[논문]레이다 단면적 저감을 위한 메타물질 구조의 전자파 흡수체

이홍민

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.1.1

레이다 단면적 저감을 위한 메타물질 구조의 전자파 흡수체
Electromagnetic Wave Absorbers with Metamaterial Structure for RCS Reduction 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.26 no.1, 2015년, pp.1 - 15

초록
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본 초청 논문에서 저자는 금속의 접지 판이 없는 메타물질 흡수체에 대한 새로운 설계 기법을 제시하고, 몇 가지 설계 예를 검토하였다. 일반적인 메타물질 흡수체 구조와는 대조적으로 설계 목표로 설정된 흡수 주파수 대역 이외의 주파수에서도 메타물질 흡수체를 구성하는 금속 패턴 자체에서 전파 반사에 의한 레이다 단면적(RCS) 값을 감소시키기 위하여 흡수체 구조의 금속 패턴 층은 입사 전자파의 진행 방향과 평행하게 놓였다. 광대역 흡수특성을 나타내며, 곡면 구조에도 응용이 가능한 금속의 접지 판이 없는 메타물질 흡수체의 역량도 검토될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this invited paper, the authors give an overview of the new design technology for a metallic backplane-less metamaterial(MM) absorber and discuss a selection of examples. In contrast to a common MM absorber structure, the metallic pattern layer of the presented structure is placed facing toward the incident wave propagation direction to reduce the radar cross section(RCS) due to the metallic pattern itself at frequencies other than the targeted absorption frequency bands. The ability of the MM backplane-less absorber to exhibit broadband absorption performance and irregular surface applications will be discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 메타 흡수체는 상대방의 레이다 등에 각종 무기체계 등이 노출되지 않도록 감추거나(stealth), 위장(camouflage)시키기 위한 레이다 단면적(Radar Cross Section: RCS) 값의 감소를 목적으로 군사적인 응용 분야에 주로 사용되지만, selective thermal emitter^[1], plasmonic 센서^[2], thermal detector^[3] 및 imaging^[4] 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다. 본 논문에서는 마이크로파 주파수대에서 적용 가능한 레이다 단면적 감소를 위한 새로운 구조의 메타 흡수체 설계에 대하여 기술하고자 한다.
본 연구에서는 흡수체를 구성하고 있는 금속 도체 패턴 자체에서 반사되는 입사 전자파에 의한 RCS 값을 최소화 시키는 메타물질 구조의 흡수체 설계 기법을 검토하였다. 제시된 구조는 금속 접지 판이 없는 구조이며, 메타 흡수체를 구성하고 있는 금속 도체 패턴으로 이루어진 흡수체 단위 셀들이 입사파와 평행하게 놓여 있는 새로운 구조로, 이는 기존에 연구된 구조에서 흡수체 단위 셀들이 입사파와 수직하게 놓인 구조와 상이하다.
그러나 피라미드 구조^[26] 형태를 사용하여 3차원 구조로 설계하는 경우에는 상당한 흡수 대역폭의 확장은 가능하나, 상대적으로 흡수체의 부피가 커지는 단점을 나타낸다. 수평입사파 전자계에 의존하는 흡수체 설계에서는 간편하게 칩 저항 소자를 사용하여 메타 공진기 회로의 Q값을 낮추면 광대역 특성을 나타내는 메타흡수체 구현이 가능할 것이라는 점에 착안하여 연구하였다^[27]. 연구의 타당성 검증을 위하여 두 개의 칩 저항을 ELC 공진기 소자의 인덕티브 암에 부착 시키어 흡수체를 설계하고, 칩 저항이 없는 흡수체 구조와 특성을 비교한 결과, 칩 저항을 부착시키면 크게 2가지의 특성 변화가 나타남을 확인하였다^[28].

제안 방법

Polyimide필름 한 면에 47개의 흡수체 단위 셀들을 주기 배열하여 제작된 흡수체 필름을 silicone 고무 위에 접착시키어 4.3mm×303 mm×4 mm 크기의 흡수체 스트립 구조를 제작한 후에 33개의 흡수체 스트립을 평면 배열시키어 총 33×47개의 단위 셀들로 구성된 평판형 흡수체 샘플을 제작하였다.
본 연구에서는 유연성 매질로 polyimide(두께=125 μm,비유전율=3.5)와 silicone rubber(두께=4 mm, 비유전율=2.7, 손실 탄젠트=1.5)를 사용하여 곡면 구조에 적용이 가능한 동시에 광대역 특성을 나타내는 새로운 구조의 마이크로파 대역 메타 흡수체 구조를 그림 16에 나타내었다.
본 연구에서는 흡수체를 구성하고 있는 금속 도체 패턴 자체에서 반사되는 입사 전자파에 의한 RCS 값을 최소화 시키는 메타물질 구조의 흡수체 설계 기법을 검토하였다. 제시된 구조는 금속 접지 판이 없는 구조이며, 메타 흡수체를 구성하고 있는 금속 도체 패턴으로 이루어진 흡수체 단위 셀들이 입사파와 평행하게 놓여 있는 새로운 구조로, 이는 기존에 연구된 구조에서 흡수체 단위 셀들이 입사파와 수직하게 놓인 구조와 상이하다. 이러한 구조를 유연성 매질을 사용하여 설계하면 곡면 구조에도 적용이 가능한 동시에 광대역 특성을 나타내는 메타 흡수체 구조의 구현 가능함을 보였다.
최종적으로 제안된 흡수체 단위 셀은 Polyimide 필름 위에 놓여진 cut-wire strip 소자와 칩 저항이 부착된 ELC 공진기를 결합시킨 메타 흡수체로 유전체 기판 양면을 사용하여 공진기를 구성하는 구조에서 발생될 수 있는 두 패턴의 정렬의 부정확성을 회피할 수 있는 장점을 갖는다. 제안된 구조는 서로 멀리 떨어진 주파수 대역에서 낮은 Q값을 갖는 두개의 공진 모드 특성을 나타내게 되므로, 이중 대역에서 동작하는 흡수체로 광대역 특성을 나타낸다.
이러한 결과는 입사각 증가에 따라서 ELC 공진기 금속 패턴 내부를 관통하는 자속이 점차 감소하게 되므로 효과적으로 ELC 공진기가 동작하지 못함에 기인한다. 칩 저항이 부착된 ELC 공진기를 이용한 메타 흡수체의 대역 폭 확장효과를 비교하기 위하여 그림 15 및 표1에 세 가지 형태의 메타 흡수체 구조에 대한 흡수율 특성에 대한 비교를 나타내었다. 특히 세 번째 구조는 앞에서 언급한 바와 같이 칩 저항이 부착된 ELC 공진기 소자와 thin-wire strip 소자로 구성된 메타 흡수체에서 두 개의 SRR 중에서 thin-wire strip 소자와 인접하는 하나의 SRR만 동작하게 되므로 하나의 SRR과 thin-wire strip 소자로 구성된 메타 흡수체를 구현할 수 있다.

대상 데이터

동일 평면위에 칩 저항이 부착된 ELC 공진기 소자와 thin-wire strip 소자로 구성된 메타 흡수체를 그림 13(a)에 나타내었다. 로저스 사의 R4003C 유전체 기판(두께=1.5mm, 비유전율= 3.37) 위에 설계된 메타 흡수체의 규격은 다음과 같다: a=4.3 mm, b=6.9 mm, c=9 mm, d=9.2 mm,e=2.5 mm, R=910 Ω. 제안된 메타 흡수체의 표면 전류분포를 그림 13(b)에 나타내었다.
제작된 흡수체의 전체 크기는 194 mm×303 mm×4.3mm이다.

성능/효과

TE, TM 편파 양자 모두의 경우, 입사 전파의 입사각이 증가함에 따라서 최대흡수율은 다소 감소하였으나, 입사각이 0° ≤ Θ≤45°에서는 88 %(TE 편파) 및 84 %(TM 편파) 이상의 최대흡수율을 나타내었다.
TE, TM 편파 양자모두의 경우, 입사 전파의 입사각 0° ≤Θ ≤ 45°에서는 95 % 이상의 최대흡수율을 나타내었으며, Θ =60°에서TE, TM 편파의 최대 흡수율 값은 각각 79 %, 60 %로 감소하였다.
수평입사파 전자계에 의존하는 흡수체 설계에서는 간편하게 칩 저항 소자를 사용하여 메타 공진기 회로의 Q값을 낮추면 광대역 특성을 나타내는 메타흡수체 구현이 가능할 것이라는 점에 착안하여 연구하였다^[27]. 연구의 타당성 검증을 위하여 두 개의 칩 저항을 ELC 공진기 소자의 인덕티브 암에 부착 시키어 흡수체를 설계하고, 칩 저항이 없는 흡수체 구조와 특성을 비교한 결과, 칩 저항을 부착시키면 크게 2가지의 특성 변화가 나타남을 확인하였다^[28]. 첫 번째 변화는 그림 9에 제시된 바와 같이, ELC 공진기 내에 저항을 부착하면 공진기의 Q값이 낮게 나타나므로 광대역 특성을 보이게 된다.
제시된 구조는 금속 접지 판이 없는 구조이며, 메타 흡수체를 구성하고 있는 금속 도체 패턴으로 이루어진 흡수체 단위 셀들이 입사파와 평행하게 놓여 있는 새로운 구조로, 이는 기존에 연구된 구조에서 흡수체 단위 셀들이 입사파와 수직하게 놓인 구조와 상이하다. 이러한 구조를 유연성 매질을 사용하여 설계하면 곡면 구조에도 적용이 가능한 동시에 광대역 특성을 나타내는 메타 흡수체 구조의 구현 가능함을 보였다. 최종적으로 제안된 흡수체 단위 셀은 Polyimide 필름 위에 놓여진 cut-wire strip 소자와 칩 저항이 부착된 ELC 공진기를 결합시킨 메타 흡수체로 유전체 기판 양면을 사용하여 공진기를 구성하는 구조에서 발생될 수 있는 두 패턴의 정렬의 부정확성을 회피할 수 있는 장점을 갖는다.
제안된 흡수체는 주파수 9.06 GHz(제1 공진 모드)와 14.12 GHz(제 2공진 모드) 부근에서 최대 흡수율 값이 각각 93 %, 96 %로 이중 공진 특성을 나타내었다. 그러나 그림 17에 나타낸 바와 같이, 칩 저항 값의 변화에 따라서 제1 공진 모드와 제 2공진 모드에서 최대흡수율 값이 상대적으로 변화하는 점이 매우 흥미롭다.
4 GHz에서 각각 92 % 및 93 % 이상의 최대 흡수율을 나타내었으며, 이 결과는 설계 값과 비교하여 약 2 % 하향되어졌다. 제안된 흡수체의 full-width at half-maximum(FWHM)대역폭은 9.7 GHz로 나타났다. 제안된 메타 흡수체의 입사각 변화에 따른 최대흡수율의 변화 특성을 그림 21에 나타내었다.
그림 20에 제작된 흡수체의 흡수율 특성을 나타내었다. 측정 결과, 제작된 흡수체는 주파수 8.6 및 13.4 GHz에서 각각 92 % 및 93 % 이상의 최대 흡수율을 나타내었으며, 이 결과는 설계 값과 비교하여 약 2 % 하향되어졌다. 제안된 흡수체의 full-width at half-maximum(FWHM)대역폭은 9.

후속연구

앞에서 제시된 메타 흡수체 구조들은 음의 유전율이나 음의 투자율을 나타내는 각각의 소자들을 사용하여 구성되어진 공진기 구조의 공진 특성을 이용하고 있으므로, 기본적으로 대역폭이 매우 좁게 나타나게 되므로 이러한 문제점을 해결하는 방안이 필요하다. 메타 흡수체의 대역폭을 확장하는 방법에는 다중공진 구조를 갖도록 하거나^[13], 공진기의 물리적인 크기를 점차적으로 변화시키어 다수의 공진대역을 근접시키는 방법^[25]이 있다.
앞의 연구에서 제안된 바와 같이 수평 입사파에 의하여 각각 음의 유전율 및 음의 투자율 특성을 나타내는 한 쌍의 메타 물질 소자 구조를 사용하고, 이들 두 소자 사이에 유전체 기판을 삽입하여 흡수체를 구현할 수 있으나, 이러한 구조는 유전체 기판의 앞뒤 면에 놓이는 두 소자사이의 정렬(alinement)의 정확성이 요구된다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방안으로 동일 평면상에 음의 유전율 및 음의 투자율 특성을 나타내는 소자들을 동시에 근접 배치시킨 구조의 메타 흡수체를 설계할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로파 주파수 대역에서 레이다 단면적을 감소시키기 위한 방법 방법으로 초기에 사용되어져왔던 가장 대표적인 방식은 무엇인가?	마이크로파 주파수 대역에서 레이다 단면적을 감소시키기 위한 방법으로 초기에 사용되어져왔던 가장 대표적인 방식은 저항성 시트를 사용한 흡수체인 salisbury 스크린 구조[5]이다. 이 구조는 기본적으로 금속의 평판과 λ/4떨어진 거리에 저항성 시트를 위치시키고 (평판과 시트사이에 spacer 등을 채우기도 함), 입사파와 도체 평판에서 반사되는 반사파 사이의 위상을 180도 차이가 나도록하여 서로 상쇄시키는 방법을 적용한 공진형 전파 흡수체이다.
	salisbury 스크린 구조의 단점은?	이 구조는 기본적으로 금속의 평판과 λ/4떨어진 거리에 저항성 시트를 위치시키고 (평판과 시트사이에 spacer 등을 채우기도 함), 입사파와 도체 평판에서 반사되는 반사파 사이의 위상을 180도 차이가 나도록하여 서로 상쇄시키는 방법을 적용한 공진형 전파 흡수체이다. 그러나 이러한 구조는 사용 주파수 대역이 좁으므로 이를 개선하기 위하여 Jaumann 구조를 사용하기도 하였으나, 부피가 크게 되는 단점이 있었다. 따라서 흡수체의 두께를 줄이기 위하여 저항성 시트 대신에 FSS(Frequency Selective Surface)라고 불리는 주기적인 패턴구조를 적용한 CA(Circuit Analog) 스크린 구조의 흡수체가 사용되어졌으나, diffraction limit 현상 때문에 두께를 얇게 만들 수 없었다.
	자계공진을 발생시키는 가장 기본적인 소자는 무엇인가?	자계공진을 발생시키는 가장 기본적인 소자는 splitring resonator(SRR)이며, 이에 대응하는 전계공진을 발생시키는 가장 기본적인 소자는 thin-wire(TW)이다. 그러나 수평 입사파에 의한 흡수체를 구현하기 위하여 이러한 소자들이 해당하는 입사파 전자계에 대하여 음의 굴절율을 나타내는지 여부를 사전에 조사하여야 한다.

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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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