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문제 정의
- 최근에는 이러한 FSS 구조 또는 인공자기도체(AMC : Artificial Magnetic Conductor)와 같은 단위셀 주기 구조를 응용하여 RAM 구조와 결합된 CA (Circuit analog)-RAM 구조가 연구되고 있으며, 입사각에 따라 주파수 특성이 변하는 단점이 있지만 전파흡수구조의 두께는 얇으면서 광대역 특성을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문에 최근 많은 연구가 이루어 지고 있다[6]. 본 논문에서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 입사각 안정성을 가지며 투명한 전도성 도체를 사용한 FSS 구조를 설계하고 이와 결합된 투명한 CA-RAM 구조를 설계하고 제안하였다.
제안 방법
- FSS 패턴은 Simulation과 동일하게 흡수체의 유전체로 사용된 Soda-lime Glass 위에 ITO를 프린팅하고, Dry Laser Etching 기법을 이용하여 패턴을 구현하였다. 이 방법은 일반적으로 사용되는 Photolithography 공정에 비하여 소량의 ITO 샘플제작에 유용한 방법이다.
- 또한, 반경 R로부터 입사각 θ를 각각 0°, 15°, 30°, 45°로 변화시키면서 6∼14 GHz 대역에 대해 측정을 할 수 있도록 하였다.
- 본 논문에서 제안된 전파 흡수구조를 검증하기 위하여 제작된 Fig. 4의 투명 전파 흡수구조를 시뮬레이션과 마찬가지로 TE 모드와 TM 모드에 대해 입사각 θ를 각각 0°, 15°, 30°, 45°로 변화시키면서 반사손실을 측정하여 Fig. 7에 나타내었다.
- 1(b)와 같은 대역통과 특성을 갖는 새로운 구조의 주파수 선택구조와 등가회로를 제안하였다. 본 논문에서 제안한 주파수 선택구조 패턴은 입사각에 따라서 표면에 유기되는 전기장과 자기장의 비가 일치하도록 설계가 되었으며[12], 따라서 제안된 주파수 선택구조는 안정된 입사각 특성을 갖는 대역통과특성을 가지며, 전파 흡수구조와 결합되어 특정 주파수대역에 대해 전자파 흡수특성을 가져 스텔스 성능구현이 가능하다.
- 본 논문에서는 ITO를 이용하여 X대역인 8∼12 GHz에서 동작하는 입사각 안정성이 우수한 FSS를 설계하고 이 구조를 전파 흡수구조와 결합하여 항공기 캐노피 등에 응용이 가능한 투명한 전파 흡수구조(CA-RAM)를 설계, 제작 및 측정하였다.
- 본 논문에서는 또한 유전체 두께에 대한 영향을 알아보기 위해, 동일한 ITO 패턴을 갖는 구조에 대해 유전체의 두께를 2.1 mm에서 1.4 mm로 줄여 전파흡수특성을 측정하였다. Fig.
- 본 논문에서는 또한, 제작된 전파흡수구조가 PEC가 아닌 표면저항을 가진 ITO 코팅을 갖기 때문에 전파투과특성, 즉 삽입손실을 측정하였으나, 측정 주파수대역에서는 PEC 도체판과 동일하게 삽입손실이 측정되지 않고 전반사가 되는 특성을 얻었다.
- 본 논문에서는 입사각에 대해 전파흡수 주파수 특성이 안정성을 갖는 주파수 선택구조를 제안하고 전파흡수구조에 응용하여, 기존의 전파흡수구조에 비해 두께를 줄이고, 광대역 특성을 구현하였으며, 또한 주파수선택구조와 완전 도체면을 투과율 90 %인 ITO 박막으로 구현하여 스텔스 전투기 캐노피 등에 적용 가능한 X-대역용 투명 전파 흡수구조를 제안하였다. 제안한 구조를 상용 전자기 소프트웨어인 Ansoft HFSS를이용하여 입사각의 변화에 따른 반사손실특성을 계산하였으며, 계산된 결과를 검증하기 위하여 ITO 박막으로 구현된 주파수 선택면이 코팅된 두께 2.
- 앞서 설명한 바와 같이 본 논문에서 설계한 투명 전파 흡수구조는 특정 주파수 대역을 흡수하기 위해 투명 전도성 도체인 ITO를 이용하여 주파수 선택표면구조를 설계하였다. X 대역의 대역통과특성을 구현하기 위하여, Fig.
- 2(b)에 나타내었다. 제안구조는 항공기 캐노피의 스텔스 특성 구현을 위해 설계되었기 때문에, 입사각에 대해 안정성을 갖는 구조로 시뮬레이션을 통하여 주파수 특성을 고려하여 파라미터 최적화 설계를 수행하였다. 최적화된 설계 파라미터 값들을 Table 1에 나타내었다.
- 본 논문에서는 입사각에 대해 전파흡수 주파수 특성이 안정성을 갖는 주파수 선택구조를 제안하고 전파흡수구조에 응용하여, 기존의 전파흡수구조에 비해 두께를 줄이고, 광대역 특성을 구현하였으며, 또한 주파수선택구조와 완전 도체면을 투과율 90 %인 ITO 박막으로 구현하여 스텔스 전투기 캐노피 등에 적용 가능한 X-대역용 투명 전파 흡수구조를 제안하였다. 제안한 구조를 상용 전자기 소프트웨어인 Ansoft HFSS를이용하여 입사각의 변화에 따른 반사손실특성을 계산하였으며, 계산된 결과를 검증하기 위하여 ITO 박막으로 구현된 주파수 선택면이 코팅된 두께 2.1 mm의Soda-Lime 유리 유전체를 이용하여 투명 전파 흡수구조를 제작하였다. 제작된 투명 전파 흡수구조를 시뮬레이션과 마찬가지로 입사각을 각각 0°, 15°, 30°, 45° 변화시키면서 반사특성을 측정하였다.
- 제작된 투명 전파 흡수구조를 시뮬레이션과 마찬가지로 입사각을 각각 0°, 15°, 30°, 45° 변화시키면서 반사특성을 측정하였다.
대상 데이터
- 1(b)에 제안된 FSS를 갖는 전파 흡수구조를 구현하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 두께 T를 갖는 투명유리를 유전체로 사용하고 접지면과 주파수선택구조면을 구현하기 위하여 완전도체인 PEC 대신 투명 전도성도체인 ITO를 사용하였다. 본 논문에서 사용한 ITO는면저항 15 Ω/□을 갖는 저항성 표면으로 모델링을 할수 있으며, 코팅 두께는 실제 제작치수인 1450 Å를사용하였다.
- ITO 코팅에 사용한 유전체는 유전율 εr = 6.5 손실탄젠트 δ = 0.01을 갖는 Soda-Lime Glass를 사용하였으며, 제작여건상 유전체 두께는 0.7 mm의 배수로 설계가 가능하여 본 논문에서는 X 대역 동작을 위해 2.1 mm의 두께를 선택하였다.
- 본 논문에서 사용한 ITO는면저항 15 Ω/□을 갖는 저항성 표면으로 모델링을 할수 있으며, 코팅 두께는 실제 제작치수인 1450 Å를사용하였다.
- 실험에 사용하기 위해 제작된 전체 크기는 전파흡수측정 지그 사이즈에 적합한 250 × 250 mm로 제작이 되었으며, ITO로 구현된 주파수 선택구조 패턴은 150 × 150 mm로 구현되었다.
- 6과 같은 측정시스템을 구성하였다. 표준 혼 안테나를 송수신을 위해 사용하였으며, 측정값의 보정을 위해 구리판으로 만들어진 PEC 완전도체를 사용하였다. 또한, 반경 R로부터 입사각 θ를 각각 0°, 15°, 30°, 45°로 변화시키면서 6∼14 GHz 대역에 대해 측정을 할 수 있도록 하였다.
성능/효과
- FSS 패턴구조가 최적화되지 않았기 때문에 흡수성능 특성은 이전 구조에 비해 떨어지지만 유전체 두께변화에 따른 공진주파수 이동과 입사각에 따른 안정성이 유지되는 것을 관찰할 수 있다. TE 모드에서 측정된 흡수되는 전파의 주파수는 10.6 GHz 였으며, TM모드에 대해 공진주파수는 10.7 GHz로 측정되어 이미 많은 문헌들에서 알려진 바와 같이 유전체 두께의 조절을 통해 공진주파수를 최적화할 수 있다는 것을 알 수 있다.
- TM 모드의 경우 입사각 0°에 대해 공진주파수는 8.8 GHz, 반사손실 -10 dB 대역폭도 1830 MHz로 TE 모드와 동일한 값을 가지고 아울러 입사각의 변화에 따라 안정적인 주파수특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
- TM 모드의 경우 입사각 0°에 대해 공진주파수는8.6 GHz로 TE 모드에 비해 200 MHz 정도의 주파수이동이 있지만 다른 입사각들의 공진주파수는 8.8 GHz인 것으로 보아 측정오차라고 판단되며, 전파흡수특성을 갖는 반사손실 -10 dB 대역폭은 2080 MHz(7.52∼ 9.60 GHz)로 TE 모드와 동일한 크기의 전파흡수 대역폭을 갖고, -20 dB 대역폭은 620 MHz(8.28∼8.90 GHz)로 TE 모드와 유사한 값을 가지면서, 아울러 입사각의 변화에 따라 안정적인 전파흡수특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한, 입사각이 커질수록 -10 dB 대역폭이 줄어드는 특성이 나타나지만, 공진주파수는 입사각과 관계없이 일정한 특성을 나타내는 것을 알 수 있어, 설계목적인 입사각 안정성과 광대역 전파흡수특성을 모두 만족하는 것을 확인하였다. TM 모드의 경우 입사각 0°에 대해 공진주파수는 8.
- 입사각이 커질수록 -10 dB 대역폭이 줄어드는 특성이 나타나지만, 45° 입사에 대해서도 공진주파수를 유지하면서 1520 MHz(7.92∼9.44 GHz) 대역폭으로 17.3 % 흡수대역폭을 갖는 것으로 측정되었다.
- 전체 90 % 전력을 흡수하는 반사손실 -10 dB를 기준으로 TE 모드의 경우 입사각 0°에 대해 공진주파수는 8.8 GHz로 시뮬레이션 결과와 동일한 공진주파수를 갖는 것을 확인할 수 있었으며 이 때 반사손실은 -35 dB로 주어지며, 대역폭의 경우 2080 MHz(7.50∼9.58 GHz)로 23.6 %의 광대역의 흡수특성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
- 전체 90 % 전력을 흡수하는 반사손실 -10dB를 기준으로 TE 모드의 경우 입사각 0°에 대해 공진주파수는 8.8 GHz, 대역폭의 경우 1830 MHz를 갖는 것을 확인할 수 있다.
- 제작된 투명 전파 흡수구조를 시뮬레이션과 마찬가지로 입사각을 각각 0°, 15°, 30°, 45° 변화시키면서 반사특성을 측정하였다. 측정결과로부터 TE 모드와 TM 모드에 대해 입사각에 대한 공진주파수는 안정된 특성을 가지는 것을 확인하였으며, 반사손실 -10 dB 대역폭도 약 24 % 정도로 광대역 전파흡수특성을 갖는 것을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 투명 전파 흡수구조는 스텔스 전투기의 캐노피 등 스텔스 무기체계에서 요구되는 투명 전파흡수구조 응용에 다양하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
후속연구
- 측정결과로부터 TE 모드와 TM 모드에 대해 입사각에 대한 공진주파수는 안정된 특성을 가지는 것을 확인하였으며, 반사손실 -10 dB 대역폭도 약 24 % 정도로 광대역 전파흡수특성을 갖는 것을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 투명 전파 흡수구조는 스텔스 전투기의 캐노피 등 스텔스 무기체계에서 요구되는 투명 전파흡수구조 응용에 다양하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
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