2.2.1 BAR 형 RF 안테나 PCB

그림 2는 BAR 형 RF 안테나 PCB와 RF 안테나의 실물 사진이다. BAR 형 PCB의 크기는 가로 2 cm, 세로 3.5 cm이며 양 끝단은 한쪽은 RF 안테나, 나머지 한쪽은 SMA 커넥터로 계측기와 연결된다. 그림 2 우측은 초기 제작된 RF 안테나로 가로 25 cm, 세로 25 cm의 크기를 가진다. RF 안테나의 크기는 그 안테나가 어떤 주파수대에서 작동할지에 따라 달라지는데 안테나의 크기는 주파수와 파장 길이에 직접 영향을 미치며, 주파수에 따라 적합한 크기가 다를 수 있다.

그림 2. BAR 형 RF 안테나 PCB 및 RF 안테나

Fig. 2. BAR RF Antenna PCB, RF 안테나

그림 3은 스파이럴 안테나의 암 패턴이며, 기본 설계 변수로는 스파이럴 암의 너비(w)와 암간 간격(s)이 있고, 암 패턴의 반지름 $r_{1}$과 $r_{2}$가 있다. 또한, 이에 따라 결정되는 턴수 (N)도 중요한 변수이다. 암 폭과 암 간격이 정해져 있을 때 반지름 $r_{1}$과 $r_{2}$, 턴수는 식 (1)과 같이 정해질 수 있고 식 (2)와 같이 동작 주파수의 상한 주파수와 하한 주파수에 의해 결정된다^[9].

그림 3. RF 안테나 암 패턴

Fig. 3. Arm pattern of RF Antenna

연구 초기에 설정한 부분방전 측정 주파수는 0.5 ~ 2.0 Ghz 임으로 위 공식에 근거하여 턴수 (N)은 10으로 설정하였으며 $r_{1}$은 0.5 cm, $r_{2}$는 11 cm 으로 설정하였다. 그림 4는 BAR 형 RF 안테나 PCB와 RF 안테나의 결합한 결과에 대한 시뮬레이션 DATA이다. 약 400 Mhz까지의 $S_{11}$은 불안정한 모습이지만 대부분 –10 dB 이하의 $S_{11}$을 가지는 모습을 볼 수 있다.

그림 4. BAR 형 RF 안테나 $S_{11}$ 시뮬레이션

Fig. 4. BAR RF Antenna $S_{11}$ Simulation

그림 5는 BAR 형 RF 안테나의 $S_{11}$을 Network Analyzer로 실제 측정한 값이다. 시뮬레이션 결과와 같이 약 300 Mhz에서 600 Mhz까지의 $S_{11}$ 값이 불안정하게 떨리는 모습을 확인할 수 있다. 이는 제작한 BAR 형 RF 안테나가 협대역이란 뜻이며 협대역이란 매우 제한된 주파수 범위에서만 최적의 성능을 발휘하며, 그 범위를 벗어나면 성능이 급격히 저하되는 바를 의미한다. 또한, 실제 측정한 값이 시뮬레이션 DATA와 달리 값이 –10 dB 이상으로 기준치에 미달하는 것으로 나타난다. 이는 임피던스가 불일치하여 나타나는 현상으로 안테나 PCB 수정이 요구된다. 이를 보완하기 위하여 BALUN 형 RF 안테나 PCB를 고안하였다.

그림 5. BAR 형 RF 안테나 $S_{11}$

Fig. 5. BAR RF Antenna $S_{11}$

2.2.2 BALUN 형 RF 안테나 PCB

RF 변압기는 RF 안테나와 전자 장치 또는 전송 라인 간의 임피던스 불일치를 해결하는 데 사용한다. 또한, RF 안테나에서 수신된 신호를 증폭하거나 변환하는 데 사용되는데 이유는 RF 안테나에서 받은 신호는 미약함으로 RF 변압기를 사용하여 신호를 증폭하거나 적절한 형식으로 변환해야 한다. RF Transformer는 BALUN으로 명칭 하며 BALUN은 "BALANCE - UNBLANCE Transformer"를 나타내는 말로, 주로 무선 통신 및 RF (Radio Frequency) 분야에서 사용된다. BALUN은 미리 설정된 임피던스를 가진 미리 설정된 단자와 함께 설계된 변압기 또는 변환기다. 이 변환기는 주로 RF 안테나 시스템에서 사용된다. BALUN을 사용하는 이유는 평형 안테나의 출력을 불평형 급전선에 맞추어 전달함으로써 신호 손실을 최소화하고 RF 시스템의 성능을 최적화하기 위함이고 그 외에도 잡음 제어, 안테나 효율증가, 선로 밸런싱 등이 있다. BALUN 형 RF 안테나 PCB에 사용한 TC4-19+ 모델이며 RF Transformer이다. 주파수 범위는 10MHz부터 1.9GHz까지 사용 가능하다. TC4-19+ 모델은 변압기로, 주로 1:4 비율의 변압기로 사용된다. 제작한 스파이럴 안테나의 입력 임피던스는 200Ω이며 사용한 SMA 커넥터의 임피던스는 50Ω이기 때문에 TC4-19+ 발룬을 적용하여 임피던스를 매칭하였다. 그러나 기존에 제작한 BAR 형 RF 안테나는 평형급전선을 적용한 것과 달리 발룬을 적용할 경우 삽입손실은 불가피하다. TC4-19+ 모델의 삽입손실은 주파수대역에 따라 약 1dB에서 3dB까지 나타난다. 이처럼 발룬은 손실을 동반하고 평형급전선을 적용한 것에 비해 손실이 비교적 발생하긴 하나 수신레벨이 평형급전선과 비교하여 크게 차이나지 않다면 임피던스 매칭과 부피감소효과를 가진 발룬을 적용하는 것이 안테나 PCB를 설계하는데 있어 더 이점이 있다. 그림 6은 BAR 형 RF 안테나 PCB와 RF 안테나의 실물 사진이다. BALUN 형 PCB의 크기는 가로 2 cm, 세로 1.5 cm로 제작하였다. 그림 6 우측은 새로 제작한 RF 안테나로 가로 20 cm, 세로 20 cm의 크기를 가진다.

그림 6. BALUN 형 RF 안테나 PCB 및 RF 안테나

Fig. 6. BALUN Antenna PCB, RF 안테나

연구 초기에 설정한 부분방전 측정 주파수는 0.5 ~ 2.0 Ghz였으나 아크 측정 결과 0.5 ~ 1.5 Ghz 주파수대역에서 대다수의 부분방전이 관측됨으로 불필요한 안테나의 크기를 감소했다. 가로세로 5 cm를 감소하였으며 턴수 (N)는 10에서 8로 감소하였다. 가로세로 길이와 턴수 (N)은 식 (1)과 식 (2)를 참조하여 계산하였다. $r_{1}$은 0.5 cm 유지하였으며 $r_{2}$는 8 cm 으로 감소하였다. 그림 7은 BALUN 형 RF 안테나 PCB와 RF 안테나의 결합한 결과에 대한 시뮬레이션 DATA이다. 기존에 제작하였던 그림 4의 시뮬레이션 결과와 달리 400 Mhz까지의 주파수대역이 안정된 모습을 볼 수 있으며 $S_{11}$이 전체적으로 –10 dB 이하의 값을 가진다.

그림 7. BAR 형 RF 안테나 $S_{11}$ 시뮬레이션

Fig. 7. BAR RF Antenna $S_{11}$ Simulation

그림 8은 BALUN 형 RF 안테나의 $S_{11}$을 Network Analyzer로 측정한 값이다. 측정 결과 대부분의 $S_{11}$ 값은 시뮬레이션 DATA와 같이 –10 dB 이하로 초기에 예상했던 값에 수렴하는 것으로 나타난다. 그림 5의 BAR 형 RF 안테나의 $S_{11}$ 앞단 (약 300 Mhz ~ 600 Mhz)과 비교하여도 떨림 현상이 현저하게 줄어든 모습을 확인할 수 있다. PCB에 BALUN을 적용함으로써 임피던스 매칭을 해줌으로 더욱 안정된 $S_{11}$ 결과를 가질 수 있었다.

그림 8. BALUN 형 RF 안테나 $S_{11}$

Fig. 8. BALUN RF Antenna $S_{11}$

2.3.1 아크 발생 이론

아크는 절연체에서 발생되며 전극의 소손을 동반하여 연속적으로 빛을 내는 방전 현상으로, 고장 전류가 흐르는 경로에 따라 크게 직렬 아크와 병렬 아크로 나눌 수 있다^[10~12]. 직렬 아크는 부하와 전기적으로 직렬로 연결된 부분에서 발생하며 이때 흐르는 아크 전류는 아크 발생 시의 임피던스와 부하의 임피던스에 의해 제한되어 에너지 레벨이 낮으므로 기존 차단기의 보호 레벨 범위에 속하지 않는다^[13~15]. 본 논문의 실험에서 다룰 아크는 직렬 아크이다. 직렬 아크는 노화된 전선을 잡아당기거나 콘센트의 접속이 느슨하게 고정된 경우 또는 금속성 물체에 전선이 찢긴 경우 및 잦은 진동 때문에 전선의 소손이 일부 절단된 경우와 같이 단일 도체의 불완전한 연결 부위에서 발생한다^[16~17]. 직렬 아크는 부하와 전기적으로 직렬로 연결된 부분에서 발생하기 때문에 아크 전류가 부하에 의해 제한되므로 에너지 레벨이 작다. 직렬 아크 발생 시 전류는 부하전류와 같으므로 기존의 차단기 보호 레벨 범위 내에서 흐르며, 일부 아크와 유사한 부하로 인하여 정상상태로 오인되는 경우가 많아 아크 고장 발생 시 신속한 제거를 하기에 어려움이 따른다^[18].

2.3.2 아크 감지 실험환경

그림 9는 아크 감지 실험환경을 간단하게 나타낸 모식도이다. 상용전압 220 V는 전류차단기를 통해 배전반으로 입력된다. 220 V의 상용전압을 사용하는 만큼 실험자가 고압에 노출되어 있어 사고를 방지하기 위함으로 전류차단기를 설치하였다. 배전반을 통한 신호는 아크 발생 장치에 연결된다. 아크 발생 장치의 양단에는 배전반을 통한 220 V와 가전제품이 각각 연결된다. 가전제품은 소비전력 60 W의 전등을 사용하였다.

그림 9. 아크 감지 실험환경 모식도

Fig. 9. Schematice View Of Arc Detection

전압이 인가된 선로의 접촉부에 발생하는 아크를 모의하기 위해 그림 10과 같은 아크 발생 장치를 제작하였다. 전극은 탄소봉과 구리 재질로 구성되었으며 이동 전극을 조절하여 유동적으로 아크를 감지할 수 있도록 설계되었다^[16]. 아크 발생 장치에서 생성된 아크는 Anritsu 사의 MS2721A 모델의 Spectrum Analyzer를 사용하여 측정하였다.

그림 10. 아크 발생 장치

Fig. 10. Arc Generator

그림 11은 아크 감지 실험의 실제 실험환경을 구성한 모습이며 연결은 그림 10과 같다.

그림 11. 아크 감지 실험환경 모식도

Fig. 11. Schematic View Of Arc Detection

2.3.3 아크 감지 DATA

그림 12는 BAR 형 RF 안테나의 아크 감지 실험 DATA이며 그림 13은 BALUN 형 RF 안테나의 아크 감지 실험 DATA이다. 두 DATA의 실험환경은 동일한 환경과 가전제품으로 측정하였으며 측정 대역폭은 같다. 주파수는 0 Hz에서 2 Ghz까지 범위로 측정하였으며 아크는 각각 한 번만 발생시켰다. DATA와 같이 약 400 Mhz 의 주파수에서 신호들이 검출되었으며 그 크기는 약 10 dB의 차이를 가진다. 이처럼 BALUN을 적용한 PCB가 평형급전선을 적용한 BAR PCB와 비교하여 수신레벨이 크게 차이나지 않는다면 BALUN을 적용하는 것이 임피던스 매칭과 부피감소 효과 등을 가지며 RF 안테나를 설계하는 데에 있어 더욱 이점을 가진다.

그림 12. BAR 형 RF 안테나 아크 감지 DATA

Fig. 12. BAR RF Antenna Arc Detecting DATA

그림 13. BALUN 형 RF 안테나 아크 감지 DATA

Fig. 13. BALUN RF Antenna Arc Detecting DATA