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Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
ITS에 있어서 Hi-Pass 시스템의 성능 개선을 위한 전파흡수체의 개발 Development of the EM wave Absorber for Improving the Performance of Hi-Pass System in ITS
전자파흡수체 , 전파흡수능 , 카본 , 센더스트 , 하이패스(ETC) 시스템 , 지능교통정보시스템
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사회·경제 규모가 확대, 고도화됨에 따라 차량 및 교통수요가 증가하여 대도시는 심각한 교통문제에 직면하게 되었다. 또한 교통량 증대로 인한 도로혼잡과 교통사고로 인한 인명피해로 막대한 물적·인적 손실을 야기하고 있다. 이를 해결하기 위해 지능형교통시스템(ITS)을 도입하게 되었고, 이는 도로와 차량 등 기존 교통의 구성요소에 첨단의 전자·정보·통신 기술을 적용시켜 교통시설을 효율적으로 운영하고 통행자에 유용한 정보를 제공하여 안전하고 편리한 통행과 전체 교통체계의 효율성을 기하도록 하는 교통부문의 정보화 사업이다. ITS는 도로 건설, 교통, 통신, 전기, 전자, 자동차 등의 하드웨어와 운영 기법 정보처리기법 등의 소프트웨어가 결합되어 다양한 형태의 서비스로 나타나며 이는 운전자, 보행자, 교통시설 운영 관리자 등에 제공되어 통행이나 운영 관리에 다양한 혜택을 준다[1].
자동요금징수 시스템 (ETC system)은 ITS의 실현을 가능케 하는 기본 구성요소 중 하나로서, 전자지갑 기능을 하는 스마트 카드와 차량 탑재기(OBU ; On Board Unit)를 이용하여 5.8 GHz 대역에서의 무선통신을 통해 고속도로 및 유료 도로 톨 게이트에서 무정차 주행 중에 통행료를 징수하는 시스템이다. 뿐만 아니라 Hi-Pass system은 톨 게이트에서의 정체해소를 통한 물류비 절감, 환경오염 개선, 요금징수 전산화를 통한 운영 유지비 절감 및 이용자에게 서비스를 개선하는 효과를 갖는다.
한편, 전파의 다중반사로 인한 전파의 간섭으로 오류 신호가 발생하여, 톨 게이트를 1회 통과하였으나 2회 또는 3회의 요금이 징수되는 에러가 발생할 수 있다. 따라서, 현재의 시스템에서는 1회 기본 신호가 카운트된 후, 예를 들어 5분 이내에 기본 신호 이외에 부가적인 다중반사파로 인하여 2회 또는 3회로 카운트되면 2회 이상의 카운트는 소프트웨어적으로 삭제하는 방식을 취하는 등의 조치를 취하고 있으나, 이것은 근본적인 해결 방법이 아니다[2]. 이러한 전파간섭 문제를 본질적으로 해소하기 위해서는 전파흡수체를 사용함으로써 해결할 수 있다.
전파흡수체는 전자파를 흡수하여 반사를 억제하거나 저감시키는 것이다. 전파흡수체를 실현하기 위해서는 사용하는 재료의 전기적 특성인 복소비유전율 과 자기적 특성인 복소비투자율 을 측정하여 시뮬레이션에 의하여 이론적인 설계를 하고, 전파흡수체를 제조하여 흡수량을 측정, 평가하여야 한다[3].
본 논문은 Hi-Pass system의 성능 개선을 위한 전파흡수체 개발에 관하여 연구를 한 것이다. 주재료로는 자성손실 재료인 Sendust와 도전손실재료인 Carbon을 혼합한 것을 사용하였고, 지지재로 CPE를 사용하였다. 재료정수 측정을 법에 의해 복소 비유전율과 복소 비투자율을 계산하였고, 시뮬레이션에 의하여 이론적인 설계를 하였다. 그 결과를 토대로 Hi-Pass system용 전파흡수체를 실제 제작하여 실측하고, 그 결과를 분석·검토하였다.
II. 전파흡수체 설계 이론
그림 1과 같이 두께 ℓ인 전파흡수체가 도체판에 놓여 있는 경우 입사파와 반사파에 대한 반사 손실(Return Loss; RL)은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
[그림 1.] 단층형 전파흡수체
여기서 zin은 정규화 입력임피던스이다.
전파흡수체의 입력임피던스 Zin은 식 (2)와 같이 주어지며, 전파흡수체의 특성임피던스 ZC와 전파정수 Y는 각각 식 (3) 및 식 (4)와 같이 나타낸다.
여기서, λ는 입사한 평면파의 파장이며, er 은 복소비유 전율, ur은 복소 비투자율, ℓ은 전파흡수체의 두께이다.
(3)과 식 (4)를 식 (2)에 대입하여 평면파의 수직입사에 대한 매질 내 정규화 입력임피던스를 식 (5)와 같이 구할 수 있다.
반사가 없는 완전한 전파흡수체로 되기 위한 조건은 이므로 식 (5)의 정규화 임피던스가 1이 되는 것이다. 이를 무반사 조건식이라 하며, 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다. 이 식 (6)을 이용하여 전파 흡수체의 설계가 가능하다[3,4].
III. 전파흡수체의 제작, 측정 및 재료 정수 계산
본 논문에서는 전파흡수체의 주재료로 자성손실 재료인 Sendust와 도전손실 재료인 Carbon을 사용하였으며, 지지재로는 CPE를 사용하였다. 전파흡수체의 배합비는 각각 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 35 : 55 wt.%, 및 5 : 40 : 55 wt.%, 10 : 40 : 50 wt.%, 5 : 45 : 50 wt.%로 혼합하여 자체 제작한 Open Roller를 이용하여 두께 2 mm, 4 mm인 Sheet형 전파흡수체 샘플을 제작하였다. 실험 중 Open Roller의 표면온도는 전파흡수능에 영향을 미치므로 70°C의 균일한 온도를 유지하였다[5].
[그림 2.] 전파흡수체의 제조과정
그림 3과 같이 제작한 샘플을 샘플홀더에 삽입한 다음, 그림 4와 같이 측정시스템을 구성하여 반사계수를 측정하였다. 그 결과를 그림 5에 나타낸다.
[그림 3.] 전파흡수체 샘플과 샘플홀더
[그림 4.] 전파흡수능 측정시스템
[그림 5.] 전파흡수체 샘플의 반사계수 (a) 두께가 2 mm일 때 각 샘플의 반사계수 (b) 두께가 4 mm일 때 각 샘플의 반사계수
그림 5(a)와 (b)는 식(1)에 의하여 계산된 결과의 그래프이며 이 결과에 근거하여 Carbon : Sendust : Chlorinated Poly-ethylene = 10 : 40 : 50 wt.%의 샘플이 Hi-Pass system의 사용 주파수인 5.8 GHz에 정합시키기가 가장 용이할 것으로 예측된다.
측정된 전파흡수능을 이용하여 각 샘플의 입력임피던스를 계산하고 그림 5와 같은 ℓ - 2ℓ법으로 각 샘플의 복소비유전율과 복소비투자율을 계산하였다[6].
그림 6에서 정규화 된 입력임피던스 z1와 z2를 식으로 나타내면 식 (7), (8)과 같다[7,8].
[그림 6.] ℓ - 2ℓ 법
식 (3), (4)를 이용하여 zc와 Yc를 정리하면 식 (9), (10)과 같다.
식 (3), (4), (9) 및 (10)으로부터 복소 비유전율과 복소 비투자율은 각각 식 (11) 및 식 (12)에 의하여 구할 수 있다.
그림 7은 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 40 : 50 wt.%인 전파흡수체의 입력임피던스를 측정하여, 식 (11)과 (12)에 의하여 계산한 각 샘플의 복소 비유전율과 복소 비투자율 (electric loss tangent = , magnetic loss tangent = )을 나타낸다[9].
[그림 7.] 조성비 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 40 : 50 wt.% 인 샘플의 Loss tangent 값
본 연구에 사용된 재료의 경우는 도전손실 재료와 자성손실 재료가 복합된 재료로서, electric loss tangent 및 magnetic loss tangent가 5.8 GHz대역 근방에서 동시에 큰 값을 가지므로 전파흡수체를 설계했을 때 5.8 GHz에서 최적의 전파흡수체를 설계할 수 있는 유리한 조건임을 예측할 수 있다.
IV. 시뮬레이션 결과와 측정결과의 비교·검토
최적의 조성비인 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 40 : 50 wt.% 샘플의 복소비유전율과 복소비투자율을 이용하여 전파흡수체를 설계한 결과 Hi-Pass system의 상용 주파수인 5.8 GHz에서 두께 2.85 mm를 가지는 최적의 전파흡수체가 예측되었다. 이 때 반사계수는 –30.2 dB로 계산되었다.
시뮬레이션 결과를 토대로 조성비가 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 40 : 50 wt.%이고, 두께 2.85 mm인 전파흡수체를 실제로 제작하여 그림 4에 나타낸 측정 시스템으로 반사계수를 측정한 결과를 그림 8에 나타내었다. Hi-Pass system의 상용 주파수인 5.8 GHz에서 반사계수는 –22.4 dB 로서, 시뮬레이션 값과 실측치가 잘 일치하였다.
[그림 8.] 전파흡수체에서의 반사계수의 시뮬레이션 값과 실측치 의 비교 (조성비는 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 40 : 50 wt.%, 두께 2.85 mm)
Hi-Pass system은 5.8 GHz 무선통신을 이용하여 고속도로 또는 유료 도로 톨 게이트에서 무정차 주행 중에 통행료를 징수하는 시스템으로서, ITS 구현을 위한 하나의 방법으로 대두되고 있다. 그러나, 전파의 다중반사로 인한 전파간섭에 의하여 오류신호 또는 시스템간의 상호간섭을 유발하는 등 요금징수에 오류가 발생하는 문제가 있어서, 교통시스템을 운영하는 데에 커다란 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 Hi-Pass system용 고성능 전파흡수체의 개발에 관한 연구를 수행한 결과, 전파흡수체 재료의 최적 조성비가 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 40 : 50 wt.% 임을 확인하였다. 산출된 복소비유전율과 복소비투자율을 이용한 시뮬레이션에 의하여 전파흡수체를 설계한 결과를 토대로 Hi-Pass 시스템용 전파흡수체를 제작하여 측정한 결과, 두께 2.85 mm로 5.8 GHz에서 22.4 dB의 전파흡수능을 얻을 수 있었다. 따라서, 본 연구에서 개발된 전파흡수체는 Hi-Pass system용으로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
1. Kim Dong Il 2014 “EMC Technologies on EM Wave Absorbers in Korea” [Conf. on MW & Propog.]
2. 2007 Information for EM Environment
3. Kim Dong Il 2006 Electromagnetic Wave Absorber Engineering
4. Naito Y. 1987 “Elctromagnetic Wave Absorbers”
5. Moon S. H., Shin S. J., Song J. M., Kim D. I., Kim K. M 2003 "Development of composite a ferrite EM wave absorber for GHz frequency," [Journal of Korea Electromagnetic Engineering Soc.] Vol.14 P.1329-1334
6. Hashimot O. 2003 “Introduction to Wave Absorber”
7. Hashimoto O., Joho D., Gakkai T 2004 "Technologies & Applications of Wave Absorber,"
8. Snoek J. L 1948 "Dispersion and Absorp- tion in Magnetic Ferrite at Frequency above one Mc/s," [Physica] Vol.14 P.207-217
9. Snoek J. L 1948 "Dispersion and Absorp- tion in Magnetic Ferrite at Frequency above one Mc/s," [Physica] Vol.14 P.207-217
[ 그림 1. ]  단층형 전파흡수체
[ 그림 2. ]  전파흡수체의 제조과정
[ 그림 3. ]  전파흡수체 샘플과 샘플홀더
[ 그림 4. ]  전파흡수능 측정시스템
[ 그림 5. ]  전파흡수체 샘플의 반사계수 (a) 두께가 2 mm일 때 각 샘플의 반사계수 (b) 두께가 4 mm일 때 각 샘플의 반사계수
[ 그림 6. ]  ℓ - 2ℓ 법
[ 그림 7. ]  조성비 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 40 : 50 wt.% 인 샘플의 Loss tangent 값
[ 그림 8. ]  전파흡수체에서의 반사계수의 시뮬레이션 값과 실측치 의 비교 (조성비는 Carbon : Sendust : CPE = 10 : 40 : 50 wt.%, 두께 2.85 mm)
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