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플라즈마의 특성 분석을 위한 수정된 로렌츠 분산 모형 기반 FDTD 알고리즘
안욱현(Wookhyun Ahn),김상인(Sangin Kim),조창석(Changseok Cho),오태주(Taejoo Oh),이용식(Yongshik Lee),오일영(Ilyoung Oh),임진우(Jinwoo Yim),하정제(Jungje Ha),배지훈(Gihun Bae),유흥철(Heung Cheol You),육종관(Jong-Gwan Yook) 한국전자파학회 2021 한국전자파학회논문지 Vol.32 No.2
본 논문은 유한 차분 시간 영역법(FDTD: finite-difference time-domain)에 적용 가능한 플라즈마 분산 모형을 제안한다. 주파수에 따라 전기적 특성이 변하는 플라즈마의 분산 특성을 정확하고 효율적으로 모델링하기 위해 수정된 로렌츠 분산 모형을 이용하여 표현하였다. 가중최소제곱법 기반의 복소 곡선 접합법을 적용하여 플라즈마에 대한 수정된 로렌츠 분산 모형의 계수를 추출하였으며, 수정된 로렌츠 분산 모형을 FDTD에 적용하는 방법을 논의하였다. 본 논문에서 제안한 수정된 로렌츠 분산 모형 기반의 플라즈마 모형이 유전체 장벽 방전(DBD: dielectric barrier discharge) 플라즈마 발생기를 유전체 슬래브로 등가 모델링하여 추출한 유전율의 데이터와 일치하는 것을 확인하였다. 광대역 레이다 단면적(RCS: radar cross-section) 측정실험의 결과와 비교를 통해 제안한 수정된 로렌츠 분산 모형 기반의 FDTD 알고리즘의 정확도를 검증하였다. In this paper, to analyze the dispersive characteristics of plasma, a dispersive model suitable for the finite-difference time-domain (FDTD) method is proposed. The dispersive characteristics of plasma with varying electrical properties according to frequency were accurately and efficiently expressed using the modified Lorentz dispersive model. The coefficient of the modified Lorentz dispersive model was extracted by applying complex curve fitting based on the weighted least squares method. The method of applying the modified Lorentz dispersion model to the FDTD is discussed. The plasma model based on the modified Lorentz dispersion model proposed in this paper was verified to match the data of the dielectric barrier discharge (DBD) plasma generator from dielectric slab equivalent modeling. The accuracy of the proposed FDTD algorithm based on the modified Lorentz dispersive model was verified by comparison with the results of the broadband radar cross-section (RCS) measurement experiment.
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김태형(Tae-Hyung Kim),안욱현(Wookhyun Ahn),박종인(Jong-In Park),육종관(Jong-Gwan Yook) 한국전자파학회 2020 한국전자파학회논문지 Vol.31 No.3
대형 드론의 고전력 무선충전을 위한 광역 무선충전 스테이션을 연구하였다. 수신 코일의 전체 크기는 420×420×10 mm 이고, 드론의 다리 부분에 연결하였다. 송신 코일은 균일한 자기장 세기 및 높은 전송 효율 유지를 위하여, 서로 다른 모양을 갖는 코일 3개를 개별적으로 최적화한 후 직렬로 결합하였다. 송신 코일의 전체 크기는 1,000×1,000×105 mm이며, 케이스를 포함한 두께이다. 최종 설계된 송, 수신 코일의 품질 계수는 각각 120, 54이며, 수직 및 수평 이동에 따라 고효율 특성을 나타내었다. 코일 간 중심을 기준으로, 전송 효율은 수직 거리 50 mm에서 91 %, 300 mm에서 80 %가 나타났으며, 수신 코일이 충전 영역의 가장자리로 수평 이동했을 때에도 89.5 %로 고효율 특성이 나타났다. 전력공급기, 송, 수신 모듈, 부하 등을 연결한 상태에서, 174.7 W의 전력을 입력하였을 때, 수신단에서 측정된 전력은 120.3 W로 시스템 효율 69 %이다. 더불어, 무선충전 시 발생하는 전자기파가 EMI 기준 이하로 측정되었다. This study investigates high-power wireless power transfer(WPT) with a wide charging area for large drones. The overall size of the receiving coil(Rx-coil) connected to the leg of the drone on the bottom side is 420×420×10 mm. Transmitting coils(Tx-coils) of three different shapes are individually optimized and combined to achieve a uniform magnetic field intensity and high power transfer efficiency(PTE) retention rate. The overall dimension of %the Tx-coil including the case thickness is 1,000×1,000×105 mm. The quality factors of the optimized Tx- and Rx-coils are 120 and 54, respectively, expressing a high PTE according to the transmission and misalignment distances. Based on the center between the coils, the PTE is 91 % and 80 % at a transmission distance of 50 mm and 300 mm, respectively. The PTE is 89.5 % when the Rx-coils are positioned at a misalignment distance of 285 mm, which indicates the edge of the Tx-coil in the charging area. The coils are connected to various equipment(e.g., signal source, Tx- and Rx-modules, load, etc.) to verify the WPT system. The system efficiency considering loss is 69 % because the input and output powers are 174.7 W and 120.3 W, respectively. In addition, an electromagnetic wave is measured below the electromagnetic interference standard.
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유동환경용 FSS 전극 유전체 장벽 방전 구조 플라즈마 발생기의 X-Band 내 RCS 감소 효과
오태주(Taejoo Oh),조창석(Changseok Cho),안욱현(Wookhyun Ahn),육종관(Jong-Gwan Yook),이장재(Jangjae Lee),유신재(Shinjae You),임진우(Jinwoo Yim),하정제(Jungje Ha),배지훈(Gihun Bae),유흥철(Heung Cheol You),이용식(Yongshik Lee) 한국전자파학회 2021 한국전자파학회논문지 Vol.32 No.11
본 논문에서는 주파수 선택 표면(FSS: frequency selective surface)을 전극으로 활용한 유전체 장벽 방전 (DBD: dielectric barrier discharge) 플라즈마 발생기를 제안하고, 이를 기반으로 2차원 평면형 타겟의 레이다 단면적(RCS: radar cross section)을 감소시키는 것을 실험적으로 검증한다. 주파수 선택 표면의 통과대역이 레이다 신호의 대역과 일치하도록 설계함으로써 기존 평행판 커패시터형 DBD 발생기와 달리 발생기를 타겟에 부착하는 과정에서 발생하는 타겟의 RCS 왜곡과 레이다 신호의 편파에 따라 응답이 달라지는 현상을 최소화할 수 있다. 나아가서 유전체 테두리를 활용함으로써 전극과 4.572 mm의 간격을 두고 존재하는 접지면 사이의 공간을 완전 격리시켜 유동환경에서도 안정적인 플라즈마 방전이 가능하다는 것을 확인하였다. 제안된 플라즈마 발생기를 제작하여 플라즈마 최적 방전 및 RCS 측정 실험을 통해 X-band 에서 최대 2.9 dB의 RCS 감소 효과를 얻을 수 있음을 실험적으로 검증하였다. In this study, an frequency selective surface (FSS) electrode of a dielectric barrier discharge (DBD) plasma generator, with a two-dimensional planar target, for radar cross section (RCS) reduction is proposed and measured. The electrode of the proposed plasma generator is based on a cross FSS array conductor. Therefore, it is possible to minimize the amount of RCS change according to the efficient plasma discharge and polarization of the signal from the radar. In addition, a frame of FR-4 dielectric material is placed between the 4.572 mm gap of the ground surface and the electrode to reduce RCS owing to stable plasma discharge in a fluid environment in which the aircraft operates. The proposed plasma generator is fabricated to determine the optimal plasma discharge and RCS measurement. The measurement results showed a 2.9 dB RCS reduction in the X-band.
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대면 구조 유전체 장벽 방전 플라즈마의 X-Band 내 RCS 저감 효과
오태주(Taejoo Oh),조창석(Changseok Cho),안욱현(Wookhyun Ahn),김상인(Sangin Kim),육종관(Jong-Gwan Yook),이장재(Jangjae Lee),유신재(Shinjae You),임진우(Jinwoo Yim),하정제(Jungje Ha),배지훈(Gihun Bae),유흥철(Heung Cheol You),이용식(Yongshi 한국전자파학회 2020 한국전자파학회논문지 Vol.31 No.12
본 논문에서는 RCS 저감을 위한 대면 구조 유전체 장벽 방전(DBD: dielectric-barrier-discharge) 플라즈마 발생기를 제안한다. 두께가 0.254 mm 두께인 Ro4350b 기판 위, 아랫면에 16×0.5 ㎠ 크기의 도체가 5 mm의 간격을 두고 서로 마주보고 있는 구조로 타겟에 부착시킴으로써 레이다 단면적(RCS)을 감소시킬 수 있다. 전극이 수직으로 놓일 수밖에 없는 평행판 커패시터 구조의 기존 발생기와 달리 제안한 발생기는 전극이 레이다 신호의 입사 방향과 평행하게 놓이므로 목표물의 RCS에 영향을 최소화하여 플라즈마의 효과를 극대화할 수 있다. 제안하는 대면 구조 발생기를 42층으로 적층한 뒤 20×20 ㎠ 크기의 구리 평판 목표물에 적용하여 X-band 내에서 최대 3.2 dB의 RCS 감소 효과가 있는 것을 실험적으로 검증하였다. 이를 통해 제안하는 플라즈마 발생기의 구조적인 장점과 더불어 RCS 저감 효과 측면에서도 그 우수한 성능을 확인하였다. A dielectric barrier discharge (DBD) plasma generator with a face-to-face multilayer structure for radar cross section (RCS) reduction is designed. The generator includes two electrodes of 16×0.5 ㎠ size, facing each other. Because the electrodes are on the plane that is parallel to the direction of the incident wave, the effect of the generator on the RCS of the target is significantly reduced, particularly when compared to conventional parallel plate-type generators. This simplifies the design procedure for the DBD generator and maximizes the effect of the plasma on RCS reduction. For experimental verification, 42 layers of the proposed generator with a distance of 5 mm between the two electrodes are stacked to reduce the RCS of a 20×20 ㎠-sized copper plate. Experimental results demonstrated a reduction of approximately 3.2 dB in the RCS in the X-band.
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