자동차 전장품의 전자파 방출 평가 숙련도 시험에 관한 연구

전도성 방출 전압법은 전원선의 전자파를 AN(artificial network)의 전압 관측 단자에서 측정하는 방법이다. 그림 2와 같이 신호 발생기와 AN을 N-타입 RF 커넥터를 통해 RF 케이블로 직접 연결하여 노이즈를 인가하는 방식이다.

AN에는 그림 3의 AN 지그를 연결하며, AN의 제조사에 따라 구조가 다르기 때문에 대부분의 시험소에서 사용하는 Rohde & Schwarz 또는 Schwarzbeck사의 AN 지그를 준비하였다.

신호 발생기에서는 측정하고자 하는 주파수 100 kHz~108 MHz 대역에서 주파수를 변경하면서 인가하며, 인가레벨은 −50 dBm으로 설정한다. 신호 발생기의 임피던스는 50 Ω에 맞추어져 있지만 AN의 임피던스 특성 곡선은 저주파수에서는 낮은 임피던스 특성을 보인다. 따라서 신호 발생기에서 일정한 인가레벨을 인가하더라도 AN에 분배된 전압이 낮기 때문에 저주파수 측정값은 낮게 측정이 된다.

V_AN : AN의 전압, V_SG : 신호 발생기의 전압

Z_AN : AN의 임피던스, V_SG : 신호발생기의 임피던스

CISPR 25의 Table E.1에 ZAN 임피던스 테이블로 측정값을 식 (1)과 같이 계산하여 예측한 값이 표 1과 같다.

식 (1)에서 2를 곱하는 것은 신호 발생기의 경우 부하가 50 Ω이라고 생각하고 내부 임피던스 50 Ω과 함께 전압을 예측하여 설정한 전압대비 2배의 전압을 인가하도록 되어있기 때문이다. 계산된 비교 숙련도 전압법의 측정 결과에서 추정된 전압을 로그 스케일로 변환한 값은 표 1에 제시되어 있다. 해당 값은 이론적 추정치이며, 실제 측정 시 사용한 케이블 및 커넥터의 삽입손실, 시험 환경 내 주변 전자파 간섭, 측정 장비의 보정 상태 및 정확도 등 다양한 요인에 의해 편차가 발생할 수 있다.

숙련도 샘플 제공기관에서 초기 측정시에는 이론 추정치에 활용하거나 기관 내 다른 챔버 또는 시험자 데이터를 쌓는 것이 중요하며, 이렇게 쌓인 데이터를 기반으로 식 (2)의 Z’-Score를 통해 숙련도 참가 기관의 측정치가 정상범위에 있는지 판단할 수가 있다. 식 (2)의 X_Avg.robust는 이상값 영향을 줄인 평균, σ_robust는 이상값의 영향을 줄인 표준편차이다.

X_Avg.robust : 이상값 영향을 줄인 평균,

σ_robust : 이상값의 영향을 줄인 표준편차

전도성 방출 전압법 측정 결과는 그림 4와 같으며, 30개 기관의 측정 결과를 Z’-Score로 계산하여 그래프를 그린 것이 그림 5이다.

Z’-Score가 2 이내의 경우 정상 범위로 볼 수 있으며^[7], 대부분의 주파수 대역에서 2 이내의 범위를 갖는다. 몇몇 시험소에서 특정 주파수 결과의 경우 2를 벗어나는 결과도 있으며, 3 이내의 경우 주의 필요, 4 이내의 경우 경고 필요로 4 이상의 결과를 보인 시험소는 0 %인 것으로 확인되었다. 전체 측정 주파수는 70개이며, 해당 범위를 몇 개 주파수가 벗어나는지 백분율을 구해서 30개 시험소의 평균을 계산한 것이 표 2의 맨 우측열의 결과이다.

전도성 방출 전류법은 하네스의 전자파를 전류 프로브에 체결하여 측정하는 방법이다. 전체 셋업은 그림 6과 같으며, 그림 7과 같이 신호 발생기와 AN 사이에 전류 프로브를 체결할 수 있는 고정 장치를 중간에 연결하여 이 고정 장치에 전류 프로브를 체결한다.

전류 프로브 전용 고정 장치가 있으면 해당 장비를 사용하고, 없더라도 BCI 교정시 사용하는 고정 장치를 활용하여 진행하였다.

신호 발생기에서는 측정하고자 하는 주파수 100 kHz ~245 MHz 대역에서 주파수를 변경하면서 인가하며, 인가레벨은 −30 dBm으로 설정한다.

신호 발생기의 임피던스는 50 Ω에 맞추어져 있지만 AN의 임피던스 특성 곡선은 저주파수에서는 낮은 임피던스 특성을 보인다. 따라서 신호 발생기에서 일정한 인가레벨을 인가하더라도 AN 임피던스가 낮은 저주파수 대역에서는 전류가 높게 측정된다.

V_SG: 신호 발생기의 전압, Z_AN: AN의 임피던스,

V_SG: 신호발생기의 임피던스

CISPR 25의 Table E.1에 AN 임피던스 테이블로 측정값을 식 (3)과 같이 계산하여 예측한 값이 표 3과 같다.

식 (3)에서 2를 곱하는 것은 신호 발생기의 경우 부하가 50 Ω이라고 생각하고 내부 임피던스 50 Ω과 함께 전압을 예측하여 설정한 전압대비 2배의 전압을 인가하도록 되어 있기 때문이다. 계산된 비교숙련도 전류법 측정 결과 추정치 전류를 로그 스케일로 변환하면 표 3과 같은 값이 계산되며, 이론적인 추정치일뿐 실제 측정시에 다양한 요인에 의해 편차가 발생할 수 있다.

제안한 비교숙련도 전도성 방출 평가법은 고정 장치의 내심 도선에 전류 프로브를 체결하는 차동 모드 전류(differencial mode current)를 측정한다. EMI 측정 리시버에서 전류 프로브로부터 측정된 전압에 교정된 전류 프로브의 전송 임피던스(transfer impedance)를 나누어 식 (4)와 같이 전류를 환산하여 계산한다. 전자파 측정에서 로그 스케일로 측정값을 도출하며, 양변에 log를 취하면 측정된 전압[dB(μV)]에서 전송 임피던스[dB(Ω)]를 빼는 형태로 계산된다.

I_dB(uA) = V_dB(uV) − Z_dB(Ω)

V_EMIReceiver : 리시버에서 측정된 전압,

Z_{Transferimpedance} : 전류프로브의 전송 임피던스

전도성 방출 전류법 측정 결과는 그림 8과 같으며, 30개 기관의 측정 결과를 Z’-Score로 계산하여 그래프를 그린 것이 그림 9이다. 대부분의 시험소에서 표 4와 같이 Z’-Score가 |2| 이내인 확률이 95.4 %이며, 특정 몇몇 주파수에서 주의가 필요한 영역인|2|에서 |3|수준으로 측정되었다.

전체 측정 주파수는 85개이며, 해당 범위를 몇 개 주파수가 벗어나는지 백분율을 구해서 30개 시험소의 평균을 계산한 것이 표 4의 맨 우측열의 결과이다.

전기장 방출 측정은 CISPR 25에 기술된 그림 10과 같이 셋업하여 표 5와 같이 4가지 종류의 안테나를 통해 전기장을 측정한다.

비교숙련도 측정 방법은 CISPR 25의 Annex I에 서술된 “ALSE performance validation 150 kHz to 1 GHz”의 방법을 사용한다. 해당 방법은 1 GHz 이하 주파수 대역에 대해서 수직과 수평의 최대값에 대한 측정 결과를 시뮬레이션한 결과인 CISPR 25의 Table I.1값 대비 ±6 dB 이내인 확률이 90 % 이상일 때 만족조건으로 하고 있다. 하지만 실제 평가시 수직과 수평의 측정 결과를 각각 도출해내며, 1 GHz 이상에 대해서도 측정을 하기 때문에 해당 방법으로 전 주파수대역을 측정하고 수직과 수평에 대한 결과 측정 결과를 별도로 도출하여 분석한다.

Long-wire antenna는 CISPR 25의 Figure I.4에 나온 구조와 동일하며, 한쪽 끝은 50 Ω 종단 저항을 체결하고 다른 한쪽은 챔버 외부의 신호 발생기와 10 dB 감쇄기를 연결하여 체결한다.

측정에 앞서 그림 11과 같이 셋업한 후 VSWR을 측정하여 VSWR<1.2 인지 확인하여 정상여부를 파악한 후 측정한다. VSWR은 네트워크 분석기를 통해 S-parameter S₁₁을 측정한 결과를 식 (5)를 통해 계산하여 얻을 수 있다. 단, 1 GHz 이상 주파수 대역의 경우 해당 안테나가 1 GHz 이하 조건으로 설계된 안테나이므로 해당되지 않는다.

VSWR : 전압 반사비, S₁₁ : 반사계수

신호 발생기에서는 측정하고자 하는 주파수 100 kHz ~6 GHz 대역에서 주파수를 변경하면서 인가하며, 인가레벨은 0 dBm(107 dB(μV))으로 설정한다. CISPR 25에는 13 dBm(120 dB(μV))로 되어 있으나 신호 발생기 사양에 따라 인가레벨을 조정하였으며, M_A 측정값과 M₀ 측정값의 차이를 도출하여 결과를 판단하기 때문에 선형성이 확보되는 인가레벨임이 확인되면 낮은 인가레벨에서 측정결과를 신뢰할 수 있다. 따라서 식 (6)의 120 dB(μV)의 값을 인가레벨로 변경하여 수식적용을 하지 않는다.

E_eq : 등가 전기장 강도, M_A : 측정된 전압 전력레벨,

M₀ : 기준 전압 레벨, S₂₁ : 전송계수, k_AF : 안테나 계수

CISPR 25에 Table E.1에 있는 Eeq.max.ref의 경우 수평은30 MHz~1 GHz에서 Eeq.hor.ref와 동일하게 적용하며, 수직의 경우 150 kHz~30 MHz만 적용하고, 30 MHz~1 GHz의 경우 30개 시험소 결과로 식 (7)의 결과를 로버스트 평균을 적용하여 판단하였다.

Δ_ver : 수직 편파에서의 전기장 차이

Δ_hor : 수평 편파에서의 전기장 차이

E_eq.ver : 측정된 수직 편파 등가 전기장 세기

E_eq.ver.ref : 기준 조건에서 수직 편파 등가 전기장 세기

E_eq.hor : 측정된 수평 편파 등가 전기장 세기

E_eq.hor.ref : 기준 조건에서의 수평 편파 등가 전기장 세기

그림 12는 비교숙련도 방사성 방출 전기장 측정 결과이며, 1 GHz 이하의 경우 기존 CISPR 25의 방법을 적용하였기에 시험소 간 편차가 크지 않으며, 1 GHz 이상의 경우 해당 주파수에 맞게 설계된 안테나가 아니다 보니 편차가 많이 발생하는 것을 볼 수 있다.

수평의 경우 30 MHz~1 GHz 주파수 대역에서 기존 CISPR 25에 제시된 Eeq.hor값의 ±6 dB 이내에 들어오는 시험소별 확률의 평균이 95.32 %이며, 수직의 경우 100 kHz~1 GHz 대역중에서 30 MHz~1 GHz의 경우만 제시된 기준값으로 하였으며, E_eq.ver값의 ±6 dB 이내에 들어오는 시험소별 확률의 평균이 88.09 %인 것을 그림 13에서 확인할 수 있다.

편차가 많이 발생하는 10 MHz~100 MHz 대역과 500 MHz~600 MHz 대역의 제한 범위를 늘리거나 시험소별 편차를 줄이기 위한 연구가 추가 연구가 필요할 것으로 보이며, 1 GHz 이상 주파수 대역에 적합한 long-wire antenna도 CISPR 25에서 논의하고 있다.

자기장 방출 측정은 MIL-STD-461G에 기술된 RE101, radiated emission, magnetic field 평가항목을 참조로 한다. 그림 14와 같이 13.3 cm 루프 안테나를 통해서 DUT 면을 측정거리 7 cm 거리에서 20 Hz~200 kHz 주파수 대역에서 측정을 하였다.

파형 생성기에 인가레벨은 10 V_PP로 설정하며, 여기에 연결된 방사 루프 코일을 DUT로 가정하고 코일 중심면을 기준으로 7 cm거리에서 측정을 수행한다. 방사 루프 코일의 사양은 한국산업기술시험원(KTL: Korea testing laboratory)에서 개발한 표 6의 사양에 제품을 활용하였으며 결과는 그림 15와 같다.

자기장 계산은 측정 루프 안테나의 구조, 면적, 전류 등을 다양하게 고려하여야 하기 때문에 인가레벨 대비 측정될 자기장을 예측하는 것은 단순 계산으로는 어려우며 시뮬레이션을 통해 예측할 수 있다.

그림 16 및 표 7과 같이 방사성 방출 자기장의 경우 전체 주파수 대역에서 다른 평가항목에 비해 상대적으로 편차가 작은 편인 것으로 확인되었다. 발생하는 편차 수준은 측정불확도와 더불어 측정 거리 및 측정 위치와의 정렬 상태 오차 등에 기인한 것으로 볼 수 있어 시험자의 정확한 위치 정렬을 위한 숙련도 및 지그 활용이 중요하다.