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문제 정의
- 본 논문에서는 IDC를 이용한 단일 평면 메타 물질 단위 셀 구조가 제안되었다. IDC 구조는 큰 inductance와 capacitance를 가지므로 강한 자기 공진을 유도할 수 있다.
제안 방법
- 유전체 기판의 한 쪽 면에 6개의 interdigital finger 쌍들로 이루어진 패턴이 인쇄되어 있으며, 그 사이에서 coupling이 발생할 수 있도록 구성되어 있다. Bianisotropy 특성을 제거하기 위하여 제안된 단위 셀은 구조의 중심에 대하여 반전 대칭 구조로 설계되었으며, 전체적인 셀의 크기를 변경하지 않고 interdigital finger의 길이를 조절함으로써 공진 주파수를 조절할 수 있다. 제안된 구조의 큰 inductance와 capacitance에 의하여 공진 주파수에서 강한 자기 분극성을 가질 수 있기 때문에 기존의 SRR에 비하여 전기적 크기를 줄일 수 있다.
- 유효 투자율을 계산하기 위하여 메타 물질 단위 셀 5개가 배열된 유전체 기판 18장과 각 기판 사이에 비유전율 1, 2.5 mm 두께의 스티로폼 19장이 삽입된 형태의 메타 물질 시료는 폭이 54.7 mm이고, 높이는 7 mm로서, 사용 주파수 범위가 3.3∼4.9 GHz인 도파관 WR229에 맞추어 설계하였다.
- 9 GHz인 도파관 WR229에 맞추어 설계하였다. 그림 4(b)와 같이 투자율 측정 시험을 구성하고 Agilent 8719ES 네트워크 분석기를 이용하여 메타 물질 시료로 채워진 도파관의 전송 응답 특성을 측정하였다.
대상 데이터
- 0.4 mm 두께의 FR-4 기판(εr=4.4, tanδ=0.02)을 이용하였으며, 셀의 크기는 5 mm×5 mm×0.4 mm이다.
데이터처리
- 제안된 단위 셀 구조의 non-bianisotropy 특성을 확인하기 위하여 그림 3(a)에 나타난 네 가지 경우에 대한 가상의 평행판 도파관을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 경우 1과 경우 2에서 자계가 셀에 수직으로 입사되고, 전계는 경우 1에서 interdigital finger에 직교하는 방향으로, 경우 2에서 interdigital finger에 평행하게 입사되므로 메타 물질 단위 셀의 전기 공진이 자기 공진에 미치는 영향을 확인할 수 있다.
이론/모형
- 제안된 구조의 큰 inductance와 capacitance에 의하여 공진 주파수에서 강한 자기 분극성을 가질 수 있기 때문에 기존의 SRR에 비하여 전기적 크기를 줄일 수 있다. 제안된 메타 물질 단위 셀의 설계와 시뮬레이션은 FEM(Finite Element Method) 기반 상용 소프트웨어인 ANSYS사의 HFSS v.13.0.0을 사용하였다[4].
성능/효과
- 본 논문에서 제시한 IDC를 이용한 메타 물질 단위 셀 구조는 큰 capacitance를 가질 뿐만 아니라 자계에 의한 유도전류를 여기시키는 데 있어서도 유리한 구조이다. 또한, 셀 구조가 갖는 반전 대칭 구조로 인해 기존의 SRR의 한계점이었던 bianisotropy 특성을 제거할 수 있다.
- Bianisotropy 특성을 제거하기 위하여 제안된 단위 셀은 구조의 중심에 대하여 반전 대칭 구조로 설계되었으며, 전체적인 셀의 크기를 변경하지 않고 interdigital finger의 길이를 조절함으로써 공진 주파수를 조절할 수 있다. 제안된 구조의 큰 inductance와 capacitance에 의하여 공진 주파수에서 강한 자기 분극성을 가질 수 있기 때문에 기존의 SRR에 비하여 전기적 크기를 줄일 수 있다. 제안된 메타 물질 단위 셀의 설계와 시뮬레이션은 FEM(Finite Element Method) 기반 상용 소프트웨어인 ANSYS사의 HFSS v.
- 9 GHz 근처에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 경우 2에서 발생하는 전기 공진은 감소한 capacitance 때문에 경우 1에 비하여 약하고, 경우 3에서는 5.9 GHz 근처에서만 전기 공진이 발생하므로 제안된 단위 셀 구조의 기본 축과 다른 방향에서 전파가 전파할 경우 발생할 수 있는 전기 공진은 자기 공진에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 단위 셀 구조의 자기 공진 주파수의 교차 편파 현상이 제거되었음을 확인할 수 있다.
- 9 GHz 근처에서만 전기 공진이 발생하므로 제안된 단위 셀 구조의 기본 축과 다른 방향에서 전파가 전파할 경우 발생할 수 있는 전기 공진은 자기 공진에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있다. 따라서 제안된 단위 셀 구조의 자기 공진 주파수의 교차 편파 현상이 제거되었음을 확인할 수 있다. 경우 4에서는 전기 공진과 자기 공진 모두 발생하지 않는다.
- 경우 4에서는 전기 공진과 자기 공진 모두 발생하지 않는다. 이와 같은 경우들로부터 제안된 단위 셀 구조는 non-bianisotropy 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
- 뿐만 아니라 동일한 셀 크기를 갖는 EC-SRR과 비교하였을 때, 제안된 단위 셀 구조는 그 전기적 크기가 9.13 % 작으며 더 낮은 주파수 대역에서는 interdigital finger 패턴 쌍의 개수와 finger 길이를 증가시킴으로써 더 큰 전기적 크기의 감소 효과를 가질 수 있다.
- 모의 실험과 측정을 통해 얻은 S 파라미터로부터 유효 투자율을 추출한 결과, 자기 공진 주파수 근처에서 투자율의 실수부가 —1 이하의 음의 값을 가지는 것을 확인할 수 있으므로 제안된 단위 셀 구조를 이용하여 원하는 주파수에서 음의 유효 투자율을 갖게 할 수 있음을 검증하였다.
- 그림 5(a)에서 S21의 값이 최저가 되는 주파수로부터 메타 물질 시료의 자기 공진 주파수의 측정값은 4.22 GHz, 시뮬레이션으로 계산된 값은 4.20 GHz임을 확인할 수 있다. 그림 5(b)는 메타 물질 시료의 투자율 특성을 나타낸다.
- 모의 실험과 측정을 통해 얻은 S 파라미터로부터 유효 투자율을 추출한 결과, 자기 공진 주파수 근처에서 투자율의 실수부가 —1 이하의 음의 값을 가지는 것을 확인할 수 있으므로 제안된 단위 셀 구조를 이용하여 원하는 주파수에서 음의 유효 투자율을 갖게 할 수 있음을 검증하였다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과에서 보이는 차이는 메타 물질 시료를 제작하는 과정에서 유전체 기판의 간격이 일정하지 못한 것에 기인하는 것으로 사료된다.
- IDC 구조는 큰 inductance와 capacitance를 가지므로 강한 자기 공진을 유도할 수 있다. 따라서 제안된 단위 셀 구조의 전기적 크기는 기존의 EC-SRR의 크기에 비하여 9.13 % 감소하고, 반전 대칭 구조를 사용함으로써 non-bianisotropy 특성을 갖는다.
후속연구
- Bianisotropy라 불리는 이러한 현상은 부가적인 전자기적 응답과 같은 바람직하지 않은 효과를 발생시킬 수 있다[2]. 뿐만 아니라, 전기적 크기를 줄이기 위하여 SRR이 갖는 L, C 값들을 증가시키려면 ring사이의 간격이 좁아져야 하는데, 이는 제작상의 한계를 갖는다. 이후, EC-SRR이 갖는 전기적 크기의 한계, bianisotropy 특성 등을 개선하기 위해 여러 가지 변형을 가한 구조들이 제안되었다[2],[3].
- 본 논문에서 제안한 셀 구조는 기존의 SRR 구조를 대신하여 메타 물질의 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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