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문제 정의
- 본 논문에서는 앞서 리지가 있는 소형 개구의 스팟 면적을 보다 획기적으로 줄이기 위해 리지에 가느다란 두 개의 도체 봉이 평행하게 부착된 도파관 탐침의 구조를 제안하고자 한다. 이렇게 리지에 도체 봉을 부착하면 높은 투과 효율을 유지하면서 개구에서 발생된 전자파의 에너지를 집속하는 역할로 인해 스팟 면적은 획기적으로 작게 구현할 수 있다.
제안 방법
- 근접장 마이크로파 현미경에 사용되는 기존의 도파관 탐침 구조에 대하여 이미지 해상도를 향상시키기 위해 높은 투과 효율은 유지하면서 스팟 면적을 보다 획기적으로 줄이는 가느다란 도체 봉이 부착된 H-형태 개구 구조를 제안하였다. 이렇게 도체 봉을 부착함으로써 개구에서 발생된 전자파가 도체 봉으로 도파되면서 에너지가 집속되도록 하였다.
- 먼저 리지에 부착된 두 개의 작사각형 도체 봉은 밑면 그대로 1 mm × 1 mm로 두고 길이를 pz = 0, 1, 2, 3 mm로 변화하면서 전자파 해석 S/W Tool인 HFSS 를 이용하여 반사손실을 계산하였다.
- 본 논문에서 논의하고자 하는 도파관 탐침은 그림 1(a) 에서 도시된 바와 같이 리지가 있는 H-형태의 개구에 가는 도체 봉 두 개가 평행하게 부착되어 있다. 여기서 도파관의 폭은 a, 높이는 b이고, H-형태 개구의 중앙부 갭 (gap)의 폭은 g, 리지 중앙부의 폭은 w이며, 직사각형인 가는 도체 봉의 크기는 밑면이 px × py , 길이는 pz이다.
- 앞 절에서 언급한 H-형태 개구에 두 개의 도체 봉이 평행하게 부착된 도파관 탐침 구조에 대한 성능 계산 결과의 타당성을 확인하기 위하여 그림 1과 같은 도파관 탐침을 제작하고, 반사손실을 측정하여 계산 결과와 비교 검토하고자 한다. 제작된 도파관 탐침의 모습은 그림 6의 사진과 같으며, 왼쪽부터 Adapter, 길이가 10 cm인 도파관, 도체 봉이 부착된 H-형태 개구 도체판으로 구성되어 있으며, 각 구성품의 연결을 위한 도파관의 플랜지(flan- ge)는 FBP100로 볼트 너트로 연결되어 있다.
- 도체 봉의 밑면의 면적 또는 길이가 클수록 공진주파수는 점차 낮아짐을 확인할 수 있었고, 근접 거리에서 전계 분포를 도시하여 스팟은 개구 크기와 거의 비슷하도록 획기적으로 작게 구현된 스팟면적과 크게 증대된 전계 세기를 확인하였다. 이런 도파관 탐침에 대해 제작하였고, 반사손실을 측정하여 계산 결과를 검증하였다.
- 이를 확인하기 위해 가는 도체 봉이 부착된 H-형태 개구인 도파관 탐침을 설계하였고, 반사손실을 계산하여 소형 개구에서 입사파가 전부 투과하는 공진 현상을 확인하였으며, 근접 거리에서 전계 분포를 계산/도시하여 스팟 면적이 획기적으로 줄어드는 모습을 나타내었다. 이를 검증하기 위해 도파관 탐침을 제작 및 측정하여 반사 손실을 비교 검토하였다.
- 제안한 도체 봉이 부착된 H-형태 개구의 도파관 탐침을 설계하였고, 도체 봉 크기에 따른 개구 근처에서의 전자파 분포를 해석하였다. 도체 봉의 밑면의 면적 또는 길이가 클수록 공진주파수는 점차 낮아짐을 확인할 수 있었고, 근접 거리에서 전계 분포를 도시하여 스팟은 개구 크기와 거의 비슷하도록 획기적으로 작게 구현된 스팟면적과 크게 증대된 전계 세기를 확인하였다.
대상 데이터
- 이를 확인하기 위해 그림 1과 같이 도파관 탐침을 설계하고 해석하고자 한다. 도파관은 WR-90(폭: 22.86 mm, 높이: 10.16 mm)을 사용하고, 종단에 두깨가 매우 얇은 도체판(ts = 0.2 mm)에 H-형태 개구를 만들어 부착하였다. 여기서 개구는 H-형태이며 a1 = b1 = 5 mm인 정사각형에 간격 g = 0.
- 여기서 그림 1의 H-형태 개구의 설계 파라미터는 a1 = b1 = 5 mm인 정사각형 개구에 간격 g = 0.35 mm, 폭 w = 3 mm인 리지가 있으며, 도체 봉은 가공의 용이성을 고려하여 다소 굵게 밑면이 px × py = 1 mm × 1 mm이고, 길이는 pz = 2 mm로 선택하였다.
- 앞 절에서 언급한 H-형태 개구에 두 개의 도체 봉이 평행하게 부착된 도파관 탐침 구조에 대한 성능 계산 결과의 타당성을 확인하기 위하여 그림 1과 같은 도파관 탐침을 제작하고, 반사손실을 측정하여 계산 결과와 비교 검토하고자 한다. 제작된 도파관 탐침의 모습은 그림 6의 사진과 같으며, 왼쪽부터 Adapter, 길이가 10 cm인 도파관, 도체 봉이 부착된 H-형태 개구 도체판으로 구성되어 있으며, 각 구성품의 연결을 위한 도파관의 플랜지(flan- ge)는 FBP100로 볼트 너트로 연결되어 있다. 여기서 그림 1의 H-형태 개구의 설계 파라미터는 a1 = b1 = 5 mm인 정사각형 개구에 간격 g = 0.
데이터처리
- 제작된 도파관 탐침에 대해 VNA(Vector Network Analyzer)로 반사손실을 측정하였고, 측정결과는 HFSS로 시뮬레이션한 결과와 함께 그림 7에 나타내었다. 이들 두가지의 반사손실을 비교하여 보면 공진주파수는 약 25 MHz 정도 편이되어 있지만, 가공 오차 등을 고려하면 양호한 결과라 볼 수 있다.
성능/효과
- 따라서 그림 4와 그림 5의 전계 분포로부터 알 수 있는 것은 H-형태 개구에서 발생된 전자파가 도체 봉으로 모아져서 방사되는 즉, 전자파 에너지가 도체 봉으로 집속되는 것으로 볼 수 있다. 결과적으로 H-형태 개구에 도체 봉이 부착된 도파관 탐침을 사용하면 스팟 크기는 획기적으로 작아지면서 전계 세기는 한층 증가되어 근접장 현미경의 해상도를 더욱 높일 수 있을 것으로 예상된다.
- 제안한 도체 봉이 부착된 H-형태 개구의 도파관 탐침을 설계하였고, 도체 봉 크기에 따른 개구 근처에서의 전자파 분포를 해석하였다. 도체 봉의 밑면의 면적 또는 길이가 클수록 공진주파수는 점차 낮아짐을 확인할 수 있었고, 근접 거리에서 전계 분포를 도시하여 스팟은 개구 크기와 거의 비슷하도록 획기적으로 작게 구현된 스팟면적과 크게 증대된 전계 세기를 확인하였다. 이런 도파관 탐침에 대해 제작하였고, 반사손실을 측정하여 계산 결과를 검증하였다.
- 여기서 px = py = 0 mm인 경우는 도체 봉이 없는 단지 H-형태 개구만 있는 도파관 탐침 구조로 공진 주파수는 11.98 GHz로 계산되었으며, 도체 봉의 굵기를 의미하는 밑면이 0.25 mm × 0.25 mm, 0.5 mm × 0.5 mm, 0.75 mm × 0.75 mm, 1 mm × 1 mm 일 때 공진주파수를 보면 각각 10 GHz, 9.45 GHz, 9.05 GHz, 8.69 GHz로 도체 봉의 밑면의 면적이 클수록 점차적으로 공진주파수는 낮아지는 경향을 볼 수 있다.
- 이들 두가지의 반사손실을 비교하여 보면 공진주파수는 약 25 MHz 정도 편이되어 있지만, 가공 오차 등을 고려하면 양호한 결과라 볼 수 있다. 이러한 측정 결과로 보아 앞 절에서 제시된 반사손실, 전계 세기 분포의 계산 결과가 비교적 정확한 것으로 평가할 수 있다.
- 이렇게 리지에 도체 봉을 부착하면 높은 투과 효율을 유지하면서 개구에서 발생된 전자파의 에너지를 집속하는 역할로 인해 스팟 면적은 획기적으로 작게 구현할 수 있다. 이를 확인하기 위해 가는 도체 봉이 부착된 H-형태 개구인 도파관 탐침을 설계하였고, 반사손실을 계산하여 소형 개구에서 입사파가 전부 투과하는 공진 현상을 확인하였으며, 근접 거리에서 전계 분포를 계산/도시하여 스팟 면적이 획기적으로 줄어드는 모습을 나타내었다. 이를 검증하기 위해 도파관 탐침을 제작 및 측정하여 반사 손실을 비교 검토하였다.
- 2배 크다. 즉, 도체 봉의 굵기가 작을수록 최대 전계 세기는 증가됨을 확인할 수 있다.
후속연구
- 이러한 연구 결과를 도파관 탐침 설계에 적용하면 근접장 마이크로파 현미경의 해상도를 개선할 수 있을 것으로 예상되며, 또한, 소형 개구를 통한 전자파 투과 문제 연구에 활용될 것으로 사료된다.
- 이렇게 도체 봉을 부착함으로써 개구에서 발생된 전자파가 도체 봉으로 도파되면서 에너지가 집속되도록 하였다. 이로써 도파관 탐침의 스팟 면적을 획기적으로 줄이면서 전계 세기는 높아져서 이미지의 해상도를 더욱 높일 수 있을 것이다.
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