고-고도 전자기 펄스에 의한 전도·복사 내성 연구를 위한 EMP 시뮬레이터 설계

Abstract

고출력 전자기파라 함은 고 고도 핵 전자기파(HEMP : High Altitude Electromagnetic Pulse)와 고출력 비핵 전자기파(HPEM: High Power Electro-Magnetic)를 총칭한다. 고 고도 핵 전자기파는 지상 40 km 이상에서 핵폭발에 의해 생성되는 펄스형 전자기파를 의미하고, 전자기기 등을 손상시키거나, 오동작을 유발할 수 있는 의도적으로 복사․전도된 전자기파를 의미한다. 첫째, 본 논문에서는 고 고도 전자기 펄스와 같은 위험환경에 노출된 EMP 방호시설과 기반시설 전자파 방호시설에 연결된 전원선·신호선·RF선 등에 커플링 되어 고출력 전자파에 대한 전도성 방호성능 평가를 위한 E1(early time) 펄스 신호를 모의하는 시뮬레이터에 대해 연구를 하였다. 기존 E1 펄스 제너레이터는 막스 방식의 고전압 승압을 이용했지만, 본 연구에서는 입력전압 대비 출력전압 변동이 유리한 테슬라(Tesla) 트랜스포머 방식을 적용하여 연구를 하였다. E1 펄스 제너레이터의 구성은 제어기(control), 전원장치(power device), 고전압 승압장치(high voltage boost), 펄스성형장치(pulse shaping part)이고, 각각의 파트를 구분하여 연구를 하였다. 테슬라 트렌스포머를 이용한 HEMP E1 신호 모의펄스는 pspice 시뮬레이션을 이용해서 결과를 예측하여 설계를 하였다. 또한, 설계 후에는 제작을 하여 실험을 하였고, 개발된 발생장치의 성능을 확인하였다. 또한, 개발된 E1 펄스 시뮬레이터를 이용하여 방호시설에 설치된 HEMP 필터의 체계운영 펄스전류주입 (PCI: Pulsed current injection) 검증시험에 필요한 전원용 디커플러(decoupler)에 관한 연구를 하였다. 본 연구에서는 체계운영 검증시험을 진행할 때 외부 전원장치를 보호하기 위한 디커플러를 연구하였다. 펄스전류주입 검증시험은 전원선이나 신호선 HEMP 필터에 전원이 연결되어 방호시설 내부에 장비가 운용되는 상황에서 진행되므로, 제너레이터의 입력전류에 의해 방호시설 외부에 설치된 전원장비가 손상이 될 수 있는 문제가 있다. 따라서 상용 디커플러는 용량 및 용도가 제한되어 있고 EMP 방호시설 상황에 알맞는 디커플러 용량 설계가 필요하고, 설계된 디커플러를 현장에 적용하여 전원장비를 보호할 수 있는 방안을 제시하였다. 설계 방법으로는 시뮬레이션을 통해 예측하고, 결과를 기반으로 제작하였다. 또한, 실제 EMP 방호시설과 유사한 결과를 얻기위해 테스트 베드(test-bed) 환경을 구축했다. 제작된 디커플러를 테스트 베드 환경에 설치하여 방호시설 외부의 전원부 보호회로로 적용 가능함 확인 하였다. 둘째, 본 논문에서는 HEMP 환경에서 소형 전자장비 및 핵심부품의 복사성 내성연구를 목적으로, 소형 Nuclear-EMP(NEMP) 시뮬레이터를 연구하였다. 군 핵심 지휘시설이나 원전시설, 국가 공공망 시설의 최신 전자장비들은 소형화, 경량화, 집적화 되어 운용되고 있고, 전자장비를 구성하는 반도체 소자와 각종 전자부품 소자는 강한 고출력 전자기파에 민감하게 반응하게 되고, 결국 오동작을 일으키거나 장비의 성능 저하가 발생된다. 소형화, 집적화 되고 있는 전자장비의 추세에 따라 소형 NEMP 시뮬레이터의 연구가 필요하며, 소형 NEMP 시뮬레이터는 전원장치, 고전압 충전부, 펄스성형망, 안테나로 구성되어 있다. 목표한 전계강도의 정확성을 위하여 고전압 충전부에 스파크갭 과 솔레노이드의 조합을 통해 설계를 하였다. 최적의 안테나 크기와 임피던스 설계를 위해 CST 시뮬레이션을 이용해 결과를 계산, 예측했으며, 특성 확인 후 제작 하였다. 제작된 소형 NEMP 시뮬레이터는 전계강도의 시뮬레이션 결과와 실제 측정 결과와의 분석을 통해 검증을 하였다.