[논문]유전율 및 투자율에 따른 인공자계도체 특성 및 다이폴 안테나 간 상관관계 분석

이동현; 민태홍; 이종무

doi:10.9709/jkss.2020.29.1.023

유전율 및 투자율에 따른 인공자계도체 특성 및 다이폴 안테나 간 상관관계 분석
Analysis of AMC Characteristics According to Material Constants and Correlation of Dipole Antenna 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.29 no.1, 2020년, pp.23 - 30

이동현 , 민태홍 (국방과학연구소) , 이종무 (국방과학연구소)

초록
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이 논문에서는 도체 위 물질의 유전율 투자율에 따른 인공자계도체 특성을 이론적으로 고찰하고 이 인공자계도체 위에 다이폴 안테나화의 상관관계를 규명했다. 먼저 도체 위 물질이 인공자계도체로 동작하는 주파수 및 대역폭을 수식으로 유도하고, 이를 통해 유전율(ε_r), 투자율(μ_r), 그리고 물질 두께(L)가 인공자계도체의 특성에 어떤 영향이 있는지 분석했다. 물질 두께가 λ/4가 되는 주파수에서 반사계수 위상이 0°이 되므로 높은 유전율과 투자율을 가지는 물질로 인공자계도체 설계 시 두께를 줄일 수 있고, 'μ_r/ε_r' 값이 커질수록 인공자계도체 동작 대역폭은 증가(최대 200%)하며, 동작 주파수는 낮아지는 것을 밝혀냈다. 또한 물질의 손실이 존재하면 인공자계도체의 대역폭이 증가하는 것을 확인했다. 인공자계도체 위에 다이폴 안테나를 설계하고 유전율과 투자율을 변경하면서 인공자계도체 표면 반사 위상과 다이폴 안테나의 동작 주파수를 관계를 시뮬레이션을 통해 규명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we theoretically examine the characteristics of an Artificial Magnetic Conductor (AMC) constructed of a perfect electric conductor and a normal material having permittivity εr, permeability μr, and thickness L. First, we derived rigorous equations to describe the infinite AMC structure. Then, we studied how the AMC's characteristics are affected by changes in εr, μr and L. The operating center frequency exhibiting a 0° reflection coefficient phase occurs when L is one quarter of a guide wavelength. Therefore, the AMC thickness can be reduced by using a material having a high product of εr and μr. As the ratio μr/εr increases, the bandwidth of the AMC increases (maximum value: 200 %), and its operating frequency decreases. We also find out he bandwidth of the AMC is improved by introducing a loss in the material. To validate the AMC, we design a dipole antenna on the AMC and demonstrate a relationship between AMC phase and dipole antenna's operating frequency by investigating the dipole on the AMC with different pairs of εr and μr.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Geometry of a Material on a Conductor
그림 Fig. 2. Reflection coefficient phases for three different cases
표 Table 1. AMC Characteristics for different ε_r, μ_r, L
그림 Fig. 3. Reflection coefficient as a function of tanδ_m.
그림 Fig. 4. Reflection coefficient as a function of tanδ_e.
그림 Fig. 5. Configuration of dipole on the AMC
그림 Fig. 6. Characteristics of 3 dipole configurations
그림 Fig. 7. Charateristics for different pairs of ε_r and μ_r

AI 본문요약
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문제 정의

앞서 살펴본 바와 같이 인공자계도체에 대한 연구는 주로 인공자계도체 구현 방법 그리고 응용에 집중되어 있으며, 물질의 유전율과 투자율에 따른 인공자계도체 특성에 관한 연구 보고는 찾아보기 힘들다. 본 논문에서는 임의의 유전율과 투자율을 가지는 물질이 도체 위에 존재할 때 유전율과 투자율에 따른 인공자계도체 특성을 고찰하고자 한다. 이를 위해 이 논문의 2장에서는 물질의 유전율(ε_r), 투자율(μ_r) 그리고 두께(L)에 따른 인공자계 도체의 동작 주파수 및 대역폭을 수식으로 유도하고, 유전율 및 투자율이 인공자계도체의 대역폭에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.
이 논문에서는 도체위에 물질의 유전율과 투자율 변화에 따른 인공자계도체 특성을 수식을 유도하여 분석하였다. 물질의 손실이 없는 경우 투자율이 높을수록 인공자계도체의 대역폭은 증가하며, 유전율이 높을수록 대역폭은 감소한다.

제안 방법

3가지 경우 모두 εr·μr이 1000로 설정하여 1.19GHz에 서 인공자계도체 특성이 나타나도록 설계했다.
다른 유전율과 투자율 조합에 따라 동일한 인공자계도체 주파수 1.19GHz를 가지도록 물질 두께(L)로를 변경 시켜 인공자계도체를 설계하였으며, 이의 특성을 표 1에 나타냈다.
다이폴이 인공자계도체에 매우 근접해도 안테나로 잘 동작함을 확인했다. 다이폴의 동작 주파수와 인공자계도체 동작 주파수 관계를 규명하기 위해 인공자계도체의 유전율과 투자율을 변경하면서 시뮬레이션을 수행했다. 인공자계도체의 반사계수 위상이 약 90° 부근에서 안테나 동작하는 것을 확인했다.
다이폴과 인공자계 도체 사이의 간격(gap)은 3mm로 두었다. 다이폴이 자유 공간, 일반도체, 그리고 인공자계도체에 위에 위치할 때 CST사의 Microwave(MWS)로 시뮬레이션하였고 이의 S11과 이득 패턴을 그림 6에 나타냈다.
이 절에서는 앞절의 인공자계도체를 검증하기 위해 자유공간, 일반도체 그리고 인공자계도체 위에서 다이폴 안테나 특성을 분석하였다. 그림 5와 같이 유한한 크기의 인공자계도체 위에 다이폴 안테나를 설계하였다.
이를 위해 이 논문의 2장에서는 물질의 유전율(εr), 투자율(μr) 그리고 두께(L)에 따른 인공자계 도체의 동작 주파수 및 대역폭을 수식으로 유도하고, 유전율 및 투자율이 인공자계도체의 대역폭에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.
인공자계도체의 유전율과 투자율이 다이폴의 S11에 미치는 영향을 분석하기 위해 유전율 투자율 값을 변화시키면서 다이폴 S11과 인공자계도체 반사계수 위상을 시뮬레이션하였고 이를 그림 7에 나타냈다.
자유공간의 다이폴, 도체위의 다이폴, 인공자계도체 위에 다이폴을 설계하고 그 특성을 비교 분석했다. 다이폴이 인공자계도체에 매우 근접해도 안테나로 잘 동작함을 확인했다.

데이터처리

따라서 넓은 대역폭을 가지기 위해서는 투자율은 높아야 하며, 유전율은 낮아야 한다. 이 결과를 검증하기 위해 다른 유전율과 투자율을 가지는 3가지 물질의 반사계수를 Matlab으로 시뮬레이션했으며 이를 그림 2에 나타냈다.

성능/효과

물질의 손실이 없는 경우 투자율이 높을수록 인공자계도체의 대역폭은 증가하며, 유전율이 높을수록 대역폭은 감소한다. 그리고 유전율과 투자율 곱이 커질수록 인공자계도체의 두께는 낮아짐을 확인했다. 물질의 손실이 존재하는 경우 매우 특이한 현상을 알아냈는데, 반사 계수 위상의 pole이 사라지며 위상 곡선이 평평하게 됨을 밝혀냈다.
자유공간의 다이폴, 도체위의 다이폴, 인공자계도체 위에 다이폴을 설계하고 그 특성을 비교 분석했다. 다이폴이 인공자계도체에 매우 근접해도 안테나로 잘 동작함을 확인했다. 다이폴의 동작 주파수와 인공자계도체 동작 주파수 관계를 규명하기 위해 인공자계도체의 유전율과 투자율을 변경하면서 시뮬레이션을 수행했다.
수식 (7)에서부터 유전율이 1000이고, 투자율이 1인 경우 대역폭은 4%이고, 유전율 과 투자율이 1000^1/2인 경우 대역폭은 100%이고, 유전 율이 1이고, 투자율이 1000인 경우 대역폭은 196%가 된다. 동일한 중심 주파수를 가지더라도 투자율이 높을 수록 인공자계도체의 대역폭이 커지는 것을 확인할 수 있다.
그리고 유전율과 투자율 곱이 커질수록 인공자계도체의 두께는 낮아짐을 확인했다. 물질의 손실이 존재하는 경우 매우 특이한 현상을 알아냈는데, 반사 계수 위상의 pole이 사라지며 위상 곡선이 평평하게 됨을 밝혀냈다. 투자율 손실이 클 경우 인공자계도체 반사계수의 위상 대역폭이 증가하며 진폭에는 영향을 미치지 않는 반면, 유전율 손실이 클 경우에는 반사계수의 크기가 줄어드는 것을 확인했다.
인공자계도체의 반사계수 위상이 약 90° 부근에서 안테나 동작하는 것을 확인했다. 안테나가 인공자계도체 위에 위치할 경우 투자율이 높을수록 안테나 동작 대역폭은 증가하는 것을 확인했다.
유전율 투자율 곱이 1, 10, 100, 1000으로 커질수록 두께의 전기적인 길이는 줄어드는 것을 볼 수 있고, 투자율이 클수록 인공자계도체 대역폭은 증가하는 것을 볼 수 있다. 투자율이 높은 물질을 쓸수록 두께는 줄이고 대 역폭은 증가시킬 수 있다.
다이폴의 동작 주파수와 인공자계도체 동작 주파수 관계를 규명하기 위해 인공자계도체의 유전율과 투자율을 변경하면서 시뮬레이션을 수행했다. 인공자계도체의 반사계수 위상이 약 90° 부근에서 안테나 동작하는 것을 확인했다. 안테나가 인공자계도체 위에 위치할 경우 투자율이 높을수록 안테나 동작 대역폭은 증가하는 것을 확인했다.
물질의 손실이 존재하는 경우 매우 특이한 현상을 알아냈는데, 반사 계수 위상의 pole이 사라지며 위상 곡선이 평평하게 됨을 밝혀냈다. 투자율 손실이 클 경우 인공자계도체 반사계수의 위상 대역폭이 증가하며 진폭에는 영향을 미치지 않는 반면, 유전율 손실이 클 경우에는 반사계수의 크기가 줄어드는 것을 확인했다.

후속연구

54GHz이다. 이는 인공자계도체의 유전율과 투자율을 변경하여 다이폴의 동작 주파수를 변경할 수 있음을 의미하며, 향후 평면형 reconfigurable 안테나로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
현 시점에서 넓은 주파수 대역에서 일정한 유전율 및 투자율을 가지는 물질은 실제에는 존재하지 않아 실제 응용으로 바로 적용하기에는 어려움이 있다. 하지만 본 논문에서 유도한 수식과 인공자계도체의 특성은 인공자계도체를 이해하는데 큰 도움이 되며 좁은 주파수 대역 에서 응용 사례는 다양할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 도체 반사 계수의 위상은?	이 물질은 자연계에 존재하지 않는 흥미로운 전자기적 특성을 가지는데, 이 특성 중 하나는 자계도체이다. 일반적인 도체는 표면에서 접선 전계가 존재하지 않고, 반사 계수의 위상이 180°이다. 다이폴 안테나를 도체 위에 근접시키면 도체에 안테나의 위상과 반대의 전류가 흘러 안테나의 성능이 저하된다.
	자계 도체란?	다이폴 안테나를 도체 위에 근접시키면 도체에 안테나의 위상과 반대의 전류가 흘러 안테나의 성능이 저하된다. 이에 반해 자계 도체는 표면에서 접선 자계가 존재하지 않고, 반사계수의 위상이 0° 인 도체를 의미한다. 다이폴 안테나를 자계도체 위에 근접시키면 도체에 안테나와 동일한 방향의 전류가 흘러 안테나의 성능 저하 없이 금속에 부착할 수 있게 된다.
	도체위에 물질의 손실이 없는 경우 유전율과 투자율의 관계는?	이 논문에서는 도체위에 물질의 유전율과 투자율 변화에 따른 인공자계도체 특성을 수식을 유도하여 분석하였다. 물질의 손실이 없는 경우 투자율이 높을수록 인공자계도체의 대역폭은 증가하며, 유전율이 높을수록 대역폭은 감소한다. 그리고 유전율과 투자율 곱이 커질수록 인공자계도체의 두께는 낮아짐을 확인했다. 물질의 손실이 존재하는 경우 매우 특이한 현상을 알아냈는데, 반사 계수 위상의 pole이 사라지며 위상 곡선이 평평하게 됨을 밝혀냈다.

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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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