KR100992865B1 - 투과형 전자파 굴절기 - Google Patents

투과형 전자파 굴절기 Download PDF

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Abstract

투과형 전자파 굴절기가 개시된다. 본 발명에 따른 투과형 전자파 굴절기는, 소정의 주파수 영역에 대하여 전자파 투과성을 갖도록 복수 개의 격자 셀들이 배열되고, 상기 격자 셀들은 배열된 위치에 따라 비균일한 패턴을 가지며, 상기 격자 셀들의 크기 또는 간격은 소정의 방향으로 구배를 갖는 도전층 및 상기 도전층의 일면에 형성되는 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면 격자 위치에 따른 투과계수 위상을 조절함으로써 투과파의 방향을 원하는 방향으로 진행시키거나 투과파의 동위상면을 원하는 형상 또는 방향을 가지도록 형성시키는 투과형 전자파 굴절기를 제공할 수 있다.
Frequency Selective Surface, FSS, Refractor, Metamaterials, Beam Formation

Description

투과형 전자파 굴절기{Transmission type electromagnetic refractor}
본 발명은 격자 셀이 배열된 구조를 가지는 투과형 전자파 굴절기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투과 계수의 위상값을 격자 위치에 따라 다르게 하여 투과파의 진행 방향을 조절할 수 있는 투과형 전자파 굴절기에 관한 것이다.
주파수 선택적 평면(Frequency Selective Surface)은 다양한 형태의 특정 모양의 격자 셀들을 주기적으로 배열함에 따라 주파수 선택적인 특성을 갖는 표면으로, 공간 상에 설치하여 대역 통과 혹은 대역 차단과 같은 공간 필터의 역할을 수행한다. 도 1은 종래의 주파수 선택적 평면의 예를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 임의 모양의 도체 혹은 개구면이 일정한 주기를 갖도록 배열되어 있다.
도 2는 종래의 주파수 선택적 평면의 구조의 일 예와 그에 따른 주파수 투과 특성을 나타낸다. 도시된 바와 같은 종래의 주파수 선택적 평면은 도체로 이루어지는 격자 셀들이 균일한 패턴으로 배열된 도전층과 상기 도전층의 일면에 형성되는 유전체층을 구비한다. 이러한 구조에 따른 주파수 특성은 도시된 바와 같이, 저주파는 투과시키며 고주파는 차단시키는 특성을 가지게 된다.
도 3은 종래의 주파수 선택적 평면의 구조의 다른 예와 그에 따른 주파수 투 과 특성을 나타낸다. 도시된 바와 같은 주파수 선택적 평면은 도체로 둘러싸인 개구면으로 이루어지는 격자 셀들이 균일한 패턴으로 배열되도록 형성된 도전층과 상기 도전층의 일면에 형성되는 유전체층을 구비한다. 이러한 구조에 따른 주파수 특성은 도시된 바와 같이, 고주파는 투과시키며 저주파는 차단시키는 특성을 가지게 된다.
상기된 바와 같이 종래의 주파수 선택적 평면은 모두 균일한 격자 셀 구조를 가지고 있으며, 현재까지 투과파의 방향이나 위상의 조절에 관하여는 개시되거나 연구된 바가 전무하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 격자 위치에 따른 투과계수 위상을 조절함으로써 투과파의 방향을 원하는 방향으로 진행시키거나 투과파의 동위상면을 원하는 형상 또는 방향을 가지도록 형성시키는 투과형 전자파 굴절기를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 투과형 전자파 굴절기는, 소정의 주파수 영역에 대하여 전자파 투과성을 갖도록 복수 개의 격자 셀들이 배열되고, 상기 격자 셀들은 배열된 위치에 따라 비균일한 패턴을 가지며, 상기 격자 셀들의 크기 또는 간격은 소정의 방향으로 구배를 갖는 도전층 및 상기 도전층의 일면에 형성되는 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 격자 셀들은 그 위치에 따라 투과 계수의 위상이 비균일하며, 상기 투과 계수의 위상은 상기 소정의 방향으로 구배를 갖는 것이 바람직하다.
이때, 상기 격자 셀 각각에 따른 투과 계수의 위상은 하기 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112008032451973-pat00001
여기에서, T는 투과 계수를 나타내고, ZFSS는 격자 셀의 표면 임피던스이며, Z0는 자유 공간에서의 전자파 임피던스이다.
또한, 상기 격자 셀들은 상기 도전층 상의 일 방향으로 갈수록 크기가 커지거나 또는 작아지도록 배열될 수 있다.
또한, 상기 격자 셀의 일 선분들은 상기 도전층 상의 일 방향으로 갈수록 크기가 커지거나 또는 작아지도록 배열될 수 있다,.
또한, 상기 격자 셀의 일 선분들은 상기 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 크기가 커지거나 또는 작아지도록 배열될 수 있다.
또한, 상기 격자 셀들은 상기 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 그 크기가 작아지거나 간격이 커지도록 배열될 수 있다.
또한, 상기 격자 셀들은 상기 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 그 크기가 커지거나 간격이 작아지도록 배열될 수 있다.
또한, 상기 격자 셀들 각각은 등방성을 가지는 도형의 형태이거나, 또는 이방성을 가지는 도형의 형태일 수 있다.
상술한 본 발명에 의하면, 격자 위치에 따른 투과계수 위상을 조절함으로써 투과파의 방향을 원하는 방향으로 진행시키거나 투과파의 동위상면을 원하는 형상 또는 방향을 가지도록 형성시키는 투과형 전자파 굴절기를 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 투과형 전자파 굴절기를 나타내는 구성도이다. 도 4에 도시된 투과형 전자파 굴절기(100)는 소정의 주파수 영역에 대하여 전자파 투과성을 갖도록 복수 개의 격자 셀들이 배열된 도전층(110)과, 도전층(110)의 일면에 형성되는 유전체층(120)을 구비한다.
본 실시예에서, 도전층(110)은 금속과 같은 도전성 재료로 이루어지며 예를 들어 구리 또는 금속 합금이 바람직하다. 그리고 도전층(110)을 이루는 격자 셀들은 배열된 위치에 따라 비균일한 패턴을 가지는데, 예를 들어 도시된 바와 같이 각 격자셀의 크기가 x축 방향으로 구배(gradient)를 가진다. 즉, 우측으로 갈수록 격자 셀의 크기가 커지며, 격자 셀의 간격이 좁도록 배치된다. 격자 셀의 크기는 수 mm에서 수십 mm일 수 있다.
한편 도 4와 달리 격자 셀의 크기는 동일하게 하면서 격자 셀 간의 간격을 다르게 하거나 격자 셀 간의 간격을 동일하게 하면서 격자 셀의 크기를 다르게 하는 것도 가능하다. 또한, 격자 셀의 일 선분의 길이 또는 일 방향으로의 간격을 다르게 하는 것도 가능하다.
도 4에서 단위 격자 셀의 모양은 정사각형으로 되어 있으나, 정삼각형 또는 정육각형 등 등방성을 가지는 다른 도형의 형태일 수 있다. 또한, 격자 셀의 모양은 이방성을 가지는 다른 도형의 형태일 수 있다. 예를 들어, H자 모양의 격자 셀로 이루어지고, 일 선분의 길이가 소정의 방향으로 구배를 가지도록 할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 실시예에 따른 단위 격자 셀의 등가 회로를 나타낸다. 도시된 단위 격자 셀의 임피던스 구조는 커패시턴스 성분(C1)과 인덕턴스 성분(L1)으로 나타낼 수 있다. 격자 셀의 임피던스 구조에서 커패시턴스 성분은 이격된 도전성 재료 간의 근접성으로 인해 발생하고, 인덕턴스 성분은 회로의 루프 구조로 인해 발생한다. 본 실시예에 따른 커패시턴스 성분(C1)과 인덕턴스 성분(L1)으로 인한 표면 임피던스 ZFSS는 다음 수학식과 같이 표현된다.
Figure 112008032451973-pat00002
또한, 투과 계수 T는 다음 수학식과 같이 표현된다.
Figure 112008032451973-pat00003
여기서 Z0는 자유 공간에서의 전자파 임피던스를 나타낸다.
이때, 상기 투과 계수 T의 위상 Arg(T)는 다음 수학식과 같이 표현되고, 상 기 투과 계수의 위상의 주파수 특성을 나타내면 도 6에 도시된 그래프와 같이 나타난다.
Figure 112008032451973-pat00004
도 6을 참조하면, 투과 계수의 위상은 주파수에 따라 달라지며, 특정 주파수(도 6에서 약 2.4GHz)에서는 0이 됨을 알 수 있다.
본 발명에서는, 격자 셀들이 배열된 위치에 따라 비균일한 패턴을 가짐으로 인하여, 위치에 따라 상기 커패시턴스 성분(C1)과 인덕턴스 성분(L1)이 달라지게 되므로, 표면 임피던스 ZFSS가 위치에 따라서 달라진다. 따라서 투과 계수의 위상 Arg(T) 역시 비균일하게 된다. 나아가, 격자 셀들의 크기 또는 간격이 소정의 방향으로 구배를 가짐으로써 투과 계수의 위상 역시 소정 방향으로 구배를 가지게 된다.
도 7은 도 4에 도시된 실시예에 따른 투과형 전자파 굴절기에서, 각 위치의 격자 셀에 대한 투과 계수의 위상의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다. 각 위치의 격자 셀의 인덱스는 도 4에 도시된 바와 같이 1 내지 13으로 정의되었으며, 격자 셀들 각각에 대한 투과 계수의 주파수 특성이 나타나 있다. 도 7을 참조하면, 격자 셀들 각각에 대한 투과 계수의 주파수 특성은 서로 다른 것을 알 수 있다. 이는 도전층 상의 위치에 따라 투과 계수의 위상 값을 서로 다르게 할 수 있음을 의미한다.
도 8은 도 7에 도시된 그래프에서 2.4GHz의 주파수에서의 투과 계수의 위상을 인덱스 별로 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 인덱스에 따라서(즉, 위치에 따라서) 투과 계수의 위상이 구배를 가짐을 알 수 있다. 다시 말하면, 도 4를 참조할 때, x축 상에서 우측 방향으로 진행해 감에 따라 음의 기울기로 나타는 구배를 가지게 된다.
도 9는 기존의 주파수 선택적 평면과 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조의 투과형 전자파 굴절기에서 전자파가 투과할 때의 전계 분포를 나타낸다. 도 9에서 좌측은 자유 공간에 위치한 기존의 주파수 선택적 평면에서 전자파 투과 현상이 일어날 때의 전계 분포로서, 입사파의 진행 방향과 투과파의 진행 방향이 동일함을 알 수 있다. 한편, 우측은 자유 공간에 위치한 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 전자파 굴절기에서 전자파 투과 현상이 일어날 때의 전계 분포로서 투과파의 방향이 굴절(refraction)되어 있음을 알 수 있다.
본 발명에서 도전층을 이루는 격자 셀들이 가지는 구배는 얻고자 하는 투과파의 동위상면의 형상에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
예를 들어, 입사파가 평면파일 때 투과파의 초점을 발생시키기 위해서는 격자 셀의 크기가 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 작아지도록 또는 격자 셀들 간의 간격이 중심에서 가장자리로 갈수록 커지도록 배열할 수 있다. 도 10은 이러한 경우의 투과형 전자파 굴절기의 실시예를 나타낸다.
또한, 입사파가 평면파일 때 투과파로서 구면파를 발생시키기 위해서는 격자 셀의 크기가 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 커지도록 또는 격자 셀들 간의 간격이 중심에서 가장자리로 갈수록 작아지도록 배열할 수 있다. 도 11은 이러한 경우의 투과형 전자파 굴절기의 실시예를 나타낸다.
상술한 본 발명에 의하면, 도전층을 이루는 격자 셀들을 배열된 위치에 따라 비균일한 패턴을 가지도록 하고, 격자 셀들의 크기 또는 간격을 소정의 방향으로 구배를 가지도록 함으로써, 투과파의 방향을 스티어링(steering)할 수 있다. 나아가, 격자 셀이 가지는 구배의 방향을 적절하게 변형함으로써, 원하는 형태의 투과파를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 투과형 전자파 굴절기는 전자파의 진행 방향을 변경시키는 데 이용될 수 있다. 또한, 전자파를 포커싱(focusing)하거나, 디포커싱(defocusing)하는 데 이용될 수 있는데, 이 경우 평면 형상을 가지면서 전자파에 대한 콘벡스(convex) 렌즈 또는 콘케이브(concave) 렌즈로서 역할을 수행할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래의 주파수 선택적 평면의 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 주파수 선택적 평면의 구조의 일 예와 그에 따른 주파수 투과 특성을 나타낸다.
도 3은 종래의 주파수 선택적 평면의 구조의 다른 예와 그에 따른 주파수 투과 특성을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 투과형 전자파 굴절기를 나타내는 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 실시예에 따른 단위 격자 셀의 등가 회로를 나타낸다.
도 6은 단위 격자 셀에 대한 투과 계수의 위상의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 각 위치의 격자 셀에 대한 투과 계수의 위상의 주파수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 7에 도시된 그래프에서 특정 주파수에서의 투과 계수의 위상을 인덱스 별로 나타낸 그래프이다.
도 9는 기존의 주파수 선택적 평면과 본 발명의 일 실시예에 따른 비균일 격자 구조의 투과형 전자파 굴절기에서 전자파가 투과할 때의 전계 분포를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 투과형 전자파 굴절기를 나타내는 구성도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비균일 격자 구조를 가지는 투과 형 전자파 굴절기를 나타내는 구성도이다.

Claims (10)

  1. 소정의 주파수 영역에 대하여 전자파 투과성을 갖도록 복수 개의 격자 셀들이 배열되고, 상기 격자 셀들은 배열된 위치에 따라 비균일한 패턴을 가지며, 상기 격자 셀들의 크기 또는 간격은 투과파의 방향이 스티어링되도록 소정의 방향으로 구배를 갖는 도전층; 및
    상기 도전층의 일면에 형성되는 유전체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 셀들은 그 위치에 따라 투과 계수의 위상이 비균일하며, 상기 투과 계수의 위상은 상기 소정의 방향으로 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 격자 셀 각각에 따른 투과 계수의 위상은 수학식
    Figure 112010042126864-pat00017
    (여기에서, T는 투과 계수를 나타내고, ZFSS는 격자 셀의 표면 임피던스이며, Z0는 자유 공간에서의 전자파 임피던스임)으로 표현되는 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 셀들은 상기 도전층 상의 일 방향으로 갈수록 크기가 커지거나 또는 작아지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 셀의 일 선분들은 상기 도전층 상의 일 방향으로 갈수록 크기가 커지거나 또는 작아지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 셀의 일 선분들은 상기 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 크기가 커지거나 또는 작아지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 셀들은 상기 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 그 크기가 작아지거나 간격이 커지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 셀들은 상기 도전층의 중심에서 가장자리로 갈수록 그 크기가 커 지거나 간격이 작아지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 셀들 각각은 등방성을 가지는 도형의 형태인 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 셀들 각각은 이방성을 가지는 도형의 형태인 것을 특징으로 하는 투과형 전자파 굴절기.
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