[논문]리지가 장하된 소형 원형 개구의 공진 투과에 관한 연구

고지환; 조영기; 여준호; 이종익

doi:10.5515/kjkiees.2011.22.6.654

리지가 장하된 소형 원형 개구의 공진 투과에 관한 연구
A Study on the Resonant Transmission through a Ridge-Loaded Small Circular Aperture 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.22 no.6, 2011년, pp.654 - 660

고지환 (금오공과대학교 전자공학부) , 조영기 (경북대학교 전자전기컴퓨터학부) , 여준호 (대구대학교 정보통신공학부) , 이종익 (동서대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 파장에 비해 작은 원형 개구를 통한 전자파 투과를 고려하였다. 무한 도체판의 개구에 대해 수직으로 평면파가 입사될 때 투과 문제를 모멘트 방법으로 풀었다. 투과된 전력과 개구로부터의 복사 패턴에 대한 결과들로부터 파장에 비해 작은 원형 개구, 리지가 장하된 원형 개구 및 반 파장 슬롯의 투과 특성을 비교하였다. 그리고 이론 연구의 타당성을 검증하기 위해 FPCB상에 제작된 개구의 투과 특성을 실험하였으며, 그 결과 시뮬레이션 결과들과 잘 일치함을 관찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the electromagnetic wave transmission through a ridge-loaded small circular aperture is considered. The transmission problem when a plane wave is normally incident on the aperture in an infinite conducting plane is solved by a method of moments(MoM). From the results for the transmitted power and the patterns of radiation from the aperture, the transmission characteristics of a small sub-wavelength circular aperture, a ridge-loaded circular aperture, and a half wavelength slot are compared. In addition, the theoretical study is verified through the experiments for the apertures fabricated on an Flexible Printed Circuit Board(FPCB), which shows fairly good agreements with the simulated results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

에서 입증된 바 있다. 따라서 본 연구에서는 해석 방법과 그 과정에 대한 언급은 생략하고 제시된 개구 구조들의 투과 특성을 실험적으로 확인해 보기로 한다.
기존의 연구^[4],[5]에서는 개구 공진에 의해 투과 단면적이 최대가 되었을 때, 3 λ²/(4π)에 매우 근접한 값이 됨과 해석 방법으로 FDTD 및 모멘트 방법(Method of Moments: MoM)을 소개하였다. 본 논문에서는 그림 1과 같이 파장에 비해 작은 원형 개구와 그에 리지를 장하한 공진 구조 그리고 폭이 좁은 반 파장 슬롯(slot) 등 3가지 구조를 고려하여 투과 특성을 이론적으로 비교한 후, FPCB상에 개구를 제작하고 투과 특성을 실험하여 그 타당성을 확인해 보고자 한다. 투과 특성은 개구를 통해 투과된 전력량에 비례하는 투과 단면적(TCS)과 투과된 전자파가 개구로부터 복사되는 전력 밀도 패턴이다.
본 논문에서는 무한 도체판 상에 존재하는 파장에 비해 작은 원형 개구를 통한 전자파 투과 특성을 연구하였다. 원형 개구, 리지가 장하된 원형 개구, 반 파장 슬롯 등을 투과한 전자파의 투과 전력, 복사 패턴 및 주파수에 따른 전력 밀도의 변화를 관찰하여, 개구의 투과 특성 개선에 대해 연구하였다.
본 논문에서는 최근 시뮬레이션을 통해 이론적으로 연구^[4],[5]된 구조인 리지가 장하된 원형 개구의 투과 특성을 점검해 보고자 한다. 기존의 연구^[4],[5]에서는 개구 공진에 의해 투과 단면적이 최대가 되었을 때, 3 λ²/(4π)에 매우 근접한 값이 됨과 해석 방법으로 FDTD 및 모멘트 방법(Method of Moments: MoM)을 소개하였다.
본 논문에서는 무한 도체판 상에 존재하는 파장에 비해 작은 원형 개구를 통한 전자파 투과 특성을 연구하였다. 원형 개구, 리지가 장하된 원형 개구, 반 파장 슬롯 등을 투과한 전자파의 투과 전력, 복사 패턴 및 주파수에 따른 전력 밀도의 변화를 관찰하여, 개구의 투과 특성 개선에 대해 연구하였다. 리지 장하로 인해 공진된 개구의 투과 특성을 반 파장 슬롯의 특성과 비교하였다.

가설 설정

24 λ²로서 두배가 되는 것과 같은 원리이다. 따라서 공진된 개구 그림 1(b) 구조와 반 파장 슬롯 그림 1(c) 구조는 동일한 투과 공진 주파수를 가질 때, 각 개구를 투과하는 전력은 투과 단면적에 비례할 것이다. 투과된 전력은 개구면에 수직한 방향으로 최대 복사 전력 밀도를 가지며, 이 값은 각 투과 전력값과 Babinet 원리에 의해 리지가 장하된 개구는 미소 다이폴의 지향성 1.
도체판을 제외한 모든 매질은 자유 공간(μ0, ε0)과 전기적인 특성이 동일하며, 도체판(z=0)에 수직인 +z 방향으로 진행하는 평면파(#)가 입사된다고 가정하였다.

제안 방법

리지 장하로 인해 공진된 개구의 투과 특성을 반 파장 슬롯의 특성과 비교하였다. FPCB상에 개구를 제작하고 실험적으로 리지 장하에 의한 특성 개선을 확인하여 연구 결과의 타당성을 검증하였다. 직경 10 mm인 원형 개구는 폭 3 mm, 간극 0.
그림 4는 VNA(Vector Network Analyzer)를 이용하여 개구의 투과 특성을 실험하기 위한 시스템 구성을 도시한 것이다. 개구로 입사되는 전력 밀도를 증폭시키기 위해 광대역 증폭기(이득 약 18 dB)를 포트 1에 연결하고, 개구와 광대역 혼 사이의 거리는 50 cm를 유지하였다. 실험에 사용된 VNA는 Agilent사 E5071C이며, 광대역 증폭기는 SHF Communication Technologies의 SHF100APP이다.
원형 개구, 리지가 장하된 원형 개구, 반 파장 슬롯 등을 투과한 전자파의 투과 전력, 복사 패턴 및 주파수에 따른 전력 밀도의 변화를 관찰하여, 개구의 투과 특성 개선에 대해 연구하였다. 리지 장하로 인해 공진된 개구의 투과 특성을 반 파장 슬롯의 특성과 비교하였다. FPCB상에 개구를 제작하고 실험적으로 리지 장하에 의한 특성 개선을 확인하여 연구 결과의 타당성을 검증하였다.
그림 5는 실험을 위해 제작된 3가지 개구이며, 두께 25 μm의 폴리이미드(polyimide)를 베이스로 하고 두께 35 μm로 동박 코팅된 FPCB상에 제작되었다. 에칭에 의해 개구가 형성된 후, 폴리이미드 필름에 의해 개구의 특성이 변화되는 영향을 최소화하기 위해 동박이 에칭된 부분의 폴리이미드는 도려내어 제거하였다.
본 논문에서는 그림 1과 같이 파장에 비해 작은 원형 개구와 그에 리지를 장하한 공진 구조 그리고 폭이 좁은 반 파장 슬롯(slot) 등 3가지 구조를 고려하여 투과 특성을 이론적으로 비교한 후, FPCB상에 개구를 제작하고 투과 특성을 실험하여 그 타당성을 확인해 보고자 한다. 투과 특성은 개구를 통해 투과된 전력량에 비례하는 투과 단면적(TCS)과 투과된 전자파가 개구로부터 복사되는 전력 밀도 패턴이다.

대상 데이터

그림 5는 실험을 위해 제작된 3가지 개구이며, 두께 25 μm의 폴리이미드(polyimide)를 베이스로 하고 두께 35 μm로 동박 코팅된 FPCB상에 제작되었다.
원형 개구의 직경 D, 리지 폭 W, 리지 간극 G이고, 구형 슬롯의 길이 L, 폭 S이다. 도체판(z=0)은 완전 도체(PEC)이고, 두께는 0이다. 도체판을 제외한 모든 매질은 자유 공간(μ₀, ε₀)과 전기적인 특성이 동일하며, 도체판(z=0)에 수직인 +z 방향으로 진행하는 평면파(#)가 입사된다고 가정하였다.
개구로 입사되는 전력 밀도를 증폭시키기 위해 광대역 증폭기(이득 약 18 dB)를 포트 1에 연결하고, 개구와 광대역 혼 사이의 거리는 50 cm를 유지하였다. 실험에 사용된 VNA는 Agilent사 E5071C이며, 광대역 증폭기는 SHF Communication Technologies의 SHF100APP이다. VNA를 이용한 측정으로부터 그림 2에서 계산된 투과 특성에 대한 데이터를 얻기 위해서는 먼저 그림 4와 같이 구성된 상태에서 S₂₁값을 측정한다.

성능/효과

이상의 결과들을 볼 때, 리지 장하를 통해 공진된 소형 개구는 크기는 변화없이 반 파장 슬롯에 필적할 만한 투과 성능을 갖도록 개선되었고, 주파수에 따른 투과 특성은 반 파장 슬롯에 비해 훨씬 민감하게 변화된다. 또한, FPCB상에 제작된 개구의 투과 공진 주파수는 도체판의 두께가 0인 시뮬레이션에 의한 공진 주파수에 비해 약 3.4 % 정도로 약간 감소되었다. 본 연구에서 다룬 개구들에 대한 이론 및 실험적 연구 결과들은 향후 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 소형 개구의 공진 특성을 활용한 도파관 필터, 근역장 주사용 프로브, 개구를 통한 전자파 침투 문제 등의 연구에 유용할 것으로 기대된다.
그림 8은 직경 D=10인 원형 개구에 비해 반 파장 슬롯과 리지가 장하된 개구의 투과 특성 개선을 측정한 것이다. 리지가 장하된 개구는 7.14 GHz에서 약 18.35 dB(=68.45배) 증가되었고, 반 파장 슬롯은 7.16 GHz에서 18.61 dB(=72.55배) 증가되었다.
리지가 장하된 개구는 공진 주파수 f=7.44 GHz에서 리지가 없는 원형 개구에 비해 transmittance가 약 15.6 dB(36.3배) 개선되었다. 이것은 최근 TCS에 대한 연구^[4],[5]에서 원형 개구의 TCS(=9.
그림 7은 제작된 각 개구의 투과 특성을 측정한 것으로서 주파수에 따른 직경 D=10인 원형 개구의 특성 변화가 시뮬레이션 결과와 매우 잘 일치한다. 리지가 장하된 개구의 최대 transmittance값은 이론치 보다 1.75 dB 높게 관찰되었고, 최대 전력 밀도가 관찰되는 공진 주파수도 예상치인 7.44 GHz에 비해 약 0.3 GHz 감소된 약 7.19 GHz로 관찰되었다. 공진 주파수가 감소된 것은 FPCB의 유전체 필름에 의한 영향과 동박 두께에 의해 리지의 커패시턴스가 증가된 것에 기인한다고 생각할 수 있다.
Bethe 연구 결과^[1]에 의하면 원형 개구의 반경 a가 파장에 비해 매우 작을 때, 투과 전력은 (a/파장)의 4제곱에 비례하므로 주파수의 4제곱에 비례하여 12 dB/Oct로 증가한다. 이를 적용하면 그림 2에서 제시된 6～9 GHz 대역 내에서는 7.04 dB 정도 변화되어야 하지만, 주파수가 증가됨에 따라 직경 10 mm인 개구 크기가 파장에 비해 작다고 근사할 수 없으므로, 주파수에 따라 transmittance가 더욱 크게 변화되어 6 GHz에 비해 9 GHz에서는 약 8.93 dB 증가되었다.
이상의 결과들을 볼 때, 리지 장하를 통해 공진된 소형 개구는 크기는 변화없이 반 파장 슬롯에 필적할 만한 투과 성능을 갖도록 개선되었고, 주파수에 따른 투과 특성은 반 파장 슬롯에 비해 훨씬 민감하게 변화된다. 또한, FPCB상에 제작된 개구의 투과 공진 주파수는 도체판의 두께가 0인 시뮬레이션에 의한 공진 주파수에 비해 약 3.
반 파장 슬롯은 전대역에 걸쳐서 리지가 장하된 개구에 비해 높은 값을 유지하며 상대적으로 주파수에 따른 변화가 작다. 전체적으로 봐서 측정 데이터 값과 주파수에 따른 변화 패턴이 시뮬레이션을 통해 예측된 것들과 비교적 잘 일치함을 볼 때, 본 논문에서 제시한 연구 결과들이 타당하다고 볼 수 있다.
따라서 공진된 개구 그림 1(b) 구조와 반 파장 슬롯 그림 1(c) 구조는 동일한 투과 공진 주파수를 가질 때, 각 개구를 투과하는 전력은 투과 단면적에 비례할 것이다. 투과된 전력은 개구면에 수직한 방향으로 최대 복사 전력 밀도를 가지며, 이 값은 각 투과 전력값과 Babinet 원리에 의해 리지가 장하된 개구는 미소 다이폴의 지향성 1.5, 반 파장 슬롯은 반 파장 다이폴의 지향성 1.64를 각각 곱한 값에 비례하여 상호간 차이는 (0.26*1.64)/ (0.24*1.5)=1.19≒0.76 dB가 될 것이다.

후속연구

FPCB상에 제작된 개구의 공진 주파수는 두께가 0인 이론적인 경우에 비해 약간 감소되었다. 본 논문의 이론적인 연구 결과와 실험 방법은 향후 이와 유사한 마이크로파 대역에서 개구를 통한 전자파 투과 문제 연구에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.
4 % 정도로 약간 감소되었다. 본 연구에서 다룬 개구들에 대한 이론 및 실험적 연구 결과들은 향후 마이크로파 및 밀리미터파 대역에서 소형 개구의 공진 특성을 활용한 도파관 필터, 근역장 주사용 프로브, 개구를 통한 전자파 침투 문제 등의 연구에 유용할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형 개구의 투과 성능을 개선하기 위한 방법은 어떤 것이 있는가?	원형 개구의 반경(a)이 소형화됨에 따라 투과 전력이(a/λ)4에 비례하여 급격히 감소되는 현상[1]을 개선하기 위한 다양한 방법들 [2],[3] 이 소개되었으며, 최근에는 마이 크로파 대역 연구 결과들[4]～[10]이 보고되고 있다. 소형 개구의 투과 성능을 개선하기 위한 대표적인 방법으로는 슬롯 자체를 C형(혹은 H형)으로 변형하는 방법[2]～[6]과 개구 주위에 격자 구조를 부가하는 방법[7]～[9]이 있으며, 최근에는 메타 물질을 이용한 방법 [10] 도 시도되고 있다. 공진된 소형 개구를 통해 최대 전력 투과 현상이 일어날 때 투과 단면적(Transmission Cross Section: TCS, 개구를 통과하는 투과 전력과 입사 전력 밀도의 비로 정의)은 개구의 모양이나 크기와 무관하게 3λ2/(4π)임이 밝혀졌고[11], 이는 최근 소형 원형 개구에 리지(ridge)를 장하하여 투과 특성을 개선한 연구 결과들[4]～[6]에서 이론적으로 확인된 바 있다.
	FPCB상에 개구를 제작하고 실험적으로 리지 장하에 의한 특성 개선을 확인한 결과는?	FPCB상에 개구를 제작하고 실험적으로 리지 장하에 의한 특성 개선을 확인하여 연구 결과의 타당성을 검증하였다. 직경 10 mm인 원형 개구는 폭 3 mm, 간극 0.5 mm인 리지를 장하함으로 인해 7.14 GHz에서 약 18.35 dB(=68.45 배) 투과 특성이 개선되었는데, 이것은 길이 18.2 mm인 반 파장 슬롯에 필적할 만한 성능 개선이었다. FPCB상에 제작된 개구의 공진 주파수는 두께가 0인 이론적인 경우에 비해 약간 감소되었다.
	본 논문에서는 투과 단면적을 어떻게 정의하였는가?	소형 개구의 투과 성능을 개선하기 위한 대표적인 방법으로는 슬롯 자체를 C형(혹은 H형)으로 변형하는 방법[2]～[6]과 개구 주위에 격자 구조를 부가하는 방법[7]～[9]이 있으며, 최근에는 메타 물질을 이용한 방법 [10] 도 시도되고 있다. 공진된 소형 개구를 통해 최대 전력 투과 현상이 일어날 때 투과 단면적(Transmission Cross Section: TCS, 개구를 통과하는 투과 전력과 입사 전력 밀도의 비로 정의)은 개구의 모양이나 크기와 무관하게 3λ2/(4π)임이 밝혀졌고[11], 이는 최근 소형 원형 개구에 리지(ridge)를 장하하여 투과 특성을 개선한 연구 결과들[4]～[6]에서 이론적으로 확인된 바 있다.

참고문헌 (12)

H. A. Bethe, "Theory of diffraction by small holes", Phys. Revs., vol. 66, pp. 163-182, Oct. 1944.

상세보기
X. Shi, L. Hesselink, and R. L. Thornton, "Ultrahigh light transmission through a C-shaped nanoaperture", Optics Letters, vol. 28, no. 15, pp. 1320-1322, Aug. 2003.

상세보기
M. Sun, R. Liu, Z. Li, B. Cheng, D. Zhang, H. Yang, and A. Jin, "Enhanced near-infrared transmission through periodic H-shaped arrays", Physics Letters A, vol. 365, pp. 510-513, 2007.

상세보기
J. Yeo, J. -W. Ko, J. -E. Park, and Y. -K. Cho, "FDTD analysis of resonant transmission in an electrically small circular aperture with a ridge", IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, pp. 1-4, Jul. 2008.
J. -E. Park, J. Yeo, J. -I. Lee, J. -W Ko, and Y. -K. Cho, "Resonant transmission of an electrically small aperture with a ridge", J. of Electromagn. Waves and Appl., vol. 23, pp. 1981-1990, 2009.

상세보기
고지환, 이종익, 조영기, "소형 공진 개구의 2차원 주기적 배열에 의한 전자파 산란", 한국전자파학회논문지, 22(3), pp. 320-326, 2011년 3월.

원문보기 상세보기
M. J. Lockyear, A. P. Hibbins, J. R. Sambles, and C. R. Lawrence, "Enhanced microwave transmission through a single subwavelength aperture surrounded by concentric grooves", Journal of Optics A, vol. 7, pp. S152-S158, 2005.

상세보기
S. S. Akarca-Biyikli, I. Bulu, and E. Ozbay, "Resonant excitation of surface plasmons in one-dimensional metallic grating structures at microwave frequencies", Journal of Optics A, vol. 7, pp. S159-S164, 2005.

상세보기
H. Caglayan, I. Bulu, and E. Ozbay, "Extraordinary grating-coupled microwave transmission through a subwavelength annular aperture", Optics Press, vol. 13,no. 5, pp. 1666-1671, Mar. 2005.
F. Bilotti, L. Scorrano, E. Ozbay, and L. Vegni, "Enhanced transmission through a sub-wavelength aperture: resonant approaches employing metamaterials", Journal of Optics A, vol. 11, 114029(8pp), 2009.
R. F. Harrington, "Resonant behavior of a small aperture backed by a conducting body", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 30, no. 2, pp. 205-212, Mar. 1982.

상세보기
J. D. Kraus, Antennas, McGraw-Hill, 1988.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증