[논문]전파흡수능 최적화 설계

서일성; 송정근

전파흡수능 최적화 설계
An Optimal Design of Microwave Absorbing Material 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.13 no.5, 2010년, pp.869 - 874

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A research for the optimal design of microwave absorbing material featuring for the broadband has been conducted to apply to warship. A multilayered structure was suggested using wave absorbing layers and resistance layer to perform high performance in broadband frequencies. For the optimization of the wave absorbing characteristics, the thickness and permittivities of the absorbing layers as well as the surface resistance of the resistant layer were determined using genetic algorithm. The data base of permittivities related to the density of the dielectric materials and loss materials was obtained by the experiments for the dielectric constants of the absorbing layers, furthermore, the results were numerically expressed and used for the optimization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이런 특성들로 인해 경량 광대역 전파흡수재료는 위협 레이더의 주파수 대역이 여러가지일 경우, 탐지 및 추적을 회피하기 적합한 재료이며, 적용 무기 체계의 중량증가를 최소화 시킬 수 있어 중량측면에서 유리한 재료로 기대되고 있다. 본 논문에서는 광대역에서의 전파흡수능 특성을 갖는 전파흡수재료의 흡수능 해석, 최적화 설계 내용을 다루었다.
4GHz 주파수 대역에서 -20dB이상의 전파흡수능을 가지고 동시에 경량화를 위하여 전파흡수재료의 두께를 최소화한 다층형 구조의 설계결과를 제시하였다. 본연구결과는 전자기 물성 DB를 이용함으로써 실용화가 가능한 설계 결과를 제시하였으며, 향후 광대역 전파흡수재료의 최적화 설계 방법 및 모델을 제안하였다.

제안 방법

광대역의 주파수 범위에 대하여 전파흡수능 최적화 설계를 위해 관련 전자기 이론 고찰, 유전재료와 손실재료의 전자기 물성 측정[6] 및 DB구축 그리고 최적화 설계를 위한 유전 알고리즘을 적용하였다.
두께에 비하여 우수한 전파 흡수능과 광대역 전파 흡수 대역을 갖는 전파흡수재의 설계를 위하여 본 시험에서는 Jaumann 흡수체의 spacer 재료로 적절한 유전율을 갖는 재료를 적용하였다. 전파흡수재료의 구조는 다음과 같으며, 두 흡수층의 유전율과 두께, 저항막의 표면저항등 7개의 설계변수를 선정하여 최적화 설계를 수행하였다.
및 DB구축 그리고 최적화 설계를 위한 유전 알고리즘을 적용하였다. 전파 흡수능 최적화 설계결과 6.9～15.4GHz 주파수 대역에서 -20dB이상의 전파흡수능을 가지고 동시에 경량화를 위하여 전파흡수재료의 두께를 최소화한 다층형 구조의 설계결과를 제시하였다. 본연구결과는 전자기 물성 DB를 이용함으로써 실용화가 가능한 설계 결과를 제시하였으며, 향후 광대역 전파흡수재료의 최적화 설계 방법 및 모델을 제안하였다.
전파흡수재료 흡수능 최적화를 위하여 전파흡수재료 흡수층의 유전율 DB를 구축하였으며, 설계변수의 범위를 최대화하기 위하여 유전재료(손실율이 낮으며 안정성이 높은 재료로 선택) 및 손실재료(밀도가 낮고 손실율이 높은 재료를 선정) 두가지 재료를 사용하였다. 측정한 유전재료와 손실재료의 유전율 DB 자료를 최적화 설계 프로그램에 이용하기 위하여 curve fitting 프로그램으로 데이터를 수식화 하였다.
두께에 비하여 우수한 전파 흡수능과 광대역 전파 흡수 대역을 갖는 전파흡수재의 설계를 위하여 본 시험에서는 Jaumann 흡수체의 spacer 재료로 적절한 유전율을 갖는 재료를 적용하였다. 전파흡수재료의 구조는 다음과 같으며, 두 흡수층의 유전율과 두께, 저항막의 표면저항등 7개의 설계변수를 선정하여 최적화 설계를 수행하였다.
최적화 문제의 목적함수 선정을 위하여 전파흡수재료의 두께와 전파흡수능 그리고 -20dB 흡수능 대역폭을 함께 고려하였다.
전파흡수재료 흡수능 최적화를 위하여 전파흡수재료 흡수층의 유전율 DB를 구축하였으며, 설계변수의 범위를 최대화하기 위하여 유전재료(손실율이 낮으며 안정성이 높은 재료로 선택) 및 손실재료(밀도가 낮고 손실율이 높은 재료를 선정) 두가지 재료를 사용하였다. 측정한 유전재료와 손실재료의 유전율 DB 자료를 최적화 설계 프로그램에 이용하기 위하여 curve fitting 프로그램으로 데이터를 수식화 하였다. 전파흡수재료 제작에 사용된 흡수층의 유전재료와 손실재료의 밀도에 대하여 유전율 측정결과를 curve fitting 시키고 이를 근사식으로 표현하면 아래와 같다.

이론/모형

최적화 설계 알고리즘의 경우 구조설계 또는 동력학 설계 등에 많이 이용되어온 gradient projection method 또는 linear and quadratic programming 등을 이용할 수 있으나[1,2] grobal minimum을 구하기 어려운 문제점이 있어 전파흡수능 최적화 문제에는 적합하지 않다고 판단하였으며, 현재 전파흡수능 최적화 문제에 많이 적용하고 있으며 global minimum을 구하기에 적합한 유전 알고리즘을 이용하였다[3-5].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경량 광대역 전파흡수재료는 어떤 것으로 이루어진 재료이며 어떤 특징을 갖는가?	따라서 무기체계에 적용성을 높이기 위하여 가볍고 얇은 광대역 전자파 흡수재의 설계 및 제작의 중요성은 더욱 커지고 있으며, 이는 스텔스 재료기술의 핵심요소 중의 하나로 여겨지고 있다. 경량 광대역 전파흡수재료는 전자파 흡수능, 저항막, 전도성막 등으로 이루어진 복합 평판형 재료로서 광대역의 주파수 대역에 대하여 우수한 전파흡수능을 가지며 중량이 가벼운 점이 특징이다. 이런 특성들로 인해 경량 광대역 전파흡수재료는 위협 레이더의 주파수 대역이 여러가지일 경우, 탐지 및 추적을 회피하기 적합한 재료이며, 적용 무기 체계의 중량증가를 최소화 시킬 수 있어 중량측면에서 유리한 재료로 기대되고 있다.
	평면전자기파란 무엇인가?	평면전자기파는 어느 한 순간에 파의 진행방향에 수직한 평면상에서 그 전자파의 진폭과 위상이 동일한 파를 의미한다. 손실 유전체에 전자기장의 세기 E가 제공되면 전류 J=σE가 흐르게 된다.
	과거 전자파 흡수재료가 가진 제한적인 흡수능을 극복하기 위해 어떤 것의 설계 및 제작의 중요성이 커지는가?	그러나 과거 전자파 흡수재료는 협대역에서만 전파흡수능을 갖거나 혹은 광대역의 흡수대역을 갖더라도 흡수능이 최적화 되지 않았기 때문에 실용적인 재료는 아니었다. 따라서 무기체계에 적용성을 높이기 위하여 가볍고 얇은 광대역 전자파 흡수재의 설계 및 제작의 중요성은 더욱 커지고 있으며, 이는 스텔스 재료기술의 핵심요소 중의 하나로 여겨지고 있다. 경량 광대역 전파흡수재료는 전자파 흡수능, 저항막, 전도성막 등으로 이루어진 복합 평판형 재료로서 광대역의 주파수 대역에 대하여 우수한 전파흡수능을 가지며 중량이 가벼운 점이 특징이다.

참고문헌 (6)

Edward J. Haug and Jasbir S. Arora, Applied Optimal Design, John Wiley & Sons, 1979.
Mokhtar S. Bazaraa and C. M. Shetty, Nonlinear Programming, John Wiley & Sons, 1979.
Daniel S. Weile and Eric Michielssen, Genetic Algorithm Optimization Applied to Electromagnetics, IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 45, No. 3, pp. 343-353, March 1997.

상세보기
Eric Michielssen, Jean-Michel Sajer, S. Ranjithan and Raj Mittra, Design of Lightweight, Broad-Band Microwave Absorbers Using Genetic Algorithm, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. 41, No. 6/7, pp. 1024-1031, June/July 1993.

상세보기
B. Chamber and T. Tennant, Optimised Design of Jaumann Radar Absorbing Materials Using a Genetic Algorithm, IEE Proceedings-Radar, Sonar Navigation Vol. 143, No. 1, pp. 23-30, February 1996.

상세보기
David K. Cheng, Fundamentals of Engineering Electromagnetics, Prentice Hall, New Jersey, pp. 228-297, 1993.

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