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연구결과보고서

과 제 명무선주파수 및 장애물에 따른 무선형감지기의 무선전력감쇄특성연구

과 제 명 연구책임자 김 형 권

연구기간 2009. 1. 1 ~ 2009. 12. 31

제1장 서론

1.1 연구배경

최근 경제 발전과 더불어 도심의 건물이 초고층화, 밀집화 되면서 화

재 및 재난의 규모가 커지고 사고 형태도 다양해짐에 따라 국민의 재

산과 생명 보호를 위한 소방용품 및 소방안전기술의 중요성이 부각

되고 있다.

이들 소방용품 중에 하나인 화재 감지기는 발신기, 중계기, 수신기

및 경보장치와 함께 소방대상물에 설치되는 자동화재탐지설비의 하

나로 화재가 일어나면 발생하는 열, 연기, 불꽃와 같은 연소생성물을

조기에 감지하여 수신기에 신호를 발하고 경종이나 음향장치로 화재

사실을 통보하여 안전하고 빠른 피난을 유도해서 화재의 조기진압을

위한 소방 활동의 개시를 알리는 가장 중요한 소방 설비이다.

이러한 자동화재탐지설비의 배선은 건축물의 층수가 높아질수록 그

수가 기하급수적으로 증가하고 더 복잡해진다. 또한 오래된 건물의

경우, 감지센서의 노후화와 건물에 매립된 배선에 문제가 발생할 경

우 화재신호의 송수신에 어려움이 발생할 수 있다. 그동안 대형 참

사가 있었던 노래방이나 고시원의 경우도 10년 이상 된 낡은 건물

이었고 허술한 배선공사와 관리의 문제로 화재 초기에 화재 감지기

가 제대로 작동하지 않아 큰 피해를 겪은 사례가 많다. 즉, 건물의

천정이나 벽 등에 매립하여야 하는 배선 작업은 더욱 더 복잡해지

고, 화재의 감지, 보수 및 설치, 관리의 문제들이 발생하게 된다. 이러

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한 문제점을 극복하기 위하여 무선시스템이 대두되고 있다.

IT산업의 발전으로 무선시스템은 실생활에 많은 사용이 이루어지

고 있지만 소방용품을 대상으로 하는 제품 개발 및 연구, 특히 건축

물 내의 무선전파에 대한 연구는 많이 이루어지지 않은 것이 현실이

다.(4～5) 또한 설치기준에 대하여도 일본의 경우 부분적으로 무선이

도입되어 운영되고 있으나 국내는 아직 이에 대한 연구가 미흡한 실

정이다.(6～7) 그러나 무선은 공간을 통하여 신호를 전송하기 때문에

공간상 장애물 등에 의해 통신에 문제가 발생할 수 있으므로 많은

연구와 분석 후에 적용되어야 한다고 할 수 있다.

본 연구는 소방대상물에 무선기능을 갖는 소방용품을 설치하는 경

우 건축물 내에 사용되어지는 벽체 등에 대한 무선신호의 장애정도

를 분석하기 위하여 다양한 장애물에 대한 무선전력의 감쇠량을 측

정하고 무선 시스템의 설치 및 개발 등에 필요한 무선신호의 투과특

성 및 자료를 취득하고자 하였다.

1.3 연구내용

1) 무선관련 이론 연구

2) 무선전력 감쇄특성실험 장치 연구

○무선기기의 특성 등을 측정하는 일반적인 시험장비인 전파무반

사실(7m×4m×3m, Anechoic 실험룸)에서의 공간경로손실 결과

와 비교하여 실험룸에서의 시험결과를 예측할 수 있는 간편하

고 경제적인 간이형 전파무반사(Anechoic) 시험장비에 대하여

연구

3) 무선전력 감쇄특성실험을 위한 벽체 종류 조사

○건축물에 일반적으로 많이 사용하는 벽체로 벽돌벽, 타일시공

된 벽돌벽, 블록벽, 콘크리트벽 그리고 내장재로서 석고보드,

샌드위치 패널, 난연성 단열재에 대한 무선 감쇄특성 연구

4) 무선주파수에 따른 무선형 감지기의 무선전력 감쇄 조사

○소방용으로 사용가능한 주파수대역인 안전시스템용 특정소출력

무선 기기의 사용 영역인 447 MHz 및 무선데이터 전송용으로

가장 많이 사용하고 있는 2.4 GHz의 주파수 영역 연구

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5) 장애물에 따른 무선형 감지기의 무선전력 감쇄 조사

○무선신호의 투과 특성을 위하여 주파수(447 MHz 및 2.4GHz)

및 장애물(내장재 및 벽체 등)에 대한 무선신호세기의 투과도

(전파감쇠량) 연구

제2장 무선 이론

2.1 전자파의 발견에서 상용화까지

전파에 의한 통신의 역사는 19세기로 거슬러 올라가지만, 이론적

으로 그 존재를 예측한 사람은 스코틀랜드 태생의 물리학자 맥스웰

(J. C. Maxwell)이다. 1860년대부터 전기와 자기의 관계에 흥미를 품

었던 맥스웰은 전게와 자계를 매질중의 전력선과 자력선의 역학적

모델 나타낼 수 있다고 생각했다. 그래서 전계의 변화가 공간중에

변위전류를 만들고, 그 변위전류가 이어서 자계를 생성한 결과, 전자

파가 공간중에 빛의 속도로 전하는 것을 수식으로 나타내었던 것이

다. 맥스웰이 일년의 연구를 정리하여 책으로 낸 것이 1873년의 일

이지만 그 수학적 기술이 너무 어려웠기 때문에 당시의 과학자들에

게는 좀처럼 받아들여지지 못하였다.

맥스웰의 이론은 전자파(Electromagnetic wave)가 광속으로 공간중

을 전파하는 것을 예언하였다. 맥스웰 자신이 정리한 방정식은 11개

이었으나 우리가 현재 사용하고 있는 표기법으로 정리한 사람은 전

리층의 존재를 예측한 것으로도 알려진 헤비사이드(O. Heaviside)이

다.

맥스웰의 업적은 전자파의 예언뿐만 아니라 수학이나 화학분야까

지 광범위하게 걸쳐 있다. 예를 들면, 토성 띠의 수학적 증명과 최초

의 의사(pseudo) 칼라사진 촬영, 분자과학분야에서 유명한 맥스웰의

막마라고 불리우는 가상실험을 제안하여 기체분자의 온도에 의한 속

도분포(맥스웰-볼츠만 분포)연구도 업적에 포함되어 있다.

그러나 맥스웰의 전자기학에 관한 업적을 생각할 때 패러데이(M.

Faraday)의 전자유도의 발견, 또 캐벤디쉬(H.Caverdish), 쿨롱

(C.A.Coulomb)의 전하간에 작용하는 힘의 역2승법칙의 실험적 검증,

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웨르스테드(H.C.Oersted)의 전류에 의한 자계 생성의 발견과 수학적

기술에 의한 앙페르(A.M.Ampere)의 법칙과 같은 선인들의 업적이

중요한 역할을 한 것은 부정할 수 없다. 맥스웰의 최대의 업적은 이

들 선인들의 업적을 모두 일련의 방정식으로 통합화했다는 것이다.

맥스웰 이론의 실험적 확인은 그가 별세한 후 독일인 물리학자 헤

르츠(H. R. Hertz)에 의하여 이루어지게 된다. 헤르츠는 1885년부터

맥스웰의 이론을 전파의 속도를 측정함으로써 증명하려고 했으며 연

구실안에서 수십에서 수백 MHz의 전파를 발생시켜, 실내에 생긴 정

재파 분포를 측정함으로써 전파의 속도를 실험적으로 계산하였다.

2.2 전기장과 자기장의 파동

맥스웰 방정식은 전기장의 변화가 자기장을 생겨나게 하고, 이 자

기장의 변화는 다시 전기장을 만들 수 있다는 것을 보여주고 있다.

따라서 그들의 원천인 전하나 전류가 없어지더라도 하나의 변화가

다른 하나를 유발시켜서 스스로 생명력을 가지고 공간상을 전파하는

파동이 될 수 있는 가능성이 있다. 이에 따라 맥스웰는 자기가 새로

이 구성한 네개의 방정식을 연립시켜 전기장이나 자기장이 만족하는

다음의 파동방정식을 유도할 수 있었다.

∇

이 방정식의 형태는 이미 그 이전에 음파나 물결파, 줄의 파동 등

에서 파동방정식이라고 잘 알려져 있었다.

여기서 이 파동이 전파하는 속력은

로서 이미 전자기에서

알려진 의 값으로부터 이 속력을 계산해 보니 당시 상당히

정확하게 측정되었던 빛의 속력과 거의 같음을 알았다.

빛의 파동성이 영이나 프레넬 등에 의해 거의 규명되는 시점에서

이는 파동성을 확정짓는 계기가 되었다. 이와 같이 전기장의 변화가

자기장을 만들고, 자기장의 변화가 전기장을 만들며 서로 원인과 결

과가 되어 자기장과 자기장이 공간으로 퍼져나가는 것을 전자기파라

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한다. 맥스웰이 이를 예언하였고, 1888년 헤르츠(H. Hertz)에 의해

인공적인 전자기파가 만들어져서 무선통신의 시대를 열게 되었다.

그림 2-1. 전자기파의 파동

2.2 맥스웰 방정식과 변위전류

맥스웰 방정식은 다음과 같다.

---- 전기에 대한 가우스 법칙

---- 자기에 대한 가우스 법칙

---- 패러데이 유도 법칙

---- 암페어 맥스웰 방정식

식에서 은 전류의 단위를 가져야

하므로 으로 두면 가 되며 전류의

연속성을 설명할 수 있다. 이때 를 변위전류라 한다.

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2.3 전자기파(Electromagnetic wave)

전자기파는 진공 또는 물질 속을 전자기장의 진동이 전파하는 현

상으로 전자기장의 성질은 시간적으로 변화하는 경우(전자기파)와 그

렇지 않은 경우(정전기자기장)에 따라 크게 다르다.

전자기파는 진공속으로 전파하는 물질적 실체이며 에너지 운동량

각운동량 등을 가지는 동시에 파동의 성질도 가지므로 파장 또는 주

파수에 의해 특징 이어질 수 있다. 전자기파는 전파와 자기파로 구

성되는데, 이들은 모두 횡파이며 각각의 진동 방향에 의해서 전자기

파의 편의의 방향이 정의된다.

가장 간단한 형태의 전자기파는 직선적으로 편향된 평면전자기파

이며 전파와 자기파는 서로 직교하는 평면 안에서 진동하고 전자기

파는 이들 평면의 교선을 따라 전파한다.

전자기파는 파장에 따라 분류되어 각기 다른 명칭으로 불리는 경

우가 많으며 예를 들어 빛 또는 가시광선이라 불리는 것은 파장이

400 ~ 800nm 사이인 전자기파를 말한다.

진공 속에서의 전자기파의 전파속도는 파장에 관계없이 일정하며

그 값은 광속 c=2.99792×108 m/s이다. 전자기파를 발생하는 근원은

운동하는 하전입자(예를 들어 전자나 원자핵)이다. 그 운동이 0 이

아닌 가속도 성분을 가질 때 발생한 전자기하는 에너지나 운동량을

전파할 수 있다. 이 현상을 전자기파의 복사라 하며, 복사된 전자기

파는 진공 속을 직진한다.

전자기파는 물질을 만나면 물질 속의 전자나 원자핵 같은 하전입

자와 상호작용을 한다. 상호작용의 결과 2종류의 현상이 일어날 수

있다. 그 하나는 물질이 전자기파를 흡수하는 것인데 그때 전자기파

의 에너지는 물질의 내부에너지로 변환된다. 다른 하나는 물질이 전

자기파를 산란시키는 것인데 물질 속의 하전입자는 상호작용으로 인

하여 가속도운동을 하게 되기 때문에 전자기파와 상호작용한 하전입

자는 전자기파를 복사한다.

전자기파의 산란은 이렇게 해서 일어나며 복사된 전자기파가 산란

파를 형성한다. 흡수나 산란의 상세한 성질은 전자기파의 파장이나

물질의 성질에 따라 크게 달라진다. 산란파 가운데 물질의 외부로

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복사된 것이 반사파를 구성한다. 한편 물질 속으로 복사된 전자기파

가 산란파를 형성한다. 흡수나 산란의 상세한 성질은 전자기파의 파

장이난 물질의 성질에 따라 크게 달라진다. 산란파 가운데 물질의

외부로 복사된 것이 반사파를 구성한다.

한편 물질속으로 복사된 산란파는 비슷한 산란을 반복하면서 물질

속을 진행한다. 반복되는 산란과정 때문에 물질 속에서의 전자기파

의 전파속도는 일반적으로 진공 속에서의 속도와는 다르며 물질의

성질을 반영하며 정해진다. 이렇게 매질이 다르면 전파속도가 다르

기 때문에 전자기파의 굴절이 생긴다.

전자기파는 그 전파 방향에 0 이 아닌 운동량 성분을 가지고 있으

므로 물질과 상호작용할 때 물질에 대하여 압력을 미치게 된다. 이

것을 광압(光壓)이라고 한다.

위와 같이 전자기파의 여러 성질은 모두 맥스웰방정식계를 써서

정량적으로 이끌어낼 수 있다. 맥스웰방정식계 및 그것을 이용하여

얻을 수 있는 여러 성질은 진공 속에서의 전자기파의 움직임을 기술

하는 것으로서는 거의 완전하다. 물질과 상호작용이 있는 경우에는

물질속의 맥스웰의 방전식계를 이용한다. 이것은 진공 속에서의 맥

스웰의 방정식계를 확장 해석한 것이며 적당한 조건이나 가정을 덧

붙임으로써 얻을 수 있다. 이들 가정 중에는 반드시 명백하지는 않

은 사항도 포함되어 있으나 대부분의 거시적 현상에 관한 한 큰 곤

란함은 없다.

2.4 전파의 분류 및 용도

무선 통신은 “주파수 3,000GHz 이하의 전파를 이용하여 모든 종

류의 기호, 문자, 신호, 영상, 음향 또는 정보를 송신, 발사 또는 수

신하는 것”으로 국내 전파법에서 정의하고 있다.

이와 같이 무선 통신에 사용되는 전자파의 주파수에는 현재

3,000GHz라는 상한이 정해져 있으며 이 범위 내에서 사용되는 주파

수의 대역별(파장별)로 국제적인 명칭이 정해져 있으며 표 1.1에 나

타내었다. 주파수 ⨍[Hz](1초당 전파의 진동수)와 파장 (1회 진동에

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전파한 거리) 사이에는 ⨍= 의 관계가 있는데 여기서 는 1초 동안

전파가 전파하는 속도로서 대략 × m/s이며 파장이 짧아질수록

주파수가 높아짐을 알 수 있다.

2.4.1 RF (Radio Frequency)

Radio Frequency라 함은 우리말로 방사주파수라는 뜻이다. 보통 RF라

함은 전자파를 이용한 무선장비단을 통칭한다.

이 용어는 microwave(초고주파)라는 용어와 다소 혼란의 여지가 있는

데, 사전적인 주파수 정의로는 RF는 1 GHz이하, Microwave는 300 MHz

~ 30 GHz의 전자파를 일컫기도 한다. 하지만 실제 RF라는 용어와

Microwave라는 용어는 구분 없이 혼용하여 쓰는 경우가 더 많다. 그보다

는 RF라는 용어가 Microwave라는 용어의 상위 개념으로 보는 것이 더

적당하다.

Microwave는 무선통신에 주로 응용되는 고주파대역 주파수를 의미하

고, RF는 그러한 고주파를 이용하는 무선장비/공학을 의미하는 개념으로

보는 것이다.

원래 RF라 하면 저주파 고주파를 이르는 개념이다. 그런데 최근 통신

주파수가 수백 MHz에서 수 GHz의 초고주파 대역으로 올라가면서 RF 개

발은 거의 고주파 장비 개발로 생각되어지고 있다.

결국 RF라 함은 일반적으로 대략 100 ~ 300 MHz 이상의 고주파 무선

통신 및 고주파를 이용하는 장비설계, 연구, 공학분야 일체를 지칭하는 말

로 정리될 수 있다.

2.4.2 Microwave spectrum

전자파는 주파수 대역에 따라 용도가 다르고, 이름도 다르다. 그림

2-2에 Microwave 대역 (300Mhz ~ 300 Ghz)의 대역별 명칭을 순서대

로 나타내었다. microwave 대역 중에서 파장이 mm단위인 지역, 즉

주파수 30Ghz 부근부터의 대역은 milimeter wave라고도 불리운다.

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그림 2-2. 300Mhz ~ 300 Ghz의 대역별 명칭

전자기파로서의 마이크로파는 파장이 극히 짧아서 많은 정보를

실어보낼 수 있다. 그래서 위성통신, 정보통신등의 분야에 널리 쓰인

다. 뿐만 아니라 마이크로파는 금속에서 잘 반사되고, 유리, 공기, 종

이 등에서는 잘 투과되나 수분을 포함하는 음식물 등에서는 흡수되

어 발열을 하므로 이를 이용하여 음식을 가열하는데 쓴다. 지금은

가정에서도 많이 볼 수 있는 마이크로파 오븐(전자렌지)이 바로 물

에 가장 잘 흡수되는 2.45GHz의 마이크로파를 이용한 조리기구이

다. 보통 마이크로파를 발생시키는 데는 진공관, 마그네트론 등을 이

용한다.

표 2-1에서는 주파수 범위, 대역의 명칭, 대역의 전파 전파(電波傳

播) 형태와 특징, 주된 용도를 나타내었는데 주파수 대역으로 분할하

는 경우도 있으며 파장에 의하여 분할하는 경우도 있다. 파장에 의

하여 분할하는 경우 1~20GHz 부근의 주파수 대역을 파장이 짧음을

의미하는 마이크로파(micro-wave) 대역이라고 하며 30GHz 이상의

주파수 대역은 파장의 단위가 밀리미터이므로 밀리미터파

(milimeter-wave) 대역이라고 한다.

무선 통신에서 사용되는 주파수 대역이 점점 높아짐에 EK라 표

2-1과 같이 UHF 대역과 SHF, EHF 대역을 분할하던 방식에서 표

2-2와 같이 더욱 세분화하여 사용하고 있다.

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표 2-1 주파수 대역별 명칭과 용도

주파수 범위 대역명칭 주된 전파 형태 용도 전파특징

3KHz~30KHz VLF(저장파) 지표파 군용 선박 통신소나 통신 주야 안정된 전파

30KHz~300KHz LF(장파) 지표파 장거리 고정 통신무선 항행

주야 계절에 따라 상태 변화

300KHz~3MHz MF(중파)지표파(단거리) 표준 방송

주간은 지상파,야간은 공간파

공중파(장거리) 항공, 선박 등

3MHz~30MHz HF(단파) 전리층 반사파 대륙간 통신원거리 선박통신

시간, 계절에 따라 전파 상태 상이

30MHz~300MHz VHF(초단파) 공간파 산란파 텔레비전 방송다중 통신

가시 거리 통신300MHz~3GHz UHF(극초단파) 공간파 산란파 레이더 이동통신

3GHz~30GHz SHF(마이크로파) 직접파 위성통신 레이더

30GHz~300GHz EHF(밀리미터파) 직접파 미래통신 전파 천문

초가시 거리 사용전파의 감쇄 심함

300GHz~3THz 데시밀리미터파 직접파 전파 천문 우주연구

※ VLF : Very Low Frequency LF : Low Frequency

MF : Medium Frequency HF : High Frequency

VHF : Very High Frequency UHF : Ultra High Frequency

SHF : Super High Frequency EHF : Extremely High Frequency

표 2-2 주파수 대역별 명칭

명칭 주파수 대역(GHz)

P-band 0.23~1

L-band 1~2

S-band 2~4

C-band 4~8

X-band 8~12.5

Ku-band 12.5~18

K-band 18~26.5

Ka-band 26.5~40

V-band 40.5~50.2

W-band 50~60

Millimeter wave 40~300

Sub-millimeter wave 300~3000

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2.5 무선통신의 장점과 단점

유선 통신에 비하여 전파를 이용하는 무선 통신의 장점으로서는

유선의 전송 선로로부터 자유롭게 통신이 가능함, 시스템을 설치하

는 경우 운영 유지 보수비가 저렴하다는 것이며, 단점으로서는 동일

한 복조 방식의 수신기를 갖는 경우 통신 내용의 도청 가능성, 무선

의 전송 선로를 이용하므로 전파 전파의 영향이 지배적 (전파의 영

향으로 통신의 음질, 비트 오율 등 품질 변동), 시스템을 설치하는

경우 초기의 설치비가 고가, 전파는 한정된 자원이라는 것이다.

이와 같은 장점과 단점을 갖는 무선 통신이 응용되는 예를 표 1.3

에 나타내었다.

위성통신의 경우 고정 위성 서비스(FSS : Fixed Satellite Service)는

정지 위성(GEO : Geostationary Earth Orbit)을 통한 서비스를 나타

내며 이동 위성 통신 서비스(MSS : Mobile Satellite Service)는 저궤

도 위성(LEO : Low Earth Orbit)을 통한 서비스를 나타내다.

표 2-3 무선통신의 응용 예(이용 방법 관점)

고정통신

- 전파를 발사하는 송신기와 수신기의 위치가 고정되며 마이크로파 대역 이용

- 사용 주파수 대역이 3~120GHz이며 신호대 잡음비가 높고 주파수 대역폭이 큼

- 이용 예 : 국가 기간 통신망, 유선 통신망의 예비용 등

이동통신

- 전파를 발사하는 송신기와 또는 수신기의 위치가 이동하며 극초단파 대역 이용

- 이용 예 : 셀룰러 이동 전화, 무선 호출기, 개인 휴대 통신,

무선 인터넷 등

위성통신

- 전파를 발사하는 송신가와 수신기의 위치가 고정 또는 이동하며 반드시 상공의 위성체를 통하여 통신이 이루어지며 마이크로파 대역 이용

- 국제 통신용으로 고정 방식을 이용하는 INTELSAT 위성과 해상 통신용으로 고정방식을 이용하는 INMARSAT.

- 이용 예 : 고정 위성 통신 서비스(위성 중계, 국제 위성 전화)

이동 위성 통신 서비스(위성 데이터 통신 등)

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2.6 무선 통신 시스템의 구성

무선 통신은 전자파를 이용하여 인간이 갖는 모든 형태의 정보를

목적지까지 신속, 정확하게 전달함으로서 전달된 정보의 가치를 극

대화할 수 있는 통신 수단을 의미하는데 무선 통신 시스템은 이와

같은 목적을 위하여 필요로 하는 모든 전기적인 설비를 말하며 다음

과 같은 4가지의 기본적인 요소로 구성된다.

○ 송신기 : 정보원으로부터의 정보를 전기적인 신호 형태로의 변환

과 원거리 전송을 위한 신호 처리 및 변환 후 송신하는

전기적 설비

○ 수신기 : 원거리에서 전송되어온 전기적 신호를 수신한 후 이를

처리하여 및 인간이 이해할 수 있는 형태로 정보를 가

공, 처리하는 전기적 설비

○ 급전선 : 송신기로부터 출력되는 전기 신호를 공간에 방사하기

위해 공중선에 공급하거나 또는 공중선으로 수신된 미

약한 전자파 신호를 수신기에 인가하는 선로

○ 공중선 : 안테나라고도 하며 급전선을 통하여 공급되는 전기 신

호를 전자파의 진동으로 변환하여 공간에 방사 또는 공

간에서 수신되는 많은 전자파 신호 중에서 희망하는 신

호만을 선택한 후 전기 신호로 변환하여 수신기에 인가

하는 설비

이와 같은 무선 통신 시스템의 기본 구성 요소 외에도 이들 요소들이

자신의 목적을 수행하기 위하여 전력을 공급해주는 전원 장치, 안전

보호 장치들을 총칭하여 무선 통신 기기라고 하기 때문에 무선 통신

기기가 문선 통신 시스템보다 광범위한 의미를 가질 수도 있다.

2.7 물질의 전자기적 성질

전절에서 서술하였지만 전자기파는 진공 또는 물질 속을 전자기

장의 진동이 전파하는 현상으로 물질을 만나면 물질 속의 전자나

원자핵 같은 하전입자와 상호작용을 하며 전자기파를 흡수하여 내

부에너지로 변환되거나, 산란하여 복사되어진다.

물질들은 전자에 의한 자유전하와 속박전하의 변위를 보이거

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나 자장에 의한 원자의 자기모멘트의 방향의 변화와 같이 인가된

전자장에 다양한 방식으로 반응한다. 대부분의 경우 이러한 반응

은 인가된 전자장 크기의 어떤 한정된 영역에서 선형적으로 다루

어질 수 있다. 가끔 인자전장이나 자장의 방향에 관계없이 반응

이 동일한 경우가 있는데 이러한 물질들은 등방성(Isotropic)이라고

부른다. 이러한 선형적이고 등방성을 지닌 물질들의 시변장에 대한

반응은 인가장의 주파수에 따라 상당히 변하게 된다. 이러한 변

화를 유리, 용융된 수정, 폴리스텔렌 같은 일상적인 유전체 등과

구리, 알루미늄, 놋쇠 같은 도체들은 여러 가지 많은 응용분야에서

주어진 주파수에서 유전율(ε)과 투자율(μ)을 이용하여 표현한다.

2.7.1 매질의 성질

전자기파가 물질 즉, 매질에 존재하면 전자계의 영향을 받고

있는 매질이 어떤 특성을 나타내는 것이 매질 특성 관계식

(Constitutive relations)이다. 즉, 전속밀도(D), 자속밀도(B), 전류

밀도(J)가 어떻게 변하는가를 유전율(ε), 투자율(μ), 도전율(σ)과의

관계로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

D = εE, B = μH, J = σE

유전체에 전계 E를 가하면 물질의 원자나 분자가 분극

(Polarization)현상이 일어나 전기쌍극자 모멘트(Electric dipole

moment)가 발생하고 분극벡터 Pe를 단위체적당 평균 쌍극자모멘

트라고 하면 분극이 일어난 물질의 총 전속밀도 D는

으로 된다.

선형매질(Linear material)에서 전기분극 Pe와 전계 E는 다음과

같은 선형(Linear)의 관계를 갖는다.

여기서 χe를 전기분극화율 또는 전기감수율(Electric susceptibility)

이라 하며, εo는 χe를 무차원으로 만들기 위한 비례상수이다.

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그러므로 전속밀도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 χe는 일반적으로 복소수이므로 ε을 실수부 ε‘과 허수부

ε“으로 나타내면 복소유전율로서 다음과 같이 나타낼 수 있다.

′ ″ 또는

여기서 εr은 비유전율(Relative permittivity)이라 한다. ε의 허

수부는 반드시 부(-)이어야 한다. 따라서 자유공간의 ε은 실수만

을 가지므로 무손실이다. 유전체의 손실은 도체의 손실로 간주할

수 있으며, 손실값은 손실탄젠트(Loss tangent) tanδ로 표시할 수

있는데 다음의 식과 같다.

tan ′″

- 15 -

제3장 실험내용 및 방법

3.1 실험시료

표 3-1에 실험에 사용한 장애물의 종류 및 규격을 나타내었다. 장

애물은 무선신호의 전송경로상 감쇠의 측정을 통한 투과특성을 조

사하기 위하여 일반적으로 건축물에 가장 많이 사용하는 벽돌벽, 타

일시공 벽돌벽, 블록벽, 콘크리트벽 그리고 내장재로서 석고보드, 샌

드위치 패널, 난연성 단열재를 사용하였다. 장애물의 크기는 150

cm(W) × 180 cm(H)이다. 그림 3-1은 실험에 사용한 장애물의 사

진을 나타낸다.

표 3-1. 실험에 사용한 장애물의 종류 및 규격

종 류 특 성 두 께 비 고

석고보드(9.5) KCC 석고보드 1장 9.5 ㎜

석고보드(19) KCC 석고보드 2장 19 ㎜

석고보드(50) KCC 석고보드 2장 50 ㎜보드 간격 30mm

콘크리트벽(150) 200 ㎜ 간격 단배근 150 ㎜철근 HD 16

콘크리트벽(200) 100 ㎜ 간격 복배근 200 ㎜철근 HD 16

벽돌벽(200) 190 ㎜ 벽돌 200 ㎜

타일시공벽돌(220) 190 ㎜ 벽돌, 자기타일 220 ㎜타일(200×250)mm

블록벽(170) 6인치 블록 170 ㎜ (390×190×150)mm

난연성단열재(50) 폴리에스텔+Al 코팅 50 ㎜

샌드위치패널(50) 강판+스티로폼+강판 50 ㎜강판 0.5 t

샌드위치패널(75) 강판+스티로폼+강판 75 ㎜강판 0.5 t

샌드위치패널(100) 강판+스티로폼+강판 100 ㎜강판 0.5 t

SGP 패널 (75) 강판+석고보드+강판 75 ㎜강판 0.6 t

- 16 -

(e) 샌드위치판넬 (f) SGP판넬

(a) 블록벽(170) (b) 벽돌벽(200)

(c) 타일시공벽돌(220) (d) 콘크리트벽(200)

- 17 -

(g) 석고보드 (h) 난연성단열재

그림 3-1. 실험에 사용한 장애물 사진

3.2 실험장비 및 방법

3.2.1 실험장비

1) 신호발생기 및 신호분석기

그림 3-2 및 그림 3-3는 신호발생기(Agilent사 Signal generator

E4438C)와 신호분석기(Agilent사 Signal analyzer N9010A)를 나타낸

것으로 그림 3-2의 신호발생기를 이용하여 447 MHz 및 2.4 GHz의

무선주파수를 발생하고, 발생된 무선주파수 신호를 그림 3-3의 신호

분석기를 이용하여 수신신호세기인 C․P (Channel power)를 통하

여 스펙트럼을 분석하였다.

그림 3-2. RF 신호발생기 사진 그림 3-3. RF 신호분석기 사진

2) 간이형 전파무반사챔버

그림 3-4 및 3-7은 외부 무선신호의 영향 및 회절 등에 의한 특성

을 제거가 가능하도록 한 무선 투과량 측정 시험장치를 나타낸다.

- 18 -

실험에 이용한 간이형 전파무반사챔버는 장치 내 무선신호의 무반

사를 실현하기 위해 반사손실이 약 -15 dB 이하의 손실을 보이는

흡수체를 설치하였으며, 실험장치의 크기는 시험할 송수신기의 장치

의 크기를 고려하고 사용주파수의 파장을 고려하여 내부를 1m ×

1m × 1m 하였다.

(a) 송신부 상세 (b) 수신부 상세

그림 3-4. 무선기기의 성능시험을 위한 간이형 전파무반사챔버

(a) 송신부 상세 (b) 수신부 상세

그림 3-5. 장애물 시험을 위한 간이형 전파무반사챔버 상세

그림 3-6. 간이형 전파무반사챔버 내부의 흡수체 설치

- 19 -

그림 3-7. 간이형 전파무반사챔버의 내부구성도

3.2.2 측정방법

1) 공간경로 손실 측정

그림 1은 성능시험장치 내에서의 무선신호의 공간경로 손실을 측

정하는 실험개략도 및 안테나 설치사진을 나타낸 것으로 그림 1(a)

는 RF 신호발생기에서 발생된 신호를 안테나를 통해 수신신호를 분

석하도록 구성한 측정시스템의 개략도이며, 그림 1(b)와 같이 성능

시험장치내에 공간경로손실의 측정을 위해 설치한 송수신 안테나의

설치하여 공간경로 손실량을 측정하였다.

(a) 측정 시스템 개략 (b) 장치내 장애물 안테나 설치

그림 3-8. 성능시험장치 내에서의 공간경로 손실 측정

2) 장애물에 대한 무선전력 감쇠량

그림 3-9 및 3-10은 장애물에 대한 무선 감지기의 무선전력 감쇠

량을 측정하기 위한 실험 개략도 및 사진을 나타낸 것으로 그림

3-9(a)는 무선감지기의 장애물에 대한 무선전력 감쇠량을 측정하기

위한 실험 개략도로서 장애물이 없는 경우와 장애물이 있는 경우에

- 20 -

대하여 안테나 간 거리를 장애물의 두께와 관계없이 2 m로 하여 측

정하였으며 그림 3-9(b)는 무선전력측정을 위해 RF 신호발생기 및

RF 신호분석기를 연결하여 송수신신호의 무선전력 감쇠량을 측정하

였다.

(a) 장애물 설치 개략 (b) 측정 시스템

그림 3-9. 장애물에 대한 무선전력 감쇠량 실험 개략도

(a) 장애물이 없는 경우 (b) 장애물이 있는 경우

그림 3-10. 장애물에 대한 무선전력 감쇠량 측정 사진

그림 3-10(a)와 같이 장애물이 없는 자유공간으로 실험장치를 설

치하고 신호발생기에서 447 MHz 및 2.4 GHz의 주파수 신호를 RF

신호발생기로 송신, RF 신호분석기를 통하여 수신된 신호의 무선전

력 변화를 측정한다. 그림 3-10(b)와 같이 장애물을 성능시험장치 간

에 설치하여 그림 3-10(a)와 동일하게 측정하여 무선전파에 따른 공

간경로손실을 분석한다.

- 21 -

제4장 실험결과 및 고찰

4.1 간이형 전파무반사챔버 내 무선전력 변화

실험에 사용한 간이형 전파무반사챔버의 성능을 확인하기 위하여

사용주파수의 파장에 따라 1m 범위 내에서 감쇠량을 측정하였다.

447 MHz의 주파수일 때 거리에 따른 전송경로 손실을 그림 4-1

에 나타내었다. 447 MHz의 한 파장(1λ)은 67.1 cm로 1/2λ(33.5cm)

에서 1/6λ(11.2 cm) 까지의 범위에서는 큰 변화가 없었다.

이는 간이형 전파무반사챔버내에서 무선형감지기 등 무선기기의

성능을 측정할 수 있는 범위가 11.2 cm ~ 33.5 cm내에서 측정 할

수 있음을 나타낸다.

거리(cm) 67.1 44.7 33.5 22.4 16.8 13.4 11.2

감쇠량(dB) -49 -41 -42 -42 -42 -42 -42

그림 4-1. 거리에 따른 전송경로 손실(447 MHz의 경우)

그림 4-2는 2.4 GHz의 주파수에 대하여 거리에 따른 전송경로 손

실을 나타낸 것으로 2.4 GHz의 한 파장(1λ)은 12.5 cm로 2λ까지는

- 22 -

감쇠량이 증가하지만 그 이상에서는 큰 변화가 없었다.

이는 간이형 전파무반사챔버 내에서 무선형감지기 등 무선기기의

성능을 측정할 수 있는 범위가 37.5 cm ~ 75 cm내에서 측정 할 수

있음을 나타낸다.

거리(cm) 12.5 25 37.5 50 62.5 75

감쇠량(dB) -21 -25 -32 -31 -30 -31

그림 4-2. 거리에 따른 전송경로 손실(2.4 GHz의 경우)

4.2 10m 전파무반사실(Anechoic Room)과 공간경로 손실 비교

본 연구에서 개발한 간이형전파무반사챔버를 응용하여 10m 전파

무반사실(Anechoic Room)(이하 전파무반사실)에서 공간경로 손실과

성능시험장치에서의 공간경로 손실을 비교하여 대형 전파 무반사실

에서의 실험결과를 보상하여 간이형전파무반사챔버의 사용 가능성

을 조사하였다.

그림 4-3는 전파무반사실에서 측정 공중선의 높이를 1.7 m하여

측정한 거리에 따른 무선전력 감쇠량 결과를 나타내었다.

- 23 -

거리(m) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

감쇠량 (dB)at 447 MHz

-8.6 -36 -41 -44 -50 -50 -54 -50 -61 -52 -51 -56

감쇠량 (dB)at 2.4 GHz

-13 -34 -39 -39 -42 -43 -52 -51 -52 -51 -50 -52

그림 4-3 전파무반사실에서의 거리에 따른 무선전력 감쇠량

앞 절의 10m 전파무반사실(Anechoic Room)에서 공간경로 손실의

결과에서의 2 m 및 3 m 공간경로손실값과 간이형전파무반사챔버를

이용하여 측정한 무선성능시험장치 내의 공간경로손실값에서 10 m

전파무반사실의 경우 2.4 GHz의 경우 각각 -34 dB 및 - 39 dB의 감

쇠가 있으며 무선성능시험장치의 경우 3λ의 거리인 37.5 cm의 거리

에서 Channel Power로 측정하는 경우 -32 dB 이었다. 값의 차이가

2 ~ 7 dB정도 있음을 알 수 있다.

또한 447 MHz의 경우 10 m 전파무반사실의 경우 2 m 및 3 m떨

어진 곳에서 전력은 각각 -39 및 -44 dB 이었으며 간이형전파무반사

챔버의 경우 1/2λ의 거리인 33.5 cm의 거리에서 Channel Power로

측정하는 경우 -42 dB 이었다. 값의 차이가 2 ~ 3 dB정도 있음을

알 수 있다.

결과에서 보면 성능시험장치의 크기는 1 m × 1 m × 1 m이고 연

- 24 -

결 챔버의 크기는 1 m × 1 m × 0.5 m로 각 1.5m로 총 길이가 3

m가 되는 간이형 무반사실을 구성하여 실험 한 것으로 전파의 전파

가 충분히 유지 되는 10 m 전파무반사실에 비하여 규모가 작은 성

능시험장치에서는 도파관현상 등에 의하여 경로손실이 다르게 나타

남을 알 수 있다.

그러나 이러한 결과를 이용하여 간이형전파무반사챔버를 이용하

여 측정한 거리에 따른 무선전력의 감쇠량을 10 m 전파무반사실

(Anechoic Room)에서의 값과 비교하여 감쇠기 등을 이용 보상하여

전송경로손실 실험할 수 있음을 알 수 있다.

4.3 장애물에 따른 무선전력감쇠 변화

그림 4-4는 장애물에 따른 447 MHz의 주파수에서 무선전력의 감

쇠량을 나타내었다. 장애물이 없는 경우는 -31.7 dB의 감쇠가 발생

하였으며 석고보드는 -32.2 ～ -35.5 dB의 감쇠가 있으며, 150 mm

콘크리트벽은 -50.9 dB, 210 mm 콘크리트벽은 -55.8 dB, 블록, 벽돌

및 타일시공벽돌의 경우는 각각 -45.9 dB, -46.0 dB 및 -45.93 dB의

감쇠가 발생함을 알 수 있었다.

그림 4-4. 장애물에 따른 무선전력 감쇠량 스펙트럼(447 MHz)

- 25 -

그림 4-5는 장애물에 따른 2.4 GHz의 주파수에서 무선전력의 감

쇠량을 나타내었다. 2.4 GHz의 주파수에서는 장애물이 없는 경우는

-33.1 dB의 감쇠가 발생하였으며 석고보드는 -33.8 ～ -35.5 dB의 감

쇠가 있으며, 150 mm 콘크리트벽은 -58.3 dB, 200 mm 콘크리트벽

은 -67.1 dB, 블록, 벽돌 및 타일시공벽돌의 경우는 각각 -59.8 dB,

-52.4 dB 및 -61.4 dB의 감쇠가 발생함을 알 수 있었다.

그림 4-5. 장애물에 따른 무선전력 감쇠량 스펙트럼(2.4 GHz)

알루미늄 코팅된 난연성 단열재, 샌드위치 패널 및 SGP 패널의

경우는 447 MHz 및 2.4 GHz 모두 약 -90 dB 이상의 감쇠값으로

RF 신호분석기에 피크가 보이지 않았으며, PER(Pecket error rate)

의 측정에서 100%의 에러를 나타내었다. 이는 표면이 전도체인 금

속으로 되어 있는 경우 전파의 반사가 일어나며 투과가 어렵다는

것을 알 수 있었다.

4.4 장애물의 무선전력 투과 손실

447 MHz의 주파수에서는 장애물이 없는 경우에 비하여 석고보드

- 26 -

의 경우 투과에 따른 손실이 0 ～ 5.4 dB 감쇠가 있으며, 콘크리트

벽의 경우 각각 약 19 dB 및 약 24 dB 의 감쇠가 발생하였으며 블

록, 벽돌 및 타일시공벽돌의 경우는 약 14 dB 정도의 감쇠가 발생하

였다.

2.4 GHz의 주파수에서는 장애물이 없는 경우에 비하여 석고보드

의 경우 투과에 따른 손실 0.7 ～ 2.3 dB의 감쇠가 있으며, 콘크리트

벽의 경우 각각 약 25 dB 및 약 34 dB 의 감쇠가 발생하였으며 벽

돌, 블록 및 타일시공벽돌의 경우는 약 19 dB ～ 28 dB의 감쇠가

발생하였다.

표 4-1 장애물에 따른 무선전력의 투과손실량

장애물 종류투과손실(dB)

447 MHz 2.4 GHz

석고보드(9.5) 0.5 0.72

석고보드(19) 5.41 2.37

석고보드(50) 3.83 0.82

콘크리트벽(150) 19.15 25.19

콘크리트벽(200) 24.06 34.0

벽돌벽(200) 14.28 19.34

타일시공벽돌(220) 14.29 28.28

블록(170) 14.16 26.77

난연성단열재(50) - -

샌드위치패널(50) - -

SGP 패널 (75) - -

알루미늄 코팅된 난연성 단열재, 샌드위치 패널 및 SGP 패널의

경우는 447 MHz 및 2.4 GHz 모두 약 60 dB 이상의 감쇠가 있으나

신호피크가 없어 투과량을 측정할 수 없으며 PER의 측정에서 100%

의 에러를 나타내었다. 이는 표면이 전도체인 금속으로 되어 있는

경우 전파의 반사가 일어나며 투과가 어렵다는 것을 알 수 있었다.

447 MHz의 주파수에서는 콘크리트 벽체가 다른 장애물에 비해

약 5 dB ～ 10 dB 이상 투과하기 어려웠으나, 447 MHz와 비교하여

- 27 -

2.4 GHz의 주파수에서는 벽돌, 블록의 경우도 투과가 어려짐을 알

수 있었다.

표 4-2에 ITU-R P.1238-4 권고안에 의한 비유전율을 나타낸다. 표

에서 보면 본 연구에서 수행한 콘크리트, 벽돌 및 석고보드 외에 목

재, 유리, 암면, 종이보드, 합성수지제 보드의 비유전율 알 수 있다.

표에서 보는바와 같이 본 연구에서 실시하지 않은 목재의 경우는

석고보드 보다 투과가 더 잘될 것으로 예상할 수 있으며, 건축물의

내장과 관련된 재료 들은 벽돌 무선신호의 투과가 더 잘될 것으로

예상할 수 있다. 특히 목재는 석고보드보다도 투과가 더 잘 될 것

으로 예상된다.

실험에 사용한 재료에 대하여 ITU-R P.1238-4 권고안의 비유전율

을 참고하면 콘크리트 5.31(1 ~ 100GHz), 벽돌 3.75(1 ~ 100GHz),

석고보드 2.94(1 ~ 100GHz), 금속 1(1 ~ 100GHz)으로 금속을 제외

하고 비전도성재료의 경우 비유전율과 무선투과 감쇠량과 비례관계

가 있음을 알 수 있다.

표 4-3에는 ITU-R P.1238-4 권고안에 의해 전도도 및 감쇠량을 나

타내며 전도도 및 감쇠량은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

전도도 : S/m, (여기서 f 는 GHz)

감쇠량 : ′

dB/m

ITU-R P.1238-4 권고안에 의하면 447 MHz의 주파수에 대한 자료

는 없지만 유추하여 계산하여 보면 재료에 따라 2.4 GHz의 주파수

에 있어서 파장이 긴 447 MHz의 경우가 무선투과감쇠량이 적음을

알 수 있었다. 이는 절연체의 경우 일반적으로 주파수가 증가 할수

록 유전율이 증가하기 때문이라고 할 수 있다.

- 28 -

표 4-2 ITU-R P.1238-4 권고안에 의한 비유전율

재료분류 비유전율(ε'r)

전도도(S/m) 주파수범위(GHz)c d

Concrete 5.31 0.0326 0.8095 1~100

Brick 3.75 0.038 0.0 1~10

Plaster board 2.94 0.0116 0.7076 1~100

Wood 1.99 0.0047 1.0718 0.001~100

Glass 5.35 0.0043 1.1381 1~100

Ceiling board(rock wool) 1.50 0.0005 1.1634 1~100

Chipboard 2.94 0.0569 0.5413 1~100

Floor board 3.66 0.0044 1.3515 50~100

Metal 1 107 0.0 1~100

표 4-3 ITU-R P.1238-4 권고안에 의한 전도도 및 감쇠량

재료분류 비유전율(ε'r)

447 MHz 2.4 GHz

σ(S/m) A(dB/m) σ(S/m) A(dB/m)

Concrete 5.31 0.017 5.23 0.066 20.40

Brick 3.75 0.038 16.58 0.038 16.58

Plaster board 2.94 0.007 3.65 0.022 11.99

Wood 1.99 0.002 1.63 0.012 9.88

Glass 5.35 0.002 0.526 0.012 3.56

Ceiling board(rock wool)

1.50 0.0002 0.214 0.0014 1.51

Chipboard 2.94 0.037 20.48 0.091 50.86

Floor board 3.66 0.0015 0.66 0.014 6.42

Metal 1 107 1.64× 1010 107 1.64× 1010

파장이 상대적으로 긴 447 MHz의 경우가 전반적으로 파장이 짧

은 2.4 GHz 보다 투과가 더 잘되는 것을 알 수 있다.

그러나 본 실험에서 측정된 값은 절대적인 값이라기보다는 안테

나의 특성, 무선전송 환경 등에 따라 달라질 수 있는 상대적인 값으

로 볼 수 있다. 그러나 본 연구결과의 데이터는 무선기기의 설치 시

참고자료로서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

- 29 -

제5장 결론

본 연구는 소방대상물에 무선기능을 갖는 소방용품을 설치하는 경우

건축물 내에 사용되어지는 벽체 등에 대한 무선신호의 장애정도를 분

석하기 위하여 다양한 장애물에 대한 무선전력의 감쇠량을 간이형전파

무반사챔버를 이용하여 측정하고 무선 시스템의 설치 및 개발 등에 필

요한 무선신호의 투과특성 등을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 측정한 거리에 따른 무선전력의 감쇠량을 간이형전파무반사챔버를

이용하여 측정한 값과 10 m 전파무반사실(Anechoic Room)에서의

값과 비교한 결과 간이형전파무반사챔버에서 측정한 값을 감쇠기

등을 이용 보상하여 전송경로손실의 측정이 가능함을 알았다.

2. 447 MHz의 주파수에서는 장애물이 없는 경우에 비하여 석고보드

의 경우 투과에 따른 손실이 0 ～ 5.4 dB 감쇠가 있으며, 콘크리트벽

의 경우 각각 약 19 dB 및 약 24 dB 의 감쇠가 발생하였으며 블록,

벽돌 및 타일시공벽돌의 경우는 약 14 dB 정도의 감쇠가 발생하였으

며,

3. 2.4 GHz의 주파수에서는 장애물이 없는 경우에 비하여 석고보드의

경우 투과에 따른 손실 0.7 ～ 2.3 dB의 감쇠가 있으며, 콘크리트벽

의 경우 각각 약 25 dB 및 약 34 dB 의 감쇠가 발생하였으며 벽돌,

블록 및 타일시공벽돌의 경우는 약 19 dB ～ 28 dB의 감쇠가 발생

하였다.

4. 알루미늄 코팅된 난연성 단열재, 샌드위치 패널 및 SGP 패널의 경

우는 447 MHz 및 2.4 GHz 모두 약 -90 dB 이상의 감쇠값으로 RF

신호분석기에 피크가 보이지 않았으며 이는 표면이 전도체인 금속

으로 되어 있는 경우 전파의 반사가 일어나며 투과가 어렵다는 것

을 알 수 있었다.

본 실험에서 측정된 값은 절대적인 값이라기보다는 안테나의 특

성, 무선전송 환경 등에 따라 달라질 수 있는 상대적인 값이지만,

본 연구결과의 데이터는 무선기기의 설치 및 개발관련 연구에 활용

가능한 참고자료로서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

- 30 -

참고문헌

1. 김동일, 나정웅, 박동철 편, “전파공학” pp. 1～40, 청문각, (1998)

2. 진년강, “마이크로파 공학의 기초” pp. 1～18, 청문각, (1998)

3. 이종락 역, “그림으로 알 수 있는 전파의 구조” pp. 1～18, 청문각,

(1998)

4. 이찬주, 홍의석, “무선통신에 있어서 장애물에 의한 회절의 안테나

영향”, 전자공학회논문집, Vol29-A, No.5, pp.12～17(1992)

5. 차용성, 강병권, “400 MHz 대역 신호의 건물내 전달 특성에 관한

연구”, 한국신호처리시스템학회 하계학술대회논문집, pp. 17～

20(2001)

6. 일본 총무성, “소방법 시행규칙의 일부를 개정하는 성령” (2008년

총무성령 제155호)

7. 일본 소방청, “무선식 자동화재탐지설비 및 특정 소규모 시설용 자

동화재탐지설비의 운용에 대해”(2009년 3월 23일 소방예 제119호)

8. Proposed revision to recommendation ITU-R P.1238-4 "Modelling

of electrical properties of building materials" (2006. 9. 20)

- 31 - - 32 -

SubstanceD i e l e c t r i c Constant(relative to air)

DielectricStrength(V/mil)

Loss TangentM a x Temp(°F)

ABS (plastic), Molded 2.0 - 3.5400 - 1350

0.00500 - 0.0190 171 - 228

Air 1.00054 30 - 70    

Alumina - 96%

         - 99.5%

10.09.6

 

0.0002 @ 1 GHz0.0002 @ 100 MHz0.0003 @ 10 GHz

 

Aluminum Silicate 5.3 - 5.5      

http://www.rfcafe.com/references/electrical/dielectric-constants-strengths.htm

Values presented here are relative dielectric constants (relative permittivities). As indicated by er = 1.00000 for a vacuum, all values are relative to a vacuum.

Multiply by e0 = 8.8542 x 10-12

F/m (permittivity of free space) to obtain absolute permittivity. Dielectric constant is a measure of the charge retention capacity of a medium.

                

In general, low dielectric constants (i.e., Polypropylene) result in a "fast" substrate while large dielectric constants (i.e., Alumina) result in a "slow" substrate.

Dielectric loss tangent is the imaginary part of the dielectric constant, and determines the lossiness of the medium. Similar to dielectric constant, low loss tangents result in a "fast" substrate while large loss tangents result in a "slow" substrate.

Beware that the exact values can vary greatly depending on the particular manufacturer's process, so you should seek out data from the manufacturer for critical applications.

The dielectric constant can be calculated using:   ε = Cs / Cv , where Cs is the capacitance with the specimen as the dielectric, and Cv is the capacitance with a vacuum as the dielectric.

The dissipation factor can be calculated using:   D = tan δ = cot θ = 1 / (2π f RpCp) ,  where δ is the loss angle, θ is the phase angle, f is the frequency, Rp is the equivalent parallel resistance, and Cp is the equivalent parallel capacitance.

- 33 -

Bakelite 3.7      

Bakelite (mica filled) 4.7 325 - 375    

Balsa Wood1.37 @ 1 MHz1.22 @ 3 GHz

 0.012 @ 1 MHz0.100 @ 3 GHz

 

Beeswax (yellow)2.53 @ 1 MHz2.39 @ 3 GHz

 0.0092 @ 1 MHz0.0075 @ 3 GHz

 

Beryllium oxide 6.7   0.006 @ 10 GHz  

Butyl Rubber2.35 @ 1 MHz2.35 @ 3 GHz

 0.001 @ 1 MHz0.0009 @ 3 GHz

 

Carbon Tetrachloride2.17 @ 1 MHz2.17 @ 3 GHz

 <0.0004 @ 1 MHz0.0004 @ 3 GHz

 

Diamond 5.5 - 10      

Delrin (acetyl resin) 3.7 500   180

Douglas Fir 1.9 @ 1 MHz   0.023 @ 1 MHz  

Douglas Fir Plywood1.93 @ 1 MHz1.82 @ 3 GHz

 0.026 @ 1 MHz0.027 @ 3 GHz

 

Enamel 5.1 450    

Epoxy glass PCB 5.2 700    

Ethyl Alcohol (absolute)24.5 @ 1 MHz6.5 @ 3 GHz

 0.09 @ 1 MHz0.25 @ 3 GHz

 

Ethylene Glycol41 @ 1 MHz12 @ 3 GHz

 -0.03 @ 1 MHz1 @ 3 GHz

 

Formica XX 4.00      

FR-4 (G-10) - low resin                  - high resin

4.94.2

 0.008 @ 100 MHz0.008 @ 3 GHz

 

Fused quartz 3.8  0.0002@ 100 MHz0.00006 @ 3 GHz

 

Fused silica (glass) 3.8      

Gallium Arsenide (GaAs) 13.1   0.0016 @ 10 GHz  

Germanium 16      

Glass 4 - 10      

Glass (Corning 7059) 5.75   0.0036 @ 10 GHz  

Gutta-percha 2.6      

- 34 -

Halowax oil 4.8      

High Density Polyethylene (HDPE), Molded

1.0 - 5.0475 - 3810

0.0000400 - 0.00100

158 - 248

Ice (pure distilled water)4.15 @ 1 MHz3.2 @ 3 GHz

 0.12 @ 1 MHz0.0009 @ 3 GHz

 

Kapton® Type 100            Type 150

3.92.9

74004400

 500 

Kel-F 2.6      

Lexan® 2.96 400   275

Lucite 2.8      

Mahogany2.25 @ 1 MHz1.88 @ 3 GHz

 0.025 @ 1 MHz0.025 @ 3 GHz

 

Mica Mica, Ruby

4.5 - 8.05.4

3800 -5600

   

Micarta 254 3.4 - 5.4      

Mylar® 3.2 7000   250

Neoprene 6 - 9 600    

Neoprene rubber6.26 @ 1 MHz4 @ 3 GHz

 0.038 @ 1 MHz0.034 @ 3 GHz

 

Nomex®   800   450

Nylon 3.2 - 5 400   280

Oil (mineral, squibb) 2.7 200    

Paper (bond) 3.0 200    

Paraffin 2-3      

Phenolica (glass-filled) 5 - 7      

Phenolics (cellulose-filled)

4 - 15   0.03 @ 100 MHz  

Phenolics (mica-filled) 4.7 - 7.5      

Plexiglass® 2.2 - 3.4 450 - 990    

Polyethylene LDPE/HDPE2.26 @ 1 MHz2.26 @ 3 GHz

450 - 1200

0.0002 @ 100 MHz0.00031 @ 3 GHz

170

Polyamide 2.5 - 2.6      

Polycarbonate, Molded 2.8 - 3.4 380 - 965 0.000660 - 0.0100 239 - 275

Polypropylene 2.2 500   250

- 35 -

Polystyrene 2.5 - 2.6 5000.0001 @ 100 MHz0.00033 @ 3 GHz

 

Polyvinylchloride (PVC) 3 725   140

Porcelain 5.1 - 5.9 40 -280    

Pyrex glass (Corning 7740)

5.1 335    

Quartz (fused) 4.2 150 - 200    

RT/Duroid 5880(go to Rogers)

2.20      

Rubber 3.0 - 4.0 150 - 500   170

Ruby 11.3      

Silicon 11.7 - 12.9 100 - 7000.005 @ 1 GHz0.015 @ 10 GHz

300

Silicone oil 2.5      

Silicone RTV 3.6 550    

Soil (dry sandy)2.59 @ 1 MHz2.55 @ 3 GHz

 0.017 @ 1 MHz0.0062 @ 3 GHz

 

Soil (dry loamy)2.53 @ 1 MHz2.44 @ 3 GHz

 0.018 @ 1 MHz0.0011 @ 3 GHz

 

Steatite 5.3-6.5      

Strontium titanate 233      

Teflon® (PTFE) 2.0 - 2.1 1000 0.00028 @ 3 GHz 480

Tenite 2.9 - 4.5      

Transformer oil 4.5      

Vacuum (free space) 1.00000      

Valox®   1560   400

Vaseline 2.16  0.00004 @ 0.1 GHz0.00066 @ 3 GHz

 

Vinyl 2.8 - 4.5      

Water (32°F)         (68°F)          (212°F)

88.080.455.3

800.04 @ 1 MHz0.157 @ 3 GHz

 

Water (distilled) 76.7 - 78.2  0.005 @ 100 MHz0.157 @ 3 GHz

 

Wood 1.2 - 2.1  0.04 @ 0.1 GHz0.03 @ 3 GHz

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ITU-R 권고

국제전기통신연합(ITU)의 조직을 개편한 1992년 헌장 및 협약에 따라

전파 통신에 관한 기술 및 운용상의 문제점에 대한 연구를 수행하고

그 결론을 권고로 공표하는 것을 주 임무로 하는 ITU의 상설 기관인

국제무선통신자문위원회(CCIR)는 폐지되고 그 기능을 신설된 국제전기

통신연합 전파 통신 부문(ITU-R)이 계승하였다.

종전의 CCIR 권고는 계속 유효하지만 기구 개편(1993.3.1) 이후에는

ITU-R 권고로 명칭이 변경되어 발간되고 있다

ITU-R에서 권고한 시리즈는 다음과 같다.

㉠ BO : 방송 위성 업무(broadcasting satellite service)

㉡ BR : 음성 및 텔레비전 프로그램의 녹화 (sound and television

recording)와 녹화 매체의 교환

㉢ BS : 음성 방송 업무(broadcasting service:sound)

㉣ BT : 텔레비전 방송 업무(broadcasting service:television)

㉤ F : 고정 업무(fixed service)

㉥ IS : 업무 간 공용 및 양립성(Interservice sharing and compatibility)

㉦ M : 이동, 전파 측위, 아마추어 및 관련 위성 업무(Mobile, radio

determinations, amateur and related satellite services)

㉧ P : 전파 전파(Radiowave Propagation)

㉨ RA : 전파 천문(Radioastronomy)

㉩ SA : 우주 응용 분야 및 기상 업무(Space applications and

meteorology)

㉪ SF : 고정 위성 업무와 고정 업무 간의 주파수 공용(Frequency

sharing between the fixed satellite service and the fixed service)

㉫ SM : 무선 주파수 스펙트럼 관리(Spectrum management)

㉬ SNG :위성 통신 뉴스 취재(Satellite news gathering)

㉭ S : 고정 위성 업무(fixed satellite service)

㉮ TF : 시보(時報) 신호 및 주파수 표준 전파(Time signals and

frequency standards emissions) faebd7 UNS

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Material class Relative permittivity

Conductivity Frequency range (GHz)

c d Concrete 5.31 0.0326 0.8095 1–100Brick 3.75 0.038 0.0 1–10Plasterboard 2.94 0.0116 0.7076 1–100Wood 1.99 0.0047 1.0718 0.001–100Glass 5.35 0.0043 1.1381 1–100Ceiling board 1.50 0.0005 1.1634 1–100Chipboard 2.94 0.0569 0.5413 1–100Floorboard 3.66 0.0044 1.3515 50–100Metal 1 107 0.0 1–100

Annex

Proposed revision to Recommendation ITU-RP.1238-4 Below Table 7 and before the sentence beginning “An empirical formula of …”, add the following, and renumber subsequent tables and equations:“Simple formulae for the relative permittivity, '

re ,and the conductivity, s, of a number of building materials have been derived from published measurements. The relative permittivity is independent of frequency, while the conductivity is modelled as follows.

dfc=s S/m (6)

f is the frequency in GHz. The values of the relative permittivity and the constants c and d are given in Table 8.

TABLE 8 Parameters for the relative permittivity and conductivity of building materials

The frequency limits given in Table 8 are not hard limits but are indicative of the frequency limits of the data that were used to derive the models.The attenuation rate, A, experienced by an electromagnetic wave propagating through materials due to ohmic losses is given by

'1636r

Aes

= dB/m (7)”