[논문]금속 접지 판이 없는 이중대역 메타 물질 흡수체

이홍민; 이형섭

doi:10.5515/kjkiees.2012.23.7.840

[국내논문] 금속 접지 판이 없는 이중대역 메타 물질 흡수체
Dual-Band Metamaterial Absorber without Metallic Back-Plate 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.23 no.7, 2012년, pp.840 - 843

초록
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본 논문에서는 SRR의 자계 공진을 이용한 새로운 이중 대역 메타 물질 구조의 흡수체를 제안하였다. 제안된 메타 물질 구조의 단위 셀은 두 개의 OCSRR과 SRR의 구조로 이루어 졌다. 연구에서는 금속 접지 면을 갖지 않는 구조로 설계하기 위하여 평면 배열된 SRR들은 입사 전자파의 진행 방향과 평행하게 놓여졌다. FR-4 기판 양면에 총 $39{\times}39$개의 단위 셀들의 배열로 이루어진 흡수체 시작품을 제작하고 측정하였다. 제안된 금속 접지판이 없는 구조는 마이크로파 주파수대 흡수체로 응용이 가능함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the authors present a new design for a dual-band metamaterial(MTM) absorber that utilizes resonant-magnetic inclusion of a split-ring resonator(SRR). The proposed MTM unit cell is constructed by two open complementary split-ring resonators(OCSRRs) and an SRR arrangement. To avoid the need for metallic back plate a planar array of SRRs for resonant-magnetic inclusion is placed facing toward the incident wave propagation direction. Each unit cell is printed on the two sides of a FR-4 substrate. A prototype absorber was fabricated with a planar array of $39{\times}39$ unit cells, and measured. The proposed backplane-less absorber can be used for microwave applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 자계 공진을 이용한 금속 접지 판이 없는 구조의 이중 대역 메타 물질 구조의 흡수체를 제시하였다. 제안된 흡수체 단위 셀은 유전체 기판의 상하면에 각각 설계되어진 두 개의 OCSRR과 하나의 SRR로 구성되어 졌다.
그러나 메타 흡수체의 설계에서는 기본적으로 공진형 흡수체 구조를 사용하므로, 어떤 금속의 목표물을 숨기고자 할 경우에 설계되어진 주파수 대역 이외의 주파수에서는 금속 도체 접지 판이 오히려 금속의 목표물로 작용하여 레이더 단면적 (Radar Cross Section: RCS)을 증가시키게 된다^[6]. 본 연구에서는 이러한 단점을 해소하기 위한 방안으로 SRR의 자계 공진을 이용한 새로운 구조의 이중 대역 메타 물질 흡수체를 제안하였다.

제안 방법

FR-4 기판 양면에 39개의 흡수체 단위 셀들을 배열하여 7.4 mm× 300 mm 크기의 평판 스트립형 흡수체 구조들을 제작한 후에 이를 6 mm 간격으로 평면 배열시키어 총 39×39개의 단위 셀들로 구성된 평판형 흡수체를 아크릴 지그를 사용하여 제작하였다.
다음으로 두 개의 혼 안테나들을 흡수체 정면에 근접 배치하고, 흡수체 평면을 15° 단위로 회전시켜가면서 전파가 경사 입사됨에 따른 흡수율 변화를 측정하였다.
단위 셀에 인가되는 전자계는 SRR의 커패시티브갭(gap) 방향으로 전계가 평행하며, SRR이 놓인 평면에 수직한 방향으로 자계가 입사되도록 하여 SRR의 bi-anisotropy 특성을 이용하였다. 제안된 두 대역에서 OCSRR과 SRR은 동시에 음의 유전율과 음의 투자율 특성을 나타내거나(double-negative), 음의 유전율 또는 음의 투자율 특성(single-negative)을 나타낸다.
제안된 메타 물질 구조의 단위 셀은 두 개의 open complementary split-ring resonators(OCSRR)과 split-ring resonator(SRR)의 구조로 이루어졌다. 설계주파수 대역에서 OCSRR과 SRR은 각각 음의 유전율과 음의 투자율 특성을 나타내며, 연구에서는 이중 대역 흡수체를 구현하기 위하여 서로 대칭적으로 놓인 두 개의 OCSRR이 사용되었다. FR-4(비유전율=4.
제안된 구조는 하나의 소자가 전계 공진 또는 자계 공진 특성을 나타내는 경우에 다른 하나의 소자는 정합 소자로 작용하여 서로 인접한 두 주파수 대역에서 동작하는 이중 공진 흡수체 동작의 원리를 제시하였다. 제안된 구조는 금속 접지 판을 사용하지 않는 흡수체 구조로서 마이크로파 주파수대에서 어떤 금속의 목표물을 숨기고자 할 경우에 적용이 가능한 흡수체 구조이다.
제안된 흡수체 단위 셀은 유전체 기판의 상하면에 각각 설계되어진 두 개의 OCSRR과 하나의 SRR로 구성되어 졌다. 제안된 구조는 하나의 소자가 전계 공진 또는 자계 공진 특성을 나타내는 경우에 다른 하나의 소자는 정합 소자로 작용하여 서로 인접한 두 주파수 대역에서 동작하는 이중 공진 흡수체 동작의 원리를 제시하였다. 제안된 구조는 금속 접지 판을 사용하지 않는 흡수체 구조로서 마이크로파 주파수대에서 어떤 금속의 목표물을 숨기고자 할 경우에 적용이 가능한 흡수체 구조이다.
그림 1에 전계와 자계를 각각 독립적으로 결합시킬 수 있는 2개의 메타 물질 구조로 구성되어진 흡수체의 단위 셀 모양을 나타내었다. 제안된 메타 물질 구조의 단위 셀은 두 개의 open complementary split-ring resonators(OCSRR)과 split-ring resonator(SRR)의 구조로 이루어졌다. 설계주파수 대역에서 OCSRR과 SRR은 각각 음의 유전율과 음의 투자율 특성을 나타내며, 연구에서는 이중 대역 흡수체를 구현하기 위하여 서로 대칭적으로 놓인 두 개의 OCSRR이 사용되었다.
본 논문에서는 자계 공진을 이용한 금속 접지 판이 없는 구조의 이중 대역 메타 물질 구조의 흡수체를 제시하였다. 제안된 흡수체 단위 셀은 유전체 기판의 상하면에 각각 설계되어진 두 개의 OCSRR과 하나의 SRR로 구성되어 졌다. 제안된 구조는 하나의 소자가 전계 공진 또는 자계 공진 특성을 나타내는 경우에 다른 하나의 소자는 정합 소자로 작용하여 서로 인접한 두 주파수 대역에서 동작하는 이중 공진 흡수체 동작의 원리를 제시하였다.
4 GHz 주파수 대역에서 반사계수 및 투과 계수를 측정하여 흡수율을 계산한 결과를 그림 7에 나타내었다. 측정에서는 우선 두 개의 혼 안테나를 흡수체 앞뒤에 50 cm 거리를 이격시키어 배치하여 근거리장의 영향을 최소화시키도록 하였으며, 지면에서 120 cm 높이에 흡수체와 혼안테나들을 일렬로 배치하여 입사되는 전자파가 흡수체에 정규 입사되도록 하여 측정하였다. 다음으로 두 개의 혼 안테나들을 흡수체 정면에 근접 배치하고, 흡수체 평면을 15° 단위로 회전시켜가면서 전파가 경사 입사됨에 따른 흡수율 변화를 측정하였다.

대상 데이터

설계주파수 대역에서 OCSRR과 SRR은 각각 음의 유전율과 음의 투자율 특성을 나타내며, 연구에서는 이중 대역 흡수체를 구현하기 위하여 서로 대칭적으로 놓인 두 개의 OCSRR이 사용되었다. FR-4(비유전율=4.4, 두께=0.8 mm) 유전체 기판의 양면에 OCSRR과 SRR의 금속 패턴을 위치시켰으며, 설계된 단위 셀의 최적 크기는 a=7.4 mm, b=7 mm, w=0.3 mm, h=6.4 mm, d=k=0.3 mm, c=0.4 mm, e=3.2 mm이다. 그림 2에 흡수체 단위 셀의 특성을 모의 실험하기 위하여 인가되는 전자계 및 입사되는 평면파의 방향을 나타내었다.

성능/효과

단위 셀에 인가되는 전자계는 SRR의 커패시티브갭(gap) 방향으로 전계가 평행하며, SRR이 놓인 평면에 수직한 방향으로 자계가 입사되도록 하여 SRR의 bi-anisotropy 특성을 이용하였다. 제안된 두 대역에서 OCSRR과 SRR은 동시에 음의 유전율과 음의 투자율 특성을 나타내거나(double-negative), 음의 유전율 또는 음의 투자율 특성(single-negative)을 나타낸다. 그림 3에 모의 실험된 흡수체의 산란 파라미터를 나타내었다.
단위 셀에 인가되는 전자계는 SRR의 커패시티브갭(gap) 방향으로 전계가 평행하며, SRR이 놓인 평면에 수직한 방향으로 자계가 입사되도록 하여 SRR의 bi-anisotropy 특성을 이용하였다. 제안된 두 대역에서 OCSRR과 SRR은 동시에 음의 유전율과 음의 투자율 특성을 나타내거나(double-negative), 음의 유전율 또는 음의 투자율 특성(single-negative)을 나타낸다. 그림 3에 모의 실험된 흡수체의 산란 파라미터를 나타내었다.
제안된 흡수체 구조는 하위 주파수 f₁에서는 OCSRR에 의한 전계 공진에 의한 주된 전자파 에너지의 흡수가 이루어지며, 이 경우에 SRR 구조는 일종의 임피던스 정합 소자로 동작함을 알 수 있다. 반대로 상위 주파수 대역에서는 SRR에 의한 자계 공진과 OCSRR에 의한 전계 공진에 의한 흡수가 이루어져 이중 대역 흡수체 특성이 발생된다.
흡수체에 입사되는 전파의 입사각의 변화가 0～45° 사이에서는 두 주파수 대역에서 높은 흡수율을 나타내고 있으나, 최대 흡수율을 나타내는 주파수는 설계 값과 비교하여 약 80 MHz 정도 상향되어졌다. 제작된 흡수체는 주파수 2.92 및 3.28 GHz에서 각각 94 % 및 88 % 이상의 최대 흡수율을 나타내었다. 그러나 입사되는 전파의 입각이 50° 이상인 경우에는 흡수율이 크게 감소되었으며, 이 결과는 그림 7에는 제시하지 않았다.
흡수체에 입사되는 전파의 입사각의 변화가 0～45° 사이에서는 두 주파수 대역에서 높은 흡수율을 나타내고 있으나, 최대 흡수율을 나타내는 주파수는 설계 값과 비교하여 약 80 MHz 정도 상향되어졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡수체의 설계에서 공진형 흡수체 구조를 사용하면, 어떤 금속의 목표물을 숨기고자 할 경우 어떠한 문제점이 발생하는가?	기존의 보고된 대부분의 메타 물질 흡수체 구조에는 금속의 접지 면이 사용되어져 왔다[4],[5] . 그러나 메타 흡수체의 설계에서는 기본적으로 공진형 흡수체 구조를 사용하므로, 어떤 금속의 목표물을 숨기고자 할 경우에 설계되어진 주파수 대역 이외의 주파수에서는 금속 도체 접지 판이 오히려 금속의 목표물로 작용하여 레이더 단면적 (Radar Cross Section: RCS)을 증가시키게 된다[6] . 본 연구에서는 이러한 단점을 해소하기 위한 방안으로 SRR의 자계 공진을 이용한 새로운 구조의 이중 대역 메타 물질 흡수체를 제안하였다.
	본 논문에서 제시한 자계 공진을 이용한 금속 접지 판이 없는 구조의 이중 대역 메타 물질 구조의 흡수체의 특징은 무엇인가?	본 논문에서는 자계 공진을 이용한 금속 접지 판이 없는 구조의 이중 대역 메타 물질 구조의 흡수체를 제시하였다. 제안된 흡수체 단위 셀은 유전체 기판의 상하면에 각각 설계되어진 두 개의 OCSRR과 하나의 SRR로 구성되어 졌다. 제안된 구조는 하나의 소자가 전계 공진 또는 자계 공진 특성을 나타내는 경우에 다른 하나의 소자는 정합 소자로 작용하여 서로 인접한 두 주파수 대역에서 동작하는 이중 공진 흡수체 동작의 원리를 제시하였다. 제안된 구조는 금속 접지 판을 사용하지 않는 흡수체 구조로서 마이크로파 주파수대에서 어떤 금속의 목표물을 숨기고자 할 경우에 적용이 가능한 흡수체 구조이다.
	본 논문에서 제안한 메타 물질 구조의 단위 셀은 어떠한 공진기 구조로 되어있는가?	그림 1에 전계와 자계를 각각 독립적으로 결합시킬 수 있는 2개의 메타 물질 구조로 구성되어진 흡수체의 단위 셀 모양을 나타내었다. 제안된 메타 물질 구조의 단위 셀은 두 개의 open complementary split-ring resonators(OCSRR)과 split-ring resonator(SRR)의 구조로 이루어졌다. 설계주파수 대역에서 OCSRR과 SRR은 각각 음의 유전율과 음의 투자율 특성을 나타내며, 연구에서는 이중 대역 흡수체를 구현하기 위하여 서로 대칭적으로 놓인 두 개의 OCSRR이 사용되었다.

참고문헌 (8)

N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J. J. Mock, D. R. Smith, and W. J. Padilla, "Perfect metamaterial absorber", Phys. Rev. Lett., 100, pp. 274021-274024, Mar. 2008.
H. Tao, N. I. Landy, C. M. Bingham, X. Zang, R. D. Averitt, and W. J. Padilla, "A metamaterial absorber for the terahertz regime: design, fabrication and characterization", Opt. Express, vol. 16, pp. 7181- 7188, May 2008.

상세보기
Y. Cheng, H. Yang, "Design, simulation, and measurement of metamaterial absorber", Microwave Opt. Tech. Let., vol. 52, no. 4, pp. 877-880, Aug. 2010.

상세보기
H. Tao, C. M. Bingham, D. Pilon, K. Fan, A. C. Strkwerda, D. Shrekenhammer, W. J. Padilla, X. Zhang, and R. D. Averitt, "A dual band terahertz metamaterial absorber", J. Appl. Phys. D, vol. 43, pp. 225102-225106, May 2010.

상세보기
Y. Cheng, H. Yang, Z. Cheng, and N. Wu, "Perfect metamaterial absorber based on a split-ring-cross resonator", J. Appl. Phys. A, vol. 102, no. 1, pp. 99- 103, Sep. 2010.
K. B. Alici, F. Bilotti, L. Vegni, and E. Ozbay, "Experimental verification of metamaterial based subwavelength microwave absorbers", J. Appl. Phys., vol. 108, pp. 0831131-0831136, Oct. 2010.
D. R. Smith, D. C. Vier, T. Koschny, and C. M. Soukoulis, "Electromgnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials", Phys. Rev. E71, pp. 0366171-10, Mar. 2005.
R. A. Depine, A. Lakhtakia, "A new condition to identify isotropic dielectric-magnetic materials displaying negative phase velocity", Microwave Opt. Tech. Lett., pp. 315-316, 2004.

저자의 다른 논문 :

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].

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