 않는 경로를 통한 신호들은 일반적으

로 직접 경로를 통한 신호보다 늦게 도착하므로 시간축상에서 분리시켜 제거한다.

이는 측정 매질이 마치 무한히 확장된 경우와 같다 시간 영역 데이터들은 퓨리에.

변환을 이용하여 주파수 영역 데이터로 변환된다 안테나들은 원역장 조건을 만족.

하기 위해서 측정 매질로 부터 λ/2π 만큼 떨어져 위치한다 또한 이러한 측정 방.

법의 주파수 상한은 신호의 펄스폭을 줄임으로써 크게 할 수 있다.

- 182 -

참 고 문 헌

(1) R. B. Schulz, V. C. Plantz, and D. R. Brush, "Shielding theory and

practice," IEEE Trans EMC, Vol. EMC-30, pp. 187-201, Aug. 1988.

(2) H. W. Denny, L. D. Holland, S. Robinette, and J. A. Woody, "Grounding,

Bonding and Shielding Practices and Procedures for Electronic Equipments

and Facilities," Vol. 1, NTIS Report, AD- A022 332, 1975.

(3) M. T. Ma and M. Kanda, "Electromagnetic Compatibility and Interference

Metrology," NBS Report No. NBS/TN-1099, July 1986.

(4) A. R. Ondrejka and J. W. Adams, "Shielding effedtiveness measurement

techniques," in Proc. IEEE International Symp. EMC, pp. 249-53, Apr. 1984.

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제 장 누화와 케이블링6

모든 문제들은 장해의 원인이 되는 방해원 장해를 받는 시스템 그리고 결합EMI , ,

경로로 구성된다 이러한 시스템들에는 케이블 전류 루프 같은 것들이 포함. , PCB,

된다 다중 케이블로 이루어진 전송선 설비 내에서 한 케이블과 다른 케이블 사이.

의 에너지 전달은 그들이 서로 가까이 위치하여 자기장 결합을 이루기 때문이다.

자기장 결합은 한 전선에 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속이 다른 전선과 그 전

선의 전류 귀환 경로가 형성하는 루프를 통과하는 자속 결합으로 발생한다 이러한.

결합을 유도성 결합이라 한다 전선 사이의 에너지 전달은 케이블 설비 내에서 전.

선간의 용량성 리액턴스로 인한 전기적인 결합으로 발생한다 하나의 전송선으로부.

터 다른 전송선으로의 상호 전자기 결합 또는 전자기적 에너지의 전달을 이유로,

발생하는 요구하지 않는 신호의 방해 현상을 누화(crosstalk) 라 한다 서로 근접한.

도체와 케이블간의 누화는 그림 에 나타난 바와 같이 상호 커패시턴스를 통한6.1

전기장 결합과 상호 인덕턴스를 통한 자기장 결합으로 나눌 수 있다 누화 현상은.

근거리에서의 전자기장 결합 문제 로 안테나 결합 현(near-field coupling problem)

상과는 구별된다 케이블이나 전류 루프와 같은 것들에 의한 복사 방출은 시. PCB,

스템 내에서 문제를 일으킬 뿐만 아니라 다른 시스템에도 문제를 야기한EMI EMI

다 본 장에서는 이러한 복사 방출을 줄이기 위한 케이블링 에 대해서 설명. (cabling)

한다.

그림 용량성 누화와 유도성 누화6.1

- 184 -

전송선 방정식6.1

그림 에는 세 개의 도체로 구성된 전송선을 보여주고 있다 전원 전압6.2 . VS(t 가)

전원 저항 RS를 통해 구동 라인에 연결되어 있으며 수신 선로 누화 선로 는 양쪽, ( )

끝이 각각 근단 에(near end) RNE, 원단 에(far end) RFE로 종단되어 있다 각 선로는.

z 축에 평행하며 길이 방향으로 균일한 단면적을 가진다 누화에 의해 발생하는 수, .

신 선로의 IR(z, t 와) VR(z, t 는 각각의 종단에) VNE(t), VFE(t 를 발생시킨다 그림) .

로부터 전송선 방정식을 구해보면6.2(b) ,

과 같다 이들 연립 편미분방정식은 행렬의 형태로 다음과 같이 간략히 표현할 수.

있다.

- 185 -

여기서,

그림 세 개의 도체로 구성된 전송선 전파 모드의 단위 길이당6.2 (a) , (b) TEM

파라미터로 구성된 등가 회로

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이며 단위 길이당 파라미터들을 행렬형태로 나타내면 다음과 같다, .

용량성 누화6.2

전류 루프는 언제나 거기서 발생하는 전자기장과 연관되어 있다 이러한 필드 성분.

중에서 전기적 성분만을 우선 살펴보도록 한다 전류 루프가 전기장에 의해서만 결.

합이 되어 있을 때를 용량성 누화(capacitive crosstalk) 또는 용량성 결합이라고 한

다 그림 은 두 전류 루프가 전류의 귀환 경로를 공통으로 쓰고 있는 넓은 도체. 6.3

판을 같이 나타내고 있다 도체판 접지판 이 무시할 수 있을 정도의 낮은 임피던스. ( )

를 갖는다고 할 때 그림 는 두 도선 사이의 정전 결합을 간략화한 등가모델, 6.3(b)

이며 전원은 루프 에만 있다고 가정한다 그림에서, 1 . C12는 선로 과 선로 사이의1 2

부유용량(stray capacitance), C1r 은 선로 과 접지 사이1 , C2r은 선로 와 접지사이2

의 용량을 나타내고, rg2와 rL2는 선로 와 접지 사이의 전원쪽과 부하쪽 저항을 의2

미한다 그림 에 있는 모든 저항값이 같다. 6.3 ( rg2 = rL2 = R 고 가정하고) , C1r=

C2r= Cr라 놓으면 선로 에 나타나는 누화 전압, 1 Uu와 전원ㆍ Ug1의 관계는 저주파

모델에서

- 187 -

그림 전기적 결합을 갖는 두 개의 평행한 전류 루프 루프간 용량성6.3 (a) (b)

누화와 관련된 등가 회로 저주파 근사 모델( )

- 188 -

그림 도선의 위치에 따른 정전결합6.4

그림 정전 결합된 잡음전압의 주파수 응답6.5

- 189 -

같이 쓸 수 있다 식 는 저주파 영역에서 누화 전압이 주파수에 비례하여 증가. (6.5)

함을 보여준다. ⨍= 1/[2 Rπ (Cr+ Cl2 로 결정되는 주파수 이상이 되면 식 내)] (6.5)

분모의 나머지 항이 커지게 되어 저주파 모델로 근사한 누화값이 더 이상 유효하지

않게 된다.

루프 의 전원 전압과 주파수가 고정되어 있다고 가정하면 용량성 결합을 줄이기1

위해서 변화시킬 수 있는 파라미터는 두 가지가 있다 용량. C12를 낮추거나 수신회

로를 구성하고 있는 루프 가 작은 저항값을 가지도록 하는 것이다 차폐 또는 두2 .

도선을 격리시키는 등의 방법으로 용량성 결합을 줄일 수 있다 루프 의 수신회로. 2

가 가지는 저항값은 전송선에서 발생하는 손실도 그 한가지 원인이 된다 전류 흐.

름이 도선 단면적의 외곽 일부분에 한정되는 표피 효과(skin effect)에 의하여 두

개의 도체가 가까울수록 도체의 교류 저항을 증가시킨다 그리고 두 도선을 멀리.

떨어뜨리면 Cl2는 감소하고 따라서 루프 의 용량성 결합이 감소하게 된다 용량성2 .

결합의 경우에 도선의 위치에 따른 영향을 그림 와 그림 에 나타내었다6.4 6.5 .

결론적으로 용량성 누화는 고주파 대역통과 필터의 특성을 가지며, , Cl2와 Ug1이 주

어졌을 때 누화는, R에 따라 또는 회로 임피던스의 증가에 따라 증가하게 된다, .

rg2와 rL2에 나타나는 불필요한 누화 전압은 크기와 위상이 동일하다 용량성 누화를.

시간 영역에서 보면 식 에서의, (6.5) jω는 dUg1/dt에서 나왔음을 알 수 있다 따라.

서 디지털 회로에서는 전원신호의 미분치가 누화성분으로서 심각한 영향을 미치게

된다.

유도성 누화6.3

용량성 누화가 전자기장의 전기장 성분에 의해서 발생된다면 전자기장의 자기장,

성분은 유도성 누화를 발생시킨다 기본적인 모델은 그림 에서 도체판의 임피. 6.3(a)

던스를 무시할 정도로 작다고 가정할 경우 그림 과 같이 그릴 수 있다 폐루프, 6.6 .

에 전류(closed loop) I가 흐를 경우 식 과 같이 전류의 크기에 비례하는 자, (6.6)

속 φ가 생성된다.

- 190 -

윗식에서 비례상수를 인덕턴스 L이라고 한다 루프 과 루프 의 인덕턴스. 1 2

를 각각(self-inductance) L1과 L2라고 정의하고 상호 인덕턴스, M은 자기장 결합을

표시하며, I1이 루프 에 자속2 φ21를 유도하고 I2가 루프 에 자속1 φ12를 유도할 경

우 상호 인덕턴스, M은,

로 쓸 수 있다 상호 인덕턴스. M은 루프의 모양과 상대적 위치에 따라 다르다 루.

프 이 루프 에 유기하는 누화 전압1 2 U21은

로 쓸 수 있다. Hn(I1 은) I1에 의해 발생한 자기장 중에서 루프 가 이루는 면적2 S2

를 지나면서 적분 단위 dS에 수직한 성분을 나타낸다 면적분은 루프 가 경계선을. 2

이루는 닫힌 면적 S2에서 수행한다 수식을 간략히 하기 위해서 모든 저항을 로. R

같게 두면 루프 내의 전원 전압, 1 Ug1이 루프 의 저항에 발생시키는 불필요한 전2

압 Uu는 저주파에서 다음과 같이 나타내어 진다.

- 191 -

유도성 누화는 고대역 통과 필터의 특성을 보인다. M과 Ug1이 주어졌을 때 유도성,

누화는 R 이 감소할수록 또는 시스템 임피던스가 감소할수록 증가하며, , Rg2 와. RL2

에 발생하는 누화 전압은 서로 크기가 같고 반대 위상을 가진다 시간영역에서 보.

면 누화를 발생시키는 것은 전류의 시간 변화( dI/d 이다 이것으로 디지털 회로에t) .

서 전류의 빠른 변화를 요구하는 소자가 심각한 누화를 발생시킴을 알 수 있다.

그림 두 개의 평행한 루프 사이의 유도성 누화를 상호 인덕턴스 모델로 표현한6.6

등가 회로 저주파 근사( )

복합적인 누화6.4

용량성 누화와 유도성 누화가 복합적으로 발생하는 경우를 복합적인 누화라고 하는

데 두개의 평행한 라인이 도체판 위에 각각의 전류 루프를 이루고 있는 그림, 6.7

과 같은 실험 장치가 있다고 할 때 루프 에 정합 회로를 통해 연결된 전원이, 1 50

구형파를 발생하고 있으며 루프 의 다른 한 끝은 임의 저항kHz 1 RL로 종단되어

있다 누화를 받는 루프 에서 신호를 발생하고 있는 전원과 가까운 근단과 전원. 2 ,

으로부터 먼 원단에 각각 프로브를 연결해 오실로스코프로 시간영역에서 누화 전,

압의 파형을 관찰하고 있다.

- 192 -

RL이 그리고 루프의 특성 임피던스, 0∞ Z0로 연결된 상태에서 누화전압을 관찰

해보면 먼저, , RL이 인 경우 루프 에는 전압 변화만 있으며 루프 에서는 용량, 1 , 2∞

성 누화만이 관찰된다 용량성 누화 신호는 앞에서 언급한 것처럼 크기와 위상이.

같은 전원전압의 미분치 dU/dt 에 의한 스파이크 형태의 전압으로 그림 와6.8(a)

같이 Xn과 X⨍ 에 나타난다.

그림 두 개의 평행한 루프에서의 누화 측정을 위한 실험 장치6.7

그림 는 루프 이 단락된 경우 즉6.8(b) 1 , RL 인 경우의 누화 전압을 나타내고 있=0

다.

루프 에는 전류만 존재하고 있는 것으로 볼 수 있으며 루프 에는 유도성 누화만1 , 2

나타난다. dI/dt에 비례하는 스파이크 형태의 유도성 누화는 X⨍와 Xn에 크기는 같

지만 위상이 정반대로 루프 에 나타난다 루프 을 특성 임피던스로 종단할 경우2 . l

(RL = Z0 누화 전압에는 용량성 누화와 유도성 누화가 동시에 나타난다 그림), (

두 개의 루프를 모두 특성 임피던스로 종단할 경우 전체 누화는 원단에서6.8(c)). ,

는 용량성 누화와 유도성 누화에 의한 전류가 서로 정반대의 위상을 가져 서로 상

쇄되어 거의 사라지지만 근단에는 여전히 많은 양의 누화가 존재하고 있음을 알 수

있다 그림 이러한 현상을 때로( 6.8). 근단 누화 (near-end crosstalk)라 부른다.

- 193 -

원단에서 누화 전압 Uu⨍는 그림 과 그림 로부터 저주파 근사로6.3 6.6

그림 오실로스코프로 관측한 누화 파형 위쪽 파형이6.8 ( X⨍ 아래 쪽 파형이, Xn을

나타낸다.)

- 194 -

로 쓸 수 있으며(Z20=L/Cr 식 로부터), (6.10) Uu⨍가 이 되기 위해서는0 RL= Z0일

때,

가 되어야 한다 루프 근단의. 2 Z0에 걸리는 누화 전압 Uun은 식 에서 부호6.10 -

를 로 바꾸어 주면 된다+ .

그림 과 같은 상황에서6.7 RL>Z0일 때는 용량성 누화가 지배적이고 그림( 6.8(a)),

RL<Z0일 때는 대부분 유도성 누화가 발생한다 그림( 6.8(a)). X⨍와 Xn의 위상관계로

어느 형태의 누화가 지배적으로 발생하고 있는지를 가늠할 수 있다 근단 누화 현.

상 그림 은 디지털 시스템에서 수신기와 구동 회로가 리본 케이블의 같은 쪽( 6.8(a))

에 위치하고 있을 경우 특히 케이블의 양쪽 끝을 특성 임피던스로 종단하고자 할,

경우에 수신기에 심각한 영향을 미친다.

- 195 -

누화의 저감 방법6.5

용량성 누화의 저감 방법6.5.1

누화 커패시턴스로 불필요한 에너지의 전달을 감소시킬 수 있는 방법은 도체 스크

린을 사용하는 것이다 그림 의 루프 의 도체 라인을 전도성이 아주 우수한 도. 6.3 1

체 스크린으로 감쌀 경우, 차폐선(shielded wire)이라 하며 등가회로는 그림 과6.11

같이 나타난다 그림 에서 전원을 포함한 루프 과 누화 전압을 받는 수신 루프. 6.9 1

사이의 커패시턴스2 C12와 루프 의 자기 커패시턴스2 C2r이 보이지 않는 것을 알

수 있다 도체 스크린에 의해 이러한 커패시턴스들이 효과적으로 사라짐으로서 수.

신 회로 루프 로 이어지는 용량성 결합이 제거된다2 . C1s는 루프 의 라인과 스크1

린사이의 커패시턴스이고, C2s는 루프 의 라인과 스크린 사이2 , Csr 은 스크린과 기

준전위면 사이의 커패시턴스를 나타낸다 용량성 결합으로 인해 루프 에 나타나는. 2

불요 전압 Uμ는 그림 로부터6.9

- 196 -

그림 도체 스크린을 이용한 누화의 감소 도체 스크린으로 둘러싼6.9 (a)

그림 의 둥가회로 도체 스크린을 기준전위면에 연결하기 위한 스위치6.3(a) (b)

Sk를포함한 간략화한 회로

부터 쓸 수 있으며 충분히 낮은 주파수에서,

- 197 -

로 근사할 수 있다 식 는 스크린이 없는 두 개의 루프 사이의 용량성 결합과. 6.13

같은 형태이며 대개의 경우, , C2s≫C1s,Csr이므로 도체 스크린의 영향은 크지 않다.

하지만 그림 의 스위치를 닫아서 도체 스크린이 접지할 경우 용량성 결합은, 6.9(b)

제거된다 스위치는 매우 낮은 임피던스를 갖는 연결선을 사용해야 하며 도선의 길. ,

이가 매우 긴 경우 도체 스크린은 간격으로 여러 지점에서 접지가 되어야하, /10λ

며 이러한 스크린과 기준전위 사이의 연결선에 흐르는 전류가 누화를 발생하는 루,

프를 그리지 않도록 주의해야 한다 상의 라인들은 한 개만 분리해서 스크린. PCB

하기 힘들기 때문에 누화를 발생하는 라인사이에 부가적으로 여분의 라인을 배치시

켜 한쪽 끝을 기준전위와 연결시켜 줌으로서 누화를 감소시킬 수 있다 이렇게 하.

면 누화를 일으키는 두 신호선 사이의 거리가 멀어짐과 동시에 스크린을 도입하는

것과 같은 효과를 볼 수 있다.

그림 처럼 동축선의 바깥 도체를 차폐 박스에 피그테일 연결하는 경우6.10 (pigtail)

가 흔히 있다 이러한 피그테일 연결은 차폐 전류가 차폐 도체의 한쪽에 집중되는.

현상으로 차폐의 효과를 감소시킬 수 있다 전기적으로 짧은 피그테일은 저주파에.

서 직접 방사하지 않지만 동축선 외부에 전류를 여기해서 누설이나 누화의 원, RF

인이 된다 반면 고주파에서는 피그테일이 직접 누설의 원인이 된다 또한 피그. RF .

테일의 자체 인덕턴스는 차폐와 접지된 캐비넷 사이의 커패시턴스와 공진을 일으킬

수도 있다 공진시 누화 전압의 대부분은 차폐에 나타나며 차폐 효과를 감소시킬. ,

수 있다.

- 198 -

그림 동축선으로의 피그테일 연결6.10

유도성 누화의 저감 방법6.5.2

앞 절에서 유도성 누화는 상호 인덕턴스 M에 비례함을 보였다 따라서 가능한 한. ,

M을 낮추는 것이 유도성 누화를 감소시키는 방법이며 두 루프사이의 상호 인덕턴,

스는 루프의 면적이 작을수록 둘 사이의 거리가 멀어질수록 감소한다.

M 값을 줄이기 위해서는 수신 루프를 통과하는 H 의 수직한 성분을 줄이는 것과

동시에 수신 루프의 면적을 줄여야 한다 시스템간의 자기적 결합은 루프의 방향을.

적절히 선택함으로서 줄일 수 있으며 루프 에 유기 되는 전압은 라인을 꼬아 줌, 2

으로써 상당히 줄일 수 있다 이렇게 차폐 없이 꼬아준 라인을. 꼬임선(UTP)이라고

하며 루프 를 꼬임선으로 바꾸면 유도성 결합을 줄일 수 있다 그림 에 보인, 2 . 6.11

것처럼 꼬인 부분에 유기되는 전압이 서로 반대 위상으로 이웃하고 있으므로 전체

유기 전압은 효과적으로 줄어든다 꼬임은 용량성 결합에는 영향을 주지 않는다 실. .

제 꼬임선에서 유도성 누화의 감소는 꼬임이 완전히 대칭적이 되지 않거나 그림

에서 빗금 친 영역처럼 종단 가까이에 꼬임이 풀려 있는 곳이 있으므로 그 한6.11

계가 있다.

- 199 -

그림 꼬임선 화살표는 전류의 방향을 표시하고 있다6.11 (twisted pair). .

간단한 모양의 회로로부터 의 전자기장6.6

적절한 방법으로 문제를 해결하기 위해서는 전기 회로에서 복사되는 전자기장EMI

을 계산하는 것이 중요하다 불행히도 각종의 전자 장비나 기기에서 복사되는 전자.

기장을 정확하게 계산하는 것은 불가능하다 그러나 만일 과감한 단순화를 받아드.

릴 수 있다면 간단한 수식을 통해서 대략적인 전자기장의 크기를 알 수 있다 여기.

서는 기본이 되는 두 가지 구조에 대해서 알아본다.

폐회로로부터의 복사6.6.1

그림 에서처럼 전류 가 흐르는 작은 폐회로에서 복사되는 전자기장은 다음과6.12 I

같은 식으로 표현된다 회로 상에서 전류 는 균일하고 회로의 크기는 파장의 크기. I

에 비해 충분히 작으며 또한 관찰점까지의 거리 에 비해서도 충분히 작다고 가정R

한다.

- 200 -

그림 작은 자기 루프로부터의 복사6.12

여기서 는 회로의 면적이고S , λ는 파장이며, Z0는 자유공간에서의 임피던스이다.

이 결과를 잘 살펴보면 θ 에서=0 Eφ와 Hθ는 이 되고0 Hr만 최대치를 가진다는 사실

을 알 수 있다 이. Hr은 R-2와 R-3의 항으로 이루어져 있으므로 거리가 증가함에 따

라 빨리 소멸되는 부분이므로 고려대상에서 제외시킨다 또한. Er항이 없다는 점도

주목할 필요가 있다 반면. 에서는 Hr은 이 되고0 , Eφ와 Hθ가 최대치를 가진

다 따라서 이제부터는 최악의 경우인. 에 대해서만 고려하기로 한다 식.

를 잘 살펴보면 근역장과 원역장의 두 영역으로 나눌 수 있음을 알 수 있다(6.14) .

- 201 -

근거리에서의 전자기장1)

식 와 식 에서 제곱근호 안의 고차항이 가장 큰 값이므로 고차항만(6.14a) (6.14b)

고려하면 다음과 같다.

여기서 주목할 사실은 H는 주파수와 무관하다는 점이다 즉 의 전류에서도 복. , DC

사가 일어난다는 것이다 그리고 거리의 세제곱에 비례해서 크기가 감소한다는 것.

도 알 수 있다 반면 는 주파수가 증가함에 따라 크기가 증가하며 거리의 제곱에. E

비례해서 감소한다 공통적으로 전류의 크기와 폐회로의 크기에 비례해서 복사되는.

전자기장의 크기도 증가함을 알 수 있다 와 의E H 는 파동 임피던스라 부르며

근역장에서의 파동 임피던스는 다음과 같다 거리와 주파수가 증가함에 따라 파동.

임피던스가 증가함을 알 수 있다.

원거리에서의 전자기장2)

이 경우 제곱근호 안에서 다른 항들은 에 비해 무시할 수 있으므로 만 그대로 두1 1

고 다른 항들을 무시하면 다음과 같은 전자기장과 파동 임피던스를 얻을 수 있다.

와 모두 거리 에 비례해서 감소하며 주파수의 제곱에 비례해서 증가한다는 사E H R

실을 알 수 있다.

- 202 -

그림 이상적인 루프로부터의 전자장6.13

직선 도선으로부터의 복사6.6.2

전자기장을 복사시키는 또 다른 간단한 구조로 직선 도선이 있다 사실 대부분의.

이동통신용 안테나는 이런 종류의 직선 도선 안테나이다 폐회로와 한가지 다른 점.

은 전류는 전자장을 복사시킬 수 없다는 점이다 그림은 전류 가 흐르는 작은DC . I

직선 도선을 나타내고 있다 여기에서도 전류 는 균일하고 도선의 길이는 파장에. I

비해 충분히 작으며 관찰점까지의 거리에 비해서도 충분히 짧다고 가정한다 이 때.

복사되는 전자기장은 다음 식으로 표현할 수 있다.

- 203 -

그림 짧은 직선 도선으로부터의 전자장6.14

여기서 l은 도선의 길이이다.

폐회로와 비슷하게 θ 에서=0 Eθ와 H¢는 이고0 Er만 최대치를 가지는데 이 값이 거

리의 제곱 또는 세제곱에 비례하여 감소하므로 고려대상에서 제외한다 그리고.

에서 Eθ와 H¢는 최대치를 가지게 되고 앞으로는 최악의 경우인 이 값만을 고

려하기로 한다 사실. θ 에서 오차가 이내이다 폐회로에서와 마찬가지=90°±25° 10% .

로 영역을 나누어 살펴보자.

- 204 -

근거리에서의 전자기장1)

폐회로의 경우와 마찬가지로 고차항이 가장 큰 값을 가지므로 고차항만 고려하면

다음과 같다 여기서도. H는 주파수와 무관하게 일정한 값을 가진다 이것은 잘 알.

려진 의 법칙과 같은 결과이다 그리고Biot-Savart . H는 거리의 제곱에 비례해서 E

는 거리의 세제곱에 비례해서 크기가 감소함을 알 수 있다 또한. E는 주파수가 증

가함에 따라 감소하므로 파동 임피던스는 거리나 주파수가 증가함에 따라 감소하게

된다.

원거리에서의 전자기장2)

고차항들은 무시되므로 전자기장에 대한 다음과 같은 식을 얻을 수 있다. E와 H

모두 거리에 비례해서 크기가 감소하고 주파수에 비례해서 증가함을 알 수 있다.

- 205 -

차동모드 복사6.6.3

실제로 주변의 전기 기기에서 찾아볼 수 있는 가장 간단한 복사구조는 폐회로 구조

로써 크기는 파장에 비해 충분히 작고 관찰점까지의 거리에 비해서도 작은 차동모,

드 복사체이다 이러한 구조는 그림 에 보인 바와 같이 에 형성되는 도선. 6.15 PCB

에 의한 폐회로 구조와 리본 케이블의 신호와 회귀경로에 의해 형성되는 폐회로 등

에서 쉽게 볼 수 있다 이러한 복사체는 디지털 또는 아날로그 신호 스위칭 트랜지. ,

스터 또는 스파크 등에 의해 여기될 수 있다, .

그림 차동 모드 복사체에 대한 몇 가지 전형적인 예6.15

공통모드 복사6.6.4

대체로 두 시스템간에 신호를 주고받을 필요가 있을 경우 케이블을 이용한다 이러.

한 케이블은 각 시스템의 물리적 크기보다는 상대적으로 길어서 또 다른 시스템에

주요한 간섭 요인으로 작용할 수 있다 차동모드에 의한 복사는 앞서 언급한 바와.

같지만 이외에도 예기치 못한 경로로 전류가 돌게 되는 것에 의해 복사가 일어난

다 이 경로는 바로 접지루프 이다. (ground loop) .

이 접지루프 공통모드 전류는 일반적으로 공통모드 회귀경로를 없앨 수가 없기 때

문이다 이런 외부 케이블에 의한 공통모드 복사 현상은 컴퓨터나 고주파 소자의.

간섭 등에서 쉽게 간과될 수 있다.

- 206 -

그림 은 피할 수 없는 공통모드 전류 생성의 하나의 간단한 예를 든 것으로 하6.16

나의 시스템에서 다른 하나의 시스템으로 신호를 전달하는 경우를 간략하게 나타낸

것이다 그림에서 은 신호를 받는 측에서의 부하저항을 나타내고. R , i2는 희귀경로이

고 i3는 접지경로이다 그리고 각 시스템의 회귀경로의 끝단은 새시와 연결되어 있.

거나 에 의해 결합되어 있음을 나타낸다 따라서 그림에서 보듯이Cp . i2의 경로를

통해 모든 전류가 되돌아 와야겠지만 i3의 경로로도 전류가 흐르게 된다 그래서. S

를 줄여 루프를 작게 하더라도 접지경로에 의해 큰 루프를 형성하게되어 다른 시스

템에 지대한 영향을 주게 된다.

그림 접지 루프로의 공통 모드 전류 유입에 대한 개념도6.16

사이의 케이블링6.7 PCB

와 사이의 연결은 주로 리본 케이블에 의해 이루어진다 리본 케이블을 사PCB PCB .

용하는 주 이유는 비용과 종단에 관련되어 있다 값싼 다중 종단을 할 수 있는 것.

이 리본 케이블의 큰 이점이기 때문이다 리본 케이블의 또 하나의 이점은 케이블.

내에서 도선의 위치와 방향이 고정되어 있다는 것이다 리본 케이블과 관련한 큰.

문제는 각각의 도선이 신호선과 접지선에 어떻게 연관되어 있는가에 따라 결정될

수 있다.

- 207 -

그림 리본 케이블의 형태 단일 접지 형태 형태 형태6.17 : (a) (b)GS (c)GSSG

접지판위의 신호선(d)

그림 는 리본 케이블이 한 개의 접지선을 가지고 다른 모든 선들은 신호선6.17(a)

으로 사용한 경우이다 이러한 형태는 필요한 도체의 개수를 줄일 수 있는 장점이.

있지만 신호선과 접지선 사이의 아주 큰 루프를 형성하는 단점이 있다 이러한 큰, .

루프는 복사 문제와 자기 전류 유도의 문제로 이어진다 또 하나의 문제는 모든 신.

호선들이 같은 접지선을 사용함으로서 생기는 공통모드 복사문제이다 또한 각 도. ,

체선들 사이에는 용량성 및 유도성 누화들이 발생하는 문제점도 있다 이러한 문제.

점들이 단일접지 형태의 리본 케이블 사용을 제한하는 것처럼 보이지만 접지선을,

케이블의 중간에 위치시켜 쓰이기도 한다 그림 는 각 도체가 하나씩의 접. 6.17(b)

지선을 가지기 때문에 루프의 면적은 줄어들고 공통모드 복사문제가 없으며 누화, ,

도 상당량 줄어든다 그림 의 형태는 그림 의 형태 보다 도체선을 줄. 6.17(c) 6.17(b)

일 수 있으며 각각의 도선은 접지선과 인접해 있기 때문에 루프의 면적은 줄어들,

었지만 두 개의 도선이 하나의 접지선을 공유하기 때문에 공통모드 복사문제는 여,

전히 남아있다 그림 에 보인 넓은 도체판을 사용한 형태의 리본 케이블도. 6.17(d)

사용 가능하다 이 경우 루프의 면적은 도선과 그 아래의 접지면 사이의 거리로 결.

정된다 이 거리는 도선사이의 거리보다는 가까우므로 루프의 면적은 그림. 6.17(b)

의 경우보다는 작다 하지만 넓은 도체판을 모두 덮을 수 있는 종단이 필요한 어려.

움이 있다.

- 208 -

평형 연결6.8

직렬 통신 방법의 하나인 에서와 같이 송수신 선로는 하나씩만 사용하고 공RS232

통의 회귀 선로를 사용하는 불평형 연결에 비해 평형 연결은 각각의 신호선로가 각

각의 회귀선로를 사용한다는 장점이 있다 복사 방출이 전혀 없는 선로를 구성하는.

것이 최종 목표이지만 평형선로도 복사 방출을 완전히 없애지는 못하고 단지 줄일

뿐이다.

진정한 의미의 평형선로는 그립 에서와 같이 접지에 대해 같은 크기의 플러6.18(b)

스 마이너스 신호가 각각의 선로를 통해 전송되는 구조이다 이런 구조에서는 하나.

의 선로를 통해 나간 전류가 다른 접지 경로를 통하지 않고 다른 하나의 선로를 통

해서만 돌아오기 때문에 공통모드 복사 뿐 아니라 차동모드 복사도 일어나지 않는

다.

그러나 실제로는 공통모드 복사가 존재한다 그것은 신호를 주고받는 송수신단의.

불완전한 대칭성과 두 선로상의 분포된 가 정확히 일치하지 않기 때문이다 또RLC .

진정한 의미의 차동 송수신단은 플러스와 마이너스에 해당하는 두 개의 전원을 필

요로 한다 그러나 실제 구현할 때에는 하나의 전원만을 사용하게 되므로 완전한.

차동 송수신단의 구현은 불가능하다.

그림 의 의사 평형선로는 하나의 선로에 들어간 신호에 대해 반대의 신호를6.18(c)

다른 하나의 선로에 동시에 입력하는 구조이다 이 경우 두 선로의 신호는 하나의.

신호가 내려면 동시에 다른 하나는 올라가게 되어 이론적으로 공통모드 복사가 일

어나지 않게 된다 그러나 두 선로의 신호가 소자나 상의 지연의 차이로 인해. PCB

조금이라도 위상이 틀어져 있으면 선로 상에 짧은 스파크를 유도하여 공통모드 경

로를 통해 복사를 일으키게 된다 따라서 평형선로 방법은 불평형 선로에 비해 복.

사를 줄일 수는 있으나 주파수가 올라감에 따라 지연의 차이로 인해 무시할 수 없

는 복사가 일어날 수 있다.

- 209 -

a) Unbalanced

b) True Balanced (Differential or Bipolar)

c) Pseudo-Balanced (Unipolar Differential)

그림 평형에 따른 선로의 여러 가지 형태6.18

- 210 -

이외에도 선로에서 복사를 줄이기 위해서는 먼저 동축케이블과 같이 차폐를 생각할

수 있다 이 방법은 대개 상당히 만족할만한 결과를 가져다 준다 또 좀 더 저렴한. .

방법으로는 그림 에 나타낸 꼬임선을 생각할 수 있다 이 방법은 작은 루프들6.11 .

이 서로 반대 방향으로 차동전류가 흐르게 함으로써 차동모드 복사를 효과적으로

줄이고 있으나 공통모드 복사에는 별다른 영향을 주지 못한다 또한 페라이트를 선.

로 상에 연결함으로써 원치 않는 신호를 효과적으로 감쇠시키는 방법도 있다 이.

방법은 간섭을 받는 선로 또는 간섭원으로 작용하는 선로에 페라이트를 위치시켜

공통모드 복사를 줄이는 방법이다.

- 211 -

참 고 문 헌

(1) Jasper J. Goedbloed, Electromagnetic Compatibility, Prentice Hall,

Englewood Cliffs, 1992.

(2) V. Prasad Kodali, Engineering Electromagnetic Compatibility, IEEE Press,

New York, 1996

(3) B. Keiser, Principles of Electromagnetic Compatibility, Artech House,

Dedham, Mass., 1979.

(4) Warren L. Stutzman and Gary A. Thiele, 1981, Antenna Theory and

Design, John Wiley & Sons.

(5) C. R. Paul and D. Bush, ‘Radiated EMI from Common-Mode Currents',

Proceedings of the 1987 IEEE EMC Symposium, Piscataway 1987.

(6) R. Heinke, ‘EMC Controlled PCB Design', Proceedings of EMC Expo 1989,

Interference Control Technologies Inc., 1989.

- 212 -

제 장 접지와 본딩7

접지 는 불필요한 잡음을 최소화시키는 가장 기본적인 방법이다 그러므(grounding) .

로 전자파 잡음에 의한 시스템의 오동작을 방지하기 위하여 최적의 접지를 구현하

여야 한다 만약 시스템을 설계할 경우에 처음부터 접지를 충분히 고려하지 않으면. ,

잡음에 의한 치명적인 문제점이 발생할 수 있으며 이를 해결하기 위해서 많은 시,

간과 비용이 소요된다 최적의 접지를 구현하면 불필요한 전자파 간섭과 방출을 억.

제하기 위한 부가적인 보호회로를 사용하지 않고도 시스템을 보호할 수 있다 반면.

에 부적절한 접지는 전자파 간섭과 방출의 근본적인 원인이 된다 이상적인 접지면.

은 전위가 영 이며 접지면은 시스템의 어디에서든지 공통전위의 기준점이 된(zero) ,

다.

본딩 은 접지점과 장비케이스의 연결 장비케이스와 장비케이스의 연결(bonding) , ,

접지점과 접지점을 연결하는 경우 서로 같은 전위로 만들기 위해서 같은 도전율을,

갖는 매질로 연결시키는 것을 말한다 이 때 임피던스 변화를 최소화하므로써. EMI

에 대한 본딩의 효과를 극대화 할 수 있다.

일반적으로 접지는 어떤 시스템을 다른 시스템 혹은 기준 전위가 되는 점에 전기ㆍ

전자 소자를 연결하여 전기적인 전도 경로 를 구현하는 것이다(conduction path) .

반면 본딩은 연결된 금속표면사이에 낮은 임피던스를 갖도록 전도 경로를 실현하는

것이다 그러므로 접지는 회로의 개념이며 본딩은 등전위를 물리적으로 구현한 것. ,

을 말한다.

안전접지와 선호접지7.1

안전접지7.1.1

전자장비의 함체를 접지할 경우에는 안전성이 고려되어야 하므로 안전접지

Z1 개념을 도입하여야 한다 그림 에서 임피던스(safety ground) . 7.1(a) Z1은 전압

V1과 장비함체 사이 임피던스, Z2는 장비함체와 접지면 사이의 부유 임피던스

이다 장비 함체의 전위는 전합분배기로서 동작하는 임피던스(stary impedance) .

- 213 -

장비 함체가 접지된 경우(a) 장비 함체가 접지되지 않은 경우(b)

그림 장비 함체의 안전접지7.1

Z1, Z2에 의해서 결정된다 그러므로 함체전위. V2는

이다 그림 에서 부유 임피던스. 7.1(a) Z1과 Z2는 V1과 함체 함체와 접지면의 공간,

에서 형성되므로 함체 전위는 높은 전위를 갖게 된다 그러나 케이스가 접지되면.

임피던스 Z2가 영이 됨으로 함체 전위는 영 전위가 되어 안전접지를 형성하게 된

다.

그림 같이 합체가 접지 되어 있지 않을 경우에 함체내에서 함체와 입력7.1(b) AC

선 사이에 절연파괴가 발생하면 함체에 최대 전류가 전달된다 이때 어떤 사람이, .

함체에 접촉되면 사람은 대지에 연결되어 있으므로 직접 선로에 연결된 경우와AC

같게 된다 그러나 그림 와 같이 함체가 접지되어 있으면 최대 전류가 접지. 7.1(a) ,

경로 를 통하여 흐르게 되고 입력선로의 퓨즈는 개방되어 함체의(ground path) AC

전압은 영이된다.

- 214 -

그림 결선도7.2 AC 110 V

그림 결선도7.3 AC 220 V

그림 는 전력선 배선구조를 나타내고 있다 부하전류는 퓨즈가 연결7.2 AC 110 V .

된 검정색선을 통하여 흐르고 접지선인 흰색선을 이용하여 귀환되며 아울러 안전, ,

접지를 위해서 접지선을 모든 장비의 함체에 연결하고 녹색선을 접지한다, .

그림 은 결선도를 나타내고 있으며 결선도에 비하여 검7.3 AC 220 V , AC 110 V

정색선을 추가하여 를 얻을 수 있다 만약 만을 사용한다면 흰색선은220 V . 220 V

제거하여도 무방하다.

- 215 -

그림 직렬 단일점 접지7.4

신호접지7.1.2

일반적으로 접지는 회로 및 시스템의 기준전위를 선정하기 위한 것이며 등전위 점,

으로 간주한다 그러나 실제적으로 도선의 고유저항 등 물리적인 요인으로 인하여.

같은 도선에서도 등전위가 되지 않기 때문에 실제적인 접지를 나타낼 수 없다 그.

러므로 신호접지 는 신호원으로 되돌아오는 전류경로가 작은 임피던(signal ground)

스를 갖도록 형성하여야 한다 왜냐하면 등전위는 이상적인 접지개념이고 실질적인. ,

접지개념은 임피던스에 의한 전류 경로를 고려하며 회로의 형태 주파수 접지 크기, ,

등에 따라 다르기 때문이다 신호접지는 크게. 단일점 접지(single point ground),

다중점 접지(multipoint ground), 하이브리드 접지 로 분류한다(hybrid ground) .

단일점 접지1)

단일점 접지는 직렬 접지방법과 병렬 접지방법이 있으며 주로 낮은 주파수 대역에,

서 사용된다 그림 는 직렬 단일점 접지방법을 나타내고 있으며 저항. 7.4 , R1, R2,

R3는 접지 도체의 저항을 나타내며, I1, I2, I3는 각각의 회로의 전류를 나타낸다 점.

에서의 전위는 이다 따라서 단일점 접지의 경우 각 회로의 접지면에서의 전위A, C .

가 서로 다르기 때문에 접지 성능은 나쁘지만 회로 구성이 간편하므로 간단한 회,

로접지에 널리 사용된다.

- 216 -

그림 병렬 단일점 접지7.5

그림 는 병렬접지에 의한 단일점 접지방법을 나타내고 있으며 이 접지방법은7.5 ,

회로의 접지전류가 개별적으로 작용하므로 회로간의 접지전류에 의한 간섭이 없다.

점 에서의 전위는A, B, C

이다 그러므로 각 회로의 접지전위는 회로자체의 임피던스와 접지전류의 함수이므.

로 회로는 서로 독립적으로 동작한다 그러나 대형 시스템에서 많은 접지선을 사용.

하기 때문에 적용에 어려움이 있다.

- 217 -

단일점 접지의 경우에는 높은 주파수에서 접지도체의 유도 성분에 의해서 접지임피

던스가 증가된다 따라서 접지선의 길이가 의 홀수배로 되면 접지선의 임피던스. /4λ

는 매우 크게 되고 아울러 잡음을 방사시키는 안테나로 동작하게 된다 그러므로, .

접지선에 의한 방사와 임피던스를 줄이기 위해서는 접지선의 길이를 이하가0.05λ

되도록 하여야 한다 이러한 이유로 인하여 높은 주파수에서는 단일점 접지방법을.

사용하지 않는다.

다중 점 접지2)

다중점 접지는 높은 주파수 대역에서 이용되고 접지 임피던스를 최소화 할 수 있는

방법으로 주로 디지털 회로에 적용된다 작은 접지 임피던스를 구현하는 방법은 그.

림 에서와 같이 각 회로는 가장 가까운 접지면에 연결하며 이때 회로와 접지면7.6 ,

을 연결하는 접지선의 길이를 되도록 짧게 하여야한다.

대체적으로 이하에서는 단일점 접지 시스템을 사용하며 이상에서는1 MHz ,10 MHz

다중점 접지 시스템을 사용한다 에서 접지선의 길이가 이하이. 1 ~ 10 MHz 0.05λ

면 단일점 접지를 사용하고 반면에 접지선의 길이가 이상이면 다중점 접, , 0.05 ,λ

지를 사용하는 것이 바람직하다.

접지는 공통 임피던스 결합 으로 인하여 많은 문제(common impedance coupling)

점이 발생된다 공통 임피던스 결합은 접지선로의 인덕턴스의 증가로 인하여 높은.

접지 임피던스 큰 접지전류 접지에 연결된 민감한 회로 에 의해, , (sensitive circuit)

서 발생한다.

단일점 접지의 공통 임피던스 결합에 의한 문제점은 결합에 의해서 생성된 전류를

분리하고 이 전류는 다른 도체를 통하여 흐르도록 함으로써 문제점을 해결할 수,

있다 그러나 단일 전류경로와 긴 접지선로 길이는 인덕턴스를 증가시키므로 고주.

파수 회로에서는 사용할 수 없다.

- 218 -

그림 다중 점 접지 시스템7.6

다중점 접지는 작은 접지 임피던스를 구현할 수 있으므로 공통 임피던스 결합에 의

한 문제점을 제거할 수 있다 다중점 접지는 다중 접지 경로를 형성하며 자기장을.

발생시킬 수 있다 이를 해결하기 위해서 접지점을 그리드 모양 혹은 판을 이용하.

여 접지 루프면적을 작게 하여야 한다.

디지털 신호의 구형파 는 저주파수부터 고주파수 성분을 포함하(rectangular wave)

고 있으므로 디지털 회로는 고주파수 회로로써 취급되어야한다 따라서 인쇄 회로.

기판 에 설치한 여러 개의 디지털 논리회로의 접지는 아주 작(printed wiring board)

은 인덕턴스를 갖도록 해야한다 따라서 접지는 아주 작은 접지 임피던스를 갖도록.

연결함으로써 신호전류와 전압원에 대한 최적의 접지루프를 구현할 수 있다, .

하아브리드 접지3)

하이브리드 접지는 여러 가지의 주파수가 동시에 사용되는 시스템에서 적용되며 단

일점 접지와 다중점 접지를 조합하여 구현된다 그림 은 대표적인 하이브리드. 7.7

접지를 나타내고 있다 그림 의 경우 콘덴서가 개방되어 낮은 주파수에서는. 7.7(a)

단일점 접지 방식으로 동작하며 높은 주파수에서는 다중점 접지 방식으로 동작하,

며 실제적으로 케이블 접지에 적용된다, .

반면에 그림 의 경우에는 낮은 주파수에서 다중점 접지 방식으로 동작하며7.7(b) ,

높은 주파수에서 단일점 접지 방식으로 동작한다 다수 장비함체의 안전접지를 위.

해서 전력선을 접지선에 연결할 때 사용하는 방법이다.

- 219 -

하이브리드 접지 방식(a) #1 하이브리드 접지 방식(b) #2

그림 하이브리드 접지 방식7.7

그림 회로 기능에 의한 접지 방법7.8

회로기능에 의한 접지 방법7.1.3

아날로그 회로 디지털 회로 저주파 회로 고주파 회로 잡음수반 회로, , , , (noisy

등을 하나의 시스템 혹은 하나의 기판에 집적화 시킬 때 접지방식은circuit) , PCB

회로의 형태에 따라서 적절한 방법을 사용하여야 한다 이 때 서로 다른 접지회로.

는 단일점 접지 방식과 같이 한 점에서 서로 연결되어야 한다 그림 은 에. 7.8 PCB

서 서로 다른 기능을 갖는 접지 방법의 예를 나타내고 있다.

- 220 -

일반적인 저주파수 대역의 접지7.1.4

낮은 주파수에서의 일반적인 접지 방법은 직렬 병렬 단일점 접지방법을 혼합하여,

사용한다 이러한 혼합형태의 접지 방법은 회로동작에 영향을 주지 않을 정도의 잡.

음 특성을 얻을 수 있고 복잡한 접지배선을 줄일 수 있다 이러한 특징은 사용하는, .

전압의 형태 잡음의 허용치에 따라서 분리하여 접지 함으로써 구현할 수 있다 예, .

를 들면 높은 전합회로와 낮은 전압회로들을 분리 접지함으로써 귀환되는 전력과

잡음전압에 의해서 각 회로들은 서로 영향을 주지 않기 때문이다.

일반적으로 시스템의 접지구조는 그림 와 같이 신호접지 잡음수반회로접지 안7.9 , ,

전접지로 분류하여 접지루프를 형성한다 여기서 신호접지는 저 전력이 소비되는.

아날로그 회로 디지털 회로 등의 접지를 나타내고 잡음수반회로접지는 릴레이 모, , ,

터 높은 전력회로 등과 같이 스파크 및 높은 전력을 사용하는 회로를 나타내며 안, ,

전접지는 케이스 함체 캐비넷 등의 접지를 말한다 만약에 교류전력이 어떤 시스, , .

템에 공급되었을 때 전력선의 접지선은 안전접지와 연결하여야 한다 그리고 개의. 3

접지선은 일정한 점에 함께 연결되어야 한다 이렇게 접지를 분류함으로서 최적의.

접지를 구현할 수 있다.

그림 시스템의 접지 방식7.9

- 221 -

그림 랙에 고정된 케이스의 하드웨어 접지 구조7.10

하드웨어 접지7.1.5

대형 시스템의 전자회로는 랙 혹은 캐비넷에 고정되며 이들은 안전접지를 하여야,

한다 전자기계삭 교환 시스템에서 랙은 교환기의 릴레이 스위칭회로의 접지 선로.

로 동작하므로 잡음원이 되며 랙의 연결부위는 큰 임피던스를 갖게된다, .

그림 에서 회로는 케이스에 고정되고 케이스는 랙에 설치된 구성도를 나타내7.10 ,

고 있으며 랙 은 올바른 접지 구조를 나타내고 있다 케이스는 최상의 접지를, #1 .

위해서 접지띠를 사용하여 랙에 연결하고 랙과 랙 사이는 서로 접지띠를 사용하여,

연결하고 전원의 접지에 연결하였다 회로 접지는 케이스 혹은 랙과 연결하지 않고, .

직접 전원접지에 연결함으로서 케이스와 랙의 잡음전류의 영향을 피할 수 있다 높, .

은 주파수에서 랙의 잡음 전류의 일부가 랙과 전자회로간의 용량성 결합에 의해서

회로 접지로 귀환되므로 용량성 결합을 최대한 줄일 수 있도록 접지회로를 구현하

여야한다.

- 222 -

반면 그림 의 랙 는 회로접지를 케이스에 연결함으로서 랙의 잡음전류는 회7.10 #2

로에 영향을 주게되므로 잘못된 접지구조를 나타내고 있으며 이때의 접지 루프는,

로 형성된다1 2 3 4 1 .→ → → →

만약에 장비설치가 완료된 다음에 랙의 접지성능이 일정한 목표수준에 미치지 않으

면 첫째로 의문이 가는 접지구조를 제거하고 다른 접지구조를 고안하는 것이 최선, ,

의 방법이다.

용접 납땜과 같은 접착방법을 이용한 하드웨어 접지특성은 볼트 나사를 이용한 접, ,

착방법보다 우수하다 이때 접지점을 연결할 때 서로 다른 금속을 사용할 경우에는.

임피던스에 의한 전기적인 특성의 변화가 발생하지 않도록 하여야한다 그리고 전.

기적인 연결은 함체 혹은 캐비넷의 도체 표면에서 연결되며 이때 금속 표면을 도,

체성 부식 방지제를 사용하여 부식에 의한 전기적인 특성변화를 없애야 한다.

회로 접지7.2

회로의 단일 기준 접지7.2.1

만약 하나의 회로에서 하나 이상의 접지점을 구성하면 이들 접지점의 전위는 서로,

다른 전위값을 갖게 된다 따라서 이러한 접지 전위차는 회로에 유입되어 회로가.

오동작을 하게된다 예를 들면 그림 에서 신호원은 점 에 접지하고 증폭기는. 7.11 A ,

점 에 접지 하였다 이 경우에 증폭기는 일반적으로 부하로 간주되며 접지방법에B . ,

따라서 부하에 미치는 영향은 다르다 전압. VG는 접지점 와 사이의 접지 전위차A B

이므로 두 점의 접지전위는 같지 않다 저항. Rc1과 Rc2는 신호원과 증폭기에 연결된

도체의 저항이다.

- 223 -

그림 에서 증폭기의 입력 전압은7.11 VG+ VS 이므로 잡음전압 VG를 제거하기 위해

서 두 개의 접지점 중 하나는 제거해야 한다 접지점 를 제거하면 증폭기는 접지. B

되지 않고 신호를 증폭하게 된다 즉 이것은 차동증폭기의 원리와 같은 상황이다. .

그러나 일반적으로 신호원의 접지점 를 제거함으로서 증폭기가 안정적으로 동작한A

다.

차폐 케이스에 의한 증폭기 접지7.2.2

고 이득 증폭기는 외부 전자계에 의한 영향을 피하기 위해서 금속 차폐 케이스를

사용한다 차폐 케이스를 접지함으로써 증폭기와 차폐 케이스간의 기생 용량성 성.

분이 발생되며 둥가회로는 이다 그림 는 차폐된 증폭기의 등가회로, 7.12(a) . 7.12(b)

이다.

등가회로에서 기생성분 C1s, C3s에 의해서 출력 신호가 입력신호로 되돌아오는 귀환

경로를 형성하게 된다 따라서 귀환경로를 제거하지 않으면 증폭기는 신호 발생기. ,

로서 동작할 수 있다 따라서 그림 과 같이 차폐 케이스를 증폭기의 공통신. 7.12(c)

호 단자에 연결함으로서 출력신호가 입력신호로 귀환되는 성분을 제거한다 따라서.

그림 와 같이 증폭기 공통신호 단자를 케이스에 접지 함으로서7.12(c) C2S는 단락

되므로 귀환되는 신호는 제거된다.

접지루프7.2.3

일반적으로 다중 접지구조에서 접지점 사이의 거리가 서로 멀리 떨어져 접지되고,

이들 접지점이 교류전력 접지선에 연결된 경우와 낮은 전압을 사용하는 아날로그

회로의 경우에 다중 접지루프는 잡음원 으로 동작하게 된다 이러한(noise source) .

경우에는 다중루프에 의한 잡음을 감소시키거나 격리시키기 위한 방법을 사용하여

야 한다.

- 224 -

그림 증폭기 접지 방법7.11

케이스에 의한 기생 용량성 선로(a) 등가 회로(b)

케이스와 증폭기의 접지(c)

그림 증폭기 차폐 접지7.12

- 225 -

그림 두 회로사이의 접지루프7.13

그림 은 접지점 사이에 접지 전위차7.13 VG를 가지고 있는 접지구조를 보여주고 있

다 이때 잡음전압. VN 이 회로 에 입력됨으로서 회로의 오동작을 일으키게 된다2 .

이때 회로에 입력되는 비 에 의해서 회로의 동작에 영향S/N (signal-to-noise rato)

을 미치므로 이를 해결하기 위한 방법은 다음과 같다 첫째로 그림 에서 접지. 7.13

루프는 두 개의 접지점 중 하나를 제거하여 단일점 접지방법으로 변환시킨다 두.

번째로 다중접지의 영향을 최소화 혹은 제거하기 위해서 두 개의 회로를 격리시킨

다 격리시키는 방법은 변환기 공통모드 쵸크 광 결합기 평형회로 하이브리드 접. , , , ,

지 방법 등을 이용하여 구현할 수 있다.

그림 는 변환기률 이용하여 두 개의 회로를 격리하였다 변환기에 생성된7.14(a) .

잡음전압은 변환기 결선에 의해서 발생하는 기생 커패시터 에(plastic capacitance)

의하여 생성된다 변환기 결선 을 차폐함으로써 이 잡음 전압. (transformer winding)

이 회로에 미치는 영향을 제거할 수 있다 비록 변환기는 우수한 특성을 가지고 있.

으나 제한된 주파수 응답 특성과 가격이 비싸고 다중의 입력 신호에 대해서는 여, ,

러 개의 변환기를 사용하여야 하는 단점이 있다.

그림 에서 두 개의 회로는 공통모드 쵸크의 특성을 갖는 변환기를 이용하여7.14(b)

격리하였다 이때 공통모드 쵸크는 와 차동모드 신호는 전달하고 반면에 공통모. DC ,

드 신호는 감쇠시키는 특성올 갖는다 이때 공통모드 쵸크 특성으로 인하여 잡AC .

음전압 VN 은 쵸크 결선사이에 있으며 회로의 입력에 영향을 주지 않는다

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변환기를 야용한 접지루프 격리법(a)

공통모드 쵸크에 의한 접지루프 격리법(b)

광 결합기에 의한 접지루프 격리법(c)

평형회로에 의한 접지루프 격리법(d)

그림 접지루프 격리법7.14

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그림 에서의 광 결합기는 공통모드 잡음전압을 아주 효과적으로 제거하는7.14(c)

방법을 나타내고 있다 이때 공통모드 잡음전압은 광 결합기에 생성되며 광 결합기. ,

는 도선으로 볼 때 연결되지 않고 신호만을 전달하기 때문에 잡음전압이 회로에 영

향을 주지 않는다 이 방법은 두 접지점 사이의 전위차가 수 천 볼트 이상일 경우.

에 아주 효율적으로 사용된다 그리고 광 결합기의 비 선형특성으로 인하여 아날로.

그 회로보다는 디지털 회로에 적합하다.

그림 는 평형회로를 이용하여 공통모드 잡음전압을 제거하는 또 다른 방법7.14(d)

을 나타내고 있다 이 경우에 공통모드 전압은 평형회로의 양단에 인가되므로 평형.

회로에는 오직 두 신호의 차가 나타난다 따라서 회로가 평형이 정확할수록 공통모.

드 전압은 완전히 제거할 수 있다 그러나 주파수가 높을 경우에는 아주 우수한 평.

형회로 구현이 불가능하기 때문에 어렵게 된다.

공진 모드 쵸크를 이용한 접지7.2.4

저주파수에서의 접지특성1)

그림 와 같이 변환기를 연결하면 변환기는 공통모드 쵸크로 동작한다 이때7.15(a) , .

변환기는 신호전류에 대하여 낮은 임피던스 특성과 결합특성을 가지며 반면에DC ,

공통모드 잡음 전류에 대하여 높은 임피던스 특성을 유지한다 신호전류는 회로와.

쵸크를 연결한 두 도선에 같은 양이 흐르고 방향이 반대이다 이러한 전류를. 차동

회로전류 혹은(differential circuit current), 금속회로전류 라(metallic circuit current)

고 한다 두 도체에 같은 방향으로 흐르는 잡음전류를. 공통모드전류

라고 한다(common-mode current) .

공통모드 쵸크의 회로성능 분석 을 위하여 그림 의 등가회로를 이용하여 해7.15(a)

석하는 것이 편리하다 이에 관한 등가회로는 그림 이다 전압원. 7.15(b) . VS는 신호

전압이며 신호전압은 저항, RC1과 RC2인 도선으로 부하 RL에 연결되어 있다 공통모.

드 쵸크는 L1 , L2 상호 인덕턴스, M 으로 표현한다 만약에 변환기의 권선 수가.

같고 같은 코어에 결합되면, L1, L2, M은 같다 전압원. VG는 접지 루프의 자기장 결

합 혹은 접지 차동전압에 의한 공통모드 전압을 나타낸다 도체저항. RC1 은 RL 과

직렬로 연결되어 있으므로 RC1은 무시할 수 있다.

- 228 -

첫 번째로 신호전압 VS에 의한 회로의 응답을 분석하기 위하여 그림 를 다7.15(b)

시 그리면 와 같다 이때에7.15(c) . IG 인 경우에= 0 VS는

이며, L1=L2=M 이므로 신호전류는

이다 따라서 식 는 쵸크가 없는 경우와 같다 따라서 신호의 주파수가 크게되면. 7.6 .

인덕턴스는 매우 크게 되므로 신호 전송에 어떠한 영향을 주지 않는다.

공통모드 전압 Vg 를 고려한 회로의 응답을 위하여 그림 를 다시 그리면 등7.15(b)

가회로는 그림 와 같다 만약 쵸크가 없다면 잡음 전압7.15(d) . Vg는 RL에 직접적으

로 인가된다 쵸크에 의한 영향을 고려하면. RL 양단에 인가된 잡음 전압 VL는 그림

에서 와 같이 두 개의 루프방정식에 의해서 구할 수 있다 쵸크를 고려한7-15(d) .

루프방정식은

이고, I2 의 해를 구하면

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회로결선(a)

등가회로(b)

신호전압(c) Vs를 고려한 쵸크의 등가회로

공통모드전압(d) Vg를 고려한 쵸크의 등가회로

그림 공진 모드 쵸크회로 및 등가회로7.15

- 230 -

그림 잡음전압의 주파수 특성7.16

이며 식 를, (7.9) L1 =L2=M 으로 정렬하고 식 에 대입하여, (7.7) I1을 구하면

이다.

잡음전압 VN은 I1RL 과 같게되고, RC2≪RL 이므로 잡음전압 VN은

이다 그림 은 식 을 이용하여 공통모드전압에 대한 잡음전압의 비에 대한. 7.16 7.11

주파수 특성을 나타내고 있다 잡음전압을 줄이기 위해서. RC2는 가능한 작은 값을

유지하여야 한다 이때 쵸크 인덕턴스는.

- 231 -

를 유지해야 한다 여기서. ω는 잡음 주파수이다.

고주파수에서의 접지특성2)

저주파수에서 공통모드 쵸크를 해석 할 경우에 쵸크의 기생 커패시터의 영향을 무

시하였다 그러나 효크를 고주파수 에서 사용할 경우에는 쵸크 변환. (10~100 MHz)

기 결선에 의한 기생 커패시터를 포함하여 해석하여야 한다.

그림 은 공통모드 쵸크의 인덕턴스7.17 L1, L2와 기생성분과 두 개의 전송선로를

포함한 등가회로이다 그림 에서. 7.17 RC1, RC2 는 쵸크 결선의 저항성분이며, CS 는

쵸크 결선에 의한 기생 용량성분이며, ZL은 케이블의 공통모드 임피던스이며, Vcm은

케이블에 유도된 공통모드 전압이다 특히 여기에서의. ZL 은 차동 모드 임피던스가

아니라 마치 안테나와 같이 동작하는 케이블의 임피던스이며 그 크기는 약,

이다50~350 .Ω

쵸크의 삽입손실은 쵸크에 의한 공통모드 전류와 쵸크가 없는 경우에 대한 공통모

드 전류의 비로 정의된다 저항은. R=RC1=RC2 이고 인덕턴스는, L1=L2=L이라고 가

정한 경우 쵸크의 삽입손실은 이다.

그림 기생 커패시터를 고려한 쵸크의 등가회로7.17

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그림 병렬 캐퍼시스턴스의 변화에 의한 삽입손실7.18

그림 과 는7.18 7.19 RC2=5 ,Ω ZL 인 경우에 대하여 식 의 삽입 손실의=200 (7.13)Ω

변화량을 나타내고 있다 그림 은 쵸크의 인덕턴스를. 7.18 10 Hμ 라고 가정하였을

때 기생용량의 변화에 의한 삽입손실을 나타내며 그림 는 기생 용량을 라, 7.19 5 pF

고 가정하여 쵸크의 인덕턴스의 변화에 의한 삽입손실의 특성 변화를 나타내고 있

다 그림 과 에서 삽입손실은 이상에서 쵸크의 인덕턴스의 변화는. 7.18 7.19 70 MHz

적으나 반면 기생용량은 많은 변화가 발생된다 따라서 쵸크 성능을 결정하는 가장, .

중요한 파라미터는 인덕턴스 보다 기생용량임을 알 수 있다.

- 233 -

그림 공통모드 쵸크 인덕턴스 변화에 의한 삽입손실7.19

차동 증폭기 접지7.2.5

차동 증폭기 혹은 평형 입력 증폭기는 공통모드 잡음전압의 영향을 최소화하기 위

하여 사용한다 그림 에서. 7.20(a) Vg는 공통모드 접지 잡음전압이다 입력전압. V1과

V2가 차동 증폭기에 입력되면 출력전합 V0는 두 업력전압의 차와 증폭도의 곱으로

표현되며 출력전압은, V0=A( V1- V2 이다) .

- 234 -

그림 는 변환기를 이용하여 비대칭 증폭기 혹은 단종단 증폭7.20(b) (single-ended)

기를 평형 증폭기의 성능을 갖도록 구현한 경우이다 차측 변환기 탭은 접지하여. 1

차측에 입력되는 전압은1 V1, V2이고 차측 권선수와 차측 권선수가 같을 경우에, 1 2

차측 전압은2 V1-V2이다 따라서 증폭기의 최종 출력전압은 차측 전압과 증폭기의. 2

증폭도의 곱으로 표현됨으로써 평형 입력 증폭기와 같은 결과를 얻게 된다.

그림 평형 입력을 갖는 차동 증폭기 접지7.20(a)

그림 변환기를 갖는 차동 증폭기 접지7.20(b)

그림 차동 증폭기 접지7.20

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잡음전압에 대한 그림 에서 회로의 응답특성은 그림 의 등가회로를7.20(a), (b) 7.21

이용하여 해석할 수 있다 저항. RL2 가, RG 보다 클 경우에 공통모드 접지 잡음전압

VG가 증폭기에 입력되는 잡음전압은

이다.

따라서 차동 증폭기의 입력임피던스 RL1, RL2 가 증가하면 차동 증폭기에 입력되는

잡음전압 VN이 감소되며 신호원 저항, RS의 감소로 인하여 증폭기에 입력되는 잡음

전압 VN 가 감소됨을 식 로부터 알 수 있다7.14 .

대지접지7.3

수직막대에 의한 대지접지7.3.1

수직막대에 의한 대지접지는 설계가 간단하여 영구접지 시설의 경우에 많이 사용하

며 일반적으로 장비 접지에 사용된다 일반적으로 막대 길이는 최대 까지 사, . 10 m

용할 수 있으며 막대의 끝이 지하수면과 접촉될 때 접지효과가 가장 좋다 그러나, .

막대는 자갈이 있는 곳에서는 사용할 수 없다 막대로부터 일정한 반경에서 대지표.

면에서의 보폭전합 은 누전 된 큰 전류가 수직 막대에 유입되는 경우(step voltage) ,

혹은 낙뢰가 직접 막대로 유입되는 경우에 매우 위험하다 즉 수직막대에 이. 1 ns

하의 임펄스 전류가 유입되었을 경우에 막대는 일반적인 임피던스보다 매우 높은

임펄스 임피던스 특성을 유지한다.

수직막대 전극의 저항은

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그림 차동증폭의 등가회로7.21

이며 여기서, ρ는 흙의 저항, l은 막대 길이, d는 막대 직경이다.

그림 은 식 를 이용하여 계산한 결과이며 막대의 직경과 길이에 의한 저7.21 7.15 ,

항의 값을 나타내고 있다 예를 들면 상대적으로 좋은 토양. (ρ 에서 길= 100 m) ,Ω

이 직경3 m, 1.27 cm인 수직막대의 저항은 약 30 Ω이다 이 값은 일반적인 대지.

저항보다 높으므로 대지 저항을 줄이기 위해서 많은 수직막대를 대지에 설치하고,

수직막대 끝을 병렬로 연결한다 그러나 막대사이의 간격이 좁을 경우에는 막대간.

에 전류가 흐르므로 결합저항이 생성된다 수직 막대를 병렬로 연결하면 대지접지.

막대의 저항은 R/n이며 막대간의 결합저항을 고려하면 접지저항을 고려하지 않은,

경우보다 약간 클 수 있다 그림 는 수직막대의 수와 막대간의 간격에 의한 대. 7.22

지저항의 변화를 나타내고 있으며 막대의 수가 증가하고 막대간의 간격이 클수록, ,

대지저항이 감소하고 있음을 알 수 있다.

그림 막대의 길이와 직경에 의한 저항7.22

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그림 막대의 수와 막대간격에 의한 저항7.23

수평 와이어를 이용한 대지접지7.3.2

대지 표면으로부터 깊이 에 설치된 수평 와이어 의 저항은z (horizontal wire)

이고 여기서 는 선로의 반경 는 대지표면으로부터의 깊이 이다 그러므로 지하, a , z .

의 깊이에 위치한 선로의 저항은 반경Z 를 갖는 도체의 저항과 같다.

또한 반경이 인 선로의 수평 링 의 저항은r (horizontal ring)

- 238 -

이며 여기서, r은 반경, ɑ는 선로의 직경이다.

수평접지는 대지 표면에 망사형태로 구성함으로서 접지면에서의 전위 기울기가 적

다 특히 바위 지하 매설물에 의해서 수직막대를 사용할 수 없는 경우에 수평접지. ,

를 사용하며 상대적으로 낮은 접지저항을 얻을 수 있다, .

수평접지는 표면에서 양호한 도전전류를 얻으므로 적은 임펄스 임피던스를 갖게 되

며 아울러 양호한 균형을 얻을 수 있다 또한 이 방법은 수직막대와 같이 사용, RF .

함으로서 대형건물 지하에 설치하여 적은 접지저항을 얻을 수 있다.

판을 이용한 대지접지7.3.3

판 을 이용한 접지는 제한된 면적에서 낮은 접지저항을 얻을 수 있다(plates) .

대지접지를 위한 도체를 망으로 만들었을 경우의 저항은 도체판과 같게 된다 대.

지표면에서 반경 를 갖는 원형판의 접지저항은a

이다 만약 대지표면으로부터 깊이에 묻혀있는 판 의 접지저항은. z (plate)

이고 대지 표면으로부터 얇게 묻혔을 경우 접지저항은,

이다.

일시적인 대지접지 방법은 수도관 가스관 지하에 매설된 탱크 매설된 금속도체를, , ,

접지 봉으로 간주하여 사용하며 이때 접지저항은 약, 2~4 Ω 정도이다.

- 239 -

본딩7.4

본명의 목적과 형태7.4.1

본딩 의 목적은 전류의 흐름에 대하여 구조적인 균질성을 유지하여 도체(bonding)

사이의 전위차를 줄임으로써 문제를 최소화하는 것이다 따라서 본딩은 장비EMI .

함체에서 함체까지, 신호 귀환회로 에서(signal return circuit) 접지귀환(ground

까지 와이어 차폐 에서 접지귀환 까지 접지면에return) , ( wire shield) (ground return) ,

서 대지접지면 까지 그리고 정전기장 차폐에서 접지 사이를 도선을 사용하여 연결,

하는 것이다 본딩은 전기 쇼크 큰 전력 회로의 전류 귀환에 대한 내성을 가지고. ,

있어야 하며 본딩으로 인한 전위차는 최소가 되도록 하여야 한다, .

본딩방법(a) Cadweld

볼트를 이용한 본딩방법(b) 편조띠를 이용한 본딩방법(c)

그림 본딩의 형태7.24

- 240 -

본딩은 크게 직접 본딩 과(direct bonding) 간접 본딩 으로 분류(indirect bonding)

된다 직접본딩은 연결되어야 하는 부분을 볼트나 용접에 의해서 도체막대에 집적.

연결하는 것을 말하며 간접본딩은 짧은 전선이나 띠와 같은 전기적인 도체를 이,

용하여 격리된 두 점 사이를 접속하는 방법을 말한다 간접본딩은 직접본딩보다 전.

기적인 특성이 우수하며 장비의 이동성과 기계적인 충격에 의하여 장비의 고정성,

을 유지할 수 없는 경우에 사용한다 간접본딩은 얇은 도체띠. , 편조띠(braided

와이어를 사용하여 구현하며 도선의 매질은 구리 알루미늄을 사용한다 얇strap), , , .

은 띠 는 인청동으로 만들며 다른 형태보다 교류 저항이 작다 편조 띠는 유(strap) , .

연성이 있고 도선은 가격이 저렴한 특성을 갖고 있다.

금속도체의 영구적인 연결 방법은 열과 두들겨서 연결하는 용접방법 납땜하는 방,

법 등이 있다 반영구적인 접속 방법은 볼트를 이용하여 접속하여야 할 부분을 연.

결시키는 방법이 있다 이때 본딩하는 부분을 깨끗이 하고 볼트를 이용하여 연결한.

다 그림 는 본딩의 형태를 보여주고 있다. 7.24 .

본당의 전기적인 효과7.4.2

본딩띠의 전기적 특성은 옴 저항을 이용하여 구할 수 있다 그러나 주파수(ohmic) .

가 증가함에 따라 본딩의 교류저항은 표피 효과 에 의해서 증가된다 또(skin effect) .

한 본딩은 형태에 의해서 인덕턴스가 각각 다르며 본딩 표변에서의 커패시턴스는,

전체적인 본딩특성을 결정하게 된다 일반적으로 고주파에서 본딩길이가 파장에 비.

하여 적을 경우( I≪λ 의 본딩의 등가회로는 그림 와 같이 나타낼 수 있다 본) 7.25 .

딩저항 Rs는 본딩띠의 고유저항 ρ 표면깊이, 본딩 반경에 의해서 특성이 변한다.

그러므로 본딩저항은

이며 여기서,

ρ : 고유저항 mΩ

a : 반경 m

- 241 -

이다 구리나 알루미늄의 경우 투자율은. μ0=4 x10π -7 H/m이다.

그림 고주파수에서 본딩의 등가회로7.25

본딩 인덕턴스 LS는 본딩의 구조에 의해서 변하며 반면 커패시턴스, Cs는 본딩 수

와 본딩 간의 이격 거리에 의해서 다르다 따라서 본딩의 효과는 본딩띠를 사용한.

경우와 사용하지 않은 경우에 장비함에 유도된 전압의 차이로 나타낸다 본딩띠의.

공진 주파수는 본딩의 질을 평가할 때 사용한다.

본딩저항과 임피던스7.4.3

본당저항1)

본딩의 직류저항은 본딩의 질을 나타내는 척도이다 예를 들면 군사용 규격은 전기.

적인 충격으로부터 본딩을 보호하기 위해서 직류 본딩저항 0.1 Ω 이하가 되도록

규정하고 있다 에서는. MIL-B-5087-7 본딩저항이 2.5 mΩ 이하가 되도록 규정하고

있다 이것은 천둥 폭발 화재의 위험성이 있는 지역에서는 전력선이 접지에 연결. , ,

될 때 최대 누전전류가 흐를 경우에도 본딩의 저항은 내성을 갖도록 요구되기 때문

이다 만약 직류 본딩저항이. 0.25 ~2.5 mΩ Ω이면 일반적으로 본딩에 의한 특성, RF

은 아주 양호하다.

일반적인 본딩저항은

- 242 -

이고 여기서, l은 본딩의 길이, A는 본딩의 단면적이다.

에서 교류 본딩저항은 직류 본딩저항보다 크다 많은 본딩의 특성중 가장 중요한RF .

것은 순간적인 큰 누전에도 견딜 수 있는 내성을 갖추고 있어야 한다 볼트 본딩의.

경우에는 볼트의 직경이 일 때 까지 견딜 수 있고 이상이0.65 cm 100 A , 1.0 cm

되면 에서도 견딜 수 있다200 A .

모터의 시동전류는 수백 암페어에 이른다 만약 접지회로에서 낮은 전류에 규격을.

맞추어 본딩을 설계하면 큰 전류가 인가될 때 본딩점에 많은 열이 발생하게 되고

본딩점이 녹아서 화재의 위험이 따르게 된다 따라서. National Electrical Code

는 화석연료가 있는 곳에서는 최대 누전에 내성을 갖도록Section 500-2, Group D

최대 본딩저항치를 갖도록 규정하고 있다 그림 는 누전의 크기에 대하여 본딩. 7.26

이 견딜 수 있는 최대 본딩저항과의 관계를 나타내고 있다.

그림 누전에 의한 본딩저항과의 관계7.26

- 243 -

본딩임피던스2)

본당임피던스AC 는 유도성이며 용량성은 본딩의 수에 의하여 결정된다 여기서는, .

본딩의 수가 하나인 경우에 대해서만 기술한다 비 자성매질의 직선 본딩 도선의.

인덕턴스는

이며 여기서, I 는 도선의 길이cm , d 는 도선의 직경이다 저주파에서 납작한cm .

구형판 의 인덕턴스는(rectangular bar)

이고 여기서, b는 띠의 폭, c는 띠의 두께이다.

본딩의 길이가 λ 이면 본딩은 전송선로와 같이 정재파를 형성한다 선로의 본딩/4 , .

임피던스를 최소화하기 위해서 케이스와 접지점의 간격과 본딩띠의 길이와 폭의 비

를 최소가 되도록 하여야 한다 그러므로 본딩의 길이는 본딩폭의 배를 넘지 않도. 5

록 할 때 특성이 가장 우수하다.

표 는 본딩띠의 권고된 규격을 제시하고 있다 그러므로 본딩의 인덕턴스는 표7.4 .

에 제시된 값보다 작은 값을 갖도록 유지하여야 한다 대부분의 경우7.4 . 본 띠ELD

의 인덕턴스는 0.025 Hμ 보다 작다.

표 권고된 구형 단면을 갖는 본딩띠의 규격7.4

- 244 -

참 고 문 헌

한국전자파기술학회 용어사전 한국전자파기술학회(1) , EMC , , 1993

(2) E. D. Sunde, Earth Conduction Effects in Transmission Systems, Van

Norstand, New York, 1949

(3) Bernhard Keiser, PrincipIe of Electromagnetic Compatibility, Artech House

(4) V. Prasad Kodali, Engineering Electromagnetic Compatibility, IEEE Press,

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(8) M. Mardiguian, Grounding and Bonding, Interference Control Techniques,

1997

(9) David A. Weston, Electromagnetic Compatibility, Marcel Dekker, 1991

- 245 -

제 장 밸런싱과 필터링8

두 도체로 구성된 회로에서 기준 접지와 주변의 다른 회로들에 대해 각각의 도체가

같은 임피던스를 갖는 구조일 때 이 회로를 평형회로 라고 한다(balanced circuit) .

회로에 나타나는 잡음은 신호를 보내는 두 전송선로로 구성된 차동모드

그리고 전송선로와 기준 접지로 루프를 이루는 공통모드(differential mode),

에서 생각할 수 있는데 일반적인 회로 구성에서는 공통모드에서의(common mode)

잡음 결합이 크게 나타나게 된다 밸런싱의 목적은 공통모드에 나타나는 잡음 결.

합을 서로 같게 만들어 이 잡음을 종단에서 상쇄시키기 위한 것이다 밸런싱은 차.

폐로 감소시킬 수 있는 잡음 레벨 보다 더 낮은 잡음 레벨이 필요한 경우에(level)

사용되고 경우에 따라서는 잡음을 줄이는 가장 경제적이고 효과적인 방법이 될 수

있다.

필터링은 잡음 전류가 도선을 따라 직접 전도될 때 일어나는 전자파장해 현상을 억

제하는데 사용된다 차폐된 시스템에서는 방사 전자파장해 현상에 의한 결합을 줄.

일 수 있는 반면 전원선이나 신호선에 유도되어 전도되는 전자파장해 전류는 차폐

설비의 인입단에 필터를 끼워 놓음으로써 억제될 수 있다 일반적으로 필터는 종단.

에서 임피던스 정합 조건을 가정하여 제작되고 시험된다 그러나 필터와 연50 .Ω

결되어야 할 시스템이 종단이 아닌 경우에는 그 종단의 임피던스에 따라 필50 Ω

터의 종류를 선택하여야 효과적으로 전도 잡음을 억제할 수 있다 본 장에서는 잡.

음을 억제하는 중요한 기술인 밸런싱과 필터링에 대하여 설명한다.

밸런싱8.1

공통모드와 차동모드8.1.1

한 짱의 도선에 흐르는 전류는 그림 과 같이 공통모드와 차동모드 전류로 나누8.1

어 생각할 수 있다 각각의 도선에 흐르는 총 전류. I1. I2 는 공통모드 전류 Ic와 차

동모드 전류 Id로 나누어 다음과 같이 표현할 수 있다.

- 246 -

그림 공통모드와 차동모드의 전류 방향8.1

따라서 Id = (I1 - I2) 그리고/2 Ic = (I1 + I2 이고)/2 , I1 = - I2 인 이상적인 경우에

는 Ic 이고= 0 I1 = Id 그리고 I2 = -Id가 된다 이 경우에 두 선로의 특정 단면에서.

전류는 크기가 같고 방향은 서로 반대이다.

그림 도선과 지표면 사이의 거리가 다를 경우8.2

- 247 -

그림 전압원이 회로 중앙에 있지 않은 경우8.3

그러나 인근에 금속 물체가 놓여 있거나 또는 선로가 비대칭으로 구성되어 있으면

공통모드 전류가 흐를 수 있다 그림 와 같이 한 도선이 지표면에 가깝게 있게. 8.2

되면 각각의 도선과 지표면 사이의 정전용량이 달라지고 결국 I1과 I2가 달라지게

되어 공통모드 전류가 존재하게 된다 또한 공통모드 전류는 지표면에 관계없이 존.

재할 수도 있다 예를 들면 그림 과 같이 전압원이 중앙에 있지 않은 경우를 생. 8.3

각해보자 임의의 단면에서 총 전류. I1과 I2는 서로 다르게 되어 공통모드 전류가 발

생한다 그러나 전압원을 선로 종단의 중앙에 오도록 놓는다면 이 회로는 평형이.

되어 I1 = - I2 가 되고 공통모드 전류는 생기지 않는다.

평형회로8.1.2

전송선로에 나타나는 잡음 전압이나 전류는 유도성 또는 용량성 결합에 의한 것으

로 나누어 생각할 수 있다 유도성 결합은 자기장에 의해 전송선로에 유도되는 잡.

음 결합을 의미하고 용량성 결합은 전기장에 의한 잡음 결합을 나타낸다 먼저 유.

도성 결합에 의한 잡음 전압과 전류를 살펴보자.

그림 는 유도성 결합으로 인한 잡음 전압8.4 VM과 VN2가 공통모드로 나타나는 것을

보이고 있는데 이 잡음 전압은 방향이 서로 같은 잡음 전류 IM과 IN2를 생성한다.

한편 전원 전압 VS1과 VS2는 신호 전류 IS를 흐르게 하는데 신호 전류 IS는 전송선로

에서 방향이 서로 반대가 되므로 차동모드 전류이다 그러므로 이 회로의 종단에서.

의 총 전압 VL은 다음과 같다.

- 248 -

여기서 RL1과 RL2가 같고 IN1과 IN2가 같으면 VL = IS (RL1 + RL2 가 되므로 결국 종)

단에서의 잡음 전압이 서로 상쇄되고 차동모드의 신호 전압만 존재하게 된다 이와.

같이 각각의 도체를 접지에 대하여 대칭 구조로 만들어 종단에서 잡음 전압을 서로

상쇄시키는 것이 밸런싱의 기본 개념이다.

그림 평형회로8.4

다음은 용량성 결합으로 인해 도체의 종단에 나타나는 잡음에 대하여 살펴보자 그.

림 는 용량성 잡음 결합 현상을 보여주고 있으며 도체 과 는 저항8.5 1 2 R1과 R2로

접지에 종단되어 있다 전원 전압. V3에 의해 유도된 잡음 전압 VN1과 VN2는 다음과

같이 표현된다.

- 249 -

그림 에서 신호선인 도체 과 가 평형을 이루는 조건을 생각해 보자 먼저 부8.5 1 2 .

하 저항 R1 과 R2 가 같고 도체 과 가 연선 이라면 잡음 전합1 2 (twisted-pair wire)

원이 있는 도체 에 대한 상호 정전용량3 C3l과 C32는 서로 같다고 할 수 있다 이.

평형조건에서 유도 잡음 전압 VM과 VN2는 서로 같아져서 용량성 결합으로 인한 잡

음 전압은 신호선인 도체 과 사이에서는 서로 상쇄된다1 2 .

또한 연선은 자기장에 대해서도 유도 잡음을 억제할 수 있는데 이것은 상호정전용

량이 같아지는 것과 같이 상호 인덕턴스도 서로 같게 되기 때문이다 그러므로 연.

선을 이용한 평형회로는 전기장과 자기장 모두에 대하여 유도 잡음을 억제할 수 있

다 그러나 이러한 회로가 완전히 평형을 이루기는 매우 어려우며 따라서 잡음이.

심한 경우에는 차폐를 이용하기도 한다 연선 또는 차폐 연선은 본래 평형구조를.

갖고 있으므로 실제 통신선 등에 많이 사용된다.

그림 용량성 잡음 결합8.5

평형도8.1.3

평형도 는 동상억압비(degree of balance) (CMRR; Common Mode Rejection Ratio)

라고도 하며 공통모드 잡음 전압과 차동모드 잡음 전압의 비로 정의되고 일반적으

로 로 표현된다 그림 의 두 도체에서 잡음 전압을 생각해보면 동상억압비dB . 8.6

CMRR은

- 250 -

여기서 전원저항 RS가 종단저항 RL보다 작은 경우 공통모드 전압 Vc는 VN과 같아지

게 되므로 위 식은 다음과 같이 표현할 수 있다.

그림 공통모드와 차동모드의 잡음 전압8.6

평형도가 크면 잡음 억제 정도도 커진다 만약 완전한 평형인 경우 결합 잡음이 없.

다고 생각할 수 있으나 보통 잘 설계된 회로에서는 대략 정도의 평형60 ~ 80dB

도를 갖는다 또한 사용 주파수에 따라 회로의 평형은 달라지는데 보통 높은 주파.

수에서 좋은 평형을 이루기가 어렵게 된다 왜냐하면 기생 정전용량이나 인덕턴스.

의 영향이 높은 주파수에서 더 많이 나타나기 때문이다.

시스템 측면에서 생각해 볼 때 각 소자들의 평형도로부터 전체 시스템의 평형도를

계산하기는 어렵다 예를 들어 두 소자의 불평형은 서로 더해지거나 빼질 수 있어.

서 전체 시스템의 평형도를 보장하기 위해서는 각 소자들이 높은 평형도를 갖도록

설계해야 하나 이러한 방법은 경제적이라고 할 수 없다 그러므로 보통 가장 많은.

잡음 결합이 나타나는 전송선로에서의 잡음 결합을 줄이는 것이 전체 시스템의 평

형도를 크게 하는데 중요하다고 할 수 있다.

- 251 -

필터링8.2

필터의 특성8.2.1

필터는 어떤 특정한 주파수를 감쇠시켜 전원선이나 신호선을 따라 유입되는EMI

잡음 전압이나 전류를 억제하기 위해 사용된다 그림 은 차폐설비의 인입단에. 8.7

필터를 삽입함으로써 전도성 전자파장해를 억제할 수 있는 구성을 보이고 있다 필.

터의 성능은 삽입손실 입 출력 임피던스 주파수에 따른 감쇠(IL; Insertion Loss), / ,

특성 등으로 정하여 진다.

그림 전형적인 필터 배열8.7 EMI

삽입손실1)

삽입손실은 필터의 가장 기본적인 특성인데 주파수의 함수로 나타나며 보통 로dB

표현된다.

- 252 -

여기서 V1은 필터가 없는 경우 신호원의 출력전압이고 VL은 회로에 필터가 삽입된

경우의 출력전압을 의미한다.

임피던스 정합2)

필터는 일반적으로 특정한 입력과 출력 임피던스 사이에서 동작하도록 설계된다.

그러나 입력과 출력 임피던스가 필터의 특정한 임피던스와 다를 때 필터의 출력 응

답은 달라진다 이러한 임피던스 부정합은 필터의 출력단에서 장해 레벨을 줄이지.

못하고 오히려 증가시킬 수도 있다 그림 의 회로에서 임피던스 부정합을 생각. 8.8

해보자 먼저 임피던스. Zg와 ZL이 저항 성분만 가진 경우를 가정하면 필터가 없는

경우 부하에 전달되는 최대 전력은 다음과 같이 주어진다.

그림 단자 필터 회로8.8 4-

전원과 부하 사이에 필터가 삽입되면 부하에 전달되는 전력은 다음과 같다.

- 253 -

그러므로 삽입손실은 다음과 같이 표현된다.

그리고 Rg와 RL이 임피던스 정합된 경우에 삽입손실은 다음과 같이 얻어진다.

필터의 종류8.2.2

필터는 어떤 특정한 주파수 대역을 감쇠시키고 다른 주파수 대역의 신호는 통과시

키도록 설계된다 본 절에서는 사용 주파수 대역에 따라 필터를 구분하고 그 필터.

들의 특성을 간략히 소개하였다 필터는 사용되는 주파수 대역에 따라 다음과. EMI

같이 분류된다.

저역통과 전력선 필터- (50 ~ 60 Hz)

저역통과 전화선 필터- (0 ~ 4 kHz)

고역통과 데이터선 필터 고역 주파수대역- ( )

대역통과 통신 필터 무선 주파수대역- ( )

대역저지 필터 반송 주파수대역- ( )

저역통과 필터1)

커패시터 필터①

그림 에 보인 분로 커패시터 를 이용한 필터는 간단한 저역8.9(a) (shunt capacitor)

통과 필터이다 이 필터의 삽입손실은 식 으로부터 다음과 같이 계산된다 그. (8.10) .

림 의8.8 Zg와 ZL이 R0라 하면 분로 커패시터가 삽입된 경우 커패시터 앞단에서의

입력 임피던스는 R0/(jwCR0 이므로 출력전압과 전원전압의 관계는+1) VL =

(R0/jwCR0 +1)Vg/ (R0 + R0/(jwCR0 이다 식 으로부터 삽입손실은 다음+1)) . (8.10)

과 같이 구해진다.

- 254 -

여기서 ⨍는 주파수, R0는 구동 또는 부하 저항, C는 필터의 정전용량이다 이 때.

이상적인 커패시터 필터의 주파수 응답은 그림 와 같다8.9(b) .

실제로 커패시터는 커패시터 판의 인덕턴스 리드선의 인덕턴스 리드선과 케패시터, ,

판의 접속저항 등 인덕턴스와 저항 성분을 포함한다 이 인덕턴스 성분의 영향으로.

필터는 공진하게 되고 이 공진 주파수보다 높은 대역에서는 필터링이 제한된다 그.

림 은 실제 커패시터의 삽입손실을 보였는데 공진 주파수보다 낮은 대역에서는8.10

이론적 삽입손실보다 높은 값을 가지며 높은 대역에서는 삽입손실이 떨어져 인덕터

처럼 동작하게 된다.

그림 커패시터 필터와 삽입손실 특성8.9

- 255 -

그림 커패시터의 기생효과8.10

인덕터 필터②

그림 에 보인 직렬 인덕터는 또 하나의 간단한 저역통과 필터이다 직렬 인8.11(a) .

덕터의 삽입손실은 다음과 같이 주어진다.

여기서 L은 필터의 인덕턴스, R0는 구동 또는 부하 저항이다 이상적인 인덕터 필.

터의 삽입손실은 그림 와 같다8.11(b) .

인덕터 필터도 커패시터 필터처럼 기생성분이 존재하게 된다 인덕터는 공진주파수.

보다 낮은 주파수에서는 유도성 리액턴스를 갖고 높은 주파수에서는 용량성 리액턴

스를 가지므로 일반적으로 인덕터는 낮은 주파수에서 좋은 필터로 이용된다.

커패시터 필터는 전원과 부하 임피던스가 매우 클 경우에 효과적이고 이에 반해 인

덕터 필터는 전원과 부하 임피던스가 작은 경우에 효과적이다 그러므로 적합한 필.

터를 설계하기 위해서는 장해를 주는 전원 임피던스와 보호하려는 부하 임피던스의

정보가 필요하다 커패시터나 인덕터 필터의 가장 큰 단점은 저지대역의 경사가 급.

격하지 못하여 감쇠 특성이 좋지 못하고 낮은 전원 임피던스와 높은 부하 임피던스

또는 높은 전원 임피던스와 낮은 부하 임피던스인 경우에 적합한 필터를 설계할 수

없다는 것이다 그러나 이러한 문제는 아래와 같이 인덕터와 커패시터를 조합한 필.

터를 사용하여 해결할 수 있다.

- 256 -

그림 인덕터 필터8.11

분할 필터L-③

전원과 부하의 임피던스가 다를 경우 그림 와 에 보인 분할 필터의, 8.12(a) (b) L-

저지대역에서의 삽입손실은 높은 임피던스 종단 쪽에 분로 커패시터 낮은 임피던,

스 종단 쪽에 직렬 인덕터인 경우에 가장 크다 전원과 부하의 임피던스가. R0로 같

은 경우 삽입손실은 다음과 같이 주어진다.

- 257 -

그림 분할 필터8.12 L-

여기서 d = L/CR20 d는 감쇠율 이다(damping rato) . d 인 경우= 1

이고 인 경우에는, d 1≠ 이다.

이 LC 필터는 커패시터나 인덕터 중에서 한 개의 소자만 사용한 경우보다 더 높은

주파수까지 필터링 할 수 있다 그러나 이러한. LC 필터의 공진 주파수는 식 (8.14)

와 같으며 이 주파수에서는 잡음을 감쇠시키지 못하게 된다 일반적으로 분할 저. L-

역통과 필터는 대략 정도까지 사용되고 있다1 GHz .

- 258 -

분할 필터-④ π

그림 에 보인 분할 필터는 실제 가장 많이 사용되고 있는 필터이다8:13(a) - .π

이 필터는 적당한 크기로 제작이 용이하고 넓은 주파수 대역까지 삽입손실이 큰 장

점이 있다 전원과 부하의 임피던스가. R0로 같은 경우 삽입손실은 다음과 같이 주

어진다.

그림 분할 필터8.13 -π

여기서 d = L/2CR20, F= f/f0, d 인 경우= 1 = 1/2π

R0C, d 인 경우에는1≠ f0 = 1/π(4R0LC2)1/3 이다.

인 경우 전형적인 분할 필터의 삽입손실은 그림 와 같이d=1 - 8.13(b) 60π

의 경사를 갖는다 이 필터는 전자파차폐실에서 전력선의 필터링이 필요dB/decade .

한 경우와 같이 낮은 주파수에서 높은 감쇠를 필요로 하는 경우에 사용된다.

- 259 -

분할 필터T-⑤

분할 필터의 등가회로는 그림 와 같다 이 필터는 높은 주파수의 잡음을T- 8.14(a) .

제거할 때 효과적인 반면 두 개의 인덕터를 직렬로 연결하여 구성되므로 크기가,

커지는 단점이 있다 전원과 부하의 임피던스가. R0로 같은 경우 삽입손실은 다음과

같이 주어진다.

여기서 d = R20C/2L, F = f/f0, d 인 경우= 1 = 1/π

R0C, d 인 경우에1≠ 이다.

전형적인 분할 필터의 삽입손실은 그림 와 같다 이 필터도 분할 필터T- 8.14(b) . -π

와 같이 의 삽입손실 경사를 갖는다60 dB/decade .

나 분할 필터는 감쇠율 에 따라 주파수 특성이 달라진다 먼저 인 경우- T- d . d=1 ,π

최대 감쇠 특성을 얻고 가장 이상적인 삽입손실을 얻는다 인 경우에는 과감쇠. d>1

로 맥동 전압이 나타나고 인 경우에 는 부(overdamped attenuation) (ripple) , d 1〈

족감쇠 가 나타나므로 주파수 감쇠가 작아진다(underdamped attenuation) .

그림 분할 필터8.14 T-

- 260 -

이러한 점을 고려하여 사용할 필터를 선택하여야 하며 낮은 임피던스 시스템에 연

결되어야 하는 경우에는 분할 필터를 사용하고 높은 임피던스 시스템에 연결될T-

경우에는 분할 필터를 사용하여야 한다 만약 필터의 양단이 큰 임피던스 부정합- .π

시스템에 연결되어 사용되어야 할 경우 분할과 같은 비대칭 필터를 사용한다 대L- .

부분의 심각한 전자파장해는 공통모드에 나타나며 이러한 필터들은 공통모드의 잡

음 제거에 유용한 필터이다.

차동모드에 전도되는 잡음은 일반적으로 장비의 사용 주파수대의 전원에 의한 것이

고 이 잡음을 제거하기 위해서는 기준접지 가 필요없는 차동모드(reference ground)

필터가 사용된다 차동모드 필터의 등가회로는 그림 와 같다 이러한 차동모드. 8.15 .

필터는 외부 잡음 전원으로부터 평형회로를 보호하기 위하여 사용된다 차동모드에.

서의 잡음 전압의 전형적인 예로 방송파와 전화선로를 들 수 있다 전화선로는 대.

략 까지는 평형회로이지만 방송 주파수에서는 평형회로가 아니다 이러한 회3 kHz .

로의 불평형으로 인하여 공통모드에 유도된 잡음 전압이 차동모드에도 잡음을 유도

한다.

그림 차동모드 필터8.15

분할 필터 분할 필터 분할 필터(a) L- (b) - (c) T-π

고역통과 필터2)

고역통과 필터는 전력 주파수 등 낮은 주파수의 잡음이 통신신호 채널로 인입AC

되는 것을 저지하기 위하여 사용된다. LC 고역통과 필터의 기본적인 구성은 그림

와 같다8.16(a) .

- 261 -

그림 와 그림 에서 각각의 인덕터를 커패시터로 각각의 커패시터를8.14(a) 8.16(a) ,

인덕터로 대치하면 저역통과 필터를 고역통과 필터로 변환시켜 생각할 수 있다 이.

러한 과정은 다음과 같은 관계식으로 표현된다.

그림 고역통과 필터8.16

이 필터의 삽입손실은 그림 와 같으며 주파수 에서 저역통과 필터의 감쇠8.16(b) ⨍는 주파수 의 고역통과 필터의 감쇠로 변환되어 나타난다1/ .⨍

대역통과 필터3)

대역통과 필터는 특정한 주파수 대역의 신호를 감쇠나 저지없이 통과시킨다 그림.

에 이 필터의 구조와 전형적인 삽입손실을 보였다8.17 .

대역통과 필터의 주파수 특성은 저역통과 필터의 주파수 특성으로부터 변환되어 다

음과 같이 표현된다.

- 262 -

여기서 ‘⨍ 는 저역통과 필터의 주파수 변수 는 대역통과 필터의 주파수 변수, ,⨍ ⨍0는 대역통과 필터의 중심 주파수로 의 관계가 있다.

이러한 변환을 사상 이라고 하는데 는(mapping) = 0⨍ ⨍= ±⨍0로 ⨍ = ±⨍C는⨍= ±⨍2와 ⨍= ±⨍1으로 사상된다 다시 말하면 그립 와 같은. 8.9

그림 대역통과 필터8.17

저역통과 필터의 통과 대역인 에서 차단주파수0 ⨍C까지가 그림 에 보인 바8.17(b)

와 같이 대역통과 필터의 통과 대역 ⨍1에서 ⨍2까지로 사상되는 것이다 이 필터.

의 통과 대역 중심 주파수는 다음과 같다.

각각의 커패시터와 인덕터 소자 값은 저역통과 원형필터(low-pass prototype filter)

를 변환시켜서 구할 수 있다 먼저 식 을 이용하여. (8.18) L1과 C1이 직렬로 연결된

경우와 단일 인덕터 L인 경우를 비교해 보면

로 표현되고 그림 에8.11

보인 단일 인덕터 필터의 차단 주파수(fc = R0 /π πL 로 부터 식 와) (8.20a) (8.20b)

를 유도할 수 있으며 같은 방법으로 식 와 도 구해질 수 있다(8.20c) (8.20d) .

- 263 -

대역저지 필터4)

대역저지 필터는 전자파장해가 일어날 수 있는 특정한 주파수 대역을 감쇠시키기

위하여 사용된다 이 필터는 보통 인덕터와 커패시터 소자 그리고 저항과 커패시터. ,

소자를 사용하여 구현될 수 있다 인덕터와 커패시터 소자를 사용한 대역저지. LC

필터는 그림 에 보인 바와 같이 대역통과 필터의 직렬과 병렬 소자를 서로 바8.18

꾸어 구현할 수 있다 이 필터의 공진 주파수는 저지대역의 중심 주파수. ⨍0와 같

고 차단 주파수 ⨍1, ⨍2와 ⨍0의 관계는 이다 커패시터와 인덕터 소자.

값은 공진 주파수와 차단 주파수 그리고 종단 임피던스로부터 다음과 같이 얻어진

다.

- 264 -

그림 대역저지 필터8.18 LC

그림 대역저지 필터8.19 RC

대역저지 필터는 대략 보다 낮은 주파수에서는 경제적이지 못하다LC 1 MHz .

그러므로 그림 에 보인 형 저항 커패시터 필터가 가 큰 대역저지 필8.19 twin-T - Q

터로 사용된다 이 대역저지 필터는 높은 주파수에서 기생효과가 크므로 사용. RC

주파수가 제한된다.

필터의 설계8.2.3

지금까지 저역통과 필터 고역통과 필터 대역통과 필터 대역저지 필터의 구조와, , ,

특성에 대하여 알아보았다 표준 저역통과 필터의 대략적인 삽입손실. Butterworth

은 IL = 1+ω2n이고 표준 저역통과 필터의 대략적인 삽입손실은Tchebyshev IL =

1+a2T2n(ω 이다 여기서) . n은 리액티브 소자의 개수, ɑ는 맥동률 그(ripple factor),

리고 Tn(ω 는) n차 함수를 나타낸다 필터는 통과대역에Tchebyshev . Butterworth

서 평탄한 주파수 응답을 갖고 저지대역에서 감쇠가 단조롭게 증가(monotonically)

한다 반면에 필터는 필터보다 저지 대역의 경사가 급하. Tchebyshev Butterworth

여 급격히 감소하지만 통과대역에 맥동이 생긴다.

- 265 -

와 저역통과 필터는 그림 에 보인 커패시터와 인덕터Butterworth Tchebyshev 8.20

의 사다리형 회로망 인 저역통과 표준 필터를 이용하여 설계될 수(ladder network)

있다 각 소자들의 값은 정규화된 차단주파수. ωc 과 전원저항= 1 g0 인 경우에= 1

대해서 여러 문헌에 구해져 있다 이 정규화된 차단 주파수를 실제 사용되는 필터.

의 차단 주파수 값으로 변환하기 위하여 주파수 스케일링 이 필(frequency scaling)

요한데 인덕턴스와 커패시턴스에 이 차단 주파수를 나누어준다 그리고 실제 전원.

저항 Rg를 부하 임피던스와 인덕턴스의 값에 곱하고 커패시턴스 값에는 나누어 임

피던스 스케일링을 한다 위와 같은 과정으로부터 실제 사용되는 저역통과 필터의.

각 소자 값은 다음과 같이 얻어진다.

그림 저역통과 표준 필터8.20

비슷한 방법으로 적절한 주파수 스케일링과 임피던스 스케일링으로 고역통과 대역,

통과 대역저지 필터의 소자 값을 저역통과 표준 필터로부터 표 과 같이 구할수, 8.1

있다.

- 266 -

필터의 필터링에로의 용용8.2.4

전화선 필터1) (Telephone Line Filter)

전화선 필터는 보통 방송 또는 다른 송신에 의해 발생하는 전자파장해를 줄이RF

기 위하여 사용되는데 전화선에 높은 주파수의 강한 전자파가 입사하는 경우 공통

모드 뿐만 아니라 차동모드에서도 전자파장해가 발생할 수 있다 왜냐하면 라디오.

송신과 같이 높은 주파수에서는 전화선이 적당한 평형이 되지 못하기 때문이다 이.

러한 차동모드 전자파장해를 줄이기 위해서는 그림 에서 보인 바와 같이 기준8.15

접지가 필요없는 차동모드 필터를 사용한다.

그림 은 공통모드 잡음8.21 Vc에 의해 나타나는 차동모드 잡음 Vd를 제거하기 위한

전화선 필터의 예를 보였다 여기서. Z1과 Z2는 공통모드 잡음 주파수에서 회로의

불평형에 따라 서로 다른 값을 갖는다 이 필터에서 인덕터 은 공통모드에 나타나. L

는 장해를 줄이고 커패시터 는C 차동모드 장해를 줄인다 이 필터는 기본적으로. L

과 C의 두 개의 소자로 구성된 필터이므로 삽입손실은 의 경사를 갖40 dB/decade

게 된다.

표 필터 소자 값8.1

- 267 -

전력선 필터2) (Power Line Filter)

전력선에 나타나는 잡음은 정류 전력변환 그 리(rectification), (power conversion)

고 일반적인 기기 동작 등에 의해 넓은 주파수대역에서 공통모드와 차동모드 모두

에서 나타난다 그러므로 하나의 설계식으로부터 두 모드 전류에 대한 필터의 설계.

와 구현이 어렵게 되어 방법을 이용한다 전력선 필터는 여러 가지trial and error .

조합의 인덕터와 커패시터를 이용한 LC 필터가 사용된다.

그림 전화선 필터8.21

그림 밸런 인덕터와 분할 공통모드 필터8.22 L-

그림 에 일반적으로 전력선에 사용되는 공통모드 필터를 보였는데 커패시터8.22 Cy

는 공통모드 전류를 그라운드로 바이패스하고 커패시터 Cx는 차동모드 전류를 바이

패스하여 부하를 보호한다 공통모드 필터의 감쇠는 낮은 주파수에서는 인덕터로.

높은 주파수에서는 커패시터 Cy로 산출될 수 있는데 높은 주파수에서 커패시터 ㆍ

Cy의 리드 인덕턴스에 의한 공진효과는 매우 중요하다 이러한 리드 인덕턴스(lead) .

는 세라믹 커패시터를 이용하면 줄일 수 있다 밸런 인덕터는 평형구조의 권. (balun)

선으로 이루어진 토로이드 마그네틱 코어로 만들어져 공통모드에서 높은 인덕턴스

를 갖는다.

- 268 -

그림 에 부하 쪽에 커패시터 그리고 전원 쪽에 인덕터로 설계된 전력선 차동모8.23

드 필터를 보였다 인덕터는 차동모드 장해를 감쇠시키고 분로 커패시터. Cx는 이러

한 장해를 바이패스하고 부하를 보호한다.

그림 차동모드 분할 필터8.23 L-

그림 결합된 공통모드와 차동모드 필터8.24

그림 는 전형적인 공통모드와 차동모드 결합 필터의 구조이다 먼저 차동모드8.24 .

잡음은 분할에서 필터링되고 공통모드 잡음은 밸런 인덕터를 포함한 분할 필L- -π

터에서 필터링된다 그림 에서 인덕터. 8.24 L1과 L2는 차동모드 장해에 대해 효과적

이고 공통모드 장해는 큰 정전용량 Cx와 부유 인덕턴스(stray) La와 Lb에 의해서 감

쇠된다.

- 269 -

참 고 문 헌

(1) Clayton R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Wiley

& Sons, New York, 1992.

(2) Henry W. Ott, Noise Reduction Technigues in Electronic System, John

Wiley & Sons, New York, 1988.

(3) Kodali V. Prasad, Engineering Electromagnetic Compatibility, IEEE Press,

New York, 1996.

(4) Oren Hartal, Electromagnetic Compatibility by Design, R & B Enterprises,

West Conshosocken, PA, 1993.

- 270 -

제 장 정전지 방전9

정전기 방전 은 축적된 정 전하(electrostatic Discharge ; ESD) (static electric

들이 방전하는 자연현상을 말하며 방전에 의해서 주변에 있는 전자기기에charge) ,

전자파간섭을 일으킨다 정전기는 털과 유리 고무와 같이 유전율이 다른 물질의 마. ,

찰에 의해서 발생된다 이렇게 발생한 정전기는 다른 물체에 전달되거나 열로서 소.

모된다 또한 정전기는 낮은 접지저항을 갖는 물질을 통하여 방전된다 이와 같은. .

정전기의 방전은 전자파간섭을 발생시키며 예를 들면 오디오에서 음성의 찌그러짐,

측정장비의 오차 전기적인 충격 등의 원인이 된다, .

본 장에서는 정전기의 축적과 방전에 의해서 발생된 전자파에 의한 전자기적 현상

을 다루기 위해서 전류 파형을 이용하여 설명하고 일상생활에서 느낄 수 있ESD ,

는 정전기 방전모델인 인체모델을 이용하여 설명하였다 이러한 를 억제하기. ESD

위한 방법과 측정법에 대하여 설명한다.

정전기의 축적과 방전 특성9.1

매질의 전하 축적9.1.1

물질의 마찰에 의해서 정전기가 발생되므로 이를 마찰전기 효과라(triboelectricity)

고 한다 매질의 마찰전기 순서는 방출하는 전자의 수에 의해서 나타내며 표. , 9.1

에 제시되어 있다 표 에서 위의 물질은 전자를 아주 쉽게 방출함으로써 양의. 9.1

전하를 갖게되며 반면 밑에 있는 물질은 전자를 잘 흡수함으로써 음의 전하를 갖,

는다.

그림 에서 보는 것처럼 폴리우레탄 계열의 절연 매질로 만들어진 양말과 신발을9.1

착용한 사람이 모직물 합성섬유로 만들어진 카펫 위를 걸어갈 때 인체에는 정전하,

가 축적된다 여기서 카펫은 아주 우수한 절연체이고 신발바닥은 부도체이므로 사. ,

람이 카펫 위를 걸어갈 때 카펫과 신발바닥의 마찰에 의해서 신발바닥에 전하가 대

전되며 서서히 인체에 전달된다, .

- 271 -

카펫과 신발 바닥의 상태 및 사람이 카펫 위를 걸어간 거리에 따라서 다르지만 약

10-6 이상의 전하가 축적되며 그림 에서와 같이 축적된 전하에 의한 최대 정C , 9.1

전기 전압은 이다 축적된 전하의 방전은 사람이 작은 저항경로를 갖는 접지15 kV .

된 손잡이 혹은 접지된 전자장비와 같은 금속도체에 접촉함으로써 발생된다 사람, .

에게 최대로 대전될 수 있는 전압은 이며 그 이상이 되면 공중 방전이 발생35 kV ,

된다 사람이 걸어갈 때 대전된 정전기는 마루의 재질 보행 수 신발의 형태 습기. , , ,

등에 따라 다르다 즉 사람은 정전기를 나르는 수레와 같이 생각할 수 있다. .

표 마찰전기 순서도9.1

1. Asbestos 16. Hard rubber

2. Acetate 17. Mylar

3. Human hair 18. Epoxy glass

4. Nylon 19. Nickel, Copper, Silver

5. Wool 20. Brass, Stainless steel

6. Fur 21. Synthetic rubber

7. Lead 22. Polystyrene form

8. Silk 23. Polyurethane form

9. Aluminum 24. Polyester

10. Paper 25. Saran

11. Polyurethane 26. Polyethylene

12. Cotton 27. Polypropylene

13. Wood 28. PVC

14. Steel 29. Teflon

15. Sealing wax 30. Silicon rubber

109 /mΩ 2 이상의 표면저항을 갖는 매질은 아주 높은 절연저항을 가지므로 어느 정

도의 정전위를 가질 수 있다 반면 표면저항이 작은 매질은 재결합으로 인하여 정.

전위를 가질 수 없다 다른 경우에서 전하의 축적과 방전은 휠체어 콘베이어벨트. , ,

냉방기 팬 롤러브레이드 복사기 및 프린터의 종이 등에서 발생된다, , .

- 272 -

전하를 축적한 물체는 전하를 방전할 수 있는 기회를 찾게 될 것이다 즉 전하는.

도체경로를 통하여 점차적으로 흘러나갈 것이다 반면 강력한 방전이 순간적으로.

발생하는 아크방전은 전하가 갑작스러운 방출을 할 때 발생한다 즉. 10-3 의 방전C

이 만분의 초 이하에서 발생하면 순간 최대전류는 이다100 1 100 A .

그림 정전기 생성과 방전9.1

- 273 -

그림 일반적인 정전기방전9.2

- 274 -

정전기 방전의 과형9.1.2

그림 는 다양한 형태의 정전기 방전을 보여주고 있다 이러한 로부터 전자9-2 . ESD

장비를 보호하기 위해서는 전자장비 혹은 사무용 기기 등에 의한 정전기 방전을,

고려하여 설계하여야한다.

관점에서 볼 때 를 취급함에 있어서 가장 중요한 것은 전류 파형이다 일EMI ESD .

반적으로 오실로스코프를 사용하여 파형을 측정하면 이하의 상승시간과ESD 1 ns

아주 큰 순간전류가 흐르는 것을 관찰할 수 있다 처음의 방전은 손 혹은 팔을 통.

하여 방전하며 반면 인체를 통한 방전은 긴 펄스를 갖는다 따라서 두 가지 파형을.

조합하면 사람을 포함한 일반적인 파형을 나타낼 수 있다 초기 방전의 폭과, ESD .

크기는 대전된 매질 혹은 대전된 전하량에 의해서 다른 특성을 갖는다 따라서 일, .

반적인 파형을 이용하여 연구와 측정장비의 내성 또는 감수성을 결ESD ESD EMI ,

정하기 위한 실제적인 측정방법의 고안에 도움을 줄 수 있다.

그림 에 나타낸 일반적인 의 파형을 수식으로 표현하면9.3 ESD

이다 여기서 는 초기방전의 상승시간은 이며 최대전류는 이고. t ns, 1.2 ns , 68 A ,

두 번째 피크 전류는 이다30 A .

의 등가회로9.1.3 ESD

손가락 팔 등을 포함한 인체와 물체와의 방전이 일어나면 의 경로는 그림, ESD 9.4

와 같은 등가회로로 표현된다 만약 손가락을 물체에 가까이 접근시키면 큰 정전기. ,

장 밀도에 의하여 유전파괴 의 원인이 되며 결국 아크방전이(dielectric breakdown) ,

발생된다 여기서. L1과 R1 은 인체의 인덕턴스와 저항, C1은 접지에 대한 인체의

정전용량이다. L2과 R2는 팔과 손가락의 인덕턴스와 저항을 나타내고, C2는 접지에

대한 손과 팔의 정전용량이다. Lk와 Rk는 접근하려는 물체의 인덕턴스와 저항이다.

Ck는 접지에 대한 물체의 정전용량이다 회로에서. C3와 C4는 물체가 직접 접촉되지

않았을 때의 정전용량이다.

- 275 -

그림 사람의 폼에 의한 파형9.3 ESD

충전된 손가락이 물체에 접근하면 강한 전기장이 손가락과 물체 사이에서 발생된

다 따라서 이 강한 전기장은 전기적인 아크를 발생시킨다 아크가 발생될 때. . C3는

단락되고 방전경로에서 발생되는 저항과 인덕턴스는Ls, Rs로 표현된다 일반적으로.

인덕턴스는 L1 + L2 정전용량은= 0.7 H,μ C1 + C2 저항은= 150 pF, R1+ R2=30 k

Ω 이다 펄스의 상승시간은. (L1+L2) / (R1+R2 에 의해서 결정되고 펄스 폭은 시정) ,

수 (R1+R2) x (C1+C2 에 의해서 결정된다) .

정전기 방전의 방사계9.1.4

정전기 방전이 발생하면 전극사이에 전류가 흐른다 이때 시변전류. (time-varying

에 의해서 발생된 전기장과 자기장은 공간을 통하여 전파되며 주변에 위치current) ,

한 시스템과 장비에 전자파간섭을 일으킨다 따라서 에 의한 전기장과 자기장, ESD

의 크기는 를 결정하는데 중요한 파라미터로 작용한다EMI .

- 276 -

그림 의 등가회로9.4 ESD

근역장 및 원역장 방사계를 추정하기 위해서 스파크를 무한 도체판 위에 있, ESD

는 미소 다이폴 소자로 가정하면 실제적으로 는 접지면에 접근시킨 다이폴로, ESD

간주하여 해석할 수 있다 그림 의 전류 파형은 방사계를 추정하기 위해서 다이. 9.3

폴 모델을 이용한 것이다 따라서 방전에 의해서 방사된 전자파는 직접적으로 장비. ,

개구면과 입출력 단자 등에 영향을 준다.

그림 다이폴의 방사 좌표계9.5

- 277 -

그림 에서 에 의한 전기장 및 자기장은9.5 ESD

이다 이 방정식으로부터 근역장 전자기장은 전류 에 의존하며 원역장 영역에서. i ,

의 전자기장은 전류의 시가변화 에 의존한다.

그러므로 전류파형 진폭은 근역장의 전자기장에 지배적으로 영향을 주고 전류파형,

의 변화율은 원역장에 영향을 준다 따라서 정전기의 접근속도가 빠르면 펄스의 상.

승률이 아주 높으며 아울러 전압이 높으면 높을수록 방전을 발생하기 위해서 정전,

기의 접근속도가 필요하다.

식 와 식 은 길이9.2 9.3 dl의 전류소자로부터 방사되는 전자기장을 나타내며 일정,

한 길이를 갖고 있는 전류가 흐르는 도선에 의한 방사 전자기장은 전체 전류 길이

에 관하여 적분함으로써 구할 수 있다 그림 은 를 방전시겼을 때 전류파. 9.6 4 kV ,

형을 측정하여 식 와 식 으로부터 구한 전자기장을 나타내고 있다9.2 9.3 .

그림 방전시 거리에 따른 의 전자기장9.6 4 kV ESD

- 278 -

그림 인체 모델의 저항과 정전용량9.7

정전기 방전 모델9.2

인체 모델9.2.1

인체모델 은 정전기 방전을 설명할 때 대표적인 모델이다 대전된 물(human model) .

체의 전하는 아주 쉽게 사람 피부를 통하여 전이된다 그림 에서 자유공간에 대. 9.7

한 인체의 정전용량은 이며 신발과 대지사이의 정전용량은 이다50 pF , 100 pF .

또한 벽과 같은 물체와 사람 사이에 의 정전용량이 대전되어 있다 그50~100 pF .

러므로 인체의 정전용량은 자유공간에 대한 정전용량과 대지 및 벽과의 정전용량의

합이며 그 크기는 약 이다, 50~250 pF .

그림 은 인체에 대한 의 등가회로이다 전하는 인체 용량에 축적되어 있으9.8 ESD .

며 방전은 인체의 저항 성분을 나타내는 저항을 통하여 방전된다 이때에 인덕턴스, .

와 저항은 방전전류의 상승시간을 결정하는데 중요한 파라미터이다.

인체의 저항은 방전이 접촉하는 몸의 면적에 의해서 결정되며 대개, 500 Ω~ 10 k

이다 예를 들면 방전이 손가락에서 발생되면 저항은 정도이며 손바닥에. 10 k ,Ω Ω

서 발생되면 이며 도체를 손으로 잡으면 약1 k , 500Ω Ω 정도이다.

- 279 -

그림 의 등가회로는 인체의 방전을 측정하거나 모의 해석에 사용할 수 있다9.8 .

그림 인체의 정전기 방전 모델 등가회로9.8

그림 전형적인 정전기 방전 전류파형9.9

- 280 -

표 인체 방전 모델의 등가회로 값9.2

회로소자의 국제적인 규격이나 표준안은 없으며 산업체에서 사용되는 대표적인 소,

자 값은 표 과 같다 특히 방전 시 상승시간과 에너지는 방전의 크기를 결정하9.2 .

는데 매우 중요한 요소이며 표 에 여러 가지 방전 모델에 대한 에너지를 제시, 9.2

하고 있다.

그림 는 그림 의 등가회로에서9.9 9.8 Cb = 150 pF, Rb = 500 Ω, Vb = 20,000 V

일 경우의 전형적인 파형이다 이 때 최대 전류의 크기는 이며 상승시ESD . 40 A ,

간은 약 1 ns 하강시간은 약, 100 ns 이다 상승시간은 방전 프로브에 직렬로 연결.

된 인덕턴스에 의해서 결정된다 따라서 인덕턴스의 값은 테스터의 설계에서. ESD

아주 중요한 파라미터이며, 0.1 Hμ 이하가 되어야한다.

대전소자 모델9.2.2

대전소자 모델 은 전자부품 혹은 소자의 도선 틀(charged device model) (lead),

봉입용기 에 다른 소자 혹은 물질과의 마찰로 인하여 마찰전기(frame), (package)

가 대전되는 현상을 분석하는데 사용한다 충전된 전하는 핀 혹은 다른 도체의 표.

면을 통하여 대지에 방전된다 이때 소자에 충전된 전압과 방전전압은 접지에 대한.

소자의 위치와 주변여건에 따라 다르다.

- 281 -

일반적으로 대전소자모델에 의한 펄스는 인체모델보다 상승시간이 빠르며 대ESD ,

개 이하이다 예를 들면 방전전압에 의하여 소자가 파괴될1 ns . ESD 64K DRAM

수 있는 방전전압은 인체모델의 경우에는 이며 대전소자 모델의 경우에 빠른2 kV ,

펄스로 인하여 방전전압은 이다 그러므로 인체모델을 통하여 소자의 접합을850 V .

파괴하는 방전전압의 한계값을 구하며 반면 대전소자 모델을 이용하여 유전파괴,

를 가져올 수 있는 방전전압의 한계값을 구할 수 있다(dielectric breakdown) .

소자와 정전계 현상(a)

등가회로(b)

C1 대전 물체와 사이의 정전용량: IC ,

C2 의 상단 면과 하단면 사이의 정전용량: IC

C3 접지 면과 의 하단면 사이의 정전용량: IC

Cg = C2 + C3 와 접지 면의 정전용량: IC

R1 측정하는 회로의 저항:

Rd , Cd 의 저항과 정전용량: IC

그림 유도 전자기장 모델의 동가회로9.10

유도 전자기장 모델9.2.3

- 282 -

유도 전자기장 모델 은 전자 소자를 외부 정전기장에 노출시(field induced model)

켰을 때 소자에서 전하의 충전과 방전으로 인하여 전자 소자에 미치는 영향을 분석

하는데 사용한다 그림 과 같이 충전된 물체의 전하와 대지 사이의 전위차로. 9.10

인하여 생성된 전기장내에 놓여 있는 에서의 정전기장의 충전과 방전 현상을 이IC

용하여 를 해석한다ESD .

장비 설계에서의 대책9.3 ESD

방전에 의해서 발생된 에너지는 전자회로에 결합되며 결합 방법은 직접적인 전도결

합 용량성 결합 유도성 결합으로 분류된다 직접적인 전도성 결합은 방전 전류가, , .

직접적으로 검출회로를 통하여 흐를 때 발생되며 이러한 전류는 검출회로에 손상을

주기도 한다 용량성 및 유도성 결합은 방전이 금속도체 혹은 케이블 근처에서 발.

생하였을 때 방전으로부터 발생된 전자기장이 인접된 회로에 결합되는 것을 말한,

다.

시스템이나 회로를 로부터 보호하기 위해서는ESD

신호원에서 정전하 생성을 방지하고,①

방전을 제거하기 위하여 회로 및 시스템을 격리하고,②

방전전류로부터 회로를 보호하기 위하여 우회경로 를 구성하고(bypass circuit) ,③

방전에 의한 전자기장의 영향을 줄이기 위해서 차폐와 같은 보호조치를 하여야④

한다.

- 283 -

이와 같은 방법들은 전자제품의 제조과정 취급과정 운반과정에서 발생할 수 있는, ,

로부터 시스템의 손상을 방지하기 위한 조치이며 전자제품의 사용자에게 이러ESD ,

한 방법들을 사용하도록 강요할 수는 없다.

전자회로에서 에 의한 영향은ESD 하드에러(hard error), 소프트에러(soft error), 일

시적인 오동작 으로 분류된다 하드에러는 의 파괴와 같은 하드( transient upset) . IC

웨어에 손상을 주는 경우를 말하며 소프트 에러는 메모리의 내용을 변경하거나 혹,

은 프로그램을 무한 루프로 동작하게 하는 등 시스템의 오동작 현상을 말하며 하,

드웨어에 영향을 주지는 않는다 또한 일시적인 오동작은 시스템 초기화의 경우에.

표시기 혹은 지시기의 깜박임과 같은 현상을 말한다 따라서 전자기기 장비들은 하. ,

드에러와 소프트에러를 발생하지 않도록 설계되어야 한다.

에 대한 내성을 갖는 장비 및 회로를 설계할 때 첫 번째 단계는 직접 방전전류ESD

가 시스템 회로를 통하여 흐르지 않도록 하여야한다 이를 위하여 회로를 격리시키.

던가 혹은 방전 전류가 전자회로에 대한 우회경로로 흐르도록 한다 만약 격리방법, .

을 사용할 때는 회로를 완전히 격리시켜야 한다 그렇지 않으면 외부에서 발생된.

강력한 전자기장이 틈새를 통하여 유입하여 회로에 영향을 주기 때문이다.

전류에 대하여 전자회로를 보호하기 위해서 시스템의 모든 노출된 금속 도체ESD

는 접지 되어야 한다 방전전류 경로는 시스템 및 회로의 형태에 의해서 형성되므.

로 금속도체의 구조와 접지점의 수 및 위치는 매우 중요하다, .

그림 금속 함체의 정전기 방전9.11

- 284 -

보호 접지의 기본 원칙은 작은 인덕턴스를 갖도록 설계하여야한다 즉ESD . ESD

전류를 수용하기 위해서는 다중점 접지를 이용하고 반면에 수용하지 않는 경우에,

는 단일점 접지를 사용한다.

접지된 금속 함체의 경우에 하우징은 방전전류를 대지로 흐르도록 한다 따라서 케.

이스는 전기적으로 연속이어야 한다 그렇지 않으면 방전전류는 그림 에서와. 9.11

같이 함체 내부회로를 통하여 흐르게 된다 그러므로 도체의 연속성은 모든 연결부.

위에서 유지되어야한다 만약 부적절한 접지 시스템을 사용한 경우에는 전류. ESD

경로는 복잡하고 예상할 수 없는 전류경로를 형성한다 즉 그림 에서와 같이. 9.11

모든 불연속 부분은 커패시터를 형성하여 전류경로를 형성한다ESD .

금속함체에 의한 대책9.3.1

그림 는 완전히 접지된 금속함체에 대하여 절연된 회로를 보여주고 있다 내부9.12 .

회로는 외부 금속함체에 연결되어 있지 않다 함체에서 방전이 발생되면 접지선의.

인덕턴스에 의해서 함체의 전위는 증가한다 예를 들면 방전의 경우에 함체. 20 kV

의 전위는 수천 볼트까지 증가한다 함체 내부회로의 전위는 함체와 같이 수천 볼.

트까지 증가하며 금속 함체와 회로 사이에는 전위차가 없으므로 로 인하여 회, ESD

로는 어떠한 영향도 받지 않는다.

그림 밀폐된 금속함체의 정전기 방전9.12

- 285 -

함체와 회로간의 정전결합(a)차 차폐를 사용한 함체와 회로의(b)2

정전결합

그림 함체와 회로간의 정전기 방전9.13

함체의 작은 구멍 혹은 이음새와 같은 불연속으로 인하여 함체에서 전위차가 발생

할 수 있다 함체의 일부분과 회로사이에 기생 용량성분과의 결합된 전압은 회로동.

작에 영향을 줄 수 있는 전위차가 발생할 수 있다 이러한 문제점을 해결하기 위한.

방법은 가능한 완전하게 회로를 밀폐시키는 방법과 회로와 함체간의 용량성 결합을

제거하기 위해서 그림 와 같이 내부차폐를 이용하는 방법이 있다 이때 내9.13(b) .

부차폐는 그림 와 같이 회로에 연결시킨다9.13(b) .

그림 는 가장 효율적인 함체의 대책 방법이다 여기서 함체의 내부회로는9.14 ESD .

입출력 선 혹은 전력선과 같은 케이블을 이용하거나 함체의 구멍과 같은 불연속에

의해서 함체와 접지사이의 생성된 용량성 결합을 이용하여 외부 접지회로에 연결한

다 방전이 함체에서 발생되면 함체전위는 상승된다 그러나 내부회로가 외부 접지. .

에 연결되므로 합체 내부회로 전위는 접지전위와 거의 같다 따라서 회로와 함체.

사이에 큰 전위차로 인하여 차 방전이 발생할 수 있다 차 방전은 전류의 흐름을2 . 2

억제하는 저항이 없이 일어나므로 방전 전류는 최대가 되어 차 방전보다 회로에1

미치는 영향은 더욱더 파괴적이다.

만약에 금속 함체가 접지되어 있지 않은 경우에도 차 방전과 같은 비슷한 현상이2

발생한다 함체가 접지된 경우의 차 방전 전압은 수천 볼트이지만 이때 차 방전. 2 , 2

으로 인한 함체 전위는 신호원 전위까지만 증가한다 그러므로 모든 노출된 금속부.

분은 방전전압 크기를 제어하기 위해서 전력선 접지와 연결하는 것이 바람직하다.

차 방전은 모든 금속과 회로를 충분히 이격사키거나 금속 함체에 회로를 연결함으2

로써 방지할 수 있다.

- 286 -

그림 외부 접지와 연결된 회로를 갖는 함체의 정전기 방전9.14

비록 회로와 금속 함체 사이에서 차 방전 없는 경우에도 차 방전과 같은 현상이2 2

일어날 수 있다 예를 들면 그림 에서 내부차폐와 회로간의 큰 전위차로 인. 9.13(b)

하여 강한 전자기장이 발생됨으로 전기장결합을 제거하기 위한 방법이 필요하다.

이를 위해서는 공통으로 내부 차폐를 접지하므로 해결할 수 있다.

회로를 금속 함체에 연결시키면 방전전류가 회로를 통하여 흐르지 않으며 그림, ,

와 같이 나타낼 수 있다 함체에 방전이 발생하면 함체 전위는 상승하게 된다9.15 . .

그러나 회로의 접지는 함체에 연결되어 있으므로 회로의 전위는 함체의 전위와 같

고 회로의 접지회로간 사이와 접지회로와 함체간의 전위차는 없게된다 그러면 함, .

체에서 수천볼트의 전위차로 인하여 어떠한 상황이 발생될까 즉 공통모드 전압은?

외부 연결 케이블을 따라 케이블에 연결된 부하에 전달된다 연결된 케이블이. AC

전력선이면 순간적으로 수천 볼트가 인가되더라도 회로에는 어떤 해를 주지 않는,

다 그러나 만약 케이블이 논리게이트에 연결된 신호 케이블이면 회로에 치명적인. ,

손상을 주게된다 그러므로 근본적인 문제를 해결하기 위해서는 금속 함체를. ESD

완전히 접지시키고 연결 케이블까지 고려하여야 한다, .

- 287 -

그림 함체와 회로의 단일점 접지를 갖는 금속함체의 정전기 방전9.15

입출력 케이블에 의한 함체의 대책9.3.2 ESD

함체와 함체를 연결할 때에 사용하는 케이블은 차폐 케이블 공통모드 쵸크 코일, ,

과전압 클램핑소자 케이블의 우회 필터 등을 사용함으로써 로부터 회로 및 시, ESD

스템을 보호할 수 있다.

그림 은 두 개의 금속 함체를 차폐 케이블을 사용하여 연결한 경우이다9.16 .

이렇게 함으로서 두 개의 금속 함체를 차폐 케이블을 사용하여 하나의 함체로 변

환할 수 있다 함체에 대한 차폐의 본딩은 방전에 대한 함체의 성능을 결정하는 중.

요한 파라미터이다.

그림 과 같이 연결케이블에 공통모드 쵸크를 사용한 회로는9.17 과도방전전압

으로부터 회로를 보호할 수 있다 즉 쵸크회로를 사용(transient discharge voltage) .

한 회로는 쵸크가 연결되지 않고 직접 연결된 회로보다 에 의한 영향이 작다ESD .

- 288 -

그림 차폐케이블을 이용한 함체9.16

그림 공통모드 쵸크에 의한 함체간의9.17 ESD

그림 은 회로를 함체에 오직 한곳에만 연결할 때 잘못된 연결구조를 보여 주고9.18

있다 그림 는. 9.18(a) PWB 와 함체의 연결점을 입력케이블과(printed wiring board)

연결점에 대하여 대칭된 위치에 연결함으로서 전류는 회로를 통하여 흐PWB ESD

르게 됨으로 회로에 치명적인 손상을 주게된다 그림 는 와 함체사이의. 9.18(b) PWB

연결점을 입력케이블 근처에서 와 함체를 연결함으로써 전류가 를PWB ESD PWB

통하는 것을 최소화함으로 손상을 방지할 수 있다.

- 289 -

를 통한 전류경로(a) PWB ESD 를 통하지 않는 전류경로(b) PWB ESD

그림 함체와 간의 잘못된 연결9.18 PWB

캐패시터를 이용한 경우(a) 서지 다이오드를 이용한 경우(b)

그림 입력단에 부가회로를 이용하여 보호방법9.19 ESD

- 290 -

그림 는 그림 에서의 전류를 완전히 접지선으로 우회시키기 위해서9.19 9.18(b) ESD

약 인 우회 커패시터 혹은 서지 다이오드를 입력선과 함500pF (bypass capacitor)

체 사이에 연결시킨다 이러한 소자는 좁은 펄스에 대하여 동작하며 평상시에. ESD ,

는 동작하지 않는다 즉 이것은. 10-9초 이하의 과도전압에 응답하는 소자이다 그러.

므로 전류는 이 소자를 통하여 흐르며 회로접지를 통하여 흐르지 않는다ESD , .

철연 함체의 의한 대책9.3.3 ESD

금속 함체는 전류경로에서 매우 낮은 유도성분을 갖는다 그러나 비금속 함체ESD .

는 낮은 유도성올 갖고 있지 않으므로 를 다루기에 매우 어렵다 이때에는ESD .

전류에 의한 회로 손상을 최소화하기 위해서 접지는 샤시를 이용한다 그러나ESD .

이러한 방법은 소프트 에러를 일으키게 된다.

전력선을 포함한 모든 입력 케이블이 같은 면을 통하여 하나의 시스템에 연결하고,

입출력 접지면을 분리함으로서 접지면은 전력선 접지선에 연결하여 전류를 우ESD

회경로를 제공하게 된다 이때 금속함체가 대체적으로 인덕턴스가 클 경우에는 효.

율적이지는 않지만 금속 함체를 사용하는 것이 더욱더 합리적이다 따라서 시스템.

의 금속함체는 적은 인덕턴스 값과 표준 전위 즉 공동접지면을 갖도록 설계하여야,

한다.

자판과 제어판을 통한 대책9.3.4

자판과 제어판은 방전전류가 내부회로를 통하여 흐르지 않고 직접 접지회로로 흐르

도록 설계하여야 한다 절연된 자판의 경우에 스파크 접촉면은 방전전류에 대한 우.

회 경로를 제공하기 위해서 회로와 누름자판 사이에 놓는다 이렇게 함으로서(key) .

그림 과 같이 스파크 접촉면 은 함체나 틀에 접지되고 회로접지9.20 (spark arrester)

에는 연결되지 않는다 다른 방법으로는 그림 과 같이 절연된 손잡이 샤프트. 9.20 ,

를 사용함으로써 방전전류가 회로에 유입되는 것을 방지할 수 있다.

- 291 -

그림 자판의 접지 방법9.20 ESD

소프트웨어에 의한 대책9.3.5 ESD

문제를 최소화하는 방법 중 소프트웨어를 이용하는 방법이 있다 프로그램이ESD .

과도현상에 의해서 오동작 될 때 시스템이 점차적으로 정상동작을 할 수 있도록 소

프트웨어는 설계되어야 한다 잡음에 내성을 갖도록 소프트웨어를 설계하는 방법은.

첫째로 시스템이 오동작하는 것을 감지하여야 하고 둘째로 그 시스템은 점차적으,

로 정상상태로 회복하여 동작하도록 설계하여야 한다 따라서 소프트웨어는 시스템.

에 손상을 입지 않도록 규칙적으로 비정상조건들을 점검하도록 설계하여야 한다.

소프트웨어에 의한 오동작 감지 방법은 프로그램 흐름도에서 오동작 입 출력에서, /

오동작 데이터 메모리 동작으로 분류된다, .

어느 정도의 잡음에 관한 가장 중요한 것은 소프트웨어는 그 자체의 운영성에 달려

있다 프로그램에서 에러는 마이크로프로세서의 내부레지스터 혹은 프로그램 명령. ,

어의 메모리부분에서 발생될 수 있다 결국 문제는 허수의 메모리에 어드레스 명령.

어를 수행하는 경우 명령어로서 데이터를 수행할 경우에 무한루프를 수행하게 됨,

으로서 발생된다.

- 292 -

만약 프로그램이 수행될 때 얼마나 오랫동안 수행될까 프로그램의 메모리관리가?

정확하게 되고 있는가를 규칙적으로 검사한다 이러한 조건은 프로그램을 약간 수.

정하면 수행할 수 있다 따라서 이러한 검사기법은 하드웨어의 시간 측정에 소프트. ,

웨어의 검사 방법 등이 있다.

특히 하드웨어 시간측정에는 프로그램의 무한 루프 실행 시에 가장 효과적인 측정

기이다 시스템 시계에 연결되어 있는 하드웨어 계수기는 설정된 값까지 계산되면. ,

자동적으로 마이크로프로세서를 재 시동한다 소프트웨어는 주기적으로 계수기를.

최종계수 값에 이르기 전에 판별펄스를 보내어 계수기를 리셋 하도록 설계한다.

다른 프로그램을 주기적으로 동작프로그램을 정지시키고 그리고 설정된 값에 도달

하였는가를 검사한다 만약 검사항목이 부정확하면 제어신호는 에러감시프로그램을.

가동시킨다 프로그램에서 에러가 감지되면 가능한 시스템에 손상을 방지하기 위해.

서 에러처리 프로그램을 가동시킨다 가장 간단한 방법은 시스템을 초기화시키는.

방법이지만 상황에 의해서 예기치 않은 결과를 유발할 수 있다.

입출력에서 일시적인 에러는 시스템의 입출력에서 통신을 위한 부정확한 정보에 의

해서 발생된다 출력에러는 출력신호와 송신한 신호를 비교하여 감시한다 입력에러. .

는 입력신호를 필터링하고 일부의 데이터를 검사하여 제어한다 아주 간단한 소프.

트웨어 필터링방법은 데이터를 읽는 동안 일정한 시간간격을 두고 연속해서 여러번

데이터를 읽는다 그러므로 입력 데이터는 잡음과 구별할 수 있다 보호를 위. · ESD

해서 데이터를 읽는 시간은 수백 10-9초이면 충분하게 데이터를 감지할 수 있다.

데이터를 번 연속해서 읽어서 올바른 데이터를 수집하는가를 판별한다N .

정전기 방전 측정법9.4

공간 방전 측정법9.4.1

공간 방전 측정법은 오랫동안 를 측정할 때 표준 측정법으로 사용되어 왔으며ESD ,

그림 와 같이 측정장비의 표면과 탐침봉 사이에서 발생된 를 측정하는 것9.22 ESD

이다 그러나 공간 방전 측정법은 항상 같은 상황에서 측정할 수 없고 측정의 정확. ,

도는 상대 습도에 따라서 다르며 장비의 성능은 낮은 전압의 측정이 어려운 문제,

점이 있다.

- 293 -

그림 공간 방전측정법9.21

등가회로(a)

팁의 구조(b)

그림 집적 접촉 방전의 등가회로와 팁 구조9.22

- 294 -

측정물에 가까이 있는 물체에 대한 방전의 측정과정은 정확하게 정의되어 있지는

않으나 공간 방전 측정법은 프라스틱 케이스를 차폐를 한 물체의 경우에는 매, RF

우 유용하다 또한 공간 방전에 의하여 생성된 펄스는 측정봉의 접근속도와 방향에.

크게 영향을 받는다 그러므로 정확하게 측정하기 위해서 측정봉에 보상회로를 첨.

가하여 사용하여야한다.

접촉방전 측정법9.4.2

공간 방전측정법의 문제점을 보완하기 위해서 접촉방전 측정법을 이용한다.

이 방법은 측정물의 표면에 탐침봉을 측정표면에 접촉시켜 측정하는 방법이며 이,

방법의 등가회로는 그림 에 나타내었다 이 방법에 사용되는 스위치로서 가장9.24 .

적절한 것은 진공 스위치이며 탐침봉은 측정표면에 접촉이 용이하도록 둥근 형태,

보다 뾰족한 모양이어야 한다.

간접적인 측정9.4.3 ESD

공간방전과 접촉방전에 의한 측정은 피측정물의 근처에 방전 전극봉을 접촉하ESD

여 측정하는 것이다 그러나. 간접적인 ESD 측정방법은 그림 와(indirect ESD) 9.23

같이 측정장비의 근처에 도체판을 수직 수평으로 여러 곳에 놓아 측정한다 크기가, .

1.6X0.8 m2 인 금속판을 수평결합면 으로 사용하(horizontal coupling plane ; HCP)

며 정전기 방전펄스는 방전 전극봉을 이용하여 수평결합면에 직접 인가한다 아울, .

러 수직결합면 은 와 완전히 격리시키고 크기(vertical coupling plane ; VCP) HCP ,

는 0.5X0.5 m2이며 수직결합면에서의 측정에 이용할 수 있다 이때 수직결합, ESD .

면의 위치는 피측정물로부터 떨어져서 설치되어야한다0.1 m .

피측정물과 실험실 벽 다른 도체물과의 사이 간격은 이상을 유지하여야 한다, 1m .

피측정물에 연결되는 신호선과 전력선의 길이와 형태는 같아야 하며 동작 조건에,

부합되도록 배치 하여야한다.

만약 측정장비가 너무 커서 하나의 테이블을 이용하여 실험이 불가능 할 경우에는

같은 크기의 수평결합면을 붙여서 사용한다 이 경우에 번째 수평결합면은 첫 번. 2

째 수평결합면과 시켜야하며 본딩처리는 하지 않는다 그러나 각각의0.3 m , . HCP

는 블리더 저항기 사용하여 공통접지면에 연결하여야한다(bleeder resistance) .

- 295 -

그림 간접적인 측정법9.23 ESD

그림 에서 수직 및 수평결합면과 기준접지면사이의 블리드 경로의 변화 즉 전9.23 ,

류변화를 최소화하기 위해서 저항 을 사용한 블리더 끈을 사용하여 기준접지판에R

연결하여야 한다 이때 블리더 끈의 양쪽에. 450~1000 kΩ 의 저항 이 연결되어R

있으며 기준접지판은 도체의 뚜께가 최소 이상의 금속판을 사용한다 블, 0.25mm .

리더 저항은 인가된 전압의 배 이상에서 내성을 갖는 규격을 사용하여야 한다0.5 .

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참 고 문 헌

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제 장 응용10 EMC

최근 전기 전자 분야의 산업이 크게 발전함에 따라 우리 주변에서 사용되는 전자,⋅기기들의 수가 급속도로 늘어나게 되었는데 이들 기기들의 기술 동향을 살펴보면,

몇가지 중요한 특정이 나타나고 있다 우선 전자기기들이 고속화 특히 디지털화됨. ,

에 따라 관련 신호의 대역폭이 크게 확장되었으며 동시에 고주파대의 전자파 복사,

가 크게 증가하게 되었다 또한 전자기기들의 내부를 살펴보면 사용된 소자들의 소.

형화 집적화 및 저전력화 현상이 크게 나타나고 있다 이들 특정 외에 또 하나의, .

중요한 특정으로는 통신분야에서 무선의 사용이 크게 증대됨에 따라 유 무선 통신⋅시스템들이 매우 복잡한 전자파 환경에 노출되게 되었다.

이와 같은 상황에서 전자파장해 현상을 고려하여 올바로 동작하는 전자기기를 설계

제작하고 인접 시스템에 영향을 주지도 받지도 않는 통신시스템을 효율적으로,⋅구성하기 위해서는 소자 및 부품에 대한 고주파 특성, PCB(Printed Circuit

상에서 부품 및 선로 사이의 전자기적 결합 현상 그리고 통신시스템에서Boards) ,

의 현상에 대해 보다 정확한 이해가 필요하다EMI/EMS .

본 장은 전자파장해 현상에 대한 응용을 다루는 장으로서 고주파 영역에서 사용되

는 소자 및 각종 부품의 동작 특성을 알아보고 불필요한 의 발생을 최소화하기, EMI

위한 설계 기법에 대해 기술하였다 또한 전자파장해 현상과 관련하여 통신시PCB .

스템에서의 기본적인 고려사항 즉 유 무선 통신시스템에서의 불요전자파 발생원, ,⋅결합 경로 동에 대해 간단히 설명하고자 한다.

소자 및 부품의10.1 EMC

일반적으로 설계 및 제작된 전자기기의 많은 변수가 전자파장해 현상의 주된 원인

이 되는 생성에 영향을 주는데 이것은 종종 사용된 수동 소자들의 동작의 일EMI ,

반적인 규칙에 예외적인 결과 즉 고주파 대역에서 소자들에서 나타나는 기생성분,

에 의해 가 발생되기 때문이다 즉 고주파 대역에서 사(parasitic component) EMI . ,

용되는 저항은 주어진 저항 성분과 거기에 병렬로 연결된 커패시터에 인덕터가 직

렬 결합된 것처럼 동작한다 또한 고주파 대역에서 커패시터는 커패시터 인덕터. , ,

저항 등의 직렬 결합처럼 동작하고 마찬가지로 인덕터는 인덕터와 커패시터의 병,

렬 결합에 저항이 직렬 결합된 것과 같이 동작한다.

- 298 -

전자회로에서 일반적으로 사용되는 수동 소자들의 고주파와 저주파 영역에서의 동

작 특성을 나타내는 등가회로 모델을 표 에 나타내었다 이와 같이 일반적으로10.1 .

고속 신호를 사용하는 회로를 설계 및 제작하는 경우 사용되는 소자들에 대해 반드

시 고려해야 하는 중요한 파라미터는 각 소자들의 제작과 패키징 시 발(packaging)

생하는 기생효과이다 기본적으로 이러한 기생효과들을 최소화하는 것이 바람직하.

며 회로 설계시 이러한 성분을 적절히 고려해야만 올바른 설계가 가능하다, .

표 에서 보는 것처럼 클럭 신호나 고속 데이터 신호등과 같은 고속 신호를 사10.1

용하는 회로 설계자가 수동 소자들의 고주파 영역에서의 기생효과들을 적절하게 고

려하지 않는다면 많은 경우에 회로를 설계할 때 생각하지 못하였던 현상이 나EMI

타난다 또한 발생된 불요전자파에 의해서 인접 선로 및 부품에 영향을 미치게 되.

어 적절한 기능을 하지 못하도록 할 뿐만 아니라 규제치를 초과하게 된다 효, EMI .

율적인 개발을 위해서는 설계할 때부터 이러한 부품의 기생효과를 적절히 고PCB

려해야 하며 제작시에도 기생효과를 최대한 줄이도록 해야 한다 일반적으로PCB .

소자들의 기생효과는 패키징의 크기에 관계가 있기 때문에 기생성분을 최소화하기

위해서는 패키징의 크기를 최소화하고 전류가 흐르는 경로를 짧게 해주어야 한다.

표 수동 소자의 저주파 및 고주파 영역에서의 등가회로 모델10.1

- 299 -

본 절에서는 전자회로 특히 고속 신호를 사용하는 디지털 전자회로의 설계 및 디,

자인에 사용되는 저항성 소자 용량성 소자 그리고 유도성 소자 각각에 대한 정의, ,

와 고속 신호를 사용할 때 나타나는 특성에 대해 기술하고 여러 가지 전기기기에,

사용되는 부품들의 실제 모델을 소개하고 각각의 특성에 대해 기술하겠다.

와이어와 트레이스10.1.1 PCB

보통 회로 설계 시에 회로 내부의 배선 이나 상의 트레이스 불연(wiring) PCB (trace)

속 구조에 의한 신호 왜곡 및 불요전자파를 고려하지 않았다 그러나 최근 전기. ⋅전자 분야의 지속적인 발전과 더불어 트랜지스터의 스위칭 속도가 빨라지게 되고

회로상의 와이어나 트레이스를 통한 신호의 지연이 전체 회로의 신호 지연에 주된

원인이 되어 감에 따라 즉 고속 신호를 사용하는 디지털 회로 설계 시에는 각 부,

품들 사이를 연결해주는 와이어 및 트레이스의 불연속 구조에 의한 기생 성분들을

고려해 주어야 한다 이러한 기생성분들은 전체 회로의 임피던스에 영향을 줄 뿐만.

아니라 주파수에 따라 변하므로 상의 트레이스의 길이와 자기공진PCB

주파수에 따라서 회로 내부에서 공진이 일어나고 또한 공진주파(self-resonance) ,

수에서 안테나로서 작용하여 많은 전자파를 발생하여 인접 회로에 영향을 주며,

규제치를 초과하는 결과를 초래한다EMI .

일반적으로 낮은 주파수에서 와이어는 주로 저항 성분을 가지고 높은 주파수에서,

는 인덕턴스의 특성을 나타낸다 와이어에 대한 임피던스를 수식으로 나타내면 다.

음과 같다.

- 300 -

위의 식에서도 알 수 있듯이 낮은 주파수에서는 저항 성분이 높은 주파수의 경우,

에는 유도성 성분이 각각 주된 성분임을 알 수 있다 대부분의 안테나는 관심있는.

특정 주파수 파장의 혹은 에서 최고의 전자파가 발생하도록 설계된다 그러1/4 1/2 .

나 관점에서는 불필요한 전자파의 발생을 최소화하는 것이 목적이므로 와이EMC ,

어나 상의 트레이스의 최대 길이가 관심있는 특정 주파수의 이하가 되도PCB /10λ

록 설계하여 불필요한 전자파를 방출하지 않도록 설계하는 것이 바람직하다

저항성 소자10.1.2

저항은 전자회로에서 가장 일반적으로 사용하는 대표적인 수동 소자이다 회로 설.

계에 사용하는 이상적인 저항은 그림 에서 보여지는 바와 같이 주파수에 관계10.1

없이 임피던스가 주어진 저항 값으로 일정하고 위상은, 00이어야 한다 즉. ,

그림 이상적 인 저항의 주파수 응답 특성10.1

- 301 -

그러나 고속 회로에 사용되는 저항의 경우 양단에 연결된 리드 선에 의한 기(lead)

생 저항 성분 및 기생 커패시턴스 효과 그리고 저항과 연결된 와이어의 인덕턴스,

성분 때문에 주파수에 따라 특성이 달라지게 되고 실제 고속 디지털 회로 구현에,

있어서 이러한 기생 성분을 고려하여야 원하는 동작 특성을 얻을 수 있고 또한

문제를 해결할 수 있다 일반적인 저항의 고주파 특성 및 등가회로를 그림EMI .

에 나타내었다10.2 .

저항은 일반적으로 만들어지는 도체의 재질 및 기술에 따라서 크게 탄소 합성물,

감긴 와이어 그리고 박막 등으로 구분 할 수 있다 탄소 합성물 형태의 저항의 경, .

우가 가장 일반적인 형태로서 원통 형태의 탄소 막대와 양 끝 단에 연결된 두개의

와이어로 구성 되어있다 에서 원하는 저항 값을 갖도록 와이어의 길이를 정하. DC

고 부피를 줄이기 위해 감은 와이어 저항의 경우는 비교적 큰 기생 인덕턴스 성분

때문에 높은 주파수를 사용하는 회로에 적합하지 않고 박막 형태의 저항은 낮은,

리드 인덕턴스 성분 때문에 높은 주파수에서도 사용이 가능하다.

그림 기생 효과를 고려한 저항의 주파수 응답 특성 및 등가회로10.2

- 302 -

용량성 소자10.1.3

회로 설계에서 용량성 소자 즉 커패시터는 일반적으로 전력 버스 감결합, (power

바이패싱 과 같은 용도에 사용된다 이상적인 커패시bus decoupling), (bypassing) .

터에 대한 주파수 특성은 식 과 같고 주파수 응답 특성은 그림 과 같다(10.3) , 10.3 .

커패시터의 임피턴스는 주파수에 따라 선형적으로 즉 로 감소하고, 20 dB/decade ,

위상은 주파수에 관계없이 항상 이다-90° .

실제 회로에서 사용되어지는 커패시터에 대한 임피던스의 주파수 특성은 그림 10.4

에서 볼 수 있듯이 커패시터의 구조에 따른 첫번째 공진 주파수까지는 용량성 특성

을 나타내지만 그 이상의 주파수 영역에서는 커패시터는 유도성 특성을 나타나게

된다.

그림 이상적인 커패시터의 주파수 응답 특성10.3

- 303 -

그림 기생 효과를 고려한 커패시터의 주파수 응답 특성 및 등가회로10.4

여러 가지 형태의 커패시터가 사용되는데 억제 측면에서 볼 때 세라믹 커패시EMI

터와 탄탈륨 전해 커패시터가 주로 사용된다 탄탈륨 전해 커패시터의 경우 작은.

패키징 만으로도 큰 값의 커패시턴스 를 구현할 수 있고 세라믹 커(1 ~ 1,000 F) ,

패시터의 경우 탄탈륨 전해 커패시터보다 작은 커패시턴스 값을 제공하지만 높은

주파수에서도 비교적 정확한 값을 유지하는 특성을 갖는다 따라서 세라믹 커패시.

터의 경우 복사 방출 주파수 대역에서 억제를 위해 사용하는 반면 탄탈륨 전EMI ,

해 커패시터는 전도 방출 주파수 대역에서 주로 사용된다 일반적으로 커패시터의.

와이어 본딩 리드선 에 의해 나타나는 기생 인덕턴스 성분은 특정(wire-bond lead)

주파수 이상에서 커패시터가 인덕터로서 동작하도록 한다.

유도성 소자10.1.4

유도성 소자 즉 인덕터는 회로 기능 구현을 위해서 뿐만 아니라 내에서 불, . PCB

필요한 현상을 제어하기 위해 사용되어지는 대표적인 수동 소자이다 이상적인EMI .

인덕터에 대한 주파수 특성에 대한 수식은 다음과 같고 주파수에 대한 임피던스의,

크기와 위상의 변화를 그림 에 나타내었다10.5 .

- 304 -

그림 이상적인 인덕터의 주파수 응답 특성10.5

인덕터의 임피턴스는 주파수에 따라 선형적으로 즉 로 증가하고, +20 dB/decade ,

위상은 주파수에 관계없이 항상 이다+90° .

실제 사용되는 인덕터에 대한 임피던스의 주파수 특성은 그림 에서 볼 수 있듯10.6

이 구조에 따른 첫번째 공진 주파수까지는 유도성 특성을 나타내지만 그 이상의 주

파수 영역에서는 인덕터는 용량성 특성을 나타내게 된다.

변성기10.1.5

전도성 전자파장해에 대한 대책부품으로서 변성기 가 있다 일반적으( transformer) .

로 변성기는 전력 공급기에 사용되고 또한 데이터 신호 입출력 연결, , (I/O

그리고 전원선 인터페이스 등과 같이 신호의 격리가 필요한 곳에 사connections),

용된다 일반적으로 회로에서 표현되어지는 변성기의 모델과 고주파 특성을 그림.

에 나타내었다10.7 .

- 305 -

변성기의 형태와 사용되는 구조에 따라서 차 코일과 차 코일 사이에 차폐가 필요1 2

하기도 한다 표준접지에 연결되는 이러한 차폐는 변성기를 구성하는 두 코일 사이.

에 존재할 수 있는 용량성 결합 성분을 없애기 위해서 사용된다 또한 변성기는 공.

통모드 성분을 고립시키기 위해서 사용되어지기도 하는데 기본적으로 변성기는 에,

너지를 전달하기 위한 시도로서 차 코일을 차 코일에 자기적으로 연결시키기 위1 2

해서 입력단 신호의 차동모드 성분에 의존한다 결과적으로 차 코일상의 공통모드. 1

성분은 제거된다 주파수가 높아짐에 따라서 변성기 차 코일 사이의 용량성 결. 1 2ㆍ

합 성분이 증가하게 되면 회로의 고립 현상은 점차 깨지게 된다 만약 충분한 기생.

커패시턴스 성분이 존재한다면 고속 클럭 신호나 낙뢰 등과 같은 고주파ESD, RF

에너지는 이 커패시턴스를 통해 전달되어지게 되어 기기의 손실을 초래하게 된다.

그림 기생 효과를 고려한 인덕터의 주피수 응답 특성 및 등가회로10.6

그림 기생 효과를 고려한 변성기의 등가회로10.7

- 306 -

이러한 변성기류는 신호선 격리 변성기와 전원선 격리 변성기 패러데이 차폐 변성,

기 밸런 변성기 등으로 구분된다, .

페라이트 비드10.1.6

페라이트는 기본적으로 철과 같은 강자성체와는 달리 수백 의 주파수까지 적은MHz

손실 특성을 갖는 비전도성 세라믹 물질이다 따라서 페라이트는 관점에서 고. EMC

주파 신호를 선택적으로 억제하면서 동시에 회로 동작에 사용되는 신호에는 거의

영향을 미치지 않는 특성을 갖는다.

이러한 특성을 갖는 페라이트로 만들어진 부품들은 일반적으로 선로를 타고 흐르는

공통모드 장해신호를 흡수하여 열로 발산시키는 전기적 손실재료로 만들어지며 전,

형적으로 비드 튜브 또는 막대의 형태를 가진다 공통모드 장해전류로부터 발생되, , .

는 자기장은 손실성 페라이트를 통과할 때 자기저항 이 낮은 곳으로 집, (reluctance)

중되어 열로 변환된다 이러한 페라이트 부품은 현재 전자파장해 대책에 가장 널리.

사용되고 있는 것으로서 임피던스 인자 인덕턴스 삽입손실 등과 같이 전자파, Q- , ,

장해 대책 부품으로 요구되는 특성을 얻기 위해서는 동작조건 제품인자 재료정수, , ,

코일정수에 대한 정보를 이해할 수 있어야 한다.

페라이트 재료는 보자력의 대소에 따라서 경성 페라이트와 연성 페라이(hard) (soft)

트로 분류된다 또는 계 페라이트와 같은 경성 페라이트는 주로 영구자석 등. Sr Ba

에 사용되며 대책용에는 계와 계의 연성 페라이트가 주로 사용된, EMI Ni-Zn Mn-Zn

다.

아래의 그림 과 같이 전류가 흐르는 케이블의 주변은 주파수에 따라 변화하는10.8

자기장이 발생하여 자유공간으로 방출된다 이 케이블이 페라이트 코어의 중심을.

지나게 하면 자유공간으로 방출되던 자기장은 페라이트의 투자율로 인한 자기장 집

적 효과에 따라 페라이트 코어 안으로 모여진다 불필요한 고주파 성분의 자기에너.

지는 열로 변환되어 손실원리에 따라 고주파 잡음 성분은 없어지게 된다 따라서.

페라이트 코어를 통과하기 전에 케이블 상에 흐르는 전류에 의해 케이블 주변으로

방사되는 잡음은 페라이트를 통과한 후에는 전도성 잡음과 방사성 잡음이 제거된

다.

- 307 -

그림 페리아트 삽입 효과10.8

그림 페라이트 비드의 구조 및 등가회로10.9

이러한 전자파장해 대책부품은 전형적으로 공통모드 장해전류와 접지루프 전류를

제어하는데 사용되며 동축케이블의 시스 전류를 제어하거나 케이블상, (sheath) , I/O

에 유기되는 전류 혹은 케이블로부터 복사되는 전자파량을 줄이기 위해서도 사용된

다 그러나 전자파장해 대책에 사용되는 페라이트가 전형적으로 의 주. 10~500 MHz

파수대역으로 제한되고 높은 임피던스 회로에 대해서는 효과적이지 못하며 인접한, ,

자기장이나 높은 전류선로에 의해 포화될 수 있으므로 사용상 제한이 있다 따라서.

발산되는 열과 포화 요구사항에 근거하여 페라이트 부품을 선택하여야 하고 피해,

기기의 입력단에 각각의 페라이트 부품이 기계적으로도 안정되게 설치되어야 한다.

앞에서 언급한 바와 같이 여러 가지 형태의 페라이트를 사용하지만 가장 대표적인

형태가 그림 과 같은 비드 형태이다10.9 .

- 308 -

일반적으로 페라이트 비드는 복소 비투자율을 이용해 다음과 같이 그 특성을 표시

한다.

여기서 실수부 r’μ 는 비드내에 저장되는 에너지와 관련이 있고 허수부, r"μ 는 페라

이트 비드에 의한 손실과 관련이 된다 모두 주파수에 따라 변하는 함수이다 위 복. .

소 비투자율 식을 페라이트 비드의 인덕턴스를 나타내는 일반식에 대입하고 정리하

면 다음과 같다.

여기서 는 페라이트 비드의 크기에 의해 결정되는 상수이며 페라이트 비드의 등가K

회로는 주파수에 따라 변하는 저항과 인덕터의 직렬 연결로 표현할 수 있다.

의10.2 PCB EMC

저주파 신호가 중심이 되던 초기의 제작에는 주로 기판상의 전기적인 연결을PCB

구현하는 것이 주요한 목적이었으나 부품의 집적도가 높아지고 고주파 신호의 사용

이 증가되면서 부품 및 선로들간의 전자기적인 결합이나 복사 전자파의 증가로 인

한 전자파 장해 문제가 중요한 요소로 등장하였다 제품의 경박단소 화와. ( )輕薄短小

대량생산에 대한 요구 등으로 인하여 설계 및 제작에서 의 활용도 일반화PCB CAD

되어 있는 상태이다 또한 최근에는 전자 제품의 다양화로 인하여 의 다기능. , PCB

소량화와 다품목화 되는 특징을 나타내고 있다.

- 309 -

상기한 의 특성으로 인하여 제품 개발 시에 경쟁력 확보를 위해서는 설계 단계PCB

에서부터 각종 문제를 예측하고 이에 대한 대책기술을 적용하여 개발기간을EMI

단축시키고 가격 경쟁력을 확보해야 한다 그러나 일반적으로 문제는 여러 가. , EMI

지 현상이 복합적으로 나타나는 것으로써 모든 영향을 파악하는 것이 현실적으로

불가능하며 도구를 활용한 해석이나 적용만으로 대책을 강구할 수 없다 에서. PCB

발생하는 각종 문제에 효과적으로 대응하기 위해서는 각종 문제를 발생시키는EMI

요소를 파악하고 이를 물리적으로 분석하고 원인을 제거하기 위한 기본적인 원리,

를 이해하는 것에서 출발해야 한다.

현상의 발생 원리10.2.1 EMI

현상이 나타나기 위해서는 반드시 신호 발생원 전달경로 신호를 받는 수신단EMI , ,

의 가지 요소가 필요하다 이들 중 어느 한가지만이라도 제거할 수 있으면 문3 . EMI

제는 해결할 수 있다 신호 발생원이나 수신단은 회로 설계자들이 특정한 기능을.

구현하기 위해서 지정한 것으로 레이아웃 설계자들의 작업 범위를 벗어난 것PCB

이다 따라서 신호의 전달경로에 대한 특성을 최적화 시키는 작업이 설계자들. PCB

의 몫이라고 볼 수 있다.

일반적으로 문제를 해석하기 위해서 고려해야 할 요소로는 다음의 다섯 가지EMI

를 들 수 있다.

주파수 신호의 주파수 대역- :

강도 소스에 흐르는 전류량이나 여기되는 전압의 크기- :

시간 신호의 시간적인 변화- :

임피던스 신호 발생원 수신단 또는 전달 매체의 임피던스- : ,

크기 구현되는 보드의 물리적인 크기나 선로의 길이- :

이러한 요소들에 의하여 특성이 결정되는 를 분석하기 위하여 상에서 가장EMI PCB

문제가 되는 자속상쇄 에 대해 살펴보기로 한다(flux cancellation) .

- 310 -

그림 의 회로와 같이 모든 전기회로는 신호를 발생시키는 신호원 신호가 전10.10 ,

달되는 부하단 신호전류를 전달하는 신호선과 전달된 전류가 되돌아오는 귀환 경,

로 등으로 구성된 폐루프를 이루고 있다 이러한 폐루프는 루프의 형태(return path) .

와 흐르는 전류의 크기에 따라 결정되는 자속을 발생시킨다.

그림 폐루프 회로의 예10.10

그림 자속상쇄10.11

이러한 자속은 이웃한 선로들간의 신호를 결합시켜서 누화 현상을 일으키는 원인일

뿐만 아니라 외부로 복사되는 전자파의 강도를 증가시키는 원인이 된다 자속을 감, .

소시키는 가장 기본적인 방법은 그림 과 같이 반대 방향으로 흐르는 전류를10.11

바로 이웃에 배치시켜서 자속을 상쇄시키는 것이다.

귀환전류 에는 신호전류 와 크기는 같고 위상이 반대(return current) (singal current)

되는 전류가 흘러야 하므로 귀환전류가 지나는 구간의 저항을 최소화시키고 귀환경

로를 신호선에 근접시켜서 발생하는 자속을 상쇄시켜야 하며 이를 자속상쇄라 한

다.

- 311 -

자속상쇄를 이루는 가장 간단한 방법은 영상평면을 이용하는 것이다 복사 전자파.

의 강도에 대한 분석을 위해 차동모드와 공통모드 전류에 의한 복사파의 강도를 살

펴보기로 한다 폐루프에 흐르는 전류는 신호선과 귀환경로 전류의 위상차를 기준.

으로 차동모드와 공통모드로 구분할 수 있다 차동모드 전류는 두 전류의 위상이.

반대되는 성분으로 복사파의 강도에 미치는 영향은 크지 않으며 최대 복사파의 강,

도는 공통모드 전류에 의해 결정된다 따라서 복사파의 강도를 줄이기 위해서는 공.

통모드 전류를 최소화시켜야 한다 귀환경로에 유기되는 전류는 신호선의 전류와.

크기가 같고 위상만 반대인 경우가 가장 이상적인 경우로 볼 수 있다 따라서 귀환.

경로에 흐르는 전류 흐름을 방해하는 모든 성분은 결과적으로 공통모드 전류를 발

생시키는 원인이 된다.

그림 는 이상적인 귀환경로의 형태 와 잘못된 귀환경로의 형태 를 나타내10.12 (a) (b)

고 있다 그림 의 경우에는 불연속이 없는 영상평면을 이용한 경우이다 영. 10.12(a) .

상평면에 유기되는 전류는 신호선과 최단거리에 귀환전류를 형성하고 전류 흐름에

방해를 받지 않으므로 최적의 자속상쇄 효과를 기대할 수 있다 그림 의 경. l0.12(b)

우에는 귀환경로의 전류가 불연속적인 경로 특성으로 인하여 자속상쇄가 나타나지

않는 경우이다 그림 의 경우에는 복사 의 문제를 야기시킬 뿐만 아니. 10.12(b) EMI

라 귀환경로의 추가적인 인덕턴스 성분으로 인하여 전달신호의 파형을 왜곡시키는

원인이 된다 따라서 영상평면을 설치하는 것만으로 문제를 해결할 수 있는 것. EMI

은 아니며 이를 활용할 때에는 세심한 주의가 필요하다.

불연속이 없는 영상 평면의 귀환전류 경로(a)

불연속 영상 평면의 귀환전류 경로(b)

그림 신호전류의 경로와 귀환전류의 경로10.12

- 312 -

다층 기판의 설계10.2.2 PCB

단층 양면 기판1) ,

단층 기판이나 양면 기판을 이용할 경우에는 귀환전류를 흐르게 하기 위한 전용 도

전층이 없다 따라서 일반적으로 고속 신호의 특성을 갖는 클럭 신호나 중요한 디.

지털 신호가 흐르는 선로는 반드시 근접한 위치에 귀환전류가 흐를 수 있는 접지선

를 따로 지정해 주어야 한다 따라서 귀환전류의 경로를 형성해주기 위한 보호 선.

로를 설치해주는 것이 일반적이다 그림 의 마이크로스트립이나. 10.13

구조에서 도전층이 없다면 그림에서 볼 수 있는 바와CPW(coplanar waveguide)

같은 전기장의 집속이 일어나지 않으므로 자속상쇄가 어렵다 또한 얻을 수 있는.

선로의 임피던스에도 한계가 있으며 특히 양면 기판 동에서 얻을 수 있는 임피던,

스는 정도로서 부하가 일반적인 회로에서 적용하는 데에는 한110 ~ 130 50Ω Ω

계가 있다 사용되는 클럭 주파수가 이상인 경우에는 양면 기판 사용시 심. 10 MHz

각한 문제를 야기시킬 수 있다 또한 기능적인 면에서 양면 기판을 이용하여 구현.

이 된 경우에도 자속상쇄에 한계가 있으며 복사 를 막기 위해서 별도의 차폐장EMI

치를 필요로 한다 이를 위해서 별도의 제작비가 소요된다 따라서 클럭 주파수가. .

높을 경우에는 다층 기판을 이용하는 것이 양면 기판으로 제작하는 경우보다 더 경

제적인 것으로 알려져 있다.

다층 기환의 적층2)

전술한 바와 같이 설계에서 를 줄이기 위해서는 도전층을 전원면과 접지PCB EMI

면으로 이용하는 다층 기판을 사용해야 한다 이는 그림 에서와 같이 전자기. 10.13

장이 집속되어 영상평면 효과를 이용하여 자속상쇄 효과를 이용할 수 있기 때문이

다.

- 313 -

그림 선로의 전기장 분포10.13

표 다층 기판 사용시 적층 순서10.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

층4

기판S G P S

층6

기판S S G P S S

층8

기판

S G P S S G P S

S G S P G S P S

층10

기판

S S G P S S G P S S

S S G P S G P S G P S S

층12

기판S G P S S G P S S G P S

층14

기판S S G P S S G P S S G P S S

S : Signal layer, G : Ground layer, P : Power layer

도전층을 이용할 경우에는 전원층과 접지층을 독립적으로 구성해야 한다 또한 고.

속 신호가 흐르는 신호층을 도전층 특히 접지층 에 가깝게 설정해야 한다 여러 개( ) .

의 신호층들이 집중될 경우에는 신호 선로간의 결합량이 증가한다 이러한 결합은.

선로간의 누화량을 증가시키고 회로의 오동작을 불러일으키는 원인이 된다 이를.

방지하기 위하여 층 이상의 다층 기판을 배치할 경우에는 모든 도전층들 사이에4 ,

는 층 이하의 신호층만이 오도록 층을 배치한다2 .

- 314 -

이러한 특성을 고려하여 층 이상의 다층기판을 이용한 각 레이어의 적층은4 PCB

표 와 같은 형태를 가지도록 배치한다 표 에서 나타난 바와 같은 각 레이10.2 . 10.2

어의 할당은 현상을 고려한 의 적층 방법의 선택에 대한 하나의 지침으로EMI PCB

제공된다 여기서 고려해야하는 중요한 개념은 각 레이어에 대한 모든 경로 설정.

층이 도전층 전원이나 접지면 에 인접해야만 한다는 것이다( ) .

도전층의 조건3)

영상평면을 효과적으로 이용하기 위해서 도전층은 전원면과 접지면 전용으로 활용

해야 한다 신호선이나 전원선 등의 선로를 별도로 도전층 내에 설치할 경우에는.

도체면을 단절시켜서 귀환전류가 흐르는 경로를 최단거리로 확보할 수 없기 때문이

다 귀환전류의 경로를 최단거리로 확보하지 못할 경우에는 자속상쇄 효과가 나타.

나지 않고 이로 인하여 공통모드 전류가 발생하여 복사파의 강도를 증가 시킨다.

버스와 같은 여러 개의 선로로 구성된 선로를 를 통하여 연결할 경우에는 나란via

한 들에 의해서 귀환전류 경로가 방해받기도 한다 이를 스위스 치즈 신드via hole .

롬 이라고 하며 그림 에 나타내었다 이는 도전층을(Swiss cheese syndrome) 10.14 .

절단한 것과 같은 효과를 나타내어 귀환전류 경로의 증가를 가져온다.

그림 스위스 치즈 신드롬10.14

- 315 -

고속 신호선로의 라우팅10.2.3

고속 신호를 사용하는 상에서 오실레이터와 연결된 선로 버퍼 등으로 구성된PCB ,

클럭 신호는 기판에서 가장 큰 고주파 신호를 포함하고 있으며 복사 전자파를 방,

사시키는 주요 소스이다 클럭 신호는 짧은 천이시간 으로 인하여 부. (rise/fall time)

정합이나 신호 지연에 의한 파형의 변화가 가장 두드러지게 나타나는 선로이기도

하다 따라서 클럭 신호는 다른 선로의 레이아웃에 앞서서 를 방지하기 위하여. EMI

여러 가지 조건을 고려하여 수동적으로 설계한다 일반적으로 클럭 신호에 대한 레.

이아웃이 완성된 후에는 일반적인 자동화된 레이아웃 도구를 이용하여 나머지 선로

를 설계한다.

부품의 위치 선정1)

클럭 신호를 발생시키거나 받는 부품은 기판의 가운데 부분에 배치하고 가장PCB

자리를 피한다 또한 빈번한 천이 신호가 발생되는 데이터 선로들로부터 일정. I/O

한 거리를 두어서 배치한다 클럭 신호는 종단을 개방시키지 않도록 주의해야 한다. .

개방된 선로는 모노폴 안테나와 같은 역할을 하게 되어 복사파를 발생시키는 원인

이 된다 적절한 부하로 종단되지 않은 클럭 선로는 복사파 뿐만 아니라 신호의 왜.

곡을 일으켜서 파형의 품질을 떨어뜨리는 원인이 되기도 한다 따라서 모든 클럭신.

호는 종단에 부하를 연결할 수 있도록 공간을 확보하여야 한다.

클럭 신호 발생기는 별도의 소켓을 사용하지 않고 바로 기판에 실장하도록 한다.

리드선에 의한 인덕턴스 성분은 그라운드 바운스 를 통하여 회로를(ground bounce)

불안정하게 하고 공통모드 전류를 발생시켜서 복사파를 증가시키는 원인이다 따라, .

서 오실레이터 등은 표면 실장형 패키지를 활용하는 것이 바람직하다.

선로의 길이2)

고주파 신호의 선로 설계에 있어서 항상 적용될 수 있는 규칙은 선로 길이를 최소

화하는 것이다 선로가 길수록 복사파 발생과 파형 왜곡의 가능성이 그만큼 증가하.

며 신호의 지연도 증가한다 전류는 선로를 통하여 유한한 속도 빛의 속도의 약, . (

로 전달되므로 전기적인 길이는 전달속도를 이용하여 표현할 수 있다 일반적60%) .

으로 전기적으로 짧다고 볼 수 있는 최대 선로 길이는 신호 발생원에서 수신단까지

의 전파 지연 시간이 신호의 상승 하강 시간의 과 같거나 클 경우 다음 식/ 1/2

과 같이 주어진다(10.7) .

- 316 -

여기서, tr 은 신호의 상승 하강 시간을(ns) / , tpd 는 신호가 선로 를 진행하는(ns) 1 cm

데 걸리는 전파 지연 시간을 나타내며 이때, Lmax는 신호 발생원에서 수신단까지의

설계 가능한 최대거리를 나타낸다.

식 에 주어진 거리보다 짧은 선로의 경우에는 일반적인 문제를 위한 조(10.7) EMI

치를 필요로 하지 않는다 그러나 이를 넘어서는 모든 클럭 선로는 신호 파형의 왜.

곡이 발생할 가능성이 있으며 따라서 전송선로로 보아 설계해야 한다, .

다층 레이어 간의 라우팅3)

다른 층과의 전기적인 연결을 위하여 필요한 비아 는 일반적으로 의 인(via) 1~3 nH

덕턴스 값을 가진다 비아를 통과하는 수만큼의 기생적인 파라미터가 직렬로 연결.

되므로 신호의 왜곡을 가져오고 복사파를 증가시키는 원인이 된다 따라서 빈번한.

비아의 사용은 귀환전류의 경로를 적절히 형성시키는 못하는 문제를 동반한다 이.

러한 원인으로 비아의 사용은 최소한으로 자제해야 한다 피할 수 없는 경우는 부.

품이 위치한 핀의 바로 근접한 위치에 비아를 설치하여 귀환전류의 경로를 확보하

고 한 개의 총만을 이용하여 클럭 선로를 배치한다, .

일반적으로 설계자들이 실수하는 부분은 도전층에 인접한 신호층을 통한 선로PCB

의 배치만으로 문제를 극복할 수 있다는 것이다 그러나 신호 선로는 개 이상EMI . 2

의 도전층을 통과하는 신호층을 비아를 통해 연결할 경우 심각한 문제를 일으킬 수

있다 그림 는 잘못된 클럭 선로의 배치 예를 나타낸다 전도층에 인접한. 10.15(a) .

신호층으로 클럭 신호를 배치하였으나 귀환전류의 경로 확보가 되지 않은 경우로

귀환전류에 의한 큰 공통모드 전류가 발생할 수 있다.

- 317 -

비아를 이용한 잘못된 클럭 신호(a)

배치접지 비아를 이용한 클럭 신호 배치(b)

그림 다층 레이어 간의 라우팅10.15

레이어 간의 연결로 인한 귀환전류 경로의 확보는 접지 비아를 이용하여 해결할 수

있다 그림 는 접지 비아를 이용하여 귀환전류의 경로를 확보한 경우이다. 10.15(b) .

접지 비아는 신호 선로의 인접한 위치에 배치해야 한다.

고속 디지털 신호의 해석10.2.4 SI

근래의 디지털 제품은 동작에 사용되는 클럭 및 신호 주파수가 이상의100 MHz

고속 신호를 사용한다 문제를 사전에 예방하기 위하여 상기한 여러 가지 조건. EMI

올 적용하여 레이아웃과 적층을 하더라도 고속 신호의 디지털 회로는 신호의 파형

을 구체적으로 예측하는 시뮬레이션을 필요로 한다.

는 고속 디지털 신호를 사용하는 경우 드라이버 회로에서 수신SI(Signal Integrity)

단 회로로 전달된 파형을 시간 영역에서 관찰한 펄스의 충실도를 나타낸다 상. PCB

의 해석을 위해서는 선로의 파라미터 불연속점의 등가모델 패키징의 기생 파라SI , ,

미터 등을 추출하고 드라이버 포트와 수신단 포트의 모델 등이 필요하다 이러한.

파라미터와 모델들은 와 같은 일반적인 회로 시뮬레이터를 이용하여 시간영SPICE

역의 파형을 해석한다 그림 은 해석을 포함한 해석기의 일반적인 구. 10.16 SI EMI

성형태를 나타낸다.

선로의 파라미터 추출에서는 전송선로의 경우에는 종단효과를 무시하고 차원적인2

해석을 통하여 단위길이당 파라미터 를 추출하고 이를 이용하여 다중전송[RLGC] ,

선로로 모델링하는 것이 일반적이다 드라이버 회로와 수신단 회로의 모델은 입. ⋅출력 펄스파형의 상승 하강 시간 동안 회로의 동적인 특성을 구체적으로 모델링하/

는 것이 중요하며 부품의 패키징 효과도 동시에 고려하는 것이 중요하다 이를 위, .

해서 디지털 부품의 해석에 활용할 수 있도록 각 포트의 전기적인 특성을 모델SI

링하는 표준에 대한 필요성이 대두되고 있다.

- 318 -

그림 및 해석의 일반적인 구성10.16 PCB SI EMI

부품의 설계에 활용된 회로를 사용하는 것이 가장 이상적인 경우가 될 수SPICE

있으나 회로도 자체는 부품 제작회사의 지적 재산에 속하는 것으로 설계자들PCB

이 활용할 수 없는 문제점이 있다 이에 대한 대체 모델로써 사에서 제안된. Intel

모델이 사용되어지고 있으며 미국의 전IBIS(I/O Buffer Information Specification)

자산업협회 를 중심으로 표준화 작업이 이루어(EIA; Electronic Industries Alliance)

지고 있다.

전달 경로의 모델링1)

일반적으로 신호원에서 수신단으로 신호를 전달하는 모든 매개체를 포함하는 전달

경로를 인터커넥트 라고 한다 상에 구현되는 인터커넥트는 대부(interconnect) . PCB

분 전송선로로 모델링 가능한 선로와 굴곡 부분 비아 등의 불연속 부분과 부품 리,

드선과 패키징 핀 등으로 구성된다.

- 319 -

전송선로는 인터커넥트 모델링에서 가장 중요한 부분으로 선로간의 결합량을 표현

할 수 있는 다중전송선로의 모델링이 필요하다 일반적으로 기판의 두께는 전. PCB

기적으로 얇은 구조이다 그림 에서와 같이 도전층이 활용될 경우 대부분의. 10.13 ,

전자기장은 유전매질 내부에 집중되어지고 진행방향에 대해 수직인 성분이 대부분

이므로 해석에서는 선로를 준 모드로 가정하여 모델링한다SI TEM .

다중전송선로는 서로 결합된 선로이다 등의 일반 회로 시뮬레이터는 결합. SPICE

전송선로를 해석할 수 없으므로 다중전송선로의 해석을 위해서는 비결합 전송선SI

로 변환 과정이 필요하다 다중전송선로를 비결합 전송선로로 감결합시킬 경우에는.

선로 자체의 모델링에 많은 노드들이 추가되므로 계산량을 증가시킬 수 도 있다.

모델2) IBIS

모델은 회로의 시뮬레이션이나 직접적인 측정치로부터 단의 입출력 특성을IBIS I/O

특성곡선으로 표현하는 부품 모델링 방법이다 부품 자체의 전기적인 특성뿐만V-I .

아니라 패키징 등으로 인한 기생적인 효과까지 모두를 포함하여 표현할 수 있다.

디바이스의 특성을 시뮬레이션에 의하지 않고 특성을 나타내는 표로부터 직접 값을

구하므로 계산속도가 빠르며 기생적인 효과를 동시에 고려하는 특성들로 인하여 시

스템의 해석에 가장 효과적인 부품 모델로 알려져 있으며 다음과 같은 특성을SI

가진다.

제작사에서 제공하는 회로에 대한 데이타를 필요로 하지 않으며 디바이스 제작사-

로부터 공급받은 데이터가 없어도 디바이스 모델을 구성할 수 있다.

비선형성이나 구조적으로 나타나는 기생소자에 의한 효과 등을 고려한 모델로 정-

확한 디바이스의 특성을 표현할 수 있다.

동작 특성을 모델링 한 것이므로 시뮬레이션 속도가 구조적- (behavioral modeling)

인 모델링 데이터를 활용하는 모델보다 배정도 빠르(structural modeling) SPICE 25

며 발산으로 인한 문제점이 발생하지 않는다.

플랫폼에 무관하게 상용 도구와 호환성을- EDA(Electronic Design Automation)

가진다 참고로 모델은 버젼에 따른 모델의 차이로 인한 문제점이 있음( SPICE ).

측정된 특성 데이터나 시뮬레이션 결과로부터 쉽게 디바이스의 모델을 만들 수-

있다.

- 320 -

그림 모델의 추출 단계10.17 IBIS

그림 은 모델에서 부품을 모델링하는 방법과 단계를 나타낸다 디바이스10.17 IBIS .

모델은 측정 결과로부터 직접 생성하거나 모델로부터 변환하여 얻을 수도SPICE

있다 포맷의 모델은 시뮬레이션이나 실험을 통하여 얻은 데이터를 이용하여. IBIS

텍스트 형태의 파일을 직접 작성하거나 변환 프로그램을 이용하여 모델에, SPICE

서 얻는 방법이다.

- 321 -

모델에 대한 중요성이 대두됨에 따라서 이를 공급하는 반도체 제작사들의 수IBIS

가 최근에 급속히 증가하고 있다 그러나 모든 부품의 모델을 구하는 것은 현실적.

으로 불가능하므로 실험적인 데이터로부터 모델을 구현하는 기술도 동시에 습IBIS

득할 필요가 있다.

통신시스템의10.3 EMC

정보사회의 급속한 발전과 더불어 다양한 종류의 유선 및 무선 통신시스템이 개발

되어 활용되고 있으며 이러한 각종 통신시스템의 개발과 활용에 있어서 허가된 통,

신 신호의 효과적 활용을 위한 연구는 주파수 스펙트럼의 관리뿐만 아니라 변조방

식 전송매체 이용지역 이용시간의 특이화 등으로 다양하게 이루어지고 있다 기, , , .

본적으로 통신시스템은 허가된 통신 신호만을 이용하기 위해 완벽한 설계가 이루어

져야 하나 기술적인 면에서나 제조 가격 관점에서 어려움이 있다 이 때문에 통신.

시스템은 필연적으로 두가지 역기능을 갖게 되는데 첫째는 허가된 통신 신호 이외,

의 불요 신호의 방출로 인한 타 시스템에 장해를 주는 문제 이고 두번째는 이(EMI) ,

시스템이 외부 잡음 선호에 의해 장해를 받는 문제 이다(EMS) .

본 절에서는 전자파장해 현상과 관련된 통신시스템의 정의에 대해 간략히 기술하

고 통신시스템에서 전자파 발생원이나 전자파 결합 경로 등과 같은 전자파장해 현,

상을 구성하는 통신시스템 성분들에 대해 설명하였다.

통신시스템의 개요10.3.1

통신시스템은 넓은 의미로 보면 광범위한 지역에 구성되어 있는 전송설비 선로설,

비 교환설비 단말장치 정보통신설비 국선 및 국선접속설비 중계장치 등으로 구, , , , ,

성된 유선통신망 무선통신망 또는 이들이 혼합된 통신망 등을 의미할 수도 있고, , ,

좁은 의미로 보면 전송설비 선로설비 교환설비 단말장치 정보통신설비 국선 및, , , , ,

국선접속설비 중계장치 등 하나하나를 의미할 수도 있다, .

- 322 -

관점에서 보면 전자기 에너지의 방출이나 결합은 일련의 선로 구조나 독EMI/EMS ,

립된 일정 크기의 회로 및 장치 또는 선로와 선로 사이의 밀집되어 있는 회로 및,

장치 등에서 발생하는 것으로 간주되기 때문에 전체 유선망이나 무선망과 같은 넓

은 의미의 통신시스템 통신망 전체 에서 발생하는 문제를 제어하거나 측( ) EMI/EMS

정하는 것은 거의 불가능하고 의미가 없다 따라서 통신시스템에 대한 관. EMI/EMS

점은 전송설비 선로설비 교환설비 단말장치 정보통신설비 국선 및 국선접속설, , , , ,

비 중계장치 등과 같은 좁은 의미에 대해 취급하는 것이 보다 타당할 것이다, .

통신시스템에서 전자파장해로 인한 수신장해는 전자파장해 현상에서 가장 오래된

역사를 가지고 있다 이러한 전자파장해는 일반적인 전기 전자장치로부터 발생하. ⋅는 광대역 장해전자파에 의한 것과 의도적으로 전파를 발생시키는 송신체에 의해

발생된다 간단한 예로서 전기면도기를 사용할 때 인접한 텔레비젼 수신기에 전자.

파잡음이 발생되는 것을 흔히 느낄 수 있다 이러한 현상은 그림 에서 볼 수. 10.18

있는 것처럼 전기면도기로부터 발생된 전자파의 복사레벨은 광대역 주파수 특성을

가지며 텔레비젼 수신기의 선택도보다 복사레벨이 높은 주파수 대역에서는 텔레비,

젼 수신기에서 전자파장해가 일어나 화면에 점이나 줄 등이 발생 되는 것이다 물.

론 수신기 입력단에서의 장해전자파 복사레벨이 텔레비젼 수신기의 선택도보다 낮

은 주파수 대역에 수신기가 동조되어 있다면 전자파장해 현상은 발생되지 않을 것

이다 이러한 이유로 방송 통신장치의 보호를 위해 일반적인 전기 전자장치로부. ⋅ ⋅터의 전자파방출을 규제하고 있으며 규제의 당위성도 이러한 이유로부터 찾을 수,

있다.

그림 광대역 전자파가 방송수신기에 전자파장해를 일으키는 경우10.18

- 323 -

그림 통신시스템에서의 대역외 간섭10.19

일반적으로 통신망을 설계할 때 전자파장해가 일어날 것인가를 반드시 검토하게 된

다 통신시스템에서의 전자파장해 현상은 다음 세가지의 범주에 속한다. .

- 324 -

동일채널 간섭- (co-channel interference)

인접채널 간섭- (adjacent channel interference)

대역외 간섭- (out-of-band interference)

이러한 전자파장해를 분석할 때는 송신기의 출력 송신안테나의 수신안테나 방향으,

로의 안테나 이득 송신기와 수신기 사이의 전파손실 수신안테나의 송신안테나 방, ,

향으로의 안테나이득 수신기의 감도 등을 고려한다, .

전자파장해 기술에서는 주로 대역외 간섭에 관심을 가지며 다른 종류의 간섭은 대,

개 스펙트럼 공학 기술 분야에서 간섭 계산 등을 실시한다 특히 대역외 간섭은 그.

림 에서 볼 수 있는 것처럼 다음과 같은 세가지 형태의 간섭을 생각할 수 있10.19

다:

송신기의 고조파 방출이 수신기의 기본파 응답과 중첩을 일으키는 경우-

송신기의 기본파 방출과 수신기의 스퓨리어스 응답이 중첩을 일으키는 경우-

송신기의 고조파 방출과 수신기의 스퓨리어스 응답이 중첩을 일으키는 경우-

이러한 전자파장해 현상을 방지하기 위해서는 의도성 전자파의 고조파 방출은 물론

수신기의 스퓨리어스 응답도 규제해야 하며 우리나라에서는 이를 전파법에서 다루,

고 있다.

요구사항10.3.2 EMC

통신장비를 비롯한 전기 전자 제품에 대한 규제를 만족하기 위해서는EMI/EMSㆍ

장비의 정상 동작상태에서 인접 장치에 대한 전자파장해 신호를 발생시키지도 인,

접된 장치들로부터 발생된 장해 신호에 대해 견딜 수 있도록 설계되고 제작되어야

한다 표 에서는 통신시스템과 관련되어 예측과 해석에서 반드시 고려해야. 10.3 EMI

하는 세가지 기본 성분인 소스 결합 경로 그리고 발생된 전자파에 의해 영향EMI ,

을 받을 수 있는 대상에 대한 몇가지 예를 나타내었다.

- 325 -

표 방출 감응 상황의 세가지 기본 요소10.3 -

Conduction and radiation

emitting source

Transfer or

coupling media

Receiving or

receptor elements- Communication transmitters

- Radar and telemetry

transmitters

- Navigation transmitters

- Receiver local oscillators

- Computers and peripherals

- Motors, switches, power

lines, Fluorescent lights,

Engine ignition

- Diathermy, dielectric

heaters

- Arc welders

- Natural sources

atmospherics, lightning,

galactic noise

- Radiated

Antenna-to-antenna

Case radiation

Case penetration

Field-to-wire]

Wire-to-wire

Wire-to-field

- Conducted

Common ground

impedance

Power line

Interconnecting

cables

- Communication

receivers

- Radar and

telemetry receivers

- Navigation

receivers

- Digital computers

- Sensitive indicator

and relay

- Ammunition and

ordnance

- Human beings

(biological hazards)

또한 이러한 필요조건을 만족하기 위해서는 현상에 영향을 다음과 같은EMC EMC

요소들에 대한 세심한 고려가 필수적이다.

발생원- EMI

결합경로- EMI

감응 대상기기-

발생원1) EMI

기본적으로 모든 전기전자 제품들은 의 잠재적인 발생원이다 일반적으로EMI . EMI

의 발생원은 송신기 형태와 우발적 형태의 발생원으로 구분하는데 여기서 송신기,

는 제품의 주기능이 의도적으로 전자기 신호를 발생하고 방사시키는 발생원을 말하

며 우발적 형태의 발생원은 주기능을 수행하면서 부수적으로 전자기 에너지를 방,

출하여 인접 제품에 영향을 주는 발생원올 일컫는다 또한 발생원은 자연에서. EMI

발생하는 것과 인간에 의해서 만들어지는 것으로 구분한다 아래 그림 에서. 10.20

발생원의 여러가지 종류에 대해 나타내었다EMI .

- 326 -

그림 발생원의 분류10.20 EMI

결합경로2) EMI

발생원으로부터 방출된 전자기 에너지는 여러가지 경로를 통해서 인접 전자EMI

제품에 영향을 주게 된다 기본적으로 전자파의 결합경로의 형태에 따라 크게 복사.

성 전자파장해와 전도성 전자파장해 현상으로 분류한다 전도성 전자파장해는 전자.

제품 사이에 직접 연결된 도선이나 전력 케이블을 통한 결합 현상을 복사성 전자,

파장해 현상은 발생원으로부터 발생된 전자기 에너지가 전자제품 사이의 매질EMI

을 통한 전파에 의한 결합 현상을 의미한다 또한 복사성 전자파장해는 다시 복사.

방출과 복사감응으로 구분되며 마찬가지로 전도성 전자파장해도 전도방출과 전도,

감응으로 분류한다.

감응 대상기기3)

일반적으로 전기 전자 신호에 응답하거나 이러한 신호와 관련된 전자기장에 의해⋅구동되는 전자 기기들은 인접 전자기장에 영향을 받아 문제를 갖을 가능성이EMI

있다 이러한 특성을 갖는 전자 기기들의 감응 특성에 따라 다음과 같은 두가지 종.

류로 나눌 수 있다.

- 327 -

넓은 주파수 대역에 걸친 전기 신호 및 유도된 전자기장에 영향을 받는 기기 원- :

격제어 스위치 릴레이 지시기 램프 기록장치 논리회로, , , ,

특정 주파수 대역의 전기 신호 및 유도된 전자기장에 영향을 받는 기기 통신용- :

수신기 항법 수신기 레이더, ,

이러한 통신시스템 및 각종 전자 기기에서 발생하는 전자파 적합성과 관련된 문제

를 보다 효과적으로 해결하기 위해서는 통신 기기 혹은 시스템의 모든 설계 제작⋅단계에서 필요한 요소 기술에 각각 전자파 적합성 기술에 대한 개념을 적용하여야

한다 즉 문제는 전체 시스템 구현에 필요한 여러 전문 분야에 대한 복합적인. , EMI

기술과 에 대한 기본적인 개념의 신중한 적용으로 해결할 수 있는 복합적인 특EMC

성을 갖는다고 할 수 있다.

- 328 -

참 고 문 헌

(1) Clayton R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Wiley,

NY, 1992.

(2) M. Montrose, EMC and the Printed Circuit Board [Design, Theory, and

layout Made Simple], IEEE Press, NY, 1998.

(3) Clayton R. Paul, “A Comparison of Common-Mode and Differential-Mode

Currents in Radiated Emissions," IEEE Trans. On EMC, Vol. 31, pp. 189-193,

May 1989.

(4) Mark I. Montrose, “EMC Suppresion Concepts for Printed Circuit

Boards-Routing Clock Traces," IEEE EMC Society Newsletter, No. 173, pp.

25-29, Fall 1998.

(5) Syed B. Huq, “Easy System Simulation With IBIS Device Models,"

Electronic Design, pp. 93-108, Dec. 1996.

(6) Mark I. Montrose, Printed Circuit Board Design for EMC Compliance, IEEE

Press, 1996.

(7) William G. Duff, Fundamentals of Electromagnetic Compatibility [Handbook

Series on Electromagnetic Interference and Compatibility, Vol 1], Interference

Control Technologies, Inc. Virginia, 1988.

(8) William G. Duff, EMC in Telecommunications [Handbook Series on

Electromagnetic Interference and Compatibility, Vol 7], Interference

Control Technologies, Inc. Virginia, 1988.

- 329 -

제 장 전자파장해 규제 규격11

전자파장해 문제를 방지하기 위해서 년대에 국제적으로 규제가 먼저 시작1970 EMI

되었다 그러나 이러한 규제에도 불구하고 전기 전자장치의 확대 보급에 의해 전. ,⋅자파환경이 더욱 악화되어 전자파장해 현상이 지속적으로 증가하자 년대에 들1990

어 에 대한 규제도 유럽연합 를 중심으로 실시하게 되었EMS EU(European Union; )

다.

규제 규격은 특성상 전자파규격 안전규격 성능규격 품질규격 통신규격 환경규, , , , ,

격 등으로 구분되며 규제상 강제규격과 권장규격이 있다 또한 지역별로 구분하면, .

국제규격 지역규격 그리고 자국규격이 있다, , .

전자파규격은 통상 규격을 지칭하고 있으며 규격중에는 규격과EMC EMC EMI

규격이 있다 예를 들어 미국의EMS . FCC(Federal Communications Commission;

미연방 통신위원회 규격 등이 대표적인 전자파 규격이다 안전규격은 화재 감전) . , ,

상해 폭발 등으로부터 사람과 동물을 보호하기 위하여 성문화된 규격으로 예( ),傷害

를 들어 미국의 미국 보험업자 시험소 캐나다의UL(Underwriters Laboratories; ),

캐나다 규격협회 영국의CSA(Canadian Standard Association; ), BSI(British

영국 규격협회 또는 독일의Standard Institution; ) VDE(Verband Deutscher

독일 전기기술자협회 규격 등이 대표적인 안전규격이다Elektrotechniker E. V.; ) .

성능규격은 제품의 기능 및 성능을 위하여 제정된 규격을 말하며 일반적으로 제조

업체의 설계 연구 부문에서 직접 적용하는 규격으로 사내규격중에 성능시험 규격ㆍ

등이 이 규격에 포함되기도 한다 품질규격은 이러한 사내 성능시험규격에 준하여.

제작된 제품을 지속적으로 유지 개선시키는 데 필요한 품질보증 관리에 관련된⋅ ⋅규격이며 예를 들어 국제 표준화ISO(International Standardization Organization;

기구 시리즈규격이 대표적인 품질규격이라 하겠다 특히 규격은) 9000 . ISO 9000

국제적 품질규격으로 제 자 기관으로부터 제조업체 공장의 품질 보증업무를 인증3

받고 있는데 통합과 함께 그 중요성이 부각된 규격이기도 하다 참고로 신규 또EU .

는 특수제품으로 안전규격이나 전자파 규격 등이 없든지 대상기기에 해당되지 않는

경우 일부 바이어들 시리즈 규격을 요구하는 경우도 종종 있다, ISO 9000 .

- 330 -

통신규격은 각 국가의 통신망을 보호하기 위한 목적으로 제정된 규격으로 공공 전

화통신망을 가지고 있는 제품 특히 모뎀이나 전화기 선을 연결한 제품은 모두 통,

신규격의 규제대상이 되며 이 통신규격에서 규정한 요구사항을 만족하여야 한다.

통신관련의 대표적인 국제기관으로 ITU(International Telecommunication Union;

국제통신연합 유럽통신), ETSI(European Telecommunication Standards Institute;

표준협회 및 미국의 등이 있다 그리고 환경규격은 환경관련의 규격 대기환경) FCC . (

보호법 소음 진동규제법 등 이며 대표적인 국제규격으로 규격이 있다, / ) ISO 14000 .

본 장에서는 전자파규격에 대해 주로 설명하고자 한다.

국제규격 제정기구 및 국제규격11.1

11.1.1 ISO

는 년 창립되었으며 물질과 서어비스의 국제교환을 수월하게 하고 지적ISO 1946 , ,

과학적 기술적 및 경제활동 분야에 있어서 국제간의 협력을 조장하기 위해 세계적,

으로 규격의 심의 제정촉진을 꾀하는데 그리고 무역의 확대 품질개선 생산성 증ㆍ ㆍ

대 및 원가절감 등을 지향한 전세계적인 국제규격에 관한 합의를 그 목적으로 하고

있다.

11.1.2 lEC

국제전기표준위원회 는 년 창IEC(International Electrotechnical Commission; ) 1906

립되었으며 목적은 전기에 관한 국제규격의 통일과 협조를 촉진하는데 있다IEC .

이 목적을 달성하기 위하여 취급되는 전문적인 사항에 대해 국제적으로 일치된 사

항을 담은 추천규격 을 발행한다 또한 모든 회원국이 국가 규격을(lEC Publication) .

제정할 때 이 추천규격을 준하도록 강력하게 권고하고 있다, .

- 331 -

전문업무는 전기기술 전반을 다루고 있다 따라서 전력 전자 전기통신 및 원IEC . ⋅ ⋅자력 에너지에 관한 것까지도 포함된다 크게 나누어 다음과 같이 개의 부문으로. 2

분류된다.

공통된 표현방법을 사용함으로써 모든 나라의 전기기술자간의 상호이해를 깊게-

하는 것을 목표로 하는 일이다 여기에는 전기용어의 통일 양과 단위 및 그것들의. ,

기호와 약호 도표에 사용되는 그림기호에 관한 합의가 포함된다, .

전기재료의 전기특성연구를 포함한 전기기기의 표준화이다 여기에는 특성 시험- . ⋅방법 품질 안전성 및 기계와 전기기기의 교환성에 관계되는 치수에 대해 기기에⋅ ⋅주어지는 보증의 표준화가 포함된다.

참고로 는 비정부간 기구이지만 국제기구전문기관으로 각 국제기관과 연ISO, IEC ,

관을 맺고 특히 국제연합 경제사회이사회에서의 자문적 지위를 갖는 외에 표준화,

에 관심을 갖고 있으며 그 밖에 많은 정부간의 기관과도 밀접한 관계를 유지하고

있다.

11.1.3 CISPR

국제무선장해특별위원회 는 년에 설립되었으며 전자파장해에 관한 국제CISPR( ) 1934

협약에 따라 국제 무역진흥을 위하여 다양한 제품 즉 전기 전자기기 및 정보기기, ⋅등에서 방사되는 전자파장해 관련의 측정방법 및 한계치를 조사하는 국제심의기구

이다 은 의 특별위원회로 그 위치는 다른 특별 위원회와는 다르다고 할. CISPR IEC

수 있는데 이는 그 구성원이 전자파장해에 관한 통제 관리 에 관련된 여러 국제기, ( )

구로 구성되어 있기 때문이다.

- 332 -

의 규격은 자율규격으로 법적 강제성을 지닌 것은 아니다 그러나 의CISPR . CISPR

규격은 모든 참여국가의 협의에 의해 제정되는 국제적 합의사항으로서 는, CISPR

이와 같이 제정된 규격에 대한 국제적인 조화를 촉진시키기 위하여 각 국가 위IEC

원회에게 해당국가의 정책이 허용하는 한 규격을 국가규격으로 채택할 것을CISPR

권장하며 이와 같은 과정을 거쳐서 법적 의미를 지닌 국가규격으로 승화된다.

11.1.4 ITU

는 국제연합 산하 전문기구의 하나로 본부는 제네바에 있으며 년에 발족ITU , 1932

되었다 전기통신의 발전 및 합리적 이용을 위한 국제협력을 목적으로 하고 있으며. ,

각국의 전기통신 주관청이 중심이 되어 적극적인 활동을 하고 있다.

표준화 작업을 수행하는 조직으로는 전기통신 표준화분야인 와 전파통신 분ITU-T

야인 있으며 특히 전파통신분야를 주로 다루는 의 기능은 이동 위성ITU-R ITU-R , ,

고정통신을 포함한 모든 전파통신 및 방송업무에 있어서 무선주파수 스펙트럼의 합

리적이고 공평하며 효율적이고 경제적인 이용을 보장하도록 모든 주파수에 대한 연

구를 수행하고 이를 토대로 전파통신 문제에 대한 권고를 채택하는 것이다.

지역규격인 규격11.2 EN

유럽에 있어서 분야는 유럽공동체 지침EMC EC(European Community; )

의 공포와 함께[89/336/EEC] CENELEC(European Committee for

유럽전기표준화위원회 의 통일된 기준인 규Electrotechnical Standardization; ) EN

격 유럽규격 으로 년 월 일부터 강제규제토록 되어 있다(European Norm; ) 1996 1 1 .

즉 현재 유럽으로 향하는 수출제품은 마킹을 해야 하며 이를 위하여 현존의 유, CE

럽규격인 규격의 기술기준을 만족해야 한다EN .

- 333 -

는 불어식 표기인 유럽 공동체 의 머리글자로서 안전과 건CE Comunite Europeen( )

강관련의 제품에 대해서는 이사회 지침에 의해 마크 표시가 의무화되었다EC CE .

이사회 지침 년 월 일자 에서는 종래의 마크를 마EC 93/68/EEC(1993 7 22 ) CE CE

킹으로 명칭을 바꾸고 마킹의 형상 수치 표시 방법 등을 통일하였으며 다른CE , ,

마크와 같이 사용하는 것을 인정하였다.

은 및 유럽자유무역 연합CENELEC EC EFTA(European Free Trade Association; )

의 회원국으로 구성되어 있으며 주요업무는 회원국내에서 판매되는 각종 전기 전, ⋅자기기 및 정보기기 등에 대한 의 기술기준을 제정 작성 하며 통합에 관련EC ( ) EC

한 유럽통합규격을 심의 제정한다 과 의 차이점은 가 작성. CENELEC CISPR CISPR⋅한 기준은 국가간의 강제력을 가지지 않는 반면에 에서 제정된 은 모, CENELEC EN

든 회원국 국가위원회에 강제 채용을 전제로 하고 있기 때문에 모든 회원국은 EN

규격의 내용과 동등한 규격으로 국가기준을 제정해야 한다.

참고로 회원국은 벨기에 덴마크 프랑스 룩셈부르크 독일 이탈리아 네덜란EC , , , , , ,

드 포르투갈 스페인 영국 아일랜드 그리이스의 개국이며 는 오스트리, , , , , 12 EFTA

아 핀란드 노르웨이 스웨덴 스위스 아이슬랜드의 개국이다 또한 년 월, , , , , 6 . 1994 1

일부터 유럽공동체 의 명칭을 유럽연합 으로 변경하였으며 년 월1 (EC) (ED) , 1995 1 1

일을 기하여 회원국은 벨기에 덴마크 프랑스 룩셈부르크 독일 이탈리아 네ED , , , , , ,

덜란드 포르투갈 스페인 영국 아일랜드 그리이스 아일랜드 오스트리아 핀란, , , , , , , ,

드 스웨덴의 개국이 되었다, 15 .

규격의 분류와 정의11.2.1 EN

규격은 유럽표준화위원회 및 에서 작성된다 규격은 국제규EN CEN( ) CENELEC . EN

격인 등의 규격에 정합시키는 것을 염두에 두고 작성하고 있지만ISO, IEC, CISPR

국제규격이 존재하지 않는다든지 검토중인 경우 독자규격도 작성하고 있다.

- 334 -

규격은 기본 규격 제품군 규격EN (Basic Standards), (Product Family Standards)

또는 제품 규격 그리고 공통 규격 으로 분(Product Standards), (Generic Standards)

류된다.

기본 규격1)

기본 규격은 제품군 규격에 의해 인용되는 것을 가정하여 작성되고 있고 시험 방법

등 기본적인 사항을 기술하고 있다 기본 규격으로 대표적인 것에는. IEC 61000-4

시리즈가 있으며 이는 시험 방법에 관한 기본 규격이고 대부분이 전자파 내성 시,

험방법을 규정하고 있는데 의 전문위원회 에서 이IEC TC(Technical Committee; ) 77

업무를 담당하고 있다 표 은 시리즈 규격을 보여주고 있다. 11.1 IEC 61000-4 .

표 시 리즈 규격11.1 IEC 61000-4

규격명lEC 주요내용

IEC 61000-4-1 전자파 내성 시험개요

IEC 61000-4-2 정전기 방전에 대한 내성

IEC 61000-4-3 복사 전자기장에 대한 내성

IEC 61000-4-4 버스트에 대한 내성EFT(Electric Fast Transient)/

IEC 61000-4-5 서지에 대한 내성

IEC 61000-4-6 고주파 전도잡음에 대한 내성

IEC 61000-4-7 전원의 하모닉 인터하모닉에 대한 내성/

IEC 61000-4-8 전원주파수 자기장에 대한 내성

IEC 61000-4-9 펄스 자기장에 대한 내성

IEC 61000-4-10 감쇠 진동 자기장에 대한 내성

IEC 61000-4-11 전원 변동 전압강하 순단 에 대한 내성( , )

IEC 61000-4-12 진동 웨이브에 대한 내성

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제품군 규격2)

제품군 규격은 규정된 제품의 형태에 따른 판정기준을 언급하고 있으며 공업ISM( ,

과학 의료 기기류를 대상으로 하는 및 방송수신기를 위한, ) EN 55011, TV EN

정보기술기기 를 위한 등의 규격이 대표적인 제품군 규격이55013, ITE( ) EN 55022

다.

공통 규격3)

상업 주거 및 경공업 환경 사용기기를 대상으로 하는 규격인, EMI EN 50081-1,

규격인 이나 공업 환경 사용기기를 대상으로 하는 규격인EMS EN 50082-1 EMI

규격인 등의 공통 규격은 모든 장치에 대하여 적EN 50081-2, EMS EN 50082-2

용 가능한 규격이며 특히 시리즈의 규격은 국제 규격인 시리, EN 50082 IEC 801

즈 규격을 기초 규격으로 채용하고 있다 이미 제품군 규격 또는 제품 규격이 존재.

하는 장치에 대해서는 공통 규격이 먼저 적용되어져 있다.

각국의 규격11.3

미국11.3.1

는 년에 제정된 통신법에 의거 설립된 미국의 정부기관으로 민간부문의FCC 1934 ,

통신을 관할하고 있으며 전기 전자제품으로 부터 방사되는 불필요한 전자파가 공⋅중 통신에 방해되지 않도록 규제하는 권한을 가지고 있다 제품에 대한 인증 업무.

는 내의 기술국 에서 대부분 수FCC (OET; Office of Engineering and Technology)

행하고 있으며 통신선로에 연결되는 통신기기에 대한 등록업무는, Common Carrier

에서 수행하고 있다 또한 기술국 산하에는 자체 시험소가 운영되고 있Bureau . FCC

으며 사후관리 및 인중시험 업무를 관장하고 있다, .

인증제도는 모든 대상기기에 대해 획일적으로 적용되는 것이 아니고 아래와FCC

같은 네가지의 인증제도를 갖고있다 예를 들어 특정주파수 대역에서 전파에너지를.

발생하는 송신기 및 일부 수신기 등은 통신체계에 중대한 영향을 미칠 수 있기 때

문에 등록 시험소에서 시험을 받은 후 로부터 별도의 확인을 받도록 요FCC FCC

구하는 증명 인증제도가 있다( Certification) .

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또한 인증절차 간소화 및 규제완화 차원에서 개인용 컴퓨터 및 주변기기 등 디지

털 장비에 대하여 또는NIST(National Institute of Standards and Technology)

에 의하여 인정된 시NVLAP(National Voluntary Laboratory Accreditation Program)

험소 에서 규정에 따른 적합성 시험을 한 후 이 시(Accreditation Laboratory) FCC ,

험소에서 발행한 성적서에 의하여 별도의 인허가 절차없이 제품에 관련 마킹을 부

착하여 직접 출하할 수 있는 인증제도가 있다 이DoC(Declaration of Conformity) .

는 의 마킹 인증제도의 모듈 와 유사한 인증제도이다ED CE A .

그리고 불요 전자파를 발생시키는 제품이라도 전반적으로 제품의 잡음레벨이 안정

되어 있고 통신수단이나 다른 제품의 동작에 큰 영향을 미치지 않는다고 판단하는

기기는 제조자가 직접 그 제품에 대한 성능을 점검하여 기술기준을 만족할 경우는

별도의 인허가 절차를 생략하고 직접 출하할 수 있도록 매우 완화된 절차를 적용하

는 입증 인증제도가 있다(Verification) .

마지막으로 통지 인증제도는 제품이 해당 기술기준에 만족함을 신청자(Notification)

가 측정하여 확인하고 이러한 측정의 실시와 만족여부를 에 통지하여 인증서를FCC

받는 절차를 말한다.

제품의 사후관리는 인증받은 제품들이 기술기준에 부합되게 생산 판매 되는FCC ⋅지를 확인할 목적으로 제품을 수거하여 시험하고 규정에 위반된 제품의 수입, FCC

판매 여부를 확인할 목적으로 대리점 검사 무역 전시회 또는 광고물 조사 등을,⋅통해 하고 있다.

일본11.3.2

일본에 있어서의 전자파장해에 관한 규제는 우정성의 전기통신기술심의회가 고주파

이용설비를 포함한 각종기기에서 발생하는 방해파의 측정이나 규제치 등을 검토하

고 전파법이나 전기용품 취체법 관계법령에 추가하면서 규제하여 왔다 또한, . 1985

년에 가 발행됨으로 해서 전기통신기술심의회는 이 권고를CISPR Publication 22

수용해야 한다는 입장을 세웠다 이에 따라 정보기술장치 의 전자파장해의 규제. (ITE)

에 대해서 일본전자공업진흥협회 일본사무기계공업회 일본전자기계공업회 및 통, ,

신기계공업회의 개 단체에 의한 정보기술장치 등 전파장해자주규제협의회4 (VCCI;

Voluntary Control Council for Interference by Information Technology

가 결성되었으며 는 컴퓨터나 팩스밀리 등의 로부터 발생하는Equipment) , VCCI ITE

방해파의 자주규제조치의 운용을 정해서 자율규제를 시작하였다.

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는 정보기술장치 및 사무기기의 전자파장해의 자율규제에 대한 기본정책을 결VCCI

정하고 회원상호간은 물론 정부 및 관련기관의 조정역할을 수행한다 또한 자율규.

제에 대한 적합성 보고서 접수 및 인증서(Conformance Report) (Certification of

를 발부하고 제 의 시험기관에 의뢰 및 샘플 수거 후 검사를 실시한Acceptance) , 3

다 그리고 기술규격에 대한 연구 사용자 및 관련업체에 정보제공 기타 자율규제. , ,

에 대한 필요조치를 강구한다 또 는 사후관리 차원으로 일반 판매상에서 회원. VCCI

사의 샘플을 구입하여 측정하고 있으며 회원사를 대상으로 매년 회씩 실시하고, 1

비용은 회원사가 부담한다.

한국11.3.3

우리나라에서는 정보통신부에서 년부터 에 대한 전자파장해 검정규칙을 제1990 EMI

정하여 시행해 오다가 년에 선진국의 추세에 따라 그 동안의 기준을 국제 기1996

준인 기준으로 상향조정하고 아울러 에 대한 기준 및 시험방법도 제정CISPR EMS

하였다 년에는 현행 검정제도를 적합동록제도로 전환하여 국가 중심의 규제. 1997

제도를 민간의 자주규제로 변환시켰다 적합동록제도란 국가에서 정한 규격과 규제.

수준에 적합 여부를 자발적으로 시험 평가하여 그 결과를 일정 서식에 의거하여 관

계 기관에 제출하여 승인을 얻는 방법으로 일종의 자기 인증 제도이다.

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참 고 문 헌

한국무선국관리사업단 전자파장해 기술기준 선진화 연구(1) , , 1996.

한국전자파학회 전자파장해 기술강좌(2) , , 1997.

한국전자파학회 기술 워크샵 및 전시회(3) , EMI/EMC , 2000.

전파연구소 기준전문위원회 국제규격 동향(4) EMC , IEC/CISPR TC77 , 2000.ㆍ